河川の流量には季節変動があり、農家の消費エネルギーにも日較差があります。そこをどうするか？ 本文をお読みください。
「水圧ラム」原理によって、わずかな落差の水流の力を用いて、それ以上に高いところの貯水池へ、川水を揚水してしまえる機構が解説されているところは、現代でも注目に値するだろうと思いました。
原題を控え忘れました。
例によって、プロジェクト・グーテンベルグさまに御礼もうしあげます。
図版は省略しました。
以下、本篇です。（ノー・チェックです）
*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「農場と田舎の家のための水力」の開始 ***
ニューヨーク
州水道委員会
ヘンリー・H・パーソンズ 社長。
マイロ・M・アッカー
チャールズ・デイビス
ジョン・A・スレイチャー
ロバート・H・フラー
委員
デビッド・R・クーパー
エンジニア秘書。
ウォルター・マカロー
コンサルティングエンジニア。
ニューヨーク州アルバニーのライオンブロック
[1ページ目]
農場と田舎の家
のための水力
デビッド・R・クーパー
ニューヨーク州水道委員会技師長
第2版
州水道委員会のために
JB LYON COMPANY、州立印刷業者
ALBANY によって印刷されました[2ページ目]
[3ページ]
農場と田舎の家のための水力
デビッド・R・クーパー
水供給委員会は、州の水力に関する総合的な調査において、これまで、大規模開発の可能性と、河川や大小川の流量調整にのみ関心を向けてきました。小規模な小川や渓流とその水力発電の可能性については、これまで総合的な調査は行われてきませんでした。これは、これらの小川や渓流が重要視されていないからではなく、州が河川流量調整や水力発電の開発・保全に積極的に取り組むと決定するならば、まずは大規模な事業に限定し、小規模な事業については後の検討や民間および個々の開発に委ねるべきであると委員会が考えているためです。しかしながら、規模の大小を問わず、また場所を問わず、無駄の防止を考慮しない限り、いかなる包括的な保全システムも普遍的な支持を得ることはできません。
したがって、委員会は、州内各地の何千もの小川や渓流で現在無駄になっている貴重な電力について注意を喚起したいと考えています。これらの小川の多くは、比較的低コストで所有者のあらゆる需要を満たすのに十分な小規模な電力開発の可能性を秘めています。州内の多くの農場には、すべての建物に電灯を供給するのに十分な電力を供給できる小川や渓流があります。また、飼料粉砕機、撹拌機、クリーム分離機、あるいは木材のこぎり、ミシン、その他少量の電力を必要とする機械や器具を動かすのに十分な電力を供給できる小川もあります。つまり、現在、納屋や牧草地の棚から流れ落ちている小川は数多くあり、その無駄になっているエネルギーは容易に変換・活用できる可能性があります。 [4ページ]小規模で安価な水力発電所の設置により、水力発電を有用な仕事に転用できる。より多くの水力発電所の電力が開発され、人力労働に代替されれば、時間とエネルギーを大幅に節約でき、経済的な利益も得られるだろう。
水力発電真空搾乳機の現代的応用
発電所の設置費用さえ支払えば、小規模水力発電のコストは取るに足らないもので、人的管理も少なく、資材や修理費もわずかです。しかし、ある川の水力は驚くほど低コストで開発できる一方で、他の川ではコストが法外に高くなることもあります。この点に関して、おそらく十分に認識されていない事実の一つは、滝の力は比較的永続的であり、その利用可能速度が限られているだけであるということです。川の水量は乾燥した夏と秋には縮小するかもしれませんが、春には確実に再び増加し、水源が絶えず更新されるため、毎年このプロセスが続きます。しかし、1910年に開発できたはずなのに開発されなかった水力は、1911年以降も回収することはできません。川の流れの不均衡によって無駄になっている水力の多くは、貯水による節水によって節約できますが、これには多額の費用がかかる場合があり、したがって、一般的に、小規模な川の水力を最大限に活用するには、 [5ページ]川の流れをそのまま利用したり、せいぜい安価なダムで一時的に貯水した後で利用したりする。
「光る」電気ラジエーター
水供給委員会は、この驚くべき天然資源の有用性と価値をより深く認識し、農民や農村住民がその保全と活用の機会を活用できるよう、州民に小規模水力発電の可能性について指摘する必要があると考えています。電力の有用性全般、特に小規模水力発電に関するいくつかの事実、現在実際に稼働している典型的な小規模水力発電の開発状況、そしてそのような発電方法の開発と応用に関する簡潔な説明は、この問題に最も関心を持つ人々の注目を集めるのに十分であり、この比較的新しい分野における考察の少なくとも出発点となり、このエネルギー源のより一般的な利用を促進し、結果として現在石炭、木材、その他の枯渇性エネルギー源から得ている多くのエネルギーを節約するのに十分であると信じています。したがって、現代農場における多種多様な動力利用法、現在行われている開発方法、そして小規模水力発電の開発に関する考察を以下に記します。これらは、生計または娯楽として農業を選んだ方々にとって、特に特定の河川の動力開発の是非を検討する上で、興味深く役立つものとなることを願って提示するものです。これらの議論と説明は、発電所建設のための実用的なハンドブックとなることを意図したものではなく、他の事例を示し、小規模水力発電の開発を決定する際に考慮すべきいくつかの基本原則を提示することにより、可能性について賢明な検討を行うための道筋を示すことを目的としています。
[6ページ]
農場での電力利用
若者の大多数が人口密集地へ生計を立てる今日において、十分な数の有能で満足のいく農業従事者を確保することが不可能であることは、おそらく、手作業に代わる機械が近代的な農家にとって決定的な利点となる最も説得力のある理由であろう。それらを農場の恒久的な設備の一部として導入することで、所有者は、農業に伴ういくつかの問題から比較的解放されるであろう。 [7ページ]農業労働力の需給は不安定であり、その解決は、農産物を市場に出す農家の成否を左右する重要な要素となっている。こうした状況に加えて、農家はより良い暮らしを送り、農場生活の質を高め、農業を単なる土地の産物からの生計の糧を得ることではなく、楽しい生活手段としようとする、賞賛すべき傾向も見られる。こうした状況に加え、電気によって照明の質が大幅に向上し、利便性も向上したことから、大規模な農場や農地で照明と電力の両方を供給する、信頼性が高く、かつ比較的経済的なエネルギー源への需要が高まっている。
1トンの干し草を持ち上げるためのモーター、水力発電
電気トースター
電気の光が灯油ランプよりもはるかにクリーンで便利であることは、もちろん誰もが認めるところでしょう。しかし同時に、ある程度の照明力を持つ灯油ランプには、ある種の熱を発する性質があり、暑い夏の夜には不快な存在となることも認めざるを得ません。しかし、単なる金銭面の考察となると、照明源としての灯油は電気よりも安価であるという見方が広く浸透しているようです。こうした主張はしばしば反論されることなく受け入れられ、多くの人が調査する手間もかけずにこの見解を受け入れています。
特定のフィラメントと特定のカンデラの電球がどれだけの電流を消費するかを正確に知っているので、2種類の照明のコストを比較するのは比較的簡単です。このような比較では、多くの場合、より安価な照明として電気を選ぶことになります。多くの場合、灯油ランプの代わりに電気を選択しても、大幅な節約にはなりませんが、 [8ページ]電気照明は、かなりの不便さを解消し、はるかに明るい照明を提供します。コストを重視するならば、電気照明は必ずしも有利とは言えません。見落とされがちな重要な点として、電気照明では、リビングルームの内装を灯油照明ほど頻繁に張り替えたり、仕上げ直したりする必要がないことが挙げられます。
モーター駆動ミシン
しかし、電気の利便性とクリーンさは広く知られ、高く評価されていますが、電流を経済的に生成する手段、そしてこの形態のエネルギーを適用して、農場や田舎の家に独立した発電所を設置するだけの十分な収益（金銭的およびその他の利益）をもたらす手段は、あまり一般的には理解されていません。
電流は、ダイナモ、つまり発電機によって、あらゆる種類の発電設備から生成できます。ダイナモが電流を生成するために必要なのは、何らかの電力を、機械の電機子、つまり「内部コア」を十分な速度で均一に回転させる方法と量で供給することだけです。独立した設備であれば、この作業を十分にこなせる様々な種類の発電機があります。ここ数年、定置用として蓄電池を補助として備えた小型内燃機関は、大幅な改良と簡素化が図られ、初期費用と動作信頼性において、よりよく知られているタイプの発電装置に匹敵するようになりました。この種のエンジンと蓄電池の極めて単純な構造、そしてこれらのエンジンの優れた燃費、燃料価格の低さは、 [9ページ]エネルギーを貯蔵し、必要な時に必要な量の電流として供給する装置としてのバッテリーの効率性により、低い運用コストが実現します。内燃機関用燃料として免税アルコールが登場し、このクラスの燃料の需要が高まっていることから、この燃料はやがて灯油やガソリンの強力な競合相手となることが予想されます。現在、この種のエンジンで最も一般的に使用されている燃料はガソリンであり、小型ガスエンジンは多くの企業によって製造されています。
蒸気動力は、あらゆる動力源の中で最もよく理解されていると言えるでしょう。多くの場合、特に燃料が非常に安価な場合、農家にとって最適な動力源となります。蒸気発電所は、ガソリン、灯油、アルコールなどの燃料工場と同様に、運転中に人員の監視を必要とし、多かれ少なかれ燃料の補給も必要です。風力発電もまた、少量の電力を必要とする農家にとって検討に値するエネルギー源です。
ニューヨーク州の農家にとって、おそらく最も有望な電力源は、落水を利用した発電でしょう。この種の発電所は、運転中に比較的手間がかからず、小川のせせらぎから自然が供給してくれる燃料以外の燃料の補給も必要ありません。こうした発電方法の多くは未開発であるだけでなく、過去に開発され、様々な理由で最近になって使われなくなったものも数多くあります。周囲の丘陵地帯が伐採された際に、多くの古い製材所が廃墟となりました。少額の投資で、こうした古い発電方法の多くを復活させ、何らかの有用な用途に活用することが可能です。このような水力発電所は、電力供給を受ける所有者やグループにとって、一人当たりの初期費用が非常に少なく、運用コストもほとんどかからないため、容易に設置できます。
しかし、特定の目的に最適な動力源の選択は多くの点で重要であり、発電所の満足度を確保するには、何が必要で、どのような条件で電力を供給する必要があるかを慎重に検討することが不可欠であることを心に留めておく必要があります。小型水車メーカーは、水力発電所の見積もりを喜んで提出しますし、蒸気機関やガソリンエンジンメーカーも、購入希望者から提供されたデータに基づいて、あらゆる情報を喜んで提供してくれます。[10ページ]
モーター駆動アイスクリームフリーザー
農場における電力の実用的用途の範囲は非常に広い。おそらく電灯が最もよく思い浮かぶ用途であるが、大規模農場や田舎の土地において最大の利益が得られるのは、電流または電力を省力化装置の稼働に応用することである。飼料粉砕機、根切り機、飼料カッター、送風機、砥石、丸鋸、トウモロコシ脱穀機、ドリルプレス、サイレージカッターおよびエレベーター、馬用バリカン、搾乳機、穀物選別機、脱穀機、クリームセパレーター、撹拌機、掃除機、アイスクリームフリーザー、生地ミキサー 、飼料ミキサー、鶏孵化器など、電力で稼働する数多くの機械や器具は、省力化装置が普及した現代において入手可能である。これらの多くを稼働させるのに必要な電力はわずかである。特定の機械を1台か2台稼働させるのに十分な容量の設備があれば、その電力を他の多くの用途に活用できる場合が多い。小さな勢力が行う作業量は、実際に行われている作業に関する次の簡潔な説明から判断できます。
モーター駆動式クリームセパレーター
モーターのサイズが小さいことに注意してください
6 馬力で穀物分離機を駆動し、10 時間で 2,500 ブッシェルのオート麦を脱穀します。
3 馬力あれば、1 日で 6,000 ポンドの牛乳からチーズを作るのに必要な電力をすべて供給できます。
6 馬力の飼料工場では、1 時間あたり 20 ブッシェルのトウモロコシを粉砕することができます。
5 馬力の機械では、1 時間あたり 25 ～ 40 ブッシェルの飼料、または 10 ～ 12 ブッシェルのトウモロコシを粉砕します。[11ページ]
7 馬力で 18 インチの分離機、バーミル、トウモロコシおよび穂軸粉砕機、トウモロコシ殻剥き機を駆動し、1 時間あたり 12 ～ 15 ブッシェルの飼料と 5 ～ 8 ブッシェルの良質な粉を粉砕します。
6 馬力の大型リンゴおろし機で、1 時間あたり 200 ～ 250 ブッシェルのリンゴをすり潰し、圧搾します。
5 馬力の出力で 30 インチの丸鋸を動かし、10 時間で堅いオーク材から 50 ～ 75 コーデの薪を製材します。
電気アイロン
6 馬力の鋸なら、4 人の人間が束にして積み上げられる木材をすべて切ることができます。
12 馬力の 50 インチ丸鋸を動かすと、1 日で 4,000 フィートのオーク材、または 5,000 フィートのポプラ材を切断できます。
10 馬力で 16 インチの貯蔵庫カッターと送風機が稼働し、貯蔵庫を 30 フィートの高さのサイロに毎時 7 トンの速度で送り込みます。
1 馬力で、普通の深さの井戸から、普通の農家やすべての建物に通常の用途での水を供給するのに十分な量の水を汲み上げることができます。
特定の状況において必要な発電所の規模を決定する際には、最も多くの電力を必要とする用途を考慮する必要があります。そうすれば、より小さな需要にも十分な電力が確保されます。水力発電を検討する際には、水力発電の理論上の全量を実現することは不可能であり、水車の摩擦や発電機、送電線、モーターなどの損失によって一定量が消費されることも念頭に置く必要があります。どの程度の電力を供給できるかという問題については、後ほど議論します。
以下は、現在この州で使用されているいくつかの典型的な水力開発の説明です。
[12ページ]
オナイダ郡における農業用水力開発
電気ホットプレート
ニューヨーク州オナイダ郡オリスカニー・フォールズ村の郊外に、E・バーデット・マイナー氏が所有する約100エーカーの農場があります。この地域はかつて、州内有数のホップ栽培地域でした。マイナー氏は50年間ホップ栽培に携わり、昨シーズンは7エーカーの土地で1万ポンドのホップを栽培しました。近年は、混合農業と酪農を営み、20頭から25頭の乳牛を飼育しています。
水力発電が導入される前、農家の面倒な仕事の中でも特に少なかったのは、灯油ランプやランタンへの毎日の燃料補給と清掃でした。木材の製材、乳製品室のクリーム分離機と撹拌機の操作もすべて手作業でした。5人の息子たちは、日々の仕事を迅速にこなすために少なからず貢献しました。しかし、息子たちは社会に出て、それぞれ独自の活動や興味を持つようになりました。農場に残ったのは長男だけでした。もう一人の息子は電気工学を学び、三男は機械工学の道を選び、四男は土木技師になり、五男は商売に就きました。
電気コーヒーパーコレーター
少年たちは、外の世界や、特に機械工学の分野での科学と発明の偉大な近代的成果に触れた後、ごく自然に、家庭での日々の労働の負担を軽減できる方法を考案しようと知恵を絞った。
農場にはオリスカニー川が流れ、砂利の川床で幅20～30フィートの水路を波打つように流れている。少年たちは父親に「この川を利用して、仕事の一部をやらせてみたらどうだい？」と言った。農場では川の水位が急峻ではなかったが、少年たちは ダムを建設して少なくとも一部の水位を集中させようと提案した。その主な目的は、 [13ページ]家屋や農場の建物に電気を供給し、木を切ったり、その他の面倒な農作業を省いたりできるだけの十分な電力を開発することです。
マイナー氏の父は当初乗り気ではありませんでしたが、水力開発のための測量と計画を立てていた少年たちに説得され、1905年10月、3人の少年と2人の日雇い労働者の協力を得て、小川にダムを建設し始めました。これは並大抵の建造物ではありませんでした。小川は普段は穏やかでしたが、マイナー氏も良く知っていたように、毎年春になると決壊し、農場を奔流のように流れ込む習性がありました。そこでダムは、通常の流量時には水位をある程度まで上げつつも、ダム建設前よりも洪水位が著しく上昇しないよう設計されました。そのため、洪水時にはダムの一部を下げて増水した小川を自由に通過できるように設計されました。
EB マイナーのダム、ニューヨーク州オリスカニーフォールズ
左がメインダム、右が洪水吐き
ダム建設予定地の川底は、固く詰まった砂利でできており、そこに木材を敷設することは賢明ではないと考えられていた。 [14ページ]このような基礎の上に、深さ約 2 フィート、幅約 1 フィートの溝が小川の川床を横切って掘られ、コンクリートで満たされ、その溝に重い木材がしっかりとボルトで固定され、上部構造の上流側の土台が形成されました。下流側は重い木材の土台で支えられ、その端部はダムの両端のコンクリート壁または橋台に埋め込まれ、中央部分は 6 フィート間隔で配置された支柱で支えられ、その支柱は川床に配置された大きなコンクリート ブロックの上に載っていました。この下流側の土台は上流側の土台よりも約 2 フィート半高くなっていました。上流側の土台から 12 フィート下流に伸び、下流側の土台の下のコンクリート基礎で支えられた二重の板の水平な床は、水が落ちるエプロンを形成しました。これにより、ダムの下での逆洗が防止されます。 2つの土台に二重の厚板が固定され、ダムの水側斜面が形成されました。この厚板の上端、つまりダムの頂上には、高さ1フィート、ダムの全長36フィートに渡って設置されたフラッシュボードが設置されています。フラッシュボードは6つのセクションに分かれており、各セクションはそれぞれ6フィートの長さです。 [15ページ]下端はダムの頂上まで伸び、上端は板張りの中間あたりにある鋳鉄製の突起にチェーンが固定され、倒れないようにしている。チェーンは、ダムの一端にあるキャプスタンまたはスピンドルにロッドとチェーンで接続されたピンによってこれらの突起に保持されており、スピンドルを回すとピンが次々に引き出され、フラッシュボードが 1 枚ずつ下ろされるようになっている。この仕組みの目的は、洪水が増水しているときに、キャプスタンを重いレバークランクで回転させ、チェーンを巻き取ってフラッシュボードを 1 枚ずつ引き下げ、洪水が通過するスペースを広げてダムの上流の水位が高くなりすぎないようにするというものである。この計画により、マイナー氏の発電所が何度も流されるのを防いだ。
オリスカニー・クリークのファーム・パワー・ハウス
左背景にダム、右手前に放水路
ダムの傾斜面は水圧を直接受け、それを土台に伝え、土台はそれをコンクリート基礎に伝えます。ダムの上流面を傾斜させる理由は、水圧が常に、それが押し付けられる表面に対して垂直、つまり法線方向にかかるためです。したがって、ダム面が傾斜していると、垂直面の場合のように外側に圧力がかかるのではなく、下向きに圧力がかかります。その結果、ダムの転倒しにくくなり、安定性が向上します。このタイプのダムでは、ダムに向かってまたはダムを越えて上昇する水位が高くなるほど、水圧の線は垂直に近くなり、ダムは転倒する傾向がなく、基礎にしっかりと固定されます。したがって、ダム面が平らであるほど、安定性が増すことになります。マイナー氏のダムは、水位を約 4 フィート上昇させました。
しかし、洪水対策は講じていたものの、マイナー氏は洪水のたびにダムの水を下げなければならない事態を避けたいと考え、恒久的な余水吐を別に設けた。これは、ダムの片端を挟む単純なコンクリート製の障壁、つまり壁である。計画上は、ダム本体に対して斜めに建設され、自然堤防の側面に沿って下流に延びる。余水吐の天端は主ダムより数インチ高く建設されたため、通常の流量時には余剰水はすべて主ダムを越えて流れるが、小川の水位が主ダムより数インチ高くなると、この追加の余水吐を越えて水が流れ始める。この追加の余水吐は約 40 フィートの長さがあり、その上を流れる水の深さはわずか数インチであるにもかかわらず、かなりの流量を排出することになる。[16ページ]
この放水路は、下流端がコンクリート橋台によって補強されています。この橋台は、放水路の頂部より上方に延びる単純な重いコンクリートブロックで構成されています。同様の橋台が上流端の両側に設けられ、主ダムの片端の橋台も兼ねています。主ダムのもう一方の端は、クリークの対岸に設置され、洗掘から保護されており、同様のコンクリート橋台によって補強されています。
小さな発電所は川の主水路から離れた場所に設置することが望ましいと考えられ 、洪水吐きの下流端から約60フィートの長さの土手が築かれました。この土手、つまり堤防は湾曲しており、背後の水を低い場所を経由して主水路から安全な距離まで流します。この土手の後ろでは、水が底まで凍るのを防ぎ、発電所へのスムーズな進入路を確保するために、十分な深さの水路を確保するために、ある程度の掘削を行う必要がありました。このように主水路から水を片側に流すことで、水車の正常な作動を妨げるゴミや泥の堆積を防ぎます。こうしてできた水たまりは「貯水池」と呼ばれ、非常に静かな水面です。そこを流れる水の速度は非常に遅いため、ゴミはあまり流れません。
取水池の下流端では、導水堤防は急峻な堤防に近づいています。この地点にマイナー氏は小さな発電所を建設しました。発電所の下には水車室があり、これは箱のような区画から成り、片側が取水池に面して開いています。この開口部は、葉やその他のゴミが水車に入らないように目の粗い網で覆われていますが、水は容易に通過します。水車室には、タービンと呼ばれるタイプの水車が設置されています。水車は垂直の軸、つまり車軸の上で回転します。軸は、水車を囲み、箱のような区画の底に置かれた金属製のケース内のベアリングによって案内されます。水車室は底が開いており、水車を通過した水が自由に排出されます。タービンの構造は、風圧が風車を回転させるのと同じように、湾曲した羽根にかかる水圧が水車を回転させるようになっています。水は水車室と水車ピットの底の開口部から自由に排出される必要があり、そのために「放水路」と呼ばれる水路が掘削され、水を小川へと戻した。自然条件は良好であった。 [17ページ]発電所から約30メートル下流で本流に合流する放水路は、ほとんど問題なく建設されました。放水路が小川に合流する地点の標高は発電所より60センチ低いため、小川から放水路に水が逆流する傾向はほとんどありません。増水時にはある程度の逆流が発生しますが、その際には取水池の水位が上昇するため、逆流はある程度相殺されます。
EBマイナーの発電所の内部
タービンの垂直シャフトは発電所の一端近くの床から約 2 フィート上まで伸びており、そこでボール ベアリングで支えられており、ほとんど摩擦なく回転します。
発電所の反対側の端には、平面図で12フィート×16フィート、軒までの高さが7フィートあり、12.5キロワット（約17馬力）の発電機（ダイナモ）が設置されていた。この機械は毎分約1100回転で稼働する。水車は約6フィートの圧力を受けているため、これほど高速回転することはない。そのため、発電機の軸を水車の軸に直接接続することは不可能で、異なるサイズの滑車を用いて2つの軸をベルトで連結し、回転数を上げる必要があった。 [18ページ]直径76インチの大きな木製の滑車が水車の軸の端に鍵で留められていました。直径約8インチのはるかに小さな滑車が発電機の駆動軸に取り付けられていました。革ベルトがこの2つを連結しており、水車の軸が垂直で発電機の軸が水平であるため、ベルトを中間の滑車、つまり「アイドラー」に通す必要があります。このアイドラーは、その軸が水平と垂直の両方に対して斜めに設定されているため、ベルトが水平から垂直に移行するのは徐々に行われます。発電機軸の駆動滑車は水車の軸の滑車よりもはるかに小さいため、水車の軸が1回転するたびに発電機軸は約9回転します。
この装置が発電する電力量は、流量に大きく依存します。この地点のオリスカニー川の支流域は約14平方マイル（約38平方キロメートル）で、タービンを最大出力で駆動するために必要な流量は毎分約2,900立方フィート（約11,000立方フィート）です。この流量は年間を通して供給可能ですが、最も乾季には供給できず、その時期の流量は毎分約600立方フィート（約1,800立方フィート）まで減少する可能性があります。水車の効率はおそらく約80%で、つまり、落下する水の理論的なエネルギーの約80%を発電することになります。残りのエネルギーは、水車入口のホイールボックス内での摩擦と、水車から出た後に残る水の速度によって失われます。水車軸で発電される電力の5%はベルトの摩擦によって失われるため、定格負荷時には、理論的な水力の約76%が発電機の軸に供給されることになります。
マイナー氏は、生産される電力の全て、あるいは一部を必要としない時もあることを認識していました。同時に、ダムによって形成された池は、相当量の水を貯めるには十分な大きさではなく、必要な電力はいつでも確保できていたため、電力を蓄えるための蓄電池を設置する必要はないと考えました。一方で、補助的な調整装置を備えない限り、頻繁に水の供給と停止を繰り返す必要もありませんでした。そのため、発電所は連続運転が可能なように設計されることになりました。 [19ページ]そして、使用していないときに電流を消費する手段を考案しました。発電所のフレームに一連の抵抗コイルが設置され、発電機に接続されました。電流需要が発電機の容量を下回ると、小型電気装置が自動的にこれらのコイルの1つまたは複数を回路に投入し、余剰電流はコイルの抵抗によって熱に変換されます。この仕組みにより、発電所は連続的に稼働させる計画でした。そのため、必要なときにはいつでも、家屋や納屋のスイッチを入れるだけで電流を得ることができます。
ダムとこれまでに説明したすべての設備を含む発電所は、建設が開始された年のクリスマス前に完成し、稼働しました。
ここまで、マイナー氏が水力発電をどのように開発し、電力に変換したかを見てきました。次は、彼がどのようにしてその電力を自宅や農場の建物に運び、そしてそこでどのように活用しているかを見ていきましょう。
発電所は家から約1700フィート離れた場所にあり、電流が最も必要な場所でした。そのため、送電線を敷設する必要がありました。この目的のため、高さ約6メートル、間隔約30メートルの電柱に、裸のアルミ線を2本張りました。電柱の上部には通常の腕木が取り付けられており、そこに電線を支える絶縁体が取り付けられています。送電線は発電所から出て高速道路を横断し、家まで完全に一直線に伸びています。高速道路上では安全対策として絶縁電線が使用されましたが、それ以外の場所では、より安価な裸アルミ線が使用されました。
建物はすべて密集しており、送電線からの分岐が各建物に引き込まれ、そこで電力が使用されています。建物内や木材に近い箇所にある電線はすべて絶縁材で覆われており、さらに目立たない箇所では、ねじれた金属管に収納されてさらに保護されています。
この水力発電の最初の実際の利用は照明でした。家屋は電灯で照らされ、納屋やその他の建物も同様に電灯で照らされ、最終的には16カンデラのランプが約70個使用されました。豚小屋にも電灯が灯り、マイナー農場の建物の周りでは暗闇の中を手探りで歩く必要はなくなりました。[20ページ]
EB Miner’s Machine Shopの旋盤
しかし、小川の水力は電灯を動かすのに必要な量をはるかに超えていた。そこで、モーターにベルトで接続した丸鋸が使用され、薪の供給は以前の何分の一かの時間で可能になった。同じモーターは、炭鉱夫たちが建設し、設備を整えた機械工場の旋盤 とドリルの駆動にも使われている。このモーターはカウンターシャフトにベルトで接続されており、そこから他の工作機械を駆動することができる。炭鉱夫たちの一人は、この機械工場を楽しみと利益の融合した手段として発展させた。彼は、かなりの量の実験的な機械加工に加え、農場のあらゆる修理と近隣のニット工場のかなりの量の機械加工、そして一般的な作業や自動車の修理も行っており、これらすべてが小川の利用によって可能になった。
もう一つの2馬力モーターは電流で駆動され、真空ポンプにベルトで接続されています。真空ポンプは、家屋と納屋に通じる1インチのパイプに接続されています。家には各階に1つずつ、掃除機のホースを接続できる蛇口が2つあり、あとはオリスカニー・クリークが掃除してくれます。床は最新の衛生的で徹底した方法で掃除されます。納屋では、 [21ページ]真空ポンプは牛の支柱の上に設置され、交互に支柱に蛇口が設置されています。搾乳機のチューブが接続されており、小川は1日に2回、20頭から25頭の牛を搾乳します。
EBマイナーの機械工場でのドリル
背景の電気モーターが
天井近くのカウンターシャフトにベルトで固定されていることに注目してください
乳製品室には0.5馬力のモーターがあり、クリームセパレーターまたはチャーンにベルトで接続されることもあります。夏の暑い日には、アイスクリームフリーザーにベルトで接続されることも少なくありません。クリームセパレーターには巧妙なフロート機構が備わっており、クリームが牛乳から完全に分離されると電源が切れ、透明な水が入った缶がセパレーターの重い回転ボウルに落ちます。ボウルはまだ十分な運動量を維持しているため、完全にすすいでから停止します。
同じように、動力の他の用途も時折登場し、マイナー農場のハンドクランクのほとんどは、次々とスクラップの山に追いやられました。砥石でさえ、酪農場の小さなモーターからドアを通って隣接する区画まで伸びる長くて狭いベルトによって動かされています。
マイナー邸宅には5台の電気ヒーターがあり、マイナー氏によると気温が0度のときでも75度まで温度が上がるという。 [22ページ]屋外で作業する。これらのヒーターが設置されて以来、木工用のこぎりはほとんど使われていない。家の中には扇風機もいくつかあり、暑い日にはそよ風を巻き起こす。屋根裏の電気換気扇が常に良好な換気を確保している。台所では、鉱夫たちが電気コンロと、普通の電灯ソケットにコードで接続した電気アイロンを使って、5人から10人家族分の料理を作っている。小型モーターで泡立て器とクリームホイッパーを動かし、別の小型モーターでミシンを動かしている。
EB マイナーズ・デイリールーム
背景には真空搾乳機があり、
手前にはクリームセパレーターと撹拌機を駆動する小型モーターがある。
乳製品室の小さなモーターは単動式プランジャーポンプも駆動し、屋根裏にある亜鉛メッキ鋼製のタンクに水を送り上げます。そこから配管が引き込まれ、重力によって浴室とキッチンに供給されます。キッチンの電気ヒーターは、浴室とキッチンの水を温めます。
電気調理器具、EB鉱夫の家
小川の尽きることのない水力は、サイロへの給水など、様々な用途に利用されており、発電所は実質的にメンテナンスを必要としません。水車と発電機に自動給油装置を取り付け、余分な電力を抵抗コイルで消費することで、メンテナンスの手間を省いています。 [23ページ]数週間ごとにオイルカップにオイルを補充してください。運転にはほとんど問題がなく、唯一の中断は取水池にアンカーアイス（氷）が形成されたことで、極寒の日に少し問題が発生することです。水車は昼夜を問わず、夏冬を問わず常時稼働しており、ボタンまたはスイッチを押すだけでいつでも照明や電流を利用できます。
マイナー氏は発電所の建設費用について具体的な数字を明かさなかった。彼のモットーは「いかに安いかではなく、いかに良いか」のようで、水力発電所を放棄するには数倍の費用がかかると述べている。技術者たちは、ダム、発電所、水車、発電機、送電線を含む発電所の再建費用を約1800ドルと見積もっている。
サマーホーム発電所、
ノースウェストベイ、
レイクジョージ
ジョージ湖畔の魅力的な夏の別荘の一つに、ブルックリンのスティーブン・ロインズ氏の別荘があります。ボルトン・ランディングから約4マイル上流、ノースウェスト湾の上流に位置しています。彼の敷地内には、ウィング・ポンドとして知られる面積約1.5平方キロメートルの小さな湖がありました。 [24ページ]7エーカーの敷地で、ジョージ湖から標高約55メートルの地点に位置しています。出口は小さな小川で、ロインズ氏の土地を通り、ノースウェスト湾に流れ込んでいます。
1902年の夏、ロインズ氏はウィング池の出口にダムを築き、水面を約60センチ高くしました。ダムから亜鉛メッキ鋼管を丘の斜面を下り、小川に沿って敷設しました。管径は最初は10センチ、その後7.6センチ、そして最後に5センチと細くなり、全長は約350メートル、落差は約34メートルでした。このパイプラインが繋がる小型発電所には、直径60センチの衝動型水車が設置されていました。この水車は約3馬力を発生し、発電機とベルトで接続されていました。
ウィングポンドの出口にあるダム
当時の電力はロインズ氏の需要を満たすには不十分であることが判明した。彼は、16カンデラのカーボンフィラメントランプ35個を点灯し、電気ロケット用の40セルバッテリーを充電したいと考えていた。
そこで1908年の秋、ロインズ氏はダムを2フィート高く持ち上げ、直径6インチの螺旋状のリベット留め鋼管をダムから地表の溝を伝い、約1600フィートにわたって、小川がジョージ湖に流れ込む地点から少し離れた地点まで敷設しました。この地点に彼は小さな発電所を建設し、直径24インチの衝動型水車を設置しました。この水車は [25ページ]165フィートの落差で稼働し、シャフトを介して6.5キロワットの発電機に直結されています。発電機は毎分500回転で稼働しています。この発電機は、60セルの住宅用バッテリー（ランプ45個）、35フィートのキャビンランチ用の84セルバッテリー、20フィートのオープンランチ用の48セルバッテリー、そして電動ロードスター用の40セルバッテリーに電力を供給しており、これらはすべて毎年6月1日から11月1日頃までほぼ継続的に稼働しています。
送電線、
ノースウェストベイ、レイクジョージ
この新しい開発が古い開発に取って代わり、ロインズ氏の田舎の土地の必要に十分であることがわかったので、古い開発は、冬の間、管理人の小屋と他の建物に供給する薪を製材するために使用できるように改修されました。古い発電所の壁にカウンターシャフトが建てられました。この建物は、平面図で7フィート×10フィート、高さ約8フィートです。このカウンターシャフトには3つのカウンタープーリーがあり、これによって水車の速度を2倍または3倍にすることができます。薪を製材するために、カウンターシャフトのプーリーの1つに革ベルトが取り付けられ、発電所の側面の小さな開口部から、発電所の建物の一方の端にある小さなポーチに設置されている丸鋸の駆動プーリーまで通されます。
ロインズ氏の監督官は、のこぎりを操作することで [26ページ]8時間連続で作業すれば、12コーデの木材を挽くことができ、それは彼の小屋と、冬の間に木材を必要とするその他の建物に供給するのに十分な量だと彼は見積もった。これは、小さな力で短時間にどれほどの作業量をこなせるかをよく示している。
新しい発電所で発電した電力で家や建物を照らすだけでなく、ロインズ氏は夏の別荘でかなり変わった電力の使い方をしています。彼は天文学に熱心に取り組んでおり、コテージの上の丘の中腹に小さいながらも精巧な設備の整った天文台を建てました。この天文台は、屋根を建物から完全に取り外して天文台の裏側の支柱に載せられる構造になっています。屋根には車輪が付いており、ロインズ氏は望遠鏡で天体観測をしたい時に、電力を使って屋根を動かします。これは、毎分1275回転の小型1.5馬力モーターによって実現されています。このモーターはベルトでカウンターシャフトに接続され、さらにウォームギアとチェーンドライブで屋根を支えている台車に接続されています。このようにして、天文台の建物内にあるスイッチを入れるだけで、屋根を2、3分で必要な距離だけ動かすことができます。
スティーブン・ロインズのパワーハウス、
ノースウェストベイ、レイクジョージ
左は4インチの水道管、右は
送電線接続部
[27ページ]ロインズ氏の新しい発電所は石積み建築で、積み石は整列していない砕石で、非常に芸術的で魅力的な造りとなっています。建物の平面図は9.5フィート×15.5フィート、軒までの高さは約9フィートです。基礎はコンクリート製で、床は一級コンクリートです。約3フィート×5フィートのコンクリート基礎が、水力モーターと発電機の恒久的な支持を提供します。この基礎は、コンクリートの床面から6インチ突き出ています。基礎の一方の端には水車が立っており、水力モーターの下のコンクリート土台には、水車を通過後の水を排出するための約8インチ×18インチの開口部が設けられています。水車への給水管は、床面から約1フィートの高さで建物の側面から入ります。建物のすぐ内側で、管の直径は約2.5インチに狭まり、水の供給と停止を切り替えるためのゲートバルブが取り付けられています。水車のノズルには調整装置が備えられており、ノズルから噴出するジェットの量を調整することで、様々な速度や水車の最大効率を確保することができます。所望の速度を得るための設定は、操作者による実験によって決定されます。
スコハリー郡における農業電力開発
ニューヨーク州スコハリー郡ローヤーズビルにあるジャレッド・ヴァン・ワゲネン・ジュニア氏の農家への私道入口には、2本の大きな石造りの門柱が立っています。片方の柱の頂石には「農業は最古の職業」、もう片方には「農業は最も偉大な科学」と刻まれています。後者の理念に基づき、ヴァン・ワゲネン氏は州内で最も科学的かつ進歩的な農学者の一人とみなされるような方法で農業を営んできました。彼は農業協会などの活動に積極的に関心を持ち、農業科学の権威とみなされています。彼の農場と建物には、最新の設備と省力化装置が備わっています。
農場を通り抜け、コブルスキル川に流れ込む小川があります。この小川はとても小さいので、簡単に渡ることができます。 [28ページ]夏の間、農家から半マイルほどのところに、1エーカー以上の広さを持つ池となっている古い製材所のダムがあります。このダムは、州のこの地域に小さな製材所が点在していた昔に建設されました。木材はほぼ全て伐採され、この製材所も他の何百もの製材所と同様に、長い間放置されていました。ヴァン・ワゲネン氏は、この製材所の無駄なエネルギーを利用し、農作業の一部を任せるというアイデアを思いつきました。彼がどのようにしてこれを実現したのかは、彼自身の言葉で語られるのが分かりやすいでしょう。
8年ほど前、この電力を家まで送って少し働かせる方法を考え始めました。最初はベルトケーブルで送ろうと思いましたが、計算してみると摩擦で5馬力も消費されてしまうことが分かりました。損失が少なく簡単に送電できる電力が唯一の解決策でした。電気とその技術的特徴に詳しい多くの人に相談しましたが、ほとんどの人はこんな小さな設備のアイデアに鼻で笑っていました。もし私が100万ドル規模の発電所を建設しようとしたら、膨大な量のアドバイスが山ほどあったでしょう。しかし、完全に自力で稼働し、700フィートの電線で制御される小さな発電所は、明らかに斬新でした。十分な調査と試行錯誤を経て、計画が立てられ、工事が始まりました。
川幅が狭いため、水の節約を徹底する必要がありました。そこで、15フィートの落差を最大限に活用できる直立型の木製ケースに、直径9インチの直立型タービンを設置しました。ケースは自分で作り、15フィートの落差を最大限に活用できるようにしました。約5馬力のこのタービンを、3キロワット（4馬力）、125ボルトの直流発電機に接続しました。この発電機は、金属フィラメント白熱電球75個を楽々と点灯できます。次に、安定した電力供給を確保するために水車調速機を設置しました。農場で伐採した木製の柱に、約7400フィートの耐候性銅線を張り、自宅、農場の建物、そして隣家まで電力を供給しました。家から発電所までは半マイル以上離れているため、毎晩毎朝、機械の始動と停止のために発電所まで行くのは不可能です。もちろん、雨期には昼夜を問わず発電所を稼働させることは可能ですが、乾期には、電力を必要としないときに水を節約するのが最善です。近所に住む [29ページ]発電所から約700フィート離れた寝室の窓に張られたワイヤーで、機械の始動と停止を親切にしてくださる方がいらっしゃいます。このワイヤーはバルブとカウンターウェイトを制御します。朝5時にワイヤーを引くと明かりがつき、夜中の特定の時間にワイヤーを放すと消えます。このサービスのお礼として、私は彼の家と納屋に無料で明かりを灯しています。
メンテナンス費用はごくわずかで、ほとんど無視できるほどです。水車は年々調子が良くなっていると思います。発電機のカーボンブラシは長持ちしますし、オイルもごく少量です。毎年、設備を改良しており、近いうちに電動洗濯機と絞り器を設置して、アイロンをかける前に衣類を絞って、掃除機も設置する予定です。
発電所の建設費用は約500ドルと見積もっていますが、あらゆる面で極めて厳格な経済体制の下で、主に私自身の手で設置しました。ダムは既に建設済みで、わずかな修理だけで済みました。水門の制御装置は私自身が手掛けたもので、費用はわずかですが、正常に動作させるには相当な研究が必要でした。家の配線のほとんどは私が担当しました。居間には隠しノブとチューブを使用し、その他の部屋と納屋にはモールディングと露出配線を使用しました。この材料費は約40ドルです。もちろん、作業はすべて不定期に行われたため、私自身の労働費は一切含まれていません。
すでに建設されたダムを使用したこの小規模な発電開発には、ヴァン・ワゲネン氏が約 500 ドルを費やしました。費用は次のとおりです。
ダイナモ、3kW（中古） 50ドル
水車、4馬力（裸輪） 55
知事（新任） 75
ワイヤー（7400フィート） 210
労働（水車の設置） 40
照明器具（ランプなど） 38
小型モーター1個、2馬力（新品） 50
合計 518ドル
この発電所は、農家とすべての建物、そして水道の開閉を行う隣家の照明に十分な電力を供給しています。酪農場では、電流によって作動する約3馬力の小型電動モーターがクリーム搾乳機を駆動しています。 [30ページ]分離機に加え、砥石、飼料カッター、干し草フォーク、扇風機を動かす電力も供給しています。さらに、この電力は牛の搾乳やサイレージの切り分け、その他敷地内の様々な作業にも使われています。ヴァン・ワゲネン氏は、この水力発電は年間を通して雇われ労働者と同等の働きをしており、敷地内の多くの雑用や重労働から解放されていると述べています。
ヴァン・ワゲネン氏が考案した、水車の給水と止水を行う仕組みはユニークで興味深い。幅約 2 フィート、高さ 7 フィートの三角形のフレーム レバーが下部の角に蝶番で取り付けられている。下部のもう一方の角は、水車の給水管に取り付けられたスライド ゲートに接続されている。上部には 2 本のワイヤーが固定されており、1 本はヴァン・ワゲネン氏の親切な隣人の家まで伸び、もう 1 本は滑車上を伸びてカウンターウェイトが取り付けられている。水を出すときは、隣人がワイヤーを引くと、フレームのてこの原理でゲートが上がる。水を止めるときは、ワイヤーを放すとカウンターウェイトがレバーを引き戻し、ゲートを元の位置に戻す。
電動モーター駆動の洗濯機
その他の小規模発電開発
ニューヨーク州デラウェア郡デリーから約5マイルの農場を所有するジョン・T・マクドナルド氏は、10年ほど前から農場内の小川から発電した電力を有効に活用し始めました。彼は小さな発電所で家や建物に明かりを灯し、のこぎりやグラインダー、その他様々な機械を動かしています。 [31ページ]マクドナルド氏は、雨の日や冬には店を開けるつもりはないが、ダムは近くの畑から集めた石と土で造られており、費用はごくわずかだった。ダムは池になり、満水時には約4.5エーカーの土地を覆う。池にはマスや他の魚がたくさんおり、マクドナルド氏は毎年冬に約500トンの氷を切り出す。マクドナルド氏は自宅の電気スイッチでダムの水流をひねり、同様の方法で電圧を調節する。池から水は長さ約900フィートの水路を通って、水車が設置されている農場の建物の一つに導かれる。この地点の落差は約15フィートで、タービン型の水車が3基ある。1基は25馬力、もう1基は6馬力、3基目は約3馬力を発生する。大きな水車は製材所と飼料工場を動かすのに使われている。 6馬力の車輪は発電機（ダイナモ）を駆動し、電灯や敷地内の小型モーターを動かす電力を供給します。3馬力の車輪は、マクドナルド氏の店にある小型のこぎりや工作機械などを動かします。
ショーハリー郡にあるヴァン・ワゲネン氏の農場から東に数マイルのところに、フランク・カスパー氏が所有するもう一つの小規模発電所があります。彼は小さな小川に二つの水車を設置し、その電力でテーブルと家具を製作する工場の機械を動かしています。さらに、タービン式の小型水車も設置し、小型発電機で電灯用の電力を発電しています。カスパー氏はこの小型発電機で発電した電力で、工場の建物、自宅、近隣の教会、そして村のメインストリートを照らしています。カスパー氏自身が発明した独創的な装置により、小さな水道管のバルブを操作するワイヤーを引くだけで、自宅からの電力供給を開始・停止することが可能です。このバルブは、圧力のかかった水が油圧シリンダーに送り込まれます。シリンダーのピストンが上昇すると、このピストンは水道管の入口にあるゲートに直接接続されており、水が水車に流れ込みます。発電所を停止したい場合は、もう一方のワイヤーを引くと逆の動作が起こり、電力が遮断されます。[32ページ]
ニューヨーク州デラウェア郡ジョン・T・マクドナルドの農業電力開発
[33ページ]ニューヨーク州レンセリア郡東部のベルリン村の近くに、アーサー・コーウィー氏が所有する小規模な発電所がある。同氏の動力源は、農場を流れるマスのいる小川である。コーウィー氏は、観賞用グラジオラスの球根を大規模に生産している。同氏の主要発電所は、約 210 フィートの落差による圧力を受ける 36 インチの衝動水車で構成され、主に製材所に接続された丸鋸やその他の機械を動かすために使用されている。水は、水車が設置されている場所からかなり離れた小川の自然水路から転用され、丘の斜面を迂回する幅約 4 フィート、深さ 3 フィートの人工水路に運ばれ、コーウィー氏が適当な場所に掘削した浅い盆地に流れ込んでいる。この人工池、つまり貯水池によって、小川の水流は夜間にほぼ全量を貯め、日中に水車を動かすことができます。こうして、小川の持つ力を最大限に活用することができます。池から丘の斜面を下り、水車まで約1680フィート（約500メートル）の長さの直径10インチ（約10インチ）の鋳鉄製のパイプラインが通っています。このパイプラインは、冬の凍結を防ぐため、地中3～4フィート（約90～120メートル）の深さまで埋設されています。カウィー氏は、導水ダムと水路、池、パイプライン、水車、丸鋸、その他の設備を含めた開発に、総額約7,000ドル（約70万円）かかったと見積もっています。彼は、この電力で1日に約4,000フィート（約1200メートル）の木材を製材できると述べています。
この開発に加えて、コーウィー氏は電球室に小型の衝動水車も設置しています。この水車は地元の水道会社から供給される水で動いています。小型発電機に直接接続されており、電球室全体に設置された16カンデラのカーボンフィラメントランプ157個に十分な電力を供給します。この発電機は、これらのランプすべてを同時に点灯させるのに十分な電流を発生することはできませんが、45～50個のランプを同時に点灯させることができ、これは必要な電力量です。
ニューヨーク州エセックス郡ワダムズのDFペイン氏は、リンカーン池の出口にダムを建設しています。池が満水状態になると、水面は通常より約12フィート（約3.6メートル）高くなり、広大な低湿地帯に広がります。こうして形成された池は、長さ約3マイル（約4.8キロメートル）、幅は1/4マイル（約1.2キロメートル）から3/4マイル（約2.4キロメートル）です。水はダムから水圧管まで約1.5マイル（約1.5キロメートル）を導水し、320フィート（約90メートル）の落差を確保しています。この時点で、ペイン氏は [34ページ]彼は発電所を建設し、そこで発電した電力をマインビルの鉱山での使用のために送電しました。この電力は約8マイル（約13キロメートル）の距離を送電されました。
ニューヨーク州チャジー、シャンプレーン湖の西岸近く、プラッツバーグ市の北約15マイルの地点に、近代的な畜産・酪農農場があります。この農場の操業は、電灯や農場の様々な電力需要に水力発電を利用することで得られる多様な利点を体現しています。WHマイナー氏が所有するこの農場は「ハーツ・ディライト」と呼ばれ、5160エーカーの面積を誇ります。そのうち約1200エーカーは耕作地、1200エーカーは牧草地、残りは森林です。生産物は家畜と乳製品で、農場で栽培された作物はすべて家畜の飼料として使用され、完成品のみが出荷されています。畜産には、登録済みのペルシュロン種とベルギー種の馬、純血種の短角種ダーラム牛とガーンジー牛、ドーセット種の羊、そしてソーセージ、ハム、ベーコンの原料となる高級豚が含まれます。また、家禽類やヒヨコ類、そしてマスの養殖のための養殖場も併設しています。生産された全量は、ニューヨーク、ワシントン、シカゴの高級ホテルに直接供給されています。
パワーハウス、「ハーツ・ディライト」ファーム
農場の南側には2つの小川が流れており、小さい方はトレイシー・ブルック、大きい方はチャジー川と呼ばれています。 [35ページ]農場に照明と動力用の電力を供給することが決定されました。これらの小川には、安価で安定したエネルギー源を供給するのに十分な水力があることが分かりました。これを受けて数年前に水力発電所が設置され、その効果は絶大で、設備は時折増強され、斬新な用途も生まれています。トレーシー小川には3つの小さなコンクリートダムが建設され、貯水池を形成しています。直径44インチ、長さ670フィートのコンクリート水圧管が下流の貯水池からコンクリート製の発電所へと水を運び、そこで19フィートの落差を確保しています。
交流送電線、
「ハーツ・ディライト」農場
発電所設備は、自動制御式の水車2基で構成され、それぞれ30キロワットと12.5キロワットの220ボルト直流発電機1基に直接接続されています。電力は1.25マイル（約1.2キロメートル）の電柱線を経由して、農場の主要建物群にある中央発電所に送られます。
電気調理器具
チャジー川にはもう一つダムが建設されました。こちらはコンクリート製で、ダムに設置された取水ゲートハウスのスクリーンを通過した後、水は幅48インチ、長さ60インチのコンクリート水圧管を通って流れます。 [36ページ]高さ180センチ、長さ180メートルの送電線が発電所まで伸びており、そこから30フィートの落差が得られます。ここには2基のタービンがあり、交流発電機にベルト接続されています。電力は長さ約4.8キロメートルの電柱線を通って中央発電所まで送られます。
水力発電開発の補助設備として、2 基の水圧ラムが設置されており、トレーシー川貯水池の 1 つから地上 100 フィートの高さにある 60,000 ガロンのタンクに水を汲み上げ、建物の防火に役立てています。
各建物には合計約25台のモーターが設置されています。これらのモーターは電流によって駆動され、様々な機械や省力化装置の駆動や操作に利用されています。
モーター駆動真空ポンプ
搾乳機や掃除機用
10馬力のモーターで荷馬車から干し草を全部持ち上げ、草刈り機に収納します。根切り機は天井に設置された2馬力のモーターで作動します。1.5馬力のモーターで真空ポンプを駆動し、搾乳機を動かします。5台の搾乳機が使用され、それぞれが2頭の牛から同時に搾乳します。1.5馬力のモーターでクリームセパレーターを、3馬力のモーターで大型撹拌機を駆動します。さらに、モーターで水ポンプと [37ページ]製氷工場の塩水循環ポンプ。農機具の一部である電気モーター駆動の製粉機、そして4馬力のモーターで駆動されるソーセージチョッピングマシンとミキサー。羊の根菜は1.5馬力と2馬力のモーターで駆動する機械で刈られ、魚の餌は2馬力のモーターで駆動する粉砕機で調理されます。木工機械と工作機械は大工や機械工場でモーターで駆動されます。すでに述べた用途に加えて、電力は水の汲み上げ、羊の毛刈り、馬の毛刈り、衣類の洗濯・乾燥・アイロンがけ、家の暖房、料理、アイスクリームの冷凍、夏の家の冷房、女性のヘアスタイリング、ピアノの演奏にも使用されています。
「ハーツ・ディライト」と呼ばれるこの農業用動力設備は、通常の規模の農場で必要とされる設備よりもはるかに大規模ですが、この設備は、非常に大規模な農産物農場において、どれほどの電力を活用できるかを示すものです。多くの場合、農家のコミュニティがこのような水力発電を開発し、その電力を分配することで、相互の利益と利益を得ることができます。
小規模水力発電の開発
水力発電の第一条件は、落水または流水の存在です。得られる動力の量は、第一に流量、第二に落差によって異なります。理論上の1馬力を得るには、毎秒約1立方フィートの水が10フィートの高さから流れ落ちる必要があります。落差は、滝の一点に自然に集中させることも、開発を目的として複数の滝や一連の急流を組み合わせることで人工的に集中させることもできます。これは、2つの方法のいずれかで実現できます。第一に、急流の下流端にダムを建設して水を貯め、全落差をダムに集中させる方法です。第二に、急流の上流端にダムを建設し、閉管を通して水を急流の下流端に導きます。この場合、結果として得られる水圧は最初の場合と全く同じになります。後者の方法のバリエーションとして、急流の源流にある自然水路から水を迂回し、丘の斜面に沿って緩やかな下り勾配の運河を建設して適切な地点まで運び、そこで水圧管路に転換して斜面を直下させ、川に流すという方法があります。この方法では運河を建設する必要があるため、冬季には氷が積もり、大きな問題が発生するという問題があります。最も一般的な方法は、上記の最初の2つの方法です。[38ページ]
ニューヨーク州ウォーレン郡インディアンクリークのカスケード
未開発の水力発電の典型例
[39ページ]ニューヨーク州では、大小を問わず、河川を流れる水量は著しく変動します。実際の測定によって、河川が受ける極端な変動を非常に注意深く継続的に観察した者だけが、このことを十分に理解できるでしょう。ニューヨーク州の主要河川の中には、流量の変動が著しく、洪水期の流量は極度の渇水期の流量の数百倍にも達するものもあります。また、多くの場合、年間の河川流量の半分から4分の3は、春の数週間に発生します。この時期には、積雪や氷が溶け、暖かい春の雨とともに流出します。残念ながら、ニューヨーク州の小河川の流量変動に関する信頼できるデータは非常に乏しいです。しかしながら、記録が残っている小河川は、大河川よりも支流流域面積当たりの流量変動が大きいことは事実です。したがって、非常に小さな小川や渓流は、比較的小規模な河川で記録されている変動よりも比較的大きな変動を受けると想定するのが理にかなっているように思われます。河川の発電開発を計画する者は、この事実を念頭に置く必要があります。この事実を見落とせば、プロジェクトの成功は保証されないからです。ほとんどの場合、年間を通してほぼ同量の電力が必要ですが、前述のように、河川の水のほとんどは春に枯渇します。したがって、特定の河川の発電開発において、年間を通してほぼ一定の電力が求められる場合（通常はそうである場合）、見落とさないようにしなければならない2つの考慮事項があります。[40ページ]
まず、川の最小流量、つまり乾燥した年の最も乾燥した季節に発生する流量は、必要な電力を供給するのに十分でしょうか?
第二に、最小流量が十分でない場合、雨季から乾季まで余剰水を貯蔵する手段は何ですか?
貯水池を利用して年間を通じて川の流れを均等化するという問題は、委員会の報告書の中で十分に議論されているため、これに関してさらに議論する必要はないと思われる。
ニューヨーク州全体の平均を見ると、大河川は最も乾期には、支流域1平方マイルあたり毎秒0.20立方フィートから0.4立方フィートの水を生産すると期待できます。流域面積が1～2平方マイルしかない河川は、乾期にはしばしば完全に干上がります。乾期に電力を相当犠牲にしても大きな損失にならないような発電開発が計画されている場合、ほとんどの小河川は1平方マイルあたり毎秒0.4立方フィートから0.5立方フィートの水を供給できる開発が可能です。一方、乾期に頼ったり、時折追加の電力を供給したりするために、ガソリンや灯油などの小型の補助発電所を設置することがしばしば実用的であることが分かっており、その場合、水力発電開発は河川の最小流量に限定される必要はありません。
落水の力は、実用上いくつかの方法で応用できます。水流の力を利用して水を汲み上げたい場合、最も簡単な方法の一つは、いわゆる水圧ラムを使用することです。これは、水柱の流れが突然停止することによる衝撃の原理を利用して作動する装置です。この装置、つまりエンジンを使うと、ごくわずかな高さから落下する水を利用して、同じ水の一部、あるいは比較的少量の他の水を、供給水量よりもかなり高い高さまで汲み上げることができます。水圧ラムの機械効率は、特定の条件下では比較的高いものの、一般的には非常に低く、メーカーが実現できると主張する有効仕事率は38%から80%の範囲です。ラムが効果的に水を汲み上げる最小落差は約2フィートです。この落差で、供給水の約13分の1を20フィートの高さまで汲み上げることができます。最も好ましい条件と十分な落差があれば、ラムは最大120フィートまで水を汲み上げることができます。水の割合は [41ページ]揚水量は供給量全体の20分の1から7分の2まで変化し、それに応じてラムの推進弁で無駄になる水の割合は7分の5から20分の19まで変化します。これらの割合はどちらも供給量と揚水量の比率に依存します。つまり、少量をかなりの高さまで揚水することも、その逆も可能です。家庭用給水に適した水質の小川がある場合、小川が家屋よりも低い位置にある場合でも、通常の家庭用に必要なすべての水を家庭に供給するのに十分な量の供給量を揚水する水圧ラムを設置することが完全に実行可能である場合がよくあります。水圧ラムは揚水目的にのみ適用されるため、広い意味では水力開発の手段とは見なされていませんが、一般的には水力開発の手段とは見なされていません。
一方、電力は通常、給水のための水位上昇だけでなく、その他多岐にわたる多様な用途に使用されます。このような場合、電力は開発現場付近の機械を動かすために利用したり、ある程度の距離まで送電してそこで機械を動かしたり、照明や暖房に利用したりできるように開発する必要があります。このように水力を開発するには、何らかの水車が必要です。
水車にはいくつかの種類があり、主なものは「下掛け式」、「上掛け式」、「ブレストホイール」、「タービン」、「インパルス」として知られています。上掛け式水車は、たいていの読者には非常に馴染みのある種類で、通常は自家製です。通常は木製の水車で構成され、その周囲には一定の間隔で水室が設けられています。水は、水車の中心から少し離れた上部から水車に送り込まれます。水は上部の水室に流れ込み、支持軸の片側に加わる重さによって水車が回転し、水室、つまり水たまりが底に達すると水が溢れ出します。この種類の水車の動力は、水車を回転させる水の重さに完全に依存しています。
アンダーショットホイールはオーバーショットホイールと構造が非常によく似ている。 [42ページ]このタイプは水車ですが、その動力は水車の下側にあるブレードまたはバケツに当たる流水の速度により大きく左右されます。
水車のタービンタイプ
ホイールケースのファントムビュー
ブレストホイールも構造は似ていますが、実際にはオーバーショット型やアンダーショット型の改良版です。ブレストホイールの動力は、重力の作用と、ブレード（バケツ）に当たる水の衝撃の組み合わせによって得られます。水は車軸の高さより少し下からホイールに送り込まれ、通常はかなりの速度で流れ込みます。その一部はホイールによって有効な仕事に変換されます。
タービンは、広く使用されている水車の一種です。通常は金属製で、主に一連の湾曲した羽根（ランナー）で構成され、その配置はねじに似ています。これらの湾曲した羽根を流れる水の作用により、羽根と軸が回転します。羽根は、水平または垂直の軸にしっかりと接続されています。
衝動水車の基本的な動作原理は、絞り込まれたオリフィスから噴出する水流の速度によって衝動を有用な仕事に変換することです。これは通常、ダムやその他の供給源から水を送ることで実現されます。 [43ページ]比較的大きなサイズのパイプに水車を入れ、水車の直前のパイプのサイズを、開口部のサイズを調節できるノズルが取り付けられた縮小部によって徐々に比較的小さなサイズに縮小します。流水の流れがこのように縮小されることで、圧力がかかった水が噴き出し、水は非常に高速のジェットとなって噴出します。ノズルから噴出したジェットは、軸を中心にした金属ディスクの円周上に一定の間隔で配置されたインパルスホイールのカップに衝突します。カップはジェットの速度を水車に伝え、水はほとんど速度を残さずにカップから滴り落ちます。
衝撃型水車
水の噴流がカップに当たる様子。図に描かれている車輪は
非常に強力ですが、小さな車輪の原理も同じです。
一般的に、タービン型水車は低い落差（または落差）と比較的大量の水の使用に最も適しており、インパルス型水車は比較的高い落差（または落差）と比較的少量の水の使用に最適です。各タイプの水車メーカーは、自社の水車が最適であると主張する中間的な条件があり、そのような場合には、どのタイプの水車が最適であるかを判断するために、常に現地の条件を調査する必要があります。[44ページ]
あらゆる種類の水車による水力発電は、落下する水のエネルギーを機械的動力に変換し、多かれ少なかれ高速で回転する軸に作用させます。この回転軸の力を何らかの有用な目的に応用するためには、いくつかの方法があります。軸は、電流を発生させる発電機（ダイナモ）の軸に直接接続することも、駆動したい機械（ダイナモ）に直接接続することもできます。ただし、その機械（ダイナモ）が水車の軸と同じ速度で動作することが求められる場合に限られます。しかし、実際にはそうではない場合が多いため、通常は水車の軸に滑車が取り付けられ、この滑車はベルトを介して駆動対象の機械の別の滑車に接続されます。
モーター駆動マングル
水車の軸と駆動される機械の軸に異なる直径の滑車を使用することで、機械の速度を水車の速度より数倍速くしたり遅くしたりすることができます。たとえば、水車が毎分 200 回転し、ベルトで接続された機械を毎分 1000 回転の速度で動作させたい場合、比較的小さいサイズの滑車、たとえば直径 4 インチを駆動される軸に取り付け、直径の 5 倍、つまり 20 インチの滑車を水車の軸に取り付けます。これにより、機械の軸は水車の 5 倍の速度で回転します。水車の速度が、動作させる機械に必要な速度よりも速い場合は、逆の操作が行われ、水車の軸に小さい滑車を、駆動される機械の軸に大きな滑車を取り付けます。水車の速度を約6倍以上に増幅する場合、通常、非常に大きな滑車と非常に小さな滑車の使用を避けるために、カウンターシャフトと別の一連の滑車を設置する必要があります。直径が非常に小さい滑車は、かなりの動力損失なしには満足のいく動作をしません。また、非常に大きな滑車は、必要なスペースの点で問題があります。[45ページ]
水力は開発されると、開発地の近くでも、あるいはかなり離れた場所でも実用化できます。照明用ではなく電力のみに利用し、開発地で利用できる場合は、電力に変換する必要はありません。しかし、照明用、あるいは水力発電地からかなり離れた場所で電力を供給する場合は、電力を電力に変換する必要があります。電力は、ある場所から別の場所へ最も便利に送電できます。そのためには、水車で駆動する発電機（ダイナモ）と、電流を使用場所まで運ぶ送電線（できれば銅線またはアルミニウム線）が必要です。送電線の末端、つまり電力を使用する場所で電流を電力に再変換するには、電流を電動モーターに流す必要があります。電動モーターの軸は、電流の作用によって回転します。このモーターは、駆動する機械に直接、あるいはベルト、ギア、チェーン駆動で接続することができます。
水力から電流への変換、つまり電線を通じた電流の伝送、それを電力への再変換、そしてこの電力をモーターから動力機械へ伝達する各段階で、エネルギー損失が発生することを念頭に置く必要があります。これらの損失は、状況によって大きく異なります。例えば、理論上の出力が10馬力の水力で、遠く離れた動力機械を駆動する必要があると仮定すると、効率と損失はおおよそ以下のようになります。
水車、 効率 80%、 損失 20%、 生成する 8.0 馬力。
接続、 「 95%、 「 5%、 転送 7.6 「
ダイナモ、 「 90%、 「 10％、 生成する 6.8 「
伝染 ; 感染、 「 90%、 「 10％、 送信する 6.2 「
モーター、 「 90%、 「 10％、 開発する 5.5 「
接続、 「 95%、 「 5%、 配信 5.0 「
したがって、駆動対象となる機械に実際に供給されるのはわずか5馬力です。これは、駆動対象となる機械の有効仕事として実際に実現される、落水理論上の力のわずか半分に過ぎません。水車の動力を発電せずに直接利用すれば、はるかに高い効率が実現できます。
了承
州水道委員会と筆者を代表して、このパンフレットの作成に関連して情報やイラストを提供していただいた以下の方々に深く感謝の意を表します。
E. バーデット・マイナー氏、ニューヨーク州オリスカニー・フォールズ
RKマイナー氏（ニューヨーク州リトルフォールズ）
ジャレッド・ヴァン・ワゲネン・ジュニア氏、ニューヨーク州ロウヤーズビル
ジョン・T・マクドナルド氏、デリー、ニューヨーク州
エドワード・R・テイラー氏、ペン・ヤン、ニューヨーク州
ジョン・リストン氏、ゼネラル・エレクトリック社、ニューヨーク州スケネクタディ
RE ストリックランド氏、ゼネラル・エレクトリック社、ニューヨーク州スケネクタディ
スティーブン・ロインズ氏、ニューヨーク州ブルックリン
ジョージ・E・ダナム氏、ニューヨーク州ユティカ
ペルトン水車会社、ニューヨークおよびサンフランシスコ。
ジェームズ・レフェル・アンド・カンパニー、オハイオ州スプリングフィールド。
クーパー博士。
アルバニー、1911年1月25日。
出版物
州水道委員会
ニューヨーク州
レポート
第1回年次報告書 1906年2月1日発行。
公共水道供給計画の承認申請に関する委員会の年次報告書が含まれています。また、ニューヨーク州の公共水道供給と下水処理の統計の概要も含まれています。
版が尽きました。
第2回年次報告書 1907年2月1日発行。
委員会の年次報告書と公共水道供給計画の承認申請に関する決定が含まれています。また、第 1 回年次報告書で公開された統計を補足する、ニューヨーク州の公共水道供給と下水処理の要約統計、さらに公衆衛生と安全のための河川改良に関する報告書も含まれています。
版が尽きました。
第3回年次報告書 1908年2月1日発行。
委員会の年次報告書と公共水供給計画の承認申請に関する決定、公衆衛生と安全のための河川改良に関する報告書が含まれます。また、1907 年法律第 569 章に基づいて行われた水力および貯水調査に関する委員会の最初の進捗報告書も含まれており、サカンダガ川とジェネシー川の研究の詳細も含まれています。
版が尽きました。
水力発電開発の進捗状況報告書 1908年3月1日発行。
これは、水力および貯水調査に関する委員会の第 3 回年次報告書の一部の改訂版であり、発行日までの工学研究の結果を示しています。
第4回年次報告書 1909年2月1日発行。
委員会の年次報告書と公共水供給計画の承認申請に関する決定、公衆衛生と安全のための河川改良に関する報告書が含まれます。また、ラケット川とデラウェア川の研究の特別な詳細とアッパーハドソン川とジェネシー川に関する補足研究、さらに州内の水力発電開発の国勢調査を含む、水力発電と貯水調査に関する委員会の第 2 回進捗報告書も含まれています。
第5回年次報告書 1910年2月1日発行。
委員会の年次報告書と公共水道供給計画の承認申請に関する決定が含まれます。また、ニューヨーク州で委員会が承認した公共水道供給に関する統計の概要、公衆衛生と安全のための河川改良に関する報告書も含まれます。さらに、オーセイブル川、サラナク川、ブラック川、オスウェガッチー川などの河川の調査研究の詳細と、提案されている貯水法案の草案を含む、水力と貯水調査に関する委員会の第 3 回進捗報告書も含まれます。
第6回年次報告書 1911年2月1日発行。
委員会の年次報告書と公共水供給計画の承認申請に関する決定、公衆衛生と安全のための河川改良に関する報告書が含まれます。また、ブラック川とオスウェゴ川の流域の調査の詳細と、提案されている貯水法案の改訂草案を含む、水力と貯水調査に関する委員会の第 4 回進捗報告書も含まれています。
その他
パンフレット—「ニューヨーク州水道委員会」 1909年9月発行。
1909 年、シラキュース州フェアで配布するために発行されました。
パンフレット「ニューヨークの水供給とその保全、配給、利用」 1910年9月発行。
1910 年にシラキュースで開催された州フェアで配布するために発行されました。
パンフレット「ニューヨーク州の水資源」 1910年9月発行。
ヘンリー・H・パーソンズ（州水供給委員会委員長）著。1910年、ミネソタ州セントポールで開催された全米自然保護会議で配布された。
パンフレット「農場と田舎の家のための水力」 1911年1月発行。
著者：デビッド・R・クーパー、州水道委員会の技師兼事務局長。
転写者のメモ:
図は、段落を分割せず、説明しているテキストの隣に表示されるように移動されています。
誤植は黙って修正されました。
*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「農場と田舎の家のための水力」の終了 ***
《完》