(57)【要約】【課題】  従来の農業用水の遊休落差を利用した小水力発電プラントでは、発電水利権がかんがい期と非かんがい期とで約４０％〜１００％と大きく変動している。また、水車は建設費低減の観点から案内羽根固定型式を採用している。このような条件下で、前記大幅な水量変動に対応するため、水車の案内羽根をかんがい期と非かんがい期で角度調整を行っているが、この間発電は休止されるとともに水車の取り外し、案内羽根角度調整に関する余分な費用が発生するという課題を解決するため、水量の変動に応じて最適な運転を行う小水力発電プラントを提供する。【解決手段】  複数台のユニット発電設備を備え、第１の流量と第２の流量の間のとき、全台数のユニット発電設備を運転し、第２の流量以下の時、全台数より少ない台数のユニット発電設備で運転し、第２の流量以上に増加したとき、全台数で制御、運転する。【選択図】        図２
2006009671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
小水力発電プラントであって、
前記小水力発電プラントには、水車と前記水車に直結された発電機とで構成されるユニット発電設備が複数台備えられているとともに、前記水車を駆動する水の流量計が設けられており、
前記複数台のユニット発電設備の全台数を制御、運転し、前記流量計の検出する流量が所定の流量値以下に減少したとき、前記ユニット発電設備を全台数より少ない台数に切り換えて制御、運転するとともに、流量が前記所定の流量値以上に増加したとき、前記全台数に切り換えて制御、運転することを特徴とする小水力発電プラント。
【請求項２】
小水力発電プラントであって、
前記小水力発電プラントには、水車と前記水車に直結された発電機とで構成されるユニット発電設備が複数台備えられているとともに、発生電力検出装置が設けられており、前記発生電力検出装置には、予め第１と、前記第１より高い値の第２の電力検出値が設定されており、
前記複数台のユニット発電設備の全台数を制御、運転し、出力が低下して前記第１の電力検出値に達したとき、前記ユニット発電設備を全台数より少ない台数に切り換えて制御、運転するとともに、前記出力が上昇して前記第２の電力検出値に達したとき、前記全台数に切り換えて制御、運転することを特徴とする小水力発電プラント。
【請求項３】
前記複数台のユニット発電設備を全台数より少ない台数で制御、運転し、出力が上昇して前記第２の電力検出値に達したとき、前記全台数に切り換えて制御、運転することを特徴とする請求項２に記載の小水力発電プラント。
【請求項４】
水源側に上水槽が設置された小水力発電プラントであって、
前記小水力発電プラントには、水車と前記水車に直結された発電機とで構成されるユニット発電設備が備えられているとともに、前記上水槽の水位を検出する水位計と、前記水車に送水する送水路の開閉を行う水門とが設けられており、前記上水槽の水位が減少して所定の水位に達したとき、前記水門を閉じるとともに、前記ユニット発電設備の運転を停止するよう制御、運転することを特徴とする小水力発電プラント。
【請求項５】
水源側に上水槽が設置された小水力発電プラントであって、
前記小水力発電プラントには、水車と前記水車に直結された発電機とで構成されるユニット発電設備が複数台備えられているとともに、前記上水槽には第１と、前記第１より低い位置に設置された第２の水位計が設けられており、
前記複数台のユニット発電設備に全台数を制御、運転し、前記上水槽の水位が減少して前記第１の水位計が検出する水位に達したとき、前記ユニット発電設備を全台数より少ない台数にて制御、運転するとともに、さらに水位が低下して前記第２の水位計が検出する水位に達したとき、前記ユニット発電設備の運転を停止するよう制御、運転することを特徴とする小水力発電プラント。
【請求項６】
前記上水槽には前記水車に送水する送水路の開閉を行う水門がさらに加えて設けられており、
前記第２の水位計が検出する水位に達したとき、加えて前記水門を閉じるよう制御、運転することを特徴とする請求項５に記載の小水力発電プラント。
【請求項７】
前記水車は、水の案内羽根が固定された型式のものであることを特徴とする請求項１、２、５のいずれか１項に記載の小水力発電プラント。
【請求項８】
前記複数のユニット発電設備は、同一定格であることを特徴とする請求項１、２、５のいずれか１項に記載の小水力発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、小水力発電プラントに関するものであり、特に農業用排水路や浄水場あるいは下水処理場等における水路の遊休落差を利用した比較的小規模な発電プラントの水利用、発電効率向上に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば農業水利施設が有する未開発包蔵水力エネルギを活用することにより、水利費や農業用電力料を軽減し、農業生産性向上を期するとともに、国内エネルギ政策の課題に対処するため、農業用排水路に水力発電設備を設けることが行われている（例えば、非特許文献１）。
そして前記非特許文献１に示された水力発電設備の水中タービン水車は、いわゆるガバナレスの水車であって、水車羽根角度を固定したものが採用されている。
【０００３】
【非特許文献１】富山県かんがい排水事業庄川地区示野発電所パンフレット（平成１２年３月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記非特許文献１に示された発電所は、農業用水を利用した設備であるため、発電水利権が年間を通じ大きく変動している。すなわち、かんがい期には約８．６ｍ３／Ｓの流量が、非かんがい期には約４０％の３．４ｍ３／Ｓと減少している。このような大幅な水量変動があるため、用水期別水量に応じ年２回発電を停止し、水車羽根角度の調整を行う発電体制をとっている。
【０００５】
ここで水車の案内羽根（ガイドベーン）に関する一般的な説明をする。
大中水力発電設備の水車では、負荷の増減に応じてガイドベーンの角度調整で水の流れを変え、回転するランナ（可動羽根）への水量を調整することが一般的に行われている。このようなガイドベーンが可変であれば、水量に応じてガイドベーン角度を制御することにより、最適な出力を得ることが可能で、通常定格の５０〜１００％の運転が可能である。
一方、前記非特許文献１に示されているように、ガイドベーン駆動制御機能を設けず、固定したガイドベーン（固定羽根）としているのは、容量が小さければ小さい程構造が簡単となり、ガイドベーンを駆動する機構やガバナ制御装置も不要となり、装置の小型化、価格の低減等のメリットが得られるからである。
【０００６】
しかしながら、一方において、ガイドベーン固定の水車では、水量が定格量より減少すると急激に出力が低下し、可能な運転範囲は、定格水量に対して７５〜１００％程度となる。図１にガイドベーン有り、無しの運転範囲例を示す。
このようなガイドベーン固定水車を備えた前記非特許文献１に示された発電所では、半年毎に水車本体を取り外し、羽根角度の調整を行い、前記水量変動に対して適した運転範囲を得ているが、羽根角度の調整作業は、発電停止期間を要するとともに、余分な費用が発生するという問題点があった。
【０００７】
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであって、水量の変動に応じて最適な運転を行い、発電効率を向上させた小水力発電プラントを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明に係る小水力発電プラントは、水車と水車に直結された発電機とで構成されるユニット発電設備が複数台数備えられているとともに、水車を駆動する水の流量計が設けられており、
複数台のユニット発電設備の全台数を制御、運転し、流量計の検出する流量が所定の流量値以下に減少したときユニット発電設備を全台数より少ない台数に切り換えて制御、運転するとともに、流量が所定の流量値以上に増加したとき、全台数に切り換えて制御、運転するものである。
また、第２の発明に係るものは、水源側に上水槽が設置された小水力発電プラントであって、
水車と前記水車に直結された発電機とで構成されるユニット発電設備が備えられているとともに、上水槽の水位を計測する水位計と、水車に送水する送水路の開閉を行う水門とが設けられており、上水槽の水位が、所定の水位に達したとき、水門を閉じるとともに、ユニット発電設備の運転を停止するよう制御、運転するものである。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明に係る小水力発電プラントは、複数台数のユニット発電設備全数運転時に、水車を駆動する水量が、所定の流量値以下に減少したとき、全台数より少ない台数に切り換えて制御、運転するので、水量変動に対して幅広い運転範囲を確保でき、従来に比較し、同じ水量に減少したときであっても大きな電力量を得ることができる。
また、第２の発明に係る小水力発電プラントは、水源側に設置された上水槽の水位計の水位検出に対応して、ユニット発電設備の運転開始および水門を閉じてユニット発電設備の運転停止を行うので、上水槽に流入する水源の水量が減少した際でも、上水槽がバッファの役目を果たして発電が継続でき、また水源の水を無駄なく発電に供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について説明する。なお後述する実施の形態２〜４においても、本発明は農業用排水路や浄水場あるいは下水処理場等における遊休落差を利用した場所に設置される小水力発電プラントに係るものであり、供給される水車駆動用の水の流量は広範囲にわたって、例えば４０％〜１００％に変動する。
このような小水力発電プラントでは、プラント建設用地が充分に広くなく、かつ建設費用の制約から設備のより小型化、低価格化が望まれている。そのため、広範囲な流量変動があるにもかかわらず、この実施の形態１および後述の実施の形態２、４では前述したような水の案内羽根が固定した水車を採用することにより、装置の小型化、低価格化を図っている。
【００１１】
次に具体的な実施例で説明する。
適用落差３０ｍ、最大定格流量０．１８ｍ３／Ｓで、流量が１００％〜約４０％の範囲で変動する場合、従来ならば、単機容量３２ＫＷ程度のポンプ逆転型水車のユニット発電設備が選定される。
しかしながら、この実施の形態１では、水車と水車に直結された複数のユニット発電設備、すなわち単機容量１０ＫＷのユニット発電設備を３台設置する。この場合、単機容量は同一定格であることは必ずしも必要ではないが、同一定格とすることが、標準化、低価格化、制御運転性等からみて最も望ましいことは言うまでもない。なお、このプラントには水車を駆動する水の流量を計測する流量計が設けられている。
【００１２】
図２に、１００％〜約４０％の流量変動があるこの実施の形態１の小水力発電プラントの流量−出力特性を示す。
図において、点線で示す曲線１は従来の単機容量３２ＫＷ１台の発電出力特性を示す。この曲線１が示すように、定格流量である第１の流量値０．１８ｍ３／Ｓでは定格出力３２ＫＷで運転を行っているが、水の流量が減少するにつれて出力が低下し、第２の流量値に相当する約７０％の流量では、Ｐ０に示す出力である約１０ＫＷに低下している。そしてこの曲線１に示すように約７０％以下の流量では運転を休止している。
一方、実線で示す曲線２は、本実施の形態１による流量−出力特性であり、２ａは定格流量である第１の流量値０．１８ｍ３／Ｓにおける３台のユニット発電設備を全台数運転した場合の全出力３０ＫＷを示し、水量が前記第１の流量値より減少するにつれて全出力が低下し、第２の流量値に相当する定格流量の約７０％の流量では、Ｐ０に示す約１０ＫＷの出力となっている。曲線２ｂは、第２の流量値つまり所定の流量を流量計が検出すると、前記第２の流量値以下では前記３台のユニット発電設備を２台に切り換え制御し、引き続き運転を行うことを示す。この場合、３台から２台の切り換え運転にすることにより、Ｐ０に示す約１０ＫＷの出力がＰ１に示す約２０ＫＷの出力に増大している。
【００１３】
このように、流量計が検出する流量値が、定格流量である第１の数量値と、この第１の流量値より少ない第２の流量値との間にあるときには、複数台のユニット発電設備全台数を制御、運転し、非かんがい期のような水流が減少する前記所定の流量値以下のときには、全台数より減じたこの実施の形態１では２台のユニット発電設備で制御、運転することにより、曲線２、つまり曲線２ａ、２ｂに示されるように、流量が定格の１００％〜約４０％と広範囲にわたって変動するサイトに設置される発電プラントであっても、前記流量範囲内で連続的な発電出力を得ることができる。
なお、この実施の形態１で説明した運転実施例は、定格流量から減少する場合について述べたが、図２から判るように、流量が少ない方から増加の方に変動しても適用可能である。
またさらに、定格流量時にユニット発電設備を全台数つまり３台で運転開始する例を示したが、これに限らず、運転開始時の流量を計測して３台のうち２台で運転開始する場合もありうる。
【００１４】
なお、前述した所定の流量値は、前記例の如く定格流量の約７０％に限定されるものではなく、設置場所流量によって選定される水車の特性によって決定されるものである。また、所定の流量値以下時に運転する台数も前記３台から１台減じた台数に限らず、２台減じた１台であってもよい。つまり、複数の全台数からプラント特性に対応した台数を減じてもよい。
【００１５】
前記実施の形態１を、前述した非特許文献１に示された水利パターン図の例で説明する。４月２０日以降８月末日までは定格流量である第１の所定流量８．６ｍ３／Ｓを計測し、例えば３台のユニット発電設備を運転し、９月１日以降翌年の４月２０日までは所定の流量値３．４ｍ３／Ｓを計測し、例えば２台のユニット発電設備を運転し、案内羽根角度を調整することなく連続した発電出力が得られるという効果がある。
【００１６】
実施の形態２．
次に実施の形態２について説明する。
前記実施の形態１では、水車を駆動する水の流量を流量計で計測して、所定の流量値で運転台数を切り換える例を示したが、この実施の形態２では、前記流量計に代替し、発生電力検出装置を設けこの検出装置からの信号を利用して運転を切り換えるものである。
図３に発生電力検出装置１０のブロック図を示す。
図において、３台のユニット発電設備１１の出力は、計測用に設置されている発生電力検出装置１０の電力変換器１２によって出力変換され、コンパレータ１３とタイマ１４に接続される。前記発生電力検出装置１０には第１〜第３の検出値が予め設定されている。次に運転切り換え方法について述べる。
【００１７】
小水力発電プラントの運転開始時、その時点の水源水量をみて、例えば２台運転か３台運転かをプラント操作員が判断する。前記図２において、例えば３台運転時、その時点における総出力は図２に示すＰに相当する。流量の減少に伴い徐々に出力が減少して第３の検出値Ｐ０を一定時間継続することをタイマ１４が検知すると、前記第１の検出値Ｐ０を切り換えポイントとしてユニット発電設備３台運転を２台運転に切り換える。この台数切り換えにより総出力は図２に示す第２の検出値Ｐ１に相当する出力に上昇する。このような運転状態つまり２台運転を継続している内に流量が減少し、定格流量の約４０％に達して、図２に示すように出力が低下すると、前記ユニット発電設備１１の運転を休止する。
一方、前記２台運転を継続している内に流量が増加して出力が徐々に上昇し第２の検出値Ｐ１を一定時間継続することをタイマ１４が検知すると、ユニット発電設備１１の運転台数を２台から３台に切り換えて制御、運転する。この時点で総出力は一時期前記第１の検出値Ｐ０に相当する出力に低下するが、流量が継続して増加すると、総出力Ｐに相当するまで上昇する。
【００１８】
前述した実施の形態２では３台のユニット発電設備１１を備えた発電プラントであって、３台運転←→２台運転に切り換えの例を示したが、前記ユニット発電設備１１が３台に限られるものでなく、発電サイトの状況に応じた複数台数であればよく、また切り換え例も前記例に限定されるものではない。また、複数のユニット発電設備は同定格出力のものが最も望ましいが、必ずしも同定格出力に限定されるものではない。
このような実施の形態２では水量が大幅に変動しても大きな電力量を得ることができ、また連続して発電可能となる。
【００１９】
実施の形態３．
次に実施の形態３について説明する。
前述した実施の形態１、２では、広範囲にわたる水源流量変動に対処するため、複数台数のユニット発電設備を設け、流量変動あるいは流量変動による出力変動に応じて、ユニット発電設備の運転台数の切り換えを行うことを示したが、この実施の形態３では、水源側の流量変動を補償する上水槽を水源側に設置した小水力発電プラントに関するものである。
なお、前記上水槽は、発電サイトに予め存在する貯水池を活用することが望ましい。
【００２０】
次に図４に示す小水力発電プラントの概念図に基づいて説明する。
図４において水源２１の下流に設置された上水槽２２には、ユニット発電設備１１ａの第１の水位計２３と前記第１の水位計２３より低い位置に設置され第２の水位計２４と、前記ユニット発電設備１１ａの水車に送水する水路２６の送水量を制御する水門２５と、前記第１、第２の水位計２３、２４の出力を検知し、前記水門２５の開閉制御を行う制御盤２７が設けられている。前記水門２５の開閉で前記ユニット発電設備１１ａの運転／停止を行うものとする。
なお、この実施の形態３では、前記ユニット発電設備１１ａは１台設けられている例を示すが、複数台設けられていてもよい。
【００２１】
次に、図５に示すタイムチャートにて、従来の水源から発電設備へ直接送水する方式（図示省略）と、この実施の形態３による水源２１側に上水槽２２を設け、水門２５を介して送水されるプラントの水利用効率を比較して説明する。
図５（ａ）は従来の方式のタイムチャートである。縦軸に水の流量Ｑを示し、Ｑ１は定格流量、Ｑ２は運転下限流量を示す。横軸は暦日（または時間）を示す。
図５（ｂ）はこの実施の形態３のタイムチャートであり、縦軸の上水槽２２に設けられ第１の水位計２３の検出する第１の水位Ｈ１、第２の水位計２４の検出する第２の水位Ｈ２を示す。
なお、前記第１の水位Ｈ１は、運転開始を、前記第２の水位Ｈ２は運転停止を示す水位でもあり、またさらに、前記第１の水位Ｈ１と第２の水位Ｈ２の間の水位では、ユニット発電設備１１ａの運転を行うものである。
【００２２】
従来の方式を示す図５（ａ）において、例えば定格流量Ｑ１が減少して運転下限流量Ｑ２に達し、引き続き運転下限以下の流量となった場合の時間帯を符号６１、６２に示す。この時間帯６１、６２は水を利用しない時間帯であって、水源の水は、ユニット発電設備１１ａによる発電に供することなく排水路に放流している。
一方、図５（ｂ）に示すこの実施の形態３では、例えば第１の水位Ｈ１でユニット発電設備１１ａの運転を開始して上水槽２２の水位が第１の水位Ｈ１と第２の水位Ｈ２の間にあるとする。当然、この間は水門２５は開であり、ユニット発電設備１１ａは連続して発電を行っている。このような状態から時間が経過して上水槽２２の水位が下降し、第２の水位計２４が第２の水位Ｈ２を図５（ｂ）の符号６３で示す点で所定の水位を検出すると、その信号を前記制御盤２７が受信し、前記水門２５を閉とするよう制御する。
この水門２５の閉によってユニット発電設備１１ａの運転は停止される。そして水門２５の閉によって上水槽２２の水位は上昇し、図５（ｂ）の符号６４に示す点では、第１の水位Ｈ１となりユニット発電設備１１ａの運転は再開される。
なお、前述した図５（ｂ）の例では、第２の水位Ｈ２を検出する（符号６３）と第１の水位Ｈ１を検出する（符号６４）の間は水源２１から上水槽２２に流入する水を上水槽２２に溜め、この間のユニット発電設備１１ａの運転を停止する場合を示したが、必ずしもこれに限らず、水源２１からの流量が水車に供する流量より大きい場合、（気象条件等によって左右される）、前記水門２５を閉とせずユニット発電設備１１ａの運転は行ってもよい。
なお、この実施の形態３に用いられる水車は、前記実施の形態１、２に示した案内羽根固定形式であることは必ずしも必要ない。
【００２３】
このように、この実施の形態３では、水源２１からユニット発電設備１１ａに供給される水が、上水槽２２に貯水されるプラントシステムであるため、水源２１の水量が減少しても上水槽２２がバッファの役目をはたして発電を継続でき、また、水源の水を無駄なく発電に供することができる。
【００２４】
実施の形態４．
次に実施の形態４について説明する。前述した実施の形態３に示した図４では、上水槽２２に第１、第２の水位計２３、２４を設ける例を示したが、この実施の形態４ではさらに第Ｎの水位計を設けているとともに、複数台数のユニット発電設備１１を備えている。
以下、図６に基づいて説明する。図において、第Ｎの水位計３１、第１の水位計２３、第２の水位計２４以外は図４と同様であるので説明を省略する。
図６から判るように、第Ｎ、第１、第２の水位計３１、２３、２４が上水槽２２に設置されている高さ位置関係は、第Ｎ＞第１＞第２の順である。このような小水力発電システムにおいて、上水槽２２の水位が第Ｎの水位計３１の示す水位と、第１の水位計２３が示す水位との間にあるとき、前記複数台数のユニット発電設備１１の全台数、例えば３台を制御、運転する。次に上水槽２２の水位が低下して、前記第１の水位計２３の示す水位に達したとき、前記ユニット発電設備１１を全台数より少ない台数、例えば１台減じて残る２台にて制御、運転する。なお、この減じる台数は必ずしも１台とは限らない。
さらに、上水槽２２の水位が低下して前記第２の水位計２４が検出する水位に達したとき、前記ユニット発電設備の運転を停止するとともに、制御盤２７の信号により水門２５を閉じる。このように上水槽２２の水位が、第２の水位を下回ったとき、水門２５を閉じ、上水槽２２に水源２１から流入水を貯え、再び上水槽２２の水位を上昇させる。なおここで、上水槽２２に貯水時、前記上水槽２２には第Ｎの水位まで上昇させることなく第１の水位計２３に示す水位と第２の水位計２４の示す水位との間に貯水量が達したときユニット発電設備１１を前記、例えば３台中の２台で運転再開してもよい。
またさらに、前記実施の形態３、４に示した水位計の配置位置は、上水槽やプラントの規模によって適宜設定されるものである。
なおまた、複数のユニット発電設備１１は、同一定格であることが望ましいが必ずしもこれに限定されない。このような実施の形態４でも前記実施の形態２、３と同様の効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
この発明の実施の形態１〜４は、農業用排水路や浄水場、あるいは下水処理場等における遊休落差利用の小水力発電プラントに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】水車のガイドベーン有り、無しの運転範囲例を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１、２、４の小水力発電プラントの流量−出力特性を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２の発生電力検出装置を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態３の小水力発電プラントを示す概念図である。
【図５】この発明の実施の形態３の小水力発電プラントを示す概念図である。
【図６】この発明の実施の形態４の小水力発電プラントを示す概念図である。
【符号の説明】
【００２７】
１，２，２ａ，２ｂ  曲線、１０  発生電力検出装置、
１１，１１ａ  ユニット発電設備、２１  水源、２２  上水槽、２３  第１の水位計、
２４  第２の水位計、２５  水門、Ｐ１  第２の発生電力検出値、
Ｐ０  第１の発生電力検出値、Ｈ１  第１の水位、Ｈ２  第２の水位。
【図１】
2006009671.tif 000003
【図２】
2006009671.tif 000004
【図３】
2006009671.tif 000005
【図４】
2006009671.tif 000006
【図５】
2006009671.tif 000007
【図６】
2006009671.tif 000008