(57)【要約】【課題】負荷側の消費電力の変動に応じて発電力を調節可能なポンプ逆転水車型発電設備において、落差を有効利用する。【解決手段】一端２１ａがポンプ逆転水車６０よりも排水槽１２側の管路１３に連通し、他端２１ｂが大気開放された空気流入管２１に、流量制御弁２２が設けられている。運転制御部３５は、周波数検出器３２により検出される周波数から負荷９０側の消費電力の変動を検出し、消費電力の変動に応じて流量制御弁２２の開度を調節することで、ポンプ逆転水車６０により駆動される発電機７０の発電量を調節する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯水部と、この貯水部よりも低位置にあり大気開放された排水部とを接続する管路と、
前記管路に介設されたポンプ逆転水車と、
前記ポンプ逆転水車により駆動される発電機と、
一端が前記ポンプ逆転水車よりも前記排水部側の前記管路に連通し、他端が大気開放された空気流入管と、
前記空気流入管に介設された流量制御弁と、
前記発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記回転数検出手段により検出された回転数の変化から判断した負荷の消費電力の変動に応じて、前記流量制御弁の開度を調節する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記負荷の消費電力が減少していれば、前記流量制御弁の開度を増加させて前記空気流入管を介して前記管路に流入する空気量を増加させる一方、前記負荷の消費電力が増加していれば、前記流量制御弁の開度を低下させて前記空気流入管を介して前記管路に流入する空気量を減少させる、
ポンプ逆転水車型発電設備。
【請求項２】
前記回転数検出手段は、前記発電機の出力の周波数を検出する周波数検出器であり、
前記制御手段は前記周波数が上昇すると負荷の消費電力が減少したと判断し、前記周波数が低下すると負荷の消費電力が増加したと判断する、請求項１に記載のポンプ逆転水車型発電設備。
【請求項３】
前記回転数検出手段は、前記発電機又はポンプ逆転水車の回転数を検出する回転数検出器であり、
前記制御手段は前記回転数が上昇すると負荷の消費電力が減少したと判断し、前記回転数が低下すると負荷の消費電力が増加したと判断する、請求項１に記載のポンプ逆転水車型発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、農業用水、工場内水、下水道等を利用した小規模水力発電に適したポンプ逆転水車型発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、種々のポンプ逆転水車型発電設備が提案されている。このポンプ逆転水車型発電設備では、汎用のポンプを水力発電用の水車として使用する。図５を参照して従来のポンプ逆転水車型発電設備の一例を説明すると、貯水部１とこの貯水部１よりも低位置にある大気開放された排水部２を接続する管路８にポンプ逆転水車３が介設されている。このポンプ逆転水車３により発電機４が駆動される。発電機４の発電した電力は、制御盤５を介して負荷６に送られる。また、ポンプ逆転水車３よりも貯水部１側の管路２には流量制御弁７が介設されている。
【０００３】
ポンプ逆転水車３は、貯水部１の水面と排水部２の水面との間の落差Ｈに応じた動力を発生し、発電機４を駆動する。また、制御盤５は、負荷６側の消費電力の変動に応じて発電機４の発電量を調節するために、流量制御弁７の開度を調節する。詳細には、負荷６側の消費電力が減少すると、流量制御弁７の開度を低下させ、流量を減少させることで発電量を減少させる。逆に、負荷６側の消費電力が増大すると、流量制御弁７の開度を増加させ、流量を増加させることで発電量を増加させる。
【０００４】
また、流量制御弁７に代えて、ポンプ逆転水車３より貯水部１側の管路８に流路抵抗を調節可能な可変ガイドベーンを設け、この可変ガイドベーンにより発電機４の発電量を調節するポンプ逆転水車型発電設備も知られている。
【０００５】
さらに、発電機から負荷への送電系統に余剰負荷を吸収するためのダミーロードを設けることが知られている。
【０００６】
さらにまた、特許文献１には、ポンプ逆転水車よりも下流側に常閉の真空破壊用弁を設けたポンプ逆転水車型発電設備が記載されている。断線等によりポンプ逆転水車が無負荷状態となった時には、この真空破壊用弁を開弁してポンプ逆転水車よりも下流側の管路を正圧とすることで有効落差を減少させて、それによってポンプ逆転水車の回転速度上昇を抑制している。
【０００７】
【特許文献１】
実用新案登録第２５１７８７８号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５のポンプ逆転水車型発電設備では、管路８に流量制御弁７を設けているので、落差を有効利用することができない。詳細には、たとえ流量制御弁７を全開状態としても流路抵抗となり損失を生じる。また、管路２中に流量制御弁７を設けていると、管路２を流れる夾雑物により閉塞を生じるおそれがある。
【０００９】
流量制御弁に代えて可変ガイドベーンを採用する場合も、たとえ全開状態としても可変ガイドベーンが流路抵抗となって損失を生じるので、落差を有効利用できない。また、可変ガイドベーンの部分で管路が閉塞するおそれがある。
【００１０】
さらに、ダミーロードを使用すると、送電系統の構成が複雑化する。
【００１１】
さらにまた、特許文献１に記載のものが備える真空破壊用弁では、負荷側の消費電力変動に応じた発電量の調節を行うことができない。
【００１２】
そこで、本発明は、落差を有効利用することができ、簡易で、かつ管路閉塞を防止することができる、負荷側の消費電力の変動に応じた発電量調節が可能なポンプ逆転水車型発電設備を提供することを課題としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、貯水部と、この貯水部よりも低位置にあり大気開放された排水部とを接続する管路と、前記管路に介設されたポンプ逆転水車と、前記ポンプ逆転水車により駆動される発電機と、一端が前記ポンプ逆転水車よりも前記排水部側の前記管路に連通し、他端が大気開放された空気流入管と、前記空気流入管に介設された流量制御弁と、前記発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手段により検出された回転数の変化から判断した負荷の消費電力の変動に応じて、前記流量制御弁の開度を調節する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記負荷の消費電力が減少していれば、前記流量制御弁の開度を増加させて前記空気流入管を介して前記管路に流入する空気量を増加させる一方、前記負荷の消費電力が増加していれば、前記流量制御弁の開度を低下させて前記空気流入管を介して前記管路に流入する空気量を減少させる、ポンプ逆転水車型発電設備を提供する。
【００１４】
空気流入管を介して管路に空気を流入させることで、水の見かけの比重量を調節することができる。すなわち、管路への空気流入量が増加する程、管路中の水に含まれる気泡の量が増加するので、水の見かけの比重量が減少する。この見かけの比重量により、見かけの落差を調節することができる。詳細には、流量制御弁の開度を増加させて水の見かけの比重量を減少させると、有効落差は減少する。逆に、流量制御弁の開度を低下させて水の見かけの比重量を増加させると、有効落差は増加する。従って、制御手段が流量制御弁の開度により管路に流入する空気量を調節することで、見かけの落差が調節され、それによってポンプ逆転水車により駆動される発電機の発電量が調節される。
【００１５】
例えば、前記回転数検出手段は、前記発電機の出力の周波数を検出する周波数検出器であり、前記制御手段は前記周波数が上昇すると負荷の消費電力が減少したと判断し、前記周波数が低下すると負荷の消費電力が増加したと判断する。
【００１６】
また、前記回転数検出手段は、前記発電機又はポンプ逆転水車の回転数を検出する回転数検出器であり、前記制御手段は前記回転数が上昇すると負荷の消費電力が減少したと判断し、前記回転数が低下すると負荷の消費電力が増加したと判断する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態にかかるポンプ逆転水車型発電設備を示している。図２は、図１では概略的に示しているポンプ逆転水車６０と発電機７０を詳細に示している。このポンプ逆転水車型発電設備は、大気開放された貯水槽（貯水部）１１、この貯水槽１１よりも低位置にあり、かつ大気開放された排水槽（排水部）１２とを接続する管路１３に設けられている。貯水部及び排水部は、水路又は管路であってもよい。管路１３は貯水槽１１から延びる水平管１３Ａ、水平管１３Ａに接続されたベント管１３Ｂ、及びベント管１３Ｂの下端から排水槽１２に向けて延びるベル状の吐出管１３Ｃとを備えている。
【００１９】
管路１３にはポンプ逆転水車６０が介設されている。本実施形態では、汎用の横軸軸流ポンプをポンプ逆転水車６０として使用している。図２を参照すると、水平管１３Ａとベント管１３Ｂとの間にポンプ逆転水車６０のアウターケーシング６１が介設されている。アウターケーシング６１は管路１３の一部を構成している。アウターケーシング６１内には、インナーケーシング６２が配置されている。インナーケーシング６２には先端にプロペラ６３を備えるプロペラ軸６４が支持されている。プロペラ軸６４は、鉛直方向に延びる主軸６６に傘歯歯車機構６５を介して接続されている。アウターケーシング６１上方には、発電機７０が配置されている。
【００２０】
発電機７０の回転軸７１は鉛直方向に延び、その下端がカップリング７２を介してポンプ逆転水車６０の主軸６６に連結されている。また、発電機７０は、回転軸７１に固定された回転子７３と、ケーシング７４に固定された固定子７５とを備えている。回転子７３には磁界発生用の巻線（図示せず。）が巻回されている。一方、固定子７５には電力出力線８０に電気的に接続された巻線（図示せず。）が巻回されている。
【００２１】
一端２１ａがポンプ逆転水車６０よりも排水槽１２側の管路１３、すなわちベント管１３Ａの上流側の端部付近連通され、他端２１ｂが大気開放された空気流入管２１が設けられている。この空気流入管２１には、流量制御弁２２が介設されている。流量制御弁２２は電気的に開度を調節できるものであればよいが、全開（開度１００％）から全閉（開度０％）の間で開度を精密に制御できるものであることが好ましい。
【００２２】
制御盤３０は、電力出力線８０から負荷９０側に供給される電力の周波数調整等を行うための電力回路３１を備えている。
【００２３】
また、制御盤３０は、発電機７０から電力回路３１へ流れる電流の周波数を検出する周波数検出器（回転数検出手段）３２を備えている。周波数検出器３２は電圧の周波数を検出するものであってもよい。周波数検出器３２で検出される周波数は、発電機７０の回転軸７１の回転数、ポンプ逆転水車６０の主軸６６及びプロペラ軸６４の回転数と相関がある。従って、周波数検出器３２により、これら回転軸７１、主軸６６、及びプロペラ軸６４の回転数が間接的に検出される。なお、周波数検出器１２に代えて、回転軸７１、主軸６６、及びプロペラ軸６４のうちのいずれかの回転数を直接的に検出する検出器を設けてもよい。
【００２４】
さらに、制御盤３０は、後に詳述するように流量制御弁２２の開度を調節することで、負荷９０の消費電力の変動に応じて発電機７０の発電量を調節するための運転制御部（制御手段）３５を備えている。
【００２５】
次に、このポンプ逆転水車型発電設備の動作を説明する。なお、本実施形態では、流量制御弁２２の初期状態での開度は開度５０％（図３参照）である。
【００２６】
周波数検出器１２により検出された周波数（ポンプ逆転水車６０及び発電機７０の回転数）が運転制御部３５に入力される。ポンプ逆転水車６０及び発電機７０の回転数（以下、特に示さない場合は、単に「回転数」という。）は、負荷９０側の消費電力と相関関係がある。具体的には、負荷９０側の消費電力が減少すると、それに伴って回転数は上昇する。逆に、負荷９０側の消費電力が増加すると、それに伴って回転数は低下する。この回転数と消費電力の関係を利用して、運転制御部３５は、負荷９０側の消費電力の増加及び減少を判断する。
【００２７】
流量制御弁２２が全閉状態でない限り、空気流入管２１を介してポンプ逆転水車６０よりも下流側、詳細には空気流入管２１の他端２１ｂよりも下流側の管路１３中に空気が流入し、この部分では管路１３中の水には気泡１００が混入している。この気泡１００が混入している状態での、貯水漕１１の水面ＷＬ１と排水槽１２の水面ＷＬ２との間の見かけ上の落差Ｈａは以下の式（１）で表される。
【００２８】
2004360517.tif 000003
【００２９】
この式（１）において、ｈ１は、空気流入管２１の接続位置における管路１３の中心線Ｌに対する、貯水漕１１の水面ＷＬ１の高さである。また、ｈ２は排水槽１２の水面ＷＬ２に対する、空気流入管２１の接続位置における管路１３の中心線Ｌの高さである。さらに、γ’は気泡１００が存在する領域、すなわち空気流入管２１の接続部よりも排水槽１１側における管路１３中の水の見かけの比重である。
【００３０】
見かけの比重γ’は、管路１３中の気泡１００の量が増加すると減少し、これとは逆に管路１３中の気泡１００の量が減少すると増加する。また、式（１）より明らかなように、見かけの比重γ’が増加すると見かけの落差Ｈａが増加し、これとは逆に見かけの比重γ’が減少すると見かけの落差Ｈａも減少する。図４はポンプ逆転水車６０の有効落差Ｈｅ、効率η、発生動力Ｐ、及び無拘束落差Ｈｎを示している。この図４を参照すると、有効落差Ｈｅの増減に伴ってポンプ逆転水車６０の発生動力Ｐも増減する。例えば、有効落差がＨｅ１からＨｅ２に増加すると、発生動力もＰ１からＰ２に増加する。逆に、有効落差がＨｅ１からＨｅ３に減少すると、発生動力もＰ１からＰ３に減少する。
【００３１】
以上より、流量制御弁２２の開度を増大させて気泡１００の量を増加させた場合、見かけの比重量γ’が減少し、有効落差Ｈａが減少するので、ポンプ逆転水車６０の発生動力が減少する。従って、この場合には発電機７０の発電量が減少する。一方、流量制御弁２２の開度を低下させて気泡１００の量を減少させた場合、見かけの比重量γ’が増加し、有効落差Ｈａが増加するので、ポンプ逆転水車６０の発生動力が増加する。従って、この場合には発電機７０の発電量が増加する。
【００３２】
図３は、流量制御弁２２の開度と発電機７０の発電量の関係を示している。図３において、流量制御弁２２の開度は、全開を開度１００％、全閉を開度０％として表している。また、流量制御弁２２の開度が１００％のときの発電量（最大発電量）を１００％としている。前述のように流量制御弁２２の開度が小さい程、発電機７０の発電量が大きい。運転制御部３５は、周波数検出器１２により検出された回転数から、負荷９０側の消費電力の増減を検出し、それに応じて流量制御弁２２の開度を調節する。例えば、流量制御弁２２が初期状態の開度５０であるときに周波数検出器１２により検出された回転数から負荷９０側の消費電力が増加していることを検出すると、運転制御部３５は矢印Ａ１で示すように流量制御弁２２の開度を低下させ、それによって発電機７０の発電量を負荷９０側の消費電力増大に応じた量に増加させる。逆に、周波数検出器１２により検出された回転数から負荷９０側の消費電力が減少していることを検出すると、運転制御部３５は矢印Ａ２で示すように流量制御弁２２の開度を増大させ、それによって発電機７０の発電量を負荷９０側の消費電力低下に応じた量に減少させる。このように本実施形態のポンプ逆転水車型発電設備では、空気流入管２１に介設した流量制御弁２２の開度を運転制御部３５が調節することにより、負荷９０側の消費電力の変動に応じて発電機７０の発電量を調節することができる。
【００３３】
本実施形態のポンプ逆転水車型発電設備では、空気流入管２１に設けた流量制御弁２２の開度により発電機７０の発電量を調節するので、ポンプ逆転水車６０よりも貯水漕１１側の管路１３に発電量を調節するための流量制御弁や可変ガイドベーンを設ける必要がない。従って、貯水槽１１と排水槽１２の落差を有効利用することができる。また、余剰電力を吸収するためのダミーロード等を設ける必要がないので、負荷９０側への送電系統を簡素化することができる。さらに、管路１３の夾雑物による閉塞を防止することができる。
【００３４】
本発明は、前記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、空気流入管２１の一端２１ａは、ポンプ逆転水車６０のアウターケーシング６１（プロペラ６３よりも下流側）に接続していてもよい。
【００３５】
流量制御弁２２の初期状態での開度を０％に設定してもよい。この場合、流量制御弁２２の開度を増加させることにより、初期状態よりも発電機７０の発電量を低下させることができる。逆に、流量制御弁２２の初期状態での開度を１００％に設定してもよい。この場合、流量制御弁２２の開度を低下させることにより、初期状態よりも発電機７０の発電量を低下させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のポンプ逆転水車型発電設備では、ポンプ逆転水車よりも排水部側の管路に連通する空気流入管に流量制御弁を備え、この流量制御弁の開度を制御手段が調節することで負荷側の消費電力の変動に応じて発電機の発電量を調節することができる。また、ポンプ逆転水車よりも貯水部側の管路に発電量を調節するための流量制御弁や可変ガイドベーンを設ける必要がないので、落差を有効に利用することができ、夾雑物による管路の閉塞を防止することができる。さらに、余剰電力を吸収するためのダミーロード等を設ける必要もないので、負荷側への送電系統を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるポンプ逆転水車型発電設備を示す概略構成図である。
【図２】ポンプ逆転水車及び発電機を示す断面図である。
【図３】実施形態における流量制御弁の開度と発電機の出力の関係を示す線図である。
【図４】ポンプ逆転水車についての流量と有効落差、効率、発生動力、及び無拘束落差の関係を示す線図である。
【図５】従来のポンプ逆転水車型発電設備の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１１  貯水漕
１２  排水槽
１３  管路
１３Ａ  水平管
１３Ｂ  ベント管
１３Ｃ  吐出管
２１ａ  一端
２１ｂ  他端
２１  空気流入管
２２  流量制御弁
３０  制御盤
３１  電力回路
３２  周波数検出器
３５  運転制御部
６０  ポンプ逆転水車
６１  アウターケーシング
６２  インナーケーシング
６３  プロペラ
６４  プロペラ軸
６５  傘歯歯車機構
６６  主軸
７０  発電機
７１  回転軸
７２  カップリング
７３  回転子
７４  ケーシング
７５  固定子
８０  電力出力線
９０  負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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