(57)【要約】【課題】被給水側の流量を一定として、かつ高効率の発電を行うことができる、ポンプ逆転水車型発電設備を提供する。【解決手段】ポンプ逆転水車型発電設備は、流量検出器３１により検出された流量に基づいて、ポンプ逆転水車６０より下流側の送水路２５の流量が一定となるように、ポンプ逆転水車６０の回転数を制御する、運転制御部１５を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給水部と被給水部とを接続する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の主軸にその回転軸が連結された発電機と、
前記ポンプ逆転水車よりも前記被給水部側の前記管路に設けられた流量検出手段と、
前記流量検出手段により検出された流量に基づいて、前記ポンプ逆転水車より下流側の前記管路の流量が一定となるように、前記ポンプ逆転水車の回転数を制御する、制御手段と
を備えるポンプ逆転水車型発電設備。
【請求項２】
前記ポンプ逆転水車より前記給水部側の前記管路と、前記ポンプ逆転水車と前記流量検出手段との間の前記管路とを接続する、バイパス管路と、
前記ポンプ逆転水車よりも前記給水部側における前記管路と前記バイパス管路の接続部と、前記ポンプ逆転水車との間の前記管路に介設された、常開の仕切弁と、
前記バイパス管路に介設された通常時は全閉の流量制御弁と
をさらに備え、
前記制御手段は、
前記流量検出手段により検出された流量が予め定められた回転数制御可能な最小流量以下であれば、前記仕切弁を閉弁して前記ポンプ逆転水車を停止させ、かつ前記流量制御弁の開度を前記流量検出手段により検出された流量に応じて制御し、
前記流量検出手段により検出された流量が予め定められた回転数制御可能な最大流量以上であれば、前記ポンプ逆転水車の回転数を一定にし、前記仕切弁を開弁状態で維持し、かつ流量制御弁の開度を前記流量検出手段により検出された流量に応じて制御する、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、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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、汎用のポンプを発電機の駆動のためにポンプ逆転水車として使用する発電設備が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献２には、ポンプ逆転水車が介設された残圧回収管路と、この残圧回収管路から分岐して流量制御弁が介設されたバイパス管路とを備え、被給水側の流量を流量制御弁により一定化しつつ、残圧でポンプ逆転水車による発電を行う発電設備が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
登録実用新案第２５１７８７８号（第１図）
【特許文献２】
特開２００２−１３８５２５号公報（図３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献２に記載のものでは、ポンプ逆転水車の回転数は一定であるので、高効率の発電を行うことはできない。すなわち、給水側から被給水側に供給される流水のエネルギの一部がポンプ逆転水車により発電に利用されるに過ぎず、残りのエネルギは流量制御弁で無駄に消費される。
【０００５】
そこで、本発明は、被給水側の流量を一定として、かつ高効率の発電を行うことができる、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。
【０００６】
【解決を解決するための手段】
本発明は、給水部と被給水部とを接続する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の主軸にその回転軸が連結された発電機と、前記ポンプ逆転水車よりも前記被給水部側の前記管路に設けられた流量検出手段と、前記流量検出手段により検出された流量に基づいて、前記ポンプ逆転水車より下流側の前記管路の流量が一定となるように、前記ポンプ逆転水車の回転数を制御する、制御手段とを備えるポンプ逆転水車型発電設備を提供する。前記流量検出手段は、前記ポンプ逆転水車よりも前記被給水部側の前記管路に設けてもよい。
【０００７】
本発明のポンプ逆転水車型発電設備では、制御手段は、ポンプ逆転水車よりも被給水部側の管路に設けられた流量検出手段により検出された流量に基づいて、ポンプ逆転水車より下流側の管路の流量が一定となるように、ポンプ逆転水車の回転数を制御する。従って、被給水側の流量の一定化と余剰エネルギの有効利用の両方を実現することができる。また、汎用のポンプを流用したものであるポンプ逆転水車で発電機を駆動することに加え、ポンプ逆転水車とは別個に流量制御弁等を設ける必要がない。従って、設備の構成が簡便でコストも低減することができる。
【０００８】
前記ポンプ逆転水車より前記給水部側の前記管路と、前記ポンプ逆転水車と前記流量検出手段との間の前記管路とを接続する、バイパス管路と、前記ポンプ逆転水車よりも前記給水部側における前記管路と前記バイパス管路の接続部と、前記ポンプ逆転水車との間の前記管路に介設された、常開の仕切弁と、前記バイパス管路に介設された通常時は全閉の流量制御弁とをさらに備え、前記制御手段は、前記流量検出手段により検出された流量が予め定められた回転数制御可能な最小流量以下であれば、前記仕切弁を閉弁して前記ポンプ逆転水車を停止させ、かつ前記流量制御弁の開度を前記流量検出手段により検出された流量に応じて制御し、前記流量検出手段により検出された流量が予め定められた回転数制御可能な最大流量以上であれば、前記ポンプ逆転水車の回転数を一定にし、前記仕切弁を開弁状態で維持し、かつ流量制御弁の開度を前記流量検出手段により検出された流量に応じて制御することが好ましい。
【０００９】
かかる構成により、よりポンプ逆転水車回転数制御が可能な流量範囲外でも、ポンプ逆転水車より下流側の管路の流量を一定化することができる。すなわち、ポンプ逆転水車の回転数制御可能な最小流量以下及び最大流量以上の流量範囲では、バイパス管路に設けた流量制御弁の開度を制御することで流量が一定に維持される。
【００１０】
【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。
【００１１】
図１は、本発明の第１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。このポンプ逆転水車型発電設備は、配水槽（給水部）２０と、例えばその末端が水道蛇口である被給水部２１とを接続する送水管（管路）２５に設けられている。送水管２５にはポンプ逆転水車６０が介設されている。ポンプ逆転水車６０よりも被給水部２１側の送水管２５には、流量検出器３１が設けられている。流量検出器３１は、ポンプ逆転水車６０よりも配水槽２０側の送水管２５に設けてもよい。
【００１２】
このポンプ逆転水車型発電設備は、バイパス管路２３を備えている。このバイパス管路２３は、ポンプ逆転水車６０より配水槽２０側の送水管２５と、ポンプ逆転水車６０と流量検出器３１との間の送水管２５とを接続する。バイパス管路２３には、通常時は全閉であって電気的に開度を調節可能な流量制御弁２７が設けられている。
【００１３】
ポンプ逆転水車６０よりも配水槽２０側では、送水管２５とバイパス管路２３の接続部とポンプ逆転水車６０との間には、常開であって開閉を電気的に制御可能な第１の仕切弁２８Ａか゛設けられている。また、ポンプ逆転水車６０よりも被給水部２１側では、送水管２５とバイパス管路２３の接続部とポンプ逆転水車６０との間に、常開であって手動の第２の仕切弁２８Ｂが設けられている。
【００１４】
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。送水管２５の一部を構成す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。
【００１５】
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には磁界発生用の永久磁石（図示せず。）が取り付けられている。一方、固定子７５には電力出力線８０に電気的に接続された出力発生用の巻線（図示せず。）が巻回されている。
【００１６】
上述のように本実施形態では、ポンプ逆転水車６０として、横軸軸流ポンプを使用している。横軸軸流ポンプは比速度Ｎｓが大きく、例えば遠心形の渦巻ポンプのように比速度Ｎｓの小さいポンプと比較すると、流量及び回転数が同じ場合には揚程が小さくなる。
【００１７】
図４は、高比速度のポンプ（例えば軸流ポンプや斜流ポンプ）及び低比速度のポンプ（例えば遠心形の渦巻ポンプ）をポンプ逆転水車として使用した場合の流量と有効落差の関係を示している。図４において、一点鎖線が高比速度のポンプを示し、実線が低比速度のポンプを示している。また、二点鎖線は無拘束の場合を示している。なお、図４においてＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は回転数の例（Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４）を示している。図４の一点鎖線から明らかなように、高比速度のポンプである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本実施形態では、有効落差が一定であれば、回転数が上昇すると流量が増大し、回転数が低下すると流量が減少する。なお、図４の実線から明らかなように、ポンプ逆転水車６０として低比速度のポンプを使用する場合、有効落差が一定であれば、回転数が低下すると流量が増大し、回転数が上昇すると流量が減少する。
【００１８】
制御盤１０は、電力出力線８０から図示しない負荷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１１を備えている。
【００１９】
また、制御盤１０は、後に詳述するように流量検出器３１により検出された流量に基づいて、発電機７０の回転数（発電機７０に連結されたポンプ逆転水車６０の回転数に比例する。）を制御する、運転制御部（制御手段）１５を備えている。運転制御部１５が発電機７０の回転数を制御する方法には、発電機７０の形式等により種々の態様があるが、本実施例では固定子７５が備える出力発生用の巻線に供給する電流の周波数ｆを調節することで、回転数を制御している。永久磁石に代えて磁界発生用の巻線を回転子７３に設ける場合には、この巻線に供給する電流の周波数を調節することで、回転数を制御することができる。
【００２０】
さらに、制御盤１０は、発電機７０の回転数制御の基準となる流量の設定値の設定値Ｑｓｅｔを記憶する記憶部１６を備えている。運転制御部１５は、送水管２５を通って被給水部２１に流れる水の流量が、この設定値Ｑｓｅｔとなるように、発電機７０の回転数を制御する。また、記憶部１６は、後述する発電機７０（ポンプ逆転水車６０）の回転数制御が可能な最大流量Ｑｍａｘ及び最小流量Ｑｍｉｎを記憶している。
【００２１】
この発電設備では、汎用の横軸軸流ポンプを発電機駆動用のポンプ逆転水車６０として使用している。また、送水管２５にはポンプ逆転水車６０とは別個に流量制御弁等の圧力を調節するための手段を必要がない。これらの点で構成が簡便で、低コストで製造することができる。
【００２２】
次に、このポンプ逆転水車型発電設備の動作を説明する。まず、流量検出器３１の検出流量Ｑが運転制御部１５が入力される。図２を参照すると、運転制御部１５は、検出流量Ｑと最大流量Ｑｍａｘ及び最小流量Ｑｍｉｎを比較する（ステップＳ２−１）。最大流量Ｑｍａｘは流量がそれ以上となると発電機７０の回転数制御が不可能となる流量である。また、最小流量Ｑｍｉｎは流量がそれ以下となるとポンプ逆転水車６０のプロペラ軸６４を回転させるには動力が必要となる流量（ポンプとしての運転が必要となる流量）である。
【００２３】
ステップＳ２−１において、検出流量Ｑが最小流量Ｑｍｉｎよりも大きく、最大流量Ｑｍａｘ未満である場合には、発電機７０（ポンプ逆転水車６０）の回転数制御を行う（ステップＳ２−２）。
【００２４】
ステップＳ２−２の処理の詳細について図３を参照すると、まず、運転制御部１５は流量検出器３１の検出流量Ｑと記憶部１６に記憶された設定値Ｑｓｅｔを比較する（ステップＳ３−１）。
【００２５】
ステップＳ３−１において、検出流量Ｑが設定値Ｑｓｅｔ未満であれば、運転制御部１５は発電機７０（ポンプ逆転水車６０）の回転数を上昇させる（ステップＳ３−２）。その結果、送水管２５を通って被給水部２１に供給される水の流量が増加する（ステップＳ３−３）。
【００２６】
一方、ステップＳ３−１において、検出流量Ｑが設定値Ｑｓｅｔ以上であれば、運転制御部１５は発電機７０（ポンプ逆転水車６０）の回転数を低下させる（ステップＳ３−４）。その結果、送水管２５を通って被給水部２１に供給される水の流量が減少する（ステップＳ３−５）。
【００２７】
このように運転制御部１５は、送水管２５のポンプ逆転水車６０よりも被給水部２１側に設けた流量検出器３１の検出流量Ｑが設定値Ｑｓｅｒで一定となるように、発電機７０（ポンプ逆転水車６０）の回転数を制御する。従って、流量一定制御と余剰エネルギの有効利用の両方を実現することができる。
【００２８】
なお、ポンプ逆転水車６０が低比速度のポンプを使用するものである場合、検出流量Ｑが設定値Ｑｓｅｔ未満であれば、発電機７０（ポンプ逆転水車６０）の回転数を低下させ、検出流量Ｑが設定値Ｑｓｅｔ以上であれば、発電機７０の回転数を上昇させればよい。
【００２９】
図２のステップＳ２−１において検出流量Ｑが記憶部１６に記憶された最小流量Ｑｍｉｎ以下であれば、ステップＳ２−３において運転制御部１５は仕切弁２８Ａを閉弁する一方、流量制御弁２７を開弁し、検出圧力Ｑが設定値Ｑｓｅｔに近付くように、流量制御弁２７の開度を調節する（ステップＳ２−３）。具体的には、検出流量Ｑが設定値Ｑｓｅｔより大きければ流量制御弁２７の開度を小さくし。逆に、検出流量Ｑが設定値Ｑｓｅｔより小さければ流量制御弁２７の開度を大きくする。
【００３０】
一方、図２のステップＳ２−１において検出流量Ｑが記憶部１６に記憶された最大流量Ｑｍａｘ以上であれば、ステップＳ２−４において運転制御部１５は発電機７０の回転数制御を停止し、回転数を一定とする。また、仕切弁２８Ａ，２８Ｂを開弁状態で維持する一方、流量制御弁２７を開弁し、検出流量Ｑが設定値Ｑｓｅｔに近付くように、流量制御弁２７の開度を調節する。具体的には、検出流量Ｑが設定値Ｑｓｅｔより大きければ流量制御弁２７の開度を小さくする。逆に、検出流量Ｑが設定値Ｑｓｅｔより小さければ流量制御弁２７の開度を大きくする。
【００３１】
このように発電機７０の回転数制御が不可能となる流量範囲では、バイパス管路２３に設けた流量制御弁２７の開度を調節することで、より広い流量範囲で流量一定制御を行うことができる。
【００３２】
【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下流側の管路の流量が一定となるように、制御手段がポンプ逆転水車の回転数を制御するので、簡便かつ低コストの構成で、流量の一定化と余剰エネルギを利用した高効率の発電の両方を実現することができる。また、バイパス管路、仕切弁、及び流量制御弁をさらに設けることで、ポンプ逆転水車の回転数制御が可能な範囲外での流量でも、被給水側の流量を一定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装置を示す、概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態にかかるポンプ逆転水車型発電装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２のステップＳ２−２の動作の詳細を説明するためのフローチャートである。
【図４】ポンプ逆転水車の流量と有効落差の関係を示す線図である。
【符号の説明】
１０  制御盤
１１  電力回路
１２  周波数検出器
１５  運転制御部
１６  記憶部
２０  配水槽
２１  被給水部
２３  バイパス流路
２５  送水管
３１  流量検出器
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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