(57)【要約】【課題】簡便かつ低コストの構成により、広い流量範囲、有効落差範囲での高効率の水力発電を実現する。【解決手段】ポンプ逆転水車型発電設備は、ポンプ逆転水車６０、ポンプ逆転水車６０の主軸６６にその回転軸７１が連結された発電機７０、発電機７０の回転軸７１の回転数を検出するための周波数検出器１２、及び記憶部１６に記憶された発電機７０の発生する電力量と回転軸７１の回転数との関係を満たすように発電機７０が出力する電力を制御する運転制御部１５を備える。【選択図】図１
2004364357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記発電機の回転軸の回転数を検出する回転数検出手段と、
予め設定された前記発電機の発生する電力量と前記発電機の回転軸の回転数との関係を記憶した記憶手段と、
前記回転数検出手段により検出された回転数に基づいて、前記記憶手段に記憶された前記電力量と前記回転数の関係を満たすように、前記発電機が出力する電力を制御する、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】
前記記憶手段に記憶された前記電力量と前記回転数の関係は、回転数に対して前記ポンプ逆転水車が最高効率の運転状態となるように設定されている、請求項１に記載のポンプ逆転水車型発電設備。
【請求項３】
前記ポンプ逆転水車は、大気開放された貯水部と、この貯水部よりも低位置にあり、かつ大気開放された排水部とを接続する管路に介設されている、請求項１又は請求項２に記載のポンプ逆転水車型発電設備。
【請求項４】
前記ポンプ逆転水車は、給水部と被給水部とを接続する送水用の管路に介設されている、請求項１又は請求項２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、水道の送水管に発電用のポンプ逆転水車を介設し、このポンプ逆転水車の吐出側（二次側）の圧力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２００２−２５７０２６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に記載のもののように、二次側圧力一定の制御では、広い流量範囲、有効落差範囲で高効率の発電を行うことは困難であった。特に、低流量ないしは低落差となると、発電効率が著しく低下し、又は発電が不可能となる。一方、例えば農業用水路等に設けられる小規模の発電設備のために、新たに水車を設計及び製造することは、コストの点で現実的でない。
【０００５】
そこで、本発明は、簡便かつ低コストの構成により、広い流量範囲、有効落差範囲での高効率の水力発電を実現することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、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、前記発電機の回転軸の回転数を検出する回転数検出手段と、予め設定された前記発電機の発生する電力量と前記発電機の回転軸の回転数との関係を記憶した記憶手段と、前記回転数検出手段により検出された回転数に基づいて、前記記憶手段に記憶された前記電力量と前記回転数の関係を満たすように、前記発電機が出力する電力を制御する、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。
【０００７】
本発明のポンプ逆転水車型発電設備では、電力量と回転数が予め設定された関係となるように、制御部がポンプ逆転水車の回転数を制御するので、広い流量範囲で高効率の発電が可能である。特に、回転数一定のポンプ逆転水車を使用した場合、低流量ないしは低落差となると、発電効率が著しく低下し、又は発電が不可能となるが、本発明では発電機の回転数、すなわちポンプ逆転水車の回転数に対して発電機の出力電力を調節するので、低流量ないしは低落差であっても発電が可能である。また、汎用のポンプを発電機駆動用の水車として使用し、かつポンプ逆転水車の上流側の流量制御弁、調速機等の外部機器を設ける必要がないので、発電設備の構成が簡便でコストも低減することができる。
【０００８】
具体的には、前記記憶手段に記憶された前記電力量と前記回転数の関係は、回転数に対して前記ポンプ逆転水車が最高効率の運転状態となるように設定されている。
【０００９】
前記ポンプ逆転水車は、例えば、大気開放された貯水部と、この貯水部よりも低位置にあり、かつ大気開放された排水部とを接続する管路に介設されている。
【００１０】
あるいは、前記ポンプ逆転水車は、給水部と被給水部とを接続する送水用の管路に介設されていてもよい。
【００１１】
【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。
【００１２】
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、大気開放された貯水槽（貯水部）１と、この貯水漕１よりも低位置にあり、かつ大気開放された排水槽（排水部）２とを接続する管路３に設けられている。管路３は貯水槽１から延びる水平管３Ａ、水平管３Ａに接続されたベント管３Ｂ、及びベント管３Ｂの下端から排水槽２に向けて延びるベル状の排水管３Ｃとを備えている。
【００１３】
管路３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。水平管３Ａとベント管３Ｂ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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
また、制御盤１０は、前記発電機７０から前記電力回路１１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）１２を備えている。周波数検出器１２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１２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１２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。
【００１７】
さらに、制御盤１０は、後に詳述するように前記周波数検出器１２により検出された周波数（回転数）に基づいて、発電機７０の出力する電力（トルク）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の出力電力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量Ａを調節することで、出力電力を制御している。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量を調節することで、出力電力を制御することができる。
【００１８】
さらにまた、制御盤１０は、図２に示すように予め設定された発電機７０の回転軸７１の回転数Ｒと発電機７０の出力電力Ｗとの関係を記憶した記憶部（記憶手段）１６を備えている。図３を参照すると、実線は３種類の回転数Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３（Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３）について流量と有効落差の関係を示し、一点鎖線はこれら３種類の回転数Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ついて効率を示している。各回転数Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３について最高効率Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３があり、それに対応する運転状態Ｐ１’，Ｐ２’，Ｐ３’がある。図３では、３種類の回転数のみを示しているが、回転数が決まれば、最高効率とそれに対応する運転状態が一義的に決まる。図２の回転数と出力電力の関係は、個々の回転数で最高効率での運転状態となるように出力電力を定めている。
【００１９】
前述のように、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、ポンプ逆転水車６０の上流側に流量制御弁を備えず、調速機等の外部機器も備えていない。これらの点で、本実施形態のポンプ逆転水車型発電設備は構成が簡便で、低コストで製造することができる。
【００２０】
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、周波数検出器１２により検出された周波数が運転制御部１５に入力される。運転制御部１５は、記憶部１６に記憶された回転数Ｒと出力電力Ｗの関係（図２）を参照し、この関係を満たすように発電機７０に供給する電流量Ａを調節する。例えば、周波数検出器１２により検出された周波数が、図２においてＲ’である場合、運転制御部１５は出力電力がＷ’となるように電流指令（電流量Ａ）を発電機７０に対して出力する。かかる制御により、発電機７０はポンプ逆転水車６０が常に最高効率で運転している状態で発電を行うことになり、広い流量範囲、有効落差範囲で高い発電効率を得ることができる。特に、低流量ないしは低落差であっても、発電が可能となる。
【００２１】
図４に示す第２実施形態は、本発明を水道設備に適用した例である。ポンプ逆転水車６０は、配水槽（給水部）２０と例えば水道栓である被給水部２１とを接続する送水管２５に介設されている。図４において、２３はバイパス流路、２４Ａ，２４Ｂは送水管２５に設けられた常開の仕切弁、２４Ｃはバイパス流路２３に設けられた常閉の仕切弁である。第２実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００２２】
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、ポンプ逆転水車は、斜流ポンプ等の他の形式のポンプであってもよい。
【００２３】
【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、電力量と回転数が予め設定された関係となるように、制御部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、広い流量域での高効率の発電が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発電設備を示す概略図である。
【図２】発電機の回転数と発電機の出力電力との関係を示す線図である。
【図３】種々の回転数におけるポンプ逆転水車の流量と有効落差の関係、及び流量と効率の関係を示す線図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る発電設備を示す概略図である。
【符号の説明】
１  貯水槽
２  排水槽
３  管路
３Ａ  水平管
３Ｂ  ベント管
３Ｃ  排水管
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
２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ  仕切弁
２５  送水管
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】
2004364357.tif 000003
【図２】
2004364357.tif 000004
【図３】
2004364357.tif 000005
【図４】
2004364357.tif 000006