(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れてくる配管系の配管を複数本の配管に分岐し、その分岐経路に設置して該分岐経路を流れる流体の有するエネルギーを回収するエネルギー回収装置と、前記配管系を流れる流体の流量を検出する流量検出装置とを備え、前記エネルギー回収装置を並列運転するエネルギー回収システムにおいて、
前記エネルギー回収装置は、回転数が上昇すると水流抵抗が増加する遠心型水車と、該遠心型水車の回転により発電する発電機とを有し、
前記流量検出装置により検出された前記配管系を流れる流体の流量が所定の値以下になった場合に、複数台の運転している前記エネルギー回収装置のうち、所定のエネルギー回収装置の発電機の運転を中止させ、該発電機に接続された前記遠心型水車を無拘束運転させて、
前記配管系を流れる流体の流量のうち前記無拘束状態とされた前記遠心型水車を流れる減少した流量以外の多くの流量が、前記無拘束状態とされた前記遠心型水車を有する前記エネルギー回収装置以外の前記エネルギー回収装置に流れることを特徴とするエネルギー回収システム。
【請求項２】
請求項１記載のエネルギー回収システムにおいて、
前記流量検出装置は、前記配管系を流れる流体について検出した流体速度又は流体圧力から前記配管系を流れる流体の流量を推定することを特徴とするエネルギー回収システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載のエネルギー回収システムにおいて、
前記エネルギー回収装置が有するそれぞれの前記発電機についてその発電運転停止を制御する個別コントローラと、前記流量検出装置により検出された前記配管系を流れる流体の前記流量に基づいて前記個別コントローラを制御する上位コントローラとを備えていることを特徴とするエネルギー回収システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー回収システムと制御方法及び複数水車発電機システムと運転制御方法であり、水車を用いた発電を行ってエネルギーを回収する技術に関する。
【０００２】
【従来技術】
ビルの空調システムとして、安価な深夜電力を利用して熱源機を運転し、製造した熱を蓄熱槽に貯めておき、空調負荷が発生する昼間に貯めていた熱を汲み出して負荷である空調機に送って空調する蓄熱式空調システムが広く採用されている。このうち、熱を製造する一次側システムでは、従来は参考例の特許文献１（液体循環式空気調和設備におけるポンプへの動力回収）に示すように一次側冷温水ポンプを駆動する電動機を両軸にして、反ポンプ側に水車を直結して熱源機から出た水を前記水車で受けて、この落差で水車を運転し、水車が発生したトルクを前記電動機に伝達し、この電動機の負荷（この場合、一次冷温水ポンプ）を軽減している。同装置は、建物の高さ（水車の落差）、建物内空調負荷（流量）によって一品ごとに設計、製造するのは不合理である。一般には汎用の同装置を数種類、予め用意しておき、建物あるいは負荷設備仕様に合わせて、複数台並列運転している。これは、水車と発電機を軸でつなぎ、水車が水力エネルギーを回収することによって発生するトルクを発電機に伝達し、その発電機によって発電を行う水車発電機についても同様のことが言える。
【０００３】
水車発電機を並列に設置するにあたって、設置する配管系の水量にあわせて、水車発電機を複数台並列に設置し運転を行う。このとき並列の台数は最大水量に合わせて決定する為、水量変化がある配管系の場合、水量が減少した時、台数制御を行わない場合は水車設置台数よりも少ない台数であれば発電できる水量の場合でも、全台数にほぼ均等に水が流れる為に、全ての水車が発電停止水量に達してしまい発電出来なくなってしまう。
【０００４】
このような現象を改善すべく、参考例では流量が変化するに従って、水車の出口側に設けた電磁開閉弁が自動的に切替制御されて、その流量に適する台数の水車のみを運転する制御方法が開発されている。
【０００５】
【特許文献１】
特公昭４８−４１９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のごとき電磁開閉弁を用いた水車運転台数制御の場合、水車設置台数分だけ、水車出口側に電磁開閉弁を設ける必要があり、水車台数が増えれば増えるほど、コストアップの要因となってしまう。
【０００７】
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたもので、複数の水車による運転において、流量に対応する水車台数で発電運転を行うエネルギー回収システムと制御方法及び複数水車発電機システムと運転制御方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決する手段】
上記目的を達成するために、本発明は、遠心形の水車を用いることにより、上記配管系の水量が減少した場合には、遠心形水車の特徴を生かし、流量に適した水車台数以外の水車を無拘束運転させ、水車による抵抗が上昇するように水車回転数を変化させ、発電運転したい水車の方へ、より多くの水が流れるように制御を行うことを特徴とするものである。
【０００９】
すなわち、本発明は、流体が流れてくる配管系の配管を複数本の配管に分岐し、その分岐経路に設置して該分岐経路を流れる流体の有するエネルギーを回収するエネルギー回収装置と、前記配管系を流れる流体の流量を検出する流量検出装置とを備え、前記エネルギー回収装置を並列運転するエネルギー回収システムにおいて、前記エネルギー回収装置は、回転数が上昇すると水流抵抗が増加する遠心型水車と、該遠心型水車の回転により発電する発電機とを有し、前記流量検出装置により検出された前記配管系を流れる流体の流量が所定の値以下になった場合に、複数台の運転している前記エネルギー回収装置のうち、所定のエネルギー回収装置の発電機の運転を中止させ、該発電機に接続された前記遠心型水車を無拘束運転させて、前記配管系を流れる流体の流量のうち前記無拘束状態とされた前記遠心型水車を流れる減少した流量以外の多くの流量が、前記無拘束状態とされた前記遠心型水車を有する前記エネルギー回収装置以外の前記エネルギー回収装置に流れることを特徴とするエネルギー回収システムである。
【００１０】
また、本発明は、このエネルギー回収システムにおいて、前記流量検出装置は、前記配管系を流れる流体について検出した流体速度又は流体圧力から前記配管系を流れる流体の流量を推定することができる。
更に、このエネルギー回収システムにおいて、前記エネルギー回収装置が有するそれぞれの前記発電機についてその発電運転停止を制御する個別コントローラと、前記流量検出装置により検出された前記配管系を流れる流体の前記流量に基づいて前記個別コントローラを制御する上位コントローラとを備えることができる。
個別コントローラと上位コントローラとを備えるエネルギー回収システムにおいて、前記上位コントローラは、前記流量検出装置から得た流量情報により前記エネルギー回収装置の最適な運転台数を算出して最適な運転台数を超える台数分の個別コントローラに発電機運転中止指令を出すことができ、上記上位コントローラは、上記流量検出装置から得た流量情報により算出した最適な運転台数が稼働中の運転台数以下のときに、稼働中のうちの１台の個別コントローラに発電機運転中止指令を出すことができる。
【００１１】
そして、本発明は、流体が流れてくる配管系の配管を複数本の配管に分岐し、その分岐経路に前記流体の有するエネルギーを回収するよう回転数が上昇すると水流抵抗が増加する水車と該水車の回転により発電する発電機とを有するエネルギー回収装置を設置し、該エネルギー回収装置の発電機に個別コントローラを取付けて並列運転させ、前記配管系の流量が減少した場合には、流量に適した運転台数を超える台数分のエネルギー回収装置の発電運転を停止させることにより、前記配管系の流量に適した運転台数のエネルギー回収装置への流入量が多くなるように制御し、配管系の流量の変化に応じてエネルギー回収装置への流量配分を最適に制御するエネルギー回収システムの制御方法であって、予め測定しておいた各発電運転台数における発電停止合計水量Ｑｓに対してある係数ｋを掛けて、製品バラツキや流量測定誤差，制御タイムラグを考慮して算出した台数切替タイミング水量ＱＣにおいて発電運転と無拘束運転の切替制御を行うエネルギー回収システムの制御方法である。
【００１２】
更に、本発明は、水力エネルギーを持った水が流れてくる配管系の配管を複数本の配管に分岐し、その分岐経路に前記未利用水力エネルギーを回収するよう設置された水車発電機と、該水車発電機を並列運転させるよう設けた個別コントローラと、前記配管系の流量を検出する検出装置と、該検出装置から得た流量情報により前記水車発電機の最適な運転台数を算出し前記個別コントローラに運転指令を出す上位コントローラとを設け、前記配管系の流量の変化に伴い、発電運転する水車発電機と発電停止する水車発電機を順次制御する複数水車発電機システムである。
【００１３】
また、本発明は、水力エネルギーを持った水が流れてくる配管系の配管を複数本の配管に分岐し、その分岐経路に前記水力エネルギーを回収することの出来る水車発電機を設置し、該水車発電機にコントローラを設置し発電運転を行う水車発電機の並列運転させ、前記配管系の流量が減少した場合には、流量に適した運転台数以外の前記水車発電機の発電運転を停止させることにより該水車発電機の回転数を上昇させ、該水車発電機における流体抵抗が大きくなるように回転数を変化させ、前記配管系の流量に適した運転台数の水車発電機への流入量が多くなるように制御し、配管系の流量の変化に応じて水車発電機への流量配分を最適に制御する複数水車発電機システムの運転制御方法において、予め測定しておいた各発電運転台数における発電停止合計水量Ｑｓに対してある係数ｋを掛けて、製品バラツキや流量測定誤差，制御タイムラグを考慮して算出した台数切替タイミング水量ＱＣにおいて発電運転と無拘束運転の切替制御を行う複数水車発電機システムの運転制御方法である。
【００１４】
上記のような特徴構成を有する本発明によれば、電磁開閉弁による水車の台数制御を行うことなく、配管系の水量変化に応じた最適な水車運転台数制御を行うことが可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明のエネルギー回収システムと制御方法及び複数水車発電機システムと運転制御方法の実施例について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、実施例のエネルギー回収システムの概略構成図である。図２は、実施例における遠心形水車の３台並列運転時の発電電力特性の説明図である。図３は、実施例における遠心形水車の無拘束運転時と自動運転時の落差特性の説明図である。
【００１６】
実施例を説明する。図１は、開ループの蓄熱式空調システムに水車発電機を並列に設置したエネルギー回収システムの構成図である。１は蓄熱槽１６の水を汲み上げて送水管３ａを介して熱源機３に送水する揚水ポンプ、２は該揚水ポンプ駆動用電動機である。４は前記熱源機が製造する熱量を調整する二方弁、３ｂは前述した熱源機と分流器６とを結ぶ送水管、５は同送水管に備わる膨張タンクである。また、膨張タンクの代わりに真空破壊弁を設けることもある。また、分流器６を介して複数本の分岐経路６ａ，６ｂ，６ｃを形成し、水車１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのそれぞれに送水する。水車を出た水は集流器７を介して、蓄熱槽に戻すための送水管７ａを通り、前記蓄熱槽１６へ戻される。送水管７ａの途中には、システム停止後の管内落水防止のために、電磁開閉弁８を設ける。
【００１７】
この空調システム配管内には予め水が充満されており、空調システムが運転を始めると、前記開閉弁８を開けて揚水ポンプ１を運転させ熱源機３へ水が送られると同時に、前記分流器６で各落液分岐経路６ａ，６ｂ，６ｃに分配され、各水車１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが起動される。それと同時に前記水車１２と軸で直結された発電機１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃも回転を始める。その後個別コントローラ１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃにより自動発電運転を行い、発電した電力を、送電線１５を介して電力供給先へ送電する。そしてこのときは各水車１２には充分に運転できる水が供給されていて、高い発電効率で運転を行っている。従って、電力供給先では、水車発電機１３より送られた電力分だけ消費電力が減ることになり経済的である。
【００１８】
そして時間が経過して、前記二方弁４が絞られ水量が減少し、発電運転台数３台の運転停止合計水量ＱＣ３＝ＱＳ３×ｋ３（ＱＳ３＝水車発電機１台の運転停止水量ＱＳ１×３、ｋ３は制御係数）に達したら、前記送水管３ｂの途中に設けられた落液量検出装置９がそれを検出して、上位コントローラ１０へ伝え、この上位コントローラ１０が個別コントローラ１４Ｃに発電運転停止指令を出し、個別コントローラ１４Ｃは自動発電運転を停止し、水車１２Ｃは無拘束回転状態となる。その後更に水量が減少し、発電運転台数２台の運転停止合計水量ＱＣ２＝ＱＳ２×ｋ２（ＱＳ２＝水車発電機１台の運転停止水量ＱＳ１×２＋その時の無拘束運転水車発電機の水量Ｑｍ２、ｋ２は制御係数）に達したら、上位コントローラ１０が個別コントローラ１４Ｂに発電運転停止指令を出し、個別コントローラ１４Ｂは自動発電運転を停止し、水車１２Ｂは無拘束回転状態となる。その時の総水量と総発電量の関係を図２に示す。
【００１９】
図３には遠心形水車の落差特性を示す。図３に示すように、無拘束運転時と自動発電運転時では、同じ水量での落差が、無拘束運転時の方が高くなる特徴がある。換言すると、同じ落差では、自家発電運転での流量に比べて、無拘束運転での流量は十分少なくなることが解る。つまり、遠心型水車では無拘束運転にすると羽根車の回転数が増加することで、流入してくる水に対して作用する遠心力が大きくなること、即ち、回転水車による水流抵抗が増える事を意味し、発電運転を行っている水車１２Ａに比べ、無拘束運転状態の水車１２Ｂ，１２Ｃには水が流れにくくなる。これにより、水量に適した運転台数の水車にだけ水量を多く流すように制御でき、水量が減少するに従って順々に水車を無拘束運転させることにより、水量に適した台数の水車に水量を片寄らせることができ、最後の１台が運転できなくなる水量まで効率良く発電運転を行うことが可能となる。
【００２０】
尚、前記送水管３ｂを経て流れくる水量に応じて無拘束運転する水車台数を制御するに当たって、前記実施例では直接水量を感知する構成を採用したが、流水速度又は流水圧を検出することにより、水量を間接的に感知する様に構成しても構わない。例えば、前記落液流量検出装置９を落液速度計、又は落液圧力計に置き換える事が出来る。
【００２１】
以上のように、本発明に基づく実施例によれば、遠心形水車の特性である無拘束時の落差増加特性を利用して、水量に適した水車台数で運転を行う水車運転台数制御を行うことができ、水車出口側に水車台数分だけ電磁開閉弁を設けなくても効率良く未利用水力エネルギーを回収することが可能となり、その分だけコスト削減ができるという効果を奏する。
【００２２】
なお、上述の実施例では、蓄熱式空調システムの使用済みの未利用の水力エネルギーを回収するシステムを例に説明を行った。しかしながら、上述の実施例のような未利用の水力エネルギーを回収するシステムに実施形態が限定されるものではなく、複数の水車を有する等のエネルギー回収を行うものにおいても、上記実施例は有効なものである。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の水車による運転において、流量に対応する水車台数で発電運転を行うエネルギー回収システムを得ることができる。即ち、運転を中止させた所定のエネルギー回収装置の発電機に接続された遠心型水車は無拘束運転されることになり、遠心型水車の回転数が上昇すると水流抵抗が増加するという特性によって水流抵抗が増えて、電磁開閉弁を用いなくても、結果的に発電運転を行っている遠心型水車と比べて水流が流れにくくなり、その分、水量に適した運転台数の水車にだけ水量を多く流すように制御でき、順次、こうした運転制御を繰り返すことで、最後の１台が運転できなくなる水量まで効率良く発電運転を行うことが可能となる。また、電磁開閉弁を必要としない分だけエネルギー回収システムのコストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のエネルギー回収システムの概略構成図。
【図２】実施例における遠心形水車の３台並列運転時の発電電力特性の説明図。
【図３】実施例における遠心形水車の無拘束運転時と自動運転時の落差特性の説明図。
【符号の説明】
１  揚水ポンプ
２  電動機
３  熱源機
３ａ、３ｂ  送水管
４  二方弁
５  膨張タンク
６  分流器
６ａ、６ｂ、６ｃ  分岐経路
７  集流器
７ａ  送水管
８  電磁開閉弁
９  液量検出装置
１０  上位コントローラ
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ  水車
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ  発電機
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ  個別コントローラ
１５  送電線
１６  蓄熱槽
【図１】
0004610866.tif 000002
【図２】
0004610866.tif 000003
【図３】
0004610866.tif 000004