(57)【要約】【課題】  日照時間帯の天候に左右されることなく、且つ蓄電池を使用することなく環境保護が容易に行え、且つ高品質の電気を供給することができる発電システムを提供する。【解決手段】  上部水槽１１と、下部水槽１２と、太陽光発電装置１７と、前記下部水槽の水を前記上部水槽に揚水するとともに前記上部水槽の水を前記下部水槽に流水することで発電を行う水車型発電機１３とを備え、該水車型発電機として、水車機能を持ったポンプ逆転水車と、永久磁石式発電機／電動機とを直結し、下部水槽の水を揚水する場合はポンプおよび電動機として使用し、上部水槽の水を利用して発電する場合には、ポンプ逆転水車および発電機として使用し、前記太陽光発電装置の発電電力を利用して前記水車型発電機をポンプとして用いて前記下部水槽から上部水槽に揚水し、該上部水槽に揚水した水を下部水槽に流水することで前記水車型発電機により発電する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部水槽と、下部水槽と、太陽光発電装置と、前記下部水槽の水を前記上部水槽に揚水するとともに前記上部水槽の水を前記下部水槽に流水することで発電を行う水車型発電機とを備え、
該水車型発電機として、水車機能を持ったポンプ逆転水車と、永久磁石式発電機／電動機とを直結し、下部水槽の水を揚水する場合はポンプおよび電動機として使用し、上部水槽の水を利用して発電する場合には、ポンプ逆転水車および発電機として使用し、
前記太陽光発電装置の発電電力を利用して前記水車型発電機をポンプとして用いて前記下部水槽から上部水槽に揚水し、該上部水槽に揚水した水を下部水槽に流水することで前記水車型発電機により発電することを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項２】
前記下部水槽の水を上部水槽に揚水するダミーポンプを備え、前記水車型発電機の軸出力を用いて前記ダミーポンプにて揚水可能にしたことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
【請求項３】
前記水車型発電機とダミーポンプは、クラッチによりそれぞれの回転軸が直結可能となっていることを特徴とする請求項２記載の太陽光発電システム。
【請求項４】
前記水車型発電機の発電出力が規定出力以上のときに前記クラッチをオン状態とすることを特徴とする請求項３記載の太陽光発電システム。
【請求項５】
前記水車型発電機の発電出力が規定出力以下のときに前記クラッチをオフ状態とすることを特徴とする請求項３記載の太陽光発電システム。
【請求項６】
前記ダミーポンプの出力調整は、該ダミーポンプの吐出側に設けた調整バルブの弁開度の調整により行うことを特徴とする請求項３記載の太陽光発電システム。
【請求項７】
需要家側に供給する電力を監視し、前記水車型発電機の水位差に相当する発電出力が前記需要家側に供給する電力を上回るときに、余剰の電力を用いてダミーポンプで揚水することを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池と水車型発電機を利用した発電システムに係り、特に送配電線網が設置されていない場所においても、電力の供給が可能な自立型の発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、太陽光をエネルギー源とした太陽光発電システムが広く普及している。太陽光発電システムはそのエネルギー源が永続的に利用可能なこと、またエネルギー源として環境に害を与える化学汚染物質等を排出しない点から非常に価値の高い発電システムといえる。しかしながら、太陽光から得られるエネルギーは一日の日照時間、季節的な天候の変動に左右されることが多く、発電電力は日照状態により不安定である。また、送配電線網が設置されていない場所においては、太陽光発電で発電した電力を日照時間帯以外の例えば夜間に使用する必要がある。このため、発電した電力を蓄電池に貯蔵し、需要量に応じて供給するシステムが多く採用されている。これにより、日照時間中に発電電力で蓄電池を充電し、非日照時間帯に蓄電池から電力を供給することで安定した品質の電気を確保することができる。
【０００３】
ところで、蓄電池は過度の充電／放電を繰り返すと、その結果短寿命となり、廃棄処分をせざるを得なくなる。しかしながら、蓄電池の廃棄処分は、環境保護上問題があり、また、この寿命がきた蓄電池は適正に廃棄物処理されることなく、放置される例が多く、環境汚染の一因ともなるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、日照時間帯の天候に左右されることなく、且つ環境保護上問題がある蓄電池を使用することなく、品質が良好な電力を無駄を生じることなく供給することができるハイブリッド型の太陽光発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の太陽光発電システムは、上部水槽と、下部水槽と、太陽光発電装置と、前記下部水槽の水を前記上部水槽に揚水するとともに前記上部水槽の水を前記下部水槽に流水することで発電を行う水車型発電機とを備え、該水車型発電機として、水車機能を持ったポンプ逆転水車と、永久磁石式発電機／電動機とを直結し、下部水槽の水を揚水する場合はポンプおよび電動機として使用し、上部水槽の水を利用して発電する場合には、ポンプ逆転水車および発電機として使用し、前記太陽光発電装置の発電電力を利用して前記水車型発電機をポンプとして用いて前記下部水槽から上部水槽に揚水し、該上部水槽に揚水した水を下部水槽に流水することで前記水車型発電機により発電することを特徴とする。
【０００６】
上述した本発明によれば、日照時間帯に太陽光発電の電力を利用して下部水槽の水をポンプにより上部水槽へ揚水し、夜間その他の日照時間帯外に揚水した有効落差を利用して上部水槽から下部水槽へ流水し発電を行うことができる。これにより送配電線網が存在していない場所等においても、日照時間帯にエネルギーを蓄積し、発電電力を必要とする夜間に上部水槽に位置のエネルギーとして蓄電池を用いることなく、電力を供給することができる。従って、蓄電池の廃棄処分という問題がなくなり、太陽光発電システムを真に環境に優しい発電システムとすることができる。
【０００７】
特に、この発電システムにおいては、水車機能を持ったポンプ逆転水車と永久磁石式発電機／電動機とを直結した構造の水車型発電機を有している。このため、コンパクトでかつエネルギー変換効率の高い水車型発電／電動機が得られる。そして、この発電システムにおいては、下部水槽の水を上部水槽に揚水するダミーポンプを備え、このダミーポンプをクラッチにより水車型発電機と接続可能としている。従って、水車型発電機の発電出力が規定出力以上の時にそのクラッチをオン状態とすることで、余剰電力を下部水槽から上部水槽への揚水に用い、余剰電力を有効利用することができる。これにより、水車型発電機の発電周波数を定格周波数に維持しつつ所要出力電力に対応した上部水槽から下部水槽への流水量に調整することができ、余剰電力を生じない運転が可能となる。ここで、この発電システムにおいては、需要家側に供給する電力を監視し、有効落差に基づく水車型発電機の発電出力が需要家側に供給する電力を上回る時に、余剰の電力をダミーポンプで消費させる制御機構を備えている。この制御機構により、上記余剰電力の無駄が生ぜず良質の電力を供給する運転が可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、太陽光を受けて発電された電力により上部水槽に揚水して、次に下部水槽に流水することで水車型発電機による発電が行われるので、大気汚染物質の放出などがなく極めてクリーンな発電が行える。また、上述した制御機構を用いることで、蓄電池を用いることなく、またエネルギーの無駄を生じることなく、周波数および電圧が安定した良質な発電電力を日照時間帯外に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態の太陽光発電システムを示す。サイトの上部には上部水槽１１が配置され、管路１０により接続されて例えば十数メートルの落差で下部水槽１２が配置されている。下部水槽１２の上部にポンプ逆転型水車発電機１３が配置され、水車１３ａが管路１０からの流水により回転駆動され、これにより発電機１３ｂが交流電力を発電する。この発電機１３は、流量の調整機構を持たないポンプ逆転水車型の発電機である。発電機１３ｂは永久磁石式発電機であり、この発電機により発電された交流電力は制御盤１５内の太陽光・ミニハイドロ／パワーコンディショナー制御装置２９より送電線１６を介して需要家側に供給される。
【００１１】
また、この発電システムにおいては、太陽電池アレイ１７を備え、太陽光を受けて発電し直流電力を出力する。この発電電力が制御盤１８に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータを介して太陽光・ミニハイドロ／パワーコンディショナー制御装置２９へ接続され、交流電力に変換され、ポンプモータとして動作する発電機１３ｂに送電線を介して供給される。また、太陽電池アレイ１７の交流出力を需要家側に供給することも勿論可能である。
【００１２】
上部水槽１１は、小川などの付近の河川に接続され、サイトの近辺に降雨した雨水等を集水して上部水槽１１へ流入路２３を介して導水する。また、下部水槽１２の近傍にピット（井戸）２４を備え、地下水をポンプ２２により汲み上げ、上部水槽１１に揚水する。これらで集水した水は、上部水槽と下部水槽との間で循環する閉ループ・自立型の水車型発電機を用いた発電システムに用いるためのものであり、必要に応じていずれかを省略することもできる。なお、このように集水した水は、閉ループ・自立型の発電システムにおける蒸発等による水量の補充および運転開始時の所要水量の確保に用いられる。
【００１３】
この発電システムにおいては、制御盤１５を備え、太陽光・ミニハイドロ／パワーコンディショナー制御装置２９と、ダミーポンプの制御盤（制御装置）３０とを備えている。太陽光・ミニハイドロ／パワーコンディショナー制御装置２９は、太陽光発電アレイ１７が発電した直流出力を交流電力に変換する機能を備えている。
ポンプ機能を備えたポンプ逆転型発電機１３の永久磁石式発電電動機１３ｂは、日中に太陽光アレイ１７が発電した電力を、太陽光・ミニハイドロ／パワーコンディショナー制御装置２９を介して交流電力に変換された電力を受けて動作し、ポンプ逆転水車１３ａはポンプとしての機能を果たす。
【００１４】
この発電システムにおいては、下部水槽の水を揚水するダミーポンプ１９が備えられている。ダミーポンプ１９は下部水槽１２の水を管路１０を介して上部水槽１１に揚水するようになっていて、途中に弁開度調整バルブ３３を備えていて、揚水流量、換言すれば、ダミーポンプ１９の出力を調整可能になっている。このダミーポンプ１９の回転軸は、自動クラッチ１４を介して水車型発電機１３の回転軸に直結可能となっている。従って、水車型発電機１３の発電出力が規定出力よりも大きいときには自動クラッチ１４をオン状態とすることで水車型発電機１３の軸出力をダミーポンプ１９の回転軸に伝達することができる。また、発電機１３の発電電力が需要家側に供給する電力を賄えない場合には、自動クラッチ１４は、ダミーポンプ制御盤３０からの信号を受けて発電機１３とダミーポンプ１９との接続を切断する。
【００１５】
ポンプ逆転型水車発電機１３は主として日中に太陽電池アレイ１７が発電した電力により回転駆動され、モータポンプとして動作し、下部水槽１２に蓄積された水を管路１０、バルブ２０、チェッキバルブ２１を介して上部水槽１１に揚水する。なお、この時にはバルブ３１，３３は閉じておく。
【００１６】
これに対して、夜間等に上部水槽１１の水が管路１０を介して流水し、水車１３ａが永久磁石式発電電動機１３ｂを発電機として駆動して交流電力を発電する。この時、上部水槽１１内の水位と下部水槽１２内の水位との差が、基準水位差より大きい場合には、ポンプ逆転型発電機１３は基準水位差運転時の出力より大きくなる。このため、自動クラッチ１４は、ダミーポンプ制御盤３０からの信号を受けてダミーポンプ１９と水車型発電機１３との接続を行い、発電機１３の軸出力をダミーポンプ１９の回転軸へ伝達してこれを駆動し、管路１０を介して下部水槽１２の水を上部水槽１１へ戻す循環流路を形成している。
【００１７】
ダミーポンプ１９が動作するときには、その出力はバルブ３３の開度により決まり、その開度で決まる流量の水が管路１０を介して上部水槽１１に向かう。一方で、上部水槽１１からはバルブ３１および管路１０を通って水車型発電機１３に流水し、上記発電動作を行う。結局、ダミーポンプ１９が動作するときには、動作前の管路１０の流水量に対してダミーポンプ１９の揚水量が差し引かれた量の水量が管路１０を介して下部水槽に向けて流水することになる。ここで、太陽光・ミニハイドロ／パワーコンディショナー制御装置２９は、発電機１３の発電出力と規定電力とを比較し、水車型発電機の発電出力が需要家側に供給する電力を上回るときに、余剰の軸出力をダミーポンプで消費させるように自動バルブ３３の開度の調整を行う。
【００１８】
天候の状況により小川等からの流入水量が多く、ポンプ逆転型水車発電機１３の連続運転が可能で、かつ、太陽光の日射強度も強く太陽電池アレイ１７からの発電も可能な場合には、太陽光・ミニハイドロ／パワーコンディショナー制御装置２９より送電線１６を介して発電機出力および太陽電池アレイの発電出力のいずれか、または双方を需要家側に供給する制御回路を制御盤１５に備えている。
【００１９】
次ぎに、図２および図３を参照して、自動クラッチ１４およびダミーポンプ１９を含む太陽光発電システムの動作について説明する。上述したように、昼間の日照時に太陽電池アレイ１７の発電出力により水車型発電機１３をモータポンプとして用い、下部水槽１２に貯留された水を上部水槽１１に揚水する。従って、例えば夜間の運転開始時には上部水槽と下部水槽との水位差は最大水位差Ｈｍａｘとなる。ここでバルブＶ１を開き、バルブＶ２を閉じると、上部水槽１１の水は管路１０および水車１３ａを介して下部水槽１２に流水し、水車型発電機１３が発電機として動作する。
【００２０】
発電機としての運転を開始すると、運転時間の経過に伴い、発電機出力は図３（ａ）に示すように、直線的に低下していく。これは図３（ｂ），図３（ｃ）に示すように、上部水槽の水位が徐々に低下し、下部水槽の水位が徐々に上昇するためである。運転開始当初の最大水位差Ｈｍａｘから運転時間の経過と共に水位が低下し、所定の最低水位差Ｈｍｉｎに到達すると、バルブＶ１を閉じて発電機１３の運転を停止する。
【００２１】
この間に中間レベルの規定水位差Ｈｎｏｒに到達すると、この時の発電機出力は図３（ａ）に示すように規定出力Ｐｎｏｒとなる。ここで、規定出力Ｐｎｏｒは、需要家側に供給する電力の平均的な値に設定しておくと、規定水位Ｈｎｏｒ以上では水位差Ｈは、Ｈ＞Ｈｎｏｒであるので、発電機１３の発電電力Ｐは、Ｐ＞Ｐｎｏｒとなり余剰電力を生じることとなる。このままでは、発電機１３の回転速度が上昇し、周波数が上昇するとともに出力電圧が上昇する。
【００２２】
そこで、ダミーポンプ制御盤３０は、発電機出力Ｐｇが規定出力Ｐｎｏｒを上回るときに自動クラッチ１４をオン状態とし、発電機１３の回転軸をダミーポンプ１９の回転軸と直結する。そして、自動バルブＶ３のバルブ開度を発電機１３の出力が規定出力Ｐｎｏｒとなるように制御する。従って、この状態においてダミーポンプ１９が水位差に基づく発電機出力の余剰電力分を吸収して揚水に用いることで、管路１０に流れる流水水量を低減する。即ち、余剰電力分を流水水量の低下という形式で吸収することができる。
【００２３】
そして、水位差Ｈが規定水位Ｈｎｏｒに到達する時刻Ｔ１に到達すると、この時点で自動クラッチ１４をオフ状態とし、水車型発電機１３とダミーポンプ１９との直結状態を解除する。この後は、発電機出力ＰはＰｎｏｒよりも低下するので、規定出力Ｐｎｏｒを需要家側から要求される電力の平均値と設定した場合には、一部の需要先への発電電力の供給を制限する必要がある。
【００２４】
更に、運転時間が経過していくと、上部水槽１１の水位ＨＷＬは更に低下していき、下部水槽１２の水位ＴＷＬは更に水位が上昇していき、水位差がＨｍｉｎとなると、この時点で発電機の運転を停止する。発電機１３の発電機としての運転を停止した後には、バルブＶ１を閉じ、バルブＶ２を開き、次の日照時に備える。次の日照時に太陽電池アレイ１７の発電出力が上昇し、発電機１３がモータポンプとして動作可能な状態になると、下部水槽の水を上部水槽に揚水する。そして、所定の最大水位差Ｈｍａｘに到達すると、発電機１３のモータポンプとしての運転を停止し、次の発電動作に備える。
【００２５】
なお、上記実施形態では規定出力Ｐｎｏｒを需要家側に供給する電力の平均的な値に設定し、ＨｍａｘとＨｍｉｎの中間に設定する例について述べたが、規定出力Ｐｎｏｒを需要家側に供給する電力の最低値に設定し、且つＨｍｉｎの近傍に設定するようにしてもよい。これにより、常時ダミーポンプを運転することで、余剰出力のすべてをダミーポンプの揚水で吸収することができ、発電出力の周波数および電圧を一定に保ち、省エネルギーで且つ高品質の電力を需要家側に供給することが可能となる。
【００２６】
また、設置現場においては、日照時間が長いが降水量の少ない地域もあり、逆に日照時間が少ないが降水量の多い地域もある。これらの地域においても、太陽電池の発電出力と貯留した水による水力発電出力とのバランスを取ることで、各地域の特徴に応じた利用が可能である。
【００２７】
なお、本発明の太陽光発電システムは、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態の太陽光発電システムを示す図である。
【図２】ダミーポンプを用いた発電機出力の調整機構を示す図である。
【図３】図２における発電機出力と水位の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０      管路
１１      上部水槽
１２      下部水槽
１３      水車型発電機（ポンプ逆転型発電機）
１５      制御盤
１６      送電線
１７      太陽電池アレイ（太陽光発電装置）
１９      ダミーポンプ
２０，３１      バルブ
２１      チェッキバルブ
２３      流入路
２４      ピット
２９      太陽光・ミニハイドロ／パワーコンディショナー制御装置
３０      ダミーポンプ制御盤
３３      自動弁開度調整バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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