(57)【要約】【課題】低コストで、無効水量の発生が抑制され、出力が高い小水力発電システムを提供する。【解決手段】小水力発電システム１は、外部から水が流入する水槽２と、水槽２より低い位置に設けられ、水槽２から流入する水によって回転する水車３と、水車３に連結される発電機４と、発電機４の回転速度を制御する回転速度制御装置１５と、所定の計算式に従って水車３の最適回転数を算出し、最適回転数に基づく可変速制御の指令を回転速度制御装置１５に送信する演算装置１６と、を有する。【選択図】図１
2016098782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から水が流入する水槽と、
前記水槽より低い位置に設けられ、前記水槽から流入する水によって回転する水車と、
前記水車に連結される発電機と、
前記発電機の回転速度を制御する回転速度制御装置と、
所定の計算式に従って前記水車の最適回転数を算出し、前記最適回転数に基づく可変速制御の指令を前記回転速度制御装置に送信する演算装置と、
を有することを特徴とする小水力発電システム。
【請求項２】
前記水槽の水位を測定する水位測定器、
を更に有し、
前記演算装置は、前記水位測定器によって測定される前記水位が、前記水車の回転数を変更する条件を満たすか否か判定し、満たす場合には前記最適回転数を算出し、前記可変速制御の指令を前記回転速度制御装置に送信する
ことを特徴とする請求項１に記載の小水力発電システム。
【請求項３】
前記所定の計算式に含まれる測定値は、前記水位測定器によって測定される前記水位のみである
ことを特徴とする請求項２に記載の小水力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水車の回転数が制御可能な小水力発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小水力発電システムの多くは、河川等の水を水槽に貯め、導水路勾配等の落差（位置エネルギー）を利用して水車を回転させ、水車に連結された発電機を回転させることによって電気エネルギーを得る構造になっている。このような構造の場合、効率的に発電を行うために重要な条件は、水槽の水位を一定に保つことである。
【０００３】
図４は、固定ガイドベーンと固定ランナベーンを有する小水力発電システムの概念図である。水槽流入量Ｑ０＞水車流入量Ｑ１の場合、水槽越流量Ｑ２（＝Ｑ０−Ｑ１）が発生する。これは、落差を最大にするために、水槽１０２から水が越流するように水車回転数Ｎを低く設定していることを意味する。しかし、この場合、水槽越流量Ｑ２は無効水量となり、水槽流入量Ｑ０を最大限生かすことができていない。一方、水槽流入量Ｑ０＜水車流入量Ｑ１の場合、水位低下距離△ｈが発生し、水槽水位ｈが低下する。これは、水槽流入量Ｑ０を最大限生かすために、水槽から水が越流しないように水車回転数Ｎを高く設定していることを意味する。しかし、この場合、落差が減少するため、変落差効率が悪くなり、出力が減少する。このように、一定速制御を行う小水力発電システム１００では、流量が変動すると、無効水量が発生したり、出力が減少したりする。これは、水槽の水位を一定に保つことができないことに起因する。
【０００４】
特許文献１には、開度調整可能なガイドベーンを有し、水車の回転速度を制御可能な軸流水車の運転方法が開示されている。特許文献１の運転方法によれば、ガイドベーン開度を調整しながら、軸流水車を可変速運転する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１４５２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、開度調整可能なガイドベーンは、初期コストが高くなるとともに、可動部の故障が発生し易く、ランニングコストも高くなるという問題点があった。
【０００７】
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは、低コストで、無効水量の発生が抑制され、出力が高い小水力発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述した目的を達成するための本発明は、外部から水が流入する水槽と、前記水槽より低い位置に設けられ、前記水槽から流入する水によって回転する水車と、前記水車に連結される発電機と、前記発電機の回転速度を制御する回転速度制御装置と、所定の計算式に従って前記水車の最適回転数を算出し、前記最適回転数に基づく可変速制御の指令を前記回転速度制御装置に送信する演算装置と、を有することを特徴とする小水力発電システムである。
【０００９】
本発明は、前記水槽の水位を測定する水位測定器、を更に有し、前記演算装置は、前記水位測定器によって測定される前記水位が、前記水車の回転数を変更する条件を満たすか否か判定し、満たす場合には前記最適回転数を算出し、前記可変速制御の指令を前記回転速度制御装置に送信することが望ましい。また、前記所定の計算式に含まれる測定値は、前記水位測定器によって測定される前記水位のみであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、水槽流入量が変動しても、ガイドベーンの開度を調整することなく、水槽の水位をほぼ一定に保つことができる。従って、低コストで、無効水量の発生が抑制され、出力が高い小水力発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】小水力発電システムの概要図
【図２】演算装置１６の処理の流れを示すフローチャート
【図３】運転例を示す時系列図
【図４】従来技術を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、小水力発電システム１の概要図である。図１に示すように、小水力発電システム１は、外部から水が流入する水槽２と、水槽２より低い位置に設けられる水車３と、水車３に連結される発電機４とを備える。さらに小水力発電システム１は、水槽２の水位ｈを測定する水位測定器１１と、水車流入量Ｑ１を測定する流量測定器１２と、発電機４の出力を算出する出力演算器１３と、発電機４の回転速度を検出する回転速度検出器１４と、発電機４の回転速度を制御する回転速度制御装置１５と、所定の計算式に基づいて水車の最適回転数を算出する演算装置１６とを有する。
【００１３】
水槽２には、例えば、河川、農業用水、工業用水等から一部の水を引き込む。水槽２に流入する水の流量（水槽流入量）Ｑ０は、必ずしも一定ではない。水槽２には越流堰があり、越流堰から流出する水の流量（水槽越流量）Ｑ２については、発電に対して無効水量となる。
【００１４】
水車３は、水槽２から導水路５を介して流入する水によって回転する。水車３に流入する水の流量（水車流入量）Ｑ１は、水槽２の水位に依存する。すなわち、水槽２の水位が下がると、水車流入量Ｑ１は減少し、水槽２の水位が上がると、水車流入量Ｑ１は増加する。水車３の種類は特に限定されないが、例えば、プロペラ水車、フランシス水車、クロスフロー水車等が挙げられる。本発明は、特に、固定ガイドベーンや固定ランナベーンを有する水車に対して好適である。
【００１５】
水車３と発電機４との連結手段は、カップリングで直結しても良いし、ベルトなどを用いて動力を伝達するようにしても良い。また、水車３の回転速度と発電機４の同期速度を調節するための増速機等を備えても良い。いずれにしても、発電機４の回転速度は、水車３の回転速度と比例関係にある。以降、説明を分かり易くするために、本発明の実施の形態では、発電機４の回転速度（回転数）と水車３の回転速度（回転数）が同一として説明する。尚、発電機４の回転速度（回転数）と水車３の回転速度（回転数）が同一でない場合にも、本発明は同様に適用可能である。
【００１６】
水位測定器１１は、例えば、圧力式水位計などが挙げられる。水位測定器１１によって測定される水槽２の水位ｈは、一定の周期で演算装置１６に送信される。
【００１７】
流量測定器１２によって測定される水車流入量Ｑ１は、一定の周期で演算装置１６に送信される。但し、水車流入量Ｑ１は、水槽２の水位ｈから推測可能であるため、流量測定器１２は必須ではない。
【００１８】
出力演算器１３によって算出される発電機４の出力は、一定の周期で演算装置１６に送信される。但し、発電機４の出力は、後述する演算装置１６の処理において必須のデータではないため、出力演算器１３は必須ではない。
【００１９】
回転速度検出器１４によって検出される発電機４の回転速度は、一定の周期で演算装置１６に送信される。但し、発電機４の回転速度は、後述する演算装置１６の処理において必須のデータではないため、回転速度検出器１４は必須ではない。
【００２０】
回転速度制御装置１５は、例えば、インバータなどが挙げられる。発電機４の回転速度を制御することは、水車３の回転速度を制御することと同義である。また、回転速度を制御することと、回転数を制御することも同義である。従って、発電機４の回転速度を制御することは、水車３の回転数を制御することと同義である。
【００２１】
演算装置１６は、所定の計算式に基づいて水車の最適回転数を算出し、最適回転数に基づく可変速制御の指令を回転速度制御装置１５に送信する。最適回転数に基づく可変速制御の指令とは、回転速度制御装置１５に対して、最適回転数を目標回転数として、発電機４の回転速度を制御させることを意味する。演算装置１６の処理の詳細は後述する。
【００２２】
図２は、演算装置１６の処理の流れを示すフローチャートである。演算装置１６は、水位測定器１１から受信する最新の水槽２の水位ｈを、変数ｈ０に代入する（ステップＳ１）。また、演算装置１６は、ｔ秒待機し（ステップＳ２）、水位測定器１１から受信する最新の水槽２の水位ｈを、変数ｈ１に代入する（ステップＳ３）。
【００２３】
次に、基準水位をｈｓ、水位変動の閾値をΔｈＴとするとき、演算装置１６は、ｈ１＜ｈｓ−ΔｈＴ、または、ｈ１＞ｈｓ＋ΔｈＴ、のいずれかを満たすか否か判定する（ステップＳ４）。換言すると、演算装置１６は、水槽２の水位ｈが基準水位ｈｓから水位変動の閾値ΔｈＴを超えて変動したか否か判定する。この判定条件が、水車の回転数を変更する条件である。演算装置１６は、ステップＳ４の判定がＮｏであれば、ステップＳ１に進み、ステップＳ４の判定がＹｅｓであれば、ステップＳ５に進む。
【００２４】
ステップＳ５において、現在の水車回転数をＮ、水車回転数補正係数をａ、水槽底面積をＡとするとき、演算装置１６は、Ｎ＋ａＡ（ｈ１−ｈ０）をＮに代入する。換言すると、演算装置１６は、計算式「Ｎ＋ａＡ（ｈ１−ｈ０）」に従って水車の最適回転数Ｎ*を算出する。
【００２５】
ここで、最適回転数Ｎ*の計算式「Ｎ＋ａＡ（ｈ１−ｈ０）」の技術的意義について説明する。本実施の形態では、最適回転数Ｎ*の計算式に関する係数を流体解析（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）によって予め求めておく。流体解析では、小水力発電システム１のモデルを構築し、水車流入量Ｑ１ごとに水車の最適回転数Ｎ*を求める。そして、例えば、Ｎ*＝ａＱ１−ｂの単回帰分析を行い、係数ａ、ｂを求めておく。
【００２６】
Ｎ*＝ａＱ１−ｂより、現在の水車回転数Ｎに対する最適な増減値をΔＮ*とすると、ΔＮ*＝ａΔＱ１となる。更に、水車流入量Ｑ１の変動量をΔＱ１、水槽２の水位ｈの変動量をΔｈ、水槽底面積をＡとすると、ΔＱ１は、ΔＱ１＝Ａ×Δｈとなる。従って、最適回転数Ｎ*の計算式は、Ｎ*＝Ｎ＋ΔＮ*＝Ｎ＋ａΔＱ１＝Ｎ＋ａＡΔｈ＝Ｎ＋ａＡ（ｈ１−ｈ０）となる。
【００２７】
結局、最適回転数Ｎ*の計算式に含まれる測定値は、水位測定器１１によって測定される水位ｈのみとなる。従って、この計算式に従って最適回転数Ｎ*を算出することによって、流量測定器１２は不要となる。
【００２８】
図２の説明に戻る。次に、許容される水車回転数の下限をＮ１、水車回転数の上限をＮ２とすると、演算装置１６は、Ｎ≧Ｎ１、かつ、Ｎ≦Ｎ２、を満たすか否か判定する（ステップＳ６）。換言すると、演算装置１６は、ステップＳ５において求めた最適回転数Ｎ*が、許容される水車回転数の範囲内か否か判定する。演算装置１６は、ステップＳ６の判定がＮｏであれば、ステップＳ７に進み、ステップＳ６の判定がＹｅｓであれば、ステップＳ１０に進む。
【００２９】
ステップＳ７では、演算装置１６は、Ｎ＜Ｎ１を満たすか否か判定する。演算装置１６は、ステップＳ７の判定がＹｅｓであれば、Ｎ１をＮに代入し（ステップＳ８）、ステップＳ７の判定がＮｏであれば、Ｎ２をＮに代入する（ステップＳ９）。
【００３０】
ステップＳ１０では、演算装置１６は、水車回転数Ｎ（＝最適回転数Ｎ*）に基づく可変速制御の指令を回転速度制御装置１５に送信する（ステップＳ１０）。以降、演算装置１６は、小水力発電システム１を停止させるまで、ステップＳ１から繰り返す。
【００３１】
図３は、運転例を示す時系列図である。図３は、図２に示すフローチャートに従う場合の運転例を示している。横軸は時刻Ｔ［ｓ]、縦軸は各変数の値である。図３に示される変数は、水槽流入量Ｑ０、水車流入量Ｑ１、水車回転数Ｎ、水槽２の水位ｈ、発電機４の出力Ｐである。
【００３２】
ここで、有効落差をＨｅ、効率をηとすると、発電機４の出力Ｐは、Ｐ＝９．８×Ｑ×Ｈｅ×η、で求められる。有効落差Ｈｅの変動量は、水位ｈの変動量にほぼ一致する。
【００３３】
時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間は、水位ｈが基準水位、水車流入量Ｑ１が定格流量、水車回転数Ｎが定格回転数であり、小水力発電システム１は定格出力運転を行う。
【００３４】
時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、水槽流入量Ｑ０が減少し始めると、それに伴い、時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけて、水位ｈが低下する。更に、水位ｈの低下、すなわち落差Ｈの低下に伴い、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて、水車流入量Ｑ１が減少する。
【００３５】
時刻ｔ４において、水位測定器１１によって測定される水位ｈが、基準水位から所定の閾値以上に低下したため、演算装置１６は、水車回転数Ｎを変更する条件を満たすと判定し、最適回転数を算出し、最適回転数に基づく可変速制御の指令を回転速度制御装置に送信する。これによって、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて、水車流入量Ｑ１が減少する方向に調整され、水位ｈが基準水位まで回復し、水車流入量Ｑ１も安定する。但し、このときの水車流入量Ｑ１は、定格流量よりも低い値で安定する。
【００３６】
時刻ｔ５において、水位測定器１１によって測定される水位ｈが、基準水位近くになり、水車回転数も一定になる。時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間は、水位ｈが基準水位の下、水車流入量Ｑ１が定格流量未満、水車回転数Ｎが定格回転数未満であり、小水力発電システム１は部分負荷運転（定格出力に達しない運転）を行う。
【００３７】
ここで、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間における、定格回転数による運転と、本発明による運転とを比較する。定格回転数による運転の場合、水位ｈが低下し続けて、落差Ｈが減少し続けるので、変落差効率が悪くなり、出力Ｐも低くなる。一方、本発明による運転の場合、水位ｈが基準水位に回復し、落差Ｈがほとんど減少しないので、定格回転数による運転よりも、変落差効率が良くなり、出力Ｐも高くなる。
【００３８】
時刻ｔ６から時刻ｔ７にかけて、水槽流入量Ｑ０が増加し始めると、それに伴い、時刻ｔ７から時刻ｔ８にかけて、水位ｈが上昇し、落差Ｈの増加に伴い、水車流入量Ｑ１が増加する。また、水位ｈの上昇によって、水槽越流量Ｑ２が発生する。
【００３９】
時刻ｔ８において、水位測定器１１によって測定される水位ｈが、基準水位から所定の閾値以上に上昇したため、演算装置１６は、水車回転数Ｎを変更する条件を満たすと判定し、最適回転数を算出し、最適回転数に基づく可変速制御の指令を回転速度制御装置に送信する。これによって、時刻ｔ８から時刻ｔ９にかけて、水車流入量Ｑ１が増加する方向に調整され、水位ｈが基準水位まで回復し、水車流入量Ｑ１も安定する。また、水位ｈが基準水位に回復することによって、水槽越流量Ｑ２が０になる。但し、このときの水車流入量Ｑ１は、定格流量よりも高い値で安定する。
【００４０】
時刻ｔ９以降は、水位ｈが基準水位の下、水車流入量Ｑ１が定格流量超過、水車回転数Ｎが定格回転数超過であるから、小水力発電システム１は過負荷運転（定格出力を超える運転）を行う。
【００４１】
ここで、時刻ｔ９以降における、定格回転数による運転と、本発明による運転とを比較する。定格回転数による運転の場合、水位ｈが上昇し続けて、水槽越流量Ｑ２が発生し続ける。一方、本発明による運転の場合、水位ｈが基準水位に回復するので、定格回転数による運転よりも、水槽越流量Ｑ２の発生を抑制できる。
【００４２】
このように、本発明に係る小水力発電システム１によれば、水槽流入量Ｑ０が変動しても、ガイドベーンの開度を調整することなく、水槽２の水位ｈをほぼ一定に保つことができる。ガイドベーンの開度を調整する必要がないので、固定ガイドベーンを有する水車２を用いることができる。固定ガイドベーンであれば、初期コストが低くなるとともに、可動部がないために故障の発生が少なく、ランニングコストも低くなる。従って、低コストで、無効水量の発生が抑制され、出力が高い小水力発電システムを導入することができる。
【００４３】
特に、水位測定器１１によって測定される水位が所定の水車回転数を変更する条件を満たす場合、すなわち水槽２の水位ｈが基準水位から水位変動の閾値を超えて変動した場合に可変速制御の指令を送信するようにしたので、水槽２の水位ｈの変動に対して遅滞なく対応することができる。
【００４４】
更に、水車３の最適回転数を算出するための所定の計算式に含まれる測定値は、水位測定器１１によって測定される水位ｈのみとしたので、コストが高い流量測定器１２等が不要となり、更に初期コストを抑制することができる。
【００４５】
以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る小水力発電システム等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００４６】
１.........小水力発電システム
２.........水槽
３.........水車
４.........発電機
５.........導水路
１１.........水位測定器
１２.........流量測定器
１３.........出力演算器
１４.........回転速度検出器
１５.........回転速度制御装置
１６.........演算装置
Ｑ０.........水槽流入量
Ｑ１.........水車流入量
Ｑ２.........水槽越流量
Ｎ.........水車回転数
ｈ.........水位
Ｐ.........出力
【図１】
2016098782.tif 000003
【図２】
2016098782.tif 000004
【図３】
2016098782.tif 000005
【図４】
2016098782.tif 000006