(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部水槽と、下部水槽と、前記下部水槽の水を前記上部水槽に揚水するモータポンプと、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た発電システムにおいて、
前記水車型発電機は流量の調整機構を持たない水車型発電機であって、該水車型発電機の回転数を制御する調速装置を備え、該調速装置により前記水車型発電機の発電電力のうち、需要家側に供給する電力の余剰分を前記モータポンプに供給して、前記下部水槽から前記上部水槽に揚水するようにし、前記水車型発電機の発電電力及び回転数を一定に保つように制御することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記上部水槽には、付近の河川の水を導入する流入路を備えたことを特徴とする請求項１記載の発電システム。
【請求項３】
前記下部水槽には、地下水を汲み上げるピットを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の発電システム。
【請求項４】
前記調速装置により作動する前記モータポンプは、直流モータを用いたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電システムと、太陽光発電装置とを備え、前記太陽光発電装置の発電電力をモータポンプに供給して、前記下部水槽から前記上部水槽に揚水するようにしたことを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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発電システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した問題点を解決するために、本発明の発電システムは、上部水槽と、下部水槽と、前記下部水槽の水を前記上部水槽に揚水するモータポンプと、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た発電システムにおいて、前記水車型発電機は流量の調整機構を持たない水車型発電機であって、該水車型発電機の回転数を制御する調速装置を備え、該調速装置により前記水車型発電機の発電電力のうち、需要家側に供給する電力の余剰分を前記モータポンプに供給して、前記下部水槽から前記上部水槽に揚水するようにし、前記水車型発電機の発電電力及び回転数を一定に保つように制御することを特徴とするものである。
前記上部水槽には、付近の河川の水を導入する流入路を備えたことを特徴とする。
前記下部水槽には、地下水を汲み上げるピットを備えたことを特徴とする。
前記調速装置により作動する前記モータポンプは、直流モータを用いたものであることを特徴とする。
本発明の発電システムの他の態様は、上記発電システムと、太陽光発電装置とを備え、前記太陽光発電装置の発電電力をモータポンプに供給して、前記下部水槽から前記上部水槽に揚水するようにしたことを特徴とするものである。
【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】
本発明の発電システムにおいては、発電機を一定の水車入口弁開度で上部水槽から流水して発電を行い、これにより落差と流量に相応した一定の発電出力が得られる。そして、調速装置を用いて需要家側に供給する電力の余剰分でモータポンプを運転することにより、下部水槽から上部水槽に揚水する。これにより、余剰の発電電力を用いて、位置エネルギーの蓄積が行えるので、余剰の発電電力を有効利用しつつ、発電機としては全負荷状態の定速運転を行なえ、安定した高品質の電力の供給が可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
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。
【０００９】
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の上部に水車型発電機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簡易型の発電機である。発電機１３ｂにより発電された交流電力は制御盤１５より送電線１６を介して需要家側に供給される。
【００１０】
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を介して直流モータであるモータポンプ２０，２１等に供給される。モータポンプ２０，２１は、それぞれ直流モータを備え、太陽電池アレイ１７により発電された直流電力で作動して、下部水槽１２等に蓄えられた水を揚水し、上部水槽１１に送水する。
【００１１】
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により汲み上げて、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。
【００１２】
下部水槽１２の近傍には、揚水のためのポンプ２０，２１，２８を備え、下部水槽１２に連通した吸込管２５より水を吸い込み、揚水管２７を介して上部水槽１１に揚水する。ここで、ポンプ２０，２１は、太陽電池アレイ１７の発電電力の供給を受けて動作するが、ポンプ２８は発電機１３が発電する電力をＡＣ／ＤＣコンバータ３０を介して直流電力に変換した電力の供給を受けて動作する。従って、ポンプ２０，２１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、下部水槽１２に蓄積された水を上部水槽１１に揚水する。
【００１３】
これに対して、ポンプ２８は例えば夜間等に上部水槽１１の水が管路１０を介して流水し、発電機１３で発電した電力の余剰分を直流電力に変換して電力が供給される。これにより、発電機１３の運転中に下部水槽１２に蓄えられた水の一部が管路２７を介して上部水槽１１に戻される。即ち、上部水槽１１に貯えられた水を流水して発電機１３を運転するに際して、その発電した電力の余剰分を用いてポンプ２８を駆動し、これにより発電に用いた水の一部を揚水管２７を介して再び上部水槽１１に戻す循環流路を形成している。
【００１４】
制御盤１５の内部には調速装置（ガバナ）２９を備え、発電機の回転数が一定となるようにＰＩＤ制御する。即ち、需要家側で消費する電力は、時々刻々変動する。従って、発電電力のすべてを需要家側に供給すると、需要家側の消費電力が少ない場合、即ち発電機１３ｂからみた負荷が軽い場合には、発電機の回転数が増加し、これにより発電周波数が高くなると共に発電電圧が高くなる。そして、需要家側で消費電力が大きい場合には、発電機１３ｂの負荷が重くなり、発電機の回転数が低下すると共に発電電圧が低下する。このため、発電機１３ｂから見た負荷が一定となるように制御することで、一定の回転数が得られ、一定の発電周波数および発電電圧が得られる。
【００１５】
このシステムにおいては、全負荷状態の回転数を一定に保つＰＩＤ制御を調速装置２９にて行う。即ち、全負荷状態から負荷が軽くなり回転数が上昇しようとすると、モータポンプ２８に供給する直流電圧を高めて供給電力を増加し、これにより発電機１３ｂの負荷が全負荷状態となり、回転数が一定に保たれるように動作する。従って、発電機１３ｂが発電する一定の電力のうち、需要家側が要求する電力を送電線１６を介して送出し、余剰電力をＡＣ／ＤＣコンバータ３０を介して直流電力に変換してモータ２８に供給することになる。
【００１６】
従って、管路１０に設けられたバルブ３１，３２を開くことで、上部水槽１１から一定流量の水が下部水槽１２に向けて流れ、供給水量が一定で回転数が一定であることから簡易型水車発電機１３は一定の発電電力を発電する。そして、調速装置２９により需要家側に供給された余剰の電力がモータポンプ２８に供給され、これにより余剰の電力に相当する水量が下部水槽１２から上部水槽１１に送水される。即ち、ポンプ２８の損失を無視すれば、上部水槽１１に蓄えられた水のうちの需要家側へ送出する電力に相当する分のみが上部水槽１１から下部水槽１２に移行することになり、余剰電力を位置のエネルギーとして回収することができる。
【００１７】
次に、この太陽光発電システムの動作について説明する。まず、上部水槽１１に所要量の水を貯留する。この水の貯留は、流入管２３を介して、これに接続した河川等の水を集水してもよく、またピット（井戸）２４から地下水を汲み上げて用いるようにしてもよい。そして、非日照時間帯の例えば夜間に、バルブ３１，３２を開いて管路１０より上部水槽１１の水を流水して簡易型水車発電機１３の水車１３ａを回転駆動し、これにより発電機１３ｂより発電電力を出力する。
【００１８】
バルブ３１，３２を開き管路１０に水が流れることで、上部水槽１１の水面は徐々に低下するが、管路１０等の抵抗が一定であるため、略一定水量の水が水車型発電機１３に供給される。上部水槽１１には、例えば１日のうち６時間程度一定水量で水を供給できるだけの貯水容量を備えることが好ましい。これにより、例えば１５ｋＷ程度の発電を６時間程度、継続的に行うことができる。
【００１９】
この発電時に、調速装置２９が作動し、発電機の回転数が一定となるようにＰＩＤ制御する。即ち、需要家側に供給する電力が全負荷電力に対して減少すると、発電機の回転数が上昇しようとするので、モータポンプ２８に供給する電圧を上昇し、モータポンプ２８に供給する電力を増加することで、発電機全体としての発電電力を一定に保つようにする。従って、発電機の回転数が一定に制御されるので、周波数および電圧が一定に保たれた品質の良い電力を需要家側に供給できる。また、モータポンプ２８に供給された電力は、下部水槽１２から上部水槽１１への揚水に用いられるので、エネルギーの有効利用が図れる。
【００２０】
従来は、調速装置を用いて発電機の回転数を制御する場合に、ダミーロードと呼ばれる電力の消費機構を用いていた。これは、発電機に一定の水量を供給して一定の回転数で運転し、需要家側に供給する電力の余剰分を抵抗負荷（ダミーロード）に供給し、電力エネルギーを熱エネルギーに変換して消費させるようにしたものである。これによれば、発電機を一定出力で運転し、これにより安定した発電電圧および発電周波数が得られるが、需要家側に供給される電力の余剰分は熱として捨てられることになる。
【００２１】
本発明の太陽光発電システムにおいては、発電機１３ｂを調速装置２９により一定回転数で運転し、需要家側に供給する電力の余剰分はモータポンプ２８に供給し、これにより余剰電力分に相当する水流を揚水管２７により上部水槽１１にフィードバックするようにしたものである。従って、ポンプ２８の損失を別とすれば、需要家側で要求される電力に対応した水流のみが発電に利用されるので、発電機には略一定の水流を供給しつつ、上部水槽における水位の低下を需要家側への供給発電量に対応したものとすることができる。これにより、発電電力の周波数および電圧を一定に保ちつつ、回収した水量に相当する分だけ、発電時間を延長することができる。
【００２２】
このようにして、例えば夜間に６時間程度の発電を行うと、上部水槽１１が空となり、下部水槽１２は水がいっぱいに貯留される。従って、この時点で簡易型水車発電機１３の運転を停止する。そして、翌日になり太陽が昇ると太陽電池アレイ１７が発電動作を開始する。そして、太陽電池アレイ１７により発電される直流出力が十分なレベルに到達すると、制御盤１８を介してモータポンプ２０，２１に電力が供給される。この時、バルブ３３は閉じられる。これにより、下部水槽１２に貯留された水は揚水管２７を介して上部水槽１１に移される。
【００２３】
モータポンプ２０，２１の容量は、太陽電池アレイ１７の日照時間帯内の発電電力量で、下部水槽１２にいっぱいに蓄えられた水の全量を上部水槽１１に移すことができるものを選定する。これにより、日照時間帯内に下部水槽１２に貯えられた水の全量を上部水槽１１に移行して、モータポンプ２０，２１の運転を停止する。そして、夜間の上部水槽１１から下部水槽１２への流水による発電に備える。
【００２４】
このようにして、この太陽光発電システムにおいては、太陽電池アレイ１７で発電した電力を用いて下部水槽の水を上部水槽に揚水し、上部水槽から下部水槽に流水することで簡易型水車発電機１３を駆動し、これにより夜間等の非日照時間帯に需要家側に電力を供給することができる。そして、この供給された電力は、発電機１３ｂが一定回転数で運転され、余剰電力に相当する水流分がモータポンプ２８により上部水槽１１にフィードバックされるので、これにより余剰電力に相当する分の発電電力の無駄が生じない。
【００２５】
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。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、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、上述した調速装置を用いることで、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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【符号の説明】
１０      管路
１１      上部水槽
１２      下部水槽
１３      発電機
１５，１８      制御盤
１６      送電線
１７      太陽電池アレイ
２０，２１，２２，２８      モータポンプ
２３      流入管
２４      ピット
２９      調速装置
３０      ＡＣ／ＤＣコンバータ
【図１】
0004073217.tif 000002