(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水の位置エネルギーを回収できる部位に設けられた水車と、
この水車の入口側に設置された第１の自動弁と、
前記水車の入口側から出口側にバイパスさせるバイパス管と、
このバイパス管に設置された第２の自動弁と、
前記水車の発生するトルクによって回転駆動され電力を発生する発電機と、
この発電機の出力端に接続し直流電力を発生するインバータと、
このインバータからの直流電力を受けて交流電力に変換し電源側へ帰還する系統連携装置とを備え、
前記インバータの直流電圧を検出し、この直流電圧が予め設定された値以上になった場合に、前記第１の自動弁を閉じ、前記第２の自動弁を開くようにしたことを特徴とする水車発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の水車発電システムにおいて、前記水車の出口側に設置された第３の自動弁を備え、
前記直流電圧が前記予め設定した値以上になった場合に、前記第３の自動弁を閉じるようにしたことを特徴とする水車発電システム。
【請求項３】
水の位置エネルギーを回収できる部位に設けられた水車と、
この水車の入口側に設置された第１の自動弁と、
前記水車の入口側から出口側にバイパスさせるバイパス管と、
このバイパス管に設置された第２の自動弁と、
前記水車の発生するトルクによって回転駆動され電力を発生する発電機と、
この発電機の出力端に接続し直流電力を発生するインバータと、
このインバータからの直流電力を受けて交流電力に変換し電源側へ帰還する系統連携装置とを備え、
前記発電機と前記インバータとの間の電流を検出し、この検出された電流が予め設定された値以上になった場合に、前記第１の自動弁を閉じ、前記第２の自動弁を開くようにしたことを特徴とする水車発電システム。
【請求項４】
請求項３に記載の水車発電システムにおいて、前記水車の出口側に設置された第３の自動弁を備え、
前記検出された電流が前記予め設定した値以上になった場合に、前記第３の自動弁を閉じるようにしたことを特徴とする水車発電システム。
【請求項５】
水の位置エネルギーを回収できる部位に設けられた水車と、
この水車の入口側に設置された第１の自動弁と、
前記水車の入口側から出口側にバイパスさせるバイパス管と、
このバイパス管に設置された第２の自動弁と、
前記水車の発生するトルクによって回転駆動され電力を発生する発電機と、
この発電機の出力端に接続し直流電力を発生するインバータと、
このインバータからの直流電力を受けて交流電力に変換し電源側へ帰還する系統連携装置とを備え、
前記インバータの直流電圧を検出し、この直流電圧が予め設定された値以上になった場合に、前記第１の自動弁を閉じ、前記第２の自動弁を開くことを特徴とする水車発電装置の制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の水車発電装置の制御方法において、前記水車の出口側に設置された第３の自動弁を備え、
前記直流電圧が前記予め設定した値以上になった場合に、前記第３の自動弁を閉じるようにしたことを特徴とする水車発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビルの空調負荷などの用済み後、水の未利用エネルギーを回収する水車発電装置の保護運転方法及びその制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
図５は従来例の開ループの蓄熱式空調システム構成図である。
【０００４】
図５における蓄熱式空調システムの一次側システムとしての構成を説明すると、１は蓄熱槽１６の水を汲み上げて送水管１７を介して熱源機４に送水する揚水ポンプ、２は該揚水ポンプ１を駆動する電動機、１７は前記揚水ポンプ１と熱源機４とを接続する送水管、３は商用電源、５は前記熱源機４が製造する熱量を調整する二方弁、１８は前記熱源機４から出た水を蓄熱槽１６に戻す送水管、６は送水管１８に備わる膨張タンクである。２９はフート弁、２５は仕切弁、２７は逆止め弁である。
【０００５】
図５における蓄熱式空調システムの二次側システムとしての構成を説明すると、７は蓄熱槽１６の水（熱）を汲み上げて送水管１９を介して空調負荷群１０（例えばエアーハン１０ａやファンコイル１０ｂ等の複数の空調機で構成されている）に送水する揚水ポンプ、８は該揚水ポンプ７を駆動する両軸形電動機であり一端を前記揚水ポンプ７と軸継手１４を介して直結され、これを駆動する。他端は水車９とクラッチ１３を介して接続している。また、同水車９は、空調機群１０から吐出した水の位置エネルギーを回収できる部位に設ける。１５は商用電源（前記商用電源３と同じであっても良い）、１１は前記空調負荷群１０の負荷量を調整する二方弁、２０は前述した空調機群１０で用済みとなった揚水を蓄熱槽１６に戻す送水管、１２は同送水管２０に備わる膨張タンクであり、サイホンを破壊して送水の落差（送水が持つ位置エネルギー）が水車にかかるようにしている。また、膨張タンク１２の代わりに真空破壊弁を設けることもある。２４は、送水が水車９を出た後、蓄熱槽１６に戻すための送水管である。４８は水車９を通らずにバイパスさせる送水管である。これらの送水管には仕切弁２１〜２３を設ける。即ち、揚水ポンプ７によって空調機群１０に送水された揚水は、用済みになった後、水車９に送水される。水車９は、揚水の位置エネルギーで運転して動力を発生し、前述した両軸形電動機８に伝達する。両軸形電動機８の負荷は、揚水ポンプ７の負荷よりこの分だけ軽くなる。この後、水車９を出た揚水は、蓄熱槽１６へ戻る。２６は仕切弁、２８は逆止め弁、３０はフート弁である。
【０００６】
図６は従来例のポンプと水車の運転特性図を示したものである。図の縦軸上部のＨ(m)は、ポンプの場合には全揚程、水車の場合には有効落差を示し、図の縦軸下部のＰ(kW)は両方共通に動力を示している。また、横軸は水量Ｑを示している。曲線ＡはポンプのＱ−Ｈ性能カーブであり、曲線Ｃは水車を運転しない場合の軸動力曲線である。図５に示す送水系統において、揚水ポンプ７のみを運転して水量Ｑ０を送水するには全揚程Ｈ０を必要とし、この時の運転点は曲線Ａ上のＯ４点になる。この時消費する動力は、ポンプ軸動力で示すＬ１であり、運転点は曲線Ｃ上のＯ１点である。又、曲線Ｂは水車９の有効落差（水車前後の圧力ヘッド差）を示し、水量Ｑ０を流した時、水車９の前後に圧力差ヘッド（有効落差）Ｈ１を発生し、この位置エネルギーを吸収し次に示す動力Ｌ３を発生することを意味する。
【０００７】
曲線Ｄは揚水ポンプ７と水車９を運転した時の動力カーブである。水量Ｑ０の時、水車９の発生する動力はＬ３である。この場合、動力回収率（Ｌ３／Ｌ１）は約２０〜３０％程度である。そしてこの時の運転点は曲線Ｄ上のＯ２点であり、消費する動力はＬ１に対しＬ３だけ軽減され、ポンプ軸動力で示すＬ２となる。この動力Ｌ２に対応するエネルギーは商用電源１５から電力として供給される。
【０００８】
また、従来の装置では、蓄熱式空調システムの一次側システムにおいても、熱源機通過後の揚水の位置エネルギー回収システムを同様に構成し、有効に活用している例もある。即ち、図５に示す揚水ポンプ１を駆動する電動機２を両軸にし、反ポンプ側に水車９を接続して、熱源機４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２に伝達し、この電動機２の負荷（この場合、揚水ポンプ１）を軽減している。これの公知例として特開昭５０−１２８８０１（動力回収ポンプ装置）、特開昭５０−４９７０１（動力回収ポンプ装置）等がある。また、ダムや水田など水路に水車を用いて発電する水車発電の公知例としては特開平５−１０２４５（外輪駆動式水車発電機）がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このビルの未使用エネルギーを水車発電により回収して広範囲に利用するため、水車発電機の出力側にインバータを設置し、該インバータによって発電電力を直流に変換して前記系統連携装置に直流送電し、該系統連携装置を介して電源へ帰還させる方式を採用しようとしたとき、無負荷運転時に水車の回転が設計値以上になった場合に、この発電電力はインバータ内の直流平滑コンデンサ−の充電電圧を過上昇させ、素子が破壊する可能性があることが判明した。
【００１０】
そこで本発明の目的は、無負荷運転時に水車の安定な運転ができてインバータの素子が破壊することのない信頼性の高い水車発電装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願発明の一実施態様は、水車発電システムにおいて、水の位置エネルギーを回収できる部位に設けられた水車と、この水車の入口側に設置された第１の自動弁と、前記水車の入口側から出口側にバイパスさせるバイパス管と、このバイパス管に設置された第２の自動弁と、前記水車の発生するトルクによって回転駆動され電力を発生する発電機と、この発電機の出力端に接続し直流電力を発生するインバータと、このインバータからの直流電力を受けて交流電力に変換し電源側へ帰還する系統連携装置とを備え、前記インバータの直流電圧を検出し、この直流電圧が予め設定された値以上になった場合に、前記第１の自動弁を閉じ、前記第２の自動弁を開くようにした。
【００１２】
本発明はこのように構成され、それぞれの実施態様において次のように作用する。
１）運転している水車、発電機、インバータ、系統連携装置は、前記水車の回転数が設計値を超えて上昇すると発電機の発生電力も規定値以上に上昇する。これに伴ってインバータ内のフライホイルダイオードを通して、同じくインバータ内にある直流平滑コンデンサ−に充電する。ここで充電された直流電力は前述したように系統連携装置に流れ、ここで潮流調波して電源側へ帰還する。直流電圧設定手段には前述したインバータの素子が破壊しないように保護するためのレベル値が予め設定している。そして、前述した直流電圧検出手段がこれを検出すると、自動弁ＡＶ１（６７）、自動弁ＡＶ２（６８）が閉じ、自動弁ＡＶ３（６６）が開く。これにより、発電は停止する。
２）運転している水車、発電機、インバータ、系統連携装置は、前記水車の回転数が設計値を超えて上昇すると発電機の発生電力も規定値以上に上昇する。これに伴ってインバータ内のフライホイルダイオードを通してインバータ内にある直流平滑コンデンサーを充電する。ここで充電された直流電力は前述したように系統連携装置に流れ、ここで潮流調波して電源側へ帰還する。直流電圧設定手段には前述したインバータの素子が破壊しないように保護するためのレベル値が予め設定している。そして、前述した直流電圧検出手段がこれを検出すると、発電機とインバータの間に設けているスイッチが遮断する。これにより、発電は停止する。
３）運転している水車、発電機、インバータ、系統連携装置は、前記水車の回転数が設計値を超えて上昇すると発電機の発生電力も規定値以上に上昇する。これに伴ってインバータ内のフライホイルダイオードを通して、同じくインバータ内にある直流平滑コンデンサーに充電する。ここで充電された直流電力は前述したように系統連携装置に流れ、ここで潮流調波して電源側へ帰還する。直流電圧設定手段には前述したインバータの素子が破壊しないように保護するためのレベル値が予め設定している。そして、前述した直流電圧検出手段がこれを検出すると、前記インバータと系統連携装置の直流電圧間（Ｐ，Ｎ）に設けているスイッチが閉じて抵抗器が接続される。これにより、設計地値を越えた電力は抵抗器で消費される。更に、別の実施態様の場合、前記インバータと系統連携装置と並列に設けたスイッチが閉じてこの下に設置している抵抗器と接続される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１〜図４により説明する。
【００１４】
図１は、本発明第一の実施例の構成図を示したものである。図１は蓄熱式空調システムの発明部分の構成を示したもので、図５に示した従来技術に相当する部分の他のシステム構成品は図示を省略してある。図１において、９は水の位置エネルギーを回収できる部位に設けた水車、３４は水車９の発生するトルクによって回転駆動され電力を発生する発電機、１８は配管、１８ａ、１８ｂはそれぞれ水車入口、出口配管、４８は水車へ流れる揚水をバイパスするバイパス管、５１は水車入口の圧力を検出する圧力センサー、５０は同じく圧力計、６７、６８はそれぞれ前記水車入口配管１８ａ、出口配管１８ｂに取付けられ自動弁、同様に６６はバイパス管４８に取付けられた自動弁である。３５は発電機３４の発電電力をケーブル５９を介して取り込み直流に変換するインバータであり、主としてインバータ部ＩＮＶ、コンバータ部ＣＯＮ、平滑コンデンサーＣ、直流電圧を検出するためのシャント抵抗Ｒ、インバータを制御する制御部ＣＵ、インバータを保護するためのレベル値を予め設定する設定手段Ｓ、入出力端子Ｉ／Ｏから構成される。３６は系統連携装置（回生コンバータ）、ＥＬＢ１、ＥＬＢ２はそれぞれ漏電遮断器、３２、４３はそれぞれ電力量計（ＷＨ１、ＷＨ２）、４６は各種負荷群、３は電源である。
【００１５】
インバータ３５と系統連携装置（回生コンバータ）３６とは互いに直流正側電圧端子Ｐ，直流負側電圧端子Ｎをそれぞれケーブル３８，３９にて接続する。又、Ｒ，Ｓは制御母線であり、５６（ＡＶ１），５７（ＡＶ２），５８（ＡＶ３）は前述した自動弁６７（ＡＶ１）、６８（ＡＶ２）、６６（ＡＶ３）を駆動するリレーであって前述したインバータ制御部ＣＵからの指令により入出力端子Ｉ／Ｏを介して開閉制御される。このように構成したものにおいて、通常は自動弁６６が閉じ、自動弁６７，６８が開いている。水車９に揚水が流れて、規定水量、規定落差が生じると発電機３４は規定の電力を発生する。インバータ３５はこれを引き込みインバータ部ＩＮＶのフライホイルダイオードＤを通してインバータ内にある直流平滑コンデンサ−Ｃに充電する。即ち、発電機３４で発生した交流電力がここで直流電力に変換され蓄えられたのである。この直流電力をケーブル３８，３９を通して系統連携装置（回生コンバータ）３６に直流送電する。ここで潮流調波して電源３側へ帰還する。
【００１６】
さて、何らかの異常で水車９に設計値以上の水量が流れると、異常な発電電力が発生し前述した直流電圧Ｐ，Ｎが異常に昇圧してしまう恐れが生じる。そこで、インバータ３５内の制御部ＣＵは、シャント抵抗Ｒ間の電圧を取り込んで、予めインバータ３５の素子破壊等を保護するために直流電圧設定手段Ｓに設定しているレベル値と比較し、これ以上の場合は、Ｉ／Ｏより６７、６８を閉め、６６を開く信号を出力する。これによって、発電は停止する。尚、前記インバータ内の制御部ＣＵは、前述の検出、比較を逐次実行して、前記設定レベルを下回った場合には前記６７，６８，６６を元に戻して、通常の発電運転に戻す。
【００１７】
このようにすれば、異常発電からインバータ、系統連携装置を保護することができる。
図２は、本発明第二の実施例の構成図を示す。図１と同記号で示すもの同じものなので説明を省く。６０〜６２は図１で示した自動弁６６〜６８を手動操作弁にしたものである。又、発電機３４とインバータ３５をつなぐケーブル５９の途中にスイッチ（電磁開閉器）６３を設け、インバータ３５の制御部ＣＵがＩ／Ｏを通してリレーＸをＯＮする信号を発したとき発電機３４とインバータ３５間を遮断する。ＳＳはスイッチである。即ち、何らかの異常で水車９に設計値以上の水量が流れると異常な発電電力が発生し、前述した直流電圧Ｐ，Ｎが異常に昇圧してしまう恐れが生じる。そこで、インバータ３５内の制御部ＣＵは、シャント抵抗Ｒ間の電圧を取り込んで、予めインバータ３５の素子破壊等を保護するために直流電圧設定手段Ｓに設定しているレベル値と比較し、これ以上の場合は、Ｉ／ＯよりリレーＸをＯＮする信号発しスイッチ６３を遮断する。
これによって、発電機３４とインバータ３５間を遮断して発電を停止する。このようにして第一の実施例と同じ効果が得られる。
【００１８】
図３は、本発明第三の実施例の構成図を示す。図２と同記号で示すもの同じものなので説明を省く。同図では、図２で示したスイッチ６３を除いて代わりにインバータ３５と系統連携装置３６の直流電圧端子Ｐ，ＮにリレーＸの接点Ｘａを介して抵抗器ＲＸを取り付けたものである。即ち、発電異常が発生した場合、インバータ３５内の制御部ＣＵは、シャント抵抗Ｒ間の電圧を取り込んで、予めインバータ３５の素子破壊等を保護するために直流電圧設定手段Ｓに設定しているレベル値と比較し、これ以上の場合は、Ｉ／ＯよりリレーＸをＯＮする信号発し、その接点ｘａを閉じて抵抗器ＲＸを接続する。これによって、異常に上昇したインバータ３５と系統連携装置３６の直流電圧が抵抗器ＲＸによって消費される。このようにして第一の実施例と同じ効果が得られる。
図４は、本発明第四の実施例の構成図を示す。図３と同記号で示すもの同じものなので説明を省く。同図では、図３で示した直流電圧端子Ｐ，Ｎに設けた抵抗器ＲＸの代わりに、インバータ３５と系統連携装置３６と並行して取り付け、これの負荷となるようにスイッチ（電磁開閉器）６５Ｔを介して、抵抗器ＲＴを取り付けたものである。これの作動、効果は第三の実施例の作動と同じであるから説明を省く。
【００１９】
更に、図１〜図４に示した直流電圧を検出する代わりに発電機３４とインバータ３５間に電流検出手段を設けて、ここの電流を検出しても同様に利用することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば水車に何らかの異常が発生して異常な発電が生じても、インバータ及び系統連携装置をこの異常から確実に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１実施例を示す図である。
【図２】本発明による第２実施例を示す図である。
【図３】本発明による第３実施例を示す図である。
【図４】本発明による第４実施例を示す図である。
【図５】従来の蓄熱式空調システムを示す図である。
【図６】従来の蓄熱式空調システムのポンプと水車の運転特性図を示す図である。
【符号の説明】
１  一次システムの揚水ポンプ
２  一次システムの揚水ポンプ駆動用電動機
３  商用電源
４  熱源機
５  二方弁
６  膨張タンク
７  二次システムの揚水ポンプ
８  二次システムの揚水ポンプ駆動用電動機
９  水車
１０  空調負荷群
１１  二方弁
１２  膨張タンク
１３  クラッチ
１４  軸継手
１５  商用電源
１６  蓄熱槽
１７  送水管
１８  送水管
１９  送水管
２０  送水管
２１  仕切弁
２２  仕切弁
２３  仕切弁
２４  送水管
２５  仕切弁
２６  仕切弁
２７  逆止め弁
２８  逆止め弁
２９  フート弁
３０  フート弁
３２  電力量計
３４  発電機
３５  インバータ
３６  系統連携装置
３８  ケーブル
３９  ケーブル
４３  電力量計
４８  バイパス管
５０  圧力計
５１  圧力センサ
５６  自動弁駆動用リレー
５７  自動弁駆動用リレー
５８  自動弁駆動用リレー
５９  ケーブル
６０  手動操作弁
６１  手動操作弁
６２  手動操作弁
６３  スイッチ（電磁開閉器）
６５Ｔ  スイッチ（電磁開閉器）
６６  自動弁
６７  自動弁
６８  自動弁
【図１】
0004109882.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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