技術レポート

鳥取県産業技術センター研究報告 No.16 (2013)

マイクロ水力発電システムの開発（第 4 報）
Development of a Micro Hydroelectric Generation System（4th Report）

電力供給システムの実証試験
Verification Tests on the Power Supply of a Micro Hydroelectric Generation System

野嶋賢吾*・鈴木好明**・角力***・桑原豊彦***・米原靖彦*

Kengo Nojima, Yoshiaki Suzuki, Tsutomu Sumi, Toyohiko Kuwahara and Yasuhiko Yonehara*機械素材研究所 機械技術科、 **機械素材研究所、 ***元 機械素材研究所

マイクロ水力発電により発生した電力を一般の電気製品に供給するための「自立運転システム」および「系統連系運転システム」を開発し、これらのシステムを用いて養魚場内に設置した 3 台のマイクロ水力発電装置から出力される電力を統合して養魚場管理棟で使用される電気製品に供給する実証試験を行った。
その結果、開発したシステムは、いずれも電気製品に安定した電力を供給できることを確認した。また、2種類のシステムの長所と短所を把握し、発電地点に商用電源が存在する場合は、自立運転を行うよりも系統連系運転を行ったほうが、電力供給の自由度および安定性が高まることを確認した。

1.

はじめに号機×2 台）から出力される電力を統合して養魚場

鳥取県産業技術センターでは、中山間地域の農業管理棟において使用される電気製品に供給する実証用水などを利用して個人やグループレベルで導入可試験を行った。実証試験における発電装置、導水設

能な 1 kW 程度のマイクロ水力発電装置（以下、発備および送電設備などの設置状況を図 1 に示す。

電装置という）の開発を行っている
既報

1）～5）

。

4）、5）

では、平成 21 年度に開発した発電装置

2.2

送電設備の試作機である 2 号機および 3 号機に対して中山間実証試験に先駆けて、発電装置が出力する電力を地域の養魚場において実施した、発電性能および耐養魚場管理棟まで供給するための送電線および電柱久性の評価を目的とした 1 年間を超える長期実証試などの整備を行った。

験の結果について報告した。
本報告では、これら 2 種類の試作機 3 台から出力される電力を統合して養魚場管理棟で使用される電気製品に供給するための「自立運転システム」および「系統連系運転システム」を開発し、開発した二つのシステムを用いた電力供給の実証試験を行った
ので報告する。

2．実証設備の概要
2.1

実証試験の状況

養魚場に設置した 3 台の試作機（2 号機×1 台、3図 1 実証試験における発電装置などの設置状況

18送電線には、引込用ビニル絶縁電線（DV 線、線3.1

自立運転システム

径：φ2.6（5.5Sq）、線心数：3 個より）を用いた。

バッテリへの充放電や電力会社の送電線との系

この送電線により、発電装置から出力される 3 相交統連系を行わず、発電装置が出力する時点の電力に流の電力を養魚場管理棟に設置してある制御盤までより電気製品を稼動させる自立運転システムを開発送電した。図 2 に示すように送電線の設置工事は、した。開発した自立運転システムの主要機器構成を電気工事会社に委託し、高所作業車を用いて電柱に

図 4 に示す。
本システムは、発電機から出力される 3 相交流の送電線を設置した。
電柱は、送電区間の大部分において、養魚場内に周波数変動の影響をなくすため、まず、ダイオード独自に設置されているコンクリート柱を利用した。とコンデンサにより交流を直流へ変換する。
つぎに、電柱が設置されていない一部の送電区間については、昇圧コンバータ機能付の接続箱により、3 台の発電新たに 5 本の鋼管柱（SH-7、φ114.3×7,000mm）を機からの 3 系統の電力を 1 系統に統合したのち、パ設置した。鋼管柱の設置作業は、図 3 に示すようにワーコンディショナ（以下、パワコンという）によ養魚場が所有する小型の建設機械を用いて、養魚場り、100 V AC（交流）に逆変換して電気製品へ供給従業員の協力のもとで行った。

する。接続箱およびパワコンは、太陽光発電用として市販されているものを用いた。

3．電力供給システム

自立運転システムは、主目的である「電気製品」

本研究では、無電化地域において独自電源としてのほかに、余剰電力が発生する場合にはダミー負荷利用できる「自立運転システム」と、電力会社の送である「温水ヒータ」にも電力供給を行う。電気製電線に接続しての商用電源とともに電力供給を行う品の負荷変動に追従して、制御装置は、温水ヒータ「系統連系システム」の二つのシステムを開発した。の抵抗値を調節して余剰電力の回収を行うとともに、開発したシステムの概要は以下のとおりである。

無負荷状態に陥らないよう過電圧保護も同時に行う。
発生した余剰電力は温水ヒータにより熱変換され温水として蓄えられ、養魚場での作業用の温水として利用される。養魚場に設置した温水ヒータおよび温水槽の外観写真を図 5 に示す。
図 4 に示すように 3 台の発電装置には制御装置と温水ヒータがそれぞれ付属しており、パソコン制御により、発電装置の出力電圧が設定値に近づくまで

図 2 送電線の設置作業の様子温水ヒータの抵抗値を調節する。具体的には、図 6

図 3 設置した鋼管柱（左図）および設置作業の様子（右図）

図 4 自立運転システムの主要機器構成

19に示す並列に接続した抵抗値の異なる 4 つの温水ヒータの ON/OFF の組合せの中から設定した電圧値に最も近くなるものを選択する。図 7 に 3 号機に用いた 15 通りのヒータの組合せを示す。また、開発した制御装置の外観写真および制御ソフトウェアの操作画面を図 8 および図 9 に示す。
開発した制御装置の動作検証を実機にて行った。
実験の様子と、動作状況の結果を図 10 に示す。動作制御装置①検証は、1 台の発電装置（3 号機）に対して制御を行った場合のもので、電気製品に負荷変動を与えた場合の制御応答について調べたものである。
図 10 に示
すとおり、開発した制御装置は、負荷変動が発生し制御装置②た数 10 ms 後にはヒータの負荷調節を開始し、約 3秒後には設定した電圧値に収束させることができる。
制御装置③図 8 自立運転システムの電力制御装置

図 5 温水ヒータおよび温水槽
図 9 自立運転システムの電力制御ソフトウェア

図 6 温水ヒータの切り替えによる制御
250

2502015010015150 負荷変動(過負荷)10100電流5505001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15−2 −101

2 3 4時間（s）

567電流（A）

電圧

200電圧（V）

合成抵抗（Ω）

2000

パターン番号

図 7 ヒータの抵抗値切り替えパターン

図 10 制御装置の動作検証実験（上図）および動作状況（下図）

20

3.2

系統連系運転システム

2 台の 3 号機の発電状況を記録した結果を図 13 に電力会社の送電線に接続して、マイクロ水力発電示す。自立運転システムでは、発電装置に付属するによる電力と送電線の電力を混合して電気製品に供制御装置と接続箱の制御装置が独立して制御を行っ給する系統連系運転システムを開発した。ているため、200 V DC である設定電圧値に対して±開発した系統連系運転システムは、基本的には図30 V を超える変動が発生しているものの、電力につ4 に示す自立運転システムと同様の機器構成とした。

いては、約 1 kW の安定した値を常時出力できてい図 11 に系統連系システムの主要機器の構成図を示る。なお、接続箱を用いず発電装置に付属する制御す。系統連系運転システムにおいては、発生した余装置のみで単独の発電装置を制御する場合の電圧変剰電力は電力会社の送電線に逆潮流するため、自立動は±15 V 程度である。

運転システムに用いた温水ヒータによる余剰電力の自立運転システムでは、原理上、発電電力を上回回収は不要となる。このため、本システムの温水ヒる消費電力の電気製品を稼動させることができない。

ータは、過電圧保護動作のみに用いられる。具体的実証試験では、この性質のため、使用できる電気製には、商用電源の停電などによりパワコンが停止し品の種類に大きな制約を受け（消費電力が 1.5 kW 以て無負荷状態となり高い電圧（300 V DC 以上）が発下の突入電流の小さい電気製品に限られる）、電力利生した場合に、温水ヒータに電力を供給して無負荷用の自由度が低いという課題に直面した。また、消状態とならないよう制御を行う。系統連系運転シス

費電力が大きく変動し、消費電力が発電電力を瞬間テムに用いた制御盤およびパワコンの外観写真を図的に上回るような電気製品を利用する場合、停電が12 に示す。

発生し、電力供給の安定性が低いという課題も明らかになった。したがって、自立運転システムは、無4．電力供給の実証試験結果

電力地点においてヒータや照明など負荷変動の小さ4.1い電気製品を稼動させる場合に有用と考えられる。

自立運転システム

自立運転システムによる独自電源により養魚場管理棟で利用される電気製品へ電力供給を行う実証試
験を行った（平成 22 年 3 月から平成 25 年 3 月まで）。

3 号機-23 号機-1

電力（W）

1600
電力

1200
800
400

3号機−1
3号機−20250

図 11 系統連系運転システムの主要機器構成電圧制御盤

12150電流8100電流（A）

電圧（V）

2004

パワコン

500040801201602002400280時間(h)図 12 制御盤およびパワコン

図 13 自立運転システムによる電力供給の状況

214.2系統連系運転システム

系統連系運転システムの実証試験を平成 25 年 3月から実施している（平成 25 年 12 月現在継続中）。
本実証試験における電力会社との契約は売電を伴わないものであり、余剰電力が電力会社の送電線に逆潮流しても売電収入は発生しない。本研究では、電売電メータ

力会社の送電線に逆潮流した電力量（売電した場合

図 14 設置した売電メータの電力量）および養魚場管理棟における発電電力の表 1 系統連系運転の状況（平成 25 年 8 月実績）消費量を把握するため、
図 14 に示す研究用の売電用メータを設置した。
実証試験では、養魚場周辺の商用電源の電圧が110 V 程度と高いことに対するパワコンの系統保護発電電力の使用用途

電力量（kWh）

金額換算（円）①管理棟での電力消費

475

10,450②余剰電力

725

24,6501,200

35,100

動作により、約 2 ヶ月間、電気製品に電力供給を行合計えないという問題が発生した。電圧が高い状態の送電線にマイクロ水力発電による電力を逆潮流させる

5.と、商用電源の電圧をさらに上昇させる恐れがある

おわりに養魚場管理棟に電力供給を行うための自立運転

ため、パワコンにはこれを防止するための保護機能システムおよび系統連系運転システムを開発し、養が内蔵されている。

魚場に設置した 3 台の発電装置から出力される電力

この状態を回避するため、電力会社と協議し、送を統合して養魚場管理棟へ供給する実証試験をそれ

電線の変圧器のタップ調整により商用電源の電圧をぞれ行った。その結果、いずれのシステムも長期間103 V まで下げる対策を実施していただいた。そのにわたり電気製品に安定した電力を供給できること結果、正常な系統連系運転が可能となった。

を確認した。また、開発した二つの発電システムの表 1 に対策後の平成 25 年 8 月に取得した系統連長所と短所を把握し、発電地点に電力系統が存在す系の発電状況および平成 24 年 7 月に開始された再生る場合には、系統連系運転を実施したほうが電力供エネルギーの固定価格買取制度を利用して売電する給の自由度および安定性が高くなること、また、本と仮定した場合の金銭的メリット（売電単価：34 円

研究で開発した自立運転システムは、照明やヒータ/kWh、買電単価：22 円/kWh を仮定）を示す。のような消費電力の変動の小さい機器への電力供給

電力供給の状況としては、買電用メータと売電用に適することを確認した。

メータの読取り値から、マイクロ水力発電による電力のみで養魚場管理棟で使用されるほぼ全ての電力謝辞を自給可能なうえに消費電力を上回る余剰電力を逆本実証試験で使用した制御装置の開発にあたり、潮流させることが可能なことを確認した。

米子工業高等専門学校・宮田仁志 教授、(株)日本マ系統連系運転システムは、マイクロ水力発電によイクロシステム・山根

る電力と電力会社の送電の電力とを混合して養魚場

修 氏には、多大なご指導やご協力をいただいた。また，本実証試験の遂行にあ管理棟へ供給できるため、自立運転システムとは異たり、(株)小泉川養魚場・小椋勝美 代表取締役をはなり任意の負荷容量の電気製品へ電力供給できる長

じめ従業員の方々には全面的な協力をいただいた。

所があり、電力供給の自由度と安定性の高い運用がここに記して謝意を表する。

可能であることを実証試験により確認した。

22

文献1) 野嶋賢吾, 鈴木好明, 柏木秀文, 佐藤崇弘, 木村

4) 野嶋賢吾, 角力, 鈴木好明 吉田裕亮, 桑原豊彦,

勝典; マイクロ水力発電システムに関する研究,

柏木秀文; マイクロ水力発電システムの開発（第鳥取県産業技術センター研究報告, No.9, p.11-142 報）試作 2 号機の実証試験, 鳥取県産業技術セ(2006).

ンター研究報告 No.13, p.34-37 (2011).

2) 野嶋賢吾, 柏木秀文, 桑原豊彦; マイクロ水力発5) 野嶋賢吾, 角力, 柏木秀文, 桑原豊彦, 鈴木好明;

電システムの開発, 鳥取県産業技術センター研

マイクロ水力発電システムの開発（第 3 報）試作究報告 No.11, p.44-45 (2008).

3 号機の実証試験, 鳥取県産業技術センター研究3) 野嶋賢吾, 柏木秀文, 鈴木好明, 桑原豊彦, 今岡

報告 No.14, p.30-33 (2012).

睦明, 菊井一樹; マイクロ水力発電システムの開発（第 1 報）試作 1 号機の実証試験, 鳥取県産業技術センター研究報告 No.12, p.37-41 (2010).

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