CN112585348B - 水力发电装置和发电系统 - Google Patents

Abstract

水力发电装置(100)包括：包括水轮机(10)和发电机(20)的水力发电模块(M)、驱动部以及控制装置。驱动部构成为驱动水力发电模块(M)成为以下所示的第一状态和第二状态。第一状态是如下那样的状态：水轮机翼(11)的至少一部分存在于水路的水中，使水轮机翼(11)受到在水路中流动的水的力而旋转，从而通过发电机(20)进行发电。第二状态是如下那样的状态：水轮机翼(11)的至少一部分存在于水路的水面(Uw)的上方，并且水路的水面(Uw)相对于水轮机(10)的位置比第一状态低。若在水力发电模块(M)处于第一状态时规定的提升条件成立，则控制装置控制上述驱动部将水力发电模块(M)设为第二状态。

Description

水力发电装置和发电系统

技术领域

本发明涉及一种水力发电装置和发电系统。

背景技术

水力发电装置是将流水所具有的动能用于发电的装置。水力发电装置的主要结构包括：受到在水路中流动的水的力而旋转的水轮机、与水轮机连结并将旋转能量转换成电能的发电机、以及控制发电机的输出(进而发电量)的控制装置。

在农业用水路中使用上述水力发电装置的情况下，从上游漂来的异物(例如水草、枝条以及串状的垃圾)与水轮机缠绕而可能成为发电量降低的主要原因。因此，在水力发电装置中，异物对策变得重要。例如，日本专利特开2013-189837号公报(专利文献1)公开了将用于去除异物的除尘设备设置于比水轮机的设置部位靠近上游的水路的例子。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2013-189837号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

在小型且能轻松地设置于水路的小水力发电装置中，使用上述专利文献1所记载的大型的除尘设备会导致提高成本。因此，考虑在小水力发电装置中设置简易的除尘器。

然而，当在水轮机的上游设置简易的除尘器(例如梳型的过滤器)时，认为会有些许异物(例如水草和垃圾)流入水轮机。流到水轮机的异物有的直接通过而不停留，有的被水轮机的叶片(水轮机翼)钩住。被水轮机翼钩住的异物处于被水流的水压向水轮机翼按压的状态，难以从水轮机翼脱落。由于异物从上游不断地漂流至水轮机，因此随着时间的流逝，附着于水轮机翼的异物的量增加。此外，当附着于水轮机翼的异物增加时，水轮机翼的旋转速度降低，会导致水力发电装置的发电能力(进而发电量)降低。因此，简易的除尘器不能成为完美的异物应对措施，即使在将上述除尘器设置于水轮机的上游的情况下，认为也需要定期地去除附着于水轮机的异物的作业。如上所述，由于被向水轮机翼按压的异物难以从水轮机翼脱落，因此认为上述水力发电装置的维护并不容易。

本发明是为了解决上述技术问题而作出的，其目的在于提供一种水力发电装置和发电系统，能容易以低成本进行用于对因在水路中流动的异物而引起的发电能力降低进行抑制的处理。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的水力发电装置包括水力发电模块、驱动部以及控制装置。水力发电模块包括水轮机和发电机，上述水轮机包括利用在水路中流动的水的力进行旋转的水轮机翼，上述发电机利用水轮机翼的旋转力进行发电。驱动部构成为驱动水力发电模块成为以下所示的第一状态和第二状态。

第一状态是如下那样的状态：水轮机翼的至少一部分存在于水路的水中，使水轮机翼受到在水路中流动的水的力而旋转，从而通过发电机进行发电。第二状态是如下那样的状态：水轮机翼的至少一部分存在于水路的水面的上方，并且水路的水面相对于水轮机的位置比第一状态低。

控制装置构成为控制上述驱动部。此外，控制装置构成为，若在水力发电模块处于第一状态时规定的提升条件成立，则将水力发电模块设为第二状态。

另外，水路可以是用水路(即人造水路)，也可以是河川，还可以是海。

本发明的发电系统构成为使用上述水力发电装置，进行将流水所具有的动能转换成电力的海流发电或潮汐发电或波力发电。

发明效果

根据本发明，可以提供一种水力发电装置和发电系统，容易以低成本进行用于对因在水路中流动的异物而引起的发电能力降低进行抑制的处理。

附图说明

图1是表示本发明实施方式的水力发电装置的立体图。

图2是表示图1所示的水力发电装置的水轮机附近的结构的侧视图。

图3是表示在图1所示的水力发电装置中，使旋转梁旋转成使水轮机相对于水面提升的状态的图。

图4是用于说明水路的水面相对于水轮机的位置的图。

图5是表示图1所示的水力发电装置的使用时的状态的图。

图6是表示在图1所示的水力发电装置中将水轮机角度设为0°的状态的图。

图7是表示在图1所示的水力发电装置中将水轮机角度设为锐角的状态的图。

图8是表示在图1所示的水力发电装置中将水轮机角度设为90°的状态的图。

图9是表示在图1所示的水力发电装置中用于进行发电控制的结构的控制框图。

图10是图7所示的状态下的水力发电装置的立体图。

图11是表示由图1所示的水力发电装置进行的提升控制的流程图。

图12是表示由图1所示的水力发电装置进行的下降控制的流程图。

图13是表示由本发明实施方式的水力发电装置进行的下降控制的第一变形例的流程图。

图14是表示由本发明实施方式的水力发电装置进行的下降控制的第二变形例的流程图。

图15是用于说明在第二状态下使水轮机翼振动的变形例的图。

图16是用于说明本发明实施方式的变形例的水中浮游式海流发电系统的图。

图17是表示采用了垂直轴型的水轮机的水力发电模块的变形例的图。

具体实施方式

参照附图，对本发明的实施方式进行说明。另外，在以下附图中，对相同或相当的部分均标注相同的附图标记，不重复说明。

在以下使用的各图中，在相互正交的X轴、Y轴和Z轴中，X轴表示水路的宽度方向，Y轴表示水流方向，Z轴表示铅垂方向。以下，有时会将Z1侧称为“下”，将Z2侧称为“上”。

图1是表示本实施方式的水力发电装置100的立体图。图2是表示本实施方式的水力发电装置100的水轮机10附近的结构的侧视图。

参照图1和图2，水力发电装置100是轴流式的小水力发电装置，构成为进行1000kW以下的水力发电。水力发电装置100包括水力发电模块M和驱动水力发电模块M的驱动部。可以通过驱动部改变水力发电模块M的姿势。水力发电模块M包括水轮机10、发电机20、支柱21、齿轮箱22和制动装置30。此外，驱动部包括旋转梁110、驱动旋转梁110的电动机120、架台23、底座24、143以及支承构件25、141、142。另外，本实施方式的电动机120相当于本发明的“致动器”的一例。此外，本实施方式的架台23、底座24以及支承构件25相当于本发明的“支承台”的一例。

水轮机10包括多个水轮机翼11(例如五个水轮机翼11)，并设置于水路(例如后述的图5所示的水路200)。多个水轮机翼11分别是水平轴型的螺旋桨式旋转翼，利用在水路中流动的水的力进行旋转。发电机20构成为利用水轮机翼11的旋转力来发电。发电机20例如是三相同步发电机。但是不限定于此，可以从各种众所周知的发电机中选择采用任意的发电机。

通过使水轮机翼11旋转而使水轮机10的旋转轴旋转。水轮机10的旋转轴配置成平行于Y轴(水流方向)，并包括轴套部12和旋转轴部13。轴套部12包括：安装有水轮机翼11的部分(通常也被称为“螺旋桨轴套”)、以及安装于螺旋桨轴套的表面并调节水流的罩(通常也被称为“螺旋毂盖”)。轴套部12和旋转轴部13一体地旋转。轴套部12设于旋转轴部13的一方端(前端)。此外，旋转轴部13的另一方端(基端)与齿轮箱22连接。

发电机20的旋转轴部(旋转轴)配置成平行于Z轴(铅垂方向)，并穿过支柱21(更具体地为筒状的盖)的内部与齿轮箱22连接。支柱21的一方端固定于底座24的下表面，支柱21的另一方端连接到齿轮箱22。水轮机10的旋转轴部13和发电机20的旋转轴部互相经由齿轮箱22连接。当水轮机翼11旋转时，水轮机10的旋转轴部13旋转。旋转轴部13的旋转是围绕Y轴的旋转(以下，也称为“Y轴旋转”)。旋转轴部13的旋转力可以被齿轮箱22改变方向，并且向发电机20的旋转轴部传递。由此，使发电机20的旋转轴部旋转。发电机20的旋转轴部的旋转是围绕Z轴的旋转(以下也称为“Z轴旋转”)。如上所述，通过使水轮机翼11围绕Y轴旋转，使发电机20的旋转轴围绕Z轴旋转。

制动装置30固定于底座24的上表面。制动装置30设置于发电机20的旋转轴部(旋转轴)，构成为对发电机20的旋转(进而对水轮机翼11的旋转)施加制动力。制动装置30例如是电磁制动器。制动装置30例如通过摩擦向发电机20的旋转轴施加与发电机20的旋转方向相反的力。但是不限定于此，制动装置30的种类是任意的。制动装置30也可以是机械制动器、流体制动器和短路制动器的任意一种。另外，本实施方式的制动装置30相当于本发明的“制动装置”的一例。

旋转梁110配置成平行于X轴(水路的宽度方向)，被电动机120驱动而围绕X轴旋转(以下也称为“X轴旋转”)。轴承111安装于旋转梁110的一方端(以下也称为“从动端”)，轴承112安装于旋转梁110的另一方端(以下也称为“驱动端”)。此外，在电动机120的旋转轴设有联接器130，旋转梁110的驱动端经由轴承112和联接器130与电动机120的旋转轴连接。可以采用能电子控制的电动马达作为电动机120。

架台23包括架台构件231、232。架台构件231、232配置成平行于Y轴(水流方向)，并且是以互相空开规定的间隔的方式相对的一对L型角钢。架台构件231、232分别固定(例如焊接)于旋转梁110。

底座24固定于架台23(即架台构件231、232)的上表面。此外，在底座24的上表面固定有支承水力发电模块M的支承构件25。此外，支承构件25也固定于旋转梁110。

水力发电模块M经由架台23、底座24和支承构件25固定于旋转梁110。架台23固定于旋转梁110，并且支承水力发电模块M，与水力发电模块M和旋转梁110一起旋转。

电动机120固定于底座143的上表面。此外，在底座143上还固定有支承轴承112的支承构件142。轴承112经由支承构件142固定于底座143。旋转梁110的驱动端被轴承112支承为能绕X轴旋转。

水力发电装置100的驱动部以使旋转梁110跨过水路的方式固定于水路的边缘部。因此，水力发电装置100还包括固定件151、152和固定梁153。固定梁153的一方端与固定件151连接，固定梁153的另一方端与固定件152连接。

在固定件151固定有支承轴承111的支承构件141。轴承111在将旋转梁110的从动端支承为能够绕X轴旋转的状态下，经由支承构件141固定于固定件151。可以通过固定件151将支承构件141(进而将旋转梁110的从动端)固定于水路的第一边缘部(例如，后述的图5所示的边缘部201)。此外，在底座143的下表面安装有固定件152。可以通过固定件152将底座143(进而将旋转梁110的驱动端)固定于水路的与第一边缘部相对的第二边缘部(例如，后述的图5所示的边缘部202)。

图3是表示以使水轮机10相对于水面提升的方式使旋转梁110旋转的状态的图。通过如图3所示地使旋转梁110旋转，能使架台构件231、232(进而使水轮机10的旋转轴)平行于Z轴(铅垂方向)。

虽然在后面详细说明，但是在水力发电装置100中，根据旋转梁110的旋转角度，水路的水面相对于水轮机10的位置(以下也称为“相对水面位置”)发生变化。图4是用于说明相对水面位置(即水路的水面相对于水轮机10的位置)的图。

参照图4，水轮机10是在旋转轴(更具体地为轴套部12)的周围安装有多个水轮机翼11而构成的螺旋桨水轮机。在图4中，圆形轨道Rc表示水轮机10旋转一圈时水轮机翼11的前端描绘的轨道。

范围P1是比圆形轨道Rc的下端低的范围。相对水面位置位于范围P1意味着水轮机10整体存在于水面的上方。当水轮机10远离水而存在且不与水接触时，看作相对水面位置处于范围P1(例如，参照后述的图8)。范围P5是比圆形轨道Rc的上端高的范围。相对水面位置位于范围P5意味着水轮机10整体存在于水中。

范围P3是水轮机10的旋转轴的轴套部12的从下端到上端的范围。相对水面位置位于范围P3意味着水面位于水轮机10的旋转轴。此外，范围P2是比范围P1的上端高且比范围P3的下端低的范围，范围P4是比范围P3的上端高且比范围P5的下端低的范围。

图5是表示水力发电装置100使用时的状态(更具体地为后述的图6所示的状态)的图。参照图1和图5，水力发电装置100例如在水路200中进行发电。水路200是例如农业用水路，水W在水路200中沿水流方向Dw流动。水底Bw相当于水路200的底面。

水力发电装置100设置成使旋转梁110跨过水路200。固定件151固定于水路200的边缘部201，固定件152固定于水路200的边缘部202。由此，旋转梁110在跨过水路200的状态下被支承为旋转自如。旋转梁110的旋转轴和水路200的水流方向Dw相互正交。

通过使旋转梁110旋转，能使水轮机10相对于水面Uw提升或下降。当水轮机10的水轮机翼11(图1)存在于水W的水面Uw的下方时，水轮机翼11受到在水路200中流动的水W的力而旋转。在本实施方式中，可以使旋转梁110在水轮机10的旋转轴与水流方向Dw的角度(以下也称为“水轮机角度”)为0°以上90°以下的范围中旋转。但是不限定于此，可以任意设定旋转梁110(进而设定水力发电模块M)的可动范围。

图6是表示在水力发电装置100中将水轮机角度设为0°的状态的图。参照图6，当使旋转梁110旋转并将水轮机角度设为0°时，水轮机10的旋转轴Ra平行于水流方向Dw。在该状态下，水面Uw位于水轮机10的上方(即图4所示的范围P5)，水轮机10整体存在于水中。

图7是表示在水力发电装置100中将水轮机角度设为锐角(高于0°低于90°)的状态的图。参照图7，可以通过使旋转梁110旋转来调节相对水面位置。水轮机角度θ越大，相对水面位置越低。在图7所示的例子中，水面Uw位于水轮机10的旋转轴(即图4所示的范围P3)。

图8是表示在水力发电装置100中将水轮机角度设为90°的状态的图。参照图8，当使旋转梁110旋转并将水轮机角度设为90°时，水轮机10的旋转轴Ra与水流方向Dw正交。在该状态下，水轮机10远离水W而存在，并且没有与水W接触。即，水面Uw位于图4所示的范围P1，水轮机10整体存在于水面Uw的上方。

图9是表示在水力发电装置100中用于进行发电控制的结构的控制框图。参照图9，水力发电装置100还包括：整流电路41、DC/DC转换器42、DC/AC逆变器43、控制装置50、输入装置51和旋转速度检测器52。另外，也可以是，整流电路41、DC/DC转换器42和DC/AC逆变器43分别包括检测电路状态(例如温度、电流和电压)的各种传感器(未图示)。此外，也可以将各传感器的检测信号向控制装置50输出。

旋转速度检测器52构成为检测水轮机翼11的旋转速度。更具体地，旋转速度检测器52将与水轮机翼11的旋转速度对应的电气信号(以下也称为“旋转速度信号”)向控制装置50输出。作为旋转速度的检测方法，各种方法是众所周知的，可以采用任意方法。例如，旋转速度检测器52也可以使用安装于水轮机10或发电机20的旋转轴的编码器(未图示)来生成旋转速度信号。此外，旋转速度检测器52也可以基于在发电机20中发电的电力的频率和/或电压值来生成旋转速度信号。

控制装置50构成为包括：作为运算装置的CPU(Central Processing Unit：中央处理器)、存储装置、以及用于输入输出各种信号的输入输出端口(均未图示)。存储装置包括：作为作业用存储器的RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、以及保存用存储部(例如ROM(Read Only Memory：只读存储器)和能改写的非易失性存储器)。控制装置50从连接到输入端口的各种设备(例如旋转速度检测器52和各种传感器)接收信号，并基于接收到的信号来控制连接到输出端口的各种设备(例如，制动装置30、电动机120、DC/DC转换器42以及DC/AC逆变器43)。通过CPU执行存储于存储装置的程序，执行各种控制。但是，对于各种控制，不限定于由软件进行的处理，也可以用专用硬件(电子电路)进行处理。

输入装置51是接受来自用户的指示的装置。输入装置51由用户操作，将与用户的操作对应的信号向控制装置50输出。输入装置51也可以是各种开关(例如，滑动开关)，也可以是触摸面板显示器。控制装置50和输入装置51之间的通信方式既可以是有线也可以是无线。

在由水力发电装置100进行发电动作时，发电机20随着水轮机10的旋转而发电。由发电机20发电的交流电力(例如三相交流电力)向整流电路41输出，被整流电路41转换为直流电力。

DC/DC转换器42根据来自控制装置50的控制信号，对来自整流电路41的输入电力(更具体地为直流电力)进行规定的电力转换(例如变压)，并将电力转换后的直流电力向DC/AC逆变器43输出。从DC/DC转换器42输出的电力的大小由控制装置50控制。控制装置50可以控制DC/DC转换器42，来限制向DC/AC逆变器43供给的电力。另外，控制装置50也能使DC/DC转换器42停止输出，不向DC/AC逆变器43供给电力。从DC/DC转换器42输出的电力越小，发电机20的发电负载越小，若使DC/DC转换器42停止输出，则发电机20不再进行发电。

DC/AC逆变器43构成为根据来自控制装置50的控制信号将来自DC/DC转换器42的输入电力(更具体地为直流电力)转换为规定大小和频率的交流电力并输出。从DC/AC逆变器43输出的交流电力相当于水力发电装置100的输出，例如向电力系统供给。但是不限定于此，水力发电装置100的输出既可以向零售电力公司供给，也可以用于蓄电。

在农业用水路中使用水力发电装置100的情况下，从上游漂来的异物(例如水草、枝条以及串状的垃圾)与水轮机10缠绕而成为发电量降低的主要原因。被水轮机翼11钩住的异物处于被水流的水压向水轮机翼11按压的状态。上述异物难以从水轮机翼11脱落。

因此，在本实施方式的水力发电装置100中，在通常发电时，将水力发电模块M设为第一状态，另一方面，当异物附着于水轮机翼11时，将水力发电模块M提升并成为相对水面位置比第一状态低的第二状态。在第二状态下，水轮机翼11的至少一部分存在于水面的上方。当水轮机翼11存在于水面的上方时，由于水轮机翼11不再受到来自水流的水压，因此异物容易从水轮机翼11脱落。利用上述情况，在水力发电装置100中，将水力发电模块M设为第二状态来去除附着于水轮机翼11上的异物。此外，在水力发电装置100中，在第二状态下去除了异物之后，使水力发电模块M下降并回到第一状态。以下，详细描述第一状态和第二状态。

在通常发电时，控制装置50将水力发电模块M设为第一状态(以下也称为“通常发电状态”)。通常发电状态是如下那样的状态：使水轮机翼11的至少一部分存在于水路200的水中，受到在水路200中流动的水的力而使水轮机翼11旋转，通过发电机20进行发电。更具体地，在通常发电时，控制装置50控制电动机120来调节旋转梁110的旋转角度，以使水轮机10的旋转轴Ra平行于水流方向Dw(即，将水轮机角度设为0°)。由此，水力发电模块M处于通常发电状态。本实施方式的通常发电状态是图5和图6所示的状态。即，在通常发电状态下，水路200的水面Uw位于水轮机10的上方(即图4所示的范围P5)，水轮机10整体存在于水路200的水中。在通常发电状态下，通过控制装置50控制电力转换装置(例如，DC/DC转换器42和DC/AC逆变器43)，以从水力发电装置100输出期望的电力。此外，在通常发电状态下，不通过制动装置30进行制动。由此，水轮机10根据水路200的流速旋转。但是不限定于此，为了提高发电效率，也可以利用制动装置30调节发电机20的旋转速度。

若在水力发电模块M处于通常发电状态时，规定的提升条件(例如，在附着于水轮机翼11的异物的量超过允许范围时成立的条件)成立，则控制装置50控制电动机120，将水力发电模块M设为第二状态(以下也称为“提升状态”)。提升状态是如下那样的状态：使水轮机翼11的至少一部分存在于水路200的水面Uw的上方，并且水路200的水面Uw相对于水轮机10的位置比通常发电状态低。本实施方式的提升状态是图7所示的状态。图10是图7所示的状态下的水力发电装置100的立体图。如图7和图10所示，在提升状态下，水面Uw位于水轮机10的旋转轴(即图4所示的范围P3)。

水路200的水面Uw相对于水轮机10的位置越高，存在于水中的水轮机翼11的比例(例如体积比例)越大。此外，存在于水中的水轮机翼11越多，水轮机10受到的来自水流的力越大，从而使水轮机10旋转的力也越大。由于使水轮机10旋转的力变大，因此发电量变多。在上述通常发电状态下，水轮机翼11整体存在于水路200的水中，受到在水路200中流动的水的力而使水轮机翼11旋转。因此，能使通常发电状态下的发电量变多。

另一方面，水路200的水面Uw相对于水轮机10的位置越低，存在于水路200的水面Uw的上方的水轮机翼11的比例(例如体积比例)越大。存在于水面Uw的上方的水轮机翼11不会受到来自水流的水压。因此，当水轮机翼11存在于水面Uw的上方时，异物容易从水轮机翼11脱落。在本实施方式的水力发电装置100中，若在水力发电模块M处于通常发电状态时规定的提升条件成立，则将水力发电模块M设为提升状态。更具体地，将水路200的水面Uw相对于水轮机10的位置设为水轮机10的旋转轴的位置(即图4所示的范围P3)。在上述提升状态下，水轮机10包括的五个水轮机翼11分别随着水轮机10的旋转，交替地重复翼整体存在于水中的状态和翼整体存在于水面Uw的上方的状态。当水轮机翼11存在于水中时，水轮机翼11从水流受到使水轮机10旋转的力的供给。当水轮机翼11存在于水面Uw的上方时，由于旋转的冲力(例如由于旋转而产生的离心力)和重力而从水轮机翼11去除异物。根据发明人的实验确认到，与水轮机翼11缠绕的异物会由于水轮机10的旋转而解开，当水轮机翼11存在于水面Uw的上方时，异物从水轮机翼11的根部侧落入水中。此时，如图7所示，通过在提升状态下使水轮机10倾斜，容易从水轮机翼11去除异物。提升状态下的水轮机角度θ优选在20°以上60°以下。

以下，使用图11和图12，对由水力发电装置100进行的提升控制和下降控制进行说明。

图11是表示由水力发电装置100进行的提升控制的流程图。在水力发电模块M处于第一状态(参照图5和图6)时，每经过规定时间从主程序中调用并反复执行上述流程图所示的处理。在图11中，通过控制装置50执行步骤S11～S13(以下简称为“S11”～“S13”)。

参照图9和图11，在S11中，控制装置50执行第一状态下的规定控制。虽然可以任意设定第一状态下的控制，但是在本实施方式中，控制装置50控制电力转换装置(例如DC/DC转换器42和DC/AC逆变器43)，以通过由发电机20进行的发电从水力发电装置100输出期望的电力。

在S12中，控制装置50判断规定的提升条件是否成立。虽然可以任意设定提升条件，但是在本实施方式中，若在水力发电模块M处于第一状态时，附着于水轮机翼11的异物的量超过允许范围，则提升条件成立。允许的异物的量是任意的。

对于本实施方式的控制装置50，在水力发电模块M处于第一状态时，通过旋转速度检测器52监视水轮机翼11的旋转速度，当每单位时间的水轮机翼11的旋转速度的变化量(以下简称为“速度波动量”)超过阈值时，判断为附着于水轮机翼11的异物的量超过了允许范围。当附着于水轮机翼11的异物增加时，水轮机翼11的旋转速度降低，因此能根据上述速度波动量来判断附着于水轮机翼11的异物的量是否超过允许范围。

虽然可以任意设定水轮机翼11的旋转速度的检测间隔和速度波动量的单位时间，但是在本实施方式中，每隔一秒检测水轮机翼11的旋转速度，并将速度波动量的单位时间设为五秒。即，当每五秒期间的水轮机翼11的旋转速度的变化量超过了阈值时，判断为附着于水轮机翼11的异物的量超过了允许范围。但是，不限定于此，也可以是，计算单位时间不同的多种速度波动量(例如单位时间为一秒、五秒、一分钟的速度波动量)，仅在所有速度波动量超过了阈值时，判断为附着于水轮机翼11的异物的量超过了允许范围。

优选考虑水路200(图5)的流速波动来设定用于上述判断的阈值。例如，在本实施方式中设置有水力发电装置100的水路200是农业用水路。上述水路200的流速根据自然波动而脉动。当水路200的流速变化时，水轮机翼11的旋转速度也变化。优选设定合适的阈值，使得即使附着于水轮机翼11的异物的量未超过允许范围，速度波动量也不会因水路200的流速波动而超过阈值。水路的流速波动范围根据各水路而大致确定，可以预先通过实验或模拟来获得。在农业用水路的一例中，流速波动范围相对于平均流速处于大约±4％。可以根据预先获得的水路200的流速波动范围来把握会由流速波动产生的水轮机翼11的旋转速度的波动范围。例如，也可以是，当水轮机翼11的旋转速度相对于平均旋转速度改变了规定比例(例如5％)以上时，判断为附着于水轮机翼11的异物的量超过了允许范围。此外，也可以检测水路200的流速，并根据检测到的流速使上述阈值可变。

另外，判断附着于水轮机翼11的异物的量是否超过了允许范围的方法不限定于基于上述速度波动量的方法。例如，控制装置50也可以构成为，基于水轮机10或发电机20的旋转转矩和从发电机20输出的电力的电流值中的至少一方，判断附着于水轮机翼11的异物的量是否超过了允许范围。旋转转矩可以由例如转矩计(未图示)检测。此外，控制装置50也可以构成为，基于对附着于水轮机翼11的异物进行检测的光学传感器(未图示)的输出来判断附着于水轮机翼11的异物的量是否超过了允许范围。

当提升条件不成立(S12中为“否”)时，处理返回到S11。在S12中判断为提升条件不成立的期间，继续进行S11的发电控制。另一方面，当提升条件成立(S12中为“是”)时，在S13中，控制装置50控制电动机120并使旋转梁110旋转，由此使水力发电模块M变为第二状态(参照图7和图10)。第二状态下的水轮机角度θ被调节成使水路200的水面Uw位于水轮机10的旋转轴，在一例中θ为45°。由此，水力发电模块M不再处于第一状态，图11的提升控制结束。

图12是表示由水力发电装置100进行的下降控制的流程图。在水力发电模块M处于第二状态时，每经过规定时间从主程序中调用并反复执行上述流程图所示的处理。在图12中，通过控制装置50执行步骤S21～S23(以下简称为“S21”～“S23”)。

参照图9和图12，在S21中，控制装置50执行第二状态下的规定控制。虽然可以任意设定第二状态下的控制，但是在本实施方式中，控制装置50控制DC/DC转换器42，使从水力发电装置100输出的电力比第一状态小。由此，发电机20的发电负载比第一状态小。

如上所述，在第二状态(参照图7和图10)下，异物容易从存在于水面Uw的上方的水轮机翼11(即，没有受到来自水流的水压的水轮机翼11)脱落。此外，由于当发电机20的发电负载变小时，水轮机10容易旋转，因此容易通过水轮机10的旋转使异物从水轮机翼11脱落。因此，通过使第二状态下的发电机20的发电负载比第一状态小，能更可靠地(或短时间地)去除异物。

在本实施方式中，在第二状态下，以比第一状态小的发电负载通过发电机20进行发电。但是不限定于此，也可以是在第二状态下，控制装置50使DC/DC转换器42停止输出(进而使水力发电装置100停止输出)，从而使发电机20成为没有发电负载的状态。由于使发电机20成为没有发电负载的状态，所以发电机20停止发电。由此，水轮机10的旋转的冲力增大，由于水轮机10的旋转使异物容易从水轮机翼11脱落，从而能更可靠地(或短时间地)去除异物。

在S22中，控制装置50判断规定的下降条件是否成立。虽然可以任意设定下降条件，但是在本实施方式中，当水力发电模块M从变为第二状态起经过规定时间(以下也称为“保持时间”)时，下降条件成立。保持时间被设定成足够长以从水轮机翼11去除异物，并且较短地设定至不会使发电量过度降低的程度。优选考虑流过水路200(图10)的异物的量来设定保持时间。例如，也可以预先通过实验或模拟来获得每单位时间漂流至水轮机10的异物的量，从而设定合适的保持时间。保持时间优选例如五秒以上三十秒以下。在本实施方式中，保持时间设为十秒。

当下降条件不成立(S22中为“否”)时，处理返回到S21。在S22中判断为下降条件不成立的期间，在水力发电模块M维持在第二状态的状态下，继续进行S21的发电限制。另一方面，当下降条件成立(S22中为“是”)时，在S23中，控制装置50控制电动机120并使旋转梁110旋转，由此使水力发电模块M成为第一状态(参照图5和图6)。由此，水力发电模块M不再处于第二状态，图12的下降控制结束。然后，图11的提升控制开始。

如上所述，在本实施方式的水力发电装置100中，若在水力发电模块M处于第一状态时规定的提升条件成立(在图11的S12中为“是”)，则将水力发电模块M设为第二状态(图11的S13)，在提升状态下去除了附着于水轮机翼11的附着物(即附着于水轮机翼11的异物)(图12的S21和S22)之后，再次使水力发电模块M回到第一状态(图12的S23)。在第二状态(提升状态)下适当地去除异物，由此抑制了由异物引起的水力发电装置100的发电能力的降低。此外，由于每次提升条件成立时都会去除异物，因此水力发电装置100能够长期维持较高的发电能力。这样，在水力发电装置100中，能容易地进行用于抑制由在水路200中流动的异物引起的发电能力降低的处理。此外，由于上述方法不需要大型的除尘设备，因此能低成本地去除异物。

在上述实施方式中，控制装置50构成为，在规定的发电停止条件成立的情况下，停止上述提升控制和下降控制(进而停止由发电机20进行的发电)，并控制电动机120使旋转梁110旋转，由此使水轮机10从水路200提升，使水力发电模块M成为图8所示的状态。此外，控制装置50也可以构成为，在规定的发电恢复条件成立的情况下，恢复上述提升控制和下降控制(进而恢复由发电机20进行的发电)。例如，也可以是在规定的天气时(例如，当降水量、积雪量和风速中的至少一个超过允许范围时)，发电停止条件成立。此外，也可以是在从发电停止条件不成立起经过了规定时间时发电恢复条件成立。

在上述实施方式中，可以任意改变提升条件(图11中的S12)。例如，也可以是当从水力发电模块M成为第一状态起经过规定时间(以下也称为“发电时间”)时，提升条件成立。这样，能定期地在第二状态(提升状态)下去除异物。发电时间优选为例如三十分钟以上三小时以下，在一例中为一小时。

在上述实施方式中，可以任意改变下降条件(图12中的S22)。例如，也可以是当附着于水轮机翼11的异物的量在允许范围内时，下降条件成立。例如，可以基于水轮机翼11的旋转速度来判断附着于水轮机翼11的异物的量是否在允许范围内。

在上述实施方式中，第二状态下的规定控制(图12的S21)也可以根据状况可变。例如，根据由水力发电装置100发电的电力的供给目的地，有时不优选限制水力发电装置100中的发电(即，减小发电负载)。因此，也可以是用户能通过输入装置51对控制装置50设定是否允许发电限制，使得用户能根据各状况来选择是否进行发电限制。此外，控制装置50也可以进行以下说明的图13的下降控制。

图13是表示由水力发电装置100进行的下降控制的第一变形例的流程图。除了采用步骤S101～S103(以下简称为“S101”～“S103”)来代替图12的S21之外，图13的下降控制与图12的下降控制相同。因此，以下仅对S101～S103进行说明。

参照图9和图13，在S101中，控制装置50判断是否已允许发电限制。例如，也可以在控制装置50的存储装置中准备发电限制允许标志，基于标志的值(0：禁止、1：允许)来判断是否已允许发电限制。

当已允许发电限制(S101中为“是”)时，在S102中，控制装置50执行发电限制。控制装置50例如与上述图12的S21相同地，使发电机20的发电负载比第一状态小。控制装置50既可以在发电负载小的状态下进行发电，也可以停止发电。

当没有允许发电限制(S101中为“否”)时，在S103中，控制装置50以与第一状态相同的条件(参照上述图11的S11)进行发电。

如上所述，在图13的下降控制中，判断是否已允许发电限制，仅在已允许发电限制的情况下进行发电限制。由此，同时实现了针对各状况所需的发电量的确保和异物的去除。

在上述实施方式中，通过第二状态下的发电限制(图12的S21)促进异物的去除。但是不限定于此，也可以用其他方法在第二状态下促进异物的去除。图14是表示由水力发电装置100进行的下降控制的第二变形例的流程图。

参照图9和图14，在该下降控制中，作为第二状态下的规定控制，代替图12的S21，执行步骤S111～S115(以下简称为“S111”～“S115”)的处理。当在水力发电模块M处于第一状态的情况下规定的提升条件成立，并通过图11的S13的处理使水力发电模块M从第一状态变为第二状态(参照图7和图10)时，执行S111的处理。另外，以下使用的计数器例如存储于控制装置50的存储装置，计数器的初始值为0。

在S111中，控制装置50控制制动装置30以对发电机20的旋转(进而对水轮机翼11的旋转)施加制动力。由此，成为对水轮机翼11的旋转施加了制动力的状态(以下也称为“制动接通状态”)。在制动接通状态下，在由制动装置30施加了制动力的状态下，使水轮机翼11旋转。然后，控制装置50在制动接通状态下等待规定的时间(以下也称为“制动时间”)(S112)。制动时间优选为例如一秒以上三十秒以下，在一例中为三秒。

当从变为制动接通状态起经过制动时间时，在S113中，控制装置50使由制动装置30进行的制动动作停止，并使发电机20的旋转轴(进而使水轮机翼11的旋转轴)处于释放的状态(以下，也称为“制动断开状态”)。在制动断开状态下，在没有被制动装置30施加制动力的状态下，使水轮机翼11旋转。然后，控制装置50在制动断开状态下等待规定时间(以下也称为“释放时间”)(S114)。释放时间优选为例如一秒以上三十秒以下，在一例中为三秒。

当从变为制动断开状态起经过释放时间时，控制装置50在S115中使计数器递增，在步骤S120中，判断计数值是否达到规定的阈值Th(以下也称为“制动次数”)。该判断相当于下降条件是否成立的判断。虽然可以任意设定制动次数，但是在一例中，将制动次数设为三次。

当计数值未达到阈值Th(S120中为“否”)时，判断为下降条件不成立，处理返回到S111。在S120中判断为计数值没有达到阈值Th的期间，反复进行S111～S115的处理。另一方面，当计数值达到阈值Th(S120中为“是”)时，判断为下降条件成立，在S23中，控制装置50控制电动机120使旋转梁110旋转，由此使水力发电模块M成为第一状态。由此，水力发电模块M不再处于第二状态，图14的下降控制结束。

如上所述，在图14的下降控制中，当水力发电模块M处于第二状态时，控制装置50控制制动装置30，交替地重复制动旋转和非制动旋转直到下降条件成立，上述制动旋转是在被制动装置30施加了制动力的状态下使水轮机翼11旋转，上述非制动旋转是在没有被制动装置30施加制动力的状态下使水轮机翼11旋转。在第二状态下，通过断续地对水轮机翼11的旋转施加制动力(制动接通)并反复增减制动力，使水轮机翼11的旋转反复减速和加速。由此，异物容易从水轮机翼11脱落，能更可靠地(或短时间地)去除异物。另外，优选考虑水轮机翼11的旋转的加速减速所需的时间来设定上述制动时间和释放时间。

图14的S111～S115的处理也可以在进行了发电限制的状态(即发电机20的发电负载比第一状态小的状态)下进行。当在S111～S115中进行发电限制时，控制装置50既可以在发电负载较小的状态下进行发电，也可以停止发电。

第一状态(通常发电状态)、第二状态(提升状态)分别不限定于图6、图7所示的状态。例如，也可以将第一状态设为图6或图7所示的状态，将第二状态设为图8所示的状态。在图8所示的状态下，由于水面Uw位于图4所示的范围P1，因此相对水面位置比图6和图7分别所示的状态低。

在图8所示的状态下，水轮机翼11整体存在于水路200的水面Uw的上方，各水轮机翼11没有受到在水路200中流动的水的力。但是，当采用图8所示的状态作为第二状态时，由于在提升前的状态(例如图6或图7所示的状态)下，水轮机翼11受到在水路200中流动的水的力而旋转，因此在提升后的状态(即图8所示的状态)下，水轮机翼11也会由于惯性而旋转。在上述第二状态(即图8所示的状态)下，由于水轮机翼11不再受到来自水流的水压，因此异物容易从水轮机翼11脱落。

也可以在第二状态下通过使水轮机翼11振动来促进异物的去除。图15是用于说明上述变形例的图。

参照图15，在该例中，采用图8所示的状态作为第二状态。此外，在图12的S21中，控制装置50控制电动机120，由此以规定的旋转量交替地重复旋转梁110的正转和反转，使水轮机翼11振动。能通过使水轮机翼11适当地振动来促进异物的去除。另外，即使在采用图7所示的状态作为第二状态的情况下，也能通过在第二状态下使水轮机翼11适当地振动来促进异物的去除。

使旋转梁110旋转的致动器不限定于电动机120而是任意的，例如也可以是使用了气缸的致动器。此外，驱动水力发电模块M成为第一状态和第二状态的驱动部不限定于使水力发电模块M旋转的驱动部(例如包括上述旋转梁110和电动机120的驱动部)，也可以是在垂直方向上使水力发电模块M升降的驱动部(例如，起重吊车装置)。通过使水力发电模块M(包括水轮机10)升降，可以改变相对水面位置(即，水路200的水面相对于水轮机10的位置)。

应用了上述控制的水力发电装置不限定于进行1000kW以下的水力发电的小水力发电装置，也可以是发电输出更大的水力发电装置。此外，也可以将上述控制应用于进行将流水所具有的动能转换为电力的海流发电或潮汐发电或波力发电的发电系统。图16是用于说明上述实施方式的变形例的水中浮游式海流发电系统的图。

参照图16，该发电系统包括：设置于水底Bw(更具体地为海底)的锚固件310、安装于锚固件310的系泊缆线320以及水中发电装置300。

水中发电装置300包括水轮机10A和发电单元301。水轮机10A包括水轮机翼11A、轴套部12A以及旋转轴部13A。发电单元301包括发电机20A、浮力调节装置302、303以及控制装置50A。发电单元301经由系泊缆线320与锚固件310连接，从而固定(系泊)于水底Bw。发电机20A的旋转轴与水轮机10A的旋转轴部13A连接。水轮机翼11A受到在水流方向Dw上流动的水(更具体地为海水)的力而旋转，由此通过发电机20A进行发电。在发电机20A中发电的电力也可以通过未图示的电力线(例如海底电缆)向电力系统或零售电力公司供给，也可以存储于发电单元301内的蓄电装置(未图示)。此外，也可以在发电单元301设置未图示的电力转换装置(例如整流电路、DC/DC转换器和DC/AC逆变器)，对发电机20A的输出进行规定的电力转换。

控制装置50A构成为控制浮力调节装置302、303。浮力调节装置302、303作为驱动水力发电模块(包括水轮机10A和发电机20A)成为第一状态和第二状态的驱动部发挥作用。浮力调节装置302、303构成为根据来自控制装置50A的控制信号，进行压载水的注入/排出来调节水中发电装置300的浮力。

控制装置50A控制浮力调节装置302、303，向浮力调节装置302、303注入压载水，从而能减小水中发电装置300的浮力并使水中发电装置300沉入水中。例如，可以将图16所示的水中发电装置300整体存在于水中(更具体地为海中)的状态设为第一状态(通常发电状态)。

然后，在当水中发电装置300(进而水力发电模块)处于第一状态时规定的提升条件成立的情况下，控制装置50A控制浮力调节装置302、303，从浮力调节装置302、303排出压载水，由此增大水中发电装置300的浮力，从而使水中发电装置300浮起。通过上述控制，可以使水中发电装置300(进而使水力发电模块)从第一状态变为第二状态(提升状态)。例如，可以将图16中用点划线表示的状态设为第二状态。在图16中用点划线表示的状态下，水面Uw位于水轮机10A的旋转轴。

如上所述，在水中浮游式海流发电系统中，也可以将水力发电模块设为第一状态和第二状态，能通过进行上述的提升控制和下降控制，容易地以低成本进行用于对因在水路(更具体地为海)中流动的异物而引起的发电能力的降低进行抑制的处理。另外，在上述的水中浮游式海流发电系统中，也可以使用沉降片代替锚固件。此外，可以任意改变浮力调节装置的数量和配置。

水轮机的种类不限定于水平轴型的螺旋桨水轮机，可以任意变更。图17是表示采用了垂直轴型的水轮机的水力发电模块的变形例的图。参照图17，该水力发电模块包括垂直轴型的水轮机10B。此外，水轮机10B包括水轮机翼11B和连结到水轮机翼11B的旋转轴部13B。旋转轴部13B相当于水轮机10B的旋转轴。水轮机翼11B是直线翼式，具有将翼的上下方向的头端朝向旋转轴弯曲的形状。上述水轮机翼11B由于Y轴方向的水流而旋转。通过使水轮机翼11B旋转，使经由齿轮箱22B连结到旋转轴部13B的发电机20B的旋转轴部(更具体地为配置于支柱21B内的旋转轴部)旋转，从而通过发电机20B进行发电。

通过将如上所述的水力发电模块安装于上述驱动部(即，包括旋转梁110、电动机120和架台23的驱动部)，能通过旋转梁110的旋转动作将水力发电模块设为第一状态和第二状态。在上述水力发电装置中，也能通过进行上述提升控制和下降控制，容易地以低成本进行用于对因在水路中流动的异物而引起的发电能力的降低进行抑制的处理。

也可以组合实施上述各种变形例。此外，上述实施方式和变形例中表示的结构可以适当变更。例如，在完成了对控制装置50所需的设定时，也可以省略输入装置51。例如，在提升控制和下降控制中不使用制动装置30的情况下，也可以省略制动装置30。

应当理解的是，本次公开的实施方式的所有点均为例示，而非限制性的。本发明的范围通过权利要求书而非上述实施方式的说明示出，其意在包含与权利要求书的范围等同的意思及范围内的所有变更。

(符号说明)

10、10A、10B 水轮机

11、11A、11B 水轮机翼

12、12A 轴套部

13、13A、13B 旋转轴部

20、20A、20B 发电机

21、21B 支柱

22、22B 齿轮箱

23 架台

24、143 底座

25、141、142 支承构件

30 制动装置

41 整流电路

42 DC/DC转换器

43 DC/AC逆变器

50、50A 控制装置

51 输入装置

52 旋转速度检测器

100 水力发电装置

110 旋转梁

111、112 轴承

120 电动机

130 联接器

151、152 固定件

153 固定梁

200 水路

201、202 边缘部

231、232 架台构件

300 水中发电装置

301 发电单元

302、303 浮力调节装置

310 锚固件

320 系泊缆线

M 水力发电模块。

Claims (8)

1.一种水力发电装置，包括：

水力发电模块，该水力发电模块包括水轮机和发电机，所述水轮机包括利用在水路中流动的水的力进行旋转的水轮机翼，所述发电机利用所述水轮机翼的旋转力进行发电；

驱动部，该驱动部驱动所述水力发电模块成为第一状态和第二状态；以及

控制装置，该控制装置控制所述驱动部，

所述水轮机是在旋转轴的周围安装有多个所述水轮机翼而构成的螺旋桨水轮机，

所述第一状态是如下那样的状态：所述水轮机翼的至少一部分存在于所述水路的水中，使所述水轮机翼受到在所述水路中流动的水的力而旋转，从而通过所述发电机进行发电，

所述第二状态是如下那样的状态：所述水轮机翼的至少一部分存在于所述水路的水面的上方，并且所述水路的水面相对于所述水轮机的位置比所述第一状态低，

若在所述水力发电模块处于所述第一状态时规定的提升条件成立，则所述控制装置将所述水力发电模块设为所述第二状态，

若在所述水力发电模块处于所述第一状态时，附着于所述水轮机翼的异物的量超过允许范围，则所述提升条件成立，

所述第二状态下的所述水轮机的所述旋转轴与所述水路的水流方向的角度为20°以上60°以下。

2.如权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，

所述控制装置在所述水力发电模块处于所述第一状态时监视所述水轮机翼的旋转速度，当每单位时间的所述水轮机翼的旋转速度的变化量超过阈值时，判断为附着于所述水轮机翼的异物的量超过所述允许范围。

3.如权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，

还包括对所述水轮机翼的旋转施加制动力的制动装置，

所述控制装置构成为控制所述制动装置，

若在所述水力发电模块处于所述第一状态时所述规定的提升条件成立，则所述控制装置将所述水力发电模块设为所述第二状态，并且，所述控制装置交替地重复制动旋转和非制动旋转，所述制动旋转是在被所述制动装置施加了所述制动力的状态下使所述水轮机翼旋转，所述非制动旋转是在没有被所述制动装置施加所述制动力的状态下使所述水轮机翼旋转。

4.如权利要求1～3中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，

当所述水力发电模块处于所述第二状态时，所述发电机的发电负载比所述第一状态小。

5.如权利要求1～3中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，

若在所述水力发电模块处于所述第二状态时规定的下降条件成立，则所述控制装置将所述水力发电模块设为所述第一状态。

6.如权利要求1～3中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，

所述第二状态是所述水轮机翼的一部分存在于所述水路的水中，使所述水轮机翼受到在所述水路中流动的水的力而旋转的状态，

所述第二状态下的所述水路的水面位于所述螺旋桨水轮机的所述旋转轴。

7.如权利要求1～3中任一项所述的水力发电装置，其特征在于

所述驱动部包括：

旋转梁；

致动器，该致动器使所述旋转梁旋转；以及

支承台，该支承台在支承所述水力发电模块的状态下固定于所述旋转梁，以与所述水力发电模块和所述旋转梁一起旋转，

所述控制装置控制所述致动器。

8.一种发电系统，

使用权利要求1～3中任一项所述的水力发电装置，进行将流水所具有的动能转换成电力的海流发电或潮汐发电或波力发电。

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