JP2002021736A - 太陽電池を用いた揚水装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 故障が少なく、メンテナンスをあまり必要と
することなく、長期間安定に動作させることができる太
陽電池を用いた揚水装置を提供する。 【解決手段】 太陽電池１の出力電力をインバータ２に
より電力変換してモータポンプ３を駆動し、水を揚水す
る揚水装置において、ポンプを駆動するモータに回転軸
の位置を検出するセンサを有さないＤＣブラシレスモー
タを用いた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池を動力源
とする揚水装置に係り、特に太陽電池の出力電力をイン
バータにより電力変換して、井戸の底部等に配置された
モータポンプにその電力を供給して水を揚水する揚水装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池の出力電圧をインバータにより
電力変換してポンプ装置等に供給することは、安定した
電力供給が容易でない山間等の地域でも、給水・灌漑等
が行えるようになり、その地域にとって極めて有用であ
る。このような地域においては、エンジンポンプ等を用
いて井戸等から揚水することも考えられるが、燃料の供
給が必要であり、不便である。即ち、このようなエンジ
ンポンプ等を用いた方式では、燃料供給が途絶えると給
水停止に至る事態も考えられる。これに対して、太陽電
池をエネルギー源とした方式では燃料の供給を必要とせ
ず、太陽光がある限りにおいて揚水することが可能であ
り極めて便利である。

【０００３】この種の揚水装置は、太陽光を電気エネル
ギーに変換する太陽電池と、太陽電池から供給される直
流電源をポンプの運転に適した交流電源に変換するイン
バータと、そのインバータから電気の供給を受けて回転
軸を駆動するモータと、そのモータによって駆動される
ポンプにより構成されている。一般に揚水用のモータポ
ンプは深井戸等の底部に配置され、揚水を行い、その揚
水された水は地上のタンクに蓄積される。このような太
陽電池を用いたポンプでは、その日射量に対応して発生
する電力により運転されるが、揚水された水が一旦タン
クに蓄積されるため、必要に応じて使用することができ
る。

【０００４】ポンプとしては、一般に水中ポンプが用い
られ、ポンプを駆動するモータは、三相誘導電動機が用
いられるのが一般的であり、インバータにより交流電力
が供給される。太陽電池から供給される電力量は、日射
量とモータポンプの運転状態（電圧、電流、周波数）に
より変化する。このため、最も効率よくポンプを運転で
きるように、ポンプに供給する電圧、電流、周波数を最
大電力が供給できるように制御する最大電力追跡制御が
行なわれている。このような太陽電池を用いた揚水装置
には、以下の事項が望まれる。まず、太陽エネルギーを
効率的に利用するために、システム全体としての効率を
最大限に高める必要がある。又、井戸の内部等にポンプ
を配置するため、ポンプの小型軽量化と共にポンプ自体
が堅牢であり、故障の少ないことが望まれる。又、ポン
プの運転に当たる者等が手軽に運転できるようにその取
り扱いが容易であることが必要である。更に又、井戸の
渇水による空運転等を防止し、ポンプの破損に至る故障
を検知し、事前に警報を出力して停止する等のポンプの
十分な保護対策が必要である。

【０００５】従来から、モータポンプの効率を上げるた
めに、そのモータに高効率のＤＣブラシレスモータを用
いることが考えられている。ＤＣブラシレスモータは、
回転軸の回転角度に応じてインバータが巻線に供給する
電流を切り替えて制御する。即ち、ＤＣブラシレスモー
タは検出された回転軸の回転角度に逐次合わせて、電流
をモータの巻線に供給することで回転軸を回転させるも
のである。一般的には、回転軸の回転角度を、該回転軸
の一部に固定した磁石と、その位置を検出するホール素
子等の位置センサを用いて検出することが行われてい
る。このため、回転軸の回転角度を検出するための位置
センサや、これに付随したセンサ回路、回転軸の回転角
度をインバータに伝えるためのセンサ配線等が必要であ
る。

【０００６】しかしながら、モータポンプは上述したよ
うに井戸の底部等に配置されるため、このようなホール
素子等のセンサを用いた方式では配線が増えるため、井
戸の内部に設置する水中ポンプには不適当であった。
又、センサ素子及びセンサアンプ等の部品が増えると、
それだけ故障の可能性も増大し、メンテナンスも必要と
なってくる。又、このようなセンサ配線を外部に露出し
ないようにするため、インバータを含めてモータのケー
シング内に設置してしまう方法もある。しかしながら、
このようにモータにインバータを内装すると、モータ自
体のスペースが必要であり、モータポンプ自体の構造が
複雑となり、そのメンテナンスの負担も増大するという
問題もある。

【０００７】又、このような揚水装置においては、モー
タポンプの起動停止の制御、外部への信号出力等の制御
装置も必要であり、この制御装置は一般にインバータに
内装されているので、制御装置とインバータとを分離せ
ざるを得なくなり不便である。又、モ−タ内への水の進
入も懸念され、インバータの設置環境が良くないと、イ
ンバータ故障時の対応に際してポンプを井戸から引き上
げなくてはならず、メンテナンス面からも問題が多い。
従って、メンテナンスを考慮すると、インバータ部分は
地上に配置することが好ましい。

【０００８】

【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、故障が少なく、メンテナンス
をあまり必要とすることなく、長期間安定に動作させる
ことができる太陽電池を用いた揚水装置を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、太陽電池の出力電力をインバータにより電力変換し
てモータポンプを駆動し、水を揚水する揚水装置におい
て、前記ポンプを駆動するモータに回転軸の位置を検出
するセンサを有さないＤＣブラシレスモータを用いたこ
とを特徴とする太陽電池を用いた揚水装置である。

【００１０】ポンプを駆動するモータに回転軸の位置を
検出するセンサを有さないＤＣブラシレスモータを用い
たので、余分なセンサ配線が不要となり、これによりセ
ンサ部の故障が極めて少なくなると共に、その施工が容
易となる。又、ＤＣブラシレスモータ自体の構造が簡素
となり、且つその故障を低減することができる。又、Ｄ
Ｃブラシレスモータを用いたので、モータの高い効率が
得られ、太陽エネルギーを有効に利用することが可能と
なる。又、インバータ制御によりモータポンプの高速運
転が可能となり、これによりモータポンプの構造を小型
化できる。このため、井戸内部等の狭い空間への設置が
容易であり、その施工が容易となる。

【００１１】請求項２に記載の発明は、前記インバータ
は前記センサを用いない運転のための運転パラメータの
自動設定手段と、前記ポンプの運転前に前記運転パラメ
ータの自動設定を行う手段とを備えたことを特徴とす
る。

【００１２】個別のセンサを用いない運転のためには、
ケーブル配線を加えたモータ巻線の抵抗値等の運転パラ
メータをインバータ制御装置に設定することが好まし
い。この運転パラメータを自動設定する手段と、ポンプ
運転前にそのパラメータの自動設定を行う手段を備えた
ので、常にポンプを最適な動作状態で運転することが可
能となる。即ち、運転パラメータはポンプの据え付け時
に設定する必要がなく、太陽光の入射と共にポンプの始
動前に毎朝自動で実際の配線抵抗値等の設定が行われる
ことになる。このため、運転パラメータの設定し忘れに
よるトラブル等がなく、使用者にとって極めて手軽に取
り扱える。

【００１３】請求項３に記載の発明は、前記インバータ
は運転周波数毎の設定電流値により、前記ポンプの空運
転を検出する装置を備えたことを特徴とする。

【００１４】インバータは、運転周波数毎の設定電流値
により、前記ポンプの空運転を検出する装置を備えたの
で、各運転周波数に対応して実際の運転電流と設定電流
とを比較することで、ポンプの空運転を検出できる。こ
れにより、井戸が渇水した時等にポンプの空運転を検出
してポンプを停止することでポンプの焼き付き等の損傷
を未然に防止できる。

【００１５】請求項４に記載の発明は、太陽電池と、該
太陽電池の直流出力を交流出力に変換するインバータ
と、該インバータの出力を受けてセンサを有さないＤＣ
ブラシレスモータにより駆動されるポンプと、該ポンプ
が揚水した水を一時的に貯える貯水槽と、前記ポンプの
運転を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする太
陽電池を用いた揚水装置である。

【００１６】請求項５に記載の発明は、前記インバータ
及び制御装置が地上側に配置され、前記モータ及びポン
プが井戸の内部に配置され、前記インバータと前記ポン
プとは電力を供給するケーブル配線のみにより接続され
たことを特徴とする。

【００１７】総じて本発明によれば、商用電源の供給が
困難な場所において、太陽光を利用して灌漑用の水等を
井戸等から揚水する太陽電池を用いた揚水装置を提供す
ることができる。そして、この揚水装置は、太陽光を動
力源としたので、燃料の供給等が不要であり、又、その
構造が簡素であるため、メンテナンスが殆ど不要で、半
永久的に安定に動作することができる。これにより、動
力源の存在しない山間僻地等においても、灌漑用等の水
を供給することが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の
太陽電池を用いた揚水装置の全体的な構成を示した図で
ある。太陽電池１は、太陽エネルギーを電気エネルギー
に変換し、インバータ２にＤＣ１００〜１７５Ｖ程度の
直流電圧を供給する。インバータ２は、太陽電池１から
受けた直流電力をパルス幅変調により交流電力に変換
し、モータポンプ３に供給する。ここでモータポンプ３
は、センサを有さないＤＣブラシレスモータにより駆動
されるポンプである。又、インバータ２にはセンサを用
いないでモータを運転するための制御や、最大電力点追
跡制御、自動設定機能、電気的な保護機能、ポンプの空
転防止機能等を備えた制御装置を具備している。

【００１９】モータポンプ３は、ポンプとキャンドモー
タとが一体化された水中モータポンプであり、井戸６内
部の水を吐出管４を通して地上に配置された貯水槽５に
揚水する。貯水槽に貯えられた水は、バルブ７を開くこ
とにより配管８を通して所要の地域に供給される。イン
バータ２はモータポンプ３に最大２４０Ｈｚの運転周波
数を供給し、この運転周波数は通常の商用電源の周波数
５０Ｈｚ又は６０Ｈｚに比べてかなり高い。このように
モータポンプの回転速度を速くすることで、モータポン
プの寸法自体を小型化することができる。尚、太陽電池
を利用したシステムとしては、必然的に直流が出力され
る電源装置として本質的にインバータが必要である。こ
のため、交流電力を出力する電源装置として用いたイン
バータは、そのままポンプの運転速度の高速化に利用で
き、ポンプを狭い井戸内に設置する等の目的に好適な小
型化を達成できる。尚、ＤＣブラシレスモータは太陽電
池の出力に合わせて定格電圧８０Ｖ程度で動作するよう
に設計されている。

【００２０】インバータ２内に配置された制御装置１０
には、ホール素子センサ等の個別のセンサを有さないＤ
Ｃブラシレスモータを駆動するプログラムを備えてい
る。即ち、このモータにおいてはモータの三相巻線に供
給する電流を回転軸の回転のタイミングに合わせて切り
替えていくのであるが、この切り替えのタイミング信号
をホール素子等の外部に設けたセンサを利用せずに、モ
ータ巻線自体に生じる逆起電力の状態から回転軸の回転
角度を演算して検出する。即ち、このようなモータ巻線
自体を回転軸の回転角の検出に用いる制御では、モータ
の巻線に供給する電圧と逆起電力の相関関係から回転軸
の回転角度を検出するものである。インバータ２内には
この逆起電力を検出するためのセンサを備えていればよ
い。このような個別のセンサを用いないＤＣブラシレス
モータでは、モータ側に従来のホール素子等のセンサや
その出力を増幅するセンサ回路及びその出力をインバー
タに伝えるためのセンサ配線が一切不要である。このよ
うな配線が不要となることは、ポンプを狭い井戸内に設
置し、ポンプ周りのメンテナンスに多大の労力を必要と
する井戸用水中ポンプには極めて好都合である。

【００２１】上述した回転軸の回転角検出演算のために
は、モータ巻線までの配線の抵抗値等によるパラメータ
が必要である。このような配線抵抗値等の運転パラメー
タは、ポンプの運転中に計測することはできない。従来
のモータの巻線自体を回転軸の位置検出に用いる制御で
は、モータを配線した時点でその配線の長さに合わせて
設定値を入力したり、自動計測する機能を備えておい
て、運転の直前に使用者がボタンを押すとインバータが
自動的に取り込むような設定をしていた。太陽電池を用
いた揚水装置は無人で運転されることが多く、夜には必
ず電源が切れる。又、太陽が雲に隠れ日射が不十分なと
きにも電源が切れる。このように電源が切れるたびに、
人為的にこの運転パラメータの設定を行うことは不可能
である。そこで、本発明の揚水装置においては、インバ
ータの制御装置１０に、ポンプ３を始動する前に毎回こ
の自動パラメータ設定を行うプログラムを備えた。従っ
て、このプログラムはポンプ始動時に自動的に動作し、
無人運転においても何ら問題を生ぜず、又この揚水装置
の使用者もこれらの設定について注意を払う必要がな
く、自動的にポンプの運転状態が最適に設定される。

【００２２】モータポンプ３は、太陽電池からの電力の
供給が十分でない状態で始動すると、始動した途端にポ
ンプが停止し、又停止した途端にポンプが始動するいわ
ゆるインチング運転をする可能性がある。又、モータポ
ンプ３の停止に際しても、供給電力にある程度余裕のあ
るうちに停止しないとトラブルの原因となる。供給電力
が低くなるとポンプの運転周波数が下がり、十分な揚程
が確保できず、ポンプは運転していても貯水槽５に十分
な揚水ができないという状況になることもあり得る。こ
のため、ポンプの始動条件及び停止条件を以下のように
定めている。即ち、インバータ２の入力開放電圧を監視
し、一定値（例えば１１５Ｖ）以上になったときに始動
し、インバータへの入力電圧Ｖが一定値以下（例えば９
０Ｖ）で停止する。又は、周波数が一定値以下で停止す
るようにしても良い。又、停止タイマは０／６０秒の設
定が可能とする。これにより朝太陽が昇り、一定電力以
上の発電が可能になったらポンプを始動し、日が陰り又
は夕暮れにより一定電力以下に停下した時にポンプの運
転を停止する。尚、上記の運転開始電圧及び停止電圧又
停止周波数等は適宜設定可能とすることが好ましい。

【００２３】井戸の水位が十分でなく、ポンプが水没し
ていない状態でポンプを運転すると、ポンプは空運転と
なり焼損するという問題がある。このため、ポンプの焼
損に至る前に警報の出力又はポンプを直接停止させるこ
とが望ましい。井戸内に水位センサを取り付け、このセ
ンサが渇水を検出したときにポンプを停止させる方法が
考えられる。しかしながら、狭い井戸内にポンプ以外の
センサを取り付けることはその作業が大変であり、又保
守上も問題がある。そこで、水位センサを用いることな
くポンプの空運転状態を検出することが望まれる。

【００２４】ポンプは一般に空運転時に、揚水するとい
う仕事をしないため負荷が異常に軽くなる。このため、
ポンプの運転電流を検出し、最低負荷電流（締め切り電
流）をインバータの制御装置に予め記憶設定しておき、
この電流値を下回った場合に空運転と判断することがで
きる。しかしながら、最大電力点追跡等によりポンプの
運転周波数が変化するシステムでは、最低負荷電流を一
義的に決めることが困難であり、単に電流値により渇水
状態を検出することは困難であった。そこで、本発明に
おいては予め設定した運転周波数毎の渇水判断電流設定
値を有する。そして、まず運転周波数を検出し、その運
転周波数より渇水判断電流値を読出し、その電流設定値
と現在の実際電流値と比較して渇水を判断する。このた
め、運転周波数が変化しても適切に渇水を判断でき、ポ
ンプの焼損事故を未然に防止することができる。

【００２５】ＤＣブラシレスモータでは、図２に示すよ
うな出力周波数と出力電流の関係があり、この曲線はほ
ぼ２次曲線となる。このため、この曲線の式を記憶する
か、有限個の周波数とそれに対応する電流を関連させて
記憶させても良い。この場合、周波数値が離散的に記憶
した値の間の周波数である場合は、直線近似等で補正す
ることが望ましい。即ち、図２において空転判断曲線
は、 ｉｈ＝ｇ（ｆ） であり、最低負荷（無負荷状態）時の負荷特性である。
この曲線から、周波数ｆに対応した最低出力電流ｉが求
められる。そして、計測された実際電流値が常に空転判
断電流ｉｈ以下である場合にはポンプを停止し、渇水警
報を出力し、ＬＥＤランプを点灯する。リセット条件と
しては、ボタンにてリセット又は一旦電源が切れた場
合、前記停止条件が成立した後再始動した場合、警報停
止後３０分たった場合等があげられる。

【００２６】このような太陽電池を用いた揚水システム
は、人の保守点検が行き届かない場所に設置されること
が多い。そして、渇水状態は時間の経過と共に改善され
ている可能性があり、自動で復帰するようにしておけば
長期に亘るポンプ停止による揚水不可という不具合を回
避できる。上述した異常検出によりポンプを停止させ、
警報を発令した場合でも、３０分程度の一定時間が経過
するとインバータの制御装置は自動的に警報を解除し、
再びポンプを始動するようになっている。又、一時的に
日が陰りインバータの電源が落ちた場合にも、同様にリ
セットするようになっている。

【００２７】尚、上述した実施の形態においては、太陽
電池を動力源として用いているが、風力発電等を動力源
とするようにしても良い。又、太陽電池の代わりに蓄電
池等の電源に接続するようにしても良い。このように本
発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実施例が可
能である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｄ
Ｃブラシレスモータを用いることで、システム全体の効
率を向上し、太陽エネルギーを有効利用できる。又、ポ
ンプをインバータ駆動により高速化したことで、ポンプ
が小型軽量になり狭い井戸に容易に適合して使い易いシ
ステムとすることができる。又、ＤＣブラシレスモータ
の回転角の検出にホール素子等の外付けのセンサを用い
ないので、モータポンプの周りにこれらのセンサ及び配
線が不要となり、狭い井戸内に設置しやすく、且つメン
テナンスも容易となる。

【００２９】又、ＤＣブラシレスモータのケーブルの配
線抵抗を含めた運転パラメータの設定をポンプ始動時に
自動的に行うようにしたので、モータポンプのパラメー
タによるチューニングを自動的に行うことができ、これ
による設定のための煩わしさがなく、設定のし忘れ等に
よるトラブルがない。又、インバータの制御装置にポン
プ回転速度毎の空転電流設定値を設け、実際電流と比較
することで井戸の渇水等によるポンプの空運転を検出す
ることができ、これによりポンプの焼損を未然に防止で
きる。又、異常の場合にポンプが警報を発令と共に停止
しても、自動復帰するようなプログラムを備えているの
で、ポンプが停止のまま放置されるという問題が防止さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の太陽電池を用いた揚水装置
の説明図である。

【図２】モータポンプの空転判断曲線を示した図であ
り、横軸が出力周波数ｆであり、縦軸が出力電流ｉであ
る。

【符号の説明】

１ 太陽電池 ２ インバータ ３ モータポンプ ４ 吐出管 ５ 貯水槽 ６ 井戸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梶原 研一 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 川井 政人 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 岸 雅彦 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目１番１号 株 式会社荏原電産内 (72)発明者 檜垣 展宏 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目１番１号 株 式会社荏原電産内 Ｆターム(参考） 3H045 AA09 AA12 AA23 CA21 CA29 DA07 DA47 EA34 3H071 AA02 BB03 CC35 DD73 DD84 5F051 KA03 KA05 KA10 5H560 AA10 DA14 DA15 DC12 EB01 JJ05 JJ08 SS02

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 太陽電池の出力電力をインバータにより
   電力変換してモータポンプを駆動し、水を揚水する揚水
   装置において、前記ポンプを駆動するモータに回転軸の
   位置を検出するセンサを有さないＤＣブラシレスモータ
   を用いたことを特徴とする太陽電池を用いた揚水装置。
2. 【請求項２】 前記インバータは前記センサを用いない
   運転のための運転パラメータの自動設定手段と、前記ポ
   ンプの運転前に前記運転パラメータの自動設定を行う手
   段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電
   池を用いた揚水装置。
3. 【請求項３】 前記インバータは運転周波数毎の設定電
   流値により、前記ポンプの空運転を検出する手段を備え
   たことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池を用いた
   揚水装置。
4. 【請求項４】 太陽電池と、該太陽電池の直流出力を交
   流出力に変換するインバータと、該インバータの出力を
   受けてセンサを有さないＤＣブラシレスモータにより駆
   動されるポンプと、該ポンプが揚水した水を一時的に貯
   える貯水槽と、前記ポンプの運転を制御する制御装置と
   を備えたことを特徴とする太陽電池を用いた揚水装置。
5. 【請求項５】 前記インバータ及び制御装置が地上側に
   配置され、前記モータ及びポンプが井戸の内部に配置さ
   れ、前記インバータと前記ポンプとは電力を供給するケ
   ーブル配線のみにより接続されたことを特徴とする請求
   項４に記載の太陽電池を用いた揚水装置。