JP2002115643A - 小水力発電設備 - Google Patents

小水力発電設備

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JP2002115643A
JP2002115643A JP2000307404A JP2000307404A JP2002115643A JP 2002115643 A JP2002115643 A JP 2002115643A JP 2000307404 A JP2000307404 A JP 2000307404A JP 2000307404 A JP2000307404 A JP 2000307404A JP 2002115643 A JP2002115643 A JP 2002115643A
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JP
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water
turbine
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Shuji Sato
修二 佐藤
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Kubota Corp
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Kubota Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/16Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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  • Control Of Water Turbines (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガバナレスとして設備構造の簡素化及びコス
トの低減を図りながら、低負荷時ないし無負荷時の無拘
束回転による機械的損傷や焼損を防止すると共に、負荷
変動に拘らず常に一定周波数の出力電力が得られるよう
にする。 【解決手段】 水車3の定格水量を最大効率点水量より
も小水量側にずらせて水車3及び発電機4の無拘束回転
速度を、それらの機械的強度の安全範囲以下に抑制可能
に構成しているとともに、負荷変動に伴い変動する発電
機4の発生周波数を50Hzまたは60Hzの一定周波
数に自動調整して出力する自動周波数調整装置7を設け
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、比較的電力消費の
少ない電気機器の電源として利用される小水力発電設備
に関し、詳しくは、上水槽に接続された水圧管の出口側
に配置されて該水圧管を重力降下する水勢力により回転
される水車と、この水車に直結されて回転駆動され負荷
に電力を供給する発電機とを備えてなる小水力発電設備
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】この種の小水力発電設備を一般電源とし
て利用するためには、電気機器負荷が変動しても、発電
機の出力周波数を一定に維持できることが肝要であり、
そのために、従来では、流量制御型のガバナや、マイク
ロ水車を用いた微小水力発電設備に採用されているヒー
タとスイッチング素子から構成されるロードガバナなど
のように、負荷変動に対応して水車及び発電機自体の回
転速度を自動制御する調速用ガバナを設置していた。
【0003】すなわち、調速用ガバナを設置しない場合
は、負荷の減少に伴い水車及び発電機の回転速度が無拘
束状態となって、無負荷時の無拘束回転速度が定常負荷
時の定格回転速度の200%を超える可能性がある。も
し、このような無拘束な高速回転が長時間に亘って続行
されると、水車及び発電機はもとよりカップリングや軸
受などの付属品にも過剰な応力負荷が働いて、それら機
械部品が短期間の使用で機械的損傷あるいは焼損されて
しまうことがあり、それを防ぐために、従来では、低負
荷時ないし無負荷時における水車及び発電機の回転速度
を制御する調速用ガバナを設置する手段が採用されてい
た。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の小電力
発電設備に設置されている調速用ガバナのうち、最も多
用されている流量制御型のガバナは、構造が複雑で、か
つ、高価であり、設備全体としてのコストが非常に高く
なり、小規模な小電力発電設備としては経済的に好まし
くない。また、マイクロ水車を用いた微小水力発電設備
に採用されているロードガバナは、流量制御型に比べて
構造が簡易かつ安価であるものの、ヒータ部が水に含ま
れる砂に埋まったり、水草などの夾雑物の詰まり等に起
因してヒータ部が焼損したりするトラブルを発生する可
能性が高いことから、手数のかかる煩わしい維持管理を
頻繁に行なう必要があるという問題があった。
【0005】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、調速用ガバナを用いないガバナレスとして、設備構
造の簡素化及びコストの低減を図りながら、低負荷時な
いし無負荷時の無拘束回転による機械的損傷や焼損を防
止すると共に、負荷変動に拘らず常に一定周波数の電力
を安定よく出力することができる小電力発電設備を提供
することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る小電力発電設備は、上水槽に接続され
た水圧管の出口側に配置されて該水圧管を重力降下する
水勢力により回転される水車と、この水車に直結されて
回転駆動され負荷に電力を供給する発電機とを備えてな
る小水力発電設備において、上記水車の定格水量を最大
効率点水量よりも小水量側にずらせることにより、該水
車及び発電機が、それらの機械的強度の安全範囲以下で
無拘束回転可能に設定されているとともに、負荷変動に
伴い変動する発電機の発生周波数を50Hzまたは60
Hzの一定周波数に自動調整して出力する自動周波数調
整装置が設けられていることを特徴とするものである。
【0007】上記構成の本発明によれば、水車の定格水
量を最大効率点水量よりも小水量側にずらせることによ
って、ガバナレスにして設備構造の簡素化及び煩わしい
維持管理を不要としながらも、無負荷時における無拘束
回転速度を水車及び発電機並びにカップリングや軸受な
どの付属品がそれの機械的設計強度に耐え得る安全な速
度範囲に抑えることが可能である。そのうえ、ガハナレ
スの無拘束回転可能としたことに起因して負荷変動に伴
い水車の回転速度が変動し、発電機の発生周波数も変動
し、一般電源として利用することができなくなるが、こ
こで、自動周波数調整装置を設けて発電機の発生周波数
を50Hzまたは60Hzの一定周波数に自動調整する
ことにより、負荷変動にかかわらず常に一定の周波数の
電力を出力させ一般電源として安定よく利用することが
可能である。
【0008】上記構成の本発明に係る小電力発電設備に
おいては、水車の定格水量を、該水車及び発電機の無拘
束回転速度が定格回転速度の130〜150%以下に抑
えられるように最大効率点水量よりも小水量側にずらせ
て設定することが望ましい。つまり、無負荷時における
無拘束回転速度を定格回転速度の130〜150%以下
に抑えることによって、水車及び発電機並びにそれらの
付属品の設計にあたって、それらが150%を超える無
拘束回転速度にも耐え得るように特殊に設計された特注
品を使用する必要がなくなり、安全率を見込んで設計さ
れている標準品をそのまま使用しても無拘束回転に十分
に耐応させることが可能となり、設備全体としてのコス
ト低減を図ることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図1は本発明の一実施例による小
水力発電設備の概要を示す構成図である。同図におい
て、1は上水槽2に接続された水圧管であり、この水圧
管1の出口側には該水圧管1を重力降下する水Wの勢力
によって回転駆動される水車3が設置されている。この
水車3には、カゴ型誘導発電機あるいは同期発電機など
の発電機4が直結されており、水車3により回転駆動さ
れることにより電力を発生してその電力を電気機器負荷
(図示省略)に供給するように構成されている。5は水
車3を経た放流水を下水槽6に送出する吸出管である。
【0010】上記のような基本構成を有する小水力発電
設備において、本発明では調速用ガバナを用いないガバ
ナレスとするとともに、上記水車3の定格水量を次のよ
うに設定している。すなわち、図2は水車3の水量Qと
有効落差Hの相関曲線A及び効率曲線Bを示す性能特性
図であり、通常(従来)は水車3の定格水量Qnを最大
効率点aまたはその近くの水量Qdに設定するのが一般
的であったが、本発明では、水車3の定格水量Qnを最
大効率点水量Qdよりも小水量側にずらせて設定するこ
とにより、図3に示すように、水車3及び発電機4を、
それらの無拘束回転速度Nmが定格回転速度Ndの13
0〜150%以下で、水車3及び発電機4の安全率を見
込んで設定されている機械的強度の安全範囲以下に抑え
られるように構成している。因みに、Qn/Qd<10
0%以下、例えば90%に設定すると、Nm/Ndは1
35%程度に止まるのに対して、Qn/Qd=100%
に設定すると、Nm/Ndは155%になり、無拘束回
転速度が水車3及び発電機4の機械的強度に耐える安全
範囲を超えてしまう。
【0011】上記のように構成することによって、有効
落差が一定の時の負荷(KW)と水車3及び発電機4の
回転速度Nの関係曲線は図4に示すとおりであり、負荷
が0KWになった無負荷時の水車3及び発電機4の無拘
束回転速度Nmは、定格回転速度Ndの130〜150
%で、負荷の増加変動に伴って曲線上を移動し、無負荷
時及び低負荷時において無拘束状態で回転する水車3及
び発電機4の最高回転速度をそれらの機械的強度に耐応
し得る速度範囲内に抑制して機械的な損傷や焼損の発生
を防止することが可能である。
【0012】また、上記のような基本構成を有する小水
力発電設備において、本発明では上記発電機4の出力側
に自動周波数調整装置7が設けられている。この自動周
波数調整装置7は、図5に示すように、周波数調整回路
7Aと、この周波数調整回路7Aへの入力周波数及び出
力周波数をそれぞれ検出する周波数検出器7B,7C
と、これら周波数検出器7B,7Cによる検出周波数の
差を比較演算する演算回路7Dと、その演算回路7Dで
演算された周波数の差がゼロになるように周波数調整回
路7Aを自動調整する駆動回路7Eとを備えてなり、負
荷変動に伴い無拘束状態となる水車3の回転速度の変動
に伴って変動する発電機4の発生周波数を50Hzまた
は60Hzの一定周波数に自動調整して出力するように
構成されている。
【0013】なお、負荷変動に伴って発電機3の出力電
圧も変動するが、これについては、自動電圧調整器(A
VR)により一定電圧に調整して出力されるように構成
されているのが普通であり、そのAVRは周知であるた
め、詳細な説明の記載を省略する。
【0014】上記のようにガハナレスで無拘束回転可能
に構成したことに起因して負荷変動に伴い水車3の回転
速度が変動することから、発電機4の発生周波数も変動
するが、その変動する周波数を上述した自動周波数調整
装置7に入力して50Hzまたは60Hzの一定周波数
に自動調整することにより、負荷変動にかかわらず常に
一定周波数及び一定電圧の交流電力を出力させることが
可能となり、これによって、ガバナレスの小水力発電設
備を一般電源として安定よく利用することが可能であ
る。
【0015】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、負荷変
動時に調速用ガバナにより水車及び発電機の回転速度を
制御するという従来技術を根本的に変更し、ガハナレス
にして水車及び発電機を自由に無拘束回転させつつ、負
荷変動に対しては発電機の発生周波数を自動調整して常
に50Hzまたは60Hzの一定周波数の電力を出力さ
せるといった技術を採用した点に特徴があり、調速用ガ
バナの設置省略によって、設備構造の簡素化、コストの
低減及び煩わしい維持管理を不要としながら、低負荷時
ないし無負荷時の無拘束回転による機械的損傷や焼損を
防止して耐久性を確保することができると共に、負荷変
動に拘らず常に一定周波数の電力を安定よく出力するこ
とができ、ガバナレスでありながらも一般電源として利
用可能な電力を常に安定よく出力させることができると
いう効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による小水力発電設備の概要
を示す構成図である。
【図2】同上設備における水車の性能特性図である。
【図3】同上設備における定格水量/最大効率点水量の
変化と無拘束回転速度の関係を説明する図である。
【図4】同上設備における有効落差一定時の負荷と水車
及び発電機の回転速度の関係曲線を説明する図である。
【図5】同上設備における自動周波数調整装置の構成を
示すブロック図である。
【符号の説明】
1 水圧管 2 上水槽 3 水車 4 発電機 7 自動周波数調整装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3H073 AA12 BB04 BB24 BB32 BB50 CC02 CC12 CC26 CD03 CD18 CD20 CE07 CE26 FF02 3H074 AA12 BB19 CC28 CC31 CC50 5H590 AA03 AA04 AB15 BB09 CA11 CC01 CD10 CE02 CE04 DD64 EA11 EA13 EB07 HA09 HA14

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 上水槽に接続された水圧管の出口側に配
    置されて該水圧管を重力降下する水勢力により回転され
    る水車と、この水車に直結されて回転駆動され負荷に電
    力を供給する発電機とを備えてなる小水力発電設備にお
    いて、 上記水車の定格水量を最大効率点水量よりも小水量側に
    ずらせることにより、該水車及び発電機が、それらの機
    械的強度の安全範囲以下で無拘束回転可能に設定されて
    いるとともに、 負荷変動に伴い変動する発電機の発生周波数を50Hz
    または60Hzの一定周波数に自動調整して出力する自
    動周波数調整装置が設けられていることを特徴とする小
    水力発電設備。
  2. 【請求項2】 上記水車の定格水量は、該水車及び発電
    機の無拘束回転速度が定格回転速度の130〜150%
    以下に抑えられるように最大効率点水量よりも小水量側
    にずらせて設定されている請求項1に記載の小水力発電
    設備。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006258095A (ja) * 2005-02-17 2006-09-28 Kubota Corp 水車および水車発電装置ならびに水車発電装置の運転方法
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CN115788761A (zh) * 2022-12-26 2023-03-14 四川水利职业技术学院 一种基于水电站的电动调速器

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