JP2019167842A - 水力発電装置および発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】水路に落ちた異物から発電装置を保護することが可能な水力発電装置および発電システムを、コストを抑えて提供する。【解決手段】水力発電装置は、水車１と、水車１の回転に制動力を与える制動装置４と、水車１の回転状態を示す状態量を監視し、状態量の変化の大きさがしきい値を超えた場合に制動装置４に制動力を発生させる制御装置１００とを備える。好ましくは、制御装置は、状態量として水車の回転速度または水車の回転トルクを監視する。【選択図】図１

Description

この発明は、水力発電装置および発電システムに関する。

水力発電装置は流水が持つ運動エネルギーを発電に利用するシステムである。水力発電装置は、主な構成として、水の流れを受け回転する水車と、水車と連結され回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機の出力および水車を制御する制御装置とを含む。発電機から取り出す最適な電力は流速により変化するため、制御装置は、流速あるいは水車の回転速度あるいは発電機発電電圧を計測し、発電機から取り出す最適な電力を決定し、発電機の電力量と最適値が一致するように発電機を制御する。

特許第６１６８２６９号

流水が持つ運動エネルギーを発電に利用する小水力発電装置において、水路には様々なものが流れてくる。流木など大きなゴミが流れてきた場合、回転翼に当たって回転翼や機械体が破損する可能性がある。

従来、それらを防ぐ方法として、水力発電装置の上流側にスクリーンなどを置くことがあるが、スクリーンは高価であり、また、スクリーンと水力発電装置の間に大きなゴミが落ちた場合には、防ぐことができない。他の方法として、光電センサ、レーザ等により、異物検出を行なう方法はあるが、別電源が必要であり、機器費用等のコストが嵩むという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためのものであって、その目的は、小水力発電装置の制御回路を組み替えることにより、異物から発電装置を保護することが可能な水力発電装置および発電システムを、コストを抑えて提供することである。

本開示に係る水力発電装置は、水車と、水車の回転に制動力を与える制動力発生手段と、水車の回転状態を示す状態量を監視し、状態量の変化の大きさがしきい値を超えた場合に制動力発生手段に制動力を発生させる制御装置とを備える。

好ましくは、制御装置は、状態量として水車の回転速度を監視する。
好ましくは、制御装置は、状態量として水車の回転トルクを監視する。

好ましくは、制御装置は、状態量として水車の回転速度および回転トルクを監視し、回転速度の変化の大きさが第１のしきい値を超え、かつ回転トルクの変化の大きさが第２のしきい値を超えた場合に、制動力発生手段に制動力を発生させる。

好ましくは、水車は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有する。
好ましくは、水車は、垂直軸型の回転翼を有する。

この開示は、他の局面では、上記のいずれかに記載の水力発電装置を用いて、流水が持つ運動エネルギーを電力に変換する海流発電または潮力発電を行なう発電システムに関する。

本発明によれば、コストを大幅に増加させることなく、異物から発電装置を保護することが可能な水力発電装置が実現できる。

本実施の形態の水力発電装置の概略形状を示す正面図である。 本実施の形態の水力発電装置の概略形状を示す側面図である。 本実施の形態に係る水力発電装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態の変形例に係る水力発電装置の構成を示すブロック図である。 実際の水路で、発電機の電気負荷（発電トルク）を一定とした条件で、発電量の経時変化を記録した波形図である。 トルクメータの配置例を示す図である。 制動装置が無い第１比較例における翼回転速度と時間の関係を示すグラフである。 光電センサを用いて異物を検出しブレーキをかける第２比較例の、異物検出から停止までの翼回転速度と時間の関係を示すグラフである。 本実施の形態の水力発電装置による翼回転速度と時間との関係を示すグラフである。 制御装置が実行する異常判定および制動処理を説明するためのフローチャートである。 本実施の形態の水力発電装置の試験結果例を示す図である。 制動装置が無い比較例における、回転トルクと時間の関係を示すグラフである。 本実施の形態の水力発電装置の回転トルクと時間の関係を示すグラフである。 実施の形態の変形例に係る水力発電装置の概略形状を示す正面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態の水力発電装置の概略形状を示す正面図である。図２は、本実施の形態の水力発電装置の概略形状を示す側面図である。

図１、図２を参照して、水力発電装置は、水車１と、ギアボックス２と、発電機３とを含む。水車１は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有し、水流により回転する。発電機３はギアボックス２を介して、水車と連結されている。水車１が回転すると発電機３の回転軸も回転する。

回転翼の回転速度は、最大発電となるように制御装置１００によって制御される。回転翼を停止するための制動力を発生させる制動装置４としては、機械式ブレーキや流体式ブレーキ、電機式ブレーキなどが適用できる。制御装置１００が回転速度や回転トルクを検出し、制動装置４にブレーキ信号を与える。

図３は、本実施の形態に係る水力発電装置の構成を示すブロック図である。図３に示した水力発電装置では、電気ブレーキによる制御方法で、電気負荷により発電機がブレーキとして働く。

図３を参照して、実施の形態１に係る水力発電装置は、水車１と、発電機３と、回転速度検出器６と、制御装置１００とを含む。

水車１は、流水の力で回転する。水車１には発電機３が連結されている。発電機３は、水車１の回転に伴い発電を行なうとともに、制動装置４としても動作する。発電機３は３相同期発電機であり、その出力は３相交流で出力される。発電機３の３相交流出力は、整流回路９によって直流に変換される。この直流電圧出力には、リレー５を経由して抵抗負荷１１が接続されている。リレー５がオフしていれば、直流出力は後段のＤＣ／ＡＣコンバータ１０にそのまま出力される。一方、リレー５がオンすると、整流出力は抵抗負荷１１経由で正負極ラインが接続され、抵抗負荷１１で電力が消費される。抵抗負荷１１の抵抗値が十分に小さければ、大きな電力が消費され、発電機３における制動力を増加させることとなる。

図４は、実施の形態の変形例に係る水力発電装置の構成を示すブロック図である。図４に示したのは、制動装置４を発電機３とは別に設けたものである。この制動装置４は、例えば、励磁ブレーキであり、図示しないバッテリによって制動力が発生する。

図４のようにＣＰＵ７Ｂから制動装置４（例えば、励磁ブレーキのように電磁石の力でブレーキシューを回転部分に押し付ける機械式ブレーキ）に直接指令を出すことで、より早い制御が可能となる。

本実施の形態の小水力発電装置は、水車１の回転翼や発電機３の回転速度または回転トルクを常時計測している。回転翼に人や大きなゴミが当たった場合、回転速度が急激に低下するか、回転トルクも急激に変化したのを検知し、異常を判定することができる。以下、詳細に説明する。

図５は実際の水路で、発電機の電気負荷（発電トルク）を一定とした条件で、発電量の経時変化を記録した波形図である。図５を見ると、線Ａ〜Ｄで示した４台の発電機において、発電量は比較的変動していることがわかる。一方では、この発電量（Ｗ）は流速（v）と、次の関係式が成立する。

Ｗ＝１／２・ρ・Ａ・ｖ^３ （ただし、ρ：密度、Ａ：断面積）
この式を用いて、例えば線Ｂに示す水車の発電量（MIN−MAX：２５０〜３２０W）から、平均発電量は、２８５Ｗとなり、変動幅として±１２％が得られ、流速の変動幅は±４．２％であることがわかった。また、この傾向は、同一水路の他の場所に入れた水車Ａ，Ｃ，Ｄでも同様であった。即ち、この水路では、平均流速に対して凡そ±４％の変動が常時発生しており、水車の発電トルクを制御する制御装置を使用することで、リアルタイムで最大電力を取り出すことが可能である。

一方、この事実は、異常判定の判定値は単純には決められないということを意味している。異常判断の閾値は、水路毎に異なることから、例えば「回転速度」をパラメータとして、任意の回転速度を下回った場合に“停止させる”という手法では、正しい判定は出来ない。

このような場合、制御装置１００からの情報を利用することによって、的確に異常判定できる。上記例では、流速の変動幅が５％を超えると異常の可能性が推定され、更に乖離する方向に振れれば、異常発生と判定することができる。

尚、回転速度の計測方法としては、発電機電圧の周波数や電圧値、回転軸等に取り付けたエンコーダなどの回転検出装置が適用できる。回転トルクの計測方法としては、発電機３の電流値や図６に示した位置に設けたトルクメータ３Ａが適用できる。回転翼を停止する制動装置４としては、機械式ブレーキや流体式ブレーキ、電機式ブレーキなどが適用できる。

図７は、制動装置が無い第１比較例における翼回転速度と時間の関係を示すグラフである。回転翼に大きなゴミが当たった瞬間（ｔ１）、回転速度は急激に低下する。その後、水流の駆動力によって回転翼は回転し、大きなゴミに何度もぶつかり（ｔ２、ｔ３、ｔ４）、回転翼に大きなダメージを与える。

図８は、光電センサを用いて異物を検出しブレーキをかける第２比較例の、異物検出から停止までの翼回転速度と時間との関係を示すグラフである。回転翼に人や大きなゴミが当たり（ｔ１）、回転速度が閾値となった時（ｔ１’）、ブレーキが作動し回転を停止する（ｔ２’）。しかしながら、この場合停止時間は、任意の時間（ｔ２’−ｔ１）を設定するしか無く、最適とは言えない。

フィードバック制御を行っている訳では無いため、上記例でいえば、流速の変動幅が５％を超えた段階では、停止させる訳にはいかない。これは、実際には異物が無い場合も有り、これまでの異物検出となった実測値の平均値（任意の時間）を採っていた。この内容を図と対比すれば、図８，図９に於いて、時間ｔ１の右側にｔ１’（上記例で言えば、流速の変動幅が５％（第１の閾値）を超えた時刻）が各々に存在し、図８では、ｔ２’−ｔ１’（＝実測値の平均値）が停止時間となる。一方、図９では、閾値（上記例では、５％，図５に示した例では、６％）となった時（時刻ｔ１’）、制御時間を更に細分化することによって、第２の閾値を検出し、時刻ｔ２”に、水車を停止することができる。停止時間はｔ２”−ｔ１’となる。なお、後に説明する図１３についても、図９と同様である。

図９は、本実施の形態の水力発電装置による翼回転速度と時間の関係を示すグラフである。回転翼に人や大きなゴミが当たり（ｔ１）、回転速度が閾値となった時（ｔ１’）、ブレーキが作動し回転を停止する（ｔ２”）。この場合停止時間は、（ｔ２”−ｔ１’）である。以下に説明する判定基準によって、信頼性高く、より検出を早くし、より早く停止することができる。その結果、大きなゴミによる回転翼のダメージも軽減することができる。

例えば、エンコーダにより検出された回転速度から最大電力が得られる発電トルクを発電機に負荷することが制御装置の役割の一つである。制御装置は、流速が変動するため細かな制御（短い時間単位での制御）を行っている。

水車を設置する水路にて、各回転速度で最大発電が得られる発電トルク（＝電気負荷を変えて見つける）を予め測定し、回転速度に対する発電トルクをプロットした線図（これを、パワーカーブと呼ぶ）を作成しておく。

発電機３は、発電を常時行なっているが、用水は流速を持っているため、その発電量は流速によって変動する。この時、制御装置は回転速度と発電トルクで示される制御点を上述のパワーカーブに合わせ込もうと、短い時間単位で制御を行なっている。例えば、流速低下によって回転速度が下がれば発電トルクを下げる制御を行ないながら、制御点がパワーカーブ上に在るか照合し、適切に制御していることを確認する。万一、パワーカーブ上に制御点が到達していなければ、制御装置は更に発電トルクを下げる。これを、制御装置は１秒以下で繰り返し、いわゆるフィードバック制御により、発電状態を把握している。

本実施の形態では、流速が上がれば負荷を上げ、流速が下がれば同様に負荷を下げる制御を行なう中で、その水路が持つ変動幅（予め取得している閾値）を超えて下がった時、ブレーキを作動させる構成を付加することにより達成される。

図５に示した測定例で言えば、平均流速に対し凡そ±４％の変動が発生していることから、−６％となった時に測定時間（＝制御時間）を更に細分化し、−８％（変動幅の２倍）を検出したら、ブレーキを作動させることにより水車１を瞬時に停止することができる。尚、上記の例は一態様であり、これに限定されるものでは無い。

図１０は、制御装置が実行する異常判定および制動処理を説明するためのフローチャートである。図１０を参照して、まずステップＳ１において制御装置１００は、水車の回転速度を取得する。続いて、ステップＳ２において制御装置１００は、水車の回転速度の変化量が閾値よりも小さいか否かを判断する。具体的には、制御装置１００は、水車の回転速度と予め測定していた平均値との差の大きさが閾値よりも小であるか否かを判断する。

回転速度の変化量が閾値よりも小である場合（Ｓ２でＹＥＳ）、ステップＳ３において制御装置１００は予め定められたパワーカーブを参照して、回転速度と発電トルクとを制御する。そして制御装置１００は、ステップＳ４において制御周期Δｔが経過するまでその条件で発電を実行し、再びステップＳ１から処理を実行する。

一方、回転速度の変化量が閾値より小でない場合（Ｓ２でＮＯ）、異物等が水車に衝突した可能性があると判断し、制御装置１００は、ステップＳ５において制動装置４を作動させ、水車の回転を停止し、ステップＳ６において発電を停止する。

このように制御を行なうことによって、羽根に人や大きなゴミが当たった瞬間に回転速度は急激に低下する時を検出し直ちに停止させる処理を実行させるため、危険を回避し安全を確保できる。

なお、図１０においては、ステップＳ２において回転速度の変化量がしきい値よりも小さいか否かを判断したが、回転速度の変化量に代えて回転トルクの変化量または発電量の変化量がそれに対応するしきい値よりも小さいか否かを判断しても良い。また回転速度の変化量と回転トルクの変化量または発電量の変化量とを組み合わせて判定に用いても良い。

図１１は、本実施の形態の水力発電装置の試験結果例を示す図である。図１１では、発電装置（発電機容量１．５ｋＷ）を用いて、流速１．２ｍ／ｓの水路でのトルク挙動を評価した。−０．５（ｓ）〜０（ｓ）における発電時は、水流からの翼駆動力と発電トルクが釣り合った状態である（この時のトルクを正とする）。発電機が回転している状態から、０（ｓ）において翼を停止させると、発電機の慣性力（回転とは反対方向の力）が働く。その後、慣性力がなくなると回転軸の弾性力によってトルクは０となる。

図１２は、制動装置が無い比較例における、回転トルクと時間の関係を示すグラフである。図１２において、回転翼に人や大きなゴミが当たった瞬間（ｔ１）、回転トルクは急激に低下する。その後、水流の駆動力によって回転翼は回転し、人や大きなゴミに何度もぶつかり（ｔ２、ｔ３、ｔ４）、人や回転翼に大きなダメージを与える。

図１３は、本実施の形態の水力発電装置の回転トルクと時間の関係を示すグラフである。図１３において、回転翼に人や大きなゴミが当たり（ｔ１）、回転トルクが閾値となった時（ｔ１’）、ブレーキが作動し回転を停止する（ｔ２’）。

最後に、今一度、図５について説明する。図５に示すのは水力発電装置の実証試験を行った際の翼回転速度と時間の関係である。水路の流速は一定でなく、常に脈動していることが分かった。また、流速の変動量は水路毎に異なることも判っている。

そこで、以下の条件や閾値でブレーキを作動させる。閾値は、流速や翼径、水路によって変える。

即ち、水力発電装置を設置する水路毎に予め流速変動を測定しておけば、閾値は設定可能となる。閾値は、以下の（１）、（２）の場合について設定する。
（１）平均回転速度に対して、ある一定割合以上回転速度が変化した場合
（２）平均回転トルクに対して、ある一定割合以上回転トルクが変化した場合
閾値については、水車が設置される水路毎に事前に調査を行い設定する。尚、ブレーキを開放する方法としては、人が安全を確認してから手動で行なう場合と、ある一定時間経過したとき自動で行なう場合が挙げられる。

以上、説明した水車停止方法は、小水力発電装置に装備される制御装置を組み替えることで可能であり、コストを抑えて目的を達成すると共に、追加の付帯設備も不要である。本実施の形態の水力発電装置では、通常時には適切な発電を実行しつつ、回転翼に人や流木などの大きなゴミが当たったことを検出し、回転翼を停止することができるので、水車の破損を軽減することができる。

［変形例］
以上説明した実施の形態では、図１および図２に示した水平軸型のプロペラ式回転翼を有する水車によって流水を受けて発電を行なう発電装置を例に挙げて説明した。実施の形態の変形例では、垂直軸型の回転翼を有する水車によって流水を受けて発電を行なう発電装置にも適用が可能であることを説明する。

図１４は、実施の形態の変形例に係る水力発電装置の概略形状を示す正面図である。図１４を参照して、実施の形態４に係る水力発電装置は、水車１Ａと、発電機３とを含む。水車１Ａは、垂直軸型の回転翼を有し、水流により回転する。発電機３は水車１Ａの回転軸と連結されている。水車１Ａが回転すると発電機３の回転軸も回転する。

図３、図４、図１０に示した制御装置およびフローチャートについては、図１４に示した水車１Ａについても同様に組み合わせて用いることができる。図３、図４、図１０に示した制御装置およびフローチャートについては、すでに説明したので、ここでは説明を繰り返さない。

垂直軸型の水車１Ａは、図１４に示すように、直線翼式であり翼の上下の先端を回転軸に向けて曲げた構成を例示したが、とくにこれに限定されるものではない。たとえば、ダリウス式、ジャイロミル式、サボニウス式、クロスフロー式、パドル式、Ｓ型ロータ式等の他の形式であっても良い。

実施の形態の変形例に係る水力発電装置でも、発電機３や制動装置によって水車１Ａの回転を停止させることができる。

好ましくは、流水が持つ運動エネルギーを電力に変換する海流発電または潮力発電または波力発電を行なう発電システムに、本実施の形態の水力発電装置を用いることによって、異物とぶつかった時の衝撃を軽減させ水力発電装置の損傷を軽減させることが可能となる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ 水車、２ ギアボックス、３ 発電機、４ 制動装置、５ リレー、６ 回転速度検出器、９ 整流回路、１０ コンバータ、１１ 抵抗負荷、１００ 制御装置。

Claims (7)

1. 水車と、
   前記水車の回転に制動力を与える制動力発生手段と、
   前記水車の回転状態を示す状態量を監視し、前記状態量の変化の大きさがしきい値を超えた場合に前記制動力発生手段に前記制動力を発生させる制御装置とを備える、水力発電装置。
2. 前記制御装置は、前記状態量として前記水車の回転速度を監視する、請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記制御装置は、前記状態量として前記水車の回転トルクを監視する、請求項１に記載の水力発電装置。
4. 前記制御装置は、前記状態量として前記水車の回転速度および回転トルクを監視し、前記回転速度の変化の大きさが第１のしきい値を超え、かつ前記回転トルクの変化の大きさが第２のしきい値を超えた場合に、前記制動力発生手段に前記制動力を発生させる、請求項１に記載の水力発電装置。
5. 前記水車は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水力発電装置。
6. 前記水車は、垂直軸型の回転翼を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水力発電装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の水力発電装置を用いて、流水が持つ運動エネルギーを電力に変換する海流発電または潮力発電を行なう発電システム。

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