JP4794356B2

JP4794356B2 - 水力発電システム

Info

Publication number: JP4794356B2
Application number: JP2006150595A
Authority: JP
Inventors: 田中　　誠; 滋南原; 真史村田
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: JP2007321602A

Description

本発明は、貯水池の水を利用して発電する水力発電システム及びその制御方法に関する。

ハイドレートを分解することにより発生する高圧ガスや高圧水を利用してタービンを回転させ、発電する発電システムが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、ハイドレートから発生したガスや水の使用によりそれらの量が変動するため圧力が変動し、安定的な発電を行うことが困難である。そのため、ハイドレートを利用して安定的な発電を行うことができる発電システムの開発が求められている。
特開２００５−２８２４３８号公報

本発明は、ガスハイドレートを利用して安定的な発電を行うことができる水力発電システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る水力発電システムは、貯水部と、前記貯水部からの水の供給により発電する水力発電機とを備える水力発電システムであって、前記貯水部より低所に設置され、水に難溶性のガスのハイドレートを分解させることにより発生するガスの圧力上昇により、前記貯水部に水を供給する密閉耐圧容器をさらに備えることを特徴とする。

本発明に係る水力発電システムは、前記ハイドレートを分解する分解装置と、前記分解装置において前記ハイドレートを分解させることにより発生したガスを前記密閉耐圧容器に導入する導入手段と、をさらに備えることとしてもよい。

また、本発明に係る水力発電システムは、前記貯水部より低所に設置された下部貯水部と、前記下部貯水部の水を前記密閉耐圧容器に供給する供給手段と、をさらに備えることとしてもよい。

さらに、本発明に係る水力発電システムは、前記耐圧容器内のガスを外部に供給する供給手段をさらに備えることとしてもよい。

本発明に係る水力発電システムの制御方法は、貯水部と、前記貯水部からの水の供給により発電する水力発電機と、前記貯水部より低所に設置され、水に難溶性のガスのハイドレートを分解させることにより発生するガスの圧力上昇により前記貯水部に水を供給する密閉耐圧容器と、を備える水力発電システムにおいて、前記貯水部の水量が所定値に満たない場合に、前記ハイドレートを分解させて前記密閉耐圧容器内の水を前記貯水部に供給するように制御する工程を含む。

本発明に係る水力発電システムの制御方法は、前記貯水部より低所に設置された下部貯水部をさらに備え、前記下部貯水部の水を前記密閉耐圧容器に供給するように制御する工程をさらに含むこととしてもよい。

また、本発明に係る水力発電システムの制御方法は、前記貯水部内の水量を測定する貯水部水量測定器を備え、前記貯水部水量測定器によって測定された前記貯水部の水量が所定値に満たない場合に、前記ハイドレートを分解させて前記密閉耐圧容器内の水を前記貯水部に供給するように制御する工程をさらに含むこととしてもよい。

さらに、本発明に係る水力発電システムの制御方法は、前記密閉耐圧容器は、前記ハイドレートを分解させることにより発生するガスを排出するガス排出弁を備え、前記貯水部水量測定器によって測定された前記貯水部内の水量が所定値以上に達した場合に前記ガス排出弁を開放して前記貯水部への水の供給を停止するように制御する工程をさらに含むこととしてもよい。

また、本発明に係る水力発電システムの制御方法は、前記ハイドレートを分解する分解装置をさらに備え、前記分解装置において前記ハイドレートを分解させることにより発生するガスを前記密閉耐圧容器内に導入するように制御する工程をさらに含むこととしてもよい。

さらに、本発明に係る水力発電システムの制御方法は、前記密閉耐圧容器内の水量を測定する密閉耐圧容器水量測定器をさらに備えて、前記密閉耐圧容器水量測定器によって測定された前記密閉耐圧容器内の水量が所定値以下になった場合に、前記ハイドレートの分解を停止するように制御する工程をさらに含むこととしてもよいし、前記密閉耐圧容器水量測定器によって測定された前記密閉耐圧容器の水量が所定値以下になった場合に、前記密閉耐圧容器は前記貯水部への水の供給を停止するように制御する工程をさらに含むこととしてもよい。

また、本発明に係る水力発電システムの制御方法は、前記水に難溶性のガスのハイドレートは、可燃性ガスのハイドレートであり、前記密閉耐圧容器内の前記可燃性ガスを外部に供給するように制御する工程をさらに含むこととしてもよい。

本発明によれば、ハイドレートを利用して安定的な発電を行うことができる水力発電システム及びその制御方法を提供することができる。

以下、好ましい実施の形態につき、添付図面を用いて詳細に説明する。

＝＝本発明に係る水力発電システムの全体構成＝＝
図１は、本発明の一実施形態として説明する水力発電システムの概略構成を示す図である。図１に示すように、本発明に係る水力発電システム１００は、上部貯水部１０、水力発電機２０、下部貯水部３０、分解装置４０、貯水タンク５０、ＮＧＨ投入装置６０などを備える。

上部貯水部１０は、例えば、貯水池、ダムなどである。
水力発電機２０は、上部貯水部１０からの水の供給により発電する装置である。水力発電機２０は、例えば、水力タービン、水車を利用した発電機などである。なお、本実施の形態においては、上部貯水部１０は水力発電機２０より高所に設置されている。

貯水タンク５０は、上部貯水部１０より低所に設置されており、上部貯水部１０に水を供給する密閉耐圧容器である。貯水タンク５０は、天然ガスハイドレート（ＮＧＨ）を分解させることにより発生する天然ガスによりタンク５０内の圧力を上昇させ、バルブ５２の開放によりタンク５０内の水を配管５１を介して上部貯水部１０に供給する。なお、貯水タンク５０内の水を上部貯水部１０に供給した後、不要となった天然ガスは、バルブ４４，４５を開放することにより配管４１を介して外部（例えば、天然ガスを燃料として駆動する装置や発電機、天然ガスを燃料として貯蔵するタンクなど）に供給（排出）されて利用される。

分解装置４０は、ＮＧＨを分解させることにより天然ガスと水を生成させ、バルブ４３，４４を開放して天然ガスを配管４１を介して貯水タンク５０に供給し、バルブ４６を開放して水を配管４２を介して貯水タンク５０に供給する装置である。分解装置４０は、例えば、ＮＧＨを温めることにより分解させるヒーター等の加熱装置であってもよいし、ＮＧＨを水に浸して分解させる装置であってもよい。なお、本実施の形態においては、分解装置４０は、ＮＧＨを分解させることにより生成する天然ガスや水により上昇する圧力に耐えられるように耐圧容器から構成されている。

ＮＧＨ投入装置６０は、分解装置４０に対してＮＧＨを投入する装置である。このＮＧＨ投入装置６０を水力発電システム１００に設けることにより、投入するＮＧＨの量を制御することができるようになる。

下部貯水部３０は、水力発電機２０が発電する際に利用した水を貯水し、バルブ３２の開放により配管３１を介して貯水タンク５０に水を供給するものである。下部貯水部３０は、例えば、貯水池、水槽などである。なお、本実施の形態においては、下部貯水部３０は、貯水タンク５０より高所に設置されている。

以上のように、上部貯水部１０からの水の供給により発電する水力発電機２０を備える水力発電システム１００に貯水タンク５０を備えることにより、ＮＧＨを利用して水を上部貯水部１０に供給したい時（例えば、電力需要の少ない時間帯など）に供給することができ、発電したい時（例えば、電力需要の高い時間帯など）に供給した水を利用して安定した発電を行い、必要な量の電気を得ることができるようになる。

また、本発明に係る水力発電システム１００においては、ＮＧＨの分解、ＮＧＨにより発生した天然ガスの貯水タンク５０への導入、貯水タンク５０から上部貯水部１０への水の供給などを少ない動力で行うことができ、さらには、水力発電システム１００において利用した天然ガスを燃料として別途使用することができるので、ＮＧＨの有効利用や効率的な発電が可能となる。

なお、本実施の形態においては、貯水タンク５０は、水力発電機２０が発電する際に利用した水を下部貯水部３０から供給して上部貯水部１０に供給しているが、水力発電機２０が発電する際に利用した水を水力発電機２０から直接受け入れて上部貯水部１０に供給してもよいし、ＮＧＨを分解させることにより得られる水を上部貯水部１０に供給してもよいし、河川や湖などから供給して上部貯水部１０に供給してもよい。

また、本実施の形態においては、分解装置４０によりＮＧＨを分解させることにより得られるガス及び水を貯水タンク５０に供給して貯水タンク５０の水を上部貯水部１０に供給しているが、貯水タンク５０にＮＧＨを投入して貯水タンク５０に貯水された水で分解し、貯水タンク５０の水を上部貯水部１０に供給してもよい。これにより、システム全体の縮小化を図ることができるようになる。

さらに、図２に示すように、本発明に係る水力発電システム１００に、上部貯水部１０内の水位（水量）を測定するレベル発信器１１と、貯水タンク５０内の圧力を測定する圧力発信器（差圧発信器）５４と、各バルブ４３〜４５，５２の開閉を制御線２を介して制御する制御装置７０と、をさらに備えて、通信線１により制御装置７０をレベル発信器１１、圧力発信器５４、及びＮＧＨ投入装置６０と通信可能に接続して、制御装置７０は、レベル発信器１１から受信した上部貯水部１０内の水位（水量）のデータ、及び圧力発信器５４から受信した貯水タンク５０内の圧力のデータに基づいて、ＮＧＨ投入装置６０に分解装置４０にＮＧＨを投入する旨を通知したり、各バルブ４３〜４６，５２の開閉を制御したりすることとしてもよい。

具体的には、制御装置７０は、上部貯水部１０内の水位（水量）が所定値に満たない場合に、ＮＧＨ投入装置６０に分解装置４０にＮＧＨを投入する旨を通知するとともにバルブ４３，４４を開放するように制御して、分解装置４０においてＮＧＨを分解させることにより発生する天然ガスを貯水タンク５０に供給するようにしてもよい。また、制御装置７０は、分解装置４０からの天然ガスの供給により貯水タンク５０内の圧力が所定値以上に達した場合に、バルブ５２を開放するように制御して貯水タンク５０内の水を上部貯水部１０に供給してもよい。さらに、制御装置７０は、上部貯水部１０内の水位（水量）が所定値以上に達した場合に、バルブ４４，４５を開放するように制御して貯水タンク５０内のガスを排出して貯水タンク５０内の圧力を低下させ、貯水タンク５０から上部貯水部１０への水の供給を停止するようにしてもよいし、バルブ５２を閉鎖して貯水タンク５０から上部貯水部１０への水の供給を停止するようにしてもよい。これらの制御により、上部貯水部１０への水の供給を自動で制御することが可能となる。

また、図２に示すように、本発明に係る水力発電システム１００に、貯水タンク５０内の水位（水量）を測定するレベル発信器５３と、バルブ３２，４６の開閉を制御線２を介して制御する制御装置７０と、をさらに備えて、通信線１により制御装置７０をレベル発信器５３と通信可能に接続し、制御装置７０はレベル発信器５３から、レベル発信器５３が測定した貯水タンク５０内の水位（水量）のデータを受信できるようにし、制御装置７０は、貯水タンク５０内の水位（水量）が所定値以下になった場合に、バルブ３２，４６を開放するように制御して下部貯水部３０及び分解装置４０から貯水タンク５０に水が供給されるようにしてもよい。これにより、貯水タンク５０内の水位（水量）が所定値以下になった場合に自動で水を貯水タンク５０に補給されるようにすることができる。

また、図２に示すように、本発明に係る水力発電システム１００に、貯水タンク５０内の圧力を測定する圧力発信器（差圧発信器）５４と、バルブ４４，４５の開閉を制御線２を介して制御する制御装置７０と、をさらに備えて、通信線１により制御装置７０を圧力発信器５４と通信可能に接続し、制御装置７０は圧力発信器５４から、圧力発信器５４が測定した貯水タンク５０内の圧力のデータを受信できるようにし、制御装置７０は貯水タンク５０内の圧力上昇に応じてバルブ４４，４５を開放してガスを外部に排出し、貯水タンク５０内の圧力を減少するようにしてもよい。これにより、貯水タンク５０内の圧力上昇に応じて圧力を自動で減少させることができるようになる。

なお、本実施の形態においては、ＮＧＨを用いることとしているが、ＮＧＨの代わりに、メタンハイドレート、エタンハイドレート、プロパンハイドレート等の可燃性ガスのハイドレート、窒素ガスハイドレートなどの水に難溶性、好ましくは不溶性のガスハイドレート、又はこれらの混合物を用いることとしてもよい。また、下部貯水部３０や河川等から水を上部貯水部１０に供給することができるポンプを別途設けることとしてもよい。

上述の制御装置７０は、例えば、ＣＰＵやメモリなどを備えるコンピュータ等の装置である。また、上述のバルブ３２，４３〜４６，５２は、例えば、電磁弁などである。

＝＝本発明に係る水力発電システムの制御＝＝
次に、水力発電機２０が上部貯水部１０からの水の供給により発電した場合の水力発電システム１００の制御について説明する。図３に、本発明の一実施形態として、水力発電システム１００の制御を説明するための状態図を示し、図４に、本発明の一実施形態として、水力発電システム１００の制御装置７０が制御する処理のフローチャートを示す。

まず、図３Ａに示すように、レベル発信器１１から受信した、レベル発信器１１が測定した上部貯水部１０内の水位（水量）のデータに基づいて、制御装置７０が上部貯水部１０内の水位（水量）が所定値に満たないと判断した場合には、制御装置７０はＮＧＨ投入装置６０に対して分解装置４０にＮＧＨを投入する旨を通知する（図４中、Ｓ４０１）。これにより、ＮＧＨ投入装置６０は分解装置４０にＮＧＨを投入することとなる。

次に、図３Ｂに示すように、制御装置７０は、バルブ４３，４４を開放するように制御し（図４中、Ｓ４０２）、分解装置４０においてＮＧＨを分解することにより発生する天然ガスを貯水タンク５０に供給して貯水タンク５０内の圧力を所定値以上に上昇させる。圧力発信器５４から受信した、圧力発信器５４が測定した貯水タンク５０内の圧力のデータに基づいて、制御装置７０が貯水タンク５０内の圧力が所定値以上に達したと判断した場合には、制御装置７０はバルブ５２を開放するように制御し（図４中、Ｓ４０３）、貯水タンク５０内の水を上部貯水部１０に供給する。

貯水タンク５０内の水を上部貯水部１０に供給中に、図３Ｃに示すように、レベル発信器１１から受信した、レベル発信器１１が測定した上部貯水部１０内の水位（水量）のデータに基づいて、制御装置７０が上部貯水部１０内の水位（水量）が所定値以上に達したと判断した場合、あるいは、レベル発信器５３から受信した、レベル発信器５３が測定した貯水タンク５０内の水位（水量）のデータに基づいて、制御装置７０が貯水タンク５０内の水位（水量）が所定値以下になったと判断した場合には、制御装置７０は、バルブ５２を閉鎖するように制御して（図４中、Ｓ４０４）、貯水タンク５０から上部貯水部１０への水の供給を中止するとともに貯水タンク５０内の天然ガスが上部貯水部１０に供給されるのを防止し、ＮＧＨ投入装置６０に対して分解装置４０にＮＧＨの投入を中止する旨を通知して（図４中Ｓ４０５）、ＮＧＨの分解を中止し、バルブ４３を閉鎖するとともにバルブ４５を開放するように制御して（Ｓ４０６）、天然ガスを外部に供給（排出）することにより貯水タンク５０内の圧力を減少させる。

次に、図３Ｄに示すように、制御装置７０は、バルブ３２，４６を開放するように制御して（図４中、Ｓ４０７）、下部貯水部３０及び分解装置４０から水が貯水タンク５０に供給されるようにするとともに、貯水タンク５０内の天然ガスを外部に供給（排出）する。

その後、制御装置７０は、レベル発信器５３から受信した、レベル発信器５３が測定した貯水タンク５０内の水位（水量）のデータに基づいて、貯水タンク５０内の水位（水量）が所定値以上になったと判断した場合には、制御装置７０はバルブ３２，４４〜４６を閉鎖するように制御して（図４中、Ｓ４０８）、処理を終了する。

以上のように、水力発電機２０の発電のために上部貯水部１０から水を供給することにより、上部貯水部１０の水位（水量）が所定値に満たさなくなった場合に、制御装置７０に（Ｓ４０１）〜（Ｓ４０８）の処理を行わせることにより、貯水タンク５０から上部貯水部１０への水の供給、分解装置４０及び下部貯水部３０から貯水タンク５０への水の供給、ＮＧＨ投入装置６０から分解装置４０へのＮＧＨへの投入、貯水タンク５０から外部への天然ガスの供給（排出）などを自動で制御することが可能となる。

本発明の一実施形態として説明する水力発電システムの概略構成を示す図である。本発明において、他の一実施形態として説明する水力発電システムの概略構成を示す図である。本発明の一実施形態において、水力発電システムの制御を説明するための状態図である。本発明の一実施形態において、水力発電システムが制御する処理のフローチャートを示す図である。

符号の説明

１通信線
２制御線
１０上部貯水部
１１，５３レベル発信器
２０水力発電機
３０下部貯水部
３１，４１，４２，５１配管
３２，４３〜４６，５２バルブ
４０分解装置
５０貯水タンク
５４圧力発信器
６０ＮＧＨ投入装置
７０制御装置
１００水力発電システム

Claims

貯水部と、前記貯水部からの水の供給により発電する水力発電機とを備える水力発電システムにおいて、
前記貯水部より低所に設置され、水に難溶性のガスのハイドレートを分解させることにより発生するガスの圧力上昇により前記貯水部に水を供給する密閉耐圧容器と、
前記貯水部内の水量を測定する貯水部水量測定器と、
前記貯水部水量測定器によって測定された前記貯水部の水量が所定値に満たない場合に、前記ハイドレートを分解させて前記密閉耐圧容器内の水を前記貯水部に供給するように制御する制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする水力発電システム。
貯水部と、前記貯水部からの水の供給により発電する水力発電機とを備える水力発電システムにおいて、
水に難溶性のガスのハイドレートを分解させることにより発生するガスの排出弁を備え、前記貯水部より低所に設置され、前記ハイドレートを分解させることにより発生するガスの圧力上昇により前記貯水部に水を供給する密閉耐圧容器と、
前記貯水部内の水量を測定する貯水部水量測定器と、
前記貯水部水量測定器によって測定された前記貯水部内の水量が所定値以上に達した場合に前記ガス排出弁を開放して貯水部への水の供給を停止するように制御する制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする水力発電システム。
前記ハイドレートを分解する分解装置と、
前記分解装置において前記ハイドレートを分解させることにより発生したガスを前記密閉耐圧容器に導入する導入手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の水力発電システム。
前記貯水部より低所に設置された下部貯水部と、
前記下部貯水部の水を前記密閉耐圧容器に供給する供給手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水力発電システム。
前記耐圧容器内のガスを外部に供給する供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水力発電システム。
貯水部と、
前記貯水部からの水の供給により発電する水力発電機と、
前記貯水部より低所に設置され、水に難溶性のガスのハイドレートを分解させることにより発生するガスの圧力上昇により前記貯水部に水を供給する密閉耐圧容器と、
前記貯水部内の水量を測定する貯水部水量測定器と、
を備える水力発電システムにおいて、
前記貯水部水量測定器によって測定された前記貯水部の水量が所定値に満たない場合に、前記ハイドレートを分解させて前記密閉耐圧容器内の水を前記貯水部に供給するように制御する工程を含むことを特徴とする水力発電システムの制御方法。
前記貯水部より低所に設置された下部貯水部をさらに備え、
前記下部貯水部の水を前記密閉耐圧容器に供給するように制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の水力発電システムの制御方法。
貯水部と、
前記貯水部からの水の供給により発電する水力発電機と、
水に難溶性のガスのハイドレートを分解させることにより発生するガスの排出弁を備え、前記貯水部より低所に設置され、前記ハイドレートを分解させることにより発生するガスの圧力上昇により前記貯水部に水を供給する密閉耐圧容器と、
前記貯水部内の水量を測定する貯水部水量測定器と、
を備える水力発電システムにおいて、
前記貯水部の水量が所定値に満たない場合に、前記ハイドレートを分解させて前記密閉耐圧容器内の水を前記貯水部に供給するように制御する工程と、
前記貯水部水量測定器によって測定された前記貯水部内の水量が所定値以上に達した場合に前記ガス排出弁を開放して前記貯水部への水の供給を停止するように制御する工程と、
を含むことを特徴とする水力発電システムの制御方法。
前記貯水部より低所に設置された下部貯水部をさらに備え、
前記下部貯水部の水を前記密閉耐圧容器に供給するように制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の水力発電システムの制御方法。
前記貯水部水量測定器によって測定された前記貯水部の水量が所定値に満たない場合に、前記ハイドレートを分解させて前記密閉耐圧容器内の水を前記貯水部に供給するように制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項８又は９に記載の水力発電システムの制御方法。
前記ハイドレートを分解する分解装置をさらに備え、
前記分解装置において前記ハイドレートを分解させることにより発生するガスを前記密閉耐圧容器内に導入するように制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６〜１０のいずれかに記載の水力発電システムの制御方法。
前記密閉耐圧容器内の水量を測定する密閉耐圧容器水量測定器をさらに備え、
前記密閉耐圧容器水量測定器によって測定された前記密閉耐圧容器内の水量が所定値以下になった場合に、前記ハイドレートの分解を停止するように制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６〜１１のいずれかに記載の水力発電システムの制御方法。
前記密閉耐圧容器内の水量を測定する密閉耐圧容器水量測定器をさらに備え、
前記密閉耐圧容器水量測定器によって測定された前記密閉耐圧容器の水量が所定値以下になった場合に、前記密閉耐圧容器は前記貯水部への水の供給を停止するように制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６〜１１のいずれかに記載の水力発電システムの制御方法。
前記水に難溶性のガスのハイドレートは、可燃性ガスのハイドレートであり、
前記密閉耐圧容器内の前記可燃性ガスを外部に供給するように制御する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６〜１３のいずれかに記載の水力発電システムの制御方法。