JP5041889B2 - エネルギー回収システム - Google Patents

Description

本発明は、上水供給設備やビルの水畜熱式空調設備などで用いられ、マイクロ水車を用いてエネルギーを電力として回収するようにしたエネルギー回収システムに関するものである。

上水供給設備では、高地点の貯水池から低地点の需要家まで配管で給水しており、需要家によっては、給水圧力が高すぎる場合、需要家の手前に減圧弁を設け、適正な一定の水圧で需要家に給水するようにしている。この場合、需要家が必要とする給水量は時間に応じて変化するので、減圧弁は、流量が変化しても、この減圧弁の出口側の圧力が適正な一定の圧力となるように、動作する。

一方、省エネルギーの必要性から、かかる上水供給設備において、配管に水車を設けて発電させることにより、減圧弁で消費される水圧エネルギーを電力でもって回収するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の技術は、配管に発電機を備えた水車を設けるとともに、この水車の上流側と下流側とを連通するバイパス管路を水車に並列に設け、さらに、このバイパス管路に減圧弁を設けた構成をなすものであって、需要家での需要水量が変化しても、この減圧弁を制御することにより、パイパス管路での数量を変化させて水車に流れる水量を一定とし、水車を一定の回転数で運転するものである。

また、上流側の配水層から管路によって下流側の配水層へ配水し、この管路に水力発電機の水車を配置することにより、発電を行なうようにした余剰圧力利用マイクロ水力発電装置の技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

この特許文献２に記載の技術は、遠隔操作により、流量系や圧力計の計測値をもとに、水車の入力弁の開度を制御して管路を流れる水の流量を目標値に設定するとともに、回生インバータが、水力発電機がそのときに発電する電力が最大となるように、水車の回転数を制御するとともに、発生した電力の周波数を電力系統に同調させるものである。
特願２００６ー８３７５８号公報 特願２００６ー２２７４５号公報

ところで、上記の特許文献１に記載の技術では、水車の回転数を一定にすることにより、発生する電力の周波数を５０Ｈｚや６０Ｈｚといった規定の周波数にするものであり、このために、バイパス管路の流量を制御することにより、水車での流量が一定になるようにしている。

そこで、需要家で必要とする水量が低下した場合でも、水車の回転によって発電機が規定の周波数の電力を発電するためには、需要家が必要とする最低の流量でかかる発電を行なうようにすることが必要であるが、このようにすると、需要家が必要とする流量が増加しても、水車に流れる流量は一定であり、多くの流量が発電に供されずにバイパス管路を通って流れてしまい、充分なエネルギー回生ができないという問題がある。

また、需要家に適正な一定圧力で給水するためには、さらに、需要家への流量制御のための減圧弁を、さらに、水車の上流側に設ける必要があり、設備費用が高額になるという問題もある。

また、上記の特許文献２に記載の発明は、特許文献１に記載の技術のようなバイパス管路を設けることなく、水車に流れる流量を目標値に設定し、この目標の流量において、発電電力が最大となるように、水車の回転数を設定するものであるから、水車の回転数を流量に応じた回転数に設定することができ、充分なエネルギー回生を実現できるものであるが、水車に流れる水量を外部から一定の目標値に設定して水車を回転させる発電機装置に関するものであり、時間とともに要求される水量が変化し、また、需要家側で給水圧力を一定に保つ必要がある一般家庭用の水道などのような上水供給設備などに適用することができない。

本発明の目的は、かかる問題を解消し、要求される水量の変化に対しても、これに即応して効率の良いエネルギー回生を行なうことができ、かつ給水圧力を常に一定に保つことができるようにしたエネルギー回生システムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、建家に設置された複数の空調負荷に、地下貯水槽から汲み上げた畜熱用冷温水の水流を配管を介して給水する水畜熱式空調設備において、空調負荷毎に、空調負荷に供給する流水を適正な一定の圧力とするための減圧弁を配管に設けるとともに、配管の減圧弁よりも上流側に発電機を備えた水車を設置し、配管内での流量が大きいときには、水車の回転速度を大きくし、流量が小さいときには、水車の回転速度を小さくする手段を設けたものである。

また、本発明は、複数の空調負荷が、建家の夫々の階に設置されているものである。

また、本発明は、夫々の発電機で発電された交流電力を直流電力に変換して加算し、加算して得られた直流電力を規定の周波数の交流電力に変換して需要家のための系統電源に供給するものである。

また、本発明は、各階毎に加熱用の機器を設け、発電機で発電された電力を加熱用の機器の電力とするものである。

また、本発明は、加熱用の機器が給湯器であって、発電機で発電された交流電力を直流電力に変換し、直流電力を給湯器の電力とするものである。

本発明によると、配管を介して必要水量が変化しても、常に発電が行なわれてエネルギー回収が効率良く行なわれ、給水を受ける側では、減圧弁により、常に適正な一定の圧力で給水されることになる。

また、水車に対してパイパス配管を設ける必要がないし、減圧弁も１つで済むことになるので、部品点数も削減できて、設備費の低減を図ることもできる。

以下、本発明による実施形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明によるエネルギー回生システムを理解する上での参考例を示すシステム構成図であって、１は貯水槽、２は配管、３は水車、４は発電機、５は需要家、６は流量測定手段、７は減圧弁、８は制御盤、９はコントローラ、１０はパワーコンディショナ、１１は系統電源である。

図２は時間経過に伴う需要家が要求する必要水量の変化と水車の回転速度との関係を模式的に示す図である。

図３は需要家への給水量に対する水車が回収するエネルギーの変化を示す図である。

図１において、高地点に設置された貯水槽１から一般家庭などの需要家５に給水するための配管２が設置されており、この配管２の上流側に流量測定手段６が、下流側に需要家５に適正な一定の圧力で給水するための減圧弁７が設けられている。そして、さらに、この配管２には、流量測定手段６の下流側で、かつ減圧弁７の上流側に水車３が設けられている。この水車３は、ガバナがなく、固定羽根ランナを有して、発電機４を備えており、水量調整されない流水が配管２を通って供給される。この発電機４は制御盤８と電気的に接続されている。この制御盤８には、水車３の回転速度を制御するコントローラ９と一般家庭などの系統電源１１に接続されたパワーコンディショナ１０とが設けられている。このコントローラ９は、また、発電機４で発電された交流電力を直流電力に変換する機能も備えており、パワーコンディショナ１０は、この直流電力を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚといった規定の周波数の交流電力に変換して系統電源１１に供給する。

貯水槽１から配管２を通って水が流れ、水車３や減圧弁７を通って需要家５に給水される。ここで、需要家５への給水量は、需要家５での水の使用状況により、図２に示すように、時間経過とともに変化する。かかる給水量は、水車３の入り口側に設けられた図示しない圧力センサと出口側に設けられた図示しない圧力センサとによる水圧の差によって求められ、制御盤８のコントローラ９は、この検出された給水量に応じて、発電機４の発電量が最大となるように水車３の回転速度（回転数）を制御する。このため、水車３は、図２に示すように、給水量が大きいとき、その回転速度が大きくなるように制御され、給水量が小さいときには、その回転速度が小さくなるように制御される。

このようにして、需要家５への給水量の変化に応じて配管２での水の流量が変化し、これに伴って水車３の回転速度が変化するため、発電機４で発電される交流電力の周波数もこの回転数の変化とともに変化する。かかる交流電圧は、上記のように、制御盤８のコントローラ９に供給されて直流電力に変換され、さらに、この直流電力がパワーコンディショナ１０で規定周波数の交流電力に変化されて系統電源１１に供給される。

従って、需要家の要求する給水量が変化しても、配管２内を流れる水量を無駄にすることなくエネルギー回生を行なうことができて、その時々の給水量に応じて最大の電力を発電させることができ、しかも、この発電によって常に規定周波数の交流電力が得られることになる。

ところで、貯水槽１に蓄えられる水量は、一般の需要家５が必要とする給水量に比べ、格段に大きいので、図３に示すように、給水量Ａが変化しても、給水圧力Ｃはほとんど変化しない。また、水が水車３を通過することにより、その回転速度による発電電力に見合った水圧のエネルギーＥがこの水車３によって回収される。また、水圧のエネルギーは減圧弁７で消費されるのであるが、需要家５への給水圧力Ｄは適正な一定の圧力に調整されることが必要であり、この調整が減圧弁７で消費される圧力Ｆによってなされている。

ここで、水車３で回収される圧力エネルギーＥは、図２に示すように、需要家５の必要水量、即ち、給水量Ａに応じて変化し、給水量Ａが大きくなるほど大きくなる。減圧弁７は需要家５への給水圧力Ｄを一定にするものであり、このため、 給水圧力Ｃ−（水車３での回収圧力エネルギーＥ＋需要家５の適正圧力Ｄ）
の圧力エネルギＦが減圧弁７で消費されるものである。この場合、水車３での回収圧力エネルギーＥは、給水量Ａの増加とともに、増加するから、減圧弁７の消費エネルギーＦは、給水量Ａの増加とともに、減少することになる。なお、この減圧弁７の消費エネルギーの制御も、この減圧弁７の入口側と出口側とに設けられたセンサで検出される水圧の差でもって流量（給水量）を検出し、この検出された給水量に応じて減圧弁７の開度を制御することによって行なわれる。

図４は水畜熱空調設備としての本発明によるエネルギー回生システムの第１の実施形態を示すシステム構成図であって、２’は配管、１２は地下貯水槽、１３はポンプ、１４は空調（空気調和機）、１５は建家であり、図１に対応する部分には同一符号をつけて重複する説明を省略する。

同図において、例えば、ビルなどの４階建ての建家１５の各階には、水を使う負荷としての空調１４が設置されており、また、地下には、畜熱用冷温水を貯蔵した地下貯水槽１２が設けられており、この地下貯水槽１２と各階の空調１４とが配管２によって連結されている。この配管２の地下貯水槽１２側には、ポンプ１３が設けられており、このポンプ１３によって地下貯水槽１２の畜熱用冷温水が組み上げられて、配管２を介し、各階の空調１４に給水される。夫々の空調１４を通った畜熱用冷温水は、反対側の配管２’を介して地下貯水槽１２に戻される。

各階の空調１４に至る配管２には、空調１４への畜熱用冷温水の圧力を適正な一定の圧力に保持するための減圧弁７が設けられ、また、最上階４Ｆを除いた各階の配管２の減圧弁７の上流側に発電機４を備えた水車３が設けられている。そして、各発電機４は制御盤８のコントローラ９に接続されている。

このコントローラ９は各階の発電機４毎に設けられているものであって、各階の発電機４で発電された交流電力は夫々のコントローラ９で直流電力に変換され、これら直流電力が加算されてパワーコンディショナ１０に供給される。パワーコンディショナ１０は供給された直流電力を規定の周波数の交流電力に変換し、系統電源１１に供給される。この系統電源１１は、この家屋１５の電源として用いられる。

ここで、各階毎に配管２を通る畜熱用冷温水の流量（従って、水圧）が異なり、高い階ほど流量が少ない。このため、高い階ほど水車３の回転速度が小さいように、コントローラ９によってこれら水車３の回転速度が制御されるのであるが、階によっては空調１４が使用されない場合もあり、このような場合には、空調１４が使用されている階での配管２の流量（即ち、水圧）が増加することになり、その分水車３の回転数が増加することになる。

このようにして、水畜熱空調設備においても、上記参考例と同様の効果が得られるものである。

なお、この第１の実施形態では、最上階では、畜熱用冷温水の水圧が低くなるので、空調１４に適正な水圧（流量）を与えることができるようにするために、水車３を設けないものとしたが、ここでも畜熱用冷温水の水圧が高く取れる場合には、水車を設けて発電を行なうようにしてもよい。

図５は水畜熱空調設備としての本発明によるエネルギー回生システムの第２の実施形態を示すシステム構成図であって、１６は給湯器（電気ヒータ）であり、図４に対応する部分には同一符号をつけて重複する説明を省略する。

同図において、例えば、ビルなどの４階建ての建家１５の最上階を除いた各階には、図４での制御盤８やこれと接続された系統電源１１の代わりに、コントローラ９とともに、給湯器１６が設けられている。これ以外の構成は、図４に示す第１の実施形態と同様である。

この第２の実施形態では、水車３が設けられた各階毎に、その発電機４で発電された交流電力をコントローラ９に供給して直流電力に変換し、この直流電力でもって給湯器を加熱するようにする。

このようにして、この第２の実施形態も、先の実施形態度同様の効果が得られるものであり、さらに、空調１４に用いる畜熱用冷温水の水圧を利用して発電し、給湯器の加熱に利用することができる。

なお、この第２の実施形態では、発電された電力を給湯器の加熱に用いるものとしたが、これに限らず他の機器に利用することも可能である。

また、第１，第２の実施形態では、建家１５として、ビルを例に説明したが、これに限るものではなく、例えば、２階建ての一般の家屋でもよく、各部屋の空調に対して同様に適用可能である。この場合には、水車３は水道水の配管などに設けられる。

本発明によるエネルギー回生システムを理解する上での参考例を示すシステム構成図である。 図１での時間経過に伴う需要家が要求する必要水量の変化と水車の回転速度との関係を模式的に示す図である。 図１での需要家への給水量に対する水車などが回収するエネルギーの変化を示す図である。 水畜熱空調設備としての本発明によるエネルギー回生システムの第１の実施形態を示すシステム構成図である。 水畜熱空調設備としての本発明によるエネルギー回生システムの第２の実施形態を示すシステム構成図である。

１ 貯水層
２，２’ 配管
３ 水車
４ 発電機
５ 需要家
６ 流量測定手段
７ 減圧弁
８ 制御盤
９ コントローラ
１０ パワーコンディショナ
１１ 系統電源
１２ 地下貯水槽
１３ ポンプ
１４ 空調（空気調和機）
１５ 建家
１６ 給湯器（電気ヒータ）

Claims (5)

1. 建家に設置された複数の空調負荷に、地下貯水槽から汲み上げた畜熱用冷温水の水流を配管を介して給水する水畜熱式空調設備において、
   該空調負荷毎に、該空調負荷に供給する該流水を適正な一定の圧力とするための減圧弁を該配管に設けるとともに、該配管の該減圧弁よりも上流側に発電機を備えた水車を設置し、
   該配管内での流量が大きいときには、該水車の回転速度を大きくし、該流量が小さいときには、該水車の回転速度を小さくする手段を設けた
   ことを特徴とするエネルギー回収システム。
2. 請求項１において、
   前記複数の空調負荷は、前記建家の夫々の階に設置されていることを特徴とするエネルギー回収システム。
3. 請求項１または２において、
   前記夫々の発電機で発電された交流電力を直流電力に変換して加算し、加算して得られた該直流電力を規定の周波数の交流電力に変換して需要家のための系統電源に供給することを特徴とするエネルギー回収システム。
   ことを特徴とするエネルギー回収システム。
4. 請求項２において、
   前記各階毎に加熱用の機器を設け、
   前記発電機で発電された電力を該加熱用の機器の電力とする
   ことを特徴とするエネルギー回収システム。
5. 請求項４において、
   前記加熱用の機器は、給湯器であって、
   前記発電機で発電された交流電力を直流電力に変換し、該直流電力を該給湯器の電力とする
   ことを特徴とするエネルギー回収システム。

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