JP5600788B1 - 高効率出力安定化発電装置及び流水式小水力発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発電装置10は、出力電圧を負荷12に印加するものであり、永久磁石式発電機20のU相、V相、W相のそれぞれの出力巻き線は、定格電圧に対して出力電圧が1/2となるように巻数が1/2とされて、相互に並列な2系統の出力巻き線U1とU2、V1とV2、W1とW2からなっていて、2系統の出力巻き線における出力電圧は、制御回路30において、各系統が独立してU相、V相、W相毎に整流されてから降圧型DC/DCコンバータ34−1、34−2により、系統毎に出力を安定化され、その出力が加算結線部38より直列に加算されて、負荷12に印加される。
【選択図】図1
Description
、24V1、24W1及び24U2、24V2、24W2)を並列に設定して、2系統の発電
出力を個別に整流し、且つ、個別に降圧型DC/DCコンバータ34−1、34−2で安定化し、更に降圧型DC/DCコンバータ34−1、34−2の直流出力を加算結線部38により直列加算し、定格の出力(例えばDC280V出力)を得るようにされている。
整流後の定格出力280VDC出力を得る永久磁石式発電機におけるU、V、W各相の巻き線2系統を並列加算していたものを、1/2の巻き線を2系統として、この2系統の発電出力をそれぞれ整流安定化後に各140VDCを直列加算して定格出力E1を280VDCとした。結果として発電機の巻き線は1/2で従前通りの発電が可能となった。これを、E1=140+140=280VDCと表わすことができる。
(1)流水式小水力発電機を含む流水式小水力発電装置では、一般的に20倍(増速比m=20)程度の増速機を使用している(水車1回転に対して発電機20回転)。
(2)定格負荷(10KW)時の回転及び発電電圧(3相整流後の電圧);
1000rpm(50rpm×20)⇒320VDC
(3)無負荷時の回転及び発電電圧(3相整流後の電圧);
3200rpm(160rpm×20)⇒1024VDC・・・(a)
(4)降圧型DC/DCコンバータの許容入力電圧⇒600VDC ・・・(b)
(1)無負荷過電圧対策・・・(a)及び(b)より
1024VDC/600VDC=1.7≒2となり、n=2で1/2の巻き線を2系統とし、2セットの降圧型DC/DCコンバータで分担しているので耐圧対策としてはm=20のままでもよい。・・・(c)
(2)低速回転対応としては、基準巻き数(1000rpmにおいて3相整流出力320Vを得る巻き線)を2系統とすることと、更に各々の安定化出力電圧を直列加算(n=2)することで出力電圧は2倍となるので、1系統当りの3相整流出力は、320VDC/2=160VDCでよいこととなる。即ち、増速比は1/2に低減してもよい。・・・(d)
(c)、(d)より増速比は、(20倍)×1/2=10倍にすることができる。・・・(e)
的な水車の回転数は、図7より140rpm程度となり、発電機の回転数は140×5=700rpmとなる。(g)からは、必要回転数が500rpmであるので700rpmは充分な回転数である。
図7より、
(1)定格負荷回転飽和点は、増速比が5となったので10Kg・mとなり、回転数は約140rpmとなる。従って、140rpm×5=700rpmが定格負荷時の回転数となる。
(2)無負荷時回転数は、160rpm×5=900rpm(最大回転数)となる。
(3)定格負荷時回転数の発電電圧は320VDC×700rpm/1000rpm=224VDCとなり、この224VDCより140VDCを生成する。・・・(h)
(4)無負荷時回転数の発電電圧は320VDC×900rpm/1000rpm=288VDCとなり、この288VDCより140VDCを生成する。・・・(i)
(5)(h)、(i)により、水車の定格負荷時回転及び無負荷時回転のいずれの場合でも、2系統の各々の安定化電圧140Vを直列加算し、合計280VDCを生成して、系統連系装置に入力できる。
(1)落差による水エネルギー
:P0=流量(m3/s)×重力加速度(9.8m/s 2 )×落差(m)
=0.88×9.8×1=8.62KW
但し、流量0.88m3/s及び落差1mは実測値
(2)水車が回転することで発生するエネルギー
:P1=2πnr/60×N・m 但しnr=水車回転数(rpm)
=2×3.14×50/60×500N・m=2.617KW
増速機20倍(水車1回転⇒発電機20回転)
但し、500N・mは図7の定格負荷回転飽和点の値約50Kg・m
(3)効率計算:増速比20の場合
P1/P0×100=2.617/8.62×100=30%
(4)効率計算:増速比5の場合
水車が受ける力は変化なし:500N・m
水車の回転数は図7より:140rpm
P2=2πnr/60×N・m 但しnr=水車回転数(rpm)
=2×3.14×140/60×500N・m=7.326KW
P2/P0×100=7.326/8.62×100≒85%
12…負荷
20…永久磁石式発電機
29…回転駆動源
29A…増速機
30…制御回路
32−1、32−2…3相整流器
34−1、34−2…降圧型DC/DCコンバータ
36−1、36−2…PWM方式スイッチング素子
38…加算結線部
40…流水式小水力発電システム
42…小水路
44A、44B、44C…流水式小水力発電装置
Claims (6)
- 風車、水車、自動車の回転体のいずれかからなる回転駆動源により駆動され、回転速度に応じて出力電圧が変動する1基の永久磁石式発電機を含む発電装置であって、
前記永久磁石式発電機内で、並列に巻き上げられ、nを2以上の整数としたとき、定格出力電圧に対してその1/nの出力電圧が得られるn個の1/n出力巻き線と、
前記n個の1/n出力巻き線の各々に直接接続されたn個の同一構成の整流器、及び、前記n個の整流器に各々接続され、その出力電圧を安定化するn個の同一構成の降圧型DC/DCコンバータを含む制御回路と、
前記n個の降圧型DC/DCコンバータ出力端子を直列に結線することにより、各々の直流出力をそのまま直列加算して、要求電圧とする加算結線部と、
を有してなる高効率出力安定化発電装置。 - 請求項1において、
前記nは、前記永久磁石式発電機が最高回転数のときの、n=1と仮定した1系統の出力巻き線から得られ、整流されたとした場合の、n=1の降圧型DC/DCコンバータへの入力電圧Emaxに対して、前記降圧型DC/DCコンバータの耐電圧である最大入力電圧をEwとしたとき、Emax/n≦Ewとなるようにされていることを特徴とする高効率出力安定化発電装置。 - 請求項1において、
前記nは、前記永久磁石式発電機が最高回転数のときの、n=1と仮定した1系統の出力巻き線から得られ、整流されたとした場合の、n=1の降圧型DC/DCコンバータへの入力電圧Emaxに対して、前記降圧型DC/DCコンバータの許容入力電圧をEcとしたとき、Emax/n≦Ecとなるようにされていることを特徴とする高効率出力安定化発電装置。 - 請求項1乃至3のいずれかにおいて、
前記永久磁石式発電機は、前記回転駆動源により増速機を介して駆動されるように構成され、n=1と仮定した1系統の出力巻き線からなる1基の永久磁石式発電機で前記定格出力電圧を得る場合の増速機の増速比をm0としたとき、前記増速機の増速比mを、m=m0/n2としたことを特徴とする高効率出力安定化発電装置。 - 請求項1乃至4のいずれかにおいて、
前記永久磁石式発電機は、水車により、増速機を介して駆動されるように構成され、n=1と仮定した1系統の出力巻き線からなる1基の永久磁石式発電機で前記定格出力電圧を得る場合の増速機の増速比をm0としたとき、前記増速機の増速比mを、m=m0/n2とした流水式小水力発電機であって、
流水落差が0.5m以上1.0m未満の流水により発電可能であることを特徴とする高効率出力安定化発電装置。 - 請求項5記載の高効率出力安定化発電装置を、0.5m以上1.0m未満の流水落差が得られる間隔で、水路に連続的に少なくとも2基設置してなる流水式小水力発電システム。
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