JP6033726B2 - 水力発電システム - Google Patents

Description

本発明は、水車の回転状態に応じて発電機の駆動モードを切り替える水力発電システムに関する。

例えば、河川に設置するマイクロ水力発電機は、小水力発電機や水力発電機のように上流側にきちんとした水の浄化設備がない場合が多い。そのため、雨が降った場合には、上流側から木の枝や葦・芦が流れてくる。これらのものは、マイクロ水力発電機にとっては異物となり、水車の回転の阻害や停止を招いてしまう。

水力発電機における異物の噛込みを防止する技術として、例えば特許文献１に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、先行発電機が発電機設備形態Ａ（水槽スクリーンバー間隔＜水車ガイドベーン全開開度）である場合には、先行発電機の停止時に水車ガイドベーンを開度目標値以上まで開くことにより、水車ガイドベーンの間隙に噛み込んだ異物を流し出させ、また、先行発電機が発電機設備形態Ｂ（水槽スクリーンバー間隔＞水車ガイドベーン全開開度）である場合には、先行発電機の停止時に水車ガイドベーンを一旦全開にして、水車ガイドベーンの間隙に噛み込んだ異物を流し出たのち、水車ガイドベーンを全閉開度まで閉めることにより、そのストローク力を利用して流し出なかった異物を破砕させるものである。

特開２０１２−９２６６７号公報

しかしながら、特許文献１に示す技術は、異物流出させるための水車ガイドベーンの制御を水位に基づいて行わなければならず、処理が複雑になってしまう。

本発明は、例えば異物の噛込み等により水車の回転が停止した場合に、発電機をモータとして駆動させることで、異物等の除去を行う水力発電システムを提供する。

本発明に係る水力発電システムは、水流によって回転する水車と、前記水車に連携し当該水車の回転により発電を行う発電機と、前記水車の回転状態を検出する回転検出手段と、前記発電機をモータとして駆動させるための駆動制御手段とを備え、前記回転検出手段が、前記水車の回転が停止したことを検出した場合に、前記駆動制御手段が、前記発電機を前記モータとして駆動させて前記水車を回転させるものである。

このように、本発明に係る水力発電システムにおいては、水車の回転が停止したことが検出された場合に、発電機をモータとして駆動させるため、水車の回転を阻害しているものをモータの回転エネルギーにより除去することができ、水力発電システム全体の処理を継続しつつ、簡易的な処理で発電を維持することができるという効果を奏する。

本発明に係る水力発電システムは、前記水車が相互に逆方向に回転する２軸の水車からなり、前記駆動制御手段が前記発電機の駆動を前記モータに切り替えた場合に、前記水車の羽根が、当該水車の回転を阻害する回転阻害物を破砕する破砕羽根として機能するものである。

このように、本発明に係る水力発電システムにおいては、水車が相互に逆方向に回転する２軸の水車からなり、水車の回転が停止して発電機の駆動をモータに切り替えた場合に、水車の羽根が、当該水車の回転を阻害する回転阻害物を破砕する破砕羽根として機能するため、各水車の破砕羽根により回転阻害物となる異物を粉砕して、水車の回転を正常に戻すことができるという効果を奏する。

本発明に係る水力発電システムは、前記発電機が系統電力又は蓄電池からの電力を供給可能に接続されており、前記発電機がモータとして駆動する場合に、前記系統電力又は前記蓄電池からの電力の供給を受けて前記モータとして駆動するものである。

このように、本発明に係る水力発電システムにおいては、発電機が系統電力又は蓄電池からの電力を供給可能に接続されており、発電機がモータとして駆動する場合に、系統電力又は蓄電池からの電力の供給を受けて前記モータとして駆動するため、発電機をモータとして確実に駆動させることが可能になるという効果を奏する。

本発明に係る水力発電システムは、河川の水流によって回転し、当該河川の上流から下流に向かって複数設置された水車と、前記水車に連携し当該水車の回転により発電を行う発電機とを少なくとも備える水力発電システムであって、前記複数の水車のうち、上流側から一部の水車の回転状態を検出する回転検出手段と、前記一部の水車に連携する前記発電機をモータとして駆動させるための駆動制御手段とを備え、前記回転検出手段が、前記一部の水車の回転が停止したことを検出した場合に、前記駆動制御手段が、前記一部の水車に連携する前記発電機を前記モータとして駆動させて前記水車を回転させるものである。

このように、本発明に係る水力発電システムにおいては、河川の水流によって回転し、当該河川の上流から下流に向かって複数設置された水車と、前記水車に連携し当該水車の回転により発電を行う発電機とを少なくとも備える水力発電システムであって、前記複数の水車のうち、上流側から一部の水車の回転状態を検出し、当該一部の水車の回転が停止したことを検出した場合に、水車に連携する発電機をモータとして駆動させて前記水車を回転させるため、発電機をモータとして駆動させる機能は、上流の一部の水車及び発電機についてのみ有していればよく、コストを抑えて効率よく異物を除去することができるという効果を奏する。

すなわち、上流側である程度異物の除去や粉砕がなされれば、下流側では細かい異物となるため、下流側にまで同等の機能を持った水力発電システムを設置する必要がなくなり、コストを抑えつつ異物の除去及び発電を効率よく行うことが可能になる。

第１の実施形態に係る水力発電システムにおける発電装置の一例を示す図である。 第１の実施形態における水力発電システムのシステム構成図である。 第１の実施形態に係る電力制御装置の構成の一部を示す機能ブロック図である。 第１の実施形態に係る電力制御装置の動作の一部を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る水力発電システムのシステム構成図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る水力発電システムについて、図１ないし図４を用いて説明する。本実施形態に係る水力発電システムは、河川や用水路等に設置する小型のマイクロ水力発電システムであり、水流によって水車を回転させ、その回転エネルギーを電気に変換して発電するものである。

図１は、本実施形態に係る水力発電システムにおける発電装置（水車及び発電機を含む）の一例を示す図である。本実施形態においては、入力と出力の関係を入れ替えることで、発電機として機能したり、モータとして機能することができる発電装置が利用される。図１において、水車２ａ，２ｂが筐体３に収納された状態で保持されている。水車２ａ，２ｂは、水流を受けて相互に逆方向に回転する２軸の構成となっており、それぞれの水車２ａ，２ｂに連携して発電機４ａ，４ｂが配設されている。水車２ａ，２ｂは、水流を受けるための水車羽根２１ａ，２１ｂを有しており、水流方向に向かって凸状に湾曲することで、水の抵抗を受け易くなっている。

筐体３の水流を受ける側の面は開口しており、水流方向に向かって順次狭い開口となるように形成されている。すなわち、開口部が次第に狭くなることで水流の速度を上げ、効果的に水車２ａ，２ｂを回転させる。発電機４ａ，４ｂは、水車２ａ，２ｂの回転に伴って同様に回転するコイルとその周辺に配設される磁石とを用いて電磁誘導により発電を行う。この発電機４ａ，４ｂは、入出力を入れ替えてコイルに電流を流すことでモータとして駆動することができる。

水車２ａ，２ｂのそれぞれの水車羽根２１ａ，２１ｂは、互いに接触しないように所定の間隔を空けて配設されており、筐体３の開口部から流れ込んで来た異物（例えば、草木、ペットボトルやビニール等のゴミ等）の中で小さいものについては、そのまま水車２ａ，２ｂの間を抜けて下流側に流れてしまうが、大きいものについては、水車２ａ，２ｂの回転を阻害してしまい、噛み込んでしまった場合には回転が停止してしまう。そこで、本実施形態においては、異物等の混入により水車２ａ，２ｂの回転が停止した場合に、発電機４ａ，４ｂのコイルに電流を流してモータとして駆動させる。

つまり、空のペットボトルのように、ある程度の力で変形してしまうようなものについては、モータによる回転力を利用して、異物を下流側に流し込むことで除去することができる。また、水車羽根２１ａ，２１ｂの強度を上げることで、当該水車羽根２１ａ，２１ｂを破砕羽根として機能させ、モータによる回転力を利用して草木などを粉砕して除去することもできる。

なお、図１では、２軸の発電装置について説明したが、１軸の場合でも適用することができる。その場合は、水車羽根と筐体３の壁面との間で破砕が可能となる。

次に、本実施形態に係る水力発電システムの構成について説明する。図２は、図１における発電装置を用いた水力発電システムのシステム構成図である。水力発電システム１０は、筐体３に収納された相互に逆方向に回転する２つの（２軸の）水車２ａ，２ｂと、この各水車２ａ，２ｂに連動して水車の回転エネルギーを電力に変換する発電機４ａ，４ｂとを有する発電装置１と、発電装置１で発電した交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換手段を有する電力制御装置５ａ，５ｂと、各電力制御装置５ａ，５ｂから出力される直流電力を負荷１５に供給可能な態様の交流電力に変換するインバータ１４と、各電力制御装置５ａ，５ｂから出力される直流電力を商用電源１３に供給可能な態様の交流電力に変換するコンバータ１２と、水力発電システム１を構成する装置やスイッチの動作を通信により制御するシステム制御装置６と、このシステム制御装置６を操作するためのタッチパネル７と、システム制御装置６を起動するための電源となる蓄電池であるバッテリ８と、各電力制御装置５ａ，５ｂから出力される直流電力をバッテリ８に充電可能に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ９とを備える。

なお、水力発電システム１０は、図２に示すように常時電力系統と接続して運用されてもよいし、通常時は電力系統と連携して余剰電力を売電し、災害時などに電力系統が使えなくなった場合にのみ電力系統から独立して運用されるようにしてもよい。また、電力系統から完全に独立して運用されるようにしてもよい。

発電装置１で発電した電気は、電力制御装置５ａ，５ｂの制御により負荷１５で消費されたり、商用電源１３側に送られて売電される。発電装置１、電力制御装置５ａ，５ｂ、コンバータ１２、インバータ１４、各スイッチはシステム制御装置６を介して通信可能に接続されており、信号の送受信により各構成要素を制御することができる。

災害時などに電力系統が使えなくなった場合や、商用電源１３から独立して運用される場合、水力発電システム１０は、バッテリ８に蓄えられた電気を利用して起動される。この場合、まずバッテリ８を電源としてシステム制御装置６が起動される。システム制御装置６は、水車２ａ，２ｂから取得した回転数に応じてスイッチ１６ａ，１６ｂを制御することで、電力制御装置５ａ，５ｂの始動時における安全性を確保して電力を供給する。つまり、電力制御装置５ａ，５ｂは、始動する際に適切な電力の範囲が決まっており、その範囲外の電力が供給された場合は電力が小さすぎて起動できないか又は突入電流などにより故障してしまう。そのため、回転数に応じた電力制御装置５ａ，５ｂの始動可能な状態を判定してスイッチ１６ａ，１６ｂが投入される。水力発電システム１０が運用状態になると、負荷１５や商用電源１３に対して発電装置１で発生した電力が供給される。また同時に、水力発電システム１０の運用時にはバッテリ８への充電も行われる。
なお、上述のような始動の制御については、図２の２点鎖線で示す構成１００を利用してＤＣの負荷制御を行ってもよいし、１点鎖線で示す構成２００を利用してＡＣの負荷制御を行ってもよい。

水力発電システム１０の運用中、上述したように、異物等の混入により水車２ａ，２ｂの回転が停止する場合がある。その場合には、発電装置１の動作を停止させ、電力制御装置５ａ，５ｂの制御により、商用電源１３に接続されている場合は商用電源１３から、商用電源１３に接続されていない場合はバッテリ８からの電気により発電機４ａ，４ｂのコイルに電流を流して発電装置１をモータとして駆動させる。そうすることで、水車２ａ，２ｂに入り込んだ異物を下流側に除去する。また、必要に応じて水車羽根２１ａ，２１ｂの強度を上げて、異物を粉砕してから下流側に除去することもできる。

電力制御装置５ａ，５ｂにおける上記の駆動制御（モータへの切り替え制御）を行う部分の構成を図３に示す。図３は、本実施形態に係る電力制御装置５ａ，５ｂの構成の一部を示す機能ブロック図である。電力制御装置５ａ，５ｂは、システム制御装置６を介して通信により取得した水車２ａ，２ｂの回転数を検出する回転数検出部５２と、この回転数検出部５２の検出結果に基づいて、発電装置１の駆動を発電機としての駆動からモータとしての駆動に切り替え制御する駆動切替制御部５１とを備える。発電装置１をモータとして駆動するためには、発電機４ａ，４ｂのコイルに電流を流す必要があるため、そのための電源として、商用電源１３に接続して系統連系で運用されている場合は商用電源１３、商用電源１３に接続されずに独立して運用されている場合はバッテリ８又はその他状況に応じた外部電源等の電力供給源５３が利用される。また、２軸の発電装置１を用いて独立で運用されている場合に、１軸のみが異物により回転できなくなったときは、他方の正常に回転している水車により発電した電力を使って、回転できない方の水車をモータで回転させて異物を除去するようにしてもよい。

次に、電力制御装置５ａ，５ｂの動作について説明する。図４は、本実施形態に係る電源制御装置５ａ，５ｂの動作の一部を示すフローチャートである。まず、回転数検出部５２が水車２ａ，２ｂの回転数を取得する（Ｓ４１）。駆動切替制御部５１が、取得した水車２ａ，２ｂの回転が停止しているかどうかを判定し（Ｓ４２）、回転が停止していなければ、そのまま通常動作を維持する（Ｓ４７）。回転が停止していれば、水車２ａ，２ｂに異物等が混入して回転を阻害している可能性があると判断し、発電装置１を停止する（Ｓ４３）。駆動切替制御部５１が商用電源１３、バッテリ８又は外部電源等の電力供給源５３からの電力の供給により、発電機４ａ，４ｂのコイルに電流を流して発電装置１をモータとして駆動させる（Ｓ４４）。駆動切替制御部５１は、発電装置１を所定時間又は所定回転数分モータとして駆動した後、モータとしての駆動を停止し発電機としての駆動に戻す（Ｓ４５）。水車２ａ，２ｂの回転数を取得し、回転が停止しているかどうかを判定し（Ｓ４６）、回転が停止していなければ通常動作を維持する（Ｓ４７）。この一連の処理は水力発電システム１０が運用状態である間常時行われる。回転が停止している場合は、モータの駆動だけでは異物を除去できないと判断され、水力発電システム１０の運用を一旦停止し（Ｓ４８）、管理者による対応が行われる。

このように、本実施形態に係る水力発電システムにおいては、水車２ａ，２ｂの回転が停止していることが検出された場合に、発電機４ａ，４ｂをモータとして駆動させるため、水車２ａ，２ｂの回転を阻害している異物をモータの回転エネルギーにより除去することができ、水力発電システム１０全体の処理を継続しつつ、簡易的な処理で発電を維持することができる。

また、水車２ａ，２ｂが相互に逆方向に回転する２軸の水車からなり、水車２ａ，２ｂの回転が停止して発電機４ａ，４ｂの駆動をモータに切り替えた場合に、水車２ａ，２ｂの羽根が、当該水車２ａ，２ｂの回転を阻害する回転阻害物を破砕する破砕羽根として機能することで、各水車２ａ，２ｂの破砕羽根により回転阻害物となる異物を粉砕して、水車２ａ，２ｂの回転を正常に戻すことができる。

さらに、発電機４ａ，４ｂが系統電力又は蓄電池からの電力を供給可能に接続されており、発電機４ａ，４ｂがモータとして駆動する場合に、系統電力又は蓄電池からの電力の供給を受けて前記モータとして駆動することで、発電機４ａ，４ｂをモータとして確実に駆動させることが可能になる。

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る水力発電システムについて、図５を用いて説明する。本実施形態に係る水力発電システムは、前記第１の実施形態に係る水力発電システムにおいて、発電装置及び電力制御装置が上流から下流にかけて複数段設置されており、そのうち上流側の一部の発電装置及び電力制御装置について、前記第１の実施形態に示すような発電装置の駆動切り替えを行い、それ以外の発電装置及び電力制御装置については、前記第１の実施形態に示すような発電装置の駆動切り替えを行わない構成である。
なお、本実施形態において前記第１の実施形態と重複する説明は省略する。

図５は、本実施形態に係る水力発電システムのシステム構成図である。第１の実施形態の場合と異なるのは、発電装置１（１ａ〜１ｊ）及び電力制御装置５（５ａ〜５ｊ）を複数有しており、それらが河川や用水路の上流から下流にかけて順次設置されていることである。そして、上流側の一部の発電装置１及び電力制御装置５（ここでは、仮に一番上流側に設置されている発電装置１ａ，１ｂ及び電力制御装置５ａ，５ｂ）については、第１の実施形態における発電装置１及び電力制御装置５のように、水車２ａ，２ｂの回転数に応じて発電機４ａ，４ｂの駆動をモータに切り替える機能を有している。また、同時に、必要に応じて水車羽根２１ａ，２１ｂの強度を強くして、異物を破砕する破砕羽根として構成されている。すなわち、上流側で大きな異物をある程度破砕して細かくすることで、下流側の水車への影響を最小限に抑える。

なお、発電装置１ａ，１ｂ及び電力制御装置５ａ，５ｂの構成及び動作については、前記第１の実施形態と同じであるため説明は省略する。

このように、本実施形態に係る水力発電システムにおいては、河川や用水路等の水流の上流から下流に向かって複数設置された発電装置及び電力制御装置のうち、上流側から一部の水車の回転状態を検出し、当該一部の水車の回転が停止したことを検出した場合に、水車に連携する発電機をモータとして駆動させるため、発電機をモータとして駆動させる機能は、上流の一部の水車及び発電機についてのみ有していればよく、コストを抑えて効率よく異物を除去することができる。すなわち、上流側である程度異物の除去や粉砕がなされれば、下流側では細かい異物となるため、下流側にまで同等の機能を持った水力発電システムを設置する必要がなくなり、コストを抑えつつ異物の除去及び発電を効率よく行うことが可能になる。

なお、本実施形態においては、上流側から一部の発電装置１及び電力制御装置５のみに異物を除去する機能を有する構成としたが、全ての発電装置１及び電力制御装置５に異物を除去する機能を備え、水車羽根の強度を上流側から順次弱くする構成としてもよい。

１ａ〜１ｊ 発電装置
２ａ〜２ｊ 水車
３ 筐体
４ａ〜４ｊ 発電機
５ａ〜５ｊ 電力制御装置
６ システム制御装置
７ タッチパネル
８ バッテリ
９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２ コンバータ
１３ 商用電源
１４ インバータ
１５ 負荷
５１ 駆動切替制御部
５２ 回転数検出部
５３ 電力供給源

Claims (4)

1. 水流によって回転する水車と、
   前記水車に連携し当該水車の回転により発電を行う発電機と、
   前記水車の回転状態を検出する回転検出手段と、
   前記発電機をモータとして駆動させるための駆動制御手段とを備え、
   前記回転検出手段が、前記水車の回転が停止したことを検出した場合に、前記駆動制御手段が、前記発電機を前記モータとして駆動させて前記水車を回転させることを特徴とする水力発電システム。
2. 請求項１に記載の水力発電システムにおいて、
   前記水車が相互に逆方向に回転する２軸の水車からなり、
   前記駆動制御手段が前記発電機の駆動を前記モータに切り替えた場合に、前記水車の羽根が、当該水車の回転を阻害する回転阻害物を破砕する破砕羽根として機能することを特徴とする水力発電システム。
3. 請求項１又は２に記載の水力発電システムにおいて、
   前記発電機が系統電力又は蓄電池からの電力を供給可能に接続されており、
   前記発電機がモータとして駆動する場合に、前記系統電力又は前記蓄電池からの電力の供給を受けて前記モータとして駆動することを特徴とする水力発電システム。
4. 水流によって回転し、当該水流の上流から下流に向かって複数設置された水車と、
   前記水車に連携し当該水車の回転により発電を行う発電機とを少なくとも備える水力発電システムであって、
   前記複数の水車のうち、上流側から一部の水車の回転状態を検出する回転検出手段と、
   前記一部の水車に連携する前記発電機をモータとして駆動させるための駆動制御手段とを備え、
   前記回転検出手段が、前記一部の水車の回転が停止したことを検出した場合に、前記駆動制御手段が、前記一部の水車に連携する前記発電機を前記モータとして駆動させて前記水車を回転させることを特徴とする水力発電システム。

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