JP6885778B2 - 水力発電装置および発電システム - Google Patents

Description

この発明は、水力発電装置および発電システムに関し、特に小型の水力発電装置の制御に関する。

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の発電電圧を計測し、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。

上流より発電機に漂着するゴミや水草、枝、紐は、水車に絡まり発電量の低下の要因となる。このため、水力発電では、ゴミ対策が重要である。例えば、水車の上流にゴミを除去する装置を設置することが好ましい。

特開２０１３−１８９８３７号公報（特許文献１）、特開２０１４−２０２０９３（特許文献２）には、水力発電のゴミ対策についての技術が開示されている。

特開２０１３−１８９８３７号公報 特開２０１４−２０２０９３号公報

特開２０１３−１８９８３７号公報（特許文献１）は、水車設置場所より上流の水路に異物を除去する除塵設備を設置する例を開示している。しかしながら、小型で水路に手軽に設置可能な小水力発電装置では、このような大掛かりな除塵設備はコストアップの要因となるので使用することは難しい。このため、小水力発電装置には、例えばくし型のフィルタなど簡易的な除塵機を設置することが考えられる。

小水力発電装置において、簡易的な除塵機を設置した場合、多少のゴミや水草が水車に流れ込む場合がある。水車に流れ着いたゴミは、そのまま素通りするものもあれば、水車の水車翼（羽根）に引っかかるものもある。水車翼に引っかかったゴミは、水車翼の回転による水圧や遠心力、水流による水圧によって、水車翼に押し付けられた状態となり外れなくなる。水車に付着したゴミや水草が増えると発電力の低下を引き起こす。したがって、簡易的な除塵機は完全なゴミ対策とはならず、水車に付着したゴミの定期的な除去作業が必要となる。

一方、特開２０１４−２０２０９３（特許文献２）では、発電機をモータとして機能させ、異物を破砕する破砕羽として水車羽を使用しゴミを破砕して除去する方法が提案されている。このような対策であれば、大幅なコストアップが不要でゴミが除去できる。しかし、特開２０１４−２０２０９３（特許文献２）に開示された小水力発電装置には、以下の２点の課題がある。

第一に、発電機を電動機として駆動するために制御装置にインバータの機能を有する必要がある。一般的な発電機の制御装置は、整流回路とＤＣ／ＤＣコンバータの機能しか持たないので、このような機能を簡単に追加することは難しい。第二に、インバータを使用して発電機を電動機として機能させることは、本来の目的である発電ではなく、電力の消費である。電力を消費する電動機として発電機を機能させることは、本来の目的とする発電とは逆の動作であり、望むべき動作ではない。さらに、電動機として機能させるときの電源の確保も必要である。

この発明は、上記の課題を解決するためのものであって、その目的は、コストを抑えつつゴミや異物に対して保守容易な小型水力発電装置を提供することである。

本開示は、水力発電装置に関するものである。水力発電装置は、水車と、水車に連動する回転軸に制動力を作動させる電気式または機械式の制動装置と、制動力が増減するように制動装置の作動と解放とを繰り返す制御装置とを備える。制御装置は、水力発電装置の発電電力の流速に対応する電力からの低下量が第１の値である場合には、制動装置を第１回数作動させ、発電電力の低下量が第１の値よりも大きい第２の値である場合には、制動装置を第１回数よりも多い第２回数作動させる。

本開示で開示される他の局面の水力発電装置は、水車と、水車に連動する回転軸に制動力を作動させる電気式または機械式の制動装置と、制動力が増減するように制動装置の作動と解放とを繰り返す制御装置とを備える。制御装置は、発電電力が流速に対応する電力から低下した場合に、制動力が第１の増減パターンを示すように制動装置を作動させ、発電電力の回復が不十分であるときは、第１の増減パターンよりも減速度が大きい第２の増減パターンで制動装置を作動させる。

好ましくは、制動装置は、回転軸に固定された部材に摩擦力を与えるブレーキを含み、制御装置は、摩擦力を変動させることによって制動力を増減させる。

好ましくは、制動装置は、水車の回転によって発電を行なう発電機を含み、制御装置は、発電機から取り出す電力を増減させることによって制動力を増減させる。

好ましくは、制御装置は、水力発電装置の発電電力を低下させることによって水車の回転速度を増加させた後、制動装置の作動と解放とを繰り返す。

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。

本開示は、また、上記いずれか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を開示する。

本発明によれば、小型の水力発電装置において、コストの増加を抑えつつ、水車に付着したゴミ等を除去することが可能であり、発電量の低下を防ぐことができる。

また、水車翼にゴミや草が絡まりにくくなるため、水車設置場所より上流の水路に設置するゴミを除去する除塵機の必要が無くなるか、または除塵機のごみ除去作業回数を減らすことができ、水力発電システム全体の導入コストまたはランニングコストを抑えることが可能である。また、水路の水流を妨げなくなるため、溢水などの被害を引き起こすリスクが減少する。

本実施の形態に係る水力発電装置の構成を示す正面図である。 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。 図３の構成例において制御部が実行する制御を説明するためのフローチャートである。 ブレーキ前の発電電力と、ごみ除去運転後に回復したブレーキ後の発電電力の関係を示す図である。 ブレーキによる制動回数の検討を行なうためのグラフである。 ブレーキ前発電電力と、ゴミ除去運転のブレーキ作動回数との関係を示した図である。 水力発電装置の構成の変形例を示すブロック図である。 図８の構成において水車に付着したゴミを除去する制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２の水力発電装置において制御部が実行する制御を説明するためのフローチャートである。 第１制動パターンの第１例を示した波形図である。 第１制動パターンの第２例を示した波形図である。 第１制動パターンの第３例を示した波形図である。 第１制動パターンの第４例を示した波形図である。 第２制動パターンの例を示した波形図である。 実施の形態３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。

［実施の形態１］
＜水力発電装置の構成＞
図１は、本実施の形態に係る水力発電装置の構成を示す正面図である。図２は、本実施の形態に係る水力発電装置の構成を示す側面図である。

図１および図２に示す水力発電装置は、水流が持つ運動エネルギーを発電に利用し、既存の農業用水、水道用水、あるいは、工業用水などを流通する水路に設置可能な小型かつ軽量な水力発電システムである。

図１および図２に示すように、水力発電装置は、水車１と、増速機２と、発電機３と、支持部４０とを含む。

水車１は、水平方向の軸を回転中心とするプロペラ型の回転翼を有する。水車１は、水路内において水流の力を受けて回転する。

増速機２は、水車１に接続されている。増速機２は、水車１の回転速度を所定のギヤ比で増速するとともに、水平軸の回転を鉛直軸の回転に変換して発電機３に伝達する。

発電機３は、たとえば、３相同期発電機である。発電機３は、増速機２を介して水車１に連結される。発電機３は、ロータとステータ（いずれも図示せず）とを含む。発電機３は、水車１の回転によりロータが回転することによって交流電力を発電する。発電機３の発電電力は、制御装置１００（図３参照）によって制御される。

支持部４０は、水車１と増速機２と発電機３とを支持する。支持部４０は、２本の梁４０ａ，４０ｂと、架台４０ｃと、支柱４０ｄと、ベース板４０ｅとを含む。

２本の梁４０ａ，４０ｂは、互いに平行な位置関係になるように配置される。２本の梁４０ａ，４０ｂの中央部において、２本の梁４０ａ，４０ｂの両方の上部に載置されるように架台４０ｃが設けられる。２本の支柱４０ｄは、架台４０ｃの一方端部と他方端部とにそれぞれ配置されている。２本の支柱４０ｄの上部を繋ぐようにベース板４０ｅが配置されている。

発電機３は、架台４０ｃとベース板４０ｅとの間に配置され、ベース板４０ｅに固定される。架台４０ｃの下側には、架台４０ｃの位置に対する水車１および増速機２の位置を固定する支柱が設けられる。支柱内部には、増速機２と発電機３とを接続する回転軸が収納される。２本の梁４０ａ，４０ｂが水路の幅方向に沿って水路の側壁上方に配置される場合、水車１は、支持部４０によって水路内の所定位置に固定される。

＜水力発電装置の制御構成について＞
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を参照して、本実施の形態に係る水力発電装置は、水車１と、増速機２と、発電機３と、回転速度検出器６と、制動装置１２と、流速計１４と、制御装置１００とを含む。制御装置１００は、制御部７と、整流回路４と、ＤＣ／ＡＣコンバータ１０とを含む。制御部７は、整流回路４およびＤＣ／ＡＣコンバータ１０を制御するとともに、制動装置１２を制御する。

水車１は、流水の力で回転する。水車１には増速機２を介して発電機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。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４によって直流出力に変換され、直流出力は後段のＤＣ／ＡＣコンバータ１０に出力される。

なお、ここでは具体例として発電機３が３相同期発電機である場合について説明するが、発電機の型式はこれに限定されず、３相誘導発電機や直流発電機など、任意の型式の発電機を、発電機の型式に対応した制御装置と組合せて使用することができる。

制動装置１２としては、運動エネルギーを摩擦により熱に変換する機械式ブレーキを使用することができる。たとえば、制動装置１２として機械式ブレーキ（電磁ブレーキ、ディスクブレーキ等）および流体式ブレーキ等を使用することができる。制動装置１２で発生させる制動力を増減させることによって、水車１の回転速度を増減または回転を停止させることができる。また、制動装置１２の代わりに発電機等の短絡による電気式ブレーキで水車の制動と解放を行っても良い。

制御部７は、流速計１４で水流の状態を計測しつつ、発電機３の状態を計測している。ゴミが絡まった場合、制御装置１００は、流速が十分であるにもかかわらず、水車１の回転速度が低下したことまたは発電量が低下したことを観測することができる。この時、制御装置１００は、制動装置１２に制動（回転速度減）と解放（回転速度増）を繰り返す制御を行なう。水車翼に絡みついたゴミや水草は、水車１の回転速度が減少した時に、水車翼の回転による水圧や遠心力が弱まり、水車１から浮き上がる。一方、回転速度が増加した時には、水車１の回転が加速するため水圧や遠心力が上昇し、より強い力がゴミや水草にかかるため、ゴミ等が水車翼に付着している位置がずれる。発電機３の制動と解放を繰り返すとゴミ等が水車翼から浮き上がりやすくなり、水流による下流へ押し流す力が作用し、ゴミ等が下流へ流される。

なお、流速や水量を監視しない場合であれば、ある時間が経過する毎に上記の制御を行なうようにしても良い。

図４は、図３の構成例において制御部が実行する制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、発電機制御のメインルーチンから一定時間ごとに呼び出されて実行される。図３、図４を参照して、ステップＳ１において、制御部７は、ゴミ除去運転条件が成立したか否かを判断する。

ゴミ除去運転条件は、水車１にゴミが付着した可能性が高まった場合に成立する。たとえば、以下の条件（１）〜（４）のいずれか１つが成立したときに、制御部７は、ゴミ除去運転条件が成立したと判断する。なお、条件（１）〜（４）のうち、２つまたはそれ以上を組み合わせた条件が成立した場合に、制御部７は、ゴミ除去運転条件が成立したと判断しても良い。

条件（１）：ある一定の時間における水力発電装置の平均発電電力がしきい値よりも低下したこと。条件（２）：ある一定の時間における水車１の平均回転速度が低下して、しきい値を下回ったこと。条件（３）：ある一定の時間における水力発電装置の平均発電電圧がしきい値よりも低下したこと。条件（４）：前回のゴミ除去運転条件成立時（または解除時）から所定の時間が経過したこと。

なお、上記の発電電力、回転速度および発電電圧のしきい値は、水路の大きさや流速によって変更することが好ましい。上記の（１）〜（４）以外であっても、平均発電電力の低下量、平均電流、平均回転トルクなどに基づいて運転条件を判断しても良い。

ステップＳ１において、ゴミ除去運転条件が成立しないと判断された場合（Ｓ１でＮＯ）、制御部７は、ステップＳ１０に処理を進める。この場合、制御はメインルーチンに戻される。

一方、ステップＳ１において、ゴミ除去運転条件が成立したと判断された場合（Ｓ１でＹＥＳ）、制御部７は、ステップＳ２〜Ｓ９に示されるゴミ除去運転を実行する。

ゴミ除去運転では、制御部７は、制動装置１２の制動力を増減させる。たとえば、制御部７は、回転速度検出器６によって発電機３の回転速度の低下を検出した時、制動力が最大値とゼロとを繰り返すように制動装置１２への指令信号を出力することによって、水車１の減速と加速を繰り返す。

このとき、発電電力の回復を図りつつ、制動装置１２の寿命をなるべく伸ばすため、制動力の増減回数をゴミの付着状況に応じて変えることが望ましい。制動力の増減回数は、ブレーキをＯＮ／ＯＦＦさせる以下の制御ではカウンタの上限値に相当する。ゴミの付着量は、発電電力の低下量と相関があるので、ステップＳ２では、制御部７は、発電電力の低下量に対応するカウンタ上限値を設定する。

以下に、発電量の低下量と制動力の増減回数をどのように対応させるかについて説明する。図５は、ゴミ除去運転前の発電電力と、ごみ除去運転後に回復した発電電力との関係を示す図である。

図５に示すように、ゴミ除去運転前発電電力が０〜３０％の間は、ゴミ除去運転を行なっても、ほとんど発電電力は変わらない。これに対して、ゴミ除去運転前発電電力が４０％では、ゴミ除去運転を行なうと、発電電力は、６０％まで回復する。

さらに、ゴミ除去運転前発電電力が５０％でゴミ除去運転を行なうと、発電電力は、９０％まで回復する。また、ゴミ除去運転前発電電力が６０％以上の状態でゴミ除去運転を行なうと、発電電力は１００％まで回復する。

ゴミ除去制御において、水車翼に絡んでいるゴミの量が多いほど、ゴミを除去し難くなる。これは、ゴミが水車翼に複雑に絡んでいるため、および、ゴミが多いほど水車翼の回転速度が低いので制動をかけた際のゴミの慣性力が十分に得られず、ゴミが浮き上がらないためであると考えられる。

以上の結果より、ごみ除去運転は、発電電力が５０％に低下する前に行なうことが効果的であることが分かる。したがって、上述の条件（１）〜（３）は、発電電力５０％、好ましくは６０％に対応するように各条件のしきい値を定めると良い。

図６は、ブレーキによる制動回数の検討を行なうためのグラフである。図６において、縦軸はブレーキ後発電電力（％）を示し、横軸は制動回数を示し、ブレーキ前発電電力（％）が、２０％、３０％、４０％、５０％、７０％、９０％の６通りのデータがプロットされている。

図６では、ブレーキ前発電電力が２０％および３０％の場合には、ブレーキを何回作動させても発電電力は増加しておらず、ゴミが除去されないことが分かる。ブレーキ前発電電力が４０％の場合には、ブレーキを作動させると発電電力は多少回復するが、６０％以上は増加しない。

ブレーキ前発電電力が５０％の場合には、ブレーキを作動させると４回までは発電電力は増加回復するが、４回以上作動させても９０％以上は増加しない。

ブレーキ前発電電力が７０％の場合には、ブレーキを作動させると３回までは発電電力は増加回復し、３回で１００％となる。ブレーキ前発電電力が９０％の場合には、ブレーキを作動させると２回までは発電電力は増加回復し、２回で１００％となる。

ブレーキは、作動回数が多いと寿命が短くなるので、水力発電装置のように長期に連続して使用される設備では、発電電力の回復とブレーキの寿命維持の兼ね合いから適切な作動頻度とすることが望まれる。そこで、本実施の形態では、発電電力の低下率によってブレーキの作動頻度を変更することとした。

図７は、ブレーキ前発電電力と、ゴミ除去運転のブレーキ作動回数との関係を示した図である。図５で説明したように、有効に電力を回復させるために、発電電力が５０％以上である段階でごみ除去運転を実行する。この場合、図６の関係を考慮し、ゴミ除去運転実行時にゴミ除去運転前発電電力が９０％の場合にはブレーキ作動回数を３回とし、ゴミ除去運転前発電電力が７０％の場合にはブレーキ作動回数を４回とし、ゴミ除去運転前発電電力が５０％の場合にはブレーキ作動回数を６回とする。このように、ゴミ除去運転前発電電力が低下するほど、ブレーキ作動回数を多くする。

図４に戻って、ステップＳ２において、制御部７は、図７に示す関係に示す除去運転回数に基づいて、発電電力の低下量に対応する数値にカウンタ上限値（ブレーキ回数）を決定する。続いて、ステップＳ３において、制御部７は、内蔵するカウンタをクリアする。このカウンタは、繰返しの回数を計測するためのカウンタである。続いて、ステップＳ４において、制御部７は、制動装置１２が制動力を発生させるように指令信号ＳＢを設定する（ブレーキＯＮ）。その後ステップＳ５において、制御部７はブレーキＯＮ状態において設定時間（たとえば１〜１０秒）が経過するまで待つ。

次に、ステップＳ６において、制御部７は、制動装置１２が制動力を発生させないように指令信号ＳＢを設定する（ブレーキＯＦＦ）。その後ステップＳ７において、制御部７はブレーキＯＦＦ状態において設定時間（たとえば１〜１０秒）が経過するまで待つ。

続いて制御部７は、ステップＳ８においてカウンタをインクリメントし、ステップＳ９において、カウンタのカウント値が上限値（増減繰返しの設定回数）に達したか否かを判断する。ステップＳ９において、カウント値がまだ上限値に達していなければ、制御部７は処理をステップＳ４に戻し、再びブレーキをＯＮさせる。

一方、ステップＳ９において、カウント値が上限値に達した場合には、ステップＳ１０に処理が進められ、１回あたりのゴミ除去運転が終了する。

本実施の形態では、水力発電装置の増速機２と発電機３とを連結する回転軸に制動装置１２を設置し、制動装置１２のオンとオフを繰り返す。これによって、水車１の回転速度を変化させる。水車１に付着した異物を加速時に力を加え、減速時に浮き上がらせ、水流の力で下流に流すことにより、異物を取り除くことができる。したがって、異物が原因で低下した発電量を回復する効果がある。

なお、本実施の形態では、Ｓ５の設定時間、Ｓ７の設定時間は、カウンタの上限値まで繰り返す間、固定値を採用しているが、設定時間を変化させても良い。

図８は、水力発電装置の構成の変形例を示すブロック図である。図８を参照して、変形例の水力発電装置は、水車１と、増速機２と、発電機３と、回転速度検出器６と、流速計１４と、制御装置１００Ａとを含む。

制御装置１００Ａは、制御部７Ａと、整流回路４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９と、ＤＣ／ＡＣコンバータ１０とを含む。水車１、発電機３、整流回路４、回転速度検出器６は図３に示したものと同じであるため説明は繰り返さない。

制御部７Ａは、電流指令信号ＳＡをＤＣ／ＤＣコンバータ９へ出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、電流指令信号ＳＡの指令に従い、整流回路４の出力から電力を取り出し、ＤＣ／ＡＣコンバータ１０に指令通りの電流を出力する。これに伴いＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧が上昇する。ＤＣ／ＡＣコンバータ１０は後段に電力を出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧が上昇すると、ＤＣ／ＡＣコンバータ１０はより多くの電力を後段に出力することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧の上昇を抑えるように構成されている。

水車１から取り出すことができる最適な電力は、水車１が受ける水の流速で決まる。流速と発電機３の回転数は、ほぼ比例する。発電機３の回転速度を検出することによって、最適な電力を決定することができる。もし、最適な電力より過大な電力を発電機３から取り出すと、発電機３の回転速度は低下する。この時、発電機３と連結された水車１の回転速度も同様に低下する。逆に、発電機３から取り出す電力を最適値より少なく例えばゼロにすると、発電機の回転速度は上昇し、発電機３と連結された水車１の回転速度同様に上昇する。

したがって、発電機３から取り出す電力を増減させることによって、水車１の回転速度を増減させることができる。

図９は、図８の構成において水車に付着したゴミを除去する制御を説明するためのフローチャートである。図８、図９を参照して、ステップＳ１１において、制御部７Ａは、ゴミ除去運転条件が成立したか否かを判断する。

ゴミ除去運転条件は、水車１にゴミが付着した可能性が高まった場合に成立する。具体的な条件（条件（１）〜（４）またはこれらの組み合わせ）については、既に説明したものが適用できるので、ここでは説明は繰り返さない。

ステップＳ１１において、ゴミ除去運転条件が成立しないと判断された場合（Ｓ１１でＮＯ）、制御部７Ａは、ステップＳ２０に処理を進める。この場合、制御はメインルーチンに戻される。

一方、ステップＳ１１において、ゴミ除去運転条件が成立したと判断された場合（Ｓ１１でＹＥＳ）、制御部７Ａは、ステップＳ１２〜Ｓ１９に示されるゴミ除去運転を実行する。

ステップＳ１２では、制御部７Ａは、図７に示す関係に示す除去運転回数に基づいて、発電電力の低下量に対応する数値にカウンタ上限値を決定する。続いて、制御部７Ａは、ゴミ除去運転としてＤＣ／ＤＣコンバータ９への電流指令値を増減させる。たとえば、制御部７Ａは、回転速度検出器６より発電機３の回転速度の低下を検出した時、出力電流が最大値とゼロとを繰り返すように電流指令信号ＳＡを出力することによって、水車１の減速と加速を繰り返す。

具体的には、ステップＳ１３において、制御部７Ａは、内蔵するカウンタをクリアする。このカウンタは、繰返しの回数を計測するためのカウンタである。続いて、ステップＳ１４において、制御部７Ａは、ＤＣ／ＤＣコンバータ９が出力電流を最大とするように電流指令信号ＳＡを設定して、その後ステップＳ１５において、制御部７Ａは設定時間（たとえば１〜３秒）待つ。ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電流が最大となっている間、大きな電力が消費され、発電機３に大きな制動力を発生させることとなる。

次に、ステップＳ１６において、制御部７Ａは、ＤＣ／ＤＣコンバータ９が出力電流をゼロとするように電流指令信号ＳＡを設定し、その後ステップＳ１７において、制御部７Ａは設定時間（たとえば１〜３秒）待つ。この場合は、電流指令信号ＳＡが最大電流に設定される場合よりも発電機３の負荷は軽くなるので、発電機３の回転速度は上昇する。

続いて制御部７Ａは、ステップＳ１８においてカウンタをインクリメントし、ステップＳ１９において、カウンタのカウント値が上限値（増減繰返しの設定回数）に達したか否かを判断する。ステップＳ１９において、カウント値がまだ上限値に達していなければ、制御部７Ａは処理をステップＳ１４に戻し、再び出力電流を最大にするように電流指令信号ＳＡを設定する。

一方、ステップＳ１９において、カウント値が上限値に達した場合には、ステップＳ２０に処理が進められ、１回あたりのゴミ除去運転が終了する。

実施の形態１の変形例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の電流指令値を増減させることによって、水力発電装置の水車１と連動する発電機３の負荷を変動させる。これによって、発電機３の回転速度を変化させ、発電機３に連動する水車１の回転速度を変化させる。水車１に付着した異物を加速時に力を加え、減速時に浮き上がらせ、水流の力で下流に流すことにより、異物を取り除くことができる。したがって、異物が原因で低下した発電量を回復する効果がある。

［実施の形態２］
実施の形態１では、制動力の増減回数を、発電電力の低下量に対応して定めることによって、ゴミ除去を効果的に行ないつつ、ブレーキ寿命を延長するようにした。これに対して、実施の形態２では、制動力を与えるパターンを変化させる。

図１０は、実施の形態２の水力発電装置において制御部が実行する制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、発電機制御のメインルーチンから一定時間ごとに呼び出されて実行される。

図３、図１０を参照して、まずステップＳ５１において、制御部７は、ゴミ除去運転条件が成立したか否かを判断する。

ゴミ除去運転条件は、水車１にゴミが付着した可能性が高まった場合に成立する。具体的な条件（条件（１）〜（４）またはこれらの組み合わせ）については、既に説明したものが適用できるので、ここでは説明は繰り返さない。

ステップＳ５１において、ゴミ除去運転条件が成立しないと判断された場合（Ｓ５１でＮＯ）、制御部７は、ステップＳ５５に処理を進める。この場合、制御はメインルーチンに戻される。

一方、ステップＳ５１において、ゴミ除去運転条件が成立したと判断された場合（Ｓ５１でＹＥＳ）、制御部７は、ステップＳ５２〜Ｓ５４に示されるゴミ除去運転を実行する。

ステップＳ５２では、第１制動パターンで水車１を減速する制御が行なわれる。第１制動パターンは、制動装置１２の負荷が比較的小さい制動パターンである。その後ステップＳ５３において、発電電力が判定値まで回復しない場合には、ステップＳ５４に処理が進められ、第２制動パターンで水車１を減速する制御が行なわれた後に制御はメインルーチンに戻される。第２制動パターンは、第１制動パターンよりも制動装置の負荷が大きい制動パターンである。一方、ステップＳ５３において、発電電力が判定値まで回復した場合には、ステップＳ５４の処理は実行されず、ステップＳ５５に処理が進められ制御はメインルーチンに戻される。

図１１は、第１制動パターンの第１例を示した波形図である。図１２は、第１制動パターンの第２例を示した波形図である。図１３は、第１制動パターンの第３例を示した波形図である。図１４は、第１制動パターンの第４例を示した波形図である。図１５は、第２制動パターンの例を示した波形図である。

図１５に示す第２制動パターンは、回転している水車１に対して急ブレーキをかけて回転を一旦止め、その後にブレーキを解放する制御を繰り返すものである。これに対して、図１１〜図１４に示す波形では、図１５よりもゆっくりブレーキを掛けているか、または、停止に至る前にブレーキを解放している。

図１５に示す第２制動パターンのようにｔ４１，ｔ４４における制動力（負の角加速度）を大きくした方が、また、水車翼の回転速度を０まで減速したほうが、水車翼とゴミの速度差が大きくなり、より確実にゴミを除去することができる。さらに制動制御の回数も多いほうが、より多くのゴミを除去することができる。しかし、常時図１５の波形を繰り返し与えるのでは、制動装置１２も耐久性が高く大型のものを使用する必要があるとともに、制動装置１２に与える衝撃が大きく制動装置１２の寿命が短縮される。また、制動装置１２の作動中は発電電力が減少する。

そのため、まず、制御部７は、制動装置１２に対して負荷が軽い第１制動パターンでゴミ除去を試み、それでも電力が回復しない場合には、第２制動パターンを適用する。第１制動パターンには種々の例が考えられるので、図１１〜図１４に図示して説明する。

図１１に示した例では、時刻ｔ１の減速度合いは図１５と変わらないが、回転速度がＮ１からＮ２に低下したところで、制動力を保ち、時刻ｔ２で解放している。

また、図１２に示した例では、時刻ｔ１１〜ｔ１２の減速度合いが図１５よりもゆっくりであり、制動装置１２の制動トルクは小さくて済む。

図１３に示した例では、時刻ｔ２１〜ｔ２２の減速度合いが図１５よりもゆっくりであり、また時刻ｔ２２においてすぐ制動装置１２を解放しているので、発電量の低下も少なくて済む。

図１４に示した例では、時刻ｔ３１〜ｔ３２の減速期間において、階段状に回転速度をＮ１からＮ２まで低下させている。これは、水車の慣性力が大きく、急ブレーキを掛けるのが難しく、かつ制動力の制御を連続的に行うことが難しい場合に有効である。このように、制動時間を短くして何度も制動を行なうことによって、ゴミ除去運転制御による衝撃荷重を低減し機械部品の破損を防ぐことができる。

なお、上記の実施の形態２の説明では、図３に示した水力発電装置に適用した例を示したが、図８に示した水力発電装置にも同様な制御が適用可能である。

［実施の形態３］
以上説明した実施の形態１〜２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３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実施の形態１または２を変形して適用が可能であることを説明する。

図１６は、実施の形態３に係る水力発電装置の概略形状を示す正面図である。図１６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１５に示した制御装置、フローチャート、制動パターンについては、図１６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１５に示した制御装置、フローチャート、制動パターンについては、実施の形態１〜２において説明したので、ここでは説明を繰り返さない。

垂直軸型の水車１Ａは、図１６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３に係る水力発電装置でも、発電機３の回転速度を変化させ、発電機３に連結した水車１Ａの回転速度を変化させることができる。水車１Ａに付着した異物を加速時に力を加え、減速時に浮き上がらせ、水流の力で下流に流すことにより、異物を取り除くことができる。したがって、異物が原因で低下した発電量を回復する効果がある。

一部が上記説明と重複する部分もあるが、最後に実施の形態１〜３について総括する。本実施の形態の水力発電装置は、水車１と、水車１に連動する回転軸に制動力を作動させる電気式または機械式の制動装置１２と、制動力が増減するように制動装置１２の作動と解放とを繰り返す制御装置１００とを備える。図７に示すように、制御装置１００は、発電機３の発電電力の流速に対応する電力からの低下量が第１の値である場合には、制動装置１２を第１回数作動させ（たとえば、流速に対応する電力を１００％とし、それから１０％低下した９０％の場合、３回作動）、発電電力の低下量が第１の値よりも大きい第２の値である場合には、制動装置１２を第１回数よりも多い第２回数作動させる（たとえば、３０％低下した７０％の場合４回作動、５０％低下した場合６回作動させる）。

このように、水力発電装置の水車と連結した回転制動装置を設置し、水車翼に制動（回転速度減）と解放（回転速度増）を繰り返すことで、水車翼の回転速度を変化させる。水車翼に絡みついたゴミや草は、水車の回転速度が減少した時に、水車翼の回転による水圧や遠心力が弱まり、慣性力によって水車翼から浮き上がる。制動と解放を繰り返すと浮き上がりやすくなり、水流によって下流へ押し流す力が作用し、下流へ流される。なお、発電電力の低下量ΔＰについては、割合（％）で表しても良く、電力（Ｗ）で表しても良い。

好ましくは、図３に示すように、制動装置１２は、水車の回転軸に固定された部材に摩擦力を与えるブレーキ（機械式の摩擦ブレーキ）を含む。制御装置１００は、摩擦力を変動させることによって制動力を増減させる。

好ましくは、図８に示すように、制動装置は、水車の回転によって発電を行なう発電機３を含む。図９に示すように、制御装置１００Ａは、発電機から取り出す電力を増減させることによって制動力を増減させる。

なお、水車１の回転速度が所定の回転速度から、制動力を増減することを繰り返し、水車１の速度変動幅が十分得られることが望ましい。水車１が受ける水の流速は、長期的には大きく変動し、降雨量の少ない季節では、大きく低下する場合がある。これに伴い、水車１の回転速度も低下し、水車１の回転速度が低下した状態から、制動力の増減動作を繰り返しても、水車１の回転速度の変動幅が小さく、所定のゴミ除去の効果が得られない場合がある。このように水車１の回転速度が低下している場合には、発電機３から取り出す電力を低下させ（発電負荷を低下させ）、水車１の回転速度を増加させた後、制動装置１２の作動と解放とを繰り返すことが望ましい。

好ましくは、図１、図２に示すように、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、図１６に示すように、水車は、垂直軸型の回転翼を有する。
本開示で開示される他の局面の水力発電装置は、水車１と、水車と連動する回転軸に制動力を作動させる電気式または機械式の制動装置１２と、制動力が増減するように制動装置１２の作動と解放とを繰り返す制御装置１００とを備える。図１０に示すように、制御装置１００は、発電電力が流速に対応する電力よりも低下した場合に、制動力が第１の増減パターン（図１２〜図１４のいずれか）を示すように制動装置１２を作動させ、発電電力の回復が不十分であるときには、第１の増減パターンよりも減速度が大きい第２の増減パターン（図１５）で制動装置を作動させる。

本開示は、また、上記いずれか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を開示する。

以上のように制動回数または制動パターンを定めることによって、制動装置等の保護を図りつつ、ゴミ等の水車翼への付着に起因する発電量の著しい低下を防ぐことができる。

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 増速機、３ 発電機、４ 整流回路、６ 回転速度検出器、７，７Ａ 制御部、９，１０ コンバータ、１２ 制動装置、１４ 流速計、４０ 支持部、４０ａ，４０ｂ 梁、４０ｃ 架台、４０ｄ 支柱、４０ｅ ベース板、１００，１００Ａ 制御装置。

Claims (14)

1. 水力発電装置であって、
   水車と、
   前記水車と連動する回転軸に制動力を作動させる電気式または機械式の制動装置と、
   前記制動力が増減するように前記制動装置の作動と解放とを繰り返す制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記水力発電装置の発電電力の流速に対応する電力からの低下量が第１の値である場合には、前記制動装置を第１回数作動させ、前記発電電力の低下量が前記第１の値よりも大きい第２の値である場合には、前記制動装置を前記第１回数よりも多い第２回数作動させる、水力発電装置。
2. 前記制動装置は、前記回転軸に固定された部材に摩擦力を与えるブレーキを含み、
   前記制御装置は、前記摩擦力を変動させることによって前記制動力を増減させる、請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記制動装置は、前記水車の回転によって発電を行なう発電機を含み、
   前記制御装置は、前記発電機から取り出す電力を増減させることによって前記制動力を増減させる、請求項１に記載の水力発電装置。
4. 前記制御装置は、前記水力発電装置の発電電力を低下させることによって前記水車の回転速度を増加させた後、前記制動装置の作動と解放とを繰り返す、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１〜４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。
8. 水力発電装置であって、
   水車と、
   前記水車に連動する回転軸に制動力を作動させる電気式または機械式の制動装置と、
   前記制動力が増減するように前記制動装置の作動と解放とを繰り返す制御装置とを備え、
   前記制御装置は、発電電力が流速に対応する電力から低下している場合に前記回転軸の回転速度が第１の増減パターンを示すように前記制動装置を作動させ、発電電力が判定値まで回復しない場合には、前記回転軸の回転速度が第２の増減パターンを示すように前記制動装置を作動させ、
   前記第１の増減パターンは、第１回転速度から前記第１回転速度よりも低い第２回転速度まで前記回転軸の回転速度を減少させる第１部分を含み、
   前記第２の増減パターンは、前記第１回転速度から前記第１回転速度よりも低い第３回転速度まで前記回転軸の回転速度を減少させる第２部分を含み、
   前記第３回転速度が前記第２回転速度よりも低いか、または、前記第２部分は前記第１部分よりも減速度が大きい、水力発電装置。
9. 前記制動装置は、前記回転軸に固定された部材に摩擦力を与えるブレーキを含み、
   前記制御装置は、前記摩擦力を変動させることによって前記制動力を増減させる、請求項８に記載の水力発電装置。
10. 前記制動装置は、前記水車の回転によって発電を行なう発電機を含み、
    前記制御装置は、前記発電機から取り出す電力を増減させることによって前記制動力を増減させる、請求項８に記載の水力発電装置。
11. 前記制御装置は、前記水力発電装置の発電電力を低下させることによって前記水車の回転速度を増加させた後、前記制動装置の作動と解放とを繰り返す、請求項８に記載の水力発電装置。
12. 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８〜１１のいずれか１項に記載の水力発電装置。
13. 前記水車は、垂直軸型の回転翼を有する、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の水力発電装置。
14. 請求項８〜１１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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