JP7017486B2 - Hydropower and power generation systems - Google Patents
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Description
本発明は、水力発電装置および発電システムに関する。 The present invention relates to a hydroelectric power generation device and a power generation system.
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装置である。水力発電装置は、主な構成として、水路を流れる水の力を受けて回転する水車と、水車と連結されて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(発電量)を制御する制御装置とを含む。 A hydroelectric power generation device is a device that uses the kinetic energy of running water for power generation. The main components of a hydroelectric power generator are a water turbine that rotates under the force of water flowing through a water channel, a generator that is connected to the water turbine to convert rotational energy into electrical energy, and the output (power generation amount) of the generator. Includes a control device to control.
こうした水力発電装置を農業用水路等で使用する場合、上流より漂着する水草、枝、紐状のゴミ等の異物が、水車に絡まり発電量を低下させる要因となり得る。このため、水力発電装置では、異物対策が重要になる。たとえば、特開2013-189837号公報(特許文献1)は、異物を除去するための除塵設備を水車の設置場所よりも上流の水路に設置する例を開示している。 When such a hydroelectric power generation device is used in an agricultural waterway or the like, foreign substances such as aquatic plants, branches, and string-shaped dust drifting from the upstream may become entangled in the water turbine and reduce the amount of power generation. For this reason, it is important to take measures against foreign matter in hydroelectric power generation equipment. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-189837 (Patent Document 1) discloses an example in which a dust removing device for removing foreign matter is installed in a water channel upstream of the installation location of a water turbine.
小型で水路に手軽に設置可能な小水力発電装置において、上記特許文献1に記載されるような大掛かりな除塵設備を使用することはコストアップにつながる。このため、小水力発電装置では、簡易的な除塵機を設置することが考えられる。
In a small hydroelectric power generation device that is small and can be easily installed in a waterway, using a large-scale dust removal facility as described in
しかしながら、水車の上流に簡易的な除塵機(たとえば、くし型のフィルタ)を設置した場合、多少の異物(水草やゴミ等)は水車に流れ込むと考えられる。水車に流れ着いた異物は、そのまま素通りするものもあれば、水車の羽根(水車翼)に引っかかるものもある。水車翼に引っかかった異物は、水流による水圧等によって水車翼に押し付けられた状態となり、水車翼から外れにくくなる。異物は上流より次々と水車に漂着するため、時間の経過に伴って水車翼に付着する異物の量は増える。そして、水車翼に付着した異物が増えると、水車翼の回転速度が低下することによって水力発電装置の発電能力(ひいては、発電量)が低下し得る。したがって、簡易的な除塵機は完全な異物対策とはならず、こうした除塵機を水車の上流に設置した場合でも、水車に付着した異物の定期的な除去作業が必要になると考えられる。上記のように水車翼に押し付けられた異物は水車翼から外れにくいため、上記の水力発電装置の保守は容易ではないと考えられる。 However, if a simple dust remover (for example, a comb-shaped filter) is installed upstream of the turbine, it is considered that some foreign matter (aquatic plants, dust, etc.) will flow into the turbine. Some of the foreign substances that have flowed to the water turbine pass through as they are, while others are caught by the blades of the water turbine (water turbine blades). The foreign matter caught on the turbine wing is pressed against the turbine wing by the water pressure caused by the water flow or the like, and is difficult to be removed from the turbine wing. Since foreign matter is washed ashore on the turbine one after another from the upstream, the amount of foreign matter adhering to the turbine blades increases with the passage of time. When the amount of foreign matter adhering to the turbine blades increases, the rotation speed of the turbine blades decreases, which may reduce the power generation capacity (and thus the amount of power generation) of the hydroelectric power generation device. Therefore, a simple dust remover is not a complete countermeasure against foreign matter, and even if such a dust remover is installed upstream of the water turbine, it is considered that regular removal work of foreign matter adhering to the water turbine is required. Since the foreign matter pressed against the turbine blade as described above does not easily come off from the turbine blade, it is considered that the maintenance of the hydroelectric power generation device is not easy.
本発明は、上述の課題を解決するためのものであって、その目的は、水路を流れる異物に起因した発電能力の低下を抑制するための処理を低コストで容易に行なうことができる水力発電装置および発電システムを提供することである。 The present invention is for solving the above-mentioned problems, and an object thereof is hydroelectric power generation capable of easily performing a process for suppressing a decrease in power generation capacity due to foreign matter flowing in a water channel at low cost. It is to provide equipment and power generation systems.
本発明に係る水力発電装置は、水力発電モジュールと、駆動部と、制御装置とを備える。水力発電モジュールは、水路を流れる水の力を利用して回転する水車翼を備える水車と、水車翼の回転力を利用して発電する発電機とを含む。駆動部は、次に示すような第1の状態および第2の状態になるように水力発電モジュールを動かすことができるように構成される。 The hydroelectric power generation device according to the present invention includes a hydroelectric power generation module, a drive unit, and a control device. The hydroelectric power generation module includes a turbine having a turbine wing that rotates by using the power of water flowing through a water channel, and a generator that generates electricity by using the rotational force of the turbine wing. The drive unit is configured to be able to move the hydroelectric power generation module into the first and second states as shown below.
第1の状態は、水車翼の少なくとも一部が水路の水中に存在して水路を流れる水の力を受けて水車翼が回転し、発電機により発電が行なわれる状態である。第2の状態は、水車翼の少なくとも一部が水路の水面よりも上に存在し、かつ、水車に対する水路の水面の位置が第1の状態よりも低い状態である。 The first state is a state in which at least a part of the turbine blades exists in the water of the water channel, the turbine wings rotate under the force of water flowing through the water channel, and power is generated by a generator. The second state is a state in which at least a part of the turbine blades is above the water surface of the water channel and the position of the water surface of the water channel with respect to the water wheel is lower than that of the first state.
制御装置は、上記の駆動部を制御するように構成される。そして、制御装置は、水力発電モジュールが第1の状態であるときに所定の引上げ条件が成立すると、水力発電モジュールを第2の状態にするように構成される。 The control device is configured to control the above-mentioned drive unit. Then, the control device is configured to put the hydroelectric power generation module in the second state when a predetermined pulling condition is satisfied when the hydroelectric power generation module is in the first state.
なお、水路は、用水路(人工的に造られた水路)であってもよいし、川であってもよいし、海であってもよい。 The waterway may be an irrigation canal (artificially created waterway), a river, or the sea.
本発明に係る発電システムは、上記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または波力発電を行なうように構成される。 The power generation system according to the present invention is configured to perform marine current power generation, tidal power generation, or wave power generation that converts the kinetic energy of running water into electric power by using the above-mentioned hydroelectric power generation device.
本発明によれば、水路を流れる異物に起因した発電能力の低下を抑制するための処理を低コストで容易に行なうことができる水力発電装置および発電システムを提供することが可能になる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it becomes possible to provide a hydroelectric power generation device and a power generation system capable of easily performing a process for suppressing a decrease in power generation capacity due to foreign matter flowing in a water channel at low cost.
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、その説明は繰り返さない。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are given the same reference numbers, and the description thereof will not be repeated.
以下で用いられる各図において、互いに直交するX軸、Y軸、およびZ軸のうち、X軸は水路の幅方向を、Y軸は水流方向を、Z軸は鉛直方向を示している。以下、Z1側を「下」、Z2側を「上」と称する場合がある。 In each of the figures used below, of the X-axis, Y-axis, and Z-axis orthogonal to each other, the X-axis indicates the width direction of the water channel, the Y-axis indicates the water flow direction, and the Z-axis indicates the vertical direction. Hereinafter, the Z1 side may be referred to as "lower" and the Z2 side may be referred to as "upper".
図1は、本実施の形態に係る水力発電装置100を示す斜視図である。図2は、本実施の形態に係る水力発電装置100の水車10近傍の構造を示す側面図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a hydroelectric
図1および図2を参照して、水力発電装置100は、軸流式の小水力発電装置であり、1000kW以下の水力発電を行なうように構成される。水力発電装置100は、水力発電モジュールMと、水力発電モジュールMを動かす駆動部とを備える。駆動部によって水力発電モジュールMの姿勢を変えることができる。水力発電モジュールMは、水車10と、発電機20と、支柱21と、ギアボックス22と、ブレーキ装置30とを含む。また、駆動部は、回転梁110と、回転梁110を駆動するモータ120と、架台23と、台座24,143と、支持部材25,141,142とを含む。なお、本実施の形態に係るモータ120は、本発明に係る「アクチュエータ」の一例に相当する。また、本実施の形態に係る架台23、台座24、および支持部材25は、本発明に係る「支持台」の一例に相当する。
With reference to FIGS. 1 and 2, the hydroelectric
水車10は、複数の水車翼11(たとえば、5つの水車翼11)を含み、水路(たとえば、後述する図5に示す水路200)に設置される。複数の水車翼11の各々は、水平軸型のプロペラ式回転翼であり、水路を流れる水の力で回転する。発電機20は、水車翼11の回転力を利用して発電するように構成される。発電機20は、たとえば3相同期発電機である。ただしこれに限定されず、種々の公知の発電機から任意の発電機を選んで採用できる。
The
水車翼11が回転することにより水車10の回転軸が回転する。水車10の回転軸は、Y軸(水流方向)に平行に配置され、ボス部12および回転シャフト13を含む。ボス部12は、水車翼11が取り付けられる部分(プロペラボス)と、プロペラボスの表面に取り付けられて水流を整えるキャップ(スピナ)とを含む。ボス部12および回転シャフト13は一体的に回転する。ボス部12は、回転シャフト13の一方端(先端)に設けられる。また、回転シャフト13の他方端(基端)はギアボックス22に接続されている。
The rotation of the
発電機20の回転シャフト(回転軸)は、Z軸(鉛直方向)に平行に配置され、支柱21(筒状のカバー)の中を通ってギアボックス22に接続されている。支柱21の一方端は台座24の下面に固定され、支柱21の他方端はギアボックス22に接続されている。水車10の回転シャフト13と発電機20の回転シャフトとは、互いにギアボックス22を介して接続されている。水車翼11が回転すると、水車10の回転シャフト13が回転する。回転シャフト13の回転は、Y軸周りの回転(以下、「Y軸回転」とも称する)となる。回転シャフト13の回転力は、ギアボックス22によって向きが変えられるとともに発電機20の回転シャフトに伝達される。これにより、発電機20の回転シャフトが回転する。発電機20の回転シャフトの回転は、Z軸周りの回転(以下、「Z軸回転」とも称する)となる。上記のように、水車翼11がY軸回転することによって発電機20の回転軸がZ軸回転する。
The rotating shaft (rotating shaft) of the
ブレーキ装置30は、台座24の上面に固定されている。ブレーキ装置30は、発電機20の回転シャフト(回転軸)に対して設けられ、発電機20の回転(ひいては、水車翼11の回転)に制動力を与えるように構成される。ブレーキ装置30は、たとえば電磁ブレーキである。ブレーキ装置30は、摩擦等によって発電機20の回転方向とは逆向きの力を発電機20の回転軸に与える。ただしこれに限られず、ブレーキ装置30の種類は任意である。ブレーキ装置30は、機械ブレーキ、流体ブレーキ、および短絡ブレーキのいずれであってもよい。なお、本実施の形態に係るブレーキ装置30は、本発明に係る「制動装置」の一例に相当する。
The
回転梁110は、X軸(水路の幅方向)に平行に配置され、モータ120によって駆動されてX軸周りの回転(以下、「X軸回転」とも称する)を行なう。回転梁110の一方端(以下、「従動端」とも称する)にはベアリング111が、回転梁110の他方端(以下、「駆動端」とも称する)にはベアリング112が取り付けられている。また、モータ120の回転軸にはカップリング130が設けられており、回転梁110の駆動端は、ベアリング112およびカップリング130を介してモータ120の回転軸と接続されている。モータ120としては、電子制御可能な電動モータを採用できる。
The
架台23は、架台部材231および232を含む。架台部材231および232は、Y軸(水流方向)に平行に配置され、互いに所定の間隔を空けて対向する一対のL型アングルである。架台部材231および232の各々は、回転梁110に固定(たとえば、溶接)されている。
The
台座24は、架台23(架台部材231,232)の上面に固定されている。また、台座24の上面には、水力発電モジュールMを支持する支持部材25が固定されている。また、支持部材25は回転梁110にも固定されている。
The
水力発電モジュールMは、架台23、台座24、および支持部材25を介して回転梁110に固定されている。架台23は、回転梁110に固定されるとともに水力発電モジュールMを支持し、水力発電モジュールMともども回転梁110と一緒に回転する。
The hydroelectric power generation module M is fixed to the
モータ120は、台座143の上面に固定されている。また、台座143には、ベアリング112を支持する支持部材142も固定されている。ベアリング112は支持部材142を介して台座143に固定されている。回転梁110の駆動端はベアリング112によってX軸回転可能に支持されている。
The
水力発電装置100の駆動部は、回転梁110が水路を跨ぐような態様で水路の縁部に固定される。そのために、水力発電装置100は固定具151,152および固定梁153をさらに備える。固定梁153の一方端は固定具151に接続され、固定梁153の他方端は固定具152に接続される。
The drive unit of the hydroelectric
固定具151には、ベアリング111を支持する支持部材141が固定されている。ベアリング111は、回転梁110の従動端をX軸回転可能に支持した状態で、支持部材141を介して固定具151に固定されている。固定具151によって支持部材141(ひいては、回転梁110の従動端)を水路の第1縁部(たとえば、後述する図5に示す縁部201)に固定することができる。また、台座143の下面には、固定具152が取り付けられている。固定具152によって台座143(ひいては、回転梁110の駆動端)を水路の第1縁部に対向する第2縁部(たとえば、後述する図5に示す縁部202)に固定することができる。
A
図3は、水面に対して水車10を引き上げるように回転梁110を回転させた状態を示す図である。図3に示すように回転梁110を回転させることで、架台部材231,232(ひいては、水車10の回転軸)をZ軸(鉛直方向)に平行にすることができる。
FIG. 3 is a diagram showing a state in which the
詳細は後述するが、水力発電装置100では、回転梁110の回転角度に応じて水車10に対する水路の水面の位置(以下、単に「相対水面位置」とも称する)が変化する。図4は、水車10に対する水路の水面の位置を説明するための図である。
Although the details will be described later, in the hydroelectric
図4を参照して、水車10は、回転軸(より特定的には、ボス部12)の周囲に複数の水車翼11が取り付けられて構成されるプロペラ水車である。図4において、円軌道Rcは、水車10が1回転したときに水車翼11の先端が描く軌道を示している。
With reference to FIG. 4, the
範囲P1は、円軌道Rcの下端よりも低い範囲である。相対水面位置が範囲P1にあることは、水車10全体が水面よりも上に存在することを意味する。なお、水車10が、水から離れて存在し、水に接触していない場合にも、相対水面位置が範囲P1にあるとみなす(後述する図8参照)。範囲P5は、円軌道Rcの上端よりも高い範囲である。相対水面位置が範囲P5にあることは、水車10全体が水中に存在することを意味する。
The range P1 is a range lower than the lower end of the circular orbit Rc. The fact that the relative water surface position is in the range P1 means that the
範囲P3は、水車10の回転軸のボス部12の下端から上端までの範囲である。相対水面位置が範囲P3にあることは、水面が水車10の回転軸に位置することを意味する。また、範囲P2は、範囲P1の上端よりも高く、かつ、範囲P3の下端よりも低い範囲であり、範囲P4は、範囲P3の上端よりも高く、かつ、範囲P5の下端よりも低い範囲である。
The range P3 is a range from the lower end to the upper end of the
図5は、水力発電装置100の使用時の状態(より特定的には、後述する図6に示す状態)を示す図である。図1とともに図5を参照して、水力発電装置100は、たとえば水路200において発電を行なう。水路200は、たとえば農業用水路であり、水路200を水Wが水流方向Dwに流れる。水底Bwは、水路200の底面に相当する。
FIG. 5 is a diagram showing a state (more specifically, a state shown in FIG. 6 to be described later) when the hydroelectric
水力発電装置100は、回転梁110が水路200を跨ぐように設置される。固定具151が水路200の縁部201に固定され、固定具152が水路200の縁部202に固定される。これにより、回転梁110は、水路200を跨いだ状態で回転自在に支持される。回転梁110の回転軸と水路200の水流方向Dwとは、互いに直交する。
The hydroelectric
回転梁110を回転させることによって、水面Uwに対して水車10を引き上げたり引き下げたりすることができる。水車10の水車翼11(図1)が水Wの水面Uwよりも下に存在する場合には、水路200を流れる水Wの力を受けて水車翼11が回転する。本実施の形態では、水車10の回転軸と水流方向Dwとの角度(以下、「水車角度」とも称する)が0°以上90°以下となる範囲で回転梁110を回転させることができる。ただしこれに限られず、回転梁110(ひいては、水力発電モジュールM)の可動範囲は任意に設定できる。
By rotating the
図6は、水力発電装置100において水車角度を0°にした状態を示す図である。図6を参照して、回転梁110を回転させて水車角度を0°にすると、水車10の回転軸Raが水流方向Dwに平行になる。この状態では、水面Uwが水車10よりも上(すなわち、図4に示す範囲P5)に位置し、水車10全体が水中に存在する。
FIG. 6 is a diagram showing a state in which the water turbine angle is set to 0 ° in the hydroelectric
図7は、水力発電装置100において水車角度を鋭角(0°超90°未満)にした状態を示す図である。図7を参照して、回転梁110を回転させることによって相対水面位置を調整することができる。水車角度θを大きくするほど相対水面位置が低くなる。図7に示す例では、水面Uwが水車10の回転軸(すなわち、図4に示す範囲P3)に位置する。
FIG. 7 is a diagram showing a state in which the water turbine angle is set to an acute angle (more than 0 ° and less than 90 °) in the hydroelectric
図8は、水力発電装置100において水車角度を90°にした状態を示す図である。図8を参照して、回転梁110を回転させて水車角度を90°にすると、水車10の回転軸Raと水流方向Dwとが直交する。この状態では、水車10が、水Wから離れて存在し、水Wに接触していない。すなわち、水面Uwは図4に示す範囲P1に位置し、水車10全体が水面Uwよりも上に存在する。
FIG. 8 is a diagram showing a state in which the water turbine angle is 90 ° in the hydroelectric
図9は、水力発電装置100において発電制御を行なうための構成を示す制御ブロック図である。図9を参照して、水力発電装置100は、整流回路41、DC/DCコンバータ42、DC/ACインバータ43、制御装置50、入力装置51、および回転速度検出器52をさらに備える。なお、整流回路41、DC/DCコンバータ42、およびDC/ACインバータ43の各々は、回路の状態(温度、電流、電圧等)を検出する各種センサ(図示せず)を含んでいてもよい。そして、各センサの検出信号が制御装置50へ出力されてもよい。
FIG. 9 is a control block diagram showing a configuration for performing power generation control in the hydroelectric
回転速度検出器52は、水車翼11の回転速度を検出するように構成される。より具体的には、回転速度検出器52は、水車翼11の回転速度に対応する電気信号(以下、「回転速度信号」とも称する)を制御装置50へ出力する。回転速度の検出方法としては、種々の方法が公知であり、任意の方法を採用できる。たとえば、回転速度検出器52は、水車10または発電機20の回転軸に取り付けられたエンコーダ(図示せず)を用いて回転速度信号を生成してもよい。また、回転速度検出器52は、発電機20において発電される電力の周波数および/または電圧値に基づいて回転速度信号を生成してもよい。
The
制御装置50は、演算装置としてのCPU(Central Processing Unit)と、記憶装置と、各種信号を入出力するための入出力ポートと(いずれも図示せず)を含んで構成される。記憶装置は、作業用メモリとしてのRAM(Random Access Memory)と、保存用ストレージ(ROM(Read Only Memory)、書き換え可能な不揮発性メモリ等)とを含む。制御装置50は、入力ポートに接続された各種機器(たとえば、回転速度検出器52および各種センサ等)から信号を受信し、受信した信号に基づいて出力ポートに接続された各種機器(ブレーキ装置30、モータ120、DC/DCコンバータ42、およびDC/ACインバータ43等)を制御する。記憶装置に記憶されているプログラムをCPUが実行することで、各種制御が実行される。ただし、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア(電子回路)で処理することも可能である。
The
入力装置51は、ユーザからの指示を受け付ける装置である。入力装置51は、ユーザによって操作され、ユーザの操作に対応する信号を制御装置50へ出力する。入力装置51は、各種スイッチ(スライドスイッチ等)であってもよいし、タッチパネルディスプレイであってもよい。制御装置50と入力装置51との通信方式は有線でも無線でもよい。
The
水力発電装置100による発電動作時においては、水車10の回転に伴い発電機20が発電を行なう。発電機20によって発電された交流電力(3相交流)は、整流回路41へ出力され、整流回路41によって直流電力に変換される。
During the power generation operation by the hydroelectric
DC/DCコンバータ42は、制御装置50からの制御信号に従い、整流回路41からの入力電力(直流電力)に所定の電力変換(変圧等)を行ない、電力変換後の直流電力をDC/ACインバータ43へ出力する。DC/DCコンバータ42から出力される電力の大きさも、制御装置50によって制御される。制御装置50は、DC/DCコンバータ42を制御して、DC/ACインバータ43に供給される電力を制限することができる。なお、制御装置50は、DC/DCコンバータ42の出力を止めて、DC/ACインバータ43に電力が供給されないようにすることもできる。DC/DCコンバータ42から出力される電力が小さくなるほど発電機20の発電負荷が小さくなり、DC/DCコンバータ42の出力を止めると発電機20による発電が行なわれなくなる。
The DC /
DC/ACインバータ43は、制御装置50からの制御信号に従い、DC/DCコンバータ42からの入力電力(直流電力)を所定の大きさおよび周波数の交流電力に変換して出力するように構成される。DC/ACインバータ43から出力される交流電力は、水力発電装置100の出力に相当し、たとえば電力系統に供給される。ただしこれに限られず、水力発電装置100の出力は、小売り電気事業者に供給されてもよいし、蓄電に用いられてもよい。
The DC /
ところで、水力発電装置100を農業用水路等で使用する場合、上流より漂着する水草、枝、紐状のゴミ等の異物が、水車10に絡まり発電量を低下させる要因となり得る。水車翼11に引っかかった異物は、水流による水圧等によって水車翼11に押し付けられた状態となる。こうした異物は水車翼11から外れにくい。
By the way, when the hydroelectric
そこで、本実施の形態に係る水力発電装置100では、通常の発電時には、水力発電モジュールMを第1の状態にする一方で、水車翼11に異物が付着したときには、水力発電モジュールMを引き上げて第1の状態よりも相対水面位置が低い第2の状態にする。第2の状態では、水車翼11の少なくとも一部が水面よりも上に存在する。水車翼11が水面よりも上に存在するときには、水車翼11は水流から水圧を受けなくなるため、水車翼11から異物が外れやすくなる。このことを利用して、水力発電装置100では、水力発電モジュールMを第2の状態にして水車翼11に付着した異物の除去を行なう。また、水力発電装置100では、第2の状態において異物の除去が行なわれた後、水力発電モジュールMを引き下げて第1の状態に戻す。以下、第1の状態および第2の状態について詳述する。
Therefore, in the hydroelectric
通常の発電時には、制御装置50が、水力発電モジュールMを第1の状態(以下、「通常発電状態」とも称する)にする。通常発電状態は、水車翼11の少なくとも一部が水路200の水中に存在して水路を流れる水の力を受けて水車翼11が回転し、発電機20により発電が行なわれる状態である。より具体的には、通常の発電時には、制御装置50がモータ120を制御して、水車10の回転軸Raが水流方向Dwに平行になる(すなわち、水車角度を0°にする)ように回転梁110の回転角度を調整する。これにより、水力発電モジュールMが通常発電状態になる。本実施の形態における通常発電状態は、図5および図6に示した状態である。すなわち、通常発電状態では、水路200の水面Uwが水車10よりも上(図4に示す範囲P5)に位置し、水車10全体が水路200の水中に存在する。通常発電状態においては、水力発電装置100から所望の電力が出力されるようにDC/DCコンバータ42およびDC/ACインバータ43等が制御装置50によって制御される。また、通常発電状態においては水路200の流速に応じて水車10が回転するように、ブレーキ装置30による制動を行なわない。ただしこれに限られず、発電効率を高めるためにブレーキ装置30によって発電機20の回転速度を調整してもよい。
At the time of normal power generation, the
水力発電モジュールMが通常発電状態であるときに所定の引上げ条件(たとえば、水車翼11に付着した異物の量が許容範囲を超えたときに成立する条件)が成立すると、制御装置50がモータ120を制御して、水力発電モジュールMを第2の状態(以下、「引上げ状態」とも称する)にする。引上げ状態は、水車翼11の少なくとも一部が水路200の水面Uwよりも上に存在し、かつ、水車10に対する水路200の水面Uwの位置が通常発電状態よりも低い状態である。本実施の形態における引上げ状態は、図7に示した状態である。また、図10は、図7に示した状態の水力発電装置100の斜視図である。図7および図10に示すように、引上げ状態では、水面Uwが水車10の回転軸(図4に示す範囲P3)に位置する。
When a predetermined pulling condition (for example, a condition satisfied when the amount of foreign matter adhering to the
水車10に対する水路200の水面Uwの位置が高くなるほど水中に存在する水車翼11の割合(たとえば、体積割合)が多くなる。そして、水中に存在する水車翼11が多くなるほど、水車10が水流から受ける力が大きくなり、水車10を回転させる力も大きくなる。水車10を回転させる力が大きくなることで、発電量が多くなる。上述の通常発電状態においては水車翼11の全部が水路200の水中に存在して水路200を流れる水の力を受けて水車翼11が回転する。このため、通常発電状態における発電量を多くすることができる。
The higher the position of the water surface Uw of the
一方、水車10に対する水路200の水面Uwの位置が低くなるほど水路200の水面Uwよりも上に存在する水車翼11の割合(たとえば、体積割合)が多くなる。水面Uwよりも上に存在する水車翼11は、水流から水圧を受けなくなる。このため、水車翼11が水面Uwよりも上に存在するときには、水車翼11から異物が外れやすくなる。本実施の形態に係る水力発電装置100では、水力発電モジュールMが通常発電状態であるときに所定の引上げ条件が成立すると、水力発電モジュールMを引上げ状態にする。より具体的には、水車10に対する水路200の水面Uwの位置を水車10の回転軸の位置(図4に示す範囲P3)にする。こうした引上げ状態では、水車10が備える5つの水車翼11の各々が、水車10の回転に伴い、翼全体が水中に存在する状態と、翼全体が水面Uwよりも上に存在する状態とを交互に繰り返す。水車翼11が水中に存在するときには、水車翼11は水流から水車10を回転させる力の供給を受ける。また、水車翼11が水面Uwよりも上に存在するときには、回転の勢い(遠心力等)および重力等によって異物が水車翼11から取り除かれる。発明者の実験によると、水車翼11に絡まった異物は、水車10の回転によりほどけて、水車翼11が水面Uwよりも上に存在するときに水車翼11の根元側から水中に落ちやすくなる。この際、図7に示すように引上げ状態において水車10を傾斜させることで、異物が水車翼11から除去されやすくなる。引上げ状態における水車角度θは20°以上60°以下であることが好ましい。
On the other hand, the lower the position of the water surface Uw of the
以下、図11および図12を用いて、水力発電装置100による引上げ制御および引下げ制御について説明する。
Hereinafter, the pull-up control and the pull-down control by the hydroelectric
図11は、水力発電装置100による引上げ制御を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、水力発電モジュールMが第1の状態(図5および図6参照)であるときに所定時間経過毎にメインルーチンから呼び出されて繰り返し実行される。図11において、ステップS11~S13(以下、単に「S11」~「S13」と称する)は、制御装置50によって実行される。
FIG. 11 is a flowchart showing pull-up control by the hydroelectric
図9とともに図11を参照して、S11では、制御装置50が、第1の状態における所定の制御を実行する。第1の状態における制御は任意に設定できるが、本実施の形態では、発電機20による発電によって水力発電装置100から所望の電力が出力されるように制御装置50がDC/DCコンバータ42およびDC/ACインバータ43等を制御する。
With reference to FIG. 11 together with FIG. 9, in S11, the
S12では、制御装置50が所定の引上げ条件が成立するか否かを判断する。引上げ条件は任意に設定できるが、本実施の形態では、水力発電モジュールMが第1の状態であるときに、水車翼11に付着した異物の量が許容範囲を超えると、引上げ条件が成立するようにする。どの程度の異物を許容するかは任意である。
In S12, the
制御装置50は、たとえば水力発電モジュールMが第1の状態であるときに、回転速度検出器52によって水車翼11の回転速度を監視し、単位時間あたりの水車翼11の回転速度の変化量(以下、単に「速度変動量」とも称する)がしきい値を超えた場合に、水車翼11に付着した異物の量が許容範囲を超えたと判断する。水車翼11に付着した異物が増えると、水車翼11の回転速度が低下するため、上記の速度変動量に基づいて水車翼11に付着した異物の量が許容範囲を超えたか否かを判断できる。
For example, when the hydraulic power generation module M is in the first state, the
水車翼11の回転速度の検出間隔および速度変動量の単位時間は任意に設定できるが、本実施の形態では、水車翼11の回転速度を1秒ごとに検出し、速度変動量の単位時間を5秒間とする。すなわち、5秒間あたりの水車翼11の回転速度の変化量がしきい値を超えた場合に、水車翼11に付着した異物の量が許容範囲を超えたと判断する。ただしこれに限られず、単位時間が異なる複数種の速度変動量(たとえば、単位時間が1秒間、5秒間、1分間である速度変動量)を算出して、全ての速度変動量がしきい値を超えた場合にのみ、水車翼11に付着した異物の量が許容範囲を超えたと判断するようにしてもよい。
The detection interval of the rotation speed of the
上記の判断に用いるしきい値は、水路200(図5)の流速変動を考慮して設定されることが望ましい。たとえば、本実施の形態において水力発電装置100が設置される水路200は農業用水路である。こうした水路200の流速は、自然変動によって脈動する。水路200の流速が変化すると、水車翼11の回転速度も変化する。水車翼11に付着した異物の量が許容範囲を超えていないにもかかわらず水路200の流速変動で速度変動量がしきい値を超えないように、適切なしきい値を設定することが望ましい。水路の流速変動範囲は、水路ごとに概ね決まっており、予め実験等によって求めることができる。農業用水路の一例では、流速変動範囲が平均流速に対して約±4%であった。予め実験等によって求めた水路200の流速変動範囲から流速変動によって生じ得る水車翼11の回転速度の変動範囲を把握することができる。たとえば、水車翼11の回転速度が平均回転速度に対して所定割合(たとえば、5%)以上変化した場合に、水車翼11に付着した異物の量が許容範囲を超えたと判断するようにしてもよい。また、水路200の流速を検出して、検出された流速に応じて上記しきい値を可変にしてもよい。
It is desirable that the threshold value used for the above determination is set in consideration of the fluctuation of the flow velocity of the water channel 200 (FIG. 5). For example, in the present embodiment, the
なお、水車翼11に付着した異物の量が許容範囲を超えたか否かの判断方法は、上記速度変動量による方法に限られない。たとえば、水車10または発電機20の回転トルクと、発電機20から出力される電力の電流値との少なくとも一方に基づいて、水車翼11に付着した異物の量が許容範囲を超えたか否かを判断してもよい。回転トルクは、たとえばトルクメータ(図示せず)によって検出することができる。また、水車翼11に付着した異物を検出する光学センサ(図示せず)を用いて、水車翼11に付着した異物の量が許容範囲を超えたか否かを判断してもよい。
The method for determining whether or not the amount of foreign matter adhering to the
引上げ条件が成立しない場合(S12にてNO)には、処理がS11へと戻る。S12において引上げ条件が成立しないと判断される間はS11の発電制御が継続的に行なわれる。他方、引上げ条件が成立する場合(S12にてYES)には、S13において、制御装置50がモータ120を制御して回転梁110を回転させることにより、水力発電モジュールMを第2の状態(図7および図10参照)にする。第2の状態における水車角度θは、水路200の水面Uwが水車10の回転軸に位置するように調整され、一例では45°である。これにより、水力発電モジュールMが第1の状態ではなくなり、図11の引上げ制御が終了する。
If the pulling condition is not satisfied (NO in S12), the process returns to S11. While it is determined in S12 that the pulling condition is not satisfied, the power generation control of S11 is continuously performed. On the other hand, when the pulling condition is satisfied (YES in S12), in S13, the
図12は、水力発電装置100による引下げ制御を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、水力発電モジュールMが第2の状態であるときに所定時間経過毎にメインルーチンから呼び出されて繰り返し実行される。図12において、ステップS21~S23(以下、単に「S21」~「S23」と称する)は、制御装置50によって実行される。
FIG. 12 is a flowchart showing a lowering control by the hydroelectric
図9とともに図12を参照して、S21では、制御装置50が、第2の状態における所定の制御を実行する。第2の状態における制御は任意に設定できるが、本実施の形態では、制御装置50が、DC/DCコンバータ42を制御して、水力発電装置100から取り出される電力を第1の状態よりも小さくする。これにより、発電機20の発電負荷が第1の状態よりも小さくなる。
With reference to FIG. 12 with FIG. 9, in S21, the
前述のように、第2の状態(図7および図10参照)においては、水面Uwよりも上に存在する水車翼11(すなわち、水流から水圧を受けない水車翼11)から異物が離れやすくなる。また、発電機20の発電負荷が小さくなると、水車10が回転しやすくなるため、水車10の回転により異物が水車翼11から離れやすくなる。このため、第2の状態における発電機20の発電負荷を第1の状態よりも小さくすることで、より確実に(または、短時間で)異物を除去することが可能になる。
As described above, in the second state (see FIGS. 7 and 10), foreign matter is easily separated from the turbine blade 11 (that is, the
本実施の形態では、第2の状態において、第1の状態よりも小さい発電負荷で発電機20による発電を行なう。しかしこれに限られず、第2の状態においては、制御装置50が、DC/DCコンバータ42の出力(ひいては、水力発電装置100の出力)を止めて、発電機20を発電負荷が無い状態にしてもよい。発電機20を発電負荷が無い状態にすることで、発電機20による発電が停止する。これにより、水車10の回転の勢いが増し、水車10の回転により異物が水車翼11から離れやすくなり、より確実に(または、短時間で)異物を除去することが可能になる。
In the present embodiment, in the second state, power is generated by the
S22では、制御装置50が、所定の引下げ条件が成立するか否かを判断する。引下げ条件は任意に設定できるが、本実施の形態では、水力発電モジュールMが第2の状態になってから所定時間(以下、「保持時間」とも称する)が経過すると、引下げ条件が成立するようにする。保持時間は、水車翼11から異物を除去するために十分長く、かつ、発電量を過度に低下させない程度に短く設定される。保持時間は、水路200(図10)に流れる異物の量を考慮して設定されることが望ましい。たとえば、単位時間あたりに水車10に漂着する異物の量を予め実験等によって求めて、適切な保持時間を設定するようにしてもよい。保持時間は、たとえば5秒間以上30秒間以下であることが好ましい。本実施の形態では、保持時間を10秒間とする。
In S22, the
引下げ条件が成立しない場合(S22にてNO)には、処理がS21へと戻る。S22において引下げ条件が成立しないと判断される間は、水力発電モジュールMが第2の状態に維持された状態で、S21の発電制限が継続的に行なわれる。他方、引下げ条件が成立する場合(S22にてYES)には、S23において、制御装置50がモータ120を制御して回転梁110を回転させることにより、水力発電モジュールMを第1の状態(図5および図6参照)にする。これにより、水力発電モジュールMが第2の状態ではなくなり、図12の引下げ制御が終了する。そして、図11の引上げ制御が開始される。
If the reduction condition is not satisfied (NO in S22), the process returns to S21. While it is determined in S22 that the reduction condition is not satisfied, the power generation restriction of S21 is continuously performed while the hydroelectric power generation module M is maintained in the second state. On the other hand, when the lowering condition is satisfied (YES in S22), in S23, the
以上説明したように、本実施の形態に係る水力発電装置100では、水力発電モジュールMが第1の状態であるときに所定の引上げ条件が成立する(図11のS12にてYES)と、水力発電モジュールMを第2の状態にして(図11のS13)、引上げ状態において水車翼11への付着物(異物)の除去(図12のS21およびS22)を行なった後、再び水力発電モジュールMを第1の状態に戻す(図12のS23)。第2の状態(引上げ状態)において異物の除去が適切に行なわれることで、異物に起因した水力発電装置100の発電能力の低下が抑制される。また、引上げ条件が成立するたびに異物の除去が行なわれるため、水力発電装置100は長期にわたって高い発電能力を維持することができる。このように、水力発電装置100では、水路200を流れる異物に起因した発電能力の低下を抑制するための処理を容易に行なうことができる。また、上記方法では大掛かりな除塵設備を必要としないため、異物の除去を低コストで行なうことができる。
As described above, in the hydroelectric
上記実施の形態において、制御装置50は、所定の発電停止条件が成立した場合に、前述の引上げ制御および引下げ制御(ひいては、発電機20による発電)を停止し、モータ120を制御して回転梁110を回転させることにより水路200から水車10を引き上げて、水力発電モジュールMを図8に示す状態にするように構成されてもよい。そして、制御装置50は、所定の発電再開条件が成立した場合に、前述の引上げ制御および引下げ制御(ひいては、発電機20による発電)を再開するように構成されてもよい。たとえば、所定の天候のとき(たとえば、降水量、積雪量、および風速の少なくとも1つが許容範囲を超えたとき)に発電停止条件が成立するようにしてもよい。また、発電停止条件が成立しなくなってから所定時間が経過したときに発電再開条件が成立するようにしてもよい。
In the above embodiment, when a predetermined power generation stop condition is satisfied, the
上記実施の形態において、引上げ条件(図11のS12)は任意に変更することができる。たとえば、水力発電モジュールMが第1の状態になってから所定時間(以下、「発電時間」とも称する)が経過すると、引上げ条件が成立するようにしてもよい。こうすることで、第2の状態(引上げ状態)での異物の除去が定期的に行なわれるようになる。発電時間は、たとえば30分間以上3時間以下であることが好ましく、一例では1時間とする。 In the above embodiment, the pulling condition (S12 in FIG. 11) can be arbitrarily changed. For example, when a predetermined time (hereinafter, also referred to as “power generation time”) elapses after the hydroelectric power generation module M is in the first state, the pulling condition may be satisfied. By doing so, the foreign matter in the second state (pulled up state) will be removed periodically. The power generation time is preferably, for example, 30 minutes or more and 3 hours or less, and in one example, it is 1 hour.
上記実施の形態において、引下げ条件(図12のS22)は任意に変更することができる。たとえば、水車翼11に付着した異物の量が許容範囲内になると、引下げ条件が成立するようにしてもよい。水車翼11に付着した異物の量が許容範囲内になったか否かは、水車翼11の回転速度等に基づいて判断することができる。
In the above embodiment, the reduction condition (S22 in FIG. 12) can be arbitrarily changed. For example, when the amount of foreign matter adhering to the
上記実施の形態において、第2の状態における所定の制御(図12のS21)は、状況に応じて可変であってもよい。たとえば、水力発電装置100で発電された電力の供給先によっては、水力発電装置100における発電を制限する(すなわち、発電負荷を小さくする)ことが好ましくないことがある。そこで、状況ごとに発電制限を行なうか否かをユーザが選択できるように、ユーザが入力装置51を通じて制御装置50に発電制限の許否を設定できるようにしてもよい。そして、制御装置50が、以下に説明する図13の引下げ制御を行なうようにしてもよい。
In the above embodiment, the predetermined control (S21 in FIG. 12) in the second state may be variable depending on the situation. For example, depending on the supply destination of the electric power generated by the hydroelectric
図13は、水力発電装置100による引下げ制御の第1の変形例を示すフローチャートである。図13の引下げ制御は、図12のS21に代えてステップS101~S103(以下、単に「S101」~「S103」と称する)を採用すること以外は、図12の引下げ制御と同じである。よって、以下ではS101~S103についてのみ説明する。
FIG. 13 is a flowchart showing a first modification of the pull-down control by the hydroelectric
図9とともに図13を参照して、S101では、発電制限が許可されているか否かを制御装置50が判断する。たとえば、制御装置50の記憶装置に発電制限許可フラグを用意し、フラグの値(0:禁止、1:許可)に基づいて発電制限が許可されているか否かが判断されるようにしてもよい。
With reference to FIG. 13 together with FIG. 9, in S101, the
発電制限が許可されている場合(S101にてYES)には、S102において、制御装置50が発電制限を実行する。制御装置50は、たとえば前述した図12のS21と同様にして、発電機20の発電負荷を第1の状態よりも小さくする。制御装置50は、発電負荷が小さい状態で発電を行なってもよいし、発電を停止してもよい。
When the power generation restriction is permitted (YES in S101), the
発電制限が許可されていない場合(S101にてNO)には、S103において、制御装置50が第1の状態と同じ条件(前述した図11のS11参照)で発電を行なう。
When the power generation restriction is not permitted (NO in S101), in S103, the
上記のように、図13の引下げ制御では、発電制限が許可されているか否かを判断し、発電制限が許可されている場合にのみ発電制限を行なう。これにより、状況ごとに必要な発電量の確保と異物の除去との両立が図られる。 As described above, in the lowering control of FIG. 13, it is determined whether or not the power generation restriction is permitted, and the power generation restriction is performed only when the power generation restriction is permitted. As a result, it is possible to secure the required amount of power generation for each situation and remove foreign substances at the same time.
上記実施の形態では、第2の状態における発電制限(図12のS21)で異物の除去を促進している。しかしこれに限られず、他の方法で第2の状態における異物の除去を促進するようにしてもよい。図14は、水力発電装置100による引下げ制御の第2の変形例を示すフローチャートである。
In the above embodiment, the removal of foreign matter is promoted by limiting the power generation in the second state (S21 in FIG. 12). However, the present invention is not limited to this, and other methods may be used to promote the removal of foreign matter in the second state. FIG. 14 is a flowchart showing a second modification of the pull-down control by the hydroelectric
図9とともに図14を参照して、この引下げ制御では、第2の状態における所定の制御として、図12のS21の代わりに、ステップS111~S115(以下、単に「S111」~「S115」と称する)の処理を実行する。水力発電モジュールMが第1の状態であるときに所定の引上げ条件が成立して、図11のS13の処理により水力発電モジュールMが第1の状態から第2の状態(図7および図10参照)になると、S111の処理が実行される。なお、以下で用いられるカウンタは、たとえば制御装置50の記憶装置に記憶されており、カウンタの初期値は0である。
With reference to FIG. 9 and FIG. 14, in this lowering control, as a predetermined control in the second state, steps S111 to S115 (hereinafter, simply referred to as “S111” to “S115”) are referred to instead of S21 in FIG. ) Is executed. When the hydroelectric power generation module M is in the first state, a predetermined pulling condition is satisfied, and the process of S13 in FIG. 11 causes the hydroelectric power generation module M to be in the first state to the second state (see FIGS. 7 and 10). ), The processing of S111 is executed. The counter used below is stored in, for example, a storage device of the
S111では、制御装置50が、ブレーキ装置30を制御して発電機20の回転(ひいては、水車翼11の回転)に制動力を与える。これにより、水車翼11の回転に制動力が付与された状態(以下、「ブレーキオン状態」とも称する)になる。ブレーキオン状態では、ブレーキ装置30によって制動力が与えられた状態で水車翼11が回転する。その後、制御装置50は、ブレーキオン状態のまま所定の時間(以下、「制動時間」とも称する)待つ(S112)。制動時間は、たとえば1秒間以上30秒間以下であることが好ましく、一例では3秒間とする。
In S111, the
ブレーキオン状態になってから制動時間が経過すると、S113において、制御装置50が、ブレーキ装置30による制動動作を停止し、発電機20の回転軸(ひいては、水車翼11の回転軸)が解放された状態(以下、「ブレーキオフ状態」とも称する)にする。ブレーキオフ状態では、ブレーキ装置30によって制動力が与えられていない状態で水車翼11が回転する。その後、制御装置50は、ブレーキオフ状態のまま所定の時間(以下、「解放時間」とも称する)待つ(S114)。解放時間は、たとえば1秒間以上30秒間以下であることが好ましく、一例では3秒間とする。
When the braking time elapses after the brake is turned on, the
ブレーキオフ状態になってから解放時間が経過すると、制御装置50が、S115においてカウンタをインクリメントし、ステップS120において、カウンタ値が所定のしきい値Th(以下、「制動回数」とも称する)に達したか否かを判断する。この判断は、引下げ条件が成立するか否かの判断に相当する。制動回数は任意に設定できるが、一例では制動回数を3回とする。
When the release time elapses from the brake-off state, the
カウンタ値がしきい値Thに達していない場合(S120にてNO)には、引下げ条件が成立しないと判断され、処理がS111へと戻る。S120においてカウンタ値がしきい値Thに達していないと判断される間はS111~S115の処理が繰り返し行なわれる。他方、カウンタ値がしきい値Thに達した場合(S120にてYES)には、引下げ条件が成立すると判断され、S23において、制御装置50がモータ120を制御して回転梁110を回転させることにより、水力発電モジュールMを第1の状態にする。これにより、水力発電モジュールMが第2の状態ではなくなり、図14の引下げ制御が終了する。
If the counter value does not reach the threshold value Th (NO in S120), it is determined that the reduction condition is not satisfied, and the process returns to S111. While it is determined in S120 that the counter value has not reached the threshold value Th, the processes of S111 to S115 are repeated. On the other hand, when the counter value reaches the threshold value Th (YES in S120), it is determined that the lowering condition is satisfied, and in S23, the
上記のように、図14の引下げ制御では、水力発電モジュールMが第2の状態であるときに、制御装置50がブレーキ装置30を制御して、ブレーキ装置30によって制動力が与えられた状態で水車翼11を回転させる制動回転と、ブレーキ装置30によって制動力が与えられていない状態で水車翼11を回転させる非制動回転とを、引下げ条件が成立するまで交互に繰り返す。第2の状態において、水車翼11の回転に対する制動力の付与(ブレーキオン)を断続的に行なって制動力の増減を繰り返すことによって、水車翼11の回転が減速と加速とを繰り返すようになる。これにより、水車翼11から異物が離れやすくなり、より確実に(または、短時間で)異物を除去することが可能になる。なお、上記制動時間および解放時間は、水車翼11の回転の加減速に要する時間を考慮して設定されることが望ましい。
As described above, in the pull-down control of FIG. 14, when the hydroelectric power generation module M is in the second state, the
図14のS111~S115の処理は、発電制限を行なった状態(すなわち、発電機20の発電負荷が第1の状態よりも小さい状態)で行なわれてもよい。S111~S115において発電制限を行なう場合、制御装置50は、発電負荷が小さい状態で発電を行なってもよいし、発電を停止してもよい。
The processes of S111 to S115 in FIG. 14 may be performed in a state where power generation is restricted (that is, a state in which the power generation load of the
第1の状態(通常発電状態)、第2の状態(引上げ状態)は、それぞれ図6、図7に示す状態に限られない。たとえば、第1の状態を図6または図7に示す状態にして、第2の状態を図8に示す状態にしてもよい。図8に示す状態では、水面Uwが図4に示す範囲P1に位置するため、図6および図7の各々に示す状態よりも相対水面位置が低くなる。 The first state (normal power generation state) and the second state (pulling state) are not limited to the states shown in FIGS. 6 and 7, respectively. For example, the first state may be the state shown in FIG. 6 or 7, and the second state may be the state shown in FIG. In the state shown in FIG. 8, since the water surface Uw is located in the range P1 shown in FIG. 4, the relative water surface position is lower than the state shown in each of FIGS. 6 and 7.
図8に示す状態では、水車翼11の全部が水路の水面Uwよりも上に存在し、各水車翼11は水路を流れる水の力を受けない。しかし、第2の状態として図8に示す状態を採用した場合、引上げ前の状態(図6または図7に示す状態)では、水路を流れる水の力を受けて水車翼11が回転しているため、引上げ後の状態(図8に示す状態)においても、慣性によって水車翼11が回転する。こうした第2の状態(図8に示す状態)においても、水車翼11が水流から水圧を受けなくなるため、水車翼11から異物が外れやすくなる。
In the state shown in FIG. 8, all of the
第2の状態において水車翼11を振動させることによって異物の除去を促進するようにしてもよい。図15は、こうした変形例を説明するための図である。
In the second state, the
図15を参照して、この例では、第2の状態として図8に示す状態を採用している。そして、図12のS21において、制御装置50がモータ120を制御することにより回転梁110の正転と逆転とを所定の回転量で交互に繰り返して水車翼11を振動させている。水車翼11を適度に振動させることで、異物の除去を促進することができる。なお、第2の状態として図7に示す状態を採用した場合にも、第2の状態において水車翼11を適度に振動させることで、異物の除去を促進することができる。
With reference to FIG. 15, in this example, the state shown in FIG. 8 is adopted as the second state. Then, in S21 of FIG. 12, the
回転梁110を回転させるアクチュエータは、モータ120に限られず任意であり、たとえばエアシリンダ等を用いたアクチュエータであってもよい。また、第1の状態および第2の状態になるように水力発電モジュールMを動かす駆動部は、水力発電モジュールMを回転させる駆動部(回転梁110およびモータ120等)に限られず、鉛直方向に水力発電モジュールMを昇降させる駆動部(たとえば、吊上げ式のクレーン装置)であってもよい。水力発電モジュールM(水車10等)を昇降させることで、相対水面位置(水車10に対する水路の水面の位置)を変えることができる。
The actuator for rotating the
前述の制御が適用される水力発電装置は、1000kW以下の水力発電を行なう小水力発電装置に限られず、より発電出力の大きい水力発電装置であってもよい。また、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または波力発電を行なう発電システムに前述の制御を適用してもよい。図16は、上記実施の形態の変形例に係る水中浮遊式海流発電システムを説明するための図である。 The hydroelectric power generation device to which the above-mentioned control is applied is not limited to a small hydroelectric power generation device that generates hydroelectric power of 1000 kW or less, and may be a hydroelectric power generation device having a larger power generation output. Further, the above-mentioned control may be applied to a power generation system that performs marine current power generation, tidal power generation, or wave power generation that converts the kinetic energy of running water into electric power. FIG. 16 is a diagram for explaining an underwater floating ocean current power generation system according to a modified example of the above embodiment.
図16を参照して、この発電システムは、水底Bw(海底)に設置されたアンカー310と、アンカー310に取り付けられた係留索320と、水中発電装置300とを含む。
With reference to FIG. 16, this power generation system includes an
水中発電装置300は、水車10Aと、発電ユニット301とを含む。水車10Aは、水車翼11A、ボス部12A、および回転シャフト13Aを含む。発電ユニット301は、発電機20Aと、浮力調整装置302,303と、制御装置50Aとを含む。発電ユニット301は、係留索320を介してアンカー310に接続されることで、海底に固定(係留)されている。発電機20Aの回転軸は、水車10Aの回転シャフト13Aと接続されている。水流方向Dwに流れる水(海水)の力を受けて水車翼11Aが回転することで、発電機20Aによる発電が行なわれる。発電機20Aにおいて発電された電力は、図示しない電力線(海底ケーブル等)を通じて電力系統または小売り電気事業者に供給されてもよいし、発電ユニット301内の蓄電装置(図示せず)に蓄えられてもよい。また、発電ユニット301に図示しない電力変換装置(整流回路、DC/DCコンバータ、およびDC/ACインバータ等)を設けて、発電機20Aの出力に所定の電力変換を行なうようにしてもよい。
The underwater
制御装置50Aは、浮力調整装置302,303等を制御するように構成される。浮力調整装置302,303は、第1の状態および第2の状態になるように水力発電モジュール(水車10Aおよび発電機20A)を動かす駆動部として機能する。浮力調整装置302,303は、制御装置50Aからの制御信号に従い、バラスト水の注入/排出を行なって水中発電装置300の浮力を調整するように構成される。
The
制御装置50Aは、浮力調整装置302,303を制御して、浮力調整装置302,303にバラスト水を注入することで、水中発電装置300の浮力を小さくして水中発電装置300を沈めることができる。たとえば、図16に示す水中発電装置300全体が水中(海中)に存在する状態を、第1の状態(通常発電状態)とすることができる。
The
そして、水中発電装置300(ひいては、水力発電モジュール)が第1の状態であるときに所定の引上げ条件が成立した場合には、制御装置50Aが、浮力調整装置302,303を制御して、浮力調整装置302,303からバラスト水を排出することで、水中発電装置300の浮力を大きくして水中発電装置300を浮上させることができる。こうした制御により、水中発電装置300(ひいては、水力発電モジュール)を第1の状態から第2の状態(引上げ状態)にすることができる。たとえば、図16中に一点鎖線で示す状態を、第2の状態とすることができる。図16中に一点鎖線で示す状態では、水車10Aに対する水面Uwが水車10Aの回転軸に位置する。
When the predetermined pulling condition is satisfied when the underwater power generation device 300 (and by extension, the hydroelectric power generation module) is in the first state, the
上記のように、水中浮遊式海流発電システムでも、水力発電モジュールを第1の状態および第2の状態にすることは可能であり、前述した引上げ制御および引下げ制御を行なうことで、水路(海)を流れる異物に起因した発電能力の低下を抑制するための処理を低コストで容易に行なうことができる。なお、上記の水中浮遊式海流発電システムにおいて、アンカーに代えてシンカーを用いてもよい。また、浮力調整装置の数および配置等は任意に変更できる。 As described above, even in the underwater floating ocean current power generation system, it is possible to put the hydroelectric power generation module into the first state and the second state, and by performing the above-mentioned pull-up control and pull-down control, the waterway (sea) It is possible to easily perform a process for suppressing a decrease in power generation capacity due to foreign matter flowing through the water at low cost. In the above-mentioned underwater floating ocean current power generation system, a sinker may be used instead of the anchor. Further, the number and arrangement of buoyancy compensators can be arbitrarily changed.
水車の種類は、水平軸型のプロペラ水車に限られず任意に変更できる。図17は、垂直軸型の水車を採用した水力発電モジュールの変形例を示す図である。図17を参照して、この水力発電モジュールは、垂直軸型の水車10Bを備える。そして、水車10Bは、水車翼11Bと、水車翼11Bに連結された回転シャフト13B(水車10Bの回転軸)とを備える。水車翼11Bは、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形状を有する。こうした水車翼11Bは、Y軸方向の水流により回転する。水車翼11Bが回転することによって、ギアボックス22Bを介して回転シャフト13Bに連結された発電機20Bの回転シャフト(支柱21B内に配置)が回転し、発電機20Bによる発電が行なわれる。
The type of turbine is not limited to the horizontal axis type propeller turbine and can be changed arbitrarily. FIG. 17 is a diagram showing a modified example of a hydroelectric power generation module using a vertical axis type water turbine. With reference to FIG. 17, this hydroelectric module comprises a
上記のような水力発電モジュールを前述した駆動部(回転梁110、モータ120、および架台23等)に取り付けることによって、回転梁110の回転動作により水力発電モジュールを第1の状態および第2の状態にすることができる。こうした水力発電装置においても、前述した引上げ制御および引下げ制御を行なうことで、水路を流れる異物に起因した発電能力の低下を抑制するための処理を低コストで容易に行なうことが可能になる。
By attaching the hydroelectric power generation module as described above to the above-mentioned drive unit (
上記の各種変形例は組み合わせて実施してもよい。また、上記実施の形態および変形例で示した構成は、適宜変更可能である。たとえば、制御装置50に必要な設定が完了している場合には、入力装置51を割愛してもよい。たとえば、引上げ制御および引下げ制御においてブレーキ装置30を使用しない場合には、ブレーキ装置30を割愛してもよい。
The above-mentioned various modifications may be carried out in combination. Further, the configurations shown in the above-described embodiments and modifications can be changed as appropriate. For example, when the necessary settings for the
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は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。 The embodiments disclosed this time should be considered to be exemplary and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is shown by the scope of claims rather than the description of the embodiments described above, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
10,10A,10B 水車、11,11A,11B 水車翼、12,12A ボス部、13,13A,13B 回転シャフト、20,20A,20B 発電機、21,21B 支柱、22,22B ギアボックス、23 架台、24,143 台座、25,141,142 支持部材、30 ブレーキ装置、41 整流回路、42 DC/DCコンバータ、43 DC/ACインバータ、50,50A 制御装置、51 入力装置、52 回転速度検出器、100 水力発電装置、110 回転梁、111,112 ベアリング、120 モータ、130 カップリング、151,152 固定具、153 固定梁、200 水路、201,202 縁部、231,232 架台部材、300 水中発電装置、301 発電ユニット、302,303 浮力調整装置、310 アンカー、320 係留索。 10,10A, 10B water turbine, 11,11A, 11B water turbine blade, 12,12A boss part, 13,13A, 13B rotary shaft, 20,20A, 20B generator, 21,21B prop, 22,22B gearbox, 23 mounts , 24,143 pedestal, 25,141,142 support member, 30 brake device, 41 rectifier circuit, 42 DC / DC converter, 43 DC / AC inverter, 50, 50A control device, 51 input device, 52 rotation speed detector, 100 hydraulic power generator, 110 rotary beam, 111,112 bearing, 120 motor, 130 coupling, 151,152 fixture, 153 fixed beam, 200 water channel, 201,202 edge, 231,232 pedestal member, 300 underwater power generator , 301 power generation unit, 302,303 buoyancy regulator, 310 anchor, 320 mooring line.
Claims (9)
第1の状態および第2の状態になるように前記水力発電モジュールを動かす駆動部と、
前記駆動部を制御する制御装置とを備え、
前記水車は、回転軸の周囲に複数の前記水車翼が取り付けられて構成されるプロペラ水車であり、
前記第1の状態は、前記水車翼の少なくとも一部が前記水路の水中に存在して前記水路を流れる水の力を受けて前記水車翼が回転し、前記発電機により発電が行なわれる状態であり、
前記第2の状態は、前記水車翼の少なくとも一部が前記水路の水面よりも上に存在し、かつ、前記水車に対する前記水路の水面の位置が前記第1の状態よりも低い状態であり、
前記制御装置は、前記水力発電モジュールが前記第1の状態であるときに所定の引上げ条件が成立すると、前記水力発電モジュールを前記第2の状態にするように構成され、
前記水力発電モジュールが前記第1の状態であるときに、前記水車翼に付着した異物の量が許容範囲を超えると、前記引上げ条件が成立し、
前記第2の状態における前記水車の前記回転軸と前記水路の水流方向との角度は20°以上60°以下である、水力発電装置。 A hydroelectric power generation module including a water turbine equipped with a water turbine wing that rotates by using the power of water flowing through a water channel, and a generator that generates power by using the rotational power of the water wheel wing.
A drive unit that moves the hydroelectric power generation module so as to be in the first state and the second state,
A control device for controlling the drive unit is provided.
The turbine is a propeller turbine configured by mounting a plurality of turbine blades around a rotating shaft.
The first state is a state in which at least a part of the water turbine blade is present in the water of the water channel, the water turbine blade is rotated by the force of water flowing through the water channel, and power is generated by the generator. can be,
The second state is a state in which at least a part of the water turbine blade is above the water surface of the water channel and the position of the water surface of the water channel with respect to the water turbine is lower than that of the first state.
The control device is configured to put the hydroelectric module into the second state when a predetermined pulling condition is satisfied when the hydroelectric module is in the first state.
If the amount of foreign matter adhering to the water turbine blade exceeds the permissible range while the hydroelectric power generation module is in the first state, the pulling condition is satisfied.
A hydroelectric power generation device in which the angle between the rotation axis of the water turbine and the water flow direction of the water channel in the second state is 20 ° or more and 60 ° or less .
前記制御装置は、前記制動装置を制御するように構成され、
前記制御装置は、前記水力発電モジュールが前記第1の状態であるときに前記所定の引上げ条件が成立すると、前記水力発電モジュールを前記第2の状態にするとともに、前記制動装置によって前記制動力が与えられた状態で前記水車翼を回転させる制動回転と、前記制動装置によって前記制動力が与えられていない状態で前記水車翼を回転させる非制動回転とを交互に繰り返す、請求項1または2に記載の水力発電装置。 Further equipped with a braking device that applies a braking force to the rotation of the turbine blades,
The control device is configured to control the braking device.
When the predetermined pulling condition is satisfied when the hydroelectric power generation module is in the first state, the control device puts the hydroelectric power generation module into the second state and the braking force is generated by the braking device. According to claim 1 or 2 , braking rotation for rotating the water turbine blade in a given state and non-braking rotation for rotating the water turbine blade in a state where the braking force is not applied by the braking device are alternately repeated. The described hydroelectric power generator.
前記第1の状態における前記水車の前記回転軸と前記水路の水流方向との角度は0°であり、
前記第2の状態は、前記水車翼の一部が前記水路の水中に存在して前記水路を流れる水の力を受けて前記水車翼が回転する状態であり、
前記第2の状態における前記水路の水面は、前記プロペラ水車の前記回転軸に位置し、
前記制御装置は、前記水力発電モジュールが前記第2の状態であるときに所定の引下げ条件が成立すると、前記水力発電モジュールを前記第1の状態にする、請求項1~4のいずれか1項に記載の水力発電装置。 The first state is a state in which all of the turbine blades are present in the water of the water channel and the water turbine blades rotate under the force of water flowing through the water channel.
The angle between the rotation axis of the water turbine and the water flow direction of the water channel in the first state is 0 °.
The second state is a state in which a part of the water turbine blade exists in the water of the water channel and the water wheel blade rotates under the force of water flowing through the water channel.
The water surface of the water channel in the second state is located on the rotation axis of the propeller turbine.
3 . Hydroelectric power generation device described in.
回転梁と、
前記回転梁を回転させるアクチュエータと、
前記水力発電モジュールともども前記回転梁と一緒に回転するように前記水力発電モジュールを支持した状態で前記回転梁に固定される支持台とを含み、
前記制御装置は、前記アクチュエータを制御する、請求項1~5のいずれか1項に記載の水力発電装置。 The drive unit
With a rotating beam,
The actuator that rotates the rotating beam and
The hydroelectric power generation module and the support base fixed to the rotary beam in a state of supporting the hydroelectric power generation module so as to rotate together with the rotary beam are included.
The hydroelectric power generation device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the control device controls the actuator.
第1の状態および第2の状態になるように前記水力発電モジュールを動かす駆動部と、
前記駆動部を制御する制御装置とを備え、
前記水車は、回転軸の周囲に複数の前記水車翼が取り付けられて構成されるプロペラ水車であり、
前記第1の状態は、前記水車翼の少なくとも一部が前記水路の水中に存在して前記水路を流れる水の力を受けて前記水車翼が回転し、前記発電機により発電が行なわれる状態であり、
前記第2の状態は、前記水車に対する前記水路の水面の位置が前記第1の状態よりも低い状態であり、
前記制御装置は、前記水力発電モジュールが前記第1の状態であるときに所定の引上げ条件が成立すると、前記水力発電モジュールを前記第2の状態にするように構成され、
前記水力発電モジュールが前記第1の状態であるときに、前記水車翼に付着した異物の量が許容範囲を超えると、前記引上げ条件が成立し、
前記第1の状態における前記水車の前記回転軸と前記水路の水流方向との角度は20°以上60°以下であり、
前記第2の状態では、前記水車翼の全部が前記水路の水面よりも上に存在する、水力発電装置。 A hydroelectric power generation module including a water turbine equipped with a water turbine wing that rotates by using the power of water flowing through a water channel, and a generator that generates power by using the rotational power of the water wheel wing.
A drive unit that moves the hydroelectric power generation module so as to be in the first state and the second state,
A control device for controlling the drive unit is provided.
The turbine is a propeller turbine configured by mounting a plurality of turbine blades around a rotating shaft.
The first state is a state in which at least a part of the water turbine blade is present in the water of the water channel, the water turbine blade is rotated by the force of water flowing through the water channel, and power is generated by the generator. can be,
The second state is a state in which the position of the water surface of the water channel with respect to the water turbine is lower than that of the first state.
The control device is configured to put the hydroelectric module into the second state when a predetermined pulling condition is satisfied when the hydroelectric module is in the first state.
If the amount of foreign matter adhering to the water turbine blade exceeds the permissible range while the hydroelectric power generation module is in the first state, the pulling condition is satisfied.
The angle between the rotation axis of the water turbine and the water flow direction of the water channel in the first state is 20 ° or more and 60 ° or less.
In the second state, the hydroelectric power generation device in which all of the turbine blades are above the water surface of the water channel .
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