JP7211760B2 - 発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、流体の圧力の変動を電力に変換する電力変換機器を備えた発電設備に関する。

電力を供給するための発電設備、例えば、水力発電設備では、発電用水により水車を回転させ、水車の回転により発電機（交流発電機）が駆動されて発電が行なわれるようになっている（例えば、特許文献１）。即ち、水車の回転により水力発電機が駆動され発電が行われ、水車を回転させた発電用水は河川に放出される。放出される発電用水は、羽根の回転で押し出されることになるが、回転羽根（回転部材）とケース（固定部材）の側壁との間には隙間が存在するため、隙間や回転羽根のピッチに起因して放出される発電用水には圧力変動（脈動）が存在している。

また、火力発電設備では、蒸気タービンで仕事を終えた排気蒸気が凝縮（復水）され、復水はポンプによりボイラに圧送されて給水され、ボイラで駆動用の蒸気が生成される。ポンプにより圧送される復水には、水車で放出される発電用水と同様に、圧力変動（脈動）が存在している。

このように、発電設備では、流体の流通過程で、圧力変動による脈動が流体に存在するのが避けられない。また、発電設備に限らず、流体を圧送する設備や、回転する羽根を通して流体が送られる設備でも、流体に圧力変動による脈動が存在するのが避けられない。

発電設備や流体を圧送する設備では、流体の流通過程で、流体に圧力変動による脈動が存在しているが、機器の機構上、完全に避けることができない現象であることから、脈動によるエネルギーを未利用のエネルギーとは着目されていないのが実情であった。

特開２０１７―２１０９６０号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、流体の圧力の変動によるエネルギーを電力に変換することができる電力変換機器を有する発電設備を提供することを目的とする。

本発明の発電設備に備えられる電力変換機器は、流体の流通圧力の変動を発電の動力源とする発電機器を備えたことを特徴とする。

これにより、発電機器により、流体（気体、液体、蒸気等）の流通圧力の変動（脈動）を、発電の動力源として直接使用し、電力を得ることができる。このため、流体の圧力の変動による直接のエネルギーを電力に変換することが可能になる。

そして、上記電力変換機器において、前記発電機器は、前記流体が圧縮・膨張される経路に取り付けられることを特徴とする。

これにより、発電機器が、運輸機器（車、航空機、船舶等）の動力源や発電設備における圧縮・膨張機器に備えられる圧縮・膨張の流体経路に取り付けられ、運輸機器の動力源や、発電設備における圧縮・膨張機器の駆動時に、回転部材と固定部材との間のわずかな隙間に起因して存在する流体の流通圧力の変動（脈動）、即ち、避けることが考慮されていない流体圧力の変動（脈動）を直接動力源として電力を得ることができる。

また、上記電力変換機器において、前記発電機器は、前記流体の流通圧力を計測する圧力検出手段に取り付けられることを特徴とする。

これにより、発電機器が圧力検出手段に取り付けられることで、流体の流通圧力の変動（脈動）を検出する手段で電力を得ることができる。例えば、圧力計の弁体やダイヤフラムに発電機器として圧電素子を取り付け、流通圧力の変動により動く弁体やダイヤフラムの動きを直接圧電素子に伝え、電力を得ることができる。

また、流通圧力の変動により動く圧力計の針に発電機器として圧電素子を取り付けることができる。圧力計で電力を得ることができることで、デジタルの圧力計を適用した場合に機器の電源を確保することができる。

電力変換機器で得られた電力は、例えば、設備の状態監視・計測を行い、状態監視・計測の結果情報を通信により送受信し、結果情報を複数の部門で共有し、設備のメンテナンスの計画、実行等を行う技術である、IoT（Internet of Things）技術による圧力監視におけるセンシング（各種のデジタルの計測機器における計測）、通信のための電源として使用することができる。このため、IoT技術に適用した際に、電源としてのバッテリの交換、メンテナンスの時間、労力を省略することができ、IoT技術の構築に貢献できる技術となる。

上記目的を達成するための本発明の発電設備の態様は、発電機が駆動されることで電力を得る発電手段と、前記発電手段に関わる流体が流通する流通手段と、前記流通手段を流通する前記流体の流通圧力の変動を発電の動力源として電力を得る発電機器を有する電力変換機器とを備えたことを特徴とする。

これにより、電力変換機器の発電機器により、発電手段に関わる流体（気体、液体、蒸気等）の流通圧力の変動（脈動）を、発電の動力源として直接使用し、電力を得ることができる。このため、流体の圧力の変動によるエネルギーを電力に変換することができる電力変換機器を有する発電設備とすることが可能になる。

発電手段に関わる流体としては、蒸気タービンの出口の排気蒸気、圧縮機の出口の圧縮空気（酸化剤）、復水器で得られた復水を送るための給水ポンプの前後の給水等を適用することができる。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の発電設備は、発電用水が送られることで回転する水車を有し、前記水車の回転により発電機が駆動されることで電力を得る発電手段と、前記水車を回転させるための前記発電用水を導入する通路である流通手段と、前記流通手段に設けられ、回転部材と固定部材との隙間に起因して存在する前記発電用水の流通圧力の変動である脈動を発電の動力源として電力を得る発電機器を有する電力変換機器とを備え、前記流通手段には、前記発電用水の圧力により作用するダイヤフラムを介して指針を動かして前記発電用水の圧力を計測する圧力計が備えられ、前記発電機器は、前記圧力計の前記指針に取り付けられていることを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、水力発電設備において、水車を回転させるために導入される発電用水の圧力の変動を動力源として電力を得ることができる。例えば、水力発電の発電用水の導入用の水管に（水車ベーン：羽根の直前に）圧力計を配し、導入用の水管に備えられた圧力計に、電力変換機器（圧電素子等）を取り付けることができる。また、電力変換機器を圧力計の機器の一つの構成部材とすることで、圧力計自体を電力変換機器とすることができる。

また、請求項２に係る本発明の発電設備は、流体が送られることで駆動され、発電動力を得る膨張タービンを有する発電手段と、前記流体を前記膨張タービンに送る経路である流通手段と、前記流通手段に設けられ、回転部材と固定部材との隙間に起因して存在する前記圧縮流体の流通圧力の変動である脈動を発電の動力源として電力を得る発電機器を有する電力変換機器とを備え、前記流通手段には、前記流体の圧力により作用するダイヤフラムを介して指針を動かして前記流体の圧力を計測する圧力計が備えられ、前記発電機器は、前記圧力計の前記指針に取り付けられていることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、火力発電設備において、膨張タービンに送られる流体、膨張タービンから排気される流体の圧力の変動を動力源として電力を得ることができる。
また、膨張タービンに流体が送られる経路、例えば、もしくは、ガスタービンに送られる膨張用のガスの経路の流通圧力の変動を動力源として電力を得ることができる。

また、請求項３に係る本発明の発電設備は、請求項２に記載の発電設備において、前記膨張タービンに送られる前記流体を得る燃焼手段と、前記燃焼手段に送られる酸化剤を圧縮する圧縮手段とを有し、前記電力変換機器は、前記圧縮手段で圧縮された酸化剤の経路に設けられることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、火力発電設備において、圧縮手段で圧縮されて燃焼手段に送られる酸化剤、例えば、圧縮機の出口の圧縮空気の圧力の変動を動力源として電力を得ることができる。

また、請求項４に係る本発明の発電設備は、請求項２もしくは請求項３に記載の発電設備において、前記膨張タービンの排気ガスが送られる排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラで得られた蒸気が送られて発電を行う蒸気タービンと、蒸気タービンの排気蒸気が復水されて前記排熱回収ボイラに給水される系統とを有し、前記電力変換機器は、前記排熱回収ボイラで発生した蒸気が前記蒸気タービンに送られる経路、前記排熱回収ボイラに給水される経路の少なくとも一箇所に設けられることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、排熱熱回収ボイラで発生した蒸気が蒸気タービンに送られる経路、排熱回収ボイラに給水される経路の少なくとも一箇所に電力変換器を設けることができる。

本発明が適用される電力変換機器は、流体の圧力の変動による直接のエネルギーを電力に変換することが可能になる。

本発明の発電設備は、流体の圧力の変動による直接のエネルギーを電力に変換することができる電力変換機器を有する発電設備とすることが可能になる。

本発明の一実施例に係る電力変換機器を備えた水力発電設備の全体の説明図である。 圧力計の概略構成図である。 水力発電設備の発電用水の流通圧力の変動（脈動）を表すグラフである。 本発明の一実施例に係る電力変換機器を備えた複合発電設備の全体の説明図である。

本発明の電力変換機器は、水力発電設備や複合発電設備における流体（気体、液体、蒸気等）の経路に発電機器（圧電素子等）を備え、流通圧力の変動（脈動）を、直接の動力源として電力を得るものである。つまり、流体（気体、液体、蒸気等）の圧力の変動による直接のエネルギーを電力に変換することが可能になる。

発電機器は、例えば、運輸機器（車、航空機、船舶等）の動力源や発電設備における圧縮・膨張機器に備えられる圧縮・膨張の流体経路に取り付けられ、運輸機器の動力源や、発電設備における圧縮・膨張機器の駆動時に、回転部材と固定部材との間のわずかな隙間に起因して存在する流体の流通圧力の変動（脈動）、即ち、完全に避けることができない現象である、流体圧力の変動（脈動）を直接動力源として電力を得ることができる。

電力変換機器で得られた電力は、例えば、設備の状態監視・計測を行い、状態監視・計測の結果情報を通信により送受信し、結果情報を複数の部門で共有し、設備のメンテナンスの計画、実行等を行う技術である、IoT（Internet of Things）技術による機器の監視におけるセンシング（デジタル計測計による計測）、通信のための電源として使用することができる。このため、IoT技術に適用した際に、電源としてのバッテリの交換、メンテナンスの時間、労力を省略することができ、IoT技術の構築に貢献できる技術となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施例を具体的に説明する。

以下の実施例は、電力変換機器として、発電設備の放水管の圧力変動（脈動）から電力を得る構成を例に挙げて説明してあるが、圧送手段（ポンプ）により圧送される機構を用いた機構での流体の圧力変動（脈動）から電力を得る構成を適用することが可能である。例えば、パイプラインでポンプにより圧送される石油の圧力変動（脈動）から電力を得る構成を適用したり、運輸機器（車、航空機、船舶等）の動力源における圧縮・膨張機器に備えられる圧縮・膨張の流通手段（経路）の圧力変動から電力を得る構成に適用したりすることも可能である。

図１には本発明の一実施例に係る電力変換機器を備えた発電設備としての水力発電設備の全体の状況、図２には電力変換機器としての圧力計の概略構成を示してある。また、図３には水力発電設備の発電用水の流通圧力の変動（脈動）を表すグラフを示してあり、図３（ａ）は水量（水車ベーン：羽根の開き状態）の経時間変化、図３（ｂ）は水量に対応する圧力変動（ＭＰａ）の経時間変化である。

図１に示すように、水力発電設備１は、貯水池２からの発電用水（発電手段に関わる流体）が水圧管３を介して送られる水車４を備えている。水車４の回転により発電手段としての水力発電機５が駆動され発電が行われ、水車４を回転させた発電用水は流通手段としての放水管６から河川７に放出される。発電された電力は送電線８を介して事業所や一般の需要地に送られる。

水圧管３の水車４の直前の部位には電力変換機器としての圧力計１１（圧力検出手段）が備えられ、水圧管３から水車４に導入される発電用水の流通圧力の変動（脈動）、即ち、水車４の回転に起因して存在する発電用水の流通圧力の変動（脈動）が圧力計１１により計測される。具体的には後述するが、圧力計１１の構成部材として発電機器が備えられ、発電用水の流通圧力の変動（脈動）が発電機器の発電の動力源とされ、電力変換機器（圧力計１１）により電力が得られる。

電力変換機器を備えたことにより、水力発電機５の発電用水の流通圧力の変動（脈動）を、直接の動力源として用いて電力を得ることができる。このため、発電用水の圧力の変動（脈動）によるエネルギーを電力に変換することができる電力変換機器を有する水力発電設備１とすることが可能になる。

図２に基づいて圧力計１１の構成を具体的に説明する。図２には圧力計１１の構成の概略状況を示してある。

図２に示すように、圧力計１１は、水車４の直前の位置の水圧管３（図１参照）に取り付けられる筒状のねじ部１２を有し、ねじ部１２の上側には、径が大きくされて流体スペースが確保されたフランジ部１３が形成されている。水圧管３（図１参照）から水車４に導入される発電用水の一部が、ねじ部１２からフランジ部１３の流体スペースに圧送される。フランジ部１３の上側には、ゲージ部１４が設けられ、ゲージ部１４には目盛１５が設けられ、所定の圧力目盛りの部位を指す指針１６が回動自在に支持されている。

フランジ部１３の流体スペースの中央部には、ダイヤフラム１７が設けられ、ダイヤフラム１７の下面側に、発電用水の一部が流入する。流入した発電用水の一部によりダイヤフラム１７の下面に圧力が作用し、流入した発電用水の一部の圧力に応じてダイヤフラム１７の面が変位する。ダイヤフラム１７の上面にはリンク１８が取り付けられ、リンク１８を介してダイヤフラム１７の変位が指針１６に伝えられる。

即ち、ダイヤフラム１７の変位に応じて（発電用水の流通圧力に応じて）指針１６が回動し、変位量に応じた値（発電用水の流通圧力の値）の目盛りの位置が指針１６によって示される。

ダイヤフラム１７には発電機器としての圧電素子１９が取り付けられている。水圧管３から水車４に導入されると、発電用水の流通圧力の変動（脈動）に応じてダイヤフラム１７は変位を繰り返す。ダイヤフラム１７の変位が圧電素子１９に直接伝えられ、圧力計１１の圧電素子１９により電力が得られる。

従って、上述した圧力計１１は、発電用水の流通圧力の変動（脈動）、即ち、水車４の回転に起因して存在する発電用水の流通圧力の変動（脈動）による直接のエネルギーを電力に変換することが可能になる。

圧力計１１（圧電素子１９）で得られた電力は、例えば、設備の状態監視・計測を行い、状態監視・計測の結果情報を通信により送受信し、結果情報を複数の部門で共有し、設備のメンテナンスの計画、実行等を行う技術である、IoT（Internet of Things）技術による機器の監視におけるセンシング（デジタル計測計による計測）、通信のための電源として使用することができる。このため、IoT技術に適用した際に、電源としてのバッテリの交換、メンテナンスの時間、労力を省略することができ、IoT技術の構築に貢献できる技術となる。

尚、ダイヤフラム１７の変位に応じて（発電用水の流通圧力に応じて）回動を繰り返す指針１６に圧電素子１９を取り付け、発電用水の流通圧力の変動（脈動）を、指針１６の振れにより圧電素子１９に直接伝える構成にすることも可能である。圧力計１１は、電力が得られる構成の圧力計となるため、デジタルの圧力計として機器の電源を自身で確保することも可能である。

図３に基づいて発電用水の流通圧力の変動（脈動）の状況の一例を説明する。

図３（ａ）に示すように、時刻ｔ０からｔ１までの間の流量Ｑ１（水車ベーンの開き状態）の状態においては、図３（ｂ）に示すように、０.００７ＭＰａの差の範囲の変動（脈動）が確認された。また、図３（ａ）に示すように、時刻ｔ１からｔ２までの間の流量Ｑ２（Ｑ１＜Ｑ２）の状態においては、図３（ｂ）に示すように、０.００９ＭＰａの差の範囲の変動（脈動）が確認された。

更に、図３（ａ）に示すように、流量が多くなる時刻ｔ２からｔ３までの間の流量Ｑ３（Ｑ２＜Ｑ３）の状態においては、図３（ｂ）に示すように、０.０２ＭＰａの大きな差の範囲の変動（脈動）が確認された。

発電用水が水圧管３（図１参照）を介して水車４（図１参照）に送られると、図３に示したように、０.００９ＭＰａから０.０２ＭＰａの差の範囲の変動（脈動）が生じていることがわかる。このため、圧力計１１（図２参照）のダイヤフラム１７（図２参照）の変位が、０.００９ＭＰａから０.０２ＭＰａの間の十分な圧力差の範囲で繰り返され、圧電素子１９（図２参照）により電力が得られることがわかる。

図４に基づいて発電設備の他の実施例を説明する。図４には本発明の一実施例に係る電力変換機器（例えば、図１、図２に示した圧力計１１）を備えた発電設備としての複合発電設備の全体の概略状況を示してある。

図４に示すように、複合発電設備は、タービン発電設備２１と蒸気発電設備２２とから構成されている。タービン発電設備２１は、空気を圧縮する圧縮機２３を備え、圧縮機２３で圧縮された圧縮空気は燃焼器２４に送られる。燃焼器２４からの燃焼ガスは膨張タービン２５で膨張されて動力が得られる。膨張タービン２５の動力により発電機２６が駆動されて発電電力が得られる。

膨張タービン２５の排気ガスは排熱回収ボイラ２７で熱回収されて大気に放出される。排熱回収ボイラ２７で得られた蒸気は蒸気発電設備２２の蒸気タービン２８に送られ、蒸気タービン２８で膨張されて動力が得られる。蒸気タービン２８の動力により発電機２９が駆動されて発電電力が得られる。蒸気タービン２８で仕事を終えた排気蒸気は復水器３１で復水され、復水は給水ポンプ３２の駆動により排熱回収ボイラ２７に給水される。

上述した複合発電設備では、発電手段に関わる流体の流通手段として、圧縮機２３で圧縮された圧縮空気（酸化剤）の経路、膨張タービン２５に送られる燃焼ガス（流体）の経路が備えられている。また、発電手段に関わる流体の流通手段として、排熱回収ボイラ２７で発生した蒸気が蒸気タービン２８に送られる経路、給水ポンプ３２で送られる給水（流体）の経路が備えられている。

上記の発電手段に関わる流体の流通手段（経路）には、流通圧力の変動（脈動）を、直接の動力源として電力を得る電力変換機器３５（例えば、図１、図２に示した圧力計１１）が備えられている。電力変換機器３５は、図示しない圧電素子等の発電機器を有している。このため、複合発電設備における流体（気体、液体、蒸気等）の経路の流通圧力の変動（脈動）、ポンプ等の駆動に起因して存在する流体圧力の変動（脈動）が発電機器に直接伝えられ、電力変換機器３５により電力が得られる。

従って、上述した複合発電設備では、発電手段に関わる流体の流通圧力の変動（脈動）による直接のエネルギーを電力に変換することが可能になる。

尚、発電機器（電力変換機器）を、例えば、運輸機器（車、航空機、船舶等）の動力源における圧縮・膨張機器に備えられる圧縮・膨張の流通手段（経路）に取り付けることができる。これにより、運輸機器の動力源の駆動時に、回転部材と固定部材との間のわずかな隙間に起因して存在する流体の流通圧力の変動（脈動）を直接動力源として電力を得ることが可能になる。

本発明は、流体の圧力の変動を電力に変換する電力変換機器、及び、電力変換機器を備えた発電設備の産業分野で利用することができる。

１ 水力発電設備
２ 貯水池
３ 水圧管
４ 水車
５ 水力発電機
６ 放水管
７ 河川
８ 送電線
１１ 圧力計
１２ ねじ部
１３ フランジ部
１４ ゲージ部
１５ 目盛
１６ 指針
１７ ダイヤフラム
１８ リンク
１９ 圧電素子
２１ タービン発電設備
２２ 蒸気発電設備
２３ 圧縮機
２４ 燃焼器
２５ 膨張タービン
２６、２９ 発電機
２７ 排熱回収ボイラ
２８ 蒸気タービン
３１ 復水器
３２ 給水ポンプ
３５ 電力変換機器

Claims (4)

1. 発電用水が送られることで回転する水車を有し、前記水車の回転により発電機が駆動されることで電力を得る発電手段と、
   前記水車を回転させるための前記発電用水を導入する通路である流通手段と、
   前記流通手段に設けられ、回転部材と固定部材との隙間に起因して存在する前記発電用水の流通圧力の変動である脈動を発電の動力源として電力を得る発電機器を有する電力変換機器とを備え、
   前記流通手段には、前記発電用水の圧力により作用するダイヤフラムを介して指針を動かして前記発電用水の圧力を計測する圧力計が備えられ、
   前記発電機器は、前記圧力計の前記指針に取り付けられている
   ことを特徴とする発電設備。
2. 流体が送られることで駆動され、発電動力を得る膨張タービンを有する発電手段と、
   前記流体を前記膨張タービンに送る経路である流通手段と、
   前記流通手段に設けられ、回転部材と固定部材との隙間に起因して存在する前記流体の流通圧力の変動である脈動を発電の動力源として電力を得る発電機器を有する電力変換機器とを備え、
   前記流通手段には、前記流体の圧力により作用するダイヤフラムを介して指針を動かして前記流体の圧力を計測する圧力計が備えられ、
   前記発電機器は、前記圧力計の前記指針に取り付けられている
   ことを特徴とする発電設備。
3. 請求項２に記載の発電設備において、
   前記膨張タービンに送られる前記流体を得る燃焼手段と、
   前記燃焼手段に送られる酸化剤を圧縮する圧縮手段とを有し、
   前記電力変換機器は、
   前記圧縮手段で圧縮された酸化剤の経路に設けられる
   ことを特徴とする発電設備。
4. 請求項２もしくは請求項３に記載の発電設備において、
   前記膨張タービンの排気ガスが送られる排熱回収ボイラと、
   前記排熱回収ボイラで得られた蒸気が送られて発電を行う蒸気タービンと、
   蒸気タービンの排気蒸気が復水されて前記排熱回収ボイラに給水される系統とを有し、
   前記電力変換機器は、
   前記排熱回収ボイラで発生した蒸気が前記蒸気タービンに送られる経路、前記排熱回収ボイラに給水される経路の少なくとも一箇所に設けられる
   ことを特徴とする発電設備。

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