JPH03130576A - 水力発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ポンプを水車として利用して、発電機を稼働
させる水力発電システムに関するものである。

［従来の技術］ 小規模の水力発電用の負荷調整器として、ダミーロード
方式の負荷調整器が１９８２年頃よりイギリスで実用化
され、我国でも４〜５年前から実用化されてきた。

そして、このダミーロード方式、の負荷調整器の実用化
を機に、該負荷調整器を使用し、さらにポンプを水車と
して利用した小規模の水力発電システムの開発が、世界
各国で議論・検討されてきた。

ポンプは構造上で水車と大差がなく、しかも、水車が一
般に受注生産によって生産されていて容量が小さなもの
でも比較的に高価であるのに対し、ポンプは汎用のもの
が量産されていてかなり安価（水車の１７５〜１／１０
程度と推定される）に入手できる。

したがって、市販の汎用ポンプを水車として利用した小
規模の水力発電システムでは、フランシス水車等の従来
型の水車を利用した水力発電システムと比較して、建設
費用がかなり安価になり、例えば、孤立した地方や付落
への供給電源用としての小規模の水力発電所を建設する
場合に、経済的な負担を大幅に軽減して、普及を図るこ
とができるからである。

そこで、ポンプのパラメータである吐出量と全揚程とを
水車のパラメータである流量と有効落差とに換算して、
相応の容量を持ったポンプを選定し、選定した一台のポ
ンプと一台の発電機とによる組み合わせで、発電所とし
て要求された総出力を得る水力発電システムが、ここ数
年に亙って研究されてきた。

［発明が解決しようとした課題］ ところが、ポンプは水量の増減に対応させるための案内
羽根（ガイドベン）を有しておらず、ポンプを水車とし
て利用する場合に、水量コントロールは水圧管に設けた
流ｉｔ調整弁で行う。

そのため、ポンプを水車として利用する水力発電システ
ムでは、上水槽の水量が規定以上あり、流量調整弁を開
放状態にして十分な水量をポンプに供給し得る時（最大
使用水量時＝設計水量時）には損失水頭が少なく、良好
な発電効率を得ることができる。

しかし、上水槽の水量が規定よりも渇水した状態にあ゛
って、流量調整弁で流路を絞ってポンプに供給する水量
を減少させた時には、従来型の水車（フランシス水車や
クロスフロー式の水車）を使った場合と比較して、損失
水頭が急増し、発電効率が急激に低下するという大きな
弱点があった。

そして、この弱点を克服することができないため、ポン
プを水車として使用した水力発電システムは、コストや
最大使用水量時における発電効率の点で優れた特性を有
するにも拘わらず、今日まで、実用化がなされなかった
。

第４図における曲線Ａはフランシス水車の水量変動に対
する効率の変化を示したものであり、また、曲線Ｂはポ
ンプを水車として利用した場合の水量変動に対する効率
の変化を示したものであり、曲線Ａと曲線Ｂとを比較す
ることにより、ポンプを水車として使用した水力発電シ
ステムの特性を理解することができる。第４図において
、横軸は、実際の使用水量を最大使用水量に対する割合
（％）で示したものであり、また、縦軸は、エネルギー
変換効率を％で示したものである。

一方、前述の弱点を回避することから、−台のポンプで
一台の発電機を稼働させる水力発電システムを複数基併
設して、これらの複数基の水力発電システムの出力の総
和を発電所として要求される総出力に設定する発電施設
の建設が提案された。

このような発電施設にすれば、確かに、前述の弱点は回
避することができるが、反面、例えば発７４機や配電盤
や変圧器といった機材が倍増し、これらの倍増した機材
のためにコストが大幅に増大して、ポンプを水車として
使用することによる経済的メリットがなくなるだけでな
く、倍増した機上オ／７ｉ　　←　詰　１．−　転油」
シの縛筑　ｌご　十　〇　名士　灯３ぐ力　六く１区ｊ
巨　１ごなるというあらたな問題が生じるため、やはり
、実用化には至らなかった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、ポンプを
水車として使用する水力発電システムであって、発電機
や配電盤や変圧器といった機材を倍増させることなく前
述の弱点を克服し、従来型の水車を使用した水力発電シ
ステムと比較して、コストを安価に抑えることができる
だけでなく、水量の変動に対する効率の変動も小さく抑
えることができて、経済的および発電効率の双方の面で
優れた水力発電システムを提供することを目的とした。

［課題を解決するための手段］ 請求項（１）に記載の発明は、ポンプを水車として利用
する水力発電システムで、水車として利用するための複
数台のポンプと、ポンプ羽根車を回転駆動する水を上水
槽から各ポンプに導く個別水圧管と、各個別水圧管から
各ポンプに供給される水量を各ポンプ毎に調節する流量
調整弁と、各ポンプの羽根車の同転を一台の発電機に伝
達するための動力伝達手段とを具備する。

そして、上水槽の水量が規定よりも渇水した場合には、
一部のポンプへの送水量を前記流１ｔｊｌＷ整弁で絞っ
て、該一部のポンプの運転を休止または少水量運転状態
にすることによって、上水槽からの水量の減少を図るも
のである。

また、請求項（２）に記載の発明は、請求項（１）に記
載の水力発電システムの一部を改善したもので、水車と
して利用するための複数台のポンプとして、容量の異な
るポンプを組み合わせたものである。

［作用」 本発明に係る水力発電システムは、発電機は１台だけと
し、この−台の発電機に接続するポンプを複数台に設定
したものであるから、発電機や配電盤や変圧器といった
機材が倍増することがない。

そして、上水槽の水量が規定よりも渇水した場合には、
一部のポンプへの送水量を流ｉｉ調整弁で絞って、該一
部のポンプの運転を休止または少水量運転状態にするこ
とによって上水槽からの水量の減少を図るため、残るポ
ンプは、上水槽の水量が規定以上ある場合と同様に、流
量調整弁を開放状態にして最大使用水量を供給して高い
効率で運転することができ、水量の減少による発電効率
の低下を最小限に止めて、高い発電効率を維持すること
ができる。

しかも、ポンプは、水車と比してその１７５〜１／ｌＯ
程度の価格であるので、−台の発電機に対して、例えば
、２台あるいは３台のポンプを装備したとしても、従来
型の水車を使用した水力発電システムと比較して、コス
トを安価に抑えることも可能で、経済的および発電効率
の双方の面で優れた特性を持たせることができる。

また、水車として利用するための複数台のポンプとして
、容量の異なるポンプが組み合わされている場合には、
水量の減少が小さい時には容量の小さなポンプを休止ま
たは少水量運転状態とし、水量の減少が大きくなった時
には容量の大きなポンプを休止または少水量運転状態と
したことによって、水量の変動幅が相当に大きい場合で
も、常に高い発電効率を維持させることが可能で、水量
の変動が大きい地域での利用価値を、従来型の水車を使
用した水力発電システム以上に高めることもできる。

［実施例］ 第１図および第２図は、本発明の一実施例に係る水力発
電システムの平面図および正面図である。

この一実施例の水力発電システムは、設計出力が１０１
００ｋ落差は５０ｍとした）のもので、水車として利用
するための２台のポンプ１，２と、ポンプ羽根車を回転
駆動する水を上水槽（図示時）から各ポンプ１，２に導
く個別水圧管３，４と、これらの各個別水圧管３，４か
ら各ポンプ１，２に供給される水量を各ポンプ１，２毎
に調節する流量調整弁５，６と、各ポンプｌ、２の羽根
車の回転を一台の発電機７に伝達するための動力伝達手
段８と、配電盤９とを具備し、負荷調整器としてはダミ
ーロード方式のものを採用している。

なお、第１図および第２図において、符号１０は放水路
で、使用済みの水は、ポンプの吐出側のチューブ１１か
らこの放水路１０に放出される。

また、符号１２はポンプｌ、　２や発電機７等を収容し
た建屋である。

前記ポンプ１，２は、市販の汎用渦巻きポンプを使用し
たものであるが、羽根車を逆回転させて水車として利用
し得るように、例えばねし部など、一部の機構に改良を
施している。

また、これらのポンプ１，２は、互いに容量の異なった
もので、ポンプｌは出カフＱｋｗ用のもの、ポンプ２は
出力３０ｋｗ用のものである。

前記個別水圧管３，４は、上水槽から各ポンプ１．２に
水を導くためのもので、前記流量調整弁５．６よりも上
流寄りの位置では、互いに連通していてもかまわない。

前記流量調整弁５，６は、個別水圧管３，４の途中に設
けられたもので、流路の開閉を手動操作で行うものであ
るが、電気または油圧等を利用して遠隔操作可能にして
も良い。

前記発電機７は、同期式のもので、出力が１０Ｑｋｗ用
のものである。

前記動力伝達手段８は、この実施例の場合、ポンプ１と
発電機７とを連結したカップリング８ａと、ポンプ２と
発電機７とを連結したカップリング８ｂとで構成されて
おり、それぞれのカップリングＦ３ａ、ｇｂは軸の連結
状態を適時に解除し得るように、クラッチ機能を有して
いる。なお、動力伝達手段８としては、前述の如きカッ
プリングを使用したものだけでなく、ベルト等を使った
機構も考え得る。

以下、該水力発電システムにおけるポンプ１゜２の運転
方法を、以下の（１）〜（■）で、具体的に説明する。

（１）　　この一実施例の水力発電システムは、上水槽
の水量が規定以上にある場合には、ポンプ１２を発電機
７と接続した状態に保ち、前記流量調整弁５，６を開放
状態にして、それぞれのポンプ１．２にはその出力に見
合った最大使用水量を供給し、ポンプｌ、２の双方の駆
動力で発電機７を稼働させる。

この時のポンプｌおよびポンプ２の双方を最大使用水！
（１００％の水量）で運転した場合の、２つのポンプｌ
、２の協働によるエネルギー変換効率η２は、第３図の
図表に示すように、η２＝８８％である。一方、落差や
水量の条件を同じにし７’：出力１１００ｋ用の一台の
フランシス水車のエネルギー変換効率η、は、第３図に
示すように、η、＝８０％であり、前記実施例のものの
ほうが、高い効率が得られることが分かる。

また、上水槽の水量が規定よりも渇水し、使用水量を減
少させなければならない場合は、以下のようである。

（ＩＩ）　　二つのポンプ１，２による全使用水量が、
最大使用水量時の８０％まで減少するまでは、ポンプ１
については最大使用水量で運転し、ポンプ２の使用水量
を減少させることによって対処する。

したがって、ポンプ１の流量調整弁５は開放状態に維持
しておいて、一方、ポンプ２の流ｆｆ１ｌ整弁６は使用
水量の減少する分だけ流路を絞ってゆく　。

二つのポンプによる使用水量が最大使用水量の９０％の
ときは、２つのポンプ１，２の協働によるエネルギー変
換効率η２は、第３図の図表に示すように、η２＝７８
％である。一方、落差や水量の条件を同じにした出力１
１００ｋ用の一台のフラン７ス水車のエネルギー変換効
率η、は、第３図に示すように、η、＝８１％であり、
この実施例のもののほうが、僅かに（３％はど）効率が
下がる。

使用水量が１００〜９０％の範囲での実施例における効
率の変化を線図で示すと、第４図のＣの如くなる。

同様にして、二つのポンプによる使用水量が最大使用水
量の８０％のときは、２つのポンプｌ。

２の協働によるエネルギー変換効率η、は、第３図の図
表に示すように、ηｐ−７８％である。

方、落差や水量の条件を同じにした出力１００ｋＷ用の
一台のフランシス水車のエネルギー変換効率η、は、第
３図に示すように、η、＝８０％であり、この実施例の
もののほうが、僅かに（２％程）効率が下がる。

使用水量が９０〜８０％の範囲での実施例における効率
の変化を線図で示すと、第４図のＣ１の如くなる。

（Ｉ）　　二つのポンプ１，２による全使用水量が、最
大使用水量時の８０〜５０％まで減少するまでは、ポン
プ１のみ運転して、ポンプ２は休止させる。

したがって、ポンプｌのみが動力伝達手段８のカップリ
ング８ａを介して発電機７に接続された状態にされ、ポ
ンプ１の流ｆｆ１ｌ整弁５は、使用水量が減少するに従
って、開放状態から徐々に絞られる。一方、ポンプ２の
流ｉｌｌ整弁６は閉じた状態に維持しておく　（ただし
、ポンプ内を潤滑する程度の水を流しておくことは考え
られる）。

二つのポンプによる使用水量が最大使用水量の７０％の
ときは、２つのポンプｌ、２の協（動によるエネルギー
変換効率η、は、第３図の図表に示すように、η、−８
９％である。一方、落差や水量の条件を同じにした出力
１１００ｋ用の一台のフランシス水車のエネルギー変換
効率η、は、第３図に示すように、η、＝７８％であり
、この実施例のもののは、うが、１１％も効率が高くな
る。

使用水量が８０〜７０％の範囲での実施例における効率
の変化を線図で示すと、第４図のＣ３の如くなる。

同様にして、二つのポンプによる使用水量が最大使用水
量の６０％のときは、２つのポンプｔ。

２の協働によるエネルギー変換効率η２は、第３図の図
表に示すように、ηＰ＝６１％である。

方、落差や水量の条件を同じにした出力１００ｋＷ用の
一台のフランシス水車のエネルギー変換効率η、は、第
３図に示すように、η、−７６％であり、この実施例の
もののほうが、１５％はど効率が下がる。

使用水量が７０〜６０％の範囲での実施例における効率
の変化を線図で示すと、第４図の０４の如くなる。

同様にして、二つのポンプによる使用水量が最大使用水
量の５０％のときは、２つのポンプ１゜２の協働による
エネルギー変換効率η２は、第３図の図表に示すように
、ηｐ−５２％である。

方、落差や水量の条件を同じにした出力１ｏｏｋＷ用の
一台のフランシス水車のエネルギー変換効率η、は、第
３図に示すように、η、＝７２％であり、この実施例の
もののほうが、２０％はど効率が下がる。

使用水量が６０〜５０％の範囲での実施例における効率
の変化を線図で示すと、第４図のＣ６の如くなる。

（ＩＶ）　　二つのポンプ１，２による全使用水量が、
最大使用水量時の５０％以下の範囲に減少したときは、
ポンプ２のみ運転して、ポンプ１は休止させる。

したがって、ポンプ２のみが動力伝達手段８のカップリ
ング８ｂを介して発電機７に接続された状態にされ、ポ
ンプ２の流量調整弁６は、使用水量が減少するに従って
、開放状態から徐々に絞られる。一方、ポンプｌの流量
調整弁５は閉じた状態に維持しておく　（ただし、ポン
プ内を潤滑する程度の水を流しておくことは考えられる
）。

二つのポンプによる使用水量が最大使用水量の４０％の
ときは、２つのポンプ１，２の協働によるエネルギー変
換効率η９は、第３図の図表に示すように、ηｐ−６５
％である。一方、落差や水量の条件を同じにした出力１
１００ｋ用の一台のフランシス水車のエネルギー変換効
率η、は、第３図に示すように、η、＝６５％であり、
この実施例のものと効率が一致している。

使用水量が５０〜４０％の範囲での実施例における効率
の変化を線図で示すと、第４図の０６の如くなる。

同様にして、二つのポンプによる使用水量が最大使用水
量の３０％のときは、２つのポンプＩ。

２の協働によるエネルギー変換効率η２は、第３図の図
表に示すように、η、＝８５％となり、非常に高い効率
が得られる。一方、落差や水量の条件を同じにした出力
ｌＯＱｋｗ用の一台のフランシス水車では、使用水量が
４０％以下になる場合には使用ができない。

使用水量が４０〜３０％の範囲での実施例における効率
の変化を線図で示すと、第４図のＣ７の如くなる。

同様にして、二つのポンプによる使用水量が最大使用水
量の３０％からさらに減少する場合は、２つのポンプ１
．２の協働によるエネルギー変換効率η２は、第３図の
図表にも示すように徐々に下がり、使用水量が最大使用
水量の１５％のときのη２＝１９％となる。

使用水量が３０〜１５％の範囲での実施例における効率
の変化を線図で示すと、第４図のＣ８の如くなる。

以上の（１）〜（■）によって得た線図Ｃ，−Ｃ，を連
続させた曲線Ｃが、この実施例における２台のポンプに
よるエネルギー変換効率を示すが、−台のフランシス水
車による場合の曲線Ａと比較すると、使用水量が最大使
用水量の約９２％以上の範囲にある場合、および６５〜
７７％の範囲にある場合などでは、フランシス水車を使
った場合よりも高い効率を得ることができ、さらにフラ
ンシス水車の使用限界である４０％以下の範囲でも有効
に稼働させることができ、一部ではフランシス水車を使
う場合よりも効率の低下する範囲が発生するものの、全
体としては、使用水量の変動に拘らず高い効率で運転す
ることができ、従来の水量の変動に弱いという弱点を克
服することができた。

また、この実施例の水力発電システムは、−台の発電機
に対して２台のポンプ１，２を装備したもので、発電機
や配電盤や変圧器といった機材が倍増することがない。

しかも、ポンプは、水車と比してその１７５〜ｌ／１０
程度の価格であるので、−台の発電機７に対して、２台
のポンプ１．２を装備したとしても、従来型の水車を使
用した水力発電システムと比較して、コストを安価に抑
えることも可能で、経済的および発電効率の双方の面で
優れた特性を持たせることができると言える。

なお、前記一実施例においては、−台の発電機に接続す
るポンプは、２台としたが、３台以上としても良い。

また、前記一実施例では、２台のポンプは、互いに容量
を異なるものとしたが、容量が等しいものとしても良い
。

また、前記一実施例では、発電機として両軸タイプのも
のを使用して、発電機のそれぞれの軸にポンプを接続す
ることとしたが、第５図に示すように、片軸の発電機２
０を採用し、その軸に、複数のポンプ２１，２２を順次
直列に連結しても良い。

また、−台の発電機に接続するポンプを３台以上とした
場合に、それらの全てのポンプについて互いに容量の異
なるものを選定しても良いが、−部のポンプだけ容量を
異なったものにしても良い。

また、使用するポンプは、実施例に示した渦巻きポンプ
に限定するものではなく、軸流ポンプなども考え得る。

［発明の効果］ 本発明に係る水力発電システムは、−台の発電機に対し
て複数台のポンプを装備したもので、発電機や配電盤や
変圧器といった機材が倍増することがない。

そして、上水槽の水量が規定よりも渇水した場合には、
一部のポンプへの送水量を流Ｎｉｌ整弁で絞って、該一
部のポンプの運転を休止または少水量運転状態にするこ
とによって上水槽からの水量の減少を図るため、残るポ
ンプは、上水槽の水量が規定以上ある場合と同様に、流
量調整弁を開放状態にして最大使用水量を供給して高い
効率で運転することができ、水量の減少による発電効率
の低下を最小限に止めて、高い発電効率を維持すること
ができる。

しかも、ポンプは、水車と比してその１１５〜ｌ／１０
程度の価格であるので、−台の発電機に対して、例えば
、２台あるいは３台のポンプを装備したとしても、従来
型の水車を使用した水力発電システムと比較して、コス
トを安価に抑えることも可能で、経済的および発電効率
の双方の面で優れた特性を持たせることができる。

また、水車として利用するための複数台のポンプとして
、容量の異なるポンプが組み合わされている場合には、
水量の減少が小さい時には容量の小さなポンプを休止ま
たは少水量運転状態とし、水量の減少が大きくなった時
には容量の大きなポンプを休止または少水量運転状態と
したことによって、水量の変動幅が相当に大きい場合で
も、常に高い発電効率を維持させることが可能で、水量
の変動が大きい地域での利用価値を、従来型の水車を使
用した水力発電システム以上に高めることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の平面図、第２図は前記一実
施例の正面図、第３図は前記一実施例の二つのポンプに
よる使用水量に対する効率の変化を示す図表、第４図は
一実施例の水量と効率との相関を示す特性曲線図、第５
図は本発明の他の実施例を示す平面図である。 １．２・・・・・・ポンプ、３，４・・・・・個別水圧
管、５６・・・・・１．Ａ量調整弁、７・・・・・・発
電機、８・・・・・動力伝達手段、２０・・・・・・発
電機、２１２２・・・・・ポンプ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）水車として利用するための複数台のポンプと、 ポンプ羽根車を回転駆動する水を上水槽から各ポンプに
   導く個別水圧管と、 各個別水圧管から各ポンプに供給される水量を各ポンプ
   毎に調節する流量調整弁と、 各ポンプの羽根車の回転を一台の発電機に伝達するため
   の動力伝達手段とを具備して、 上水槽の水量が規定よりも渇水した場合には、一部のポ
   ンプへの送水量を前記流量調整弁で絞って、該一部のポ
   ンプの運転を休止または少水量運転状態にすることによ
   って、上水槽からの水量の減少を図ることを特徴とした
   水力発電システム。
2. （２）水車として利用するための複数台のポンプとして
   、容量の異なるポンプが組み合わされていることを特徴
   とした請求項１記載の水力発電システム。