KR20180078268A - 수력 발전 장치 및 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

수력 발전 장치는, 수차(1)의 회전에 제동력을 가하는 제동력 발생부와, 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 제동력 발생부를 제어함에 의해, 수차(1)의 회전 속도를 변동시키는 제어 장치(100)를 구비한다. 수차(1)의 회전 속도를 변동시킴에 의해, 수차날개에 부착한 티끌 등이 흘러 떨어지기 쉬워진다. 바람직하게는, 제동력 발생부는, 수차(1)의 회전축에 제동력을 가하는 전기식 또는 기계식 또는 유체식의 제동 장치(12)를 포함한다. 또한 바람직하게는, 제동력 발생부는, 수차(1)의 회전에 의해 발전을 행하는 발전기(3)를 포함하고, 제어 장치(100)는, 발전기(3)로부터 취출하는 전력을 변동시킴에 의해 제동력을 증감시킨다. 이와 같은 구성에 의해, 비용을 억제하면서 티끌이나 이물에 대해 보수 용이한 소형 수력 발전 장치를 제공할 수 있다.

Description

수력 발전 장치 및 발전 시스템
본 발명은, 수력 발전 장치 및 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 소형의 수력 발전 장치의 제어에 관한 것이다.
수력 발전 장치는 유수(流水)가 갖는 운동 에너지를 발전에 이용하는 시스템이다. 수력 발전 장치는, 주된 구성으로서, 물의 흐름을 받아 회전하는 수차(水車)와, 수차와 연결되어 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기와, 발전기의 출력 및 수차를 제어하는 제어 장치를 포함한다. 발전기로부터 취출하는 최적의 전력은 유속에 의해 변화하기 때문에, 제어 장치는, 유속 또는 수차의 회전 속도 또는 발전기 발전 전압을 계측하여, 발전기로부터 취출하는 최적의 전력을 결정하고, 발전기의 전력량과 최적치가 일치하도록 발전기를 제어한다.
상류로부터 발전기에 표착(漂着)하는 티끌(ゴミ)이나 수초(水草), 가지(枝), 끈(紐)은, 수차에 휘감겨 발전량의 저하의 요인이 된다. 이 때문에, 수력 발전에서는, 티끌 대책이 중요하다. 예를 들면, 수차의 상류에 티끌을 제거하는 장치를 설치하는 것이 바람직하다.
일본국 특개2013-189837호 공보(특허 문헌 1), 일본국 특개2014-202093(특허 문헌 2)에는, 수력 발전의 티끌 대책에 관한 기술이 개시되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본국 특개2013-189837호 공보 특허 문헌 2 : 일본국 특개2014-202093호 공보
일본국 특개2013-189837호 공보(특허 문헌 1)는, 수차 설치 장소보다 상류의 수로(水路)에 이물(異物)을 제거하는 제진(除塵) 설비를 설치하는 예를 개시하고 있다. 그렇지만, 소형으로 수로에 간단하게 설치 가능한 소수력(小水力) 발전 장치에서는, 이와 같은 어마어마한 제진 설비는 비용 상승의 요인이 되기 때문에 사용하기가 어렵다. 이 때문에, 소수력 발전 장치에는, 예를 들면 빗형의 필터 등 간이한 제진기를 설치하는 것이 생각된다.
소수력 발전 장치에서, 간이한 제진기를 설치한 경우, 다소의 티끌이나 수초가 수차에 흘러 들어가는 경우가 있다. 수차에 흘러서 붙은 티끌은, 그대로 그냥 지나치는 것도 있다면, 수차의 수차날개(水車翼)(날개(羽根))에 걸리는 것도 있다. 수차날개에 걸린 티끌은, 수차날개의 회전에 의한 수압(水壓)이나 원심력, 수류(水流)에 의한 수압에 의해, 수차날개에 꽉눌린 상태가 되어 벗겨지지 않게 된다. 수차에 부착한 티끌이나 수초가 증가하면 발전력의 저하를 일으킨다. 따라서 간이한 제진기는 완전한 티끌 대책으로는 되지 않고, 수차에 부착한 티끌의 정기적인 제거 작업이 필요해진다.
한편, 일본국 특개2014-202093(특허 문헌 2)에서는, 발전기를 모터로서 기능시켜, 이물을 파쇄(破碎)하는 파쇄날개로서 수차날개를 사용하여 티끌을 파쇄하여 제거하는 방법이 제안되어 있다. 이와 같은 대책이라면, 대폭적인 비용 상승을 필요로 하지 않고서 티끌을 제거할 수 있다. 그러나, 일본국 특개2014-202093(특허 문헌 2)에 개시된 소수력 발전 장치에는, 이하의 2가지의 과제가 있다.
첫번째로, 발전기를 전동기로서 구동하기 위해 제어 장치에 인버터의 기능을 가질 필요가 있다. 일반적인 발전기의 제어 장치는, 정류 회로와 DC/DC 컨버터의 기능밖에 갖지 않기 때문에, 이와 같은 기능을 간단하게 추가하기가 어렵다. 두번째로, 인버터를 사용하여 발전기를 전동기로서 기능시키는 것은, 본래의 목적인 발전이 아니라, 전력의 소비이다. 전력을 소비하는 전동기로서 발전기를 기능시키는 것은, 본래의 목적으로 하는 발전과는 반대의 동작이고, 요망되는 동작이 아니다. 또한, 전동기로서 기능시킬 때의 전원의 확보도 필요하다.
본 발명은, 상기한 과제를 해결하기 위한 것으로, 그 목적은, 비용을 억제하면서 티끌이나 이물에 대해 보수(保守) 용이한 소형 수력 발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 요약하면, 수력 발전 장치로서, 수차와, 수차의 회전에 제동력(制動力)을 주는 제동력 발생부와, 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 제동력 발생부를 제어함에 의해, 수차의 회전 속도를 변동 또는 회전을 정지시키는 제어 장치를 구비한다.
바람직하게는, 제동력 발생부는, 수차의 회전축에 제동력을 가하는 전기식 또는 기계식 또는 유체식의 제동 장치를 포함한다. 제어 장치는, 제동 장치의 제동 걸기와 제동 풀기를 반복함에 의해 제동력을 증감시킨다.
바람직하게는, 제동력 발생부는, 수차의 회전에 의해 발전을 행하는 발전기를 포함한다. 제어 장치는, 발전기로부터 취출하는 전력을 변동시킴에 의해 제동력을 증감시킨다.
바람직하게는, 제어 장치는, 제동력의 증감을 반복하는 경우에 있어서, 제1의 주기로 제동력이 증감하는 기간과, 제1의 주기와 시간 길이가 다른 제2의 주기로 제동력이 증감하는 기간을 포함하도록 제동력 발생부를 제어한다.
바람직하게는, 제어 장치는, 운전 조건이 성립한 경우에, 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행하고, 운전 조건은, 수력 발전 장치의 발전량이 임계치보다도 저하된 것을 포함한다.
바람직하게는, 제어 장치는, 운전 조건이 성립한 경우에, 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행하고, 운전 조건은, 수차의 회전 속도가 임계치보다도 저하된 것을 포함한다.
바람직하게는, 제어 장치는, 운전 조건이 성립한 경우에, 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행하고, 운전 조건은, 수력 발전 장치의 발전 전압이 임계치보다도 저하된 것을 포함한다.
바람직하게는, 제어 장치는, 운전 조건이 성립한 경우에, 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행하고, 운전 조건은, 전회의 제동력 제어의 실행시(實行時)로부터 소정의 시간이 경과한 것을 포함한다.
바람직하게는, 제어 장치는, 제1∼제4의 운전 조건 중 적어도 2개 이상이 성립한 경우에, 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행한다. 제1의 운전 조건은, 수력 발전 장치의 발전량이 제1 임계치보다도 저하된 것을 포함한다. 제2의 운전 조건은, 수차의 회전 속도가 제2 임계치보다도 저하된 것을 포함한다. 제3의 운전 조건은, 수력 발전 장치의 발전 전압이 제3 임계치보다도 저하된 것을 포함한다. 제4의 운전 조건은, 전회의 제동력 제어의 실행시로부터 소정의 시간이 경과한 것을 포함한다.
본 발명에 의하면, 소형의 수력 발전 장치에서, 비용의 증가를 억제하면서, 수차에 부착한 티끌 등을 제거하는 것이 가능하고, 발전량의 저하를 막을 수 있다.
도 1은 실시의 형태 1∼3에 공통되는 수력 발전 장치의 개략 형상을 도시하는 정면도.
도 2는 실시의 형태 1∼3에 공통되는 수력 발전 장치의 개략 형상을 도시하는 측면도.
도 3은 실시의 형태 1에 관한 수력 발전 장치의 구성을 도시하는 블록도.
도 4는 도 3의 구성례에서 CPU의 릴레이 제어를 설명하기 위한 플로우 차트.
도 5는 실시의 형태 2에 관한 수력 발전 장치의 구성을 도시하는 블록도.
도 6은 도 5에서 수차에 부착한 티끌을 제거하는 제어를 설명하기 위한 플로우 차트.
도 7은 실시의 형태 3에 관한 수력 발전 장치의 구성을 도시하는 블록도.
도 8은 도 7에서 수차에 부착한 티끌을 제거하는 제어를 설명하기 위한 플로우 차트.
도 9는 실시의 형태 4에 관한 수력 발전 장치의 개략 형상을 도시하는 정면도.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 관해 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 도면에서 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 번호를 붙이고, 그 설명은 반복하지 않는다.
도 1은, 실시의 형태 1∼3에 공통되는 수력 발전 장치의 개략 형상을 도시하는 정면도이다. 도 2는, 실시의 형태 1∼3에 공통되는 수력 발전 장치의 개략 형상을 도시하는 측면도이다.
도 1, 도 2를 참조하면, 수력 발전 장치는, 수차(1)와, 기어 박스(2)와, 발전기(3)를 포함한다. 수차(1)는, 수평축형의 프로펠러식 회전날개를 가지며, 수류에 의해 회전한다. 발전기(3)는 기어 박스(2)를 통하여, 수차와 연결되어 있다. 수차(1)가 회전하면 발전기(3)의 회전축도 회전한다.
[실시의 형태 1]
도 3은, 실시의 형태 1에 관한 수력 발전 장치의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 3을 참조하면, 실시의 형태 1에 관한 수력 발전 장치는, 수차(1)와, 발전기(3)와, 회전 속도 검출기(6)와, 제어 장치(100)를 포함한다.
수차(1)는, 유수의 힘으로 회전한다. 수차(1)에는 발전기(3)가 연결되어 있다. 발전기(3)는, 수차(1)의 회전에 수반하여 발전을 행한다. 발전기(3)는 3상 동기 발전기이고, 그 출력은 3상 교류로 출력된다. 발전기(3)의 3상 교류 출력은, 정류 회로(4)에 의해 직류로 변환된다. 이 직류 전압 출력에는, 레이(5)를 경유하여 저항(11)이 접속되어 있다. 릴레이(5)가 오프 하고 있으면, 직류 출력은 후단의 DC/AC 컨버터(10)에 그대로 출력된다. 한편, 릴레이(5)가 온 하면, 정류 출력은 저항(11) 경유로 정부극(正負極) 라인이 접속되어, 저항(11)에서 전력이 소비된다. 저항(11)의 저항치가 충분히 작으면, 큰 전력이 소비되고, 발전기(3)에서의 제동력을 증가시키게 된다.
또한, 여기서는 구체례로서 발전기(3)가 3상 동기 발전기인 경우에 관해 설명하지만, 본 발명은 발전기의 형식을 한정하는 물건이 아니라, 3상 유도 발전기나 직류 발전기 등, 임의의 형식의 발전기를, 발전기의 형식에 대응한 제어 장치와 조합하여 사용할 수 있다.
수차의 제어 장치(100)는, 발전기(3)의 상태를 계측하고 있고, 티끌이 휘감은 경우, 수차(1)의 회전 속도의 저하나 발전량의 저하를 관측할 수 있다. 이때, 제어 장치(100)는, 발전기(3)에 제동(회전 속도 감소(減)과 개방(회전 속도 증가(增))을 반복하는 제어를 행한다. 수차날개에 휘감긴 티끌이나 수초는, 수차(1)의 회전 속도가 감소한 때에, 수차날개의 회전에 의한 수압이나 원심력이 약해져서, 수차(1)로부터 떠오른다. 한편, 회전 속도가 증가한 때에는, 수차(1)의 회전이 가속하기 때문에 수압이나 원심력이 상승하고, 보다 강한 힘이 티끌이나 수초에 걸리기 때문에, 티끌 등이 수차날개에 부착하고 있는 위치가 어긋난다. 발전기(3)의 제동과 개방을 반복하면 티끌 등이 수차날개로부터 떠오르기 쉬워지고, 수류에 의한 하류로 밀어 흘리는 힘이 작용하고, 티끌 등이 하류로 흘려진다.
도 4는, 도 3의 구성례에서 CPU의 릴레이 제어를 설명하기 위한 플로우 차트이다. 이 플로우 차트의 처리는, 발전기 제어의 메인 루틴으로부터 일정 시간마다 호출되어 실행된다. 도 3, 도 4를 참조하면, 스텝S1에서, CPU(7)는, 티끌 제거 운전 조건이 성립하였는지의 여부를 판단한다.
티끌 제거 운전 조건은, 수차(1)에 티끌이 부착한 가능성이 높아진 경우에 성립한다. 예를 들면, 이하의 조건(1)∼(4)의 어느 하나가 성립한 경우에, CPU(7)는, 티끌 제거 운전 조건이 성립하였다고 판단하다. 또한, 조건(1)∼(4) 중, 2개 또는 그 이상을 조합한 조건이 성립한 경우에, CPU(7)는, 티끌 제거 운전 조건이 성립하였다고 판단하여도 좋다.
조건(1) : 수력 발전 장치의 발전량이 임계치보다도 저하된 것. 조건(2) : 회전 속도 검출기(6)가 검출한 수차(1)의 회전 속도가 저하되어, 임계치를 하회한 것. 조건(3) : 수력 발전 장치의 발전 전압이 임계치보다도 저하된 것. 조건(4) : 전회의 티끌 제거 운전 조건 성립시(또는 해제시)로부터 소정의 시간이 경과한 것.
스텝S1에서, 티끌 제거 운전 조건이 성립하지 않는다고 판단된 경우(S1에서 NO), CPU(7)는, 스텝S9로 처리를 진행한다. 이 경우, 제어는 메인 루틴으로 되돌아온다.
한편, 스텝S1에서, 티끌 제거 운전 조건이 성립하였다고 판단된 경우(S1에서 YES), CPU(7)는, 스텝S2∼S8에 나타나는 티끌 제거 운전을 실행한다.
티끌 제거 운전에서는, CPU(7)는, 릴레이(5)가 온과 오프를 반복하도록, 릴레이 구동 회로(8)를 제어한다. 구체적으로는, 스텝S2에서, CPU(7)는, 내장하는 카운터를 클리어한다. 이 카운터는, 반복의 회수를 계측하기 위한 카운터이다. 계속해서, 스텝S3에서, CPU(7)는, 릴레이(5)가 온 하도록 릴레이 구동 회로(8)를 제어한다. 릴레이(5)가 온 상태가 되면, 스텝S4에서, CPU(7)는 설정 시간(예를 들면 1∼3초) 대기한다. 릴레이(5)가 온 하고 있는 동안, 정류(整流) 출력은 저항(11) 경유로 정부극 라인이 접속되어, 저항(11)에서 전력이 소비된다. 저항(11)의 저항치가 충분히 작으면, 큰 전력이 소비되고, 발전기(3)에 제동력을 발생시키게 된다.
다음에, 스텝S5에서, CPU(7)는, 릴레이(5)가 오프 하도록 릴레이 구동 회로(8)를 제어한다. 릴레이(5)가 오프 상태가 되면, 스텝S6에서, CPU(7)는 설정 시간(예를 들면 1∼3초) 대기한다. 릴레이(5)가 오프 하고 있는 동안, 정류 출력은 DC/AC 컨버터(10) 경유로 출력된다. 이 경우는, 저항(11)에서 전력이 소비되는 경우보다도 발전기(3)의 부하는 가벼워진다.
계속해서 CPU(7)는, 스텝S7어서 카운터를 인크리먼트하고, 스텝S8에서, 카운터의 카운트값이 상한치(증감 반복의 설정 회수)에 달하였는지의 여부를 판단한다. 스텝S8에서, 카운트값이 아직 상한치에 달하지 않으면, CPU(7)는 처리를 스텝S3으로 되돌려서, 재차 릴레이를 온 시킨다.
한편, 스텝S8에서, 카운트값이 상한치에 달한 경우에는, 스텝S9로 처리가 진행하여, 1회당의 티끌 제거 운전이 종료된다.
실시의 형태 1에서는, 저항(11)에서 소비시키는 전력을 증감시킴에 의해, 수력 발전 장치의 수차(1)와 연결한 발전기(3)의 부하를 변동시킨다. 이에 의해, 발전기(3)의 회전 속도를 변화시켜, 발전기(3)에 연결한 수차(1)의 회전 속도를 변화시킨다. 수차(1)에 부착한 이물을 가속시에 힘을 가하고, 감속시에 떠오르게 하고, 수류의 힘으로 하류로 흘림에 의해, 이물을 제거할 수 있다. 따라서 이물이 원인으로 저하된 발전량을 회복하는 효과가 있다.
[실시의 형태 2]
도 5는, 실시의 형태 2에 관한 수력 발전 장치의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 5를 참조하면, 실시의 형태 2에 관한 수력 발전 장치는, 수차(1)와, 발전기(3)와, 회전 속도 검출기(6)와, 제어 장치(100A)를 포함한다.
제어 장치(100A)는, CPU(7A)와, 정류 회로(4)와, DC/DC 컨버터(9)와, DC/AC 컨버터(10)를 포함한다. 수차(1), 발전기(3), 정류 회로(4), 회전 속도 검출기(6)는 도 3에 도시한 것과 같기 때문에 설명은 반복하지 않는다.
CPU(7A)는, 전류 지령 신호(SA)를 DC/DC 컨버터(9)에 출력한다. DC/DC 컨버터(9)는, 전류 지령 신호(SA)의 지령에 따라, 정류 회로(4)의 출력으로부터 전력을 취출하고, DC/AC 컨버터(10)에 지령한 바와 같은 전류를 출력한다. 이에 수반하여 DC/DC 컨버터(9)의 출력 전압이 상승한다. DC/AC 컨버터(10)는 후단에 전력을 출력한다. DC/DC 컨버터(9)의 출력 전압이 상승하면, DC/AC 컨버터(10)는 보다 많은 전력을 후단에 출력함에 의해, DC/DC 컨버터(9)의 출력 전압의 상승을 억제하도록 구성되어 있다.
수차(1)로부터 취출할 수 있는 최적의 전력은, 수차(1)가 받는 물의 유속으로 정하여진다. 유속과 발전기(3)의 회전수는, 거의 비례한다. 발전기(3)의 회전 속도를 검출함에 의해, 최적의 전력을 결정할 수 있다. 만약, 최적의 전력보다 과대한 전력을 발전기(3)로부터 취출하면, 발전기(3)는 회전 속도가 저하된다. 이때, 발전기(3)와 연결된 수차(1)도 마찬가지로 회전 속도가 저하된다. 역으로, 발전기(3)로부터 취출하는 전력을 최적치보다 적게 예를 들면 제로로 하면, 발전기의 회전 속도는 상승하고, 발전기(3)와 연결된 수차(1)도 마찬가지로 회전 속도는 상승한다.
따라서 발전기(3)로부터 취출하는 전력을 증감시킴에 의해, 수차(1)의 회전 속도를 증감시킬 수 있다.
도 6은, 도 5의 구성에서 수차에 부착한 티끌을 제거하는 제어를 설명하기 위한 플로우 차트이다. 도 5, 도 6을 참조하면, 스텝S11에서, CPU(7A)는, 티끌 제거 운전 조건이 성립하였는지의 여부를 판단한다.
티끌 제거 운전 조건은, 수차(1)에 티끌이 부착한 가능성이 높아진 경우에 성립한다. 구체적인 조건(조건(1)∼(4) 또는 이들의 조합)에 관해서는, 실시의 형태 1에서 설명한 것이 적용될 수 있기 때문에, 여기서는 설명은 반복하지 않는다.
스텝S11에서, 티끌 제거 운전 조건이 성립하지 않는다고 판단된 경우(S11에서 NO), CPU(7A)는, 스텝S19로 처리를 진행한다. 이 경우, 제어는 메인 루틴으로 되돌아온다.
한편, 스텝S11에서, 티끌 제거 운전 조건이 성립하였다고 판단된 경우(S11에서 YES), CPU(7A)는, 스텝S12∼S18에 나타나는 티끌 제거 운전을 실행한다.
실시의 형태 2에서는, CPU(7A)는, 티끌 제거 운전으로서 DC/DC 컨버터(9)에의 전류 지령치를 증감시킨다. 예를 들면, CPU(7A)는, 회전 속도 검출기(6)에서 발전기(3)의 회전 속도의 저하를 검출한 때, 출력 전류가 최대치와 제로를 반복하도록 전류 지령 신호(SA)를 출력함에 의해, 수차(1)의 감속과 가속을 반복한다.
구체적으로는, 스텝S12에서, CPU(7A)는, 내장하는 카운터를 클리어한다. 이 카운터는, 반복의 회수를 계측하기 위한 카운터이다. 계속해서, 스텝S13에서, CPU(7A)는, DC/DC 컨버터(9)가 출력 전류를 최대로 하도록 전류 지령 신호(SA)를 설정하고, 그 후 스텝S14에서, CPU(7A)는 설정 시간(예를 들면 1∼3초) 대기한다. DC/DC 컨버터(9)의 출력 전류가 최대로 되어 있는 동안, 큰 전력이 소비되어, 발전기(3)에 큰 제동력을 발생시키게 된다.
다음에, 스텝S15에서, CPU(7A)는, DC/DC 컨버터(9)가 출력 전류를 제로로 하도록 전류 지령 신호(SA)를 설정하고, 그 후 스텝S16에서, CPU(7A)는 설정 시간(예를 들면 1∼3초) 대기한다. 이 경우는, 전류 지령 신호(SA)가 최대 전류로 설정된 경우보다도 발전기(3)의 부하는 가벼워지기 때문에, 발전기(3)의 회전 속도는 상승한다.
계속해서 CPU(7A)는, 스텝S17어서 카운터를 인크리먼트하고, 스텝S18에서, 카운터의 카운트값이 상한치(증감 반복의 설정 회수)에 달하였는지의 여부를 판단한다. 스텝S18에서, 카운트값이 아직 상한치에 달하지 않으면, CPU(7A)는 처리를 스텝S13으로 되돌려서, 재차 출력 전류를 최대로 하도록 전류 지령 신호(SA)를 설정한다.
한편, 스텝S18에서, 카운트값이 상한치에 달한 경우에는, 스텝S19로 처리가 진행하여, 1회당의 티끌 제거 운전이 종료된다.
실시의 형태 2에서는, DC/DC 컨버터(9)의 전류 지령치를 증감시킴에 의해, 수력 발전 장치의 수차(1)와 연결한 발전기(3)의 부하를 변동시킨다. 이에 의해, 발전기(3)의 회전 속도를 변화시켜, 발전기(3)에 연결한 수차(1)의 회전 속도를 변화시킨다. 수차(1)에 부착한 이물을 가속시에 힘을 가하고, 감속시에 떠오르게 하고, 수류의 힘으로 하류로 흘림에 의해, 이물을 제거할 수 있다. 따라서 이물이 원인으로 저하된 발전량을 회복하는 효과가 있다.
[실시의 형태 3]
실시의 형태 1, 2에서는, 발전기(3)의 부하를 증감시킴에 의해, 수차(1)의 회전 속도를 증감시켰다. 이와 같은 제어에 대신하여, 수차의 회전축에 발전기(3)와는 다른 제동 장치(12)를 마련하여 제동력을 발생시켜도 좋다.
도 7은, 실시의 형태 3에 관한 수력 발전 장치의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 7을 참조하면, 실시의 형태 3에 관한 수력 발전 장치는, 수차(1)와, 발전기(3)와, 회전 속도 검출기(6)와, 제동 장치(12)와, 제어 장치(100B)를 포함한다.
제어 장치(100B)는, CPU(7B)와, 정류 회로(4)와, DC/AC 컨버터(10)를 포함한다. 수차(1), 발전기(3), 정류 회로(4), 회전 속도 검출기(6)는 도 3에 도시한 것과 같기 때문에 설명은 반복하지 않는다.
제동 장치(12)로서는, 운동 에너지를 마찰에 의해 열로 변환하는 기계식 브레이크를 사용할 수 있다. 예를 들면, 제동 장치(12)로서 전자 브레이크나 디스크 브레이크를 사용할 수 있다.
실시의 형태 3에서는, 제동 장치(12)에서 발생시키는 제동력을 증감시킴에 의해, 수차(1)의 회전 속도를 증감 또는 회전을 정지시킬 수 있다.
도 8은, 도 7의 구성에서 수차에 부착한 티끌을 제거하는 제어를 설명하기 위한 플로우 차트이다. 도 7, 도 8을 참조하면, 스텝S21에서, CPU(7B)는, 티끌 제거 운전 조건이 성립하였는지의 여부를 판단한다.
티끌 제거 운전 조건은, 수차(1)에 티끌이 부착한 가능성이 높아진 경우에 성립한다. 구체적인 조건(조건(1)∼(4) 또는 이들의 조합)에 관해서는, 실시의 형태 1에서 설명한 것이 적용될 수 있기 때문에, 여기서는 설명은 반복하지 않는다.
스텝S21에서, 티끌 제거 운전 조건이 성립하지 않는다고 판단된 경우(S21에서 NO), CPU(7B)는, 스텝S29로 처리를 진행한다. 이 경우, 제어는 메인 루틴으로 되돌아온다.
한편, 스텝S21에서, 티끌 제거 운전 조건이 성립하였다고 판단된 경우(S21에서 YES), CPU(7B)는, 스텝S22∼S28에 나타나는 티끌 제거 운전을 실행한다.
실시의 형태 3에서는, CPU(7B)는, 티끌 제거 운전으로서 제동 장치(12)의 제동력을 증감시킨다. 예를 들면, CPU(7B)는, 회전 속도 검출기(6)에서 발전기(3)의 회전 속도의 저하를 검출한 때, 제동력이 최대치와 제로를 반복하도록 제동 장치(12)에의 지령 신호를 출력함에 의해, 수차(1)의 감속과 가속을 반복한다.
구체적으로는, 스텝S22에서, CPU(7B)는, 내장하는 카운터를 클리어한다. 이 카운터는, 반복의 회수를 계측하기 위한 카운터이다. 계속해서, 스텝S23에서, CPU(7B)는, 제동 장치(12)가 제동력을 발생시키도록 지령 신호(SB)를 설정한다(브레이크 ON). 그 후 스텝S24에서, CPU(7B)는 브레이크 ON 상태에서 설정 시간(예를 들면 1∼10초) 대기한다.
다음에, 스텝S25에서, CPU(7B)는, 제동 장치(12)가 제동력을 발생시키지 않도록 지령 신호(SB)를 설정한다(브레이크 OFF). 그 후 스텝S26에서, CPU(7B)는 브레이크 OFF 상태에서 설정 시간(예를 들면 1∼10초) 대기한다.
계속해서 CPU(7B)는, 스텝S27어서 카운터를 인크리먼트하고, 스텝S28에서, 카운터의 카운트값이 상한치(증감 반복의 설정 회수)에 달하였는지의 여부를 판단한다. 스텝S28에서, 카운트값이 아직 상한치에 달하지 않으면, CPU(7B)는 처리를 스텝S23으로 되돌려서, 재차 브레이크를 ON 시킨다.
한편, 스텝S28에서, 카운트값이 상한치에 달한 경우에는, 스텝S29로 처리가 진행하여, 1회당의 티끌 제거 운전이 종료된다.
실시의 형태 3에서는, 수력 발전 장치의 수차(1)와 연결한 발전기(3)에 제동 장치(12)를 설치하고, 제동 장치(12)의 온과 오프를 반복한다. 이에 의해, 발전기(3)의 회전 속도를 변화시켜, 발전기(3)에 연결한 수차(1)의 회전 속도를 변화시킨다. 수차(1)에 부착한 이물을 가속시에 힘을 가하고, 감속시에 떠오르게 하고, 수류의 힘으로 하류로 흘림에 의해, 이물을 제거할 수 있다. 따라서 이물이 원인으로 저하된 발전량을 회복하는 효과가 있다.
또한, 실시의 형태 3의 제동 장치(12)를 실시의 형태 1 또는 실시의 형태 2의 구성에 추가하여, 발전기(3)로부터 취출하는 전력을 변동시키는 제어와 제동 장치(12)의 제동력의 변동 제어를 조합하여도 좋다.
또한, 실시의 형태 1∼3에서는,S4,S14,S24의 설정 시간,S6,S16,S26의 설정 시간은, 카운터의 상한치까지 반복하는 동안, 고정치를 채용하고 있지만, 설정 시간을 변화시켜도 좋다.
티끌이나 수초의 크기나 형상은 다양하고, 어느 티끌은 조금씩 수차의 회전 속도를 변화시킨 편이 벗겨지기 쉽고, 다른 형상의 티끌은 회전 속도를 큰 주기로 변화시킨 편이 벗겨지기 쉽다. 제동 걸기와 제동 풀기의 반복의 리듬과 제동 걸기와 제동 풀기의 강약을 일정한 값으로 행하지 않고, 변화를 붙인 편이 다양한 크기, 형상의 이물에 대응할 수 있다.
구체적으로는, 설정 시간의 변화 패턴을 미리 정하여 메모리에 기억하여 두고, 도 4, 도 6, 도 8의 플로우 차트에서 루프가 돌 때마다, 메모리로부터 판독하여 설정 시간을 설정하면, 임의의 변화 패턴으로 수차(1)의 회전 속도를 변화시킬 수 있다. 티끌이 벗겨지기 쉬운 변화 패턴을 실험에서 정하여 채용하면 좋다.
[실시의 형태 4]
이상 설명한 실시의 형태 1∼3에서는, 도 1 및 도 2에 도시한 수평축형의 프로펠러식 회전날개를 갖는 수차에 의해 유수를 받아 발전을 행하는 발전 장치를 예로 들어 설명하였다. 실시의 형태 4에서는, 수직축형의 회전날개를 갖는 수차에 의해 유수를 받아 발전을 행하는 발전 장치에도 적용이 가능함을 설명한다.
도 9는, 실시의 형태 4에 관한 수력 발전 장치의 개략 형상을 도시하는 정면도이다. 도 4를 참조하면, 실시의 형태 4에 관한 수력 발전 장치는, 수차(1A)와, 발전기(3)를 포함한다. 수차(1A)는, 수직축형의 회전날개를 가지며, 수류에 의해 회전한다. 발전기(3)는 수차(1A)의 회전축과 연결되어 있다. 수차(1A)가 회전하면 발전기(3)의 회전축도 회전한다.
도 3∼도 8에 도시한 제어 장치 및 플로우 차트에 관해서는, 도 9에 도시한 수차(1A)에 대해서도 마찬가지로 조합시켜서 이용할 수 있다. 도 3∼도 8에 도시한 제어 장치 및 플로우 차트에 관해서는, 실시의 형태 1∼3에서 설명하였기 때문에, 여기서는 설명을 반복하지 않는다.
수직축형의 수차(1A)는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 직선익식이고 날개의 상하의 선단을 회전축을 향하여 구부린 구성을 예시하였지만, 특히 이것으로 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 다리우스식, 자이로밀식, 사보니우스식, 크로스 플로우식, 패들식,S형 로터식 등의 다른 형식이라도 좋다.
실시의 형태 4에 관한 수력 발전 장치에서도, 발전기(3)의 회전 속도를 변화시켜, 발전기(3)에 연결한 수차(1A)의 회전 속도를 변화시킬 수 있다. 수차(1A)에 부착한 이물을 가속시에 힘을 가하고, 감속시에 떠오르게 하고, 수류의 힘으로 하류로 흘림에 의해, 이물을 제거할 수 있다. 따라서 이물이 원인으로 저하된 발전량을 회복하는 효과가 있다.
일부가 상기 설명과 중복되는 부분도 있지만, 최후로 실시의 형태 1∼4에 관해 총괄한다. 본 실시의 형태의 수력 발전 장치는, 수차(1)와, 수차(1)의 회전에 제동력을 가하는 제동력 발생부와, 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 제동력 발생부를 제어함에 의해, 수차(1)의 회전 속도를 변동시키는 제어 장치(100, 100A, 100B)를 구비한다.
수차(1)의 회전 속도를 변동 또는 회전을 정지시킴에 의해, 수차날개에 부착한 티끌 등이 흘러 떨어지기 쉬워진다.
바람직하게는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 제동력 발생부는, 수차(1)의 회전축에 제동력을 가하는 전기식 또는 기계식의 제동 장치(12)를 포함한다. 제어 장치(100B)는, 제동 장치(12)의 제동 걸기와 제동 풀기를 반복함에 의해 제동력을 증감시킨다.
바람직하게는, 도 3, 도 5, 도 7에 도시하는 바와 같이, 제동력 발생부는, 수차(1)의 회전에 의해 발전을 행하는 발전기(3)를 포함한다. 제어 장치(100, 100A, 100B)는, 발전기(3)로부터 취출하는 전력을 변동시킴에 의해 제동력을 증감시킨다.
바람직하게는, 제어 장치(100, 100A, 100B)는, 제동력의 증감을 반복하는 경우에 있어서, 제1의 주기(예를 들면 1∼3초)로 제동력이 증감하는 기간과, 제1의 주기와 시간 길이가 다른 제2의 주기(예를 들면 5∼10초)로 제동력이 증감하는 기간을 포함하도록 제동력 발생부를 제어한다. 또한, 제1, 제2의 주기는, 상기한 예시로는 한정되지 않고, 다른 시간을 채용하여도 좋다.
이와 같이 주기를 정함에 의해, 크기나 형태가 다른 여러가지의 티끌이나 이물에 대응할 수 있다.
바람직하게는, 제어 장치(100, 100A, 100B)는, 도 1, 도 4, 도 8의 티끌 제거 운전 조건이 성립한 경우에(S1,S11,S21에서 YES), 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행한다. 티끌 제거 운전 조건은, 수력 발전 장치의 발전량이 임계치보다도 저하된 것을 포함한다.
바람직하게는, 제어 장치(100, 100A, 100B)는, 도 1, 도 4, 도 8의 티끌 제거 운전 조건이 성립한 경우에(S1,S11,S21에서 YES), 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행한다. 티끌 제거 운전 조건은, 수차(1)의 회전 속도가 임계치보다도 저하된 것을 포함한다.
바람직하게는, 제어 장치(100, 100A, 100B)는, 도 1, 도 4, 도 8의 티끌 제거 운전 조건이 성립한 경우에(S1,S11,S21에서 YES), 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행한다. 티끌 제거 운전 조건은, 수력 발전 장치의 발전 전압이 임계치보다도 저하된 것을 포함한다.
바람직하게는, 제어 장치(100, 100A, 100B)는, 도 1, 도 4, 도 8의 티끌 제거 운전 조건이 성립한 경우에(S1,S11,S21에서 YES), 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행한다. 티끌 제거 운전 조건은, 전회의 제동력 제어의 실행시로부터 소정의 시간이 경과한 것을 포함한다. 이 경우에는, 발전량의 변화에 관계 없이, 일정 시간 간격마다 티끌 제거 운전이 행하여진다.
바람직하게는, 제어 장치(100, 100A, 100B)는, 이하의 제1∼제4의 운전 조건 중 적어도 2개 이상이 성립한 경우에, 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행한다. 제1의 운전 조건은, 수력 발전 장치의 발전량이 제1 임계치보다도 저하된 것을 포함한다. 제2의 운전 조건은, 수차(1)의 회전 속도가 제2 임계치보다도 저하된 것을 포함한다. 제3의 운전 조건은, 수력 발전 장치의 발전 전압이 제3 임계치보다도 저하된 것을 포함한다. 제4의 운전 조건은, 전회의 제동력 제어의 실행시로부터 소정의 시간이 경과한 것을 포함한다.
이상과 같이 운전 시작의 조건을 정함에 의해, 티끌 등의 수차날개에의 부착에 기인한 발전량의 현저한 저하를 막을 수 있다.
바람직하게는, 수차(1)의 회전 속도가 소정의 회전 속도로부터, 제동력을 증감하는 것을 반복하여, 수차(1)의 속도 변동폭이 충분 얻어지는 것이 바람직하다. 수차(1)가 받는 물의 유속은, 장기적으로는 크게 변동하고, 강우량이 적은 계절에서는, 크게 저하되는 경우가 있다. 이에 수반하여, 수차(1)의 회전 속도도 저하되어, 수차(1)의 회전 속도가 저하된 상태에서, 제동력의 증감 동작을 반복하여도, 수차(1)의 회전 속도의 변동폭이 작고, 소정의 티끌 제거의 효과를 얻을 수가 없는 경우가 있다. 수차(1)의 회전 속도가 저하되어 있는 경우에는, 발전기(3)로부터 취출하는 전력을 저하시켜서(발전 부하를 저하시켜서), 수차(1)의 회전 속도를 증가시킨 후, 실시 형태 1∼4의 티끌 제거의 동작을 행하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 도 1∼3에 도시하는 바와 같이, 수차(1)는, 수평축형의 프로펠러식 회전날개를 갖는다.
바람직하게는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 수차(1A)는, 수직축형의 회전날개를 갖는다.
바람직하게는, 유수가 갖는 운동 에너지를 전력으로 변환하는 해류 발전 또는 조력 발전 또는 파력 발전을 행하는 발전 시스템에, 상기 어느 하나의 수력 발전 장치를 이용함에 의해, 티끌에 의한 발전량의 저하를 막는 것이 가능해진다.
이상의 실시의 형태에서는, 발전기 또는 제동 장치로 증감한 제동력을 발생시켜 수차의 회전 속도를 변화시킴에 의해, 이물을 제거할 수 있다. 이 경우, 이하의 2개의 이점이 있다.
제1의 이점은, 제동 기능이 있으면 수차의 회전 속도를 변화시킬 수 있기 때문에, 인버터 기능(모터 구동 기능)을 갖지 않는 수력 발전의 제어기라도 실장 가능한 것이다.
제2의 이점은, 제동 기능이 있으면 실현할 수 있기 때문에, 티끌 제거 동작을 행하는 동안은, 발전량이 저하되지만, 전력이 소비되는 일은 없고, 본래의 발전기의 기능인 발전의 기능을 손상시키는 일이 없고, 티끌 제거 동작시의 전동기의 전원도 불필요한 것이다.
금회 개시된 실시의 형태는, 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시의 형태의 설명이 아니고 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1, 1A : 수차
2 : 기어 박스
3 : 발전기
4 : 정류 회로
5 : 릴레이
6 : 회전 속도 검출기
8 : 릴레이 구동 회로
9 : DC/DC 컨버터
10 : DC/AC 컨버터
11 : 저항
12 : 제동 장치
100, 100A, 100B : 제어 장치

Claims (13)

  1. 수차와,
    상기 수차의 회전에 제동력을 가하는 제동력 발생부와,
    상기 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 상기 제동력 발생부를 제어함에 의해, 상기 수차의 회전 속도를 변동 또는 회전을 정지시키는 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제동력 발생부는, 상기 수차의 회전축에 제동력을 가하는 전기식 또는 기계식 또는 유체식의 제동 장치를 포함하고,
    상기 제어 장치는, 상기 제동 장치의 제동 걸기와 제동 풀기를 반복함에 의해 상기 제동력을 증감시키는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제동력 발생부는, 상기 수차의 회전에 의해 발전을 행하는 발전기를 포함하고,
    상기 제어 장치는, 상기 발전기로부터 취출하는 전력을 변동시킴에 의해 상기 제동력을 증감시키는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 제동력의 증감을 반복하는 경우에 있어서, 제1의 주기로 제동력이 증감하는 기간과, 상기 제1의 주기와 시간 길이가 다른 제2의 주기로 제동력이 증감하는 기간을 포함하도록 상기 제동력 발생부를 제어하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 운전 조건이 성립한 경우에, 상기 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 상기 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행하고,
    상기 운전 조건은, 상기 수력 발전 장치의 발전량이 임계치보다도 저하된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 운전 조건이 성립한 경우에, 상기 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 상기 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행하고,
    상기 운전 조건은, 상기 수차의 회전 속도가 임계치보다도 저하된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 운전 조건이 성립한 경우에, 상기 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 상기 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행하고,
    상기 운전 조건은, 상기 수력 발전 장치의 발전 전압이 임계치보다도 저하된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 운전 조건이 성립한 경우에, 상기 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 상기 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행하고,
    상기 운전 조건은, 전회의 상기 제동력 제어의 실행시로부터 소정의 시간이 경과한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 제1∼제4의 운전 조건 중 적어도 2개 이상이 성립한 경우에, 상기 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 상기 제동력 발생부를 제어하는 제동력 제어를 실행하고,
    상기 제1의 운전 조건은, 상기 수력 발전 장치의 발전량이 제1 임계치보다도 저하된 것을 포함하고,
    상기 제2의 운전 조건은, 상기 수차의 회전 속도가 제2 임계치보다도 저하된 것을 포함하고,
    상기 제3의 운전 조건은, 상기 수력 발전 장치의 발전 전압이 제3 임계치보다도 저하된 것을 포함하고,
    상기 제4의 운전 조건은, 전회의 상기 제동력 제어의 실행시로부터 소정의 시간이 경과한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기로부터 취출하는 전력을 저하시킴에 의해 상기 수차의 회전 속도를 증가시킨 후, 상기 제동력이 증감하는 것을 반복하도록 상기 제동력 발생부를 제어하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수차는, 수평축형의 프로펠러식 회전날개를 갖는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수차는, 수직축형의 회전날개를 갖는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 수력 발전 장치를 이용하여, 유수가 갖는 운동 에너지를 전력으로 변환하는 해류 발전 또는 조력 발전을 행하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
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