WO2017077799A1

WO2017077799A1 - 水力発電装置および発電システム

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Publication number: WO2017077799A1
Application number: PCT/JP2016/079261
Authority: WO
Inventors: 康之藤田; 智哉川合
Original assignee: Ntn株式会社
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2016-10-03
Publication date: 2017-05-11
Also published as: MY193164A

Abstract

水力発電装置は、水車（１）の回転に制動力を与える制動力発生部と、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御することによって、水車（１）の回転速度を変動させる制御装置（１００）とを備える。水車（１）の回転速度を変動させることによって、水車翼に付着したゴミ等が流れ落ちやすくなる。好ましくは、制動力発生部は、水車（１）の回転軸に制動力を作動させる電気式または機械式または流体式の制動装置（１２）を含む。また好ましくは、制動力発生部は、水車（１）の回転によって発電を行なう発電機（３）を含み、制御装置（１００）は、発電機（３）から取り出す電力を変動させることによって制動力を増減させる。このような構成によって、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ができる。

Description

水力発電装置および発電システム

　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。

　この発明は、要約すると、水力発電装置であって、水車と、水車の回転に制動力を与える制動力発生部と、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御することによって、水車の回転速度を変動または回転を停止させる制御装置とを備える。

　好ましくは、制動力発生部は、水車の回転軸に制動力を作動させる電気式または機械式または流体式の制動装置を含む。制御装置は、制動装置の作動と解放とを繰り返すことによって制動力を増減させる。

　好ましくは、制動力発生部は、水車の回転によって発電を行なう発電機を含む。制御装置は、発電機から取り出す電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、制御装置は、制動力の増減を繰り返す場合において、第１の周期で制動力が増減する期間と、第１の周期と時間長が異なる第２の周期で制動力が増減する期間とを含むように制動力発生部を制御する。

　好ましくは、制御装置は、運転条件が成立した場合に、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御する制動力制御を実行し、運転条件は、水力発電装置の発電量がしきい値よりも低下したことを含む。

　好ましくは、制御装置は、運転条件が成立した場合に、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御する制動力制御を実行し、運転条件は、水車の回転速度がしきい値よりも低下したことを含む。

　好ましくは、制御装置は、運転条件が成立した場合に、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御する制動力制御を実行し、運転条件は、水力発電装置の発電電圧がしきい値よりも低下したことを含む。

　好ましくは、制御装置は、運転条件が成立した場合に、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御する制動力制御を実行し、運転条件は、前回の制動力制御の実行時から所定の時間が経過したことを含む。

　好ましくは、制御装置は、第１～第４の運転条件のうち少なくとも２つ以上が成立した場合に、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御する制動力制御を実行する。第１の運転条件は、水力発電装置の発電量が第１しきい値よりも低下したことを含む。第２の運転条件は、水車の回転速度が第２しきい値よりも低下したことを含む。第３の運転条件は、水力発電装置の発電電圧が第３しきい値よりも低下したことを含む。第４の運転条件は、前回の制動力制御の実行時から所定の時間が経過したことを含む。

　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。

実施の形態１～３に共通する水力発電装置の概略形状を示す正面図である。実施の形態１～３に共通する水力発電装置の概略形状を示す側面図である。実施の形態１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ＣＰＵのリレー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に係る水力発電装置の構成を示すブロック図である。図５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３に係る水力発電装置の構成を示すブロック図である。図７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４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。

　図１は、実施の形態１～３に共通する水力発電装置の概略形状を示す正面図である。図２は、実施の形態１～３に共通する水力発電装置の概略形状を示す側面図である。

　図１、図２を参照して、水力発電装置は、水車１と、ギアボックス２と、発電機３とを含む。水車１は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有し、水流により回転する。発電機３はギアボックス２を介して、水車と連結されている。水車１が回転すると発電機３の回転軸も回転する。

　［実施の形態１］
　図３は、実施の形態１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、実施の形態１に係る水力発電装置は、水車１と、発電機３と、回転速度検出器６と、制御装置１００とを含む。

　水車１は、流水の力で回転する。水車１には発電機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によって直流に変換される。この直流電圧出力には、リレー５を経由して抵抗１１が接続されている。リレー５がオフしていれば、直流出力は後段のＤＣ／ＡＣコンバータ１０にそのまま出力される。一方、リレー５がオンすると、整流出力は抵抗１１経由で正負極ラインが接続され、抵抗１１で電力が消費される。抵抗１１の抵抗値が十分に小さければ、大きな電力が消費され、発電機３における制動力を増加させることとなる。

　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、本発明は発電機の型式を限定する物ではなく、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。

　水車の制御装置１００は、発電機３の状態を計測しており、ゴミが絡まった場合、水車１の回転速度の低下や発電量の低下を観測することができる。この時、制御装置１００は、発電機３に制動（回転速度減）と開放（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の制動と開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。

　図４は、図３の構成例においてＣＰＵのリレー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、ＣＰＵ７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つが成立した場合に、ＣＰＵ７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、ＣＰＵ７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）：水力発電装置の発電量がしきい値よりも低下したこと。条件（２）：回転速度検出器６が検出した水車１の回転速度が低下して、しきい値を下回ったこと。条件（３）：水力発電装置の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。

　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）、ＣＰＵ７は、ステップＳ９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）、ＣＰＵ７は、ステップＳ２～Ｓ８に示されるゴミ除去運転を実行する。

　ゴミ除去運転では、ＣＰＵ７は、リレー５がオンとオフを繰り返すように、リレー駆動回路８を制御する。具体的には、ステップＳ２において、ＣＰＵ７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Ｓ３において、ＣＰＵ７は、リレー５がオンするようにリレー駆動回路８を制御する。リレー５がオン状態になると、ステップＳ４において、ＣＰＵ７は設定時間（たとえば１～３秒）待つ。リレー５がオンしている間、整流出力は抵抗１１経由で正負極ラインが接続され、抵抗１１で電力が消費される。抵抗１１の抵抗値が十分に小さければ、大きな電力が消費され、発電機３に制動力を発生させることとなる。

　次に、ステップＳ５において、ＣＰＵ７は、リレー５がオフするようにリレー駆動回路８を制御する。リレー５がオフ状態になると、ステップＳ６において、ＣＰＵ７は設定時間（たとえば１～３秒）待つ。リレー５がオフしている間、整流出力はＤＣ／ＡＣコンバータ１０経由で出力される。この場合は、抵抗１１で電力が消費される場合よりも発電機３の負荷は軽くなる。

　続いてＣＰＵ７は、ステップＳ７においてカウンタをインクリメントし、ステップＳ８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Ｓ８において、カウント値がまだ上限値に達していなければ、ＣＰＵ７は処理をステップＳ３に戻し、再びリレーをオンさせる。

　一方、ステップＳ８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Ｓ９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では、抵抗１１で消費させる電力を増減させることによって、水力発電装置の水車１と連結した発電機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に連結した水車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］
　図５は、実施の形態２に係る水力発電装置の構成を示すブロック図である。図５を参照して、実施の形態２に係る水力発電装置は、水車１と、発電機３と、回転速度検出器６と、制御装置１００Ａとを含む。

　制御装置１００Ａは、ＣＰＵ７Ａ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。

　ＣＰＵ７Ａ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は回転速度が低下する。この時、発電機３と連結された水車１も同様に回転速度が低下する。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も同様に回転速度は上昇する。

　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６は、図５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５、図６を参照して、ステップＳ１１において、ＣＰＵ７Ａ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、実施の形態１において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）、ＣＰＵ７Ａは、ステップＳ１９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）、ＣＰＵ７Ａは、ステップＳ１２～Ｓ１８に示されるゴミ除去運転を実行する。

　実施の形態２では、ＣＰＵ７Ａ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、ＣＰＵ７Ａ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Ｓ１２において、ＣＰＵ７Ａ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Ｓ１３において、ＣＰＵ７Ａ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Ｓ１４において、ＣＰＵ７Ａ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Ｓ１５において、ＣＰＵ７Ａ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Ｓ１６において、ＣＰＵ７Ａ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ＣＰＵ７Ａは、ステップＳ１７においてカウンタをインクリメントし、ステップＳ１８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Ｓ１８において、カウント値がまだ上限値に達していなければ、ＣＰＵ７Ａは処理をステップＳ１３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Ｓ１８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Ｓ１９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２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と連結した発電機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に連結した水車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３］
　実施の形態１，２では、発電機３の負荷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た。このような制御に代えて、水車の回転軸に発電機３とは別の制動装置１２を設けて制動力を発生させても良い。

　図７は、実施の形態３に係る水力発電装置の構成を示すブロック図である。図７を参照して、実施の形態３に係る水力発電装置は、水車１と、発電機３と、回転速度検出器６と、制動装置１２と、制御装置１００Ｂとを含む。

　制御装置１００Ｂは、ＣＰＵ７Ｂと、整流回路４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として電磁ブレーキやディスクブレーキを使用することができる。

　実施の形態３では、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。

　図８は、図７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７、図８を参照して、ステップＳ２１において、ＣＰＵ７Ｂは、ゴミ除去運転条件が成立したか否かを判断する。

　ステップＳ２１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（Ｓ２１でＮＯ）、ＣＰＵ７Ｂは、ステップＳ２９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Ｓ２１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（Ｓ２１でＹＥＳ）、ＣＰＵ７Ｂは、ステップＳ２２～Ｓ２８に示されるゴミ除去運転を実行する。

　実施の形態３では、ＣＰＵ７Ｂは、ゴミ除去運転として制動装置１２の制動力を増減させる。たとえば、ＣＰＵ７Ｂ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、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。

　具体的には、ステップＳ２２において、ＣＰＵ７Ｂ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Ｓ２３において、ＣＰＵ７Ｂ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Ｓ２４において、ＣＰＵ７ＢはブレーキＯＮ状態において設定時間（たとえば１～１０秒）待つ。

　次に、ステップＳ２５において、ＣＰＵ７Ｂ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Ｓ２６において、ＣＰＵ７ＢはブレーキＯＦＦ状態において設定時間（たとえば１～１０秒）待つ。

　続いてＣＰＵ７Ｂは、ステップＳ２７においてカウンタをインクリメントし、ステップＳ２８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Ｓ２８において、カウント値がまだ上限値に達していなければ、ＣＰＵ７Ｂは処理をステップＳ２３に戻し、再びブレーキをＯＮさせる。

　一方、ステップＳ２８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Ｓ２９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３では、水力発電装置の水車１と連結した発電機３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、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、実施の形態３の制動装置１２を実施の形態１または実施の形態２の構成に追加し、発電機３から取り出す電力を変動させる制御と制動装置１２の制動力の変動制御とを組み合わせても良い。

　なお、実施の形態１～３では、Ｓ４，Ｓ１４，Ｓ２４の設定時間、Ｓ６，Ｓ１６，Ｓ２６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。

　ゴミや水草の大きさや形状は様々であり、あるゴミは小刻みに水車の回転速度を変化させた方が外れやすく、別の形状のゴミは回転速度を大きな周期で変化させた方が外れやすい。制動と解放の繰り返しのリズムと制動と解放の強弱を一定の値で行なわず、変化を付けた方が様々な大きさ、形状の異物に対応できる。

　具体的には、設定時間の変化パターンを予め定めてメモリに記憶しておき、図４、図６、図８のフローチャートにおいてループが回るごとに、メモリから読み出して設定時間を設定すると、任意の変化パターンで水車１の回転速度を変化させることができる。ゴミが外れやすい変化パターンを実験で定めて採用すればよい。

　［実施の形態４］
　以上説明した実施の形態１～３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４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適用が可能であることを説明する。

　図９は、実施の形態４に係る水力発電装置の概略形状を示す正面図である。図４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８に示した制御装置およびフローチャートについては、図９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８に示した制御装置およびフローチャートについては、実施の形態１～３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９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４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１～４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の回転に制動力を与える制動力発生部と、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御することによって、水車１の回転速度を変動させる制御装置１００，１００Ａ，１００Ｂとを備える。

　水車１の回転速度を変動または回転を停止させることによって、水車翼に付着したゴミ等が流れ落ちやすくなる。

　好ましくは、図７に示すように、制動力発生部は、水車１の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を含む。制御装置１００Ｂは、制動装置１２の作動と解放とを繰り返すことによって制動力を増減させる。

　好ましくは、図３，図５，図７に示すように、制動力発生部は、水車１の回転によって発電を行なう発電機３を含む。制御装置１００，１００Ａ，１００Ｂは、発電機３から取り出す電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、制御装置１００，１００Ａ，１００Ｂは、制動力の増減を繰り返す場合において、第１の周期（たとえば１～３秒）で制動力が増減する期間と、第１の周期と時間長が異なる第２の周期（たとえば５～１０秒）で制動力が増減する期間とを含むように制動力発生部を制御する。なお、第１、第２の周期は、上記の例示には限定されず、他の時間を採用しても良い。

　このように周期を定めることにより、大きさや形の異なる種々のゴミや異物に対応できる。

　好ましくは、制御装置１００，１００Ａ，１００Ｂは、図１、図４、図８のゴミ除去運転条件が成立した場合に（Ｓ１，Ｓ１１，Ｓ２１でＹＥＳ）、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御する制動力制御を実行する。ゴミ除去運転条件は、水力発電装置の発電量がしきい値よりも低下したことを含む。

　好ましくは、制御装置１００，１００Ａ，１００Ｂは、図１、図４、図８のゴミ除去運転条件が成立した場合に（Ｓ１，Ｓ１１，Ｓ２１でＹＥＳ）、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御する制動力制御を実行する。ゴミ除去運転条件は、水車１の回転速度がしきい値よりも低下したことを含む。

　好ましくは、制御装置１００，１００Ａ，１００Ｂは、図１、図４、図８のゴミ除去運転条件が成立した場合に（Ｓ１，Ｓ１１，Ｓ２１でＹＥＳ）、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御する制動力制御を実行する。ゴミ除去運転条件は、水力発電装置の発電電圧がしきい値よりも低下したことを含む。

　好ましくは、制御装置１００，１００Ａ，１００Ｂは、図１、図４、図８のゴミ除去運転条件が成立した場合に（Ｓ１，Ｓ１１，Ｓ２１でＹＥＳ）、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御する制動力制御を実行する。ゴミ除去運転条件は、前回の制動力制御の実行時から所定の時間が経過したことを含む。この場合には、発電量の変化に関わらず、一定時間間隔ごとにごみ除去運転が行なわれる。

　好ましくは、制御装置１００，１００Ａ，１００Ｂは、以下の第１～第４の運転条件のうち少なくとも２つ以上が成立した場合に、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御する制動力制御を実行する。第１の運転条件は、水力発電装置の発電量が第１しきい値よりも低下したことを含む。第２の運転条件は、水車１の回転速度が第２しきい値よりも低下したことを含む。第３の運転条件は、水力発電装置の発電電圧が第３しきい値よりも低下したことを含む。第４の運転条件は、前回の制動力制御の実行時から所定の時間が経過したことを含む。

　以上のように運転開始の条件を定めることによって、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。

　好ましくは、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。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、実施形態１～４のゴミ除去の動作を行なうことが望ましい。

　好ましくは、図１～３に示すように、水車１は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有する。

　好ましくは、図９に示すように、水車１Ａは、垂直軸型の回転翼を有する。
　好ましくは、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、上記いずれかの水力発電装置を用いることによって、ゴミによる発電量の低下を防ぐことが可能となる。

　以上の実施の形態では、発電機または制動装置で増減する制動力を発生させ水車の回転速度を変化させることによって、異物を取り除くことができる。この場合、以下の２つの利点がある。

　第１の利点は、制動機能があれば水車の回転速度を変化させることができるので、インバータ機能（モータ駆動機能）を持たない水力発電の制御機でも実装可能なことである。

　第２の利点は、制動機能があれば実現できるため、ゴミ除去動作を行なう間は、発電量が低下するが、電力が消費されることはなく、本来の発電機の機能である発電の機能を損なうことがなく、ゴミ除去動作時の電動機の電源も不要であることである。

　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請求の範囲によって示され、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　ギアボックス、３　発電機、４　整流回路、５　リレー、６　回転速度検出器、８　リレー駆動回路、９　ＤＣ／ＤＣコンバータ、１０　ＤＣ／ＡＣコンバータ、１１　抵抗、１２　制動装置、１００，１００Ａ，１００Ｂ　制御装置。

Claims

　水車と、
　前記水車の回転に制動力を与える制動力発生部と、
　前記制動力が増減することを繰り返すように前記制動力発生部を制御することによって、前記水車の回転速度を変動または回転を停止させる制御装置とを備える、水力発電装置。
　前記制動力発生部は、前記水車の回転軸に制動力を作動させる電気式または機械式または流体式の制動装置を含み、
　前記制御装置は、前記制動装置の作動と解放とを繰り返す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。
　前記制動力発生部は、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または２に記載の水力発電装置。
　前記制御装置は、前記制動力の増減を繰り返す場合において、第１の周期で制動力が増減する期間と、前記第１の周期と時間長が異なる第２の周期で制動力が増減する期間とを含むように前記制動力発生部を制御する、請求項１～３のいずれか１項に記載の水力発電装置。
　前記制御装置は、運転条件が成立した場合に、前記制動力が増減することを繰り返すように前記制動力発生部を制御する制動力制御を実行し、
　前記運転条件は、前記水力発電装置の発電量がしきい値よりも低下したことを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の水力発電装置。
　前記制御装置は、運転条件が成立した場合に、前記制動力が増減することを繰り返すように前記制動力発生部を制御する制動力制御を実行し、
　前記運転条件は、前記水車の回転速度がしきい値よりも低下したことを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の水力発電装置。
　前記制御装置は、運転条件が成立した場合に、前記制動力が増減することを繰り返すように前記制動力発生部を制御する制動力制御を実行し、
　前記運転条件は、前記水力発電装置の発電電圧がしきい値よりも低下したことを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の水力発電装置。
　前記制御装置は、運転条件が成立した場合に、前記制動力が増減することを繰り返すように前記制動力発生部を制御する制動力制御を実行し、
　前記運転条件は、前回の前記制動力制御の実行時から所定の時間が経過したことを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の水力発電装置。
　前記制御装置は、第１～第４の運転条件のうち少なくとも２つ以上が成立した場合に、前記制動力が増減することを繰り返すように前記制動力発生部を制御する制動力制御を実行し、
　前記第１の運転条件は、前記水力発電装置の発電量が第１しきい値よりも低下したことを含み、
　前記第２の運転条件は、前記水車の回転速度が第２しきい値よりも低下したことを含み、
　前記第３の運転条件は、前記水力発電装置の発電電圧が第３しきい値よりも低下したことを含み、
　前記第４の運転条件は、前回の前記制動力制御の実行時から所定の時間が経過したことを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の水力発電装置。
　前記発電機から取り出す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、前記制動力が増減することを繰り返すように前記制動力発生部を制御する、請求項１～９のいずれか１項に記載の水力発電装置。
　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１～１０のいずれか１項に記載の水力発電装置。
　前記水車は、垂直軸型の回転翼を有する、請求項１～１０のいずれか１項に記載の水力発電装置。
　請求項１～１２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。