JP2004364357A - Pump inverted water wheel type power generation facility - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小規模水力発電に適したポンプ逆転水車型発電設備に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、汎用のポンプを発電機の駆動ためにポンプ逆転水車として使用する発電設備が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、特許文献2には、水道の送水管に発電用のポンプ逆転水車を介設し、このポンプ逆転水車の吐出側(二次側)の圧力が一定となるように、ポンプ逆転水車の回転数を制御する発電設備が記載されている。
【0003】
【特許文献1】
登録実用新案第2517878号(第1図)
【特許文献2】
特開2002−257026号公報(図3)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献2に記載のもののように、二次側圧力一定の制御では、広い流量範囲、有効落差範囲で高効率の発電を行うことは困難であった。特に、低流量ないしは低落差となると、発電効率が著しく低下し、又は発電が不可能となる。一方、例えば農業用水路等に設けられる小規模の発電設備のために、新たに水車を設計及び製造することは、コストの点で現実的でない。
【0005】
そこで、本発明は、簡便かつ低コストの構成により、広い流量範囲、有効落差範囲での高効率の水力発電を実現することを課題としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、ポンプ逆転水車と、前記ポンプ逆転水車の主軸にその回転軸が連結された発電機と、前記発電機の回転軸の回転数を検出する回転数検出手段と、予め設定された前記発電機の発生する電力量と前記発電機の回転軸の回転数との関係を記憶した記憶手段と、前記回転数検出手段により検出された回転数に基づいて、前記記憶手段に記憶された前記電力量と前記回転数の関係を満たすように、前記発電機が出力する電力を制御する、制御手段とを備える、ポンプ逆転水車型発電設備を提供する。
【0007】
本発明のポンプ逆転水車型発電設備では、電力量と回転数が予め設定された関係となるように、制御部がポンプ逆転水車の回転数を制御するので、広い流量範囲で高効率の発電が可能である。特に、回転数一定のポンプ逆転水車を使用した場合、低流量ないしは低落差となると、発電効率が著しく低下し、又は発電が不可能となるが、本発明では発電機の回転数、すなわちポンプ逆転水車の回転数に対して発電機の出力電力を調節するので、低流量ないしは低落差であっても発電が可能である。また、汎用のポンプを発電機駆動用の水車として使用し、かつポンプ逆転水車の上流側の流量制御弁、調速機等の外部機器を設ける必要がないので、発電設備の構成が簡便でコストも低減することができる。
【0008】
具体的には、前記記憶手段に記憶された前記電力量と前記回転数の関係は、回転数に対して前記ポンプ逆転水車が最高効率の運転状態となるように設定されている。
【0009】
前記ポンプ逆転水車は、例えば、大気開放された貯水部と、この貯水部よりも低位置にあり、かつ大気開放された排水部とを接続する管路に介設されている。
【0010】
あるいは、前記ポンプ逆転水車は、給水部と被給水部とを接続する送水用の管路に介設されていてもよい。
【0011】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0012】
図1は、本発明の第1実施形態にかかるポンプ逆転水車型発電設備を示している。このポンプ逆転水車型発電設備は、大気開放された貯水槽(貯水部)1と、この貯水漕1よりも低位置にあり、かつ大気開放された排水槽(排水部)2とを接続する管路3に設けられている。管路3は貯水槽1から延びる水平管3A、水平管3Aに接続されたベント管3B、及びベント管3Bの下端から排水槽2に向けて延びるベル状の排水管3Cとを備えている。
【0013】
管路3にはポンプ逆転水車60が介設されている。本実施形態では、汎用の横軸軸流ポンプをポンプ逆転水車60として使用している。水平管3Aとベント管3Bとの間にポンプ逆転水車60のアウターケーシング61が介設されている。アウターケーシング61内には、インナーケーシング62が配置されている。インナーケーシング62には先端にプロペラ63を備えるプロペラ軸64が支持されている。プロペラ軸64は、鉛直方向に延びる主軸66に傘歯歯車機構65を介して接続されている。アウターケーシング61上方には、発電機70が配置されている。
【0014】
発電機70の回転軸71は鉛直方向に延び、その下端がカップリング72を介してポンプ逆転水車60の主軸66に連結されている。また、発電機70は、回転軸71に固定された回転子73と、ケーシング74に固定された固定子75とを備えている。回転子73には磁界発生用の永久磁石(図示せず。)が取り付けられている。一方、固定子75には電力出力線80に電気的に接続された出力発生用の巻線(図示せず。)が巻回されている。
【0015】
制御盤10は、電力出力線80から図示しない負荷側に供給される電力の周波数調整等を行うための電力回路11を備えている。
【0016】
また、制御盤10は、前記発電機70から前記電力回路11へ流れる電流の周波数を検出する周波数検出器(回転数検出手段)12を備えている。周波数検出器12は電圧の周波数を検出するものであってもよい。周波数検出器12で検出される周波数は、発電機70の回転軸71の回転数、ポンプ逆転水車60の主軸66及びプロペラ軸64の回転数と相関がある。従って、周波数検出器12により、これら回転軸71、主軸66、及びプロペラ軸64の回転数が間接的に検出される。なお、周波数検出器12に代えて、回転軸71、主軸66、及びプロペラ軸64のうちのいずれかの回転数を直接的に検出する検出器を設けてもよい。
【0017】
さらに、制御盤10は、後に詳述するように前記周波数検出器12により検出された周波数(回転数)に基づいて、発電機70の出力する電力(トルク)を制御する運転制御部(制御手段)15を備えている。運転制御部15が発電機70の出力電力を制御する方法には、発電機70の形式等により種々の態様があるが、本実施例では固定子75が備える出力発生用の巻線に供給する電流量Aを調節することで、出力電力を制御している。永久磁石に代えて磁界発生用の巻線を回転子73に設ける場合には、この巻線に供給する電流量を調節することで、出力電力を制御することができる。
【0018】
さらにまた、制御盤10は、図2に示すように予め設定された発電機70の回転軸71の回転数Rと発電機70の出力電力Wとの関係を記憶した記憶部(記憶手段)16を備えている。図3を参照すると、実線は3種類の回転数R1,R2,R3(R1<R2<R3)について流量と有効落差の関係を示し、一点鎖線はこれら3種類の回転数R1,R2,R3ついて効率を示している。各回転数R1,R2,R3について最高効率P1,P2,P3があり、それに対応する運転状態P1’,P2’,P3’がある。図3では、3種類の回転数のみを示しているが、回転数が決まれば、最高効率とそれに対応する運転状態が一義的に決まる。図2の回転数と出力電力の関係は、個々の回転数で最高効率での運転状態となるように出力電力を定めている。
【0019】
前述のように、汎用の横軸軸流ポンプを発電機駆動用のポンプ逆転水車60として使用している。また、ポンプ逆転水車60の上流側に流量制御弁を備えず、調速機等の外部機器も備えていない。これらの点で、本実施形態のポンプ逆転水車型発電設備は構成が簡便で、低コストで製造することができる。
【0020】
次に、このポンプ逆転水車型発電設備の動作を説明する。まず、周波数検出器12により検出された周波数が運転制御部15に入力される。運転制御部15は、記憶部16に記憶された回転数Rと出力電力Wの関係(図2)を参照し、この関係を満たすように発電機70に供給する電流量Aを調節する。例えば、周波数検出器12により検出された周波数が、図2においてR’である場合、運転制御部15は出力電力がW’となるように電流指令(電流量A)を発電機70に対して出力する。かかる制御により、発電機70はポンプ逆転水車60が常に最高効率で運転している状態で発電を行うことになり、広い流量範囲、有効落差範囲で高い発電効率を得ることができる。特に、低流量ないしは低落差であっても、発電が可能となる。
【0021】
図4に示す第2実施形態は、本発明を水道設備に適用した例である。ポンプ逆転水車60は、配水槽(給水部)20と例えば水道栓である被給水部21とを接続する送水管25に介設されている。図4において、23はバイパス流路、24A,24Bは送水管25に設けられた常開の仕切弁、24Cはバイパス流路23に設けられた常閉の仕切弁である。第2実施形態のその他の構成及び作用は第1実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【0022】
本発明は、前記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、ポンプ逆転水車は、斜流ポンプ等の他の形式のポンプであってもよい。
【0023】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のポンプ逆転水車型発電設備では、電力量と回転数が予め設定された関係となるように、制御部がポンプ逆転水車の回転数を制御するので、簡便かつ低コストの構成で、広い流量域での高効率の発電が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る発電設備を示す概略図である。
【図2】発電機の回転数と発電機の出力電力との関係を示す線図である。
【図3】種々の回転数におけるポンプ逆転水車の流量と有効落差の関係、及び流量と効率の関係を示す線図である。
【図4】本発明の第2実施形態に係る発電設備を示す概略図である。
【符号の説明】
1 貯水槽
2 排水槽
3 管路
3A 水平管
3B ベント管
3C 排水管
10 制御盤
11 電力回路
12 周波数検出器
15 運転制御部
16 記憶部
20 配水槽
21 被給水部
23 バイパス流路
24A,24B,24C 仕切弁
25 送水管
60 ポンプ逆転水車
61 アウターケーシング
62 インナーケーシング
63 プロペラ
64 プロペラ軸
65 傘歯歯車機構
66 主軸
70 発電機
71 回転軸
72 カップリング
73 回転子
74 ケーシング
75 固定子
80 電力出力線[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a pump reverse turbine type power generation facility suitable for small-scale hydropower generation.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART Conventionally, there is known a power generation facility that uses a general-purpose pump as a pump reversing water turbine to drive a generator (for example, see Patent Document 1). Further, in
[0003]
[Patent Document 1]
Registered Utility Model No. 2517878 (Fig. 1)
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-257026 (FIG. 3)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, it is difficult to perform high-efficiency power generation in a wide flow rate range and an effective head range by controlling the secondary pressure to be constant, as described in
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to realize high-efficiency hydroelectric power generation in a wide flow rate range and an effective head range with a simple and low-cost configuration.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Accordingly, the present invention provides a pump reversing turbine, a generator having a rotating shaft connected to a main shaft of the pump reversing turbine, and rotational speed detecting means for detecting the rotational speed of the rotating shaft of the generator. Storage means for storing a relationship between the amount of electric power generated by the generator and the rotation speed of the rotating shaft of the generator; and a storage means for storing the rotation speed detected by the rotation speed detection means in the storage means. And a control means for controlling the power output by the generator so as to satisfy the relationship between the power amount and the rotation speed.
[0007]
In the pump reversing turbine type power generation equipment of the present invention, the control unit controls the number of revolutions of the pump reversing turbine so that the amount of power and the number of revolutions have a preset relationship. It is possible. In particular, when using a pump reversing turbine with a constant rotation speed, if the flow rate or the head is low, the power generation efficiency is significantly reduced or power generation is impossible. Since the output power of the generator is adjusted with respect to the rotation speed of the reversing turbine, power can be generated even at a low flow rate or a low head. In addition, since a general-purpose pump is used as a turbine for driving the generator and there is no need to provide external devices such as a flow control valve and a governor on the upstream side of the pump reversing turbine, the configuration of the power generation equipment is simple and cost-effective. Can also be reduced.
[0008]
Specifically, the relationship between the amount of power and the number of revolutions stored in the storage means is set such that the pump reversing turbine is in an operating state with the highest efficiency with respect to the number of revolutions.
[0009]
The pump reversing water wheel is provided, for example, in a pipeline connecting a water storage part that is open to the atmosphere and a drainage part that is lower than the water storage part and that is open to the atmosphere.
[0010]
Alternatively, the pump reversing water turbine may be provided in a water supply pipe connecting the water supply unit and the water supply unit.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0012]
FIG. 1 shows a pump reversing water turbine type power generation equipment according to a first embodiment of the present invention. This pump-reversed water turbine type power generation facility has a pipe connecting a water storage tank (water storage section) 1 open to the atmosphere and a drain tank (drainage section) 2 at a lower position than the water storage tank 1 and open to the atmosphere. It is provided on the
[0013]
The
[0014]
A
[0015]
The
[0016]
Further, the
[0017]
The
[0018]
Further, as shown in FIG. 2, the
[0019]
As described above, a general-purpose horizontal axis axial flow pump is used as the pump reversing
[0020]
Next, the operation of this pump reverse water turbine type power generation facility will be described. First, the frequency detected by the
[0021]
The second embodiment shown in FIG. 4 is an example in which the present invention is applied to a water supply facility. The pump reversing
[0022]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible. For example, the pump reversing turbine may be another type of pump, such as a mixed flow pump.
[0023]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, in the pump reverse turbine type power generation equipment of the present invention, the control unit controls the rotational speed of the pump reverse turbine so that the electric energy and the rotational speed have a preset relationship. With a simple and low-cost configuration, high-efficiency power generation in a wide flow rate range is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a power generation facility according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the number of revolutions of the generator and the output power of the generator.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a flow rate and an effective head of a pump reversing turbine at various rotation speeds, and a relationship between a flow rate and an efficiency.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a power generation facility according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記ポンプ逆転水車の主軸にその回転軸が連結された発電機と、
前記発電機の回転軸の回転数を検出する回転数検出手段と、
予め設定された前記発電機の発生する電力量と前記発電機の回転軸の回転数との関係を記憶した記憶手段と、
前記回転数検出手段により検出された回転数に基づいて、前記記憶手段に記憶された前記電力量と前記回転数の関係を満たすように、前記発電機が出力する電力を制御する、制御手段とを備える、
ポンプ逆転水車型発電設備。With a pump reversing water wheel,
A generator whose rotary shaft is connected to the main shaft of the pump reversing turbine,
Rotation speed detection means for detecting the rotation speed of the rotating shaft of the generator,
Storage means for storing a relationship between a predetermined amount of power generated by the generator and the number of rotations of the rotating shaft of the generator,
A control unit that controls power output by the generator so as to satisfy a relationship between the power amount and the rotation speed stored in the storage unit based on the rotation speed detected by the rotation speed detection unit. Comprising,
Pump reverse water turbine type power generation equipment.
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