ポンプをタービンとして使う

ポンプタービン（PAT ）は逆ポンプとも呼ばれ、フランシス水車と同様の動作をする非従来型の反動水車です。PATの機能は、流体の運動エネルギーと圧力エネルギーをランナーの機械エネルギーに変換するという点で、あらゆるタービンの機能に匹敵します。これらは、固定シャフトによって非同期誘導型モーターユニットに結合された複合ポンプおよびモーター/発電機ユニットとして一般的に商品化されています。^{[1] [2]}

顧客の仕様に合わせて製造する必要のある他の従来の機械とは異なり、ポンプは、さまざまなサイズや機能のものが世界中で広く入手可能な非常に一般的な機器です。タービンとして使用する場合、ローターはポンプとして動作しているときとは反対方向、つまり逆方向に動きます。このようにして、モーターが電力を生成することができます。

ポンプをタービンとして使用する可能性（PAT）についての最初の言及は1930年代初頭にさかのぼり、トーマとキットリッジ^[3]が行った実験に関連しています。彼らは、一般的なポンプが流れを逆転させることでタービンとして非常に効率的に機能する可能性を初めて特定しました。

その後、20世紀後半に、このテーマに関する研究の新たな推進力がポンプ製造業界から生まれました。この間、いくつかの研究機関との連携が確立され、PATの利用に関連する現象の詳細な理解が深まりました。特性曲線と効率曲線を予測する方法の開発に取り組みました。^[4]これにより、タービンモードでのこれらの機械の最高効率点（BEP）を決定し、ポンプとして使用した場合の仕様と関連付けることができました。^[5]

PATの導入により、従来の水力タービンの数分の1のコストで済むため、「ピコ」スケール（つまり、設置容量5kW未満）の水力発電のポテンシャルでも経済的に実現可能になる可能性があります。^[6]このようなスキームの最近の例としては、2019年にアイルランドとウェールズに建設された2つのパイロットプラントがあります。^[7]

マイクロ揚水式水力発電（PSH）では、回転方向と速度を変えることで、同じポンプ/PATを揚水と発電フェーズに使用することができます ^{[8] 。揚水時の最高効率点は通常、その逆モードとは異なります。 [3]}揚水モードから発電モードに切り替え、PSH負荷変動に効率的に反応するには、モーター/発電機に結合された可変周波数ドライブが必要になります。[ 8 ^]

既存の油圧ポンプ/PAT設計のうち、「遠心」または「ラジアル」ユニットは、さまざまな用途分野で世界中で最も使用されています。^[9]この名前は、ローター内の流体がたどる放射状の経路に由来しています。ポンプとして動作しているときは中心から周辺へ、流れが逆になっているときはその逆方向です。^[10]機械全体でより高いヘッドドロップを実現するために、より多くのインペラを直列に組み立てて多段ユニットを作成できます。逆に、二重フロー放射分割ポンプ/PAT設計では、2つの対称的な入口から供給される単一の放射状オープンローターが使用され、標準的な放射状ユニットよりも高い流量を処理できます。^[9] 2番目のタイプのポンプ/PAT設計は軸方向のもので、流体はポンプ軸と平行な軌道をたどってプロペラと相互作用します。このようなユニットは、低いヘッド差で高流量を処理するのに特に適しています。最後に、斜流ポンプ/PATは、ラジアルユニットとアキシャルユニットの適用範囲の中間に位置し、フランシス水車に似た形状のインペラを備えています。^[10] もう一つの特殊なポンプ/PAT設計は、水中ユニットであり、流れる川の小さな水頭差を利用してドラフトチューブに接続されたパイプ内に取り付けることができます。