JP2012233437A - 洋上揚水発電貯水方式 - Google Patents

Abstract

【課題】陸上の用地の確保、大規模の建設費、長い建設工期を要しない揚水発電所貯水池を提供する。
【解決手段】洋上に一体となって設置された水位の高い正圧貯水タンクと水位の低い負圧貯水タンクを組み合わせ、その間はパイプを通じて揚水電動発電機につながれており、両タンクは構造的に一体型として連結され、、電力に余剰がある時は、負水位貯水タンク内の水を揚水電動発電機で正圧貯水タンクに送り正圧タンクの水位を上げ、電力が不足している時は、水位の上がった正圧タンク内の水を、揚水電動発電機を経由して負圧タンクに送り発電することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、揚水発電等に使われるための洋上揚水発電貯水方式に関するものである。

揚水発電は、変動する需要に対応し、上部貯水池と下部貯水池の間で貯水された水を移動させ揚水と発電を交互に行い、水の位置エネルギーとして変換された電力エネルギーを蓄積、放出し、電力供給量と変動する電力需要量の差の平準化を図るものである。

揚水発電は、夏季などの電力供給能力がピーク時の電力需要に追い付かないときの対策として、また変動の大きい再生エネルギー発電を効率よく使い、普及させるための手段として、今後ますます重要になる。

千葉幸著 「揚水発電所」電気書院 ２０００年

しかしながら、揚水発電貯水池は巨大な土木工事を伴う施設であり、その建設に際しては、適切な立地場所を確保するのが難しく、建設費も高く、また建設の工期も長いという問題があった。
下部貯水池として海洋を使う例もあるが、これも上部貯水池の建設には多額の費用を要し、また海水を発電用に使うことは、設備の材料、保守、耐用年数が短いという問題があった。

本発明上記の課題を解決するためになされたものであり、陸上の用地の確保、大規模の建設費、長い建設工期を要しないタンク型の揚水発電所貯水池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。

本発明の揚水発電貯水方式は、水位の高い正圧貯水タンクと水位の低い負圧貯水タンクを同一構造内に備え、その間はパイプを通じて揚水電動発電機につながれており、両タンクは構造的に一体型として連結され、両タンクは組み合わされて揚水発電貯水タンクとなり、洋上に浮体型または水中型として設置され、アンカーで海底に繋留されることを特徴とする。

揚水が十分に行われ、満水となった時は正圧貯水タンクの水位は高く、負圧貯水タンクの水位は低い。この時は発電を行うことが可能であり、水位差により正圧貯水タンクから負圧貯水タンクに送られる水で揚水電動発電機を発電機として動かし発電が行われる。これにより両タンクの水位差は減少する。
発電が行われた後の非満水時には両貯水タンクの水位差は小さくなる。そこで余剰電力または夜間電力で揚水電動発電機を電動機として動作させ、負圧貯水タンクの水を正圧貯水タンクに送りその水位を上げる。すなわち揚水し両タンクの水位差を増大させる。

両貯水タンクの水位差は、本貯水池に蓄えられた水の位置エネルギーである。発電時には水の位置エネルギーを電気エネルギーに変換し外部に供給する。揚水時には外部から供給された電力を水の位置エネルギーに変換する。

電力に余剰があるときは、電気エネルギーは揚水することにより貯水池の水の位置エネルギーとして蓄えられ、電力が不足する場合には蓄えられた水のエネルギーは電力に変換されて電気エネルギーを供給する。

正圧タンクと負圧タンク間で水を交換しても、全体の構造は一体化されているので、全体の重力と体積すなわち浮体型としての浮力は変わらない。

本発明は、貯水水面が高い上部貯水池となる正圧貯水タンクおよび貯水水面が低い下部貯水池となる負圧貯水タンクを洋上または水中に一体型として設置し、両タンクの中の水を相互に交換することにより揚水発電動作を行わせることを最も主要な特徴とする。

本発明の洋上揚水貯水方式によれば、上部貯水池である正圧貯水タンクの重力と下部貯水池である負圧貯水タンクの浮力がお互いに相殺するため、構造上必要な強度が少なくて済むという利点が生ずる。

また発電を行う水が両タンクの間を移動しても構造物全体としての重力および浮力は変わらず、安定した浮体設置ができるという利点が生ずる。

また本発明によれば、洋上に浮体型または水中型として設置されているので、陸上用地の確保、大規模な土木工事を必要とせず、海岸の造船所等で分割建造して運搬できるという利点が生ずる。

また本発明によれば、電力当たりの建設費用も用地買収を含む陸上設置の揚水発電設備の建設費に比べれば安いという利点が生ずる。

また本発明によれば、施設全体を海岸から離れた沖合に設置でき、地震、津波、水害等の災害の影響を受けないという利点が生ずる。また沿岸に沿って沖合に並べて設置すれば、防波堤としての機能も果たし、波浪を和らげ津波の初期衝撃もある程度吸収できるという利点が生ずる。
また本発明によれば、貯水タンク中の水は循環して使用され外部からは遮断されているので、洋上設置であるが真水を使え、防錆剤等の薬品も入れられ、海洋生物等の影響を受けないという利点が生ずる。

また本発明によれば揚水発電貯水池施設を単一なものではなく、複数の施設として組み合わせ連結されたグループとすることができ、個別の揚水発電貯水タンクを順番に停止し保守、点検し、需要に応じて増設することが出来る。

また本発明によれる揚水発電設備は洋上浮体設備であるので、沖合型の風力発電、太陽光発電、波浪発電等の再生エネルギー設備を併設できるという利点が生ずる。またそこで発電される再生エネルギー発電出力の不安定さを吸収できるという利点が生ずる。

図１は第１の実施形態を示す側面図である。 図２は第１の実施形態を示す上面図である。 図３は第２の実施形態を示す側面図である。 図４は第２の実施形態を示す上面図である。 図５は第３の実施形態を示す側面図である。 図６は第４の実施形態を示す側面図である。

用地の確保、大規模の建設費、長い建設工期を要しない揚水発電所貯水池を提供するという目的を、簡単な構造で実現した。

以下第１の実施形体を図１から図２を参照して説明する。
図１は本発明設備の第１の実施例の側面の断面図、図２は上面図である。

図１の側面の断面図において、正圧貯水タンク３、負圧貯水タンク４は、外壁２および基底部５に囲まれて、全体として同一構造物内に配置されている。これにより正圧貯水タンクの重力と負圧貯水タンクの浮力が相互に相殺する。このために基底部の力学的構造が簡単になり、施設全体として大型化が可能となる。

正圧貯水パイプの水、負圧貯水パイプの水はそれぞれ正圧パイプ６、負圧パイプ８に連結され、それぞれが揚水電動発電機の流入または放出流体となり、揚水電動発電機で駆動されまたは揚水される。揚水電動発電機は、必ずしも電動機能、発電機能の両方を備える必要はなく、揚水電動機と揚水発電機をそれぞれ別に持っても良い。

図２の上面図において、正圧貯水タンク３および負圧貯水タンク４は、同心円状かつ同面積に形成される。これにより両タンクの重力、浮力の相殺作用がバランスよく働く。また両タンク間の水の移動により重心および浮力が水平方向に移動することを防ぐ。

本発明の洋上揚水発電貯水池は、図１および図２の正圧連結パイプ１１および負圧連結パイプ１２を通じて他の揚水発電貯水タンクと連結できる。この場合各正圧貯水タンク内の水および負圧貯水タンク内の水はそれぞれ連結され、共通に使うことが出来る。これにより揚水電動発電機も共通に使うことができ、その設置数を削減することもできる。これにより設備費の軽減を図ることができる。

また単一の揚水発電貯水タンクではなく複数の揚水発電貯水タンクを群として使うことにより、総和としての貯水容量すなわち揚水発電量を増やすこともできる。

またある揚水発電貯水池を切り離して保守、点検を行うこともできる。

また各揚水貯水池の規模や形状を独立に設計できるので、経済性、環境、設置工事等を考慮した最適なものにすることが出来、また状況に応じて増設も可能にできる。

この実施例において、発電貯蔵量の数値は以下の通りである。
正圧貯水タンクと負圧貯水タンクの水位差すなわち高さの差の最大量をH、両貯水タンクの上面積を同じ値としこれをS、水の重量をM、比重をρとすると、貯えられている水の重心はH/2の高さにあり、利用できる位置エネルギーＥは、以下の式であらわされる。


これをピーク時間Tの間に発電し消費するとしたら、その間使える電力Pは


で表せる。

具体例として、正圧タンクの上面半径（負圧タンク上面面積と等しい）rを100m、高さHを100m、水の比重を1,000kg/m³とすると、利用可能エネルギーは、6.15
× 10¹²
ジュールであり、これを電力消費ピーク時の4時間で消費するとすれば、その電力は約 11万Ｋｗとなる。

規模を変えた場合を含めた電力は以下の表の通りである。
表１

以下第２の実施形体を図３から図４を参照して説明する。

図３の側面断面図において、正圧貯水タンク３、負圧貯水タンク４は上下に長い多数のパイプで構成され、これが交互に配置されている。これにより正圧貯水タンクの重力と負圧貯水タンクの浮力が分散かつ近接し、個別に相互に相殺される。このために基底部にかかる力が均一化され基底部の力学的構造が簡単になる。

正圧貯水タンクの水同志、負圧貯水タンクの水同志はそれぞれ正圧連結パイプ６、負圧連結パイプ７で連結され、それぞれが揚水電動発電機の流入または放出流体となり、連結された高圧の水および負圧の水は共通の揚水電動発電機を駆動しまたは揚水される。

海水面に位置する所には、設備を環状に囲むフロート１３がある。このフロートは大きな浮力を有し、各タンク内の水位の昇降により浮力、重力の中心位置が上下に移動しても全体としての安定度（復元力）が損なわれないようにする。

またこのフロートは、船舶や漂流物が設備に衝突し設備が損傷されないような保護機能も持たせる。

またこのフロートには資材、保守員の搬入、波浪発電設備の搭載などの機能を持たせられる。
図４の上面図において、正圧貯水タンク３（＋で示す）、負圧貯水タンク４（−で示す）は、外壁の中に交互に多数配置されている。全体としては、外壁２に囲まれている。

各タンクの間隙はほぼ外部の海面と同じ水位にある水で充填されており、外壁が周囲の海水から受ける圧力と内部に充填された水の圧力は内外でバランスし、外壁２は大きな圧力を受けず、強固な構造にする必要はない。

各タンクは既存の技術として確立している耐圧パイプを利用することにより、強度としても信頼性があり、資材としても廉価で短期間での調達も可能となる。

パイプの間には保守用エレベータ１４が配置されており、保守員や資材の昇降を行う。

この実施例２における発電貯水量の数値は、基本的には実施例１の数値と同じである。この場合には正圧タンクおよび負圧タンクの上面面積Ｓは、それぞれの上面面積の総和となり、表１の数値はそのまま使える。

第３の実施形体を図５を参照して説明する。

第３の実施例は、施設全体を水面下に設置する実施例である。
巨大な施設が海洋水面上にあることは、暴風雷雨の影響を受け、船舶航行への障害を与え、景観への悪影響を与える恐れがある。これを避けるために、施設全体を海面下のある深度以下に設置することが望ましい。

図５はこのために施設全体を海面下に設置する実施例を示す。図５において設備全体は海面下にあり、その浮力はわずかにマイナスになるように作られており、そのままでは海底に向かって沈んでゆく。それを避けるために吊りフロート１６および吊ワイア１７で上部に引っ張られている。吊りフロートは海水面に位置し、このプラスの浮力が施設全体のマイナスの浮力と釣り合い、施設全体の位置が水面下の定位置になる。この位置は吊りワイア１７の長さで決まる。

設備全体の浮力は、施設の構造設計、建設時の基底部５への重量物の搭載で調整できる。また設備全体の浮力は、揚水時、発電時の正圧貯水タンク、負圧貯水タンク間の発電用の水の移動があっても、浮力を決める施設全体の容積、重量は変化せず、一定である。すなわち発電用の水の移動があっても、設備全体の上下位置が変わることはない。

また海水面付近に浮かぶ吊りフロート１６は、海水面下にある施設全体の位置を示す目的にも使える。

第４の実施形体を図６を参照して説明する。

図６に示す実施形態は、前記第３の実施形態と同様、施設全体を海水面下に設置することを目的とするものであるが、上下位置の設定に吊りフロートを使わずにバラスト用鎖１８を用いる。バラスト用鎖は海底上に固定されずに垂らされている。施設の位置が上昇した場合はバラスト用鎖の垂れている部分が増加してその重力で施設を下に引っ張る力が増加して施設の位置が上昇することを抑える。施設の位置が下降した場合には逆の作用が働き、バラスト用鎖の垂れている部分が減少し施設の下降を抑える。

バラスト用鎖１８は海底に固定する必要はなく、海中での工事は不要であり、建設費用を抑えられる。

正圧、負圧の貯水タンクを組み合わせて洋上に設置することにより、用地の確保、膨大な建設費を要しない揚水発電貯水タンクを実現できる。

１ 海面
２ 外壁
３ 正圧貯水タンク
４ 負圧貯水タンク
５ 基底部
６ 正圧パイプ
７ 負圧パイプ
８ 揚水電動発電機
９ アンカー
１０ 海底
１１ 正圧連結パイプ
１２ 負圧連結パイプ
１３ フロート
１４ 保守用エレベータ
１５ 揚水電動発電機室
１６ 吊りフロート
１７ 吊りワイア
１８ バラスト用鎖

Claims (2)

1. 洋上または水中に一体となって設置された正圧貯水タンクおよび負圧貯水タンクを備え、正圧貯水タンクおよび負圧貯水タンク内の水は正圧パイプおよび負圧パイプにより揚水電動発電機と連結されており、電力余剰時には負圧揚水タンク内の水を揚水電動発電機により正圧貯水タンクに送りその水位を上げ、電力不足時には正圧貯水タンクの水で揚水電動発電機を駆動して発電しその水を負圧貯水タンクに送ることを特徴とする洋上揚水発電貯水方式。
2. 複数の正圧タンクおよび複数の負圧タンクが分散しかつ隣接し配置された請求項１に示す洋上揚水発電貯水方式。