JP5619858B2

JP5619858B2 - 水上発電システム

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Publication number: JP5619858B2
Application number: JP2012268976A
Authority: JP
Inventors: 茂男松▲蔭▼; 一瀬　泰啓; 泰啓一瀬; 健太山本; 和広岩苔
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2032-12-10
Also published as: JP2014114738A

Description

この発明は、海上（洋上）や湖沼などにおいて、風力発電および揚水発電を備えた水上発電システムに関する。

風力発電は、風速や風向きなどの風況の変化に伴って、発電電圧や周波数が変動するため、水力発電や火力発電などに比べて電力品質が不安定で、電力系統に影響を与える、という課題を有する。このため、蓄電設備としての揚水発電を組み合わせることで、安定した電力品質を確保する、という風力揚水発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この装置は、風車ユニットを複数個積み重ねた風車タンデムを複数海上に設置し、風車タンデムによる発電によってポンプを駆動し、海（下池）の海水を装置の頂上に設置された水槽（上池）に揚水して一時的に貯蔵する。そして、揚水された海水を放水管から放水して水車を一定速度で回転させ、主発電機によって電力を発生させる、というものである。

特開２００２−３６４５１７号公報

ところで、上記のような風力揚水発電装置では、装置の頂上に設置された水槽に海水を汲み上げ、この水槽から海水を放水して水車を回転させるため、揚水発電の発電量・発電規模は、水槽の容量に依存する。このため、海上というスケールメリットを有効に活かすには、水槽の容量を大型化する必要があるが、費用がかさむばかりでなく、大型化には限界があり大規模発電が事実上困難である。さらには、大容量の水槽を海上に設ける場合、風車タンデム群を固定できる浅瀬に装置を設置する必要があり、立地条件が厳しくなり設置が制限される。

そこでこの発明は、風力発電と揚水発電とを組み合わせた水上発電において、大規模な揚水発電が可能な水上発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、海や湖沼を含む水領域上に設置され、風力によって発電する風力発電装置と、前記水領域を上池とし、該水領域の水底地下内に形成された貯水槽を下池として、前記風力発電装置で発電された電力によって前記下池の水を前記上池に揚水し、前記上池の水を前記下池に放水することで発電する揚水発電装置と、を備え、前記風力発電装置で発電される電力のうち前記揚水に費やされる電力を除く電力と、前記揚水発電装置で発電される電力との組み合わせを、送電電力として外部に送電する水上発電システムであり、前記送電電力が所定時間一定となるように、前記揚水発電装置による発電および前記揚水を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、１日の各時刻において前記風力発電装置で発電される電力の推移を示す発電パターンに基づいて、前記一定とする送電電力を設定し、前記発電パターンに基づいて一定の電力で安定して揚水が行えるように１日の各時刻における揚水用電力を設定して、該揚水用電力を前記風力発電装置で発電される電力から減算した電力を各時刻における送電用電力とし、該送電用電力と前記揚水発電装置による揚水発電電力との和が、前記送電電力になるように各時刻における前記揚水発電電力を設定する、ことを特徴とする水上発電システムである。

この発明によれば、風力発電装置で発電されると、その電力によって水領域地下の貯水槽（下池）の水が水領域（上池）に揚水される。一方、水領域（上池）の水を貯水槽（下池）に放水することで、揚水発電が行われる。そして、風力発電装置で発電された電力から揚水に要した電力を除く電力と、揚水発電装置による電力との組み合わせ（少なくとも一方による電力）が、送電電力として外部（電力系統）に送電される。

請求項１の発明によれば、揚水発電装置において、海や湖沼などを上池とし、海や湖沼などの水底地下内に形成された貯水槽を下池とするため、海や湖沼などの上方に水槽を設ける必要がないばかりでなく、海や湖沼が上池であるため上池の容量が膨大となる。このため、海上などというスケールメリットを有効に活かし、大規模な揚水発電が実効的に可能となるとともに、大容量の水槽を設ける必要がないため設備費用を抑えることができる。また、海底地下などに貯水槽を下池として形成すればよいため、立地条件の制約が少なく、どこにでも容易に設置することが可能となる。

さらには、風力発電装置で発電された電力から揚水に要した電力を除く電力と、揚水発電装置による電力との組み合わせが、送電電力として外部に送電されるため、風力発電装置で発電された電力が揚水と外部送電とに有効に利用される。この結果、自然エネルギー・再生可能エネルギーを有効に利用することが可能となる。

また、揚水発電装置による発電および揚水が制御されて、送電電力が所定時間一定となるため、安定した電力を外部・電力系統に送電・供給することができ、電力系統などへの影響を抑制することが可能となる。

さらに、所定期間（例えば、１日や日中）に風力発電装置で発電される電力量に基づいて、所定時間一定とする送電電力が設定されるため、風力発電装置で発電される電力をより有効に利用することが可能となる。例えば、１日に風力発電装置で発電される電力量を所定時間で平均化した電力を送電電力として設定することで、発電される電力量を最大限利用することが可能となる。

この発明の実施の形態に係る水上発電システムを示す概略構成断面図である。図１の水上発電システムの揚水発電装置の周辺を示す概略平面図である。図１の水上発電システムの揚水発電装置の周辺を示す概略断面図である。図１の水上発電システムの風力発電装置の発電パターン例を示す図である。図１の水上発電システムの揚水発電装置の揚水パターン例と発電パターン例を示す図である。図１の水上発電システムにおいて、風力発電装置による送電用電力と揚水発電装置による揚水発電電力との組み合わせ（送電電力）のパターン例を示す図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係る水上発電システム１を示す概略構成断面図である。この水上発電システム１は、海上・洋上（水領域）での風力発電および揚水発電を備えたシステムであり、主として、風力発電装置２と、揚水発電装置３と、変電設備（制御手段）４とを備えている。

風力発電装置２は、海上に設置され、風力によって発電する発電装置である。すなわち、風車（プロペラ）２１と風力発電機２２とを備え、風力によって風車２１が回転することで、風力発電機２２で発電が行われるものであり、発電された電力は、海底に沿って配設された第１の電力線５１を介して変電設備４に送られるようになっている。このような風力発電装置２が多数設けられ、各風力発電装置２は、風車２１が海面Ｓ１上に配設されるように、浮標式、張力脚式やはしけ式などによって設置されている。

揚水発電装置３は、海Ｓを上池とし、海底地下Ｇ内に形成された貯水槽３１を下池として、風力発電装置２で発電された電力を動力として、貯水槽３１（下池）の海水を海Ｓ（上池）に揚水し、海Ｓの海水を貯水槽３１に放水することで発電する発電装置である。すなわち、図２、３に示すように、海底の地下Ｇに複数の貯水槽３１（調整池）が形成され、各貯水槽３１は、連結・連通されているとともに、水路３２を介して海Ｓの取水口Ｓ２（放水口も兼ねる）に接続されている。これらの貯水槽３１は、大きな落差と容量を確保して大規模な発電を可能にするために、例えば、長さが約３００ｍ、幅が約３０ｍ、高さが約３０ｍで、海面Ｓ１からの深さ（落差）Ｈが約４００ｍに設定されている。

また、海底地下Ｇの水路３２の最下位部には、複数の揚水発電機３３が設置されている。この揚水発電機３３は、海Ｓ（取水口Ｓ２）から水路３２を通って流れた（落下した）海水によって、羽根（プロペラ）が回転することで発電し、発電された電力は、第２の電力線５２を介して変電設備４に送られるようになっている。また、揚水発電機３３を通過して海水は、各貯水槽３１に流入、貯水される。

さらに、揚水発電機３３は、揚水ポンプとしての機能も備え、第３の電力線５３を介して変電設備４から供給された電力、つまり、風力発電装置２で発電された電力によって稼働・回転して、貯水槽３１内の海水を水路３２を介して海Ｓに揚水するようになっている。ここで、この実施の形態では、後述するように、揚水発電装置３による発電と揚水とが同時に行われる場合があり、その場合、一部の揚水発電機３３が発電機として発電し、他の揚水発電機３３が揚水ポンプとして揚水を行う。

変電設備４は、風力発電装置２で発電された電力を揚水発電機３３に供給して揚水発電機３３を稼働させるとともに、風力発電装置２で発電される電力のうち上記のような揚水発電装置３での揚水に費やされる電力を除く電力（余剰電力）と、揚水発電装置３で発電される電力との組み合わせを、送電電力として電力系統（外部）Ｎに送電する設備・装置である。すなわち、第１に、後述するように、貯水槽３１内の海水を海Ｓに揚水する時間帯において、風力発電装置２で発電された電力の一部または全部を揚水用電力として揚水発電機３３に供給して揚水発電機３３を稼働する。第２に、風力発電装置２で発電される電力から揚水用電力を除く送電用電力と、揚水発電装置３による発電電力との少なくとも一方による送電電力を、電力系統Ｎに送電する機能を備えている。

ここで、電力系統Ｎへの送電においては、送電電力が所定時間一定となるように、揚水発電装置３による発電および揚水を制御し、さらに、この一定とする送電電力は、所定期間に風力発電装置２で発電される電力量に基づいて設定するようになっている。

具体的には、まず、１日（所定期間）の各時刻において風力発電装置２で発電される電力Ｐ１の推移（電力量、発電パターン）を、例えば図４のように示すように予測・設定する。この図において縦軸は、風力発電装置２の稼働率つまり発電電力を示し、破線で囲まれた１マスは、風力発電装置２の発電容量の２０％ｈｒ電力量（１０％×２ｈｒ）を示す。また、このような発電電力Ｐ１の推移（発電パターン）は、過去の発電実績に基づいて、同一日時や同時期の過去の平均的な発電パターンを採用したり、海上風力発電の一般的な発電パターンを採用したり、あるいは、その日の予測される天候や風量、風向きなどに基づいて算出される発電パターンを採用したりしてもよい。

次に、このように予測・設定された発電パターンに基づいて、１日における平均的な電力（平均稼働率）を算出する。つまり、各時刻における稼働率・電力量（図４中のＬ１欄）の合計（７３１％ｈｒ）を２４時間で除算して、平均稼働率を算出する。これにより、例えば、平均稼働率が約３０％と算出される。そして、この算出結果から、所定時間一定とする送電電力、つまり電力系統Ｎへの送電電力を設定する。例えば、平均稼働率が約３０％の場合、０時から２０時までの所定時間は送電電力を２５％、２０時から２４時までの所定時間は送電電力を１００％と設定される。このように、複数の所定時間において、それぞれ送電電力が一定となるように制御してもよいし、０時から２４時にわたって送電電力が一定となるように制御してもよい。

続いて、上記のような電力Ｐ１の推移（発電パターン）に基づいて、各時刻における揚水用電力Ｐ２を設定する。この際、図５に示すように、一定の電力（例えば、風力発電装置２の発電容量の２５％、５０％および７５％）で安定して揚水が行え、かつ、できるだけ多くの揚水用電力Ｐ２が得られるように、さらには、貯水槽３１の当初の貯水量や揚水発電の時刻、電力などを考慮して貯水槽３１が満水や渇水にならないように、揚水用電力Ｐ２を設定する。そして、この揚水用電力Ｐ２を発電電力Ｐ１から減算した電力が、図６に示すような、各時刻における送電用電力Ｐ３となる。

次に、この送電用電力Ｐ３と揚水発電装置３による発電電力（揚水発電電力）Ｐ４との和（加算電力）が、上記のような一定の送電電力になるように、各時刻における揚水発電電力Ｐ４を設定する。例えば、上記のように、０時から２０時においては、送電電力が２５％になるように各時刻の揚水発電電力Ｐ４が設定され、２０時から２４時においては、送電電力が１００％になるように各時刻の揚水発電電力Ｐ４が設定される。

このようにして、各時刻における風力発電装置２の送電用電力Ｐ３と揚水発電装置３の揚水発電電力Ｐ４とが設定される。この結果、図６に示すように、一部の時刻（例えば１０時前後）では、送電用電力Ｐ３のみで送電電力が構成され、一部の時刻（例えば１４時頃から１６時前）では、揚水発電電力Ｐ４のみで送電電力が構成され、さらに、一部の時刻（例えば６時前後）では、送電用電力Ｐ３と揚水発電電力Ｐ４とで送電電力が構成されることになる。

ここで、図５において、上側（「揚水」側）の縦軸は、揚水量を風力発電装置２の稼働率として示し、破線で囲まれた１マスは、風力発電装置２の２０％ｈｒ電力量（１０％×２ｈｒ）に相当する揚水量を示す。また、図５中のＬ２欄は、各時刻（２時間単位）における揚水量（揚水用電力Ｐ２の電力量）を示す。そして、その合計（図５では５２４％ｈｒ）を、貯水槽３１を１００％から０％の貯水量にするのに要する電力量（例えば、１００％×７ｈｒ＝７００％ｈｒ）で除算した値（約７５％）を、揚水による貯水槽３１の減水量Ｃ１とする。

同様に、図５において、下側（「発電」側）の縦軸は、揚水発電装置３による発電電力を稼働率（風力発電装置２の稼働率に相当）として示し、破線で囲まれた１マスは、揚水発電装置３（風力発電装置２）の２０％ｈｒ電力量（１０％×２ｈｒ）を示す。また、図５中のＬ３欄は、各時刻（２時間単位）における揚水発電の電力量を示す。そして、その合計（図５では６７５％ｈｒ）を、貯水槽３１を１００％から０％の貯水量にするのに要する電力量（例えば、７００％ｈｒ）で除算した値（約９７％）を、発電による貯水槽３１の増水量Ｃ２とする。

次に、このような構成の水上発電システム１の動作・作用などについて、図４〜６に基づいて説明する。ここで、図５中曲線Ｋは、貯水槽３１の貯水量の経時的変化を示し、この例では、当所（０時）の貯水量を５０％とする。

まず、０時から２時前においては、図４に示すように、風力発電が行われないため、図５、６に示すように、揚水発電装置３による発電が行われ、その揚水発電電力Ｐ４によって、上記のような２５％の送電電力が電力系統Ｎに送電される。このとき、海Ｓ（上池）から貯水槽３１（下池）に海水が流れるため、貯水槽３１の貯水量は、図５の曲線Ｋに示すように、揚水発電に伴って上昇する。

続いて、２時前から４時頃においては、図４に示すように、風力発電装置２で発電が行われ、図５に示すように、その電力Ｐ１の一部が揚水用電力Ｐ２として、変電設備４を介して揚水発電機３３に供給される。これにより、上記のようにして、貯水槽３１内の海水が海Ｓに汲み上げられる。一方、上記および図６に示すように、風力発電装置２による発電電力Ｐ１から揚水用電力Ｐ２を減算した送電用電力Ｐ３と、揚水発電装置３による揚水発電電力Ｐ４との組み合わせによって、２５％の送電電力が電力系統Ｎに送電される。この時間帯においては、揚水と揚水発電装置３による発電（放水）との双方が行われるため、貯水槽３１の貯水量は、図５の曲線Ｋに示すように、ほぼ一定・平行状態となる。

このような発電と揚水とが行われながら、２０時まで常に２５％の送電電力が電力系統Ｎに送電される。続いて、２０時から２４時においては、図４に示すように、風力発電が行われず、図５、６に示すように、揚水発電装置３による発電が行われ、その揚水発電電力Ｐ４によって、上記のような１００％の送電電力が電力系統Ｎに送電される。そして、このような１日の動作が終了した時点においては、上記の例では、揚水による貯水槽３１の減水量Ｃ１が約７５％、発電による貯水槽３１の増水量Ｃ２が約９７％となる。従って、動作終了時における貯水量Ｃは、
Ｃ＝５０％−７５％＋９７％＝７２％
となる。そして、この貯水量Ｃや風力発電装置２の発電パターンなどに基づいて、上記と同様にして、風力発電装置２による揚水用電力Ｐ２や揚水発電装置３による揚水発電電力Ｐ４のパターン、つまり図５、６に示すような発電、揚水および送電のパターンが設定され、同様の動作が繰り返されるものである。

以上のように、この水上発電システム１によれば、揚水発電装置３において、海Ｓを上池とし、海底地下Ｇの貯水槽３１を下池とするため、海Ｓの上方に水槽を設ける必要がないばかりでなく、海Ｓが上池であるため上池の容量が膨大となる。このため、海上というスケールメリットを有効に活かし、大規模（上池が大容量で大落差）な揚水発電が実効的に可能となるとともに、大容量の水槽を海上に設ける必要がないため設備費用を抑えることができる。また、海底地下Ｇに貯水槽３１を下池として形成すればよいため、立地条件の制約が少なく、どこにでも容易に設置することが可能となる。

さらには、風力発電装置２で発電された電力Ｐ１を揚水用電力Ｐ２として揚水に利用するとともに、その余剰電力を送電用電力Ｐ３として電力系統Ｎに送電するため、自然エネルギー・再生可能エネルギーを有効に利用することが可能となる。しかも、１日に風力発電装置２で発電される電力Ｐ１の推移（電力量、発電パターン）に基づいて、揚水用電力Ｐ２や揚水発電装置３による発電が設定されるため、風力発電装置２で発電された電力Ｐ１をより有効に利用することが可能となる。

また、風力発電装置２による送電用電力Ｐ３と揚水発電装置による揚水発電電力Ｐ４とを組み合わせて、一定電力の送電電力を電力系統Ｎに送電するため、安定した電力を電力系統Ｎに送電することができ、電力系統への影響を抑制することが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、揚水発電機３３が、発電機と揚水ポンプとを兼ねているが、発電機と揚水ポンプとをそれぞれ別に設けてもよい。また、海Ｓに本システム１を適用する場合について説明したが、湖沼などに適用してもよい。

さらに、揚水と発電のパターンや送電電力の電力値などは、上記の図５、６に示すようなパターンに限らず、風力発電装置２の発電パターンや電力需要などに応じて設定してよい。例えば、貯水槽３１の貯水量Ｃが、０時と２４時とにおいて常に同じになるように設定してもよい。すなわち、揚水用電力Ｐ２の総和と揚水発電電力Ｐ４の総和とが、一致するように設定してもよい。

１水上発電システム
２風力発電装置
２１風車
２２風力発電機
３揚水発電装置
３１貯水槽（下池）
３２水路
３３揚水発電機
４変電設備（制御手段）
Ｓ海（水領域、上池）
Ｓ１海面
Ｓ２取水口（放水口）
Ｇ海底地下
Ｎ電力系統（外部）

Claims

海や湖沼を含む水領域上に設置され、風力によって発電する風力発電装置と、
前記水領域を上池とし、該水領域の水底地下内に形成された貯水槽を下池として、前記風力発電装置で発電された電力によって前記下池の水を前記上池に揚水し、前記上池の水を前記下池に放水することで発電する揚水発電装置と、を備え、
前記風力発電装置で発電される電力のうち前記揚水に費やされる電力を除く電力と、前記揚水発電装置で発電される電力との組み合わせを、送電電力として外部に送電する水上発電システムであり、
前記送電電力が所定時間一定となるように、前記揚水発電装置による発電および前記揚水を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、１日の各時刻において前記風力発電装置で発電される電力の推移を示す発電パターンに基づいて、前記一定とする送電電力を設定し、前記発電パターンに基づいて一定の電力で安定して揚水が行えるように１日の各時刻における揚水用電力を設定して、該揚水用電力を前記風力発電装置で発電される電力から減算した電力を各時刻における送電用電力とし、該送電用電力と前記揚水発電装置による揚水発電電力との和が、前記送電電力になるように各時刻における前記揚水発電電力を設定する、
ことを特徴とする水上発電システム。