JP7404864B2 - 電力管理方法及び電力管理システム - Google Patents

Description

本発明は、ダムにおいて電力を管理する電力管理方法及び電力管理システムに関する。

従来、余剰電力等のエネルギを、空気を媒体として圧力に変換し、水中に圧縮空気を貯蔵する圧縮空気貯蔵体が知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。特許文献１に記載のエネルギ貯蔵装置では、水圧作用が得られる海底等に容積変化可能な容器を沈殿させ、この容器に連通管を介して接続したコンプレッサ・タービン及びこれに連結した電動・発電機を陸上に設置する。電動・発電機によりコンプレッサ・タービンを駆動して得られる圧縮空気を、水圧に抗し容器内に充填させてエネルギを貯蔵し、容器内に充填されている圧縮空気を容器周囲の水圧により徐々に放出してコンプレッサ・タービンを駆動させてエネルギを放出する。特許文献２には、空気圧縮機と、空気圧縮機に一端を接続される送気管と、送気管の他端に接続される圧気の収容体とからなり、電力の需要時に圧気を放出して発電するエネルギの貯留施設が記載されている。

特開昭５８－２１４６０８号公報 特開昭６２－２９４７２３号公報

ダムの貯水池を利用して、余剰電力を貯蔵することも可能である。しかしながら、ダムの貯水池の場合には、面積や水量に制限がある。すなわち、限られた面積に容器を配置させる必要がある。また、貯水池の満水時や渇水時において、水位により、貯水池内に配置した容器への水頭圧が変動する。圧縮空気を電力に変換する場合には、圧力変動が、発電効率に影響を与えてしまう。

上記課題を解決する電力管理方法は、ダムの貯水池内に配置した容器を用いて余剰電力を管理する方法であって、前記容器は、容積が可変であり、電力蓄積時には、前記余剰電力を用いて送風装置を稼働させて、前記容器の容積を拡大させながら前記貯水池の水圧に対抗させて圧縮空気を前記容器に供給し、電力放出時には、前記貯水池の水位に応じて、前記容器の容積を縮小させながら、前記容器内の圧力を一定に調整した圧縮空気を発電装置に供給して稼働させる。

本発明によれば、余剰電力により蓄積した圧縮空気を用いて発電することができる。

実施形態におけるダムの貯水池内に配置された電力管理システムの側面図。 実施形態におけるダムの貯水池内に配置された電力管理システムの上面図。 実施形態における可変容積のタンクの構成の説明図であって、（ａ）は最小容積の場合、（ｂ）は最大容積の場合を示す。 実施形態における電力蓄積処理の処理手順を説明する流れ図。 実施形態におけるボイリングの状態を説明する説明図であって、（ａ）はボイリングの開始時、（ｂ）はボイリング中の状態を示す。 変更例において、ダムの貯水池の水面の高さに応じてタンクの蓋に錘を載せる構成の電力管理システムであって、（ａ）は貯水池の満水時、（ｂ）は貯水池の渇水時であってタンクの容積が最大の時、（ｃ）は貯水池の渇水時であって、タンクの容積が少ない時を示す。

以下、図１～図５を用いて、電力管理方法及び電力管理システムを具体化した一実施形態を説明する。本実施形態では、ダムで水力発電した電力の余剰電力を管理するための電力管理方法及び電力管理システムについて説明する。

図１に示すように、ダム１０の貯水池１５において、下流に近い部分に、電力管理システム２０が配置されている。電力管理システム２０は、複数の容器としてのタンク３０を備える。

図２に示すように、複数のタンク３０は、連結管２１を介して連通されている。タンク３０には、耐圧ホース２２を介して、コンプレッサ及びローター装置（図示せず）が接続される。そして、耐圧ホース２２を介して、余剰電力を用いて、コンプレッサ及びローター装置内の回転子を回転することにより送風を行なう。また、圧縮空気を用いてローター装置内の回転子を回転することにより発電を行なう。本実施形態では、ローター装置が、タンク３０に圧縮空気を供給する送風装置及びタンク３０から供給された圧縮空気を用いて発電を行なう発電装置として機能する。タンク３０には圧縮空気が供給され、タンク３０に蓄積された圧縮空気が送出される。耐圧ホース２２には、発電機側の端部に、圧力調整機構としてのレギュレータ２３が設けられている。このレギュレータ２３は、送出される圧縮空気の圧力を所定の圧力にする。

更に、タンク３０には、電磁バルブ２５を介して複数の有孔管２６が接続されている。複数の有孔管２６は、上流に向かうに従って水平方向の間隔が広がる扇状に配置される。各有孔管２６は、電磁バルブ２５に接続した水平部と、水平部の端部から屈曲した傾斜部２６ａとを備える。傾斜部２６ａには、複数の孔が形成されている。これら孔は、水や空気は通過させるが砂は通過させない構造を有する。

電磁バルブ２５は、電力を用いて、タンク３０の内部と有孔管２６とを連通又は遮断を行なう。本実施形態では、タンク３０の容積が最大になっても、まだ余剰電力がある場合には、タンク３０の内部と有孔管２６とを連通させて、圧縮空気を有孔管２６に供給する。

また、電力管理システム２０は、制御装置２８を備える。この制御装置２８は、後述する電力調整処理を実行し、レギュレータ２３の調整や電磁バルブ２５の開閉を制御する。制御装置２８は、電磁バルブ２５の開操作を行なった時刻を記憶し、前回の開操作時刻から所定時間以上経過した場合に、排砂が必要と判断する。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、タンク３０は、円筒形状の本体部３１と、本体部３１を密閉して上下動可能な蓋部材３２とを備える。タンク３０は、蓋部材３２が上下動することにより、内部に蓄積する圧縮空気の容積を変更できる。タンク３０の底面部には、タンク３０を浮遊させないためのウェイト部３５が設けられている。また、タンク３０には、内部に蓄積した圧縮空気の圧力を計測する圧力計が設けられている。

次に、図３～図５を用いて、上述した電力管理システム２０を用いた電力調整方法について説明する。ここでは、まず、電力を蓄積する処理について説明する。
図４に示すように、余剰電力が発生し、蓄積量が上限でない場合（ステップＳ１－１において「ＹＥＳ」、かつステップＳ１－２において「ＮＯ」の場合）、制御装置２８が、圧縮空気の供給処理を実行する（ステップＳ１－３）。具体的には、余剰電力を用いて、コンプレッサにより空気を圧縮し、ローター装置内の回転子を回転して、耐圧ホース２２を介して圧縮空気をタンク３０に供給する。

図３（ａ）に示すように、タンク３０内に圧縮空気が供給されると、圧縮空気は、蓋部材３２を押上げる。この場合、蓋部材３２の上面には、貯水池１５の水面までの深さに応じた圧力が加わるため、この圧力に抵抗しながら、圧縮空気は、蓋部材３２を押し上げて、タンク３０の内部に蓄積される。

その後、図３（ｂ）に示すように、タンク３０の蓄積量が上限になった場合（ステップＳ１－２において「ＹＥＳ」の場合）、制御装置２８が、排砂が必要か否かの判定処理を実行する（ステップＳ１－４）。

ここで、排砂が必要と判定した場合（ステップＳ１－４において「ＹＥＳ」の場合）、制御装置２８が、ボイリング処理を実行する（ステップＳ１－５）。具体的には、電磁バルブ２５を開いて、タンク３０の内部と有孔管２６とを連通し、タンク３０を介して圧縮空気を有孔管２６に供給する。

この場合、図５（ａ）に示すように、水が充填されていた有孔管２６に圧縮空気が供給され、傾斜部２６ａの孔から圧縮空気が放出される。そして、図５（ｂ）に示すように、圧縮空気が有孔管２６の孔から連続して放出されることにより、有孔管２６の周囲の堆砂１６が吹き上げられる。その後、吹き上がった砂１７が、貯水池１５の水の下流への流れに乗って、ダム１０の図示しない排砂口等から排出される。

なお、ボイリングを終了した場合、タンク３０の蓄積量が上限となる前に余剰電力がなくなった場合、又は排砂が必要でない場合（ステップＳ１－１、Ｓ１－４において「ＮＯ」の場合）には、制御装置２８が、圧縮空気の供給を停止し、電力蓄積処理を終了する。

その後、タンク３０に蓄積した圧縮空気を放出して発電を行なう場合には、制御装置２８が、耐圧ホース２２を介して、タンク３０から圧縮空気をローター装置に供給し、回転子を回転させて発電を行なう。この場合、タンク３０に蓄積した圧縮空気の圧力に応じてレギュレータ２３を調整して、耐圧ホース２２から一定圧力の圧縮空気を送出する。

（作用）
タンク３０の蓋部材３２が上下動するので設置面積を変えることなく、圧縮空気を蓄積する容積を変更できる。更に、容量変化するので、圧縮空気を水頭圧に応じたポテンシャルエネルギで蓄積でき、耐圧ホース２２に設けられたレギュレータ２３を介して、発電に用いる圧縮空気の圧力を平準化できる。

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、余剰電力を用いて、貯水池１５のタンク３０の容積を変化させて、圧縮空気を蓄積するので、水頭圧に応じたエネルギをタンク３０に蓄積することができる。そして、タンク３０に蓄積した圧縮空気を、レギュレータ２３により所定の圧力でローター装置に供給するので、効率的に発電することができる。

（２）本実施形態では、蓋部材３２の上下位置に応じて、タンク３０の容積を変更可能にしたので、貯水池１５の下流側の深い位置に、複数のタンク３０を密着して配置することができる。

（３）本実施形態では、ダム１０で生成した水力発電の余剰電力を用いて、圧縮空気をタンク３０に蓄積し、この圧縮空気を用いて発電させる。これにより、発電するダム１０と、圧縮空気を蓄積するタンク３０とが近いので、送電ロスを抑制することができる。

（４）本実施形態では、タンク３０には、電磁バルブ２５を介して複数の有孔管２６が接続される。制御装置２８は、余剰電力があり蓄積量が上限であって排砂が必要な場合（ステップＳ１－４において「ＹＥＳ」の場合）には、ボイリング処理を実行する（ステップＳ１－５）。この場合、圧縮空気が、タンク３０から有孔管２６を介して放出されて、貯水池１５の底の堆砂１６を吹き飛ばす。これにより、余剰電力を用いて蓄積した圧縮空気により排砂を行なうことができる。

（５）本実施形態では、タンク３０に接続される複数の有孔管２６は、上流に向かうに従って水平方向の間隔が広がるように配置される。これにより、広い範囲でボイリングを行なうことができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、タンク３０の容積が上限になった場合（ステップＳ１－２において「ＹＥＳ」の場合）に、圧縮空気の供給を停止し、圧縮空気の圧力を一定にする。ここで、ダム１０の貯水池１５の水量が少なくなり水面が低くなった場合には、タンクの蓋部材の上に、錘を載せて、タンクに加わる圧力を一定にしてもよい。

具体的には、図６に示すように、タンク４０を備えた電力管理システムとしてもよい。このタンク４０は、ウェイト部４５の上に固定された本体部４１と蓋部材４２とを備える。タンク４０は、本体部４１に支持部材４６が固定される。支持部材４６には、水面に浮く浮き体４７が上下動可能に支持される。

図６（ａ）に示すように、水量が多い高水位時には、圧力調整機構としての錘４８は、索状物を介して、浮き体４７によって引き上げられて水中に浮遊する。
そして、図６（ｂ）に示すように、水量が少ない低水位時には、浮き体４７の位置が低くなり、錘４８は蓋部材４２の上に載置される。これにより、圧縮空気の供給により増大する容積に対抗して蓋部材４２を下方に押す。

また、図６（ｃ）に示すように、錘４８が蓋部材４２に載置された状態で、タンク４０から圧縮空気が排出された場合には、錘４８は、蓋部材４２に従って降下する。なお、索状物は、本体部４１の高さより長いため、蓋部材４２が本体部４１の底部近くまで移動した場合に、錘４８を蓋部材４２に載置した状態を維持できる。以上により、貯水池１５の水面の高さが変化しても、タンク４０に貯める圧縮空気の圧力を一定にすることができる。

・上記実施形態では、余剰電力があり蓄積量が上限であって、排砂が必要な場合（ステップＳ１－４において「ＹＥＳ」の場合）に、ボイリング処理を実行する（ステップＳ１－５）。ボイリング処理を実行するタイミングは、これに限定されない。例えば、タンクに貯めた圧縮空気の排出開始時に行なってもよい。更に、堆砂の量を検知して、排砂の要否を判断してボイリング処理を実行してもよい。

・上記実施形態では、ローター装置を、タンク３０に圧縮空気を供給する送風装置、及びタンク３０から供給された圧縮空気を用いて発電を行なう発電装置として兼用した。タンク３０に圧縮空気を供給する送風装置と、タンク３０から供給された圧縮空気を用いて発電を行なう発電装置とを、それぞれ別の装置としてもよい。この場合には、送風装置、発電装置から、それぞれタンクとの配管を設ける。なお、送風装置、発電装置を、三方バルブを介して一本の配管でタンク３０に接続してもよい。
・上記実施形態では、耐圧ホース２２を介して、タンク３０に圧縮空気を供給し、タンク３０から圧縮空気を放出した。送風装置からタンク３０に圧縮空気を供給する供給管と、発電装置にタンク３０から圧縮空気を放出する放出管とを、共有せずに、それぞれ別々に設けてもよい。この場合、供給管とタンクとの接続と遮断を行なう開閉バルブと、放出管とタンクとの接続と遮断を行なう開閉バルブとを同時に制御してもよい。

・上記実施形態では、タンク３０には、圧縮空気のみが供給される構成とした。タンクの構成は、圧縮空気のみが流入及び流出される構成に限られない。例えば、タンクと貯水池とを連通する管を設け、タンクに貯水池の水が流入及び流出する構成としてもよい。この場合、タンクに圧縮空気が供給されることにより、タンク内の水が排出され、タンク内の圧縮空気が送出されることにより、タンク内に貯水池からの水が流れ込む。
・上記実施形態では、ダム１０で生成した水力発電の余剰電力を用いて、圧縮空気をタンク３０に蓄積し、この圧縮空気を用いて発電した。圧縮空気に蓄積する余剰電力は、ダムで水力発電した電力に限られず、他の箇所において発電した余剰電力を用いて圧縮空気をタンクに供給してもよい。

１０…ダム、１５…貯水池、１６…堆砂、１７…砂、２０…電力管理システム、２１…連結管、２２…耐圧ホース、２３…圧力調整機構としてのレギュレータ、２５…電磁バルブ、２６…有孔管、２６ａ…傾斜部、３０，４０…容器としてのタンク、３１，４１…本体部、３２，４２…蓋部材、３５，４５…ウェイト部、４６…支持部材、４７…浮き体、４８…圧力調整機構としての錘。

Claims (8)

1. ダムの貯水池内に配置した容器を用いて余剰電力を管理する方法であって、
   前記容器は、容積が可変であり、
   電力蓄積時には、前記余剰電力を用いて送風装置を稼働させて、前記容器の容積を拡大させながら前記貯水池の水圧に対抗させて圧縮空気を前記容器に供給し、
   電力放出時には、前記貯水池の水位に応じて、前記容器の容積を縮小させながら、前記容器内の圧力を一定に調整した圧縮空気を発電装置に供給して稼働させることを特徴とする電力管理方法。
2. 前記送風装置と前記発電装置とを同じローター装置で構成したことを特徴とする請求項１に記載の電力管理方法。
3. 前記容器には、上下位置を変更可能な蓋部材を備え、
   前記蓋部材の上下位置に応じて、前記容器の容積を変更可能にしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力管理方法。
4. 前記蓋部材に錘を載置させて、前記発電装置に供給する圧縮空気の圧力を調整することを特徴とする請求項３に記載の電力管理方法。
5. 前記容器から、前記発電装置までの管路にレギュレータを設け、
   前記レギュレータを用いて、前記発電装置に供給する圧縮空気の圧力を所定の圧力に調整することを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の電力管理方法。
6. 前記容器には、前記貯水池内に配置されて、孔が形成された有孔管が接続されており、
   前記圧縮空気を、前記容器を介して前記有孔管に供給し、前記有孔管の前記孔から排出してボイリングを行なうことを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の電力管理方法。
7. ダムの貯水池内に配置した容積可変の容器と、
   前記容器に貯蔵される圧縮空気の圧力を調整する圧力調整機構とを備え、
   電力蓄積時には、余剰電力を用いて送風装置を稼働させて、前記容器の容積を拡大させながら前記貯水池の水圧に対抗させて圧縮空気を前記容器に供給し、
   電力放出時には、前記貯水池の水位に応じて、前記容器の容積を縮小させながら、前記容器内の圧力を一定に調整した圧縮空気を発電装置に供給して前記発電装置を稼働させることを特徴とする電力管理システム。
8. 前記容器には、遮断可能に接続される複数の有孔管が接続され、
   前記複数の有孔管は、前記容器に接続される側とは反対側がそれぞれ広がるように配置されていることを特徴とする請求項７に記載の電力管理システム。