JPH0443870A

JPH0443870A - 自然エネルギーの貯蔵方法及び貯蔵システム

Info

Publication number: JPH0443870A
Application number: JP2149788A
Authority: JP
Inventors: Yoji Uchiyama; 内山　洋司; Shigetaka Egawa; 頴川　茂堂
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1990-06-11
Filing date: 1990-06-11
Publication date: 1992-02-13
Anticipated expiration: 2009-02-16
Also published as: JPH0612109B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、自然エネルぎ−の貯蔵方法に関する。

更に詳述すると本発明は、自然エネルギーを流体の圧力
エネルギーに変換して貯蔵する方法及びそのシステムに
関する。

（従来の技術）従来、水力や波力、風力等といった自然エネルギーは、
水力発電、波力発電、風力発電等において、そのエネル
ギーが有効利用されている。これらはいずれも水や波の
持つ位置エネルギーあるいはその変動、風力で水車や風
車等を駆動して回転力を得、それによって発電機を回転
させて電力を得るものである。

（発明が解決しようとするＲＭ）このため、いずれの方法もエネルギーとして貯蔵するこ
とができない。しかも、風力や波力を利用する場合には
絶えず発電に適した風等が得られるわけではないので、
エネルギー源として不安定なものとなる欠点を有してい
る。このなめ、風力や波力を利用したた発電システムの
場合、電源として補助電源を必要としなりあるいは補助
電源として使用するしか有効利用方法が従来考えられな
かった−１４な、水力を利用した発電システムの場合、
夜間の余剰電力を利用して落下した水を再びダムに揚げ
ることでしかエネルギーの貯蔵という観点では実施され
ていなかった。斯様に従来では自然エネルギーの利用は
発電以外のエネルギー化の他には特に考えられていない
。

本発明は、自然エネルギーを貯蔵し、必要なときに必要
なだけ利用することかできるようにする自然エネルギー
の貯蔵方法及びそのシステムを提供することを目的とす
る。

（課題を解決するための手段）かかる目的を達成するため、本発明の自然エネルギーの
貯蔵方法は、圧縮性流体を充填した圧力容器内に、ダム
の水をその位置エネルギーを利用して注入し、水面の上
昇で前記圧縮性流体を圧締して水の位置エネルギーを圧
縮空気に変換するようにしている。

また、本発明の自然エネルギーの貯蔵方法は、圧縮性流
体を充填した圧力容器内に、波力によって作動するポン
プで液体を供給し、前記液体の液面の上昇で前記圧縮性
流体を圧縮して波のエネルギーを圧縮空気に変換するよ
うにしている。

また、本発明の自然エネルギーの貯蔵方法は、圧縮性流
体を充填した圧力容器内に、風力によって作動するポン
プで液体を供給し、液体の液面の上昇で前記圧縮性流体
を圧縮して風のエネルギーを圧縮空気に変換するように
している。

また、本発明の自然エネルギーの貯蔵システムは、圧縮
性流体を充填した複数の圧力容器と、ダムと、これらを
連結する送水管と、この送水管に設置された水タービン
とから成り、前記圧力容器の任意の一つを開放してダム
の水をその位置エネルギーを利用して注入する一方、送
水管内を落下する水の運動エネルギーを利用して前記水
タービンを回転させて水力発電し、上記圧力容器内の圧
縮性流体がヘッド圧力に等しくなる前に次の圧力容器を
順次開放するようにしている。

（作用）したがって、圧力容器内に注入される水あるいはその他
の液体は、圧力容器内の圧縮性流体と直接接触しつつそ
の液面の上昇によって圧縮性流体を圧縮する。この圧縮
に件って発生する熱は注入される水あるいは液体によっ
て吸熱され冷却される。依って、圧力容器内の圧縮性流
体は等温圧縮される６（実施例）以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳細
に説明する。

第１図に波力ないし風力エネルギーを利用した自然エネ
ルギー貯蔵システムの一例を示す。この自然エネルギー
貯蔵システムは、波力ないし風力によって駆動されるポ
ンプ１によって非圧縮性媒体である液体２を圧縮性流体
３を充填した圧力容器４ａ、４ｂ、・・・、４ｎ内に供
給し、圧縮性流体３を圧縮するようにしたものである。

該システムは圧縮性流体例えば空気３を充填した複数の
圧力容器４ａ、４ｂ、・・・、４ｎと、風力ないし波力
によって駆動されるポンプ１と、被圧縮性媒体である液
体２、例えば水等を一定量貯蔵しておく冷却器付きリザ
ーバ５と、前記圧力容器４　ａ　、、　４　ｂ・・・、
４ｎを相互に連結しかつこれらとリザーバ５とポンプ１
とを連結して循環流路を形成する連結管６とから構成さ
れている。各圧力容器４ａ、４ｂ、・・、４ｎには底部
に液体を抜き取るための排出弁７ａ、７ｂ、・・・、７
、ｎが設けられる一方、上部に液体２の注入を制御する
ための供給弁８ａ８ｂ、　　・・、８ｎと、外部から空
気３を導入させるための開閉弁９ａ、９ｂ、・・・、９
ｎ並びに高圧に圧縮された空気３を図示していない貯蔵
用圧力タンクあるいはその他の圧縮空気を利用する施設
等に取出すための吐出弁１０ａ、１０ｂ、・・・、１０
ｎが設けられている。これら多弁７ａ、８ａ、９ａ、１
０ａ。

・・・、　７ｎ、　８ｎ、　９ｎ、　１０ｎは、全て油
圧で制御され、一つの圧力容器で空気を圧縮している間
に圧縮仕事を完了した他の圧力容器中の液体を冷却器で
あるリザーバ５に還流させるのと同時に容器内に新しい
常圧の空気が入るように開ｒ：Ｒ操作が行われる。

上述したように、圧力容器４　ａ　＋　４　ｂ　＋・・
・、４ｎでの空気の圧縮仕事が完了した液体は圧縮空気
の熱を吸熱して温水となるなめ、再利用のためにリザー
バ５において冷却される。非圧縮性媒体としては、冷却
能力の高い流体例えば水等を使用することが可能である
。特に経済性を考慮すると、水の使用が好ましい。

また、流体を循環させる動力源としてのポンプ１は自然
エネルギーによって駆動される６例えば、第２図（Ａ）
、（Ｂ）に示すように、波の上下動をフロート１１を利
用してポンプ１のピストンの回転に変換し液体を圧送し
たり、第２図（Ｃ）に示すように、風力によって回転す
る風車１２の回転でポンプ１を駆動する。

また、他の自然エネルギーの利用法としては、第３図に
示すような水の位置エネルギーを利用した方法がある。

この貯蔵方法はタム１５とこのダム１５より低所に設け
られている複数の圧力容器４ａ、４ｂ、・・・＋４ｎと
を送水管１６で連結し、圧力容器４ａ、４ｂ、・・・、
４ｎに水を順次流し込んで圧縮正流体・気体を圧縮する
ようにしたものである。圧縮仕事後の水はそのまま圧力
容Ｒ４ａ・・・、４ｎの外に放水される。この方法は、
動力源にダム１５の水のヘッド圧を利用していることか
ら、設備は圧力容器４ａ、４ｂ、・・・、４ｎの他には
弁７ａ、　８ａ、　９ａ、　１０ａ、・・・、　７ｎ、
　８ｎ、　９ｎ、　１０ｎと配管６゜１６及びその制御
装置だけの簡単なものとなる。

更に、他の実施例を第４図に示す、この実施例は水の位
置エネルギーを圧縮空気に変換するのと同時に水力発電
を行うようにしたものである。このシステムは、複数の
圧力容器４　ａ　＋　４　ｂ　＋・・・４ｎとダム１５
とを結ぶ送水管１６の途中に水車（タービン）１７を設
置し、落下する水のエネルギーの一部を水車１７の回転
に利用すると共に一部を圧力容器４ａ、４ｂ、・・・、
４ｎで圧縮空気に変換するようにしている。各圧力容器
４ａ、４ｂ・・・、４ｎは一つずつ開放されてタムＩ５
の水を注入するように設けられている。そして、その切
換えは、例えばある圧力容器４ｂ内の圧縮性流体３の圧
力がヘッド圧と等しくなる前、好ましくはヘッド圧の半
分程度で次の圧力容器４ｎを開放して水の落下速度をあ
るレベル以上に維持するようにしている。即ち、水の落
下速度は水が注入される圧力容器４ａ、４ｂ、・・・、
４ｎ内の圧力に支配されるため、圧力容器内の圧力かあ
る程度高まると次の圧力容器を開放することによって水
の落下速度の低下を防ぐ。また、圧力容器は内部の圧縮
性流体の圧縮が完了するまで開放されているため、水の
流入速度が遅くなってもヘッド圧に達するまで依然とし
て流入し続ける。

このときの弁７ａ、・・・、１０ｎの開閉動作は例えば
次のようなものとなる。まず、圧力容器４ｂの入口の弁
８ｂを開き、ダム１５の水２をその落下エネルギーを利
用して圧力容器４ｂ内に流入させる。この際、圧力容器
４ｂの他の弁７ｂ、９ｂ１０ｂは、圧力容器４ｂ内の空
気３か所定の圧力例えばダム１５の水のヘッド圧の約半
分の圧力に達するまで全て閉じている。この間、既に空
気３の圧縮が終っている他の圧力容器４ａでは、排出弁
７ｂが開かれて圧力容器４ａ内の水２が外部に排水され
、同時に外部から空気を導入するために弁９ａが開かれ
ている。尚、弁８ａは閉じている。

圧力容器４ｂ内に水２が流入するに従って水面が上昇し
、容器内の空気３か所定圧（ダム１５の水のヘッド圧）
ＪＷｘ圧縮される。そして、所定圧力にまで圧縮される
と、弁９ｂが開き圧縮空気３は容器４ｂから圧縮空気貯
蔵設備あるいは圧縮空気利用設備に向けて供給される。

圧縮空気３が容器４ｂから押出された時点で、弁９ｂは
閉じ、その直後に弁７ｂが開き、容器４ｂ内の水２の排
出と外部からの空気の導入が行なわれる。

また、圧力容器４ｂ内での空気３の圧縮が完了する前、
好ましくはダム１５の水のヘッド圧の半分程度圧縮され
た時点で次の圧力容器４ｎが開放される。これは、圧力
容器４ｂ内の空気圧が高まるにつれて水の落下速度が低
下し、水力発電の仕事がある程度以下に落ちるのを防ぐ
ためである。

しかし、夜間のように電力需要が低下するときには、水
車を回転させる必要がなくなることから水の落下速度の
維持を図ることは不用となる。この一連の操作を順次繰
り返すことで、圧縮空気を連続的に製造することができ
る４制御装置は上に述べた多弁の一連の開閉操作を油圧
機構により制御したり、あるいは電磁パルプを利用した
電気的制御をすることが好ましい。

圧力容器４ａ、４ｂ、・・・、４ｎ内における圧縮気体
・空気３と非圧縮性流体・水２との接触方法並びに冷却
方式は、上述のものに特に限定されない。例えば、図示
していないが、圧力容器内に金属製の冷却フィンを挿入
することで、冷却フィンを介して圧縮気体と液体との間
の熱交換を効果的なものとしたり、圧力容器内部に隔壁
を設けて圧縮される気体と注入液体との接触面積を大き
くすると共に圧縮気体を絶えず新しい注入液体と接触す
るようにして気体の冷却効果を高めたり、更には、隔壁
を利用して液体の流れを気体と接触する機会が増えるよ
うに工夫したり、隔壁や冷却フィンの形状等を工夫して
圧縮気体と液体との間の熱授受を効果的なものとするこ
とが好ましい。

製造した圧縮空気は、そのまますぐに利用してもよいが
、貯蔵して需要に合わせて供給すればその価値も高くな
る。特に、季節や気候で変動する自然エネルギーや夜間
など電力負荷の低い時の大型電源による余剰電力は、昼
間、電力需要の高い時に利用すれば、その分、化石燃料
が節約できる。

エネルギーの貯蔵は、できるだけエネルギー貯蔵密度が
大きく、かつ変換時のエネルギー損失の小さい方法が好
ましい。この点において、圧縮空気貯蔵は、立地点の確
保が次第に厳しくなりつつある揚水発電の代替技術とし
て期待される。

圧縮空気の貯蔵法には、定圧式と変圧式７デある４定圧
式とは、水のヘッド圧で圧縮空気を貯える方法で、空気
の出し入れ時の貯蔵空気圧はほぼ一定となる。それは圧
力が大きく変動する変圧式に比べたとき、貯蔵タンクの
容量を小さくでき、かつ貯蔵タンクは圧力容器にならな
いという特徴を有している。

貯蔵設備は、安全性や経済性を考慮すると地下や海底に
設置するのが好ましい。この場合、容器には外圧として
地圧または水圧がかかり、その分、地上に設置するより
も容器の設計が容易になるか、あるいは高い圧力で空気
を貯えることができる８第５図に、地下あるいは海底を
利用した貯蔵方法を示す。地下貯蔵の場合、岩塩層に空
洞を掘るのが最ら経済的であるが、岩塩層のない我が国
では岩盤を利用する以外にない。地下岩盤のうち浅部で
の貯蔵は基本的には変圧式となる。そして設！位置が浅
いほど掘削は容易になるが、逆に貯蔵タンクには耐圧が
要求されることとなる。また、効率良い貯蔵を考えると
、空気はできるだけ高圧にしたほうが良いが、そうする
と貯蔵タンクの耐圧設計が厳しくなって貯蔵容量が小さ
くなってしまう。

それを解決するには、貯蔵タンクをできるだけ地下深く
に設置し地圧で以って容器の耐圧性を確保すればよい。

しがし軟岩の深部掘削は、Ｂ術的にみて難しい課題が多
く、図示するような経済的な掘削法を開発していく必要
がある。岩盤が硬い（−軸圧縮強度１５０　ｋＱｆ／−
以上）と地下空洞は掘ったままの状態で空気を貯えるこ
とができる。

その場合、気密性は水封式と呼ばれる方法で保たれる。

それは空洞の周囲にウォーター・カーテンを以って空気
の漏洩を防ぐもので、貯蔵室気圧はその深さに相当する
水圧で一定に保たれている。

この工法は既に石油ａ蓄で我が国でも実績はあるが、そ
の深さはせいぜい１００メートルで、数百メートルの深
さでの経験はまだなく技術的課題が残されている。

しかし、我か国のように山が多く四方を海に囲まれてい
るところでは、その特異な地形を利用して圧縮空気を貯
えることができる。例えば、丘あるいは山の上に上池を
設け、その水圧を利用して山の中の貯蔵タンクに圧縮空
気を定圧で貯えることができる。この方法は、貯蔵タン
クを地中の深いところでなく、はとんど地表と同じレベ
ルのところにトンネル掘削と同じ技術で掘ることができ
る。それにより土木作業は容易となり、サイトを選べば
建設費も安くなる。

また、図示の如く貯蔵タンクを海底に設置しなとすると
、あまり深い所でなければ工事はさらに容易になる。一
方、３００ｍ程度の深海底に貯蔵タンクを設置する場合
には、圧縮空気を貯蔵する際にタンク内の深海水を浅瀬
の海域に噴出させることによって海水の浄化や富化を図
ることができる。この海底貯蔵の特徴は、貯蔵タンクを
始めとする多くの設備が工場で製作でき、リスクが高い
現場工事が少なくなることにある。また貯蔵空気圧も設
置深さに相当する水圧でバランスしているため、タンク
は圧力容器でなくなり設計と製作が楽になる。

また、岩盤を利用した空気貯蔵方法には、地下に新しい
空洞を掘らなくても、石炭や金属鉱山の廃坑、廃トンネ
ルなどを利用する方法もある。既存のインフラ利用は、
技術課題も少なく経済性も高いことから最も現実的な方
法と考えられる。今後、我が国では鉱山と炭鉱はその経
済性の厳しさから閉山が増えることは確かで、そのイン
フラ利用は地元振興と鉱山技術の基盤維持のなめにも重
要となる。

更に、経済性を高めるには、空気貯蔵設備を他の構造物
と有機的に結合ないし一体化することも考えられる。そ
れは、Ｓ遺物内部の空間を利用して空気を貯えるもので
、例えば海洋では、防波堤や護岸、海底魚礁や海洋構造
物の基礎との兼用がある。また陸上でも、洪水防止に造
られる地下ダム、構造物の基礎杭、あるいは核シェルタ
−など、利用できる設備は多い、この場合、空気の貯蔵
法は変圧式で、数十気圧以上の圧力にして貯蔵すること
が好ましい。貯蔵した空気は、発電以外に、都市の防災
、一般動力、エアカーテン、空気調和、エアレーション
など様々な用途に利用できる。例えば、圧縮された空気
は貯蔵され、それを膨張させて冷熱を発生させ、その冷
熱を冷凍や冷蔵に利用し、更に冷熱を有する膨張空気を
そのまま全訳用空気として利用することも可能である。

その際、圧縮空気を膨張タービンと空気タービンで膨張
させ、その膨頭仕事を圧縮機又はポンプの動力に利用す
ることによって所要動力の低減を図ることも可能である
。

この方法を使うと、エネルギー密度の小さい自然エネル
ギーがエネルギーの大きな高圧空気としてコンパクトに
貯えられ、そしてそれは需要家のニーズに合わせて発電
、動力、あるいはエアレーションなどに利用できること
になる。

（発明の効果）以上の説明より明らかなように、本発明の自然エネルギ
ーの貯蔵方法は、自然エネルギーを利用して水あるいは
その他の液体を、圧縮性流体を充填した圧力容器内に流
入させることによって、圧力容器内の圧縮性流体を高圧
流体に変化するようにしているので、自然エネルギーを
圧力として貯蔵することができる。しかも、本発明は自
然エネルギーを利用して圧力容器内に圧入される液体と
圧縮性流体との直接接触によって圧縮性流体を圧縮する
ようにしているので、圧縮に伴う圧縮性流体の温度上昇
が液体の吸熱作用によって抑制され等温圧縮となること
がら、その温度差分だけ圧縮仕事に要する動力が節約で
きる。したがって、本発明によると、自然エネルギーを
少ないロスで効率的に貯蔵することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の自然エネルギー貯蔵方法を説明する原
理図である。第２図（Ａ＞及び（Ｂ）は水力を利用する場合の駆動源
の一例を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は概略図で
ある。第２図（Ｃ）は風力を利用する場合の駆動源の一例を示
す原理図である。第３図は本発明の他の実施例を示す原理図である。第４図は更に他の実施例を示す原理図である。第５図は圧縮空気の貯蔵方法を示す原理図である。１・・・自然エネルギーによって駆動されるポンプ、２
・・・非圧縮性媒体である液体、３・・・圧力容器内に充填される圧縮性流体、４ａ、４
ｂ、・・・、４ｎ・・・圧力容器、１１・・・フロート
、１３・・・風車、１５・・・ダム、１６・・・送水管、１７・・・水車（タービン）。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）圧縮性流体を充填した圧力容器内に、ダムの水を
その位置エネルギーを利用して注入し、水面の上昇で前
記圧縮性流体を圧縮して水の位置エネルギーを圧縮空気
に変換することを特徴とする自然エネルギーの貯蔵方法
。
（２）圧縮性流体を充填した圧力容器内に、波力によっ
て作動するポンプで液体を供給し、前記液体の液面の上
昇で前記圧縮性流体を圧縮して波のエネルギーを圧縮空
気に変換することを特徴とする自然エネルギーの貯蔵方
法。
（３）圧縮性流体を充填した圧力容器内に、風力によつ
て作動するポンプで液体を供給し、液体の液面の上昇で
前記圧縮性流体を圧縮して風のエネルギーを圧縮空気に
変換することを特徴とする自然エネルギーの貯蔵方法。
（４）圧縮性流体を充填した複数の圧力容器と、ダムと
、これらを連結する送水管と、この送水管に設置された
水タービンとから成り、前記圧力容器の任意の一つを開
放してダムの水をその位置エネルギーを利用して注入す
る一方、送水管内を落下する水の運動エネルギーを利用
して前記水タービンを回転させて水力発電し、上記圧力
容器内の圧縮性流体がヘッド圧力に等しくなる前に次の
圧力容器を順次開放することを特徴とする自然エネルギ
ーの貯蔵システム。