JP3806528B2

JP3806528B2 - エネルギー貯蔵設備

Info

Publication number: JP3806528B2
Application number: JP34454598A
Authority: JP
Inventors: 芳郎渡部
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2018-12-03
Also published as: JP2000175377A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー貯蔵設備に係り、より詳細には、電気エネルギーを圧縮空気の形態に変換して貯蔵するエネルギー貯蔵設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、エネルギー貯蔵設備として、電力を圧縮空気の形態に変換して貯蔵するものが知られている。例えば特開昭５１−１２１６１４号公報には、夜間の余剰電力を用いて空気圧縮機を駆動し、空気圧縮機で製造された圧縮空気を配管を通して海中の釣り鐘状タンク内に移送するエネルギー貯蔵設備が開示されている。なお、この設備は、昼間の電力需要に対応して、圧縮空気をガスタービンに供給することにより電力を発生することも可能となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の公報に記載のエネルギー貯蔵設備は、以下のような問題点を有している。
【０００４】
即ち、このエネルギー貯蔵設備においては空気圧縮機が用いられるが、空気圧縮機それ自体で大きな損失が生じることが一般に知られている。即ち、空気を高速化して圧縮する空気圧縮機においては、空気の高速化により圧縮性の影響が現れ、損失が大きくなるため、空気の圧縮に多大なエネルギーを必要とすることが知られている。更に、このエネルギー貯蔵設備には、空気圧縮機により製造された圧縮空気を配管を通して移送するときに、圧縮空気と配管の内壁との摩擦による圧力損失も無視できない。
【０００５】
このため、上記従来のエネルギー貯蔵設備においては、電気エネルギーを圧縮空気エネルギーとして貯蔵するだけで４０％のエネルギー損失があり、エネルギー変換効率が著しく悪かった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記事情に鑑み、電気エネルギーを貯蔵する時のエネルギー損失を十分に低減し、エネルギー変換効率を向上させることができるエネルギー貯蔵設備を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、電気エネルギーを圧縮空気の形態に変換し、水中に配置される空気溜め容器内に圧縮空気を貯蔵するエネルギー貯蔵設備であって、一部が水上に、残部が水中に配置され、電気エネルギーに基づき水上の空気をバケットによって水中に運び込み、空気を水圧により圧縮させながら第１の空気溜め容器近傍に運び込むバケットコンベアを備え、バケットが空気溜め容器の近傍でバケット内の圧縮空気を空気溜め容器内に導入することが可能となっており、第１の空気溜め容器の下方に第２の空気溜め容器を更に備え、第２の空気溜め容器の近傍に、その上の第１の空気溜め容器内に溜められた空気を水圧により圧縮させながらバケットによって運び込むように第２のバケットコンベアが設置されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、電気エネルギーに基づきバケットコンベアが作動すると、水上でバケット内に取り込まれる空気は水中に運び込まれる。バケット内の空気は、水中で空気圧縮機によらず水圧により、下方に向かうにつれて徐々に圧縮されていく。そして、このバケットが空気溜め容器近傍まで運ばれたときにバケット内の圧縮空気が空気溜め容器内に導入され、水中にエネルギーが貯蔵されることになる。このようにバケット内の空気は徐々に圧縮され、バケットによって運ばれるので、空気圧縮機を用いる場合に比べて、エネルギー損失が十分に低減される。また、空気が水圧により一層圧縮されながら下方の空気溜め容器内にも運び込まれるので、水中に多量の圧縮空気が導入され、多量のエネルギーが貯蔵されることになる。
【０００９】
また、上記エネルギー貯蔵設備においては、第２の空気溜め容器の下方に更に１ないし複数個の空気溜め容器を備え、その空気溜め容器の近傍に、それぞれその直上の空気溜め容器内に溜められた空気を水圧により圧縮させながらバケットによって運び込むようにバケットコンベアが設置されていてもよい。
【００１０】
更に、上記エネルギー貯蔵設備においては、空気溜め容器内に溜められた空気を水上に戻すときに、所定位置に配置されるバケット内に空気を導入することが可能な空気導入手段が設けられていることが好ましい。この場合、バケットが所定位置に配置されるときに、空気導入手段により空気溜め容器内に溜められた圧縮空気がバケット内に取り込まれ、この圧縮空気の浮力によりバケットが上方へと運ばれる。このため、バケットコンベアが作動し、このエネルギーから電気エネルギーを取り出すことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面と共に本発明のエネルギー貯蔵設備について詳細に説明する。なお、全図中、同一又は同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
図１は、本発明のエネルギー貯蔵設備の基本原理を示す一部断面正面図である。エネルギー貯蔵設備１０は、夜間の余剰電力を圧縮空気の形態に変換して海中に導入し、電力を圧縮空気のもつ圧縮空気エネルギーとして貯蔵するものであり、図１に示すように、海中に配置される空気溜めドーム（空気溜め容器）１Ａと、空気溜めドーム１Ａ近傍にバケットを運び込むバケットコンベア２Ａとを備えている。空気溜めドーム１Ａは、下方に向けられる開口２１を有し、空気溜めドーム１Ａの断面形状は、空気を上部に集める点から、例えば略半円状又はＵ字状となっている。
【００１３】
一方、バケットコンベア２Ａは、一部が海上に配置され、残部が海中に配置されている。具体的に述べるならば、海上には回転軸３が配置され、海中には回転軸４が配置され、回転軸３には、余剰電力により回転軸３を駆動させる駆動モータ（図示せず）が接続されている。これら一対の回転軸３、４には、一対の環状チェーン５が掛けられている。従って、バケットコンベア２Ａは、上下方向に延びた状態となっている。図２に示すように、一対の環状チェーン５の間には、その周方向に沿って複数のバケット６が固定されている。バケット６には、空気を取り込むための複数の空気取入口６ａが形成されている。なお、バケット６は、水抵抗を防ぐため流線形をなしており、その肉厚は、メンテナンスの手間を省くのに十分な厚さとなっている。
【００１４】
ここで、図１に示すように、バケットコンベア２Ａは、空気溜めドーム１Ａが下方の回転軸４の直上に位置するように配置されている。従って、バケットコンベア２Ａが作動すると、バケット６が海上を通過するときに空気取入口６ａから空気が取り込まれ、バケット６内に取り込まれる空気が海中に運び込まれる。このとき、バケット６内の空気は水圧により下方に向かうにつれて徐々に圧縮される。そして、バケット６が空気溜めドーム１Ａの近傍、例えば回転軸４の直下を通過するときに空気取入口６ａを通して圧縮空気が排出され、空気溜めドーム１Ａ内に導入される。このため、電力が圧縮空気の形態で海中に貯蔵されることになる。
【００１５】
図３は、図１の基本原理に従って構成されたエネルギー貯蔵設備１０の全体を概略的に示す正面図である。図３に示すように、エネルギー貯蔵設備１０は、海底に立設される支持構体１４を備えている。支持構体１４の頂上部は海上に臨んでおり、頂上部の上には、プラットフォーム８が設けられている。このプラットフォーム８は、電動機ないしは発電機、コントロールルーム、及びバケットコンベア２Ａの駆動装置を備えており、ヘリポートとしても機能する。
【００１６】
また、エネルギー貯蔵設備１０は、空気溜めドーム１Ａの下方に水深方向に沿って適当な間隔をあけて配置される３つの空気溜めドーム１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを更に備えており、これら空気溜めドーム１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、支持構体１４に固定されている。そして、これら空気溜めドーム１Ｂ、１Ｃ，１Ｄのそれぞれにその上の空気溜めドーム１Ａ，１Ｂ，１Ｃ内に溜められた空気をバケット６によって運び込むように３つのバケットコンベア２Ｂ，２Ｃ，２Ｄが支持構体１４によって支持されている。
【００１７】
具体的に述べると、例えばバケットコンベア２Ｂは、バケットコンベア２Ａと回転軸４ａを共有し、空気溜めドーム１Ｂ内に配置される回転軸７を備えており、これら回転軸４、７に一対の環状チェーン５が掛けられている。環状チェーン５の間には、その周方向に沿って複数のバケット６が取り付けられ、バケット６は、空気溜めドーム１Ａ内を通過するようになっている。更に、回転軸７の直上に空気溜めドーム１Ｂが配置されている。従って、バケット６が空気溜めドーム１Ａ内を通過するときに、空気溜めドーム１Ａ内に溜められた空気が空気取入口６ａを通して取り込まれ、水圧により空気が圧縮されながらバケット６によって空気が運ばれ、この空気が更に深い位置の空気溜めドーム１Ｂ内に導入される。
【００１８】
バケットコンベア２Ｃ，２Ｄについても、バケットコンベア２Ｂと同様の構成となっている。従って、空気溜めドーム１Ｂ内に溜められた空気がバケットコンベア２Ｃのバケット６によって空気溜めドーム１Ｃ内に運び込まれ、空気溜めドーム１Ｃ内に溜められた空気がバケットコンベア２Ｄのバケット６によって空気溜めドーム１Ｄ内に運び込まれるようになっている。
【００１９】
空気溜めドーム１Ｄからは分岐管１２が延びており、途中で複数本に分岐している。分岐管１２により、海底に設置される空気貯蔵ドーム９のぞれぞれに圧縮空気が導入されるようになっている。ここで、分岐管１２の分岐した部分には、空気溜めドーム１Ｄ内に溜められた空気を各空気貯蔵ドーム９に分配するための分配弁Ｖ１が取り付けられると共に、空気貯蔵ドーム９内の空気が万一漏れた場合に、空気溜めドーム１Ｄ内の空気が空気貯蔵ドーム９へと移送されないよう遮断する緊急遮断弁Ｖ２が分配弁Ｖ１に対して空気貯蔵ドーム９側の位置に取り付けられている。また、空気貯蔵ドーム９は、鉄製ドームを二重にしたダブルハル構造となっており、各鉄製ドームの厚さは、浮力に逆らって沈み、かつ塗装せずに長期間（例えば数１０年）耐え得る厚さとなっている。二重の鉄製ドームの間隙には、鉄製ドームからの空気漏れをチェックする空気検知器（図示せず）が設けられている。
【００２０】
また、空気貯蔵ドーム９は、海面に浮遊する貯蔵ドームメンテナンス用ブイ１１から延びるドーム吊上げ用チェーン１３につながれており、空気貯蔵ドーム９のメンテナンス時には、ドーム吊上げ用チェーン１３を引き上げることにより空気貯蔵ドーム９が吊り上げられるようになっている。ここで、空気貯蔵ドーム９を容易に吊り上げられるように、空気貯蔵ドーム９は、分岐管１２の先端に被せるように海底に載置されることが好ましい。
【００２１】
なお、バケットコンベア２Ａ、２Ｂ、２Ｃ又は２Ｄの設置台数は、図４に示すように、下方に向かうにつれて少なくなるようにすることが好適である。その理由は、以下の通りである。即ち、空気が下方に向かうほど圧縮されてその体積が小さくなるので設置台数を水深の大きい個所で多くする必要はなく、また、各バケットコンベア２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄで生じる機械的エネルギー損失の総和が低減されるためである。
【００２２】
次に、前述した構成のエネルギー貯蔵設備１０の動作について説明する。
【００２３】
まず、夜間の余剰電力を利用して駆動モータを駆動し、回転軸３を回転させる。このとき、バケット６の移動方向に空気取入口６ａが向けられるようにする。このため、海上を通過するバケット６の内部に空気取入口６ａを通して空気が取り込まれ、バケット６は、空気をバケット６内に収容した状態で海中に運び込まれ、空気が空気溜めドーム１Ａの近傍まで運び込まれる。このとき、バケット６内の空気は、水圧により、下方に向かうにつれて徐々に圧縮される。そして、このバケット６が空気溜めドーム１Ａの直下まで運ばれたときに、バケット６の空気取入口６ａを通して圧縮空気が排出され、この圧縮空気が空気溜めドーム１Ａ内に導入される。
【００２４】
そして、バケットコンベア２Ｂのバケット６が空気溜めドーム１Ａ内を通過するため、空気溜めドーム１Ａ内に空気が溜められている場合、その空気がバケットコンベア２Ｂのバケット６によって下方にある空気溜めドーム１Ｂ内に導入される。空気溜容器１Ｂ内に溜められた空気は、バケットコンベア２Ｃのバケット６によって空気溜めドーム１Ｃ内に運び込まれ、更に、空気溜めドーム１Ｃ内に溜められた空気がバケットコンベア２Ｄのバケット６によって空気溜めドーム１Ｄ内に運び込まれる。このとき、空気が多くの空気溜めドームに導入されると共に下方に向かうにつれて水圧により一層圧縮されることになる。従って、海中に多量の圧縮空気を導入することができる。空気溜めドーム１Ｄ内に溜められた空気は、分岐管１２を通して各空気貯蔵ドーム９に貯蔵される。このように本実施形態のエネルギー貯蔵設備１０においては、空気が下方に向かうにつれて徐々に圧縮され、バケット６によって運ばれるので、空気圧縮機を用いて圧縮空気を海中に導入する場合に比べて、エネルギー損失が十分に低減され、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【００２５】
なお、圧縮空気の形態から電気エネルギーを取り出す場合、エネルギー貯蔵設備１０は、空気溜めドーム１内に溜められた空気を海上に戻すときに、所定位置に配置されるバケット６内に空気を導入することが可能な空気導入手段を備えていることが好ましい。
【００２６】
ここで、空気導入手段としては、バケット６が所定位置に配置されるたびごとに空気溜めドーム１内に溜められた圧縮空気をバケット６内に導入できるものであれば特に制限されない。例えば、図５に示すように、空気導入手段は、空気溜めドーム１の上部から突出しかつ上下方向を軸として回転可能なＬ字管１５と、このＬ字管１５に取り付けられる切出し弁１６とを備えるもので構成することができる。この場合、空気溜めドーム１内に溜められた圧縮空気がＬ字管１５から排出され、圧縮空気がバケット６内に導入される。このとき、バケット６が所定位置に配置されるタイミングに合わせて切出し弁１６が調整される。また、バケット６は、開閉可能な蓋を有しており、空気を空気溜めドーム内に貯蔵する時には蓋が閉じられ、空気を空気溜めドームからバケット６内に導入する時には蓋が開けられるようになっている。
【００２７】
従って、昼間の電力需要のピーク時に、空気貯蔵ドーム９から分岐管１２を通して空気溜めドーム１Ｄ内に空気を溜めておく。一方、バケット６の蓋６ｂは開けておく。そして、バケット６が所定位置に配置されるタイミングに合わせてＬ字管１５が上下方向を軸として回転されてその先端がバケット６の下方に配置される。このとき、切出し弁１６を調整すると、バケット６内に空気取入口６ａを通して圧縮空気が導入される。圧縮空気が導入されたバケット６は、圧縮空気の浮力により、空気の貯蔵時とは逆の方向に移動して上方に運ばれる。このようにして、圧縮空気は、空気溜めドーム１Ｄ、１Ｃ，１Ｂ，１Ａへと順次運ばれ、最終的にはバケットコンベア２Ａのバケット６によって海上に放出されることになる。このとき、バケット６が上昇するエネルギーがバケットコンベア２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの回転軸の駆動力に変換され、この駆動力により発電機で発電が行われる。
【００２８】
本発明のエネルギー貯蔵設備は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明のエネルギー貯蔵設備は、海に限定されず湖などに設置することも可能である。
【００２９】
更に、空気溜めドームの個数も複数個であればよく、上記実施形態のように４個に限定されるものではない。
【００３０】
なお、本発明による効果を実証するため、空気溜めドームに１台のバケットコンベアのバケットによって空気を導入する場合を想定し、異なる容量の空気溜めドームに、水深を変えて空気を導入した場合の貯蔵エネルギー容量を理論的に計算する。
【００３１】
ここで、バケットコンベアの上部が波、潮流の変動に対応するため水面から数ｍ突出するようにバケットコンベアを設置し、１個あたりのバケットの容量は１ｍ³とし、バケットは環状チェーン１ｍごとに１個取り付ける。バケットの周速は１ｍ／ｓとする。また、空気溜めドームは、直径Ｄの半球部と、半球部の下部から下方に延びる長さＤ／１０の円筒状スカート部とで構成されるものである。
【００３２】
そして、本発明による貯蔵エネルギー容量は、例えば以下のようにして計算される。即ち、水中の空気１〔ｍ³〕＝１，０００〔ｋｇ〕の浮力として、水深：Ｈ＝１０〔ｍ〕のときのバケット一つあたりの浮力Ｂは、空気が水圧で圧縮されるため１／２、２０〔ｍ〕のときは１／３、３０〔ｍ〕のときは１／４となる。即ち、１／（（Ｈ／１０）＋１）となる。そこで、各バケットの浮力をＨ＝０からＨ＝１０までＨを１〔ｍ〕ずつ変えてそれぞれ算出し、これらの総和を求めると、バケット全体として受ける浮力は７．６８８〔ｋｇ〕となる。また、１馬力は、７５〔ｋｇ・ｍ／ｓｅｃ〕であるから、浮力を馬力：ＨＰに換算すると、ＨＰ＝７．６８８〔ｋｇ〕÷７５〔ｋｇ・ｍ／ｓｅｃ〕＝１０２．５〔ＨＰ〕となる。更に、１〔ＨＰ〕＝０．７３５５〔ｋｗ〕であるから、電力：Ｐに換算すると、Ｐ＝１０２．５〔ＨＰ〕×０．７３５５〔ｋｗ／ＨＰ〕＝７５．４〔ｋｗ〕となり、Ｍ＝１，０００〔ｍ³〕のドーム容量の場合、電力量：Ｑ〔ｋｗｈ〕換算は、空気が１０〔ｍ〕の水深で０．５まで圧縮されているので、Ｑ＝１，０００〔ｍ³〕÷０．５〔ｍ³／ｓｅｃ〕×７５．４〔ｋｗ〕÷３，６００〔ｓｅｃ／ｈ〕＝４１．９〔ｋｗｈ〕となる。
【００３３】
同様に、Ｍ＝１，０００〔ｍ³〕で１００〔ｍ〕の水深では、Ｑ＝２４．５３３〔ｋｇ〕÷７５〔ｋｇ・ｍ／ｓｅｃ〕×０．７３５５〔ｋｗ／ＨＰ〕×１，０００〔ｍ³〕÷０．０９０９１〔ｍ³／ｓｅｃ〕÷３，６００〔ｓｅｃ／ｈ〕＝７３５．１〔ｋｗｈ〕となる。
【００３４】
更に、バケットの中で空気を圧縮するエネルギーが必要な訳であるから、後述する従来発明のエネルギーを加えると、前述のＭ＝１，０００〔ｍ³〕、Ｈ＝１０〔ｍ〕の場合で、Ｑ＝４１．９＋２７≒７２（ｋｗｈ）であり、同じく、Ｍ＝１，０００〔ｍ³〕、Ｈ＝１００〔ｍ〕の場合で、Ｑ＝７３５．１＋２７２≒１，００８〔ｋｗｈ〕となる。
【００３５】
このようにして異なる容量の空気溜めドームに、水深を変えて空気を導入した場合の貯蔵エネルギー容量を計算すると、表１、表２に示すようになる。
【００３６】
【表１】

【００３７】
【表２】

表１、表２に示すように、貯蔵エネルギー容量は、空気溜めドームの容量が大きいほど大きく、水深が大きいほど大きいことが分かる。例えば、空気溜めドーム容量Ｍ＝１０，０００ｍ³の場合に、水深を変化させたときの貯蔵エネルギー容量の変化を図６に示す。図６に示すように、水深が大きくなるにつれて貯蔵エネルギー容量が指数関数的に増加することが分かる。
【００３８】
また、比較のため、下記の方法による貯蔵エネルギー容量について計算する。即ち、この方法は、空気圧縮機を用い、本発明に用いる空気溜めドームと同様の構成の空気溜めドームの内部に、水上から水中まで延びる配管を通して圧縮空気を移送し、エネルギーを貯蔵する方法である。この場合、貯蔵エネルギー容量は、下記のようにして計算する。
【００３９】
即ち、１〔ｌ・ａｔｍ〕＝２．８１４６６２×１０^-5〔ｋｗｈ〕から、１〔ａｔｍ〕は１．０３３３〔ｋｇｗ／ｃｍ²〕であるので、１〔ｍ³・ｋｇｗ／ｃｍ²〕＝０．０２７２３９５４３〔ｋｗｈ〕となる。そこで、電力に換算した貯蔵エネルギー容量は、以下の式を用いて求める。
【００４０】
Ｐ＝０．０２７２３９５４３×Ｍ×Ｈ／１０〔ｋｗｈ〕
（式中、Ｍは空気溜めドーム容量〔ｍ³〕、Ｈは水深〔ｍ〕を表す。）
なお、空気圧縮機等の効率は考慮していないので、本発明との落差はより大きいものとなる。
【００４１】
上記式を用いて求めた計算結果を表１、表２に示す。表１、表２に示すように、貯蔵エネルギー容量は、本発明のエネルギー貯蔵設備を用いた場合と比べて、相当に小さいことが分かる。また、空気溜めドーム容量Ｍが１０，０００ｍ³の場合に、水深を変化させたときの貯蔵エネルギー容量の変化を図６に示す。図６に示すように、貯蔵エネルギー容量は、水深が増加してもほとんど増加せず、水中に貯蔵エネルギー容量を十分に蓄えることができないことが分かる。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明のエネルギー貯蔵設備によれば、バケット内の空気が水圧により徐々に圧縮されるので、空気圧縮機を用いる場合に比べて、エネルギー損失が十分に低減され、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエネルギー貯蔵設備の要部を示す一部断面正面図である。
【図２】バケットコンベアに用いるバケットを示す斜視図である。
【図３】本発明のエネルギー貯蔵設備の一実施形態を示す一部断面正面図である。
【図４】図３のエネルギー貯蔵設備を示す側面図である。
【図５】空気導入手段により空気をバケット内に導入する状態を示す概略図である。
【図６】本発明および従来発明について、水深と貯蔵エネルギー容量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ…空気溜めドーム（空気溜め容器）、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ…バケット、６…バケット、１５…Ｌ字管（空気導入手段）、１６…切出し弁（空気導入手段）。

Claims

電気エネルギーを圧縮空気の形態に変換し、水中に配置される空気溜め容器内に前記圧縮空気を貯蔵するエネルギー貯蔵設備であって、一部が水上に、残部が水中に配置され、前記電気エネルギーに基づき水上の空気をバケットによって水中に運び込み、前記空気を水圧により圧縮させながら第１の空気溜め容器近傍に運び込む第１のバケットコンベアを備え、前記バケットが前記空気溜め容器の近傍で前記バケット内の圧縮空気を前記第１の空気溜め容器内に導入することが可能となっており、前記第１の空気溜め容器の下方に第２の空気溜め容器を更に備え、第２の空気溜め容器の近傍に、その上の前記第１の空気溜め容器内に溜められた空気を水圧により圧縮させながらバケットによって運び込むように第２のバケットコンベアが設置されていることを特徴とするエネルギー貯蔵設備。
前記第２の空気溜め容器の下方に更に１ないし複数個の空気溜め容器を備え、該空気溜め容器の近傍に、それぞれその直上の空気溜め容器内に溜められた空気を水圧により圧縮させながらバケットによって運び込むようにバケットコンベアが設置されていることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー貯蔵設備。
前記空気溜め容器内に溜められた空気を水上に戻すときに、所定位置に配置される前記バケット内に前記空気を導入することが可能な空気導入手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギー貯蔵設備。