(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
岩盤内に設けられた地下空洞と、該地下空洞に近接する岩盤に地上から地下空洞よりも深い位置に達するまで掘削されて地下空洞の底に開通した置換水用立坑を備え、
連続する置換水用立坑および地下空洞内に置換水を満たしつつ地下空洞内に空気を供給し、地下空洞内の置換水と置換水用立坑内の置換水との水位差によって生じる地下空洞内の置換水圧を、地下空洞内の所定の貯蔵圧と釣り合わせることで地下空洞内に圧縮空気を貯蔵する岩盤内圧縮空気貯蔵施設であって、
前記置換水用立坑の途中に、置換水を貯蔵する貯水用空洞が設けられ、
前記貯水用空洞の平断面は前記置換水用立坑の断面よりも大きく、かつその高さは前記地下空洞内の置換水の水位の変動に伴い前記置換水用立坑内の置換水の水位が変動してもその変動範囲が前記貯水用空洞内に収まる大きさであることを特徴とする岩盤内圧縮空気貯蔵施設。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下水圧を利用して岩盤内に設けた地下空洞内に圧縮空気を貯蔵するための岩盤内圧縮空気貯蔵施設に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮空気を貯蔵する施設として、水封方式を採用した岩盤内圧縮空気貯蔵施設（以下、単に貯蔵施設とする）がある。この貯蔵施設は、図４に示すように、岩盤１内に設けた地下空洞２に、地下水圧を利用して圧縮空気を貯蔵するものであり、たとえば火力発電所等、大型燃焼設備を備える施設に付随して構築されることが多い。
【０００３】
さらにこの貯蔵施設には、地下空洞２内の圧縮空気の貯蔵圧を一定に保つ技術として、地上に設けた貯水池３と地下空洞２とを連結する置換水用立坑４を設け、この置換水用立坑４に置換水を満たし、地下空洞２内の置換水と貯水池３の置換水との水位差を利用して貯蔵圧を一定に保つ技術が採用されている。
【０００４】
この貯蔵施設を設計するうえでの重要な条件として、地下空洞２に作用する地下水圧をＰw、圧縮空気の貯蔵圧をＰa、貯水池からの置換水圧をＰcとすると、次式
Ｐc≦Ｐa≦Ｐw  …（１）
を満たす必要がある。（ＰcとＰaはいずれ釣り合いがとれてほぼ等しくなる）
【０００５】
また、地下水面から地下空洞までの地下水位差をＨw、地下空洞２内の置換水と貯水池３の置換水との水位差をＨc、水の密度をρとすると、Ｐc、Ｐwはそれぞれ次式
Ｐc＝ρｇＨc、Ｐw＝ρｇＨw
で表されることから、（１）の式は次式
Ｈc≦Ｈw  …（２）
とも表すことができる。もしこの条件式を満たしていないと、置換水圧Ｐcすなわち貯蔵圧Ｐaが地下水圧Ｐwを上回ってしまい、地下空洞内の圧縮空気が岩盤中に洩出し貯蔵施設としての機能が低下するといった事態が起こり得る。
そのため、従来の貯蔵施設においてはこの条件式を満たして地下空洞２の設置深度およびその規模（大きさ）が決定されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
（２）の条件式は、地下水面が地表に近い（浅い）位置にある立地では、図４のように地下水面から地下空洞までの地下水位差Ｈwが十分に確保できるために、前記（２）の条件式を満たして貯蔵施設を構築することが比較的容易である。
【０００７】
しかしながら、例えば内陸部の発電所のように、地下水面が地表から深い位置にある、もしくは通常は地表に近い位置にあっても図に示すような地表から深い位置になる恐れのある立地では、図５に示すように地下水面から地下空洞までの地下水位差Ｈw'が十分に確保できず、地下空洞２内の置換水と貯水池３の置換水との水位差Ｈc'がＨw'を上回ってしまうために、前記（２）の条件式を満たして貯蔵施設を構築することが困難になる。
【０００８】
また、地下水面が地表に近い位置にある立地であっても、圧縮空気の貯蔵量を増やすために大型の地下空洞２を構築しようとすると、図６に示すようにＨc''がＨw''を上回ってしまうために先と同様に前記（２）の条件式を満たして貯蔵施設を構築することが困難になる。
【０００９】
また、置換水圧Ｐc、貯蔵圧Ｐa、地下水圧Ｐwを釣り合わせるには、地下空洞２は地下水圧Ｐwが貯蔵圧Ｐaよりもやや大きくなる程度の地中深度に設ける必要がある。しかしながら、地下水圧Ｐwが貯蔵圧Ｐaと大きく変わらないことから地下空洞内の圧縮空気が地下水圧の比較的小さい箇所から岩盤中に洩出するといった問題が懸念されるため、特に地下水面が地表から深い位置にある場合には貯蔵施設に地下水圧を人工的に大きくするための人工水封施設を併設する必要がある。
【００１０】
臨海部の発電所において置換水に海水を利用する場合には、海水の単位体積重量が淡水である地下水に比べて大きいために置換水圧Ｐcと、地下水圧Ｐwとの釣り合いがとり難くなるだけでなく、単位体積重量が大きい海水を利用した置換水の水頭が低くなって貯水池３が活用されなくなり、置換水の水位の管理が困難になる。
【００１１】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、貯蔵施設の立地条件を緩和することに加えて置換水の管理を行い易くすることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、置換水用立坑の途中に、置換水を貯蔵する貯水用空洞を設け、貯水用空洞の平断面は置換水用立坑の断面よりも大きく、かつその高さは地下空洞内の置換水の水位の変動に伴い置換水用立坑内の置換水の水位が変動してもその変動範囲が貯水用空洞内に収まる大きさとする。
このように貯水用空洞を地中に設けることで、圧縮空気の貯蔵量が変化することで置換水の水位が変動しても置換水圧が地下水圧よりも大きくならないので、置換水圧、貯蔵圧、地下水圧の釣り合いが崩れることなく保たれる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る岩盤内圧縮空気貯蔵施設の実施形態を図１および図２に示して説明する。
図１には、地下水面が地表から深い位置（図中のＷＬ）にある立地に構築された岩盤内圧縮空気貯蔵施設（以下、単に貯蔵施設とする）を示している。この貯蔵施設は、従来と同様に岩盤１内に地下空洞２が設けられている。
【００１４】
地下空洞２は、設計段階においてあらかじめ設定された地下空洞２内における圧縮空気の貯蔵圧Ｐaと、地下水面ＷＬから地下空洞２までの地下水位差Ｈwによって生じる地下水圧Ｐwが、次式
Ｐa≦Ｐw  …（３）
を満たす地中深度に形成されている。
【００１５】
貯蔵施設が設けられた岩盤１には、地下空洞２に近接する位置に地表から地下空洞２よりも深い位置に達するまで掘削された立坑４ａと、この立坑４ａの下端から掘削されて地下空洞２の底に開通した横坑４ｂとからなる置換水用立坑４が設けられており、この置換水用立坑４の途中には、置換水を貯蔵する貯水用空洞５が設けられている。
【００１６】
貯水用空洞５は、置換水用立坑４から地下空洞２にかけて置換水を満たしつつ地下空洞２を圧縮空気で満たし、最も低くなった地下空洞２内の置換水の水位ＣＬlと最も高くなった置換水用立坑内の置換水の水位ＣＬuとの水位差Ｈcによって生じる地下空洞２内の置換水圧Ｐcが、次式
Ｐc≦Ｐa  …（４）
を満たすとき、その置換水用立坑４内の置換水の水位ＣＬuの位置を含む地中深度に形成されている。貯水用空洞５の平断面は置換水用立坑４の断面よりも格段に大きく、かつその高さは地下空洞２内の置換水の水位の変動に伴い置換水用立坑４内の置換水の水位が変動してもその変動範囲が貯水用空洞５内に収まるように十分な大きさを確保して形成されている。
【００１７】
上記の式（３）、（４）からこの貯蔵施設は、次式
Ｐc≦Ｐa≦Ｐw  すなわち、
Ｈc≦Ｈw  …（５）
を満たして構築されている。
【００１８】
また、地下空洞２には地表に通じる空気取入れ坑６が設けられており、この空気取入れ坑６から地下空洞に向けて空気の供給、排出を行っている。
さらに、置換水用立坑４、貯水用空洞５および空気取入れ坑６の内側には、周辺の岩盤から地下水が浸出しないようにコンクリートの壁面が一面に設けられている。
【００１９】
この貯蔵施設について、圧縮空気を貯蔵する過程を図２に示す。
まず、貯蔵を開始する時点では、地下空洞２には置換水が満たされて水位ＣＬlは最も高くなっており、一方貯水用空洞５内の置換水量は最少の状態となっていて水位ＣＬuは最も低くなっている。このときの置換水の水位差ｈcは地下水位差Ｈwに対して明らかに小さい。
【００２０】
この状態から地下空洞２内に空気を供給し、所定の貯蔵圧に保ちつつ地下空洞２を圧縮空気で満たすと、地下空洞２内の置換水量は減少し最少の状態となって水位ＣＬlは最も低くなり、一方貯水用空洞５内の置換水量は増加し最多の状態となって水位ＣＬuは最も高くなる。このときの置換水の水位差Ｈcは、地下空洞２内の置換水の水位変動をΔｈs、置換水用立坑４内の置換水の水位変動をΔｈcとすると、次式
Ｈc＝ｈc＋Δｈs＋Δｈc
と表される。ここで、上記（５）式から、
ｈc＋Δｈs＋Δｈc≦Ｈw
となり、圧縮空気の貯蔵量が変化することで置換水の水位Ｈcが変動しても、置換水の水位差Ｈcが地下水位Ｈwよりも大きくならない、すなわち置換水圧Ｐcが地下水圧Ｐwよりも大きくならないので、置換水圧Ｐc、貯蔵圧Ｐa、地下水圧Ｐwの釣り合いが崩れることなく保たれる。
【００２１】
上記のように構成された貯蔵施設によれば、貯水用空洞５を地中に設けることで地下水面が地表から深い位置にある立地であっても貯蔵施設の構築が可能となり、貯蔵施設建設の立地条件を緩和することができる。
【００２２】
また、貯水用空洞５を地中に設ければ、地下空洞２を地中より深くに設けることによって地下水圧Ｐwを置換水圧Ｐcに対して明らかに大きく設定することも可能となるので、従来のような人工水封施設を設ける必要がなくなり貯蔵施設の構成を簡略化することができる。
【００２３】
次に、本発明に係る貯蔵施設の他の実施形態を図３に示して説明する。
図３に示す貯蔵施設は、地下水面が地表に近い位置（図中のＷＬ）にある立地に構築されており、大型の地下空洞１２を有している。
【００２４】
地下空洞１２は、前記第１の実施形態に示した地下空洞２よりも大型で大断面であり、空洞内部の高さも地下空洞２より大きく構築されている。
【００２５】
この大型の地下空洞１２を有する貯蔵施設も、貯水用空洞５は、地下空洞２を圧縮空気で満たし、地下空洞２内の置換水の水位ＣＬlと置換水用立坑内の置換水の水位ＣＬuとの水位差Ｈcによって生じる地下空洞２内の置換水圧Ｐcが、次式  Ｐc≦Ｐa
を満たすとき、その置換水用立坑４内の置換水の水位ＣＬuの位置を含む地中深度に形成されている。したがってこの貯蔵施設は、次式
Ｐc≦Ｐa≦Ｐw  すなわち、
Ｈc≦Ｈw  …（５）
を満たして構築されている。
【００２６】
この貯蔵施設においても、圧縮空気の貯蔵量が変化することで置換水の水位Ｈcが変動しても置換水の水位差Ｈcが地下水位Ｈwよりも大きくならない、すなわち置換水圧Ｐcが地下水圧Ｐwよりも大きくならないので、置換水圧Ｐc、貯蔵圧Ｐa、地下水圧Ｐwの釣り合いが崩れることなく保たれる。
【００２７】
上記のように構成された貯蔵施設によれば、貯水用空洞５を地中に設けることで大型の地下空洞を有する貯蔵施設の構築が可能となる。これにより、圧縮空気貯蔵量の増大を図って貯蔵施設の貯蔵能力を向上させることができるだけでなく、大断面空洞とすることで小型の地下空洞を複数設けて同じ貯蔵能力を確保する場合に比べて施工コストが削減され、経済性の向上に繋がる。
【００２８】
ところで、前記実施形態においては、置換水を地下水と同じ淡水として説明したが、臨海部の発電所等において置換水に海水を利用した場合にも、貯水用空洞５を地中に設けることで置換水圧Ｐcと地下水圧Ｐwとの釣り合いがとり易くなり、置換水の水位の管理を容易に行うことができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る岩盤内圧縮空気貯蔵施設によれば、貯水用空洞を地中に設けることで、地下水面が地表から深い位置にある立地であっても貯蔵施設の構築が可能となり、貯蔵施設建設の立地条件を緩和することができる。
【００３０】
地下空洞を地中より深くに設けて地下水圧を置換水圧に対して明らかに大きく設定することも可能となるので、人工水封施設を設ける必要がなくなり貯蔵施設の構成を簡略化することができる。
【００３１】
大型の地下空洞を有する貯蔵施設の構築が可能となり、圧縮空気貯蔵量の増大を図って貯蔵施設の貯蔵能力を向上させることができる。
【００３２】
臨海部の発電所等において置換水に海水を利用した場合にも、貯水用空洞を地中に設けることで置換水圧と地下水圧との釣り合いがとり易くなり、置換水の水位の管理を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る岩盤内圧縮空気貯蔵施設の一実施形態を示す立断面図である。
【図２】  図１に示した貯蔵施設について、圧縮空気を貯蔵する過程を示す状態説明図である。
【図３】  本発明に係る貯蔵施設の他の実施形態を示す立断面図である。
【図４】  従来の貯蔵施設の一例を示す立断面図である。
【図５】  地下水面が低下した貯蔵施設を示す立断面図である。
【図６】  圧縮空気を貯蔵する地下空洞を大型化した貯蔵施設を示す立断面図である。
【符号の説明】
１  岩盤
２  地下空洞
４  置換水用立坑
５  貯水用空洞
【図１】
0003700097.tif 000002
【図２】
0003700097.tif 000003
【図３】
0003700097.tif 000004
【図４】
0003700097.tif 000005
【図５】
0003700097.tif 000006
【図６】
0003700097.tif 000007