(57)【要約】      （修正有）【課題】信頼性・耐久性が優れるかつコストが安い重力式電力蓄積装置を提供する。【解決手段】重力式電力蓄積装置は重量物、重量物が上下移動する空間、重量物を支持する機構、重量物を持ち上げる機構、重量物を落下させ、落下エネルギーを電気に変換する機構、動力伝達隔離機構・ブレーキ機構を備え、外部電源から電力を導入して重力位置エネルギーに変換して蓄積し、必要な時に蓄積した重力エネルギーを電力に再変換して出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体の重量物または容器の中に入れた液体の重量物と、
前記重量物が上下移動できる気体空間または液体空間と、
前記重量物を支持する支持機構と、
前記重量物を前記空間中に重力の反対方向に移動する移動機構と、
前記重量物が前記空間中に重力方向へ落下する落下機構と、
前記重量物の重力位置エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構と、
前記重量物の落下を阻止するブレーキ機構と、
を備えたことを特徴とする電気エネルギー蓄積装置。
【請求項２】
前記支持機構は複滑車とロープによって構成した吊り支持機構または液圧シリンダーによって構成した液圧支持機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー蓄積装置。
【請求項３】
前記移動機構は駆動源が電気モータまたは液圧ポンプまたは外部動力伝達装置の直接駆動を使用することを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー蓄積装置。
【請求項４】
前記落下機構はロープ巻き取りドラムと変速装置によって構成した吊り落下機構または液圧ポンプと制御弁によって構成した液圧落下機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー蓄積装置。
【請求項５】
自然地形（天然崖、山の谷、海・湖・川の水面下）を利用して請求項１から４のいずれかの電気エネルギー蓄積装置を設置することを特徴とする設置方法。
【請求項６】
人工建造物（シャトル、タワー、地下室、ビルの中の空間）を利用して請求項１から４のいずれかの電気エネルギー蓄積装置を設置することを特徴とする設置方法。
【請求項７】
請求項１から４のいずれかの電気エネルギー蓄積装置を利用して深夜に電力を蓄積して昼間に電力を出力することを特徴とする利用方法。
【請求項８】
請求項１から４のいずれかの電気エネルギー蓄積装置を利用して風力発電によって発生した電力を安定化させることを特徴とする利用方法。
【請求項９】
請求項１から４のいずれかの電気エネルギー蓄積装置を利用して昼間だけ発電する太陽発電装置によって発生した電力を蓄積して夜間に電力を出力することを特徴とする利用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、外部電源から電力を導入して重力位置エネルギーに変換して蓄積し、必要な時に蓄積した重力エネルギーを電力に再変換して出力する電気エネルギー（電力）蓄積装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  二酸化炭素排出量の削減を図るには風力や太陽光発電などの再生可能エネルギーへのシフトが必要である。安定供給の観点から、風力や太陽光などの再生可能エネルギーは天候や時間によって出力量が変動するため、その出力量の変動問題の解決策として電力蓄積装置の導入が考えられる。電力蓄積装置の使用により、発電量が多いときには蓄電装置へ蓄え、発電量が少ないときやゼロのときには蓄電装置から電力供給するといったように安定した供給が可能になる。【０００３】  一方、エネルギーをより有効に利用するため、電力需要の少ない夜間電力を蓄電し、電力需要が高まる昼間に、蓄電した電力を出力して電力需要を賄う電力蓄積装置が期待されている。電力系統に大規模な電力蓄積装置を導入すると、全体的な電力需要を平準化できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  電力蓄積装置は二次電池、ナトリウム硫黄電池、レドックスフロー電池、フライホイール、揚水発電などの方法が提案されたが、これらの方法は実用化が難しい、コストが高い、信頼性・耐久性が悪いなどさまざまな問題点がある。これらの問題点を解決するため、信頼性・耐久性が優れるかつコストが安い次世代の電力蓄積装置が期待されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  上述した課題を解決するために本発明にあっては、信頼性・耐久性が優れるかつコストが安い重力式電力蓄積装置を提案した。重力式電力蓄積装置は外部電源から電力を導入して重力位置エネルギーに変換して蓄積し、必要な時に蓄積した重力エネルギーを電力に再変換して出力する電力蓄積装置である。重力式電力蓄積装置は脆弱な電池式電力蓄積装置に比べて構造がシンプルであるため、コストが安く、信頼性・耐久性が非常に優れている。【０００６】  重力式電力蓄積装置の主な構成は（１）重量物、（２）重量物が上下移動する空間（気体空間または液体空間）、（３）重量物を支持する機構、（４）重量物を持ち上げる機構、（５）重量物を落下させ、落下エネルギーを電気に変換する機構、（６）動力伝達隔離機構・ブレーキ機構、の６つの要素がある。【０００７】  重量物として理想的なものは鉛（比重１１．３）や鉄（比重７．８）などの重金属である。しかし、金属の価格が高いため、鉄鋼製のバケツの中に価格の安い鉄鉱石（比重５．６）を入れたものが代用できる。更に安い重量物として鉄筋コンクリート（比重２．６）のブロックや鉄筋コンクリート製のバケツの中に土砂を入れたものなどが代用できる。重量物の重さは数トンから数百万トンまで設定できる。一台の重力式電力蓄積装置の使用する重量物の個数は１個から数百個まで設置できる。【０００８】  重量物が上下移動する空間として自然界の崖や谷や海・湖・川の水面下空間などが利用できる。人工の空間として、地面上のタワー・高層ビルや地面下の井戸、シャトルなどが利用できる。重量物の移動空間の深さまたは高さは数メートルから数千メートルまで設定できる。【０００９】  重量物を支持する機構は２つの様態がある。様態１はロープと滑車あるいは複滑車によって構成した吊り機構であり、クレーンの吊り機構と類似している。様態２は液圧シリンダーによって構成した液圧機構であり、液圧ショベルの液圧機構と類似している。【００１０】  重量物を持ち上げる機構は２つの様態がある。様態１はロープ巻き取りドラムと電動機と変速装置によって構成し、クレーンの吊り上げる機構と類似している。様態２は液圧ポンプと制御弁と配管によって構成し、液圧機器の駆動機構と類似している。【００１１】  重量物を落下させる機構は２つの様態がある。様態１はロープ巻き取りドラムと発電機と変速装置によって構成する。重量物の落下力よりロープ巻き取りドラムを回転させ、発電機を駆動する。様態２は液圧モータと発電機と制御弁と配管によって構成する。重量物の落下力より液圧が発生して液圧モータで発電機を駆動する。【００１２】  動力伝達隔離機構・ブレーキ機構は２つの様態がある。様態１では電動機で重量物を吊り上げるとき、動力伝達隔離機構によってロープ巻き取りドラムの回転を発電機と隔離する。重量物の落下力より発電機を駆動するとき、動力伝達隔離機構によってロープ巻き取りドラムの回転を電動機と隔離する。また、発電が必要のないとき、ブレーキ機構で重量物の落下をストップし、重力エネルギーをキープする。様態２では制御弁によって液圧ポンプと液圧モータを隔離する。また、発電が必要のないとき、制御弁で重量物の落下をストップし、重力位置エネル��ーをキープする。
【発明の効果】
【００１３】  本発明の電力蓄積装置は従来の電力蓄積装置に比べて信頼性・耐久性が優れ、製造コストが安いなど非常に大きなメリットを持っている。本発明の応用領域は深夜電力の蓄電や風力発電の蓄電・安定化や太陽発電の蓄電などが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１の概略図
【図２】実施例２の概略図
【図３】実施例３の概略図
【図４Ａ】実施例４の概略図
【図４Ｂ】実施例４の概略図
【図４Ｃ】実施例４の概略図
【図５】実施例５の概略図
【図６】実施例６の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１５】  以下、本発明を更に理解しやすくするため、実施例について説明する。かかる実施例は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではない。本発明の範囲で任意に変更可能である。
【実施例１】
【００１６】  図１に吊り機構を使う重力式電力蓄積装置の実施例１を示す。図１の１は地面に垂直に設置したシャフト（縦坑）である。２は重量物である。３は２を吊るワイヤロープである。４は３を通る滑車または複滑車である。５は４を支持する支柱である。６は３を巻き取るドラムである。７は逆時計方向に回転し、時計方向に空転する爪車機構である。８は時計方向に回転し、逆時計方向に空転する爪車機構である。９は時計方向に回転する発電機である。１０は逆時計方向に回転する電動機である。１１は６をストップさせるブレーキ機構である。１２と１３は電気ケーブルである。１４と５１は電気ブレーカである。【００１７】  実施例１の重力エネルギー蓄積装置の動作は２つのモードがある。一つは電気蓄積モード、もう一つは発電モードである。電気蓄積モードが開始すると、１５がＯＮし、外部電源からの電気は１３に経由して１０を駆動する。１０は８を時計方向に回転させ、さらに８は６を逆時計方向に回転させ、３を経由して２を引き上げる。また、６が逆時計方向に回転するとき、７は時計方向に空転して９を隔離させる。【００１８】  ２は１の最上部に到達すると、電気蓄積モードが終了する。そのとき、１１が作動して２の落下をストップさせ、同時に１５がＯＦＦし、外部電源と遮断する。電気蓄積モードが終了した後、発電モードに切り替える。【００１９】  発電モードが開始すると、１１が解除して２を落下させ、３を経由して６を時計方向に回転させ、さらに６が７を逆時計方向に回転させ、９を駆動して発電する。そのとき、１４がＯＮし、発電した電気は１２を経由して電力系統へ送電する。また、６が時計方向に回転するとき、８は逆時計方向に空転して１０を隔離させる。【００２０】  ２は１の最下部に到達すると、落下が停止して発電モードが終了する。発電モードは終了した後、電気蓄積モードは再開し、発電モードと電気蓄積モードを繰り返す。
【実施例２】
【００２１】  図２に液圧機構を使う重力式電力蓄積装置の実施例２を示す。図２の５０は重量物である。５１は重量物を支持する液圧シリンダーである。５４は三方バルブである。５３は５１と５４を繋がる配管である。５５、５６、５７、５８はそれぞれ液圧ポンプ、電動機、液圧モータ、発電機である。６０と６２はそれぞれ外部電源と電力系統へ連結する電気ブレーカである。５９と６１は電気ケーブルである。【００２２】  実施例２の重力式電力蓄積装置の動作は２つのモードがある。一つは電気蓄積モード、もう一つは発電モードである。電気蓄積モードが開始すると、６０がＯＮし、外部電源からの電気は５９に経由して５６を回転させる。５６はさらに５５を駆動する。そのとき、５４は５１と５５を連結し、５５から液体は５３を経由して５１に入れ、５０を持ち上げる。【００２３】  発電モードと開始すると、５４は５１と５７を連結し、５１からの液圧は５７を回転させて５８を駆動して発電する。そのとき、６２がＯＮし、発電した電気は６１を経由して電力系統へ送電する。【００２４】  ５０は最下部に到達すると、落下が停止して発電モードが終了する。発電モードは終了した後、電気蓄積モードは再開し、発電モードと電気蓄積モードを繰り返す。
【実施例３】
【００２５】  実施例３は深夜電力を蓄積して昼間に蓄電された電力を出力することにより住宅の電気料金を低減する用途に重力式電力蓄積装置を利用する実施例である。実施例３は実施例１と同様に吊り機構のものを使用するが、油圧機構のものも使える。図３に一戸建住宅の地下室に重力式電力蓄積装置を設置する実施例３を示す。図３の１〜４は図１に説明したものと同様である。２０は重力式電力蓄積装置の発電機・電動機部分である。２１は住宅の地下室であり、２２は住宅の居住部分である。【００２６】  深夜のとき、重力式電力蓄積装置は電気蓄積モードを開始する。まず、深夜電気のブレーカをＯＮし、安い深夜電力で電動機を駆動して重量物を上昇させる。重量物が最上部に到達すると、深夜電気のブレーカをＯＦＦし、電気蓄積モードを終了する。昼間のとき、重力式電力蓄積装置は発電モードを開始する。そのとき、住宅が電力系統と接続するブレーカをＯＦＦし、外部電力系統と遮断する。重力式電力蓄積装置からの発電はこの住宅のみ使用するようになる。【００２７】  本発明の重力式電力蓄積装置はビルの高さを利用して高層ビルの最上部に設置して深夜電力を蓄電することができる。【００２８】  本発明はエネルギーを有効利用するための大規模深夜電力蓄電システムへの応用ができる。電力需要の少ない夜間電力を蓄電し、電力需要が高まる昼間に、その蓄電した電力を供給して電力需要を賄い、電力系統の負荷率改善と負荷平準化に貢献する。
【実施例４】
【００２９】  実施例４は重力式電力蓄積装置が天然崖、山の間の谷、水面下の空間を利用する実施例である。天然の空間を利用することで、人工のシャフト・タワーが不要のため、建設費用が大幅に低減できる。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃにそれぞれ天然崖、谷、水面下の空間を利用する重力式電力蓄積装置の設置例を示す。図４Ａ〜図４Ｃの２〜５は図１に説明したものと同様である。図４Ｂの２５は山の間に張るロープである。２５に４を固定し、発電機・電動機部分２０は谷に設置する。図４Ｃの２７は支柱である。【００３０】  本発明は風力発電システムへの応用ができる。自然風は不安定のため、風力発電機から発電した電気も不安定なものとなる。風力発電機に重力式電力蓄積装置を併用すると、風力発電機からの不安定電気を重力式電力蓄積装置で一時蓄積することが可能である。重力式電力蓄積装置で蓄積したエネルギーを安定した電気へ変換して電力系統へ送電する。
【実施例５】
【００３１】  図５に風力発電機の側に２台の重力式電力蓄積装置を設置する実施例５を示す。図５の４１と４２はそれぞれ一台目と二台目の重力式電力蓄積装置である。２台の重力式電力蓄積装置は容量が異なることも可能である。４３と４４はそれぞれ一台目の電力蓄積装置の電動機と発電機であり、４５と４６はそれぞれ二台目の電力蓄積装置の電動機と発電機である。３０は風力発電装置である。３２、３３、３４、３５は電気ブレーカである。３１と３６は電気ケーブルである。【００３２】  風力発電装置の併用重力式電力蓄積装置の動作はサイクルＡとサイクルＢの２サイクル循環動作である。サイクルＡでは一台目の電力蓄積装置は電気蓄積モードをし、二台目電力蓄積装置は発電モードをする。そのとき、３２をＯＮし、３４をＯＦＦし、３０から発電した電気は３１を経由して４３を駆動して重量物を持ち上げる。同時に、二台目電力蓄積装置の重量物は４６を駆動して発電する。そのとき、３５をＯＮし、３３をＯＦＦし、発電した電気は３６に経由して外部電力系統へ送電する。【００３３】  サイクルＢでは二台目の電力蓄積装置は電気蓄積モードをし、一台目電力蓄積装置は発電モードをする。サイクルＡとＢを繰り返し、常に一台の発電機が安定した電気を外部電力系統へ出力する。同時に、常に一台の電動機が風力発電装置の発電により重量物を持ち上げて重力エネルギーを蓄積する。サイクルＡとＢの循環動作で風力発電装置からの不安定電力が重力式電力蓄積装置によって安定な電力へ変換した。【００３４】  実施例４に示した重力式電力蓄積装置はブレーカによって発電機をＯＮ・ＯＦＦするとき、電力系統に一定の衝撃を与える。この発電機ＯＮ・ＯＦＦを無くすため、差動伝動装置が使える。差動伝動装置は自動車の駆動輪の差動歯車機構と類似する。【００３５】  重力式電力蓄積装置は太陽発電システムへの応用ができる。太陽発電システムが昼間だけ発電するため、重力式電力蓄積装置は太陽発電システムが昼間に発電した電気を蓄積して夜間に電気を出力する。また、風力・太陽発電の両方電力を同時蓄積することも可能である。
【実施例６】
【００３６】  図６に重力式電力蓄積装置が太陽発電システムへ応用する実施例６を示す。図６の７０は太陽発電システムである。７２は重力式電力蓄積装置である。７１と７７は電気ケーブルである。７５と７６は電気ブレーカである。７３と７４はそれぞれ電動機と発電機である。【００３７】  昼間のとき、７５をＯＮし、７０から発電した電気は７１を経由して７３を駆動する。７３で重量物を持ち上げ、重力エネルギーを蓄積する。夜間のとき、重量物の落下力で７４を駆動して発電する。７６をＯＮし、発電した電気は７７を経由して電力系統へ送電する。
【符号の説明】
【００３８】  １  シャトル（縦坑）
２、５０  重量物
３、２５  ロープ
４  滑車・複滑車
５、２７  支柱
６  ロープ３を巻き取るドラム
７、８  爪車機構
９、４４、４６、５８、７４  発電機
１０、４３、４５、５６、７３  電動機
１２、１３、３１、３６、５９、６１、７１、７７  電気ケーブル
１４、１５、３２、３３、３４、３５、６０、６２、７５、７６  電気ブレーカ
２０  電力蓄積装置の発電機・電動機部分
２１  地下室
２２  住宅の居住部分
３０  風力発電機
４１、４２、７２  重力式電力蓄積装置
５１  液圧シリンダー
５３  配管
５４  三方バルブ
５５  液圧ポンプ
５７  液圧モータ
７０  太陽発電システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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