CN107532511A - 压缩空气储藏发电装置以及压缩空气储藏发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的压缩空气储藏发电装置(2)具备压缩机(10)、蓄压罐(12)以及膨胀机(14)。压缩机(10)借助可再生能源驱动马达(30)从而压缩空气。蓄压罐(12)储藏压缩空气。膨胀机(14)被压缩空气驱动。发电机(28)机械地连接于膨胀机(14)，进行发电。另外，装置(2)具备回收压缩热的第1热交换器(18)、储藏热介质的热介质罐(20)以及加热压缩空气的第2热交换器(22)。另外，装置（2）具备第1泵(46)和控制装置(48a)。第1泵(46)对供给至第1热交换器(18)的热介质的量进行调整。控制装置(48a)控制第1泵(46)，对供给至第1热交换器(18)的热介质的量进行调整，以便将储藏于热介质罐(20)的热介质维持为规定的第1温度。由此，提供能够将充放电效率维持得较高的压缩空气储藏发电装置(2)。

Description

压缩空气储藏发电装置以及压缩空气储藏发电方法
技术领域
本发明涉及压缩空气储藏发电装置以及压缩空气储藏发电方法。
背景技术
在太阳光发电、太阳热发电等利用太阳能的发电中，受当日的日照状况影响，其发电输出大幅度变动。例如，在夜间不能够发电，在雨天、阴天的日子发电输出大幅度减少。另外，在从黎明到傍晚的日照状况、晴转多云这样的日照状况的情况下，发电输出在一天中大幅度变动。
另外，在使用风车的风力发电中，因当日的风向、风力的变化，其发电输出大幅度变动。在集中多个风车的风电场那样的发电设备中，通过将各风车的发电输出相加，而能够使短周期的发电变动平滑化，但是作为整体来看也不能够避免其发电输出的变动。
作为使这样变动的不稳定的发电输出平滑化或者均衡化的技术，其代表性的技术是在产生剩余发电电力时预先储存电气、在电力不足时补充电气的蓄电池，但公知一种被称作压缩空气储藏(CAES：compressed air energy storage)的技术，该技术在产生剩余发电电力时，代替电气而储存经转换的空气压力，在需要时利用空气涡轮发电机等再转换为电气。一般而言，将使比较短的周期的变动均匀的情况称作平滑化，将使比较长的周期的变动均匀的情况称作均衡化，但是在此将两者统称为平滑化。
从专利文献1至专利文献3公开了利用该CAES的技术的代表性的现有技术。在专利文献1至专利文献3的任一个中，均通过回收在借助压缩机进行的压缩工序中产生的热，从而提高能量储藏效率。
专利文献１：日本特开2012-97737号公报。
专利文献２：日本特表2013-512410号公报。
专利文献３：日本特表2013-536357号公报。
但是，在任一个现有技术中，都是以使用非高峰时的不需要的电力(不像借助可再生能源形成的发电电力那样产生大的变动)将压缩空气储藏于地下洞窟等大型的储藏空间为前提。因此，不是像使用太阳光、风力等可再生能源的发电那样以使变动的电力平滑化为目的。
而且，在任一个现有技术中，都没有公开在应利用压缩机吸收的电力频繁变化的情况下、使驱动压缩机的动力变动而使吸收电能变化的技术。更不用说，完全没有公开防止因压缩机的运转状态的变化导致热回收温度变动的方案。
在CAES发电装置中，尽可能减少充电工序和放电工序中的能量损失(提高充放电效率)是非常重要的。因此通常，将热回收所涉及的温度条件等各种参数确定为最合适的值，以便能够最大限度提高系统整体的充放电效率。在应吸收的电力基本不变动的情况下，能够以稳定的排出压力、排出温度运转压缩机。但是，在如使借助可再生能源产生的发电电力平滑化那样、以应吸收的电力大幅度变动为前提的情况下，排出压力、排出温度等变化。因此，不能够保持以恒定的参数运转，系统整体的充放电效率下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压缩空气储藏发电装置以及压缩空气储藏发电方法，其在为了使应吸收的电力变动的可再生能源平滑化而使用压缩空气储藏发电装置时，能够将其充放电效率维持得较高。
本发明的第1方式提供一种压缩空气储藏发电装置，该压缩空气储藏发电装置具备：电动机，其由变动的输入电力驱动；压缩机，其与前述电动机机械地连接，压缩空气；蓄压罐，其与前述压缩机流体地连接，储藏由前述压缩机压缩的空气；膨胀机，其与前述蓄压罐流体地连接，借助从前述蓄压罐供给的压缩空气而驱动；发电机，其与前述膨胀机机械地连接；第1热交换器，其利用热介质与由前述压缩机压缩的空气进行热交换，用于加热热介质；热介质罐，其与前述第1热交换器流体地连接，储藏热介质；第2热交换器，其与前述热介质罐流体地连接，利用从前述热介质罐供给的热介质和向前述膨胀机供给的压缩空气进行热交换，用于加热压缩空气；第1流量调整机构，其用于对供给至前述第1热交换器的热介质的量进行调整；以及控制装置，其借助前述第1流量调整机构对供给至前述第1热交换器的热介质的量进行调整，以便将储藏于前述热介质罐的热介质维持为规定的第1温度。
根据该结构，通过借助第1流量调整机构将储藏于热介质罐的热介质维持为规定的第1温度，从而在为了使应吸收的电力变动的可再生能源平滑化而使用压缩空气储藏发电装置时，能够将其充放电效率维持得较高。作为具体的充放电效率下降的要因，在压缩机的电力吸收量变化的情况下，从压缩机排出的压缩空气的热量变化。例如，在使排出压力和排出温度恒定、使压缩机的电力吸收量增加的情况下，排出的压缩空气的流量增加。因此，假定在使利用第1热交换器进行热交换的热介质的流量恒定的情况下，流入热介质罐的热介质温度上升。在这种情况下，温度比以能够最大限度提高系统整体的充放电效率的方式设定的设定蓄热温度高，充放电效率下降。另一方面，在使压缩机的电力吸收量减少的情况下，热介质温度比设定蓄热温度低，在这种情况下充放电效率也下降。
优选的是，前述控制装置基于应利用前述电动机驱动的电能的变化，借助前述第1流量调整机构对向前述第1热交换器流入的热介质的流量进行控制，以便将流入前述第1热交换器的热介质维持为前述第1温度。
由此，能够以设定成能够最大限度提高系统整体的充放电效率的设定蓄热温度(第1温度)将热介质储藏于热介质罐，因此能够提高系统整体的充放电效率。另外，到从第1热交换器流出的热介质的温度出现变化为止存在相当长的时间延迟，但是通过与应利用压缩机吸收的电能的变化对应地进行控制，从而能够在热介质的温度出现变化之前预先设成合适的热介质流量，因此能够进一步提高充放电效率。
优选的是，还具备第2流量调整机构，该第2流量调整机构用于对供给至前述第2热交换器的热介质的量进行调整。另外，优选的是，前述控制装置借助前述第2流量调整机构对供给至前述第2热交换器的热介质的量进行调整，以便将供给至前述膨胀机的压缩空气维持为规定的第2温度。
由此，不仅在电力吸收侧，在电力供给侧膨胀机也能够以设成能够最大限度提高系统整体的充放电效率的设定发电温度(第2温度)发电，因此能够进一步提高充放电率效率。
优选的是，前述控制装置基于应利用前述发电机发电的电能的变化，借助前述第2流量调整机构对向前述第2热交换器流入的热介质的流量进行控制，以便将流入前述膨胀机的压缩空气维持为前述第2温度。
由此，能够以设成能够最大限度提高系统整体的充放电效率的设定发电温度向膨胀机供给压缩空气，因此能够提高系统整体的充放电效率。另外，到用于供给至膨胀机的压缩空气的温度出现变化为止存在相当长的时间延迟，但是通过与应利用发电机发电的电能的变化对应地进行控制，从而能够在压缩空气的温度出现变化之前预先设成合适的热介质流量，能够进一步提高充放电效率。
优选的是，还具备：热介质返回罐，其与前述第1热交换器以及前述第2热交换器流体地连接，储藏利用前述第2热交换器降温的热介质；以及热介质冷却器，其用于使从热介质返回罐向前述第1热交换器供给的热介质的温度下降至规定的第3温度。
由此，借助热介质冷却器能够将流入第1热交换器的热介质维持为规定的第3温度，因此能够稳定地进行第1热交换器中的热交换，能够提高充放电效率。
优选的是，前述热介质罐还具备：剩余量传感器，其用于对储藏的热介质的量进行测定；以及第3流量调整机构，其对供给至前述热介质罐的热介质的量进行调整，在基于前述剩余量传感器的测定值、能够储藏于前述热介质罐的热介质量变为规定值以下的情况下，前述控制装置借助前述第3流量调整机构使供给至前述热介质罐的热介质的量减少，使储藏的热介质的温度上升。
由此，通过使流入热介质罐的热介质的温度比预先确定的稳定状态下的设定蓄热温度高、使流入热介质罐的热介质的流量下降，从而能够延长到热介质罐变为满罐为止的时间。而且，由于能够提高热介质罐的热介质的温度，因此虽然作为整体的充放电效率下降，但是在本来不能够蓄热的状况下也能够蓄热，因此至少能够提高放电效率。在此，第3流量调整机构也可以与第1或者第2流量调整机构相同。
本发明的第2方式提供一种压缩空气储藏发电方法，该压缩空气储藏发电方法借助变动的输入电力驱动电动机，借助与前述电动机机械地连接的压缩机压缩空气，将从前述压缩机供给的压缩空气储藏于蓄压罐，借助从前述蓄压罐供给的压缩空气驱动膨胀机，借助与前述膨胀机机械地连接的发电机发电，在第1热交换器中，利用热介质与由前述压缩机压缩的压缩空气进行热交换，使热介质升温，将利用前述第1热交换器升温的热介质储藏于热介质罐，在第2热交换器中，利用从前述热介质罐供给的热介质和从前述蓄压罐供给的压缩空气进行热交换，使压缩空气升温，供给至前述膨胀机，在前述压缩空气储藏发电方法中，借助第1流量调整机构对供给至前述第1热交换器的热介质的量进行调整，以便将储藏于前述热介质罐的热介质维持为规定的第1温度。
优选的是，在前述压缩空气储藏发电方法中，基于应利用前述电动机驱动的电能的变化，借助前述第1流量调整机构对向前述第1热交换器流入的热介质的流量进行调整，以便将流入前述第1热交换器的热介质维持为前述第1温度。
优选的是，在前述压缩空气储藏发电方法中，基于应利用前述发电机发电的电能的变化，借助第2流量调整机构对向前述第2热交换器流入的热介质的流量进行调整，以便将流入前述膨胀机的压缩空气维持为第2温度。
优选的是，在前述压缩空气储藏发电方法中，借助剩余量传感器对储藏于前述热介质罐的热介质的量进行测定，借助第3流量调整机构对供给至前述热介质罐的热介质的量进行调整，在基于前述剩余量传感器的测定值、能够储藏于前述热介质罐的热介质量变为规定值以下的情况下，借助前述第3流量调整机构使供给至前述热介质罐的热介质的量减少，使储藏的热介质的温度上升。
根据本发明，通过借助第1流量调整机构将储藏于热介质罐的热介质维持为规定的温度，从而在为了使应吸收的电力变动的可再生能源平滑化而使用压缩空气储藏发电装置时，能够将其充放电效率维持得较高。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式所涉及的压缩空气储藏(CAES)发电装置的概略结构图。
图2是表示充电指令和放电指令的一例的图表。
图3是本发明的第2实施方式所涉及的压缩空气储藏(CAES)发电装置的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(第1实施方式)
图1表示压缩空气储藏(CAES：compressed air energy storage)发电装置2的概略结构图。本实施方式的CAES发电装置2在利用可再生能源发电的情况下，使向作为需求目的地的电力系统4的输出变动平滑化，并且输出与电力系统4中的需求电力的变动吻合的电力。CAES发电装置2使从风力发电所或者太阳光发电所等借助可再生能源形成的发电所6经由利用变压器等构成的受送电设备8而供给的电力平滑化，向需求目的地的电力系统4输出电力。
参照图1对CAES发电装置2的结构进行说明。
CAES发电装置2具备空气路径和热介质路径。在空气路径中，主要设置有压缩机10、蓄压罐12以及膨胀机14，这些装置借助空气配管16流体地连接，空气在空气路径的内部流动(参照图1的虚线)。在热介质路径中，主要设置有第1热交换器18、热介质罐20以及第2热交换器22，这些装置借助热介质配管24流体地连接，热介质在热介质路径的内部流动(参照图1的实线)。
首先，参照图1对空气路径进行说明。在空气路径中，利用压缩机10对通过吸气过滤器26吸入的空气进行压缩，储藏于蓄压罐12。储藏于蓄压罐12的压缩空气被供给至膨胀机14，用于发电机28的发电。
压缩机10是螺旋式，具备马达(电动机)30。马达30与压缩机10机械地连接。利用发电所6发电的电力(输入电力)经由转换器32以及逆变器34供给至马达30，借助该电力驱动马达30，压缩机10工作。压缩机10的排出口10b通过空气配管16与蓄压罐12流体地连接。压缩机10如果被马达30驱动，则借助吸入口10a吸引空气，压缩并借助排出口10b排出，向蓄压罐12压送压缩空气。压缩机10在本实施方式中是螺旋式，但是也可以是涡轮式、涡旋式。另外，在本实施方式中压缩机10的数量是一台，但是也可以并列设置多台。
蓄压罐12储藏从压缩机10压送来的压缩空气。因此，在蓄压罐12中能够以压缩空气蓄积能量。蓄压罐12通过空气配管16与膨胀机14流体地连接。因此，在蓄压罐12中储藏的压缩空气供给至膨胀机14。蓄压罐12根据储藏的电能确定该压缩空气的储藏压力和储藏容量。但是，一般都是大容量，因此从成本方面考虑与外部气体绝热是困难的。因此，为了避免由于大气排出导致的热损失，该压缩空气的储藏温度设定为与大气温度相同程度，或者设定为稍高或者稍低于大气温度。在蓄压罐12设置有压力传感器13，能够测定内部的压缩空气的压力。
膨胀机14是螺旋式，具备发电机28。发电机28与膨胀机14机械地连接。从吸入口14a被供给压缩空气的膨胀机14借助供给来的压缩空气工作，驱动发电机28。发电机28与外部的电力系统4电连接(参照图1的单点划线)，发电的电力经由转换器36以及逆变器38供给至需求目的地的电力系统4。另外，利用膨胀机14膨胀的空气从排出口14b经由排气消音器40排出到外部。膨胀机14在本实施方式中是螺旋式，但是也可以是涡轮式、涡旋式。另外，在本实施方式中膨胀机14的数量是一台，但是也可以并列设置多台。
接下来，参照图1对热介质路径进行说明。在热介质路径中，在第1热交换器18中将由压缩机10产生的热回收到热介质中。然后，进行了热回收的热介质储藏于热介质罐20，在第2热交换器22中将热返回到利用膨胀机14膨胀前的压缩空气中。在第2热交换器22中进行热交换而降温的热介质被供给至热介质返回罐42。然后，热介质再次从热介质返回罐42被供给至第1热交换器18，热介质如此循环。在此，热介质的种类不特别限定，能够使用例如矿物油、二醇系的热介质，其使用温度为150℃至240℃左右。
第1热交换器18设置于压缩机10和蓄压罐12之间的空气配管16。因此，在该空气配管16内的压缩空气和热介质配管24内的热介质之间进行热交换，将利用借助压缩机10进行的压缩而产生的压缩热回到热介质。即，在第1热交换器18中，压缩空气的温度下降，热介质的温度上升。在此升温的热介质通过热介质配管24供给至热介质罐20。
在从第1热交换器18至热介质罐20的热介质配管24中设置有温度传感器44a以及第1泵(第1流量调整机构)46，该温度传感器44a用于测定利用第1热交换器18进行热交换而升温的热介质的温度，该第1泵46用于使热介质流动。第1泵46的种类不作限定，只要能够使热介质流动可以是任意的形式。另外，第1泵46也可以不配置于第1热交换器18的下游侧而是配置于上游侧。第1泵46被后述的控制装置48a驱动，对利用第1热交换器18进行热交换的热介质的流量进行调整。除了借助第1泵46对热介质流量进行调整之外，也可以使用未图示的流量恒定的泵和流量调整阀对流量进行调整。
借助第1泵46将储藏于热介质罐20的热介质维持为后述的规定的设定蓄热温度(第1温度)，从而能够将CAES发电装置2的充放电效率维持得较高。作为具体的充放电效率下降的要因，在压缩机10的电力吸收量变化的情况下，从压缩机10排出的压缩空气的热量变化。例如，在使排出压力和排出温度恒定、使压缩机10的电力吸收量增加的情况下，排出的压缩空气的流量增大。因此，在使利用第1热交换器18进行热交换的热介质的流量恒定的情况下，流入热介质罐20的热介质温度上升。在这种情况下，成为比后述的设定蓄热温度高的温度，充放电效率下降。另一方面，在使压缩机10的电力吸收量减少的情况下，热介质温度低于设定蓄热温度，在这种情况下充放电效率也下降。为了防止充放电效率下降，通过控制第1泵46来调整热介质流量，从而将充放电效率维持得较高。对于第1泵46的具体的控制在后文叙述。
热介质罐20是与大气绝热的周围被绝热材料覆盖的钢制罐。在热介质罐20中储藏有利用第1热交换器18升温的热介质。在热介质罐20中设置有剩余量传感器50a，能够对储藏的热介质量进行检测。例如剩余量传感器50a也可以是液面传感器。另外，也可以不在热介质罐20中直接设置剩余量传感器，而是设置检测热介质配管内的热介质流量的流量传感器，根据流入和流出的累计值确定热介质罐20内的热介质量。在热介质罐20还设置有温度传感器44b，能够测定内部的热介质的温度。储藏于热介质罐20的热介质通过热介质配管24被供给至第2热交换器22。
在从热介质罐20至第2热交换器22的热介质配管24设置有用于使热介质流动的第2泵(第2流量调整机构)52。第2泵52的种类不作限定，可以是任意的形式。另外，第2泵52也可以不是配置于第2热交换器22的上游侧而是配置于下游侧。第2泵52被后述的控制装置48b驱动，对利用第2热交换器22进行热交换的热介质的流量进行调整。除了借助第2泵52对热介质流量进行调整以外，也可以使用流量恒定的泵和流量调整阀对流量进行调整。
借助第2流量调整机构，除电力吸收侧的设定蓄热温度外，在电力发电侧也能够以后述的设定发电温度(第2温度)使膨胀机发电，因此能够进一步提高充放电率效率。
第2热交换器22设置于蓄压罐12和膨胀机14之间的空气配管16。因此，在从蓄压罐12供给至膨胀机14的压缩空气和热介质配管24内的热介质之间进行热交换，在借助膨胀机14进行的膨胀之前加热压缩空气。即，在第2热交换器22中，压缩空气的温度上升，热介质的温度下降。在从第2热交换器22延伸至膨胀机14的吸入口14a的空气配管中设置有温度传感器44c，该温度传感器44c用于测定内部的压缩空气的温度。另外，利用第2热交换器22降温的热介质通过热介质配管24被供给至热介质返回罐42。
热介质返回罐42储藏利用第2热交换器22进行热交换而降温的热介质。因此，热介质返回罐42内的热介质的温度通常低于热介质罐20内的热介质的温度。与热介质罐20同样，在热介质返回罐42中设置有剩余量传感器50b以及温度传感器44d。储藏于热介质返回罐42的热介质通过热介质配管24被供给至第1热交换器18。
在从热介质返回罐42延伸至第1热交换器18的热介质配管24中设置有热介质冷却器54。本实施方式的热介质冷却器54是热交换器，在从热介质返回罐42延伸至第1热交换器18的热介质配管24内的热介质和冷却水之间进行热交换，使热介质的温度下降。
由此，借助热介质冷却器54能够将流入第1热交换器18的热介质的温度维持为规定的温度(第3温度)，因此能够稳定地进行第1热交换器18中的热交换，能够提高充放电效率。
如上所述，构成CAES发电装置2的热介质路径。
另外，CAES发电装置2具备控制装置48a、48b。控制装置48a、48b由包括顺序控制器等硬件和安装于硬件的软件构成。控制装置48a至少与马达30、第1泵46以及发电所6电连接(参照图1的单点划线)。控制装置48b至少与发电机28、第2泵52以及电力系统4电连接(参照图1的单点划线)。因此，借助控制装置48a、48b控制这些装置的动作。压力传感器13、温度传感器44a～44d以及剩余量传感器50a、50b向控制装置48a、48b输出测定值。控制装置48a、48b基于这些测定值控制CAES发电装置2。在本实施方式中，控制装置48a、48b设置成分为控制关于压缩的功能的控制装置48a和控制关于膨胀的功能的控制装置48b，但是也可以设置对两个功能进行控制的一个控制装置。
控制装置48a、48b对于第1泵46以及第2泵52进行三种控制方法。关于以下三种控制方法，可以使用任意一个。
第1，基于温度传感器44a、44c的测定值，控制第1泵46以及第2泵52，以分别使得从第1热交换器18流出的热介质温度Tot以及供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes恒定。在这种情况下，在本发明的第1流量调整机构中包括第1泵46以及温度传感器44a，在本发明的第2流量调整机构中包括第2泵52以及温度传感器44c。
具体而言，控制装置48a在温度传感器44a测定的热介质温度Tot高于设定蓄热温度的情况下，增加第1泵46的转速，增加供给至第1热交换器18的热介质流量，使热介质温度Tot下降。另外，控制装置48b在温度传感器44c测定的压缩空气温度Tes高于设定发电温度的情况下，减少第2泵52的转速，减少供给至第2热交换器22的热介质流量，使压缩空气温度Tes下降。在热介质温度Tot低于设定蓄热温度的情况下以及压缩空气温度Tes低于设定发电温度的情况下，进行与上述相反的动作。像这样维持设定蓄热温度以及设定发电温度。
设定蓄热温度指的是从第1热交换器18流出的热介质温度Tot的目标温度，此时能够最大限度提高系统整体的充放电效率。另外，设定发电温度指的是供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes的目标温度，此时能够最大限度提高系统整体的充放电效率。
第2，基于马达30以及发电机28的转速，控制第1泵46以及第2泵52，以使得从第1热交换器18流出的热介质温度Tot以及供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes恒定。在这种情况下，在本发明的第1流量调整机构中包括第1泵46，在本发明的第2流量调整机构中包括第2泵52。
具体而言，如果马达30的转速增加至高于规定的值，则从压缩机10排出的压缩空气量增大，从第1热交换器18流出的热介质温度Tot上升。因此，控制装置48a增加第1泵46的转速，增加供给至第1热交换器18的热介质流量，使热介质温度Tot下降。另外，如果发电机28的转速增加至高于规定的值，则在膨胀机14中使用的压缩空气量增大，供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes减小。因此，控制装置48b增加第2泵52的转速，增加供给至第2热交换器22的热介质流量，使压缩空气温度Tes增加。在马达30的转速以及发电机28的转速减少至低于规定的值的情况下，进行与上述相反的动作。像这样维持设定蓄热温度以及设定发电温度。在这种情况下，由马达30以及发电机28的转速推定热介质温度Tot以及压缩空气温度Tes而控制第1泵46以及第2泵52，因此不需要温度传感器44a、44c。但是，也可以设置温度传感器44a、44c，并用第1和第2控制方法。
第3，基于吸收电力指令值Lc以及发电电力指令值Lg，控制第1泵46以及第2泵52，以使得从第1热交换器18流出的热介质温度Tot以及供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes恒定。在这种情况下，在本发明的第1流量调整机构中包括第1泵46，在本发明的第2流量调整机构中包括第2泵52。
吸收电力指令值Lc是应利用马达30驱动(吸收)的电能，基于来自发电所6的要求充电量而确定。发电电力指令值Lg是应利用发电机28发电的电能，基于来自需求目的地的电力系统4的要求发电量(需求电力)而确定。吸收电力指令值Lc和发电电力指令值Lg也可以基于输入电力的预测值、需求电力的预测值而确定。这些预测值也可以基于当日的天气、气象条件、过去的气象条件以及需求电力的时间变动等统计数据而确定。另外，为了抑制系统连接点中的电力变动，也可以将系统连接点中的电压、电流、频率等电能的变化作为基础，以消除其变化的方式确定。
具体而言，控制装置48a接收吸收电力指令值Lc，对于压缩机10产生转速指令。该转速指令能够借助压缩机10的内部排出压力、排出端口处的排出压力、吸入温度、排出温度等运算。在进行该运算时，既可以使用预先运算的转换表，也可以在控制装置48a内部运算。控制装置48b接收发电电力指令值Lg，相对于膨胀机14产生转速指令。该转速指令能够借助膨胀机14的内部排出压力、排出端口处的排出压力、吸入温度、排出温度等运算。在进行该运算时，既可以使用预先运算的转换表，也可以在控制装置48b内部运算。基于这些指令值Lc、Lg确定马达30以及发电机28的转速，基于这些转速与第2控制方法同样地控制第1泵46以及第2泵52。
借助吸收电力指令值Lc，能够以设定成能够最大限度提高系统整体的充放电效率的恒定的设定蓄热温度将热介质储藏于热介质罐20，因此能够提高系统整体的充放电效率。另外，到从第1热交换器18流出的热介质的温度出现变化为止存在相当长的时间延迟，但是通过与应利用压缩机10吸收的电能的变化对应地进行控制，从而能够在热介质的温度出现变化之前预先设成合适的热介质流量，能够进一步提高充放电效率。
借助发电电力指令值Lg，能够以设定成能够最大限度提高系统整体的充放电效率的恒定的设定发电温度向膨胀机14供给压缩空气，因此能够提高系统整体的充放电效率。另外，到用于供给至膨胀机14的压缩空气的温度出现变化为止存在相当长的时间延迟，但是通过与应利用发电机28发电的电能的变化对应地进行控制，从而能够在压缩空气的温度出现变化之前预先设成合适的热介质流量，能够进一步提高充放电效率。
在此，设定蓄热温度(第1温度)指的是适合储藏于热介质罐20的热介质的温度，在上述的第1实施方式中设定为170℃。另一方面，设定发电温度(第2温度)指的是适合利用膨胀机14发电的压缩空气的温度，在上述的第1实施方式中设定为170℃。关于这些温度，既可以是固定值，也可以是与其它条件对应地变化的可变值。
图2是表示充电指令和放电指令的一例的图表。横轴表示时间，纵轴表示吸收电力指令值或者发电电指令值。正侧表示充电指令，负侧表示放电指令。在使用螺旋式压缩机10以及螺旋式膨胀机14的情况下，应吸收(充电)或者应发电(放电)的电能与压缩机10的马达30的转速以及膨胀机14的发电机28的转速几乎成比例地变化。另外，同样地，从压缩机10排出的压缩空气量以及在膨胀机14中使用的压缩空气量也与此成比例地变化。因此，图表的纵轴也与这些转速或者压缩空气量对应。
参照图2，关于对应吸收或者应发电的电力随时间变动的控制，说明具体例。伴随图2那样的电力的变动，马达30(压缩机10)以及发电机28(膨胀机14)的转速变化。如上所述，由于该转速的变化，利用第1热交换器18以及第2热交换器22进行热交换的热介质的温度也变化。因此，控制装置48a、48b借助第1泵46以及第2泵52调整热介质流量从而调整热介质温度，通过将储藏于热介质罐20的热介质维持为最合适的设定蓄热温度，将供给至膨胀机14的压缩空气维持为最合适的设定发电温度，从而维持系统的效率。
在状态A中，空气温度例如为：压缩机10的吸气温度Tcs=20℃(常温)、从压缩机10排出的压缩空气温度Tcd=180℃、以及供给至蓄压罐12的压缩空气温度Tti=50℃。状态A的热介质温度例如为：流入第1热交换器18的热介质温度Toc=40℃、以及从第1热交换器18流出的热介质温度Tot=170℃。因此，向热介质罐20供给170℃的热介质。如果将状态A中的各温度集中，则如以下的表1所示。
【表１】
。
在吸收电力指令值Lc从状态A开始变化、如状态B那样下降时，压缩机10的转速下降，因此从压缩机10排出的空气量减少，如果假定不对热介质流量进行任何控制，则热交换量减少了与其对应的量。因此，从第1热交换器18流出的热介质的温度Tot下降。在状态B中，例如从第1热交换器18流出的热介质温度Tot为110℃左右。
如果向以170℃储藏于热介质罐20内的热介质混入Tot=110℃的热介质，则热介质罐20内的热介质温度下降至例如130℃左右。在以该温度在第2热交换器22中加热压缩空气的情况下，发电效率下降。因此，需要将从第1热交换器18流出的热介质温度恒定地维持为Tot=170℃。因此，只要减少供给至第1热交换器18的热介质流量即可。因此，控制装置48a借助第1泵46使供给至第1热交换器18的热介质流量减少，将从第1热交换器18流出的热介质温度恒定地维持为Tot=170℃。
接下来，在吸收电力指令值Lc从状态B变化为状态C时，需要使压缩机10的转速增加至状态A时的转速以上。因此，供给至第1热交换器18的压缩空气量增加至状态A时的压缩空气量以上，利用第1热交换器18回收到热介质中的热量增加。在状态C中，例如从第1热交换器18流出的热介质温度Tot为190℃左右。
在如状态C那样从第1热交换器18流出的热介质温度Tot从170℃上升时，使第1泵46的转速增加从而使热介质的循环流量增加，将从第1热交换器18流出的热介质温度恒定地维持为Tot=170℃。像这样在充电过程中，将从第1热交换器18流出的热介质温度Tot恒定地维持为170℃，实现以能够最大限度提高系统整体的充放电效率的方式设定的设定蓄热温度。
而且，在从充电指令切换为放电指令而变为状态D时，停止充电关联的设备的动作或者仅以微小的除去变动(除去须，ヒゲ取り)的量进行动作，开始放电关联的设备的动作。
在状态D中，空气温度例如为：从蓄压罐12排出的压缩空气温度Tto=50℃、供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes=160℃、以及从膨胀机14排出的空气温度Ted=50℃。在此，假定从蓄压罐12排出的压缩空气温度Tto是没有被长时间放置、蓄压罐12内的压缩空气温度没有下降时的温度。状态D的热介质温度例如为：流入第2热交换器22的热介质温度Toe=170℃、以及从第2热交换器22流出的热介质温度Tori=60℃。因此，向热介质返回罐42供给60℃的热介质。然后，热介质在从热介质返回罐42被供给至第1热交换器18时，借助热介质冷却器54冷却至40℃左右。如果将状态D中的各温度集中，则如以下的表2所示。
【表２】
。
在发电电力指令值Lg从状态D开始变化、变化成如状态E那样时，由于膨胀机14的转速下降，因此来自蓄压罐12的压缩空气的消耗量减少，供给至第2热交换器22的压缩空气的流量减少与其对应的量。因此，如果假定不对热介质流量进行任何控制，则供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes上升。在状态E中，例如供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes为180℃左右。
在状态E中，为了维持发电效率，需要将供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes维持成恒定。因此，只要减少供给至第2热交换器22的热介质流量即可。因此，控制装置48b使第2泵52的转速减少从而使供给至第2热交换器22的热介质流量减少，将供给至膨胀机14的压缩空气温度恒定地维持为Tes=160℃。
接着，在发电电力指令值Lg从状态E变化为状态F时，由于膨胀机14的转速增加，因此来自蓄压罐12的压缩空气的消耗量增加，供给至第2热交换器22的压缩空气的流量增加与其对应的量。因此，供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes下降。在状态F中，例如供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes为130℃左右。
在状态F中，为了维持发电效率，需要将供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes维持为恒定。因此，只要使供给至第2热交换器22的热介质流量增加即可。因此，控制装置48b使第2泵52的转速增加从而使热介质的循环流量增加，将供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes维持为恒定。像这样在放电过程中，将供给至膨胀机14的压缩空气温度Tes维持为恒定的160℃，实现以能够最大限度提高系统整体的充放电效率的方式设定的设定发电温度。
如上所述，通过维持最合适的设定蓄热温度以及设定发电温度，从而能够最大限度提高系统整体的充放电效率。
另外，本实施方式的CAES发电装置2还进行与热介质罐20内的热介质储藏量对应的控制。例如，在借助剩余量传感器50b检测出热介质罐20内的热介质储藏量到达热介质罐20的全部容量的90%的情况下，如果再储藏剩余10%,则不能够再进行蓄热。在这种情况下，也可以将应储藏于热介质罐20的热介质导入未图示的未绝热的热介质排出用的预备罐。也可以代替该方案，使用热介质冷却器54等冷却热介质或者虽然没有接收到放电指令但以恒定电力进行放电，从而使用热介质罐20内的热介质。另外，也可以不利用第1热交换器18对压缩空气进行热交换而将其储藏于蓄压罐12或者排出到大气中，不将热介质供给至热介质罐20。无论怎样，均使应回收的热量浪费或者充放电效率大幅度下降，但是能够避免热介质罐20变为满罐不能够再进行蓄热的情况。
另外，例如在热介质罐20内的热介质储藏量到达热介质罐20的全部容量的90%的情况下，优选调整第1泵46使循环的热介质量减少，将Tot=170℃提高为Tot=230℃左右，以使得充放电效率大幅度不会下降。在此，使用本发明的第3流量调整机构执行该温度调整。本发明的第3流量调整机构至少包括第1泵46和剩余量传感器50a。也可以代替该方案，在使用第1泵46以外重新设置未图示的第3泵，进行热介质量的调整。另外，也可以另外设置未图示的高温用热介质罐，仅储藏加热至230度的热介质。
由此，充放电效率下降相应量，但是不会发生热损失从而效率大幅度下降的情况。另外，在第2热交换器22中，利用230℃的热介质进行热交换并利用发电机28发电的情况与以170℃进行热交换的情况相比，能够输出较大的发电量。而且，使流入热介质罐20的热介质的温度高于预先确定的稳定状态下的设定蓄热温度，并使流入热介质罐20的热介质的流量减少，从而能够延长到热介质罐20变为满罐为止的时间。另外，由于能够使热介质罐20的热介质的温度上升，因此虽然作为整体的充放电效率下降，但是在本来不能够蓄热的状态下也能够蓄热，因此至少能够提高放电效率。因此，使热介质温度上升并使热介质循环量下降的方法是有效的。
另外，在储藏于热介质罐20的热介质的温度下降的情况下，也可以利用未图示的加热器等将热介质加热至规定的温度。在储藏于热介质罐20的热介质的量下降的情况下，也可以在将储藏于热介质返回罐42的热介质供给至热介质罐20后借助加热器等进行加热。
(第2实施方式)
图3表示第2实施方式的CAES发电装置2的示意图。本实施方式的CAES发电装置2设置多个压缩机10、膨胀机14以及热介质罐20a、20b，除了关于构成要素被收纳于容器56a～56c的部分以外的结构与图1的第1实施方式实质上相同。因此，对于与图1所示的结构相同的部分省略说明。另外，由于图3是示意图，因此并非必须全部图示出CAES发电装置2的构成要素。
参照图3，本实施方式的CAES发电装置2具备三台压缩机10以及四台膨胀机14。三台压缩机10并列地流体地连接，四台膨胀机14也并列地流体地连接。由于能够根据输入电力、需求电力变更压缩机10以及膨胀机14的驱动台数，因此能够广泛地实现高效率的平滑化。另外，压缩机10、膨胀机14以及蓄压罐12借助空气配管16连结，压缩机10、膨胀机14以及热介质罐20a、20b、热介质返回罐42借助热介质配管24连结。控制装置48a、48b两者被集中地收纳于建筑物58中。
本实施方式的CAES发电装置2具备高温热介质罐20a和低温热介质罐20b，使利用第1热交换器18进行热交换的热介质按照温度储藏。因此，在第2热交换器22中，由于以根据需要的热介质温度进行热交换，因此提高放电效率。
在本实施方式中，CAES发电装置2的几乎所有的构成要素都被收纳于容器56a～56c中。特别是，设置有三个容器56a～56c，分为关于压缩机10以及未图示的第1热交换器18等的压缩功能的容器56a、关于膨胀机14以及未图示的第2热交换器22等的膨胀功能的容器56b以及关于热介质罐20等的蓄热功能的容器56c。像这样通过收纳于容器56a～56c，能够大幅度抑制设置CAES发电装置2时的工事费用。在该实施方式的情况下，将热介质冷却器54作为冷却塔配置于容器56c的外部。
另外，在图3的例子中，使充电侧和放电测各自具有500kW左右的容量。通过利用容器56a～56c构成充放电单元，而容易搬运以及设置，还能够自由地增减设备容量。例如，如果将这三个容器56a～56c作为一组并设置六组，则作为整体能够构成3MW的设备。
通过第1以及第2实施方式，本发明的“变动的输入电力”不限定为可再生能源，也可以使工厂设备的需求电力平滑化或者将峰值削减。
【附图标记说明】
2 压缩空气储藏发电装置(CAES发电装置)；4 电力系统；6 发电所；8 受送电设备；10压缩机；10ａ 吸入口；10ｂ 排出口；12 蓄压罐；13 压力传感器；14 膨胀机；14ａ 吸入口；14ｂ排出口；16 空气配管；18 第1热交换器；20 热介质罐；22 第2热交换器；24 热介质配管；26吸气过滤器；28 发电机；30 马达(电动机)；32、36 转换器；34、38 逆变器；40 排气消音器；42 热介质返回罐；44a 温度传感器(第1流量调整机构)；44b、44d 温度传感器；44ｃ 温度传感器(第2流量调整机构)；46 第1泵(第1流量调整机构)(第3流量调整机构)；48a、48b 控制装置；50a、50b 剩余量传感器；52 第2泵(第2流量调整机构)；54 热介质冷却器；56a、56b、56c 容器；58 建筑物。

Claims (11)

1.一种压缩空气储藏发电装置，其特征在于，该压缩空气储藏发电装置具备：
电动机，其由变动的输入电力驱动；
压缩机，其与前述电动机机械地连接，压缩空气；
蓄压罐，其与前述压缩机流体地连接，储藏由前述压缩机压缩的空气；
膨胀机，其与前述蓄压罐流体地连接，借助从前述蓄压罐供给的压缩空气而驱动；
发电机，其与前述膨胀机机械地连接，进行发电；
第1热交换器，其利用热介质与由前述压缩机压缩的空气进行热交换，用于加热热介质；
热介质罐，其与前述第1热交换器流体地连接，储藏热介质；
第2热交换器，其与前述热介质罐流体地连接，利用从前述热介质罐供给的热介质和向前述膨胀机供给的压缩空气进行热交换，用于加热压缩空气；
第1流量调整机构，其用于对供给至前述第1热交换器的热介质的量进行调整；以及
控制装置，其借助前述第1流量调整机构对供给至前述第1热交换器的热介质的量进行调整，以便将储藏于前述热介质罐的热介质维持为规定的第1温度。
2.如权利要求1所述的压缩空气储藏发电装置，其特征在于，
前述控制装置基于应利用前述电动机驱动的电能的变化，借助前述第1流量调整机构对向前述第1热交换器流入的热介质的流量进行控制，以便将流入前述第1热交换器的热介质维持为前述第1温度。
3.如权利要求1或者2所述的压缩空气储藏发电装置，其特征在于，
前述压缩空气储藏发电装置还具备第2流量调整机构，前述第2流量调整机构用于对供给至前述第2热交换器的热介质的量进行调整。
4.如权利要求3所述的压缩空气储藏发电装置，其特征在于，
前述控制装置借助前述第2流量调整机构对供给至前述第2热交换器的热介质的量进行调整，以便将供给至前述膨胀机的压缩空气维持为规定的第2温度。
5.如权利要求4所述的压缩空气储藏发电装置，其特征在于，
前述控制装置基于应利用前述发电机发电的电能的变化，借助前述第2流量调整机构对向前述第2热交换器流入的热介质的流量进行控制，以便将流入前述膨胀机的压缩空气维持为前述第2温度。
6.如权利要求1或者2所述的压缩空气储藏发电装置，其特征在于，
前述压缩空气储藏发电装置还具备：
热介质返回罐，其与前述第1热交换器以及前述第2热交换器流体地连接，储藏利用前述第2热交换器降温的热介质；以及
热介质冷却器，其用于使从热介质返回罐向前述第1热交换器供给的热介质的温度下降至规定的第3温度。
7.如权利要求1或者2所述的压缩空气储藏发电装置，其特征在于，
前述热介质罐还具备：
剩余量传感器，其用于对储藏的热介质的量进行测定；以及
第3流量调整机构，其对供给至前述热介质罐的热介质的量进行调整，
在基于前述剩余量传感器的测定值、能够储藏于前述热介质罐的热介质量变为规定值以下的情况下，前述控制装置借助前述第3流量调整机构使供给至前述热介质罐的热介质的量减少，使储藏的热介质的温度上升。
8.一种压缩空气储藏发电方法，
该压缩空气储藏发电方法借助变动的输入电力驱动电动机，
借助与前述电动机机械地连接的压缩机压缩空气，
将从前述压缩机供给的压缩空气储藏于蓄压罐，
借助从前述蓄压罐供给的压缩空气驱动膨胀机，
借助与前述膨胀机机械地连接的发电机发电，
在第1热交换器中，利用热介质与由前述压缩机压缩的压缩空气进行热交换，使热介质升温，
将利用前述第1热交换器升温的热介质储藏于热介质罐，
在第2热交换器中，利用从前述热介质罐供给的热介质和从前述蓄压罐供给的压缩空气进行热交换，使压缩空气升温，供给至前述膨胀机，前述压缩空气储藏发电方法的特征在于，
借助第1流量调整机构对供给至前述第1热交换器的热介质的量进行调整，以便将储藏于前述热介质罐的热介质维持为规定的第1温度。
9.如权利要求8所述的压缩空气储藏发电方法，其特征在于，
基于应利用前述电动机驱动的电能的变化，借助前述第1流量调整机构对向前述第1热交换器流入的热介质的流量进行调整，以便将流入前述第1热交换器的热介质维持为前述第1温度。
10.如权利要求8或者9所述的压缩空气储藏发电方法，其特征在于，
基于应利用前述发电机发电的电能的变化，借助第2流量调整机构对向前述第2热交换器流入的热介质的流量进行调整，以便将流入前述膨胀机的压缩空气维持为第2温度。
11.如权利要求8或者9所述的压缩空气储藏发电方法，其特征在于，
借助剩余量传感器对储藏于前述热介质罐的热介质的量进行测定，
借助第3流量调整机构对供给至前述热介质罐的热介质的量进行调整，
在基于前述剩余量传感器的测定值、能够储藏于前述热介质罐的热介质量变为规定值以下的情况下，借助前述第3流量调整机构使供给至前述热介质罐的热介质的量减少，使储藏的热介质的温度上升。
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