CN107534315A - 压缩空气储能发电方法及压缩空气储能发电装置 - Google Patents

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Abstract

压缩空气储能发电方法为，在压缩空气储能发电装置（2）处，将表示蓄压罐（12）的空气的储存量为既定的中间状态的储存值设为基准储存值，设定成，在基准储存值，马达（32）及发电机（30）的至少一方以额定转速旋转，将马达（32）及发电机（30）的至少一方控制成，在与基准储存值相比，表示蓄压罐（12）的目前的储存量的储存值较大的情况下，以额定转速以下旋转，将马达（32）及发电机（30）的至少一方控制成，在与基准储存值相比，表示蓄压罐（12）的目前的储存量的储存值较小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转。根据该方法，在被储存于蓄压罐的空气量从基准储存值变动的情况下，也将作为整体的充放电效率较高地维持，并且能够将能够以既定的额定输入或额定输出运转的蓄压罐的压力范围扩大。

Description

压缩空气储能发电方法及压缩空气储能发电装置
技术领域
本发明涉及压缩空气储能发电方法及压缩空气储能发电装置。
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，受到当日的日照状况影响，其发电输出较大地变动。例如，在夜间无法发电，在雨天、阴天的日子发电输出大幅减少。此外，在从黎明至傍晚的日照状况、晴转多云这样的日照状况的情况下，发电输出在一天之中较大地变动。
在使用风车的风力发电中，根据当日的风向、风力的变化，其发电输出较大地变动。在例如汇集多个风车的风力发电厂那样的发电设备中，通过将各风车发电输出相加，能够使得短周期的发电变动平滑化，但作为整体来看其发电输出的变动也无法避免。
作为使这样的变动的不稳定的发电输出平滑化的技术，其代表性的有在产生剩余发电电力时预先储存电气而在电力不足时补充电气的蓄电池。此外，已知有被称作压缩空气储能(CAES)的技术，前述压缩空气储能(CAES)的技术在产生剩余发电电力时，预先储存代替电气而转换成的压缩空气，必要时借助空气涡轮发电机等将压缩空气再次转换电气。
例如，在专利文献1至专利文献3中，公开了涉及使用这样的CAES的技术的平滑化的技术。在专利文献1至专利文献3所公开的现有技术中，在基于压缩机的压缩工序将产生的热回收，由此能够提高能量储存效率。
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。
专利文献1至专利文献3所公开的哪个现有技术都是以使用在断电高峰（オフ峰）时的无用电力，将压缩空气储存于地下洞窟等大型的储存空间为前提。因此，并不是以在使用太阳光、风力等可再生能量的发电中使以较短周期变动的电力平滑化为目的。
进而，在专利文献1至专利文献3所公开的哪个现有技术中，都未公开有关在应该由压缩机吸收的电力以比较短的周期频繁地变化的情况下，使驱动压缩机的动力变动来使吸收电量变化。在这些技术中，以使用离心式的压缩机及膨胀机为前提来稳定地运转，所以不能使压缩机及膨胀机的转速频繁地变化。
在压缩空气储能发电装置中，使充电工序和放电工序的能量损失尽可能小，即使充放电效率变高是非常重要的。此外，将能够以压缩空气储能发电装置的额定输入或额定输出运转的范围尽量扩张较为重要。因此，优选地将根据来自发电站的要求吸收(充电)的电量、根据来自电力系统的要求发电(放电)的电量维持成既定的电量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压缩空气储能发电方法，前述压缩空气储能发电方法在被储存于蓄压罐的空气量从基准储存值变动的情况下，也较高地维持作为整体的充放电效率，并且能够将能够以既定的额定输入或额定输出运转的蓄压罐的压力范围扩大。
本发明的第1方案提供一种压缩空气储能发电方法，在前述压缩空气储能发电方法中，借助变动的输入电力驱动电动机，借助与前述电动机机械连接的压缩机压缩空气，将被从前述压缩机供给的压缩空气储存于蓄压罐，借助被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连接的发电机来发电，其特征在于，将表示前述蓄压罐的空气的储存量为既定的中间状态的储存值设为基准储存值，设定成，在前述基准储存值，前述电动机及前述发电机的至少一方以额定转速旋转，将前述电动机及前述发电机的至少一方控制成，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较大的情况下，以额定转速以下旋转，将前述电动机及前述发电机的至少一方控制成，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转。
由此，在使可再生能量平滑化时，即使在蓄压罐内的空气量从基准储存值变动的情况下，也能够高效率地控制电动机或发电机的转速来运转。即，能够将发挥能够高效率运转的既定的输入或输出的蓄压罐的压力范围扩大，所以能够将作为系统整体的充放电效率较高地维持。这里，基准储存值的既定的中间状态表示蓄压罐的空气储存量合适，发挥能够高效率地运转的既定的输入或输出的状态。
优选地，在控制前述电动机的情况下，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较大的情况下，以额定转速以下旋转，使得维持额定输入，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转，使得维持额定输入。
此外，优选地，在控制前述发电机的情况下，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较大的情况下，以额定转速以下旋转，使得维持额定输出，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转，使得维持额定输出。
由此，在使可再生能量平滑化时，即使在蓄压罐内的空气量从基准储存值变动的情况下，也能够将能够高效率运转的额定输入或额定输出维持在恒定范围。一般地，被用于电动机或发电机的旋转电气设备(旋转电机)被设计成在额定状态下其效率良好，所以能够将以既定的额定输入或额定输出的运转范围扩张。
优选地，将能够储存于前述蓄压罐的最大容量设为100%，将能够借助储存于前述蓄压罐的压缩空气发电的最小容量设为0%，将前述基准储存值设定成它们的50%至75%。
由此，即使在储存于蓄压罐的空气量从基准储存值变动的情况下，能够使能够以额定输入或额定输出运转的时间变长，所以能够将作为整体的充放电效率较高地维持。具体地，被设想为使用的频率最高的区域为50%至75%之间，将基准储存值设定于其间，由此能够使被储存于蓄压罐的空气量处于基准储存值的附近的时间变长。这里，“能够储存的最大容量”是指，在通常的运转中使用的最大容量，并非储存至蓄压罐的耐压极限的状态。另一方面，“能够发电的最小容量”是指，在通常的运转中不使用或不优选使用的状态的容量，并非完全不能发电的状态。因为若在蓄压罐中以能够供给于膨胀机的程度稍残留压力，则能够发电。
优选地，在第1热交换器，被前述压缩机压缩的压缩空气和热媒进行热交换，使热媒升温，将由前述第1热交换器升温的热媒储存于热媒罐，在第2热交换器，由被从前述热媒罐供给的热媒和被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。
由此，根据该构成，在第1热交换器中回收由压缩机产生的热，在第2热交换器中使热返回至即将由膨胀机膨胀之前的空气，由此能够提高充放电效率。在通常的压缩空气储能发电装置中，由压缩机产生的热被与压缩空气一同向蓄压罐内供给。并且，热被从蓄压罐向大气排放，产生能量损失。为了防止该情况，在压缩空气被供给至蓄压罐前预先进行热回收，使被储存至蓄压罐的压缩空气的温度接近大气温度。这样，能够防止由蓄压罐的热排放引起的能量损失。
本发明的第2方案提供一种压缩空气储能发电装置，其特征在于，具备电动机、压缩机、蓄压罐、膨胀机、发电机、控制装置，前述电动机被变动的输入电力驱动，前述压缩机与前述电动机机械连接，压缩空气，前述蓄压罐与前述压缩机流体连接，储存被前述压缩机压缩的空气，前述膨胀机与前述蓄压罐流体连接，被从前述蓄压罐供给的压缩空气驱动，前述发电机与前述膨胀机机械连接，产生向供给目的地供给的电力，前述控制装置为，将表示前述蓄压罐的空气的储存量为既定的中间状态的储存值设为基准储存值，设定成，在前述基准储存值，前述电动机及前述发电机的至少一方以额定转速旋转，将前述电动机及前述发电机的至少一方控制成，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较大的情况下，以额定转速以下旋转，将前述电动机及前述发电机的至少一方控制成，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转。
优选地，前述控制装置为，在控制前述电动机的情况下，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较大的情况下，以额定转速以下旋转，使得维持额定输入，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转，使得维持额定输入。
优选地，前述控制装置为，在控制前述发电机的情况下，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较大的情况下，以额定转速以下旋转，使得维持额定输出，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转，使得维持额定输出。
此外，优选地，前述控制装置为，将能够储存于前述蓄压罐的最大容量设为100%，将能够借助储存于前述蓄压罐的压缩空气发电的最小容量设为0%，将前述基准储存值设定成它们的50%至75%。
优选地，还具备第1热交换器、热媒罐、第2热交换器，第1热交换器用于使被前述压缩机压缩的压缩空气和热媒进行热交换，使热媒升温，前述热媒罐将由前述第1热交换器升温的热媒储存，前述第2热交换器使由被从前述热媒罐供给的热媒和被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。
根据本发明，在由压缩空气储能发电装置将可再生能量平滑化时，在被储存于蓄压罐的空气量从基准储存值变动的情况下，也能够将作为整体的充放电效率较高地维持。进而，能够将能够以既定的额定输入或额定输出运转的蓄压罐的压力范围扩大。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的概略结构图。
图2是表示膨胀机的转速和SOC的关系的图表。
图3是表示最大放电电力和SOC的关系的图表。
图4是表示压缩机的转速和SOC的关系的图表。
图5是表示最大充电电力和SOC的关系的图表。
图6是表示SOC和充放电效率的关系的图表。
图7是表示本发明的第2实施方式的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。
(第1实施方式)
图1表示压缩空气储能(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在利用可再生能量发电的情况下，使朝向作为供给目的地的电力系统4的输出变动平滑化，并且输出配合电力系统4的需要电力的变动的电力。CAES发电装置2从风力发电站或太阳光发电站等基于可再生能量的发电站6，使经由由变压器等构成的受送电设备8被供给的电力平滑化，向供给目的地的电力系统4输出电力。
参照图1说明CAES发电装置2的结构。
CAES发电装置2具备空气路径和热媒路径。在空气路径上主要设置有压缩机10、蓄压罐12、膨胀机16，这些借助空气配管18、19被流体连接，空气在其内部流动(参照图1的虚线)。在热媒路径上主要设置有第1热交换器20、热媒罐22、第2热交换器24，这些借助热媒配管26被流体连接，热媒在其内部流动(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，穿过吸气过滤器28被吸入的空气被压缩机10压缩，被储存于蓄压罐12。被储存于蓄压罐12的压缩空气被供给于膨胀机16，被用于发电机30的发电。
压缩机10是螺杆式的，具备马达(电动机)32。马达32被机械连接于压缩机10。在发电站6被产生的电力(输入电力)经由转换器34及逆变器36被供给至马达32，借助该电力驱动马达32，压缩机10工作。压缩机10的排出口10b穿过空气配管18被流体连接于蓄压罐12。压缩机10若被马达32驱动，则借助吸入口10a抽吸空气，压缩，借助排出口10b排出，将压缩空气压送至蓄压罐12。压缩机10在本实施方式中是螺杆式的，但也可以是涡旋式的。由于涡轮式等的转速变动而动作不稳定的压缩机10不适合本发明，但不是不能应用于本发明。在本实施方式中，压缩机10的数量为1台，但也可以设置多台。
蓄压罐12将被从压缩机10压送的压缩空气储存。因此，在蓄压罐12上，能够将能量作为压缩空气蓄积。蓄压罐12穿过空气配管19被流体连接于膨胀机16。因此，被蓄压罐12储存的压缩空气被供给至膨胀机16。蓄压罐12根据储存的电量，确定其压缩空气的储存压力和储存容量。但是，一般为大容量，所以从成本的观点考虑该情况下难以与外气隔热。因此，为了避免由于向大气排出而引起的热损失，蓄压罐12的压缩空气的储存温度被设定为与大气温度为相同程度，或者稍高或稍低。压力传感器14被设置于蓄压罐12，能够测定内部的压缩空气的压力。
膨胀机16是轴螺杆式的，具备发电机30。发电机30与膨胀机16机械连接。从吸入口16a穿过空气配管19供给压缩空气的膨胀机16借助被供给的压缩空气工作，驱动发电机30。发电机30被电气连接于外部的电力系统4(参照图1的单点划线)，产生的电力经由转换器38及逆变器40被供给至供给目的地的电力系统4。此外，被膨胀机16膨胀的空气从排出口16b经由排气消声器42被向外部排出。膨胀机16在本实施方式中是螺杆式的，但也可以是涡旋式的。由于涡轮式等的转速变动而动作不稳定的膨胀机16不适合本发明，但不是不能应用于本发明。此外，在本实施方式中，膨胀机16的数量为1台，但也可以设置多台。
接着，参照图1，对热媒路径进行说明。在热媒路径中，将在第1热交换器20处由压缩机10产生的热回收至热媒。然后，将热回收的热媒储存于热媒罐22，在第2热交换器24将热返回至由膨胀机16膨胀前的压缩空气。在第2热交换器24中，进行热交换而降温的热媒被供给至热媒回流罐44。然后，从热媒回流罐44再次向第1热交换器20供给热媒，热媒进行循环。热媒的种类不被特别限定，能够使用例如矿物油、乙二醇系的热媒。
第1热交换器20在空气流路中被设置于从压缩机10延伸至蓄压罐12的空气配管18，在热媒路径中被设置于从热媒回流罐44延伸至热媒罐22的热媒配管26。因此，在被从蓄压罐12供给的压缩空气和被从热媒回流罐44供给的热媒之间进行热交换，将由于压缩机10的压缩而产生的压缩热回收至热媒。即，在第1热交换器20中，压缩空气的温度下降，热媒的温度上升。这里升温的热媒穿过热媒配管26被供给至热媒罐22。
热媒罐22是借助与大气隔热的隔热材料覆盖周围的钢制罐。在热媒罐22处储存被第1热交换器20升温的热媒。被储存于热媒罐22的热媒穿过热媒配管26被供给至第2热交换器24。
第2热交换器24在空气路径中被设置于从蓄压罐12延伸至膨胀机16的空气配管19，在热媒路径中被设置于从热媒罐22延伸至热媒回流罐44的热媒配管26。因此，在被从蓄压罐12供给的压缩空气和被从热媒罐22供给的热媒之间进行热交换，在基于膨胀机16的膨胀之前将压缩空气加热。即，在第2热交换器24，压缩空气的温度上升，热媒的温度下降。在第2热交换器24降温的热媒穿过热媒配管26被供给至热媒回流罐44。
热媒回流罐44储存借助第2热交换器24进行热交换而降温的热媒。因此，热媒回流罐44内的热媒通常比热媒罐22内的热媒温度低。被储存至热媒回流罐44的热媒穿过热媒配管26被供给至第1热交换器20。
在从热媒回流罐44延伸至第1热交换器20的热媒配管26上设置有热媒冷却器46。本实施方式的热媒冷却器46是热交换器，在从热媒回流罐44延伸至第1热交换器20的热媒配管26内的热媒和被从外部供给至热媒冷却器46的冷却水之间进行热交换来使热媒的温度下降。
在热媒路径上，设置有用于使热媒配管26内的热媒流动的泵48a、48b。在本实施方式中，泵48a、48b被分别设置于第1热交换器20的下游及第2热交换器24的上游。但是，泵48a、48b的位置不限于此，也可以设置于热媒路径中的任意的位置。此外，泵48a、48b的数量不限于两台，也可以是1台或3台以上。
借助热媒冷却器46，能够将流入第1热交换器20的热媒的温度维持成既定的温度，所以能够稳定地进行第1热交换器20的热交换，能够提高充放电效率。充放电效率是指，将由发电机30产生的发电电力除以被供给至马达32的输入电力算出的值。
根据以上说明，构成CAES发电装置2的热媒路径。
此外，CAES发电装置2具备控制装置50a、50b。控制装置50a、50b由包括定序器等的硬件和被安装于其上的软件构成。控制装置50a至少被电气连接于马达32和发电站6(参照图1的单点划线)。控制装置50b至少被电气连接于发电机30和电力系统4(参照图1的单点划线)。因此，这些动作被控制装置50a、50b控制。压力传感器14对控制装置50a、50b输出测定值。控制装置50a、50b能够基于该测定值控制CAES发电装置2。在本实施方式中，控制装置50a、50b被分开设置成控制关于压缩的功能的控制装置50a、控制关于膨胀的功能的控制装置50b，但也可以设置成控制两功能的一个控制装置。
控制装置50a用压力传感器14检测蓄压罐12的压力。进而，根据与检测的压力对应的SOC(State of Charge:填充量)和被从发电站6要求的要求充电量信号Lc，确定从发电站6吸收的电量，经由逆变器36对压缩机10的马达(电动机)32给予转速指令。该转速指令也会有超过马达32的额定转速的情况，但没有超过马达32的允许最大转速的情况。
控制装置50b用压力传感器14检测蓄压罐12的压力。根据与该检测的压力对应的SOC和被从电力系统4要求的要求放电量信号Lg，确定对电力系统4放电的电量，经由转换器38对膨胀机16的发电机30给予转速指令。该转速指令也会有超过发电机30的额定转速的情况，但没有超过发电机30的允许最大转速的情况。
对于蓄压罐12的SOC，设定有表示呈既定的中间状态的基准储存值。既定的中间状态表示蓄压罐12的空气储存量合适，发挥能够高效率地运转的既定的输入或输出的状态。在本实施方式中，SOC与压力值对应，所以表示呈既定的中间状态的基准储存值也是与压力值对应的数值。但是，SOC不限于压力值，因此基准储存值也不限于压力值。这些只要能够确定蓄压罐12的储存量，则可使用任意的值。关于基准储存值的设定，在之后进行说明。此外，被从控制装置50a、50b给予至马达32及发电机30的转速指令被设定成在基准储存值时马达32及发电机30以额定转速旋转。控制马达32及发电机30，使得在SOC比基准储存值大的情况下，以额定转速以下旋转，在SOC比基准储存值小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转。
与发电机30的发电输出对应的膨胀机16的膨胀动力由膨胀机16的膨胀转矩和转速的积确定。在由于放电而SOC下降的情况下，蓄压罐12的内压和大气压的差压随着时间经过而下降，膨胀转矩也下降。因此，为了将膨胀动力维持恒定，相对于膨胀转矩的下降，使转速反比例上升即可。此外，为了相对于SOC的上升而将膨胀动力维持恒定，相对于膨胀转矩的上升，使转速反比例下降即可。这样，相对于SOC的变化，使膨胀机16的旋转反比例变化，由此能够在较广的SOC范围得到恒定的膨胀动力，能够维持发电机30的既定的额定输出。此外，不仅膨胀机16，关于压缩机10的控制也是同样地，相对于SOC的变化使压缩机10的旋转反比例变化，由此能够在较广的SOC范围得到恒定的压缩动力，能够维持马达32的既定的额定输入。
这样，在使可再生能量平滑化时，即使在SOC从基准储存值变动的情况下，也能够借助控制装置50a、50b控制马达32或发电机30的转速来将额定输入或额定输出以恒定范围维持。即，能够将能够以既定的额定输入或额定输出运转的蓄压罐12的压力范围扩大，所以能够较高地维持作为系统整体的充放电效率。一般地，被使用于马达32或发电机30的旋转电气设备(旋转电机)被设计成在额定状态下其效率良好，所以能够将既定的额定输入或额定输出的运转范围扩张对于其效率提高是有效的。
这样，从提高充放电效率的观点考虑，将马达32以既定的额定输入运转，将发电机30以既定的额定输出运转是优选的。具体地，以既定的额定输入的运转是指，根据来自发电站6的要求充电量信号Lc，将吸收(充电)的电量维持成既定的额定值的运转。以既定的额定输出的运转是指，根据来自电力系统4的要求放电量信号Lg，将产生(放电)的电量维持成既定的额定值的运转。
“基准储存值”被设定成能够储存于蓄压罐12的最大容量(相当于SOC＝100%)和能够发电的最小容量(相当于SOC=0%)之间的适当的值即可。若设为基准储存值的SOC过大或过小，则偏离额定地使马达32及发电机30运转的时间增加，作为整体的充放电效率下降。此外，能够维持额定输入或额定输出的SOC的范围变小。因此，基准储存值优选地设定成SOC为50%之75%之间的程度。在本实施方式中，将SOC＝66%设为基准储存值。关于储存值，使用压力传感器14来使用蓄压罐12的压力的检测值是最简单的，但也可以使用如下算出的算出值等，前述算出值通过使用图中未示出的流量传感器来估算向蓄压罐12流入的空气流入量和从蓄压罐12流出的空气流出量来用算出。
以下，参照图2至图6，说明关于控制装置50a、50b的控制的具体例。
图2是表示膨胀机16的转速和SOC的关系的图表。图表的纵轴表示SOC(%)，横轴表示膨胀机16的转速(rpm)。
参照图2，点B是被机械连接于膨胀机16的发电机30的额定点。点B是以15000rpm的额定转速运转的额定状态，在点B的附近，系统整体的充放电效率最大。在本实施方式中，SOC＝66%的点被设定成额定点，将该点作为膨胀机16的控制的蓄压罐12的基准储存值。此外，在本实施方式中，被设定成SOC＝100%对应于0.93MPa，SOC＝0%对应于0.3MPa，但不限于此。膨胀机16和发电机30经由增速机连接，发电机30的额定转速为膨胀机16的额定转速的一半左右。此外，如图3所示，在点B发挥额定输出1.5MW。
若从点B的状态将压缩空气供给至蓄压罐12内而SOC上升，则发电机30的旋转低于额定转速(15000rpm)，减速至转速12750rpm(额定转速的85%)的点Z(SOC＝100%)。如图3所示，点Z处的放电电力为1.5MW(额定输出)，在从点B向点Z转移的期间，额定输出被维持。
若从点B的状态使用蓄压罐12内的压缩空气而SOC下降，则发电机30的旋转超过额定转速(15000rpm)，增速至允许最大转速16500rpm(额定转速的110%)的点A(SOC＝43%)。如图3所示，点A处的放电电力为1.5MW(额定输出)，在从点B向点A转移的期间，额定输出被维持。
因此，在图2中，比点B的基准储存值(SOC＝66%)靠左侧的区域相对于发电机30的额定转速为转速减少区域，右侧的区域是转速增加区域。这样与SOC的上升及下降对应，使发电机30的旋转相对于额定转速增减，如图3所示将膨胀动力维持成恒定，所以能够以将放电电力以维持成1.5MW的额定输出的状态在点Z至点A之间进行状态转移。
在图2中，若观察比点Z靠右侧的区域，则在点Z已经呈SOC＝100%的额定输出，所以不需要进一步使发电机30的旋转增速。此外，若观察比点A靠右侧的区域，则在点A已经达到允许最大转速，所以不进一步增速，继续以允许最大转速16500rpm运转。该情况下，不能维持额定输出的1.5MW，如从图3的点A延伸的实线的倾斜线所示，放电电力逐渐减少。图3的从点B延伸的虚线的倾斜线表示在不进行本实施方式那样的控制地情况的放电电力的减少。根据以上说明，在图3中，将能够发挥额定输出的SOC的范围的斜线部的区域部分扩大。
在本实施方式中，将基准储存值设定成以SOC＝66%呈额定状态，但也可以设定成以其他SOC的值呈额定状态。将额定点较高地设定的情况下，达到允许最大转速的SOC的值变大，在CAES发电装置2能够发挥额定输出的SOC范围变小。此外，该情况从能够发挥最大效率的额定点至SOC＝100%富余较少，所以在需要连续地吸收(充电)的情况下，有蓄压罐12呈满罐的可能性，对应力较低。但是，本实施方式的CAES发电装置2在超过SOC=100%的情况下，将被压缩机10压缩的压缩空气穿过图中未示出的空气配管在不经由蓄压罐12的情况下向外部排放，由此即使超过SOC=100%也能够进行电力吸收。在将额定点过小地设定的情况下，能够连续放电的时间变短。
图4表示压缩机10的转速和SOC的关系。图表的纵轴表示SOC(%)，横轴表示膨胀机16的转速(rpm)。
参照图4，点D是机械连接于压缩机10的马达32的额定点。点D是以15000rpm的额定转速运转的额定状态，在点D的附近，系统整体的充放电效率最大。在本实施方式中，SOC＝66%的点被设定成额定点，将该点设为压缩机10的控制的蓄压罐12的基准储存值。此外，在本实施方式中，将发电侧的膨胀机16和充电侧的压缩机10的基准储存值都设为SOC＝66%，设定成相同的值。但是，也可以不需要将发电侧和充电侧的基准储存值设为相同的值，与发电机30及马达32以及系统整体的特性对应地，基准储存值改变成分别不同的值。
若从点D的状态向蓄压罐12内供给压缩空气而SOC上升，则马达32的旋转低于额定转速(15000rpm)，减速至转速12750rpm(额定转速的85%)的点Z(SOC＝100%)。如图5所示，点Z处的充电电力是1.5MW(额定输出)，在从点D向点Z的转移的期间，额定输入被维持。
若从点D的状态使用蓄压罐12内的压缩空气而SOC下降，则马达32的旋转超过额定转速(15000rpm)，增速至允许最大转速17250rpm(额定转速的115%)的点C(SOC＝35%)。如图5所示，点C处的充电电力是1.5MW(额定输出)，从点D向点C的转移的期间，额定输入被维持。
因此，在图4中，比点D的基准储存值(SOC＝66%)靠左侧的区域相对于马达32的额定转速为转速减少区域，右侧的区域为转速增加区域。这样，与SOC的上升及下降对应，使马达32的旋转相对于额定转速增减，如图5所示地将压缩动力维持成恒定，所以能够在将充电电力维持成1.5MW的额定输入的状态下在从点Z至点C之间进行状态转移。
在图4中，若观察比点Z靠左侧的区域，则在点Z呈已经为SOC＝100%，所以不能将压缩空气进一步供给至蓄压罐12。此外，若观察比点C靠右侧的区域，则在点C已经达到允许最大转速，所以不会进一步增速，继续以允许最大转速17250rpm运转。即使将马达32以允许最大转速旋转，蓄压罐12的压力也较低，所以不会产生与额定时的转矩对应的负荷，马达32的消耗电力不能达到额定消耗电力。因此，如图5所示，充电电力不会达到作为额定输入的1.5MW，仅能够以1.25MW左右进行消耗(吸收)。该情况下，不能维持额定输入的1.5MW，若图5的从点C延伸的实线的倾斜线所示，充电电力逐渐减少。图5的从点D延伸的虚线的倾斜线表示不进行如本实施方式那样的控制的情况下的充电电力的减少。根据以上说明，在图5中，将能够发挥额定输入的SOC的范围的斜线部的区域分扩大。
本实施方式的情况以使用在日本国内广泛流通的容积型的通用压缩机及容积型的通用膨胀机为前提，所以将SOC＝100%设定成0.93MPa，但也可以设定成更高的压力。由此，能够减少蓄压罐12的容量。
图6是表示CAES发电装置2整体的充放电效率和SOC的关系的图表。图表的纵轴表示充放电效率(%)，横轴表示SOC(%)。充放电效率是表示CAES发电装置2的性能的指标之一。如图6所示，表示最大的充放电效率(图6中为65%左右)的点为SOC＝66%的点。它表示在该点设定发电机30及马达32的额定点。实际上，以系统整体观察的情况下，也有除了热交换器20、24之外其他的设备的效率的影响，所以也有在发电机30及马达32的额定点充放电效率并非最大的情况，但大致在发电机30及马达32的额定点的附近，充放电效率最大。
但是，在蓄压罐12为满罐的情况下，不能进一步蓄压，所以通常以对于蓄压罐12存在富余的状态运转。例如，也可以是，在蓄压罐12内的压力比压缩机10的排出压力低的状态下运转。在蓄压罐12变空的情况下不能发电，所以在蓄压罐12以具有某种程度的余量的状态运转。例如也可以是，使膨胀机16的驱动所需要的差压为能够产生的压力以上来维持蓄压罐12内的压力，进行运转。严密地说，即使低于SOC＝0%，若压力以能够供给于膨胀机的程度稍残留于蓄压罐，则能够发电。但是，充放电效率下降，控制性也不好，所以优选地不使用SOC＝0%以下的区域。在放电电力为额定输出以下也可以的情况下，在图2中使用从线A-B-Z至图表左侧或下侧的区域，在充电电力为额定输入以下也可以的情况下，在图4中使用从线C-D-Z至图表左侧或下侧的区域。
(第2实施方式)
图7表示第2实施方式的CAES发电装置2的示意图。有关本实施方式的CAES发电装置2设置多个压缩机10、膨胀机16、及热媒罐22a、22b，结构要素被收纳于容器52a~52c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，关于与图1所示的结构相同的部分省略说明。此外，图7是示意图，所以未必CAES发电装置2的全部结构要素都被图示。
参照图7，本实施方式的CAES发电装置2具备3台压缩机10及4台膨胀机16。3台压缩机10并列地流体连接，4台膨胀机16也并列地流体连接。能够与输入电力、需要电力对应地改变压缩机10及膨胀机16的驱动台数，所以能够广泛地实现高效的平滑化。此外，压缩机10、膨胀机16及蓄压罐12被空气配管18、19连结，压缩机10、膨胀机16、及热媒罐22a、22b、热媒回流罐44被热媒配管26连结。控制装置50a、50b被收纳于壳（ハウス）54中。
压缩机10及膨胀机16都能够进行逆变器控制，即能够进行转速控制。但是，也可以不只装入能够进行逆变器控制的压缩机10和膨胀机16，也装入几台不能进行逆变器控制的压缩机10和膨胀机16。
本实施方式的CAES发电装置2具备高温热媒罐22a和低温热媒罐22b，在第1热交换器20进行热交换的热媒被按照不同温度地被储存。因此，在第2热交换器24中，以根据需要的热媒温度进行热交换，所以提高放电效率。
在本实施方式中，CAES发电装置2几乎所有的结构要素被收纳于容器52a~52c。特别地，分成压缩机10及图中未示出的第1热交换器20等有关压缩功能的容器52a、膨胀机16及图中未示出的第2热交换器24等有关膨胀功能的容器52b、热媒罐22等有关蓄热功能的容器52c地设置有3个容器52a~52c。通过这样地收纳于容器52a~52c，能够大幅抑制CAES发电装置2的设置时的工事费。在本实施方式中，热媒冷却器46作为冷却塔配置于容器52c的外部。
此外，充电侧的压缩机10和放电侧的膨胀机16分别具有500kW左右的容量。借助容器52a~52c构成充放电单元，由此搬运及设置容易，也能够自由地增减设备容量。例如，若将这3个容器52a~52c设成1组来设置6组，则作为整体能够构成3MW的设备。
如本实施方式那样，在具备多台压缩机10或膨胀机16并列运转的情况下，优选地以尽可能增加在额定点附近运转的压缩机10或膨胀机16的台数的方式来控制。与如第1实施方式那样以单一的压缩机10及膨胀机16来构成相比，能够使用通用的容量相对较小的，所以能够抑制系统整体的成本。此外，与大型的压缩机或膨胀机相比，小型的一般应答性较好，所以能够提高系统整体的应答性。
在第1及第2实施方式中，本发明的“变动的输入电力”不限于可再生能量，也可以是将工厂设备的需要电力平滑化或削峰（峰カット）的。
附图标记说明
2 压缩空气储能发电装置(CAES发电装置)
4 电力系统
6 发电站
8 受送电设备
10 压缩机
10a 吸入口
10b 排出口
12 蓄压罐
14 压力传感器
16 膨胀机
16a 吸入口
16b 排出口
18 空气配管
19 空气配管
20 第1热交换器
22 热媒罐
22a 高温热媒罐
22b 低温热媒罐
24 第2热交换器
26 热媒配管
28 吸气过滤器
30 发电机
32 马达(电动机)
34、38 转换器
36、40 逆变器
42 排气消声器
44 热媒回流罐
46 热媒冷却器
48a、48b 泵
50a、50b 控制装置
52a、52b、52c 容器
54 壳。

Claims (10)

1.一种压缩空气储能发电方法，在前述压缩空气储能发电方法中，借助变动的输入电力驱动电动机，借助与前述电动机机械连接的压缩机压缩空气，将被从前述压缩机供给的压缩空气储存于蓄压罐，借助被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连接的发电机来发电，其特征在于，
将表示前述蓄压罐的空气的储存量为既定的中间状态的储存值设为基准储存值，
设定成，在前述基准储存值，前述电动机及前述发电机的至少一方以额定转速旋转，
将前述电动机及前述发电机的至少一方控制成，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较大的情况下，以额定转速以下旋转，
将前述电动机及前述发电机的至少一方控制成，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转。
2.如权利要求1所述的压缩空气储能发电方法，其特征在于，
在控制前述电动机的情况下，
在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较大的情况下，以额定转速以下旋转，使得维持额定输入，
在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转，使得维持额定输入。
3.如权利要求1或2所述的压缩空气储能发电方法，其特征在于，
在控制前述发电机的情况下，
在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较大的情况下，以额定转速以下旋转，使得维持额定输出，
在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转，使得维持额定输出。
4.如权利要求1或2所述的压缩空气储能发电方法，其特征在于，
将能够储存于前述蓄压罐的最大容量设为100%，将能够借助储存于前述蓄压罐的压缩空气发电的最小容量设为0%，将前述基准储存值设定成它们的50%至75%。
5.如权利要求1或2所述的压缩空气储能发电方法，其特征在于，
在第1热交换器，被前述压缩机压缩的压缩空气和热媒进行热交换，使热媒升温，
将由前述第1热交换器升温的热媒储存于热媒罐，
在第2热交换器，由被从前述热媒罐供给的热媒和被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。
6.一种压缩空气储能发电装置，其特征在于，
具备电动机、压缩机、蓄压罐、膨胀机、发电机、控制装置，
前述电动机被变动的输入电力驱动，
前述压缩机与前述电动机机械连接，压缩空气，
前述蓄压罐与前述压缩机流体连接，储存被前述压缩机压缩的空气，
前述膨胀机与前述蓄压罐流体连接，被从前述蓄压罐供给的压缩空气驱动，
前述发电机与前述膨胀机机械连接，产生向供给目的地供给的电力，
前述控制装置为，将表示前述蓄压罐的空气的储存量为既定的中间状态的储存值设为基准储存值，设定成，在前述基准储存值，前述电动机及前述发电机的至少一方以额定转速旋转，将前述电动机及前述发电机的至少一方控制成，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较大的情况下，以额定转速以下旋转，将前述电动机及前述发电机的至少一方控制成，在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转。
7.如权利要求6所述的压缩空气储能发电装置，其特征在于，
前述控制装置为，
在控制前述电动机的情况下，
在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较大的情况下，以额定转速以下旋转，使得维持额定输入，
在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转，使得维持额定输入。
8.如权利要求6或7所述的压缩空气储能发电装置，其特征在于，
前述控制装置为，
在控制前述发电机的情况下，
在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较大的情况下，以额定转速以下旋转，使得维持额定输出，
在与前述基准储存值相比，表示前述蓄压罐的目前的储存量的储存值较小的情况下，以额定转速以上、允许最大转速以下旋转，使得维持额定输出。
9.如权利要求6或7所述的压缩空气储能发电装置，其特征在于，
前述控制装置为，
将能够储存于前述蓄压罐的最大容量设为100%，将能够借助储存于前述蓄压罐的压缩空气发电的最小容量设为0%，将前述基准储存值设定成它们的50%至75%。
10.如权利要求6或7所述的压缩空气储能发电装置，其特征在于，
还具备第1热交换器、热媒罐、第2热交换器，
第1热交换器用于使被前述压缩机压缩的压缩空气和热媒进行热交换，使热媒升温，
前述热媒罐将由前述第1热交换器升温的热媒储存，
前述第2热交换器使由被从前述热媒罐供给的热媒和被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。
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