JP2013510257A - 超臨界空気蓄エネルギーシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】新規空気蓄エネルギーシステムである超臨界空気蓄エネルギーシステムを提供すること。
【解決手段】超臨界空気蓄エネルギーシステムは、圧縮機セット（１，３）、熱交換器（２，４）、スロットル（５）、低温貯蔵タンク（６）、ポンプ（８）、膨張機セット（９，１０）、発電機（１１）、駆動ユニット（１２）及び管路を含む。当該システムは、エネルギー密度が高く、効率が高く、蓄エネルギー周期や地理的条件に制限されず、各種の発電所に適用し、環境に優しく、廃熱を回収することができるなどの利点を有する。
【選択図】図１

Description

本発明はエネルギー蓄積の技術分野に関し、特に超臨界過程に基づく空気蓄エネルギーシステムに関する。
これまでの長い間、電力負荷の要求を満たすために、電力部門は最大の負荷要求に基づいて発電能力を建設しなければならない。これは、大量の発電能力の過剰及び無駄遣いを招来する。一方、電力部門は常に電力使用のピーク時に電力使用を制限しなければならない。特に近年、我が国の配電網における大型機械セットは絶えず多くなり、電力システム自身の仕事率調整能力は制限されるが、システム負荷の山対谷の比は絶えず増大している。したがって、それに適う経済的で、信頼性よく、効率的な電力蓄エネルギーシステムは必要となる。特に、原子エネルギー発電所などの高位運転のみが可能な電力システムについて、電力蓄エネルギーシステムに対する需要はさらに差し迫ってくる。
さらに重要なことに、電力蓄エネルギーシステムは現在、再生可能エネルギーの大規模利用を制限する最も重要なネックの１つである。今のところ、世界各国は再生可能エネルギーの発展を国家エネルギー発展の重要な戦略としているが、現在主な再生可能エネルギー、例えば風力エネルギー、太陽エネルギー、潮流エネルギーなどはいずれも間欠式エネルギーである。如何に蓄エネルギー技術を利用してこれら間欠式エネルギーを「つなぎ合わせる」ことは、再生可能エネルギーの割合を高めるために解決しなければならない問題である。
同時に、電力蓄エネルギーシステムは分布式エネルギーシステムの肝心な技術である。分布式エネルギーシステムは、大型集中式電力システムの代わりに小型分布式電力システムを大量に採用するため、エネルギーを総合的に利用し、熱効率が高く、低汚染などの利点を有する。しかしながら、それと同時に、線路、運転などの原因によるシステム故障率は上記の大型集中式電力システムより高い。且つ、システムの容量が小さいため、システム負荷の変動も大幅に増加する。したがって、電力蓄エネルギーシステムを負荷均衡装置や予備電源とすることは、分布式エネルギーシステムにおいて考えなければならない措置である。
現在、既存の電力蓄エネルギー技術は、揚水発電所（Ｐｕｍｐｅｄ Ｈｙｄｒｏ）、圧縮空気（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ａｉｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ，ＣＡＥＳ）、蓄電池（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｂａｔｔｅｒｙ）、超伝導磁気エネルギー（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ，ＳＭＥＳ）、フライホイール（Ｆｌｙｗｈｅｅｌ）及びコンデンサ（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）などを含む。しかしながら、容量、蓄エネルギー周期、エネルギー密度、充放電効率、寿命、運転費用、環境保護などの原因により、現在、大型商業システムにおいて既に運転されているのは、揚水発電所及び圧縮空気の2種類のみである。
揚水発電所蓄エネルギーシステムは、電力使用のオフピーク時に、水ポンプを介して水を低位貯水池から高位貯水池に送ることにより電気エネルギーを水の位置エネルギーに変換して蓄積する一方、電力使用のピーク時に、水を高位貯水池から低位貯水池に排出して水力タービンを駆動して発電する。揚水発電所蓄エネルギーシステムは技術が成熟で、効率が高く（〜７０％）、容量が大きく、蓄エネルギー周期が制限されないなどの利点を有するため、現在広範に使用されている電力蓄エネルギーシステムである。しかしながら、揚水発電所蓄エネルギーシステムは、２つの貯水池とダムを建てるための特別な地理的条件を必要とし、建設周期が長く（一般的に約７〜１５年）、初期投資が巨大である。さらに厄介なことに、大型貯水池を建てることにより、大面積の植生ひいては都会は水浸しになり、生態的や移民の問題を招来する。したがって、揚水発電所蓄エネルギーシステムを建てることは、益々大きく制限される。
伝統的圧縮空気蓄エネルギーシステムは、ガスタービン技術に基づいて開発された蓄エネルギーシステムである。電力使用のオフピーク時に、空気を圧縮するとともにガス貯蔵室に貯蔵し、電気エネルギーを空気の内部エネルギーに変換して蓄積する；電力使用のピーク時に、高圧空気はガス貯蔵室から放出され、ガスタービンの燃焼室に入って燃料とともに燃焼した後、タービンを駆動して発電する。圧縮空気蓄エネルギーシステムは、蓄エネルギー容量が大きく、蓄エネルギー周期が長く、効率が高く（５０％〜７０％）、単位投資の割りに小さいなどの利点を有する。しかしながら、伝統的圧縮空気蓄エネルギーシステムは独立した技術ではなく、ガスタービン発電所と組み合わせて使用されなければならず、例えば石炭火力発電所、原子力発電所、風力エネルギー及び太陽エネルギー発電所などの他の類型の発電所に適用することができず、特に我が国の「石炭火力発電を主とし、ガスや油火力発電を提唱しない」というエネルギー戦略に適わない。且つ、圧縮空気蓄エネルギーシステムは依然として化石燃料を燃焼することにより熱源を提供するため、化石燃料が次第に枯渇することや値上げの脅威にさらされる一方、その燃焼が依然として窒化物、硫化物及び二酸化炭素などの汚染物を発生し、グリーン（ゼロ排出）、再生可能というエネルギー発展要求に適わない。さらに致命的なことに、蓄エネルギー密度が低いため、圧縮空気蓄エネルギーシステムも大型ガス貯蔵室を建てるための特別な地理的条件、例えば岩石洞穴、岩塩坑、廃棄鉱坑などを必要とする。これにより、圧縮空気蓄エネルギーシステムの適用範囲は大きく制限されている。
伝統的圧縮空気蓄エネルギーシステムが直面している主な問題、特にガスタービンに依頼する問題を解決するために、近年、国内外の学者は地面圧縮空気蓄エネルギーシステム（ＳＶＣＡＥＳ）、再熱型圧縮空気蓄エネルギーシステム（ＡＡＣＡＥＳ）及び空気水蒸気複式循環圧縮空気蓄エネルギーシステム（ＣＡＳＨ）などを展開することにより、圧縮空気蓄エネルギーシステムを基本的に化石燃料燃焼の熱源から離脱できるようにした。しかしながら、それと同時に、化石燃料熱源を採用せず、圧縮空気蓄エネルギーシステムのエネルギー密度がさらに低くなるため、大型ガス貯蔵室に対する依頼はさらに顕著になっている。圧縮空気蓄エネルギーシステムを広範的で効率よく利用するために、合理的な解決方法を見つからなければならない。
本発明は、新規空気蓄エネルギーシステムである超臨界空気蓄エネルギーシステムの開示を目的とし、超臨界状態における空気の特別な性質を利用し、圧縮空気蓄エネルギーシステムが直面している主な問題を解決し、各種類型の発電所に組み合わせて使用されることができる。
上記目的を実現するために、本発明の技術解決方案は以下の通りである。
超臨界空気蓄エネルギーシステムは、圧縮機セット、蓄熱／熱交換器、蓄冷／熱交換器、スロットル、低温貯蔵タンク、バルブ、低温ポンプ、膨張機セット、発電機、駆動ユニット及び複数の管路を含む。圧縮機セットは少なくとも１台の低圧圧縮機と少なくとも１台の高圧圧縮機とを含み、互いに直列連結又は集積して一体多段圧縮機を形成し、それぞれの低圧圧縮機の入口が空気源に接する。膨張機セットは少なくとも１台の低圧膨張機と少なくとも１台の高圧膨張機とを含み、互いに直列連結又は集積して一体多段膨張機を形成し、それぞれの低圧膨張機の気体出口が大気に連通する。駆動ユニットは圧縮機セットの伝動軸に固接し、発電機は膨張機セットの伝動軸に固接する。低圧圧縮機は管路（１３）を介して、高圧圧縮機は管路（１４，１５）を介して蓄熱／熱交換器（２）にそれぞれ連通する；蓄熱／熱交換器（２）、蓄冷／熱交換器及び低温貯蔵タンクは管路（１６，１７，１８，１９，３０）を介してこの順に連通する。管路（３０）にはスロットルが設けられ、管路（３１）にはバルブ、及び少なくとも１台の低温ポンプが設けられ、バルブが低温ポンプの上流に位置する。
蓄熱／熱交換器は管路（２０，２１，２２）を介して高圧膨張機、低圧膨張機のそれぞれに連通する。蓄冷／熱交換器の底端にはスラグ排出管路（２４）が設けられる。そのプロセスが以下の通りである。蓄エネルギーするとき、低圧圧縮機と高圧圧縮機とからなる圧縮機セットを駆動ユニットによって駆動し、一定量の空気を超臨界状態になるまで圧縮し、圧縮熱を回収するとともに蓄熱／熱交換器（２）に蓄積する。超臨界空気は蓄冷／熱交換器に入って冷却され、大部分の低温圧縮空気がスロトッルを通過した後に液化され、液体空気が低温貯蔵タンクに入って貯蔵される。エネルギー放出の時に、液体空気は低温ポンプによって加圧され、高圧液体空気は蓄冷／熱交換器において超臨界状態になるまで昇温するとともに冷エネルギーを回収し、超臨界空気は蓄熱／熱交換器（２）において圧縮熱を吸収してさらに昇温した後、高圧膨張機と低圧膨張機とからなる膨張機セットに入って膨張して仕事し、発電機を運転させて発電する。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの前記駆動ユニットは駆動電機又は風力タービンである；前記駆動ユニットが駆動電機である場合、常規発電所オフピーク電力、原子力発電、風力発電、太陽エネルギー発電、水力発電及び潮流発電のうちの１種以上を電源とする。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの蓄エネルギー過程は電力使用オフピーク時、再生可能エネルギー電力制限時、或いは電気エネルギーの品質が配電網用電力の要求を満たさない時に開始される。エネルギー放出過程は電力使用ピーク時、電力事故時、再生可能エネルギー発電が大幅に変動する時に開始される。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの前記蓄熱／熱交換器（２）には、外部熱源に連通する管路（２３）がさらに設けられている。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの空気圧縮、冷却過程には、空気中の固体物及び不純物ガスを除去するための空気浄化及び純化がさらに含まれる；空気浄化及び純化設備は圧縮機セット及び蓄冷／熱交換器中に集積され、単独に表示されない。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの前記空気純化設備は、空気圧縮、冷却、液化設備の正常動作及び液体空気の生産高に対する原料空気中のＣＯ２、水蒸気及びアルゴンの影響が小さい場合に、濾過装置である。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの前記圧縮機セットの総圧縮比は３８〜３４０である；多数の圧縮機である場合、多数の圧縮機は同軸直列連結形式又は分軸並列連結形式である；並列連結形式において、各分軸は主駆動軸に動的に接続する；各段圧縮機の排気はいずれも蓄熱／熱交換器（２）を通過する。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの前記膨張機セットの総膨張比は３８〜３４０であり、末段膨張機の排気が常圧に近い；多数の膨張機である場合、多数の膨張機は同軸直列連結形式又は分軸並列連結形式である；並列連結形式において、各分軸は主駆動軸に動的に接続する；各段膨張機の入気はいずれもまず蓄熱／熱交換器を通過して加熱昇温される。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの前記圧縮機はピストン式、軸流式、遠心式、スクリュー式又は混合式である。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの前記膨張機はピストン式、軸流式、向心式、スクリュー式又は混合式である。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムが多数の圧縮機、多数の膨張機を有する場合、多数の圧縮機、多数の膨張機は一本又は複数本の駆動軸上に分布される。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの圧縮空気の流量は動作空気の流量より大きく、超過量が動作空気流量の１０％未満である。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムは蓄熱／熱交換器（２５）をさらに含み、蓄熱／熱交換器（２５）は管路（２６，２７）を介して太陽集熱器に連通して担熱循環回路を形成する。蓄熱／熱交換器（２）、蓄熱／熱交換器（２５）、低圧膨張機、及び高圧膨張機は管路（２０，２１，２２）を介してこの順に接続され、仕事回路を形成する。そのプロセスが以下の通りである。蓄熱／熱交換器（２）を出た超臨界空気は蓄熱／熱交換器（２５）において高温まで加熱された後、管路（２０）を介して高圧膨張機に入って膨張して仕事し、高圧膨張機の出口空気はさらに管路（２１）、蓄熱／熱交換器（２）、蓄熱／熱交換器（２５）、及び管路（２２）をこの順に通過して段間加熱昇温を完成した後、低圧膨張機に入って膨張して仕事する。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの前記蓄熱／熱交換器の蓄熱形式は、顕熱、潜熱及び化学反応熱のうちの１種以上である。採用する蓄熱媒体は、水、パラフィン、生物質油、無機類結晶水和塩、溶融塩、金属及びその合金、有機類脂肪酸、石、岩石、及びコンクリートのうちの１種以上であり、蓄熱媒体が断熱容器に貯蔵される。蓄熱／熱交換器（２）は蓄エネルギーする時、圧縮機からの圧縮熱を回収するとともに蓄積し、エネルギー放出の時、各段膨張機に入る前の圧縮空気を加熱する。同時に、エネルギー放出の時、管路（２３）を介して余熱、廃熱を送入することにより、蓄熱／熱交換器（２）に熱量を補充する。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの前記蓄冷／熱交換器は、顕熱蓄冷及び固液相変蓄冷のうちの１種又はその組合せによって超臨界空気を８１Ｋ〜１５０Ｋ（Ｋは熱力学温度の単位である）に冷却する。採用する顕熱蓄冷媒体は、密封アイスボール、砂粒、コンクリート、アルミニウムストリップ及び他の金属物質のうちの１種以上である；固液相変蓄冷媒体は、固液相変温度が８１Ｋ〜２７３Ｋであるアンモニア及びその水溶液、塩類水溶液、アルカン類、オレフィン類物質及びその化合物、アルコール類及びその水溶液のうちの１種以上であり、蓄冷媒体が断熱容器に貯蔵される。
超臨界空気又は液体空気は蓄冷／熱交換器において、蓄冷媒体と直接接触熱交換或いは非直接接触熱交換する。エネルギーを蓄積する時、蓄冷／熱交換器は超臨界空気を冷却し、エネルギー放出の時、蓄冷／熱交換器は高圧液体空気の昇温過程において放出された冷量を回収するとともに蓄積する。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの前記蓄冷／熱交換器は低温冷量が不足である場合、低温ターボ膨張機又はスロットル装置を加えることにより冷量補充を提供する；同時に、低温圧縮空気はスロットルを通過した後にその大部分が液化され、液化されていない小部分の低温空気が冷量補償を提供する。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの前記低温貯蔵タンクはデュアー瓶又は低温貯蔵槽であり、その中の液体空気が常圧又は加圧状態で貯蔵される。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの前記低温ポンプは往復式、遠心式又は混合式であり、液体空気を３．８ＭＰａ〜３４ＭＰａに増圧する；多数である場合、多段直列連結又は並列連結である。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムは空気分離製品を生産するとき、蓄冷／熱交換器と低温貯蔵タンクとの間の管路（３２，３３）に空気分離装置が設けられ、空気分離装置の底部に管路（２９）が設けられる。そのプロセスが以下の通りである。蓄冷／熱交換器において一定の温度まで冷却された低温流体は空気分離設備に入った後、分離された気体製品は管路（２９）を介して引き出され、純化された液体製品は管路（３３）を介して低温貯蔵タンクに送られて貯蔵される。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムは低圧膨張機排気を空調、冷房に用いるとき、低圧膨張機の入口温度と膨張比を調整することにより、低圧膨張機出口気体（Ｂ）の温度を制御する。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムはエネルギーを蓄積する時、第一段圧縮機の入気量を制御することにより蓄エネルギー能力を調整する。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムが前記第一段圧縮機の入気量を制御することは、圧縮機負荷を調整すること、一部の圧縮機を開閉すること、或いは圧縮比を調整することにより入気量の制御を実現する。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムはエネルギー放出のとき、液体空気の気化量を制御することにより発電能力を調整する。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムは、余熱、廃熱又は太陽集熱を蓄熱／熱交換器（２，２５）に蓄積することにより超臨界空気を加熱する、或いは、余熱／廃熱熱交換器によって超臨界空気を直接に加熱することにより、膨張機に入る前の超臨界空気の温度を向上させる。
前記超臨界空気蓄エネルギーシステムの前記余熱、廃熱は発電所、セメント業界、鉄鋼冶金業界、化工業界の余熱、廃熱である。余熱、廃熱は蓄熱／熱交換器（２）に蓄積され、太陽集熱は蓄熱／熱交換器（２５）に蓄積される。
本発明の利点は、エネルギー密度が高く、蓄エネルギー効率が高く、蓄エネルギー周期が制限されず、各種類型の発電所に適用し、広大な使用将来性を有することにある。大きい貯蔵装置を必要とせず、環境に優しく、廃熱を回収することができ、土地及び資源の使用効率を向上させている。
本発明による超臨界空気蓄エネルギーシステムは、発電所のオフピーク（安価）電気エネルギーを用いて空気を超臨界状態に圧縮する（同時に圧縮熱を蓄積する）とともに、蓄積された冷エネルギーを用いて超臨界空気を冷却液化して貯蔵する（蓄エネルギー）。電力使用のピーク時に、液体空気は加圧されて超臨界状態になるまで吸熱する（同時に液体空気中の冷エネルギーは回収されて蓄積される）とともに、さらに蓄積された圧縮熱を吸収した後に膨張機を介して発電機を駆動して発電する（エネルギー放出）。この過程において、発電所の廃熱の一部は回収されてシステム効率を高めることができる。空気の超臨界状態における特別な性質により、本発明による超臨界空気蓄エネルギーシステムは以下の潜在利点を有する。
エネルギー密度が高い。すなわち、超臨界空気及び液体空気は高い密度を有する（常圧における液体空気と気体空気との密度比が約８００：１である）ため、同じ条件におけるエネルギー密度が圧縮空気蓄エネルギーシステムより１オーダー以上、揚水発電所（５００ｍ落差）より２オーダー以上高いことができる。
大きい貯蔵装置を必要としない。すなわち、エネルギー密度が高いため、空気貯蔵タンクの体積は大いに縮小されている。したがって、投資を大幅に節約し、建設周期を短縮することができる。さらに重要なことに、地理的条件に制限されず、伝統的圧縮空気蓄エネルギーシステムの主な欠点を解決することができる。
蓄エネルギー効率が高い。すなわち、必要な蓄熱、蓄冷設備を採用するため、システムの効率は伝統的圧縮空気蓄エネルギーシステムよりさらに高くなることができ、初歩的な推定により、６５％以上に達することができる。
蓄エネルギー周期が制限されない。すなわち、現在の常規工業用低温貯蔵タンク（デュアー瓶）は液体空気を大規模で長期間にわたって保存することができ、毎日の損失率が０．００５未満に達することができる。
各種類型の発電所に適用する。すなわち、当該蓄エネルギーシステムは発電所システムと電気エネルギーのみを交換し、発電所の内部プロセスにかかわらないため、各種類型の発電所に適用することができる。
環境にやさしい。すなわち、当該蓄エネルギーシステムは化石燃料の燃焼にかかわらず、如何なる有害物質も排出しない；それだけではなく、超臨界空気は冷却過程において、その中の例えばＣＯ２、ＳＯｘ、ＮＯｘなどの有害物質を除去しやすく、大気の品質を改善することができる。
廃熱回収：発電所及び他の工業部門、たとえばセメント業界、鉄鋼冶金業界、化工業界などに結合することにより、エネルギを蓄積するとともに各種の廃熱を効率よく回収することができる。
本発明による超臨界空気蓄エネルギーシステムの実施例１の構造模式図である。 本発明による超臨界空気蓄エネルギーシステムの実施例２の構造模式図である。 本発明による超臨界空気蓄エネルギーシステムの実施例３の構造模式図である。 本発明による超臨界空気蓄エネルギーシステムの実施例４の構造模式図である。
図１は、本発明による超臨界空気蓄エネルギーシステムの実施例１を示す。図中、低圧圧縮機１、蓄熱／熱交換器２、高圧圧縮機３、蓄冷／熱交換器４、スロットル５、低温貯蔵タンク６、バルブ７、低温ポンプ８、高圧膨張機９、低圧膨張機１０、発電機１１、駆動電機１２、管路１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，３０，３１、空気Ａを示す。
駆動電機１２は圧縮機１，３の共有伝動軸に固接し、発電機１１は膨張機９，１０の共有伝動軸に固接する。低圧圧縮機１は管路１３を介して、高圧圧縮機３は管路１４，１５を介して蓄熱／熱交換器２にそれぞれ連通する。低圧圧縮機１の入口は空気Ａに接する。蓄熱／熱交換器２、蓄冷／熱交換器４及び低温貯蔵タンク６は管路１６，１７，１８，１９，３０を介してこの順に連通する。管路３０にはスロットル５が設けられ、管路３１にはバルブ７、低温ポンプ８が設けられ、バルブ７が低温ポンプ８の上流に位置する。蓄熱／熱交換器２は管路２０，２１，２２を介して高圧膨張機９、低圧膨張機１０のそれぞれに連通する。低圧膨張機１０の気体出口は大気に連通する。
蓄熱／熱交換器２は管路２３を介して外部熱源に連通する。蓄冷／熱交換器４の底端にはスラグ排出管路２４が設けられている。
蓄エネルギーするとき、オフピーク（安価）電気は電機１２を駆動して圧縮機セットを回転させ、浄化（図示せず）後の空気Ａは低圧圧縮機１に入って圧縮され、出口空気は管路１３を介して蓄熱／熱交換器２に入り、蓄熱媒体と熱交換して圧縮熱を蓄積し、冷却後の空気は管路１４を介して高圧圧縮機３に入って超臨界状態になるまで圧縮され、管路１５を介して超臨界空気をさらに蓄熱／熱交換器２に送って圧縮熱を蓄積し、一定の温度まで冷却された超臨界空気は管路１６を介して蓄冷／熱交換器４に入り、蓄冷媒体により更なる低温まで冷却される。蓄冷／熱交換器４を出た低温高圧空気はスロトッル５を流れた後に、その大部分が液化され、液体空気は管路３０を介して低温貯蔵タンク６に貯蔵され、液化されなかった小部分の低温空気は管路１７を介して蓄冷／熱交換器4に還流されて冷量を回収する。エネルギー放出の時に、バルブ７が開かれ、低温貯蔵タンク６からの液体空気は低温ポンプ８によって一定の圧力まで増圧された後に、管路１８を介して蓄冷／熱交換器４に送られて蓄冷媒体と熱交換して気化するとともに冷量を回収し、蓄冷／熱交換器４を出た超臨界空気は管路１９を介して蓄熱／熱交換器２に入ってさらに昇温し、温度の上昇された超臨界空気は管路２０を介して高圧膨張機９に注入されて膨張して仕事し、出口空気はさらに管路２１、蓄熱／熱交換器２、及び管路２２をこの順に通過して段間加熱昇温を完成した後に、低圧膨張機１０に入って膨張して仕事する。
普通、蓄エネルギーとエネルギー放出の過程は同時に運転しない。蓄エネルギーするとき、圧縮機セットは動作し、膨張機セット、低温ポンプ８は停止し、バルブ７は閉じ、蓄熱／熱交換器２は圧縮熱を回収、蓄積するとともに動作気体を冷却し、蓄冷／熱交換器４は放冷して超臨界空気を低温まで冷却する。エネルギー放出の時は逆に、圧縮機セットは停止し、膨張機セット、低温ポンプ８は動作し、バルブ７は開き、蓄冷／熱交換器４は冷量を回収、蓄積し、同時に高圧液体空気が超臨界状態まで昇温し、蓄熱／熱交換器２は圧縮熱を放出して超臨界空気の温度をさらに高める。また、外部の熱量はいつでも管路２３を介して蓄熱／熱交換器２に入って蓄積されることができる；超臨界空気は蓄冷／熱交換器４に入って冷却され、この過程において分離された不純物及び汚染物は管路２４を介して排出される。
図２は、本発明による超臨界空気蓄エネルギーシステムが太陽エネルギー熱発電に結合した実施例２を示す。その主体構造は実施例１と同じであり、さらに太陽集熱器との接続部分を追加している。図中、低圧圧縮機１、蓄熱／熱交換器２、高圧圧縮機３、蓄冷／熱交換器４、スロットル５、低温貯蔵タンク６、バルブ７、低温ポンプ８、高圧膨張機９、低圧膨張機１０、発電機１１、駆動電機１２、管路１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２４，２６，２７，３０，３１、高温蓄熱／熱交換器２５、空気Ａを示す。
太陽集熱器からの高温流体は管路２６を介して高温蓄熱／熱交換器２５に入り、高温流体は放熱して温度が下がった後に、管路２７を介して太陽集熱器に還流して吸熱することにより、担熱循環を実現する。蓄熱／熱交換器２を出た超臨界空気は高温蓄熱／熱交換器２５において高温まで加熱された後、管路２０を介して高圧膨張機９に入って膨張して仕事し、高圧膨張機９の出口空気はさらに管路２１、蓄熱／熱交換器２、高温蓄熱／熱交換器２５、及び管路２２をこの順に通過して段間加熱昇温を完成した後、低圧膨張機１０に入って膨張して仕事する。
図３は図１の改善型実施例３であり、その主体構造が実施例１と同じであり、さらに空気分離設備（スロットル５は空気分離設備中に集積されている）を追加している。図中、低圧圧縮機１、蓄熱／熱交換器２、高圧圧縮機３、蓄冷／熱交換器４、低温貯蔵タンク６、バルブ７、低温ポンプ８、高圧膨張機９、低圧膨張機１０、発電機１１、駆動電機１２、空気分離設備２８、管路１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２９，３１，３２，３３、空気Ａ、出口気体Ｂを示す。
蓄冷／熱交換器４において一定の温度まで冷却された低温流体は空気分離設備２８に入り、気体製品である酸素ガス（Ｏ２）、アルゴン（Ａｒ）などは管路２９を介して引き出され、純化された液体窒素は管路３３を介して低温貯蔵タンク６に送られて貯蔵される。また、低圧膨張機１０の入口温度及び膨張比を調整することにより、低圧膨張機１０の出口気体Ｂの温度を制御し、それを空調、冷房などの異なる用途に応用可能であるようにする。
図４は、本発明による超臨界空気蓄エネルギーシステムが風力発電所に結合した改善型実施例４を示す。その主体構造は実施例１と同じであるが、駆動電機を削減した。図中、低圧圧縮機１、蓄熱／熱交換器２、高圧圧縮機３、蓄冷／熱交換器４、スロットル５、低温貯蔵タンク６、バルブ７、低温ポンプ８、高圧膨張機９、低圧膨張機１０、発電機１１、管路１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，３０，３１、空気Ａ、オフピーク電力Ｃ、圧縮仕事Ｄを示す。
風力エネルギーを電気エネルギーに変換した後に圧縮機を駆動して空気を圧縮するのではなく、風力タービンからの圧縮仕事Ｄを用いて圧縮機そのものを直接に動作させる。各部分の圧縮空気はそれぞれのガス輸送管路を介して蓄熱／熱交換器２に送られて圧縮熱が貯蔵される。圧縮過程が分散的であり、圧縮熱がガス輸送過程において一部散逸するため、管路２３を用いて廃熱、余熱などの外部熱量を加える、或いはオフピーク電力Ｃで加熱することにより、蓄熱／熱交換器２に熱量補充を提供することができる。

Claims (25)

  1. 圧縮機セット、蓄熱／熱交換器、蓄冷／熱交換器、スロットル、低温貯蔵タンク、バルブ、低温ポンプ、膨張機セット、発電機、駆動ユニット及び複数の管路を含む超臨界空気蓄エネルギーシステムであって、
    圧縮機セットは少なくとも１台の低圧圧縮機と少なくとも１台の高圧圧縮機とを含み、少なくとも１台の低圧圧縮機及び少なくとも１台の高圧圧縮機が互いに直列連結又は集積して一体多段圧縮機を形成し、それぞれの低圧圧縮機の入口が空気源に接し、膨張機セットは少なくとも１台の低圧膨張機と少なくとも１台の高圧膨張機とを含み、少なくとも１台の低圧膨張機及び少なくとも１台の高圧膨張機が互いに直列連結又は集積して一体多段膨張機を形成し、それぞれの低圧膨張機の気体出口が大気に連通し、
    駆動ユニットは圧縮機セットの伝動軸に固接し、発電機は膨張機セットの伝動軸に固接し、
    低圧圧縮機は管路（１３）を介して、高圧圧縮機は管路（１４，１５）を介して蓄熱／熱交換器（２）にそれぞれ連通し；蓄熱／熱交換器（２）、蓄冷／熱交換器及び低温貯蔵タンクは管路（１６，１７，１８，１９，３０）を介してこの順に連通し、
    管路（３０）にはスロットルが設けられ、管路（３１）にはバルブ、及び少なくとも１台の低温ポンプが設けられ、バルブが低温ポンプの上流に位置し、
    蓄熱／熱交換器は管路（２０，２１，２２）を介して高圧膨張機、低圧膨張機のそれぞれに連通し、
    蓄冷／熱交換器の底端にはスラグ排出管路（２４）が設けられ、
    エネルギーを蓄積する時、低圧圧縮機と高圧圧縮機とからなる圧縮機セットを駆動ユニットによって駆動し、一定量の空気を超臨界状態になるまで圧縮し、圧縮熱を回収するとともに蓄熱／熱交換器（２）に蓄積し；超臨界空気は蓄冷／熱交換器に入って冷却され、大部分の低温圧縮空気がスロットルを通過した後に液化され、液体空気が低温貯蔵タンクに入って貯蔵され；エネルギー放出の時に、液体空気は低温ポンプによって加圧され、高圧液体空気は蓄冷／熱交換器において超臨界状態になるまで昇温するとともに冷エネルギーを回収し、超臨界空気は蓄熱／熱交換器（２）において圧縮熱を吸収してさらに昇温した後、高圧膨張機と低圧膨張機とからなる膨張機セットに入って膨張して仕事し、発電機を運転させて発電する、
    ことを特徴とする超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  2. 前記駆動ユニットは駆動電機又は風力タービンであり；前記駆動ユニットが駆動電機である場合、発電所オフピーク電力、原子力発電、風力発電、太陽エネルギー発電、水力発電及び潮流発電のうちの1種以上を電源とする、ことを特徴とする請求項1に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  3. 蓄エネルギー過程は電力使用オフピーク時、再生可能エネルギー電力制限時、或いは電気エネルギーの品質が配電網用電力の要求を満たさない時に開始され、エネルギー放出過程は電力使用ピーク時、電力事故時、再生可能エネルギー発電が大幅に変動する時に開始される、ことを特徴とする請求項1に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  4. 前記蓄熱／熱交換器（２）には、外部熱源に連通する管路（２３）がさらに設けられている、ことを特徴とする請求項1に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  5. 空気圧縮、冷却過程には、空気中の固体物及び不純物ガスを除去するための空気浄化及び純化がさらに含まれ、空気浄化及び純化設備が圧縮機セット及び蓄冷／熱交換器中に集積される、ことを特徴とする請求項1に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  6. 空気圧縮、冷却、液化設備の正常動作及び液体空気の生産高に対する原料空気中のＣＯ２、水蒸気及びアルゴンの影響が小さい場合、前記空気純化設備は濾過装置である、ことを特徴とする請求項５に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  7. 前記圧縮機セットの総圧縮比は３８〜３４０であり；前記圧縮機セットが多数の圧縮機である場合、多数の圧縮機は同軸直列連結形式又は分軸並列連結形式であり；多数の圧縮機の並列連結形式において、各分軸は主駆動軸に動的に接続し；各段圧縮機の排気はいずれも蓄熱／熱交換器（２）を通過する、ことを特徴とする請求項１に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  8. 前記膨張機セットの総膨張比は３８〜３４０であり、末段膨張機の排気が常圧に近く、前記膨張機セットが多数の膨張機である場合、多数の膨張機は同軸直列連結形式又は分軸並列連結形式であり、多数の膨張機の並列連結形式において、各分軸は主駆動軸に動的に接続し、各段膨張機の入気はいずれもまず蓄熱／熱交換器を通過して加熱昇温される、ことを特徴とする請求項1に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  9. 前記圧縮機はピストン式、軸流式、遠心式、スクリュー式又は混合式である、ことを特徴とする請求項１又は７に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  10. 前記膨張機はピストン式、軸流式、向心式、スクリュー式又は混合式である、ことを特徴とする請求項１又は８に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  11. 前記圧縮機セットが多数の圧縮機であり、前記膨張機セットが多数の膨張機である場合、多数の圧縮機、多数の膨張機は一本又は複数本の駆動軸上に分布される、ことを特徴とする請求項７又は８に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  12. 圧縮空気の流量は動作空気の流量より大きく、超過量が動作空気流量の１０％未満である、ことを特徴とする請求項１に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  13. 蓄熱／熱交換器（２５）をさらに含み、蓄熱／熱交換器（２５）は管路（２６，２７）を介して太陽集熱器に連通して担熱循環回路を形成し、
    蓄熱／熱交換器（２）、蓄熱／熱交換器（２５）、低圧膨張機、及び高圧膨張機は管路（２０，２１，２２）を介してこの順に接続され、仕事回路を形成し、
    蓄熱／熱交換器（２）を出た超臨界空気は蓄熱／熱交換器（２５）において高温まで加熱された後、管路（２０）を介して高圧膨張機に入って膨張して仕事し、高圧膨張機の出口空気はさらに管路（２１）、蓄熱／熱交換器（２）、蓄熱／熱交換器（２５）、及び管路（２２）をこの順に通過して段間加熱昇温を完成した後、低圧膨張機に入って膨張して仕事する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  14. 前記蓄熱／熱交換器の蓄熱形式は、顕熱、潜熱及び化学反応熱のうちの１種以上であり、
    採用する蓄熱媒体は、水、パラフィン、生物質油、無機類結晶水和塩、溶融塩、金属及びその合金、有機類脂肪酸、石、岩石、及びコンクリートのうちの１種以上であり、蓄熱媒体が断熱容器に貯蔵され、
    蓄熱／熱交換器（２）はエネルギーを蓄積する時、圧縮機からの圧縮熱を回収するとともに蓄積し、エネルギー放出の時、蓄熱／熱交換器（２）は各段膨張機に入る前の圧縮空気を加熱し、
    同時に、エネルギー放出の時、管路（２３）を介して余熱、廃熱を送入することにより、蓄熱／熱交換器（２）に熱量を補充する、
    ことを特徴とする請求項１、４又は１３に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  15. 前記蓄冷／熱交換器は、顕熱蓄冷及び固液相変蓄冷のうちの１種又はその組合せによって超臨界空気を８１Ｋ〜１５０Ｋに冷却し、
    採用する顕熱蓄冷媒体は、密封アイスボール、砂粒、コンクリート、アルミニウムストリップ及び他の金属物質のうちの１種以上であり、採用する固液相変蓄冷媒体は、固液相変温度が８１Ｋ〜２７３Ｋであるアンモニア及びその水溶液、塩類水溶液、アルカン類、オレフィン類物質及びその化合物、アルコール類及びその水溶液のうちの１種以上であり、蓄冷媒体が断熱容器に貯蔵され、
    超臨界空気又は液体空気は蓄冷／熱交換器において、蓄冷媒体と直接接触熱交換或いは非直接接触熱交換し、
    エネルギーを蓄積する時、蓄冷／熱交換器は超臨界空気を冷却し、エネルギー放出の時、蓄冷／熱交換器は高圧液体空気の昇温過程において放出された冷量を回収するとともに蓄積する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  16. 前記蓄冷／熱交換器は低温冷量が不足である場合、低温ターボ膨張機又はスロットル装置を加えることにより冷量補充を提供し、同時に、低温圧縮空気はスロットルを通過した後にその大部分が液化され、液化されていない小部分の低温空気が冷量補償を提供する、ことを特徴とする請求項１又は１５に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  17. 前記低温貯蔵タンクはデュアー瓶又は低温貯蔵槽であり、その中の液体空気が常圧又は加圧状態で貯蔵される、ことを特徴とする請求項１に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  18. 前記低温ポンプは往復式、遠心式又は混合式であり、液体空気を３．８ＭＰａ〜３４ＭＰａに増圧し、低温ポンプが多数である場合、多数の低温ポンプは多段直列連結又は並列連結である、ことを特徴とする請求項１に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  19. 空気分離製品を生産するとき、蓄冷／熱交換器と低温貯蔵タンクとの間の管路（３２，３３）に空気分離装置が設けられ、空気分離装置の底部に管路（２９）が設けられ、
    蓄冷／熱交換器において一定の温度まで冷却された低温流体は空気分離設備に入った後、分離された気体製品は管路（２９）を介して引き出され、純化された液体製品は管路（３３）を介して低温貯蔵タンクに送られて貯蔵される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  20. 低圧膨張機排気を空調、冷房に用いるとき、低圧膨張機の入口温度と膨張比を調整することにより低圧膨張機出口気体（Ｂ）の温度を制御する、ことを特徴とする請求項１又は１９に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  21. エネルギーを蓄積する時、第一段圧縮機の入気量を制御することにより蓄エネルギー能力を調整する、ことを特徴とする請求項１に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  22. 前記第一段圧縮機の入気量を制御することは、圧縮機負荷を調整すること、一部の圧縮機を開閉すること、或いは圧縮比を調整することにより実現される、ことを特徴とする請求項２１に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  23. エネルギー放出の時、液体空気の気化量を制御することにより発電能力を調整する、ことを特徴とする請求項１に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  24. 余熱、廃熱又は太陽集熱を蓄熱／熱交換器（２，２５）に蓄積することにより超臨界空気を加熱する、或いは、余熱／廃熱熱交換器によって超臨界空気を直接に加熱することにより、膨張機に入る前の超臨界空気の温度を向上させる、ことを特徴とする請求項１に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
  25. 前記余熱、廃熱は発電所、セメント業界、鉄鋼冶金業界、化工業界の余熱、廃熱であり、余熱、廃熱は蓄熱／熱交換器（２）に蓄積され、太陽集熱は蓄熱／熱交換器（２５）に蓄積される、ことを特徴とする請求項２４に記載の超臨界空気蓄エネルギーシステム。
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