JP2016034211A - 圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長周期と短周期の変動電力の両方を平準化して電力需要に応じた電力を出力する圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。【解決手段】圧縮空気貯蔵発電装置１は、モータ３ａ〜３ｃ、圧縮機４ａ〜４ｃ、圧縮空気貯蔵用のタンク５ａ〜５ｃ、注入側弁６ａ〜６ｅ、膨張機７ａ〜７ｃ、排出側弁８ａ〜８ｅ、発電機９ａ〜９ｃ、出力センサ１０、圧力センサ１１ａ〜１１ｃ、及び制御装置１２を備える。制御装置１２は、自然エネルギーを用いて発電した電力のうち、長周期の変動電力には相対的に大容量のタンク５ｃを使用し、短周期の変動電力には相対的に小容量のタンク５ａ，５ｂを使用することで、長周期及び短周期の変動電力の両方を平準化して電力需要に応じた電力を出力する制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法に関する。

風力発電や太陽光発電などの自然エネルギーを利用した発電は、気象条件に依存するため、出力が安定しないことがある。このため、ＣＡＥＳ（compressed air energy storage）システム等のエネルギー貯蔵システムを使用して出力を平準化する必要がある。

従来の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置は、電力プラントのオフピーク時間中に電気エネルギーを圧縮空気として貯蔵し、高電力需要時間中に圧縮空気により膨張機を駆動して発電機を作動させて電気エネルギーを生成するのが一般的である。

このような自然エネルギーを利用したＣＡＥＳ発電装置としては、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。

特許文献１には、風力を利用したＣＡＥＳ発電装置が開示されている。

特許文献２には、太陽光を利用したＣＡＥＳ発電装置が開示されている。

自然エネルギーを利用した発電には、長周期と短周期の出力変動がある。長周期・短周期を分ける明確な定義は無いが、長周期は数時間から数日程度の変動である。一方、短周期は数分から１時間未満程度の変動である。例えば、太陽光を利用した発電の場合、長周期の出力変動要因は日中と夜間の違いである。短周期の出力変動要因は一時的に太陽が雲に隠れる場合である。一方、風力を利用した発電の場合、長周期の出力変動は強風や無風による発電停止の場合であり、短周期の出力変動は風速の変動による場合である。

特許文献１及び特許文献２に開示されたものを含む従来の自然エネルギー利用のＣＡＥＳ発電装置は、大容量の圧縮空気貯蔵用タンクを備え、電力需要が小さいときに圧縮空気を蓄え、電力需要が大きいときに蓄えた圧縮空気によって発電するものである。しかし、大容量のタンクは、起動時に圧縮開始から発電に適した圧力になるまで昇圧するのに長時間を要するので、短周期の出力変動の平準化には適さない。

特表２００５−５３００７４号公報 特開平７−３１７６４９号公報

本発明は、長周期と短周期の両方の変動電力に対応できるＣＡＥＳ発電装置を提供することを課題とする。

本発明の好ましい態様は、自然エネルギーを用いて発電した電力により駆動される、互いに電気的に並列に接続された複数のモータと、このモータと機械的に接続され、空気を圧縮する複数の圧縮機と、この圧縮機により圧縮された空気を貯蔵する、少なくとも２つの容量の異なるタンクと、このタンクから供給される圧縮空気によって駆動される複数の膨張機と、この膨張機と機械的に接続され、互いに電気的に並列に接続された複数の発電機と、自然エネルギーによる発電電力のうち、長周期の変動電力には相対的に大容量のタンクを使用し、短周期の変動電力には相対的に小容量のタンクを使用することによって、長周期及び短周期の変動電力の両方を平準化して電力需要に応じた電力を出力する制御を行う制御手段とを備える圧縮空気貯蔵発電装置である。

この圧縮空気貯蔵発電装置は、長周期と短周期の各変動電力に対して、容量の異なるタンクをそれぞれ使用している。このため、長周期と短周期の変動電力の両方をそれぞれ平準化して、電力需要に応じた電力を出力できる。特に、短周期の変動電力に対して追従性の良い平準化が可能である。ここで、追従性が良いとは、目標出力になるまでの時間遅れが少ないことを示す。

以下に本発明の他の好ましい態様を順に説明する。少なくとも２つの容量の異なるタンクのうち、相対的に小容量のタンクは、１時間未満持続して発電できる容量であることが好ましい。また、相対的に大容量のタンクは、１時間以上持続して発電できる容量であることが好ましい。

この圧縮空気貯蔵発電装置によれば、大容量と小容量に分けたため、各タンクが長周期対応と短周期対応に適正な容量であることで、必要以上に大きなタンクを要せず、必要に足りずタンクが空になることを防止できる。また、小容量タンクは発電に適した圧力になるまで昇圧するのにかかる時間が短く、常に高めの圧力に維持しておくことが容易なので、特に短周期変動への応答性がよい。

制御手段は、長周期の変動電力に対しては長周期需要曲線に基づいて、及び、短周期の変動電力に対しては短周期基準曲線に基づいて、長周期及び短周期の各変動電力をそれぞれ平準化して電力需要に応じた制御を行うことが好ましい。

この圧縮空気貯蔵発電装置によれば、長周期と短周期の変動電力の両方に対して平準化の目標曲線をそれぞれ設定しているため、長周期と短周期の変動電力の両方を平準化して、効率的に電力需要に応じた制御を行うことができる。このことは、長周期用の大容量タンクと短周期用の小容量タンクを設けていることと相まって、より一層効率的な制御ができる。

さらに、相対的に小容量のタンクに接続される圧縮機及び発電機は、共にスクリュ式であることが好ましい。また、相対的に大容量のタンクに接続される圧縮機及び膨張機も、共にスクリュ式であることが好ましい。

この圧縮空気貯蔵発電装置によれば、ターボ式ではなくスクリュ式の圧縮機及び発電機を採用することで、回転数制御を行うことができる。また、ターボ式に比べて小流量（低回転数）でも効率が落ちないので制御範囲を拡張できる。

さらに、相対的に大容量のタンクに接続される圧縮機及び膨張機の少なくとも１つが、ターボ式であり、相対的に小容量のタンクに接続される圧縮機及び膨張機が、共にスクリュ式であってもよい。

この圧縮空気貯蔵発電装置によれば、既設のＣＡＥＳ設備に小容量のスクリュ式の圧縮機と膨張機を追加して設置することができる。既設のＣＡＥＳ設備は一般にターボ式であり、この既設の設備をそのまま利用できる。また、新設する場合であっても、大容量タンクに接続される圧縮機及び膨張機は長周期変動に対応することを主目的としているので、ターボ式でも対応することができる。

短周期の変動電力には小型の圧縮機及び膨張機を少なくとも使用し、長周期の変動電力には大型の圧縮機及び膨張機を少なくとも使用することが好ましい。

この圧縮空気貯蔵発電装置によれば、小型の圧縮機及び発電機の方が入力に対する応答性が良いので、短周期変動に対する追従性が向上する。長周期変動に対しては短周期変動と比較して高精度の追従性を要求されないため、タンク容量に応じた大型の圧縮機及び発電機を利用できる。また、一般的に大型の圧縮機・発電機の方が効率良いので、長周期変動への対応に適している。

タンクの入口に圧縮機で圧縮されて温度上昇した空気を熱媒と熱交換する入口側熱交換器を設け、入口側熱交換器で熱交換された熱媒を蓄える蓄熱部を設け、タンクの出口にタンクから吐出された空気を蓄熱部から吐出された熱媒と熱交換して加熱する出口側熱交換器を設けることが好ましい。

この圧縮空気貯蔵発電装置によれば、圧縮機で発生する熱を回収し、膨張直前の空気に戻すことで充放電効率を向上できる。通常のＣＡＥＳシステムでは、圧縮機で発生した熱は、圧縮空気と共にタンク内へ供給される。そして、タンクから熱が大気へ放出され、エネルギー損失が生じる。これを防止するために、タンクに圧縮空気が供給される前に、予め熱回収し、タンクの圧縮空気の温度を大気温度に近づける。このようにして、タンクにおける熱放出によるエネルギー損失を防止できる。

発電機の出力部にこの発電機とは別の外部発電機を設け、自然エネルギーを用いて発電した電力が過度に不安定な場合や過小の場合に発電するようにしてもよい。

この圧縮空気貯蔵発電装置によれば、別の発電システムを有するため、自然エネルギーを用いた発電装置の出力が、故障や長期間停止など想定外に不安定な場合にも発電出力を確実に維持できる。

相対的に大容量のタンクに鉱山の坑道または地下空洞を使用してもよい。

密閉性のよい坑道であればタンクとして使用でき、設備コストが極めて低減される。一般に、ＣＡＥＳ設備の製造にあたり、コストの主要な要因は大容量のタンクの製造であることが多い。従って、大容量のタンクに代替するものとして密閉性のよい坑道や地下空洞を使用することで大幅にコストを低減できる。大容量のタンクに限らず、小容量のタンクとして休鉱山の坑道や地下空洞を使用する場合でも同様にコスト低減には有効である。また、長年に亘って適切な維持管理を必要とする坑道（又は廃坑道）を有効利用できる。

制御手段は、圧縮機からいずれのタンクに圧縮空気を供給するか切り替える注入側弁と、タンクからいずれの膨張機に圧縮空気を供給するか切り替える排出側弁と、自然エネルギーの発電出力を測定する出力センサと、タンク内の圧力を測定する圧力センサと、制御装置とを含み、制御装置は、出力センサ及び圧力センサの測定値に基づいて注入側弁及び排出側弁を開閉してもよい。

本発明の他の態様は、自然エネルギーを用いて発電した電力により駆動される、互いに電気的に並列に接続された複数のモータと、このモータと機械的に接続され、空気を圧縮する複数の圧縮機と、この圧縮機により圧縮された空気を貯蔵する、少なくとも２つの容量の異なるタンクと、このタンクから供給される圧縮空気によって駆動される複数の膨張機と、この膨張機と機械的に接続され、互いに電気的に並列に接続された複数の発電機とを備えた圧縮空気貯蔵発電装置の圧縮空気貯蔵発電方法であって、自然エネルギーによる発電電力のうち、長周期の変動電力には相対的に大容量のタンクを使用し、短周期の変動電力には相対的に小容量のタンクを使用し、長周期及び短周期の変動電力の両方を平準化して電力需要に応じた電力を出力する制御を行う、圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。

本発明によれば、長周期と短周期の各変動電力に対して容量の異なるタンクをそれぞれ使用しているため、長周期と短周期の変動電力の両方を効率的に平準化して電力需要に応じた電力を出力することができる。

第１実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の概略構成図。 図１の風力発電装置の１日の電力推移（自然エネルギーによる変動出力）、及び、短周期と長周期の変動電力に対する各平準化目標曲線。 図１の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の長周期変動に対する制御方法を示すフローチャート。 図１の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の短周期変動に対する制御方法を示すフローチャート。 第１実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の変形例を示す概略構成図。 図４とは異なる場合の図１の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の短周期変動に対する制御方法を示すフローチャート。 図６Ａに関する４つのサブフローチャート。 第２実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の概略構成図。 第３実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の概略構成図。 第４実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の概略構成図。 第５実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の概略構成図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置１の概要ブロック図を示している。このＣＡＥＳ発電装置１は、自然エネルギーを利用して発電する場合の出力変動を平準化するとともに、電力需要の変動に合わせた出力を行うためのものである。

図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置１の構成を説明する。

ＣＡＥＳ発電装置１は、風力発電装置２（この第１実施形態では２台の風車を備えた発電設備）の出力変動を平準化する。ＣＡＥＳ発電装置１は、モータ３ａ〜３ｃ、圧縮機４ａ〜４ｃ、圧縮空気貯蔵用のタンク５ａ〜５ｃ、注入側弁６ａ〜６ｅ、膨張機７ａ〜７ｃ、排出側弁８ａ〜８ｅ、発電機９ａ〜９ｃ、出力センサ１０、圧力センサ１１ａ〜１１ｃ、及び制御装置１２を備える。制御手段２２は、注入側弁６ａ〜６ｅ、排出側弁８ａ〜８ｅ、出力センサ１０、圧力センサ１１ａ〜１１ｃ、及び制御装置１２を備える。

風力発電装置２により発電された電力は、互いに電気的に並列に接続されたモータ３ａ〜３ｃに供給される。この電力によりモータ３ａ〜３ｃが駆動される。モータ３ａ〜３ｃは、圧縮機４ａ〜４ｃに機械的にそれぞれ接続されている。圧縮機４ａ〜４ｃは、モータ３ａ〜３ｃを駆動させることでそれぞれ作動する。圧縮機４ａ〜４ｃは、吸引した空気を圧縮し、タンク５ａ〜５ｃへ圧送する。これにより、タンク５ａ〜５ｃに圧縮空気としてエネルギーを蓄積できる。

本実施形態では、３基のタンク５ａ〜５ｃが設けられている。相対的に小容量のタンク（小容量タンク）５ａ，５ｂが２基、及び相対的に大容量のタンク（大容量タンク）５ｃが１基である。小容量タンク５ａ，５ｂは、５分から２０分程度（１時間未満）持続して空気を貯蔵又は発電できる容量である。大容量タンク５ｃは、１〜８時間程度（１時間以上）持続して空気を貯蔵又は発電できる容量である。風力や太陽光を用いて発電される変動電力に対応するには、小容量タンクと大容量タンクの閾値を１時間程度に設定するのが望ましい。小容量タンク５ａ，５ｂには、空気供給路を介してモータ３ａ，３ｂ及び圧縮機４ａ，４ｂがそれぞれ１つずつ接続されている。大容量タンク５ｃには、全てのモータ３ａ〜３ｃ及び圧縮機４ａ〜４ｃが空気供給路を介して接続されている。本発明に係るＣＡＥＳ発電装置１では、少なくとも２基の容量の異なるタンク５ａ〜５ｃが、設けられていればよい。従って、例えば小容量タンク５ａ，５ｂは、１基であってもよいし、又は３基以上であってもよい。大容量タンク５ｃは、２基以上であってもよい。このように、小容量タンク５ａ，５ｂ及び大容量タンク５ｃの数について、少なくとも各１基設けられていればよく、特にその数を限定しないことは後述する第２から第５実施形態においても同様である。また、小容量タンクと大容量タンクの容量についても明確な区切りがある訳ではなく、相対的に大容量なタンクと小容量なタンクがあればよい。さらに、小容量タンク５ａ，５ｂは同容量である必要はなく、後述するようにタンク５ａを優先的に制御する場合は、タンク５ａをタンク５ｂより小容量のものとすることもできる。

大容量タンク５ｃには、岩塩層空洞、休鉱山の坑道、下水配管・縦孔などの地下空洞や、水中に沈めた袋状の容器を使用してもよい。密閉性のよい坑道であればタンク５ａ〜５ｃとして利用でき、設備コストが極めて低減される。一般に、ＣＡＥＳ設備の製造にあたり、コスト増加の要因は大容量のタンク５ｃの製造であることが多い。従って、大容量のタンク５ｃに代替するものとして密閉性のよい坑道を使用することで、大幅に設備コストを低減できる。大容量のタンク５ｃに限らず、小容量のタンク５ａ，５ｂとして休鉱山の坑道を利用する場合でも同様にコスト低減には有効である。また、適切な維持管理に多年に亘って維持費を必要とする坑道（又は廃坑道）の有効利用策としても期待できる。

圧縮機４ａ〜４ｃとタンク５ａ〜５ｃとの間の空気供給路には、注入側弁６ａ〜６ｅが設けられている。この注入側弁６ａ〜６ｅにより、各圧縮機４ａ〜４ｃからいずれのタンク５ａ〜５ｃに圧縮空気を供給するか切り替える。

小容量タンク５ａ，５ｂは、空気供給路を介して膨張機７ａ，７ｂ及び発電機９ａ，９ｂにそれぞれ接続されている。大容量タンク５ｃは、空気供給路を介して全ての膨張機７ａ〜７ｃ及び発電機９ａ〜９ｃに接続されている。

タンク５ａ〜５ｃに蓄積された圧縮空気は、膨張機７ａ〜７ｃに供給される。この圧縮空気により膨張機７ａ〜７ｃは駆動される。タンク５ａ〜５ｃと膨張機７ａ〜７ｃとの間の空気供給路には、排出側弁８ａ〜８ｅが設けられている。この排出側弁８ａ〜８ｅにより、各タンク５ａ〜５ｃからいずれの膨張機７ａ〜７ｃに圧縮空気を供給するか切り替える。膨張機７ａ〜７ｃは、互いに電気的に並列に接続されており、発電機９ａ〜９ｃに機械的にそれぞれ接続されている。発電機９ａ〜９ｃは、膨張機７ａ〜７ｃを駆動させることで作動し、発電する。

出力センサ１０は風力発電装置２の出力を測定する。ＣＡＥＳ発電装置１の入力部分における電力等を測定してもよいし、風力発電装置２から出力信号として受け取ってもよい。圧力センサ１１ａ〜１１ｃは、タンク５ａ〜５ｃ内の圧力をそれぞれ測定する。制御装置１２は、注入側弁６ａ〜６ｅ及び排出側弁８ａ〜８ｅと電気的に接続されている。制御装置１２により、出力センサ１０及び圧力センサ１１ａ〜１１ｃの測定値に基づいて、注入側弁６ａ〜６ｅ及び排出側弁８ａ〜８ｅの開閉が制御される。

なお、風力発電装置２とモータ３ａ〜３ｃの間、及び系統とモータ９ａ〜９ｃとの間には、トランス、インバータ、継電器、遮断機等の電力機器（図示省略）が配置されている。この実施形態では圧力センサ１１ａ〜１１ｃを用いたが、タンク内の空気残量を検出することができればよく、圧力センサ以外の検出器を設けてもよい。

また、本第１実施形態における圧縮機４ａ〜４ｃ、膨張機７ａ〜７ｃは同じ容量のものを使用してもよいし、圧縮機４ｃ＞圧縮機４ｂ＞圧縮機４ａ、膨張機７ｃ＞膨張機７ｂ＞膨張機７ａの順に大きさを変えてもよい。一般的に言って、圧縮機・膨張機は、容量が小さいほど応答性がよく、容量が大きいほど効率が高い。これらの有利な点を活かすため、短周期変動への対応には、相対的に容量が小さい圧縮機・膨張機の使用が好ましく、長周期変動への対応には、相対的に容量が大きい圧縮機・膨張機の使用が好ましい。

このように、ＣＡＥＳ発電装置１は、圧縮空気によるエネルギーを利用する。従って、環境に有害な物質を排出しない点で有効である。また、エネルギーの蓄積に２次電池やキャパシタを使用していない。２次電池やキャパシタは使用に際して、不利な点がある。２次電池は廃棄コストが高く、サイクル寿命（充放電のサイクル数）が短い。種類によっては、充電率、電圧の監視、及び温度管理が必要となる。キャパシタはエネルギー密度が低く、高価である。

次に、ＣＡＥＳ発電装置１の平準化方法及びその制御方法について詳細に説明する。

図２は、風力発電装置２の出力変動の１日の推移例（自然エネルギーによる変動出力）と、平準化の目標とする２つの曲線（長周期需要曲線及び短周期基準曲線）を示している。風力発電装置２の出力変動は、出力センサ１０によって測定され、制御装置１２によって長周期変動と短周期変動とに区別して認識される。ここでは、長周期とは数時間単位の変動を示し、短周期とは数分単位の変動を示す。秒単位の変動についてはフィルタ等により除去する。短周期の変動は、主に小容量タンク５ａ，５ｂを用いて平準化する。長周期の変動に対しては、主に大容量タンク５ｃを用いて需要曲線に応じた電力を出力する。大容量タンク５ｃと比較して、小容量タンク５ａ，５ｂを利用した発電は、発電に適した圧力になるまで昇圧するのにかかる時間が短く、常に適正な圧縮空気量を蓄えた状態で発電できるので応答性がよい。従って、変動周期の長さに応じて容量の異なるタンク５ａ〜５ｃを使用することで、特に短周期変動に対して追従性よく平準化できる。

長周期変動と短周期変動のうち、まず、長周期変動に対する制御方法について説明する。

図３は、長周期変動に対する制御方法を示すフローチャートである。図３に示すように、長周期変動に対して発電を行う場合と蓄電を行う場合がある。長周期変動に対して発電を行う場合、大容量タンク５ｃの圧縮空気を利用して、膨張機７ｃを駆動して発電する。この際、排出側弁８ｃを開く。長周期変動に対して蓄電を行う場合、圧縮機４ｃを使用して大容量タンク５ｃに圧縮空気を充填する。この際、注入側弁６ｃを開く。この場合、圧縮機４ａ，４ｂは使用しなくてもよいが、急速充填をする場合には圧縮機４ａ，４ｂも使用してもよい。同様に、膨張機７ａ，７ｂは使用しなくてもよいが、放電電力を増加させる必要がある場合には膨張機７ａ，７ｂを使用してもよい。

制御装置１２は、発電と蓄電の切り替えや圧縮機・膨張機の回転数制御を行う。この切り替えの判断は、図２の長周期需要曲線に基づいて行われる。風力発電装置２の出力（出力センサ１０の測定値）が、長周期需要曲線以上である場合には蓄電を行う。一方、長周期需要曲線よりも下にある場合には発電を行う。このように、出力センサ１０の出力を、目標とする長周期需要曲線に近づけるような制御を行う。ここで、長周期需要曲線は、例えば、長年にわたって蓄積されてきた過去の電力使用量データに基づいて、当日の曜日や気象条件等によって決定する。

次に、短周期変動に対する制御方法ついて説明する。

図４は、短周期変動に対する制御方法を示すフローチャートである。長周期変動の場合と同様に、短周期変動に対して、発電を行う場合と蓄電を行う場合がある。短周期変動に対して発電を行う場合、例えば、小容量タンク５ａの圧縮空気を利用して、膨張機７ａを回転させて発電する。この際、排出側弁８ａを開き、排出側弁８ｄを閉じる。短周期変動に対して蓄電を行う場合、例えば、圧縮機４ａを使用して小容量タンク５ａに圧縮空気を充填する。この際、注入側弁６ａを開き、注入側弁６ｄを閉じる。

制御装置１２は、長周期変動に対する場合と同様に、短周期変動に対しても発電と蓄電の切り替えを行う。この切り替えの判断は、図２に破線で示される短周期基準曲線に基づいて行われる。風力発電装置２の出力（出力センサ１０の測定値）が、短周期基準曲線以上である場合に蓄電を行う。一方、短周期基準曲線よりも下にある場合には発電を行う。このように風力発電装置２の出力（出力センサ１０の測定値）が、目標とする短周期基準曲線に近づくように平準化を行う。ここで、短周期基準曲線は、例えば直前の所定時間における平均値に基づいて決定する。

圧縮機４ａ〜４ｃ及び膨張機７ａ〜７ｃには、一般に、ターボ式とスクリュ式、スクロール式及びロータリー式に代表される容積式の２つの種類がある。ここで、小容量タンク５ａ，５ｂに接続される圧縮機４ａ，４ｂと膨張機７ａ，７ｂは共に、容積式であることが好ましい。また、大容量タンク５ｃに接続される圧縮機４ｃ及び膨張機７ｃも、共に容積式が好ましい。この構成により、ターボ式ではなく容積式を採用することで回転数制御を行うことができ、安定した発電を行うことができる。また、容積式は、ターボ式に比べて小流量（低回転数）でも効率が落ちないので、タンクに蓄えられた圧縮空気量が少ない場合でも安定した発電ができ、制御範囲を拡張できる。特に、小容量タンク５ａ，５ｂに接続される圧縮機４ａ，４ｂ及び膨張機７ａ，７ｂは短周期変動を平準化するため、良好な追従性が必要であり、容積式であることが特に有効である。なお、本実施形態の場合、圧縮機４ａ〜４ｃ及び膨張機７ａ〜７ｃには、容積式の中でも比較的大容量なものに適しているスクリュ式（詳しくは、ツインスクリュ式）の圧縮機および膨張機を使用している。

上記構成以外にも、大容量タンク５ｃに接続される圧縮機４ｃ及び膨張機７ｃは、共にターボ式であり、一方、小容量タンク５ａ，５ｂに接続される圧縮機４ａ，４ｂ及び膨張機７ａ，７ｂは、共に容積式であってもよい。この構成により、既設のＣＡＥＳ設備（タンク５ｃ、圧縮機４ｃ、膨張機７ｃ）に小容量の容積式圧縮機４ａ，４ｂ、容積式膨張機７ａ，７ｂ、及びタンク５ａ，５ｂを追加して設置することができる。これには、既設のＣＡＥＳ設備は一般にターボ式であり、この既設の設備をそのまま利用できる利点がある。また、新設の場合であっても、大容量タンク５ｃに接続される圧縮機４ｃ及び膨張機７ｃは長周期変動に対応することを主目的としているので、ターボ式でも対応することができる。

短周期の変動電力に対しては小型の圧縮機４ａ，４ｂ及び膨張機７ａ，７ｂを使用し、長周期の変動電力に対しては大型の圧縮機５ｃ及び膨張機７ｃを使用することが好ましい。この構成により、小型の圧縮機４ａ，４ｂ及び膨張機７ａ，７ｂの方が入力に対する応答性が良いので、短周期変動に対する追従性が向上する。

短周期変動を平準化する場合、制御装置１２は、出力センサ１０を使用して測定する短周期の変動電力の振幅に基づいて、圧縮機４ａ，４ｂ及び膨張機７ａ，７ｂの台数制御と回転数制御を行う。ただし、回転数制御を行う場合、圧縮機４ａ，４ｂ及び膨張機７ａ，７ｂは、容積式である必要がある。例えば、台数制御に関しては、小容量タンク５ａに接続された圧縮機４ａ及び膨張機７ａを基本的に使用する。しかし、圧縮機４ａ及び膨張機７ａでは平準化しきれない程大きく短周期基準曲線から変動電力の振幅が乖離した場合は、運転台数を増加する（圧縮機４ｂ又は膨張機７ｂを合わせて使用する）。この際、圧縮機４ａ〜４ｃと膨張機７ａ〜７ｃの動作に合わせて注入側弁６ａ〜６ｅ及び排出側弁８ａ〜８ｅを制御する。特に急激な変動に対応する必要がある場合には、全ての圧縮機４ａ〜４ｃ又は全ての膨張機７ａ〜７ｃを同時に運転してもよい。このようにすることで、より広範な平準化が可能となる。回転数制御に関しても同様に、平準化の程度に応じて圧縮機４ａ〜４ｃ及び膨張機７ａ〜７ｃの回転数（出力）を増減させ、最適な平準化を行う。

本実施形態においては、小容量タンク５ａ，５ｂが２基設けられている。従って、制御装置１２は、圧力センサ１１ａ〜１１ｃの測定値に基づいて、小容量タンク５ａ，５ｂのいずれを使用するのかをさらに判断する。図４は、特に小容量タンク５ａをメインタンク５ａと設定した場合の制御を示している。

図４を参照して、短周期変動に対して発電を行う場合、小容量タンク５ａが発電に適した充填量であれば小容量タンク５ａを使用する（排出側弁８ａを開き、排出側弁８ｄを閉じる）。小容量タンク５ａが空であるか充填量が低い場合及び小容量タンク５ｂの充填量が十分である場合、小容量タンク５ｂを使用する（排出側弁８ｂを開き、排出側弁８ｅを閉じる）。小容量タンク５ａ，５ｂが共に空であるか充填量が低い場合で、かつ大容量タンクの充填量が十分である場合は、止むを得ず大容量タンク５ｃを使用する（排出側弁８ｃ〜ｅのいずれかを開き、その他の排出側弁を閉じる）。

なお、小容量タンク５ａまたは５ｂの空気量が低い場合、適宜、大容量タンク５ｃから小容量タンク５ａ，５ｂに圧縮空気を差圧充填してもよい。これを示したのが、図５である。大容量タンク５ｃは、小容量タンク５ａ，５ｂに圧縮空気を供給できるように、タンク間空気供給弁２１ａ，２１ｂを介して接続されている。タンク間空気供給弁２１ａ，２１ｂとしては、小容量タンクと大容量タンクの圧力差に基づいて開閉制御される電磁弁や圧力差で自動開閉する差圧制御弁を用いることができる。このように、大容量タンク５ｃから小容量タンク５ａ，５ｂに空気を差圧充填する構成とできることは、後述する第２から第５実施形態においても同様である。

短周期変動に対して蓄電を行う場合、小容量タンク５ａが満タンでなければ小容量タンク５ａに圧縮空気を充填する（注入側弁６ａを開き、注入側弁６ｄを閉じる）。小容量タンク５ａが満タンの場合で小容量タンク５ｂが満タンでない場合、小容量タンク５ｂに圧縮空気を充填する（注入側弁６ｂを開き、注入側弁６ｅを閉じる）。小容量タンク５ａ，５ｂが共に満タンの場合、大容量タンク５ｃに圧縮空気を充填する（注入側弁６ｃを開く）。

このようにして、仮に小容量タンク５ａ，５ｂが全て空になった場合でも、大容量タンク５ｃの圧縮空気を使用して膨張機７ａ，７ｂを駆動することができる。従って、短周期変動が平準化されなくなるという場合を回避できる。

これに代えて、小容量タンクに優先順位の高いメインタンクを設定しない方法であってもよい。図６Ａ及び図６Ｂは、小容量タンク５ａ，５ｂを交互に使用する制御方法を示している。

短周期変動に対して発電を行う場合、制御装置１２により記憶されたフラグに基づいて処理１〜４を選択する。処理１では、小容量タンク５ａが空（または圧縮空気量が少ない場合。以下同じ。）でない場合、小容量タンク５ａを使用する（排出側弁８ａを開き、排出側弁８ｄを閉じる）。小容量タンク５ａが空である場合及び小容量タンク５ｂが空でない場合、フラグ＝２に変更し、小容量タンク５ｂの使用を開始する（排出側弁８ｂを開き、排出側弁８ｅを閉じる）。小容量タンク５ａ，５ｂが共に空の場合、フラグ＝３に変更し、大容量タンク５ｃを使用する（排出側弁８ｄ，８ｅのいずれかを開き、その他の排出側弁を閉じる）。処理２では、小容量タンク５ｂが空でない場合、小容量タンク５ｂを使用する（排出側弁８ｂを開き、排出側弁８ｅを閉じる）。小容量タンク５ｂが空である場合及び小容量タンク５ａが空でない場合、フラグ＝１に変更し、小容量タンク５ａの使用を開始する（排出側弁８ａを開き、排出側弁８ｄを閉じる）。小容量タンク５ｂ，５ａが共に空の場合、フラグ＝４に変更し、大容量タンク５ｃを使用する（排出側弁８ｄ，８ｅいずれかを開き、その他の排出側弁を閉じる。この場合、長周期変動に対する制御は、排出側弁８ｃを開いておくことで引き続き膨張機７ｃが担う。）。処理３では、小容量タンク５ｂが空でない場合、フラグ＝２に変更し、小容量タンク５ｂを使用する（排出側弁８ｂを開き、排出側弁８ｅを閉じる）。小容量タンク５ｂが空である場合、大容量タンク５ｃを使用する（排出側弁８ａ、８ｂを閉じ、排出側弁８ｄ又は／及び８ｅを開く）。処理４では、小容量タンク５ａが空でない場合、フラグ＝１に変更し、小容量タンク５ａを使用する（排出側弁８ａを開き、排出側弁８ｄを閉じる）。小容量タンク５ａが空である場合、大容量タンク５ｃを使用する（排出側弁８ａ、８ｂを閉じ、排出側弁８ｄ又は／及び８ｅを開く）。

短周期変動に対して蓄電を行う場合、制御装置１２により記憶されたフラグにより圧縮空気を充填するタンク５ａ〜５ｃを選択する。フラグ＝１又はフラグ＝３の場合、小容量タンク５ｂが満タンでなければ小容量タンク５ｂに圧縮空気を充填する（注入側弁６ｂを開き、その他の弁を閉じる）。小容量タンク５ｂが満タンである場合で小容量タンク５ａが満タンでない場合、小容量タンク５ａに圧縮空気を充填する（注入側弁６ａを開き、その他の弁を閉じる）。小容量タンク５ｂ，５ａが共に満タンの場合、大容量タンク５ｃに圧縮空気を充填する（注入側弁６ｄ，６ｅのいずれかを開き、その他の弁を閉じる）。フラグ＝２又はフラグ＝４の場合、小容量タンク５ａが満タンでなければ小容量タンク５ａに圧縮空気を充填する（注入側弁６ａを開き、その他の弁を閉じる）。小容量タンク５ａが満タンである場合で小容量タンク５ｂが満タンでない場合、小容量タンク５ｂに圧縮空気を充填する（注入側弁６ｂを開き、その他の弁を閉じる）。小容量タンク５ａ，５ｂが共に満タンの場合、大容量タンク５ｃに圧縮空気を充填する（注入側弁６ｄ，６ｅのいずれかを開き、その他の弁を閉じる）。

このように、小容量タンク５ａ，５ｂを交互に使用することで、小容量タンク５ａ，５ｂのいずれかの使用頻度が高くならないようにする。従って、小容量タンク５ａ，５ｂのいずれかのみが使用劣化することを防止できる。また、メインタンク５ａを設定した場合と同様に、仮に小容量タンク５ａ，５ｂが全て空の場合でも、大容量タンク５ｃの圧縮空気を使用して膨張機７ａ，７ｂを駆動する。従って、短周期変動が平準化されなくなるという場合を回避できる。なお、小容量タンク５ａ，５ｂを交互に使用するだけでなく、両方を同時に使用すれば、より広範囲の変動を平滑化することができる。

メインタンク５ａを設定する場合又はしない場合のいずれの方法においても、タンク５ａ〜５ｃが許容圧力を超えないように図示しない安全弁が設けられている。安全弁は、許容圧力を超える恐れがある場合、タンク５ａ〜５ｃに貯蔵した圧縮空気を許容圧力以下で大気に開放するように予め設定されている。すべてのタンク５ａ〜５ｃが満タンの場合で、かつ平滑化のために風力発電装置２の電力を消費する必要がある場合は、いずれかの圧縮機４ａ〜４ｃを駆動し、発生した空気を大気放出すればよい。

メインタンク５ａを設定する場合又はしない場合のいずれの方法においても小容量タンク５ａ，５ｂの使用に関しては、完全に空になるまで使用しなくてもよい。小容量タンク５ａ，５ｂの残存空気量が減少すると、膨張機７ａ，７ｂに供給される空気量が減少し、十分な発電量を確保できなくなる場合がある。しかし、このように残存空気量に一定の閾値を設けることで、発電に必要な一定以上の空気供給量（又は圧力）を維持した状態で圧縮空気を使用できる。

本発明によれば、長周期と短周期の各変動電力に対して容量の異なるタンクをそれぞれ使用しているため、長周期と短周期の変動電力の両方を効率的に平準化し、需要電力に応じた電力を出力することができる。また、必要に応じて短周期変動に対しても大容量タンク５ｃを使用することで、小容量タンク５ａ，５ｂが全て空の場合でも、平準化を行うことができる。こういう場合を避けるために、小容量タンク５ａ，５ｂの空気残量が減った場合、大容量タンク５ｃから小容量タンク５ａ，５ｂに差圧充填することが望ましい。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置１を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、１基の小容量タンク５ａに各２台（複数）の圧縮機４ａ，４ｂと膨張機７ａ，７ｂが接続されていることに関する部分以外の構成は図１の第１実施形態と同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

図７を参照して、第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、小容量タンク５ａと大容量タンク５ｂがそれぞれ１基設けられている。小容量タンク５ａには、モータ３ａ，３ｂ、圧縮機４ａ，４ｂ、膨張機７ａ，７ｂ、及び発電機９ａ，９ｂがそれぞれ接続されている。大容量タンク５ｂには、全てのモータ３ａ〜３ｃ、圧縮機４ａ〜４ｃ、膨張機７ａ〜７ｃ、及び発電機９ａ〜９ｃがそれぞれ接続されている。この構成により、モータ３ａ〜３ｃ、圧縮機４ａ〜４ｃ、膨張機７ａ〜７ｃ、及び発電機９ａ〜９ｃが各タンクに対して各１台のみ設けられた場合と比較して、小容量タンク５ａに急速に圧縮空気を蓄積することができる。また、小容量タンクが１つでよいので設備コストと設置面積を抑えることができる。

ＣＡＥＳ発電装置１の平準化方法及びその制御方法に関しては、長周期変動を平準化して電力需要に合った電力を出力する場合は、第２実施形態も第１実施形態と同様である。

短周期変動を平準化する場合、制御装置１２は、短周期基準曲線に基づいて、圧縮機４ａ〜４ｃ及び膨張機７ａ〜７ｃの台数制御と回転数制御を行う。小容量タンク５ａに圧縮空気を充填し、蓄電する場合、圧縮機４ａ，４ｂを１台又は２台使用できる。例えば、圧縮機４ａを１台使用する場合、注入側弁６ａ，６ｄを開き、少なくとも注入側弁６ｅを閉じる。また、圧縮機４ａ，４ｂを２台使用する場合、注入側弁６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅを開き、少なくとも注入側弁６ｆを閉じる。このように、使用する圧縮機４ａ，４ｂの台数を調整し、小容量タンク５ａへの圧縮空気の充填速度・充填量を調整できる。同様に、小容量タンク５ａの圧縮空気を使用して発電する場合、膨張機７ａ，７ｂに関して、１台又は２台使用できる。例えば、１台の膨張機７ａ（発電機９ａ）を使用する場合、排出側弁８ａ，８ｄを開き、排出側弁８ｅと必要に応じたその他の排出側弁を閉じる。また、２台の膨張機７ａ，７ｂ（発電機９ａ，９ｂ）を使用する場合、排出側弁８ａ，８ｂ，８ｄ，８ｅを開き、少なくとも排出側弁８ｆを閉じる。このように、使用する膨張機７ａ，７ｂ（発電機９ａ，９ｂ）の台数を調整し、発電する電力量を調整できる。また、ここで記載した部分以外の短周期変動の平準化方法及び制御は、第２実施形態も第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態のＣＡＥＳ発電装置１を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、各タンク５ａ，５ｂへの圧縮機４ａ，４ｂ及び膨張機７ａ，７ｂの接続構成に関する部分以外の構成は図１の第１実施形態と同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

図８を参照して説明する。第３実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、小容量タンク５ａと大容量タンク５ｂがそれぞれ１基設けられている。各タンク５ａ，５ｂには、モータ３ａ，３ｂ、圧縮機４ａ，４ｂ、膨張機７ａ，７ｂ、及び発電機９ａ，９ｂがそれぞれ１つずつ接続されている。具体的には、小容量タンク５ａに対しては圧縮機４ａ及び膨張機７ａのみが接続されている。大容量タンク５ｂに対しては圧縮機４ｂ及び膨張機７ｂのみが接続されている。即ち、圧縮機４ａから大容量タンク５ｂに圧縮空気を供給することはできない。また、大容量タンク５ｂを使用して膨張機７ａに圧縮空気を供給することはできない。この構成により、各空気供給路の設計圧力が異なる場合、及び、タンク５ａ，５ｂが隣接して配設できない場合（特に大容量タンク５ｂが地下空洞や廃坑道等で距離が離れている場合）にも対応可能となる。

ＣＡＥＳ発電装置１の平準化方法及びその制御方法に関しては、長周期変動を平準化して電力需要に合った電力を出力する場合は、第３実施形態も第１実施形態と同様である。

短周期変動を平準化する場合、制御装置１２は、短周期基準曲線に基づいて、圧縮機４ａ，４ｂ及び膨張機７ａ，７ｂの台数制御と回転数制御を行う。小容量タンク５ａに圧縮空気を充填し、蓄電する場合、圧縮機４ａにより圧縮空気を充填する（注入側弁６ａを開き、その他の注入側弁を閉じる）。また、小容量タンク５ａの圧縮空気を使用して発電する場合、膨張機７ａ及び発電機９ａにより発電する（排出側弁８ａを開き、その他の排出側弁を閉じる）。また、ここで記載した部分以外の短周期変動の平準化方法は、第１実施形態と同様である。

（第４実施形態）
図９は、第４実施形態のＣＡＥＳ発電装置１を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、熱交換器１３ａ〜１３ｄ及び蓄熱部１４ａ，１４ｂに関する部分以外の構成は図１の第１実施形態と同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

図９を参照して説明する。第４実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、小容量タンク５ａと大容量タンク５ｂがそれぞれ１基設けられている。各タンク５ａ，５ｂには、モータ３ａ，３ｂ、圧縮機４ａ，４ｂ、膨張機７ａ，７ｂ、及び発電機９ａ，９ｂがそれぞれ１つずつ接続されている。各タンク５ａ，５ｂの出入口に熱交換器１３ａ〜１３ｄと、熱交換器１３ａ〜１３ｄに接続された蓄熱部１４ａ，１４ｂとをそれぞれさらに設けている。

圧縮機４ａ，４ｂで圧縮されることにより温度上昇した空気は、各タンク５ａ，５ｂに蓄積されている間、大気中に熱を放出し、ＣＡＥＳ発電装置１の系からエネルギーが損失する。これを防止するために、圧縮機４ａにより圧縮された空気は、小容量タンク５ａに供給される前に、入口側熱交換器１３ａにおいて熱媒に熱回収（吸熱）される。入口側熱交換器１３ａにおいて熱交換により吸熱した熱媒は、ポンプ１５ａにより蓄熱部１４ａに供給され、蓄熱される。蓄熱部１４ａで蓄熱された熱は、小容量タンク５ａから吐出されて膨張機７ａに供給される圧縮空気に出口側熱交換器１３ｂを介して戻される。同様に、圧縮機４ｂにより圧縮された空気は、大容量タンク５ｂに供給される前に、入口側熱交換器１３ｃにおいて熱媒に熱回収（吸熱）される。入口側熱交換器１３ｃにおいて吸熱した熱媒は、ポンプ１５ｂにより蓄熱部１４ｂに供給され、蓄熱される。蓄熱部１４ｂにより蓄熱された熱は、小容量タンク５ｂから吐出されて膨張機７ｂに供給される圧縮空気に出口側熱交換器１３ｄを介して戻される。

この構成により、圧縮機４ａ，４ｂで発生する熱を各タンク５ａ，５ｂに供給する前に回収し、膨張機７ａ，７ｂに供給される圧縮空気に戻すことで充放電効率を向上できる。即ち、各タンク５ａ，５ｂでの圧縮空気の熱放出によるエネルギー損失を防止し、エネルギー効率を向上できる。

ＣＡＥＳ発電装置１の平準化方法及びその制御方法に関しては、長周期変動及び短周期変動共に第３実施形態と同様である。

各タンク５ａ，５ｂの出口に図示しない加熱機構をさらに設けてもよい。この構成によれば、膨張直前の空気を加熱することで充放電効率を向上できる。タンクにおいて熱放出し、エネルギー損失した圧縮空気に対して、加熱機構からの加熱により熱エネルギーを加えることで、損失したエネルギーを回復できる。また、図示しない別のシステムにおいて排熱などの熱源がある場合には、その排熱を有効利用できる。さらに、第１実施形態のように小容量タンクを複数設けてもよい。

（第５実施形態）
図１０は、第５実施形態のＣＡＥＳ発電装置１を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、蒸気駆動発電機１６及びバイナリ発電機１７に関する部分以外の構成は図１の第１実施形態と同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

図１０を参照して、第５実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、小容量タンク５ａと大容量タンク５ｂがそれぞれ１基設けられている。各タンク５ａ，５ｂには、モータ３ａ，３ｂ、圧縮機４ａ，４ｂ、膨張機７ａ，７ｂ、及び発電機９ａ，９ｂがそれぞれ１つずつ接続されている。本実施形態では、ＣＡＥＳシステムの発電機９ａ，９ｂに加えて、別の蒸気源１８からの蒸気を受けて発電する蒸気駆動発電機１６（発電機９ｃ）とバイナリ発電システム１７の発電機９ｄの４つの発電機９ａ〜９ｄを備える。

図１０の蒸気駆動発電機１６は、蒸気源１８から発生した蒸気を受けて発電する。この際、蒸気源１８から発生した蒸気は、ドレン分離機１９により湿分を分離され、蒸気駆動発電機１６に供給される。蒸気駆動発電機１６により発電された電力は、ＣＡＥＳ発電装置１により発電された電力と合わせて図示しない系統に供給される。

バイナリ発電システム１７は、加熱源により沸点の低い媒体を加熱し、蒸発させ、その蒸気で例えばタービンを回す発電方式である。沸点の低い媒体には、例えば、ペンタン又はイソブタンといった有機物質、及び、代替フロン又はアンモニアと水の混合液などが用いられる。蒸気駆動発電機１６を駆動させた後の蒸気（例えば１２０℃程度）は、熱交換器１３ａにより沸点の低い媒体と熱交換を行う。沸点の低い媒体は、熱交換器１３ａで得た熱により蒸発し、この蒸気は発電機９ｄに接続した膨張機７ｄに供給され、発電を行う。膨張機７ｄにより膨張した蒸気は、熱交換器１３ｂにより吸熱され、凝縮する。そして、凝縮した沸点の低い媒体は、ポンプ１５ａにより熱交換器１３ａに供給される。熱交換機１３ｂにより沸点の低い媒体と熱交換した冷却水はクーリングタワー２０に供給され、冷却される。冷却された冷却水はポンプ１５ｂにより熱交換器１３ｂに供給される。

この第５実施形態の構成によれば、ＣＡＥＳ発電装置１による発電以外の別の外部発電機（蒸気駆動発電機１６及びバイナリ発電システム１７）を有するため、風力発電装置２の出力が、故障や長期間停止など想定外に過度に不安定な場合や、想定外に過小な場合にも発電出力を確実に維持できる。

ＣＡＥＳ発電装置１の平準化方法及びその制御方法に関しては、長周期変動及び短周期変動共に第３実施形態と同様である。

ここで記載した各実施形態では、圧縮機と膨張機の台数が等しいものを説明したが、圧縮機と膨張機の台数・容量は揃える必要はなく、圧縮機側を小さく（又は少なく）して膨張機側を大きく（又は多く）することも可能であるし、その反対も可能である。

ここで記載した各実施形態において、自然エネルギーによる発電装置２の対象は、風力を記載したが、本発明のＣＡＥＳ発電装置１は、これらに限定されるものではない。具体的には、風力、太陽光、太陽熱、波力又は潮力、流水又は潮汐、及び地熱等、自然の力で定常的（もしくは反復的）に補充されるエネルギーを利用したもの全てを対象とすることが可能である。ただし、気象条件によって変動が激しい風力発電や太陽光発電に特に有効である。

１ 圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
２ 風力発電装置
３ａ，３ｂ，３ｃ モータ
４ａ，４ｂ，４ｃ 圧縮機
５ａ，５ｂ，５ｃ タンク
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ 注入側弁
７ａ，７ｂ，７ｃ 膨張機
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ 排出側弁
９ａ，９ｂ，９ｃ 発電機
１０ 出力センサ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 圧力センサ
１２ 制御装置
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ 熱交換器
１４ａ，１４ｂ 蓄熱部
１５ａ，１５ｂ ポンプ
１６ 蒸気駆動発電機
１７ バイナリ発電機
１８ 蒸気源
１９ ドレン分離機
２０ クーリングタワー
２１ａ，２１ｂ タンク間空気供給弁
２２ 制御手段

Claims (12)

1. 自然エネルギーを用いて発電した電力により駆動される、互いに電気的に並列に接続された複数のモータと、
   前記モータと機械的に接続され、空気を圧縮する複数の圧縮機と、
   前記圧縮機により圧縮された空気を貯蔵する、少なくとも２つの容量の異なるタンクと、
   前記タンクから供給される圧縮空気によって駆動される複数の膨張機と、
   前記膨張機と機械的に接続され、互いに電気的に並列に接続された複数の発電機と、
   前記自然エネルギーによる発電電力のうち、長周期の変動電力には相対的に大容量の前記タンクを使用し、短周期の変動電力には相対的に小容量の前記タンクを使用することによって、長周期及び短周期の変動電力の両方を平準化して電力需要に応じた電力を出力する制御を行う制御手段と
   を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
2. 少なくとも２つの容量の異なる前記タンクのうち、相対的に小容量の前記タンクは、１時間未満持続して発電できる容量であり、少なくとも２つの容量の異なる前記タンクのうち、相対的に大容量の前記タンクは、１時間以上持続して発電できる容量である、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
3. 前記制御手段は、前記長周期の変動電力に対しては長周期需要曲線に基づいて、及び、前記短周期の変動電力に対しては短周期基準曲線に基づいて、長周期及び短周期の各変動電力をそれぞれ平準化して電力需要に応じた電力を出力する制御を行う、請求項１又は請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
4. 相対的に小容量の前記タンクに接続される前記圧縮機及び前記膨張機は、共にスクリュ式である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
5. 相対的に大容量の前記タンクに接続される前記圧縮機及び前記膨張機も、共にスクリュ式である、請求項４に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
6. 相対的に大容量の前記タンクに接続される前記圧縮機及び前記膨張機の少なくとも１つが、ターボ式であり、相対的に小容量の前記タンクに接続される前記圧縮機及び前記膨張機は、共にスクリュ式である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
7. 前記短周期の変動電力には小型の前記圧縮機及び前記膨張機を少なくとも使用し、前記長周期の変動電力には大型の前記圧縮機及び前記膨張機を少なくとも使用する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
8. 前記タンクの入口に前記圧縮機で圧縮されて温度上昇した空気を熱媒と熱交換する入口側熱交換器を設け、該入口側熱交換器で熱交換された熱媒を蓄える蓄熱部を設け、前記タンクの出口に前記タンクから吐出された空気を前記蓄熱部から吐出された熱媒と熱交換して加熱する出口側熱交換器を設けた、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
9. 前記発電機の出力部に前記発電機とは別の外部発電機を設け、自然エネルギーを用いて発電した電力が過度に不安定な場合や過小の場合に発電する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
10. 相対的に大容量の前記タンクに鉱山の坑道又は地下空洞を使用した、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
11. 前記制御手段は、
    前記圧縮機からいずれの前記タンクに圧縮空気を供給するか切り替える注入側弁と、
    前記タンクからいずれの前記膨張機に圧縮空気を供給するか切り替える排出側弁と、
    前記自然エネルギーの発電出力を測定する出力センサと、
    前記タンク内の圧力を測定する圧力センサと、
    制御装置とを含み、
    前記制御装置は、前記出力センサ及び前記圧力センサの測定値に基づいて前記注入側弁及び前記排出側弁を開閉する、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
12. 自然エネルギーを用いて発電した電力により駆動される、互いに電気的に並列に接続された複数のモータと、
    前記モータと機械的に接続され、空気を圧縮する複数の圧縮機と、
    前記圧縮機により圧縮された空気を貯蔵する、少なくとも２つの容量の異なるタンクと、
    前記タンクから供給される圧縮空気によって駆動される複数の膨張機と、
    前記膨張機と機械的に接続され、互いに電気的に並列に接続された複数の発電機とを備える圧縮空気貯蔵発電装置の圧縮空気貯蔵発電方法であって、
    前記自然エネルギーによる発電電力のうち、長周期の変動電力には相対的に大容量の前記タンクを使用し、短周期の変動電力には相対的に小容量の前記タンクを使用し、長周期及び短周期の変動電力の両方を平準化して電力需要に応じた電力を出力する制御を行う、圧縮空気貯蔵発電方法。

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