JP2017089443A - 圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＳＯＣが最適ＳＯＣ範囲内となるように制御され運転効率を向上させた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２は、モータ３０と機械的に接続された圧縮機１０と、圧縮機１０からの圧縮空気を蓄える第１蓄圧タンク１２と、タンク１２からの圧縮空気で駆動される膨張機１４と、膨張機１４と機械的に接続された発電機２８と、圧縮機１０からタンク１２に供給される圧縮空気と熱媒とで熱交換する第１熱交換器１８と、タンク１２から膨張機１４に供給される圧縮空気と熱媒とで熱交換する第２熱交換器２２と、タンク１２のＳＯＣを検出する圧力センサ１３と、ＳＯＣを調整するＳＯＣ調整部１７，３４ａ，３４ｂ，３４ｃと、制御装置４０とを備える。制御装置４０は、要求電力を充足しつつ検出したＳＯＣが最適ＳＯＣ範囲内となるようにＳＯＣ調整部１７，３４ａ，３４ｂ，３４ｃを制御する。【選択図】図１
Description
本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法に関する。
再生可能エネルギーのような不規則に変動する不安定なエネルギーを利用した発電の出力を平滑化する技術としては、余剰発電電力が生じた際に電気を蓄えておき電力不足時に電気を補う蓄電池が代表的なものである。大容量蓄電池の例として、ナトリウム・硫黄電池、レドックスフロー電池、リチウム蓄電池、及び鉛蓄電池などが知られている。これらの電池は、いずれも化学的な二次電池であり、蓄えたエネルギーを電気の形式でしか出力できない。
また、その他の平滑化の設備として、余剰発電電力が生じた際に電気の代わりに圧縮機から吐出される圧縮空気を蓄圧タンクに蓄えておき、必要な時に空気タービン発電機等で電気に再変換する圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）と呼ばれる技術が知られている（特許文献１）。
特許文献１のようなＣＡＥＳ発電装置は、貯蔵する圧縮空気量について特段の考慮がなされていない。特に、蓄圧タンクの許容圧力値に対する圧縮空気の充填割合を示すＳＯＣ（State 0f Charge）と呼ばれる指標については示唆されていない。ＣＡＥＳ発電装置には圧縮機及び膨張機の運転効率が良好となる最適ＳＯＣ範囲が存在する。通常の充放電指令に従って運転するだけでは最適ＳＯＣ範囲内での運転条件は満たされないことがある。また、蓄圧タンクに蓄積される圧縮空気を使い果たせば新たな放電指令に対応することができず、蓄圧タンクに圧縮空気を満充填すれば新たな充電指令に対応することができない。
本発明は、ＳＯＣの最適化による圧縮空気貯蔵発電装置の運転効率の向上を課題とする。
本発明の第１の態様は、駆動機と機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄える第１蓄圧部と、前記第１蓄圧部から供給される圧縮空気によって駆動される膨張機と、前記膨張機と機械的に接続された発電機と、前記圧縮機から前記第１蓄圧部に供給される圧縮空気と熱媒とで熱交換する第１熱交換器と、前記第１蓄圧部から前記膨張機に供給される圧縮空気と熱媒とで熱交換する第２熱交換器と、前記第１蓄圧部のＳＯＣを検出するＳＯＣ検出部と、前記第１蓄圧部のＳＯＣを調整するＳＯＣ調整部と、要求電力を充足しつつ前記ＳＯＣ検出部で検出したＳＯＣが最適ＳＯＣ範囲内となるように前記ＳＯＣ調整部を制御する制御装置とを備える圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。
この構成によれば、ＳＯＣ調整部によってＳＯＣを調整して最適ＳＯＣ範囲内で運転することで運転効率を向上できる。ここでＳＯＣとは、第１蓄圧部の許容圧力値に対する圧縮空気の充填割合を示す値である。ＳＯＣが０％のとき第１蓄圧部に発電に有効に使用できる圧縮空気が存在しない状態、ＳＯＣが１００％のとき第１蓄圧部の許容圧力値まで圧縮空気が充填されている状態を示す。また、要求電力とは、発電機で発電した電力の需要先から必要量として要求される電力である。特に、駆動機が不規則に変動する再生可能エネルギーによって発電した電力を利用する電動機等である場合は、不規則に変動する電力を平準化することもできる。
前記ＳＯＣ調整部は、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器に流体的に接続され熱媒を貯蔵する蓄熱部と、前記蓄熱部内の熱媒を加熱する加熱部とを備えることが好ましい。
蓄熱部と加熱部を設けることで、ＳＯＣの調整のために発電した電力を無駄にせず、加熱部で電力を熱エネルギーに変換して蓄熱部で貯蔵できる。
前記制御装置は、前記第１蓄圧部のＳＯＣが前記最適ＳＯＣ範囲よりも大きい場合、前記第１蓄圧部の圧縮空気を前記膨張機に供給して前記発電機を駆動して発電し、前記発電機の発電電力を前記加熱部に供給してもよい。また、前記第１蓄圧部のＳＯＣが前記最適ＳＯＣ範囲よりも小さい場合、前記駆動機により圧縮空気を製造し前記第１蓄圧部に供給してもよい。
このようにすることで、加熱部を利用したＳＯＣの調整の具体的方法を提供できる。
前記ＳＯＣ調整部は、第２蓄圧部を備えることが好ましい。
第２蓄圧部を設けることで、第１蓄圧部のＳＯＣを調整できる。
まず、第１蓄圧部のＳＯＣが最適ＳＯＣ範囲よりも大きい場合、第２蓄圧部に圧縮空気を供給して第１蓄圧部のＳＯＣを増加させない。また、発電時は第１蓄圧部の圧縮空気を膨張機に供給して第１蓄圧部のＳＯＣを減少させる。第１蓄圧部の内圧が第２蓄圧部の内圧よりも高い場合、第１蓄圧部の圧縮空気を第２蓄圧部に供給して第１蓄圧部のＳＯＣを減少させる。
次に、ＳＯＣが最適ＳＯＣ範囲よりも小さい場合、第１蓄圧部に圧縮空気を供給してＳＯＣを増加させる。また、発電時は第２蓄圧部の圧縮空気を膨張機に供給して第１蓄圧部のＳＯＣを減少させない。第１蓄圧部の内圧が第２蓄圧部の内圧よりも低い場合、第２蓄圧部の圧縮空気を第１蓄圧部に供給して第１蓄圧部のＳＯＣを増加させる。
前記制御装置は、前記第１蓄圧部のＳＯＣが前記最適ＳＯＣ範囲よりも大きい場合、前記第２蓄圧部に圧縮空気を供給し、前記第１蓄圧部の圧縮空気を前記膨張機に供給し、前記第１蓄圧部の内圧が前記第２蓄圧部の内圧よりも高い場合、前記第１蓄圧部の圧縮空気を前記第２蓄圧部に供給してもよい。また、前記第１蓄圧部のＳＯＣが前記最適ＳＯＣ範囲よりも小さい場合、前記第１蓄圧部に圧縮空気を供給し、前記第２蓄圧部の圧縮空気を前記膨張機に供給し、前記第１蓄圧部の内圧が前記第２蓄圧部の内圧よりも低い場合、前記第２蓄圧部の圧縮空気を前記第１蓄圧部に供給してもよい。
このようにすることで、第２蓄圧部を利用したＳＯＣの調整の具体的方法を提供できる。
前記ＳＯＣ調整部は、前記第１蓄圧部から圧縮空気を放気するための放気弁を備え、前記制御装置は、前記第１蓄圧部のＳＯＣが前記最適ＳＯＣ範囲よりも大きい場合、前記放気弁を開弁して前記第１蓄圧部から圧縮空気を放気してもよい。
放気弁により第１蓄圧部から圧縮空気を放気することで簡単な構成でＳＯＣが最適ＳＯＣ範囲内となるように第１蓄圧部のＳＯＣを減少させることができる。この場合、膨張機を駆動することなく第１蓄圧部のＳＯＣを減少できるため、発電機で発電することがなく余剰電力が発生しない。
前記制御装置は、要求電力に拘らず、前記ＳＯＣ検出部で検出したＳＯＣが所定の高範囲にある場合、前記ＳＯＣ調整部を制御してＳＯＣを低下させ、前記ＳＯＣ検出部で検出したＳＯＣが所定の低範囲にある場合、前記ＳＯＣ調整部を制御してＳＯＣを増加させることが好ましい。
このようなＳＯＣ制御により、第１蓄圧部が容量上限に達してそれ以上蓄圧できなくなることを防止できると共に、第１蓄圧部が容量下限に達してそれ以上発電できなくなることを防止できる。ここで、所定の高範囲の上限は、第１蓄圧部の許容圧力値と決めてよい。所定の高範囲の下限は、ＳＯＣ検出部でＳＯＣが上限付近に到達したことを検出しＳＯＣを低下させる調整を開始してから、ＳＯＣ検出部やＳＯＣ調整部の応答遅れにより第１蓄圧部の圧力が上昇しても、第１蓄圧部の圧力が上限まで上昇しないように決めてよい。また、所定の低範囲の下限は、第１蓄圧部に発電に有効に使用できる圧縮空気が存在しない状態と決めてよい。所定の低範囲の上限は、ＳＯＣ検出部でＳＯＣが下限付近に到達したことを検出しＳＯＣを増加させる調整を開始してから、ＳＯＣ検出部やＳＯＣ調整部の応答遅れにより第１蓄圧部の圧力が低下しても、第１蓄圧部に発電に有効に使用できる圧縮空気が存在しない状態にならないように決めてよい。
本発明の第２の態様は、空気を圧縮し、前記圧縮の工程で昇温した圧縮空気を冷却し、前記冷却された圧縮空気を第１蓄圧部に貯蔵し、前記第１蓄圧部のＳＯＣが最適ＳＯＣ範囲内となるように調整し、前記貯蔵された圧縮空気を加熱し、前記加熱された圧縮空気を膨張させることにより発電する、圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。
本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置において、ＳＯＣ調整部によってＳＯＣを調整して最適ＳＯＣ範囲内で運転することで運転効率を向上できる。
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、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置２の概略構成図である。ＣＡＥＳ発電装置２は、風力発電所又は太陽光発電所などの再生可能エネルギーによる発電所６から、トランス等で構成される受送電設備８を介して供給された電力を平滑化し、需要先の電力系統４に電力を出力する。
図１は、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置２の概略構成図である。ＣＡＥＳ発電装置２は、風力発電所又は太陽光発電所などの再生可能エネルギーによる発電所６から、トランス等で構成される受送電設備８を介して供給された電力を平滑化し、需要先の電力系統４に電力を出力する。
図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置２の構成を説明する。
ＣＡＥＳ発電装置２は、破線で示す空気経路と実線で示す熱媒経路を備える。空気経路には、主に圧縮機１０と、第１蓄圧タンク（第１蓄圧部）１２と、膨張機１４とが設けられており、これらが空気配管１６ａ〜１６ｄにより流体的に接続され、その内部には空気が流れている。熱媒経路には、主に第１熱交換器１８と、熱媒タンク２０と、第２熱交換器２２とが設けられており、これらが熱媒配管２４により流体的に接続され、その内部には熱媒が流れている。
まず、図１を参照して空気経路について説明する。空気経路では、吸気フィルタ２６が取り付けられた空気配管１６ａを通じて吸い込まれた空気は、圧縮機１０で圧縮され、第１蓄圧タンク１２に貯蔵される。第１蓄圧タンク１２に貯蔵された圧縮空気は膨張機１４に供給され、発電機２８の発電に使用される。
圧縮機１０は、機械的に接続されたモータ（駆動機）３０で駆動される。発電所６で発電された電力はコンバータ３２ａ及びインバータ３４ａを介してモータ３０に供給され、この電力によりモータ３０が駆動され、圧縮機１０が作動する。以降、発電所６からモータ３０に供給される電力のことを入力電力という。圧縮機１０の吐出口１０ｂは、空気配管１６ｂを通じて第１蓄圧タンク１２に流体的に接続されている。圧縮機１０は、モータ３０により駆動されると、空気配管１６ａを通じて吸気口１０ａより空気を吸気し、圧縮して吐出口１０ｂより吐出し、第１蓄圧タンク１２に圧縮空気を圧送する。圧縮機１０は、本実施形態ではスクリュ式であるが、ターボ式、スクロール式、及びレシプロ式等であってもよい。また、本実施形態では圧縮機１０の数は１台であるが、並列に複数台を設置してもよい。
第１蓄圧タンク１２は、圧縮機１０から圧送された圧縮空気を貯蔵する。即ち、第１蓄圧タンク１２には、圧縮空気としてエネルギーを蓄積できる。第１蓄圧タンク１２は空気配管１６ｃを通じて膨張機１４に流体的に接続されており、第１蓄圧タンク１２で貯蔵された圧縮空気は空気配管１６ｃを通じて膨張機１４に供給される。ただし、第１蓄圧タンク１２は、一般的に大容量になるので外気と断熱するのがコストの観点から困難である。従って、圧縮空気の貯蔵温度は、大気放出による熱損失を避けるため大気温度と同程度、又は少し高めか低めに設定されている。第１蓄圧タンク１２には圧力センサ（ＳＯＣ検出部）１３が設置されており、内部の圧縮空気の圧力を測定し、第１蓄圧タンク１２のＳＯＣを確認できる。ここで、ＳＯＣとは、第１蓄圧部の許容圧力値に対する圧縮空気の充填割合を示す。ＳＯＣが０％のとき第１蓄圧部に発電に有効に使用できる圧縮空気が存在しない状態、ＳＯＣが１００％のとき第１蓄圧部の許容圧力値まで圧縮空気が充填されている状態を示す。第１蓄圧タンク１２から膨張機１４に延びる空気配管１６ｃには、圧縮空気の流れを許容又は遮断するためのバルブ１７が設けられている。バルブ１７を開閉することにより、膨張機１４に圧縮空気を供給するか否かを変更できる。
膨張機１４は、発電機２８が機械的に接続されている。給気口１４ａから圧縮空気を給気された膨張機１４は、供給された圧縮空気により作動し、発電機２８を駆動する。発電機２８は外部の電力系統４に電気的に接続されており（図１の一点鎖線参照）、発電機２８で発電した電力（以降、発電電力という。）はインバータ３２ｂ及びコンバータ３４ｂを介して需要先の電力系統４に供給される。また、膨張機１４で膨張された空気は、排気口１４ｂから空気配管１６ｄを通じて外部に排気サイレンサ３６を介して排出される。膨張機１４は、本実施形態ではスクリュ式であるが、ターボ式、スクロール式、及びレシプロ式等であってもよい。また、本実施形態では膨張機１４の数は１台であるが、並列に複数台を設置してもよい。
次に、熱媒経路について説明する。熱媒経路では、第１熱交換器１８において圧縮機１０で発生した熱を熱媒に回収している。熱回収した熱媒は熱媒タンク２０に貯蔵され、熱媒タンク２０から第２熱交換器２２に供給され、第２熱交換器２２において膨張機１４で膨張する前の圧縮空気に熱を戻している。第２熱交換器２２において熱交換して降温した熱媒は熱媒戻りタンク３８に供給される。そして、熱媒戻りタンク３８から第１熱交換器１８に再び熱媒が供給され、このように熱媒は循環している。ここで、熱媒の種類は特に限定されておらず、例えば鉱物油やグリコール系の熱媒を使用できる。
第１熱交換器１８では、圧縮機１０と第１蓄圧タンク１２とを流体的に接続する空気配管１６ｂ内の圧縮空気と、熱媒配管２４内の熱媒とで熱交換し、圧縮機１０で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。即ち、第１熱交換器１８では、圧縮空気の温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管２４を通じて熱媒タンク２０に供給される。
第１熱交換器１８から熱媒タンク２０までの熱媒配管２４には、熱媒を流動させるためのポンプ２５が設けられている。ポンプ２５により、熱媒は熱媒配管２４内を循環している。
熱媒タンク２０は、大気と断熱された断熱材で周囲が覆われた鋼製タンクである。熱媒タンク２０には、第１熱交換器１８で昇温した熱媒が貯蔵される。熱媒タンク２０には、内部の熱媒を加熱するためのヒータ（加熱部）２１が設けられている。ヒータ２１は、インバータ３２ｂ、コンバータ３４ｂ及び電力調整器３４ｃを介して発電機２８と電気的に接続されており、発電機２８の発電電力で動作する。熱媒タンク２０に貯蔵された熱媒は、熱媒配管２４を通じて第２熱交換器２２に供給される。
第２熱交換器２２では、第１蓄圧タンク１２と膨張機１４を流体的に接続する空気配管１６ｃ内の圧縮空気と、熱媒配管２４内の熱媒とで熱交換し、膨張機１４による膨張の前に圧縮空気を加熱している。即ち、第２熱交換器２２では、圧縮空気の温度は上昇し、熱媒の温度は低下する。第２熱交換器２２で降温した熱媒は、熱媒配管２４を通じて熱媒戻りタンク３８に供給される。
熱媒戻りタンク３８は、第２熱交換器２２で熱交換して降温した熱媒を貯蔵する。従って、熱媒戻りタンク３８内の熱媒は、通常、熱媒タンク２０内の熱媒よりも温度が低い。熱媒戻りタンク３８に貯蔵されている熱媒は、熱媒配管２４を通じて第１熱交換器１８に供給される。
熱媒戻りタンク３８から第１熱交換器１８に延びる熱媒配管２４には、熱媒冷却器４２が設けられている。本実施形態の熱媒冷却器４２は熱交換器であり、熱媒戻りタンク３８から第１熱交換器１８に延びる熱媒配管２４内の熱媒と、外部から供給される冷却水との間で熱交換して熱媒の温度を低下させている。熱媒冷却器４２によって第１熱交換器１８に流入する熱媒の温度を所定の温度に維持できるので、第１熱交換器１８における熱交換を安定的に行うことができ、充放電効率を向上できる。
また、ＣＡＥＳ発電装置２は、制御装置４０を備える。制御装置４０は、シーケンサ等を含むハードウェアと、それに実装されたソフトウェアにより構築されている。制御装置４０は、発電所６からの発電した電力に応じた充電指令Ｌｃと、電力系統４からの要求電力に応じた放電指令Ｌｇと、圧力センサ１３からの圧力測定値とを受ける。制御装置４０は、圧力センサ１３からの圧力測定値から第１蓄圧タンク１２のＳＯＣを算出し、算出したＳＯＣに基づいて、バルブ１７と、モータ３０のインバータ３４ａと、発電機２８のコンバータ３４ｂと、ヒータ２１の電力調整器３４ｃとを制御する。制御装置４０は、上記の充放電指令Ｌｃ，Ｌｇを充足しつつ、特に電力系統４からの要求電力を充足しつつ、ＳＯＣを増減させ最適ＳＯＣ範囲内に調整する。従って、本実施形態のバルブ１７と、インバータ３４ａと、コンバータ３４ｂと、電力調整器３４ｃとは、本発明のＳＯＣ調整部に含まれる。
図２を参照して、最適ＳＯＣ範囲とは、圧縮機１０及び膨張機１４の運転効率が良好となるＳＯＣの範囲である。第１蓄圧タンク１２内の圧縮空気の充填量によって、運転効率は変化する。図２は横軸が第１蓄圧タンク１２のＳＯＣ、縦軸が運転効率を示し、本実施形態では例えば５０％から７０％程度の範囲が最適ＳＯＣ範囲であり、この範囲の運転効率は高い。従って、最適ＳＯＣ範囲内となるようにＳＯＣを調整して運転することが運転効率の観点から有効である。
図１を参照して、ＳＯＣが最適ＳＯＣ範囲よりも大きい場合、バルブ１７を開いて第１蓄圧タンク１２の圧縮空気を膨張機１４に供給して発電機２８を駆動して発電し、ＳＯＣを減少させる。ここで、要求電力の充足を含む発電の際、コンバータ３４ｂを制御して発電負荷を上げ、圧縮空気を多く使用してもよい。発電機２８の発電電力はヒータ２１に供給され、ヒータ２１により熱媒タンク２０内の熱媒を加熱し、熱エネルギーとしてエネルギーを蓄える。また、第１蓄圧タンク１２に設けられた放気弁１１を開弁して第１蓄圧タンク１２内の空気を放気してＳＯＣを減少させてもよい。この場合、放気弁１１は、本発明のＳＯＣ調整部に含まれる。
ＳＯＣが最適ＳＯＣ範囲よりも小さい場合、発電所６からの充電指令Ｌｃのうち余剰な入力電力を使用して圧縮機１０により圧縮空気を製造し第１蓄圧タンク１２に供給し、ＳＯＣを増加させる。発電所６からの余剰な入力電力が存在しない場合、この方法ではＳＯＣを増加させることはできない。ただし、圧縮の際、インバータ３４ａを制御して圧縮負荷を下げ、圧縮空気を多く製造してもよい。
このように、ＳＯＣを調整して最適ＳＯＣ範囲内で運転することで運転効率を向上できる。また、ヒータ２１を設けることで、ＳＯＣを減少させるために発電した電力を無駄にせず、ヒータ２１で電力を熱エネルギーに変換して貯蔵できる。
さらに、制御装置４０は、ＳＯＣが所定の高範囲Ｒ１にある場合、上記のＳＯＣ調整部を制御してＳＯＣを低下させ、ＳＯＣが所定の低範囲Ｒ２にある場合、上記のＳＯＣ調整部を制御してＳＯＣを増加させる。具体的なＳＯＣの増減方法については上記と同様である。ここで、所定の高範囲Ｒ１の上限は第１蓄圧タンク１２の許容圧力値と決めてよい。所定の高範囲Ｒ１の下限は、圧力センサ１３が第１蓄圧タンク１２の圧力値が上限付近に到達したことを検出しＳＯＣを低下させる調整を開始してから、圧力センサ１３やＳＯＣ調整部の応答遅れにより第１蓄圧タンク１２の圧力が上昇しても、第１蓄圧タンク１２の圧力が上限まで上昇しないように決めてよい。本実施形態では、所定の高範囲Ｒ１は、例えばＳＯＣが９０％から１００％の範囲である。また、所定の低範囲Ｒ２の下限は、第１蓄圧タンク１２に発電に有効に使用できる圧縮空気が存在しない状態と決めてよい。所定の低範囲Ｒ２の上限は、圧力センサ１３で圧力が下限付近に到達したことを検出しＳＯＣを増加させる調整を開始してから、圧力センサ１３やＳＯＣ調整部の応答遅れにより第１蓄圧タンク１２の圧力が低下しても、第１蓄圧タンク１２の圧力が下限まで低下しないように決めてよい。本実施形態では、所定の低範囲Ｒ２は、例えばＳＯＣが０％から２０％の範囲である。
このようなＳＯＣ制御により、第１蓄圧タンク１２が容量上限に達してそれ以上蓄圧できなくなることを防止できると共に、第１蓄圧タンク１２が容量下限に達してそれ以上発電できなくなることを防止できる。
また、第１実施形態の変形例として、ヒータ２１に代えて図示しない蓄電装置を備えてもよい。蓄電装置を備えることで、ヒータ２１を使用して熱エネルギーとしてエネルギーを蓄えたのと同様に、ＳＯＣを減少させるために発電した発電電力を電気エネルギーとして蓄電装置に蓄えることができる。さらに、蓄電装置に蓄えた電力をモータ３０に供給して圧縮機１０を駆動すればＳＯＣを増加させることもできる。
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の概略構成図である。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、第１実施形態からヒータ２１が省略され、第２蓄圧タンク４４が設けられたことに関する部分以外の構成は図１の第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については説明を省略する。
図３は、第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の概略構成図である。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、第１実施形態からヒータ２１が省略され、第２蓄圧タンク４４が設けられたことに関する部分以外の構成は図１の第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については説明を省略する。
本実施形態では、圧縮機１０の吐出口１０ｂは、空気配管１６ｂを通じて第１蓄圧タンク１２及び第２蓄圧タンク４４に流体的に接続されている。圧縮機１０は、モータ３０により駆動されると、吸気口１０ａより空気を給気し、圧縮して吐出口１０ｂより吐出し、第１蓄圧タンク１２及び第２蓄圧タンク４４に圧縮空気を圧送する。圧縮機１０から第１蓄圧タンク１２及び第２蓄圧タンク４４に延びる空気配管１６ｂには、圧縮空気の流れを許容又は遮断するためのバルブ４５ａ，４５ｂがそれぞれ設けられている。バルブ４５ａ，４５ｂを開閉することにより、圧縮機１０から第１蓄圧タンク１２又は第２蓄圧タンク４４のいずれに圧縮空気を供給するか変更できる。
第１蓄圧タンク１２及び第２蓄圧タンク４４は、空気経路において並列に設けられており、圧縮機１０から圧送された圧縮空気を貯蔵する。第２蓄圧タンク４４には圧力センサ４６が設置されており、内部の圧縮空気の圧力を測定できる。測定された圧力値は制御装置４０に出力される。第１蓄圧タンク１２及び第２蓄圧タンク４４は空気配管１６ｃを通じて膨張機１４に流体的に接続されており、第１蓄圧タンク１２及び第２蓄圧タンク４４で貯蔵された圧縮空気は空気配管１６ｃを通じて膨張機１４に給気される。第１蓄圧タンク１２及び第２蓄圧タンク４４から膨張機１４に延びる空気配管１６ｃには、圧縮空気の流れを許容又は遮断するためのバルブ４５ｃ，４５ｄがそれぞれ設けられている。バルブ４５ｃ，４５ｄを開閉することにより、第１蓄圧タンク１２又は第２蓄圧タンク４４のいずれから膨張機１４に圧縮空気を給気するか変更できる。また、第１蓄圧タンク１２及び第２蓄圧タンク４４は、空気配管１６ｅにより直接接続されている。空気配管１６ｅにはバルブ４５ｅが設けられており、バルブ４５ｅを開くことで第１蓄圧タンク１２及び第２蓄圧タンク４４間で直接空気をやりとりできる。
本実施形態の制御装置４０は、圧力センサ１３，４６からの測定値を受けて第１蓄圧タンク１２のＳＯＣを算出し、算出したＳＯＣに基づいて、バルブ４５ａ〜４５ｅを制御して第２蓄圧タンク４４を利用してＳＯＣを増減させ最適ＳＯＣ範囲内に調整する。従って、本実施形態の第２蓄圧タンク４４と、バルブ４５ａ〜４５ｅとは、本発明のＳＯＣ調整部に含まれる。
本実施形態の制御では、ＳＯＣが最適ＳＯＣ範囲よりも大きい場合、ＳＯＣを増加させないために、バルブ４５ｂを開き、バルブ４５ａを閉じ、第２蓄圧タンク４４に圧縮空気を供給する。また、ＳＯＣを減少させるために、発電時はバルブ４５ｃを開き、バルブ４５ｄを閉じ、第１蓄圧タンク１２の圧縮空気を膨張機１４に供給する。第１蓄圧タンク１２の内圧が第２蓄圧タンク４４の内圧よりも高い場合、バルブ４５ｅを開いて第１蓄圧タンク１２の圧縮空気を第２蓄圧タンク４４に供給してもよい。
ＳＯＣが最適ＳＯＣ範囲よりも小さい場合、ＳＯＣを増加させるために、バルブ４５ａを開き、バルブ４５ｂを閉じ、第１蓄圧タンク１２に圧縮空気を供給する。また、ＳＯＣを減少させないために、発電時はバルブ４５ｄを開き、バルブ４５ｃを閉じ、第２蓄圧タンク４４の圧縮空気を膨張機１４に供給する。第１蓄圧タンク１２の内圧が第２蓄圧タンク４４の内圧よりも低い場合、バルブ４５ｅを開いて第２蓄圧タンク４４の圧縮空気を第１蓄圧タンク１２に供給してもよい。
ここで記載した各実施形態において、再生可能エネルギーによる発電の対象は、例えば、風力、太陽光、太陽熱、波力又は潮力、流水又は潮汐等、自然の力で定常的（もしくは反復的）に補充され、かつ不規則に変動す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。また、工場内の他の大電力を消費する機器によって電力が変動するものであってもよい。さらに、モータ３０を使用せずエンジン機械等の駆動機を使用すれば入力電力は不要である。
以上より、本発明の具体的な実施形態やその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、個々の実施形態の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。
２ 圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
４ 電力系統
６ 発電所
８ 受送電設備
１０ 圧縮機
１０ａ 吸気口
１０ｂ 吐出口
１１ 放気弁（ＳＯＣ調整部）
１２ 第１蓄圧タンク（第１蓄圧部）
１３ 圧力センサ（ＳＯＣ検出部）
１４ 膨張機
１４ａ 給気口
１４ｂ 排気口
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ 空気配管
１７ バルブ（ＳＯＣ調整部）
１８ 第１熱交換器
２０ 熱媒タンク
２１ ヒータ（加熱部）（ＳＯＣ調整部）
２２ 第２熱交換器
２４ 熱媒配管
２５ ポンプ
２６ 吸気フィルタ
２８ 発電機
３０ モータ（駆動機）
３２ａ コンバータ
３２ｂ インバータ
３４ａ インバータ（ＳＯＣ調整部）
３４ｂ コンバータ（ＳＯＣ調整部）
３４ｃ 電力調整器（ＳＯＣ調整部）
３６ 排気サイレンサ
３８ 熱媒戻りタンク
４０ 制御装置
４２ 熱媒冷却器
４４ 第２蓄圧タンク（第２蓄圧部）（ＳＯＣ調整部）
４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ バルブ（ＳＯＣ調整部）
４６ 圧力センサ
４ 電力系統
６ 発電所
８ 受送電設備
１０ 圧縮機
１０ａ 吸気口
１０ｂ 吐出口
１１ 放気弁（ＳＯＣ調整部）
１２ 第１蓄圧タンク（第１蓄圧部）
１３ 圧力センサ（ＳＯＣ検出部）
１４ 膨張機
１４ａ 給気口
１４ｂ 排気口
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ 空気配管
１７ バルブ（ＳＯＣ調整部）
１８ 第１熱交換器
２０ 熱媒タンク
２１ ヒータ（加熱部）（ＳＯＣ調整部）
２２ 第２熱交換器
２４ 熱媒配管
２５ ポンプ
２６ 吸気フィルタ
２８ 発電機
３０ モータ（駆動機）
３２ａ コンバータ
３２ｂ インバータ
３４ａ インバータ（ＳＯＣ調整部）
３４ｂ コンバータ（ＳＯＣ調整部）
３４ｃ 電力調整器（ＳＯＣ調整部）
３６ 排気サイレンサ
３８ 熱媒戻りタンク
４０ 制御装置
４２ 熱媒冷却器
４４ 第２蓄圧タンク（第２蓄圧部）（ＳＯＣ調整部）
４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ バルブ（ＳＯＣ調整部）
４６ 圧力センサ
Claims (10)
- 駆動機と機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄える第１蓄圧部と、
前記第１蓄圧部から供給される圧縮空気によって駆動される膨張機と、
前記膨張機と機械的に接続された発電機と、
前記圧縮機から前記第１蓄圧部に供給される圧縮空気と熱媒とで熱交換する第１熱交換器と、
前記第１蓄圧部から前記膨張機に供給される圧縮空気と熱媒とで熱交換する第２熱交換器と、
前記第１蓄圧部のＳＯＣを検出するＳＯＣ検出部と、
前記第１蓄圧部のＳＯＣを調整するＳＯＣ調整部と、
要求電力を充足しつつ前記ＳＯＣ検出部で検出したＳＯＣが最適ＳＯＣ範囲内となるように前記ＳＯＣ調整部を制御する制御装置と
を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。 - 前記ＳＯＣ調整部は、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器に流体的に接続され熱媒を貯蔵する蓄熱部と、前記蓄熱部内の熱媒を加熱する加熱部とを備える、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
- 前記制御装置は、前記第１蓄圧部のＳＯＣが前記最適ＳＯＣ範囲よりも大きい場合、前記第１蓄圧部の圧縮空気を前記膨張機に供給して前記発電機を駆動して発電し、前記発電機の発電電力を前記加熱部に供給する、請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
- 前記制御装置は、前記第１蓄圧部のＳＯＣが前記最適ＳＯＣ範囲よりも小さい場合、前記駆動機により圧縮空気を製造し前記第１蓄圧部に供給する、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。
- 前記ＳＯＣ調整部は、第２蓄圧部を備える、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。
- 前記制御装置は、
前記第１蓄圧部のＳＯＣが前記最適ＳＯＣ範囲よりも大きい場合、前記第２蓄圧部に圧縮空気を供給し、前記第１蓄圧部の圧縮空気を前記膨張機に供給し、前記第１蓄圧部の内圧が前記第２蓄圧部の内圧よりも高い場合、前記第１蓄圧部の圧縮空気を前記第２蓄圧部に供給する請求項５に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。 - 前記第１蓄圧部のＳＯＣが前記最適ＳＯＣ範囲よりも小さい場合、前記第１蓄圧部に圧縮空気を供給し、前記第２蓄圧部の圧縮空気を前記膨張機に供給し、前記第１蓄圧部の内圧が前記第２蓄圧部の内圧よりも低い場合、前記第２蓄圧部の圧縮空気を前記第１蓄圧部に供給する、請求項５又は請求項６に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
- 前記ＳＯＣ調整部は、前記第１蓄圧部から圧縮空気を放気するための放気弁を備え、
前記制御装置は、前記第１蓄圧部のＳＯＣが前記最適ＳＯＣ範囲よりも大きい場合、前記放気弁を開弁して前記第１蓄圧部から圧縮空気を放気する、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。 - 前記制御装置は、要求電力に拘らず、
前記ＳＯＣ検出部で検出したＳＯＣが所定の高範囲にある場合、前記ＳＯＣ調整部を制御してＳＯＣを低下させ、
前記ＳＯＣ検出部で検出したＳＯＣが所定の低範囲にある場合、前記ＳＯＣ調整部を制御してＳＯＣを増加させる、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。 - 空気を圧縮し、
前記圧縮の工程で昇温した圧縮空気を冷却し、
前記冷却された圧縮空気を第１蓄圧部に貯蔵し、
前記第１蓄圧部のＳＯＣが最適ＳＯＣ範囲内となるように調整し、
前記貯蔵された圧縮空気を加熱し、
前記加熱された圧縮空気を膨張させることにより発電する、圧縮空気貯蔵発電方法。
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