JP2019060312A - 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】吸気温度が変動した場合でも、充放電効率の低下を抑制することができる、圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。【解決手段】圧縮空気貯蔵発電装置２は、電動機４４と、電動機４４と接続され、低圧段圧縮機本体９及び高圧段圧縮機本体１０を有し、空気を圧縮する圧縮機８と、圧縮機８と接続され、圧縮機８により圧縮された圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンク１２と、蓄圧タンク１２と接続され、蓄圧タンク１２から供給される圧縮空気によって駆動される膨張機１４と、膨張機１４と接続された発電機４６と、低圧段圧縮機本体９で圧縮された圧縮空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を昇温させるためのインタークーラ２１と、インタークーラ２１と接続され、熱媒を貯蔵する熱媒タンク４８と、低圧段圧縮機本体９で圧縮された後の圧縮空気の温度に基づき、熱媒タンク４８からインタークーラ２１に供給される熱媒の流量を調整し、インタークーラ２１において熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度に維持する制御部９０と、を備える。【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。

太陽光発電や太陽熱発電などの太陽エネルギーを利用した発電においては、当日の日照状況に影響されて、その発電出力が大きく変動する。例えば、夜間には発電できず、雨天や曇天の日には発電出力が大きく減少する。また、夜明けから日暮れまでの日照状況や、晴れのち曇りといった日照状況の場合、発電出力が一日のうちで大きく変動する。

また、風車を用いた風力発電においては、当日の風向や風力の変化によって、その発電出力が大きく変動する。複数の風車をまとめたウインドファームのような発電設備においては、各風車の発電出力を加算することで、短周期の発電変動は平滑化することができるが、全体としてみると、その発電出力の変動を避けることは難しい。

このような変動する不安定な発電出力を平滑化又は平準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その代表的なものである。そして、余剰発電電力が生じた際に電気の代わりに変換した空気圧力として蓄えておき、必要なとき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：compressed air energy storage）と呼ばれる技術が知られている。一般に、比較的短周期の変動を均す場合を平滑化と呼び、比較的長周期の変動を均す場合を平準化と呼んでいるが、ここでは両者をまとめて平滑化と表すものとする。

このＣＡＥＳの技術を利用した代表的な従来技術が、特許文献１から特許文献３に開示されている。ここで、特許文献１から特許文献３のいずれにおいても、圧縮機による圧縮工程で発生する熱を回収することで、エネルギー貯蔵効率を高めている。

また、従来から、スクリュを高圧段と低圧段の２セット備えた２段型のスクリュ式圧縮機が知られている。２段型のスクリュ式圧縮機は、低圧段で圧縮された圧縮空気を高圧段に導入する前に冷却する。このため、単段型の圧縮機に比べて、過昇温になることなく、圧縮できる動作範囲が広いという特徴がある。この２段型のスクリュ式圧縮機を利用した圧縮空気貯蔵発電装置は、特許文献４に開示されている。

また、特許文献５には、システム全体の充放電効率を高めることができるよう予め設定された温度で熱媒タンクに熱媒を貯蔵できるよう構成されたＣＡＥＳが開示されている。

特開２０１２−９７７３７号公報 特表２０１３−５１２４１０号公報 特表２０１３−５３６３５７号公報 特開２０１６−２１１４６５号公報 特開２０１６−２１１４１６号公報

ここで、一般の圧縮機では、大気温度が変動して吸気温度に差が生じても、吐出温度に差が生じるだけで特に大きな問題はない。しかし、圧縮空気貯蔵発電装置では、吸気温度が変化し、その結果、吐出温度が変化すると、充放電効率が低下するという課題が存在する。例えば、吸気温度が低下すると、吐出温度からの充分な熱回収を行えず、膨張機によって圧縮空気が膨張される際の圧縮空気の予熱が充分に行えない。その結果、充放電効率が低下する。また、吸気温度が上昇すると、蓄圧タンクに導入される圧縮空気の温度が高くなり、蓄圧タンクからの熱エネルギーの放散によって、充放電効率が低下する。

そこで本発明では、吸気温度が変動した場合でも、充放電効率の低下を抑制することができる圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、圧縮空気貯蔵発電装置は、
入力電力により駆動される電動機と、
前記電動機と機械的に接続され、低圧段圧縮機本体及び高圧段圧縮機本体を有し、空気を圧縮する多段型の圧縮機と、
前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンクと、
前記蓄圧タンクと流体的に接続され、前記蓄圧タンク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、
前記低圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を昇温させるためのインタークーラと、
前記インタークーラと流体的に接続され、熱媒を貯蔵する熱媒タンクと、
前記低圧段圧縮機本体で圧縮された後の圧縮空気の温度に基づき、前記熱媒タンクから前記インタークーラに供給される熱媒の流量を調整し、前記インタークーラにおいて熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度に維持する制御部と、を備える。

前記構成によれば、低圧段圧縮機本体で圧縮された後の圧縮空気の温度に基づき、インタークーラに供給される熱媒の流量が調整されるので、圧縮機の吸気温度が変動した場合でも、蓄圧タンクに貯蔵される圧縮空気の温度を維持できる。その結果、圧縮空気貯蔵発電装置の充放電効率の低下を抑制することができる。

前記第１の態様は、さらに、次のような構成を備えるのが好ましい。

（１）前記低圧段圧縮機本体と前記インタークーラとを接続する空気配管と、
前記空気配管に設けられた温度センサと、
前記熱媒タンクから前記インタークーラに熱媒を供給する熱媒ポンプと、備え、
前記制御部は、前記温度センサにより検出された圧縮空気の温度により、前記熱媒ポンプの回転数を調整し、前記インタークーラにおいて熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度に維持する。

前記構成（１）によれば、熱媒ポンプの回転数によってインタークーラに供給される熱媒の流量を調整するので、インタークーラにおいて熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度に容易に維持することができる。なおここで、所定温度は、吸気温度変化による圧縮機の圧縮比変化によって生じる圧縮機の吐出温度変化を相殺させる高圧段圧縮機本体の吸気温度に相当する。

（２）前記低圧段圧縮機本体と前記インタークーラとを接続する空気配管と、
前記空気配管に設けられた温度センサと、
前記熱媒タンクと前記インタークーラとを接続する熱媒配管と、
前記熱媒配管に設けられた流量調整弁と、備え、
前記制御部は、前記温度センサにより検出された圧縮空気の温度により、前記流量調整弁の開度を調整し、前記インタークーラにおいて熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度に維持する。

前記構成（２）によれば、流量調整弁の開度によってインタークーラに供給される熱媒の流量を調整するので、インタークーラにおいて熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度に容易に維持することができる。なおここで、所定温度は、吸気温度変化による圧縮機の圧縮比変化によって生じる圧縮機の吐出温度変化を相殺させる高圧段圧縮機本体の吸気温度に相当する。

本発明の第２の態様は、入力電力により電動機を駆動し、
前記電動機と機械的に接続され、低圧段圧縮機本体及び高圧段圧縮機本体を有する多段型の圧縮機により空気を圧縮し、
前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄圧タンクに貯蔵し、
前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気によって膨張機を駆動し、
前記膨張機と機械的に接続された発電機により発電し、
インタークーラにおいて、前記低圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気と熱媒タンクから供給された熱媒とで熱交換する、圧縮空気貯蔵発電方法であって、
前記低圧段圧縮機本体で圧縮された後の圧縮空気の温度に基づき、前記インタークーラに供給される熱媒の流量を調整し、前記インタークーラにおいて熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度に維持する。

前記構成によれば、低圧段圧縮機本体で圧縮された後の圧縮空気の温度に基づき、インタークーラに供給される熱媒の流量が調整されるので、圧縮機の吸気温度が変動した場合でも、蓄圧タンクに貯蔵される圧縮空気の温度を維持できる。その結果、圧縮空気貯蔵発電装置の充放電効率の低下を抑制することができる。

本発明によれば、吸気温度が変動した場合でも、充放電効率の低下を抑制することができる、圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。 充電時の２段型のスクリュ式圧縮機の圧力−温度線図。 本発明の第２実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。 本発明の第３実施形態に係る圧縮空気貯蔵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、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置２の概略構成図を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、再生可能エネルギーを利用して発電する場合に、需要先である電力系統４への出力変動を平滑化するとともに、電力系統４における需要電力の変動に合わせた電力を出力する。ＣＡＥＳ発電装置２はまた、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６０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、本発明の第１実施形態を説明する。ＣＡＥＳ発電装置２は、空気経路及び熱媒経路を備えている。空気経路には、主に圧縮機８と、蓄圧タンク１２と、膨張機１４とが設けられており、これらが空気配管１８，１９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（図１の破線参照）。熱媒経路には、主に第１熱交換部２０と、蓄熱タンク２４と、第２熱交換部２６と、熱媒タンク４８とが設けられており、これらが熱媒配管３０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（図１の実線参照）。そして、ＣＡＥＳ発電装置２は、空気経路及び熱媒経路に設けられる装置を制御する制御部９０を備えている。

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、吸い込まれた空気は、圧縮機８で圧縮され、蓄圧タンク１２に貯蔵される。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４６の発電に使用される。

圧縮機８は、低圧段圧縮機本体９及び高圧段圧縮機本体１０を有する２段型のスクリュ式である。スクリュ式の圧縮機８を使用することで、変動する入力に速やかに追従でき、発電出力も速やかに変更できる。圧縮機８は、モータ（電動機）４４を備える。モータ４４は、低圧段圧縮機本体９及び高圧段圧縮機本体１０の内部の二軸式のスクリュ９ａ，１０ａに機械的に接続されている。発電設備６で発電された電力（入力電力）はモータ４４に供給され（図１の二点鎖線参照）、この電力によりモータ４４が駆動され、スクリュ９ａ，１０ａが回転して圧縮機８が作動する。圧縮機８は、モータ４４により駆動されると、空気配管１８を通じて低圧段圧縮機本体９が吸込口９ｂより空気を吸引し、圧縮して吐出口９ｃより吐出し、空気配管１８を通じて高圧段圧縮機本体１０に圧縮空気を圧送する。空気配管１８において、吐出口９ｃの圧縮空気流れ下流側には、低圧段圧縮機本体９が吐出する圧縮空気の温度を検出する温度センサ９１が設けられている。高圧段圧縮機本体１０は、空気配管１８を通じて吸込口１０ｂより空気を吸引し、圧縮して吐出口１０ｃより吐出し、空気配管１８ａを通じて蓄圧タンク１２に圧縮空気を圧送する。

蓄圧タンク１２は、圧縮機８から圧送された圧縮空気を貯蔵する。従って、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。蓄圧タンク１２は、空気配管１９を通じて、膨張機１４に流体的に接続されている。従って、蓄圧タンク１２で貯蔵された圧縮空気は、膨張機１４に供給される。なお、蓄圧タンク１２に貯蔵された圧縮空気は、工場等に直接利用するエアとして供給されてもよい。

膨張機１４は、低圧段膨張機本体１５及び高圧段膨張機本体１６を有する２段型のスクリュ式である。スクリュ式の膨張機１４を使用することで、変動する入力に速やかに追従でき、発電出力も速やかに変更できる。膨張機１４は、発電機４６を備える。発電機４６は、低圧段膨張機本体１５及び高圧段膨張機本体１６の内部の二軸式のスクリュ１５ａ，１６ａと機械的に接続されている。高圧段膨張機本体１６は、給気口１６ｂにおいて空気配管１９を通じて蓄圧タンク１２と流体的に接続され、給気口１６ｂから圧縮空気が供給される。高圧段膨張機本体１６は、供給された圧縮空気により作動し、発電機４６を駆動する。高圧段膨張機本体１６は、排気口１６ｃから空気配管１９を通じて圧縮空気を低圧段膨張機本体１５の給気口１５ｂに供給する。低圧段膨張機本体１５は、同様に供給された圧縮空気により作動し、発電機４６を駆動する。低圧段膨張機本体１５は、排気口１５ｃから空気配管１９を通じて外部に膨張した空気を排気する。発電機４６で発電した電力は、需要先設備４に供給される（図１の二点鎖線参照）。

次に、図１を参照して熱媒経路について説明する。熱媒経路では、第１熱交換部２０において圧縮機８で発生した熱を熱媒に回収している。そして、熱回収した熱媒を蓄熱タンク２４（蓄熱タンク２４ａ及び蓄熱タンク２４ｂ）に貯蔵し、第２熱交換部２６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熱交換部２６において熱交換して降温した熱媒は、熱媒タンク４８に供給される。そして、熱媒タンク４８から第１熱交換部２０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や高圧水を使用できる。

本実施形態の第１熱交換部２０は、インタークーラ２１と、アフタークーラ２２とを備える。インタークーラ２１及びアフタークーラ２２は、圧縮機８で発生した熱を熱媒に回収している。従って、インタークーラ２１及びアフタークーラ２２では、圧縮空気の温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。

インタークーラ２１は、空気経路において、低圧段圧縮機本体９から高圧段圧縮機本体１０に延びる空気配管１８に設けられている。また、インタークーラ２１は、熱媒経路において、熱媒タンク４８から蓄熱タンク２４ｂに延びる熱媒配管３０ａ，３０ｅに設けられている。従って、インタークーラ２１は、低圧段圧縮機本体９で圧縮後の圧縮空気と、蓄熱タンク２４ｂに供給される熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体９で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管３０ｅを通じて蓄熱タンク２４ｂに供給される。

アフタークーラ２２は、空気経路において、高圧段圧縮機本体１０から蓄圧タンク１２に延びる空気配管１８ａに設けられている。また、アフタークーラ２２は、熱媒経路において、熱媒タンク４８から蓄熱タンク２４ａに延びる熱媒配管３０ｄ，３０ｃに設けられている。従って、アフタークーラ２２は、高圧段圧縮機本体１０で圧縮後の圧縮空気と、蓄熱タンク２４ａに供給される熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体９及び高圧段圧縮機本体１０で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管３０ｃを通じて蓄熱タンク２４ａに供給される。

これにより、蓄熱タンク２４ａに高温の熱媒を貯蔵し、これより低温の熱媒を蓄熱タンク２４ｂに貯蔵でき、即ち温度別に熱媒を貯蔵できる。従って、高温と低温で貯蔵された熱媒で２段型のスクリュ式膨張機１４に流入する圧縮空気を加熱可能であり、充放電効率を高く維持できる。

蓄熱タンク２４ａ及び蓄熱タンク２４ｂ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。断熱材で覆う代わりに二重容器として真空断熱すれば、さらに断熱効果を高めることもできる。蓄熱タンク２４ａ及び蓄熱タンク２４ｂには、第１熱交換部２０で昇温した熱媒が貯蔵されている。蓄熱タンク２４ａに貯蔵された熱媒は、熱媒配管３０ｆを通じてインターヒータ２８に供給される。蓄熱タンク２４ｂに貯蔵された熱媒は、熱媒配管３０ｇを通じてプレヒータ２７に供給される。

温度別に貯蔵された熱媒で２段型のスクリュ式膨張機１４に流入する圧縮空気を加熱することで、システム全体での熱効率を最大限高めることができ、充放電効率を高く維持できる。

本実施形態の第２熱交換部２６は、プレヒータ２７と、インターヒータ２８とを備える。プレヒータ２７及びインターヒータ２８は、膨張機１４で膨張前の圧縮空気を加熱する。従って、プレヒータ２７及びインターヒータ２８では、圧縮空気の温度は上昇し、熱媒の温度は低下する。

プレヒータ２７は、空気経路において、蓄圧タンク１２から高圧段膨張機本体１６に延びる空気配管１９に設けられている。また、プレヒータ２７は、熱媒経路において、蓄熱タンク２４ｂから熱媒タンク４８に延びる熱媒配管３０ｇ，３０ｈに設けられている。従って、プレヒータ２７は、高圧段膨張機本体１６で膨張前の圧縮空気と、蓄熱タンク２４ｂから供給される熱媒とで熱交換し、高圧段膨張機本体１６での膨張前の圧縮空気を加熱している。ここで降温した熱媒は、熱媒配管３０ｈを通じて熱媒タンク４８に供給される。

インターヒータ２８は、空気経路において、高圧段膨張機本体１６から低圧段膨張機本体１５に延びる空気配管１９に設けられている。また、インターヒータ２８は、熱媒経路において、蓄熱タンク２４ａから熱媒タンク４８に延びる熱媒配管３０ｆ，３０ｉに設けられている。従って、インターヒータ２８は、低圧段膨張機本体１５で膨張前の圧縮空気と、蓄熱タンク２４ａから供給される熱媒とで熱交換し、低圧段膨張機本体１５での膨張前の圧縮空気を加熱している。このように、圧縮空気を高圧段膨張機本体１６と低圧段膨張機本体１５の間で加熱しているので、過冷却になることなく、より発電量も増大できる。ここで降温した熱媒は、熱媒配管３０ｉを通じて熱媒タンク４８に回収される。

熱媒タンク４８は、第２熱交換部２６（プレヒータ２７及びインターヒータ２８）で熱交換して降温した熱媒を貯蔵する。従って、熱媒タンク４８内の熱媒は、通常、蓄熱タンク２４内の熱媒よりも温度が低い。熱媒タンク４８に貯蔵されている熱媒は、熱媒配管３０ｊを通じて第１熱交換部２０にそれぞれ供給される。

このように、本実施形態では３つの熱媒を貯蔵するタンク２４ａ，２４ｂ，４８が設けられている。蓄熱タンク２４ａの温度Ｔ１、蓄熱タンク２４ｂの温度Ｔ２、及び熱媒タンク４８の温度Ｔ３を比べると、Ｔ１が最も高く、次いでＴ２、そしてＴ３が最も低い。即ち、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３の関係が成立している。

熱媒タンク４８から第１熱交換部２０に延びる熱媒配管３０ｊには、第３熱交換部３４が設けられている。第３熱交換部３４では、第１熱交換部２０に供給される熱媒と、冷却水との間で熱交換して熱媒の温度を所定の温度まで低下させている。

第３熱交換部３４は、第１熱交換部２０の上流側に配置されているので、第３熱交換部３４によって第１熱交換部２０に流入する熱媒の温度を所定の温度に維持できる。その結果、第１熱交換部２０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。

熱媒配管３０ｊ，３０ｆ，３０ｇには、熱媒を流動させるためのポンプ５０ａ〜５０ｃがそれぞれ設けられている。ポンプ５０ａ（熱媒ポンプ）は熱媒タンク４８下流に配置され、ポンプ５０ｂは蓄熱タンク２４ａ下流に配置され、ポンプ５０ｃは蓄熱タンク２４ｂ下流に配置されている。

以下、制御部９０によるインタークーラ２１への熱媒流量の調整について説明する。

制御部９０は、温度センサ９１によって低圧段圧縮機本体９が吐出する圧縮空気の温度を検出する。ここで、外気温度が変動し、低圧段圧縮機本体９の吸気温度が変動すると、制御部９０は、温度センサ９１による圧縮空気の温度変化から、ポンプ５０ａの回転数を増減させ、熱媒タンク４８からインタークーラ２１へ供給される熱媒の流量を調整する。

例えば、制御部９０は、温度センサ９１によって圧縮空気の温度の低下を検出すると、ポンプ５０ａの回転数を減少させ、熱媒タンク４８からインタークーラ２１へ供給される熱媒の流量を減少させる。その結果、インタークーラ２１において、圧縮空気と熱媒との熱交換量が減少し、インタークーラ２１において熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度（第１温度）に維持する。なおここで、第１温度は、吸気温度低下による圧縮機８の吐出温度低下を相殺させる高圧段圧縮機本体１０の吸気温度に相当する。

その結果、高圧段圧縮機本体１０へ圧送された圧縮空気の温度が一定に維持され、圧縮機８の吸気温度が低い場合でも、膨張機１４の給気温度を一定に維持することができる。したがって、ＣＡＥＳ発電装置２の充放電効率の低下を抑制することができる。

また、制御部９０は、温度センサ９１によって圧縮空気の温度の上昇を検出すると、ポンプ５０ａの回転数を増加させ、熱媒タンク４８からインタークーラ２１へ供給される熱媒の流量を増加させる。その結果、インタークーラ２１において、圧縮空気と熱媒との熱交換量が増加し、インタークーラ２１において熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度（第２温度）に維持する。なおここで、第２温度は、吸気温度上昇による圧縮機８の吐出温度増加を相殺させる高圧段圧縮機本体１０の吸気温度に相当する。

その結果、高圧段圧縮機本体１０へ圧送された圧縮空気の温度が一定に維持され、圧縮機８の吸気温度が高い場合でも、蓄圧タンク１２に導入される圧縮空気の温度を一定に維持することができる。したがって、高圧段圧縮機本体１０の吸気温度を、高圧段圧縮機本体１０として許容されるべき所定の吸気温度以下に抑制することができ、圧縮機の安定運転、ひいてはＣＡＥＳ発電装置２の安定運転が可能となる。

図２は、充電時の２段型のスクリュ式圧縮機８の圧力−温度線図である。縦軸は圧力（ＭＰａ）、横軸は温度（Ｋ）を表す。図２では、圧縮機８の吸気温度が設計標準値（約３０℃）の場合の圧力−温度線図が実線で、圧縮機８の吸気温度が設計標準値より低い（約０℃）の場合の圧力−温度線図が破線で示されている。なお、図２の圧力−温度線図は、ｐ−ｈ線図（圧力−比エンタルピー線図）に置き換えることができる。

圧縮機の吸気温度が設計標準値の場合、図２では、状態Ｓ１から状態Ｓ２は、低圧段圧縮機本体９での吸気過程を示し、状態Ｓ２から状態Ｓ３は、低圧段圧縮機本体９での吸気の内部閉じこみから吐出口９ｃまでの圧縮仕事過程を示している。状態Ｓ３から状態Ｓ４は、インタークーラ２１での冷却過程を示している。状態Ｓ４から状態Ｓ５は、高圧段圧縮機本体１０での吸気過程を示し、状態Ｓ５から状態Ｓ６は、高圧段圧縮機本体１０での吸気の内部閉じこみから吐出口１０ｃまでの圧縮仕事過程を示している。状態Ｓ６から状態Ｓ７は、アフタークーラ２２での冷却過程を示している。

図２では、状態Ｓ２から状態Ｓ３及び状態Ｓ５から状態Ｓ６は断熱過程を想定した等エントロピー変化である。状態Ｓ１から状態Ｓ７までの圧縮空気の温度の遷移を見ると、状態Ｓ１で約３０℃、状態Ｓ２で約３５℃、状態Ｓ３で約１５４℃、状態Ｓ４で約４５℃、状態Ｓ５で約６５℃、状態Ｓ６で約１６３℃、そして状態Ｓ７で約４５℃である。なお、状態Ｓ１〜Ｓ７の圧力・温度等の条件は一例であって、これに限定されるものではない。

蓄熱タンク２４ａには、アフタークーラ２２で加熱されて昇温した熱媒が貯蔵される。これは、図２の状態Ｓ６から状態Ｓ７で圧縮空気と熱交換した熱媒に対応する。状態Ｓ６は状態Ｓ３よりも温度が高いため、蓄熱タンク２４ａには蓄熱タンク２４ｂに貯蔵される熱媒より温度が高い熱媒が貯蔵される。

蓄熱タンク２４ｂには、インタークーラ２１で加熱されて昇温した熱媒が貯蔵される。これは、図２の状態Ｓ３から状態Ｓ４で圧縮空気と熱交換した熱媒に対応する。状態Ｓ３は状態Ｓ６よりも温度が低いため、蓄熱タンク２４ｂには蓄熱タンク２４ａに貯蔵される熱媒より温度が低い熱媒が貯蔵される。

圧縮機の吸気温度が設計標準値より低い場合、図２では、状態Ｃ１から状態Ｃ２は低圧段圧縮機本体９での高温の圧縮空気の内部漏れによる吸気加熱過程を示し、状態Ｃ２から状態Ｃ３は低圧段圧縮機本体９での吸気の内部閉じこみから吐出口９ｃまでの圧縮仕事過程を示している。状態Ｃ３から状態Ｃ４は、インタークーラ２１での冷却過程を示している。状態Ｃ４から状態Ｃ５は高圧段圧縮機本体１０での高温の圧縮空気の内部漏れによる吸気加熱過程を示し、状態Ｃ５から状態Ｃ６は高圧段圧縮機本体１０での吸気の内部閉じこみから吐出口１０ｃまでの過程を示している。状態Ｃ６から状態Ｃ７は、アフタークーラ２２での冷却過程を示している。

図２では、状態Ｃ２から状態Ｃ３及び状態Ｃ５から状態Ｃ６は、圧縮仕事過程での高温の圧縮空気の内部漏れに吸気温度の上昇を含む、断熱過程を想定した等エントロピー変化である。例示した状態Ｃ１から状態Ｃ７までの圧縮空気の温度の遷移を見ると、状態Ｃ１で約０℃、状態Ｃ２で約５℃、状態Ｃ３で約１５４℃、状態Ｃ４で約６０℃、状態Ｃ５で約６５℃、状態Ｃ６で約１６３℃、そして状態Ｃ７で約４５℃である。なお、状態Ｓ１〜Ｓ７の圧力・温度等の条件は一例であって、これに限定されるものではない。

ここで、状態Ｃ３から状態Ｃ４では、制御部９０は、熱媒タンク４８からインタークーラ２１へ供給される熱媒の流量を減少させている。したがって、状態Ｃ４の圧縮空気の温度（吸気温度から算出される第１温度）は、状態Ｓ４の圧縮空気の温度より高くなる。その結果、状態Ｃ４の圧縮空気の圧力が上昇し、高圧段圧縮機本体１０での圧縮比が低下しても、状態Ｃ６の圧縮空気の温度は、状態Ｓ６の圧縮空気の温度と同等となり、高圧段圧縮機本体１０の吐出温度を維持することができ、ＣＡＥＳ発電装置２の充放電効率の低下を抑制することができる。

蓄熱タンク２４ａには、アフタークーラ２２で加熱されて昇温した熱媒が貯蔵される。これは、図２の状態Ｃ６から状態Ｃ７で圧縮空気と熱交換した熱媒に対応する。状態Ｃ６は状態Ｃ３よりも温度が高いため、蓄熱タンク２４ａには蓄熱タンク２４ｂに貯蔵される熱媒より温度が高い熱媒が貯蔵される。

蓄熱タンク２４ｂには、インタークーラ２１で加熱されて昇温した熱媒が貯蔵される。これは、図２の状態Ｃ３から状態Ｃ４で圧縮空気と熱交換した熱媒に対応する。状態Ｃ３は状態Ｃ６よりも温度が低いため、蓄熱タンク２４ｂには蓄熱タンク２４ａに貯蔵される熱媒より温度が低い熱媒が貯蔵される。したがって、吸気温度が設計温度から変動する場合でも、蓄熱タンク２４ａに貯蔵される熱媒の温度と蓄熱タンク２４ｂに貯蔵される熱媒の温度との大小関係が変化することはない。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、制御部９０は、ポンプ５０ａの回転数を変化させることによって熱媒の流量を変化させているが、ポンプ５０ａは流量一定のポンプでもよい。図３は、ポンプ５０ａが流量一定のポンプである場合の、本発明の第２実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図である。

図３に示すように、本実施形態では、ポンプ５０ａからインタークーラ２１までの熱媒配管３０ａに流量調整弁９２が設けられる。制御部９０は、流量調整弁９２の開度を調整することによって、インタークーラ２１へ供給される熱媒の流量を調整する。具体的には、制御部９０は、温度センサ９１によって圧縮空気の温度の低下を検出すると、流量調整弁９２の開度を小さくすることによって、熱媒タンク４８からインタークーラ２１へ供給される熱媒の流量を減少させる。その結果、インタークーラ２１において、圧縮空気と熱媒との熱交換量が減少し、インタークーラ２１において熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定の第１温度に維持する。

その結果、高圧段圧縮機本体１０へ圧送された圧縮空気の温度が一定に維持され、圧縮機８の吸気温度が低い場合でも、膨張機１４の吸気温度を一定に維持することができる。したがって、ＣＡＥＳ発電装置２の充放電効率の低下を抑制することができる。

また、制御部９０は、温度センサ９１によって圧縮空気の温度の上昇を検出すると、流量調整弁９２の開度を大きくすることによって、熱媒タンク４８からインタークーラ２１へ供給される熱媒の流量を増加させる。その結果、インタークーラ２１において、圧縮空気と熱媒との熱交換量が増加し、インタークーラ２１において熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定の第２温度に維持する。

その結果、高圧段圧縮機本体１０へ圧送された圧縮空気の温度が一定に維持され、圧縮機８の吸気温度が高い場合でも、蓄圧タンク１２に導入される圧縮空気の温度を一定に維持することができる。したがって、ＣＡＥＳ発電装置２の充放電効率の低下を抑制することができる。

なお、第２実施形態においても、第１実施形態と同様、インタークーラ２１において熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定の第１温度に維持するので、第２実施形態は、第１実施形態で説明した圧力−温度線図と同様の圧力−温度線図を示す。

上記実施形態では、２種の蓄熱タンク２４（蓄熱タンク２４ａ及び蓄熱タンク２４ｂ）が設けられているが、３種以上の蓄熱タンクが設けられてもよい。また、蓄熱タンク２４ａ又は蓄熱タンク２４ｂの一方又は両方が２つ以上設けられてもよい。さらに、物理的に１つの蓄熱タンク２４の内部が仕切られて、高温用の熱媒と低温用の熱媒とが分けて貯蔵されるようにしてもよい。なお、上記実施形態では、熱媒の温度差を考慮して、蓄熱タンク２４ａ及び蓄熱タンク２４ｂが設けられているが、１つの蓄熱タンクでインタークーラ２１及びアフタークーラ２２からの熱媒を受け取るように構成されてもよい。以下、１つの蓄熱タンクでインタークーラ２１及びアフタークーラ２２からの熱媒を受け取るように構成した実施形態を示す。

（第３実施形態）
図４を参照して、本発明の第３実施形態を説明する。この本発明の第３実施形態は、１つの蓄熱タンク２４（蓄熱タンク２４ｃ）でインタークーラ２１及びアフタークーラ２２からの熱媒を受け取るように構成した実施形態である。なお、この本発明の第３実施形態は、本発明の第１実施形態、第２実施形態と多くの共通の構成品を含む。それら共通の構成品については同一の番号を付し、それらの説明については割愛する。

図４に示すとおり、熱媒配管３０ｋ，３０ｎは、熱媒配管３０ｊから分岐している。熱媒配管３０ｐ、３０ｍは蓄熱タンク２４ｃの上流側で合流している。また、熱媒配管３０ｒ，３０ｇは蓄熱タンク２４ｃの下流側で分岐している。熱媒配管３０ｓ、３０ｔは熱媒タンク４８の上流側で合流している。熱媒配管３０ｋ，３０ｎ，３０ｒ，３０ｑには、熱媒を流動させるためのポンプ５０ａ，５０ｄ，５０ｃ，５０ｂがそれぞれ設けられている。ポンプ５０ａ（熱媒ポンプ）は熱媒タンク４８の下流側の熱媒配管３０ｋに配置され、ポンプ５０ｄは熱媒タンク４８の下流側の熱媒配管３０ｎに配置され、ポンプ５０ｂは蓄熱タンク２４ｃの下流側の熱媒配管３０ｑに配置され、ポンプ５０ｃは蓄熱タンク２４ｃの下流側の熱媒配管３０ｒに配置されている。

インタークーラ２１は、空気経路において、低圧段圧縮機本体９から高圧段圧縮機本体１０に延びる空気配管１８に設けられている。また、インタークーラ２１は、熱媒経路において、熱媒タンク４８から蓄熱タンク２４ｃに延びる熱媒配管３０ｋ，３０ｐに設けられている。従って、インタークーラ２１は、低圧段圧縮機本体９で圧縮後の圧縮空気と、蓄熱タンク２４ｃに供給される熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体９で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管３０ｐを通じて蓄熱タンク２４ｃに供給される。

アフタークーラ２２は、空気経路において、高圧段圧縮機本体１０から蓄圧タンク１２に延びる空気配管１８ａに設けられている。また、アフタークーラ２２は、熱媒経路において、熱媒タンク４８から蓄熱タンク２４ｃに延びる熱媒配管３０ｎ，３０ｍに設けられている。従って、アフタークーラ２２は、高圧段圧縮機本体１０で圧縮後の圧縮空気と、蓄熱タンク２４ｃに供給される熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体９及び高圧段圧縮機本体１０で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管３０ｍを通じて蓄熱タンク２４ｃに供給される。

空気配管１８において、インタークーラ２１の下流側で且つ高圧段圧縮機本体１０の上流側には、インタークーラ２１にて熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を検出する温度センサ９５が設けられている。

蓄熱タンク２４ｃは、上述した蓄熱タンク２４ａ，２４ｂと同様の構成のものであり、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。

プレヒータ２７は、空気経路において、蓄圧タンク１２から高圧段膨張機本体１６に延びる空気配管１９に設けられている。また、プレヒータ２７は、熱媒経路において、蓄熱タンク２４ｃから熱媒タンク４８に延びる熱媒配管３０ｒ，３０ｓに設けられている。従って、プレヒータ２７は、高圧段膨張機本体１６で膨張前の圧縮空気と、蓄熱タンク２４ｃから供給される熱媒とで熱交換し、高圧段膨張機本体１６での膨張前の圧縮空気を加熱している。ここで降温した熱媒は、熱媒配管３０ｓを通じて熱媒タンク４８に供給される。

インターヒータ２８は、空気経路において、高圧段膨張機本体１６から低圧段膨張機本体１５に延びる空気配管１９に設けられている。また、インターヒータ２８は、熱媒経路において、蓄熱タンク２４ｃから熱媒タンク４８に延びる熱媒配管３０ｑ，３０ｔに設けられている。従って、インターヒータ２８は、低圧段膨張機本体１５で膨張前の圧縮空気と、蓄熱タンク２４ｃから供給される熱媒とで熱交換し、低圧段膨張機本体１５での膨張前の圧縮空気を加熱している。このように、圧縮空気を高圧段膨張機本体１６と低圧段膨張機本体１５の間で加熱しているので、過冷却になることなく、より発電量も増大できる。ここで降温した熱媒は、熱媒配管３０ｔを通じて熱媒タンク４８に回収される。

熱媒タンク４８は、第２熱交換部２６（プレヒータ２７及びインターヒータ２８）で熱交換して降温した熱媒を貯蔵する。従って、熱媒タンク４８内の熱媒は、通常、蓄熱タンク２４ｃ内の熱媒よりも温度が低い。熱媒タンク４８に貯蔵されている熱媒は、熱媒配管３０ｊを通じて第１熱交換部２０に供給される。

このように、本実施形態では２つの熱媒を貯蔵するタンク２４，４８が設けられている。蓄熱タンク２４ｃの温度Ｔ４、及び熱媒タンク４８の温度Ｔ５を比べると、Ｔ４が高く、Ｔ５が低い。即ち、Ｔ４＞Ｔ５の関係が成立している。

熱媒タンク４８から第１熱交換部２０に延びる熱媒配管３０ｊには、第３熱交換部３４が設けられている。第３熱交換部３４では、第１熱交換部２０に供給される熱媒と、冷却水との間で熱交換して熱媒の温度を所定の温度まで低下させている。なお、熱媒配管３０ｊにおいて、第３熱交換部３４の下流側で且つ第１熱交換部２０の上流側には、第３熱交換部３４にて冷却水と熱交換した熱媒の度度を検出する温度センサ９３が設けられている。また、第３熱交換部３４を通じる冷却水の流路において、その第３熱交換部３４の上流側には、冷却水の流量を調整可能な流路調整弁９４が設けられる。

制御部９０は、流量調整弁９４の開度を調整することによって、第３熱交換部３４へ供給される冷却水の流量を調整する。具体的には、制御部９０は、温度センサ９３によって熱媒の温度の低下を検出すると、流量調整弁９４の開度を小さくすることによって、第３熱交換部３４へ供給される冷却水の流量の流量を減少させる。その結果、第３熱交換部３４において、熱媒と冷却水との熱交換量が減少し、第３熱交換部３４によって第１熱交換部２０に流入する熱媒の温度を所定の温度に維持できる。その結果、第１熱交換部２０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。

以下、制御部９０によるインタークーラ２１への熱媒流量の調整について説明する。

制御部９０は、温度センサ９５によって低圧段圧縮機本体９が吐出する圧縮空気の温度を検出する。ここで、外気温度が変動し、低圧段圧縮機本体９の吸気温度が変動すると、制御部９０は、温度センサ９５による圧縮空気の温度変化から、ポンプ５０ａの回転数を増減させ、熱媒タンク４８からインタークーラ２１へ供給される熱媒の流量を調整する。

例えば、制御部９０は、温度センサ９５によって圧縮空気の温度の低下を検出すると、ポンプ５０ａの回転数を減少させ、熱媒タンク４８からインタークーラ２１へ供給される熱媒の流量を減少させる。その結果、インタークーラ２１において、圧縮空気と熱媒との熱交換量が減少し、インタークーラ２１において熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度（第１温度）に維持する。なおここで、第１温度は、吸気温度低下による圧縮機８の圧縮比低下によって生じる圧縮機８の吐出温度低下を相殺させる高圧段圧縮機本体１０の吸気温度に相当する。

その結果、高圧段圧縮機本体１０へ圧送された圧縮空気の温度が一定に維持され、圧縮機８の吸気温度が低い場合でも、膨張機１４の吸気温度を一定に維持することができる。したがって、ＣＡＥＳ発電装置２の充放電効率の低下を抑制することができる。

また、制御部９０は、温度センサ９５によって圧縮空気の温度の上昇を検出すると、ポンプ５０ａの回転数を増加させ、熱媒タンク４８からインタークーラ２１へ供給される熱媒の流量を増加させる。その結果、インタークーラ２１において、圧縮空気と熱媒との熱交換量が増加し、インタークーラ２１において熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度（第２温度）に維持する。なおここで、第２温度は、吸気温度上昇による圧縮機８の圧縮比増加によって生じる圧縮機８の吐出温度増加を相殺させる高圧段圧縮機本体１０の吸気温度に相当する。

その結果、高圧段圧縮機本体１０へ圧送された圧縮空気の温度が一定に維持され、圧縮機８の吸気温度が高い場合でも、蓄圧タンク１２に導入される圧縮空気の温度を一定に維持することができる。したがって、ＣＡＥＳ発電装置２の充放電効率の低下を抑制することができる。

上記のいずれの実施形態でも、圧縮機８及び膨張機１４が２段型であるが、２段型に限定されるものではなく、３段以上の多段型であってもよい。また、圧縮機８及び膨張機１４の数はそれぞれ１台であるが、並列に複数台を設置してもよい。

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 圧縮機
９ 低圧段圧縮機本体
９ａ スクリュ
９ｂ 吸込口
９ｃ 吐出口
１０ 高圧段圧縮機本体
１０ａ スクリュ
１０ｂ 吸込口
１０ｃ 吐出口
１２ 蓄圧タンク
１４ 膨張機
１５ 低圧段膨張機本体
１５ａ スクリュ
１５ｂ 給気口
１５ｃ 排気口
１６ 高圧段膨張機本体
１６ａ スクリュ
１６ｂ 給気口
１６ｃ 排気口
１８，１８ａ，１９ 空気配管
２０ 第１熱交換部
２１ インタークーラ
２２ アフタークーラ
２４ 蓄熱タンク
２４ａ 蓄熱タンク
２４ｂ 蓄熱タンク
２４ｃ 蓄熱タンク
２６ 第２熱交換部
２７ プレヒータ
２８ インターヒータ
３０ａ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ，３０ｉ，３０ｊ，３０ｋ，３０ｍ，３０ｎ，３０ｐ，３０ｑ，３０ｒ，３０ｓ，３０ｔ 熱媒配管
３４ 第３熱交換部
４４ モータ（電動機）
４６ 発電機
４８ 熱媒タンク
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ ポンプ
６０ 受送電設備
９０ 制御部
９１ 温度センサ
９２ 流量調整弁
９３ 温度センサ
９４ 流量調整弁
９５ 温度センサ

Claims (4)

1. 入力電力により駆動される電動機と、
   前記電動機と機械的に接続され、低圧段圧縮機本体及び高圧段圧縮機本体を有し、空気を圧縮する多段型の圧縮機と、
   前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンクと、
   前記蓄圧タンクと流体的に接続され、前記蓄圧タンク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、
   前記低圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を昇温させるためのインタークーラと、
   前記インタークーラと流体的に接続され、熱媒を貯蔵する熱媒タンクと、
   前記低圧段圧縮機本体で圧縮された後の圧縮空気の温度に基づき、前記熱媒タンクから前記インタークーラに供給される熱媒の流量を調整し、前記インタークーラにおいて熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度に維持する制御部と、を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
   
2. 前記低圧段圧縮機本体と前記インタークーラとを接続する空気配管と、
   前記空気配管に設けられた温度センサと、
   前記熱媒タンクから前記インタークーラに熱媒を供給する熱媒ポンプと、備え、
   前記制御部は、前記温度センサにより検出された圧縮空気の温度により、前記熱媒ポンプの回転数を調整し、前記インタークーラにおいて熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度に維持する、請求項１記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
   
3. 前記低圧段圧縮機本体と前記インタークーラとを接続する空気配管と、
   前記空気配管に設けられた温度センサと、
   前記熱媒タンクと前記インタークーラとを接続する熱媒配管と、
   前記熱媒配管に設けられた流量調整弁と、備え、
   前記制御部は、前記温度センサにより検出された圧縮空気の温度により、前記流量調整弁の開度を調整し、前記インタークーラにおいて熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度に維持する、請求項１記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
   
4. 入力電力により電動機を駆動し、
   前記電動機と機械的に接続され、低圧段圧縮機本体及び高圧段圧縮機本体を有する多段型の圧縮機により空気を圧縮し、
   前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄圧タンクに貯蔵し、
   前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気によって膨張機を駆動し、
   前記膨張機と機械的に接続された発電機により発電し、
   インタークーラにおいて、前記低圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気と熱媒タンクから供給された熱媒とで熱交換する、圧縮空気貯蔵発電方法であって、
   前記低圧段圧縮機本体で圧縮された後の圧縮空気の温度に基づき、前記インタークーラに供給される熱媒の流量を調整し、前記インタークーラにおいて熱媒と熱交換した圧縮空気の温度を所定温度に維持する、圧縮空気貯蔵発電方法。

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