JP2020067009A - 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

Abstract

【課題】圧縮膨張兼用機を使用した圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法において、圧縮膨張兼用機の充放電の切り替えに伴う待機時間を短縮する。【解決手段】圧縮空気貯蔵発電装置１は、電力を利用して圧縮空気を製造する機能および圧縮空気を利用して発電する機能を有する複数台の圧縮膨張兼用機１４と、複数台の圧縮膨張兼用機１４と流体的に接続され、圧縮空気を蓄える蓄圧部１０と、充放電を切り替える充放電指令値が生じたとき、駆動中の第１の圧縮膨張兼用機１４を停止するとともに、停止中の第２の圧縮膨張兼用機１４を駆動する制御装置１６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および圧縮空気貯蔵発電方法に関する。

風力または太陽光などの再生可能エネルギーを利用した発電は、天候に応じて発電量が変動する。発電量の変動を平滑化するために、風力発電所または太陽光発電所などの再生可能エネルギーを利用した発電所には、エネルギー貯蔵装置が併設されることがある。そのようなエネルギー貯蔵装置の一例として、圧縮空気貯蔵（CAES：Compressed Air Energy Storage）発電装置が知られている。ＣＡＥＳ発電装置は、電力を利用して圧縮空気を製造および貯蔵し、貯蔵した圧縮空気を利用してタービン発電機などで適時に発電するものである。また、電動発電兼用機を備える圧縮膨張兼用機は、１台の電動発電兼用機で複数段の圧縮又は膨張を行う複数段圧縮膨張兼用機であってもよい。

特許文献１には、圧縮空気を貯蔵する前に圧縮空気から熱回収し、貯蔵された圧縮空気をタービン発電機に供給するときに再加熱する断熱圧縮空気貯蔵（ACAES：Adiabatic Compressed Air Energy Storage）発電装置が記載されている。ＡＣＡＥＳ発電装置は、圧縮熱を回収して発電時に使用するため、通常のＣＡＥＳ発電装置に比べて発電効率が高い。以降、ＡＣＡＥＳ発電装置とＣＡＥＳ発電装置とを区別することなく、単にＣＡＥＳ発電装置ともいう。

特表２０１３−５０９５２９号公報

ＣＡＥＳ発電装置では、設置スペースなどの観点から、電動機で駆動する圧縮機を発電機を駆動させる膨張機として兼用できる圧縮膨張兼用機が使用されることがある。圧縮膨張兼用機は、電動機と発電機の両機能を有する電動発電兼用機を備えている。そのため、圧縮膨張兼用機は、圧縮機能（ＣＡＥＳ発電装置における充電機能）と膨張機能（ＣＡＥＳ発電装置における放電機能）とを、状況に応じて切り替えられる。即ち、充放電の切り替えが可能である。

ＣＡＥＳ発電装置では、充放電を切り替えるとき、温度制御などを伴うため、多くの圧縮膨張兼用機ではスムーズな切り替えができない。即ち、充放電の切り替えのための待機時間が発生する。この待機時間は、ＣＡＥＳ発電装置の運転効率を低下させるため、可能な限り短い方が好ましい。特許文献１のＣＡＥＳ発電装置では、圧縮膨張兼用機を使用しておらず、充放電の切り替えに伴う待機時間に関する言及もない。従って、特許文献１のＣＡＥＳ発電装置に圧縮膨張兼用機を適用して効率的な運転を実現するためには、上記待機時間を短縮する方法が必要となる。

本発明は、圧縮膨張兼用機を使用した圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法において、圧縮膨張兼用機の充放電の切り替えに伴う待機時間を短縮することを課題とする。

本発明の第１の態様は、電力を利用して圧縮空気を製造する機能および前記圧縮空気を利用して発電する機能を有する複数台の圧縮膨張兼用機と、前記複数台の圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮空気を蓄える蓄圧部と、充放電を切り替える充放電指令値が生じたとき、駆動中の第１の圧縮膨張兼用機を停止するとともに、停止中の第２の圧縮膨張兼用機を駆動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、複数台の圧縮膨張兼用機の制御によって、充放電の切り替えに伴う待機時間を短縮ないし省略することができる。圧縮空気貯蔵発電装置は、電力（入力電力）を利用して圧縮空気を製造し、蓄圧部に圧縮空気を貯蔵し、貯蔵された圧縮空気を利用して要求される電力（需要電力）を適時発電する。入力電力と需要電力のバランスが経時的に変化すると、充放電の切り替えを要する場合がある。上記構成では、充放電を切り替える充放電指令値が生じたとき、駆動中の第１の圧縮膨張兼用機の充放電を切り替えて使用するのではなく、駆動中の第１の圧縮膨張兼用機を停止するとともに停止中の第２の圧縮膨張兼用機を駆動する。第１の圧縮膨張兼用機の停止と第２の圧縮膨張兼用機の起動は同時に可能であるため、充放電の切り替えに伴う待機時間を省略することができる。ここで、充電とは、圧縮膨張兼用機を圧縮機として使用し、圧縮空気を製造して蓄圧部に貯蔵することをいう。放電とは、圧縮膨張兼用機を膨張機(発電機)として使用し、蓄圧部から圧縮空気を引き出して発電することをいう。充放電指令値は、圧縮空気貯蔵発電装置に対して充電量または放電量を指定する指令値である。

前記充放電指令値は、充放電の予測値ないし計画値であってもよい。

この構成によれば、充放電の予測値ないし計画値に基づいて制御を行うため、時間遅れの少ない効率的な制御が可能となる。この充放電の予測値ないし計画値は、例えば、同時間帯の過去のデータに基づいて算出されてもよい。また、入力電力が太陽光または風力などの再生可能エネルギーによって発電された電力の場合には気象条件に基づいて入力電力量（充電量）を予測してもよい。需要電力が工場等の設備で要求される電力の場合には昼間または夜間などの工場等の設備の稼働時間帯に応じて予測されてもよい。

前記制御装置は、前記複数台の圧縮膨張兼用機に対して疲労量をそれぞれ設定し、充放電を切り替える前記充放電指令値が生じたとき、前記疲労量の小さなものから順に前記第２の圧縮膨張兼用機として駆動してもよい。

この構成によれば、圧縮膨張兼用機の損耗度を均一化できる。仮に、損耗度を均一化せず、特定の圧縮膨張兼用機を集中して駆動すると、特定の圧縮膨張兼用機に早期メンテナンスが必要となり、ＣＡＥＳ発電装置全体のメンテナンス頻度が高くなるおそれがある。従って、メンテナンス頻度を低減するために、損耗度の均一化は有効である。なお、第１の圧縮膨張兼用機および第２の圧縮膨張兼用機は、それぞれ１台の圧縮膨張兼用機であってもよいし、複数台の圧縮膨張兼用機を１ユニットとしたものであってもよい。

前記疲労量は、充放電の切替回数に基づいた関数によって表されてもよい。

この構成によれば、充放電の切替回数に基づいて疲労量を設定することで、圧縮膨張兼用機の損耗度を一層均一化できる。特に、充放電の切替回数は、通常の圧縮機または膨張機では考慮し得ない圧縮膨張兼用機に特有のパラメータである。従って、圧縮膨張兼用機における損耗度を正確に均一化できる。

本発明の第２の態様は、各々電動発電兼用機を備える複数台の圧縮膨張兼用機と、前記複数台の圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、圧縮空気を蓄える蓄圧部と、充放電を切り替える充放電指令値が生じたとき、現在稼働中の圧縮膨張兼用機を停止すするとともに、現在停止中の圧縮膨張兼用機を駆動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、前述のようにして、複数台の圧縮膨張兼用機の制御によって、充放電の切り替えに伴う待機時間を短縮ないし省略することができる。

前記複数台の圧縮膨張兼用機は少なくとも３台の圧縮膨張兼用機であり、前記制御装置は、前記複数台の圧縮膨張兼用機に対して疲労量をそれぞれ設定し、充放電を切り替える前記充放電指令値が生じたとき、前記疲労量の小さなものから順に前記第２の圧縮膨張兼用機として駆動してもよい。

この構成によれば、前述のようにして、圧縮膨張兼用機の損耗度を均一化できる。

前記疲労量は、充放電の切替回数に基づいた関数によって表されてもよい。

この構成によれば、前述のようにして、充放電の切替回数に基づいて疲労量を設定することで、圧縮膨張兼用機の損耗度を一層均一化できる。

本発明の第３の態様は、電力を利用して圧縮空気を製造する機能および前記圧縮空気を利用して発電する機能を有する複数台の圧縮膨張兼用機と、前記複数台の圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮空気を蓄える蓄圧部とを備える圧縮空気貯蔵発電装置を準備し、充放電を切り替える充放電指令値が生じたとき、駆動中の第１の圧縮膨張兼用機を停止するとともに、停止中の第２の圧縮膨張兼用機を駆動することを含む圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。

この方法によれば、前述のようにして、複数台の圧縮膨張兼用機の制御によって充放電の切り替えに伴う待機時間を省略することができる。

本発明によれば、圧縮膨張兼用機を使用した圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法において、複数台の圧縮膨張兼用機の制御によって充放電の切り替えに伴う待機時間を省略することができる。

本発明の一実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。 第１コンテナの内部平面図。 第１コンテナの内部側面図。 圧縮空気貯蔵発電装置の制御の概略を示すフローチャート。 発電処理を示すフローチャート。 充電処理を示すフローチャート。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。

図１を参照して、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置１および風力発電所２は図示しない系統電源に電気的に接続されている。風力発電所２の発電量は天候等に応じて変動するため、この変動する発電量を平滑化して系統電源に送電ないし系統電源から受電するためのエネルギー貯蔵装置としてＣＡＥＳ発電装置１が設けられている。

ＣＡＥＳ発電装置１は、充放電機能を有する第１コンテナＣ１と、制御機能を有する第２コンテナＣ２と、蓄圧部１０と、熱媒タンク１２とを備える。第１コンテナＣ１と蓄圧部１０は、空気配管１１を介して接続されている。熱媒タンク１２と、第１コンテナＣ１および第２コンテナＣ２とは、熱媒配管１３を介して接続されている。第１コンテナＣ１は、空気配管１１に沿って２列に並べて配置されている。第２コンテナＣ２は、２列の第１コンテナＣ１の間で第１コンテナＣ１と同方向に１列に並べて配置されている。ただし、当該配置については特に限定されず、地形などの条件に応じて適宜変更され得る。

蓄圧部１０は、図１において概念的に示されている。蓄圧部１０には、圧縮空気が貯蔵されている。蓄圧部１０の態様は、圧縮空気を貯蔵できる態様であれば特に限定されず、例えば、鋼製のタンクまたは地下空洞などであり得る。蓄圧部１０は、後述するように第１コンテナＣ１内の圧縮膨張兼用機１４（図２，３参照）と空気配管１１を介して流体的に接続されている。

第１コンテナＣ１と第２コンテナＣ２との間には、熱媒タンク１２が配置されている。熱媒タンク１２は、例えば、鋼製のタンクであり得る。熱媒タンク１２には、熱媒が貯蔵されている。熱媒の種類は特に限定されないが、例えば水または油などであり得る。本実施形態では、２基の熱媒タンク１２と、１個の第１コンテナＣ１と、１個の第２コンテナＣ２との間を熱媒が流動しており、これらによって１つの閉じられた熱媒系統が構成されている。好ましくは、２基の熱媒タンク１２のうち１基は高温の熱媒を貯蔵し、もう１基は低温の熱媒を貯蔵する。

図２を参照して、第１コンテナＣ１の内部について説明する。

第１コンテナＣ１内には、３台の圧縮膨張兼用機１４と、３台の熱交換器１５とが収容されている。詳細には、１台の圧縮膨張兼用機１４に対して１台の熱交換器１５が設けられている。

圧縮膨張兼用機１４は、空気の入口と出口を切り替えて、空気を流通させる向き切り替えることで、電動機で駆動する圧縮機を、発電機を駆動させる膨張機として兼用するものである。この圧縮膨張兼用機１４は、電動発電兼用機１４ａを備えている。本実施形態では、圧縮膨張兼用機１４は、スクリュ式であり、図示しない雌雄一対のスクリュロータを有している。このスクリュロータには、電動発電兼用機１４ａが機械的に接続されている。電動発電兼用機１４ａは、電動機としての機能および発電機としての機能を有し、これらを切り替えて使用できる。電動発電兼用機１４ａを電動機として使用し、このスクリュロータを回転させること（即ち、圧縮機を駆動させること）によって空気を圧縮することができる。また、圧縮空気を使用してこのスクリュロータを回転させ（即ち、圧縮空気を膨張させて膨張機を駆動して）、電動発電兼用機１４ａを発電機として使用するができる。従って、圧縮膨張兼用機１４は、風力発電所２からの電力を消費して空気を圧縮する機能と、蓄圧部５からの圧縮空気を利用して発電する機能とを有する。なお、本実施形態では、圧縮膨張兼用機１４は、容積型であればスクリュ式以外の種類のものであってもよい。

熱交換器１５は、圧縮空気を冷却するクーラとしての機能および圧縮空気を加熱するヒータとしての機能を有し、これらを切り替えて使用できる。熱交換器１５は、例えば汎用のプレート式のものであってもよい。熱交換器１５が圧縮空気を冷却するクーラとして機能する際には、圧縮膨張兼用機１４が圧縮機として機能し、圧縮膨張兼用機１４にて圧縮された高温の圧縮空気と低温の熱媒が熱交換器１５に流入し、熱交換後に冷却された圧縮空気と加熱された熱媒が熱交換器１５から流出する。熱交換器１５が圧縮空気を加熱するヒータとして機能する際には、圧縮膨張兼用機１４が発電機として機能し、圧縮膨張兼用機１４に供給される低温の圧縮空気と高温の熱媒が熱交換器１５に流入し、熱交換後に加熱された圧縮空気と冷却された熱媒が熱交換器１５から流出する。

第２コンテナＣ２内には、熱媒を流動させるためのポンプ、圧縮膨張兼用機１４の回転数を変更するためのインバータ・コンバータ・制動抵抗、および、制御装置１６等が収容されている。制御装置１６は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ（Random Access Memory）、およびＲＯＭ（Read Only Memory）等のハードウェアと、それらに実装されたソフトウェアとにより構築されている。制御装置１６は、図示しない工場等から要求される電力（需要電力）および風力発電所２からの電力（入力電力）に関するデータを受信している。詳細には、制御装置１６は、入力電力から需要電力を差し引いた値を充放電指令値Ｗとして受信している。制御装置１６は、充放電指令値Ｗに応じて、電力が余剰であるか、または、不足しているかを判断し、ＣＡＥＳ発電装置１の動作を制御する。即ち、制御装置１６の当該判断に基づいて、圧縮膨張兼用機１４の充放電の切り替えや回転数制御が行われる。

充電とは、圧縮膨張兼用機１４を圧縮機として使用し、圧縮空気を製造して蓄圧部１０に貯蔵することをいう。放電とは、圧縮膨張兼用機１４を膨張機(発電機)として使用し、蓄圧部１０から圧縮空気を引き出して発電することをいう。充放電指令値Ｗは、ＣＡＥＳ発電装置１に対して充電量または放電量を指定する指令値である。充放電指令値Ｗに基づいて、需要電力よりも入力電力の方が多いときに充電を行い、入力電力よりも需要電力の方が多いときに、放電（以降、発電ともいう）を行う。

図４〜６を参照して、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１の動作制御について説明する。

図４を参照して、ＣＡＥＳ発電装置１が運転を開始すると、時間Ｔのカウントを０から開始する（ステップＳ４−１）。そして、充放電指令値Ｗが０より大きいか否かを判定する（ステップＳ４−２）。充放電指令値Ｗが０より大きいとき（Ｙｅｓ：ステップＳ４−２）、発電処理を実行する（ステップＳ４−３）。充放電指令値Ｗが０以下であるとき（Ｎｏ：ステップＳ４−２）、充電処理を実行する（ステップＳ４−４）。

充放電指令値Ｗが０より大きいとは、風力発電所２からの入力電力よりも工場等からの需要電力の方が大きいことを示す。このとき、風力発電所２から直接的に工場等へ電力を供給しても不足するため、この不足分を発電する。また、充放電指令値Ｗが０以下の値であるとは、工場等からの需要電力よりも風力発電所２からの入力電力が大きいことを示す。このとき、風力発電所２から直接的に工場等へ電力供給しても過剰となるため、この過剰分を充電する。

図５を参照して、発電処理では、まず、発電機として定格駆動する圧縮膨張兼用機１４の台数を算出する（ステップＳ５−１）。本実施形態では、第１コンテナＣ１ごとに駆動制御を行うため、定格駆動する台数は定格駆動する第１コンテナＣ１の個数として算出される。即ち、１個の第１コンテナＣ１内の３台の圧縮膨張兼用機１４を１ユニットとして、定格駆動するユニット数ｎを算出する。ここで、ユニット数ｎは、１ユニットの定格駆動出力Ｐとすると、充放電指令値Ｗの絶対値を出力Ｐで割った数を超えない最大の整数ｎとして算出される（ｎ＝［｜Ｗ｜／Ｐ］）。

次いで、各圧縮膨張兼用機１４の疲労量ＦＰｉを算出する（ステップＳ５−２）。本実施形態では、前述のように第１コンテナＣ１ごとに駆動制御を行うため、疲労量ＦＰｉは前述のように１ユニットごとに算出される。従って、第１コンテナＣ１の数をＮ個とすると、全部でＮユニット存在するため、疲労量ＦＰｉは、ＦＰ１，ＦＰ２，・・・，ＦＰＮとして算出される。

疲労量ＦＰｉは、運転時間関数ｆａ、起動回数関数ｆｂ、および逆転回数関数ｆｃの和算結果として、以下の式（１）で表される。

ＴＣｉ：ｉ番目のユニットの充電側運転出力の積分値
ＴＧｉ：ｉ番目のユニットの発電側運転出力の積分値
ＮＣｉ：ｉ番目のユニットの積算充電運転回数（圧縮機としての起動回数）
ＮＧｉ：ｉ番目のユニットの積算発電運転回数（発電機としての起動回数）
ＧＣｉ：ｉ番目のユニットの充放電の切替回数

運転時間関数ｆａは、運転時間を積算する関数であり、上記積分値ＴＣｉ，ＴＧｉをパラメータとして含んでいる。運転時間関数ｆａは、運転継続中は常に積算を継続している。即ち、運転継続中は常に最新の値に更新されている。運転時間関数ｆａは、例えば、ａ１，ａ２をそれぞれ正の定数として、以下の式（２）で表されてもよい。

起動回数関数ｆｂは、起動回数を積算する関数であり、上記回数ＮＣｉ，ＮＧｉをパラメータとして含んでいる。起動回数関数ｆｂは、圧縮膨張兼用機１４を起動するごとに更新される。起動回数関数ｆｂは、例えば、ａ３，ａ４をそれぞれ正の定数として、以下の式（３）で表されてもよい。

逆転回数関数ｆｃは、逆転回数を積算する関数であり、上記切替回数ＧＣｉをパラメータとして含んでいる。逆転回数関数ｆｃは、圧縮膨張兼用機１４が反転起動するたびに更新される。圧縮膨張兼用機１４を反転起動する際には、所定の停止時間τを確保することで充放電の切り替えに伴う損耗を防止できる。従って、逆転回数関数ｆｃは、ａ５を正の定数、ｔを圧縮膨張兼用機１４が停止してからの時間、およびτを所定の停止時間として、以下の式（４）で表されてもよい。以下の式（４）では、所定の停止時間τが経過することにより、以前の回転方向の影響はなくなるものとし、所定の停止時間τが経過した後には逆転回数関数ｆｃは０としている。

次いで、疲労量ＦＰｉの小さなものから順にｎユニットの圧縮膨張兼用機１４を発電機として定格駆動し、１ユニットを発電機として残電力分（|Ｗ|−ｎ×Ｐ）駆動する（ステップＳ５−３）。そして、再び充放電指令値Ｗが０より大きいか否かを判定する（ステップＳ５−４）。充放電指令値Ｗが０以下であるとき（Ｎｏ：ステップＳ５−４）、発電から反転して充電が必要となるため、発電を停止する（ステップＳ５−５）。そして、図４を参照して、充電処理を実行する（ステップＳ４−４）。なお、図４の符号Ａと図５の符号Ａは、制御処理上接続されていることを表す。

また、図５を参照して、充放電指令値Ｗが０より大きいとき（Ｙｅｓ：ステップＳ５−４）、引き続き発電処理を実行するが、定格駆動するユニット数をｍとして算出する（ステップＳ５−６）。ユニット数ｍの算出方法は前述のユニット数ｎの算出方法と同じである。ユニット数ｎとユニット数ｍが等しければ（ｎ＝ｍ：ステップＳ５−７）、圧縮膨張兼用機１４の駆動台数を増減させる必要がないため、特段の処理を実行しない。ユニット数ｎがユニット数ｍより小さければ（ｎ＜ｍ：ステップＳ５−７）、定格駆動する圧縮膨張兼用機１４をｍ−ｎユニット追加駆動する（ステップＳ５−８）。このとき、疲労量ＦＰｉの小さなユニットから順に追加駆動する。ユニット数ｎがユニット数ｍより大きれば（ｎ＞ｍ：ステップＳ５−７）、ｎ−ｍユニットの圧縮膨張兼用機１４を停止する（ステップＳ５−９）。このとき、疲労量ＦＰｉの大きなものから順に停止する。これらの処理（ステップＳ５−７，ステップＳ５−８，ステップＳ５−９）を完了後、ユニット数ｍの値をユニット数ｎの値として更新する（ステップＳ５−１０）。

次いで、時間Ｔが所定値Ｔｓｅｔ以上であるか否かを判定する（ステップＳ５−１１）。時間Ｔが所定時間Ｔｓｅｔ以上である場合（Ｙｅｓ：ステップＳ５−１１）、時間Ｔを０にリセットして再びカウントし（ステップＳ５−１２）、疲労量ＦＰｉを算出する処理（ステップＳ５−２）に戻る。このリセットにより、充放電指令値Ｗが変化しない場合であっても所定時間Ｔｓｅｔが経過するごとに強制的に駆動する圧縮膨張兼用機１０を変更でき、同じ圧縮膨張兼用機１０が使用され続けることを防止できる。ここで、所定時間Ｔｓｅｔは、使用条件等に応じて適宜設定され、例えば２４時間程度に設定されてもよい。また、時間Ｔが所定時間Ｔｓｅｔ未満である場合（Ｎｏ：ステップＳ５−１１）、一定時間Ｔｉだけ制御処理を待機し（ステップＳ５−１３）、その後に再び充放電指令値Ｗが０より大きいか否かを判定する処理（ステップＳ５−４）に戻る。圧縮膨張兼用機１０は、起動開始から起動完了または停止開始から停止完了までにある程度の時間を要する。これらには例えば数十秒を要し、その間、駆動する圧縮膨張兼用機１０を切り替えることはできず、制御信号を送っても処理されない場合がある。そのため、一定時間Ｔｉとして数十秒程度制御処理を待機することで、圧縮膨張兼用機１０に対して処理不可能な制御信号を送ることを防止できる。従って、この待機処理中に圧縮膨張兼用機１０の起動または停止を完了することができる。

図６を参照して、充電処理では、まず、圧縮機として定格駆動する圧縮膨張兼用機１４の台数を算出する（ステップＳ６−１）。本実施形態では、発電処理と同様に、定格駆動する圧縮膨張兼用機１４のユニット数ｎを算出する。ここで、ユニット数ｎは、１ユニットの定格駆動出力Ｐとすると、充放電指令値Ｗを出力Ｐで割った数を超えない最大の整数ｎとして算出される（ｎ＝［｜Ｗ｜／Ｐ］）。

次いで、各圧縮膨張兼用機１４のユニットごとの疲労量ＦＰｉを算出する（ステップＳ６−２）。疲労量ＦＰｉの算出方法は、前述の発電処理の場合と同様である。

次いで、疲労量ＦＰｉの小さなものから順にｎユニットの圧縮膨張兼用機１４を圧縮機として定格駆動し、１台の圧縮膨張兼用機１４を圧縮機として残電力（｜Ｗ｜−ｎ×Ｐ）分駆動する（ステップＳ６−３）。そして、再び充放電指令値Ｗが０より大きいか否かを判定する（ステップＳ６−４）。充放電指令値Ｗが０以下であるとき（Ｎｏ：ステップＳ６−４）、充電から反転して発電が必要となるため、充電を停止する（ステップＳ６−５）。そして、図４を参照して発電処理を実行する（ステップＳ４−３）。なお、図４の符号Ｂと図６の符号Ｂは、制御処理上接続されていることを表す。

また、図６を参照して、充放電指令値Ｗが０より大きいとき（Ｙｅｓ：ステップＳ６−４）、引き続き充電処理を実行するが、再度定格駆動するユニット数をｍとして算出する（ステップＳ６−６）。ユニット数ｍの算出方法は前述のユニット数ｎの算出方法と同じである。ユニット数ｎとユニット数ｍが等しければ（ｎ＝ｍ：ステップＳ６−７）、圧縮膨張兼用機１４の駆動台数を増減させる必要がないため、特段の処理を実行しない。ユニット数ｎがユニット数ｍより小さければ（ｎ＜ｍ：ステップＳ６−７）、定格駆動する圧縮膨張兼用機１４をｍ−ｎユニット追加駆動する（ステップＳ６−８）。このとき、ＦＰｉの小さなものから順に追加駆動する。ユニット数ｎがユニット数ｍより大きければ（ｎ＞ｍ：ステップＳ６−７）、ｎ−ｍユニットの圧縮膨張兼用機１４を停止する（ステップＳ６−９）。このとき、疲労量ＦＰｉの大きなものから順に停止する。これらの処理（ステップＳ６−７，ステップＳ６−８，ステップＳ６−９）を完了後、ユニット数ｍの値をユニット数ｎの値として更新する（ステップＳ６−１０）。

次いで、時間Ｔが所定値Ｔｓｅｔ以上であるか否かを判定する（ステップＳ６−１１）。時間Ｔが所定時間Ｔｓｅｔ以上である場合（Ｙｅｓ：ステップＳ６−１１）、時間Ｔを０にリセットして再びカウントし（ステップＳ６−１２）、疲労量ＦＰｉを算出する処理（ステップＳ６−２）に戻る。また、時間Ｔが所定時間Ｔｓｅｔ未満である場合（Ｎｏ：ステップＳ６−１１）、一定時間Ｔｉだけ制御処理を待機し（ステップＳ６−１３）、その後に再び充放電指令値Ｗが０より大きいか否かを判定する処理（ステップＳ６−４）に戻る。なお、ステップＳ６−１０からステップＳ６−１３までの処理の意義は、先に図５を参照して説明したステップＳ５−１０からステップ５−１３までの処理の意義と同じである。

このように、本実施形態では、充放電を切り替える充放電指令値Ｗが生じたとき、駆動中の圧縮膨張兼用機１４を停止するとともに、疲労量ＦＰｉが小さな圧縮膨張兼用機１４から順に起動する。ここでの停止と起動は、同時に実行される。疲労量ＦＰｉの算出に使用される逆転回数関数ｆｃは、圧縮膨張兼用機１４を反転起動する際に所定の停止時間τを確保することで充放電の切り替えに伴う損耗を防止するものである。従って、疲労量ＦＰｉの算出に逆転回数関数ｆｃを用いることで、実質的に駆動中の圧縮膨張兼用機１４の充放電を切り替えて使用するのではなく、駆動中の圧縮膨張兼用機１４を停止するとともに停止中の圧縮膨張兼用機１４を駆動する。なお、この切り替えに伴う損耗を確実に防止するために疲労量ＦＰｉの算出における逆転回数関数ｆｃの寄与度を他の関数ｆａ，ｆｂに比べて大きくしてもよい。

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１によれば、以下の有利な作用効果が得られる。

複数台の圧縮膨張兼用機１４を前述のように好適に制御することによって、充放電の切り替えに伴う待機時間を短縮ないし省略することができる。ＣＡＥＳ発電装置１は、風力発電所２で発電された電力（入力電力）を利用して圧縮空気を製造し、蓄圧部１０に圧縮空気を貯蔵し、貯蔵された圧縮空気を利用して要求される電力（需要電力）を適時発電する。入力電力と需要電力のバランスは経時的に変化するため、充放電の切り替えを要することがある。本実施形態の構成では、充放電を切り替える充放電指令値Ｗが生じたとき、駆動中の圧縮膨張兼用機１４の充放電を切り替えて使用するのではなく、駆動中の圧縮膨張兼用機１４を停止するとともに停止中の圧縮膨張兼用機１４を駆動する。圧縮膨張兼用機１４の停止と別の圧縮膨張兼用機１４の起動は、同時に可能であるため、充放電の切り替えに伴う待機時間を省略することができる。

また、疲労量ＦＰｉに応じて圧縮膨張兼用機１４を駆動制御しているため、圧縮膨張兼用機１４の損耗度を均一化できる。仮に、損耗度を均一化せず、特定の圧縮膨張兼用機１４を集中して駆動すると、特定の圧縮膨張兼用機１４に早期メンテナンスが必要となり、ＣＡＥＳ発電装置１全体のメンテナンス頻度が高くなるおそれがある。従って、メンテナンス頻度を低減するために、損耗度の均一化は有効である。

また、疲労量ＦＰｉの算出に逆転回数関数ｆｃを用いることで、充放電の切替回数に基づいて疲労量ＦＰｉを設定している。そのため、圧縮膨張兼用機１４の損耗度を一層均一化できる。特に、充放電の切替回数は、通常の圧縮機または膨張機では考慮し得ない圧縮膨張兼用機１４に特有のパラメータである。従って、圧縮膨張兼用機１４における損耗度を正確に均一化できる。

本実施形態の変形例として、充放電指令値Ｗは、充放電の予測値ないし計画値であってもよい。この充放電の予測値ないし計画値は、例えば、同時間帯の過去のデータに基づいて算出されてもよい。また、入力電力が本実施形態のように風力発電所２にて発電される電力の場合には風向きや風の強さなどの気象条件に基づいて入力電力量（充電量）を予測してもよい。また、需要電力が本実施形態のように工場設備で要求される電力の場合には昼間または夜間などの工場設備の稼働時間帯に応じて予測されてもよい。

本変形例によれば、充放電の予測値に基づいて制御を行うため、時間遅れの少ない効率的な制御が可能となる。

以上より、本発明の具体的な実施形態および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、圧縮膨張兼用機１４はユニットごとではなく１台ごとに疲労量ＦＰｉが設定され、１台ごとに駆動制御されてもよい。また、風力発電所２は、ＣＡＥＳ発電装置１に入力電力を供給する設備の一例である。即ち、入力電力は、任意の設備から供給されてよい。好ましくは、ＣＡＥＳ発電装置１が変動する電力を平滑化する能力を有している観点から、入力電力を発電する設備は再生可能エネルギーによって発電する設備であり得る。また、再生可能エネルギーに限らず、火力発電所などの供給力を補完する設備でもあり得る。また、電動発電兼用機を備える圧縮膨張兼用機は、１台の電動発電兼用機で複数段の圧縮又は膨張を行う複数段圧縮膨張兼用機であってもよい。

１ 圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
２ 風力発電所
１０ 蓄圧部
１１ 空気配管
１２ 熱媒タンク
１３ 熱媒配管
１４ 圧縮膨張兼用機
１４ａ 電動発電兼用機
１５ 熱交換器
１６ 制御装置
Ｃ１ 第１コンテナ
Ｃ２ 第２コンテナ

Claims (8)

1. 電力を利用して圧縮空気を製造する機能および前記圧縮空気を利用して発電する機能を有する複数台の圧縮膨張兼用機と、
   前記複数台の圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮空気を蓄える蓄圧部と、
   充放電を切り替える充放電指令値が生じたとき、駆動中の第１の圧縮膨張兼用機を停止するとともに、停止中の第２の圧縮膨張兼用機を駆動する制御装置と
   を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
2. 前記充放電指令値は、充放電の予測値ないし計画値である、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
3. 前記制御装置は、前記複数台の圧縮膨張兼用機に対して疲労量をそれぞれ設定し、充放電を切り替える前記充放電指令値が生じたとき、前記疲労量の小さなものから順に前記第２の圧縮膨張兼用機として駆動する、請求項１または請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
4. 前記疲労量は、充放電の切替回数に基づいた関数によって表される、請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
5. 各々電動発電兼用機を備える複数台の圧縮膨張兼用機と、
   前記複数台の圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、圧縮空気を蓄える蓄圧部と、
   充放電を切り替える充放電指令値が生じたとき、現在稼働中の圧縮膨張兼用機を停止すするとともに、現在停止中の圧縮膨張兼用機を駆動する制御装置と
   を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
6. 前記複数台の圧縮膨張兼用機は少なくとも３台の圧縮膨張兼用機であり、
   前記制御装置は、前記複数台の圧縮膨張兼用機に対して疲労量をそれぞれ設定し、充放電を切り替える前記充放電指令値が生じたとき、前記疲労量の小さなものから順に前記第２の圧縮膨張兼用機として駆動する、請求項５に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
7. 前記疲労量は、充放電の切替回数に基づいた関数によって表される、請求項６に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
8. 電力を利用して圧縮空気を製造する機能および前記圧縮空気を利用して発電する機能を有する複数台の圧縮膨張兼用機と、前記複数台の圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮空気を蓄える蓄圧部とを備える圧縮空気貯蔵発電装置を準備し、
   充放電を切り替える充放電指令値が生じたとき、駆動中の第１の圧縮膨張兼用機を停止するとともに、停止中の第２の圧縮膨張兼用機を駆動する
   ことを含む圧縮空気貯蔵発電方法。

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