JP2020122428A

JP2020122428A - 圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法

Info

Publication number: JP2020122428A
Application number: JP2019014441A
Authority: JP
Inventors: 洋平久保; Yohei Kubo
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-08-13

Abstract

【課題】圧縮膨張兼用機に於ける放電から充電への切替時であっても高い充電効率を維持する。【解決手段】圧縮空気貯蔵発電装置１は、供給電力により圧縮空気を生成し、圧縮空気により発電する充放電ユニット２と、充放電ユニット２からの圧縮空気を貯蔵する蓄圧部３と、熱媒が収容される第１タンク６と、前記第１タンクよりも高温の熱媒が収容される第２タンク７と、第１タンク６と第２タンク７とを流体的に接続する熱媒経路と、空気経路を流動する圧縮空気と熱媒経路を流動する熱媒との間で熱交換させる熱交換器９と、熱交換器９での熱媒温度を検出する熱媒温度検出手段と、充放電ユニット２で圧縮空気を生成する充電処理と、圧縮空気により発電する発電処理を実行する制御装置２６とを備える。制御装置２６は、検出温度が熱交換器での熱交換に適した設定温度よりも低い場合、第２タンク７から熱交換器９に熱媒を供給する加熱運転を実行する。【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。

従来、圧縮機と膨張機の両方の機能を有する圧縮器−膨張器可逆式ユニットを備えた圧縮空気エネルギー貯蔵システムが公知である（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１には、充放電間の切換時の熱交換器での熱媒の温度に関する記載はなく、熱交換器の温度が最適でない場合の問題点（充電又は放電の効率が低下する点）については考慮されていない。

特表２０１３−５０９５２９号公報

本発明は、圧縮膨張兼用機に於ける放電から充電への切替時であっても高い充電効率を維持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課題とする。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、供給電力により圧縮空気を生成し、前記圧縮空気により発電する充放電ユニットと、前記充放電ユニットからの圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、熱媒が収容される第１タンクと、前記第１タンクよりも高温状態で熱媒が収容される第２タンクと、前記充放電ユニットと前記蓄圧部とを流体的に接続する空気経路と、前記第１タンクと前記第２タンクとを流体的に接続する熱媒経路と、前記空気経路を流動する圧縮空気と前記熱媒経路を流動する熱媒との間で熱交換させる熱交換器と、前記熱交換器での熱媒温度を検出する熱媒温度検出手段と、前記充放電ユニットで圧縮空気を生成する充電処理と、圧縮空気により発電する発電処理とを実行する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記充放電ユニットで放電から充電に切り替える際、前記熱媒温度検出手段での検出温度に基づいて、前記検出温度が前記熱交換器での熱交換に適した第１設定温度よりも低い場合、前記第２タンクから前記熱交換器に熱媒を供給する加熱運転を実行する圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。

この構成により、充放電ユニットで放電から充電に切り替える際、熱交換器での熱媒温度が低い場合、第２タンクから熱交換器に高温高圧媒体を供給できる。これにより、熱交換器での熱媒温度を上昇させることができ、その熱交換能力を十分に高めることが可能となる。

前記制御装置は、前記充放電ユニットで充電から放電に切り替える際、前記熱媒温度検出手段での検出温度に基づいて、前記検出温度が前記熱交換器での熱交換に適した第２設定温度よりも高い場合、前記第１タンクから前記熱交換器に熱媒を供給する冷却運転を実行させるのが好ましい。

この構成により、充放電ユニットで充電から放電に切り替える際、熱交換器での熱媒温度が低い場合、第１タンクから熱交換器に熱媒を供給できる。これにより、熱交換器での熱媒温度を低下させることができ、その熱交換能力を十分に高めることが可能となる。

前記熱媒経路は、前記第１タンクから前記熱交換器を介して前記第２タンクに向かうメイン経路と、前記熱交換器から前記第１タンクに戻るバイパス経路とを備えるのが好ましい。

この構成により、充電運転が開始される前に、第１タンクから熱交換器に熱媒を供給する場合には、この熱媒が第２タンクに流入することを防止し、第２タンク内での熱媒の温度低下を阻止できる。

また、本発明は、前記課題を解決するための手段として、充放電ユニットで、供給電力により圧縮空気を生成し、熱交換器で、前記圧縮空気と、第１タンクから第２タンクに流動させる熱媒との間で熱交換して冷却した後、蓄圧部に貯蔵する充電処理と、前記蓄圧部に貯蔵した圧縮空気を、熱交換器で第２タンクから第１タンクに流動させる熱媒との間で熱交換して加熱した後、充放電ユニットで発電させる発電処理とを実行する圧縮空気貯蔵発電方法であって、前記熱交換器での熱媒温度を検出し、検出した熱媒温度が設定温度よりも低い場合、前記第２タンクから前記熱交換器に熱媒を供給する加熱運転を実行する、圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。

本発明によれば、圧縮膨張兼用機に於ける放電から充電への切替時であっても高い充電効率を維持できる。

本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。入力電力及び需要電力に基づく指令値の変化を示すグラフである。図１に示す制御装置で実行する充放電制御を示すフローチャートである。図３の充電処理を示すフローチャートである。図４の冷却運転を示すフローチャートである。図３の放電運転を示すフローチャートである。図１に示す圧縮空気貯蔵発電装置の定常充電運転時の熱媒の流路を示す概略構成図である。図１に示す圧縮空気貯蔵発電装置の循環運転時の熱媒の流路を示す概略構成図である。図１に示す圧縮空気貯蔵発電装置の定常放電運転時及び加熱運転時の熱媒の流路を示す概略構成図である。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。

図１は、本実施形態に係る圧縮空気貯蔵（ＣＡＳＥ：compressed air enegy storage）発電装置を示す。ＣＡＳＥ発電装置１は、図示しない電力系統に対して電力を供給し、受給した電力を貯蔵するものである。

ＣＡＳＥ発電装置１は、空気経路に充放電ユニット２と蓄圧部３を備える。これらは、開閉弁４を有する空気配管５によって流体的に接続されている。

充放電ユニット２は、圧縮膨張兼用機（図示せず）を備える。圧縮膨張兼用機は、雌雄一対のスクリュロータを有する。また圧縮膨張兼用機は、低圧側の空気の出入口となる第１ポートと、高圧側の空気の出入口となる第２ポートとを備える。スクリュロータには電動発電機が機械的に接続されている。電動発電機は、電動機又は発電機のいずれか一方に切り替えて使用できるものである。電動機として使用する場合、供給電力に基づいてスクリュロータを回転させ、空気を圧縮して貯蔵しやすい状態とする。電動発電機を発電機として使用する場合、膨張した圧縮空気によってスクリュロータを回転させて発電する。また、充放電ユニット２は、冷却ユニット８を備える。冷却ユニット８は、圧縮空気を熱交換器９に流動させる前に予冷却する。

蓄圧部３は、充放電ユニット２で圧縮された空気を貯蔵し、貯蔵した圧縮空気を充放電ユニット２に供給して発電に利用する。なお、蓄圧部３は、圧縮空気を貯蔵できる態様であればよく、鋼製のタンク、地下空洞等を利用できる。

ＣＡＳＥ発電装置１は、熱媒経路に第１タンク６、第２タンク７、冷却ユニット８及び熱交換器９を備える。これらは、熱媒配管１０によって流体的に接続されている。

第１タンク６は、低温で高圧の熱媒（低温高圧媒体：ここでは、低温高圧水）を貯蔵する、例えば、鋼製のタンクを利用できる。第１タンク６には、第１温度センサ１１が設けられ、貯蔵する熱媒の温度が検出されている。貯蔵する熱媒の温度は、後述する熱交換器９での圧縮空気との熱交換に適した値に維持されている。

第２タンク７は、高温で高圧の熱媒（高温高圧媒体：ここでは、高温高圧水）を貯蔵する、例えば、鋼製のタンクを利用できる。第２タンク７には、第２温度センサ１２が設けられ、貯蔵する熱媒の温度が検出されている。貯蔵する熱媒の温度は、後述する熱交換器９での空気との熱交換に適した値に維持されている。

熱交換器９は、空気配管５を流動する空気と、熱媒配管１０を流動する熱媒との間で熱交換を行わせるためのものである。熱交換器９には、例えば、汎用のプレート式のものを利用できる。

熱媒配管１０は、第１配管１０ａ、第２配管１０ｂ、第３配管１０ｃ、第４配管１０ｄ及びバイパス管１０ｅを備える。

第１配管１０ａは、第１タンク６と熱交換器９を接続する。第１配管１０ａには、第１開閉弁１３と第２開閉弁１４が設けられている。第１配管１０ａ内の熱媒の温度は、第１開閉弁１３と第２開閉弁１４の間に設けた第３温度センサ１５によって検出される。

第２配管１０ｂは、第１タンク６と、第１配管１０ａの第２開閉弁１４と熱交換器９の間とを接続する。第２配管１０ｂには、第１ポンプ１６と第３開閉弁１７が設けられている。

第３配管１０ｃは、熱交換器９と第２タンク７とを接続する。第３配管１０ｃには、第４開閉弁１８と第５開閉弁１９が設けられている。第３配管１０ｃ内の熱媒の温度は、第４開閉弁１８と第５開閉弁１９の間に設けた第４温度センサ２０によって検出される。

第４配管１０ｄは、第２タンク７と、第３配管１０ｃの熱交換器９と第４開閉弁１８との間とを接続する。第４配管１０ｄには、第２ポンプ２１と第６開閉弁２２が設けられている。

第１配管１０ａと第３配管１０ｃの熱交換器９への接続部分近傍には、第５温度センサ２３と第６温度センサ２４がそれぞれ設けられている。第５温度センサ２３と第６温度センサ２４は、熱交換器９に流入直前の熱媒の温度と、流出直後の熱媒の温度とをそれぞれ検出する。これにより、後述する充電運転時には、第５温度センサ２３での検出温度が熱交換器９内で最も低いであろうと予測される低温側熱媒温度に近似する。また、後述する暖房運転時には、第６温度センサ２４での検出温度が熱交換器９内で最も高いであると予測される高温側熱媒温度に近似する。

バイパス管１０ｅは、第１配管１０ａの第１開閉弁１３と第２開閉弁１４の間と、第３配管１０ｃの第４開閉弁１８と第５開閉弁１９の間とを接続する。バイパス管１０ｅには、第７開閉弁２５が設けられている。

また、ＣＡＳＥ発電装置１は制御装置２６を備える。制御装置２６は、詳細については図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ハードディスク等の記憶媒体と、記憶媒体に実装されたソフトウェアとを備える。制御装置２６は、第１温度センサ１１〜第６温度センサ２４での検出温度に基づいて、第１開閉弁１３〜第７開閉弁２５を開閉制御し、第１ポンプ１６及び第２ポンプ２１を駆動制御する。

次に、前記構成からなるＣＡＳＥ発電装置１の制御方法について説明する。

図３に示すように、充電指令の入力があるか否かを判断し（ステップＳ１）、充電指令の入力があれば充電処理を開始する（ステップＳ２）。また、放電指令の入力があるか否かを判断し（ステップＳ３）、放電指令の入力があれば、放電処理を開始する（ステップＳ４）。なお、充電指令及び放電指令は、入力電力及び需要電力に基づいて指令値が変化するものである。例えば、図２のグラフに示すように、指令値は時間と共に充電指令と放電指令とが繰り返される。そして、これら指令値に従って充電処理又は放電処理が行われる。

（充電処理）
充電処理では、図４に示すように、第５温度センサ２３での検出温度ｔ５、すなわち第１タンク６から熱交換器９内に流入する直前の熱媒温度を読み込む（ステップＳ１１）。そして、検出温度ｔ５が第１設定温度Ｔ１よりも低いか否かを判断する（ステップＳ１２）。第１設定温度Ｔ１には、これ以上の温度であれば、充電運転時に熱交換器９を通過する高温の圧縮空気との間に所望の熱交換効率を得られないような値を使用している。逆に言えば、これよりも小さい値であれば、熱交換器９での熱交換を効率よく適切に行うことができる。

検出温度ｔ１が第１設定温度Ｔ１よりも低い場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、通常の充電運転を開始する（定常充電運転：ステップＳ１３）。定常充電運転では、図７に示すように、第３開閉弁１７、第４開閉弁１８及び第５開閉弁１９を開放し、第１開閉弁１３、第２開閉弁１４、第６開閉弁２２及び第７開閉弁２５を閉鎖する。そして、第１ポンプ１６を駆動し、第１タンク６から低温高圧媒体の供給を開始する。これにより、第１タンク６から供給された低温高圧媒体は、図７中、太線で示すように、第２配管１０ｂ、熱交換器９、第３配管１０ｃを介して第２タンク７に流入する。

また、開閉弁４を開放し（ステップＳ１４）、空気電力系統から電力を供給して充放電ユニット２の電動機を駆動させ、スクリュロータを回転させる（ステップＳ１５）。これにより、空気配管５に空気（外気）が取り込まれ、スクリュロータで圧縮されて高温の圧縮空気となり、蓄圧部３へと向かう。

熱交換器９では、第１タンク６からの低温高圧媒体と、スクリュロータで得られた圧縮空気との間で熱交換が行われる。すなわち、圧縮されて高温となった空気が低温高圧媒体によって冷却される。冷却された圧縮空気は蓄圧部３へと貯蔵される。一方、加熱された低温高圧媒体は第２タンク７へと流入する。

検出温度ｔ１が第１設定温度Ｔ１以上である場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、充電運転の開始直後に、熱交換器９での熱媒による圧縮空気の冷却が不十分になると判断し、冷却運転を開始する（ステップＳ１６）。放電運転から充電運転に切り替わる際、熱交換器９内の熱媒の温度が高く、圧縮空気の冷却は不十分となる。このとき、熱交換器９での熱交換能力が低下してしまう。そこで、充電運転を開始する前に、冷却運転を開始することにより熱交換器９内の熱媒の温度を低下させる。

冷却運転では、図５に示すように、まず第４温度センサ２０での検出温度ｔ４を読み込む（ステップＳ２１）。検出温度ｔ４は第２タンク７への流入直前の熱媒温度である。ここで、検出温度ｔ４が低温側設定温度ＴＬよりも低いか否かを判断する（ステップＳ２２）。低温側設定温度ＴＬには、熱媒温度がこの温度以下であると、熱媒をそのまま第２タンク７に流入させることにより、第２タンク７内の高温高圧媒体の温度を所望の温度範囲に維持できないような値を使用する。言い換えれば、熱媒温度が低温側設定温度ＴＬを超えていれば、第２タンク７に流入させても熱媒温度が許容範囲を超えて低下することはない。

第４温度センサ２０での検出温度ｔ４が低温側設定温度ＴＬよりも低い場合（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、循環運転を行う（ステップＳ２３）。循環運転では、図８に示すように、第１開閉弁１３、第３開閉弁１７、第４開閉弁１８及び第７開閉弁２５を開放し、第２開閉弁１４、第５開閉弁１９及び第６開閉弁２２を閉鎖する。そして、第１ポンプ１６を駆動する。これにより、第１タンク６から供給された低温高圧媒体は、図８中、太線で示すように、第２配管１０ｂから熱交換器９を通過した後、第３配管１０ｃ、バイパス管１０ｅ及び第１配管１０ａを介して第１タンク６に戻って循環する。その後、検出温度ｔ４が低温側設定温度ＴＬ以上となれば、前記図７と同様に、定常充電運転を行う。

第４温度センサ２０での検出温度ｔ４が低温側設定温度ＴＬ以上である場合（ステップＳ２２：ＮＯ）、冷却運転を終了し、前記ステップＳ１４に移行して前記同様の処理を実行する。
前記充電運転は、充電終了信号が入力されるまで続行する（ステップＳ１７）。

このように、充電運転を開始する際、熱交換器９内での熱媒温度が高い場合、充電運転を開始する前に、予め熱媒温度を十分に低下させることができる。したがって、熱交換器９に於ける高温の圧縮空気と熱媒との間の熱交換効率を高めることが可能となる。また、低温高圧媒体がそのまま、高温高圧媒体が収容された第２タンク７に流入し、その温度を低下させてしまうこともない。

（放電処理）
放電処理では、図６に示すように、第６温度センサ２４での検出温度ｔ６、すなわち第２タンク７から熱交換器９に流入する直前の熱媒温度を読み込む（ステップＳ３１）。そして、検出温度ｔ６が第２設定温度Ｔ２よりも高いか否かを判断する（ステップＳ３２）。ここで、第２設定温度Ｔ２には、これを超える温度であれば、熱交換器９を十分に暖めて熱交換性能を向上させことができる温度を使用している。

検出温度ｔ６が第２設定温度Ｔ２よりも高い場合（ステップＳ３２：ＹＥＳ）、通常の放電運転を開始する（ステップＳ３３：定常放電運転）。定常放電運転では、図９に示すように、第１開閉弁１３、第２開閉弁１４及び第６開閉弁２２を開放し、第３開閉弁１７、第４開閉弁１８、第５開閉弁１９及び第７開閉弁２５を閉鎖する。そして、第２ポンプ２１を駆動し、第２タンク７から高温高圧媒体の供給を開始する。これにより、第２タンク７から供給された高温高圧媒体は、図９中、太線で示すように、第４配管１０ｄ、第３配管１０ｃ、熱交換器９、第１配管１０ａを介して第１タンク６に流入する。

また、空気経路で、開閉弁４を開放し、蓄圧部３から空気配管５に圧縮空気を供給する。供給された圧縮空気は、熱交換器９で第２タンク７から供給される高温高圧媒体と熱交換されて加熱される。熱交換器９で加熱された圧縮空気は、充放電ユニット２へと流入してスクリュロータを回転させる。スクリュロータの回転により発電機が発電し、得られた電力は電力系統へと供給される。

検出温度ｔ６が第２設定温度Ｔ２以下である場合（ステップＳ３２：ＮＯ）、放電運転の開始直後に、熱交換器９での熱媒による圧縮空気の加熱が不十分になると判断し、加熱運転を開始する（ステップＳ３４）。充電運転から放電運手に切り替わる際、熱交換器９内の熱媒の温度が低く、圧縮空気の加熱は不十分となる。このとき、熱交換器９での熱交換能力が低下してしまう。そこで、放電運転を開始する前に、加熱運転を開始することにより熱交換器９内の熱媒の温度を上昇させる。

加熱運転では、前記図９と同様に、第１開閉弁１３、第２開閉弁１４及び第６開閉弁２２を開放し、第３開閉弁１７、第４開閉弁１８、第５開閉弁１９及び第７開閉弁２５を閉鎖する。そして、第２ポンプ２１を駆動する。これにより、第２タンク７から供給された高温高圧媒体は、第３配管１０ｃから直接、熱交換器に流入する。熱交換器では、高温高圧媒体が流入することにより第６温度センサ２４による検出温度ｔ６が上昇する。そして、検出温度ｔ６が第２設定温度Ｔ２よりも高くなれば、前記同様にして放電運転を開始する。

このように、放電運転を開始する際、熱交換器９内での熱媒温度が低い場合、放電運転を開始する前に、予め熱媒温度を十分に上昇させることができる。したがって、熱交換器９に於ける低温の圧縮空気と熱媒との間の熱交換能力を高めることが可能となる。
前記放電処理は、放電終了信号が入力されるまで続行する（ステップＳ３５）。

なお、本発明は、前記実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

前記実施形態では、圧力膨張兼用機は１段型で説明したが、２段型以上であってもよい。また、圧力膨張兼用機はスクリュ式に限らず、スクロール式等の回転型のものであってもよい。また、圧力膨張兼用機に供給される電力は、風力、太陽光、太陽熱、波力、張力、流水、潮汐等の自然の力で定常的ないし反復的に補充され、不規則に変動するエネルギーを利用した発電電力が含まれ、不規則に稼働する発電設備を有する工場等のように、発電量が変動するもの全てを含めることができる。

１…ＣＡＳＥ発電装置
２…充放電ユニット
３…蓄圧部
４…開閉弁
５…空気配管
６…第１タンク
７…第２タンク
８…冷却ユニット
９…熱交換器
１０…熱媒配管
１０ａ…第１配管
１０ｂ…第２配管
１０ｃ…第３配管
１０ｄ…第４配管
１０ｅ…バイパス管
１１…第１温度センサ
１２…第２温度センサ
１３…第１開閉弁
１４…第２開閉弁
１５…第３温度センサ
１６…第１ポンプ
１７…第３開閉弁
１８…第４開閉弁
１９…第５開閉弁
２０…第４温度センサ
２１…第２ポンプ
２２…第６開閉弁
２３…第５温度センサ
２４…第６温度センサ
２５…第７開閉弁
２６…制御装置

Claims

供給電力により圧縮空気を生成し、前記圧縮空気により発電する充放電ユニットと、
前記充放電ユニットからの圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、
熱媒が収容される第１タンクと、
前記第１タンクよりも高温の熱媒が収容される第２タンクと、
前記充放電ユニットと前記蓄圧部とを流体的に接続する空気経路と、
前記第１タンクと前記第２タンクとを流体的に接続する熱媒経路と、
前記空気経路を流動する圧縮空気と前記熱媒経路を流動する熱媒との間で熱交換させる熱交換器と、
前記熱交換器での熱媒温度を検出する熱媒温度検出手段と、
前記充放電ユニットで圧縮空気を生成する充電処理と、圧縮空気により発電する発電処理とを実行する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記充放電ユニットで放電から充電に切り替える際、前記熱媒温度検出手段での検出温度に基づいて、前記検出温度が前記熱交換器での熱交換に適した第１設定温度よりも低い場合、前記第２タンクから前記熱交換器に熱媒を供給する加熱運転を実行する、圧縮空気貯蔵発電装置。
前記制御装置は、前記充放電ユニットで充電から放電に切り替える際、前記熱媒温度検出手段での検出温度に基づいて、前記検出温度が前記熱交換器での熱交換に適した第２設定温度よりも高い場合、前記第１タンクから前記熱交換器に熱媒を供給する冷却運転を実行させる、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
前記熱媒経路は、前記第１タンクから前記熱交換器を介して前記第２タンクに向かうメイン経路と、前記熱交換器から前記第１タンクに戻るバイパス経路とを備える、請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
充放電ユニットで、供給電力により圧縮空気を生成し、熱交換器で、前記圧縮空気と、第１タンクから第２タンクに流動させる熱媒との間で熱交換して冷却した後、蓄圧部に貯蔵する充電処理と、前記蓄圧部に貯蔵した圧縮空気を、熱交換器で第２タンクから第１タンクに流動させる熱媒との間で熱交換して加熱した後、充放電ユニットで発電させる発電処理とを実行する圧縮空気貯蔵発電方法であって、
前記熱交換器での熱媒温度を検出し、
検出した熱媒温度が設定温度よりも低い場合、前記第２タンクから前記熱交換器に熱媒を供給する加熱運転を実行する、圧縮空気貯蔵発電方法。