JP3246982U - 圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな構造と低い建設費用および低い送配電コストを実現する、圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニットを提供する。【解決手段】圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニットは、風力発電機関室１００の内部に設けられる風力発電ユニット１、空気圧縮機ユニット２、空気膨張機ユニット３及び電動機４と、風力発電機関室の外部に設けられる複合空気貯蔵装置６とを備え、電動機は第１入力軸と第１出力軸とを備え、第１入力軸は第１切り替え器７を介して風力発電ユニットと接続し、第１出力軸は空気圧縮機ユニットと接続し、複合空気貯蔵装置は塔状筒内に設けられた第１空気貯蔵装置６０１と地下に設けられた第２空気貯蔵装置６０２とを備え、第１空気貯蔵装置と第２空気貯蔵装置との内部空洞はお互いに連通する。【選択図】図１

Description

本考案は、風力発電エネルギー貯蔵の技術分野に関し、特に圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニットに関する。

圧縮空気エネルギーを大規模に貯蔵するという技術は、風力と太陽光を捨てる問題を解決するし、新エネルギー利用の水準を大幅に高めるし、主要エネルギーの化石エネルギーから再生可能エネルギーへの置き換えを促進するし、分布式エネルギーシステム、地域級の小規模な知能電力網及び環境適合性の源網荷貯を実現するための肝要な技術である。

目前、陸上風力発電ユニットは、電力網の「負荷曲線の波峰を削って波谷を補う」を調節し対応するように圧縮空気エネルギー貯蔵システムと間接的に結合した。風力発電所と圧縮空気エネルギー貯蔵システムがそれぞれ電力網と接続するという「源－網－荷－貯」の接続モードは、いずれも「網」のみに頼る。従って、システム構造が大型化で低効率的になり、空間利用率が低いため、陸上風力発電システム、エネルギー貯蔵サブシステム及び源－網－荷－貯という主なシステムの建設費用は依然として高いままである。

現在、圧縮空気エネルギー貯蔵システムと間接的に結合する陸上風力発電ユニットの空気貯蔵装置は、コストが高くなり、エネルギー容量と密度が低くなり、地下洞窟と地表の空気貯蔵装置を含める。このような空気貯蔵は、長距離の送配電を必要とするため、建設費用と送配電費用が高くなる。また、地下洞窟は、地理的条件により、岩塩空洞、地下帯水層、硬い岩層の洞窟、天然岩の洞窟、及び廃天然ガス又は石油の貯蔵室を含める。

これに鑑みて、本考案は、次の技術的問題の少なくとも１つを解決するために圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニットを提供する。圧縮空気エネルギー貯蔵システムと間接的に結合した陸上風力発電ユニットは、システム構造が大型化で建設費用が高くなる。圧縮空気貯蔵システムの空気貯蔵装置が高い費用にかかる。

本考案は、圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニットを提供し、風力発電機関室の内部に設けられる風力発電ユニット、空気圧縮機ユニット、空気膨張機ユニット及び電動発電機と、前記風力発電機関室の外部に設けられる複合空気貯蔵装置とを備え、前記電動発電機が第１入力軸と第１出力軸とを備え、前記第１入力軸が第１切り替え器を介して前記風力発電ユニットと接続し、前記第１出力軸が前記空気圧縮機ユニットと接続し、前記複合空気貯蔵装置が、塔状筒内に設けられた第１空気貯蔵装置と地下に設けられた第２空気貯蔵装置とを備え、前記第１空気貯蔵装置と前記第２空気貯蔵装置との内部空洞がお互いに連通し、前記複合空気貯蔵装置の入力端が前記空気圧縮機ユニットと接続し、前記複合空気貯蔵装置の出力端が前記空気膨張機ユニットと接続する。

オプションの実施形態として、前記塔状筒は、軸方向に沿って接続された複数の塔状筒段部を備え、前記第１空気貯蔵装置が少なくとも１つの前記塔状筒段部の内部に配置される、又は、前記第１空気貯蔵装置が少なくとも１つの前記塔状筒段部である。

オプションの実施形態として、前記塔状筒は、お互いに入れ子にされた外筒体と内筒体を有し、前記第１空気貯蔵装置が外筒体と内筒体との間の空洞に配置される、又は、前記外筒体と前記内筒体との間の空洞が前記第１空気貯蔵装置としての役割を果たす。

オプションの実施形態として、前記第２空気貯蔵装置が人造地下室を備え、前記人造地下室と前記第１空気貯蔵装置とが直接貫通する、又は、管路を介して連通する。

オプションの実施形態として、前記人造地下室が２つ配置され、２つの前記人造地下室から地面までの高さが異なる。

オプションの実施形態として、２つの前記人造地下室が第１人造地下室と前記第１人造地下室の下方に設けられた第２人造地下室とを備え、前記第１人造地下室の容積が前記第２人造地下室の容積よりも大きく、前記空気圧縮機ユニットと前記空気膨張機ユニットのいずれも第１圧力側と第２圧力側とを備え、前記第１圧力側の圧力が前記第２圧力側の圧力よりも低く、前記第１人造地下室が前記空気圧縮機ユニットの第１圧力側と前記空気膨張機ユニットの第１圧力側と接続し、前記第２人造地下室が前記空気圧縮機ユニットの第２圧力側と前記空気膨張機ユニットの第２圧力側と接続する。

オプションの実施形態として、前記空気圧縮機ユニットが三重電機を介して前記空気膨張機ユニットと同軸に接続し、前記三重電機が第２出力軸と第２入力軸とを備え、前記第２出力軸が第２切り替え器を介して前記空気圧縮機ユニットと接続し、前記第２入力軸が第３切り替え器を介して前記空気膨張機ユニットと接続する。

前記電動発電機と前記三重電機のいずれも電力網と制御可能に電力に接続し、前記空気圧縮機ユニットがエネルキー貯管路を介して前記複合空気貯蔵装置の入力端と接続し、前記空気膨張機ユニットがエネルキー放出管路を介して前記複合空気貯蔵装置の出力端と接続する。

オプションの実施形態として、前記風力発電機関室の内部に緩衝タンクも設けられており、前記緩衝タンクが液体状態又は超臨界状態にある空気を貯蔵するのに適しており、前記緩衝タンクが前記複合空気貯蔵装置と連通し、前記緩衝タンクの入力端が前記空気圧縮機ユニットと接続し、前記緩衝タンクの出力端が前記空気膨張機ユニットと接続する。

エネルギー貯蔵の場合に、電力網の負荷曲線の波谷における余剰の電気エネルギーは、機械エネルギーに変換され、ひいては空気の圧力ポテンシャルエネルギーと熱エネルギーに変えられてそれぞれ空気貯蔵装置と蓄熱サブシステムに蓄えられる。エネルギー放出の場合に、高圧高温空気のポテンシャルエネルギーと内部エネルギーは機械的エネルギーに変換され、ひいては外部に出力して負荷曲線の波峰を削るように電気エネルギーに変えられる。

オプションの実施形態として、前記空気圧縮機ユニットと前記空気膨張機ユニットとの間に公共熱交換装置が配置され、前記公共熱交換装置が圧縮空気の流通する第１熱交換経路と、膨張空気の流通する第２熱交換経路と、熱交換流体の流通する第３熱交換経路とを備え、前記第１熱交換経路が前記エネルキー貯蔵管路に接続され、前記第２熱交換経路が前記エネルキー放出管路に接続される。

オプションの実施形態として、前記陸上風力発電ユニットが複数設けられ、前記第２空気貯蔵装置が複数設けられ、任意の台数の第１空気貯蔵装置が任意の台数の第２空気貯蔵装置と接続する。

本考案による実施形態によって提供された陸上風力発電ユニットは、次の利点を備える。

１．圧縮空気エネルギー貯蔵システムの空気圧縮機ユニットと空気膨張機ユニットを陸上風力発電ユニットの風力発電機関室に入れるのは、陸上風力発電ユニットが圧縮空気エネルギー貯蔵システムと直接結合するようにし、構造がコンパクトになり、占有空間が小さくなり、陸上風力発電ユニットと圧縮空気エネルギー貯蔵システムの建設費用を削減する。

２．第１切り替え器は電動発電機を介して空気圧縮機ユニットを風力発電ユニットと結合させる。電力網又は風力発電ユニットに由来できる電動発電機の電源は、「源－網－荷－貯」の接続モードが「網」のみに頼らないようにし、圧縮空気エネルギー貯蔵システムが源側の風力発電所の電源と直接結合できるため、分布式エネルギーシステムと地域級の小規模な知能電力網を成し遂げ、負荷中心に近接して送配電コストを削減するようになる。空気圧縮機ユニットは、電動発電機によって駆動され、電動発電機は、電力網の要求に応じて電力網の電源又は風力発電所電源により給電し、第１切り替え器の切り替えを支配することでどちらかにより給電を実現する。

３．圧縮空気エネルギー貯蔵システムでは、複合の空気貯蔵により、すなわち、塔状筒自体の管路に似る鉄骨貯蔵タンク構造を用いて第１空気貯蔵装置を提供し、地下において第２空気貯蔵装置を設ける。第１空気貯蔵装置と第２空気貯蔵装置は、結合後にエネルギー貯蔵の容量と密度を高めることができ、従来の地下洞窟に比べて、地理的条件に制限されず、伝送距離を短縮し、建設費用と伝送費用を削減するようになる。異なるエネルギー貯蔵の要求に応じて、第１空気貯蔵装置の空気貯蔵の容量を第２空気貯蔵装置のそれに合理的に割り当てることができる。

本考案の実施形態の技術的解決策並びに従来技術の技術的解決策をより明確に説明するために、以下のように実施形態及び従来技術の記載に必要な図面を概説し、明らかに、以下に記載される図面は本考案の一部の実施形態であるが、当業者は通常の創作能力を発揮せずにこれらの図面に従って他の図面を獲得する可能性もある。

本考案による実施形態の圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニットの概略図である。 図１中の第１種の複合空気貯蔵装置の概略図である。 図１中の第２種の複合空気貯蔵装置の概略図である。 図１中の第３種の複合空気貯蔵装置の概略図である。 本考案による実施形態で空気圧縮機ユニット及び空気膨張機ユニットが公共熱交換装置と接続する第１種の構造を示す。 本考案による実施形態で空気圧縮機ユニット及び空気膨張機ユニットが公共熱交換装置と接続する第２種の構造を示す。 本考案による実施形態で空気圧縮機ユニット及び空気膨張機ユニットが公共熱交換装置と接続する第３種の構造を示す。

本考案の実施形態の目的、技術手段及びメリットをより明らかにするために、以下、本考案の実施形態における図面を参照しながら、本考案の実施形態における技術的手段を明らか且つ完全に説明し、説明される実施形態が全ての実施形態ではなく、本考案の一部の実施形態に過ぎないことはいうまでもない。当業者が本考案における実施形態に基づいて創造的労動を行うことなく得た他の実施形態は、全て本考案が保護する範囲に含まれるものとする。

我々は、次に図１－７と組み合わせて本考案の実施形態を記述する。

本考案による実施形態では、本考案によって提案された圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニットは、風力発電ユニット１と圧縮空気エネルギー貯蔵システム中の電気機械装置の一部を風力発電機関室１００に集成する。具体的に、当該陸上風力発電ユニットは、風力発電機関室１００の内部に設けられる風力発電ユニット１、空気圧縮機ユニット２、空気膨張機ユニット３及び電動発電機４と、風力発電機関室１００の外部に設けられる複合空気貯蔵装置６とを備える。電動発電機４は、第１入力軸と第１出力軸とを備え、第１入力軸は第１切り替え器７を介して風力発電ユニット１と接続し、第１出力軸は空気圧縮機ユニット２と接続する。複合空気貯蔵装置６は、塔状筒１０内に設けられた第１空気貯蔵装置６０１と地下に設けられた第２空気貯蔵装置６０２とを備え、第１空気貯蔵装置６０１と第２空気貯蔵装置６０２との内部空洞はお互いに連通する。複合空気貯蔵装置６の入力端は空気圧縮機ユニット２と接続し、複合空気貯蔵装置６の出力端は空気膨張機ユニット３と接続する。

本考案による実施形態によって提供された圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニットは、次の利点を備える。

１．圧縮空気エネルギー貯蔵システムの空気圧縮機ユニット２と空気膨張機ユニット３を陸上風力発電ユニットの風力発電機関室１００に入れるのは、陸上風力発電ユニットが圧縮空気エネルギー貯蔵システムと直接結合するようにし、構造がコンパクトになり、占有空間が小さくなり、陸上風力発電ユニットと圧縮空気エネルギー貯蔵システムの建設費用を削減する。風力発電機関室１００内の空間を最適化することでは、小型化の圧縮空気エネルギー貯蔵システムの電気機械装置を風力発電機関室１００の内部に入れることができる。異なる容量の陸上風力発電ユニットは、エネルギー貯蔵の比例に応じて風力発電機関室１００の内部に入れる小型化の圧縮空気エネルギー貯蔵システムに適応することができる。小型化の圧縮空気エネルギー貯蔵システムを陸上風力発電機関室に直接に入れるのは、現場で陸上風力発電の電力網に接続する際の断続的な制御不能性を解決し、再生可能エネルギーの分布式エネルギーシステムと地域級の小規模な知能電力網を成し遂げ、長距離送配電のコストと圧縮空気エネルギー貯蔵システムの建設費用を削減する。

２．第１切り替え器７は電動発電機４を介して空気圧縮機ユニット２を風力発電ユニットと結合させる。電力網又は風力発電ユニット１に由来できる電動発電機４の電源は、「源－網－荷－貯」の接続モードが「網」のみに頼らないようにし、圧縮空気エネルギー貯蔵システムが源側の風力発電所の電源と直接結合できるため、分布式エネルギーシステムと地域級の小規模な知能電力網を成し遂げ、負荷中心に近接して送配電コストを削減するようになる。空気圧縮機ユニット２は、電動発電機４によって駆動され、電動発電機４は、電力網の要求に応じて電力網の電源又は風力発電所電源により給電し、第１切り替え器７の切り替えを支配することでどちらかにより給電を実現する。

３．圧縮空気エネルギー貯蔵システムでは、複合の空気貯蔵により、すなわち、塔状筒１０自体の管路に似る鉄骨貯蔵タンク構造を用いて第１空気貯蔵装置６０１を提供し、地下において第２空気貯蔵装置６０２を設ける。第１空気貯蔵装置６０１と第２空気貯蔵装置６０２は、結合後にエネルギー貯蔵の容量と密度を高めることができ、従来の地下洞窟に比べて、地理的条件に制限されず、伝送距離を短縮し、建設費用と伝送費用を削減するようになる。異なるエネルギー貯蔵の要求に応じて、第１空気貯蔵装置６０１の空気貯蔵の容量を第２空気貯蔵装置６０２のそれに合理的に割り当てることができる。

具体的に、図１に示すように、風力発電ユニットは、主軸１０１と車歯箱１０２とを備える。主軸１０１の片端は羽根１１０と接続し、主軸１０１の他端は車歯箱１０２と接続し、車歯箱１０２の入力軸は第１切り替え器７を介して電動発電機４と接続する。具体的には、第１切り替え器７が連結状態にある場合に、電動機は車歯箱１０２と接続し、風力発電ユニット１から送られた電力が電動発電機４を回転に直接駆動し、ひいては空気圧縮機ユニット２を稼働に駆動する。第１切り替え器７が切断状態にある場合に、電動発電機４は車歯箱１０２と切り離し、電力網の電源により電動発電機４が作動して空気圧縮機ユニット２を駆動する。

具体的には、風力発電ユニット１は、電子制御システムを更に備える。空気圧縮機ユニット２と空気膨張ユニット３との電気制御装置は、風力発電ユニット１の電子制御システムと接続する。

具体的には、空気圧縮機ユニット２は多段空気圧縮機を備え、空気膨張機ユニット３は多段空気膨張機を備える。

好ましくは、図２に示すように、塔状筒１０は、軸方向に沿って接続された複数の塔状筒段部１００１を備え、第１空気貯蔵装置６０１が少なくとも１つの塔状筒段部１００１の内部に配置される、又は、第１空気貯蔵装置６０１が少なくとも１つの塔状筒段部１００１である。

塔状筒１０自体の管路に似る鉄骨貯蔵タンク構造のせいでは、塔状筒１０の内部空間を最適化し、１つ以上の塔状筒段部１００１が空気貯蔵タンクとして使われ、第１空気貯蔵装置６０１としての役割を直接的に果たすようにする。即ち、塔状筒１０の外壁は第１空気貯蔵装置６０１の筐体であり、塔状筒段部１００１の内部空洞は第１空気貯蔵装置６０１の空気貯蔵室である。勿論、第１空気貯蔵装置６０１は、他の形態の構造を採用して塔状筒１０の内部空洞内に配置されることができる。例えば、第１空気貯蔵装置６０１は空気貯蔵桶を備え、空気貯蔵桶は塔状筒段部１００１の内部に配置されて空気貯蔵を成し遂げる。

好ましくは、一実施形態では、塔状筒１０は、お互いに入れ子にされた外筒体１００２と内筒体１００３を有し、第１空気貯蔵装置６０１は外筒体１００２と内筒体１００３との間の空洞に配置される、又は、外筒体１００２と内筒体１００３との間の空洞は第１空気貯蔵装置６０１としての役割を果たす。即ち、図３－４に示すように、塔状筒１０の外筒体１００２と内筒体１００３との側壁は第１空気貯蔵装置６０１の筐体であり、外筒体１００２と内筒体１００３との間の空洞は第１空気貯蔵装置６０１の空気貯蔵室である。勿論、第１空気貯蔵装置６０１は他の構造を採用する可能性があり、例えば、第１空気貯蔵装置６０１は外筒体１００２と内筒体１００３との間に位置する空気貯蔵桶である。第１空気貯蔵装置６０１の空気貯蔵の容量は、塔状筒１０の異なる構造に応じて適応的に調整される。

好ましくは、第２空気貯蔵装置６０２は人造地下室６０２１を備え、人造地下室６０２１と第１空気貯蔵装置６０１とは、直接貫通する、又は、管路を介して連通する。

具体的には、人造地下室６０２１は人工的に内張りされた洞窟とコンクリート製の空気貯蔵室とを備える。

人造地下室６０２１は、地下洞窟に比べて、空気貯蔵圧力が高く、地理的条件に制限されず、地理的条件に頼らず、安全な稼働、高い安定性及び比較的低コストができる。人工的に内張りされた洞窟の質量は、硬い岩層の洞窟又は天然岩の洞窟よりも優れており、地下の塩岩の洞窟に比べて、人造地下室６０２１は次の利点を備える。人造地下室６０２１の空気貯蔵のための柔軟な立地選定は、圧縮空気エネルギー貯蔵工程を、立地選定の方面に以前の岩層の洞窟に関連する工程が岩層の洞窟に頼る状況から脱却させ、工程立地選定の制限要因を大幅に削減し、大規模なエネルギー貯蔵と風力光エネルギー源との間の有効的な協同を形成するようにする。その上、人造地下室６０２１は、高い圧力上限と大きい変動利用範囲と高いシステム変換効率と浅い埋設深さと容易な保全等との利点も備える。

好ましくは、人造地下室６０２１は２つ配置され、２つの人造地下室６０２１から地面１２０までの高さが異なる。具体的には、図２－４に示すように、３つの異なる塔状筒１０の構造物は、それぞれ接続管２０を介して２つの人造地下室６０２１と接続する。

地表下に地温勾配が存在するためは、地表下における等温面の法線に沿う地心方向の単位距離当たりの温度増分が２５－４０℃／ｋｍに達し、地熱エネルギーが豊富な地域では、地表下の異なる埋没深度の温度差がより明らかになる。従って、深さの異なる２つの人造地下室６０２１は、地熱エネルギーを利用してエネルギーの利用率を高めることができる。地温勾配が存在する人造地下室６０２１と組み合わせると、即ち、二重地下空気貯蔵は、圧縮空気のエネルギー貯蔵の容量と密度を大幅に高めることができる。

好ましくは、２つの人造地下室６０２１は第１人造地下室６０２１１と第１人造地下室６０２１１の下方に設けられた第２人造地下室６０２１２とを備え、第１人造地下室６０２１１の容積は、第２人造地下室６０２１２の容積よりも大きい。空気圧縮機ユニット２と空気膨張機ユニット３は、いずれも第１圧力側と第２圧力側とを備え、第１圧力側の圧力は、第２圧力側の圧力よりも低い。第１人造地下室６０２１１は、空気圧縮機ユニット２の第１圧力側と空気膨張機ユニット３の第１圧力側と接続し、第２人造地下室６０２１２は、空気圧縮機ユニット２の第２圧力側と空気膨張機ユニット３の第２圧力側と接続する。具体的には、第１人造地下室６０２１１は地面１２０の下方に位置し、第２人造地下室６０２１２は深層地下１３０に位置する。第２空気貯蔵装置６０２の中で地面１２０から遠く離れた第２人造地下室６０２１２は、空間が小さく、圧力が高く、吸収できる地熱エネルギーが多く、温度が高いため、圧縮機ユニットから排出された余剰空気を貯蔵し、エネルギーを放出する際に協働してタービンを作動させる。第２空気貯蔵装置６０２の中で地面１２０に近づく第１人造地下室６０２１１は、空間が大きく、圧力が低く、吸収できる地熱エネルギーが少なく、温度が低いため、膨張機ユニットから排出された余剰空気を貯蔵し、エネルギーを貯蔵する際に協働して圧縮機ユニットに空気を供給する。

複合空気貯蔵装置６が協働して空気貯蔵を柔軟に割り当てるのは、立地選定の風場、地質条件、風力発電ユニット１の容量及び圧縮空気エネルギー貯蔵に必要な空気貯蔵空間に応じて第１空気貯蔵装置６０１と第２空気貯蔵装置６０２の空気貯蔵の比例を合理的に割り当てることができる。

好ましくは、空気圧縮機ユニット２と空気膨張機ユニット３とは、三重電機５を介して同軸に接続する。三重電機５は、第２出力軸と第２入力軸とを備え、第２出力軸は第２切り替え器８を介して空気圧縮機ユニット２と接続し、第２入力軸は第３切り替え器９を介して空気膨張機ユニット３と接続する。

電動発電機４と三重電機５は、いずれも電力網と制御可能に電力に接続し、空気圧縮機ユニット２はエネルギー貯管路を介して複合空気貯蔵装置６の入力端と接続し、空気膨張機ユニット３はエネルギー放出管路を介して複合空気貯蔵装置６の出力端と接続する。

そうすると、一方では、多軸接続によって引き起こされる電気機械変換損失を低め、エネルギー変換効率を高めることができ、他方では、システム集成のレベルと空間利用率を高め、建設と運営保守費用を節約し、コストを削減して効率を高める効果を達成する。三重電機５は、第２切り替え器８を介して空気圧縮機ユニット２と接続し、空気圧縮機ユニット２を駆動して空気を圧縮する電動機としての役割を果たすか、第３切り替え器９を介して空気膨張機ユニット３と接続し、空気膨張機ユニット３を駆動して発電する発電機としての役割を果たすか、電力網の電圧が下がる際に無効電力出力を増やし、電力網の電圧が上がる際に無効電力を吸収し、電力網の電圧を維持し、システムの安定性を高め、システムの給電品質を向上させるコンデンサーとしての役割を果たす。発電機、電動機及びコンデンサーとしての三重機能は、切り替え器と組み合わせることで、機械設備及び電気設備の費用を大幅に削減できる。具体的には、柔軟な同軸コンパクト配置は、空気圧縮機ユニット２と空気膨張機ユニット３の各段部の出力と速度に応じて共用の機械設備と電気設備の位置と数量を決めることができる。

三重電機５の作動については、具体的に第２切り替え器８が連結状態にあり、第３切り替え器９が切断状態にある場合に、三重電機５の第２出力軸は空気圧縮機ユニット２と接続し、空気圧縮機ユニット２を作動に駆動しながら、空気を圧縮してエネルギー貯蔵処理を行う。第２切り替え器８が切断状態にあり、第３切り替え器９が連結状態にある場合に、三重電機５の第２入力軸は空気膨張機ユニット３と接続し、空気膨張機ユニット３を発電に駆動しながら、空気が膨張してエネルギー放出及び発電を行う。

好ましくは、風力発電機関室１００の内部には緩衝タンク３０も設けられており、緩衝タンク３０は、液体状態又は超臨界状態にある空気を貯蔵するのに適する。緩衝タンク３０は、複合空気貯蔵装置６と連通し、緩衝タンク３０の入力端が空気圧縮機ユニット２と接続し、緩衝タンク３０の出力端が空気膨張機ユニット３と接続する。

緩衝タンク３０は、空気を液体に圧縮する、又は、超臨界状態で貯蔵できる。圧縮空気を液体又は超臨界状態で貯蔵することでは、システム効率を大幅に高めることができる。風力発電所又は低峰電力に必要な蓄電電力と持続時間に応じて圧縮エネルギー貯蔵システムの特定の空気貯蔵状態を柔軟に選択できる。

一実施形態では、図１に示すように、緩衝タンク３０は、風力発電機関室１００の内部に集成される。そうすると、風力発電機関室１００の内部空間を十分に活用し、圧縮空気エネルギー貯蔵システム中のより多くの電気機械装置を風力発電機関室１００の内部に集成し、電気機械装置が占める空間を削減することができる。

具体的には、エネルギー貯蔵の場合は、陸上風力発電所の余剰電気エネルギー又は電力網の電気エネルギーを用いて空気圧縮機ユニット２を駆動し、蓄積された電気エネルギーの工率と持続時間に応じて低圧空気を液体状態又は超臨界状態に圧縮して複合空気貯蔵部６に貯蔵し、即ち、第１空気貯蔵装置６０１及び／又は第２空気貯蔵装置６０２に貯蔵する。

エネルギー放出の場合は、複合空気貯蔵部６内の圧縮空気が空気膨張機ユニット３に出力されて膨張して発電を行う。

好ましくは、空気圧縮機ユニット２と空気膨張機ユニット３との間には公共熱交換装置４０が配置され、公共熱交換装置４０は圧縮空気の流通する第１熱交換経路と、膨張空気の流通する第２熱交換経路と、熱交換流体の流通する第３熱交換経路とを備える。第１熱交換経路はエネルギー貯蔵管路に接続され、第２熱交換経路はエネルギー放出管路に接続される。

具体的には、エネルギー貯蔵管路とエネルギー放出管路における温度差及び圧力差の小さい熱交換装置を共用化することで熱交換サブシステムのコストを下げる。空気圧縮機ユニット２と空気膨張機ユニット３の配置は、様々な作業環境で異なり、付設する熱交換器の温度差と圧力差に応じて公共熱交換器の位置と数量を配置できる。

具体的には、空気圧縮機ユニット２と空気膨張機ユニット３は、いずれも第１圧力側と第２圧力側とを備え、第１圧力側の圧力は、第２圧力側の圧力よりも低い。即ち、第１圧力側は低圧側であり、第２圧力側は高圧側である。一実施形態では、図５に示すように、第１圧力側と第２圧力側の空気圧縮機ユニット２及び空気膨張機ユニット３は、何れも公共熱交換装置４０と接続する。即ち、空気圧縮機ユニット２と空気膨張機ユニット３は、低圧側、高圧側を問わず、熱交換装置を共用する。具体的には、本実施形態では、２つの公共熱交換装置４０がそれぞれ第１圧力側と第２圧力側に配置される。即ち、低圧側の空気圧縮機と低圧側の空気膨張機は、第１圧力側の公共熱交換装置４０と熱交換に接続し、高圧側の空気圧縮機と高圧側の空気膨張機は、第２圧力側の公共熱交換装置４０と熱交換に接続する。勿論、公共熱交換器４０は、異なる圧力大きさの空気圧縮機及び空気膨張機との接続に対応して複数に配置される可能性がある。空気圧縮機ユニット２と空気膨張機ユニット３が公共熱交換装置４０を共用することでは、熱交換システムへの投資と建設費用を下げる。

いくつかの実施形態では、図６を参照して、公共熱交換装置４０は、第１圧力側にのみ配置される。即ち、低圧側の空気圧縮機と低圧側の空気膨張機とは、公共熱交換装置４０を共用する。低圧側の公共熱交換装置４０の温度パラメータは類似し、圧力差が小さいため、公共熱交換装置４０を共用した上で、熱交換装置の台数とトン数とを減らすことができる。

いくつかの実施形態では、図７を参照して、公共熱交換装置４０は、第２圧力側にのみ配置される。即ち、高圧側の空気圧縮機と高圧側の空気膨張機とは、公共熱交換装置４０を共用する。高圧側の公共熱交換装置４０の温度パラメータは類似し、圧力差が大きいため、第１熱交換経路と第２熱交換経路を切り替える際に、圧力変化を考慮する必要があり、公共熱交換装置４０を共用した上で、熱交換装置の台数とトン数とを明らかに減らすことができる。

いくつかの実施形態では、図６又は図７を参照して、冷却器１４０は隣接する空気圧縮機の間に接続される。再熱器１５０は、隣接する空気膨張機の間に接続される。空気圧縮機と空気膨張機が公共熱交換装置４０を共用する場合には、対応する圧力大きさの冷却器１４０と再熱器１５０が省略される。エネルギー貯蔵過程では、公共熱交換装置４０が空気を冷却し、エネルギー放出過程では、公共熱交換装置４０が空気を加熱する。

いくつかの実施形態では、図６又は図７を参照して、冷却器１４０と再熱器１５０との間には集熱装置５０と蓄熱装置６０が接続される。冷却器１４０は、エネルギー貯蔵において空気を冷却し、置換された熱は、集熱装置５０に蓄えられ、エネルギー放出において空気を加熱できる。再熱器１５０は、エネルギー放出において空気を加熱し、置換された冷却熱は、冷蔵装置６０に蓄えられ、エネルギー貯蔵において空気を冷却する。これにより、熱の循環利用はできる。

いくつかの実施形態では、図６又は図７を参照して、空気圧縮機ユニット２の出力端と緩衝タンク３０の入力端との間には降圧装置８０が接続される。エネルギー貯蔵過程では、圧縮空気が減圧を受けて緩衝タンク３０を介して複合空気貯蔵装置６に貯蔵される。具体的には、降圧装置８０が液体膨張機又は絞り弁である。

いくつかの実施形態では、図６又は図７を参照して、空気膨張機ユニット３の入力端と緩衝タンク３０の出力端との間には昇圧装置９０が接続される。エネルギー放出加点では、複合空気貯蔵装置６に蓄えられた圧縮空気が緩衝タンク３０に出力されて昇圧装置９０で加圧されてから空気膨張機ユニット３に入力される。

いくつかの実施形態では、図１、図６又は図７を参照し、圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、冷却熱交換器７０を更に備える。冷却熱交換器７０は、エネルギー貯蔵過程中の圧縮空気の流通するための第１経路と、エネルギー放出過程中の膨張空気の流通するための第２経路と、熱交換媒体の流通するための第３経路とを備える。エネルギー貯蔵過程では、冷却熱交換器７０に蓄えられた冷却熱を用いて、圧縮空気を同圧力で冷却・液化して降圧装置８０で減圧してから、大気圧で複合気体貯蔵装置６に蓄える。エネルギー放出過程では、冷却熱交換器７０が空気を室温まで加熱するために用いられる。

（稼働原理）
１．エネルギー貯蔵の場合、陸上風力発電所の余剰電気エネルギー又は、電力網の電気エネルギーを用いて多段空気圧縮機を駆動し、蓄積された電気エネルギーの工率と持続時間に応じて、低圧空気を液体状態又は超臨界状態に圧縮して、圧縮空気を公共熱交換装置４０で室温まで冷却してから、冷却熱交換器７０に蓄えられた冷却熱を用いて、それを同圧力で冷却・液化して降圧装置８０で減圧してから、大気圧で複合気体貯蔵装置６に蓄える。第２空気貯蔵装置６０２の中で地面１２０から遠く離れた第２人造地下室６０２１２は、空間が小さく、圧力が高く、吸収できる地熱エネルギーが多く、温度が高いため、圧縮機ユニットから排出された余剰空気を貯蔵し、エネルギーを放出する際に協働してタービンを作動させる。

２．エネルギー放出の場合、複合空気貯蔵部６内の液体又は超／超臨界状態の空気は、加圧されてから冷却熱交換器７０によって室温まで加熱され、公共熱交換装置４０中の圧縮熱を吸収し、最後に多段空気膨張機によって膨張されて発電を行う。第２空気貯蔵装置６０２の中で地面１２０に近づく第１人造地下室６０２１１は、空間が大きく、圧力が低く、吸収できる地熱エネルギーが少なく、温度が低いため、空気膨張機ユニット３から排出された余剰空気を貯蔵し、エネルギーを貯蔵する際に協働して空気圧縮機ユニット２に空気を供給する。

好ましくは、陸上風力発電ユニットは複数設けられ、第２空気貯蔵装置６０２は複数設けられ、任意の台数の第１空気貯蔵装置６０１は任意の台数の第２空気貯蔵装置６０２と接続する。即ち、１つの第１空気貯蔵装置６０１は複数の第２空気貯蔵装置６０２と接続する可能性がある、又は、複数の第１空気貯蔵装置６０１は１つの第２空気貯蔵装置６０２と接続する可能性がある、又は、複数の第１空気貯蔵装置６０１は複数の第２空気貯蔵装置６０２と一対一接続する可能性がある。

本考案によって提案された圧縮エネルギー貯蔵システムは、自然地熱エネルギーの追加熱により圧縮空気エネルギー密度を高め、陸上風力発電ユニットの容量に適応する低費用の空気貯蔵を成し遂げる。機械設備と電気設備を協働して割り当て、同軸コンパクトな配置と低費用の熱交換システムを採用し、熱交換器を共用して陸上風力発電ユニットの機関室に直接的に入れることで、源側の風力発電所の電源と結合する。

その上、本考案は、別の濾過器を必要とせず、風力発電機関室１００内の設備空間を節約し、空気作動流体が内部循環を実現でき、「砂漠と荒れ地」の作業環境で粉塵顆粒の影響を有効的に回避する。

本考案の実施形態は図面と組み合わせて説明されるが、当業者は、本実用新案の趣旨と範囲を逸脱することなく、種々の変更及び変形を行うことができ、こうした変更及び変形は、請求項によって限定される範囲内に含まれる。

１－風力発電ユニット、１０１－主軸、１０２－車歯箱、２－空気圧縮機ユニット、３－空気膨張機ユニット、４－電動機、５－三重電機、６－複合空気貯蔵装置、６０１－第１空気貯蔵装置、６０２－第２空気貯蔵装置、６０２１－人造地下室、６０２１１－第１人造地下室、６０２１２－第２人造地下室、７－第１切り替え器、８－第２切り替え器、９－第３切り替え器、１０－塔状筒、１００１－塔状筒段部、１００２－外筒体、１００３－内筒体、２０－接続管、３０－緩衝タンク、４０－公共熱交換装置、５０－集熱装置、６０－蓄熱装置、７０－冷却熱交換器、８０－降圧装置、９０－昇圧装置、１００－風力発電機関室、１１０－羽根、１２０－地面、１３０－深層地下、１４０－冷却器、１５０－再熱器。

Claims (9)

1. 風力発電機関室（１００）の内部に設けられる風力発電ユニット（１）、空気圧縮機ユニット（２）、空気膨張機ユニット（３）及び電動発電機（４）と、前記風力発電機関室（１００）の外部に設けられる複合空気貯蔵装置（６）とを備え、
   前記電動発電機（４）が第１入力軸と第１出力軸とを備え、前記第１入力軸が第１切り替え器（７）を介して前記風力発電ユニット（１）と接続し、前記第１出力軸が前記空気圧縮機ユニット（２）と接続し、
   前記複合空気貯蔵装置（６）が、塔状筒（１０）内に設けられた第１空気貯蔵装置（６０１）と地下に設けられた第２空気貯蔵装置（６０２）とを備え、前記第１空気貯蔵装置（６０１）と前記第２空気貯蔵装置（６０２）との内部空洞がお互いに連通し、前記複合空気貯蔵装置（６）の入力端が前記空気圧縮機ユニット（２）と接続し、前記複合空気貯蔵装置（６）の出力端が前記空気膨張機ユニット（３）と接続する、
   ことを特徴とする圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニット。
2. 前記塔状筒（１０）は、軸方向に沿って接続された複数の塔状筒段部（１００１）を備え、前記第１空気貯蔵装置（６０１）が少なくとも１つの前記塔状筒段部（１００１）の内部に配置され、若しくは、前記第１空気貯蔵装置（６０１）が少なくとも１つの前記塔状筒段部（１００１）であり、
   又は、前記塔状筒（１０）は、お互いに入れ子にされた外筒体（１００２）と内筒体（１００３）を有し、前記第１空気貯蔵装置（６０１）が外筒体（１００２）と内筒体（１００３）との間の空洞に配置される、若しくは、前記外筒体（１００２）と前記内筒体（１００３）との間の空洞が前記第１空気貯蔵装置（６０１）としての役割を果たす、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニット。
3. 前記第２空気貯蔵装置（６０２）が人造地下室（６０２１）を備え、前記人造地下室（６０２１）と前記第１空気貯蔵装置（６０１）とが直接貫通する、又は、管路を介して連通する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニット。
4. 前記人造地下室（６０２１）が２つ配置され、２つの前記人造地下室（６０２１）から地面（１２０）までの高さが異なる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニット。
5. ２つの前記人造地下室（６０２１）が第１人造地下室（６０２１１）と前記第１人造地下室（６０２１１）の下方に設けられた第２人造地下室（６０２１２）とを備え、前記第１人造地下室（６０２１１）の容積が前記第２人造地下室（６０２１２）の容積よりも大きく、前記空気圧縮機ユニット（２）と前記空気膨張機ユニット（３）のいずれも第１圧力側と第２圧力側とを備え、前記第１圧力側の圧力が前記第２圧力側の圧力よりも低く、前記第１人造地下室（６０２１１）が前記空気圧縮機ユニット（２）の第１圧力側と前記空気膨張機ユニット（３）の第１圧力側と接続し、前記第２人造地下室（６０２１２）が前記空気圧縮機ユニット（２）の第２圧力側と前記空気膨張機ユニット（３）の第２圧力側と接続する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニット。
6. 前記空気圧縮機ユニット（２）が三重電機（５）を介して前記空気膨張機ユニット（３）と同軸に接続し、前記三重電機（５）が第２出力軸と第２入力軸とを備え、前記第２出力軸が第２切り替え器（８）を介して前記空気圧縮機ユニット（２）と接続し、前記第２入力軸が第３切り替え器（９）を介して前記空気膨張機ユニット（３）と接続し、前記電動発電機（４）と前記三重電機（５）のいずれも電力網と制御可能に電力に接続し、前記空気圧縮機ユニット（２）がエネルギー貯管路を介して前記複合空気貯蔵装置（６）の入力端と接続し、前記空気膨張機ユニット（３）がエネルギー放出管路を介して前記複合空気貯蔵装置（６）の出力端と接続する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニット。
7. 前記風力発電機関室（１００）の内部に緩衝タンク（３０）も設けられており、前記緩衝タンク（３０）が液体状態又は超臨界状態にある空気を貯蔵するのに適しており、前記緩衝タンク（３０）が前記複合空気貯蔵装置（６）と連通し、前記緩衝タンク（３０）の入力端が前記空気圧縮機ユニット（２）と接続し、前記緩衝タンク（３０）の出力端が前記空気膨張機ユニット（３）と接続する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニット。
8. 前記空気圧縮機ユニット（２）と前記空気膨張機ユニット（３）との間に公共熱交換装置（４０）が配置され、前記公共熱交換装置（４０）が圧縮空気の流通する第１熱交換経路と、膨張空気の流通する第２熱交換経路と、熱交換流体の流通する第３熱交換経路とを備え、前記第１熱交換経路が前記エネルギー貯蔵管路に接続され、前記第２熱交換経路が前記エネルギー放出管路に接続される、
   ことを特徴とする請求項６に記載の圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニット。
9. 前記陸上風力発電ユニットが複数設けられ、前記第２空気貯蔵装置（６０２）が複数設けられ、任意の台数の第１空気貯蔵装置（６０１）が任意の台数の第２空気貯蔵装置（６０２）と接続する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の圧縮空気貯蔵システム付き陸上風力発電ユニット。