JP6621348B2 - 圧縮空気貯蔵発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置に関する。

風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーを利用した発電は、気象条件に依存するため、出力が変動し安定しないことがある。このような出力変動に対し、出力を平準化するシステムとして圧縮空気貯蔵（Compressed Air Energy Storage：ＣＡＥＳ）システムが知られている。

このＣＡＥＳシステムを利用した圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置は、電力プラントのオフピーク時間中に電気エネルギーを圧縮空気として蓄圧タンクに蓄え、高電力需要時間中に圧縮空気により膨張機を駆動して発電機を動作させて電気エネルギーを生成して出力を平準化する。また、発電効率を向上させるために、圧縮熱を蓄熱媒体に回収し、蓄熱タンク等に貯蔵し、回収した圧縮熱を用いて膨張前の圧縮空気を加熱するシステムが知られている。これにより、圧縮時の動力増加を防止し、膨張時の回収動力を増加させると同時に、蓄圧タンク貯蔵時の熱放出を防止するものがある。

このようなＣＡＥＳ発電装置として、例えば特許文献１には、熱エネルギー貯蔵システムを利用したものが開示されている。

特表２０１３−５０９５３０号公報

ＣＡＥＳ発電装置は、運転効率の観点から、圧縮機と、圧縮機から吐出された圧縮空気とを冷却することが必要である。特許文献１にはこのような冷却についての詳細な記載はないが、冷却の簡便性等の観点から、このような冷却にはクーリングタワー等の外部冷却装置が使用されることが多い。その場合、ＣＡＥＳ発電装置は、外部冷却装置との接続のため、設置場所の自由度が制限される。また、特許文献１のＣＡＥＳ発電装置では、膨張機から排気された空気の冷熱を有効利用することについて特段の考慮もなされていない。

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置において、膨張機から排気された冷熱を回収して冷熱源として利用し、外部から冷熱を供給することなく、即ち設置場所の自由度が制限されず、かつ、システムのエネルギー効率を向上できる。

本発明の圧縮空気貯蔵発電装置は、再生可能エネルギーによって発電された電力により駆動される電動機と、前記電動機によって駆動され、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蓄圧部と、前記蓄圧部から供給される前記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蓄圧部に供給される前記圧縮空気と、第１熱媒とで熱交換し、前記圧縮空気を冷却し、前記第１熱媒を加熱する第１熱交換器と、前記第１熱交換器で加熱された前記第１熱媒を蓄える第１蓄熱部と、前記蓄圧部から前記膨張機に供給される前記圧縮空気と、前記第１蓄熱部から供給される前記第１熱媒とで熱交換して、前記圧縮空気を加熱し、前記第１熱媒を冷却する第２熱交換器と、前記膨張機から大気へと排気される空気と、第２熱媒とで熱交換し、前記空気を加熱し、前記第２熱媒を冷却する第３熱交換器と、前記第３熱交換器で冷却された前記第２熱媒と、前記圧縮機に供給される潤滑油または前記第１熱交換器に供給される前記第１熱媒の少なくとも一方と熱交換して、前記第２熱媒を加熱し、前記潤滑油または前記第１熱媒を冷却する第４熱交換器とを備える。

この構成によれば、膨張機からの排気冷熱を冷熱源として使用しているので、クーリングタワー等の外部冷却装置を必要とせず、外部から独立して設置でき、設置場所の自由度が制限されない。また、膨張機から排気された空気の冷熱を回収し、圧縮機と、圧縮機から吐出された圧縮空気とを冷却するために利用しているので、システムのエネルギー効率を向上できる。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記第３熱交換器で冷却された前記第２熱媒を蓄える第１蓄冷部をさらに備えることが好ましい。

第１蓄冷部を設けることで、冷熱を回収して冷却された第２熱媒を得ることができないときであっても、第１蓄冷部で蓄えている冷却された第２熱媒を第４熱交換器に供給し、圧縮機と、圧縮機から吐出された圧縮空気とを冷却できる。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記第２熱交換器で冷却された前記第１熱媒を蓄える第２蓄熱部と、前記第４熱交換器で加熱された前記第２熱媒を蓄える第２蓄冷部とをさらに備えることが好ましい。

第２蓄熱部と第２蓄冷部を設けることで、第１熱媒と第２熱媒を温度別に蓄えることができ、より高温の第１熱媒と、より低温の第２熱媒とを得ることができる。

前記第１熱媒と前記第２熱媒は同じ熱媒であり、前記第２蓄熱部と前記第２蓄冷部は一つの熱媒蓄積部であってもよい。

第１熱媒と第２熱媒が同じ熱媒であることで、第１熱媒と第２熱媒を混合して使用できる。そのため、第２蓄熱部と第２蓄冷部を一つの熱媒蓄積部で構成でき、小型化と低コスト化が可能である。

前記圧縮機は、複数段階に分けて空気を圧縮する複数段型であり、前記第４熱交換器で冷却された前記潤滑油は前記圧縮機の中間段に供給され、前記第１熱交換器は、前記圧縮空気の中間空気を冷却するように設けられていてもよい。

この構成により、圧縮熱により温度上昇する圧縮機の中間段と中間空気を冷却でき、圧縮効率を向上できる。ここで、圧縮機の中間段とは、複数段ある圧縮機本体のうち、１段目以外の圧縮機本体を示し、即ち２段目から最終段までの圧縮機本体を示す。また、圧縮機の中間空気とは、１段目圧縮後から最終段圧縮前までの圧縮空気を示す。圧縮機の中間段と中間空気は、前段で空気が圧縮された際の圧縮熱により温度が上昇するため、これらを冷却することで、圧縮効率を向上できる。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記圧縮機に供給される前記潤滑油または前記第１熱交換器に供給される前記第１熱媒の少なくとも一方の温度を検出する温度検出部と、前記第４熱交換器に供給される前記第２熱媒の流れを許容又は遮断する切替部と、前記温度検出部で検出した温度値が設定値以上である場合、前記切替部を切り替えて前記第２熱媒の流れを許容し、前記温度値が前記設定値未満である場合、前記切替部を切り替えて前記第２熱媒の流れを遮断する制御装置とを備えることが好ましい。

温度検出部により潤滑油または第１熱媒の温度を検出し、検出した温度に基づいて切替部を制御しているため、潤滑油または第１熱媒をＣＡＥＳ発電装置の運転に適した温度設定値にそれぞれ調整できる。従って、圧縮機運転上重要な潤滑油の温度と、第１熱媒を利用して冷却する圧縮機から吐出された圧縮空気とを運転に適した温度に調整できる。

前記切替部は、前記第４熱交換器に供給される前記第２熱媒の流量を調整するための流量調整バルブを備え、前記制御装置は、前記温度検出部で検出した前記温度値に基づいて前記流量調整バルブの開度を調整することが好ましい。

流量調整バルブにより、潤滑油または第１熱媒を冷却するために供給する第２熱媒の量を最適化できる。具体的には、温度検出部で検出した潤滑油または第１熱媒の温度が設定値よりも著しく高く、第４熱交換器において潤滑油または第１熱媒をより大きく冷却することが必要である場合、流量調整バルブの開度を大きくし、第２熱媒の流量を増加させる。これにより、第４熱交換器における熱交換量が増加し、潤滑油または第１熱媒をより大きく冷却できる。反対に、温度検出部で検出した潤滑油または第１熱媒の温度が設定値よりもそれほど高くなく、第４熱交換器において潤滑油または第１熱媒をそれほど冷却することが必要でない場合、流量調整バルブの開度を小さくし、第２熱媒の流量を減少させる。これにより、熱交換量が減少し、潤滑油または第１熱媒を冷却するために使用される第２熱媒の量を節減できる。

本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置において、設置場所の自由度が制限されず、かつ、システムのエネルギー効率を向上できる。

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。 図１の圧縮空気貯蔵発電装置の制御方法を示すフローチャート。 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。 図３の圧縮空気貯蔵発電装置の制御方法を示すフローチャート。 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。 図５の圧縮空気貯蔵発電装置の第１変形例を示す概略構成図。 図５の圧縮空気貯蔵発電装置の第２変形例を示す概略構成図。 図５の圧縮空気貯蔵発電装置の第３変形例を示す概略構成図。

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＞
圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置２は、再生可能エネルギーを利用して発電する発電装置４の出力変動を平準化して電力系統６に電力を供給するとともに、電力系統６における電力需要の変動に合わせた電力を供給する。

図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置２の構成を説明する。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、空気流路８ａ〜８ｆ（破線で示す）と、第１熱媒流路１０ａ，１０ｂ（実線で示す）と、潤滑油流路１２ａ，１２ｂ（実線で示す）と、第２熱媒流路１４ａ，１４ｂ（一点鎖線で示す）とを有する。

（空気流路）
空気流路８ａ〜８ｆには、モータ（電動機）１６で駆動される圧縮機１８と、蓄圧タンク（蓄圧部）２０と、発電機２２を駆動する膨張機２４と、第１熱交換器２６と、第２熱交換器２８と、第３熱交換器３０とが設けられている。

再生可能エネルギーを利用する発電装置４は、モータ１６と電気的に接続されている（二点鎖線で示す）。発電装置４により発電された電力はモータ１６に供給される。モータ１６は圧縮機１８に機械的に接続されており、モータ１６の駆動に伴い圧縮機１８が駆動される。

圧縮機１８は、モータ１６によって駆動されると、空気流路８ａを介して吸気口１８ａより空気を吸気し、内部で圧縮して吐出口１８ｂより圧縮空気を吐出する。圧縮機１８の吐出口１８ｂは空気流路８ｂを通じて蓄圧タンク２０と流体的に接続されており、吐出口１８ｂから吐出された圧縮空気は、空気流路８ｂを通じて蓄圧タンク２０に圧送される。圧縮機１８の種類は特に限定されず、例えば、スクリュ式、スクロール式、ターボ式、およびレシプロ式などであってもよい。

空気流路８ｂには、圧縮空気に対する冷却器として第１熱交換器２６が介設されている。第１熱交換器２６に供給される圧縮空気は圧縮の際に生じる圧縮熱により高温となる。第１熱交換器２６では、第１熱媒と圧縮空気の間の熱交換により、圧縮空気は冷却され、第１熱媒は加熱されている。

蓄圧タンク２０は、圧縮空気を蓄えてエネルギーとして蓄積できる。蓄圧タンク２０は、空気流路８ｃ，８ｄを通じて膨張機２４と流体的に接続されており、蓄圧タンク２０から送出された圧縮空気は空気流路８ｃ，８ｄを通じて膨張機２４に供給される。空気流路８ｃ，８ｄにはバルブ３２ａ，３２ｂがそれぞれ設けられており、バルブ３２ａ，３２ｂの開閉により、蓄圧タンク２０から膨張機２４への圧縮空気の供給を許容又は遮断するとともに、圧縮空気が空気流路８ｃ，８ｄのいずれを流れるかを選択できる。本実施形態のバルブ３２ａ，３２ｂは、本発明の切替部に含まれる。

また、空気流路８ｃ，８ｄのうち、一方の空気流路８ｄには第２熱交換器２８が介設されており、他方の空気流路８ｃには熱交換器が介設されていない。第２熱交換器２８では、第１熱媒と圧縮空気の間の熱交換により、圧縮空気は加熱され、第１熱媒は冷却されている。

膨張機２４は、発電機２２と機械的に接続されており、給気口２４ａから圧縮空気を給気された膨張機２４は、給気された圧縮空気により作動し、発電機２２を駆動する。発電機２２は電力系統６に電気的に接続されており（二点鎖線で示す）、発電機２２で発電した電力は電力系統６に供給される。また、膨張機２４で膨張された空気は、排気口２４ｂから空気流路８ｅ，８ｆを通じて排気される。空気流路８ｅ，８ｆにはバルブ３２ｃ，３２ｄがそれぞれ設けられており、バルブ３２ｃ，３２ｄの開閉により、膨張機２４から外部への空気の排気を許容又は遮断するとともに、排気される空気が空気流路８ｅ，８ｆのいずれを流れるかを選択できる。本実施形態のバルブ３２ｃ，３２ｄは、本発明の切替部に含まれる。膨張機２４の種類は、例えば、スクリュ式、スクロール式、ターボ式、およびレシプロ式などであってもよい。

膨張機２４の排気口２４ｂから延びる空気流路８ｅ，８ｆのうち、一方の空気流路８ｆには冷熱回収器として第３熱交換器３０が設けられており、他方の空気流路８ｅには熱交換器が設けられていない。第３熱交換器３０に供給される空気は膨張の際の吸熱により低温となっているので、第３熱交換器３０では、第２熱媒と圧縮空気の間の熱交換により、空気は加熱され、第２熱媒は冷却されている。

（第１熱媒流路）
第１熱媒流路１０ａ，１０ｂには、第１熱交換器２６と、高温蓄熱タンク（第１蓄熱部）３６と、第２熱交換器２８と、低温蓄熱タンク（第２蓄熱部）３８と、第４熱交換器４０ａとが順に設けられている。第１熱媒はこれらの間で循環して流動している。第１熱媒の種類は特に限定されておらず、例えば鉱物油系の熱媒を使用してもよい。

第１熱交換器２６では、圧縮機１８から蓄圧タンク２０に延びる空気流路８ｂ内の圧縮空気と、低温蓄熱タンク３８から高温蓄熱タンク３６に延びる第１熱媒流路１０ａ内の第１熱媒とで熱交換している。具体的には、空気流路８ｂ内を流れる圧縮空気は、圧縮機１８での圧縮の際に生じる圧縮熱により高温となっており、第１熱交換器２６での熱交換により、圧縮空気を冷却している。即ち、第１熱交換器２６では圧縮空気の温度は低下し、第１熱媒の温度は上昇する。第１熱交換器は第１熱媒流路１０ａを通じて高温蓄熱タンク３６と流体的に接続されており、温度上昇した第１熱媒は高温蓄熱タンク３６に供給され蓄えられる。

高温蓄熱タンク３６は、第１熱交換器２６から供給された高温の第１熱媒を保温して蓄える。そのため、高温蓄熱タンク３６は断熱されていることが好ましい。高温蓄熱タンク３６は、第１熱媒流路１０ｂを通じて第２熱交換器２８に流体的に接続されており、高温蓄熱タンク３６で蓄えられた第１熱媒は第１熱媒流路１０ｂを通じて第２熱交換器２８に供給される。

第２熱交換器２８では、蓄圧タンク２０から膨張機２４に延びる空気流路８ｄ内の圧縮空気と、高温蓄熱タンク３６から低温蓄熱タンク３８に延びる第１熱媒流路１０ｂ内の第１熱媒とで熱交換している。具体的には、高温蓄熱タンク３６内の高温の第１熱媒を利用して膨張機２４による膨張の前に圧縮空気の温度を上昇させて発電効率（膨張効率）を向上させている。即ち、第２熱交換器２８では、圧縮空気の温度は上昇し、第１熱媒の温度は低下する。第２熱交換器２８は第１熱媒流路１０ｂを通じて低温蓄熱タンク３８に流体的に接続されており、温度低下した第１熱媒は第１熱媒流路１０ｂを通じて低温蓄熱タンク３８に供給され蓄えられる。

低温蓄熱タンク３８は、第２熱交換器２８から供給された低温の第１熱媒を蓄える。低温蓄熱タンク３８は第１熱媒流路１０ａを通じて第１熱交換器２６に流体的に接続されており、低温蓄熱タンク３８で蓄えられた第１熱媒は第１熱媒流路１０ａを通じて第１熱交換器２６に供給される。低温蓄熱タンク３８には、内部の第１熱媒の温度を検出するための温度センサ（温度検出部）４２ａが設けられており、第１熱交換器２６に供給される第１熱媒の温度を検出できる。ここで検出された温度は、後述の制御装置４４に出力される。

低温蓄熱タンク３８から第１熱交換器２６に延びる第１熱媒流路１０ａには、第１熱媒に対する冷却器として第４熱交換器４０ａが介設されている。第４熱交換器４０ａでは、第１熱媒と第２熱媒との間の熱交換により、第１熱媒は冷却され、第２熱媒は加熱されている。

このように第１熱媒流路１０ａ，１０ｂでは、第１熱媒が循環している。第１熱媒の循環は、第１熱媒流路１０ａに介設されたポンプ４６ａによりなされている。本実施形態では、ポンプ４６ａは低温蓄熱タンク３８下流に設けられているが、その位置は特に限定されない。

（潤滑油流路）
潤滑油流路１２ａ，１２ｂには、圧縮機１８と、潤滑油タンク４８と、第４熱交換器４０ｂとが順に設けられている。潤滑油はこれらの間で循環して流動している。また、潤滑油の種類は公知のものを使用でき、特に限定されない。

潤滑油タンク４８は、潤滑油を蓄える。潤滑油タンク４８は、潤滑油流路１２ａを通じて圧縮機１８に流体的に接続されており、潤滑油タンク４８で蓄えられた潤滑油は潤滑油流路１２ａを通じて圧縮機１８に供給される。本実施形態の圧縮機１８は、オイルフリー式であるが、内部には軸受等の潤滑油を必要とする部品が含まれている。潤滑油は、そのような軸受やその他の潤滑油を必要とする部品に供給されて利用される。もしくは、圧縮機１８自体が油冷式であり、圧縮機本体に直接潤滑油を供給する形式であってもよい。

また、潤滑油タンク４８には、内部の潤滑油の温度を測定するための温度センサ（温度検出部）４２ｂが設けられており、圧縮機１８に供給される潤滑油の温度を検出できる。ここで検出された温度は、後述の制御装置４４に出力される。

潤滑油タンク４８から圧縮機１８に延びる潤滑油流路１２ａには、潤滑油に対する冷却器として第４熱交換器４０ｂが介設されている。第４熱交換器４０ｂでは、潤滑油と第２熱媒との間の熱交換により、潤滑油は冷却され、第２熱媒は加熱されている。

圧縮機１８では、潤滑油流路１２ａを通じて供給された低温の潤滑油によって内部の軸受等の摩擦要素が潤滑および冷却される。ここで、潤滑及び冷却に使用された潤滑油は、摩擦要素における暖熱を受けて温度が上昇する。圧縮機１８は潤滑油流路１２ｂを通じて潤滑油タンク４８に流体的に接続されており、圧縮機１８で温度上昇した潤滑油は潤滑油流路１２ｂを通じて潤滑油タンク４８に供給される。

このように潤滑油流路１２ａ，１２ｂでは、潤滑油が循環している。潤滑油の循環は、潤滑油流路１２ａに介設されたポンプ４６ｂによりなされている。本実施形態では、ポンプ４６ｂは潤滑油タンク４８の下流に設けられているが、その位置は特に限定されない。

（第２熱媒流路）
第２熱媒流路１４ａ，１４ｂには、第３熱交換器３０と、低温蓄冷タンク（第１蓄冷部）５０と、第４熱交換器４０ａ，４０ｂと、高温蓄冷タンク（第２蓄冷部）５２とが順に設けられている。第２熱媒はこれらの間で循環して流動している。第２熱媒の種類は特に限定されておらず、例えばグリコール系の熱媒を使用してもよい。

第３熱交換器３０では、膨張機２４の排気口２４ｂから延びる空気流路８ｆ内の空気と、高温蓄冷タンク５２から低温蓄冷タンク５０に延びる第２熱媒流路１４ａ内の第２熱媒とで熱交換している。具体的には、空気流路８ｆ内を流れる圧縮空気は、膨張機２４での膨張の際の膨張吸熱により低温となっており、第３熱交換器３０での熱交換により、第２冷媒に冷熱を回収している。即ち、第２熱交換器２８では排気空気の温度は上昇し、第２熱媒の温度は低下する。第３熱交換器３０は第２熱媒流路１４ａを通じて低温蓄冷タンク５０と流体的に接続されており、温度低下した第２熱媒は低温蓄冷タンク５０に供給され蓄えられる。

低温蓄冷タンク５０は、第３熱交換器３０から供給された低温の第２熱媒を保冷して蓄える。そのため、低温蓄冷タンク５０は断熱されていることが好ましい。低温蓄冷タンク５０は、第２熱媒流路１４ｂを通じて第４熱交換器４０ａ，４０ｂに流体的に接続されており、低温蓄冷タンク５０で蓄えられた第２熱媒は第２熱媒流路１４ｂを通じて第４熱交換器４０ａ，４０ｂに供給される。

の第２熱媒流路１４ｂの低温蓄冷タンク５０下流にはバルブ３２ｅが設けられており、バルブ３２ｅの開閉により、低温蓄冷タンク５０から第４熱交換器４０ａ，４０ｂへの第２熱媒の供給を許容又は遮断できる。本実施形態のバルブ３２ｅは、本発明の切替部に含まれる。なお、第４熱交換器４０ａ，４０ｂのいずれかにのみ低温蓄冷タンク５０から第２熱媒を供給することも可能である。

一方の第４熱交換器４０ａでは、低温蓄熱タンク３８から第１熱交換器２６に延びる第１熱媒流路１０ａ内の第１熱媒と、低温蓄冷タンク５０から高温蓄冷タンク５２に延びる第２熱媒流路１４ｂ内の第２熱媒とで熱交換している。具体的には、低温蓄冷タンク５０内の低温の第２熱媒を利用し、第１熱交換器２６に供給される第１熱媒の温度を低下させている。即ち、第４熱交換器４０ａでは、第１熱媒の温度は低下し、第２熱媒の温度は上昇する。第４熱交換器４０ａは第２熱媒流路１４ｂを通じて高温蓄冷タンク５２に流体的に接続されており、温度上昇した第２熱媒は第２熱媒流路１４ｂを通じて高温蓄冷タンク５２に供給され蓄えられる。

他方の第４熱交換器４０ｂでは、潤滑油タンク４８から圧縮機１８に延びる潤滑油流路１２ａ内の潤滑油と、低温蓄冷タンク５０から高温蓄冷タンク５２に延びる第２熱媒流路１４ｂ内の第２熱媒とで熱交換している。具体的には、低温蓄冷タンク５０内の低温の第２熱媒を利用し、圧縮機１８に供給される潤滑油の温度を低下させている。即ち、第４熱交換器４０ｂでは、潤滑油の温度は低下し、第２熱媒の温度は上昇する。第４熱交換器４０ｂは第２熱媒流路１４ｂを通じて高温蓄冷タンク５２に流体的に接続されており、温度上昇した第２熱媒は第２熱媒流路１４ｂを通じて高温蓄冷タンク５２に供給され蓄えられる。

高温蓄冷タンク５２は、第４熱交換器４０ａ，４０ｂから供給された高温の第２熱媒を蓄える。高温蓄冷タンク５２は第２熱媒流路１４ａを通じて第３熱交換器３０に流体的に接続されており、高温蓄冷タンク５２に蓄えられた第２熱媒は第２熱媒流路１４ａを通じて第３熱交換器３０に供給される。

このように第２熱媒流路１４ａ，１４ｂでは、第２熱媒が循環している。第２熱媒の循環は、第２熱媒流路１４ａに介設されたポンプ４６ｃによりなされている。本実施形態では、ポンプ４６ｃは高温蓄冷タンク５２下流に設けられているが、その位置は特に限定されない。

以上のように、空気流路８ａ〜８ｆと、第１熱媒流路１０ａ，１０ｂと、潤滑油流路１２ａ，１２ｂと、第２熱媒流路１４ａ，１４ｂとから構成される４つの流路構成によって、膨張機２４から排気される空気の冷熱を第３熱交換器３０で回収して低温蓄冷タンク５０に蓄え、その冷熱により第４熱交換器４０ａ，４０ｂで、圧縮後の圧縮空気と、圧縮機１８に供給される潤滑油とを冷却できる。

（制御方法）
ＣＡＥＳ発電装置２は、制御装置４４を備える。制御装置４４は、温度センサ４２ａ，４２ｂで測定した低温蓄熱タンク３８内の第１熱媒の温度値Ｔ１または潤滑油タンク４８内の潤滑油の温度値Ｔ２を受け、温度値Ｔ１，Ｔ２に基づいて切替部を制御する。

図２に示すように、制御装置４４は、制御を開始すると（ステップＳ２−１）、温度値Ｔ１，Ｔ２がそれぞれ設定値Ｔｈ１，Ｔｈ２未満であるか否かを判定する（ステップＳ２−２）。温度値Ｔ１，Ｔ２がそれぞれ設定値Ｔｈ１，Ｔｈ２未満でない場合、後述の冷却処理を実行する（ステップＳ２−３）。温度値Ｔ１，Ｔ２がそれぞれ設定値Ｔｈ１，Ｔｈ２未満である場合、制御を終了する（ステップＳ２−４）。本実施形態では、温度値Ｔ１，Ｔ２を連続的に検出して、これらの制御が連続的に実行されている。

ステップＳ２−３の冷却処理では、まずバルブ３２ａが開かれ、バルブ３２ｂが閉じられる。これにより、膨張機２４で膨張される圧縮空気が膨張前に加熱されないため、膨張後に排気口２４ｂから排気される空気の温度が低下する。さらに、バルブ３２ｄが開かれ、バルブ３２ｃが閉じられる。これにより、第３熱交換器３０で空気の冷熱を第２熱媒に回収する。さらに、バルブ３２ｅが開かれる。これにより、第４熱交換器４０ａ，４０ｂに冷却された第２熱媒を供給し、設定値Ｔｈ１，Ｔｈ２以上の温度が検出された第１熱媒と潤滑油をそれぞれ冷却する。このとき、第１熱媒の温度値Ｔ１または潤滑油の温度値Ｔ２のいずれかのみが設定値Ｔｈ１，Ｔｈ２以上であると検出された場合、第４熱交換器４０ａ，４０ｂのうち一方のみに冷却された第２熱媒を供給し、該当する一方のみを冷却する。

（作用効果）
上述の構成によれば、膨張機２４から排気された空気の冷熱を冷熱源として使用しているので、クーリングタワー等の外部冷却装置を必要とせず、ＣＡＥＳ発電装置２を外部から独立して設置でき、その設置場所の自由度が制限されない。また、システム内で発生する冷熱を利用しているので、システムのエネルギー効率を向上できる。

また、低温蓄冷タンク５０を設けているので、冷熱を回収して冷却された第２熱媒を得ることができないときであっても、低温蓄冷タンク５０で蓄えている冷却された第２熱媒を第４熱交換器４０ａ，４０ｂに供給し、圧縮機１８と、圧縮機から吐出された圧縮空気とを冷却できる。

また、低温蓄熱タンク３８と高温蓄熱タンク３６を設けているので、第１熱媒と第２熱媒を温度別に蓄えることができ、より高温の第１熱媒と、より低温の第２熱媒とを得ることができる。

温度センサ４２ａ，４２ｂにより潤滑油と第１熱媒の温度を検出し、検出した温度に基づいて切替部を制御しているため、潤滑油と第１熱媒をＣＡＥＳ発電装置２の運転に適した温度設定値にそれぞれ調整できる。従って、圧縮機１８の運転上重要な潤滑油の温度と、第１熱媒を利用して冷却する圧縮機１８から吐出された圧縮空気とを運転に適した温度に調整できる。

＜第２実施形態＞
図３に示す第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置２では、第５熱交換器５４ａ，５４ｂが設けられている。本実施形態は、この点に関することを除いて図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、第１熱交換器２６に供給される第１熱媒を加熱するための第５熱交換器５４ａと、圧縮機１８に供給される潤滑油を加熱するための第５熱交換器５４ｂとが設けられている。第５熱交換器５４ａ，５４ｂは、高温蓄熱タンク３６から低温蓄熱タンク３８に延びる第１熱媒流路１０ｃに介設されている。第１熱媒流路１０ｃにはバルブ３２ｆが設けられており、バルブ３２ｆの開閉により、高温蓄熱タンク３６から第５熱交換器５４ａ，５４ｂへの第１熱媒の供給を許容又は遮断できる。本実施形態のバルブ３２ｆは、本発明の切替部に含まれる。なお、第５熱交換器５４ａ，５４ｂのいずれかにのみ高温蓄熱タンク３６から第１熱媒を供給することも可能である。

一方の第５熱交換器５４ａでは、低温蓄熱タンク３８から第１熱交換器２６に延びる第１熱媒流路１０ａ内の第１熱媒と、高温蓄熱タンク３６から低温蓄熱タンク３８に延びる第１熱媒流路１０ｃ内の第１熱媒とで熱交換している。具体的には、高温蓄熱タンク３６内の高温の第１熱媒を利用し、第１熱交換器２６に供給される第１熱媒の温度を上昇させている。即ち、第５熱交換器５４ａでは、第１熱媒同士で熱交換している。温度低下した第１熱媒は第１熱媒流路１０ｃを通じて低温蓄熱タンク３８に供給され蓄えられる。

他方の第５熱交換器５４ｂでは、潤滑油タンク４８から圧縮機１８に延びる潤滑油流路１２ａ内の潤滑油と、高温蓄熱タンク３６から低温蓄熱タンク３８に延びる第１熱媒流路１０ｃ内の第１熱媒とで熱交換している。具体的には、高温蓄熱タンク３６内の高温の第１熱媒を利用し、圧縮機１８に供給される潤滑油の温度を上昇させている。即ち、第５熱交換器５４ｂでは、潤滑油の温度は上昇し、第１熱媒の温度は低下する。温度低下した第１熱媒は第１熱媒流路１０ｃを通じて低温蓄熱タンク３８に供給され蓄えられる。

図４に示すように、本実施形態の制御装置４４は、制御を開始すると（ステップＳ４−１）、温度値Ｔ１，Ｔ２がそれぞれ下限設定値Ｔｃ１，Ｔｃ２から上限設定値Ｔｈ１，Ｔｈ２の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ４−２）。温度値Ｔ１，Ｔ２がそれぞれ設定値Ｔｈ１，Ｔｈ２以上である場合、第１実施形態と同様に冷却処理を実行する（ステップＳ４−３）。温度値Ｔ１，Ｔ２がそれぞれ設定値Ｔｃ１，Ｔｃ２以下である場合、後述の加熱処理を実行する（ステップＳ４−４）。温度値Ｔ１，Ｔ２がそれぞれ設定値Ｔｃ１，Ｔｃ２から設定値Ｔｈ１，Ｔｈ２の範囲内である場合、制御を終了する（ステップＳ４−５）。本実施形態では、温度値Ｔ１，Ｔ２を連続的に検出して、これらの制御が連続的に実行されている。

ステップＳ４−５の加熱処理では、バルブ３２ｆが開かれる。これにより、第５熱交換器５４ａ，５４ｂに加熱された第１熱媒を供給し、設定値Ｔｃ１，Ｔｃ２以下の温度が検出された第１熱媒と潤滑油をそれぞれ加熱する。このとき、第１熱媒の温度値Ｔ１または潤滑油の温度値Ｔ２のいずれかのみが設定値Ｔｃ１，Ｔｃ２以下であると検出された場合、第５熱交換器５４ａ，５４ｂのうち一方のみに加熱された第１熱媒を供給し、該当する一方のみを加熱する。

このように、本実施形態では、低温蓄熱タンク３８から第１熱交換器２６に供給される第１熱媒と、潤滑油タンク４８から圧縮機１８に供給される潤滑油とに対して、冷却だけでなく加熱によっても温度を調整しているので、第１熱媒と潤滑油を、より確実に運転に最適な温度に調整できる。

＜第３実施形態＞
図５に示す第３実施形態のＣＡＥＳ発電装置２では、圧縮機１８と膨張機２４は共に２段型である。本実施形態は、これらの点に関することを除いて図３の第２実施形態と実質的に同様である。従って、図３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１８は、２段型であり、１段目圧縮機本体１９ａと、１段目圧縮機本体１９ａでの圧縮後の空気をさらに圧縮する２段目圧縮機本体１９ｂとを備える。本実施形態では、一つのモータ１６によって、図示しないギアを介して１段目圧縮機本体１９ａと２段目圧縮機本体１９ｂが駆動されている。

１段目圧縮機本体１９ａと２段目圧縮機本体１９ｂのそれぞれから吐出された圧縮空気を冷却するために、２つの第１熱交換器２６，２７が設けられている。そのため、低温蓄熱タンク３８から高温蓄熱タンク３６に延びる第１熱媒流路１０ａは、２つの第１熱交換器２６，２７のそれぞれに第１熱媒を供給するよう、第１熱媒流路１０ｄ，１０ｅに分岐している。第１熱媒流路１０ｄ，１０ｅには、第１熱媒の流れを許容または遮断するためのバルブ３４ａ，３４ｂが介設されている。

本実施形態では、第４熱交換器４０ｂで冷却された潤滑油は前記圧縮機の中間段に供給されている。また、第１熱交換器２６，２７では、１段目圧縮機本体１９ａで圧縮後かつ２段目圧縮機本体１９ｂで圧縮前の圧縮空気と、２段目圧縮機本体１９ｂで圧縮後の圧縮空気とをそれぞれ冷却している。特に、第１熱交換器２６は、前記圧縮空気の中間空気を冷却するように設けられている。

ここで、圧縮機１８の中間段とは、複数段ある圧縮機本体１９ａ，１９ｂのうち、１段目以外の圧縮機本体を示し、即ち２段目から最終段までの圧縮機本体を示し、本実施形態では２段目圧縮機本体１９ｂを示す。また、圧縮機１８の中間空気とは、１段目圧縮後から最終段圧縮前までの圧縮空気を示す。即ち本実施形態では、１段目圧縮機本体１９ａから２段目圧縮機本体１９ｂの間の空気流路８ｇ内の圧縮空気を示す。圧縮機１８の中間段と中間空気は、前段で空気が圧縮された際の圧縮熱により温度が上昇するため、これらを冷却することで、圧縮効率を向上できる。

膨張機２４は、２段型であり、１段目膨張機本体２５ａと、１段目膨張機本体２５ａでの膨張後の空気をさらに膨張させる２段目膨張機本体２５ｂとを備える。本実施形態では、一つの発電機２２が図示しないギアを介して１段目膨張機本体２５ａと２段目膨張機本体２５ｂによって駆動される。

１段目膨張機本体２５ａと２段目膨張機本体２５ｂのそれぞれに給気される圧縮空気を加熱するために、２つの第２熱交換器２８，２９が設けられている。そのため、高温蓄熱タンク３６から低温蓄熱タンク３８に延びる第１熱媒流路１０ｂは、２つの第２熱交換器２８，２９のそれぞれに第１熱媒を供給するように、第１熱媒流路１０ｆ，１０ｇに分岐している。第１熱媒流路１０ｆ，１０ｇには、第１熱媒の流れを許容または遮断するためのバルブ３４ｃ，３４ｄが介設されている。

また、１段目膨張機本体２５ａと２段目膨張機本体２５ｂのそれぞれから排気された空気から冷熱を回収するために、２つの第３熱交換器３０，３１が設けられている。そのため、高温蓄冷タンク５２から低温蓄冷タンク５０に延びる第２熱媒流路１４ａは、２つの第３熱交換器３０，３１のそれぞれに第２熱媒を供給するように、第２熱媒流路１４ｃ，１４ｄに分岐している。第２熱媒流路１４ｃ，１４ｄには、第２熱媒の流れを許容または遮断するためのバルブ３２ｋ，３２ｌが介設されている。本実施形態のバルブ３２ｋ，３２ｌは、本発明の切替部に含まれる。

１段目膨張機本体２５ａは、空気流路８ｈ〜８ｋを通じて２段目膨張機本体２５ｂと流体的に接続されており、１段目膨張機本体２５ａから排気された圧縮空気は空気流路８ｈ〜８ｋを通じて２段目膨張機本体２５ｂに供給される。空気流路８ｈ〜８ｋには、バルブ３２ｇ〜３２ｊがそれぞれ設けられており、バルブ３２ｇ〜３２ｊの開閉により、１段目膨張機本体２５ａから２段目膨張機本体２５ｂへの圧縮空気の供給を許容又は遮断するとともに、圧縮空気が空気流路８ｈ〜８ｋのいずれを流れるかを選択できる。

空気流路８ｈ，８ｉには、第２熱交換器２９と第３熱交換器３１がそれぞれ介設されている。第２熱交換器２９では、第１熱媒と圧縮空気の間の熱交換により、圧縮空気は加熱され、第１熱媒は冷却されている。第３熱交換器３１では、第２熱媒と圧縮空気の間の熱交換により、圧縮空気は加熱され、第２熱媒は冷却されている。ここで冷却された第２熱媒は、低温蓄冷タンク５０に供給され蓄えられる。

本実施形態では、圧縮空気が流れる空気流路８ｃ〜８ｆ，８ｈ〜８ｋを選択可能に構成しているので、冷却と加熱を効率的に実行できる。例えば、図４に示すような冷却処理を実行する場合、まずバルブ３２ａが開かれ、バルブ３２ｂが閉じられる。これにより、１段目膨張機本体２５ａで膨張される圧縮空気が膨張前に加熱されず、１段目膨張機本体２５ａでの膨張後に排気される空気の温度が低下する。さらに、バルブ３２ｈ，３２ｊ，３２ｋが開かれ、バルブ３２ｇ，３２ｉが閉じられる。これにより、第３熱交換器３１で空気の冷熱を第２熱媒に回収すると同時に、２段目膨張機本体２５ｂでの膨張前に空気を加熱する。さらに、バルブ３２ｄ，３２ｌが開かれ、バルブ３２ｃが閉じられる。これにより、第３熱交換器３０で空気の冷熱を第２熱媒にさらに回収する。さらに、バルブ３２ｅが開かれる。これにより、第４熱交換器４０ａ，４０ｂに冷却された第２熱媒を供給し、設定値Ｔｈ１，Ｔｈ２以上の温度が検出された第１熱媒と潤滑油をそれぞれ冷却する。このようにして、冷却処理を実行することで２つの第３熱交換器３０，３１で第２熱媒を冷却でき、従ってより多くの冷却された第２熱媒が得られ、第４熱交換器４０ａ，４０ｂで第１熱媒と潤滑油をより確実に冷却できる。ただし、冷却処理を実行する方法はこれに限られない。第３熱交換器３０または３１で第２熱媒を冷却できる限り、任意の空気流路８ｃ〜８ｆ，８ｈ〜８ｋを選択してよい。

図４に示すような加熱処理を実行する場合については、第２実施形態と同様である。

（第３実施形態の第１変形例）
図６に示すように、本変形例では、図５に示す第３実施形態のＣＡＥＳ発電装置２から低温蓄冷タンク５０が省略されている。低温蓄冷タンク５０が省略された場合、冷却された第２熱媒を蓄えることはできないので、第３熱交換器３０，３１で冷熱回収した第２熱媒をそのまま第４熱交換器４０ａ，４０ｂに供給する。

このように、低温蓄冷タンク５０が省略された場合でも、冷熱回収できる状態であれば、低温蓄熱タンク３８内から第１熱交換器２６，２７に供給される第１熱媒と、潤滑油タンク４８から圧縮機１８に供給される潤滑油とを温度調整可能である。特に、低温蓄冷タンク５０を省略することで小型化と低コスト化を図ることができる。

（第３実施形態の第２変形例）
図７に示すように、本変形例では、図６に示す第３実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の第１変形例からさらに高温蓄冷タンク５２と低温蓄熱タンク３８が一体化されて一つの熱媒蓄積部５６となっている。

本変形例では、第１熱媒と第２熱媒が同じ熱媒であり、これらの熱媒を混合して使用できる。そのため、第１熱媒と第２熱媒の流路が分離されている必要はなく、高温蓄冷タンク５２と低温蓄熱タンク３８を一体化して一つの熱媒蓄積部５６で構成できる。従って、熱媒を蓄えるタンクをさらに省略でき、小型化と低コスト化を図ることができる。

（第３実施形態の第３変形例）
図７に示すように、本変形例では、図５に示す第３実施形態のＣＡＥＳ発電装置２のバルブ３２ｅ，３２ｆが流量調整バルブ３２ｍ，３２ｎに置換されている。

流量調整バルブ３２ｍ，３２ｎにより、第１熱媒と潤滑油を冷却および加熱するために供給する第２熱媒および第１熱媒の量を最適化できる。特に冷却に関して具体的には、温度センサ４２ａ，４２ｂで検出した第１熱媒の温度値Ｔ１または潤滑油の温度値Ｔ２が上限設定値Ｔｈ１，Ｔｈ２よりもそれぞれ著しく高く、第４熱交換器４０ａ，４０ｂにおいて潤滑油または第１熱媒をより大きく冷却することが必要である場合、流量調整バルブ３２ｍの開度を大きくし、第２熱媒の流量を増加させる。これにより、第４熱交換器４０ａ，４０ｂにおける熱交換量が増加し、第１熱媒と潤滑油をより大きく冷却できる。反対に、温度センサ４２ａ，４２ｂで検出した第１熱媒の温度値Ｔ１または潤滑油の温度値Ｔ２が設定値Ｔｈ１，Ｔｈ２よりもそれほど高くなく、第４熱交換器４０ａ，４０ｂにおいて第１熱媒または潤滑油をそれほど冷却することが必要でない場合、流量調整バルブ３２ｍの開度を小さくし、第２熱媒の流量を減少させる。これにより、熱交換量が減少し、第１熱媒または潤滑油を冷却するために使用される第２熱媒の量を節減できる。

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。また、上記の個々の実施形態では、圧縮対象は空気を例に説明したが、空気以外の流体であってもよく、その対象は特に限定されない。

２ 圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
４ 発電装置
６ 電力系統
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｄ，８ｆ，８ｇ，８ｈ，８ｉ，８ｊ，８ｋ 空気流路
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ 第１熱媒流路
１２ａ，１２ｂ 潤滑油流路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ 第２熱媒流路
１６ モータ（電動機）
１８ 圧縮機
１８ａ 吸気口
１８ｂ 吐出口
１９ａ １段目圧縮機本体
１９ｂ ２段目圧縮機本体
２０ 蓄圧タンク（蓄圧部）
２２ 発電機
２４ 膨張機
２４ａ 給気口
２４ｂ 排気口
２５ａ １段目膨張機本体
２５ｂ ２段目膨張機本体
２６，２７ 第１熱交換器
２８，２９ 第２熱交換器
３０，３１ 第３熱交換器
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆ，３２ｇ，３２ｈ，３２ｉ，３２ｊ，３２ｋ，３２ｌ バルブ（切替部）
３２ｍ，３２ｎ 流量調整バルブ（切替部）
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ バルブ
３６ 高温蓄熱タンク（第１蓄熱部）
３８ 低温蓄熱タンク（第２蓄熱部）
４０ａ，４０ｂ 第４熱交換器
４２ａ，４２ｂ 温度センサ（温度検出部）
４４ 制御装置
４６ａ，４６ｂ，４６ｃ ポンプ
４８ 潤滑油タンク
５０ 低温蓄冷タンク（第１蓄冷部）
５２ 高温蓄冷タンク（第２蓄冷部）
５４ａ，５４ｂ 第５熱交換器
５６ 熱媒蓄積部

Claims (7)

1. 再生可能エネルギーによって発電された電力により駆動される電動機と、
   前記電動機によって駆動され、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蓄圧部と、
   前記蓄圧部から供給される前記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蓄圧部に供給される前記圧縮空気と、第１熱媒とで熱交換し、前記圧縮空気を冷却し、前記第１熱媒を加熱する第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器で加熱された前記第１熱媒を蓄える第１蓄熱部と、
   前記蓄圧部から前記膨張機に供給される前記圧縮空気と、前記第１蓄熱部から供給される前記第１熱媒とで熱交換して、前記圧縮空気を加熱し、前記第１熱媒を冷却する第２熱交換器と、
   前記膨張機から大気へと排気される空気と、第２熱媒とで熱交換し、前記空気を加熱し、前記第２熱媒を冷却する第３熱交換器と、
   前記第３熱交換器で冷却された前記第２熱媒と、前記圧縮機に供給される潤滑油または前記第１熱交換器に供給される前記第１熱媒の少なくとも一方と熱交換して、前記第２熱媒を加熱し、前記潤滑油または前記第１熱媒を冷却する第４熱交換器と
   を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
2. 前記第３熱交換器で冷却された前記第２熱媒を蓄える第１蓄冷部をさらに備える、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
3. 前記第２熱交換器で冷却された前記第１熱媒を蓄える第２蓄熱部と、
   前記第４熱交換器で加熱された前記第２熱媒を蓄える第２蓄冷部と
   をさらに備える、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
4. 前記第１熱媒と前記第２熱媒は同じ熱媒であり、
   前記第２蓄熱部と前記第２蓄冷部は一つの熱媒蓄積部である、請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
5. 前記圧縮機は、複数段階に分けて空気を圧縮する複数段型であり、
   前記第４熱交換器で冷却された前記潤滑油は前記圧縮機の中間段に供給され、
   前記第１熱交換器は、前記圧縮空気の中間空気を冷却するように設けられている、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。
6. 前記圧縮機に供給される前記潤滑油または前記第１熱交換器に供給される前記第１熱媒の少なくとも一方の温度を検出する温度検出部と、
   前記第４熱交換器に供給される前記第２熱媒の流れを許容又は遮断する切替部と、
   前記温度検出部で検出した温度値が設定値以上である場合、前記切替部を切り替えて前記第２熱媒の流れを許容し、前記温度値が前記設定値未満である場合、前記切替部を切り替えて前記第２熱媒の流れを遮断する制御装置と
   を備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
7. 前記切替部は、前記第４熱交換器に供給される前記第２熱媒の流量を調整するための流量調整バルブを備え、
   前記制御装置は、前記温度検出部で検出した前記温度値に基づいて前記流量調整バルブの開度を調整する、請求項６に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

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