JP6652621B1 - 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
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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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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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