JP6731377B2 - 圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法 - Google Patents

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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。
変動する不安定な発電出力を平滑化又は平準化するための技術の一つとして、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）が知られている。この技術を適用した圧縮空気貯蔵発電装置では、余剰発電電力が生じた際に圧縮機で圧縮空気を生成して空気圧力としてエネルギーを蓄えておき、必要なときに圧縮空気で膨張機を作動させて発電機で電気に再変換する。
特許文献１に開示された圧縮空気貯蔵発電装置は、第１熱交換器、高温熱媒タンク、第２熱交換器、及び低温熱媒タンクを含む熱媒流路を備えている。圧縮機から吐出された圧縮空気は、第１熱交換器における熱媒との熱交換によって熱回収された後、蓄圧タンクに貯蔵される。熱回収により昇温した熱媒は、高温熱媒タンクに回収される。蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気は、第２熱交換器における熱媒との熱交換によって加熱された後、膨張機に供給される。熱交換により降温した熱媒体は、低温熱媒タンクに回収される。熱媒流路には、熱媒を循環させるためのポンプが設けられている。
特開２０１６−２１１４３６号公報
特許文献１を含む圧縮空気貯蔵発電装置に関する先行技術文献は、熱媒の劣化の抑制について、特段の教示を含まない。
本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置における熱媒の劣化を抑制することを課題とする。
本発明の第１の態様は、変動する入力電力により駆動される電動機と、前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、前記蓄圧部と流体的に接続され、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、前記圧縮機で生成された前記圧縮空気と熱媒とで熱交換し、前記熱媒を昇温させる第１熱交換部と、前記第１熱交換部と流体的に接続され、前記第１熱交換部での熱交換後の前記熱媒を貯蔵する高温蓄熱部と、前記高温蓄熱部と流体的に接続され、前記高温蓄熱部から供給される前記熱媒と、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で熱交換し、前記圧縮空気を昇温させる第２熱交換部と、前記第２熱交換部と流体的に接続され、前記第２熱交換部での熱交換後の熱媒を貯蔵する低温蓄熱部と、不活性ガスを供給する不活性ガス源と、前記高温蓄熱部の気相部と、前記低温蓄熱部の気相部と、前記不活性ガス源とを相互に流体的に接続する不活性ガス流路系と、前記不活性ガス流路系を、少なくとも、前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部との両方に連通した状態と、前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部との両方から遮断された状態とに切換可能な流路切換部とを備える、圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。
高温蓄熱部と低温蓄熱部には、不活性ガス源から不活性ガス流路系を介して不活性ガスが供給されるので、これらに貯蔵された熱媒の酸化劣化を抑制ないし防止できる。また、高温蓄熱部の気相部と低温蓄熱部の気相部とは不活性ガス流路系を介して相互に流体的に接続されている。つまり、高温蓄熱部と低温蓄熱部との間で、不活性ガス流路系を介して不活性ガスが移動可能である。そのため、不活性ガス源から高温蓄熱部と低温蓄熱部へ新たに供給する不活性ガスの量、つまり不活性ガス消費量を低減できる。
具体的には、圧縮空気貯蔵発電装置は前記流路切換部を制御する制御部をさらに備え、前記流路切換部により切換可能な前記不活性ガス流路系の状態は、前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とが互いに連通する一方、前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部との両方から遮断された第１状態と、前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とが互いに遮断され、かつ前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部との両方から遮断された第２状態と、前記不活性ガス源が前記低温蓄熱部に連通する一方、前記高温蓄熱部は前記低温蓄熱部と前記不活性ガス源とから遮断された第３状態と、前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部に連通する一方、前記低温蓄熱部は前記高温蓄熱部と前記不活性ガス源とから遮断された第４状態とを含み、前記制御部は、少なくとも充電運転中と発電運転中とのいずれであるかと、前記高温蓄熱部の前記気相部の圧力である第１圧力が前記低温蓄熱部の前記気相部の圧力である第２圧力以上であるか否かに基づいて、前記流路切換部により前記不活性ガス流路系を前記第１から第４状態のいずれかに切り換える。
より具体的には、不活性ガス消費量低減を電力消費量低減よりも優先する第１モードと、前記電力消費量低減を前記不活性ガス消費量低減よりも優先する第２モードとに設定可能であり、前記第１モードでの充電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上であれば、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第１状態に切り換え、前記第１モードでの充電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上でなければ、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第２状態に切り換え、前記第２モードでの充電運転中、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第３状態に切り換える。
制御部が流路切換部によって不活性ガス流路系をこのように切り換えることで、第１モードでの充電運転中は、不活性ガス消費量を低減できると共に、第２モードでの充電運転中は圧縮空気貯蔵発電装置の電力消費量を低減できる。
また、前記第１モードでの発電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上であれば、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第２状態に切り換え、前記第１モードでの発電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上でなければ、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第１状態に切り換え、前記２モードでの発電運転中、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第４状態に切り換えてもよい。
制御部が流路切換部によって不活性ガス流路系をこのように切り換えることで、第１モードでの発電運転中は、不活性ガス消費量を低減できると共に、第２モードでの発電運転中は圧縮空気貯蔵発電装置の電力消費量を低減できる。
代案としては、充電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上であれば、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第１状態に切り換え、前記第１圧力が前記第２圧力以上でなければ、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第２状態に切り換えてもよい。
また、発電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上であれば、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第２状態に切り換え、発電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上でなければ、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第１状態に切り換えてもよい。
本発明の第２の態様は、変動する入力電力により駆動される電動機と、前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、前記蓄圧部と流体的に接続され、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、前記圧縮機で生成された前記圧縮空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を昇温させる第１熱交換部と、前記第１熱交換部と流体的に接続され、前記第１熱交換部での熱交換後の熱媒を貯蔵する高温蓄熱部と、前記高温蓄熱部と流体的に接続され、前記高温蓄熱部から供給される熱媒と、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で熱交換し、前記圧縮空気を昇温させる第２熱交換部と、前記第２熱交換部と流体的に接続され、前記第２熱交換部での熱交換後の熱媒を貯蔵する低温蓄熱部と、不活性ガスを供給する不活性ガス源と、前記高温蓄熱部の気相部と、前記低温蓄熱部の気相部と、前記不活性ガス源とを相互に流体的に接続する不活性ガス流路系と、前記不活性ガス流路系の連通及び遮断の状態を切換可能な流路切換部とを備える圧縮空気貯蔵発電装置を準備し、前記流路切換部により切換可能な前記不活性ガス流路系の状態は、前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とが互いに連通する一方、前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部との両方から遮断された第１状態と、前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とが互いに遮断され、かつ前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部との両方から遮断された第２状態と、前記不活性ガス源が前記低温蓄熱部に連通する一方、前記高温蓄熱部は前記低温蓄熱部と前記不活性ガス源とから遮断された第３状態と、前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部に連通する一方、前記低温蓄熱部は前記高温蓄熱部と前記不活性ガス源とから遮断された第４状態とを含み、少なくとも前記圧縮空気貯蔵発電装置が充電運転中と発電運転中とのいずれであるかと、前記高温蓄熱部の前記気相部の圧力である第１圧力が前記低温蓄熱部の前記気相部の圧力である第２圧力以上であるか否かに基づいて、前記不活性ガス流路系を前記第１から第４状態のいずれかに切り換える、圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。
本発明により、圧縮空気貯蔵発電装置における熱媒の劣化を抑制できる。
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。 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。 第２実施形態における充電運転時の弁の切換を説明するためのフローチャート。 充電運転時の弁の開閉の設定を示す概略構成図（Ｎ２消費量削減優先，Ｐ１≧Ｐ２）。 充電運転時の弁の開閉の設定を示す概略構成図（Ｎ２消費量削減優先，Ｐ１＜Ｐ２）。 充電運転時の弁の開閉の設定を示す概略構成図（電力消費量削減優先，Ｐ１≧Ｐ２）。 充電運転時の弁の開閉の設定を示す概略構成図（電力消費量削減優先，Ｐ１＜Ｐ２）。 第２実施形態における発電運転時の弁の切換を説明するためのフローチャート。 発電運転時の弁の開閉の設定を示す概略構成図（Ｎ２消費量削減優先，Ｐ１≧Ｐ２）。 発電運転時の弁の開閉の設定を示す概略構成図（Ｎ２消費量削減優先，Ｐ１＜Ｐ２）。 発電運転時の弁の開閉の設定を示す概略構成図（電力消費量削減優先，Ｐ１≧Ｐ２）。 発電運転時の弁の開閉の設定を示す概略構成図（電力消費量削減優先，Ｐ１＜Ｐ２）。 第３実施形態における充電運転時の弁の切換を説明するためのフローチャート。 第３実施形態における発電運転時の弁の切換を説明するためのフローチャート。 第４実施形態における充電運転時の弁の切換を説明するためのフローチャート。 第４実施形態における発電運転時の弁の切換を説明するためのフローチャート。
（第１実施形態）
圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置１は、再生可能エネルギーを利用して発電する発電装置２の出力変動を平準化して電力系統３に電力を供給すると共に、電力需要の変動に合わせた電力を電力系統３に供給する。
図１を参照すると、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、空気流路系４、熱媒流路系５、及び不活性ガス流路系６を備える。
（空気流路系）
空気流路系４には、圧縮機８、第１熱交換器（第１熱交換部）９、蓄圧タンク（蓄圧部）１０、第２熱交換器（第２熱交換部）１１、及び膨張機１２が設けられている。空気流路系４は、空気流路１３ａ〜１３ｄを備える。
圧縮機８には、電動機１４が機械的に接続されている。電動機１４には、発電装置２が電気的に接続されている。発電装置２は、風力、太陽光、太陽熱、波力のような再生可能エネルギーにより発電する。電動機１４は、発電装置２からの変動する入力電力によって駆動される。電動機１４は電力系統から給電されるものでもよい。圧縮機８の吸込口８ａは、吸気のための空気流路１３ａに流体的に接続されている。圧縮機８の吐出口８ｂは、空気流路１３ｂを介して蓄圧タンク１０に流体的に接続されている。空気流路１３ｂには、第１熱交換器９が設けられている。
本実施形態の圧縮機８は、スクリュ式である。スクリュ式の圧縮機８は、回転数制御可能であるため、不規則に変動する入力電力に応答性良く追従でき、ＣＡＥＳ発電装置１の構成要素として好ましい。圧縮機８は、スクロール式、ターボ式、レシプロ式のようなスクリュ式以外のものでもよい。
蓄圧タンク１０は、圧縮空気を貯蔵してエネルギーとして蓄積できる。蓄圧タンク１０は、空気流路１３ｃによって膨張機１２の給気口１２ａと流体的に接続されている。空気流路１３ｃには、第２熱交換器１１が設けられている。
膨張機１２には、発電機１５が機械的に接続されている。発電機１５は電力系統３に電気的に接続されている。膨張機１２の排気口１２ｂは、排気のための空気流路１３ｄに流体的に接続されている。
本実施形態の膨張機１２は、スクリュ式である。スクリュ式の膨張機１２は、回転数制御可能である点で、ＣＡＥＳ発電装置１の構成要素として好ましい。膨張機１２は、スクロール式、ターボ式、レシプロ式のようなスクリュ式以外のものでもよい。
（熱媒流路系）
熱媒流路系５には、第１熱交換器９、高温熱媒タンク（高温蓄熱部）１７、第２熱交換器１１、及び低温熱媒タンク（低温蓄熱部）１８が順に設けられている。熱媒流路系５は、熱媒流路１９ａ，１９ｂを備える。後述するポンプ２１Ａ，２１Ｂにより、熱媒流路系５を液体の熱媒が循環している。熱媒の種類は特に限定されないが、例えば鉱物油系、グリコール系、または合成油系の熱媒を使用できる。
高温熱媒タンク１７の内部には、熱媒が貯蔵された部分（液相部１７ａ）と、熱媒が貯蔵されておらずＮ２ガス（不活性ガス）が充填された気相部１７ｂとがある。同様に、低温熱媒タンク１８の内部には、熱媒が貯蔵された液相部１８ａと、Ｎ２ガスが充填された気相部１８ｂとがある。
熱媒流路１９ａは、高温熱媒タンク１７の液相部１７ａと低温熱媒タンク１８の液相部１８ａとを流体的に接続している。熱媒流路１９ａでは、後に詳述するように、低温熱媒タンク１８から高温熱媒タンク１７へ熱媒が流れる。熱媒流路１９ａには、第１熱交換器９が設けられている。熱媒流路１９ａは、低温熱媒タンク１８と第１熱交換器９との間に、後述の制御装置３７により開閉制御可能な弁Ｖ４と、ポンプ２１Ａとを備える。また、熱媒流路１９ａは、第１熱交換器９と高温熱媒タンク１７との間に、逆止弁２２Ａを備える。逆止弁２２Ａは、高温熱媒タンク１７に向かう熱媒の流れを許容するが、それとは逆向きの熱媒の流れを遮断する。
熱媒流路１９ｂは、高温熱媒タンク１７の液相部１７ａと低温熱媒タンク１８の液相部１８ａとを流体的に接続している。熱媒流路１９ｂでは、後に詳述するように、高温熱媒タンク１７から低温熱媒タンク１８へ熱媒が流れる。熱媒流路１９ｂには、第２熱交換器１１が設けられている。熱媒流路１９ｂは、高温熱媒タンク１７と第２熱交換器１１との間に、開閉制御可能な弁Ｖ５と、ポンプ２１Ｂとを備える。また、熱媒流路１９ｂは、第２熱交換器１１と低温熱媒タンク１８との間に、逆止弁２２Ｂを備える。逆止弁２２Ｂは、低温熱媒タンク１８に向かう熱媒の流れを許容するが、それとは逆向きの熱媒の流れを遮断する。
（不活性ガス流路系）
不活性ガス流路系６は、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂと、Ｎ２ボンベ（不活性ガス源）２５とを相互に流体的に接続している。Ｎ２ボンベ２５に代えて、ＡｒのようなＮ２以外の不活性ガスを供給する不活性ガス源を採用してもよい。
本実施形態における不活性ガス流路系６は、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとを流体的に連通する不活性ガス流路２６ａを備える。また、不活性ガス流路系６は、不活性ガス流路２６ａとＮ２ボンベ２５とを流体的に連通する不活性ガス流路２６ｂを備える。不活性ガス流路２６ｂには、Ｎ２ボンベ２５からの供給圧力を所定の圧力に減圧するための減圧弁２７が設けられている。
不活性ガス流路系６の連通状態を切り換える、流路切換部２８が設けられている。本実施形態では、流路切換部２８は単一の開閉制御可能な弁Ｖ１により構成されている。この弁Ｖ１は、減圧弁２７よりも不活性ガス流路２６ａ側の不活性ガス流路２６ｂに設けられている。
高温熱媒タンク１７には、気相部１７ｂの圧力、すなわち充填されているＮ２ガスの圧力Ｐ１を検出するための圧力センサ３１Ａが設けられている。また、高温熱媒タンク１７には、圧力Ｐ１が閾値を上回った場合に開弁して、気相部１７ｂのＮ２ガスを外部に排出するための安全弁３２Ａが設けられている。同様に、低温熱媒タンク１８には、気相部１８ｂの圧力、すなわち充填されているＮ２ガスの圧力Ｐ２を検出するための圧力センサ３１Ｂと、安全弁３２Ｂとが設けられている。
高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８には、Ｎ２ボンベ２５から不活性ガス流路２６ａ，２６ｂを介してＮ２が供給されるので、これらのタンクに貯蔵された熱媒の酸化劣化を抑制ないし防止できる。
（圧縮機ユニット）
圧縮機８、電動機１４、第１熱交換器９、及びポンプ２１Ａは、圧縮機ユニット３４を構成する。圧縮機ユニット３４は、複数台の圧縮機を備える多段式であって、複数の第１熱交換器を備えていてもよい。
（発電機ユニット）
膨張機１２、発電機１５、第２熱交換器１１、及びポンプ２１Ｂは、発電機ユニット３５を構成する。発電機ユニット３５は、複数台の膨張機を備える多段式であって、複数の第２熱交換器を備えていてもよい。
（制御装置）
制御装置３７は、種々の入力（例えば、圧力センサ３１Ａ，３１Ｂが検出した圧力Ｐ１，Ｐ２）に基づいて、ＣＡＥＳ発電装置１の種々の構成要素を統括的に制御する。このような要素には、圧縮機８を駆動する電動機１４、ポンプ２１Ａ，２１Ｂ、弁Ｖ１，Ｖ４，Ｖ５が含まれる。制御装置３７は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような記憶装置を含むハードウェアと、それに実装されたソフトウェアにより構築されている。
（充電運転）
充電運転時には、ポンプ２１Ａが作動し、ポンプ２１Ｂは非作動である。また、バルブＶ４が開弁され、バルブＶ５は閉弁される。
充電運転時には、発電装置２から入力される変動する電力により電動機１４が駆動され、電動機１４によって圧縮機８が駆動される。圧縮機８は空気流路１３ａを介して供給される空気を吸込口８ａから吸い込んで圧縮し、圧縮空気を生成する。圧縮機８の吐出口８ｂから吐出された圧縮空気は、空気流路１３ｂを通って蓄圧タンク１０に圧送され、蓄圧タンク１０に貯蔵される。つまり、蓄圧タンク１０は、圧縮空気を貯蔵してエネルギーとして蓄積する。圧縮空気は、蓄圧タンク１０に圧送される前に、第１熱交換器９を通過する。
充電運転時には、ポンプ２１Ａによって、低温熱媒タンク１８に貯蔵された熱媒が、熱媒流路１９ａを通って高温熱媒タンク１７に送られる。熱媒は、高温熱媒タンク１７に送られる前に、第１熱交換器９を通過する。
圧縮機８の吐出口８ｂから吐出された圧縮空気は、圧縮の際に生じる圧縮熱により高温となっている。第１熱交換器９では、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、熱媒は加熱される。従って、蓄圧タンク１０には、第１熱交換器９における熱交換によって降温した圧縮空気が貯蔵され。また、高温熱媒タンク１７には、第１熱交換器９での熱交換後の昇温した熱媒が貯蔵される。
（発電運転）
発電運転時には、ポンプ２１Ｂが作動し、ポンプ２１Ａは非作動である。また、バルブＶ５が開弁され、バルブＶ４は閉弁される。
発電運転時には、蓄圧タンク１０から送出された圧縮空気が、空気流路１３ｃを通って膨張機１２の給気口１２ａに供給される。圧縮空気は、膨張機１２に供給される前に、第２熱交換器１１を通過する。給気口１２ａに給気された圧縮空気によって膨張機１２が作動し、発電機１５が駆動される。発電機１５で発電した電力は電力系統３に供給される。膨張機１２で膨張された空気は、排気口１２ｂから空気流路１３ｄを通って排気される。
発電運転時には、ポンプ２１Ｂによって、高温熱媒タンク１７に貯蔵された熱媒が、熱媒流路１９ｂを通って低温熱媒タンク１８に送られる。熱媒は、高温熱媒タンク１７に送られる前に、第２熱交換器１１を通過する。
膨張機１２では、膨張時の吸熱により空気の温度が低下する。そのため、膨張機１２に給気される圧縮空気は、高温であることが好ましい。第２熱交換器１１では、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、熱媒は冷却される。従って、膨張機１２には、第２熱交換器１１における熱交換によって昇温した圧縮空気が供給される。また、低温熱媒タンク１８には、第２熱交換器１１での熱交換後の降温した熱媒が貯蔵される。
（Ｎ２ガスの充填制御）
以下、流路切換部２８を構成する弁Ｖ１の開閉制御を説明する。制御装置３７は、圧力センサ３１Ａ，３１Ｂが検出した高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８の気相部１７ｂ，１８ｂの圧力Ｐ１，Ｐ２に基づいて、弁Ｖ１を制御する。圧力センサ３１Ａ，３１Ｂのいずれか一方が検出した圧力のみに基づいて弁Ｖ１を制御してもよい。後述する第２から第３実施形態では、充電運転中と発電運転中とで流路切換部２８の制御が異なるが、本実施形態では、充電運転中と発電運転中とで弁Ｖ１の開閉制御は異ならない。
制御装置３７は、気相部１７ｂ，１８ｂの圧力Ｐ１，Ｐ２と予め定められた閾値との比較結果に基づいて弁Ｖ１を開閉する。この閾値は、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８内に充填する必要があるＮ２ガスの最小値に対応する。
気相部１７ｂ，１８ｂの圧力Ｐ１，Ｐ２が閾値以上であれば、弁Ｖ１は閉弁で維持される。弁Ｖ１が閉弁していても、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとは、不活性ガス流路２６ａを介して互いに流体的に連通している。
気相部１７ｂ，１８ｂの圧力Ｐ１，Ｐ２が閾値を下回ると、弁Ｖ１は開弁される。弁Ｖ１が開弁すると、Ｎ２ボンベ２５から不活性ガス流路２６ａ，２６ｂを介して高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８にＮ２ガスが供給される。
充電運転中、熱媒はポンプ２１Ａによって熱媒流路１９ａを通って高温熱媒タンク１７へ流れる。一方、発電運転中、熱媒はポンプ２１Ｂによって熱媒流路１９ｂを通って低温熱媒タンク１８へ流れる。一般に、充放電効率の関係から、充電運転時間が発電運転時間よりも長くなる。この運転時間の差に起因して、高温熱媒タンク１７に貯蔵された熱媒の量は、低温蓄熱タンク１８に貯蔵された熱媒の量よりも増加する傾向がある。
高温熱媒タンク１７に貯蔵される熱媒は、第１熱交換器９における圧縮空気からの熱回収により昇温している。そのため、高温熱媒タンク１７内の熱媒は熱膨張する傾向がある。
以上の２つの傾向により、高温熱媒タンク１７内の熱媒の液位の上昇は、低温熱媒タンク１８内の熱媒の液位の上昇よりも著しい。言い換えれば、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの体積は相対的に減少し、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの体積は相対的に増加する傾向にある。しかし、弁Ｖ１が閉弁していても、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとは不活性ガス流路２６ａを介して相互に流体的に接続されている。つまり、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８との間で、不活性ガス流路２６ａを介して不活性ガスが移動可能であり、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとは均圧化される。そのため、Ｎ２ボンベ２５から高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８へ新たに供給する不活性ガスの量、つまり不活性ガス消費量を低減できる。また、不活性ガス流路系６に加え、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８とを含む熱媒流路系５についても、全体の圧力レベルを均一化できる。
（第２実施形態）
図２を参照すると、本発明の第２実施形態に係るＣＡＥＳ発電装置１の装置構成は、以下の点で、第１実施形態と異なる。本実施形態のその他の装置構成は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同一ないし同様の要素には同一の符号を付している。
流路切換部２８は、不活性ガス流路２６ｂに設けられた弁Ｖ１に加え、不活性ガス流路２６ａに設けられた２個の弁Ｖ２，Ｖ３を備える。これらの弁Ｖ２，Ｖ３は、弁Ｖ１と同様、制御装置３７により開閉制御可能な弁である。弁Ｖ２は、弁Ｖ１と低温熱媒タンク１８との間、つまり低温熱媒タンク１８の入口側に配置されている。弁Ｖ３は、弁Ｖ１と高温熱媒タンク１７との間、つまり高温熱媒タンク１７の入口側に配置されている。
後述する弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉制御による不活性ガス流路系６（不活性ガス流路２６ａ，２６ｂ）の連通状態の切換を実現できる限り、流路切換部２８は単一の弁（例えば３ポート４位置弁）により構成されていてもよいし、２個の弁により構成されていてもよい。また、不活性ガス流路系６の流路の構成も、必要な連通状態の切換を実現できる限り、図２に図示したものに限定されない。
本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、制御装置３７に通信可能に接続された入力装置３８を備える。入力装置３８は、オペレータによる指令の入力を受け付け、入力された指令を制御装置３７に送る。入力装置３８は、通信回線網を介して制御装置３７に対して遠隔通信可能に接続されていてもよい。入力装置３８から制御装置３７に送られる指令は、２種類のモードのいずれに設定するかの指示を含む。２種類のモードとは、Ｎ２消費量削減優先モード（第１モード）と電力消費量削減優先モード（第２モード）である。
Ｎ２消費量削減優先モードでは、Ｎ２ボンベ２５から高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８へのＮ２ガスの供給量の低減、つまりＮ２ガスの消費量低減が、ＣＡＥＳ発電装置１の電力消費量低減よりも優先される。電力消費量削減優先モードでは、ＣＡＥＳ発電装置１の電力消費量低減が、Ｎ２ガスの消費量低減よりも優先される。
本実施形態の制御装置３７は、以下に基づいて流路切換部２８を構成する３個の弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉状態を制御し、それによって不活性ガス流路系６を構成する不活性ガス流路２６ａ，２６ｂの連通状態を切り換える。
・ＣＡＥＳ発電装置１が充電運転と発電運転のいずれを実行中であるか。
・Ｎ２消費量削減優先モードと電力消費量削減優先モードのいずれに設定されているか。
・圧力センサ３１Ａにより検出された高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、圧力センサ３１Ｂにより検出された低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上であるか否か。
ＣＡＥＳ発電装置１が充電運転中、ポンプ２１Ａによって熱媒流路１９ａを通って低温熱媒タンク１８から高温熱媒タンク１７へ熱媒が流れるので、弁Ｖ４は開弁に設定される。また、ＣＡＥＳ発電装置１が充電運転中、ポンプ２１Ｂは停止しており、熱媒流路１９ｂには熱媒は流れず、弁Ｖ５は閉弁に設定される。
ＣＡＥＳ発電装置１が発電運転中、ポンプ２１Ｂによって熱媒流路１９ｂを通って高温熱媒タンク１７から低温熱媒タンク１８へ熱媒が流れるので、弁Ｖ５は開弁に設定される。また、ＣＡＥＳ発電装置１が充電運転中、ポンプ２１Ａは停止しており、熱媒流路１９ａには熱媒は流れず、弁Ｖ４は閉弁に設定される。
以下、図３から図１２をさらに参照して、制御装置３７による流路切換部２８（弁Ｖ１〜Ｖ３）の制御を説明する。以下の説明において、高温熱媒タンク１７の熱媒の液位を符号ｈ１で示し、低温熱媒タンク１８の熱媒の液位を符号ｈ２で示す。また、熱媒の密度を符号ρ、重力加速度を符号ｇで示し、熱媒流路系５の配管圧損を符号ΔＰＬｃで示す。
（充電運転中の制御）
図３を参照すると、ステップＳ１において、Ｎ２消費量削減優先モードと電力消費量削減優先モードのいずれに設定されているかが判断される。Ｎ２消費量削減優先モードに設定されていればステップＳ２に移行し、電力消費量削減優先モードに設定されていればステップＳ５に移行する。
ステップＳ２において、圧力センサ３１Ａにより検出された高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、圧力センサ３１Ｂにより検出された低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上であるか否か判断される。
ステップＳ２において圧力Ｐ１が圧力Ｐ２以上であれば、ステップＳ３に移行する。
ステップＳ３は、Ｎ２消費量削減優先モードでの充電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上の場合である。図４を併せて参照すると、ステップＳ３では、弁Ｖ１は閉弁に設定され、弁Ｖ２，Ｖ３は開弁に設定される。かかる弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定により、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８とが不活性ガス流路２６ａを介して互いに連通する。また、Ｎ２ボンベ２５が高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８との両方から遮断される（第１状態）。
弁Ｖ１〜Ｖ３を図４に示す開閉設定とすることで、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂのＮ２ガスは、高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１が低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２と等しくなるまで（Ｐ１＝Ｐ２）、不活性ガス流路２６ａを通って低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂへ移動する。つまり、不活性ガス流路２６ａを介したＮ２ガスの移動により、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとが均圧化される。このＮ２ガスの移動により、低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２が上昇し、高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１が低下する。そのため、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとが連通していない場合に必要な昇圧分（Ｐ１−Ｐ２）だけ、ポンプ２１Ａの全揚程ΔＰが下がる。つまり、昇圧分（Ｐ１−Ｐ２）だけポンプ２１Ａの消費動力が低減される。ポンプ２１Ａの全揚程ΔＰは、以下の式（１）で表される。
Figure 0006731377
充電運転終了によりポンプ２１Ａが停止するまで、高温熱媒タンク１７の熱媒の液位ｈ１は上昇し、低温熱媒タンク１８の熱媒の液位ｈ２は低下する。
ステップＳ２において圧力Ｐ１が圧力Ｐ２以上ではない場合、つまり圧力Ｐ１が圧力Ｐ２未満であれば、ステップＳ４に移行する。
ステップＳ４は、Ｎ２消費量削減優先モードでの充電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２未満の場合である。図５を併せて参照すると、ステップＳ４では、弁Ｖ１は開弁に設定され（閉弁に設定してもよい）、弁Ｖ２，Ｖ３は閉弁に設定される。かかるＶ１〜Ｖ３の開閉設定により、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８とが互いに遮断され、かつＮ２ボンベ２５が高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８との両方から遮断される（第２状態）。
弁Ｖ１〜Ｖ３を図５に示す開閉設定とすると、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８とが互いに遮断されるので、高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１と低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２の圧力差が維持される。ポンプ２１Ａで必要な昇圧は、圧力差（Ｐ２−Ｐ１）分だけ補助されるので、低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２が高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１を下回るまで（Ｐ２＜Ｐ１）、ポンプ２１Ａの消費動力が低減される。特に、以下の式（２）が成立するときには、ポンプ２１Ａの消費電力は零になる。
Figure 0006731377
充電運転終了によりポンプ２１Ａが停止するまで、高温熱媒タンク１７の熱媒の液位ｈ１は上昇し、低温熱媒タンク１８の熱媒の液位ｈ２は低下する。
前述のように、ステップＳ１において、電力消費量削減優先モードに設定されていればステップＳ５に移行する。
ステップＳ５において、圧力センサ３１Ａにより検出された高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、圧力センサ３１Ｂにより検出された低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上であるか否か判断される。
ステップＳ５において圧力Ｐ１が圧力Ｐ２以上であれば、ステップＳ６に移行する。
ステップＳ６は、電力消費量削減優先モードでの充電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上の場合である。図６を併せて参照すると、ステップＳ６では、弁Ｖ１，Ｖ２は開弁に設定され、弁Ｖ３は閉弁に設定される。かかる弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定により、Ｎ２ボンベ２５が不活性ガス流路２６ａ，２６ｂを介して低温熱媒タンク１８に連通する。また、高温熱媒タンク１７は、低温熱媒タンク１８とＮ２ボンベ２５とから遮断される（第３状態）。
弁Ｖ１〜Ｖ３を図６に示す開閉設定とすることで、Ｎ２ボンベ２５から低温熱媒タンク１８へ不活性ガス流路２６ａ，２６ｂを介してＮ２ガスが供給される。その結果、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとが均圧化される。
Ｎ２ボンベ２５から低温熱媒タンク１８へのＮ２ガスの供給は、低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２が高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１と等しくなるまで（Ｐ２＝Ｐ１）継続してもよい。また、Ｎ２ボンベ２５から低温熱媒タンク１８へのＮ２ガスの供給は、低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２が高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１を上回った後も（Ｐ２＞Ｐ１）、継続してもよい。
圧力Ｐ１，Ｐ２が等しくなるまでＮ２ボンベ２５から低温熱媒タンク１８へＮ２ガスを供給することで、低温熱媒タンク１８が高温熱媒タンクよりも低圧であるために必要となる昇圧分（Ｐ１−Ｐ２）だけ、ポンプ２１Ａの全揚程ΔＰが下がる。つまり、昇圧分（Ｐ１−Ｐ２）だけポンプ２１Ａの消費動力が低減される。ポンプ２１Ａの全揚程ΔＰは、以下の式（３）で表される。
Figure 0006731377
低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２が高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１を上回った後もＮ２ボンベ２５から低温熱媒タンク１８へのＮ２ガスの供給を継続することで、ポンプ２１Ａの消費動力がさらに低減される。低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力をＰ２＝Ｐ２’（Ｐ２'＞Ｐ１）とすると、差圧（Ｐ２’−Ｐ１）分だけポンプ２１Ａによる低温熱媒タンク１８から高温熱媒タンク１７への熱媒の圧送が補助される。特に、以下の式（４）が成立するときには、ポンプ２１Ａの消費電力は零になる。
Figure 0006731377
充電運転終了によりポンプ２１Ａが停止するまで、高温熱媒タンク１７の熱媒の液位ｈ１は上昇し、低温熱媒タンク１８の熱媒の液位ｈ２は低下する。
ステップＳ５において圧力Ｐ１が圧力Ｐ２以上ではない場合、つまり圧力Ｐ１が圧力Ｐ２未満であれば、ステップＳ７に移行する。
ステップＳ７は、電力消費量削減優先モードでの充電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２未満の場合である。図７を併せて参照すると、ステップＳ７では、弁Ｖ１，Ｖ２は開弁に設定され、弁Ｖ３は閉弁に設定される。かかる弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定により、Ｎ２ボンベ２５が不活性ガス流路２６ａ，２６ｂを介して低温熱媒タンク１８に連通する。また、高温熱媒タンク１７は、低温熱媒タンク１８とＮ２ボンベ２５とから遮断される（第３状態）。つまり、この場合の弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定は、ステップＳ６（図６）の場合と同じである。
低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力をＰ２＝Ｐ２’（Ｐ２'＞Ｐ１）とすると、差圧（Ｐ２’−Ｐ１）分だけポンプ２１Ａによる低温熱媒タンク１８から高温熱媒タンク１７への熱媒の圧送が補助される。特に、前掲の式（４）が成立するときには、ポンプ２１Ａの消費電力は零になる。
充電運転終了によりポンプ２１Ａが停止するまで、高温熱媒タンク１７の熱媒の液位ｈ１は上昇し、低温熱媒タンク１８の熱媒の液位ｈ２は低下する。
（発電運転中の制御）
図８を参照すると、ステップＳ１１において、Ｎ２消費量削減優先モードと電力消費量削減優先モードのいずれに設定されているかが判断される。Ｎ２消費量削減優先モードに設定されていればステップＳ１２に移行し、電力消費量削減優先モードに設定されていればステップＳ１５に移行する。
ステップＳ１２において、圧力センサ３１Ａにより検出された高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、圧力センサ３１Ｂにより検出された低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上であるか否か判断される。
ステップＳ１２において圧力Ｐ１が圧力Ｐ２以上であれば、ステップＳ１３に移行する。
ステップＳ１３は、Ｎ２消費量削減優先モードでの発電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上の場合である。図９を併せて参照すると、ステップＳ１３では、弁Ｖ１は開弁に設定され（閉弁に設定してもよい）、弁Ｖ２，Ｖ３は閉弁に設定される。かかるＶ１〜Ｖ３の開閉設定により、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８とが互いに遮断され、かつＮ２ボンベ２５が高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８との両方から遮断される（第２状態）。
弁Ｖ１〜Ｖ５を図９に示す開閉設定とすると、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８とが互いに遮断されるので、高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１と低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２の圧力差が維持される。ポンプ２１Ｂで必要な昇圧は、圧力差（Ｐ１−Ｐ２）分だけ補助されるので、高温熱媒タンク１８の圧力Ｐ１が低温熱媒タンク１７の圧力Ｐ２を下回るまで（Ｐ１＜Ｐ２）、ポンプ２１Ｂの消費動力が低減される。特に、以下の式（５）が成立するときには、ポンプ２１Ｂの消費電力は零になる。
Figure 0006731377
発電運転終了によりポンプ２１Ｂが停止するまで、高温熱媒タンク１７の熱媒の液位ｈ１は低下し、低温熱媒タンク１８の熱媒の液位ｈ２は上昇する。
ステップＳ１２において圧力Ｐ１が圧力Ｐ２以上ではない場合、つまり圧力Ｐ１が圧力Ｐ２未満であれば、ステップＳ１４に移行する。
ステップＳ１４は、Ｎ２消費量削減優先モードでの発電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２未満の場合である。図１０を併せて参照すると、ステップＳ１４では、弁Ｖ１は閉弁に設定され、弁Ｖ２，Ｖ３は開弁に設定される。かかる弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定により、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８とが不活性ガス流路２６ａを介して互いに連通する。また、Ｎ２ボンベ２５が高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８との両方から遮断される（第１状態）。
弁Ｖ１〜Ｖ３を図１０に示す開閉設定とすることで、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂのＮ２ガスは、高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１が低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２と等しくなるまで（Ｐ１＝Ｐ２）、不活性ガス流路２６ａを通って高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂへ移動する。つまり、不活性ガス流路２６ａを介したＮ２ガスの移動により、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとが均圧化される。このＮ２ガスの移動により、低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２が低下し、高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１が上昇する。そのため、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとが連通していない場合に必要な昇圧分（Ｐ２−Ｐ１）だけ、ポンプ２１Ｂの全揚程ΔＰが下がる。つまり、昇圧分（Ｐ２−Ｐ１）だけポンプ２１Ｂの消費動力が低減される。ポンプ２１Ｂの全揚程ΔＰは、以下の式（６）で表される。
Figure 0006731377
発電運転終了によりポンプ２１Ｂが停止するまで、高温熱媒タンク１７の熱媒の液位ｈ１は低下し、低温熱媒タンク１８の熱媒の液位ｈ２は上昇する。
前述のように、ステップＳ１１において、電力消費量削減優先モードに設定されていればステップＳ１５に移行する。
ステップＳ１５において、圧力センサ３１Ａにより検出された高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、圧力センサ３１Ｂにより検出された低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上であるか否か判断される。
ステップＳ１５において圧力Ｐ１が圧力Ｐ２以上であれば、ステップＳ１６に移行する。
ステップＳ１６は、電力消費量削減優先モードでの発電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上の場合である。図１１を併せて参照すると、ステップＳ１６では、弁Ｖ１，Ｖ３は開弁に設定され、弁Ｖ２は閉弁に設定される。かかる弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定により、Ｎ２ボンベ２５が不活性ガス流路２６ａ，２６ｂを介して高温熱媒タンク１７に連通する。また、低温熱媒タンク１８は、高温熱媒タンク１７とＮ２ボンベ２５とから遮断される（第４状態）。
高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力をＰ１＝Ｐ１’（Ｐ１'＞Ｐ１）とすると、差圧（Ｐ１’−Ｐ２）分だけポンプ２１Ｂによる高温熱媒タンク１７から低温熱媒タンク１８への熱媒の圧送が補助される。特に、以下の式（７）が成立するときには、ポンプ２１Ｂの消費電力は零になる。
Figure 0006731377
発電運転終了によりポンプ２１Ｂが停止するまで、高温熱媒タンク１７の熱媒の液位ｈ１は低下し、低温熱媒タンク１８の熱媒の液位ｈ２は上昇する。
ステップＳ１５において圧力Ｐ１が圧力Ｐ２以上ではない場合、つまり圧力Ｐ１が圧力Ｐ２未満であれば、ステップＳ１７に移行する。
ステップＳ１７は、電力消費量削減優先モードでの発電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２未満の場合である。図１２を併せて参照すると、ステップＳ１７では、弁Ｖ１，Ｖ３は開弁に設定され、弁Ｖ２は閉弁に設定される。かかる弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定により、Ｎ２ボンベ２５が不活性ガス流路２６ａ，２６ｂを介して高温熱媒タンク１７に連通する。また、低温熱媒タンク１８は、高温熱媒タンク１７とＮ２ボンベ２５とから遮断される（第４状態）。つまり、この場合の弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定は、ステップＳ１６（図１１）の場合と同じである。
弁Ｖ１〜Ｖ３を図１２に示す開閉設定とすることで、Ｎ２ボンベ２５から高温熱媒タンク１７へ不活性ガス流路２６ａ，２６ｂを介してＮ２ガスが供給される。その結果、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとが均圧化される。
Ｎ２ボンベ２５から高温熱媒タンク１７へのＮ２ガスの供給は、高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１が低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２と等しくなるまで（Ｐ１＝Ｐ２）継続してもよい。また、Ｎ２ボンベ２５から高温熱媒タンク１７へのＮ２ガスの供給は、高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１が低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２を上回った後も（Ｐ１＞Ｐ２）、継続してもよい。
圧力Ｐ１，Ｐ２が等しくなるまでＮ２ボンベ２５から高温熱媒タンク１７へＮ２ガスを供給することで、高温熱媒タンク１７が低温熱媒タンク１８よりも低圧であるために必要となる昇圧分（Ｐ２−Ｐ１）だけ、ポンプ２１Ｂの全揚程ΔＰが下がる。つまり、昇圧分（Ｐ２−Ｐ１）だけポンプ２１Ｂの消費動力が低減される。ポンプ２１Ｂの全揚程ΔＰは、以下の式（８）で表される。
Figure 0006731377
高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１が低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２を上回った後もＮ２ボンベ２５から高温熱媒タンク１７へのＮ２ガスの供給を継続することで、ポンプ２１Ｂの消費動力がさらに低減される。高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力をＰ１＝Ｐ１’（Ｐ１'＞Ｐ２）とすると、差圧（Ｐ１’−Ｐ２）分だけポンプ２１Ｂによる低温熱媒タンク１８から高温熱媒タンク１７への熱媒の圧送が補助される。特に、前掲の式（７）が成立するときには、ポンプ２１Ｂの消費電力は零になる。
発電運転終了によりポンプ２１Ｂが停止するまで、高温熱媒タンク１７の熱媒の液位ｈ１は低下し、低温熱媒タンク１８の熱媒の液位ｈ２は上昇する。
以下に説明する本発明の第３及び第４実施形態では、ＣＡＥＳ発電装置１の装置構成は、第２実施形態（図２）と同様である。従って、これらの実施形態については、制御装置３７により実行される流路切換部２８の制御について説明し、装置構成については図２が参照される。
（第３実施形態）
制御装置３７は、以下に基づいて流路切換部２８を構成する３個の弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉状態を制御し、それによって不活性ガス流路系６を構成する不活性ガス流路２６ａ，２６ｂの連通状態を切り換える。
・ＣＡＥＳ発電装置１が充電運転と発電運転のいずれを実行中であるか。
・Ｎ２消費量低減と電力消費量低減のいずれを優先させるべきか。
・圧力センサ３１Ａにより検出された高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、圧力センサ３１Ｂにより検出された低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上であるか否か。
本実施形態では、第２実施形態とは異なり、制御装置３７に対してＮ２消費量削減優先モードと電力消費量削減優先モードのいずれであるかは入力されない。本実施形態では、制御装置３７が、例えば高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２、ＣＡＥＳ装置１の消費電力等に基づいて、Ｎ２消費量低減と電力消費量低減のいずれを優先させるべきかを判断する。
（充電運転中の制御）
図１３を参照すると、ステップＳ２１において、圧力センサ３１Ａにより検出された高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、圧力センサ３１Ｂにより検出された低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上であるか否か判断される。圧力Ｐ１が圧力Ｐ２以上であればステップＳ２２に移行し、圧力Ｐ１が圧力Ｐ２未満であればステップＳ２５に移行する。
ステップＳ２２において、電力消費量低減をＮ２消費量低減よりも優先するか否かを判断する。電力消費量低減を優先する場合にはステップＳ２３に移行し、Ｎ２消費量低減を優先する場合にはステップＳ２４に移行する。
ステップＳ２３は電力消費量低減を優先する充電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上の場合である。図６を併せて参照すると、ステップＳ２３では、弁Ｖ１，Ｖ２は開弁に設定され、弁Ｖ３は閉弁に設定される。かかる弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定により、Ｎ２ボンベ２５が不活性ガス流路２６ａ，２６ｂを介して低温熱媒タンク１８に連通する。また、高温熱媒タンク１７は、低温熱媒タンク１８とＮ２ボンベ２５とから遮断される（第３状態）。
第２実施形態のステップＳ６に関して説明したように、弁Ｖ１〜Ｖ３を図６に示す開閉設定とすることで、Ｎ２ボンベ２５から低温熱媒タンク１８へのＮ２ガスの供給により、ポンプ２１Ａの電力消費量を低減できる。
ステップＳ２４はＮ２消費量低減を優先する充電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上の場合である。図４を併せて参照すると、ステップＳ２４では、弁Ｖ１は閉弁に設定され、弁Ｖ２，Ｖ３は開弁に設定される。かかる弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定により、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８とが不活性ガス流路２６ａを介して互いに連通する。また、Ｎ２ボンベ２５が高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８との両方から遮断される（第１状態）。
第２実施形態のステップＳ３に関して説明したように、弁Ｖ１〜Ｖ３を図４に示す開閉設定とすることで、不活性ガス流路２６ａを介したＮ２ガスの移動により、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとが均圧化される。また、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとが連通していない場合に必要な昇圧分（Ｐ１−Ｐ２）だけ、ポンプ２１Ａの消費動力が低減される。
ステップＳ２５において、電力消費量低減をＮ２消費量低減よりも優先するか否かを判断する。電力消費量低減を優先する場合にはステップＳ２６に移行し、Ｎ２消費量低減を優先する場合にはステップＳ２７に移行する。
ステップＳ２６は電力消費量低減を優先する充電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２未満の場合である。図７を併せて参照すると、ステップＳ２６では、弁Ｖ１，Ｖ２は開弁に設定され、弁Ｖ３は閉弁に設定される。かかる弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定により、Ｎ２ボンベ２５が不活性ガス流路２６ａ，２６ｂを介して低温熱媒タンク１８に連通する。また、高温熱媒タンク１７は、低温熱媒タンク１８とＮ２ボンベ２５とから遮断される（第３状態）。
第２実施形態のステップＳ７に関して説明したように、弁Ｖ１〜Ｖ３を図７に示す開閉設定とすることで、Ｎ２ボンベ２５から低温熱媒タンク１８へのＮ２ガスの供給により、ポンプ２１Ａの電力消費量を低減できる。
ステップＳ２７はＮ２消費量低減を優先する充電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２未満の場合である。図５を併せて参照すると、ステップＳ２７では、弁Ｖ１は開弁に設定され（閉弁に設定してもよい）、弁Ｖ２，Ｖ３は閉弁に設定される。かかるＶ１〜Ｖ３の開閉設定により、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８とが互いに遮断され、かつＮ２ボンベ２５が高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８との両方から遮断される（第２状態）。
第２実施形態のステップＳ４に関して説明したように、弁Ｖ１〜Ｖ３を図５に示す開閉設定とすることで、ポンプ２１Ａで必要な昇圧は、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８の圧力差（Ｐ２−Ｐ１）分だけ補助され、ポンプ２１Ａの消費動力が低減される。
（発電運転中の制御）
図１４を参照すると、ステップＳ３１において、圧力センサ３１Ａにより検出された高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、圧力センサ３１Ｂにより検出された低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上であるか否か判断される。圧力Ｐ１が圧力Ｐ２以上であればステップＳ３２に移行し、圧力Ｐ１が圧力Ｐ２未満であればステップＳ３５に移行する。
ステップＳ３２において、電力消費量低減をＮ２消費量低減よりも優先するか否かを判断する。電力消費量低減を優先する場合にはステップＳ３３に移行し、Ｎ２消費量低減を優先する場合にはステップＳ３４に移行する。
ステップＳ３３は電力消費量低減を優先する発電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上の場合である。図１１を併せて参照すると、ステップＳ３３では、弁Ｖ１，Ｖ３は開弁に設定され、弁Ｖ２は閉弁に設定される。かかる弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定により、Ｎ２ボンベ２５が不活性ガス流路２６ａ，２６ｂを介して高温熱媒タンク１７に連通する。また、低温熱媒タンク１８は、高温熱媒タンク１７とＮ２ボンベ２５とから遮断される（第４状態）。
第２実施形態のステップＳ１６に関して説明したように、弁Ｖ１〜Ｖ３を図１１に示す開閉設定とすることで、Ｎ２ボンベ２５から高温熱媒タンク１７へのＮ２ガスの供給により、ポンプ２１Ｂの電力消費量を低減できる。
ステップＳ３４はＮ２消費量低減を優先する発電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上の場合である。図９を併せて参照すると、ステップＳ３４では、弁Ｖ１は開弁に設定され（閉弁に設定してもよい）、弁Ｖ２，Ｖ３は閉弁に設定される。かかるＶ１〜Ｖ３の開閉設定により、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８とが互いに遮断され、かつＮ２ボンベ２５が高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８との両方から遮断される（第２状態）。
第２実施形態のステップＳ１３に関して説明したように、弁Ｖ１〜Ｖ３を図９に示す開閉設定とすることで、ポンプ２１Ｂで必要な昇圧は、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）分だけ補助され、ポンプ２１Ｂの消費動力が低減される。
ステップＳ３５において、電力消費量低減をＮ２消費量低減よりも優先するか否かを判断する。電力消費量低減を優先する場合にはステップＳ３６に移行し、Ｎ２消費量低減を優先する場合にはステップＳ３７に移行する。
ステップＳ３６は電力消費量低減を優先する発電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２未満の場合である。図１２を併せて参照すると、ステップＳ３６では、弁Ｖ１，Ｖ３は開弁に設定され、弁Ｖ２は閉弁に設定される。かかる弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定により、Ｎ２ボンベ２５が不活性ガス流路２６ａ，２６ｂを介して高温熱媒タンク１７に連通する。また、低温熱媒タンク１８は、高温熱媒タンク１７とＮ２ボンベ２５とから遮断される（第４状態）。
第２実施形態のステップＳ１７に関して説明したように、弁Ｖ１〜Ｖ３を図１２に示す開閉設定とすることで、Ｎ２ボンベ２５から高温熱媒タンク１７へのＮ２ガスの供給により、ポンプ２１Ｂの電力消費量を低減できる。
ステップＳ３７はＮ２消費量低減を優先する充電運転中であって、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２未満の場合である。図１０を併せて参照すると、ステップＳ３７では、弁Ｖ１は閉弁に設定され、弁Ｖ２，Ｖ３は開弁に設定される。かかる弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉設定により、高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８とが不活性ガス流路２６ａを介して互いに連通する。また、Ｎ２ボンベ２５が高温熱媒タンク１７と低温熱媒タンク１８との両方から遮断される（第１状態）。
第２実施形態のステップＳ１４に関して説明したように、弁Ｖ１〜Ｖ３を図１０に示す開閉設定とすることで、不活性ガス流路２６ａを介したＮ２ガスの移動により、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとが均圧化される。また、高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂと低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂとが連通していない場合に必要な昇圧分（Ｐ２−Ｐ１）だけ、ポンプ２１Ｂの消費動力が低減される。
（第４実施形態）
制御装置３７は、以下に基づいて流路切換部２８を構成する３個の弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉状態を制御し、それによって不活性ガス流路系６を構成する不活性ガス流路２６ａ，２６ｂの連通状態を切り換える。
・ＣＡＥＳ発電装置１が充電運転と発電運転のいずれを実行中であるか。
・圧力センサ３１Ａにより検出された高温熱媒タンク１７の気相部１７ｂの圧力Ｐ１が、圧力センサ３１Ｂにより検出された低温熱媒タンク１８の気相部１８ｂの圧力Ｐ２以上であるか否か。
本実施形態では、第２実施形態の電力消費量削減優先モードに相当する制御は行わず、常にＮ２消費量低減が優先される。
図１５を参照すると、充電運転時には、ステップＳ４１において、圧力センサ３１Ａにより検出された高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１が、圧力センサ３１Ｂにより検出された低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２以上であるか否か判断される。圧力Ｐ１が圧力Ｐ２以上であればステップＳ４２に移行し、圧力Ｐ１が圧力Ｐ２未満であればステップＳ４３に移行する。ステップＳ４２では、図４に示すように弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉状態が設定される。ステップＳ４３では、図５に示すように弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉状態が設定される。
図１６を参照すると、発電運転時には、ステップＳ５１において、圧力センサ３１Ａにより検出された高温熱媒タンク１７の圧力Ｐ１が、圧力センサ３１Ｂにより検出された低温熱媒タンク１８の圧力Ｐ２以上であるか否か判断される。圧力Ｐ１が圧力Ｐ２以上であればステップＳ５２に移行し、圧力Ｐ１が圧力Ｐ２未満であればステップＳ５３に移行する。ステップＳ５２では、図９に示すように弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉状態が設定される。ステップＳ５３では、図１０に示すように弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉状態が設定される。
１ 圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置
２ 発電装置
３ 電力系統
４ 空気流路系
５ 熱媒流路系
６ 不活性ガス流路系
８ 圧縮機
８ａ 吸込口
８ｂ 吐出口
９ 第１熱交換器
１０ 蓄圧タンク（蓄圧部）
１１ 第２熱交換器
１２ 膨張機
１２ａ 給気口
１２ｂ 排気口
１３ａ〜１３ｄ 空気流路
１４ 電動機
１５ 発電機
１７ 高温熱媒タンク（高温蓄熱部）
１７ａ 液相部
１７ｂ 気相部
１８ 低温熱媒タンク（低温蓄熱部）
１８ａ 液相部
１８ｂ 気相部
１９ａ，１９ｂ 熱媒流路
２１Ａ，２１Ｂ ポンプ
２２Ａ，２２Ｂ 逆止弁
２５ Ｎ２ボンベ（不活性ガス源）
２６ａ，２６ｂ 不活性ガス流路
２７ 減圧弁
２８ 流路切換部
３１Ａ，３１Ｂ 圧力センサ
３２Ａ，３２Ｂ 安全弁
３４ 圧縮機ユニット
３５ 発電機ユニット
３７ 制御装置
３８ 入力装置

Claims (7)

  1. 変動する入力電力により駆動される電動機と、
    前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、
    前記蓄圧部と流体的に接続され、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、
    前記圧縮機で生成された前記圧縮空気と熱媒とで熱交換し、前記熱媒を昇温させる第１熱交換部と、
    前記第１熱交換部と流体的に接続され、前記第１熱交換部での熱交換後の前記熱媒を貯蔵する高温蓄熱部と、
    前記高温蓄熱部と流体的に接続され、前記高温蓄熱部から供給される前記熱媒と、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で熱交換し、前記圧縮空気を昇温させる第２熱交換部と、
    前記第２熱交換部と流体的に接続され、前記第２熱交換部での熱交換後の熱媒を貯蔵する低温蓄熱部と、
    不活性ガスを供給する不活性ガス源と、
    前記高温蓄熱部の気相部と、前記低温蓄熱部の気相部と、前記不活性ガス源とを相互に流体的に接続する不活性ガス流路系と、
    前記不活性ガス流路系を、少なくとも、前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部との両方に連通した状態と、前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部との両方から遮断された状態とに切換可能な流路切換部と
    を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
  2. 前記流路切換部を制御する制御部をさらに備え、
    前記流路切換部により切換可能な前記不活性ガス流路系の状態は、
    前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とが互いに連通する一方、前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部との両方から遮断された第１状態と、
    前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とが互いに遮断され、かつ前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部との両方から遮断された第２状態と、
    前記不活性ガス源が前記低温蓄熱部に連通する一方、前記高温蓄熱部は前記低温蓄熱部と前記不活性ガス源とから遮断された第３状態と、
    前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部に連通する一方、前記低温蓄熱部は前記高温蓄熱部と前記不活性ガス源とから遮断された第４状態と
    を含み、
    前記制御部は、少なくとも充電運転中と発電運転中とのいずれであるかと、前記高温蓄熱部の前記気相部の圧力である第１圧力が前記低温蓄熱部の前記気相部の圧力である第２圧力以上であるか否かに基づいて、前記流路切換部により前記不活性ガス流路系を前記第１から第４状態のいずれかに切り換える、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  3. 不活性ガス消費量低減を電力消費量低減よりも優先する第１モードと、前記電力消費量低減を前記不活性ガス消費量低減よりも優先する第２モードとに設定可能であり、
    前記第１モードでの充電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上であれば、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第１状態に切り換え、
    前記第１モードでの充電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上でなければ、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第２状態に切り換え、
    前記第２モードでの充電運転中、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第３状態に切り換える、請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  4. 前記第１モードでの発電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上であれば、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第２状態に切り換え、
    前記第１モードでの発電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上でなければ、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第１状態に切り換え、
    前記２モードでの発電運転中、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第４状態に切り換える、請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  5. 充電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上であれば、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第１状態に切り換え、
    前記第１圧力が前記第２圧力以上でなければ、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第２状態に切り換える、請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  6. 発電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上であれば、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第２状態に切り換え、
    発電運転中、前記第１圧力が前記第２圧力以上でなければ、前記制御部は、前記流路切換部によって、前記不活性ガス流路系を前記第１状態に切り換える、請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  7. 変動する入力電力により駆動される電動機と、
    前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、
    前記蓄圧部と流体的に接続され、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、
    前記圧縮機で生成された前記圧縮空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を昇温させる第１熱交換部と、
    前記第１熱交換部と流体的に接続され、前記第１熱交換部での熱交換後の熱媒を貯蔵する高温蓄熱部と、
    前記高温蓄熱部と流体的に接続され、前記高温蓄熱部から供給される熱媒と、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で熱交換し、前記圧縮空気を昇温させる第２熱交換部と、
    前記第２熱交換部と流体的に接続され、前記第２熱交換部での熱交換後の熱媒を貯蔵する低温蓄熱部と、
    不活性ガスを供給する不活性ガス源と、
    前記高温蓄熱部の気相部と、前記低温蓄熱部の気相部と、前記不活性ガス源とを相互に流体的に接続する不活性ガス流路系と、
    前記不活性ガス流路系の連通及び遮断の状態を切換可能な流路切換部と
    を備える圧縮空気貯蔵発電装置を準備し、
    前記流路切換部により切換可能な前記不活性ガス流路系の状態は、
    前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とが互いに連通する一方、前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部との両方から遮断された第１状態と、
    前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とが互いに遮断され、かつ前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部との両方から遮断された第２状態と、
    前記不活性ガス源が前記低温蓄熱部に連通する一方、前記高温蓄熱部は前記低温蓄熱部と前記不活性ガス源とから遮断された第３状態と、
    前記不活性ガス源が前記高温蓄熱部に連通する一方、前記低温蓄熱部は前記高温蓄熱部と前記不活性ガス源とから遮断された第４状態と
    を含み、
    少なくとも前記圧縮空気貯蔵発電装置が充電運転中と発電運転中とのいずれであるかと、前記高温蓄熱部の前記気相部の圧力である第１圧力が前記低温蓄熱部の前記気相部の圧力である第２圧力以上であるか否かに基づいて、前記不活性ガス流路系を前記第１から第４状態のいずれかに切り換える、圧縮空気貯蔵発電方法。
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