JP6817908B2 - 圧縮空気貯蔵発電装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置及び方法に関するものである。

太陽光発電や太陽熱発電などの太陽エネルギーを利用した発電では、当日の日照状況に影響されて、発電出力が大きく変動する。例えば、夜間には発電できないし、雨天や曇天の日には発電出力が大きく減少する。さらに、ゴールデンウイークや盆休みの中日など、発電電力は大きいが需要が小さい日には、電力系統の問題から発電の停止を求められることもある。

一方、風車を用いた風力発電では、当日の風向や風力の変化によって、その発電出力が大きく変動する。複数の風車をまとめたウインドファームのような発電設備では、各風車の発電出力を加算することで、短周期の発電変動は平滑化できるものの、全体として見れば、発電出力が変動することは避けられない。さらに、台風の通過や冬の嵐など強風が吹く日には、風車を停止しなければならない場合がある。また、微風が続いて蓄電する必要がない日が続く場合もある。

このような再生可能エネルギーの不安定な出力を補償するために、電力貯蔵装置と組み合わせることが行われている。電力貯蔵装置としては、リチウム電池やＮＡＳ電池などの化学的二次電池が一般的であるが、圧縮空気の形で貯蔵して再発電する圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）技術も知られている。

ＣＡＥＳ技術を利用した代表的な公知技術として、特許文献１〜３に開示のものがある。特許文献１〜３のいずれにおいても、圧縮機による圧縮工程で発生する熱を回収することによりエネルギー貯蔵効率を高めている。

しかしながら、いずれも、オフピーク時における不要電力（再生可能エネルギーによる発電電力のように大きな変動はしない）を用いて、地下洞窟等の大型の貯蔵空間に圧縮空気を貯蔵することを前提にしている。太陽光や風力等の再生可能エネルギーを用いた発電のように、変動する電力の平滑化や電力系統の周波数を安定化させることを目的としていない。充電や発電の停止を頻繁におこなうことを前提にした機械ではない。
また、圧縮機で吸収すべき電力が頻繁に変化する場合、圧縮機を駆動する動力を変動させて吸収電力量を変化させることについて開示がない。これらの技術では、遠心式の圧縮機・膨張機を使用することを前提にしており、安定した運転をするには、圧縮機・膨張機の回転数を頻繁に変化させることはできない。

このため、出願人は、再生可能エネルギーの電力の平滑化や電力系統の周波数の安定化を目的とする次のようなＣＡＳＥ技術を提案している。

特許文献４は充放電効率を維持するために、圧縮機下流の熱交換器（クーラ）に流入する熱媒の流量を調整しようとするものである。特許文献５は、高温熱媒と低温熱媒の混合を防止するために高温熱媒タンクを複数設けるものである。特許文献６は、余剰電力をヒータに通電して熱媒を加熱するものである。
これらの従来技術は、再生可能エネルギーの平滑化や電力系統の周波数の安定化には有効であるが、CAES装置を運転停止した後に再起動する場合に、発電機の上流側に配置される熱交換器（予熱用ヒータ）に導入される熱媒温度が低下しているために、再起動直後の放電電力が低下するという問題がある。

熱媒タンクそのものは断熱材などによりほぼ完ぺきに断熱することができるが、熱交換機内の流路、熱媒ポンプ、接続配管などに残された熱媒は温度低下が免れない。また、高温の熱媒タンク内に十分な量の熱媒を残した状態でＣＡＳＥ装置が停止しているとは限らない。発電機を再起動した場合、これらの低温熱媒を用いて予熱用ヒータで空気を予熱しても十分な温度に加熱できず、放電電力が低下してしまう。

特許文献４〜６において発電開始時の発電量の低下を防ぐためには、高温熱媒タンクに十分な量の高温熱媒を蓄えた状態で、熱媒ポンプを作動させて高温熱媒を循環させてから発電することが考えられるが、発電開始までに数分から十数分の時間を要するし、その循環させた分だけ高温熱媒を無駄にして貯蔵したエネルギーが無駄になる。

特開２０１２−９７７３７号公報 特表２０１３−５１２４１０号公報 特表２０１３−５３６３５７号公報 特開２０１６−２１１４１６号公報 特開２０１６−２１１４６４号公報 特開２０１６−１２１６７５号公報

本発明は、長期間に亘る停止後に再稼働する場合であっても、迅速かつ高効率で発電可能な状態とできる圧縮空気貯蔵発電装置及び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、
吸い込んだ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貯蔵する蓄圧部と、
前記蓄圧部から供給される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圧縮空気と熱媒との間で熱交換することにより、圧縮空気を冷却し、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熱媒を貯蔵する第１蓄熱部と、
前記蓄圧部から前記膨張機に供給される圧縮空気と、前記第１蓄熱部から供給される熱媒との間で熱交換することにより、圧縮空気を加熱し、熱媒を冷却する第２熱交換器と、
前記第２熱交換器で冷却された熱媒を貯蔵して前記第１熱交換器に供給する第２蓄熱部と、
前記第１蓄熱部とは別に設けられ、前記第１蓄熱部に貯蔵される熱媒よりも高温の熱媒を前記第２熱交換器に供給可能に貯蔵する第３蓄熱部と、
前記第１熱交換器から前記第３蓄熱部に熱媒を供給可能とする熱媒流路とを備え、
前記第３蓄熱部は、入口側及び出口側の断熱継手を介して前記熱媒流路に接続されている、圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。

この構成により、運転停止後に再起動する際、熱媒の温度が低下している場合であっても、第３蓄熱部から膨張機に第１蓄熱部よりも高温の熱媒を供給することができるので、発電の開始直後から効率よく運転できる。

この構成により、特別な加熱手段を追加することなく、第１熱交換器で昇温された熱媒を第３蓄熱部に貯蔵できる。第１熱交換器は充電時に利用される大型のものであるので、速やかに高温の熱媒を確保できる。

前記圧縮機及び前記第１熱交換器は複数組からなり、
前記第１熱交換器のうち、前記第３蓄熱部に熱媒を供給するいずれかの第１熱交換器を選択可能とする選択手段をさらに備えているのが好ましい。

この構成により、圧縮機によって充電を行いながら、必要に応じて特定の第１熱交換器から第３蓄熱部に熱媒を供給して貯蔵できる。

前記第３蓄熱部は、貯蔵される熱媒を加熱する第１加熱手段を備えているのが好ましい。

この構成により、第３蓄熱部に貯蔵した熱媒を任意のタイミングで加熱できる。

前記熱媒流路に、通過する熱媒を加熱可能な第２加熱手段を備えているのが好ましい。

この構成により、圧縮機を駆動していない状態であっても、第２加熱手段により第２蓄熱部から第３蓄熱部に供給する熱媒を加熱できる。

前記第３蓄熱部と並列に接続される熱媒流路に、通過する熱媒を加熱可能な第３加熱手段を備え、前記熱媒は前記第３蓄熱部と前記第３加熱手段との間で循環可能とされているのが好ましい。

この構成により、第３蓄熱部に特別な構成を採用することなく、別途設けた第３加熱手段により貯蔵する熱媒を加熱できる。

前記第１熱交換器に前記第１蓄熱部から熱媒を供給可能とする熱媒流路と、前記第１蓄熱部又は前記第２蓄熱部に貯蔵される熱媒を前記第１熱交換器に供給可能とする熱媒流路と、前記第１蓄熱部又は前記第２蓄熱部に貯蔵される熱媒のいずれを前記第１熱交換器に供給するのかを選択可能とする選択手段と、をさらに備えているのが好ましい。

この構成により、圧縮機で得られる圧縮空気を十分に加熱できない場合であっても、第１蓄熱部に貯蔵された熱媒を第１熱交換器に供給することにより、高温の熱媒を第３蓄熱部に供給できる。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、
圧縮機を駆動して圧縮空気を吐出させ、前記圧縮空気と熱媒とを第１熱交換器で熱交換することにより熱媒を加熱し、前記圧縮空気を蓄圧部に貯蔵すると共に、前記熱媒を第１蓄熱部に貯蔵する充電運転と、
前記蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気と前記第１蓄熱部に貯蔵された熱媒とを第２熱交換器で熱交換することにより圧縮空気を加熱し、膨張機に供給して駆動し、発電機で発電させると共に、前記熱媒を前記第１熱交換器に供給可能に第２蓄熱部に貯蔵する発電運転とを実行する圧縮空気貯蔵発電方法であって、
前記発電運転の開始時、前記第１蓄熱部よりも高温の熱媒が貯蔵される第３蓄熱部から前記膨張機に熱媒を供給する、圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。

本発明によれば、第１蓄熱部よりも高温の熱媒を第２熱交換器に供給可能に貯蔵する第３蓄熱部を設けるようにしたので、長期間に亘って運転が停止し、熱媒の温度が低下している状態であっても、迅速かつ高効率に発電を開始できる。

第１実施形態に係るＣＡＳＥ装置の概略図である。 図１のＣＡＥＳ装置に採用される制御装置のブロック図である。 図２の制御装置で実行する補助加熱処理の内容を示すフローチャートである。 図２の制御装置で実行する補助加熱処理の内容を示すフローチャートである。 第２実施形態に係るＣＡＳＥ装置の概略図である。 第３実施形態に係るＣＡＳＥ装置の概略図である。

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。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは相違している。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置１の概略を示す。ＣＡＥＳ装置１は、再生可能エネルギー等を利用して発電する発電装置の出力変動を平準化して電力系統に電力を供給したり、ピーク時とオフピーク時の電力需要の変動に合わせて電力を電力系統との間で消費・供給したりする。ＣＡＥＳ発電装置１は、空気流路系２と、熱媒流路系３とに分けて把握できる。

（空気流路系２）
空気流路系２には、圧縮機４、第１熱交換器５、蓄圧部の一例である蓄圧タンク６、第２熱交換器７、及び膨張機８が、空気の流動方向に向かってこの順で設けられている。圧縮機４及び第１熱交換器５は、直列に接続された１組が３組並列に設けられている。第２熱交換器７及び膨張機８も、直列に接続された１組が３組並列に設けられている。空気流路系２は、空気流路９ａ〜９ｄを備える。図１では、空気流路９ａ〜９ｄを実線で図示している。

圧縮機４には、電動機１０が機械的に接続されている。電動機１０には、図示しない発電装置が電力系統Ｐを介して電気的に接続されている。発電装置は、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。但し、電力源は、これらの再生可能エネルギーに限定されるものではない。電動機１０は、発電装置からの変動する入力電力によって駆動される。電動機１０の駆動により、圧縮機４の吸込口から空気流路９ａを介して外気が吸い込まれるようになっている。各圧縮機４の吐出口は、空気流路９ｂの個別流路９ｂ１にそれぞれ接続され、合流した共通流路９ｂ２を介して蓄圧タンク６の入口に流体的に接続されている。各個別流路９ｂ１には、第１熱交換器５がそれぞれ設けられている。

本実施形態の圧縮機４は、スクリュ式である。スクリュ式の圧縮機４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発電装置の構成要素として好ましい。圧縮機４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６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６の入口には、共通流路９ｂ２が接続されている。共通流路９ｂ２には、開閉制御可能な弁Ｖ１が設けられている。蓄圧タンク６の出口には、空気流路９ｃの共通流路９ｃ１が接続されている。共通流路９ｃ１には開閉制御可能な弁Ｖ２が設けられている。共通流路９ｃ１から分岐した個別流路９ｃ２は膨張機８の給気口にそれぞれ流体的に接続されている。各個別流路９ｃ２には、第２熱交換器７がそれぞれ設けられている。

各膨張機８には、発電機１１がそれぞれ機械的に接続されている。各発電機１１は図示しない電力系統に電気的に接続されるほか、後述する第１ヒータ２３及び第２ヒータ２６にも電気的に接続されている。１つの発電機１１と残る２つの発電機１１との間の電力線は、スイッチＳＷによって開閉されるようになっている。スイッチＳＷを開放することにより、第１ヒータ２３及び第２ヒータ２６には、１つの発電機１１のみから電力を供給できるようになっている。膨張機８の排気口には、排気のための空気流路９ｄが流体的に接続されている。

本実施形態の膨張機８は、スクリュ式である。スクリュ式の膨張機８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。

（熱媒流路系３）
熱媒流路系３には、第１熱交換器５、第１蓄熱部の一例である第１蓄熱タンク１２、第２熱交換器７、及び、第２蓄熱部の一例である第２蓄熱タンク１３が、熱媒の流動方向に向かってこの順で設けられている。第１蓄熱タンク１２には、第３蓄熱部の一例である第３蓄熱タンク１４が並列接続されている。

熱媒流路系３は、熱媒流路１５ａ〜１５ｃを備える。図１では、熱媒流路１５ａ〜１５ｃを点線で図示している。熱媒流路１５ａ、１５ｂには、ポンプ１６Ａ，１６Ｂの駆動により熱媒が循環可能となっている。熱媒の種類は特に限定されないが、例えば鉱物油系またはグリコール系の熱媒を使用できる。

第１蓄熱タンク１２及び第３蓄熱タンク１４は断熱構造を有している。

第１蓄熱タンク１２には、第１熱交換器５によって圧縮空気から吸熱して高温となった熱媒が貯蔵される。第１蓄熱タンク１２に貯蔵される熱媒の温度は、第１温度検出センサ１７によって検出され、熱媒の液面位置は、第１液面センサ１８によって検出される。

第２蓄熱タンク１３には、第２熱交換器７によって圧縮空気に放熱して低温となった熱媒が貯蔵される。第２蓄熱タンク１３に貯蔵される熱媒の温度は、第２温度検出センサ１９によって検出され、貯蔵される熱媒の液面位置は、第２液面センサ２０によって検出される。

第３蓄熱タンク１４は、第１蓄熱タンク１２から延びる熱媒流路１５ｂの共通流路１５ｂ１から分岐した熱媒流路１５ｃの途中に設けられている。第３蓄熱タンク１４の容量は、第１蓄熱タンク１２に比べて小さく、第１蓄熱タンク１２から膨張機８に至る熱媒流動領域の総容量の３〜１０倍程度とされている。第３蓄熱タンク１４に貯蔵される熱媒の温度は第３温度検出センサ２１によって検出され、熱媒の液面位置は第３液面センサ２２によって検出される。第３蓄熱タンク１４内には、貯蔵された熱媒を加熱する、第１加熱手段である第１ヒータ２３が収容されている。第３蓄熱タンク１４は、入口側及び出口側の断熱継手２４ａ，２４ｂを介して熱媒流路１５ｃに接続されている。これにより、第３蓄熱タンク１４から熱媒流路１５ｃへと熱伝達されるのを防止している。第３蓄熱タンク１４については、真空断熱等により前記第１蓄熱タンク１２に比べて厳重な断熱を施すことが望ましい。熱媒流路１５ｃの一端側である、第３蓄熱タンク１４の上流側には開閉制御可能な弁Ｖ３が設けられている。また、熱媒流路１５ｃには、第３蓄熱タンク１４の下流側に第４温度検出センサ２５と、第２加熱手段である第２ヒータ２６とが設けられている。第１ヒータ２３と第２ヒータ２６には、発電機１１又は電力系統から供給される電力で加熱できるようになっている。熱媒流路１５ｃの他端側は分岐して、第１熱交換器５の入口側及び出口側にそれぞれ接続されている。分岐した各熱媒流路１５ｃ１，１５ｃ２には弁Ｖ４，Ｖ５がそれぞれ開閉制御可能に設けられている。なお、第３蓄熱タンク１４には、第１蓄熱タンク１２あるいは第２蓄熱タンク１３からの熱媒が貯蔵されるようになっている。

第１〜４温度検出センサ１７，１９，２１，２５及び第１〜３液面センサ１８，２０，２２での検出信号は、後述する制御装置２１に入力される。

各第１熱交換器５は、第２蓄熱タンク１３から延びる熱媒流路１５ａの共通流路１５ａ１から分岐した個別流路１５ａ２の途中にそれぞれ設けられている。各個別流路１５ａ２には、第１熱交換器５に至るまでに開閉制御可能な弁Ｖ６と、ポンプ１６Ａとがそれぞれ設けられている。各個別流路１５ａ２は共通流路１５ａ３に合流して第１蓄熱タンク１２に流体的に接続されている。共通流路１５ａ３には、第１蓄熱タンク１２の入口側の手前に配置される弁Ｖ７と、最も第３蓄熱タンク１４に近い第１熱交換器５Ａの間に配置される弁Ｖ８とが開閉制御可能に設けられている。

各第２熱交換器７は、第１蓄熱タンク１２から延びる熱媒流路１５ｂの共通流路１５ｂ１から分岐した個別流路１５ｂ２の途中にそれぞれ設けられている。共通流路１５ｂ１には、第１蓄熱タンク１２の出口側近傍に開閉制御可能な弁Ｖ９が設けられている。各個別流路１５ｂ２には、第２熱交換器７に至るまでに開閉制御可能な弁Ｖ１０と、ポンプ１６Ｂとがそれぞれ設けられている。各個別流路１５ｂ２は共通流路１５ｂ３に合流して第２蓄熱タンク１３に流体的に接続されている。

（圧縮機ユニット）
圧縮機４、電動機１０、第１熱交換器５、ポンプ１６Ａは、圧縮機ユニット１９を構成する。圧縮機ユニット１９は、複数台の圧縮機４と、複数台の第１熱交換器５とを備えていてもよい。また、圧縮機４と第１熱交換器５はそれぞれ１台で構成することもできる。

（発電機ユニット）
膨張機８、発電機１１、第２熱交換器７、ポンプ１６Ｂは、発電機ユニット２０を構成する。発電機ユニット２０は、複数台の膨張機８と、複数台の第２熱交換器７とを備えていてもよい。また、膨張機８と第２熱交換器７はそれぞれ１台で構成することもできる。

（制御装置）
図２は、図１のＣＡＥＳ装置に採用される制御装置２１のブロック図である。図２において、制御装置２１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る制御手段の一例である。図２に示すように、制御装置２１は、第１〜４温度検出センサ１７，１９，２１，２５、第１〜３液面センサ１８，２０，２２等からの入力信号に基づいて、ポンプ１６Ａ〜１６Ｃ、弁Ｖ１〜Ｖ９等を駆動制御する。

次に、前記構成からなるＣＡＥＳ発電装置１の動作を充電運転と発電運転とに分けて説明する。

（充電運転）
充電運転では、発電装置からの電力により電動機１０を駆動し、各圧縮機４を作動させる。バルブＶ１，Ｖ６〜Ｖ８を開放し、バルブＶ２，Ｖ４，Ｖ９，Ｖ１０を閉鎖する。そして、ポンプ１６Ａを駆動する。電動機１０の駆動により、圧縮機４に外気が吸い込まれ、圧縮空気として吐出される。吐出された圧縮空気は、第１熱交換器５を通過し、熱媒と熱交換されてほぼ外気温度まで冷却された後、蓄圧タンク６へと貯蔵される。また、ポンプ１６Ａの駆動により、第２蓄熱タンク１３から第１熱交換器５に供給された熱媒は、圧縮空気から吸熱して（好ましくは、150〜200℃まで）昇温した後、第１蓄熱タンク１２に貯蔵される。

（発電運転）
発電運転では、バルブＶ２，Ｖ９，Ｖ１０を開放し、バルブＶ１，Ｖ６，Ｖ７を閉鎖する。そして、ポンプ１６Ｂを駆動する。バルブＶ２の開放により、蓄圧タンク６から送出された圧縮空気が、空気流路９ｃを通って膨張機８の給気口８ａに供給される。圧縮空気は、膨張機８に供給される前に、第２熱交換器７を通過して、第１蓄熱タンク１２からの熱媒と熱交換されることにより加熱される。第１蓄熱タンク１２に貯留される熱媒は、前述の充電運転で十分に加熱されている。したがって、圧縮空気を十分に昇温できる。十分に加熱された圧縮空気は、給気口を介して膨張機８内に供給される。これにより、膨張機８が作動し、発電機１１を駆動する。発電機１１で発電した電力は電力系統Ｐに供給される。膨張機８で膨張された空気は、排気口から空気流路９ｄを通って排気される。第２熱交換器７で圧縮空気に放熱することにより降温した熱媒は、第２蓄熱タンク１３に貯蔵される。

ところで、ＣＡＥＳ装置１では、発電装置が順調に稼働し、連続して充電あるいは放電している間は問題ないが、長時間に亘って停止した場合、熱媒の温度が低下してしまう。特に、熱媒流路１５ｂや第２熱交換器７等では、第１蓄熱タンク１２に比べて、熱媒量が少ない上、熱媒体積に対する表面面積が大きいため、熱放散しやすい。

そこで、ＣＡＳＥ装置を長期間停止する場合、発電運転において、図３及び図４に示すフローチャートに従って、次のようにして膨張機８に供給する熱媒の温度を上昇させる補助加熱処理を実行する。

まず、第３液面センサ２２での検出信号に基づいて、第３蓄熱タンク１４内の熱媒の容量（実熱媒容量ｖ）を算出する（ステップＳ１）。続いて、実熱媒容量ｖが予め設定した容量（設定容量Ｖ）以上であるか否かを判断する（ステップＳ２）。ここでは、設定容量Ｖとして、例えば、熱媒流路１５ｂ，１５ｃの第３蓄熱タンク１４から膨張機８に至るまでの熱媒が流動する領域の総容量の２〜３倍としている。

実熱媒容量ｖが設定容量Ｖ以上であれば（ステップＳ２：ＹＥＳ）、第３温度検出センサ２１での検出信号に基づいて、第３蓄熱タンク１４内の熱媒の温度（実熱媒温度ｔ）を読み込む（ステップＳ３）。そして、実熱媒温度が予め設定した温度（設定温度Ｔ）以上であるか否かを判断する（ステップＳ４）。ここでは、設定温度Ｔを、第１蓄熱タンク１２内の熱媒の温度よりも高い値（例えば、１５０〜２００℃）としている。

実熱媒温度ｔが設定温度Ｔ以上である場合(ステップＳ４：ＹＥＳ）、弁Ｖ３を開放し（ステップＳ５）、ポンプ１６Ｂの駆動を開始する（ステップＳ６）。このとき、弁Ｖ９は閉じておき、第１蓄熱タンク１２から膨張機８へと熱媒が供給されることを防止する。また、他の弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ４〜Ｖ８，Ｖ１０の開閉状態は、前記発電運転の場合と同様とする。これにより、第１蓄熱タンク１２よりも高温である第３蓄熱タンク１４内の熱媒を第２熱交換器７へと供給できる。したがって、長期に亘って運転を停止して熱媒流路１５ｂ，１５ｃ等の熱媒の温度が低下している場合であっても、膨張機８に第２熱交換器７で十分に加熱した温度の高い熱媒を供給して迅速かつ高効率の発電を開始させることが可能となる。

実熱媒温度ｔが設定温度Ｔ未満である場合（ステップＳ４：ＮＯ）、弁Ｖ３を閉鎖し（ステップＳ７）、第３蓄熱タンク１４内の第１ヒータ２３への通電を開始する（ステップＳ８）。これにより、第３蓄熱タンク１４内の熱媒が加熱される。第１ヒータ２３により熱媒を加熱した結果、実熱媒温度ｔが設定温度Ｔ以上となれば、前記ステップＳ５及びステップＳ６の処理を実行する。

実熱媒容量ｖが設定容量Ｖ未満であれば（ステップＳ２：ＮＯ）、弁Ｖ３を閉鎖し（ステップＳ９）、充電運転中であるか否かを判断する（ステップＳ１０）。充電運転中であれば、第１熱交換器５で圧縮空気により通過する熱媒を加熱することができるので、弁Ｖ４を開放し、弁Ｖ５，Ｖ８を閉鎖する(ステップＳ１１）。そして、最も第３蓄熱タンク１４に近い位置のポンプ１６Ａを駆動する（ステップＳ１２）。これにより、第２蓄熱タンク１３から供給される熱媒が第１熱交換器５で加熱されて第３蓄熱タンク１４へと流入する。また、充電運転中でなければ、弁Ｖ５を開放し、弁Ｖ４、Ｖ８を閉鎖する（ステップＳ１３）。そして、ポンプ１６Ａを駆動することにより（ステップＳ１２）、第２蓄熱タンク１３内の熱媒を直接、第３蓄熱タンク１４内へと流入させる。

第３蓄熱タンク１４内での実熱媒容量ｖが設定容量Ｖ以上となれば、前記同様、実熱媒温度ｔを読み込み（ステップＳ１４）、実熱媒温度ｔが設定温度Ｔ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１５）。実熱媒温度ｔが設定温度Ｔ以上であれば、前記同様、弁Ｖ３を開放し（ステップＳ１６）、ポンプ１６Ｂの駆動を開始する（ステップＳ１７）。実熱媒温度ｔが設定温度Ｔ未満であれば、弁Ｖ３を閉鎖し（ステップＳ１８）、第１ヒータ２３に通電する（ステップＳ１９）。ここで、第４温度検出センサ２５での検出温度ｔ２を読み込み（ステップＳ２０）、この検出温度ｔ２と設定温度Ｔ２とを比較する（ステップＳ２１）。検出温度ｔ２が設定温度Ｔ２以上であれば、第１ヒータ２３のみによって熱媒を十分に加熱できると判断し、第２ヒータ２６には通電しない。一方、検出温度ｔ２が設定温度Ｔ２未満でれば、第１ヒータ２３のみでは熱媒の加熱が不十分になると判断し、第２ヒータ２６に通電する（ステップＳ２２）。

このようにして、前記補助加熱処理を実行することにより、ＣＡＳＥ発電装置１の駆動を長期間停止し、熱媒の温度が低下している場合の発電運転であっても、第３蓄熱タンク１４内の熱媒を第１ヒータ２３によって加熱する等により、当初から第２熱交換器７に高温の熱媒を供給できる。したがって、膨張機８に供給する圧縮空気の温度を高めて発電を迅速かつ高効率に開始させることが可能となる。

なお、圧縮機４は３台全て作動させて各第１熱交換器５で加熱した熱媒を第３蓄熱タンク１４に供給するようにしてもよいが、弁Ｖ８を閉鎖することにより１台のみを作動させて、対応する１台の第１熱交換器５で加熱した熱媒だけを第３蓄熱タンク１４に供給するようにしてもよい。これによれば、長期間の運転停止後に充填運転と発電運転を同時に行う場合であっても、対処することができる。

また、第２ヒータ２６は、第１ヒータ２３での加熱では不十分な場合にのみ使用するようにしたが、同時にあるいは第２ヒータ２６のみで熱媒を加熱するようにしてもよい。また、第１熱交換器５も同様に、単独、あるいは、第１ヒータ２３又は第２ヒータ２６の少なくともいずれか一方と組み合わせて熱媒を加熱するようにしてもよい。

第３蓄熱タンク１４の熱媒は、３つの第２熱交換器７の全てに供給するようにしたが、いずれか１つのみに供給するようにしてもよい。再起動時に必要とされる発電電力が少ない場合、熱媒をいずれか１つの第２熱交換器７のみに供給することで発電効率を高めることができる。この場合、弁Ｖ１０のいずれか１つのみを開放し、他を閉鎖すればよい。

３台全ての発電機１１から第１ヒータ２３等に電力を供給させるようにしてもよいが、スイッチＳＷを開放し、１台の発電機１１のみからとしてもよい。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係るＣＡＳＥ発電装置１を示す。このＣＡＥＳ発電装置１では、第３蓄熱タンク１４に第１ヒータ２３を設ける代わりに、第３蓄熱タンク１４に熱媒流路１５ｄを並列接続し、この熱媒流路１５ｄの途中にポンプ１６Ｃ、第３ヒータ２７及び弁Ｖ１１を設けている。また、熱媒流路１５ｃ側にも弁Ｖ１２を設けている。そして、第３蓄熱タンク１４内の熱媒を加熱する場合、弁Ｖ１２を閉鎖し、ポンプ１６Ｃを駆動する。これにより、熱媒流路１５ｄで熱媒が循環するように流動し、その際第３ヒータ２７によって熱媒が加熱される。なお、前記第１実施形態とは、これ以外の構成は同一であるので、対応する部材に対応する符号を付してその説明を省略する。

第２実施形態によれば、第３蓄熱タンク１４に構成上の特別な工夫を必要とすることなく、熱媒流路１５ｄの途中にポンプ１６Ｃ、第３ヒータ２７及び弁Ｖ１１，Ｖ１２を設けただけで第３蓄熱タンク１４内の熱媒を加熱するための構成を得ることができる。

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係るＣＡＥＳ発電装置１を示す。このＣＡＳＥ発電装置１では、第１蓄熱タンク１２を第１熱交換器５に接続する熱媒流路１５ｅと、第２蓄熱タンク１３を第１熱交換器５に接続する熱媒流路１５ｆとが形成されている。共通流路１５ａ１に対して第１蓄熱タンク１２と第２蓄熱タンク１３から接続される各熱媒流路１５ｅ，１５ｆの途中には弁Ｖ１３，Ｖ１４がそれぞれ設けられている。また、共通流路１５ａ１は、熱媒流路１５ｃの途中に、第１蓄熱タンク１２と第３蓄熱タンク１４との間の位置で接続されている。なお、前記第２実施形態とは、これ以外の構成は同一であるので、対応する部材に対応する符号を付してその説明を省略する。

第３実施形態では、通常の充電運転では、弁Ｖ１４を開放すると共に弁Ｖ１３を閉鎖することにより、各第１熱交換器５には第２蓄熱タンク１３から熱媒を供給する。しかしながら、圧縮機４に吸い込む外気温度が低い場合等、第１熱交換器５で熱媒を十分に加熱できない場合、弁Ｖ１４を閉鎖すると共に弁Ｖ１３を開放することにより、各第１熱交換器５には第１蓄熱タンク１２から熱媒を供給する。第１蓄熱タンク１２には、第２蓄熱タンク１３に比べて十分に高温の熱媒が貯蔵されている。したがって、第１熱交換器５で、通過する空気温度がそれ程高くなくても、十分に熱媒を昇温できる。

このように、第３実施形態によれば、第１熱交換器５で第２蓄熱タンク１３から供給した熱媒を十分に昇温できない場合、より高温の熱媒が収容された第１蓄熱タンク１２から供給することができる。したがって、第３蓄熱タンク１４に貯蔵する熱媒を早期に所望の温度とすることができる。

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、膨張機８及び圧縮機４は共に３台ずつ設ける例について説明したが、いずれも１台、２台あるいは４台以上ずつ設けるようにしてもよい。また、膨張機８と圧縮機４の台数は必ずしも同数でなくてもよい。

さらに、前記実施形態では、圧縮機４と膨張機８を別々に設けているが、圧縮機を逆回転させて膨張機として機能させることにより、圧縮機兼膨張機として一体化してもよい。

１…ＣＡＥＳ装置
２…空気流路系
３…熱媒流路系
４…圧縮機
５…第１熱交換器
６…蓄圧タンク
７…第２熱交換器
８…膨張機
９…空気流路
１０…電動機
１１…発電機
１２…第１蓄熱タンク
１３…第２蓄熱タンク
１４…第３蓄熱タンク
１５…熱媒流路
１６Ａ〜１６Ｃ…ポンプ
１７…第１温度検出センサ
１８…第１液面センサ
１９…第２温度検出センサ
２０…第２液面センサ
２１…第３温度検出センサ
２２…第３液面センサ
２３…第１ヒータ
２４…断熱継手
２５…第４温度検出センサ
２６…第２ヒータ
２７…第３ヒータ
Ｖ１〜Ｖ１４…弁

Claims (8)

1. 吸い込んだ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貯蔵する蓄圧部と、
   前記蓄圧部から供給される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圧縮空気と熱媒との間で熱交換することにより、圧縮空気を冷却し、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熱媒を貯蔵する第１蓄熱部と、
   前記蓄圧部から前記膨張機に供給される圧縮空気と、前記第１蓄熱部から供給される熱媒との間で熱交換することにより、圧縮空気を加熱し、熱媒を冷却する第２熱交換器と、
   前記第２熱交換器で冷却された熱媒を貯蔵して前記第１熱交換器に供給する第２蓄熱部と、
   前記第１蓄熱部とは別に設けられ、前記第１蓄熱部に貯蔵される熱媒よりも高温の熱媒を前記第２熱交換器に供給可能に貯蔵する第３蓄熱部と、
   前記第１熱交換器から前記第３蓄熱部に熱媒を供給可能とする熱媒流路と
   を備え、
   前記第３蓄熱部は、入口側及び出口側の断熱継手を介して前記熱媒流路に接続されている、圧縮空気貯蔵発電装置。
2. 前記圧縮機及び前記第１熱交換器は複数組からなり、
   前記第１熱交換器のうち、前記第３蓄熱部に熱媒を供給するいずれかの第１熱交換器を選択可能とする選択手段をさらに備えている、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
3. 前記第３蓄熱部は、貯蔵される熱媒を加熱する第１加熱手段を備えている、請求項１又は２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
4. 前記熱媒流路に、通過する熱媒を加熱可能な第２加熱手段を備えている、請求項１から３のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
5. 前記第３蓄熱部と並列に接続される熱媒流路に、通過する熱媒を加熱可能な第３加熱手段を備え、前記熱媒は前記第３蓄熱部と前記第３加熱手段との間で循環可能とされている、請求項１から４のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
6. 前記第１熱交換器に前記第１蓄熱部から熱媒を供給可能とする熱媒流路と、前記第１蓄熱部又は前記第２蓄熱部に貯蔵される熱媒を前記第１熱交換器に供給可能とする熱媒流路と、前記第１蓄熱部又は前記第２蓄熱部に貯蔵される熱媒のいずれを前記第１熱交換器に供給するのかを選択可能とする選択手段と、をさらに備えている、請求項１から５のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
7. 前記第３蓄熱部は、前記第１蓄熱部に比べて断熱性能が高い、請求項１から６のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
8. 前記第３蓄熱部の容量は、前記第１蓄熱部から前記膨張機に至るまでの熱媒流動領域の総容量の３倍から１０倍である、請求項１から７のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

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