JP6913045B2 - 圧縮空気貯蔵発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置に関する。
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では、天候に応じて出力が変動する。そのため、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、発電量の変動を平滑化するために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。
特許文献１には、複数の圧縮機と膨張機をコンテナ内に配置し、運搬および現地施工を容易にしたＣＡＥＳ発電装置が記載されている。特許文献２には、複数の圧縮機と膨張機の一部を圧縮機能と膨張機能の両方を有する圧縮膨張兼用機としたＣＡＥＳ発電装置が記載されている。
特開２０１６−０６５５３５号公報 特開２０１６−２１１５１５号公報
ＣＡＥＳ発電装置は、要求される出力に応じて大型化することがある。ＣＡＥＳ発電装置が大型化すると、配線および配管が長くなって複雑化し、施工コストも高くなる。しかしながら、特許文献１のＣＡＥＳ発電装置では、コンテナの配置等について詳細な検討がなされておらず、即ち小型化について詳細な検討がなされていない。また、特許文献２のＣＡＥＳ発電装置では、圧縮膨張兼用機を使用することによってＣＡＥＳ発電装置を小型化することについては特段の検討がなされていない。従って、特許文献１，２のＣＡＥＳ発電装置では、小型化について改善の余地がある。
本発明は、運搬および現地施工を容易にするとともに小型化を可能にした圧縮空気貯蔵発電装置を提供することを課題とする。
本発明は、電力を使用して空気を圧縮する機能および圧縮空気を膨張させることによって発電する機能を有する複数の圧縮膨張兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、前記圧縮空気と熱媒とで熱交換することで、前記圧縮膨張兼用機から前記蓄圧部に供給する前記圧縮空気を冷却し前記熱媒を加熱するか、または、前記蓄圧部から前記圧縮膨張兼用機に供給される前記圧縮空気を加熱し前記熱媒を冷却する複数の熱交換器と、前記熱交換器と流体的に接続され、前記熱媒を貯蔵する蓄熱部と、直方体状の複数の第１コンテナとを備え、前記複数の第１コンテナのそれぞれには、前記複数の圧縮膨張兼用機および前記複数の熱交換器が収容されており、前記複数の第１コンテナは、長辺側側面が向かい合うように並べて配置され、前記第１コンテナの前記長辺側側面には、前記圧縮膨張兼用機をコンテナ外部と連通するための配管の出口である通気口が設けられ、前記第１コンテナの短辺側側面には、前記圧縮膨張兼用機と前記蓄圧部とを流体的に接続する空気配管を取り出す第１取出口と、前記熱交換器と前記蓄熱部とを流体的に接続する熱媒配管を取り出す第２取出口とが設けられている、圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。
この構成によれば、再生可能エネルギー等によって発電された電力量の変動に対し、電力が余剰である場合は余剰な電力を利用して圧縮膨張兼用機を圧縮機として駆動し、圧縮空気を蓄圧部に貯蔵する。電力が不足する場合は蓄圧部の圧縮空気を利用して圧縮膨張兼用機を膨張機として駆動し、発電する。このように圧縮膨張兼用機を適時に切り替えて使用するため、圧縮機および膨張機をそれぞれ設ける場合に比べて、設置台数を少なくでき、結果としてコストも低減できる。また、圧縮膨張兼用機を圧縮機として駆動すると、圧縮熱によって圧縮空気の温度が上昇するが、熱交換器にてこの圧縮熱で熱媒を加熱し、高温熱媒を蓄熱部に貯蔵する。そして、圧縮膨張兼用機を膨張機として駆動するとき、熱交換器にて蓄熱部の高温熱媒を用いて圧縮膨張兼用機に供給する圧縮空気を加熱することで、発電効率を向上できる。
また特にこの構成によれば、第１コンテナ内に複数の圧縮膨張兼用機および複数の熱交換器が収容されているため、運搬および現地施工を容易に行うことができる。この第１コンテナでは、大気との接触面積が大きい長辺側側面に通気口が設けられているため、吸気および排気を効率的に行うことができる。短辺側側面には、第１取出口と第２取出口とが設けられているため、長辺側側面が向かい合うように間隔を詰めて複数の第１コンテナを並べて配置しても、空気配管および熱媒配管の取り回しを邪魔することがない。従って、第１コンテナ、蓄圧部、および蓄熱部等を効率的に少ない面積で配置できるため、ＣＡＥＳ発電装置を小型化できる。ここで、第１コンテナの長辺側側面とは、設置面に垂直な側面だけでなく、設置面に平行な上面も含む。また、空気配管は、圧縮膨張兼用機と蓄圧部を直接的に接続するものだけでなく、間接的に接続するものも含む。
前記通気口は、前記長辺側側面のうちの一つの面にのみ設けられていると共に、前記複数の圧縮膨張兼用機に応じて複数の個所に設けられていてもよい。
この構成によれば、各第１コンテナにおいて通気口が同じ面に設けられているため、メンテナンス性を向上させることができる。一般に、通気口と圧縮膨張兼用機は配管によって接続されているため、第１コンテナにおいて通気口が設けられている面は開閉し難い。従って、仮に通気口が複数の面に設けられると、開閉できる面が限定され、メンテナンス性が悪化する。換言すれば、本構成のように全ての通気口を同じ面に設けると、その他の面を容易に開閉させることができるため、メンテナンス性を向上できる。また、その他の面を開閉式にしない場合でも、第１コンテナの付近をメンテナンス従事者等が移動する際に通気口が設けられていない側を移動することで、吸気および排気の影響を受けることなく安全に移動できる。
前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記複数の圧縮膨張兼用機に流体的に接続され、前記複数の圧縮膨張兼用機が駆動するときの圧力よりも高圧で使用する高圧段機をさらに備え、前記高圧段機は、前記第１コンテナ内において前記第１取出口に隣接して配置されていてもよい。
この構成によれば、高圧段機が圧縮機として機能する場合、空気を高圧に圧縮できる。従って、蓄圧部に貯蔵する圧縮空気の圧力を高めることができるため、蓄圧部を小型化できる。また、高圧段機が膨張機として機能する場合、高圧の圧縮空気を利用した発電が可能となる。具体的には、仮に高圧段機が設けられておらず、発電のために高圧の圧縮空気を圧縮膨張兼用機に給気しようとすると、耐圧性能に応じて給気圧力を減圧する必要がある。このとき、給気圧力を減圧することによって、減圧分のエネルギーロスが生じる。しかし、高圧段機を設けることによって利用できる圧力範囲を拡張できるため、エネルギーロスを低減でき、発電効率を向上できる。なお、高圧段機は、圧縮機、膨張機、または、圧縮膨張兼用機のいずれでもあり得る。また、高圧段機は、第１コンテナ内において第１取出口に隣接して配置されていることで、蓄圧部との接続が容易となる。
前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記圧縮膨張兼用機の駆動に関連する電気部品と、前記電気部品を収容する第２コンテナとをさらに備えてもよい。
この構成によれば、電気部品と、圧縮膨張兼用機とを、別のコンテナに分けて収容する。従って、圧縮膨張兼用機からの排熱による悪影響を電気部品に与えることを防止できる。ここで、電気部品は、例えば、インバータ、コンバータ、制動抵抗、および制御盤等を含む。
前記熱交換器と前記蓄熱部との間で前記熱媒を流動させる熱媒ポンプをさらに備え、前記熱媒ポンプは、前記第２コンテナ内に収容されていてもよい。
この構成によれば、熱媒ポンプによって熱交換器における安定した熱交換を可能にするとともに、熱媒ポンプの運搬および現地施工を容易にできる。
前記第１コンテナ内には、前記圧縮膨張兼用機にて使用される油を冷却するための冷却水が流動する冷却水配管が設けられ、前記第１コンテナの短辺側側面には、前記冷却水配管を取り出す第３取出口が設けられていてもよい。
この構成によれば、冷却水によって圧縮膨張兼用機にて使用される油を冷却できるため、圧縮膨張兼用機の過剰な温度上昇を抑制できる。また、第１コンテナの短辺側側面に第３取出口を設けているので、前述のように第１コンテナを長辺側側面が向かい合うように並べて配置しても冷却水配管の取り回しを邪魔することがない。従って、各構成要素を効率的に配置できる。
前記空気配管は、前記蓄圧部から延びる送圧管部と、前記送圧管部と前記圧縮膨張兼用機とを連結する連結管部とを有し、前記送圧管部を挟んで両側に複数の前記第１コンテナが配置され、前記第１コンテナの前記短辺側側面が前記送圧管部に向けられてもよい。
この構成によれば、送圧管部を挟んで両側に第１コンテナを配置するため、片側に配置する場合と比べて圧縮空気貯蔵発電装置を小型化できる。また、第１コンテナの短辺側側面が送圧管部に向けられているため、多くの第１コンテナを送圧管部に沿って配置できる。
本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置において、運搬および現地施工を容易にするとともに小型化を図ることができる。
本発明の第１実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の斜視図。 圧縮空気貯蔵発電装置の平面図。 圧縮空気貯蔵発電装置の部分的な拡大図。 第１コンテナの外部を示す平面図。 第１コンテナの外部を示す正面図。 第１コンテナの内部を示す平面図。 第１コンテナの内部を示す正面図。 第２コンテナの内部を示す平面図。 第２コンテナの内部を示す正面図。 第２実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の平面図。
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）
図１を参照して、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置１は、風力発電所２に電気的に接続されている。風力発電所２の発電量は天喉等に応じて変動するため、この変動する発電量を平滑化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。ただし、風力発電所２は、再生可能エネルギー等を利用した発電量が変動する設備の一例である。
ＣＡＥＳ発電装置１は、機械部品を収容する第１コンテナ１０と、電気部品を収容する第２コンテナ２０と、これらの外部に配置された蓄圧部３０および蓄熱部４０とを備える。第１コンテナ１０と蓄圧部３０は、空気配管３１を介して接続されている。蓄熱部４０と、第１コンテナ１０および第２コンテナ２０とは、熱媒配管４１（図２の破線参照）を介して接続されている。図１では、図示が煩雑になるのを防ぐために、ＣＡＥＳ発電装置１の一部の図示が省略されている。
図２を参照して、第１コンテナ１０は、直方体形状を有し、その長辺側側面１１が向かい合うように複数並べて配置されている。本実施形態では、第１コンテナ１０は空気配管３１の送圧管部３１ａに沿って２列で並べられている。並び方向における第１コンテナ１０の間隔は、等間隔であり、例えば人が通ることのできる程度の間隔である。２列の第１コンテナ１０の間には、複数の直方体状の第２コンテナ２０が１列で並べて配置されている。具体的には、第２コンテナ２０は、第１コンテナ１０と同様にその長辺側側面２０ａが向かい合うように複数並べて配置され、第１コンテナ１０の並び方向に沿って等間隔に配置されている。本実施形態では、２個の第１コンテナ１０に対して１個の第２コンテナ２０が設けられており、これらは図示しない電気配線で電気的に接続されている。なお、図２では、第１コンテナ１０と第２コンテナ２０とを区別するために、第２コンテナ２０には仮想的に斜線を付している。
蓄圧部３０は、図１および図２において概念的に示されている。蓄圧部３０には、圧縮空気が貯蔵されている。蓄圧部３０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間であり得る。蓄圧部３０は、後述するように第１コンテナ１０内の圧縮膨張兼用機１３（図６参照）および高圧段機１４（図６参照）と空気配管３１を介して流体的に接続されている。
第１コンテナ１０と第２コンテナ２０との間には、蓄熱部４０として高温熱媒タンク４２と低温熱媒タンク４３が配置されている。高温熱媒タンク４２と低温熱媒タンク４３は、１つの第１コンテナ１０に対して、それぞれ１つずつ設けられている。高温熱媒タンク４２と低温熱媒タンク４３は、例えば鋼製のタンクである。高温熱媒タンク４２には高温の熱媒が貯蔵されており、低温熱媒タンク４３には低温の熱媒が貯蔵されている。高温熱媒タンク４２と低温熱媒タンク４３は、後述するように第１コンテナ１０内の熱交換器１５（図７参照）および第２コンテナ２０内の熱媒ポンプ２１（図８参照）と熱媒配管４１を介して接続されている。従って、１基の高温熱媒タンク４２と、１基の低温熱媒タンク４３と、１個の第１コンテナ１０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。なお、熱媒配管４１は、接続先を示すために模式的に図示しており、実際の敷設態様とは異なり得る。本実施形態では、高温熱媒タンク４２と低温熱媒タンク４３が、１つの第１コンテナ１０に対して、それぞれ１つずつ設けられているが、複数の第１コンテナが高温熱媒タンクと低温熱媒タンクを共用するようにしてもよい。
図３を参照して、第１コンテナ１０の短辺側側面１２には、空気配管３１を取り出す第１取出口１２ａが設けられている。第１取出口１２ａは、具体的には短辺側側面１２に設けられた貫通孔であり、連結管部３１ｂと概ね同径である。空気配管３１は、太い径の送圧管部３１ａと、細い径の連結管部３１ｂとを有している。本実施形態の送圧管部３１ａは、蓄圧部３０から延びており、平面視においてＵ字型の形状を有している（図２参照）。連結管部３１ｂは、第１取出口１２ａを通って第１コンテナ１０外の送圧管部３１ａと第１コンテナ１０内の圧縮膨張兼用機１３（図６参照）とを連結している。第１コンテナ１０外では、連結管部３１ｂは、第１コンテナ１０の短辺側側面１２と直交する方向に延びている。本実施形態では、連結管部３１ｂは、送圧管部３１ａの上部に接続されている。また、各第１コンテナ１０の長辺側側面１１の上部には、第１コンテナ１０の内外を連通する２つの換気口１１ａが設けられている。
図４および図５を参照して、第１コンテナ１０の外部について説明する。本実施形態では、第１コンテナ１０は、２０フィートサイズのコンテナである。第１コンテナ１０のサイズは、特に限定されないが、コンテナとして標準的に使用される２０フィートサイズまたは４０フィートサイズであることが好ましい。
第１コンテナ１０の長辺側側面１１には、第１コンテナ１０の長手方向に設置されている複数台の圧縮膨張兼用機１３の設置位置に応じて、当該長手方向の複数箇所に分かれた位置に通気口１１ｄが設けられている。また、複数の通気口１１ｄが分かれて設けられている第１コンテナ１０の長手方向に沿って吸排気部１１ｂが設けられている。吸排気部１１ｂは、通気口１１ｄの設置位置に応じて分割して設けてもよいし、通気口１１ｄの設置位置を包含するように一体的に設けてもよい。本実施形態では、第１コンテナ１０の長手方向に沿った３箇所の位置に通気口１１ｄと吸排気部１１ｂとが設けられている。また、通気口１１ｄおよび吸排気部１１ｂは、全て同じ長辺側側面１１（設置される床面に垂直な側面）に設けられており、即ち一つの面にのみ設けられている。また、通気口１１ｄおよび吸排気部１１ｂが設けられた長辺側側面１１と対向する長辺側側面１１には、前述のように２つの換気口１１ａが設けられている。換気口１１ａの設置場所については、第１コンテナ１０の内部の空間的に空いている場所に設ければよく、特に場所的な制約は無い。雨水に配慮した上で第１コンテナ１０の上面に設ければ、第１コンテナ１０の長辺側側面１１の片側をメンテナンススペースとして確保することができる。
第１コンテナ１０の短辺側側面１２には、前述のように第１取出口１２ａが設けられている。また、第１取出口１２ａが設けられた短辺側側面１２と反対側の短辺側側面１２には、熱媒配管４１を取り出す第２取出口１２ｂが設けられている。第２取出口１２ｂは、具体的には短辺側側面１２に設けられた２つの貫通孔であり、ともに熱媒配管４１と概ね同径である。また、後述するように、第１取出口１２ａが設けられた短辺側側面１２と同じ面には冷却水配管１７を取り出す第３取出口１２ｃが設けられている。第３取出口１２ｃは、具体的には短辺側側面１２に設けられた２つの貫通孔であり、ともに冷却水配管１７と概ね同径である。つまり、第１コンテナ１０において、配管の取出口は全て、短辺側側面１２に設けられている。
図６および図７を参照して、第１コンテナ１０の内部について説明する。本実施形態では、第１コンテナ１０内に、機械部品として、３台の圧縮膨張兼用機１３と、１台の高圧段機１４と、７台の熱交換器１５とが収容されている。３台の圧縮膨張兼用機１３は基本的に同じ仕様のものであり、３台の圧縮膨張兼用機１３に接続されている６台の熱交換器１５も基本的に同じ仕様のものである。
圧縮膨張兼用機１３は、２段型のスクリュ式である。圧縮膨張兼用機１３は、低圧段ロータ部１３ａと、高圧段ロータ部１３ｂとを備える。また、圧縮膨張兼用機１３は、低圧段ロータ部１３ａおよび高圧段ロータ部１３ｂに機械的に接続された電動発電機１３ｃを備える。電動発電機１３ｃは、電動機と発電機とが可逆であり兼用されるものが設置スペースが小さく望ましい。各圧縮膨張兼用機１３は、大気に対して吸排気するための吸排気口１３ｄをそれぞれ有している。圧縮膨張兼用機１３の吸排気口１３ｄには、配管１１ｃが接続されており、その配管１１ｃの第１コンテナ１０外への出口である通気口１１ｄが吸排気部１１ｂと通じており、吸排気部１１ｂは、大気に通じる開口部を有している。従って、各圧縮膨張兼用機１３は、吸排気部１１ｂと通気口１１ｄを通じて大気から空気を吸気または大気に排気できる。なお、吸排気部１１ｂは、通気口１１ｄから吸気する際に大気から塵を取り除くエアフィルターと通気口１１ｄから排気された膨張後の空気を大気解放する前に消音する消音器の少なくとも一方を必要に応じて備えていてもよい。エアフィルターと消音器の両方を備える場合には、エアフィルターと消音器の各々に通じるように配管１１ｃを分岐してもよい。その場合、吸気または排気に応じて分岐した配管の何れかに空気を流通させる機能を有するバルブ装置を設けることができる。
圧縮膨張兼用機１３は、風力発電所２によって発電された電力を使用して空気を圧縮する機能および圧縮空気を膨張させることによって発電する機能を有する。従って、圧縮膨張兼用機１３を圧縮機または膨張機として切り替えて使用可能である。圧縮膨張兼用機１３は、例えば１ＭＰａ程度以内の圧力範囲にて使用される。具体的には、大気圧の空気を吸気し１ＭＰａ程度まで圧縮し吐出するか、または、１ＭＰａ程度の圧縮空気を給気され大気圧まで膨張させ排気する。
圧縮膨張兼用機１３が圧縮機として動作するとき、電動発電機１３ｃは電動機（モータ）として動作する。このとき、電動発電機１３ｃは風力発電所２からの電力を使用して低圧段ロータ部１３ａと高圧段ロータ部１３ｂとを回転させ、通気口１１ｄから配管１１ｃを通じて空気を吸気して圧縮する。
圧縮膨張兼用機１３が膨張機として動作するとき、電動発電機１３ｃは発電機として動作する。このとき、低圧段ロータ部１３ａと高圧段ロータ部１３ｂは圧縮空気を給気され、圧縮空気を膨張させることで回転駆動される。電動発電機１３ｃは、低圧段ロータ部１３ａと高圧段ロータ部１３ｂから動力を受けて発電する。ここで膨張された空気は、配管１１ｃの通気口１１ｄを通じて吸排気部１１ｂから排気される。また、各圧縮膨張兼用機１３は並列接続されており、本実施形態では３台の圧縮膨張兼用機１３が１台の高圧段機１４に流体的に接続されている。
高圧段機１４は、圧縮膨張兼用機１３よりも高圧で使用することのできる単段型のスクリュ式である。高圧段機１４は、ロータ部１４ａと、ロータ部１４ａに機械的に接続された電動発電機１４ｂとを有する。高圧段機１４は、第１取出口１２ａと連結管部３１ｂを介して流体的に接続されている。接続を容易にする観点から、高圧段機１４は、第１コンテナ１０内において第１取出口１２ａに隣接して配置されている。
本実施形態では、高圧段機１４は、圧縮膨張兼用機１３と同様に、風力発電所２によって発電された電力を使用して空気を圧縮する機能および圧縮空気を膨張させることによって発電する機能を有する。従って、高圧段機１４を圧縮機または膨張機として切り替えて使用可能である。高圧段機１４は、例えば、例えば１ＭＰａ程度以上かつ２ＭＰａ程度以内の圧力範囲にて使用される。具体的には、１ＭＰａ程度の圧縮空気を吸気し２ＭＰａ程度まで圧縮し吐出するか、または、２ＭＰａ程度の圧縮空気を給気され１ＭＰａ程度まで膨張させ排気する。
高圧段機１４が圧縮機として動作するとき、電動発電機１４ｂは電動機（モータ）として動作する。このとき、電動発電機１４ｂは風力発電所２からの電力を使用してロータ部１４ａを回転させ、圧縮膨張兼用機１３で圧縮した空気を吸気してさらに圧縮し、連結管部３１ｂを通じて吐出する。
高圧段機１４が膨張機として動作するとき、電動発電機１４ｂは発電機として動作する。このとき、ロータ部１４ａは圧縮空気を給気され、圧縮空気を膨張させることで回転駆動される。電動発電機１４ｂは、ロータ部１４ａから動力を受けて発電する。ここで膨張された空気は、圧縮膨張兼用機１３に給気され、前述のように圧縮膨張兼用機１３にて発電に利用される。
圧縮膨張兼用機１３と高圧段機１４には、潤滑および冷却等のために油が供給される。本実施形態では、供給する油の温度を低下させるために、冷却水を利用している。冷却水は、第１コンテナ１０外の図示しない冷却水源から第３取出口１２ｃの一方を通過して延びる冷却水配管１７を介して第１コンテナ１０内の圧縮膨張兼用機１３と高圧段機１４に供給される。また、圧縮膨張兼用機１３と高圧段機１４にて冷却に供された冷却水は、第３取出口１２ｃのもう一方を通過して延びる冷却水配管１７を介して第１コンテナ１０外に排出される。排出された冷却水は、図示しない冷却水源に戻され、冷却された後、再度圧縮膨張兼用機１３と高圧段機１４の冷却に使用される。
第１コンテナ１０内において、２つの換気口１１ａには換気扇１６が取り付けられている。圧縮膨張兼用機１３と高圧段機１４等の機械部品は、放熱する性質を有するため、第１コンテナ１０内の温度は上昇しやすい。従って、換気扇１６によって換気口１１ａを介して第１コンテナ１０内外の空気を換気し、第１コンテナ１０内の過剰な温度上昇を抑制している。
熱交換器１５は、高温熱媒タンク４２および低温熱媒タンク４３と熱媒配管４１を介して流体的に接続されており、これらの間を熱媒が流動する。また、熱交換器１５は、圧縮膨張兼用機１３および高圧段機１４と流体的に接続されており、これらの間を圧縮空気が流動する。熱交換器１５では、上記熱媒と上記圧縮空気とで熱交換が行われる。空気を圧縮する際には空気の温度が上昇するため、熱交換器１５にて圧縮空気を冷却し熱媒を加熱する。また、空気を膨張させる際には空気の温度が低下するため、熱交換器１５にて圧縮空気を加熱し熱媒を冷却する。熱交換器１５にて加熱された熱媒は、第２取出口１２ｂの一方を通る熱媒配管４１を介して高温熱媒タンク４２に送られ、貯蔵される。熱交換器１５にて冷却された熱媒は、第２取出口１２ｂのもう一方を通る熱媒配管４１を介して低温熱媒タンク４３に送られ、貯蔵される。
熱媒配管４１内の熱媒の流動は、後述する熱媒ポンプ２１（図８参照）によって行われる。熱媒ポンプ２１の回転数を変更することによって熱媒の流量を増減させることができる。これにより圧縮空気の加熱量および冷却量を調整できる。
熱交換器１５は、第１コンテナ１０内において各ロータ部１３ａ，１３ｂ，１４ａの下方に配置されている。そのため、第１コンテナ１０内では、概ね上部に空気配管３１および冷却水配管１７が配設され、概ね下部に熱媒配管４１に配設されている。
図８および図９を参照して、第２コンテナ２０およびその内部について説明する。本実施形態では、第２コンテナ２０は、第１コンテナ１０と同じ２０フィートサイズのコンテナである。第２コンテナ２０のサイズも特に制限されないが、汎用性の観点から、第１コンテナ１０と同様に、２０フィートサイズまたは４０フィートサイズであることが好ましい。
第２コンテナ２０内には、電気部品として、インバータとコンバータ２３、制動抵抗２４、および、制御盤２２が収容されている。ユーザＵは、制御盤２２を外部から操作することで、ＣＡＥＳ発電装置１を制御できる。制御盤２２は、図示しない工場等から要求される電力量および風力発電所２の発電量のデータを受信している。これらの差分に応じて、風力発電所２の発電量が余剰であるか、または、不足しているかが判断される。当該判断に基づいて、圧縮膨張兼用機１３および高圧段機１４の圧縮／膨張の切り替えが行われる。また、制御盤２２によって、圧縮膨張兼用機１３および高圧段機１４の回転数の調整、および、熱媒ポンプ２１の回転数の調整などを行うこともできる。
また、第２コンテナ２０内には、熱媒ポンプ２１およびそのインバータ２５が収容されている。本実施形態では、各第２コンテナ２０内に２台の熱媒ポンプ２１が収容されている。熱媒ポンプ２１は、上記の１つの閉じられた熱媒系統（第１コンテナ１０、低温熱媒タンク４３、および高温熱媒タンク４２）に対して１つ設けられている。なお、熱媒ポンプ２１は第２コンテナ２０内に収容されなくてもよく、収納スペースがあれば第１コンテナ１０内に収納するのがよい。
以上までの構成を有する本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１のサイズおよび性能について詳細に説明する。ＣＡＥＳ発電装置１は、２０フィートサイズの第１コンテナ１０を３６個、同サイズの第２コンテナ２０を１８個、および蓄熱部４０等の構成要素を有している。１個の第１コンテナ１０の出力は、圧縮膨張兼用機１３および高圧段機１４の出力に依存し、本実施形態では例えば５００ｋＷである。従って、ＣＡＥＳ発電装置１は、約１８ＭＷの総出力を発揮できる。また、ＣＡＥＳ発電装置１の縦長は約８４．５ｍであり、横長は約４０ｍである（蓄圧部３０を除く）。従って、ＣＡＥＳ発電装置１は、蓄圧部３０を除いて、約３３８０ｍ２の面積の敷地内に設置可能である。
本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１によれば、以下の利点がある。
風力発電所２にて発電された電力量の変動に対し、電力が余剰である場合は余剰な電力を利用して圧縮膨張兼用機１３を圧縮機として駆動し、圧縮空気を蓄圧部３０に貯蔵する。電力が不足する場合は蓄圧部３０の圧縮空気を利用して圧縮膨張兼用機１３を膨張機として駆動し、発電する。このように圧縮膨張兼用機１３を適時に切り替えて使用するため、圧縮機および膨張機をそれぞれ設ける場合に比べて、設置台数を少なくでき、結果としてコストも低減できる。また、圧縮膨張兼用機１３を圧縮機として駆動すると、圧縮熱によって圧縮空気の温度が上昇するが、熱交換器１５にてこの圧縮熱で熱媒を加熱し、高温熱媒を高温熱媒タンク４２に貯蔵する。そして、圧縮膨張兼用機１３を膨張機として駆動するとき、熱交換器１５にて蓄熱部４０の高温熱媒を用いて圧縮膨張兼用機１３に供給する圧縮空気を加熱することで、発電効率を向上できる。
第１コンテナ１０内に複数の圧縮膨張兼用機１３および複数の熱交換器１４が収容されているため、運搬および現地施工を容易に行うことができる。この第１コンテナ１０では、大気との接触面積が大きい長辺側側面１１に圧縮膨張兼用機１３の吸排気口１３ｄに通じる通気口１１ｄが設けられているため、吸気および排気を効率的に行うことができる。短辺側側面１２には、第１取出口１２ａと第２取出口１２ｂとが設けられているため、長辺側側面１１が向かい合うように間隔を詰めて複数の第１コンテナ１０を並べて配置しても、空気配管３１および熱媒配管４１の取り回しを邪魔することがない。従って、第１コンテナ１０、蓄圧部３０、および蓄熱部４０等を効率的に少ない面積で配置できるため、ＣＡＥＳ発電装置１を小型化できる。
各第１コンテナ１０において吸排気部１１ｂが同じ面に設けられているため、メンテナンス性を向上させることができる。吸排気部１１ｂと圧縮膨張兼用機１３は配管１１ｃによって流体的に接続されているため、第１コンテナ１０において吸排気部１１ｂが設けられている面には開閉部を設け難い。従って、仮に吸排気部１１ｂが複数の面に設けられると、開閉できる面が限定され、メンテナンス性が悪化する。換言すれば、本実施形態のように全ての吸排気部１１ｂを同じ面に設けると、その他の面を容易に開閉させることができるため、メンテナンス性を向上できる。また、その他の面を開閉式にしない場合でも、第１コンテナ１０の付近をメンテナンス従事者等が移動する際に吸排気部１１ｂが設けられていない側を移動することで、吸気および排気の影響を受けることなく安全に移動できる。
高圧段機１４が圧縮機として機能する場合、空気を高圧に圧縮できる。従って、蓄圧部３０に貯蔵する圧縮空気の圧力を高めることができるため、蓄圧部３０を小型化できる。また、高圧段機１４が膨張機として機能する場合、高圧の圧縮空気を利用した発電が可能となる。具体的には、仮に高圧段機１４が設けられておらず、発電のために高圧の圧縮空気を圧縮膨張兼用機１３に給気しようとすると、耐圧性能に応じて給気圧力を減圧する必要がある。このとき、給気圧力を減圧することによって、減圧分のエネルギーロスが生じる。しかし、高圧段機１４を設けることによって利用できる圧力範囲を拡張できるため、エネルギーロスを低減でき、発電効率を向上できる。また、高圧段機１４は、第１コンテナ１０内において第１取出口１２ａに隣接して配置されていることで、蓄圧部３０との接続が容易となる。
高圧段機１４が単段型であるため、高圧段機１４として小型のものを使用できる。圧縮膨張兼用機１３は２段型であるため、適応可能な圧力範囲を広く確保できる。
また、制御盤２２などの電気部品と、圧縮膨張兼用機１３とを、別のコンテナに分けて収容している。従って、圧縮膨張兼用機１３からの排熱による悪影響を制御盤２２などの電気部品に与えることを防止できる。
熱媒ポンプ２１によって熱交換器１５における安定した熱交換を可能にするとともに、熱媒ポンプ２１の運搬および現地施工を容易にできる。
冷却水によって圧縮膨張兼用機１３にて使用される油を冷却できるため、圧縮膨張兼用機１３の過剰な温度上昇を抑制できる。また、第１コンテナ１０の短辺側側面１２に第３取出口１２ｃを設けているので、前述のように第１コンテナ１０を長辺側側面１１が向かい合うように並べて配置しても冷却水配管１７の取り回しを邪魔することがない。従って、各構成要素を効率的に配置できる。
（第２実施形態）
図１０に示す第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、第１コンテナ１０と第２コンテナ２０の配置が第１実施形態と異なる。この配置に関する構成以外は、第１実施形態のＣＡＥＳ発電装置１の構成と実質的に同じである。従って、第１実施形態にて示した構成と同じ部分については同じ符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、送圧管部３１ａを挟んで両側に複数の第１コンテナ１０が配置され、第１コンテナ１０の短辺側側面１２が送圧管部３１ａに向けられている。なお、図１０では、図示を明瞭にするため、熱媒配管４１（図２参照）は省略されている。また、図１０では、第１コンテナ１０と第２コンテナ２０とを区別するために、第２コンテナ２０には仮想的に斜線を付している。
第２コンテナ２０もまた、送圧管部３１ａを挟んで両側に配置され、第２コンテナ２０の短辺側側面２０ｂが送圧管部３１ａに向けられている。第２コンテナ２０は、送圧管部３１ａに沿って並べて配置された第１コンテナ１０の間に配置されている。
本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、蓄圧部３０を除いて、縦長が約６２．５ｍであり、横長が約５４ｍである。よって、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、蓄圧部３０を除いて、約３３７５ｍ２の面積の敷地内に設置可能である。従って、第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、第１実施形態のＣＡＥＳ発電装置１に比べて小型化されている。
本実施形態によれば、送圧管部３１ａを挟んで両側に第１コンテナ１０を配置するため、片側に配置する場合と比べてＣＡＥＳ発電装置１を小型化できる。また、第１コンテナ１０の短辺側側面１２が送圧管部３１ａに向けられているため、多くの第１コンテナ１０を送圧管部３１ａに沿って配置できる。
以上より、本発明の具体的な実施形態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。
上記実施形態では、再生可能エネルギー等による発電の例として風力発電が挙げられているが、これ以外にも、太陽光、太陽熱、波力、潮力、流水、または潮汐等の自然の力で定常的ないし反復的に補充され、不規則に変動するエネルギーを利用した発電の全てを対象とし得る。さらに言えば、再生可能エネルギー以外にも不規則に稼働する発電設備を有する工場等のように、発電量が変動するものすべてを対象とし得る。
上記実施形態では、高圧段機１４は、圧縮機および膨張機の両方の機能を有しているが、圧縮機または膨張機のいずれかのみの機能を有してもよい。また、上記実施形態では、高圧段機１４は、２ＭＰａ程度以内の圧力範囲にて使用されるため、単段型が採用されているが、より高圧の圧力範囲（例えば、５ＭＰａ程度以内）にて使用される必要があるときには複数段型が採用されてもよい。
上記実施形態では、通気口１１ｄに通じる吸排気部１１ｂが設けられる長辺側側面１１として、設置される床面に垂直な側面を例示したが、ここでの長辺側側面１１には床面に平行な上面も含む。従って、通気口１１ｄと吸排気部１１ｂは第１コンテナ１０の上面に設けられてもよい。上面に通気口１１ｄに通じる吸排気部１１ｂが設けられる場合、通気口１１ｄと吸排気部１１ｂは上面の縁部近傍に設けられることが好ましい。
上記実施形態では、第１コンテナ１０の各列において、吸排気部１１ｂが設けられた長辺側側面１１が向いている方向は同じであるが、吸排気部１１ｂが設けられた長辺側側面１１が向かい合うように第１コンテナ１０を配置してもよい。第１コンテナ１０の吸排気部１１ｂは外側に突出することが多いため、メンテナンス従事者の通行の妨げとなり得る。しかし、吸排気部１１ｂが設けられた長辺側側面１１が向かい合うように第１コンテナ１０を配置することにより、吸排気部１１ｂが設けられていない側をメンテナンス従事者が通行しやすくなる。
上記実施形態では、二つの第１コンテナ１０につき、一つの第２コンテナ２０が割り当てられているが、この比率に限定されない。第２コンテナ２０の収納と空調が許せば、一つの第２コンテナ２０に三つ以上の第１コンテナ１０を割り当ててもよい。
１ 圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置
２ 風力発電所
１０ 第１コンテナ
１１ 長辺側側面
１１ａ 換気口
１１ｂ 吸排気部
１１ｃ 配管
１１ｄ 通気口
１２ 短辺側側面
１２ａ 第１取出口
１２ｂ 第２取出口
１２ｃ 第３取出口
１３ 圧縮膨張兼用機
１３ａ 低圧段ロータ部
１３ｂ 高圧段ロータ部
１３ｃ 電動発電機
１３ｄ 吸排気口
１４ 高圧段機
１４ａ ロータ部
１４ｂ 電動発電機
１５ 熱交換器
１６ 換気扇
１７ 冷却水配管
２０ 第２コンテナ
２０ａ 長辺側側面
２０ｂ 短辺側側面
２１ 熱媒ポンプ
２２ 制御盤
２３ インバータ，コンバータ
２４ 制動抵抗
２５ インバータ
３０ 蓄圧部
３１ 空気配管
３１ａ 送圧管部
３１ｂ 連結管部
４０ 蓄熱部
４１ 熱媒配管
４２ 高温熱媒タンク
４３ 低温熱媒タンク

Claims (7)

  1. 電力を使用して空気を圧縮する機能および圧縮空気を膨張させることによって発電する機能を有する複数の圧縮膨張兼用機と、
    前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、
    前記圧縮空気と熱媒とで熱交換することで、前記圧縮膨張兼用機から前記蓄圧部に供給する前記圧縮空気を冷却し前記熱媒を加熱するか、または、前記蓄圧部から前記圧縮膨張兼用機に供給される前記圧縮空気を加熱し前記熱媒を冷却する複数の熱交換器と、
    前記熱交換器と流体的に接続され、前記熱媒を貯蔵する蓄熱部と、
    直方体状の複数の第１コンテナと
    を備え、
    前記複数の第１コンテナのそれぞれには、前記複数の圧縮膨張兼用機および前記複数の熱交換器が収容されており、
    前記複数の第１コンテナは、長辺側側面が向かい合うように並べて配置され、
    前記第１コンテナの前記長辺側側面には、前記圧縮膨張兼用機をコンテナ外部と連通するための配管の出口である通気口が設けられ、
    前記第１コンテナの短辺側側面には、前記圧縮膨張兼用機と前記蓄圧部とを流体的に接続する空気配管を取り出す第１取出口と、前記熱交換器と前記蓄熱部とを流体的に接続する熱媒配管を取り出す第２取出口とが設けられている、圧縮空気貯蔵発電装置。
  2. 前記通気口は、前記長辺側側面のうちの一つの面にのみ設けられていると共に、前記複数の圧縮膨張兼用機に応じて複数の個所に設けられている、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  3. 前記複数の圧縮膨張兼用機に流体的に接続され、前記複数の圧縮膨張兼用機が駆動するときの圧力よりも高圧で使用する高圧段機をさらに備え、
    前記高圧段機は、前記第１コンテナ内において前記第１取出口に隣接して配置されている、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。
  4. 前記圧縮膨張兼用機の駆動に関連する電気部品と、
    前記電気部品を収容する第２コンテナと
    をさらに備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  5. 前記熱交換器と前記蓄熱部との間で前記熱媒を流動させる熱媒ポンプをさらに備え、
    前記熱媒ポンプは、前記第２コンテナ内に収容されている、請求項４に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  6. 前記第１コンテナ内には、前記圧縮膨張兼用機にて使用される油を冷却するための冷却水が流動する冷却水配管が設けられ、
    前記第１コンテナの短辺側側面には、前記冷却水配管を取り出す第３取出口が設けられている、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. 前記空気配管は、前記蓄圧部から延びる送圧管部と、前記送圧管部と前記圧縮膨張兼用機とを連結する連結管部とを有し、
    前記送圧管部を挟んで両側に複数の前記第１コンテナが配置され、前記第１コンテナの前記短辺側側面が前記送圧管部に向けられている、請求項１から請求項６のいずれか１項に圧縮空気貯蔵発電装置。
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