JP7022677B2 - 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。
風力発電や太陽光発電などの自然エネルギーを利用した発電は、気象条件に依存するため、出力が安定しないことがある。このため、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）システム等のエネルギー貯蔵システムを利用して、出力を平準化することが行われている。
従来、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圧縮機を駆動して電気エネルギーを圧縮空気として貯蔵し、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作動させ、電気エネルギーを生成するのが一般的である。
ここで、自然エネルギーを利用した発電には、長周期と短周期の出力変動がある。例えば、太陽光を利用した発電の場合、長周期の出力変動要因は日中と夜間の違い等であり、短周期の出力変動要因は一時的に太陽が雲に隠れる場合等である。一方、風力を利用した発電の場合、長周期の出力変動要因は強風や無風による発電停止の場合等であり、短周期の出力変動は風速の変動による場合等である。
そして、特許文献１では、長周期と短周期の両方の変動電力に対応できる圧縮空気貯蔵発電装置が開示されている。
ここで、特許文献１では、圧縮空気貯蔵発電装置において、長周期と短周期の両方の変動電力に対応するため、異なる型式の圧縮機及び膨張機を併用することについては開示されているが、予測変動電力に応じてそれらの圧縮機及び膨張機をどのように制御するかについては、開示されていない。
そこで本発明では、予測変動電力に応じて、圧縮機及び膨張機の運転を効率的に制御できる圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様は、圧縮空気貯蔵発電装置であって、
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、前記圧縮機により圧縮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、
前記圧縮空気貯蔵発電装置を制御する制御部と、を備え、
前記圧縮機は、速度型の第１圧縮機と容積型の第２圧縮機を含み、
前記膨張機は、速度型の第１膨張機と容積型の第２膨張機を含み、
前記制御部は、前記圧縮空気貯蔵発電装置の充電時において、予測変動電力の変動時間が、第１圧縮機の起動停止時間を超える場合、予測変動電力分を、第１圧縮機の台数制御と、第２圧縮機の台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間が第１圧縮機の起動停止時間以下である場合、予測変動電力分を、第２圧縮機の台数制御及び回転数制御で対応するよう制御し、及び／又は、
前記制御部は、前記圧縮空気貯蔵発電装置の放電時において、予測変動電力の変動時間が、第１膨張機の起動停止時間を超える場合、予測変動電力分を、第１膨張機の台数制御と、第２膨張機の台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間が第１膨張機の起動停止時間以下である場合、予測変動電力分を、第２膨張機の台数制御及び回転数制御で対応するよう制御する。
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、前記圧縮機により圧縮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、
前記圧縮空気貯蔵発電装置を制御する制御部と、を備え、
前記圧縮機は、速度型の第１圧縮機と容積型の第２圧縮機を含み、
前記膨張機は、速度型の第１膨張機と容積型の第２膨張機を含み、
前記制御部は、前記圧縮空気貯蔵発電装置の充電時において、予測変動電力の変動時間が、第１圧縮機の起動停止時間を超える場合、予測変動電力分を、第１圧縮機の台数制御と、第２圧縮機の台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間が第１圧縮機の起動停止時間以下である場合、予測変動電力分を、第２圧縮機の台数制御及び回転数制御で対応するよう制御し、及び／又は、
前記制御部は、前記圧縮空気貯蔵発電装置の放電時において、予測変動電力の変動時間が、第１膨張機の起動停止時間を超える場合、予測変動電力分を、第１膨張機の台数制御と、第２膨張機の台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間が第１膨張機の起動停止時間以下である場合、予測変動電力分を、第２膨張機の台数制御及び回転数制御で対応するよう制御する。
前記構成によれば、速度型の圧縮機／膨張機の起動停止時間に対する予測変動電力の変動時間の大小に応じて制御を変えることによって、効率のよい運転条件で運転できる圧縮機及び膨張機を選択でき、その結果、圧縮機及び膨張機の運転を効率的に制御できる。
前記第１の態様は、さらに、次のような構成を備えるのが好ましい。
（１）前記蓄圧部は、互いに分離された複数の蓄圧部を含み、
複数の前記蓄圧部は、第１圧縮機、第２圧縮機、第１膨張機及び第２膨張機とそれぞれ接続されており、その内部圧力が監視されている。
複数の前記蓄圧部は、第１圧縮機、第２圧縮機、第１膨張機及び第２膨張機とそれぞれ接続されており、その内部圧力が監視されている。
（２）前記構成（１）において、前記制御部は、第１膨張機は内部圧力が設定圧力を超える蓄圧部の圧縮空気を優先的に使用し、第２膨張機は内部圧力が設定圧力を下回る蓄圧部の圧縮空気を優先的に使用するよう制御する。
（３）第１圧縮機は、ターボ式圧縮機であり、
第１膨張機は、ターボ式膨張機であり、
第２圧縮機は、スクリュ式圧縮機であり、
第２膨張機は、スクリュ式膨張機である。
第１膨張機は、ターボ式膨張機であり、
第２圧縮機は、スクリュ式圧縮機であり、
第２膨張機は、スクリュ式膨張機である。
前記構成（１）によれば、複数の蓄圧部を設け、蓄圧部の内部圧力を監視することによって、圧縮機及び膨張機がより効率的に運転できる蓄圧部を選択することができる。
速度型の膨張機と容積型の膨張機とでは最適運転条件が異なるため、前記構成（２）によれば、設定圧力に対する蓄圧部の内部圧力の大小によって、各型の膨張機が優先的に使用する蓄圧部を選択することによって、膨張機の運転を効率的に制御できる。
前記構成（３）によれば、速度型の圧縮機／膨張機にターボ式を採用し、容積型の圧縮機／膨張機にスクリュ式を採用することによって、運転制御を容易に行うことができる。また、容積型にスクリュ式を採用することによって、比較的大容量の圧縮、膨張に対応できる。
本発明の第２の態様は、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、前記圧縮機により圧縮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、を備え、
前記圧縮機は、速度型の第１圧縮機と容積型の第２圧縮機を含み、
前記膨張機は、速度型の第１膨張機と容積型の第２膨張機を含む、圧縮空気貯蔵発電装置の圧縮空貯蔵発電方法であって、
前記圧縮空気貯蔵発電装置の充電時において、予測変動電力の変動時間が、第１圧縮機の起動停止時間を超える場合、予測変動電力分を、第１圧縮機の台数制御と、第２圧縮機の台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間が第１圧縮機の起動停止時間以下である場合、予測変動電力分を、第２圧縮機の台数制御及び回転数制御で対応するよう制御し、及び／又は、
前記圧縮空気貯蔵発電装置の放電時において、予測変動電力の変動時間が、第１膨張機の起動停止時間を超える場合、予測変動電力分を、第１膨張機の台数制御と、第２膨張機の台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間が第１膨張機の起動停止時間以下である場合、予測変動電力分を、第２膨張機の台数制御及び回転数制御で対応するよう制御する。
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、前記圧縮機により圧縮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、を備え、
前記圧縮機は、速度型の第１圧縮機と容積型の第２圧縮機を含み、
前記膨張機は、速度型の第１膨張機と容積型の第２膨張機を含む、圧縮空気貯蔵発電装置の圧縮空貯蔵発電方法であって、
前記圧縮空気貯蔵発電装置の充電時において、予測変動電力の変動時間が、第１圧縮機の起動停止時間を超える場合、予測変動電力分を、第１圧縮機の台数制御と、第２圧縮機の台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間が第１圧縮機の起動停止時間以下である場合、予測変動電力分を、第２圧縮機の台数制御及び回転数制御で対応するよう制御し、及び／又は、
前記圧縮空気貯蔵発電装置の放電時において、予測変動電力の変動時間が、第１膨張機の起動停止時間を超える場合、予測変動電力分を、第１膨張機の台数制御と、第２膨張機の台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間が第１膨張機の起動停止時間以下である場合、予測変動電力分を、第２膨張機の台数制御及び回転数制御で対応するよう制御する。
前記構成によれば、速度型の圧縮機／膨張機の起動停止時間に対する予測変動電力の変動時間の大小に応じて制御を変えることによって、圧縮機及び膨張機の運転を効率的に制御できる。
本発明によると、予測変動電力に応じて、圧縮機及び膨張機の運転を効率的に制御できる圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法を提供できる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置１０の概略構成図である。このＣＡＥＳ発電装置１０は、自然エネルギーを利用して発電する場合の出力変動を平準化すると共に、電力需要の変動に合わせた出力を行うためのものである。
図１に示されるように、ＣＡＥＳ発電装置１０は、充電ユニット１１として、モータ（電動機）２ａ～２ｄ、圧縮機３ａ～３ｄを備えており、放電ユニット１２として、発電機４ａ～４ｄ、膨張機５ａ～５ｄを備えている。そして、ＣＡＥＳ発電装置１０は、さらに、圧縮空気を貯蔵する蓄圧部６ａ、６ｂ、蓄圧部６ａ、６ｂと圧縮機３ａ～３ｄとの間の空気供給路に設けられる注入側弁７ａ～７ｄ、蓄圧部６ａ、６ｂと膨張機５ａ～５ｄとの間の空気供給路に設けられる排出側弁８ａ～８ｄを備えている。また、ＣＡＥＳ発電装置１０は、圧縮機で発生した熱を熱媒に回収し、膨張機で膨張する前の圧縮空気に熱を戻す熱回収・利用ユニット１３、充電ユニット１１及び放電ユニット１２を冷却する冷却ユニット１４及びＣＡＥＳ発電装置１０を制御する制御部１５を備えている。
自然エネルギーを利用する発電装置（図示せず、図１の充電側に位置する）により発電された電力は、充電ラインを通って、互いに電気的に並列に接続されたモータ２ａ～２ｄに供給される。この電力により、モータ２ａ～２ｄが駆動される。モータ２ａ～２ｄは、圧縮機３ａ～３ｄに機械的にそれぞれ接続されている。圧縮機３ａ～３ｄは、モータ２ａ～２ｄを駆動させることでそれぞれ作動する。圧縮機３ａ～３ｄは、吸引した空気を圧縮し、蓄圧部６ａ、６ｂへ圧送する。これにより、蓄圧部６ａ、６ｂに圧縮空気としてエネルギーを蓄積できる。なお、自然エネルギーを利用する発電装置は、風力、太陽光、太陽熱、波力又は潮力、流水又は潮汐、及び地熱等、自然の力で定常的（もしくは反復的）に補充されるエネルギーを利用する全てを対象とすることができる。また、蓄圧部６ａ、６ｂとしては、蓄圧タンクや、容量が比較的大きい場合、岩塩層空洞、休鉱山の坑道、下水配管・縦孔等の地下空洞、又は、水中に沈めた袋状の容器等を使用することができる。
圧縮機３ａ～３ｄと蓄圧部６ａ、６ｂとの間の空気供給路に設けられた注入側弁７ａ～７ｄにより、各圧縮機３ａ～３ｄからいずれの蓄圧部６ａ、６ｂに圧縮空気を供給するかを切り替える。
蓄圧部６ａ、６ｂに蓄積された圧縮空気は、膨張機５ａ～５ｄに供給される。この圧縮空気により膨張機５ａ～５ｄは駆動される。蓄圧部６ａ、６ｂと膨張機５ａ～５ｄとの間の空気供給路に設けられた排出側弁８ａ～８ｄにより、各蓄圧部６ａ、６ｂからいずれの膨張機５ａ～５ｄに圧縮空気を供給するか切り替える。
膨張機５ａ～５ｄは、互いに電気的に並列に接続されており、発電機４ａ～４ｄに機械的にそれぞれ接続されている。発電機４ａ～４ｄは、膨張機５ａ～５ｄを駆動させることで作動し、発電する。発電された電力は、放電ラインを通って、供給先に供給される。
蓄圧部６ａ、６ｂには、蓄圧部６ａ、６ｂ内の圧力を測定する圧力センサ９ａ、９ｂが設けられている。制御部１５は、充放電指令及び圧力センサ９ａ、９ｂの測定値に基づいて、注入側弁７ａ～７ｄ及び排出側弁８ａ～８ｄの開閉を制御する。
本実施形態では、圧縮機３ａは容積型の圧縮機であり、圧縮機３ｂ～３ｄは速度型の圧縮機である。具体的には、容積型の圧縮機３ａはスクリュ式圧縮機であり、速度型の圧縮機３ｂ～３ｄはターボ式圧縮機である。また、膨張機５ａは容積型の膨張機であり、膨張機５ｂ～５ｄは速度型の膨張機である、具体的には、容積型の膨張機５ａはスクリュ式膨張機であり、速度型の膨張機５ｂ～５ｄはターボ式膨張機である。なお、容積型は速度型に比べて小容量（低回転数）でも効率が落ちにくいので、蓄圧部６ａ、６ｂに蓄えられた圧縮空気が少ない場合でも安定した発電ができ、制御範囲を拡張できる。また、スクリュ式は、容積型（その他、スクロール式やロータリー式等）の中でも比較的大容量のものに適している。
次に、制御部１５によるＣＡＥＳ発電装置１０の制御について説明する。
図２は、制御部１５の制御の全体フローを示すフローチャートである。図２に示されるように、系統からの充電又は放電の指令に基づき、制御部１５は、長周期変動対応又は短周期変動対応を行うか判断する。具体的には、充電指令を受けると、制御部１５は、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式圧縮機３ｂ～３ｄの起動停止時間Ｔｄを超えるかどうかを判断し、超える場合には長周期変動対応を行い、超えない場合には短周期変動対応を行う。同様に、放電指令を受けると、制御部１５は、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式膨張機５ｂ～５ｄの起動停止時間Ｔｄを超えるかどうかを判断し、超える場合には長周期変動対応を行い、超えない場合には短周期変動対応を行う。なお、予測変動電力とは、制御部１５が系統からの充電又は放電の指令における電力を予測する際の、電力の変動部分に対応する。
［ＣＡＥＳ発電装置１０の充電時］
図３は、充電指令における長周期変動対応のフローチャートであり、図４は、図３のときの時間に対する充電電力を示すグラフである。図３及び図４に示されるように、充電指令における長周期変動対応の場合、制御部１５は、予測変動電力分を、ターボ式圧縮機３ｂ～３ｄの台数制御と、スクリュ式圧縮機３ａの台数制御及び回転数制御で対応する。すなわち、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式圧縮機３ｂ～３ｄの起動停止時間Ｔｄを超えるので、大容量部分をターボ式圧縮機３ｂ～３ｄで対応し、ターボ式圧縮機３ｂ～３ｄで対応できない変動部分についてスクリュ式圧縮機３ａで対応する。ここで、予測変動電力分とは、充電電力の予測値の内の変動部分である。
図３は、充電指令における長周期変動対応のフローチャートであり、図４は、図３のときの時間に対する充電電力を示すグラフである。図３及び図４に示されるように、充電指令における長周期変動対応の場合、制御部１５は、予測変動電力分を、ターボ式圧縮機３ｂ～３ｄの台数制御と、スクリュ式圧縮機３ａの台数制御及び回転数制御で対応する。すなわち、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式圧縮機３ｂ～３ｄの起動停止時間Ｔｄを超えるので、大容量部分をターボ式圧縮機３ｂ～３ｄで対応し、ターボ式圧縮機３ｂ～３ｄで対応できない変動部分についてスクリュ式圧縮機３ａで対応する。ここで、予測変動電力分とは、充電電力の予測値の内の変動部分である。
具体的には、充電電力Ｗが領域Ｉ（０＜Ｗ＜Ｗ１（Ｗ１はスクリュ式圧縮機の運転範囲））である場合、スクリュ式圧縮機を１台起動させ、それを回転数制御する。充電電力Ｗが領域II（Ｗ１＜Ｗ＜Ｗ２（Ｗ２はターボ式圧縮機の定格電力））である場合、ターボ式圧縮機を定格で１台起動させる。充電電力Ｗが領域III（Ｗ２＜Ｗ＜Ｗ３（Ｗ３－Ｗ２はスクリュ式圧縮機の運転範囲））である場合、ターボ式圧縮機を定格で１台起動させ、さらに、スクリュ式圧縮機を１台起動させ、それを回転数制御する。充電電力Ｗが領域IV（Ｗ３＜Ｗ＜Ｗ４（Ｗ４はターボ式圧縮機の２台の定格電力））である場合、ターボ式圧縮機を定格で２台起動させる。充電電力Ｗが領域Ｖ（Ｗ４＜Ｗ＜Ｗ５（Ｗ５－Ｗ４はスクリュ式圧縮機の運転範囲））である場合、ターボ式圧縮機を定格で２台起動させ、さらに、スクリュ式圧縮機を１台起動させ、それを回転数制御する。充電電力Ｗが領域VI（Ｗ５＜Ｗ＜Ｗ６（Ｗ６はターボ式圧縮機の３台の定格電力））である場合、ターボ式圧縮機を定格で３台起動させる。充電電力Ｗが領域VII（Ｗ６＜Ｗ＜Ｗ７（Ｗ７－Ｗ６はスクリュ式圧縮機の運転範囲））である場合、ターボ式圧縮機を定格で３台起動させ、さらに、スクリュ式圧縮機を１台起動させ、それを回転数制御する。なお、ターボ式圧縮機の運転では、制御部１５は、電力変化を予測し、急速立ち上げ、急停止をしないように制御する。また、長周期変動対応を行っている場合においても、次の予測において、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式圧縮機の起動停止時間Ｔｄを超えない場合には短周期変動対応を行うように変更する。なお、ここでは、充電電力Ｗが領域Ｉ～VIIにある場合を例に説明したが、領域の数は一例であり、これに限定されるものではない。また、スクリュ式圧縮機の定格容量、台数及びターボ式圧縮機の定格容量、台数も一例であり、これに限定されるものではない。
図５は、充電指令における短周期変動対応のフローチャートであり、図６は、図５のときの時間に対する充電電力を示すグラフである。図５及び図６に示されるように、充電指令における短周期変動対応の場合、制御部１５は、予測変動電力分を、スクリュ式圧縮機３ａの台数制御及び回転数制御で対応する。すなわち、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式圧縮機３ｂ～３ｄの起動停止時間Ｔｄを下回るので、ターボ式圧縮機３ｂ～３ｄでは対応が間に合わないことから、変動部分についてスクリュ式圧縮機３ａで対応する。
具体的には、充電電力Ｗが領域Ｉ（０＜Ｗ＜Ｗ１（Ｗ１はスクリュ式圧縮機の運転範囲））である場合、スクリュ式圧縮機を１台起動させ、それを回転数制御する。充電電力Ｗが領域II（Ｗ１＜Ｗ＜Ｗ２（Ｗ２はターボ式圧縮機の定格電力））である場合、ターボ式圧縮機を定格で１台起動させる。充電電力Ｗが領域III（Ｗ２＜Ｗ＜Ｗ３（Ｗ３－Ｗ２はスクリュ式圧縮機の運転範囲））である場合、ターボ式圧縮機を定格で１台起動させ、さらに、スクリュ式圧縮機を１台起動させ、それを回転数制御する。なお、短周期変動対応を行っている場合においても、次の予測において、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式圧縮機の起動停止時間Ｔｄを超える場合には、長周期変動対応を行うように変更する。なお、ここでは、充電電力Ｗが領域Ｉ～IIIにある場合を例に説明したが、領域の数は一例であり、これに限定されるものではない。また、スクリュ式圧縮機の定格電力、台数及びターボ式圧縮機の定格電力、台数も一例であり、これに限定されるものではない。
充電指令における注入側弁７ａ～７ｄの開閉状態については、ターボ式圧縮機３ｂ～３ｄとスクリュ式圧縮機３ａとが起動される場合、注入側弁７ａ、７ｄが開放され、注入側弁７ｂ、７ｃは閉止される。ターボ式圧縮機３ｂ～３ｄが複数台起動される場合、注入側弁７ａ、７ｃ及び７ｄが開放され、注入側弁７ｂは閉止される。スクリュ式圧縮機３ａのみが起動される場合、注入側弁７ａが開放され、注入側弁７ｂ～７ｄは閉止される。なお、充電指令においては、排出側弁８ａ～８ｄは閉止される。
［ＣＡＥＳ発電装置１０の放電時］
図７は、放電指令における長周期変動対応のフローチャートであり、図８は、図７のときの時間に対する放電電力（需要電力）を示すグラフである。図７及び図８に示されるように、放電指令における長周期変動対応の場合、制御部１５は、予測変動電力分を、ターボ式膨張機５ｂ～５ｄの台数制御と、スクリュ式膨張機の台数制御及び回転数制御で対応する。すなわち、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式膨張機の起動停止時間Ｔｄを超えるので、大容量部分をターボ式膨張機で対応し、ターボ式膨張機で対応できない変動部分についてスクリュ式膨張機で対応する。ここで、予測変動電力分とは、放電電力の予測値の内の変動部分である。
図７は、放電指令における長周期変動対応のフローチャートであり、図８は、図７のときの時間に対する放電電力（需要電力）を示すグラフである。図７及び図８に示されるように、放電指令における長周期変動対応の場合、制御部１５は、予測変動電力分を、ターボ式膨張機５ｂ～５ｄの台数制御と、スクリュ式膨張機の台数制御及び回転数制御で対応する。すなわち、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式膨張機の起動停止時間Ｔｄを超えるので、大容量部分をターボ式膨張機で対応し、ターボ式膨張機で対応できない変動部分についてスクリュ式膨張機で対応する。ここで、予測変動電力分とは、放電電力の予測値の内の変動部分である。
具体的には、放電電力Ｗが領域Ｉ（０＜Ｗ＜Ｗ１（Ｗ１はスクリュ式膨張機の運転範囲））である場合、スクリュ式膨張機を１台起動させ、それを回転数制御する。放電電力Ｗが領域II（Ｗ１＜Ｗ＜Ｗ２（Ｗ２はターボ式膨張機の定格電力））である場合、ターボ式膨張機を定格で１台起動させる。放電電力Ｗが領域III（Ｗ２＜Ｗ＜Ｗ３（Ｗ３－Ｗ２はスクリュ式膨張機の運転範囲））である場合、ターボ式膨張機を定格で１台起動させ、さらに、スクリュ式膨張機を１台起動させ、それを回転数制御する。充電電力Ｗが領域IV（Ｗ３＜Ｗ＜Ｗ４（Ｗ４はターボ式膨張機の２台の定格電力））である場合、ターボ式膨張機を定格で２台起動させる。充電電力Ｗが領域Ｖ（Ｗ４＜Ｗ＜Ｗ５（Ｗ５－Ｗ４はスクリュ式膨張機の運転範囲））である場合、ターボ式膨張機を定格で２台起動させ、さらに、スクリュ式膨張機を１台起動させ、それを回転数制御する。なお、ターボ式膨張機の運転では、制御部１５は、電力変化を予測し、急速立ち上げ、急停止をしないように制御する。また、長周期変動対応を行っている場合においても、次の予測において、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式膨張機の起動停止時間Ｔｄを超えない場合には短周期変動対応を行うように変更する。なお、ここでは、放電電力Ｗが領域Ｉ～Ｖにある場合を例に説明したが、領域の数は一例であり、これに限定されるものではない。また、スクリュ式膨張機の定格電力、台数及びターボ式膨張機の定格電力、台数も一例であり、これに限定されるものではない。
図９は、放電指令における短周期変動対応のフローチャートであり、図１０は、図９のときの時間に対する放電電力（需要電力）を示すグラフである。図９及び図１０に示されるように、放電指令における短周期変動対応の場合、制御部１５は、予測変動電力分を、スクリュ式膨張機の台数制御及び回転数制御で対応する。すなわち、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式膨張機の起動停止時間Ｔｄを下回るので、ターボ式膨張機では対応が間に合わないことから、変動部分についてスクリュ式膨張機で対応する。
具体的には、放電電力Ｗが領域Ｉ（０＜Ｗ＜Ｗ１（Ｗ１はスクリュ式膨張機の運転範囲））である場合、スクリュ式膨張機を１台起動させ、それを回転数制御する。放電電力Ｗが領域II（Ｗ１＜Ｗ＜Ｗ２（Ｗ２はターボ式膨張機の定格電力））である場合、ターボ式膨張機を定格で１台起動させる。放電電力Ｗが領域III（Ｗ２＜Ｗ＜Ｗ３（Ｗ３－Ｗ２はスクリュ式圧縮機の運転範囲））である場合、ターボ式圧縮機を定格で１台起動させ、さらに、スクリュ式圧縮機を１台起動させ、それを回転数制御する。なお、短周期変動対応を行っている場合においても、次の予測において、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式膨張機の起動停止時間Ｔｄを超える場合には、長周期変動対応を行うように変更する。なお、ここでは、放電電力Ｗが領域Ｉ～IIIにある場合を例に説明したが、領域の数は一例であり、これに限定されるものではない。また、スクリュ式膨張機の定格容量、台数及びターボ式膨張機の定格容量、台数も一例であり、これに限定されるものではない。
放電指令における排出側弁８ａ～８ｄの開閉状態については、ターボ式膨張機とスクリュ式膨張機とが起動される場合、排出側弁８ａ、８ｄが開放され、排出側弁８ｂ、８ｃは閉止される。ターボ式膨張機が複数台起動される場合、排出側弁８ａ、８ｃ及び８ｄが開放され、排出側弁８ｂは閉止される。スクリュ式膨張機のみが起動される場合、排出側弁８ａが開放され、排出側弁８ｂ～８ｄは閉止される。なお、放電指令においては、注入側弁７ａ～７ｄは閉止される。
図１１は、放電指令における蓄圧部６ａ、６ｂの選択のフローチャートである。圧力センサ９ａは、蓄圧部６ａ内の圧力を測定しており、圧力センサ９ｂは、蓄圧部６ｂ内の圧力を測定している。図１１に示されるように、制御部１５は、第１膨張機は内部圧力Ｐが設定圧力Ｐｄを超える蓄圧部の圧縮空気を優先的に使用し、第２膨張機は内部圧力Ｐが設定圧力Ｐｄを下回る蓄圧部の圧縮空気を優先的に使用するよう制御する。
具体的には、制御部１５は、蓄圧部６ａの内圧Ｐが設定圧力Ｐｄを超えており、さらに、蓄圧部６ｂの内圧Ｐも設定圧力Ｐｄを超えている場合、ターボ式膨張機は、蓄圧部６ａ、６ｂを優先的に使用し、スクリュ式膨張機も蓄圧部６ａ、６ｂを使用可能となるよう制御する。また、制御部１５は、蓄圧部６ａの内圧Ｐが設定圧力Ｐｄを超えており、さらに、蓄圧部６ｂの内圧Ｐは設定圧力Ｐｄ以下である場合、ターボ式膨張機は、蓄圧部６ａｂを優先的に使用し、スクリュ式膨張機は蓄圧部６ｂを優先的に使用するよう制御する。
制御部１５は、蓄圧部６ａの内圧Ｐが設定圧力Ｐｄ以下であり、さらに、蓄圧部６ｂの内圧Ｐが設定圧力Ｐｄを超えている場合、ターボ式膨張機は、蓄圧部６ｂを優先的に使用し、スクリュ式膨張機は蓄圧部６ａを優先的に使用するよう制御する。また、制御部１５は、蓄圧部６ａの内圧Ｐが設定圧力Ｐｄ以下であり、さらに、蓄圧部６ｂの内圧Ｐも設定圧力Ｐｄ以下である場合、スクリュ式膨張機は、蓄圧部６ａ、６ｂを優先的に使用し、ターボ式膨張機は停止させるよう制御する。
前記構成のＣＡＥＳ発電装置２によれば、次のような効果を発揮できる。
（１）制御部１５は、ＣＡＥＳ発電装置１０の充電時において、予測変動電力の変動時間Ｔが、ターボ式圧縮機３ｂ～３ｄの起動停止時間Ｔｄを超える場合、予測変動電力分を、ターボ式圧縮機３ｂ～３ｄの台数制御と、スクリュ式圧縮機３ａの台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式圧縮機３ｂ～３ｄの起動停止時間Ｔｄ以下である場合、予測変動電力分を、スクリュ式圧縮機３ａの台数制御及び回転数制御で対応するよう制御する。また、制御部１５は、ＣＡＥＳ発電装置１０の放電時において、予測変動電力の変動時間Ｔが、ターボ式膨張機５ｂ～５ｄの起動停止時間Ｔｄを超える場合、予測変動電力分を、ターボ式膨張機５ｂ～５ｄの台数制御と、スクリュ式膨張機５ａの台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間Ｔがターボ式膨張機５ｂ～５ｄの起動停止時間Ｔｄ以下である場合、予測変動電力分を、スクリュ式膨張機５ａの台数制御及び回転数制御で対応するよう制御する。すなわち、制御部１５が、速度型の圧縮機３ｂ～３ｄ／膨張機５ｂ～５ｄの起動停止時間に対する予測変動電力の変動時間の大小に応じて制御を変えることによって、効率のよい運転条件で運転できる圧縮機３ａ～３ｄ及び膨張機５ａ～５ｄを選択でき、その結果、圧縮機３ａ～３ｄ及び膨張機５ａ～５ｄの運転を効率的に制御できる。そして、ＣＡＥＳ発電装置１０の運転効率を向上させることができる。
（２）複数の蓄圧部６ａ、６ｂを設け、圧力センサ９ａ、９ｂによって、蓄圧部６ａ、６ｂの内部圧力を監視するようになっているので、圧縮機及び膨張機がより効率的に運転できる蓄圧部６ａ、６ｂを選択することができる。
（３）速度型の膨張機と容積型の膨張機とでは最適運転条件が異なるため、設定圧力に対する蓄圧部６ａ、６ｂの内部圧力の大小によって、各型の膨張機が優先的に使用する蓄圧部６ａ、６ｂを選択することによって、膨張機の運転を効率的に制御できる。具体的には、内部圧力Ｐが設定圧力Ｐｄを超える蓄圧部から、速度型の膨張機に対して、優先的に圧縮空気を供給し、内部圧力Ｐが設定圧力Ｐｄ以下である蓄圧部から、容積型の膨張機に対して、優先的に圧縮空気を供給する。
（４）速度型の圧縮機／膨張機にターボ式を採用し、容積型の圧縮機／膨張機にスクリュ式を採用することによって、運転制御を容易に行うことができる。また、容積型にスクリュ式を採用することによって、その他の容積型であるスクロール式やロータリー式と比べて、比較的大容量の圧縮、膨張に対応できる。
上記実施形態では、スクリュ式圧縮機を１台、ターボ式圧縮機を３台、スクリュ式膨張機を１台、ターボ式膨張機を３台備えるＣＡＥＳ発電装置を例として説明したが、各式の圧縮機が１台以上、各式の膨張機が１台以上あればよい。また、同式の圧縮機及び膨張機は、同じ性能のものを前提として説明したが、同式の圧縮機及び膨張機の性能は異なっていてもよい。
上記実施形態では、ターボ式圧縮機３ｂ～３ｄとターボ式膨張機５ｂ～５ｄの起動停止時間Ｔｄを同じとして説明しているが、ターボ式圧縮機とターボ式膨張機とで起動停止時間が異なっていてもよい。また、同じ圧縮機、膨張機間でも起動停止時間が異なっていてもよい。その場合は、起動停止対象となる圧縮機、膨張機の起動停止時間で判断される。
上記実施形態では、蓄圧部として２つの蓄圧部６ａ、６ｂを含むものを例として説明しているが、蓄圧部の数は複数であればよく、３以上の蓄圧部を含んでもよい。また、各蓄圧部の容量は同じでもよく、異なっていてもよい。
本発明は、上記実施形態で説明された構成には限定されず、特許請求の範囲に記載された内容を逸脱することなく、当業者が考え得る各種変形例を含むことができる。
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ モータ
３ａ 第２圧縮機（スクリュ式圧縮機）
３ｂ 第１圧縮機（ターボ式圧縮機）
３ｃ 第１圧縮機（ターボ式圧縮機）
３ｄ 第１圧縮機（ターボ式圧縮機）
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 発電機
５ａ 第２膨張機（スクリュ式膨張機）
５ｂ 第１膨張機（ターボ式膨張機）
５ｃ 第１膨張機（ターボ式膨張機）
５ｄ 第１膨張機（ターボ式膨張機）
６ａ 蓄圧部
６ｂ 蓄圧部
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 注入側弁
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 排出側弁
９ａ 圧力センサ
９ｂ 圧力センサ
１０ ＣＡＥＳ発電装置
１１ 充電ユニット
１２ 放電ユニット
１３ 熱回収・利用ユニット
１４ 冷却ユニット
１５ 制御部
３ａ 第２圧縮機（スクリュ式圧縮機）
３ｂ 第１圧縮機（ターボ式圧縮機）
３ｃ 第１圧縮機（ターボ式圧縮機）
３ｄ 第１圧縮機（ターボ式圧縮機）
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 発電機
５ａ 第２膨張機（スクリュ式膨張機）
５ｂ 第１膨張機（ターボ式膨張機）
５ｃ 第１膨張機（ターボ式膨張機）
５ｄ 第１膨張機（ターボ式膨張機）
６ａ 蓄圧部
６ｂ 蓄圧部
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 注入側弁
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 排出側弁
９ａ 圧力センサ
９ｂ 圧力センサ
１０ ＣＡＥＳ発電装置
１１ 充電ユニット
１２ 放電ユニット
１３ 熱回収・利用ユニット
１４ 冷却ユニット
１５ 制御部
Claims (5)
- 圧縮空気貯蔵発電装置であって、
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、前記圧縮機により圧縮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、
前記圧縮空気貯蔵発電装置を制御する制御部と、を備え、
前記圧縮機は、速度型の第１圧縮機と容積型の第２圧縮機を含み、
前記膨張機は、速度型の第１膨張機と容積型の第２膨張機を含み、
前記制御部は、前記圧縮空気貯蔵発電装置の充電時において、予測変動電力の変動時間が、第１圧縮機の起動停止時間を超える場合、予測変動電力分を、第１圧縮機の台数制御と、第２圧縮機の台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間が第１圧縮機の起動停止時間以下である場合、予測変動電力分を、第２圧縮機の台数制御及び回転数制御で対応するよう制御し、及び／又は、
前記制御部は、前記圧縮空気貯蔵発電装置の放電時において、予測変動電力の変動時間が、第１膨張機の起動停止時間を超える場合、予測変動電力分を、第１膨張機の台数制御と、第２膨張機の台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間が第１膨張機の起動停止時間以下である場合、予測変動電力分を、第２膨張機の台数制御及び回転数制御で対応するよう制御する、圧縮空気貯蔵発電装置。
- 前記蓄圧部は、互いに分離された複数の蓄圧部を含み、
複数の前記蓄圧部は、第１圧縮機、第２圧縮機、第１膨張機及び第２膨張機とそれぞれ接続されており、その内部圧力が監視されている、請求項１記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
- 前記制御部は、第１膨張機は内部圧力が設定圧力を超える蓄圧部の圧縮空気を優先的に使用し、第２膨張機は内部圧力が設定圧力を下回る蓄圧部の圧縮空気を優先的に使用するよう制御する、請求項２記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
- 第１圧縮機は、ターボ式圧縮機であり、
第１膨張機は、ターボ式膨張機であり、
第２圧縮機は、スクリュ式圧縮機であり、
第２膨張機は、スクリュ式膨張機である、請求項１又は２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
- 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、前記圧縮機により圧縮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、を備え、
前記圧縮機は、速度型の第１圧縮機と容積型の第２圧縮機を含み、
前記膨張機は、速度型の第１膨張機と容積型の第２膨張機を含む、圧縮空気貯蔵発電装置の圧縮空貯蔵発電方法であって、
前記圧縮空気貯蔵発電装置の充電時において、予測変動電力の変動時間が、第１圧縮機の起動停止時間を超える場合、予測変動電力分を、第１圧縮機の台数制御と、第２圧縮機の台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間が第１圧縮機の起動停止時間以下である場合、予測変動電力分を、第２圧縮機の台数制御及び回転数制御で対応するよう制御し、及び／又は、
前記圧縮空気貯蔵発電装置の放電時において、予測変動電力の変動時間が、第１膨張機の起動停止時間を超える場合、予測変動電力分を、第１膨張機の台数制御と、第２膨張機の台数制御及び回転数制御で対応し、予測変動電力の変動時間が第１膨張機の起動停止時間以下である場合、予測変動電力分を、第２膨張機の台数制御及び回転数制御で対応するよう制御する、圧縮空気貯蔵発電方法。
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