WO2016181884A1 - 圧縮空気貯蔵発電装置 - Google Patents

Abstract

圧縮空気貯蔵発電装置２は、圧縮機８と、蓄圧タンク１２と、膨張機１４とを備える。圧縮機８は、２段型であり、再生可能エネルギーによりモータ４４を駆動されて空気を圧縮する。蓄圧タンク１２は、圧縮空気を貯蔵する。膨張機１４は、２段型であり、圧縮空気によって駆動される。膨張機１４には発電機４６が機械的に接続されており、電力を発電する。また、装置２は、圧縮熱を回収する第１熱交換部２０と、熱媒を温度別に貯蔵する高温蓄熱タンク２４ａ及び低温蓄熱タンク２４ｂと、第２熱交換部２６とを備える。第２熱交換部２６は、高温蓄熱タンク２４ａからの熱媒と低圧段膨張機本体１５への圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を昇温させるインターヒータ２８と、低温蓄熱タンク２４ｂからの熱媒と高圧段膨張機本体１６への圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を昇温させるプレヒータ２７とを備える。このようにして、充放電効率を高く維持できる圧縮空気貯蔵発電２装置を提供する。

Description

圧縮空気貯蔵発電装置

　本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置に関する。

　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においては、当日の日照状況に影響されて、その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。また、夜明けから日暮れまでの日照状況や、晴れのち曇りといった日照状況の場合、発電出力が一日のうちで大きく変動する。

　また、風車を用いた風力発電においては、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においては、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することができるが、全体としてみてもその発電出力の変動は避けることができない。

　このような変動する不安定な発電出力を平滑化又は平準化する技術としては、余剰発電電力が生じた際に電気を蓄えておき電力不足時に電気を補う蓄電池がその代表的なものであるが、余剰発電電力が生じた際に電気の代わりに変換した空気圧力として蓄えておき、必要なときに空気タービン発電機等で電気に再変換する圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）と呼ばれる技術が知られている。一般に、比較的短周期の変動を均す場合を平滑化と呼び、比較的長周期の変動を均す場合を平準化と呼んでいるが、ここでは両者をまとめて平滑化と表すものとする。

　このＣＡＥＳの技術を利用した代表的な従来技術が特許文献１から特許文献３に開示されている。特許文献１から特許文献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で、エネルギー貯蔵効率を高めている。

　また、従来から、スクリュを高圧段と低圧段の２セット備えた２段型のスクリュ式圧縮機及び２段型のスクリュ式膨張機が知られている。２段型のスクリュ式圧縮機は、低圧段で圧縮された圧縮空気を高圧段に導入する前に冷却し、２段型のスクリュ式膨張機は、高圧段で膨張された圧縮空気を低圧段に導入する前に加熱する。このため、単段型の圧縮機又は膨張機に比べて、過昇温または過冷却になることなく圧縮または膨張できる動作範囲が広いという特徴がある。

特開２０１２－９７７３７号公報 特表２０１３－５１２４１０号公報 特表２０１３－５３６３５７号公報

　いずれの従来技術においても、基本的には遠心圧縮機を使用することを前提としたものである。従って、圧縮機にて発生する圧縮熱を回収する場合、単一の熱貯蔵ユニットに貯蔵することしか記載されておらず、貯蔵温度の異なる複数の蓄熱タンクを使用することについては何ら開示されていない。また、圧縮熱の貯蔵に関しては、複数の熱交換器を利用して貯蔵することを開示しているものはあるが、膨張機側（発電）での利用に関しては、単に膨張機に導入される圧縮空気を加熱することしか開示されていない。

　圧縮空気貯蔵発電装置においては、充電工程と放電工程におけるエネルギー損失をできるだけ小さくする（充放電効率を高くする）ことが非常に重要である。充放電効率を低下させる主な原因として、空気の圧縮・膨張に伴って発生・吸収する熱による損失がある。この熱損失を小さくするためには、システム全体での熱効率を最大限高めることができるように、熱交換器を配置する必要がある。

　本発明は、システム全体での熱効率を最大限高めることによって、充放電効率を高く維持できる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、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、低圧段圧縮機本体及び高圧段圧縮機本体を有し、空気を圧縮する多段型の圧縮機と、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タンクと、前記蓄圧タンクと流体的に接続され、低圧段膨張機本体及び高圧段膨張機本体を有し、前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気によって駆動される多段型の膨張機と、前記膨張機と機械的に接続された発電機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を昇温させるための第１熱交換部と、前記第１熱交換部と流体的に接続され、熱媒を貯蔵する高温蓄熱タンクと、前記第１熱交換部と流体的に接続され、前記高温蓄熱タンクに貯蔵される熱媒よりも低温の熱媒を貯蔵する低温蓄熱タンクと、前記高温蓄熱タンクと流体的に接続され、前記高温蓄熱タンクから供給される熱媒と前記低圧段膨張機本体に供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を昇温させるためのインターヒータと、前記低温蓄熱タンクと流体的に接続され、前記低温蓄熱タンクから供給される熱媒と前記高圧段膨張機本体に供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を昇温させるためのプレヒータとを備える第２熱交換部とを備える圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。

　この構成により、温度別に貯蔵された熱媒で２段型に代表される多段型の膨張機に流入する圧縮空気を加熱することで、システム全体での熱効率を最大限高めることができ、充放電効率を高く維持できる。これは、低圧段膨張機本体に流入する圧縮空気を、より高い温度に加熱した方が、より多くの仕事量をさせることができるためである。また、スクリュ式の圧縮機又は膨張機を使用することで、変動する入力に速やかに追従することができ、発電出力も速やかに変更することができる。また、２段型のスクリュ式圧縮機と膨張機を使用し、高圧段と低圧段の間で冷却又は加熱することで、過昇温や過冷却になることなく、発電量をより増大できる。

　前記第１熱交換部は、インタークーラと、アフタークーラとを備え、前記インタークーラは、前記低温蓄熱タンクと流体的に接続され、熱媒と、前記低圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気とで熱交換して熱媒を昇温させて前記低温蓄熱タンクに供給し、前記アフタークーラは、熱媒と、前記高圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気とで熱交換して熱媒を昇温させて前記高温蓄熱タンクに供給してもよい。

　これにより、高温蓄熱タンクに高温の熱媒を貯蔵し、これより低温の熱媒を低温蓄熱タンクに貯蔵でき、即ち温度別に熱媒を貯蔵できる。従って、高温と低温で貯蔵された熱媒で２段型のスクリュ式膨張機に流入する圧縮空気を加熱可能であり、充放電効率を高く維持できる。

　前記第１熱交換部は、インタークーラと、前記インタークーラと熱媒経路で直列に接続された第１アフタークーラとを備え、前記インタークーラは、熱媒と、前記低圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気とで熱交換して熱媒を昇温させて前記第１アフタークーラに供給し、前記第１アフタークーラは、前記インタークーラで昇温された熱媒と、前記高圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気とで熱交換して熱媒をさらに昇温させて前記高温蓄熱タンクに供給してもよい。

　これにより、インタークーラと第１アフタークーラとを直列接続したもので熱媒を加熱することで、熱媒をより高温に加熱することが容易で、かつ高温に加熱された熱媒の流量を増加できる。より高温に加熱された熱媒の方が、放電効率を向上するのに有利であるため、インターヒータで低圧段膨張機本体に流入する前の圧縮空気を加熱することで、放電効率を一層高めることができる。

　前記第１熱交換部は、空気流路において前記第１アフタークーラの下流に配置された第２アフタークーラをさらに備え、前記第２アフタークーラは、熱媒と、前記第１アフタークーラから供給される圧縮空気とで熱交換して熱媒を昇温させて前記低温蓄熱タンクに供給してもよい。

　これにより、第２アフタークーラにおいて、第１アフタークーラの加熱に使用した後の圧縮空気で熱媒を加熱することで、効率よく熱媒を加熱して低温熱媒として低温蓄熱タンクに貯蔵できる。従って、この熱媒を使用してプレヒータで２段型スクリュ式膨張機の高圧段膨張機本体に流入する圧縮空気を加熱することで、より有効に熱媒を使用でき、放電効率を高めることができる。

　前記第１熱交換部及び前記第２熱交換部と流体的に接続され、前記第２熱交換部で熱交換して降温した熱媒と、冷却水とで熱交換して熱媒を降温させる第３熱交換部と、前記第３熱交換部で熱媒と熱交換して昇温した冷却水を取り出す温水取出機構とを備えてもよい。

　これにより、第３熱交換部で熱交換して昇温した冷却水を温水として取り出して利用することで、発電だけでなく温水利用もすることができる。従って、充放電効率に加えて温水利用による効率も加えることができ、システム全体の効率を高めることができる。

　本発明によれば、温度別に貯蔵された熱媒で２段型スクリュ式膨張機に流入する圧縮空気を加熱することで、システム全体での熱効率を最大限高めることができ、充放電効率を高く維持できる。

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。 充電時の２段型スクリュ式圧縮機のｐ－ｈ線図。 放電時の２段型スクリュ式膨張機のｐ－ｈ線図。 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。 本発明の第３実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。

　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は、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置２の概略構成図を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、再生可能エネルギーを利用して発電する場合に、需要先設備４への出力変動を平滑化するとともに、需要先設備４における需要電力の変動に合わせた電力を出力する。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、工場、ショッピングセンター、スマートビレッジ等に設置された太陽光パネルや風車などの再生可能エネルギーによる発電設備６から供給された電力を平滑化し、需要先設備４に電力を出力する。需要先設備４は、発電設備６が設置された上記施設等であってもよいし、自家発電の場合の発電設備６自体であってもよいし、それ以外の外部の電力系統であってもよい。

　図１を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。ＣＡＥＳ発電装置２は、４種類の流体経路を備える。４種類の流体経路とは、空気経路、熱媒経路、冷却水経路、及び潤滑油経路である。空気経路には、主に圧縮機８と、蓄圧タンク１２と、膨張機１４とが設けられており、これらが空気配管１８，１９により流体的に接続され、その内部には空気が流れている（図１の破線参照）。熱媒経路には、主に第１熱交換部２０と、蓄熱タンク２４と、第２熱交換部２６とが設けられており、これらが熱媒配管３０により流体的に接続され、その内部には熱媒が流れている（図１の実線参照）。冷却水経路には、主に給水部３２と、第３熱交換部３４と、第４熱交換部３６ａ，３６ｂと、温水取出口（温水取出機構）３８とが設けられており、これらが冷却水配管４０により流体的に接続され、その内部には水が流れている（図１の一点鎖線参照）。潤滑油経路には、主に第４熱交換部３６ａ又は３６ｂと、圧縮機８又は膨張機１４とが設けられており、これらが潤滑油配管４２ａ，４２ｂにより流体的に接続され、その内部には潤滑油が流れている（図１の二点鎖線参照）。

　第１に、図１を参照して空気経路について説明する。空気経路では、吸い込まれた空気は、圧縮機８で圧縮され、蓄圧タンク１２に貯蔵される。蓄圧タンク１２に貯蔵された圧縮空気は膨張機１４に供給され、発電機４６の発電に使用される。

　圧縮機８は、低圧段圧縮機本体９及び高圧段圧縮機本体１０を有する２段型のスクリュ式である。スクリュ式の圧縮機８を使用することで、変動する入力に速やかに追従でき、発電出力も速やかに変更できる。圧縮機８は、モータ（電動機）４４を備える。モータ４４は、低圧段圧縮機本体９及び高圧段圧縮機本体１０の内部の二軸式のスクリュ９ａ，１０ａに機械的に接続されている。発電設備６で発電された電力（入力電力）はモータ４４に供給され（図１の太線矢印参照）、この電力によりモータ４４が駆動され、スクリュ９ａ，１０ａが回転して圧縮機８が作動する。圧縮機８は、モータ４４により駆動されると、空気配管１８を通じて低圧段圧縮機本体９が吸込口９ｂより空気を吸引し、圧縮して吐出口９ｃより吐出し、空気配管１８を通じて高圧段圧縮機本体１０に圧縮空気を圧送する。高圧段圧縮機本体１０は、空気配管１８を通じて吸込口１０ｂより空気を吸引し、圧縮して吐出口１０ｃより吐出し、空気配管１８ａを通じて蓄圧タンク１２に圧縮空気を圧送する。また、本実施形態では圧縮機８の数は１台であるが、並列に複数台を設置してもよい。

　蓄圧タンク１２は、圧縮機８から圧送された圧縮空気を貯蔵する。従って、蓄圧タンク１２には、圧縮空気としてエネルギーを蓄積できる。蓄圧タンク１２は、空気配管１９を通じて、膨張機１４に流体的に接続されている。従って、蓄圧タンク１２で貯蔵された圧縮空気は、膨張機１４に供給される。なお、蓄圧タンク１２に貯蔵された圧縮空気は、工場等に直接利用するエアとして供給してもよい。

　膨張機１４は、低圧段膨張機本体１５及び高圧段膨張機本体１６を有する２段型のスクリュ式である。スクリュ式の膨張機１４を使用することで、変動する入力に速やかに追従でき、発電出力も速やかに変更できる。膨張機１４は、発電機４６を備える。発電機４６は、低圧段膨張機本体１５及び高圧段膨張機本体１６の内部の二軸式のスクリュ１５ａ，１６ａと機械的に接続されている。高圧段膨張機本体１６は。吸込口１６ｂにおいて空気配管１９を通じて蓄圧タンク１２と流体的に接続され、吸込口１６ｂから圧縮空気を供給される。高圧段膨張機本体１６は、供給された圧縮空気により作動し、発電機４６を駆動する。高圧段膨張機本体１６は、吐出口１６ｃから空気配管１９を通じて圧縮空気を低圧段膨張機本体１５の吸込口１５ｂに供給する。低圧段膨張機本体１５は、同様に供給された圧縮空気により作動し、発電機４６を駆動する。低圧段膨張機本体１５は吐出口１５ｃから空気配管１９を通じて外部に膨張した空気を排気する。発電機４６で発電した電力は、需要先設備４に供給される（図１の太線矢印参照）。また、本実施形態では膨張機１４の数は１台であるが、並列に複数台を設置してもよい。

　第２に、図１を参照して熱媒経路について説明する。熱媒経路では、第１熱交換部２０において圧縮機８で発生した熱を熱媒に回収している。そして、熱回収した熱媒を蓄熱タンク２４（高温蓄熱タンク２４ａ及び低温蓄熱タンク２４ｂ）に貯蔵し、第２熱交換部２６において膨張機１４で膨張する前の圧縮空気に熱を戻している。第２熱交換部２６において熱交換して降温した熱媒は、熱媒戻りタンク４８に供給される。そして、熱媒戻りタンク４８から第１熱交換部２０に再び熱媒が供給され、このように熱媒は循環している。ここで、熱媒の種類は特に限定されておらず、例えば鉱物油やグリコール系の熱媒を使用できる。

　本実施形態の第１熱交換部２０は、インタークーラ２１と、第１アフタークーラ２２ａと、第２アフタークーラ２２ｂとを備える。インタークーラ２１、第１アフタークーラ２２ａ、及び第２アフタークーラ２２ｂは全て、圧縮機８で発生した熱を熱媒に回収している。従って、インタークーラ２１、第１アフタークーラ２２ａ、及び第２アフタークーラ２２ｂでは全て、圧縮空気の温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。

　インタークーラ２１は、空気経路において低圧段圧縮機本体９から高圧段圧縮機本体１０に延びる空気配管１８に設けられている。また、熱媒経路において熱媒戻りタンク４８から第１アフタークーラ２２ａに延びる熱媒配管３０ａ，３０ｂに設けられている。従って、インタークーラ２１は、低圧段圧縮機本体９で圧縮後の圧縮空気と、第１アフタークーラ２２ａに供給される熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体９で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管３０ｂを通じて第１アフタークーラ２２ａに供給される。このように低圧段圧縮機本体９と高圧段圧縮機本体１０の間で冷却しているので、過昇温になることなく、より圧縮熱を回収できる。

　第１アフタークーラ２２ａは、空気経路において高圧段圧縮機本体１０から第２アフタークーラ２２ｂに延びる空気配管１８ａに設けられている。また、熱媒経路においてインタークーラ２１から高温蓄熱タンク２４ａに延びる熱媒配管３０ｂ，３０ｃに設けられている。従って、第１アフタークーラ２２ａは、高圧段圧縮機本体１０で圧縮後の圧縮空気と、高温蓄熱タンク２４ａに供給される熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体９及び高圧段圧縮機本体１０で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管３０ｃを通じて高温蓄熱タンク２４ａに供給される。

　第２アフタークーラ２２ｂは、空気経路において第１アフタークーラ２２ａから蓄圧タンク１２に延びる空気配管１８ａに設けられている。また、熱媒経路において熱媒戻りタンク４８からインタークーラ２１の前で分岐して低温蓄熱タンク２４ｂに延びる熱媒配管３０ｄ，３０ｅに設けられている。従って、第２アフタークーラ２２ｂは、第１アフタークーラ２２ａで熱交換した後の圧縮空気と、低温蓄熱タンク２４ｂに供給される熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体９及び高圧段圧縮機本体１０で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管３０ｅを通じて低温蓄熱タンク２４ｂに供給される。

　本実施形態の蓄熱タンク２４は、高温蓄熱タンク２４ａ及び低温蓄熱タンク２４ｂを備える。高温蓄熱タンク２４ａ及び低温蓄熱タンク２４ｂは、大気と断熱された断熱材で周囲が覆われた鋼製タンクである。断熱材で覆う代わりに二重容器として真空断熱すれば、さらに断熱効果を高めることもできる。蓄熱タンク２４（高温蓄熱タンク２４ａ及び低温蓄熱タンク２４ｂ）には、第１熱交換部２０で昇温した熱媒が貯蔵されている。高温蓄熱タンク２４ａには、例えば、２４０℃の熱媒が貯蔵され、低温蓄熱タンク２４ｂには１４０℃の熱媒が貯蔵されている。高温蓄熱タンク２４ａに貯蔵された熱媒は、熱媒配管３０ｆを通じてインターヒータ２８に供給される。低温蓄熱タンク２４ｂに貯蔵された熱媒は、熱媒配管３０ｇを通じてプレヒータ２７に供給される。本実施形態では２種の蓄熱タンク２４（高温蓄熱タンク２４ａ及び低温蓄熱タンク２４ｂ）を設けたが、３種以上にしてもよいし、高温蓄熱タンク２４ａ又は低温蓄熱タンク２４ｂの一方又は両方を２つ以上設けてもよい。さらに、物理的に１つの蓄熱タンク２４の内部を仕切って高温用と低温用の熱媒を分けて貯蔵してもよい。

　温度別に貯蔵された熱媒で２段型のスクリュ式膨張機１４に流入する圧縮空気を加熱することで、システム全体での熱効率を最大限高めることができ、充放電効率を高く維持できる。これは、後述するように、低圧段膨張機本体１５に流入する圧縮空気を、より高い温度に加熱した方が、より多くの仕事量をさせることができるためである。

　本実施形態の第２熱交換部２６は、プレヒータ２７と、インターヒータ２８とを備える。プレヒータ２７及びインターヒータ２８は、膨張機１４で膨張前の圧縮空気を加熱する。従って、プレヒータ２７及びインターヒータ２８では、圧縮空気の温度は上昇し、熱媒の温度は低下する。

　プレヒータ２７は、空気経路において蓄圧タンク１２から高圧段膨張機本体１６に延びる空気配管１９に設けられている。また、熱媒経路において低温蓄熱タンク２４ｂから熱媒戻りタンク４８に延びる熱媒配管３０ｇ，３０ｈに設けられている。従って、プレヒータ２７は、高圧段膨張機本体１６で膨張前の圧縮空気と、低温蓄熱タンク２４ｂから供給される熱媒とで熱交換し、高圧段膨張機本体１６での膨張前の圧縮空気を加熱している。ここで降温した熱媒は、熱媒配管３０ｈを通じて熱媒戻りタンク４８に供給される。

　インターヒータ２８は、空気経路において高圧段膨張機本体１６から低圧段膨張機本体１５に延びる空気配管１９に設けられている。また、熱媒経路において高温蓄熱タンク２４ａから熱媒戻りタンク４８に延びる熱媒配管３０ｆ，３０ｉに設けられている。従って、インターヒータ２８は、低圧段膨張機本体１５で膨張前の圧縮空気と、高温蓄熱タンク２４ａから供給される熱媒とで熱交換し、低圧段膨張機本体１５での膨張前の圧縮空気を加熱している。このように高圧段膨張機本体１６と低圧段膨張機本体１５の間で加熱しているので、過冷却になることなく、より発電量も増大できる。ここで降温した熱媒は、熱媒配管３０ｉを通じて熱媒戻りタンク４８に回収される。

　熱媒戻りタンク４８は、第２熱交換部２６（プレヒータ２７及びインターヒータ２８）で熱交換して降温した熱媒を貯蔵する。従って、熱媒戻りタンク４８内の熱媒は、通常、蓄熱タンク２４内の熱媒よりも温度が低い。熱媒戻りタンク４８に貯蔵されている熱媒は、熱媒配管３０ｊを通じて第１熱交換部２０にそれぞれ供給される。

　このように本実施形態では３つの熱媒を貯蔵するタンク２４ａ，２４ｂ，４８を設けている。高温蓄熱タンク２４ａの温度Ｔ１、低温蓄熱タンク２４ｂの温度Ｔ２、及び熱媒戻りタンク４８の温度Ｔ３を比べると、Ｔ１が最も高く、次いでＴ２、そしてＴ３が最も低い。即ち、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３の関係が成立している。

　熱媒戻りタンク４８から第１熱交換部２０に延びる熱媒配管３０ｊには、第３熱交換部３４が設けられている。第３熱交換部３４では、第１熱交換部２０に供給される熱媒と、冷却水との間で熱交換して熱媒の温度を所定の温度まで低下させている。ここで、第３熱交換部３４は、第１熱交換部２０と第２熱交換部２６との間に配置すればよく、熱媒戻りタンク４８の下流側の位置に限定されない。配置位置によって、供給できる温水の温度を変更することができる。

　第１熱交換部２０の上流側に配置すれば、第３熱交換部３４によって第１熱交換部２０に流入する熱媒の温度を所定の温度に維持できるので、第１熱交換部２０における熱交換を安定的に行うことができ、充放電効率を向上できる。

　熱媒配管３０ｊ，３０ｆ，３０ｇには、熱媒を流動させるためのポンプ５０ａ～５０ｃがそれぞれ設けられている。ポンプ５０ａは熱媒戻りタンク４８下流に配置され、ポンプ５０ｂは高温蓄熱タンク２４ａ下流に配置され、ポンプ５０ｃは低温蓄熱タンク２４ｂ下流に配置されている。ただし、ポンプ５０ａ～５０ｃの配置は特に限定されず、熱媒配管３０の任意の位置に配置してよい。

　第３に、図１を参照して冷却水経路について説明する。冷却水経路では、第３熱交換部３４において熱媒戻りタンク４８から供給される熱媒の熱を冷却水に回収している。また、第４熱交換部３６ａ，３６ｂにおいて潤滑油の熱を冷却水に回収している。そして、熱回収した水を温水として温水取出口３８から取り出して利用できる。冷却水経路には給水部３２が設けられており、所定の温度の冷却水が冷却水経路に供給されている。

　第３熱交換部３４は、冷却水経路において給水部３２から第４熱交換部３６ａ，３６ｂに延びる冷却水配管４０に設けられている。また、熱媒経路において熱媒戻りタンク４８から第１熱交換部２０に延びる熱媒配管３０ｊに設けられている。従って、第３熱交換部３４は、給水部３２から供給される冷却水と、熱媒戻りタンク４８から供給される熱媒とで熱交換し、冷却水を加熱している。ここで昇温した冷却水は、圧縮機８及び膨張機１４の両方に向かって分岐した冷却水配管４０を通じて第４熱交換部３６ａ，３６ｂに供給される。本実施形態では、第３熱交換部３４は熱媒戻りタンク４８の熱媒の熱を利用して冷却水を加熱しているが、さらに高温の温水や多量の温水を必要とする場合は蓄熱タンク２４の熱媒の熱を利用できる構成としてもよい。

　第４熱交換部３６ａ，３６ｂは、冷却水経路において第３熱交換部３４から温水取出口３８に延びる冷却水配管４０に設けられている。また、潤滑油経路において圧縮機８又は膨張機１４と流体的に接続されている潤滑油配管４２ａ，４２ｂに設けられている。従って、第４熱交換部３６ａ，３６ｂは、第３熱交換部３４から供給される冷却水と、潤滑油配管４２ａ，４２ｂ内の潤滑油とで熱交換し、冷却水を加熱し、潤滑油を冷却している。ここで昇温した冷却水は、冷却水配管４０を通じて温水取出口３８に供給される。

　温水取出口３８は、冷却水配管４０を流れ、第３熱交換部３４及び第４熱交換部３６ａ，３６ｂで加熱された冷却水、即ち温水を取り出して利用するためのものである。温水利用としては、工場、ショッピングセンター、スマートビレッジ等の設備に温水として供給すればよい。

　このように、第３熱交換部３４で熱交換して昇温した冷却水を温水として取り出して利用することで、発電だけでなく温水利用もすることができる。従って、充放電効率に加えて温水利用による効率も加えることができ、システム全体の効率を高めることができる。

　第４に、図１を参照して潤滑油経路について説明する。潤滑油経路では、圧縮機８又は膨張機１４のスクリュ９ａ，１０ａ又は１５ａ，１６ａの軸受９ｄ，１０ｄ又は１５ｄ，１６ｄ等の潤滑に使用する潤滑油が循環している。そして、上述のように第４熱交換部３６ａ，３６ｂでは潤滑油が冷却されている。

　また、熱交換部を新たに設け、圧縮機８及び膨張機１４におけるモータ４４及び発電機４６等の電気的な熱損失や機械的な熱損失等を回収して、さらに冷却水と熱交換し、冷却水を加熱してもよい。

　潤滑油配管４２ａ，４２ｂには、潤滑油を流動させるためのポンプ５０ｄ，５０ｅがそれぞれ設けられている。ポンプ５０ｄは圧縮機８下流に配置され、ポンプ５０ｅは膨張機１４下流に配置されている。ただし、ポンプ５０ｄ，５０ｅの配置は特に限定されず、潤滑油配管４２ａ，４２ｂの任意の位置にそれぞれ配置してよい。

　また、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、多くの構成要素がコンテナ５２ａ～５２ｃに収納されている。コンテナ５２ａは、圧縮機８と、第１熱交換部２０と、第４熱交換部３６ａとを収納し、圧縮機能に関する設備がまとめられている。コンテナ５２ｂは、膨張機１４と、第２熱交換部２６と、第４熱交換部３６ｂとを収納し、膨張機能に関する設備がまとめられている。コンテナ５２ｃは、高温蓄熱タンク２４ａと、低温蓄熱タンク２４ｂと、熱媒戻りタンク４８と、第３熱交換部３４とを収納し、蓄熱機能に関する設備がまとめられている。

　このように、構成要素をコンテナ５２ａ～５２ｃに収納することにより、ＣＡＥＳ発電装置２の設置の際の工事費を大幅に抑え、運搬も容易に行うことができる。コンテナ５２ａ～５２ｃは、必ずしも３つ必要ではなく、これらの内１つ又は２つであってもよい。また、２つ以上のコンテナがまとめられてもよく、例えば収納する構成要素を全てまとめて１つのコンテナに収納してもよい。また、本発明にコンテナ５２ａ～５２ｃは必須ではなく、コンテナ５２ａ～５２ｃは設けられていなくてもよい。

　以上のように、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の４種類の流体経路は、構成されている。

　図２は、充電時の２段型のスクリュ式圧縮機８のｐ－ｈ線図である。主に、縦軸は圧力、横軸は比エンタルピー及び温度を表す。図中、状態Ｃ１から状態Ｃ２は低圧段圧縮機本体９での圧縮仕事過程を示し、状態Ｃ２から状態Ｃ３はインタークーラ２１での冷却過程を示している。状態Ｃ３から状態Ｃ４は高圧段圧縮機本体１０での圧縮仕事過程を示し、状態Ｃ４から状態Ｃ５は第１アフタークーラ２２ａでの冷却過程を示し、状態Ｃ５から状態Ｃ６は第２アフタークーラ２２ｂでの冷却過程を示している。図２では、状態Ｃ１から状態Ｃ２及び状態Ｃ３から状態Ｃ４は断熱過程を想定した等エントロピー変化である。例示した状態Ｃ１から状態Ｃ５までの圧縮空気の温度の遷移を見ると、状態Ｃ１で約３０℃、状態Ｃ２で約１５０℃、状態Ｃ３で約１１０℃、状態Ｃ４で約２５０℃、状態Ｃ５で約１５０℃、そして状態Ｃ６で約７０℃である。従って、高圧段圧縮機本体１０での圧縮後（状態Ｃ４）の方が低圧段圧縮機本体９での圧縮後（状態Ｃ２）よりも圧縮空気の温度が高くなっている。なお、状態Ｃ１～Ｃ６の圧力・温度等の条件は一例であって、これに限定されるものではない。

　本実施形態の高温蓄熱タンク２４ａには、インタークーラ２１と第１アフタークーラ２２ａとを直列接続し、これらで加熱されて昇温した熱媒が貯蔵される。これは、図２の状態Ｃ２から状態Ｃ３及び状態Ｃ４から状態Ｃ５で圧縮空気と熱交換した熱媒に対応し、熱媒温度は例えば２４０℃である。従って、状態Ｃ４から状態Ｃ５の１段階で熱媒を加熱するよりも、２段階の加熱で、状態Ｃ２から状態Ｃ３で予熱を与える分、より高温の熱媒にして貯蔵でき、より高温に加熱された熱媒の流量を増加できる。

　また、本実施形態の低温蓄熱タンク２４ｂには、第２アフタークーラ２２ｂで加熱された熱媒が貯蔵される。これは、図２の状態Ｃ５から状態Ｃ６で熱交換した熱媒に対応し、熱媒温度は例えば１４０℃である。状態Ｃ５は状態Ｃ４よりも温度が低いため、低温蓄熱タンク２４ｂには高温蓄熱タンク２４ａに貯蔵される熱媒より温度が低い熱媒が貯蔵される。このように、第２アフタークーラ２２ｂにおいて、第１アフタークーラ２２ａの加熱に使用した後の圧縮空気で熱媒を加熱することで、第１アフタークーラ２２ａで回収しきれなかった圧縮熱を低温熱媒として回収でき、効率よく熱媒を加熱して低温蓄熱タンク２４ｂに貯蔵できる。

　図３は、放電時の２段型スクリュ式膨張機のｐ－ｈ線図である。主に、縦軸は圧力、横軸は比エンタルピー及び温度を表す。図中、状態Ｅ１から状態Ｅ２はプレヒータ２７での加熱過程を示し、状態Ｅ２から状態Ｅ３は高圧段膨張機本体１６での膨張仕事過程を示している。また、状態Ｅ３から状態Ｅ４はインターヒータ２８での加熱過程を示し、状態Ｅ４から状態Ｅ５は低圧段膨張機本体１５での膨張仕事過程を示している。図３では、状態Ｅ２から状態Ｅ３及び状態Ｅ４から状態Ｅ５は断熱過程を想定した等エントロピー変化である。高圧段膨張機本体１６及び低圧段膨張機本体１５における膨張仕事過程を比較すると、状態Ｅ４から状態Ｅ５の等エントロピー線の傾斜量が状態Ｅ２から状態Ｅ３の等エントロピー線の傾斜量よりも小さいことから、より外部にしている仕事量が大きい。従って、状態Ｅ３から状態Ｅ４における低圧段膨張機本体１５に供給される空気の加熱量を状態Ｅ１から状態Ｅ２における高圧段膨張機本体１６に供給される空気の加熱量よりも大きくすることが系の効率化の観点からは好ましい。例示した状態Ｅ１から状態Ｅ５までの圧縮空気の温度の遷移を見ると、状態Ｅ１で約７０℃、状態Ｅ２で約１３０℃、状態Ｅ３で約３０℃、状態Ｅ４で約２３０℃、状態Ｅ５で約１００℃である。なお、状態Ｅ１～Ｅ６の圧力・温度等の条件は一例であって、これに限定されるものではない。

　本実施形態では、高温蓄熱タンク２４ａの熱媒を使用してインターヒータ２８で低圧段膨張機本体１５に流入する前の圧縮空気を加熱し、低温蓄熱タンク２４ｂの熱媒を使用してプレヒータ２７で低圧段膨張機本体１５に流入する前の圧縮空気を加熱している。従って、低圧段膨張機本体１５に供給される圧縮空気を高温の熱媒で大きく加熱することで、放電効率を一層高めている。

（第２実施形態）
　図４は、第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の概略構成図を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、圧縮機８及び膨張機１４の台数以外の構成は図１の第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

　図４を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態では、圧縮機８が３台及び膨張機１４が４台、それぞれコンテナ５２ａ及びコンテナ５２ｂ内に設けられている。３台の圧縮機８は並列に流体的に接続され、４台の膨張機１４も並列に流体的に接続されている。

　このように複数台の圧縮機８及び膨張機１４を備えることで、入力電力や需要電力に応じて圧縮機８及び膨張機１４の駆動台数を変更できるため、幅広く効率的な平滑化が可能である。また、複数台の圧縮機８及び膨張機１４を設けた場合でもコンテナ５２ａ，５２ｂ内に収納しているため、ＣＡＥＳ発電装置２の設置の際の工事費を大幅に抑え、運搬も容易に行うことができる。

（第３実施形態）
　図５は、第３実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の概略構成図を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２も、第１熱交換部２０に関する部分以外の構成は図１の第１実施形態と同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

　図５を参照して、本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態では、第１熱交換部２０は、インタークーラ２１と、アフタークーラ２２とを備える。インタークーラ２１、及びアフタークーラ２２は、圧縮機８で発生した熱を熱媒に回収している。従って、インタークーラ２１及びアフタークーラ２２では、圧縮空気の温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。

　インタークーラ２１は、空気経路において低圧段圧縮機本体９から高圧段圧縮機本体１０に延びる空気配管１８に設けられている。また、熱媒経路において熱媒戻りタンク４８から低温蓄熱タンク２４ｂに延びる熱媒配管３０ａ，３０ｅに設けられている。従って、インタークーラ２１は、低圧段圧縮機本体９で圧縮後の圧縮空気と、低温蓄熱タンク２４ｂに供給される熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体９で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管３０ｅを通じて低温蓄熱タンク２４ｂに供給される。

　アフタークーラ２２は、空気経路において高圧段圧縮機本体１０から蓄圧タンク１２に延びる空気配管１８ａに設けられている。また、熱媒経路において熱媒戻りタンク４８から高温蓄熱タンク２４ａに延びる熱媒配管３０ｄ，３０ｃに設けられている。従って、アフタークーラ２２は、高圧段圧縮機本体１０で圧縮後の圧縮空気と、高温蓄熱タンク２４ａに供給される熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体９及び高圧段圧縮機本体１０で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管３０ｃを通じて高温蓄熱タンク２４ａに供給される。

　これにより、高温蓄熱タンク２４ａに高温の熱媒を貯蔵し、これより低温の熱媒を低温蓄熱タンク２４ｂに貯蔵でき、即ち温度別に熱媒を貯蔵できる。従って、高温と低温で貯蔵された熱媒で２段型のスクリュ式膨張機１４に流入する圧縮空気を加熱可能であり、充放電効率を高く維持できる。

　第１から第３実施形態を通じて、本発明の「変動する入力電力」は再生可能エネルギーに限定されることなく、工場設備の需要電力を平滑化したりピークカットをしたりするものであってもよい。また、圧縮機８及び膨張機１４は、２段型に限定されず、３段以上の多段型であってもよい。

　　２　圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
　　４　需要先設備
　　６　発電設備
　　８　圧縮機
　　９　低圧段圧縮機本体
　　９ａ　スクリュ
　　９ｂ　吸込口
　　９ｃ　吐出口
　　９ｄ　軸受
　　１０　高圧段圧縮機本体
　　１０ａ　スクリュ
　　１０ｂ　吸込口
　　１０ｃ　吐出口
　　１０ｄ　軸受
　　１２　蓄圧タンク
　　１４　膨張機
　　１５　低圧段膨張機本体
　　１５ａ　スクリュ
　　１５ｂ　吸込口
　　１５ｃ　吐出口
　　１５ｄ　軸受
　　１６　高圧段膨張機本体
　　１６ａ　スクリュ
　　１６ｂ　吸込口
　　１６ｃ　吐出口
　　１６ｄ　軸受
　　１８，１８ａ，１９　空気配管
　　２０　第１熱交換部
　　２１　インタークーラ
　　２２　アフタークーラ
　　２２ａ　第１アフタークーラ
　　２２ｂ　第２アフタークーラ
　　２４　蓄熱タンク
　　２４ａ　高温蓄熱タンク
　　２４ｂ　低温蓄熱タンク
　　２６　第２熱交換部
　　２７　プレヒータ
　　２８　インターヒータ
　　３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ，３０ｉ，３０ｊ　熱媒配管
　　３２　給水部
　　３４　第３熱交換部
　　３６ａ，３６ｂ　第４熱交換部
　　３８　温水取出口（温水取出機構）
　　４０　冷却水配管
　　４２ａ，４２ｂ　潤滑油配管
　　４４　モータ（電動機）
　　４６　発電機
　　４８　熱媒戻りタンク
　　５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ　ポンプ
　　５２ａ，５２ｂ，５２ｃ　コンテナ

Claims (5)

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、低圧段圧縮機本体及び高圧段圧縮機本体を有し、空気を圧縮する多段型の圧縮機と、
   　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タンクと、
   　前記蓄圧タンクと流体的に接続され、低圧段膨張機本体及び高圧段膨張機本体を有し、前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気によって駆動される多段型の膨張機と、
   　前記膨張機と機械的に接続された発電機と、
   　前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を昇温させるための第１熱交換部と、
   　前記第１熱交換部と流体的に接続され、熱媒を貯蔵する高温蓄熱タンクと、
   　前記第１熱交換部と流体的に接続され、前記高温蓄熱タンクに貯蔵される熱媒よりも低温の熱媒を貯蔵する低温蓄熱タンクと、
   　前記高温蓄熱タンクと流体的に接続され、前記高温蓄熱タンクから供給される熱媒と前記低圧段膨張機本体に供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を昇温させるためのインターヒータと、前記低温蓄熱タンクと流体的に接続され、前記低温蓄熱タンクから供給される熱媒と前記高圧段膨張機本体に供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を昇温させるためのプレヒータとを備える第２熱交換部と
   　を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
2. 　前記第１熱交換部は、インタークーラと、アフタークーラとを備え、
   　前記インタークーラは、前記低温蓄熱タンクと流体的に接続され、熱媒と、前記低圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気とで熱交換して熱媒を昇温させて前記低温蓄熱タンクに供給し、
   　前記アフタークーラは、前記高温蓄熱タンクと流体的に接続され、熱媒と、前記高圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気とで熱交換して熱媒を昇温させて前記高温蓄熱タンクに供給する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
3. 　前記第１熱交換部は、インタークーラと、前記インタークーラと熱媒経路で直列に接続された第１アフタークーラとを備え、
   　前記インタークーラは、熱媒と、前記低圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気とで熱交換して熱媒を昇温させて前記第１アフタークーラに供給し、
   　前記第１アフタークーラは、前記インタークーラで昇温された熱媒と、前記高圧段圧縮機本体で圧縮された圧縮空気とで熱交換して熱媒をさらに昇温させて前記高温蓄熱タンクに供給する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
4. 　前記第１熱交換部は、空気流路において前記第１アフタークーラの下流に配置された第２アフタークーラをさらに備え、
   　前記第２アフタークーラは、熱媒と、前記第１アフタークーラから供給される圧縮空気とで熱交換して熱媒を昇温させて前記低温蓄熱タンクに供給する、請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
5. 　前記第１熱交換部及び前記第２熱交換部と流体的に接続され、前記第２熱交換部で熱交換して降温した熱媒と、冷却水とで熱交換して熱媒を降温させる第３熱交換部と、
   　前記第３熱交換部で熱媒と熱交換して昇温した冷却水を取り出す温水取出機構と
   　を備える、請求項１から請求項４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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