WO2016203980A1 - 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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WO2016203980A1
WO2016203980A1 PCT/JP2016/066487 JP2016066487W WO2016203980A1 WO 2016203980 A1 WO2016203980 A1 WO 2016203980A1 JP 2016066487 W JP2016066487 W JP 2016066487W WO 2016203980 A1 WO2016203980 A1 WO 2016203980A1
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compressed air
air
expander
exhaust
heat
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PCT/JP2016/066487
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正剛 戸島
洋平 久保
正樹 松隈
浩樹 猿田
佳直美 坂本
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株式会社神戸製鋼所
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F01D17/08—Arrangement of sensing elements responsive to condition of working-fluid, e.g. pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F01K27/02—Plants modified to use their waste heat, other than that of exhaust, e.g. engine-friction heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/16—Control of working fluid flow
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the present invention relates to a compressed air storage power generation apparatus and a compressed air storage power generation method.
  • CAES compressed air storage
  • Conventional compressed air storage power generators store electrical energy in the accumulator tank as compressed air during off-peak hours of the power plant, operate the generator by driving the expander with compressed air during high power demand time, and Is generally generated.
  • Patent Document 1 discloses such a CAES power generator.
  • the CAES power generator of Patent Document 1 uses a heat exchanger to exchange heat between the heat medium and air, collects the compression heat generated by the compressor into the heat medium, Heat is returned to the air before it expands.
  • An object of the present invention is to provide a compressed air storage power generation apparatus that can suppress exhaust heat from an expander to the atmosphere to the minimum and improve system efficiency.
  • the temperature of the exhaust air exhausted from the expander When the compressed air supplied to the expander is heated using compression heat or the like, the temperature of the exhaust air exhausted from the expander also rises.
  • the temperature of exhaust air may be higher than that of compressed air supplied to individual expander bodies, and in this case, system efficiency can be improved by heat exchange.
  • the first aspect of the present invention includes an electric motor driven by fluctuating input power, a compressor mechanically connected to the electric motor, compressing air, and fluidly connected to the compressor, An accumulator tank that stores compressed air compressed by the compressor, and a multistage expansion fluidly connected to the accumulator tank and driven by compressed air supplied from the accumulator tank and having a plurality of expander bodies
  • a heat generator a generator mechanically connected to the expander, a heat medium tank for storing a heat medium, a heat medium supplied from the heat medium tank, and compressed air supplied to the expander. Heat is exchanged between the expansion side heat exchanging unit for heating the compressed air, the exhaust air exhausted from the expander and the compressed air supplied to one of the expander bodies, and the compressed air is heated.
  • Exhaust side heat exchanger Providing compressed air storage power generation apparatus equipped.
  • the compressed air heated by the expansion-side heat exchange unit is expanded and exhausted by the expander, and the exhaust heat of the exhaust air is used for heating the compressed air before expansion.
  • System efficiency can be improved by minimizing exhaust heat to the atmosphere. Specifically, heat is exchanged between the exhaust air exhausted from the expander and the compressed air supplied to one of the expander main bodies having a temperature lower than that, and the compressed air is heated, so that the air before the expansion is heated. The temperature of compressed air can be raised and the expansion efficiency can be improved.
  • the exhaust-side heat exchanging unit heats compressed air supplied to the expander body provided on the most downstream side in the air flow path in the expander body.
  • the expander body provided at the most downstream side in the air flow path has a larger work of expansion than the other expander bodies, so the compressed air supplied to the most downstream expander body is heated to a temperature. Raising is particularly effective for improving the expansion efficiency.
  • the expander body provided on the most downstream side has an isentropic curve in the expansion stroke that assumes the isentropic change in the ph diagram compared to the expansion stroke of other expander bodies. The slope is small. Therefore, in the expansion stroke in which the slope of the isentropic line is small, the enthalpy is greatly reduced even when the pressure is reduced. Therefore, the expansion work can be increased by supplying larger heat energy.
  • An exhaust air temperature detection unit for detecting the temperature of exhaust air exhausted from the expander, a compressed air temperature detection unit for detecting the temperature of compressed air supplied to the exhaust side heat exchange unit, and exhaust from the expander
  • the switching unit for switching whether to exhaust the exhaust air to be exhausted or to supply to the exhaust side heat exchange unit, and the temperature detected by the exhaust air temperature detection unit from the temperature detected by the compressed air temperature detection unit It is preferable to further include a control device that switches the switching unit to supply exhaust air to the exhaust-side heat exchange unit when it is higher than a predetermined margin value.
  • the compressed air can be heated by exchanging heat between the exhaust air and the compressed air. Therefore, when heat exchange is necessary in this way, the heat exchange is performed by allowing the supply of exhaust air to the exhaust side heat exchange section. By doing in this way, the fall of expansion efficiency can be prevented.
  • the compression heat in the compressor can be recovered in the heat medium and stored in the heat medium tank in the compression side heat exchange section, and the temperature of the compressed air stored in the pressure accumulation tank can be brought close to the atmospheric temperature. For this reason, heat release in the pressure accumulation tank can be prevented, and system efficiency can be improved.
  • an electric motor is driven by fluctuating input electric power, air is compressed by a compressor driven by the electric motor, compressed air compressed by the compressor is stored in an accumulator tank,
  • a multi-stage type expander having a plurality of expander bodies is driven by compressed air supplied from an accumulator tank, generated by a generator driven by the expander, and compressed by the compressor by a compression side heat exchange unit.
  • the heat medium is heated to exchange heat between the heated air and the heat medium, the heat medium heated by the compression side heat exchange unit is heated and stored in the heat medium tank, and the heat medium is expanded by the expansion side heat exchange unit.
  • Heat is exchanged between the heat medium supplied from the tank and the compressed air supplied to the expander to heat the compressed air, and the temperature of the exhaust air exhausted from the expander is provided on the most downstream side in the air flow path. Supplied to the expander body The exhaust air exhausted from the expander by the exhaust side heat exchange unit and the compressed air supplied to the expander body provided on the most downstream side.
  • a compressed air storage power generation method including heat exchange to heat compressed air is provided.
  • exhaust heat from the expander to the atmosphere can be suppressed to the minimum, and the system efficiency can be improved.
  • FIG. 2 is a ph diagram showing a relationship between pressure and enthalpy in an expansion stroke of the compressed air storage power generation apparatus of FIG. 1.
  • the schematic block diagram of the compressed air storage power generation apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a compressed air energy storage (CAES) power generator 2 according to a first embodiment of the present invention.
  • CAES compressed air energy storage
  • the CAES power generator 2 includes an air flow path and a heat medium flow path.
  • the air flow path is mainly provided with a compressor 4, a pressure accumulating tank 6, and an expander 8, which are fluidly connected by air pipes 10a and 10b, in which air flows. (See solid arrows).
  • the heat medium flow path is mainly provided with a compression side heat exchange unit 12, a heat medium tank 14, and an expansion side heat exchange unit 16, and these are fluidly connected by heat medium pipes 18a and 18b. In the interior, a heat medium flows (see broken line arrows).
  • the air flow path will be described with reference to FIG.
  • the sucked air is compressed by the compressor 4, stored in the pressure accumulating tank 6, supplied to the expander 8 as necessary, and used for power generation by the generators 20a and 20b.
  • the air in the air flow path is cooled in the compression side heat exchange unit 12 and heated in the expansion side heat exchange unit 16, the exhaust side heat exchange unit 22, and the sub heat exchange unit 24.
  • the compressor 4 of this embodiment is a two-stage screw type having a low-pressure stage compressor body 4a and a high-pressure stage compressor body 4b.
  • the screw-type compressor 4 By using the screw-type compressor 4, it is possible to quickly follow the fluctuating input and to quickly change the power generation output.
  • the low-pressure stage compressor body 4a and the high-pressure stage compressor body 4b include motors 26a and 26b, respectively.
  • the motors 26a and 26b are mechanically connected to the screws inside the low-pressure stage compressor body 4a and the high-pressure stage compressor body 4b.
  • the motors 26a and 26b When input power generated by renewable energy from a power generation facility (not shown) is supplied to the motors 26a and 26b, the motors 26a and 26b are driven by this power, and the screw rotates to rotate the low-pressure stage compressor body 4a and the high-pressure unit.
  • the stage compressor body 4b operates.
  • the low-pressure stage compressor body 4a When operated by the motors 26a and 26b, the low-pressure stage compressor body 4a sucks air from the intake port 4c through the air pipe 10a, compresses it, and discharges it from the discharge port 4d, and then passes through the air pipe 10a and the high-pressure stage compressor body 4b.
  • the high-pressure compressor main body 4b sucks air from the intake port 4e through the air pipe 10a, compresses it and discharges it from the discharge port 4f, and pumps the compressed air to the pressure accumulation tank 6 through the air pipe 10a.
  • the compressor 4 is not limited to a two-stage type, and may be a three-stage type or more, and a plurality of compressors may be installed.
  • the kind of the compressor 4 is not specifically limited, For example, a turbo type, a scroll type, a reciprocating type, etc. may be sufficient.
  • a valve 28 a is provided in the air pipe 10 a extending from the compressor 4 to the pressure accumulating tank 6, and the valve 28 a can be opened and closed as necessary to allow or block the supply of compressed air to the pressure accumulating tank 6.
  • the pressure accumulating tank 6 stores the compressed air fed from the compressor 4. Therefore, energy can be stored in the pressure accumulation tank 6 as compressed air. Accumulated pressure is determined based on a balance with the required power storage capacity, installation space, and legal regulations.
  • the accumulator tank 6 is fluidly connected to the expander 8 via the expansion side heat exchange unit 16 through the air pipe 10b. The compressed air stored in the pressure accumulating tank 6 is supplied to the expander 8.
  • the air pipe 10b extending from the pressure accumulation tank 6 to the expander 8 is provided with a valve 28b.
  • the valve 28b can be opened and closed as necessary to allow or block the supply of compressed air to the expander 8.
  • the expander 8 is a two-stage screw type having a low-pressure stage expander body 8a and a high-pressure stage expander body 8b.
  • the low-pressure stage expander body 8a and the high-pressure stage expander body 8b include generators 20a and 20b.
  • the generators 20a and 20b are mechanically connected to the screws inside the low-pressure stage expander body 8a and the high-pressure stage expander body 8b.
  • the high-pressure stage expander body 8b is fluidly connected to the pressure accumulation tank 6 through the air pipe 10b at the air supply port 8c, and is supplied with compressed air from the air supply port 8c.
  • the high-pressure stage expander body 8b is operated by the supplied compressed air and drives the generator 20b.
  • the high-pressure stage expander body 8b supplies compressed air from the exhaust port 8d to the air supply port 8e of the low-pressure stage expander body 8a through the air pipe 10b.
  • the low-pressure stage expander main body 8a is similarly operated by the supplied compressed air, and drives the generator 20a.
  • the low-pressure stage expander body 8a exhausts the air (exhaust air) expanded to the outside through the air pipe 10b from the exhaust port 8f.
  • the electric power generated by the generators 20a and 20b is supplied to an external power system (not shown).
  • the expander 8 is not limited to the two-stage type, and may be a three-stage type or more, and a plurality of units may be installed.
  • the kind of expander 8 is not specifically limited, For example, a turbo type, a scroll type, a reciprocating type etc. may be sufficient.
  • an air pipe 10c leading to the exhaust side heat exchanging portion 22 is branched from the air pipe 10b leading to the outside.
  • Valves (switching portions) 30a and 30b are provided in the air pipes 10b and 10c.
  • the valves 30a and 30b are connected to the air pipe 10b. Allow or block the air flow in 10c, respectively. Therefore, the flow path of the exhaust air from the low-pressure expander main body 8a can be switched by the valves 30a and 30b. For this reason, the exhaust air from the low-pressure stage expander main body 8a can be supplied to the exhaust-side heat exchanging unit 22 through the air pipe 10c without exhausting to the outside.
  • the exhaust-side heat exchanging unit 22 exchanges heat between upstream air and downstream air in the air flow path. That is, heat is exchanged upstream and downstream of the air flowing in the same flow path.
  • the exhaust-side heat exchange unit 22 is provided in the air pipe 10b extending from the high-pressure stage expander body 8b to a sub heat exchange unit 24 described later. Moreover, it is provided in the air piping 10c to which the exhaust air from the low-pressure stage expander main body 8a is supplied. Therefore, the exhaust-side heat exchanging unit 22 exchanges heat between the compressed air expanded in the high-pressure stage expander body 8b and the exhaust air from the low-pressure stage expander body 8a, and is supplied to the low-pressure stage expander body 8a. Compressed air is heated. After the heat exchange, the exhaust air supplied to the exhaust-side heat exchange unit 22 through the air pipe 10c is exhausted to the outside through the air pipe 10c.
  • the sub heat exchange unit 24 is provided in the air pipe 10b extending from the exhaust side heat exchange unit 22 to the expansion side heat exchange unit 16 (interheater 16b) in the air flow path.
  • the CAES power generation device 2 of the present embodiment includes a flow path through which lubricating oil used for lubricating a bearing (not shown) accompanying rotation of the screws of the compressor 4 and the expander 8 (see a one-dot chain line arrow). .
  • the lubricating oil lubricates a bearing (not shown) and collects frictional heat generated in the bearing to increase the temperature.
  • the sub heat exchanging section 24 is provided in the lubricating oil flow path (see the dashed line arrow) so as to use the heat of the lubricating oil.
  • the sub heat exchanging unit 24 collects the compressed air supplied to the expansion side heat exchanging unit 16 (interheater 16b) after the heat exchanging in the exhaust side heat exchanging unit 22 and the frictional heat generated in the bearing, and the temperature is increased. Heat is exchanged with the raised lubricating oil, and the compressed air supplied to the expansion side heat exchange unit 16 (interheater 16b) is heated.
  • the heat exchange target in the sub heat exchanging unit 24 is not limited to the lubricating oil whose frictional heat has been recovered by the bearings of the compressor 4 and the expander 8, and the type thereof is not limited.
  • the target may be another heat medium that recovers heat generated by electric loss of the motors 26a and 26b and the generators 20a and 20b.
  • a compressed air temperature sensor (compressed air temperature detector) 32 is provided in the air pipe 10b extending from the high-pressure stage expander body 8b to the exhaust-side heat exchange unit 22.
  • the compressed air temperature sensor 32 detects the temperature of the compressed air supplied to the exhaust-side heat exchange unit 22.
  • An exhaust air temperature sensor (exhaust air temperature detection unit) 34 is provided in the air pipe 10b extending from the low-pressure expander body 8a to the outside.
  • the exhaust air temperature sensor 34 detects the temperature of the exhaust air from the low-pressure stage expander body 8a.
  • the temperature values detected by these temperature sensors 32 and 34 are output to the control device 36.
  • the control device 36 includes the CAES power generation device 2 and the control device 36.
  • the control device 36 is constructed by hardware including a sequencer and software installed therein. As will be described later, the control device 36 switches the valves 30a and 30b based on these temperature values to switch the air flow path for the exhaust air.
  • the heat medium flow path In the heat medium flow path, the heat generated in the compressor 4 is recovered into the heat medium by the compression side heat exchange unit 12, the heat medium heated in the heat medium tank 14 is stored, and the expansion side heat exchange unit 16 expands the expander. Heat is returned to the compressed air before expansion at 8.
  • Pumps 38a and 38b are installed in the heat medium pipes 18a and 18b constituting the heat medium flow path, and the heat medium flows through the pumps 38a and 38b and circulates in the respective heat medium pipes 18a and 18b. Yes.
  • the type of the heat medium is not particularly limited, and for example, a mineral oil or glycol heat medium may be used.
  • the compression-side heat exchange unit 12 includes an intercooler 12a and an aftercooler 12b.
  • the intercooler 12a and the aftercooler 12b collect the heat generated by the compressor 4 in a heat medium. Therefore, in the intercooler 12a and the aftercooler 12b, the temperature of the compressed air decreases and the temperature of the heat medium increases.
  • the intercooler 12a is provided in an air pipe 10a extending from the low pressure stage compressor body 4a to the high pressure stage compressor body 4b in the air flow path. Moreover, it is provided in the downstream of the expansion side heat exchange part 16 (inter heater 16b) in the heat medium flow path. Accordingly, the intercooler 12a exchanges heat between the compressed air that has been heated after being compressed by the low-pressure stage compressor body 4a and the heat medium that has been cooled and cooled by the expansion-side heat exchanging unit 16 (interheater 16b), The compression heat generated in the low-pressure stage compressor body 4a is recovered in the heat medium. The heat medium whose temperature has been increased is supplied to the first heat medium tank 14a through the heat medium pipe 18a.
  • the aftercooler 12b is provided in an air pipe 10a extending from the high-pressure compressor main body 4b to the accumulator tank 6 in the air flow path. Moreover, it is provided in the downstream of the expansion side heat exchange part 16 (preheater 16a) in the heat medium flow path. Therefore, the aftercooler 12b exchanges heat between the compressed air compressed by the high-pressure stage compressor body 4b and the heat medium having cooled the temperature by exchanging heat at the expansion side heat exchanging section 16 (preheater 16a). The compression heat generated in the main body 4a and the high-pressure compressor main body 4b is recovered in a heat medium. The heating medium whose temperature has been raised here is supplied to the second heating medium tank 14b through the heating medium pipe 18b.
  • the first heat medium tank 14a and the second heat medium tank 14b constitute the heat medium tank 14 of the present invention.
  • the first heat medium tank 14a and the second heat medium tank 14b are preferably insulated so as not to release the heat of the stored heat medium to the outside.
  • the heat medium tank 14 of this embodiment is provided with two tanks, the 1st heat medium tank 14a and the 2nd heat medium tank 14b, the structure of the heat medium tank 14 is not limited to this, One or three More than one tank may be provided.
  • the heat medium stored in the first heat medium tank 14a and the second heat medium tank 14b is supplied to the expansion side heat exchange unit 16 (preheater 16a, interheater 16b) through the heat medium pipes 18a and 18b, respectively.
  • the expansion-side heat exchange unit 16 includes a preheater 16a and an interheater 16b.
  • the preheater 16a and the interheater 16b heat the compressed air supplied to the expander 8 with a heat medium. Accordingly, in the pre-heater 16a and the inter-heater 16b, the temperature of the compressed air increases and the temperature of the heat medium decreases.
  • the pre-heater 16a is provided in an air pipe 10b extending from the pressure accumulation tank 6 to the high-pressure stage expander body 8b in the air flow path. Further, it is provided downstream of the first heat medium tank 14a in the heat medium flow path. Therefore, the pre-heater 16a exchanges heat between the compressed air supplied from the accumulator tank 6 to the high-pressure stage expander body 8b and the heat medium supplied from the first heat medium tank 14a, and supplies the heat to the high-pressure stage expander body 8b. The compressed air is heated. The heat medium having lowered the temperature is supplied to the compression side heat exchange unit 12 (intercooler 12a) through the heat medium pipe 18a.
  • the inter-heater 16b is provided in the air pipe 10b extending from the sub heat exchange unit 24 to the low-pressure stage expander main body 8a in the air flow path. Further, it is provided downstream of the second heat medium tank 14b in the heat medium flow path. Therefore, the interheater 16b exchanges heat between the compressed air after heat exchange in the sub heat exchange unit 24 and the heat medium supplied from the second heat medium tank 14b, and is supplied to the low-pressure stage expander body 8a. Is heating up. The heat medium having cooled down is supplied to the compression-side heat exchange unit 12 (aftercooler 12b) through the heat medium pipe 18b.
  • the heat medium circulates between the compression side heat exchange unit 12, the heat medium tank 14, and the expansion side heat exchange unit 16 through the heat medium pipes 18a and 18b.
  • the heat medium can be stored according to temperature.
  • the heat medium stored in the second heat medium tank 14b that collects the compression heat on the high-pressure stage side out of the two stages of compression. The temperature is higher.
  • the expansion side heat exchanging section 16 the compressed air flowing into the low-pressure stage expander main body 8a is heated by the high-temperature heat medium in the second heat medium tank 14b, so that it will be described later with reference to FIG. High system efficiency can be maintained.
  • FIG. 2 is a graph showing the temperature change of air until it is exhausted from the pressure accumulation tank 6 to the outside in the air flow path of the CAES power generator 2 of the present embodiment.
  • the vertical axis represents the air temperature
  • the horizontal axis represents the corresponding points P1 to P8 (see FIG. 1) of the air flow path.
  • the temperature T1 at the point P1 indicates the temperature of the compressed air supplied from the pressure accumulating tank 6. From the point P1 to the point P2, it is heated by the preheater 16a and rises from the temperature T1 to the temperature T2. From the point P2 to the point P3, it is expanded by the low-pressure stage expander body 8a, and decreases from the temperature T2 to the temperature T3 due to expansion heat absorption. From the point P3 to the point P4, it is heated by the exhaust side heat exchanging unit 22 and rises from the temperature T3 to the temperature T4. From the point P4 to the point P5, it is heated by the sub heat exchanging unit 24 and rises from the temperature T4 to the temperature T5.
  • the control device 36 switches between opening and closing of the valves 30a and 30b.
  • the valve 30a When the operation is started, when the temperature T7 of the exhaust air from the expander 8 is higher than the temperature T7 of the compressed air supplied to the exhaust-side heat exchanging unit 22 by a predetermined margin value Td or more, the valve 30a is closed, Open 30b. Then, exhaust air is supplied to the exhaust-side heat exchange unit 22 through the air pipe 10c. Therefore, in this case, heat exchange is performed in the exhaust-side heat exchanging section 22, and the expansion efficiency can be improved by heating the compressed air supplied to the low-pressure stage expander body 8a.
  • the predetermined margin value Td is a margin value provided in order to take into account the measurement error of the individual temperature sensors 32 and 34, the temperature change of the air when flowing in the air pipes 10b and 10c, and the like. Therefore, the margin value Td is individually determined from the performance of each heat exchange unit 12, 16, 22, 24, system operation, and the like. However, this margin value Td is not necessarily set, and may be set to zero, for example.
  • the system efficiency can be improved by using the exhaust heat of the exhaust air exhausted from the expander 8 for heating the compressed air before expansion. Specifically, heat is exchanged between the exhaust air exhausted from the expander 8 and the compressed air supplied to the low-pressure stage expander body 8a having a temperature lower than that before heating the compressed air. The temperature of the compressed air can be increased, and the expansion efficiency can be improved.
  • the expander body provided at the most downstream side in the air flow path has a larger work of expansion than other expander bodies, the compressed air supplied to the most downstream expander body is heated. Increasing the temperature is particularly effective for improving the expansion efficiency.
  • points P1 to P8 correspond to points P1 to P8 in FIGS.
  • the description of the state transition from the point P1 to the point P8 is the same as in the case of FIG.
  • the low-pressure stage expander body 8a provided on the most downstream side of the present embodiment has another low-pressure stage expander body 8a in the expansion stroke (point P6 to point P7) assuming an isentropic change in the ph diagram.
  • the slope of the isentropic line is smaller than the expansion stroke (from point P2 to point P3). Therefore, in the expansion stroke in which the slope of the isentropic line is small, the enthalpy is greatly reduced even when the pressure is reduced. Therefore, the expansion work can be increased by supplying larger heat energy.
  • the supply of air can be shut off, and the supply of air can be allowed when necessary.
  • the temperature of the exhaust air exhausted from the expander 8 is lower than the temperature of the compressed air supplied to the exhaust-side heat exchange unit 22, the compressed air can be heated even if heat is exchanged between the two airs. Rather, cool. Therefore, when heat exchange is not necessary in this way, the supply of exhaust air to the exhaust-side heat exchange unit 22 is shut off to prevent a decrease in system efficiency.
  • FIG. 5 shows a schematic configuration diagram of the CAES power generator 2 of the second embodiment.
  • the CAES power generation device 2 of the present embodiment is substantially the same as the first embodiment of FIG. 1 except that the order of the exhaust side heat exchange unit 22 and the sub heat exchange unit 24 is switched in the air flow path. . Therefore, description of the same parts as those shown in FIG. 1 may be omitted.
  • the exhaust-side heat exchanging unit 22 heat is exchanged between upstream air and downstream air in the same air flow path, as in the first embodiment.
  • the exhaust-side heat exchange unit 22 is provided in the air pipe 10b extending from the sub heat exchange unit 24 to the interheater 16b. Moreover, it is provided in the air piping 10c to which the air exhausted from the low-pressure stage expander body 8a is supplied. Therefore, the exhaust-side heat exchanging unit 22 exchanges heat between the compressed air after heat exchange in the sub heat exchanging unit 24 and the exhaust air discharged from the low-pressure stage expander body 8a, and is supplied to the interheater 16b. The air is heated. The exhaust air supplied to the exhaust-side heat exchange unit 22 through the air pipe 10c is exhausted to the outside after heat exchange.
  • a compressed air temperature sensor 32 is provided in the air pipe 10b extending from the sub heat exchange unit 24 to the exhaust side heat exchange unit 22.
  • the compressed air temperature sensor 32 detects the temperature of the air supplied to the exhaust-side heat exchange unit 22.
  • An exhaust air temperature sensor 34 is provided in the air pipe 10b extending from the low-pressure stage expander body 8a to the outside.
  • the exhaust air temperature sensor 34 detects the temperature of the exhaust air exhausted from the low-pressure stage expander body 8a.
  • the temperature values detected by these temperature sensors 32 and 34 are output to the control device 36.
  • the control device 36 switches the flow destination of the exhaust air by switching the valves 30a and 30b based on these temperature values as in the first embodiment.
  • the sub heat exchange unit 24 is provided in the air pipe 10b extending from the high-pressure stage expander body 8b to the exhaust side heat exchange unit 22 in the air flow path. Further, similarly to the first embodiment, the lubricating oil flow path is provided so as to utilize heat of lubricating oil (not shown). Therefore, the sub heat exchanging section 24 recovers the compressed air supplied to the exhaust side heat exchanging section 22 after expansion in the high-pressure stage expander main body 8b and the frictional heat generated in a bearing (not shown) to raise the temperature. Heat is exchanged with oil, and the compressed air supplied to the exhaust-side heat exchange unit 22 is heated. As in the first embodiment, the heat exchange target in the sub heat exchange unit 24 is not limited to the lubricating oil.
  • This embodiment is employed when the temperature of the exhaust air from the expander 8 is lower than the temperature of the lubricating oil supplied to the sub heat exchange unit 24.
  • the temperature of the compressed air supplied to the low pressure stage expander main body 8a in an air flow path can be raised in order. Therefore, the heat from the low-temperature heat source can be contributed to the temperature rise without being wasted, and the efficiency of the system can be further improved.
  • the temperature of the exhaust air from the expander 8 is the lubricating oil supplied to the sub heat exchange unit 24. When it is higher than the temperature, the first embodiment is adopted.
  • the opening and closing of the valves 30a and 30b may be controlled based on values other than those detected by the temperature sensors 32 and 34.
  • a pressure sensor that detects the pressure of the internal compressed air may be installed in the accumulator tank 6 and the opening and closing of the valves 30a and 30b may be controlled based on the pressure value detected by the pressure sensor. This is because there is a correlation between the pressure value in the pressure accumulating tank 6 and the temperature value detected by the temperature sensors 32 and 34.
  • a pressure sensor (not shown) installed in the pressure accumulating tank 6 constitutes the compressed air temperature detector and the exhaust air temperature detector of the present invention.
  • the “fluctuating input power” of the present invention is not limited to renewable energy, and may be one that smoothes or cuts the peak demand power of factory equipment.
  • Compressed air storage generator (CAES generator) 4 Compressor 4a Low Pressure Stage Compressor Body 4b High Pressure Stage Compressor Body 4c, 4e Inlet 4d, 4f Discharge Port 6 Accumulation Tank 8 Expander 8a Low Pressure Stage Expander Body (Expander Body) 8b High-pressure stage expander body (expander body) 8c, 8e Air supply port 8d, 8f Exhaust port 10a, 10b, 10c Air piping 12 Compression side heat exchanger 12a Intercooler 12b After cooler 14 Heat medium tank 14a First heat medium tank 14b Second heat medium tank 16 Expansion side heat Exchanger 16a Preheater 16b Interheater 18a, 18b Heat medium pipe 20a, 20b Generator 22 Exhaust side heat exchange 24 Sub heat exchange 26a, 26b Motor (electric motor) 28a, 28b Valve 30a, 30b Valve (switching part) 32 Compressed air temperature sensor (Compressed air temperature detector) 34 Exhaust air temperature sensor (exhaust air temperature detector) 36 Controller 38a, 38b Pump

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Abstract

圧縮空気貯蔵発電装置２は、変動する入力電力により駆動されるモータ２６ａ，２６ｂと、モータ２６ａ，２６ｂと機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機４と、圧縮機４と流体的に接続され、圧縮機４により圧縮された圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンク６と、蓄圧タンク６と流体的に接続され、蓄圧タンク６から供給される圧縮空気によって駆動され、複数の膨張機本体８ａ，８ｂを有する多段型の膨張機８と、膨張機８と機械的に接続された発電機２０ａ，２０ｂとを備える。また、装置２は、熱媒を貯蔵する熱媒タンク１４と、熱媒タンク１４から供給される熱媒と膨張機８に供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための膨張側熱交換部１６と、膨張機８から排気される排気空気と低圧段膨張機本体８ｂに供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための排気側熱交換部２２とを備える。これにより、システム効率を向上できる圧縮空気貯蔵発電装置２を提供する。

Description

圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法
　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再生可能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）発電システム等のエネルギー貯蔵システムを使用して出力を平準化する必要がある。
　従来の圧縮空気貯蔵発電装置は、電力プラントのオフピーク時間中に電気エネルギーを圧縮空気として蓄圧タンクに蓄え、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て電気エネルギーを生成するのが一般的である。
　特許文献１には、このようなＣＡＥＳ発電装置が開示されている。特許文献１のＣＡＥＳ発電装置は、システムの効率を向上させるため、熱交換器を使用して熱媒と空気を熱交換させ、圧縮機で発生する圧縮熱を熱媒に回収し、膨張機で膨張する前の空気に熱を戻している。
特表２０１３－５０９５３０号公報
　特許文献１のＣＡＥＳ発電装置では、圧縮熱を回収してシステム効率を向上させる工夫はあるものの、膨張機から大気へ排気される空気の排熱を有効利用することについては考慮されていない。
　本発明は、膨張機から大気への排熱を最小限に抑制し、システム効率を向上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。
　圧縮熱等を利用して膨張機に供給される圧縮空気を加熱した場合、膨張機から排気される排気空気の温度も上昇する。特に、多段型の膨張機においては、排気空気の温度が個々の膨張機本体に供給される圧縮空気よりも温度が高くなる場合があり、その場合、これらの熱交換によりシステム効率を向上できる。
　具体的に本発明の第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、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、複数の膨張機本体を有す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、熱媒を貯蔵する熱媒タンクと、前記熱媒タンクから供給される熱媒と前記膨張機に供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための膨張側熱交換部と、前記膨張機から排気される排気空気と前記膨張機本体のいずれかに供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための排気側熱交換部とを備える圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。
　この構成によれば、膨張側熱交換部により加熱された圧縮空気が膨張機により膨張されて排気され、その排気空気の排熱を膨張前の圧縮空気の加熱に利用することで、膨張機から大気への排熱を最小限に抑制し、システム効率を向上できる。具体的には、膨張機から排気される排気空気と、これよりも温度が低い膨張機本体のいずれかに供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を加熱することで、膨張前の圧縮空気の温度を上昇でき、膨張効率を向上できる。
　前記排気側熱交換部は、前記膨張機本体のうち、空気流路おいて最下流に設けられている前記膨張機本体に供給される圧縮空気を加熱することが好ましい。
　空気流路おいて最下流に設けられている膨張機本体は、他の膨張機本体に比べて膨張仕事量が大きいため、この最下流の膨張機本体に供給される圧縮空気を加熱して温度上昇させることは、膨張効率を向上させるために特に有効である。ｐ－ｈ線図では、最下流に設けられている膨張機本体は、ｐ－ｈ線図の等エントロピー変化を想定した膨張行程において、他の膨張機本体の膨張行程に比べて等エントロピー線の傾斜が小さい。従って、この等エントロピー線の傾斜が小さい膨張行程の方が同じ圧力の低下に対してもエンタルピーの減少が大きいため、より大きな熱エネルギーを供給することで膨張仕事量を増大できる。
　前記膨張機から排気される排気空気の温度を検出する排気空気温度検出部と、前記排気側熱交換部に供給される圧縮空気の温度を検出する圧縮空気温度検出部と、前記膨張機から排気される排気空気を排気するか、又は前記排気側熱交換部に供給するかを切り替えるための切替部と、前記排気空気温度検出部で検出した温度が前記圧縮空気温度検出部で検出した温度よりも所定の余裕値以上高い場合、前記切替部を切り替えて前記排気側熱交換部に排気空気を供給する制御装置とをさらに備えることが好ましい。
　これにより、温度等の条件により、排気側熱交換部における熱交換が不要な場合は、空気の供給を遮断し、必要な場合は空気の供給を許容することができる。具体的には、膨張機から排気される排気空気の温度が排気側熱交換部に供給される圧縮空気の温度よりも低い場合、排気空気と圧縮空気の間で熱交換しても圧縮空気を加熱できず、むしろ冷却する。従って、このように熱交換が不要な場合は、排気側熱交換部への排気空気の供給を遮断して熱交換を停止し、システム効率の低下を防止する。反対に、膨張機から排気される排気空気の温度が排気側熱交換部に供給される圧縮空気の温度よりも高い場合、排気空気と圧縮空気の間で熱交換して圧縮空気を加熱できる。従って、このように熱交換が必要な場合は、排気側熱交換部への排気空気の供給を許容して熱交換させる。このようにすることで、膨張効率の低下を防止できる。
　前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を加熱する圧縮側熱交換部をさらに備え、前記熱媒タンクは、前記圧縮側熱交換部で熱交換して昇温した熱媒を貯蔵することが好ましい。
　これにより、圧縮側熱交換部で圧縮機における圧縮熱を熱媒に回収して熱媒タンクに貯蔵できると共に、蓄圧タンクに貯蔵される圧縮空気の温度を大気温度に近づけることができる。このため、蓄圧タンクにおける熱放出を防止でき、システム効率を向上できる。
　本発明の第２の態様は、変動する入力電力により電動機を駆動し、前記電動機により駆動される圧縮機により空気を圧縮し、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄圧タンクに貯蔵し、前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気によって複数の膨張機本体を有する多段型の膨張機を駆動し、前記膨張機により駆動される発電機により発電し、圧縮側熱交換部により前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換して熱媒を加熱し、前記圧縮側熱交換部で熱交換して昇温した熱媒を熱媒タンクに貯蔵し、膨張側熱交換部により前記熱媒タンクから供給される熱媒と前記膨張機に供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を加熱し、前記膨張機から排気される排気空気の温度が空気流路おいて最下流に設けられている前記膨張機本体に供給される圧縮空気の温度よりも所定の余裕値以上高い場合、排気側熱交換部により前記膨張機から排気される排気空気と最下流に設けられている前記膨張機本体に供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を加熱することを含む圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。
　本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置において、膨張機から大気への排熱を最小限に抑制し、システム効率を向上できる。
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。 図１の圧縮空気貯蔵発電装置の空気流路における蓄圧タンクから外部へ排気するまで空気の温度変化を示すグラフ。 切替部の切り替え制御を示すフローチャート。 図１の圧縮空気貯蔵発電装置の膨張行程における圧力とエンタルピーの関係を示す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。
　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、本発明の第１実施形態に係る圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置２の概略構成図を示している。このＣＡＥＳ発電装置２は、図示しない発電設備で再生可能エネルギーを利用して発電する場合に、図示しない電力系統への出力変動を平準化するとともに、この電力系統における需要電力の変動に合わせた電力を出力する。
　図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置２の構成を説明する。
　ＣＡＥＳ発電装置２は、空気流路と熱媒流路を備える。空気流路には、主に圧縮機４と、蓄圧タンク６と、膨張機８とが設けられており、これらが空気配管１０ａ，１０ｂ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（実線矢印参照）。熱媒流路には、主に圧縮側熱交換部１２と、熱媒タンク１４と、膨張側熱交換部１６とが設けられており、これらが熱媒配管１８ａ，１８ｂ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（破線矢印参照）。
　まず、図１を参照して空気流路について説明する。空気流路では、吸い込まれた空気は、圧縮機４で圧縮され、蓄圧タンク６に貯蔵され、必要に応じて膨張機８に供給され、発電機２０ａ，２０ｂの発電に使用される。また、これらの間に空気流路内の空気は、圧縮側熱交換部１２において冷却され、膨張側熱交換部１６、排気側熱交換部２２、及びサブ熱交換部２４において加熱される。
　本実施形態の圧縮機４は、低圧段圧縮機本体４ａ及び高圧段圧縮機本体４ｂ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４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。低圧段圧縮機本体４ａ及び高圧段圧縮機本体４ｂは、それぞれモータ２６ａ，２６ｂを備える。モータ２６ａ，２６ｂは、低圧段圧縮機本体４ａ及び高圧段圧縮機本体４ｂの内部のスクリュに機械的に接続されている。図示しない発電設備からの再生可能エネルギーにより発電された入力電力がモータ２６ａ，２６ｂに供給されると、この電力によりモータ２６ａ，２６ｂが駆動され、スクリュが回転して低圧段圧縮機本体４ａ及び高圧段圧縮機本体４ｂが作動する。モータ２６ａ，２６ｂにより作動されると、空気配管１０ａを通じて低圧段圧縮機本体４ａが吸気口４ｃより空気を吸気し、圧縮して吐出口４ｄより吐出し、空気配管１０ａを通じて高圧段圧縮機本体４ｂに圧縮空気を圧送する。高圧段圧縮機本体４ｂは、空気配管１０ａを通じて吸気口４ｅより空気を吸気し、圧縮して吐出口４ｆより吐出し、空気配管１０ａを通じて蓄圧タンク６に圧縮空気を圧送する。また、圧縮機４は２段型に限定されず３段型以上であってもよく、複数台設置されてもよい。圧縮機４の種類は特に限定されず、例えばターボ式、スクロール式、及びレシプロ式等であってもよい。
　圧縮機４から蓄圧タンク６に延びる空気配管１０ａには、バルブ２８ａが設けられており、必要に応じてバルブ２８ａを開閉し、蓄圧タンク６への圧縮空気の供給を許容又は遮断できる。
　蓄圧タンク６は、圧縮機４から圧送された圧縮空気を貯蔵する。従って、蓄圧タンク６には、圧縮空気としてエネルギーを蓄積できる。蓄圧圧力は必要蓄電量や設置スペース、法規制などとの兼ね合いから決定される。蓄圧タンク６は、空気配管１０ｂを通じて膨張側熱交換部１６を介して膨張機８と流体的に接続されている。蓄圧タンク６で貯蔵された圧縮空気は、膨張機８に供給される。
　蓄圧タンク６から膨張機８に延びる空気配管１０ｂには、バルブ２８ｂが設けられており、必要に応じてバルブ２８ｂを開閉し、膨張機８への圧縮空気の供給を許容又は遮断できる。
　膨張機８は、低圧段膨張機本体８ａ及び高圧段膨張機本体８ｂ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８を使用することで、圧縮機４と同様に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。低圧段膨張機本体８ａ及び高圧段膨張機本体８ｂは、発電機２０ａ，２０ｂを備える。発電機２０ａ，２０ｂは、低圧段膨張機本体８ａ及び高圧段膨張機本体８ｂの内部のスクリュと機械的に接続されている。高圧段膨張機本体８ｂは、給気口８ｃにおいて空気配管１０ｂを通じて蓄圧タンク６と流体的に接続され、給気口８ｃから圧縮空気を供給される。高圧段膨張機本体８ｂは、供給された圧縮空気により作動し、発電機２０ｂを駆動する。高圧段膨張機本体８ｂは、排気口８ｄから空気配管１０ｂを通じて圧縮空気を低圧段膨張機本体８ａの給気口８ｅに供給する。低圧段膨張機本体８ａは、同様に供給された圧縮空気により作動し、発電機２０ａを駆動する。低圧段膨張機本体８ａは排気口８ｆから空気配管１０ｂを通じて外部に膨張した空気（排気空気）を排気する。発電機２０ａ，２０ｂで発電した電力は、図示しない外部の電力系統に供給される。また、膨張機８は２段型に限定されず３段型以上であってもよく、複数台設置されてもよい。膨張機８の種類は特に限定されず、例えばターボ式、スクロール式、及びレシプロ式等であってもよい。
　低圧段膨張機本体８ａの下流では、外部に通じる空気配管１０ｂから排気側熱交換部２２に通じる空気配管１０ｃが分岐している。空気配管１０ｂ，１０ｃには、バルブ（切替部）３０ａ，３０ｂが設けられている。バルブ３０ａ，３０ｂは、空気配管１０ｂ．１０ｃ内の空気の流れをそれぞれ許容又は遮断する。従って、低圧段膨張機本体８ａからの排気空気は、バルブ３０ａ，３０ｂにより流路を切り替え可能である。このため、低圧段膨張機本体８ａからの排気空気を外部に排気することなく、空気配管１０ｃを通じて排気側熱交換部２２に供給することもできる。
　排気側熱交換部２２は、空気流路における上流の空気と下流の空気とで熱交換する。即ち、同じ流路内を流れる空気の上流と下流で熱交換する。排気側熱交換部２２は、高圧段膨張機本体８ｂから後述するサブ熱交換部２４に延びる空気配管１０ｂに設けられている。また、低圧段膨張機本体８ａからの排気空気が供給される空気配管１０ｃに設けられている。従って、排気側熱交換部２２は、高圧段膨張機本体８ｂで膨張後の圧縮空気と、低圧段膨張機本体８ａからの排気空気とで熱交換し、低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気を加熱している。熱交換後、空気配管１０ｃを通じて排気側熱交換部２２に供給された排気空気は、空気配管１０ｃを通じて外部へ排気される。
　サブ熱交換部２４は、空気流路において排気側熱交換部２２から膨張側熱交換部１６（インターヒータ１６ｂ）に延びる空気配管１０ｂに設けられている。また、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、圧縮機４及び膨張機８のスクリュ等の回転に伴う図示しない軸受の潤滑に使用される潤滑油が流動する流路を備える（一点鎖線矢印参照）。この潤滑油は、図示しない軸受を潤滑するとともに、この軸受で発生する摩擦熱を回収して温度が上昇している。サブ熱交換部２４は、この潤滑油の熱を利用するように潤滑油流路（一点鎖線矢印参照）に設けられている。従って、サブ熱交換部２４は、排気側熱交換部２２で熱交換後に膨張側熱交換部１６（インターヒータ１６ｂ）に供給される圧縮空気と、軸受で発生する摩擦熱を回収して温度が上昇した潤滑油とで熱交換し、膨張側熱交換部１６（インターヒータ１６ｂ）に供給される圧縮空気を加熱している。サブ熱交換部２４での熱交換対象は、圧縮機４や膨張機８の軸受で摩擦熱を回収した潤滑油に限らず、その種類は限定されない。例えば、その対象は、モータ２６ａ，２６ｂや発電機２０ａ，２０ｂの電気ロスによる発熱を回収したその他の熱媒であってもよい。
　高圧段膨張機本体８ｂから排気側熱交換部２２に延びる空気配管１０ｂには、圧縮空気温度センサ（圧縮空気温度検出部）３２が設けられている。圧縮空気温度センサ３２は、排気側熱交換部２２に供給される圧縮空気の温度を検出する。また、低圧段膨張機本体８ａから外部へ延びる空気配管１０ｂには、排気空気温度センサ（排気空気温度検出部）３４が設けられている。排気空気温度センサ３４は、低圧段膨張機本体８ａからの排気空気の温度を検出する。これらの温度センサ３２，３４で検出された温度値は、制御装置３６に出力される。制御装置３６は、ＣＡＥＳ発電装置２は、制御装置３６を備える。制御装置３６は、シーケンサ等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。制御装置３６は、後述するように、これらの温度値に基づいてバルブ３０ａ，３０ｂを切り替えて、排気空気に対する空気流路の切り替えを行う。
　次に、図１を参照して熱媒流路について説明する。熱媒流路では、圧縮機４で発生した熱を圧縮側熱交換部１２で熱媒に回収し、熱媒タンク１４で昇温した熱媒を貯蔵し、膨張側熱交換部１６において膨張機８で膨張する前の圧縮空気に熱を戻している。熱媒流路を構成する熱媒配管１８ａ，１８ｂには、ポンプ３８ａ，３８ｂが設置されており、熱媒はポンプ３８ａ，３８ｂにより流され、それぞれの熱媒配管１８ａ，１８ｂ内を循環している。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してもよい。
　圧縮側熱交換部１２は、インタークーラ１２ａと、アフタークーラ１２ｂとを備える。インタークーラ１２ａ及びアフタークーラ１２ｂは、圧縮機４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１２ａ及びアフタークーラ１２ｂ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１２ａは、空気流路において低圧段圧縮機本体４ａから高圧段圧縮機本体４ｂに延びる空気配管１０ａに設けられている。また、熱媒流路において膨張側熱交換部１６（インターヒータ１６ｂ）の下流に設けられている。従って、インタークーラ１２ａは、低圧段圧縮機本体４ａで圧縮後の昇温した圧縮空気と、膨張側熱交換部１６（インターヒータ１６ｂ）で熱交換して降温した熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体４ａ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１８ａを通じて第１熱媒タンク１４ａに供給される。
　アフタークーラ１２ｂは、空気流路において高圧段圧縮機本体４ｂから蓄圧タンク６に延びる空気配管１０ａに設けられている。また、熱媒流路において膨張側熱交換部１６（プレヒータ１６ａ）の下流に設けられている。従って、アフタークーラ１２ｂは、高圧段圧縮機本体４ｂで圧縮後の圧縮空気と、膨張側熱交換部１６（プレヒータ１６ａ）で熱交換して降温した熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体４ａ及び高圧段圧縮機本体４ｂ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１８ｂを通じて第２熱媒タンク１４ｂに供給される。
　第１熱媒タンク１４ａ及び第２熱媒タンク１４ｂは、本発明の熱媒タンク１４を構成している。第１熱媒タンク１４ａ及び第２熱媒タンク１４ｂは、貯蔵している熱媒の熱を外部に放出しないように断熱されていることが好ましい。また、本実施形態の熱媒タンク１４は、第１熱媒タンク１４ａ及び第２熱媒タンク１４ｂの２つのタンクを備えるが、熱媒タンク１４の構成はこれに限定されず、１つ又は３つ以上のタンクを備えてもよい。第１熱媒タンク１４ａ及び第２熱媒タンク１４ｂに貯蔵された熱媒は、熱媒配管１８ａ，１８ｂを通じてそれぞれ膨張側熱交換部１６（プレヒータ１６ａ、インターヒータ１６ｂ）に供給される。
　膨張側熱交換部１６は、プレヒータ１６ａと、インターヒータ１６ｂとを備える。プレヒータ１６ａ及びインターヒータ１６ｂは、膨張機８に供給される圧縮空気を熱媒により加熱している。従って、プレヒータ１６ａ及びインターヒータ１６ｂ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１６ａは、空気流路において蓄圧タンク６から高圧段膨張機本体８ｂに延びる空気配管１０ｂに設けられている。また、熱媒流路において第１熱媒タンク１４ａの下流に設けられている。従って、プレヒータ１６ａは、蓄圧タンク６から高圧段膨張機本体８ｂに供給される圧縮空気と、第１熱媒タンク１４ａから供給される熱媒とで熱交換し、高圧段膨張機本体８ｂに供給される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１８ａを通じて圧縮側熱交換部１２（インタークーラ１２ａ）に供給される。
　インターヒータ１６ｂは、空気流路においてサブ熱交換部２４から低圧段膨張機本体８ａに延びる空気配管１０ｂに設けられている。また、熱媒流路において第２熱媒タンク１４ｂの下流に設けられている。従って、インターヒータ１６ｂは、サブ熱交換部２４で熱交換後の圧縮空気と、第２熱媒タンク１４ｂから供給される熱媒とで熱交換し、低圧段膨張機本体８ａに供給される空気を加熱している。ここで降温した熱媒は、熱媒配管１８ｂを通じて圧縮側熱交換部１２（アフタークーラ１２ｂ）に供給される。
　このように、熱媒は、熱媒配管１８ａ，１８ｂを通じて、圧縮側熱交換部１２、熱媒タンク１４、及び膨張側熱交換部１６の間を循環している。第１熱媒タンク１４ａと第２熱媒タンク１４ｂを分けて設けていることで温度別に熱媒を貯蔵できる。本実施形態では、第１熱媒タンク１４ａと第２熱媒タンク１４ｂでは、２段階の圧縮のうち高圧段側の圧縮熱を回収している第２熱媒タンク１４ｂに貯蔵された熱媒の方が温度が高い。膨張側熱交換部１６において、第２熱媒タンク１４ｂ内の高温の熱媒で低圧段膨張機本体８ａに流入する圧縮空気を加熱しているため、図４を使用して後に説明するように、システム効率を高く維持できる。
　図２は、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の空気流路における蓄圧タンク６から外部へ排気されるまでの空気の温度変化を示すグラフである。縦軸は空気温度、横軸は空気流路の対応する点Ｐ１から点Ｐ８（図１参照）を示している。
　図１及び図２を参照して、点Ｐ１における温度Ｔ１は、蓄圧タンク６から供給された圧縮空気の温度を示している。点Ｐ１から点Ｐ２では、プレヒータ１６ａで加熱され、温度Ｔ１から温度Ｔ２に上昇する。点Ｐ２から点Ｐ３では、低圧段膨張機本体８ａで膨張され、膨張吸熱により温度Ｔ２から温度Ｔ３に低下する。点Ｐ３から点Ｐ４では、排気側熱交換部２２で加熱され、温度Ｔ３から温度Ｔ４に上昇する。点Ｐ４から点Ｐ５では、サブ熱交換部２４で加熱され、温度Ｔ４から温度Ｔ５に上昇する。点Ｐ５から点Ｐ６では、インターヒータ１６ｂで加熱され、温度Ｔ５から温度Ｔ６に上昇する。点Ｐ６から点Ｐ７では、低圧段膨張機本体８ａで膨張され、膨張吸熱により、温度Ｔ６から温度Ｔ７に低下する。そして温度Ｔ７の空気が外部に排出されるか、又は排気側熱交換部２２で冷却され、温度Ｔ７から温度Ｔ８に低下する。
　図３に示すように、制御装置３６により、バルブ３０ａ，３０ｂの開閉の切り替えが行われる。運転が開始されると、膨張機８からの排気空気の温度Ｔ７が排気側熱交換部２２に供給される圧縮空気の温度Ｔ７よりも所定の余裕値Ｔｄ以上高い場合、バルブ３０ａを閉じ、バルブ３０ｂを開く。そして、排気側熱交換部２２に空気配管１０ｃを通じて排気空気を供給する。従って、この場合、排気側熱交換部２２で熱交換が行われ、低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気を加熱して膨張効率を向上できる。そうでない場合、排気側熱交換部２２で熱交換すると、低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気を冷却し、膨張効率が低下する。従って、膨張効率の低下を防止するため、バルブ３０ｂを閉じ、バルブ３０ａを開き、排気側熱交換部２２に膨張機８からの排気空気を供給せず、空気配管１０ｂを通じて外部に排気空気を排気する。ここで所定の余裕値Ｔｄは、個々の温度センサ３２，３４の測定誤差や空気配管１０ｂ，１０ｃ内を流動する際の空気の温度変化等を考慮するために設けた余裕値である。従って、この余裕値Ｔｄは、個々の熱交換部１２，１６，２２，２４の性能やシステム運用などから個別に決定される。ただし、この余裕値Ｔｄは必ずしも設定する必要はなく、例えばゼロとしてもよい。
　以上の構成により、膨張機８から排気される排気空気の排熱を膨張前の圧縮空気の加熱に利用することでシステム効率を向上できる。具体的には、膨張機８から排気される排気空気と、これよりも温度が低い低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を加熱することで、膨張前の圧縮空気の温度を上昇でき、膨張効率を向上できる。
　また、空気流路おいて最下流に設けられている膨張機本体は、他の膨張機本体に比べて膨張仕事量が大きいため、この最下流の膨張機本体に供給される圧縮空気を加熱して温度上昇させることは、膨張効率を向上させるために特に有効である。
　図４を参照して、ｐ－ｈ線図において、点Ｐ１から点Ｐ８は図１及び図２の点Ｐ１から点Ｐ８に対応している。点Ｐ１から点Ｐ８までの状態移行の説明については図２の場合と同様である。本実施形態の最下流に設けられている低圧段膨張機本体８ａは、ｐ－ｈ線図の等エントロピー変化を想定した膨張行程（点Ｐ６から点Ｐ７）において、他の低圧段膨張機本体８ａの膨張行程（点Ｐ２から点Ｐ３）に比べて等エントロピー線の傾斜が小さい。従って、この等エントロピー線の傾斜が小さい膨張行程の方が同じ圧力の低下に対してもエンタルピーの減少が大きいため、より大きな熱エネルギーを供給することで膨張仕事量を増大できる。
　また、温度等の条件により、排気側熱交換部２２における熱交換が不要な場合は、空気の供給を遮断し、必要な場合は空気の供給を許容することができる。具体的には、膨張機８から排気される排気空気の温度が排気側熱交換部２２に供給される圧縮空気の温度よりも低い場合、両空気間で熱交換しても圧縮空気を加熱できず、むしろ冷却する。従って、このように熱交換が不要な場合は、排気側熱交換部２２への排気空気の供給を遮断してシステム効率の低下を防止する。反対に、膨張機８から排気される排気空気の温度が排気側熱交換部２２に供給される圧縮空気の温度よりも高い場合、両空気間で熱交換して圧縮空気を加熱できる。従って、このように熱交換が必要な場合は、排気側熱交換部２２への排気空気の供給を許容する。このようにすることで、膨張効率の低下を防止できる。
（第２実施形態）
　図５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、空気流路において排気側熱交換部２２とサブ熱交換部２４の順序が入れ替わっていることに関する以外は図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説明を省略する場合がある。
　排気側熱交換部２２では、第１実施形態と同様に、同じ空気流路における上流の空気と下流の空気とで熱交換する。排気側熱交換部２２は、サブ熱交換部２４からインターヒータ１６ｂに延びる空気配管１０ｂに設けられている。また、低圧段膨張機本体８ａから排気された空気が供給される空気配管１０ｃに設けられている。従って、排気側熱交換部２２は、サブ熱交換部２４で熱交換後の圧縮空気と、低圧段膨張機本体８ａから吐出された排気空気とで熱交換し、インターヒータ１６ｂに供給される圧縮空気を加熱している。空気配管１０ｃを通じて排気側熱交換部２２に供給された排気空気は、熱交換後に外部へ排気される。
　サブ熱交換部２４から排気側熱交換部２２に延びる空気配管１０ｂには、圧縮空気温度センサ３２が設けられている。圧縮空気温度センサ３２は、排気側熱交換部２２に供給される空気の温度を検出する。また、低圧段膨張機本体８ａから外部へ延びる空気配管１０ｂには、排気空気温度センサ３４が設けられている。排気空気温度センサ３４は、低圧段膨張機本体８ａから排気される排気空気の温度を検出する。これらの温度センサ３２，３４で検出された温度値は、制御装置３６に出力される。制御装置３６は、これらの温度値に基づいて第１実施形態と同様にバルブ３０ａ，３０ｂを切り替えて、排気空気の流動先を切り替える。
　サブ熱交換部２４は、空気流路において高圧段膨張機本体８ｂから排気側熱交換部２２に延びる空気配管１０ｂに設けられている。また、第１実施形態と同様に、図示しない潤滑油の熱を利用するように潤滑油流路に設けられている。従って、サブ熱交換部２４は、高圧段膨張機本体８ｂでの膨張後に排気側熱交換部２２に供給される圧縮空気と、図示しない軸受で発生する摩擦熱を回収して温度が上昇した潤滑油とで熱交換し、排気側熱交換部２２に供給される圧縮空気を加熱している。第１実施形態と同様に、サブ熱交換部２４での熱交換対象は潤滑油に限定されない。
　本実施形態は、膨張機８からの排気空気の温度がサブ熱交換部２４に供給される潤滑油の温度よりも低い場合に採用される。本実施形態の構成とすることで、空気流路において低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気の温度を順に昇温させることができる。従って、低温の熱源からの熱も無駄にすることなく温度上昇に寄与させることができ、システムの効率をより向上できる。また、空気流路において低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気の温度を順に昇温させる観点から、膨張機８からの排気空気の温度がサブ熱交換部２４に供給される潤滑油の温度よりも高い場合、第１実施形態を採用する。
　全実施形態を通じて、バルブ３０ａ，３０ｂの開閉は、温度センサ３２，３４での検出値以外に基づいて制御されてもよい。例えば、蓄圧タンク６に内部の圧縮空気の圧力を検出する圧力センサを設置し、この圧力センサで検出した圧力値に基づいてバルブ３０ａ，３０ｂの開閉を制御してもよい。これは蓄圧タンク６内の圧力値と、温度センサ３２，３４で検出する温度値には相関があるためである。この場合、蓄圧タンク６に設置した図示しない圧力センサが本発明の圧縮空気温度検出部及び排気空気温度検出部を構成する。
　また、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。
　　２　圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
　　４　圧縮機
　　４ａ　低圧段圧縮機本体
　　４ｂ　高圧段圧縮機本体
　　４ｃ，４ｅ　吸気口
　　４ｄ，４ｆ　吐出口
　　６　蓄圧タンク
　　８　膨張機
　　８ａ　低圧段膨張機本体（膨張機本体）
　　８ｂ　高圧段膨張機本体（膨張機本体）
　　８ｃ，８ｅ　給気口
　　８ｄ，８ｆ　排気口
　　１０ａ，１０ｂ，１０ｃ　空気配管
　　１２　圧縮側熱交換部
　　１２ａ　インタークーラ
　　１２ｂ　アフタークーラ
　　１４　熱媒タンク
　　１４ａ　第１熱媒タンク
　　１４ｂ　第２熱媒タンク
　　１６　膨張側熱交換部
　　１６ａ　プレヒータ
　　１６ｂ　インターヒータ
　　１８ａ，１８ｂ　熱媒配管
　　２０ａ，２０ｂ　発電機
　　２２　排気側熱交換部
　　２４　サブ熱交換部
　　２６ａ，２６ｂ　モータ（電動機）
　　２８ａ，２８ｂ　バルブ
　　３０ａ，３０ｂ　バルブ（切替部）
　　３２　圧縮空気温度センサ（圧縮空気温度検出部）
　　３４　排気空気温度センサ（排気空気温度検出部）
　　３６　制御装置
　　３８ａ，３８ｂ　ポンプ

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、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タンクと、
    　前記蓄圧タンクと流体的に接続され、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、複数の膨張機本体を有す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、
    　熱媒を貯蔵する熱媒タンクと、
    　前記熱媒タンクから供給される熱媒と前記膨張機に供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための膨張側熱交換部と、
    　前記膨張機から排気される排気空気と前記膨張機本体のいずれかに供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための排気側熱交換部と
    　を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
  2. 　前記排気側熱交換部は、前記膨張機本体のうち、空気流路おいて最下流に設けられている前記膨張機本体に供給される圧縮空気を加熱する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  3. 　前記膨張機から吐出される排気空気の温度を検出する排気空気温度検出部と、
    　前記排気側熱交換部に供給される圧縮空気の温度を検出する圧縮空気温度検出部と、
    　前記膨張機から排気される排気空気を排気するか、又は前記排気側熱交換部に供給するかを切り替えるための切替部と、
    　前記排気空気温度検出部で検出した温度が前記圧縮空気温度検出部で検出した温度よりも所定の余裕値以上高い場合、前記切替部を切り替えて前記排気側熱交換部に排気空気を供給する制御装置と
    をさらに備える、請求項１又は請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  4. 　前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を加熱する圧縮側熱交換部をさらに備え、
    　前記熱媒タンクは、前記圧縮側熱交換部で熱交換して昇温した熱媒を貯蔵する、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。
  5. 　変動する入力電力により空気を圧縮し、
    　圧縮した空気を貯蔵し、
    　貯蔵した圧縮空気を複数段階に分けて膨張させることにより発電し、
    　前記圧縮の工程で発生する圧縮熱を回収し、
    　回収した圧縮熱を蓄熱し、
    　前記膨張の工程前に膨張させる圧縮空気を蓄熱した圧縮熱により加熱し、
    　前記全ての膨張の工程後に排気される排気空気の温度が、前記複数段階の膨張のうち、最後の膨張前の圧縮空気の温度よりも所定の余裕値以上高い場合、前記全ての膨張の工程後の排気空気と前記最後の膨張前の圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を加熱する
    　ことを含む圧縮空気貯蔵発電方法。
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