WO2017159149A1 - 圧縮空気貯蔵発電装置 - Google Patents

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Abstract

ＣＡＥＳ発電装置２は、再生可能エネルギーによって発電された電力により駆動されるモータ１４と、モータ１４によって駆動される圧縮機１６と、圧縮機１６により圧縮された圧縮空気を蓄える蓄圧タンク２０と、蓄圧タンク２０から供給される圧縮空気によって駆動される膨張機２６と、膨張機２６と機械的に接続された発電機２４とを備える。また、装置２は、圧縮機１６から蓄圧タンク２０に供給される圧縮空気と、熱媒とで熱交換し、圧縮空気を冷却し、熱媒を加熱する第１熱交換器１８と、第１熱交換器１８で加熱された熱媒を蓄える高温蓄熱タンク３０と、蓄圧タンク２０から膨張機２６に供給される圧縮空気と、高温蓄熱タンク３０から供給される熱媒とで熱交換して、圧縮空気を加熱し、熱媒を冷却する第２熱交換器２２と、系外の排熱と系内の流体とで熱交換する第３熱交換器２８ａ～２８ｆとを備える。これにより、ＣＡＥＳ発電装置２の系内で発生した冷熱を利用して系外の排熱を冷却すると共に、系外の排熱を利用してＣＡＥＳ発電装置２の発電効率を向上させる。

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。
　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、出力が変動し安定しないことがある。このような出力変動に対し、出力を平準化するシステムとして圧縮空気貯蔵（Compressed Air Energy Storage：ＣＡＥＳ）システムが知られている。
　このＣＡＥＳシステムを利用した圧縮空気貯蔵（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動作させて電気エネルギーを生成して出力を平準化する。また、発電効率を向上させるために、圧縮熱を蓄熱媒体に回収し、蓄熱タンク等に貯蔵し、回収した圧縮熱を用いて膨張前の圧縮空気を加熱するシステムが知られている。これにより、圧縮時の動力増加を防止し、膨張時の回収動力を増加させると同時に、蓄圧タンク貯蔵時の熱放出を防止するものがある。
　このようなＣＡＥＳ発電装置として、例えば特許文献１には、熱エネルギー貯蔵システムを利用したものが開示されている。
　また、ＣＡＥＳ発電装置とは異なるが、例えば特許文献２には、エンジンの排熱のような系外の排熱を有効利用して温水等を得ることができる排熱回収装置が開示されている。
特表２０１３－５０９５３０号公報 特許５５６３１７６号公報
　特許文献１では系外の排熱を利用してＣＡＥＳ発電装置の発電効率を向上させることについて考慮されておらず、特許文献２では系内で発生する冷熱を利用して系外の排熱を冷却することについて考慮されていない。
　本発明は、ＣＡＥＳ発電装置の系内で発生した冷熱を利用して系外の排熱を冷却すると共に、系外の排熱を利用してＣＡＥＳ発電装置の発電効率を向上させることを課題とする。
　本発明の圧縮空気貯蔵発電装置は、再生可能エネルギーによって発電された電力により駆動される電動機と、前記電動機によって駆動され、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄える蓄圧部と、前記蓄圧部から供給される圧縮空気によって駆動される膨張機と、前記膨張機と機械的に接続された発電機と、前記圧縮機から前記蓄圧部に供給される圧縮空気と、熱媒とで熱交換し、前記圧縮空気を冷却し、前記熱媒を加熱する第１熱交換器と、前記第１熱交換器で加熱された前記熱媒を蓄える蓄熱部と、前記蓄圧部から前記膨張機に供給される前記圧縮空気と、前記蓄熱部から供給される前記熱媒とで熱交換して、前記圧縮空気を加熱し、前記熱媒を冷却する第２熱交換器と、系外の排熱と系内の流体とで熱交換する第３熱交換器とを備える。
　この構成によれば、ＣＡＥＳ発電装置の系内で発生した冷熱を利用して系外の排熱を冷却できる。また、系外の排熱を利用して膨張段の圧縮空気を加熱することによりＣＡＥＳ発電装置の発電効率を向上できる。具体的には、第３熱交換器においてＣＡＥＳ発電装置の系内で発生した冷熱を利用して系外の排熱を冷却しているため、系内の冷熱を有効利用して全体としてエネルギー効率が向上している。特に、このような排熱の冷却では温度センサ等を使用して排熱の温度を排熱基準温度以下まで低下させることが好ましい。排熱基準温度は、法令によって定められており、外気に排出可能な排熱温度の上限値である。また、第３熱交換器において系外の排熱により膨張機に給気される圧縮空気を直接的にまたは間接的に加熱しているので発電機の発電効率が向上している。また、第１熱交換器で圧縮空気から圧縮熱を熱媒に回収しているので蓄圧部に供給される圧縮空気の温度が低下し、蓄圧部での放熱による熱エネルギー損失を抑制している。さらに圧縮熱を回収して温度上昇した熱媒を蓄熱部に蓄え、この温度上昇した熱媒を利用して第２熱交換器で膨張前の圧縮空気を加熱しているので、膨張機での運転効率が向上し、発電効率が向上している。
　前記第３熱交換器は、前記系外の排熱と、前記第１熱交換器から前記蓄熱部に供給される前記熱媒とで熱交換し、前記排熱を冷却し、前記熱媒を加熱することが好ましい。
　この構成により、第３熱交換器において、第１熱交換器で加熱された熱媒をさらに加熱でき、より高温の熱媒を蓄熱部に蓄えることができる。この構成は、系外の排熱が第１熱交換器で加熱された後の熱媒よりも高温である場合に有効である。
　前記第３熱交換器は、前記系外の排熱と、前記蓄熱部から前記第２熱交換器に供給される前記熱媒とで熱交換し、前記排熱を冷却し、前記熱媒を加熱することが好ましい。
　この構成により、第３熱交換器において、第２熱交換器で加熱される熱媒を予加熱でき、第２熱交換器での熱媒の加熱負荷を軽減できる。この構成は、系外の排熱が第２熱交換器に供給される熱媒よりも高温である場合に有効である。
　前記第３熱交換器は、前記系外の排熱と、前記第１熱交換器を通過せず前記蓄熱部に供給される前記熱媒とで熱交換し、前記系外の排熱を冷却し、前記熱媒を加熱することが好ましい。
　この構成により、第３熱交換器において、第１熱交換器での熱媒の加熱と並行して蓄熱部に供給される熱媒を加熱でき、より多くの熱媒を蓄熱部に蓄えることができる。この構成は、系外の排熱が第１熱交換器に供給される熱媒よりも高温である場合に有効である。
　前記第３熱交換器は、前記系外の排熱と、前記蓄圧部から前記膨張機に供給される前記圧縮空気とで熱交換し、前記系外の排熱を冷却し、前記圧縮空気を加熱することが好ましい。
　この構成により、第３熱交換器において、膨張前の圧縮空気を、熱媒等を介することなく排熱を利用して直接加熱できる。この構成は、系外の排熱が膨張機に供給される圧縮空気よりも高温である場合に有効である。
　前記第３熱交換器は、前記系外の排熱と、前記膨張機から排気された前記空気とで熱交換し、前記系外の排熱を冷却し、前記空気を加熱することが好ましい。
　この構成により、第３熱交換器において、膨張機から排気された空気の冷熱を利用して系外の排熱を冷却できる。膨張機から排気される空気は、膨張時の吸熱により温度低下しており、排気空気の冷熱を有効利用することでシステムのエネルギー効率を向上できる。
　前記第３熱交換器は、前記系外の排熱と、前記第２熱交換器から供給される前記熱媒とで熱交換し、前記系外の排熱を冷却し、前記熱媒を加熱することが好ましい。
　この構成により、第３熱交換器において、第２熱交換器で冷却された熱媒を利用して系外の排熱を冷却できる。また、第２熱交換器で冷却された熱媒を有効利用することでシステムのエネルギー効率を向上できる。
　本発明によれば、ＣＡＥＳ発電装置の系内で発生した冷熱を利用して系外の排熱を冷却できると共に、系外の排熱を利用してＣＡＥＳ発電装置の発電効率を向上できる。
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。 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。 本発明の第４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５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６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７実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。 図７の圧縮空気貯蔵発電装置の制御方法を示すフローチャート。 図７の圧縮空気貯蔵発電装置の制御方法を示すフローチャート。 本発明の第８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８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＞
　圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置２は、再生可能エネルギーを利用して発電する発電装置４の出力変動を平準化して電力系統６に電力を供給するとともに、電力系統６における電力需要の変動に合わせた電力を供給する。
　図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置２の構成を説明する。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、空気流路８ａ～８ｄ（破線で示す）と、熱媒流路１０ａ～１０ｃ（実線で示す）と、排熱流路１２ａ～１２ｄ（一点鎖線で示す）とを有する。
（空気流路）
　空気流路８ａ～８ｄには、モータ（電動機）１４によって駆動される圧縮機１６と、第１熱交換器１８と、蓄圧タンク（蓄圧部）２０と、第２熱交換器２２と、発電機２４を駆動する膨張機２６とが、順に設けられている。
　再生可能エネルギーを利用する発電装置４は、モータ１４と電気的に接続されている（二点鎖線で示す）。発電装置４により発電された電力はモータ１４に供給される。モータ１４は圧縮機１６に機械的に接続されており、モータ１４の駆動に伴い圧縮機１６が駆動される。
　圧縮機１６は、モータ１４によって駆動されると、空気流路８ａを介して吸気口１６ａより空気を吸気し、内部で圧縮して吐出口１６ｂより圧縮空気を吐出する。圧縮機１６の吐出口１６ｂは空気流路８ｂを通じて蓄圧タンク２０と流体的に接続されており、吐出口１６ｂから吐出された圧縮空気は、空気流路８ｂを通じて蓄圧タンク２０に圧送される。圧縮機１６の種類は特に限定されず、例えば、スクリュ式、スクロール式、ターボ式、およびレシプロ式などであってもよい。
　圧縮機１６の吐出口１６ｂから吐出された圧縮空気は、圧縮の際に生じる圧縮熱により高温となっているため、蓄圧タンク２０に供給される前に冷却されることが好ましい。従って、空気流路８ｂには、第１熱交換器１８が介設されている。第１熱交換器１８では、熱媒と圧縮空気の間の熱交換により、圧縮空気は冷却され、熱媒は加熱される。このように第１熱交換器１８で圧縮空気から熱媒に圧縮熱を回収しているので蓄圧タンク２０に供給される圧縮空気の温度は低下し、蓄圧タンク２０に蓄えられている間に放熱して熱エネルギーを損失することを抑制している。
　蓄圧タンク２０は、圧縮空気を蓄えてエネルギーとして蓄積できる。蓄圧タンク２０は、空気流路８ｃを通じて膨張機２６の給気口２６ａと流体的に接続されており、蓄圧タンク２０から送出された圧縮空気は空気流路８ｃを通じて膨張機２６に供給される。
　膨張機２６では膨張時の吸熱により空気の温度が低下する。そのため、膨張機２６に給気される圧縮空気は、高温であることが好ましい。従って、空気流路８ｃには第２熱交換器２２が介設されている。第２熱交換器２２では、熱媒と圧縮空気の間の熱交換により、圧縮空気は加熱され、熱媒は冷却される。
　膨張機２６は、発電機２４と機械的に接続されており、給気口２６ａから圧縮空気を給気され、給気された圧縮空気により作動し、発電機２４を駆動する。発電機２４は電力系統６に電気的に接続されており（二点鎖線で示す）、発電機２４で発電した電力は電力系統６に供給される。また、膨張機２６で膨張された空気は、排気口２６ｂから空気流路８ｄを通じて排気される。膨張機２６の種類は、例えば、スクリュ式、スクロール式、ターボ式、およびレシプロ式などであってもよい。
（熱媒流路）
　熱媒流路１０ａ～１０ｃには、第１熱交換器１８と、第３熱交換器２８ａと、高温蓄熱タンク（蓄熱部）３０と、第２熱交換器２２と、低温蓄熱タンク３２とが、順に設けられている。熱媒はこれらの間で循環して流動している。熱媒の種類は特に限定されておらず、例えば鉱物油系またはグリコール系の熱媒を使用してもよい。
　第１熱交換器１８では、圧縮機１６から蓄圧タンク２０に延びる空気流路８ｂ内の圧縮空気と、低温蓄熱タンク３２から高温蓄熱タンク３０に延びる熱媒流路１０ａ内の熱媒とで熱交換している。具体的には、空気流路８ｂ内を流れる圧縮空気は、圧縮機１６での圧縮の際に生じる圧縮熱により高温となっており、第１熱交換器１８での熱交換により、圧縮空気を冷却している。即ち、第１熱交換器１８では圧縮空気の温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。第１熱交換器１８は熱媒流路１０ａ，１０ｂを通じて高温蓄熱タンク３０と流体的に接続されており、温度上昇した熱媒は高温蓄熱タンク３０に供給され蓄えられる。熱媒流路１０ａ，１０ｂには三方弁３４ａが設けられており、三方弁３４ａにより、熱媒が熱媒流路１０ａ，１０ｂのいずれを流れるかを選択できる。
　第１熱交換器１８から三方弁３４ａに延びる熱媒流路１０ａには、熱媒の温度を測定するための温度センサ３６ａが設けられている。ここで測定した熱媒の温度は後述の制御装置４４に出力される。
　熱媒流路１０ａ，１０ｂのうち、一方の熱媒流路１０ｂには第３熱交換器２８ａが設けられている。第３熱交換器２８ａでは、熱媒と排熱の間で熱交換し、熱媒は加熱され、排熱は冷却される。
　高温蓄熱タンク３０は、第１熱交換器１８または第３熱交換器２８ａから供給された高温の熱媒を保温して蓄える。そのため、高温蓄熱タンク３０は断熱されていることが好ましい。高温蓄熱タンク３０は、熱媒流路１０ｃを通じて第２熱交換器２２に流体的に接続されており、高温蓄熱タンク３０で蓄えられた熱媒は熱媒流路１０ｃを通じて第２熱交換器２２に供給される。
　第２熱交換器２２では、蓄圧タンク２０から膨張機２６に延びる空気流路８ｃ内の圧縮空気と、高温蓄熱タンク３０から低温蓄熱タンク３２に延びる熱媒流路１０ｃ内の熱媒とで熱交換している。具体的には、高温蓄熱タンク３０内の高温の熱媒を利用して膨張機２６による膨張の前に圧縮空気の温度を上昇させて発電効率を向上させている。即ち、第２熱交換器２２では、圧縮空気の温度は上昇し、熱媒の温度は低下する。このように圧縮熱を回収して温度上昇した熱媒を高温蓄熱タンク３０に蓄え、この温度上昇した熱媒を利用して第２熱交換器２２で膨張前の圧縮空気を加熱しているので、発電効率が向上している。第２熱交換器２２は熱媒流路１０ｃを通じて低温蓄熱タンク３２に流体的に接続されており、温度低下した熱媒は熱媒流路１０ｃを通じて低温蓄熱タンク３２に供給され蓄えられる。
　低温蓄熱タンク３２は、第２熱交換器２２から供給された低温の熱媒を蓄える。低温蓄熱タンク３２は熱媒流路１０ａを通じて第１熱交換器１８に流体的に接続されており、低温蓄熱タンク３２で蓄えられた熱媒は熱媒流路１０ａを通じて第１熱交換器１８に供給される。
　このように熱媒流路１０ａ～１０ｃでは、熱媒が循環している。熱媒の循環は、熱媒流路１０ａに介設されたポンプ３８によりなされている。本実施形態では、ポンプ３８は低温蓄熱タンク３２下流に設けられているが、その位置は特に限定されない。
（排熱流路）
　排熱流路１２ａ～１２ｄには、排熱源４０と、第３熱交換器２８ａと、クーリングタワー４２とが、順に設けられている。
　排熱源４０は、高温のガス（排熱）を発生させる機器であって、例えばエンジンやボイラ等である。排熱源４０は排熱流路１２ａ～１２ｄを通じて外気に通じており、排熱源４０で発生した高温のガスは排熱流路１２ａ～１２ｄを通じて外気に排出される。本実施形態では、排熱源４０から高温のガスの態様で排熱を排出しているが、その態様はガスに限らす流体であればよい。
　排熱源４０から延びる排熱流路１２ａは、三方弁３４ｂを介して２つの排熱流路１２ｂ，１２ｃに分岐している。分岐した２つの排熱流路１２ｂ，１２ｃは、三方弁３４ｃを介して排熱流路１２ｄに合流している。２つの排熱流路１２ｂ，１２ｃのうち、一方の排熱流路１２ｃには、排熱流路１２ｃ内のガスを冷却するためのクーリングタワー４２が設けられている。本実施形態のクーリングタワー４２は、冷却水を利用した熱交換型であるが、その態様は特に限定されない。
　排熱源４０から第３熱交換器２８ａに延びる排熱流路１２ａには、ガスの温度を測定するための温度センサ３６ｂが設けられている。ここで測定したガスの温度は後述の制御装置４４に出力される。
　第３熱交換器２８ａでは、第１熱交換器１８から高温蓄熱タンク３０に延びる熱媒流路１０ｂ内の熱媒と、排熱流路１２ａ内のガスとで熱交換する。具体的には、排熱流路１２ａ内の高温のガスを利用して高温蓄熱タンク３０に供給される熱媒流路１０ｂ内の熱媒を加熱している。即ち、第３熱交換器２８ａでは、ガスの温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。
　第３熱交換器２８ａから三方弁３４ｂに延びる排熱流路１２ａには、ガスの温度を測定するための温度センサ３６ｃが設けられている。また、クーリングタワー４２から三方弁３４ｃに延びる排熱流路１２ｃには、ガスの温度を測定するための温度センサ３６ｄが設けられている。これらで測定したガスの温度は後述の制御装置４４に出力される。
（制御方法）
　ＣＡＥＳ発電装置２は、制御装置４４を備える。制御装置４４は、温度センサ３６ａ～３６ｄで測定した温度値を受け、これらの温度値に基づいて三方弁３４ａ～３４ｃを制御する。
　制御装置４４は、温度センサ３６ｂで測定したガス（排熱）の温度Ｔｇ１が、温度センサ３６ａで測定した熱媒の温度Ｔｈ１より高い場合、三方弁３４ａを制御して、熱媒流路１０ｂ内に熱媒を流し、第３熱交換器２８ａで熱交換を行う。温度Ｔｇ１が温度Ｔｈ１以下である場合、三方弁３４ａを制御して、熱媒流路１０ｂ内に熱媒を流さず、第３熱交換器２８ａで熱交換を行わない。従って、高温蓄熱タンク３０に供給される熱媒の温度を上昇できるか、または維持できる。
　次いで、温度センサ３６ｃで測定したガスの温度Ｔｇ２が排熱基準温度Ｔｔｈより高い場合、三方弁３４ｂを制御して、ガスを排熱流路１２ｃ内に流し、クーリングタワー４２でガスを冷却する。排熱基準温度Ｔｔｈは、法令によって定められており、外気に排出可能な排熱温度の上限値である。冷却後、温度センサ３６ｄで測定したガスの温度Ｔｇ３が排熱基準温度Ｔｔｈより依然高い場合、三方弁３４ｂ，３４ｃを制御してガスを排熱流路１２ｂ，１２ｃ内に繰り返し流し、ガスの温度Ｔｇ３が排熱基準温度Ｔｔｈ以下となるまでクーリングタワー４２で繰り返し冷却する。冷却によりガスの温度Ｔｇ３が排熱基準温度Ｔｔｈ以下となった場合、三方弁３４ｃを制御して排熱流路１２ｄを通じてガスを外気へ排出する。また、温度センサ３６ｃで測定したガスの温度Ｔｇ２が既に排熱基準温度Ｔｔｈ以下である場合、三方弁３４ｂ，３４ｃを制御してガスを排熱流路１２ｂ，１２ｄ内に流し、クーリングタワー４２で冷却することなくガスを外気へ排出する。
　以上のように本実施形態では、第３熱交換器２８ａにおいて、第１熱交換器１８で加熱された熱媒をさらに加熱でき、より高温の熱媒を高温蓄熱タンク３０に蓄えることができる。本構成は、上述のように、系外の排熱源４０からの排熱が第１熱交換器１８で加熱された後の熱媒よりも高温である場合に有効である。
＜第２実施形態＞
　図２に示す第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置２では、第３熱交換器２８ｂの配置が変更されている。本実施形態は、この点を除いて図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。
　本実施形態では、高温蓄熱タンク３０から第２熱交換器２２に延びる熱媒流路１０ｃから熱媒流路１０ｄが分岐している。分岐点には、三方弁３４ｄが設けられており、三方弁３４ｄにより、熱媒が熱媒流路１０ｃ，１０ｄのいずれを流れるかを選択できる。分岐した熱媒流路１０ｄは、第２熱交換器２２の上流で熱媒流路１０ｃに合流している。
　高温蓄熱タンク３０から三方弁３４ｄに延びる熱媒流路１０ｃには、熱媒の温度を測定するための温度センサ３６ｅが設けられている。ここで測定した熱媒の温度は制御装置４４に出力される。
　熱媒流路１０ｄには、第３熱交換器２８ｂが介設されている。第３熱交換器２８ｂでは、熱媒流路１０ｄ内の熱媒と、排熱流路１２ａ内のガスとで熱交換している。具体的には、排熱流路１２ａ内の高温のガスを利用して第２熱交換器２２に供給される熱媒流路１０ｄ内の熱媒を加熱している。即ち、第３熱交換器２８ｂでは、ガスの温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。
　制御装置４４は、温度センサ３６ｂで測定したガス（排熱）の温度Ｔｇ１が、温度センサ３６ｅで測定した熱媒の温度Ｔｈ２より高い場合、三方弁３４ｄを制御して、熱媒流路１０ｄ内に熱媒を流し、第３熱交換器２８ｂで熱交換を行う。ガスの温度Ｔｇ１が熱媒の温度Ｔｈ２以下である場合、三方弁３４ｄを制御して、熱媒流路１０ｄ内に熱媒を流さず、第３熱交換器２８ｂで熱交換を行わない。従って、第２熱交換器２２に供給される熱媒の温度を上昇できるか、または維持できる。
　以上のように本実施形態では、第３熱交換器２８ｂにおいて、第２熱交換器２２で加熱される熱媒を予加熱でき、第２熱交換器２２での熱媒の加熱負荷を軽減できる。本構成は、上述のように、系外の排熱源４０からの排熱が第２熱交換器２２に供給される熱媒よりも高温である場合に有効である。
＜第３実施形態＞
　図３に示す第３実施形態のＣＡＥＳ発電装置２では、第３熱交換器２８ｃの配置が変更されている。本実施形態は、この点を除いて図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。
　本実施形態では、低温蓄熱タンク３２から第１熱交換器１８に延びる熱媒流路１０ａから熱媒流路１０ｅが分岐している。分岐点には、三方弁３４ｅが設けられており、三方弁３４ｅにより、熱媒が熱媒流路１０ａ，１０ｅのいずれを流れるかを選択できる。分岐した熱媒流路１０ｅは、高温蓄熱タンク３０に流体的に接続されている。
　低温蓄熱タンク３２から三方弁３４ｅに延びる熱媒流路１０ａには、熱媒の温度を測定するための温度センサ３６ｃが設けられている。ここで測定した熱媒の温度は制御装置４４に出力される。
　熱媒流路１０ｅには、第３熱交換器２８ｃが介設されている。第３熱交換器２８ｃでは、熱媒流路１０ｅ内の熱媒と、排熱流路１２ａ内のガスとで熱交換している。具体的には、排熱流路１２ａ内の高温のガスを利用して高温蓄熱タンク３０に供給される熱媒流路内の熱媒を加熱している。即ち、第３熱交換器２８ｃでは、ガスの温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。
　制御装置４４は、温度センサ３６ｂで測定したガス（排熱）の温度Ｔｇ１が、温度センサ３６ｆで測定した熱媒の温度Ｔｈ３より高い場合、三方弁３４ｅを制御して、熱媒流路１０ｅ内に熱媒を流し、第３熱交換器２８ｃで熱交換を行う。ガスの温度Ｔｇ１が熱媒の温度Ｔｈ３以下である場合、三方弁３４ｅを制御して、熱媒流路１０ｅ内に熱媒を流さず、第３熱交換器２８ｃで熱交換を行わない。従って、高温蓄熱タンク３０に供給される熱媒の温度を上昇できるか、または維持できる。
　以上のように本実施形態では、第３熱交換器２８ｃにおいて、第１熱交換器１８での熱媒の加熱と並行して高温蓄熱タンク３０に供給される熱媒を加熱でき、より多くの熱媒を高温蓄熱タンク３０に蓄えることができる。本構成は、上述のように、系外の排熱源４０からの排熱が第１熱交換器１８に供給される熱媒よりも高温である場合に有効である。
＜第４実施形態＞
　図４に示す第４実施形態のＣＡＥＳ発電装置２では、第３熱交換器２８ｄの配置が変更されている。本実施形態は、この点を除いて図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。
　本実施形態では、蓄圧タンク２０から膨張機２６に延びる空気流路８ｃが３つの空気流路８ｅ～８ｇに分岐している。分岐点には、三方弁３４ｆが設けられており、三方弁３４ｆにより、圧縮空気が空気流路８ｅ～８ｇのいずれを流れるかを選択できる。分岐した空気流路８ｅ～８ｇは、三方弁３４ｇを介して空気流路８ｈに合流している。合流した空気流路８ｈは、膨張機２６の給気口２６ａに流体的に接続されている。
　高温蓄熱タンク３０から第２熱交換器２２に延びる熱媒流路１０ｃには、熱媒の温度を測定するための温度センサ３６ｇが設けられている。ここで測定した熱媒の温度は制御装置４４に出力される。
　３つの空気流路８ｅ～８ｇのうち、空気流路８ｇには第２熱交換器２２が介設され、空気流路８ｅには第３熱交換器２８ｄが介設されている。第２熱交換器２２では、第１実施形態と同様に圧縮空気が熱媒により加熱されている。第３熱交換器２８ｄでは、空気流路８ｅｃ内の圧縮空気と、排熱流路１２ａ内のガスとで熱交換している。具体的には、排熱流路１２ａ内の高温のガスを利用して膨張機２６に供給される空気流路８ｅ内の圧縮空気を加熱している。即ち、第３熱交換器２８ｄでは、ガスの温度は低下し、圧縮空気の温度は上昇する。
　制御装置４４は、温度センサ３６ｂで測定したガス（排熱）の温度Ｔｇ１が、温度センサ３６ｇで測定した熱媒の温度Ｔｈ４より高い場合、三方弁３４ｆ，３４ｇを制御して、空気流路８ｃ，８ｇ，８ｆ，８ｅ，８ｈの順に圧縮空気を流し、即ち第２熱交換器２２で圧縮空気を加熱した後、さらに第３熱交換器２８ｄで圧縮空気を加熱する。ガスの温度Ｔｇ１が、熱媒の温度Ｔｈ４以下である場合、三方弁３４ｆ，３４ｇを制御して、空気流路８ｃ，８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈの順に圧縮空気を流し、即ち、第３熱交換器２８ｄで圧縮空気を加熱した後、さらに第２熱交換器２２で圧縮空気を加熱する。従って、第２熱交換器２２と第３熱交換器２８ｄの両方で膨張機２６に供給される熱媒の温度を上昇できるか、または維持できる。
　以上のように本実施形態では、第３熱交換器２８ｄにおいて、膨張前の圧縮空気を、熱媒等を介することなく排熱を利用して直接加熱できる。本構成は、上述のように、系外の排熱源４０からの排熱が膨張機２６に供給される圧縮空気よりも高温である場合に有効である。
＜第５実施形態＞
　図５に示す第５実施形態のＣＡＥＳ発電装置２では、第３熱交換器２８ｅの配置が変更されている。本実施形態は、この点を除いて図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。
　本実施形態では、膨張機２６の排気口２６ｂから延びる空気流路８ｄから空気流路８ｉが分岐している。分岐点には、三方弁３４ｈが設けられており、三方弁３４ｈにより、空気が空気流路８ｄ，８ｉのいずれを流れるかを選択できる。分岐した空気流路８ｉは、外気に通じている。
　膨張機２６から三方弁３４ｈに延びる空気流路８ｄには、空気の温度を測定するための温度センサ３６ｈが設けられている。ここで測定した空気の温度は制御装置４４に出力される。
　空気流路８ｉには、第３熱交換器２８ｅが介設されている。第３熱交換器２８ｅでは、空気流路８ｉ内の空気と、排熱流路１２ａ内のガスとで熱交換している。具体的には、膨張機２６から排気される空気は、膨張時の吸熱により温度が低下しており、その冷熱を利用して排熱流路１２ａ内の高温のガスを冷却している。即ち、第３熱交換器２８ｅでは、ガスの温度は低下し、空気の温度は上昇する。
　制御装置４４は、温度センサ３６ｂで測定したガス（排熱）の温度Ｔｇ１が、温度センサ３６ｈで測定した空気の温度Ｔａ１より高い場合、三方弁３４ｈを制御して、空気流路８ｉ内に空気を流し、第３熱交換器２８ｅで熱交換を行う。ガスの温度Ｔｇ１が空気の温度Ｔａ１以下である場合、三方弁３４ｈを制御して空気流路８ｉ内に空気を流さず、第３熱交換器２８ｅで熱交換を行わない。従って、排熱源４０から排出されるガスの温度を低下できるか、または維持できる。
　以上のように本実施形態では、第３熱交換器２８ｅにおいて、膨張機２６から排気された空気の冷熱を利用して系外の排熱源４０の排熱を冷却できる。膨張機２６から排気される空気は、膨張時の吸熱により温度低下しており、排気空気の冷熱を有効利用することでシステムのエネルギー効率を向上できる。
＜第６実施形態＞
　図６に示す第６実施形態のＣＡＥＳ発電装置２では、第３熱交換器２８ｆの配置が変更されている。本実施形態は、この点を除いて図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。
　本実施形態では、第１熱交換器１８から低温蓄熱タンク３２に延びる熱媒流路１０ｃから熱媒流路１０ｆが分岐している。分岐点には、三方弁３４ｉが設けられており、三方弁３４ｉにより、熱媒が熱媒流路１０ｃ，１０ｆのいずれを流れるかを選択できる。分岐した熱媒流路１０ｆは、低温蓄熱タンク３２の上流で熱媒流路１０ｃに合流している。
　第２熱交換器２２から三方弁３４ｉに延びる熱媒流路１０ｃには、熱媒の温度を測定するための温度センサ３６ｉが設けられている。ここで測定した熱媒の温度は制御装置４４に出力される。
　熱媒流路１０ｆには、第３熱交換器２８ｆが介設されている。第３熱交換器２８ｆでは、熱媒流路１０ｆ内の熱媒と、排熱流路１２ａ内のガスとで熱交換している。具体的には、第２熱交換器２２で冷却された熱媒流路１０ｆ内の熱媒を利用して排熱流路１２ａ内の高温のガスを冷却している。即ち、第３熱交換器２８ｆでは、ガスの温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。
　制御装置４４は、温度センサ３６ｂで測定したガス（排熱）の温度Ｔｇ１が、温度センサ３６ｂで測定した熱媒の温度Ｔｈ５より高い場合、三方弁３４ｉを制御して、熱媒流路１０ｆ内に熱媒を流し、第３熱交換器２８ｆで熱交換を行う。ガスの温度Ｔｇ１が熱媒の温度Ｔｈ５以下である場合、三方弁３４ｉを制御して、熱媒流路１０ｆ内に熱媒を流さず、第３熱交換器２８ｆで熱交換を行わない。従って、排熱源４０から排出されるガスの温度を低下できるか、または維持できる。
　以上のように本実施形態では、第３熱交換器２８ｆにおいて、第２熱交換器で冷却された熱媒を利用して系外の排熱源４０の排熱を冷却できる。また、第２熱交換器で冷却された熱媒を有効利用することでシステムのエネルギー効率を向上できる。
　第１から第６実施形態のうち、第１から第４実施形態までは、排熱源４０からの排熱を回収して利用し、ＣＡＥＳ発電装置２の発電効率を向上させることを主な目的としている。また、第５から第６実施形態では、排熱源４０からの排熱を冷却し、排熱基準温度以下にすることを主な目的としている。なお、これらの実施形態は組み合わせて実施されてもよく、図７に第７実施形態として第１から第６実施形態が組み合わせられたＣＡＥＳ発電装置２の構成を示している。
＜第７実施形態＞
　図７に示す第７実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、第１から第６実施形態が組み合わせられている。従って、その構成は、図１から図６に示した構成と実質的に同様であるため説明を省略する。ただし、本実施形態では、蓄圧タンク２０内の圧力を測定するための圧力センサ４６が、蓄圧タンク２０に設けられている。
　図８Ａと図８Ｂには、本実施形態の制御方法が示されている。図８Ａは、第１から第４実施形態のように系外の排熱源４０からの排熱を回収して利用する制御方法を示している。図８Ｂは、第５から第６実施形態のように系外の排熱源４０からの排熱を冷却する制御方法を示している。これらの処理は、並行して実行されている。
　図８Ａに示すように、排熱回収の制御が開始されると（ステップＳ８Ａ－１）、圧縮空気を製造しているか否かを判定する（ステップＳ８Ａ－２）。
　圧縮空気を製造していない場合、温度センサ３６ｂで測定したガス（排熱）の温度Ｔｇ１が温度センサ３６ｆで測定した熱媒の温度Ｔｈ３より大きいか否かを判定する（ステップＳ８Ａ－３）。ガスの温度Ｔｇ１が熱媒の温度Ｔｈ３より大きい場合は排熱回収３の処理を実行し（ステップＳ８Ａ－４）、そうでない場合は三方弁３４ｅを切り替えて熱媒流路１０ｅを閉鎖し、第１熱交換器１８に向かう熱媒流路１０ａを流通させる（ステップＳ８Ａ－５）。これらの処理を実行後、後述のステップＳ８Ａ－９の処理に移る。ここで、排熱回収３の処理は、第３実施形態での第３熱交換器２８ｃにおける排熱回収処理を示している。
　圧縮空気を製造している場合、温度センサ３６ｂで測定したガスの温度Ｔｇ１が温度センサ３６ａで測定した熱媒の温度Ｔｈ１より大きいか否かを判定する（ステップＳ８Ａ－６）。ガスの温度Ｔｇ１が熱媒の温度Ｔｈ１より大きい場合は排熱回収１の処理を実行し（ステップＳ８Ａ－７）、そうでない場合は三方弁３４ａを切り替えて熱媒流路１０ｂを閉鎖し、高温蓄熱タンク３０に向かう熱媒流路１０ａを流通させる（ステップＳ８Ａ－８）。これらの処理を実行後、後述のステップＳ８Ａ－９の処理に移る。ここで、排熱回収１の処理は、第１実施形態での第３熱交換器２８ａにおける排熱回収処理を示している。
　次いで、温度センサ３６ｂで測定したガスの温度Ｔｇ１が温度センサ３６ｅで測定した熱媒の温度Ｔｈ２より大きいか否かを判定すると共に、ガスの温度Ｔｇ１が温度センサ３６ｇで測定した熱媒の温度Ｔｈ４より大きいか否かを判定する（ステップＳ８Ａ－９）。ガスの温度Ｔｇ１が熱媒の温度Ｔｈ２より大きい場合は、排熱回収４の処理を実行後（ステップＳ８Ａ－１０）、発電機２４で発電し（ステップＳ８Ａ－１１）、そうでない場合は排熱回収２，４の処理を実行後（ステップＳ８Ａ－１２）、発電する（ステップＳ８Ａ－１１）。ここで、排熱回収２，４の処理は、第２，４実施形態での第３熱交換器２８ｂ，２８ｄにおける排熱回収処理を示している。ただし、排熱回収４の処理は、第４実施形態で示したようにガスの温度Ｔｇ１が熱媒の温度Ｔｈ４よりも大きいか否かで処理が異なるため、ステップＳ８Ａ－９で判定した値に基づいて処理を実行している。そしてこれらの処理を完了後、排熱回収の制御を終了する（ステップＳ８Ａ－１３）。
　また、図８Ｂに示すように、排熱冷却の制御を開始すると（ステップＳ８Ｂ－１）、圧力センサ４６で測定した蓄圧タンク２０内の圧力Ｐが設定値Ｐｔｈより大きいか否かを判定する（ステップＳ８Ｂ－２）。圧力Ｐが設定値Ｐｔｈよりも大きくない場合、排熱冷却６の処理を実行し（ステップＳ８Ｂ－３）、後述のステップＳ８Ｂ－７の処理に移る。圧力Ｐが設定値Ｐｔｈより大きい場合、電力需要の有無を判断し（ステップＳ８Ｂ－４）、電力需要が有る場合は排熱冷却６の処理を実行し（ステップＳ８Ｂ－５）、無い場合は排熱冷却５の処理を実行する（ステップＳ８Ｂ－６）。ここで、排熱冷却５，６の処理は、第５，６実施形態での第３熱交換器２８ｅ，２８ｆにおける排熱冷却処理を示している。そしてこれらの処理を完了後、後述のステップＳ８Ｂ－７の処理に移る。
　次いで、温度センサ３６ｃで測定したガスの温度Ｔｇ２が排熱基準温度Ｔｔｈより高いか否かを判定する（ステップＳ８Ｂ－７）。ガスの温度Ｔｇ２が排熱基準温度Ｔｔｈより高い場合、三方弁３４ｂを制御して、ガスを排熱流路１２ｃ内に流し、クーリングタワー４２でガスを冷却する（ステップＳ８Ｂ－８）。冷却後、温度センサ３６ｄで測定したガスの温度Ｔｇ３が排熱基準温度Ｔｔｈより高いか否かを再び判定する（ステップＳ８Ｂ－７）。依然として高い場合、三方弁３４ｂ，３４ｃを制御して、ガスを排熱流路１２ｂ，１２ｃ内に繰り返し流し、ガスの温度Ｔｇ３が排熱基準温度Ｔｔｈ以下となるまでクーリングタワー４２で冷却する（ステップＳ８Ｂ－８）。温度センサ３６ｄで測定したガスの温度Ｔｇ３が排熱基準温度Ｔｔｈ以下となった場合、排熱流路１２ｄを通じてガスを排出するように三方弁３４ｃを制御する（ステップＳ８Ｂ－９）。また、温度センサ３６ｃで測定したガスの温度Ｔｇ２が排熱基準温度Ｔｔｈ以下である場合、ガスを排熱流路１２ｂ，１２ｃ内に流し、クーリングタワー４２で冷却することなくガスを排出する（ステップＳ８Ｂ－９）。そしてこれらの処理を完了後、排熱冷却の制御を終了する（ステップＳ８Ｂ－１０）。
　このように制御することで、熱交換対象の温度を常に監視し、系外の排熱源４０からの排熱が加熱されたり、熱媒または圧縮空気が冷却されたりすることを防止できる。また、ＣＡＥＳ発電装置２は、再生可能エネルギーを利用するため、不安定な運転が行われる場合がある。しかし、排熱回収１から４または排熱冷却５，６の処理のように、様々な処理を実行できることによって、任意の運転状況に応じて、排熱の冷却と、熱媒または圧縮空気の加熱とを安定して行うことができる。
＜第８実施形態＞
　図９Ａと図９Ｂに示す第８実施形態のＣＡＥＳ発電装置２では、圧縮機１６と膨張機２６が共に２段型のものに置換されている。本実施形態は、この点を除いて図７の第７実施形態と実質的に同様である。従って、図７に示した構成と同様の部分については説明を省略する。
　本実施形態では、図９Ａに示す点Ｘの位置に、図９Ｂに示す第３熱交換器２８を含む排熱回収（冷却）機構４８が設けられている。本実施形態の圧縮機１６と膨張機２６は２段型であるため、中間段でも排熱回収（冷却）を行っており、第７実施形態より多くの排熱回収（冷却）機構４８が設けられている。
　本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の制御方法については、第７実施形態と実質的に同様である。
　このように、本発明は、圧縮機１６または膨張機２６が、単段型、２段型、または３段型以上であっても適用可能である。
　ここで記載した各実施形態において、再生可能エネルギーによる発電の対象は、例えば、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、かつ不規則に変動するエネルギーを利用したもの全てを対象とすることが可能である。また、工場内の他の大電力を消費する機器によって電力が変動するものであってもよい。
　　２　圧縮空気貯蔵発電（ＣＡＥＳ発電装置）
　　４　発電装置
　　６　電力系統
　　８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈ，８ｉ　空気流路
　　１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ　熱媒流路
　　１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ　排熱流路
　　１４　モータ（電動機）
　　１６　圧縮機
　　１６ａ　吸気口
　　１６ｂ　吐出口
　　１８　第１熱交換器
　　２０　蓄圧タンク（蓄圧部）
　　２２　第２熱交換器
　　２４　発電機
　　２６　膨張機
　　２６ａ　給気口
　　２６ｂ　排気口
　　２８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ，２８ｆ　第３熱交換器
　　３０　高温蓄熱タンク（蓄熱部）
　　３２　低温蓄熱タンク
　　３４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ，３４ｆ，３４ｇ，３４ｈ　三方弁
　　３６，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３６ｆ，３６ｇ，３６ｈ，３６ｉ　温度センサ
　　３８　ポンプ
　　４０　排熱源
　　４２　クーリングタワー
　　４４　制御装置
　　４６　圧力センサ
　　４８　排熱回収（冷却）機構

Claims (7)

  1. 　再生可能エネルギーによって発電された電力により駆動される電動機と、
    　前記電動機によって駆動され、空気を圧縮する圧縮機と、
    　前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄える蓄圧部と、
    　前記蓄圧部から供給される圧縮空気によって駆動される膨張機と、
    　前記膨張機と機械的に接続された発電機と、
    　前記圧縮機から前記蓄圧部に供給される圧縮空気と、熱媒とで熱交換し、前記圧縮空気を冷却し、前記熱媒を加熱する第１熱交換器と、
    　前記第１熱交換器で加熱された前記熱媒を蓄える蓄熱部と、
    　前記蓄圧部から前記膨張機に供給される前記圧縮空気と、前記蓄熱部から供給される前記熱媒とで熱交換して、前記圧縮空気を加熱し、前記熱媒を冷却する第２熱交換器と、
    　系外の排熱と系内の流体とで熱交換する第３熱交換器と
    　を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
  2. 　前記第３熱交換器は、前記系外の排熱と、前記第１熱交換器から前記蓄熱部に供給される前記熱媒とで熱交換し、前記排熱を冷却し、前記熱媒を加熱する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  3. 　前記第３熱交換器は、前記系外の排熱と、前記蓄熱部から前記第２熱交換器に供給される前記熱媒とで熱交換し、前記排熱を冷却し、前記熱媒を加熱する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  4. 　前記第３熱交換器は、前記系外の排熱と、前記第１熱交換器を通過せず前記蓄熱部に供給される前記熱媒とで熱交換し、前記系外の排熱を冷却し、前記熱媒を加熱する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  5. 　前記第３熱交換器は、前記系外の排熱と、前記蓄圧部から前記膨張機に供給される前記圧縮空気とで熱交換し、前記系外の排熱を冷却し、前記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。
  6. 　前記第３熱交換器は、前記系外の排熱と、前記膨張機から排気された前記空気とで熱交換し、前記系外の排熱を冷却し、前記空気を加熱する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  7. 　前記第３熱交換器は、前記系外の排熱と、前記第２熱交換器から供給される前記熱媒とで熱交換し、前記系外の排熱を冷却し、前記熱媒を加熱する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
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