JP2018168746A - 圧縮空気貯蔵発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮空気貯蔵発電装置を利用し、適時に必要量の電力および冷熱を需要家設備に供給する。【解決手段】圧縮空気貯蔵発電装置１０は、電力需要受信部６０と、冷熱需要受信部６１と、発電機１５によって発電する電力量を調整する電力供給調整装置１９と、第１熱媒貯蔵部２１から需要家設備３への冷熱の供給量を調整する冷熱供給調整弁２２と、電力需要値と冷熱需要値とに応じた電力と冷熱とを需要家設備３に供給するように、電力供給調整装置１９と冷熱供給調整弁２２とを制御する制御装置１７とを備える。【選択図】図１

Description

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、出力が安定しないことがある。そのため、適時に必要な電力を得るためには、エネルギー貯蔵システムを使用する必要がある。そのようなシステムの一例として、例えば、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置が知られている。

ＣＡＥＳ発電装置は、再生可能エネルギーを用いて圧縮機を駆動して圧縮空気を製造し、圧縮空気をタンクなどに貯蔵し、必要なときに圧縮空気を使用してタービン発電機を駆動して電力を得る装置である。このようなＣＡＥＳ発電装置が、例えば特許文献１に開示されている。

特開２０１６−２１１４６６号公報

特許文献１では、一般的なＣＡＥＳ発電装置の構成は開示されているが、ＣＡＥＳ発電装置によって生成される電力および冷熱を適時に必要なだけ供給先（需要家設備）に供給することについては詳細に検討されていない。

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置を利用し、適時に必要量の電力および冷熱を需要家設備に供給す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を圧縮空気の態様で蓄え、必要に応じて前記圧縮空気を使用して発電し、需要家設備に電力を供給可能である圧縮空気貯蔵発電装置であって、前記需要家設備の電力需要値を受信する電力需要受信部と、前記需要家設備の冷熱需要値を受信する冷熱需要受信部と、前記再生可能エネルギーを用いて発電し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る圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された前記圧縮空気を蓄える蓄圧部と、前記蓄圧部から供給される前記圧縮空気によって駆動される膨張機と、前記膨張機によって駆動される発電機と、前記発電機によって発電する電力量を調整する電力調整部と、前記膨張機から排気された冷気と第１熱媒とで熱交換して前記第１熱媒を冷却する第１熱交換器と、前記第１熱交換器にて冷却された前記第１熱媒を冷熱として貯蔵する第１熱媒貯蔵部と、前記第１熱媒貯蔵部から前記需要家設備への前記冷熱の供給量を調整する冷熱調整部と、前記電力需要受信部によって受信した前記電力需要値と前記冷熱需要受信部によって受信した前記冷熱需要値とに応じた前記電力と前記冷熱とを前記需要家設備に供給するように、前記電力調整部と前記冷熱調整部とを制御する制御装置とを備える。

この構成によれば、再生可能エネルギーのような出力が不規則に変動するエネルギーを蓄圧部にて圧縮空気として貯蔵でき、必要なときに圧縮空気を膨張機に供給し、発電機を駆動して発電できる。また、第１熱交換器において膨張機から排気された冷気を利用して第１熱媒を冷却でき、この冷却された第１熱媒を第１熱媒貯蔵部に貯蔵し、必要に応じて使用できる。また、電力需要受信部と冷熱需要受信部とによって需要家設備の電力需要値と冷熱需要値とをそれぞれ受信しているため、需要家設備が要求する電力と冷熱とを適時に把握できる。さらに、電力調整部と冷熱調整部とによって、必要量の電力と冷熱とを需要家設備に供給できる。従って、圧縮空気貯蔵発電装置を利用し、適時に必要量の電力と冷熱とを需要家設備に供給できる。

また、この構成によれば、電力と冷熱とを合わせて供給することで、装置のエネルギー効率を向上できる。エネルギー効率の指標の一つである成績係数ＣＯＰ（Coefficient of Performance）は、入力した電力エネルギーに対する出力した電力エネルギーおよび熱エネルギーの割合で規定される。そのため、電力だけを供給する場合と比べて、供給される冷熱のエネルギー分ＣＯＰを向上できる。

また、この構成によれば、仮に、需要家設備が火力発電所や原子力発電所などの主要な発電設備から遠方に位置する場合、大規模な送電系統の設置が必要となるが、ＣＡＥＳ発電装置は、任意の場所に設置可能であるため需要家設備の付近に設置できる。そのため、大規模な送電系統が不要となる。従って、本装置は需要家設備が火力発電所や原子力発電所などの主要な発電設備から遠方に位置する場合に特に有効である。また、ＣＡＥＳ発電装置は、環境負荷物質を排出しないため環境性に優れており、その他の発電設備と比べて耐用年数も長く耐久性にも優れている。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記需要家設備の温熱需要値を受信する温熱需要受信部と、前記圧縮機から吐出された空気と第２熱媒とで熱交換し、前記第２熱媒を加熱する第２熱交換器と、前記第２熱交換器にて加熱された前記第２熱媒を温熱として貯蔵する第２熱媒貯蔵部と、前記第２熱媒貯蔵部から前記需要家設備への前記温熱の供給量を調整する温熱調整部とをさらに備え、前記制御装置は、前記電力需要受信部によって受信した前記電力需要値と前記冷熱需要受信部によって受信した前記冷熱需要値と前記温熱需要受信部によって受信した前記温熱需要値とに応じた前記電力と前記冷熱と前記温熱とを前記需要家設備に供給するように、前記電力調整部と前記冷熱調整部と前記温熱調整部とを制御してもよい。

この構成によれば、第２熱交換器において圧縮機から吐出された高温空気を利用して第２熱媒を加熱でき、この加熱された第２熱媒を第２熱媒貯蔵部に貯蔵し、必要に応じて使用できる。また、温熱需要受信部によって温熱需要を受信しているため、需要家設備が要求する温熱を適時に把握できる。さらに、温熱調整部によって必要量の温熱を需要家設備に供給できる。従って、圧縮空気貯蔵発電装置を利用し、適時に必要量の温熱を需要家設備に供給できる。また、電力と冷熱と温熱とを合わせて供給することで、装置のエネルギー効率を一層向上できる。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記圧縮機から吐出された空気と第３熱媒とで熱交換し、前記第３熱媒を加熱する第３熱交換器と、前記第３熱交換器にて加熱された前記第３熱媒を温熱として貯蔵する第３熱媒貯蔵部と、前記第３熱媒貯蔵部にて貯蔵された前記第３熱媒の前記温熱を利用して冷熱を得る温熱吸収式冷凍機とをさらに備えてもよい。

この構成によれば、温熱吸収式冷凍機によって、第３熱交換器にて得られた温熱を冷熱に変換でき、より多くの冷熱を得ることができる。これは需要家設備が冷熱を多く要求する場合に特に有効である。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記発電機にて発電された電力を利用して冷熱を得る電気クーラをさらに備えてもよい。

この構成によれば、電気クーラによって、発電機にて発電された電力を冷熱に変換でき、より多くの冷熱を得ることができる。これは需要家設備が冷熱を多く要求する場合に特に有効である。

本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置を利用し、適時に必要量の電力および冷熱を需要家設備に供給できる。

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。 第１実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の制御ブロック図。 第１実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の変形例の概略構成図。 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。 第２実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の制御ブロック図。 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。 第３実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の制御ブロック図。 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。 第４実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の制御ブロック図。

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に示す圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電システム１は、風力発電や太陽光発電等の再生可能エネルギーを利用した発電装置２にて発電された電力を圧縮空気の態様で蓄え、必要なときに圧縮空気を用いて発電し、需要家設備３に電力を適時に供給するシステムである。さらに、ＣＡＥＳ発電システム１は、システム内で発生する冷熱を需要家設備３に適時に供給することもできる。ここで、需要家設備３の態様は、例えば各家庭または工場など様々であり得る。需要家設備３は、図１では単独で描かれているが複数であってもよい。ここで、図１では、需要家設備３は２箇所に図示されているが、２箇所の需要家設備３は同じものを示している。

ＣＡＥＳ発電システム１は、ＣＡＥＳ発電装置１０と、通信ネットワークＮを介してデータを送信可能である電力需要検出部５０および冷熱需要検出部５１とを備える。

ＣＡＥＳ発電装置１０は、圧縮空気を利用して発電する発電ライン４ａと、膨張機１４から排気される冷気を利用して冷熱を取り出す冷熱ライン４ｂと、圧縮機１２から吐出される高温空気を利用する温熱ライン４ｃとを備える。以降、これらの３つのラインについて順に説明する。

発電ライン４ａでは、ＣＡＥＳ発電装置１０は、モータ（電動機）１１と、圧縮機１２と、蓄圧タンク（蓄圧部）１３と、膨張機１４と、発電機１５と、スイッチ１６とを備える。

再生可能エネルギーを利用する発電装置２により発電された電力は、モータ１１に供給される。以降、発電装置２からモータ１１に供給される電力を入力電力という。モータ１１は、圧縮機１２に機械的に接続されており、入力電力により駆動されて圧縮機１２を動作させる。

本実施形態の圧縮機１２は、スクリュ式である。スクリュ式の圧縮機１２は、回転数制御可能であるため、不規則に変動する入力電力に応答性良く追従でき、ＣＡＥＳ発電装置１０の構成要素として好ましい。ただし、圧縮機１２の種類は特に限定されず、スクリュ式以外にも、スクロール式、ターボ式、またはレシプロ式などであってもよい。

圧縮機１２は、モータ１１により駆動されると、吸気口１２ａから空気を吸気し、圧縮して吐出口１２ｂから吐出する。圧縮機１２の吐出口１２ｂは空気配管１８ａを通じて蓄圧タンク１３と流体的に接続されており、吐出口１２ｂから吐出された圧縮空気は蓄圧タンク１３に圧送される。

本実施形態では、１台の圧縮機１２が設置されているが、設置台数は特に限定されず、複数台であってもよい。特に、複数台の圧縮機１２が設置された場合、不規則に変動する入力電力に応答性良く追従するために、回転数制御に代えて、またはこれに加えて台数制御が可能となる。

蓄圧タンク１３は、例えば鋼製のタンクであり、圧縮機１２から圧送された圧縮空気を蓄えている。蓄圧タンク１３は、切替弁１９ａを介して二手に分岐した空気配管１８ｂを通じて２台の膨張機１４の給気口１４ａとそれぞれ流体的に接続されており、蓄圧タンク１３に蓄えられた圧縮空気は空気配管１８ｂを通じて選択的に２台の膨張機１４に供給される。切替弁１９ａは、後述するように制御装置１７によって制御されている。二手に分岐した空気配管１８ｂには、流量調整弁である給気容量調整弁１９ｂがそれぞれ介設されている。給気容量調整弁１９ｂの開度は、後述する制御装置１７によってそれぞれ制御されている。

本実施形態の２台の膨張機１４は、同一のものであり、スクリュ式である。スクリュ式の膨張機１４は、回転数制御可能であるため、前述のスクリュ式の圧縮機１２と同様にＣＡＥＳ発電装置１０の構成要素として好ましい。ただし、膨張機１４の種類は特に限定されず、スクリュ式以外にも、スクロール式、ターボ式、またはレシプロ式などであってもよい。膨張機１４は、発電機１５と機械的に接続されている。そのため、膨張機１４は、給気口１４ａから給気された圧縮空気により作動し、発電機１５を駆動する。即ち、蓄圧タンク１３に貯蔵していた圧縮空気を膨張させて発電に利用している。膨張された空気は、排気口１４ｂから排気される。

発電機１５は、インバータ１９ｃおよびスイッチ１６を介して需要家設備３およびモータ１１に電気的に接続されている。通常、発電機１５で発電した電力は需要家設備３に供給されるが、スイッチ１６を切り替えることでモータ１１に電力を供給することもできる。以降、発電機１５から需要家設備３に供給される電力を出力電力といい、モータ１１に供給される電力を戻し電力という。特に、発電装置２による再生可能エネルギーを利用した発電は不安定であるため、モータ１１に供給すべき電力が得られない場合、スイッチ１６を切り替えて戻し電力を得ることができることは有効である。発電機１５とスイッチ１６との間にはインバータ１９ｃが介設されており、インバータ１９ｃによって発電機１５の回転数を調整でき、出力電力量を調整できる。また、本実施形態のインバータ１９ｃはコンバータとしての機能も有しており、出力電力はインバータ１９ｃによって直流交流変換を含めて所望の電圧および周波数に変換された後に需要家設備３に供給される。インバータ１９ｃは、後述するように制御装置１７によって制御されている。以降、切替弁１９ａと、給気容量調整弁１９ｂと、インバータ１９ｃとを合わせて電力供給調整装置（電力調整部）１９と称する。

需要家設備３には電力需要検出部５０が取り付けられており、需要家設備３が必要としている電力を検出している。電力需要検出部５０の態様は、特に限定されず、例えば各家庭で電力の使用量または工場での電力の使用量などから電力需要値を算出するものであってもよい。電力需要値は、通信ネットワークＮを介して電力需要検出部５０から電力需要受信部６０に送信され、制御装置１７において後述する制御に使用される。

冷熱ライン４ｂでは、ＣＡＥＳ発電装置１０は、第１熱交換器２０と、第１熱媒貯蔵部２１とを備える。これらは熱媒配管２３ａによって流体的に接続されており、第１熱媒が熱媒配管２３ａを通ってこれらの間を循環している。また、熱媒配管２３ａには、第１熱媒を循環流動させるためのポンプ２４が配設されている。なお、第１熱媒の種類は特に限定されず、例えば熱媒油または水であり得る。

第１熱交換器２０は２台の膨張機１４の排気口１４ｂと空気配管１８ｃを通じて流体的に接続されており、膨張機１４の排気口１４ｂから排気された空気は空気配管１８ｃを通って第１熱交換器２０に供給される。ここで、膨張機１４の排気口１４ｂから排気された空気は、膨張機１４にて膨張される際に吸熱されているため、常温以下の冷気となっている。本実施形態では、膨張機１４の排気口１４ｂから排気された空気は、例えば−５０℃程度の冷気となっている。

第１熱交換器２０では、空気配管１８ｃ内の冷気と、熱媒配管２３ａ内の常温の第１熱媒とで熱交換が行われている。詳細には、第１熱交換器２０では、空気配管１８ｃ内の空気は加熱され、熱媒配管２３ａ内の第１熱媒は冷却される。本実施形態では、第１熱交換器２０で加熱された空気配管１８ｃ内の空気は例えば２０℃程度となり、第１熱交換器２０で冷却された熱媒配管２３ａ内の第１熱媒は例えば５℃程度となる。第１熱交換器２０での熱交換後、第１熱交換器２０で加熱された空気は大気に排気され、第１熱交換器２０で冷却された第１熱媒は熱媒配管２３ａを通じて第１熱媒貯蔵部２１に供給され、貯蔵される。

第１熱媒貯蔵部２１は、例えば冷水プールであり、冷熱を外部に放出しないように外部から断熱されていることが好ましい。第１熱媒貯蔵部２１は、需要家設備３と熱媒配管２３ｂを通じて流体的に接続されており、熱媒配管２３ｂには流量調整弁である冷熱供給調整弁（冷熱調整部）２２が介設されている。冷熱供給調整弁２２は、後述するように制御装置１７によって制御されている。そのため、第１熱媒貯蔵部２１に貯蔵された第１熱媒は、制御装置１７の制御に応じて需要家設備３に供給される。なお、需要家設備３に第１熱媒が供給されると、熱媒配管２３ａ内の第１熱媒の循環量が減少するため、これを補うべく熱媒供給機構４０が設けられており、熱媒供給機構４０によって第１熱媒が熱媒配管２３ａ内に供給される。

需要家設備３には、冷熱需要検出部５１が設置されており、需要家設備３の冷熱需要値を検出できる。冷熱需要検出部５１の態様は、特に限定されず、例えば各家庭での空調設備の使用量または工場での冷水の使用量などから冷熱需要値を算出するものであってもよい。冷熱需要値は、通信ネットワークＮを介して冷熱需要検出部５１から冷熱需要受信部６１に送信され、制御装置１７において後述する制御に使用される。

温熱ライン４ｃでは、ＣＡＥＳ発電装置１０は、第２熱交換器２５ａと、第２熱媒貯蔵部２６と、戻し熱交換器２５ｂとを備える。これらは熱媒配管２８ａ，２８ｂによって流体的に接続されており、第２熱媒が熱媒配管２８ａ，２８ｂを通ってこれらの間を循環している。また、熱媒配管２８ａには、第２熱媒を循環流動させるためのポンプ２９が配設されている。なお、第２熱媒の種類は特に限定されず、例えば熱媒油または水であり得る。

第２熱交換器２５ａは、圧縮機１２の吐出口１２ｂから蓄圧タンク１３に延びる空気配管１８ａに介設されている。圧縮機１２の吐出口１２ｂから吐出される圧縮空気は、圧縮機１２で圧縮される際の圧縮熱により昇温しているため、常温以上の高温空気となっている。本実施形態では、圧縮機１２の吐出口１２ｂから吐出される圧縮空気は、例えば１５５℃程度の高温空気となっている。

第２熱交換器２５ａでは、空気配管１８ａ内の高温空気と、常温の熱媒配管２８ａ内の第２熱媒とで熱交換が行われている。詳細には、第２熱交換器２５ａでは、空気配管１８ａ内の空気は冷却され、熱媒配管２８ａ内の第２熱媒は加熱される。本実施形態では、第２熱交換器２５ａで冷却された空気配管１８ａ内の空気は、例えば５０℃程度となり、第２熱交換器２５ａで加熱された第２熱媒は例えば９０℃程度となる。第２熱交換器２５ａでの熱交換後、第２熱交換器２５ａで冷却された空気は蓄圧タンク１３に供給されて貯蔵され、第１熱交換器２０で加熱された第２熱媒は熱媒配管２８ａを通じて第２熱媒貯蔵部２６に供給されて貯蔵される。

第２熱媒貯蔵部２６は、例えば温水プールであり、温熱を外部に放出しないように外部から断熱されていることが好ましい。第２熱媒貯蔵部２６は、熱媒配管２８ｂを通じて戻し熱交換器２５ｂと流体的に接続されている。

戻し熱交換器２５ｂは、蓄圧タンク１３から膨張機１４に延びる空気配管１８ｂに介設されている。戻し熱交換器２５ｂでは、空気配管１８ｂ内の空気と、高温の熱媒配管２８ｂ内の第２熱媒とで熱交換が行われている。詳細には、戻し熱交換器２５ｂでは、空気配管１８ｂ内の空気は加熱され、熱媒配管２８ｂ内の第２熱媒は冷却される。本実施形態では、戻し熱交換器２５ｂで加熱された空気配管１８ｂ内の空気は、例えば７０℃程度となり、戻し熱交換器２５ｂで冷却された第２熱媒は例えば５０℃程度となる。戻し熱交換器２５ｂでの熱交換後、戻し熱交換器２５ｂで加熱された空気は膨張機１４に給気される。

図２を併せて参照すると、ＣＡＥＳ発電装置１０は、制御装置１７と電力需要受信部６０と冷熱需要受信部６１とを備える。制御装置１７は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような記憶装置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１７は、電力需要受信部６０と冷熱需要受信部６１とに電気的に接続されている。電力需要受信部６０は、電力需要検出部５０から通信ネットワークＮを介して送信される電力需要値に関する電気信号を受信するレシーバである。冷熱需要受信部６１は、冷熱需要検出部５１から通信ネットワークＮを介して送信される冷熱需要値に関する電気信号を受信するレシーバである。これらの需要値を受け、制御装置１７は、電力供給調整装置１９と冷熱供給調整弁２２とを制御する。詳細には、制御装置１７は、電力供給調整装置１９を制御する発電量制御部１７ａと、冷熱供給調整弁２２を制御する冷熱供給制御部１７ｂとを備える。

発電量制御部１７ａは、切替弁１９ａと給気容量調整弁１９ｂとインバータ１９ｃとの３要素からなる電力供給調整装置１９を制御して発電電力量を調整する。

第１に、発電量制御部１７ａは、給気容量調整弁１９ｂの開度を調整して発電機１５を駆動する。具体的には、電力需要値が現在の出力電力よりも大きい場合、給気容量調整弁１９ｂの開度を大きくし、膨張機１４により多くの圧縮空気を供給して発電機１５の発電量を増加させる。電力需要検出部５０で検出した電力需要値が現在の出力電力よりも小さい場合、給気容量調整弁１９ｂの開度を小さくし、膨張機１４により少ない圧縮空気を供給して発電機１５の発電量を減少させる。

第２に、発電量制御部１７ａは、インバータ１９ｃの回転数指令値を調整して発電機１５を駆動する。具体的には、電力需要値が現在の出力電力よりも大きい場合、回転数指令値を大きくし、発電機１５の回転数を増加させ、発電機１５の発電量を増加させる。電力需要検出部５０で検出した電力需要値が現在の出力電力よりも小さい場合、回転数指令値を小さくし、発電機１５の回転数を減少させ、発電機１５の発電量を減少させる。

第３に、発電量制御部１７ａは、切替弁１９ａを切り替えることで膨張機１４の運転台数を調整し、発電機１５を駆動する。具体的には、電力需要値が現在の出力電力よりも大きい場合、切替弁１９ａの出口を二手に開いて、２台の膨張機１４を駆動することで、発電機１５の発電量を増加させる。電力需要検出部５０で検出した電力需要値が現在の出力電力よりも小さい場合、切替弁１９ａの出口の一方または全部を閉じ、１台の膨張機１４を駆動するかまたは駆動しないことで、発電機１５の発電量を減少させる。

発電電力量の調整は、切替弁１９ａ、給気容量調整弁１９ｂ、およびインバータ１９ｃの制御において、各単独によって行われても、それぞれの優先順序を付けた組み合わせで行われても良い。なお、発電機１５の回転数制御はインバータ１９ｃによるものに限定されず、任意の態様で実行され得る。同様に、膨張機１４の運転台数制御は切替弁１９ａによるものに限定されず、任意の態様で実行され得る。特に、膨張機１４の運転台数は、本実施形態では最大２台であるが、３台以上であってもよい。

冷熱供給制御部１７ｂは、冷熱需要検出部５１によって検出し、冷熱需要受信部６１によって受信された冷熱需要値に応じて冷熱供給調整弁２２の開度を調整して需要家設備３に必要量の冷熱を供給する。具体的には、冷熱需要値が現在供給している冷熱量よりも大きい場合、冷熱供給調整弁２２の開度を大きくし、冷熱供給量を増加させる。また、冷熱需要値が現在供給している冷熱量よりも小さい場合、冷熱供給調整弁２２の開度を小さくし、冷熱供給量を減少させる。

本実施形態によれば、再生可能エネルギーのような出力が不規則に変動するエネルギーを蓄圧タンク１３にて圧縮空気として貯蔵でき、必要なときに圧縮空気を膨張機１４に供給し、発電機１５を駆動して発電できる。また、第１熱交換器２０において膨張機１４から排気された冷気を利用して第１熱媒を冷却でき、この冷却された第１熱媒を第１熱媒貯蔵部２１に貯蔵し、必要に応じて使用できる。また、電力需要受信部６０と冷熱需要受信部６１とによって需要家設備３の電力需要値と冷熱需要値とをそれぞれ受信しているため、需要家設備３が要求する電力と冷熱とを適時に把握できる。さらに、電力供給調整装置１９と冷熱供給調整弁２２とによって、必要量の電力と冷熱とを需要家設備３に供給できる。従って、圧縮空気貯蔵発電装置１を利用し、適時に必要量の電力および冷熱を需要家設備３に供給できる。

また、本実施形態によれば、電力と冷熱とを合わせて供給することで、装置のエネルギー効率を向上できる。エネルギー効率の指標の一つである成績係数ＣＯＰ（Coefficient of Performance）は、入力した電力エネルギー（入力電力）に対する出力した電力エネルギー（出力電力）および熱エネルギー（冷熱）の割合で規定される。そのため、電力だけを供給する場合と比べて、冷熱のエネルギー分ＣＯＰを向上できる。

また、本実施形態によれば、仮に、需要家設備３が火力発電所や原子力発電所などの主要な発電設備から遠方に位置する場合、大規模な送電系統の設置が必要となるが、ＣＡＥＳ発電装置１０は、任意の場所に設置可能であるため需要家設備３の付近に設置できる。そのため、大規模な送電系統が不要となる。従って、本装置は需要家設備３が火力発電所や原子力発電所などの主要な発電設備から遠方に位置する場合に特に有効である。また、ＣＡＥＳ発電装置１０は、環境負荷物質を排出しないため環境性に優れており、その他の発電設備と比べて耐用年数も長く耐久性にも優れている。

また、主要な発電設備から遠方であって、適時の電力供給が要求される箇所にＣＡＥＳ発電装置１０を設置すると、ＣＡＥＳ発電システム１は設置した地域の再生可能エネルギーをその地域で消費できるいわゆる「地産地消システム」となる。特に、近年は、ＦＩＴ制度（固定価格買取制度）が制定され、各家庭などが再生可能エネルギー等を利用して発電して各家庭で消費し、余った電力を送電し、即ち電力会社が買い取ることも行われている。しかし、各家庭における発電の規模を超えた大規模な発電および送電を行う場合、既存の脆弱な送電系統における逆流を招き、送電系統が故障するおそれがある。これに対し、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１０は、発電量を規定できるため、既存の脆弱な送電系統を使用して送電を行う場合でも送電系統の故障を防止できる。

図３に示すように、本実施形態の変形例として、戻し熱交換器２５ｂおよび熱媒配管２８ｂを省略し、温熱吸収式冷凍機３４ａおよび熱媒配管２８ｃ，２３ｃを設けてもよい。

温熱吸収式冷凍機３４ａは、温熱を冷熱に変換する機器である。本実施形態の温熱吸収式冷凍機３４ａは一般的な吸収式冷凍機であり、即ち既知のものである。従って、ここでは詳細な構造の説明を省略する。温熱吸収式冷凍機３４ａは、例えば９０℃程度の第２熱媒の温熱を利用して例えば７℃程度の第１熱媒を得ることができる。温熱吸収式冷凍機３４ａは、熱媒配管２８ｃを通じて熱媒配管２８ａと流体的に接続されている。さらに、温熱吸収式冷凍機３４ａは、熱媒配管２３ｃを通じて熱媒配管２３ａと流体的に接続されており、温熱吸収式冷凍機３４ａにて得られた第１熱媒は、熱媒配管２３ａを通じて第１熱媒貯蔵部２１に供給される。また、温熱吸収式冷凍機３４ａに第２熱媒が温熱として供給されると、熱媒配管２８ａ内の第２熱媒の循環量が減少するため、これを補うべく熱媒供給機構４１が設けられており、熱媒供給機構４１によって第２熱媒が熱媒配管２８ａ内に供給される。

この変形例によれば、温熱吸収式冷凍機３４ａによって、第２熱交換器２５ａにて得られた温熱を冷熱に変換でき、より多くの冷熱を得ることができる。これは需要家設備３が冷熱を多く要求する場合に特に有効である。

（第２実施形態）
図４，５に示す第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置１０は、需要家設備３に温熱を供給する機構を備える。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１０は、この構成以外は図１，２の第１実施形態の構成と実質的に同じである。従って、図１，２に示した構成と同じ部分については同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１０は、流量調整弁である温熱供給調整弁（温熱調整部）２７が介設された熱媒配管２８ｄを備える。温熱供給調整弁２７は、後述するように制御装置１７によって制御されている。そのため、第２熱媒貯蔵部２６に貯蔵された第２熱媒は、制御装置１７の制御に応じて需要家設備３に供給される。なお、需要家設備３に第２熱媒が供給されると、熱媒配管２８ａ内の第２熱媒の循環量が減少するため、これを補うべく熱媒供給機構４１が設けられており、熱媒供給機構４１によって第２熱媒が熱媒配管２８ａ内に供給される。

需要家設備３には、温熱需要検出部５２が設置されており、需要家設備３の温熱需要値を検出できる。温熱需要検出部５２の態様は、特に限定されず、例えば各家庭での空調設備の使用量または工場での暖水の使用量などから温熱需要値を算出してもよい。また、温熱需要検出部５２に対応して、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１０は、温熱需要受信部６２を備える。温熱需要受信部６２は、温熱需要検出部５２から通信ネットワークＮを介して送信される冷熱需要値に関する電気信号を受信するレシーバである。温熱需要値は、通信ネットワークＮを介して温熱需要検出部５２から温熱需要受信部６２に送信され、制御装置１７において制御に使用される。

図５に示すように、制御装置１７は、電力供給調整装置１９と冷熱供給調整弁２２と温熱供給調整弁２７とを制御する。詳細には、制御装置１７は、電力供給調整装置１９を制御する発電量制御部１７ａと、冷熱供給調整弁２２を制御する冷熱供給制御部１７ｂと、温熱供給調整弁２７を制御する温熱供給制御部１７ｃとを備える。

温熱供給制御部１７ｃは、温熱需要検出部５２によって検出し、温熱需要受信部６２によって受信した温熱需要値に応じて温熱供給調整弁２７の開度を調整して需要家設備３に必要量の温熱を供給する。具体的には、温熱需要値が現在供給している温熱量よりも大きい場合、温熱供給調整弁２７の開度を大きくし、温熱供給量を増加させる。また、温熱需要値が現在供給している温熱量よりも小さい場合、温熱供給調整弁２７の開度を小さくし、温熱供給量を減少させる。

本実施形態によれば、第２熱交換器２５ａにおいて圧縮機１２から吐出された高温空気を利用して第２熱媒を加熱でき、この加熱された第２熱媒を第２熱媒貯蔵部２６に貯蔵し、必要に応じて使用できる。また、温熱需要受信部６２によって温熱需要を受信しているため、需要家設備３が要求する温熱を適時に把握できる。さらに、温熱供給調整弁２７によって必要量の温熱を需要家設備３に供給できる。従って、ＣＡＥＳ発電装置１０を利用し、適時に必要量の温熱を需要家設備３に供給できる。また、電力と冷熱と温熱とを合わせて供給することで、装置のエネルギー効率を一層向上できる。

（第３実施形態）
図６，７に示す第３実施形態のＣＡＥＳ発電装置１０は、温熱を冷熱に変換する温冷変換ライン５ａを備える。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１０は、温冷変換ライン５ａに関する構成以外は図４，５の第２実施形態の構成と実質的に同じである。従って、図４，５に示した構成と同じ部分については同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１０は、第１実施形態の発電ライン４ａと冷熱ライン４ｂと温熱ライン４ｃとに加えて、圧縮機１２から吐出された高温空気を冷熱に変換する温冷変換ライン５ａをさらに備える。

温冷変換ライン５ａでは、ＣＡＥＳ発電装置１０は、第３熱交換器３０と、第３熱媒貯蔵部３１とを備える。これらは熱媒配管３２ａによって流体的に接続されており、第３熱媒が熱媒配管３２ａを通ってこれらの間を循環している。また、熱媒配管３２ａには、第３熱媒を循環流動させるためのポンプ３３が配設されている。なお、第３熱媒の種類は特に限定されず、例えば水であり得る。

第３熱交換器３０は、圧縮機１２の吐出口１２ｂから第２熱交換器２５ａに延びる空気配管１８ａに介設されている。圧縮機１２の吐出口１２ｂから吐出される圧縮空気は、圧縮機１２で圧縮される際の圧縮熱により昇温しているため、常温以上となっている。本実施形態では、圧縮機１２の吐出口１２ｂから吐出される圧縮空気は、例えば１５５℃程度の高温空気となっている。

第３熱交換器３０では、空気配管１８ａ内の高温空気と、例えば８５℃程度の熱媒配管３２ａ内の第３熱媒とで熱交換が行われている。詳細には、第３熱交換器３０では、空気配管１８ａ内の空気は冷却され、熱媒配管３２ａ内の第３熱媒は加熱される。本実施形態では、第３熱交換器３０で冷却された空気配管１８ａ内の空気は、例えば１００℃程度となり、第３熱交換器３０で加熱された第３熱媒は例えば９０℃程度となる。第３熱交換器３０での熱交換後、第３熱交換器３０で冷却された空気は第２熱交換器２５ａに供給されて再び冷却され、例えば４５℃程度まで冷却される。第２熱交換器２５ａで冷却された空気は蓄圧タンク１３に供給されて蓄えられる。また、第３熱交換器３０で加熱された第３熱媒は熱媒配管３２ａを通じて第３熱媒貯蔵部３１に供給されて貯蔵される。

第３熱媒貯蔵部３１は、例えば温水プールであり、温熱を外部に放出しないように外部から断熱されていることが好ましい。第３熱媒貯蔵部３１は、温熱吸収式冷凍機３４ｂと熱媒配管３２ｂを通じて流体的に接続されており、熱媒配管３２ｂには温熱吸収式冷凍機３４ｂが介設されている。さらに、熱媒配管３２ｂにおいて、第３熱媒貯蔵部３１と温熱吸収式冷凍機３４ｂとの間には温冷変換弁３５が介設されている。温冷変換弁３５は、後述するように制御装置１７によって制御されている。そのため、第３熱媒貯蔵部３１に貯蔵された第３熱媒は、制御装置１７の制御に応じて温熱吸収式冷凍機３４ｂに供給される。なお、温熱吸収式冷凍機３４ｂに第３熱媒が温熱として供給されると、熱媒配管３２ａ内の第３熱媒の循環量が減少するため、これを補うべく熱媒供給機構４２が設けられており、熱媒供給機構４２によって第３熱媒が熱媒配管３２ａ内に供給される。

温熱吸収式冷凍機３４ｂは、温熱を冷熱に変換する機器である。本実施形態の温熱吸収式冷凍機３４ｂは一般的な吸収式冷凍機であり、即ち既知のものである。従って、ここでは詳細な構造の説明を省略する。温熱吸収式冷凍機３４ｂは、例えば９０℃程度の第３熱媒の温熱を利用して例えば７℃程度の冷水を得ることができる。温熱吸収式冷凍機３４ｂは配管３６ａを通じて需要家設備３と流体的に接続されており、温熱吸収式冷凍機３４ｂにて得られた冷水は、配管３６ａを通じて需要家設備３に供給される。

図７を併せて参照すると、制御装置１７は、第２実施形態と同様に、発電量制御部１７ａと、冷熱供給制御部１７ｂと、温熱供給制御部１７ｃとを備え、さらに本実施形態では温冷変換制御部１７ｄを備える。

温冷変換制御部１７ｄは、冷熱需要検出部５１によって検出し、冷熱需要受信部６１によって受信した冷熱需要値に応じて温冷変換弁３５を開閉して温熱吸収式冷凍機３４ｂに必要量の温熱を供給する。そして、温熱吸収式冷凍機３４ｂにて温熱を冷熱に変換し、需要家設備３に必要量の冷熱を供給する。具体的には、冷熱需要値が所定の閾値よりも大きい場合、温冷変換弁３５を開き、温熱吸収式冷凍機３４ｂに必要量の温熱を供給し、温熱を冷熱に変換し、冷熱を需要家設備３に供給することで冷熱供給量を増加させる。また、冷熱需要値が所定の閾値以下である場合、温冷変換弁３５を閉じ、温熱吸収式冷凍機３４ｂに温熱を供給しない。ここで、冷熱需要値の所定の閾値とは、冷熱供給制御部１７ｂによる冷熱供給の限界値を示す。即ち、温冷変換制御部１７ｄは、冷熱供給制御部１７ｂによる制御では需要家設備３に冷熱を十分に供給できない場合、追加的に冷熱を供給するための制御を行う。

本実施形態によれば、温熱吸収式冷凍機３４ｂによって、第３熱交換器３０にて得られた温熱を冷熱に変換でき、より多くの冷熱を得ることができる。これは需要家設備３が冷熱を多く要求する場合に特に有効である。

（第４実施形態）
図８，９に示す第４実施形態のＣＡＥＳ発電装置１０は、電力を冷熱に変換する電冷変換ライン５ｂを備える。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１０は、電冷変換ライン５ｂに関する構成以外は図４，５の第２実施形態の構成と実質的に同じである。従って、図４，５に示した構成と同じ部分については同じ符号を付して説明を省略する。

電冷変換ライン５ｂでは、ＣＡＥＳ発電装置１０は、スイッチ１６を介して発電機１５と電気的に接続された電気クーラ３９を備える。本実施形態のスイッチ１６は、発電機１５で発電した電力を、需要家設備３、モータ１１、または電気クーラ３９に供給するように切り替えることができる。電気クーラ３９は、電気を冷熱に変換する機器である。本実施形態の電気クーラ３９は、エアコンのような一般的なクーラである。これに代えて、電気クーラ３９は、電圧をかけると冷却効果を得られるペルチェ素子を使用したクーラであってもよい。いずれの場合にも、電気クーラ３９の構造は既知のものであり、ここでは詳細な構造の説明を省略する。電気クーラ３９は、電力を利用して例えば７℃程度の冷水または冷気を得ることができる。電気クーラ３９は配管３６ｃを通じて需要家設備３と流体的に接続されており、電気クーラ３９にて得られた冷気は、配管３６ｃを通じて需要家設備３に供給される。

図９を併せて参照すると、制御装置１７は、第２実施形態と同様に、発電量制御部１７ａと、冷熱供給制御部１７ｂと、温熱供給制御部１７ｃとを備え、さらに本実施形態では電冷変換制御部１７ｅを備える。

電冷変換制御部１７ｅは、冷熱需要検出部５１によって検出した冷熱需要値に応じてスイッチ１６を制御して電気クーラ３９に必要量の電力を供給する。そして、電気クーラ３９にて電力を冷熱に変換し、需要家設備３に必要量の冷熱を供給する。具体的には、冷熱需要値が所定の閾値よりも大きい場合、スイッチ１６を切り替え、電気クーラ３９に必要量の電力を供給し、電力を冷熱に変換し、冷熱を需要家設備３に供給することで冷熱供給量を増加させる。また、冷熱需要値が所定の閾値以下である場合、スイッチ１６を切り替え、電気クーラ３９に電力を供給しない。ここで、冷熱需要値の所定の閾値とは、第２，３実施形態と同様に冷熱供給制御部１７ｂによる冷熱供給の限界値を示す。即ち、電冷変換制御部１７ｅは、冷熱供給制御部１７ｂによる制御では需要家設備３に冷熱を十分に供給できない場合、追加的に冷熱を供給するための制御を行う。

本実施形態によれば、電気クーラ３９によって、発電機１５にて発電された電力を冷熱に変換でき、より多くの冷熱を得ることができる。これは需要家設備３が冷熱を多く要求する場合に特に有効である。

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。

以上より、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、個々の実施形態の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。

１ 圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電システム
２ 発電装置
３ 需要家設備
４ａ 発電ライン
４ｂ 冷熱ライン
４ｃ 温熱ライン
５ａ 温冷変換ライン
５ｂ 電冷変換ライン
１０ 圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置
１１ モータ（電動機）
１２ 圧縮機
１２ａ 吸気口
１２ｂ 吐出口
１３ 蓄圧タンク（蓄圧部）
１４ 膨張機
１４ａ 給気口
１４ｂ 排気口
１５ 発電機
１６ スイッチ
１７ 制御装置
１７ａ 発電量制御部
１７ｂ 冷熱供給制御部
１７ｃ 温熱供給制御部
１７ｄ 温冷変換制御部
１７ｅ 電冷変換制御部
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ 空気配管
１９ 電力供給調整装置（電力調整部）
１９ａ 切替弁
１９ｂ 給気容量調整弁
１９ｃ インバータ
２０ 第１熱交換器
２１ 第１熱媒貯蔵部
２２ 冷熱供給調整弁（冷熱調整部）
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ 熱媒配管
２４ ポンプ
２５ａ 第２熱交換器
２５ｂ 戻し熱交換器
２６ 第２熱媒貯蔵部
２７ 温熱供給調整弁（温熱調整部）
２８ａ，２８ｂ，２８ｃ 熱媒配管
２９ ポンプ
３０ 第３熱交換器
３１ 第３熱媒貯蔵部
３２ａ，３２ｂ 熱媒配管
３３ ポンプ
３４ａ，３４ｂ 温熱吸収式冷凍機
３５ 温冷変換弁
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ 配管
３７ 冷却チラー
３８ 圧冷変換弁
３９ 電気クーラ
４０，４１，４２ 熱媒供給機構
５０ 電力需要検出部
５１ 冷熱需要検出部
５２ 温熱需要検出部
６０ 電力需要受信部
６１ 冷熱需要受信部
６２ 温熱需要受信部

Claims (4)

1. 再生可能エネルギーを圧縮空気の態様で蓄え、必要に応じて前記圧縮空気を使用して発電し、需要家設備に電力を供給可能である圧縮空気貯蔵発電装置であって、
   前記需要家設備の電力需要値を受信する電力需要受信部と、
   前記需要家設備の冷熱需要値を受信する冷熱需要受信部と、
   前記再生可能エネルギーを用いて発電し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る圧縮機と、
   前記圧縮機により圧縮された前記圧縮空気を蓄える蓄圧部と、
   前記蓄圧部から供給される前記圧縮空気によって駆動される膨張機と、
   前記膨張機によって駆動される発電機と、
   前記発電機によって発電する電力量を調整する電力調整部と、
   前記膨張機から排気された冷気と第１熱媒とで熱交換して前記第１熱媒を冷却する第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器にて冷却された前記第１熱媒を冷熱として貯蔵する第１熱媒貯蔵部と、
   前記第１熱媒貯蔵部から前記需要家設備への前記冷熱の供給量を調整する冷熱調整部と、
   前記電力需要受信部によって受信した前記電力需要値と前記冷熱需要受信部によって受信した前記冷熱需要値とに応じた前記電力と前記冷熱とを前記需要家設備に供給するように、前記電力調整部と前記冷熱調整部とを制御する制御装置と
   を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
2. 前記需要家設備の温熱需要値を受信する温熱需要受信部と、
   前記圧縮機から吐出された空気と第２熱媒とで熱交換し、前記第２熱媒を加熱する第２熱交換器と、
   前記第２熱交換器にて加熱された前記第２熱媒を温熱として貯蔵する第２熱媒貯蔵部と、
   前記第２熱媒貯蔵部から前記需要家設備への前記温熱の供給量を調整する温熱調整部と
   をさらに備え、
   前記制御装置は、前記電力需要受信部によって受信した前記電力需要値と前記冷熱需要受信部によって受信した前記冷熱需要値と前記温熱需要受信部によって受信した前記温熱需要値とに応じた前記電力と前記冷熱と前記温熱とを前記需要家設備に供給するように、前記電力調整部と前記冷熱調整部と前記温熱調整部とを制御する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
3. 前記圧縮機から吐出された空気と第３熱媒とで熱交換し、前記第３熱媒を加熱する第３熱交換器と、
   前記第３熱交換器にて加熱された前記第３熱媒を温熱として貯蔵する第３熱媒貯蔵部と、
   前記第３熱媒貯蔵部にて貯蔵された前記第３熱媒の前記温熱を利用して冷熱を得る温熱吸収式冷凍機と
   をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
4. 前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記発電機にて発電された電力を利用して冷熱を得る電気クーラをさらに備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

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