JP6358981B2 - 圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法に関する。

風力発電や太陽光発電などの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発電装置のうち、圧縮と膨張の両機能を有する圧縮膨張兼用機からなるものが開示されている。

特表２０１３−５０９５２９号公報

特許文献１のＣＡＥＳ発電装置は、圧縮膨張兼用機のみから構成されるため、圧縮専用機や圧縮膨張機を使用した場合に比べてコストが高くなる。また、再生可能エネルギーによって発電される入力電力や需要先から要求される需要電力に応じたシステムの最適な運用についても考慮されていない。さらに、圧縮膨張兼用機は、圧縮と膨張を同時に行うことはできない。従って、ＣＡＥＳ発電装置が圧縮膨張兼用機のみから構成される場合、蓄圧と発電を同時に行うことができず、システム効率が低下するおそれがある。

本発明は、圧縮機又は膨張機の設置台数が減り、小型化及びコストダウン可能なＣＡＥＳ発電装置を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様は、再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動される、互いに電気的に並列に接続された複数の電動機と、前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する複数の圧縮機と、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る複数の膨張機と、前記膨張機と機械的に接続され、互いに電気的に並列に接続され、需要先へ供給する電力を発電する複数の発電機と、前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、前記熱媒を加熱するための第１熱交換器と、前記第１熱交換器と流体的に接続され、前記熱媒を貯蔵する蓄熱タンクと、前記蓄熱タンクと流体的に接続され、前記蓄熱タンクから供給される前記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第２熱交換器と、前記圧縮機及び前記膨張機の両方の機能を有する圧縮膨張兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と電気的に接続され、前記圧縮膨張兼用機における圧縮と膨張を切り替える制御装置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、圧縮膨張兼用機の圧縮と膨張を切り替えて必要に応じて使用することで、圧縮機又は膨張機の設置台数が減り、ＣＡＥＳ発電装置を小型化及びコストダウンできる。

前記制御装置は、前記自然エネルギーを用いて発電した前記入力電力と、前記需要先の要求する需要電力とに基づいて前記圧縮膨張兼用機の圧縮と膨張の切り替えることが好ましい。

これにより、入力電力と需要電力に基づいて、圧縮膨張兼用機の圧縮と膨張を切り替えて使用することで、システムの最適な制御を行うことができる。圧縮のみ及び膨張のみのＣＡＥＳ発電装置に対して、圧縮膨張兼用機を追加したとき、入力電力や需要電力によって、効率のよい最適な運転方法が異なる。従って、システムの効率を最大化するためには、これらに基づいて圧縮膨張兼用機の切り替えを制御し、システムの最適な運用を行う必要がある。

前記蓄圧タンクの内圧を測定し、前記制御装置に出力する圧力センサと、前記蓄熱タンクから前記第２熱交換器への前記熱媒の供給の許容と遮断を切り替え可能な切替弁とをさらに備え、前記圧力センサの圧力値が所定の上限値に達した場合、前記制御装置は、前記第２熱交換器への前記熱媒の供給を遮断するように前記切替弁を切り替えることが好ましい。

これにより、蓄圧タンクに圧縮空気が限界まで貯蔵された場合でも、第２熱交換器で膨張機に供給する圧縮空気を加熱しないことで、膨張効率を低下させて圧縮空気を通常よりも多く消費し、蓄圧タンクの容量に余裕を作る。この場合、蓄熱タンクに貯蔵されている熱媒は、第２熱交換器で熱交換しないため、温度が低下せず高温を維持できる。この高温の熱媒は、蓄圧タンクの容量に余裕ができ需要電力が増加した場合等、必要に応じて使用することで発電効率を向上できる。

前記蓄圧タンクに圧縮空気を貯蔵する充電過程と、前記蓄圧タンクの圧縮空気を使用して前記発電機で発電する放電過程とを同時に行う場合であって、前記入力電力が前記複数の圧縮機の総駆動電力よりも大きい場合、かつ、前記需要電力が前記複数の発電機の総発電電力よりも大きい場合、前記制御装置は、通常時前記圧縮膨張兼用機を膨張機として制御し、前記蓄圧タンクの内圧が減少し、前記圧力センサの圧力値が前記膨張機における所定の膨張効率に対応する圧力値以下となったとき、前記圧縮膨張兼用機を圧縮機として使用するよう切り替える制御をして前記蓄圧タンクの内圧を上昇させ、前記圧力センサの圧力値が前記膨張機における所定の膨張効率に対応する圧力値より大きくなったとき、前記圧縮膨張兼用機を膨張機として使用するよう切り替えることが好ましい。

これにより、複雑な電力の需給関係においても効率よくＣＡＥＳ発電装置を運転できる。特に、入力電力が圧縮機の総駆動電力よりも大きく、需要電力が発電機の総発電電力よりも大きい場合は、圧縮膨張兼用機に対して圧縮機能と膨張機能の両方が求められる場合である。従って、この場合、圧縮膨張兼用機を適時切り替えて使用することにより、システムの最適な運用を行うことができる。具体的には、大きい需要電力に対応するため、通常、圧縮膨張兼用機は膨張機として使用する。しかし、これを続けると圧縮空気消費量が増加し、蓄圧タンク内の圧力が所定の圧力値以下になり、膨張機に供給される圧力が低下し、膨張効率が低下することがある。このとき、圧縮膨張兼用機を継続して膨張機として使用してもＣＡＥＳ発電装置全体としての発電効率は低い状態であるため、有効でない。従ってこのときは、圧縮膨張兼用機を圧縮機として切り替えて使用し、蓄圧タンクに圧縮空気を供給して蓄圧タンクの内圧を上昇させる。そして蓄圧タンクの内圧が所定の膨張効率を達成できるほどに回復した場合、圧縮膨張兼用機を膨張機として切り替えて使用し、再度必要な需要電力に対応する。なお、ここでは蓄圧タンクに圧縮空気を貯蔵する蓄圧過程を充電過程と称し、蓄圧タンクの圧縮空気を使用して発電機で発電する発電過程を放電過程と称している。

本発明の第２の態様は、自然エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動される、互いに電気的に並列に接続された複数の電動機と、前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する複数の圧縮機と、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る複数の膨張機と、前記膨張機と機械的に接続され、互いに電気的に並列に接続され、需要先へ供給する電力を発電する複数の発電機と、前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、前記熱媒を加熱するための第１熱交換器と、前記第１熱交換器と流体的に接続され、前記熱媒を貯蔵する蓄熱タンクと、前記蓄熱タンクと流体的に接続され、前記蓄熱タンクから供給される前記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第２熱交換器と、前記圧縮機及び前記膨張機の両方の機能を有する圧縮膨張兼用機とを備える圧縮空気貯蔵発電装置において、前記再生可能エネルギーを用いて発電した前記入力電力と、前記需要先の要求する需要電力とに基づいて、前記圧縮膨張兼用機における圧縮と膨張を切り替える、圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。

本発明によれば、圧縮膨張兼用機の圧縮と膨張を切り替えて必要に応じて使用することで、圧縮機又は膨張機の設置台数が減り、ＣＡＥＳ発電装置を小型化及びコストダウン可能である。入力電力と需要電力に基づいて、圧縮膨張兼用機の圧縮と膨張を切り替えて使用することで、システムの最適な制御を行うことができる。

第１実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の主に空気経路を示す概略構成図。 第１実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の主に熱媒経路を示す概略構成図 第１実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。 第１実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。 第１実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。 第１実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。 第１実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。 第１実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。 第１実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。 第２実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。 第２実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。 第２実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。 第２実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。 第２実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。 第２実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。 第２実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法を示すフローチャート。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の第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、再生可能エネルギーを利用して発電する場合に、需要先である電力系統４への出力変動を平準化するとともに、電力系統４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及び図２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、空気経路と熱媒経路を備える。空気経路には、主に圧縮機（圧縮専用機）６と、蓄圧タンク８と、膨張機（膨張専用機）１０とが設けられており、これらが空気配管１２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の実線矢印参照）。熱媒経路には、主に第１熱交換器１４と、蓄熱タンク１６と、第２熱交換器１８とが設けられており、これらが熱媒配管２０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の破線矢印参照）。

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、複数の圧縮機６で圧縮され、蓄圧タンク８に貯蔵され、必要に応じて複数の膨張機１０に供給され発電機２２の発電に使用される。

各圧縮機６は、モータ（電動機）２４を備える。各モータ２４は、圧縮機６に機械的に接続され、互いに電気的に並列に接続されている。再生可能エネルギーにより発電された電力はモータ２４に供給され、この電力によりモータ２４が駆動される。

圧縮機６は、モータ２４を駆動させることで作動する。圧縮機６の吐出口６ｂは、第１熱交換器１４を介して蓄圧タンク８と空気配管１２を通じて流体的に接続されている。圧縮機６は、モータ２４により駆動されると、吸込口６ａより空気を吸引し、圧縮して吐出口６ｂより吐出し、蓄圧タンク８に圧縮した空気を圧送する。圧縮機６は、互いに流体的に並列に複数台接続されており、本実施形態ではその数は４台である。ただし、圧縮機６の数はこれに限定されず、１台以上であればよい。

蓄圧タンク８は、圧縮機６から圧送された圧縮空気を貯蔵する。従って、蓄圧タンク８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８には内部に貯蔵した圧縮空気の圧力を検出するための圧力センサ９が設けられている。蓄圧タンク８は、第２熱交換器１８を介して膨張機１０と空気配管１２を通じて流体的に接続されている。蓄圧タンク８で貯蔵された圧縮空気は、膨張機１０に供給される。蓄圧タンク８から各膨張機１０に延びる複数の空気配管１２には、バルブ（切替弁）２６ｇがそれぞれ設けられており、必要に応じてバルブ２６ｇを開閉し、膨張機１０への圧縮空気の供給を許容又は遮断できる。

膨張機１０は、発電機２２を備える。発電機２２は膨張機１０と機械的に接続され、互いに電気的に並列に接続されている。吸込口１０ａから圧縮空気を供給された膨張機１０は、供給された圧縮空気により作動し、発電機２２を駆動する。発電機２２は、外部の電力系統４に電気的に接続されており、発電した電力を需要先である電力系統４に供給する。また、膨張機１０で膨張された空気は、吐出口１０ｂから外部に排出される。

以上により、基本的なＣＡＥＳ発電装置２の空気経路は構成されている。また、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、圧縮膨張兼用機２８をさらに備える。

圧縮膨張兼用機２８は、圧縮と膨張の両方の機能を有し、これらを必要に応じて切り替えることができる。圧縮膨張兼用機２８は、モータ（電動機）２４と発電機２２とが一体なった発電電動機３０を備える。発電電動機３０は、圧縮膨張兼用機２８に機械的に接続されており、再生可能エネルギーにより発電した電力が発電電動機３０に供給されることで圧縮機を動作させ、圧縮空気が膨張機１０に供給されることで発電電動機３０を駆動して発電できる。なお、本実施形態では、モータ（電動機）２４と発電機２２とが一体となった発電電動機３０を使用しているが、クラッチのような切替手段を介してモータ２４と発電機２２を個別に接続して使用してもよい。

このように、圧縮膨張兼用機２８の圧縮と膨張を切り替えて必要に応じて使用することで、圧縮機６又は膨張機１０の設置台数が減り、ＣＡＥＳ発電装置２を小型化及びコストダウンできる。

第２に、図２を参照して熱媒経路について説明する。図２は、図１のうち、熱媒経路に関する部分について、圧縮機６、膨張機１０、及び圧縮膨張兼用機２８が各１台の場合を詳細に表している。熱媒経路では、熱媒により、圧縮機６で発生した熱を第１熱交換器１４で熱媒に回収し、蓄熱タンク１６で昇温した熱媒を貯蔵し、第２熱交換器１８において膨張機１０で膨張する前の圧縮空気に熱を戻している。熱媒経路には、ポンプ３２が設置されており、熱媒はポンプ３２により循環されている。熱媒の種類は特に限定されておらず、例えば水、油などであってもよい。

第１熱交換器１４では、圧縮機６と蓄圧タンク８との間の空気配管１２内の圧縮空気と、熱媒配管２０内の熱媒との間で熱交換し、圧縮機６による圧縮で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。即ち、第１熱交換器１４では、圧縮空気の温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。ここで温度上昇した熱媒は、熱媒配管２０を通じて蓄熱タンク１６に供給される。

本実施形態の蓄熱タンク１６は、高温蓄熱タンク１６ａと戻りタンク１６ｂを備える。高温蓄熱タンク１６ａは、第１熱交換器１４で熱交換して温度上昇した熱媒を貯蔵する。そしてこの熱媒を、熱媒配管２０を通じて第２熱交換器１８に供給する。蓄熱タンク１６から第２熱交換器１８に延びる熱媒配管２０には、バルブ（切替弁）２６ｆが設けられ、必要に応じてバルブ２６ｆを開閉し、第２熱交換器１８への熱媒の供給を許容又は遮断できる。戻りタンク１６ｂは、第２熱交換器１８で熱交換して温度低下した熱媒を貯蔵する。

第２熱交換器１８では、蓄圧タンク８と膨張機１０との間の空気配管１２内の圧縮空気と、熱媒配管２０内の熱媒との間で熱交換し、膨張機１０による膨張の前に圧縮空気の温度を上昇させている。即ち、第２熱交換器１８では、圧縮空気の温度は上昇し、熱媒の温度は低下する。ここで温度低下した熱媒は、戻りタンク１６ｂに供給され貯蔵される。そして貯蔵された熱媒は、ポンプ３２により第１熱交換器１４に供給され、このように循環している。

以上により、基本的なＣＡＥＳ発電装置２の熱媒経路は構成されている。また、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、圧縮膨張兼用機２８を備えるため、圧縮膨張兼用機２８のための第３熱交換器３４を備える。

第３熱交換器３４は、圧縮膨張兼用機２８と蓄圧タンク８との間の空気配管１２に流体的に接続されている。さらに第３熱交換器３４は、第１熱交換器１４及び第２熱交換器１８と同様に熱媒配管２０を通じて蓄熱タンク１６に流体的に接続されている。従って、圧縮膨張兼用機２８が圧縮機として動作するときは、第１熱交換器１４のように圧縮熱を熱媒に回収し、膨張機として動作するときは、第２熱交換器１８のように圧縮空気を加熱する。

蓄熱タンク１６と第３熱交換器３４との間の熱媒配管２０にはバルブ（切替弁）２６ｄ，２６ｅが設けられている。従って、圧縮膨張兼用機２８の切り替えに伴い、熱媒配管２０に設けられたバルブ２６ｄ，２６ｅを切り替えて、圧縮熱の回収及び膨張前の圧縮空気の加熱を行う。具体的には、圧縮膨張兼用機２８が圧縮機として動作するとき、バルブ２６ｄを開き、バルブ２６ｅを閉じ、圧縮熱を熱媒に回収する。圧縮膨張兼用機２８が膨張機として動作するとき、バルブ２６ｅを開き、バルブ２６ｄを閉じ、膨張前の圧縮空気を加熱する。従って、第３熱交換器３４は、第１熱交換器１４と第２熱交換器１８の両方の機能を有する。

このように第１から第３熱交換器１４，１８，３４を使用すると、ＣＡＥＳ発電装置２の発電効率の低下を防止できる。これらを使用しない場合、圧縮熱によって温度上昇した圧縮空気が蓄圧タンク８に供給される。温度上昇した圧縮空気は、蓄圧タンク８に貯蔵されている間に外部へ放熱し、熱エネルギーを損失する。これに対し、第１熱交換器１４及び第３熱交換器３４を使用すると、蓄圧タンク８に供給される圧縮空気から熱回収して温度を低下させ、外気との温度差を低減できる。従って、蓄圧タンク８における放熱による熱エネルギーの損失を防止できる。さらに、回収した熱を蓄熱タンク１６に蓄熱し、第２熱交換器１８及び第３熱交換器３４を使用して膨張機１０へ供給される圧縮空気に対してこの回収及び蓄熱した熱を戻すことで発電効率を低下させることなく発電が可能である。

また、ＣＡＥＳ発電装置２は、制御装置３６を備える。制御装置３６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３６は、少なくとも各バルブ２６ａ〜２６ｅと、発電電動機３０とに電気的に接続されている（図１及び図２の２点鎖線参照）。蓄圧タンク８の圧力センサ９は、制御装置３６に測定した圧力を出力する。制御装置３６は、この測定した圧力と、モータ２４への入力電力と、需要先である電力系統４からの需要電力とに基づいてＣＡＥＳ発電装置２を制御する。

制御装置３６により、入力電力と需要電力に基づいて、圧縮膨張兼用機２８の圧縮と膨張を切り替えて使用することで、システムの最適な制御を行うことができる。また、圧縮のみ及び膨張のみのＣＡＥＳ発電装置２に対して、圧縮膨張兼用機２８を追加したとき、入力電力や需要電力によって、効率のよい最適な運転方法が異なる。従って、システムの効率を最大化するためには、これらに基づいて圧縮膨張兼用機２８の切り替えを制御し、システムの最適な運用を行う必要がある。

次に、ＣＡＥＳ発電装置２の制御方法について説明する。

ＣＡＥＳ発電装置２は、圧縮空気を貯蔵する蓄圧過程（充電過程）と圧縮空気を使用した発電過程（放電過程）を同時に行う充放電同時の場合と、別々に行う充放電別々の場合の２つの制御方法を有する。ここでは蓄圧タンク８に圧縮空気を貯蔵する蓄圧過程を充電過程と称し、蓄圧タンク８の圧縮空気を使用して発電機２２で発電する発電過程を放電過程と称している。充放電同時は、再生可能エネルギーによる発電が短周期変動する場合によく使用される。充放電別々は、再生可能エネルギーによる発電が長周期変動する場合によく使用される。長周期・短周期を分ける明確な定義は無いが、長周期は数時間から数日程度の変動である。一方、短周期は数分から１時間未満程度の変動である。具体的には、例えば太陽光を利用した発電の場合、長周期の出力変動要因は日中と夜間の違いである。短周期の出力変動要因は一時的に太陽が雲に隠れる場合である。一方、風力を利用した発電の場合、長周期の出力変動は強風や無風による発電停止の場合であり、短周期の出力変動は風速の変動による場合である。

第１に、充放電同時の場合の制御について説明する。

図３を参照して、充放電同時の場合、再生可能エネルギーによる発電量Ａがモータ２４に供給される（ステップＳ３−１）。発電量Ａがモータ２４の総駆動電力（１個当たりのモータ２４の駆動電力Ｐ×モータ２４Ｎ個）よりも大きい場合（ステップＳ３−２）、充放電同時１，２の処理が実行され（ステップＳ３−３）、それ以下である場合（ステップＳ３−２）、充放電同時３，４の処理が実行される（ステップＳ３−４）。これらの処理が完了すると、再びステップＳ３−２に戻り、処理を繰り返す。なお、本実施形態ではモータ２４の個数は４個であるため、Ｎ＝４である。

図４を参照して、充放電同時１，２の処理が開始されると（ステップＳ４−１）、圧縮膨張兼用機２８を圧縮機として使用し、圧縮専用機６と共に圧縮空気を生成する（ステップＳ４−２）。そして、バルブ２６ａ，２６ｂ，２６ｄを開き、バルブ２６ｅを閉じ、第１熱交換器１４及び第３熱交換器３４で圧縮熱を回収し（ステップＳ４−３）、回収した圧縮熱を熱媒と共に蓄熱タンク１６に貯蔵する（ステップＳ４−４）。そして圧縮空気を蓄圧タンク８に貯蔵する（ステップＳ４−５）。このとき、電力系統４から要求される需要電力が発電機２２の総発電量（１個当たりの発電機２２の発電電力Ｃ×発電機２２Ｍ個）以下である場合（ステップＳ４−６）、充放電同時１の処理が実行され（ステップＳ４−７）、それより大きい場合（ステップＳ４−６）、充放電同時２の処理が実行される（ステップＳ４−８）。そして、充放電同時１，２の処理を終了する（ステップＳ４−９）。なお、本実施形態では発電機２２の個数は４個であるため、Ｍ＝４である。

図５を参照して、充放電同時１の処理が開始されると（ステップＳ５−１）、圧力センサ９の測定値が所定以上である場合、即ち蓄圧タンク８容量が限界である場合（ステップＳ５−２）、バルブ２６ｆを閉じ、第２熱交換器１８への熱媒の供給を遮断する。従ってこの場合第２熱交換器１８で圧縮空気を加熱しない（ステップＳ５−３）。また、圧力センサ９の測定値が所定未満である場合、即ち蓄圧タンク８容量が限界でない場合（ステップＳ５−２）、バルブ２６ｆを開き、第２熱交換器１８への熱媒の供給を許容する。従ってこの場合第２熱交換器１８で圧縮空気を加熱する（ステップＳ５−４）。いずれの場合でも膨張専用機１０のみで圧縮空気を膨張させ（ステップＳ５−５）、発電機２２により平準化した発電電力Ｃ×Ｍを得る（ステップＳ５−６）。そして充放電同時１の処理を終了する（ステップＳ５−７）。

図６を参照して、充放電同時２の処理が開始されると（ステップＳ６−１）、圧力センサ９で測定した蓄圧タンク８の内圧が所定の値以下である場合（ステップＳ６−２）、圧縮膨張兼用機２８を圧縮機として使用し、圧縮専用機６と共に圧縮空気を生成する（ステップＳ６−３）。そして、バルブ２６ａ，２６ｂ，２６ｄを開き、バルブ２６ｅを閉じ、第１熱交換器１４及び第３熱交換器３４で圧縮熱を回収し（ステップＳ６−４）、圧縮空気を蓄圧タンク８に貯蔵する（ステップＳ６−５）。このとき、バルブ２６ｆを開いて第２熱交換器１８への熱媒の供給を許容し、第２熱交換器１８で圧縮空気を加熱し（ステップＳ６−６）、膨張専用機１０で圧縮空気を膨張させ（ステップＳ６−７）、平準化した発電電力Ｃ×Ｍを得る（ステップＳ６−８）。また、蓄圧タンク８の内圧が所定未満である場合（ステップＳ６−２）、バルブ２６ｆを開いて第２熱交換器１８への熱媒の供給を許容し、第２熱交換器１８で圧縮空気を加熱する（ステップＳ６−９）。そして圧縮膨張兼用機２８を膨張機として使用し、膨張専用機１０と共に圧縮空気を膨張させ（ステップＳ６−１０）、発電機２２により平準化した発電電力Ｃ×Ｍを得る（ステップＳ６−１１）。そして充放電同時２の処理を終了する（ステップＳ６−１２）。

図７を参照して、充放電同時３，４の処理が開始されると（ステップ７−１）、圧縮専用機６のみで圧縮空気を生成する（ステップ７−２）。そして第１熱交換器１４で圧縮熱を回収し（ステップＳ７−３）、回収した圧縮熱を熱媒と共に蓄熱タンク１６に貯蔵する（ステップＳ７−４）。そして圧縮空気を蓄圧タンク８に貯蔵する（ステップＳ７−５）。このとき第２熱交換器１８で圧縮空気を加熱する（ステップＳ７−６）。電力系統４からの要求される需要電力が発電機２２の総発電量（１個当たりの発電機２２の発電電力Ｃ×発電機２２Ｍ個）以下である場合（ステップＳ７−７）、充放電同時３の処理が実行され（ステップＳ７−８）、それより大きい場合（ステップＳ７−７）、充放電同時２の処理が実行される（ステップＳ７−９）。そして、充放電同時３，４の処理を終了する（ステップＳ７−１０）。

図８を参照して、充放電同時３の処理が開始されると（ステップＳ８−１）、膨張専用機１０のみで圧縮空気を膨張させ（ステップＳ８−２）、発電機２２により平準化した発電電力Ｃ×Ｍを得る（ステップＳ８−３）。そして充放電同時３の処理を終了する（ステップＳ８−４）。

図９を参照して、充放電同時４の処理が開始されると（ステップＳ９−１）、圧縮膨張兼用機２８を膨張機として使用し、膨張専用機１０と共に圧縮空気を膨張させる（ステップＳ９−２）。なお、このとき圧縮膨張兼用機２８を膨張機として使用するとともに、バルブ２６ｅ，２６ｈを開き、バルブ２６ａを閉じ、第３熱交換器３４では圧縮空気は加熱されている。そして、発電機２２により平準化した発電電力Ｃ×（Ｍ＋Ｘ）を得る（ステップＳ９−３）。そして、充放電同時４の処理を終了する（ステップＳ９−４）。なお、本実施形態では、圧縮膨張兼用機２８は１台であるため、Ｘ＝１である。

以上の制御により、複雑な電力の需給関係においても効率よくＣＡＥＳ発電装置２を運転できる。

特に図５に示されている充放電同時１の処理により、蓄圧タンク８に圧縮空気が限界まで貯蔵された場合でも、第２熱交換器１８で膨張機１０に供給する圧縮空気を加熱しない。従って、膨張効率を低下させて圧縮空気を通常よりも多く消費し、蓄圧タンク８の容量に余裕を作ることができる。さらにこの場合、蓄熱タンク１６に貯蔵されている熱媒は、第２熱交換器１８で熱交換しないため、温度が低下せず高温を維持できる。この高温の熱媒は、蓄圧タンク８の容量に余裕ができ需要電力が増加した場合等、必要に応じて使用することで発電効率を向上できる。

特に、特に図６に示されている充放電同時２の処理において、入力電力が圧縮機６の総駆動電力よりも大きく、需要電力が発電機２２の総発電電力よりも大きい場合は、圧縮膨張兼用機２８に対して圧縮機能と膨張機能の両方が求められる場合である。従って、この場合、圧縮膨張兼用機２８を適時切り替えて使用することにより、システムの最適な運用を行うことができる。具体的には、大きい需要電力に対応するため、通常、圧縮膨張兼用機２８は膨張機として使用する。しかし、これを続けると圧縮空気消費量が増加し、蓄圧タンク８内の圧力が所定の圧力値以下になり、膨張機１０に供給される圧力が低下し、膨張効率が低下することがある。このとき、圧縮膨張兼用機２８を継続して膨張機として使用してもＣＡＥＳ発電装置２全体としての発電効率は低い状態であるため、有効でない。従ってこのときは、圧縮膨張兼用機２８を圧縮機として切り替えて使用し、蓄圧タンク８に圧縮空気を供給して蓄圧タンク８の内圧を上昇させる。そして蓄圧タンク８の内圧が所定の膨張効率を達成できるほどに回復した場合、圧縮膨張兼用機２８を膨張機として切り替えて使用し、再度必要な需要電力に対応する。

第２に、充放電別々の場合の制御について説明する。

図１０を参照して、充放電別々の場合、再生可能エネルギーによる発電量Ａがモータ２４に供給される（ステップＳ１０−１）。発電量Ａがモータ２４の総駆動電力（１個当たりのモータ２４の駆動電力Ｐ×モータ２４Ｎ個）よりも大きい場合（ステップＳ１０−２）、充放電別々１，２の処理が実行され（ステップＳ１０−３）、それ以下である場合（ステップＳ１０−２）、充放電別々３，４の処理が実行される（ステップＳ１０−４）。これらの処理が完了すると、再びステップＳ１０−２に戻り、これを繰り返す。

図１１を参照して、充放電別々１，２の処理が開始されると（ステップＳ１１−１）、圧縮膨張兼用機２８を圧縮機として使用し、圧縮専用機６と共に圧縮空気を生成する（ステップＳ１１−２）。そしてバルブ２６ａ，２６ｂ，２６ｄを開き、バルブ２６ｅを閉じ、第１熱交換器１４及び第３熱交換器３４で圧縮熱を回収し（ステップＳ１１−３）、回収した圧縮熱を熱媒と共に蓄熱タンク１６に貯蔵する（ステップＳ１１−４）。そして圧縮空気を蓄圧タンク８に貯蔵する（ステップＳ１１−５）。このとき、電力系統４から要求される需要電力が発電機２２の総発電量（１個当たりの発電機２２の発電電力Ｃ×発電機２２Ｍ個）以下である場合（ステップＳ１１−６）、充放電別々１の処理が実行され（ステップＳ１１−７）、それより大きい場合（ステップＳ１１−６）、充放電別々２の処理が実行される（ステップＳ１１−８）。そして、充放電別々１，２の処理を終了する（ステップＳ１１−９）。

図１２を参照して、充放電別々１の処理が開始されると（ステップＳ１２−１）、膨張専用機１０のみで圧縮空気を膨張させ、発電機２２により平準化した発電電力Ｃ×Ｍを得る。そして充放電別々１の処理を終了する（ステップＳ１１−４）。

図１３を参照して、充放電別々２の処理が開始されると（ステップＳ１３−１）、圧縮膨張兼用機２８を膨張機として使用し、膨張専用機１０と共に圧縮空気を膨張させる（ステップＳ１３−２）。なお、このとき圧縮膨張兼用機２８を膨張機として使用するとともに、バルブ２６ｅ，２６ｈを開き、バルブ２６ａを閉じ、第３熱交換器３４では圧縮空気は加熱されている。そして発電機２２により平準化した発電電力Ｃ×（Ｍ＋Ｘ）を得る。そして充放電別々２の処理を終了する（ステップＳ１２−４）。

図１４を参照して、充放電別々３，４の処理が開始されると（ステップ１４−１）、圧縮専用機６のみで圧縮空気を生成する（ステップ１４−２）。そして第１熱交換器１４で圧縮熱を回収し（ステップＳ１４−３）、回収した圧縮熱を熱媒と共に蓄熱タンク１６に貯蔵する（ステップＳ１４−４）。そして圧縮空気を蓄圧タンク８に貯蔵する（ステップＳ１４−５）。このとき第２熱交換器１８で圧縮空気を加熱する（ステップＳ１４−６）。電力系統４から要求される需要電力が発電機２２の総発電量（１個当たりの発電機２２の発電電力Ｃ×発電機２２Ｍ個）以下である場合（ステップＳ１４−７）、充放電別々３の処理が実行され（ステップＳ１４−８）、それより大きい場合（ステップＳ１４−７）、充放電別々２の処理が実行される（ステップＳ１４−９）。そして、充放電別々３，４の処理を終了する（ステップＳ１４−１０）。

図１５を参照して、充放電別々３の処理が開始されると（ステップＳ１５−１）、膨張専用機１０のみで圧縮空気を膨張させ（ステップＳ１５−２）、発電機２２により平準化した発電電力Ｃ×Ｍを得る（ステップＳ１５−３）。そして充放電別々３の処理を終了する（ステップＳ１５−４）。

図１６を参照して、充放電別々４の処理が開始されると（ステップＳ１６−１）、圧縮膨張兼用機２８を膨張機として使用し、膨張専用機１０と共に圧縮空気を膨張させる（ステップＳ１６−２）。なお、このとき圧縮膨張兼用機２８を膨張機として使用するとともに、バルブ２６ｅ，２６ｈを開き、バルブ２６ａを閉じ、第３熱交換器３４では圧縮空気は加熱されている。そして、発電機２２により平準化した発電電力Ｃ×（Ｍ＋Ｘ）を得る（ステップＳ１６−３）。そして、充放電別々４の処理を終了する（ステップＳ１６−４）。

このように、充放電同時と充放電別々の両方の場合について制御を行うことで、再生可能エネルギーの短周期変動と長周期変動の両方の場合に使用でき、有用である。

以上により、充放電同時の場合と充放電別々の場合のＣＡＥＳ発電装置２の制御について説明したが、いずれの場合においても圧縮膨張兼用機２８の数Ｘは１台でなくてもよい。２台以上の複数台においても本制御は可能である。また、圧縮機６と膨張機１０の数は本実施形態では同じ（Ｍ＝Ｎ＝４）であったが、これに限定されず、異なっていてもよい。また、本実施形態では各モータ２４は同一であるため駆動電力も同一（Ｐ一定）であるが、各モータ２４は異なっていてもよい。同様に、各発電機２２も同一であるため発電電力も同一（Ｃ一定）であるが、各発電機２２は異なっていてもよい。

２ 圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
４ 電力系統
６ 圧縮機（圧縮専用機）
６ａ 吸込口
６ｂ 吐出口
８ 蓄圧タンク
９ 圧力センサ
１０ 膨張機（膨張専用機）
１０ａ 吸込口
１０ｂ 吐出口
１２ 空気配管
１４ 第１熱交換器
１６ 蓄熱タンク
１６ａ 高温蓄熱タンク
１６ｂ 戻りタンク
１８ 第２熱交換器
２０ 熱媒配管
２２ 発電機
２４ 電動機（モータ）
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ バルブ（切替弁）
２８ 圧縮膨張兼用機
３０ 発電電動機
３２ ポンプ
３４ 第３熱交換器
３６ 制御装置

Claims (5)

1. 再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動される、互いに電気的に並列に接続された複数の電動機と、
   前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する複数の圧縮機と、
   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る複数の膨張機と、
   前記膨張機と機械的に接続され、互いに電気的に並列に接続され、需要先へ供給する電力を発電する複数の発電機と、
   前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、前記熱媒を加熱するための第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器と流体的に接続され、前記熱媒を貯蔵する蓄熱タンクと、
   前記蓄熱タンクと流体的に接続され、前記蓄熱タンクから供給される前記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第２熱交換器と、
   前記圧縮機及び前記膨張機の両方の機能を有する圧縮膨張兼用機と、
   前記圧縮膨張兼用機と電気的に接続され、前記圧縮膨張兼用機における圧縮と膨張を切り替える制御装置と
   を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
2. 前記制御装置は、前記再生可能エネルギーを用いて発電した前記入力電力と、前記需要先の要求する需要電力とに基づいて前記圧縮膨張兼用機の圧縮と膨張の切り替える、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
3. 前記蓄圧タンクの内圧を測定し、前記制御装置に出力する圧力センサと、
   前記蓄熱タンクから前記第２熱交換器への前記熱媒の供給の許容と遮断を切り替え可能な切替弁と
   をさらに備え、
   前記圧力センサの圧力値が所定の上限値に達した場合、前記制御装置は、前記第２熱交換器への前記熱媒の供給を遮断するように前記切替弁を切り替える、請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
4. 前記蓄圧タンクに圧縮空気を貯蔵する充電過程と、前記蓄圧タンクの圧縮空気を使用して前記発電機で発電する放電過程とを同時に行う場合であって、前記入力電力が前記複数の圧縮機の総駆動電力よりも大きい場合、かつ、前記需要電力が前記複数の発電機の総発電電力よりも大きい場合、
   前記制御装置は、通常時前記圧縮膨張兼用機を膨張機として制御し、前記蓄圧タンクの内圧が減少し、前記圧力センサの圧力値が前記膨張機における所定の膨張効率に対応する圧力値以下となったとき、前記圧縮膨張兼用機を圧縮機として使用するよう切り替える制御をして前記蓄圧タンクの内圧を上昇させ、前記圧力センサの圧力値が前記膨張機における所定の膨張効率に対応する圧力値より大きくなったとき、前記圧縮膨張兼用機を膨張機として使用するよう切り替える、請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
5. 再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動される、互いに電気的に並列に接続された複数の電動機と、
   前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する複数の圧縮機と、
   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る複数の膨張機と、
   前記膨張機と機械的に接続され、互いに電気的に並列に接続され、需要先へ供給する電力を発電する複数の発電機と、
   前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、前記熱媒を加熱するための第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器と流体的に接続され、前記熱媒を貯蔵する蓄熱タンクと、
   前記蓄熱タンクと流体的に接続され、前記蓄熱タンクから供給される前記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第２熱交換器と、
   前記圧縮機及び前記膨張機の両方の機能を有する圧縮膨張兼用機とを備える圧縮空気貯蔵発電装置において、
   前記再生可能エネルギーを用いて発電した前記入力電力と、前記需要先の要求する需要電力とに基づいて、前記圧縮膨張兼用機における圧縮と膨張を切り替える、圧縮空気貯蔵発電方法。

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