(57)【要約】  タービンの利用率を高め、昼間の発電容量を増大させ、夜間の燃料の消費を低減できる発電システムとその運転方法を提供する。  発電システム（１Ａ）は、発電機（１０）、圧縮機（２０）、圧縮空気貯蔵タンク（３０）、燃焼器（４０）、タービン（５０）、第一クラッチ（６０Ａ）、第二クラッチ（６０Ｂ）と、第一開閉手段（７０Ａ、７０Ｄ）、第二開閉手段（７０Ｂ）を備える。圧縮機は、吸入した空気を圧縮して圧縮空気を生成する。圧縮空気貯蔵タンクは、圧縮空気を貯蔵する。燃焼器は、圧縮空気に燃料を混合して燃焼させる。タービンは、燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転される。各クラッチは、タービンの回転力を圧縮機又は発電機に伝達又は遮断する。第一開閉手段は、圧縮機で生成した圧縮空気を圧縮空気貯蔵タンクに送ることを、第二開閉手段は、圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気を燃焼器に送ることを、それぞれ許容又は遮断する。
2012147792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と、
吸入した空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、
前記圧縮空気を貯蔵する圧縮空気貯蔵タンクと、
前記圧縮機で生成された圧縮空気及び前記圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵された圧縮空気の少なくとも一方に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器で燃焼された燃焼ガスにより回転されるタービンと、
前記タービンの回転力を前記圧縮機に伝達又は遮断する第一クラッチと、
前記タービンの回転力を前記発電機に伝達又は遮断する第二クラッチと、
前記圧縮機で生成した圧縮空気が前記圧縮空気貯蔵タンクに送られることを許容又は遮断する第一開閉手段と、
前記圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気が前記燃焼器に送られることを許容又は遮断する第二開閉手段とを備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
外部電力により駆動される電動機と、
この電動機の駆動力を前記圧縮機に伝達する動力伝達機構とを備えることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記電動機が前記発電機であることを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記外部電力が、太陽光、風力、地熱、潮汐などの再生可能エネルギー由来の電力であることを特徴とする請求項２又は３に記載の発電システム。
【請求項５】
前記発電機、圧縮機、燃焼器、タービン、第一クラッチ、第二クラッチ、第一開閉手段、及び第二開閉手段を一ユニットとし、
複数ユニットに対して一つの前記圧縮空気貯蔵タンクを共用することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項６】
原子力発電所に設置され、前記外部電力を前記原子力発電所の発電電力とすることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項７】
前記原子力発電所の予備電源として用いられることを特徴とする請求項６に記載の発電システム。
【請求項８】
前記圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気を前記原子力発電所の予備動力源とすることを特徴とする請求項６又は７に記載の発電システム。
【請求項９】
さらに、外部電力を用いて前記圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵するための圧縮空気を生成する第二圧縮機を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項１０】
前記圧縮空気貯蔵タンクは、入れ子式に配される複数の管を備え、
内側の管内の圧力が外側の管内の圧力よりも高圧であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項１１】
前記内側の管内と外側の管内とを所定の差圧に応じて連通させる差圧弁を備えることを特徴とする請求項１０に記載の発電システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の発電システムを用い、
昼間などの電力需要の多い高負荷時、前記第一クラッチを遮断、前記第二クラッチを結合、前記第一開閉手段を遮断、前記第二開閉手段を開放して、前記圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気を用いて前記燃料を燃焼させ、タービンの回転により発電機を駆動して発電し、
夜間などの電力需要の少ない低負荷時、前記第一クラッチを結合、前記第二クラッチを遮断、前記第一開閉手段を開放、前記第二開閉手段を遮断して、前記タービンと前記圧縮機とを連動させ、その圧縮機で生成した圧縮空気を前記燃焼器及び前記圧縮空気貯蔵タンクに供給することを特徴とする発電システムの運転方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の発電システムを用い、
前記外側の管内の空気を前記燃焼器に供給し、この供給分の空気を前記内側の管内から前記差圧弁を介して前記外側の管内に補填することで、実質的に前記外側の管内の圧力を一定に保持することを特徴とする請求項１２に記載の発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムとその運転方法に関する。特に、圧縮空気貯蔵ガスタービン発電（以下、単にCAESということがある）を応用した発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所では化石燃料、中でも主としてLNG（液化天然ガス）を燃料としてガスタービンを回し、その回転力を利用して発電機を駆動している。以下燃料としてはLNGを代表として説明する。このガスタービンは、圧縮機で生成した圧縮空気を用いて燃焼器で天然ガスを燃焼させ、その熱で急膨張したガスを圧縮機と同軸駆動されるタービンに送り込み、タービンを回転させている。このようなタービンの駆動には、燃料を効率よく燃焼させるために大量の圧縮空気を必要とする。圧縮空気を生成する圧縮機の駆動には、タービンで発生した駆動力の２／３程度が使われ、発電機の駆動にはタービンの駆動力の１／３程度しか用いられない。【０００３】
一方、一般的な電力消費量は、昼間と夜間とでは、図４に示す通り、大幅な変動があるため、昼間のピーク電力供給のためにガスタービン発電システムをフル稼働するが、夜間の電力需要が落ちる場合は、負荷調整上、ガスタービン発電システムの運転を止める必要がある。従って、ガスタービン発電システムの稼働率は昼間のピークで100％であるが、その他では低下し、夜間には0％に落とさざるを得ない。そこで、ガスタービン発電システムにおいて、夜間の電力で圧縮機を駆動して圧縮空気を生成し、この圧縮空気を圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵しておき、電力消費量の大きい昼間に、貯蔵してある圧縮空気を使用してタービンを運転し、発電出力を増大させるCAES（Compressed  Air  Energy  Storage  System）の実用化が検討されている（非特許文献１）。尚、電力消費量はウィークエンドの土曜日や日曜日、あるいは国民の休日などにも大きく低下するが、この明細書ではこれらもまとめて電力消費量の低下する夜間で代表して説明する。【０００４】
CAESは、概略的には、圧縮機とタービンの間に発電機を配し、圧縮機と発電機の間及び発電機とタービンとの間の各々にクラッチを設けたシステムで、各クラッチの接続と切り離しにより圧縮サイクルと発電サイクルとを独立して行う。圧縮サイクルでは、例えば夜間に、圧縮機側のクラッチを接続し、タービン側のクラッチを切り離す。その際、外部の電力系統からの電力で発電機を電動機として駆動させる。この電動機の駆動により圧縮機を動作させて圧縮空気を生成して、その圧縮空気を地下の空洞などに設けた圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵する。発電サイクルでは、例えば昼間に、タービン側のクラッチを接続し、圧縮機側のクラッチを切り離す。そして、圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気を利用して天然ガスを燃焼させてタービンを駆動し、その動力で発電機を駆動して発電を行う。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】内山洋司  角湯正剛  「圧縮空気貯蔵発電システムの利点と経済性」P3  Fig.1  電力中央研究所報告  財団法人  電力中央研究所  平成２年５月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このCAESによれば、圧縮空気の生成にオフピーク時の余剰電力を利用し、ピーク時には貯蔵された圧縮空気と天然ガスなどの燃料とを用いてタービン及び発電機を駆動することで、圧縮機の駆動に要するエネルギー分を発電機の駆動に利用することができる。しかし、CAESであっても、タービンを駆動しているのは主として昼間だけであり、高価なタービンの利用率という点で見れば、はなはだ不十分と言わざるを得ない。【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、タービンの利用率を高め、昼間などの電力需要の多い高負荷時の発電容量を増大させ、夜間などの電力需要の少ない低負荷時の燃料の消費を低減できる発電システムとその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発電システムは、発電機と、圧縮機と、圧縮空気貯蔵タンクと、燃焼器と、タービンと、第一クラッチと、第二クラッチと、第一開閉手段と、第二開閉手段とを備える。圧縮機は、吸入した空気を圧縮して圧縮空気を生成する。圧縮空気貯蔵タンクは、前記圧縮空気を貯蔵する。燃焼器は、前記圧縮機で生成された圧縮空気及び前記圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵された圧縮空気の少なくとも一方に燃料を混合して燃焼させる。タービンは、前記燃焼器で燃焼された燃焼ガスにより回転される。第一クラッチは、前記タービンの回転力を前記圧縮機に伝達又は遮断する。第二クラッチは、前記タービンの回転力を前記発電機に伝達又は遮断する。第一開閉手段は、前記圧縮機で生成した圧縮空気が前記圧縮空気貯蔵タンクに送られることを許容又は遮断する。そして、第二開閉手段は、前記圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気が前記燃焼器に送られることを許容又は遮断する。【０００９】
一方、本発明の発電システムの運転方法は、上記本発明の発電システムを用い、次のように運転する。【００１０】
昼間などの電力需要の多い高負荷時、前記第一クラッチを遮断、前記第二クラッチを結合、前記第一開閉手段を遮断、前記第二開閉手段を開放して、前記圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気を用いて前記燃料を燃焼させ、タービンの回転により発電機を駆動して発電する。【００１１】
夜間などの電力需要の少ない低負荷時、前記第一クラッチを結合、前記第二クラッチを遮断、前記第一開閉手段を開放、前記第二開閉手段を遮断して、前記タービンと前記圧縮機とを連動させ、その圧縮機で生成した圧縮空気を前記燃焼器及び前記圧縮空気貯蔵タンクに供給する。【００１２】
本発明の発電システムによれば、各クラッチと各開閉手段の各々に所定の動作をさせることで、常時タービンを駆動させることができ、それにより従来のガスタービン発電システムやCAESに比べてタービンの利用率を高めることができる。そして、本発明の発電システムの運転方法により、高負荷時は圧縮機を駆動することなく圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気を用いてタービンを駆動して発電機の出力を高め、低負荷時にはタービンを発電機と分離して駆動することで、燃料消費を抑えた運転により圧縮機を連動させ、圧縮空気を生成することができる。また、従来のCAESでは、貯蔵用の圧縮空気を生成するには、圧縮機を駆動する電動機（通常は発電機を電動機として利用）に外部電源から電力を供給しなくてはならない。これに対し、本発明の発電システムでは、後述する通り、外部電源からの電力を活用して貯蔵用の圧縮空気を生成することもできるが、自らのタービンの回転力によって圧縮機を回転駆動させ得るので、外部電源からの電力を必要とせず、自ら閉鎖的に独立して貯蔵用の圧縮空気を生成できる利点がある。なお、タービンを常時駆動すると、その燃料が必要なため、１日当たりの燃料消費量だけを見れば従来のガスタービン発電よりも多くなるが、１日当たりに得られる電力量は大幅に増加するため、燃料効率（発電電力量／消費燃料）で見れば、本発明の発電システムの方が有利と言える。この点については、後述する試算例で明らかにする。常時タービンを駆動することは好ましい形態であるが必須ではなく、従来のガスタービン発電システムよりもタービンの利用率が向上できればよい。【００１３】
本発明の発電システムにおいて、外部電力により駆動される電動機と、この電動機の駆動力を前記圧縮機に伝達する動力伝達機構とを備えることが好ましい。【００１４】
この構成によれば、従来のCAESと同様に、夜間などの低負荷時における余剰電力を利用して電動機の駆動に伴って圧縮機を作動させ、圧縮空気を生成することができる。それにより、生成した圧縮空気を圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵することができる。【００１５】
本発明の発電システムにおいて、前記電動機が前記発電機であることが挙げられる。【００１６】
この構成によれば、発電機が電動機と兼用であるため、発電機と別に電動機を設置する必要がない。【００１７】
本発明の発電システムにおいて、前記外部電力が、太陽光、風力、地熱、潮汐などの再生可能エネルギー由来の電力であることが挙げられる。【００１８】
この構成によれば、外部電力を再生可能エネルギー由来の電力とすることで、化石燃料の消費を低減し、二酸化炭素の排出量削減に寄与することができる。また、再生可能エネルギーを利用した発電システムの間歇発電性や発電電力の変動性を、圧縮空気の貯蔵という緩衝作用を活用することによって安定化することができる。さらに、本発明の発電システムによれば、従来の発電効率、すなわち単位化石燃料消費量当たりの発電量の良否によって発電システムの採否を決める必要がなくなる。これは、本発明の発電システムにより化石燃料を使用せずに圧縮空気の貯蔵が可能になるため、この貯蔵された圧縮空気のみで発電できる風力（空気）タービン発電機を用いれば、最早化石燃料の消費量を考慮することから解放されるからである。従って、本発明の発電システムは、再生可能エネルギー資源による持続可能発電への大きな道を拓くことになる。【００１９】
本発明の発電システムにおいて、前記発電機、圧縮機、燃焼器、タービン、第一クラッチ、第二クラッチ、第一開閉手段、及び第二開閉手段を一ユニットとし、複数ユニットに対して一つの前記圧縮空気貯蔵タンクを共用することが挙げられる。【００２０】
この構成によれば、建設に経済的・技術的負担の大きい圧縮空気貯蔵タンクを複数のユニットで共用することで、圧縮空気貯蔵タンクをより効率的に利用することができる。【００２１】
本発明の発電システムにおいて、原子力発電所に設置され、前記外部電力を前記原子力発電所の発電電力とすることが挙げられる。【００２２】
原子力発電所は、電力負荷に合わせて出力調整せず、一定出力で運転することが効率的であり安全性を高めることになる。この場合、通常、夜間などの低負荷時には余剰電力が発生するため、この余剰電力を利用して上述の電動機（発電機）を駆動して直結する圧縮機を作動させれば、圧縮空気を生成することができる。【００２３】
本発明の発電システムにおいて、前記原子力発電所の予備電源として用いられることが挙げられる。【００２４】
この構成によれば、原子力発電所が地震や津波などの天災により、その発電所の各種付属設備の運転や冷却水の循環を行うための電源をも喪失した場合に、本発明の発電システムを同発電所の予備電源として利用することができる。本発明の発電システムは、電力系統が損傷を受けていても、基本的に燃料を補充できれば稼働できる。原子力発電所は臨海地域に設置されていることが多く、LNGなどの燃料の補充は、船舶により燃料の運搬を行うことで比較的容易に補充でき、非常時の予備電源として好適に利用できる。【００２５】
本発明の発電システムにおいて、前記圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気を前記原子力発電所の予備動力源とすることができる。【００２６】
圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気は、タービンの駆動に利用できることは上述した通りであるが、それ以外に、本発明システムとは別のタービンの駆動動力としたり、エアシリンダなどの各種アクチュエータの動力源とすることもできる。そのため、圧縮空気を予備動力源とすることで、原子力発電所内の各種設備の駆動を行うことができる。【００２７】
本発明の発電システムにおいて、さらに、外部電力を用いて前記圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵するための圧縮空気を生成する第二圧縮機を備えることが挙げられる。【００２８】
この構成によれば、低負荷時にタービンに連動される圧縮機に加え、外部電力により駆動される第二圧縮機を備えることで、余剰電力を有効利用して第二圧縮機を駆動し、タービンに連動される圧縮機で生成した圧縮空気に加え、第二圧縮機で生成した圧縮空気も圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵することができる。その結果、高負荷時には、圧縮空気貯蔵タンクからの圧縮空気のみでタービンを運転できる時間を延ばすことができる。【００２９】
本発明の発電システムにおいて、前記圧縮空気貯蔵タンクは、入れ子式に配される複数の管を備え、内側の管内の圧力が外側の管内の圧力よりも高圧であることが挙げられる。【００３０】
この構成によれば、各管は、互いの内圧の差圧に応じた強度を有すればよいため、過度に管の厚みを大きくすることなく圧縮空気貯蔵タンクを構成することができる。なお、ここでの管には、空気を貯蔵できるように両端部が封止された管であって、長尺の管は勿論、短尺の管の他、広く空気を貯蔵できる種々の形態の容器を含む。【００３１】
上記の入れ子式の圧縮空気貯蔵タンクを備える本発明の発電システムにおいて、前記内側の管内と外側の管内とを所定の差圧に応じて連通させる差圧弁を備えることが挙げられる。【００３２】
この構成によれば、低圧縮空気を内蔵する管から燃焼器に圧縮空気を供給することで、高圧縮空気を内蔵する管との差圧が所定以上になれば、差圧弁の開放により、低圧縮空気を内蔵する管の圧力低下分を補償することができる。【００３３】
その他、本発明の発電システムの運転方法として、上記入れ子式の複数の管と、内外の管内を所定の差圧に応じて連通させる差圧弁とを備える本発明の発電システムを用い、定圧法により発電システムを運転することが挙げられる。その場合、外側の管内の空気を燃焼器に供給し、この供給分の空気を内側の管内から差圧弁を介して外側の管内に補填することで、実質的に外側の管内の圧力を一定に保持する。【００３４】
この運転方法によれば、従来、池や海水などの水圧と圧縮空気貯蔵タンク内の圧力との平衡を利用して実現するしかなかった定圧法による燃焼器への圧縮空気の供給を容易に実現することができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の発電システム及びその運転方法によれば、タービンの利用率を高め、単位燃焼消費量当たりの発電電力量を増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施形態１に係る本発明発電システムの概略図である。
【図２】実施形態１に係るシステムの高負荷時の運転状態を示す説明図である。
【図３】実施形態１に係るシステムの低負荷時の運転状態を示す説明図である。
【図４】関東圏における１日当たりの電力消費量の推移を示すグラフである。
【図５】実施形態２に係る本発明発電システムの概略図である。
【図６】実施形態３に係る本発明発電システムの概略図である。
【図７】実施形態４に係る本発明発電システムの概略図である。
【図８】実施形態５に係る本発明発電システムの概略図である。
【図９】実施形態６に係る本発明発電システムに用いる圧縮空気貯蔵タンクを示し、（A）は同タンクの断面図、（B）は同タンクに設けたバルブの構成を示す概略図である。
【図１０】実施形態７に係る本発明発電システムに用いる圧縮空気貯蔵タンクを示し、（A）は同タンクの断面図、（B）は同タンクに設けたバルブの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。各図において、同一部材又は対応する部材には同一符号を付している。
【００３８】
［実施形態１］
(システム構成)
《概要》
この発電システム1Aは、図１に示すように、発電機10、圧縮機20（第一圧縮機）、圧縮空気貯蔵タンク30、燃焼器40、及びタービン50を備える。従来のCAESとの相違点の一つは、従来のCAESが圧縮機とタービンとの間に発電機を配しているのに対し、本発明の発電システムは、圧縮機20と発電機10との間にタービン50を配している点にある。また、発電システム1Aでは、圧縮機20とタービン50との間、並びに発電機10とタービン50の間にそれぞれ第一クラッチ60A及び第二クラッチ60Bを備えており、各クラッチ60A、60Bの動作により、タービン50の回転力を圧縮機20又は発電機10に伝達又は遮断する。そして、この発電システム1Aは、常時タービン50を駆動し、各クラッチ60A、60Bの結合状態を制御することで、圧縮機20で圧縮空気を生成する圧縮サイクルと、発電機10を駆動する発電サイクルとを行う。圧縮サイクルで生成された圧縮空気は、圧縮機20、燃焼器40、及びタービン50の間の圧縮空気流路に設けられた各バルブ70A〜70Dの開閉により、圧縮空気貯蔵タンク30や燃焼器40に供給される。
【００３９】
《発電機、圧縮機、燃焼器、タービン》
発電機10、圧縮機20、燃焼器40、及びタービン50は、従来の各部材と同様の構成が利用できる。発電機10は、電磁誘導を利用して、タービン50から得られる回転力（機械的エネルギー）を電気エネルギーに変換出力する。例えば、誘導発電機が利用できる。圧縮機20は、空気を吸入して圧縮し、圧縮空気を生成するもので、例えば、遠心圧縮機や軸流圧縮機が利用できる。燃焼器40は、図示しない燃料供給部から供給される燃料を圧縮空気と混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを発生させて、その燃焼ガスをタービン50に供給する。燃料にはLNGや石油などが好適に利用できる。タービン50は、燃焼器40から供給される燃焼ガスにより回転され、発電機10の駆動力となる回転力を発生させる。これら発電機10、圧縮機20、燃焼器40、及びタービン50は同軸配置されることが好適である。
【００４０】
《圧縮空気貯蔵タンク》
圧縮空気貯蔵タンク30は、圧縮機20で生成した圧縮空気を貯蔵する空間である。本発明の発電システムにおける圧縮空気貯蔵タンク30は、地中や海底に人工的に埋設された部材、例えば鋼管やコンクリートにより空間を形成する建造物は勿論、掘削などにより地中に形成した空間（廃坑なども含む）、或いは自然に形成された空洞なども含む。
【００４１】
この圧縮空気の貯蔵方式には定圧式と変圧式がある。定圧式は、圧縮空気を一定圧力で貯蔵する方式で、地中の深部に空洞を掘ったり、海底に貯蔵タンクを設置するなどして、水の静水圧を利用して空気を貯える。地中の場合、陸上に貯水池を設け、地下空洞との深さに相当する静水圧を利用して、一定圧の空気を貯蔵し、圧縮空気を使用すると、空洞から排出される空気の体積分が水に置換される。海中の場合、タンク内部の空気は、タンクの外側の水圧とバランスしており、タンクを沈設した深さに相当する水圧で空気が貯えられる。一方、変圧式は、ある一定容量の容器に空気を注入し、圧力を徐々に高めて貯蔵する方式である。圧縮空気を使用すると、圧力は徐々に減少し、容器内の圧縮空気の圧力が変動する。
【００４２】
圧縮空気の貯蔵には、定圧式の方が、空気貯蔵効率が高いとされる。定圧式の圧縮空気の貯蔵と発電量との関係式は、既存のガスタービン発電機を使用したとすると、例えば次のように表わされる。
【００４３】
V＝4.2/P 〔m3/kWh〕
V：必要貯蔵容量〔m3/kWh〕  P：圧力〔kg/cm2〕
一例として圧縮空気貯蔵タンク30の容積を試算すると、10万kWの発電量で10時間運転するための空気を30気圧で貯蔵するのに必要な空間は、14万m3となる。これは、300mの海底に、直径10m×長さ50mの海水圧平衡型（下部開放）タンクを約35本並べて設置するか、15万トン・タンカークラスの容量のタンクを1基沈設したケースに相当する。
【００４４】
《第一クラッチ、第二クラッチ》
第一クラッチ60Aは、タービン50の回転力を圧縮機20に伝達又は遮断し、第二クラッチ60Bは、タービン50の回転力を発電機10に伝達又は遮断する。各クラッチ60A、60Bの構成には、公知の各種クラッチが利用できる。例えば、噛み合いクラッチ、電磁クラッチ、円錐クラッチなどの利用が期待できる。
【００４５】
その他、これらクラッチ60A、60Bは、発電システムに後付けできるように構成してもよい。例えば、タービン50と圧縮機20との動力伝達軸及びタービン50と発電機10との動力伝達軸の各軸の途中に分離端を設けておき、常時は、その分離端同士をフランジ継手など、伝達状態を固定的に維持できる結合手段により連結しておく。その場合、従来のガスタービン発電と同様に、昼間などの高負荷時のみ圧縮機、タービン及び発電機を駆動し、夜間などの低負荷時はこれらの駆動を停止するといった運転を行う。一方、発電容量の増量が必要になった場合、フランジ継手の結合を切り離して、各動力伝達軸の分離端の間にクラッチ60A、60Bを取り付けることで、本発明の発電システムとして構成することができる。その場合、後述するように、従来のガスタービン発電と同様の運転に比べて発電容量を増量して発電システムを運転することができる。
【００４６】
《各バルブ》
各バルブ70A〜70Dは、その開閉動作により、圧縮機20で生成した圧縮空気をタービン50及び圧縮空気貯蔵タンク30の少なくとも一方に導入させる。例えば本例では、圧縮機20とタービン50との間にバルブ70A、70Bが設けられ、この両バルブ70A、70Bの間と圧縮空気貯蔵タンク30との間にバルブ70Cが設けられている。さらに、バルブ70Aの下流（圧縮空気貯蔵タンク側）で空気の流路が分岐され、その分岐端はバルブ70Bの下流（燃焼器側）に接続されている。そして、その分岐の途中にバルブ70Dが設けられている。タービン50は燃料と圧縮空気の混合ガスの燃焼により回転され、第一クラッチ60Aの結合により圧縮機20を連動することができる。そのため、バルブ70A、70D（第一開閉手段）を開き、バルブ70Bを閉じることで、圧縮機20で生成された圧縮空気の一部を燃焼器40に供給してタービンの回転に供し、残部を圧縮空気貯蔵タンク30に貯えることができる。一方、バルブ70A、70Dを閉じ、バルブ70B（第二開閉手段）を開くと、圧縮空気貯蔵タンク30内の圧縮空気のみを燃焼器40に供給することができ、圧縮機20を駆動することなくタービン50を動作させることができる。さらに、バルブ70B、70Cを閉じ、バルブ70A、70Dを開くことで、圧縮機20で生成した圧縮空気を全て燃焼器40に供給でき、従来のガスタービンと同様の動作を行うこともできる。勿論、各バルブ70A〜70Dの開閉状態を調整することで、圧縮機20で生成された圧縮空気と圧縮空気貯蔵タンク30に貯蔵された圧縮空気の双方を燃焼器40に供給することも可能である。
【００４７】
(運転方法)
次に、上記の発電システムの運転方法を図２、図３に基づいて説明する。
【００４８】
まず、昼間などの電力消費量が多い高負荷時は、圧縮機20を停止し、タービン50及び発電機10を駆動して、その発電電力を原子力発電所などの発電電力に加えることで、消費電力ピークに対応できる電力量を供給する。具体的には、図２に示すように、第一クラッチ60Aを切り離し、第二クラッチ60Bを結合する。また、バルブ70B、70Cを開き、バルブ70A、70Dを閉じる。この状態で、圧縮空気貯蔵タンク30から圧縮空気を燃焼器40に供給し、さらに燃料も燃焼器40に供給することで、圧縮空気と混合した燃料を燃焼させ、その燃焼ガスによりタービン50を駆動することができる。タービン50の回転力は、結合された第二クラッチ60Bを介して発電機10に伝達されるため、発電機10が駆動され、発電が行われる。従来のガスタービン発電システムでは、タービンで発生した駆動力の２／３程度は圧縮機の駆動に利用されるが、本例のシステムでは、圧縮機20を駆動する必要がない。
【００４９】
次に、夜間などの電力消費量が少ない低負荷時は、発電機を停止し、タービン50及び圧縮機20を駆動して、生成された圧縮空気の一部を圧縮空気貯蔵タンク30に貯蔵する。具体的には、図３に示すように、第一クラッチ60Aを結合し、第二クラッチ60Bを切り離す。また、バルブ70A、70C、70Dを開き、バルブ70Bを閉じる。この状態において、燃料を燃焼器40に供給し、タービン50を駆動する。タービン50の回転力は結合された第一クラッチ60Aを介して圧縮機20に伝達され、圧縮機20をタービン50に連動することができる。この圧縮機20の駆動により圧縮空気が生成され、その一部はバルブ70Dを介して燃焼器40に供給されてタービン50の駆動に利用され、残部はバルブ70A、70Cを介して圧縮空気貯蔵タンク30に貯蔵される。従来のガスタービン発電システムでは、タービンで発生した駆動力の１／３程度が発電機の駆動に利用されるが、本例のシステムでは、低負荷時には発電機10を駆動する必要がない。
【００５０】
(作用効果)
本発明の発電システムによれば、高負荷時は圧縮機20を駆動することなく圧縮空気貯蔵タンク30の圧縮空気を用いてタービン50を駆動し、発電を行うことができる。一方、低負荷時は発電機10を駆動することなくタービン50を駆動し、そのタービン50に圧縮機20を連動させることで、タービン50の駆動に必要な圧縮空気を生成すると共に、余剰の圧縮空気を圧縮空気貯蔵タンク30に貯えることができる。つまり、高負荷時は圧縮機20を駆動する必要がないため、従来のガスタービン発電に比べて、タービン50の駆動に要する燃料を削減し、或いは発電機10の発電容量を最高で約３倍にすることができる。また、低負荷時は発電機10を駆動する必要がないため、タービン50の駆動に要する燃料を削減し、高負荷時に利用する圧縮空気を圧縮空気貯蔵タンク30に貯えることができる。従って、一般に高価なタービン50の利用率を向上させることができ、高負荷時の発電容量を高めることができるため、従来のガスタービン発電システムに比べて少ない台数で同量の発電容量を得ることができる。さらに、圧縮空気貯蔵タンク30の圧縮空気が枯渇して利用できない場合は、両クラッチ60A、60Bを結合することで、圧縮機20、タービン50、及び発電機10を駆動して、従来のガスタービン発電システムと同様の運転を行うことができる。
【００５１】
本例に係る発電システムは、都市部から離れた遠隔地などでの利用が期待できる。例えば、有効利用できる土地が十分にあり、太陽光発電システムの設置に適しているのに発電設備がなく、臨海大型発電所から電力を送電する必要がある山間地域などに本例に係る発電システムを太陽光発電システムと併設すれば、この山間地域での電力の自立を図ることが期待できる。特に、廃坑がある場合、その廃坑を圧縮空気貯蔵タンク30として活用することで、本例の発電システムを経済的に設置できることが期待される。
【００５２】
また、本例に係る発電システムは原子力発電所に併設することも考えられる。原子力発電所は、その冷却水の循環など、発電所を維持するための電源が必要である。この発電所の維持のための電源が地震や津波などで利用できない場合、本例の発電システムは、当該発電所の予備電源として有効に利用できる。これは、本例の発電システムは、LNGなどの燃料を用いて運転でき、基本的に外部電源を必要としないシステムだからである。
【００５３】
(試算例)
次に、本発明の発電システムを運転した場合の燃料効率を試算してみた。この試算では、従来のガスタービン発電システムと本発明の発電システムの一日当たりの消費燃料と発電電力量とを試算し、燃料効率（発電電力量／消費燃料）を試算した。試算の前提として、一日の半分を昼間、残る半分を夜間とし、従来のガスタービン発電システムの試算例を比較例、本発明の発電システムの試算例を実施例としている。
【００５４】
比較例では、昼間は常に最大出力で発電し、夜間は発電を停止することとする。つまり、昼間は圧縮機、タービン、発電機が全て駆動され、夜間はこれら全てが停止される。
【００５５】
実施例では、24時間タービンを駆動する。昼間は圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気が利用できる間は圧縮機を駆動することなくタービン及び発電機を駆動して発電を行い、同タンクの圧縮空気が利用できない間は比較例と同様に圧縮機、タービン及び発電機の駆動を行う。また、夜間は発電機を駆動することなくタービン及び圧縮機を駆動する。但し、タービンの駆動に必要な圧縮空気量は、燃料の必要量と同じパターンで増減するものとする。即ち、実施例において、夜間（1/2日）に圧縮機で生成した圧縮空気は、圧縮機を回転させるのに必要なタービンの駆動力分（2/3）だけは必要になるので、貯蔵に回せる圧縮空気量は「1/3」となる。従って、昼間（1/2日）に圧縮機を止めて発電できる時間も「1/2×1/3＝1/6日」分に限られることになる。以下の「消費燃料」において、実施例にはタービン以外の駆動機関を示している。
【００５６】
《消費燃料》
比較例：  1/2（昼間）×1＝1/2
実施例：  1/2×1/3（昼間の一部：ピーク時）×1/3（発電機のみ運転）
+1/2×2/3（昼間の残り時間）×1（発電機と圧縮機を運転）
+1/2（夜間）×2/3（圧縮機のみ運転）
＝｛（1/2×1/3)×1/3+(1/2×2/3)×1}+(1/2×2/3)
＝7/18+6/18＝13/18＝(13/9)/2＝1.44/2
以上より、1日に消費する燃料の量は、実施例の方が比較例に比べて1.44倍多くなる。
【００５７】
《発電電力量》
比較例：  1/2（昼間）×1＝1/2
実施例：  （1/2×1/3)×3+(1/2×2/3)×1＝3/6+2/6＝5/6＝(5/3)/2＝1.67/2
以上より、1日に発電する電力量は、実施例の方が比較例に比べて1.67倍多くなる。
【００５８】
《燃料効率》
比較例：  (1/2)/(1/2)＝1
実施例：  (5/6)/(13/18)＝15/13＝1.15
従って、実施例は比較例に対して燃料効率が「1.15倍」にアップすることになる。つまり、燃料消費量だけを見れば、実施例の方が比較例よりも劣るが、実施例は発電電力量が多いため、燃料効率という点で見れば、実施例の方が効率的であることがわかる。
【００５９】
ここで、関東圏における今年（2011年）の夏場の1日当たりの最大消費電力量と供給可能電力量の予想グラフを図４に示す。このグラフから明らかなように、午前10時頃から午後4時頃までの約6時間のピーク帯（1日の1/4の時間）を乗り切れば、かなりの数の発電機は総発電能力が需要をオーバーして余剰になるので、順次発電出力を落としながら発電停止へ持っていけることがわかる。ところが、災害や事故等で必要電力が不足し（2011年4月現在）、緊急で発電能力を復活する必要がある場合に、電力需要のピークを乗り切る台数だけ発電機を新設していては、その建設期間も長くなり且つ投資金額も大きくなる上に、必要用地が広大になるなど、多くの課題を生じる。
【００６０】
本発明の発電システムであれば、低負荷時には得られたエネルギーを圧縮空気に変えて貯蔵し、逆に昼間等の高負荷時では、貯蔵した圧縮空気を用いて1台の発電機の発電能力を大きく向上させることによって、電力の需給バランスをとることができる。よって、上述した課題の多くの改善に効果的に資することができる。
【００６１】
［実施形態２］
次に、実施形態１の発電システムの応用例を図５に基づいて説明する。
【００６２】
(システム構成)
本例の発電システム1Bは、廃坑などを利用できる山間部などに設置され、さらに臨海地域などに設けられた従来の火力発電所H-PSが存在することを前提としている。従来の火力発電所H-PSでは、例えば、発電機10H、圧縮機20H、燃焼器40H、及びタービン50Hを備え、24時間定常運転する。また、この火力発電所H-PSは、電力の消費地及び本例の発電システム1Bに対して、発電電力を切り替えて供給する切替手段90が接続されている。一方、本例の発電システム1Bは、実施形態１の発電システムに加え、さらに電動機80と第二圧縮機22を備える。この電動機80は火力発電所H-PSからの電力により駆動され、第二圧縮機22を動作させて、圧縮空気を生成することができる。さらに、上記実施形態1と同様の発電システムは、発電機10から電力の消費地に発電電力を供給／遮断する遮断部92が接続されている。
【００６３】
(運転方法)
このような発電システム1Bにおいて、昼間などの高負荷時には、火力発電所H-PSの発電電力を消費地に供給すると共に、山間部の発電システムの発電電力も消費地に供給する。このとき、山間部の発電システムでは、実施形態1と同様に、圧縮空気貯蔵タンク30の圧縮空気を利用して、圧縮機20（第一圧縮機）を駆動することなくタービン50及び発電機10を駆動する。
【００６４】
一方、夜間などの低負荷時には、火力発電所H-PSの電力を山間部の発電システムの電動機80に供給し、その電力によって電動機80を駆動する。この電動機80の駆動により、第二圧縮機22を駆動して、その圧縮空気を圧縮空気貯蔵タンク30に貯蔵する。同時に、遮断部92を消費地に対して遮断した状態で、山間部の発電システムでは発電機10は駆動せずにタービン50と圧縮機20を駆動する。それにより、タービン50の駆動に要する圧縮空気を除いた残部の圧縮空気を圧縮空気貯蔵タンク30に貯蔵することができる。
【００６５】
(作用効果)
本例の発電システム1Bによれば、火力発電所H-PSが24時間定常運転するため夜間に余剰電力が生じると、その余剰電力を有効利用して第二圧縮機22を駆動し、圧縮空気を生成することができる。この第二圧縮機22により生成される圧縮空気は、第一圧縮機20により生成されて圧縮空気貯蔵タンク30に貯蔵される圧縮空気に付加して同タンク30に貯蔵されるため、高負荷時、第一圧縮機20を駆動することなく山間部の発電システムを運転できる時間を長くすることができる。
【００６６】
その他、太陽光を利用する発電システムと組み合わせれば、一層エネルギーの効率的な利用が期待できる。具体的には、太陽光発電システムを併設し、太陽電池の発電電力を電動機80の駆動に利用することが挙げられる。この太陽光発電システムによる電動機の駆動は、後述する実施形態４（図７）や実施形態５（図８）の発電システムでも同様に利用できる。或いは、集光器を用いた太陽熱発電システムを併設し、このシステムで得られた熱で圧縮空気を加熱して燃焼器に導入するなどの利用が考えられる。
【００６７】
［実施形態３］
次に、実施形態１の発電システムの応用例として、発電機、圧縮機、燃焼器、タービン、及び各クラッチを一ユニットとし、複数ユニットに対して一つの圧縮空気貯蔵タンクを共用するシステムを図６に基づいて説明する。
【００６８】
(システム構成)
この発電システムは、発電システム1Cと発電システム1Dを備え、各システム1C、1Dは、実施形態１と同様に発電機10、圧縮機20、燃焼器40、タービン50、及び各クラッチ60A、60Bを備えている。両発電システム1C、1Dは互いに近接して設けても良いし、遠隔地に存在しても構わない。一方、圧縮空気貯蔵タンク30は、複数のユニットに対して一つ存在し、各ユニットとの間で圧縮空気の貯蔵・供給を行うことができる。各ユニットと圧縮空気貯蔵タンク30の設置例としては、各ユニットを臨海地域に設け、圧縮空気貯蔵タンク30を近海の海中タンクや、都市地下排水貯蔵所（タンク）などに設けることが挙げられる。或いは、圧縮空気貯蔵タンク30は、原子力発電所内の地中に設置したタンクとすることも挙げられる。
【００６９】
(運転方法)
各発電システム1C、1Dの運転方法は、実施形態１のシステムの運転方法と同様である。
【００７０】
(作用効果)
本例の発電システムによれば、実施形態１のシステムの作用効果に加え、複数のユニットに対して一つの圧縮空気貯蔵タンク30を共用することで、建設にコスト・労力・時間がかかり易い圧縮空気貯蔵タンク30の設置数を削減することができる。
【００７１】
［実施形態４］
次に、発電機を電動機として利用する発電システムを図７に基づいて説明する。
【００７２】
(システム構成)
本例のシステム1Eは、実施形態１のシステム1Aと同様に、発電機10、圧縮機20、燃焼器40、タービン50、及び各クラッチ60A、60Bを備えており、この発電機10を電動機80としても利用する。発電機10を電動機80として利用する場合、他の発電所の夜間の余剰電力などを外部電力として利用して電動機80を駆動する。その電動機80の駆動力は、動力伝達機構85を介して圧縮機20に伝達される。この電動機80の駆動力の伝達には、第三クラッチ60Cと第四クラッチ60Dを用いる。つまり、第二クラッチ60Bを切り離し、第三クラッチ60Cを結合することで、電動機80の駆動力は、タービン50に伝達することなく動力伝達機構85に伝達される。また、第四クラッチ60Dを結合することで、電動機80から伝達された動力伝達機構85の駆動力は圧縮機20に伝達される。その際、第一クラッチ60Aは結合していても良いし、切り離されていても良い。第一クラッチ60Aが結合していれば、タービン50の駆動力に電動機80の駆動力を付加して圧縮機20を駆動することができ、第一クラッチ60Aが切り離されていれば、タービン50を駆動することなく圧縮機20を駆動することができる。
【００７３】
(運転方法)
本例のシステム1Eでも、昼間などの高負荷時、圧縮空気貯蔵タンク30の圧縮空気を利用してタービン50を駆動し、さらに発電機10を駆動して発電を行う。一方、夜間などの低負荷時には、第二クラッチ60Bを切り離し、第一クラッチ60A、第三クラッチ60C、第四クラッチ60Dを結合し、発電機10を電動機80として外部電力で駆動し、その動力を圧縮機20の駆動に利用する。或いは、さらに第一クラッチ60Aを切り離し、タービン50を駆動することなく電動機80を駆動させ、その駆動力で圧縮機20を駆動する。
【００７４】
(作用効果)
本例のシステム1Eでも、実施形態１と同様の作用効果が得られることに加え、低負荷時に圧縮空気貯蔵タンク30に貯蔵できる圧縮空気量を増大できる。例えば、夜間、タービン50の駆動力に電動機80の駆動力を付加して圧縮機20を動作できるため、タービン50を低出力で運転し、燃料を削減すると共に、そのタービン50の駆動に必要な圧縮空気量をも削減して、圧縮空気貯蔵タンク30に貯蔵する圧縮空気量を増大させることができる。或いは、第一クラッチ60Aを切り離して夜間にタービン50を駆動しないのであれば、電動機80の駆動力で圧縮機20を駆動し、生成される圧縮空気の全てを圧縮空気貯蔵タンク30に貯蔵することができる。さらに、いずれの場合も、電動機80の駆動により、外部電力の有効活用も行える。
【００７５】
［実施形態５］
次に、実施形態１の発電システムに、さらに電動機を付加したシステムを図８に基づいて説明する。
【００７６】
(システム構成)
本例のシステム1Fでは、実施形態１の発電システム1Aに加え、圧縮機20のタービン50と反対側に電動機80を備え、その電動機80と圧縮機20との間に第五クラッチ60Eを設けている。この電動機80は、他の発電所の余剰電力などの外部電力を利用して駆動する。第五クラッチ60Eは、電動機80の駆動力を圧縮機20に伝達又は遮断する。
【００７７】
(運転方法)
昼間などの高負荷時、圧縮空気貯蔵タンク30の圧縮空気を利用してタービン50を駆動し、さらに発電機10を駆動して発電を行う。一方、夜間などの低負荷時には、第一クラッチ60Aと第五クラッチ60Eとを結合させ、タービン50と電動機80の両駆動力を利用して圧縮機20を駆動する。その際、第二クラッチ60Bは切り離して、発電機10は駆動されない。或いは、さらに第一クラッチ60Aを切り離し、タービン50を駆動することなく電動機80により圧縮機20を駆動させてもよい。
【００７８】
(作用効果)
本例のシステム1Fでも、実施形態１と同様の作用効果が得られることに加え、低負荷時に圧縮空気貯蔵タンク30に貯蔵できる圧縮空気量を増大できる。例えば、夜間、タービン50の駆動力に電動機80の駆動力を付加して圧縮機20を動作できるため、タービン50を低出力で運転し、燃料を削減すると共に、そのタービン50の駆動に必要な圧縮空気量をも削減して、圧縮空気貯蔵タンク30に貯蔵する圧縮空気量を増大させることができる。或いは、第一クラッチ60Aを切り離して夜間にタービン50を駆動しないのであれば、電動機80の駆動力で圧縮機20を駆動し、生成される圧縮空気の全てを圧縮空気貯蔵タンク30に貯蔵することができる。さらに、いずれの場合も、電動機80の駆動により、外部電力の有効活用も行える。
【００７９】
［実施形態６］
次に、実施形態１の発電システムにおける圧縮空気貯蔵タンクの構成に工夫を施した実施形態を図９に基づいて説明する。本例の発電システムは、圧縮空気貯蔵タンクの構成が実施形態１との相違点であるため、主としてこの相違点について以下に説明する。
【００８０】
(システム構成)
本例のシステムに用いる圧縮空気貯蔵タンク30は、例えば地下に埋設した多重管のタンクで構成される。より具体的には、入れ子式に構成された内管31、中管33、外管35の３つで構成される。多重管の数は複数であればよく、３つに限定されるわけではない。内管31と中管33、及び中管33と外管35との間は、図示しないスペーサにより互いに同軸に保持されている。その他、各管31,33,35の配置は、同軸でなくても、適宜な位置決め部材（図示略）により互いの位置を保持できるように配置されていても良い。これら各管内31,33,35の圧力は、内側の管ほど高圧とされている。つまり、内管31の圧力が最も高く、外管35の圧力が最も低く、中管33の圧力が両者の間の圧力とされている。一例として、内管31を200気圧、中管33を100気圧、外管35を50気圧となるように構成する。
【００８１】
本例では、各管31,33,35につながる配管の途中にバルブ70E〜70Gを設け、各管31,33,35の各々に圧縮機から圧縮空気を導入でき、かつ各管31,33,35の各々から燃焼器に圧縮空気を供給できるように構成している。また、内管31及び中管33の各々につながる差圧弁72I,72Mを設け、内管31と中管33、並びに中管33と外管35内の圧力を所定の差圧に保持することができる。具体的には、内管31から中管33に開放／封止可能な差圧弁72Iと、中管33から外管35に開放／封止可能な差圧弁72Mを設けている。これら差圧弁72I,72Mの代わりに、相異なる二つの圧力の比率を一定比に保持する比率調整弁を用いても良い。
【００８２】
(運転方法)
本例のタンク30を用いた発電システムも運転方法の仕方自体は、基本的に実施形態１と共通する。但し、圧縮空気貯蔵タンク30から燃焼器への圧縮空気の供給の仕方が複数挙げられる。その一つとしては、圧力の低い管、つまり外管35内の圧縮空気を燃焼器へ供給する。例えば、バルブ70C,70Eを開放し、バルブ70F,70Gは封止する。外管35内の圧縮空気をタービンの駆動に利用すると、外管35内の圧力が下がる。それに伴い外管35と中管33との圧力差が一定値以上になれば、差圧弁72Mが開放され、中管33内の圧縮空気の一部が外管35内に移動し、外管35内のほぼ圧力低下分を補償する。さらに中管33内の圧力の低下に伴い、中管33と内管31との圧力差が一定値以上になれば、差圧弁72Iが開放され、内31管内の圧縮空気の一部が中管33内に移動し、中管33内のほぼ圧力低下分を補償する。
【００８３】
圧縮空気貯蔵タンク30から燃焼器への圧縮空気の別な供給方法としては、例えば、昼間の電力消費ピーク時など、特に発電容量を増量した運転が必要な場合、バルブ70C,70Gを開放し、バルブ70E,70Fは封止して、高圧の管、例えば内管31に貯蔵される圧縮空気を燃焼器に供給して、タービンを高出力で回転させ、発電機の発電容量を増加させる。勿論、内管31の代わりに中管33から圧縮空気を燃焼器に供給してもよい。
【００８４】
これらの異なる圧縮空気の供給方法は、いずれか単独で行っても構わないし、双方を組み合わせて運用しても構わない。いずれの圧縮方法の供給方法の場合も、圧縮機から各管31,33,35へ圧縮空気を導入する場合は、バルブ70C〜70Gを適宜開放して行えばよい。
【００８５】
なお、上記差圧弁の動作する差圧、又は比率調整弁の上記圧力の比率は、適宜な値を選択できる。例えば、本例の場合、外管35内の規定圧力（50気圧）が40気圧にまで低下した際に差圧弁72Mが動作して外管35内の圧力を50気圧に復帰させることが挙げられる。中管33と内管31との間の空気の移動についても同様に行うことができる。その他、例えば、外管35と中管33の各規定圧力（中管：100気圧、外管：50気圧）の差（100気圧−50気圧＝50気圧）以上を、差圧弁の動作する差圧とし、外管35内から燃焼器へ空気が供給されると、その供給分に相当する空気を即時に中管33から外管35内に補填し、実質的に外管35内が一定圧力に保持されるように構成することが考えられる。この場合、外管35から燃焼器への空気の供給量に関わらず、外管35内の圧力は実質的に一定に保持される。このような定圧法は、従来、池や海水などの水圧と圧縮空気貯蔵タンク内の圧力との平衡を利用して実現するしかなく、そのことは圧縮空気貯蔵タンクの設置場所や構造に対する制約となっていた。一方、本例の運転方法によれば、上記水圧との平衡を利用しなくても、比較的容易に定圧法を実現できる。定圧法を用いてガスタービン発電を行えば、一定の高圧の圧縮空気を燃焼器に供給できるため、燃焼器への空気の供給に伴い圧縮空気貯蔵タンクの内圧が低下する変圧法に比べて、発電能力を大幅に高めることができ、さらにはガスタービン発電システムの制御が著しく容易になる。
【００８６】
(作用効果)
上記の構成のタンク30によれば、内管31は中管33内の圧力との差圧、中管33は外管35内の圧力との差圧、外管35は3つの管の中で最も低圧の圧縮空気を貯蔵できる強度のタンクを用いればよいため、圧縮空気貯蔵タンク30全体の寸法及びタンクの構成材料の削減を実現することができる。一般に、管に作用するフープストレスδ（kg/cm2）は、管の内径をr、管の肉厚をt、管の内圧をPとすると、δ＝（r／t）Pで表わされる。そのため、単一の管で高圧の圧縮空気を貯蔵しようとすれば、管の肉厚を非常に大きくしなければならず、特にタンク容積を大きくするにはタンクの径が大きくなってフープストレスも大きくなるため、さらに管の肉厚を大きくする必要があり、実用的な圧縮空気貯蔵タンクを構築することが難しい。これに対し、本例で用いたタンク30であれば、各管31,33,35の差圧に応じた圧力を保持できる管とすればよく、かつ高圧縮の空気を貯蔵する管ほど径が小さいため、過剰に肉厚の大きい管を用いることなく圧縮空気貯蔵タンク30を構成することができる。また、各差圧弁72I,72Mも高圧縮空気側と低圧縮空気側との差圧に応じた耐圧性を有する弁でよいため、過度に高圧仕様のものでなくても構わない。
【００８７】
さらに、この構成のタンク30に各管31,33,35から圧縮空気を出し入れするためのバルブ70E〜70Gや、高圧縮空気側の管と低圧縮空気側の管との間に差圧弁72I,72Mを設けることで、上述した異なる発電システムの運転を行うことができる。
【００８８】
［実施形態７］
次に、実施形態６の発電システムに用いた圧縮空気貯蔵タンクの変形例を図１０に基づいて説明する。本例でも発電システムは、圧縮空気貯蔵タンクの構成が相違点する点を除き、基本的に実施形態６と共通であるため、主としてこの相違点について以下に説明する。
【００８９】
(システム構成)
実施形態６の圧縮空気貯蔵タンク30は、三重の入れ子式の構成であったのに対し、本例の圧縮空気貯蔵タンクは、一つの大管34内に、３つの小管32を並列状態に配置している。大管34内に配置される小管32の数は特に限定されない。本例の場合、各小管32内に高圧縮空気を貯蔵し、大管34内に低圧縮空気を貯蔵している。各小管32内の圧力は同等としたが、いずれかの小管32の圧力が他の小管32の圧力と異なっても良い。
【００９０】
本例でも、各管32,34につながる配管の途中にバルブ70H〜70Kを設け、各管32,34の各々に圧縮機から圧縮空気を導入でき、かつ各管32,34の各々から燃焼器に圧縮空気を供給できるように構成している。また、各小管32の各々につながる差圧弁72Iを設け、小管32と大管34内の圧力を所定の差圧に保持することができる。これら差圧弁72Iの代わりに、相異なる二つの圧力の比率を一定比に保持する比率調整弁を用いても良い。なお、図１０（Ａ）では、小管32を三角形状に配置して示しているが、図１０（Ｂ）では、説明の便宜上、各小管32を横並びに並列して示している。
【００９１】
(運転方法)
本例のタンク30を用いた発電システムも運転方法の仕方自体は、基本的に実施形態１と共通であり、かつ圧縮空気貯蔵タンク30から燃焼器への圧縮空気の供給の仕方は実施形態６と同様に行うことができる。即ち、圧力の低い管、つまり大管34内の圧縮空気を燃焼器へ供給し、その管内の圧力低下に伴って差圧弁72Iを開放したり、電力ピーク消費時に圧力の高い管、つまり小管32から直接燃焼器に圧縮空気を供給したりすることができる。また、大管34から燃焼器に圧縮空気を供給し、その供給量に相当する空気を即時に少なくとも一つの小管32内から補填して、大管34内を実質的に一定圧力に保持するなど、本例のシステムでも定圧法により運転することが可能である。
【００９２】
(作用効果)
上記のタンクでも、実施形態６と同様の作用効果を奏することができる。
【００９３】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲で種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明の発電システム及びその運転方法は、原子力発電所や火力発電所など、他の発電システムと組み合わせて利用することで、よりエネルギーの効率的な利用に寄与したり、他の発電システムの予備電源として利用したりすることが期待される。
【符号の説明】
【００９５】
1A,1B,1C,1D,1E,1F  発電システム
10,10H  発電機  20,20H  圧縮機（第一圧縮機）  22  第二圧縮機
30  圧縮空気貯蔵タンク  31  内管  33  中管  35  外管  32  小管  34  大管
40,40H  燃焼器  50,50H  タービン
60A  第一クラッチ  60B  第二クラッチ
60C  第三クラッチ  60D  第四クラッチ  60E  第五クラッチ
70A〜70K  バルブ  72I、72M  差圧弁
80  電動機  85  動力伝達機構  90  切替手段  92  遮断部
H-PS  火力発電所
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年9月24日(2012.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と、
吸入した空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、
前記圧縮空気を貯蔵する圧縮空気貯蔵タンクと、
前記圧縮機で生成された圧縮空気及び前記圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵された圧縮空気の少なくとも一方に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転されるタービンと、
前記タービンの回転力を前記圧縮機に伝達又は遮断する第一クラッチと、
前記タービンの回転力を前記発電機に伝達又は遮断する第二クラッチと、
前記圧縮機で生成された圧縮空気が前記圧縮空気貯蔵タンクに送られることを許容又は遮断する第一開閉手段と、
前記圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気が前記燃焼器に送られることを許容又は遮断する第二開閉手段とを備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記圧縮機で生成された圧縮空気が前記燃焼器に送られることを許容又は遮断する第三開閉手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
外部電力により駆動される電動機と、
この電動機の駆動力を前記圧縮機に伝達する動力伝達機構とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記電動機が前記発電機であることを特徴とする請求項３に記載の発電システム。
【請求項５】
前記外部電力が、太陽光、風力、地熱、潮汐などの再生可能エネルギー由来の電力であることを特徴とする請求項３又は４に記載の発電システム。
【請求項６】
前記発電機、圧縮機、燃焼器、タービン、第一クラッチ、第二クラッチ、第一開閉手段、及び第二開閉手段を一ユニットとし、
複数ユニットに対して一つの前記圧縮空気貯蔵タンクを共用することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項７】
原子力発電所に設置され、前記外部電力を前記原子力発電所の発電電力とすることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項８】
前記原子力発電所の予備電源として用いられることを特徴とする請求項７に記載の発電システム。
【請求項９】
前記圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気を前記原子力発電所の予備動力源とすることを特徴とする請求項７又は８に記載の発電システム。
【請求項１０】
さらに、外部電力を用いて前記圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵するための圧縮空気を生成する第二圧縮機を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項１１】
前記圧縮空気貯蔵タンクは、入れ子式に配される複数の管を備え、
内側の管内の圧力が外側の管内の圧力よりも高圧であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項１２】
前記内側の管内と外側の管内とを所定の差圧に応じて連通させる差圧弁を備えることを特徴とする請求項１１に記載の発電システム。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の発電システムを用い、
昼間などの電力需要の多い高負荷時、前記第一クラッチを遮断、前記第二クラッチを結合、前記第一開閉手段を遮断、前記第二開閉手段を開放して、前記圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気を用いて前記燃料を燃焼させ、タービンの回転により発電機を駆動して発電し、
夜間などの電力需要の少ない低負荷時、前記第一クラッチを結合、前記第二クラッチを遮断、前記第一開閉手段を開放、前記第二開閉手段を遮断して、前記タービンと前記圧縮機とを連動させ、その圧縮機で生成した圧縮空気を前記燃焼器及び前記圧縮空気貯蔵タンクに供給することを特徴とする発電システムの運転方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の発電システムを用い、
前記外側の管内の空気を前記燃焼器に供給し、この供給分の空気を前記内側の管内から前記差圧弁を介して前記外側の管内に補填することで、実質的に前記外側の管内の圧力を一定に保持することを特徴とする請求項１３に記載の発電システムの運転方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の発電システムは、発電機と、圧縮機と、圧縮空気貯蔵タンクと、燃焼器と、タービンと、第一クラッチと、第二クラッチと、第一開閉手段と、第二開閉手段とを備える。圧縮機は、吸入した空気を圧縮して圧縮空気を生成する。圧縮空気貯蔵タンクは、前記圧縮空気を貯蔵する。燃焼器は、前記圧縮機で生成された圧縮空気及び前記圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵された圧縮空気の少なくとも一方に燃料を混合して燃焼させる。タービンは、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより回転される。第一クラッチは、前記タービンの回転力を前記圧縮機に伝達又は遮断する。第二クラッチは、前記タービンの回転力を前記発電機に伝達又は遮断する。第一開閉手段は、前記圧縮機で生成された圧縮空気が前記圧縮空気貯蔵タンクに送られることを許容又は遮断する。そして、第二開閉手段は、前記圧縮空気貯蔵タンクの圧縮空気が前記燃焼器に送られることを許容又は遮断する。
【国際調査報告】
2012147792.tif 000013
2012147792.tif 000014