(57)【要約】【課題】圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法において、逆発電を抑制する。【解決手段】圧縮空気貯蔵発電装置１は、電力を利用して圧縮空気を製造する機能および圧縮空気を利用して発電する機能を有する圧縮膨張兼用機１０と、圧縮膨張兼用機１０と流体的に接続され、圧縮空気を蓄える蓄圧部２０と、圧縮膨張兼用機１０の回転数を調整するインバータ５１，５２と、蓄圧部２０から圧縮膨張兼用機１０に供給される圧縮空気の量を調整する流量調整弁３４と、圧縮膨張兼用機１０の発電量を減少させる指令値を受けたとき、インバータ５１，５２によって圧縮膨張兼用機１０の回転数を減少させ、かつ流量調整弁３４の開度を小さくすることによって、圧縮膨張兼用機１０の発電量を減少させる制御装置５０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を利用して圧縮空気を製造する機能および前記圧縮空気を利用して発電する機能を有する圧縮膨張兼用機と、
前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮空気を蓄える蓄圧部と、
前記圧縮膨張兼用機の回転数を調整するインバータと、
前記蓄圧部から前記圧縮膨張兼用機に供給される前記圧縮空気の量を調整する流量調整弁と、
前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる指令値を受けたとき、前記インバータによって前記圧縮膨張兼用機の回転数を減少させ、かつ前記流量調整弁の開度を小さくすることによって、前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる制御装置と
を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記圧縮膨張兼用機の定格回転数に対する現在の回転数の割合に応じて前記流量調整弁の開度を調整する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記圧縮膨張兼用機の停止後、前記流量調整弁の開度を全開にする、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。
【請求項４】
前記指令値は、予測値である、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。
【請求項５】
前記制御装置は、前記圧縮膨張兼用機の１ＭＷ以上の発電量が１００秒以内に１００％から０％まで減少させる指令値を受けたとき、前記インバータによって前記圧縮膨張兼用機の回転数を減少させ、かつ前記流量調整弁の開度を小さくすることによって、前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項６】
前記圧縮膨張兼用機を発電から充電に切り替える前記指令値を受けたとき、前記インバータによって前記圧縮膨張兼用機の回転数を減少させ、かつ前記流量調整弁の開度を小さくすることによって、前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項７】
電力を利用して圧縮空気を製造する機能および前記圧縮空気を利用して発電する機能を有する圧縮膨張兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮空気を蓄える蓄圧部と、前記圧縮膨張兼用機の回転数を調整するインバータと、前記蓄圧部から前記圧縮膨張兼用機に供給される前記圧縮空気の量を調整する流量調整弁とを備える圧縮空気貯蔵発電装置を準備し、
前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる指令値を受けたとき、前記インバータによって前記圧縮膨張兼用機の回転数を減少させ、かつ前記流量調整弁の開度を小さくすることによって、前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる
ことを含む、圧縮空気貯蔵発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力または太陽光などの再生可能エネルギーを利用した発電は、天候に応じて発電量が変動する。発電量の変動を平滑化するために、風力発電所または太陽光発電所などの再生可能エネルギーを利用した発電所には、エネルギー貯蔵装置が併設されることがある。そのようなエネルギー貯蔵装置の一例として、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、電力を利用して圧縮空気を製造および貯蔵し、貯蔵した圧縮空気を利用してタービン発電機などで適時に発電するものである。
【０００３】
特許文献１には、圧縮空気を貯蔵する前に圧縮空気から熱回収し、貯蔵された圧縮空気をタービン発電機に供給するときに再加熱する断熱圧縮空気貯蔵（ACAES：Adiabatic Compressed Air Energy Storage）発電装置が記載されている。ＡＣＡＥＳ発電装置は、圧縮熱を回収して発電時に使用するため、通常のＣＡＥＳ発電装置に比べて発電効率が高い。以降、ＡＣＡＥＳ発電装置とＣＡＥＳ発電装置とを区別することなく、単にＣＡＥＳ発電装置ともいう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１３−５０９５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＡＥＳ発電装置では、設置スペースなどの観点から、電動機で駆動する圧縮機を発電機を駆動させる膨張機として兼用できる圧縮膨張兼用機が使用されることがある。圧縮膨張兼用機は、電動機と発電機の両機能を有する電動発電兼用機（以下、電動発電機という。）を備えている。そのため、圧縮膨張兼用機は、圧縮機能（ＣＡＥＳ発電装置における充電機能）と膨張機能（ＣＡＥＳ発電装置における発電機能）とを有し、通常インバータによって圧縮膨張兼用機の回転数を制御することにより、状況に応じてそれらの機能が切り替えられる。
【０００６】
例えば、発電から充電へと切り替えるときには、発電量を減少させてゼロにし、その後に充電を行う。特に発電量を減少させる際に、逆発電と称される現象が発生することがある。逆発電は、発電機の回転数（膨張機の回転数）を例えば定格からゼロまで減少させるためにインバータの出力周波数を変化させたときに制動トルクが生じ、この制動トルクが発電量の上昇に寄与し、過剰に発電することになる現象である。
【０００７】
入力電力および需要電力に基づく指令値に応じて行われる発電量の調整においては、インバータでの逆発電の制御が難しく、意図せずに不要な電力が生成される。従って、適量の発電を行うために、逆発電を抑制する手法が求められている。
【０００８】
本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法において、電動発電機の回転数を変化させた際の逆発電を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、電力を利用して圧縮空気を製造する機能および前記圧縮空気を利用して発電する機能を有する圧縮膨張兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮空気を蓄える蓄圧部と、前記圧縮膨張兼用機の回転数を調整するインバータと、前記蓄圧部から前記圧縮膨張兼用機に供給される前記圧縮空気の量を調整する流量調整弁と、前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる指令値を受けたとき、前記インバータによって前記圧縮膨張兼用機の回転数を減少させ、かつ前記流量調整弁の開度を小さくすることによって、前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させ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。
【００１０】
この構成によれば、インバータと流量調整弁の両方によって圧縮膨張兼用機の発電量を調整できる。特に発電量を減少させる際、インバータによる回転数の減少制御と合わせて流量調整弁の開度を小さくすることで圧縮膨張兼用機に供給される圧縮空気の量を減少させている。圧縮膨張兼用機は、同じ回転数であっても供給される圧縮空気が少なければ発電量が減少する。そのため、上記構成では、インバータのみを制御する場合と比べて、インバータと流量調整弁を合わせて制御することで発電量を適正に減少させることができる。これにより、インバータの回転数制御を従来から変更することなく、逆発電による発電量の増加を実質的に抑制できる。
【００１１】
前記制御装置は、前記圧縮膨張兼用機の定格回転数に対する現在の回転数の割合に応じて前記流量調整弁の開度を調整してもよい。
【００１２】
この構成によれば、圧縮膨張兼用機に対して発電効率の観点から効率よく圧縮空気を供給できる。即ち、定格回転数のときに最も多くの圧縮空気を供給し、現在の回転数が減少している間には圧縮膨張兼用機に供給する圧縮空気量を減少させることで、逆発電を抑制した効率的な発電が可能となる。
【００１３】
前記制御装置は、前記圧縮膨張兼用機の停止後、前記流量調整弁の開度を全開にしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、圧縮膨張兼用機による発電を準備することができる。一旦、圧縮膨張兼用機を停止すると、再起動までには一定の時間がかかる。この時間は短い方が好ましく、円滑に再起動できることが好ましい。そこで、圧縮膨張兼用機を停止させた際に予め流量調整弁の開度を全開にし、圧縮空気の供給を予め準備しておくことで、円滑な再起動が可能となる。
【００１５】
前記指令値は、予測値であってもよい。
【００１６】
この構成によれば、予測値に基づいて制御を行うため、時間遅れの少ない効率的な制御が可能となる。この予測値は、入力電力と需要電力の差の時間変化の予測値であり、例えば、同時間帯の過去のデータに基づいて算出されてもよい。また、例えば、圧縮膨張兼用機に入力される電力が太陽光または風力などの再生可能エネルギーによって発電された電力の場合には気象条件に基づいて電力量（充電量）を予測してもよい。また、例えば、要求される発電量が工場等の設備で要求される電力量の場合には昼間または夜間などの工場等の設備の稼働時間帯に応じて予測されてもよい。
【００１７】
前記制御装置は、前記圧縮膨張兼用機の１ＭＷ以上の発電量が１００秒以内に１００％から０％まで減少させる指令値を受けたとき、前記インバータによって前記圧縮膨張兼用機の回転数を減少させ、かつ前記流量調整弁の開度を小さくすることによって、前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させてもよい。
【００１８】
この構成によれば、大きな発電量を急激に減少させる指令値を受けた際に生じる大きな逆発電を抑制できる。逆発電は、発電量を大きく減少させる際に大きく発生する。特に、１ＭＷ以上の発電量が１００秒以内に１００％から０％まで急激に減少されると、問題となり得る大きな逆発電が発生し得るため、これを抑制できる。
【００１９】
前記圧縮膨張兼用機を発電から充電に切り替える前記指令値を受けたとき、前記インバータによって前記圧縮膨張兼用機の回転数を減少させ、かつ前記流量調整弁の開度を小さくすることによって、前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させてもよい。
【００２０】
この構成によれば、発電から充電に切り替える際に生じる大きな逆発電を抑制できる。逆発電は、発電量を大きく減少させる際に大きく生じるため、発電から充電に切り替える際に大きく生じ得る。従って、発電から充電に切り替える際に発生し得る大きな逆発電を抑制できる。
【００２１】
本発明の第２の態様は、電力を利用して圧縮空気を製造する機能および前記圧縮空気を利用して発電する機能を有する圧縮膨張兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮空気を蓄える蓄圧部と、前記圧縮膨張兼用機の回転数を調整するインバータと、前記蓄圧部から前記圧縮膨張兼用機に供給される前記圧縮空気の量を調整する流量調整弁とを備える圧縮空気貯蔵発電装置を準備し、前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる指令値を受けたとき、前記インバータによって前記圧縮膨張兼用機の回転数を減少させ、かつ前記流量調整弁の開度を小さくすることによって、前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させることを含む、圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法において、圧縮膨張兼用機の回転数の制御に関してインバータだけでなく流量調整弁を使用しているため、逆発電を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。
【図２】指令値と実際の充電量／発電量を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２５】
図１を参照して、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置１および風力発電所２は図示しない系統電源に電気的に接続されている。風力発電所２の発電量は天候等に応じて変動するため、この変動する発電量を平滑化して系統電源に導電ないし系統電源から受電するためのエネルギー貯蔵装置としてＣＡＥＳ発電装置１が設けられている。代替的には、ＣＡＥＳ発電装置１が風力発電所２に直接電気的に接続されていてもよい。
【００２６】
ＣＡＥＳ発電装置１は、圧縮膨張兼用機１０と、蓄圧部２０とを備える。これらは、空気配管５によって流体的に接続されている。空気配管５内には空気が流動している。
【００２７】
圧縮膨張兼用機１０は、２段型のスクリュ式である。圧縮膨張兼用機１０は、低圧段本体１１と、高圧段本体１２とを備える。
【００２８】
低圧段本体１１は、低圧側の空気の出入口となる第１ポート１１ａと、高圧側の空気の出入口となる第２ポート１１ｂとを備える。低圧段本体１１は、図示しない雌雄一対のスクリュロータを有している。スクリュロータには、電動発電機１３が機械的に接続されている。電動発電機１３は電動機としての機能および発電機としての機能を有し、これらを切り替えて使用できる。詳細には、電動発電機１３を電動機として使用し、スクリュロータを回転させることによって空気を圧縮することができる。また、圧縮空気を膨張させてこのスクリュロータを回転させ、電動発電機１３を発電機として駆動させることによって発電できる。従って、圧縮膨張兼用機１０は、風力発電所２からの電力を消費して空気を圧縮する機能と、蓄圧部２０からの圧縮空気を利用して発電する機能とを有する。
【００２９】
同様に、高圧段本体１２もまた、低圧側の空気の出入口となる第１ポート１２ａと、高圧側の空気の出入口となる第２ポート１２ｂとを備える。高圧段本体１２は、図示しない雌雄一対のスクリュロータを有している。スクリュロータには、電動発電機１４が機械的に接続されている。電動発電機１４は、上記の低圧段本体１１と同様に圧縮機能および発電機能を有する。
【００３０】
蓄圧部２０は、空気配管５を介して高圧段本体１２の第２ポート１２ｂと流体的に接続されており、圧縮空気を蓄える。ＣＡＥＳ発電装置１は、圧縮膨張兼用機１０にて圧縮した圧縮空気を蓄圧部２０に貯蔵するとともに、蓄圧部２０に貯蔵した圧縮空気を圧縮膨張兼用機１０に供給して発電する。蓄圧部２０の態様は、圧縮空気を貯蔵できる態様であれば特に限定されず、例えば、鋼製のタンクまたは地下空洞などであり得る。
【００３１】
蓄圧部２０には、内圧を測定するための圧力センサ２１が取り付けられている。蓄圧部２０には、耐久性などの観点から貯蔵する圧縮空気量に許容値がある。そのため、圧力センサ２１を用いた後述の制御により、当該許容値を超過しないようにしている。
【００３２】
空気配管５には、低圧側から高圧側に向かって、低圧段本体１１、後述する第１熱交換器４１、高圧段本体１２、後述する第２熱交換器４２、および蓄圧部２０が設けられている。特に、高圧段本体１２の第２ポート１２ｂと蓄圧部２０とを流体的に接続する空気配管５は途中で分岐しており、分岐した空気配管５ａ，５ｂには後述する制御装置５０によって制御されている様々な弁３１〜３５が設けられている。
【００３３】
上記分岐した空気配管５ａ，５ｂのうち一方の空気配管５ａには、低圧側から高圧側に向かって、逆止弁３１、放気弁３２、および遮断弁３３がこの順に設けられている。逆止弁３１は、蓄圧部２０に向かって流れる空気の逆流を防止する。放気弁３２は、開かれることで圧縮空気を大気に解放できる。そのため、蓄圧部２０の内圧の許容値を超えて蓄圧部２０に圧縮空気を貯蔵することを防止できる。遮断弁３３は、蓄圧部２０への圧縮空気への流れを許容または遮断する。
【００３４】
上記分岐した空気配管５ａ，５ｂのうち他方の空気配管５ｂには、低圧側から高圧側に向かって、流量調整弁３４および遮断弁３５がこの順に設けられている。流量調整弁３４は、蓄圧部２０から圧縮膨張兼用機１０に向かって流れる圧縮空気の流量を調整する。遮断弁３５は、蓄圧部２０から圧縮膨張兼用機１０への圧縮空気の流れを許容する。
【００３５】
また、ＣＡＥＳ発電装置１は、第１熱交換器４１と、第２熱交換器４２と、高温蓄熱部４３と、低温蓄熱部４４と、ポンプ４５とを備える。これらは、熱媒配管６によって流体的に接続されている（破線参照）。熱媒配管６内には熱媒が流動している。熱媒の種類は特に限定されないが、例えば水または油などであり得る。
【００３６】
第１熱交換器４１では、低圧段本体１１と高圧段本体１２との間で延びる空気配管５内を流れる圧縮空気と、熱媒配管６内を流れる熱媒との間で、熱交換が行われる。第１熱交換器４１は、例えば汎用のプレート式のものであってもよい。
【００３７】
第２熱交換器４２では、高圧段本体１２と蓄圧部２０との間で延びる空気配管５内を流れる圧縮空気と、熱媒配管６内を流れる熱媒との間で、熱交換が行われる。第２熱交換器４２は、例えば汎用のプレート式のものであってもよい。
【００３８】
高温蓄熱部４３は、例えば鋼製のタンクであり得る。高温蓄熱部４３は、高温の熱媒を貯蔵している。高温蓄熱部４３に貯蔵された熱媒の温度は、第１熱交換器４１および第２熱交換器４２での後述する熱交換を行うことができる程度に高く維持されている。
【００３９】
低温蓄熱部４４は、例えば鋼製のタンクであり得る。低温蓄熱部４４は、低温の熱媒を貯蔵している。低温蓄熱部４４に貯蔵された熱媒の温度は、第１熱交換器４１および第２熱交換器４２での後述する熱交換を行うことができる程度に低く維持されている。
【００４０】
本実施形態では、高温蓄熱部４３と低温蓄熱部４４とを繋ぐ熱媒配管６において、第１熱交換器４１が介設された経路と、第２熱交換器４２が介設された経路とが設けられている。即ち、第１熱交換器４１と第２熱交換器４２は、直列接続されているのではなく、並列接続されている。
【００４１】
ポンプ４５は、後述する制御装置５０によって制御されており、熱媒配管６内の熱媒を流動させるものである。ポンプ４５によって、高温蓄熱部４３から低温蓄熱部４４に熱媒を流すか、または、低温蓄熱部４４から高温蓄熱部４３に熱媒を流すかを切り替えることができる。
【００４２】
また、ＣＡＥＳ発電装置１は、制御装置５０と、インバータ５１，５２とを備える。これらは、有線または無線によって電気的に接続されている（一点鎖線参照）。
【００４３】
インバータ５１は、制御装置５０によって制御されている。インバータ５１は、低圧段本体１１の電動発電機１３の回転数を調整する。
【００４４】
インバータ５２は、制御装置５０によって制御されている。インバータ５２は、高圧段本体１２の電動発電機１４の回転数を調整する。
【００４５】
制御装置５０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ（Random Access Memory）、およびＲＯＭ（Read Only Memory）等のハードウェアと、それらに実装されたソフトウェアとにより構築されている。
【００４６】
制御装置５０は、風力発電所２からの電力（入力電力）および図示しない工場等から要求される電力（需要電力）に関するデータを受信している。詳細には、制御装置５０は、入力電力から需要電力を差し引いた値を指令値として受信している。制御装置５０は、指令値に応じて、電力が余剰であるか、または、不足しているかを判断し、ＣＡＥＳ発電装置１の動作を制御する。即ち、制御装置５０の当該判断に基づいて、圧縮膨張兼用機１０の充電／発電の切り替えや回転数制御が行われる。
【００４７】
以上の構成を有するＣＡＥＳ発電装置１の充電動作および発電動作について説明する。
【００４８】
充電動作では、風力発電所２からの電力によって電動発電機１３を電動機として駆動し、低圧段本体１１の第１ポート１１ａから空気を吸気して圧縮する。低圧段本体１１で圧縮された圧縮空気は、圧縮熱によって昇温するとともに第２ポート１１ｂから吐出され、第１熱交換器４１に供給される。
【００４９】
充電動作では、熱媒は、ポンプ４５の制御によって低温蓄熱部４４から高温蓄熱部４３に向かって流される。そのため、第１熱交換器４１には、高温の圧縮空気と低温の熱媒とが供給され、これらの間で熱交換が実行される。従って、第１熱交換器４１では、圧縮空気は冷却され、熱媒は加熱される。ここで冷却された圧縮空気は高圧段本体１２の第１ポート１２ａに供給され、加熱された熱媒は高温蓄熱部４３に供給されて貯蔵される。
【００５０】
高圧段本体１２では、風力発電所２からの電力によって電動発電機１４を電動機として駆動し、第１ポート１２ａから供給された圧縮空気をさらに圧縮する。高圧段本体１２で圧縮された圧縮空気は、圧縮熱によって昇温するとともに第２ポート１２ｂから吐出され、第２熱交換器４２に供給される。
【００５１】
充電動作では、熱媒は、前述のようにポンプ４５の制御によって低温蓄熱部４４から高温蓄熱部４３に向かって流される。そのため、第２熱交換器４２には、高温の圧縮空気と低温の熱媒とが供給され、これらの間で熱交換が実行される。従って、第２熱交換器４２では、圧縮空気は冷却され、熱媒は加熱される。ここで冷却された圧縮空気は蓄圧部２０に供給されて貯蔵され、加熱された熱媒は高温蓄熱部４３に供給されて貯蔵される。このとき、空気配管５ａの遮断弁３３は開かれており、空気配管５ｂの遮断弁３５は閉じられている。
【００５２】
また、充電動作では、圧力センサ２１で測定された蓄圧部２０の内圧が許容値に達すると、制御装置５０によって放気弁３２が開かれ、圧縮空気は蓄圧部２０に貯蔵されずに大気に放気される。これにより、蓄圧部２０の内圧が許容値以上となることを防止できる。
【００５３】
発電動作では、蓄圧部２０の圧縮空気を第２熱交換器４２に供給する。発電動作では、熱媒は、ポンプ４５の制御によって高温蓄熱部４３から低温蓄熱部４４に向かって流される。そのため、第２熱交換器４２には、低温の圧縮空気と高温の熱媒とが供給され、これらの間で熱交換が実行される。従って、第２熱交換器４２では、圧縮空気は加熱され、熱媒は冷却される。ここで加熱された圧縮空気は高圧段本体１２の第２ポート１２ｂに供給されて貯蔵され、冷却された熱媒は低温蓄熱部４４に供給されて貯蔵される。このとき、空気配管５ｂの遮断弁３５は開かれており、空気配管５ａの遮断弁３３は閉じられている。また、流量調整弁３４は、後述するように制御装置５０によって開度が調整されており、必要量の圧縮空気が高圧段本体１２に供給される。
【００５４】
高圧段本体１２は、第２ポート１２ｂから供給された圧縮空気を膨張させることによって駆動され、電動発電機１４を発電機として駆動させて発電する。高圧段本体１２で膨張された圧縮空気は、第１ポート１２ａから排気され、第１熱交換器４１に供給される。
【００５５】
発電動作では、熱媒は、前述のようにポンプ４５の制御によって高温蓄熱部４３から低温蓄熱部４４に向かって流される。そのため、第１熱交換器４１には、低温の圧縮空気と高温の熱媒とが供給され、これらの間で熱交換が実行される。従って、第１熱交換器４１では、圧縮空気は加熱され、熱媒は冷却される。ここで加熱された圧縮空気は低圧段本体１１の第２ポート１１ｂに供給され、冷却された熱媒は低温蓄熱部４４に供給されて貯蔵される。
【００５６】
低圧段本体１１は、第２ポート１１ｂから供給された圧縮空気を膨張させることによって駆動され、電動発電機１３を発電機として駆動させて発電する。低圧段本体１１で膨張された圧縮空気は、第１ポート１１ａから大気に排気される。
【００５７】
高圧段本体１２および低圧段本体１１にて発電された電力は、図示しない工場などの供給先へと供給される。
【００５８】
図２は、指令値と実際の充電量／発電量を示すグラフである。グラフの横軸が時間を示し、縦軸が充電量／発電量を示している。グラフの縦軸においては、正の値を発電量とし、負の値を充電量としている。破線で示す曲線は指令値を示しており、実線で示す曲線は実際の充電量／発電量を示している。グラフを見ると、指令値に対してわずかに遅れて、概ね指令値通りの実際の充電／発電が行われていることがわかる。
【００５９】
図２のグラフの時間ｔｃ１〜ｔｃ３の区間では、指令値が大きく減少し、時間ｔｃ２にて発電指令から充電指令に切り替わっている。それに応じて実際の充電量／発電量も時間ｔｒ１〜ｔｒ３の区間では大きく減少し、時間ｔｒ２にて発電動作から充電動作に切り替わっている。ただし、図２のグラフはあくまで説明のための模式的な一例であり、実際のものとは異なる場合がある。例えば、発電から充電への切り替えは、実際には待機時間を要し、運転が一時的に停止されることがある。
【００６０】
制御装置５０は、図２のグラフの時間ｔｃ１〜ｔｃ３に示すように圧縮膨張兼用機１０の発電量を減少させる指令値を受けたとき、インバータ５１，５２によって圧縮膨張兼用機１０の回転数を減少させ、かつ流量調整弁３４の開度を小さくすることによって、圧縮膨張兼用機１０の発電量を減少させる。即ち、制御装置５０は、インバータ５１，５２による電動発電機１３，１４の回転数の制御と、流量調整弁３４による蓄圧部２０から圧縮膨張兼用機１０に向かって流れる圧縮空気の流量の制御とを同時に行う。これにより、インバータ５１，５２と流量調整弁３４とによって圧縮膨張兼用機１０の発電量を調整できる。特に発電量を減少させる際、インバータ５１，５２による回転数の減少制御と合わせて流量調整弁３４の開度を小さくすることで圧縮膨張兼用機１０に供給される圧縮空気の量を減少させている。圧縮膨張兼用機１０は、同じ回転数であっても供給される圧縮空気が少なければ制動トルクによる過剰な発電量を抑制でき、その分の発電量が減少する。そのため、本実施形態の構成では、インバータ５１，５２のみを制御する場合と比べて、インバータ５１，５２と流量調整弁３４を合わせて制御することで発電量を適正に減少させることができる。これにより、インバータ５１，５２の回転数制御を従来から変更することなく、逆発電による発電量の増加を実質的に抑制できる。
【００６１】
好ましくは、圧縮膨張兼用機１０の１ＭＷ以上の発電量を１００秒以内に１００％から０％まで急激に減少させる指令値を受けたとき、上記制御を実行する。これにより、急激に発電量を減少させる指令値を受けた際に生じる大きな逆発電を抑制できる。逆発電は、発電量を大きく減少させる際に大きく発生する。特に、１ＭＷ以上の発電量が１００秒以内に１００％から０％まで急激に減少されると、問題となり得る大きな逆発電が発生し得るため、これを抑制できる。
【００６２】
好ましくは、図２のグラフの時間ｔｃ２に示すように圧縮膨張兼用機１０を発電から充電に切り替える指令値を受けたとき、上記制御を実行する。これにより、発電から充電に切り替える際に生じる大きな逆発電を抑制できる。逆発電は、発電量を大きく減少させる際に大きく生じるため、発電から充電に切り替える際に大きく生じ得る。従って、発電から充電に切り替える際に発生し得る大きな逆発電を抑制できる。
【００６３】
好ましくは、制御装置５０は、圧縮膨張兼用機１０の定格回転数に対する現在の回転数の割合に応じて流量調整弁３４の開度を調整する。例えば、定格回転数Ｎｃとし、現在の回転数Ｎｒとすると、流量調整弁３４の開度は、無次元量Ｎｒ／Ｎｃに応じて設定し、現在の回転数Ｎｒが定格回転数Ｎｃとなっているときに流量調整弁３４の開度を最大とする。これにより、圧縮膨張兼用機１０に対して発電効率の観点から効率よく圧縮空気を供給できる。即ち、現在の回転数Ｎｒが定格回転数Ｎｃのときに流量調整弁３４の開度が最大となり、最も多くの圧縮空気を供給し、現在の回転数Ｎｒが減少している間には圧縮膨張兼用機１０に供給する圧縮空気量を減少させることで、逆発電を抑制した効率的な発電が可能となる。
【００６４】
好ましくは、制御装置５０は、圧縮膨張兼用機１０の停止後、流量調整弁３４の開度を全開にする。これにより、圧縮膨張兼用機１０による発電を準備することができる。一旦、圧縮膨張兼用機１０を停止すると、再起動までには一定の時間がかかる。この時間は短い方が好ましく、円滑に再起動できることが好ましい。そこで、圧縮膨張兼用機１０を停止させた際に予め流量調整弁３４の開度を全開にし、圧縮空気の供給を予め準備しておくことで、円滑な再起動が可能となる。
【００６５】
好ましくは、指令値は、予測値である。これにより、予測値に基づいて制御を行うため、時間遅れの少ない効率的な制御が可能となる。この予測値は、例えば、同時間帯の過去のデータに基づいて算出されてもよい。また、例えば、本実施形態のように圧縮膨張兼用機１０に入力される電力が風力などの再生可能エネルギーによって発電された電力の場合には気象条件に基づいて風力発電の電力量（充電量）を予測してもよい。また、例えば、要求される発電量が工場等の設備で要求される電力量の場合には昼間または夜間などの工場等の設備の稼働時間帯に応じて予測されてもよい。
【００６６】
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、圧縮膨張兼用機１０は、２段型に限らず、単段型または３段型以上であってもよい。また、圧縮膨張兼用機１０は、スクリュ式に限らず、スクロール式などの回転型のものであり得る。また、圧縮膨張兼用機１０に供給される電力は、風力発電に限らず、太陽光、太陽熱、波力、潮力、流水、または潮汐等の自然の力で定常的ないし反復的に補充され、不規則に変動するエネルギーを利用した発電電力の全てを対象とし得る。さらに言えば、再生可能エネルギー以外にも不規則に稼働する発電設備を有する工場等のように、発電量が変動するものすべてを対象とし得る。
【００６７】
上記実施形態では、低圧段本体１１と高圧段本体１２のそれぞれに対してインバータと電動発電機を設けているが、低圧段本体１１と高圧段本体１２はインバータと電動発電機を共有してもよい。具体的には、１台のインバータが１台の電動発電機に電気的に接続され、１台の電動発電機がギアを介して低圧段本体１１と高圧段本体１２のそれぞれに機械的に接続されてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１  ＣＡＥＳ発電装置（圧縮空気貯蔵発電装置）
２  風力発電所
５，５ａ，５ｂ  空気配管
６  熱媒配管
１０  圧縮膨張兼用機
１１  低圧段本体
１１ａ  第１ポート
１１ｂ  第２ポート
１２  高圧段本体
１２ａ  第１ポート
１２ｂ  第２ポート
１３，１４  電動発電機
２０  蓄圧部
２１  圧力センサ
３１  逆止弁
３２  放気弁
３３  遮断弁
３４  流量調整弁
３５  遮断弁
４１  第１熱交換器
４２  第２熱交換器
４３  高温蓄熱部
４４  低温蓄熱部
４５  ポンプ
５０  制御装置
５１，５２  インバータ
【図１】
2020084913.tif 000003
【図２】
2020084913.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月17日(2020.3.17)
【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】
電力を利用して圧縮空気を製造する機能および前記圧縮空気を利用して発電する機能を有する圧縮膨張兼用機と、
前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮空気を蓄える蓄圧部と、
前記圧縮膨張兼用機の回転数を調整するインバータと、
前記蓄圧部から前記圧縮膨張兼用機に供給される前記圧縮空気の量を調整する流量調整弁と、
前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる指令値を受けたとき、前記インバータによって前記圧縮膨張兼用機の回転数を減少させ、かつ前記流量調整弁の開度を小さくすることによって、逆発電を抑制するように前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる制御装置と
を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記圧縮膨張兼用機の定格回転数に対する現在の回転数の割合に応じて前記流量調整弁の開度を調整する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記圧縮膨張兼用機の停止後、前記流量調整弁の開度を全開にする、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。
【請求項４】
前記指令値は、予測値である、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。
【請求項５】
前記制御装置は、前記圧縮膨張兼用機の１ＭＷ以上の発電量が１００秒以内に１００％から０％まで減少させる指令値を受けたとき、前記インバータによって前記圧縮膨張兼用機の回転数を減少させ、かつ前記流量調整弁の開度を小さくすることによって、前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項６】
前記圧縮膨張兼用機を発電から充電に切り替える前記指令値を受けたとき、前記インバータによって前記圧縮膨張兼用機の回転数を減少させ、かつ前記流量調整弁の開度を小さくすることによって、前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項７】
電力を利用して圧縮空気を製造する機能および前記圧縮空気を利用して発電する機能を有する圧縮膨張兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮空気を蓄える蓄圧部と、前記圧縮膨張兼用機の回転数を調整するインバータと、前記蓄圧部から前記圧縮膨張兼用機に供給される前記圧縮空気の量を調整する流量調整弁とを備える圧縮空気貯蔵発電装置を準備し、
前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる指令値を受けたとき、前記インバータによって前記圧縮膨張兼用機の回転数を減少させ、かつ前記流量調整弁の開度を小さくすることによって、逆発電を抑制するように前記圧縮膨張兼用機の発電量を減少させる
ことを含む、圧縮空気貯蔵発電方法。