(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動軸と、
前記駆動軸に連結された電動発電機と、
前記駆動軸に連結され、第１のラインを介して圧縮空気を空洞に出力するように構成された圧縮機と、
前記駆動軸に連結され、第２のラインを介して空気を空洞から受けるように構成されたタービンと、
熱結合された前記第１のラインおよび前記第２のラインを有する第１ないし第３の熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）デバイス（以下、「ＴＥＳデバイス」という）と、
前記第２のラインに熱結合され、可燃性物質を燃焼し、前記第２のラインを介して排気流を前記タービンへと生成するように構成された燃焼装置と、
前記第１のＴＥＳデバイスを通るとき前記空気を加熱するように、前記第２のラインを通る前記空気の流れを制御し、
前記可燃性物質が前記燃焼装置へと送られるようにし、
前記燃焼装置が前記第２のラインからの前記空気により前記可燃性物質を燃焼し、排気流を前記タービン内へと生成するように操作し、
前記電動発電機が、前記駆動軸を介して前記タービンから前記電動発電機に与えられたエネルギーから、電気エネルギーを生成するよう制御する
ように構成された制御装置と、
を含む空気圧縮および膨張システムであって、
前記第１のＴＥＳデバイスが、コンクリート、石、油、溶解塩、および相変化材料の１つを含み、
前記空気圧縮および膨張システムが、前記空洞に流体的に接続された複数の圧縮機およびタービンの組み合わせを含み、
前記複数の圧縮機およびタービンの組み合わせが互いに流体的に直列接続されており、
前記複数の圧縮機およびタービンの組み合わせのそれぞれが、低圧段、中圧段、および高圧段の１つをそれぞれ含み、
前記空気圧縮および膨張システムが、
前記低圧段と前記中圧段との間で連結された前記第２のＴＥＳデバイスと、
前記中圧段と前記高圧段との間で連結された前記第３のＴＥＳデバイスと、
をさらに含み、
前記第２のＴＥＳデバイスは、前記圧縮機の前記低圧段から前記中圧段へ流れる流体の熱エネルギーを貯蔵して、前記タービンの前記中圧段から前記低圧段へ流れる流体を加熱し、
前記第３のＴＥＳデバイスは、前記圧縮機の前記中圧段から前記高圧段へ流れる流体の熱エネルギーを貯蔵し、前記タービンの前記高圧段から前記中圧段へ流れる流体を加熱する、
空気圧縮および膨張システム。
【請求項２】
前記制御装置がさらに、前記電動発電機および前記タービンの一方が追加容量を有するかどうかを判断し、有する場合は前記制御装置が前記可燃性物質の前記燃焼装置への流量を増加するように構成されている、請求項１に記載の空気圧縮および膨張システム。
【請求項３】
前記制御装置がさらに、
前記電動発電機を介して配電網から電力を取り込み、
前記圧縮機が前記取り込まれた電力を使用して、前記駆動軸を介して前記空気を圧縮するように、前記圧縮機に電力供給し、
前記第１のラインを介して、前記電力供給された圧縮機から前記空洞へと前記圧縮空気を通過させる、
ように構成されている、請求項１または２に記載の空気圧縮および膨張システム。
【請求項４】
前記第１のラインが、少なくとも前記圧縮機の出口から、第１のＴＥＳデバイスを通り、前記空洞の入口へと通る流体通路であり、
前記第２のラインが、少なくとも前記空洞の出口から、前記第１のＴＥＳデバイスを通り、前記第１の燃焼装置を通り、前記タービンの入口へと通る流体通路である、
請求項１から３のいずれかに記載の空気圧縮および膨張システム。
【請求項５】
前記可燃性物質が、天然ガス、メタン、プロパン、および生物燃料の１つを含む、請求項１から４のいずれかに記載の空気圧縮および膨張システム。
【請求項６】
前記複数の圧縮機およびタービンの組み合わせが、共通駆動軸である前記駆動軸を介して、互いに連結されている、請求項１から５のいずれかに記載の空気圧縮および膨張システム。
【請求項７】
前記低圧段での圧力比が、前記中圧段および前記高圧段のいずれかの圧力比より大きい、請求項１から６のいずれかに記載の空気圧縮および膨張システム。
【請求項８】
ガスを圧縮および膨張するためのシステムを運転する方法であって、
作動流体を圧縮機で圧縮するステップと、
前記作動流体からの熱を第１の熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）デバイス（以下、「ＴＥＳデバイス」という）へと伝達するステップと、
前記圧縮された作動流体を筐体に貯蔵するステップと、
前記圧縮された作動流体を前記筐体から前記第１のＴＥＳデバイスへと送るステップと、
前記ＴＥＳデバイスからの熱を前記第１のＴＥＳデバイスを通る前記圧縮された作動流体へと伝達するステップと、
前記圧縮された作動流体を燃焼装置を通過させ、可燃性流体を前記圧縮された作動流体とともに燃焼して排気物を生成するステップと、
排気物の流れでタービンを推進させるステップと、
を含み、
前記第１のＴＥＳデバイスが、コンクリート、石、油、溶解塩、および相変化材料の１つを含み、
前記圧縮するステップが、複数の圧縮機を通る前記作動流体を圧縮するステップを含み、
前記膨張するステップが、複数のタービンを通る前記作動流体を膨張するステップを含み、
前記複数の圧縮機およびタービンの組み合わせが互いに流体的に直列接続されており、
前記複数の圧縮機およびタービンの組み合わせのそれぞれが、低圧段、中圧段、および高圧段の１つをそれぞれ含み、
前記方法が、
第２のＴＥＳデバイスにより、前記圧縮機の前記低圧段から前記中圧段へ流れる流体の熱エネルギーを貯蔵して、かつ前記タービンの前記中圧段から前記低圧段へ流れる流体を加熱するステップと、
第３のＴＥＳデバイスにより、前記圧縮機の前記中圧段から前記高圧段へ流れる流体の熱エネルギーを貯蔵し、かつ前記タービンの前記高圧段から前記中圧段へ流れる流体を加熱するステップと、
をさらに含む、
方法。
【請求項９】
共通軸を設けるステップと、
前記圧縮機および前記タービンを前記共通軸に機械的に連結するステップと、
をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
配電網から電力を取り込むステップをさらに含み、
前記作動流体を圧縮するステップが、前記配電網から取り込まれた電力を、前記作動流体を圧縮するように前記圧縮機に供給するステップを含む、
請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記可燃性流体が、天然ガス、メタン、プロパン、および生物燃料の１つを含む、請求項８から１０のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は一般に圧縮空気エネルギー貯蔵システムに関し、より詳細には、断熱式空気エネルギー貯蔵システムの電力出力および効率を最大化するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、非断熱式圧縮空気エネルギー貯蔵（非断熱式ＣＡＥＳ）および断熱式圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）を含む。そのようなシステムは一般に、８０バールまでまたはそれ以上に圧縮された空気を貯蔵し、その後、貯蔵されたエネルギーを、タービンに電力供給して電気を生成するように利用可能である。一般に圧縮空気は、多孔岩盤層、枯渇天然ガス／油田、および岩塩層または岩盤層の空洞を含むがこれに限定されない、いくつかのタイプの地下媒体に貯蔵することができる。一例では、約１９６０万立方フィートの人工の溶解採掘岩塩空洞を６８０ｐｓｉから１２８０ｐｓｉで運転し、連続２６時間、電力を供給することが可能である。あるいは、圧縮空気を、例えば天然ガスの輸送に使用されるものと同様の高圧パイプラインなどの地上システムに貯蔵することができる。しかし、地上システムは高価になる傾向があり、一般に地下空洞と同程度の貯蔵容量を有さない。ただし、地下層が利用できない地域に設置できるという点では魅力的となり得る。
【０００３】
多くの場合、非断熱式ＣＡＥＳまたはＡＣＡＥＳシステムの使用は、ピーク電力需要中に配電網へ電力を提供するように蓄えられ、それにより、より高価なピーク／日中時間中の発電コストを相殺している。さらに、非断熱式ＣＡＥＳまたはＡＣＡＥＳシステムは、追加の電力容量を供給することができ、ガスまたは石炭火力発電所などに追加の従来型発電容量を建設する必要がないようにすることができる。
【０００４】
非断熱式ＣＡＥＳ／ＡＣＡＥＳシステムは一般に、吸入空気を圧縮し、エネルギー貯蔵段階中に空洞または圧縮空気貯蔵の他の構成部品に圧縮空気を提供する、１つまたは複数の圧縮機を有する圧縮トレーンを含む。エネルギー貯蔵段階の運転は、例えば夜間などの比較的安価なオフピークまたは低需要時間中に、配電網から電力を得ることができる。あるいは、エネルギー貯蔵運転は、より必要の低い低需要の夕方の時間帯中に間欠的な電力の供給を行うことが多い、例えば風力、太陽、雨、潮力、および地熱などの再生可能資源から電力を得ることができる。次いで、圧縮空気は、上記のエネルギー生成段階中に１つまたは複数のタービンを駆動して電気エネルギーなどのエネルギーを生産するように、利用可能である。非断熱式ＣＡＥＳまたはＡＣＡＥＳシステムのエネルギー生成段階は、一般にエネルギーの必要が高い時間およびピーク需要時間中に行われ、その運転は、効率または、上記のように追加電力容量の構築の費用をなくすためなどの他の考慮事項によって、指示することができる。
【０００５】
非断熱式ＣＡＥＳシステムの段階の運転中に、圧縮空気は一般に、大部分は空気の圧縮熱による、例えば５５０°Ｃから６５０°Ｃの高温を有する圧縮機から出る。したがって、空気を圧縮する工程によって圧縮熱が発生し、そこに含まれるエネルギーの量は、少なくとも周囲との温度差、その圧力（すなわち、ガスの総質量）、およびその熱容量の関数である。しかし、圧縮熱は空洞に入るときに表れるが、そのエネルギー値は、空洞空気と混合されるとき、および貯蔵中に周辺または室温へとさらに冷却されるとき、大きく減少する。したがって、非断熱式ＣＡＥＳシステムは圧縮熱を貯蔵せず、その利用可能性は失われ、全体的な効率の低下につながる。
【０００６】
一方、ＡＣＡＥＳシステムは、その後の利用のための圧縮熱を取得および貯蔵することによって、システム効率を改善する。そのようなシステムでは、熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムまたはユニットが圧縮機と空洞との間に配置されている。一般に、ＴＥＳは蓄熱のための媒体を含み、圧縮段階からの高温空気がＴＥＳを通って送られ、その工程においてその圧縮熱を媒体に伝達する。いくつかのシステムは、室温または室温付近でＴＥＳから出る空気を含み、したがってＴＥＳは、非断熱式システムと比較して、圧縮によるエネルギーの大部分を貯蔵することができる。したがって、空気は室温または室温付近で空洞に入り、圧縮空気と室温との温度差によってわずかなエネルギーしか失われない。
【０００７】
全体的に、そのようなシステム（非断熱式ＣＡＥＳおよびＡＣＡＥＳ）は、複数の運転段階を含むことによって、その効率を改善することができる。したがって、いくつかの既知のシステムは、ガスが貯蔵のための空洞に入る前に、第１、第２、および第３段で圧縮される、例えば低圧、中圧、および高圧段を含む。同様に、エネルギーは、発電機によって電力を生成しながら、第３、第２、および第１段を含む複数段をそれぞれ通って取り出すことができる。上記の断熱式システムと同様に、そのような多段システムは、１つのまたは複数の圧縮段の後にＴＥＳを介して圧縮熱からのエネルギーを貯蔵し、電力生成段階中にエネルギーを取り出すことができる。
【０００８】
しかし、多段運転、ＡＣＡＥＳの断熱式運転、および非断熱式システムに対する対応する効率の向上にもかかわらず、ＡＣＡＥＳシステムは、タービン内の摩擦および他の第２法則効果などの他の熱力学的制限によって、エネルギーを失う。したがって、固有の熱力学的制限によって、ＡＣＡＥＳシステムは、貯蔵からの電力生成中に、配電網へ提供するよりも多くのエネルギーを、配電網から取り込む。そのため、その運転は経済的な考慮事項によっても指示される。したがって、低コスト／低需要期間中に充填し、高収益のピーク容量期間中に取り出すにもかかわらず、その運転は制限され、失われた電力により収益性が低下することがある。
【０００９】
さらに、空気貯蔵システムを実施する１つの理由は、石炭火力または天然ガス火力システムなど、他の発電システムによって提供される発電量を増加するように、追加のピーク電力容量を提供することである。しかし、空気貯蔵空洞またはＴＥＳが使い果たされた場合、空気貯蔵システムを使用して配電網からのピーク電力需要を満たすことができない可能性がある。言い換えると、空気貯蔵システムは一般に、タービン／発電機の組み合わせによる追加発電能力を提供するが、最も必要とされる時間であるピーク電力需要中に電力を利用できないことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５４９５７０９号明細書
【発明の概要】
【００１１】
したがって、圧縮空気貯蔵システムにおいて、ピーク需要期間中に追加電力を生産するシステムおよび方法が必要とされている。配電網に電力を提供することによってエネルギーが収益の高い回収を指示することができるとき、総エネルギー生産量を最大化するように、圧縮空気貯蔵システムにおいて、追加エネルギーを生産するシステムおよび方法も必要とされている。
【００１２】
したがって、上記の欠点を解決する装置および方法を設計することが望ましい。
【００１３】
本発明の実施形態は、空気空洞を介してエネルギーを貯蔵し、回収するための装置および方法を提供する。
【００１４】
本発明の一態様によれば、空気圧縮および膨張システムは、駆動軸と、駆動軸に連結された電動発電機と、駆動軸に連結され、第１のラインを介して圧縮空気を空洞に出力するように構成された圧縮機と、駆動軸に連結され、第２のラインを介して空気を空洞から受けるように構成されたタービンとを含む。システムは、熱結合された第１のラインおよび第２のラインを有する第１の熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）デバイスと、第２のラインに熱結合され、可燃性物質を燃焼し、第２のラインを介して排気流をタービンへと生成するように構成された燃焼装置と、制御装置とを含む。制御装置は、第１のＴＥＳを通るとき空気を加熱するように、第２のラインを通る空気の流れを制御し、可燃性物質が燃焼装置へと送られるようにし、燃焼装置が第２のラインからの空気を燃焼し、可燃性物質が排気流をタービン内へと生成するように操作し、電動発電機が、駆動軸を介してタービンから電動発電機に与えられたエネルギーから、電気エネルギーを生成するよう制御するように構成されている。
【００１５】
本発明の別の態様では、ガスを圧縮および膨張するためのシステムを運転する方法は、作動流体を圧縮機で圧縮するステップと、作動流体からの熱を熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）ユニットへと伝達するステップと、圧縮された作動流体を筐体に貯蔵するステップと、圧縮された作動流体を筐体からＴＥＳへと送るステップと、ＴＥＳからの熱をＴＥＳを通る圧縮された作動流体へと伝達するステップと、圧縮された作動流体を燃焼装置を通過させ、可燃性流体を圧縮された作動流体とともに燃焼して排気物を生成するステップと、排気物の流れでタービンを推進させるステップとを含む。
【００１６】
本発明のさらに別の態様では、制御装置は、空気を圧縮機に供給し、圧縮機によって空気を加圧および加熱し、加圧され加熱された空気が、空気を冷却するように構成された蓄熱デバイスを通って送られるように方向付け、冷却され加圧された空気を筐体に貯蔵し、筐体に貯蔵された空気を、筐体から蓄熱デバイスを通って取り出し、蓄熱デバイスを通って取り出された空気とともに可燃性流体に点火することによって、排気流を生成するように燃焼装置を点火し、排気流をタービンへと方向付けて電力を生成するように構成されている。
【００１７】
様々な他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかとなろう。
【００１８】
図面は、本発明を実施するために現在企図されている好ましい実施形態を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態による圧縮空気貯蔵システムを運転するための技術のフローチャートを示す図である。
【図２】本発明の実施形態による圧縮空気貯蔵システムの例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態による圧縮空気貯蔵システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態によれば、電力を生成するように加圧空気空洞からタービンへと送られる空気のエネルギー量を適宜増加するシステムおよび方法が提供される。
【００２１】
図１を参照すると、本発明の実施形態では、圧縮空気貯蔵システムを運転するための技術１０は、１つまたは複数の空気圧縮機を使用して、空気などの作動流体を圧縮するステップ１２、１つまたは複数の熱エネルギー貯蔵ユニット（ＴＥＳ）に圧縮熱を貯蔵するステップ１４、および圧縮空気を空気空洞に貯蔵するステップ１６を含む。したがってエネルギーは、ＴＥＳユニットを通過する空気との熱交換を通してその後の抽出のために利用可能な熱エネルギーとして、１つまたは複数のＴＥＳユニットに貯蔵される。空気は１つまたは複数のＴＥＳユニットを通ってそこから抽出され１８、１つまたは複数のタービンが圧縮空気で駆動される２０。次いでタービンは、例えば発電機を介して、電力を生成する２２。
【００２２】
技術１０は、タービンまたは発電機に完全に利用されていない追加出力容量があるかどうかを判断するステップ２４を含む。本発明の実施形態では、一方または両方に追加容量がある場合２６、ＴＥＳからタービンへと送られる空気を加熱するように燃焼装置が点火される２８。すなわち、燃焼装置は、そのような運転がシステム運転の制限内であり、他の容量または温度制限を超えない限り、ステップ２８で点火される。タービンまたは発電機に追加容量がない場合３０、タービンは、燃焼装置によって増加することなく、圧縮空気を使用して駆動を続ける。さらに、本発明の実施形態では、ステップ２８は、システム構成部品の容量または温度制限を超えることなく電力出力を最大化するように、燃焼装置への燃料流量を制御するステップを含む。したがって、本発明の実施形態では、ステップ２４で技術１０が例えばタービンまたは発電機に追加容量があるかどうかを判断するステップを含む場合、次いで、そのような判断によって、ステップ２８では燃焼装置を通る燃料流量を判断し、制御し、変更することが可能になる。
【００２３】
技術１０を、図２に図示されたシステム１００に関して説明する。図２を参照すると、システム１００は、シャフト１０６を介してタービン１０４に連結された圧縮機１０２を含む。圧縮機１０２はまた、シャフト１１０が回転するとき電力を生成するように構成された発電機／電動機１０８にシャフト１１０を介して機械的に連結されている。システム１００は、熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システム１１２および空気貯蔵空洞１１４を含む。入力ライン１１６は、圧縮機１０２に空気を入力するように構成され、出力または輸送ライン１１８は、圧縮機１０２からＴＥＳ１１２へ、およびＴＥＳ１１２から空気貯蔵空洞１１４へと、圧縮空気を出力するように構成されている。本発明の実施形態では、ＴＥＳ１１２は圧縮熱からの大量のエネルギーを貯蔵するように構成された媒体１２０を含み、媒体は一般に熱容量の高い材料を含む。例えば、媒体１２０は、コンクリート、石、油などの流体、溶融塩、または相変化材料を含むことができる。
【００２４】
システム１００はまた、空気貯蔵空洞１１４からＴＥＳ１１２を通って燃焼装置１２４へと圧縮空気を出力する出力または輸送ライン１２２を含む。燃焼装置１２４は、天然ガス、メタン、プロパン、および生物燃料などの可燃性流体を輸送するための燃料入口ライン１２６を含み、燃焼装置１２４へと送られる可燃性流体を、空気貯蔵空洞１１４からＴＥＳ１１２を通って送られる空気とともに、燃焼装置１２４内で燃焼することができるようになっている。燃焼装置１２４からの高温および高圧の排気物は、排気ライン１２８を介してタービン１０４へと送られる。システム１００の運転条件では、燃焼装置１２４で燃焼が行われないとき、空気空洞１１４からＴＥＳ１１２を通って送られる空気は、燃焼装置１２４を単に通過してタービン１０４へと送られ、発電機／電動機１０８内で電気エネルギーを生成する。
【００２５】
本発明の実施形態では、システム１００は上記の通り図１で説明した方法で運転することができる。したがって、システム１００は、配電網から発電機／電動機１０８へのエネルギーを使用して、または風力などの再生可能資源からのエネルギーを使用して、圧縮機１０２を介して空気貯蔵空洞１１４を充填することによって、システム１００を充填モードで動作させることができる制御装置１３０を含む。空気は圧縮機１０２内で圧縮され、加熱され、ＴＥＳ１１２を通って送られる。圧縮熱が除去され、出力ライン１１８を通って送られる圧縮空気は出力ライン１１８内で冷却される。空気は空気貯蔵空洞１１４へと送られ、その後空気貯蔵空洞１１４から取り出されて利用可能となる。
【００２６】
放出モード中、制御装置１３０は、空気が周囲圧力より高い圧力で空気貯蔵空洞１１４から放出され、タービン１０４へと送られてタービン１０４を回転させることができるようにする。空気が出力または輸送ライン１２２およびＴＥＳ１１２を通って送られるとき、空気が加熱される。したがって、圧縮熱は、空気が空気貯蔵空洞１１４から送られるとき空気を加熱するように、先に圧縮熱によって加熱された、ＴＥＳを使用して回収される。しかし、いくつかの条件では、ＴＥＳ１１２は熱エネルギーの一部または全部を奪うことがあり得る。他の条件では、ＴＥＳは、タービン１０４または発電機／電動機１０８の出力容量を十分利用できるレベルまで、空気を加熱しないことがあり得る。したがって、例えば、長期のシステム使用中などのいくつかの運転条件では、ＴＥＳのエネルギー貯蔵が減少し、または使い果たされることがあり得る場合、空気貯蔵空洞１１４からタービン１０４へと送られる空気は、タービン１０４を最大容量で運転することができる十分なエネルギー量を有さないことがあり得る。したがって、本発明の実施形態では、空気空洞１１４からＴＥＳ１１２を通って送られる空気に熱エネルギーを付加するように、燃焼装置１２４を任意で点火することができる。
【００２７】
ここで図３を参照すると、本発明の実施形態では、多段システム２００は複数の圧縮機およびタービンを含む。多段システム２００の各段は、それぞれの圧力差を通して、貯蔵または充填フェーズ中に昇圧し、解放または放出フェーズ中に降圧するように構成されており、従来技術で理解されているように、単段圧縮機／タービンの組み合わせと比較した場合、全体的なシステム効率が認められる。
【００２８】
システム２００は、第１の圧縮機２０２、第２の圧縮機２０４、および第３の圧縮機２０６を含む。第１の圧縮機２０２は空気入口ライン２０８および空気出口ライン２１０を含む。システム２００はまた、第１のタービン２１２、第２のタービン２１４、および第３のタービン２１６を含む。圧縮機２０２〜２０６およびタービン２１２〜２１６は、電動機／発電機２２０に連結されたシャフト２１８を介して、互いに連結されている。圧縮機２０２〜２０６の圧縮およびタービン２１２〜２１６の膨張の各段はそれぞれ、低圧２２２、中圧２２４、および高圧２２６の段または圧力レベルを通して昇圧および降圧を行う。各段２２２〜２２６はそれぞれ、再生熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）ユニット２２８、２３０、および２３２を含む。段２２２〜２２６およびそれぞれのＴＥＳユニット２２８〜２３２は、図示の通り、複数の輸送ライン２３６を介して空気空洞２３４に連結されている。
【００２９】
システム２００は、第１のタービン２１２に連結された燃焼装置２３８を含む。システム２００の構成部品は、本発明の実施形態では、制御装置２４０を介して、電力容量および電動機／発電機２２０の出力を増加するように制御することができる。したがって、制御装置２４０は、システム２００を充填および放出モードの両方で動作させることができる。充填モードでは、制御装置２４０は、電動機／発電機２２０が配電網または他の供給源からエネルギーを取り出し、シャフト２１８を回転させて、圧縮機２０２〜２０６およびタービン２１２〜２１６を回転させるようにする。空気は空気入口２０８を介して２０２へと取り込まれ、第１の圧縮機２０２で第１の圧力に圧縮され、ＴＥＳ２２８を通って第２の圧縮機２０４へと放出される。第１の圧力の空気がＴＥＳ２２８を通って送られるとき、空気はその圧縮熱をＴＥＳ２２８に貯蔵されるように伝達する。空気は第２の圧縮機２０４で第１の圧力から第２の圧力へと圧縮され、ＴＥＳ２３０を通って第３の圧縮機２０６へと送られる。第２の圧力の空気がＴＥＳ２３０を通って送られるとき、空気はその圧縮熱をＴＥＳ２３０に貯蔵されるように伝達する。空気は第３の圧縮機２０６で第２の圧力から第３の圧力へと圧縮され、ＴＥＳ２３２を通って空気空洞２３４へと放出される。空気がＴＥＳ２３２を通って送られるとき、空気はその圧縮熱をＴＥＳ２３２に貯蔵されるように伝達する。したがって、システム２００は、この実施形態では、３つの圧縮段を通して空気を加圧し、加圧された空気を空気空洞２３４に貯蔵し、圧縮熱をＴＥＳユニット２２８、２３０、および２３２に貯蔵する。
【００３０】
放出モードでは、電気エネルギーを生成して配電網に供給することが望ましい場合、制御装置２４０によって圧縮空気が空気空洞２３４から取り出され、ＴＥＳ２３２を通って、第３のタービン２１６へと送られる。したがって空気は、第３のタービン２１６へと送られる前に予熱される。空気は第３のタービン２１６で膨張され、ＴＥＳ２３０を通るときに加熱され、第２のタービン２１４へと送られる。次いで、空気はＴＥＳ２２８を通って第１のタービン２１２へと送られる。空気はタービン２１６、２１４、および２１２を通るとき、シャフト２１８にエネルギーを与え、シャフト２１８を回転させ、シャフト２１８は電動機／発電機２２０エネルギーを与えて、電気エネルギーを生成する。したがって、空気空洞２３４に高圧の形で含まれるエネルギー、およびＴＥＳユニット２３２、２３０、および２２８に熱エネルギーの形で含まれるエネルギーが空気に与えられ、そのような両方の供給源（空洞２３４の圧力およびＴＥＳユニット２３２〜２２８の熱エネルギー）は、タービン２１６、２１４、および２１２を通る空気流のエネルギー量に寄与し、電動機／発電機２２０で発電させる。
【００３１】
しかし、本発明の実施形態では、ＴＥＳユニット２２８〜２３２の１つまたは複数の熱エネルギーが使い果たされ、圧力の低下につれて空気空洞２３４のエネルギーが使い果たされると、輸送ライン２３６およびタービン２１２〜２１６を通る空気のエネルギー量が増加することがあり得る。したがって、制御装置２４０は、上記の図１の技術１０で説明したように、システム２００を動作させることができる。空気がシャフト２１８を介して電動機／発電機２２０に電力供給するようにライン２３６を通って送られるとき、タービン２１２〜２１６の容量または電動機／発電機２２０の容量が最大でない場合、燃焼装置２３８を点火することによってエネルギーを空気に付加することができる。したがって、本発明の実施形態では、上記のようにシステム２００の出力を最大化することができる。
【００３２】
３つの段２２２〜２２６（各段がそれぞれ圧縮機およびタービンを含む）を図示したが、本発明の実施形態では、多段システム２００は３つの段より少ないまたは多い段を含むことができることを、当業者であれば理解するであろう。さらに、本発明では、等しい数の圧縮機およびタービンを含む必要はないことが理解されよう。例えば、システム２００は、２つの圧縮機および４つのタービンを含むことができる。さらに、システム２００は燃焼装置２３８がＴＥＳ２２８とタービン２１２との間に配置されて図示されているが、本発明の実施形態では、燃焼装置２３８はシステム２００内の他の位置に配置することもできることが理解されよう。例えば、空気をＴＥＳ２３６からタービン２１４へと送るライン２３６に燃焼装置２３８を含むことができる。さらに、本発明では、１つしか図示されていないが、システム２００はＴＥＳと空気が送られるタービンとの間に、複数の燃焼装置を含むことができる。
【００３３】
開示された方法および装置の技術的寄与は、断熱式空気エネルギー貯蔵システムにおいて、電力出力および効率を最大化する、コンピュータで実行されるシステムおよび方法を提供することである。
【００３４】
したがって、本発明の一実施形態では、空気圧縮および膨張システムは、駆動軸と、駆動軸に連結された電動発電機と、駆動軸に連結され、第１のラインを介して圧縮空気を空洞に出力するように構成された圧縮機と、駆動軸に連結され、第２のラインを介して空気を空洞から受けるように構成されたタービンとを含む。システムは、熱結合された第１のラインおよび第２のラインを有する第１の熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）デバイスと、第２のラインに熱結合され、可燃性物質を燃焼し、第２のラインを介して排気流をタービンへと生成するように構成された燃焼装置と、制御装置とを含む。制御装置は、第１のＴＥＳを通るとき空気を加熱するように、第２のラインを通る空気の流れを制御し、可燃性物質が燃焼装置へと送られるようにし、燃焼装置が第２のラインからの空気を燃焼し、可燃性物質が排気流をタービン内へと生成するように操作し、電動発電機が、駆動軸を介してタービンから電動発電機に与えられたエネルギーから、電気エネルギーを生成するよう制御するように構成されている。
【００３５】
本発明の別の実施形態では、ガスを圧縮および膨張するためのシステムを運転する方法は、作動流体を圧縮機で圧縮するステップと、作動流体からの熱を熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）ユニットへと伝達するステップと、圧縮された作動流体を筐体に貯蔵するステップと、圧縮された作動流体を筐体からＴＥＳへと送るステップと、ＴＥＳからの熱をＴＥＳを通る圧縮された作動流体へと伝達するステップと、圧縮された作動流体を燃焼装置を通過させ、可燃性流体を圧縮された作動流体とともに燃焼して排気物の流れを生成するステップと、排気物の流れでタービンを推進させるステップとを含む。
【００３６】
本発明のさらに別の実施形態では、制御装置は、空気を圧縮機に供給し、圧縮機によって空気を加圧および加熱し、加圧され加熱された空気が、空気を冷却するように構成された蓄熱デバイスを通って送られるように方向付け、冷却され加圧された空気を筐体に貯蔵し、筐体に貯蔵された空気を、筐体から蓄熱デバイスを通って取り出し、蓄熱デバイスを通って取り出された空気とともに可燃性流体に点火することによって、排気流を生成するように燃焼装置を点火し、排気流をタービンへと方向付けて電力を生成するように構成されている。
【００３７】
上記の説明では、本発明を開示するため、および当業者が、デバイスまたはシステムの作製および使用、および組み込まれた方法の実施を含む本発明を実施することができるようにするために、最良の実施形態を含む実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の実施例も含むことができる。そのような他の実施例は、特許請求の範囲の文字通りの用語と同じ構成要素を含む場合、または特許請求の範囲の文字通りの用語とごくわずかしか違わない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内に含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３８】
１００  システム
１０２  圧縮機
１０４  タービン
１０６  シャフト
１０８  発電機／電動機
１１０  シャフト
１１２  熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システム
１１４  空気貯蔵空洞
１１６  入力ライン
１１８  出力または輸送ライン
１２０  媒体
１２２  出力または輸送ライン
１２４  燃焼装置
１２６  燃料入口ライン
１２８  廃棄ライン
１３０  制御装置
２００  多段システム
２０２  第１の圧縮機
２０４  第２の圧縮機
２０６  第３の圧縮機
２０８  空気入口ライン
２１０  空気出口ライン
２１２  第１のタービン
２１４  第２のタービン
２１６  第３のタービン
２１８  シャフト
２２０  電動機／発電機
２２２  低圧段
２２４  中圧段
２２６  高圧段
２２８  再生熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）ユニット
２３０  再生熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）ユニット
２３２  再生熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）ユニット
２３４  空気空洞
２３６  輸送ライン
２４０  制御装置
【図１】
0006006639.tif 000002
【図２】
0006006639.tif 000003
【図３】
0006006639.tif 000004