(57)【要約】      （修正有）【課題】圧縮空気貯蔵発電装置において、低コストで熱交換性能の向上を図る。【解決手段】ＣＡＥＳ発電装置１は、圧縮膨張兼用機と、圧縮空気を貯蔵する蓄圧部５と、低温貯水タンク７ｂおよび高温貯水タンク７ａと、熱交換器と、液体維持部とを備える。圧縮膨張兼用機は、電力を使用して空気を圧縮する機能および圧縮空気を膨張させることで発電する機能を有する。低温貯水タンク７ｂおよび高温貯水タンク７ａは、液体状の水を貯蔵し、互いに流体的に接続されている。熱交換器では、圧縮空気と水とで熱交換が行われる。液体維持部は、熱交換器を流れる水を加圧して液体状に維持する。【選択図】図１
2019143608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を使用して空気を圧縮する電動圧縮機と、
前記電動圧縮機から吐出された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、
前記蓄圧部から給気された前記圧縮空気を膨張させることで発電する膨張発電機と、
液体状の水を貯蔵し、互いに流体的に接続された第１貯水部および第２貯水部と、
前記電動圧縮機から前記蓄圧部に流れる前記圧縮空気と、前記第１貯水部から前記第２貯水部に流れる前記水とで熱交換し、前記圧縮空気を冷却し、前記水を加熱する第１熱交換器と、
前記蓄圧部から前記膨張発電機に流れる前記圧縮空気と、前記第２貯水部から前記第１貯水部に流れる前記水とで熱交換し、前記圧縮空気を加熱し、前記水を冷却する第２熱交換器と、
前記第１熱交換器および前記第２熱交換器を流れる前記水を加圧することによって液体状に維持する液体維持部と
を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項２】
前記液体維持部は、前記第１熱交換器を流れる前記水の沸点が、前記第１熱交換器に供給される前記圧縮空気の温度に対して、＋２０℃から＋５０℃の範囲内となるように前記水を加圧する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項３】
前記第１熱交換器を流れる前記水の流量を調整する水量調整部と、
前記第１熱交換器において加熱後の前記水の温度が前記第１熱交換器に供給される前記圧縮空気の温度に対して、−５℃から−２０℃の範囲内となるように前記水量調整部を制御する制御装置と
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。
【請求項４】
前記液体維持部は、
前記水を加圧するポンプと、
前記第１貯水部および前記第２貯水部と流体的に接続され、高圧の窒素を貯蔵する窒素タンクと、
前記第１貯水部内の前記水と、前記第２貯水部内の前記水とを液体状に維持するように、前記窒素タンク内の窒素を使用して前記第１貯水部の圧力と前記第２貯水部の圧力とを高く維持するレギュレータと
を備える、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。
【請求項５】
前記電動圧縮機および前記膨張発電機は、一体の圧縮膨張兼用機であり、
前記第１熱交換器および前記第２熱交換器は、単一の熱交換器である、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。
【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、天候に応じて出力が変動する。そのため、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、発電量の変動を平滑化するために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。
【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２０１３−５０９５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のＣＡＥＳ発電装置では、圧縮空気から熱回収する熱媒として、鉱物油、合成油、または、溶融塩等の液体が採用されている。これらの熱媒は液体である一方、圧縮空気は気体であるため、両流体の密度は大きく異なる。従って、効率よく熱交換するためには、圧縮空気の流速に対して上記熱媒の流速を著しく遅くする必要がある。しかし、上記熱媒は、温度に応じて粘性が大きく変化するため、熱交換器に生じる温度ムラにより熱交換器内で熱媒の偏流を生じるおそれがある。特に熱媒の流速が著しく低速であると、偏流の程度も大きくなり、所望の熱交換性能を得ることができない。
【０００６】
上記偏流の程度は、熱交換器の種類によっても異なる。低コスト化の観点から汎用のプレート式の熱交換器を使用すると、プレート式の熱交換器中では複数の熱媒流路が形成されるため、各熱媒流路を流れる熱媒の流速にばらつきが生じる。即ち、汎用のプレート式の熱交換器では、偏流の程度が一層大きくなるおそれがある。
【０００７】
代替的には、熱媒として粘性変化の少ないシリコンオイルを使用することも考えられるが、高価であり、実用には適さない。また、安価な煉瓦または石等の固体熱媒を使用することも考えられるが、固体熱媒は熱交換器における流量を調整できず、熱媒として好ましくない。
【０００８】
本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置において、低コストで偏流による熱交換性能の低下を防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電力を使用して空気を圧縮する電動圧縮機と、前記電動圧縮機から吐出された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、前記蓄圧部から給気された前記圧縮空気を膨張させることで発電する膨張発電機と、液体状の水を貯蔵し、互いに流体的に接続された第１貯水部および第２貯水部と、前記電動圧縮機から前記蓄圧部に流れる前記圧縮空気と、前記第１貯水部から前記第２貯水部に流れる前記水とで熱交換し、前記圧縮空気を冷却し、前記水を加熱する第１熱交換器と、前記蓄圧部から前記膨張発電機に流れる前記圧縮空気と、前記第２貯水部から前記第１貯水部に流れる前記水とで熱交換し、前記圧縮空気を加熱し、前記水を冷却する第２熱交換器と、前記第１熱交換器および前記第２熱交換器を流れる前記水を加圧することによって液体状に維持する液体維持部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、再生可能エネルギー等によって発電された電力量の変動に対し、電力が余剰である場合は余剰な電力を利用して電動圧縮機を駆動し、圧縮空気を蓄圧部に貯蔵する。電力が不足する場合は蓄圧部の圧縮空気を利用して膨張発電機を駆動し、発電する。電動圧縮機を駆動すると、圧縮熱によって圧縮空気の温度が上昇するため、第１熱交換器にて高温の圧縮空気を用いて水を加熱し、加熱された高温の水を第２貯水部に貯蔵する。また、膨張発電機を駆動するとき、第２熱交換器にて第２貯水部の高温の水を用いて膨張発電機に供給する圧縮空気を加熱することで、膨張および発電効率を向上できる。このように、上記構成では熱媒として水を使用している。水は油などと異なり、粘性が温度によって実質的に変化しないため、偏流を生じることがない。ただし、単に水を熱媒として使用するだけでは、水が沸騰して気化し、著しく熱交換性能が低下するおそれがある。そこで、液体維持部によって水を加圧することで液体状に維持し、第１熱交換器および第２熱交換器における高効率の熱交換を実現している。また、水が液体状であることで第１熱交換器および第２熱交換器における流量を容易に調整できるため、所望の熱交換性能を得ることができる。さらに、例えばシリコンオイル等の粘性が温度によって実質的に変化しないその他の熱媒と比べて、水は非常に安価である。
【００１１】
前記液体維持部は、前記第１熱交換器を流れる前記水の沸点が、前記第１熱交換器に供給される前記圧縮空気の温度に対して、＋２０℃から＋５０℃の範囲内となるように前記水を加圧してもよい。
【００１２】
この構成によれば、第１熱交換器にて水が加熱された際に沸騰することを防止できる。第１熱交換器にて加熱される水の沸点が熱交換先の圧縮空気の温度よりも＋２０℃以上とすることで、熱交換の際に水の温度が沸点に達することを防止できる。また、＋５０℃以下とすることで、必要以上に加圧する必要がなく、加圧にかかるコストを低減できる。
【００１３】
前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記第１熱交換器を流れる前記水の流量を調整する水量調整部と、前記第１熱交換器において加熱後の前記水の温度が前記第１熱交換器に供給される前記圧縮空気の温度に対して、−５℃から−２０℃の範囲内となるように前記水量調整部を制御する制御装置とをさらに備えてもよい。
【００１４】
この構成によれば、第１熱交換器にて圧縮空気から水に高効率で熱回収できるため、第２貯水部に高温の水を貯蔵できる。このような高効率の熱回収を行うためには、第１熱交換器における圧縮空気の流量と水の流量とを適正に調整する必要がある。即ち、高密度の液体状の水の流速を低密度の気体状の圧縮空気の流速に対して大幅に遅くする必要がある。水は温度に応じて粘性が実質的に変化しないため、低流速でも偏流を生じることがない。従って、このような高効率の熱回収は、粘性が実質的に変化しない熱媒を採用しているために実現できるものである。特に水は粘性が実質的に変化しないその他の熱媒（シリコンオイル等）と比べても著しく安価である。よって、液体状の水を熱媒として採用しているからこそ低コストで高効率の熱回収を実現できる。
【００１５】
前記液体維持部は、前記水を加圧するポンプと、前記第１貯水部および前記第２貯水部と流体的に接続され、高圧の窒素を貯蔵する窒素タンクと、前記第１貯水部内の前記水と、前記第２貯水部内の前記水とを液体状に維持するように、前記窒素タンク内の窒素を使用して前記第１貯水部の圧力と前記第２貯水部の圧力とを高く維持するレギュレータとを備えてもよい。
【００１６】
この構成によれば、高圧の窒素を使用して第１貯水部の圧力と第２貯水部の圧力とを高圧に維持するため、ポンプによる動力のみで水を高圧に維持する場合に比べてポンプの動力を低減できる。当該圧力もレギュレータによって適正に管理されているため、水を安定して液体状に維持できる。ここで、高圧の窒素とは、水を液体状に維持できる程度に高圧である窒素のことをいい、例えば常温における液体窒素であってもよい。
【００１７】
前記電動圧縮機および前記膨張発電機は、一体の圧縮膨張兼用機であり、前記第１熱交換器および前記第２熱交換器は、単一の熱交換器であってもよい。
【００１８】
この構成によれば、電動圧縮機および膨張発電機が一体の圧縮膨張兼用機であるため、電動圧縮機と膨張発電機をそれぞれ設置する場合に比べて設置台数を減らすことができる。同様に、第１熱交換器および第２熱交換器も単一の熱交換器で兼用であるため、第１熱交換器と第２熱交換器をそれぞれ設置する場合に比べて設置台数を減らすことができる。従って、低コストかつ小型の圧縮空気貯蔵発電装置を提供できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置において、圧縮空気と液体状の水とを熱交換させているため、低コストで偏流による熱交換性能の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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斜視図
【図２】第１コンテナ内の構成と空気の流れを示す概略構成図
【図３】圧縮空気貯蔵発電装置における熱媒としての水の流れを示す概略構成図
【図４】図３の変形例を示す圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
図１を参照して、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置１は、風力発電所２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。ただし、風力発電所２は、再生可能エネルギー等を利用した発電量が変動する設備の一例である。
【００２３】
ＣＡＥＳ発電装置１は、機械部品等を収容する第１コンテナＣ１と、電気部品等を収容する第２コンテナＣ２と、これらの外部に配置された蓄圧部５および貯水部７とを備える。第１コンテナＣ１と蓄圧部５は、空気配管６を介して接続されている。貯水部７と、第１コンテナＣ１および第２コンテナＣ２とは、熱媒配管８（図２参照）を介して接続されている。第１コンテナＣ１は、空気配管６に沿って２列に並べて配置されている。第２コンテナＣ２は、２列の第１コンテナＣ１の間で第１コンテナＣ１と同方向に１列に並べて配置されている。図１では、図示が煩雑になるのを防ぐために、ＣＡＥＳ発電装置１の一部の図示が省略されている。
【００２４】
蓄圧部５は、図１において概念的に示されている。蓄圧部５には、圧縮空気が貯蔵されている。蓄圧部５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、鋼製のタンクであり得る。蓄圧部５は、後述するように第１コンテナＣ１内の圧縮膨張兼用機１０（図２参照）および高圧段機３０（図２参照）と空気配管６を介して流体的に接続されている。
【００２５】
第１コンテナＣ１と第２コンテナＣ２との間には、貯水部７として高温貯水タンク（第２貯水部）７ａと低温貯水タンク（第１貯水部）７ｂが配置されている。高温貯水タンク７ａと低温貯水タンク７ｂには液体状の水が貯蔵されている。高温貯水タンク７ａに貯蔵される水は、低温貯水タンク７ｂに貯蔵される水よりも相対的に温度が高い。高温貯水タンク７ａと低温貯水タンク７ｂは、液体状の水を貯蔵できる態様であれば特に限定されず、例えば、鋼製のタンクであり得る。高温貯水タンク７ａと低温貯水タンク７ｂは、１個の第１コンテナＣ１に対して、それぞれ１基ずつ設けられている。本実施形態では、１基の高温貯水タンク７ａと、１基の低温貯水タンク７ｂと、１個の第１コンテナＣ１との間を熱媒としての水が流動しており、これらによって１つの閉じられた熱媒系統が構成されている。
【００２６】
図２を参照して、第１コンテナＣ１の内部および空気の流路について説明する。
【００２７】
本実施形態では、第１コンテナＣ１内に、機械部品として、３台の圧縮膨張兼用機１０と、１台の高圧段機３０と、５台の熱交換器４１〜４３とが収容されている。同じ符号を付した３台の圧縮膨張兼用機１０は同じものであり、同様に同じ符号を付した３台の熱交換器４１も同じものである。以降、同じ符号を付した構成要素は、同様に同じものであることを示す。
【００２８】
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、低圧段ロータ部１１と、高圧段ロータ部１２と、低圧段ロータ部１１および高圧段ロータ部１２に機械的に接続された電動発電機１３とを備える。低圧段ロータ部１１および高圧段ロータ部１２はそれぞれ、雌雄一対のスクリュロータを有し、空気を圧縮および膨張させる部分である。電動発電機１３は、電動機としての機能または発電機として機能を有し、これらを切り替えて使用できる。
【００２９】
熱交換器４１〜４３もまた、圧縮空気を冷却するクーラとしての機能または加熱するヒータとしての機能を有し、これらを切り替えて使用できる。熱交換器４１〜４３は、例えば汎用のプレート式であり、第１ポート４１ａ〜４３ａと、第２ポート４１ｂ〜４３ｂとをそれぞれ有している。代替的には、熱交換器４１〜４３の態様は、例えば、フィンチューブ熱交換器、シェル・アンド・チューブ熱交換器などのプレート式以外の態様でもあり得る。詳細を後述するように、熱交換器４１〜４３が圧縮空気を冷却するクーラとして機能する際には、第１ポート４１ａ〜４３ａに低温の水が流入し、第２ポート４１ｂ〜４３ｂから熱交換後の高温の水が流出する。熱交換器４１〜４３が圧縮空気を加熱するヒータとして機能する際には、第２ポート４１ｂ〜４３ｂに高温の水が流入し、第１ポート４１ａ〜４３ａから低温の水が流出する。
【００３０】
圧縮膨張兼用機１０はまた、排気サイレンサ１４と、吸気フィルタ１５と、吸気サイレンサ１６と、吸気調整弁１７と、三方弁１８と、吐出サイレンサ２１と、逆止弁２２と，三方弁１９とを備える。排気サイレンサ１４と、吸気フィルタ１５と、吸気サイレンサ１６と、吸気調整弁１７と、三方弁１８と、低圧段ロータ部１１と、熱交換器４１と、高圧段ロータ部１２と、吐出サイレンサ２１と、逆止弁２２と、三方弁１９とは、空気流れにおいて大気からこの順に配置されている。なお、三方弁１８を切り替えることによって、空気は、吸気フィルタ１５と、吸気サイレンサ１６と、吸気調整弁１７とを通過またはバイパスできるようになっており、また、三方弁１９を切り替えることによって、空気が、吐出サイレンサ２１と、逆止弁２２とを通過またはバイパスできるようになっている。
【００３１】
圧縮膨張兼用機１０は、風力発電所２（図１参照）によって発電された電力を使用して空気を圧縮する機能および圧縮空気を膨張させることによって発電する機能を有する。従って、圧縮膨張兼用機１０を圧縮機または膨張機として切り替えて使用可能である。圧縮膨張兼用機１０は、例えば１ＭＰａ程度以内の圧力範囲にて使用される。具体的には、大気圧の空気を吸気し１ＭＰａ程度まで圧縮し吐出するか、または、１ＭＰａ程度の圧縮空気を給気され大気圧まで膨張させ排気する。本実施形態では、３台の圧縮膨張兼用機１０が１台の高圧段機３０に流体的に並列接続されている。
【００３２】
圧縮膨張兼用機１０が圧縮機として動作するとき、電動発電機１３は電動機（モータ）として動作する。このとき、電動発電機１３は風力発電所２からの電力を使用して低圧段ロータ部１１と高圧段ロータ部１２とを回転させ、空気を圧縮する。具体的には、大気から低圧段ロータ部１１に空気が吸気される。このとき、吸気フィルタ１５によって塵芥が除去され、吸気サイレンサ１６によって吸気音が消音され、吸気調整弁１７によって吸気量が調整される。吸気量が調整された空気を低圧段ロータ部１１にて圧縮し、熱交換器４１にて冷却し、冷却された空気を高圧段ロータ部１２にてさらに圧縮し、高圧段機３０に向かって圧縮空気を吐出する。このとき、吐出サイレンサ２１によって吐出音が消音され、逆止弁２２によって逆流が防止される。
【００３３】
圧縮膨張兼用機１０が膨張機として動作するとき、電動発電機１３は発電機として動作する。このとき、低圧段ロータ部１１と高圧段ロータ部１２は圧縮空気を給気され、圧縮空気を膨張させることで回転駆動される。電動発電機１３は、低圧段ロータ部１１と高圧段ロータ部１２から動力を受けて発電する。具体的には、三方弁１９から吐出サイレンサ２１と逆止弁２２とがバイパスされ、高圧段機３０から高圧段ロータ部１２に圧縮空気が給気される。そして、高圧段ロータ部１２にて圧縮空気を膨張させ、電動発電機１３を駆動する。ここで膨張された圧縮空気を熱交換器４１にて加熱し、低圧段ロータ部１１に給気する。低圧段ロータ部１１にて、圧縮空気をさらに膨張させ、電動発電機１３を駆動する。ここで膨張された空気は、三方弁１８から、吸気調整弁１７と吸気サイレンサ１６と吸気フィルタ１５とをバイパスし、排気サイレンサ１４を通って大気に排気される。このとき、排気サイレンサ１４によって排気音が消音される。
【００３４】
高圧段機３０は、圧縮膨張兼用機１０の駆動圧力よりも高圧で駆動する単段型のスクリュ式である。高圧段機３０は、ロータ部３１と、ロータ部３１に機械的に接続された電動発電機３２とを備える。ロータ部３１は、雌雄一対のスクリュロータを有し、空気を圧縮および膨張させる部分である。電動発電機１４ａは、電動機としての機能または発電機として機能を切り替えて使用できる。また、高圧段機３０は、三方弁３３と、並列に接続された逆止弁３４と、給気フィルタ３５および給気調整弁３６とを備える。三方弁３３には、蓄圧部５まで延びる空気配管６が接続されている。なお、三方弁３３を切り替えることによって、空気が逆止弁３４を通過またはバイパスできるようになっている。
【００３５】
本実施形態では、高圧段機３０は、圧縮膨張兼用機１０と同様に、風力発電所２によって発電された電力を使用して空気を圧縮する機能および圧縮空気を膨張させることによって発電する機能を有する圧縮膨張兼用機である。従って、高圧段機３０を圧縮機または膨張機として切り替えて使用できる。高圧段機３０は、例えば、例えば１ＭＰａ程度以上かつ２ＭＰａ程度以内の圧力範囲にて使用される。具体的には、１ＭＰａ程度の圧縮空気を吸気し２ＭＰａ程度まで圧縮し吐出するか、または、２ＭＰａ程度の圧縮空気を給気され１ＭＰａ程度まで膨張させ排気する。
【００３６】
高圧段機３０が圧縮機として動作するとき、電動発電機３２は電動機（モータ）として動作する。このとき、電動発電機３２は風力発電所２からの電力を使用してロータ部３１を回転させ、空気を圧縮する。具体的には、圧縮膨張兼用機１０から吐出された圧縮空気を熱交換器４２にて冷却し、ロータ部３１にて圧縮空気をさらに圧縮する。そして、熱交換器４３にて圧縮空気を冷却し、空気配管６を通じて蓄圧部５に向かって吐出する。このとき、逆止弁３４によって逆流が防止される。
【００３７】
高圧段機３０が膨張機として動作するとき、電動発電機３２は発電機として動作する。このとき、ロータ部３１は圧縮空気を給気され、圧縮空気を膨張させることで回転駆動される。電動発電機３２は、ロータ部３１から動力を受けて発電する。具体的には、三方弁３３から逆止弁３４がバイパスされるとともに、給気フィルタ３５によって塵芥が除去され、給気調整弁３６によって給気量が調整される。そして、熱交換器４３にて圧縮空気を加熱し、ロータ部３１に圧縮空気を給気し、圧縮空気を膨張させ、電動発電機３２を駆動する。ここで膨張された空気は、熱交換器４２にて加熱され、圧縮膨張兼用機１０に給気される。
【００３８】
なお、本実施形態の圧縮膨張兼用機１０は本発明の電動圧縮機および膨張発電機を構成し、本実施形態の高圧段機３０も本発明の電動圧縮機および膨張発電機を構成する。また、熱交換器４１〜４３は、本発明の第１熱交換器および第２熱交換器を構成する。
【００３９】
図３を参照して、熱媒としての水の流路について説明する。
【００４０】
本実施形態では、熱媒配管８（８ａ〜８ｆ）を介して、高温貯水タンク７ａおよび低温貯水タンク７ｂと、熱交換器４１〜４３とが流体的に接続されている。熱媒配管８内には熱媒としての水が流れている。熱媒配管８内の水はポンプ４６によって流されており、本実施形態ではポンプ４６は第２コンテナＣ２に収容されている。
【００４１】
高温貯水タンク７ａからは熱媒配管８ａが延びており、低温貯水タンク７ｂからは熱媒配管８ｂが延びている。熱媒配管８ａと熱媒配管８ｂは、ポンプ４６に接続されている。ポンプ４６からは、２手に分かれて熱媒配管８ｃ，８ｄが延びている。一方の熱媒配管８ｃは熱交換器４１〜４３の第１ポート４１ａ〜４３ａに接続されており、他方の熱媒配管８ｄは熱交換器４１〜４３の第２ポート４１ｂ〜４３ｂに接続されている。また、熱交換器４１〜４３の第１ポート４１ａ〜４３ａからは低温貯水タンク７ｂまで熱媒配管８ｅが延びている。熱交換器４１〜４３の第２ポート４１ｂ〜４３ｂからは高温貯水タンク７ａまで熱媒配管８ｆが延びている。なお、熱媒配管８ａと８ｂ、熱媒配管８ｃと８ｄ、熱媒配管８ｃと８ｅ、および、熱媒配管８ｄと８ｆは、それぞれ一部を共有している。
【００４２】
熱媒配管８ａ〜８ｆには、水の流動を許容または遮断できる遮断弁９ａ〜９ｆがそれぞれ介設されている。また、熱媒配管８ｆには逆止弁４４が取り付けられており、熱媒配管８ｅには逆止弁４５が取り付けられている。逆止弁４４，４５によって、熱媒配管８ｆ，８ｅ内の水の流れが一方向に規定され、それぞれ高温貯水タンク７ａと低温貯水タンク７ｂに水を供給する方向に流れるようにされている。
【００４３】
熱媒配管８ｃ（８ｅとの共有部分）には、流量調整弁４７が介設されている。流量調整弁４７は、各熱交換器４１〜４３に対して１つずつ設けられている。流量調整弁４７の開度ないしポンプ４６の回転数を調整することによって、熱交換器４１〜４３における水の流量をそれぞれ調整できる。従って、熱交換器４１〜４３での熱交換後に得られる水と圧縮空気の温度をそれぞれ調整できる。このように、ポンプ４６および流量調整弁４７が本発明の水量調整部を構成する。
【００４４】
熱媒配管８ｃには、熱媒としての水を冷却するためのクーラ４８が介設されている。クーラ４８によって、一定の低温の水を熱交換器４１〜４３に供給できる。クーラ４８の態様は、特に限定されないが、例えば電気冷凍機であってもよい。
【００４５】
熱媒配管８ｆには、熱媒としての水を加熱するための電気ヒータ４９が介設されている。熱交換器４１〜４３にて水を所望の温度まで加熱できないときには、電気ヒータ４９を使用してさらに水を加熱してもよい。
【００４６】
本実施形態では、熱交換器４１〜４３に流入する水の流量および熱交換器４１〜４３から流出する水の流量を測定する流量センサ５１ａ，５１ｂが設けられている。換言すれば、流量センサ５１ａ，５１ｂは高温貯水タンク７ａおよび低温貯水タンク７ｂから流出する水の流量をそれぞれ測定する。また、高温貯水タンク７ａおよび低温貯水タンク７ｂに流入する水の流量をそれぞれ測定する流量センサ５１ｃ，５１ｄも設けられている。また、高温貯水タンク７ａの内圧を測定する圧力センサ５２ａおよび低温貯水タンク７ｂの内圧を測定する圧力センサ５２ｂも設けられている。各センサ５１ａ〜５１ｄ，５２ａ，５２ｂの測定値は後述する制御装置５０に送られる。
【００４７】
圧縮膨張兼用機１０（図２参照）および高圧段機３０（図２参照）によって空気を圧縮する際には、遮断弁９ｂ，９ｃ，９ｆが開かれ、遮断弁９ａ，９ｄ，９ｅが閉じられる。この状態では、熱媒配管８ａを通じて低温貯水タンク７ｂから水が流出し、この水は熱媒配管８ｃを通じて流れ、クーラ４８にて一定の低温（例えば３０℃程度）まで冷却された後、熱交換器４１〜４３の第１ポート４１ａ〜４３ａに供給される。
【００４８】
熱交換器４１〜４３では、圧縮空気が冷却され、水が加熱される。例えば、１９０℃程度の圧縮空気と３０℃程度の水とが熱交換し、４０℃程度の圧縮空気と１８０℃程度の水となる。このとき、熱交換器４１〜４３を流れる水は、ポンプ４６等によって、１８０℃でも沸騰せずに液体状態を維持する圧力まで加圧されている。本実施形態では、この水の圧力は、熱交換器４１〜４３に供給される圧縮空気の温度（１９０℃程度）に対して、＋３０℃（即ち２２０℃程度）でも沸騰しない圧力に維持されている。好ましくは、水の沸点が熱交換器４１〜４３に供給される圧縮空気の温度に対して、＋２０℃から＋５０℃の範囲内となるように水の圧力が維持される。このようにして、熱交換器４１〜４３を流れる水は液体状に維持されている。熱交換器４１〜４３にて加熱された水は、熱媒配管８ｆを通じて高温貯水タンク７ａに供給され、貯蔵される。好ましくは、高温貯水タンク７ａは、貯蔵している高温の水が大気に放熱しないように断熱されている。
【００４９】
好ましくは、熱交換器４１〜４３にて加熱された水の温度が熱交換器４１〜４３に供給される圧縮空気の温度に対して、−５℃から−２０℃の範囲内の温度となるように熱交換器４１〜４３に供給される水量が制御装置５０によって制御されている。具体的に本実施形態では、当該水量調整のために、制御装置５０によってポンプ４６の回転数および流量調整弁４７の開度が調整されている。なお、熱交換器４１〜４３に供給される圧縮空気の温度および熱交換器４１〜４３から流出する水の温度は、温度センサを設置して実際にそれぞれ測定してもよいし、電動圧縮機の性能等から予め算出してもよい。いずれにせよ、熱交換器４１〜４３において、加熱源となる圧縮空気と概ね同程度（−５℃から−２０℃）の温度の水が得られ、即ち高効率での熱交換が実現される。
【００５０】
圧縮膨張兼用機１０（図２参照）および高圧段機３０（図２参照）によって空気を膨張させる際には、遮断弁９ａ，９ｄ，９ｅが開かれ、遮断弁９ｂ，９ｃ，９ｆが閉じられる。この状態では、熱媒配管８ａを通じて高温貯水タンク７ａから水が流出し、この水は熱媒配管８ｄを通じて流れ、熱交換器４１〜４３の第２ポート４１ｂ〜４３ｂに供給される。このとき、熱交換器４１〜４３では、圧縮空気が加熱され、水が冷却される。例えば、熱交換器４１〜４３では、２０℃程度の圧縮空気と１８０℃程度の水とが熱交換し、１７０℃程度の圧縮空気と５０℃程度の水となる。前述と同様に、熱交換器４１〜４３を流れる水は、ポンプ４６等によって、１８０℃でも沸騰せずに液体状態を維持する圧力まで加圧されているため、熱交換器４１〜４３を流れる水は、液体状態に維持されている。熱交換器４１〜４３にて冷却された水は、熱媒配管８ｅを通じて低温貯水タンク７ｂに供給され、貯蔵される。
【００５１】
本実施形態では、高温貯水タンク７ａと低温貯水タンク７ｂに、高圧の窒素が貯蔵された窒素タンク６０が窒素配管６１を介して流体的に接続されている。窒素配管６１には、圧力レギュレータ（以下、単にレギュレータと記載する）６２が介設されている。レギュレータ６２の開く圧力を調整することで、高温貯水タンク７ａ内の水と、低温貯水タンク７ｂ内の水とを液体状に維持するように、窒素タンク６０内の窒素を使用して低温貯水タンク７ｂの圧力と高温貯水タンク７ａの圧力とが高圧に維持される。従って、本実施形態では、ポンプ４６と、レギュレータ６２と、窒素タンク６０とによって水が液体状に維持されており、これらが本発明の液体維持部を構成する。ただし、窒素タンク６０およびレギュレータ６２は、必要に応じて省略されてもよい。
【００５２】
第２コンテナＣ２内には、詳細を図示しないが、電気部品として、インバータ、コンバータ、制動抵抗、および、制御装置５０等が収容されている。制御装置５０は、ＣＡＥＳ発電装置１の各部を制御する。制御装置５０は、図示しない工場等から要求される電力量および風力発電所２の発電量のデータを受信している。これらの差分に応じて、風力発電所２の発電量が余剰であるか、または、不足しているかが判断される。当該判断に基づいて、圧縮膨張兼用機１０および高圧段機３０の圧縮／膨張の切り替えが行われる。制御装置５０によって、圧縮膨張兼用機１０および高圧段機３０の回転数の調整、および、ポンプ４６の回転数の調整などを行うこともできる。
【００５３】
本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１によれば、以下の利点がある。
【００５４】
風力発電所２にて発電された電力量の変動に対し、電力が余剰である場合は余剰な電力を利用して圧縮膨張兼用機１０を圧縮機として駆動し、圧縮空気を蓄圧部５に貯蔵する。電力が不足する場合は蓄圧部５の圧縮空気を利用して圧縮膨張兼用機１０を膨張機として駆動し、発電する。圧縮膨張兼用機１０を圧縮機として駆動すると、圧縮熱によって圧縮空気の温度が上昇するため、熱交換器４１〜４３にてこの高温の圧縮空気を用いて水を加熱し、加熱された高温の水を高温貯水タンク７ａに貯蔵する。また、圧縮膨張兼用機１０を膨張機として駆動するとき、熱交換器４１〜４３にて高温貯水タンク７ａの高温の水を用いて圧縮膨張兼用機１０に供給する圧縮空気を加熱することで、膨張および発電効率を向上できる。このように、上記構成では熱媒として水を使用している。水は油などと異なり、粘性が温度によって実質的に変化しないため、熱交換器４１〜４３に温度ムラが生じても熱交換器４１〜４３内で偏流を生じることがない。ただし、単に水を熱媒として使用するだけでは、水が沸騰して気化し、著しく熱交換性能が低下するおそれがある。そこで、上記液体維持部によって水を高圧に維持することで液体状に維持し、熱交換器４１〜４３における高効率の熱交換を実現している。また、水が液体状であることで熱交換器４１〜４３における流量を容易に調整できるため、所望の熱交換性能を得ることができる。さらに、例えばシリコンオイル等の粘性が温度によって実質的に変化しないその他の熱媒と比べて、水は非常に安価である。
【００５５】
上記液体維持部によって水を高圧に維持しているため、熱交換器４１〜４３にて水が加熱された際に沸騰することを防止できる。特に、熱交換器４１〜４３にて加熱される水の沸点が熱交換先の圧縮空気の温度よりも＋２０℃以上とすることで、熱交換の際に水の温度が沸点に達することを防止できるとともに、気化する割合を一定以下にすることができる。また、＋５０℃以下とすることで、必要以上に加圧する必要がなく、加圧にかかるコストを低減できる。
【００５６】
制御装置５０によって上記水量調整部を制御し、熱交換後の水の温度を調整できるため、熱交換器４１〜４３にて圧縮空気から水に高効率で熱回収でき、高温貯水タンク７ａに高温の水を貯蔵できる。このような高効率の熱回収を行うためには、熱交換器４１〜４３における圧縮空気の流量と水の流量とを適正に調整する必要がある。即ち、高密度の液体状の水の流速を低密度の気体状の圧縮空気の流速に対して大幅に遅くする必要がある。水は温度に応じて粘性が実質的に変化しないため、低流速でも偏流を生じることがない。従って、このような高効率の熱回収は、粘性が実質的に変化しない熱媒を採用しているために実現できるものである。特に水は粘性が実質的に変化しないその他の熱媒（シリコンオイル等）と比べても著しく安価である。よって、液体状の水を熱媒として採用しているからこそ低コストで高効率の熱回収を実現できる。
【００５７】
上記液体維持部として、ポンプ４６だけでなく窒素タンク６０及びレギュレータ６２を設け、高圧の窒素を使用して低温貯水タンク７ｂの圧力と高温貯水タンク７ａの圧力とを高圧に維持するため、ポンプ４６による動力のみで水を高圧に維持する場合に比べてポンプ４６の動力を低減できる。当該圧力もレギュレータ６２によって適正に管理されているため、水を安定して液体状に維持できる。ここで、高圧の窒素とは、水を液体状に維持できる程度に高圧である窒素のことをいい、例えば常温における液体窒素であってもよい。
【００５８】
圧縮膨張兼用機１０が本発明の電動圧縮機と膨張発電機とを兼ねているため、電動圧縮機と膨張発電機をそれぞれ設置する場合に比べて設置台数を減らすことができる。同様に、熱交換器４１〜４３が本発明の第１熱交換器と第２熱交換器を兼ねているため、第１熱交換器と第２熱交換器をそれぞれ設置する場合に比べて設置台数を減らすことができる。従って、低コストかつ小型のＣＡＥＳ発電装置１を提供できる。
【００５９】
本実施形態では、本発明の電動圧縮機と膨張発電機とを一体化した圧縮膨張兼用機１０を使用する例を説明したが、電動圧縮機と膨張発電機とはそれぞれ別個に設けてもよい。同様に、本発明の第１熱交換器と第２熱交換器とを一体化した熱交換器４１〜４３を使用する例を説明したが、第１熱交換器と第２熱交換器とをそれぞれ別個に設けてもよい。具体的には、第１熱交換器では、電動圧縮機から蓄圧部５に流れる圧縮空気と、低温貯水タンク７ｂから高温貯水タンク７ａに流れる水とで熱交換し、圧縮空気を冷却し、水を加熱してもよい。第２熱交換器では、蓄圧部５から膨張発電機に流れる圧縮空気と、高温貯水タンク７ａから低温貯水タンク７ｂに流れる水とで熱交換し、圧縮空気を加熱し、水を加熱してもよい。
【００６０】
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、上記実施形態においては、遮断弁９ａと熱媒配管８ｄまでの間にポンプ４６と遮断弁９ｄを設け、遮断弁９ｂと熱媒配管８ｃまでの間にポンプ４６と遮断弁９ｃを設けることで、ポンプ４６を単一としたものについて例示した。しかし、本発明はこれに限らず、図４に示すように、遮断弁９ａと熱媒配管８ｄまでの間にポンプ４６ａを設け、遮断弁９ｂと熱媒配管８ｃまでの間にポンプ４６ａとは別のポンプ４６ｂを設けることで、遮断弁９ｃと遮断弁９ｄを省略したものとすることができる。
【００６１】
また、上記実施形態では、再生可能エネルギー等による発電の例として風力発電が挙げられているが、これ以外にも、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。
【符号の説明】
【００６２】
１  圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置
２  風力発電所
５  蓄圧部
６  空気配管
７  貯水部
７ａ  高温貯水タンク（第２貯水部）
７ｂ  低温貯水タンク（第１貯水部）
８，８ａ〜８ｆ  熱媒配管
９ａ〜９ｆ  遮断弁
１０  圧縮膨張兼用機（電動圧縮機，膨張発電機）
１１  低圧段ロータ部
１２  高圧段ロータ部
１３  電動発電機
１４  排気サイレンサ
１５  吸気フィルタ
１６  吸気サイレンサ
１７  吸気調整弁
１８，１９  三方弁
２１  吐出サイレンサ
２２  逆止弁
３０  高圧段機（電動圧縮機，膨張発電機）
３１  ロータ部
３２  電動発電機
３３  三方弁
３４  逆止弁
３５  給気フィルタ
３６  給気調整弁
４１，４２，４３  熱交換器（第１熱交換器，第２熱交換器）
４１ａ〜４３ａ  第１ポート
４１ｂ〜４３ｂ  第２ポート
４４，４５  逆止弁
４６，４６ａ，４６ｂ  ポンプ（液体維持部）（水量調整部）
４７  流量調整弁（水量調整部）
４８  クーラ
４９  電気ヒータ
５０  制御装置
５１ａ〜５１ｄ  流量センサ
５２ａ，５２ｂ  圧力センサ
６０  窒素タンク（液体維持部）
６１  窒素配管
６２  レギュレータ（液体維持部）
Ｃ１  第１コンテナ
Ｃ２  第２コンテナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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