(57)【要約】【課題】圧縮空気貯蔵発電方法において、蓄圧部における圧縮空気の貯蔵値が、基準貯蔵値から乖離することを抑制するとともに最大貯蔵値に達することを抑制する。【解決手段】圧縮空気貯蔵発電方法は、圧縮効率および発電効率を最大化する蓄圧タンク４０の貯蔵量基準値と、蓄圧タンク４０の最大貯蔵値との間の数値として第１の閾値を設定し、蓄圧タンクにおける圧縮空気の貯蔵値ＳＯＣが第１の閾値を上回った場合、圧縮機２１から蓄圧タンク４０への圧縮空気の供給量を減少させることを含む。【選択図】図１
2019173608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電力を圧縮機に供給し、
前記入力電力によって前記圧縮機を駆動することによって空気を圧縮し、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を蓄圧部に貯蔵し、
前記蓄圧部から給気された前記圧縮空気によって膨張機を駆動して発電し、
第１熱交換器にて前記圧縮機から前記蓄圧部に供給される前記圧縮空気と熱媒とで熱交換することによって前記圧縮空気を冷却するとともに前記熱媒を加熱し、
前記第１熱交換器にて加熱された前記熱媒を蓄熱部に貯蔵し、
第２熱交換器にて前記蓄熱部から供給された前記熱媒と前記蓄圧部から前記膨張機に供給される前記圧縮空気とで熱交換することによって前記圧縮空気を加熱するとともに前記熱媒を冷却する
ことを含み、
圧縮効率および発電効率を最大化する前記蓄圧部の貯蔵量基準値と、前記蓄圧部の最大貯蔵値との間の数値として第１の閾値を設定し、
前記蓄圧部における前記圧縮空気の貯蔵値が前記第１の閾値を上回った場合、前記圧縮機から前記蓄圧部への前記圧縮空気の供給量を減少させる、圧縮空気貯蔵発電方法。
【請求項２】
前記圧縮機には回転数を変更するための充電用インバータが接続されており、
前記蓄圧部における前記圧縮空気の貯蔵値が前記第１の閾値を上回った場合、前記充電用インバータによって前記圧縮機の回転数を低下させる、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電方法。
【請求項３】
前記蓄圧部における前記圧縮空気の貯蔵値が前記第１の閾値を上回った場合、前記圧縮機から前記蓄圧部に供給する前記圧縮空気の少なくとも一部を大気に放風する、請求項１または請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電方法。
【請求項４】
前記貯蔵量基準値と、前記蓄圧部の最小貯蔵値との間の数値として第２の閾値を設定し、
前記蓄圧部における前記圧縮空気の貯蔵値が前記第２の閾値を下回った場合、前記蓄圧部から前記膨張機への前記圧縮空気の供給量を低減させる、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方法。
【請求項５】
前記膨張機には回転数を変更するための放電用インバータが接続されており、
前記蓄圧部における前記圧縮空気の貯蔵値が前記第２の閾値を下回った場合、前記放電用インバータによって前記膨張機の回転数を減少させる、請求項４に記載の圧縮空気貯蔵発電方法。
【請求項６】
前記蓄圧部における前記圧縮空気の貯蔵値が前記第２の閾値を下回った場合、前記貯蔵値が前記第２の閾値以上の場合よりも前記蓄圧部から前記膨張機に供給する前記圧縮空気を昇温させる、請求項４または請求項５に記載の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、圧縮空気貯蔵発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、蓄圧タンクに貯蔵された空気量が基準貯蔵値から変動した場合でも、全体としての充放電効率を高く維持しようとする圧縮空気貯蔵（CAES：Compressed Air Energy Storage）発電方法が記載されている。また、特許文献２には、蓄圧タンクに貯蔵された空気量が最大貯蔵可能量を超えた場合、放風することで運転を継続するＣＡＥＳ発電方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−２２０３５０号公報
【特許文献２】特開２０１６−２１１４０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、蓄圧タンクにおける圧縮空気の貯蔵値が基準貯蔵値から乖離することを抑制する方法については、開示も示唆もない。特許文献２には、蓄圧タンクにおける圧縮空気の貯蔵値が最大貯蔵可能値に達することを抑制する方法については、開示も示唆もない。従って、特許文献１および特許文献２のＣＡＥＳ発電方法は、これらの観点で改善の余地がある。
【０００５】
本発明は、圧縮空気貯蔵発電方法において、蓄圧部における圧縮空気の貯蔵値が、基準貯蔵値から乖離することを抑制するとともに最大貯蔵値に達すること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】
【０００６】
本発明は、
入力電力を圧縮機に供給し、
前記入力電力によって前記圧縮機を駆動することによって空気を圧縮し、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を蓄圧部に貯蔵し、
前記蓄圧部から給気された前記圧縮空気によって膨張機を駆動して発電し、
第１熱交換器にて前記圧縮機から前記蓄圧部に供給される前記圧縮空気と熱媒とで熱交換することによって前記圧縮空気を冷却するとともに前記熱媒を加熱し、
前記第１熱交換器にて加熱された前記熱媒を蓄熱部に貯蔵し、
第２熱交換器にて前記蓄熱部から供給された前記熱媒と前記蓄圧部から前記膨張機に供給される前記圧縮空気とで熱交換することによって前記圧縮空気を加熱するとともに前記熱媒を冷却する
ことを含む圧縮空気貯蔵発電方法であって、
圧縮効率および発電効率を最大化する前記蓄圧部の貯蔵量基準値と、前記蓄圧部の最大貯蔵値との間の数値として第１の閾値を設定し、
前記蓄圧部における前記圧縮空気の貯蔵値が前記第１の閾値を上回った場合、前記圧縮機から前記蓄圧部への前記圧縮空気の供給量を減少させる圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。
【０００７】
この方法によれば、入力電力を圧縮空気の態様で蓄え、必要に応じてこの圧縮空気を利用して発電できる。従って、本方法は、入力電力が再生可能エネルギーによって発電した変動電力である場合に当該変動電力を平滑化すること等に利用できる。また、第１熱交換器にて圧縮空気から圧縮熱を熱媒に回収し、高温熱媒を蓄熱部に蓄え、第２熱交換器にて高温熱媒を利用して膨張前の圧縮空気を加熱することで膨張効率を向上でき、即ち発電効率を向上できる。また、蓄圧部における圧縮空気の貯蔵値が第１の閾値を上回った場合、圧縮機から蓄圧部への圧縮空気の供給量が低減されるので、当該貯蔵値が、基準貯蔵値から乖離することを抑制できる。より詳細には、当該貯蔵値が、基準貯蔵値から乖離する速度を遅くすることができる。これに加えて、当該貯蔵値が最大貯蔵値に達するまでの時間を引き延ばすことができる。当該貯蔵値が最大貯蔵値に達すると蓄圧部に圧縮空気をそれ以上貯蔵できないため、圧縮機を停止せざるを得ない。圧縮機は、一旦停止されると、再稼働まで時間を要することが多い。従って、上記方法によって、可能な限り圧縮機の運転を継続させることで、安定した運転が可能となる。
【０００８】
前記圧縮機は回転数変更可能な種類のものであり、
前記圧縮機には回転数を変更するための充電用インバータが接続されており、
前記蓄圧部における前記圧縮空気の貯蔵値が前記第１の閾値を上回った場合、前記充電用インバータによって前記圧縮機の回転数を低下させてもよい。
【０００９】
この方法によれば、充電用インバータによって圧縮機の回転数を低下させることで圧縮機から蓄圧部への圧縮空気の供給量を容易に減少させることができる。
【００１０】
前記蓄圧部における前記圧縮空気の貯蔵値が前記第１の閾値を上回った場合、前記圧縮機から前記蓄圧部に供給する前記圧縮空気の少なくとも一部を大気に放風してもよい。
【００１１】
この方法によれば、圧縮空気の少なくとも一部を大気に放風するので、蓄圧部における圧縮空気の貯蔵値が最大貯蔵値に達することを抑制できる。このとき、圧縮機の駆動は継続できるため、第１熱交換器にて圧縮熱を熱媒に回収することはできる。従って、高温熱媒を継続して蓄熱部に貯蔵できる。
【００１２】
前記貯蔵量基準値と、前記蓄圧部の最小貯蔵値との間の数値として第２の閾値を設定し、
前記蓄圧部における前記圧縮空気の貯蔵値が前記第２の閾値を下回った場合、前記蓄圧部から前記膨張機への前記圧縮空気の供給量を低減させてもよい。
【００１３】
この方法によれば、蓄圧部における圧縮空気の貯蔵値が第２の閾値を下回った場合、蓄圧部から膨張機への圧縮空気の供給量が低減されるので、当該貯蔵値が、基準貯蔵値から乖離することを抑制できる。より詳細には、当該貯蔵値が、基準貯蔵値から乖離する速度を遅くすることができる。これに加えて、当該貯蔵値が最小貯蔵値に達するまでの時間を引き延ばすことができる。当該貯蔵値が最小貯蔵値に達すると蓄圧部から圧縮空気を膨張機にそれ以上供給できないため、膨張機を停止せざるを得ない。膨張機は、一旦停止されると、再稼働まで時間を要することが多い。従って、上記方法によって、可能な限り膨張機の運転を継続させることで、安定した運転が可能となる。
【００１４】
前記膨張機は回転数変更可能な種類のものであり、
前記膨張機には回転数を変更するための放電用インバータが接続されており、
前記蓄圧部における前記圧縮空気の貯蔵値が前記第２の閾値を下回った場合、前記放電用インバータによって前記膨張機の回転数を低下させてもよい。
【００１５】
この方法によれば、放電用インバータによって膨張機の回転数を低下させることで蓄圧部から膨張機への圧縮空気の供給量を容易に減少させることができる。
【００１６】
前記蓄圧部における前記圧縮空気の貯蔵値が前記第２の閾値を下回った場合、前記貯蔵値が前記第２の閾値以上の場合よりも前記蓄圧部から前記膨張機に供給する前記圧縮空気を昇温させてもよい。
【００１７】
この方法によれば、圧縮空気をより高温に加熱して膨張機に供給することによって発電効率を一層向上できる。特に、蓄圧部における圧縮空気の貯蔵値が第２の閾値を下回った場合にこのように発電効率を一層向上できるので、蓄圧部から膨張機への圧縮空気の供給量を減少させても発電量が減少することを防止できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電方法において、蓄圧部における圧縮空気の貯蔵値が、基準貯蔵値から乖離することを抑制するとともに最大貯蔵値に達することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電方法を実行する圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図
【図２】圧縮機ユニットおよび膨張機ユニットの詳細を示す概略構成図
【図３】蓄圧部における圧縮空気の貯蔵値の時間変化を示すグラフ
【図４】充放電効率を最大化する蓄圧タンクの貯蔵量基準値を示すグラフ
【図５】本発明の第２実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電方法を実行する圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図
【図６】本発明の第３実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電方法を実行する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】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２１】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電方法を実行する圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置１の概略構成図である。
【００２２】
ＣＡＥＳ発電装置１は、外部から電力を得て、該電力によって圧縮空気を製造し、製造した圧縮空気を蓄え、必要に応じて蓄えた圧縮空気を利用して発電する。即ち、ＣＡＥＳ発電装置１は、エネルギー貯蔵装置である。本実施形態では、ＣＡＥＳ発電装置１は、風力発電所２で発電される電力を平滑化するために使用される。
【００２３】
風力発電所２は、ＣＡＥＳ発電装置１に併設されており、複数の風車を備える。風力発電所２の発電量は気象条件によって変動するため、需要に応じた電力を供給できないことがある。これを防止するため、ＣＡＥＳ発電装置１を使用して風力発電所２の発電量を平滑化し、需要に応じた電力を供給できるようにしている。
【００２４】
風力発電所２で発電された電力は、２２ｋＶの送電線４を通じて連系変電所３に送電される。連系変電所３では電圧が昇圧され、ここで昇圧された電力は６６ｋＶの送電線５を通じて電力系統６に送電される。
【００２５】
ＣＡＥＳ発電装置１の電線１０は連接点７を介して２２ｋＶの送電線４と接続されている。従って、ＣＡＥＳ発電装置１は、風力発電所２および連系変電所３に電気的に接続されていることになる。
【００２６】
ＣＡＥＳ発電装置１の電線１０は、連接点７から、後述する圧縮機ユニット２０に接続された充電用インバータ１１と、後述する膨張機ユニット３０に接続された放電用インバータ１２とまで延びている。電線１０には、連接点７からインバータ１１，１２に向かって、電力計１３、変圧器１４、および双方向コンバータ１５がこの順に介設されている。
【００２７】
電力計１３では、２２ｋＶの送電線４からＣＡＥＳ発電装置１に入力される電力（以降、入力電力ともいう。）および２２ｋＶの送電線４にＣＡＥＳ発電装置１から出力される電力（以降、出力電力ともいう。）の双方が計測される。変圧器１４では、入力電力が２２ｋＶから６６００Ｖ、さらに６６００Ｖから交流４４０Ｖに降圧される。双方向コンバータ１５では、２２ｋＶの送電線４に入出力する交流電力が調整される。充電用インバータ１１では圧縮機ユニット２０の駆動が調整され、放電用インバータ１２では膨張機ユニット３０の駆動が調整される。
【００２８】
ＣＡＥＳ発電装置１は、圧縮機ユニット２０と、蓄圧タンク（蓄圧部）４０と、膨張機ユニット３０とを備える。これらは空気配管４２によって流体的に接続されている。
【００２９】
圧縮機ユニット２０では、大気から空気が吸気され、吸気した空気が圧縮される。圧縮機ユニット２０にて圧縮された空気は、蓄圧タンク４０に圧送される。圧縮機ユニット２０の詳細については後述する。
【００３０】
蓄圧タンク４０には、圧送された圧縮空気が貯蔵される。蓄圧タンク４０は例えば鋼製のタンクである。蓄圧タンク４０に貯蔵される圧縮空気の温度は、常温程度である。蓄圧タンク４０には圧力センサ４１が取り付けられており、圧力センサ４１によって内部の圧力を測定できる。蓄圧タンク４０に貯蔵される圧縮空気の圧力は、約４．０気圧（最小貯蔵値）から約１０．２気圧（最大貯蔵値）の範囲内である。最小貯蔵値と最大貯蔵値は、蓄圧タンク４０に許容される内圧の下限値と上限値であり、設備仕様に応じて変更され得る。なお、本実施形態では、最小貯蔵値と最大貯蔵値は、圧力値として設定されているが、圧縮空気の貯蔵量を示す値であればよく、特に限定されない。また、蓄圧タンク４０は、一個の大容量タンクであってもよいし、複数個の小容量タンクであってもよい。蓄圧タンク４０に貯蔵された圧縮空気は、膨張機ユニット３０に供給される。
【００３１】
膨張機ユニット３０は、給気された圧縮空気を膨張させることによって駆動され、発電する。ここで、膨張された空気は、大気に排気される。本実施形態では、ＣＡＥＳ発電装置１の発電能力は、例えば１０００ｋＷ・５００ｋＷｈである。
【００３２】
また、ＣＡＥＳ発電装置１は、高温熱媒タンク（蓄熱部）５０と、低温熱媒タンク５１とを備える。これらは、圧縮機ユニット２０および膨張機ユニット３０とともに、熱媒配管５３によって流体的に接続されている。
【００３３】
高温熱媒タンク５０および低温熱媒タンク５１は、例えば鋼製のタンクである。高温熱媒タンク５０には、相対的に高温の熱媒が貯蔵される。高温熱媒タンク５０に貯蔵される熱媒の温度は、例えば１５０℃程度である。低温熱媒タンク５１には、相対的に低温の熱媒が貯蔵される。低温熱媒タンク５１に貯蔵される熱媒の温度は、例えば４０℃程度である。後述するように、高温熱媒タンク５０に貯蔵された高温の熱媒と、低温熱媒タンク５１に貯蔵された低温の熱媒とは、ＣＡＥＳ発電装置１の運転効率の向上に利用される。
【００３４】
ＣＡＥＳ発電装置１は、制御装置６０を備える。ＣＡＥＳ発電装置１の動作は、制御装置６０によって制御されている。制御装置６０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６０は、充電用インバータ１１と放電用インバータ１２を制御することで充電量または放電量を調整する。制御装置６０は、連系変電所３（またはさらに上流の図示しない指令所）からの充電指令または放電指令を受け、これらに基づいて制御を実行する。ここで、充電指令とは、入力電力を利用して圧縮機ユニット２０にて空気を圧縮し蓄圧タンク４０に圧縮空気を貯蔵させる指令のことをいい、風力発電所２にて需要に対して多く発電されたたときに発令される。また、放電指令とは、蓄圧タンク４０内の圧縮空気を利用して膨張機ユニット３０にて発電し、ＣＡＥＳ発電装置１から２２ｋＶの送電線４に出力電力を供給させる指令のことをいい、風力発電所２にて需要に対して少なく発電されたときに発令される。このときの充電量または放電量は、電力計１３におけるリアルタイムの電力量を監視することで正確に調整される。これに加えて、風力発電所２の今後の発電量の予測値を考慮して制御を実行してもよい。なお、制御装置６０は遠方から監視制御されている。
【００３５】
図２は、圧縮機ユニット２０および膨張機ユニット３０の詳細を示す概略構成図である。
【００３６】
圧縮機ユニット２０は、圧縮機２１と、第１熱交換器２２とを備える。
【００３７】
圧縮機２１は、２段型のスクリュ式であり、低圧段圧縮機２１ａと、高圧段圧縮機２１ｂと、これらを駆動する電動モータ２１ｃとを備える。低圧段圧縮機２１ａと高圧段圧縮機２１ｂは、電動モータ２１ｃによって駆動される。低圧段圧縮機２１ａは、空気配管４２ａを通じて大気から空気を吸気し、圧縮し、空気配管４２ｂを通じて高圧段圧縮機２１ｂに吐出する。高圧段圧縮機２１ｂは、空気配管４２ｂを通じて低圧段圧縮機２１ａによって圧縮した空気を吸気し、さらに圧縮し、空気配管４２ｃを通じて蓄圧タンク４０に吐出する。
【００３８】
第１熱交換器２２は、第１低圧段熱交換器２２ａと、第１高圧段熱交換器２２ｂとを備える。第１低圧段熱交換器２２ａでは、空気配管４２ｂを通じて低圧段圧縮機２１ａから高圧段圧縮機２１ｂに流れる圧縮空気と、熱媒配管５３ａを通じて低温熱媒タンク５１から高温熱媒タンク５０に流れる熱媒とが熱交換し、圧縮空気が冷却されるとともに熱媒が加熱される。また、第１高圧段熱交換器２２ｂでは、空気配管４２ｃを通じて高圧段圧縮機２１ｂから蓄圧タンク４０に流れる圧縮空気と、熱媒配管５３ｂを通じて低温熱媒タンク５１から高温熱媒タンク５０に流れる熱媒とが熱交換し、圧縮空気が冷却されるとともに熱媒が加熱される。よって、高温熱媒タンク５０には、第１熱交換器２２にて加熱された高温の熱媒が貯蔵される。これにより、高圧段圧縮機２１ｂに供給される圧縮空気の温度を低下させ、圧縮効率を向上できるとともに、蓄圧タンク４０に供給される圧縮空気の温度を低下させ、蓄圧タンク４０にて大気に放熱してエネルギーロスを生じることを防止できる。
【００３９】
膨張機ユニット３０は、膨張機３１と、第２熱交換器３２とを備える。
【００４０】
膨張機３１は、２段型のスクリュ式であり、低圧段膨張機３１ａと、高圧段膨張機３１ｂと、これらによって駆動される発電機３１ｃとを備える。低圧段膨張機３１ａと高圧段膨張機３１ｂによって、発電機３１ｃは駆動される。高圧段膨張機３１ｂは、空気配管４２ｄを通じて蓄圧タンク４０から圧縮空気を給気され、膨張させ、空気配管４２ｅを通じて低圧段膨張機３１ａに排気する。低圧段膨張機３１ａは、空気配管４２ｅを通じて高圧段膨張機３１ｂによって膨張された空気を給気され、さらに膨張させ、空気配管４２ｆを通じて大気に排気する。
【００４１】
第２熱交換器３２は、第２低圧段熱交換器３２ａと、第２高圧段熱交換器３２ｂとを備える。第２高圧段熱交換器３２ｂでは、空気配管４２ｄを通じて蓄圧タンク４０から高圧段膨張機３１ｂに流れる圧縮空気と、熱媒配管５３ｃを通じて高温熱媒タンク５０から低温熱媒タンク５１に流れる熱媒とが熱交換し、圧縮空気が加熱されるとともに熱媒が冷却される。また、第２低圧段熱交換器３２ａでは、空気配管４２ｅを通じて高圧段膨張機３１ｂから低圧段膨張機３１ａに流れる圧縮空気と、熱媒配管５３ｄを通じて高温熱媒タンク５０から低温熱媒タンク５１に流れる熱媒とが熱交換し、圧縮空気が加熱されるとともに熱媒が冷却される。よって、低温熱媒タンク５１には、第２熱交換器３２にて冷却された低温の熱媒が貯蔵される。これにより、高圧段膨張機３１ｂに供給される圧縮空気の温度を上昇させ、膨張効率を向上できるとともに、低圧段膨張機３１ａに供給される圧縮空気の温度を上昇させ、膨張効率を向上できる。
【００４２】
本実施形態では、圧縮機２１と膨張機３１の両方ともに２段型であるが、３段型以上であってもよいし、単段型であってもよい。また、圧縮機２１と膨張機３１の数は、それぞれ複数台であってもよい。また、圧縮機２１と膨張機３１の両方がスクリュ式であるが、スクロール式等の他の回転数変更可能な種類のものであってもよい。
【００４３】
図３は、蓄圧タンク４０における圧縮空気の貯蔵値の時間変化を示すグラフである。このグラフでは、縦軸が圧縮空気の貯蔵値（SOC：state of charge［％］）を示し、横軸が経過時間を示している。ここで、貯蔵値ＳＯＣとは、蓄圧タンク４０に許容される圧縮空気の最大貯蔵量に対する現在の貯蔵量の割合を示す。
【００４４】
図４は、圧縮効率および膨張効率（以降、充放電効率ともいう。）を最大化する蓄圧タンクの貯蔵量基準値を示すグラフである。このグラフでは、縦軸が圧縮空気の充放電効率を示し、横軸が貯蔵値ＳＯＣ（％）を示している。本実施形態では、圧縮機２１および膨張機３１の性能の観点から貯蔵値ＳＯＣが６６％程度で充放電効率が最大となっている。一般にも、圧縮機２１および膨張機３１は、空気圧が定格空気圧の２／３程度の値で最も充放電効率がよくなるように設計されている。ＣＡＥＳ発電装置１は、その中心的な構成要素である圧縮機２１および膨張機３１の性能によって全体の充放電効率が決まる。よって、本実施形態では、貯蔵量基準値が６６％となっている。仮に、貯蔵値ＳＯＣが１００％また０％である近傍を貯蔵量基準値として設計すると、上限値または下限値に対する余裕が少なくなり、稼動範囲が狭くなる。このことから、最適な貯蔵量基準値は、貯蔵値ＳＯＣが上限値または下限値（１００％または０％）から離れた値であることが好ましい。
【００４５】
図３を参照して、本実施形態のＣＡＥＳ発電方法では、貯蔵量基準値（６６％）と最大貯蔵値（１００％）との間の数値として第１の閾値（８０％）が設定されている。また、貯蔵量基準値（６６％）と最小貯蔵値（０％）との間の数値として第２の閾値（２０％）が設定されている。第１の閾値および第２の閾値は、以下のように制御装置６０の制御を切り替えるための数値である。
【００４６】
制御装置６０は、圧力センサ４１から蓄圧タンク４０内の圧力値を受け、貯蔵値ＳＯＣ（％）を算出する。そして、貯蔵値ＳＯＣが第２の閾値（２０％）以上かつ第１の閾値（８０％）以下の範囲では、圧縮機２１および膨張機３１を定格駆動する。貯蔵値ＳＯＣが第１の閾値（８０％）を上回る範囲では、圧縮機２１から蓄圧タンク４０への圧縮空気の供給量を低減させる。貯蔵値ＳＯＣが第２の閾値（２０％）を下回る範囲では、蓄圧タンク４０から膨張機３１への圧縮空気の供給量を低減させる。
【００４７】
図３を参照して、本実施形態のＣＡＥＳ発電方法を時間の経過とともに具体的に説明する。時間ｔ１までは、貯蔵値ＳＯＣが貯蔵量基準値（６６％）となっている。貯蔵値ＳＯＣが６６％の時間ｔ１の状態から充電指令を受けると、入力電力によって圧縮機２１を定格駆動する。時間ｔ２を超えて貯蔵値ＳＯＣが第１の閾値（８０％）を上回ると、圧縮機２１から蓄圧タンク４０への圧縮空気の供給量を低減させる。具体的には、充電用インバータ１１を制御し、圧縮機２１の回転数を定格駆動の状態から低下させて抑制駆動し、蓄圧タンク４０に圧縮空気を蓄圧する速度を低下させる。時間ｔ３になり、貯蔵値ＳＯＣが１００％に達すると、圧縮機２１は停止する。ここで、時間ｔ１から時間ｔ３の間では、充電指令値は一定であり、即ち入力電力は一定である。また、時間ｔ３から時間ｔ４の間の貯蔵値ＳＯＣが１００％の状態では、圧縮機２１は停止している。
【００４８】
時間ｔ４の状態から放電指令を受けると、蓄圧タンク４０に蓄圧された圧縮空気によって膨張機３１を定格駆動する。時間ｔ５を超えて貯蔵値ＳＯＣが第２の閾値（２０％）を下回ると、蓄圧タンク４０から膨張機３１への圧縮空気の供給量を低減させる。具体的には、放電用インバータ１２を制御し、膨張機３１の回転数を低下させて抑制駆動し、蓄圧タンク４０から圧縮空気が流出する速度を低下させる。時間ｔ６になり、最小貯蔵値（０％）に達すると、膨張機３１は停止する。ここで、時間ｔ４から時間ｔ６の間では、放電指令値は一定であり、即ち電力の需要は一定である。
【００４９】
本実施形態のＣＡＥＳ発電方法によれば、次のような利点がある。
【００５０】
蓄圧タンク４０における圧縮空気の貯蔵値ＳＯＣが第１の閾値を上回った場合、圧縮機２１から蓄圧タンク４０への圧縮空気の供給量が低減されるので、貯蔵値ＳＯＣが、基準貯蔵値から乖離することを抑制できる。より詳細には、貯蔵値ＳＯＣが、基準貯蔵値から乖離する速度を遅くすることができる。これに加えて、貯蔵値ＳＯＣが最大貯蔵値に達するまでの時間を引き延ばすことができる（図３のΔｔａ参照）。貯蔵値ＳＯＣが最大貯蔵値に達すると蓄圧タンク４０に圧縮空気をそれ以上貯蔵できないため、圧縮機２１を停止せざるを得ない。圧縮機２１は、一旦停止されると、再稼働まで時間を要することが多い。従って、上記方法によって、可能な限り圧縮機２１の運転を継続させることで、安定した運転が可能となる。
【００５１】
本実施形態では、圧縮機２１として回転数を変更可能なスクリュ式を採用しているため、充電用インバータ１１によって圧縮機２１の回転数を低下させることで圧縮機２１から蓄圧タンク４０への圧縮空気の供給量を容易に減少させることができる。
【００５２】
蓄圧タンク４０における圧縮空気の貯蔵値ＳＯＣが第２の閾値を下回った場合、蓄圧タンク４０から膨張機３１への圧縮空気の供給量が低減されるので、貯蔵値ＳＯＣが、基準貯蔵値から乖離することを抑制できる。より詳細には、貯蔵値ＳＯＣが、基準貯蔵値から乖離する速度を遅くすることができる。これに加えて、貯蔵値ＳＯＣが最小貯蔵値に達するまでの時間を引き延ばすことができる図３のΔｔｂ参照。貯蔵値ＳＯＣが最小貯蔵値に達すると蓄圧タンク４０から圧縮空気を膨張機３１にそれ以上供給できないため、膨張機３１を停止せざるを得ない。膨張機３１は、一旦停止されると、再稼働まで時間を要することが多い。従って、上記方法によって、可能な限り膨張機３１の運転を継続させることで、安定した運転が可能となる。
【００５３】
本実施形態では、膨張機３１として回転数変更なスクリュ型を採用しているため、放電用インバータ１２によって膨張機３１の回転数を低下させることで蓄圧タンク４０から膨張機３１への圧縮空気の供給量を容易に減少させることができる。
【００５４】
図３の例では、充電指令値および放電指令値がともに一定値であることを前提に説明しているが、充電指令値および放電指令値は時々刻々変化し、充電指示と放電指示が頻繁に切り替わることもある。例えば、貯蔵値ＳＯＣが８０％を上回っているときに充電指示から放電指示に切り替わると、放電運転を行うこととなるが、このとき膨張機３１は定格駆動される。従って、充電運転における基準貯蔵値からの乖離速度よりも放電運転における基準貯蔵値への接近速度の方が速い。よって、早期に貯蔵値ＳＯＣが基準貯蔵値に復帰できる。同様に、貯蔵値ＳＯＣが２０％を下回っているときに放電指示から充電指示に切り替わると、充電運転を行うこととなるが、このとき圧縮機２１は定格駆動される。従って、放電運転における基準貯蔵値からの乖離速度よりも充電運転における基準貯蔵値への接近速度の方が速い。よって、早期に貯蔵値ＳＯＣが基準貯蔵値に復帰できる。さらに言えば、これらの場合に基準貯蔵値に復帰せずとも貯蔵値ＳＯＣが最大貯蔵値（１００％）または最小貯蔵値（０％）に達するまでの時間を一層引き延ばすことはできる。このように、充電指示と放電指示が頻繁に切り替わるときにも本実施形態のＣＡＥＳ発電方法は有効である。
【００５５】
本実施形態では、第１の閾値は、本実施形態では８０％に設定したが、９０〜９５％程度に設定してもよい。また、複数の第１の閾値を設定し、圧縮機２１の駆動を段階的に強く抑制してもよいし、または係数をかけて連続的に徐々に抑制してもよい。同様に、第２の閾値は、本実施形態では２０％に設定したが、１０〜２０％程度にしてもよい。また、複数の第２の閾値を設定し、膨張機３１の駆動を段階的に強く抑制してもよいし、または係数をかけて連続的に徐々に抑制してもよい。これらのような抑制制御の方法としては、制御系にＰＩＤ制御を採用している場合は、抑制程度に応じて制御ゲインを変更することが考えられる。これは以降の実施形態でも同様である。
【００５６】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係るＣＡＥＳ発電方法を実行するＣＡＥＳ発電装置１の概略構成図である。図５に示すＣＡＥＳ発電装置１は、放風弁４３を備えている。これに関する構成以外は、図２の第１実施形態におけるＣＡＥＳ発電装置１の構成と同じである。従って、図２に示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。
【００５７】
本実施形態では、圧縮機２１から蓄圧タンク４０に延びる空気配管４２ｃに放風弁４３が設けられている。放風弁４３は、通常閉じられており、以下に示すように必要に応じて開かれる。
【００５８】
本実施形態のＣＡＥＳ発電方法は、貯蔵値ＳＯＣが第１の閾値を上回った場合、放風弁４３が開かれ、圧縮機２１から蓄圧タンク４０に供給する圧縮空気の少なくとも一部を大気に放風する。
【００５９】
本実施形態によれば、圧縮空気の少なくとも一部を大気に放風するので、蓄圧タンク４０における圧縮空気の貯蔵値ＳＯＣが最大貯蔵値に達することを抑制できる。このとき、圧縮機２１の駆動は継続しているため、第１熱交換器２２にて圧縮熱を熱媒に回収することはできる。従って、高温熱媒を継続して高温熱媒タンク５０に貯蔵できる。
【００６０】
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係るＣＡＥＳ発電方法を実行するＣＡＥＳ発電装置１の概略構成図である。図６に示すＣＡＥＳ発電装置１は、流量調整弁５４，５５を備えている。これに関する構成以外は、図２の第１実施形態におけるＣＡＥＳ発電装置１の構成と同じである。従って、図２に示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。
【００６１】
本実施形態では、高温熱媒タンク５０から第２高圧段熱交換器３２ｂに延びる熱媒配管５３ｃに流量調整弁５４が設けられ、同様に高温熱媒タンク５０から第２低圧段熱交換器３２ａに延びる熱媒配管５３ｄにも流量調整弁５５が設けられている。従って、流量調整弁５４，５５の開度を調整することによって、第２高圧段熱交換器３２ｂ，第２低圧段熱交換器３２ａに供給される熱媒量を調整できる。流量調整弁５４，５５の開度は、制御装置６０によって制御されており、本実施形態のＣＡＥＳ発電方法によって以下のように制御されている。
【００６２】
蓄圧タンク４０における圧縮空気の貯蔵値ＳＯＣが第２の閾値（２０％）を下回った場合、貯蔵値ＳＯＣが第２の閾値（２０％）以上の場合よりも蓄圧タンク４０から膨張機３１に供給する圧縮空気を昇温させる。具体的には、流量調整弁５４，５５の開度を大きくし、第２高圧段熱交換器３２ｂ，第２低圧段熱交換器３２ａに供給される熱媒量を増加させる。これにより、第２熱交換器３２にて圧縮空気が一層大きく昇温し、膨張機３１に供給される圧縮空気の温度が上昇する。
【００６３】
本実施形態によれば、圧縮空気をより高温に加熱して膨張機３１に供給することによって発電効率を一層向上できる。特に、蓄圧タンク４０における圧縮空気の貯蔵値ＳＯＣが第２の閾値を下回った場合にこのように発電効率を一層向上できるので、蓄圧タンク４０から膨張機３１への圧縮空気の供給量を低減させても発電量が減少することを防止できる。
【００６４】
以上より、本発明の具体的な実施形態およびその変形例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、個々の実施形態の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。また、上記各実施形態では、ＣＡＥＳ発電装置１を風力発電所２と接続する例を示したが、例えば太陽光発電装置または太陽熱発電装置などの他の発電装置と接続してもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１  圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置
２  風力発電所
３  連系変電所
４  送電線（２２ｋＶ）
５  送電線（６６ｋＶ）
６  電力系統
７  連接点
１０  電線
１１  充電用インバータ
１２  放電用インバータ
１３  電力計
１４  変圧器
１５  双方向コンバータ
２０  圧縮機ユニット
２１  圧縮機
２１ａ  低圧段圧縮機
２１ｂ  高圧段圧縮機
２１ｃ  電動モータ
２２  第１熱交換器
２２ａ  第１低圧段熱交換器
２２ｂ  第１高圧段熱交換器
３０  膨張機ユニット
３１  膨張機
３１ａ  低圧段膨張機
３１ｂ  高圧段膨張機
３１ｃ  発電機
３２  第２熱交換器
３２ａ  第２低圧段熱交換器
３２ｂ  第２高圧段熱交換器
４０  蓄圧タンク（蓄圧部）
４１  圧力センサ
４２，４２ａ〜４２ｆ  空気配管
４３  放風弁
５０  高温熱媒タンク（蓄熱部）
５１  低温熱媒タンク
５３，５３ａ〜５３ｄ  熱媒配管
５４，５５  流量調整弁
６０  制御装置
【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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