(57)【要約】  空気圧縮膨張システムは、モータ−発電機ユニットと、モータ−発電機ユニットに接続され、モータ−発電機ユニットにおよびモータ−発電機ユニットから回転動力を送出するように構成された駆動軸と、駆動軸に選択的に結合することができ、駆動軸の近くに配置された圧縮機システムと、駆動軸に選択的に結合することができ、駆動軸の近くに配置されたタービンシステムであり、モータ−発電機ユニットの共通の側に圧縮機システムとともに配置された、タービンシステムとを含む。空気圧縮膨張システムは、圧縮機システムに取り付けられた圧縮機クラッチと、タービンシステムに取り付けられたタービンクラッチとをさらに含む。圧縮機クラッチおよびタービンクラッチは、駆動軸のまわりに同軸で配列され、それぞれ圧縮機システムおよびタービンシステムを駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成される。【選択図】図２
2013509531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮モードおよび膨張モードで動作可能な空気圧縮膨張システムであって、
モータ−発電機ユニットと、
前記モータ−発電機ユニットに接続され、前記モータ−発電機ユニットにおよび前記モータ−発電機ユニットから回転動力を送出するように構成された単一駆動軸と、
前記単一駆動軸に選択的に結合することができ、前記単一駆動軸の近くに配置された圧縮機システムと、
前記単一駆動軸に選択的に結合することができ、前記単一駆動軸の近くに配置されたタービンシステムであり、前記モータ−発電機ユニットの共通の側に前記圧縮機システムとともに配置された、タービンシステムと、
前記単一駆動軸のまわりに同軸で配列され、前記圧縮機システムに取り付けられた圧縮機クラッチであり、前記圧縮機システムを前記単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成された、圧縮機クラッチと、
前記単一駆動軸のまわりに同軸で配列され、前記タービンシステムに取り付けられたタービンクラッチであり、前記タービンシステムを前記単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成された、タービンクラッチと
を含む、空気圧縮膨張システム。
【請求項２】
前記圧縮機クラッチが、前記圧縮機システムを前記単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成された操作可能クラッチを含み、
前記タービンクラッチが、前記タービンシステムを前記駆動軸に対して自動的に結合および切り離すように構成されたフリーホイールクラッチを含む、請求項１記載の空気圧縮膨張システム。
【請求項３】
前記駆動軸が前記圧縮段階および前記膨張段階の各々の間単一の方向に回転する、請求項２記載の空気圧縮膨張システム。
【請求項４】
前記フリーホイールクラッチは、膨張段階の間に前記タービンシステムの回転速度が前記駆動軸の回転速度に同期化すると同時に、前記タービンシステムを前記駆動軸に自動的に結合させるように構成される、請求項２記載の空気圧縮膨張システム。
【請求項５】
前記圧縮機クラッチが、前記圧縮機システムを前記駆動軸に対して自動的に結合および切り離すように構成されたフリーホイールクラッチを含み、
前記タービンクラッチが、前記タービンシステムを前記単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成された操作可能クラッチを含む、請求項１記載の空気圧縮膨張システム。
【請求項６】
前記駆動軸が前記圧縮段階の間第１の方向に回転し、前記膨張段階の間前記第１の方向と反対の第２の方向に回転する、請求項５記載の空気圧縮膨張システム。
【請求項７】
前記圧縮システムが、
低圧圧縮機と、
前記低圧圧縮機に隣接して配置された高圧圧縮機と
を含み、
前記低圧圧縮機および前記高圧圧縮機が、反対の流れ方向を有するように前記駆動軸に配列される、請求項１記載の空気圧縮膨張システム。
【請求項８】
前記圧縮システムが、
前記低圧圧縮機に空気を導入するための入力管路であり、前記圧縮システムの外側縁部に配置される、入力管路と、
前記低圧圧縮機から前記高圧圧縮機に空気を移送するための接続管路と、
前記高圧圧縮機から空気を排出するための出力管路であり、前記低圧圧縮機と前記高圧圧縮機との間の前記圧縮システムの区域に配置される、出力管路と
をさらに含む、請求項７記載の空気圧縮膨張システム。
【請求項９】
前記タービンシステムが、
低圧タービンと、
前記低圧タービンに隣接して配置された高圧タービンと
を含み、
前記低圧タービンおよび前記高圧タービンが、反対の流れ方向を有するように前記駆動軸に配列される、請求項１記載の空気圧縮膨張システム。
【請求項１０】
前記タービンシステムが、
前記高圧タービンに圧縮空気を導入するための入力管路であり、前記低圧タービンと前記高圧タービンとの間の前記タービンシステムの区域に配置される、入力管路と、
前記高圧タービンから前記低圧タービンに空気を移送するための接続管路と、
前記低圧タービンから空気を排出するための出力管路であり、前記タービンシステムの外側縁部に配置される、出力管路と
をさらに含む、請求項９記載の空気圧縮膨張システム。
【請求項１１】
前記圧縮システムおよび前記タービンシステムが前記駆動軸に同軸で整列される、請求項１記載の空気圧縮膨張システム。
【請求項１２】
前記圧縮機クラッチおよび前記タービンクラッチの一方を選択的に作動させ、前記圧縮機システムおよび前記タービンシステムの一方を前記駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成されたコントローラをさらに含む、請求項１記載の空気圧縮膨張システム。
【請求項１３】
それぞれの圧縮および膨張動作モードの間ガスを圧縮および膨張させるためのシステムを製造する方法であって、
機械動力および電力の両方を生成するように構成された組合せモータ−発電機ユニットを用意するステップと、
単一駆動軸を前記モータ−発電機ユニットに結合させるステップであり、前記単一駆動軸が、前記モータ−発電機ユニットから回転動力を受け取り、かつ前記モータ−発電機ユニットに回転動力を送出するように結合される、ステップと、
前記単一駆動軸のまわりで前記組合せモータ−発電機ユニットの共通の側にそれぞれ圧縮機システムおよびタービンシステムを配列して、圧縮および膨張動作モードの間ガスを圧縮および膨張させるステップと、
第１のクラッチ機構を前記駆動軸のまわりに同軸で配列するステップであり、前記第１のクラッチ機構が、前記圧縮および膨張動作モードの間前記圧縮機システムを前記単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成される、ステップと、
第２のクラッチ機構を前記駆動軸のまわりに同軸で配列するステップであり、前記第２のクラッチ機構が、前記圧縮および膨張動作モードの間前記タービンシステムを前記単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成される、ステップと
を含み、
前記圧縮機およびタービンシステムと前記第１および第２のクラッチ機構との配備により、前記圧縮動作モードと前記膨張動作モードとの間の移行の間前記単一駆動軸を一定回転させることができる、方法。
【請求項１４】
前記第１のクラッチ機構を用意するステップが、前記圧縮機システムを前記単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように前記圧縮機システムに結合される操作可能クラッチを用意するステップを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記第２のクラッチ機構を用意するステップが、前記タービンシステムを前記駆動軸に対して自動的に結合および切り離すように前記タービンシステムに結合された自己同期クラッチを用意するステップであり、前記自己同期クラッチが、前記タービンシステムの回転速度が前記駆動軸の回転速度に同期化すると同時に、前記タービンシステムを前記駆動軸に自動的に係合させるように構成される、ステップを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記圧縮システムを用意するステップが、低圧圧縮機および高圧圧縮機を用意するステップであり、前記低圧圧縮機および前記高圧圧縮機が、反対の流れ方向を有するように前記単一駆動軸に配列される、ステップを含み、
前記タービンシステムを用意するステップが、低圧タービンおよび高圧タービンを用意するステップであり、前記低圧タービンおよび前記高圧タービンが、反対の流れ方向を有するように前記単一駆動軸に配列される、ステップを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
ガスを圧縮および膨張させ、圧縮モードおよび膨張モードで動作可能であるシステムであって、
機械動力および電力を共に生成するように構成された組合せモータ−発電機ユニットと、
前記モータ−発電機ユニットに接続され、前記モータ−発電機ユニットにおよび前記モータ−発電機ユニットから回転動力を送出するように構成された駆動軸であり、前記圧縮動作モードおよび前記膨張動作モードの各々の間一定の方向に回転する、駆動軸と、
前記駆動軸に配置され、前記駆動軸からの回転動力によって駆動されるときガスを選択的に圧縮するように構成される圧縮機システムと、
前記駆動軸に配置され、回転動力を前記駆動軸に供給するようにガスを選択的に膨張させるように構成されたタービンシステムと、
前記圧縮機システムを前記駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように前記圧縮機システムに取り付けられた操作可能クラッチと、
前記タービンシステムを前記駆動軸に対して自動的に結合および切り離すように前記タービンシステムに取り付けられたフリーホイールクラッチと
を含み、
前記駆動軸が、前記圧縮動作モードから前記膨張動作モードに移行する間前記一定の方向に回転し続ける、システム。
【請求項１８】
前記圧縮モードおよび前記膨張モードで前記システムを交互に動作させるように構成されたコントローラをさらに含む、請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
前記コントローラが、前記圧縮動作モードの間モータモードで、および前記膨張動作モードの間発電機モードで前記組合せモータ−発電機ユニットを動作させ、前記圧縮動作モードの間前記操作可能クラッチを作動させ、前記圧縮機システムを前記駆動軸に結合させ、前記膨張動作モードの間前記操作可能クラッチを作動させ、前記圧縮機システムを前記駆動軸から切り離すように構成される、請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記フリーホイールクラッチが、前記圧縮動作モードの間前記タービンシステムを前記駆動軸から切り離し、前記膨張動作モードの間前記タービンシステムを前記駆動軸に結合させるように構成される、請求項１７記載のシステム。
【請求項２１】
前記フリーホイールクラッチは、前記タービンシステムの回転速度が前記駆動軸の回転速度に同期化すると同時に、前記タービンシステムを前記駆動軸に自動的に係合させるように構成された自己同期クラッチを含む、請求項２０記載のシステム。
【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、空気圧縮膨張システムに関し、より詳細には、組合せモータ−発電機ユニットと圧縮機および膨張機に結合される単一駆動軸とを有する空気圧縮膨張システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気圧縮膨張システムは多くの産業で様々な用途のために使用されている。例えば、そのような１つの用途は、エネルギーの生成および貯蔵におけるターボ機械のような空気圧縮膨張システムを使用することである。圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムは、典型的には、吸入空気を圧縮し、圧縮された吸入空気をカバーン、地下貯蔵所、または他の圧縮空気貯蔵構成要素に供給する複数の圧縮機を有する圧縮系列を含む。次に、後で、圧縮空気を使用してタービンを駆動し、例えば電気エネルギーなどのエネルギーを生成する。ＣＡＥＳシステムの圧縮段階の動作の間、圧縮された吸入空気は、典型的には、冷却される。膨張段階の動作の間、空気は地下貯蔵所からタービンを通って放出され、膨張し、その結果、空気は大気圧でタービンを出て行く。
【０００３】
典型的には、ＣＡＥＳシステムの圧縮機およびタービンは各々それぞれのクラッチにより発電機／モータデバイスに接続され、それにより、適切に選択された期間の間、単独で圧縮機または単独でタービンのいずれかの動作を行うことができる。電力網における電力需要のオフピーク期間の間（すなわち、夜間および週末）、圧縮機系列はクラッチを通して発電機／モータによって駆動される。この構成では、発電機／モータはモータとして機能し、電力を電力網から取り込む。次に、圧縮空気は冷却され、地下貯蔵所に送り出される。ピーク需要期間の間、タービンクラッチを係合させることにより、空気は貯蔵所から引き出され、次に、タービン系列を通って加熱および膨張され、発電機／モータを駆動することによって電力を供給する。この構成では、発電機／モータは発電機として機能し、例えば、電力網に電力を供給する。
【０００４】
従来技術で知られているＣＡＥＳシステムにおける空気圧縮膨張システムの典型的な配備が図１に示される。空気圧縮膨張システム１００は圧縮モードおよび膨張モードで交互に動作するように構成され、組合せモータ−発電機ユニット１０２、駆動軸１０４、１０６、クラッチ１０８、１１０、圧縮機システム１１２、およびタービンシステム１１４を含む。
【０００５】
モータ−発電機ユニット１０２は送電線を介してベース負荷電源に電気的に接続され、圧縮モード動作の間そこから電力を受け取る。圧縮モードの動作の間、モータ−発電機ユニット１０２は回転動力を生成し、回転動力は駆動軸１０４を介して圧縮機システム１１２に送出される。クラッチ１０８を係合させて、圧縮機システム１１２を駆動軸１０４およびモータ−発電機ユニット１０２に結合させ、それによって、圧縮機システム１１２を駆動して空気を圧縮し、空気はその後の発電のために貯蔵される。
【０００６】
空気圧縮膨張システム１００を膨張動作モードに切り替えると同時に、モータ−発電機ユニット１０２への電力の供給は終了し、その結果、駆動軸１０４への回転動力の伝達は終了し、圧縮機システム１１２はもはや電力を供給されない。次に、クラッチ１１０を係合させて、タービンシステム１１４を駆動軸１０６およびモータ−発電機ユニット１０２に結合させ、それにより、タービンシステム１１４からモータ−発電機ユニット１０２に動力を伝達することができるようになる。貯蔵された圧縮空気をタービンシステム１１４に送り出すと同時に、回転動力がタービンシステム１１４から供給され、駆動軸１０６を介してモータ−発電機ユニット１０２に伝達される。
【０００７】
駆動軸１０４、１０６、クラッチ１０８、１１０、圧縮機システム１１２、およびタービンシステム１１４を空気圧縮膨張システム１００に含めることにより発電するように機能するが、欠点がないわけではない。例えば、多数の駆動軸１０４、１０６、クラッチ１０８、１１０の配備は多くの構成要素および多くの空間を必要とする。さらに、空気圧縮膨張システム１００の駆動軸１０４、１０６、クラッチ１０８、１１０、圧縮機システム１１２、およびタービンシステム１１４の配備は、圧縮モードから膨張動作モードに移行するとき、回転動力を伝達することができない。すなわち、圧縮動作モードの間に駆動軸１０４に存在する回転動力は、膨張動作モードの間、使用するために駆動軸１０６に伝達することができない。そのため、そのような回転動力を圧縮モードから膨張動作モードへの移行の間伝達することができるならば、他の手法で利用することができる動力の損失が、現実のものとなる。
【発明の概要】
【０００８】
したがって、前述の欠点を克服するシステムおよび方法を設計することが望ましいことになる。
【０００９】
本発明の実施形態は、組合せモータ−発電機ユニットと、圧縮機および膨張機に結合される単一駆動軸とを有する空気圧縮膨張システムを用意するためのシステムおよび方法を提供する。
【００１０】
本発明の一態様によれば、圧縮モードおよび膨張モードで動作可能である空気圧縮膨張システムが提供される。空気圧縮膨張システムは、モータ−発電機ユニットと、モータ−発電機ユニットに接続され、モータ−発電機ユニットにおよびモータ−発電機ユニットから回転動力を送出するように構成された単一駆動軸と、単一駆動軸に選択的に結合することができ、単一駆動軸の近くに配置された圧縮機システムと、単一駆動軸に選択的に結合することができ、単一駆動軸の近くに配置されたタービンシステムであり、モータ−発電機ユニットの共通の側に圧縮機システムとともに配置された、タービンシステムとを含む。空気圧縮膨張システムは、圧縮機システムに取り付けられ、単一駆動軸のまわりに同軸で配列された圧縮機クラッチであり、圧縮機システムを単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成される、圧縮機クラッチをさらに含む。空気圧縮膨張システムは、タービンシステムに取り付けられ、単一駆動軸のまわりに同軸で配列されたタービンクラッチであり、タービンシステムを単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成された、タービンクラッチをさらに含む。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、それぞれの圧縮および膨張動作モードの間ガスを圧縮および膨張させるためのシステムを製造する方法が説明される。この方法は、機械動力および電力の両方を生成するように構成された組合せモータ−発電機ユニットを用意するステップと、単一駆動軸を前記モータ−発電機ユニットに結合させるステップであり、単一駆動軸が、モータ−発電機ユニットから回転動力を受け取り、かつモータ−発電機ユニットに回転動力を送出するように結合される、ステップとを含む。この方法は、単一駆動軸のまわりで組合せモータ−発電機ユニットの共通の側にそれぞれ圧縮機システムおよびタービンシステムを配列して、圧縮および膨張動作モードの間ガスを圧縮および膨張させるステップをさらに含む。第１のクラッチ機構は駆動軸のまわりに同軸で配列され、圧縮および膨張動作モードの間圧縮機システムを単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成され、第２のクラッチ機構は駆動軸のまわりに同軸で配列され、圧縮および膨張動作モードの間タービンシステムを単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成される。圧縮機およびタービンシステムと第１および第２のクラッチ機構との配備を行うことにより、圧縮動作モードと膨張動作モードとの間の移行の間単一駆動軸を一定回転させることができる。
【００１２】
本発明のさらなる別の態様によれば、ガスを圧縮および膨張させ、圧縮モードおよび膨張モードで動作可能であるシステムが提供される。このシステムは、機械動力および電力を共に生成するように構成された組合せモータ−発電機ユニットと、モータ−発電機ユニットに接続され、モータ−発電機ユニットにおよびモータ−発電機ユニットから回転動力を送出するように構成された駆動軸であり、圧縮動作モードおよび膨張動作モードの各々の間一定の方向に回転する、駆動軸とを含む。このシステムは、駆動軸に配置され、駆動軸からの回転動力によって駆動されるときガスを選択的に圧縮するように構成された圧縮機システムと、駆動軸に配置され、回転動力を駆動軸に供給するようにガスを選択的に膨張させるように構成されたタービンシステムと、圧縮機システムを駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように圧縮機システムに取り付けられた操作可能クラッチと、タービンシステムを駆動軸に対して自動的に結合および切り離すようにタービンシステムに取り付けられたフリーホイールクラッチとをさらに含む。駆動軸は、圧縮動作モードから膨張動作モードに移行する間一定の方向に回転し続ける。
【００１３】
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になるであろう。
【００１４】
図面は、本発明を実行するために現在考えられる好ましい実施形態を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】先行技術で知られている空気圧縮膨張システムのブロック概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による空気圧縮膨張システムのブロック概略図である。
【図３】本発明の別の実施形態による空気圧縮膨張システムのブロック概略図である。
【図４】本発明の一実施形態による、図２の空気圧縮膨張システムを組み込んでいる圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムのブロック概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態によれば、組合せモータ−発電機ユニットと、圧縮機および膨張機に結合される単一駆動軸とを有する空気圧縮膨張システムが提供される。
【００１７】
図２を参照すると、空気圧縮膨張システム１０が本発明の一実施形態により示される。空気圧縮膨張システム１０は、オペレータによって決定される圧縮モードおよび膨張モードで交互に動作するように構成される。空気圧縮膨張システム１０は、組合せモータ−発電機ユニット１２、単一駆動軸１４、圧縮機クラッチ１６、タービンクラッチ１８、圧縮機システム２０、およびタービンシステム２２を含む。図２に示されるように、圧縮機システム２０およびタービンシステム２２は各々駆動軸１４のまわりに同軸でモータ−発電機ユニット１２の同じ側に配置され、その結果、単一駆動軸１４を空気圧縮膨張システム１０で使用することができる。同様に、圧縮機クラッチ１６およびタービンクラッチ１８の各々は駆動軸１４のまわりに同軸で配置され、圧縮機クラッチ１６は圧縮機システム２０と駆動軸１４との間に配置され、タービンクラッチ１８はタービンシステム２２と駆動軸１４との間に配置される。駆動軸１４に配置された同軸クラッチ１６、１８により、圧縮機システム２０およびタービンシステムを別個の軸に装着する必要がなくなり、代わりに、空気圧縮膨張システム１０の単一駆動軸１４を使用できるようになる。
【００１８】
圧縮動作モードの間、モータ−発電機ユニット１２は送電線２４を介してベース負荷電源に電気的に接続され、そこから電力を受け取る。電力が入力されると、モータ−発電機ユニット１２はモータモードで動作し、それによって、電力に応じて回転動力の機械的出力が生成される。回転動力は駆動軸１４に伝達され、それにより、駆動軸が回転する。圧縮モードで空気圧縮膨張システム１０を動作させると同時に、圧縮機クラッチ１６が係合され、それによって、圧縮機システム２０は駆動軸１４およびモータ−発電機ユニット１２に結合される。したがって、圧縮機システム２０は回転動力によって駆動され、それに供給された空気を圧縮し、圧縮空気は、例えば、後で使用するために貯蔵デバイス２６に送られる。
【００１９】
圧縮モードで空気圧縮膨張システム１０を動作させる間、タービンクラッチ１８は係合解除状態にあり、その結果、タービンシステム２２は駆動軸１４およびモータ−発電機ユニット１２から切り離されたままである。したがって、タービンシステム２２は、圧縮動作モードの間、駆動軸１４およびモータ−発電機ユニット１２から回転動力を受け取らないので回転されない。
【００２０】
空気圧縮膨張システム１０が膨張動作モードで動作することが望ましい場合、モータ−発電機ユニット１２への電力供給は終了し、空気が膨張のために貯蔵デバイス２６から取り出される。膨張動作モードでは、タービンクラッチ１８が係合され、その結果、タービンシステム２２が駆動軸１４およびモータ−発電機ユニット１２に係合される。さらに、圧縮機クラッチ１６は係合解除され、その結果、圧縮機システム２０は駆動軸１４およびモータ−発電機ユニット１２から切り離される。
【００２１】
膨張動作モードに切り替えると同時に、以前に圧縮した空気が貯蔵デバイス２６から取り出され、タービンシステム２２に供給され、それにより、タービンシステム２２は回転動力を生成する。タービンシステム２２が駆動軸１４に結合されているので、駆動軸は回転動力を受け取り、この動力をモータ−発電機ユニット１２に伝達する。モータ−発電機ユニット１２は、膨張動作モードの間、発電機モードで動作し、それにより、タービンシステム２２からの受け取った回転動力出力に応じて電力を生成する。
【００２２】
本発明の例示的実施形態によれば、モータ−発電機ユニット１２および駆動軸１４は、駆動軸１４が圧縮および膨張動作モードの各々の間常時一定の方向に回転するように構成される。したがって、本発明の例示的実施形態では、圧縮機クラッチ１６およびタービンクラッチ１８は、それぞれ操作可能クラッチおよびフリーホイーリングクラッチ（すなわち、自己同期クラッチ）として構成される。操作可能クラッチ１６は、空気圧縮膨張システム１０のオペレータによって決定されるように圧縮機システム２０を駆動軸１４に対して選択的に結合および切り離すように構成される。フリーホイールクラッチ１８は、動作モードおよび駆動軸１４の速度に基づいてタービンシステム２２を駆動軸１４に対して自動的に結合および切り離すように構成される。
【００２３】
空気圧縮膨張システム１０を動作させるとき、オペレータは入力を与えて、システムが圧縮動作モードで動作するか膨張動作モードで動作するかを決定することができる。オペレータは、例えば、モータ−発電機ユニット１２と操作可能クラッチ１６とに接続されるコントローラ２８を介してそのような入力を与えることができる。コントローラ２８による入力がシステム１０に圧縮動作モードで動作するように命令すると同時に、操作可能クラッチ１６は係合するように命令され、その結果、圧縮機システム２０は駆動軸１４に結合される。圧縮動作モードの間、フリーホイールクラッチ１８は係合解除状態にあり、その結果、タービンシステム２２は駆動軸１４から切り離されている。
【００２４】
コントローラ２８による入力がシステム１０に膨張動作モードで動作するように命令すると同時に、操作可能クラッチ１６は係合解除するように命令され、その結果、圧縮機システム２０は駆動軸１４から切り離され、圧縮機システムは駆動軸から回転動力を受け取るのを止める。圧縮動作モードから膨張動作モードに移行する間、駆動軸１４は回転し続ける。フリーホイールクラッチ１８は、膨張段階の間にタービンシステムの速度が駆動軸の速度に同期化すると同時に、タービンシステム２２を駆動軸１４に自動的に係合させるように構成される。すなわち、圧縮空気は、膨張動作モードに切り替えると同時にタービンシステム２２に供給され、それによって、タービンシステム２２は回転し始める。タービンシステム２２の回転速度が駆動軸１４の速度に同期化すると同時に、フリーホイールクラッチ１８はタービンシステムを駆動軸に自動的に係合させる。そのため、操作可能クラッチ１６およびフリーホイーリングクラッチ１８の配備により、圧縮動作モードの間に生成された駆動軸１４の回転動力は、膨張動作モードへの移行と同時に空気圧縮膨張システム１０によって保存および利用される。
【００２５】
依然として図２を参照すると、圧縮機システム２０およびタービンシステム２２の構成および配備が本発明の例示的実施形態により示される。圧縮機システム２０は、低圧圧縮機３０および高圧圧縮機３２を、低圧圧縮機３０に空気を導入するための入力管路３４と、低圧圧縮機３０から高圧圧縮機３２に空気を移送するための接続管路３６と、高圧圧縮機３２から空気を排出するための出力管路３８とともに含む。入力管路３４は低圧圧縮機３０の外側縁部４０に配置され、出力管路３８は低圧圧縮機３０と高圧圧縮機３２との間の圧縮機システムの区域に配置される。低圧圧縮機３０および高圧圧縮機３２は互いに隣接して配置され、反対の流れ方向を有するように駆動軸に配列される。低圧圧縮機３０および高圧圧縮機３２の配備が反対の流れ方向を有することにより、圧縮機段からもたらされる軸方向力の補正／分散が可能になり、軸受負荷が軽減され、１つのクラッチ（すなわち、圧縮機クラッチ１６）により多数の圧縮機段を結合させることができる。
【００２６】
圧縮機システム２０と同様に、タービンシステム２２は、低圧タービン４２および高圧タービン４４を、高圧タービン４４に圧縮空気を導入するための入力管路４６と、高圧タービン４４から低圧タービン４２に空気を移送するための接続管路４８と、低圧タービン４２から空気を排出するための出力管路５０とともに含む。入力管路４６は低圧タービン４２と高圧タービン４４との間のタービンシステムの区域に配置され、出力管路５０はタービンシステム２２の外側縁部５２に配置される。低圧タービン４２および高圧タービン４４は互いに隣接して配置され、反対の流れ方向を有するように駆動軸に配列される。低圧タービン４２および高圧タービン４４の配備が反対の流れ方向を有することにより、膨張段からもたらされる軸方向力の補正および／または分散が可能になり、軸受負荷が軽減され、１つのクラッチ（すなわち、タービンクラッチ１８）により多数の膨張段を結合させることができる。
【００２７】
図２に示された圧縮機システム２０およびタービンシステム２２は、それぞれ低圧圧縮機３０および高圧圧縮機３２と、低圧タービン４２および高圧タービン４４とから形成されているが、圧縮機システム２０およびタービンシステム２２はより多いまたはより少ない数の圧縮機／タービンを含むことができることが認識されよう。そのため、圧縮機システム２０は単一の圧縮機ユニットまたは３つ以上の圧縮機ユニットから形成することができることが認識されよう。同様に、タービンシステム２２は単一のタービンユニットまたは３つ以上のタービンユニットから形成することができる。したがって、空気圧縮膨張システム１０は図２の特定の実施形態に限定されず、圧縮機システム２０およびタービンシステム２２は本発明の実施形態に従って変更することができる。
【００２８】
次に図３を参照すると、本発明の別の実施形態によれば、圧縮膨張システム５４は、駆動軸１４が圧縮動作モードの間第１の方向に回転し、膨張動作モードの間第２の反対方向に回転するように構成されたモータ−発電機ユニット１２および駆動軸１４を含む。したがって、圧縮機システム２０に取り付けられた圧縮機クラッチ５６およびタービンシステム２２に取り付けられたタービンクラッチ５８は、それぞれフリーホイーリングクラッチ（すなわち、自己同期クラッチ）および操作可能クラッチとして構成される。フリーホイールクラッチ５６は、動作モードおよび駆動軸１４の速度に基づいて圧縮機システム２０を駆動軸１４に対して自動的に結合および切り離すように構成される。操作可能クラッチ５８は、空気圧縮膨張システム１０のオペレータからの入力によって決定されるようにタービンシステム２２を駆動軸１４に対して選択的に結合および切り離すように構成される。
【００２９】
空気圧縮膨張システム５４を動作させるとき、オペレータは、例えば、モータ−発電機ユニット１２と操作可能クラッチとに接続されるコントローラ２８を介することなどにより入力を与えて、システムが圧縮モードで動作するか膨張動作モードで動作するかを決定することができる。コントローラ２８による入力がシステム５４に圧縮動作モードで動作するように命令すると同時に、操作可能クラッチ５８は係合解除するように命令され、その結果、タービンシステム２２は駆動軸１４から切り離される。駆動軸１４は圧縮段階にモータ−発電機ユニット１２によって駆動され、フリーホイールクラッチ５６は、駆動軸１４が所望の速度に到達すると同時に圧縮段階の間圧縮機システム２０を駆動軸１４に自動的に係合させるように作用する。圧縮動作モードから膨張動作モードに移行する間、フリーホイールクラッチ５６は、駆動軸の速度がある閾値回転速度に到達するときなどに圧縮システム２０を駆動軸１４から自動的に係合解除する。さらに膨張動作モードへの移行の間、駆動軸１４の回転が中断され、コントローラ２８は入力を与えて、操作可能クラッチ５８を係合させ、それによって、タービンシステム２２を駆動軸１４に結合させ、回転動力を駆動軸に供給し、それにより、駆動軸は圧縮段階と反対方向に回転する。
【００３０】
図４を参照すると、例示的な圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システム６０のブロック図が本発明の一実施形態により示される。ＣＡＥＳシステム６０は、図２で図示および説明した空気圧縮膨張システム１０などの空気圧縮膨張システムを含み、圧縮空気貯蔵体積部６２をさらに含む。
【００３１】
本発明の一実施形態によれば、モータ−発電機ユニット１２は圧縮動作モード（すなわち、圧縮段階）の間駆動軸１４を駆動する。次に、駆動軸１４は、低圧圧縮機３０および高圧圧縮機３２を含む圧縮システム２０を駆動し、その結果、ある量の周囲空気が周囲空気取入れ口３４に入り、圧縮システム２０によって圧縮される。低圧圧縮機３０は圧縮機経路３６を介して高圧圧縮機３２に結合される。本実施形態によれば、低圧圧縮機３０は周囲空気を圧縮する。次に、圧縮された周囲空気は圧縮機経路３６に沿って高圧圧縮機３２に移り、周囲空気はさらに圧縮された後、圧縮空気は圧縮空気経路３８に沿って圧縮空気貯蔵体積部またはカバーン６２に供給される。
【００３２】
２つの圧縮機３０、３２のみが本実施形態では示されているが、圧縮システム２０は２つを超える圧縮機を含むことができることが考えられる。圧縮機経路３６と同様に、２つを超える圧縮機を有する実施形態は、圧縮システムを通る空気の通路を備える、各圧縮機を通る圧縮機経路を含むことになる。
【００３３】
本実施形態によれば、圧縮空気は、カバーン６２に貯蔵される前に、カバーンへの貯蔵に先立って圧縮空気から熱を除去する冷却ユニット６４を通される。貯蔵に先立って圧縮空気から熱を除去することによって、カバーン６２の完全性が保護される。中間冷却器（図示せず）などの他の冷却器を圧縮機経路３６に沿って利用し、空気が圧縮システム２０を進むときに空気を冷却することが考えられる。
【００３４】
圧縮空気が圧縮空気貯蔵体積部６２に貯蔵された後、圧縮空気は出口経路４６を通過することができるようになり、加熱ユニット６６を介して再加熱される。圧縮空気が再加熱された後、圧縮空気は出口経路４６を下ってタービンシステム２２に進む。タービンシステム２２の構成により、圧縮空気はタービンシステム２２を通過するとともに膨張することができ、それにより、タービンシステム２２の回転が引き起こされる。タービンシステム２２は、発電を容易にするために低圧タービン４２および高圧タービン４４などの１つまたは複数のタービンを含むことが考えられる。タービンシステム２２の回転により、駆動軸１４は回転する。次に、駆動軸１４はモータ−発電機ユニット１２を駆動し、それにより、ユニットは発電機として機能して電気を生成する。追加の加熱器または燃焼器をタービンシステム２２の段の前にならびに中間に配置することができることがさらに考えられる。
【００３５】
代替の実施形態では、ＣＡＥＳシステム６０は、熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システム、すなわちＴＥＳシステム６８を含む断熱システムである。そのような実施形態では、圧縮空気経路３８に沿ってカバーン６２に移る圧縮空気は、圧縮空気から熱を除去するＴＥＳシステム６８を通過する。熱はＴＥＳシステム６８によって貯蔵され、後で、出口経路４６に沿って移る圧縮空気がＴＥＳシステム６８に戻って通過するとき圧縮空気に伝達される。そのような実施形態では、加熱ユニット６６の必要性を避けることができる。
【００３６】
図４に示された圧縮機システム２０およびタービンシステム２２は、それぞれ低圧圧縮機３０および高圧圧縮機３２と、低圧タービン４２および高圧タービン４４とから形成されているが、圧縮機システム２０およびタービンシステム２２はより多いまたはより少ない数の圧縮機／タービンを含むことができることが認識されよう。さらに、追加の冷却ユニット６４および／または加熱ユニット６６は圧縮機システム２０の段とタービンシステム２２の段との間のＣＡＥＳシステム６０に含めることができることが認識されよう。代替として、追加のＴＥＳシステム６８は圧縮機システム２０の段とタービンシステム２２の段との間のＣＡＥＳシステム６０に含めることができることが認識されよう。
【００３７】
空気圧縮膨張システム１０は、ＣＡＥＳシステム６０で使用するために実施されるとして上述で説明したが、本発明の実施形態はいくつかのシステムのいずれでも実施することができることが認識されよう。したがって、本発明の実施形態は、具体的に説明してない、または上述した他のタイプのシステムで実施することができるものとして認識される。
【００３８】
したがって、本発明の１つの実施形態によれば、圧縮モードおよび膨張モードで動作することができる空気圧縮膨張システムが提供される。空気圧縮膨張システムは、モータ−発電機ユニットと、モータ−発電機ユニットに接続され、モータ−発電機ユニットにおよびモータ−発電機ユニットから回転動力を送出するように構成された単一駆動軸と、単一駆動軸に選択的に結合することができ、単一駆動軸の近くに配置された圧縮機システムと、単一駆動軸に選択的に結合することができ、単一駆動軸の近くに配置されたタービンシステムであり、モータ−発電機ユニットの共通の側に圧縮機システムとともに配置された、タービンシステムとを含む。空気圧縮膨張システムは、圧縮機システムに取り付けられ、単一駆動軸のまわりに同軸で配列された圧縮機クラッチであり、圧縮機システムを単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成される、圧縮機クラッチをさらに含む。空気圧縮膨張システムは、タービンシステムに取り付けられ、単一駆動軸のまわりに同軸で配列されたタービンクラッチであり、タービンシステムを単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成された、タービンクラッチをさらに含む。
【００３９】
本発明の別の実施形態によれば、それぞれの圧縮および膨張動作モードの間にガスを圧縮および膨張させるためのシステムを製造する方法が説明される。この方法は、機械動力および電力の両方を生成するように構成された組合せモータ−発電機ユニットを用意するステップと、単一駆動軸をモータ−発電機ユニットに結合させるステップであり、単一駆動軸が、モータ−発電機ユニットから回転動力を受け取り、かつモータ−発電機ユニットに回転動力を送出するように結合される、ステップとを含む。この方法は、単一駆動軸のまわりで組合せモータ−発電機ユニットの共通の側にそれぞれ圧縮機システムおよびタービンシステムを配列して圧縮および膨張動作モードの間ガスを圧縮および膨張させるステップをさらに含む。第１のクラッチ機構は駆動軸のまわりに同軸で配列され、圧縮および膨張動作モードの間圧縮機システムを単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成され、第２のクラッチ機構は駆動軸のまわりに同軸で配列され、圧縮および膨張動作モードの間タービンシステムを単一駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように構成される。圧縮機およびタービンシステムと第１および第２のクラッチ機構との配備を行うことにより、圧縮動作モードと膨張動作モードとの間の移行の間単一駆動軸を一定回転させることができる。
【００４０】
本発明のさらなる別の実施形態によれば、ガスを圧縮および膨張させ、圧縮モードおよび膨張モードで動作可能であるシステムが提供される。このシステムは、機械動力および電力を共に生成するように構成された組合せモータ−発電機ユニットと、モータ−発電機ユニットに接続され、モータ−発電機ユニットにおよびモータ−発電機ユニットから回転動力を送出するように構成された駆動軸であり、圧縮動作モードおよび膨張動作モードの各々の間一定の方向に回転する、駆動軸とを含む。このシステムは、駆動軸に配置され、駆動軸からの回転動力によって駆動されるときガスを選択的に圧縮するように構成された圧縮機システムと、駆動軸に配置され、回転動力を駆動軸に供給するようにガスを選択的に膨張させるように構成されたタービンシステムと、圧縮機システムを駆動軸に対して選択的に結合および切り離すように圧縮機システムに取り付けられた操作可能クラッチと、タービンシステムを駆動軸に対して自動的に結合および切り離すようにタービンシステムに取り付けられたフリーホイールクラッチとをさらに含む。駆動軸は、圧縮動作モードから膨張動作モードに移行する間一定の方向に回転し続ける。
【００４１】
本明細書は、最良の形態を含む本発明を開示し、さらに、任意のデバイスまたはシステムを製作および使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、当業者が本発明を実施することができるようにするために実例を使用する。本発明の特許の範囲は、特許請求の範囲によって規定されており、当業者が思いつく他の実例を含むことができる。他のそのような実例は、それらが特許請求の範囲の文字どおりの意味と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字どおりの意味と実質的に差のない均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものである。
【符号の説明】
【００４２】
１０  空気圧縮膨張システム
１２  組合せモータ−発電機ユニット
１４  単一駆動軸
１６  圧縮機クラッチ、操作可能クラッチ
１８  タービンクラッチ、フリーホイールクラッチ
２０  圧縮機システム
２２  タービンシステム
２４  送電線
２６  貯蔵デバイス
２８  コントローラ
３０  低圧圧縮機
３２  高圧圧縮機
３４  入力管路、周囲空気取入れ口
３６  接続管路、圧縮機経路
３８  出力管路、圧縮空気経路
４０  外側縁部
４２  低圧タービン
４４  高圧タービン
４６  入力管路、出口経路
４８  接続管路
５０  出力管路
５２  外側縁部
５４  空気圧縮膨張システム
５６  圧縮機クラッチ、フリーホイールクラッチ
５８  タービンクラッチ、操作可能クラッチ
６０  圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システム
６２  圧縮空気貯蔵体積部、カバーン
６４  冷却ユニット
６６  加熱ユニット
６８  熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システム
１００  空気圧縮膨張システム
１０２  組合せモータ−発電機ユニット
１０４、１０６  駆動軸
１０８、１１０  クラッチ
１１２  圧縮機システム
１１４  タービンシステム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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