(57)【要約】  圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムは、モータ（５４）と、コンプレッサ（４４）と、ブレードが除去されたタービンエレメント（４６）とに連結されたシャフト（５２）を有する第１の燃焼タービン組立体（４２）を含む。第２の燃焼タービン組立体（６８）は、発電機（８０）と、タービン（７０）と、ブレードが除去されたコンプレッサ（７２）とに連結されたシャフト（７４）を有する。第１の相互接続部（５８）が、第１の燃焼タービン組立体のコンプレッサ（４４）の出力から空気貯蔵室（６６）に通じる。第２の相互接続部（８７）が、発電のために空気貯蔵室から第２の燃焼タービン組立体のタービン（７０）に通じる。エキスパンダ（８８）および発電機（９４）が設けられる。第３の相互接続部（９０）が、空気貯蔵室（６６）からエキスパンダ（８８）に通じる。熱源が、第３の相互接続部内の圧縮空気を予熱する。第４の相互接続部（９６）が、エキスパンダからタービン（７０）に通じる。
2013513072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の燃焼タービン組立体に基づいて圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムを提供する方法であって、
ブレードが除去されたタービンエレメント、コンプレッサおよびコンプレッサを駆動するためのモータを有する第１の燃焼タービン組立体を設けること、
空気貯蔵室を設けること、
前記コンプレッサ出口からの圧縮空気が、前記タービンエレメントに代えて前記空気貯蔵室と連通することを保証すること、
ブレードが除去されたコンプレッサ、燃焼器、前記燃焼器に関連するタービンおよび前記タービンに関連する発電機を有する第２の燃焼タービン組立体を設けること、
前記空気貯蔵室からの圧縮空気が、前記第２の燃焼タービン組立体の前記コンプレッサからの空気の代わりに、前記第２の燃焼タービン組立体の前記燃焼器したがって前記タービンと連通し、これにより前記タービンが前記空気貯蔵室からの前記圧縮空気を膨張させ発電機で発電することを保証すること、
エキスパンダおよび前記エキスパンダに関連する付加発電機を設けること、及び
前記空気貯蔵室からの前記圧縮空気が予熱され、次に、前記第２の燃焼タービン組立体の前記燃焼器したがって前記タービンと選択的に直接的に連通できることに加え、前記エキスパンダと連通できることを保証し、そして、前記エキスパンダからの空気流が、前記第２のタービン組立体の前記燃焼器したがって前記タービンと連通でき、これにより前記エキスパンダが前記予熱された圧縮空気を膨張させ、前記第２の燃焼タービン組立体の前記発電機による発電電力に加えて、前記付加発電機で発電できることを保証すること、
の各ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
付加コンプレッサを前記第１の燃焼タービン組立体に接続することをさらに含み、前記付加コンプレッサが前記第１の燃焼タービン組立体の前記コンプレッサの出力に接続された入力を有し、前記付加コンプレッサの出力が前記空気貯蔵室に接続されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記付加コンプレッサを駆動するための電気モータを設けることをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記タービンエレメントのブレード除去を補償するために第１のスラスト軸受を、前記第１の燃焼タービン組立体のシャフトに接続すること、及び
前記第２の燃焼タービン組立体の前記コンプレッサのブレード除去を補償するために第２のスラスト軸受を、前記第２の燃焼タービン組立体のシャフトに接続すること、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
インタークーラを、前記第１の燃焼タービン組立体の前記コンプレッサの前記出力と前記付加コンプレッサの前記入力の間に挿入すること、及び
アフタクーラを、前記付加コンプレッサの前記出力と前記空気貯蔵室の間に挿入すること、
をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記保証ステップは、空気流の一部が、前記エキスパンダから抽出され、前記第２の燃焼タービン組立体の前記燃焼器の上流側に噴射されること、および前記エキスパンダが、前記予熱された圧縮空気を大気圧に膨張させることを保証することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記保証ステップは、前記エキスパンダからのすべての排気流が、前記第２の燃焼タービン組立体の前記燃焼器したがって前記タービンで受容されることを保証することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
レキュペレータを、前記空気貯蔵室と前記エキスパンダの間に設けること、及び
前記レキュペレータが熱源を受容し前記エキスパンダで受容される前記圧縮空気を予熱できることを保証すること、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記熱源が前記第２の燃焼タービン組立体の前記タービンからの排気であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
モータと、コンプレッサと、ブレードが除去されたタービンエレメントとに連結されたシャフトを有する第１の燃焼タービン組立体と、
発電機と、タービンと、ブレードが除去されたコンプレッサとに連結されたシャフトを有する第２の燃焼タービン組立体と、
空気貯蔵室と、
前記第１の燃焼タービン組立体の前記コンプレッサの出力から前記空気貯蔵室への第１の相互接続部と、
前記空気貯蔵室から前記第２の燃焼タービン組立体の前記タービンへの第２の相互接続部と、
エキスパンダと、
前記エキスパンダに関連する発電機と、
前記空気貯蔵室から前記エキスパンダへの第３の相互接続部と、
前記第３の相互接続部内の圧縮空気を予熱するための熱源と、
前記エキスパンダから前記第２の燃焼タービン組立体の前記タービンへの第４の相互接続部と、
を含むことを特徴とする圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システム。
【請求項１１】
前記空気貯蔵室が、圧縮空気を貯蔵するように構成されて配置されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第２の燃焼タービン組立体の前記タービンと関連する燃焼器をさらに含み、前記第４の相互接続部が、前記エキスパンダと前記燃焼器の間にあり、前記エキスパンダからの空気流が前記燃焼器の上流側で受容されるように構成されて配置されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記エキスパンダが、そこからのすべての排気流を前記燃焼器の上流側に供給するように構成されて配置されることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記エキスパンダが、空気流の一部を前記エキスパンダから抽出でき、前記燃焼器の上流側に噴射でき、前記予熱された圧縮空気の残りが、前記エキスパンダを通って大気圧に膨張するように構成されて配置されることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１の燃焼タービン組立体に関連する付加モータ駆動コンプレッサをさらに含み、前記付加コンプレッサは、前記第１の燃焼タービン組立体の前記コンプレッサの前記出力に接続された入力を有し、前記付加コンプレッサの出力が前記空気貯蔵室に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１の燃焼タービン組立体のシャフトに連結され、前記タービンエレメントのブレード除去を補償する第１のスラスト軸受と、
前記第２の燃焼タービン組立体のシャフトに連結され、前記第２の燃焼タービン組立体の前記コンプレッサのブレード除去を補償する第２のスラスト軸受と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１の燃焼タービン組立体の前記コンプレッサの前記出力と前記付加コンプレッサの前記入力の間のインタークーラと、
前記付加コンプレッサの前記出力と前記空気貯蔵室の間のアフタクーラと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記空気貯蔵室と前記エキスパンダの間にレキュペレータをさらに含み、前記レキュペレータが、前記熱源を受容するために構成されて配置され、前記圧縮空気を前記エキスパンダで受容される前に予熱することを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１９】
前記熱源が、前記第２の燃焼タービン組立体の前記タービンからの排気であることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年１２月８日に出願された米国特許出願第１２／６３２，８４１号の優先権を主張する。前記米国特許出願第１２／６３２，８４１号は、２００９年１０月２１日に出願された米国特許出願第１２／５８２，７２０号の一部継続出願である。前記米国特許出願第１２／５８２，７２０号は、２００８年１０月３日に出願され、現在は米国特許第７，６１４，２３７号になっている米国特許出願第１２／２８５，４０４号の分割出願であり、前記米国特許第７，６１４，２３７号は、２００８年７月１１日に出願されて、放棄されている米国特許出願第１２／２１６，９１１号の一部継続出願である。前記米国特許出願第１２／２１６，９１１号は、２００８年３月２１日に出願され、現在は米国特許第７，４０６，８２８号になっている米国特許出願第１２／０７６，６８９号の継続出願である。前記米国特許出願第１２／０７６，６８９号は、２００７年１月２５日に出願され、放棄されている米国特許出願第１１／６５７，６６１号の分割出願である。
【０００２】
技術分野
本発明は圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ：Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  Ａｉｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｔｏｒａｇｅ）システムに関し、より具体的には従来のＣＡＥＳシステムと比較して性能が改良されたＣＡＥＳシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
図１を参照すると、米国特許第４，８７２，３０７号は、２つの燃焼タービン組立体の利用に基づくものである。第１の燃焼タービン組立体１０は、ブレードが除去された非ブレード型（ｄｅｂｌａｄｅｄ）タービン、即ち、エキスパンダ１２を有し、モータ１５で駆動される低圧コンプレッサ１４に実質的に転換される。第２の燃焼タービン組立体１６は、ブレードが除去された非ブレード型（ｄｅｂｌａｄｅｄ）コンプレッサ１８を有し、発電機２２を駆動する２倍の燃焼タービン出力を備えるタービン２０に実質的に転換される。コンプレッサ１４に加えて、モータ２５で駆動される付加コンプレッサ２４が設けられ、最適化された最大圧力で空気貯蔵室２６を充填する。オフピークエネルギーが圧縮空気エネルギーの形態で保存される際に、空気貯蔵室２６が圧縮空気を貯蔵する。
【０００４】
オフピーク時には、非ブレード型タービン１２を備える第１の燃焼タービン組立体１０の発電機／モータ駆動のコンプレッサ１４、および、モータ駆動の付加コンプレッサ２４が、使用可能エネルギーを利用して、この使用可能エネルギーを空気貯蔵室２６に貯蔵する圧縮空気エネルギーに変換する。ピーク時には、圧縮空気は空気貯蔵室２６から引き出され、第２の燃焼タービン組立体１６に付随するタービン２０の燃焼器に導かれ発電する。
【０００５】
米国特許第４，８７２，３０７号はこのように、ＣＡＥＳシステムを提供するために付加装置と共に複数の改造された燃焼タービン組立体を使用する電力システムを提供する。この従来のＣＡＥＳシステムは効果的であるが、性能の向上および運転の柔軟性の向上を得るために、さらにシステムを変更する必要がある。
【発明の概要】
【０００６】
概要
本発明の目的は、前述の必要性を満たすことである。本発明の実施形態によれば、本目的は第１および第２の燃焼タービン組立体をベースにした圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムを備える方法によって実現される。本方法は、非ブレード型タービンエレメント、コンプレッサおよびコンプレッサを駆動するための発電機／モータを有する第１の燃焼タービン組立体を備える。コンプレッサ出口からの圧縮空気は、タービンエレメントと通じる代わりに、好ましくは付加コンプレッサを介して空気貯蔵室と通じている。第２の燃焼タービン組立体が、非ブレード型コンプレッサ、燃焼器、燃焼器に連結されたタービンおよびタービンに連結された発電機を有する。空気貯蔵室からの圧縮空気は、第２の燃焼タービン組立体のコンプレッサからの空気の代わりに、第２の燃焼タービン組立体のタービンの上流側の燃焼器と直接通じており、したがって第２の燃焼タービン組立体のコンプレッサが駆動されないので、出力を減少せずに、タービンが空気貯蔵室からの圧縮空気を膨張させて発電機により発電できる。付加エキスパンダおよびエキスパンダに関連する付加発電機が設けられる。本方法は、空気貯蔵室からの圧縮空気が予熱され、第２の燃焼タービン組立体の燃焼器したがってタービンと直接に通じるとともに、エキスパンダと通じることができ、エキスパンダからの空気流が、第２のタービン組立体の燃焼器したがってタービンと通じ、これにより第２の燃焼タービン組立体の発電機による発電に加えて、付加エキスパンダが予熱された圧縮空気を膨張させ付加発電機による発電ができることを保証する。
【０００７】
１つの実施形態では、エキスパンダからの空気流の一部を抽出し、第２の燃焼タービン組立体の燃焼器の上流側に噴射することができ、エキスパンダは予熱された圧縮空気を大気圧に膨張させることができる。
【０００８】
他の実施形態では、エキスパンダからのすべての排気流を、第２の燃焼タービン組立体の燃焼器の上流側に供給することができる。
【０００９】
本発明の他の目的、特徴、および特性、ならびに構造体の関連要素の動作方法および機能、製造部品と製造の経済的要因の組み合わせは、添付の図面を参照しながら、本明細書の一部を形成する以下の詳細説明と添付の特許請求の範囲を検討すればより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
図面の簡単な説明
本発明は、添付の図面とともに、以下に示す本発明の好ましい実施形態の詳細な説明からよりよく理解されるであろう。なお添付の図面において、同一の参照番号は同一の部品を表す。
【図１】米国特許第４，８７２，３０７号に開示される、従来のＣＡＥＳシステムの図である。
【図２】同時係属出願第１２／５８２，７２０号で開示される、追加の発電のための付加エキスパンダを有するＣＡＥＳシステムの図である。
【図３】第１の実施形態に従って提供されるＣＡＥＳシステムの図である。
【図４】第２の実施形態に従って提供されるＣＡＥＳシステムの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施形態の説明
図２は、総じて２８として示されている、第２世代のＣＡＥＳシステムを示し、本出願人の同時係属特許出願第１２／５８２，７２０号を参照により引用し、これらの記載内容を本明細書の一部とする。システム２８では、オフピーク時にコンプレッサ３０から空気貯蔵室３２に供給され、ピーク時に空気貯蔵室３２から引き出される貯蔵された圧縮空気は、燃焼タービン３４の燃焼排気熱を利用して予熱され、次にエキスパンダ３６に導かれ、燃焼タービン動力に加えて予熱圧縮空気動力を発生する。
【００１２】
本明細書の実施形態は、参照により引用しこれらの記載内容を本明細書の一部とする本出願人の米国特許第４，８７２，３０７号（上述）および本出願人の同時係属出願第１２／５８２，７２０号の特徴を利用し、改良したＣＡＥＳシステムを提供する。
【００１３】
図３を参照すると、実施形態に従ったＣＡＥＳシステムが、総じて４０として示されている。システム４０は、吸気源を受容するコンプレッサ４４およびタービンエレメント４６を有する、総じて４２として示されている、第１の燃焼タービン組立体を含む。タービンエレメント４６は当初からブレードが除去された非ブレード型（ｄｅｂｌａｄｅｄ）とされ、このタービンエレメントをエネルギー生成に利用することはできない。したがって、エネルギー吸収圧縮段階時に燃焼器４８に燃料が供給されることはない。非ブレード型タービンエレメント４６によるスラストバランスの軸方向損失を打ち消すために、外部に配置された付加スラスト軸受５０がシャフト５２に取り付けられる。シャフト５２は、回転エネルギーを同期発電機／モータ、例えばモータ５４、から非ブレード型タービンエレメント４６、コンプレッサ４４およびスラスト軸受５０に伝達する。
【００１４】
従来の燃焼タービン組立体のコンプレッサには、一般的にコンプレッサ吐出フランジ（図示せず）が設けられ、圧縮空気を燃焼器４８に導く。しかしながら、本実施形態では、燃焼器４８に導入されるそのような圧縮空気が削除され、圧縮空気は相互接続部５８を介してインタークーラ５６に導かれる。
【００１５】
燃焼タービン組立体４２への上記変更に加えて、インタークーラ５６、モータ６２で駆動される高圧コンプレッサ６０およびアフタクーラ６４が設けられ、圧縮系統が完成する。
【００１６】
高圧コンプレッサ６０は、低圧コンプレッサとして機能するコンプレッサ４４からの空気をさらに圧縮する。高圧コンプレッサ６０は、クラッチ６７を介してモータ６２で駆動されることが好ましい。あるいは、高圧コンプレッサ６０がモータ５４で駆動されてもよい。
【００１７】
アフタクーラ６４が設けられ、高圧コンプレッサ６０を出た圧縮空気が空気貯蔵室６６に入る前に冷却される。本実施形態では、空気貯蔵室６６が地質構造のような地下の空気貯蔵室であることが好ましい。あるいは空気貯蔵室が、地上の圧力容器であってもよい。本実施形態では圧縮空気が空気貯蔵室６６で貯蔵されることが好ましいが、圧縮空気を液体空気に変換し空気貯蔵室６６で貯蔵することができる。必要により液体空気が圧縮空気に再変換され、システム４０で使用される。
【００１８】
システム４０は、タービン７０、および、シャフト７４に接続されたコンプレッサ７２を備える、総じて６８として示されている第２の燃焼タービン組立体を含む。クラッチ装置７６および７８が、コンプレッサ７２、タービン７０およびガスタービン発電機８０を切り離すために、燃焼タービン組立体６８内に設けられる。コンプレッサ７２は、当初からブレードが除去された非ブレード型であり、このコンプレッサを空気の圧縮に利用することはできない。非ブレード型コンプレッサ７２によるスラストバランスの軸方向損失を打ち消すために、外部に配置された付加スラスト軸受８２がシャフト７４に取り付けられる。シャフト７４は、回転エネルギーをタービン７０から同期電気機器、例えば発電機８０、非ブレード型コンプレッサ７２およびスラスト軸受８２に伝達する。
【００１９】
燃焼タービン組立体６８への上記変更に加えて、これまで燃焼器８４に入力されたコンプレッサ７２の圧縮空気出力が、機能装置と同様に削除される。さらに、バルブ８６および配管のような関連相互接続部８７が、燃焼器８４と空気貯蔵室６６の間に配置される。バルブ８６および空気貯蔵室６６は、コンプレッサ７２に代わり、燃焼器８４のための圧縮空気源として働く。
【００２０】
従来の燃焼タービン組立体は通常、所定の容量の発電機に連結される。本実施形態に従って、従来の燃焼タービン組立体の発電機は、除去され、約２倍の容量の発電機８０と置き換えられる。これは、コンプレッサが非ブレード型とされると、燃焼タービン組立体６８がその当初の出力の約２倍の出力を有するからである。結果として、単一の発電機を備えるＣＡＥＳシステム４０は、それぞれ発電機を有する２つのガスタービンの総合動力とほぼ同じ動力を、ＣＡＥＳシステムの構成から出力する。
【００２１】
一般的に、圧縮空気は、周囲空気の圧縮に使用されるかなり大きなエネルギーをもち、最大圧力１２００ｐｓｉａ、しばしば２５００ｐｓｉａを超える圧力で地下に貯蔵され、この圧力で圧縮空気貯蔵室に導かれる。これらの圧力は、燃焼タービン組立体の燃焼器／タービン入口の圧力約１７０〜１９０ｐｓｉａよりずっと高い。このように、貯蔵された圧縮空気は、１２００ｐｓｉａから１７０〜１９０ｐｓｉａまで減圧されなくてはならない。しかしながら、このような減圧は圧縮エネルギーの著しい損失をもたらす。
【００２２】
本実施形態によれば、圧縮エネルギーは、システム４０に設けられた付加エキスパンダ８８で使用される。図３を参照すると、エキスパンダ８８への入口は、配管等の形状をした相互接続部９０を介して空気貯蔵室６６の出口に連結される。オフピーク時には、モータで駆動される付加コンプレッサ６０の出口からの圧縮空気が、空気貯蔵室６６を充填する。
【００２３】
ピーク時には、１つのオプションに従って、圧縮空気は特定の圧力で空気貯蔵室６６から引き出され、流量制御部および減圧弁８６を通して、コンプレッサ７２からの空気の代わりに、タービン７０の上流側の燃焼器８４に送られる。燃焼器８４は、燃料と圧縮空気を混合し燃焼させて高温ガスを生じ、この高温ガスが、コンプレッサ７２を駆動させないので動力の減少をともなわずに、発電機８０に接続されたタービン７０を駆動し発電する。加えてまたは代わりに、圧縮空気が、空気貯蔵室６６から流量調節弁９８を通して送られ、タービン７０の燃焼排気熱または他の熱源を利用するレキュペレータ９２内で予熱され、発電機９４を駆動する環境に優しい発電エキスパンダ８８を通して膨張し、追加の発電を行う。エキスパンダ８８から相互接続部９６を介し、バルブ１００を通して空気が抽出され、抽出された空気は、特定の入口圧力および流量パラメータで、燃焼器８４の上流側に供給される。残りの空気流は、エキスパンダ８８の低圧部内で大気圧まで膨張され、追加の環境に優しい発電を行う。燃焼器、即ち、ダクトバーナ１０２が、燃料を燃焼させるために設けられ、エキスパンダ８８で膨張する空気を加熱できる。
【００２４】
図４は、総じて４０’として示されている、ＣＡＥＳシステムの他の実施形態を示す。システム４０’は、図３のシステム４０におおむね類似し、圧縮空気は、特定の圧力で空気貯蔵室６６から引き出され、タービン７０の燃焼排気熱または他の熱源を利用するレキュペレータ９２内で予熱され、発電機９４を駆動する環境に優しい発電エキスパンダ８８を通って膨張する。しかしながら、エキスパンダ８８のすべての排気流は、相互接続部９６’を介し、バルブ１００を通して特定の入口圧力および流量パラメータで、燃焼器８４の上流側に供給される。
【００２５】
表１は、図１で示される米国特許第４，８７２，３０７号のシステム、図２で示される米国特許出願第１２／５８２，７２０号のシステム、並びに、２つの実施形態、図３および図４の性能特性の概要を示す。本表は、図３および図４の実施形態において非常に大きな性能の向上を示している。
【００２６】
【表１】
2013513072.tif 000003
【００２７】
エキスパンダ８８から空気を抽出し、それを燃焼器８４の上流側に噴射することが好ましいが、システム４０’および４０が、バルブ１００を閉鎖することで燃焼器８４の上流側のエキスパンダ８８から空気流を供給せずに、動作可能なことが理解できる。また、空気流は、燃焼器８４の上流側のエキスパンダ８８から、空気貯蔵室６６から燃焼器８４に直接送出される圧縮空気と共にまたは別々に供給することができる。さらに、必要であれば、バルブ９８を開放しバルブ８６を閉鎖することで、エキスパンダ８８および発電機９４を介してのみにより電力を供給することができる。
【００２８】
上記の好適な実施形態は、本発明の構造的原理と機能的原理を図示すると共に、好適な実施形態の使用方法を図示する目的で示し、説明したものであり、当該原理から逸脱することなしに変更されることがある。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲の趣旨に包含されるすべての変更例を含む。
【図１】
2013513072.tif 000004
【図２】
2013513072.tif 000005
【図３】
2013513072.tif 000006
【図４】
2013513072.tif 000007
【国際調査報告】
2013513072.tif 000008