(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動される電動機と、
前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄える蓄圧タンクと、
前記蓄圧タンクの内圧を検出する圧力センサと、
前記蓄圧タンクと流体的に接続され、前記圧縮空気によって駆動される膨張機と、
前記膨張機と機械的に接続され、電力を発電する発電機と、
前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機から供給される前記圧縮空気と熱媒とで熱交換する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器と流体的に接続され、前記第１熱交換器で熱交換された前記熱媒を蓄える蓄熱タンクと、
前記蓄圧タンク及び前記蓄熱タンクと流体的に接続され、前記蓄圧タンクから供給された前記圧縮空気と前記蓄熱タンクから供給された前記熱媒とで熱交換する第２熱交換器と、
前記発電機で発電した電力を使用して前記蓄熱タンク内の前記熱媒を加熱する加熱部と、
前記発電機の発電電力を少なくとも電力系統と前記加熱部とに分配する第１電力分配部と、
前記蓄圧タンクの内圧が所定の値に達し、即ち、前記蓄圧タンクが所定の容量を超過してそれ以上蓄圧できなく、前記電力系統における電力需要よりも前記発電機の発電電力が多い場合、前記第１電力分配部を制御して前記発電機の発電電力の一部又は全部を前記加熱部に供給する制御装置と
を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項２】
前記入力電力を前記電動機と前記加熱部とに分配する第２電力分配部をさらに備え、
前記圧縮機の運転効率が所定以下となる場合、前記制御装置は前記第２電力分配部を制御して前記入力電力を前記加熱部に供給する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項３】
前記発電機に電気的に接続され、前記発電機の発電電力を蓄える蓄電装置と、
前記蓄熱タンク内の熱媒の温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記第１電力分配部は、前記発電機の電力を、前記電力系統と前記加熱部と前記蓄電装置とに分配し、
前記制御装置は、前記蓄圧タンクの内圧が所定の圧力に達し、前記電力系統における電力需要よりも前記発電機で発電する電力が多く、さらに前記温度センサで測定した前記蓄熱タンク内の熱媒の温度が所定の温度以上である場合、前記第１電力分配部を制御して前記発電機で発電した電力の一部又は全部を前記蓄電装置に供給する、請求項１又は請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項４】
再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動される電動機と、
前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄える蓄圧タンクと、
前記蓄圧タンクの内圧を検出する圧力センサと、
前記蓄圧タンクと流体的に接続され、前記圧縮空気によって駆動される膨張機と、
前記膨張機と機械的に接続され、電力を発電する発電機と、
前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機から供給される前記圧縮空気と熱媒とで熱交換する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器と流体的に接続され、前記第１熱交換器で熱交換された前記熱媒を蓄える蓄熱タンクと、
前記蓄圧タンク及び前記蓄熱タンクと流体的に接続され、前記蓄圧タンクから供給された前記圧縮空気と前記蓄熱タンクから供給された前記熱媒とで熱交換する第２熱交換器と、
前記発電機で発電した電力を使用して前記蓄熱タンク内の前記熱媒を加熱する加熱部と、
前記発電機に電気的に接続され、前記発電機の発電電力を蓄える蓄電装置と、
前記蓄熱タンク内の熱媒の温度を検出する温度センサと、
前記発電機の発電電力を電力系統と前記加熱部と前記蓄電装置とに分配する第１電力分配部と、
前記入力電力を前記電動機と前記加熱部とに分配する第２電力分配部と、
制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記蓄圧タンクの内圧が所定の値に達し、前記電力系統における電力需要よりも前記発電機の発電電力が多い場合、前記第１電力分配部を制御して前記発電機の発電電力の一部又は全部を前記加熱部に供給し、
前記圧縮機の運転効率が所定以下となる場合、前記第２電力分配部を制御して前記入力電力を前記加熱部に供給し、
前記蓄圧タンクの内圧が所定の圧力に達し、前記電力系統における電力需要よりも前記発電機で発電する電力が多く、さらに前記温度センサで測定した前記蓄熱タンク内の熱媒の温度が所定の温度以上である場合、前記第１電力分配部を制御して前記発電機で発電した電力の一部又は全部を前記蓄電装置に供給する、圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項５】
再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動される電動機と、
前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄える蓄圧タンクと、
前記蓄圧タンクの内圧を検出する圧力センサと、
前記蓄圧タンクと流体的に接続され、前記圧縮空気によって駆動される膨張機と、
前記膨張機と機械的に接続され、電力を発電する発電機と、
前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機から供給される前記圧縮空気と熱媒とで熱交換する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器と流体的に接続され、前記第１熱交換器で熱交換された前記熱媒を蓄える蓄熱タンクと、
前記蓄圧タンク及び前記蓄熱タンクと流体的に接続され、前記蓄圧タンクから供給された前記圧縮空気と前記蓄熱タンクから供給された前記熱媒とで熱交換する第２熱交換器と、
前記発電機に電気的に接続され、前記発電機の発電電力を蓄える蓄電装置と、
前記発電機の発電電力を少なくとも電力系統と前記蓄電装置とに分配する第１電力分配部と、
前記蓄圧タンクの内圧が所定の圧力に達し、即ち、前記蓄圧タンクが所定の容量を超過してそれ以上蓄圧できなく、前記電力系統における電力需要よりも前記発電機の発電電力が多い場合、前記第１電力分配部を制御して前記発電機の発電電力の一部又は全部を前記蓄電装置に供給する制御装置と
を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項６】
前記入力電力を前記電動機と前記蓄電装置とに分配する第２電力分配部をさらに備え、
前記圧縮機の運転効率が所定以下となる場合、前記制御装置は前記第２電力分配部を制御して前記入力電力を前記蓄電装置に供給する、請求項５に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記電動機に供給される入力電力が所定以下である場合、前記蓄電装置から前記電動機に電力を供給する、請求項３から請求項６のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項８】
前記発電機で発電した電力を使用して前記蓄熱タンク内の前記熱媒を加熱する加熱部をさらに備え、
前記第１電力分配部は、前記発電機の電力を、前記電力系統と前記蓄電装置と前記加熱部とに分配し、
前記制御装置は、前記蓄圧タンクの内圧が所定の圧力に達し、前記電力系統における電力需要よりも前記発電機で発電する電力が多く、さらに前記蓄電装置が既に満充電の場合、前記第１電力分配部を制御して前記発電機で発電した電力の一部又は全部を前記加熱部に供給する、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項９】
前記熱媒は、分離された第１熱媒及び第２熱媒を含み、
前記蓄熱タンクは、前記第１熱媒を蓄える第１蓄熱タンク及び前記第２熱媒を蓄える第２蓄熱タンクを備え、
前記第１蓄熱タンクは、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器と流体的に接続され、
前記第２蓄熱タンクは、蓄えている前記第２熱媒を前記加熱部により加熱され、
前記蓄圧タンク及び前記第２蓄熱タンクと流体的に接続されて前記蓄圧タンクから供給される前記圧縮空気と前記第２蓄熱タンクから供給される前記第２熱媒とで熱交換する第３熱交換器をさらに備える、請求項１から請求項４及び請求項８のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項１０】
前記第１蓄熱タンクの温度を検出する第１温度センサと、
前記第２蓄熱タンクの温度を検出する第２温度センサと、
前記蓄圧タンクから供給される前記圧縮空気に対して、前記第２熱交換器又は前記第３熱交換器のいずれが先に作用するかを切り替える熱交換順序切替部と
をさらに備え、
前記制御装置は、前記第１温度センサの検出温度よりも前記第２温度センサの検出温度が高い場合には前記第２熱交換器を先に作用し、前記第２温度センサの検出温度よりも前記第１温度センサの検出温度が高い場合には前記第１熱交換器を先に作用するように前記熱交換順序切替部を制御する、請求項９に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項１１】
前記蓄圧タンクは、前記電力需要のピークに必要な容量よりも小容量である、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項１２】
再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により空気を圧縮し、
圧縮した空気を蓄圧タンクに貯蔵し、
貯蔵した圧縮空気を膨張させることにより発電し、
前記圧縮の工程で発生する圧縮熱を回収し、
回収した圧縮熱を蓄熱し、
前記膨張の工程前に膨張させる圧縮空気を蓄熱した圧縮熱により加熱し、
前記貯蔵した圧縮空気の圧力が所定の値に達し、即ち、前記蓄圧タンクが所定の容量を超過してそれ以上蓄圧できなく、電力需要よりも発電電力が多い場合、前記発電電力の一部又は全部により前記蓄熱の温度をさらに上昇させる、圧縮空気貯蔵発電方法。
【請求項１３】
再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により空気を圧縮し、
圧縮した空気を蓄圧タンクに貯蔵し、
貯蔵した圧縮空気を膨張させることにより発電し、
前記圧縮の工程で発生する圧縮熱を回収し、
回収した圧縮熱を蓄熱し、
前記膨張の工程前に膨張させる圧縮空気を蓄熱した圧縮熱により加熱し、
前記貯蔵した圧縮空気の圧力が所定の値に達し、即ち、前記蓄圧タンクが所定の容量を超過してそれ以上蓄圧できなく、電力需要よりも発電電力が多い場合、前記発電電力の一部又は全部を蓄電する、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、圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーを利用した発電は、気象条件に依存するため、出力が安定しないことがある。このため、ＣＡＥＳ（compressed air energy storage）システム等のエネルギー貯蔵システムを使用して出力を平準化する必要がある。
【０００３】
従来の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置は、電力プラントのオフピーク時間中に電気エネルギーを圧縮空気として蓄圧タンクに蓄え、高電力需要時間中に圧縮空気により膨張機を駆動して発電機を作動させて電気エネルギーを生成するのが一般的である。
【０００４】
また、発電効率を向上させるために、圧縮空気の圧縮熱を熱回収して蓄熱タンク等に貯蔵し、膨張前の圧縮空気に熱を戻すことで、蓄圧タンクで放熱することによる熱エネルギー損失を防止するものがある。
【０００５】
このようなＣＡＥＳ発電装置として、例えば特許文献１には、熱エネルギー貯蔵システムを利用したＣＡＥＳ発電装置が開示されている。
【０００６】
しかし、圧縮空気を蓄える蓄圧タンクは、高電力需要のピーク時の容量に対応するサイズで製造すると大型の蓄圧タンクが必要である。従って、多くの設備コストがかかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】
本発明は、発電効率を向上し、設備コストを低減できる圧縮空気貯蔵発電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動される電動機と、前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄える蓄圧タンクと、前記蓄圧タンクの内圧を検出する圧力センサと、前記蓄圧タンクと流体的に接続され、前記圧縮空気によって駆動される膨張機と、前記膨張機と機械的に接続され、電力を発電する発電機と、前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機から供給される前記圧縮空気と熱媒とで熱交換する第１熱交換器と、前記第１熱交換器と流体的に接続され、前記第１熱交換器で熱交換された前記熱媒を蓄える蓄熱タンクと、前記蓄圧タンク及び前記蓄熱タンクと流体的に接続され、前記蓄圧タンクから供給された前記圧縮空気と前記蓄熱タンクから供給された前記熱媒とで熱交換する第２熱交換器と、前記発電機で発電した電力を使用して前記蓄熱タンク内の前記熱媒を加熱する加熱部と、前記発電機の発電電力を少なくとも電力系統と前記加熱部とに分配する第１電力分配部と、前記蓄圧タンクの内圧が所定の値に達し、前記電力系統における電力需要よりも前記発電機の発電電力が多い場合、前記第１電力分配部を制御して前記発電機の発電電力の一部又は全部を前記加熱部に供給する制御装置とを備える、圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。
【００１０】
この構成によれば、余剰電力を蓄熱に利用することで電力の無駄を抑制して発電効率を向上し、蓄圧タンクのサイズを小容量化することで設備コストを低減できる。余剰電力とは、発電機による発電電力と電力需要との差分の電力のことをいう。通常、蓄圧タンクがそれ以上蓄圧できない場合の余剰電力は捨てることになる。しかし、加熱部により蓄熱タンク内の熱媒を加熱することで、加熱された熱媒は第２熱交換器において膨張前の圧縮空気を加熱するため、加熱された圧縮空気で膨張機を駆動でき、膨張効率を向上できる。また、装置全体の蓄圧タンクの容量（蓄圧タンクが複数ある場合はそれらの容量の合計）は、電力需要のピークに対応して設定する必要がある。しかし、本構成により余剰電力を蓄熱に利用できるため電力の無駄を抑制でき、蓄圧タンクが所定の容量を超過してそれ以上蓄圧できない場合でも熱という別の形態でエネルギーを貯蔵できる。このため、蓄圧タンクの容量を電力需要のピークに対応して設定する必要がなく、蓄圧タンクを小容量化できる。
【００１１】
前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記入力電力を前記電動機と前記加熱部とに分配する第２電力分配部をさらに備え、前記圧縮機の運転効率が所定以下となる場合、前記制御装置は前記第２電力分配部を制御して前記入力電力を前記加熱部に供給することが好ましい。
【００１２】
圧縮機の運転効率が所定以下となる場合でも、入力電力を蓄熱に利用できることで、入力電力を効率的に利用できる。運転効率が所定以下となる場合とは、入力電力が所定の値より小さな場合又は所定の値より大きな場合に起こる。運転効率が所定以下となるような圧縮機を駆動するのに小さすぎる入力電力や圧縮機を駆動するのに大きすぎる入力電力は、は通常利用できず捨てられることになる。しかし、本構成ではこのような小さな入力電力や大きな入力電力も加熱部に供給することで蓄熱に利用できる。
【００１３】
前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記発電機に電気的に接続され、前記発電機の発電電力を蓄える蓄電装置と、前記蓄熱タンク内の熱媒の温度を検出する温度センサをさらに備え、前記第１電力分配部は、前記発電機の電力を、前記電力系統と前記加熱部と前記蓄電装置とに分配し、前記制御装置は、前記蓄圧タンクの内圧が所定の圧力に達し、前記電力系統における電力需要よりも前記発電機で発電する電力が多く、さらに前記温度センサで測定した前記蓄熱タンク内の熱媒の温度が所定の温度以上である場合、前記第１電力分配部を制御して前記発電機で発電した電力の一部又は全部を前記蓄電装置に供給することが好ましい。
【００１４】
加熱部に加えて、蓄電装置を設けたことで余剰電力を蓄電できる。特に、蓄熱タンク内の熱媒温度が所定以上であり、加熱部によって熱媒温度を上昇させることができない場合でも電気エネルギーとして有効にエネルギーを蓄えることができる。特に、再生可能エネルギーによる発電量の変動（ピーク時と平常時の差）が大きい場合、余剰電力を有効利用する工夫がなされていないと膨大なサイズの蓄圧タンク又は多数の蓄圧タンクが必要となる。全体コストに占める蓄圧タンクのコストは大きいため、例え蓄電装置を新たに設置した場合でも蓄圧タンクの小容量化により全体として大きくコストダウンできる。
【００１５】
また、本発明は、再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動される電動機と、前記電動機と機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄える蓄圧タンクと、前記蓄圧タンクの内圧を検出する圧力センサと、前記蓄圧タンクと流体的に接続され、前記圧縮空気によって駆動される膨張機と、前記膨張機と機械的に接続され、電力を発電する発電機と、前記圧縮機と流体的に接続され、前記圧縮機から供給される前記圧縮空気と熱媒とで熱交換する第１熱交換器と、前記第１熱交換器と流体的に接続され、前記第１熱交換器で熱交換された前記熱媒を蓄える蓄熱タンクと、前記蓄圧タンク及び前記蓄熱タンクと流体的に接続され、前記蓄圧タンクから供給された前記圧縮空気と前記蓄熱タンクから供給された前記熱媒とで熱交換する第２熱交換器と、前記発電機に電気的に接続され、前記発電機の発電電力を蓄える蓄電装置と、前記発電機の発電電力を少なくとも電力系統と前記蓄電装置とに分配する第１電力分配部と、前記蓄圧タンクの内圧が所定の圧力に達し、前記電力系統における電力需要よりも前記発電機の発電電力が多い場合、前記第１電力分配部を制御して前記発電機の発電電力の一部又は全部を前記蓄電装置に供給する制御装置とを備える、圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。
【００１６】
この構成によれば、余剰電力を蓄電に利用することで電力の無駄を抑制して発電効率を向上し、蓄圧タンクのサイズを小容量化することで設備コストを低減できる。
【００１７】
前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記入力電力を前記電動機と前記蓄電装置とに分配する第２電力分配部をさらに備え、前記圧縮機の運転効率が所定以下となる場合、前記制御装置は前記第２電力分配部を制御して前記入力電力を前記蓄電装置に供給することが好ましい。
【００１８】
圧縮機の運転効率が所定以下となるような小さすぎる入力電力や大きすぎる入力電力も蓄電することで有効に利用できる。
【００１９】
前記制御装置は、前記電動機に供給される入力電力が所定以下である場合、前記蓄電装置から前記電動機に電力を供給することが好ましい。
【００２０】
電動機に供給される入力電力が所定以下である場合でも、蓄電装置から電動機に電力を補助供給することで所定以上の電力が電動機に供給されることになり、運転効率の低下を防止できる。
【００２１】
前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記発電機で発電した電力を使用して前記蓄熱タンク内の前記熱媒を加熱する加熱部をさらに備え、前記第１電力分配部は、前記発電機の電力を、前記電力系統と前記蓄電装置と前記加熱部とに分配し、前記制御装置は、前記蓄圧タンクの内圧が所定の圧力に達し、前記電力系統における電力需要よりも前記発電機で発電する電力が多く、さらに前記蓄電装置が既に満充電の場合、前記第１電力分配部を制御して前記発電機で発電した電力の一部又は全部を前記加熱部に供給することが好ましい。
【００２２】
蓄電装置に加えて加熱部を設けたことで、余剰電力を蓄熱に利用できる。特に、蓄電装置が満充電であり、それ以上蓄電できない場合でも熱エネルギーとして有効にエネルギーを蓄えることができる。
【００２３】
前記熱媒は、分離された第１熱媒及び第２熱媒を含み、前記蓄熱タンクは、前記第１熱媒を蓄える第１蓄熱タンク及び前記第２熱媒を蓄える第２蓄熱タンクを備え、前記第１蓄熱タンクは、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器と流体的に接続され、前記第２蓄熱タンクは、蓄えている前記第２熱媒を前記加熱部により加熱され、前記蓄圧タンク及び前記第２蓄熱タンクと流体的に接続されて前記蓄圧タンクから供給される前記圧縮空気と前記第２蓄熱タンクから供給される前記第２熱媒とで熱交換する第３熱交換器をさらに備えることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、圧縮熱を回収する第１熱媒と加熱部により加熱される第２熱媒とを分離できるため、発電効率をより向上できる。圧縮熱又は加熱部による加熱では、加熱温度が異なる。従って、２つの熱媒を分離することで異なる温度での蓄熱が可能である。このため、発電効率をより向上できる。
【００２５】
前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記第１蓄熱タンクの温度を検出する第１温度センサと、前記第２蓄熱タンクの温度を検出する第２温度センサと、前記蓄圧タンクから供給される前記圧縮空気に対して、前記第２熱交換器又は前記第３熱交換器のいずれが先に作用するかを切り替える熱交換順序切替部とをさらに備え、前記制御装置は、前記第１温度センサの検出温度よりも前記第２温度センサの検出温度が高い場合には前記第２熱交換器を先に作用し、前記第２温度センサの検出温度よりも前記第１温度センサの検出温度が高い場合には前記第１熱交換器を先に作用するように前記熱交換順序切替部を制御することが好ましい。
【００２６】
この構成によれば、膨張前の圧縮空気の温度をより高温に加熱できるため、発電効率を向上できる。膨張前の圧縮空気に対し、熱交換の順番として第１熱媒と第２熱媒のうちの温度の高い方の熱媒を後に熱交換させる。従って、温度の高い方の熱媒が加熱した圧縮空気の温度を低下させることがない。このため、発電効率をより向上できる。
【００２７】
前記蓄圧タンクは、前記電力需要のピークに必要な容量よりも小容量であることが好ましい。
【００２８】
この構成によれば、蓄圧タンクを小容量化することで設備コストを低減できる。即ち、蓄圧タンクのサイズや数を電力需要のピークに合わせて大容量・多数の蓄圧タンクを用意する必要がない。また、小容量のタンクを使用することで発電に適した圧力になるまで昇圧するのにかかる時間を短縮できる。従って、常に高めの圧力に維持しておくことが容易である。このため、電力需要の変動への応答性を向上できる。
【００２９】
本発明の第２の態様は、再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により空気を圧縮し、圧縮した空気を貯蔵し、貯蔵した圧縮空気を膨張させることにより発電し、前記圧縮の工程で発生する圧縮熱を回収し、回収した圧縮熱を蓄熱し、前記膨張の工程前に膨張させる圧縮空気を蓄熱した圧縮熱により加熱し、前記貯蔵した圧縮空気の圧力が所定の値に達し、電力需要よりも発電電力が多い場合、前記発電電力の一部又は全部により前記蓄熱の温度をさらに上昇させる、圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。
【００３０】
また、本発明は、再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により空気を圧縮し、圧縮した空気を貯蔵し、貯蔵した圧縮空気を膨張させることにより発電し、前記圧縮の工程で発生する圧縮熱を回収し、回収した圧縮熱を蓄熱し、前記膨張の工程前に膨張させる圧縮空気を蓄熱した圧縮熱により加熱し、前記貯蔵した圧縮空気の圧力が所定の値に達し、電力需要よりも発電電力が多い場合、前記発電電力の一部又は全部を蓄電する、圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置において、余剰電力を蓄熱に利用することで発電効率を向上し、設備コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態の圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の概略構成図。
【図２】図１の圧縮空気貯蔵発電装置の制御方法を示すフローチャート。
【図３】図２の処理Ａを示すサブフローチャート。
【図４】圧縮機の回転数（回転速度）と吸込効率の関係を示すグラフ。
【図５】第２実施形態の圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。
【図６】図５の圧縮空気貯蔵発電装置の制御方法を示すフローチャート。
【図７】図６の処理Ｂを示すサブフローチャート。
【図８】第３実施形態の圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。
【図９】第４実施形態の圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。
【図１０】図９の圧縮空気貯蔵発電装置の制御方法を示すフローチャート。
【図１１】第５実施形態の圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。
【図１２】図１１の圧縮空気貯蔵発電装置の第１の制御方法を示すフローチャート。
【図１３】図１１の圧縮空気貯蔵発電装置の第２の制御方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００３４】
（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：compressed air energy storage）発電装置２の概略構成図を示している。このＣＡＥＳ発電装置２は、再生可能エネルギーを利用して発電する場合の電力系統２５への出力変動を平準化するとともに、電力系統２５における電力需要の変動に合わせた電力を出力する。
【００３５】
図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置２の構成を説明する。
【００３６】
ＣＡＥＳ発電装置２は、再生可能エネルギーを利用する発電装置１の出力変動を平準化する。ＣＡＥＳ発電装置２は、第２電力分配部３、モータ（電動機）４、圧縮機６、蓄圧タンク８、膨張機１０、発電機１２、圧力センサ１４、第１熱交換器１６、第２熱交換器１８、蓄熱タンク２０、ヒータ（加熱部）２２、第１電力分配部２４、及び制御装置２６を備える。
【００３７】
再生可能エネルギーを利用する発電装置１により発電された入力電力は、第２電力分配部３を介してモータ４に供給される。この電力によりモータ４が駆動される。モータ４は、圧縮機６に機械的に接続されている。
【００３８】
発電装置１からの入力電力は、第２電力分配部３を介してヒータ２２にも供給可能である。入力電力は、通常時モータ４に供給されるが、後述するように入力電力の大きさによって第２電力分配部３が切り替えられ、ヒータ２２に供給される。従って、本実施形態の第２電力分配部３は、発電装置１と、モータ４と、ヒータ２２とに電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【００３９】
圧縮機６は、モータ４を駆動させることで作動する。圧縮機６の吐出口６ｂは、第１熱交換器１６を介して蓄圧タンク８と流体的に接続されている。圧縮機６は、モータ４により駆動されると、吸気口６ａより空気を吸気し、圧縮して吐出口６ｂより吐出し、蓄圧タンク８へ圧送する。圧縮機６のモータ４は、図示しないインバータにより回転数制御されており、インバータを介して回転数を確認することで運転状態の安定性を確認できる。
【００４０】
蓄圧タンク８には内部に貯蔵した圧縮空気の圧力を検出する圧力センサ１４が設けられている。蓄圧タンク８は、第２熱交換器１８を介して膨張機１０と流体的に接続されている。蓄圧タンク８は、圧送された圧縮空気を蓄える。蓄圧タンク８は必要な電力需要ピークに対して小容量のものを使用する。蓄圧タンク８を小容量化することで設備コストを低減できる。また、小容量の蓄圧タンク８を使用することで発電に適した圧力になるまで昇圧するのにかかる時間を短縮できる。従って、常に高めの圧力に維持しておくことが容易である。このため、電力需要の変動への応答性を向上できる。このように、蓄圧タンク８に圧縮空気としてエネルギーを蓄積できる。蓄圧タンク８で蓄えられた圧縮空気は、膨張機１０へ供給される。
【００４１】
圧縮機６、第１熱交換器１６、蓄圧タンク８、第２熱交換器１８、及び膨張機１０の流体的な接続は空気供給路２８を通じてなされている。蓄圧タンク８から膨張機１０への空気供給路２８にはバルブ２９が設けられており、膨張機１０への圧縮空気の供給を許容又は遮断できる。
【００４２】
膨張機１０は、発電機１２と機械的に接続されている。給気口１０ａから圧縮空気を給気された膨張機１０は、給気された圧縮空気により作動し、発電機１２を駆動する。膨張された空気は、排気口１０ｂより排気される。
【００４３】
発電機１２は、第１電力分配部２４に電気的に接続されている。膨張機１０により駆動された発電機１２が発電した電力は、第１電力分配部２４に供給される。
【００４４】
第１電力分配部２４は、発電機１２と外部の電力系統２５とヒータ２２とに電気的に接続されている（図１の破線参照）。第１電力分配部２４は、外部の電力系統２５及びヒータ２２に対して発電機１２から供給される電力を分配する。例えば、振り分けは、発電機１２から供給される電力の半分を外部の電力系統２５へ供給し、残りの半分をヒータ２２へ供給してもよい。また、発電機１２から供給される電力の全てをヒータ２２又は電力系統２５へ供給することもできる。
【００４５】
発電装置１により発電される入力電力及び外部の電力系統２５からの電力需要は、スマートグリッドのように電力網内の需給バランスとしてそれぞれ測定可能であり、これらの測定値は後述の制御装置２６に出力されている。または、入力電力は過去の天候データに基づいて、電力需要は過去の需要データに基づいて、それぞれ推定されてもよい。また、特に入力電力は、現在の天候データに基づいて推定されてもよい。例えば、風力発電の場合は発電装置１の風上の少し離れた場所の風力等を測定し、太陽光発電の場合は発電装置１付近の雲の動きなどを観測することで、発電装置１が発電する入力電力を推定してもよい。第１電力分配部２４による振り分けの比率は、これらの測定値及び推定値等に基づいて後述の制御装置２６によって決定される。
【００４６】
なお、本実施形態の圧縮機６及び膨張機１０は、スクリュ式であるが、その種類は限定されず、スクロール式、ターボ式、及びレシプロ式などであってもよい。本実施形態では、圧縮機６及び膨張機１０の数は共に１台であるが、台数は特に限定されず、２台以上の複数台であってもよい。
【００４７】
また、蓄熱タンク２０は断熱されている。蓄熱タンク２０は、熱媒供給路３０ａ，３０ｂを通じて、それぞれ第１熱交換器１６及び第２熱交換器１８に流体的に接続されている（図１の一点鎖線参照）。熱媒供給路３０ａ，３０ｂ内には熱媒が流動している。熱媒の種類は限定されておらず、例えば水、油などであってもよい。熱媒供給路３０ａ，３０ｂには、それぞれポンプ３２ａ，３２ｂが設けられている。ポンプ３２ａは、熱媒供給路３０ａを介して蓄熱タンク２０と第１熱交換器１６との間で熱媒を循環させる。ポンプ３２ｂは、熱媒供給路３０ｂを介して蓄熱タンク２０と第１熱交換器１６との間で熱媒を循環させる。さらに、蓄熱タンク２０には、内部の熱媒を加熱するためのヒータ２２が設けられている。ヒータ２２は、電気ヒータであり、発電機１２から第１電力分配部２４を介して電力を供給されて熱媒を加熱する。
【００４８】
第１熱交換器１６では、圧縮機６と蓄圧タンク８との間の空気供給路２８の圧縮空気と、熱媒供給路３０ａの熱媒との間で熱交換し、圧縮機６による圧縮で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。即ち、第１熱交換器１６では、圧縮空気の温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。ここで温度上昇した熱媒は、蓄熱タンク２０に供給され蓄えられる。
【００４９】
第２熱交換器１８では、蓄圧タンク８と膨張機１０との間の空気供給路２８の圧縮空気と、熱媒供給路３０ｂの熱媒との間で熱交換し、膨張機１０による膨張の前に圧縮空気の温度を上昇させている。即ち、第２熱交換器１８では、圧縮空気の温度は上昇し、熱媒の温度は低下する。ここで温度低下した熱媒は、蓄熱タンク２０に供給され蓄えられる。
【００５０】
第１熱交換器１６及び第２熱交換器１８を使用すると、発電効率の低下を防止できる。これらを使用しない場合、圧縮熱によって温度上昇した圧縮空気が蓄圧タンク８に供給される。温度上昇した圧縮空気は、蓄圧タンク８に蓄えられている間に外部へ放熱し、熱エネルギーを損失する。これに対し、第１熱交換器１６を使用すると、蓄圧タンク８に供給される圧縮空気の温度を低下させ、外気との温度差を低減できる。従って、蓄圧タンク８における放熱による熱エネルギーの損失を防止できる。さらに、回収した熱を蓄熱タンク２０に蓄熱し、第２熱交換器１８を使用して膨張機１０へ供給される圧縮空気に対してこの回収及び蓄熱した熱を戻すことで発電効率を低下させることなく発電が可能である。
【００５１】
この構成によれば、余剰電力を蓄熱に利用することで電力の無駄を抑制して発電効率を向上し、蓄圧タンク８のサイズを小容量化することで設備コストを低減できる。余剰電力とは、発電機１２による発電電力と電力需要との差分の電力のことをいう。通常、蓄圧タンク８がそれ以上蓄圧できない場合の余剰電力は捨てることになる。しかし、ヒータ２２により蓄熱タンク８内の熱媒を加熱することで、加熱された熱媒は第２熱交換器１８において膨張前の圧縮空気を加熱するため、加熱された圧縮空気で膨張機１０を駆動でき、膨張効率を向上できる。また、装置２全体の蓄圧タンク８の容量は、電力需要のピークに対応して設定する必要がある。しかし、本構成により余剰電力を蓄熱に利用できるため電力の無駄を抑制でき、蓄圧タンク８が所定の容量を超過してそれ以上蓄圧できない場合でも熱という別の形態でエネルギーを貯蔵できる。このため、蓄圧タンク８の容量を電力需要のピークに対応して設定する必要がなく、蓄圧タンク８を小容量化できる。
【００５２】
また、ＣＡＥＳ発電装置２は制御装置２６を備える。制御装置２６は、シーケンサ等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。本実施形態の制御装置２６は、発電装置１からの入力電力、圧力センサ１４の検出圧力値、外部の電力系統２５の電力需要、及び発電機１２の発電電力の各値を受ける。そして、制御装置２６は、これらの値に基づいて第１電力分配部２４及び第２電力分配部３を制御して発電電力の供給先及び入力電力の供給先を以下の制御方法に示すように切り替える（図１の二点鎖線参照）。
【００５３】
次に、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の制御方法について説明する。
【００５４】
図２は第１実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の制御方法を示すフローチャートである。制御が開始され（ステップＳ２−１）、入力電力Ｅがモータ４に供給されると（ステップＳ２−２）、入力電力Ｅが所定の値Ｅmax以下であるか否かを判定する（ステップＳ２−３）。所定の値Ｅmaxは、圧縮機６が所定の圧縮効率以上で駆動できる最大値である。従って、Ｅmaxを超える電力が供給されると圧縮効率を最大化する設定点から離れた点での圧縮となり圧縮効率が落ちる。またはさらに大きな電力はモータ４を駆動するのに余剰な電力供給となる。
【００５５】
入力電力Ｅが所定の値Ｅmaxを超える場合（ステップＳ２−３）、入力電力ＥのうちＥmaxを超える部分の電力は第２ヒータ２２に供給され、蓄熱タンク２０内の熱媒を加熱するために利用される（ステップＳ２−４）。そして図３に示す処理Ａが実行される（ステップＳ２−５）。
【００５６】
図３を参照して、処理Ａが開始されると（ステップＳ３−１）、入力電力によりモータ４を駆動して圧縮機６で圧縮空気を製造し（ステップＳ３−２）、この圧縮時の圧縮熱を第１熱交換器１６で熱媒に回収し（ステップＳ３−３）、回収された熱媒は、蓄熱タンク２０に貯蔵される。熱回収され温度が低下した圧縮空気は蓄圧タンク８に貯蔵される（ステップＳ３−４）。蓄圧タンク８から膨張機１０に供給される圧縮空気は、第２熱交換器１８で熱媒により加熱される（ステップＳ３−５）。膨張機１０で圧縮空気を膨張させることで発電機１２により発電する（ステップＳ３−６）。そして処理Ａを終了する（ステップＳ３−７）。
【００５７】
入力電力Ｅが所定の値Ｅmax以下の場合（ステップＳ２−３）、さらに入力電力Ｅが所定の値Ｅmin以上であるか否かを判定する（ステップＳ２−６）。所定の値Ｅminは、圧縮機６が所定の圧縮効率以上で駆動できる最小値である。従って、Ｅmin未満の電力が供給されても圧縮効率を最大化する設定点から離れた点での圧縮となり圧縮効率が落ちる。またはさらに小さな電力はモータ４を駆動することすらできず電力供給しても無駄となる。
【００５８】
図４は、圧縮機６が一定以上の吸込効率で運転できる範囲を示すグラフである。横軸が圧縮機６の回転数（回転速度）Ｒであり、縦軸が圧縮機の吸込効率である。圧縮機６を一定以上の吸込効率で運転するには、所定範囲（Ｒmin≦Ｒ≦Ｒmax）の回転数Ｒが必要である。これは、圧縮機６が一定以上の運転効率で運転するためには、入力電力Ｅが所定範囲（Ｅmin≦Ｅ≦Ｅmax）である必要があることに対応している。
【００５９】
図２を参照して、ステップＳ２−３及びステップＳ２−６で所定範囲（Ｅmin≦Ｅ≦Ｅmax）であるかを確認し、一定以上の効率で運転可能か否かを判断している。入力電力Ｅが所定の値Ｅmin未満である場合（ステップＳ２−６）、入力電力Ｅをヒータ２２に供給して蓄熱タンク２０内の熱媒を加熱する（ステップＳ２−７）。入力電力Ｅが所定の値Ｅmin以上である場合（ステップＳ２−６）、図３に示す処理Ａが実行される（ステップＳ２−５）。運転効率は、入力電力Ｅの大きさ以外にも上述のように圧縮機６に接続された図示しないインバータを介して回転数を確認することにより判断してもよい。
【００６０】
処理Ａ終了後（ステップＳ２−５）、電力需要Ｗｄが発電電力Ｗｇ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２−８）。電力需要Ｗｄが発電電力Ｗｇ以上である場合、余剰電力が存在しないため、発電電力Ｗｇ（最大Ｗｄ）を需要先である外部の電力系統２５に全て供給する（ステップＳ２−９）。電力需要Ｗｄが発電電力Ｗｇ以上でない場合、蓄圧タンク８の容量が所定以上であるかを判断する（ステップＳ２−１０）。具体的には、圧力センサ１４で検出した蓄圧タンク８の内圧が所定の圧力以上となっているか否かを判定する。この所定の圧力は、例えば本実施形態では、圧縮機６から蓄圧タンク８にそれ以上圧縮空気を圧送できない圧力値に設定されている。
【００６１】
蓄圧タンク８の容量が所定の圧力以上でない場合、発電電力Ｗｇの一部（最大Ｗｄ）は外部の電力系統２５に供給され、余剰電力（Ｗｇ−Ｗｄ）は圧縮機６のモータ４に供給されて圧縮空気が製造され貯蔵される（ステップＳ２−１１）。蓄圧タンク８の容量が所定以上である場合、発電電力Ｗｇの一部（最大Ｗｄ）は外部の電力系統２５に供給され、余剰電力（Ｗｇ−Ｗｄ）はそれ以上蓄圧できないためヒータ２２に供給され蓄熱タンク２０内の熱媒を加熱する（ステップＳ２−１２）。そして第２熱交換器１８において加熱された熱媒で膨張前の圧縮空気を加熱し（ステップＳ２−１３）、膨張機１０において圧縮空気を膨張させて発電機１２により発電し（ステップＳ２−１４）、発電電力Ｗｇを需要先である外部の電力系統２５に供給する（ステップＳ２−９）。これらの処理を完了後、制御を終了する（ステップＳ２−１５）。
【００６２】
なお、ここで制御を終了としているが、制御は運転中、常に行われており、入力電力Ｅがモータ４に再び供給されるとステップＳ２−１から再び処理が開始される。これは以降の実施形態における制御フローでも同様である。
【００６３】
このように、蓄圧タンク８がそれ以上蓄圧できない場合、余剰電力をヒータ２２に供給し、蓄熱に利用することで発電電力Ｗｇが無駄になることを防止できるため、発電機１２の発電効率を向上できる。
【００６４】
また、圧縮機６の効率が一定以下となるような小さすぎる又は大きすぎる入力電力Ｅは通常利用できず捨てられることになるが、本構成ではこのような小さすぎる又は大きすぎる入力電力Ｅも蓄熱に利用できる。
【００６５】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置２を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、第２電力分配部３（図１参照）、第１蓄熱タンク３４、第２蓄熱タンク３６、及び第３熱交換器３８に関連する部分以外の構成は図１の第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１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。
【００６６】
図５を参照して、本実施形態では、第２電力分配部３（図１参照）が省略され、第１蓄熱タンク３４及び第２蓄熱タンク３６が設けられている。第１蓄熱タンク３４及び第２蓄熱タンク３６は共に断熱されている。第１蓄熱タンク３４及び第２蓄熱タンク３６には、それぞれ内部の第１熱媒及び第２熱媒の温度を検出する第１温度センサ４０ａ及び第２温度センサ４０ｂが設けられている。第１熱媒及び第２熱媒の種類は同じであってもよいし、別であってもよい。例えば水、油などを使用してもよい。第２蓄熱タンク３６にはヒータ２２が配置されている。ヒータ２２は発電機１２と電気的に接続されている。
【００６７】
第１熱交換器１６は、空気供給路２８を通じて圧縮機６及び蓄圧タンク８と流体的に接続されている。また、熱媒供給路３０ｃを通じて第１蓄熱タンク３４に流体的に接続されている。熱媒供給路３０ｃには、内部の第１熱媒を流動及び循環させるポンプ３２ｃが配置されている。第１熱交換器１６での熱交換により、圧縮空気の温度は低下し、第１熱媒の温度は上昇する。
【００６８】
第２熱交換器１８は、空気供給路２８を通じて蓄圧タンク８及び第３熱交換器３８と流体的に接続されている。また、熱媒供給路３０ｄを通じて第１蓄熱タンク３４及び第２蓄熱タンク３６に流体的に接続されている。熱媒供給路３０ｄには、内部の第１熱媒又は第２熱媒を流動及び循環させるポンプ３２ｄが配置されている。第２熱交換器１８での熱交換により、圧縮空気の温度は上昇し、第１熱媒又は第２熱媒の温度は低下する。
【００６９】
第３熱交換器３８は、空気供給路２８を通じて第２熱交換器１８及び膨張機１０と流体的に接続されている。また、熱媒供給路３０ｅを通じて第１蓄熱タンク３４及び第２蓄熱タンク３６に流体的に接続されている。熱媒供給路３０ｅには、内部の第１熱媒又は第２熱媒を流動及び循環させるポンプ３２ｅが配置されている。第３熱交換器３８での熱交換により、圧縮空気の温度は上昇し、第１熱媒又は第２熱媒の温度は低下する。
【００７０】
第１蓄熱タンク３４及び第２蓄熱タンク３６と第１熱交換器１６及び第２熱交換器１８との接続は、切替弁（熱交換順序切替部）４２ａ〜４２ｄ，４４ａ〜４４ｄ，４６を介してなされている。従って、第１蓄熱タンク３４の熱媒は、第１熱交換器１６及び第２熱交換器１８のいずれにも供給でき、第２蓄熱タンク３６の熱媒とは分離されている。同様に、第２蓄熱タンク３６の熱媒は、第２熱交換器１８及び第３熱交換器３８のいずれにも供給でき、第１蓄熱タンク３４の熱媒とは分離されている。第１熱媒と第２熱媒は、熱媒供給路３０ｄ，３０ｅを共有しているが、同時に同じ熱媒供給路３０ｄ又は３０ｅを流動することはない。
【００７１】
この構成によれば、圧縮熱を回収する第１熱媒とヒータ２２により加熱される第２熱媒とを分離できるため、発電効率をより向上できる。圧縮熱又はヒータ２２による熱媒の加熱では、通常、熱媒の温度が異なる。従って、２つの熱媒を分離することで異なる温度での蓄熱が可能である。このため、発電効率をより向上できる。
【００７２】
本実施形態の制御装置２６は、発電装置１からの入力電力、圧力センサ１４の検出圧力値、温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度値、外部の電力系統２５の電力需要、及び発電機１２の発電電力の出力を受け、これらの値に基づいて以下の制御方法に示すように、第１電力分配部２４を制御して発電電力の供給先を切り替える（図５の二点鎖線参照）と共に、切替弁４２ａ〜４２ｄ，４４ａ〜４４ｄ，４６を制御して熱媒流路を切り替える。
【００７３】
図６は第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の制御方法を示すフローチャートである。本実施形態のステップＳ６−１からステップＳ６−８までは、図２に示す第１実施形態のステップＳ２−１からステップＳ２−１２までと実質的に同一である。従って、同一ステップの説明は省略する。ただし、第２実施形態では、第１実施形態と異なり、入力電力Ｅの大きさを判断する処理（ステップＳ２−３，Ｓ２−４，Ｓ２−６，Ｓ２−７）が省略され、ステップＳ６−３では処理Ａに代えて処理Ｂを実行している。
【００７４】
図３の処理Ａ及び図７の処理Ｂを参照して、両者の違いは、ステップＳ３−３及びステップＳ３−５における熱媒が、Ｓ７−３及びＳ７−５では第１熱媒に置き換えられていることである。これは第１実施形態では１つであった熱媒に対して、本実施形態では第１及び第２熱媒という２つの熱媒が使用されていることによる。ただし、第１及び第２熱媒は、異なる種類に限定されず、同一の熱媒を使用してもよい。
【００７５】
図５及び図６を参照して、ステップＳ６−８において第２熱媒を加熱後、温度センサ４０ａで検出した第１熱媒温度が温度センサ４０ｂで検出した第２熱媒温度より高いか否かを判断する（ステップＳ６−９）。第１熱媒温度が第２熱媒温度よりも高い場合、切替弁４２ａ〜４２ｄ，４６を開き、切替弁４４ａ〜４４ｄを閉じる。これにより、第２熱媒が第２熱交換器１８で圧縮空気と熱交換した（ステップＳ６−１０）後、第１熱媒が第３熱交換器３８で圧縮空気と熱交換する（ステップＳ６−１１）。また、第１熱媒温度が第２熱媒温度よりも低い場合、切替弁４２ａ〜４２ｄを閉じ、切替弁４４ａ〜４４ｄ，４６を開く。これにより、第１熱媒が第２熱交換器１８で圧縮空気と熱交換した（ステップＳ６−１２）後、第２熱媒が第３熱交換器３８で圧縮空気と熱交換する（ステップＳ６−１３）。即ち、第１熱媒と第２熱媒のうち、温度の低い熱媒が圧縮空気に対して先に熱交換する。そして、加熱された圧縮空気により膨張機１０を駆動して発電機１２により発電する（ステップＳ６−１４）。発電電力Ｗｇは外部の電力系統２５に供給される（ステップＳ６−５）。これらの処理を完了後、制御を終了する（ステップＳ６−１５）。
【００７６】
このようにすることで、第１熱媒と第２熱媒のうち、温度の高い方の熱媒が加熱した圧縮空気の温度を低下させることがない。このため、熱交換効率を向上でき、膨張前の圧縮空気の温度をより高温に加熱できるため、発電効率を向上できる。
【００７７】
（第３実施形態）
図８は、第３実施形態のＣＡＥＳ発電装置２を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、第２電力分配部３（図１参照）、第１熱媒供給タンク４８、第２熱媒供給タンク５０、第１熱媒戻りタンク５２、第２熱媒戻りタンク５４、第４熱交換器５６、及び第５熱交換器５８に関連する部分、並びに圧縮機６と膨張機１０が多段型であること以外の構成は図１の第１実施形態と同様である。従って、図１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。
【００７８】
図８を参照して、本実施形態では、第２電力分配部３が省略され、断熱された蓄熱タンク４８，５０，５２，５４が温度別に設けられている。具体的には第１熱媒供給タンク４８、第２熱媒供給タンク５０、第１熱媒戻りタンク５２、及び第２熱媒戻りタンク５４が設けられている。また、これらに対応する第１熱交換器１６、第２熱交換器１８、第４熱交換器５６、及び第５熱交換器５８がそれぞれ設けられている。
【００７９】
第１熱媒供給タンク４８及び第１熱媒戻りタンク５２は、第１熱交換器１６及び第２熱交換器１８に熱媒供給路３０ｆを通じて流体的に接続されている。熱媒供給路３０ｆには内部の熱媒を流動及び循環させるポンプ３２ｆが配置されている。第１熱媒供給タンク４８は、第１熱交換器１６において圧縮空気と熱交換して温度が上昇した熱媒を貯蔵する。第１熱媒戻りタンク５２は、第２熱交換器１８において圧縮空気と熱交換して温度が低下した熱媒を貯蔵する。
【００８０】
第２熱媒供給タンク５０及び第２熱媒戻りタンク５４は、第４熱交換器５６及び第５熱交換器５８に熱媒供給路３０ｇを通じて流体的に接続されている。熱媒供給路３０ｇには内部の熱媒を流動及び循環させるポンプ３２ｇが配置されている。第２熱媒供給タンク５０は、第４熱交換器５６において圧縮空気と熱交換して温度が上昇した熱媒を貯蔵する。第２熱媒戻りタンク５４は、第５熱交換器５８において圧縮空気と熱交換して温度が低下した熱媒を貯蔵する。
【００８１】
本実施形態の圧縮機６及び膨張機１０は２段型である。１段目の圧縮熱を第４熱交換器５６で回収し、２段目の圧縮熱を第１熱交換器１６で回収している。また、膨張前の圧縮空気を第２熱交換器１８で加熱し、１段目の膨張後に第５熱交換器５８で圧縮空気を加熱している。
【００８２】
このように、蓄熱タンク２０を熱媒供給タンク４８，５０及び熱媒戻りタンク５２，５４に分けることで、温度別に熱媒の管理が可能である。従って、熱交換効率を向上させ、発電効率を向上できる。
【００８３】
なお、本実施形態では２段型の圧縮機６及び膨張機１０を配置しているが、これに限定されず、単段型や３段以上の多段型であってもよい。
【００８４】
本実施形態の制御装置２６は、発電装置１からの入力電力、圧力センサ１４の検出圧力値、外部の電力系統２５の電力需要、及び発電機１２の発電電力の出力を受け、これらの値に基づいて第１電力分配部２４を制御して発電電力の供給先を切り替える（図１１の二点鎖線参照）。
【００８５】
本実施形態の制御方法については、第２電力分配部３（図１参照）に関する部分を除き、図２に示す第１実施形態の制御方法と実質的に同様であるため説明を省略する。
【００８６】
（第４実施形態）
図９は、第４実施形態のＣＡＥＳ発電装置２を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、ヒータ２２（図１参照）及び蓄電装置２１に関連する部分以外の構成は図１の第１実施形態と同様である。従って、図１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。
【００８７】
図９に示すように、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、ヒータ２２（図１）が省略され、蓄電装置２１が設けられている。蓄電装置２１は、蓄電池やコンデンサ等の電気エネルギーを蓄電できるものであればよく、その種類は特に限定されない。蓄電装置２１は、第１電力分配部２４を介して発電機１２と電気的に接続され、発電機１２で発電した余剰電力を蓄電する。蓄電装置２１に蓄電されている残電力は図示しない電力計などにより把握できる。さらに蓄電装置２１は第２電力分配部３を介して発電装置１と電気的に接続され、発電装置１で発電した入力電力を蓄電する。また、蓄電装置２１は、モータ４に電気的に接続され、蓄電した電力を供給できる。また、発電装置１にも第２電力分配部３を介して電気的に接続されており、入力電力を蓄電できる。さらに、蓄電装置２１は、電力系統２５に電気的に接続され、蓄電した電力を供給できる。
【００８８】
従って、本実施形態の第１電力分配部２４は、発電機１２からの電力を電力系統２５と蓄電装置２１とに分配する。また、第２電力分配部３は、発電装置１からの電力をモータ４と蓄電装置２１とに分配する。
【００８９】
本実施形態の制御装置２６は、発電装置１からの入力電力、圧力センサ１４の検出圧力値、外部の電力系統２５の電力需要、発電機１２の発電電力、及び蓄電装置２１の残電力の各値を受ける。そして、制御装置２６は、これらの値に基づいて第１電力分配部２４及び第２電力分配部３を制御して発電電力の供給先及び入力電力の供給先を以下の制御方法に示すように切り替える（図９の二点鎖線参照）。
【００９０】
図１０は第４実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の制御方法を示すフローチャートである。本実施形態の制御方法は、図２に示す第１実施形態の制御方法と概略同一であるため、異なる点のみを示す。
【００９１】
本実施形態では、圧縮機６の運転効率が所定以下となるような大きすぎる入力電力Ｅに対して、圧縮機６を駆動するのに必要以上の電力は、蓄電装置２１に供給される（ステップＳ１０−４）。また、圧縮機６の運転効率が所定以下となるような小さすぎる入力電力Ｅに対しては、蓄電装置２１に電力がある場合（ステップＳ１０−７）、入力電力Ｅが所定の値Ｅmin以上となるように蓄電装置２１からモータ４に電力を補助供給した上で（ステップＳ１０−８）、処理Ａを実行する（ステップＳ１０−９）。蓄電装置２１に電力がない場合（ステップＳ１０−７）、入力電力Ｅを蓄電装置２１に供給して蓄電する（ステップＳ１０−１０）。
【００９２】
このように圧縮機６の運転効率が所定以下となるような小さすぎる入力電力Ｅや大きすぎる入力電力Ｅも蓄電することで有効に利用できる。また、モータ４に供給される入力電力Ｅが所定の値Ｅmin以下である場合でも、蓄電装置２１からモータ４に電力を補助供給することで所定の値Ｅmin以上の電力がモータ４に供給されることになり、運転効率の低下を防止できる。
【００９３】
図１０を参照して、蓄圧タンク８の内圧が所定の圧力以上である場合（ステップＳ１０−１３）、蓄電装置２１が満充電あるか否かを判定する（ステップＳ１０−１５）。蓄電装置２１が満充電でない場合、発電電力Ｗｇの一部（最大Ｗｄ）は外部の電力系統２５に供給され、余剰電力（Ｗｇ−Ｗｄ）は蓄電装置２１に供給され蓄電される（ステップＳ１０−１６）。蓄電装置２１が満充電である場合、発電電力Ｗｇの一部（最大Ｗｄ）は外部の電力系統２５に供給され、それ以上充電できないため余剰電力（Ｗｇ−Ｗｄ）は放電（廃棄）される（ステップＳ１０−１７）。
【００９４】
このように、余剰電力を蓄電に利用することで電力の無駄を抑制して発電効率を向上し、蓄圧タンク８のサイズを小容量化することで設備コストを低減できる。
【００９５】
（第５実施形態）
図１１は、第５実施形態のＣＡＥＳ発電装置２を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、蓄電装置２１及びヒータ２２の両方を備える。蓄電装置２１及びヒータ２２に関連する部分以外の構成は図１の第１実施形態及び図９の第４実施形態と同様である。従って、図１及び図９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。
【００９６】
本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、蓄電装置２１及びヒータ２２の両方を備える。従って、本実施形態の第１電力分配部２４は、発電機１２からの電力を電力系統２５と蓄電装置２１とヒータ２２とに分配する。また、第２電力分配部３は、発電装置１からの入力電力をモータ４と蓄電装置２１とヒータ２２とに分配する。
【００９７】
蓄熱タンク２０には、内部の熱媒の温度を測定するための蓄熱温度センサ６０が設けられている。温度センサ６０は、制御装置２６に測定値を出力する。
【００９８】
本実施形態の制御装置２６は、発電装置１からの入力電力、圧力センサ１４の検出圧力値、温度センサ６０の検出温度値、外部の電力系統２５の電力需要、発電機１２の発電電力、蓄電装置２１の残電力の各値を受ける。そして、これらの値に基づいて第１電力分配部２４及び第２電力分配部３を制御し、発電電力の供給先を切り替える（図１１の二点鎖線参照）。発電電力の供給先切替の制御方法には、以下に示す第１の制御方法と第２の制御方法がある。
【００９９】
（第１の制御方法）
図１２は第５実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の第１の制御方法を示すフローチャートである。本実施形態の第１の制御方法は、図２に示す第１実施形態の制御方法と概略同一であるため、異なる点のみを示す。
【０１００】
入力電力Ｅが所定の値Ｅｍｉｎよりも小さく（ステップＳ１２−６）、蓄電装置２１に電力がある場合（ステップＳ１２−７）、入力電力Ｅが所定の値Ｅｍｉｎ以上となるように蓄電装置２１からモータ４に電力を補助供給した上で（ステップＳ１２−８）、処理Ａを実行する（ステップＳ１２−９）。蓄電装置２１に電力がない場合（ステップＳ１２−７）、第１電力分配部３を切り替えて入力電力Ｅをヒータ２２に供給して蓄熱タンク２０内の熱媒を加熱する（ステップＳ１２−１０）。
【０１０１】
蓄熱タンク２０の熱媒が所定の温度以上である場合（ステップＳ１２−１５）、発電電力Ｗｇの一部（最大Ｗｄ）は外部の電力系統２５に供給され、余剰電力（Ｗｇ−Ｗｄ）は蓄電装置２１に供給され蓄電される（ステップＳ１２−１６）。蓄熱タンク２０の熱媒が所定の温度未満である場合（ステップＳ１２−１５）、発電電力Ｗｇの一部（最大Ｗｄ）は外部の電力系統２５に供給され、余剰電力（Ｗｇ−Ｗｄ）はヒータ２２に供給され蓄熱タンク２０内の熱媒を加熱する（ステップＳ１２−１６）。
【０１０２】
このように、ヒータ２２に加えて、蓄電装置２１を設けたことで余剰電力を蓄電できる。特に、蓄熱タンク２０内の熱媒温度が所定以上であり、ヒータ２２によって熱媒温度を上昇させることができない場合でも電気エネルギーとして有効にエネルギーを蓄えることができる。再生可能エネルギーによる発電量の変動（ピーク時と平常時の差）が大きい場合、余剰電力を有効利用する工夫がなされていないと膨大なサイズの蓄圧タンク８又は多数の蓄圧タンク８が必要となる。全体コストに占める蓄圧タンク８のコストは大きいため、例え蓄電装置２１を新たに設置した場合でも蓄圧タンク８の小容量化により全体として大きくコストダウンできる。
【０１０３】
（第２の制御方法）
図１３は第５実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の第２の制御方法を示すフローチャートである。本実施形態の第２の制御方法は、図１２に示す第１の制御方法と概略同一であるため、異なる点のみを示す。
【０１０４】
第１の制御方法と異なり、必要以上の電力は蓄電装置２１に供給される（ステップＳ１３−４）。また、ステップＳ１３−１０において入力電力Ｅは蓄電装置２１に供給される。蓄電装置２１は電気エネルギーとしてエネルギーを蓄えるため、第１の制御方法のようにヒータ２２を使用して熱エネルギーとしてエネルギーを蓄える場合に比べて用途が広い。また、蓄電装置２１が満充電であるか否かを判断し（ステップＳ１３−１５）、満充電でなければヒータ２２よりも優先的に蓄電装置２１に余剰電力を供給して蓄電する（ステップＳ１３−１６）。満充電の場合はそれ以上蓄電できないため、ヒータ２２に余剰電力を供給して蓄熱タンク２０内の熱媒を加熱する（ステップＳ１３−１７）。
【０１０５】
蓄電装置２１に加えてヒータ２２を設けたことで、余剰電力を蓄熱に利用できる。特に、蓄電装置２１が満充電であり、それ以上蓄電できない場合でも熱エネルギーとして有効にエネルギーを蓄えることができる。
【０１０６】
第１の制御方法及び第２の制御方法のように、入力電力や余剰電力は必要に応じて蓄電装置２１やヒータ２２に供給され、電気エネルギーや熱エネルギーとして蓄えられる。ただし、上記第１から第５実施形態に記載した以外に、入力電力や余剰電力をその他の態様で蓄えてもよい。
【０１０７】
ここで記載した各実施形態において、再生可能エネルギーによる発電の対象は、例えば、風力、太陽光、太陽熱、波力又は潮力、流水又は潮汐、及び地熱等、自然の力で定常的（もしくは反復的）に補充されるエネルギーを利用したもの全てを対象とすることが可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１  再生可能エネルギーを利用する発電装置
２  圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置
３  第２電力分配部
４  モータ（電動機）
６  圧縮機
６ａ  吸気口
６ｂ  吐出口
８  蓄圧タンク
１０  膨張機
１０ａ  給気口
１０ｂ  排気口
１２  発電機
１４  圧力センサ
１６  第１熱交換器
１８  第２熱交換器
２０  蓄熱タンク
２１  蓄電装置
２２  ヒータ（加熱部）
２４  第１電力分配部
２５  外部の電力系統
２６  制御装置
２８  空気供給路
２９  バルブ
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ  熱媒供給路
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆ，３２ｇ  ポンプ
３４  第１蓄熱タンク
３６  第２蓄熱タンク
３８  第３熱交換器
４０ａ  第１温度センサ
４０ｂ  第２温度センサ
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４６  切替弁（熱交換順序切替部）
４８  第１熱媒供給タンク
５０  第２熱媒供給タンク
５２  第１熱媒戻りタンク
５４  第２熱媒戻りタンク
５６  第４熱交換器
５８  第５熱交換器
６０  温度センサ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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