(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機としての機能および圧縮空気を膨張させる膨張機としての機能を有し、冷却液を通液する冷却ジャケットを有する圧縮膨張兼用機と、
前記圧縮膨張兼用機と機械的に接続され、前記圧縮膨張兼用機を駆動する電動機としての機能および前記圧縮膨張兼用機によって駆動される発電機としての機能を有する電動発電兼用機と、
前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮膨張兼用機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、
前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量を調整する通液量調整部と、
前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する際の前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量が、前記圧縮膨張兼用機が圧縮機として機能する際の前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量以下となるように前記通液量調整部を制御する制御装置と
を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項２】
前記圧縮膨張兼用機は、スクリュ型である、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項３】
前記圧縮膨張兼用機に給気される空気の温度を測定する給気温度センサをさらに備える、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】
前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する場合、前記給気温度センサが所定以上の第１の異常温度を検出するとき、前記制御装置は、前記通液量調整部を制御することにより、前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量を増やす、請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項５】
前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する場合、前記給気温度センサが所定以下の第２の異常温度を検出するとき、前記制御装置は、前記通液量調整部を制御することにより、前記冷却ジャケットから前記冷却液を排液する、請求項３または請求項４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】
変動する不安定な発電出力を平滑化または平準化するための技術の一つとして、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）が知られている。この技術を利用したＣＡＥＳ発電装置では、電力を使用して電動機で圧縮機を駆動することにより圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は一時的に貯蔵され、電力が必要なときに、貯蔵された圧縮空気で膨張機（タービン）を作動させて発電機を駆動することにより発電する。
【０００３】
ＣＡＥＳ発電装置では、圧縮過程において圧縮機が圧縮熱によって昇温する。圧縮機の運転温度には上限があるため、圧縮機には冷却ジャケットが取り付けられることがある（例えば特許文献１参照）。冷却ジャケットにより、圧縮過程において圧縮機のケーシングに熱歪が発生することを抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２１１４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＣＡＥＳ発電装置では、圧縮機と膨張機の両方が必要とされるが、これらを兼用とした圧縮膨張兼用機を使用することが好ましい。圧縮膨張兼用機を使用することにより、構成部品数が減少し、設置面積が減少し、施工の工数が低減し、およびメンテナンス費用が低減する。
【０００６】
しかし、圧縮膨張兼用機を使用すると、前述のような圧縮機の冷却ジャケット構造をそのまま採用することはできない。
【０００７】
本発明は、圧縮膨張兼用機を使用したＣＡＥＳ発電装置において、圧縮膨張兼用機を好的に冷却することによって運転効率を向上させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、空気を圧縮する圧縮機としての機能および圧縮空気を膨張させる膨張機としての機能を有し、冷却液を通液する冷却ジャケットを有する圧縮膨張兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と機械的に接続され、前記圧縮膨張兼用機を駆動する電動機としての機能および前記圧縮膨張兼用機によって駆動される発電機としての機能を有する電動発電兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮膨張兼用機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量を調整する通液量調整部と、前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する際の前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量が、前記圧縮膨張兼用機が圧縮機として機能する際の前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量以下となるように前記通液量調整部を制御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。
【０００９】
この構成によれば、制御装置による通液量調整部の制御によって、圧縮過程において圧縮膨張兼用機を十分に冷却できるとともに、膨張過程において圧縮膨張兼用機の過度の冷却を抑制できる。従って、圧縮膨張兼用機を好的に冷却できるため、圧縮膨張兼用機を使用したＣＡＥＳ発電装置の運転効率を向上させることができる。ここで、膨張過程の通液量は、ゼロを含み、即ち通液を停止することを含むものとする。
【００１０】
前記圧縮膨張兼用機は、スクリュ型であってもよい。
【００１１】
この構成によれば、圧縮過程と膨張過程とでスクリュロータを兼用とし、圧縮過程と膨張過程とでスクリュロータの回転方向を互いに逆方向とする構成とすることにより、圧縮膨張兼用機を簡易に構成できる。また、スクリュロータの回転速度の調整によって、吸気量および吐出量を調整できるため、不規則に変動する入力電力に応答性良く追従でき、広範な運転範囲を有するＣＡＥＳ発電装置を提供できる。
【００１２】
前記圧縮膨張兼用機に給気される空気の温度を測定する給気温度センサをさらに備えてもよい。
【００１３】
この構成によれば、給気温度センサによって、圧縮膨張兼用機の運転において許容される温度範囲外の異常温度を検知できる。ここで、給気とは、膨張過程における圧縮膨張兼用機への圧縮空気の供給のことをいう。これに対し、吸気とは、圧縮過程における圧縮膨張兼用機による空気の吸い込みのこという。
【００１４】
前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する場合、前記給気温度センサが所定以上の第１の異常温度を検出するとき、前記制御装置は、前記通液量調整部を制御することにより、前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量を増やしてもよい。
【００１５】
この構成によれば、圧縮膨張兼用機において、膨張過程の異常高温による熱変形を防止できる。ここで、所定以上の異常温度とは、圧縮膨張兼用機の運転上限以上の温度のことをいう。
【００１６】
前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する場合、前記給気温度センサが所定以下の第２の異常温度を検出するとき、前記制御装置は、前記通液量調整部を制御することにより、前記冷却ジャケットから前記冷却液を排液してもよい。
【００１７】
この構成によれば、圧縮膨張兼用機において、膨張過程の異常低温による冷却液の凍結を防止できる。ここで、所定以下の異常温度とは、冷却液が凍結する温度のことをいう。当該温度は、冷却液の種類によって異なる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、圧縮膨張兼用機を使用したＣＡＥＳ発電装置において、運転状態に応じた冷却ジャケット内の通液制御によって好適に圧縮膨張兼用機を冷却できるため、運転効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図（圧縮過程）。
【図２】本発明の実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図（膨張過程）。
【図３】圧縮膨張兼用機の部分断面図（圧縮過程）。
【図４】圧縮膨張兼用機の部分断面図（膨張過程）。
【図５】冷却ジャケットへの通液量の制御方法を示すフローチャート。
【図６】通液量制御の効果を示すＰＶ線図。
【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】
図１，２は、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置１を示している。図１は充電運転状態のＣＡＥＳ発電装置１を示し、図２は発電運転状態のＣＡＥＳ発電装置１を示している。ここで、充電運転とは、電力を使用して圧縮空気を生成して蓄えることをいい、後述する圧縮膨張兼用機１０の圧縮過程に対応する。また、発電運転とは、蓄えた圧縮空気を使用して電力を生成することをいい、後述する圧縮膨張兼用機１０の膨張過程に対応する。なお、図１，２中の太い矢印は、空気の流れを示している。
【００２２】
図１，２を参照して、ＣＡＥＳ発電装置１は、再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備２から電力を受けて充電運転を行い、電力需要に合わせて発電運転を行う。即ち、ＣＡＥＳ発電装置１は、発電設備２の不規則な出力変動を平準化するとともに、電力需要に応じた電力供給を行う。
【００２３】
本実施形態では、再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備２として風力発電設備を例示している。ただし、再生可能エネルギーの種類は、これに限定されず、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。
【００２４】
ＣＡＥＳ発電装置１は、圧縮膨張兼用機１０と、電動発電兼用機２０と、蓄圧部３０と、制御装置４０とを備える。
【００２５】
本実施形態では、圧縮膨張兼用機１０は、２段型であり、低圧段本体１１と、高圧段本体１２とを備える。従って、圧縮および膨張をそれぞれ２段階で行うことができる。ただし、圧縮膨張兼用機１０は、単段型であってもよいし、３段以上の複数段型であってもよい。
【００２６】
また、本実施形態の圧縮膨張兼用機１０は、スクリュ型である。スクリュ型の圧縮膨張兼用機１０は、回転数制御可能であるため、発電設備２からの不規則に変動する入力電力に応答性良く追従できる。従って、スクリュ型の圧縮膨張兼用機１０は、ＣＡＥＳ発電装置１の構成要素として好ましい。また、圧縮過程と膨張過程とでスクリュロータを兼用とし、圧縮過程と膨張過程とでスクリュロータの回転方向を互いに逆方向とする構成とすることにより、圧縮膨張兼用機１０を簡易に構成できる。ただし、圧縮膨張兼用機１０は、容積型であればよく、スクリュ型以外にも、例えばスクロール型またはレシプロ型であってもよい。
【００２７】
図１，２において破線で示した流路５ａ〜５ｄは、後述する冷却ジャケットに供給される冷却液の流路である。図１，２に示されているように、圧縮膨張兼用機１０の冷却ジャケットには冷却液が供給される。流路５ａは、低圧段本体１１の上流側の流路である。冷却液は、流路５ａを通じて低圧段本体１１に供給される。流路５ｂは、低圧段本体１１から高圧段本体１２までの流路である。冷却液は、流路５ｂを通じて低圧段本体１１から高圧段本体１２まで流れる。流路５ｃは、高圧段本体１２の下流側の流路である。高圧段本体１２から出た冷却液は、流路５ｃを通じてＣＡＥＳ発電装置１から排出される。流路５ｄは、流路５ａから分岐した排液用の流路であり、詳細については後述する。
【００２８】
流路５ａ〜５ｄの冷却液の流動は、通液量調整部５０によって調整されている。本実施形態では、通液量調整部５０は、冷却液を圧送する冷却液ポンプ５１と、流量を調整する流量調整弁５２と、排液用の三方弁５３とを含む。冷却液ポンプ５１、三方弁５３、および流量調整弁５２は、流路５ａにおいて上流側から下流側に向かってこの順で設けられている。
【００２９】
冷却液ポンプ５１は、公知の流体ポンプであり、その態様は特に限定されない。冷却液ポンプ５１は、流路５ａから流路５ｃに冷却液を圧送している。冷却液ポンプ５１による冷却液の圧送は、制御装置４０によって制御されている。
【００３０】
流量調整弁５２は、開度調整により、冷却液の流量を調整できる。流量調整弁５２の開度は、制御装置４０によって制御されている。
【００３１】
三方弁５３は、流路５ａを流れる冷却液を圧縮膨張兼用機１０に供給するか、流路５ｄを通じて外部に排液するかを切り替えるための弁である。三方弁５３は、通常時、圧縮膨張兼用機１０に冷却液を流すように設定されているが、後述する異常時には圧縮膨張兼用機１０に冷却液を供給せずに流路５ｄを通じて外部に排液するように設定されている。なお、この排液の際、圧縮膨張兼用機１０内に残存する冷却液は、大気圧に比べて高い圧力を有しているため、流路５ｂ，５ｃをも通じて自然と排液される。
【００３２】
なお、上記通液量調整部５０の態様は、一例であり、上記構成に特に限定されず、冷却液の通液量の調整を可能にするものであればよい。
【００３３】
また、流路５ｂには、流量センサ１９が設けられている。流量センサ１９によって低圧段本体１１と高圧段本体１２との間を流れる冷却液の流量を測定できる。流量センサ１９によって測定された流量のデータは、制御装置４０に送られる。
【００３４】
図１，２において一点鎖線で示されているように、圧縮膨張兼用機１０には油が供給される。ここでの油は、圧縮膨張兼用機１０の軸受等の回転機構に供給される。詳細には、本実施形態の圧縮膨張兼用機１０自体は、給油を必要としないオイルフリー式であり、ここでの油は後述する圧縮室／膨張室１１ｄには供給されず、軸受等の回転機構に供給される。給油された油は、軸受等の回転機構の潤滑後にオイルタンク６０に溜められる。オイルタンク６０に溜められた油は、オイルポンプ６１によって再び圧縮膨張兼用機１０の軸受等の回転機構に給油される。
【００３５】
図３，４は、圧縮膨張兼用機１０の低圧段本体１１を示している。図３は充電運転状態の低圧段本体１１を示し、図４は発電運転状態の低圧段本体１１を示している。なお、高圧段本体１２も低圧段本体１１と実質的に同一の構造を有している。
【００３６】
図３，４を参照して、低圧段本体１１は、外装となるケーシング１１ｃを有している。ケーシング１１ｃは、複数の部品から構成され、組み合わされて一つの外装を構成している。ケーシング１１ｃには、圧縮過程において吸気口および膨張過程において排気口となる低圧口１１ａと、圧縮過程において吐出口および膨張過程において給気口となる高圧口１１ｂとが設けられている。また、ケーシング１１ｃは、内部に圧縮室／膨張室１１ｄを画定している。圧縮室／膨張室１１ｄには、雌雄一対のスクリュロータ１１ｆ（図３，４では雄側のスクリュロータのみ図示）が配置されている。スクリュロータ１１ｆは、回転軸部材１１ｇに支持されている。ケーシング１１ｃには貫通孔１１ｅが設けられており、回転軸部材１１ｇは貫通孔１１ｅを通ってケーシング１１ｃの内外にわたって延びている。ケーシング１１ｃの貫通孔１１ｅには、回転軸部材１１ｇとケーシング１１ｃとの隙間をシールするシール機構１１ｉが設けられている。シール機構１１ｉによって圧縮室／膨張室１１ｄは密閉されており、圧縮室／膨張室１１ｄからの空気の漏出が抑制されるとともに、軸受１１ｈを潤滑する潤滑油が圧縮室／膨張室１１ｄに浸入しないようされている。
【００３７】
ケーシング１１ｃ外において、回転軸部材１１ｇは、電動発電兼用機２０（図３，４において概念的に図示）に機械的に接続されている。回転軸部材１１ｇは、軸受１１ｈに回転可能に支持されており、電動発電兼用機２０と回転動力の伝達が可能となっている。
【００３８】
電動発電兼用機２０は、圧縮膨張兼用機１０を駆動する電動機（モータ）としての機能および圧縮膨張兼用機１０によって駆動される発電機としての機能を有する。電動発電兼用機２０には、発電設備２が電気的に接続されている。充電運転においては、電動発電兼用機２０は、発電設備２からの変動する入力電力によって駆動される。また、電動発電兼用機２０は、不図示の電力系統に電気的に接続されている。発電運転においては、電動発電兼用機２０は発電を行い、発電した電力は電力系統に送電される。
【００３９】
また、ケーシング１１ｃは、冷却ジャケットとしての機能も有している。従って、ケーシングのことを冷却ジャケットという場合がある。冷却ジャケット１１ｃには、冷却液が通液される冷却液流路１１ｊが形成されている。冷却液流路１１ｊは、冷却液の流路５ａと流路５ｂとを流体的に接続している。冷却液は、例えば水またはクーラント液であり得る。冷却液は、所定温度以下で冷却液流路１１ｊ内を流動し、ケーシング１１ｃを冷却する。なお、詳細を図示しないが、高圧段本体１２の冷却ジャケット１２ｃも同様の構造を有し、高圧段本体１２の冷却ジャケット１２ｃ内に形成された冷却液流路は、流路５ｂと流路５ｃとを流体的に接続している。
【００４０】
図１，２を参照して、低圧段本体１１の低圧口１１ａには、流量調整弁１３が流体的に接続されている。流量調整弁１３は、吸気量および排気量を調整するための部品である。本実施形態では、流量調整弁１３は、高圧段本体１２の高圧口１２ｂから吐出される圧縮空気を利用して流量調整可能な構成となっている。また、流量調整弁１３には、吸気音および排気音を低減させるサイレンサ１４が流体的に接続されている。
【００４１】
低圧段本体１１の高圧口１１ｂは、高圧段本体１２の低圧口１２ａに流体的に接続されている。図１，２において、太い矢印Ａは空気の流路として接続されていることを示している。低圧段本体１１の高圧口１１ｂと高圧段本体１２の低圧口１２ａとの間には、熱交換器１５が介設されている。熱交換器１５には熱媒が供給されており、熱交換器１５では熱媒と空気との熱交換が行われる。従って、熱交換器１５では、必要に応じて空気が熱媒によって加熱または冷却される。
【００４２】
高圧段本体１２の高圧口１２ｂは、蓄圧部３０と流体的に接続されている。高圧段本体１２の高圧口１２ｂと蓄圧部３０との間には、熱交換器１６が介設されている。熱交換器１６には、熱媒が供給されており、熱交換器１６では熱媒と空気との熱交換が行われる。従って、熱交換器１６では、必要に応じて空気が熱媒によって加熱または冷却される。
【００４３】
蓄圧部３０は、圧縮空気を蓄える部分である。蓄圧部３０は、例えば鋼製のタンクであり得る。蓄圧部３０の数は特に限定されず、複数個のタンクが設けられてもよい。また、蓄圧部３０は必ずしもタンクの態様でなくてもよい。代替的には、密閉した地下空洞のように圧縮空気を貯蔵できるものであり得る。
【００４４】
上記構成を有するＣＡＥＳ発電装置１の運転動作について説明する。
【００４５】
図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置１が充電運転を行うときには、発電設備２からの入力電力により電動発電兼用機２０を電動機として駆動し、電動発電兼用機２０によって圧縮膨張兼用機１０を圧縮機として駆動する。つまり、充電運転では、電力を使用して圧縮空気を生成し、生成した圧縮空気を蓄圧部３０に貯蔵する。
【００４６】
具体的には、充電運転では、圧縮膨張兼用機１０の低圧段本体１１は、流量調整弁１３を通じて低圧口１１ａから吸気して圧縮し、圧縮空気を生成し、高圧口１１ｂから圧縮空気を吐出する。低圧段本体１１の高圧口１１ｂから吐出された圧縮空気は、熱交換器１５にて冷却された後に高圧段本体１２の低圧口１２ａに供給される。高圧段本体１２は低圧口１２ａから吸気した圧縮空気をさらに圧縮し、高圧の圧縮空気を生成し、高圧口１２ｂから吐出する。高圧段本体１２の高圧口１２ｂから吐出された圧縮空気は、熱交換器１６にて冷却された後に蓄圧部３０に貯蔵される。
【００４７】
図２を参照して、ＣＡＥＳ発電装置１が発電運転を行うときには、蓄圧部３０から供給される圧縮空気により圧縮膨張兼用機１０を膨張機として駆動し、圧縮膨張兼用機１０によって電動発電兼用機２０を発電機として駆動する。つまり、発電運転では、蓄圧部３０の圧縮空気を使用して電力を生成する。なお、充電運転と発電運転では、スクリュロータ１１ｆ（図３，４参照）の回転方向が互いに逆方向である。
【００４８】
具体的には、発電運転では、蓄圧部３０から送出された圧縮空気が、熱交換器１６で加熱された後に圧縮膨張兼用機１０の高圧段本体１２の高圧口１２ｂに給気される。高圧口１２ｂに給気された圧縮空気によって高圧段本体１２が膨張機として駆動し、電動発電兼用機２０が発電機として駆動される。高圧段本体１２にて膨張された圧縮空気は、低圧口１２ａから排気され、熱交換器１５にて加熱された後に、低圧段本体１１の高圧口１１ｂに給気される。高圧口１１ｂに給気された圧縮空気によって低圧段本体１１が膨張機として駆動し、電動発電兼用機２０が発電機として駆動される。低圧段本体１１にて膨張された空気は、低圧口１１ａから排気され、大気に放出される。電動発電兼用機２０で発電した電力は、不図示の電力系統に供給される。
【００４９】
低圧段本体１１の高圧口１１ｂには給気温度センサ１７が設置されており、高圧段本体１２の高圧口１２ｂにも同様に給気温度センサ１８が設置されている。給気温度センサ１７，１８によって低圧段本体１１および高圧段本体１２に膨張過程において給気される圧縮空気の温度をそれぞれ測定できる。給気温度センサ１７，１８によって測定された温度のデータは、制御装置４０に送られ、後述する制御に使用される。
【００５０】
図５を参照して、制御装置４０による通液量調整部５０の制御方法を説明する。
【００５１】
制御装置４０は、ＣＡＥＳ発電装置１の運転状態が充電である場合（充電：ステップＳ２）、通液量調整部５０を制御して通液量Ｖ０とする（ステップ３）。ここでの通液量Ｖ０は、圧縮膨張兼用機１０が圧縮機として駆動した際に効率的に圧縮を行える程度の通液量である。また、制御装置４０は、ＣＡＥＳ発電装置１の運転状態が発電運転である場合（発電：ステップＳ２）、通液量調整部５０を制御して通液量Ｖ１とする（ステップ４）。ここでの通液量Ｖ１は、例えば冷却液が冷却ジャケット内で沸騰しない程度の通液量としてもよいし、完全に通液を停止してもよい。
【００５２】
換言すると、制御装置４０は、圧縮膨張兼用機１０が膨張機として機能する際の冷却ジャケット１１ｃ，１２ｃへの冷却液の通液量Ｖ１が、圧縮膨張兼用機１０が圧縮機として機能する際の冷却ジャケット１１ｃ，１２ｃへの冷却液の通液量Ｖ０以下となるように通液量調整部５０を制御する。制御装置４０は、好適には、圧縮膨張兼用機１０が膨張機として機能する際の冷却ジャケット１１ｃ，１２ｃへの冷却液の通液量Ｖ１が、圧縮膨張兼用機１０が圧縮機として機能する際の冷却ジャケット１１ｃ，１２ｃへの冷却液の通液量Ｖ０未満となるように通液量調整部５０を制御する。例えば、発電運転の通液量Ｖ１を充電運転の通液量Ｖ０の１／１０程度としてもよい。このような通液量の制御は、流量センサ１９のフィードバックに基づいて行われてもよい。これは、以降の通液量の制御においても同様である。
【００５３】
制御装置４０は、ステップＳ４にて通液量Ｖ１とした後も、圧縮膨張兼用機１０に給気される圧縮空気の温度が異常な高温（第１の異常温度）となっていないかを給気温度センサ１７，１８の測定値によって監視している（ステップＳ５）。そして、異常な高温が検知された場合（ＹＥＳ：ステップＳ５）には、通液量Ｖ２とする（ステップＳ６）。ここで、異常な高温とは、圧縮膨張兼用機１０の運転上限温度を超える温度のことをいう。例えば、ここでの通液量Ｖ２は、充電運転の際の通液量Ｖ０と同じとしてもよい。ここで、通液量Ｖ０、Ｖ１，Ｖ２の大小関係は、Ｖ１≦Ｖ２≦Ｖ０となっている。また、給気温度センサ１７，１８の値が異常な高温となっていない場合（ＮＯ：ステップＳ５）には、制御装置４０は、給気温度センサ１７，１８の値が異常な低温となっていないかを監視する（ステップＳ７）。給気温度センサ１７，１８の値が異常な低温（第２の異常温度）となっている場合（ＹＥＳ：ステップＳ７）には、冷却ジャケット１１ｃ，１２ｃから冷却液を排液する（ステップＳ８）。ここで、異常な低温とは、冷却液が凍結する温度のことをいう。当該異常な低温は、冷却液の種類によって異なる温度である。排液の際には、三方弁５３（図１，２参照）を切り替えて、圧縮膨張兼用機１０に冷却液を流さず流路５ｄを通じて外部に冷却液を排液する。そして、これらの処理を完了後、制御を終了する（ステップＳ９）。実際には、これらの制御がＣＡＥＳ発電装置１の運転中、絶えず繰り返される。
【００５４】
上記ＣＡＥＳ発電装置１によれば、以下の効果を奏する。
【００５５】
制御装置４０による通液量調整部５０の制御によって、充電運転（圧縮過程）において圧縮膨張兼用機１０を十分に冷却できるとともに、発電運転（膨張過程）において圧縮膨張兼用機１０の過度の冷却を抑制できる。従って、圧縮膨張兼用機１０を好的に冷却できるため、圧縮膨張兼用機１０を使用したＣＡＥＳ発電装置１の運転効率を向上させることができる。
【００５６】
図６は、通液量制御の効果を簡易的に示すＰＶ線図である。即ち、縦軸が空気の圧力Ｐを示し、横軸が空気の体積Ｖを示している。図６は効果を説明するための模式的なものであり、本実施形態では２段型の圧縮膨張兼用機１０を使用しているが、図６では単段型の圧縮膨張兼用機１０によるものを示している。
【００５７】
図６を参照して、点Ｘ１から点Ｘ２１または点Ｘ２２は給気行程を示しており、給気行程では蓄圧部３０から圧縮膨張兼用機１０に圧縮空気が給気されている。次いで、点Ｘ２１または点Ｘ２２から点Ｘ３（大気圧）では、膨張行程を示しており、膨張行程では圧縮空気が膨張している。図６では、給気行程に対応する２つの直線Ｌ１，Ｌ２と、膨張行程に対応する２つ曲線Ｃ１，Ｃ２とが示されている。直線Ｌ１および曲線Ｃ１は、本実施形態と異なり、通液量の制御を行なわない場合を示している。直線Ｌ２および曲線Ｃ２は、本実施形態のように通液量制御を行い、膨張過程（給気行程および膨張行程）における通液量を圧縮過程における通液量以下とした場合を示している。
【００５８】
図６を参照すると、通液量の制御を行った場合（直線Ｌ２，曲線Ｃ２）、通液量の制御を行っていない場合（直線Ｌ１，曲線Ｃ１）よりも、斜線で示す面積分Ｓ１，Ｓ２だけ仕事量が増加していることが確認できる。従って、本実施形態のように通液量の制御を行った場合（直線Ｌ２，曲線Ｃ２）、通液量の制御を行っていない場合（直線Ｌ１，曲線Ｃ１）よりも、運転効率が向上していることがわかる。
【００５９】
具体的には、冷却ジャケット１１ｃ，１２ｃへの通液による熱交換は次の２つに分かれる。
１）  給気行程となる外部給気口１１ｂ−１から内部給気口１１ｂ−２の間（図４参照）
２）  膨張行程となる内部給気口１１ｂ−２から内部排気口１１ａ−１の間（膨張室１１ｄ）（図４参照）
【００６０】
図６を参照して、１）の給気行程での放熱量を制限することで、斜線領域Ｓ１が得られ、２）の膨張行程での放熱量を制限することで斜線領域Ｓ２が得られる。１）の斜線領域Ｓ１の増加は、外部給気口１１ｂ−１から内部給気口１１ｂ−２での放熱が給気温度の低下をもたらすが、これを抑制できることを示している。外部給気口１１ｂ−１から内部給気口１１ｂ−２に至るまでの給気温度低下については、内部給気体積が一定であるため、この温度が低下するほど膨張に必要な給気空気質量流量［ｋｇ/ｈ］が増大する。従って、発電性能を示す比発電電力量［ｋＷｈ/ｋｇ］が低下するため、この放熱を制限するために通液量の抑制が必要である。２）の斜線領域Ｓ２の増加は、高温での膨張を可能にすることで、膨張効率が向上することを示している。
【００６１】
また、本実施形態では、給気温度センサ１７，１８によって、圧縮膨張兼用機１０への異常な給気温度を検知し、前述のように通液量を好適に制御している。そのため、圧縮膨張兼用機１０において、膨張過程の異常高温によるケーシング１１ｃ，１２ｃの熱変形を防止できるとともに、膨張過程の異常低温によるケーシング１１ｃ，１２ｃ内での冷却液の凍結を防止できる。なお、給気温度センサ１７，１８およびこれに伴う通液量の制御は、必須ではなく、必要に応じて省略され得る。
【００６２】
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。
【符号の説明】
【００６３】
１  圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
２  発電設備
５ａ〜５ｄ  流路
１０  圧縮膨張兼用機
１１  低圧段本体
１１ａ  低圧口
１１ａ−１  内部排気口
１１ｂ  高圧口
１１ｂ−１  外部給気口
１１ｂ−２  内部給気口
１１ｃ  ケーシング（冷却ジャケット）
１１ｄ  圧縮室／膨張室
１１ｅ  貫通孔
１１ｆ  スクリュロータ
１１ｇ  回転軸部材
１１ｈ  軸受
１１ｉ  シール機構
１１ｊ  冷却液流路
１２  高圧段本体
１２ａ  低圧口
１２ｂ  高圧口
１２ｃ  ケーシング（冷却ジャケット）
１３  流量調整弁
１４  サイレンサ
１５，１６  熱交換器
１７，１８  給気温度センサ
１９  流量センサ
２０  電動発電兼用機
３０  蓄圧部
４０  制御装置
５０  通液量調整部
５１  冷却液ポンプ
５２  流量調整弁
５３  三方弁
６０  オイルタンク
６１  オイルポンプ
【要約】
【課題】圧縮膨張兼用機を使用したＣＡＥＳ発電装置において、圧縮膨張兼用機を好的に冷却することによって運転効率を向上させる。
【解決手段】ＣＡＥＳ発電装置１は、圧縮機および膨張機としての機能を有し、冷却ジャケットを有する圧縮膨張兼用機１０と、圧縮膨張兼用機１０と機械的に接続され、圧縮膨張兼用機１０を駆動する電動機としての機能および圧縮膨張兼用機１０によって駆動される発電機としての機能を有する電動発電兼用機２０と、圧縮膨張兼用機１０と流体的に接続され、圧縮膨張兼用機１０により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部３０と、冷却ジャケットへの冷却液の通液量を調整する冷却液ポンプ５１と、圧縮膨張兼用機１０が膨張機として機能する際の冷却ジャケットへの冷却液の通液量が、圧縮膨張兼用機１０が圧縮機として機能する際の冷却ジャケットへの冷却液の通液量以下となるように冷却液ポンプ５１を制御する制御装置４０とを備える。
【選択図】図１【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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