(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変動する入力電力により電動機を駆動し、
前記電動機と機械的に接続された圧縮機により空気を圧縮し、
前記圧縮機から供給される圧縮空気を蓄圧タンクに貯蔵し、
前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気により膨張機を駆動し、
前記膨張機と機械的に接続された発電機により発電する圧縮空気貯蔵発電方法において、
前記蓄圧タンクの空気の貯蔵量が所定の中間状態であることを示す貯蔵値を基準貯蔵値とし、
前記基準貯蔵値において前記電動機及び前記発電機の少なくとも一方が定格回転数で回転するように設定し、
前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が大きい場合には定格回転数以下で回転するように前記電動機及び前記発電機の少なくとも一方を制御し、
前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が小さい場合には定格回転数以上、許容最大回転数以下で回転するように前記電動機及び前記発電機の少なくとも一方を制御する、圧縮空気貯蔵発電方法。
【請求項２】
前記電動機を制御する場合において、
前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が大きい場合には、定格入力を維持するように定格回転数以下で回転させ、
前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が小さい場合には、定格入力を維持するように定格回転数以上、許容最大回転数以下で回転させる、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電方法。
【請求項３】
前記発電機を制御する場合において、
前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が大きい場合には、定格出力を維持するように定格回転数以下で回転させ、
前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が小さい場合には、定格出力を維持するように定格回転数以上、許容最大回転数以下で回転させる、請求項１又は請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電方法。
【請求項４】
前記蓄圧タンクに貯蔵可能な最大容量を１００％とし、前記蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により発電可能な最小容量を０％とし、それらの５０％から７５％に前記基準貯蔵値を設定している、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】
第１熱交換器において前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と熱媒とで熱交換して熱媒を昇温し、
前記第１熱交換器で昇温した熱媒を熱媒タンクに貯蔵し、
第２熱交換器において前記熱媒タンクから供給される熱媒と前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を昇温させて前記膨張機に供給する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電方法。
【請求項６】
変動する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空気を貯蔵する蓄圧タンクと、
前記蓄圧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る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、需要先へ供給する電力を発電する発電機と、
前記蓄圧タンクの空気の貯蔵量が所定の中間状態であることを示す貯蔵値を基準貯蔵値とし、前記基準貯蔵値において前記電動機及び前記発電機の少なくとも一方が定格回転数で回転するように設定し、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が大きい場合には定格回転数以下で回転するように前記電動機及び前記発電機の少なくとも一方を制御し、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が小さい場合には定格回転数以上、許容最大回転数以下で回転するように前記電動機及び前記発電機の少なくとも一方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７】
前記制御装置は、
前記電動機を制御する場合において、
前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が大きい場合には、定格入力を維持するように定格回転数以下で回転させ、
前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が小さい場合には、定格入力を維持するように定格回転数以上、許容最大回転数以下で回転させる、請求項６に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項８】
前記制御装置は、
前記発電機を制御する場合において、
前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が大きい場合には、定格出力を維持するように定格回転数以下で回転させ、
前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が小さい場合には、定格出力を維持するように定格回転数以上、許容最大回転数以下で回転させる、請求項６又は請求項７に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記蓄圧タンクに貯蔵可能な最大容量を１００％とし、前記蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により発電可能な最小容量を０％とし、それらの５０％から７５％に前記基準貯蔵値を設定している、請求項６から請求項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】
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を昇温させるための第１熱交換器と、
前記第１熱交換器で昇温した熱媒を貯蔵する熱媒タンクと、
前記熱媒タンクから供給される熱媒と前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を昇温させて前記膨張機に供給する第２熱交換器とをさらに備える、請求項６から請求項９のいずれか１項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、圧縮空気貯蔵発電方法及び圧縮空気貯蔵発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電や太陽熱発電などの太陽エネルギーを利用した発電においては、当日の日照状況に影響されて、その発電出力が大きく変動する。例えば、夜間には発電できず、雨天や曇天の日には発電出力が大きく減少する。また、夜明けから日暮れまでの日照状況や、晴れのち曇りといった日照状況の場合、発電出力が一日のうちで大きく変動する。
【０００３】
風車を用いた風力発電においては、当日の風向や風力の変化によって、その発電出力が大きく変動する。例えば、複数の風車をまとめたウインドファームのような発電設備においては、各風車の発電出力を加算することで、短周期の発電変動は平滑化できるが、全体として、その発電出力の変動は避けることができない。
【０００４】
このような変動する不安定な発電出力を平滑化する技術としては、余剰発電電力が生じた際に電気を蓄えておき、電力不足時に電気を補う蓄電池がその代表的なものである。また、余剰発電電力が生じた際に電気の代わりに変換した空気圧力として蓄えておき、必要なときに空気タービン発電機等で電気に再変換する圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）と呼ばれる技術が知られている。
【０００５】
例えば、特許文献１から特許文献３には、このようなＣＡＥＳの技術を使用した平滑化に関する技術が開示されている。特許文献１から特許文献３に開示されている従来技術では、圧縮機による圧縮工程で発生する熱を回収することで、エネルギー貯蔵効率を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−９７７３７号公報
【特許文献２】特表２０１３−５１２４１０号公報
【特許文献３】特表２０１３−５３６３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１から特許文献３のいずれの従来技術も、オフピーク時における不要電力を用いて、地下洞窟等の大型の貯蔵空間に圧縮空気を貯蔵することを前提にしている。従って、太陽光や風力等の再生可能エネルギーを用いた発電において、比較的短周期に変動する電力を平滑化することを目的とするものではない。
【０００８】
さらに、特許文献１から特許文献３に開示されているいずれの従来技術においても、圧縮機で吸収すべき電力が比較的短周期で頻繁に変化する場合、圧縮機を駆動する動力を変動させて吸収電力量を変化させることについての開示はない。これらの技術では、遠心式の圧縮機及び膨張機を使用することを前提にしており、安定して運転するために、圧縮機及び膨張機の回転数を頻繁に変化させることはできない。
【０００９】
圧縮空気貯蔵発電装置においては、充電工程と放電工程におけるエネルギー損失をできるだけ小さくし、即ち充放電効率を高くすることが非常に重要である。また、圧縮空気貯蔵発電装置の定格入力又は定格出力で運転できる範囲を可能な限り拡張することが重要である。このためには、発電所からの要求により吸収（充電）する電力量や電力系統からの要求により発電（放電）する電力量を所定に維持していることが好ましい。
【００１０】
本発明は、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するとともに、所定の定格入力又は定格出力で運転できる蓄圧タンクの圧力範囲を拡大できる圧縮空気貯蔵発電方法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】
【００１１】
本発明の第１の態様は、変動する入力電力により電動機を駆動し、前記電動機と機械的に接続された圧縮機により空気を圧縮し、前記圧縮機から供給される圧縮空気を蓄圧タンクに貯蔵し、前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気により膨張機を駆動し、前記膨張機と機械的に接続された発電機により発電する圧縮空気貯蔵発電方法において、前記蓄圧タンクの空気の貯蔵量が所定の中間状態であることを示す貯蔵値を基準貯蔵値とし、前記基準貯蔵値において前記電動機及び前記発電機の少なくとも一方が定格回転数で回転するように設定し、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が大きい場合には定格回転数以下で回転するように前記電動機及び前記発電機の少なくとも一方を制御し、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が小さい場合には定格回転数以上、許容最大回転数以下で回転するように前記電動機及び前記発電機の少なくとも一方を制御する、圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。
【００１２】
これにより、再生可能エネルギーを平滑化する際、蓄圧タンク内の空気量が基準貯蔵値から変動した場合でも、電動機又は発電機の回転数を制御して効率よく運転できる。即ち、効率よく運転可能な所定の入力又は出力を発揮する蓄圧タンクの圧力範囲を拡大できるため、システム全体としての充放電効率を高く維持できる。ここで基準貯蔵値の所定の中間状態とは、蓄圧タンクの空気貯蔵量が適切であり、効率よく運転可能な所定の入力又は出力を発揮する状態を示す。
【００１３】
前記電動機を制御する場合において、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が大きい場合には、定格入力を維持するように定格回転数以下で回転させ、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が小さい場合には、定格入力を維持するように定格回転数以上、許容最大回転数以下で回転させることが好ましい。
【００１４】
また、前記発電機を制御する場合において、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が大きい場合には、定格出力を維持するように定格回転数以下で回転させ、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が小さい場合には、定格出力を維持するように定格回転数以上、許容最大回転数以下で回転させることが好ましい。
【００１５】
これにより、再生可能エネルギーを平滑化する際、蓄圧タンク内の空気量が基準貯蔵値から変動した場合でも、効率よく運転可能な定格入力又は定格出力を一定範囲で維持できる。一般に、電動機又は発電機に使用される回転電気機器（回転電機）は、定格状態においてその効率が良好になるように設計されているため、所定の定格入力又は定格出力での運転範囲を拡張できる。
【００１６】
前記蓄圧タンクに貯蔵可能な最大容量を１００％とし、前記蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により発電可能な最小容量を０％とし、それらの５０％から７５％に前記基準貯蔵値を設定していることが好ましい。
【００１７】
これにより、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、定格入力又は定格出力で運転できる時間を長くできるので、全体としての充放電効率を高く維持できる。具体的には、最も使用する頻度が高いと想定される領域が５０％から７５％の間であるため、基準貯蔵値をこの間に設定することで、蓄圧タンクに貯蔵された空気量が基準貯蔵値の付近にある時間を長くできる。ここで、「貯蔵可能な最大容量」とは、通常の運転において使用する最大容量のことであって、蓄圧タンクの耐圧限界まで貯蔵した状態ではない。一方、「発電可能な最小容量」とは、通常の運転において使用しないか又は使用が好ましくない状態の容量のことをいい、全く発電できなくなる状態のことではない。膨張機に供給可能な程度に蓄圧タンクに僅かでも圧力が残っていれば発電は可能なためである。
【００１８】
第１熱交換器において前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と熱媒とで熱交換して熱媒を昇温し、
前記第１熱交換器で昇温した熱媒を熱媒タンクに貯蔵し、
第２熱交換器において前記熱媒タンクから供給される熱媒と前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を昇温させて前記膨張機に供給することが好ましい。
【００１９】
これにより、この構成により、第１熱交換器において圧縮機で発生する熱を回収し、第２熱交換器において膨張機で膨張直前の空気に熱を戻すことで充放電効率を向上できる。通常の圧縮空気貯蔵発電装置では、圧縮機で発生した熱は、圧縮空気と共に蓄圧タンク内へ供給される。そして、蓄圧タンクから熱が大気へ放出され、エネルギー損失が生じる。これを防止するために、蓄圧タンクに圧縮空気が供給される前に、予め熱回収し、蓄圧タンクに貯蔵される圧縮空気の温度を大気温度に近づける。このようにして、蓄圧タンクにおける熱放出によるエネルギー損失を防止できる。
【００２０】
本発明の第２の態様は、変動する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空気を貯蔵する蓄圧タンクと、前記蓄圧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る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、需要先へ供給する電力を発電する発電機と、前記蓄圧タンクの空気の貯蔵量が所定の中間状態であることを示す貯蔵値を基準貯蔵値とし、前記基準貯蔵値において前記電動機及び前記発電機の少なくとも一方が定格回転数で回転するように設定し、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が大きい場合には定格回転数以下で回転するように前記電動機及び前記発電機の少なくとも一方を制御し、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が小さい場合には定格回転数以上、許容最大回転数以下で回転するように前記電動機及び前記発電機の少なくとも一方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。
【００２１】
前記制御装置は、前記電動機を制御する場合において、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が大きい場合には、定格入力を維持するように定格回転数以下で回転させ、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が小さい場合には、定格入力を維持するように定格回転数以上、許容最大回転数以下で回転させることが好ましい。
【００２２】
前記制御装置は、前記発電機を制御する場合において、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が大きい場合には、定格出力を維持するように定格回転数以下で回転させ、前記基準貯蔵値より前記蓄圧タンクの現在の貯蔵量を示す貯蔵値が小さい場合には、定格出力を維持するように定格回転数以上、許容最大回転数以下で回転させることが好ましい。
【００２３】
また、前記制御装置は、前記蓄圧タンクに貯蔵可能な最大容量を１００％とし、前記蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により発電可能な最小容量を０％とし、それらの５０％から７５％に前記基準貯蔵値を設定していることが好ましい。
【００２４】
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を昇温させるための第１熱交換器と、前記第１熱交換器で昇温した熱媒を貯蔵する熱媒タンクと、前記熱媒タンクから供給される熱媒と前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を昇温させて前記膨張機に供給する第２熱交換器とをさらに備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置で再生可能エネルギーを平滑化する際、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においても、全体としての充放電効率を高く維持できる。さらに、所定の定格入力又は定格出力で運転できる蓄圧タンクの圧力範囲を拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る概略構成図。
【図２】膨張機の回転数とＳＯＣの関係を示すグラフ。
【図３】最大放電電力とＳＯＣの関係を示すグラフ。
【図４】圧縮機の回転数とＳＯＣの関係を示すグラフ。
【図５】最大充電電力とＳＯＣの関係を示すグラフ。
【図６】ＳＯＣと充放電効率の関係を示すグラフ。
【図７】本発明の第２実施形態に係る模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
図１は、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。本実施形態の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に、需要先である電力系統４への出力変動を平滑化するとともに、電力系統４における需要電力の変動に合わせた電力を出力する。ＣＡＥＳ発電装置２は、風力発電所又は太陽光発電所などの再生可能エネルギーによる発電所６から、トランス等で構成される受送電設備８を介して供給された電力を平滑化し、需要先の電力系統４に電力を出力する。
【００２９】
図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置２の構成を説明する。
【００３０】
ＣＡＥＳ発電装置２は、空気経路及び熱媒経路を備える。空気経路には、主に圧縮機１０と、蓄圧タンク１２と、膨張機１６とが設けられており、これらが空気配管１８，１９により流体的に接続され、その内部には空気が流れている（図１の破線参照）。熱媒経路には、主に第１熱交換器２０と、熱媒タンク２２と、第２熱交換器２４とが設けられており、これらが熱媒配管２６により流体的に接続され、その内部には熱媒が流れている（図１の実線参照）。
【００３１】
まず、図１を参照して空気経路について説明する。空気経路では、吸気フィルタ２８を通じて吸い込まれた空気は、圧縮機１０で圧縮され、蓄圧タンク１２に貯蔵される。蓄圧タンク１２に貯蔵された圧縮空気は膨張機１６に供給され、発電機３０の発電に使用される。
【００３２】
圧縮機１０は、スクリュ式であり、モータ（電動機）３２を備える。モータ３２は、圧縮機１０に機械的に接続されている。発電所６で発電された電力（入力電力）はコンバータ３４及びインバータ３６を介してモータ３２に供給され、この電力によりモータ３２が駆動され、圧縮機１０が作動する。圧縮機１０の吐出口１０ｂは、空気配管１８を通じて蓄圧タンク１２に流体的に接続されている。圧縮機１０は、モータ３２により駆動されると、吸込口１０ａより空気を吸引し、圧縮して吐出口１０ｂより吐出し、蓄圧タンク１２に圧縮空気を圧送する。圧縮機１０は、本実施形態ではスクリュ式であるが、スクロール式であってもよい。ターボ式などの回転数変動により挙動が不安定になる圧縮機１０は、本発明に適さないが適用不可能ではない。本実施形態では、圧縮機１０の数は１台であるが、複数台を設置してもよい。
【００３３】
蓄圧タンク１２は、圧縮機１０から圧送された圧縮空気を貯蔵する。従って、蓄圧タンク１２には、圧縮空気としてエネルギーを蓄積できる。蓄圧タンク１２は、空気配管１９を通じて、膨張機１６に流体的に接続されている。従って、蓄圧タンク１２で貯蔵された圧縮空気は、膨張機１６に供給される。蓄圧タンク１２は貯蔵する電力量によって、その圧縮空気の貯蔵圧力と貯蔵容量が定められる。ただし、一般的に大容量になるので、その場合外気と断熱するのがコストの観点から困難である。従って、蓄圧タンク１２における圧縮空気の貯蔵温度は、大気放出による熱損失を避けるため大気温度と同程度、又は少し高めか低めに設定されている。蓄圧タンク１２には圧力センサ１４が設置されており、内部の圧縮空気の圧力を測定できる。
【００３４】
膨張機１６は、スクリュ式であり、発電機３０を備える。発電機３０は膨張機１６と機械的に接続されている。空気配管１９を通じて吸込口１６ａから圧縮空気を供給された膨張機１６は、供給された圧縮空気により作動し、発電機３０を駆動する。発電機３０は外部の電力系統４に電気的に接続されており（図１の一点鎖線参照）、発電した電力はコンバータ３８及びインバータ４０を介して需要先の電力系統４に供給される。また、膨張機１６で膨張された空気は、吐出口１６ｂから外部に排気サイレンサ４２を介して排出される。膨張機１６は、本実施形態ではスクリュ式であるが、スクロール式であってもよい。ターボ式などの回転数変動により挙動が不安定になる膨張機１６は、本発明に適さないが適用不可能ではない。また、本実施形態では膨張機１６の数は１台であるが、複数台を設置してもよい。
【００３５】
次に、図１を参照して熱媒経路について説明する。熱媒経路では、第１熱交換器２０において圧縮機１０で発生した熱を熱媒に回収している。そして、熱回収した熱媒を熱媒タンク２２に貯蔵し、第２熱交換器２４において膨張機１６で膨張する前の圧縮空気に熱を戻している。第２熱交換器２４において熱交換して降温した熱媒は熱媒戻りタンク４４に供給される。そして、熱媒戻りタンク４４から第１熱交換器２０に再び熱媒が供給され、熱媒は循環している。熱媒の種類は特に限定されておらず、例えば鉱物油やグリコール系の熱媒を使用してもよい。
【００３６】
第１熱交換器２０は、空気経路において圧縮機１０から蓄圧タンク１２に延びる空気配管１８に設けられ、熱媒経路において熱媒戻りタンク４４から熱媒タンク２２に延びる熱媒配管２６に設けられている。従って、蓄圧タンク１２から供給される圧縮空気と、熱媒戻りタンク４４から供給される熱媒との間で熱交換し、圧縮機１０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２０では、圧縮空気の温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管２６を通じて熱媒タンク２２に供給される。
【００３７】
熱媒タンク２２は、大気と断熱された断熱材で周囲が覆われた鋼製タンクである。熱媒タンク２２には、第１熱交換器２０で昇温した熱媒が貯蔵される。熱媒タンク２２に貯蔵された熱媒は、熱媒配管２６を通じて第２熱交換器２４に供給される。
【００３８】
第２熱交換器２４は、空気経路において蓄圧タンク１２から膨張機１６に延びる空気配管１９に設けられ、熱媒経路において熱媒タンク２２から熱媒戻りタンク４４に延びる熱媒配管２６に設けられている。従って、蓄圧タンク１２から供給される圧縮空気と、熱媒タンク２２から供給される熱媒との間で熱交換し、膨張機１６による膨張の前に圧縮空気を加熱している。即ち、第２熱交換器２４では、圧縮空気の温度は上昇し、熱媒の温度は低下する。第２熱交換器２４で降温した熱媒は、熱媒配管２６を通じて熱媒戻りタンク４４に供給される。
【００３９】
熱媒戻りタンク４４は、第２熱交換器２４で熱交換して降温した熱媒を貯蔵する。従って、熱媒戻りタンク４４内の熱媒は、通常、熱媒タンク２２内の熱媒よりも温度が低い。熱媒戻りタンク４４に貯蔵されている熱媒は、熱媒配管２６を通じて第１熱交換器２０に供給される。
【００４０】
熱媒戻りタンク４４から第１熱交換器２０に延びる熱媒配管２６には、熱媒冷却器４６が設けられている。本実施形態の熱媒冷却器４６は熱交換器であり、熱媒戻りタンク４４から第１熱交換器２０に延びる熱媒配管２６内の熱媒と、熱媒冷却器４６に外部から供給される冷却水との間で熱交換して熱媒の温度を低下させている。
【００４１】
熱媒冷却器４６により、第１熱交換器２０に流入する熱媒の温度を所定の温度に維持できるので、第１熱交換器２０における熱交換を安定的に行うことができ、充放電効率を向上できる。充放電効率とは、発電機３０で発電する発電電力をモータ３２に供給される入力電力で除算したものである。
【００４２】
熱媒経路には、熱媒配管２６内の熱媒を流動させるためのポンプ４８ａ，４８ｂが設けられている。本実施形態では、ポンプ４８ａ，４８ｂは、第１熱交換器２０の下流及び第２熱交換器２４の上流にそれぞれ設けられている。ただし、ポンプ４８ａ，４８ｂの位置はこれに限定されず、熱媒経路中の任意の位置に設けてよい。また、ポンプ４８ａ，４８ｂの数は２台に限定されず、１台又は３台以上であってもよい。
【００４３】
以上により、ＣＡＥＳ発電装置２の熱媒経路は構成されている。
【００４４】
また、ＣＡＥＳ発電装置２は、制御装置５０ａ，５０ｂを備える。制御装置５０ａ，５０ｂ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。制御装置５０ａは、少なくともモータ３２と発電所６に電気的に接続されている（図１の一点鎖線参照）。制御装置５０ｂは、少なくとも発電機３０と電力系統４に電気的に接続されている（図１の一点鎖線参照）。従って、これらの動作は制御装置５０ａ，５０ｂによって制御されている。圧力センサ１４は、制御装置５０ａ，５０ｂに測定値を出力する。制御装置５０ａ，５０ｂは、この測定値に基づいてＣＡＥＳ発電装置２を制御する。本実施形態では制御装置５０ａ，５０ｂは、圧縮に関する機能を制御する制御装置５０ａと、膨張に関する機能を制御する制御装置５０ｂとに分けて設けられているが、両機能を制御する１つの制御装置が設けられていてもよい。
【００４５】
制御装置５０ａは、蓄圧タンク１２の圧力を圧力センサ１４で検出する。さらに、検出した圧力に対応するＳＯＣ（State of Charge:充填量）と、発電所６から要求される要求充電量信号Ｌｃとから、発電所６から吸収する電力量を決定し、インバータ３６を経由して圧縮機１０のモータ（電動機）３２に回転数指令を与える。この回転数指令は、モータ３２の定格回転数を超える場合もあるが、モータ３２の許容最大回転数を超えることは無い。
【００４６】
制御装置５０ｂは、蓄圧タンク１２の圧力を圧力センサ１４で検出する。この検出した圧力に対応するＳＯＣと、電力系統４から要求される要求放電量信号Ｌｇとから、電力系統４に放電する電力量を決定し、コンバータ３８を経由して膨張機１６の発電機３０に回転数指令を与える。この回転数指令は、発電機３０の定格回転数を超える場合もあるが、発電機３０の許容最大回転数を超えることはない。
【００４７】
蓄圧タンク１２のＳＯＣには、所定の中間状態であることを示す基準貯蔵値が設定されている。所定の中間状態とは、蓄圧タンク１２の空気貯蔵量が適切であり、効率よく運転可能な所定の入力又は出力を発揮する状態を示す。本実施形態では、ＳＯＣが圧力値に対応するため、所定の中間状態であることを示す基準貯蔵値も圧力値に対応した数値である。しかし、ＳＯＣは圧力値に限定されず、従って基準貯蔵値も圧力値に限定されない。これらは、蓄圧タンク１２の貯蔵量を決定できるものであれば任意のものを使用してよい。基準貯蔵値の設定については後述する。また、制御装置５０ａ，５０ｂからモータ３２及び発電機３０に与えられる回転数指令は、基準貯蔵値においてモータ３２及び発電機３０が定格回転数で回転するように設定されている。基準貯蔵値よりＳＯＣが大きい場合には定格回転数以下で回転し、小さい場合には定格回転数以上、許容最大回転数以下で回転するようにモータ３２及び発電機３０は制御されている。
【００４８】
発電機３０の発電出力に対応する膨張機１６の膨張動力は、膨張機１６の膨張トルクと回転数の積によって決定される。放電によりＳＯＣが低下する場合、蓄圧タンク１２の内圧と大気圧との差圧は時間経過と共に低下し、膨張トルクも低下する。従って、膨張動力を一定に維持するためには、膨張トルクの低下に対して回転数を逆比例上昇させればよい。また、ＳＯＣの上昇に対して膨張動力を一定に維持するためには、膨張トルクの上昇に対して回転数を逆比例低下させればよい。このように、ＳＯＣの変化に対して膨張機１６の回転を逆比例変化させることで、広いＳＯＣ範囲で一定の膨張動力が得られ、発電機３０の所定の定格出力を維持できる。また、膨張機１６だけでなく、圧縮機１０の制御についても同様に、ＳＯＣの変化に対して圧縮機１０の回転を逆比例変化させることで、広いＳＯＣ範囲で一定の圧縮動力が得られ、モータ３２の所定の定格入力を維持できる。
【００４９】
このように、再生可能エネルギーを平滑化する際、ＳＯＣが基準貯蔵値から変動した場合でも、制御装置５０ａ，５０ｂによりモータ３２又は発電機３０の回転数を制御して定格入力又は定格出力を一定範囲で維持できる。即ち、所定の定格入力又は定格出力で運転できる蓄圧タンク１２の圧力範囲を拡大できるため、システム全体としての充放電効率を高く維持できる。一般に、モータ３２又は発電機３０に使用される回転電気機器（回転電機）は、定格状態においてその効率が良好になるように設計されているため、所定の定格入力又は定格出力での運転範囲を拡張できることは、その効率向上に有効である。
【００５０】
このように、モータ３２を所定の定格入力で運転し、発電機３０を所定の定格出力で運転することは充放電効率の向上の観点から好ましい。具体的には、所定の定格入力での運転とは、発電所６からの要求充電量信号Ｌｃにより吸収（充電）する電力量を所定の定格値に維持した運転をいう。所定の定格出力での運転とは、電力系統４からの要求放電量信号Ｌｇにより発電（放電）する電力量を所定の定格値に維持した運転をいう。
【００５１】
「基準貯蔵値」は、蓄圧タンク１２に貯蔵可能な最大容量（ＳＯＣ＝１００％に相当）と発電可能な最小容量（ＳＯＣ=０％に相当）の間の適当な値に設定すればよい。基準貯蔵値とするＳＯＣを大きくし過ぎたり小さくし過ぎたりすると、定格を外れてモータ３２及び発電機３０を運転する時間が増加し、全体としての充放電効率が低下する。また、定格入力又は定格出力を維持できるＳＯＣの範囲が小さくなる。従って、基準貯蔵値は、ＳＯＣが５０％から７５％の間の程度に設定するのが好ましい。本実施形態ではＳＯＣ＝６６％を基準貯蔵値としている。貯蔵値については、圧力センサ１４を使用して蓄圧タンク１２の圧力の検出値を用いるのが最も簡単であるが、図示しない流量センサを使用して蓄圧タンク１２への空気流入量と蓄圧タンク１２からの空気流出量を積算することにより算出した算出値等を使用してもよい。
【００５２】
以下、図２から図６を参照して制御装置５０ａ，５０ｂの制御についての具体例を説明する。
【００５３】
図２は、膨張機１６の回転数とＳＯＣの関係を示すグラフである。グラフの縦軸はＳＯＣ（％）を、横軸は膨張機１６の回転数（ｒｐｍ）を示している。
【００５４】
図２を参照して、点Ｂは膨張機１６に機械的に接続された発電機３０の定格点である。点Ｂは、１５０００ｒｐｍの定格回転数で運転する定格状態であり、点Ｂの近傍において、システム全体の充放電効率は最大となる。本実施形態では、ＳＯＣ＝６６％の点が定格点に設定されており、この点を膨張機１６の制御における蓄圧タンク１２の基準貯蔵値としている。また、本実施形態ではＳＯＣ＝１００％は０．９３ＭＰａ、ＳＯＣ＝０％は０．３ＭＰａに対応するように設定しているが、これに限定されることはない。膨張機１６と発電機３０とは増速機を介して接続されており、発電機３０の定格回転数は膨張機１６の定格回転数の半分程度である。また、図３に示すように、点Ｂでは定格出力１．５ＭＷを発揮している。
【００５５】
点Ｂの状態から蓄圧タンク１２内に圧縮空気を供給してＳＯＣが上昇すると、発電機３０の回転は定格回転数（１５０００ｒｐｍ）を下回って、回転数１２７５０ｒｐｍ（定格回転数の８５％）である点Ｚ（ＳＯＣ＝１００％）までは減速される。図３に示すように、点Ｚでの放電電力は１．５ＭＷ（定格出力）であり、点Ｂから点Ｚへの移行の間、定格出力は維持されている。
【００５６】
点Ｂの状態から蓄圧タンク１２内の圧縮空気を使用してＳＯＣが低下すると、発電機３０の回転は定格回転数（１５０００ｒｐｍ）を上回って、許容最大回転数１６５００ｒｐｍ（定格回転数の１１０％）である点Ａ（ＳＯＣ＝４３％）までは増速される。図３に示すように、点Ａでの放電電力は１．５ＭＷ（定格出力）であり、点Ｂから点Ａへの移行の間、定格出力は維持されている。
【００５７】
従って、図２において点Ｂの基準貯蔵値（ＳＯＣ＝６６％）より左側の領域は、発電機３０の定格回転数に対して、減回転数領域であり、右側の領域は増回転数領域である。このようにＳＯＣの上昇及び低下に応じて発電機３０の回転を定格回転数に対して増減させ、図３に示すように膨張動力を一定に維持しているため、放電電力を１．５ＭＷの定格出力に維持した状態で点Ｚから点Ａの間を状態移行できる。
【００５８】
図２において、点Ｚより右側の領域を見ると、点Ｚで既にＳＯＣ＝１００％における定格出力になっているため、これ以上発電機３０の回転を増速させる必要はない。また、点Ａより右側の領域を見ると、点Ａで既に許容最大回転数に達しているためこれ以上増速されず、引き続き許容最大回転数１６５００ｒｐｍで運転する。この場合、定格出力の１．５ＭＷを維持できなくなり、図３の点Ａから延びる実線の傾斜線に示すように放電電力が徐々に減少する。図３の点Ｂから延びる破線の傾斜線は本実施形態のような制御を行わない場合の放電電力の減少を示している。以上より、図３において、定格出力を発揮できるＳＯＣの範囲を斜線部の領域分拡大している。
【００５９】
本実施形態では、ＳＯＣ＝６６％で定格状態となるように基準貯蔵値を設定したが、他のＳＯＣの値で定格状態となるように設定してもよい。定格点をあまり高く設定した場合、許容最大回転数に到達するＳＯＣの値が大きくなり、ＣＡＥＳ発電装置２において定格出力を発揮できるＳＯＣ範囲が小さくなる。また、その場合最大効率を発揮できる定格点からＳＯＣ＝１００％まで余裕が少ないので、連続して吸収（充電）が必要になった場合に蓄圧タンク１２が満タンになる可能性があり、対応力が低い。ただし、本実施形態に係るＣＡＥＳ発電装置２は、ＳＯＣ=１００％を超えた場合に圧縮機１０による圧縮空気を図示されない空気配管を通じて蓄圧タンク１２を介することなく外部へ放出するようにすることで、ＳＯＣ=１００％を超えても電力吸収ができる。定格点を小さく設定しすぎた場合は、連続して放電することができる時間が短くなってしまう。
【００６０】
図４は、圧縮機１０の回転数とＳＯＣの関係を示している。グラフの縦軸はＳＯＣ（％）を、横軸は膨張機１６の回転数（ｒｐｍ）を示している。
【００６１】
図４を参照して、点Ｄは圧縮機１０に機械的に接続されたモータ３２の定格点である。点Ｄは、１５０００ｒｐｍの定格回転数で運転する定格状態であり、点Ｄの近傍において、システム全体の充放電効率は最大となる。本実施形態では、ＳＯＣ＝６６％の点が定格点に設定されており、この点を圧縮機１０の制御における蓄圧タンク１２の基準貯蔵値としている。また、本実施形態では、発電側の膨張機１６と充電側の圧縮機１０の基準貯蔵値をともにＳＯＣ＝６６％とし、同じ値に設定している。ただし、発電側と充電側の基準貯蔵値を同じ値にする必要はなく、発電機３０及びモータ３２並びにシステム全体の特性に応じて、基準貯蔵値はそれぞれ異なる値に変更してもよい。
【００６２】
点Ｄの状態から蓄圧タンク１２内に圧縮空気を供給してＳＯＣが上昇すると、モータ３２の回転は定格回転数（１５０００ｒｐｍ）を下回って、回転数１２７５０ｒｐｍ（定格回転数の８５％）である点Ｚ（ＳＯＣ＝１００％）までは減速される。図５に示すように、点Ｚでの充電電力は１．５ＭＷ（定格出力）であり、点Ｄから点Ｚへの移行の間、定格入力は維持されている。
【００６３】
点Ｄの状態から蓄圧タンク１２内の圧縮空気を使用してＳＯＣが低下すると、モータ３２の回転は定格回転数（１５０００ｒｐｍ）を上回って、許容最大回転数１７２５０ｒｐｍ（定格回転数の１１５％）である点Ｃ（ＳＯＣ＝３５％）までは増速される。図５に示すように、点Ｃでの充電電力は１．５ＭＷ（定格出力）であり、点Ｄから点Ｃへの移行の間、定格入力は維持されている。
【００６４】
従って、図４において点Ｄの基準貯蔵値（ＳＯＣ＝６６％）より左側の領域は、モータ３２の定格回転数に対して、減回転数領域であり、右側の領域は増回転数領域である。このようにＳＯＣの上昇及び低下に応じてモータ３２の回転を定格回転数に対して増減させ、図５に示すように圧縮動力を一定に維持しているため、充電電力を１．５ＭＷの定格入力に維持した状態で点Ｚから点Ｃの間を状態移行できる。
【００６５】
図４において、点Ｚより左側の領域を見ると、点Ｚで既にＳＯＣ＝１００％となっているため、これ以上蓄圧タンク１２に圧縮空気は供給できない。また、点Ｃより右側の領域を見ると、点Ｃで既に許容最大回転数に達しているためこれ以上増速されず、引き続き許容最大回転数１７２５０ｒｐｍで運転する。モータ３２を許容最大回転数で回しても、蓄圧タンク１２の圧力が低いので定格時におけるトルクに応じた負荷は発生せず、モータ３２の消費電力が定格消費電力に達することができない。従って、図５に示すように、充電電力は、定格入力である１．５ＭＷに達せず、１．２５ＭＷ程度しか消費（吸収）できない。この場合、定格入力の１．５ＭＷを維持できなくなり、図５の点Ｃから延びる実線の傾斜線に示すように充電電力が徐々に減少する。図５の点Ｄから延びる破線の傾斜線は本実施形態のような制御を行わない場合の充電電力の減少を示している。以上より、図５において、定格入力を発揮できるＳＯＣの範囲を斜線部の領域分拡大している。
【００６６】
本実施形態の場合は、日本国内で広く流通している容積型の汎用圧縮機及び容積型の汎用膨張機を使用することを前提にしているため、ＳＯＣ＝１００％を０．９３ＭＰａに設定しているが、より高い圧力に設定してもよい。そうすることによって、蓄圧タンク１２の容量を削減できる。
【００６７】
図６は、ＣＡＥＳ発電装置２全体の充放電効率とＳＯＣの関係を示したグラフである。グラフの縦軸は充放電効率（％）を、横軸はＳＯＣ（％）を示している。充放電効率はＣＡＥＳ発電装置２の性能を示す指標の１つである。図６に示すように、最大の充放電効率（図６では６５％程度）を示す点は、ＳＯＣ＝６６％の点である。これは、この点に発電機３０及びモータ３２の定格点が設定されていることを示す。実際、システム全体で見た場合、熱交換器２０，２４その他の機器の効率の影響もあるため、発電機３０及びモータ３２の定格点で充放電効率が最大とならない場合もあるが、概ね発電機３０及びモータ３２の定格点の近傍で充放電効率は最大となる。
【００６８】
ただし、蓄圧タンク１２が満タンになった場合、それ以上蓄圧できなくなるので、通常、蓄圧タンク１２に余裕がある状態で運転する。例えば、圧縮機１０の吐出圧力よりも蓄圧タンク１２内の圧力が低い状態で運転するようにしてもよい。蓄圧タンク１２が空になった場合は、発電できなくなるので、蓄圧タンク１２にある程度残量のある状態で運転する。例えば膨張機１６の駆動に必要な差圧を発生可能な圧力以上も蓄圧タンク１２内の圧力を維持して運転するようにしてもよい。厳密にはＳＯＣ＝０％を下回っても、膨張機に供給可能な程度に蓄圧タンクに僅かでも圧力が残っていれば発電は可能である。しかし、充放電効率が低下して制御性も劣ることになるのでＳＯＣ＝０％以下の領域は使用しないことが好ましい。放電電力が定格出力以下でもよい場合、図２においては線Ａ−Ｂ−Ｚからグラフ左側または下側の領域、充電電力が定格入力以下でもよい場合、図４においては線Ｃ−Ｄ−Ｚからグラフ左側または下側の領域を使うことになる。
【００６９】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の模式図を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、圧縮機１０、膨張機１６、及び熱媒タンク２２ａ，２２ｂが複数設置され、コンテナ５２ａ〜５２ｃに構成要素が収納されていることに関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説明を省略する。また、図７は模式図のため、必ずしもＣＡＥＳ発電装置２の構成要素が全て図示されているわけではない。
【００７０】
図７を参照して、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、圧縮機１０を３台、及び膨張機１６を４台備える。３台の圧縮機１０は並列に流体的に接続され、４台の膨張機１６も並列に流体的に接続されている。入力電力や需要電力に応じて圧縮機１０及び膨張機１６の駆動台数を変更できるため、幅広く効率的な平滑化が可能である。また、圧縮機１０、膨張機１６および蓄圧タンク１２は、空気配管１８，１９によって連結されており、圧縮機１０、膨張機１６、および熱媒タンク２２ａ，２２ｂ、熱媒戻りタンク４４は、熱媒配管２６によって連結されている。制御装置５０ａ，５０ｂは、ハウス５４の中に収納されている。
【００７１】
圧縮機１０及び膨張機１６は、いずれもインバータ制御可能で、即ち回転数制御が可能である。しかし、インバータ制御可能な圧縮機１０と膨張機１６だけでなく、インバータ制御不可能な圧縮機１０と膨張機１６を数台組み入れてもよい。
【００７２】
本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、高温熱媒タンク２２ａと、低温熱媒タンク２２ｂとを備え、第１熱交換器２０で熱交換した熱媒が温度別に貯蔵されている。従って、第２熱交換器２４において、必要に応じた熱媒温度で熱交換するため、放電効率を向上している。
【００７３】
本実施形態では、ＣＡＥＳ発電装置２のほとんどの構成要素は、コンテナ５２ａ〜５２ｃに収納されている。特に、圧縮機１０及び図示しない第１熱交換器２０等の圧縮機能に関するコンテナ５２ａと、膨張機１６及び図示しない第２熱交換器２４等の膨張機能に関するコンテナ５２ｂと、熱媒タンク２２等の蓄熱機能に関するコンテナ５２ｃとを分けて、３つのコンテナ５２ａ〜５２ｃが設置されている。このようにコンテナ５２ａ〜５２ｃに収納することにより、ＣＡＥＳ発電装置２の設置の際の工事費を大幅に抑えることができる。本実施形態では、熱媒冷却器４６は、クーリングタワーとしてコンテナ５２ｃの外部に配置されている。
【００７４】
また、充電側の圧縮機１０と放電側の膨張機１６は各々５００ｋＷ程度の容量である。コンテナ５２ａ〜５２ｃで充放電ユニットを構成することで、運搬及び設置が容易となり、自由に設備容量を増減することもできる。例えば、これらの３つのコンテナ５２ａ〜５２ｃを１セットにして６セット設置すれば、全体として３ＭＷの設備を構成できる。
【００７５】
本実施形態のように、圧縮機１０又は膨張機１６を複数台備えて並列運転する場合には、定格点の近傍で運転する圧縮機１０又は膨張機１６の台数を可能な限り増台するように、制御することが好ましい。第１実施形態のように単一の圧縮機１０および膨張機１６で構成するのに比べて、汎用的な容量の相対的に小さいものを使用できるので、システム全体のコストを抑えることができる。また、大型の圧縮機または膨張機より小型のものの方が、一般的に応答性が良いので、システム全体の応答性を高めることができる。
【００７６】
第１及び第２実施形態を通じて、本発明の「変動する入力電力」は再生可能エネルギーに限定されることなく、工場設備の需要電力を平滑化したりピークカットをしたりするものであってもよい。
【符号の説明】
【００７７】
２  圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
４  電力系統
６  発電所
８  受送電設備
１０  圧縮機
１０ａ  吸込口
１０ｂ  吐出口
１２  蓄圧タンク
１４  圧力センサ
１６  膨張機
１６ａ  吸込口
１６ｂ  吐出口
１８  空気配管
１９  空気配管
２０  第１熱交換器
２２  熱媒タンク
２２ａ  高温熱媒タンク
２２ｂ  低温熱媒タンク
２４  第２熱交換器
２６  熱媒配管
２８  吸気フィルタ
３０  発電機
３２  モータ（電動機）
３４，３８  コンバータ
３６，４０  インバータ
４２  排気サイレンサ
４４  熱媒戻りタンク
４６  熱媒冷却器
４８ａ，４８ｂ  ポンプ
５０ａ，５０ｂ  制御装置
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ  コンテナ
５４  ハウス
【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】
0006343587.tif 000007
【図７】
0006343587.tif 000008