(57)【要約】  圧縮空気エネルギー貯蔵システムが開示され、圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、第１の圧力の空気流を受け、前記空気流を第２の圧力に部分的に膨張させるように構成された可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ）であって、前記第２の圧力が、前記第１の圧力よりも低く、前記可変ノズル膨張器内の前記空気流の膨張が有用な機械動力を生成する、可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ）と、燃料および可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ）から部分的に膨張した空気流を受けるように構成された熱発生器構成要素（１２５）と、熱発生器構成要素（１２５）から燃焼ガスを受け、燃焼ガスを膨張させ、有用な機械動力を生成するように構成されたタービン（１３１）とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気エネルギー貯蔵システム（１０２、２０２）であって、
第１の圧力の空気流を受け、前記空気流を第２の圧力に部分的に膨張させるように構成された少なくとも１つの可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）であって、前記第２の圧力が、前記第１の圧力よりも低く、前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）内の前記空気流の膨張が有用な機械動力を生成する、少なくとも１つの可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）と、
燃料および前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）から部分的に膨張した空気流を受けるように構成された少なくとも１つの熱発生器構成要素（１２５、２２５）と、
前記熱発生器構成要素（１２５、２２５）から燃焼ガスを受け、前記燃焼ガスを膨張させ、有用な機械動力を生成するように構成された少なくとも１つのタービン（１３１、２３１）と
を備えるシステム（１０２、２０２）。
【請求項２】
前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）が、前記第２の圧力を概ね一定の圧力値の圧力範囲内に維持するように制御される、請求項１に記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項３】
前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）が、前記第２の圧力を実質的に一定の圧力値に維持するように制御される、請求項１または２に記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項４】
前記タービン（１３１、２３１）および／または前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）によって生成された有用な機械動力を電力に変換するように構成され、配置された少なくとも１つの電動機（１０９、１３５、２０９）を更に備える、請求項１、２または３に記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項５】
配電網からの電力を機械動力に変換するように構成され、配置された少なくとも１つの電動機（１０９、１３５、２０９）と、少なくとも１つの空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）と、少なくとも１つの圧縮空気導管流路（１０３、１４５、２０３、２２１）によって前記少なくとも１つの空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）に結合され、前記少なくとも１つの空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）によって送達される圧縮空気を貯蔵するための少なくとも１つの圧縮空気貯蔵体積部（１０１、２０１）と
を更に備える、請求項１、２、３または４に記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの電動機（１０９、１３５、２０９）が、選択的に機械動力を電力に変換し、または配電網（Ｇ）からの電力を機械動力に変換するように構成された可逆電動機（１０９、１３５、２０９）であり、前記システム（１０２、２０２）が、少なくとも１つの空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）であって、前記配電網（Ｇ）からの電力を機械動力に変換する場合、前記少なくとも１つの電動機（１０９、１３５、２０９）が選択的に前記電力を生成し、または前記少なくとも１つの空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）を作動するように構成され、配置されている空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）と、少なくとも１つの圧縮空気導管流路（１０３、１４５、２０３、２２１）によって前記少なくとも１つの空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）に結合された少なくとも１つの圧縮空気貯蔵体積部（１０１、２０１）とを更に備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項７】
前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）および前記タービン（１３１、２３１）が、共通のシャフト（２１１、２３３）を備える、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項８】
前記少なくとも１つの可逆電動機（１０９、１３５、２０９）が、選択的に前記共通のシャフト（２１１、２３３）または前記少なくとも１つの空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）に結合可能である、請求項１〜７のいずれかに記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項９】
前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）および前記タービン（１３１、２３１）が、２つの独立した出力シャフト（１１７、１３３）を備え、前記システム（１０２、２０２）が、前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）によって生成された有用な機械動力を電力に変換するように構成され、配置された少なくとも第１の電動機（１０９、１３５、２０９）と、前記タービン（１３１、２３１）によって生成された有用な機械動力を電力に変換するように構成され、配置された少なくとも第２の電動機（１０９、１３５、２０９）と
を更に備える、請求項１〜８のいずれかに記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項１０】
前記第１の電動機（１０９、１３５、２０９）および前記第２の電動機（１０９、１３５、２０９）が、可逆電動機（１０９、１３５、２０９）であり、選択的に前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）および前記タービン（１３１、２３１）からの有用な機械動力を電力に変換し、または配電網（Ｇ）によって電力を供給される場合、機械動力を生成するように配置され、構成されている、請求項１〜９のいずれかに記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項１１】
選択的に前記第１の電動機（１０９、１３５、２０９）に結合可能であり、または前記第１の電動機（１０９、１３５、２０９）から切り離し可能である少なくとも１つの第１の空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）と、選択的に前記第２の電動機（１０９、１３５、２０９）に結合可能であり、または前記第２の電動機（１０９、１３５、２０９）から切り離し可能である少なくとも１つの第２の空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）とを備える、請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項１２】
前記第１の空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）および前記第２の空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）が、圧縮空気導管（１０３、１４５、２０３、２２１）によって少なくとも１つの圧縮空気貯蔵体積部（１０１、２０１）に結合される、請求項１〜１１のいずれかに記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項１３】
選択的に熱エネルギーを貯蔵し、前記空気流に熱エネルギーを送達するように構成された少なくとも１つの第１の熱エネルギー貯蔵装置（３０３、３０５）を備える、請求項１〜１２のいずれかに記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵装置（３０３、３０５）が、前記少なくとも１つの空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）からの圧縮空気の流れから選択的に熱エネルギーを貯蔵するように構成されている、請求項１〜１３のいずれかに記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項１５】
少なくとも１つの第２の熱エネルギー貯蔵装置（３０３、３０５）を備え、前記少なくとも１つの第１の熱エネルギー貯蔵装置（３０３、３０５）および前記少なくとも１つの第２の熱エネルギー貯蔵装置（３０３、３０５）が、２つの異なる温度で熱エネルギーを選択的に貯蔵し、熱エネルギーを前記空気流に伝達するように構成されている、請求項１〜１４のいずれかに記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの第１の熱エネルギー貯蔵装置（３０３、３０５）が、前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）の上流の前記空気流に熱エネルギーを伝達するように構成され、配置されている、請求項１〜１５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの第１の熱エネルギー貯蔵装置（３０３、３０５）が、前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）の上流の前記空気流に熱エネルギーを伝達するように構成され、配置されており、前記少なくとも１つの第２の熱エネルギー貯蔵装置（３０３、３０５）が、前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）と前記熱発生器構成要素（１２５、２２５）との間の前記空気流に熱エネルギーを伝達するように構成され、配置されている、請求項１〜１６のいずれかに記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項１８】
前記タービン（１３１、２３１）から排出される排気膨張ガスから熱を回収し、回収された熱を前記空気流に伝達するように配置され、構成されている熱回収システムを備える、請求項１〜１７のいずれかに記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項１９】
前記熱回収システムが、前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）の上流の前記空気流を加熱するように配置され、構成されている、請求項１〜１８のいずれかに記載のシステム（１０２、２０２）。
【請求項２０】
圧縮空気エネルギー貯蔵システム（１０２、２０２）からエネルギーを生成するための方法であって、
可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）内で圧縮空気流を第１の圧力から第２の圧力に部分的に膨張させることによって、有用な機械動力を生成するステップであって、前記第１の圧力が前記第２の圧力よりも大きい、ステップと、
前記第２の圧力に前記部分的に膨張した空気流を熱発生器構成要素（１２５、２２５）に送達し、そこで燃料と混合し、高温の加圧燃焼ガスを生成するステップと、
タービン（１３１、２３１）内で前記燃焼ガスを膨張させることによって有用な機械動力を生成するステップと
を含む方法。
【請求項２１】
前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）によって前記空気流の前記第２の圧力を制御して、前記第２の圧力を圧力値の範囲内に維持するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）によって、前記空気流の前記第２の圧力を実質的に一定の値に維持するステップを含む、請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）および前記タービン（１３１、２３１）が、共通のシャフト（２１１、２３３）を駆動し、前記シャフト（２１１、２３３）から前記有用な機械動力が利用可能である、請求項２０〜２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）および／または前記タービン（１３１、２３１）からの前記有用な機械動力を電力に変換するステップを含む、請求項２０〜２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも１つの可逆電動機（１０９、１３５、２０９）によって、前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）および／または前記タービン（１３１、２３１）からの前記有用な機械動力を電力に変換するステップを含む、請求項２０〜２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
少なくとも１つの第１の可逆電動機（１０９、１３５、２０９）によって、前記可変ノズル膨張器（１１５、１１５Ａ、２１５、２１５Ａ）からの前記有用な機械動力を変換するステップと、少なくとも１つの第２の可逆電動機（１０９、１３５、２０９）によって、前記タービン（１３１、２３１）からの前記有用な機械動力を変換するステップとを含む、請求項２０〜２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
空気圧縮段階中に、少なくとも１つの電動機（１０９、１３５、２０９）によって駆動される少なくとも１つの空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）によって、圧縮空気貯蔵体積部（１０１、２０１）内の空気を圧縮するステップと、
発電段階中に、前記圧縮空気貯蔵体積部（１０１、２０１）からの圧縮空気を使用して、前記圧縮空気流を生成するステップと
を含む、請求項２０〜２６のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの電動機（１０９、１３５、２０９）が可逆電動機（１０９、１３５、２０９）であり、前記可逆電動機（１０９、１３５、２０９）を選択的に使用して、前記有用な機械動力を電力に変換するステップ、または発電網（Ｇ）からの電力を機械動力に変換して、前記少なくとも１つの空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）を駆動するステップを含む、請求項２０〜２７のいずれかに記載の方法。
【請求項２９】
前記空気圧縮段階中に、前記少なくとも１つの空気圧縮機（１０７、１４３、２０７、２０７Ａ、２０７Ｂ）によって圧縮された空気から熱を回収および貯蔵するステップと、
前記空気圧縮段階中に貯蔵された熱によって、前記発電段階中に前記圧縮空気流を加熱するステップと
含む、請求項２０〜２８のいずれかに記載の方法。
【請求項３０】
前記タービン（１３１、２３１）内で膨張したガスから熱を回収して、前記空気流を加熱するステップを含む、請求項２０〜２９のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮空気エネルギー貯蔵システムに関する。圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、簡潔にＣＡＥＳ（ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ−ａｉｒ  ｅｎｅｒｇｙ−ｓｔｏｒａｇｅ）システムとも呼ばれる。本開示は、ＣＡＥＳシステムを利用するエネルギー貯蔵方法および電気エネルギー生成方法にも言及する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＡＥＳ発電装置およびシステムは、エネルギーの利用を最適化するための手段として一般に使用される。当業者にとって公知のように、配電網から要求される電気エネルギーは、日中のピークと夜間の減少した電力要求によって変化する。大型蒸気発電装置または再生可能な発電装置は、随意に変化することができない電力量を生成する。これによって、夜間に配電網で利用可能な過剰電力が発生し、ピーク時には電力不足が生じることになる。ガスタービン、特に航空転用ガスタービンを使用する小型発電装置が、ピーク時の電力要求を補完するために実施されてきた。これらの発電装置は、２４時間中の可変電力要求に応じて稼働または停止可能である。それでも、夜間に過剰に生成されたエネルギーを貯蔵し、貯蔵したエネルギーを回復させてピーク時の電力生成を増加させるためには、追加の手段が適合されなければならない。その目的で使用される手段の１つが、ＣＡＥＳ技術である。これらのシステムは、典型的には１つまたは複数の圧縮機を備える圧縮機列を含み、これらの圧縮機は、夜間、すなわち電力網で利用可能な電力よりも少ない電力が必要とされるとき、電力網からの電力によって駆動される。次いで圧縮空気は、電力網からのピーク電力要求を補完するために日中に利用され、圧縮空気を適切な圧力に膨張させ、燃焼室内で混合気を燃焼させて燃焼ガスを生成し、燃焼ガスはタービン内で膨張して電力を生成する。
【０００３】
従来技術による圧縮空気エネルギー貯蔵システムが、図１に示される。システムは、圧縮空気貯蔵体積部１を備える。貯蔵体積部は、自然または人口の貯蔵室であることができる。圧縮空気を貯蔵するために、他の適切な体積部を使用することができる。本説明の文脈では、特に「貯蔵室（ｃａｖｅｒｎ）」を参照することになるが、当業者なら任意の他の適切な貯蔵体積部を使用できることを理解するであろう。過剰電力が、配電網Ｇで利用可能である場合、可逆電動機３が、配電網Ｇから利用可能な電力を機械動力に変換して、機械シャフト７を通って圧縮機または圧縮機列５を作動する。クラッチ９が設けられて、選択的に圧縮機または圧縮機列５を可逆電動機３に結合し、かつ可逆電動機３から圧縮機または圧縮機列５を切り離す。圧縮機または圧縮機列５からの圧縮空気は、圧縮空気導管１１によって弁１３を通って貯蔵室１の中に送達される。
【０００４】
配電網Ｇからの電力要求が増すと、ＣＡＥＳシステムの発電部分１５が作動される。発電部分１５は、１つまたは複数の膨張器を備える。図１に示す実施形態では、第１の高圧膨張器１７が、第２の低圧膨張器１９と共に導管内に配置されている。２つの膨張器１７および１９は、通常１つの同じ機械シャフト２１に結合されている。機械シャフト２１は、クラッチ２３によって可逆電動機に結合可能であり、または可逆電動機から切り離し可能である。貯蔵室１からの圧縮空気は、高圧パイプ２５を経て第１の高圧膨張器１７に供給される。
【０００５】
貯蔵室１からの圧縮空気は、第１の高圧膨張器１７の中で膨張する。膨張空気は、燃焼室２９に送達される。燃料Ｆが部分的に膨張した空気に加えられて、燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスは第２の低圧膨張器１９の中で膨張する。次いで排気燃焼ガスが、第２の低圧膨張器１９から３１で排出される。燃焼室２９内の圧力は、燃焼室が正確に作動するために注意深く制御されなければならない。したがって、部分的に膨張した空気が正確な圧力で燃焼室２９に入るように、貯蔵室１から来る空気の圧力が、第１の高圧膨張器１７の中で空気を圧縮する前に、正確に制御されることが重要である。
【０００６】
貯蔵室１内の圧力は、貯蔵室１内で圧縮され、貯蔵される空気量に依存して変化する。高圧パイプ２５内の空気圧は、実質的に一定の値に維持されなければならない。この目的のために、圧力調節弁２７が高圧パイプ２５に沿って設けられて、第１の高圧膨張器１７の出口で正確な燃焼圧力を達成するために、貯蔵室１から来る空気の圧力を適切な値に減少させる。圧力調節弁２７内の空気の膨張によって、圧縮空気内に含まれるエネルギーが減少するが、しかし、第１の高圧膨張器１７の下流にある燃焼室２９に入るとき、空気が適切な圧力値を達成するために重要である。圧力調節弁２７は、高圧膨張器の入口で空気の圧力を概ね一定の値に維持し、その値は貯蔵室１内の可変空気圧から独立している。
【０００７】
圧力調節弁２７内の空気の膨張によって、著しいエネルギー損失を招き、それによってＣＡＥＳシステムの全体的効率に悪影響を及ぼす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７３２５４０１号明細書
【発明の概要】
【０００９】
ＣＡＥＳシステムまたは発電装置の最適化された全体的効率は、入口ノズルの可変幾何形状を有し、本開示の文脈で「可変ノズル膨張器」とも呼ばれる膨張器を提供することによって達成される。貯蔵体積部、例えば貯蔵室からの圧縮空気は、可変ノズル膨張器に送達され、より高い圧力からより低い圧力に部分的に膨張する。「部分的に膨張する」というのは、可変ノズル膨張器の送達側で空気がやはり加圧され、すなわち周囲空気よりも高い圧力を有することになるということを意味する。
【００１０】
機械動力が、圧縮空気流の第１の膨張の間に可変ノズル膨張器によって生成される。可変ノズル膨張器の入口ノズル幾何形状は、作動中に修正可能であり、その結果、可変ノズル膨張器の出口で最終的な空気流圧力が、概ね一定の値に維持され、または少なくとも概ね公称圧力に許容誤差の範囲内に維持される。そのような値または値の範囲は、タービンの燃焼室内の作動状態によって設定され、部分的に膨張した空気流が燃料と混合され、混合気が点火されて燃焼ガス流を生成し、次いでその燃焼ガス流が発電するためにタービン内で更に膨張する。本開示では、燃焼室は、任意の熱発生器構成要素であると理解されたい。可変ノズル幾何形状は、入口空気流圧力が変動する場合でも、膨張器出口圧力を所望の値、または概ね所望の値に維持する。したがって、圧力減少および圧力調節は、機械動力を抽出することができる機械装置によって達成される。
【００１１】
本開示の例示的な実施形態によれば、圧縮空気エネルギー貯蔵システムが提供され、圧縮空気貯蔵システムは、
第１の圧力の空気流を受け、前記空気流を第２の圧力に膨張させるように構成された可変ノズル膨張器であって、前記第２の圧力が、前記第１の圧力よりも低く、可変ノズル膨張器内の前記空気流の膨張が有用な機械動力を生成する、可変ノズル膨張器を備える少なくとも１つの高圧膨張システムと、
燃料および前記可変ノズル膨張器から膨張した空気流を受けるように構成された、少なくとも１つの燃焼室、すなわち熱発生器構成要素と、
前記燃焼室、すなわち熱発生器構成要素から燃焼ガスを受け、前記燃焼ガスを膨張させ、有用な機械動力を生成するように構成された少なくとも１つのタービンと
を備える。
【００１２】
いくつかの実施形態によれば、可変ノズル膨張器が、第２の圧力を概ね一定の圧力値、すなわち公称値または定格値の圧力範囲内に維持するように制御される。公称値は、例えば燃焼室または熱発生器構成要素の設計によって決定され得る。
【００１３】
例えば、第２の圧力、すなわち可変ノズル膨張器の出口での圧力は、好適には概ね公称値の２０％未満、より好適には１０％未満で変動することができる。更に好適な実施形態では、圧力変動は、概ね公称値の例えば約４％など、６％以内である。
【００１４】
いくつかの実施形態によれば、システムは、タービンおよび／または可変ノズル膨張器によって生成された有用な機械動力を電力に変換するように構成され、配置された少なくとも１つの電動機を備える。電力は、順に１つまたは複数の機械に動力を供給するために使用可能であり、および／または配電網に分配可能である。
【００１５】
特に好適な実施形態では、機械動力が、選択的に機械動力を電力に変換し、または配電網からの電力を機械動力に変換するように構成された可逆電動機を駆動するために使用される。いくつかの実施形態では、システムが、少なくとも１つの空気圧縮機を更に備える。電動機は、可変ノズル膨張器によって、およびタービンによって生成される機械動力を利用して選択的に電力を生成し、または配電網からの電力を機械動力に変換する場合、少なくとも１つの空気圧縮機を作動して回転するように構成され、配置されている。システムは、少なくとも１つの圧縮空気導管流路によって前記少なくとも１つの空気圧縮機に結合され、圧縮空気の形態のエネルギーを貯蔵するための少なくとも１つの圧縮空気貯蔵体積部とを更に備える。
【００１６】
いくつかの実施形態では、可変ノズル膨張器およびタービンが、共通のシャフトを備える。電動機は、選択的に共通のシャフトまたは前記少なくとも１つの空気圧縮機に結合され得る。
【００１７】
別の実施形態では、可変ノズル膨張器およびタービンが、２つの独立した出力シャフトを備える。そのような場合、システムが、可変ノズル膨張器によって生成された有用な機械動力を電力に変換するように構成され、配置された第１の電動機と、前記タービンによって生成された有用な機械動力を電力に変換するように構成され、配置された第２の電動機とを更に備える。前記電動機の一方または両方が、選択的に有用な機械動力を電力に変換し、または配電網によって電力を供給される場合、機械動力を生成するように配置され、構成されている可逆電動機であることができる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、システムが、選択的に第１の電動機に結合可能であり、または第１の電動機から切り離し可能である第１の空気圧縮機と、選択的に第２の電動機に結合可能であり、または第２の電動機から切り離し可能である第２の空気圧縮機とを備える。第１の空気圧縮機および第２の空気圧縮機が、圧縮空気導管によって少なくとも１つの圧縮空気貯蔵体積部、例えば貯蔵室に結合される。
【００１９】
空気を圧縮することによって、温度が上昇する。圧縮中に空気流の中で発生した熱は、システムの全体的効率を向上するために回収され得る。したがって、いくつかの改善された実施形態によれば、システムは、１つまたは複数の熱エネルギー貯蔵装置を更に備える。熱エネルギー貯蔵装置は、有利なことに、１つまたは複数の圧縮機によって送達される圧縮空気流から抽出した熱を貯蔵するように構成されている。逆に、圧縮空気が、圧縮空気貯蔵体積部から可変ノズル膨張器に向かって流れる場合、熱エネルギー貯蔵装置から空気流に熱を伝達することができて、空気のエネルギー含有量を増加させ、続いてそれを可変ノズル膨張器内および／またはタービン内で利用することができる。複数の熱エネルギー貯蔵装置が設けられる場合、それらは、異なる圧力レベルの圧縮空気流から熱を除去するように配置可能である。いくつかの実施形態では、熱エネルギー貯蔵装置は、２つの連続的に配置された圧縮段の間で空気を冷却するように配置可能である。この場合の熱エネルギー貯蔵装置の効果は、中間冷却に類似し、圧縮機配置の全体的効率を向上させるであろう。実際は、熱エネルギー貯蔵装置は、熱交換器を備え、空気流は冷却媒体と熱を交換する。冷却媒体は、熱貯蔵媒体として機能することができる。冷却空気は、より高い密度を有し、追加の圧縮は少ない動力で済む。
【００２０】
圧縮空気を可変ノズル膨張器に向かって、および／またはタービンに向かって送達するとき、熱を回収することができる。可変ノズル膨張器上流の圧縮空気の流れに、または可変ノズル膨張器とタービンとの間、または可変ノズル膨張器およびタービンの両方に熱を戻して伝達することができる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、タービン排出部で燃焼ガスから熱を回収することもできる。これは熱交換器によって得ることができ、圧縮空気は、タービンから排出される排気燃焼ガスと熱交換することによって加熱される。燃焼ガスからの熱回収は、熱エネルギー貯蔵装置からの熱回収と組み合わせて、またはそのような熱エネルギー貯蔵装置を使用せずに使用可能である。
【００２２】
タービン内および／または可変ノズル膨張器内での圧縮空気が膨張する前に、空気を加熱するために圧縮空気流との熱交換により熱回収することが好適であるが、回収された熱は、異なる方法、例えば暖房または空調目的のためにも使用可能である。
【００２３】
追加の態様によれば、本開示は、圧縮空気エネルギー貯蔵システムからエネルギーを生成するための方法に関し、その方法は、
可変ノズル膨張器内で圧縮空気流を第１の圧力から第２の圧力に部分的に膨張させることによって、有用な機械動力を生成するステップであって、前記第１の圧力が前記第２の圧力よりも大きい、ステップと、
前記第２の圧力に前記部分的に膨張した空気流を熱発生器構成要素に送達し、そこで燃料と混合し、高温の加圧燃焼ガスを生成するステップと、
タービン内で前記燃焼ガスを膨張させることによって有用な機械動力を生成するステップと
を含む。
【００２４】
いくつかの好適な実施形態によれば、方法は、可変ノズル膨張器によって空気流の第２の圧力を制御して、第２の圧力を圧力値の範囲内に、好適には実質的に一定の値に維持するステップを含む。「実質的に一定」とは、好適には概ね公称値の２０％未満、より好適には１０％未満、更に好適には６％未満で変動する圧力を意味する。
【００２５】
いくつかの実施形態によれば、方法は、可変ノズル膨張器によって、および／またはタービンによって生成された有用な機械動力を少なくとも１つの可逆電動機によって電力に変換するステップを含む。
【００２６】
例えば、方法は、空気圧縮段階中に、少なくとも１つの可逆電動機によって駆動される少なくとも１つの空気圧縮機によって、圧縮空気貯蔵体積部内の空気を圧縮するステップと、圧縮空気貯蔵体積部からの圧縮空気を使用して、発電段階中に前記圧縮空気流を生成するステップとを含む。好適には、方法は、空気圧縮段階中に、前記少なくとも１つの空気圧縮機によって圧縮された空気から熱を回収および貯蔵するステップを更に含む。加えて、方法は、空気圧縮段階中に貯蔵された熱によって、前記発電段階中に前記圧縮空気流を加熱するステップも含むことができる。貯蔵された熱は、独立したエネルギー源として、例えば周囲空調のために使用可能である。他の実施形態では、方法は、前記タービン内で膨張したガスから熱を回収して、前記空気流を加熱するステップを含む。
【００２７】
ここで、特徴および実施形態を以下に開示し、本発明の説明の必須部分を形成する添付の特許請求の範囲の中で更に説明する。上記の簡潔な説明は、以下に続く詳細な説明がより良く理解され得るために、かつ本発明の当技術分野への貢献がより良く理解され得るために、本発明の様々な実施形態の特徴を述べる。もちろん、以下に説明し、添付の特許請求の範囲で述べることになる本発明の他の特徴が存在する。この点で、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の様々な実施形態が、その適用において、以下の説明の中で述べ、または図面の中で図示する構成の詳細および構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態を許容し、様々な態様で実行され、実施されることが可能である。更に、本明細書で採用する専門語および用語は説明の目的のためであり、限定するものであると考えるべきではないことを理解されたい。
【００２８】
そういうわけで、本開示が基づく概念は、本発明のいくつかの目的を実施するために、他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用可能であるということを当業者なら理解するであろう。したがって、そのような均等な構成が本発明の精神および範囲から逸脱しないのであれば、特許請求の範囲はそのような均等な構成を含むと考えることが重要である。
【００２９】
添付の図面に関連して考察される場合、以下の詳細な説明を参照することによって、より良く理解されると同様に、本発明の開示する実施形態およびそれに付随する利点がより完全に容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】現状技術によるＣＡＥＳ発電装置の図である。
【図２】本発明の開示によるＣＡＥＳ発電装置またはシステムの実施形態の図である。
【図３】本発明の開示によるＣＡＥＳ発電装置またはシステムの実施形態の図である。
【図４】本発明の開示によるＣＡＥＳ発電装置またはシステムの実施形態の図である。
【図５】本発明の開示によるＣＡＥＳ発電装置またはシステムの実施形態の図である。
【図６】本発明の開示によるＣＡＥＳ発電装置またはシステムの実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
例示的な実施形態の以下の詳細に説明は、添付の図面に言及する。異なる図面の中で同じ参照符号は、同じまたは類似の要素を識別する。加えて、図面は必ずしも一定の縮尺で描かれているのではない。また、以下の詳細な説明は本発明を限定しない。その代り、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【００３２】
本明細書全体で「一実施形態」または「ある実施形態」または「いくつかの実施形態」への参照は、ある実施形態に関連して説明される特定の特色、構造または特徴が、開示される主題事項の少なくとも１つの実施形態の中に含まれるという意味である。したがって、本明細書全体の様々な箇所における「一実施形態で」または「ある実施形態で」または「いくつかの実施形態で」という表現の出現は、必ずしも同じ実施形態に言及しているわけではない。更に、１つまたは複数の実施形態の中で任意の適切な態様で、特定の特色、構造または特徴を組み合わせることができる。
【００３３】
本開示によるＣＡＥＳ発電装置の第１の実施形態を図２に示す。全体的に１０２で示される発電装置またはシステムは、圧縮空気貯蔵体積部１０１を備え、概略的にＧで図示される配電網上で過剰な電力が利用可能である場合、圧縮空気が貯蔵される。ここで圧縮空気貯蔵体積部１０１は以下に「貯蔵室（ｃａｖｅｒｎ）」としても言及されることになる。
【００３４】
圧縮空気は、圧縮空気導管流路１０３を通って貯蔵室１０１内に供給され、圧縮空気導管流路１０３に沿って弁１０５を設けることができる。圧縮空気は、圧縮機列１０７によって送達される。圧縮機列は、流量および圧縮比に依存して、単一の圧縮機、あるいは直列または並列の複数の圧縮機を含むことができる。したがって、ここで以下の用語「圧縮機列」は直列または並列の１組の圧縮機、あるいは単一の圧縮機のいずれかを含むものと理解すべきである。
【００３５】
圧縮機列１０７は、第１の可逆電動機１０９によって駆動される。「可逆電動機」は、選択的に電力から機械動力を生成し、利用可能な機械動力から電力を生成することができる任意の配置として理解すべきである。
【００３６】
第１の可逆電動機１０９は、シャフト１１１およびクラッチ１１３によって圧縮機列１０７に結合可能であり、圧縮機列１０７から切り離し可能である。
【００３７】
第１の可逆電動機１０９は、更に、選択的に膨張器１１５に結合可能であり、膨張器１１５から切り離し可能である。第１の可逆電動機１０９と膨張器１１５との間の結合は、出力シャフト１１７およびクラッチ１１９を通って得られる。クラッチ１１９および１１３は、圧縮機または圧縮機列１０７、あるいは膨張器１１５のいずれかに第１の可逆電動機１０９を選択的に結合するように制御される。
【００３８】
膨張器１１５は可変ノズル膨張器であり、すなわち膨張器の効率を最適化するために、膨張器入口の空気圧力に応じて変化することができる幾何形状の入口ノズルを含む膨張器である。高圧入口導管１２１は、可変ノズル膨張器１１５の１１５Ａで概略的に図示されるノズルに貯蔵室１０１を結合する。
【００３９】
いくつかの実施形態では、高圧入口導管１２１および可変ノズル膨張器１１５を結合するために三方弁１２３を設けることができ、三方弁１２３は、貯蔵室１０１からの空気流を部分的または完全に反らせて熱発生器構成要素に向けることができ、熱発生器構成要素は本明細書では燃焼室１２５として示されており、後で説明することにする。
【００４０】
可変ノズル膨張器１１５は燃焼室１２５と流体連通し、燃焼室１２５は燃料送達部にも結合されている。いくつかの例示的な実施形態では、燃料送達部はガス状燃料を送達するためのガス配管網１２７を含む。燃焼室１２５内で混合気が燃焼することによって、燃焼ガスが発生し、燃焼ガスは結合部１２９を通ってタービン１３１に送達される。
【００４１】
タービン１３１は、シャフト１３３を通って第２の可逆電動機１３５に機械的に結合されている。シャフト１３３上のクラッチ１３７が、選択的に第２の可逆電動機１３５をタービン１３１に結合し、第２の可逆電動機１３５をタービン１３１から切り離す。追加のシャフト１３９は、クラッチ１４１を用いて、選択的に第２の可逆電動機１３５を第２の圧縮機または圧縮機列１４３に結合し、第２の可逆電動機１３５を圧縮機または圧縮機列１４３から切り離す。圧縮機列１０７に関して既に述べたように、圧縮機列１４３もまた、単一の圧縮機あるいは直列または並列に配置された複数の圧縮機を含むことができる。
【００４２】
第２の圧縮空気導管流路１４５が、圧縮機列１４３の出口を貯蔵室１０１に結合する。第２の圧縮空気導管流路１４５に沿って、弁１４７を設けることができる。
【００４３】
これまでに説明したＣＡＥＳ発電装置１０２は、以下のように作動する。発電段階中に貯蔵室１０１からの圧縮空気が、高圧入口導管１２１を通って可変ノズル膨張器１１５に送達される。貯蔵室１０１からの圧縮空気は、可変ノズル膨張器１１５を通って部分的に膨張し、空気流の圧力は、第１のより高い圧力から第２のより低い圧力に低下する。可変ノズル膨張器１１５の幾何形状は、可変ノズル膨張器１１５の出口での第２のより低い圧力が狭い範囲内、好適には概ね予め調節した圧力値に維持されるように制御される。この圧力値は、燃焼室１２５の設計制約条件によって決定される。可変ノズル膨張器１１５の幾何形状は、入口圧力、すなわち貯蔵室１０１から到着する空気流の圧力の変化に対応するように変更可能である。
【００４４】
前述のように、貯蔵室１０１内の空気量が次第に減少し、貯蔵室１０１内部の圧力が低下するので、発電段階中に、貯蔵室１０１内の圧力は実質的に変化する可能性がある。典型的には、ＣＡＥＳ発電装置の貯蔵室内の空気圧は、１２０バールから３０バールまで変化する可能性がある。これらの値は例示的な値であり、本開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。
【００４５】
可変ノズル膨張器１１５は、燃焼室１２５の入口圧力を調節すること、および可変ノズル膨張器入口のより高い第１の圧力から可変ノズル膨張器出口のより低い第２の圧力に空気圧を低下させる場合、空気流の圧力を有用な機械動力に変換することという２つの機能をもたらす。
【００４６】
より高い第１の圧力からより低い第２の圧力に空気流を膨張させることによって、機械動力を生成し、その機械動力は可変ノズル膨張器１１５の出力シャフト１１７上で利用可能である。発電段階中に、クラッチ１１９は、可変ノズル膨張器１１５を第１の可逆電動機１０９に結合し、その結果、第１の可逆電動機１０９は出力シャフト１１７から受け取った有用な機械動力を有用な電力に変換し、その電力は配電網Ｇに送達される。
【００４７】
可変ノズル膨張器１１５の出口に送達された部分的に膨張した空気流は、燃焼室１２５に供給され、ガス燃料または他の燃料を加えられて、高温圧縮燃焼ガスを生成し、燃焼ガスは結合部１２９を通ってタービン１３１に送達される。タービン１３１内では、燃焼ガスが膨張し、その中に含まれるエネルギーが有用な機械エネルギーに変換される。シャフト１３３上で利用可能な有用な機械動力は、第２の可逆電動機１３５によって電力に変換され、第２の可逆電動機１３５は、クラッチ１３７およびシャフト１３３を経てタービン１３１に結合されている。したがって、追加の電力が配電網Ｇに注入される。
【００４８】
発電段階中に、クラッチ１１３および１４１は、圧縮機または圧縮機列１０７および１４３が作動しないように係合を外れる。
【００４９】
したがって、貯蔵室１０１内に貯蔵された圧縮空気は、配電網Ｇからより多くの電力が必要とされるピーク時に発電するために使用される。
【００５０】
配電網Ｇで過剰な電力が利用できる場合、ＣＡＥＳ発電装置の作動は以下のように逆になる。
【００５１】
クラッチ１３７および１１９が係合を外され、クラッチ１１３および１４１が係合されて、その結果、第１の可逆電動機１０９が第１の圧縮機または圧縮機列１０７を回転駆動し、第２の可逆電動機１３５が第２の圧縮機または圧縮機列１４３を回転駆動することができるようになる。閾値圧力が達成されるまで、または配電網Ｇから電力が利用できるまで、圧縮機列は、周囲空気を圧縮空気貯蔵体積部内、すなわち貯蔵室１０１内に圧縮する。
【００５２】
このようにして、配電網Ｇ上で利用できる過剰電力は浪費されず、貯蔵室１０１内で圧縮空気の潜在的エネルギーの形態で貯蔵され、必要な場合、可変ノズル膨張器１１５およびタービン１３１内で連続して膨張することによって利用される。
【００５３】
可変ノズル膨張器１１５を使用することによって、発電装置全体の効率が向上し、すなわち貯蔵室１０１内に貯蔵されるピークオフエネルギーの量が増加することが可能になり、ピークオフエネルギーは、発電段階中に電気エネルギーに変換可能である。
【００５４】
実際は、前述のように、高圧入口導管１２１内の大きな圧力変動は、発電段階中に貯蔵室１０１内で漸進的に圧力が低下することによって発生する。現状技術によるＣＡＥＳ発電装置では、タービンの燃焼室に送達される一定圧力の空気流を生成するために、圧縮空気の形態で貯蔵されたエネルギーの少なくともごく一部が、圧力制御弁を通過する膨張工程の中で浪費される。貯蔵室内の圧力が高いほど、圧力調節および圧力制御のために膨張によって浪費される動力の量が大きくなる。
【００５５】
反対に、図２の発電装置では、貯蔵室１０１からの圧縮空気流の中で利用可能な実質的に全体のエネルギーが発電目的で利用可能であり、圧力制御の機能が可変ノズル膨張器１１５によって実施されるので、エネルギー浪費がない。この機械は、空気流を入口の高圧から実質的に一定のより低い出口圧力に膨張させて、その圧力低下を有用な機械動力に変換することができる。
【００５６】
存在する場合は、三方弁１２３が、可変ノズル膨張器１１５を迂回させ、貯蔵室１０１から補助導管１５１を通って圧縮空気を直接燃焼室１２５に送達するために使用可能である。
【００５７】
図３は、本開示によるＣＡＥＳ発電装置またはシステムの追加の実施形態を示す。図２のＣＡＥＳ発電装置とは異なり、図３のＣＡＥＳ発電装置では、可逆電動機が１つだけ設けられている。可変ノズル膨張器およびタービンは、同じシャフトに結合され、選択的に可逆電動機に結合可能であり、可逆電動機から切り離し可能である。
【００５８】
より詳細には、全体に符号２０２で示される図３のＣＡＥＳ発電装置は、例えば貯蔵室である圧縮空気貯蔵体積部２０１を使用する。貯蔵室２０１は、可変ノズル膨張器２１５と流体連通している。符号２１５Ａは、可変幾何形状の入口ノズルを概略的に示す。可変ノズル膨張器２１５は、例えばガス配管網２２７を経て燃料が送達される燃焼室２２５と流体連通している。燃焼室２２５の出口は、２２９内に、タービン２３１へ結合されている。
【００５９】
単一の機械シャフト２３３およびクラッチ２１９が、選択的にタービン２３１のロータおよび可変ノズル膨張器２１５のロータを可逆電動機２０９に結合し、タービン２３１のロータおよび可変ノズル膨張器２１５のロータから可逆電動機２０９を切り離す。
【００６０】
図２の第１の可逆電動機１０９および第２の可逆電動機１３５と同様に、可逆電動機２０９は、選択的に電気モータとして、または発電機として作動することができる。
【００６１】
シャフト２１１およびクラッチ２１３によって、可逆電動機２０９は選択的に圧縮機または圧縮機列２０７に結合可能であり、次に、圧縮機または圧縮機列２０７が圧縮空気導管２０３を通って貯蔵室２０１と流体連通する。
【００６２】
図３のＣＡＥＳ発電装置２０２の作動は、以下の通りである。
【００６３】
発電段階中に、圧縮空気は、貯蔵室２０１から圧縮空気導管２２１を通って可変ノズル膨張器２１５に送達される。可変ノズル膨張器２１５に送達された空気流は、入口可変圧力からより低い出口圧力に膨張し、その出口圧力は実質的に一定に、またはかなり狭い圧力範囲内に維持される。出口圧力の適切な変動範囲は、定格値の約４％である。この値は、現在の好適な実施例によって与えられるが、しかし本開示の範囲を限定すると考えるべきではない。有用な機械動力は、空気流の第１の膨張によって生成され、機械シャフト２３３上で利用可能である。部分的に膨張した空気流は、燃焼室２２５内でガス状燃料または他の燃料と混合され、混合気が点火されて、高温の圧縮燃焼ガス流を生成し、燃焼ガス流はタービン２３１内で膨張する。タービン２３１内の燃焼ガスの膨張によって、機械シャフト２３３上に利用可能な有用な機械動力を生成する。
【００６４】
説明のように空気流および燃焼ガスを二倍に連続的に膨張させる中で生成された機械動力は、可逆電動機２０９を駆動するために使用される。可逆電動機２０９は、機械動力を電力に変換し、その電力は配電網Ｇに注入される。
【００６５】
空気圧縮段階中に、過剰電力が配電網Ｇ上で利用可能である場合、可逆電動機２０９は、クラッチ２１９を係合から外すことによって機械シャフト２３３から切り離され、選択的にクラッチ２１３およびシャフト２１１によって圧縮機または圧縮機列２０７に結合される。配電網Ｇからの電力は、貯蔵室２０１内の空気を圧縮するために使用される。
【００６６】
図４は、本開示によるＣＡＥＳ発電装置の追加の実施形態を示す。図３と同じ参照符号が、発電装置の同じまたは均等な部品を示すために使用される。図４の発電装置は、空気圧縮段階中に圧縮空気からの熱を回収および貯蔵し、発電段階中に膨張の前に圧縮空気流を加熱するように設計された熱エネルギー回収配置が存在するので、図３の発電装置とは主に異なっている。
【００６７】
より詳細には、図４に示す例示的な実施形態では、圧縮機列２０７は、連続して配置された２つ以上の圧縮機を備えることができる。他の実施形態では、単一の圧縮機が使用可能である。環境からの空気は、圧縮機２０７によって取り入れられ、導管３０１を通って第１の熱エネルギー貯蔵装置３０３に送達される。いくつかの実施形態では、第１の熱エネルギー貯蔵装置３０３は、例えば、液化熱の形態で熱エネルギーを貯蔵する、食塩などの熱蓄積材料から成ることができる。圧縮空気は、第１の熱エネルギー貯蔵装置３０３を通って流れ、そこから熱が除去され、例えば熱蓄積食塩の塊の中に液化熱の形態で貯蔵される。したがって、第１の熱エネルギー貯蔵装置３０３は中間冷却器熱交換器に類似した働きをするが、しかし、圧縮空気流から抽出された熱は大気中に排出されるのではなく、蓄積される。第１の熱エネルギー貯蔵装置３０３内で冷却後に、空気が圧縮空気導管２０３を通って圧縮空気貯蔵体積部または貯蔵室２０１内に送達される。
【００６８】
この配置を用いると、空気圧縮段階中に、配電網Ｇ上で利用可能な過剰電力すなわちオフピークエネルギーが、部分的に貯蔵室２０１内に貯蔵される圧力エネルギーに変換され、部分的に第１の熱エネルギー貯蔵装置３０３内に貯蔵される熱エネルギーに変換される。
【００６９】
配電網Ｇ上で追加の電力が必要な場合、発電段階が開始される。圧縮空気が、貯蔵室２０１から可変ノズル膨張器２１５に、および燃焼室２２５に送達される。燃焼室２２５内で、ガス配管網２２７などからの燃料は、可変ノズル膨張器２１５から送達された部分的に膨張した空気流と混合される。混合気は点火される。それによって、圧縮された高温の燃焼ガスが生成され、次いでその燃焼ガスはタービン２３１内で膨張し、機械シャフト２３３上に、可変ノズル膨張器２１５によって生成された有用な機械動力と共に、利用可能になった有用な機械動力を生成し、可逆電動機２０９によって電力に変換される。
【００７０】
圧縮空気導管２０３、２２１内を流れる圧縮空気は、第１の熱エネルギー貯蔵装置３０３を通って流れ、加熱される。したがって、第１の熱エネルギー貯蔵装置３０３内に貯蔵された熱エネルギーは回収され、可変ノズル膨張器内で膨張する前に、空気流の温度を上昇させるために使用される。したがって、前記熱エネルギーのごく一部が、機械シャフト２３３上で利用可能な追加の有用な機械動力に変換されて、可逆電動機を駆動する。
【００７１】
図５は、本開示によるＣＡＥＳ発電装置の追加の実施形態を示す。図３および図４と同じ参照符号が、同じまたは均等な部品を示す。
【００７２】
図５の実施形態と図４の実施形態との主な相違点は、第２の熱エネルギー貯蔵装置３０５および２つの圧縮機２０７Ａ、２０７Ｂを備える圧縮機列の使用である。熱は、圧縮機２０７Ａを出る圧縮空気から回収され、第１の熱エネルギー貯蔵装置３０３内に蓄積される。第２の圧縮機２０７Ｂから回収された熱は、第２の熱エネルギー貯蔵装置３０５に蓄積される。
【００７３】
図５では、第１の熱エネルギー貯蔵装置３０３は、可変ノズル膨張器２１５の出口と燃焼室２２５の入口との間の結合部上に配置されている。第２の熱エネルギー貯蔵装置３０５は、貯蔵室２０１と可変ノズル膨張器２１５の入口との間の結合導管上に配置されている。
【００７４】
この配置を用いると、空気圧縮段階中に回収された熱エネルギーの部分が、可変ノズル膨張器２１５内での第１の膨張の前に、貯蔵室２０１から来る圧縮空気流を加熱するために使用される。逆に、熱エネルギーの第２の部分は、燃焼室２２５に入る前に、可変ノズル膨張器２１５を出る部分的に膨張した空気流を加熱することによって回収される。
【００７５】
図６は、やはり本開示によるＣＡＥＳ発電装置の追加の実施形態を示す。図４および図５と同じ参照符号が、同じまたは均等な部品を示すために使用される。
【００７６】
図６の発電装置は、追加の熱回収配置が設けられている点で図４の発電装置とは主に異なっている。発電段階中に、貯蔵室２０１からの圧縮空気流は、第２の熱エネルギー貯蔵装置３０５内および第１の熱エネルギー貯蔵装置３０３内で連続して加熱される。次いで加熱された圧縮空気流は、熱交換器３０７内でタービン２３１を出る排気燃焼ガスに対して熱交換することによって更に加熱される。圧縮され、加熱された空気流は、次に可変ノズル膨張器２１５に送達される。
【００７７】
前述の実施形態では、可逆電動機が、交互に機械動力または電力を生成するためにシステム内で使用された。他の、より利点が少ない実施形態では、分離した電気機械を電力および機械動力をそれぞれ生成するために使用可能であり、適切なクラッチ配置が設けられて、システムの様々な構成要素間の正確な機械的結合を確立する。
【００７８】
本明細書で説明する主題事項の開示された実施形態は、いくつかの例示的な実施形態に関連して特に詳細に図面の中で図示され、上記に完全に説明されたが、本明細書で説明する新規な教示、原則および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に列挙する主題事項の利点から実質的に著しく逸脱せずに、多くの修正形態、変形形態および省略が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。それ故に、開示する技術革新の適切な範囲は、そのようなすべての修正形態、変形形態および省略を包含するように、添付の特許請求の範囲を最も広義に解釈することによってのみ決定されるべきである。様々な実施形態の異なる特徴、構造および手段は、異なって組み合わせることが可能である。例えば、熱エネルギー回収装置は、図２および図３の実施形態の中にも組み合わせることが可能である。同様に、タービンから出る排気燃焼ガスからの熱回収は、図２、図３、図４および図５の実施形態の中にも設けることができる。
【符号の説明】
【００７９】
Ｆ  燃料
Ｇ  配電網
１  圧縮空気貯蔵体積部、貯蔵室
３  可逆電動機
５  機械動力
７  機械シャフト
９  クラッチ
１１  圧縮空気導管
１３  弁
１５  発電部分
１７  第１の高圧膨張器
１９  第２の低圧膨張器
２１  機械シャフト
２３  クラッチ
２５  高圧パイプ
２７  圧力調節弁
２９  燃焼室
３１  排気ガス排出部
１０１  圧縮空気貯蔵体積部、貯蔵室
１０２  ＣＡＥＳ発電装置またはシステム
１０３  圧縮空気導管流路
１０５  弁
１０７  圧縮機または圧縮機列
１０９  第１の可逆電動機
１１１  シャフト
１１３  クラッチ
１１５  膨張器、可変ノズル膨張器
１１５Ａ  可変ノズル膨張器の入口ノズル
１１７  出力シャフト
１１９  クラッチ
１２１  高圧入口導管
１２３  三方弁
１２５  燃焼室
１２７  ガス配管網
１２９  結合部
１３１  タービン
１３３  シャフト
１３５  第２の可逆電動機
１３７  クラッチ
１３９  シャフト
１４１  クラッチ
１４３  圧縮機または圧縮機列
１４５  第２の圧縮空気導管流路
１４７  弁
１５１  補助導管
２０１  圧縮空気貯蔵体積部、貯蔵室
２０２  ＣＡＥＳ発電装置またはシステム
２０３  圧縮空気導管流路
２０７  圧縮機または圧縮機列
２０７Ａ  圧縮機
２０７Ｂ  第２の圧縮機
２０９  可逆電動機
２１１  シャフト
２１３  クラッチ
２１５  可変ノズル膨張器
２１５Ａ  可変ノズル膨張器の入口ノズル
２１９  クラッチ
２２１  圧縮空気導管
２２５  燃焼室
２２７  ガス配管網
２２９  結合部
２３１  タービン
２３３  機械シャフト
３０１  導管
３０３  第１の熱エネルギー貯蔵装置
３０５  第２の熱エネルギー貯蔵装置
３０７  熱交換器
【図１】
2015513040.tif 000003
【図２】
2015513040.tif 000004
【図３】
2015513040.tif 000005
【図４】
2015513040.tif 000006
【図５】
2015513040.tif 000007
【図６】
2015513040.tif 000008
【国際調査報告】
2015513040.tif 000009
2015513040.tif 000010
2015513040.tif 000011