(57)【要約】【課題】膨張機の膨脹仕事を増大できる圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。【解決手段】圧縮空気貯蔵発電装置２は、変動する入力電力により駆動されるモータ２４と、モータ２４と機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機６と、圧縮機６と流体的に接続され、圧縮機６により圧縮された空気を貯蔵する蓄圧タンク８と、蓄圧タンク８から供給される圧縮空気によって駆動される膨張機１０と、膨張機１０と機械的に接続された発電機２２を備える。膨張機１０は、ケーシング１０ｃ内に保温熱媒流路２６を設けられ、この熱媒によりケーシング１０ｃは加熱される。【選択図】図１
2016211436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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た発電機と、
前記膨張機のケーシングを加熱する加熱手段と
を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項２】
前記加熱手段は、前記ケーシング内に設けられ、加熱された熱媒が供給される保温熱媒流路を備える、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項３】
前記加熱手段は、前記ケーシングに外装されるジャケットと、前記ケーシングと前記ジャケットの間に設けられ、加熱された熱媒が供給される保温熱媒流路とを備える、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項４】
前記保温熱媒流路内では、加熱された熱媒が滞留するように構成されている、請求項２又は請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項５】
前記保温熱媒流路内では、加熱された熱媒が貫流するように構成されている、請求項２又は請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項６】
前記加熱手段は、前記保温熱媒流路内の熱媒を加熱するための熱媒ヒータをさらに備える、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項７】
前記変動する入力電力は、太陽熱により発電された電力であり、
前記保温熱媒流路内の熱媒は、太陽熱により加熱された熱媒である、請求項２から請求項５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】
前記加熱手段は、前記ケーシングを加熱するためのケーシングヒータを備える、請求項１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蓄熱タンクと
をさらに備え、
前記加熱手段に供給される熱媒は、前記蓄熱タンクから供給される、請求項１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。
【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又は平準化する技術として、余剰発電電力が生じた際に圧縮機等で空気を圧縮して空気圧力としてエネルギーを蓄えておき、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：compressed air energy storage）と呼ばれる技術が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、圧縮機の下流に配置した熱交換器によって熱を回収した圧縮ガスを圧縮ガス蓄積装置に蓄積し、該蓄積装置から引き出したガスを、前記回収した熱により加熱して動力発生装置に供給する圧縮エアエネルギー蓄積システム（圧縮空気貯蔵発電装置）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】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】
【０００５】
特許文献１の構成では圧縮機の圧縮ガスの熱が高温用熱交換器と低温用熱交換器とで回収され、回収された熱を膨張機に供給することで充放電効率を高めているものの、圧縮ガスの温度が膨張機における放熱により低下し、充放電効率を低下させている。
【０００６】
本発明は、膨張機における放熱に起因する充放電効率の低下を抑制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】
【０００７】
本発明は、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た発電機と、前記膨張機のケーシングを加熱する加熱手段とを備える圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。
【０００８】
この構成によれば、作動流体（空気）の温度がケーシングからの放熱により低下することを防止でき、膨張機における放熱に起因する充放電効率の低下を抑制できる。また、作動流体の温度をケーシングからの加熱で上昇させることができる。従って、膨張機の膨脹仕事を増大できる。また、膨張機における吸気温度が低くなっても、膨張機から排気される作動流体の温度が０℃以下にならない。従って、膨張機の排気口が凍結したり閉鎖されたりすることが無い。
【０００９】
前記加熱手段は前記ケーシング内に設けられ、加熱された熱媒が供給される保温熱媒流路を備えることが好ましい。また、前記加熱手段は、前記ケーシングに外装されるジャケットと、前記ケーシングと前記ジャケットの間に設けられ、加熱された熱媒が供給される保温熱媒流路とを備えてもよい。
【００１０】
この構成によれば、保温熱媒流路内の熱媒によりケーシングが加熱され、ケーシングの温度を高く維持できる。従って、膨張前後においてケーシングの温度が均一に保たれるため、作動流体の膨脹時の吸熱に伴う大きな温度差によりケーシングが大きく歪むことを防止できる。
【００１１】
前記保温熱媒流路内では、加熱された熱媒が滞留するように構成されていてもよい。また、前記保温熱媒流路内では、加熱された熱媒が貫流するように構成されていてもよい。
【００１２】
この構成によれば、保温熱媒流路内に熱媒を滞留させる場合、必要熱媒量が少なく構成も容易である。貫流させる場合、単に滞留する場合よりも高温の熱媒が蓄熱タンクから連続的に供給される分、熱媒温度を高温に維持するのが容易である。
【００１３】
前記加熱手段は、前記保温熱媒流路内の熱媒を加熱するための熱媒ヒータをさらに備えてもよい。
【００１４】
この構成によれば、熱媒ヒータにより保温熱媒流路内の熱媒が加熱され、保温熱媒流路内の熱媒の温度を高く維持できる。従って、上述のようにケーシングの温度を高く維持し、ケーシングが大きく歪むことを防止できる。
【００１５】
前記変動する入力電力は、太陽熱により発電された電力であり、前記保温熱媒流路内の熱媒は、太陽熱により加熱された熱媒であってもよい。
【００１６】
この構成によれば、再生可能エネルギーとしての太陽熱を熱媒の温度上昇に直接利用できるため、構成が簡易であると共にエネルギー変換による損失を防止でき、システムの充放電効率を向上できる。
【００１７】
前記加熱手段は、前記ケーシングを加熱するためのケーシングヒータを備えてもよい。
【００１８】
この構成によれば、ケーシングを直接ケーシングヒータで加熱するため、確実にケーシングを昇温させることができる。また、ケーシングの温度をケーシングヒータにより所望の温度に簡単に調整できる。
【００１９】
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蓄熱タンクとをさらに備え、前記加熱手段に供給される熱媒は、前記蓄熱タンクから供給されることが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、加熱手段による加熱に際し、圧縮機で発生する熱を回収し、加熱手段に供給される熱媒の加熱に利用することで、加熱手段において消費されるエネルギーを外部に依存することなく、システムの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、その熱を利用している。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、作動流体（空気）の温度がケーシングからの放熱により低下することを防止でき、膨張機における放熱に起因する充放電効率の低下を抑制できる。さらに、作動流体の温度をケーシングからの加熱で上昇させることができるため、膨張機の膨脹仕事を増大できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。
【図２Ａ】本発明の第１実施形態に係る膨張機を概念的に示す縦断面図。
【図２Ｂ】本発明の第１実施形態に係る膨張機を概念的に示す図２ＡのＡ−Ａ線における横断面図。
【図３】本発明の第１実施形態に係る膨張機のＰＶ線図。
【図４Ａ】本発明の第２実施形態に係る膨張機を概念的に示す縦断面図。
【図４Ｂ】本発明の第２実施形態に係る膨張機を概念的に示す図４ＡのＢ−Ｂ線における横断面図。
【図５】本発明の第３実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。
【図６】本発明の第３実施形態に係る膨張機のＰＶ線図。
【図７】本発明の第４実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２４】
（第１実施形態）
【００２５】
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、発電設備３で太陽光や太陽熱等の再生可能エネルギーを利用して発電する場合に、需要先である外部の電力系統４への出力変動を平準化するとともに、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。なお、発電設備３は再生可能エネルギーを利用して発電する場合に限定されず、工場設備等の自家発電設備であってもよい。
【００２６】
図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置２の構成を説明する。
【００２７】
ＣＡＥＳ発電装置２は、空気流路と熱媒流路を備える。空気流路には、主に圧縮機６と、蓄圧タンク８と、膨張機１０とが設けられており、これらが空気配管１２，１３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の破線矢印参照）。熱媒流路には、主に第１熱交換器１４と、蓄熱タンク１６と、第２熱交換器１８とが設けられており、これらが熱媒配管２０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の実線矢印参照）。
【００２８】
まず、図１を参照して空気流路について説明する。空気流路では、吸い込まれた空気は、圧縮機６で圧縮され、蓄圧タンク８に貯蔵され、膨張機１０に供給され、発電機２２の発電に使用される。
【００２９】
圧縮機６は、モータ（電動機）２４を備える。モータ２４は、圧縮機６に機械的に接続されている。発電設備３において再生可能エネルギーにより発電された電力はモータ２４に供給され（図１の一点鎖線矢印参照）、この電力によりモータ２４が駆動される。
【００３０】
圧縮機６は、モータ２４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１４を介して蓄圧タンク８と空気配管１２を通じて流体的に接続されている。圧縮機６は、モータ２４により駆動されると、吸込口６ａより空気を吸引し、圧縮して吐出口６ｂより吐出し、蓄圧タンク８に圧縮した空気を圧送する。
【００３１】
本実施形態では、圧縮機６の数は１台であるが、これに限定されず、複数台の圧縮機６が設置されてもよい。また、本実施形態の圧縮機６はオイルフリースクリュ圧縮機である。これにより、圧縮機本体や排気される作動流体に油が混入することを防止すると共に、下流のプロセスが油による汚染を受ける危険性を回避できる。また、圧縮機６の種類は特に限定されず、例えば、ターボ式、及びスクロール式等であってもよい。
【００３２】
蓄圧タンク８は、圧縮機６から圧送された圧縮空気を貯蔵する。従って、蓄圧タンク８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８は、第２熱交換器１８を介して膨張機１０と空気配管１３を通じて流体的に接続されている。蓄圧タンク８で貯蔵された圧縮空気は、膨張機１０に供給される。
【００３３】
膨張機１０は、発電機２２を備える。発電機２２は膨張機１０と機械的に接続されている。吸込口１０ａから圧縮空気を供給された膨張機１０は、供給された圧縮空気により作動し、発電機２２を駆動する。発電機２２は、外部の電力系統４に電気的に接続されており（図１の一点鎖線矢印参照）、発電した電力を需要先である電力系統４に供給する。また、膨張機１０で膨張された空気は、吐出口１０ｂから外部に排出される。
【００３４】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本実施形態の膨張機１０はスクリュ式であり、ケーシング１０ｃ内に１組のロータ１０ｄが回転可能に配置されている。ケーシング１０ｃ内には保温熱媒流路２６が設けられており、ロータ１０ｄの周囲を囲んでいる。後述するように、保温熱媒流路２６には蓄熱タンク１６から熱媒配管２０ａを通じて供給される高温の熱媒が存在している。保温熱媒流路２６の形状は図では周方向に連通させているが、これ以外にも例えばＵ字形状にしてもよいし、複数に分割して複数列設けてもよい。本実施形態の保温熱媒流路２６は、本発明の加熱手段に含まれる。本実施形態の保温熱媒流路２６内の熱媒は、ポンプ２８により流動され、保温熱媒流路２６内を貫流しているが、これに限らず保温熱媒流路２６内に滞留してもよい。
【００３５】
保温熱媒流路２６がケーシング１０ｃ内に設けられていることで、圧縮空気の温度がケーシング１０ｃからの放熱により低下することを防止できる。また、圧縮空気の温度をケーシング１０ｃからの加熱で上昇させることができる。従って、膨張機１０の膨脹仕事を増大できる。また、膨張機１０における吸気温度が低くなっても、膨張機１０から排気される圧縮空気の温度が０℃以下にならない。従って、膨張機１０の吐出口１０ｂが凍結したり閉鎖されたりすることが無い。さらに、保温熱媒流路２６内の高温の熱媒によりケーシング１０ｃが加熱され、ケーシング１０ｃの温度を高く維持できる。従って、膨張前後においてケーシング１０ｃの温度が均一に保たれるため、圧縮空気の膨脹時の吸熱に伴う大きな温度差によりケーシング１０ｃが大きく歪むことを防止できる。
【００３６】
本実施形態の代案として、図２Ａに破線で示すようにケーシング１０ｃを加熱するためのケーシングヒータ３０をケーシング１０ｃに対して設置し、直接ケーシング１０ｃを加熱してもよい。また、他の代案として、保温熱媒流路２６内の熱媒を加熱するための熱媒ヒータ３２を保温熱媒流路２６に対して設置し、直接熱媒を加熱してもよい。さらに、熱媒ヒータ３２を熱媒配管２０ａの中または外表面に配置してもよい。
【００３７】
本実施形態では、膨張機１０の数は１台であるが、これに限定されず、複数台の膨張機１０が設置されてもよい。また、膨張機１０の種類は特に限定されず、例えばスクリュ式、ターボ式、及びスクロール式等であってもよい。また、好ましくはオイルフリー式の膨張機１０を使用する方がよい。オイルフリー式の場合、油による温度低下が起こらないため、加熱温度を大幅に上昇させることができ、圧縮空気の流量当たりの発電出力を向上させることができる。また、膨張機１０の本体内部や排気される圧縮空気に油が混入することを防止すると共に、下流のプロセスが油による汚染を受ける危険性を回避できる。
【００３８】
以上により、ＣＡＥＳ発電装置２の空気流路は構成されている。
【００３９】
次に、図１を参照して熱媒流路について説明する。熱媒流路では、圧縮機６で発生した熱を第１熱交換器１４で熱媒に回収し、蓄熱タンク１６で昇温した熱媒を貯蔵し、第２熱交換器１８において膨張機１０で膨張する前の圧縮空気に熱を戻している。熱媒流路には、ポンプ２８が設置されており、熱媒配管２０内の熱媒はポンプ２８により循環されている。熱媒の種類は特に限定されておらず、例えば例えば鉱物油やグリコール系の熱媒を使用してもよい。
【００４０】
第１熱交換器１４では、圧縮機６と蓄圧タンク８との間の空気配管１２内の圧縮空気と、熱媒配管２０内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１４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２０を通じて蓄熱タンク１６に供給される。
【００４１】
蓄熱タンク１６は、大気と断熱され、第１熱交換器１４で熱交換して昇温した熱媒を貯蔵する。貯蔵された熱媒は、熱媒配管２０を通じて第２熱交換器１８に供給され、また熱媒配管２０ａを通じて膨張機１０のケーシング１０ｃ内の保温熱媒流路２６に供給される。保温熱媒流路２６から出た熱媒は、熱媒配管２０ｂを通じて熱媒戻りタンク１７に供給される。
【００４２】
第２熱交換器１８では、蓄圧タンク８と膨張機１０との間の空気配管１３内の圧縮空気と、熱媒配管２０内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。ここで降温した熱媒は、熱媒戻りタンク１７に供給され貯蔵される。同様に、膨張機１０のケーシング１０ｃ内の保温熱媒流路２６に供給された熱媒も熱媒戻りタンク１７に供給され貯蔵される。そして貯蔵された熱媒は、ポンプ２８により第１熱交換器１４に供給され、熱媒配管２０内を循環している。
【００４３】
このように、圧縮機６で発生する熱を回収し、膨張直前の空気に戻すことで充放電効率を向上できる。熱回収を行わないＣＡＥＳ発電装置では、圧縮機６で発生した熱は、圧縮空気と共に蓄圧タンク８内へ供給される。そして、蓄圧タンク８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８に圧縮空気が供給される前に、予め熱回収し、蓄圧タンク８に貯蔵される圧縮空気の温度を大気温度に近づける。本実施形態では、このようにして蓄圧タンク８における熱放出によるエネルギー損失を防止している。また、保温熱媒流路２６内の熱媒の加熱に際し、第１熱交換器１４で回収した圧縮熱を利用することで、加熱に消費されるエネルギーを外部に依存することなく、システムの充放電効率を向上できる。そして、加熱された圧縮空気の温度がケーシング１０ｃからの放熱により下がり膨脹仕事が減少するのを防止できる。
【００４４】
以上により、ＣＡＥＳ発電装置２の熱媒流路は構成されている。
【００４５】
図３は、膨張機１０のケーシング１０ｃの加熱量別に示したＰＶ線図である。縦軸は圧力Ｐ、横軸は体積Ｖを表している。グラフでは、膨張前に状態Ｓ１から状態Ｓ２へ第２熱交換器１８において圧縮空気を加熱している。そして膨張前の状態Ｓ２から膨張後の状態Ｓ３に向かって膨張しており、曲線Ｌ１が加熱量小、曲線Ｌ２が加熱量中、曲線Ｌ３が加熱量大の場合を示している。ＰＶ線図において、膨張機１０の膨張仕事は、グラフ中の斜線部で示す面積に対応するため、加熱量の大きい方が膨張仕事は大きい。即ち、Ｌ３＞Ｌ２＞Ｌ１の順で膨張仕事は大きく、より高温の熱媒を保温熱媒流路２６に流す方がシステムの充放電効率は向上する。このため、本実施形態では第１熱交換器１４において圧縮熱を回収した高温の熱媒を蓄熱タンク１６を介して保温熱媒流路２６に供給している。
【００４６】
（第２実施形態）
図４Ａ及び図４Ｂは、第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の膨張機１０の縦断面模式図及び横断面模式図を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、膨張機１０に関する部分以外の構成は図１、図２Ａ、及び図２Ｂの第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１、図２Ａ、及び図２Ｂに示した構成と同様の部分については説明を省略する場合がある。
【００４７】
図４Ａ及び図４Ｂを参照して、本実施形態の膨張機１０は、ケーシング１０ｃに外装されるジャケット１０ｅを備える。ケーシング１０ｃとジャケット１０ｅの間には、保温熱媒流路２６が設けられており、ロータ１０ｄの周囲を囲んでいる。保温熱媒流路２６には蓄熱タンク１６から熱媒配管２０ａを通じて供給された高温の熱媒が存在している（図１参照）。本実施形態では、ジャケット１０ｅ及び保温熱媒流路２６が本発明の加熱手段に含まれる。本実施形態の保温熱媒流路２６内の熱媒は、ポンプ２８により流動され、保温熱媒流路２６内を貫流しているが、これに限らず保温熱媒流路２６内に滞留していてもよい。保温熱媒流路２６から出た熱媒は、熱媒配管２０ｂを通じて熱媒戻りタンク１７に供給される。
【００４８】
このように、第１実施形態と同様に、圧縮空気の温度がケーシング１０ｃからの放熱により低下することを防止できる。また、圧縮空気の温度をケーシング１０ｃからの加熱で上昇させることができ、膨張機の膨脹仕事を増大できる。保温熱媒流路２６内の熱媒によりケーシング１０ｃが加熱され、ケーシング１０ｃの温度を高く維持できる。従って、膨張前後においてケーシング１０ｃの温度が均一に保たれるため、圧縮空気の膨脹時の吸熱に伴う大きな温度差によりケーシング１０ｃが大きく歪むことを防止できる。
【００４９】
本実施形態の代案として、保温熱媒流路２６内の熱媒をヒータ等の加熱手段により加熱してもよい。第１及び第２実施形態のように第１熱交換器１４で回収した圧縮熱を利用して保温熱媒流路２６に供給する熱媒を加熱した場合に比べて、外部電力を消費するため充放電効率は低下する。しかし、図示しない熱媒ヒータにより保温熱媒流路２６内の熱媒が加熱され、保温熱媒流路２６内の熱媒の温度を高く維持できる。従って、上述のようにケーシング１０ｃの温度を高く維持し、ケーシング１０ｃが大きく歪むことを防止できる。また、他の代案として図示しないヒータ（ケーシングヒータ）等の加熱手段により直接ケーシング１０ｃを加熱してもよい。これにより、ケーシング１０ｃを直接ヒータで加熱するため、確実にケーシング１０ｃを昇温させることができる。また、ケーシング１０ｃの温度を所望の温度に簡単に調整できる。
【００５０】
さらに他の代案として、再生可能エネルギー源として太陽熱を使用する場合、この太陽熱によって加熱された熱媒を利用して保温熱媒流路２６に供給する熱媒を加熱してもよい。再生可能エネルギーとしての太陽熱を熱媒の温度上昇に直接利用できるため、構成が簡易であると共にエネルギー変換による損失を防止でき、システムの充放電効率を向上できる。
【００５１】
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態のＣＡＥＳ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、圧縮機６、膨張機１０が二段式で、第１熱交換器１４、第２熱交換器１８、蓄熱タンク１６が複数あること以外の構成は、図１、図２Ａ、及び図２Ｂの第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１、図２Ａ、及び図２Ｂに示した構成と同様の部分については説明を省略する場合がある。
【００５２】
図５を参照して、本実施形態の圧縮機６及び膨張機１０は、第１及び第２実施形態と異なり、２段型のスクリュ式である。また、蓄熱タンク１６は、高温蓄熱タンク１６ａ及び低温蓄熱タンク１６ｂを備え、これらに温度別に熱媒が貯蔵されている。
【００５３】
圧縮機６は、低圧段圧縮機本体６ｅ及び高圧段圧縮機本体６ｆを有する２段型のスクリュ式である。スクリュ式の圧縮機６を使用することで、変動する入力に速やかに追従でき、発電出力も速やかに変更できる。圧縮機６は、モータ２４を備える。モータ２４は、低圧段圧縮機本体６ｅ及び高圧段圧縮機本体６ｆの内部のスクリュ６ｇに機械的に接続されている。発電設備３からの再生可能エネルギーにより発電された入力電力がモータ２４に供給されると（図５の一点鎖線矢印参照）、この電力によりモータ２４が駆動され、スクリュ６ｇが回転して圧縮機６が作動する。圧縮機６は、モータ２４により駆動されると、空気配管１２を通じて低圧段圧縮機本体６ｅが吸込口６ａより空気を吸引し、圧縮して吐出口６ｄより吐出し、空気配管１２を通じて高圧段圧縮機本体６ｆに圧縮空気を圧送する。高圧段圧縮機本体６ｆは、空気配管１２を通じて吸込口６ｃより空気を吸引し、圧縮して吐出口６ｂより吐出し、空気配管１２を通じて蓄圧タンク８に圧縮空気を圧送する。また、本実施形態では圧縮機６の数は１台であるが、複数台を設置してもよい。さらに圧縮機６は２段型に限定されず３段型以上であってもよい。
【００５４】
膨張機１０は、低圧段膨張機本体１０ｈ及び高圧段膨張機本体１０ｉを有する２段型のスクリュ式である。スクリュ式の膨張機１０を使用することで、圧縮機６と同様に変動する入力に速やかに追従でき、発電出力も速やかに変更できる。膨張機１０は、発電機２２を備える。発電機２２は、低圧段膨張機本体１０ｈ及び高圧段膨張機本体１０ｉの内部のスクリュ１０ｄと機械的に接続されている。高圧段膨張機本体１０ｉは、吸込口１０ａにおいて空気配管１３を通じて蓄圧タンク８と流体的に接続され、吸込口１０ａから圧縮空気を供給される。高圧段膨張機本体１０ｉは、供給された圧縮空気により作動し、発電機２２を駆動する。高圧段膨張機本体１０ｉは、吐出口１０ｇから空気配管１３を通じて圧縮空気を低圧段膨張機本体１０ｈの吸込口１０ｆに供給する。低圧段膨張機本体１０ｈは、同様に供給された圧縮空気により作動し、発電機２２を駆動する。低圧段膨張機本体１０ｈは吐出口１０ｇから空気配管１３を通じて外部に膨張した空気を排気する。発電機２２で発電した電力は、外部の電力系統４に供給される（図５の一点鎖線矢印参照）。また、本実施形態では膨張機１０の数は１台であるが、複数台を設置してもよい。さらに膨張機１０は２段型に限定されず３段型以上であってもよい。
【００５５】
本実施形態の第１熱交換部（第１熱交換器）１４は、インタークーラ１４ａと、アフタークーラ１４ｂとを備える。インタークーラ１４ａ、及びアフタークーラ１４ｂは、圧縮機６で発生した熱を熱媒に回収している。従って、インタークーラ１４ａ及びアフタークーラ１４ｂでは、圧縮空気の温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。
【００５６】
インタークーラ１４ａは、空気流路において低圧段圧縮機本体６ｅから高圧段圧縮機本体６ｆに延びる空気配管１２に設けられている。また、熱媒流路において熱媒戻りタンク１７から低温蓄熱タンク１６ｂに延びる熱媒配管２０に設けられている。従って、インタークーラ１４ａは、低圧段圧縮機本体６ｅで圧縮後の圧縮空気と、ポンプ２８ｂによって低温蓄熱タンク１６ｂに供給される熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体６ｅで発生した圧縮熱を熱媒に回収している。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管２０を通じて低温蓄熱タンク１６ｂに供給される。
【００５７】
アフタークーラ１４ｂは、空気流路において高圧段圧縮機本体６ｆから蓄圧タンク８に延びる空気配管１２に設けられている。また、熱媒流路において熱媒戻りタンク１７から高温蓄熱タンク１６ａに延びる熱媒配管２０に設けられている。従って、アフタークーラ１４ｂは、高圧段圧縮機本体６ｆで圧縮後の圧縮空気と、ポンプ２８ａによって高温蓄熱タンク１６ａに供給される熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体６ｅ及び高圧段圧縮機本体６ｆで発生した圧縮熱を熱媒に回収している。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管２０を通じて高温蓄熱タンク１６ａに供給される。
【００５８】
これにより、高温蓄熱タンク１６ａに高温の熱媒を貯蔵し、これより低温の熱媒を低温蓄熱タンク１６ｂに貯蔵でき、即ち温度別に熱媒を貯蔵できる。従って、高温と低温で貯蔵された熱媒で２段型の膨張機１０に流入する圧縮空気を効率的に加熱可能であり、充放電効率を高く維持できる。
【００５９】
本実施形態の第２熱交換部（第１熱交換器）１８は、プレヒータ１８ａと、インターヒータ１８ｂとを備える。プレヒータ１８ａ及びインターヒータ１８ｂは、膨張機１０で膨張前の圧縮空気を加熱する。従って、プレヒータ１８ａ及びインターヒータ１８ｂでは、圧縮空気の温度は上昇し、熱媒の温度は低下する。
【００６０】
プレヒータ１８ａは、空気流路において蓄圧タンク８から高圧段膨張機本体１０ｉに延びる空気配管１３に設けられている。また、熱媒流路において低温蓄熱タンク１６ｂから熱媒戻りタンク１７に延びる熱媒配管２０に設けられている。従って、プレヒータ１８ａは、高圧段膨張機本体１０ｉで膨張前の圧縮空気と、低温蓄熱タンク１６ｂから供給される熱媒とで熱交換し、高圧段膨張機本体１０ｉでの膨張前の圧縮空気を加熱している。ここで降温した熱媒は、熱媒配管２０を通じて熱媒戻りタンク１７に供給される。
【００６１】
インターヒータ１８ｂは、空気流路において高圧段膨張機本体１０ｉから低圧段膨張機本体１０ｈに延びる空気配管１３に設けられている。また、熱媒流路において高温蓄熱タンク１６ａから熱媒戻りタンク１７に延びる熱媒配管２０に設けられている。従って、インターヒータ１８ｂは、低圧段膨張機本体１０ｈで膨張前の圧縮空気と、高温蓄熱タンク１６ａから供給される熱媒とで熱交換し、低圧段膨張機本体１０ｈでの膨張前の圧縮空気を加熱している。ここで降温した熱媒は、熱媒配管２０を通じて熱媒戻りタンク１７に供給される。
【００６２】
熱媒戻りタンク１７は、第２熱交換部１８（プレヒータ１８ａ及びインターヒータ１８ｂ）で熱交換して降温した熱媒を貯蔵する。熱媒戻りタンク１７に貯蔵されている熱媒は、熱媒配管２０を通じて第１熱交換部１４（インタークーラ１４ａ及びアフタークーラ１４ｂ）に、ポンプ２８ｃによって、それぞれ供給される。
【００６３】
本実施形態では、保温熱媒流路２６は、低圧段膨張機本体１０ｈ及び高圧段膨張機本体１０ｉのケーシング１０ｃ内に設けられている。低圧段膨張機本体１０ｈ及び高圧段膨張機本体１０ｉの保温熱媒流路２６は熱媒配管２０ｃにより流体的に接続されている。保温熱媒流路２６及び熱媒配管２０ａ〜２０ｃ内には高温蓄熱タンク１６ａからの熱媒が滞留ないし緩やかに循環している。このときバルブ２７は熱媒配管２０ａと２０ｂとを接続する流路状態になっている。滞留している熱媒は、バルブ２７を熱媒配管２０ｂと熱媒戻りタンク１７とを接続する流路状態に切り換えることで熱媒配管２０ｂ，２０ｄを通じて熱媒戻りタンク１７に回収でき、保温熱媒流路２６内の熱媒を貫流させて入れ替えることもできる。本実施形態ではバルブ２７として三方弁を示しているが、三方弁を２つのバルブに置き換えてもよい。
【００６４】
従って、第１及び第２実施形態と同様に、圧縮空気の温度がケーシング１０ｃからの放熱により低下することを防止できる。また、圧縮空気の温度をケーシング１０ｃからの加熱で上昇させることができ、膨張機１０の膨脹仕事を増大できる。そしてケーシング１０ｃの温度を高く維持し、ケーシング１０ｃの歪みも防止できる。さらに保温熱媒流路２６に供給する熱媒の加熱に際し、第１熱交換部１４で回収した圧縮熱を利用することで、加熱に消費されるエネルギーを外部に依存することなく、システムの充放電効率を向上できる。
【００６５】
図６は、２段型の膨張機１０のケーシング１０ｃの加熱量別に示したＰＶ線図である。縦軸は圧力Ｐ、横軸は体積Ｖを表している。グラフでは、１段膨張前に状態Ｓ１から状態Ｓ２へプレヒータ１８ａにおいて圧縮空気を加熱している。そして１段膨張前の状態Ｓ２から１段膨張後の状態Ｓ４に向かって膨張しており、曲線Ｌ１が加熱量小、曲線Ｌ２が加熱量中、曲線Ｌ３が加熱量大の場合を示している。そして２段膨張前に状態Ｓ４から状態Ｓ５へインターヒータ１８ｂにおいて圧縮空気を加熱している。そして２段膨張前の状態Ｓ５から２段膨張後の状態Ｓ３に向かって膨張しており、同様に曲線Ｌ１が加熱量小、曲線Ｌ２が加熱量中、曲線Ｌ３が加熱量大の場合を示している。ＰＶ線図において、膨張機１０の膨張仕事は、グラフ中の斜線部で示す面積に対応するため、加熱量が大きい方が膨張仕事は大きい。即ち、Ｌ３＞Ｌ２＞Ｌ１の順で膨張仕事は大きく、より高温の熱媒を保温熱媒流路２６に流す方がシステムの充放電効率は向上する。従って、本実施形態では第１熱交換部１４において圧縮熱を回収した熱媒のうち、より高温の熱媒である高温蓄熱タンク１６ａの熱媒を保温熱媒流路２６に供給している。
【００６６】
（第４実施形態）
図７は、第４実施形態のＣＡＥＳ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、膨張機１０の保温熱媒流路２６に関する部分以外の構成は図４の第３実施形態と実質的に同様である。従って、図４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場合がある。
【００６７】
図７を参照して、本実施形態の膨張機１０の保温熱媒流路２６は、熱媒配管２０ｅを通じて高圧段膨張機本体１０ｉに流体的に接続されている。高圧段膨張機本体１０ｉと低圧段膨張機本体１０ｈとは熱媒配管２０ｃを通じて互いに流体的に接続されている。低圧段膨張機本体１０ｈは熱媒配管２０ｆを通じてインターヒータ１８ｂに流体的に接続されている。従って、保温熱媒流路２６を流動した熱媒はインターヒータ１８ｂに供給され、圧縮空気の加熱に利用される。ここで利用された熱媒は熱媒配管２０ｇを通じて熱媒戻りタンク１７に供給される。
【００６８】
本実施形態の構成によれば、簡易な構成で熱媒流路を形成できる。また、保温熱媒流路２６内を熱媒が貫流するため、単に滞留する場合よりも高温の熱媒が蓄熱タンク１６から連続的に供給される分、保温熱媒流路２６内の熱媒を高温に維持するのが容易である。
【００６９】
図７に係る実施形態では、インターヒータ１８ｂより上流に保温熱媒流路２６を設けたが、この位置関係は反対にしてもよい。
【００７０】
全実施形態を通じて、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】
【００７１】
２  圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
３  発電設備
４  電力系統（需要先）
６  圧縮機
６ａ，６ｃ  吸込口
６ｂ，６ｄ  吐出口
６ｅ  低圧段圧縮機本体
６ｆ  高圧段圧縮機本体
６ｇ  ロータ（スクリュ）
８  蓄圧タンク
１０  膨張機
１０ａ，１０ｆ  吸込口
１０ｂ，１０ｇ  吐出口
１０ｃ  ケーシング
１０ｄ  ロータ（スクリュ）
１０ｅ  ジャケット
１０ｈ  低圧段膨張機本体
１０ｉ  高圧段膨張機本体
１２，１３  空気配管
１４  第１熱交換器（第１熱交換部）
１４ａ  インタークーラ
１４ｂ  アフタークーラ
１６  蓄熱タンク
１６ａ  高温蓄熱タンク
１６ｂ  低温蓄熱タンク
１７  熱媒戻りタンク
１８  第２熱交換器（第２熱交換部）
１８ａ  プレヒータ
１８ｂ  インターヒータ
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ  熱媒配管
２２  発電機
２４  モータ（電動機）
２６  保温熱媒流路
２７  バルブ
２８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ  ポンプ
３０  ケーシングヒータ
３２  熱媒ヒータ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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