(57)【要約】【課題】膨張機の設計点の膨張比での膨張を維持し、膨張効率の低下を防止し、システム効率の低下を防止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、膨張機バイパス流路２４ａ〜２４ｃと、バルブ２７ａ〜２７ｅを備える膨張機バイパス切替部２６と、制御装置２８とを備える。膨張機バイパス流路２４ａ〜２４ｃは、複数の膨張機本体８ａ，８ｂのうち、少なくとも１つを迂回して空気を流動させる。膨張機バイパス切替部２６は、蓄圧タンク６から供給された空気を膨張機バイパス流路２４ａ〜２４ｃを使用して膨張機本体８ａ，８ｂを迂回するか切り替える。制御装置２８は、圧力センサ１６で検出した蓄圧タンク６内の圧力が所定の値よりも低い場合、膨張機バイパス切替部２６を制御して膨張機バイパス流路２４ａ〜２４ｃに空気を流し、膨張機本体８ａ，８ｂのうち少なくとも１つを迂回する。【選択図】図１
2017008867.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圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンクと、
前記蓄圧タンク内の圧力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、前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気によって駆動され、複数の膨張機本体を有する多段型の膨張機と、
前記膨張機と機械的に接続された発電機と、
複数の前記膨張機本体のうち、少なくとも１つを迂回して空気を流動させる膨張機バイパス流路と、
前記蓄圧タンクから供給された空気を前記膨張機バイパス流路を使用して前記膨張機本体を迂回するか切り替えるための膨張機バイパス切替部と、
前記圧力センサで検出した前記蓄圧タンク内の圧力が所定の値よりも低い場合、前記膨張機バイパス切替部を制御して前記膨張機バイパス流路に空気を流し、前記膨張機本体を迂回する制御装置と
を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項２】
前記制御装置は、複数の前記膨張機本体の使用頻度を均一に使用するように前記膨張機バイパス切替部を制御する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項３】
前記圧縮機は、複数の圧縮機本体を有する多段型であって、
複数の前記圧縮機本体のうち、少なくとも１つを迂回して空気を流動させる圧縮機バイパス流路と、
前記圧縮機バイパス流路を使用して前記圧縮機本体を迂回するか切り替えるための圧縮機バイパス切替部と
をさらに備え、
前記制御装置は、前記圧力センサで検出した前記蓄圧タンク内の圧力が所定の値よりも低い場合、前記圧縮機バイパス切替部を制御して前記圧縮機バイパス流路に空気を流し、前記圧縮機本体を迂回する、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】
前記制御装置は、複数の前記圧縮機本体の使用頻度を均一に使用するように前記圧縮機バイパス切替部を制御する、請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項５】
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、
前記圧縮機と流体的に接続された蓄圧タンクに、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を貯蔵し、
圧力センサにより前記蓄圧タンク内の圧力を検出し、
前記蓄圧タンクと流体的に接続され、複数の膨張機本体を有する多段型の膨張機を前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気によって駆動し、
前記膨張機と機械的に接続された発電機により発電し、
複数の前記膨張機本体のうち、膨張機バイパス流路により少なくとも１つを迂回して空気を流動させ、
前記蓄圧タンクから供給された空気を、膨張機バイパス切替部により前記膨張機バイパス流路を使用して前記膨張機本体を迂回するか切り替える圧縮空気貯蔵発電方法において、
前記圧力センサで検出した前記蓄圧タンク内の圧力が所定の値よりも低い場合、前記膨張機バイパス切替部を切り替えて前記膨張機バイパス流路に空気を流し、前記膨張機本体を迂回する、圧縮空気貯蔵発電方法。
【請求項６】
複数の圧縮機本体を有する多段型の前記圧縮機により空気を圧縮し、
複数の前記圧縮機本体のうち、圧縮機バイパス流路により少なくとも１つを迂回して空気を流動させ、
圧縮機バイパス切替部により、前記圧縮機バイパス流路を使用して前記圧縮機本体を迂回するか切り替える圧縮空気貯蔵発電方法において、
前記圧力センサで検出した前記蓄圧タンク内の圧力が所定の値よりも低い場合、前記圧縮機バイパス切替部を切り替えて前記圧縮機バイパス流路に空気を流し、前記圧縮機本体を迂回する、請求項５に記載の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、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電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】
特許文献１には、このようなＣＡＥＳ発電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−５０９５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
圧縮空気貯蔵発電装置では、膨張機での圧縮空気を使用した発電に伴い、蓄圧タンクの内圧が減少する。この際、蓄圧タンクの内圧が変化すると、膨張機の設計点の膨張比での膨張を維持できず、膨張機の軸動力の変換効率が悪化し、膨張効率が低下する。
【０００７】
特許文献１の圧縮空気貯蔵発電装置では、蓄圧タンクの内圧が減少した際の膨張機の軸動力の変換効率については考慮されていない。
【０００８】
本発明は、運転効率が悪くなる段の膨張機には圧縮空気を通さずバイパスさせることでシステム全体としての運転効率の低下を防止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、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圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンクと、前記蓄圧タンク内の圧力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、前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気によって駆動され、複数の膨張機本体を有する多段型の膨張機と、前記膨張機と機械的に接続された発電機と、複数の前記膨張機本体のうち、少なくとも１つを迂回して空気を流動させる膨張機バイパス流路と、前記蓄圧タンクから供給された空気を前記膨張機バイパス流路を使用して前記膨張機本体を迂回するか切り替えるための膨張機バイパス切替部と、前記圧力センサで検出した前記蓄圧タンク内の圧力が所定の値よりも低い場合、前記膨張機バイパス切替部を制御して前記膨張機バイパス流路に空気を流し、前記膨張機本体を迂回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、蓄圧タンクの内圧が減少した場合でも、膨張機の軸動力の変換効率を悪化させないために、膨張機バイパス流路と膨張機バイパス切替部を使用して必要以上の膨張機本体を駆動しないように制御している。具体的には、運転効率が悪くなる段の膨張機には圧縮空気を通さずバイパスさせることでシステム全体としての運転効率の低下を防止できる。
【００１１】
前記制御装置は、複数の前記膨張機本体の使用頻度を均一に使用するように前記膨張機バイパス切替部を制御することが好ましい。
【００１２】
これにより、膨張機本体の使用頻度が均一化され、個々の膨張機本体の使用による疲労度合を均一化できる。従って、膨張機全体としての耐用年数を延長でき、システムの信頼性を向上できる。
【００１３】
前記圧縮機は、複数の圧縮機本体を有する多段型であって、複数の前記圧縮機本体のうち、少なくとも１つを迂回して空気を流動させる圧縮機バイパス流路と、前記圧縮機バイパス流路を使用して前記圧縮機本体を迂回するか切り替えるための圧縮機バイパス切替部とをさらに備え、前記制御装置は、前記圧力センサで検出した前記蓄圧タンク内の圧力が所定の値よりも低い場合、前記圧縮機バイパス切替部を制御して前記圧縮機バイパス流路に空気を流し、前記圧縮機本体を迂回することが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、蓄圧タンクの内圧が減少した場合でも、圧縮機の軸動力の変換効率を悪化させないために、圧縮機バイパス流路と圧縮機バイパス切替部を使用して必要以上の圧縮機本体を駆動しないように制御している。よって、例えば多段の圧縮システム構成では、蓄圧タンク内圧が低下するなどして圧縮システムの途中段で蓄圧タンク内圧を上回る圧力となる場合、後段の圧縮機では圧縮せずにバイパスさせてもそのまま蓄圧タンクに送ることができる。その際、後段の圧縮機を停止できるので、不要な圧縮機を運転させることがなく、システム効率の低下を防止できる。
【００１５】
前記制御装置は、複数の前記圧縮機本体の使用頻度を均一に使用するように前記圧縮機バイパス切替部を制御することが好ましい。
【００１６】
これにより、圧縮機本体の使用頻度が均一化され、個々の圧縮機本体の使用による疲労度合を均一化できる。従って、圧縮機全体としての耐用年数を延長でき、システムの信頼性を向上できる。
【００１７】
本発明の第２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、前記圧縮機と流体的に接続された蓄圧タンクに、前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を貯蔵し、圧力センサにより前記蓄圧タンク内の圧力を検出し、前記蓄圧タンクと流体的に接続され、複数の膨張機本体を有する多段型の膨張機を前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気によって駆動し、前記膨張機と機械的に接続された発電機により発電し、複数の前記膨張機本体のうち、膨張機バイパス流路により少なくとも１つを迂回して空気を流動させ、前記蓄圧タンクから供給された空気を、膨張機バイパス切替部により前記膨張機バイパス流路を使用して前記膨張機本体を迂回するか切り替える圧縮空気貯蔵発電方法において、前記圧力センサで検出した前記蓄圧タンク内の圧力が所定の値よりも低い場合、前記膨張機バイパス切替部を切り替えて前記膨張機バイパス流路に空気を流し、前記膨張機本体を迂回する、圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。
【００１８】
複数の圧縮機本体を有する多段型の前記圧縮機により空気を圧縮し、複数の前記圧縮機本体のうち、圧縮機バイパス流路により少なくとも１つを迂回して空気を流動させ、圧縮機バイパス切替部により、前記圧縮機バイパス流路を使用して前記圧縮機本体を迂回するか切り替える圧縮空気貯蔵発電方法において、前記圧力センサで検出した前記蓄圧タンク内の圧力が所定の値よりも低い場合、前記圧縮機バイパス切替部を切り替えて前記圧縮機バイパス流路に空気を流し、前記圧縮機本体を迂回することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、膨張機バイパス流路と膨張機バイパス切替部を使用して必要以上の膨張機本体を駆動しないように制御しているため、運転効率が悪くなる段の膨張機には圧縮空気を通さずバイパスさせることでシステム全体としての運転効率の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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２】多段型圧縮機の場合の蓄圧タンクの内圧と設計点における個々の圧縮機本体の圧縮量の関係を示すグラフ。
【図３】圧縮機バイパス切替部の制御方法を示すフローチャート。
【図４】多段型膨張機の場合の蓄圧タンクの内圧と設計点における個々の膨張機本体の膨張量の関係を示すグラフ。
【図５】膨張機バイパス切替部の制御方法を示すフローチャート。
【図６】本発明の第２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】
【００２１】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
（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、図示しない発電設備で再生可能エネルギーを利用して発電する場合に、需要先である図示しない電力系統への出力変動を平準化するとともに、この電力系統における需要電力の変動に合わせた電力を出力する。
【００２３】
図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置２の構成を説明する。
【００２４】
ＣＡＥＳ発電装置２は空気流路を備える。空気流路には、主に圧縮機４と、蓄圧タンク６と、膨張機８とが設けられており、これらが空気配管１０ａ，１０ｂ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の実線参照）。
【００２５】
空気流路では、吸い込まれた空気は、圧縮機４で圧縮され、蓄圧タンク６に貯蔵され、必要に応じて膨張機８に供給され、発電機１２ａ，１２ｂの発電に使用される。
【００２６】
本実施形態の圧縮機４は、低圧段圧縮機本体４ａ及び高圧段圧縮機本体４ｂ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４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。低圧段圧縮機本体４ａ及び高圧段圧縮機本体４ｂは、それぞれモータ１４ａ，１４ｂを備える。モータ１４ａ，１４ｂは、低圧段圧縮機本体４ａ及び高圧段圧縮機本体４ｂの内部のスクリュに機械的に接続されている。図示しない発電設備で再生可能エネルギーを利用して発電された入力電力がモータ１４ａ，１４ｂに供給されると、この電力によりモータ１４ａ，１４ｂが駆動され、スクリュが回転して低圧段圧縮機本体４ａ及び高圧段圧縮機本体４ｂが作動する。モータ１４ａ，１４ｂにより作動されると、空気配管１０ａを通じて低圧段圧縮機本体４ａが吸気口４ｃより空気を吸気し、圧縮して吐出口４ｄより吐出し、空気配管１０ａを通じて高圧段圧縮機本体４ｂに圧縮空気を圧送する。高圧段圧縮機本体４ｂは、空気配管１０ａを通じて吸気口４ｅより空気を吸気し、圧縮して吐出口４ｆより吐出し、空気配管１０ａを通じて蓄圧タンク６に圧縮空気を圧送する。また、圧縮機４は２段型に限定されず３段型以上であってもよく、複数台設置されてもよい。圧縮機４の種類は特に限定されず、例えばターボ式、スクロール式、及びレシプロ式等であってもよい。
【００２７】
圧縮機４から蓄圧タンク６に延びる空気配管１０ａには、バルブ１８ａが設けられており、必要に応じてバルブ１８ａを開閉し、蓄圧タンク６への圧縮空気の供給を許容又は遮断できる。
【００２８】
蓄圧タンク６は、圧縮機４から圧送された圧縮空気を貯蔵する。従って、蓄圧タンク６には、圧縮空気としてエネルギーを蓄積できる。蓄圧圧力は必要蓄電量や設置スペース、法規制などとの兼ね合いから決定される。蓄圧タンク６は、空気配管１０ｂを通じて膨張機８と流体的に接続されている。蓄圧タンク６で貯蔵された圧縮空気は、膨張機８に供給される。
【００２９】
蓄圧タンク６には圧力センサ１６が設置されており、蓄圧タンク６内の圧力を検出できる。
【００３０】
蓄圧タンク６から膨張機８に延びる空気配管１０ｂには、バルブ１８ｂが設けられており、必要に応じてバルブ１８ｂを開閉し、膨張機８への圧縮空気の供給を許容又は遮断できる。
【００３１】
膨張機８は、低圧段膨張機本体８ａ及び高圧段膨張機本体８ｂ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８を使用することで、圧縮機４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。低圧段膨張機本体８ａ及び高圧段膨張機本体８ｂは、発電機１２ａ，１２ｂを備える。発電機１２ａ，１２ｂは、低圧段膨張機本体８ａ及び高圧段膨張機本体８ｂの内部のスクリュと機械的に接続されている。高圧段膨張機本体８ｂは、給気口８ｃで空気配管１０ｂを通じて蓄圧タンク６と流体的に接続され、給気口８ｃから圧縮空気を供給される。高圧段膨張機本体８ｂは、供給された圧縮空気により作動し、発電機１２ｂを駆動する。高圧段膨張機本体８ｂは、排気口８ｄから空気配管１０ｂを通じて圧縮空気を低圧段膨張機本体８ａの給気口８ｅに供給する。低圧段膨張機本体８ａは、同様に供給された圧縮空気により作動し、発電機１２ａを駆動する。低圧段膨張機本体８ａは排気口８ｆから空気配管１０ｂを通じて外部に膨張した空気を排気する。発電機１２ａ，１２ｂで発電した電力は、図示しない外部の電力系統に供給される。また、膨張機８は２段型に限定されず３段型以上であってもよく、複数台設置されてもよい。膨張機８の種類は特に限定されず、例えばターボ式、スクロール式、及びレシプロ式等であってもよい。
【００３２】
本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、低圧段圧縮機本体４ａ又は高圧段圧縮機本体４ｂを迂回して空気を流動させる圧縮機バイパス流路２０ａ〜２０ｃを備える（図１の破線参照）。さらに、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２には、圧縮機バイパス流路２０ａ〜２０ｃを使用していずれの圧縮機本体４ａ，４ｂを迂回するか又は迂回しないかを切り替えるための圧縮機バイパス切替部２２が設けられている。
【００３３】
圧縮機バイパス流路２０ａ〜２０ｃは、空気配管１０ａと流体的に接続され、低圧段圧縮機本体４ａ又は高圧段圧縮機本体４ｂを迂回して空気を流動させることができるように構成されている。具体的には、圧縮機バイパス流路２０ａは、低圧段圧縮機本体４ａの上流で空気配管１０ａから分岐している。圧縮機バイパス流路２０ａは、二手に分流され、一方の圧縮機バイパス流路２０ｂは低圧段圧縮機本体４ａの下流かつ高圧段圧縮機本体４ｂの上流で空気配管１０ａに合流し、他方の圧縮機バイパス流路２０ｃは高圧段圧縮機本体４ｂの下流で空気配管１０ａに合流している。
【００３４】
圧縮機バイパス切替部２２は、バルブ２３ａ〜２３ｅを備える。バルブ２３ａ〜２３ｅは、空気配管１０ａ及び圧縮機バイパス流路２０ａ〜２０ｃに設けられており、これらのバルブ２３ａ〜２３ｅの開閉を切り替えることで必要に応じて低圧段圧縮機本体４ａ又は高圧段圧縮機本体４ｂを迂回して空気を圧縮できる。バルブ２３ａ〜２３ｅの開閉制御については後述する。
【００３５】
また、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、低圧段膨張機本体８ａ又は高圧段膨張機本体８ｂを迂回して空気を流動させる膨張機バイパス流路２４ａ〜２４ｃを備える（図１の破線参照）。さらに、膨張機バイパス流路２４ａ〜２４ｃを使用していずれの膨張機本体８ａ，８ｂを迂回するか又は迂回しないかを切り替えるための膨張機バイパス切替部２６が設けられている。
【００３６】
膨張機バイパス流路２４ａ〜２４ｃは、空気配管１０ｂと流体的に接続され、低圧段膨張機本体８ａ又は高圧段膨張機本体８ｂを迂回して空気を流動させることができるように構成されている。具体的には、膨張機バイパス流路２４ａ〜２４ｃは、蓄圧タンク６の下流かつ高圧段膨張機本体８ｂの上流で空気配管１０ｂから分岐している。膨張機バイパス流路２４ａは、二手に分流され、一方の膨張機バイパス流路２４ｂは高圧段膨張機本体８ｂの下流かつ低圧段膨張機本体８ａの上流で空気配管１０ｂに合流し、他方の圧縮機バイパス流路２４ｃは低圧段膨張機本体８ａの下流で空気配管１０ｂに合流している。
【００３７】
膨張機バイパス切替部２６は、バルブ２７ａ〜２７ｅを備える。バルブ２７ａ〜２７ｅは、空気配管１０ｂ及び膨張機バイパス流路２４ａ〜２４ｃに設けられており、これらのバルブ２７ａ〜２７ｅの開閉を切り替えることにより必要に応じて低圧段膨張機本体８ａ又は高圧段膨張機本体８ｂを迂回して空気を膨張できる。バルブ２７ａ〜２７ｅの開閉制御については後述する。
【００３８】
また、ＣＡＥＳ発電装置２は、制御装置２８を備える。蓄圧タンク６に設置された圧力センサ１６は、制御装置２８に検出した圧力を出力する。制御装置２８は、検出した圧力に基づいてバルブ１８ａ，１８ｂ，２３ａ〜２３ｅ，２７ａ〜２７ｅの開閉を制御する。
【００３９】
圧縮機バイパス切替部２２の制御について、制御装置２８は、蓄圧タンク６の内圧が後述する所定の圧力値を下回った場合、高圧段圧縮機本体４ｂを迂回するようにバルブ２３ａ〜２３ｅの開閉を制御する。具体的には、この場合、バルブ２３ａ，２３ｄを閉じ、バルブ２３ｂ，２３ｃ，２３ｅを開く。
【００４０】
また、制御装置２８は、低圧段圧縮機本体４ａ及び高圧段圧縮機本体４ｂの使用頻度を均一に使用するようにバルブ２３ａ〜２３ｅを制御する。従って、制御装置２８は、例えば所定の時間高圧段圧縮機本体４ｂを迂回するようにバルブ２３ａ〜２３ｅを上述のように制御すると、次に所定の時間低圧段圧縮機本体４ａを迂回するようにバルブ２３ａ〜２３ｅの開閉を制御する。具体的には、この場合、バルブ２３ｂ，２３ｅを閉じ、バルブ２３ａ，２３ｃ，２３ｄを開く。ただし、必ずしも順に個々の圧縮機本体４ａ，４ｂを使用する必要はなく、２回の所定の時間高圧段圧縮機本体４ｂを迂回し、その後２回の所定の時間低圧段圧縮機本体４ａを迂回するようにしてもよい。
【００４１】
このように制御することにより、圧縮機本体４ａ，４ｂの使用頻度が均一化され、個々の圧縮機本体４ａ，４ｂの使用による疲労度合を均一化できる。従って、圧縮機４全体としての耐用年数を延長でき、システムの信頼性を向上できる。
【００４２】
膨張機バイパス切替部２６の制御について、制御装置２８は、蓄圧タンク６の内圧が後述する所定の圧力値を下回った場合、高圧段膨張機本体８ｂを迂回するようにバルブ２７ａ〜２７ｅの開閉を制御する。具体的には、この場合、バルブ２７ｂ，２７ｅを閉じ、バルブ２７ａ，２７ｃ，２７ｄを開く。
【００４３】
また、制御装置２８は、低圧段膨張機本体８ａ及び高圧段膨張機本体８ｂの使用頻度を均一に使用するようにバルブ２７ａ〜２７ｅを制御する。従って、制御装置２８は、例えば所定の時間高圧段膨張機本体８ｂを迂回するようにバルブ２７ａ〜２７ｅを上述のように制御すると、次に所定の時間低圧段膨張機本体８ａを迂回するようにバルブ２７ａ〜２７ｅの開閉を制御する。具体的には、この場合、バルブ２７ａ，２７ｄを閉じ、バルブ２７ｂ，２７ｃ，２７ｅを開く。ただし、必ずしも順に個々の膨張機本体８ａ，８ｂを使用する必要はなく、２回の所定の時間高圧段膨張機本体８ｂを迂回し、その後２回の所定の時間低圧段膨張機本体８ａを迂回するようにしてもよい。
【００４４】
このように制御することにより、膨張機本体８ａ，８ｂの使用頻度が均一化され、個々の膨張機本体８ａ，８ｂの使用による疲労度合を均一化できる。従って、膨張機８全体としての耐用年数を延長でき、システムの信頼性を向上できる。
【００４５】
図２は、多段型圧縮機の場合の蓄圧タンクの内圧と設計点における個々の圧縮機本体の圧縮量の関係を示すグラフである。本実施形態では２段型の圧縮機４を使用しているが、より一般的な場合を説明するために、図２ではｎ段型の圧縮機を想定している。グラフの縦軸は、作動流体である空気の圧力を示し、グラフ横軸は何段目の圧縮機本体であるかを示している。
【００４６】
１段目圧縮機本体（最低圧段膨張機本体）では、大気圧Ｐin_０の空気を吸気し、圧力Ｐin_１まで圧縮する。２段目圧縮機本体では、１段目圧縮機本体で圧力Ｐin_１まで圧縮された圧縮空気をさらに圧力Ｐin_２まで圧縮する。これを繰り返し、ｎ段目圧縮機本体（最低圧段膨張機本体）では、ｎ−１段目圧縮機本体で圧力Ｐin_ｎ−１まで圧縮された圧縮空気を蓄圧タンク６の内圧Ｐｔまでさらに圧縮する。
【００４７】
ここで圧力Ｐｔは、圧力センサ１６による蓄圧タンク６の内圧の実測値である。この圧力Ｐｔが所定の閾値であるバイパス基準判定圧力Ｐin_ｎｊより高いか又は低いかによって、使用する圧縮機本体の台数に応じた圧縮効率が異なる。このバイパス基準判定圧力Ｐin_ｎｊは、個々の圧縮機本体の圧縮比及び所定のバイパス基準判定圧縮比に基づいて算出できる。例えば、個々の圧縮機本体の設計点における圧縮比がＣｒで同じ場合、所定のバイパス基準判定圧縮比をＣｒｊとして以下の式のように計算できる。
【００４８】
【数１】
2017008867.tif 000003
【００４９】
【数２】
2017008867.tif 000004
【００５０】
ここでバイパス基準判定圧縮比Ｃｒｊは、１＜Ｃｒｊ＜Ｃｒを満たす値であり、求める圧縮効率に応じてこの範囲で変更されてよい。従って、バイパス基準判定圧力Ｐin_ｎｊは、Ｐin_ｎ−１＜Ｐin_ｎｊ＜Ｐin_ｎの範囲の値となる。個々の圧縮機本体の圧縮比Ｃｒがそれぞれ異なる場合、個々の圧縮機本体の圧縮比の積に基づいて同様に、上式（１）よりＰin_ｎ−１を算出し、上式（２）よりＰin_ｎｊを算出すればよい。
【００５１】
蓄圧タンク６の内圧Ｐｔが仮に図に示すように上式（２）のバイパス基準判定圧力Ｐin_ｎｊよりも小さい場合（二点鎖線参照）、ｎ段目圧縮機本体を使用して圧縮すると設計点から大きく離れた圧縮比で圧縮することになり圧縮効率が低下する。即ち、破線矢印の傾斜がｎ段目における実線矢印の傾斜に比べて著しく小さくなる。従って、この場合にはｎ段目圧縮機本体を使用せず、１段目からｎ−１段目圧縮機本体のみで空気を圧縮することが好ましい（二点鎖線矢印参照）。このため、蓄圧タンク６の内圧Ｐｔが所定のバイパス基準判定圧力値Ｐin_ｎｊよりも低い場合、制御装置２８により、圧縮機バイパス切替部２２を切り替えて圧縮機バイパス流路を使用する。そして、ｎ段目の圧縮機本体で空気を圧縮せずにバイパスさせて蓄圧タンク６に空気を送り込む。
【００５２】
また、蓄圧タンク６の内圧Ｐｔが仮に図に示すように上式（２）のバイパス基準判定圧力Ｐin_ｎｊよりも高い場合（一点鎖線参照）、ｎ段目圧縮機本体を使用して圧縮しても設計点から大きく離れた圧縮比で圧縮することにならず圧縮効率は大きく低下しない。従って、この場合にはｎ段目圧縮機本体を使用して圧縮することが好ましい（一点鎖線矢印参照）。このため、蓄圧タンク６の内圧Ｐｔが所定のバイパス基準判定圧力値Ｐin_ｎｊよりも高い場合、制御装置２８により、圧縮機バイパス切替部２２を切り替えて圧縮機バイパス流路を使用しない。
【００５３】
また、蓄圧タンク６の内圧Ｐｔが仮にＰin_ｎ−１未満ならば、既にｎ−１段目圧縮機本体の吐出口部で蓄圧タンクの内圧Ｐｔを上回っているのでｎ段目圧縮機本体は駆動する必要がない。この場合にはｎ段目圧縮機本体を使用せず、１段目からｎ−１段目圧縮機本体のみで空気を圧縮する。蓄圧タンク６の内圧Ｐｔが仮にＰin_ｎ−２やこれ以降の設計点における圧力未満ならば、ｎ−２段目以降もさらにバイパスする。
【００５４】
図３は、このときの制御方法を示したフローチャートである。運転が開始されると、運転中の圧縮機本体の台数をｎ台と確認し、蓄圧タンク６の内圧Ｐｔがバイパス基準判定圧力Ｐin_ｎｊ以下である場合、ｎ段目入口弁（ｎ段目圧縮機本体に通じるバルブ）を閉弁し、ｎ段目バイパス弁（ｎ段目圧縮機本体をバイパスするためのバルブ）を開弁し、ｎ段目圧縮機本体を停止し、ｎ段目圧縮機本体を迂回する。蓄圧タンク６の内圧ＰｔがＰin_ｎｊより高い場合、ｎ段目入口弁を閉弁し、ｎ段目バイパス弁を開弁し、１段目からｎ段目までの圧縮機本体で空気を圧縮する。そして、再び運転中の圧縮機本体の台数を確認し、これを繰り返す。従って、このような制御がループすることで２台以上の圧縮機本体をバイパスする場合もあり、圧縮効率を維持する最適な台数で圧縮する。
【００５５】
このように制御することで、本実施形態では、蓄圧タンク６の内圧が減少した場合でも、圧縮機４の軸動力の変換効率を悪化させないために、圧縮機バイパス流路２０ａ〜２０ｃと圧縮機バイパス切替部２２を使用して必要以上の圧縮機本体４ａ，４ｂを駆動しないように制御している。よって、本実施形態のように多段の圧縮システム構成では、蓄圧タンク６の内圧が低下するなどして圧縮システムの途中段で蓄圧タンク６の内圧を上回る圧力となる場合、後段の圧縮機では圧縮せずにバイパスさせてもそのまま蓄圧タンク６に送ることができる。その際、後段の圧縮機本体を停止できるので、不要な圧縮機本体を運転させることがなく、システム効率の低下を防止できる。
【００５６】
また、図３においてｎ段目圧縮機本体をバイパスするか否かを決定する閾値として、バイパス基準判定圧力Ｐin_ｎｊを採用しているが、より簡単にＰin_ｎ−１を閾値としてもよい。
【００５７】
図４は、多段型膨張機の場合の蓄圧タンクの内圧と設計点における個々の膨張機本体の膨張量の関係を示す図２と同様のグラフである。本実施形態では２段型の膨張機８を使用しているが、より一般的な場合を説明するために、図４ではｍ段型の膨張機を想定している。グラフの縦軸は、作動流体である空気の圧力を示し、グラフ横軸は何段目の膨張機本体であるかを示している。
【００５８】
ｍ段目膨張機本体（最高圧段膨張機本体）では、蓄圧タンク６の内圧Ｐｔ＝Ｐout_ｍの空気を給気され、圧力Ｐout_ｍ−１まで膨張させる。ｍ−１段目膨張機本体では、ｍ段目膨張機本体で圧力Ｐout_ｍ−１まで膨張された圧縮空気をさらに圧力Ｐout_ｍ−２まで膨張させる。これを繰り返し、１段目膨張機本体（最低圧段膨張機本体）では、２段目膨張機本体で圧力Ｐout_１まで膨張された圧縮空気を実質的に大気圧に等しいＰout_０までさらに膨張させる。
【００５９】
蓄圧タンク６の内圧Ｐｔが所定の閾値であるバイパス基準判定圧力Ｐout_ｍｊより高いか又は低いかによって、使用する膨張機本体の台数に応じた膨張効率が異なる。バイパス基準判定圧力Ｐout_ｍｊは、個々の膨張機本体の膨張比及び所定のバイパス基準判定膨張比に基づいて算出できる。例えば、個々の膨張機本体の設計点における膨張比がＥｒで同じ場合、所定のバイパス基準判定膨張比をＥｒｊとして以下の式のように計算できる。
【００６０】
【数３】
2017008867.tif 000005
【００６１】
【数４】
2017008867.tif 000006
【００６２】
ここでバイパス基準判定膨張比Ｅｒｊは、１＜Ｅｒｊ＜Ｅｒを満たす値であり、求める膨張効率に応じてこの範囲で変更されてよい。従って、バイパス基準判定圧力は、Ｐout_m−１＜Ｐout_mｊ＜Ｐout_mの範囲の値となる。個々の膨張機本体の膨張比Ｅｒがそれぞれ異なる場合、個々の膨張機本体の膨張比の積に基づいて同様に、上式（３）よりＰout_ｍ−１を算出し、上式（４）よりＰout_ｍｊを算出すればよい。
【００６３】
蓄圧タンク６の内圧Ｐｔが仮に図に示すように上式（４）のバイパス基準判定圧力Ｐout_ｍｊよりも小さい場合（二点鎖線参照）、ｍ段目膨張機本体を使用して膨張すると設計点から大きく離れた膨張比で膨張することになり膨張効率が低下する。即ち、破線矢印の傾斜がｍ段目における実線矢印の傾斜に比べて著しく小さくなる。従って、この場合にはｍ段目膨張機本体を使用せず、１段目からｍ−１段目膨張機本体のみで空気を膨張させることが好ましい（二点鎖線矢印参照）。このため、蓄圧タンク６の内圧Ｐｔが所定のバイパス基準判定圧力値Ｐout_ｍｊよりも低い場合、制御装置２８により、膨張機バイパス切替部２６を切り替えて膨張機バイパス流路に空気を流してｍ段目膨張機本体で空気を膨張させずにバイパスさせて排気する。
【００６４】
また、蓄圧タンク６の内圧Ｐｔが仮に図に示すように上式（４）のバイパス基準判定圧力Ｐout_ｍｊよりも高い場合（一点鎖線参照）、ｍ段目膨張機本体を使用して膨張しても設計点から大きく離れた膨張比で膨張することにならず膨張効率は大きく低下しない。従って、この場合にはｍ段目膨張機本体を使用して膨張することが好ましい（一点鎖線矢印参照）。このため、蓄圧タンク６の内圧Ｐｔが所定のバイパス基準判定圧力値Ｐout_ｍｊよりも高い場合、制御装置２８により、膨張機バイパス切替部２６を切り替えて膨張機バイパス流路を使用しない。
【００６５】
また、蓄圧タンク６の内圧Ｐｔが仮にｍ−１段目における各膨張機の膨張比によって決まる設計点における圧力Ｐout_ｍ−１未満ならば、ｍ段目膨張機本体は駆動する必要がない。この場合にはｍ−１段目およびその下流段（後段）の膨張機本体のみで空気を膨張させる。蓄圧タンク６の内圧Ｐｔが仮にＰout_m−２やこれ以降の設計点における圧力未満ならば、ｍ−２段目以降もさらにバイパスする。
【００６６】
図５は、このときの制御方法を示したフローチャートである。運転が開始されると、運転中の膨張機本体の台数をｍ台と確認し、蓄圧タンク６の内圧Ｐｔがバイパス基準判定圧力Ｐout_ｍｊ以下である場合、ｍ段目入口弁（ｍ段目膨張機本体に通じるバルブ）を閉弁し、ｍ段目バイパス弁（ｍ段目膨張機本体をバイパスするためのバルブ）を開弁し、ｍ段目膨張機本体を停止し、ｍ段目膨張機本体を迂回する。蓄圧タンク６の内圧ＰｔがＰout_ｍｊより高い場合、ｍ段目入口弁を閉弁し、ｍ段目バイパス弁を開弁し、１段目からｍ段目までの膨張機本体で空気を膨張させる。そして、再び運転中の膨張機本体の台数を確認し、これを繰り返す。従って、このような制御がループすることで２台以上の膨張機本体をバイパスする場合もあり、膨張効率を維持する最適な台数で膨張する。
【００６７】
このように制御することで、本実施形態では、蓄圧タンク６の内圧が減少した場合でも、膨張機８の軸動力の変換効率を悪化させないために、膨張機バイパス流路２４ａ〜２４ｃと膨張機バイパス切替部２６を使用して必要以上の膨張機本体を駆動しないように制御している。具体的には、運転効率が悪くなる段の膨張機本体には圧縮空気を通さずバイパスさせることでシステム全体としての運転効率の低下を防止できる。
【００６８】
また、図５においてｍ段目膨張機本体をバイパスするか否かを決定する閾値として、バイパス基準判定圧力Ｐout_ｍｊを採用しているが、より簡単にＰout_m−１を閾値としてもよい。
【００６９】
（第２実施形態）
図６は、第２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４及び膨張機８が共に３段型であることに関する以外は図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場合がある。
【００７０】
圧縮機４は、３段型であり、１段目圧縮機本体４ｇと、２段目圧縮機本体４ｈと、３段目圧縮機本体４ｉとを備える。これらの圧縮機本体４ｇ〜４ｉにより、空気は順に圧縮され、蓄圧タンク６に貯蔵される。
【００７１】
膨張機８は、３段型であり、１段目膨張機本体８ｉと、２段目膨張機本体８ｈと、３段目膨張機本体８ｇとを備える。これらの膨張機本体８ｇ〜８ｉにより、空気は順に膨張され、外部に排気される。
【００７２】
圧縮機バイパス流路２０ｄ〜２０ｇは、空気配管１０ａと流体的に接続され、１段目から３段目圧縮機本体４ｇ〜４ｉを迂回して空気を流動させるように構成されている。具体的には、圧縮機バイパス流路２０ｄは、１段目圧縮機本体４ｇの上流で空気配管１０ａから分岐する。圧縮機バイパス流路２０ｄは、三手に分流されている。１つ目の圧縮機バイパス流路２０ｅは１段目圧縮機本体４ｇの下流かつ２段目圧縮機本体４ｈの上流で空気配管１０ａに合流する。２つ目の圧縮機バイパス流路２０ｆは２段目圧縮機本体４ｈの下流かつ３段目圧縮機本体４ｉの上流で空気配管１０ａに合流する。３つ目の圧縮機バイパス流路２０ｇは３段目圧縮機本体４ｉの下流で空気配管１０ａに合流する。
【００７３】
圧縮機バイパス切替部２２は、バルブ２３ｆ〜２３ｍを備える。これらのバルブ２３ｆ〜２３ｍの開閉を切り替えることにより必要に応じて１段目から３段目圧縮機本体４ｇ〜４ｉを迂回して空気を圧縮できる。バルブ２３ｆ〜２３ｍの開閉制御については第１実施形態と同様である。例えば、１段目圧縮機本体４ｇを迂回する場合、バルブ２３ｇ，２３ｊ，２３ｋ，２３ｍを閉じ、バルブ２３ｆ，２３ｈ，２３ｉ，２３ｌを開く。２段目圧縮機本体４ｈを迂回する場合、バルブ２３ｆ，２３ｉ，２３ｍを閉じ、バルブ２３ｇ，２３ｈ，２３ｊ，２３ｋ，２３ｌを開く。３段目圧縮機本体４ｉを迂回する場合、バルブ２３ｆ，２３ｈ，２３ｊ，２３ｌを閉じ、バルブ２３ｇ，２３ｉ，２３ｋ，２３ｍを開く。また、１段目圧縮機本体４ｇ及び２段目圧縮機本体４ｈの両方を迂回する場合、バルブ２３ｇ，２３ｈ，２３ｉ，２３ｍを閉じ、バルブ２３ｆ，２３ｊ，２３ｋ，２３ｌを開く。２段目圧縮機本体４ｈ及び３段目圧縮機本体４ｉを迂回する場合、バルブ２３ｆ，２３ｉ，２３ｋ，２３ｌを閉じ、バルブ２３ｇ，２３ｈ，２３ｊ，２３ｍを開く。
【００７４】
膨張機バイパス流路２４ｄ〜２４ｇは、空気配管１０ｂと流体的に接続され、１段目から３段目膨張機本体８ｉ〜８ｇを迂回して空気を流動させるように構成されている。具体的には、膨張機バイパス流路２４ｄは、３段目膨張機本体８ｇの上流で空気配管１０ｂから分岐する。膨張機バイパス流路２４ｄは、三手に分流されている。１つ目の膨張機バイパス流路２４ｄは３段目膨張機本体８ｇの下流かつ２段目膨張機本体８ｈの上流で空気配管１０ｂに合流する。２つ目の膨張機バイパス流路２４ｅは２段目膨張機本体８ｈの下流かつ１段目膨張機本体８ｉの上流で空気配管１０ｂに合流する。３つ目の膨張機バイパス流路２４ｆは１段目膨張機本体８ｉの下流で空気配管２４ｇに合流する。
【００７５】
膨張機バイパス切替部２６は、バルブ２７ｆ〜２７ｍを備える。これらのバルブ２７ｆ〜２７ｍの開閉を切り替えることにより必要に応じて１段目から３段目膨張機本体８ｉ〜８ｇを迂回して空気を膨張できる。バルブ２７ｆ〜２７ｍの開閉制御については第１実施形態と同様である。例えば、３段目膨張機本体８ｇを迂回する場合、バルブ２７ｇ，２７ｊ，２７ｋ，２７ｍを閉じ、バルブ２７ｆ，２７ｈ，２７ｉ，２７ｌを開く。２段目膨張機本体８ｈを迂回する場合、バルブ２７ｆ，２７ｉ，２７ｍを閉じ、バルブ２７ｇ，２７ｈ，２７ｊ，２７ｋ，２７ｌを開く。１段目膨張機本体８ｉを迂回する場合、バルブ２７ｆ，２７ｈ，２７ｊ，２７ｌを閉じ、バルブ２７ｇ，２７ｉ，２７ｋ，２７ｍを開く。また、３段目膨張機本体８ｇ及び２段目膨張機本体８ｈの両方を迂回する場合、バルブ２７ｇ，２７ｈ，２７ｉ，２７ｍを閉じ、バルブ２７ｆ，２７ｊ，２７ｋ，２７ｌを開く。２段目膨張機本体８ｈ及び１段目膨張機本体８ｉを迂回する場合、バルブ２７ｆ，２７ｉ，２７ｋ，２７ｌを閉じ、バルブ２７ｇ，２７ｈ，２７ｊ，２７ｍを開く。
【００７６】
このように、３段型の圧縮機４及び膨張機８の場合でも、本発明は適用可能であり、設計点での圧縮比及び膨張比での圧縮及び膨張を維持することでシステムの充放電効率の低下を防止できる。従って、同様に４段以上の多段型の場合でもシステムの充放電効率を維持するために本発明は有効である。
【００７７】
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。
【００７８】
第１及び第２実施形態では、圧縮熱を回収しないＣＡＥＳ発電装置２に対して本発明を適用しているが、図示しない熱交換器等を使用して圧縮熱を回収し、膨張前の空気に戻すことで、蓄圧タンク６における熱放出を防止し、システム効率を向上させてもよい。
【符号の説明】
【００７９】
２  圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
４  圧縮機
４ａ  低圧段圧縮機本体
４ｂ  高圧段圧縮機本体
４ｃ  吸気口
４ｄ  吐出口
４ｅ  吸気口
４ｆ  吐出口
４ｇ  １段目圧縮機本体
４ｈ  ２段目圧縮機本体
４ｉ  ３段目圧縮機本体
６  蓄圧タンク
８  膨張機
８ａ  低圧段膨張機本体
８ｂ  高圧段膨張機本体
８ｃ  給気口
８ｄ  排気口
８ｅ  給気口
８ｆ  排気口
８ｇ  ３段目膨張機本体
８ｈ  ２段目膨張機本体
８ｉ  １段目膨張機本体
１０ａ，１０ｂ  空気配管
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ  発電機
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ  モータ（電動機）
１６  圧力センサ
１８ａ，１８ｂ  バルブ
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ  圧縮機バイパス流路
２２  圧縮機バイパス切替部
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ，２３ｇ，２３ｈ，２３ｉ，２３ｊ，２３ｋ，２３ｌ，２３ｍ  バルブ
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ，２４ｆ，２４ｇ  膨張機バイパス流路
２６  膨張機バイパス切替部
２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２７ｅ，２７ｆ，２７ｇ，２７ｈ，２７ｉ，２７ｊ，２７ｋ，２７ｌ，２７ｍ  バルブ
２８  制御装置
【図１】
2017008867.tif 000007
【図２】
2017008867.tif 000008
【図３】
2017008867.tif 000009
【図４】
2017008867.tif 000010
【図５】
2017008867.tif 000011
【図６】
2017008867.tif 000012