(57)【要約】【課題】システム効率を向上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２６ａ，２６ｂと、モータ２６ａ，２６ｂと機械的に接続され、空気を圧縮する圧縮機４と、圧縮機４と流体的に接続され、圧縮機４により圧縮された圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンク６と、蓄圧タンク６と流体的に接続され、蓄圧タンク６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８ａ，８ｂを有する多段型の膨張機８と、膨張機８と機械的に接続された発電機２０ａ，２０ｂとを備える。また、装置２は、熱媒を貯蔵する熱媒タンク１４と、熱媒タンク１４から供給される熱媒と膨張機８に供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための膨張側熱交換部１６と、膨張機８から排気される排気空気と低圧段膨張機本体８ｂに供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための排気側熱交換部２２とを備える。【選択図】図１
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【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、
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膨張機に供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための膨張側熱交換部と、
前記膨張機から排気される排気空気と前記膨張機本体のいずれかに供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための排気側熱交換部と
を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項２】
前記排気側熱交換部は、前記膨張機本体のうち、空気流路おいて最下流に設けられている前記膨張機本体に供給される圧縮空気を加熱する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項３】
前記膨張機から吐出される排気空気の温度を検出する排気空気温度検出部と、
前記排気側熱交換部に供給される圧縮空気の温度を検出する圧縮空気温度検出部と、
前記膨張機から排気される排気空気を排気するか、又は前記排気側熱交換部に供給するかを切り替えるための切替部と、
前記排気空気温度検出部で検出した温度が前記圧縮空気温度検出部で検出した温度よりも所定の余裕値以上高い場合、前記切替部を切り替えて前記排気側熱交換部に排気空気を供給する制御装置と
をさらに備える、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】
前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を加熱する圧縮側熱交換部をさらに備え、
前記熱媒タンクは、前記圧縮側熱交換部で熱交換して昇温した熱媒を貯蔵する、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装置。
【請求項５】
変動する入力電力により空気を圧縮し、
圧縮した空気を貯蔵し、
貯蔵した圧縮空気を複数段階に分けて膨張させることにより発電し、
前記圧縮の工程で発生する圧縮熱を回収し、
回収した圧縮熱を蓄熱し、
前記膨張の工程前に膨張させる圧縮空気を蓄熱した圧縮熱により加熱し、
前記全ての膨張の工程後に排気される排気空気の温度が、前記複数段階の膨張のうち、最後の膨張前の圧縮空気の温度よりも所定の余裕値以上高い場合、前記全ての膨張の工程後の排気空気と前記最後の膨張前の圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を加熱する
ことを含む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。特許文献１のＣＡＥＳ発電装置は、システムの効率を向上させるため、熱交換器を使用して熱媒と空気を熱交換させ、圧縮機で発生する圧縮熱を熱媒に回収し、膨張機で膨張する前の空気に熱を戻している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１３−５０９５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のＣＡＥＳ発電装置では、圧縮熱を回収してシステム効率を向上させる工夫はあるものの、膨張機から大気へ排気される空気の排熱を有効利用することについては考慮されていない。
【０００７】
本発明は、膨張機から大気への排熱を最小限に抑制し、システム効率を向上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】
【０００８】
圧縮熱等を利用して膨張機に供給される圧縮空気を加熱した場合、膨張機から排気される排気空気の温度も上昇する。特に、多段型の膨張機においては、排気空気の温度が個々の膨張機本体に供給される圧縮空気よりも温度が高くなる場合があり、その場合、これらの熱交換によりシステム効率を向上できる。
【０００９】
具体的に本発明の第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、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膨張機に供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための膨張側熱交換部と、前記膨張機から排気される排気空気と前記膨張機本体のいずれかに供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための排気側熱交換部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、膨張側熱交換部により加熱された圧縮空気が膨張機により膨張されて排気され、その排気空気の排熱を膨張前の圧縮空気の加熱に利用することで、膨張機から大気への排熱を最小限に抑制し、システム効率を向上できる。具体的には、膨張機から排気される排気空気と、これよりも温度が低い膨張機本体のいずれかに供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を加熱することで、膨張前の圧縮空気の温度を上昇でき、膨張効率を向上できる。
【００１１】
前記排気側熱交換部は、前記膨張機本体のうち、空気流路おいて最下流に設けられている前記膨張機本体に供給される圧縮空気を加熱することが好ましい。
【００１２】
空気流路おいて最下流に設けられている膨張機本体は、他の膨張機本体に比べて膨張仕事量が大きいため、この最下流の膨張機本体に供給される圧縮空気を加熱して温度上昇させることは、膨張効率を向上させるために特に有効である。ｐ−ｈ線図では、最下流に設けられている膨張機本体は、ｐ−ｈ線図の等エントロピー変化を想定した膨張行程において、他の膨張機本体の膨張行程に比べて等エントロピー線の傾斜が小さい。従って、この等エントロピー線の傾斜が小さい膨張行程の方が同じ圧力の低下に対してもエンタルピーの減少が大きいため、より大きな熱エネルギーを供給することで膨張仕事量を増大できる。
【００１３】
前記膨張機から排気される排気空気の温度を検出する排気空気温度検出部と、前記排気側熱交換部に供給される圧縮空気の温度を検出する圧縮空気温度検出部と、前記膨張機から排気される排気空気を排気するか、又は前記排気側熱交換部に供給するかを切り替えるための切替部と、前記排気空気温度検出部で検出した温度が前記圧縮空気温度検出部で検出した温度よりも所定の余裕値以上高い場合、前記切替部を切り替えて前記排気側熱交換部に排気空気を供給する制御装置とをさらに備えることが好ましい。
【００１４】
これにより、温度等の条件により、排気側熱交換部における熱交換が不要な場合は、空気の供給を遮断し、必要な場合は空気の供給を許容することができる。具体的には、膨張機から排気される排気空気の温度が排気側熱交換部に供給される圧縮空気の温度よりも低い場合、排気空気と圧縮空気の間で熱交換しても圧縮空気を加熱できず、むしろ冷却する。従って、このように熱交換が不要な場合は、排気側熱交換部への排気空気の供給を遮断して熱交換を停止し、システム効率の低下を防止する。反対に、膨張機から排気される排気空気の温度が排気側熱交換部に供給される圧縮空気の温度よりも高い場合、排気空気と圧縮空気の間で熱交換して圧縮空気を加熱できる。従って、このように熱交換が必要な場合は、排気側熱交換部への排気空気の供給を許容して熱交換させる。このようにすることで、膨張効率の低下を防止できる。
【００１５】
前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を加熱する圧縮側熱交換部をさらに備え、前記熱媒タンクは、前記圧縮側熱交換部で熱交換して昇温した熱媒を貯蔵することが好ましい。
【００１６】
これにより、圧縮側熱交換部で圧縮機における圧縮熱を熱媒に回収して熱媒タンクに貯蔵できると共に、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とができる。このため、蓄圧タンクにおける熱放出を防止でき、システム効率を向上できる。
【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、前記電動機により駆動される圧縮機により空気を圧縮し、前記圧縮機により圧縮された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って複数の膨張機本体を有する多段型の膨張機を駆動し、前記膨張機により駆動される発電機により発電し、圧縮側熱交換部により前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換して熱媒を加熱し、前記圧縮側熱交換部で熱交換して昇温した熱媒を熱媒タンクに貯蔵し、膨張側熱交換部により前記熱媒タンクから供給される熱媒と前記膨張機に供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を加熱し、前記膨張機から排気される排気空気の温度が空気流路おいて最下流に設けられている前記膨張機本体に供給される圧縮空気の温度よりも所定の余裕値以上高い場合、排気側熱交換部により前記膨張機から排気される排気空気と最下流に設けられている前記膨張機本体に供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を加熱することを含む圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置において、膨張機から大気への排熱を最小限に抑制し、システム効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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】図１の圧縮空気貯蔵発電装置の空気流路における蓄圧タンクから外部へ排気するまで空気の温度変化を示すグラフ。
【図３】切替部の切り替え制御を示すフローチャート。
【図４】図１の圧縮空気貯蔵発電装置の膨張行程における圧力とエンタルピーの関係を示すｐ−ｈ線図。
【図５】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】
【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】
（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、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。
【００２２】
図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置２の構成を説明する。
【００２３】
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（実線矢印参照）。熱媒流路には、主に圧縮側熱交換部１２と、熱媒タンク１４と、膨張側熱交換部１６とが設けられており、これらが熱媒配管１８ａ，１８ｂ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（破線矢印参照）。
【００２４】
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２０ａ，２０ｂの発電に使用される。また、これらの間に空気流路内の空気は、圧縮側熱交換部１２において冷却され、膨張側熱交換部１６、排気側熱交換部２２、及びサブ熱交換部２４において加熱される。
【００２５】
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２６ａ，２６ｂを備える。モータ２６ａ，２６ｂ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２６ａ，２６ｂに供給されると、この電力によりモータ２６ａ，２６ｂ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２６ａ，２６ｂ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。
【００２６】
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２８ａが設けられており、必要に応じてバルブ２８ａ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。
【００２７】
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を通じて膨張側熱交換部１６を介して膨張機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。
【００２８】
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２８ｂが設けられており、必要に応じてバルブ２８ｂ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。
【００２９】
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２０ａ，２０ｂを備える。発電機２０ａ，２０ｂ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において空気配管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２０ｂ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２０ａ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（排気空気）を排気する。発電機２０ａ，２０ｂ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。
【００３０】
低圧段膨張機本体８ａの下流では、外部に通じる空気配管１０ｂから排気側熱交換部２２に通じる空気配管１０ｃが分岐している。空気配管１０ｂ，１０ｃには、バルブ（切替部）３０ａ，３０ｂが設けられている。バルブ３０ａ，３０ｂは、空気配管１０ｂ．１０ｃ内の空気の流れをそれぞれ許容又は遮断する。従って、低圧段膨張機本体８ａからの排気空気は、バルブ３０ａ，３０ｂにより流路を切り替え可能である。このため、低圧段膨張機本体８ａからの排気空気を外部に排気することなく、空気配管１０ｃを通じて排気側熱交換部２２に供給することもできる。
【００３１】
排気側熱交換部２２は、空気流路における上流の空気と下流の空気とで熱交換する。即ち、同じ流路内を流れる空気の上流と下流で熱交換する。排気側熱交換部２２は、高圧段膨張機本体８ｂから後述するサブ熱交換部２４に延びる空気配管１０ｂに設けられている。また、低圧段膨張機本体８ａからの排気空気が供給される空気配管１０ｃに設けられている。従って、排気側熱交換部２２は、高圧段膨張機本体８ｂで膨張後の圧縮空気と、低圧段膨張機本体８ａからの排気空気とで熱交換し、低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気を加熱している。熱交換後、空気配管１０ｃを通じて排気側熱交換部２２に供給された排気空気は、空気配管１０ｃを通じて外部へ排気される。
【００３２】
サブ熱交換部２４は、空気流路において排気側熱交換部２２から膨張側熱交換部１６（インターヒータ１６ｂ）に延びる空気配管１０ｂに設けられている。また、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、圧縮機４及び膨張機８のスクリュ等の回転に伴う図示しない軸受の潤滑に使用される潤滑油が流動する流路を備える（一点鎖線矢印参照）。この潤滑油は、図示しない軸受を潤滑するとともに、この軸受で発生する摩擦熱を回収して温度が上昇している。サブ熱交換部２４は、この潤滑油の熱を利用するように潤滑油流路（一点鎖線矢印参照）に設けられている。従って、サブ熱交換部２４は、排気側熱交換部２２で熱交換後に膨張側熱交換部１６（インターヒータ１６ｂ）に供給される圧縮空気と、軸受で発生する摩擦熱を回収して温度が上昇した潤滑油とで熱交換し、膨張側熱交換部１６（インターヒータ１６ｂ）に供給される圧縮空気を加熱している。サブ熱交換部２４での熱交換対象は、圧縮機４や膨張機８の軸受で摩擦熱を回収した潤滑油に限らず、その種類は限定されない。例えば、その対象は、モータ２６ａ，２６ｂや発電機２０ａ，２０ｂの電気ロスによる発熱を回収したその他の熱媒であってもよい。
【００３３】
高圧段膨張機本体８ｂから排気側熱交換部２２に延びる空気配管１０ｂには、圧縮空気温度センサ（圧縮空気温度検出部）３２が設けられている。圧縮空気温度センサ３２は、排気側熱交換部２２に供給される圧縮空気の温度を検出する。また、低圧段膨張機本体８ａから外部へ延びる空気配管１０ｂには、排気空気温度センサ（排気空気温度検出部）３４が設けられている。排気空気温度センサ３４は、低圧段膨張機本体８ａからの排気空気の温度を検出する。これらの温度センサ３２，３４で検出された温度値は、制御装置３６に出力される。制御装置３６は、ＣＡＥＳ発電装置２は、制御装置３６を備える。制御装置３６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３６は、後述するように、これらの温度値に基づいてバルブ３０ａ，３０ｂを切り替えて、排気空気に対する空気流路の切り替えを行う。
【００３４】
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４で発生した熱を圧縮側熱交換部１２で熱媒に回収し、熱媒タンク１４で昇温した熱媒を貯蔵し、膨張側熱交換部１６において膨張機８で膨張する前の圧縮空気に熱を戻している。熱媒流路を構成する熱媒配管１８ａ，１８ｂには、ポンプ３８ａ，３８ｂが設置されており、熱媒はポンプ３８ａ，３８ｂにより流され、それぞれの熱媒配管１８ａ，１８ｂ内を循環している。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。
【００３５】
圧縮側熱交換部１２は、インタークーラ１２ａと、アフタークーラ１２ｂとを備える。インタークーラ１２ａ及びアフタークーラ１２ｂは、圧縮機４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１２ａ及びアフタークーラ１２ｂでは、圧縮空気の温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。
【００３６】
インタークーラ１２ａは、空気流路において低圧段圧縮機本体４ａから高圧段圧縮機本体４ｂに延びる空気配管１０ａに設けられている。また、熱媒流路において膨張側熱交換部１６（インターヒータ１６ｂ）の下流に設けられている。従って、インタークーラ１２ａは、低圧段圧縮機本体４ａで圧縮後の昇温した圧縮空気と、膨張側熱交換部１６（インターヒータ１６ｂ）で熱交換して降温した熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体４ａ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１８ａを通じて第１熱媒タンク１４ａに供給される。
【００３７】
アフタークーラ１２ｂは、空気流路において高圧段圧縮機本体４ｂから蓄圧タンク６に延びる空気配管１０ａに設けられている。また、熱媒流路において膨張側熱交換部１６（プレヒータ１６ａ）の下流に設けられている。従って、アフタークーラ１２ｂは、高圧段圧縮機本体４ｂで圧縮後の圧縮空気と、膨張側熱交換部１６（プレヒータ１６ａ）で熱交換して降温した熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体４ａ及び高圧段圧縮機本体４ｂ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１８ｂを通じて第２熱媒タンク１４ｂに供給される。
【００３８】
第１熱媒タンク１４ａ及び第２熱媒タンク１４ｂは、本発明の熱媒タンク１４を構成している。第１熱媒タンク１４ａ及び第２熱媒タンク１４ｂは、貯蔵している熱媒の熱を外部に放出しないように断熱されていることが好ましい。また、本実施形態の熱媒タンク１４は、第１熱媒タンク１４ａ及び第２熱媒タンク１４ｂの２つのタンクを備えるが、熱媒タンク１４の構成はこれに限定されず、１つ又は３つ以上のタンクを備えてもよい。第１熱媒タンク１４ａ及び第２熱媒タンク１４ｂに貯蔵された熱媒は、熱媒配管１８ａ，１８ｂを通じてそれぞれ膨張側熱交換部１６（プレヒータ１６ａ、インターヒータ１６ｂ）に供給される。
【００３９】
膨張側熱交換部１６は、プレヒータ１６ａと、インターヒータ１６ｂとを備える。プレヒータ１６ａ及びインターヒータ１６ｂは、膨張機８に供給される圧縮空気を熱媒により加熱している。従って、プレヒータ１６ａ及びインターヒータ１６ｂでは、圧縮空気の温度は上昇し、熱媒の温度は低下する。
【００４０】
プレヒータ１６ａは、空気流路において蓄圧タンク６から高圧段膨張機本体８ｂに延びる空気配管１０ｂに設けられている。また、熱媒流路において第１熱媒タンク１４ａの下流に設けられている。従って、プレヒータ１６ａは、蓄圧タンク６から高圧段膨張機本体８ｂに供給される圧縮空気と、第１熱媒タンク１４ａから供給される熱媒とで熱交換し、高圧段膨張機本体８ｂに供給される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１８ａを通じて圧縮側熱交換部１２（インタークーラ１２ａ）に供給される。
【００４１】
インターヒータ１６ｂは、空気流路においてサブ熱交換部２４から低圧段膨張機本体８ａに延びる空気配管１０ｂに設けられている。また、熱媒流路において第２熱媒タンク１４ｂの下流に設けられている。従って、インターヒータ１６ｂは、サブ熱交換部２４で熱交換後の圧縮空気と、第２熱媒タンク１４ｂから供給される熱媒とで熱交換し、低圧段膨張機本体８ａに供給される空気を加熱している。ここで降温した熱媒は、熱媒配管１８ｂを通じて圧縮側熱交換部１２（アフタークーラ１２ｂ）に供給される。
【００４２】
このように、熱媒は、熱媒配管１８ａ，１８ｂを通じて、圧縮側熱交換部１２、熱媒タンク１４、及び膨張側熱交換部１６の間を循環している。第１熱媒タンク１４ａと第２熱媒タンク１４ｂを分けて設けていることで温度別に熱媒を貯蔵できる。本実施形態では、第１熱媒タンク１４ａと第２熱媒タンク１４ｂでは、２段階の圧縮のうち高圧段側の圧縮熱を回収している第２熱媒タンク１４ｂに貯蔵された熱媒の方が温度が高い。膨張側熱交換部１６において、第２熱媒タンク１４ｂ内の高温の熱媒で低圧段膨張機本体８ａに流入する圧縮空気を加熱しているため、図４を使用して後に説明するように、システム効率を高く維持できる。
【００４３】
図２は、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の空気流路における蓄圧タンク６から外部へ排気されるまでの空気の温度変化を示すグラフである。縦軸は空気温度、横軸は空気流路の対応する点Ｐ１から点Ｐ８（図１参照）を示している。
【００４４】
図１及び図２を参照して、点Ｐ１における温度Ｔ１は、蓄圧タンク６から供給された圧縮空気の温度を示している。点Ｐ１から点Ｐ２では、プレヒータ１６ａで加熱され、温度Ｔ１から温度Ｔ２に上昇する。点Ｐ２から点Ｐ３では、低圧段膨張機本体８ａで膨張され、膨張吸熱により温度Ｔ２から温度Ｔ３に低下する。点Ｐ３から点Ｐ４では、排気側熱交換部２２で加熱され、温度Ｔ３から温度Ｔ４に上昇する。点Ｐ４から点Ｐ５では、サブ熱交換部２４で加熱され、温度Ｔ４から温度Ｔ５に上昇する。点Ｐ５から点Ｐ６では、インターヒータ１６ｂで加熱され、温度Ｔ５から温度Ｔ６に上昇する。点Ｐ６から点Ｐ７では、低圧段膨張機本体８ａで膨張され、膨張吸熱により、温度Ｔ６から温度Ｔ７に低下する。そして温度Ｔ７の空気が外部に排出されるか、又は排気側熱交換部２２で冷却され、温度Ｔ７から温度Ｔ８に低下する。
【００４５】
図３に示すように、制御装置３６により、バルブ３０ａ，３０ｂの開閉の切り替えが行われる。運転が開始されると、膨張機８からの排気空気の温度Ｔ７が排気側熱交換部２２に供給される圧縮空気の温度Ｔ７よりも所定の余裕値Ｔｄ以上高い場合、バルブ３０ａを閉じ、バルブ３０ｂを開く。そして、排気側熱交換部２２に空気配管１０ｃを通じて排気空気を供給する。従って、この場合、排気側熱交換部２２で熱交換が行われ、低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気を加熱して膨張効率を向上できる。そうでない場合、排気側熱交換部２２で熱交換すると、低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気を冷却し、膨張効率が低下する。従って、膨張効率の低下を防止するため、バルブ３０ｂを閉じ、バルブ３０ａを開き、排気側熱交換部２２に膨張機８からの排気空気を供給せず、空気配管１０ｂを通じて外部に排気空気を排気する。ここで所定の余裕値Ｔｄは、個々の温度センサ３２，３４の測定誤差や空気配管１０ｂ，１０ｃ内を流動する際の空気の温度変化等を考慮するために設けた余裕値である。従って、この余裕値Ｔｄは、個々の熱交換部１２，１６，２２，２４の性能やシステム運用などから個別に決定される。ただし、この余裕値Ｔｄは必ずしも設定する必要はなく、例えばゼロとしてもよい。
【００４６】
以上の構成により、膨張機８から排気される排気空気の排熱を膨張前の圧縮空気の加熱に利用することでシステム効率を向上できる。具体的には、膨張機８から排気される排気空気と、これよりも温度が低い低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を加熱することで、膨張前の圧縮空気の温度を上昇でき、膨張効率を向上できる。
【００４７】
また、空気流路おいて最下流に設けられている膨張機本体は、他の膨張機本体に比べて膨張仕事量が大きいため、この最下流の膨張機本体に供給される圧縮空気を加熱して温度上昇させることは、膨張効率を向上させるために特に有効である。
【００４８】
図４を参照して、ｐ−ｈ線図において、点Ｐ１から点Ｐ８は図１及び図２の点Ｐ１から点Ｐ８に対応している。点Ｐ１から点Ｐ８までの状態移行の説明については図２の場合と同様である。本実施形態の最下流に設けられている低圧段膨張機本体８ａは、ｐ−ｈ線図の等エントロピー変化を想定した膨張行程（点Ｐ６から点Ｐ７）において、他の低圧段膨張機本体８ａの膨張行程（点Ｐ２から点Ｐ３）に比べて等エントロピー線の傾斜が小さい。従って、この等エントロピー線の傾斜が小さい膨張行程の方が同じ圧力の低下に対してもエンタルピーの減少が大きいため、より大きな熱エネルギーを供給することで膨張仕事量を増大できる。
【００４９】
また、温度等の条件により、排気側熱交換部２２における熱交換が不要な場合は、空気の供給を遮断し、必要な場合は空気の供給を許容することができる。具体的には、膨張機８から排気される排気空気の温度が排気側熱交換部２２に供給される圧縮空気の温度よりも低い場合、両空気間で熱交換しても圧縮空気を加熱できず、むしろ冷却する。従って、このように熱交換が不要な場合は、排気側熱交換部２２への排気空気の供給を遮断してシステム効率の低下を防止する。反対に、膨張機８から排気される排気空気の温度が排気側熱交換部２２に供給される圧縮空気の温度よりも高い場合、両空気間で熱交換して圧縮空気を加熱できる。従って、このように熱交換が必要な場合は、排気側熱交換部２２への排気空気の供給を許容する。このようにすることで、膨張効率の低下を防止できる。
【００５０】
（第２実施形態）
図５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、空気流路において排気側熱交換部２２とサブ熱交換部２４の順序が入れ替わってい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。
【００５１】
排気側熱交換部２２では、第１実施形態と同様に、同じ空気流路における上流の空気と下流の空気とで熱交換する。排気側熱交換部２２は、サブ熱交換部２４からインターヒータ１６ｂに延びる空気配管１０ｂに設けられている。また、低圧段膨張機本体８ａから排気された空気が供給される空気配管１０ｃに設けられている。従って、排気側熱交換部２２は、サブ熱交換部２４で熱交換後の圧縮空気と、低圧段膨張機本体８ａから吐出された排気空気とで熱交換し、インターヒータ１６ｂに供給される圧縮空気を加熱している。空気配管１０ｃを通じて排気側熱交換部２２に供給された排気空気は、熱交換後に外部へ排気される。
【００５２】
サブ熱交換部２４から排気側熱交換部２２に延びる空気配管１０ｂには、圧縮空気温度センサ３２が設けられている。圧縮空気温度センサ３２は、排気側熱交換部２２に供給される空気の温度を検出する。また、低圧段膨張機本体８ａから外部へ延びる空気配管１０ｂには、排気空気温度センサ３４が設けられている。排気空気温度センサ３４は、低圧段膨張機本体８ａから排気される排気空気の温度を検出する。これらの温度センサ３２，３４で検出された温度値は、制御装置３６に出力される。制御装置３６は、これらの温度値に基づいて第１実施形態と同様にバルブ３０ａ，３０ｂを切り替えて、排気空気の流動先を切り替える。
【００５３】
サブ熱交換部２４は、空気流路において高圧段膨張機本体８ｂから排気側熱交換部２２に延びる空気配管１０ｂに設けられている。また、第１実施形態と同様に、図示しない潤滑油の熱を利用するように潤滑油流路に設けられている。従って、サブ熱交換部２４は、高圧段膨張機本体８ｂでの膨張後に排気側熱交換部２２に供給される圧縮空気と、図示しない軸受で発生する摩擦熱を回収して温度が上昇した潤滑油とで熱交換し、排気側熱交換部２２に供給される圧縮空気を加熱している。第１実施形態と同様に、サブ熱交換部２４での熱交換対象は潤滑油に限定されない。
【００５４】
本実施形態は、膨張機８からの排気空気の温度がサブ熱交換部２４に供給される潤滑油の温度よりも低い場合に採用される。本実施形態の構成とすることで、空気流路において低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気の温度を順に昇温させることができる。従って、低温の熱源からの熱も無駄にすることなく温度上昇に寄与させることができ、システムの効率をより向上できる。また、空気流路において低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気の温度を順に昇温させる観点から、膨張機８からの排気空気の温度がサブ熱交換部２４に供給される潤滑油の温度よりも高い場合、第１実施形態を採用する。
【００５５】
全実施形態を通じて、バルブ３０ａ，３０ｂの開閉は、温度センサ３２，３４での検出値以外に基づいて制御されてもよい。例えば、蓄圧タンク６に内部の圧縮空気の圧力を検出する圧力センサを設置し、この圧力センサで検出した圧力値に基づいてバルブ３０ａ，３０ｂの開閉を制御してもよい。これは蓄圧タンク６内の圧力値と、温度センサ３２，３４で検出する温度値には相関があるためである。この場合、蓄圧タンク６に設置した図示しない圧力センサが本発明の圧縮空気温度検出部及び排気空気温度検出部を構成する。
【００５６】
また、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】
【００５７】
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，４ｅ  吸気口
４ｄ，４ｆ  吐出口
６  蓄圧タンク
８  膨張機
８ａ  低圧段膨張機本体（膨張機本体）
８ｂ  高圧段膨張機本体（膨張機本体）
８ｃ，８ｅ  給気口
８ｄ，８ｆ  排気口
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  空気配管
１２  圧縮側熱交換部
１２ａ  インタークーラ
１２ｂ  アフタークーラ
１４  熱媒タンク
１４ａ  第１熱媒タンク
１４ｂ  第２熱媒タンク
１６  膨張側熱交換部
１６ａ  プレヒータ
１６ｂ  インターヒータ
１８ａ，１８ｂ  熱媒配管
２０ａ，２０ｂ  発電機
２２  排気側熱交換部
２４  サブ熱交換部
２６ａ，２６ｂ  モータ（電動機）
２８ａ，２８ｂ  バルブ
３０ａ，３０ｂ  バルブ（切替部）
３２  圧縮空気温度センサ（圧縮空気温度検出部）
３４  排気空気温度センサ（排気空気温度検出部）
３６  制御装置
３８ａ，３８ｂ  ポンプ
【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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