(57)【要約】  圧縮空気エネルギ貯蔵システム（１）が説明されている。システムは、空気の流れを圧縮するための第１の圧縮機装置（３）と、それを介して第１の圧縮機装置（３）からの圧縮空気が熱蓄積手段に対して熱を交換する、熱エネルギ貯蔵ユニット（１３）と、熱エネルギ貯蔵ユニット（１３）からの圧縮空気を受容及び蓄積するために配置及び設定された空気貯蔵デバイス（１７）と、空気貯蔵デバイス（１７）からの圧縮空気を受容してそれから有用な力を作り出すための少なくとも１つの膨張機（２１）と、を含む。別の圧縮機装置（１５）が、熱エネルギ貯蔵ユニット（１３）と空気貯蔵デバイス（１７）の間に位置している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気エネルギ貯蔵システム（１）であって、
空気の流れを圧縮するための第１の圧縮機装置（３）と、
前記第１の圧縮機装置（３）からの圧縮空気が熱蓄積手段に対して熱を交換する、熱エネルギ貯蔵ユニット（１３）と、
前記熱エネルギ貯蔵ユニット（１３）からの圧縮空気を受容及び蓄積するために配置及び設定された空気貯蔵デバイス（１７）と、
前記空気貯蔵デバイス（１７）からの圧縮空気を受容してそれから有用な力を作り出すための少なくとも１つの膨張機（２１）と、を含み、
別の圧縮機装置（１５）は、前記熱エネルギ貯蔵ユニット（１３）と前記空気貯蔵デバイス（１７）の間に位置している、圧縮空気エネルギ貯蔵システム。
【請求項２】
圧縮空気送達配管（１８）は、前記空気貯蔵デバイス（１７）を前記少なくとも１つの膨張機（２１）に連結し、前記圧縮空気送達配管（１８）は、前記エネルギ貯蔵ユニット（１３）と熱交換関係にあり、これにより、前記空気貯蔵デバイス（１７）からの圧縮空気は、前記膨張機（２１）に入る前に熱蓄積手段から熱を受容する、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの膨張機（２１）からのある程度膨張した空気と燃料とを受容すると共に圧縮された燃焼ガスを作り出すために配置された燃焼器と、前記燃焼ガスを受容するガスタービンであって、前記燃焼ガスを膨張させてそれと共に有用な力を作り出すために配置されたガスタービンと、をさらに含む、請求項１又は２記載のシステム。
【請求項４】
安全冷却器（１９）は、前記別の圧縮機装置（１５）と空洞（１７）の間に配置される、請求項１、２又は３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の圧縮機装置（３）は、複数の連続配置した圧縮機（５、７、９他）を含み、その間に中間冷却器を配置していない、前記請求項のいずれか１項記載のシステム。
【請求項６】
第１の電気機械（２３）は、前記第１の圧縮機装置（３）を駆動するために設けられ、第２の電気機械（１６）は、前記別の圧縮機装置（１５）を駆動するために設けられる、前記請求項のいずれか１項記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の電気機械（２３）は、システムの電気エネルギ発生モード中に発生機として動作するために配置及び設定された可逆電気機械であり、クラッチ装置（２７、２９）は、前記第１の電気機械（２３）を、前記第１の圧縮機装置（３）と前記少なくとも１つの膨張機（２１）とに選択的に機械式に連結するために設けられる、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
速度操作デバイス（３５）は、前記第１の電気機械（２３）と前記第１の圧縮機装置（３）の間に配置される、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記第１の圧縮機装置（３）は、前記第１の電気機械（２３）によって回転駆動される共通の軸系（１１）に沿った複数の連続配置した圧縮機（５、７、９）を含む、請求項７又は８記載のシステム。
【請求項１０】
前記第２の電気機械（１６）を可変速度で制御する可変周波数ドライバ（３７）をさらに含む、請求項７、８又は９記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１の圧縮機装置（３）は、複数の圧縮機列（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ）を含み、
各圧縮機列（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ）は、少なくとも１つの圧縮機（５Ａ他）と、関連した圧縮機を回転駆動する少なくとも１つの電気機械（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ）と、を含み、
前記電気機械（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ）のうちの少なくとも１つは、可逆電気機械であり、システムが電力発生モードで動作するときに電気発生機として動作し、
別の電気機械（１６）は、前記別の圧縮機装置（１５）を回転駆動する、前記請求項のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１２】
各圧縮機列（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ）は、関連した電気機械（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ）と、関連した圧縮機列（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ）の圧縮機（５Ａ他）を回転駆動する軸系（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）と、の間に配置された少なくとも１つの速度操作デバイス（３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ）を含む、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の圧縮機装置（３）及び前記別の圧縮機装置（１５）は、単一の電気機械（２３）によって回転駆動される、請求項１乃至５のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１４】
第１の速度操作デバイス（３５）は、前記単一の電気機械（２３）と前記第１の圧縮機装置（３）の間に配置される、請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
第２の速度操作デバイス（３６）は、前記単一の電気機械（２３）と前記別の圧縮機装置（１５）の間に配置される、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記単一の電気機械（２３）は、前記第１の圧縮機装置（３）の共通軸（１１）の一方端に位置し、
前記別の圧縮機装置（１５）は、前記第１の圧縮機装置（３）の前記共通軸（１１）の他方端に位置している、請求項１３、１４又は１５記載のシステム。
【請求項１７】
第１の速度操作デバイス（３５）は、前記電気機械（２３）と前記共通軸（１１）の前記一方端の間に配置され、第２の速度操作デバイス（３６）は、前記共通軸（１１）の前記他方端と前記別の圧縮機装置（１５）の間に配置される、請求項１６記載のシステム。
【請求項１８】
前記単一の電気機械（２３）は、電気モータとして及び電気発生機として選択的に動作するために設定及び構成された可逆機械であり、クラッチ装置（２７、２９）は、前記単一の電気機械（２３）を、前記第１の圧縮機装置（３）又は前記少なくとも１つの膨張機（２１）に選択的に連結するために設けられる、請求項１３乃至１７のいずれか１項記載のシステム。
【請求項１９】
圧縮空気エネルギ貯蔵システム（１）を動作させるための方法であって、
第１の圧縮機装置（３）によって空気流を第１の圧力に圧縮するステップと、
前記第１の圧力の圧縮空気が熱エネルギ貯蔵ユニット（１３）を貫流し、前記圧縮空気から熱を除去して前記熱エネルギ貯蔵ユニット（１３）の中に熱エネルギを貯蔵するステップと、
前記熱エネルギ貯蔵ユニット（１３）からの冷却した圧縮空気を第２の圧力にさらに圧縮するステップと、
前記さらに圧縮した空気を空気貯蔵デバイス（１７）の中に貯蔵するステップと、を含む方法。
【請求項２０】
前記空気貯蔵デバイス（１７）からの圧縮空気を前記熱エネルギ貯蔵ユニット（１３）の中に送達して、前記熱エネルギ貯蔵ユニット（１３）からの熱エネルギによって前記圧縮空気を加熱するステップと、前記加熱した圧縮空気を少なくとも１つの膨張機（２１）の中で膨張させて、それから有用なエネルギを作り出すステップと、をさらに含む、請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、短くＣＡＥＳ（ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ−ａｉｒ  ｅｎｅｒｇｙ−ｓｔｏｒａｇｅ）システムとも呼ばれる圧縮空気エネルギ貯蔵システムに関する。本開示はまた、ＣＡＥＳシステムを使用するエネルギの貯蔵及び電気エネルギの生産のための方法にも言及する。より具体的には、本発明は、先進的断熱ＣＡＥＳシステム（ＡＡＣＡＥＳ）とも称されている、いわゆる断熱ＣＡＥＳシステム（ＡＣＡＥＳ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＡＥＳ電力プラント又はシステムは、エネルギの利用を最適化するための手段として一般的に使用されている。当業者には公知であるように、配電網の要求する電力は、日中の電力要求と夜間の低下した電力要求のピークに応じて様々である。大型の蒸気電力プラント又は再生可能電力プラントは、電力を量的に生産するが、それを任意に変えることはできない。これによって、夜間に配電網で利用可能な電力が過剰となり、ピーク時間中に電力不足が生じる。ガスタービン、特に航空機転用ガスタービン、を使用する小型の電力プラントは、電力要求のピークをカバーするために実施されてきた。こういったプラントは、２４時間の間の変わりやすい電力要求に応じて作動と停止が可能である。それにもかかわらず、夜間に過剰に生産されるエネルギを貯蔵し、貯蔵したエネルギを再生してピーク時間中の電力の生産を増大させるために、さらに別の手段が対処されなければならない。この目的のために使用される手段のうちの１つは、ＣＡＥＳ技術である。これらのシステムは通常、１つ又は複数の圧縮機を有する圧縮機列を含み、それは、夜間の間に、すなわち、必要な電力が配電網で利用可能なものよりも少ないときに、配電網からの電力によって駆動される。したがって、配電網から利用可能な余剰電力は、貯蔵した圧縮空気の圧縮エネルギに変化される。
【０００３】
次いで、圧縮空気は、配電網からのピーク電力要求をカバーするために日中に利用され、圧縮空気を適切な圧力まで膨張させると共に燃焼室内で空気／燃料混合物を燃焼させて、電気を発生させるためにタービン内で膨張する燃焼ガスを生成する。
【０００４】
こういったプラントによる環境への影響を低減するために、いわゆる断熱又は先進的断熱圧縮空気エネルギ貯蔵システム（ＡＣＡＥＳ又はＡＡＣＡＥＳ）が開発された。ＡＣＡＥＳ又はＡＡＣＡＥＳシステムは、蓄積したエネルギを電力に変換するために、化石燃料を利用しない。むしろ、それらは、空気の圧縮処理によって発生する熱を貯蔵し、この熱を再生して、１つ又は複数の膨張機を介して圧縮空気を膨張させる前に空気温度を上昇させる。
【０００５】
図１では、現行技術に従ったＡＡＣＡＥＳ又はＡＣＡＥＳシステムが図解的に示されている。ＡＣＡＥＳシステムは、全体が１００で表示されている。システムは、圧縮機列１０１を含み、図１に示す例示的な実施形態では、共通の軸系１０９を有する３つの直列配置の圧縮機１０３、１０５、１０７を含む。圧縮機入口１０３Ｉで第１の圧縮機１０３に入る空気は、増加する圧力値で連続して圧縮され、最後の圧縮機１０７の出口１０７Ｅにおいて最終的に送達される。少なくとも２つの連続配置された圧縮機の間、この例では、圧縮機１０３と圧縮機１０５の間には、中間冷却器１１１が配置される。中間冷却器は、熱交換器であって、上流の圧縮機から送達されたある程度圧縮した空気が、次の圧縮機に入る前に冷却され、これにより、処理されている空気量は、熱をそこから除去することによって減少する。熱は、周囲の空気、水又は任意の他の冷却媒体に対する熱交換によって除去される。ある程度圧縮した空気から熱を除去することにより、圧縮機列１０１を駆動するのに要する機械力は量的に減少する。
【０００６】
１０７Ｅで圧縮機列から出て行く圧縮空気は、熱エネルギ貯蔵装置（ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｎｅｒｇｙ  ｓｔｏｒａｇｅ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）１１３を貫流し、そこでは熱が、圧縮空気流から除去され、適切な熱エネルギ貯蔵媒体、例えば、岩などの固体の熱貯蔵媒体、或いは、オイル、圧縮水又はグリコールなどの液体の熱貯蔵媒体、の中に貯蔵される。幾つかの公知の実施形態では、熱は、固体から液体への相変化を受けて潜在的な液化熱の形態で熱エネルギを蓄積するように選択される熱貯蔵媒体の中に貯蔵される。
【０００７】
冷却された空気は、安全冷却器１１５を介して最終的に送達され、空気貯蔵デバイス、例えば、空洞（ｃａｖｅｒｎ）１１７、の中に貯蔵される。図１の図解では、空気の流れの例示的な圧力値と温度値が示されている。これらの値は、例として与えられているに過ぎない。第１の圧縮機１０３から出て行く空気は、７バール（ｂａｒ）の圧力値と、２５０°Ｃの温度値を有することがあり、第２の圧縮機１０５に入る前に中間冷却器１１１内で１８０°Ｃまで冷却される。空気圧力は、最後の圧縮機１０７又は圧縮機列１０１によって処理される前に、第２の圧縮機１０５によって２８バールまで増加され、４５０°Ｃの温度に達し、それの送達側において、空気は、６５バールの圧力と６５０°Ｃの温度に達することがある。熱エネルギ貯蔵ユニット内での冷却後において、空気は、７０°Ｃの温度と、熱エネルギ貯蔵ユニット全体の圧力降下が無視できる場合に熱エネルギ貯蔵ユニットの入口側におけると実質上同じ圧力と、を有することがある。
【０００８】
圧縮機列１０１は、第１のクラッチ１２１を介して軸系１０９に選択的に連結可能である可逆電気機械１１９によって駆動することができる。可逆電気機械１１９は、余剰電力が配電網Ｇから利用可能であるときに、モータモードで動作する。例えば、可逆電気機械１１９は、夜間にモータモードで動作することができ、これにより、配電網Ｇからの電力は、熱エネルギ貯蔵ユニット内に蓄積される熱出力と、圧縮空気貯蔵デバイス１１７内に圧縮空気の形態で蓄積される圧力エネルギと、に変換される。電力が配電網Ｇから利用可能でないとき、第１のクラッチ１２１は、係合を解除される場合があり、可逆電気機械１１９は、静止したままである場合がある。
【０００９】
配電網Ｇから追加電力が必要である場合、可逆電気機械１１９は、発生機モードに切り換えられて、第２のクラッチ１２３を介して膨張機１２５に連結することができる。次いで、空気貯蔵デバイス１１７からの圧縮空気は、熱エネルギ貯蔵ユニットを介して膨張機１２５に送達することができる。空気貯蔵デバイス１１７からの圧縮空気は、熱エネルギ貯蔵ユニット内で、熱エネルギ貯蔵ユニット１１３の熱貯蔵媒体と熱を交換することによって、例えば、６５０°Ｃまで加熱される。加熱した圧縮空気は、膨張機１２５内で膨張して、この加熱した圧縮空気流中の利用可能な力の少なくとも一部が有用な機械力に変換され、それは可逆電気機械１１９を駆動し、これにより電力が生産されて、配電網Ｇに最終的に投入される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】独国特許出願公開１０２０１１１１２２８０号明細書
【発明の概要】
【００１１】
圧縮空気エネルギ貯蔵システムの効率は、圧縮段階を第１の圧縮ステップと第２の圧縮ステップに分割することによって向上する。ＣＡＥＳシステムが空気圧縮モードで動作しているとき、第１の圧縮ステップの後で第２の圧縮ステップの前において、熱は、このある程度圧縮した空気から除去される。このある程度圧縮した空気から除去される熱は、熱エネルギ貯蔵ユニットの中に蓄積され、そこから熱エネルギは、ＣＡＥＳシステムがエネルギ生産モードで動作するときに、再生される。
【００１２】
２つの連続配置された圧縮機間の空気の流れを中間冷却することは、省略して、熱除去及び貯蔵の段階と入れ替えることができ、それにより、もっと多くの熱エネルギが、ＣＡＥＳシステムのエネルギ生産モードにおいてその後の再利用のために、利用可能である。
【００１３】
圧縮機を駆動するのに必要な力は、現行技術の装置に関して軽減される。
【００１４】
幾つかの実施形態では、中間冷却器は、第１の圧縮機装置と第２の圧縮機装置の間に配置された熱エネルギ貯蔵ユニットと組み合わせて、例えば、第１の圧縮機装置の後に配置された圧縮機の間に設けることが依然として可能である。
【００１５】
したがって、幾つかの実施形態によれば、本明細書中に開示した主題は、特に、圧縮空気エネルギ貯蔵システムに関係し、このシステムは、空気の流れを圧縮するための第１の圧縮機装置と、それを介して第１の圧縮機装置からの圧縮空気が熱蓄積手段に対して熱を交換する、熱エネルギ貯蔵ユニットと、熱エネルギ貯蔵ユニットからの圧縮空気を受容及び蓄積するために配置及び設定された空気貯蔵デバイスと、加熱した圧縮空気から有用な力を作り出すための少なくとも１つの膨張機と、を含む。システムは、加えて、熱エネルギ貯蔵ユニットと空気貯蔵デバイスの間に位置している別の圧縮機装置を含む。熱蓄積手段は、ある程度圧縮した空気流から除去した熱エネルギを蓄積及び貯蔵することができかつこの蓄積した熱エネルギを低温の空気等の流れに送達することができる、任意のデバイス、物質、装置等にすることができる。
【００１６】
膨張機は、空気膨張機を含むことができ、そこでは加熱した圧縮空気が機械力を作り出すために膨張する。膨張機は、ガスタービンを含むこともでき、そこでは加熱した圧縮空気を燃料と混ぜて燃焼させることによって燃焼ガスが生成される。一般に、異なったことが示されていない限り、本開示及び添付の特許請求の範囲の文脈において、膨張機という用語は、圧縮性流体の流れの熱及び圧力エネルギの少なくとも一部を、前記流れの膨張によって、有用な機械エネルギに変換することができる機械として解釈するものとする。
【００１７】
幾つかの実施形態では、ＣＡＥＳシステムのエネルギ生産動作モードの間に熱エネルギ貯蔵ユニットによって送達される加熱した圧縮空気は、燃料を使用しないで空気流の圧力及び熱エネルギを有用な機械エネルギに変換する少なくとも１つ又は複数の膨張機の中で全体的に膨張することができる。有用な機械エネルギはさらに、電気発生機又は可逆電気機械によって電気エネルギに変換することができる。このケースのＣＡＥＳシステムは、いわゆる断熱又は先進的断熱ＣＡＥＳシステム（ＡＡＣＡＥＳ又はＡＣＡＥＳシステム）である。
【００１８】
他の実施形態では、燃料は、加熱した圧縮空気流に追加することができ、燃料と空気の混合物は、高温の加圧燃焼ガスを生成するために発火させることができ、有用な機械力を作り出すために１つ又は複数のタービンの中で膨張することができる。１つ又は複数の空気膨張機と１つ又は複数のガスタービンとを組み合わせることも考えることができる。高温の加圧空気は、空気膨張機内である程度膨張することができ、次いで、ある程度膨張した依然高温の空気は、燃料と混合して、高温の加圧燃焼ガスを生成するために発火され、このガスは、１つ又は複数のガスタービンの中で膨張する。
【００１９】
両方の場面において、総システム効率に関する利点は、本明細書中に開示した装置によって達成することができる。
【００２０】
幾つかの実施形態によれば、第１の圧縮機装置は、複数の連続配置した圧縮機を含み、その間に中間冷却器を配置していない。第２の圧縮機装置は、１つ又は複数の連続配置した圧縮機を含むことができる。安全熱交換器は、最後の圧縮機と圧縮空気貯蔵デバイスの間に配置することができる。
【００２１】
幾つかの実施形態では、第１の電気機械は、第１の圧縮機装置を駆動するために設けることができ、第２の電気機械は、別の圧縮機装置を駆動するために設けることができる。速度操作デバイスは、前記電気機械のうちの一方又は前記電気機械の双方のために設けることができる。
【００２２】
幾つかの実施形態では、例えば、ギアボックスは、第１の電気機械及び／又は第２の電気機械と、第１の圧縮機装置又は別の圧縮機装置の圧縮機のうちの少なくとも１つと、の間に設けることができる。
【００２３】
幾つかの実施形態では、可変周波数ドライバは、前記電気機械の一方又は双方のために設けることができ、これにより、その回転速度は、例えば、吸込み圧力及び送達圧力などの動作条件に応じて変化させることができる。
【００２４】
他の実施形態では、単一の電気機械は、システムの圧縮機全部を回転駆動するために使用することができる。適切なギアボックス（複数）は、圧縮機の回転速度を修正するために設けることができる。
【００２５】
圧縮機（複数）を駆動するために使用される電気機械のうちの少なくとも１つは、圧縮機（複数）又は膨張機に選択的に駆動連結することができる可逆電気機械にすることができる。他の実施形態では、別個の電気機械は、圧縮機（複数）をそれぞれ駆動して、膨張機によって生成された機械エネルギを変換するために使用することができる。
【００２６】
別の態様によれば、本開示は、圧縮空気エネルギ貯蔵システムを動作させるための方法にも関しており、この方法は、
空気流を第１の圧力にある程度圧縮するステップと、
ある程度圧縮した空気から熱を除去して熱エネルギを貯蔵するステップと、
冷却したある程度圧縮した空気を第２の圧力にさらに圧縮するステップと、
さらに圧縮した空気を空気貯蔵デバイスの中に貯蔵するステップと、を含む。
【００２７】
本方法は、貯蔵した熱エネルギを介して、冷却された圧縮空気を加熱するステップと、加熱した圧縮空気を少なくとも１つの膨張機の中で膨張させて、それから有用なエネルギを作り出すステップと、をさらに含む。
【００２８】
特徴と実施形態については、以下に開示すると共に、本説明の不可欠な部分を形成する添付の特許請求の範囲の中にさらに記載する。上記の簡潔な説明は、本発明の様々な実施形態の特徴を記載しており、それは、後続する詳細な説明が良好に理解できるようにするためであり、また、当技術分野に対する本寄与が良好に評価できるようにするためである。もちろん、本発明の特徴は他に存在し、それらについては、以下に記載すると共に添付の特許請求の範囲の中に記載する。この点に関して、本発明の幾つかの実施形態を詳細に解説する前に、本発明の様々な実施形態が、その適用において、その構造の詳細に、また、後続する説明に記載した又は図面に描いた構成要素の配置に、限定されないということを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、様々なやり方で実行及び実施することが可能である。また、本明細書中に用いた言葉づかいや用語は、説明の目的のためであって、限定であるとみなすべきではない、と理解すべきである。
【００２９】
そういうことで、本開示の基礎になる概念は、本発明の幾つかの目的を達成するために他の構造、方法、及び／又はシステムを設計するための基礎として容易に活用できる、と当業者なら理解するであろう。したがって、特許請求の範囲は、本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、そういった均等な構成を含んでいる、と考えることが重要である。
【００３０】
本発明の開示した実施形態のより完全な認識及びその多くの付随した利点は、添付図面に関連して検討するときに以下の詳細な説明を参照することによって良好に理解されると同様に容易に取得されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】現行技術に従ったＡＡＣＡＥＳ又はＡＣＡＥＳシステムを図解的に示す図である。
【図２】本開示に従ったＡＣＡＥＳシステムを図解的に示す図である。
【図３】本開示に従ったＡＣＡＥＳシステムに使用された圧縮機列の例示的な実施形態を図解的に示す図である。
【図４】本開示に従ったＡＣＡＥＳシステムに使用された圧縮機列の例示的な実施形態を図解的に示す図である。
【図５】本開示に従ったＡＣＡＥＳシステムに使用された圧縮機列の例示的な実施形態を図解的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下の例示的な実施形態の詳細な説明は、添付図面を参照している。異なる図面中の同じ参照符号は、同じ又は類似の要素を特定している。加えて、図面は、必ずしも縮尺通り描いていない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付した特許請求の範囲によって画定される。
【００３３】
本明細書全体にわたる「１つの実施形態」又は「実施形態」或いは「幾つかの実施形態」という引用は、実施形態に関連して説明した特定の特徴、構造、又は特性が、開示した主題に関する少なくとも１つの実施形態に含められることを意味する。したがって、本明細書全体にわたって様々な箇所に出現する用語「１つの実施形態では」又は「実施形態では」或いは「幾つかの実施形態では」は、必ずしもその実施形態と同じものを指してはいない。さらに、特定の特徴、構造又は特性については、１つ又は複数の実施形態において任意の適切な形式で組み合わせることができる。
【００３４】
以下の説明では、本主題の実施形態は、ＡＣＡＥＳ又はＡＡＣＡＥＳシステムに関連して記載される。しかしながら、本明細書中に開示した主題によって提供される利点については、圧縮空気が部分的に膨張しその後に燃料と混合して圧縮燃焼ガスが生成されてそれがガスタービン中で膨張してさらに有用な力を生み出すＣＡＥＳシステムにおいて使用されるときでも取得することができると理解されよう。
【００３５】
図２を参照すると、本開示に従ったＡＣＡＥＳシステムの例示的な実施形態については、図解的に示され、全体が１で表示されている。ＡＣＡＥＳシステム１は、配電網Ｇから利用可能な余剰電力を用いて周囲空気を圧縮する圧縮機又は圧縮機列３を含むことができる。
【００３６】
幾つかの実施形態では、圧縮機列３は、複数の連続配置された圧縮機５、７及び９を含む。他の実施形態（図示せず）では、単一の圧縮機を設けることができる。さらに別の実施形態では、後述するように、１より多い圧縮機列３が並列に設けられ、空気流量をより多く処理することができる。
【００３７】
圧縮機５、７及び９は、単一の軸系１１によって連結することができる。
【００３８】
周囲空気は、第１の圧縮機５によって取り込まれて、第１の圧力値まで処理及び圧縮され、その後に、中間冷却を行うことなく第２の圧縮機７に送達される。第２の圧縮機７は、第２の圧力値まで空気の流れを処理し、この圧縮空気の流れを、中間で中間冷却を行うことなく第３の圧縮機９の入口に送達する。圧縮機列の中には、異なった数の圧縮機、例えば、２つの或いは３つより多い圧縮機又は圧縮機ステージを設けることができる。いずれにしても、圧縮機列３の連続配置された圧縮機の間には、中間冷却器が設けられないことが好ましい。
【００３９】
図２には、各圧縮機５、７及び９の吸込み側と送達側における例示的な圧力値と温度値が示されている。これらの値は、単なる例示であり、本開示の範囲を限定するものではないと理解されよう。
【００４０】
入口の空気は、１５°Ｃの温度と１バールの圧力（絶対単位）を有し、幾つかの実施形態では、２５０°Ｃで、例えば、約７バールの圧力で、第１の圧縮機５から出て行く。第２の圧縮機７の吸込み側における空気入口条件は、第１の圧縮機５の送達側におけるものと実質上同じである。第２の圧縮機７から出て行く空気は、約２６〜２７バール、例えば、２６．８バールの圧力と、約５００〜５５０°Ｃ、例えば、５３４°Ｃの温度を有することがある。最後の圧縮機９では、空気圧力は、約４０〜４５バール、例えば、約４２．５バールまで増加し、約６００〜６８０°Ｃ、例えば、約６５０°Ｃの温度を有する。
【００４１】
ＡＣＡＥＳシステム１は、圧縮機列３から送達された圧縮空気の流れが貫流する熱エネルギ貯蔵ユニット１３をさらに含む。熱エネルギ貯蔵ユニット１３は、熱貯蔵媒体、例えば、固体又は液体の熱貯蔵媒体、或いは、例えば、固体から液体への相変化を受けて潜在的な液化熱を蓄積する熱貯蔵媒体を含むことができる。
【００４２】
空気は、最後の圧縮機９の送達側で達したのと実質上同じ圧力で、或いは、熱エネルギ貯蔵ユニット１３を横断する圧力降下に起因した僅かに低い圧力で、熱エネルギ貯蔵ユニット１３の出口側で送達される。圧縮空気流から熱が除去されるせいで、熱エネルギ貯蔵ユニット１３から送達される空気の温度は、圧縮機９の送達側における温度よりも実質上低い。単なる例として、熱エネルギ貯蔵ユニット１３から出て行く空気流は、約７０〜９０°Ｃ、例えば、約８０°Ｃの温度と、約４０〜４５バール、例えば、約４２バールの圧力を有することがある。
【００４３】
熱エネルギ貯蔵ユニット１３の下流には、別の圧縮機装置１５が設けられる。図２の図解的な表示では、別の圧縮機装置１５は、別個の電気モータ１６によって駆動される。熱エネルギ貯蔵ユニット１３から出て行く空気は、別の圧縮機装置１５によって取り込まれて、１７で図解的に示した空洞などの空気貯蔵デバイスに送達される。
【００４４】
幾つかの実施形態では、安全冷却器１９は、別の圧縮機装置１５の送達側と空気貯蔵デバイス１７の間に配置することができる。
【００４５】
図２には、別の圧縮機装置１５によって送達される空気の流れの例示的な圧力値と温度値が示されている。幾つかの実施形態では、約６０〜７０バール、例えば、約６５バールの圧力が達成でき、その一方、空気温度が、別の圧縮機装置１５の送達側で、約１１０〜１３０°Ｃ、例えば、約１２０°Ｃに上昇することができる。安全冷却器１９内での冷却後に、空気流は、約４０〜６０°Ｃ、例えば、約５０°Ｃの温度を有する。
【００４６】
図２のＡＡＣＡＥＳシステム１は、少なくとも１つの膨張機２１をさらに含み、そこでは、圧縮されて加熱された空気が膨張して、日中に有用な機械エネルギを作り出すことができる。膨張機２１は、圧縮空気ダクト３１を介して、空気貯蔵デバイス１７と流体連通状態に置くことができる。
【００４７】
幾つかの実施形態では、単一の可逆電気機械２３は、圧縮機列３の軸系１１と膨張機２１の軸２５とに選択的に係合することができる。第１のクラッチ２７は、可逆電気機械２３を軸系１１に連結するために設けることができる。第２のクラッチ装置２９は、膨張機２１を可逆電気機械２３に駆動連結するために設けることができる。
【００４８】
これまでに説明したＡＡＣＡＥＳシステム１は、次のように動作する。
【００４９】
余剰電力が配電網Ｇから利用可能である場合、可逆電気機械２３は、モータモードに切り換えられて動作して、第１のクラッチ２７の係合によって圧縮機列３を駆動する。配電網Ｇからの電力は、モータ１６を駆動するためにも使用される。したがって、周囲空気は、圧縮機列３の第１、第２及び第３の圧縮機５、７、９によって連続して圧縮され、圧縮空気流から熱を除去する熱エネルギ貯蔵ユニット１３を介して送達される。熱エネルギ貯蔵ユニット１３から出て行く冷却した空気は、別の圧縮機装置１５の中でさらに圧縮され、安全冷却器１９の中で冷却され、そして、空気貯蔵デバイス１７の中に高圧で貯蔵される。
【００５０】
空気貯蔵デバイス１７の中が最大圧力に達したとき、及び／又は、電力が配電網Ｇから利用可能でない場合、可逆電気機械２３と電気モータ１６は、停止し、第１のクラッチ２７は、係合を解除することができる。
【００５１】
追加の電力が配電網Ｇによって要求され、圧力エネルギが空気貯蔵デバイス１７の中で利用可能であり、そして、熱エネルギが熱エネルギ貯蔵ユニット１３の中で利用可能である場合、可逆電気機械２３は、発生機モードに切り換えることができ、クラッチ２９は、係合することができる。空気貯蔵デバイス１７からの圧縮空気は、熱エネルギ貯蔵ユニット１３を貫流し、熱エネルギ貯蔵ユニット１３の中に蓄積された熱エネルギを利用して加熱され、そして、膨張機２１に最終的に送達される。圧縮空気送達配管１８は、圧縮空気を空気貯蔵デバイス１７から熱エネルギ貯蔵ユニット１３に送達するために設けることができる。
【００５２】
膨張機２１は、加熱された圧縮空気流からの力を軸２５上で利用可能な機械力に変換し、クラッチ２９を介して可逆電気機械２３を駆動して発生機モードで作動させ、これにより、機械力は、最終的に電力に変換されて配電網Ｇに投入される。
【００５３】
他の実施形態（図示せず）では、圧縮機列３を駆動するために、そして、 膨張機２１からの機械力を有用な電力に変換するために、２つの異なった電気機械を設けることができる。このケースでは、クラッチ２７及び２９は、省略することができる。モータモードで継続的に動作する第１の電気機械は、軸系１１に固定連結することができ、発生機モードで継続的に動作する第２の電気機械は、膨張機２１の軸２５に固定連結することができる。
【００５４】
図３は、図２のＡＣＡＥＳシステム１の圧縮機装置の可能な実施形態をさらに詳細に図解的に示している。同じ参照番号は、図２に示す要素と同じものを示している。
【００５５】
図３に示す実施形態では、可逆電気機械２３と軸系１１の間には、速度操作デバイス、例えば、ギアボックス３５、が設けられる。ギアボックス３５は、電気機械２３と軸系１１の間の正確な速度伝達比を提供する。
【００５６】
幾つかの実施形態では、図３に例として示されているように、別の圧縮機装置１５を駆動する電気モータ１６は、配電網ＧからのＡＣ電流の周波数を修正できる可変周波数ドライバ３７を具備することができ、これにより、電気モータ１６の回転速度、したがって、別の圧縮機装置１５の回転速度は、システムの動作条件に従ってかなり広い範囲内で調整することができる。
【００５７】
他の実施形態（図示せず）では、やはり可逆電気機械２３は、可変周波数ドライバによって給電することができる。幾つかの実施形態では、ギアボックス又は他の速度操作デバイス３５は、省略することができる。
【００５８】
図２及び３の例示的な実施形態では、別の圧縮機装置１５は、圧縮機列３を駆動する可逆電気機械２３とは異なる別個の電気モータ１６によって駆動される。しかしながら、それは必須ではなく、本開示の限定する特徴として判断されるべきではない。
【００５９】
例として、図４では、別の実施形態が示されており、圧縮機列３を形成している圧縮機のセット全体、すなわち、圧縮機５、７及び９、並びに、別の圧縮機装置１５、を駆動するために単一の電気機械が使用される。図４の例示的な実施形態では、可逆電気機械２３は、その目的のために設けられ、電気モータ１６は、省略することができる。第１のクラッチ２７と第２のクラッチ２９から構成されるダブルクラッチ装置は、可逆電気機械２３を、圧縮機装置３、１５と膨張機２１とに選択的に連結するために設けることができる。他の実施形態では、上述したように、電気機械２３は、モータモードのみで動作することができ、また、圧縮機を駆動するために使用することができ、その一方、別個の電気発生機が、膨張機２１によって生成された機械力を電力に変換するために、膨張機２１に連結される。このケースでは、クラッチ２９は、省略されるであろう。やはりクラッチ２７は、省略することができ、モータ２３は、圧縮機の軸系に恒久的に連結することができる。
【００６０】
さらに図４を参照すると、幾つかの実施形態では、第１のギアボックス又は他の速度操作デバイス３５は、電気機械２３と圧縮機列３の間に設けることができる。幾つかの実施形態では、別のギアボックス又は他の速度操作デバイス３６は、圧縮機列３と別の圧縮機装置１５の間に設けることができる。こうして、圧縮機列３は、別の圧縮機装置１５の回転速度とは異なる回転速度で回転することができる。
【００６１】
他の実施形態（図示せず）では、モータ２３又は可逆電気機械２３は、図３に示す可変周波数ドライバ３７などの可変周波数ドライバを介して駆動することができる。これにより、可逆電気機械又はモータ２３の回転速度は、かなり広い範囲内の要求に従って修正することが可能となる。ギアボックス２５及び３７の一方又は双方は、省略することができる。幾つかの実施形態では、可逆電気機械２３は、可変周波数ドライバ３７によって、圧縮機列３の回転速度に対応する速度で駆動することができ、その一方、 ギアボックス３６は、別の圧縮機装置１５が電気機械２３及び圧縮機列３の回転速度と異なる回転速度で駆動され得るように、維持される。
【００６２】
図５は、図２のＡＣＡＥＳシステムの中で使用することができる圧縮機装置の別の実施形態を示している。
【００６３】
この実施形態では、３つの異なった圧縮機列３Ａ、３Ｂ及び３Ｃが設けられている。各圧縮機列３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、複数の圧縮機、例えば、３つの圧縮機から構成することができる。図５では、圧縮機列３Ａは、圧縮機５Ａ、７Ａ及び９Ａを含み、圧縮機列３Ｂは、圧縮機５Ｂ、７Ｂ及び９Ｂを含み、圧縮機列３Ｃは、圧縮機５Ｃ、７Ｃ及び９Ｃを含み。３つの圧縮機列は、並列に配置することができ、すなわち、最下流の圧縮機９Ａ、９Ｂ、９Ｃの送達側は、熱エネルギ貯蔵ユニット１３を介して、圧縮空気の単一の流れを送達するために相互に連結することができる。
【００６４】
各圧縮機列３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、電気モータ、又は、可逆電気機械２３Ａ、２３Ｂ及び２３Ｃをそれぞれ含むことができる。クラッチ２７Ａ、２７Ｂ及び２７Ｃは、各電気モータ又は可逆電気機械２３Ａ〜２３Ｃをそれぞれの圧縮機列３Ａ〜３Ｃのそれぞれの軸系１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃに連結するために設けることができる。
【００６５】
幾つかの実施形態では、それぞれのギアボックス又は他の速度操作デバイス３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃは、各電気モータ又は各可逆電気機械２３Ａ〜２３Ｃと各圧縮機列３Ａ〜３Ｃのそれぞれの軸系１１Ａ〜１１Ｃの間に設けることができる。
【００６６】
１つ、２つ又はすべての可逆電気機械２３Ａ〜２３Ｃは、それぞれの第２のクラッチ２９Ａ〜２９Ｃを介して、膨張機２１に類似したそれぞれの膨張機（図示せず）に選択的に連結することができる。
【００６７】
他の実施形態では、電気機械２３Ａ〜２３Ｃは、モータモードでだけ動作することができ、１つ又は複数の電気発生機は、電力の変換目的のために１つ又は複数の膨張機と連結することができる。幾つかの実施形態では、単一の膨張機と単一の発生機は、高温の圧縮空気を処理するために設けることができ、また、有用な機械力をそこから作り出すことができる。
【００６８】
別の実施形態（図示せず）では、電気機械２３Ａ、２３Ｂ及び２３Ｃは、動作条件に従ってその回転速度を調整するために、可変周波数ドライバによって駆動することができる。
【００６９】
単一の別の圧縮機装置１５は、それはそれで単一の圧縮機又は圧縮機列を含むことができるが、３つの圧縮機列３Ａ〜３Ｃと結合することができる。幾つかの実施形態では、図３の実施形態と同様に、別個の電気モータ１６は、別の圧縮機装置１５を駆動するために設けることができる。幾つかの実施形態では、電気モータ１６は、図３に関連して既に開示したように、可変周波数ドライバによって駆動することができる。
【００７０】
上述した新規の装置は、現行技術の類似システムに対してＡＣＡＥＳシステムの総合効率を改善している。より具体的には、同じ流量条件の下で、熱エネルギ貯蔵媒体の同じ温度と空気貯蔵デバイス内の同じ空気圧力を達成している以下の例によって示されるように、本開示に従ったシステムの総電力消費は、現行技術に従ったシステムの電力消費よりも少ない。
【００７１】
例
総システム効率に関する利点は、図１（従来の技術）に従ったＡＡＣＡＥＳシステムの効率を同じターボ機械を使用している図２に従ったシステムの効率と比較することによって良好に理解することができる。
【００７２】
図１に従ったＡＣＡＥＳシステムは、以下の圧縮機、
圧縮機１０３：  軸流式６段圧縮機
圧縮機１０５：  ＭＣＬ８０５
圧縮機１０７：  ＢＣＬ６０５
を用いており、１０１．５ｋｇ／ｓの流量は、圧縮の中間で、すなわち、圧縮開始から圧縮終了までの中間点で、７５．８７ＭＷの力を必要とし、前記の点は、使用した圧縮機の設計点に対応している。ＡＣＡＥＳシステムが圧縮段階で動作している間、各圧縮機の吐出圧力は、空洞１７内の最大圧力に達したときの条件に対応して、開始値から最終値まで様々である、ということに留意することになっている。
【００７３】
図２に従ったシステムでは、以下の圧縮機、
圧縮機５：  軸流式６段圧縮機
圧縮機７：  ＭＣＬ８０５
圧縮機９：  ＢＣＬ６０３
圧縮機１５：  ＢＣＬ３５１
を用いており、１０１．５ｋｇ／ｓの流量は、圧縮の中間で、７３．１７ＭＷの力を必要とする。
【００７４】
したがって、本開示に従ったシステムの消費量は、従来技術のシステムよりも低い２．７バールである。加えて、空気／空気中間冷却器１１１は、取り去られ、したがって、システムの価格とその設置面積は、低減される。
【００７５】
本明細書中に説明した主題の開示した実施形態は、図面に示すと共に幾つかの例示的な実施形態に関連して精密かつ詳細に完全に上述したが、本明細書中に示した新規な教示、原理及び概念、並びに添付の特許請求の範囲に記載した主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変化及び省略が可能であるということが当業者に明らかになろう。したがって、開示した技術革新の適切な範囲は、そういった修正、変化及び省略のすべてを包含するように、添付の特許請求の範囲を最も幅広く解釈することだけで決定されるべきである。様々な実施形態の異なった特徴、構造及び手段は、異なるように組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１  ＡＣＡＥＳシステム
３  圧縮機列
３Ａ  圧縮機列
３Ｂ  圧縮機列
３Ｃ  圧縮機列
５  （第１の）圧縮機
５Ａ  圧縮機
５Ｂ  圧縮機
５Ｃ  圧縮機
７  （第２の）圧縮機
７Ａ  圧縮機
７Ｂ  圧縮機
７Ｃ  圧縮機
９  （第３の／最後の）圧縮機
９Ａ  圧縮機
９Ｂ  圧縮機
９Ｃ  圧縮機
１１  軸系
１１Ａ  軸系
１１Ｂ  軸系
１１Ｃ  軸系
１３  熱エネルギ貯蔵ユニット
１５  圧縮機装置
１６  電気モータ
１７  空気貯蔵デバイス（空洞）
１８  圧縮空気送達配管
１９  安全冷却器
２１  膨張機
２３  電気機械（Ｍ／Ｇ）
２３Ａ  可逆電気機械（Ｍ／Ｇ）
２３Ｂ  可逆電気機械（Ｍ／Ｇ）
２３Ｃ  可逆電気機械（Ｍ／Ｇ）
２５  軸
２７  クラッチ
２７Ａ  クラッチ
２７Ｂ  クラッチ
２７Ｃ  クラッチ
２９  クラッチ
２９Ａ  クラッチ
２９Ｂ  クラッチ
２９Ｃ  クラッチ
３１  圧縮空気ダクト
３５  速度操作デバイス（ギアボックス）
３５Ａ  速度操作デバイス
３５Ｂ  速度操作デバイス
３５Ｃ  速度操作デバイス
３６  速度操作デバイス（ギアボックス）
３７  可変周波数ドライバ（ＶＦＤ）
１００  ＡＣＡＥＳシステム
１０１  圧縮機列
１０３  圧縮機
１０３Ｉ  入口
１０５  圧縮機
１０７  圧縮機
１０７Ｅ  出口
１０９  軸系
１１１  中間冷却器
１１３  熱エネルギ貯蔵装置
１１５  安全冷却器
１１７  空気貯蔵デバイス（空洞）
１１９  可逆電気機械（Ｍ／Ｇ）
１２１  第１のクラッチ
１２３  第２のクラッチ
１２５  膨張機
Ｇ  配電網
【図１】
2017502645.tif 000003
【図２】
2017502645.tif 000004
【図３】
2017502645.tif 000005
【図４】
2017502645.tif 000006
【図５】
2017502645.tif 000007
【国際調査報告】
2017502645.tif 000008
2017502645.tif 000009
2017502645.tif 000010
2017502645.tif 000011