(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機としての機能および圧縮空気を膨張させる膨張機としての機能を有する圧縮膨張兼用機と、
前記圧縮膨張兼用機と機械的に接続され、前記圧縮膨張兼用機を駆動する電動機としての機能および前記圧縮膨張兼用機によって駆動される発電機としての機能を有する電動発電兼用機と、
前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮膨張兼用機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、
前記圧縮膨張兼用機と前記電動発電兼用機との間に介設され、以下の式の範囲の変速比Ｒを有する変速部と、
0006862514.tif 000004
Ｕｍａｘ：前記圧縮膨張兼用機の許容最高回転速度（ｍ／ｓ）又はピストン許容周速（ｍ／ｓ）
Ｎｐ：前記電動発電兼用機の極数
Ｄ：前記圧縮膨張兼用機のロータ外径（ｍ）又はクランク回転径（ｍ）
Ｒｍａｘ：最大変速比
を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項２】
前記電動発電兼用機が発電機として機能する発電運転において、前記蓄圧部の充填率が０％のときの前記圧縮膨張兼用機が最高回転速度又はピストン最高周速で駆動するように設定されている、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項３】
前記最高回転速度又は前記ピストン最高周速は、前記圧縮膨張兼用機の許容最高回転速度又はピストン許容周速である、請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項４】
前記電動発電兼用機が電動機として機能する充電運転において、前記蓄圧部の充填率が１００％のときの前記圧縮膨張兼用機が最低回転速度又はピストン最低周速で駆動するように設定されている、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】
前記最低回転速度又は前記ピストン最低周速は、前記圧縮膨張兼用機の前記許容最高回転速度又は前記ピストン許容周速の０．４倍以上である、請求項４に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
【請求項６】
前記圧縮膨張兼用機は、スクリュ型である、請求項１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。
【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または平準化するための技術の一つとして、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）が知られている。この技術を利用したＣＡＥＳ発電装置では、電力を使用して電動機で圧縮機を駆動することにより圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は一時的に貯蔵され、電力が必要なときに、貯蔵された圧縮空気で膨張機（タービン）を作動させて発電機を駆動することにより発電する。
【０００３】
特許文献１では、ＣＡＥＳ発電装置において、圧縮機と膨張機を兼用にした圧縮膨張兼用機を使用したものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１３−５０９５２９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では、圧縮膨張兼用機を使用したＣＡＥＳ発電装置において、充電運転と発電運転の別によらずに広範囲の圧力で定格運転を行う方法について言及されていない。
【０００６】
ＣＡＥＳ発電装置には広範囲の定格運転能力が求められる。しかし、圧縮膨張兼用機を使用したＣＡＥＳ発電装置では、充電運転（圧縮運転）の効率が発電運転（膨張運転）の効率よりも高いため、広範囲の定格運転を実現することが難しい。具体的には、１ｋｇの圧縮空気を生成するために必要な電力量（比充電電力量）よりも、１ｋｇの圧縮空気から発電可能な電力量（比発電電力量）の方が一般に少ない（以降、比充電電力量ないし比発電電力量のことを単に比電力量ともいう）。従って、定格運転を実現するためには、従来であれば充電運転と発電運転の別に応じた制御が必要であった。また、運転圧力（貯蔵されている圧縮空気の圧力）によっても比電力量は変化するため、従来であれば広範囲の圧力で定格運転を実行するためには運転圧力に応じた制御も必要であった。
【０００７】
本発明は、圧縮膨張兼用機を使用した圧縮空気貯蔵発電装置において、充電運転と発電運転の別によらずに広範囲の圧力で定格運転を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、
空気を圧縮する圧縮機としての機能および圧縮空気を膨張させる膨張機としての機能を有する圧縮膨張兼用機と、
前記圧縮膨張兼用機と機械的に接続され、前記圧縮膨張兼用機を駆動する電動機としての機能および前記圧縮膨張兼用機によって駆動される発電機としての機能を有する電動発電兼用機と、
前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮膨張兼用機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、
前記圧縮膨張兼用機と前記電動発電兼用機との間に介設され、以下の式の範囲の変速比Ｒを有する変速部と、
0006862514.tif 000002
Ｕｍａｘ：前記圧縮膨張兼用機の許容最高回転速度（ｍ／ｓ）又はピストン許容周速（ｍ／ｓ）
Ｎｐ：前記電動発電兼用機の極数
Ｄ：前記圧縮膨張兼用機のロータ外径（ｍ）又はクランク回転径（ｍ）
Ｒｍａｘ：最大変速比
を備える、圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。
【０００９】
この構成によれば、圧縮膨張兼用機の許容最高回転速度又はピストン許容周速と、電動発電兼用機の極数と、圧縮膨張兼用機のロータ径又はクランク回転径とに基づいて、圧縮膨張兼用機と電動発電兼用機との間の動力伝達比（変速比Ｒ）の範囲を規定している。変速比Ｒの範囲は、比電力量に影響を与える以下の２点から規定されている。第１に充電運転と発電運転の別であり、第２に蓄圧部の充填率である。これらを考慮して広範囲で定格の充電電力量および発電電力量を確保するためには、圧縮膨張兼用機の回転速度を広範囲に変化できる必要がある。これに対し、変速比Ｒを上記範囲（０．７Ｒｍａｘ≦Ｒ≦Ｒｍａｘ）に規定することで、圧縮膨張兼用機の回転速度を必要な範囲で変化させることができる。これにより、広範な運転範囲で定格の充電電力量および発電電力量を確保できる。即ち、充電運転と発電運転の別によらずに広範囲の圧力で定格運転を実現できる。
【００１０】
前記圧縮空気貯蔵発電装置では、前記電動発電兼用機が発電機として機能する発電運転において、前記蓄圧部の充填率が０％のときの前記圧縮膨張兼用機が最高回転速度又はピストン最高周速で駆動するように設定されてもよい。
【００１１】
この構成によれば、発電運転における蓄圧部の充填率が０％の最も比発電電力量が小さくなる場合に圧縮膨張兼用機が最高回転速度又はピストン最高周速で駆動するように設定されている。ここで、充填率が０％とは、発電限界値であり、即ち、蓄圧部における貯蔵圧力が小さく、これ未満の圧力では発電できないか又は許容される効率未満の発電となる貯蔵圧力の状態をいう。従って、当該状態で圧縮膨張兼用機を最高回転速度又はピストン最高周速で駆動することにより、当該状態で可能な限り多くの発電電力量を確保でき、広範囲の充填率で定格の発電電力量を確保できる。
【００１２】
前記最高回転速度又は前記ピストン最高周速は、前記圧縮膨張兼用機の前記許容最高回転速度又は前記ピストン許容周速であってもよい。
【００１３】
この構成によれば、圧縮膨張兼用機の許容最高回転速度又はピストン許容周速を好適に利用した運転が可能となり、広範囲の充填率での定格運転が可能となる。
【００１４】
前記圧縮空気貯蔵発電装置では、前記電動発電兼用機が電動機として機能する充電運転において、前記蓄圧部の充填率が１００％のときの前記圧縮膨張兼用機が最低回転速度又はピストン最低周速で駆動するように設定されてもよい。
【００１５】
この構成によれば、充電運転における蓄圧部の充填率が１００％の場合に圧縮膨張兼用機が最低回転速度又はピストン最低周速となるように設定されている。ここで、充填率が１００％とは、蓄圧限界値であり、即ち、蓄圧部内の圧力が最大許容圧力に達していることをいう。従って、当該状態で圧縮膨張兼用機の回転速度を最低回転速度又はピストン最低周速に設定することにより、広範囲で定格の充電電力量を確保できる。
【００１６】
前記最低回転速度又は前記ピストン最低周速は、前記圧縮膨張兼用機の前記許容最高回転速度又は前記ピストン許容周速の０．４倍以上であってもよい。
【００１７】
この構成によれば、最低回転速度又はピストン最低周速を許容最高回転速度ピストン許容周速の０．４倍以上に設定している。これにより、圧縮膨張兼用機を運転許容温度内で運転できる。詳細には、圧縮膨張兼用機が圧縮機として動作する際、圧縮膨張兼用機の吸気口（低圧口）と吐出口（高圧口）との圧力差によって、一部の圧縮空気は吐出口（高圧口）から吸気口（低圧口）へ逆流する。この逆流する空気の流量はロータの回転速度又はピストン周速によらずほぼ一定であるため、回転速度又はピストン周速が低いほど、大気から吸気する空気に対して逆流する空気の比率が増加する。よって、圧縮膨張兼用機の内部温度は回転速度又はピストン周速が低いほど高温となり、吐出温度も上昇する。従って、圧縮膨張兼用機の内部温度および吐出温度を運転許容温度内に保つためには、最低回転速度又はピストン最低周速を一定以上に保つ必要がある。例えば、そのような最低回転速度又はピストン最低周速は、上記の通り、許容最高回転速度又はピストン許容周速の０．４倍以上である。
【００１８】
前記圧縮膨張兼用機は、スクリュ型であってもよい。
【００１９】
この構成によれば、スクリュロータの回転速度の調整によって、充電電力量および発電電力量を調整できるため、不規則に変動する要求電力（要求される充電電力または発電電力）に応答性良く追従でき、広範な運転範囲を有するＣＡＥＳ発電装置を提供できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、圧縮膨張兼用機を使用した圧縮空気貯蔵発電装置において、充電運転と発電運転の別によらずに広範囲の圧力で定格運転を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係るＣＡＥＳ発電装置の概略構成図。
【図２】ＣＡＥＳ発電装置の運転圧力に対する比電力量を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２３】
図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置１は、再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備２から電力を受けて充電運転を行い、電力需要に合わせて発電運転を行う。即ち、ＣＡＥＳ発電装置１は、発電設備２の不規則な出力変動を平準化するとともに、電力需要に応じた電力供給を行う。
【００２４】
本実施形態では、再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備２として風力発電設備を例示している。ただし、ＣＡＥＳ発電装置１が対象とする再生可能エネルギーの種類は、これに限定されず、太陽光、太陽熱、波力、潮力、流水、または潮汐等の自然の力で定常的ないし反復的に補充され、不規則に変動するエネルギーを利用した発電の全てを対象とし得る。さらに言えば、再生可能エネルギー以外にも不規則に稼働する発電設備を有する工場等のように、発電量が変動するものすべてを対象とし得る。
【００２５】
ＣＡＥＳ発電装置１は、圧縮膨張兼用機１０と、電動発電兼用機２０と、蓄圧部３０と、制御装置４０とを備える。
【００２６】
圧縮膨張兼用機１０は、空気を圧縮する圧縮機としての機能および圧縮空気を膨張させる膨張機としての機能を有する。また、圧縮膨張兼用機１０は、低圧口１１および高圧口１２を有する。圧縮膨張兼用機１０は、圧縮機として機能するときには低圧口１１から空気を吸気し、内部で空気を圧縮し、高圧口１２から圧縮空気を吐出する。圧縮膨張兼用機１０は、膨張機として機能するときには高圧口１２から圧縮空気を給気され、内部で圧縮空気を膨張し、低圧口１１から空気を排気する。
【００２７】
本実施形態では、圧縮膨張兼用機１０は、スクリュ型である。スクリュ型の圧縮膨張兼用機１０は、内部のスクリュロータの回転速度を制御可能であるため、不規則に変動する要求電力（要求される充電電力または発電電力）に応答性良く追従できる。従って、スクリュ型の圧縮膨張兼用機１０は、ＣＡＥＳ発電装置１の構成要素として好ましい。また、圧縮と膨張でスクリュロータを兼用とし、圧縮と膨張でスクリュロータの回転方向を互いに逆方向とする構成とすることにより、圧縮膨張兼用機１０を簡易に構成できる。ただし、圧縮膨張兼用機１０は、スクリュ型に限定されず、回転式または往復式のものであればよい。ここでの回転式は、スクリュ型、遠心型、軸流型、またはスクロール型などの全ての種類のものを含む。往復式は、ピストン式またはダイヤフラム式などの全ての種類のものを含む。
【００２８】
圧縮膨張兼用機１０には、変速部２１を介して電動発電兼用機２０が機械的に接続されている。電動発電兼用機２０は、圧縮膨張兼用機１０を圧縮機として動作させる電動機（モータ）としての機能および膨張機として動作する圧縮膨張兼用機１０によって駆動される発電機としての機能を有する。
【００２９】
電動発電兼用機２０には、発電設備２が電気的に接続されている。充電運転においては、電動発電兼用機２０は、電動機として機能し、発電設備２からの変動する入力電力によって駆動される。
【００３０】
電動発電兼用機２０は、不図示の電力系統にも電気的に接続されている。発電運転においては、電動発電兼用機２０は、発電機として機能し、発電した出力電力は当該電力系統に送電される。
【００３１】
電動発電兼用機２０の動作は、制御装置４０によって制御されている。具体的には、電動発電兼用機２０にはインバータ２２が電気的に接続されている。インバータ２２は、制御装置４０によって制御されている。従って、制御装置４０は、インバータ２２によって電動発電兼用機２０の回転速度を制御している。
【００３２】
変速部２１は、圧縮膨張兼用機１０と電動発電兼用機２０との間の回転動力の伝達比（変速比）を変更する。変速部２１は、例えば変速ギアであり、大小の歯数の違うギアを噛合させることにより、変速比を変更することができる。本実施形態では、変速部２１は、以下の式の範囲の変速比Ｒを有する。なお、本実施形態では、スクリュ型（回転式の一例）の圧縮膨張兼用機１０を使用するため、「回転速度」の用語を使用している。代替的には、ピストン式の圧縮膨張兼用機１０を使用する場合、「回転速度」を「ピストン周速」と読み替え、かつ、「ロータ外径」を「クランク回転径」と読み替えることで、以下の説明および式を同様に適用できる。
【００３３】
【数１】
0006862514.tif 000003
Ｕｍａｘ：圧縮膨張兼用機１０の許容最高回転速度（ｍ／ｓ）
Ｎｐ：電動発電兼用機２０の極数
Ｄ：圧縮膨張兼用機１０のロータ外径（雄側スクリュロータの最外径）（ｍ）
Ｒｍａｘ：最大変速比
【００３４】
上記式の導出に関し、最大変速比Ｒｍａｘは当該技術分野において既知のものである。変速比Ｒの最小値を０．７Ｒｍａｘとしているのは以下の理由による。変速比Ｒを実機において検討すると、例えば、２極の電動発電兼用機２０において（すなわちＮｐ＝２の場合）、回転速度を８８［ｍ／Ｓ］〜１２０［ｍ／Ｓ］と設定することにより好適な運転を実現できた。このときの変速比Ｒは２．８〜３．８であって、最大変速比（３．８）に対する最低変速比（２．８）の割合は０．７である。また、他の極数Ｎｐの場合にも変速比Ｒを最大変速比Ｒｍａｘの７割以上に規定することで、好適な運転を実現できることを確認できた。
【００３５】
また、圧縮膨張兼用機１０には、三方弁３１や逆止弁３２を介して蓄圧部３０が流体的に接続されている。蓄圧部３０は、圧縮空気を蓄える部分である。蓄圧部３０は、例えば鋼製のタンクであり得る。蓄圧部３０の数は特に限定されず、複数個のタンクが設けられてもよい。また、蓄圧部３０は必ずしもタンクの態様でなくてもよい。代替的には、密閉した地下空洞のように圧縮空気を貯蔵できるものであり得る。三方弁３１を切り替えることにより、圧縮膨張兼用機１０から蓄圧部３０に圧縮空気を供給するか、または蓄圧部３０から圧縮膨張兼用機１０に圧縮空気を供給するかを選択できる。また、三方弁３１は、流量調整機能を有してもよい。
【００３６】
蓄圧部３０には、圧力センサ３３が取り付けられている。圧力センサ３３によって、蓄圧部３０の内部の圧力を測定可能である。従って、圧力センサ３３によって、蓄圧部３０の充填率を測定可能である。ここで、測定された圧力データは、制御装置４０に送られ、後述する制御に使用される。
【００３７】
圧縮膨張兼用機１０と蓄圧部３０との間には、熱交換器５０が介設されている。熱交換器５０には熱媒が供給されており、熱交換器５０では熱媒と空気との熱交換が行われる。従って、熱交換器５０では、必要に応じて空気が熱媒によって加熱または冷却される。
【００３８】
熱交換器５０は、高温熱媒タンク５１と低温熱媒タンク５２に流体的に接続されている。高温熱媒タンク５１は相対的に高温の熱媒を貯蔵するタンクであり、低温熱媒タンク５２は相対的に低温の熱媒を貯蔵するタンクである。ここで、熱媒の種類は特に限定されないが、例えば、水または油であり得る。
【００３９】
熱交換器５０を介して高温熱媒タンク５１と低温熱媒タンク５２とを流体的に接続する熱媒流路には、熱媒ポンプ５３が配置されている。熱媒ポンプ５３によって、高温熱媒タンク５１から熱交換器５０に高温の熱媒を供給でき、また低温熱媒タンク５２から熱交換器５０に低温の熱媒を供給できる。熱媒ポンプ５３によって熱交換器５０に供給される熱媒の流量を調整し、熱交換量を調整してもよい。
【００４０】
上記構成を有するＣＡＥＳ発電装置１の運転動作について説明する。
【００４１】
ＣＡＥＳ発電装置１が充電運転を行うときには、発電設備２からの入力電力により電動発電兼用機２０を電動機として駆動する。電動機として駆動する電動発電兼用機２０から変速部２１を介して圧縮膨張兼用機１０に回転動力が伝達され、電動発電兼用機２０によって圧縮膨張兼用機１０が圧縮機として駆動される。従って、充電運転では、圧縮膨張兼用機１０は、電力を使用して低圧口１１から空気を吸気し、吸気した空気を圧縮し、圧縮空気を高圧口１２から吐出する。吐出された圧縮空気は、蓄圧部３０に貯蔵される。
【００４２】
充電運転では、熱媒ポンプ５３によって、低温熱媒タンク５２から熱交換器５０に低温の熱媒が供給される。熱交換器５０では、低温熱媒タンク５２から供給された低温の熱媒と、圧縮熱によって昇温した高温の圧縮空気とが熱交換する。これにより、圧縮空気が冷却され、熱媒が加熱される。従って、圧縮空気は、冷却されて降温した状態で蓄圧部３０に送られ貯蔵される。一方で、熱媒は、加熱されて昇温した状態で高温熱媒タンク５１に送られ貯蔵される。
【００４３】
ＣＡＥＳ発電装置１が発電運転を行うときには、蓄圧部３０から圧縮膨張兼用機１０の高圧口１２に圧縮空気が給気される。給気される圧縮空気により圧縮膨張兼用機１０が膨張機として駆動し、圧縮膨張兼用機１０から変速部２１を介して電動発電兼用機２０に回転動力が伝達され、圧縮膨張兼用機１０によって電動発電兼用機２０が発電機として駆動される。従って、発電運転では、蓄圧部３０から高圧口１２に圧縮空気を給気し、圧縮膨張兼用機１０において圧縮空気を膨張させ、膨張した空気を低圧口１１から排気する。
【００４４】
発電運転では、熱媒ポンプ５３によって、高温熱媒タンク５１から熱交換器５０に高温の熱媒が供給される。熱交換器５０では、高温熱媒タンク５１から熱交換器５０に供給された高温の熱媒と、蓄圧部３０から供給された圧縮空気とが熱交換する。これにより、圧縮空気が加熱され、熱媒が冷却される。従って、圧縮空気は、加熱されて昇温した状態で圧縮膨張兼用機１０に送られ膨張される。一方で、熱媒は、冷却されて降温した状態で低温熱媒タンク５２に送られ貯蔵される。
【００４５】
図２は、ＣＡＥＳ発電装置の運転圧力に対する比電力量を示すグラフである。図２において、横軸は運転圧力を示し、縦軸は比電力量（比充電電力量または比発電電力量）を示している。圧力Ｐｍｉｎは、蓄圧部３０の充填率が０％のときの圧力、すなわち、この値未満の圧力の空気では発電できないという圧力の下限値を示している。圧力Ｐｍａｘは、蓄圧部３０の充填率が１００％のときの圧力、すなわち、この値より高い圧力の空気を貯蔵できない圧力の上限値を示している。グラフでは、充電運転における比充電電力量ＳＰＣを示す曲線と、発電運転における比発電電力量ＳＰＧを示す曲線とが描かれている。また、圧力Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２は、圧力Ｐｍｉｎから圧力Ｐｍａｘの間の圧力を示し、この順に大きくなっている圧力である（Ｐｍｉｎ＜Ｐ０＜Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐｍａｘ）。
【００４６】
図２では、充電運転における各圧力Ｐｍｉｎ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐｍａｘに対応する圧縮膨張兼用機１０の回転速度Ｒｃ４，Ｒｃ１，Ｒｃ２，Ｒｃ３が添え字としてそれぞれ示されている。同様に、発電運転における各圧力Ｐｍｉｎ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐｍａｘに対応する圧縮膨張兼用機１０の回転速度Ｒｇ１，Ｒｇ２，Ｒｇ３，Ｒｇ４が添え字としてそれぞれ示されている。
【００４７】
図２において、比充電電力量ＳＰＣが比発電電力量ＳＰＧよりも上方に位置することからわかるように、圧縮膨張兼用機の特性上、充電運転に要する比電力量は、発電運転により生じる比電力量よりも高い。本実施形態では、充電運転における圧縮膨張兼用機１０の回転速度Ｒｃ１〜Ｒｃ４を発電運転における圧縮膨張兼用機１０の回転速度Ｒｇ１〜Ｒｇ４よりも小さく設定している（Ｒｃ１〜Ｒｃ４＜Ｒｇ１〜Ｒｇ４）。これにより、実際の充電電力量と、実際の発電電力量とをほぼ同程度に揃えている。従って、充電運転と発電運転において同じ充電電力量および発電電力量を確保でき、定格運転を実行できる。
【００４８】
また、図２を参照してわかるように、蓄圧部３０の充填率（即ち、図２の横軸の運転圧力）に応じて圧縮膨張兼用機１０の比電力量が変化する。本実施形態では、蓄圧部３０の貯蔵圧力によらずに一定の充電電力量および発電電力量を得るために、圧縮膨張兼用機１０の回転速度を蓄圧部３０の貯蔵圧力に応じて変更している。
【００４９】
具体的には、例えば、充電運転において、運転圧力がＰ１，Ｐ２，Ｐｍａｘのときの回転速度Ｒｃ１，Ｒｃ２，Ｒｃ３がこの順に小さくなるように設定されている（Ｒｃ１＞Ｒｃ２＞Ｒｃ３）。即ち、比充電電力量ＳＰＣが増えるほど、回転速度が小さくなるように設定している。また、例えば、発電運転において、運転圧力Ｐｍｉｎ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐｍａｘ（Ｐｍｉｎ＜Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐｍａｘ）のときの圧縮膨張兼用機１０の回転速度Ｒｇ１，Ｒｇ２，Ｒｇ３，Ｒｇ４がこの順に小さくなるように（Ｒｇ１＞Ｒｇ２＞Ｒｇ３＞Ｒｇ４）設定されている。即ち、比発電電力量ＳＰＧが増えるほど、回転速度が小さくなるように設定している。これにより、蓄圧部３０の貯蔵圧力によらずに同じ充電電力量および発電電力量を確保でき、定格運転を実行できる。
【００５０】
なお、図２は、２段型の圧縮膨張兼用機に関するグラフを示している。グラフでは、比充電電力量ＳＰＣは、運転圧力に応じて単純増加するものとなっていない。即ち、圧力が圧力Ｐ０未満では、運転圧力が低下するほど、比充電電力量ＳＰＣは上昇している。これは、圧力Ｐ０が低圧段の設計吐出圧力であることを示している。従って、圧力Ｐｍｉｎにおける圧縮膨張兼用機１０の回転速度Ｒｃ４は、圧力Ｐ１における回転速度Ｒｃ１よりも低く設定されている（Ｒｃ４＜Ｒｃ１）。ただし、本発明は、単段型または複数段型のいずれにも限定されるものではない。
【００５１】
このように圧縮膨張兼用機１０の回転速度の調整によって、圧力Ｐｍｉｎから圧力Ｐｍａｘまで、充電運転と発電運転の別によらずに、定格運転を行うためには、変速部２１が前述の範囲（０．７Ｒｍａｘ≦Ｒ≦Ｒｍａｘ）の変速比Ｒを有することが必要である。これにより、必要な回転速度Ｒｇ１〜Ｒｇ４およびＲｃ１〜Ｒｃ４を実現できる。即ち、本実施形態によれば、圧縮膨張兼用機１０の許容最高回転速度Ｕｍａｘと、電動発電兼用機２０の極数Ｎｐと、圧縮膨張兼用機１０のロータ径Ｄとに基づいて、圧縮膨張兼用機１０と電動発電兼用機２０との間の動力伝達比（変速比Ｒ）の範囲を規定している。変速比Ｒの範囲は、比電力量に影響を与える以下の２点から規定されている。第１に充電運転と発電運転の別であり、第２に蓄圧部３０の充填率である。これらを考慮して広範囲で定格の充電電力量および発電電力量を確保するためには、圧縮膨張兼用機１０の回転速度を広範囲に変化させる必要がある。これに対し、変速比Ｒを上記範囲（０．７Ｒｍａｘ≦Ｒ≦Ｒｍａｘ）に規定することで、圧縮膨張兼用機１０の回転速度を広範囲に変化させることができ、広範囲で定格の充電電力量および発電電力量を確保できる。
【００５２】
好ましくは、上記運転動作を行うＣＡＥＳ発電装置１に対して、圧縮膨張兼用機１０の最高回転速度と最低回転速度の条件を以下のように設定する。
【００５３】
最高回転速度については、発電運転において、蓄圧部３０の充填率が０％のとき（即ち圧力Ｐｍｉｎのとき）の圧縮膨張兼用機１０の回転速度Ｒｇ１が最高回転速度となるように設定される。即ち、蓄圧部の充填率が０％の比発電電力量が最も小さくなる場合に圧縮膨張兼用機１０の回転速度を最高回転速度に設定する。これにより、可能な限り多くの発電電力量を確保できる。
【００５４】
さらに好ましくは、当該最高回転速度は、圧縮膨張兼用機１０の許容最高回転速度となるように設定される。これにより、圧縮膨張兼用機１０の許容最高回転速度を好適に利用した運転が可能となり、広範囲の運転圧力（蓄圧部３０の充填率）での定格運転が可能となる。
【００５５】
最低回転速度については、充電運転において、蓄圧部３０の充填率が１００％のとき（即ち圧力Ｐｍａｘのとき）の圧縮膨張兼用機１０の回転速度が最低回転速度となるように設定される。これにより、広範囲の運転圧力（蓄圧部３０の充填率）で定格の充電電力量を確保できる。
【００５６】
さらに好ましくは、当該最低回転速度は、圧縮膨張兼用機１０の許容最高回転速度の０．４倍以上となるように設定される。これにより、圧縮膨張兼用機１０を運転許容温度内で運転できる。詳細には、圧縮動作では、本来低圧口１１から高圧口へ流れる圧縮空気であるが、圧縮膨張兼用機１０の低圧口１１と高圧口１２との圧力差によって、一部の圧縮空気が高圧口１２から低圧口１１へ逆流する。逆流する空気量はスクリュロータの回転速度によらずほぼ一定であるため、回転速度が小さいほど、大気から吸気する空気に対して逆流する空気の比率が増加する。よって、圧縮膨張兼用機１０の内部温度は回転速度が小さいほど高温となり、吐出温度も上昇する。従って、圧縮膨張兼用機１０の内部温度および吐出温度を運転許容温度内に保つためには、最低回転速度を一定以上に保つ必要がある。例えば、そのような最低回転速度は、許容最高回転速度の０．４倍以上である。
【００５７】
以上のようにして、圧縮膨張兼用機１０を使用したＣＡＥＳ発電装置１において、充電運転と発電運転の別によらずに広範囲の圧力（Ｐｍｉｎ〜Ｐｍａｘ）で定格運転を実現することができる。
【００５８】
上記まで、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【００５９】
例えば、蓄圧部３０の充填率は、上記実施形態に記載されたように圧力Ｐｍｉｎにて０％と設定し、圧力Ｐｍａｘにて１００％と設定するものに限定されない。代替的には、圧力Ｐ１を大気圧程度として、圧力Ｐ１にて充填率が０％と設定してもよい。同様に、圧力Ｐ１からＰｍａｘの間の任意の圧力Ｐ２を充填率１００％と設定してもよい。これにより、運転範囲は限定されるが（図２の斜線部参照）、当該運転範囲では高い効率での運転を実現できる。
【符号の説明】
【００６０】
１  圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
２  発電設備
１０  圧縮膨張兼用機
１１  低圧口
１２  高圧口
２０  電動発電兼用機
２１  変速部
２２  インバータ
３０  蓄圧部
３１  三方弁
３２  逆止弁
３３  圧力センサ
４０  制御装置
５０  熱交換器
５１  高温熱媒タンク
５２  低温熱媒タンク
５３  熱媒ポンプ
【図１】
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【図２】
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