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JP6387325B2 - 圧縮空気貯蔵発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置に関する。
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。
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。
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、熱媒の温度を下げるために熱媒タンクを分離している。
特表２０１３−５０９５３０号公報
しかし、特許文献１のＣＡＥＳ発電装置には、熱媒タンクを複数設けることについては記載されておらず、これにより熱媒の温度を高く維持することについても考慮されていない。
本発明は、複数の高温熱媒タンクを備えるため、高温の熱媒が低温の熱媒と混合すること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。
本発明は、再生可能エネルギーを用いて発電した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る膨張機と、前記膨張機と機械的に接続され、需要先へ供給する電力を発電する発電機と、前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を加熱する第１熱交換器と、前記第１熱交換器で熱交換した熱媒の温度を測定する温度センサと、前記第１熱交換器と流体的に接続され、前記第１熱交換器で熱交換して昇温した熱媒を温度別に貯蔵する複数の高温熱媒タンクと、前記第１熱交換器からいずれの前記複数の高温熱媒タンクに熱媒を供給するか切り替えるための高温蓄熱切替弁と、前記複数の高温熱媒タンクと流体的に接続され、前記複数の高温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第２熱交換器と、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器と流体的に接続され、前記第２熱交換器で熱交換して降温した熱媒を貯蔵する低温熱媒タンクと、前記温度センサ及び前記高温蓄熱切替弁と電気的に接続され、前記温度センサで測定された温度に基づいて熱媒を温度別に貯蔵するために、前記第１熱交換器からいずれの前記高温熱媒タンクに熱媒を供給するか前記高温蓄熱切替弁を切り替え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。
この構成によれば、複数の高温熱媒タンクを備えるため、高温の熱媒が低温の熱媒と混合することを防止できる。具体的には、第１熱交換器で昇温した熱媒の温度に基づいて高温蓄熱切替弁を切り替えることで、複数の高温熱媒タンクに温度別に熱媒を貯蔵しているため、高温熱媒タンクに貯蔵されている熱媒の温度を維持できる。
前記第１熱交換器は、前記高温熱媒タンク及び前記第２熱交換器に対して流体的に接続され、前記制御装置に電気的に接続され、前記第１熱交換器から前記高温熱媒タンク又は前記第２熱交換器のいずれに熱媒を供給するか切り替える直接流入切替弁をさらに備え、前記制御装置は、前記圧縮機の圧縮と前記膨張機の膨張が同時に行われる場合に前記直接流入切替弁を切り替えて、前記第１熱交換器から前記第２熱交換器に熱媒を直接供給することが好ましい。
これにより、高温熱媒タンクを介することなく、第１熱交換器から第２熱交換器に熱媒を直接供給できるため、高温熱媒タンクで熱媒を貯蔵している間に温度が低下して熱エネルギーの損失が生じることを防止できる。特に、再生可能エネルギーの１時間未満程度の変動である短周期変動を平準化する場合、圧縮機と膨張機が同時に駆動されることが多く、この場合熱媒の利用待機時間が短い又はゼロであるため有効である。さらに、直接流入切替弁の切り替えで、熱媒を第１熱交換器から直接第２交換器に供給できるため、従来と同様の装置を使用でき、大掛かりな装置改良を必要としないため、コストアップ及び装置の大型化を防止できる。ここで、「直接」とは、高温熱媒タンクを介することなく第１熱交換器から第２熱交換器に熱媒が供給されることを示す。
複数の前記第２熱交換器が前記膨張機に対して直列に流体的に接続され、前記高温熱媒タンクからいずれの前記第２熱交換器に熱媒を供給するか切り替える熱交換切替弁をさらに備え、前記制御装置は、前記熱交換切替弁を切り替えて、前記高温熱媒タンクに温度別に貯蔵された熱媒のうち温度の低いものから順に上流側の前記第２熱交換器に供給することが好ましい。
この構成によれば、第２熱交換器において、低温の熱媒から高温の熱媒の順に圧縮空気と熱交換させることで、圧縮空気の温度を低下させることなく順に上昇できるため、高温の熱媒を有効に利用できる。
前記高温熱媒タンクからいずれの前記第２熱交換器に熱媒を供給するか切り替える熱交換切替弁をさらに備え、前記膨張機は１段目膨張機本体と２段目膨張機本体を備え、前記制御装置は、前記熱交換切替弁を切り替えて、前記１段目膨張機本体と前記２段目膨張機本体のうち、ｐ−ｈ線図上の等エントロピー線の傾斜が小さい方に対して流体的に接続された前記第２熱交換器に、前記高温熱媒タンクに温度別に貯蔵された熱媒のうち温度の高い熱媒を供給することが好ましい。
この構成によれば、１段目膨張機と２段目膨張機本体のうちエントロピー線の傾斜が小さい方に対して設置された第２熱交換器に、高温の熱媒を供給することで効率よく発電できる。エントロピー線の傾斜が小さい方の膨張機本体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必要があるためである。
前記第１熱交換器から前記高温熱媒タンク又は前記低温熱媒タンクのうちのいずれに熱媒を供給するか切り替えるための低温熱媒切替弁をさらに備え、前記制御装置は、前記温度センサ及び前記低温熱媒切替弁と電気的に接続され、前記温度センサで測定された前記第１熱交換器において圧縮熱を回収した熱媒の温度が所定の温度以下である場合、前記低温熱媒切替弁を切り替えて、前記低温熱媒タンクに熱媒を供給することが好ましい。
この構成によれば、低温熱媒切替弁を使用して高温の熱媒と低温の熱媒の混合を防止している。具体的には、第１熱交換器から高温熱媒タンクに供給される熱媒により、高温熱媒タンクに蓄熱している熱媒の温度を低下させることがないため、熱エネルギーの損失を防止できる。
また、再生可能エネルギーを用いて発電した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、需要先へ供給する電力を発電する発電機と、前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を加熱する第１熱交換器と、前記第１熱交換器で熱交換した熱媒の温度を測定する温度センサと、前記第１熱交換器と流体的に接続され、前記第１熱交換器で昇温した熱媒を貯蔵する高温熱媒タンクと、前記高温熱媒タンクと流体的に接続され、前記高温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第２熱交換器と、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器と流体的に接続され、前記第２熱交換器で降温した熱媒を貯蔵する低温熱媒タンクと、前記第１熱交換器から前記高温熱媒タンク又は前記低温熱媒タンクのうちのいずれに熱媒を供給するか切り替えるための低温熱媒切替弁と、前記温度センサ及び前記低温熱媒切替弁と電気的に接続され、前記温度センサで測定された前記第１熱交換器において圧縮熱を回収した熱媒の温度が所定の温度以下である場合、前記低温熱媒切替弁を切り替えて、前記低温熱媒タンクに熱媒を供給する、制御装置とを備える圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。
本発明によれば、複数の高温熱媒タンクを備えるため、高温の熱媒が低温の熱媒と混合することを防止できる。
本発明の実施形態に係る圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の概略構成図。 実施形態における第２熱交換器の設置パターンを示す図。 第２熱交換器の設置パターンの代案を示す図。 第２熱交換器の設置パターンの他の代案を示す図。 加熱を伴う多段膨張における圧力とエンタルピーの関係を示すｐ−ｈ線図。 本発明の実施形態に係る圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の制御方法の全体を示すフローチャート。 図４の処理Ａを示すフローチャート。 図４の処理Ｂを示すフローチャート。 図４の処理Ｉを示すフローチャート。 図４の処理ＩＩを示すフローチャート。 図８の処理ＩＩ−１を示すフローチャート。 図８の処理ＩＩ−２を示すフローチャート。 本発明の実施形態に係る圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置の起動時の制御方法を示すフローチャート。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、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、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。
図１及び図２を参照して、ＣＡＥＳ発電装置２の構成を説明する。
ＣＡＥＳ発電装置２は、空気経路と熱媒経路を備える。空気経路には、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１４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の破線参照）。熱媒経路には、主に第１熱交換器１６と、熱媒タンク１８と、第２熱交換器２２とが設けられており、これらが熱媒配管２４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の実線参照）。
まず、図１を参照して空気経路について説明する。空気経路では、吸い込まれた空気は、複数の圧縮機６で圧縮され、蓄圧タンク８に貯蔵される。蓄圧タンク８に貯蔵された圧縮空気は複数の膨張機１０に供給され、発電機３６の発電に使用される。
個々の圧縮機６は、モータ（電動機）２６を備える。個々のモータ２６は、圧縮機６に機械的に接続され、互いに電気的に並列に接続されている。再生可能エネルギーにより発電された電力はモータ２６に供給され、この電力によりモータ２６が駆動され、圧縮機６が作動する。圧縮機６の吐出口６ｂは、空気配管１４を通じて蓄圧タンク８に流体的に接続されている。圧縮機６は、モータ２６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。圧縮機６は、互いに流体的に並列に複数台接続されており、本実施形態ではその数は３台である。ただし、圧縮機６の数はこれに限定されず、１台以上であればよい。
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、空気配管１４を通じて、膨張機１０に流体的に接続されている。従って、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。蓄圧タンク８から個々の膨張機１０に延びる複数の空気配管１４には、流量センサ２８ａ〜２８ｃ及び切替弁３０ａ〜３０ｃがそれぞれ設けられており、膨張機１０に供給される空気量を測定し、必要に応じて切替弁３０ａ〜３０ｃを開閉し、膨張機１０への圧縮空気の供給を許容又は遮断できる。
膨張機１０は、２段型であり、１段目膨張機本体１１及び２段目膨張機本体１２を備える。以降、１段目膨張機本体１１及び２段目膨張機本体１２を合わせて、単に膨張機１０という場合がある。１段目膨張機本体１１及び２段目膨張機本体１２は、共に発電機３６を備える。複数台の発電機３６はそれぞれ膨張機１０と機械的に接続されると共に、互いに電気的に並列に接続されている。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３６を駆動する。発電機３６は外部の電力系統４に電気的に接続されており（図１の１点鎖線参照）、発電した電力は需要先である電力系統４に供給される。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。膨張機１０は、互いに流体的に並列に複数台接続されており、本実施形態ではその数は３台である。ただし、膨張機１０の数はこれに限定されず、１台以上であればよい。
次に、図１を参照して熱媒経路について説明する。熱媒経路では、圧縮機６で発生した熱を第１熱交換器１６で熱媒に回収している。そして、熱回収した熱媒を熱媒タンク１８（第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０）に貯蔵し、第２熱交換器２２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。第２熱交換器２２において降温した熱媒は熱媒タンク１８（低温熱媒タンク２１）に供給される。そして、低温熱媒タンク２１から第１熱交換器１６に再び熱媒が供給され、このように熱媒は循環している。ここで、熱媒の種類は特に限定されておらず、例えば水、油などであってもよい。
第１熱交換器１６は、圧縮機６と蓄圧タンク８との間の空気配管１４に設けられている。従って、この空気配管１４内の圧縮空気と、熱媒配管２４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１６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２４を通じて熱媒タンク１８（第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０）に供給される。
第１熱交換器１６から熱媒タンク１８（第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０）までの熱媒配管２４には、第１熱交換器１６で熱交換して昇温した熱媒の温度を測定するための温度センサ２９ａ〜２９ｃが設けられている。
熱媒タンク１８は、第１高温熱媒タンク１９と、第２高温熱媒タンク２０と、低温熱媒タンク２１とを備える。各熱媒タンク１９，２０，２１には、図示しない残量センサが設置され、貯蔵されている熱媒量を検出できる。例えば、残量センサは重量センサ等であってもよい。第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０には、第１熱交換器１６で昇温した熱媒が温度別に貯蔵されている。より高い温度の熱媒を貯蔵するものが第１高温熱媒タンク１９であり、第１高温熱媒タンク１９の熱媒より低い温度の熱媒を貯蔵するものが第２高温熱媒タンク２０である。第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０には、それぞれ温度センサ２９ｄ，２９ｅが設けられており、内部の熱媒の温度を測定できる。第１熱交換器１６から第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０までの熱媒配管２４（高温蓄熱切替ライン２４ａ）には、高温蓄熱切替弁３１ａ，３１ｂが設けられている。高温蓄熱切替弁３１ａ，３１ｂは、高温蓄熱切替ライン２４ａを通じて第１高温熱媒タンク１９又は第２高温熱媒タンク２０のいずれに熱媒を貯蔵するかを切り替えるためのものである。第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０に貯蔵された熱媒は、熱媒配管２４を通じて第２熱交換器２２に供給される。
第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０から第２熱交換器２２に延びる熱媒配管２４には、熱交換切替弁３２ａ〜３２ｆが設けられている。熱交換切替弁３２ａ〜３２ｆは、第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０のいずれから、第２熱交換器２２に熱媒を供給するか切り替えるためのものである。
このように、第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０を備えるため、高温の熱媒が低温の熱媒と混合することを防止できる。具体的には、第１熱交換器１６で昇温した熱媒の温度に基づいて高温蓄熱切替弁３１ａ，３１ｂを切り替えることで、第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０に温度別に熱媒を貯蔵しているため、特に第１高温熱媒タンク１９に貯蔵されている熱媒の温度を維持できる。本実施形態では、高温熱媒タンク１９，２０は２基であったが、その数は限定されず、３基以上であってもよい。
第２熱交換器２２は、蓄圧タンク８と膨張機１０との間の空気配管１４に設けられている。また、１段目膨張機本体１１と２段目膨張機本体１２との間にも設けられている。従って、蓄圧タンク８から１段目膨張機本体１１に供給される圧縮空気及び１段目膨張機本体１１と２段目膨張機本体１２間の圧縮空気と、熱媒配管２４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を加熱している。即ち、第２熱交換器２２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、熱媒配管２４を通じて低温熱媒タンク２１に供給される。
第２熱交換器２２は、本実施形態の設置方法以外にも様々な設置方法が考えられる。図２Ａ〜２Ｃは、第２熱交換器２２の設置例である。図２Ａは、本実施形態と同様に、２段型の膨張機１０のうち、１段目膨張機本体１１及び２段目膨張機本体１２のそれぞれに対して第２熱交換器２２が１つずつ流体的に接続されている場合である。図２Ｂは、本実施形態とは異なり単段型の膨張機１０に１つの第２熱交換器２２が流体的に接続されている場合である。図２Ｃは、２段型の膨張機１０のうち、１段目膨張機本体１１及び２段目膨張機本体１２のそれぞれに対して第２熱交換器２２が２つずつ直列に流体的に接続されている場合である。これに加えて、第２熱交換器２２は、３つ以上が直列に流体的に接続されていてもよい。
図３は、２段型の膨張機のｐ−ｈ線図である。縦軸は圧力、横軸は比エンタルピーを表す。図中、状態Ｐ１から状態Ｐ２は第２熱交換器２２での加熱過程を示し、状態Ｐ２から状態Ｐ３は１段目膨張機本体１１での膨張仕事過程を示している。また、状態Ｐ３から状態Ｐ４は第２熱交換器２２での加熱過程を示し、状態Ｐ４から状態Ｐ５は２段目膨張機本体１２での膨張仕事過程を示している。図３では、状態Ｐ２から状態Ｐ３及び状態Ｐ４から状態Ｐ５は断熱過程を想定した等エントロピー変化である。１段目膨張機本体１１及び２段目膨張機本体１２（図２Ａ及び図２Ｃ参照）における膨張仕事過程を比較すると、状態Ｐ４から状態Ｐ５の等エントロピー線の傾斜量が状態Ｐ２から状態Ｐ３の等エントロピー線の傾斜量よりも小さいことから、より外部にしている仕事量が大きい。従って、図３の場合には状態Ｐ３から状態Ｐ４における加熱量を状態Ｐ１から状態Ｐ２の加熱量よりも大きくすることが系の効率化の観点からは好ましい。
低温熱媒タンク２１は、主に第２熱交換器２２で熱交換して降温した熱媒を貯蔵する。従って、低温熱媒タンク２１内の熱媒は、通常、第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０内の熱媒よりも温度が低い。低温熱媒タンク２１に貯蔵されている熱媒は、熱媒配管２４を通じて第１熱交換器１６に供給される。
熱媒は、低温熱媒タンク２１の下流の熱媒配管２４に設置されたポンプ３８により熱媒経路を循環されている。ポンプ３８の下流には流量センサ２８ｅが設けられ、ポンプ３８による流量の増減を検出できる。ただし、ポンプ３８の位置はこれに限定されず、熱媒経路の任意の位置に配置してよい。
また、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、第１熱交換器１６と第２熱交換器２２が高温熱媒タンク１９，２０を介して流体的に接続されていることに加えて、高温熱媒タンク１９，２０を介することなく流体的に接続されてもいる。このため、第１熱交換器１６から第２熱交換器２２への熱媒の流動が高温熱媒タンク１９，２０を介するか否かを切り替えるための直接流入切替弁３３ａ，３３ｂが第２熱交換器２２及び高温熱媒タンク１９，２０の上流の熱媒配管２４（直接流入切替ライン２４ｂ）に設けられている。また、第１熱交換器１６から第２熱交換器２２に直接熱媒が流入する直接流入切替ライン２４ｂには流量センサ２８ｄが設けられている。
また、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、第１高温熱媒タンク１９と、低温熱媒タンク２１とがタンク間熱媒ライン２４ｃにより流体的に接続されている。同様に、第２高温熱媒タンク２０と、低温熱媒タンク２１とがタンク間熱媒ライン２４ｃにより流体的に接続されている。これらのタンク間熱媒ライン２４ｃには、タンク間遮断弁３４が設けられている。通常運転時は、タンク間遮断弁３４によりこれらの間での熱媒の授受は遮断されているが、後述するＣＡＥＳ発電装置２の起動時にはタンク間遮断弁３４が開弁され熱媒の授受が可能となる場合がある。同様に、第１高温熱媒タンク１９と第２高温熱媒タンク２０との間でも熱媒の授受が可能となる場合がある。
また、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、第１熱交換器１６から低温熱媒タンク２１に熱媒を供給可能に、流体的に接続されている。このため、高温熱媒タンク１９，２０、又は、前記低温熱媒タンク２１のうちのいずれに前記熱媒を供給するか切り替えるための低温熱媒切替弁３５ａ〜３５ｆが、第１熱交換器１６の下流の熱媒配管２４に設けられている。
以上により、ＣＡＥＳ発電装置２の熱媒経路は構成されている。
また、ＣＡＥＳ発電装置２は、制御装置４０を備える。制御装置４０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような記憶装置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４０は、少なくとも個々の弁３０ａ〜３５ｆに電気的に接続されている。個々の弁３０ａ〜３５ｆの動作は制御装置４０で制御される。流量センサ２８〜２８ｅ、温度センサ２９ａ〜２９ｅ、及び熱媒タンク１８の図示しない残量センサは、制御装置４０に測定値を出力する。制御装置４０は、これらの測定値に基づいてＣＡＥＳ発電装置２を制御する。
次に、ＣＡＥＳ発電装置２の制御方法について説明する。
本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、圧縮空気の貯蔵（充電）と圧縮空気を使用した発電（放電）を同時に行う充放電同時の場合と、別々に行う充放電別々の場合の２つの制御方法を有する。ここでは蓄圧タンク８に圧縮空気を貯蔵することを充電といい、蓄圧タンク８の圧縮空気を使用して発電機３６で発電することを放電という。充放電同時は、再生可能エネルギーによる発電が短周期変動する場合によく使用される。充放電別々は、再生可能エネルギーによる発電が長周期変動する場合によく使用される。長周期・短周期を分ける明確な定義は無いが、長周期は数時間から数日程度の変動である。一方、短周期は数分から１時間未満程度の変動である。具体的には、例えば太陽光を利用した発電の場合、長周期の出力変動要因は日中と夜間の違いである。短周期の出力変動要因は一時的に太陽が雲に隠れる場合である。一方、風力を利用した発電の場合、長周期の出力変動は強風や無風による発電停止の場合であり、短周期の出力変動は風速の変動による場合である。
図４を参照して、運転が開始されると（ステップＳ４−１）、充放電を同時に行うか否かで制御方法が分かれる（ステップＳ４−２）。これは、用途に応じてユーザが選択可能としてもよいし、再生可能エネルギーの長周期変動又は短周期変動に応じて決定されてもよい。充放電同時の場合（ステップＳ４−２）において、需要電力が発電量よりも大きく、高温熱媒タンク１９，２０の全熱媒が必要な場合（ステップＳ４−３）、処理Ａを行う（ステップＳ４−４）。そうでない場合（ステップＳ４−３）、必要分の熱媒と余剰分の熱媒を分離し（ステップＳ４−５）、必要分の熱媒に対しては処理Ａを行い（ステップＳ４−４）、余剰分の熱媒に対しては処理Ｂを行う（ステップＳ４−６）。必要分の熱媒とは、電力系統４から要求される需要電力量を、発電機３６に発電可能にさせる熱媒量を表す。熱媒は流量センサ２８ｄの測定値に基づいて分離され、分離は処理Ａ及び処理Ｂで後述するように直接流入切替弁３３ａ，３３ｂを切り替えて行われる。これらの処理が完了すると、再びステップＳ４−２に戻り、処理を繰り返す。
図５を参照して、処理Ａが開始されると（ステップＳ５−１）、直接流入切替弁３３ａ，３３ｂを切り替え（ステップＳ５−２）、即ち直接流入切替弁３３ａを開き、直接流入切替弁３３ｂを閉じ、第１熱交換器１６から第２熱交換器２２に熱媒配管２４を通じて熱媒を直接供給する（ステップＳ５−３）。そして第２熱交換器２２で圧縮空気と熱媒との間で熱交換が行われる（ステップＳ５−４）。第２熱交換器２２で熱交換して温度が低下した熱媒は、熱媒配管２４を通じて低温熱媒タンク２１に供給され貯蔵される（ステップＳ５−５）。そして処理Ａは終了する（ステップＳ５−６）。
これにより、高温熱媒タンク１９，２０を介することなく、第１熱交換器１６から第２熱交換器２２に熱媒を直接供給できるため、高温熱媒タンク１９，２０で熱媒を貯蔵している間に温度が低下して熱エネルギーの損失が生じることを防止できる。特に、再生可能エネルギーの１時間未満程度の変動である短周期変動を平準化する場合、圧縮機と膨張機が同時に駆動されることが多く、この場合熱媒の利用待機時間が短い又はゼロであるため有効である。さらに、直接流入切替弁の切り替えで、熱媒を第１熱交換器から直接第２交換器に供給できるため、従来と同様の装置を使用でき、大掛かりな装置改良を必要としないため、コストアップ及び装置の大型化を防止できる。ここで、「直接」とは、高温熱媒タンク１９，２０を介することなく第１熱交換器１６から第２熱交換器２２に熱媒が供給されることを示す。
図６を参照して、処理Ｂが開始されると（ステップＳ６−１）、第１熱交換器１６で熱交換した熱媒の温度Ｔ１が第１高温熱媒タンク１９内の熱媒温度Ｔｈ１よりも低く（ステップＳ６−２）、さらに第２高温熱媒タンク２０内の熱媒温度Ｔｈ２よりも低い場合（ステップＳ６−３）、低温熱媒切替弁３５ａ〜３５ｆを切り替え（ステップＳ６−４）、即ち低温熱媒切替弁３５ａ〜３５ｃを閉じ、低温熱媒切替弁３５ｄ〜３５ｆを開き、第１熱交換器１６で熱交換した熱媒を低温熱媒タンク２１に供給し貯蔵する（ステップＳ６−５）。また、第１熱交換器１６で熱交換した熱媒の温度Ｔ１が第１高温熱媒タンク１９内の熱媒温度Ｔｈ１よりも低く（ステップＳ６−２）、さらに第２高温熱媒タンク２０内の熱媒温度Ｔｈ２以上である場合（ステップＳ６−３）、高温蓄熱切替弁３１ａ，３１ｂを切り替え（ステップＳ６−６）、即ち高温蓄熱切替弁３１ｂを開き、高温蓄熱切替弁３１ａを閉じ、第１熱交換器１６で熱交換した熱媒を第２高温熱媒タンク２０に供給し貯蔵する（ステップＳ６−７）。また、第１熱交換器１６で熱交換した熱媒の温度Ｔ１が第１高温熱媒タンク１９内の熱媒温度Ｔｈ１以上である場合、高温蓄熱切替弁３１ａ，３１ｂを切り替え（ステップＳ６−８）、即ち高温蓄熱切替弁３１ａを開き、高温蓄熱切替弁３１ｂを閉じ、第１熱交換器１６で熱交換した熱媒を第１高温熱媒タンク１９に供給し貯蔵する（ステップＳ６−８）。第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０に貯蔵されている熱媒は、熱媒配管２４を通じて第２熱交換器２２に供給される。このとき第２熱交換器が膨張機１０に対して複数設けられている場合（ステップＳ６−１０）、処理IIが行われ（ステップＳ６−１１）、そうでない場合（ステップＳ６−１０）、処理Ｉが行われる（ステップＳ６−１２）。これらの処理が完了すると、処理Ｂは終了する（ステップＳ６−１３）。
このように、低温熱媒切替弁３５ａ〜３５ｆを使用して高温の熱媒と低温の熱媒の混合を防止している。具体的には、第１熱交換器１６から高温熱媒タンク１９，２０に供給される熱媒により、高温熱媒タンク１９，２０に蓄熱している熱媒の温度を低下させることがないため、熱エネルギーの損失を防止できる。また、高温蓄熱切替弁３１ａ，３１ｂを使用して第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０に温度別に熱媒を貯蔵できる。
図７を参照して、処理Ｉは、膨張機１０に対して第２熱交換器２２が１つのみ設置されている場合である（図２Ｂ参照）。処理Ｉが開始されると（ステップＳ７−１）、需要電力が発電量よりも大きく、高温熱媒タンク１９，２０の全熱媒が必要な場合（ステップＳ７−２）、熱交換切替弁３２ａ〜３２ｆを切り替え（ステップＳ７−３）、第１高温熱媒タンク１９及び第２高温熱媒タンク２０の熱媒を第２熱交換器２２に供給する（ステップＳ７−４）。そして第２熱交換器２２で熱交換する（ステップＳ７−５）。また、そうでない場合（ステップＳ７−２）であって、第２高温熱媒タンク２０が空である場合（ステップＳ７−６）、熱交換切替弁３２ａ〜３２ｆを切り替え（ステップＳ７−７）、第１高温熱媒タンク１９の熱媒を第２熱交換器２２に供給する（ステップＳ７−８）。そして第２熱交換器２２で熱交換する（ステップＳ７−９）。また、第２高温熱媒タンク２０が空でない場合（ステップＳ７−６）、熱交換切替弁３２ａ〜３２ｆを切り替え（ステップＳ７−１０）、第２高温熱媒タンク２０の熱媒を第２熱交換器２２に供給する（ステップＳ７−１１）。そして第２熱交換器２２で熱交換する（ステップＳ７−１２）。その後、熱交換切替弁３２ａ〜３２ｆを切り替え（ステップＳ７−１３）、第１高温熱媒タンク１９の熱媒を第２熱交換器２２に供給する（ステップＳ７−１４）。そして第２熱交換器２２で熱交換する（ステップＳ７−１５）。いずれの場合でも第２熱交換器２２で熱交換して温度が低下した熱媒を低温熱媒タンク２１に貯蔵する（ステップＳ７−６）。そして処理Ｉを終了する（ステップＳ７−１７）。
図８を参照して、処理IIが開始されると（ステップＳ８−１）、第２熱交換器が複数直列に設置されている場合（ステップＳ８−２）、処理II−２を実行し（ステップＳ８−３）、そうでない場合（ステップＳ８−２）、処理II−１が実行される（ステップＳ８−４）。これらの処理が完了すると処理IIを終了する（ステップＳ８−５）。
図９を参照して、処理II−１は、１段目膨張機本体１１及び２段目膨張機本体１２に対して第２熱交換器２２が１つずつ設置されている場合である（図２Ａ参照）。処理II−１が開始されると（ステップＳ９−１）、熱交換切替弁３２ａ〜３２ｆを切り替え（ステップＳ９−２）、第１高温熱媒タンク１９内の熱媒を等エントロピー線の傾斜が小さい方（図３参照）の膨張機１０に対して設置された高温側第２熱交換器２２ａに供給し、第２高温熱媒タンク２０内の熱媒を等エントロピー線の傾斜が大きい方（図３参照）の膨張機１０に対して設置された低温側第２熱交換器２２ｂに供給する（ステップＳ９−３）。そして高温側第２熱交換器２２ａ及び低温側第２熱交換器２２ｂで熱交換する（ステップＳ９−４）。高温側第２熱交換器２２ａ及び低温側第２熱交換器２２ｂで熱交換した熱媒は、熱媒配管２４を通じて低温熱媒タンク２１に供給され貯蔵される（ステップＳ９−５）。そして処理II−１を終了する（ステップＳ９−６）。
このように、１段目膨張機本体１１と２段目膨張機本体１２のうちエントロピー線の傾斜が小さい方に対して設置された第２熱交換器２２に、高温の熱媒を供給することで効率よく発電できる。エントロピー線の傾斜が小さい方の膨張機本体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必要があるためである。
図１０を参照して、処理II−２は、１段目膨張機本体１１及び２段目膨張機本体１２に対して第２熱交換器２２が２つずつ直列に設置されている場合である（図２Ｃ参照）。処理II−２が開始されると（ステップＳ１０−１）、熱交換切替弁３２ａ〜３２ｆを切り替え（ステップＳ１０−２）、第２高温熱媒タンク２０内の熱媒を上流側の低温側第２熱交換器２２ｂに供給し、第１高温熱媒タンク１９内の熱媒を下流側の高温側第２熱交換器２２ａに供給する（ステップＳ１０−３）。そして低温側第２熱交換器２２ｂで熱交換し（ステップＳ１０−４）、高温側第２熱交換器２２ａで熱交換する（ステップＳ１０−５）。高温側第２熱交換器２２ａ及び低温側第２熱交換器２２ｂで熱交換して温度が低下した熱媒は低温熱媒タンク２１に供給され貯蔵される（ステップＳ１０−６）。そして処理II−２を終了する（ステップＳ１０−７）。
このように、第２熱交換器２２において、低温の熱媒から高温の熱媒の順に圧縮空気と熱交換させることで、圧縮空気の温度を低下させることなく順に上昇できるため、高温の熱媒を有効に利用できる。また、第２熱交換器２２が３つ以上、直列に流体的に接続されている場合でも、同様に低温の熱媒から高温の熱媒の順に圧縮空気と熱交換させればよい。
また、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、起動時に最適な制御を行っている。
図１１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置２が起動されると（ステップＳ１１−１）、第１熱交換器１６で熱交換した熱媒の温度Ｔ１が第１高温熱媒タンク１９内の熱媒温度Ｔｈ１よりも高い場合（ステップＳ１１−２）、タンク間遮断弁３４を開弁し（ステップＳ１１−３）、第１高温熱媒タンク１９内の熱媒を低温熱媒タンク２１に移動させる（ステップＳ１１−４）。そして、第１高温熱媒タンク１９内の熱媒を空にし（ステップＳ１１−５）、タンク間遮断弁３４を閉弁する（ステップＳ１１−６）。そして高温蓄熱切替弁３１ａ，３１ｂを切り替え（ステップＳ１１−７）、即ち高温蓄熱切替弁３１ａを開き、高温蓄熱切替弁３１ｂを閉じ、第１熱交換器１６で熱交換した熱媒を第１高温熱媒タンク１９に供給し貯蔵する（ステップＳ１１−８）。また、第１熱交換器１６で熱交換した熱媒の温度Ｔ１が第１高温熱媒タンク１９内の熱媒温度Ｔｈ１以下である場合（ステップＳ１１−２）であって、第１熱交換器１６で熱交換した熱媒の温度Ｔ１が第２高温熱媒タンク２０内の熱媒温度Ｔｈ２よりも高い場合（ステップＳ１１−９）、高温蓄熱切替弁３１ａ，３１ｂを切り替え（ステップＳ１１−１０）、即ち高温蓄熱切替弁３１ｂを開き、高温蓄熱切替弁３１ａを閉じ、第１熱交換器１６で熱交換した熱媒を第２高温熱媒タンク２０に供給し貯蔵する（ステップＳ１１−１１）。また、第１熱交換器１６で熱交換した熱媒の温度Ｔ１が第２高温熱媒タンク２０内の熱媒温度Ｔｈ２以下である場合（ステップＳ１１−９）、低温熱媒切替弁３５ａ〜３５ｆを切り替え（ステップＳ１１−１２）、即ち低温熱媒切替弁３５ａ〜３５ｃを閉じ、低温熱媒切替弁３５ｄ〜３５ｆを開き、第１熱交換器１６で熱交換した熱媒を低温熱媒タンク２１に供給し貯蔵する（ステップＳ１１−１３）。そして通常運転に移行する（ステップＳ１１−１４）。
これにより、起動時、長時間放置されて装置全体が大気温度となり、第１高温熱媒タンク１９に低温の熱媒が存在している場合でも、タンク間遮断弁３４を使用してこれらの低温熱媒と、圧縮熱を回収した高温の熱媒とが混合されることを防止できる。そして高温蓄熱切替弁３１ａ，３１ｂを使用して温度別に高温熱媒タンク１９，２０に熱媒を貯蔵できる。従って、高温熱媒タンク１９，２０に蓄熱している熱媒の温度を低下させることがないため、熱エネルギーの損失を防止できる。本実施形態では、図１１のステップＳ１１−２からステップＳ１１−５において、所定の条件の下、第１高温熱媒タンク１９内の熱媒を低温熱媒タンク２１に移動させているが、熱媒の移動はこれに限定されない。即ち、例えば第１高温熱媒タンク１９内の熱媒を第２高温熱媒タンク２０に移動させて第１高温熱媒タンク１９を空にしてもよい。
以上により、通常運転時及び起動時において最適な制御が可能である。また通常運転時においては、充放電同時及び充放電別々の場合の制御方法を備えるため、短周期変動及び長周期変動に対応可能である。
２ 圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
４ 電力系統
６ 圧縮機
６ａ 吸込口
６ｂ 吐出口
８ 蓄圧タンク
１０ 膨張機
１０ａ 吸込口
１０ｂ 吐出口
１１ １段目膨張機本体
１２ ２段目膨張機本体
１４ 空気配管
１６ 第１熱交換器
１８ 熱媒タンク
１９ 第１高温熱媒タンク（高温熱媒タンク）
２０ 第２高温熱媒タンク（高温熱媒タンク）
２１ 低温熱媒タンク
２２ 第２熱交換器
２２ａ 高温側第２熱交換器
２２ｂ 低温側第２熱交換器
２４ 熱媒配管
２４ａ 高温蓄熱切替ライン
２４ｂ 直接流入切替ライン
２４ｃ タンク間熱媒ライン
２６ モータ（電動機）
２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ 流量センサ
２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ，２９ｅ 温度センサ
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 切替弁
３１ａ，３１ｂ 高温蓄熱切替弁
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆ 熱交換切替弁
３３ａ，３３ｂ 直接流入切替弁
３４ タンク間遮断弁
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅ，３５ｆ 低温熱媒切替弁
３６ 発電機
３８ ポンプ
４０ 制御装置

Claims (6)

  1. 再生可能エネルギーを用いて発電した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る膨張機と、
    前記膨張機と機械的に接続され、需要先へ供給する電力を発電する発電機と、
    前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を加熱する第１熱交換器と、
    前記第１熱交換器で熱交換した熱媒の温度を測定する温度センサと、
    前記第１熱交換器と流体的に接続され、前記第１熱交換器で熱交換して昇温した熱媒を温度別に貯蔵する複数の高温熱媒タンクと、
    前記第１熱交換器からいずれの前記複数の高温熱媒タンクに熱媒を供給するか切り替えるための高温蓄熱切替弁と、
    前記複数の高温熱媒タンクと流体的に接続され、前記複数の高温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第２熱交換器と、
    前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器と流体的に接続され、前記第２熱交換器で熱交換して降温した熱媒を貯蔵する低温熱媒タンクと、
    前記温度センサ及び前記高温蓄熱切替弁と電気的に接続され、前記温度センサで測定された温度に基づいて熱媒を温度別に貯蔵するために、前記第１熱交換器からいずれの前記高温熱媒タンクに熱媒を供給するか前記高温蓄熱切替弁を切り替える制御装置と
    を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
  2. 前記第１熱交換器は、前記高温熱媒タンク及び前記第２熱交換器に対して流体的に接続され、
    前記制御装置に電気的に接続され、前記第１熱交換器から前記高温熱媒タンク又は前記第２熱交換器のいずれに熱媒を供給するか切り替える直接流入切替弁をさらに備え、
    前記制御装置は、前記圧縮機の圧縮と前記膨張機の膨張が同時に行われる場合に前記直接流入切替弁を切り替えて、前記第１熱交換器から前記第２熱交換器に熱媒を直接供給する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  3. 複数の前記第２熱交換器が前記膨張機に対して直列に流体的に接続され、
    前記高温熱媒タンクからいずれの前記第２熱交換器に熱媒を供給するか切り替える熱交換切替弁をさらに備え、
    前記制御装置は、前記熱交換切替弁を切り替えて、前記高温熱媒タンクに温度別に貯蔵された熱媒のうち温度の低いものから順に上流側の前記第２熱交換器に供給する、請求項１又は請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  4. 前記高温熱媒タンクからいずれの前記第２熱交換器に熱媒を供給するか切り替える熱交換切替弁をさらに備え、
    前記膨張機は１段目膨張機本体と２段目膨張機本体を備え、
    前記制御装置は、前記熱交換切替弁を切り替えて、前記１段目膨張機本体と前記２段目膨張機本体のうち、ｐ−ｈ線図上の等エントロピー線の傾斜が小さい方に対して流体的に接続された前記第２熱交換器に、前記高温熱媒タンクに温度別に貯蔵された熱媒のうち温度の高い熱媒を供給する、請求項１又は請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  5. 前記第１熱交換器から前記高温熱媒タンク又は前記低温熱媒タンクのうちのいずれに熱媒を供給するか切り替えるための低温熱媒切替弁をさらに備え、
    前記制御装置は、前記温度センサ及び前記低温熱媒切替弁と電気的に接続され、前記温度センサで測定された前記第１熱交換器において圧縮熱を回収した熱媒の温度が所定の温度以下である場合、前記低温熱媒切替弁を切り替えて、前記低温熱媒タンクに熱媒を供給する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  6. 再生可能エネルギーを用いて発電した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、需要先へ供給する電力を発電する発電機と、
    前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を加熱する第１熱交換器と、
    前記第１熱交換器で熱交換した熱媒の温度を測定する温度センサと、
    前記第１熱交換器と流体的に接続され、前記第１熱交換器で昇温した熱媒を貯蔵する高温熱媒タンクと、
    前記高温熱媒タンクと流体的に接続され、前記高温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第２熱交換器と、
    前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器と流体的に接続され、前記第２熱交換器で降温した熱媒を貯蔵する低温熱媒タンクと、
    前記第１熱交換器から前記高温熱媒タンク又は前記低温熱媒タンクのうちのいずれに熱媒を供給するか切り替えるための低温熱媒切替弁と、
    前記温度センサ及び前記低温熱媒切替弁と電気的に接続され、前記温度センサで測定された前記第１熱交換器において圧縮熱を回収した熱媒の温度が所定の温度以下である場合、前記低温熱媒切替弁を切り替えて、前記低温熱媒タンクに熱媒を供給する、制御装置と
    を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
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