JP6456236B2

JP6456236B2 - 圧縮空気貯蔵発電装置

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Publication number: JP6456236B2
Application number: JP2015096777A
Authority: JP
Inventors: 松隈　正樹; 正樹松隈; 佳直美坂本; 浩樹猿田; 正剛戸島; 洋平久保
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2035-05-11
Also published as: CN107532513B; EP3296546A4; US10358975B2; EP3296546A1; CN107532513A; JP2016211466A; EP3296546B1; US20180347459A1; WO2016181883A1

Description

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置に関する。

変動する不安定な発電出力を平滑化又は平準化する技術として、余剰発電電力が生じた際に圧縮機等で空気を圧縮して空気圧力としてエネルギーを蓄えておき、必要なときに空気タービン発電機等で電気に再変換する圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）と呼ばれる技術が知られている。

例えば、特許文献１では、圧縮機の下流に配置した熱交換器によって熱を回収した圧縮ガスを圧縮ガス蓄積装置に蓄積し、該蓄積装置から引き出したガスを、前記回収した熱により加熱して動力発生装置に供給する圧縮エアエネルギー蓄積システム（圧縮空気貯蔵発電装置）が開示されている。

特表２０１３−５３６３５７号公報

特許文献１の構成では、圧縮機の圧縮ガスの熱が高温用熱交換器と低温用熱交換器とで回収されるものの、いずれにおいても同一の圧縮ガスの熱が回収されるのみであり、圧縮ガス以外の熱源からの熱回収は考慮されていない。

本発明は、圧縮軸動力を効率的に低下し、消費電力を減少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、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た発電機と、冷却水が供給される冷却水流路と、前記圧縮機のケーシング内には前記冷却水流路の一部が設けられており、熱交換することで、前記冷却水流路内の冷却水は昇温し、作動流体である空気は降温する第１熱交換部とを備える圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。

この構成により、圧縮行程において圧縮軸動力を効率的に低下し、消費電力を減少できる。具体的には、冷却水をケーシング内に流して第１熱交換部において圧縮空気の熱を除去すると、空気の圧力上昇が遅くなる。従って、圧縮仕事を減少させることができ、消費電力を減少できる。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記冷却水流路で昇温した冷却水を温水として取り出す温水取出機構をさらに備えることが好ましい。

この構成により、第１熱交換部において圧縮空気から回収した圧縮熱により冷却水流路内の冷却水を加熱し、温水にして取り出しているため、外部からの追加電力を要することなく温水を提供できる。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記電動機を冷却するための第１冷却流体が内部を流動する第１冷却流路と、前記第１冷却流路内で昇温した前記第１冷却流体と、前記冷却水流路内の冷却水とで熱交換して前記冷却水流路内の水を昇温させる第２熱交換部とをさらに備えることが好ましい。

この構成により、第１冷却流体が第１冷却流路において電動機で発生する摩擦熱等を回収し、第２熱交換部で冷却水流路内の冷却水を加熱しているため、電動機における熱損失を低減し、システム内で熱を有効に利用できる。また上述と同様に外部からの追加電力を要することなく温水の提供が可能である。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、記発電機を冷却するための第２冷却流体が内部を流動する第２冷却流路と、前記第２冷却流路内で昇温した前記第２冷却流体と、前記冷却水流路内の冷却水とで熱交換して前記冷却水流路内の冷却水を昇温させる第３熱交換部とをさらに備えることが好ましい。

この構成により、第２冷却流体が第２冷却流路において発電機で発生する摩擦熱等を回収し、第３熱交換部で冷却水流路内の冷却水を加熱しているため、発電機における熱損失を低減し、システム内で熱を有効に利用できる。また上述と同様に外部からの追加電力を要することなく温水の提供が可能である。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を昇温させるための第４熱交換部と、前記第４熱交換部で昇温した熱媒を貯蔵する蓄熱タンクと、前記蓄熱タンクから供給される熱媒と前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を昇温させて前記膨張機に供給する第５熱交換部とをさらに備えることが好ましい。

この構成により、第４熱交換部において圧縮機で発生する熱を回収し、第５熱交換部において膨張機で膨張直前の空気に熱を戻すことで充放電効率を向上できる。通常の圧縮空気貯蔵発電装置では、圧縮機で発生した熱は、圧縮空気と共に蓄圧タンク内へ供給される。そして、蓄圧タンクから熱が大気へ放出され、エネルギー損失が生じる。これを防止するために、蓄圧タンクに圧縮空気が供給される前に、予め熱回収し、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。このようにして、蓄圧タンクにおける熱放出によるエネルギー損失を防止できる。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記第５熱交換部で熱交換後の熱媒と、前記冷却水流路内の冷却水とで熱交換して前記冷却水流路内の水を昇温させる第６熱交換部をさらに備えることが好ましい。

この構成により、第５熱交換部において熱媒から圧縮空気に付与しきれなかった熱を第６熱交換部において有効に利用できる。また上述と同様に外部からの追加電力を要することなく温水の提供が可能である。

前記第１熱交換部と、前記第２熱交換部と、前記第３熱交換部と、前記第６熱交換部とが、前記冷却水流路において直列に流体的に接続され、前記冷却水流路内の水を順に昇温させることが好ましい。

この構成により、第１から第３、及び第６熱交換部において、前記冷却水流路内の水を順に昇温させているため、低温の熱も有効に利用できる。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記冷却水流路内を流動する水の流量を調整する流量調整手段を備え、前記流量調整手段により、前記温水取出機構から取り出す水の流量及び温度を調整可能であることが好ましい。

この構成により、流量調整手段によって冷却水流路内の水の流量を調整可能であるため、温水取出機構から所望の温度及び流量の温水を取り出すことができる。

本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置の圧縮行程において圧縮軸動力を効率的に低下し、消費電力を減少できる。

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。本発明の第１実施形態に係る圧縮機を概念的に示す縦断面図。本発明の第１実施形態に係る圧縮機を概念的に示す図２ＡのＡ−Ａ線における横断面図。本発明の第１実施形態に係る圧縮機のＰＶ線図。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。本発明の第２実施形態に係る圧縮機のＰＶ線図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（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、発電設備４で再生可能エネルギーを利用して発電する場合に、需要先である外部の電力系統６への出力変動を平準化するとともに、電力系統６における需要電力の変動に合わせた電力を出力する。なお、発電設備４は再生可能エネルギーを利用して発電する場合に限定されず、工場設備等の自家発電設備であってもよい。

図１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、空気流路、熱媒流路、第１及び第２冷却流路、並びに冷却水流路の大きく分けて４種類の流路を備える。空気流路には、主に圧縮機８と、蓄圧タンク１０と、膨張機１２とが設けられており、これらが空気配管１４，１５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の破線矢印参照）。熱媒流路には、主に第１空気熱交換部（第４熱交換部）１６と、蓄熱タンク１８と、第２空気熱交換部（第５熱交換部）２０とが設けられており、これらが熱媒配管２２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の一点鎖線矢印参照）。第１及び第２冷却流路は、ＣＡＥＳ発電装置２の一部の構成要素を冷却すると同時に熱回収するための流路である。第１及び第２冷却流路は、それぞれ第１及び第２冷却配管２６，２８により流体的に接続され、その内部には第１及び第２冷却流体がそれぞれ流れている（図１の実線矢印参照）。冷却水流路には、主に給水部３０、第１から第４温水熱交換部（第１から第３及び第６熱交換部）３２，３４，３６，３８、及び温水取出機構（温水取出口）４０が設けられており、これらが冷却水配管４２により流体的に接続され、その内部には水（温水）が流れている（図１の二点鎖線矢印参照）。ここで、空気熱交換部は作動流体である空気を熱交換対象に含み、温水熱交換部は冷却水流路内の水を熱交換対象に含む熱交換部である。

第１に、図１を参照して空気流路について説明する。図において破線で示された空気流路は、空気配管１４，１５により各要素が流体的に接続されている。吸い込まれた空気は、圧縮機８で圧縮され、蓄圧タンク１０に貯蔵され、膨張機１２に供給され、発電機４４の発電に使用される。

圧縮機８は、モータ（電動機）４６を備える。モータ４６は、圧縮機８に機械的に接続されている。発電設備４において再生可能エネルギーにより発電された電力はモータ４６に供給され（図１の太線矢印参照）、この電力によりモータ４６が駆動される。

圧縮機８は、モータ４６を駆動させることで作動する。圧縮機８の吐出口８ｂは、第１空気熱交換部１６を介して蓄圧タンク１０と空気配管１４を通じて流体的に接続されている。圧縮機８は、モータ４６により駆動されると、吸込口８ａより空気を吸引し、圧縮して吐出口８ｂより吐出し、蓄圧タンク１０に圧縮した空気を圧送する。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本実施形態の圧縮機８はスクリュ式であり、ケーシング８ｃ内に１組のロータ８ｄが回転可能に配置されている。ケーシング８ｃ内には冷却水流路の一部が設けられており、ロータ８ｄの周囲を囲んでいる。後述するように、冷却水配管４２内には圧縮機８の作動流体である空気を冷却するための水（冷却水）が流れている。ケーシング８ｃ内での冷却水流路は、冷却水配管４２をロータ８ｄの周方向に連通させて設けられているが、これ以外にも例えばＵ字形状にしてもよいし、複数に分割して複数列設けてもよい。

ケーシング８ｃ内に冷却水流路を設けたことにより、圧縮行程において作動流体である空気の冷却効率を向上し、圧縮軸動力を効率的に低下し、消費電力を減少できる。具体的には、冷却水をケーシング８ｃ内に流して圧縮空気の熱を除去すると、空気の圧力上昇が遅くなる。従って、圧縮仕事を減少させることができ、消費電力を減少できる。さらに、圧縮機８では、断熱圧縮を行うと圧縮空気の温度が上昇して効率が悪くなるため、等温圧縮するのが理想的である。しかし、厳密な等温圧縮は困難であり、実際には等温圧縮と断熱圧縮の中間的なポリトロープ変化となる。本実施形態では、冷却水流路をケーシング８ｃ内に設けることによって圧縮空気を冷却し、ポリトロープ変化を等温変化に近づけている。また、ケーシング８ｃの温度が均一に保たれるため、圧縮行程での圧縮熱により生じる温度差によってケーシング８ｃが大きく歪むことを防止できる。

本実施形態では、圧縮機８の数は１台であるが、これに限定されず、複数台の圧縮機８が設置されてもよい。また、圧縮機８の種類はスクリュ式に限定されず、例えばターボ式、及びスクロール式等であってもよい。好ましくはオイルフリー式の圧縮機８を使用する方がよい。オイルフリー式の場合、油による温度低下が起こらないため、加熱温度を大幅に上昇させることができ、圧縮空気の流量当たりの発電出力を向上させることができる。また、圧縮機８の本体内部や排気される圧縮空気に油が混入することを防止すると共に、下流のプロセスが油により汚染される危険性を回避できる。

蓄圧タンク１０は、圧縮機８から圧送された圧縮空気を貯蔵する。従って、蓄圧タンク１０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１０は、第２空気熱交換部２０を介して膨張機１２と空気配管１５を通じて流体的に接続されている。蓄圧タンク１０で貯蔵された圧縮空気は、膨張機１２に供給される。

膨張機１２は、発電機４４を備える。発電機４４は膨張機１２と機械的に接続されている。吸込口１２ａから圧縮空気を供給された膨張機１２は、供給された圧縮空気により作動し、発電機４４を駆動する。発電機４４は、外部の電力系統６に電気的に接続されており（図１の太線矢印参照）、発電した電力を需要先である電力系統６に供給する。また、膨張機１２で膨張された空気は、吐出口１２ｂから外部に排出される。

本実施形態では、膨張機１２の数は１台であるが、これに限定されず、複数台の膨張機１２が設置されてもよい。また、膨張機１２の種類は特に限定されず、例えばスクリュ式、ターボ式、及びスクロール式等であってもよい。

第２に、図１を参照して熱媒流路について説明する。図において一点鎖線で示された熱媒流路は、熱媒配管２２により循環するように構成されている。熱媒流路では、圧縮機８で発生した熱を第１空気熱交換部１６で熱媒に回収し、蓄熱タンク１８で昇温した熱媒を貯蔵し、第２空気熱交換部２０において膨張機１２で膨張する前の圧縮空気に熱を戻している。熱媒流路には、ポンプ４８ａが設置されており、熱媒配管２２内の熱媒はポンプ４８ａにより循環されている。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。

第１空気熱交換部１６では、圧縮機８と蓄圧タンク１０との間の空気配管１４内の圧縮空気と、熱媒配管２２内の熱媒との間で熱交換し、圧縮機８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空気熱交換部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２２を通じて蓄熱タンク１８に供給される。

蓄熱タンク１８は、大気と断熱され、第１空気熱交換部１６で熱交換して昇温した熱媒を貯蔵する。貯蔵された熱媒は、熱媒配管２２を通じて第２空気熱交換部２０に供給される。

第２空気熱交換部２０では、蓄圧タンク１０と膨張機１２との間の空気配管１５内の圧縮空気と、熱媒配管２２内の熱媒との間で熱交換し、膨張機１２による膨張の前に圧縮空気の温度を上昇させている。即ち、第２空気熱交換部２０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、熱媒戻りタンク１９に供給され貯蔵される。熱媒戻りタンク１９に貯蔵された熱媒は、ポンプ４８ａにより第１空気熱交換部１６に供給され、熱媒は熱媒配管２２内を循環している。

このように、圧縮機８で発生する熱を回収し、膨張機１２で膨張直前の空気に熱を戻すことで充放電効率を向上できる。熱回収を行わないＣＡＥＳ発電装置２では、圧縮機で発生した熱は、圧縮空気と共に蓄圧タンク１０内へ供給される。そして、蓄圧タンク１０から熱が大気へ放出され、エネルギー損失が生じる。これを防止するために、蓄圧タンク１０に圧縮空気が供給される前に、予め熱回収し、蓄圧タンク１０に貯蔵される圧縮空気の温度を大気温度に近づける。本実施形態では、このようにして蓄圧タンク１０における熱放出によるエネルギー損失を防止している。

第３に、図１を参照して第１及び第２冷却流路についてそれぞれ説明する。図において実線で示された第１及び第２冷却流路では、それぞれモータ４６、及び発電機４４を冷却し、これらで発生する熱を回収している。

第１冷却流路は、第１冷却配管２６により循環するように構成されており、その一部がモータ４６に関する軸受８ｅ（図２Ａ参照）や図示しないギア等の駆動部分の付近に設けられている。第１冷却配管２６内には、これらを冷却するための油（第１冷却流体）が流れている。この油は、第１冷却配管２６内で軸受８ｅ（図２Ａ参照）や図示しないギア等のモータ４６に関する駆動部分を冷却し、これらで発生する摩擦熱等を回収している。本実施形態の第１冷却配管２６内の油は、ポンプ４８ｃにより循環されているが、ポンプ４８ｃを設置せず、第１冷却配管２６内を滞留してもよい。

第２冷却流路は、第２冷却配管２８により循環するように構成されており、その一部が発電機４４に関する図示しない軸受やギア等の駆動部分の付近に設けられている。第２冷却配管２８内には、これらを冷却するための油（第２冷却流体）が流れている。この油は、第２冷却配管２８内で発電機４４の図示しない駆動部分を冷却し、これらで発生する摩擦熱等を回収している。本実施形態の第２冷却配管２８内の油は、ポンプ４８ｄにより循環されているが、ポンプ４８ｄを設置せず、第２冷却配管２８内を滞留してもよい。

第４に、図１を参照して冷却水流路について説明する。図において二点鎖線で示された冷却水流路は、冷却水配管４２により構成されており、一端が給水部３０、他端が温水取出口４０に流体的に接続されている。冷却水配管４２内には給水部３０から給水された水が流れている。冷却水配管４２には、第４温水熱交換部３８、第３温水熱交換部３６、第２温水熱交換部３４、及び第１温水熱交換部３２が順に上流側から下流側へ設けられている。給水部３０から冷却水配管４２内に供給された水は、第４から第１温水熱交換部３８，３６，３４，３２で熱交換により順に昇温し、温水となって温水取出口４０から取り出される。

第４温水熱交換部３８では、第２空気熱交換部２０で熱交換した後の熱媒配管２２内の熱媒と、冷却水配管４２内で給水部３０から供給された水との間で熱交換し、第２空気熱交換部２０において熱媒から圧縮空気に付与しきれなかった熱を冷却水配管４２内の水に付与している。即ち、第４温水熱交換部３８では、熱媒の温度は低下し、水の温度は上昇する。

第４温水熱交換部３８を設けていることで、第２空気熱交換部２０において熱媒から圧縮空気に付与しきれなかった熱を温水のために有効に利用できる。ここで昇温した水は、冷却水配管４２を通じて第３温水熱交換部３６に供給される。

第３温水熱交換部３６では、発電機４４から熱回収した後の第２冷却配管２８内の油と、冷却水配管４２内で第４温水熱交換部３８から供給された水との間で熱交換し、発電機４４から熱回収した熱を冷却水配管４２内の水に付与している。即ち、第３温水熱交換部３６では、油の温度は低下し、水の温度は上昇する。

第３温水熱交換部３６を設けていることで、第２冷却配管２８内の油が第２冷却流路において発電機４４で発生する摩擦熱を回収しているため、発電機４４における熱損失を低減し、システム内で熱を温水のために有効に利用できる。ここで昇温した水は、冷却水配管４２を通じて第２温水熱交換部３４に供給される。

第２温水熱交換部３４では、モータ４６から熱回収した後の第１冷却配管２６内の油と、冷却水配管４２内で第３温水熱交換部３６から供給された水との間で熱交換し、モータ４６から熱回収した熱を冷却水配管４２内の水に付与している。即ち、第２温水熱交換部３４では、油の温度は低下し、水の温度は上昇する。

第２温水熱交換部３４を設けていることで、第１冷却配管２６内の油が第１冷却流路においてモータ４６で発生する摩擦熱を回収しているため、モータ４６における熱損失を低減し、システム内で熱を温水のために有効に利用できる。ここで昇温した水は、冷却水配管４２を通じて第１温水熱交換部３２に供給される。

第１温水熱交換部３２では、圧縮機８のケーシング８ｃ内の圧縮により昇温した圧縮空気と、冷却水配管４２を通じて第２温水熱交換部３４から供給された水との間で熱交換し、圧縮機８から熱回収した熱を冷却水配管４２内の水に付与している。即ち、第１温水熱交換部３２では、圧縮空気の温度は低下し、冷却水配管４２内の水の温度は上昇する。ここで昇温した水は、冷却水配管４２を通じて温水取出口４０に供給される。

第１温水熱交換部３２を設けていることで、圧縮機８における圧縮空気から回収した熱を温水のために利用できる。このため、外部からの追加電力を要することなく温水を提供できる。

このように、第４から第１温水熱交換部３８，３６，３４，３２において、冷却水配管４２内の水を順に昇温させているため、低温の熱も有効に利用できる。本実施形態では、冷却水配管４２に対して上流側から下流側へ、第４温水熱交換部３８、第３温水熱交換部３６、第２温水熱交換部３４、及び第１温水熱交換部３２が順に設けられている。これは、本実施形態では、第４温水熱交換部３８、第３温水熱交換部３６、第２温水熱交換部３４、及び第１温水熱交換部３２の順に、低温から高温の熱を冷却水配管４２内の水に付与することを想定しているためである。従って、冷却水配管４２内の水を順に昇温させる配置にするように、各熱交換部３８，３６，３４，３２の熱交換温度によってこれらの配置は変更されてもよい。

冷却水配管４２には、温水取出口４０の上流にポンプ４８ｂ及び温度センサ５０が設けられている。ポンプ４８ｂは、制御装置５２によって制御されており、冷却水配管４２内を流れる水の量を調整できる。温度センサ５０は、冷却水配管４２内を流れる水の温度を測定して制御装置５２に出力する。本発明の流量調整手段は、少なくともポンプ４８ｂ、温度センサ５０、及び制御装置５２を備える。ポンプ４８ｂ及び温度センサ５０の位置は特に限定されず、冷却水流路の任意の位置に配置してよい。

ポンプ４８ｂによって冷却水配管４２内の水の流量を調整できるため、温水取出口４０から所望の温度及び流量の温水を取り出すことができる。

図３は、圧縮機８の冷却度別に示したＰＶ線図である。縦軸は圧力Ｐ、横軸は体積Ｖを表している。グラフでは、圧縮前の状態Ｓ１から圧縮後の状態Ｓ２に向かって圧縮しており、曲線Ｌ１が冷却度大、曲線Ｌ２が冷却度中、曲線Ｌ３が冷却度小の場合を示している。このＰＶ線図において、圧縮機８の圧縮仕事は、グラフ中の斜線部で示す面積に対応するため、冷却度の小さい方が圧縮仕事は大きくなる。即ち、Ｌ３＞Ｌ２＞Ｌ１の順で圧縮仕事は大きい。これからわかるように、作動流体である空気の冷却により圧縮機８の圧縮仕事量を減少させ、消費電力を低減できる。

（第２実施形態）
図４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８、膨張機１２が２段式で、第１熱交換部１６、第２熱交換部２０、蓄熱タンク１８が複数あること以外の構成は図１、図２Ａ、及び図２Ｂの第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１、図２Ａ、及び図２Ｂ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。

図５を参照して、本実施形態の圧縮機８及び膨張機１２は、第１及び第２実施形態と異なり、２段型のスクリュ式である。また、蓄熱タンク１８は、高温蓄熱タンク１８ａ及び低温蓄熱タンク１８ｂを備え、これらに温度別に熱媒が貯蔵されている。

圧縮機８は、低圧段圧縮機本体８ｆ及び高圧段圧縮機本体８ｇ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８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。圧縮機８は、モータ４６を備える。モータ４６は、低圧段圧縮機本体８ｆ及び高圧段圧縮機本体８ｇの内部のスクリュ８ｄに機械的に接続されている。発電設備４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４６に供給されると、この電力によりモータ４６が駆動され、スクリュ８ｄが回転して圧縮機８が作動する。圧縮機８は、モータ４６により駆動されると、空気配管１４を通じて低圧段圧縮機本体８ｆが吸込口８ａより空気を吸引し、圧縮して吐出口８ｉより吐出し、空気配管１４を通じて高圧段圧縮機本体８ｇに圧縮空気を圧送する。高圧段圧縮機本体８ｇは、空気配管１４を通じて吸込口８ｈより空気を吸引し、圧縮して吐出口８ｂより吐出し、空気配管１４を通じて蓄圧タンク１０に圧縮空気を圧送する。また、本実施形態では圧縮機８の数は１台であるが、複数台を設置してもよい。さらに圧縮機８は２段型に限定されず３段型以上であってもよい。

膨張機１２は、低圧段膨張機本体１２ｃ及び高圧段膨張機本体１２ｄ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１２を使用することで、圧縮機８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。膨張機１２は、発電機４４を備える。発電機４４は、低圧段膨張機本体１２ｃ及び高圧段膨張機本体１２ｄの内部のスクリュ１２ｅと機械的に接続されている。高圧段膨張機本体１２ｄは、吸込口１２ａにおいて空気配管１５を通じて蓄圧タンク１０と流体的に接続され、吸込口１２ａから圧縮空気を供給される。高圧段膨張機本体１２ｄは、供給された圧縮空気により作動し、発電機４４を駆動する。高圧段膨張機本体１２ｄは、吐出口１２ｇから空気配管１５を通じて圧縮空気を低圧段膨張機本体１２ｃの吸込口１２ｆに供給する。低圧段膨張機本体１２ｃは、同様に供給された圧縮空気により作動し、発電機４４を駆動する。低圧段膨張機本体１２ｃは吐出口１２ｂから空気配管１５を通じて外部に膨張した空気を排気する。発電機４４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、本実施形態では膨張機１２の数は１台であるが、複数台を設置してもよい。さらに膨張機１２は２段型に限定されず３段型以上であってもよい。

本実施形態の第１空気熱交換部１６は、インタークーラ１６ａと、アフタークーラ１６ｂとを備える。インタークーラ１６ａ、及びアフタークーラ１６ｂは、圧縮機８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１６ａ及びアフタークーラ１６ｂでは、圧縮空気の温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。

インタークーラ１６ａは、空気流路において低圧段圧縮機本体８ｆから高圧段圧縮機本体８ｇに延びる空気配管１４に設けられている。また、熱媒流路において熱媒戻りタンク１９から低温蓄熱タンク１８ｂに延びる熱媒配管２２に設けられている。従って、インタークーラ１６ａは、低圧段圧縮機本体８ｆで圧縮後の圧縮空気と、低温蓄熱タンク１８ｂに供給される熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体８ｆ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２２を通じて低温蓄熱タンク１８ｂに供給される。

アフタークーラ１６ｂは、空気流路において高圧段圧縮機本体８ｇから蓄圧タンク１０に延びる空気配管１４に設けられている。また、熱媒流路において熱媒戻りタンク１９から高温蓄熱タンク１８ａに延びる熱媒配管２２に設けられている。従って、アフタークーラ１６ｂは、高圧段圧縮機本体８ｇで圧縮後の圧縮空気と、高温蓄熱タンク１８ａに供給される熱媒とで熱交換し、低圧段圧縮機本体８ｆ及び高圧段圧縮機本体８ｇ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２２を通じて高温蓄熱タンク１８ａに供給される。

これにより、高温蓄熱タンク１８ａに高温の熱媒を貯蔵し、これより低温の熱媒を低温蓄熱タンク１８ｂに貯蔵でき、即ち温度別に熱媒を貯蔵できる。従って、高温と低温で貯蔵された熱媒で２段型の膨張機１２に流入する圧縮空気を効率的に加熱可能であり、充放電効率を高く維持できる。

本実施形態の第２空気熱交換部２０は、プレヒータ２０ａと、インターヒータ２０ｂとを備える。プレヒータ２０ａ及びインターヒータ２０ｂは、膨張機１２で膨張前の圧縮空気を加熱する。従って、プレヒータ２０ａ及びインターヒータ２０ｂでは、圧縮空気の温度は上昇し、熱媒の温度は低下する。

プレヒータ２０ａは、空気流路において蓄圧タンク１０から高圧段膨張機本体１２ｄに延びる空気配管１５に設けられている。また、熱媒流路において低温蓄熱タンク１８ｂから熱媒戻りタンク１９に延びる熱媒配管２２に設けられている。従って、プレヒータ２０ａは、高圧段膨張機本体１２ｄで膨張前の圧縮空気と、低温蓄熱タンク１８ｂから供給される熱媒とで熱交換し、高圧段膨張機本体１２ｄでの膨張前の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２２を通じて熱媒戻りタンク１９に供給される。

インターヒータ２０ｂは、空気流路において高圧段膨張機本体１２ｄから低圧段膨張機本体１２ｃに延びる空気配管１５に設けられている。また、熱媒流路において高温蓄熱タンク１８ａから熱媒戻りタンク１９に延びる熱媒配管２２に設けられている。従って、インターヒータ２０ｂは、低圧段膨張機本体１２ｃで膨張前の圧縮空気と、高温蓄熱タンク１８ａから供給される熱媒とで熱交換し、低圧段膨張機本体１２ｃでの膨張前の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２２を通じて熱媒戻りタンク１９に供給される。

熱媒戻りタンク１９は、第２空気熱交換部２０（プレヒータ２０ａ及びインターヒータ２０ｂ）で熱交換して降温した熱媒を貯蔵する。熱媒戻りタンク１９に貯蔵されている熱媒は、熱媒配管２２を通じて第１空気熱交換部１６（インタークーラ１６ａ及びアフタークーラ１６ｂ）にそれぞれ供給される。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、冷却水流路は、冷却水配管４２により構成されており、一端が給水部３０、他端が温水取出口４０に流体的に接続されている。第１から第４温水熱交換部３２，３４，３６，３８の配置も第１実施形態と同様であるが、第１温水熱交換部３２の構成のみ第１実施形態と異なる。

第１温水熱交換部３２は、第１実施形態と異なり、冷却水配管４２の水を２段階で加熱している。具体的には、第１温水熱交換部３２は、低圧段圧縮機本体８ｆと、高圧段圧縮機本体８ｇとで発生する圧縮熱で冷却水配管４２内の水を加熱している。従って、第１温水熱交換部３２では、圧縮空気の温度は低下し、冷却水配管４２内の水の温度は上昇する。

低圧段圧縮機本体８ｆでは、冷却水流路において第２温水熱交換部３４から高圧段圧縮機本体８ｇに延びる冷却水配管４２の一部が、低圧段圧縮機本体８ｆのケーシング８ｃ内に設けられており、第１実施形態と同様にスクリュ８ｄの周囲を囲んでいる。従って、冷却水配管４２内の水と、低圧段圧縮機本体８ｆのケーシング８ｃ内の圧縮空気とで熱交換し、低圧段圧縮機本体８ｆで発生した熱を冷却水配管４２内の水に付与している。

高圧段圧縮機本体８ｇでは、冷却水流路において低圧段圧縮機本体８ｆから温水取出口４０に延びる冷却水配管４２の一部が、高圧段圧縮機本体８ｇのケーシング８ｃ内に設けられており、第１実施形態と同様にスクリュ８ｄの周囲を囲んでいる。従って、冷却水配管４２内の水と、高圧段圧縮機本体８ｇのケーシング８ｃ内の圧縮空気とで熱交換し、高圧段圧縮機本体８ｇで発生した熱を冷却水配管４２内の水に付与している。

このように、低圧段圧縮機本体８ｆ及び高圧段圧縮機本体８ｇの圧縮空気から回収した圧縮熱を冷却水配管４２内の水を温水にするために有効利用できる。特に本実施形態のように２段型の圧縮機８の場合、低圧段圧縮機本体８ｆにおける圧縮空気よりも高圧段圧縮機本体８ｇにおける圧縮空気の方が通常高温になる。従って、冷却水流路において低圧段圧縮機本体８ｆを高圧段圧縮機本体８ｇの上流に設けることで、冷却水配管４２内の水を順に昇温でき、低圧段圧縮機本体８ｆ及び高圧段圧縮機本体８ｇの両方の熱を有効利用できる。

図６は、２段型の圧縮機８の冷却度別に示したＰＶ線図である。縦軸は圧力Ｐ、横軸は体積Ｖを表している。グラフでは、１段圧縮前の状態Ｓ１から１段圧縮後の状態Ｓ３に向かって圧縮しており、曲線Ｌ１が冷却度大、曲線Ｌ２が冷却度中、曲線Ｌ３が冷却度小の場合を示している。そして２段圧縮前に状態Ｓ３から状態Ｓ４へインタークーラ１６ａにおいて圧縮空気を冷却している。さらに２段圧縮前の状態Ｓ４から２段圧縮後の状態Ｓ２に向かって圧縮している。同様に曲線Ｌ１が冷却度大、曲線Ｌ２が冷却度中、曲線Ｌ３が冷却度小の場合を示している。そして２段圧縮後の状態Ｓ２から状態Ｓ５へアフタークーラ１６ｂにおいて圧縮空気を冷却している。ＰＶ線図において、圧縮機８の圧縮仕事は、グラフ中の斜線部で示す面積に対応するため、冷却度が小さい方が圧縮仕事は大きくなる。即ち、Ｌ３＞Ｌ２＞Ｌ１の順で圧縮仕事は大きい。システムの充放電効率は向上する。これからわかるように、２段型の圧縮機８においても作動流体である空気の冷却により圧縮機８の圧縮仕事量を減少させ、消費電力を低減できる。

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。

また、本発明の冷却水には水道水、工業用水、貯水池や河川の水などが利用できるが、これに限らず水に防錆剤や不凍液を含むものも利用できる。

上記実施形態では、冷却水流路は、冷却水配管４２により構成されており、一端が給水部３０、他端が温水取出口４０に流体的に接続されている。そのため、冷却水を温水として他所で利用する場合は、温水取出機構（温水取出口）４０から出た温水を他所へ送り出すように構成すればよい。他方、冷却水を温水として他所で利用しない場合は、給水部３０として冷却塔を設けて温水取出機構（温水取出口）４０から出た温水を冷却塔へ還流させるように構成すればよい。また温水取出機構（温水取出口）４０から出た温水を外部へ廃棄するように構成してもよい。

２圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
４発電設備
６電力系統（需要先）
８圧縮機
８ａ，８ｈ吸込口
８ｂ，８ｉ吐出口
８ｃケーシング
８ｄロータ（スクリュ）
８ｅ軸受
８ｆ低圧段圧縮機本体
８ｇ高圧段圧縮機本体
１０蓄圧タンク
１２膨張機
１２ａ，１２ｆ吸込口
１２ｂ，１２ｇ吐出口
１２ｃ低圧段膨張機本体
１２ｄ高圧段膨張機本体
１２ｅロータ（スクリュ）
１４，１５空気配管
１６第１空気熱交換部（第４熱交換部）
１６ａインタークーラ
１６ｂアフタークーラ
１８蓄熱タンク
１８ａ高温蓄熱タンク
１８ｂ低温蓄熱タンク
１９熱媒戻りタンク
２０第２空気熱交換部（第５熱交換部）
２０ａプレヒータ
２０ｂインターヒータ
２２熱媒配管
２６第１冷却配管
２８第２冷却配管
３０給水部
３２第１温水熱交換部（第１熱交換部）
３４第２温水熱交換部（第２熱交換部）
３６第３温水熱交換部（第３熱交換部）
３８第４温水熱交換部（第６熱交換部）
４０温水取出機構（温水取出口）
４２冷却水配管
４４発電機
４６モータ
４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｄポンプ（流量調整手段）
５０温度センサ（流量調整手段）
５２制御装置（流量調整手段）

Claims

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た発電機と、
冷却水が供給される冷却水流路と、
前記圧縮機のケーシング内には前記冷却水流路の一部が設けられており、熱交換することで、前記冷却水流路内の冷却水は昇温し、作動流体である空気は降温する第１熱交換部と、
前記冷却水流路で昇温した冷却水を温水として取り出す温水取出機構と、
前記電動機を冷却するための第１冷却流体が内部を流動する第１冷却流路と、
前記第１冷却流路内で昇温した前記第１冷却流体と、前記冷却水流路内の冷却水とで熱交換して前記冷却水流路内の水を昇温させる第２熱交換部と
を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
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た発電機と、
冷却水が供給される冷却水流路と、
前記圧縮機のケーシング内には前記冷却水流路の一部が設けられており、熱交換することで、前記冷却水流路内の冷却水は昇温し、作動流体である空気は降温する第１熱交換部と、
前記冷却水流路で昇温した冷却水を温水として取り出す温水取出機構と、
前記発電機を冷却するための第２冷却流体が内部を流動する第２冷却流路と、
前記第２冷却流路内で昇温した前記第２冷却流体と、前記冷却水流路内の冷却水とで熱交換して前記冷却水流路内の冷却水を昇温させる第３熱交換部と
を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を昇温させるための第４熱交換部と、
前記第４熱交換部で昇温した熱媒を貯蔵する蓄熱タンクと、
前記蓄熱タンクから供給される熱媒と前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を昇温させて前記膨張機に供給する第５熱交換部と
をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
前記第５熱交換部で熱交換後の熱媒と、前記冷却水流路内の冷却水とで熱交換して前記冷却水流路内の水を昇温させる第６熱交換部をさらに備える、請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
前記発電機を冷却するための第２冷却流体が内部を流動する第２冷却流路と、
前記第２冷却流路内で昇温した前記第２冷却流体と、前記冷却水流路内の水とで熱交換して前記冷却水流路内の水を昇温させる第３熱交換部と
をさらに備える、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を昇温させるための第４熱交換部と、
前記第４熱交換部で昇温した熱媒を貯蔵する蓄熱タンクと、
前記蓄熱タンクから供給される熱媒と前記蓄圧タンクから供給される圧縮空気とで熱交換して圧縮空気を昇温させて前記膨張機に供給する第５熱交換部と
をさらに備える、請求項５に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
前記第５熱交換部で熱交換後の熱媒と、前記冷却水流路内の水とで熱交換して前記冷却水流路内の水を昇温させる第６熱交換部をさらに備える、請求項６に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
前記第１熱交換部と、前記第２熱交換部と、前記第３熱交換部と、前記第６熱交換部とが、前記冷却水流路において直列に流体的に接続され、前記冷却水流路内の水を順に昇温させる、請求項７に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
前記冷却水流路内を流動する水の流量を調整する流量調整手段を備え、前記流量調整手段により、前記温水取出機構から取り出す水の流量及び温度を調整可能である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。