特許 6511378 圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6511378

(24)【登録日】2019年4月12日

(45)【発行日】2019年5月15日

(54)【発明の名称】圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法

(51)【国際特許分類】

   F02C 6/16 20060101AFI20190425BHJP

   F02C 1/05 20060101ALI20190425BHJP

   F02C 6/00 20060101ALI20190425BHJP

   H02J 15/00 20060101ALI20190425BHJP

【ＦＩ】

   F02C6/16

   F02C1/05

   F02C6/00 B

   H02J15/00 E

【請求項の数】8

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-191668(P2015-191668)

(22)【出願日】2015年9月29日

(65)【公開番号】特開2017-66938(P2017-66938A)

(43)【公開日】2017年4月6日

【審査請求日】2017年9月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】100081422

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 光雄

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100111039

【弁理士】

【氏名又は名称】前堀 義之

(72)【発明者】

【氏名】松隈 正樹

(72)【発明者】

【氏名】猿田 浩樹

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 隆

(72)【発明者】

【氏名】坂本 佳直美

(72)【発明者】

【氏名】戸島 正剛

(72)【発明者】

【氏名】久保 洋平

【審査官】 西中村 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０３−０５４３２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０６５０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０４２５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３９３７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０９５９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０６５６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０５４３２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５３−１３４１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０７７０６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１３０１８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２２４６７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｃ ６／００、６／１４−６／１６

Ｆ０２Ｃ １／０５

Ｈ０２Ｊ １５／００

ＤＷＰＩ（Ｄｅｒｗｅｎｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

不規則に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、
前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄える蓄圧部と、
前記蓄圧部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、
前記圧縮機から供給される圧縮空気と熱媒とで熱交換して圧縮空気を常温近傍まで冷却する第１熱交換器と、
作動流体である空気を常温以下の冷気として取り出す冷熱取出部と、
前記冷熱取出部により冷熱を取り出す効率を向上させた冷熱取出モードと、前記発電機により発電する効率を向上させた発電モードとを切り替えるモード切替機構と
を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項2】

前記冷熱取出部は、前記膨張機の排気口を含む、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項3】

前記冷熱取出部は、前記膨張機から供給された常温以下の冷気と冷媒とで熱交換し、冷媒を常温以下まで冷却して冷却冷媒を得る第２熱交換器を備える、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】

前記第１熱交換器は、熱交換により回収した圧縮熱を暖熱として取り出す暖熱取出部として機能する、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】

前記暖熱取出部に冷凍機が流体的に接続されている、請求項４に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項6】

前記蓄圧部の許容蓄圧値よりも高い許容蓄圧値を有する高圧蓄圧部と、
前記圧縮機により圧縮された圧縮空気よりも高圧に空気を圧縮して前記高圧蓄圧部に供給する高圧圧縮機と
をさらに備える、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。

【請求項7】

前記冷熱取出モードは、前記発電モードよりも前記膨張機に供給される圧縮空気の温度が低い、請求項１から請求項６のいずれか１項に係る圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項8】

不規則に変動する入力電力により空気を圧縮し、
前記圧縮の工程で昇温した圧縮空気を常温近傍まで冷却し、
前記常温近傍まで冷却された圧縮空気を貯蔵し、
貯蔵していた圧縮空気を膨張させることにより発電に利用すると同時に常温以下まで冷却して冷気として取り出す
ことを含み、
前記冷気の取り出しは、前記冷気を取り出す効率を向上させた冷熱取出モードと、前記発電の効率を向上させた発電モードとを切り替えて行う、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】

再生可能エネルギーのような不規則に変動する不安定なエネルギーを利用した発電の出力を平滑化する技術としては、余剰発電電力が生じた際に電気を蓄えておき電力不足時に電気を補う蓄電池が代表的なものである。大容量蓄電池の例として、ナトリウム・硫黄電池、レドックスフロー電池、リチウム蓄電池、及び鉛蓄電池などが知られている。これらの電池は、いずれも化学的な二次電池であり、蓄えたエネルギーを電気の形式でしか出力できない。

【0003】

また、その他の平滑化の設備として、余剰発電電力が生じた際に電気の代わりに圧縮機から吐出される圧縮空気を蓄えておき、必要な時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）と呼ばれる技術が知られている（特許文献１〜３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−９７７３７号公報

【特許文献2】特表２０１３−５１２４１０号公報

【特許文献3】特表２０１３−５３６３５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

再生可能エネルギーにより発電した電力の出力先としては、商用系統に電力として出力して売電する場合もあるが、商用系統に戻すことなく発電所内又は近接する需要家で消費することも考えられる。このような需要家の一例として、コンピュータの冷却に膨大な冷房が求められるデータセンタや、製造工程における制約から一定温度に調整しておくことが求められる精密機械工場及び半導体工場がある。

【0006】

なお、大電力を使用する需要家では、その使用電力の変動に応じて、使用電力が少ない際に蓄電し、使用電力が増加した場合に放電して最大使用電力量を抑えるという節電手法に対するニーズもある。

【0007】

本発明は、再生可能エネルギーのような不規則に変動する発電出力を平滑化すると共に、このような変動する入力電力によっても効率的に冷熱利用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】

本発明の第１の態様は、不規則に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、
前記圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄える蓄圧部と、
前記蓄圧部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、
前記圧縮機から供給される圧縮空気と熱媒とで熱交換して圧縮空気を常温近傍まで冷却する第１熱交換器と、
作動流体である空気を常温以下の冷気として取り出す冷熱取出部と
を備える、圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。
ここで、前記冷熱取出部は、前記膨張機の排気口を含んでいてもよい。

【0009】

この構成によれば、蓄圧部により圧縮空気としてエネルギーを貯蔵することで、再生可能エネルギーのような不規則に変動する発電出力を平滑化することができる。また、冷熱取出部により常温以下の冷気を取り出す（冷熱を作り出す）ことで再生可能エネルギーのような不規則に変動する電力によっても効率的に冷熱利用できる。特に、商用電力を直接使用して冷熱を作り出す場合に比べて大幅に熱効率を向上できる。また、発電に伴う膨張による吸熱を利用することで空気を効率的に冷却できるため、冷熱取出部として膨張機を有効利用できる。ここで、第１熱交換器において圧縮空気は常温近傍まで冷却されるが、「常温近傍」とは、圧縮空気が蓄圧部に貯蔵されている間に外気に放熱して、圧縮空気の保有するエネルギーを大幅に損失しない程度の温度をいう。

【0010】

前記冷熱取出部は、前記膨張機から供給された常温以下の冷気と冷媒（例えば水）とで熱交換し、冷媒を常温以下まで冷却して冷却冷媒（例えば冷水）を得る第２熱交換器を備えてもよい。

【0011】

第２熱交換器を設けることで、冷却冷媒を取出して冷房に利用することができる。また、冷気と冷媒との熱交換量を調整して冷却冷媒の温度を一定温度に調整できる。

【0012】

前記第１熱交換器は、熱交換により回収した圧縮熱を暖熱として取り出す暖熱取出部として機能してもよい。

【0013】

前記第１熱交換器が暖熱取出部として機能することで、冷熱に加えて暖熱も取り出すことができ、さらに熱効率を向上できる。また、暖熱を取り出すための新たな設備を追加する必要がない。

【0014】

前記暖熱取出部に冷凍機が流体的に接続されていてもよい。

【0015】

冷凍機により、暖熱を冷熱に変換して取り出すことができるため、圧縮空気貯蔵発電全体としてより多くの冷熱を取り出すことができる。これにより、前記冷熱取出部からの冷熱に加えて冷凍機からの冷熱も利用することができるため、データセンタや大型のコンピュータ等の大量の冷熱が必要な需要家に対してより多くの冷熱を供給できる。

【0016】

前記冷熱取出部により冷熱を取り出す効率を向上させた冷熱取出モードと、前記発電機により発電する効率を向上させた発電モードとを切り替えるモード切替機構をさらに備えていてもよい。

【0017】

モード切替機構を設けることで、必要に応じてモードを切り替えることができ、熱効率の向上と充放電効率の向上の両立を図ることができる。

【0018】

前記蓄圧部の許容蓄圧値よりも高い許容蓄圧値を有する高圧蓄圧部と、
前記圧縮機により圧縮された圧縮空気よりも高圧に空気を圧縮して前記高圧蓄圧部に供給する高圧圧縮機と
をさらに備えてもよい。

【0019】

高圧蓄圧部と高圧圧縮機を設けることで、商用電力系統の停電等の非常時に長時間にわたって緊急電源と冷房を供給できる。これは、データセンタや大型のコンピュータ等の停電時においても非常用電力が必要で、かつ大量の冷熱が必要な需要家に対して特に有効である。

【0020】

本発明の第２の態様は、不規則に変動する入力電力により空気を圧縮し、
前記圧縮の工程で昇温した圧縮空気を常温近傍まで冷却し、
前記常温近傍まで冷却された圧縮空気を貯蔵し、
貯蔵した圧縮空気を膨張させることにより発電に利用すると同時に常温以下まで冷却して冷気として取り出す、圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、蓄圧部により圧縮空気としてエネルギーを貯蔵することで再生可能エネルギーによる発電出力のように不規則に変動する入力電力を平滑化すると共に、冷熱取出部により常温以下の冷気を取り出すことで、不規則に変動する入力電力によっても効率的に冷熱利用できる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【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】発電設備としての圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。

【図3】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。

【図4】入力電力に対する各モードのエネルギー効率を示す棒グラフ。

【図5】本発明の第３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】

【0023】

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

【0024】

（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、再生可能エネルギーを利用して発電する場合の電力系統４への出力変動を平滑化するとともに、電力系統４における電力需要の変動に合わせた電力を出力する。

【0025】

図１を参照して、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の構成を説明する。

【0026】

ＣＡＥＳ発電装置２は、再生可能エネルギーを利用する発電装置６の出力変動を平滑化する。ＣＡＥＳ発電装置２は、少なくともモータ（電動機）８ａ、圧縮機１０、蓄圧タンク（蓄圧部）１２、膨張機１４、発電機１６、及び第１熱交換器１８ａを備える。

【0027】

図１に係る実施形態では、発電装置６として、風力発電や太陽光発電等の再生可能エネルギーを利用したものを用いているが、発生する電力が不規則に変動するものであれば、再生可能エネルギーによるものでなくてもよい。例えば、工場等に設置された大電力を使用する機器（例えば、大型コンピュータや電気炉など）によって変動させられる電力であってもよい。

【0028】

再生可能エネルギーを利用する発電装置６により発電された不規則に変動する電力は、モータ８ａに供給される。以降、発電装置６からモータ８ａに供給される電力を入力電力という。モータ８ａは、入力電力により駆動される。モータ８ａは、圧縮機１０に機械的に接続されている。

【0029】

圧縮機１０は、モータ８ａで駆動される。圧縮機１０の吐出口１０ｂは、空気配管２０ａを通じて蓄圧タンク１２と流体的に接続されている。圧縮機１０は、モータ８ａにより駆動されると、吸気口１０ａより空気を吸気し、圧縮して吐出口１０ｂより吐出し、空気配管２０ａを通じて蓄圧タンク１２に圧縮空気を圧送する。空気配管２０ａには、第１熱交換器１８ａが設けられている。

【0030】

蓄圧タンク１２は、空気配管２０ｂを通じて膨張機１４と流体的に接続されている。蓄圧タンク１２は、圧送された圧縮空気を蓄える。即ち、蓄圧タンク１２には圧縮空気の形式でエネルギーを蓄積できる。蓄圧タンク１２で蓄えられた圧縮空気は、空気配管２０ｂを通じて膨張機１４に供給される。空気配管２０ｂにはバルブ２２が設けられており、バルブ２２を開閉することで膨張機１４への圧縮空気の供給を許容又は遮断できる。

【0031】

膨張機１４は、発電機１６と機械的に接続されている。給気口１４ａから圧縮空気を給気された膨張機１４は、給気された圧縮空気により作動し、発電機１６を駆動する。すなわち、蓄圧タンク１２に貯蔵していた圧縮空気を膨張させて発電に利用している。膨張された空気は、膨張時の吸熱により常温以下まで冷却され、排気口１４ｂから空気配管２０ｄ内に排気される。すなわち、貯蔵していた圧縮空気を膨張させることにより常温以下まで冷却して冷気として取り出している。従って、本実施形態では、膨張機１４が本発明の冷熱取出部１３に含まれ、空気配管２０ｄを通じて作動流体である空気を冷気として取り出すことができる。空気配管２０ｄには第２熱交換器１８ｂが設けられており、常温以下まで冷却された冷気は空気配管２０ｄを通じて第２熱交換器１８ｂに供給される。

【0032】

また、蓄圧タンク１２により圧縮空気としてエネルギーを貯蔵することで再生可能エネルギーによる発電出力を平滑化し、冷熱取出部１３（膨張機１４）により常温以下の冷気を取り出すことで再生可能エネルギーによって効率的に冷房を行うことができる。特に、商用電力を直接使用して冷熱を作り出す場合に比べて大幅に熱効率を向上できる。また、発電に伴う膨張による吸熱を利用することで空気を効率的に冷却できるため、本実施形態では冷熱取出部１３として膨張機１４を有効利用している。

【0033】

発電機１６は電力系統４に電気的に接続されており、発電機１６で発電した電力（以降、発電電力という）は電力系統４又はモータ８ａに供給される（図１の一点鎖線参照）。発電電力の供給先は、スイッチ３０を切りかえることで変更できる。スイッチ３０の切り替えは、電力系統４から要求される需要電力に応じて切り替えられてもよい。

【0034】

第１熱交換器１８ａでは、圧縮機１０と蓄圧タンク１２とを流体的に接続する空気配管２０ａ内の圧縮空気と、熱媒配管３４ａ内の熱媒とで熱交換し、圧縮機１０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１８ａでは、圧縮空気の温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。特に、後述する熱エネルギー損失防止及び冷熱回収のため、圧縮空気の温度は常温近傍まで低下される。ここで、「常温近傍」とは、圧縮空気が蓄圧タンク１２に貯蔵されている間に外気に放熱して圧縮空気の保有するエネルギーを大幅には損失しない程度の温度をいう。ここでいう「常温近傍」の温度とは、蓄圧タンク１２の設置場所の温度（本実施形態においては外気温度）によって変動するが、１０〜５０℃程度の温度が適切である。ここで温度上昇した熱媒は、第３熱交換器１８ｃに供給され、熱交換に使用される。また、第１熱交換器１８ａは、クーリングタワー等の単なる冷却機構であってもよい。

【0035】

第１熱交換器１８ａを設けることで、蓄圧タンク１２における放熱によるエネルギー損失を防止できる。第１熱交換器１８ａを設けない場合、圧縮熱によって温度上昇した圧縮空気が蓄圧タンク１２に供給される。この場合、温度上昇した圧縮空気は、蓄圧タンク１２に蓄えられている間に外気へ放熱し、熱エネルギーを損失する。これを防止するため、第１熱交換器１８ａを設置して、蓄圧タンク１２に供給される圧縮空気の温度を常温近傍まで低下させている。

【0036】

冷熱を取り出すことに関して、第１熱交換器１８ａにより圧縮空気の温度を常温近傍まで低下させることで、膨張機１４に供給される空気の温度も常温近傍まで低下する。従って、常温近傍の空気が膨張機１４で膨張され、膨張吸熱により常温近傍からさらに温度低下するため、排気される空気の温度を常温以下にできる。このため、常温以下の冷気として冷熱を回収できる。

【0037】

第２熱交換器１８ｂでは、膨張機１４から空気配管２０ｄを通じて排気された常温以下の空気と、冷水配管４０を通じて水供給部１９から供給される水とで熱交換し、水を常温以下まで冷却して冷水（冷却冷媒）として取り出す。取り出された冷水は、冷房等に使用される。従って、第２熱交換器１８ｂは、本発明の冷熱取出部１３に含まれる。冷房の需要先は、例えば、コンピュータの冷却に膨大な冷房が求められるデータセンタや、製造工程における制約から一定温度に調整しておくことが求められる精密機械工場及び半導体工場等がある。また、第２熱交換器１８ｂで熱交換して温度上昇した空気配管２０ｄ内の空気も依然冷房に使用できる程度の低温を保っている場合は、上記の冷房の需要先等に供給され、冷房に利用されてもよい。

【0038】

第２熱交換器１８ｂを設けることで、冷水を取出して冷房に利用することができる。また、冷気と水との熱交換量を調整して冷水の温度を一定温度に調整できる。

【0039】

さらに、膨張機１４から空気配管２０ｄを通じて排気された常温以下の空気、又は、第２熱交換器１８ｂで冷却された冷水は、第１熱交換器１８ａに供給され、圧縮空気の冷却に使用されてもよい。

【0040】

冷熱取出部１３としての膨張機１４又は第２熱交換器１８ｂから第１熱交換器１８ａに対して冷熱を供給することで、システム外から圧縮空気を冷却するための冷熱を供給する必要がない。また、簡単な構成で取り出した冷熱を有効利用できる。

【0041】

本実施形態においては、冷媒として水を用いたが、水に不凍液等を加えた混合物であってもよいし、代替フロンなどの冷媒を用いてもよい。

【0042】

暖熱を取り出すことに関して、第１熱交換器１８ａが暖熱取出部１７として機能することで、冷熱に加えて暖熱も取り出すことができ、さらに熱効率を向上できる。また、暖熱を取り出すための新たな設備を追加する必要もなく、低コストかつ簡単な構成で暖熱を取り出すことができる。

【0043】

蓄熱タンク３２ａは、熱媒配管３４ａを通じて、それぞれ第１熱交換器１８ａ及び第３熱交換器１８ｃに流体的に接続されている。蓄熱タンク３２ａは内部の熱媒が温度変化しないように断熱されており、熱媒配管３４ａ内には熱媒が流れている。熱媒の種類は限定されておらず、例えば水、油などであってもよい。熱媒配管３４ａには、ポンプ３６ａが設けられている。ポンプ３６ａは、熱媒配管３４ａを通じて蓄熱タンク３２ａと第１熱交換器１８ａと第３熱交換器１８ｃとの間で熱媒を循環させている。

【0044】

第３熱交換器１８ｃでは、第１熱交換器１８ａで温度上昇した熱媒と温水配管４２ｃを通じて水供給部１９から供給された水とで熱交換して水を暖房として利用できる所定の温度まで上昇させている。ここで作られた温水は暖房に使用される。従って、第３熱交換器１８ｃは、本発明の暖熱取出部１７に含まれる。これに対して第３熱交換器１８ｃで温度低下した熱媒は、熱媒配管３４ａを通じて蓄熱タンク３２ａに供給され蓄えられる。熱媒は、蓄熱タンク３２ａから第１熱交換器１８ａに供給され、循環している。また、第３熱交換器１８ｃで温度上昇させるのは水だけでなく、油などの他の熱媒であってもよい。また、第３熱交換器１８ｃは必ずしも設ける必要はなく、第３熱交換器１８ｃを省略し、第１熱交換器１８ａで温度上昇した熱媒を暖房に使用してもよい。

【0045】

第３熱交換器１８ｃには冷凍機３８が流体的に接続されている。第３熱交換器１８ｃから冷凍機３８に暖熱の一部が供給され、冷熱に変換して冷房に使用される。従って、冷凍機３８は、本発明の冷熱取出部１３に含まれる。本実施形態では第３熱交換器１８ｃから冷凍機３８に暖熱を供給しているが、第１熱交換器１８ａと冷凍機３８を流体的に接続し、第１熱交換器１８ａから冷凍機３８に暖熱を供給してもよい。また、図示しない弁などを設け、必要に応じて暖熱を冷凍機３８に供給し、冷房と暖房を切り替えてもよい。冷凍機３８により、暖熱を冷熱に変換して取り出すことができるため、例えば、データセンタや大型のコンピュータ等の大量の冷熱が必要な需要家に対してより多くの冷熱を供給できる。本実施形態の冷凍機としては、吸収式冷凍機、吸着式冷凍機などの暖熱を冷熱に変換する各種冷凍機を使用することができる。

【0046】

また、本実施形態では、モータ８ａ及び発電機１６における電気ロスやメカロスのような圧縮熱に対しては比較的小さな熱も回収するために、第４熱交換器１８ｄ及び第５熱交換器１８ｅが設けられている。第４熱交換器１８ｄ及び第５熱交換器１８ｅでは、温水配管４２ａ，４２ｂを通じて水供給部１９から供給される水と、モータ８ａ及び発電機１６から熱回収して温度上昇した熱媒とで熱交換して、水を所定の温度まで上昇させて温水として取り出している。従って、第４熱交換器１８ｄ及び第５熱交換器１８ｅは、本発明の暖熱取出部１７に含まれる。取り出された温水は、温浴施設、温水プール、農業施設、及び暖房等に利用できる。熱媒配管３４ｂ，３４ｃ内の熱媒はポンプ３６ｂ，３６ｃによりそれぞれ循環している。

【0047】

また、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、圧縮機１０よりも空気を高圧に圧縮する高圧圧縮機２８と、蓄圧タンク１２の許容蓄圧値よりも高圧の許容蓄圧値を有する高圧蓄圧タンク（高圧蓄圧部）２４とを備える。

【0048】

高圧圧縮機２８には、圧縮機１０と同様にモータ８ｂが機械的に接続されている。高圧圧縮機２８は、モータ８ｂに駆動されて、吸気口２８ａより吸気し、圧縮機１０よりも高圧に空気を圧縮して、吐出口２８ｂから高圧蓄圧タンク２４に圧縮空気を供給する。従って、高圧蓄圧タンク２４内の圧力は、通常、蓄圧タンク１２内の圧力よりも高い。蓄圧タンク１２と高圧蓄圧タンク２４の圧力（蓄圧値）の例として、蓄圧タンク１２を０．９８ＭＰａ未満とし、高圧蓄圧タンク２４を４．５ＭＰａ程度とすることが考えられる。

【0049】

高圧蓄圧タンク２４は、蓄圧タンク１２及び膨張機１４と空気配管２０ｃを通じて流体的に接続されている。具体的には、空気配管２０ｃの一端は高圧蓄圧タンク２４に流体的に接続され、他端は空気配管２０ｂに流体的に接続されている。空気配管２０ｃには流量調整バルブ２６が設けられており、流量調整バルブ２６の開度を調整することで蓄圧タンク１２及び膨張機１４に供給する空気の流量を調整できる。膨張機１４に減圧した高圧空気を供給することで発電をおこない、蓄圧タンク１２に減圧した高圧空気を供給することで減少した蓄圧タンク１２に貯蔵された圧縮空気量を補うことができる。

【0050】

高圧蓄圧タンク２４と高圧圧縮機２８を設けることで、停電等の非常時に長時間にわたって緊急電源と冷房を供給できる。具体的には、通常時流量調整バルブ２６が閉じられており、高圧蓄圧タンク２４の内圧が高く保たれている。停電等が起きて多くの発電量が必要な場合や、長時間発電して蓄圧タンク１２の内圧が低下した場合に、流量調整バルブ２６を開き、高圧蓄圧タンク２４から膨張機１４に多くの圧縮空気を供給する。これにより、膨張機１４によって駆動される発電機１６の発電量の低下を防止でき、同時に冷熱を取り出すこともできる。これは、データセンタや大型のコンピュータ等の大量の冷熱が必要な需要家に対して特に有効である。

【0051】

なお、本実施形態の圧縮機１０及び膨張機１４は、その種類は限定されず、スクリュ式、スクロール式、ターボ式、及びレシプロ式などであってもよい。ただし、不規則に変動する入力電力に応答性高くリニアに追従するにはスクリュ式が望ましい。また、圧縮機１０及び膨張機１４の数は共に１台であるが、台数は特に限定されず、２台以上の複数台であってもよい。また、高圧圧縮機２８の種類も限定されていないが、高圧に圧縮して保持しておくにはレシプロ式が望ましい。

【0052】

図２は、本実施形態と異なり、冷熱を取り出すよりも発電効率を重視した場合のＣＡＥＳ発電装置２の概略構成図である。図２に示す比較例では、図１の第１実施形態から第２熱交換器１８ｂが省略され、第６熱交換器１８ｆが設けられている。また、第６熱交換器１８ｆを設けたことに伴い、熱媒を温度別に貯蔵するために２つの蓄熱タンク３２ａ，３２ｂが設けられている。これら以外の構成は図１と実質的に同様であり、同様の構成要素には同様の符号を付して説明を省略する。

【0053】

第６熱交換器１８ｆでは、蓄圧タンク１２から膨張機１４へと延びる空気配管２０ｂ内の圧縮空気と、循環する熱媒配管３４ｄ内の熱媒とで熱交換し、膨張機１４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６熱交換器１８ｆでは、圧縮空気の温度は上昇し、熱媒の温度は低下する。第６熱交換器１８ｆで温度低下した熱媒は、蓄熱タンク３２ａに供給され蓄えられる。蓄熱タンク３２ａに蓄えられた熱媒は、熱媒配管３４ｄを通じて第１熱交換器１８ａに供給される。第１熱交換器１８ａで温度上昇した熱媒は、蓄熱タンク３２ｂに供給され蓄えられる。蓄熱タンク３２ｂに蓄えられた熱媒は、熱媒配管３４ｄを通じて第６熱交換器１８ｆに供給される。熱媒配管３４ｄには、熱媒を流動させるためのポンプ３６ｄが設けられており、ポンプ３６ｄにより熱媒は循環されている。このように圧縮空気の膨張前に圧縮空気の温度を上昇させることで、膨張効率を向上させ、発電効率を向上させることができる。

【0054】

（第２実施形態）
図３に示す第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、図１の第１実施形態と図２の比較例を合わせた構成を有している。具体的には、図１に示す第１実施形態の膨張機１４による冷熱を取り出す効率を向上させた冷熱取出モードと、図２に示す比較例の発電機１６による発電効率を向上させた発電モードとを両方実行可能とし、２つのモードを切り替えるモード切替機構４４を有している。

【0055】

モード切替機構４４は、三方弁４６，４８を含んでいる。三方弁４６，４８は、熱媒配管３４ｅに設けられている。一方の三方弁４６は、第１熱交換器１８ａに接続された第１ポート４６ａと、第３熱交換器１８ｃに接続された第２ポート４６ｂと、蓄熱タンク３２ｂに接続された第３ポート４６ｃとを有する。他方の三方弁４８は、蓄熱タンク３２ａに接続された第１ポート４８ａと、第３熱交換器１８ｃに接続された第２ポート４８ｂと、第６熱交換器１８ｆに接続された第３ポート４８ｃとを有する。従って、三方弁４６，４８の各ポート４６ａ〜４６ｃ，４８ａ〜４８ｃを開閉することで、これらの構成要素間の熱媒の流れを許容又は遮断し、必要なモードに切り替えることができる。

【0056】

冷熱取出モードでは、一方の三方弁４６は、第１ポート４６ａ及び第２ポート４６ｂを開き、第３ポート４６ｃを閉じる。他方の三方弁４８は、第１ポート４８ａ及び第２ポート４８ｂを開き、第３ポート４８ｃを閉じる。従って、熱媒配管３４ｅ内の熱媒は、蓄熱タンク３２ａ、第１熱交換器１８ａ、三方弁４６、第３熱交換器１８ｃ、三方弁４８、及び蓄熱タンク３２ａの順に流れ、ポンプ３６ｅにより循環している。

【0057】

発電モードでは、一方の三方弁４６は、第１ポート４６ａ及び第３ポート４６ｃを開き、第２ポート４６ｂを閉じる。他方の三方弁４８は、第１ポート４８ａ及び第３ポート４８ｃを開き、第２ポート４８ｂを閉じる。従って、熱媒配管３４ｅ内の熱媒は、蓄熱タンク３２ａ、第１熱交換器１８ａ、三方弁４６、蓄熱タンク３２ｂ、第６熱交換器１８ｆ、三方弁４８、及び蓄熱タンク３２ａの順に流れ、ポンプ３６ｅにより循環している。

【0058】

モード切替機構４４を設けることで、必要に応じてモードを切り替えることができ、熱効率と充放電効率の両立を図ることができる。すなわち、休日や祝日等の工場が止まって冷熱を必要としない場合は、商用系統への売電を優先して発電モードで運転し、工場が稼働中で冷熱を必要としている場合には、冷熱取出モードで運転すればよい。

【0059】

図４は、入力電力に対する発電モード及び冷熱取出モードのエネルギー効率を示したものである。入力電力に対して、発電モードと冷熱取出モードの発電効率（実線斜線部）を比較すると、発電モードの方が発電効率は高い。冷熱取出モードでは、第１熱交換器１８ａで回収した熱を暖房として使用して熱効率を向上させているのに対して（破線斜線部）、発電モードでは第１熱交換器１８ａで回収した熱を使用して第６熱交換器１８ｆで膨張前の空気を加熱して発電効率を向上させているためである。また、モータ８ａ及び発電機１６から第４熱交換器１８ｄ及び第５熱交換器１８ｅを介して暖熱を温水として取り出しているのは両モード共通であるが（Ｍ，Ｇ部分）、冷熱取出モードではさらに冷熱を取り出して冷房に使用している（Ｃ１，Ｃ２部分）。ここでＣ１部分は第２熱交換器１８ｂでの熱交換後に冷水配管４０を通じて冷水として取り出した冷熱であり、Ｃ２部分は第２熱交換器１８ｂでの熱交換後も依然常温以下である空気配管２０ｄを通じて冷気として取り出した冷熱である。総合的なエネルギー効率は、冷熱取出モードの方が発電モードよりも高くなっている。グラフでは、入力電力よりも冷熱取出モードのエネルギー効率が高くなっており、エネルギー効率が１００％を超えているが、これは周囲の空気からエネルギーを得て冷熱及び暖熱を回収して利用できるためである。冷熱と暖熱の取出比率によって、全体のエネルギー効率は異なるが、一例として１８０％（ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）＝１．８）程度の効率が期待できる。

【0060】

（第３実施形態）
図５は、第３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、冷熱取出部１４に関する構成以外は図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。

【0061】

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、図１の第１実施形態のＣＡＥＳ発電装置２から第２熱交換部１８ｂ及び冷水配管４０が省略されている。従って、膨張機１４の排気口１４ｂから空気配管２０ｄを通じて供給された冷気は、そのまま冷房に使用してもよい。

【0062】

このように、第２熱交換器１８ｂ等を介して冷水を作ることなく冷気を直接冷房に使用してもよい。この場合、冷水を作るための第２熱交換器１８ｂや冷水配管２０ｄ（図１参照）等の設備が不要となり、簡単な構成で冷熱を取り出して利用できる。ただし、冷気が著しく低温になる場合や、冷気量が変動すると困る場合には、冷熱用の蓄熱槽を設けて、必要な温度と量を供給するようにするのが望ましい。

【0063】

ここで記載した各実施形態において、再生可能エネルギーによる発電の対象は、例えば、風力、太陽光、太陽熱、波力又は潮力、流水又は潮汐等、自然の力で定常的（もしくは反復的）に補充され、かつ不規則に変動するエネルギーを利用したもの全てを対象とすることが可能である。また、工場内の他の大電力を消費する機器によって電力が変動するものであってもよい。

【符号の説明】

【0064】

２ 圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
４ 電力系統
６ 発電装置
８ａ，８ｂ モータ（電動機）
１０ 圧縮機
１０ａ 吸気口
１０ｂ 吐出口
１２ 蓄圧タンク（蓄圧部）
１３ 冷熱取出部
１４ 膨張機（冷熱取出部）
１４ａ 給気口
１４ｂ 排気口
１６ 発電機
１７ 暖熱取出部
１８ａ 第１熱交換器（暖熱取出部）
１８ｂ 第２熱交換器（冷熱取出部）
１８ｃ 第３熱交換器（暖熱取出部）
１８ｄ 第４熱交換器（暖熱取出部）
１８ｅ 第５熱交換器（暖熱取出部）
１８ｆ 第６熱交換器
１９ 水供給部
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 空気配管
２２ バルブ
２４ 高圧蓄圧タンク（高圧蓄圧部）
２６ 流量調整バルブ
２８ 高圧圧縮機
２８ａ 吸気口
２８ｂ 吐出口
３０ スイッチ
３２ａ，３２ｂ 蓄熱タンク
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ 熱媒配管
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ ポンプ
３８ 冷凍機（冷熱取出部）
４０ 冷水配管
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ 温水配管
４４ モード切替機構
４６ 三方弁（モード切替機構）
４６ａ 第１ポート
４６ｂ 第２ポート
４６ｃ 第３ポート
４８ 三方弁（モード切替機構）
４８ａ 第１ポート
４８ｂ 第２ポート
４８ｃ 第３ポート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】