特許 6796577 圧縮空気貯蔵発電装置およ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】6796577

(24)【登録日】2020年11月18日

(45)【発行日】2020年12月9日

(54)【発明の名称】圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 15/00 20060101AFI20201130BHJP

   F01K 3/02 20060101ALI20201130BHJP

   F01K 3/12 20060101ALI20201130BHJP

   F02C 1/05 20060101ALI20201130BHJP

   F03D 9/17 20160101ALI20201130BHJP

【ＦＩ】

   H02J15/00 E

   F01K3/02 C

   F01K3/12

   F02C1/05

   F03D9/17

【請求項の数】14

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2017-253564(P2017-253564)

(22)【出願日】2017年12月28日

(65)【公開番号】特開2019-122069(P2019-122069A)

(43)【公開日】2019年7月22日

【審査請求日】2019年9月30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】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

(74)【代理人】

【識別番号】100218132

【弁理士】

【氏名又は名称】近田 暢朗

(72)【発明者】

【氏名】中道 亮

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 隆

【審査官】 右田 勝則

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−２１１４０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−２１１４１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１７８１１４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ １５／００

Ｆ０１Ｋ ３／０２

Ｆ０１Ｋ ３／１２

Ｆ０２Ｃ １／０５

Ｆ０３Ｄ ９／１７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気を吸気し、圧縮し、蓄圧し、吐出する空気ラインと、
前記空気と熱交換する熱媒が循環する熱媒ラインと、
前記熱媒ラインの前記熱媒の流量を制御する制御装置と
を備える圧縮空気貯蔵発電装置であって、
前記空気ラインは、
入力電力によって駆動される電動機と、
前記電動機によって駆動されることで空気を吸気して圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を蓄える蓄圧部と、
前記蓄圧部内の前記圧縮空気の貯蔵量を測定するための空気量センサと、
前記蓄圧部から給気される圧縮空気によって駆動される膨張機と、
前記膨張機によって駆動されることで発電する発電機と
を備え、
前記熱媒ラインは、
前記圧縮機から前記蓄圧部に流動する前記圧縮空気と前記熱媒とで熱交換することで、前記圧縮空気を冷却し、前記熱媒を加熱する圧縮側熱交換器と、
前記圧縮側熱交換器で加熱された熱媒を蓄える高温蓄熱部と、
前記蓄圧部から前記膨張機に流動する前記圧縮空気と前記高温蓄熱部から供給された熱媒とで熱交換することで、前記圧縮空気を加熱し、前記熱媒を冷却する膨張側熱交換器と、
前記膨張側熱交換器で冷却された熱媒を蓄える低温蓄熱部と、
前記低温蓄熱部から前記圧縮側熱交換器に供給される前記熱媒の流量を制御する圧縮側熱媒流量調整部と、
前記高温蓄熱部から前記膨張側熱交換器に供給される前記熱媒の流量を制御する膨張側熱媒流量調整部と
を備え、
前記制御装置は、
前記空気量センサで測定した空気量に基づいて前記熱媒ラインの熱媒の過不足を抑制するように前記圧縮側熱媒流量調整部を制御する圧縮側熱媒流量制御部と、
前記空気量センサで測定した空気量に基づいて前記熱媒ラインの熱媒の過不足を抑制するように前記膨張側熱媒流量調整部を制御する膨張側熱媒流量制御部と
を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項2】

前記高温蓄熱部内の熱媒量を測定するための高温熱媒量センサをさらに備え、
前記制御装置は、
前記高温蓄熱部の許容貯蔵量に対する高温熱媒量センサで測定した熱媒量の充填割合である高温熱媒充填割合を算出する高温熱媒充填割合算出部と、
前記蓄圧部の許容貯蔵量に対する前記空気量センサで測定した空気量の充填割合である空気充填割合を算出する空気充填割合算出部と
をさらに備え、
前記圧縮側熱媒流量制御部は、前記空気充填割合と前記高温熱媒充填割合との差に基づいて前記圧縮側熱媒流量調整部を制御し、
前記膨張側熱媒流量制御部もまた、前記空気充填割合と前記高温熱媒充填割合との差に基づいて前記膨張側熱媒流量調整部を制御する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項3】

前記膨張側熱媒流量制御部は、前記空気充填割合が前記高温熱媒充填割合よりも所定以上大きいとき、前記膨張側熱媒流量調整部の流量を減らす、請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項4】

前記圧縮側熱媒流量制御部は、前記空気充填割合が前記高温熱媒充填割合よりも所定以上大きいとき、前記圧縮側熱媒流量調整部の流量を増やす、請求項２または請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項5】

前記膨張側熱媒流量制御部は、前記空気充填割合が前記高温熱媒充填割合よりも所定以上小さいとき、前記膨張側熱媒流量調整部の流量を増やす、請求項２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。

【請求項6】

前記圧縮側熱媒流量制御部は、前記空気充填割合が前記高温熱媒充填割合よりも所定以上小さいとき、前記圧縮側熱媒流量調整部の流量を減らす、請求項２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】

前記低温蓄熱部内の熱媒量を測定するための低温熱媒量センサをさらに備え、
前記制御装置は、
前記低温蓄熱部の許容貯蔵量に対する低温熱媒量センサで測定した熱媒量の充填割合である低温熱媒充填割合を算出する低温熱媒充填割合算出部と、
前記蓄圧部の許容貯蔵量に対する前記空気量センサで測定した空気量の充填割合である空気充填割合を算出し、１００％から前記空気充填割合を差し引いた空気余裕割合を算出する空気余裕割合算出部と
をさらに備え、
前記圧縮側熱媒流量制御部は、前記空気余裕割合と前記低温熱媒充填割合との差に基づいて前記圧縮側熱媒流量調整部を制御し、
前記膨張側熱媒流量制御部もまた、前記空気余裕割合と前記低温熱媒充填割合との差に基づいて前記膨張側熱媒流量調整部を制御する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項8】

前記圧縮側熱媒流量制御部は、前記空気余裕割合が前記低温熱媒充填割合よりも所定以上大きいとき前記圧縮側熱媒流量調整部の流量を減らす、請求項７に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項9】

前記膨張側熱媒流量制御部は、前記空気余裕割合が前記低温熱媒充填割合よりも所定以上大きいとき前記膨張側熱媒流量調整部の流量を増やす、請求項７または請求項８に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項10】

前記圧縮側熱媒流量制御部は、前記空気余裕割合が前記低温熱媒充填割合よりも所定以上小さいとき前記圧縮側熱媒流量調整部の流量を増やす、請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項11】

前記膨張側熱媒流量制御部は、前記空気余裕割合が前記低温熱媒充填割合よりも所定以上小さいとき前記膨張側熱媒流量調整部の流量を減らす、請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項12】

前記低温蓄熱部と前記高温蓄熱部とを流体的に直接接続するバイパス配管と、
前記バイパス配管内の熱媒を流動させるバイパスポンプと、
前記バイパス配管内の熱媒の流動を許容または遮断するバイパス弁と
をさらに備え、
前記制御装置は、
前記空気充填割合が前記高温熱媒充填割合よりも所定以上大きいとき、前記バイパス弁を開き、前記バイパスポンプを駆動し、前記低温蓄熱部から前記高温蓄熱部に熱媒を供給する第１バイパス制御部をさらに備える、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項13】

前記低温蓄熱部と前記高温蓄熱部とを流体的に直接接続するバイパス配管と、
前記バイパス配管内の熱媒を流動させるバイパスポンプと、
前記バイパス配管内の熱媒の流動を許容または遮断するバイパス弁と
をさらに備え、
前記制御装置は、
前記空気余裕割合が前記低温熱媒充填割合よりも所定以上大きいとき、前記バイパス弁を開き、前記バイパスポンプを駆動し、前記高温蓄熱部から前記低温蓄熱部に熱媒を供給する第２バイパス制御部をさらに備える、請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項14】

空気を吸気し、圧縮し、蓄圧し、吐出する空気ラインと、
前記空気と熱交換する熱媒が循環する熱媒ラインと、
を備える圧縮空気貯蔵発電装置の圧縮空気貯蔵発電方法であって、
前記空気ラインは、
入力電力によって駆動される電動機と、
前記電動機によって駆動されることで空気を吸気して圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を蓄える蓄圧部と、
前記蓄圧部内の前記圧縮空気の貯蔵量を測定するための空気量センサと、
前記蓄圧部から給気される圧縮空気によって駆動される膨張機と、
前記膨張機によって駆動されることで発電する発電機と
を備え、
前記熱媒ラインは、
前記圧縮機から前記蓄圧部に流動する前記圧縮空気と前記熱媒とで熱交換することで、前記圧縮空気を冷却し、前記熱媒を加熱する圧縮側熱交換器と、
前記圧縮側熱交換器で加熱された熱媒を蓄える高温蓄熱部と、
前記蓄圧部から前記膨張機に流動する前記圧縮空気と前記高温蓄熱部から供給された熱媒とで熱交換することで、前記圧縮空気を加熱し、前記熱媒を冷却する膨張側熱交換器と、
前記膨張側熱交換器で冷却された熱媒を蓄える低温蓄熱部と、
前記低温蓄熱部から前記圧縮側熱交換器に供給される前記熱媒の流量を制御する圧縮側熱媒流量調整部と、
前記高温蓄熱部から前記膨張側熱交換器に供給される前記熱媒の流量を制御する膨張側熱媒流量調整部と
を備え、
前記空気量センサで測定した空気量に基づいて前記熱媒ラインの熱媒の過不足を抑制し、
前記空気量センサで測定した空気量に基づいて前記熱媒ラインの熱媒の過不足を抑制する、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および圧縮空気貯蔵発電方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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。そのため、適時に必要な電力を得るためには、エネルギー貯蔵システムを使用する必要がある。そのようなシステムの一例として、例えば、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置が知られている。

【0003】

ＣＡＥＳ発電装置は、再生可能エネルギーを用いて圧縮機を駆動して圧縮空気を製造し、圧縮空気をタンクなどに貯蔵し、必要なときに圧縮空気を使用してタービン発電機を駆動して発電する装置である。また、ＣＡＥＳ発電装置の運転効率を向上させるために、熱交換器を使用して熱媒と空気を熱交換させ、圧縮機で発生する圧縮熱を熱媒に回収し、膨張機で膨張する前の空気に回収した熱を戻すものがＡ−ＣＡＥＳ（adiabatic compressed air energy storage）発電装置として知られている。

【0004】

Ａ−ＣＡＥＳ発電装置（以降、単にＣＡＥＳ発電装置ともいう。）の運転効率をさらに向上させるためには、貯蔵した圧縮空気量に応じて運転状態を制御することが有効である。このように貯蔵した圧縮空気量に応じて運転状態を制御するＣＡＥＳ発電装置は、例えば特許文献１および特許文献２に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７−８９４４３号公報

【特許文献2】特開２０１６−２２０３５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＣＡＥＳ発電装置の運転を継続していると、貯蔵している圧縮空気量と熱媒量のバランスが崩れ、圧縮空気または熱媒が不足することがあり、または、余剰となることもある。特許文献１または特許文献２では、この現象に対する特段の示唆はない。もし、貯蔵している圧縮空気量と熱媒量のバランスが崩れた場合、安定して運転が継続できなくおそれがある。

【0007】

本発明は、貯蔵している圧縮空気量と熱媒量のバランスを好適に維持し、安定した運転を可能とする圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法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、
空気を吸気し、圧縮し、蓄圧し、吐出する空気ラインと、
前記空気と熱交換する熱媒が循環する熱媒ラインと、
前記熱媒ラインの前記熱媒の流量を制御する制御装置と
を備える圧縮空気貯蔵発電装置であって、
前記空気ラインは、
入力電力によって駆動される電動機と、
前記電動機によって駆動されることで空気を吸気して圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を蓄える蓄圧部と、
前記蓄圧部内の前記圧縮空気の貯蔵量を測定するための空気量センサと、
前記蓄圧部から給気される圧縮空気によって駆動される膨張機と、
前記膨張機によって駆動されることで発電する発電機と
を備え、
前記熱媒ラインは、
前記圧縮機から前記蓄圧部に流動する前記圧縮空気と前記熱媒とで熱交換することで、前記圧縮空気を冷却し、前記熱媒を加熱する圧縮側熱交換器と、
前記圧縮側熱交換器で加熱された熱媒を蓄える高温蓄熱部と、
前記蓄圧部から前記膨張機に流動する前記圧縮空気と前記高温蓄熱部から供給された熱媒とで熱交換することで、前記圧縮空気を加熱し、前記熱媒を冷却する膨張側熱交換器と、
前記膨張側熱交換器で冷却された熱媒を蓄える低温蓄熱部と、
前記低温蓄熱部から前記圧縮側熱交換器に供給される前記熱媒の流量を制御する圧縮側熱媒流量調整部と、
前記高温蓄熱部から前記膨張側熱交換器に供給される前記熱媒の流量を制御する膨張側熱媒流量調整部と
を備え、
前記制御装置は、
前記空気量センサで測定した空気量に基づいて前記熱媒ラインの熱媒の過不足を抑制するように前記圧縮側熱媒流量調整部を制御する圧縮側熱媒流量制御部と、
前記空気量センサで測定した空気量に基づいて前記熱媒ラインの熱媒の過不足を抑制するように前記膨張側熱媒流量調整部を制御する膨張側熱媒流量制御部と
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、蓄圧部の空気量に基づいて圧縮側熱媒流量調整部と膨張側熱媒流量調整部を制御し、熱媒ラインの熱媒の過不足を抑制するため、貯蔵している圧縮空気量と熱媒量のバランスを保つことができる。これにより、貯蔵している圧縮空気量に対して熱媒量が過不足となる状態を回避できる。具体的には、圧縮空気が蓄圧部に少量しか貯蔵されていないとき、膨張側熱交換器に供給される圧縮空気も少量に限定されるため、高温熱媒の必要量は少ない一方、圧縮空気が蓄圧部に大量に貯蔵されているとき、膨張側熱交換器に供給される圧縮空気も大量になり得るため、高温熱媒の必要量は多い。また、圧縮空気が蓄圧部に少量しか貯蔵されていないとき、圧縮機吐出温度は高くないため、低温熱媒流量の必要量は少ない。一方、圧縮空気が蓄圧部に大量に貯蔵されているとき、圧縮機を運転すると、圧縮機吐出温度が上昇傾向となるため、低温熱媒の必要量も多い。このように、高温熱媒および低温熱媒の必要量は蓄圧部の空気量に応じて変動するため、蓄圧部の空気量に応じて適切に必要な熱媒量を確保することによって、安定した運転がより長時間可能となる。圧縮空気貯蔵発電装置の運転を継続すると、理想的には貯蔵している圧縮空気量と熱媒量のバランスは崩れないが、現実的には貯蔵している圧縮空気量と熱媒量のバランスが崩れ、安定した運転ができなくなる。このようなアンバランスをできるだけ抑制することで、安定した運転がより長時間可能となるのである。

【0010】

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記高温蓄熱部内の熱媒量を測定するための高温熱媒量センサをさらに備え、
前記制御装置は、
前記高温蓄熱部の許容貯蔵量に対する高温熱媒量センサで測定した熱媒量の充填割合である高温熱媒充填割合を算出する高温熱媒充填割合算出部と、
前記蓄圧部の許容貯蔵量に対する前記空気量センサで測定した空気量の充填割合である空気充填割合を算出する空気充填割合算出部と
をさらに備え、
前記圧縮側熱媒流量制御部は、前記空気充填割合と前記高温熱媒充填割合との差に基づいて前記圧縮側熱媒流量調整部を制御し、
前記膨張側熱媒流量制御部もまた、前記空気充填割合と前記高温熱媒充填割合との差に基づいて前記膨張側熱媒流量調整部を制御してもよい。

【0011】

この構成によれば、空気充填割合と高温熱媒充填割合とに基づいて圧縮側熱媒流量調整部と膨張側熱媒流量調整部とを制御し、熱媒ラインの熱媒流量の過不足を抑制するため、貯蔵している圧縮空気量と高温熱媒量のバランスを保つことができる。

【0012】

前記膨張側熱媒流量制御部は、前記空気充填割合が前記高温熱媒充填割合よりも所定以上大きいとき、前記膨張側熱媒流量調整部の流量を減らしてもよい。

【0013】

この構成によれば、高温蓄熱部に必要量の高温熱媒を確保できる。空気充填割合が高温熱媒充填割合よりも所定以上大きいときは、高温熱媒の必要量が多いときである。従って、このとき、膨張側熱媒流量調整部を制御して高温蓄熱部から膨張側熱交換器に供給される高温熱媒の量を減らすことによって、高温蓄熱部内の高温熱媒量の減少速度を低下させることができる。

【0014】

前記圧縮側熱媒流量制御部は、前記空気充填割合が前記高温熱媒充填割合よりも所定以上大きいとき、前記圧縮側熱媒流量調整部の流量を増やしてもよい。

【0015】

この構成によれば、高温蓄熱部に必要量の高温熱媒を確保できる。空気充填割合が高温熱媒充填割合よりも所定以上大きいときは、高温熱媒の必要量が多いときである。従って、このとき、圧縮側熱媒流量調整部を制御して圧縮側熱交換器から高温蓄熱部に供給される高温熱媒の量を増やすことによって、高温蓄熱部内の高温熱媒量の増加速度を上昇させることができる。

【0016】

前記膨張側熱媒流量制御部は、前記空気充填割合が前記高温熱媒充填割合よりも所定以上小さいとき、前記膨張側熱媒流量調整部の流量を増やしてもよい。

【0017】

この構成によれば、高温蓄熱部に余剰量の高温熱媒を貯蔵することを防止できる。空気充填割合が高温熱媒充填割合よりも所定以上小さいときは、高温熱媒の必要量が少ないときである。従って、このとき、膨張側熱媒流量調整部を制御して高温蓄熱部から膨張側熱交換器に供給される高温熱媒の量を増やすことによって、高温蓄熱部内の高温熱媒量の減少速度を上昇させることができる。これにより、熱媒ラインは循環構造を有するため、熱媒の余剰箇所を抑制することで、必要箇所に熱媒を供給し得る。

【0018】

前記圧縮側熱媒流量制御部は、前記空気充填割合が前記高温熱媒充填割合よりも所定以上小さいとき、前記圧縮側熱媒流量調整部の流量を減らしてもよい。

【0019】

この構成によれば、高温蓄熱部に余剰量の高温熱媒を貯蔵することを防止できる。空気充填割合が高温熱媒充填割合よりも所定以上小さいときは、高温熱媒の必要量が少ないときである。従って、このとき、圧縮側熱媒流量調整部を制御して圧縮側熱交換器から高温蓄熱部に供給される高温熱媒の量を減らすことによって、高温蓄熱部内の高温熱媒量の増加速度を低下させることができる。これにより、熱媒ラインは循環構造を有するため、熱媒の余剰箇所を抑制することで、必要箇所に熱媒を供給し得る。

【0020】

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記低温蓄熱部内の熱媒量を測定するための低温熱媒量センサをさらに備え、
前記制御装置は、
前記低温蓄熱部の許容貯蔵量に対する低温熱媒量センサで測定した熱媒量の充填割合である低温熱媒充填割合を算出する低温熱媒充填割合算出部と、
前記蓄圧部の許容貯蔵量に対する前記空気量センサで測定した空気量の充填割合である空気充填割合を算出し、１００％から前記空気充填割合を差し引いた空気余裕割合を算出する空気余裕割合算出部と
をさらに備え、
前記圧縮側熱媒流量制御部は、前記空気余裕割合と前記低温熱媒充填割合との差に基づいて前記圧縮側熱媒流量調整部を制御し、
前記膨張側熱媒流量制御部もまた、前記空気余裕割合と前記低温熱媒充填割合との差に基づいて前記膨張側熱媒流量調整部を制御してもよい。

【0021】

この構成によれば、空気余裕割合と低温熱媒充填割合とに基づいて圧縮側熱媒流量調整部と膨張側熱媒流量調整部とを制御し、熱媒ラインの熱媒流量の過不足を抑制するため、貯蔵している圧縮空気量と低温熱媒量のバランスを保つことができる。

【0022】

前記圧縮側熱媒流量制御部は、前記空気余裕割合が前記低温熱媒充填割合よりも所定以上大きいとき前記圧縮側熱媒流量調整部の流量を減らしてもよい。

【0023】

この構成によれば、低温蓄熱部に必要量の低温熱媒を確保できる。空気余裕割合が低温熱媒充填割合よりも所定以上大きいときは、低温熱媒の必要量が多いときである。従って、このとき、圧縮側熱媒流量調整部を制御して低温蓄熱部から圧縮側熱交換器に供給される低温熱媒の量を減らすことによって、低温蓄熱部内の低温熱媒量の減少速度を低下させることができる。

【0024】

前記膨張側熱媒流量制御部は、前記空気余裕割合が前記低温熱媒充填割合よりも所定以上大きいとき前記膨張側熱媒流量調整部の流量を増やしてもよい。

【0025】

この構成によれば、低温蓄熱部に必要量の低温熱媒を確保できる。空気余裕割合が低温熱媒充填割合よりも所定以上大きいときは、低温熱媒の必要量が多いときである。従って、このとき、膨張側熱媒流量調整部を制御して膨張側熱交換器から低温蓄熱部に供給される低温熱媒の量を増やすことによって、低温蓄熱部内の低温熱媒量の増加速度を上昇させることができる。

【0026】

前記圧縮側熱媒流量制御部は、前記空気余裕割合が前記低温熱媒充填割合よりも所定以上小さいとき前記圧縮側熱媒流量調整部の流量を増やしてもよい。

【0027】

この構成によれば、低温蓄熱部に余剰量の低温熱媒を貯蔵することを防止できる。空気余裕割合が低温熱媒充填割合よりも所定以上小さいときは、低温熱媒の必要量が少ないときである。従って、このとき、圧縮側熱媒流量調整部を制御して低温蓄熱部から圧縮側熱交換器に供給される低温熱媒の量を増やすことによって、低温蓄熱部内の低温熱媒量の減少速度を上昇させることができる。これにより、熱媒ラインは循環構造を有するため、熱媒の余剰箇所を抑制することで、必要箇所に熱媒を供給し得る。

【0028】

前記膨張側熱媒流量制御部は、前記空気余裕割合が前記低温熱媒充填割合よりも所定以上小さいとき前記膨張側熱媒流量調整部の流量を減らしてもよい。

【0029】

この構成によれば、低温蓄熱部に余剰量の低温熱媒を貯蔵することを防止できる。空気余裕割合が低温熱媒充填割合よりも所定以上小さいときは、低温熱媒の必要量が少ないときである。従って、このとき、膨張側熱媒流量調整部を制御して膨張側熱交換器から低温蓄熱部に供給される低温熱媒の量を減らすことによって、低温蓄熱部内の低温熱媒量の増加速度を低下させることができる。これにより、熱媒ラインは循環構造を有するため、熱媒の余剰箇所を抑制することで、必要箇所に熱媒を供給し得る。

【0030】

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、
前記低温蓄熱部と前記高温蓄熱部とを流体的に直接接続するバイパス配管と、
前記バイパス配管内の熱媒を流動させるバイパスポンプと、
前記バイパス配管内の熱媒の流動を許容または遮断するバイパス弁と
をさらに備え、
前記制御装置は、
前記空気充填割合が前記高温熱媒充填割合よりも所定以上大きいとき、前記バイパス弁を開き、前記バイパスポンプを駆動し、前記低温蓄熱部から前記高温蓄熱部に熱媒を供給する第１バイパス制御部をさらに備えてもよい。

【0031】

この構成によれば、高温蓄熱部に必要量の熱媒を確保できる。空気充填割合が高温熱媒充填割合よりも所定以上大きいときは、高温熱媒の必要量が多いときである。従って、このとき、バイパス弁およびバイパスポンプを制御して低温蓄熱部から高温蓄熱部に熱媒を供給することで、高温蓄熱部内の熱媒量を増加できる。

【0032】

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、
前記低温蓄熱部と前記高温蓄熱部とを流体的に直接接続するバイパス配管と、
前記バイパス配管内の熱媒を流動させるバイパスポンプと、
前記バイパス配管内の熱媒の流動を許容または遮断するバイパス弁と
をさらに備え、
前記制御装置は、
前記空気余裕割合が前記低温熱媒充填割合よりも所定以上大きいとき、前記バイパス弁を開き、前記バイパスポンプを駆動し、前記高温蓄熱部から前記低温蓄熱部に熱媒を供給する第２バイパス制御部をさらに備えてもよい。

【0033】

この構成によれば、低温蓄熱部に必要量の熱媒を確保できる。空気余裕割合が低温熱媒充填割合よりも所定以上大きいときは、低温熱媒の必要量が多いときである。従って、このとき、バイパス弁およびバイパスポンプを制御して高温蓄熱部から低温蓄熱部に熱媒を供給することで、低温蓄熱部内の熱媒量を増加できる。

【0034】

本発明の第２の態様は、
空気を吸気し、圧縮し、蓄圧し、吐出する空気ラインと、
前記空気と熱交換する熱媒が循環する熱媒ラインと、
を備える圧縮空気貯蔵発電装置の圧縮空気貯蔵発電方法であって、
前記空気ラインは、
入力電力によって駆動される電動機と、
前記電動機によって駆動されることで空気を吸気して圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を蓄える蓄圧部と、
前記蓄圧部内の前記圧縮空気の貯蔵量を測定するための空気量センサと、
前記蓄圧部から給気される圧縮空気によって駆動される膨張機と、
前記膨張機によって駆動されることで発電する発電機と
を備え、
前記熱媒ラインは、
前記圧縮機から前記蓄圧部に流動する前記圧縮空気と前記熱媒とで熱交換することで、前記圧縮空気を冷却し、前記熱媒を加熱する圧縮側熱交換器と、
前記圧縮側熱交換器で加熱された熱媒を蓄える高温蓄熱部と、
前記蓄圧部から前記膨張機に流動する前記圧縮空気と前記高温蓄熱部から供給された熱媒とで熱交換することで、前記圧縮空気を加熱し、前記熱媒を冷却する膨張側熱交換器と、
前記膨張側熱交換器で冷却された熱媒を蓄える低温蓄熱部と、
前記低温蓄熱部から前記圧縮側熱交換器に供給される前記熱媒の流量を制御する圧縮側熱媒流量調整部と、
前記高温蓄熱部から前記膨張側熱交換器に供給される前記熱媒の流量を制御する膨張側熱媒流量調整部と
を備え、
前記空気量センサで測定した空気量に基づいて前記熱媒ラインの熱媒の過不足を抑制し、
前記空気量センサで測定した空気量に基づいて前記熱媒ラインの熱媒の過不足を抑制する、圧縮空気貯蔵発電方法を供する。

【0035】

この方法によれば、前述のように、貯蔵している圧縮空気量と熱媒量のバランスを好適に維持できるため、圧縮空気貯蔵発電装置を安定して運転させることができる。

【発明の効果】

【0036】

本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法において、蓄圧部の空気量に基づいて圧縮側熱媒流量調整部と膨張側熱媒流量調整部を制御し、熱媒ラインの熱媒の過不足を抑制する。従って、貯蔵している圧縮空気量と熱媒量のバランスを好適に維持し、安定した運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【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】第１実施形態の制御装置の制御ブロック図

【図3】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】第２実施形態の制御装置の制御ブロック図

【図5】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

【図6】第３実施形態の制御装置の制御ブロック図

【図7】第４実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図

【図8】第４実施形態の制御装置の制御ブロック図

【発明を実施するための形態】

【0038】

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

【0039】

（第１実施形態）
図１は、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置１の概略構成図である。ＣＡＥＳ発電装置１は、発電所２から供給された電力を利用して圧縮空気を製造し、必要に応じて圧縮空気を利用して発電し、工場などの需要先３に電力を出力する装置である。発電所２は、例えば、風力発電所または太陽光発電所などの再生可能エネルギーによるものであり得るが、再生可能エネルギーを利用しない火力発電所または原子力発電所などであってもよく、特に限定されるものではない。

【0040】

ＣＡＥＳ発電装置１は、破線で示す空気ライン１０と、実線で示す熱媒ライン２０と、制御装置３０とを備える。

【0041】

空気ライン１０には、圧縮機１１と、蓄圧タンク（蓄圧部）１２と、膨張機１３とが設けられており、これらが空気配管１０ａ〜１０ｄ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。

【0042】

本実施形態の圧縮機１１は、スクリュ式であり、雌雄一対のスクリュロータを備える。スクリュロータにはモータ（電動機）１４が機械的に接続されており、モータ１４は発電所２で発電された電力を受けてスクリュロータを回転駆動する。以降、発電所２からモータ１４に供給される電力のことを入力電力ともいう。この入力電力は、図示しないセンサによって測定されており、ここで測定された入力電力値は制御装置３０に送られる。また、圧縮機１１内では、雌雄一対のスクリュロータが回転駆動され、噛合することで、空気を圧縮する。圧縮機１１の吸気口１１ａは空気配管１０ａを通じて外気と通じており、吐出口１１ｂは空気配管１０ｂを通じて蓄圧タンク１２と流体的に接続されている。空気配管１０ｂには後述する圧縮側熱交換器１５が介設されている。圧縮機１１は、モータ１４によって駆動されると、空気配管１０ａを通じて吸気口１１ａから空気を吸気し、内部で圧縮し、圧縮空気を吐出口１１ｂから吐出し、空気配管１０ｂを通じて蓄圧タンク１２に圧縮空気を圧送する。なお、圧縮機１１は、本実施形態ではスクリュ式であるが、ターボ式、スクロール式、またはレシプロ式等であってもよい。

【0043】

蓄圧タンク１２は、例えば鋼製のタンクであり、圧縮機１１から圧送された圧縮空気を貯蔵する。即ち、蓄圧タンク１２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１２には圧力センサ（空気量センサ）１２ａが取り付けられており、内部の圧縮空気の圧力を測定できる。蓄圧タンク１２は空気配管１０ｃを通じて膨張機１３の給気口１３ａに流体的に接続されており、蓄圧タンク１２で貯蔵された圧縮空気は空気配管１０ｃを通じて膨張機１３に供給される。蓄圧タンク１２から膨張機１３に延びる空気配管１０ｃには、圧縮空気の流れを許容または遮断するためのバルブ１７と後述する膨張側熱交換器１６が設けられている。バルブ１７を開閉することにより、蓄圧タンク１２から膨張機１３に圧縮空気を供給するか否かを変更できる。

【0044】

膨張機１３は、スクリュ式であり、雌雄一対のスクリュロータを備える。スクリュロータには発電機１８が機械的に接続されており、発電機は膨張機１３によって駆動されることで発電する。給気口１３ａから圧縮空気を給気された膨張機１３は、圧縮空気により作動し、発電機１８を駆動する。発電機１８は外部の工場などの需要先３に電気的に接続されており、発電機１８で発電した電力は需要先３に供給される。以降、発電機１８で発電する電力のことを発電電力ともいう。この発電電力は、図示しないセンサによって測定されており、ここで測定された発電電力値は制御装置３０に送られる。また、膨張機１３で膨張された空気は、排気口１３ｂから空気配管１０ｄを通じて外部に排気される。なお、膨張機１３は、本実施形態ではスクリュ式であるが、ターボ式、スクロール式、及びレシプロ式等であってもよい。また、本実施形態では、圧縮機１１と膨張機１３を別個に設けているが、特に本実施形態の圧縮機１１と膨張機１３は同じものであるため、一台の流体機械として圧縮機１１と膨張機１３を兼用することもできる。この場合、電動機と発電機とが可逆である一台の電動発電機としてモータ１４と発電機１８を兼用することができる。

【0045】

熱媒ライン２０には、圧縮側熱交換器１５と、高温熱媒タンク（高温蓄熱部）２１と、膨張側熱交換器１６と、低温熱媒タンク（低温蓄熱部）２２とが設けられており、これらが熱媒配管２０ａ，２０ｂにより流体的に循環接続され、その内部には熱媒が流れている。熱媒の種類は特に限定されず、例えば鉱物油やグリコール系の熱媒を使用できる。

【0046】

圧縮側熱交換器１５では、圧縮機１１から蓄圧タンク１２に延びる空気配管１０ｂ内の圧縮空気と、低温熱媒タンク２２から高温熱媒タンク２１に延びる熱媒配管２０ａ内の熱媒とで熱交換し、詳細には、圧縮空気を冷却し、熱媒を加熱している。即ち、圧縮側熱交換器１５では、圧縮機１１で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。低温熱媒タンク２２から高温熱媒タンク２１に延びる熱媒配管２０ａには、圧縮側熱媒ポンプ（圧縮側熱媒流量調整部）２４が設けられており、圧縮側熱交換器１５で加熱された熱媒は、圧縮側熱媒ポンプ２４によって熱媒配管２０ａを通じて高温熱媒タンク２１に送られる。圧縮側熱媒ポンプ２４は、回転数を変動させることによって、送出する熱媒の流量を調整できる。好ましくは、この回転数に上限値を設けることで圧縮側熱媒ポンプ２４を通過する熱媒の流量を所定以内となるようにする。このように、圧縮側熱媒ポンプ２４における熱媒流量の上限を規定すると、圧縮側熱媒ポンプ２４に過大な負荷がかかることを防止できる。特に、キャビテーションを防止できる点でも回転数に上限値を設けることは有効である。

【0047】

高温熱媒タンク２１は、例えば鋼製のタンクであり、圧縮側熱交換器１５で加熱された高温熱媒を貯蔵する。好ましくは、熱エネルギの損失を防止する観点から、高温熱媒タンク２１は、大気と断熱された断熱材で周囲が覆われている。高温熱媒タンク２１には液位計や液面センサなどの高温熱媒量センサ２１ａが取り付けられており、内部の高温熱媒量を測定できる。高温熱媒タンク２１に貯蔵された熱媒は、熱媒配管２０ｂを通じて膨張側熱交換器１６に供給される。

【0048】

膨張側熱交換器１６では、蓄圧タンク１２から膨張機１３に延びる空気配管１０ｃ内の圧縮空気と、高温熱媒タンク２１から低温熱媒タンク２２に延びる熱媒配管２０ｂ内の熱媒とで熱交換し、詳細には、圧縮空気を加熱し、熱媒を冷却している。即ち、膨張側熱交換器１６では、圧縮側熱交換器１５にて圧縮空気から回収した熱を再び圧縮空気に戻している。これにより、蓄圧タンク１２にて圧縮空気が放熱することを防止でき、エネルギーロスを低減できる。また、高温熱媒タンク２１から低温熱媒タンク２２に延びる熱媒配管２０ｂには、膨張側熱媒ポンプ（膨張側熱媒流量調整部）２３が設けられており、膨張側熱交換器１６で冷却された熱媒は、膨張側熱媒ポンプ２３によって熱媒配管２０ｂを通じて低温熱媒タンク２２に送られる。膨張側熱媒ポンプ２３は、回転数を変動させることによって、送出する熱媒の流量を調整できる。好ましくは、この回転数に上限値を設けることで、膨張側熱媒ポンプ２３を通過する熱媒の流量を所定以内となるようにする。このように、膨張側熱媒ポンプ２３における熱媒流量の上限を規定すると、膨張側熱媒ポンプ２３に過大な負荷がかかることを防止できる。特に、キャビテーションを防止できる点でも回転数に上限値を設けることは有効である。

【0049】

低温熱媒タンク２２は、例えば鋼製のタンクであり、膨張側熱交換器１６で冷却された低温熱媒を貯蔵する。

【0050】

制御装置３０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３０は、圧力センサ１２ａからの圧力値と、高温熱媒量センサ２１ａからの高温熱媒量とを受け、圧縮側熱媒ポンプ２４および膨張側熱媒ポンプ２３の回転数をそれぞれ制御する。

【0051】

図２は、制御装置３０の制御ブロック図を示している。

【0052】

制御装置３０は、空気充填割合算出部３１と、高温熱媒充填割合算出部３２とを備えている。空気充填割合算出部３１は、蓄圧タンク１２の許容圧力Ｐ０に対する圧力センサ１２ａで測定した圧力Ｐの割合である空気充填割合Ｐｒを算出する（Ｐｒ＝１００×Ｐ／Ｐ０［％］）。高温熱媒充填割合算出部３２は、高温熱媒タンク２１の許容貯蔵量Ｈ０に対する高温熱媒量センサ２１ａで測定した熱媒量Ｈの充填割合である高温熱媒充填割合Ｈｒを算出する（Ｈｒ＝１００×Ｈ／Ｈ０［％］）。

【0053】

また、制御装置は、圧縮側熱媒流量制御部３３と、膨張側熱媒流量制御部３４とを備えている。圧縮側熱媒流量制御部３３は、空気充填割合Ｐｒと、高温熱媒充填割合Ｈｒとに基づいて、圧縮側熱媒ポンプ２４を制御する。膨張側熱媒流量制御部３４もまた、空気充填割合Ｐｒと、高温熱媒充填割合Ｈｒとに基づいて、膨張側熱媒ポンプ２３を制御する。本制御は、熱媒ライン２０の各部における熱媒の過不足を抑制するように行われるが、具体的には以下の３つの場合のようにして行われる。

【0054】

第１に、空気充填割合Ｐｒと高温熱媒充填割合Ｈｒとの差が所定範囲内のときは（Ｄ２＜Ｐｒ−Ｈｒ＜Ｄ１）、高温熱媒タンク２１内に高温熱媒が適量充填されているときと判定し、通常運転を行う。

【0055】

上記通常運転では、以下の式（１），（２）に従って、入力電力Ｗ１と発電電力Ｗ２とに基づいて、圧縮側熱媒ポンプ２４の回転数Ｒ１と膨張側熱媒ポンプ２３の回転数Ｒ２とを制御している。なお、式（１），（２）に従った本制御は、通常運転が入力電力Ｗ１と発電電力Ｗ２とに基づいて行われるときの一例を示しており、通常運転がこの制御のみに限定されるものではない。これは、以降の数式に従った制御についても同様である。

【0056】

【数1】

Ｗ１ｍａｘ：最大入力電力
Ｗ２ｍａｘ：最大発電電力
Ｒ１ｍａｘ：圧縮側熱媒ポンプの最大回転数
Ｒ１ｍｉｎ：圧縮側熱媒ポンプの最小回転数
Ｒ２ｍａｘ：膨張側熱媒ポンプの最大回転数
Ｒ２ｍｉｎ：膨張側熱媒ポンプの最小回転数

【0057】

第２に、空気充填割合Ｐｒが高温熱媒充填割合Ｈｒよりも所定値Ｄ１以上大きいとき（Ｐｒ−Ｈｒ≧Ｄ１）の制御を説明する。空気充填割合Ｐｒが高温熱媒充填割合Ｈｒよりも所定値Ｄ１以上大きいときは（Ｐｒ−Ｈｒ≧Ｄ１）、高温熱媒タンク２１内に高温熱媒が不足しているときである。このとき、膨張側熱媒流量制御部３４は、膨張側熱媒ポンプ２３の回転数を減らし、膨張側熱媒ポンプ２３の流量を減らす。これにより、高温熱媒タンク２１から流出する高温熱媒の量を減らすことができる。また、圧縮側熱媒流量制御部３３は、圧縮側熱媒ポンプ２４の回転数を増やし、圧縮側熱媒ポンプ２４の流量を増やす。これにより、高温熱媒タンク２１に流入する高温熱媒の量を増やすことができる。例えば、このような制御は、Ｋ１を１未満の定数およびＫ２を１より大きい定数として以下の式（３），（４）のように表すことができる。

【0058】

【数2】

【0059】

第３に、空気充填割合Ｐｒが高温熱媒充填割合Ｈｒよりも所定値Ｄ２以上小さいとき（Ｐｒ−Ｈｒ≦Ｄ２）の制御を説明する。空気充填割合Ｐｒが高温熱媒充填割合Ｈｒよりも所定値Ｄ２以上小さいとき（Ｐｒ−Ｈｒ≦Ｄ２）は、高温熱媒タンク２１内に高温熱媒が余剰であるときである。このとき、膨張側熱媒流量制御部３４は、膨張側熱媒ポンプ２３の回転数を増やし、膨張側熱媒ポンプ２３の流量を増やす。これにより、高温熱媒タンク２１から流出する高温熱媒の量を減らすことができる。また、圧縮側熱媒流量制御部３３は、圧縮側熱媒ポンプ２４の回転数を減らし、圧縮側熱媒ポンプ２４の流量を減らす。これにより、高温熱媒タンク２１に流入する高温熱媒の量を減らすことができる。例えば、このような制御は、Ｋ３を１より大きい定数およびＫ４を１未満の定数として以下の式（５），（６）のように表すことができる。

【0060】

【数3】

【0061】

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１によれば、次のような利点がある。

【0062】

（１）蓄圧タンク１２の圧力に基づいて圧縮側熱媒ポンプ２４と膨張側熱媒ポンプ２３を制御し、熱媒ライン２０の熱媒の過不足を抑制するため、貯蔵している圧縮空気量と熱媒量のバランスを保つことができる。これにより、貯蔵している圧縮空気量に対して熱媒量が過不足となる状態を回避できる。具体的には、圧縮空気が蓄圧タンク１２に少量しか貯蔵されていないとき、膨張側熱交換器１６に供給される圧縮空気も少量に限定されるため、高温熱媒の必要量は少ない。一方、圧縮空気が蓄圧タンク１２に大量に貯蔵されているとき、膨張側熱交換器１６に供給される圧縮空気も大量になり得るため、高温熱媒の必要量は多い。また、圧縮空気が蓄圧部に少量しか貯蔵されていないとき、圧縮機吐出温度は高くないため、低温熱媒流量の必要量は少ない。一方、圧縮空気が蓄圧部に大量に貯蔵されているとき、圧縮機を運転すると、圧縮機吐出温度が上昇傾向となるため、低温熱媒の必要量も多い。このように、高温熱媒および低温熱媒の必要量は蓄圧タンク１２の空気量に応じて変動するため、蓄圧タンク１２の空気量に応じて適切に必要な熱媒量を確保することによって、安定した運転がより長時間可能となる。

【0063】

（２）空気充填割合Ｐｒと高温熱媒充填割合Ｈｒとに基づいて圧縮側熱媒ポンプ２４と膨張側熱媒ポンプ２３とを制御し、熱媒ライン２０の熱媒流量の過不足を抑制するため、貯蔵している圧縮空気量と高温熱媒量のバランスを保つことができる。

【0064】

（３）高温熱媒タンク２１に必要量の高温熱媒を確保できる。空気充填割合Ｐｒが高温熱媒充填割合Ｈｒよりも所定値Ｄ１以上大きいとき（Ｐｒ−Ｈｒ≧Ｄ１）は、高温熱媒の必要量が多いときである。従って、このとき、膨張側熱媒ポンプ２３を制御して高温熱媒タンク２１から膨張側熱交換器１６に供給される高温熱媒の量を減らすことによって、高温熱媒タンク２１内の高温熱媒量の減少速度を低下させることができる。

【0065】

（４）高温熱媒タンク２１に必要量の高温熱媒を確保できる。空気充填割合Ｐｒが高温熱媒充填割合Ｈｒよりも所定値Ｄ１以上大きいとき（Ｐｒ−Ｈｒ≧Ｄ１）は、高温熱媒の必要量が多いときである。従って、このとき、圧縮側熱媒ポンプ２４を制御して圧縮側熱交換器１５から高温熱媒タンク２１に供給される高温熱媒の量を増やすことによって、高温熱媒タンク２１内の高温熱媒量の増加速度を上昇させることができる。

【0066】

（５）高温熱媒タンク２１に余剰量の高温熱媒を貯蔵することを防止できる。空気充填割合Ｐｒが高温熱媒充填割合Ｈｒよりも所定値Ｄ２以上小さいとき（Ｐｒ−Ｈｒ≦Ｄ２）は、高温熱媒の必要量が少ないときである。従って、このとき、膨張側熱媒ポンプ２３を制御して高温熱媒タンク２１から膨張側熱交換器１６に供給される高温熱媒の量を増やすことによって、高温熱媒タンク２１内の高温熱媒量の減少速度を上昇させることができる。熱媒ライン２０は循環構造を有するため、熱媒の余剰箇所を抑制することで、必要箇所に熱媒を供給し得る。

【0067】

（６）高温熱媒タンク２１に余剰量の高温熱媒を貯蔵することを防止できる。空気充填割合Ｐｒが高温熱媒充填割合Ｈｒよりも所定値Ｄ２以上小さいとき（Ｐｒ−Ｈｒ≦Ｄ２）は、高温熱媒の必要量が少ないときである。従って、このとき、圧縮側熱媒ポンプ２４を制御して圧縮側熱交換器１５から高温熱媒タンク２１に供給される高温熱媒の量を減らすことによって、高温熱媒タンク２１内の高温熱媒量の増加速度を低下させることができる。熱媒ライン２０は循環構造を有するため、熱媒の余剰箇所を抑制することで、必要箇所に熱媒を供給し得る。

【0068】

（第２実施形態）
図３に示す本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１では、センサ系の構成、および低温熱媒タンク２２および圧縮側熱媒ポンプ２４間の熱媒配管２０ａに補助熱交換器２７が設けられている点が第１実施形態と異なる。これに関する構成以外は、第１実施形態のＣＡＥＳ発電装置１の構成と実質的に同じである。また、第１実施形態では高温熱媒量に基づいて制御が行われていたが、本実施形態では、低温熱媒量に基づいて制御が行われる。従って、第１実施形態にて示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

【0069】

本実施形態では、低温熱媒タンク２２に液位計や液面センサなどの低温熱媒量センサ２２ａが取り付けられており、内部の低温熱媒量を測定できる。また、圧縮側熱交換器１５内を熱媒が高温のまま流れて熱交換に支障を来たす恐れがある場合、補助熱交換器２７を設けることにより、温度調整機能を付加することができる。予め補助熱交換器２７で熱媒を冷却水と熱交換することにより、圧縮側熱交換器１５の入側の熱媒の温度を例えば常温程度に調整することができる。なお、補助熱交換器２７は、必要に応じて設けることができる。

【0070】

図４に示す本実施形態の制御装置３０は、圧力センサ１２ａからの圧力値と、低温熱媒量センサ２２ａからの低温熱媒量とを受け、圧縮側熱媒ポンプ２４および膨張側熱媒ポンプ２３の回転数をそれぞれ制御する。

【0071】

制御装置３０は、空気余裕割合算出部３５と、低温熱媒充填割合算出部３６とを備えている。空気余裕割合算出部３５は、蓄圧タンク１２の許容圧力Ｐ０に対する圧力センサ１２ａで測定した圧力Ｐの割合である空気充填割合Ｐｒを算出し（Ｐｒ＝１００×Ｐ／Ｐ０［％］）、さらに１００％から空気充填割合Ｐｒを差し引いた空気余裕割合ΔＰｒを算出する（ΔＰｒ＝１００−Ｐｒ）。より簡単には、空気余裕割合ΔＰｒとは、蓄圧タンク１２に現状からさらにどれだけの圧縮空気を貯蔵できるかを示す割合値である。また、低温熱媒充填割合算出部３６は、低温熱媒タンク２２の許容貯蔵量Ｃ０に対する低温熱媒量センサ２２ａで測定した熱媒量Ｃの充填割合である低温熱媒充填割合Ｃｒを算出する（Ｃｒ＝１００×Ｃ／Ｃ０［％］）。

【0072】

また、制御装置は、第１実施形態と同様に、圧縮側熱媒流量制御部３３と、膨張側熱媒流量制御部３４とを備えている。圧縮側熱媒流量制御部３３は、空気余裕割合ΔＰｒと、低温熱媒充填割合Ｃｒとに基づいて、圧縮側熱媒ポンプ２４を制御する。膨張側熱媒流量制御部３４もまた、空気余裕割合ΔＰｒと、低温熱媒充填割合Ｃｒとに基づいて、膨張側熱媒ポンプ２３を制御する。本制御は、熱媒ライン２０の各部における熱媒の過不足を抑制するように行われるが、具体的には以下の３つの場合のようにして行われる。

【0073】

第１に、空気余裕割合ΔＰｒと低温熱媒充填割合Ｃｒとの差が所定範囲内のときは（ｄ２＜Ｐｒ−Ｃｒ＜ｄ１）、低温熱媒タンク２２内に低温熱媒が適量充填されているときと判定し、通常運転を行う。通常運転の制御については、第１実施形態と同じであり得る。

【0074】

第２に、空気余裕割合ΔＰｒが低温熱媒充填割合Ｃｒよりも所定値ｄ１以上大きいとき（ΔＰｒ−Ｃｒ≧ｄ１）の制御を説明する。空気余裕割合ΔＰｒが低温熱媒充填割合Ｃｒよりも所定値ｄ１以上大きいときは（ΔＰｒ−Ｃｒ≧ｄ１）、低温熱媒タンク２２内に低温熱媒が不足しているときである。このとき、膨張側熱媒流量制御部３４は、膨張側熱媒ポンプ２３の回転数を増やし、膨張側熱媒ポンプ２３の流量を増やす。これにより、低温熱媒タンク２２に流入する低温熱媒の量を増やすことができる。また、圧縮側熱媒流量制御部３３は、圧縮側熱媒ポンプ２４の回転数を減らし、圧縮側熱媒ポンプ２４の流量を減らす。これにより、低温熱媒タンク２２から流出する低温熱媒の量を減らすことができる。例えば、このような制御は、ｋ１を１未満の定数およびｋ２を１より大きい定数として以下の式（７），（８）のように表すことができる。

【0075】

【数4】

【0076】

第３に、空気余裕割合ΔＰｒが低温熱媒充填割合Ｃｒよりも所定値ｄ２以上小さいとき（ΔＰｒ−Ｃｒ≦ｄ２）の制御を説明する。空気余裕割合ΔＰｒが低温熱媒充填割合Ｃｒよりも所定値ｄ２以上小さいとき（ΔＰｒ−Ｃｒ≦ｄ２）は、低温熱媒タンク２２内に低温熱媒が余剰であるときである。このとき、膨張側熱媒流量制御部３４は、膨張側熱媒ポンプ２３の回転数を減らし、膨張側熱媒ポンプ２３の流量を減らす。これにより、低温熱媒タンク２２に流入する低温熱媒の量を減らすことができる。また、圧縮側熱媒流量制御部３３は、圧縮側熱媒ポンプ２４の回転数を増やし、圧縮側熱媒ポンプ２４の流量を増やす。これにより、低温熱媒タンク２２から流出する低温熱媒の量を増やすことができる。例えば、このような制御は、ｋ３を１より大きい定数およびｋ４を１未満の定数として以下の式（９），（１０）のように表すことができる。

【0077】

【数5】

【0078】

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１によれば、次のような利点がある。

【0079】

（１）空気余裕割合ΔＰｒと低温熱媒充填割合Ｃｒとに基づいて圧縮側熱媒ポンプ２４と膨張側熱媒ポンプ２３とを制御し、熱媒ライン２０の熱媒流量の過不足を抑制するため、貯蔵している圧縮空気量と低温熱媒量のバランスを保つことができる。

【0080】

（２）低温熱媒タンク２２に必要量の高温熱媒を確保できる。空気余裕割合ΔＰｒが低温熱媒充填割合Ｃｒよりも所定値ｄ１以上大きいとき（ΔＰｒ−Ｃｒ≧ｄ１）は、低温熱媒の必要量が多いときである。従って、このとき、圧縮側熱媒ポンプ２４を制御して低温熱媒タンク２２から圧縮側熱交換器１５に供給される低温熱媒の量を減らすことによって、低温熱媒タンク２２内の低温熱媒量の減少速度を低下させることができる。

【0081】

（３）低温熱媒タンク２２に必要量の高温熱媒を確保できる。空気余裕割合ΔＰｒが低温熱媒充填割合Ｃｒよりも所定値ｄ１以上大きいとき（ΔＰｒ−Ｃｒ≧ｄ１）は、低温熱媒の必要量が多いときである。従って、このとき、膨張側熱媒ポンプ２３を制御して膨張側熱交換器１６から低温熱媒タンク２２に供給される低温熱媒の量を増やすことによって、低温熱媒タンク２２内の低温熱媒量の増加速度を上昇させることができる。

【0082】

（４）低温熱媒タンク２２に余剰量の低温熱媒を貯蔵することを防止できる。空気余裕割合ΔＰｒが低温熱媒充填割合Ｃｒよりも所定値ｄ２以上小さいとき（ΔＰｒ−Ｃｒ≦ｄ２）は、低温熱媒の必要量が少ないときである。従って、このとき、圧縮側熱媒ポンプ２４を制御して低温熱媒タンク２２から圧縮側熱交換器１５に供給される低温熱媒の量を増やすことによって、低温熱媒タンク２２内の低温熱媒量の減少速度を上昇させることができる。熱媒ライン２０は循環構造を有するため、熱媒の余剰箇所を抑制することで、必要箇所に熱媒を供給し得る。

【0083】

（５）低温熱媒タンク２２に余剰量の熱媒を貯蔵することを防止できる。空気余裕割合ΔＰｒが低温熱媒充填割合Ｃｒよりも所定値ｄ２以上小さいとき（ΔＰｒ−Ｃｒ≦ｄ２）は、低温熱媒の必要量が少ないときである。従って、このとき、膨張側熱媒ポンプ２３を制御して膨張側熱交換器１６から低温熱媒タンク２２に供給される低温熱媒の量を減らすことによって、低温熱媒タンク２２内の低温熱媒量の増加速度を低下させることができる。熱媒ライン２０は循環構造を有するため、熱媒の余剰箇所を抑制することで、必要箇所に熱媒を供給し得る。

【0084】

（第３実施形態）
図５に示す本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１では、高温熱媒タンク２１と低温熱媒タンク２２との間にバイパス構造が設けられている点で第１実施形態と異なる。これに関する構成以外は、第１実施形態のＣＡＥＳ発電装置１の構成と実質的に同じである。従って、第１実施形態にて示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

【0085】

本実施形態では、高温熱媒タンク２１と低温熱媒タンク２２とを流体的に接続するバイパス配管２５が設けられている。バイパス配管２５には、バイパス配管２５内の熱媒の流動を許容または遮断するバイパス弁２５ａと、バイパス配管２５内の熱媒を流動させるバイパスポンプ２５ｂと、バイパス配管２５内の熱媒を冷却するクーラ２５ｃとが設けられている。

【0086】

図６に示す本実施形態の制御装置３０は、空気充填割合Ｐｒが高温熱媒充填割合Ｈｒよりも所定値Ｄ３以上大きいとき（Ｐｒ−Ｈｒ≧Ｄ３）、バイパス弁２５ａを開き、バイパスポンプ２５ｂを駆動し、低温熱媒タンク２２から高温熱媒タンク２１に熱媒を供給する第１バイパス制御部３７を備える。ここで、所定値Ｄ３は、第１実施形態の所定値Ｄ１よりも大きい数値である（Ｄ３＞Ｄ１）。本制御の意味するところは、２つのポンプ２３，２４の制御だけでは高温熱媒タンク２１と低温熱媒タンク２２の熱媒の過不足を抑制できないときに、高温熱媒タンク２１と低温熱媒タンク２２との間で熱媒を直接やりとりすることで熱媒の過不足を確実に抑制することである。

【0087】

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１によれば、高温熱媒タンク２１に必要量の熱媒を確保できる。空気充填割合Ｐｒが高温熱媒充填割合Ｈｒよりも所定値Ｄ３以上大きいとき（Ｐｒ−Ｈｒ≧Ｄ３）は、高温熱媒の必要量が多いときである。従って、このとき、バイパス弁２５ａおよびバイパスポンプ２５ｂを制御して低温熱媒タンク２２から高温熱媒タンク２１に熱媒を供給することで、高温熱媒タンク２１内の熱媒量を増加できる。

【0088】

（第４実施形態）
図７に示す本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１では、高温熱媒タンク２１と低温熱媒タンク２２との間にバイパス構造が設けられている点で第２実施形態と異なる。これに関する構成以外は、第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置１の構成と実質的に同じである。従って、第２実施形態にて示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

【0089】

本実施形態では、高温熱媒タンク２１と低温熱媒タンク２２とを流体的に接続するバイパス配管２６が設けられている。バイパス配管２６には、バイパス配管２６内の熱媒の流動を許容または遮断するバイパス弁２６ａと、バイパス配管２６内の熱媒を流動させるバイパスポンプ２６ｂと、バイパス配管２６内の熱媒を加熱するヒータ２６ｃとが設けられている。

【0090】

図８に示す本実施形態の制御装置３０は、空気余裕割合ΔＰｒが低温熱媒充填割合Ｃｒよりも所定値ｄ３以上大きいとき（ΔＰｒ−Ｃｒ≧ｄ３）、バイパス弁２６ａを開き、バイパスポンプ２６ｂを駆動し、高温熱媒タンク２１から低温熱媒タンク２２に熱媒を供給する第２バイパス制御部３８を備える。ここで、所定値ｄ３は、第１実施形態の所定値ｄ１よりも大きい数値である（ｄ３＞ｄ１）。本制御の意味するところは、２つのポンプ２３，２４の制御だけでは高温熱媒タンク２１と低温熱媒タンク２２の熱媒の過不足を抑制できないときに、高温熱媒タンク２１と低温熱媒タンク２２との間で熱媒を直接やりとりすることで熱媒の過不足を確実に抑制することである。

【0091】

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１によれば、低温熱媒タンク２２に必要量の熱媒を確保できる。空気余裕割合ΔＰｒが低温熱媒充填割合Ｃｒよりも所定値ｄ３以上大きいとき（ΔＰｒ−Ｃｒ≧ｄ３）は、低温熱媒の必要量が多いときである。従って、このとき、バイパス弁２６ａおよびバイパスポンプ２６ｂを制御して高温熱媒タンク２１から低温熱媒タンク２２に熱媒を供給することで、低温熱媒タンク２２内の熱媒量を増加できる。

【0092】

以上より、本発明の具体的な実施形態およびその変形例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。例えば、個々の実施形態の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。

【0093】

また、上記の各実施形態では、圧縮側熱媒ポンプ２４と膨張側熱媒ポンプ２３の回転数を調整することによって熱媒の流量を調整しているが、熱媒の流量を調整する機構（圧縮側熱媒流量調整部、膨張側熱媒流量調整部）はこれに限定されない。例えば、回転数が一定のポンプに対して流量調整弁を併設し、流量調整弁の開度を調整することによって熱媒の流量を調整するようにしてもよい。

【0094】

また、上記の各実施形態では、蓄圧タンク１２内の圧力に基づいて空気充填割合を算出しているが、空気充填割合の算出は圧力に基づくものに限定されない。例えば、空気流れにおいて蓄圧タンク１２の上流と下流に流量センサをそれぞれ設置し、蓄圧タンク１２に流入する空気量と流出する空気量の差分から蓄圧タンク１２の空気貯蔵量を算出し、これに基づいて空気充填割合を算出してもよい。

【符号の説明】

【0095】

１ 圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
２ 発電所
３ 需要先
１０ 空気ライン
１０ａ〜１０ｄ 空気配管
１１ 圧縮機
１１ａ 吸気口
１１ｂ 吐出口
１２ 蓄圧タンク（蓄圧部）
１２ａ 圧力センサ（空気量センサ）
１３ 膨張機
１３ａ 給気口
１３ｂ 排気口
１４ モータ（電動機）
１５ 圧縮側熱交換器
１６ 膨張側熱交換器
１７ バルブ
１８ 発電機
２０ 熱媒ライン
２０ａ〜２０ｄ 熱媒配管
２１ 高温熱媒タンク（高温蓄熱部）
２１ａ 高温熱媒量センサ
２２ 低温熱媒タンク（低温蓄熱部）
２２ａ 低温熱媒量センサ
２３ 膨張側熱媒ポンプ（膨張側熱媒流量調整部）
２４ 圧縮側熱媒ポンプ（圧縮側熱媒流量調整部）
２５ バイパス配管
２５ａ バイパス弁
２５ｂ バイパスポンプ
２５ｃ クーラ
２６ バイパス配管
２６ａ バイパス弁
２６ｂ バイパスポンプ
２６ｃ ヒータ
２７ 補助熱交換器
３０ 制御装置
３１ 空気充填割合算出部
３２ 高温熱媒充填割合算出部
３３ 圧縮側熱媒流量制御部
３４ 膨張側熱媒流量制御部
３５ 空気余裕割合算出部
３６ 低温熱媒充填割合算出部
３７ 第１バイパス制御部
３８ 第２バイパス制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】