特開 2023-86522 圧縮空気貯蔵発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023086522

(43)【公開日】2023-06-22

(54)【発明の名称】圧縮空気貯蔵発電装置

(51)【国際特許分類】

   F02C 6/16 20060101AFI20230615BHJP

   F02C 1/02 20060101ALI20230615BHJP

   F02C 9/16 20060101ALI20230615BHJP

【ＦＩ】

F02C6/16

F02C1/02

F02C9/16 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021201090

(22)【出願日】2021-12-10

(71)【出願人】

【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】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(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】佐藤 隆

(72)【発明者】

【氏名】松隈 正樹

(57)【要約】

【課題】装置全体としての発電量を任意に選択する圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。
【解決手段】圧縮空気貯蔵発電装置１は、蓄圧タンク６と、蓄圧タンク６から供給される圧縮空気によって駆動される直列接続された複数の膨張機本体を有し、複数の膨張機本体は第１膨張機本体８ｂと、第１膨張機本体８ｂより低圧段側に配置された第２膨張機本体８ａとを含む多段型の膨張機８と、第１膨張機本体８ｂを迂回して、第２膨張機本体８ａに空気を流動させるバイパス流路２４と、バイパス流路２４に設けられ、バイパス流路２４を通過する空気の圧力を減圧する第１減圧弁２７ａと、蓄圧タンク６から供給された空気をバイパス流路２４を使用して第１膨張機本体８ｂを迂回するか切り替えるためのバイパス切替部２６と、バイパス切替部２６を制御する制御装置３０とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

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直列接続された複数の膨張機本体を有し、前記複数の膨張機本体は第１膨張機本体と、前記第１膨張機本体より低圧段側に配置された第２膨張機本体とを含む多段型の膨張機と、
前記第１膨張機本体と機械的に接続された第１発電機と、
前記第２膨張機本体と機械的に接続された第２発電機と、
前記第１膨張機本体を迂回して、前記第２膨張機本体に空気を流動させるバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を通過する空気の圧力を減圧する第１減圧弁と、
前記蓄圧タンクから供給された空気を前記バイパス流路を使用して前記第１膨張機本体を迂回するか切り替えるためのバイパス切替部と、
前記バイパス切替部を制御する制御装置と
を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記バイパス流路を介して前記第２膨張機本体に圧縮空気を供給した場合の前記第２発電機の発電量が、前記第１膨張機本体を介して前記第２膨張機本体に圧縮空気を供給した場合の前記第１発電機および前記第２発電機の発電量の合計より高い場合、圧縮空気が前記第１膨張機本体を迂回して流れるように前記バイパス切替部を制御する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項3】

前記第１減圧弁は、前記第２膨張機本体および前記第２発電機による圧力から電力への変換効率が最高効率の８０％以上となるように減圧する、請求項１または２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項4】

前記複数の膨張機本体のうち最も高圧段である第３膨張機本体に機械的に接続された第３発電機と、
前記第３膨張機本体と前記蓄圧タンクを流体的に接続する圧縮空気流路に設けられ、前記圧縮空気流路を通過する空気の圧力を減圧する第２減圧弁と
をさらに備え、
前記第２減圧弁は、前記第３膨張機本体および前記第３発電機による圧力から電力への変換効率が最高効率の８０％以上となるように減圧する、請求項１から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】

前記複数の膨張機本体のそれぞれに供給される圧縮空気の供給圧力と、前記供給圧力における前記複数の膨張機本体のそれぞれの変換効率とが記録される記録媒体をさらに備える、請求項１から４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】

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）発電装置等のエネルギー貯蔵装置を使用して出力を平準化する必要がある。

【0003】

ＣＡＥＳ発電装置では、圧縮機を使用することで電気エネルギーを圧縮空気として蓄圧タンクに蓄え、膨張機を使用することで蓄圧タンクに蓄えられた圧縮空気を電気エネルギーに変換する。

【0004】

特許文献１には、蓄圧タンクの内圧が減少した際、多段型の膨張機において運転効率が悪くなる段の膨張機には圧縮空気を通さずバイパスさせることで装置全体としての運転効率の低下を抑制しているＣＡＥＳ発電装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７－００８８６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載のＣＡＥＳ発電装置では、バイパス流路は設けられているが、そのバイパス流路を通過する圧縮空気の圧力の調整については特段の示唆がない。換言すると、バイパス流路に接続された段の膨張機本体には蓄圧タンクの内圧の圧縮空気が供給される。つまり、バイパス流路に接続された段の膨張機本体に対して変換効率が向上するような圧力で圧縮空気を供給することについて、改善の余地がある。

【0007】

本発明は、バイパス流路によって膨張機本体を迂回するかを選択し、かつ、バイパス流路に接続された段の膨張機本体に供給される圧力を調整することで、装置全体の変換効率を向上す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直列接続された複数の膨張機本体を有し、前記複数の膨張機本体は第１膨張機本体と、前記第１膨張機本体より低圧段側に配置された第２膨張機本体とを含む多段型の膨張機と、前記第１膨張機本体と機械的に接続された第１発電機と、前記第２膨張機本体と機械的に接続された第２発電機と、前記第１膨張機本体を迂回して、前記第２膨張機本体に空気を流動させるバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を通過する空気の圧力を減圧する第１減圧弁と、前記蓄圧タンクから供給された空気を前記バイパス流路を使用して前記第１膨張機本体を迂回するか切り替えるためのバイパス切替部と、前記バイパス切替部を制御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。

【0009】

多段型の膨張機では、配置される段が異なると、供給される圧縮空気の圧力と、その圧力が有するエネルギーを電力に変換する際の変換効率との関係も異なることがある。換言すると、第１膨張機本体および第２膨張機本体のそれぞれに対して同じ圧力の圧縮空気を供給した場合であっても、発電量が異なることがある。本発明によれば、バイパス流路を介することで第１膨張機本体を迂回するかを選択することができ、かつ、減圧弁によって第２膨張機本体に供給される圧縮空気を減圧することができる。すなわち、第１膨張機本体および第２膨張機本体の両方で発電した場合の装置全体の変換効率と、バイパス流路を介して調整された圧力の圧縮空気を第２膨張機本体に供給し発電した場合の装置全体の変換効率とを比較して選択することができる。そのため、装置全体の変換効率が向上され得る。

【0010】

前記制御装置は、前記バイパス流路を介して前記第２膨張機本体に圧縮空気を供給した場合の前記第２発電機の発電量が、前記第１膨張機本体を介して前記第２膨張機本体に圧縮空気を供給した場合の前記第１発電機および前記第２発電機の発電量の合計より高い場合、圧縮空気が前記第１膨張機本体を迂回して流れるように前記バイパス切替部を制御してもよい。

【0011】

前記の構成によれば、バイパス流路を介する場合と介さない場合とのそれぞれの発電量を比較して、発電量が多い方を選択するように制御しているため、装置全体として発電量を増加させることができる。

【0012】

前記第１減圧弁は、前記第２膨張機本体および前記第２発電機による圧力から電力への変換効率が最高効率の８０％以上となるように減圧してもよい。

【0013】

前記の構成によれば、第２膨張機本体および第２発電機による圧力から電力への変換効率が最高効率を含む高い効率であるため、第２発電機による発電量を多くすることができる。

【0014】

圧縮空気貯蔵発電装置は、前記複数の膨張機本体のうち最も高圧段である第３膨張機本体に機械的に接続された第３発電機と、前記第３膨張機本体と前記蓄圧タンクを流体的に接続する圧縮空気流路に設けられ、前記圧縮空気流路を通過する空気の圧力を減圧する第２減圧弁とをさらに備え、前記第２減圧弁は、前記第３膨張機本体および前記第３発電機による圧力から電力への変換効率が最高効率の８０％以上となるように減圧してもよい。

【0015】

前記の構成によれば、第３膨張機本体および第３発電機による圧力から電力への変換効率が最高効率を含む高い効率であるため、第３発電機による発電量を多くすることができる。

【0016】

圧縮空気貯蔵発電装置は、前記複数の膨張機本体のそれぞれに供給される圧縮空気の供給圧力と、前記供給圧力における前記複数の膨張機本体のそれぞれの変換効率とが記録される記録媒体をさらに備えてもよい。

【0017】

前記の構成によれば、圧力および変換効率の関係を実データから採取できる。そのため、圧力および変換効率の関係を計算から求める場合に比べ、圧力および変換効率の関係の信頼性が向上し得る。

【発明の効果】

【0018】

本発明の圧縮空気貯蔵発電装置によれば、バイパス流路によって膨張機本体を迂回するかを選択でき、かつ、バイパス流路に接続された段の膨張機本体に供給される圧力を調整できるため、装置全体の変換効率を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１実施形態における圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。

【図2】第１実施形態における第１発電態様における圧力および変換効率の関係を示すグラフ。

【図3】第１実施形態における第２発電態様における圧力および変換効率の関係を示すグラフ。

【図4】第１実施形態における圧縮空気貯蔵発電装置の発電動作の制御を説明するフローチャート。

【図5】本発明の第２実施形態における圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。

【図6】第２実施形態における第１発電態様における圧力および変換効率の関係を示すグラフ。

【図7】第２実施形態における圧縮空気貯蔵発電装置の発電動作の制御を説明するフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0020】

（第１実施形態）
図１を参照して、本実施形態に係る圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置１の全体的な構成と機能を説明する。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の出力変動を平準化して電力系統に電力を供給するとともに、発電需要の変動に合わせた電力を電力系統に供給する。

【0021】

ＣＡＥＳ発電装置１は、圧縮機４、蓄圧タンク６、および膨張機８を備える。

【0022】

本実施形態では、圧縮機４は、低圧段圧縮機本体４ａおよび高圧段圧縮機本体４ｂを有する２段型のスクリュ圧縮機である。低圧段圧縮機本体４ａおよび高圧段圧縮機本体４ｂはそれぞれ、モータ（電動機）１４ａ，１４ｂを備える。モータ１４ａ，１４ｂは、低圧段圧縮機本体４ａおよび高圧段圧縮機本体４ｂの内部のスクリュに機械的に接続されている。図示しない発電設備で発電された変動する入力電力がモータ１４ａ，１４ｂに供給されると、この電力によりモータ１４ａ，１４ｂが駆動され、スクリュが回転して低圧段圧縮機本体４ａおよび高圧段圧縮機本体４ｂが作動し、空気を圧縮する。圧縮機４は２段型に限定されず３段型以上であってもよく、複数台設置されてもよい。圧縮機４の種類は特に限定されず、例えばターボ式、スクロール式、およびレシプロ式等であってもよい。

【0023】

蓄圧タンク６は、圧縮機４と流体的に接続され、圧縮機４から圧送された圧縮空気を貯蔵する。従って、蓄圧タンク６には、圧縮空気としてエネルギーが蓄積されている。蓄圧タンク６で貯蔵された圧縮空気は、膨張機８に供給される。

【0024】

膨張機８は、蓄圧タンク６と流体的に接続され、直列接続された低圧段膨張機本体（第２膨張機本体）８ａおよび高圧段膨張機本体（第１膨張機本体）８ｂを有する２段型のスクリュ膨張機である。低圧段膨張機本体８ａおよび高圧段膨張機本体８ｂは、蓄圧タンク６から供給される圧縮空気によって駆動される。低圧段膨張機本体８ａは、発電機（第２発電機）１２ａを備える。高圧段膨張機本体８ｂは、発電機（第１発電機）１２ｂを備える。発電機１２ａ，１２ｂは、低圧段膨張機本体８ａおよび高圧段膨張機本体８ｂの内部のスクリュに機械的に接続されている。発電機１２ａ，１２ｂ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。本実施形態では、高圧段膨張機本体８ｂは、膨張機８において最も高圧段に配置された最高圧段膨張機本体（第３膨張機本体）であり、発電機１２ｂは、最高圧段膨張機本体に接続された最高圧段発電機（第３発電機）である。膨張機８は２段型に限定されず３段型以上であってもよく、複数台設置されてもよい。膨張機８の種類は特に限定されず、例えばターボ式、スクロール式、およびレシプロ式等であってもよい。

【0025】

低圧段圧縮機本体４ａの吸気口４ｃは、空気配管１０ａを介して大気に開放されている。低圧段圧縮機本体４ａの吐出口４ｄと高圧段圧縮機本体４ｂの吸気口４ｅとは空気配管１０ｂを介して流体的に接続されている。高圧段圧縮機本体４ｂの吐出口４ｆは、空気配管１０ｃを介して蓄圧タンク６に流体的に接続されている。

【0026】

蓄圧タンク６は、空気配管（圧縮空気流路）１０ｄを介して高圧段膨張機本体８ｂの給気口８ｃに流体的に接続されている。高圧段膨張機本体８ｂの排気口８ｄと低圧段膨張機本体８ａの給気口８ｅとは空気配管１０ｅを介して流体的に接続されている。低圧段膨張機本体８ａの排気口８ｆは、空気配管１０ｆを介して大気に開放されている。

【0027】

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、バイパス流路２４、バイパス切替部２６、および制御装置３０を備える。バイパス流路２４は、高圧段膨張機本体８ｂを迂回して、低圧段膨張機本体８ａに圧縮空気を流動させる（図１の破線参照）。バイパス切替部２６によって、バイパス流路２４を使用して高圧段膨張機本体８ｂを迂回するか、または、迂回しないかが切り替えられる。また、制御装置３０によってバイパス切替部２６が制御される。

【0028】

バイパス流路２４は、一端が空気配管１０ｄに接続され、他端が空気配管１０ｅに接続されている。詳細は後述するが、圧縮空気は、バイパス切替部２６が制御されることによって、高圧段膨張機本体８ｂまたはバイパス流路２４のどちらか一方を流れる。

【0029】

空気配管１０ｃには、バルブ１８ａが設けられており、必要に応じてバルブ１８ａを開閉し、蓄圧タンク６への圧縮空気の供給を許容または遮断する。

【0030】

また、空気配管１０ｄにおける、空気配管１０ｄおよびバイパス流路２４の接続点より上流側には、バルブ１８ｂが設けられており、必要に応じてバルブ１８ｂを開閉し、膨張機８への圧縮空気の供給を許容または遮断する。

【0031】

バイパス切替部２６は、バルブ２７ａ，２７ｂを有する。バルブ２７ａは、バイパス流路２４に設けられ、バルブ２７ｂは、空気配管１０ｄにおける、空気配管１０ｄおよびバイパス流路２４の接続点より下流側に設けられている。バイパス切替部２６によって、バルブ２７ａ，２７ｂの開閉を切り替えられ、圧縮空気が、高圧段膨張機本体８ｂまたはバイパス流路２４のどちらを流れるかが切り替えられる。

【0032】

本実施形態では、バルブ２７ａは第１減圧弁である。バルブ２７ａは、圧力調整機能および遮断機能を有している。すなわち、図示しない調整ねじを調整することで、圧力を調整でき、例えば、バルブ２７ａは、圧縮空気の圧力が減圧される減圧状態、または圧縮空気の圧力が減圧されない開状態に切り替えられる。また、図示しない調整ねじを完全に閉じ、バルブ２７ａを閉状態とすることで、遮断状態、つまり、圧縮空気が流れない状態にできる。圧縮空気の減圧時には、バイパス流路２４を通過する圧縮空気は、バルブ２７ａにおいて圧力Ｐ（ｒ）まで減圧される。

【0033】

空気配管１０ｄのバルブ１８ｂより上流側には圧力計１６ａが設けられている。圧力計１６ａでは、空気配管１０ｄを流れる圧縮空気の圧力が計測される。換言すると、高圧段膨張機本体８ｂに供給される圧縮空気の圧力が計測される。

【0034】

また、空気配管１０ｅには圧力計１６ｂが設けられている。圧力計１６ｂでは、空気配管１０ｅを流れる圧縮空気の圧力が計測される。換言すると、高圧段膨張機本体８ｂから排気され低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気の圧力が計測される。

【0035】

発電機１２ａ，１２ｂにはそれぞれ、変換効率を算出するために発電量を測定するための発電量測定器１３ａ，１３ｂが設けられている。ここで、変換効率とは、ある圧力の圧縮空気が有するエネルギーが電力に変換される割合である。圧縮空気の圧力から圧縮空気が有するエネルギーが算出され、そのエネルギーにおける発電量を測定することで変換効率が算出される。変換効率が高い程、圧縮空気が有するエネルギーの損失が相対的に少なく電力に変換される。

【0036】

低圧段圧縮機本体４ａがモータ１４ａにより駆動されると、低圧段圧縮機本体４ａは、空気配管１０ａおよび吸気口４ｃを介して空気を吸気し、圧縮する。圧縮された空気は、吐出口４ｄ、空気配管１０ｂ、および吸気口４ｅを介して高圧段圧縮機本体４ｂに圧送される。高圧段圧縮機本体４ｂに圧送された圧縮空気は、モータ１４ｂで駆動される高圧段圧縮機本体４ｂでさらに圧縮され、吐出口４ｆおよび空気配管１０ｃを介して蓄圧タンク６に圧送される。この際、バルブ１８ａは開状態で、バルブ１８ｂは閉状態である。

【0037】

蓄圧タンク６に貯蔵された圧縮空気は、膨張機８に送られ、発電に用いられる。この際、バルブ１８ａは閉状態で、バルブ１８ｂは開状態である。本実施形態では、ＣＡＥＳ発電装置１は、第１発電態様および第２発電態様の２つの発電態様を有する。第１発電態様では、高圧段膨張機本体８ｂおよび低圧段膨張機本体８ａの両方において発電される。第２発電態様では、低圧段膨張機本体８ａのみにおいて発電される。これら２つの発電態様は、バイパス切替部２６によってバルブ２７ａ，２７ｂの開閉が制御されることによって切り替えられる。

【0038】

第１発電態様では、バルブ２７ａが閉状態で、バルブ２７ｂが開状態である。すなわち、蓄圧タンク６から流出した圧縮空気は、バイパス流路２４には流れず、空気配管１０ｄおよび給気口８ｃを介して高圧段膨張機本体８ｂに供給される。高圧段膨張機本体８ｂに供給された圧縮空気は、高圧段膨張機本体８ｂ内で膨張し、スクリュを回転させる。スクリュが回転することによって、発電機１２ｂで発電される。高圧段膨張機本体８ｂで膨張することによって減圧され排気口８ｄから排気された圧縮空気は、空気配管１０ｅおよび給気口８ｅを介して低圧段膨張機本体８ａに供給される。低圧段膨張機本体８ａに供給された圧縮空気は、低圧段膨張機本体８ａ内で膨張し、スクリュを回転させる。スクリュが回転することによって、発電機１２ａで発電される。低圧段膨張機本体８ａで膨張した圧縮空気は、排気口８ｆから空気配管１０ｅを通じて外部に排気される。

【0039】

第２発電態様では、バルブ２７ａが開状態で、バルブ２７ｂが閉状態である。すなわち、蓄圧タンク６から流出した圧縮空気は、高圧段膨張機本体８ｂには供給されず、バイパス流路２４に流れる。バイパス流路２４に流れた圧縮空気は、バルブ２７ａで圧力Ｐ（ｒ）まで減圧され、低圧段膨張機本体８ａに供給される。低圧段膨張機本体８ａに供給された圧縮空気は、低圧段膨張機本体８ａ内で膨張し、スクリュを回転させる。スクリュが回転することによって、発電機１２ａで発電される。低圧段膨張機本体８ａで膨張した圧縮空気は、排気口８ｆから空気配管１０ｅを通じて外部に排気される。

【0040】

図２および図３を参照して、第１発電態様および第２発電態様のそれぞれにおける圧縮空気の圧力および変換効率について説明する。

【0041】

図２は、第１発電態様における高圧段膨張機本体８ｂおよび低圧段膨張機本体８ａのそれぞれに供給される圧縮空気の圧力、つまり、圧力計１６ａで測定される圧力、およびその圧力における変換効率の関係を示すグラフである。高圧段膨張機本体８ｂに供給される圧縮空気の圧力およびその圧力における変換効率は、細い実線で示す。低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気の圧力およびその圧力における変換効率は、太い実線で示す。また、一点鎖線は、高圧段膨張機本体８ｂから排気された圧縮空気の圧力、つまり、圧力計１６ｂで測定される圧力を仮想的に示したものである。

【0042】

本実施形態では、高圧段膨張機本体８ｂおよび低圧段膨張機本体８ａのそれぞれに供給される圧縮空気の供給圧力が、圧力計１６ａ，１６ｂで計測され、記録媒体３２に記録される。また、高圧段膨張機本体８ｂおよび低圧段膨張機本体８ａのそれぞれに供給される圧縮空気の供給圧力における発電量が発電量測定器１３ａ，１３ｂによって計測され、変換効率として記録媒体３２に記録される。

【0043】

高圧段膨張機本体８ｂに供給される圧力の一例として、圧力Ｐ（Ａ）～Ｐ（Ｃ）を用いて説明する。

【0044】

高圧段膨張機本体８ｂに圧力Ｐ（Ａ）で供給された圧縮空気は、高圧段膨張機本体８ｂ内で膨張し、圧力Ｐ（ａ）で排気される。この際、圧縮空気が有するエネルギーは、発電機１２ｂにおいて変換効率Ｅｈ（Ａ）で電力に変換される。圧力Ｐ（ａ）で排気された圧縮空気は、低圧段膨張機本体８ａに圧力Ｐ（ａ）で供給され、低圧段膨張機本体８ａ内で膨張し、排気される。この際、圧縮空気が有するエネルギーは、発電機１２ａにおいて変換効率Ｅｌ（ａ）で電力に変換される。

【0045】

同様に、高圧段膨張機本体８ｂに圧力Ｐ（Ｂ）で供給された圧縮空気は、高圧段膨張機本体８ｂ内で膨張し、圧力Ｐ（ｂ）で排気される。この際、圧縮空気が有するエネルギーは、発電機１２ｂにおいて変換効率Ｅｈ（Ｂ）で電力に変換される。圧力Ｐ（ｂ）で排気された圧縮空気は、低圧段膨張機本体８ａに圧力Ｐ（ｂ）で供給され、低圧段膨張機本体８ａ内で膨張し、排気される。この際、圧縮空気が有するエネルギーは、発電機１２ａにおいて変換効率Ｅｌ（ｂ）で電力に変換される。

【0046】

また、同様に、高圧段膨張機本体８ｂに圧力Ｐ（Ｃ）で供給された圧縮空気は、高圧段膨張機本体８ｂ内で膨張し、圧力Ｐ（ｃ）で排気される。この際、圧縮空気が有するエネルギーは、発電機１２ｂにおいて変換効率Ｅｈ（Ｃ）で電力に変換される。圧力Ｐ（ｃ）で排気された圧縮空気は、低圧段膨張機本体８ａに圧力Ｐ（ｃ）で供給され、低圧段膨張機本体８ａ内で膨張し、排気される。この際、圧縮空気が有するエネルギーは、発電機１２ａにおいて変換効率Ｅｌ（ｃ）で電力に変換される。

【0047】

このように、高圧段膨張機本体８ｂに圧力Ｐ（Ａ），Ｐ（Ｂ）で供給された圧縮空気は、高圧段膨張機本体８ｂにおいて相対的に高い変換効率Ｅｈ（Ａ），Ｅｈ（Ｂ）で電力に変換される。その上さらに、高圧段膨張機本体８ｂから圧力Ｐ（ａ），Ｐ（ｂ）で排気された圧縮空気は、低圧段膨張機本体８ａにおいても相対的に高い変換効率Ｅｌ（ａ），Ｅｌ（ｂ）で電力に変換される。

【0048】

一方で、高圧段膨張機本体８ｂに圧力Ｐ（Ｃ）で供給された圧縮空気は、高圧段膨張機本体８ｂにおいて相対的に低い変換効率Ｅｈ（Ｃ）で電力に変換される。その上さらに、高圧段膨張機本体８ｂから圧力Ｐ（ｃ）で排気された圧縮空気は、低圧段膨張機本体８ａにおいても相対的に低い変換効率Ｅｌ（ｃ）で電力に変換される。

【0049】

以上の内容を一般化するために、変数である圧力Ｐ（Ｘ）を用いて説明する。高圧段膨張機本体８ｂに圧力Ｐ（Ｘ）で供給された圧縮空気は、高圧段膨張機本体８ｂにおいて変換効率Ｅｈ（Ｘ）で電力に変換される。そして、高圧段膨張機本体８ｂから圧力Ｐ（ｘ）で排気された圧縮空気は、低圧段膨張機本体８ａにおいて変換効率Ｅｌ（ｘ）で電力に変換される。

【0050】

図３は、第２発電態様における低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気の圧力およびその圧力における変換効率の関係を示すグラフである。圧力計１６ａで測定される圧縮空気の圧力の一例として、圧力Ｐ（Ａ）～Ｐ（Ｃ）を用いて説明する。

【0051】

図３を参照すると、蓄圧タンク６から圧力Ｐ（Ａ）で流出した圧縮空気は、バイパス流路２４を介して低圧段膨張機本体８ａに供給される。バイパス流路２４を通過する際、圧縮空気は、バルブ２７ａで圧力Ｐ（ｒ）まで減圧される。圧力Ｐ（ｒ）で供給された圧縮空気は、低圧段膨張機本体８ａ内で膨張し、排気される。この際、圧縮空気は、発電機１２ａにおいて変換効率Ｅｌ（ｒ）で電力に変換される。本実施形態では、変換効率Ｅｌ（ｒ）は、低圧段膨張機本体８ａにおいて、最も高い変換効率（最高効率）である。

【0052】

同様に、蓄圧タンク６から圧力Ｐ（Ｂ），Ｐ（Ｃ）で流出した圧縮空気は、バイパス流路２４を介して低圧段膨張機本体８ａに供給される。バイパス流路２４を通過する際、圧縮空気は、バルブ２７ａで圧力Ｐ（ｒ）まで減圧される。圧力Ｐ（ｒ）で供給された圧縮空気は、低圧段膨張機本体８ａ内で膨張し、排気される。この際、圧縮空気は、発電機１２ａにおいて変換効率Ｅｌ（ｒ）で電力に変換される。

【0053】

このように、第２発電態様では、蓄圧タンク６から圧力Ｐ（Ａ）～Ｐ（Ｃ）で流出した圧縮空気はいずれも、圧力Ｐ（ｒ）まで減圧され、低圧段膨張機本体８ａにおいて変換効率Ｅｌ（ｒ）で電力に変換される。

【0054】

以上の内容を一般化するために、変数である圧力Ｐ（Ｘ）を用いて説明する。蓄圧タンク６から圧力Ｐ（Ｘ）で流出した圧縮空気は、圧力Ｐ（ｒ）まで減圧され、低圧段膨張機本体８ａにおいて変換効率Ｅｌ（ｒ）で電力に変換される。

【0055】

本実施形態では、バルブ２７ａにおいて、変換効率Ｅｌ（ｒ）となるように圧力Ｐ（ｒ）まで減圧している。しかし、変換効率Ｅｌ（ｒ）の例えば８０％である変換効率Ｅｌ（ｑ）以上となる、圧力Ｐ（ｑ１）から圧力Ｐ（ｑ２）までの範囲に収まるように減圧してもよい。

【0056】

図４を参照して、本実施形態におけるＣＡＥＳ発電装置１の発電動作の制御について説明する。

【0057】

ＣＡＥＳ発電装置１が発電を開始すると、圧力計１６ａによって空気配管１０ｄを流れる圧縮空気の圧力Ｐ（Ｘ）が測定される（ステップＳ１）。次いで、発電量ＯＵＴｈ（Ｐ（Ｘ））、発電量α＊ＯＵＴｌ（Ｐ（ｘ））、および発電量α＊ＯＵＴｌ（Ｐ（ｒ））が算出される（ステップＳ２）。発電量ＯＵＴｈ（Ｐ（Ｘ））は、圧力Ｐ（Ｘ）における第１発電態様の高圧段膨張機本体８ｂの発電量である。発電量α＊ＯＵＴｌ（Ｐ（ｘ））は、圧力Ｐ（ｘ）における第１発電態様の低圧段膨張機本体８ａの発電量である。発電量α＊ＯＵＴｌ（Ｐ（ｒ））は、圧力Ｐ（ｒ）における第２発電態様の低圧段膨張機本体８ａの発電量である。

【0058】

圧力Ｐ（Ｘ）における第１発電態様の高圧段膨張機本体８ｂの発電量ＯＵＴｈ（Ｐ（Ｘ））は、以下の式（１）で表される。

【0059】

【数1】

Ｃｈ：定数
Ｒｈ：高圧段膨張機本体８ｂのスクリュの回転速度

【0060】

また、圧力Ｐ（ｘ）における第１発電態様の低圧段膨張機本体８ａの発電量α＊ＯＵＴｌ（Ｐ（ｘ））は、以下の式（２）で表される。

【0061】

【数2】

Ｃｌ：定数
Ｒｌ：低圧段膨張機本体８ａのスクリュの回転速度

【0062】

ここで、膨張比αは、以下の式（３）で表される。

【0063】

【数3】

【0064】

また、圧力Ｐ（ｒ）における第２発電態様の低圧段膨張機本体８ａの発電量α＊ＯＵＴｌ（Ｐ（ｒ））は、以下の式（４）で表される。

【0065】

【数4】

【0066】

次いで、ＣＡＥＳ発電装置１の装置全体としての発電量が大きくなるように、制御装置３０によって第１発電態様または第２発電態様が選択される（ステップＳ３）。具体的には、発電量ＯＵＴｈ（Ｐ（Ｘ））および発電量α＊ＯＵＴｌ（Ｐ（ｘ））の合計が、発電量α＊ＯＵＴｌ（Ｐ（ｒ））より大きい場合（ＹＥＳ：ステップＳ３）、第１発電態様によって発電される（ステップＳ４）。つまり、バルブ２７ａを閉じ、バルブ２７ｂを開ける。また、発電量ＯＵＴｈ（Ｐ（Ｘ））および発電量α＊ＯＵＴｌ（Ｐ（ｘ））の合計が、発電量α＊ＯＵＴｌ（Ｐ（ｒ））より小さい場合（ＮＯ：ステップＳ３）、第２発電態様によって発電される（ステップＳ５）。つまり、バルブ２７ａを開け、バルブ２７ｂを閉じる。

【0067】

ステップＳ１～Ｓ５の制御は、ＣＡＥＳ発電装置１の発電中は常時行われる。

【0068】

本発明におけるＣＡＥＳ発電装置１によれば、バイパス流路２４を介することで高圧段膨張機本体８ｂを迂回するかを選択することができ、かつ、バルブ２７ａによって低圧段膨張機本体８ａに供給される圧縮空気を減圧することができる。すなわち、高圧段膨張機本体８ｂおよび低圧段膨張機本体８ａの両方で発電した場合の装置全体の変換効率と、バイパス流路２４を介して調整された圧力の圧縮空気を低圧段膨張機本体８ａに供給し発電した場合の装置全体の変換効率とを比較して選択することができる。そのため、装置全体の変換効率が向上できる。

【0069】

また、バイパス流路２４を介する場合と介さない場合とのそれぞれの発電量を比較して、発電量が多い方を選択するように制御しているため、装置全体として発電量を増加させることができる。

【0070】

また、変換効率Ｅｌ（ｑ）以上となる、圧力Ｐ（ｑ１）から圧力Ｐ（ｑ２）の範囲に減圧する場合、低圧段膨張機本体８ａおよび発電機１２ａによる圧力から電力への変換効率が最高効率を含む高い効率であるため、発電機１２ａによる発電量を多くすることができる。

【0071】

また、記録媒体３２を備えるため、圧力および変換効率の関係を実データから採取できる。そのため、圧力および変換効率の関係を計算から求める場合に比べ、圧力および変換効率の関係の信頼性が向上し得る。

【0072】

本実施形態では、２段の膨張機について説明したが、前述の通り、３段以上の膨張機でもよい。その場合、バイパス流路２４は任意の膨張機本体を迂回するように設けることができ、また、２段以上の膨張機本体を迂回するように設けてもよい。

【0073】

（第２実施形態）
図５から図７を参照すると、第２実施形態に係るＣＡＥＳ発電装置１の構成は、以下の点で第１実施形態と異なる。第２実施形態のその他の構成は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同一ないし同様の要素には同一の符号を付している。

【0074】

図５を参照すると、第２実施形態では、バルブ１８ｂに代わり、バルブ２８（第２減圧弁）が、空気配管１０ｄにおける圧力計１６ａの下流側、かつ、バイパス流路２４と空気配管１０ｄとの接続点の上流側に設けられている。バルブ２８は、圧縮空気を圧力Ｐ（Ｓ）まで減圧する減圧弁である。そのため、空気配管１０ｄを通過する圧縮空気の圧力が、圧力Ｐ（Ｓ）より大きい場合、圧縮空気は、バルブ１８ｂにおいて圧力Ｐ（Ｓ）まで減圧される。

【0075】

図６を参照すると、高圧段膨張機本体８ｂでは、圧力Ｐ（Ｓ）で供給された圧縮空気は、変換効率Ｅｈ（Ｓ）で電力に変換される。第２実施形態では、変換効率Ｅｈ（Ｓ）は、高圧段膨張機本体８ｂにおいて、最も高い変換効率（最高効率）である。

【0076】

第２実施形態では、バルブ１８ｂにおいて、変換効率Ｅｈ（Ｓ）となるように圧力Ｐ（Ｓ）まで減圧している。しかし、変換効率Ｅｈ（Ｓ）の例えば８０％である変換効率Ｅｈ（Ｔ）以上となる、圧力Ｐ（Ｔ１）から圧力Ｐ（Ｔ２）までの範囲に収まるように減圧してもよい。

【0077】

図７を参照して第２実施形態におけるＣＡＥＳ発電装置１の発電動作の制御について説明する。

【0078】

ＣＡＥＳ発電装置１が発電を開始すると、圧力計１６ａによって空気配管１０ｄを流れる圧縮空気の圧力Ｐ（Ｘ）が測定される（ステップＳ１）。そして、圧力Ｐ（Ｘ）が圧力Ｐ（Ｓ）より大きいかが判定される（ステップＳ２）。圧力Ｐ（Ｘ）が圧力Ｐ（Ｓ）より大きい場合（ＹＥＳ：ステップＳ２）、第１発電態様によって発電される（ステップＳ３）。つまり、バルブ２７ａを開け、バルブ２７ｂを閉じる。バルブ１８ｂにおいて圧力Ｐ（Ｓ）まで減圧された圧縮空気が高圧段膨張機本体８ｂに供給され、高圧段膨張機本体８ｂにおいて、圧縮空気のエネルギーは変換効率Ｅｈ（Ｓ）で電力に変換される。圧力Ｐ（Ｘ）が圧力Ｐ（Ｓ）より小さい場合（ＮＯ：ステップＳ２）、発電量ＯＵＴｈ（Ｐ（Ｘ））、発電量α＊ＯＵＴｌ（Ｐ（ｘ））、および発電量α＊ＯＵＴｌ（Ｐ（ｒ））が算出される（ステップＳ４）。以降の動作に関しては第１実施形態と同様のため、説明を省略する。

【0079】

第２実施形態におけるＣＡＥＳ発電装置１によれば、高圧段膨張機本体８ｂおよび発電機１２ｂによる圧力から電力への変換効率が最高効率を含む高い効率であるため、発電機１２ｂによる発電量を多くすることができる。

【符号の説明】

【0080】

１ ＣＡＥＳ発電装置
４ 圧縮機
４ａ 低圧段圧縮機本体
４ｂ 高圧段圧縮機本体
４ｃ，４ｅ 吸気口
４ｄ，４ｆ 吐出口
６ 蓄圧タンク
８ 膨張機
８ａ 低圧段膨張機本体（第２膨張機本体）
８ｂ 高圧段膨張機本体（第１膨張機本体、第３膨張機本体）
８ｃ，８ｅ 給気口
８ｄ，８ｆ 排気口
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｅ，１０ｆ 空気配管
１０ｄ 空気配管（圧縮空気流路）
１２ａ 発電機（第２発電機）
１２ｂ 発電機（第１発電機、第３発電機）
１３ａ，１３ｂ 発電量測定器
１４ａ，１４ｂ モータ（電動機）
１６ａ，１６ｂ 圧力計
１８ａ，１８ｂ バルブ
２４ バイパス流路
２６ バイパス切替部
２７ａ バルブ（第１減圧弁）
２７ｂ バルブ
２８ バルブ（第２減圧弁）
３０ 制御装置
３２ 記録媒体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】