特開 2024-132319 エネルギ貯蔵システム

(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】P2024132319

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】エネルギ貯蔵システム

(51)【国際特許分類】

   F04B 41/06 20060101AFI20240920BHJP

【ＦＩ】

F04B41/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023043063

(22)【出願日】2023-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】末次 恵久

(72)【発明者】

【氏名】石川 貴史

(72)【発明者】

【氏名】曽 一新

【テーマコード（参考）】

3H076

【Ｆターム（参考）】

3H076AA03

3H076AA31

3H076AA35

3H076AA39

3H076BB21

3H076CC26

3H076CC31

3H076CC44

3H076CC91

(57)【要約】

【課題】簡易な構成により効率をより向上させたエネルギ貯蔵システムを提供する。
【解決手段】エネルギ貯蔵システムは、蓄圧タンクと、蓄圧タンクに対して連通と遮断とが可能な容器と、容器に圧縮用の液体を供給するポンプ部と、ポンプ部により容器に圧縮用の液体を流入させて容器内の気体を圧縮すると共に圧縮気体を蓄圧タンクに移送する蓄エネルギ動作と、蓄圧タンクに蓄えられた圧縮気体を容器に移送して膨張させることにより容器内の液体を負荷部に供給する放エネルギ動作と、を実行する動作実行部と、システム系外で発生した排熱を用いて放エネルギ動作においてシステム系内の液体または圧縮気体を加熱する排熱供給部と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮気体を用いてエネルギを貯蔵するエネルギ貯蔵システムであって、
圧縮気体を貯蔵する蓄圧タンクと、
前記蓄圧タンクに対して連通と遮断とが可能な容器と、
前記容器に圧縮用の液体を供給するポンプ部と、
前記ポンプ部により前記容器に圧縮用の液体を流入させて該容器内の気体を圧縮すると共に圧縮気体を前記蓄圧タンクに移送する蓄エネルギ動作と、前記蓄圧タンクに蓄えられた圧縮気体を前記容器に移送して膨張させることにより該容器内の液体を負荷部に供給する放エネルギ動作と、を実行する動作実行部と、
システム系外で発生した排熱を用いて、前記放エネルギ動作においてシステム系内の液体または圧縮気体を加熱する排熱供給部と、
を備えるエネルギ貯蔵システム。

【請求項2】

請求項１に記載のエネルギ貯蔵システムであって、
前記排熱供給部は、前記排熱と液体とを熱交換する熱交換部と、前記熱交換部を通過した液体を前記容器内に噴射する噴射部と、を有する、
エネルギ貯蔵システム。

【請求項3】

請求項１に記載のエネルギ貯蔵システムであって、
前記排熱供給部は、前記排熱と前記負荷部を通過する液体とを熱交換する熱交換部を有する、
エネルギ貯蔵システム。

【請求項4】

請求項１に記載のエネルギ貯蔵システムであって、
前記排熱供給部は、前記排熱により前記容器を加熱する、
エネルギ貯蔵システム。

【請求項5】

請求項１ないし４いずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムであって、
前記容器は、前記蓄圧タンクに対してそれぞれ連通と遮断とが可能な第１、第２および第３の容器を有し、
前記蓄エネルギ動作は、前記ポンプ部により前記第１の容器から圧縮用の液体を流出させると共に外部から当該第１の容器内に気体を流入させる吸気行程と、前記ポンプ部により前記第１の容器から流出させた圧縮用の液体を前記第２の容器内に流入させて当該第２の容器内の気体を圧縮する圧縮行程と、前記３の容器内の圧縮気体を前記蓄圧タンクに移送する移送工程と、が各容器で順に生じるように制御する動作であり、
前記放エネルギ動作は、前記蓄圧タンク内の圧縮気体を前記第１の容器に移送する移送行程と、前記第２の容器内の圧縮気体で該第２の容器内の液体を流出させて前記負荷部に供給する膨張行程と、前記負荷部から排出された液体を前記第３の容器内に回収すると共に該第３の容器内の気体を排気する排気行程と、が各容器で順に生じるように制御する動作である、
エネルギ貯蔵システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は、エネルギ貯蔵システムについて開示する。

【背景技術】

【0002】

従来、再生可能エネルギによって発電された電力により駆動されるモータと、モータにより駆動され空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された圧縮空気を蓄える蓄圧タンクと、蓄圧タンクから供給される圧縮空気により駆動される膨張機と、膨張機と機械的に接続された発電機と、を備えるＣＡＥＳ発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、更に、圧縮機から蓄圧タンクに供給される圧縮空気と熱媒との熱交換により圧縮空気を冷却すると共に熱媒を加熱する第１熱交換器と、第１熱交換器で加熱された熱媒を蓄える高温蓄熱タンクと、蓄圧タンクから膨張機に供給される圧縮空気と高温蓄熱タンクから供給される熱媒とで熱交換して圧縮空気を加熱すると共に熱媒を冷却する第２熱交換器と、系外の排熱と系内の流体とで熱交換する第３熱交換器と、を備える。これにより、ＣＡＥＳ発電装置の系内で発生した冷熱を利用して系外の排熱を冷却すると共に、系外の排熱を利用してＣＡＥＳ発電装置の発電効率を向上させることができる、としている。

【0003】

また、液体ピストンを用いたＣＡＥＳ発電装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この装置では、アキュムレータと、第１液体ピストン室と、第２液体ピストン室と、可変油圧モータと、可変油圧ポンプと、可変油圧モータの軸に可変油圧ポンプの主軸を介して接続されたオルタネータと、電磁反転弁と、空気貯蔵室と、第１～第６遮断弁と、流量弁と、を備える。可変油圧モータの入力ポートには、流量弁を介してアキュムレータに接続されると共に、波動エネルギ油圧伝達装置に接続される。アキュムレータは、第１遮断弁を介して第１液体ピストン室に接続され、第２遮断弁を介して第２液体ピストン室に接続される。可変油圧ポンプの出口は、電磁反転弁を介して第１液体ピストン室と第２液体ピストン室とに接続される。第１液体ピストン室と第２液体ピストン室は、それぞれ第３遮断弁、第４遮断弁を介して空気貯蔵室に接続される。第１液体ピストン室と第３遮断弁との間と、第２液体ピストン室と第４遮断弁との間とには、第５遮断弁と第６遮断弁とが直列に接続され、第５遮断弁と第６遮断弁との間には、空気入口が設けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－１７２３３４号公報

【特許文献2】中国特許第１０２５０６００４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の装置では、空気の圧縮による発熱と圧縮空気の膨張による冷却、系外の熱利用にそれぞれ熱交換器（第１～第３熱交換器）が必要となり、装置が大型化すると共に複雑化してしまう。特許文献２に記載の装置では、圧縮時の発熱と膨張時の冷却とを液体ピストン室内の液体に吸収することができるが、圧縮動作から膨張動作までに時間がかかると、膨張時の熱付与が困難となり、効率が悪化してしまう。

【0006】

本開示のエネルギ貯蔵システムは、簡易な構成により効率をより向上させたエネルギ貯蔵システムを提供することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示のエネルギ貯蔵システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0008】

本開示のエネルギ貯蔵システムは、
圧縮気体を用いてエネルギを貯蔵するエネルギ貯蔵システムであって、
圧縮気体を貯蔵する蓄圧タンクと、
前記蓄圧タンクに対して連通と遮断とが可能な容器と、
前記容器に圧縮用の液体を供給するポンプ部と、
前記ポンプ部により前記容器に圧縮用の液体を流入させて該容器内の気体を圧縮すると共に圧縮気体を前記蓄圧タンクに移送する蓄エネルギ動作と、前記蓄圧タンクに蓄えられた圧縮気体を前記容器に移送して膨張させることにより該容器内の液体を負荷部に供給する放エネルギ動作と、を実行する動作実行部と、
システム系外で発生した排熱を用いて、前記放エネルギ動作においてシステム系内の液体または圧縮気体を加熱する排熱供給部と、
を備えることを要旨とする。

【0009】

この本開示のエネルギ貯蔵システムでは、液体をピストン代わりに使用することで、圧縮時の発熱と膨張時の吸熱とを液体で吸収することができ、これらの熱を吸収するための熱交換器を不要とすることができる。加えて、捨てられる排熱を用いて膨張時に熱を付与することで、効率をより向上させることができる。

【0010】

こうした本開示のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記排熱供給部は、前記排熱と液体とを熱交換する熱交換部と、前記熱交換部を通過した液体を前記容器内に噴射する噴射部と、を有してもよい。こうすれば、効率よくシステム系外の熱を付与することができる。

【0011】

また、本開示のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記排熱供給部は、前記排熱と前記負荷部を通過する液体とを熱交換する熱交換部を有してもよい。こうすれば、効率よくシステム系外の熱を付与することができる。

【0012】

さらに、本開示のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記排熱供給部は、前記排熱により前記容器を加熱してもよい。こうすれば、効率よくシステム系外の熱を付与することができる。

【0013】

また、本開示のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記容器は、前記蓄圧タンクに対してそれぞれ連通と遮断とが可能な第１、第２および第３の容器を有し、前記蓄エネルギ動作は、前記ポンプ部により前記第１の容器から圧縮用の液体を流出させると共に外部から当該第１の容器内に気体を流入させる吸気行程と、前記ポンプ部により前記第１の容器から流出させた圧縮用の液体を前記第２の容器内に流入させて当該第２の容器内の気体を圧縮する圧縮行程と、前記３の容器内の圧縮気体を前記蓄圧タンクに移送する移送工程と、が各容器で順に生じるように制御する動作であり、前記放エネルギ動作は、前記蓄圧タンク内の圧縮気体を前記第１の容器に移送する移送行程と、前記第２の容器内の圧縮気体で該第２の容器内の液体を流出させて前記負荷部に供給する膨張行程と、前記負荷部から排出された液体を前記第３の容器内に回収すると共に該第３の容器内の気体を排気する排気行程と、が各容器で順に生じるように制御する動作であってもよい。こうすれば、蓄エネルギ動作と放エネルギ動作とを効率よく円滑に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態のエネルギ貯蔵システム１の概略構成図である。

【図2】蓄エネルギ動作において各液体ピストン室でそれぞれ実行される吸気行程、圧縮行程、移送行程の遷移の様子を示す説明図である。

【図3】蓄エネルギ動作の各行程を説明する説明図である。

【図4】蓄エネルギ動作の各行程を説明する説明図である。

【図5】蓄エネルギ動作の各行程を説明する説明図である。

【図6】放エネルギ動作において各液体ピストン室でそれぞれ実行される移送行程、膨張行程、排気行程の遷移の様子を示す説明図である。

【図7】放エネルギ動作の各行程を説明する説明図である。

【図8】放エネルギ動作の各行程を説明する説明図である。

【図9】放エネルギ動作の各行程を説明する説明図である。

【図10】変形例のエネルギ貯蔵システムの概略構成図である。

【図11】変形例のエネルギ貯蔵システムの概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本開示を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

【0016】

図１は、本実施形態のエネルギ貯蔵システム１の概略構成図である。本実施形態のエネルギ貯蔵システム１は、図示するように、液体（例えば水や作動油）により空気を圧縮する３つの液体ピストン室（第１液体ピストン室１０、第２液体ピストン室２０および第３液体ピストン室３０）と、圧縮気体（例えば圧縮空気）を蓄える蓄圧タンク４０と、ポンプ５１と、負荷部としてのタービン５４と、第１および第２排熱供給系６０，７０と、システム全体を制御する制御装置１００と、を備える。

【0017】

第１，第２，第３液体ピストン室１０，２０，３０は、例えば筒状の容器により画成され、液体の導入により室内の空気を圧縮したり、圧縮気体を膨張させて室内の液体を室外へ押し出したりする。各液体ピストン室１０，２０，３０の頂部には、空気配管１１，２１，３１と圧縮気体配管１２，２２，３２とが接続されている。空気配管１１，２１，３１には、各液体ピストン室１０，２０，３０の室内と大気との連通および遮断が可能な開閉弁１３，２３，３３が設けられている。圧縮気体配管１２，２２，３２には、切替弁４１を介して蓄圧タンク４０が接続されている。切替弁４１は、蓄圧タンク４０に対して圧縮気体配管１２，２２，３２を選択的に連通させるものである。なお、圧縮気体配管１２，２２，３２は、それぞれ蓄圧タンク４０に直接に接続され、各圧縮気体配管１２，２２，３２には、それぞれ蓄圧タンク４０との連通および遮断が可能な開閉弁が設けられてもよい。

【0018】

また、第１，第２，第３液体ピストン室１０，２０，３０の底部には、液体導入管１４，２４，３４と液体導出管１５，２５，３５と排水弁１６，２６，３６とが接続されている。液体導出管１５，２５，３５は、切替弁４３を介してポンプ５１の入口およびタービン５４の入口に接続されている。液体導入管１４，２４，３４は、切替弁４２を介してポンプ５１の出口およびタービン５４の出口に接続されている。切替弁４２は、ポンプ５１およびタービン５４に対して液体導入管１４，２４，３４を選択的に連通させるものであり、切替弁４３は、ポンプ５１およびタービン５４に対して液体導出管１５，２５，３５を選択的に連通させるものである。なお、液体導入管１４，２４，３４は、それぞれポンプ５１の入口およびタービン５４の入口に直接に接続され、液体導入管１４，２４，３４には、それぞれ開閉弁が設けられてもよい。また、液体導出管１５，２５，３５は、それぞれポンプ５１の出口およびタービン５４の出口に直接に接続され、液体導出管１５，２５，３５には、それぞれ開閉弁が設けられてもよい。ポンプ５１の入口側と出口側とには、それぞれ開閉弁５２，５３が設けられ、タービン５４の入口側と出口側とには、それぞれ開閉弁５５，５６が設けられている。なお、開閉弁５２，５３の一方は、省略されてもよく、開閉弁５５，５６の一方は、省略されてもよい。

【0019】

タービン５４は、液体タービンであり、タービン５４には、当該タービン５４の駆動により発電する図示しない発電機が接続されている。

【0020】

第１および第２排熱供給系６０，７０は、システム系外の排熱をシステム系内に供給するものである。ここで、システム系外の排熱は、例えば工場排熱など多くの排熱が発生する設備において、利用できなくなった低温（例えば５０℃以下）の排熱を用いることができる。未利用排熱を有効活用することで、システムの効率を向上させることができる。

【0021】

第１排熱供給系６０は、第１液体ピストン室１０の液体導入管１４から分岐した分岐管に接続されて液体を貯留する液体タンク６４と、液体タンク６４に接続された液体配管６１と、第１，第２，第３液体ピストン室１０，２０，３０の室内に液体を噴霧可能に設けられると共に液体配管６１にそれぞれ開閉弁１８，２８，３８を介して接続された噴霧ノズル１７，２７，３７と、液体配管６１に設置された熱交換器６２と、液体配管６１内の液体を圧送するポンプ６３と、を備える。液体タンク６４の頂部には、空気抜き弁６５が設けられている。熱交換器６２は、液体配管６１におけるポンプ６３の下流側に設置され、液体配管６１を流れる液体とシステム系外の排熱との熱交換を行なう。なお、液体タンク６４には、別途、給水源が接続されてもよい。

【0022】

第２排熱供給系７０は、タービン５４の出口と切替弁４２との間の配管に設置された熱交換器７１を備える。熱交換器７１は、タービン５４から排出された液体とシステム系外の排熱との熱交換を行なう。

【0023】

制御装置１００は、ＣＰＵを中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、ＲＯＭやＲＡＭ、入出力ポートを備える。制御装置１００には、例えば第１，第２，第３液体ピストン室１０，２０，３０内の各温度を検出する温度センサや第１，第２，第３液体ピストン室１０，２０，３０内の各圧力を検出する圧力センサ、第１，第２，第３液体ピストン室１０，２０，３０内の各液面レベルを検出する液面レベルセンサ等の各種センサからの検出信号が入力ポートを介して入力されている。一方、制御装置１００からは、開閉弁１３，２３，３３，５２，５３，５５，５６へのオンオフ信号や、切替弁４１，４２，４３への切替信号、ポンプ５１，６３への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。

【0024】

次に、こうして構成されたエネルギ貯蔵システム１の動作について説明する。エネルギ貯蔵システム１は、電力を用いてポンプ５１により液体ピストンを駆動することにより空気を圧縮して蓄圧タンク４０に蓄える蓄エネルギ動作と、蓄圧タンク４０に蓄えられた圧縮気体の膨張により液体ピストンの液体をタービン５４に圧送して発電する放エネルギ動作とを切り替えて実行する。以下、まず、蓄エネルギ動作の詳細について説明し、その後、放エネルギ動作の詳細について説明する。

【0025】

蓄エネルギ動作は、第１，第２，第３液体ピストン室１０，２０，３０のうち、貯留されている液体が最も多い液体ピストン室で吸気行程を行なうと共に貯留されている液体が最も少ない液体ピストン室で圧縮行程を行なうことで開始され、以降、吸気行程、圧縮行程、移送工程、吸気行程の順に各行程を繰り返すことにより行なわれる（図２参照）。ここで、吸気行程は、液体ピストン室から液体を導出して圧縮用の液体を供給すると共に外部から低圧の空気を当該液体ピストン室内の導入する行程である。圧縮行程は、圧縮用の液体の供給を受けて液体ピストン室内の空気を圧縮する行程である。移送行程は、圧縮気体を蓄圧タンク４０に移送する行程である。

【0026】

図３～図５は、蓄エネルギ動作の各行程を説明する説明図である。なお、図３～図５において、各配管のうち液体あるいは空気の流れのない配管（液体導入管１４，２４，３４や液体導出管１５，２５，３５、圧縮気体配管１２，２２，３２、液体配管６１等）や、駆動していない機器（ポンプ６３やタービン５４等）については、破線で示した。以下、蓄エネルギ動作の制御について、第１液体ピストン室１０、第２液体ピストン室２０、第３液体ピストン室３０でそれぞれ圧縮行程、吸気行程、移送行程が行なわれる状態から、順次、行程が遷移する場合を例として説明する。

【0027】

制御装置１００は、図３に示すように、まず、ポンプ５１の前後に配置された開閉弁５２，５３を開弁すると共にタービン５４の前後に配置された開閉弁５５，５６を閉弁する。次に、制御装置１００は、第１および第２液体ピストン室１０，２０の圧縮気体配管１２，２２と蓄圧タンク４０とが遮断されると共に第３液体ピストン室３０の圧縮気体配管３２と蓄圧タンク４０とが連通されるように切替弁４１を制御する。続いて、制御装置１００は、第１および第３液体ピストン室１０，３０の液体導出管１５，３５とポンプ５１の入口とが遮断されると共に第２液体ピストン室２０の液体導出管２５とポンプ５１の入口とが連通されるように切替弁４３を制御し、ポンプ５１の出口と第２および第３液体ピストン室２０，３０の液体導入管２４，３４とが遮断されると共にポンプ５１の出口と第１液体ピストン室１０の液体導入管１４とが連通されるように切替弁４２を制御した後、ポンプ５１を駆動する。これにより、第２液体ピストン室２０内の液体は、液体導出管２５、ポンプ５１、液体導入管１４を介して第１液体ピストン室１０に導入され、当該第１液体ピストン室１０内の空気は、導入された液体によって圧縮される（圧縮行程）。そして、制御装置１００は、第２液体ピストン室２０内が大気圧以下となったタイミングで開閉弁２３を開弁する。このため、第２液体ピストン室２０内には、空気配管２１を介して空気が導入される（吸気行程）。なお、大気圧以下となったか否かの判定は、例えば圧力センサにより第２液体ピストン室２０内の圧力を検出することにより行なうことができる。

【0028】

第１液体ピストン室１０、第２液体ピストン室２０でそれぞれ圧縮行程、吸気行程が終了すると、次に、制御装置１００は、図４に示すように、第２および第３液体ピストン室２０，３０の圧縮気体配管２２，３２と蓄圧タンク４０とが遮断されると共に第１液体ピストン室１０の圧縮気体配管１２と蓄圧タンク４０とが連通されるように切替弁４１を制御する。これにより、第１液体ピストン室１０において前行程の圧縮行程により圧縮された空気は、圧縮気体配管１２を通って蓄圧タンク４０に移送され、蓄圧タンク４０に蓄えられる（移送行程）。同時に、制御装置１００は、第１および第２液体ピストン室１０，２０の液体導出管１５，２５とポンプ５１の入口とが遮断されると共に第３液体ピストン室３０の液体導出管３５とポンプ５１の入口とが連通されるように切替弁４３を制御し、ポンプ５１の出口と第１および第３液体ピストン室１０，３０の液体導入管１４，３４とが遮断されると共にポンプ５１の出口と第２液体ピストン室２０の液体導入管２４とが連通されるように切替弁４２を制御した後、ポンプ５１を駆動する。これにより、第３液体ピストン室３０内の液体は、液体導出管３５、ポンプ５１、液体導入管２４を介して第２液体ピストン室２０に導入され、当該第２液体ピストン室２０内の空気は、導入された液体によって圧縮される（圧縮行程）。そして、制御装置１００は、第３液体ピストン室３０内が大気圧以下となったタイミングで開閉弁３３を開弁する。このため、第３液体ピストン室３０内には、空気配管３１を介して空気が導入される（吸気行程）。

【0029】

第１液体ピストン室１０、第２液体ピストン室２０、第３液体ピストン室３０でそれぞれ移送行程、圧縮行程、吸気行程が終了すると、次に、制御装置１００は、図５に示すように、第１および第３液体ピストン室１０，３０の圧縮気体配管１２，３２と蓄圧タンク４０とが遮断されると共に第２液体ピストン室２０の圧縮気体配管２２と蓄圧タンク４０とが連通されるように切替弁４１を制御する。これにより、第２液体ピストン室２０において前行程の圧縮行程により圧縮された空気は、圧縮気体配管２２を通って蓄圧タンク４０に移送され、蓄圧タンク４０に蓄えられる（移送行程）。同時に、制御装置１００は、第２および第３液体ピストン室２０，３０の液体導出管２５，３５とポンプ５１の入口とが遮断されると共に第１液体ピストン室１０の液体導出管１５とポンプ５１の入口とが連通されるように切替弁４３を制御し、ポンプ５１の出口と第１および第２液体ピストン室１０，２０の液体導入管１４，２４とが遮断されると共にポンプ５１の出口と第３液体ピストン室３０の液体導入管３４とが連通されるように切替弁４２を制御した後、ポンプ５１を駆動する。これにより、第１液体ピストン室１０内の液体は、液体導出管１５、ポンプ５１、液体導入管３４を介して第３液体ピストン室３０に導入され、当該第３液体ピストン室３０内の空気は、導入された液体によって圧縮される（圧縮行程）。そして、制御装置１００は、第１液体ピストン室１０内が大気圧以下となったタイミングで開閉弁１３を開弁する。このため、第１液体ピストン室１０内には、空気配管１１を介して空気が導入される（吸気行程）。

【0030】

このように、３つの液体ピストン室１０，２０，３０で順次、吸気行程、圧縮行程、移送行程を繰り返すことにより、連続的に圧縮気体を蓄圧タンク４０に移送することができ、圧縮気体を効率よく蓄圧タンク４０に蓄圧することができる。また、液体ピストンを用いることで、圧縮行程により発生した熱は液体に吸収されるため、発生した熱を回収するための熱交換器は不要である。

【0031】

次に、放エネルギ動作の詳細について説明する。放エネルギ動作は、第１，第２，第３液体ピストン室１０，２０，３０のうち、貯留されている液体が最も多い液体ピストン室で移送行程を行なことで開始され、以降、移送行程、膨張行程、排気工程、移送行程の順に各行程を繰り返すことにより行なわれる（図６参照）。ここで、移送行程は、蓄圧タンク４０から圧縮気体を液体ピストン室内に導入する行程である。膨張工程は、液体ピストン室内に導入した圧縮気体により当該液体ピストン室内の液体を押し出してタービン５４を駆動する行程である。排気行程は、タービン５４から排出された液体を液体ピストン室内に回収する行程である。

【0032】

図７～図９は、放エネルギ動作の各行程を説明する説明図である。なお、図７～図９において、各配管のうち液体あるいは空気の流れのない配管（液体導入管１４，２４，３４や液体導出管１５，２５，３５、圧縮気体配管１２，２２，３２等）や、駆動していない機器（ポンプ５１等）については、破線で示した。以下、放エネルギ動作の制御について、第１液体ピストン室１０、第２液体ピストン室２０、第３液体ピストン室３０でそれぞれ排気行程、膨張行程、移送行程が行なわれる制御状態から、順次、行程が遷移する場合を例として説明する。

【0033】

制御装置１００は、図７に示すように、まず、ポンプ５１の前後に配置された開閉弁５２，５３を閉弁すると共にタービン５４の前後に配置された開閉弁５５，５６を開弁する。続いて、制御装置１００は、第１および第３液体ピストン室１０，３０の液体導出管１５，３５とタービン５４の入口とが遮断されると共に第２液体ピストン室２０の液体導出管２５とタービン５４の入口とが連通されるように切替弁４３を制御し、タービン５４の出口と第２および第３液体ピストン室２０，３０の液体導入管２４，３４とが遮断されると共にタービン５４の出口と第１液体ピストン室１０の液体導入管１４とが連通されるように切替弁４２を制御する。そして、制御装置１００は、第１および第２液体ピストン室１０，２０の圧縮気体配管１２，２２と蓄圧タンク４０とが遮断されると共に第３液体ピストン室３０の圧縮気体配管３２と蓄圧タンク４０とが連通されるように切替弁４１を制御する。これにより、蓄圧タンク４０に蓄えられた圧縮気体は、圧縮気体配管３２を介して第３液体ピストン室３０へ移送される（移送行程）。

【0034】

第３液体ピストン室３０で移送行程が終了すると、次に、制御装置１００は、図８に示すように、第１および第２液体ピストン室１０，２０の液体導出管１５，２５とタービン５４の入口とが遮断されると共に第３液体ピストン室３０の液体導出管３５とタービン５４の入口とが連通されるように切替弁４３を制御し、タービン５４の出口と第１および第３液体ピストン室１０，３０の液体導入管１４，３４とが遮断されると共にタービン５４の出口と第２液体ピストン室２０の液体導入管２４とが連通されるように切替弁４２を制御する。更に、制御装置１００は、開閉弁２８を開弁すると共に液体タンク６４の液体が熱交換器６２を通過して噴霧器２７から第２液体ピストン室２０内に噴霧されるようにポンプ６３を駆動する。前行程の移送行程により第３液体ピストン室３０に移送された圧縮気体は、当該第３液体ピストン室３０内で膨張し、当該第３液体ピストン室３０内の液体は、液体導出管３５へ押し出されてタービン５４へ圧送される（膨張行程）。これにより、タービン５４は、圧送された液体を受けて駆動し、発電機を発電させる。本実施形態では、第３液体ピストン室３０には、膨張行程中に、熱交換器６２で排熱との熱交換により加熱された高温の液体が噴霧器３７から噴霧されるため、当該第３液体ピストン室３０内の圧縮気体は、噴霧された高温の液体により加温されて膨張が促進される。この結果、タービン５４の仕事量を増やすことができる。上述したように、排熱として未利用排熱を活用するから、システムの効率をより向上させることができる。タービン５４から排出された液体は、第２排熱供給系７０の熱交換器７１を通り、排熱との熱交換によって加熱されてから液体導入管２４を介して第２液体ピストン室２０に導入される。そして、制御装置１００により開閉弁２３が開弁されることで、第２液体ピストン室２０内の空気は、空気配管２１を介して大気へ排出される（排気行程）。また、制御装置１００は、第２および第３液体ピストン室２０，３０の圧縮気体配管２２，３２と蓄圧タンク４０とが遮断されると共に第１液体ピストン室１０の圧縮気体配管１２と蓄圧タンク４０とが連通されるように切替弁４１を制御する。これにより、第３液体ピストン室３０と第２液体ピストン室２０とがそれぞれ膨張行程、排気行程を行なっている間、蓄圧タンク４０に蓄えられた圧縮気体は、圧縮気体配管１２を介して第１液体ピストン室１０へ移送される（移送行程）。

【0035】

第１液体ピストン室１０、第２液体ピストン室２０、第３液体ピストン室３０でそれぞれ移送行程、排気行程、膨張行程が終了すると、次に、制御装置１００は、図９に示すように、第２および第３液体ピストン室２０，３０の液体導出管２５，３５とタービン５４の入口とが遮断されると共に第１液体ピストン室１０の液体導出管１５とタービン５４の入口とが連通されるように切替弁４３を制御し、タービン５４の出口と第１および第２液体ピストン室１０，２０の液体導入管１４，２４とが遮断されると共にタービン５４の出口と第３液体ピストン室３０の液体導入管３４とが連通されるように切替弁４２を制御する。更に、制御装置１００は、開閉弁１８を開弁すると共に液体タンク６４の液体が熱交換器６２を通過して噴霧器１７から第１液体ピストン室１０内に噴霧されるようにポンプ６３を駆動する。前行程の移送行程により第１液体ピストン室１０に移送された圧縮気体は、当該第１液体ピストン室１０内で膨張し、当該第１液体ピストン室１０内の液体は、液体導出管１５へ押し出されてタービン５４へ圧送される（膨張行程）。これにより、タービン５４は、圧送された液体を受けて駆動し、発電機を発電させる。本実施形態では、第１液体ピストン室１０には、膨張行程中に、熱交換器６２で排熱との熱交換により加熱された高温の液体が噴霧器１７から噴霧され、前々行程の排気行程に、第２排熱供給系７０の熱交換器７１で排熱との熱交換により加熱された液体が導入されているため、当該第１液体ピストン室１０内の圧縮気体は、高温の液体により加温されて膨張が促進される。この結果、タービン５４の仕事量を増やすことができる。上述したように、排熱として未利用排熱を活用するから、システムの効率をより向上させることができる。タービン５４から排出された液体は、第２排熱供給系７０の熱交換器７１を通り、排熱との熱交換によって加熱されてから液体導入管３４を介して第３液体ピストン室３０に導入される。そして、制御装置１００により開閉弁３３が開弁されることで、第３液体ピストン室３０内の空気は、空気配管３１を介して大気へ排出される（排気行程）。また、制御装置１００は、第１および第３液体ピストン室１０，３０の圧縮気体配管１２，３２と蓄圧タンク４０とが遮断されると共に第２液体ピストン室２０の圧縮気体配管２２と蓄圧タンク４０とが連通されるように切替弁４１を制御する。これにより、第１液体ピストン室１０と第３液体ピストン室３０とがそれぞれ膨張行程、排気行程を行なっている間、蓄圧タンク４０に蓄えられた圧縮気体は、圧縮気体配管２２を介して第２液体ピストン室２０へ移送される（移送行程）。

【0036】

このように、３つの液体ピストン室１０，２０，３０で順次、移送行程、膨張行程、排気行程を繰り返すことにより、連続的に蓄圧タンク４０からの圧縮気体を膨張させてタービン５４へ圧送し、タービン５４を駆動することができる。この際、第１排熱供給系６０や第２排熱供給系７０によりシステム系外の未利用排熱との熱交換によって圧縮気体や液体が加熱されるため、圧縮気体の膨張を促すことができ、タービン５４の仕事量を増やすことができる。この結果、システムの効率をより向上させることができる。また、液体ピストンを用いることで、蓄エネルギ動作で液体に吸収させた熱を放エネルギ動作に用いることができ、蓄エネルギ動作で回収した熱を放エネルギ動作で放出するための熱交換器は不要である。

【0037】

以上説明した本実施形態のエネルギ貯蔵システム１では、液体をピストン代わりに使用することで、圧縮時の発熱と膨張時の吸熱とを液体で吸収することができ、これらの熱を吸収するための熱交換器を不要とすることができる。加えて、捨てられる排熱を用いて第１排熱供給系６０や第２排熱供給系７０により膨張時に熱を付与することで、膨張を促すことができ、システム効率をより向上させることができる。

【0038】

また、本実施形態のエネルギ貯蔵システム１では、第１排熱供給系６０は、熱交換器６２で排熱との熱交換により液体を加熱し、加熱した液体を膨張行程の液体ピストン室内に噴霧する。これにより、液体ピストン室内の圧縮気体を直接に加温することができ、効率よくシステム系外の排熱を付与することができる。

【0039】

また、本実施形態のエネルギ貯蔵システム１では、第２排熱供給系７０は、タービン５４（負荷部）の出口と第１，第２，第３液体ピストン室１０，２０，３０の液体導入管１４，２４，３４との間に、タービン５４を通過した液体と排熱とを熱交換する熱交換器７１を備える。これにより、排気行程において液体ピストン室に導入する液体を加温して、次の移送行程や膨張行程で液体ピストン室内の圧縮気体を加温することができ、効率よくシステム系外の排熱を付与することができる。

【0040】

また、本実施形態のエネルギ貯蔵システム１では、３つの液体ピストン室（第１，第２，第３液体ピストン室１０，２０，３０）を備え、それぞれ、蓄エネルギ動作において、吸気行程、圧縮行程、移送行程を順次実行し、放エネルギ動作において、移送行程、膨張行程、排気行程を順次実行する。これにより、蓄エネルギ動作において圧縮行程を連続的に行なうことができ、放エネルギ動作において膨張行程を連続的に行なうことができる。この結果、蓄エネルギ動作と放エネルギ動作とを円滑に行なうことができる。

【0041】

上述した実施形態では、エネルギ貯蔵システム１は、２つの排熱供給系（第１および第２排熱供給系６０，７０）を備えるものとしたが、いずれか一方を省略してもよい。また、第１排熱供給系６０や第２排熱供給系７０に代えて、又は、第１排熱供給系６０や第２排熱供給系７０に加えて、図１０に示すように、液体ピストン室（第１，第２，第３液体ピストン室１０，２０，３０）の内壁に設けられた熱交換フィン１１９ａ，１２９ａ，１３９ａと、液体ピストン室の外壁に設けられたジャケット部１１９ｂ，１２９ｂ，１３９ｂと、を有し、それぞれ開閉弁１１８，１２８，１３８を介してシステム系外の排熱または当該排熱と熱交換した液体（熱交換媒体）を当該ジャケット部１１９ｂ，１２９ｂ，１３９ｂに供給して液体ピストン室を加温する第３排熱供給系１６０を備えてもよい。なお、第３排熱供給系１６０は、図１１に示すように、ジャケット部１１９ｂ，１２９ｂ，１３９ｂに代えて、液体ピストン室（第１，第２，第３液体ピストン室１０，２０，３０）の外壁に巻き付けられたパイプ部１１９ｃ，１２９ｃ，１３９ｃを備えてもよい。

【0042】

上述した実施形態では、エネルギ貯蔵システム１は、タービン５４（発電機）を備えるものとしたが、これに限定されるものではなく、膨張行程において圧縮気体の膨張により圧送された液体の供給を受けて駆動するものであれば、如何なる負荷であってもよい。

【0043】

上述した実施形態では、３つの液体ピストン室（第１，第２，第３液体ピストン室１０，２０，３０）を用いて、蓄エネルギ動作において、吸気行程、圧縮行程、移送行程を順次実行し、放エネルギ動作において、移送行程、膨張行程、排気行程を順次実行するものとしたが、液体ピストン室の数は、３つに限られず、１つや２つであってもよいし、４つ以上備えてもよい。

【0044】

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、蓄圧タンク４０が「蓄圧タンク」に相当し、第１～第３液体ピストン室１０～３０が「容器」に相当し、ポンプ５１が「ポンプ部」に相当し、開閉弁１３，２３，３３と開閉弁１８，２８，３８と開閉弁５２，５２，５４，５５と切替弁４１，４２，４３とこれらを制御する制御装置１００とが「動作実行部」に相当し、第１排熱供給系６０や第２排熱供給系７０、第３排熱供給系１６０が「排熱供給部」に相当する。また、熱交換器６２が「熱交換部」に相当し、噴霧ノズル１７，２７，３７が「噴霧部」に相当する。また、熱交換器７１が「熱交換部」に相当する。

【0045】

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

【0046】

以上、本開示を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本開示はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0047】

本開示は、ＣＡＥＳ発電装置等のエネルギ貯蔵システムの製造産業などに利用可能である。

【符号の説明】

【0048】

１ エネルギ貯蔵システム、１０ 第１液体ピストン室、１１，２１，３１ 空気配管、１２，２２，３２ 圧縮気体配管、１３，２３，３３ 開閉弁、１４，２４，３４ 液体導入管、１５，２５，３５ 液体導出管、１６，２６，３６ 排水弁、１７，２７，３７ 噴霧ノズル、１８，２８，３８ 開閉弁、２０ 第２液体ピストン室、３０ 第３液体ピストン室、４０ 蓄圧タンク、４１，４２，４３ 切替弁、５１ ポンプ、５２，５２，５４，５５ 開閉弁、５４ タービン、６０ 第１排熱供給系、６１ 液体配管、６２ 熱交換器、６３ ポンプ、６４ バッファタンク、６５ 空気抜き弁、７０ 第２排熱供給系、７１ 熱交換器、１００ 制御装置、１１８，１２８，１３８ 開閉弁、１１９ａ，１２９ａ，１３９ａ 熱交換フィン、１１９ｂ，１２９ｂ，１３９ｂ ジャケット部、１１９ｃ，１２９ｃ，１３９ｃ パイプ部、１６０ 第３熱供給系。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】