ホーム > 特許ランキング > 株式会社日立産機システム
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】P2024054757
(43)【公開日】2024-04-17
(54)【発明の名称】圧縮空気エネルギ貯蔵装置およびヒートポンプ装置
(51)【国際特許分類】
F02C 6/16 20060101AFI20240410BHJP
F25B 7/00 20060101ALI20240410BHJP
【ＦＩ】
F02C6/16
F25B7/00 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022161195
(22)【出願日】2022-10-05
(71)【出願人】
【識別番号】502129933
【氏名又は名称】株式会社日立産機システム
(74)【代理人】
【識別番号】110001829
【氏名又は名称】弁理士法人開知
(72)【発明者】
【氏名】小山 昌喜
(72)【発明者】
【氏名】千葉 紘太郎
(72)【発明者】
【氏名】永田 修平
(57)【要約】
【課題】圧縮熱を効率よく回収することで電力回収効率の向上を図ることができる圧縮空気エネルギ貯蔵装置の提供。
【解決手段】圧縮空気エネルギ貯蔵装置は、電動機により駆動され、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気との熱交換により蓄熱媒体を加熱する第１熱交換器と、第１熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンクと、蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により駆動される膨張機と、膨張機により駆動される発電機と、第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体との熱交換により、膨張機に流入する圧縮空気を加熱する第２熱交換器と、第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、膨張機を駆動する圧縮空気へ放熱するためのヒートポンプ装置と、を備える。
【選択図】図１１
【解決手段】圧縮空気エネルギ貯蔵装置は、電動機により駆動され、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気との熱交換により蓄熱媒体を加熱する第１熱交換器と、第１熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンクと、蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により駆動される膨張機と、膨張機により駆動される発電機と、第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体との熱交換により、膨張機に流入する圧縮空気を加熱する第２熱交換器と、第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、膨張機を駆動する圧縮空気へ放熱するためのヒートポンプ装置と、を備える。
【選択図】図１１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電動機により駆動され、空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気との熱交換により蓄熱媒体を加熱する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンクと、
前記蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により駆動される膨張機と、
前記膨張機により駆動される発電機と、
前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体との熱交換により、前記膨張機に流入する圧縮空気を加熱する第２熱交換器と、
前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、前記膨張機を駆動する圧縮空気へ放熱するためのヒートポンプ装置と、
を備える圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気との熱交換により蓄熱媒体を加熱する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンクと、
前記蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により駆動される膨張機と、
前記膨張機により駆動される発電機と、
前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体との熱交換により、前記膨張機に流入する圧縮空気を加熱する第２熱交換器と、
前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、前記膨張機を駆動する圧縮空気へ放熱するためのヒートポンプ装置と、
を備える圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項2】
請求項１に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記ヒートポンプ装置は、前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、前記第２熱交換器に供給される蓄熱媒体に対して放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
前記ヒートポンプ装置は、前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、前記第２熱交換器に供給される蓄熱媒体に対して放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項3】
請求項１に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記ヒートポンプ装置は、冷媒が流れる吸熱器および放熱器を備え、
前記吸熱器は、前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、
前記放熱器は、前記吸熱器で吸熱した熱エネルギを前記第２熱交換器で加熱された圧縮空気に対して放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
前記ヒートポンプ装置は、冷媒が流れる吸熱器および放熱器を備え、
前記吸熱器は、前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、
前記放熱器は、前記吸熱器で吸熱した熱エネルギを前記第２熱交換器で加熱された圧縮空気に対して放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項4】
請求項３に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記第２熱交換器は、
前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体と、前記放熱器から流出する冷媒と、前記膨張機に供給される圧縮空気とが流入する、三流体熱交換器で構成される、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
前記第２熱交換器は、
前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体と、前記放熱器から流出する冷媒と、前記膨張機に供給される圧縮空気とが流入する、三流体熱交換器で構成される、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項5】
請求項１に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記第１熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を貯蔵する前記蓄圧タンクである主蓄圧タンクとは別に、前記第１熱交換器の圧縮空気の入口側に接続され、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を貯蔵する副蓄圧タンクをさらに備え、
前記第２熱交換器は、前記主蓄圧タンクから前記膨張機に流入する圧縮空気を、前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体との熱交換により加熱し、
前記副蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により前記膨張機を駆動させると共に前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体の前記第２熱交換器への流入を開始させ、その後、前記主蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により前記膨張機を駆動させる制御装置
を備える、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
前記第１熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を貯蔵する前記蓄圧タンクである主蓄圧タンクとは別に、前記第１熱交換器の圧縮空気の入口側に接続され、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を貯蔵する副蓄圧タンクをさらに備え、
前記第２熱交換器は、前記主蓄圧タンクから前記膨張機に流入する圧縮空気を、前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体との熱交換により加熱し、
前記副蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により前記膨張機を駆動させると共に前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体の前記第２熱交換器への流入を開始させ、その後、前記主蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により前記膨張機を駆動させる制御装置
を備える、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項6】
請求項５に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記ヒートポンプ装置は、
前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、
前記主蓄圧タンクから前記膨張機に流入する圧縮空気および前記副蓄圧タンクから前記膨張機に流入する圧縮空気の少なくとも一方へ放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
前記ヒートポンプ装置は、
前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、
前記主蓄圧タンクから前記膨張機に流入する圧縮空気および前記副蓄圧タンクから前記膨張機に流入する圧縮空気の少なくとも一方へ放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項7】
請求項６に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記膨張機は第１膨張段と第２膨張段とを有する多段膨張機であって、
前記第２熱交換器は、前記第１膨張段および前記第２膨張段の各々の流入側に個別に設けられ、
前記ヒートポンプ装置は、前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、前記主蓄圧タンクから前記第１膨張段に流入する圧縮空気へ、および、前記第１膨張段から前記第２膨張段に流入する圧縮空気へ放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
前記膨張機は第１膨張段と第２膨張段とを有する多段膨張機であって、
前記第２熱交換器は、前記第１膨張段および前記第２膨張段の各々の流入側に個別に設けられ、
前記ヒートポンプ装置は、前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、前記主蓄圧タンクから前記第１膨張段に流入する圧縮空気へ、および、前記第１膨張段から前記第２膨張段に流入する圧縮空気へ放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項8】
請求項５に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記ヒートポンプ装置は、
前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、
前記第２熱交換器に供給される蓄熱媒体に対して放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
前記ヒートポンプ装置は、
前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、
前記第２熱交換器に供給される蓄熱媒体に対して放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項9】
請求項１に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記ヒートポンプ装置は、冷媒を用いた蒸気圧縮サイクルが採用されたヒートポンプ装置である、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
前記ヒートポンプ装置は、冷媒を用いた蒸気圧縮サイクルが採用されたヒートポンプ装置である、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項10】
請求項１に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記蓄熱媒体が加圧水である、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
前記蓄熱媒体が加圧水である、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項11】
圧縮機で空気を圧縮して得られる圧縮空気と圧縮熱とを貯蔵し、熱交換器における前記圧縮空気と前記圧縮熱を吸熱した蓄熱媒体との熱交換により前記圧縮空気を加熱し、加熱後の圧縮空気により膨張機を駆動して発電を行う圧縮空気エネルギ貯蔵装置に用いられるヒートポンプ装置であって、
前記熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱する吸熱器と、
前記熱交換器に流入する前記蓄熱媒体に対して放熱する放熱器と、
を備えるヒートポンプ装置。
前記熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱する吸熱器と、
前記熱交換器に流入する前記蓄熱媒体に対して放熱する放熱器と、
を備えるヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧縮空気エネルギ貯蔵装置およびヒートポンプ装置に関する。
【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を利用した発電は、気象条件に依存するため、発電量が変動し安定しないことがある。このような変動に対し、発電出力を平準化するシステムとして圧縮空気エネルギ貯蔵（Compressed Air Energy Storage：ＣＡＥＳ）システムが知られている。このＣＡＥＳシステムを利用した圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）は、電気エネルギを圧縮空気として蓄圧タンクに蓄え、電力が必要な時に圧縮空気により膨張機を駆動して発電機を動作させ、電気エネルギを生成して出力を平準化する。
【0003】
ＣＡＥＳ装置では、発電効率を向上させるために、圧縮熱を蓄熱媒体に回収して蓄熱タンク等に貯蔵し、回収した圧縮熱を用いて膨張前の圧縮空気を加熱するシステムが知られている。これにより、蓄圧タンク貯蔵時の放熱を低減するとともに、膨張時の回収動力を増加させる。ＣＡＥＳ装置では圧縮空気生成時の入力エネルギに対する、膨張機を駆動させて発電する出力エネルギの比（電力回収効率）が高いことが求められる。そのためには圧縮熱の熱回収、すなわち、蓄熱した圧縮熱の内のどれだけが膨張機を駆動する圧縮空気の加熱に利用できるかが重要となる。一般的に、２０℃大気圧の空気を１．０ＭＰa程度に圧縮した際の空気温度は２４０℃程度であり、蓄熱媒体を介した熱交換にて熱回収するには有効エネルギが小さく、熱回収量は小さい。
【0004】
このような熱回収を行うＣＡＥＳ装置として、例えば、特許文献１に記載のような圧縮空気貯蔵発電装置がある。特許文献１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置では、蓄熱媒体により膨張前の圧縮空気を加熱するのみでなく、外部の排熱を利用して圧縮空気を加熱することにより、ＣＡＥＳ装置の発電効率を向上させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第６６４９１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献１に記載の装置では、外部の排熱を利用することでＣＡＥＳ装置の発電効率を向上させている。そのため、外部に適当な熱源がない場合には発電効率を上げることができず、出力電力と入力電力との比である電力回収効率の向上を図ることができない。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様による圧縮空気エネルギ貯蔵装置は、電動機により駆動され、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気との熱交換により蓄熱媒体を加熱する第１熱交換器と、前記第１熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンクと、前記蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により駆動される膨張機と、前記膨張機により駆動される発電機と、前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体との熱交換により、前記膨張機に流入する圧縮空気を加熱する第２熱交換器と、前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、前記膨張機を駆動する圧縮空気へ放熱するためのヒートポンプ装置と、を備える。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、ＣＡＥＳ装置における圧縮熱を効率よく回収することで、電力回収効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。また、以下の説明では、同一または類似の要素および処理には同一の符号を付し、重複説明を省略する場合がある。なお、以下に記載する内容はあくまでも本発明の実施の形態の一例を示すものであって、本発明は下記の実施の形態に限定されるものではなく、他の種々の形態でも実施することが可能である。
【0011】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。ＣＡＥＳ装置１は、圧縮機ユニット２Ａ、膨張機ユニット２Ｂ、蓄熱ユニット２０、ヒートポンプユニット３０および制御装置４０により構成される。圧縮機ユニット２Ａ、膨張機ユニット２Ｂ、蓄熱ユニット２０およびヒートポンプユニット３０の各動作は制御装置４０によって制御される。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。ＣＡＥＳ装置１は、圧縮機ユニット２Ａ、膨張機ユニット２Ｂ、蓄熱ユニット２０、ヒートポンプユニット３０および制御装置４０により構成される。圧縮機ユニット２Ａ、膨張機ユニット２Ｂ、蓄熱ユニット２０およびヒートポンプユニット３０の各動作は制御装置４０によって制御される。
【0012】
制御装置４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の処理装置、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ等の不揮発性メモリ、所謂ＲＡＭ（Random Access Memory）と呼ばれる揮発性メモリ、入出力インタフェース、および、その他の周辺回路を備えたコンピュータで構成される。これらのハードウェアは、協働してソフトウェアを動作させ、複数の機能を実現する。なお、コントローラは、１つのコンピュータで構成してもよいし、複数のコンピュータで構成してもよい。また、処理装置としては、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いることができる。
【0013】
不揮発性メモリには、各種演算が実行可能なプログラムが格納されている。すなわち、不揮発性メモリは、本実施の形態の機能を実現するプログラムを読み取り可能な記憶媒体（記憶装置）である。揮発性メモリは、処理装置による演算結果および入力インタフェースから入力された信号を一時的に記憶する記憶媒体（記憶装置）である。処理装置は、不揮発性メモリに記憶されたプログラムを揮発性メモリに展開して演算実行する装置であって、プログラムに従って入出力インタフェース、不揮発性メモリおよび揮発性メモリから取り入れたデータに対して所定の演算処理を行う。
【0014】
圧縮機ユニット２Ａは、モータ（電動機）４，５、圧縮機６，７、蓄圧タンク８およびインバータ装置９を備える。膨張機ユニット２Ｂは、膨張機１０，１１、発電機１２，１３およびパワーコンディショナ１４を備える。なお、圧縮機６，７および膨張機１０，１１には、スクリュ式、スクロール式、ターボ式およびレシプロ式など、いずれの方式のものを用いても良い。蓄熱ユニット２０は水などの蓄熱媒体が循環するシステムであり、蓄熱タンク２１，２２、熱交換器２４～２７および移送ポンプ２８，２９を備える。ヒートポンプユニット３０は、冷媒を用いた蒸気圧縮サイクルを採用したヒートポンプ装置であり、冷媒圧縮機３１、膨張弁３２、放熱器３４および蒸発器３５を備える。
【0015】
ＣＡＥＳ装置１は、太陽光発電装置１８や風力発電装置１９等を備えるグリッド電力３に接続されている。圧縮機ユニット２Ａのインバータ装置９は、グリッド電力３から供給される電力によってモータ４，５等を駆動する。また、発電機１２，１３により発電された電力は、パワーコンディショナ１４を介してグリッド電力３へ供給される。
【0016】
１段目圧縮行程を担う圧縮機６は、モータ４により回転駆動される。２段目圧縮行程を担う圧縮機７は、モータ５により回転駆動される。これらの圧縮機６，７により空気の２段圧縮を行う。圧縮機６の吸入口は大気に開口し、圧縮機６の吐出口は蓄熱ユニット２０の熱交換器２４を介して２段目の圧縮機７の吸入口に接続される。圧縮機７の吐出口は、蓄熱ユニット２０の熱交換器２５を介して蓄圧タンク８に接続される。
【0017】
一方、膨張機ユニット２Ｂにおいて、１段目膨張行程を担う膨張機１０の吸入口は、蓄熱ユニット２０の熱交換器２６を介して蓄圧タンク８に接続されている。膨張機１０の吐出口は、蓄熱ユニット２０の熱交換器２７を介して２段目膨張行程を担う膨張機１１の吸入口に接続されている。これら膨張機１０，１１により圧縮空気の２段膨張を行う。発電機１２が膨張機１０により駆動され、発電機１３が膨張機１１により駆動されることにより、発電（電力再生）が行われる。発電機１２，１３はパワーコンディショナ１４を介してグリッド電力３に接続され、再生した電力をグリッド電力３に戻す。
【0018】
蓄熱ユニット２０は、蓄熱タンク２２の蓄熱媒体を並列接続された熱交換器２４，２５に流通させて蓄熱タンク２１へと流入させる蓄熱媒体経路と、蓄熱タンク２１の蓄熱媒体を並列接続された熱交換器２６，２７に流通させて蓄熱タンク２２へと流入させる蓄熱媒体経路とを備えている。蓄熱タンク２１，２２の蓄熱媒体は、移送ポンプ２８，２９によって移送される。蓄熱タンク２１と熱交換器２６，２７との間の蓄熱媒体経路には、ヒートポンプユニット３０の放熱器３４が設けられている。また、熱交換器２６，２７と蓄熱タンク２２との間の蓄熱媒体経路には、ヒートポンプユニット３０の蒸発器３５が設けられている。
【0019】
ヒートポンプユニット３０は、冷媒が冷媒圧縮機３１により圧縮されて放熱器３４で放熱し、その冷媒が膨張弁３２により減圧されて蒸発器３５で吸熱して冷媒圧縮機３１に戻る冷凍サイクルを構成している。モータを内蔵した冷媒圧縮機３１は、グリッド電力３からの入力電力により駆動される。上述したように、放熱器３４は蓄熱タンク２１と熱交換器２６，２７との間の蓄熱媒体経路に設けられ、放熱器３４において冷媒から蓄熱媒体へ放熱される。蒸発器３５は熱交換器２６，２７から蓄熱タンク２２へ戻る蓄熱媒体経路に設けられ、蒸発器３５において蓄熱媒体から冷媒へと吸熱される。
【0020】
次いで、ＣＡＥＳ装置１の動作について説明する。なお、蓄熱媒体には、水、加圧水、鉱物油系またはグリコール系等の蓄熱媒体を用いることができるが、以下では、蓄熱媒体として水を用いる場合を例に説明する。
（充電動作）
まず、圧縮空気を生成して貯蔵する充電動作について説明する。充電動作時には、制御装置４０は、モータ４，５および移送ポンプ２９を動作させる。移送ポンプ２９を動作させると、低温側の蓄熱タンク２２に貯蔵されている蓄熱媒体が熱交換器２４，２５に供給される。前述したように、モータ４により圧縮機６を駆動し、モータ５により圧縮機７を駆動することにより、圧縮機６の吸入口から吸入された大気は２段圧縮されて圧縮機７の吐出口より吐出される。圧縮機６により断熱圧縮された高温の圧縮空気は熱交換器２４に流入し、低温側の蓄熱タンク２２より供給された蓄熱媒体と熱交換を行う。この熱交換により、低温の蓄熱媒体は約１００℃の高温となり、高温側の蓄熱タンク２１にて貯蔵される。
（充電動作）
まず、圧縮空気を生成して貯蔵する充電動作について説明する。充電動作時には、制御装置４０は、モータ４，５および移送ポンプ２９を動作させる。移送ポンプ２９を動作させると、低温側の蓄熱タンク２２に貯蔵されている蓄熱媒体が熱交換器２４，２５に供給される。前述したように、モータ４により圧縮機６を駆動し、モータ５により圧縮機７を駆動することにより、圧縮機６の吸入口から吸入された大気は２段圧縮されて圧縮機７の吐出口より吐出される。圧縮機６により断熱圧縮された高温の圧縮空気は熱交換器２４に流入し、低温側の蓄熱タンク２２より供給された蓄熱媒体と熱交換を行う。この熱交換により、低温の蓄熱媒体は約１００℃の高温となり、高温側の蓄熱タンク２１にて貯蔵される。
【0021】
熱交換器２４において熱交換した圧縮空気は常温程度の低温となり、熱交換器２４の下流側に設けられた圧縮機７により吸入される。圧縮機７に吸入された常温の圧縮空気は、圧縮機７により２段目の断熱圧縮が行われ、高温でより高圧の圧縮空気となる。圧縮機７から吐出された圧縮空気は熱交換器２５に導入され、低温側の蓄熱タンク２２より供給される蓄熱媒体と熱交換を行う。この熱交換により、低温の蓄熱媒体は約１００℃の高温となり、高温側の蓄熱タンク２１にて貯蔵される。熱交換器２５において熱交換した圧縮空気は常温程度の低温となり、蓄圧タンク８にて貯蔵される。以上の動作により、充電時における圧縮空気エネルギ貯蔵が行われる。
【0022】
（放電動作）
次に、圧縮空気にて発電機を駆動し発電する放電動作について説明する。放電動作時には、制御装置４０は、移送ポンプ２８およびヒートポンプユニット３０を動作させるとともに、蓄圧タンク８に貯蔵されている低温高圧の圧縮空気を熱交換器２６に供給させる。移送ポンプ２８を動作させると、高温側の蓄熱タンク２１に貯蔵されている蓄熱媒体がヒートポンプユニット３０の放熱器３４を介して各熱交換器２６，２７に供給される。蓄熱タンク２１から放熱器３４に流入する蓄熱媒体の温度は、蓄熱タンク２１における貯蔵時間にもよるが、７０～９０℃程度である。また、放熱器３４に流入する冷媒の温度は、例えば１２０℃程度である。蓄熱媒体が放熱器３４を通過すると、冷媒との熱交換により蓄熱媒体の温度は約１００℃となる。
次に、圧縮空気にて発電機を駆動し発電する放電動作について説明する。放電動作時には、制御装置４０は、移送ポンプ２８およびヒートポンプユニット３０を動作させるとともに、蓄圧タンク８に貯蔵されている低温高圧の圧縮空気を熱交換器２６に供給させる。移送ポンプ２８を動作させると、高温側の蓄熱タンク２１に貯蔵されている蓄熱媒体がヒートポンプユニット３０の放熱器３４を介して各熱交換器２６，２７に供給される。蓄熱タンク２１から放熱器３４に流入する蓄熱媒体の温度は、蓄熱タンク２１における貯蔵時間にもよるが、７０～９０℃程度である。また、放熱器３４に流入する冷媒の温度は、例えば１２０℃程度である。蓄熱媒体が放熱器３４を通過すると、冷媒との熱交換により蓄熱媒体の温度は約１００℃となる。
【0023】
熱交換器２６に流入した圧縮空気は、高温の蓄熱媒体と熱交換することにより９０℃程度の高温となる。熱交換器２６で約９０℃に加熱された圧縮空気は膨張機１０に供給され、膨張機１０を駆動することにより１段目の断熱膨張を行う。膨張機１０により断熱膨張された空気は、膨張機１０の吐出口と膨張機１１の吸入口との間に設けられた熱交換器２７に流入する。一方、熱交換器２６に流入した約１００℃の蓄熱媒体は、圧縮空気との熱交換により約４０℃の低温となり、ヒートポンプユニット３０の蒸発器３５に流入する。
【0024】
ヒートポンプユニット３０の放熱器３４で加熱された約１００℃の蓄熱媒体は、膨張機１１の入り口側に設けられた熱交換器２７にも供給される。膨張機１０により断熱膨張された空気は、熱交換器２７に流入して高温の蓄熱媒体と熱交換することにより９０℃程度の高温となる。熱交換器２７で約９０℃に加熱された空気は膨張機１１に吸入され２段目の断熱膨張が行われる。膨張機１１により断熱膨張された空気は低温低圧の状態となり、膨張機１１の吐出口から大気へと放出される。このように、蓄圧タンク８に貯蔵された低温高圧の圧縮空気を蓄熱タンク２１に貯蔵された蓄熱媒体により加熱し、その加熱された圧縮空気により膨張機１０，１１を駆動することで、発電機１２，１３による発電が行われる。そして、発電された電力は、パワーコンディショナ１４を経てグリッド電力３に供給される。
【0025】
なお、熱交換器２７に流入した約１００℃の蓄熱媒体は、熱交換により約４０℃の低温となり熱交換器２７から流出する。熱交換器２７から流出した低温の蓄熱媒体は熱交換器２６より流出した蓄熱媒体と合流し、その後、ヒートポンプユニット３０の蒸発器３５に流入する。蒸発器３５では、熱交換器２６，２７から流入する低温（約４０℃）の蓄熱媒体と、膨張弁３２により減圧されて温度が低下した冷媒（約２０℃）との間で熱交換が行われる。蒸発器３５での熱交換により約２０℃に温度低下した蓄熱媒体は、蓄熱タンク２２に流入して貯蔵される。一方、冷媒は、蒸発器３５において蓄熱媒体より吸熱して蒸発し、冷媒圧縮機３１に戻る。
【0026】
次に、本実施の形態における電力回収効率の向上について説明する。図２は、本実施の形態のＣＡＥＳ装置１に対する比較例を示す図である。図２の比較例に示すＣＡＥＳ装置１００にはヒートポンプユニット３０が設けられておらず、その他の構成は図１の場合と同様である。
【0027】
ＣＡＥＳ装置１００では、蓄熱タンク２１に貯蔵されている蓄熱媒体は、図１の構成のように加熱されることなくそのまま熱交換器２６，２７に供給される。上述したように、蓄熱タンク２１に流入する蓄熱媒体の温度が約１００℃であっても、蓄熱タンク２１に貯蔵されている間の熱散逸により、蓄熱タンク２１から熱交換器２６，２７に供給される蓄熱媒体の温度は約７０～９０℃程度となる。そのため、蓄熱媒体と熱交換して熱交換器２６，２７から流出される圧縮空気の温度は、約７０℃程度となる。ここで、充電動作時に図２のインバータ装置９に入力される電力をＥ１とし、その電力Ｅ１で生成される圧縮空気により発電される再生電力をＥ２とする。この場合の電力回収効率はＥ２／Ｅ１であり、これは１よりも小さな値となる。
【0028】
一方、図１に示す本実施の形態では、ヒートポンプユニット３０により、熱交換器２６，２７から蓄熱タンク２２へ戻る低温側の蓄熱媒体から熱エネルギを吸収して、蓄熱タンク２１から熱交換器２６，２７へ供給される高温側の蓄熱媒体へ熱エネルギを放出するようにしているので、熱交換器２６，２７に供給される蓄熱媒体の温度は約１００℃となる。そのため、膨張機１０，１１に流入する圧縮空気の温度は約９０℃と上昇し、発電機１２，１３により発電される再生電力は、図２の構成の場合よりも大きくなる。
【0029】
図１に示す構成では、圧縮空気を生成するための電力Ｅ１に加えて、ヒートポンプユニット３０の冷媒圧縮機３１を駆動するための電力ΔＥ１が必要となるので、インバータ装置９に入力される電力は「Ｅ１＋ΔＥ１」となる。また、図１の場合には、膨張機１０，１１を駆動する圧縮空気の温度は約９０℃と図２の場合の約７０℃よりも高いので、発電機１２，１３により発電される再生電力はＥ２よりも大きな値「Ｅ２＋ΔＥ２」となる。よって、この場合の電力回収効率は、（Ｅ２＋ΔＥ２）／（Ｅ１＋ΔＥ１）と表される。
【0030】
電力回収効率＝（Ｅ２＋ΔＥ２）／（Ｅ１＋ΔＥ１）が図２の場合の電力回収率＝Ｅ２／Ｅ１よりも大きくなるためには、すなわち［（Ｅ２＋ΔＥ２）／（Ｅ１＋ΔＥ１）］＞（Ｅ２／Ｅ１）を満たすためには、条件「（ΔＥ２／ΔＥ１）＞（Ｅ２／Ｅ１）…（１）」を満足する必要がある。ヒートポンプユニット３０で構成される冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）は３．０程度であり、冷媒圧縮機３１の駆動のための電力のおよそ３倍のエネルギを蓄熱媒体に投入することができる。このため、蓄熱媒体の有効エネルギが増大し、上述した条件式（１）が満足されることになる。
【0031】
上述のように、第１の実施の形態では、図１のようにヒートポンプユニット３０を設けて低温側の蓄熱媒体から吸熱して高温側の蓄熱媒体へ放熱することにより、蓄熱媒体に蓄熱した圧縮熱をより効率良く回収して膨張前の圧縮空気へ熱移送することができる。その結果、膨張機１０，１１に供給される圧縮空気をより高温（約９０℃）とすることができ、電力回収効率の向上を図ることができる。
【0032】
図２の比較例のように、ＣＡＥＳ装置１００にヒートポンプユニット３０を設けない場合には、膨張機１０，１１に供給される圧縮空気は７０～９０℃の蓄熱媒体と熱交換して約７０℃に加熱される。一方、本実施の形態では、約１００℃の蓄熱媒体と熱交換することで、圧縮空気は約９０℃に加熱される。この場合、熱交換器２６，２７から流出する圧縮空気の昇温速度は、蓄熱媒体の温度が高い方が速い。そのため、放電動作開始時に蓄熱媒体の供給が開始されて熱交換器２６，２７が温められ、膨張機１０，１１に供給される圧縮空気の温度が図２の場合の約７０℃となるタイミングは、言い換えると、発電量が図２の場合の発電量と同じ値に達するタイミングは、図２の場合よりも早くなる。すなわち、電力需要変動への応答性の向上が図れる。
【0033】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。以下では、第１の実施の形態と同様の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。以下では、第１の実施の形態と同様の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【0034】
図３に示す第２の実施の形態のＣＡＥＳ装置１Ａでは、ヒートポンプユニット３０は、冷媒圧縮機３１、膨張弁３２、２つの放熱器３４ａ，３４ｂおよび蒸発器３５を備えている。放熱器３４ａは、熱交換器２６と膨張機１０との間の圧縮空気の経路に設けられている。放熱器３４ｂは、熱交換器２７と膨張機１１との間の圧縮空気の経路に設けられている。蒸発器３５は、図１の場合と同様に、熱交換器２６，２７と蓄熱タンク２２との間の低温側の蓄熱媒体経路に設けられている。
【0035】
ヒートポンプユニット３０は、冷媒圧縮機３１にて圧縮された冷媒が２つの放熱器３４ａ，３４ｂに分流されてそれぞれ放熱し、その後、再び合流して膨張弁３２にて減圧されて蒸発器３５に流入し、蒸発器３５で吸熱して冷媒圧縮機３１に戻る冷凍サイクルを構成している。第２の実施の形態では、放熱器３４ａ，３４ｂに流入する冷媒の温度は約１３０℃に設定される。その他の構成は図１のＣＡＥＳ装置１の構成と同様である。
【0036】
次いで、ＣＡＥＳ装置１Ａの動作について説明する。なお、蓄熱媒体には、水、加圧水、鉱物油系またはグリコール系等の蓄熱媒体を用いることができるが、以下では、蓄熱媒体として水を用いる場合を例に説明する。ＣＡＥＳ装置１Ａにおける充電動作および放電動作の内、充電動作に関しては図１のＣＡＥＳ装置１の場合と同様なので、以下では放電動作について説明する。
【0037】
（放電動作）
放電動作時には、制御装置４０は、移送ポンプ２８およびヒートポンプユニット３０を動作させるとともに、蓄圧タンク８に貯蔵されている低温高圧の圧縮空気を熱交換器２６に供給する。移送ポンプ２８を動作させると、高温側の蓄熱タンク２１に貯蔵されている蓄熱媒体が各熱交換器２６，２７に供給される。蓄熱タンク２１から各熱交換器２６，２７に供給される蓄熱媒体の温度は、約７０～９０℃程度である。蓄圧タンク８から熱交換器２６に供給された低温高圧の圧縮空気は、熱交換器２６において蓄熱媒体と熱交換することにより、約７０℃に温度が上昇する。一方、熱交換器２６で熱交換した後の蓄熱媒体の温度は約４０℃となり、ヒートポンプユニット３０の蒸発器３５に流入する。
放電動作時には、制御装置４０は、移送ポンプ２８およびヒートポンプユニット３０を動作させるとともに、蓄圧タンク８に貯蔵されている低温高圧の圧縮空気を熱交換器２６に供給する。移送ポンプ２８を動作させると、高温側の蓄熱タンク２１に貯蔵されている蓄熱媒体が各熱交換器２６，２７に供給される。蓄熱タンク２１から各熱交換器２６，２７に供給される蓄熱媒体の温度は、約７０～９０℃程度である。蓄圧タンク８から熱交換器２６に供給された低温高圧の圧縮空気は、熱交換器２６において蓄熱媒体と熱交換することにより、約７０℃に温度が上昇する。一方、熱交換器２６で熱交換した後の蓄熱媒体の温度は約４０℃となり、ヒートポンプユニット３０の蒸発器３５に流入する。
【0038】
熱交換器２６を通過した圧縮空気は放熱器３４ａに流入し、高温の冷媒と熱交換することで温度がさらに上昇する。上述したように、放熱器３４ａに流入する冷媒の温度は約１３０℃に設定されているので、冷媒と熱交換して膨張機１０に流入する圧縮空気の温度は約１２０℃に上昇する。放熱器３４ａから流出される冷媒の温度は、圧縮空気との熱交換により約８０℃に低下する。放熱器３４ａから流出された約８０℃の冷媒は膨張弁３２へ戻る。
【0039】
１段目の膨張機１０に流入した約１２０℃の圧縮空気は、膨張機１０で１段目の断熱膨張を行うことで膨張機１０を駆動する。その断熱膨張により圧力および温度が低下した圧縮空気は熱交換器２７に流入し、蓄熱媒体との熱交換により温度が約７０℃に上昇する。一方、熱交換器２７で熱交換した後の蓄熱媒体の温度は約４０℃となり、熱交換器２６からの蓄熱媒体と合流した後にヒートポンプユニット３０の蒸発器３５に流入する。
【0040】
熱交換器２７を通過した圧縮空気は放熱器３４ｂに流入し、高温の蓄熱媒体と熱交換することで温度がさらに上昇する。上述したように、放熱器３４ｂに流入する冷媒の温度は約１３０℃に設定されているので、冷媒と熱交換して膨張機１０に流入する圧縮空気の温度は約１２０℃に上昇する。２段目の膨張機１１に流入した約１２０℃の圧縮空気は、膨張機１１で２段目の断熱膨張を行うことで膨張機１１を駆動する。膨張機１１により断熱膨張された空気は低温低圧の状態となり、膨張機１１の吐出口より大気開放される。このように、放熱器３４ａ，３４ｂにより加熱された圧縮空気により膨張機１０，１１を駆動することで発電機１２，１３による発電が行われ、パワーコンディショナ１４を経てグリッド電力３に供給される。
【0041】
ヒートポンプユニット３０においては、放熱器３４ｂから流出される冷媒は、圧縮空気との熱交換により約８０℃に温度が低下し、放熱器３４ａから流出された冷媒と合流した後に膨張弁３２へ戻る。放熱器３４ａ，３４ｂから流出された約８０℃の冷媒は、膨張弁３２で膨張することにより温度が約２０℃に低下して、蒸発器３５に流入する。蒸発器３５において、約２０℃の冷媒は、熱交換器２６，２７から流入する約４０℃の蓄熱媒体との熱交換により蒸発する。蓄熱媒体から吸熱して蒸発した冷媒は、冷媒圧縮機３１により圧縮されて高温となり、放熱器３４ａ，３４ｂにおいて圧縮空気へ放熱する。その結果、圧縮空気の温度は上述したように約７０℃から約１２０℃に加熱される。
【0042】
前述した第１の実施の形態では、低温側の蓄熱媒体の熱を高温側の蓄熱媒体に移送し、その高温側の蓄熱媒体により圧縮空気を加熱する構成とされている。蓄熱媒体に水を使用する場合には温度を約１００℃までしか昇温させることができないので、圧縮空気を約９０℃程度までしか加熱することができない。
【0043】
一方、第２の実施の形態では、低温側の蓄熱媒体から吸熱した熱を、冷媒が流通する放熱器３４ａ，３４ｂにより圧縮空気に直接放熱するようにしている。そのため、膨張機１０，１１に流入する圧縮空気は放熱器３４ａ，３４ｂにより加熱され、第１の実施の形態の場合よりも高温の約１２０℃まで加熱されることになる。すなわち、ヒートポンプユニット３０で回収した熱エネルギを蓄熱媒体を介して圧縮空気へ放熱する図１の構成に比べて熱効率が向上し、膨張機１０，１１に流入する圧縮空気をより高温とすることが可能になり、発電電力の増加による電力回収効率の向上を図ることができる。また、第２の実施の形態では、放熱器３４ａ，３４ｂによる圧縮空気の加熱温度をより高温にできるので、膨張前の圧縮空気の昇温が早く、電力需要の変動への応答性をより向上させることができる。
【0044】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図４に示すＣＡＥＳ装置１Ｂは、図３に示した構成における熱交換器２６，２７を三流体熱交換器２６ａ，２７ａで置き換えたものである。そして、放熱器３４ａから流出した冷媒を三流体熱交換器２６ａへ流入させ、放熱器３４ｂから流出した冷媒を三流体熱交換器２７ａへ流入させるようにした。以下では、第２の実施の形態と同様の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図４に示すＣＡＥＳ装置１Ｂは、図３に示した構成における熱交換器２６，２７を三流体熱交換器２６ａ，２７ａで置き換えたものである。そして、放熱器３４ａから流出した冷媒を三流体熱交換器２６ａへ流入させ、放熱器３４ｂから流出した冷媒を三流体熱交換器２７ａへ流入させるようにした。以下では、第２の実施の形態と同様の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0045】
三流体熱交換器２６ａ，２７ａは、放熱側の流体経路として蓄熱媒体が流れる流路と冷媒が流れる流路とを備え、吸熱側の流体経路として圧縮空気が流れる流路を備えている。すなわち、三流体熱交換器２６ａ，２７ａでは、蓄熱媒体および冷媒から圧縮空気へ熱が移動することで、圧縮空気が加熱される。そのため、三流体熱交換器２６ａ，２７ａは蓄熱ユニット２０の要素でもあるし、ヒートポンプユニット３０の要素でもあると言える。その他の構成は図３に示す構成と同様である。なお、蓄熱媒体には、水、加圧水、鉱物油系またはグリコール系等の蓄熱媒体を用いることができるが、以下では、蓄熱媒体として水を用いる場合を例に説明する。
【0046】
冷媒圧縮機３１で圧縮された高温の冷媒は、分流されて放熱器３４ａ，３４ｂのそれぞれに導かれる。放熱器３４ａで圧縮空気と熱交換した冷媒は三流体熱交換器２６ａに流入し、放熱器３４ｂで圧縮空気と熱交換した冷媒は三流体熱交換器２７ａに流入する。三流体熱交換器２６ａを通過した冷媒と三流体熱交換器２７ａを通過した冷媒は、合流した後に膨張弁３２で断熱膨張することで温度が低下する。断熱膨張後の冷媒は、蒸発器３５で低温側の蓄熱媒体から吸熱して蒸発する。
【0047】
冷媒圧縮機３１で圧縮された冷媒の温度は約１３０℃であり、放熱器３４ａで圧縮空気と熱交換することで冷媒温度は約８０℃に低下し、さらに、三流体熱交換器２６ａで圧縮空気と熱交換することで冷媒温度は約４０℃となる。放熱器３４ｂおよび三流体熱交換器２７ａを通過した冷媒の温度についても同様で、放熱器３４ｂの出口で約８０℃、３流体熱交換器２７ａの出口で約４０℃である。なお、蓄熱媒体の三流体熱交換器２６ａ，２７ａの入り口および出口での温度は、約８０℃（入り口）および約４０℃（出口）である。三流体熱交換器２６ａ，２７ａから流出した約４０℃の冷媒は膨張弁３２で断熱膨張して温度が低下する。
【0048】
前述した第２の実施の形態の図３に示す構成おいては、膨張弁３２に流入する冷媒の温度は約８０℃であったが、図４に示す構成では約４０℃とより低温となっている。そのため、断熱膨張後の冷媒温度をより低温にすることができ、蒸発器３５における蓄熱媒体から冷媒への吸熱量（熱回収）をより大きくすることができる。すなわち、放熱器３４ａ，３４ｂで圧縮空気を約１２０℃に加熱する場合における冷媒圧縮機３１への入力電力ΔＥ１（条件式（１）を参照）を、より小さくすることができる。その結果、電力回収効率をさらに向上させることができる。また、放熱器３４ａ，３４ｂで圧縮空気をさらに加熱することで、膨張機１０，１１に流入する圧縮空気の温度をより高くできるので圧縮空気の昇温速度が速くなり、電力需要の変動への応答性の向上を図ることができる。
【0049】
（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図５に示すＣＡＥＳ装置１Ｃは、図１に示したＣＡＥＳ装置１と比較してヒートポンプユニット３０の配置が異なる。また、ＣＡＥＳ装置１Ｃでは、蓄熱媒体は１００℃以上の高温になることがあるため、鉱物油系またはグリコール系の蓄熱媒体、または加圧水を用いる。その他の構成は図１に示すＣＡＥＳ装置１と同様であり、同様の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図５に示すＣＡＥＳ装置１Ｃは、図１に示したＣＡＥＳ装置１と比較してヒートポンプユニット３０の配置が異なる。また、ＣＡＥＳ装置１Ｃでは、蓄熱媒体は１００℃以上の高温になることがあるため、鉱物油系またはグリコール系の蓄熱媒体、または加圧水を用いる。その他の構成は図１に示すＣＡＥＳ装置１と同様であり、同様の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0050】
ＣＡＥＳ装置１Ｃでは、ヒートポンプユニット３０の蒸発器３５を蓄熱タンク２２と熱交換器２４，２５との間の低温側の蓄熱媒体経路に配置し、放熱器３４を熱交換器２４，２５と蓄熱タンク２１との間の高温側の蓄熱媒体経路に配置する。蓄熱タンク２２に貯蔵された低温の蓄熱媒体は、ヒートポンプユニット３０の蒸発器３５を通過してから並列接続された熱交換器２４，２５に供給される。熱交換器２４，２５から流出された蓄熱媒体は、ヒートポンプユニット３０の放熱器３４を通過してから蓄熱タンク２１に貯蔵される。
【0051】
次に、ＣＡＥＳ装置１Ｃにおける充電動作および放電動作について説明する。
（充電動作）
充電動作時においては、制御装置４０は、モータ４，５、ヒートポンプユニット３０および移送ポンプ２９を動作させる。モータ４，５の動作により、圧縮機６および圧縮機７による大気の２段圧縮が行われる。また、移送ポンプ２９の動作により、低温側の蓄熱タンク２２に貯蔵されている約４０℃の蓄熱媒体がヒートポンプユニット３０の蒸発器３５に流入する。蓄熱タンク２２から流出した蓄熱媒体はヒートポンプユニット３０の蒸発器３５において冷媒へと吸熱され、蓄熱媒体の温度は約４０℃から約２０℃に低下する。蒸発器３５を流出した約２０℃の蓄熱媒体は、分流されて各熱交換器２４，２５に流入する。
（充電動作）
充電動作時においては、制御装置４０は、モータ４，５、ヒートポンプユニット３０および移送ポンプ２９を動作させる。モータ４，５の動作により、圧縮機６および圧縮機７による大気の２段圧縮が行われる。また、移送ポンプ２９の動作により、低温側の蓄熱タンク２２に貯蔵されている約４０℃の蓄熱媒体がヒートポンプユニット３０の蒸発器３５に流入する。蓄熱タンク２２から流出した蓄熱媒体はヒートポンプユニット３０の蒸発器３５において冷媒へと吸熱され、蓄熱媒体の温度は約４０℃から約２０℃に低下する。蒸発器３５を流出した約２０℃の蓄熱媒体は、分流されて各熱交換器２４，２５に流入する。
【0052】
圧縮機６により断熱圧縮された高温の圧縮空気は吐出口より吐出されて熱交換器２４に流入し、熱交換器２４に供給される約２０℃の蓄熱媒体と熱交換を行う。この熱交換により、蓄熱媒体の温度は約１００℃となる。熱交換器２４において熱交換した圧縮空気は常温程度の低温となり、熱交換器２４の下流側に設けられた圧縮機７により吸入される。圧縮機７に吸入された常温の圧縮空気は、圧縮機７により２段目の断熱圧縮が行われ、高温高圧の圧縮空気となる。圧縮機７から吐出された圧縮空気は熱交換器２５に導入され、熱交換器２５に供給される約２０℃の蓄熱媒体と熱交換を行う。この熱交換により、蓄熱媒体の温度は約１００℃となる。熱交換器２５において熱交換した圧縮空気は常温程度の低温となり、蓄圧タンク８にて貯蔵される。
【0053】
熱交換器２４，２５から流出された蓄熱媒体は、合流した後にヒートポンプユニット３０の放熱器３４に流入する。放熱器３４では、熱交換により冷媒から蓄熱媒体へと放熱され、蓄熱媒体の温度は約１２０℃に上昇する。約１２０℃に加熱された蓄熱媒体は、高温側の蓄熱タンク２１に貯蔵される。
【0054】
（放電動作）
放電動作時には、制御装置４０は、蓄圧タンク８に貯蔵された低温高圧の圧縮空気を熱交換器２６に供給するとともに、移送ポンプ２８を駆動して高温側の蓄熱タンク２１の蓄熱媒体を熱交換器２６，２７に供給する。なお、熱交換器２６，２７に供給される蓄熱媒体の温度は、蓄熱タンク２１における熱散逸により１２０℃よりも若干低くなる。
放電動作時には、制御装置４０は、蓄圧タンク８に貯蔵された低温高圧の圧縮空気を熱交換器２６に供給するとともに、移送ポンプ２８を駆動して高温側の蓄熱タンク２１の蓄熱媒体を熱交換器２６，２７に供給する。なお、熱交換器２６，２７に供給される蓄熱媒体の温度は、蓄熱タンク２１における熱散逸により１２０℃よりも若干低くなる。
【0055】
熱交換器２６では、高温側の蓄熱媒体と圧縮空気との熱交換により圧縮空気の温度は約１００℃に上昇し、蓄熱媒体の温度は約４０℃に低下する。熱交換器２６で約１００℃に加熱された圧縮空気は膨張機１０に吸入され、１段目の断熱膨張を行うことで膨張機１０を駆動する。膨張機１０により断熱膨張された空気は熱交換器２７に供給され、そこで蓄熱媒体と熱交換することにより約１００℃に加熱される。熱交換器２７で加熱された空気は膨張機１１に吸入されて２段目の断熱膨張を行い、膨張機１１を駆動する。膨張機１１により断熱膨張された空気は低温低圧の状態となり、膨張機１１の吐出口から大気へと放出される。圧縮空気により膨張機１０，１１が駆動され、発電機１２，１３による発電が行われる。発電された電力は、パワーコンディショナ１４を経てグリッド電力３に供給される。
【0056】
前述した第１の実施の形態では、蓄熱媒体として沸点が１００℃の水を使用し、ヒートポンプユニット３０により、熱交換器２６，２７から流出する低温側の蓄熱媒体から熱交換器２６，２７に流入する蓄熱媒体へ熱移送することで、膨張機１０，１１に供給される空気の温度を約９０℃に加熱するようにした。一方、第４の実施の形態では、加圧水等の沸点の高い蓄熱媒体を使用するとともに、ヒートポンプユニット３０によって低温側の蓄熱媒体から高温側の蓄熱媒体へ熱移送することで、より高温（約１２０℃）の蓄熱媒体を蓄熱タンク２１に貯蔵するようにしている。蓄熱タンク２１に貯蔵されたより高温（約１２０℃）の蓄熱媒体を熱交換器２６，２７に供給することで、膨張機１０，１１に供給される圧縮空気の温度を約１００℃に加熱するようにした。
【0057】
そのため、膨張機１０，１１に供給される圧縮空気の温度を第１の実施の形態の場合よりも高温にすることができ、電力回収効率の向上を図ることができる。また、熱交換器２６，２７に流入する蓄熱媒体の温度をより高温とすることができるので、熱交換による圧縮空気の昇温に要する時間を短縮することができ、電力需要変動への応答性の向上が図れる。
【0058】
（第５の実施の形態）
図６は、本発明の第５の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図６に示すＣＡＥＳ装置１Ｄは、図１に示すＣＡＥＳ装置１と比較した場合、圧縮機ユニット２Ａの構成およびヒートポンプユニット３０の配置が異なる。その他の構成は図１に示す構成と同様であり、同様の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図６は、本発明の第５の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図６に示すＣＡＥＳ装置１Ｄは、図１に示すＣＡＥＳ装置１と比較した場合、圧縮機ユニット２Ａの構成およびヒートポンプユニット３０の配置が異なる。その他の構成は図１に示す構成と同様であり、同様の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0059】
図６に示すＣＡＥＳ装置１Ｄにおいては、圧縮機ユニット２Ａは複数の蓄圧タンク８ａ，８ｂ，８ｃを備え、さらに、圧縮空気の流通経路を切り替えるための開閉バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を備える。２段目の圧縮機７の吐出口は、開閉バルブＶ１を介して熱交換器２５に接続されるとともに、開閉バルブＶ２を介して高温高圧の圧縮空気が貯蔵される蓄圧タンク８ａに接続される。蓄圧タンク８ａの出口は、開閉バルブＶ３およびヒートポンプユニット３０の放熱器３４を介して膨張機１０の吸入口に接続される。
【0060】
熱交換器２５における圧縮空気の出口は、低温高圧の圧縮空気が貯蔵される蓄圧タンク８ｂおよび蓄圧タンク８ｃに接続されている。蓄圧タンク８ｂと蓄圧タンク８ｃとは配管により連通されている。蓄圧タンク８ｃは、開閉バルブＶ４および膨張機ユニット２Ｂの熱交換器２６を介して、膨張機１０の吸入口に接続される。なお、高温高圧の蓄熱媒体が貯蔵される蓄圧タンク８ａでは熱が散逸しやすいので、蓄圧タンク８ａの容積は、低温高圧の圧縮空気が貯蔵される蓄圧タンク８ｂ，８ｃの合計の容積よりも小さく設定されている。
【0061】
ヒートポンプユニット３０の蒸発器３５は、熱交換器２６，２７から蓄熱タンク２２へ戻る低温側の蓄熱媒体経路に設けられている。一方、放熱器３４は、蓄圧タンク８ａから膨張機１０に供給される高温高圧の圧縮空気の経路に設けられている。ヒートポンプユニット３０は、蒸発器３５で低温側の蓄熱媒体から吸熱して放熱器３４により圧縮空気に放熱する。それにより、蓄圧タンク８ａから膨張機１０に供給される高温高圧の圧縮空気は、放熱器３４により加熱されてさらに高温となる。
【0062】
次いで、ＣＡＥＳ装置１Ｄにおける充電動作および放電動作について説明する。なお、蓄熱媒体には、水、加圧水、鉱物油系またはグリコール系等の蓄熱媒体を用いることができるが、以下では、蓄熱媒体として水を用いる場合を例に説明する。
（充電動作）
充電動作においては、制御装置４０は、まず、開閉バルブＶ１，Ｖ２を開く。なお、ＣＡＥＳ装置１Ｄの動作停止状態においては、開閉バルブＶ１～Ｖ４は全て閉状態とされている。次いで、制御装置４０は、モータ４，５により圧縮機６，７を駆動するとともに、移送ポンプ２９を駆動して蓄熱タンク２２に貯蔵されている蓄熱媒体を熱交換器２４，２５に供給する。
（充電動作）
充電動作においては、制御装置４０は、まず、開閉バルブＶ１，Ｖ２を開く。なお、ＣＡＥＳ装置１Ｄの動作停止状態においては、開閉バルブＶ１～Ｖ４は全て閉状態とされている。次いで、制御装置４０は、モータ４，５により圧縮機６，７を駆動するとともに、移送ポンプ２９を駆動して蓄熱タンク２２に貯蔵されている蓄熱媒体を熱交換器２４，２５に供給する。
【0063】
圧縮機６により断熱圧縮された高温の圧縮空気は吐出口より吐出されて熱交換器２４に流入し、熱交換器２４に供給される約２０℃の蓄熱媒体と熱交換を行う。この熱交換により蓄熱媒体は約１００℃と昇温され、熱交換器２４から流出される。熱交換器２４において熱交換した圧縮空気は常温程度の低温となり、熱交換器２４の下流側に設けられた圧縮機７により吸入される。圧縮機７に吸入された常温の圧縮空気は、圧縮機７により２段目の断熱圧縮が行われ、高温高圧の圧縮空気となる。
【0064】
圧縮機７から吐出された高温高圧状態の圧縮空気は、開閉バルブＶ２を通して蓄圧タンク８ａに流入するとともに、開閉バルブＶ１を通して熱交換器２５に流入する。なお、圧縮機７にて２段目の断熱圧縮が行われて吐出される圧縮空気の温度は約１３０℃程度なので、蓄圧タンク８ａに貯蔵される圧縮空気の温度は約１２０℃程度となる。また、熱交換器２５に導入された圧縮空気は、約２０℃の蓄熱媒体と熱交換を行い常温程度となり、蓄圧タンク８ｂ、８ｃに貯蔵される。また、熱交換器２５から流出される蓄熱媒体の温度は、圧縮空気との熱交換により約１００℃となる。熱交換器２５から流出された蓄熱媒体は、熱交換器２４から流出された蓄熱媒体と合流した後、蓄熱タンク２１に流入して貯蔵される。
【0065】
次いで、蓄圧タンク８ａの圧力が予め設定した規定圧力値に達したならば、開閉バルブＶ２を閉じて蓄圧タンク８ａへの圧縮空気の貯蔵を終了する。その結果、圧縮機７から吐出される高温高圧の圧縮空気の全てが開閉バルブＶ１を通って熱交換器２５へ流入する。熱交換器２５では高温の圧縮空気から蓄熱媒体へと熱が移動し、蓄熱媒体は約１００℃に昇温され、圧縮空気は常温程度の低温となる。熱交換器２５から流出される低温高圧の圧縮空気は、蓄圧タンク８ｂおよび蓄圧タンク８ｃに流入し、貯蔵される。一方、熱交換器２５から流出される高温（約１００℃）の蓄熱媒体は、熱交換器２４から流出された高温の蓄熱媒体と合流した後、蓄熱タンク２１に流入して貯蔵される。そして、蓄圧タンク８ｂ，８ｃの圧力が規定圧力値に達したならば、制御装置４０は、開閉バルブＶ１を閉じるとともに移送ポンプ２８を停止して充電動作を終了する。
【0066】
（放電動作）
放電動作開始により、制御装置４０は、移送ポンプ２８およびヒートポンプユニット３０を動作させ、さらに開閉バルブＶ３を開く。移送ポンプ２８の動作により、蓄熱タンク２１に貯蔵されている高温の蓄熱媒体が熱交換器２６，２７に供給される。開閉バルブＶ３が開状態とされると、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている約１２０℃の圧縮空気が、ヒートポンプユニット３０の放熱器３４を介して膨張機１０に供給される。蓄圧タンク８ａからの圧縮空気は、放熱器３４における高温の冷媒との熱交換により約１５０℃程度の高温に加熱された後に、膨張機１０に供給される。
放電動作開始により、制御装置４０は、移送ポンプ２８およびヒートポンプユニット３０を動作させ、さらに開閉バルブＶ３を開く。移送ポンプ２８の動作により、蓄熱タンク２１に貯蔵されている高温の蓄熱媒体が熱交換器２６，２７に供給される。開閉バルブＶ３が開状態とされると、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている約１２０℃の圧縮空気が、ヒートポンプユニット３０の放熱器３４を介して膨張機１０に供給される。蓄圧タンク８ａからの圧縮空気は、放熱器３４における高温の冷媒との熱交換により約１５０℃程度の高温に加熱された後に、膨張機１０に供給される。
【0067】
膨張機１０に供給された約１５０℃の圧縮空気は、膨張機１０で断熱膨張されて温度が低下する。温度が低下した圧縮空気は、熱交換器２７により約７０℃に加熱された後に２段目の膨張機１１に供給される。そして、膨張機１１により断熱膨張された空気は低温低圧の状態となり、膨張機１１の吐出口より大気開放される。圧縮空気により膨張機１０，１１が駆動され、発電機１２，１３による発電が行われる。
【0068】
蓄圧タンク８ａの圧力が発電に必要な圧力よりも低下したならば、または、所定の暖機時間が経過したならば、開閉バルブＶ３を閉じるとともに開閉バルブＶ４を開き、さらにヒートポンプユニット３０を停止する。それにより、圧縮空気の供給源が蓄圧タンク８ａから蓄圧タンク８ｂ，８ｃに切り替えられる。蓄圧タンク８ｂ，８ｃの低温高圧の圧縮空気は、開閉バルブＶ４を通過して熱交換器２６に流入する。なお、蓄圧タンク８ａの容積は、圧力が発電に必要な圧力よりも低下するまでの時間が所定の暖機時間よりも十分長くなるように設定されている。
【0069】
熱交換器２６に流入した圧縮空気は、蓄熱媒体との熱交換により約７０℃に加熱され、膨張機１０で断熱膨張して膨張機１０を駆動する。膨張機１０により断熱膨張されて低温となった空気は、熱交換器２７において高温の蓄熱媒体と熱交換することにより、再び７０℃程度の高温となり膨張機１１に供給される。膨張機１１に供給された圧縮空気は、膨張機１１において２段目の断熱膨張を行うことにより低温低圧の状態となり、膨張機１１の吐出口より大気開放される。
【0070】
上述した暖機時間について説明する。熱交換器２６，２７においては、蓄熱媒体と圧縮空気との間で熱交換が行われる。その際、蓄熱媒体の供給が開始された直後は熱交換器２６，２７が十分に温まっていないため、供給される圧縮空気が低温高圧の場合には、熱交換器２６，２７において圧縮空気を約７０℃という高温まで加熱することができない。そのため、膨張機１０，１１を既定回転数まで回転させることができず、発電機１２，１３による発電が十分に行えない。ここでは、熱交換器２６，２７に蓄熱媒体の供給を開始してから、熱交換器２６，２７が十分に温まって圧縮空気を約７０℃に加熱できる状態になるまでの時間を、暖機時間または暖機期間と呼ぶことにする。
【0071】
本実施の形態では、熱交換器２６，２７への蓄熱媒体の供給は充電動作開始とともに開始され、その後、暖機時間またはそれよりも長い時間が経過してから圧縮空気の供給源を蓄圧タンク８ｂ，８ｃに切り替えるようにしている。そのため、圧縮空気の供給源を蓄圧タンク８ｂ，８ｃに切り替えた際に、熱交換器２６，２７の暖機不十分による発電電力低下が発生するのを、防止することができる。
【0072】
また、暖機期間を含む放電動作開始時から開閉バルブＶ４が開に切り替わるまでの期間においては、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている高温高圧の圧縮空気を放熱器３４で約１５０℃に加熱したものを、膨張機１０に供給するようにしている。その結果、膨張機１０は、放電動作開始とともに素早く「約１５０℃の圧縮空気を供給した場合の回転数」に立ち上がることができる。すなわち、電力需要の変動への応答性の向上を図ることができる。また、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている圧縮空気による放電動作期間においては、膨張機１０には約１５０℃の圧縮空気が供給されるので、約７０℃の圧縮空気が膨張機１０，１１に供給される図２の構成に比べて電力回収効率の向上を図ることができる。
【0073】
なお、上述した充電動作では、充電開始とともに開閉バルブＶ１，Ｖ２を開状態にして、蓄圧タンク８ａへの高温高圧の圧縮空気の貯蔵と、蓄圧タンク８ｂ，８ｃへの低温高圧の圧縮空気の貯蔵とを同時に開始した。しかし、開閉バルブＶ１を閉じるとともに開閉バルブＶ２を開いて蓄圧タンク８ａへの高温圧縮空気の貯蔵を行った後に、開閉バルブＶ１を開くとともに開閉バルブＶ２を閉じて蓄圧タンク８ｂ，８ｃへの低温圧縮空気の貯蔵を行うようにしても良い。
【0074】
例えば、風力発電での電力平準化を行う場合、風向きの変化等により一日のうちに何回も発電が必要になり、一回の発電動作の運転時間も短時間となる。そのため、立ち上がりの温度が温まるまでの低効率での運転の影響が大きくなる。そのような場合、充電動作時に、開閉バルブＶ１を閉じるとともに開閉バルブＶ２を開いて蓄圧タンク８ａへの高温圧縮空気の貯蔵を行って、まず、蓄圧タンク８ａを規定圧力値まで貯蔵しておくことで、その後に繰り返される発電動作において、蓄圧タンク８ａに貯蔵された高温高圧の圧縮空気だけで発電に対応するようにしても良い。このように、電力需要の変動が大きく、比較的短周期となる風力発電の供給割合が大きいグリッド電力での電力平準化に適用すると効果的である。一方、太陽光発電の場合、放電動作は１日に１回程度の頻度であるため、いずれのバルブ開閉パターンであっても運用可能である。
【0075】
（第６の実施の形態）
図７は、本発明の第６の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図７に示すＣＡＥＳ装置１Ｅでは、蓄圧タンク８ｂ，８ｃは、開閉バルブＶ４を介して熱交換器２６に接続されている。熱交換器２６の圧縮空気流出側は、開閉バルブＶ５を介して開閉バルブＶ３と放熱器３４との間の圧縮空気供給ラインに接続されている。その他の構成は図６に示したＣＡＥＳ装置１Ｄと同様である。
図７は、本発明の第６の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図７に示すＣＡＥＳ装置１Ｅでは、蓄圧タンク８ｂ，８ｃは、開閉バルブＶ４を介して熱交換器２６に接続されている。熱交換器２６の圧縮空気流出側は、開閉バルブＶ５を介して開閉バルブＶ３と放熱器３４との間の圧縮空気供給ラインに接続されている。その他の構成は図６に示したＣＡＥＳ装置１Ｄと同様である。
【0076】
上述したように、図６に示したＣＡＥＳ装置１Ｄでは、蓄圧タンク８ａから膨張機１０に供給される高温高圧の圧縮空気を放熱器３４で加熱して、より高温の圧縮空気を膨張機１０に供給するようにしている。一方、図７に示すＣＡＥＳ装置１Ｅでは、蓄圧タンク８ａから膨張機１０に供給される高温高圧の圧縮空気だけでなく、蓄圧タンク８ｂ，８ｃから膨張機１０に供給される低温高圧の圧縮空気に関しても、放熱器３４で加熱してから膨張機１０に供給するようにした。ＣＡＥＳ装置１Ｅの動作については、充電動作は図６に示したＣＡＥＳ装置１Ｄの場合と同様であり、以下では、放電動作について説明する。
【0077】
（放電動作）
放電動作開始により、制御装置４０は、移送ポンプ２８およびヒートポンプユニット３０を動作させ、さらに開閉バルブＶ３を開くとともに開閉バルブＶ４，Ｖ５を閉じる。移送ポンプ２８の動作により、蓄熱タンク２１に貯蔵されている高温の蓄熱媒体が熱交換器２６，２７に供給される。開閉バルブＶ３が開状態とされると、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている高温高圧の圧縮空気が、ヒートポンプユニット３０の放熱器３４を介して膨張機１０に供給される。蓄圧タンク８ａからの高温高圧の圧縮空気は、放熱器３４における高温の冷媒との熱交換によりさらに昇温された後に、膨張機１０に供給される。その結果、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている圧縮空気による発電が行われる。
放電動作開始により、制御装置４０は、移送ポンプ２８およびヒートポンプユニット３０を動作させ、さらに開閉バルブＶ３を開くとともに開閉バルブＶ４，Ｖ５を閉じる。移送ポンプ２８の動作により、蓄熱タンク２１に貯蔵されている高温の蓄熱媒体が熱交換器２６，２７に供給される。開閉バルブＶ３が開状態とされると、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている高温高圧の圧縮空気が、ヒートポンプユニット３０の放熱器３４を介して膨張機１０に供給される。蓄圧タンク８ａからの高温高圧の圧縮空気は、放熱器３４における高温の冷媒との熱交換によりさらに昇温された後に、膨張機１０に供給される。その結果、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている圧縮空気による発電が行われる。
【0078】
次いで、蓄圧タンク８ａの圧力が発電に必要な圧力よりも低下したならば、または、所定の暖機時間が経過したならば、制御装置４０は、開閉バルブＶ３を閉じるとともに開閉バルブＶ４，Ｖ５を開く。それにより、圧縮空気の供給源が、蓄圧タンク８ａから蓄圧タンク８ｂ，８ｃに切り替えられる。蓄圧タンク８ｂ，８ｃの低温高圧の圧縮空気は、開閉バルブＶ４を通過して熱交換器２６に流入する。熱交換器２６に流入した圧縮空気は蓄熱媒体との熱交換により昇温された後、開閉バルブＶ５を介してヒートポンプユニット３０の放熱器３４に流入する。熱交換器２６で昇温された蓄圧タンク８ｂ，８ｃからの圧縮空気は、放熱器３４における高温の冷媒との熱交換によりさらに昇温された後に、膨張機１０に供給される。その結果、蓄圧タンク８ｂ，８ｃに貯蔵されている圧縮空気による発電が行われる。
【0079】
このように、ＣＡＥＳ装置１Ｅでは、蓄圧タンク８ａから膨張機１０に供給される高温高圧の圧縮空気を放熱器３４で加熱するだけでなく、蓄圧タンク８ｂ，８ｃから膨張機１０に供給される低温高圧の圧縮空気に関しても、熱交換器２６において蓄熱媒体で加熱した後に放熱器３４でさらに加熱するようにした。本実施の形態では、ＣＡＥＳ装置１Ｄの場合と同様に、圧縮空気の供給源を蓄圧タンク８ｂ，８ｃに切り替えた際に、熱交換器２６，２７の暖機不十分による発電電力低下が発生するのを防止することができる。また、膨張機１０は放電動作開始とともに素早く立ち上がることが可能となり、電力需要の変動への応答性の向上を図ることができる。さらに、蓄圧タンク８ａの圧縮空気による放電動作期間だけでなく、蓄圧タンク８ｂ，８ｃの低温高圧の圧縮空気による放電動作期間においても、電力回収効率の向上を図ることができる。
【0080】
（第７の実施の形態）
図８は、本発明の第７の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図８に示すＣＡＥＳ装置１Ｆでは、蓄圧タンク８ａは、開閉バルブＶ３を介して膨張機１０に接続されている。蓄圧タンク８ｂ，８ｃは、開閉バルブＶ４を介して熱交換器２６に接続されている。熱交換器２６の圧縮空気流出側は放熱器３４に接続されている。放熱器３４の圧縮空気流出側は、開閉バルブＶ６を介して膨張機１０に接続されている。その他の構成は図６に示したＣＡＥＳ装置１Ｄと同様である。
図８は、本発明の第７の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図８に示すＣＡＥＳ装置１Ｆでは、蓄圧タンク８ａは、開閉バルブＶ３を介して膨張機１０に接続されている。蓄圧タンク８ｂ，８ｃは、開閉バルブＶ４を介して熱交換器２６に接続されている。熱交換器２６の圧縮空気流出側は放熱器３４に接続されている。放熱器３４の圧縮空気流出側は、開閉バルブＶ６を介して膨張機１０に接続されている。その他の構成は図６に示したＣＡＥＳ装置１Ｄと同様である。
【0081】
上述したように、図６に示したＣＡＥＳ装置１Ｄでは、蓄圧タンク８ａから膨張機１０に供給される高温高圧の圧縮空気を放熱器３４で加熱して、より高温の圧縮空気を膨張機１０に供給するようにしている。一方、図８に示すＣＡＥＳ装置１Ｆでは、蓄圧タンク８ｂ，８ｃから膨張機１０に供給される低温高圧の圧縮空気に関してのみ、放熱器３４で加熱してから膨張機１０に供給するようにした。ＣＡＥＳ装置１Ｆの動作については、充電動作は図６に示したＣＡＥＳ装置１Ｄの場合と同様であり、以下では、放電動作について説明する。
【0082】
（放電動作）
放電動作開始により、制御装置４０は、移送ポンプ２８およびヒートポンプユニット３０を動作させ、さらに開閉バルブＶ３を開くとともに開閉バルブＶ４，Ｖ６を閉じる。移送ポンプ２８の動作により、蓄熱タンク２１に貯蔵されている高温の蓄熱媒体が熱交換器２６，２７に供給される。開閉バルブＶ３が開状態とされると、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている高温高圧の圧縮空気が膨張機１０に供給される。その結果、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている圧縮空気による発電が行われる。
放電動作開始により、制御装置４０は、移送ポンプ２８およびヒートポンプユニット３０を動作させ、さらに開閉バルブＶ３を開くとともに開閉バルブＶ４，Ｖ６を閉じる。移送ポンプ２８の動作により、蓄熱タンク２１に貯蔵されている高温の蓄熱媒体が熱交換器２６，２７に供給される。開閉バルブＶ３が開状態とされると、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている高温高圧の圧縮空気が膨張機１０に供給される。その結果、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている圧縮空気による発電が行われる。
【0083】
次いで、蓄圧タンク８ａの圧力が発電に必要な圧力よりも低下したならば、または、所定の暖機時間が経過したならば、制御装置４０は、開閉バルブＶ３を閉じるとともに開閉バルブＶ４，Ｖ６を開く。それにより、圧縮空気の供給源が、蓄圧タンク８ａから蓄圧タンク８ｂ，８ｃに切り替えられる。蓄圧タンク８ｂ，８ｃの低温高圧の圧縮空気は、開閉バルブＶ４を通過して熱交換器２６に流入する。熱交換器２６に流入した圧縮空気は蓄熱媒体との熱交換により昇温された後、ヒートポンプユニット３０の放熱器３４に流入する。熱交換器２６で昇温された蓄圧タンク８ｂ，８ｃからの圧縮空気は、放熱器３４における高温の冷媒との熱交換によりさらに昇温された後に、開閉バルブＶ６を介して膨張機１０に供給される。その結果、蓄圧タンク８ｂ，８ｃに貯蔵されている圧縮空気による発電が行われる。
【0084】
このように、ＣＡＥＳ装置１Ｆでは、蓄圧タンク８ｂ，８ｃから膨張機１０に供給される低温高圧の圧縮空気に関して、熱交換器２６において蓄熱媒体で加熱した後に、放熱器３４でさらに加熱してから膨張機１０に供給するようにした。そのため、蓄圧タンク８ｂ，８ｃの低温高圧の圧縮空気を用いた放電動作期間において、電力回収効率の向上を図ることができる。また、圧縮空気の供給源を蓄圧タンク８ｂ，８ｃに切り替えた際には、既に熱交換器２６，２７が暖機されているので、切り替え時に発電電力低下が発生するのを防止することができる。さらに、放電開始時に蓄圧タンク８ａに貯蔵された高温高圧の圧縮空気が膨張機１０に供給されるので、膨張機１０は放電動作開始とともに素早く立ち上がることが可能となり、電力需要の変動への応答性の向上を図ることができる。
【0085】
（第８の実施の形態）
図９は、本発明の第８の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図９に示すＣＡＥＳ装置１Ｇにおいて、蓄圧タンク８ａは、開閉バルブＶ３を介して膨張機１０に接続される。蓄圧タンク８ｂ，８ｃは、開閉バルブＶ４を介して放熱器３４ａに接続される。放熱器３４ａの圧縮空気流出側は熱交換器２６に接続される。熱交換器２６の圧縮空気流出側は、開閉バルブＶ７を介して膨張機１０に接続される。膨張機１０の吐出側は、開閉バルブＶ８を介して熱交換器２７に接続されると共に、開閉バルブＶ９を介して放熱器３４ｂに接続される。放熱器３４ｂの圧縮空気流出側は熱交換器２７に接続される。
図９は、本発明の第８の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図９に示すＣＡＥＳ装置１Ｇにおいて、蓄圧タンク８ａは、開閉バルブＶ３を介して膨張機１０に接続される。蓄圧タンク８ｂ，８ｃは、開閉バルブＶ４を介して放熱器３４ａに接続される。放熱器３４ａの圧縮空気流出側は熱交換器２６に接続される。熱交換器２６の圧縮空気流出側は、開閉バルブＶ７を介して膨張機１０に接続される。膨張機１０の吐出側は、開閉バルブＶ８を介して熱交換器２７に接続されると共に、開閉バルブＶ９を介して放熱器３４ｂに接続される。放熱器３４ｂの圧縮空気流出側は熱交換器２７に接続される。
【0086】
ヒートポンプユニット３０の冷媒圧縮機３１から吐出された冷媒は、分流されて放熱器３４ａ，３４ｂに流入する。放熱器３４ａ，３４ｂから流出した冷媒は、合流した後に膨張弁３２に流入する。膨張弁３２で断熱膨張された冷媒は、分流されて蒸発器３５ａ，３５ｂに流入する。蒸発器３５ａ，３５ｂから流出された冷媒は、合流した後に冷媒圧縮機３１へ戻る。
【0087】
高温側の蓄熱タンク２１の蓄熱媒体は、移送ポンプ２８によって熱交換器２６，２７に供給される。熱交換器２６，２７を流出した蓄熱媒体は、合流した後に蒸発器３５ａ，３５ｂにそれぞれ流入する。蒸発器３５ａ，３５ｂから流出された蓄熱媒体は、合流した後に低温側の蓄熱タンク２２に戻る。その他の構成は図６に示したＣＡＥＳ装置１Ｄと同様である。ＣＡＥＳ装置１Ｇの動作については、充電動作は図６に示したＣＡＥＳ装置１Ｄの場合と同様であり、以下では、放電動作について説明する。
【0088】
（放電動作）
放電動作開始により、制御装置４０は、移送ポンプ２８およびヒートポンプユニット３０を動作させ、さらに開閉バルブＶ３，Ｖ８を開くとともに開閉バルブＶ４，Ｖ７，Ｖ９を閉じる。移送ポンプ２８の動作により、蓄熱タンク２１に貯蔵されている高温の蓄熱媒体が熱交換器２６，２７に供給され、熱交換器２６，２７から流出する蓄熱媒体は蒸発器３５ａ，３５ｂを通過して蓄熱タンク２２に戻る。開閉バルブＶ３が開状態とされると、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている高温高圧の圧縮空気が膨張機１０に供給される。膨張機１０で断熱膨張した空気は、開閉バルブＶ８を通って熱交換器２７に流入する。熱交換器２７において蓄熱媒体により昇温された空気は、膨張機１１で２段目の断熱膨張が行われ大気に放出される。その結果、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている圧縮空気による発電が行われる。
放電動作開始により、制御装置４０は、移送ポンプ２８およびヒートポンプユニット３０を動作させ、さらに開閉バルブＶ３，Ｖ８を開くとともに開閉バルブＶ４，Ｖ７，Ｖ９を閉じる。移送ポンプ２８の動作により、蓄熱タンク２１に貯蔵されている高温の蓄熱媒体が熱交換器２６，２７に供給され、熱交換器２６，２７から流出する蓄熱媒体は蒸発器３５ａ，３５ｂを通過して蓄熱タンク２２に戻る。開閉バルブＶ３が開状態とされると、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている高温高圧の圧縮空気が膨張機１０に供給される。膨張機１０で断熱膨張した空気は、開閉バルブＶ８を通って熱交換器２７に流入する。熱交換器２７において蓄熱媒体により昇温された空気は、膨張機１１で２段目の断熱膨張が行われ大気に放出される。その結果、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている圧縮空気による発電が行われる。
【0089】
次いで、蓄圧タンク８ａの圧力が発電に必要な圧力よりも低下したならば、または、所定の暖機時間が経過したならば、制御装置４０は、開閉バルブＶ３，Ｖ８を閉じるとともに開閉バルブＶ４，Ｖ７，Ｖ９を開く。それにより、圧縮空気の供給源が、蓄圧タンク８ａから蓄圧タンク８ｂ，８ｃに切り替えられる。蓄圧タンク８ｂ，８ｃの低温高圧の圧縮空気は、開閉バルブＶ４を通過して放熱器３４ａに流入する。圧縮空気は、放熱器３４ａで加熱されて昇温した後に熱交換器２６に流入する。圧縮空気は、熱交換器２６において蓄熱媒体により加熱されて温度がさらに上昇し、開閉バルブＶ７を介して膨張機１０に供給される。膨張機１０で断熱膨張した圧縮空気は、開閉バルブＶ９を通過して放熱器３４ｂに流入する。放熱器３４ｂで冷媒により加熱されて昇温した圧縮空気は熱交換器２７に流入し、熱交換器２７において蓄熱媒体により加熱されて温度がさらに上昇する。熱交換器２７から流出した圧縮空気は、膨張機１１に供給されて２段目の断熱膨張が行われる。このようにして、蓄圧タンク８ｂ，８ｃに貯蔵されている圧縮空気による発電が行われる。
【0090】
ＣＡＥＳ装置１Ｇでは、放電開始時に蓄圧タンク８ａに貯蔵された高温高圧の圧縮空気が膨張機１０に供給されるので、膨張機１０は放電動作開始とともに素早く立ち上がることが可能となり、電力需要の変動への応答性の向上を図ることができる。また、圧縮空気の供給源を蓄圧タンク８ｂ，８ｃに切り替えた際には、既に熱交換器２６，２７が暖機されているので、切り替え時に発電電力低下が発生するのを防止することができる。さらに、蓄圧タンク８ｂ，８ｃの低温高圧な圧縮空気により放電動作を行う際には、放熱器３４ａで加熱された空気をさらに熱交換器２６で加熱して膨張機１０に供給し、同様に、放熱器３４ｂで加熱された空気をさらに熱交換器２７で加熱して膨張機１１に供給しているので、電力回収効率の向上を図ることができる。
【0091】
（第９の実施の形態）
図１０は、本発明の第９の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図１０に示すＣＡＥＳ装置１Ｈは、前述した図５に示すＣＡＥＳ装置１Ｃのようにヒートポンプユニット３０を充電動作時に使用する構成において、蓄圧タンク８に代えて複数の蓄圧タンク８ａ、８ｂ、８ｃを備える構成に変形したものである。また、蓄熱媒体は１００℃以上の高温になることがあるため、蓄熱媒体には加圧水や鉱物油系またはグリコール系等の蓄熱媒体を用いる。
図１０は、本発明の第９の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）の概略構成を示す図である。図１０に示すＣＡＥＳ装置１Ｈは、前述した図５に示すＣＡＥＳ装置１Ｃのようにヒートポンプユニット３０を充電動作時に使用する構成において、蓄圧タンク８に代えて複数の蓄圧タンク８ａ、８ｂ、８ｃを備える構成に変形したものである。また、蓄熱媒体は１００℃以上の高温になることがあるため、蓄熱媒体には加圧水や鉱物油系またはグリコール系等の蓄熱媒体を用いる。
【0092】
（充電動作）
充電動作においては、制御装置４０は、まず、開閉バルブＶ１，Ｖ２を開く。そして、グリッド電力３からの入力電力により、モータ４，５、ヒートポンプユニット３０および移送ポンプ２９を駆動する。それにより、圧縮機６および圧縮機７による大気の２段圧縮が行われる。また、移送ポンプ２９の駆動により、低温側の蓄熱タンク２２に貯蔵されている約４０℃の蓄熱媒体が、蒸発器３５を介して熱交換器２４，２５に供給される。蓄熱タンク２２から流出された蓄熱媒体は、ヒートポンプユニット３０の蒸発器３５において冷媒に吸熱され、温度が約４０℃から約２０℃に低下する。蒸発器３５から流出された約２０℃の蓄熱媒体は、分流されて各熱交換器２４，２５に流入する。
充電動作においては、制御装置４０は、まず、開閉バルブＶ１，Ｖ２を開く。そして、グリッド電力３からの入力電力により、モータ４，５、ヒートポンプユニット３０および移送ポンプ２９を駆動する。それにより、圧縮機６および圧縮機７による大気の２段圧縮が行われる。また、移送ポンプ２９の駆動により、低温側の蓄熱タンク２２に貯蔵されている約４０℃の蓄熱媒体が、蒸発器３５を介して熱交換器２４，２５に供給される。蓄熱タンク２２から流出された蓄熱媒体は、ヒートポンプユニット３０の蒸発器３５において冷媒に吸熱され、温度が約４０℃から約２０℃に低下する。蒸発器３５から流出された約２０℃の蓄熱媒体は、分流されて各熱交換器２４，２５に流入する。
【0093】
圧縮機６により断熱圧縮された高温の圧縮空気は吐出口より吐出されて熱交換器２４に流入し、熱交換器２４に供給される約２０℃の蓄熱媒体と熱交換を行う。この熱交換により蓄熱媒体は約１００℃に昇温され、熱交換器２４から流出される。また、熱交換器２４において熱交換した圧縮空気は常温程度の低温となり、熱交換器２４の下流側に設けられた圧縮機７により吸入される。圧縮機７に吸入された常温の圧縮空気は、圧縮機７により２段目の断熱圧縮が行われ、高温でより高圧の圧縮空気となる。
【0094】
圧縮機７から吐出された高温高圧状態の圧縮空気は、開閉バルブＶ２を介して蓄圧タンク８ａに貯蔵されるとともに、開閉バルブＶ１を介して熱交換器２５を通過した後に蓄圧タンク８ｂ、８ｃに貯蔵される。なお、圧縮機７にて２段目の断熱圧縮が行われて吐出される圧縮空気の温度は約１３０℃程度なので、蓄圧タンク８ａに貯蔵される圧縮空気の温度は約１２０℃程度となる。熱交換器２５に導入された圧縮空気は、約２０℃の蓄熱媒体と熱交換を行い常温程度となり、蓄圧タンク８ｂ、８ｃに貯蔵される。また、熱交換器２５から流出される蓄熱媒体の温度は、圧縮空気との熱交換により約１００℃となる。
【0095】
熱交換器２４，２５から流出された蓄熱媒体は、合流した後にヒートポンプユニット３０の放熱器３４に流入する。放熱器３４では、熱交換により冷媒から蓄熱媒体へと放熱され、蓄熱媒体の温度は約１２０℃に上昇する。約１２０℃に加熱された蓄熱媒体は、高温側の蓄熱タンク２１に貯蔵される。
【0096】
次いで、蓄圧タンク８ａの圧力が規定圧力値に達したならば、開閉バルブＶ２を閉じて蓄圧タンク８ａへの圧縮空気の貯蔵を終了する。その結果、圧縮機７から吐出される高温高圧の圧縮空気の全てが開閉バルブＶ１を通って熱交換器２５へ流入する。熱交換器２５では高温の圧縮空気から蓄熱媒体へと熱が移動し、蓄熱媒体は約１００℃に昇温され、圧縮空気は常温程度の低温となる。熱交換器２５から流出される低温高圧の圧縮空気は、蓄圧タンク８ｂおよび蓄圧タンク８ｃに流入し、貯蔵される。
【0097】
（放電動作）
放電動作開始により、制御装置４０は、移送ポンプ２８を動作させるとともに開閉バルブＶ３を開く。移送ポンプ２８の動作により、蓄熱タンク２１に貯蔵されている高温の蓄熱媒体が熱交換器２６，２７に供給される。開閉バルブＶ３が開状態とされると、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている約１２０℃の圧縮空気が、ヒートポンプユニット３０の放熱器３４を介して膨張機１０に供給される。膨張機１０に供給された約１２０℃の圧縮空気は、膨張機１０で断熱膨張されて温度が低下する。温度が低下した圧縮空気は、熱交換器２７により約１００℃に加熱された後に２段目の膨張機１１に供給される。そして、膨張機１１により断熱膨張された空気は低温低圧の状態となり、膨張機１１の吐出口より大気開放される。圧縮空気により膨張機１０，１１が駆動され、発電機１２，１３による発電が行われる。
放電動作開始により、制御装置４０は、移送ポンプ２８を動作させるとともに開閉バルブＶ３を開く。移送ポンプ２８の動作により、蓄熱タンク２１に貯蔵されている高温の蓄熱媒体が熱交換器２６，２７に供給される。開閉バルブＶ３が開状態とされると、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている約１２０℃の圧縮空気が、ヒートポンプユニット３０の放熱器３４を介して膨張機１０に供給される。膨張機１０に供給された約１２０℃の圧縮空気は、膨張機１０で断熱膨張されて温度が低下する。温度が低下した圧縮空気は、熱交換器２７により約１００℃に加熱された後に２段目の膨張機１１に供給される。そして、膨張機１１により断熱膨張された空気は低温低圧の状態となり、膨張機１１の吐出口より大気開放される。圧縮空気により膨張機１０，１１が駆動され、発電機１２，１３による発電が行われる。
【0098】
蓄圧タンク８ａの圧力が発電に必要な圧力よりも低下したならば、または、所定の暖機時間が経過したならば、開閉バルブＶ３を閉じるとともに開閉バルブＶ４を開いて、圧縮空気の供給源を蓄圧タンク８ａから蓄圧タンク８ｂ，８ｃに切り替える。蓄圧タンク８ｂ，８ｃからの低温定圧の圧縮空気は、開閉バルブＶ４を通過して熱交換器２６に流入する。熱交換器２６に流入した圧縮空気は、蓄熱媒体との熱交換により約７０℃に加熱され、膨張機１０で断熱膨張して膨張機１０を駆動する。膨張機１０により断熱膨張されて低温となった空気は、熱交換器２７において高温の蓄熱媒体と熱交換することにより、再び７０℃程度の高温となり膨張機１１に供給される。膨張機１１に供給された圧縮空気は、膨張機１１において２段目の断熱膨張を行うことにより低温低圧の状態となり、膨張機１１の吐出口より大気開放される。
【0099】
本実施の形態では、図６のＣＡＥＳ装置１Ｄの場合と同様に、熱交換器２６，２７への蓄熱媒体の供給は充電動作開始とともに開始され、その後、暖機時間またはそれよりも長い時間が経過してから開閉バルブＶ４を開いて圧縮空気の供給源を蓄圧タンク８ｂ，８ｃに切り替えるようにしている。そのため、圧縮空気の供給源を蓄圧タンク８ｂ，８ｃに切り替えた際に、熱交換器２６，２７の暖機不十分による発電電力低下が発生するのを、防止することができる。
【0100】
また、本実施の形態では、図５のＣＡＥＳ装置１Ｃの場合と同様に、加圧水等の沸点の高い蓄熱媒体を使用するとともに、ヒートポンプユニット３０によって低温側の蓄熱媒体から高温側の蓄熱媒体へ熱移送することで、より高温（約１２０℃）の蓄熱媒体を蓄熱タンク２１に貯蔵するようにしている。蓄熱タンク２１に貯蔵されたより高温（約１２０℃）の蓄熱媒体を熱交換器２６，２７に供給することで、膨張機１０，１１に供給される空気の温度を第１の実施の形態の場合よりも高い約１００℃に加熱するようにした。その結果、電力回収効率の向上を図ることができる。
【0101】
また、暖機期間を含む放電動作開始時から開閉バルブＶ４が開に切り替えるまでの期間においては、蓄圧タンク８ａに貯蔵されている高温高圧の圧縮空気を膨張機１０に供給するようにしている。その結果、膨張機１０は、放電動作開始とともに素早く立ち上がることができ、電力需要の変動への応答性の向上を図ることができる。
【0102】
上述した各実施の形態においては、圧縮機６，７および膨張機１０，１１による２段圧縮／２段膨張型としているが、単段圧縮／単段膨張、または３段以上、更には圧縮と膨張で異なる段数の組み合わせであっても適用可能である。更に、圧縮機、膨張機の台数は共に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、モータと圧縮機、発電機と膨張機の台数も異なる台数の組み合わせでもよい。さらに、各実施の形態では圧縮機６，７と膨張機１０，１１とを別々の機器としているが、圧縮機と膨張機（モータと発電機）を兼用してもよい。
【0103】
例えば、図１１に示すＣＡＥＳ装置１Ｊは、図１に示した２段構成のＣＡＥＳ装置１を単段構成に変更した場合を示す。充電動作時においては、圧縮機６で単段圧縮された圧縮空気は、熱交換器２４で蓄熱媒体と熱交換した後に低温高圧の圧縮空気として蓄圧タンク８に貯蔵される。熱交換器２４で加熱された蓄熱媒体は蓄熱タンク２１に貯蔵される。放電動作時においては、蓄熱タンク２１から流出された蓄熱媒体は、ヒートポンプユニット３０の放熱器３４によって加熱された後に熱交換器２６に供給される。蓄圧タンク８から膨張機１０に供給される圧縮空気は、熱交換器２６における蓄熱媒体との熱交換により加熱されてから膨張機１０に供給される。
【0104】
ＣＡＥＳ装置１Ｊにおいても、ヒートポンプユニット３０を設けて、熱交換器２６から排出される低温側の蓄熱媒体から吸熱し、熱交換器２６に流入する高温側の蓄熱媒体へ放熱するようにした。そのため、蓄熱媒体に蓄熱した圧縮熱をより効率良く回収して膨張前の圧縮空気へ熱移送することができ、膨張機１０に供給される圧縮空気をより高温とすることができる。その結果、電力回収効率の向上を図ることができるとともに、電力需要の変動への応答性をより向上させることができる。
【0105】
【0106】
上述した各実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏する。
【0107】
（Ｃ１）図１１に示すように、圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）１Ｊは、モータ（電動機）４により駆動され、空気を圧縮する圧縮機６と、圧縮機６で圧縮された圧縮空気との熱交換により蓄熱媒体を加熱する第１の熱交換器２４と、熱交換器２４で熱交換した後の圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンク８と、蓄圧タンク８に貯蔵された圧縮空気により駆動される膨張機１０と、膨張機１０により駆動される発電機１２と、熱交換器（第１熱交換器）２４で加熱された蓄熱媒体との熱交換により、膨張機１０に流入する圧縮空気を加熱する熱交換器（第２熱交換器）２６と、熱交換器２６で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、膨張機１０を駆動する圧縮空気へ放熱するためのヒートポンプユニット（ヒートポンプ装置）３０と、を備える。
【0108】
（Ｃ２）上記（Ｃ１）において、図１，１１等に示すように、ヒートポンプユニット３０により、熱交換器２６，２７で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、熱交換器２６，２７に供給される蓄熱媒体に対して放熱するようにしても良い。
【0109】
上記（Ｃ１），（Ｃ２）に関して、例えば、図１１に示すＣＡＥＳ装置１Ｊでは、ヒートポンプユニット３０を用いて、圧縮空気を昇温する熱交換器２６から排出される低温側の蓄熱媒体から吸熱し、熱交換器２４で昇温されて熱交換器２６に流入する高温側の蓄熱媒体へ放熱するようにした。すなわち、低温側の蓄熱媒体から吸熱した熱エネルギを、熱交換器２６に流入する蓄熱媒体を介して膨張機１０を駆動する圧縮空気へ放熱するようにした。そのため、蓄熱媒体に蓄熱した圧縮熱（熱エネルギ）をより効率良く回収して膨張前の圧縮空気へ熱移送することができる。その結果、熱交換器２６に流入する蓄熱媒体はより高温となり、膨張機１０に供給される圧縮空気をより高温とすることができる。すなわち、電力回収効率の向上を図ることができるとともに、電力需要の変動への応答性をより向上させることができる。
【0110】
（Ｃ３）上記（Ｃ１）において、図３に示すＣＡＥＳ装置１Ａのように、ヒートポンプユニット３０は、冷媒が循環する蒸発器（吸熱器）３５および放熱器３４ａ，３４ｂを備え、蒸発器３５は、熱交換器２６で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、放熱器３４ａ，３４ｂは、蒸発器３５で吸熱した熱エネルギを熱交換器２６，２７で加熱された圧縮空気に対して放熱する。
【0111】
熱交換器２６で昇温された圧縮空気は放熱器３４ａによりさらに昇温されて膨張機１０に供給され、熱交換器２７で昇温された圧縮空気は放熱器３４ｂによりさらに昇温されて膨張機１１に供給される。このように、図３に示すＣＡＥＳ装置１Ａでは、蒸発器３５により低温側の蓄熱媒体から吸熱した熱エネルギを、放熱器３４ａ，３４ｂにより熱交換器２６，２７で昇温された圧縮空気に放熱している。その結果、膨張機１０，１１を駆動する圧縮空気をより高温とすることができ、発電電力の増加によって電力回収効率の向上を図ることができる。また、圧縮空気の温度をより高温にできるので、膨張前の圧縮空気の昇温が早く、電力需要の変動への応答性をより向上させることができる。
【0112】
（Ｃ４）上記（Ｃ３）において、図４に示すＣＡＥＳ装置１Ｂのように、熱交換器（２６ａ，２７ａ）は、熱交換器２４，２５で昇温された蓄熱媒体と、放熱器３４ａ，３４ｂから流出する冷媒と、膨張機１０，１１に供給される圧縮空気とが流入する、三流体熱交換器２６ａ，２７ａで構成される。放熱器３４ａ，３４ｂで圧縮空気に放熱した後の蓄熱媒体を三流体熱交換器２６ａ，２７ａに流入させて、圧縮空気に放熱させるようにしているので、ヒートポンプユニット３０の膨張弁３２に戻る冷媒の温度は、図３の構成の場合と比べてより低温となる。そのため、断熱膨張後の冷媒温度をより低温にすることができ、蒸発器３５における蓄熱媒体から冷媒への吸熱（熱回収）をより大きくすることができる。その結果、ヒートポンプユニット３０による熱回収効率が高くなり消費電力の低減が可能となり、ＣＡＥＳ装置１Ｂの電力回収効率の向上を図ることができる。
【0113】
（Ｃ５）上記（Ｃ１）において、図６に示すように、ＣＡＥＳ装置１Ｄは、熱交換器（第１熱交換器）２４，２５で熱交換した後の圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンク（主蓄圧タンク）８ｂ，８ｃとは別に、熱交換器２５の圧縮空気の入口側に接続され、圧縮機６，７で圧縮された圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンク（副蓄圧タンク）８ａをさらに備え、熱交換器（第２熱交換器）２６，２７は、蓄圧タンク８ｂ，８ｃから膨張機１０，１１に流入する圧縮空気を、熱交換器２４，２５で加熱された蓄熱媒体との熱交換により加熱し、蓄圧タンク８ａに貯蔵された圧縮空気により膨張機１０，１１を駆動させると共に熱交換器２４，２５で加熱された蓄熱媒体の熱交換器２６，２７への流入を開始させ、その後、蓄圧タンク８ｂ，８ｃに貯蔵された圧縮空気により膨張機１０，１１を駆動させる制御装置４０を備える。
【0114】
例えば、図６～９に示すＣＡＥＳ装置１Ｄ～１Ｇでは、ヒートポンプユニット３０は、熱交換器２６，２７で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、放熱器３４により膨張機１０，１１に供給される圧縮空気に放熱している。また、図１０、に示すＣＡＥＳ装置１Ｄ～１Ｇでは、ヒートポンプユニット３０は、熱交換器２６，２７で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、熱交換器２６，２７に供給される蓄熱媒体に対して放熱器３４により放熱している。すなわち、低温側の蓄熱媒体から吸熱した熱エネルギを、熱交換器２６，２７に流入する蓄熱媒体を介して、膨張機１０，１１を駆動する圧縮空気へ放熱している。
【0115】
上述のように、ヒートポンプユニット３０は、熱交換器２６，２７で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、膨張機１０，１１を駆動する圧縮空気へ放熱する。そのため、膨張機１０，１１へ供給される圧縮空気の温度を従来よりも高くすることができ、電力回収効率の向上および応答性のさらなる向上を図ることができる。
【0116】
また、蓄圧タンク８ａに貯蔵された高温高圧の圧縮空気により膨張機１０，１１を駆動させた後に、蓄圧タンク８ｂ，８ｃの低温高圧の圧縮空気による駆動に切り替えるので、膨張機１０，１１は、放電動作開始とともに素早く立ち上がることができ、電力需要の変動への応答性の向上を図ることができる。
【0117】
さらに、蓄圧タンク８ａに貯蔵された圧縮空気により膨張機１０，１１を駆動させると共に熱交換器２４で昇温された蓄熱媒体の熱交換器２６，２７への流入を開始し、その後、蓄圧タンク８ｂ，８ｃに貯蔵された圧縮空気により膨張機１０，１１を駆動させるので、圧縮空気の供給源を蓄圧タンク８ａから蓄圧タンク８ｂ，８ｃに切り替えた際に、熱交換器２６，２７の暖機不十分による発電電力低下が発生するのを、防止することができる。
【0118】
（Ｃ６）上記（Ｃ５）において、ヒートポンプユニット３０は、熱交換器２６，２７で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、蓄圧タンク８ｂ，８ｃから膨張機１０に流入する圧縮空気および蓄圧タンク８ａから膨張機１０に流入する圧縮空気の少なくとも一方へ放熱する。例えば、図６に示すＣＡＥＳ装置１Ｄでは、蓄圧タンク８ａから膨張機１０に流入する圧縮空気へ放熱し、図７に示すＣＡＥＳ装置１Ｅでは、蓄圧タンク８ａおよび蓄圧タンク８ｂ，８ｃから膨張機１０に流入する圧縮空気の両方へ放熱し、図８，９に示すＣＡＥＳ装置１Ｆ，１Ｇでは、蓄圧タンク８ｂ，８ｃから膨張機１０に流入する圧縮空気へ放熱している。そのため、膨張機１０，１１に供給される圧縮空気の温度を従来よりも高くすることができ、電力回収効率の向上および応答性のさらなる向上を図ることができる。
【0119】
（Ｃ７）上記（Ｃ６）において、図９のＣＡＥＳ装置１Ｇに示すように、膨張機１０，１１は多段膨張機を構成し、第１膨張段である膨張機１０と第２膨張段である膨張機１１を有する。そして、熱交換器２６，２７は、膨張機１０および膨張機１１の各々の流入側に個別に設けられ、ヒートポンプユニット３０は、熱交換器２６，２７で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、蓄圧タンク８ｂ，８ｃから膨張機１０に流入する圧縮空気へ、および、膨張機１０から膨張機１１に流入する圧縮空気へ放熱する。そのため、膨張機１０により駆動される発電機１２による発電量、および、膨張機１１により駆動される発電機１３による発電量が増加し、電力回収効率の向上を図ることができる。
【0120】
（Ｃ８）上記（Ｃ５）において、図１０に示すＣＡＥＳ装置１Ｈのように、ヒートポンプユニット３０は、熱交換器２６，２７で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、熱交換器２６，２７に供給される蓄熱媒体に対して放熱する。そのため、熱交換器２６，２７で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱した熱エネルギは、熱交換器２６，２７に供給される蓄熱媒体を介して膨張機１０，１１に供給される圧縮空気に放熱されることになる。その結果、膨張機１０，１１へ供給される圧縮空気の温度を従来よりも高くすることができ、電力回収効率の向上および応答性のさらなる向上を図ることができる。
【0121】
（Ｃ９）上記（Ｃ１）において、ヒートポンプユニット３０に、冷媒を用いた蒸気圧縮サイクルが採用されたヒートポンプ装置を用いても良い。
【0122】
（Ｃ１０）上記（Ｃ１）において、蓄熱媒体には加圧水が用いられる。加圧水は沸点が加圧されない水に比べて高いので、蓄熱媒体の温度をより高くまで上昇させることができ、蓄熱媒体によって圧縮空気をより高温に加熱することができ、電力回収効率をより向上させることができる。
【0123】
（Ｃ１１）図１１に示すように、ヒートポンプユニット３０は、圧縮機６で空気を圧縮して得られる圧縮空気と圧縮熱とを貯蔵し、熱交換器２６における圧縮空気と圧縮熱を吸熱した蓄熱媒体との熱交換により圧縮空気を加熱し、加熱後の圧縮空気により膨張機１０を駆動して発電を行う圧縮空気エネルギ貯蔵装置に用いられるヒートポンプ装置であって、熱交換器２６で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱する蒸発器３５と、熱交換器２６に流入する蓄熱媒体に対して放熱する放熱器３４と、を備える。そのため、ヒートポンプユニット３０により、蓄熱媒体に蓄熱された熱エネルギを効率よく圧縮空気へ移送することができ、圧縮空気エネルギ貯蔵装置における電力回収効率の向上を図ることができる。
【0124】
以上に記載した各実施の形態において、再生可能エネルギによる発電の対象としては、例えば、風力、太陽光、太陽熱、波力または潮力、流水または潮汐、および地熱等、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。また、これらの電力を供給するグリッド電力はグリッド電力だけでなく、地域、あるいは工場内のマイクログリッド電力であってもよい。
【0125】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。例えば、上述した各実施の形態では、ヒートポンプユニット３０に、冷媒を用いた蒸気圧縮サイクルを採用したヒートポンプ装置を用いたが、吸収式ヒートポンプ装置を使用しても良い。また、上述の異なる実施の形態で説明した構成同士を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【0126】
１，１Ａ～１Ｈ，１Ｊ…圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）、２Ａ…圧縮機ユニット、２Ｂ…膨張機ユニット、３…グリッド電力、４，５…モータ（電動機）、６，７…圧縮機、８，８ａ，８ｂ，８ｃ…蓄圧タンク、９…インバータ装置、１０，１１…膨張機、１２，１３…発電機、１４…パワーコンディショナ、２０…蓄熱ユニット、２１，２２…蓄熱タンク、２４～２７…熱交換器、２６ａ，２７ａ…三流体熱交換器、２８，２９…移送ポンプ、３０…ヒートポンプユニット、３１…冷媒圧縮機、３２…膨張弁、３４，３４ａ，３４ｂ…放熱器、３５…蒸発器、４０…制御装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】