特許 7375014 発電システム及び発電方法

(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】

(24)【登録日】2023-10-27

(45)【発行日】2023-11-07

(54)【発明の名称】発電システム及び発電方法

(51)【国際特許分類】

   F02C 7/143 20060101AFI20231030BHJP

   F02C 6/14 20060101ALI20231030BHJP

【ＦＩ】

F02C7/143

F02C6/14

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021527296

(86)(22)【出願日】2019-06-28

(86)【国際出願番号】 JP2019025925

(87)【国際公開番号】W WO2020261559

(87)【国際公開日】2020-12-30

【審査請求日】2022-05-23

(73)【特許権者】

【識別番号】519355493

【氏名又は名称】日揮グローバル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002756

【氏名又は名称】弁理士法人弥生特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小西 雄介

(72)【発明者】

【氏名】角谷 謙

(72)【発明者】

【氏名】安達 修

(72)【発明者】

【氏名】神谷 篤志

【審査官】高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－１９３４８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－３１２３７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２３８３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－１２７８５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００５８７６８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｃ ７／１４

Ｆ０２Ｃ ７／１４３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気の圧縮及び冷却を行い、液体空気を生成する液体空気生成部と、
前記液体空気を貯蔵する貯蔵部と、
前記貯蔵部から供給された前記液体空気を気化させて圧縮空気を生成する気化部と、
前記気化部から供給された圧縮空気を膨張させる膨張機と、
前記膨張機における空気の膨張により駆動する第１の発電機と、
前記膨張機において膨張して冷却された空気を、第２の発電機であるガスタービン発電機と前記ガスタービン発電機に空気を供給する第１の空気供給ラインとを備える発電所における前記第１の空気供給ラインに供給して前記ガスタービン発電機が吸気する空気の温度を低下させるために、当該第１の空気供給ラインと前記膨張機とを接続する第２の空気供給ラインと、
前記第１の空気供給ラインに設けられた、前記ガスタービン発電機へ供給される空気の温度を低下させるための第１の熱交換器と、
前記気化部に備えられた、前記液体空気または当該液体空気から生成した空気を加熱するための第２の熱交換器と、
前記第１の熱交換器に供給される空気、前記第２の熱交換器に供給される液体空気または空気の各々と熱交換するための熱交換用の流体が、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間で移動するように、当該流体を循環させる第１の流体循環ラインと、
を備える発電システム。

【請求項2】

前記第２の空気供給ラインにおいて、前記膨張機から供給される空気の温度を上昇させるための第３の熱交換器が設けられ、
前記第１の熱交換器と当該第３の熱交換器との間で前記熱交換用の流体が移動するように、当該流体を循環させる第２の流体循環ラインが設けられる請求項１記載の発電システム。

【請求項3】

前記第１の空気供給ラインにおける空気流に、前記第２の空気供給ラインから供給される空気を混合させるための混合部が設けられる請求項１記載の発電システム。

【請求項4】

前記混合部は、当該第１の空気供給ラインの空気流に、前記第２の空気供給ラインから供給された空気をスプレーするノズルである請求項３記載の発電システム。

【請求項5】

空気の圧縮及び冷却を行い、液体空気を生成する液体空気生成部と、
前記液体空気を貯蔵する貯蔵部と、
前記貯蔵部から供給された前記液体空気を気化させて圧縮空気を生成する気化部と、
前記気化部から供給された圧縮空気を膨張させる膨張機と、
前記膨張機における空気の膨張により駆動する第１の発電機と、
前記膨張機において膨張して冷却された空気を、第２の発電機であるガスタービン発電機と前記ガスタービン発電機に空気を供給する第１の空気供給ラインとを備える発電所における前記第１の空気供給ラインに供給して前記ガスタービン発電機が吸気する空気の温度を低下させるために、当該第１の空気供給ラインと前記膨張機とを接続する第２の空気供給ラインと、
前記第１の空気供給ラインにおける空気流に、前記第２の空気供給ラインから供給される空気を混合させるための混合部と、
を備え、
前記混合部は、当該第１の空気供給ラインの空気流に、前記第２の空気供給ラインから供給された空気をスプレーするノズルであり、
前記混合部は、前記第１の空気供給ラインの流路方向に見て、中央に上流側から供給された空気を下流側に供給する貫通孔を備えた環状体として構成され、
当該環状体の周方向の互いに異なる位置に前記第２の空気供給ラインから供給される空気を各々吐出する吐出口が設けられる発電システム。

【請求項6】

前記液体空気生成部は、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、
燃料として天然ガスを前記ガスタービン発電機に供給するために、液化天然ガスを加熱して気化させる液化天然ガス気化器と、を含み、
前記液化天然ガス気化器における前記液化天然ガスと、前記圧縮機により生成した圧縮空気との間における熱交換により、当該液化天然ガスの加熱と、当該圧縮空気の冷却とが行われる請求項１記載の発電システム。

【請求項7】

前記液体空気生成部及び前記気化部は、共通する第４の熱交換器を備え、
前記液化天然ガス気化器により冷却された圧縮空気と、前記貯蔵部から前記膨張機へ向けて供給される液体空気または当該液体空気から生成した空気との間で熱交換が行われることで、前記圧縮空気の冷却と前記液体空気または前記空気の加熱とが行われる請求項６記載の発電システム。

【請求項8】

前記貯蔵部と前記気化部とを接続する液体空気の供給ラインに設けられ、前記気化部へ液体空気を供給するためのポンプと、
前記ポンプの下流側で前記液体空気の供給ラインから分岐して設けられ、前記貯蔵部へ当該液体空気を還流させる還流ラインと、
前記気化部と前記貯蔵部との間で、前記ポンプによる前記液体空気の供給先を切り替える切り替え部と、
が設けられる請求項１記載の発電システム。

【請求項9】

空気の圧縮及び冷却を行い、液体空気を生成する工程と、
前記液体空気を貯蔵部に貯蔵する工程と、
前記貯蔵部から供給された前記液体空気を気化部により気化させて圧縮空気を生成する工程と、
前記気化部から供給された圧縮空気を膨張機により膨張させる工程と、
前記膨張機における空気の膨張によって第１の発電機を駆動する工程と、
第２の発電機であるガスタービン発電機と前記ガスタービン発電機に空気を供給する第１の空気供給ラインとを備える発電所における前記ガスタービン発電機が吸気する空気の温度を低下させるために、前記膨張機において膨張して冷却された空気を前記第１の空気供給ラインと前記膨張機とを接続する第２の空気供給ラインに供給する工程と、
前記ガスタービン発電機へ供給する空気の温度を第１の熱交換器で低下させる工程と、
前記気化部に備えた第２の熱交換器で前記液体空気または当該液体空気から生成した空気を加熱する工程と、
前記第１の熱交換器に供給される空気、前記第２の熱交換器に供給される液体空気または空気の各々と熱交換させる熱交換用の流体を前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間で循環させる工程と、
を備える発電方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、貯蔵した液体空気を用いる発電システム及び発電方法に関する。

【背景技術】

【0002】

温室効果ガスを排出しない利点が有ることから、太陽光、風力、地熱などの再生可能エネルギーを用いる発電が有望視され、その導入が進められている。しかし再生可能エネルギーによる発電のうちで主要な太陽光発電、風力発電については気象条件により、その発電量が左右されてしまう。この問題についてより具体的に述べると、電力系統から安定した周波数で電気を利用者に供給するためには、電力の需給のバランスをとることが求められる。言い換えれば、電力の需給バランスをとることで、供給される電気の周波数の調整がなされている。再生可能エネルギーによる発電と併用される他の発電による発電量、特に火力発電による発電量を調整することによって、この需給バランスを取ることが図られている。

【0003】

しかし、上記のように気象条件の影響を受けるので、太陽光発電及び風力発電の発電量の調整は困難である。従って、これら太陽光発電及び風力発電を中心とする再生可能エネルギーを用いた発電システムの電力系統への導入が進むと、当該再生可能エネルギーによる発電量が大きくなるときには上記の他の発電による発電量を低下させたとしても、電力系統の電力の供給量が電力の需要量を超えて、余剰電力が生じてしまう懸念が有る。

【0004】

また、再生可能エネルギーを用いた発電システムの導入が進んだ電力系統においては１日のうちの特定の時間帯で、当該再生可能エネルギーによる発電量が急激に、大きく変動してしまう。そのため、このような再生可能エネルギーの発電量の変動に対して、火力発電などの他の発電による発電量の変動が追従しきれず、上記の電力の需給バランスが保てなくなる懸念が有る。このような懸念が生じる背景には、火力発電の発電量が気温の影響を受けてしまうことで、再生可能エネルギーの発電量が低下したときに、当該火力発電からは高い発電量が得られない場合が有るというという理由も存在する。

【0005】

そこで、発電量の調整代を確保する目的で、蓄電池を設けることが考えられる。即ち、再生可能エネルギーによる発電量が余剰となるときに、その余剰の電力を蓄電する蓄電池を設け、電力の需要が増加して火力発電等による発電量の増加でまかないきれないときに、当該蓄電池からの放電によって対応することが考えられる。ただし、各種の蓄電池のうちＮａＳ（ナトリウム・硫黄）電池をはじめとして、その多くは、安全性の不安、実用上の不安、立地上の制約、高コスト、低寿命などの各種の問題が有ることが懸念されている。

【0006】

上記した各種の問題が解消された蓄電池として、ＬＡＥＳ（Liquid Air Energy Storage）と呼ばれる、液体空気を生成して貯蔵する設備を含むシステムが期待される。特許文献１には、このＬＡＥＳのシステムについて記載されており、必要時に当該システムにおける貯蔵タンクから液体空気を開放し、タービンを駆動して放電させることが示されている。しかし、上記の再生可能エネルギーの変動に関わらず、電力の需要に確実に対応して電力を供給するためには、そのようにして得られる電力よりも、より多くの電力が得られるシステムが望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１６－５１７９４８（段落０００５）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、電力の需要に対応した電力供給を確実に行うことができる発電システムに関する技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の発電システムは、空気の圧縮及び冷却を行い、液体空気を生成する液体空気生成部と、
前記液体空気を貯蔵する貯蔵部と、
前記貯蔵部から供給された前記液体空気を気化させて圧縮空気を生成する気化部と、
前記気化部から供給された圧縮空気を膨張させる膨張機と、
前記膨張機における空気の膨張により駆動する第１の発電機と、
前記膨張機において膨張して冷却された空気を、第２の発電機であるガスタービン発電機と前記ガスタービン発電機に空気を供給する第１の空気供給ラインとを備える発電所における前記第１の空気供給ラインに供給して前記ガスタービン発電機が吸気する空気の温度を低下させるために、当該第１の空気供給ラインと前記膨張機とを接続する第２の空気供給ラインと、
前記第１の空気供給ラインに設けられた、前記ガスタービン発電機へ供給される空気の温度を低下させるための第１の熱交換器と、
前記気化部に備えられた、前記液体空気または当該液体空気から生成した空気を加熱するための第２の熱交換器と、
前記第１の熱交換器に供給される空気、前記第２の熱交換器に供給される液体空気または空気の各々と熱交換するための熱交換用の流体が、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間で移動するように、当該流体を循環させる第１の流体循環ラインと、
を備える。
本発明の他の発電システムは、本発明の他の発電システムは、空気の圧縮及び冷却を行い、液体空気を生成する液体空気生成部と、
前記液体空気を貯蔵する貯蔵部と、
前記貯蔵部から供給された前記液体空気を気化させて圧縮空気を生成する気化部と、
前記気化部から供給された圧縮空気を膨張させる膨張機と、
前記膨張機における空気の膨張により駆動する第１の発電機と、
前記膨張機において膨張して冷却された空気を、第２の発電機であるガスタービン発電機と前記ガスタービン発電機に空気を供給する第１の空気供給ラインとを備える発電所における前記第１の空気供給ラインに供給して前記ガスタービン発電機が吸気する空気の温度を低下させるために、当該第１の空気供給ラインと前記膨張機とを接続する第２の空気供給ラインと、
前記第１の空気供給ラインにおける空気流に、前記第２の空気供給ラインから供給される空気を混合させるための混合部と、
を備え、
前記混合部は、当該第１の空気供給ラインの空気流に、前記第２の空気供給ラインから供給された空気をスプレーするノズルであり、
前記混合部は、前記第１の空気供給ラインの流路方向に見て、中央に上流側から供給された空気を下流側に供給する貫通孔を備えた環状体として構成され、
当該環状体の周方向の互いに異なる位置に前記第２の空気供給ラインから供給される空気を各々吐出する吐出口が設けられる。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、貯蔵した液体空気を気化させて得た圧縮空気を膨張させることで第１の発電機による発電を行い、さらにその発電に用いられて降温された空気を第２の発電機であるガスタービン発電機に供給することで、当該ガスタービン発電機による発電量を増加させる。従って、本発明の発電システムからは大きな発電量を得ることができると共に、その発電量を大きく変化させることができるため、電力の需要の変化に対応した電力供給を確実性高く行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の発電システムの概略図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る発電システムの構成図である。

【図3】本発明の第２の実施形態に係る発電システムの構成図である。

【図4】前記発電システムを構成するダクトに設けられる環状部材の縦断側面図である。

【図5】前記環状部材の横断平面図である。

【図6】前記ダクトに設けられる多孔式ノズルの側面図である。

【図7】本発明の第３の実施形態に係る発電システム及びガスタービン発電機に供給される空気を熱媒体により冷却するシステムの構成図である。

【図8】前記発電システムの液体空気の供給ラインの構成の一例、及びガスタービン発電機に供給される空気を直接冷却するシステムの構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の第１の実施形態に係る発電システム１の概略構成について、図１を参照しながら説明する。この図１はシステムの構成の概要と、液化天然ガス（ＬＮＧ：Liquefied Natural Gas）から生じる天然ガス（ＮＧ：Natural Gas）の流れと、発電に用いるための空気（液体空気も含む）の流れと、を示すブロックフロー図である。なお以下の説明で、常温空気とは２０℃～３０℃の空気、極低温空気とは－１６０℃～－１００℃の空気、低温空気とは－１００℃～５℃の空気、冷空気とは５℃～２５℃の空気であるものとする。

【0013】

発電システム１は、ＬＮＧの受け入れ基地を備えると共にＧＴＣＣ（ガスタービンコンバインドサイクル）を行う火力発電所２を含む。従って、この火力発電所２としては、ＬＮＧ気化器２１と、ＬＮＧ気化器２１で生じた天然ガスを用いて発電を行う発電設備と、を備えており、この発電設備としてガスタービン発電機３が含まれる。また発電システム１は、ＬＡＥＳプラント設備４、冷熱回収設備５及び常温空気を用いる発電設備６を備えている。なお、本明細書ではＬＡＥＳは、液体空気の生成、液体空気の貯蔵、発電のために貯蔵設備から貯蔵された液体空気を取り出す各構成要素を含むシステムであるものとし、液体空気から電力を得るために設けられる発電設備６及び熱交換器から構成される冷熱回収設備５とは区別して示している。

【0014】

ＬＡＥＳプラント設備４は液体空気の蓄電池として構成されており、空気精留設備４１と、タンク及びポンプなどにより構成される液体空気の貯蔵設備４２とを備えている。空気精留設備４１は、液体空気製造用の常温空気としてＬＡＥＳプラント設備４の外気を取り込み、取り込んだ空気を精留すると共に昇圧させて圧縮空気とし、上記のＬＮＧ気化器２１に供給する設備である。

【0015】

冷熱回収設備５は、この発電システム１中を流通する空気の冷熱を回収し、システム中の各所で当該空気（液体空気も含む）の加熱及び冷却を行う。上記のようにＬＮＧ気化器２１に供給された圧縮空気は、ＬＮＧ気化器２１におけるＬＮＧとの間の熱交換により冷却されて、極低温空気となった後に、冷熱回収設備５でさらに冷却されて液体空気となり、貯蔵設備４２に供給されて貯蔵される。

【0016】

そして、発電システム１においては所望のタイミングにおいて、貯蔵設備４２に貯蔵された液体空気を用いた、上記の常温空気を用いる発電設備６による発電（放電）が行われる。この発電設備６について述べると、発電設備６は、タービンを含む膨張機（膨張タービン）を備えており、液体空気が気化されて生成する圧縮空気を断熱膨張させて当該タービンを回転させ、タービンに接続される発電機を駆動させることにより電力が得られる。また発電設備６は、後述のようにこの発電によって圧縮空気から生じた極低温空気が、火力発電所２へ輸送（供給）されるように構成されている。

【0017】

貯蔵設備４２からの空気（液体空気を含む）の流れを順に述べると、貯蔵設備４２の液体空気は冷熱回収設備５により加熱されて、常温の圧縮空気となった状態で発電設備６に供給される。上記のように断熱膨張されること及び仕事（タービンの回転）を行い、エネルギーを電力に変換する過程で降圧されることで、上記の常温の圧縮空気から極低温空気が生じる。この極低温空気が、火力発電所２の外気（常温空気）に混ざり、この常温空気の温度を低下させる。そして、温度が低下した常温空気（極低温空気と火力発電所２の外気との混合空気）がガスタービン発電機３に向かう途中、冷熱回収設備５によって冷却されて、冷空気となってガスタービン発電機３に供給される。

【0018】

このように発電システム１においては、液体空気から生じた常温空気を用いて発電を行うと共に、この発電によって生じた極低温空気により、ガスタービン発電機３に吸気される空気の温度を低下させる。それにより、ガスタービン発電機３に供給される空気の密度を高くし、単位体積あたりの空気の質量を増加させ、燃料である天然ガスの燃焼性を高めて、当該ガスタービン発電機３の出力を高くし、その発電量を大幅に大きくしている。

【0019】

図２は発電システム１について、より詳細な構成を示している。火力発電所２について説明すると、図中３１、３２、３３、３４は、夫々ガスタービン発電機３（第２の発電機）を構成する空気圧縮機、燃焼器、タービン、発電機であり、発電機３４は、タービン３３の回転によって駆動する。図中３５は、ＬＮＧ気化器２１からガスタービン発電機３の燃料である天然ガスを、燃焼器３２に供給するラインである。３６は火力発電所２に設けられるダクト（第１の空気供給ライン）であり、熱交換器３７（第１の熱交換器）が介設されている。このダクト３６の下流側はガスタービン発電機３に接続され、上流側から取り込んだ火力発電所２の外気である常温空気が、空気圧縮機３１に吸気される。なお、上記したように火力発電所２はＧＴＣＣを行うが、汽力発電を行うための設備の表示は省略している。なお、熱交換器３７から伸びる一点鎖線の矢印は、極低温空気がダクト３６に供給されることで、熱交換器３７の周囲にて凝縮、液化する空気中の水分の排出路を示している。

【0020】

続いて、ＬＡＥＳプラント設備４について説明する。ＬＡＥＳプラント設備４は、上記したように空気精留設備４１及び液体空気の貯蔵設備（圧送設備を含む）４２を備えている。貯蔵設備４２は、タンク４０と、冷凍ポンプ４３とを備えている。上記のように液体空気による発電を行う際には、当該冷凍ポンプ４３が駆動して、後段に液体空気を圧送して発電が行われる。また、空気精留設備４１について補足して説明すると、当該空気精留設備４１は、空気を昇圧させて圧縮空気とするための圧縮機を含む。また、空気精留設備４１で行われる精留としては、具体的には例えばＣＯ_２（二酸化炭素）及び水の除去が含まれる。ＬＡＥＳプラント設備４における、上記の圧縮器などの各機器の動作には、例えば既述の再生可能エネルギーを用いることができる。

【0021】

ＬＮＧ気化器２１に供給された圧縮空気は、上記のようにＬＮＧとの熱交換により冷却されて、極低温空気となる。このＬＮＧ気化器２１におけるＬＮＧと空気との熱交換は、例えば中間熱媒体を介して行われる。つまり、ＬＮＧと中間熱媒体との間で熱交換が行われ、中間熱媒体と空気との間で熱交換が行われる。このＬＮＧ気化器２１において生じた極低温空気が、熱交換器５１（第４の熱交換器）にて冷却されて液体空気となり、ＬＡＥＳプラント設備４のタンク４０（貯蔵部）に供給されて貯蔵される。なお、図中では空気精留設備４１からＬＮＧ気化器２１、熱交換器５１を順に介してタンク４０に至る空気のラインを４４として示している。この空気の供給ライン４４及び後述の空気の供給ライン４５を流通する空気は、その流通する箇所によっては液体空気となっている。つまり、空気の供給ラインを流通する空気としては、液体空気も含むものとする。

【0022】

そして上記の発電設備６による発電を行うにあたり、タンク４０に貯蔵された液体空気は、冷凍ポンプ４３に吸引され加圧されて、後段に圧送される。この冷凍ポンプ４３による圧送中に液体空気は発電システム１の外気の影響により暖められて、気化して極低温空気となって熱交換器５１に供給される。そして、この極低温空気は、当該熱交換器５１にて加熱されてその温度が上昇する。温度が上昇した極低温空気は、熱交換器５５（第２の熱交換器）に供給されてさらに加熱される。このように冷凍ポンプによる圧送と熱交換器５１、５２による加熱とによって、液体空気は常温の圧縮空気となって、発電設備６に供給される。タンク４０と発電設備６とを接続すると共に、冷凍ポンプ４３、熱交換器５１、５２が介設された空気の供給ライン４５が設けられている。

【0023】

続いて発電設備６について述べる。既述したように発電設備６は、膨張機、発電機（第１の発電機）を夫々含んでおり、夫々６１、６２として図２中に示している。膨張機６１に上記の空気の供給ライン４５が接続されている。また、膨張機６１には、極低温空気の供給ライン（第２の空気供給ライン）６３の上流端が接続されている。そして、この極低温空気の供給ライン６３の下流端は、既述のダクト３６に接続されている。既述したように膨張機６１に供給される常温の圧縮空気が降温、降圧されて発電機６２が駆動すると共に極低温空気が生じるが、この膨張機６１にて生じた極低温空気は例えば大気圧よりも高い残圧を有しており、その残圧により供給ライン６３を流れて上記のダクト３６へ流通し、図１で説明したように当該ダクト３６を上流側から流れる常温空気と共にガスタービン発電機３に供給される。

【0024】

発電システム１に設けられる各熱交換器について述べる。熱交換器５１は、上記のように空気の供給ライン４４、４５に共に介設され、当該熱交換器５１においては、ＬＮＧ気化器２１で冷却されてタンク４０に向かう極低温空気と、冷凍ポンプ４３から後段に供給される極低温空気との間で熱交換が行われる。また、常温空気が導かれるダクト３６の先にある熱交換器３７と、空気（液体空気を含む）の供給ライン４５にある熱交換器５２との間で、ポンプ５３により熱媒体が移動する循環ライン５４（第１の流体循環ライン）が設けられている。そして、熱交換器３７においての常温空気の冷却、熱交換器５２においての極低温空気の加熱が、循環する当該熱媒体により夫々行われる。図１で説明した冷熱回収設備５は、以上に述べた熱交換器５１、５２、３７により構成される。

【0025】

なお、各熱交換器の熱媒体（熱交換用の流体）としては例えばエチレングリコールなどの不凍液が用いられ、熱交換器５２については熱媒体の氷結による流通の停止を防ぐために、適切な構成なもの（例えば公知のシェルアンドチューブタイプと呼ばれる熱交換器）を用いることができる。また、ＬＡＥＳプラント設備４の空気精留設備４１、ＬＮＧ気化器２１、熱交換器５１は液体空気生成部を構成し、熱交換器５１、５２は気化部を構成する。従って、熱交換器５１は液体空気生成部、気化部に共有される。

【0026】

ところで近年、太陽光発電システムの普及に伴い、ダックカーブと言われる明け方と夕方の電力不足が問題となりつつある。ダックカーブとは、横軸に１日の時間、縦軸に特定の地域における電力の需要量を夫々設定したグラフにおいて、アヒルの形のカーブを描くように電力の需要量の推移が示されることである。そして、このダックカーブの問題とは具体的には、太陽光発電量が昼間にピークを迎えることに対して、電力需要はこの昼間の時間帯から大幅にずれた時間帯（明け方と夕方）にピークを迎える。例えば、明け方として６時～８時、夕方として１８時～２１時に夫々ピークを持つ。このことにより、これらの時間帯の電力不足が懸念される。

【0027】

上記の発電システム１は、上記のダックカーブの問題が解消されるように動作することができる。以下、昼以降の発電システム１の動作例を説明する。電力需要が少ない昼頃には発電システム１において、液体空気発電（発電設備６による発電）及びガスタービン発電機３への極低温空気の供給が行われていない状態となっている。そして、時間帯が夕方に向かうにつれ、日照量の低下により太陽光発電による発電量は急激に低下する一方で、既述のように電力の需要はピークを迎えるため、大きな発電量を確保する必要が有る。しかし、日中であるため火力発電所２の外気の温度は比較的高い。既述したようにガスタービン発電機３の出力は吸気される空気の温度に影響されるので、この外気のみを用いた場合には、ガスタービン発電機３の出力を十分に向上させることができない恐れが有る。

【0028】

そこで、上記の発電システム１において、液体空気発電が開始されると共に、ガスタービン発電機３に接続されるダクト３６への極低温空気の供給が行われ、火力発電所２からの発電量が増大する。このように発電システム１からの発電量が増加する結果として、夕方の電力の需要のピークに対応するように電力が供給され、電力の需給バランスが取られる。その後は電力の需要の低下に対応して、この液体空気発電及び極低温空気の供給が停止する。同様に、人々の行動が活発になる明け方のピークに対応するように、発電システム１を動作することができる。

【0029】

上述の例では、太陽光発電による発電量が多くなる昼間を避けるように液体空気発電及び極低温空気の供給を行うように示したが、昼間における液体空気発電及び極低温空気の供給が禁止されるものではない。このように需要に応じた任意のタイミングで液体空気発電を行う一方で、ＬＡＥＳプラント設備４による液体空気の生成及び生成した液体空気のタンク４０への供給は、例えば液体空気発電を行っていない時間帯で行う。

【0030】

このように発電システム１においては液体空気発電を行うことに加えて、火力発電所２における発電量を増加させることができる。上記の作用例のように外気の温度が比較的高いときには、その外気の温度によって低下している火力発電所２の発電量を回復させ、この外気の温度の影響が抑えられるように高い発電量が得られることになる。このように液体空気発電を行うと同時に、火力発電所２の発電量を増加させることができるため、この発電システム１においては任意のタイミングにおいて高い発電量を得ること、及び発電量を比較的急激に上昇、下降させることができる。従って、発電システム１によれば、電力の需要量の変化に確実性高く対応するように発電を行うことができる。特に、再生可能エネルギーを用いた発電電力が余剰となるような状況が生じて電力貯蔵の必要性が有り、空気温度が高く、ＧＴＣＣ発電が定格の出力を出せないような地域に当該発電システム１を設けることが有効である。

【0031】

なお、火力発電所２における外気の温度が高いときに極低温空気がダクト３６に供給される例を示したが、そのように火力発電所２の外気の温度が高いときのみならず、外気の温度が低いときにも極低温空気のダクト３６への供給により、ガスタービン発電機３に供給される空気の温度を低下させて、ガスタービン発電機３の出力を高めることができる。つまり、火力発電所２の外気の温度が高いときのみに限られることなく、既述した発電システム１の効果が得られる。

【0032】

また、発電システム１はＬＡＥＳプラント設備４を含むが、一般にプラント設備については耐用年数が４０年と、比較的長いものと考えられている。つまり発電システム１は建設後、比較的長く運用することができることが見込まれるので、ＮａＳ電池などの寿命が短い蓄電池を用いる場合に比べて、有利である。さらに、この発電システム１は空気を用いるため、環境に影響を与える化学物質を使用する必要が無いクリーンなシステムであるという利点も有る。

【0033】

また、発電システム１によれば、液体空気を生成するための圧縮空気の冷却を、ＬＮＧ気化器２１においてＬＮＧとの熱交換により行うので、この液体空気の生成に必要な電力を削減できるため、有利である。ただしこのようなＬＮＧの冷熱によらず、例えば液体窒素などを熱媒体として圧縮空気の冷却を行う熱交換器を発電システム１に設けて、液体空気を生成してもよい。

【0034】

さらに発電システム１によれば、極低温空気と常温空気とが混合されるダクト３６に熱交換器３７が設けられることで、ガスタービン発電機３に供給される空気の温度がより低い温度となるので、火力発電所２における発電量をより高い値とすることができる。また、発電システム１に関しては、上記の熱交換器３７と熱交換器５２との間で熱媒体が流通する構成としている。つまり、ダクト３６における空気の冷却を行うときの熱移動と、液体空気の気化を行うときの熱移動とが相互に利用される。従って、ダクト３６における空気の冷却と、液体空気の気化との夫々に要するエネルギーが交換されるので、発電システム１の運用コストや用力を削減することができる。

【0035】

また、発電システム１においては、熱交換器５１において液体空気と、空気との間で熱交換を行っている。従って、液体空気を気化するための熱移動と、空気から液体空気を生成させるための熱移動とが相互に利用される。それにより、発電システム１においては液体空気の生成と、液体空気の気化との夫々に要するエネルギーが交換されるので、当該システムの運用コストや用力を削減することができる。

【0036】

なお、空気、液体空気のラインの構成としては既述した例には限られず、例えば冷凍ポンプ４３から供給された液体空気が熱交換器５１を通過せずに熱交換器５２に供給される構成であってもよい。その場合は、ＬＮＧ気化器２１からタンク４０に向かう極低温空気は液体窒素などを熱媒体として用いる熱交換器を利用して液化空気とすればよい。また、熱交換器５１、５２には、液体空気から気化した極低温空気が供給されるものとして説明したが、気化前の液体空気が供給され、当該熱交換器５１または熱交換器５２で液体空気が気化されてもよい。

【0037】

続いて、本発明の第２の実施形態の発電システム７について、図３を参照して、第１の実施形態の発電システム１との差異点を中心に説明する。発電システム７においては、発電システム１と異なり、熱交換器３７、熱媒体用のポンプ５３が設けられていない。そして、熱交換器５２には、例えば火力発電所２から比較的高い温度の排気流が供給され、この排気流と極低温空気との間で熱交換されることにより、極低温空気が加熱されて常温空気となり、膨張機６１に供給される。このようにダクト３６において熱交換器３７が設けられない構成とされてもよい。

【0038】

以下の説明では特に記載無い限り、外気とはダクト３６の上流側から取込まれ、当該ダクト３６内を流れる常温空気のことであるものとする。膨張機６１から放出される極低温空気は、外気と十分に混ざることで、ガスタービン発電機３に供給される空気の温度を十分に低下させることができる。この発電システム７のダクト３６においては、当該ダクト３６内を流れる外気に極低温空気を確実性高く混合させるために、混合部が介設されている。その混合部は、例えば環状体７１により構成されている。なお、図３中の環状体７１から伸びる鎖線の矢印は、図１の熱交換器３７から伸びる矢印と同様に水の排出路を示しており、環状体７１の周囲の空気が冷却されて生じた水分を除去する。

【0039】

環状体７１の縦断側面図、横断平面図である図４、図５を夫々参照しながら説明を続ける。ダクト３６の流路方向に見て、環状体７１の中央部には貫通孔７２が形成されており、当該貫通孔７２は、外気の流路をなす。環状体７１におけるダクト３６の下流側に向かう正面には、当該環状体７１の周方向に沿って等間隔を空けて複数の吐出口７３が設けられている。つまり、当該周方向の互いに異なる位置に各吐出口７３が開口している。極低温空気の供給ライン６３は、各吐出口７３に極低温空気を供給できるようにその下流側が分岐して環状体７１に接続されている。例えば各吐出口７３から、ダクト３６の下流側且つ平面視環状体７１の中央部に向かうように極低温空気が吐出される。このように貫通孔７２を通過する外気に互いに離れた位置から極低温空気が供給されることで、極低温空気の外気への混合性を高くすることができる。

【0040】

ところで、ダクト３６内を流れる外気に上記の極低温空気を確実に混合させるための混合部としては上記の構成には限られず、図６に示すように、当該混合部としてダクト３６内にノズル８１が設けられていてもよい。このノズル８１は例えば多孔式ノズル、即ち吐出口を多数備えるノズルである。ノズル８１の上流側は、極低温空気の供給ライン６３に接続されている。そしてノズル８１は、供給ライン６３から供給された極低温空気を、ダクト３６内の流路の下流側に向かって、流路方向に沿って当該ノズル８１から放射状に拡散するようにスプレーすることで、極低温空気の外気への混合性が高くなる、即ち極低温空気が外気に対して均一に分散するように構成されている。なお、ノズル８１及び上記の環状体７１において、極低温空気はそれ自体が持つ圧力により、ノズル８１の吐出口、環状体７１の吐出口７３から夫々噴出する。

【0041】

さらに、環状体７１の周囲の空気が冷却されて生じた水分は、図６に示すようにダクト３６に設けられた複数の波板７４により除去することができ、波板７４に水滴が当ることで効率的に水分を取り除くことが可能となる。つまり、図６においてダクト３６内のノズル８１の下流側に、水分の除去部として波板７４を設けた例を示しているが、図４の環状体７１を設けたダクト３６内においても環状体７１の下流側に波板７４を設け、空気に随伴する水滴が波板７４に当り、落下することでダクト３６内からダクト３６外へ排出されるようにすることができる。このように水滴を除去するのは、ガスタービン発電機３に内蔵されるエアコンプレッサのインペラが、多量の水滴が当ることによって摩耗することを防ぐためである。

【0042】

続いて、本発明の第３の実施形態の発電システム８２について、発電システム１との差異点を中心に、図７を参照して説明する。なお、発電システム８２において、発電システム１と同様に構成されている箇所のうちの一部については、図示を省略している。この発電システム８２においては、極低温空気の供給ライン６３に熱交換器８３（第３の熱交換器）が介設されている。そして、熱媒体の循環ライン５４と一部が共通であると共に、熱交換器３７、８３が介設される熱媒体の循環ライン８４（第２の流体循環ライン）が設けられる。より詳しく循環ライン５４、８４の構成を説明すると、循環ライン５４における熱交換器３７から熱交換器５２へ熱媒体を送るポンプ５３の下流側の部位が分岐する。この分岐したラインには熱交換器８３が介設されており、当該分岐したラインの端部は、循環ライン５４のうち熱交換器５２から熱交換器３７へ向けて熱媒体が流通する部位に接続されている。この分岐したラインが循環ライン８４を構成する。

【0043】

発電システム８２の構成では、熱交換器８３により、ダクト３６に供給される前に極低温空気が例えば低温空気になるように暖められる。このような構成とするのは、極低温空気の温度が低すぎることにより、ダクト３６における極低温空気の供給ライン６３との接続部で、ダクト３６を流れる外気（ダクト３６の上流から取り込まれた常温空気）が氷結し、極低温空気と外気とが十分に混ざらなくなることを確実に防ぐためである。

【0044】

また、図８は、既述の発電システム１の変形例を示している。空気の供給ライン４５において熱交換器５１と冷凍ポンプ４３との間にバルブ８５が介設されており、バルブ８５と冷凍ポンプ４３との間には液体空気の還流用ライン８６の一端が接続されている。還流用ライン８６の他端はバルブ８７を介して、液体空気のタンク４０に接続されている。冷凍ポンプ４３は常時動作して、タンク４０から液体空気を供給ライン６３の後段側へ向けて供給する。

【0045】

液体空気発電を行わないときは、バルブ８５を微開にすると共にバルブ８７が開かれた状態となり、液体空気はタンク４０に還流されると共に、保冷循環として送出系統（熱交換器５１、５２ひいては膨張機６１）へ送られる。液体空気発電を行うときは、バルブ８５が開かれると共にバルブ８７が閉じられた状態となり、液体空気はタンク４０へは送られず、熱交換器５１及び膨張機６１へ供給される。従って、バルブ８５、８７は、液体空気の主な供給先を熱交換器５１とタンク４０との間で切り替える切り替え部を構成する。このような構成とするのは、冷凍ポンプ４３、熱交換器５１、５２、膨張機６１及び機器回りの配管に常時少量の液体空気が送られるようにすることで、当該機器及び配管の温度を低温に維持するためである。それにより、これらの機器及び配管の温度変化による動作性能の変動を確実に防ぐことができる。

【0046】

なお、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の各実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更、組み合わせが行われてもよい。

【符号の説明】

【0047】

１ 発電システム
２ 火力発電所
２１ ＬＮＧ気化器
３ ガスタービン発電機
３６ ダクト
３７ 熱交換器
４ ＬＡＥＳプラント設備
６１ 膨張機
６３ 極低温空気の供給ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】