特許 7603540 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-12

(45)【発行日】2024-12-20

(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 20060101AFI20241213BHJP

   F03B 17/02 20060101ALI20241213BHJP

   B63B 35/00 20200101ALI20241213BHJP

【ＦＩ】

F02C6/16

F03B17/02

B63B35/00 T

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021107424

(22)【出願日】2021-06-29

(65)【公開番号】P2023005480

(43)【公開日】2023-01-18

【審査請求日】2023-10-20

(73)【特許権者】

【識別番号】521362885

【氏名又は名称】コベルコ・コンプレッサ株式会社

(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】中村 元

(72)【発明者】

【氏名】松村 昌義

【審査官】高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－３１７５７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３５３１３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－１８６６５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２８１３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５４－０１１５１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６３Ｂ ３５／００

Ｆ０２Ｃ ６／１６

Ｆ０３Ｂ １７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水に浮かぶ浮体と、
再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備と、
前記発電設備で発電した電力によって駆動される電動機と、
前記電動機で駆動されることによって空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から吐出された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、
前記蓄圧部で貯蔵した圧縮空気を膨張させる膨張機と、
前記膨張機によって駆動される発電機と
を備え、
前記発電設備は、前記浮体の浮力で浮かぶ構造体に配置され、
前記蓄圧部は、全体が水中に配置され、前記圧縮機に対して並列に設けられ、水中に開放された配管が流体的に接続された複数のタンクであり、
前記配管には、水の出入りに伴って発生する水流によって駆動され、発電する水流発電機が設けられている、圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項2】

前記圧縮機および前記膨張機は、前記構造体に配置されている、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

【請求項3】

前記圧縮機および前記膨張機は、圧縮膨張兼用機として一体に構成されている、請求項２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】

洋上の浮体に風車を設置した風車装置が知られている（例えば特許文献１）。当該風車装置は、蓄電する構成を有しておらず、洋上の風車によって発電した電力をそのまま利用する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００５－２６４８６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記風車装置では、発電量が気象条件に依存するため、出力が安定しない。従って、電力需要に応じた適時の電力供給が困難である。

【0005】

また、再生可能エネルギーを利用した発電の出力を安定させるための圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置が知られている。ＣＡＥＳ発電装置では、再生可能エネルギーを用いて発電した電力によって圧縮機を駆動し、圧縮機によって作られた圧縮空気をタンクなどの蓄圧部に貯蔵する。そして、必要なときに蓄圧部の圧縮空気を利用することによって、タービン発電機を駆動し、適時の発電を可能とする。

【0006】

ＣＡＥＳ発電装置では、蓄圧部が大型化する場合があり、蓄圧部を設置するための大きなスペースの確保が必要である。地上における蓄圧部の設置スペースの確保には大きなコストもかかる。

【0007】

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置において、水上または水中のスペースを利用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、水に浮かぶ浮体と、再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備と、前記発電設備で発電した電力によって駆動される電動機と、前記電動機で駆動されることによって空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、前記蓄圧部で貯蔵した圧縮空気を膨張させる膨張機と、前記膨張機によって駆動される発電機とを備え、前記蓄圧部は、前記浮体に取り付けられ、少なくとも部分的に水中に配置され、前記発電設備は、前記浮体の浮力で浮かぶ構造体に配置されている、圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。

【0009】

この構成によれば、蓄圧部が少なくとも部分的に水中に配置されるため、水上または水中のスペースを利用できる。同様に、再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備を浮体の浮力で浮かぶ構造体に配置するため、水上または水中のスペースを利用できる。ここで、浮体の浮力で浮かぶ構造体とは、特にその態様を限定されず、浮体と一体であってもよいし（即ち浮体自体であってもよいし）、浮体とは別体であってもよい。

【0010】

前記蓄圧部は、底なしの容器であってもよい。

【0011】

この構成によれば、蓄圧部に対して下方から水を出入りさせることができる。これにより、蓄圧部に必要な容積が自動的に調整されるため、蓄圧部として大型のタンクを用意する必要がない。

【0012】

前記蓄圧部は、全体が水中に配置され、水中に開放された配管が流体的に接続されたタンクであってもよい。

【0013】

この構成によれば、タンクを沈める深さを好適に設定することで、蓄圧する圧力を調整でき、圧縮機および膨張機において良好な圧縮効率および膨張効率を発揮できる。また、タンクを水中に沈めることができるので、施工が容易である。

【0014】

前記配管には、水の出入りに伴って発生する水流によって駆動され、発電する水流発電機が設けられていてもよい。

【0015】

この構成によれば、発電機だけでなく、水流発電機でも発電するため、発電量を多く確保できる。

【0016】

前記圧縮機および前記膨張機は、前記構造体の内部または上部に配置されてもよい。

【0017】

この構成によれば、圧縮空気を流すための配管によって接続することが必要な圧縮機と蓄圧部と膨張機とが構造体に配置されるため、配管の取り回しを浮体（構造体）の近傍で完結させることができる。換言すれば、浮体（構造体）から地上まで配管を延ばす必要がない。圧縮空気を流すための配管は、電線に比べて太く、取り回しが容易ではないため、上記構成は有効である。

【0018】

前記圧縮機および前記膨張機は、圧縮膨張兼用機として一体に構成されてもよい。

【0019】

この構成によれば、圧縮機および膨張機（圧縮膨張兼用機）の設置スペースを減少させることができる。特に、浮体（構造体）の内部または上部に圧縮機および膨張機（圧縮膨張兼用機）を設置する場合、設置スペースが限られるため、上記構成は有効である。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置において、水上または水中のスペースを利用できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【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3】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4】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5】第５実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

【0023】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるＣＡＥＳ発電装置１の概略構成図である。

【0024】

圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置１は、海や湖などの水上または水中のスペースを利用するものである。図１では、水面を符号２で示し、水中を符号３で示し、水上を符号４で示している。これは以降の図でも同様である。

【0025】

ＣＡＥＳ発電装置１は、浮体（構造体）１０と、発電設備２０と、モータ（電動機）３０と、圧縮機４０と、蓄圧部５０と、膨張機６０と、発電機７０とを有している。図１では、図示を明瞭にするため、浮体１０および蓄圧部５０を断面図としてハッチングを付して示している。

【0026】

浮体１０は、水に浮かべられている。浮体１０には、後述するようにＣＡＥＳ発電装置１の構成要素を設置しても沈まない程度の浮力が働くように設計されている。浮体１０は、浮力を受けて浮かぶ構造体として一体的に構成されており、ここでは浮体と構造体を区別することなく、ともに符号１０で示し、以降単に構造体１０ともいう。ただし、浮体と構造体は、別体として設けられてもよい。

【0027】

発電設備２０は、再生可能エネルギーを利用して発電する。本実施形態では、発電設備２０は、風力発電機能を有している。代替的には、発電設備２０は、水温差発電、潮力発電、または太陽光発電などの機能を有していてもよい。

【0028】

本実施形態では、発電設備２０は、構造体１０の上部に配置されている。また、詳細を図示しないが、発電設備２０は、構造体１０の浮力によって浮かぶ別体の構造体に配置されてもよい。発電設備２０はモータ３０と配線５ａを介して電気的に接続されている。発電設備２０で発電した電力は、配線５ａを介してモータ３０に供給される。

【0029】

モータ３０は、発電設備２０で発電した電力によって駆動される。モータ３０は、圧縮機４０と機械的に接続されている。

【0030】

圧縮機４０は、モータ３０によって駆動される。圧縮機４０は、吸気口４１から外部の空気を吸気し、内部で圧縮し、吐出口４２から圧縮空気を吐出する。圧縮機４０の吐出口４２は、配管６ａを介して蓄圧部５０と流体的に接続されている。圧縮機４０の種類は、特に限定されないが、スクリュ式であってもよい。

【0031】

蓄圧部５０は、圧縮機４０から吐出された圧縮空気を貯蔵する。蓄圧部５０は、構造体１０に取り付けられている。本実施形態では、蓄圧部５０は、部分的に水中３に配置されている。換言すれば、蓄圧部５０は、部分的に水上４に露出している。本実施形態では、蓄圧部５０は、底なしの容器である。従って、蓄圧部５０の内部は、空気層Ｓ１と水層Ｓ２に分かれている。蓄圧部５０は、膨張機６０の給気口６１と配管６ｂを介して流体的に接続されている。

【0032】

膨張機６０は、給気口６１から圧縮空気を給気され、内部で膨張させ、排気口６２から外部へ排気する。膨張機６０の種類は、特に限定されないが、スクリュ式であってもよい。膨張機６０は、発電機７０と機械的に接続されている。

【0033】

発電機７０は、膨張機６０によって駆動されることによって発電する。発電機７０は、配線５ｂを図示しない電力系統に電気的に接続されている。発電機７０で発電した電力は、配線５ｂおよび電力系統を介して供給先に供給される。

【0034】

本実施形態では、モータ３０および圧縮機４０と、膨張機６０および発電機７０とが、構造体１０の上部に配置されている。従って、モータ３０および圧縮機４０と、膨張機６０および発電機７０とは、水上４に配置されている。

【0035】

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１の作用効果について説明する。

【0036】

風力を利用して発電設備２０が発電すると、電力需要がある場合には、供給先（図示されないグリッド）へ電力を供給する。一方電力需要が無く、蓄電する場合には、発電した電力はモータ３０に供給される。モータ３０によって圧縮機４０が駆動されると、圧縮機４０から蓄圧部５０に圧縮空気が供給される。これにより、蓄圧部５０の下方から水が流出し、蓄圧部５０の内部の水位が低下する。また、蓄圧部５０から膨張機６０に圧縮空気が供給されると、膨張機６０が発電機７０を駆動する。発電機７０で発電した電力は、図示しない供給先に供給される。このとき、蓄圧部５０の圧縮空気量の低下に伴って蓄圧部５０には下方から水が流入し、蓄圧部５０の内部の水位が上昇する。

【0037】

このように、本実施形態では、蓄圧部５０の内部の圧縮空気量の増減に伴って、蓄圧部５０の内部の水位が上下するようになっている。これにより、蓄圧部５０に必要な容積が自動的に調整されるため、蓄圧部５０として大型のタンクを用意する必要がない。

【0038】

また、蓄圧部５０が少なくとも部分的に水中３に配置されるため、水中３のスペースを利用できる。同様に、再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備２０を水に浮かぶ構造体１０の上部に配置するため、水上４のスペースを利用できる。なお、本実施形態では、発電設備２０が風力を利用して発電するため、構造体１０の上部に配置されるが、発電設備２０の発電態様によっては、外部に露出される必要がない場合もある。そのような発電態様（例えば昼夜の温度差を利用して発電する態様）の発電設備２０の場合、構造体１０の内部に配置してもよい。

【0039】

また、圧縮空気を流すための配管６ａ，６ｂによって接続することが必要な圧縮機４０と蓄圧部５０と膨張機６０とが構造体１０に取り付けられるため、配管６ａ，６ｂの取り回しを構造体１０の近傍で完結させることができる。換言すれば、水に浮かぶ構造体１０から地上まで配管６ａ，６ｂを延ばす必要がない。圧縮空気を流すための配管６ａ，６ｂは、電線（配線）５ａ，５ｂに比べて太く、取り回しが容易ではないため、本実施形態の構成は有効である。

【0040】

（第２実施形態）
図２に示す第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、圧縮膨張兼用機８０を有している。これに関する構成以外は、第１実施形態と実質的に同じである。従って、第１実施形態にて示した部分については説明を省略する場合がある。図２では、図示を明瞭にするため、構造体１０および蓄圧部５０を断面図としてハッチングを付して示している。

【0041】

本実施形態では、第１実施形態における圧縮機４０（図１参照）および膨張機６０（図１参照）が、圧縮膨張兼用機８０として一体に構成されている。圧縮膨張兼用機８０は、スクリュ式であってもよい。また、第１実施形態におけるモータ３０（図１参照）および発電機７０（図１参照）が、電動発電兼用機８１として一体に構成されている。

【0042】

本実施形態によれば、第１実施形態における圧縮機４０（図１参照）および膨張機６０（図１参照）の設置スペースを減少させることができる。特に、構造体１０の上部では設置スペースが限られるため、本実施形態の構成は有効である。

【0043】

（第３実施形態）
図３に示す第３実施形態のＣＡＥＳ発電装置１では、蓄圧部５０および構造体１０が支持部材１１で接続されている。これに関する構成以外は、第１実施形態と実質的に同じである。従って、第１実施形態にて示した部分については説明を省略する場合がある。図３では、図示を明瞭にするため、蓄圧部５０を断面図としてハッチングを付して示している。

【0044】

本実施形態では、蓄圧部５０が支持部材１１を介して構造体１０に取り付けられている。蓄圧部５０は、深さＤだけ水中３に沈められている。ここで、深さＤは、水面２から蓄圧部５０の内部の上面までの距離を示す。深さＤが大きいと水圧が高くなるため、深さＤを大きくするほど蓄圧部５０に貯蔵する圧縮空気の圧力を高くすることができる。

【0045】

深さＤは、圧縮機４０および膨張機６０に応じて変更され得る。一般に、圧縮機４０および膨張機６０では、圧縮効率および膨張効率を良好にする運転圧力が設定されている。従って、当該運転圧力に合わせて深さＤを設定することで、圧縮機４０および膨張機６０において、良好な圧縮効率および膨張効率が発揮される。例えば、蓄圧部５０に貯蔵する圧縮空気の圧力を４～７［Ｂａｒ］に設定する場合、深さＤは４０［ｍ］以下に設定され得る。

【0046】

本実施形態によれば、蓄圧部５０を配置する深さＤを好適に設定することで、圧縮機４０および膨張機６０において良好な圧縮効率および膨張効率を発揮できる。

【0047】

（第４実施形態）
図４に示す第４実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、蓄圧部５０と水流発電機７０とに関して第１実施形態と異なる。これらに関する構成以外は、第１実施形態と実質的に同じである。従って、第１実施形態にて示した部分については説明を省略する場合がある。

【0048】

本実施形態では、蓄圧部５０がタンク５１～５４によって構成されている。タンク５１～５４は、水中３に配置され、水上４には露出していない。

【0049】

タンク５１～５４には、水中３に開放された配管６ｃが流体的に接続されている。タンク５１～５４の内部の圧縮空気の増減に伴って、配管６ｃを介してタンク５１～５４に水が出入りする。

【0050】

配管６ｃには、水流発電機９０が設けられている。水流発電機９０は、タンク５１～５４に対する水の出入りに伴って発生する水流によって駆動され、発電する。水流発電機９０は、配線６ｃを介して図示しない電力系統に電気的に接続されている。水流発電機９０で発電した電力は、配線５ｃおよび電力系統を介して供給先に供給される。なお、水流発電機９０の構造は、特に限定されず、公知のものを使用できる。

【0051】

本実施形態によれば、発電機７０だけでなく、水流発電機９０でも発電するため、発電量を多く確保できる。また、タンク５１～５４を沈める深さＤを第３実施形態と同様に好適に設定することで、圧縮機４０および膨張機６０において良好な圧縮効率および膨張効率を発揮できる。また、タンク５１～５４からなる蓄圧部５０を水中３に沈めることができるので、施工が容易である。

【0052】

（第５実施形態）
図５に示す第５実施形態のＣＡＥＳ発電装置１では、モータ３０、圧縮機４０、膨張機６０、および発電機７０が、構造体１０内に配置されている。これに関する構成以外は、第１実施形態と実質的に同じである。従って、第１実施形態にて示した部分については説明を省略する場合がある。図５では、図示を明瞭にするため、構造体１０および蓄圧部５０を断面図としてハッチングを付して示している。

【0053】

本実施形態では、構造体１０の内部に収容空間７が画定されている。収容空間７には水が流入しないようにされている。収容空間７には、モータ３０、圧縮機４０、膨張機６０、および発電機７０が、収容されている。

【0054】

本実施形態によれば、モータ３０、圧縮機４０、膨張機６０、および発電機７０を水から保護できる。また、構造体１０の上部のスペースに発電設備２０を大きく配置できる。

【0055】

以上より、本発明の具体的な実施形態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。

【符号の説明】

【0056】

１ 圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
２ 水面
３ 水中
４ 水上
５ａ，５ｂ，５ｃ 配線
６ａ，６ａ，６ｃ 配管
７ 収容空間
１０ 浮体（構造体）
１１ 支持部材
２０ 発電設備
３０ モータ（電動機）
４０ 圧縮機
４１ 吸気口
４２ 吐出口
５０ 蓄圧部
５１～５４ タンク
６０ 膨張機
６１ 給気口
６２ 排気口
７０ 発電機
８０ 圧縮膨張兼用機
８１ 電動発電兼用機
９０ 水流発電機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】