JP6475107B2 - 圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法に関する。

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）発電システム等のエネルギー貯蔵システムを使用して出力を平準化する必要がある。

従来の圧縮空気貯蔵発電装置は、電力プラントのオフピーク時間中に電気エネルギーを圧縮空気として蓄圧タンクに蓄え、高電力需要時間中に圧縮空気により膨張機を駆動して発電機を作動させて電気エネルギーを生成するのが一般的である。

特許文献１には、このようなＣＡＥＳ発電装置が開示されている。特許文献１のＣＡＥＳ発電装置は、システムの効率を向上させるため、熱交換器を使用して熱媒と空気を熱交換させ、圧縮機で発生する圧縮熱を熱媒に回収し、膨張機で膨張する前の空気に熱を戻している。

特表２０１３−５０９５３０号公報

特に低温環境下において、運転始動時に潤滑油や熱媒が高粘度化している場合があり、これによりポンプの動力が増加し、また装置の信頼性が低下する。特許文献１のＣＡＥＳ発電装置では、このような問題に対して、簡易な構成で円滑な暖機運転をすることについて考慮されていない。

本発明は、簡易な構成で円滑な暖機運転が可能な圧縮空気貯蔵発電装置を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様は、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、空気を圧縮する複数の圧縮機と、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複数の膨張機と、前記膨張機と機械的に接続された発電機と、前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を加熱する第１熱交換部と、前記第１熱交換部と流体的に接続され、前記第１熱交換部で熱交換して昇温した熱媒を貯蔵する高温熱媒タンクと、前記高温熱媒タンクと流体的に接続され、前記高温熱媒タンクから供給される熱媒と前記膨張機に供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための第２熱交換部と、前記第２熱交換部と流体的に接続され、前記第２熱交換部で熱交換して降温した熱媒を貯蔵する低温熱媒タンクと、暖機運転時、複数の前記圧縮機のうち、全台数ではない前記圧縮機に対して供給される潤滑油を貯蔵するための潤滑油タンクと、前記潤滑油タンク内の潤滑油を加熱するための潤滑油ヒータと、前記第１熱交換部で熱交換して昇温した熱媒と、潤滑油とで熱交換し、潤滑油を加熱する第３熱交換部と、前記第３熱交換部で熱交換して昇温した潤滑油の温度を検出するための潤滑油温度センサとを備える、圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。

低温環境下において、潤滑油の温度が低下して高粘度化した場合、潤滑油を加熱することで温度を上昇させ、粘度を低下させ、流動性を向上させることができる。この場合、潤滑油ヒータで装置に使用する全ての潤滑油を加熱すると、大量の潤滑油の加熱を要するため、大量の電力を消費してしまう。また、短時間で暖機を終了しようとすると、大容量の又は多くの潤滑油ヒータが必要になりコストアップしてしまう。しかし、この構成によれば、最小限の潤滑油の加熱により最小限台数の圧縮機の暖機を行う。さらに、このときの圧縮空気の製造により発生する圧縮熱を他の圧縮機及び膨張機の暖機運転に利用することで、暖機に必要な消費電量を低減でき、簡易な構成で円滑な暖機運転が可能である。また、潤滑油ヒータの数を減らすことができ、コストダウンや装置の信頼性向上につながる。

前記高温熱媒タンク及び前記低温熱媒タンクに対して小容量の熱媒を貯蔵する暖機用熱媒タンクと、前記暖機用熱媒タンク内の熱媒を加熱するための暖機用熱媒ヒータとをさらに備えることが好ましい。

潤滑油の場合と同様に、熱媒も温度低下により高粘度化する。暖機用熱媒ヒータで装置に使用する全ての暖機用熱媒を加熱すると、大量の暖機用熱媒の加熱を要するため、大量の電力を消費してしまう。また、短時間で暖機を終了しようとすると、大容量の又は多くの暖機用熱媒ヒータが必要になりコストアップしてしまう。しかし、小型の暖機用熱媒タンクを設けることで、必要最小限の暖機用熱媒を加熱できるため、暖機用熱媒ヒータの消費電力を低減できる。もしくは、暖機用熱媒ヒータの数を減らすことができ、コストダウンや装置の信頼性向上につながる。ここで、暖機用熱媒とは、暖機運転時に装置内を流動する熱媒であり、通常運転時に装置内を流動する熱媒と同一であってもよいし、異なってもよい。

熱媒が前記高温熱媒タンクを迂回して前記第１熱交換部から前記第２熱交換部に流動する第１バイパス流路と、前記第１バイパス流路又は前記高温熱媒タンクのいずれに熱媒が供給されるかを切り替える第１バイパス切替手段とをさらに備えることが好ましい。

第１バイパス流路を設けることにより、暖機運転時の暖機用熱媒が高温熱媒タンク内で温度低下している熱媒と混ざることがない。従って、暖機用熱媒の温度を維持でき、第３熱交換部で暖機用熱媒により潤滑油をより大きく加熱できる。

前記第３熱交換部は、前記圧縮機に対して供給する潤滑油を加熱する圧縮側熱交換器と、前記膨張機に対して供給する潤滑油を加熱する膨張側熱交換器とを備えることが好ましい。

圧縮側と膨張側に対してそれぞれ熱交換器を設けているため、圧縮側のみ又は膨張側のみで使用する潤滑油を独立して加熱することができる。圧縮空気貯蔵発電装置では、圧縮と膨張が同時に行われない場合があり、即ち、圧縮機のみ又は膨張機のみが稼働する場合がある。こういった場合、圧縮側と膨張側のそれぞれに対して独立して潤滑油を加熱できることは有効である。

熱媒が前記低温熱媒タンクを迂回して前記第２熱交換部から前記第１熱交換部に流動する第２バイパス流路と、前記第２バイパス流路又は前記低温熱媒タンクのいずれに熱媒が供給されるかを切り替える第２バイパス切替手段とをさらに備えることが好ましい。

第２バイパス流路を設けることにより、暖機運転時の暖機用熱媒が低温熱媒タンク内で温度低下している熱媒と混ざることがない。従って、暖機用熱媒の温度を維持でき、暖機用熱媒タンクにおける暖機用熱媒ヒータの消費電力を低減できる。

本発明の第２の態様は、変動する入力電力により駆動される複数の圧縮機により空気を圧縮し、圧縮した空気を貯蔵し、貯蔵した圧縮空気を膨張させることにより発電し、
前記圧縮の工程で発生する圧縮熱を回収し、回収した圧縮熱を蓄熱し、前記膨張の工程前に膨張させる圧縮空気を蓄熱した圧縮熱により加熱し、暖機運転時、複数の前記圧縮機のうち、全台数ではない前記圧縮機に対して加熱された潤滑油を供給し、前記回収した圧縮熱により潤滑油を加熱し、前記回収した圧縮熱により加熱された潤滑油の温度を検出することを含む、圧縮空気貯蔵発電方法を提供する。

本発明によれば、最小限の潤滑油の加熱により最小限台数の圧縮機の暖機を行い、圧縮空気の製造により発生する圧縮熱を他の圧縮機及び膨張機の暖機運転に利用することで、簡易な構成で円滑な暖機運転が可能な圧縮空気貯蔵発電装置を提供できる。

本発明の実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。 従来の圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。 本発明の実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の全体制御フロー。 本発明の実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の処理Ａを示す制御フロー。 本発明の実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の処理Ｂを示す制御フロー。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置２の概略構成図を示している。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、再生可能エネルギーを利用して発電する場合に、図示しない外部の電力系統への出力変動を平滑化するとともに、需要電力の変動に合わせた電力を出力する。

まず、図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置２の構成を説明する。

ＣＡＥＳ発電装置２は、空気流路及び熱媒流路を備える。空気流路には、主に圧縮機３〜５と、蓄圧タンク６と、膨張機７〜９とが設けられており、これらが空気配管１０ａ，１０ｂにより流体的に接続され、その内部には空気が流れている（図１の破線参照）。熱媒流路には、主に第１熱交換部１２と、高温熱媒タンク１４と、第２熱交換部１６と、低温熱媒タンク１８とが設けられており、これらが熱媒配管２０により流体的に接続され、その内部には熱媒が流れている（図１の実線参照）。

まず、図１を参照して空気流路について説明する。空気流路では、吸い込まれた空気は、圧縮機３〜５で圧縮され、蓄圧タンク６に貯蔵される。蓄圧タンク６に貯蔵された圧縮空気は膨張機７〜９に供給され、発電機２２ａ〜２２ｃの発電に使用される。

圧縮機３〜５は、モータ（電動機）２４ａ〜２４ｃを備える。モータ２４ａ〜２４ｃは、圧縮機３〜５に機械的に接続されている。図示しない発電所で再生可能エネルギーにより発電された電力（入力電力）はモータ２４ａ〜２４ｃに供給され、この電力によりモータ２４ａ〜２４ｃが駆動され、圧縮機３〜５が作動する。圧縮機３〜５の吐出口３ｂ〜５ｂは、空気配管１０ａを通じて蓄圧タンク６に流体的に接続されている。圧縮機３〜５は、モータ２４ａ〜２４ｃにより駆動されると、吸気口３ａ〜５ａより空気を吸気し、圧縮して吐出口３ｂ〜５ｂより吐出し、蓄圧タンク６に圧縮空気を圧送する。

圧縮機３〜５から蓄圧タンク６へ延びる空気配管１０ａには、バルブ２６ａが設けられている。バルブ２６ａを開閉することにより、圧縮機３〜５から蓄圧タンク６への圧縮空気の供給を許容又は遮断できる。

蓄圧タンク６は、圧縮機３〜５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を蓄積できる。蓄圧タンク６は、空気配管１０ａを通じて、膨張機７〜９に流体的に接続されている。従って、蓄圧タンク６で貯蔵された圧縮空気は、膨張機７〜９に供給される。蓄圧タンク６は貯蔵する電力量によって、その圧縮空気の貯蔵圧力と貯蔵容量が定められる。ただし、一般的に大容量になるので、その場合外気と断熱するのがコストの観点から困難である。従って、蓄圧タンク６における圧縮空気の貯蔵温度は、大気放出による熱損失を避けるため大気温度と同程度、又は少し高めか低めに設定されている。また、蓄圧タンク６には圧力センサ６ａが設けられている。従って、蓄圧タンク６内の圧縮空気の圧力を検出できる。

蓄圧タンク６から膨張機７〜９へ延びる空気配管１０ａには、バルブ２６ｂが設けられている。バルブ２６ｂを開閉することにより、蓄圧タンク６から膨張機７〜９への圧縮空気の供給を許容又は遮断できる。

膨張機７〜９は、発電機２２ａ〜２２ｃを備える。発電機２２ａ〜２２ｃは膨張機７〜９と機械的に接続されている。空気配管１０ｂを通じて給気口７ａ〜９ａから圧縮空気を供給された膨張機７〜９は、供給された圧縮空気により作動し、発電機２２ａ〜２２ｃを駆動する。発電機２２ａ〜２２ｃは図示しない外部の電力系統に電気的に接続されており、発電した電力は電力系統に供給される。また、膨張機７〜９で膨張された空気は、排気口７ｂ〜９ｂから排気される。

本実施形態の圧縮機３〜５及び膨張機７〜９は、オイルフリー型のスクリュ式であるが、その種類は限定されず、オイルフリー型でなくてもよく、スクリュ式以外にも、スクロール式、ターボ式、及びレシプロ式などであってもよい。本実施形態では、圧縮機３〜５及び膨張機７〜９の数は共に３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ればよい。

また、圧縮機３〜５及び膨張機７〜９に供給される空気は、図示しない流量センサにより、流量が測定されている。従って、これらの流量に基づいて、ＣＡＥＳ発電装置２の運転状態を変更することもできる。

また、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、潤滑油タンク２８ａ〜２８ｃを備える。潤滑油タンク２８ａ〜２８ｃは、本実施形態では３基設けられている。個々の潤滑油タンク２８ａ〜２８ｃは、潤滑油配管３０ａ〜３０ｃを通じて圧縮機３〜５又は膨張機７〜９と流体的に接続されている（図１の二点鎖線参照）。

１つ目の潤滑油タンク２８ａは、特定の圧縮機３の図示しない軸受やギア等に供給する潤滑油を貯蔵しており、潤滑油配管３０ａを通じて圧縮機３と流体的に接続されている。潤滑油タンク２８ａには、内部の潤滑油を加熱するための潤滑油ヒータ３２が設けられている。潤滑油ヒータ３２は、図示しない外部電力やキャパシタなどの低温環境でも動作する蓄電装置から電力を供給されて動作する。２つ目の潤滑油タンク２８ｂは、他の圧縮機４，５の図示しない軸受やギア等に供給する潤滑油を貯蔵しており、潤滑油配管３０ｂを通じて圧縮機４，５と流体的に接続されている。３つ目の潤滑油タンク２８ｃは、膨張機７〜９の図示しない軸受やギア等に供給する潤滑油を貯蔵しており、潤滑油配管３０ｃを通じて膨張機７〜９と流体的に接続されている。個々の潤滑油タンク２８ａ〜２８ｃには、潤滑油温度センサ３４ａ〜３４ｃが設けられている。従って、それぞれの内部の潤滑油の温度を検出できる。また、個々の潤滑油配管３０ａ〜３０ｃにはポンプ３６ａ〜３６ｃが設けられている。従って、ポンプ３６ａ〜３６ｃにより潤滑油を流動させることができる。

次に、図１を参照して熱媒流路について説明する。熱媒流路では、第１熱交換部１２において圧縮機３〜５で発生した熱を熱媒に回収し、熱回収した熱媒を高温熱媒タンク１４に貯蔵し、第２熱交換部１６において膨張機７〜９で膨張する前の圧縮空気に熱を戻している。第２熱交換部１６において熱交換して降温した熱媒は、低温熱媒タンク１８に供給される。そして、低温熱媒タンク１８から第１熱交換部１２に再び熱媒が供給され、熱媒は循環している。熱媒の種類は特に限定されておらず、例えば鉱物油やグリコール系の熱媒を使用してもよい。

第１熱交換部１２は、３つの第１熱交換器１２ａ〜１２ｃを備える。個々の第１熱交換器１２ａ〜１２ｃは、空気流路において圧縮機３〜５から蓄圧タンク６に延びる空気配管１０ａに設けられ、熱媒流路において低温熱媒タンク１８から高温熱媒タンク１４に延びる熱媒配管２０に設けられている。従って、蓄圧タンク６から供給される圧縮空気と、低温熱媒タンク１８から供給される熱媒との間で熱交換し、圧縮機３〜５による圧縮で発生した圧縮熱を熱媒に回収している。即ち、第１熱交換部１２では、圧縮空気の温度は低下し、熱媒の温度は上昇する。個々の第１熱交換器１２ａ〜１２ｃには、図示しない温度センサが設けられ、熱交換した熱媒の温度を検出できる。これにより、貯蔵する熱媒温度を正確に把握でき、測定温度に基づいてＣＡＥＳ発電装置２の運転状態を制御できる。ここで昇温した熱媒は、熱媒配管２０を通じて高温熱媒タンク１４に供給される。

個々の第１熱交換器１２ａ〜１２ｃに接続された熱媒配管２０には、バルブ２６ｃ〜２６ｆが設けられている。従って、バルブ２６ｃ〜２６ｆを開閉することにより、個々の第１熱交換器１２ａ〜１２ｃへの熱媒の供給をそれぞれ許容又は遮断できる。

高温熱媒タンク１４は、大気と断熱された断熱材で周囲が覆われた鋼製タンクである。高温熱媒タンク１４には、第１熱交換部１２で昇温した熱媒が貯蔵される。高温熱媒タンク１４に貯蔵された熱媒は、熱媒配管２０を通じて第２熱交換部１６に供給される。高温熱媒タンク１４には、熱媒温度センサ１４ａが設けられている。従って、内部の熱媒の温度を検出できる。

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、高温熱媒タンク１４を迂回する第１バイパス流路３８を備える。第１バイパス流路３８は、高温熱媒タンク１４の上流で熱媒流路から分岐し、高温熱媒タンク１４の下流で熱媒流路に合流している。第１バイパス流路３８と高温熱媒タンク１４の上流及び下流の熱媒配管２０には、バルブ（第１バイパス切替手段）４０ａ〜４０ｃがそれぞれ設けられており、これらを開閉することにより熱媒の流れを許容又は遮断できる。具体的には、バルブ４０ａを閉じ、バルブ４０ｂ，４０ｃを開くことで、第１バイパス流路３８を熱媒が流れることなく高温熱媒タンク１４に熱媒を供給できる。また、バルブ４０ｂ，４０ｃを閉じ、バルブ４０ａを開くことで、高温熱媒タンク１４に熱媒を供給することなく第１バイパス流路３８を熱媒が流れる。第１バイパス流路３８を流れた熱媒は、熱媒配管２０を通じて第２熱交換部１６に供給される。

高温熱媒タンク１４及び第１バイパス流路３８から第２熱交換部１６に延びる熱媒配管２０には、バルブ２６ｇ，２６ｈが設けられている。バルブ２６ｇ，２６ｈを開閉することにより、第２熱交換部１６の個々の第２熱交換器１６ａ〜１６ｃへの熱媒の供給をそれぞれ許容又は遮断できる。

第２熱交換部１６は、３つの第２熱交換器１６ａ〜１６ｃを備える。個々の第２熱交換器１６ａ〜１６ｃは、空気流路において蓄圧タンク６から膨張機７〜９へ延びる空気配管１０ｂに設けられ、熱媒流路において高温熱媒タンク１４から低温熱媒タンク１８へ延びる熱媒配管２０に設けられている。従って、蓄圧タンク６から供給される圧縮空気と、高温熱媒タンク１４から供給される熱媒との間で熱交換し、膨張機７〜９による膨張の前に圧縮空気を加熱している。即ち、第２熱交換部１６では、圧縮空気の温度は上昇し、熱媒の温度は低下する。第２熱交換部１６で降温した熱媒は、熱媒配管２０を通じて低温熱媒タンク１８に供給される。

低温熱媒タンク１８は、第２熱交換部１６で熱交換して降温した熱媒を貯蔵する。従って、低温熱媒タンク１８内の熱媒は、通常、高温熱媒タンク１４内の熱媒よりも温度が低い。低温熱媒タンク１８には、熱媒温度センサ１８ａが設けられている。従って、低温熱媒タンク１８内部の熱媒の温度を検出できる。低温熱媒タンク１８に貯蔵された熱媒は、熱媒配管２０を通じて暖機用熱媒タンク４２に供給される。

低温熱媒タンク１８から第１熱交換部１２に延びる熱媒配管２０には、暖機用熱媒タンク４２が設けられている。本実施形態の暖機用熱媒タンク４２は高温熱媒タンク１４及び低温熱媒タンク１８よりも小型であり、暖機運転に必要最小限の量の暖機用熱媒を貯蔵する。暖機用熱媒タンク４２には暖機用熱媒ヒータ４４が設けられている。従って、内部の暖機用熱媒を加熱できる。また、暖機用熱媒タンク４２には熱媒温度センサ４２ａが設けられている。従って、暖機用熱媒タンク４２の内部の暖機用熱媒の温度を検出できる。本実施形態では、低温熱媒タンク１８と暖機用熱媒タンク４２とは、直列に接続されているが、これに限らず並列に接続されていてもよい。

暖機用熱媒とは、暖機運転時に装置内を流動する熱媒であり、通常運転時にＣＡＥＳ発電装置２の熱媒配管２０内を流動する熱媒と同一であってもよいし、異なっていてもよい。

第２熱交換部１６から低温熱媒タンク１８に延びる熱媒配管２０からは、暖機用熱媒配管４８（図１の一点鎖線参照）が分岐している。暖機用熱媒配管４８は、暖機運転時に熱媒が内部を流動する配管であり、流路中には第３熱交換部４６が設けられている。

第２熱交換部１６から延びる熱媒配管２０及び暖機用熱媒配管４８には、バルブ５０ａ〜５０ｃが設けられている。従って、バルブ５０ａ〜５０ｃを開閉することで第２熱交換部１６からの熱媒の供給先を、低温熱媒タンク１８と第３熱交換部４６との間で切り替えることができる。

第３熱交換部４６は、圧縮側熱交換器４６ａと膨張側熱交換器４６ｂとを備える。

圧縮側熱交換器４６ａは、暖機用熱媒配管４８と潤滑油配管３０ｂとの間で設けられ、暖機用熱媒と圧縮機４，５に供給される潤滑油との間で熱交換し、潤滑油を加熱する。即ち、圧縮側熱交換器４６ａでは、潤滑油の温度は上昇し、暖機用熱媒の温度は低下する。圧縮側熱交換器４６ａで降温した熱媒は、暖機用熱媒配管４８を通じて低温熱媒タンク１８又は暖機用熱媒タンク４２に供給される。

圧縮側熱交換器４６ａから延びる暖機用熱媒配管４８には、バルブ（第２バイパス切替手段）５６ａ，５６ｂが設けられている。従って、バルブ５６ａ，５６ｂを開閉することで圧縮側熱交換器４６ａからの熱媒の供給先を切り替えることができる。具体的には、低温熱媒タンク１８に供給する際は、バルブ５６ａを閉じ、バルブ５６ｂを開く。暖機用熱媒タンク４２に供給する際は、バルブ５６ｂを閉じ、バルブ５６ａを開く。

膨張側熱交換器４６ｂは、暖機用熱媒配管４８と潤滑油配管３０ｃとの間に設けられ、暖機用熱媒と膨張機７〜９に供給される潤滑油との間で熱交換し、潤滑油を加熱する。即ち、膨張側熱交換器４６ｂでは、潤滑油の温度は上昇し、暖機用熱媒の温度は低下する。膨張側熱交換器４６ｂで降温した熱媒は、暖機用熱媒配管４８を通じて低温熱媒タンク１８又は暖機用熱媒タンク４２に供給される。

膨張側熱交換器４６ｂから延びる暖機用熱媒配管４８には、バルブ（第２バイパス切替手段）５６ｃ，５６ｄが設けられている。従って、バルブ５６ｃ，５６ｄを開閉することで膨張側熱交換器４６ｂからの熱媒の供給先を切り替えることができる。具体的には、低温熱媒タンク１８に供給する際は、バルブ５６ｄを閉じ、バルブ５６ｃを開く。暖機用熱媒タンク４２に供給する際は、バルブ５６ｃを閉じ、バルブ５６ｄを開く。

このように、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２は、低温熱媒タンク１８を迂回する第２バイパス流路５４を備える。第２バイパス流路５４は、低温熱媒タンク１８の上流で暖機用熱媒配管４８から分岐し、低温熱媒タンク１８の下流の暖機用熱媒タンク４２に合流している。

熱媒流路には、熱媒配管２０内の熱媒を流動させるためのポンプ５２が設けられている。本実施形態では、ポンプ５２は、暖機用熱媒タンク４２の下流に設けられている。ただし、ポンプ５２の位置はこれに限定されず、熱媒流路中の任意の位置に設けてよい。

また、ＣＡＥＳ発電装置２は、制御装置５８を備える。制御装置５８は、シーケンサ等を含むハードウェアと、それに実装されたソフトウェアにより構築されている。圧力センサ６ａ、潤滑油温度センサ３４ａ〜３４ｃ、熱媒温度センサ１４ａ，１８ａ，４２ａは、図示しない配線又は無線で制御装置５８に接続されており、制御装置５８に測定値を出力する。制御装置５８は、上述のセンサの出力値に基づいて少なくとも個々のバルブ２６ａ〜２６ｈ，４０ａ〜４０ｃ，５０ａ〜５０ｃ，５６ａ〜５６ｄ、潤滑油ヒータ３２、及び暖機用熱媒ヒータ４４の動作を制御している。

次に、本発明の特徴をより明確にするため、従来のＣＡＥＳ発電装置２と比較して説明する。

図２は、本実施形態と比較するための従来のＣＡＥＳ発電装置２を示している。図１に示す本実施形態との主な違いは、後述するように５つある。５つの違いを除き、従来のＣＡＥＳ発電装置２は、図１の本実施形態と実質的に同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

１つ目の違いは、暖機運転に使用する潤滑油の加熱についての構成である。従来のＣＡＥＳ発電装置２は、圧縮機３〜５に供給する潤滑油を貯蔵するための潤滑油タンク２８ｂの数が１つであるのに対し、本実施形態では特定の圧縮機３に供給する潤滑油を貯蔵するための潤滑油タンク２８ａを別途設けている。従って、最小限の潤滑油の加熱により１台の圧縮機３の暖機を行う。さらに、このときの圧縮空気の製造により発生する圧縮熱を他の圧縮機４，５及び膨張機７〜９の暖機運転に利用することで、暖機に必要な消費電量を低減でき、簡易な構成で円滑な暖機運転が可能である。また、潤滑油ヒータ３２の数を減らすことができ、コストダウンや装置の信頼性向上につながる。

２つ目の違いは、暖機用熱媒タンク４２及び暖機用熱媒ヒータ４４についてである。従来のＣＡＥＳ発電装置２は、これらを備えていないが、本実施形態ではこれらが設けられている。潤滑油の場合と同様に、熱媒も温度低下により高粘度化する。暖機用熱媒ヒータ４４で装置に使用する全ての暖機用熱媒を加熱すると、大量の暖機用熱媒の加熱を要するため、大量の電力を消費してしまう。また、短時間で暖機を終了しようとすると、大容量の又は多くの暖機用熱媒ヒータ４４が必要になりコストアップしてしまう。しかし、小型の暖機用熱媒タンク４２を設けることで、必要最小限の暖機用熱媒を加熱できるため、暖機用熱媒ヒータ４４の消費電力を低減できる。もしくは、暖機用熱媒ヒータ４４の数を減らすことができ、コストダウンや装置の信頼性向上につながる。

３つめの違いは、第１バイパス流路３８についてである。従来のＣＡＥＳ発電装置２は、高温熱媒タンク１４を迂回するための第１バイパス流路３８が存在しないが、本実施形態ではこれが設けられている。第１バイパス流路３８を設けることにより、暖機運転時の暖機用熱媒が高温熱媒タンク１４内で温度低下している熱媒と混ざることがない。従って、暖機用熱媒の温度を維持でき、第３熱交換部４６で暖機用熱媒により潤滑油をより大きく加熱できる。

４つ目の違いは、第２バイパス流路５４についてである。従来のＣＡＥＳ発電装置２は、低温熱媒タンク１８を迂回するための第２バイパス流路５４が存在しないが、本実施形態ではこれが設けられている。第２バイパス流路５４を設けることにより、暖機運転時の暖機用熱媒が低温熱媒タンク１８内で温度低下している熱媒と混ざることがない。従って、暖機用熱媒の温度を維持でき、暖機用熱媒タンク４２における暖機用熱媒ヒータ４４の消費電力を低減できる

５つ目の違いは、第３熱交換部４６についてである。従来のＣＡＥＳ発電装置２は、第３熱交換部４６及び暖機用熱媒配管４８を備えていないが、本実施形態ではこれらが設けられている。圧縮側と膨張側に対してそれぞれ熱交換器４６ａ，４６ｂを設けているため、圧縮側のみ又は膨張側のみで使用する潤滑油を独立して加熱することができる。ＣＡＥＳ発電装置２では、圧縮と膨張が同時に行われない場合があり、即ち、圧縮機のみ又は膨張機のみが稼働する場合がある。こういった場合、圧縮側と膨張側のそれぞれに対して独立して潤滑油を加熱できることは有効である。

また、図３から図５を参照して、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２の動作について制御フローに基づいて説明する。

図３を参照して、運転が開始されると（ステップＳ３−１）、潤滑油温度センサ３４ａで検出した潤滑油の温度Ｔｏａが所定の温度Ｔｏｌ未満であるかを判断する（ステップＳ３−２）。所定の温度Ｔｏｌは、これより低い温度では潤滑油が温度低下により高粘度化し、ＣＡＥＳ発電装置２に悪影響を及ぼす温度に設定されている。所定の温度Ｔｏｌは、潤滑油の種類やＣＡＥＳ発電装置２の使用環境等により異なってもよい。潤滑油の温度Ｔｏａが所定の温度Ｔｏｌ未満である場合、潤滑油ヒータ３２及び暖機用熱媒ヒータ４４をＯＮにし（ステップＳ３−３）、潤滑油の温度Ｔｏａが所定の温度Ｔｏｌに達するまで待機し（ステップＳ３−４）、圧縮機３の運転を開始する（ステップＳ３−５）。潤滑油の温度Ｔｏａが所定の温度Ｔｏｌ以上である場合、すぐに圧縮機３の運転を開始する（ステップＳ３−５）。圧縮機３により圧縮空気が製造されると、それに伴い圧縮熱が発生する（ステップＳ３−６）。この圧縮熱を第１熱交換器１２ａにて暖機用熱媒で回収する（ステップＳ３−７）。熱回収して昇温した暖機用熱媒は、第３熱交換部４６に供給され、膨張機７〜９と他の圧縮機４，５に供給する潤滑油を加熱する（ステップＳ３−８）。第３熱交換部４６にて熱交換した暖機用熱媒は、暖機用熱媒タンク４２に供給及び貯蔵され、暖機用熱媒ヒータ４４で加熱される（ステップＳ３−９）。このようにして潤滑油を加熱し、潤滑油温度センサ３４ｂ，３４ｃで検出した潤滑油の温度Ｔｏｂ，Ｔｏｃが共に設計温度範囲内（Ｔｏｌ＜Ｔｏｂ，Ｔｏｃ＜Ｔｏｈ）であるかを判断する（ステップＳ３−１０）。潤滑油の温度Ｔｏｂ，Ｔｏｃが共に設計温度範囲内である場合、潤滑油ヒータ３２をＯＦＦにし、バルブ５０ａ〜５０ｃを切り替えて暖機用熱媒配管４８を閉じる（ステップＳ３−１１）。具体的には、バルブ５０ｂ，５０ｃを閉じ、バルブ５０ａを開く。そして、以下の処理Ａを実行し（ステップＳ３−１２）、処理Ａが完了すると終了する（ステップＳ３−１３）。

本実施形態では、暖機運転の初期は圧縮機３の稼働台数は１台であるが、暖機運転中に稼働台数を徐々に増やしてもよい。潤滑油温度センサ３４ｂで検出した潤滑油温度が上述の設計温度範囲内であれば、潤滑油は流動性を回復しているため、他の圧縮機４，５の稼働も可能である。従って、例えば、暖機運転中にさらに圧縮機４を稼働して第１熱交換器１２ｂにて圧縮熱をさらに回収してもよい。この場合、潤滑油タンク２８ｂ内の潤滑油が一定温度以上となっているため、圧縮側熱交換器４６ａで熱交換した暖機用熱媒の温度は大きく低下しない。従って、バルブ５６ａを閉じ、バルブ５６ｂを開くことで、この温度が低下しきっていない暖機用熱媒を、暖機用熱媒タンク４２ではなく低温熱媒タンク１８に供給し、低温熱媒タンク１８内の熱媒の温度を上昇させてもよい。

図４を参照して、処理Ａが実行されると（ステップＳ４−１）、バルブ５６ａ〜５６ｄを切り替えて圧縮熱を回収して昇温した暖機用熱媒を低温熱媒タンク１８に供給する（ステップＳ４−２）。具体的にはバルブ５６ａ，５６ｄを閉じ、バルブ５６ｂ，５６ｃを開く。そして、低温熱媒タンク１８から暖機用熱媒タンク４２に暖機用熱媒が供給され、暖機用熱媒ヒータ４４で加熱される（ステップＳ４−３）。このようにして暖機用熱媒を加熱し、熱媒温度センサ４２ａで検出した暖機用熱媒の温度Ｔｍａが設計温度範囲内（Ｔｍｌ＜Ｔｍａ＜Ｔｍｈ）であるかを判断する（ステップＳ４−４）。暖機用熱媒の温度Ｔｍａが設計温度範囲内である場合、暖機用熱媒ヒータ４４をＯＦＦにし（ステップＳ４−５）、バルブ５０ａ〜５０ｃを切り替えて通常運転に移行する（ステップＳ４−６）。具体的には、バルブ５０ｂ，５０ｃを閉じ、バルブ５０ａを開く。そして処理Ａを終了する（ステップＳ４−７）。

図５を参照して、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置２では、図３及び図４に示された制御フローとは、独立に並行して処理Ｂが実行されている。処理Ｂは、潤滑油の温度Ｔｏｂ，Ｔｏｃが共に設計温度範囲内（Ｔｏｌ＜Ｔｏｂ，Ｔｏｃ＜Ｔｏｈ）である場合に実行される。処理Ｂが実行されると（ステップＳ５−１）、圧縮機３にて圧縮空気が製造される（ステップＳ５−２）。そして、第１熱交換器１２ａにて圧縮熱を回収して蓄圧タンク６に圧縮空気が供給される（ステップＳ５−３）。回収した圧縮熱は上述のように暖機運転に使用される（ステップＳ５−４）。蓄圧タンクが満タンとなるまではこれらの処理を繰り返す（ステップＳ５−５）。満タンとなった場合、暖機用熱媒の温度Ｔｍａが設計温度範囲内（Ｔｍｌ＜Ｔｍａ＜Ｔｍｈ）であるかを判断する（ステップＳ５−６）。設計温度範囲内の場合、第２熱交換部１６にて熱媒で圧縮空気を加熱し（ステップＳ５−７）、膨張機７〜９を駆動して発電する（ステップＳ５−８）。設計温度範囲内でない場合、第２熱交換部１６にて熱媒で圧縮空気を加熱せず（ステップＳ５−９）、膨張機７〜９を駆動して発電する（ステップＳ５−１０）。そして処理Ｂを終了する（ステップＳ５−１１）。

また、図３から図５の制御フローは、ＣＡＥＳ発電装置２の急速な立ち上げが必要な場合、必ずしも実行されなくてもよい。即ち、暖機運転を早く終了する必要がある場合、ＣＡＥＳ発電装置２に使用する全ての潤滑油及び熱媒を加熱できるようにしてもよい。

本実施形態では、図３に示すステップＳ３−２及びステップＳ３−４で潤滑油温度センサ３４ａの検出値に基づいて暖機運転を開始している。この際、潤滑油温度センサ３４ａの検出値以外にも、例えばさらに熱媒温度センサ４２ａの検出値にも基づいて暖機運転を開始してもよい。これにより、暖機用熱媒の温度が所定未満で運転開始することを防止できる。従って、熱媒の高粘度化によるＣＡＥＳ発電装置２の信頼性の低下等の悪影響を回避できる。本実施形態で潤滑油温度センサ３４ａの検出値を判断に使用しているのは、実用上、潤滑油の高粘度化の方が問題となる場合が多いためであり、これに限定する意図ではない。

また、本発明の「変動する入力電力」は再生可能エネルギーに限定されることなく、工場設備の需要電力を平滑化したりピークカットをしたりするものであってもよい。

２ 圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
３，４，５ 圧縮機
３ａ，４ａ，５ａ 吸気口
３ｂ，４ｂ，５ｂ 吐出口
６ 蓄圧タンク
６ａ 圧力センサ
７，８，９ 膨張機
７ａ，８ａ，９ａ 給気口
７ｂ，８ｂ，９ｂ 排気口
１０ａ，１０ｂ 空気配管
１２ 第１熱交換部
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 第１熱交換器
１４ 高温熱媒タンク
１４ａ 熱媒温度センサ
１６ 第２熱交換部
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 第２熱交換器
１８ 低温熱媒タンク
１８ａ 熱媒温度センサ
２０ 熱媒配管
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 発電機
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ モータ（電動機）
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ バルブ
２８ａ，２８ｂ，２８ｃ 潤滑油タンク
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 潤滑油配管
３２ 潤滑油ヒータ
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ 潤滑油温度センサ
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ ポンプ
３８ 第１バイパス流路
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ バルブ（第１バイパス切替手段）
４２ 暖機用熱媒タンク
４２ａ 熱媒温度センサ
４４ 暖機用熱媒ヒータ
４６ 第３熱交換部
４６ａ 圧縮側熱交換器
４６ｂ 膨張側熱交換器
４８ 暖機用熱媒配管
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ バルブ
５２ ポンプ
５４ 第２バイパス流路
５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄ バルブ（第２バイパス切替手段）
５８ 制御装置

Claims (6)

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、空気を圧縮する複数の圧縮機と、
   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複数の膨張機と、
   前記膨張機と機械的に接続された発電機と、
   前記圧縮機で圧縮された空気と熱媒とで熱交換し、熱媒を加熱する第１熱交換部と、
   前記第１熱交換部と流体的に接続され、前記第１熱交換部で熱交換して昇温した熱媒を貯蔵する高温熱媒タンクと、
   前記高温熱媒タンクと流体的に接続され、前記高温熱媒タンクから供給される熱媒と前記膨張機に供給される圧縮空気とで熱交換し、圧縮空気を加熱するための第２熱交換部と、
   前記第２熱交換部と流体的に接続され、前記第２熱交換部で熱交換して降温した熱媒を貯蔵する低温熱媒タンクと、
   複数の前記圧縮機のうち全台数ではない前記圧縮機を暖機運転する際、暖機運転する前記圧縮機に対して供給される第１の潤滑油を貯蔵するための潤滑油タンクと、
   前記潤滑油タンク内の前記第１の潤滑油を加熱するための潤滑油ヒータと、
   前記第１熱交換部で熱交換して昇温した熱媒と、第２の潤滑油とで熱交換し、前記第２の潤滑油を加熱する第３熱交換部と
   を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
2. 前記高温熱媒タンク及び前記低温熱媒タンクに対して小容量の熱媒を貯蔵し、前記第１熱交換部と流体的に接続された暖機用熱媒タンクと、
   前記暖機用熱媒タンク内の熱媒を加熱するための暖機用熱媒ヒータと
   をさらに備える、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
3. 熱媒が前記高温熱媒タンクを迂回して前記第１熱交換部から前記第２熱交換部に流動する第１バイパス流路と、
   前記第１バイパス流路又は前記高温熱媒タンクのいずれに熱媒が供給されるかを切り替える第１バイパス切替手段と
   をさらに備える、請求項１又は請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
4. 前記第３熱交換部は、
   前記暖機運転する圧縮機以外の前記圧縮機に対して供給する前記第２の潤滑油を加熱する圧縮側熱交換器と、
   前記膨張機に対して供給する前記第２の潤滑油を加熱する膨張側熱交換器と
   を備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
5. 熱媒が前記低温熱媒タンクを迂回して前記第２熱交換部から前記第１熱交換部に流動する第２バイパス流路と、
   前記第２バイパス流路又は前記低温熱媒タンクのいずれに熱媒が供給されるかを切り替える第２バイパス切替手段と
   をさらに備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
6. 変動する入力電力により駆動される複数の圧縮機により空気を圧縮し、
   圧縮した空気を貯蔵し、
   貯蔵した圧縮空気を膨張させることにより発電し、
   前記圧縮の工程で発生する圧縮熱を回収し、
   回収した圧縮熱を蓄熱し、
   前記膨張の工程前に膨張させる圧縮空気を蓄熱した圧縮熱により加熱し、
   複数の前記圧縮機のうち全台数ではない前記圧縮機を暖機運転する際、暖機運転する前記圧縮機に対して加熱された第１の潤滑油を供給し、
   前記回収した圧縮熱により第２の潤滑油を加熱する
   ことを含む、圧縮空気貯蔵発電方法。

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