JPH07212991A

JPH07212991A - 圧縮ガス貯蔵発電システム

Info

Publication number: JPH07212991A
Application number: JP6018837A
Authority: JP
Inventors: Yoji Uchiyama; 洋司内山
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1994-01-20
Filing date: 1994-01-20
Publication date: 1995-08-11

Abstract

(57)【要約】【目的】定圧式の圧縮ガス貯蔵システムの構築コスト
を大幅に低減できる。【構成】圧縮機１の下流側に接続される圧力容器２
と、圧力容器２の下流側に接続されるタービン３と、圧
力容器２とプール６との間に設置された高圧給水用のポ
ンプ５とを備えている。圧力容器２の中の圧縮ガス例え
ば空気を取り出すときには、プール６の中の水をポンプ
５によって圧力容器２の中に押し込んで、圧縮空気に負
荷をかけ、一定圧で圧縮空気を圧力容器２から取り出
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧縮ガス貯蔵発電シス
テムに関する。更に詳述すると、本発明は夜間やオフピ
ーク時の余剰電力を利用して圧縮ガスを製造し、これを
貯蔵して昼間の電力負荷ピーク時などに取り出しガスタ
ービンを駆動させて発電を行う圧縮空気貯蔵発電システ
ム（ＣＡＥＳ）および都市高圧ガス発電システム（ＣＧ
ＥＳ）に関する。尚、圧縮気体として空気あるいは天然
ガス等を使用することは原理的に同じであることから、
本明細書においては主に圧縮空気について説明するが、
ガスには天然ガス等が含まれることは言うまでもない。

【０００２】

【従来の技術】現在ドイツや米国などで商用化されてい
るＣＡＥＳは、地下の岩塩層を利用して圧縮空気を貯蔵
する変圧式である。この変圧式は、貯蔵空間に圧縮空気
を導入するにつれて次第に空気の圧力が高くなり、貯蔵
した空気を外部に取り出していくにつれて空気の圧力が
次第に低減していく。したがって、所定圧以下に下がる
とタービン駆動に適さなくなることから、圧縮空気の全
量が使用できない。しかしながら、岩塩層は容量が大き
くとれるため、貯蔵コストが安く変圧式でも十分実施可
能である。しかし、我国の場合、自然の岩塩層がないた
め、岩盤に空洞を掘って圧縮空気を貯めるようにするこ
とが考えられている。例えば、図３に示すように、地下
の岩盤を掘って形成された圧縮空気貯蔵用の空洞１０１
と、地上の圧縮機・タービン発電機１０２と、空洞１０
１と圧縮機・タービン発電機１０２とを連通する空気路
１０３とからＣＡＥＳが構成されている（特開昭５７−
８３６３号公報参照）。しかし、岩盤に空洞１０１をつ
くる場合、掘削作業が困難でコストが高くなることか
ら、容量が大きくとれない。したがって、変圧式ＣＡＥ
Ｓを日本で採用することは困難である。

【０００３】これに対して、定圧式は、貯蔵空間に圧縮
空気を一定圧力で導入し、貯蔵した空気を一定圧力で外
部に取り出すものをいう。この定圧式は、貯蔵した空気
を全部取り出してタービン駆動に用いることができる点
で、容積の無駄がなく変圧式に比較して望ましい。この
定圧式としては、従来、例えば図４に示すものが知られ
ている。このＣＡＥＳは、地下の圧縮空気貯蔵用の空洞
１０１と、地表に設けられた圧縮機・タービン発電機１
０２と、空洞１０１と圧縮機・タービン発電機１０２と
を連通する空気路１０３と、地表に設けられた貯水池１
０４と、貯水池１０４と空洞１０１とを連通する水路１
０５とからなる。このＣＡＥＳでは、貯水池１０４と空
洞１０１内の間の水頭（ヘッド）による自然静圧と、空
洞１０１内の空気圧とが釣り合って、空気圧を一定に保
持している。また、同じく定圧式として、図５に示すも
のが知られている。このＣＡＥＳは、海底に設置した容
器１０６と陸上の圧縮機１０８やタービン１０９とを空
気管１１０で連結し、容器１０６内に水圧を利用して圧
縮空気を貯めるようにしている。容器１０６は連通口１
０７を介して海水を自由に出入り可能としている。した
がって、このＣＡＥＳは、海水の水圧と容器１０６内の
空気圧との釣合により空気圧を一定に保持している。

【０００４】つまり、従来の定圧式のＣＡＥＳは、必要
水頭相当の深度まで掘削して空洞を設置したり、海底に
容器を沈めることによって貯蔵空間内の空気に負荷をか
けるように構成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の定圧式のＣＡＥＳは、貯蔵空間内の高い空気圧と釣
り合う自然静圧が要求されるので、図４に示すように必
要水頭相当の深度まで地下深く空洞１０１を掘削し且つ
その空洞１０１と地表の貯水池１０４との間を連通させ
たり、また図５に示すように海底深く容器１０６を設け
その容器１０６と陸上設備とを連通させる必要があり、
構築コストが莫大となる問題がある。

【０００６】本発明は、低コストにて構築可能な定圧式
の圧縮空気貯蔵システムを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明は、余剰電力やオフピーク時の電力を利用し
てガスタービン発電器で圧縮ガスを製造すると共にこれ
を貯蔵し、電力負荷ピーク時などに貯蔵した圧縮ガスで
ガスタービンを駆動して発電を行う圧縮ガス貯蔵発電シ
ステムにおいて、圧縮ガスを貯蔵する圧力容器と、圧力
容器内を満たす水を貯留するプールと、圧力容器とプー
ルとを連結して水を循環させる循環流路と、圧力容器に
圧縮ガスを貯蔵する際に流路に負荷を与えるかあるいは
流路を閉塞する手段と、圧力容器から圧縮ガスを取り出
す際には一定圧力に水を加圧して圧力容器内へ押し込む
手段とで構成されている。ここで、圧縮ガスとは、圧縮
空気の他、天然ガスなどのその他の気体をも含む。

【０００８】

【作用】圧縮機により余剰電力やオフピーク時の電力を
利用して製造された圧縮ガス例えば空気を圧力容器内に
供給して貯める。圧縮空気は圧力容器の中の水を押し出
しながら圧縮空気を圧力容器内に導入する。このとき、
圧力容器内の水は循環流路を通ってプールへ押し出され
るが、循環流路の負荷手段ないし閉塞手段によって水の
流れに負荷がかけられるため、圧縮空気は一定圧力で蓄
えられる。圧力容器の中に貯蔵された圧縮空気を取り出
すときには、プールの中の水をポンプによって圧力容器
の中に押し込み、必要水頭相当の水圧を定圧加圧によっ
て得、一定圧にて圧縮空気を取り出す。そして、圧力容
器から出た圧縮空気をタービン側に送り、タービンを駆
動して発電機によって発電する。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基
づいて詳細に説明する。

【００１０】図１に本発明のプール型加圧水式圧縮空気
貯蔵システムの一実施例を示す。この圧縮空気貯蔵発電
システムは、圧縮機１とタービン３とこれらに必要に応
じて接続可能な発電機４とから成るガスタービン発電機
と、圧縮機１と、タービン３との間に接続された圧力容
器２と、圧力容器２から排出される水を溜めておくプー
ル６と、圧力容器２とプール６とを連結する循環流路１
３及びポンプ水車５と仕切弁１４とを備えてなる。

【００１１】ここで、圧縮機１と圧力容器２との間が空
気導入管路７によって接続されている。また、圧力容器
２とタービン３との間が空気取出管路８によって接続さ
れている。

【００１２】圧縮機１の下流側にアフタークーラ９が設
けられている。したがって、圧縮機１で形成された圧縮
空気は、アフタークーラ９で冷却され、貯蔵に適するよ
うに高圧低温にされてから、圧力容器２に導入される。
また、圧縮空気を貯蔵しない場合には、アフタークーラ
９で冷却せずにそのままタービン３側へ供給する。

【００１３】圧力容器２は、その形状について特に限定
はないが、本実施例では耐圧性の優れたチューブ形状に
形成され、適宜数並べられるように設られている。この
ようにチューブ形状にすると、並べ方を変えることによ
って敷地形状を変えることができるので、敷地形状の自
由度が大きく、また１層だけでなく複数層重ねることも
できる。

【００１４】また、空気導入管７の圧力容器２の直前、
また空気取出管路８の圧力容器２の直後及び圧力容器２
側の分岐管２１にはそれぞれバルブ１０，１１，２０が
設けられている。このバルブ１０，１１，２０の切り替
えによって圧縮空気の貯蔵、取出（発電）及びガスター
ビン３への直接供給を行うように設けられている。

【００１５】また、ポンプ水車５は、圧力容器２から圧
縮空気を取り出す際には一定圧力に水を加圧して圧力容
器２内へ押し込む手段に相当する。また、このポンプ水
車５は、圧力容器２内の水を供給される圧縮空気で押し
出す際に負荷を与える手段を兼ねている。ポンプ水車５
には発電機を兼ねたモータ１９が接続されており、排出
される水によってポンプ水車５を駆動してモータ１９を
回転させ、モータ１９を発電機として使用する。また、
圧縮空気を圧力容器２から取り出す際には、ポンプ水車
５がモータ１９で回転させて、プール６の水を圧力容器
２内へ必要水頭相当の圧力で押し込んで、圧力容器２か
ら圧縮空気を一定圧で取り出す。また、循環流路１３に
は仕切弁１４が設けられている。この仕切弁１４は、圧
力容器２とプール６との間を閉じて圧力容器２の水が流
出しないようにして、圧力容器２内の空気圧を一定に保
持するための負荷付与手段として設けられている。

【００１６】また、本実施例ではプール６の中に圧力容
器２が浸漬されて設置されている。このようにすると、
圧力容器２にプール６の水の圧力が外からかかるため、
容器にかかる圧力が軽減されると共に圧力容器２に空気
漏洩が生じた場合気泡が発生するので簡単に漏洩検査で
きる。また、プール内の水により圧力容器に浮力を生じ
るため、構造荷重を軽減することも可能である。しかし
ながら、プール６と圧力容器２とをそれぞれ別の場所に
設置したものも本発明に含まれることは勿論である。

【００１７】また、プール６は、圧力容器２の容積にほ
ぼ等しい水量を収容できることが必要である。これは、
圧縮空気取出時に圧力容器２内の圧縮空気を全部出すま
で、水を押し込むからである。しかしながら、本発明の
プール６は、圧縮空気取出時に、従来のような圧力容器
２の中の高い空気圧と釣合をとるような自然静圧を得る
必要はないので、浅いものでよい。また、プール６は、
本実施例において、半開放型で人工のものとして構成し
たが、これに限らず、密閉状に形成してもよく、自然池
などを利用してもよい。

【００１８】また、圧力容器２の下流側においてタービ
ン３にかけて、圧縮空気をタービン３からの排ガス熱に
よって予熱する再生器１５と、空気により燃料を燃焼さ
せて燃焼ガスを発生させる燃焼器１６とが設けられてい
る。タービン３として、本実施例では燃焼ガスで駆動す
るガスタービンが用いられているが、この他に圧縮空気
をそのまま使用するエアタービンとしてもよい。

【００１９】また、電動発電機４は、電力が入力される
と電動機として機能して圧縮機１を駆動し、タービン３
の回転が伝達されると発電機として機能するように設け
られている。圧縮機１と電動発電機４、タービン３と電
動発電機４とは、それぞれ第１のクラッチ１７、第２の
クラッチ１８を介して断続可能に設けられている。な
お、圧縮機１に独立の電動機、タービン３に独立の発電
機をそれぞれ別個に接続するようにしてもよい。

【００２０】以上のように構成されたプール型加圧水式
圧縮空気貯蔵システムによると、次のように圧縮空気を
貯蔵し、且つその圧縮空気を取り出す。

【００２１】夜間の余剰電力などを利用して次のように
圧縮空気導入を行う。まず、水１２で満たされている圧
力容器２の中にバルブ１０，２０を開放しバルブ１１を
閉じておく。この状態において、余剰電力によって発電
機４を電動機として機能させ、圧縮機１を回転させる。
そして、圧縮機１によって圧縮空気をつくり、その圧縮
空気をアフタークーラ９によって冷却した後、圧力容器
２に導入する。圧力容器２に導入された圧縮空気の圧力
によって、圧力容器２の中の水が循環流路１２を介して
押し出される。圧力容器２内で圧縮空気と水面との圧力
の釣合がとれているので、圧縮空気は一定の圧力で圧力
容器２内に供給されていく。また、圧力容器２から押し
出された水の流れによってポンプ水車５が水車として機
能し、電動発電機１９が発電機として発電する。ポンプ
水車５を通過した水は、プール６の中に流入される。こ
こで、排出される水１２への負荷の付与は、ポンプ水車
５のみによらず、場合によっては排水完了後に仕切弁１
４を閉じて圧力容器２を完全な密閉容器として使用する
こと、あるいは仕切弁１４を絞って負荷をかけることも
可能である。

【００２２】圧縮空気導入が終了したら、バルブ２０を
閉じる。これによって、圧力容器２の中の圧縮空気が一
定の圧力で保持された状態で貯蔵される。

【００２３】尚、ポンプ水車が成立し難い条件の場合は
水車機能に代わり、空気圧縮機を変速運転する方法、又
は空気圧縮機を多軸に分割し、貯気槽圧力の上昇に伴い
段階的に運転する方法、或いはこれらを併用することに
より、総合的に効率を向上することも可能である。

【００２４】そして、昼間の電力負荷がピークになる
と、次のように貯蔵圧縮空気を取り出して発電に用い
る。バルブ１４を開いて発電機１９をモータとして駆動
させ、プール６の中の水１２をポンプ水車５で圧力容器
２に向けて一定圧力で圧送する。続いて、バルブ１０を
閉じ、バルブ１１，２０を開いて、圧力容器２の中の圧
縮空気を取り出す。このとき、圧力容器２の中の圧縮空
気は、ポンプ水車５によって常にタービン３を駆動する
に必要な圧力を維持するだけの水頭に相当する圧力が付
与されて水が押し込まれる。圧力容器２内において、圧
縮空気の圧力と水面の圧力とが釣り合うので、圧縮空気
は圧力容器２から抜け切るまで一定の圧力にて取り出さ
れる。圧力容器２から流出した圧縮空気は再生器１５で
予熱された後、燃焼器１６で燃焼ガス生成に用いられ
る。この燃焼ガスでタービン３を駆動し、電動発電機４
を発電機として機能させて発電する。

【００２５】図２に本発明のＣＡＥＳにコージェネレー
ションシステムが併設された一例を示す。このコージェ
ネレーションシステムは、圧縮機の空気圧縮時に発生す
る高熱を取り出して有効利用するものである。このコー
ジェネレーションシステムは、圧縮機１の下流側に設け
られた熱回収用熱交換器３１，３２と、この熱回収用熱
交換器３１，３２に接続された温水用熱交換器３３，３
４・蒸気吸収冷凍機３５・低温水吸収冷凍機３６と、こ
の温水用熱交換器３３，３４・冷凍機３５，３６で得ら
れた温水および冷水をそれぞれ貯留する温水槽３７およ
び冷水槽（プール）６とを備えている。ここで、温水槽
３７および冷水槽６は、蓄熱のために設けられており、
外部に温・冷熱を取り出し可能に設けられている。

【００２６】また、冷水槽６は、本発明のプールを兼用
している。即ち、冷水槽６は、高圧給水用のポンプ５を
介して圧力容器２に接続されている。尚、本実施例で
は、高圧給水用のポンプ５は、水車を兼用していない。
つまり、圧縮空気貯蔵時に、圧縮空気によって圧力容器
２から押し出された水は、直接、冷水槽６に送られる。

【００２７】なお、熱回収用熱交換器３２の下流側に
は、単に圧縮空気を冷却するクーラ９が設けられてい
る。このクーラ９に冷却塔３９が接続されている。

【００２８】このコージェネレーションシステム併設型
のＣＡＥＳによると、圧縮機１の空気圧縮時に生じた高
熱を利用して冷凍機３５，３６で冷水をつくり、この冷
水をプールとしての冷水槽６に溜める。そして、冷水槽
６から冷水がポンプ５によって圧力容器２内に供給され
る。圧力容器２内に押し込められた圧縮空気は、この冷
水に触れて冷却されるので、いっそう低温化されて貯蔵
に適した状態になる。

【００２９】なお、上述の実施例は本発明の好適な実施
の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明
の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能であ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
の圧縮空気貯蔵発電システムは、圧縮ガスを貯蔵する際
には圧力容器から排出される水の排出に負荷を与えると
共に圧縮ガスを取り出す際にはポンプによってプールの
水を一定圧力で圧力容器内に押し込んで圧縮ガスに負荷
をかけるようにしているので、圧力容器内の圧縮ガスを
一定圧で取り出し全量を利用できるものである。また、
本発明のシステムは、地上に設置した圧力容器やプール
だけで定圧式のＣＡＥＳを構成できると共に圧力容器と
プールとの間に高圧給水用のポンプを設置するだけの簡
単な構造であるので、定圧式の圧縮ガス貯蔵システムの
構築コストを大幅に低減できる。

【００３１】圧縮ガスを加圧する水を熱供給の媒体に活
用でき、コージェネレーションによる総合効率の向上が
図れる。

【００３２】また、圧縮ガスを貯蔵する施設を熱貯蔵に
も兼ねることができ、建設費の低減が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧縮ガス貯蔵発電システムの一実施例
を示す系統図である。

【図２】本発明の圧縮ガス貯蔵発電システムにコージェ
ネレーションシステムを併設してなる他の実施例を示す
系統図である。

【図３】従来の圧縮空気貯蔵システムの一例を示す縦断
面図である。

【図４】従来の圧縮空気貯蔵システムの他の例を示す縦
断面図である。

【図５】従来の圧縮空気貯蔵システムの更に他の例を示
す縦断面図である。

【符号の説明】１圧縮機２圧力容器３タービン４電動発電機（電動機、発電機）５ポンプ水車（ポンプ）６プール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】余剰電力やオフピーク時の電力を利用し
てガスタービン発電機で圧縮ガスを製造すると共にこれ
を貯蔵し、電力負荷ピーク時などに貯蔵した圧縮ガスで
ガスタービンを駆動して発電を行う圧縮ガス貯蔵発電シ
ステムにおいて、前記圧縮ガスを貯蔵する圧力容器と、
前記圧力容器内を満たす水を貯留するプールと、前記圧
力容器と前記プールとを連結して水を循環させる循環流
路と、前記圧力容器に圧縮ガスを貯蔵する際に前記流路
に負荷を与えるかあるいは流路を閉塞する手段と、前記
圧力容器から圧縮ガスを取り出す際には一定圧力に水を
加圧して前記圧力容器内へ押し込む手段とを有している
ことを特徴とする圧縮ガス貯蔵発電システム。