JP2019027384A - 圧縮空気貯蔵発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】需要家設備からの一時的な大量の電力要求に対応可能な圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。【解決手段】圧縮空気貯蔵発電装置１０は、需要家設備３の電力需要値を受信する電力需要受信部６０を備える。また、装置１０は、低圧タンク１４から膨張機１６に供給する圧縮空気の流量を調整する第１給気弁２１ａと、高圧タンク１５から膨張機１６に供給する圧縮空気の流量を調整する第２給気弁２１ｂと、電力需要値が所定の閾値未満である場合、前記第２給気弁を閉じた状態で電力需要値に応じて第１給気弁２１ａを開き、電力需要値が所定の閾値以上である場合、電力需要値に応じて第２給気弁２１ｂを開く制御装置２２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置に関する。

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。そのため、適時に必要な電力を得るためには、エネルギー貯蔵システムを使用する必要がある。そのようなシステムの一例として、例えば、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電システムが知られている。

ＣＡＥＳ発電システムは、再生可能エネルギーを用いて圧縮機を駆動して圧縮空気を製造し、圧縮空気をタンクなどに貯蔵し、必要なときに圧縮空気を使用してタービン発電機を駆動して電力を得るシステムである。このようなＣＡＥＳ発電システムが、例えば特許文献１に開示されている。

特開２０１６−３４２１１号公報

特許文献１では、一般的なＣＡＥＳ発電システムの構成は開示されているが、ＣＡＥＳ発電システムによって生成される電力の供給の仕方および供給先については詳細に検討されていない。特に、需要家設備の態様によっては、電力を一時的に大量に供給しなければならないことがある。例えば、スーパーコンピュータや電気炉のような需要家設備は、処理するジョブの種類や工程に応じて一時的に大量の電力を消費する。しかし、特許文献１のＣＡＥＳ発電システムは、このような一時的な大量の電力要求に対応した構成になっておらず、またそのような電力要求に対応した運転方法についても開示も示唆もない。

本発明は、需要家設備からの一時的な大量の電力要求に対応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。

本発明の圧縮空気貯蔵発電装置は、入力電力を圧縮空気の態様で蓄え、必要に応じて前記圧縮空気を使用して発電し、需要家設備に電力を供給可能である圧縮空気貯蔵発電装置であって、前記需要家設備の電力需要値を受信する電力需要受信部と前記入力電力によって駆動される電動機と、前記電動機によって駆動される第１圧縮機と、前記第１圧縮機によって圧縮された前記圧縮空気を蓄える第１蓄圧部および第２蓄圧部と、前記第１蓄圧部または前記第２蓄圧部から供給される前記圧縮空気によって駆動される膨張機と、前記膨張機によって駆動される発電機と、前記第１蓄圧部から前記膨張機に供給する前記圧縮空気の流量を調整する第１給気弁と、前記第２蓄圧部から前記膨張機に供給する前記圧縮空気の流量を調整する第２給気弁と、前記電力需要値が所定の閾値未満である場合、前記第２給気弁を閉じた状態で前記電力需要値に応じて前記第１給気弁を開き、前記電力需要値が所定の閾値以上である場合、前記電力需要値に応じて前記第２給気弁を開く制御装置とを備える。

この構成によれば、再生可能エネルギーのような出力が不規則に変動するエネルギーを第１蓄圧部および第２蓄圧部にて圧縮空気として貯蔵でき、必要に応じて圧縮空気を膨張機に供給し、発電機を駆動して発電できる。また、電力需要受信部によって需要家設備から電力需要値を受信しているため、需要家設備からの一時的な大量の電力要求を適時に把握できる。そのため、通常時、即ち電力需要値が所定の閾値未満である場合、第１給気弁の開度を調整して第１蓄圧部から膨張機に必要量の圧縮空気を供給し、必要量の発電を行うことができる。また、一時的な大量の電力要求があった場合、即ち電力需要値が所定の閾値以上となった場合、第２給気弁の開度を調整して第２蓄圧部から膨張機に必要量の圧縮空気を供給できるため一時的に大量に発電できる。従って、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置を利用し、需要家設備からの一時的な大量の電力要求に対応可能である。ここで、電力需要値の所定の閾値は、第１蓄圧部から膨張機に供給される圧縮空気によって発電可能な電力の最大値である。

また、この構成によれば、需要家設備の電力需要値に変動がある場合、特にある短い時間(例えば１日のうちに数分から数十分間程度)だけ電力需要値が増大するような場合、増大した電力需要値に基づいて契約電力を設定すると不経済となる。しかし、このＣＡＥＳ発電装置から上記短い時間の電力需要値の増大に対して電力を適時補給することで、より低い契約電力を設定できる。従って、経済的な観点でも有用である。また、ＣＡＥＳ発電装置は、環境負荷物質を排出しないため環境性に優れており、その他の発電設備と比べて耐用年数も長く耐久性にも優れている。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記第１圧縮機よりも高圧に圧縮可能である第２圧縮機をさらに備え、前記第２蓄圧部は、前記第１蓄圧部よりも許容圧力が高く、前記第２圧縮機によって圧縮された前記圧縮空気を蓄える。

この構成によれば、第２圧縮機によって高圧の圧縮空気を製造し、この高圧の圧縮空気を第２蓄圧部に蓄えることができる。従って、第２蓄圧部から膨張機に高圧の圧縮空気を供給でき、より多くの発電が可能となる。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記第２蓄圧部の内圧を検出する圧力検出部と、電力を蓄えるキャパシタと、燃料を使用して発電するエンジン発電機とをさらに備え、前記制御装置は、前記電力需要値が所定の閾値以上である場合、かつ、前記第２蓄圧部の内圧が所定の圧力値以下である場合、前記電力需要値に応じて前記キャパシタから前記需要家設備に電力を供給し、前記電力需要値が所定の閾値以上である場合、前記第２蓄圧部の内圧が前記所定の圧力値以下である場合、かつ、前記キャパシタに蓄えられた電力が所定の電力値以下である場合、前記電力需要値に応じて前記エンジン発電機を駆動して前記需要家設備に電力を供給してもよい。

この構成によれば、第２蓄圧部の圧縮空気が尽き、一時的に大量に発電できなくなった場合でも、キャパシタから需要家設備に補助的に電力を供給できる。さらに、キャパシタの貯蔵電力が尽き、補助的に電力供給できなくなった場合であっても、エンジン発電機によって発電し、さらに補助的に電力を需要家設備に供給できる。ここで、所定の圧力値は、許容設定されている低圧タンクの内圧程度の圧力値を示す。また、所定の電力値は、キャパシタから需要家設備に十分に電力供給できる程度の電力値を示す。

前記第１給気弁および前記第２給気弁は、ともに流量調整弁であり、前記制御装置は、前記電力需要値に応じて前記第１給気弁および前記第２給気弁の開度を調整して前記発電機の発電量を調整してもよい。

この構成によれば、電力需要値に応じて第１給気弁および第２給気弁の開度を調整しているため、需要家設備が必要としている電力量を適時に発電できる。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記発電機の回転数を変更するための回転数変更装置をさらに備え、前記制御装置は、前記電力需要値に応じて前記回転数変更装置によって前記発電機の回転数を調整して前記発電機の発電量を調整してもよい。

この構成によれば、電力需要値に応じて回転数変更装置によって発電機の回転数を調整しているため、需要家設備が必要としている電力量を適時に発電できる。

前記膨張機は、複数台設けられており、前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記膨張機の運転台数を変更する運転台数変更装置をさらに備え、前記制御装置は、前記電力需要値に応じて前記運転台数変更装置によって駆動する前記膨張機の台数を調整して前記発電機の発電量を調整してもよい。

この構成によれば、電力需要値に応じて運転台数変更装置によって膨張機の駆動台数を調整しているため、需要家設備が必要としている電力量を適時に発電できる。

本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置を利用し、一時的な大量の電力要求に対応可能である。

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。 第１実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の制御ブロック図。 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。 第２実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の制御ブロック図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１に示す圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電システム１は、風力発電や太陽光発電等の再生可能エネルギーを利用した発電装置２にて発電された電力を圧縮空気の態様で蓄え、必要なときに圧縮空気を用いて発電し、需要家設備３に電力を適時に供給するシステムである。さらに、ＣＡＥＳ発電システム１は、システム内で発生する冷熱および温熱を需要家設備３に供給することもできる。ここで、需要家設備３の態様は、例えば各家庭、工場、電気炉、またはデータセンタのスーパーコンピュータなど様々であり得る。ここで、図１では、需要家設備３は２箇所に図示されているが、２箇所の需要家設備３は同じものを示している。但し、需要家設備３は複数であってもよい。

ＣＡＥＳ発電システム１は、ＣＡＥＳ発電装置１０と、ＣＡＥＳ発電装置１０に通信ネットワークＮを介してデータを送信可能である電力需要検出部５０とを備える。

ＣＡＥＳ発電装置１０は、圧縮空気を利用して発電する発電ライン４ａと、膨張機１６から排気される冷気を利用して冷熱を取り出す冷熱ライン４ｂと、第１圧縮機１２から吐出される高温空気を利用して温熱を取り出す温熱ライン４ｃとを備える。以降、これらの３つのラインについて順に説明する。

まず、発電ライン４ａを説明する。発電ライン４ａでは、ＣＡＥＳ発電装置１０は、モータ（電動機）１１および第１圧縮機１２と、第２圧縮機１３と、低圧タンク（第１蓄圧部）１４と、高圧タンク（第２蓄圧部）１５と、膨張機１６と、発電機１７と、スイッチ１８とを備える。

再生可能エネルギーを利用する発電装置２により発電された電力は、モータ１１に供給される。以降、発電装置２からモータ１１に供給される電力を入力電力という。モータ１１は、第１圧縮機１２に機械的に接続されており、入力電力により駆動されて第１圧縮機１２を動作させる。

本実施形態の第１圧縮機１２は、スクリュ式である。スクリュ式の第１圧縮機１２は、回転数制御可能であるため、不規則に変動する入力電力に応答性良く追従でき、ＣＡＥＳ発電装置１０の構成要素として好ましい。ただし、第１圧縮機１２の種類は特に限定されず、スクリュ式以外にも、スクロール式、ターボ式、またはレシプロ式などであってもよい。

第１圧縮機１２は、モータ１１により駆動されると、吸気口１２ａから空気を吸気し、圧縮して吐出口１２ｂから吐出する。第１圧縮機１２の吐出口１２ｂは空気配管１９ａを通じて低圧タンク１４と流体的に接続されており、吐出口１２ｂから吐出された圧縮空気は空気配管１９ａを通じて低圧タンク１４に圧送される。また、空気配管１９ａの途中から空気配管１９ｂが分岐している。空気配管１９ｂは第２圧縮機１３の吸気口１３ａと流体的に接続されており、空気配管１９ｂを通じて、第１圧縮機１２から吐出された圧縮空気は、第２圧縮機１３に供給可能である。空気配管１９ｂには吸気弁２０が介設されており、吸気弁２０によって第１圧縮機１２から第２圧縮機１３への圧縮空気の供給を許容又は遮断できる。

第２圧縮機１３は、吸気口１３ａから空気を吸気し、圧縮して吐出口１３ｂから吐出する。第２圧縮機１３の吐出圧力は、第１圧縮機１２の吐出圧力よりも高い。第２圧縮機１３の吐出口１３ｂは空気配管１９ｃを通じて高圧タンク１５と流体的に接続されており、吐出口１３ｂから吐出された圧縮空気は空気配管１９ｃを通じて高圧タンク１５に圧送される。ここで、第２圧縮機１３の種類は特に限定されず、例えば第１圧縮機１２と同種類のものを使用し得る。

低圧タンク１４は、例えば鋼製のタンクであり、第１圧縮機１２から圧送された圧縮空気を蓄えている。高圧タンク１５は、例えば鋼製のタンクであり、第２圧縮機１３から圧送された圧縮空気を蓄えている。高圧タンク１５は、低圧タンク１４よりも許容圧力が高く設計されている。低圧タンク１４および高圧タンク１５は、空気配管１９ｄ，１９ｅを通じて膨張機１６の給気口１６ａとそれぞれ流体的に接続されている。詳細には、空気配管１９ｄ，１９ｅは途中で空気配管１９ｆに合流し、空気配管１９ｆは切替弁２１ｃを介して二手（空気配管１９ｇ，１９ｈ）に分岐して２つの膨張機１６にそれぞれ流体的に接続されている。従って、空気配管１９ｄ〜１９ｈを通じて、低圧タンク１４および高圧タンク１５内の圧縮空気は、２つの膨張機１６にそれぞれ供給される。空気配管１９ｄ，１９ｅには、流量調整弁である第１給気弁２１ａ，第２給気弁２１ｂがそれぞれ介設されている。第１給気弁２１ａ，第２給気弁２１ｂの開度は、後述する制御装置２２によって制御されている。なお、切替弁２１ｃは運転台数変更装置の一例である。

本実施形態の２つの膨張機１６は、同一のものであり、スクリュ式である。スクリュ式の膨張機１６は、回転数制御可能であるため、前述のスクリュ式の第１圧縮機１２と同様にＣＡＥＳ発電装置１０の構成要素として好ましい。ただし、膨張機１６の種類は特に限定されず、スクリュ式以外にも、スクロール式、ターボ式、またはレシプロ式などであってもよい。

膨張機１６は、発電機１７と機械的に接続されている。そのため、膨張機１６は、給気口１６ａから給気された圧縮空気により作動し、発電機１７を駆動する。即ち、低圧タンク１４および高圧タンク１５に貯蔵していた圧縮空気を膨張させて発電に利用している。膨張された空気は、それぞれの排気口１６ｂから空気配管１９ｉ，１９ｊを通じて排気される。空気配管１９ｉ，１９ｊは空気配管１９ｋに合流して第１熱交換器２３に流体的に接続されている。

発電機１７は、スイッチ１８を介して需要家設備３およびモータ１１に電気的に接続されている。通常、発電機１７で発電した電力は需要家設備３に供給されるが、スイッチ１８を切り替えることでモータ１１に電力を供給することもできる。以降、発電機１７から需要家設備３に供給される電力を出力電力といい、モータ１１に供給される電力を戻し電力という。特に、発電装置２による再生可能エネルギーを利用した発電は不安定であるため、モータ１１に供給すべき電力が得られない場合、スイッチ１８を切り替えて戻し電力を得ることができることは有効である。また、発電機１７には、インバータ２１ｄが電気的に接続されており、インバータ２１ｄによって発電機１７の回転数を調整できる。本実施形態のインバータ２１ｄはコンバータとしての機能も有しており、出力電力はインバータ２１ｄによって直流交流変換を含めて所望の電圧および周波数に変換された後に需要家設備３に供給される。インバータ２１ｄは、後述するように制御装置２２によって制御されている。なお、インバータ２１ｄは回転数変更装置の一例である。

需要家設備３には電力需要検出部５０が取り付けられており、需要家設備３が必要としている電力を検出している。電力需要検出部５０は、需要家設備３における停電情報または需要家設備３がスーパーコンピュータや電気炉などの場合の大量の電力を消費するジョブ情報や工程情報などのように一時的な大量の電力需要を検出できるものである。これら以外にも、電力需要検出部５０の態様は、特に限定されず、例えば各家庭で電力の使用量または工場での電力の使用量などから電力需要値を算出するものであってもよい。

ＣＡＥＳ発電装置１０は、電力需要検出部５０に対応した電力需要受信部６０を備える。従って、電力需要値は、通信ネットワークＮを介して電力需要検出部５０から電力需要受信部６０に送信され、制御装置２２において後述する制御に使用される。

次に、冷熱ライン４ｂを説明する。冷熱ライン４ｂでは、ＣＡＥＳ発電装置１０は、第１熱交換器２３と、第１熱媒貯蔵部２４とを備える。これらは熱媒配管２５ａによって流体的に接続されており、第１熱媒が熱媒配管２５ａを通ってこれらの間を循環している。また、熱媒配管２５ａには、第１熱媒を循環流動させるためのポンプ２６が配設されている。なお、第１熱媒の種類は特に限定されず、例えば熱媒油または水であり得る。

第１熱交換器２３は膨張機１６の排気口１６ｂと空気配管１９ｉ，１９ｊ，１９ｋを通じて流体的に接続されており、膨張機１６の排気口１６ｂから排気された空気は空気配管１９ｉ，１９ｊ，１９ｋを通って第１熱交換器２３に供給される。ここで、膨張機１６の排気口１６ｂから排気された空気は、膨張機１６にて膨張される際に吸熱されているため、常温以下の冷気となっている。本実施形態では、膨張機１６の排気口１６ｂから排気された空気は、例えば−５０℃程度の冷気となっている。

第１熱交換器２３では、空気配管１９ｋ内の冷気と、熱媒配管２５ａ内の常温の第１熱媒とで熱交換が行われている。詳細には、第１熱交換器２３では、空気配管１９ｋ内の空気は加熱され、熱媒配管２５ａ内の第１熱媒は冷却される。本実施形態では、第１熱交換器２３で加熱された空気配管１９ｋ内の空気は例えば２０℃程度となり、第１熱交換器２３で冷却された熱媒配管２５ａ内の第１熱媒は例えば５℃程度となる。第１熱交換器２３での熱交換後、第１熱交換器２３で加熱された空気は大気に排気され、第１熱交換器２３で冷却された第１熱媒は熱媒配管２５ａを通じて第１熱媒貯蔵部２４に供給され、貯蔵される。

第１熱媒貯蔵部２４は、例えば冷水プールであり、冷熱を外部に放出しないように外部から断熱されていることが好ましい。第１熱媒貯蔵部２４は、需要家設備３と熱媒配管２５ｂを通じて流体的に接続されており、熱媒配管２５ｂには流量調整弁である冷熱供給調整弁２７が介設されている。そのため、第１熱媒貯蔵部２４に貯蔵された第１熱媒は、冷熱供給調整弁２７の開度に応じて需要家設備３に供給される。なお、需要家設備３に第１熱媒が供給されると、熱媒配管２５ａ内の第１熱媒の循環量が減少するため、これを補うべく熱媒供給機構２８によって第１熱媒が熱媒配管２５ａ内に供給される。

次に、温熱ライン４ｃを説明する。温熱ライン４ｃでは、ＣＡＥＳ発電装置１０は、第２熱交換器２９と、第２熱媒貯蔵部３０とを備える。これらは熱媒配管３１ａによって流体的に接続されており、第２熱媒が熱媒配管３１ａを通ってこれらの間を循環している。また、熱媒配管３１ａには、第２熱媒を循環流動させるためのポンプ３２が配設されている。なお、第２熱媒の種類は特に限定されず、例えば熱媒油または水であり得る。

第２熱交換器２９は、第１圧縮機１２の吐出口１２ｂから低圧タンク１４に延びる空気配管１９ａに介設されている。第１圧縮機１２の吐出口１２ｂから吐出される圧縮空気は、第１圧縮機１２で圧縮される際の圧縮熱により昇温しているため、常温以上の高温空気となっている。本実施形態では、第１圧縮機１２の吐出口１２ｂから吐出される圧縮空気は、例えば１５０℃程度の暖気となっている。

第２熱交換器２９では、空気配管１９ａ内の高温空気と、常温の熱媒配管３１ａ内の第２熱媒とで熱交換が行われている。詳細には、第２熱交換器２９では、空気配管１９ａ内の空気は冷却され、熱媒配管３１ａ内の第２熱媒は加熱される。本実施形態では、第２熱交換器２９で冷却された空気配管１９ａ内の空気は、例えば５０℃程度となり、第２熱交換器２９で加熱された第２熱媒は例えば９０℃程度となる。第２熱交換器２９での熱交換後、第２熱交換器２９で冷却された空気は低圧タンク１４または高圧タンク１５に供給されて貯蔵され、第２熱交換器２９で加熱された第２熱媒は熱媒配管３１ａを通じて第２熱媒貯蔵部３０に供給されて貯蔵される。

第２熱媒貯蔵部３０は、例えば温水プールであり、温熱を外部に放出しないように外部から断熱されていることが好ましい。第２熱媒貯蔵部３０は、需要家設備３と熱媒配管３１ｂを通じて流体的に接続されており、熱媒配管３１ｂには流量調整弁である温熱供給調整弁３３が介設されている。温熱供給調整弁３３は、後述するように制御装置２２によって制御されている。そのため、第２熱媒貯蔵部３０に貯蔵された第２熱媒は、制御装置２２の制御に応じて需要家設備３に供給される。なお、需要家設備３に第２熱媒が供給されると、熱媒配管３１ａ内の第２熱媒の循環量が減少するため、これを補うべく熱媒供給機構３４によって第２熱媒が熱媒配管３１ａ内に供給される。

図２を併せて参照すると、ＣＡＥＳ発電装置１０は制御装置２２を備える。制御装置２２は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような記憶装置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。制御装置２２は、電力需要受信部６０から電力需要値を受け、第１給気弁２１ａ，第２給気弁２１ｂと、切替弁２１ｃと、インバータ２１ｄとを少なくとも制御する。詳細には、制御装置２２は、第１給気弁２１ａ，第２給気弁２１ｂを制御する給気弁制御部２２ａと、切替弁２１ｃを制御する運転台数制御部２２ｂと、インバータ２１ｄを制御する回転数制御部２２ｃとを備える。

給気弁制御部２２ａは、電力需要検出部５０によって検出した電力需要値に応じて第１給気弁２１ａ，第２給気弁２１ｂの開度を調整して膨張機１６および発電機１７を駆動する。具体的には、電力需要値が所定の閾値未満である場合、第２給気弁２１ｂを閉じた状態で、電力需要値に応じて第１給気弁２１ａの開度を調整し、低圧タンク１４内の圧縮空気によって膨張機１６を駆動し、必要量の発電を行う。また、電力需要値が所定の閾値以上である場合、第２給気弁２１ｂを開き、電力需要値に応じて第２給気弁２１ｂの開度を調整し、高圧タンク１５内の高圧の圧縮空気によって膨張機１６を駆動し、発電機１７の発電量を増加させ、必要量の発電を行う。または、第１給気弁２１ａを閉じた状態で第２給気弁２１ｂを開くようにしてもよい。

運転台数制御部２２ｂは、切替弁２１ｃを切り替えることで膨張機１６の運転台数を調整し、発電機１７を駆動する。具体的には、電力需要値が現在の出力電力よりも大きい場合、切替弁２１ｃの出口を二手に開いて、二つの膨張機１６を駆動することで、発電機１７の発電量を増加させる。電力需要値が現在の出力電力よりも小さい場合、切替弁２１ｃの出口の一方または全部を閉じ、一つの膨張機１６を駆動するかまたは駆動しないことで、発電機１７の発電量を減少させる。

回転数制御部２２ｃは、インバータ２１ｄの回転数指令値を調整して発電機１７を駆動する。具体的には、電力需要値が現在の出力電力よりも大きい場合、回転数指令値を大きくし、発電機１７の回転数を増加させ、発電機１７の発電量を増加させる。電力需要値が現在の出力電力よりも小さい場合、回転数指令値を小さくし、発電機１７の回転数を減少させ、発電機１７の発電量を減少させる。

これらの調整では、第１給気弁２１ａおよび第２給気弁２１ｂの調整を前提として、切替弁２１ｃおよびインバータ２１ｄの調整は、各単独によって行われても、優先順序を付けた組み合わせで行われてもよい。なお、発電機１７の回転数制御はインバータ２１ｄによるものに限定されず、任意の態様で実行され得る。同様に、膨張機１６の運転台数制御は切替弁２１ｃによるものに限定されず、任意の態様で実行され得る。特に、膨張機１６の台数は、本実施形態では最大２台であるが、３台以上であってもよい。

本実施形態によれば、再生可能エネルギーのような出力が不規則に変動するエネルギーを低圧タンク１４および高圧タンク１５にて圧縮空気として貯蔵でき、必要に応じて圧縮空気を膨張機１６に供給し、発電機１７を駆動して発電できる。また、電力需要検出部５０および電力需要受信部６０によって需要家設備３の電力需要値を検出および受信しているため、需要家設備３からの一時的な大量の電力要求を適時に把握できる。そのため、通常時、即ち電力需要値が所定の閾値未満である場合、第１給気弁２１ａの開度を調整して低圧タンク１４から膨張機１６に必要量の圧縮空気を供給し、必要量の発電を行うことができる。また、一時的な大量の電力要求があった場合、即ち電力需要値が所定の閾値以上となった場合、第２給気弁２１ｂの開度を調整して高圧タンク１５から膨張機１６に必要量の圧縮空気を供給できるため一時的に大量に発電できる。従って、ＣＡＥＳ発電システム１を利用し、需要家設備３からの一時的な大量の電力要求に対応可能である。ここで、電力需要値の所定の閾値は、低圧タンク１４から膨張機１６に供給される圧縮空気によって発電可能な電力の最大値である。この閾値を超える電力は、第２給気弁２１ｂを閉じた状態で、第１給気弁２１ａを最大限開いても発電されない。しかし、上記構成によれば、第２給気弁２１ｂを開くことで、この閾値を超える電力を発電できる。

上記のような電力要求の具体例としては、例えば、需要家設備３がデータセンタなどのスーパーコンピュータや電気炉である場合、または、需要家設備３において停電が発生した場合などが挙げられ、これらの場合、上記のように一時的な大量の電力が要求されることが考えられる。

また、この構成によれば、需要家設備３の電力需要値に変動がある場合、特にある短い時間(例えば１日のうちに数分から数十分間程度)だけ電力需要値が増大するような場合、増大した電力需要値に基づいて契約電力を設定すると不経済となる。しかし、このＣＡＥＳ発電装置１０から上記短い時間の電力需要値の増大に対して電力を適時補給することで、より低い契約電力を設定できる。従って、経済的な観点でも有用である。また、ＣＡＥＳ発電装置１０は、環境負荷物質を排出しないため環境性に優れており、その他の発電設備と比べて耐用年数も長く耐久性にも優れている。

また、本実施形態によれば、第２圧縮機１３によって高圧の圧縮空気を製造し、この高圧の圧縮空気を高圧タンク１５に蓄えることができる。従って、高圧タンク１５から膨張機１６に高圧の圧縮空気を供給でき、より多くの発電が可能となっている。

また、本実施形態によれば、電力需要値に応じて第１給気弁２１ａおよび第２給気弁２１ｂの開度を調整しているため、需要家設備３が必要としている電力量を適時に発電できる。

また、本実施形態によれば、電力需要値に応じてインバータ２１ｄによって発電機１７の回転数を調整しているため、需要家設備３が必要としている電力量を適時に発電できる。

また、本実施形態によれば、電力需要値に応じて切替弁２１ｃによって膨張機１６の駆動台数を調整しているため、需要家設備３が必要としている電力量を適時に発電できる。

なお、本実施形態では、第２圧縮機１３が設けられているため、高圧タンク１５内の圧縮空気は、低圧タンク１４内の圧縮空気よりも高圧である。しかし、第２圧縮機１３を設けず、高圧タンク１５内の圧縮空気と、低圧タンク１４内の圧縮空気とを同程度の圧力にしてもよい。この場合、第１給気弁２１ａと合わせて第２給気弁２１ｂをさらに開くことで供給できる圧縮空気の流量は増加する。従って、この場合でも、第２給気弁２１ｂを開くことでより多くの発電を行うことができる。

（第２実施形態）
図３に示す第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置１０は、図１の第１実施形態の構成に加え、高圧タンク１５の内圧を検出する圧力センサ（圧力検出部）１５ａと、電力を蓄えるキャパシタ４０と、燃料を使用して発電するエンジン発電機４１とをさらに備える。これらの構成に関する部分以外は図１の第１実施形態の構成と実質的に同じである。従って、図１に示した構成と同じ部分については同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１０では、高圧タンク１５に圧力センサ１５ａが取り付けられており、高圧タンク１５の内圧を検出できる。検出された高圧タンク１５の内圧値は、制御装置２２に送信される。

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１０では、キャパシタ４０と、エンジン発電機４１とが設けられている。キャパシタ４０およびエンジン発電機４１は、需要家設備３と電気的に接続されており、キャパシタ４０およびエンジン発電機４１から需要家設備３に電力を供給できる。

キャパシタ４０は、図示しない発電設備から電力を得て、電力を蓄えることができる。キャパシタ４０は、需要家設備３と電気的に接続されており、蓄えた電力を需要家設備３に供給できる。キャパシタ４０から需要家設備３への電力供給は、後述するように制御装置２２によって制御されている。また、図示しないが、キャパシタ４０は、例えば、発電装置２または発電機１７から電力を供給されてもよい。

エンジン発電機４１は、燃料を使用して発電可能であり、エンジンの種類は特に限定されず、例えばディーゼルエンジンまたはガスエンジンなどであり得る。エンジン発電機４１は、需要家設備３と電気的に接続されており、発電した電力を需要家設備３に供給できる。エンジン発電機４１から需要家設備３への電力供給は、後述するように制御装置２２によって制御されている。

図４を併せて参照すると、制御装置２２は、第１実施形態と同様に、給気弁制御部２２ａと、運転台数制御部２２ｂと、回転数制御部２２ｃとを備え、さらに本実施形態ではキャパシタ制御部２２ｄと、エンジン発電機制御部２２ｅとを備える。

キャパシタ制御部２２ｄは、電力需要検出部５０によって検出し電力需要受信部６０によって受信した電力需要値および圧力センサ１５ａで検出した高圧タンク１５の内圧に応じてキャパシタ４０を制御する。具体的には、圧力センサ１５ａによって検出された高圧タンク１５の内圧が所定の圧力値以下である場合、キャパシタ４０から需要家設備３に電力需要値に応じた必要量の電力を供給する。また、圧力センサ１５ａによって検出された高圧タンク１５の内圧が所定の圧力値より大きい場合、特に動作しない。ここで、所定の圧力値は、許容設定されている低圧タンク１４の内圧程度の圧力値を示す。

エンジン発電機制御部２２ｅは、圧力センサ１５ａによって検出された高圧タンク１５の内圧が所定の圧力値以下であって、かつ、キャパシタ４０に蓄えられた電力が所定の電力値以下である場合、エンジン発電機４１を駆動して需要家設備３に電力を供給する。キャパシタ４０に蓄えられた電力が所定の電力値より大きい場合、特に動作しない。ここで、所定の電力値は、キャパシタ４０から需要家設備３に十分に電力供給できる程度の電力値を示す。

本実施形態によれば、高圧タンク１５の圧縮空気が尽き、一時的に大量に発電できなくなった場合でも、キャパシタ４０から需要家設備３に補助的に電力を供給できる。さらに、キャパシタ４０の貯蔵電力が尽き、補助的に電力供給できなくなった場合であっても、エンジン発電機４１によって発電し、さらに補助的に電力を需要家設備３に供給できる。

ここで記載した各実施形態において、再生可能エネルギーによる発電の対象は、例えば、風力、太陽光、太陽熱、波力又は潮力、流水又は潮汐等、自然の力で定常的（もしくは反復的）に補充されるエネルギー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、本発明の入力電力は、再生可能エネルギーによって発電された電力に限定されることなく、例えば工場設備等で発生する余剰電力等であってもよい。

前記実施形態では、圧縮機と膨張機を別々に設けたものを示したが、圧縮機を逆回転させて膨張機とし、圧縮機と膨張機を兼用するようにしてもよい。この場合、電動機が発電機として機能する。

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。

１ 圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電システム
２ 発電装置
３ 需要家設備
４ａ 発電ライン
４ｂ 冷熱ライン
４ｃ 温熱ライン
１０ 圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置
１１ モータ（電動機）
１２ 第１圧縮機
１２ａ 吸気口
１２ｂ 吐出口
１３ 第２圧縮機
１３ａ 吸気口
１３ｂ 吐出口
１４ 低圧タンク（第１蓄圧部）
１５ 高圧タンク（第２蓄圧部）
１５ａ 圧力センサ（圧力検出部）
１６ 膨張機
１６ａ 給気口
１６ｂ 排気口
１７ 発電機
１８ スイッチ
１９ａ〜１９ｋ 空気配管
２０ 吸気弁
２１ａ 第１給気弁
２１ｂ 第２給気弁
２１ｃ 切替弁（運転台数変更装置）
２１ｄ インバータ（回転数変更装置）
２２ 制御装置
２２ａ 給気弁制御部
２２ｂ 運転台数制御部
２２ｃ 回転数制御部
２２ｄ キャパシタ制御部
２２ｅ エンジン発電機制御部
２３ 第１熱交換器
２４ 第１熱媒貯蔵部
２５ａ，２５ｂ 熱媒配管
２６ ポンプ
２７ 冷熱供給調整弁
２８ 熱媒供給機構
２９ 第２熱交換器
３０ 第２熱媒貯蔵部
３１ａ，３１ｂ 熱媒配管
３２ ポンプ
３３ 温熱供給調整弁
３４ 熱媒供給機構
４０ キャパシタ
４１ エンジン発電機
５０ 電力需要検出部
６０ 電力需要受信部

Claims (6)

1. 入力電力を圧縮空気の態様で蓄え、必要に応じて前記圧縮空気を使用して発電し、需要家設備に電力を供給可能である圧縮空気貯蔵発電装置であって、
   前記需要家設備の電力需要値を受信する電力需要受信部と
   
   前記入力電力によって駆動される電動機と、
   前記電動機によって駆動される第１圧縮機と、
   前記第１圧縮機によって圧縮された前記圧縮空気を蓄える第１蓄圧部および第２蓄圧部と、
   前記第１蓄圧部または前記第２蓄圧部から供給される前記圧縮空気によって駆動される膨張機と、
   前記膨張機によって駆動される発電機と、
   前記第１蓄圧部から前記膨張機に供給する前記圧縮空気の流量を調整する第１給気弁と、
   前記第２蓄圧部から前記膨張機に供給する前記圧縮空気の流量を調整する第２給気弁と、
   前記電力需要値が所定の閾値未満である場合、前記第２給気弁を閉じた状態で前記電力需要値に応じて前記第１給気弁を開き、前記電力需要値が所定の閾値以上である場合、前記電力需要値に応じて前記第２給気弁を開く制御装置と
   を備える圧縮空気貯蔵発電装置。
2. 前記第１圧縮機よりも高圧に圧縮可能である第２圧縮機をさらに備え、
   前記第２蓄圧部は、前記第１蓄圧部よりも許容圧力が高く、前記第２圧縮機によって圧縮された前記圧縮空気を蓄える、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
3. 前記第２蓄圧部の内圧を検出する圧力検出部と、
   電力を蓄えるキャパシタと、
   燃料を使用して発電するエンジン発電機と
   をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記電力需要値が所定の閾値以上である場合、かつ、前記第２蓄圧部の内圧が所定の圧力値以下である場合、前記電力需要値に応じて前記キャパシタから前記需要家設備に電力を供給し、
   前記電力需要値が所定の閾値以上である場合、前記第２蓄圧部の内圧が前記所定の圧力値以下である場合、かつ、前記キャパシタに蓄えられた電力が所定の電力値以下である場合、前記電力需要値に応じて前記エンジン発電機を駆動して前記需要家設備に電力を供給する、請求項１または請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
4. 前記第１給気弁および前記第２給気弁は、ともに流量調整弁であり、
   前記制御装置は、前記電力需要値に応じて前記第１給気弁および前記第２給気弁の開度を調整して前記発電機の発電量を調整する、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. 前記発電機の回転数を変更するための回転数変更装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記電力需要値に応じて前記回転数変更装置によって前記発電機の回転数を調整して前記発電機の発電量を調整する、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. 前記膨張機は、複数台設けられており、
   前記膨張機の運転台数を変更する運転台数変更装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記電力需要値に応じて前記運転台数変更装置によって駆動する前記膨張機の台数を調整して前記発電機の発電量を調整する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

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