JP6752751B2 - 圧縮空気貯蔵発電装置 - Google Patents

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）発電装置が知られている。

ＣＡＥＳ発電装置は、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装置である。このようなＣＡＥＳ発電装置が、例えば特許文献１に開示されている。

特表２０１３−５０９５３０号公報

特許文献１に開示されているようなＣＡＥＳ発電装置は、タービン発電機を駆動して電力を得る際に空気が膨張するが、このときの膨張により排気空気の温度が低下する。排気空気の温度が所定温度以下（例えば０℃以下）になると、凍結が発生し、膨張機の排気口が閉塞されるおそれがある。

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置において、膨張機の排気口の凍結を防止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、再生可能エネルギーによって発電された電力により駆動される電動機と、前記電動機によって駆動され、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蓄える蓄圧部と、前記蓄圧部から供給される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、前記蓄圧部から前記膨張機に供給される前記圧縮空気と、熱媒とで熱交換して、前記圧縮空気を加熱し、前記熱媒を冷却する膨張側熱交換器と、前記膨張側熱交換器に流入する空気温度を検出する空気温度検出部と、前記膨張側熱交換器に流入する空気圧力を検出する空気圧力検出部と、前記膨張側熱交換器に流入する空気流量を検出する空気流量検出部と、前記膨張側熱交換器に流入する熱媒温度を検出する熱媒温度検出部と、前記膨張側熱交換器に流入する熱媒流量を検出する熱媒流量検出部と、前記空気温度、前記空気圧力、前記空気流量、前記熱媒温度、および前記熱媒流量の５つの状態量の少なくとも一つを変更する状態変更部と、少なくとも前記５つの状態量の検出値に基づいて前記膨張機の排気温度を算出する演算部と、前記演算部で算出された前記排気温度が所定温度以下の場合に前記排気温度を上昇させるように前記状態変更部を制御する状態制御部とを有する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蓄圧部にて圧縮空気として貯蔵でき、必要なときに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。特に、演算部によって各状態量の検出値に基づいて膨張機の排気温度を算出できるため、膨張機の排気口が凍結する前に予め凍結の発生を予測できる。さらに、凍結が予測された場合、状態制御部によって状態変更部を制御し、排気温度を上昇させるように各状態量を変更できるため、膨張機の排気口の凍結を事前に防止できる。ここで、上記の所定温度とは、凍結が発生する温度であり得、例えば０℃である。ただし、膨張機によって耐温性能は異なるため、所定温度は、必ずしも０℃ではなく、膨張機の排気口が凍結し、悪影響を受ける温度であり得る。例えば−５℃で排気口が完全に凍結され、即ち閉塞され、排気不可能となる膨張機の場合、所定温度は−５℃であってもよい。

前記状態変更部は、前記膨張側熱交換器に流入する前記熱媒温度を上昇させる熱媒加熱部を有し、前記状態制御部は、前記状態変更部によって前記５つの状態量のうち前記熱媒温度を最優先に変更し、より詳しくは前記熱媒温度を上昇させるように前記熱媒加熱部を制御してもよい。

この構成によれば、熱媒加熱部によって熱媒温度を上昇させることで、膨張側熱交換器にて圧縮空気をより大きく加熱できるため、膨張機に給気される圧縮空気の温度を上昇させることができる。そのため、膨張機からの排気温度が所定温度以下となることを一層防止できる。特に、熱媒温度は、上記の各状態量の中でも排気温度に対する寄与度が大きなパラメータである。そのため、排気温度を上昇させるために熱媒温度を最優先に変更し、より詳しくは熱媒温度を上昇させることは効率的である。

前記熱媒加熱部は、前記圧縮機から前記蓄圧部に供給される圧縮空気と、熱媒とで熱交換し、前記圧縮空気を冷却し、前記熱媒を加熱する圧縮側熱交換器と、前記膨張側熱交換器と前記圧縮側熱交換器とに流体的に接続され、前記圧縮側熱交換器から供給された前記熱媒を蓄え、前記膨張側熱交換器に前記熱媒を供給する蓄熱部とを備えてもよい。

この構成によれば、圧縮側熱交換器にて高温の圧縮空気から熱媒に熱回収し、高温熱媒を蓄熱部に蓄え、必要に応じて膨張側熱交換器に高温熱媒を供給できる。圧縮側熱交換器にて熱交換する圧縮空気は、圧縮側熱交換器の上流の圧縮機での圧縮熱によって昇温した空気である。そのため、蓄熱部に蓄えられる高温熱媒は、装置内で発生した熱（圧縮熱）によって加熱されており、即ち装置内の熱エネルギーを有効利用している。換言すると、圧縮側熱交換器および蓄熱部が設けられていないＣＡＥＳ発電装置では、圧縮機で発生した圧縮熱は回収されず、高温の圧縮空気が蓄圧部に蓄えられる。この高温の圧縮空気は蓄圧部に蓄えられている間に大気へ熱を放出するため、エネルギー損失が生じる。従って、上記構成ではこのエネルギー損失を防止することでエネルギー効率を向上させている。

前記熱媒加熱部は、前記膨張側熱交換器に供給される熱媒を加熱する電気ヒータを備え、前記電気ヒータは、前記発電機と電気的に接続されていてもよい。

この構成によれば、電気ヒータによって膨張側熱交換器に供給される熱媒温度を上昇させることができる。さらに、電気ヒータが発電機と電気的に接続されているため、発電機によって発電した電力を電気ヒータの駆動に利用できる。特に、発電機にて余剰に電力を発電可能である場合、電気ヒータ等に該電力を供給できることで、該電力を有効利用できる。従って、電気ヒータの駆動に外部電源を使用する場合と比べてエネルギー効率を向上できる。

前記膨張機は、複数段の膨張機本体を有し、前記状態変更部は、駆動する前記膨張機本体の選択を可能にする膨張比選択部を有し、前記状態制御部は、前記熱媒加熱部の制御に続いて前記膨張比選択部を制御し、現在の膨張比以下の膨張比となるように前記膨張機本体を選択して駆動してもよい。

この構成によれば、現在の膨張比以下の膨張比となるように、膨張比選択部によって膨張機本体を選択して駆動することで、空気の膨張量を小さくし、即ち膨張による吸熱量を減少させることができる。従って、排気温度の低下量を低減できるので、排気温度を所定温度以上に維持できる。特に、膨張比選択部の制御は、熱媒加熱部の制御に続いて行われる。そのため、熱媒加熱部の制御では排気温度が十分に上昇しない場合、または、何らかの要因によって熱媒加熱部にて熱媒の温度を上昇させることができない場合などに、膨張比選択部の制御は有効である。

前記膨張機の排気空気を前記蓄圧部に供給する戻し配管と、前記膨張機の排気空気を外気に放気するか、または前記戻し配管に流入させるかを選択する排気選択部とをさらに備え、前記制御装置は、前記膨張比選択部を制御することで前記膨張比を低下させた場合、前記排気選択部を制御し、前記戻し配管を通じて前記蓄圧部に前記排気空気を供給する排気制御部をさらに有してもよい。

この構成によれば、膨張比選択部の制御によって膨張比を小さくした場合、排気空気は大気圧よりも高圧となり得る。そのため、排気選択部を制御し、戻し配管を通じて蓄圧部にこの大気圧よりも高圧の空気を供給できることで、再度圧縮空気としてエネルギーを蓄えることができる。

前記状態変更部は、前記蓄圧部内の圧縮空気を外気に直接放気することで内圧を低下させる減圧部を有し、前記状態制御部は、前記熱媒加熱部の制御に続いて前記減圧部を制御し、前記蓄圧部の内圧を低下させてもよい。

この構成によれば、減圧部によって蓄圧部の内圧を低下させることができる。蓄圧部の内圧が低い場合、膨張機に給気される圧縮空気の圧力が低下する。高圧の圧縮空気を膨張させる場合と、低圧の圧縮空気を膨張させる場合とを比較すると、膨張量が大きくなるのは高圧の圧縮空気を膨張させる場合である。そのため、高圧の圧縮空気を膨張させる場合の方が、膨張吸熱量が増加し、即ち排気温度が低下する。従って、蓄圧部の内圧の低下は、膨張機の排気温度の上昇に寄与するため、減圧部によって蓄圧部の内圧を低下させることで、排気温度を上昇させることができる。特に、本制御は、熱媒加熱部の制御に続いて行われる。そのため、熱媒加熱部の制御では排気温度が十分に上昇しない場合、または、何らかの要因によって熱媒加熱部にて熱媒の温度を上昇させることができない場合などに有効である。

また、前記状態変更部は、前記蓄圧部内の圧縮空気を外気に直接放気することで内圧を低下させる減圧部を有し、前記状態制御部は、前記熱媒加熱部の制御および前記膨張比選択部の制御に続いて前記減圧部を制御し、前記蓄圧部の内圧を低下させてもよい。

この構成によれば、減圧部によって蓄圧部の内圧を低下できるため、前述のように排気温度を上昇させることができる。特に、本制御は、熱媒加熱部の制御および膨張比選択部の制御に続いて行われる。そのため、熱媒加熱部の制御では排気温度が十分に上昇しない場合、または、何らかの要因によって熱媒加熱部にて熱媒の温度を上昇させることができない場合、さらに膨張比選択部によって膨張比をそれ以上下げることができない場合などに有効である。

前記蓄圧部は、複数設けられており、前記状態変更部は、前記膨張機に圧縮空気を給気する前記蓄圧部の選択を可能にする蓄圧部選択部と、前記蓄圧部間での前記圧縮空気の授受を可能にする内圧分配部とを有し、前記状態制御部は、前記熱媒加熱部の制御に続いて前記蓄圧部選択部を制御し、内圧の低い前記蓄圧部を選択するか、または、前記熱媒加熱部の制御に続いて前記内圧分配部を制御し、前記蓄圧部の圧縮空気を他の前記蓄圧部に分配して内圧を低下させてもよい。

この構成によれば、蓄圧部選択部によって内圧の低い蓄圧部を使用して膨張機を駆動でき、また、内圧分配部によって蓄圧部の内圧を低下させることができる。従って、前述のように排気空気の温度を上昇させることができる。特に、本制御は、熱媒加熱部の制御に続いて行われる。そのため、熱媒加熱部の制御では排気温度が十分に上昇しない場合、または、何らかの要因によって熱媒加熱部にて熱媒の温度を上昇させることができない場合などに有効である。

前記蓄圧部は、複数設けられており、前記状態変更部は、前記膨張機に圧縮空気を給気する前記蓄圧部の選択を可能にする蓄圧部選択部と、前記蓄圧部間での圧縮空気の授受を可能にする内圧分配部とを有し、前記状態制御部は、前記熱媒加熱部の制御および前記膨張比選択部の制御に続いて前記蓄圧部選択部を制御し、内圧の低い前記蓄圧部を選択するか、または、前記熱媒加熱部の制御および前記膨張比選択部の制御に続いて前記内圧分配部を制御し、前記蓄圧部の圧縮空気を他の前記蓄圧部に分配して内圧を低下させてもよい。

この構成によれば、蓄圧部選択部によって内圧の低い蓄圧部を使用して膨張機をでき、また、内圧分配部によって蓄圧部の内圧を低下させることができる。従って、前述のように排気空気の温度を上昇させることができる。特に、本制御は、熱媒加熱部の制御および膨張比選択部の制御に続いて行われる。そのため、熱媒加熱部の制御では排気温度が十分に上昇しない場合、または、何らかの要因によって熱媒加熱部にて熱媒の温度を上昇させることができない場合、さらに膨張比をそれ以上下げることができない場合などに有効である。

本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置において、演算部によって排気温度を算出し、膨張機の排気口の凍結が予測された場合に状態変更部によって各状態量を制御して排気温度を上昇させることができるため、膨張機の排気口の凍結を防止できる。

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装置のブロック図。 排気圧力と排気温度の関係を示す膨張機の性能曲線。 排気圧力と排気温度の関係を示す膨張機の性能曲線。 第１実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の制御を示すフローチャート。 第１実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の変形例の概略構成図。 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装置のブロック図。 第２実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の制御を示すフローチャート。 第２実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の変形例の制御装置のブロック図。 第２実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の変形例の制御を示すフローチャート。 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。 第３実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の制御装置のブロック図。 第３実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の制御を示すフローチャート。

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）発電装置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設備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する装置である。本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、主に空気の流れに関する空気ラインと、主に熱媒の流れに関する熱媒ラインとを備える。以降、これらの２つのラインについて順に説明する。

まず、空気ラインには、モータ（電動機）１０と、圧縮機１１と、蓄圧タンク（蓄圧部）１２と、膨張機１３と、発電機１４とが設けられている。

再生可能エネルギーを利用する発電設備２により発電された電力は、モータ１０に供給される。以降、発電設備２からモータ１０に供給される電力を入力電力という。モータ１０は、圧縮機１１に機械的に接続されており、入力電力により駆動され、圧縮機１１を駆動する。

本実施形態の圧縮機１１は、スクリュ式である。そのため、本実施形態の圧縮機１１は内部に図示しないスクリュロータを備え、このスクリュロータはモータ１０と機械的に接続されている。ただし、圧縮機１１は、スクリュ式に限定されず、例えばターボ式、スクロール式、およびレシプロ式等であり得るが、このようにスクリュ式の圧縮機１１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１の構成要素として好ましい。

圧縮機１１の吸気口１１ａは、空気配管４ａを通じて外気に連通している。圧縮機１１の吐出口１１ｂは、空気配管４ｂを通じて蓄圧タンク１２に流体的に接続されている。空気配管４ｂには、バルブ１７ａが取り付けられており、空気の流動を許容または遮断できる。また、空気配管４ｂには圧縮側熱交換器１５が設けられているが、この詳細については後述する。

モータ１０に入力電力が供給されると、モータ１０が作動し、上記のスクリュロータが回転し、圧縮機１１を駆動する。圧縮機１１は、空気配管４ａを通じて吸気口１１ａから空気を吸気し、圧縮して吐出口１１ｂから吐出し、空気配管４ｂを通じて蓄圧タンク１２に圧縮空気を圧送する。

蓄圧タンク１２は、例えば鋼製のタンクであり、圧縮機１１から圧送された圧縮空気を蓄えている。蓄圧タンク１２には、放気弁（減圧部）１２ａが設けられており、放気弁１２ａを開くことで内部の圧縮空気を直接放気し、蓄圧タンク１２の内圧を低下させることができる。蓄圧タンク１２は、空気配管４ｃを通じて膨張機１３と流体的に接続されており、蓄圧タンク１２に蓄えられた圧縮空気は空気配管４ｃを通じて膨張機１３に給気される。また、空気配管４ｃには、膨張側熱交換器１６が設けられているが、この詳細については後述する。ここで、蓄圧タンク１２には、圧力センサ（空気圧力検出部）５ａが取り付けられており、内部の圧縮空気の圧力を検出できる。即ち、膨張側熱交換器１６に供給する空気圧力を検出できる。また、空気配管４ｃにはバルブ１７ｂが取り付けられている。バルブ１７ｂは、流量調整バルブであり、流動する空気の流量を調整できる。より詳細には、バルブ１７ｂは膨張側熱交換器１６の上流に設けられており、蓄圧タンク１２から膨張側熱交換器１６に流入する空気の流量を調整できる。また、膨張側熱交換器１６の上流には、空気配管４ｃ内を流れる圧縮空気の温度を検出する空気温度センサ（空気温度検出部）５ｂと、圧縮空気の流量を検出する空気流量センサ（空気流量検出部）５ｃとが取り付けられている。従って、空気温度センサ５ｂと空気流量センサ５ｃとによって、膨張側熱交換器１６に流入する空気温度および空気流量を検出できる。

本実施形態の膨張機１３は、スクリュ式である。そのため、本実施形態の膨張機１３は内部に図示しないスクリュロータを備え、このスクリュロータは発電機１４と機械的に接続されている。ただし、膨張機１３はスクリュ式に限定されず、例えばターボ式、スクロール式、及びレシプロ式等であってもよいが、このようにスクリュ式の膨張機１３は、回転数制御可能であるため、変動する電力需要に応答性良く追従でき、ＣＡＥＳ発電装置１の構成要素として好ましい。

膨張機１３の給気口１３ａは、前述のように空気配管４ｃを通じて蓄圧タンク１２と流体的に接続されている。膨張機１３の排気口１３ｂは、空気配管４ｄを通じて外気に開放されている。

膨張機１３に圧縮空気が給気されると、上記のスクリュロータが回転し、膨張機１３を駆動し、即ち発電機１４を駆動する。膨張機１３で膨張された空気（排気空気）は、排気口１３ｂから空気配管４ｄを通じて外気に放気される。

発電機１４は、膨張機１３によって駆動されることで発電する。発電機１４は、工場などの電力の需要家設備３に電気的に接続されており、発電機１４で発電した電力は需要家設備３に供給される。なお、図示していないが、発電機１４と需要家設備３との間には直交流変換のためのインバータおよび整流のためのコンバータ等が介設されている。

次に、熱媒ラインには、圧縮側熱交換器１５と、膨張側熱交換器１６と、高温熱媒タンク１８と、低温熱媒タンク１９とが設けられている。これらは熱媒配管６ａ，６ｂによって流体的に接続されており、熱媒が熱媒配管６ａ，６ｂを通ってこれらの間を循環している。熱媒配管６ｂには、熱媒を循環流動させるためのポンプ２０が配設されている。なお、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。

圧縮側熱交換器１５は、上記の空気配管４ｂと、低温熱媒タンク１９および高温熱媒タンク１８を流体的に接続する熱媒配管６ａとにそれぞれ介設されている。圧縮機１１の吐出口１１ｂから吐出される圧縮空気は、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、この高温空気は、例えば１５５℃程度である。圧縮側熱交換器１５では、空気配管４ｂ内のこの高温空気と、低温熱媒タンク１９から供給された、例えば常温の熱媒配管６ａ内の熱媒とで熱交換がそれぞれ行われている。詳細には、圧縮側熱交換器１５では、空気配管４ｂ内の空気は冷却され、熱媒配管６ａ内の熱媒は加熱される。本実施形態では、圧縮側熱交換器１５で冷却された空気配管４ｂ内の空気は例えば５０℃程度となり、圧縮側熱交換器１５で加熱された熱媒は例えば９０℃程度となる。圧縮側熱交換器１５で加熱された熱媒は、熱媒配管６ａを通じて高温熱媒タンク１８に供給され、高温熱媒タンク１８にて貯蔵される。

高温熱媒タンク１８は、例えば鋼製のタンクであり、好ましくは、熱を外部に放出しないように外部から断熱されている。高温熱媒タンク１８には、熱媒の温度を検出する熱媒温度センサ（熱媒温度検出部）５ｄが取り付けられており、膨張側熱交換器１６に供給する熱媒温度を検出できる。高温熱媒タンク１８は、バルブ１７ｃが取り付けられた熱媒配管６ｂを通じて低温熱媒タンク１９と流体的に接続されている。バルブ１７ｃは、流量調整バルブであり、膨張側熱交換器１６に供給される熱媒の流量を調整できる。

膨張側熱交換器１６は、上記の空気配管４ｃと、高温熱媒タンク１８および低温熱媒タンク１９を流体的に接続する熱媒配管６ｂとに介設されている。熱媒配管６ｂには、膨張側熱交換器１６の上流に熱媒の流量を検出するための熱媒流量センサ（熱媒流量検出部）５ｅが取り付けられている。膨張側熱交換器１６では、空気配管４ｃ内の空気と、高温の熱媒配管６ｂ内の熱媒とで熱交換が行われている。詳細には、膨張側熱交換器１６では、空気配管４ｃ内の空気は加熱され、熱媒配管６ｂ内の熱媒は冷却される。本実施形態では、膨張側熱交換器１６で加熱された空気配管４ｃ内の空気は、例えば７０℃程度となり、膨張側熱交換器１６で冷却された熱媒は例えば５０℃程度となる。膨張側熱交換器１６で冷却された熱媒は熱媒配管６ｂを通じて低温熱媒タンク１９に供給され、低温熱媒タンク１９にて貯蔵される。低温熱媒タンク１９に貯蔵された熱媒は、バルブ１７ｄが取り付けられた熱媒配管６ａを通じて圧縮側熱交換器１５に供給される。バルブ１７ｄは、流量調整バルブであり、圧縮側熱交換器１５に供給される熱媒の流量を調整できる。本実施形態では、圧縮側熱交換器１５、高温熱媒タンク１８、およびバルブ１７ｄが熱媒加熱部を構成している。

以上までに、空気ラインおよび熱媒ラインの２つのラインについて説明したが、本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、制御装置４０もさらに備える。そのため、以下、制御装置４０およびその制御について説明する。制御装置４０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。

図２に示すように、本実施形態の制御装置４０は、上記５つのセンサ５ａ〜５ｅで検出した５つの状態量の検出値を受け、これらの検出値に基づいて膨張機１３の排気温度Ｔｘを算出する演算部４１と、演算部４１で算出された排気温度Ｔｘが所定温度以下の場合に排気温度Ｔｘを上昇させるように状態変更部を制御する状態制御部４２とを有する。本実施形態では、状態制御部４２によって制御される状態変更部は、上記の熱媒加熱部（圧縮側熱交換器１５、高温熱媒タンク１８、およびバルブ１７ｄ）と、減圧部（放気弁１２ａ）とを含んでいる。

演算部４１は、膨張機１３の排気温度Ｔｘを以下のようにして算出する。まず、膨張側熱交換器１６にて熱交換される前の圧縮空気の状態量（温度、圧力、流量）および熱媒の状態量（温度、流量）に基づいて膨張側熱交換器１６にて熱交換された後の圧縮空気の状態量（温度、圧力）を求める。次に、これらの状態量（温度、圧力）を有する圧縮空気が膨張機１３に給気されるため、これらの状態量（温度、圧力）に基づいて膨張機１３の排気温度Ｔｘを算出する。

より詳細には、膨張側熱交換器１６にて熱交換された後の圧縮空気の状態量（温度、圧力）を求める場合、並流型、向流型、または直交流型などの膨張側熱交換器１６の種類を考慮し、性能に応じた熱伝達率を求める。そして、この熱伝達率に基づいて熱媒から圧縮空気への伝熱量を計算し、熱交換後の圧縮空気の温度を算出する。なお、このような熱媒と空気との間での伝熱計算は流体力学的に一般に行われるものであり、ここでの詳細な説明は省略する。また、この温度変化および熱交換器形状等に応じて、熱交換後の圧縮空気の圧力をも同時に算出する。このような圧力計算も流体力学的に一般に行われるものであり、ここでの詳細な説明は省略する。

また、膨張機１３に給気される圧縮空気の状態量（温度、圧力）に基づいて排気空気の温度Ｔｘを算出する際、膨張機１３ごとに異なって設定されている性能曲線を使用して排気空気の温度Ｔｘを算出する。例えば、本実施形態の膨張機１３の性能曲線を図３，４に示す。

図３は、給気圧力が１．０ＭＰａＡのときの膨張機１３の排気圧力Ｐｘと排気温度Ｔｘの関係を示している。図３では、横軸が排気圧力Ｐｘ（ＭＰａＡ）を示し、縦軸が排気温度Ｔｘ（℃）を示している。図の曲線の左端は、大気圧０．１ＭＰａＡを示している。図に示すように、排気圧力Ｐｘを低くするほど、膨張量が増えるため、吸熱量も増加し、排気温度Ｔｘが低下する関係にある。また、図３中の３つの曲線は、給気温度の違いを有しており、給気温度が高温、中温、および低温の場合をそれぞれ示している。図に示すように、給気温度が高いほど、排気温度Ｔｘは高温となる。図３中に斜線領域で示すように、排気圧力Ｐｘを大気圧０．１ＭＰａＡ付近まで低下させると、排気温度が０℃以下となり、凍結を生じるおそれがあることがわかる。さらに、図４は、給気圧力が０．４ＭＰａＡであり、その他の条件が図３と同一である場合のグラフである。図３と図４を比較すると、給気圧力が低い図４の場合の方が、同じ排気圧力Ｐｘの場合でも排気温度Ｔｘが高いことがわかる。

このように、演算部４１は、膨張機１３に給気される圧縮空気の状態量（温度、圧力）に基づいて排気温度Ｔｘを算出でき、ここで算出された排気温度Ｔｘは調整可能である。以下、状態制御部４２による排気温度Ｔｘの調整について説明する。

図５に示すフローチャートに従って、本実施形態の状態制御部４２は、上記の状態変更部（図２参照）を制御する。

制御を開始すると（ステップＳ５−１）、演算部４１で算出された排気温度Ｔｘが０℃より大きいか否かを判定する（ステップＳ５−２）。排気温度Ｔｘが０℃より大きい場合、排気口１３ｂは凍結しないと予測されるため、通常運転を継続する（ステップＳ５−３）。また、排気温度Ｔｘが０℃より大きくない場合、排気口１３ｂが凍結すると予測されるため、熱媒温度センサ５ｄで検出した熱媒温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈ０より大きいか否かを判定する（ステップＳ５−４）。所定の閾値Ｔｈ０は、圧縮機１１の性能、圧縮側熱交換器１５の性能等に応じて、熱媒を昇温し得る温度に適宜設定される。熱媒温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈ０より大きくない場合、熱媒の加熱余地があると判断できるため、熱媒を加熱し、熱媒の温度を上昇させる（ステップＳ５−５）。具体的には、圧縮機１１を駆動している状態でバルブ１７ｄを開き、圧縮側熱交換器１５で熱媒を加熱し、熱媒の温度を上昇させる。このとき、必要に応じて、バルブ１７ｄの開度を調整してもよく、バルブ１７ｄの開度を小さくするほど、熱媒の温度を上昇させることができる。また、ステップＳ５−４において、熱媒温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈ０よりも大きい場合、熱媒の加熱余地がないと判断できるため、熱媒の温度制御を行わず、蓄圧タンク１２の内圧制御を実行する。具体的には、放気弁１２ａを開き、蓄圧タンク１２の内圧を所定量低下させる（ステップＳ５−６）。これらの処理を完了後、再びステップＳ５−２に戻り、これらを繰り返す。なお、ステップＳ５−４の判定は、熱媒の温度判定以外にも、単に熱媒を加熱できるか否かによって判定されてもよい。例えば、何らかの方法で圧縮側熱交換器１５の損傷を検知し、熱媒の加熱が不可能であるか否かを検知してもよい。

本実施形態によれば、図１および図２に示すように、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蓄圧タンク１２にて圧縮空気として貯蔵でき、必要なときに圧縮空気を膨張機１３に供給し、発電機１４を駆動して発電できる。特に、演算部４１によってセンサ５ａ〜５ｅで検出した各状態量の検出値に基づいて膨張機１３の排気温度を算出できるため、膨張機１３の排気口１３ｂが凍結する前に予め凍結の発生を予測できる。さらに、凍結が予測された場合、状態制御部によって状態変更部を制御し、排気温度を上昇させるように、膨張側熱交換器１６に供給される熱媒温度および空気圧力を変更できるため、膨張機１３の排気口１３ｂの凍結を事前に防止できる。ここで、本実施形態では、例えば閾値Ｔｈ０（図５参照）が０℃より大きいか否かを基準に凍結を判断したが、膨張機１３によって耐温性能は異なるため、必ずしも０℃を基準にする必要はなく、膨張機１３の排気口１３ｂが凍結し、悪影響を受ける温度であればよい。例えば−５℃で排気口１３ｂが完全に凍結され、即ち閉塞され、排気不可能となる膨張機１３の場合、排気温度Ｔｘの閾値（図５のステップＳ５−２参照）は−５℃であってもよい。

また、本実施形態によれば、熱媒加熱部によって熱媒温度を上昇させることで、膨張側熱交換器１６にて圧縮空気をより大きく加熱できるため、膨張機１３に給気される圧縮空気の温度を上昇させることができる。そのため、膨張機１３からの排気温度が所定温度以下となることを一層防止できる。特に、熱媒温度は、上記の各状態量の中でも排気温度に対する寄与度が大きなパラメータである。そのため、図５に示すように、排気温度を上昇させるために最優先に熱媒温度を上昇させることは効率的である。

また、本実施形態によれば、圧縮側熱交換器１５にて高温の圧縮空気から熱媒に熱回収し、高温熱媒を高温熱媒タンク１８に蓄え、必要に応じて膨張側熱交換器１６に高温熱媒を供給できる。圧縮側熱交換器１５にて熱交換する圧縮空気は、圧縮側熱交換器１５の上流の圧縮機での圧縮熱によって昇温した空気である。そのため、高温熱媒タンク１８に蓄えられる高温熱媒は、装置１内で発生した熱（圧縮熱）によって加熱されており、即ち装置１内の熱エネルギーを有効利用している。換言すると、圧縮側熱交換器１５および高温熱媒タンク１８が設けられていないＣＡＥＳ発電装置１では、圧縮機１１で発生した圧縮熱は回収されず、高温の圧縮空気が高温熱媒タンク１８に蓄えられる。この高温の圧縮空気は蓄圧タンク１２に蓄えられている間に大気へ熱を放出するため、エネルギー損失が生じる。従って、上記構成ではこのエネルギー損失を防止することでエネルギー効率を向上させている。

また、本実施形態によれば、放気弁１２ａによって蓄圧タンク１２の内圧を低下させることができる。蓄圧タンク１２の内圧が低い場合、膨張機１３に給気される圧縮空気の圧力が低下する。高圧の圧縮空気を膨張させる場合と、低圧の圧縮空気を膨張させる場合とを比較すると、膨張量が大きくなるのは高圧の圧縮空気を膨張させる場合である。そのため、高圧の圧縮空気を膨張させる場合の方が、膨張吸熱量が増加し、即ち排気温度が低下する。従って、蓄圧タンク１２の内圧の低下は、膨張機１３の排気温度の上昇に寄与するため、放気弁１２ａによって蓄圧タンク１２の内圧を低下させることで、排気温度を上昇させることができる。特に、放気弁１２ａの制御は、熱媒加熱部の制御に続いて行われる。そのため、熱媒加熱部の制御では排気温度が十分に上昇しない場合、または、何らかの要因によって熱媒加熱部にて熱媒の温度を上昇させることができない場合などにこれは有効である。

図６に示すように、本実施形態の変形例として、高温熱媒タンク１８内に電気ヒータ１８ａを配置してもよい。電気ヒータ１８ａは、発電機１４と電気的に接続されており、発電機１４で発電した電力によって駆動されることができる。本変形例では、熱媒加熱部は、電気ヒータ１８ａも含んでいる。

本変形例によれば、電気ヒータ１８ａによって膨張側熱交換器１６に供給される熱媒温度を上昇させることができる。さらに、電気ヒータ１８ａが発電機１４と電気的に接続されているため、発電機１４によって発電した電力を電気ヒータ１８ａの駆動に利用できる。特に、発電機１４にて余剰に電力を発電可能である場合、電気ヒータ１８ａ等に該電力を供給できることで、該電力を有効利用できる。従って、電気ヒータ１８ａの駆動に外部電源を使用する場合と比べてエネルギー効率を向上できる。

（第２実施形態）
図７に示す本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、複数の蓄圧タンク１２１〜１２３が設けられている。これに関する構成以外は、図１の第１実施形態のＣＡＥＳ発電装置１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場合がある。

本実施形態では、３基の蓄圧タンク１２１〜１２３が設けられている。各蓄圧タンク１２１，１２２，１２３には、圧力センサ５１ａ，５２ａ，５３ａがそれぞれ取り付けられている。圧縮機１１から蓄圧タンク１２１〜１２３に向かって延びる空気配管４ｂは、３つの空気配管４ｅ〜４ｇに分岐し、各蓄圧タンク１２１〜１２３に接続されている。各空気配管４ｅ〜４ｇにはバルブ１７ｅ〜１７ｇが取り付けられており、バルブ１７ｅ〜１７ｇを開閉することで、圧縮機１１からいずれの蓄圧タンク１２１〜１２３に圧縮空気を供給するかを選択できる。また、各蓄圧タンク１２１〜１２３から膨張機１３に向かって延びる空気配管４ｈ〜４ｊは、合流して空気配管４ｃに接続されている。各空気配管４ｈ〜４ｊにはバルブ１７ｈ〜１７ｊが取り付けられており、バルブ１７ｈ〜１７ｊを開閉することで、いずれの蓄圧タンク１２１〜１２３から膨張機１３に給気するかを選択できる。そのため、バルブ１７ｈ〜１７ｊは、蓄圧部選択部を構成する。また、蓄圧タンク１２１〜１２３は、バルブ１７ｋ〜１７ｍが取り付けられた空気配管４ｋ〜４ｍによって互いに流体的に接続されており、バルブ１７ｋ〜１７ｍを開閉することで互いに圧縮空気の授受が可能である。

図８に示すように、本実施形態の制御装置４０は、第１実施形態と同様に、演算部４１と、状態制御部４２とを有し、各センサ５１ａ〜５３ａ，５ｂ〜５ｅからの検出値を受け、状態変更部を制御する。本実施形態では、状態制御部４２によって制御される状態変更部は、熱媒加熱部（圧縮側熱交換器１５、高温熱媒タンク１８、およびバルブ１７ｄ）と、蓄圧部選択部（バルブ１７ｈ〜１７ｊ）とを含んでいる。

図９に示すフローチャートに従って、本実施形態の状態制御部４２は、状態変更部（図８参照）を制御する。

制御を開始すると（ステップＳ９−１）、演算部４１で算出された排気温度Ｔｘが０℃より大きいか否かを判定する（ステップＳ９−２）。排気温度Ｔｘが０℃より大きい場合、排気口１３ｂは凍結しないと予測されるため、通常運転を継続する（ステップＳ９−３）。また、排気温度Ｔｘが０℃より大きくない場合、排気口１３ｂが凍結すると予測されるため、熱媒温度センサ５ｄで検出した熱媒温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈ０より大きいか否かを判定する（ステップＳ９−４）。所定の閾値Ｔｈ０は、圧縮機１１の性能、圧縮側熱交換器１５の性能等に応じて、熱媒を昇温し得る温度に適宜設定される。熱媒温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈ０より大きくない場合、熱媒の加熱余地があると判断できるため、熱媒を加熱し、熱媒の温度を上昇させる（ステップＳ９−５）。具体的には、圧縮機１１を駆動している状態でバルブ１７ｄを開き、圧縮側熱交換器１５で熱媒を加熱し、熱媒の温度を上昇させる。このとき、必要に応じて、バルブ１７ｄの開度を調整してもよく、バルブ１７ｄの開度を小さくするほど、熱媒の温度を上昇させることができる。また、ステップＳ９−４において、熱媒温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈ０よりも大きい場合、熱媒の加熱余地がないと判断できるため、熱媒の温度制御を行わず、蓄圧タンク１２１〜１２３の内圧制御を実行する。具体的には、現在、使用している蓄圧タンク１２１（内圧Ｐ１）よりも低圧の蓄圧タンク１２２，１２３（内圧Ｐ２，Ｐ３）があるか否かを判定し（ステップＳ９−６）、無い場合、即ち最も内圧Ｐ１が低い場合は所定時間待機する（ステップＳ９−７）。そして、ある場合、即ち最も内圧Ｐ１が低くない場合、内圧Ｐ２または内圧Ｐ３の別の蓄圧タンク１２２，１２３を使用する（ステップＳ９−８）。これらの処理完了後、再びステップＳ９−２に戻り、これらを繰り返す。

図１０に示すように、本実施形態の変形例として、制御装置４０の状態制御部４２は、バルブ１７ｋ〜１７ｍを制御し、蓄圧タンク１２１〜１２３間で圧縮空気を授受することで蓄圧タンク１２１〜１２３の内圧を調整してもよい。即ち、本変形例では、状態制御部４２によって制御される状態変更部は、熱媒加熱部（圧縮側熱交換器１５、高温熱媒タンク１８、およびバルブ１７ｄ）と、内圧分配部（バルブ１７ｋ〜１７ｍ）とを含んでいる。

図１１に示すフローチャートに従って、本変形例の状態制御部４２は、状態変更部（図１０参照）を制御する。

制御を開始すると（ステップＳ１１−１）、演算部４１で算出された排気温度Ｔｘが０℃より大きいか否かを判定する（ステップＳ１１−２）。排気温度Ｔｘが０℃より大きい場合、排気口１３ｂは凍結しないと予測されるため、通常運転を継続する（ステップＳ１１−３）。また、排気温度Ｔｘが０℃より大きくない場合、排気口１３ｂが凍結すると予測されるため、熱媒温度センサ５ｄで検出した熱媒温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈ０より大きいか否かを判定する（ステップＳ１１−４）。所定の閾値Ｔｈ０は、圧縮機１１の性能、圧縮側熱交換器１５の性能等に応じて、熱媒を昇温し得る温度に適宜設定される。熱媒温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈ０より大きくない場合、熱媒の加熱余地があると判断できるため、熱媒を加熱し、熱媒の温度を上昇させる（ステップＳ１１−５）。具体的には、圧縮機１１を駆動している状態でバルブ１７ｄを開き、圧縮側熱交換器１５で熱媒を加熱し、熱媒の温度を上昇させる。このとき、必要に応じて、バルブ１７ｄの開度を調整してもよく、バルブ１７ｄの開度を小さくするほど、熱媒の温度を上昇させることができる。また、ステップＳ１１−４において、熱媒温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈ０よりも大きい場合、熱媒の加熱余地がないと判断できるため、熱媒の温度制御を行わず、蓄圧タンク１２１〜１２３の内圧制御を実行する。具体的には、現在、使用している蓄圧タンク１２１（内圧Ｐ１）よりも低圧の蓄圧タンク１２２，１２３（内圧Ｐ２，Ｐ３）があるか否かを判定し（ステップＳ１１−６）、無い場合、即ち最も内圧Ｐ１が低い場合は所定時間待機する（ステップＳ１１−７）。そして、ある場合、即ち最も内圧Ｐ１が低くない場合、内圧Ｐ２または内圧Ｐ３の別の蓄圧タンク１２２，１２３に圧縮空気を所定量移す（ステップＳ１１−８）。これらの処理完了後、再びステップＳ１１−２に戻り、これらを繰り返す。

本実施形態およびその変形例によれば、蓄圧部選択部（バルブ１７ｈ〜１７ｊ）によって内圧の低い蓄圧タンク１２１〜１２３を使用して膨張機を駆動でき、また、内圧分配部（バルブ１７ｋ〜１７ｍ）によって蓄圧タンク１２１〜１２３の内圧を低下させることができる。従って、前述のように排気空気の温度を上昇させることができる。特に、本制御は、熱媒加熱部の制御に続いて行われる。そのため、熱媒加熱部の制御では排気温度が十分に上昇しない場合、または、何らかの要因によって熱媒加熱部にて熱媒の温度を上昇させることができない場合などに有効である。

(第３実施形態)
図１２に示す本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、膨張機１３が２段型である。これに関する構成以外は、図１の第１実施形態または図５の第２実施形態のＣＡＥＳ発電装置１の構成と実質的に同じである。従って、図１または図５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場合がある。

本実施形態の膨張機１３は、２段型のスクリュ式である。そのため、本実施形態の膨張機１３は、１段目膨張機本体１３１と、２段目膨張機本体１３２とを備える。１段目膨張機本体１３１および２段目膨張機本体１３２は内部に図示しないスクリュロータをそれぞれ備え、これらのスクリュロータは発電機１４１，１４２とそれぞれ機械的に接続されている。ただし、膨張機１３はスクリュ式に限定されず、例えばターボ式、スクロール式、及びレシプロ式等であってもよい。

１段目膨張機本体１３１の給気口１３１ａは、空気配管４ｃ，４ｈ〜４ｊを通じて蓄圧タンク１２１〜１２３と流体的に接続されている。１段目膨張機本体１３１の排気口１３１ｂは、空気配管４ｎを通じて２段目膨張機本体１３２の給気口１３２ａに流体的に接続されている。２段目膨張機本体１３２の排気口１３２ｂは、空気配管４ｄを通じて外気に開放されている。また、空気配管４ｃと空気配管４ｎとを流体的に接続し、即ち１段目膨張機本体１３１をバイパスする空気配管４ｏが設けられている。さらに、空気配管４ｎ，４ｄと、蓄圧タンク１２１〜１２３とをそれぞれ流体的に接続する戻し配管７ａ，７ｂが設けられている。空気配管４ｃ，４ｄ，４ｎ，４ｏと、戻し配管７ａ，７ｂとには、バルブ１７ｂ，１７ｎ〜１７ｒが設けられており、バルブ１７ｂ，１７ｎ〜１７ｒの開閉によっていずれの配管内を空気が流動するかを選択できる。従って、バルブ１７ｂ，１７ｎ〜１７ｒは膨張比選択部を構成する。

１段目膨張機本体１３１に圧縮空気が給気されると、上記のスクリュロータが回転し、１段目膨張機本体１３１を駆動し、即ち発電機１４１を駆動する。１段目膨張機本体１３１で膨張された空気（排気空気）は、排気口１３１ｂから空気配管４ｎを通じて２段目膨張機本体１３２の給気口１３２ａに給気される。そして、上記のスクリュロータが回転し、２段目膨張機本体１３２を駆動し、即ち発電機１４２を駆動する。２段目膨張機本体１３２で膨張された空気（排気空気）は、排気口１３２ｂから空気配管４ｄを通じて外気に放気される。

発電機１４１，１４２は、１段目膨張機本体１３１および２段目膨張機本体１３２によって駆動されることでそれぞれ発電する。発電機１４１，１４２は、工場などの電力の需要家設備３にそれぞれ電気的に接続されており、発電機１４１，１４２で発電した電力は需要家設備３に供給される。なお、図示していないが、発電機１４１，１４２と需要家設備３との間には直交流変換のためのインバータおよび整流のためのコンバータ等が介設されている。

図１３に示すように、本実施形態の制御装置４０は、第１，第２実施形態と同様に、演算部４１と、状態制御部４２と、さらに、膨張比選択部（バルブ１７ｂ，１７ｎ〜１７ｒ）を制御することで膨張比を低下させた場合、排気選択部（１７ｎ，１７ｏ，１７ｑ，１７ｒ）を制御し、戻し配管７ａ，７ｂを通じて蓄圧タンク１２１〜１２３に排気空気を供給する排気制御部４３とを有する。本実施形態では、状態制御部４２によって制御される状態変更部は、後述するように、熱媒加熱部（圧縮側熱交換器１５、高温熱媒タンク１８、およびバルブ１７ｄ）と、減圧部（放気弁１２１ａ〜１２３ａ）と、蓄圧部選択部（バルブ１７ｈ〜１７ｊ）と、内圧変更部（バルブ１７ｋ〜１７ｍ）と、膨張比選択部（バルブ１７ｂ，１７ｎ〜１７ｒ）とを含んでいる。

図１４に示すフローチャートに従って、本実施形態の状態制御部は、状態変更部（図１３参照）を制御する。

制御を開始すると（ステップＳ１４−１）、演算部４１で算出された排気温度Ｔｘが０℃より大きいか否かを判定する（ステップＳ１４−２）。排気温度Ｔｘが０℃より大きい場合、排気口１３１ｂ，１３２ｂは凍結しないと予測されるため、通常運転を継続する（ステップＳ１４−３）。また、排気温度Ｔｘが０℃より大きくない場合、排気口１３１ｂ，１３２ｂが凍結すると予測されるため、熱媒温度センサ５ｄで検出した熱媒温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈ０より大きいか否かを判定する（ステップＳ１４−４）。所定の閾値Ｔｈ０は、圧縮機１１の性能、圧縮側熱交換器１５の性能等に応じて、熱媒を昇温し得る温度に適宜設定される。熱媒温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈ０より大きくない場合、熱媒の加熱余地があると判断できるため、熱媒を加熱し、熱媒の温度を上昇させる（ステップＳ１４−５）。具体的には、圧縮機１１を駆動している状態でバルブ１７ｄを開き、圧縮側熱交換器１５で熱媒を加熱し、熱媒の温度を上昇させる。このとき、必要に応じて、バルブ１７ｄの開度を調整してもよく、バルブ１７ｄの開度を小さくするほど、熱媒の温度を上昇させることができる。また、ステップＳ１４−４において、熱媒温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈ０よりも大きい場合、熱媒の加熱余地がないと判断できるため、膨張比の制御を実行する。具体的には、現在使用している膨張比よりも小さい膨張比を選択可能か否かを判定し、即ち現在の膨張比が最小か否かを判定する（ステップＳ１４−６）。現在の膨張比が設定可能な範囲で最小でない場合、膨張比を低下させる（ステップＳ１４−７）。詳細には、ステップＳ１４−７において、バルブ１７ｐ，１７ｑを開き、バルブ１７ｂ，１７ｎを閉じ、１段目膨張機本体１３１のみを駆動し、または、バルブ１７ｎ，１７ｐを開き、バルブ１７ｂ，１７ｑを閉じ、２段目膨張機本体１３２のみを駆動する。このとき、駆動する膨張機本体１３１，１３２は、必要な膨張比に応じて適宜選択される。選択に幅を持たせるために、１段目膨張機本体１３１の膨張比と２段目膨張機本体１３２の膨張比は、異なっていることが好ましい。次いで、バルブ（排気選択部）１７ｑ，１７ｒを開き、バルブ（排気選択部）１７ｎ，１７ｏを閉じ、１段目膨張機本体１３１または２段目膨張機本体１３２からの排気空気を戻し配管７ａ，７ｂに流入させ、蓄圧タンク１２１〜１２３に戻す（ステップＳ１４−８）。また、ステップＳ１４−６において、現在の膨張比が既に最小である場合、膨張比をそれ以上低下させることができないため、蓄圧タンク１２１〜１２３の内圧制御を実行する（ステップＳ１４−９）。具体的には、ステップＳ１４−８において、図５のステップＳ５−６、図９のステップＳ９−６からステップＳ９−８、または図１１のステップＳ１１−６からステップＳ１１−８の処理を実行する。

本実施形態によれば、第１，第２実施形態の制御に加えて、現在の膨張比以下の膨張比となるように、膨張比選択部によって膨張機本体１３１，１３２を選択して駆動することで、空気の膨張量を小さくし、即ち膨張による吸熱量を減少させることができる。従って、排気温度の低下量を低減できるので、排気温度を所定温度以上に維持できる。特に、膨張比選択部の制御は、熱媒加熱部の制御に続いて行われる。そのため、熱媒加熱部の制御では排気温度が十分に上昇しない場合、または、何らかの要因によって熱媒加熱部にて熱媒の温度を上昇させることができない場合などに、膨張比選択部の制御は有効である。

また、本実施形態によれば、膨張比選択部の制御によって膨張比を小さくした場合、排気空気は大気圧よりも高圧となり得る。そのため、上記の排気選択部を制御し、戻し配管７ａ，７ｂを通じて蓄圧部にこの大気圧よりも高圧の空気を供給できることで、再度圧縮空気としてエネルギーを蓄えることができる。

ここで記載した実施形態およびその変形例において、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、かつ不規則に変動す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、工場内の他の大電力を消費する機器によって電力が変動するものであってもよい。

以上より、本発明の具体的な実施形態やその変形例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）発電装置
２ 発電設備
３ 需要家設備
４ａ〜４ｏ 空気配管
５ａ，５１ａ〜５３ａ 圧力センサ（空気圧力検出部）
５ｂ 空気温度センサ（空気温度検出部）
５ｃ 空気流量センサ（空気流量検出部）
５ｄ 熱媒温度センサ（熱媒温度検出部）
５ｅ 熱媒流量センサ（熱媒流量検出部）
６ａ，６ｂ 熱媒配管
７ａ，７ｂ 戻し配管
１０ モータ（電動機）
１１ 圧縮機
１１ａ 吸気口
１１ｂ 吐出口
１２ 蓄圧タンク（蓄圧部）
１２ａ 放気弁（減圧部）
１２１〜１２３ 蓄圧タンク
１２１ａ〜１２３ａ 放気弁（減圧部）
１３ 膨張機
１３ａ 給気口
１３ｂ 排気口
１３１ １段目膨張機本体
１３１ａ 給気口
１３１ｂ 排気口
１３２ ２段目膨張機本体
１３２ａ 給気口
１３２ｂ 排気口
１４ 発電機
１４１，１４２ 発電機
１５ 圧縮側熱交換器（熱媒加熱部）
１６ 膨張側熱交換器
１７ａ〜１７ｒ バルブ
１８ 高温熱媒タンク（蓄熱部）
１８ａ 電気ヒータ
１９ 低温熱媒タンク
２０ ポンプ
４０ 制御装置
４１ 演算部
４２ 状態制御部
４３ 排気制御部

Claims (10)

1. 再生可能エネルギーによって発電された電力により駆動される電動機と、
   前記電動機によって駆動され、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蓄える蓄圧部と、
   前記蓄圧部から供給される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、
   前記蓄圧部から前記膨張機に供給される前記圧縮空気と、熱媒とで熱交換して、前記圧縮空気を加熱し、前記熱媒を冷却する膨張側熱交換器と、
   前記膨張側熱交換器に流入する空気温度を検出する空気温度検出部と、
   前記膨張側熱交換器に流入する空気圧力を検出する空気圧力検出部と、
   前記膨張側熱交換器に流入する空気流量を検出する空気流量検出部と、
   前記膨張側熱交換器に流入する熱媒温度を検出する熱媒温度検出部と、
   前記膨張側熱交換器に流入する熱媒流量を検出する熱媒流量検出部と、
   前記空気温度、前記空気圧力、前記空気流量、前記熱媒温度、および前記熱媒流量の５つの状態量の少なくとも一つを変更する状態変更部と、
   少なくとも前記５つの状態量の検出値に基づいて前記膨張機の排気温度を算出する演算部と、前記演算部で算出された前記排気温度が所定温度以下の場合に前記排気温度を上昇させるように前記状態変更部を制御する状態制御部とを有する制御装置と
   を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
2. 前記状態変更部は、前記膨張側熱交換器に流入する前記熱媒温度を上昇させる熱媒加熱部を有し、
   前記状態制御部は、前記状態変更部によって前記５つの状態量のうち前記熱媒温度を最優先に変更し、より詳しくは前記熱媒温度を上昇させるように前記熱媒加熱部を制御する、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
3. 前記熱媒加熱部は、
   前記圧縮機から前記蓄圧部に供給される圧縮空気と、熱媒とで熱交換し、前記圧縮空気を冷却し、前記熱媒を加熱する圧縮側熱交換器と、
   前記膨張側熱交換器と前記圧縮側熱交換器とに流体的に接続され、前記圧縮側熱交換器から供給された前記熱媒を蓄え、前記膨張側熱交換器に前記熱媒を供給する蓄熱部と
   を備える、請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
4. 前記熱媒加熱部は、前記膨張側熱交換器に供給される熱媒を加熱する電気ヒータを備え、
   前記電気ヒータは、前記発電機と電気的に接続されている、請求項２または請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
5. 前記膨張機は、複数段の膨張機本体を有し、
   前記状態変更部は、駆動する前記膨張機本体の選択を可能にする膨張比選択部を有し、
   前記状態制御部は、前記熱媒加熱部の制御に続いて前記膨張比選択部を制御し、現在の膨張比以下の膨張比となるように前記膨張機本体を選択して駆動する、請求項２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. 前記膨張機の排気空気を前記蓄圧部に供給する戻し配管と、
   前記膨張機の排気空気を外気に放気するか、または前記戻し配管に流入させるかを選択する排気選択部と
   をさらに備え、
   前記制御装置は、前記膨張比選択部を制御することで前記膨張比を低下させた場合、前記排気選択部を制御し、前記戻し配管を通じて前記蓄圧部に前記排気空気を供給する排気制御部をさらに有する、請求項５に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
7. 前記状態変更部は、前記蓄圧部内の圧縮空気を外気に直接放気することで内圧を低下させる減圧部を有し、
   前記状態制御部は、前記熱媒加熱部の制御に続いて前記減圧部を制御し、前記蓄圧部の内圧を低下させる、請求項２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。
8. 前記状態変更部は、前記蓄圧部内の圧縮空気を外気に直接放気することで内圧を低下させる減圧部を有し、
   前記状態制御部は、前記熱媒加熱部の制御および前記膨張比選択部の制御に続いて前記減圧部を制御し、前記蓄圧部の内圧を低下させる、請求項５または請求項６に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
9. 前記蓄圧部は、複数設けられており、
   前記状態変更部は、前記膨張機に圧縮空気を給気する前記蓄圧部の選択を可能にする蓄圧部選択部と、前記蓄圧部間での前記圧縮空気の授受を可能にする内圧分配部とを有し、
   前記状態制御部は、前記熱媒加熱部の制御に続いて前記蓄圧部選択部を制御し、内圧の低い前記蓄圧部を選択するか、または、前記熱媒加熱部の制御に続いて前記内圧分配部を制御し、前記蓄圧部の圧縮空気を他の前記蓄圧部に分配して内圧を低下させる、請求項２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。
10. 前記蓄圧部は、複数設けられており、
    前記状態変更部は、前記膨張機に圧縮空気を給気する前記蓄圧部の選択を可能にする蓄圧部選択部と、前記蓄圧部間での圧縮空気の授受を可能にする内圧分配部とを有し、
    前記状態制御部は、前記熱媒加熱部の制御および前記膨張比選択部の制御に続いて前記蓄圧部選択部を制御し、内圧の低い前記蓄圧部を選択するか、または、前記熱媒加熱部の制御および前記膨張比選択部の制御に続いて前記内圧分配部を制御し、前記蓄圧部の圧縮空気を他の前記蓄圧部に分配して内圧を低下させる、請求項５または請求項６に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

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