JPH09317495A - 圧縮空気貯蔵発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 電力負荷の平準化を図る圧縮空気貯蔵発電装
置に関し、機器数を低減すると共に、運転効率の良い装
置とした発電装置を提供する。 【解決手段】 電動機と発電機とを１体化した、モータ
／ゼネレータ（Ｍ／Ｇ）２を設けた装置において、空気
圧縮機とタービンとを１体化したコンプレッサ／タービ
ン（Ｃ／Ｔ）３と、Ｍ／Ｇに入力され、空気圧縮機を駆
動する外部電力の周波数を、空気圧縮機の運転効率の良
い回転数にしてＭ／Ｇを回転させる周波数に変換すると
共に、圧縮空気で作動するタービンが運転効率の良い回
転数でＭ／Ｇを駆動して発電した電力周波数を、出力す
る外部電力周波数と同一に変換するインバータ１を設け
た。外部電力周波数とは無関係に周波数を変えて、空気
圧縮機駆動ができると共に、外部電力周波数とは異る電
力をタービンの駆動により効率良く発電しても、支障な
く出力できる。これにより、Ｍ／ＧとＣ／Ｔとの直結運
転が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、需要の少い夜間等
の電力を利用して圧縮空気を製造し、この高圧の圧縮空
気を地下に設けた空洞等のタンクに貯蔵しておき、電力
需要の多い昼間等に、この圧縮空気を利用して発電を行
い、電力供給を行うようにした圧縮空気貯蔵発電システ
ム（以下ＣＡＥＳという）に係り、特に、ＣＡＥＳの構
成機器を兼用することにより、運転手法の簡略化、及び
温熱利用を可能にする圧縮空気貯蔵発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電力需要の少い夜間時等の電力を、熱、
運動量等のエネルギーに変換して、貯蔵しておき、電力
需要の大きい昼間に、これら貯蔵したエネルギーで発電
を行い、電力を供給するようにして、電力の平準化を図
るようにしたものが、これまで開発されている。

【０００３】ＣＡＥＳは、このような電力の平準化を目
的とした発電システムで、クラッチを介して、一軸で構
成されたガスタービン、電動機、発電機、圧縮機と、圧
縮空気を貯蔵空洞等のタンクとで構成され、需要の少い
夜間時の外部電力を使って、発電機と１体化された電動
機を作動させ、圧縮機を駆動して高圧空気を作り出し、
この圧縮空気を地下空洞等のタンクに貯えておき、昼間
の電力需要の大きい時間帯に、この圧縮空気を取り出
し、ガスタービンを作動させ、電動機と１体となった、
発電機を駆動して、発電を行い、電力を外部へ供給する
ようにしたものである。

【０００４】図３は、このようなＣＡＥＳの概略系統を
示すブロック図である。図に示すように、ＣＡＥＳで
は、電動機と発電機とを１体化した、モータ／ゼネレー
タ０２０の両側にクラッチ０２１，０２２、及び増減速
歯車装置０２６，０２７を設置しており、このクラッチ
０２１，０２２のＯＮ，ＯＦＦにより、圧縮空気の充
填、および発電を行うようにしている。

【０００５】すなわち、圧縮空気の充填時は、クラック
０２１をＯＮ、クラッチ０２２をＯＦＦとし、外部から
供給される電力不需要時の余剰電力で駆動される、モー
タ／ゼネレータ０２０の電動機の作動により圧縮機０２
３を駆動させることにより、導入した空気を圧縮し、後
部冷却器０２８で冷却した圧縮空気を地下空洞０２４へ
供給し、貯蔵するようにしている。

【０００６】また、電力の需要が大きくなる発電時は、
クラッチ０２１をＯＦＦ、クラッチ０２２をＯＮとし、
地下空洞０２４内に貯蔵しておいた圧縮空気を再生器０
２９へ送り込み、ガスタービン０２５の低圧ガスタービ
ン０３１から排出される燃焼ガスＥ／Ｇで加熱した後、
高圧ガスタービン３０に供給して、作動させ、また、高
圧ガスタービン０３０を作動させて、圧力が低減した圧
縮空気と燃料Ｆを燃焼器０３２に送り込み、燃焼させ、
この燃焼ガスＥ／Ｇで低圧ガスタービン３１を作動させ
て、これら高圧ガスタービン３０、低圧ガスタービン３
１で、モータ／ゼネレータ２０の発電機を駆動して、電
力を出力するようにしている。

【０００７】このように、需要の少い時間帯の余剰電力
で空気を圧縮し、圧縮空気にして、余剰電力のエネルギ
ーを貯蔵しておき、需要の大きい時間帯に貯蔵していた
余剰電力のエネルギーを利用して発電を行い、電力を供
給するようにした、従来のＣＡＥＳは、上述のように構
成されているので、 （１）圧縮機０２３から吐出された圧縮空気は、地下空
洞０２４での貯蔵効率を高めるために、後部冷却器０２
８で冷却してから、地下空洞０２４に貯めるようにして
いるが、この際、圧縮機０２３の断熱圧縮により加熱さ
れた、吐出空気のもつ温熱エネルギーは、有効利用され
ず、後部冷却器０２８に導入される冷却水に放散される
だけ、有効利用されることがなく、ＣＡＥＳの熱損失の
原因となり、ＣＡＥＳの効率を低減するものとなってい
る。

【０００８】（２）また、このようなＣＡＥＳで使用さ
れるモータ／ゼネレータ２０は、一定周波数の外部電力
で駆動され、若しくは一定周波数にして、外部に出力す
るために、外部電力の周波数に対応する３６００ｒｐｍ
（６０Ｈｚ）、又は３０００ｒｐｍ（５０Ｈｚ）のよう
な、特定の回転数で定速回転させなければならないのに
対して、圧縮機０２３およびガスタービン０２５は、運
転効率上モータ／ゼネレータ２０の回転数より大きい、
設計上定まる、最適回転数でそれぞれ回転させる必要が
ある。

【０００９】このためには、圧縮機０２３、ガスタービ
ン０２５は、専用機にする必要があるとともに、モータ
／ゼネレータ０２０と、圧縮機０２３、およびガスター
ビン０２５との、それぞれの嵌脱を行うクラッチ０２
１，０２２を必要とする。

【００１０】さらに、モータ／ゼネレータ０２０と、圧
縮機０２３およびガスタービン０２５とは、設計回転数
が異なることから、モータ／ゼネレータ０２０と圧縮機
０２３の間、およびモータ／ゼネレータ０２０とガスタ
ービン０２５の間には、それぞれ増減速歯車装置０２
６，０２７の設置が必要となり、前述した、圧縮機０２
３、ガスタービン０２５の専用機化、クラッチ０２１，
０２２の設置と相俟って、機器数が増え、コストが増大
するとともに、それ等の保守点検を含めた、取扱いが繁
雑となる不具合がある。

【００１１】（３）また、ガスタービン０２５の低圧ガ
スタービン０３１の作動には、燃焼ガスを使用するよう
にしており、燃料を用いることから、燃料設備、排気処
理、熱回収装置が必要となる不具合もある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来のＣＡＥＳの不具合を解消するためになされたもの
で、余剰電力のエネルギーを圧縮空気にして貯蔵するた
め、空気を圧縮するときに発生する温熱エネルギーは勿
論のこと、貯蔵されたエネルギーから電力を取り出すと
きに、タービンを駆動して膨張するときに発生する圧縮
空気の冷熱エネルギーをも回収して、熱損失を低減する
とともに、余剰電力を貯蔵エネルギーに変えるために空
気を圧縮する空気圧縮機と、貯蔵エネルギーから電力を
取り出すため、圧縮空気で発電機の駆動力を発生させる
タービンとを１体化して、機器数を低減して、取扱いを
容易にし、コストを低減し、また、燃料を使用する必要
がなく、燃焼、排気処理および熱回収のための装置を必
要としない、圧縮空気貯蔵発電装置を提供することを課
題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の圧縮
空気貯蔵発電装置は、次の手段とした。

【００１４】（１）外部から供給される余剰電力で作動
し、空気圧縮機を駆動する電動機と、空気圧縮機からの
圧縮空気を貯蔵したタンクから供給された圧縮空気で作
動するタービンで駆動され、発電を行う発電機とをモー
タ／ゼネレータに１体化することに加え、電力需要の少
いとき、１体化された電動機としてのモータ／ゼネレー
タにより、直結駆動され空気圧縮を行い、圧縮空気を貯
蔵するタンクに供給する圧縮機と、電力需要の多いと
き、タンクに貯蔵された圧縮空気で作動して、発電機と
してのモータ／ゼネレータを直結駆動させて、発電する
タービンとを１体化したコンプレッサ／タービンを設け
た。

【００１５】（２）外部からの余剰電力の所定の周波数
を、大きな周波数に変換して、入力された電力の周波数
に対応する回転数で回動する電動機としての、モータ／
ゼネレータの回転数を、コンプレッサとしての運転効率
が最も良くなる回転数にして、１体化したコンプレッサ
／タービンを駆動できるようにするとともに、供給され
た圧縮空気で、タービンとしての運転効率が最も良くな
る回転数で１体化したコンプレッサ／タービンを作動さ
せ、このコンプレッサ／タービンの回転数で、発電機と
してのモータ／ゼネレータを駆動して、発電される電力
の周波数を、外部電力のこの周波数とは異なる、所定の
周波数に変換して出力できるようにしたインバータを設
けた。

【００１６】なお、コンプレッサ／タービンをタービン
としての運転が最適となる回転数にする制御は、コンプ
レッサ／タービンの速度三角形が最適となるように、ガ
バナ制御により行うようにしても良い。

【００１７】本発明の圧縮空気貯蔵発電装置は、上述
（１），（２）の手段により、 （ａ）インバータを用いたことにより、外部電力周波数
に関係なく、モータ／ゼネレータの回転数が設定できる
ようになったので、電動機としてのモータ／ゼネレータ
で直接駆動される圧縮機、およびモータ／ゼネレータを
直接駆動するガスタービンと、モータ／ゼネレータとを
直結しても、圧縮機およびガスタービンは、それぞれ最
適回転数で作動させることができる。すなわち、クラッ
チおよび増減速歯車装置を設けることなく、モータ／ゼ
ネレータと圧縮機およびタービンとを直接連繋させて、
圧縮機およびタービンを最適回転数で作動させることが
できる。

【００１８】また、モータ／ゼネレータの回転数が任意
に設定できるようになったことと、圧縮空気充填時と発
電時との時間のずれがあり、圧縮機とタービンとは同時
に作動させる必要がないことから、最適回転数の異る圧
縮機とタービンとを１体化することにより、運転効率の
良いコンプレッサ／タービンとすることができる。さら
に、コンプレッサ／タービンをタービンとしての最適回
転数にして、モータ／ゼネレータを駆動して発電を行っ
ても、モータ／ゼネレータで発電された電力は、インバ
ータにより供給先である外部電力の所定の周波数に、自
由に同調させて出力することができる。

【００１９】（ｂ）このように、専用機として使用する
必要のあった圧縮機、およびタービンが、コンプレッサ
／タービンとして１体化され、圧縮機としての機能、お
よびタービンとしての機能を果すようになり、しかも、
モータ／ゼネレータと、圧縮機およびタービンとの間
に、それぞれ設けていたクラッチ、および増減速歯車装
置を不要とできるので、機器数が減らせ、コスト低減が
図れるとともに、取扱い、保守点検が容易になり、信頼
性の高いものにできる。

【００２０】（ｃ）また、コンプレッサ／タービンを、
圧縮機としての運転効率の良い回転数で運転して、空気
を圧縮した圧縮空気は、高温のまま地下空洞等のタンク
内に貯めるので、コンプレッサ／タービンをタービンと
して使用するときに、コンプレッサ／タービンに供給さ
れる圧縮空気は、高温に保持されており、燃料等による
加熱を不要にして、発電機としてのモータ／ゼネレータ
を駆動して発電することができる。これにより、ＣＡＥ
Ｓを熱損失の少い効率の高いものにできる。

【００２１】また、本発明の圧縮空気貯蔵発電装置は、
上述（１），（２）の手段に加え、次の手段とした。

【００２２】（３）モータ／ゼネレータを駆動すると
き、換言すればタンク内に貯蔵された圧縮空気をコンプ
レッサ／タービンに供給し、コンプレッサ／タービンを
タービンとしての作動を行わせ、モータ／ゼネレータを
駆動して、発電を行っているとき、タービンとして作動
しているコンプレッサ／タービンから排出される圧縮空
気の温度を設定温度にするため、タンク内に貯蔵されて
いる圧縮空気が、コンプレッサ／タービン内の膨張によ
り、設定された排出温度になるようなコンプレッサ／タ
ービン入口温度にする、熱回収装置をタンク内に設置し
た。なお、コンプレッサ／タービンから排出される圧縮
空気の設定温度は、後述するように、排出される圧縮空
気が、種々の目的に使用されるため、一概にはいえない
が、３℃〜−１０℃程度にすることが好ましい。

【００２３】本発明の圧縮空気貯蔵発電装置は、上述
（３）の手段により、上述した（ａ），（ｂ）に加え、
従来の、図３に示す圧縮空気貯蔵発電装置の後部冷却器
０２８が、地下空洞０２４に多くの圧縮空気を貯めるた
めに、比重量を高くすべく、圧縮機０２３の吐出口と地
下空洞０２４の間に設置され、吐出空気のもつ温熱エネ
ルギーを冷却水中に放出して、有効利用されていなかっ
たのに対し、本発明の圧縮空気貯蔵発電装置に設ける熱
回収装置は、タンク内に設置され、タンク内の圧縮空気
の温熱エネルギーを回収して、減温しておくことによ
り、その温熱エネルギーの分だけコンプレッサ／タービ
ンでの膨張後空気温度が下るので、それをコンプレッサ
／タービンの吸気冷却に利用することで回収することが
でき、熱効率を向上させることができる。

【００２４】すなわち、例えば、吸気温度を大気温度よ
り１５℃低くすれば、発電出力を１０％増加させること
ができる。また、コンプレッサ／ガスタービン排気は、
燃焼ガスが含まれず清浄なので空気調和機等にも、その
まま使用することができ、温熱エネルギー（冷熱）の利
用範囲を広げることもできる。

【００２５】さらに、熱回収装置はタンク内に設置さ
れ、従来の後部冷却器０２８に比較して、短時間で多く
の温熱エネルギーを回収できるので、熱回収装置で得ら
れた温水を、給湯、ボイラ給水加熱、若しくは暖房熱源
等に利用することもできるようになる。

【００２６】このように、本発明の圧縮空気貯蔵発電装
置では、発生する温熱エネルギーを有効利用し、熱損失
を少くできるので、本発明を適用したＣＡＥＳの運転効
率を向上させることができる。

【００２７】なお、コンプレッサ／タービンを作動させ
て、冷却された、膨張後の空気の使用を優先させるとき
は、上述（３）の手段に加え、温度検出をし、排出空気
温度が所定温度となるように、ガバナー等の制御によ
り、コンプレッサ／タービンの回転数、すなわち膨張比
を操作することによってもできるものである。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の圧縮空気貯蔵発電
装置の実施の一形態を、図面にもとづき説明する。図１
は本発明の圧縮空気貯蔵発電装置の実施の第１形態を適
用した小型ＣＡＥＳの構成図である。

【００２９】図に示すように、発電機と電動機を１体に
したモータ／ゼネレータ２と、モータ／ゼネレータ２の
電動機で駆動され、矢視Ｃで表わされる導入空気を圧縮
する圧縮機、および空気貯蔵タンク４から矢視ｆで供給
される圧縮空気で作動し、モータ／ゼネレータ２の発電
機を駆動するタービンとを１体にした、コンプレッサ／
タービン３とは直結されていて、従来の圧縮空気貯蔵発
電装置で設置されている、図３に示すクラッチ０２１，
０２２、および増減速歯車装置０２６，０２７、若しく
は、これに類似するものは設けられていない。

【００３０】また、モータ／ゼネレータ２には、インバ
ータ１が連繋されていて、コンプレッサ／タービン３の
回転数を自由にして、しかも、６０Ｈｚ又は５０Ｈｚの
周波数の外部電力系統と連繋できるようにしている。

【００３１】すなわち、コンプレッサ／タービン３をコ
ンプレッサとして使用するときには、６０Ｈｚ又は５０
Ｈｚの外部電力の周波数をインバータ１で変換して、コ
ンプレッサとして駆動されるコンプレッサ／タービン３
の最適回転数にして、モータ／ゼネレータ２を回転さ
せ、圧入切換弁９を介して導入された空気ｃの圧縮を行
い、圧縮空気ｅを空気貯蔵タンク４に直接貯留するとと
もに、発電時には、コンプレッサ／タービン３の回転数
をタービンにとって最適となるように、圧縮空気タンク
４から供給される圧縮空気ｆを流量制御弁８で制御し
て、コンプレッサ／タービン３に導入して作動させ、モ
ータ／ゼネレータ２の発電機を駆動し、発電される外部
電力の周波数と異なる電力の周波数をインバータ１によ
り、６０Ｈｚ又は５０Ｈｚにして、外部電力母線に供給
するようにしている。

【００３２】なお、コンプレッサ／タービン３を、ター
ビンとしての運転が最適となる回転数による制御は、コ
ンプレッサ／タービン３の回転数を回転数ピックアップ
６で検出して、プラント制御装置７に入力し、この入力
信号にもとづきプラント制御装置７から開度信号を流量
制御弁８に出力し、空気貯蔵タンク４からの圧縮空気ｆ
の流量を制御して行うようにしているが、コンプレッサ
／タービンの速度三角形が最適となるようなガバナ制御
信号を、流量制御弁８に入力して行うようにしても良
い。

【００３３】また、タービンとしてのコンプレッサ／タ
ービン３を作動させる圧縮空気ｆは、コンプレッサ／タ
ービン３で膨張、冷却して、排出空気ｄとして送気切替
弁１０から、所要の装置に送給され、膨張により得られ
る冷熱エネルギーを利用するようにしている。この、コ
ンプレッサ／タービン３の膨張で冷却された排出空気ｄ
の温度利用を優先させるときは、後述する熱回収装置１
１による制御のほか、温度検出計５の検出値が利用先に
応じた所定値、例えば−１０℃となるように、流量制御
弁８を操作することによっても行うことができる。

【００３４】さらに、空気貯蔵タンク４には、温熱利用
のための熱回収装置１１が設けられていて、冷却水ａを
供給して熱回収装置１１で得られる温水ｂを、給湯、ボ
イラ給水加熱器、又は暖房熱源等として有効利用するこ
とが出来る。また、前述したように、熱回収装置１１の
冷却により、空気貯蔵タンク４内の圧縮空気の温度を制
御することにより、コンプレッサ／タービン３から排出
される排出空気ｄの温度を、利用先から要求される温度
にできるコンプレッサ／タービン３の入口温度にするこ
ともできる。

【００３５】次に、本実施の形態の圧縮空気貯蔵発電装
置の空気貯蔵時と、発電時の使用状況を図２に示す。

【００３６】図２（ａ）に示すように、モータ／ゼネレ
ータ２を電動機Ｍとして使用し、夜間の電力で作動さ
せ、空気圧縮機Ｃ／Ｐとして作動するコンプレッサ／タ
ービン３を駆動して、送気切替弁９を介してコンプレッ
サ／タービン３に導入された外部空気ｃを圧縮して、圧
縮空気ｅにして空気貯蔵タンク４に貯める。なお、この
とき空気貯蔵タンク４に貯められる圧縮空気ｅの温熱エ
ネルギーを、熱回収装置１１で回収して給湯、暖房等に
使用するようにすることもできる。（運用１） 図２（ｂ）に示すように、空気貯蔵タンク４から送出さ
れる圧縮空気ｆを、流量制御弁８で制御して、コンプレ
ッサ／タービン３に供給すれば、コンプレッサ／タービ
ン３は、タービンＴとして作動し、モータ／ゼネレータ
２を駆動し、モータ／ゼネレータ２は、発電機Ｇとして
機能し、電力を発生させることができる。また、空気貯
蔵タンク４内で圧縮空気を減温しておけば、コンプレッ
サ／タービン３の出口温度は、膨張の結果、更に温度が
下がるので、ガスタービンの吸気冷却や冷房用空気とし
て有効に活用できる。（運用２）

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧縮空気
貯蔵発電装置によれば、特許請求の範囲に示す構成によ
り、 （１）クラッチ、増減速歯車装置、燃料系、排気系は、
一切不要となるうえ、発電／電動機、圧縮機／タービン
は、兼用される１体化されたモータ／ゼネレータ、およ
びコンプレッサ／タービンにできるので、取扱いが容易
になるとともに、コストダウンが可能となる。

【００３８】（２）空気貯蔵時の空気圧縮で得られる温
熱エネルギーを有効に利用するとともに、コンプレッサ
／タービンのタービンとしての運転で得られる、冷熱エ
ネルギーを空調用、冷風用、ガスタービン吸気冷却用の
冷熱として利用できるので熱効率が向上し、運転効率の
高いものにできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧縮空気貯蔵発電装置の実施の第１形
態を設けた小型ＣＡＥＳの構成図、

【図２】図１に示す圧縮空気貯蔵発電装置の使用状況を
示す図で、図２（ａ）は夜間電力による空気貯蔵時を示
す図、図２（ｂ）は貯蔵圧縮空気による発電時を示す
図、

【図３】従来のＣＡＥＳの構成図である。

【符号の説明】

１ インバータ ２ モータ／ゼネレータ ３ コンプレッサ／タービン ４ 空気貯蔵タンク ５ 温度センサ ６ 回転数ピックアップ ７ プラント制御装置 ８ 流量制御弁 ９ 圧入切替弁 １０ 送気切替弁 １１ 熱回収装置 ａ 冷却水 ｂ 温水 ｃ，ｅ 圧入時空気流れ ｄ，ｆ 送風時空気流れ Ｍ 電動機 Ｃ／Ｐ 空気圧縮機 Ｇ 発電機 Ｔ タービン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部から供給された電力で空気圧縮機を
   駆動する電動機と、前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空
   気で作動するタービンで駆動され発電を行う発電機とを
   １体化した、モータ／ゼネレータを設けた圧縮空気貯蔵
   発電装置において、前記空気圧縮機と前記タービンとが
   １体化され、電力需要の少いとき、前記モータ／ゼネレ
   ータで直結駆動されて空気圧縮を行い、タンクに供給す
   るとともに、電力需要の多いとき、前記タンクから供給
   された圧縮空気で前記モータ／ゼネレータを直結駆動し
   て発電を行うコンプレッサ／タービンと、前記モータ／
   ゼネレータに入力される電力、および出力される電力を
   所定の周波数に変換するインバータとを設けたことを特
   徴とする圧縮空気貯蔵発電装置。
2. 【請求項２】 前記タンク内に設置され、前記モータ／
   ゼネレータを駆動するとき、前記コンプレッサ／タービ
   ンからの排出空気温度を設定温度にするため、前記タン
   ク内の圧縮空気温度を所定温度にする熱回収装置を設け
   たことを特徴とする請求項１の圧縮空気貯蔵発電装置。