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公開番号2024054757
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-17
出願番号2022161195
出願日2022-10-05
発明の名称圧縮空気エネルギ貯蔵装置およびヒートポンプ装置
出願人株式会社日立産機システム
代理人弁理士法人開知
主分類F02C 6/16 20060101AFI20240410BHJP(燃焼機関;熱ガスまたは燃焼生成物を利用する機関設備)
要約【課題】圧縮熱を効率よく回収することで電力回収効率の向上を図ることができる圧縮空気エネルギ貯蔵装置の提供。
【解決手段】圧縮空気エネルギ貯蔵装置は、電動機により駆動され、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気との熱交換により蓄熱媒体を加熱する第1熱交換器と、第1熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンクと、蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により駆動される膨張機と、膨張機により駆動される発電機と、第1熱交換器で加熱された蓄熱媒体との熱交換により、膨張機に流入する圧縮空気を加熱する第2熱交換器と、第2熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、膨張機を駆動する圧縮空気へ放熱するためのヒートポンプ装置と、を備える。
【選択図】図11
特許請求の範囲【請求項１】
電動機により駆動され、空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気との熱交換により蓄熱媒体を加熱する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンクと、
前記蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により駆動される膨張機と、
前記膨張機により駆動される発電機と、
前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体との熱交換により、前記膨張機に流入する圧縮空気を加熱する第２熱交換器と、
前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、前記膨張機を駆動する圧縮空気へ放熱するためのヒートポンプ装置と、
を備える圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
続きを表示（約 1,600 文字）【請求項２】
請求項１に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記ヒートポンプ装置は、前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、前記第２熱交換器に供給される蓄熱媒体に対して放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項３】
請求項１に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記ヒートポンプ装置は、冷媒が流れる吸熱器および放熱器を備え、
前記吸熱器は、前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、
前記放熱器は、前記吸熱器で吸熱した熱エネルギを前記第２熱交換器で加熱された圧縮空気に対して放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項４】
請求項３に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記第２熱交換器は、
前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体と、前記放熱器から流出する冷媒と、前記膨張機に供給される圧縮空気とが流入する、三流体熱交換器で構成される、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項５】
請求項１に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記第１熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を貯蔵する前記蓄圧タンクである主蓄圧タンクとは別に、前記第１熱交換器の圧縮空気の入口側に接続され、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を貯蔵する副蓄圧タンクをさらに備え、
前記第２熱交換器は、前記主蓄圧タンクから前記膨張機に流入する圧縮空気を、前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体との熱交換により加熱し、
前記副蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により前記膨張機を駆動させると共に前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体の前記第２熱交換器への流入を開始させ、その後、前記主蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により前記膨張機を駆動させる制御装置
を備える、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項６】
請求項５に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記ヒートポンプ装置は、
前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、
前記主蓄圧タンクから前記膨張機に流入する圧縮空気および前記副蓄圧タンクから前記膨張機に流入する圧縮空気の少なくとも一方へ放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項７】
請求項６に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記膨張機は第１膨張段と第２膨張段とを有する多段膨張機であって、
前記第２熱交換器は、前記第１膨張段および前記第２膨張段の各々の流入側に個別に設けられ、
前記ヒートポンプ装置は、前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、前記主蓄圧タンクから前記第１膨張段に流入する圧縮空気へ、および、前記第１膨張段から前記第２膨張段に流入する圧縮空気へ放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項８】
請求項５に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記ヒートポンプ装置は、
前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、
前記第２熱交換器に供給される蓄熱媒体に対して放熱する、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項９】
請求項１に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記ヒートポンプ装置は、冷媒を用いた蒸気圧縮サイクルが採用されたヒートポンプ装置である、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の圧縮空気エネルギ貯蔵装置において、
前記蓄熱媒体が加圧水である、
圧縮空気エネルギ貯蔵装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮空気エネルギ貯蔵装置およびヒートポンプ装置に関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギを利用した発電は、気象条件に依存するため、発電量が変動し安定しないことがある。このような変動に対し、発電出力を平準化するシステムとして圧縮空気エネルギ貯蔵（Compressed Air Energy Storage：ＣＡＥＳ）システムが知られている。このＣＡＥＳシステムを利用した圧縮空気エネルギ貯蔵装置（ＣＡＥＳ装置）は、電気エネルギを圧縮空気として蓄圧タンクに蓄え、電力が必要な時に圧縮空気により膨張機を駆動して発電機を動作させ、電気エネルギを生成して出力を平準化する。
【０００３】
ＣＡＥＳ装置では、発電効率を向上させるために、圧縮熱を蓄熱媒体に回収して蓄熱タンク等に貯蔵し、回収した圧縮熱を用いて膨張前の圧縮空気を加熱するシステムが知られている。これにより、蓄圧タンク貯蔵時の放熱を低減するとともに、膨張時の回収動力を増加させる。ＣＡＥＳ装置では圧縮空気生成時の入力エネルギに対する、膨張機を駆動させて発電する出力エネルギの比（電力回収効率）が高いことが求められる。そのためには圧縮熱の熱回収、すなわち、蓄熱した圧縮熱の内のどれだけが膨張機を駆動する圧縮空気の加熱に利用できるかが重要となる。一般的に、２０℃大気圧の空気を１．０ＭＰa程度に圧縮した際の空気温度は２４０℃程度であり、蓄熱媒体を介した熱交換にて熱回収するには有効エネルギが小さく、熱回収量は小さい。
【０００４】
このような熱回収を行うＣＡＥＳ装置として、例えば、特許文献１に記載のような圧縮空気貯蔵発電装置がある。特許文献１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置では、蓄熱媒体により膨張前の圧縮空気を加熱するのみでなく、外部の排熱を利用して圧縮空気を加熱することにより、ＣＡＥＳ装置の発電効率を向上させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特許第６６４９１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の装置では、外部の排熱を利用することでＣＡＥＳ装置の発電効率を向上させている。そのため、外部に適当な熱源がない場合には発電効率を上げることができず、出力電力と入力電力との比である電力回収効率の向上を図ることができない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様による圧縮空気エネルギ貯蔵装置は、電動機により駆動され、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気との熱交換により蓄熱媒体を加熱する第１熱交換器と、前記第１熱交換器で熱交換した後の圧縮空気を貯蔵する蓄圧タンクと、前記蓄圧タンクに貯蔵された圧縮空気により駆動される膨張機と、前記膨張機により駆動される発電機と、前記第１熱交換器で加熱された蓄熱媒体との熱交換により、前記膨張機に流入する圧縮空気を加熱する第２熱交換器と、前記第２熱交換器で熱交換した後の蓄熱媒体から吸熱し、前記膨張機を駆動する圧縮空気へ放熱するためのヒートポンプ装置と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＣＡＥＳ装置における圧縮熱を効率よく回収することで、電力回収効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置の概略構成を示す図である。
図２は、第１の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置に対する比較例を示す図である。
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置の概略構成を示す図である。
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置の概略構成を示す図である。
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置の概略構成を示す図である。
図６は、本発明の第５の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置の概略構成を示す図である。
図７は、本発明の第６の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置の概略構成を示す図である。
図８は、本発明の第７の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置の概略構成を示す図である。
図９は、本発明の第８の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置の概略構成を示す図である。
図１０は、本発明の第９の実施の形態に係る圧縮空気エネルギ貯蔵装置の概略構成を示す図である。
図１１は、単段構成の圧縮空気エネルギ貯蔵装置の概略構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。また、以下の説明では、同一または類似の要素および処理には同一の符号を付し、重複説明を省略する場合がある。なお、以下に記載する内容はあくまでも本発明の実施の形態の一例を示すものであって、本発明は下記の実施の形態に限定されるものではなく、他の種々の形態でも実施することが可能である。
（【００１１】以降は省略されています）

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