JPH03164503A - 圧縮空気貯蔵発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電動機に連結れた圧縮空気を貯蔵槽へ送り込
む圧縮機と、発電機と連結し、上記貯蔵槽内の圧縮空気
により駆動されるエキスパンダとを有する圧縮空気貯蔵
発電装置に関する。

［従来の技術］ 空気を圧縮機により圧縮して貯蔵槽（空気貯蔵槽）に貯
蔵し、これを取出して加熱し、更にエキスパンダにて膨
張させて動力を取出し、発電機にて発電する発電装置（
即ち圧縮空気貯蔵発電装置）では、空気貯蔵槽を含む部
分に種々の手段がある。

中でも、空気貯蔵槽の上方に水槽（上部水槽）を設け、
空気貯蔵槽との位置の差によって生じる水頭により貯蔵
空気圧を設定し、空気量の増減によって貯蔵槽内の水面
が上下に移動する装置では、貯蔵槽内の空気圧力が空気
の増減に関係なくほぼ一定であり、また、全貯蔵空気量
の８０％以上の空気量を一定の圧力下で出し入れするこ
とができる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記した空気貯蔵槽の上方に上部水槽が設けられた圧縮
空気貯蔵発電装置において、上部水槽と空気貯蔵槽との
水頭差は、その貯蔵槽の大きさにも関係するが、最低８
０ｍ程度から効率が比較的良いとされている５００ｍ前
後までの範囲で必要になる。このため、例えば空気貯蔵
槽を地上に設置した場合、上部水槽は最低でも８０ｍの
高さに設置しなければならず、しかも上部水槽全体の重
量を支える構造物が必要であることから、これらを人工
的に製作する場合には建設費が膨大なものとなる欠点が
あった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものでその目的は、
空気貯蔵槽との水頭差が充分大きくとれない高さに上部
水槽を設置した場合でも、必要な水頭差が確保でき、空
気貯蔵槽に貯蔵した空気の大部分が利用できる圧縮空気
貯蔵発電装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、電動機に連結された圧縮空気を空気貯蔵槽へ
送り込む圧縮機と、発電機と連結し、空気貯蔵槽内の圧
縮空気により駆動されるエキスパンダとを有する圧縮空
気貯蔵発電装置において、空気貯蔵槽より上方に設けら
れる上部水槽の位置が、従来から発電装置に要求されて
いる高さよりも低い位置に設置されていても、空気の出
入れに伴う内圧の変化をほぼ一定に保持し、しかも貯蔵
空気量の大部分を利用して必要な水頭を得るための手段
として、空気の貯蔵時には上部水槽と空気貯蔵槽とに水
頭差があることから、これを動力として回収する水車を
電動機と同軸に設けると共に、発電装置が要求する水頭
差を得るため、水頭と要求圧力を補完するポンプ（水ポ
ンプ）を発電機と同軸に設け、上部水槽と空気貯蔵槽と
を水車及びポンプを各々介して連結するようにしたこと
を特徴とするものである。

〔作　用〕

上記の構成において、空気貯蔵槽内に空気が無い場合に
は、空気貯蔵槽に水が充満しており、したがって上部水
槽の水面は最低となっている。この状態で圧縮機を起動
し、空気貯蔵槽に空気を送り込むと、空気貯蔵槽の内圧
は上部水槽との水頭差とバランスして空気圧が設定され
る。しかし、この状態では、上部水槽の取付位置が要求
水頭（一般には最低でも８０ｍ）より低い位置にある場
合には、所定の圧力は得られない。このため空気貯蔵槽
と上部水槽に何らかの抵抗を入れる必要があり、本発明
では空気貯蔵槽と上部水槽とを結ぶ水管に水車を設けて
いる。この水車には、空気貯蔵槽に送り込まれる空気と
同一の体積流量の水が、空気貯蔵槽内圧力から上部水槽
との水頭差を差引いた差圧で流れ、これにより水車には
動力が生じる。水車は圧縮機を駆動する電動機と直結さ
れており、水車に動力が生じることにより電動機出力を
減じることができる。

一方、空気貯蔵槽内の空気を取出す場合には、空気貯蔵
槽内の空気減量と同じ量の水を空気貯蔵槽内に供給する
必要がある。そこで本発明では、上記した量の水を供給
するポンプを設けることで、空気貯蔵槽内が減圧するこ
とを防止し、空気貯蔵槽内を所定圧に保つ。空気貯蔵槽
から空気を取出すのは、この空気をエキスパンダにて加
熱・膨張することで発電機で発電させるためであり、こ
の際の発電量からポンプを駆動する動力が差引かれるこ
とになる。

［実施例コ 第１図は本発明の圧縮空気貯蔵発電装置の一実施例を示
すシステム構成図である。第１図において、圧縮された
空気を貯蔵するための空気貯蔵槽１１の上方には空気圧
バランス用の上部水槽１２が設けられている。この上部
水槽１２の設置位置は、従来から圧縮空気貯蔵発電装置
の効率的な運用に必要とされている高さ（要求水頭）よ
りは低く、空気貯蔵槽１１との間の水頭差はＨｍである
ものとする。空気貯蔵槽１１から上部水槽１２への水の
供給路を成すパイプ（水管）　１３の中間部には、パイ
プ１３を流れる水によって駆動する水車１４が設けられ
ている。この水車１４は空気貯蔵槽１１に圧縮空気を送
り込む圧縮機１５を駆動するための電動機１Ｂと同軸的
に連結され、圧縮機１５の駆動動力の一部として用いら
れるようになっている。圧縮機１５の空気出力口には、
圧縮機１５から送り出される圧縮空気を冷却し、パイプ
（空気管）１７を介して空気管空気貯蔵槽１１に送り込
むための冷却器１８が設けられている。

第１図の圧縮空気貯蔵発電装置には、空気貯蔵槽１１に
貯蔵された圧縮空気により駆動されるガスエキスパンダ
１９が設けられている。ガスエキスパンダ１９には同エ
キスパンダＩ９の出力（駆動力）によって発電を行う発
電機２０が連結されている。この発電機２０には、発電
装置が要求する水頭差を得るために、水頭と要求圧力を
補完するポンプ（水ポンプ）２１が同軸的に連結されて
いる。このポンプ２１は、上部水槽１２がら空気貯蔵槽
１１への水の供給路を成すパイプ２２の中間部に設けら
れている。

ガスエキスパンダ１９の入力口には、空気貯蔵槽ＩＩか
らパイプ２３を介して取出された空気を加熱するための
燃焼器２４が設（すられ、同排気口には、空気再生用の
再生器２５が接続されている。

さて、第１図の圧縮空気貯蔵発電装置では、空気貯蔵槽
１１には、圧縮機１５からの圧縮空気送り込みにより、
圧力Ｐで空気が貯蔵される。しかし、空気貯蔵槽１工と
上部水槽Ｉ２との水頭差Ｈは、上部水槽１２の取付は位
置が要求水頭より低い本実施例では、 Ｐ＞Ｈγ（γは水の密度） の関係にあり、水頭差Ｈだけでは圧力Ｐを維持できない
。そこで、空気貯蔵槽ｌｌ内の空気を取出して発電に用
いる場合に、空気の放出に従って圧力Ｐが低下するのを
防止するため、上部水槽１２の水をポンプ２１を用いて
バイブ２２を介して空気貯蔵槽１１に補給する。この際
、ポンプ２１を通過する水量は、空気貯蔵槽１１から放
出される空気流量（容積流量）、即ち空気貯蔵槽１１内
の空気の減少量に相当し、昇圧する圧力は Ｐ−Ｈγ となる。

空気貯蔵槽１１から放出される空気はバイブ２３を介し
て再生器２５に供給され、同再生器２５にて予熱される
。再生器２５によって予熱された空気貯蔵槽１１からの
放出空気は燃焼器２４内で内燃加熱され、更にガスエキ
スパンダ１９にて膨張されることで、発電機２０の動力
として取出され、発電機２０による発電が行われる。ガ
スエキスパンダ１９の軸上には発電機２０の他にポンプ
２１が設けられており、ガスエキスパンダ１９の出力の
一部はポンプ２１を駆動する動力として使用される。

一方、空気貯蔵槽１１に空気を貯蔵する場合は、電動ａ
ｌ１８によって圧縮機Ｉ５を駆動して空気を圧縮する。

圧縮機１５によって圧縮された空気は冷却器１８にて冷
却された後バイブ１７を介して空気貯蔵槽１１に圧送さ
れる。このとき、空気貯蔵槽１１内に充満している水は
パイプ１３を介して上部水槽１２に押上げられるが、Ｐ
＞Ｈγの関係があることから、本実施例では空気貯蔵槽
１１の圧力（内圧）Ｐを所定圧に保つためにバイブ１３
にＰ−Ｈγだけの抵抗、具体的にはこの差圧Ｐ−Ｈγを
回収する水車１４を設け、その動力を得るようにしてい
る。この水車１４は圧縮機１５及び電動機１６と同一軸
上にあり、水車１４の動力は圧縮機１５の駆動動力の一
部として利用される。

次に本発明の他の実施例を第２図を参照して説明する。

なお、第１図と同一部分には同一符号を付して詳細な説
明を省略する。

第２図は第１図の圧縮空気貯蔵発電装置の一部を共通化
して構成の簡略化を図ったものである。

即ち第２図の圧縮空気貯蔵発電装置においては、空気貯
蔵槽１１から上部水槽１２へと、上部水槽１２がら空気
貯蔵槽１１への水供給用に、２第１図の２本のパイプ１
３．２２に代えて１本のバイブ３１で兼用し、空気貯蔵
槽１１から上部水槽Ｉ２への水供給（圧縮行程の場合）
と、上部水槽１２がら空気貯蔵槽１１への水供給（発電
行程の場合）とを、バルブ３１．３２で切替えるように
している。また、第２図の圧縮空気貯蔵発電装置におい
ては、第１図の電動機１６と発電機２０とを共通化した
電動機／発電機３４が設けられ、同電動機／発電機３４
に第１図の水車１４とポンプ２１とを共通化した水車／
ポンプ３５が連結された構成となっている。電動機／発
電機３４及び水車／ポンプ３５は圧縮機１５及びガスエ
キスパンダ１９と同一軸上に設けられている。水車／ポ
ンプ３５と圧縮機１５との間には、圧縮行程においては
結合が、発電行程においては切離しがそれぞれ行われる
クラッチ３Ｂが介挿され、電動機／発電機３４とガスエ
キスパンダ１９との間には、圧縮行程においては切離し
か、発電行程においては結合がそれぞれ行われるクラッ
チ３７が介挿される。以上のように第２図の圧縮空気貯
蔵発電装置では、共通化されたパイプ３１、電動機／発
電機３４及び水車／ポンプ３５を用いた簡単な構成であ
りながら、バルブ３２．８３とクラッチ３８．３７の切
替え操作により、圧縮行程／発電行程を分離して正しい
運用が可能となる。

上記した第１図及び第２図の圧縮空気貯蔵発電装置にお
ける入出力と水頭差との関係を、第３図にグラフ化して
示す。同図において、横軸は水頭差Ｈを、縦軸は出力及
び入力を示す。図に示すように、水頭差Ｈと圧力Ｐが一
致したところでは、ポンプ入力、水車出力はＯ（零）と
なり、この入出力は水頭差Ｈが小さくなるに比例して増
加する。

したがって、ある水頭差ではガスエキスパンダ出力から
ポンプ入力を差引いたものが有効出力となり、圧縮機入
力から水車出力を差引いたものが必要人力となる。

以上は圧縮空気貯蔵発電装置について説明したが、空気
貯蔵槽に圧縮空気を貯蔵し、この圧縮空気を発電のため
に取出す構成は、例えば工場用の空気源装置にも応用可
能である。第４図は、このような工場用空気源装置の一
実施例を示すシステム構成図であり、第１図及び第２図
と同一部分には同一符号を付しである。第４図の工場用
空気源装置では、電動機工６と水車／ポンプ３５とが連
結され、水車／ポンプ３５には圧縮機１５がクラッチ３
６を介して連結されている。第４図の構成においては、
例えば空気貯蔵槽１１に空気を貯蔵する場合には、水車
／ポンプ３５は（第１図に示す水車１４と同様の）水車
として作用し、クラッチ３Ｂにより圧縮機工５を水車／
ポンプ３５と結合することにより、水車／ポンプ３５の
発生動力が圧縮機１５の駆動動力の一部として利用され
る。圧縮機１５の駆動動力の残りは電動機１Ｂによって
供給される。以上の空気貯蔵は、例えば夜間の余剰電力
によって電動機１６を駆動することで行われる。次に、
空気貯蔵槽１１に貯蔵された空気を、例えば昼間に使用
先へ供給する場合には、水車／ポンプ３５は（第１図に
示すポンプ２１と同様の）ポンプとして作用し、電動機
１６にて水車／ポンプ３５を駆動することにより上部水
槽１２がら空気貯蔵ｔａｉｌに水を補給する。この際に
は、電動機１Ｂの動力が圧縮機１５に伝達されないよう
にクラッチ３Ｇを切離して用いる。

［発明の効果コ 以上詳述したように本発明の圧縮空気貯蔵発電装置によ
れば、空気の貯蔵時には上部水槽と空気貯蔵槽とに水頭
差があることから、これを動力として回収する水車を電
動機と同軸に設けると共に、発電装置が要求する水頭差
を得るために、水頭と要求圧力を補完するポンプを発電
機と同軸に設け、上部水槽と空気貯蔵槽とを水車及びポ
ンプを各々介して連結する構成としたので、以下の作用
効果を得ることができる。

（１）一定圧力下で空気の出入れができる。

（２）水頭差が充分とれない場所に設置できる。

（３）空気貯蔵槽（圧力容器）内に貯蔵した空気の大部
分（８０％以上）が利用できる。

（４）貯蔵圧力が低い場合（１０ｋｇ／ｃｄゲージ圧以
下）でもシステム熱効率が良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧縮空気貯蔵発電装置の一実施例を示
すシステム構成図、第２図は本発明の他の実施例を示す
システム構成図、第３図は第１図及び第２図の圧縮空気
貯蔵発電装置における入出力と水頭差との関係を説明す
るための図、第４図は本発明を応用した工場用空気源装
置の一実施例を示すシステム構成図である。 １１・・・空気貯蔵槽、１２・・・上部水槽、１４・・
・水車、Ｉ５・・・圧縮機、Ｉ６・・−電動機、１９・
・・エキスパンダ、２０・・・発電機、２１・・・ポン
プ、２４・・・燃焼器、３４・・・電動機／発電機、３
５・・・水車／ポンプ、：（１３，３７・・・クラッチ
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電動機に連結された圧縮空気を空気貯蔵槽へ送り込む圧
   縮機と、発電機と連結し、上記空気貯蔵槽内の圧縮空気
   により駆動されるエキスパンダとを有する圧縮空気貯蔵
   発電装置において、 上記空気貯蔵槽より上方に設けられた上部水槽と、 上記電動機と同軸に設けられた水車と、 上記発電機と同軸に設けられた揚水用ポンプと、を具備
   し、上記上部水槽と上記空気貯蔵槽とを上記水車及びポ
   ンプを各々介して連結するようにしたことを特徴とする
   圧縮空気貯蔵発電装置。