JP2009284634A - 超電導電力貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄積エネルギーが大きく、陸上輸送が可能で、かつ、設置スペースに応じてレイアウトを自由に変更できる超電導電力貯蔵装置を提供する。
【解決手段】１又は複数のコイルからなる超電導コイル２と、前記超電導コイル２を収納するクライオスタット６と、前記超電導コイル２に通電回路を介して接続される変換器８と、からなる超電導電力貯蔵装置１において、前記クライオスタット６を複数配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導コイルに磁気エネルギーを蓄積し、エネルギーの充放電をおこなう超電導電力貯蔵装置に関する。

超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）は、超電導コイルに磁気エネルギーを蓄積し、変換器によりエネルギーの充放電をおこなう。超電導コイルは、一般的には、真空容器、輻射シールド、ヘリウム容器などからなるクライオスタットに収納され、極低温に維持される。

超電導コイルから発生する漏れ磁場を低減するために、超電導コイルの様々な配置が考えられている。例えば、超電導コイルをトロイド型に配置する方法（特許文献１）、ソレノイド型の超電導コイルを軸方向に並行にならべて、隣り合う超電導コイルの磁気モーメントの方向を互いに逆向きに配置する方法（特許文献２、３）が提案されている。

超電導電力貯蔵装置は、トロイド型コイルよりも、ソレノイド型コイルを用いた方が、一般的に製作が容易である。また、隣り合う逆向きの磁気モーメントを持つ超電導コイルの配置する場合は、電磁力のサポート部材を用いるととともに、複数の超電導コイルを、同一のクライオスタットに収容されている。

従来の超電導電力貯蔵装置を、図１０を用いて説明する。
図１０に示すように、超電導コイル２は通電回路７を介して変換器８に接続され、蓄積された磁気エネルギーの充放電をおこなうように構成されている。すべての超電導コイル２は、ヘリウム容器３、輻射シールド４、真空容器５等からなる１つのクライオスタット６に収納されている。このクライオスタット６に搭載された冷凍機１４により蒸発したヘリウムガス１３を再凝縮して液体ヘリウム１２として再びヘリウム容器３内に導入している。また、従来の超電導貯蔵装置１において、ほぼ同一の磁気モーメント値を持つ複数の超電導コイル２を軸方向に平行にならべ、隣り合う超電導コイル２の磁気モーメントの方向を互いに逆向きに配置しているのは、漏れ磁場を低減させるためである。図中では省略しているが、超電導コイル２同士に働く強い電磁力をサポートするための電磁力サポート部材が配置されている。
特開平９−７８２０号公報 特開平１１−３４１７０９号公報 特開２００６−３３２５１３号公報

上述したように、従来の超電導電力貯蔵装置は、図１０に示すように、すべての超電導コイル２が１つのクライオスタット６に収納されている。

近年、超電導電力貯蔵装置の蓄積エネルギーを増大させたいという需要家の要望が高まっている。蓄積エネルギーを増大させるためには、超電導コイルに蓄積するエネルギーを増大させる必要があるが、超電導コイルの寸法もそれにしたがって大きくなり、それを収納するクライオスタットの寸法も必然的に大きくなる。一方、クライオスタットが３ｍを越える寸法になると、陸上輸送が各種の制約を受け困難になり、また、取り扱いに大型の機器が必要となり、さらに超電導電力貯蔵装置を設置する際も、設置スペース及びレイアウト上大きな制約を受けていた。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、蓄積エネルギーが大きく、陸上輸送が可能で、かつ、設置スペースに応じてレイアウトを自由に変更できる超電導電力貯蔵装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る超電導電力貯蔵装置は、１又は複数のコイルからなる超電導コイルと、前記超電導コイルを収納するクライオスタットと、前記超電導コイルに通電回路を介して接続される変換器と、からなる超電導電力貯蔵装置において、前記クライオスタットを複数配置したことを特徴とする。

本発明に係る超電導電力貯蔵装置によれば、蓄積エネルギーが大きく、陸上輸送が可能で、かつ、設置スペースに応じてレイアウトを自由に変更できる超電導電力貯蔵装置を提供することができる。

以下、本発明に係る超電導電力貯蔵装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る超電導電力貯蔵装置１を図１乃至図６を参照して説明する。

図１は、本発明の超電導電力貯蔵装置１の全体構成図である。超電導コイル２は、ヘリウム容器３、輻射シールド４、真空容器５等からなるクライオスタット６にそれぞれ収納され、極低温に維持される。クライオスタット６には、極低温に電流を導く電流リードや、図１０に示す極低温を維持するための冷凍機なども具備されるが、本図では省略している。

超電導コイル２を極低温に維持する方法として、液体ヘリウムによる浸漬冷却があるが、超電導コイル２を真空中に配置して冷凍機で伝導冷却してもよい。また、図１では超電導コイル２は、一体で図示されているが、図５に示すように複数のコイルから構成してもよい。

超電導コイル２は、電流リード、接続ケーブル、ブスバーなどの通電回路７を介して変換器８に接続され、蓄積された磁気エネルギーの充放電をおこなう。図１で示す通電回路７の接続は一例であって、図２、図３に示すように、超電導コイル２が複数用いられる場合は、超電導コイル２を直列に接続してもよいし、図３に示すように並列に接続してもよい。

このような構成の超電導電力貯蔵装置１は、各超電導コイル２を個別のクライオスタット６に収納しているので、超電導コイル２の間の距離を離すことが可能である。また、超電導コイル２を磁気双極子と考えれば、電磁力は距離の４乗に反比例して減少するため、超電導コイル２の間の距離を離すことで、超電導コイル２に作用する電磁力を支えるための電磁力サポート部（図示せず）を簡略化することができる。なお、本発明の構成の場合には、電磁力サポート部は、断熱サポート部としての機能を果たす必要があるため、電磁力の低減は重要である。

また、図４の平面配置図に示すように、超電導コイル２が収納されている複数のクライオスタット６を円周状に均等に配置すれば、各超電導コイル２に働く電磁力は、ほぼ同じ大きさで、中心に向かう向心力もしくは、外側に向かう遠心力のどちらかになるため、電磁力サポート部の設計が容易になる。さらに、図４の超電導コイル２の配置は、超電導コイル２の数が偶数でかつ隣り合う磁気モーメント向きが逆になっているので、漏れ磁場が少ない構成になっている。

本第１の実施形態に係る超電導電力貯蔵装置１によれば、１又は複数の超電導コイル２が、円周状に複数配置されたクライオスタット６にそれぞれ収納され、各超電導コイル２が通電回路７を介して変換器８にそれぞれ接続する構成になっているため、個々のクライオスタット６の輸送制限が緩和され、より蓄積エネルギーが大きい超電導電力貯蔵装置１を提供することができる。

また、１又は複数の超電導コイルから構成される超電導コイル２の磁極を円周状に均等に配置し、かつ、超電導コイル２の数を偶数でかつ隣り合う磁気モーメント向きを逆にすることによって、漏れ磁場が少ない超電導電力貯蔵装置１を提供することができる。
なお、超電導コイル２の配置は、円周状に限らず、格子状に配置しても同様な効果が得られる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る超電導電力貯蔵装置１を図６乃至図８を用いて説明する。
図６は、本実施形態に係る超電導電力貯蔵装置１の超電導コイル２の平面配置図である。

本実施形態では、各クライオスタット６の周囲に磁気シールド９を配置している。磁気シールド９は、周囲への漏れ磁場を低減するとともに、隣り合う超電導コイル２が発生する磁場も低減されるので、超電導コイル２同士の電磁力が小さくなり、電磁力サポート部（図示せず）を簡易化することが可能となる。

また、図７に示すように複数のクライオスタット６全体を囲むように磁気シールド９を配置することで、隣り合う超電導コイル２による吸引力１０と磁気シールド９との吸引力１１をバランスさせることも可能である。

さらに、図８に示すように、各クライオスタット６の周囲に配置した磁気シールド９を、超電導コイル２の磁気中心から偏心させて配置することにより、各クライオスタットで断熱的にサポートしなければならない電磁力を低減するようにしてもよい。その際、磁気シールドの量も適宜調節することができる。

本第２の実施形態によれば、１又は複数のコイルからなる超電導コイル２をそれぞれクライオスタット６に収納し、通電回路７で接続する構成の超電導電力貯蔵装置１に、磁気シールド９を具備させることにより、周囲への漏れ磁場が小さい超電導電力貯蔵装置１を提供することができる。

また、隣接した超電導コイル２同士に働く電磁力と磁気シールド９に働く電磁力をバランスさせることによって、超電導コイル２の電磁力サポート部を簡易化することが可能となる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る超電導電力貯蔵装置１を図９を用いて説明する。
図９は、本実施形態に係る超電導電力貯蔵装置１の全体構成図であり、超電導コイル２を極低温に維持する方法として、液体ヘリウム１２による浸漬冷却の場合を示している。

図９において、１台もしくはクライオスタット６の数よりも少ない数の冷凍機１４により、各クライオスタット６からの蒸発ヘリウムガス１３を回収し、ヘリウムガス１３を再液化している。

本実施形態では、蒸発ヘリウムガスの再液化を集中的におこなっているので、クライオスタット６毎に分散した冷却能力の尤度を集中させられるため、システム全体をコンパクト化することができるとともに、冷却系の冗長性を高めた設計が可能となる。

本実施形態によれば、各クライオスタット６で蒸発したヘリウムガス１３を回収し、１台もしくはクライオスタット６の数よりも少ない数の冷凍機１４ａで再液化し、液体ヘリウム１２を各クライオスタット６に供給することにより、システム全体をコンパクト化することができるとともに、冷却系の冗長性が高い超電導電力貯蔵装置１を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る超電導電力貯蔵装置の構成図。 本発明の第１の実施形態に係る超電導電力貯蔵装置の回路図。 本発明の第１の実施形態に係る超電導電力貯蔵装置の回路図。 本発明の第１の実施形態に係る超電導電力貯蔵装置のコイル配置図。 本発明の第１の実施形態に係る超電導電力貯蔵装置のコイル配置図。 本発明の第２の実施形態に係る超電導電力貯蔵装置のコイル配置図。 本発明の第２の実施形態に係る超電導電力貯蔵装置のコイル配置図 本発明の第２の実施形態に係る超電導電力貯蔵装置のコイル配置図 本発明の第３の実施形態に係る超電導電力貯蔵装置の冷却系構成図。 従来の超電導電力貯蔵装置の構成図。

符号の説明

１…超電導電力貯蔵装置、２…超電導コイル、３…ヘリウム容器、４…輻射シールド、５…真空容器、６…クライオスタット、７…通電回路、８…変換器、９…磁気シールド、１０…コイル間の吸引力、１１…磁気シールドとの吸引力、１２…液体ヘリウム、１３…ヘリウムガス、１４，１４ａ…冷凍機。

Claims (8)

1. １又は複数のコイルからなる超電導コイルと、前記超電導コイルを収納するクライオスタットと、前記超電導コイルに通電回路を介して接続される変換器と、からなる超電導電力貯蔵装置において、前記クライオスタットを複数配置したことを特徴とする超電導電力貯蔵装置。
2. 前記１又は複数の超電導コイルから構成される磁極を、円周状又は格子状にほぼ等間隔に配置したことを特徴とする請求項１記載の超電導電力貯蔵装置。
3. 前記１又は複数の超電導コイルから構成される磁極の磁場の向きが、隣接する磁極同士で互いに逆向きとすることを特徴とする請求項１又は２記載の超電導電力貯蔵装置。
4. 前記１又は複数の超電導コイルから構成される磁極の数が、偶数かつ同じ向きの磁極の数が同数であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の超電導電力貯蔵装置。
5. 各クライオスタットの周囲に磁気シールドを配置したことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の超電導電力貯蔵装置。
6. 前記磁気シールドを超電導コイルの磁気中心から偏心させて配置したことを特徴とする請求項５記載の超電導電力貯蔵装置。
7. 複数のクライオスタットを１つの磁気シールドで包囲することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の超電導電力貯蔵装置。
8. 前記複数のクライオスタットからの蒸発冷媒ガスを、１台又は前記クライオスタットの数よりも少ない冷凍機で再液化することを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載の超電導電力貯蔵装置。

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