JP2011159595A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体を発電に必要な温度まで加熱するのに適した性能を有し、この熱媒体の熱を電気エネルギーに変換して発電する発電システムを提供する。
【解決手段】発電システムは、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、前記熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備える。そして、誘導加熱装置は、回転軸21を有する回転体11と、回転体11の外周に取り付けられ、回転体11の径方向に磁場を発生するコイル12と、少なくとも一部が導電材料で形成されると共に、回転体11の外側に間隔をあけて設けられ、コイル12による磁束が通過する加熱部13と、加熱部13に設けられ、熱媒体が流通する配管と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱を利用して、回転エネルギー（機械エネルギー）を熱エネルギーに変換し、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、この熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備える発電システムに関する。

水を加熱する装置として、誘導加熱（渦電流）を利用した加熱装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の渦電流加熱装置では、外周に永久磁石が配置された回転可能なロータと、このロータの外周に固定して設けられ、内部に水を流通させる流通路が形成された導電材料の加熱部とを備える。そして、ロータが回転することより、ロータ外周の永久磁石による磁力線が加熱部を貫通して移動することで、加熱部に渦電流が発生して、加熱部自体が発熱する。その結果、加熱部で発生した熱が内部の流通路を流通する水に伝達され、水が加熱される。

上記の技術は風力などのエネルギーを利用して給湯を行うことを主目的としたものであるが、近年、同じく風力、水力、波力などの再生可能エネルギーを利用した発電システムが注目されている。

例えば非特許文献１〜３には、風力発電に関する技術が記載されている。風力発電は、風で風車を回転させ、発電機を駆動して発電するものであり、風のエネルギーを回転エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出すものである。風力発電システムは、塔の上部にナセルを設置し、このナセルに水平軸風車（風の方向に対して回転軸がほぼ平行な風車）を取り付けた構造が一般的である。ナセルには、風車の回転軸の回転数を増速して出力する増速機と、増速機の出力によって駆動される発電機とが格納されている。増速機は、風車の回転数を発電機の回転数まで高める（例えば1：100）ものであり、ギアボックスが組み込まれている。

最近では、発電コストを下げるため、風車（風力発電システム）を大型化する傾向があり、風車の直径が120m以上、１基当たりの出力が5MWクラスの風力発電システムが実用化されている。このような大型の風力発電システムは、巨大かつ重量物であるため建設上の理由から、洋上に建設されるケースが多い。

また、風力発電では、風力の変動に伴い発電出力（発電量）が変動するため、風力発電システムに蓄電システムを併設し、不安定な電力を蓄電池に蓄えて、出力を平滑化することが行われている。

特開２００５‐１７４８０１号公報

"風力発電（01‐05‐01‐05）"、［online］、原子力百科辞典ATOMICA、[平成22年1月12日検索]、インターネット<URL：http://www.rist.or.jp/atomica/> "2000kW大型風力発電システム SUBARU80/2.0 PROTOTYPE"、［online］、富士重工業株式会社、[平成22年1月12日検索]、インターネット<URL：http://www.subaru-windturbine.jp/home/index.html> "風力講座"、［online］、三菱重工業株式会社、[平成22年1月12日検索]、インターネット<URL：http://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza.html>

しかし、上記した特許文献１に記載されるような従来の誘導加熱装置では、磁場（磁力線）を発生させる手段に永久磁石を用いているため、次のような不具合が起こり得る。

誘導加熱エネルギーは、磁場の強さ（Ｈ）の二乗に比例することが知られているが、永久磁石では一般的に発生できる磁場が弱いため、十分な誘導加熱エネルギーが得られず、所望の温度まで熱媒体（例えば、水などの液体）を加熱できない虞がある。

また、強力な磁場を得るためにネオジウム磁石を使用することが考えられるが（特に、特許文献１の段落００３７を参照）、ネオジウム磁石は熱に弱く、温度が上昇すると、磁気特性が低下する（これは、一般的なフェライト磁石も同じ）。そのため、加熱部の近い位置に永久磁石が配置されるような従来の誘導加熱装置では、永久磁石の温度が上昇し易く、結果的に所望の温度まで熱媒体を加熱できない虞がある。さらに、永久磁石は、時間の経過とともに磁気特性が劣化することから、長時間の使用に耐えられない虞がある。ところで、熱による磁気特性の劣化を防止するために永久磁石の周囲に断熱材を設けることも考えられるが、断熱材は通常非磁性体であるため、永久磁石と加熱部との間の磁気ギャップが所定以上に大きくなり、結果的に磁場の低下を招いてしまう欠点がある。

一方、一般に広く知られている風力発電システムでは、出力平滑化のため蓄電システムが設置されているが、蓄電システムには電力を蓄電池に蓄えるためにコンバータなどの部品が必要であるため、システムの複雑化、電力損失の増大を招く。また、大型の風力発電システムの場合では、発電量に応じた大容量の蓄電池が必要であり、システム全体としてのコスト増大を招く。

また、風力発電システムの故障原因の多くは、増速機、より具体的にはギアボックスのトラブルによるものである。ギアボックスが故障すると、通常はギアボックスを交換することで対処しているが、塔の上部にナセルが設置されている場合は、ギアボックスの取り付け・取り外しに多大な時間と労力を要する。そこで最近では、増速機を必要としないギアレスの可変速式風力発電機もある。

しかし、ギアレスの場合、具体的には発電機の極数を増やすこと（多極発電機）で対応するが、増速機を使用する場合と比較して、発電機が大型・重量化する。特に、5MWクラスの大型の風力発電システムでは、発電機の重量が300トン（300000kg）を超えるものと考えられ、ナセル内に配置することが困難である。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、熱媒体を発電に必要な温度まで加熱するのに適した性能を有し、この熱媒体の熱を電気エネルギーに変換して発電する発電システムを提供することにある。

本発明の発電システムは、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、前記熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備える。そして、誘導加熱装置は、回転軸を有する回転体と、回転体の外周に取り付けられ、回転体の径方向に磁場を発生するコイルと、少なくとも一部が導電材料で形成されると共に、回転体の外側に間隔をあけて設けられ、コイルによる磁束が通過する加熱部と、加熱部に設けられ、熱媒体が流通する配管と、を備えることを特徴とする。

本発明の発電システムは、誘導加熱装置を利用して加熱した熱媒体の熱を発電に利用するものであり、従来にない新規な発電システムである。例えば、誘導加熱装置の回転軸に風車を接続し、回転体の動力に風力を利用すれば、風のエネルギーを回転エネルギー→熱エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出すことができる。そして、本発明の発電システムによれば、熱を電気エネルギーに変換する構成としたことで、蓄熱器を用いて熱としてエネルギーを蓄えることにより、効率の良い安定した発電システムを実現できる。また、熱を蓄熱器に蓄え、発電に必要な熱を取り出すことができる蓄熱システムは、蓄電システムに比べて簡易であり、蓄熱器も蓄電池に比べれば安価である。さらに、従来の風力発電システムのように増速機を設ける必要がなく、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。

また、本発明の発電システムにおける誘導加熱装置は、磁場発生手段にコイル（電磁石）を用いているため、従来の永久磁石を用いた装置に比較して、強い磁場を発生させることができる。具体的には、コイルに通電する電流を大きくすることで、強い磁場を発生させることができ、通電電流を制御することで、磁場の強さを調整することも可能である。また、コイルであれば、永久磁石に比較して、温度上昇による磁気特性の低下や、経時的な磁気特性の劣化が起こり難い。さらに、加熱部を保温するために加熱部の周囲に断熱材を設けた場合、断熱材が回転体と加熱部との間に配置され、コイルとステータ部との間の距離が大きくなることがあっても、通電電流をより大きくすることで、十分な磁場強度を維持し易い。したがって、磁場発生手段にコイルを用いることで、熱媒体を発電に適した温度（例えば100℃〜600℃、好ましくは200℃〜350℃）まで加熱するのに十分な性能を得ることができる。なお、コイルには直流電流を流し、直流磁場を発生させることが挙げられる。

また、誘導加熱装置は、回転せず固定された加熱部に配管を設けることで、配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がなく、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。具体的には、熱媒体が加熱されることで配管内の圧力が上昇し、例えば熱媒体が水（蒸気）の場合では600℃で約25MPa（250気圧）に達する。加熱部（配管）が回転する場合は、その圧力に耐えられる特殊な回転継手が必要であるところ、回転しない場合は、回転継手の必要がなく、例えば給排管と配管とを溶接するといった単純な方法を採用することで、十分に堅牢な構造を実現できる。

この誘導加熱装置における熱媒体が加熱されるメカニズムについて説明する。回転体の外周に取り付けられたコイルが通電されることで、回転体の径方向に磁場が発生し、回転体の外側に設けられた加熱部を磁束が通過する。そして、回転体と共にコイルが回転することにより、加熱部を通過する磁束が変化し、加熱部に誘導電流が発生することで、加熱部が誘導加熱され、熱媒体が加熱される。

本発明において、誘導加熱装置の加熱部に使用する導電材料としては、例えば、アルミニウムや銅、鉄などの金属が挙げられる。また、熱媒体としては、例えば、水、油、液体金属（Na、Pbなど）、溶融塩などの液体並びに気体が挙げられる。

本発明の発電システムの一形態としては、さらに、加熱部の外周に配置され、磁性材料からなるステータ部を備え、ステータ部が、筒状であり、この筒状部分から求心状に突出する突起部を有し、加熱部は、ステータ部の内周面に取り付けられ、突起部が挿通される孔を有することが挙げられる。

この構成によれば、誘導加熱装置のステータ部における突起部の周囲を加熱部を形成する導電材料によって囲むことができる。そして、回転体の回転により、コイルとステータ部の突起部との間の距離が狭小→広大、或いは広大→狭小になり、突起部に流れる磁束が変化すると、突起部周囲の加熱部において、誘導起電力（逆起電力）が発生し、電流が流れることで、加熱される。したがって、この構成によれば、突起部周囲の加熱部における誘導起電力も利用して熱媒体を加熱することができ、また、突起部が存在することで、突起部がない場合と比較して、コイル‐ステータ部（突起部）間の距離が狭小になるときのコイルから突起部に流れる磁束量が増加する。その結果、ステータ部の突起部に流れる磁束の変化を大きくして、発生する誘導起電力を大きくすることができ、加熱効率を向上できる。

突起部の数は、複数であることが好ましく、４つ以上であることがより好ましい。また、突起部を複数設ける場合は、ステータ部の周方向に等間隔に設けることが好ましい。

ステータ部に使用する磁性材料としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、ケイ素鋼、パーマロイ、及びフェライトなどが挙げられる。

本発明の発電システムの一形態としては、コイルが、回転体の周方向に複数配置され、隣り合うコイルの極性が互いに異なることが挙げられる。

この構成によれば、誘導加熱装置の加熱部を通過する磁束の方向（加熱部に印加される磁場の方向）を周期的に逆転させることができる。その結果、加熱部を通過する磁束（磁場）の変化を大きくすることができ、加熱効率を向上できる。

コイルの数は、特に限定されないが、４つ以上であることが好ましい。また、コイルを複数配置する場合は、回転体の周方向に等間隔に設けることが挙げられる。

本発明の発電システムの一形態としては、コイルが超電導コイルであることが挙げられる。

誘導加熱装置のコイルとしては、銅線などの常電導コイルや超電導コイルが挙げられる。コイルに直流電流を流し、直流磁場を発生させる場合、超電導コイルであれば、電気抵抗がゼロであり、大電流を流してもコイルに発熱（損失）が実質的に生じない。そのため、常電導コイルに比較して、大電流を流すことによるコイルの発熱（損失）を抑制することができ、また、より強い磁場を発生させることができる。

本発明の発電システムの一形態としては、回転軸が風車に接続され、回転体を回転させる動力に風力を利用することが挙げられる。

本発明の発電システムにおいて、誘導加熱装置の回転体（回転軸）の動力には、風力、水力、波力などの再生可能エネルギーを利用することが好ましい。再生可能エネルギーを利用すれば、CO₂の増加を抑制でき、中でも風力を利用することが好適である。

本発明の発電システムは、誘導加熱装置の磁場発生手段にコイルを用いているため、強い磁場を発生させることができ、熱媒体を発電に必要な温度まで加熱することが可能である。そして、誘導加熱装置を利用して加熱した熱媒体の熱を発電部により電気エネルギーに変換して発電することができる。

実施の形態１に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、分解斜視図であり、（B）は、組み立て状態を示す斜視図である。 実施の形態１に係る誘導加熱装置を回転軸側から見た概略正面図である。 図２のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。 実施の形態２に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、分解斜視図であり、（B）は、回転体の軸方向と直交方向に切断した正面断面図である。 実施の形態２に係る誘導加熱装置の部分拡大概略図であり、（A）は、回転体が回転中の一状態を示し、（B）は、回転体が回転中の別の状態を示す。 実施の形態２に係る誘導加熱装置におけるステータ部の変形例を示す概略斜視図である。 誘導加熱装置における配管の配置例を示す概略図であり、（A）は、１つの配管で構成する場合の展開平面図であり、（B）は、２つの配管で構成する場合の展開平面図であり、（C）は、４つの配管で構成する場合の展開平面図である。（D）は、同図（A）の配置例の場合に、配管の部分同士を電気的に接続する接続導体の取り付け例を示す展開平面図である。 誘導加熱装置における配管の別の配置例を示す概略側面図である。 本発明に係る発電システムの全体構成の一例を示す概略図である。

本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

本発明の発電システムは、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、前記熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備える。ここでは、まず、誘導加熱装置について説明し、次いで、発電システム全体について説明する。

＜誘導加熱装置＞
（実施の形態１）
図１、２に示す実施の形態１に係る誘導加熱装置101は、回転体11と、コイル12と、加熱部13と、配管14と、ステータ部15とを備える。以下、誘導加熱装置101の構成を詳しく説明する。

回転体11は、回転可能に支持された回転軸21を有し、軸方向から見た外形形状が、径方向に突出する複数の凸部111を有する歯車形状に形成されている。この例では、８つの凸部111を有し、各凸部111が周方向に等間隔に設けられている。また、回転体11の外周には、後述するコイル12が配置されている。なお、ここでは、回転体11が反時計方向に回転するものとする（図２中の矢印は回転方向を示す。図４（B）、図５も同じ）。

回転体11を形成する材料としては、磁性材料、非磁性材料を問わず、機械的強度を有し、コイル12を支持可能な材料であればよく、構造強度と長期耐候性に優れる材料が好ましい。例えば、構造用材料に使用される鉄、鋼、ステンレス、アルミニウム合金、マグネシウム合金、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）やＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などの複合材料が挙げられる。

この例では、回転体11（凸部111を含む）が非磁性材料で形成されている。コイル12に常電導コイルを用いる場合は、回転体11を磁性材料で形成することが好ましい。一方、超電導コイルを用いる場合は、回転体11の磁束飽和のために発生磁場が限定されてしまう虞があることから、回転体11を非磁性材料で形成することが好ましい場合もある。

コイル12は、回転体11の各凸部111に巻回され取り付けられており、回転体11の径方向に磁場を発生する。また、各コイル12には、図示しない直流電源が接続される。この例では、各コイル12に通電する直流電流の向きを制御して、発生させる磁場（磁束）の方向を決定しており、隣り合うコイル12の極性が互いに異なるようにしている（図２参照）。また、各コイル12は、超電導コイルであり、周囲を図示しない冷却用ジャケットで覆われ、冷却することによって超電導状態に保持されている。

加熱部13は、回転体11の外側に回転体11と間隔をあけて設けられ、回転体11の周囲を覆うように円筒状に形成されている。この加熱部13には、コイル12による磁束が通過する。また、加熱部13は、導電材料からなり、例えば、アルミニウムや銅、鉄などの金属で形成されている。

加熱部13には、熱媒体が流通する配管14が設けられている（図２参照）。この例では、加熱部13の内部に軸方向に沿って延びる複数の流通路を形成し、これらを熱媒体が流通する配管14に利用している。そして、加熱部13と配管14とは熱的に接続されている。例えばこの例では、配管14の一端側から熱媒体を供給し、他端側から排出する構成としたり、配管14の一端側において、配管14と別の配管14とを接続する接続管を取り付け、配管14の他端側から熱媒体を供給し、接続管を介して、別の配管14の他端側から排出する構成としたりすることが挙げられる。即ち、前者の場合は片道の流路、後者の場合は往復の流路となり、後者の場合、前者の場合と比較して、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。

また、加熱部13の周囲には、断熱材（図示せず）を配置してもよい。例えばこの例では、加熱部13の内外周面、及び加熱部13の端面のうち配管14の配置箇所を除く箇所に断熱材を設けることが挙げられる。断熱材には、例えば、ロックウール、グラスウール、発砲プラスチック、レンガ、セラミックスなどを用いることができる。

ステータ部15は、加熱部13の外周に配置された筒状の部材であり、内周面に加熱部13が取り付けられている。そして、加熱部13及びステータ部15は、回転しないように固定されている。

この例では、ステータ部15が円筒状であり、磁性材料で形成されている。ステータ部15を磁性材料で形成する場合は、例えば、ケイ素鋼板を積層した積層鋼板や、鉄粉等の磁性粉末の表面に絶縁被覆を施し、この粉末を加圧成形した圧粉磁心を用いてもよい。

次に、誘導加熱装置101における熱媒体が加熱されるメカニズムについて詳しく説明する。

誘導加熱装置101では、コイル12が通電されることで、回転体11の径方向に磁場が発生し、加熱部13を磁束が通過する。ここで、コイル12に対向し、コイル12との距離が小さい加熱部13の一部分（例えば図２のa点、c点）では、多くの磁束が通過し、磁場が強くなる。一方、隣り合うコイル12の間に対向し、コイル12との距離が大きい加熱部13の別部分（例えば図２のb点）では、通過する磁束が減少し、磁場が弱くなる。そして、回転体11と共にコイル12が回転することにより、加熱部13の全周にわたって通過する磁束が変化し、この部分での磁場の強さが周期的に変化する。その結果、加熱部13に誘導電流が発生することで、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。

また、誘導加熱装置101では、隣り合うコイル12の極性が互いに異なることから、N極のコイル12に対向する部分とS極のコイルに対向する部分とでは、磁束（磁場）の方向が異なる。N極のコイル12に対向する部分（例えば図２のa点）では、磁束（磁場）の方向が、加熱部13の内周側から外周側方向（径方向の＋方向）となる。一方、S極のコイル12に対向する部分（例えば図２のc点）では、磁束（磁場）の方向が、加熱部13の外周側から内周側方向（径方向の−方向）となる。

図３は、図２のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。磁場は、N極のコイルと対向し、N極のコイル‐加熱部間の距離が最も狭小になるとき、強さが＋方向に最大となる。一方、S極のコイルと対向し、S極コイル‐ステータ部間の距離が最も狭小になるとき、強さが−方向に最大となる。つまり、回転体と共にコイルが回転することにより、磁場の方向と強さが周期的に逆転しながら変化する。

ここで、誘導加熱装置101において、各コイル12の極性が全て同じ（例えばN極）場合であっても、上述したように、コイル12に対向する加熱部13の一部分では、磁場が強くなり、隣り合うコイル12の間に対向する加熱部13の別部分では、磁場が弱くなる。そのため、回転体11と共にコイル12が回転することにより、磁場の強さが周期的に変化することから、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。ただし、この場合は磁場の方向が逆転しない。したがって、隣り合うコイル12の極性が互いに異なる方が、磁場の方向が逆転することから、加熱部13に印加される磁場の振幅（変化）を大きくすることができる。その結果、加熱部13により大きな誘導電流を発生させることができ、加熱効率を向上できる。

また、コイル12の数は、適宜設定することができる。ここで、コイル12の数をある程度増やすことで、磁場の周期を短くすることができる。誘導加熱エネルギー（誘導電流）は、磁場の周波数に比例関係にあることから、磁場の周期を短くすることで、加熱効率を向上できる。

さらに、コイル12には、例えばスリップリングを介して外部の電源と接続し、電流を供給すればよい。

（実施の形態２）
図４、５に示す実施の形態２に係る誘導加熱装置102は、ステータ部および加熱部の形状が図１、２に示す実施の形態１の誘導加熱装置101と相違し、以下ではその相違点を中心に説明する。

実施の形態２の誘導加熱装置102では、ステータ部15が、円筒状部分から求心状に突出する複数の突起部151を有し、かつ、加熱部13には、各突起部151が挿通される孔131を有する。この例では、ステータ部15が８つの突起部151を有し、各突起部151が周方向に等間隔に設けられている。つまり、コイル12の数と突起部151の数が等しい。また、突起部151は、ステータ部15の軸方向に対して平行で、突出方向と直交方向に切断にした断面が略矩形状の四角柱状である。

誘導加熱装置102における熱媒体が加熱されるメカニズムについて説明すると、回転体11と共にコイル12が回転することにより、加熱部13を通過する磁束が周期的に変化し、加熱部13に誘導電流が発生することで、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される点は、実施の形態１の誘導加熱装置101と同様である。さらに、誘導加熱装置102においては、回転体11の回転により、コイル12とステータ部15の突起部151との間の距離が狭小→広大、或いは広大→狭小になり、突起部151に流れる磁束が変化する（図５（A）、（B）参照）。それにより、突起部周囲の加熱部において、誘導起電力（逆起電力）が発生し、電流が流れることで、加熱部13が加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。

このように、誘導加熱装置102では、誘導起電力が発生した際に、突起部151の周囲に存在する加熱部13の導電材料により、突起部151の周囲に連続する電流経路が形成されることから、実施の形態１の誘導加熱装置101と異なり、誘導起電力も利用して熱媒体を加熱する。

また、ステータ部15（突起部151を含む）が磁性材料で形成されていることから、ステータ部15に磁束が流れる。そして、各コイル12と各突起部151とが対向するとき、N極のコイル12から発生した磁束は、このコイルに対向する突起部151に流れ、ステータ部15の筒状部分を通って、S極のコイル12に対向する突起部151に流れる（図４（B）中の点線矢印は磁束の流れのイメージを示す）。つまり、回転体11とステータ部15とで、略閉磁路が形成されることから、各突起部151に流れる磁束が大きくなる。

この実施の形態２の誘導加熱装置102では、ステータ部15における突起部151の形状が、突出方向と直交方向に切断にした断面が略矩形状の四角柱状である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、ステータ部15の突起部151をステータ部15の軸方向に対して傾斜させたスキュー構造とすることができる。スキュー構造を採用することで、コギングトルクを低減して、回転体11の回転を滑らかにすることができる。また、回転体11の凸部111をスキュー構造としてもよい。

上記した実施の形態１、２の誘導加熱装置101、102では、加熱部13の内部に流通路を形成し、加熱部13と配管14とを一体に形成した場合を例に説明したが、加熱部13と配管14とを別体で形成してもよい。その場合、配管も導電材料で形成することが好ましい。配管を導電材料で形成することで、配管を加熱部として兼用することができる。また、加熱部と配管とを別体とし、配管を加熱部の表面に設けてもよい。ここで、配管を導電材料で形成し、配管を加熱部として兼用する場合は、例えば、配管のみを配置する他、円筒状の支持台の表面に配管を取り付けるようにしてもよい。このとき、円筒状の支持台を導電材料以外の材料で形成してもよい。

図７は、配管を導電材料で形成し、かつ、配管のみ配置する場合の配管の配置例を示す展開平面図である。ここでは、円筒状のステータ部15の内周面に配管14を這わして取り付けた場合を例に説明し、図７は、配管14をステータ部15の内周面側から見た展開平面図である。また、図７中の黒塗り矢印は、熱媒体の供給、並びに排出方向を示す。

図７（A）は、１つの配管14で構成した場合であり、ステータ部15の内周面全体に周方向に蛇行するように配管14を折り曲げ形成して配設している。配管14を蛇行させることで、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。この場合、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向に略360°ずれる、即ち供給側端部と排出側端部とは周方向の略同じ位置に位置することになる。そのため、排出側端部から排出される加熱された熱媒体が、供給側端部から供給される熱媒体によって冷やされ、加熱効率が低下することが懸念される。そこで、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向にある程度ずらすことが好ましく、例えば10°以上ずらすことが好ましい。

図７（B）は、２つの配管14で構成した場合であり、図７（A）と同様に、ステータ部15の内周面全体に配管14が蛇行状態で配設されている。この場合、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向に略180°ずれることになる。また、この例では、隣り合う配管14の供給側端部同士、並びに排出側端部同士がそれぞれ周方向の略同じ位置に位置している。そのため、配管14の排出側端部から排出される加熱された熱媒体が、別の配管14の供給側端部から供給される熱媒体によって冷やされることもない。

図７（C）は、４つの配管14で構成した場合であり、図７（B）と同様に、ステータ部15の内周面全体に配管14が蛇行状態で配設され、また、隣り合う配管14の供給側端部同士、並びに排出側端部同士がそれぞれ周方向の略同じ位置に位置している。この場合、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向に略90°ずれることになる。

このように、配管を蛇行状態で配置する場合は、複数の配管を用いて構成してもよい。また、図７（A）〜（C）に示した例では、配管14の供給側端部と排出側端部とをステータ部15の軸方向の一方側に設けているが、供給側端部を一方側又は他方側に、排出側端部を他方側又は一方側に設けることも可能である。

さらに、上記した実施の形態２の誘導加熱装置102のように、ステータ部15が突起部151を有する場合は、突起部を挟むように蛇行させた配管のうち、折り曲げ部とは突起部を挟んで反対側の配管部分同士が離隔する側に配管の部分同士を電気的に接続する接続導体141を別途取り付けて（図７（D）参照）、導電材料からなる配管14と接続導体141とで突起部151の周囲を囲むようにしてもよい。これにより、突起部151に流れる磁束が変化することに起因して発生する誘導起電力に伴う電流が、配管14と接続導体141とで形成されるループ状の電流経路を流れることになり、配管14を伝って電流が外部に漏れるのを防ぐことができる。

また、ステータ部が突起部を有する場合は、図８に例示するように、突起部151の外周に導電材料からなる配管14を巻回して取り付けてもよい。この構成によっても、突起部151に流れる磁束が変化することで、配管14に誘導起電力が発生し、配管14に電流が流れることで、配管14が加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。さらに、配管14を伝って電流が外部に漏れるのを防ぐため、配管14の巻き始めと巻き終わりの端部同士を接続導体で電気的に接続してもよい。

以上説明した本発明の実施の形態に係る誘導加熱装置は、磁場発生手段にコイルを用いているため、従来の永久磁石を用いた装置に比較して、強い磁場を発生させることができる。特に、超電導コイルを採用したことで、大電流を流すことによるコイルの発熱を抑制することができ、また、より強い磁場を発生させることができる。また、加熱部（配管）が回転しない構造としたことで、例えば配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がなく、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。

＜発電システム＞
次に、図９を用いて、本発明に係る発電システムの全体構成の一例を説明する。図９に示す発電システムPは、誘導加熱装置10と、風車20と、蓄熱器50と、発電部60とを備える。塔91の上部に設置されたナセル92に風車20が取り付けられ、ナセル92内に誘導加熱装置10が格納されている。また、塔91の下部（土台）に建てられた建屋93に蓄熱器50及び発電部60が設置されている。以下、発電システムPの構成を詳しく説明する。

誘導加熱装置10は、本発明の誘導加熱装置であり、例えば、上記した実施の形態１、２に係る誘導加熱装置101、102を利用することができる。また、回転軸21の他端側が後述する風車20に直結され、回転体を回転させる動力に風力を利用している。なお、ここでは、熱媒体が水である場合を例に説明する。

風車20は、水平方向に延びる回転軸21を中心に、３枚の翼201を回転軸21に放射状に取り付けた構造である。出力が5MWを超える風力発電システムの場合、直径が120m以上、回転数が10〜20rpm程度である。

誘導加熱装置10の配管には、誘導加熱装置10に水を供給する給水管73と、誘導加熱装置10により加熱した水を蓄熱器50に送る輸送管51が接続されている。そして、誘導加熱装置10は、コイルの直流通電により、回転体の径方向に磁場が発生し、回転体の回転により、回転体の外側に配置された加熱部を通過する磁束が変化することで、加熱部を誘導加熱し、配管内の水を加熱する。誘導加熱装置10は、磁場発生手段にコイルを用いているため、強い磁場を発生させることができ、熱媒体である水を例えば100℃〜600℃といった高温に加熱することが可能である。また、誘導加熱装置10は、加熱部（配管）が回転しない構造であるので、配管と輸送管51及び給水管73との接続に回転継手を用いる必要がなく、例えば溶接などを用いて、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。

この発電システムPは、誘導加熱装置10により水を発電に適した温度（例えば200℃〜350℃）まで加熱し、高温高圧水を発生させる。高温高圧水は、誘導加熱装置10と蓄熱器50とを連結する輸送管51を通って蓄熱器50に送られる。蓄熱器50は、輸送管51を通って送られてきた高温高圧水の熱を蓄え、また、熱交換器を用いて発電に必要な蒸気を発電部60に供給する。なお、誘導加熱装置10により蒸気を発生させてもよい。

蓄熱器50としては、例えば、蒸気アキュムレーターや、溶融塩や油などを用いた顕熱型、或いは、融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型の蓄熱器を利用することができる。潜熱型の蓄熱方式は蓄熱材の相変化温度で蓄熱を行うため、一般に、顕熱型の蓄熱方式に比べて蓄熱温度域が狭帯域であり、蓄熱密度が高い。

発電部60は、蒸気タービン61と発電機62とを組み合わせた構造であり、蓄熱器50から供給された蒸気によって蒸気タービン61が回転し、発電機62を駆動して発電する。

蓄熱器50に送られた高温高圧水又は蒸気は、復水器71で冷却され水に戻される。その後、ポンプ72に送られ、高圧水にして給水管73を通って誘導加熱装置10に送られることで循環する。

この発電システムPによれば、再生可能エネルギー（例、風力）を動力として回転エネルギーを得て熱を発生させ、その熱を蓄熱器に蓄熱して発電することで、高価な蓄電池を用いなくても、需要に応じた安定的な発電を実現できる。また、従来の風力発電システムのように増速機を設ける必要がなく、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。さらに、熱媒体の熱を輸送管により例えば塔の下部（土台）に設置された発電部に供給することで、ナセルに発電部を格納する必要がなく、塔の上部に設置されるナセルを小型・軽量化することができる。

上記した発電システムでは、熱媒体に水を用いた場合を例に説明したが、水よりも熱伝導率の高い液体金属を熱媒体に用いてもよい。このような液体金属としては、例えば液体金属ナトリウムが挙げられる。液体金属を熱媒体に用いる場合は、例えば、加熱部から熱を受け取る一次熱媒体に液体金属を用い、輸送管を通って送られてきた液体金属の熱で熱交換器を介して二次熱媒体（水）を加熱し、蒸気を発生させることが考えられる。

また、常圧で100℃以上の沸点を有する例えば油、液体金属、溶融塩などを熱媒体に用いた場合は、水に比較して、100℃以上に加熱したときに、配管内の熱媒体の気化による内圧上昇を抑制し易い。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、回転体やステータ部の形状を適宜変更したり、回転体及びステータ部を形成する材料を適宜変更したりすることも可能である。

本発明の発電システムは、再生可能エネルギーを利用した発電の分野に好適に利用可能である。

10、101〜102 誘導加熱装置 P 発電システム
11 回転体 111 凸部
12 コイル
13 加熱部 131 孔
14 配管 141 接続導体
15 ステータ部 151 突起部
21 回転軸
20 風車 201 翼
50 蓄熱器 51 輸送管
60 発電部 61 蒸気タービン 62 発電機
71 復水器 72 ポンプ 73 給水管
91 塔 92 ナセル 93 建屋

Claims (5)

1. 熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、前記熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備え、
   前記誘導加熱装置は、
   回転軸を有する回転体と、
   前記回転体の外周に取り付けられ、前記回転体の径方向に磁場を発生するコイルと、
   少なくとも一部が導電材料で形成されると共に、前記回転体の外側に間隔をあけて設けられ、前記コイルによる磁束が通過する加熱部と、
   前記加熱部に設けられ、前記熱媒体が流通する配管と、を備えることを特徴とする発電システム。
2. さらに、前記加熱部の外周に配置され、磁性材料からなるステータ部を備え、
   前記ステータ部が、筒状であり、この筒状部分から求心状に突出する突起部を有し、
   前記加熱部は、前記ステータ部の内周面に取り付けられ、前記突起部が挿通される孔を有することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記コイルが、前記回転体の周方向に複数配置され、
   隣り合うコイルの極性が互いに異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
4. 前記コイルが、超電導コイルであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電システム。
5. 前記回転軸が、風車に接続され、
   前記回転体を回転させる動力に風力を利用することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電システム。

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