JP2012112298A - Heat generating machine and wind-force thermal power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は発熱機および風力熱発電システムに関し、より特定的には、渦電流による発熱を利用した発熱機および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムに関するものである。 The present invention relates to a heat generator and a wind power generation system, and more particularly to a heat generator using heat generated by eddy current and a wind power generation system including the heat generator as a component.
自然エネルギを利用した発電装置としては、たとえば特許文献1に示されたような風力発電機が知られている。当該特許文献1では、風により風車を回転させ、当該風車の回転エネルギを発電機により電気エネルギに変換している。 As a power generator using natural energy, for example, a wind power generator as disclosed in Patent Document 1 is known. In the said patent document 1, a windmill is rotated with a wind and the rotational energy of the said windmill is converted into electrical energy with the generator.
特許文献1に開示された風力発電機では、風が止めば風車が停止し、すぐに発電も停止するため、風などの環境条件が変化する場合であっても安定して発電を行うことができるように改善が望まれる。このような安定した発電を行うため、たとえば風車の回転エネルギを一旦熱などの別のエネルギに変換して蓄積し、蓄積した当該別のエネルギを用いて発電を定常的に行うことが考えられるが、従来の風力発電機ではこのような中間的なエネルギ(熱エネルギ)に回転エネルギを一旦変換するといったことは行われていなかった。また、経済性の観点から、そのようなエネルギ変換の機構は極力単純な構成であることが望まれる。 In the wind power generator disclosed in Patent Document 1, the wind turbine stops when the wind stops, and power generation also stops immediately. Therefore, even when environmental conditions such as wind change, power generation can be performed stably. Improvement is desired so that it can be done. In order to perform such stable power generation, for example, it is conceivable that the rotational energy of the windmill is temporarily converted into another energy such as heat and stored, and the generated power is constantly used for the power generation. In conventional wind power generators, it has not been possible to temporarily convert rotational energy into such intermediate energy (heat energy). Further, from the viewpoint of economy, it is desirable that such an energy conversion mechanism has a simple structure as much as possible.
本発明は、以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、風力発電における運動エネルギ(回転エネルギ)を熱エネルギに、単純かつ安価な構成により変換することが可能な発熱機、および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムを提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a heat generator capable of converting kinetic energy (rotational energy) in wind power generation into heat energy with a simple and inexpensive configuration, and It is to provide a wind power generation system including a heat generator as a component.
発明者は、風力発電システムについて鋭意研究を進めることにより、本発明を完成するに至った。すなわち、風力発電機における風車の回転エネルギを一旦熱エネルギーに変換し、当該熱エネルギを蓄積して発電に用いれば、風の状態に大きく左右されることなく発電を安定して実施できると考えた。 The inventor has completed the present invention by diligently researching the wind power generation system. In other words, if the rotational energy of the wind turbine in the wind power generator is once converted into thermal energy, and the thermal energy is stored and used for power generation, it is thought that power generation can be stably performed without being greatly influenced by the wind condition. .
一方、回転エネルギを熱エネルギに変換する機構としては、たとえばシャーシダイナモや、ダイナモメータなどが知られている。しかし、これらの構成を風力発電に用いることは、互いの技術分野がまったく異なることから、従来検討されていなかった。発明者は、上述のような風力発電機に関する課題に関して検討を進めるなかで、風力発電の分野では従来着目されていなかった回転エネルギから熱エネルギへの変換機構(渦電流を利用した発熱)を風力発電機に適用するという着想を得た。このような着想に基づき、本発明に従った発熱機は、強磁性体からなる回転子と、回転子の回転方向に交差する方向に磁場を形成する磁場形成部と、回転子の少なくとも一部が浸漬される液体を保持する容器と、液体内を通過し、内部を熱交換用の流体が通る配管とを備えている。 On the other hand, as a mechanism for converting rotational energy into heat energy, for example, a chassis dynamo and a dynamometer are known. However, the use of these configurations for wind power generation has not been studied in the past because their technical fields are completely different. As the inventors proceeded with studies on the problems related to the wind power generator as described above, the mechanism for converting rotation energy to heat energy (heat generation using eddy current), which has not been focused in the field of wind power generation, has been I got the idea of applying it to a generator. Based on such an idea, the heat generator according to the present invention includes a rotor made of a ferromagnetic material, a magnetic field forming unit that forms a magnetic field in a direction crossing the rotation direction of the rotor, and at least a part of the rotor. And a pipe that passes through the liquid and through which the fluid for heat exchange passes.
本発明の発熱機においては、磁場形成部が形成する磁場の影響を受ける領域においてのみ回転子が加熱される。回転子が加熱される領域は液体に浸漬されているため、回転子の熱は即座に液体に伝達される。当該液体に伝達された回転子の熱は、配管の内部を通る熱交換用の流体に伝達される。当該熱交換用の流体の熱は、外部へ熱エネルギとして輸送される。以上のような簡素な構成を有する本発明の発熱機は、回転子を容易に冷却しながら、高効率に回転子の熱を外部へ輸送することができる。 In the heat generator of the present invention, the rotor is heated only in a region affected by the magnetic field formed by the magnetic field forming unit. Since the area where the rotor is heated is immersed in the liquid, the rotor heat is immediately transferred to the liquid. The rotor heat transferred to the liquid is transferred to a heat exchange fluid passing through the inside of the pipe. The heat of the heat exchange fluid is transported to the outside as heat energy. The heat generator of the present invention having the simple structure as described above can transport the heat of the rotor to the outside with high efficiency while easily cooling the rotor.
上記発熱機においては、液体の沸点は200℃以上であることが好ましい。回転体が浸漬される液体の沸点を高くすることにより、当該液体がこれを保持する容器内にて蒸発することを抑制することができる。回転体が液体に接することにより液体に熱が伝達し、回転体が冷却されることにより、回転体から液体への熱伝達の効率が上がる。 In the above heat generator, the boiling point of the liquid is preferably 200 ° C. or higher. By increasing the boiling point of the liquid in which the rotating body is immersed, it is possible to suppress the liquid from evaporating in the container that holds the liquid. When the rotating body comes into contact with the liquid, heat is transferred to the liquid, and when the rotating body is cooled, the efficiency of heat transfer from the rotating body to the liquid increases.
上記発熱機においては、磁場形成部は、内部を電流が流れることにより磁場を形成するコイルを含んでいることが好ましい。当該コイルに流れる電流がつくる磁場により、周囲の回転子の内部には、誘導電流としての渦電流が流れる。磁場形成部と回転子との配置により、簡素な構成にて、回転子を誘導加熱することができる。 In the above heat generator, the magnetic field forming unit preferably includes a coil that forms a magnetic field when an electric current flows inside. Due to the magnetic field generated by the current flowing through the coil, an eddy current as an induced current flows inside the surrounding rotor. By arranging the magnetic field forming unit and the rotor, the rotor can be induction-heated with a simple configuration.
上記発熱機においては、コイルは超電導材料からなっていることが好ましい。コイルとして超電導材料を用いれば、コイルにより高い電流を流すことができる。その結果、当該コイルはより大きい磁場を形成するため、回転子はより高効率に発熱する。 In the above heat generator, the coil is preferably made of a superconducting material. If a superconducting material is used as the coil, a high current can be passed through the coil. As a result, since the coil forms a larger magnetic field, the rotor generates heat more efficiently.
本発明に従った風力熱発電システムは、風車と、風車に接続され、風車の回転により発熱する発熱機と、発熱機に接続され、発熱機において発生した熱を蓄える蓄熱部と、蓄熱部に接続され、蓄熱部において蓄えられた熱を電気に変換する発電部とを備えている。そして、発熱機は上記本発明の発熱機であり、回転子は、上記風車の回転により回転する。 A wind thermal power generation system according to the present invention includes a windmill, a heat generator that is connected to the windmill and generates heat by rotation of the windmill, a heat storage section that is connected to the heat generator and stores heat generated in the heat generator, and a heat storage section. And a power generation unit that converts heat stored in the heat storage unit into electricity. The heat generator is the heat generator of the present invention, and the rotor is rotated by the rotation of the windmill.
本発明の風力熱発電システムにおいては、発熱機として安価で単純な構造を有する上記本発明の発熱機が採用される。そのため、風力熱発電システム全体を安価で単純な構造とすることができる。また、風車の回転エネルギを熱エネルギとして蓄熱部に蓄え、当該蓄熱部に蓄えられた熱を発電部により電気に変換するので、風車の回転状況の直接的に左右されず発電を安定して行うことができる。 In the wind thermal power generation system of the present invention, the heat generator of the present invention having an inexpensive and simple structure is employed as the heat generator. Therefore, the whole wind thermal power generation system can be made inexpensive and simple. In addition, the rotational energy of the windmill is stored in the heat storage unit as heat energy, and the heat stored in the heat storage unit is converted into electricity by the power generation unit, so that power generation is stably performed without being directly influenced by the rotation state of the windmill. be able to.
以上の説明から明らかなように、本発明の発熱機および風力熱発電システムによれば、安価で単純な構造を有する発熱機、および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムを提供することができる。 As is apparent from the above description, according to the heat generator and the wind power generation system of the present invention, it is possible to provide a heat generator having an inexpensive and simple structure and a wind power generation system including the heat generator as a component. Can do.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
図1を参照して、本実施の形態における風力熱発電システム1は、風車10と、風車10に接続され、風車10の回転により発熱する発熱機30と、発熱機30に接続され、発熱機30において発生した熱を蓄える蓄熱部40と、蓄熱部40に接続され、蓄熱部40において蓄えられた熱を電気に変換する発電部50とを備えている。風車10は、主軸11と、主軸11から径方向に突出し、風を受けることにより主軸11を周方向に回転させるブレード12とを含んでいる。発熱機30は、風車10の主軸11に接続され、主軸11の回転により発熱する。また、発熱機30は、風車10の後方に隣接して配置されたナセル20の中に収納されている。そして、風車10およびナセル20は、回転支持部21を介してタワー81上に配置されている。
Referring to FIG. 1, wind power generation system 1 in the present embodiment is connected to
蓄熱部40は、配管91,96,97を介して発熱機30と接続されており、発熱機30において加熱された熱媒体としての流体を保持する。熱媒体としての流体としては、種々の流体を採用可能であるが、本実施の形態としてはその一例として水を採用する。発電部50は、蒸気タービン51と、蒸気タービン51の回転により発電する発電機52とを含んでいる。蒸気タービン51は、配管92により蓄熱部40に接続され、配管92を介して供給される水蒸気により回転する。当該回転は発電機52に伝達され、発電に利用される。
The
風力熱発電システム1は、さらに復水器60とポンプ71,72とを備えている。復水器60は、配管93により蒸気タービン51に接続されている。復水器60には、蒸気タービン51を通過した水蒸気が配管93を介して供給され、当該水蒸気は復水器60の中で液体の水に戻される。復水器60には、配管61および配管62が接続されている。そして、復水器60には上記水蒸気を冷却して水に戻すための冷却水が配管61を通して供給され、配管62を通して排出される。ポンプ71は、配管94により復水器60に接続されるとともに、配管95により蓄熱部40に接続されている。また、ポンプ72は配管96により蓄熱部40に接続されるとともに、配管97によりタワー81上のナセル20に収納された発熱機30に接続されている。蓄熱部40、発電部50および復水器60は、発電室82内に配置されている。
The wind thermal power generation system 1 further includes a
次に、風力熱発電システム1の動作について説明する。図1を参照して、ブレード12が風を受けると風車10が回転することにより、主軸11が軸周りに回転する。この主軸11の回転は、ナセル20内の発熱機30において熱に変換される。なお、発熱機30の具体的な構成については後述する。発熱機30において発生した熱は、熱媒体である水の加熱に用いられる。そして、加熱された水は水蒸気(あるいは加圧された熱水、または水蒸気と熱水との混合体)となり、配管91を通って蓄熱部40に到達する。そして、当該水蒸気および/または熱水は、高温、高圧の状態で蓄熱部40に蓄えられる。
Next, the operation of the wind thermal power generation system 1 will be described. Referring to FIG. 1, when the
蓄熱部40に蓄えられた水蒸気または熱水から発生した水蒸気は、配管92を介して蒸気タービン51に供給され蒸気タービン51が回転する。そして、蒸気タービン51の回転が発電機52において電気に変換され、発電が達成される。
The steam generated from the steam or hot water stored in the
蒸気タービン51の回転に用いられた水蒸気は配管93を通って復水器60に到達する。復水器60では、当該水蒸気が冷却されて液体の水に戻される。この水は配管94を通ってポンプ71に送られる。そして、ポンプ71は配管95を通して水を蓄熱部40に戻す。一方、蓄熱部40内の水は、配管96を通してポンプ72に送られる。そして、ポンプ72は配管97を通して水を発熱機30に供給する。つまり、発熱機30から蓄熱部40に入り、蓄熱部40から発熱機30に戻る水の循環と、蓄熱部40から蒸気タービン51、復水器60を通って蓄熱部40に戻る水の循環とが形成される。このようにして、熱媒体である水は風力熱発電システム1内を循環する。
The steam used to rotate the
上記風力熱発電システム1においては、風車10の回転エネルギーを熱エネルギーに変換して蓄積し、必要に応じて熱エネルギーを用いて発電することができる。そのため、風車10の回転エネルギーを電気エネルギーに直接変換する風力発電システムにおいて必要な、コストの高い蓄電装置を省略することが可能となる。また、風の状況に大きく左右されることなく、比較的安定した発電を行うことができる。
In the wind thermal power generation system 1, the rotational energy of the
次に、ナセル20内に収納される本実施の形態における発熱機30について、図2〜図3を参照して説明する。本実施の形態における発熱機30は、強磁性体からなる回転子31と、回転子31の回転方向に交差する方向に磁場を形成する磁場形成部34と、回転子31の少なくとも一部が浸漬される液体37を保持する容器36と、液体37内を通過し、内部を発熱機30において加熱された熱媒体としての流体が通る配管38とを備えている。
Next, the
容器36の内部に格納された回転子31はたとえば円板形状を有しており、その中心には軸35が固定されている。回転子31は軸35を中心として円板形状の円周方向に沿って回転可能である。軸35は回転子31の回転方向に交差する方向に延在しており、回転子31の中心を、回転子31の回転方向に交差する方向に貫通する。また鉄芯33はたとえば図3の上下方向に延びる成分と、図3の左右方向に延びる成分とが一体となった構成(環状の部材の円周の一部を切り欠いたような構成)を有しており、容器36および回転子31の一部が鉄芯33の一部に挟まれるように配置されることが好ましい。
The
磁場形成部34は、内部を電流が流れることにより磁場αを形成するコイル32と、コイル32が巻回された鉄芯33とを含んでいる。コイル32は超電導材料からなっていることが好ましい。また配管38は配管91(図1参照)に接続されており、配管38には上記流体の蒸気、たとえば水蒸気、あるいは加圧された熱流体、たとえば熱水、あるいは上記と熱流体との混合体が通る。また軸35は主軸11に接続されており、風車10(主軸11)が回転すれば軸35に固定された回転子31が回転する。
The magnetic
液体37としては、たとえばオレフィン・パラフィン油、シリコン油、芳香族炭化水素、溶融塩、金属ナトリウムの液体などを用いることが好ましい。上記のうちいずれを使用するかに応じて、液体37を加熱することが可能な最高温度が定まる。たとえば溶融塩のなかには、450℃を超える高温でも液体として使用可能な物質もある。ただし液体37は200℃以上の沸点を有する物質であることが好ましい。 As the liquid 37, it is preferable to use, for example, olefin / paraffin oil, silicon oil, aromatic hydrocarbon, molten salt, liquid metal sodium, or the like. The maximum temperature at which the liquid 37 can be heated is determined depending on which of the above is used. For example, some molten salts can be used as liquids even at high temperatures above 450 ° C. However, the liquid 37 is preferably a substance having a boiling point of 200 ° C. or higher.
ここで、発熱機30の動作を説明する。鉄芯33に巻回されたコイル32に電流を流すと、磁場形成部34は電磁石となり、磁場αが形成される。磁場形成部34に挟み込まれる位置に配置される回転子31は、風車10の回転に伴い回転する。このとき回転子31の回転方向に交差する方向に関して回転子31を貫通する磁場αの大きさは、回転子31の各部分において時間変化する。このため回転子31の内部には、磁場αの時間変化に起因する渦電流が発生し、渦電流と回転子31の電気抵抗に応じたジュール熱が発生する。
Here, the operation of the
回転子31に発生する熱は、回転子31の一部が浸漬される液体37に伝達され、液体37が加熱される。この液体37の熱により、液体37の内部に配置された配管38の内部を流れる水などの流体は加熱されて水蒸気あるいは熱水となる。この水蒸気および/または熱水が配管38に接続される配管91の内部に達し、以後上記のように蓄熱部40に到達し、発電機52において発電される。
Heat generated in the
ここで回転子31と容器36との間、すなわち容器36の内部を気密にする必要はなく、回転子31を回転するための回転ジョイントなども必須ではない。このため発熱機30は安価に製造されうる単純な構造を有する。
Here, it is not necessary to make the space between the
また液体37は200℃以上の比較的高い沸点の物質からなる。このため加熱された液体37が容器36の内部で気化することが抑制される。液体37が加熱されても容易には気化されないため、回転子31から液体37への熱の伝達効率が容易に確保され、回転子31の過熱が抑制される。
The liquid 37 is made of a substance having a relatively high boiling point of 200 ° C. or higher. For this reason, vaporization of the
なお図2の左右方向に関して、磁場形成部34が回転子31の中央部分に配置されている。しかし回転子31の回転方向に応じて磁場形成部34が回転子31に対して左右いずれかに偏って配置されてもよい。このようにすれば、回転子31の回転状況に応じて回転子31を貫通する磁場αの時間変化をより大きくし、回転子31の発熱効率をさらに高めることができる。
2, the magnetic
また図2および図3において、容器36と外部との間の熱絶縁については、鉄芯33と共に容器36の全体を覆うように熱絶縁を行う(断熱材を配置する)ようにしてもよい。この場合、コイル32を、熱くなる鉄芯33や容器36から熱絶縁することで、コイル32を定格温度以下に維持することが好ましい。
In FIGS. 2 and 3, thermal insulation between the
また、容器36と鉄芯33との間で熱絶縁する場合、鉄芯33と容器36との間に熱絶縁用の材料(断熱材)を挟むように配置することが好ましい。このとき熱絶縁用の材料により、容器36を挟みこむ鉄芯33同士の距離が広くなり、鉄芯33から回転子31に伝わる磁場αの強度が小さくなる可能性がある。このときコイル32として超電導材料を用いれば、コイル32に流れる電流値をより大きくすることができる。その結果、磁場形成部34が形成する磁場αをより強くすることができ、回転子31での渦電流の値をより大きくできる。つまり、より効率的に発熱することができる。なお熱絶縁用の材料を用いない場合においても、超電導材料からなるコイル32を用いてもよい。
In addition, when performing thermal insulation between the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明の発熱機および風力熱発電システムは、渦電流による発熱を利用した発熱機および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムに、特に有利に適用され得る。 The heat generator and the wind power generation system of the present invention can be particularly advantageously applied to a heat generator using heat generated by an eddy current and a wind power generation system including the heat generator as a component.
1 風力熱発電システム、10 風車、11 主軸、12 ブレード、20 ナセル、30 発熱機、31 回転子、32 コイル、33 鉄芯、34 磁場形成部、35 軸、36 容器、37 液体、38 配管、40 蓄熱部、50 発電部、51 蒸気タービン、52 発電機、60 復水器、71,72 ポンプ、81 タワー、82 発電室、91〜97 配管。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wind thermal power generation system, 10 Windmill, 11 Main shaft, 12 Blade, 20 Nacelle, 30 Heat generator, 31 Rotor, 32 Coil, 33 Iron core, 34 Magnetic field formation part, 35 Axis, 36 Container, 37 Liquid, 38 Piping, 40 heat storage unit, 50 power generation unit, 51 steam turbine, 52 generator, 60 condenser, 71, 72 pump, 81 tower, 82 power generation chamber, 91-97 piping.
Claims (5)
前記回転子の回転方向に交差する方向に磁場を形成する磁場形成部と、
前記回転子の少なくとも一部が浸漬される液体を保持する容器と、
前記液体内を通過し、内部を熱交換用の流体が通る配管とを備えた、発熱機。 A rotor made of ferromagnetic material,
A magnetic field forming unit that forms a magnetic field in a direction crossing the rotation direction of the rotor;
A container holding a liquid in which at least a portion of the rotor is immersed;
A heat generator comprising: a pipe that passes through the liquid and through which a fluid for heat exchange passes.
前記風車に接続され、前記風車の回転により発熱する発熱機と、
前記発熱機に接続され、前記発熱機において発生した熱を蓄える蓄熱部と、
前記蓄熱部に接続され、前記蓄熱部において蓄えられた熱を電気に変換する発電部とを備え、
前記発熱機は請求項1〜4のいずれか1項に記載の発熱機であり、
前記回転子は、前記風車の回転により回転する、風力熱発電システム。 With a windmill,
A heat generator connected to the windmill and generating heat by rotation of the windmill;
A heat storage unit connected to the heat generator and storing heat generated in the heat generator;
A power generation unit that is connected to the heat storage unit and converts heat stored in the heat storage unit into electricity;
The heat generator is the heat generator according to any one of claims 1 to 4,
The rotor is a wind thermal power generation system that rotates by rotation of the windmill.
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JP2010261407A JP2012112298A (en) | 2010-11-24 | 2010-11-24 | Heat generating machine and wind-force thermal power generation system |
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WO2014024415A1 (en) * | 2012-08-07 | 2014-02-13 | 株式会社 東芝 | Power generation system |
-
2010
- 2010-11-24 JP JP2010261407A patent/JP2012112298A/en not_active Withdrawn
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WO2014024415A1 (en) * | 2012-08-07 | 2014-02-13 | 株式会社 東芝 | Power generation system |
JPWO2014024415A1 (en) * | 2012-08-07 | 2016-07-25 | 株式会社東芝 | Power generation system |
US9903344B2 (en) | 2012-08-07 | 2018-02-27 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Power generation system including wind power generation and solar thermal power generation |
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