JP2013085401A - フライホイール発電設備およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フライホイール発電機が蓄積可能な回転エネルギー量の増大を抑制しつつ、試験設備の長時間運転を可能とするフライホイール発電設備を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、フライホイール発電設備は、回転エネルギーを蓄積するためのフライホイールを有し、前記回転エネルギーを電力に変換して試験設備に供給するフライホイール発電機を備える。さらに、前記発電設備は、前記フライホイールを回転させる駆動電動機と、前記駆動電動機に電力を供給する電源装置とを備える。さらに、前記発電設備は、前記フライホイールの回転に関する信号を出力する検出器と、出力された前記信号に基づいて、前記駆動電動機の動作を制御する制御装置とを備える。さらに、前記制御装置は、前記駆動電動機が、前記試験設備への電力供給の停止中と、前記試験設備への電力供給中とに前記フライホイールに加速トルクを与えるように、前記駆動電動機の動作を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、フライホイール発電設備およびその運転方法に関する。

図６は、従来のフライホイール発電設備の構成を示す概略図である。

フライホイール発電機１は、回転エネルギー（機械エネルギー）を蓄積するためのフライホイール１ａを有しており、蓄積している回転エネルギーを電気エネルギー（電力）に変換して出力することができる。フライホイール発電機１は例えば、短時間に大電流を必要とする核融合試験設備６への電力供給用に用いられる。図６では、フライホイール発電機１に駆動電動機２が直接連結されており、さらには、駆動電動機２に電源装置３が接続されている。駆動電動機２は、フライホイール１ａを回転させる電動機であり、電源装置３は、駆動電動機２に電力を供給する装置である。

フライホイール発電機１が核融合試験設備６の電源として用いられる場合、フライホイール発電設備は、核融合試験設備６の運転開始に先立ち、駆動電動機２によりフライホイール発電機１を昇速させて、フライホイール１ａに回転エネルギーを蓄積する。この際、フライホイール発電設備では、検出器５（例えば回転速度検出器）と制御装置４（例えば回転速度制御装置）により、安定な昇速制御を実現している。例えば、検出器５は、フライホイール１ａの回転速度を検出し、制御装置４は、検出された回転速度に基づいて、駆動電動機２の動作を制御する。

フライホイール発電機１は、核融合試験設備６の運転中、蓄積した回転エネルギーを電気エネルギーに変換し、核融合試験設備６に電気エネルギーを供給する。これにより、フライホイール１ａの回転速度は、回転エネルギーの減少に伴い低下していく。フライホイール発電設備は、回転速度が予め設定した速度まで低下したところで、核融合試験設備６の運転を停止し、駆動電動機２によりフライホイール発電機１を再度昇速させる。フライホイール発電設備では、フライホイール発電機１の昇速と核融合試験設備６への電力供給とを繰り返すことで、核融合試験設備６の運転を繰り返し行う。

なお、フライホイール発電設備の起動時や、フライホイール１ａの回転速度の低下時において、制御装置４は、駆動電動機２の動作を制御して、フライホイール１ａの回転速度を定格回転速度まで昇速させる。

プラズマ・核融合学会誌；巻号：１９９９−０４−２５、７３、４；掲載ページ：４２７〜４３

従来のフライホイール発電設備では、駆動電動機２として、巻線型誘導電動機が採用され、制御装置４として、二次巻線に設けられた液体抵抗器による速度制御装置が採用されている。また、従来のフライホイール発電設備では、核融合試験設備６への電力供給時には、電源装置３内の電源用遮断器３ａを開き、電源装置３から駆動電動機２への電力供給を停止している。

理由は、第１に、核融合試験設備６は、急峻に変化する大電力を扱うため、電力会社の電力系統から完全に独立したシステム構成とするためである。第２に、従来のフライホイール発電設備では、昇速制御に水抵抗器を用いた制御を行っているため、核融合試験設備６の運転中における急速な回転速度の変化中に、フライホイール発電機１を使用することは適切ではないためである。

よって、従来のフライホイール発電機１は、核融合試験設備６が必要とする最大エネルギーを蓄積可能な発電容量とフライホイールサイズを備えている必要があった。しかしながら、従来の核融合試験設備６の運転時間は、最大でも１０秒間程度と短く、核融合試験設備６が必要とする最大エネルギー量を蓄積可能なフライホイール発電機１は実現可能であった。

ところが、最近の核融合試験では、５分間以上の長時間プラズマ運転が計画されてきている。核融合試験設備６の長時間運転では、大きな有効電力を必要とするプラズマ点弧時の運転時間は短いものの、その後のプラズマ維持時の運転時間は長い。よって、運転中のフライホイール発電設備の損失分による回転エネルギーロス（すなわち回転速度低下）が大きい。

そのため、核融合試験設備６が要求する運転時間を満足させようとすると、必要な回転エネルギー量が大幅に増加する。これを従来のシステム構成で実現するためには、フライホイール発電機１のはずみ車効果を非常に大きくする必要がある。しかしながら、寸法、重量とも従来よりもはるかに大きなフライホイール発電機１が必要となるため、発電機１の経済性や納期面で不利益なだけでなく、発電機１が実現不可能な場合も出てくる。

そこで、本発明は、フライホイール発電機が蓄積可能な回転エネルギー量の増大を抑制しつつ、試験設備の長時間運転を可能とするフライホイール発電設備およびその運転方法を提供することを課題とする。

一の実施形態によるフライホイール発電設備は、回転エネルギーを蓄積するためのフライホイールを有し、前記回転エネルギーを電力に変換して試験設備に供給するフライホイール発電機を備える。さらに、前記発電設備は、前記フライホイールを回転させる駆動電動機と、前記駆動電動機に電力を供給する電源装置とを備える。さらに、前記発電設備は、前記フライホイールの回転に関する信号を出力する検出器と、出力された前記信号に基づいて、前記駆動電動機の動作を制御する制御装置とを備える。さらに、前記制御装置は、前記駆動電動機が、前記試験設備への電力供給の停止中と、前記試験設備への電力供給中とに前記フライホイールに加速トルクを与えるように、前記駆動電動機の動作を制御する。

また、別の実施形態によるフライホイール発電設備の運転方法では、フライホイール発電機のフライホイールを回転させる駆動電動機が、前記フライホイール発電機から試験設備への電力供給の停止中と、前記フライホイール発電機から前記試験設備への電力供給中とに前記フライホイールに加速トルクを与えるように、前記駆動電動機の動作を制御する。

第１実施形態のフライホイール発電設備の構成を示す概略図である。 第１実施形態のフライホイール発電設備の動作を示すグラフである。 第２実施形態のフライホイール発電設備の動作を示すグラフである。 第３実施形態のフライホイール発電設備の構成を示す概略図である。 第４実施形態のフライホイール発電設備の動作を示すグラフである。 従来のフライホイール発電設備の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のフライホイール発電設備の構成を示す概略図である。図１の構成については、図６の構成との相違点を中心に説明する。

図１では、フライホイール発電機１が駆動電動機２と直接連結されており、駆動電動機２は、かご型誘導電動機となっている。また、電源装置３は、商用周波数の交流電源を供給する電源装置となっている。電源装置３から駆動電動機２への電源供給は、可変電圧可変周波数変換器（ＶＶＶＦ）を有する制御装置４を介して行われる。

検出器５は、フライホイール１ａの回転速度を検出し、制御装置４は、検出された回転速度に基づいて、駆動電動機２の動作を制御する。制御装置４は、フライホイール１ａの回転速度の設定値を設定する速度設定部４ａを備えている。制御装置４は、検出器５により検出されるフライホイール１ａの回転速度が、上記の設定値と等しくなるように、駆動電動機２の動作をＶＶＶＦにより制御する。こうして、フライホイール１ａの速度制御が行われる。

そして、本実施形態では、核融合試験設備６によるプラズマ試験の開始前や停止中だけでなく、プラズマ試験の実施中にも、電源用遮断器３ａを閉路する。すなわち、本実施形態では、核融合試験設備６への電力供給の停止中だけでなく、核融合試験設備６への電力供給中にも、電源装置３からの電源供給を行う。

また、制御装置４は、核融合試験設備６への電力供給の停止中だけでなく、核融合試験設備６への電力供給中にも運転を継続し、電源装置３から駆動電動機２への電源供給を継続させる。よって、本実施形態では、駆動電動機２からフライホイール１ａへの加速トルクの印加が、核融合試験設備６への電力供給中にも継続される。

このように、本実施形態の制御装置４は、核融合試験設備６への電力供給の停止中と、核融合試験設備６への電力供給中とに駆動電動機２がフライホイール１ａに加速トルクを与えるように、駆動電動機２の動作を制御する。

（１）第１実施形態のフライホイール発電設備の作用
次に、引き続き図１を参照し、第１実施形態のフライホイール発電設備の作用について説明する。

図１では、プラズマ試験が開始され、フライホイール発電機１から核融合試験設備６に電力が供給されると、フライホイール１ａの回転速度が低下する。これに伴い、制御装置４は、フライホイール１ａを昇速するように、プラズマ試験中に駆動電動機２に電力を供給する。

一般に、駆動電動機２の出力電力は、フライホイール発電機１の出力電力の数％程度である。よって、プラズマ点弧時（図２参照）の、大電力を必要とする初期の数秒間は、フライホイール発電機１における発電は概ね、フライホイール１ａに蓄積されていた回転エネルギーをエネルギー源とした発電となる。よって、プラズマ点弧時には、フライホイール１ａの回転速度が急激に低下する。

図２は、第１実施形態のフライホイール発電設備の動作を示すグラフである。図２は、プラズマ点弧時Ｔ₁〜Ｔ₂に、核融合試験設備６に大電力Ｐ₁が供給される様子を示している。

そこで、本実施形態では、制御装置４にＶＶＶＦを使用している。よって、本実施形態では、フライホイール１ａの回転速度が急激に変化しても、駆動電動機２に供給する交流電源の実効電圧、周波数をＶＶＶＦにより高速に制御することで、駆動電動機２への電力供給を安定的に行うことができる。

一方、プラズマ維持期間Ｔ₂〜Ｔ₃（図２参照）は、数１００秒という長期間になるため、核融合試験設備６が必要なエネルギー量は大きいが、図２に示すように、必要な電力Ｐ₂は小さい。

よって、フライホイール発電機１の風損、軸受損などの全損失を考慮しても、駆動電動機２によりこの程度の電力を供給することは十分可能である。よって、本実施形態では、プラズマ維持期間Ｔ₂〜Ｔ₃中にフライホイール１ａの回転速度を維持または上昇させることが可能である。よって、本実施形態の制御装置４は、プラズマ維持期間Ｔ₂〜Ｔ₃中に、フライホイール１ａの回転速度を設定値に向けて上昇させ、設定値への到達後は、フライホイール１ａの回転速度を維持させる。

このようにして、本実施形態では、核融合試験期間Ｔ₁〜Ｔ₄中に、駆動電動機２からフライホイール発電機１への電力供給と、フライホイール発電機１から核融合試験装置６への電力供給が同時進行する。この際、前者の電力が後者の電力よりも小さい場合にはさらに、フライホイール発電機１へのエネルギー蓄積も同時進行する。

（２）第１実施形態の効果
最後に、第１実施形態の効果について説明する。

以上のように、本実施形態では、核融合試験設備６への電力供給の停止中だけでなく、核融合試験設備６への電力供給中にも、電源装置３から駆動電動機２への電源供給を継続させる。よって、本実施形態では、駆動電動機２からフライホイール１ａへの加速トルクの印加が、核融合試験設備６への電力供給中にも継続される。これにより、本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、プラズマ維持期間中に消費されるエネルギーを駆動電動機２から供給することにより、フライホイール１ａの蓄積エネルギー量を、プラズマ点弧時に必要なエネルギー程度に限定することができる。

そのため、核融合試験設備６を建設する際、従来のように、プラズマ維持期間中の消費エネルギー量も併せてフライホイール１ａに回転エネルギーとして蓄積させる場合と比べて、はるかに小さいフライホイール発電機１で、長時間運転を行う核融合試験設備６の建設が可能となる。小さいフライホイール発電機１を採用することで、現地での組立期間の短縮、工事費用の低減、建屋設備費用の低減なども可能となる。

本実施形態では、既設のフライホイール発電機１を流用したまま、駆動電動機２に対応したＶＶＶＦを増設してもよい。これにより、ＪＴ６０などの核融合試験設備６の長時間プラズマ維持運転試験を実現することも可能となる。その経済効果と核融合技術の発展への寄与は非常に大きなものである。

このように、本実施形態によれば、フライホイール発電機１が蓄積可能な回転エネルギー量の増大を抑制しつつ、核融合試験設備６の長時間運転を実現することが可能となる。

なお、本実施形態のフライホイール発電設備は、核融合試験設備６以外の試験設備に適用してもよい。このような試験設備の例としては、素粒子用の加速器などが挙げられる。

また、本実施形態において、検出器５は、フライホイール１ａの回転に関する信号として、回転速度以外を保持する信号を出力してもよく、制御装置４は、出力されたこの信号に基づいて、駆動電動機２の動作を制御してもよい。このような信号の例としては、フライホイール１ａの回転加速度を保持する信号などが挙げられる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態のフライホイール発電設備の動作を示すグラフである。

本実施形態では、図１において、核融合試験設備６への電力供給中における速度設定部４ａの設定値が、フライホイール発電機１の運転速度範囲の上限値に設定される。図３では、フライホイール発電機１の運転速度範囲の下限値、上限値がそれぞれ、Ｖmin、Ｖmaxで示されている。

図３に示す曲線Ｌ₁は、第１実施形態におけるフライホイール発電機１（フライホイール１ａ）の回転速度の変化を示す。第１実施形態では、核融合試験設備６への電力供給中における速度設定部４ａの設定値が、ＶminとＶmaxとの間の速度Ｖに設定される。よって、核融合試験設備６への電力供給中において、フライホイール発電機１の回転速度は、速度Ｖに維持される。回転速度が速度Ｖから変動した場合には、回転速度を速度Ｖに戻すよう、制御装置４が駆動電動機２の動作を制御する。

一方、曲線Ｌ₂は、第２実施形態におけるフライホイール発電機１の回転速度の変化を示す。第２実施形態では、核融合試験設備６への電力供給中における速度設定部４ａの設定値が、Ｖmaxに設定される。よって、核融合試験設備６への電力供給中において、制御装置６は、フライホイール発電機１の回転速度をＶmaxに維持するよう、駆動電動機２の動作を制御する。

なお、曲線Ｌ₃は、第３実施形態におけるフライホイール発電機１の回転速度の変化を示す。曲線Ｌ₃については、第３実施形態にて説明する。

（１）第２実施形態のフライホイール発電設備の作用
次に、引き続き図３を参照し、第２実施形態のフライホイール発電設備の作用について説明する。

本実施形態では、速度設定部４ａの設定値をＶmaxに設定することで、フライホイール発電機１が、プラズマ維持に必要な電力と、駆動電動機２の最大出力電力との差分に相当する電力で加速される。その結果、プラズマ点弧期間に減速したフライホイール発電機１の回転速度がＶmaxまで回復され、蓄積可能な最大エネルギーがフライホイール発電機１に蓄積される。

プラズマ維持期間の開始直後において、制御装置４は、フライホイール発電機１の回転速度が上限値Ｖmaxに戻るように駆動電動機２の動作を制御して、回転速度をＶmaxまで昇速させる。

なお、本実施形態は、例えば、核融合試験設備６の消費電力のピークが、プラズマ維持期間内にも存在する場合に有効である。理由は、このようなピーク時には多くの電力が必要となるが、本実施形態では、このようなピークの前に、蓄積可能な最大エネルギーがフライホイール発電機１に蓄積されるからである。

（２）第２実施形態の効果
最後に、第２実施形態の効果について説明する。

以上のように、本実施形態では、核融合試験設備６への電力供給中における速度設定部４ａの設定値が、フライホイール発電機１の運転速度範囲の上限値Ｖmaxに設定される。

よって、本実施形態によれば、核融合試験設備６への電力供給中において、フライホイール発電設備の最大能力を発揮できるようになる。その結果、核融合試験設備６の長時間プラズマ維持運転試験の運用の自由度を向上することができる。

（第３実施形態）
図４は、第３実施形態のフライホイール発電設備の構成を示す概略図である。

図４のフライホイール発電設備は、図１の構成に加えて、電力検出器７を備えている。電力検出器７は、電源装置３から制御装置４を介して駆動電動機２に供給される電力を監視するための検出器である。

また、制御装置４は、駆動電動機２に供給される電力の上限を設定する上限設定部４ｂを備えている。そして、制御装置４は、電力検出器７により検出される電力値が、上限設定部４ｂに設定された上限を超えないように、駆動電動機２の動作を制御する。

（１）第３実施形態のフライホイール発電設備の作用
次に、引き続き図４を参照し、第３実施形態のフライホイール発電設備の作用について説明する。

第１実施形態で説明したように、核融合試験設備６は、運転開始直後のプラズマ点弧期間には大電力を必要とし、フライホイール発電機１の回転速度は急激に低下していく。この場合、第２実施形態のように回転速度の設定値を運転速度範囲の上限値に設定すると、プラズマ維持に必要な電力と、駆動電動機２の出力電力との差分が急速に大きくなり、駆動電動機２が過電力運転になる可能性がある。

そこで、本実施形態では、制御装置４から駆動電動機２に供給する電力を、電力検出器７により監視する。そして、制御装置４は、核融合試験設備６への電力供給中に駆動電動機２に供給する電力が定格値を超えないように、駆動電動機２に供給する電力を、上限設定部４ｂに設定された上限に制限する。

その結果、図３に示す曲線Ｌ₃のように、運転速度範囲の上限値Ｖmaxに到達するまでの時間が、第２実施形態の場合よりも長くなる。しかしながら、本実施形態によれば、駆動電動機２の過電力運転を防止し、駆動電動機２や制御装置４の安定運転を実現することができる。

（２）第３実施形態の効果
最後に、第３実施形態の効果について説明する。

以上のように、本実施形態の制御装置４は、駆動電動機２に供給される電力の上限を設定する上限設定部４ｂを備えている。そして、制御装置４は、駆動電動機２に供給される電力がこの上限を超えないように、駆動電動機２の動作を制御する。

よって、本実施形態によれば、フライホイール発電設備の能力の範囲で、安定な運転が可能になり、核融合試験設備６の長時間プラズマ維持運転試験の運転を安定的に実施することができる。

（第４実施形態）
図５は、第４実施形態のフライホイール発電設備の動作を示すグラフである。

第１実施形態における速度設定部４ａの設定値Ｖや、第２実施形態における速度設定部４ａの設定値Ｖmaxは、一定値である。

一方、第４実施形態の制御装置４は、核融合試験設備６への電力供給中に時々刻々と変化する設定値を設定できる速度設定部４ａを備えている。すなわち、第４実施形態では、速度設定部４ａの設定値は、時間に応じて変化させることができる。以下、時間に応じて変化する速度設定部４ａの設定値（速度指令値）を、速度パターンと呼ぶ。

（１）第４実施形態のフライホイール発電設備の作用
次に、引き続き図５を参照し、第４実施形態のフライホイール発電設備の作用について説明する。

本実施形態の制御装置４は、核融合試験設備６の試験運転中の要求電力パターン（フライホイール発電機１にとっては出力電力パターン）から、フライホイール発電機１で必要とされる試験運転中の各時点での蓄積エネルギー（回転エネルギー）を計算する。

そして、制御装置４は、その蓄積エネルギーを持つのに必要な最低回転速度になるように、時々刻々変化する設定値（速度パターン）をグラフ、テーブル、関数などにより設定する。これにより、核融合試験設備６の要求電力パターンを達成可能な最低回転速度でのフライホイール発電機１の運転が可能となる。

このような設定値により制御されるフライホイール発電機１の回転速度の例が、図５において曲線Ｌ₄として示されている。本実施形態の制御装置４は、フライホイール発電機１に、必要な蓄積エネルギーを持たせ、かつその蓄積エネルギーを維持するために必要最小限の回転速度になるように、フライホイール発電機１の回転速度を回転速度変化幅ΔＶ内で調整する。回転速度変化幅ΔＶは、ＶmaxからＶminまでの速度幅である。

なお、図５において、Ｌ₄は、Ｔ₂直後とＴ₃直前を除き、Ｔ軸に平行な直線で描かれているが、実際には多くの場合、曲線となる。

（２）第４実施形態の効果
最後に、第４実施形態の効果について説明する。

以上のように、本実施形態の制御装置４は、時間に応じて変化する設定値を設定できる速度設定部４ａを備えている。

よって、本実施形態では例えば、核融合試験設備６の試験運転中のフライホイール発電機１の回転速度を上記のように制御することで、試験パターンを達成するために必要な最低回転速度をトレースすることができる。

フライホイール発電機１の運転中の風損、軸受損などの機械的損失は、その回転速度が低いほど低減できる。よって、本実施形態によれば、運転中の損失を最小にし、核融合試験設備６の試験運転に必要な電力量を最小にすることができる。これには例えば、核融合試験設備６の試験運転にかかる電力料金を最小にできるという利点がある。

以上、第１から第４実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施することができる。また、これらの実施形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことにより、様々な変形例を得ることもできる。これらの形態や変形例は、発明の範囲や要旨に含まれており、特許請求の範囲及びこれに均等な範囲には、これらの形態や変形例が含まれる。

１：フライホイール発電機、１ａ：フライホイール、
２：駆動電動機、３：電源装置、３ａ：電源用遮断器、
４：制御装置、４ａ：速度設定部、４ｂ：上限設定部、
５：検出器、６：核融合試験設備、７：電力検出器

Claims (8)

1. 回転エネルギーを蓄積するためのフライホイールを有し、前記回転エネルギーを電力に変換して試験設備に供給するフライホイール発電機と、
   前記フライホイールを回転させる駆動電動機と、
   前記駆動電動機に電力を供給する電源装置と、
   前記フライホイールの回転に関する信号を出力する検出器と、
   出力された前記信号に基づいて、前記駆動電動機の動作を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記駆動電動機が、前記試験設備への電力供給の停止中と、前記試験設備への電力供給中とに前記フライホイールに加速トルクを与えるように、前記駆動電動機の動作を制御する、フライホイール発電設備。
2. 前記検出器は、前記フライホイールの回転速度を検出し、
   前記制御装置は、前記回転速度に基づいて、前記駆動電動機の動作を制御する、請求項１に記載のフライホイール発電設備。
3. 前記制御装置は、前記回転速度の設定値を設定する速度設定部を備え、
   前記制御装置は、前記回転速度が前記設定値になるように、前記駆動電動機の動作を制御する、請求項２に記載のフライホイール発電設備。
4. 前記回転速度の前記設定値は、前記回転速度の上限値である、請求項３に記載のフライホイール発電設備。
5. 前記速度設定部は、時間に応じて変化する前記設定値を設定する、請求項３に記載のフライホイール発電設備。
6. 前記速度設定部は、前記設定値を、前記試験設備の運転が可能な最低速度に設定する、請求項５に記載のフライホイール発電設備。
7. 前記制御装置は、前記駆動電動機に供給する電力の上限を設定する上限設定部を備え、
   前記制御装置は、前記駆動電動機に供給する電力が前記上限を超えないように、前記駆動電動機の動作を制御する、
   請求項１から６のいずれか１項に記載のフライホイール発電設備。
8. フライホイール発電機のフライホイールを回転させる駆動電動機が、前記フライホイール発電機から試験設備への電力供給の停止中と、前記フライホイール発電機から前記試験設備への電力供給中とに前記フライホイールに加速トルクを与えるように、前記駆動電動機の動作を制御する、フライホイール発電設備の運転方法。

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