JP2013106493A - 蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】フライホイールを利用した蓄電システムにおけるエネルギ損失を低減する。
【解決手段】蓄電システム１０は、電源２０から電力が供給されるモータ３０と、モータ３０に入力軸が連結されたフライホイール４０と、フライホイールの出力軸に連結されたジェネレータ５０と、ジェネレータ５０に電気的に接続された二次電池６０とを備える。電源２０から蓄電システム１０への充電と、蓄電システム１０の下流への放電を同時に行なうために、フライホイール４０へ回転エネルギーを入力するモータ３０と、二次電池６０に充電するジェネレータ５０とが個別に設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電システムに関し、特に、電気エネルギから変換された運動エネルギを一時的に蓄えるフライホイールが設けられた蓄電システムに関する。

風力発電および太陽光発電など、自然エネルギを利用した発電が知られている。自然エネルギを利用して発電する場合、発電装置が設置してある場所で得られるエネルギを電気エネルギに変換する。そのため、自然条件がよい場所であれば、どこでも発電することができる。よって、石油、石炭、ＬＮＧ（liquefied Natural Gas）などの燃料の輸送が必要ない。また、発電装置が立地している場所周辺で電力を利用することで、効率的に電気を利用することができる。

しかしながら、自然エネルギによる発電は、化石燃料や原子力による発電と比較して発電電力の変動が大きい。そのため、需要と供給のバランスを取ることが難しい。例えば、風力発電では、自然の風量、風圧、風向きなどが常に変化するため、発電電力が安定し難い。よって、供給が不安定である。また、太陽光発電では、太陽光のない夜間に発電することができないが、生活する上では夜間に照明を点灯するために電力を必要とする。よって、夜間には需要のみが一方的に大きくなる。したがって、電力を一時的に保存する設備や装置を設置することが望ましい。

例えば、風力発電設備に二次電池を接続し、充電する場合、風力発電は気象条件によって瞬間的に大きな電力を発生する可能性があるため、一般的には風車の定格出力よりも大きな電池容量を用意しなければならない。

また、二次電池は電気エネルギを電解液の化学変化によって保持しているため、大きな電流のやり取りにより、電解液の分解や電極の損傷を生じ、電池寿命を低下させ得る。このように、二次電池における充放電時の電流には制限があるため、大電流を二次電池で受けるためには、電池の容量などを増やす必要がある。

電力を蓄える他の方法として、フライホイールを用いることがある。フライホイールは、電気エネルギから変換された回転エネルギを保存する装置である。フライホイールは、連結されるモータやジェネレータにより、入出力密度が変えられる。例えば、モータやジェネレータの出力が大きいものを使用すれば、入出力密度は大きくなる。

特開２０００−２３３１４号公報（特許文献１）は、電動発電機の回転駆動にともなってフライホイールを回転させて、商用電源からの電気エネルギを回転機械エネルギとしてフライホイールに蓄積し、フライホイールが所定の高速回転状態になったときに、フライホイールに蓄積された回転機械エネルギにより電動発電機を発電機として駆動し、電動発電機が発生した電気エネルギを二次電池に蓄積することを開示する。

特開２０００−２３３１４号公報 特開２００３−８８０４０号公報 特開平１０−２８５８３４号公報 特開２００１−３３９９９６号公報

しかしながら、フライホイールに回転エネルギを一時的に蓄える場合、フライホイールの回転速度が減衰することによりエネルギが損失し得る。特開２０００−２３３１４号公報の場合、電動発電機によってフライホイールを高速回転状態まで駆動した後、電動発電機を発電機として駆動するまでの間にフライホイールの回転速度が減衰することによって、エネルギが損失し得る。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、フライホイールを利用した蓄電システムにおけるエネルギ損失を低減することである。

ある実施例において、蓄電システムは、電源から電力が供給されるモータと、モータに入力軸が連結されたフライホイールと、フライホイールの出力軸に連結されたジェネレータと、ジェネレータに電気的に接続された二次電池とを備える。

この構成によると、フライホイールを駆動するモータとは別に、フライホイールによって駆動されるジェネレータが設けられる。そのため、フライホイールにエネルギを入力しながら、フライホイールが蓄えたエネルギを、逐次二次電池に供給し、二次電池を充電することができる。その結果、フライホイールにエネルギを入力している限り、フライホイールの回転速度を減衰させずにエネルギをフライホイールから取り出すことができる。よって、フライホイールの回転速度が減衰することによるエネルギ損失を低減できる。

さらに別の実施例において、蓄電システムは、フライホイールを低真空下で収容する筐体をさらに備える。

この構成によると、大気圧下でフライホイールを回転させる場合に比べて、空気抵抗によるフライホイールの風損を低減できる。また、中真空下または高真空下でフライホイールを回転させる場合に比べて、熱伝導性を良くできる。その結果、冷却性を確保できる。

さらに別の実施例において、蓄電システムは、フライホイールの回転軸を支持する玉軸受をさらに備える。

この構成によると、玉軸受、特に、グリース封入非接触シールもしくはシールド付深溝玉軸受は、メンテナンス性がよく、アキシアル荷重とスラスト荷重の両方を同時に受けることができるので、軸受個数を最低限とすることができる。さらに、低真空化では、軸受に封入するグリースは、高トルクで高価なフッ素グリースなどの真空用である必要はないため、軸受に、安価で入手の容易な軸受を用いることができる。

さらに別の実施例において、蓄電システムは、フライホイールの回転軸を支持する油動圧軸受をさらに備える。

この構成によると、油動圧軸受においては、フライホイールが回転しているときにフライホイールの回転軸が動圧効果により軸受から浮上するため、軸受損失を低下させることができる。

さらに別の実施例において、蓄電システムは、フライホイールの回転軸を支持する空気軸受をさらに備える。

この構成によると、空気軸受においては、フライホイールの回転軸が軸受から浮上するため、軸受損失を低下させることができる。

さらに別の実施例において、フライホイールは、地下に埋設される。
この構成によると、フライホイールの回転により地上に伝わる音を低減できる。

さらに別の実施例において、電源は、自然エネルギで発電する。一例として、電源は、風力発電装置、太陽電池または水力発電装置である。

この構成によると、自然エネルギを利用した蓄電システムにおけるエネルギ損失を低減できる。

さらに別の実施例において、蓄電システムは、モータおよびフライホイールのうちの少なくともいずれか一方とジェネレータとの間に設けられた変速機をさらに備える。

この構成によると、モータの出力軸回転速度をフライホイールの駆動に適した回転速度に変速したり、フライホイールの出力軸回転速度を、ジェネレータの駆動に適した回転速度に変速したりできる。

さらに別の実施例において、蓄電システムは、モータおよびフライホイールのうちの少なくともいずれか一方とジェネレータとの間に設けられたクラッチをさらに備える。

この構成によると、たとえばフライホールの回転速度が過剰である場合、フライホイールからモータまたはジェネレータを切り離し、モータまたはジェネレータを保護できる。

蓄電システムの全体を示す概略構成図である。 モータ、フライホイールおよびジェネレータの側面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

一般的に、二次電池はエネルギ密度は高いが、入出力密度が低い。したがって、例えばリチウムイオン二次電池は、急速充電をする際に、高度で繊細な電圧制御および電流制御が必要となる。また、例えば風力発電装置から発生した電力を二次電池に充電する場合、風車の最大発電電力よりも大きな電池容量を用意しなければ、電池容量を超える電力や入出力密度を超える電力を充電することができない。その結果、電池の内部抵抗などで電気エネルギが熱に変換され、充電ロスが発生する。

一方、フライホイールは、回転軸に連結されるモータまたはジェネレータにより、入出力密度が変えられる。

したがって、フライホイールと二次電池を組合わせたシステムとすれば、フライホイールの入出力密度を利用することで、効率的に二次電池に充電することができる。また、フライホイールに蓄電したエネルギーを逐次二次電池に充電するシステムとすれば、フライホイールのエネルギー密度を高める必要がない。よって、フライホイールを簡素な構成とし、安価で簡単な蓄電システムを構築できる。

例えば、風力発電装置にフライホイールを組み合わせ、二次電池に充電する蓄電システムを構築すれば、大電力をフライホイールに一時的に蓄電し、そこから二次電池へは、ジェネレータの制御などで一定の電力を送電するように調整することができる。よって、電池の容量を増やすことなく、また電池を早期に劣化させることもなく、効率的に充電させることが可能となる。

すなわち、フライホイールを蓄電装置としてではなく、二次電池のバッファとして利用すれば、二次電池の入出力密度の低さを補い、フライホイールのエネルギー密度の低さを二次電池がカバーでき、蓄電システム全体のコスト低下と、充電効率向上を図ることができる。

そこで、本実施の形態においては、図１に示すように、蓄電システム１０は、電源２０から電力が供給されるモータ３０と、モータ３０に入力軸が連結されたフライホイール４０と、フライホイールの出力軸に連結されたジェネレータ５０と、ジェネレータ５０に電気的に接続された二次電池６０とを備える。

本実施の形態においては、電源２０から蓄電システム１０への充電と、蓄電システム１０の下流への放電を同時に行なうために、フライホイール４０へ回転エネルギーを入力するモータ３０と、二次電池６０に充電するジェネレータ５０とが個別に設けられる。このようにすることで、フライホイール４０をバッファとして利用することができる。

電源２０は、自然エネルギで発電する発電装置である。一例として、電源２０は、太陽電池である、風力発電装置または水力発電装置など、他の自然エネルギ発電装置を電源２０として用いてもよい。

モータ３０には、電源２０から、インバータまたはコンバータ（図示せず）などを介して電力が供給される。モータ３０は、電源２０から供給された電力により駆動する。モータ３０は、交流モータであってもよく、直流モータであってもよい。

同様に、ジェネレータ５０から二次電池６０には、インバータまたはコンバータなどを介して電力が供給される。ジェネレータ５０は、フライホイール４０の回転運動によって駆動せしめられる。ジェネレータ５０は交流ジェネレータであってもよく、直流ジェネレータであってもよい。

二次電池６０は、ジェネレータ５０から供給された電力を蓄える。二次電池６０に蓄えられた電力は、一例として、照明器具、空調装置、冷蔵庫、テレビなど、家屋内の電化製品に供給される。

図１に示すように、本実施の形態においては、自然エネルギ発電によって得られた電力などの変動電力を二次電池に蓄える際、フライホイール４０と二次電池６０とが組み合わせて用いられる。このとき、フライホイール４０へエネルギを入力するモータ３０と、二次電池６０へエネルギを入力するジェネレータ５０を個別に備えることにより、フライホイール４０へのエネルギの入力と同時に、フライホイール４０からエネルギを出力できる。そのため、フライホイール４０が蓄えたエネルギを、逐次二次電池６０に供給し、二次電池６０を充電することができる。その結果、フライホイール４０にエネルギを入力している限り、フライホイール４０の回転速度を減衰させずにエネルギをフライホイール４０から取り出すことができる。よって、フライホイール４０の回転速度が減衰することによるエネルギ損失を低減できる。

また、電源２０などのエネルギ源からフライホイール４０を介して二次電池６０に電力を供給する場合、フライホイール４０から二次電池６０へ供給される電力を、一定もしくは、二次電池６０に最適な電力に制御することにより、二次電池６０を単体で使用するよりも、二次電池６０の負荷を軽減できる。よって、二次電池６０の寿命を延ばすことができる。また、二次電池６０の容量を少なくするともに、二次電池６０を効率的に充電できる。

さらに、二次電池６０への入力電力を制御することで、二次電池６０の発熱量を低減できる。そのため、二次電池６０の劣化を防ぐことができる。よって、二次電池６０の寿命をさらに延ばすことができる。また、抵抗器などで電力を制御するよりも少ないロスで二次電池６０を充電することができる。

さらに、モータ３０とジェネレータ５０とを個別に備え、フライホイール４０が蓄えたエネルギを逐次フライホイール４０から出力することにより、フライホイール４０が長時間エネルギを保持する必要性を小さくできる。よって、フライホイール４０の構成を簡素化することができる。

したがって、風力発電や太陽光発電などの発電設備において、発電された電力を、低コスト、低体積で効率的に蓄えることができる。

ところで、蓄電システム１０におけるエネルギの減衰を低減するためには、各部の損失を低下させる必要がある。例えば、フライホイール４０における風損を低下させるためには、フライホイール４０を真空下で用いる必要がある。さらに、真空下においてフライホイール４０の軸受部の損失を低下させるためには、真空下においても潤滑特性を維持することができる磁気軸受などを用いる必要がある。そのため、技術的に高度かつ高価なシステムが必要になる。

しかしながら、本実施の形態においては、フライホイール４０のエネルギは、逐次二次電池６０へ送られるため、フライホイール４０の回転速度の減衰に起因する損失を低減するために減衰を防止する必要性が小さい。そのため、風損を低下させるために、フライホイール槽内を高真空状態にする必要性が小さい。

そこで、本実施の形態においては、図２に示すように、フライホイール４０は、筐体７０によって、低真空下で収容される。低真空とは、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards） Ｚ ８１２６−１に定義されているように、１００ｋＰａ〜１００Ｐａの真空を意味する。なお、モータ３０、フライホイール４０およびジェネレータ５０を筐体７０により収容してもよい。フライホイール４０を大気圧下に配置してもよい。

高真空下では、空気の熱伝導が低下するため、モータ３０やジェネレータ５０に冷却装置などを設ける必要があり得るが、低真空下または大気圧下では空気が存在し、熱伝導による冷却性を確保できるため、別途冷却装置を設ける必要性が小さい。

さらに、図２に示すように、本実施の形態において、フライホイール４０の回転軸（入力軸および出力軸）は、一例として、安価で入手が容易な玉軸受４５によって支持される。本実施の形態においては、フライホイール４０が低真空下もしくは大気圧下で用いられるため、高真空下でフライホイール４０を用いる場合のように、磁気軸受によってフライホイール４０を支持せずとも、玉軸受４５などの転がり軸受によってフライホイール４０の回転軸を円滑に支持することが可能である。玉軸受４５の代わりに、安価なすべり軸受を用いてもよい。

玉軸受４５は、グリース封入非接触シールもしくはシールド付深溝玉軸受である。グリース封入非接触シールもしくはシールド付深溝玉軸受は、メンテナンス性がよく、アキシアル荷重とスラスト荷重の両方を同時に受けることができるので、軸受個数を最低限とすることができ、最適である。このとき、フライホイール４０は低真空下もしくは大気圧下で用いられるため、軸受に封入するグリースは、高トルクで高価なフッ素グリースなどの真空用である必要はない。

玉軸受４５の代わりにもしくは加えて、油動圧軸受などの動圧軸受を用いるようにしてもよい。本実施の形態において、フライホイール４０は低真空下もしくは大気圧下で用いられるため、動圧軸受が成立するだけの流体が軸受部に存在し得る。そのため、高真空下では不可能である動圧軸受を支持軸受として用いることができる。動圧軸受を用いた場合、フライホイール４０が回転しているときに、フライホイール４０の回転軸は動圧効果により軸受から浮上するため、軸受損失を低下させることができる。

同様に、空気動圧軸受または空気静圧軸受を用いるようにしてもよい。真空下では空気を使用することができないので、空気軸受は使用できないが、本実施の形態においてはフライホイール４０は低真空下もしくは大気圧下で用いられるため、軸受に空気軸受を用いることができる。

さらに、モータ３０とフライホイール４０との間には、変速機８０と、クラッチ９０とが設けられる。変速機８０と、クラッチ９０とのうちのいずれか一方のみを設けてもよく、両方を設けなくてもよい。一例として、変速機８０は、モータ３０の出力軸回転数を減速する。モータ３０の出力軸回転数を増速してもよい。変速比を変更可能に変速機８０を構成してもよい。

変速機８０により、フライホイール４０への入力回転数を機械的に制御することができる。また、クラッチ９０により、フライホイール４０への入力を機械的に遮断したり、接続したりできる。

同様に、フライホイール４０とジェネレータ５０の間には、変速機８２と、クラッチ９２とが設けられる。変速機８２と、クラッチ９２とのうちのいずれか一方のみを設けてもよく、両方を設けなくてもよい。一例として、変速機８２は、フライホイール４０の出力軸回転数を増速する。フライホイール４０の出力軸回転数を減速してもよい。実現可能な複数の変速比の中から所望の変速比を選択することにより、変速比を変更可能に変速機８２を構成してもよい。すなわち、多段変速機または無段変速機を用いてもよい。

変速機８２により、フライホイール４０からの出力回転数を機械的に制御することができる。また、クラッチ９２により、フライホイール４０からの出力を機械的に遮断したり、接続したりできる。

さらに、図２に示すように、モータ３０、フライホイール４０およびジェネレータ５０は、地下に埋設される。これにより、モータ３０、フライホイール４０およびジェネレータ５０から発せられて地上に伝達される音を低減できる。フライホイール４０のみを地下に埋設してもよい。モータ３０、フライホイール４０およびジェネレータ５０が地上に設置されてもよい。

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。

１０ 蓄電システム、２０ 電源、３０ モータ、４０ フライホイール、４５ 玉軸受、５０ ジェネレータ、６０ 二次電池、７０ 筐体、８０，８２ 変速機、９０，９２ クラッチ。

Claims (9)

1. 電源から電力が供給されるモータと、
   前記モータに入力軸が連結されたフライホイールと、
   前記フライホイールの出力軸に連結されたジェネレータと、
   前記ジェネレータに電気的に接続された二次電池とを備える、蓄電システム。
2. 前記フライホイールを低真空下で収容する筐体をさらに備える、請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記フライホイールの回転軸を支持する玉軸受をさらに備える、請求項１または２に記載の蓄電システム。
4. 前記フライホイールの回転軸を支持する油動圧軸受をさらに備える、請求項１または２に記載の蓄電システム。
5. 前記フライホイールの回転軸を支持する空気軸受をさらに備える、請求項１または２に記載の蓄電システム。
6. 前記フライホイールは、地下に埋設される、請求項１に記載の蓄電システム。
7. 前記電源は、自然エネルギーで発電する、請求項１に記載の蓄電システム。
8. 前記モータおよび前記フライホイールのうちの少なくともいずれか一方と前記ジェネレータとの間に設けられた変速機をさらに備える、請求項１に記載の蓄電システム。
9. 前記モータおよび前記フライホイールのうちの少なくともいずれか一方と前記ジェネレータとの間に設けられたクラッチをさらに備える、請求項１に記載の蓄電システム。

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