JP2013211955A - フライホイールによる発電方法と、それを利用する発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】フライホイールの回転エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換する。
【解決手段】フライホイール発電装置10は、回転軸21と、回転軸21を回転自在に支持する軸受22、22と、回転軸21に固定するフライホイール30と、発電機50と、電動モータ41とを備えてなり、発電機50は、回転軸21とともに回転する磁石側の部材51と磁石側の部材51に回転自在で回転軸21に対して回転不能な電磁コイル側の部材52とを設けており、アングル材で成形されているフレーム11に取り付けられている。
【選択図】図1
【解決手段】フライホイール発電装置10は、回転軸21と、回転軸21を回転自在に支持する軸受22、22と、回転軸21に固定するフライホイール30と、発電機50と、電動モータ41とを備えてなり、発電機50は、回転軸21とともに回転する磁石側の部材51と磁石側の部材51に回転自在で回転軸21に対して回転不能な電磁コイル側の部材52とを設けており、アングル材で成形されているフレーム11に取り付けられている。
【選択図】図1
Description
この発明は、フライホイールを使用する有用な発電装置に関する。
フライホイールは、慣性モーメントを高めて回転させて利用する機械部品であり、回転することによって、大きな運動エネルギーを蓄えることができ、近年、電気エネルギーに変換することによって、バッテリーとして実用化されている。また、フライホイールは、発電装置として提案されている(特許文献1)。
かかる従来技術によるときは、フライホイールを利用する発電装置は、抵抗や損失が多く、発電装置による発生する仕事率が発電装置の消費する仕事率より小さいため、発電装置として成立していないという問題があった。
そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、フライホイールの回転エネルギーを効率的に取り出すことによって、発電装置による発生する仕事率が発電装置の消費する仕事率より大きくすることができる簡易で効率的なフライホイールによる発電方法と、それを利用する発電装置を提供することにある。
かかる目的を達成するためのこの出願に係る第1発明(請求項1に係る発明をいう、以下同じ)の構成は、回転によって電気エネルギーを発生する発電機と、同一の回転速度で発電機の発生する電気エネルギーの仕事率より大きい回転エネルギーを有しているフライホイールとを、共通の回転軸に固定し、フライホイールと発電機とを電動モータで起動させて所定の回転速度とし、フライホイールの回転エネルギーは、発電機に所定の仕事率で電気エネルギーを発生する仕事をさせ、電動モータは、フライホイールを発電機がする仕事率より小さい仕事率で所定の回転速度に維持することをその要旨とする。なお、フライホイールと発電機とを所定の回転速度で維持する電動モータは、起動させる電動モータと別に設けても構わない。
かかる目的を達成するためのこの出願に係る第2発明(請求項2に係る発明をいう、以下同じ)の構成は、第1発明に記載の回転軸と、回転軸を回転自在に支持する軸受と、回転軸に固定する第1発明に記載のフライホイールと、第1発明に記載の発電機と、第1発明に記載の電動モータとを備えてなり、フライホイールは、回転軸より直径の大きな円形状の被駆動部材を回転軸に同心円状に取り付けてあり、発電機は、回転軸とともに回転する磁石側の部材と磁石側の部材に回転自在で回転軸に対して回転不能な電磁コイル側の部材とを設けており、電動モータは、被駆動部材に係合して回転力を与えることによって、フライホイールを所定の回転速度まで回転させて回転速度を維持し、発電機は、磁石側の部材が電磁コイル側の部材に対して相対的に回転して交流電流を発生することによって、フライホイールの回転エネルギーを電気エネルギーに変換することをその要旨とする。
なお、フライホイールは、内部を真空にした容器の中で回転することができる。また、発電機も内部を真空にした容器の中で回転することができる。
また、被駆動部材と電動モータとは、被駆動部材を固定した磁石の部材とし、電動モータを磁石の部材に対応する電磁コイルの部材とすることによって、一対のリニアモータを形成してもよい。
軸受は、磁気ベアリングとすることができる。
同時に、発電機で発生した電流を交流から直流に変換する変換器と、電流を蓄えるバッテリーとを備えてなり、バッテリーは、電動モータに電気エネルギーを供給することができる。
かかる第1発明の構成によるときは、フライホイールが有している機械的な回転エネルギーの一部を効率よく電気エネルギーに変換することによって、発電装置を成立させることができる。すなわち、同一の回転速度で発電機の発生する電気エネルギーの仕事率より大きい回転エネルギーを有しているフライホイールは、発電機と共通の回転軸に固定することによって、発電機を回転させれば、慣性的な回転エネルギーによって発電機に電気エネルギーを発生するという仕事をさせて、回転エネルギーの損失分を電動モータが発電機のする仕事率より小さい仕事率で補うことができる。フライホイールの回転エネルギーは、慣性モーメントと回転速度の2乗とを乗じた値に比例し、抵抗による損失がなければ、回転を継続するという慣性エネルギーである(ただし、計算で用いる回転速度とは、回転角速度をいう)。なお、慣性モーメントは、フライホイールを構成する微小な部分の質量と回転中心から微小な部分の質量までの距離の2乗とを乗じた値を構成部分全体に積分して求められる。一方、発電機は、回転速度に比例して電圧が増加するため、フライホイールの回転とともに、回転速度の2乗に比例した電力を発生するという仕事をするが、同時に、フライホイールの回転を妨げるという回転軸の抵抗トルクを増加させる。したがって、電動モータは、増加する抵抗トルクを補うようにフライホイールを所定の回転速度に維持することによって、発電機に発電という仕事を継続させることができる。このとき、かかるフライホイールによる発電方法は、電動モータの仕事率が発電機の仕事率より小さければ、外部に電気エネルギーを供給することができる。
なお、現実的には、フライホイールの回転速度の増加にともなって増加する発電機の抵抗以外に、摩擦力や抗力などの空気抵抗、軸受の抵抗も増加し、音、温度も増加する。かかる抵抗の増加は、回転軸の抵抗トルクの増加としてあらわれ、フライホイールの回転エネルギーに損失を与えるため、電気モータは、損失した回転エネルギーを補わなければならない。また、フライホイールを所定の回転速度に維持することは、回転速度の変動が発電機から発生する交流電流の電圧値、電流値、周波数といった電流の品質に影響を及ぼすために所定の範囲以内とする必要があり、接続するシステムとともに考慮されなければならい。フライホイールの回転エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換する発電方法は、風力発電、波浪発電、太陽光発電といった自然エネルギーを利用するシステムと比較すると、発電を刻々と変化する自然の影響を受けない人工的な安定した制御可能なものとし、原子力発電、火力発電、地熱発電と比較しても、発電の効率を熱エネルギーを介在させないため向上させることができ、同時に、資源を枯渇させるおそれもなく、環境を破壊するおそれもない。また、小型から大型まで必要に応じて設計製作することが可能であるといった様々な利点を有している。
かかる第2発明の構成によるときは、フライホイール発電装置は、電動モータを起動させてフライホイールを回転させれば、発電機も同時に回転することができる。また、発電機は、回転軸とともに回転する磁石側の部材と磁石側の部材に回転自在で回転軸に対して回転不能な電磁コイル側の部材とを設けているため、単純な構造で機械的なエネルギーの損失を小さくして発電ができる。電動モータは、フライホイールと発電機とを回転軸より直径の大きな円形状で回転軸に同心円状に取り付けている被駆動部材に係合して小さなトルクで所定の回転速度まで到達させることができる。したがって、フライホイール発電装置は、電動モータがフライホイールの回転を継続することによって、空気抵抗、軸受の抵抗、音、温度の上昇などに対応する回転エネルギーの損失分を簡単な構造で補うことができ、回転エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
フライホイール発電装置は、フライホイールを内部を真空にした容器の中で回転させれば、空気抵抗を避けることができ、効率的に発電することができる。
軸受を磁気ベアリングとすれば、軸受と回転軸とは、非接触のため摩擦力が小さく、長寿命でメンテナンスも不要となり、許容されるいわゆる周速と呼ばれる回転軸の外周の接線速度を高めることができる。したがって、フライホイール発電装置は、潤滑油が不要という真空の環境下に適した磁気ベアリングを使用すれば、空気抵抗もなくなり、フライホイールをさらに高速回転させることによって、さらに、効率的に発電することができる。
被駆動部材をN極とS極とを一対とする磁石を等分に配置した磁石の部材とし、電動モータを磁石の部材に対応する3相の電磁コイルの部材とすることによって、一対のリニアモータを形成することができる。通電を制御した電磁コイルは、回転軸に同心円状に取り付けている回転軸より直径の大きな円形状となっている被駆動部材に非接触で係合してフライホイールに回転力を与えることができる。したがって、フライホイール発電装置は、機械的な摩擦抵抗による損失を低減して回転エネルギーの損失を減少させることができるとともに、直角方向の力を受けない回転軸が共振を避けてフライホイールを高速回転することができるため、さらに、効果的に発電することができる。また、円形状のリニアモータは、機械的な係合と異なり、フライホイールに対する回転力を状況に応じて電磁コイルの電流値を制御することによって、効率的な運転をすることができる、と同時に、通電する電磁コイルの位置を細かく制御することによって、フライホイールの回転速度を精度よく制御することができるため、発生する電気エネルギーの品質をも向上させることができる。
モータは、発電機で発生した電流を交流から直流に変換する変換器を介して電流を蓄えるバッテリーから電気エネルギーが供給されれば、発電装置を起動させるために外部からエネルギーの供給を受ける必要がないため、完全な大型の交流電流用のバッテリーとなる。
以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。
フライホイール発電装置10は、回転軸21と、回転軸21を回転自在に支持する軸受22、22と、回転軸21に固定するフライホイール30と、発電機50と、電動モータ41とを備えてなり、発電機50は、回転軸21とともに回転する磁石側の部材51と磁石側の部材51に回転自在で回転軸21に対して回転不能な電磁コイル側の部材52とを設けており、アングル材で成形されているフレーム11に取り付けられている(図1(A)(B))。
回転軸21は、両端をフレーム11に取り付けられている軸受22、22に水平に支持されており、軸受22、22の間にフライホイール30が軸21を中心に回転自在に固定されている。また、回転軸21の後端部は、カップリング23を介して回転軸21とともに回転する磁石側の部材51が取り付けられており、磁石側の部材51に軸21と同一の回転中心に回転自在な電磁コイル側の部材52が軸受24に軸21に対して回転不能に取り付けられている。なお、磁石側の部材51と電磁コイル側の部材52とは、回転軸21を回転中心とする一対の発電機50を形成している。
発電機50は、24極コアレス構造の株式会社スカイ電子製の型式SKY−HR125であり、風力発電や自転車用の発電機50として市販されているものである。磁石側の部材51の内部は、図示しないN極とS極とを一対とする磁石が円周上に8等分に配置されており、電磁コイル側の部材52の内部は、磁石に対応する3相の電磁コイルが円周上に8等分に配置されていると考えられる。なお、電磁コイル側の部材52の中心部内部から電流を取り出すことができる回転しないケーブルC、C、Cがでている。
フライホイール30は、回転軸21に固定されている円筒形のボス31の外周に、外端部に黄銅製の錘32、32、…を取り付けた8本の棒33、33、…が放射状に取り付けられており、棒の外端に円筒形で外径の直径が400mmの外輪34が取り付けられて形成されている。各錘32は、巾75mm×長さ75mm×高さ50mmの黄銅製で質量が約2.3kgである。
フライホイール30と発電機50とを取り付けた軸は、軸の回転方向全域でバランスが取れており、外部から回転力を与えない限り静止している。また、フライホイール30と発電機50とを接続した起動トルクは、フライホイール30の外周に35gの錘を取り付けたときに回転を開始したため、0.0686N・mであった。
電動モータ41は、フレーム11にアングル材で形成されているブラケット12に取り付けられ、スピードを制御可能であり、駆動軸42に直径が約80mmのゴム製のローラ43が回転軸21と平行に固定されている。ローラ43は、回転軸21に取り付けられている同心円状に直径が回転軸21より大きい約400mmの外輪34の内周を被駆動部材34aとして、被駆動部材34aに押し当てることによって係合して回転力を与える。なお、電動モータ41は、オリエンタルモータ株式会社製の型式BLE512Aのモータであり、120Wの定格出力と0.4N・mの定格トルクと3.3Aの定格電流を有している。
なお、外輪34の内周を被駆動部材34aとゴム製のローラとの組み合わせは、一例にすぎず、ギヤとギア、スプロケットとチェーン、等に代えたりすることができる。
なお、外輪34の内周を被駆動部材34aとゴム製のローラとの組み合わせは、一例にすぎず、ギヤとギア、スプロケットとチェーン、等に代えたりすることができる。
発電機50は、製作工場で出力試験を行っている(図2(A))。出力試験は、整流回路61を介して負荷抵抗回路62を接続した発電機50をトルク計63を取り付けしたモータ64の回転速度をインバータ65で100min−1から600min−1まで変動させて所定の回転速度で、電流値、電圧値、電力値、トルク値の測定した(min−1は、1分当たりの回転数を示す)。なお、電力計66は、負荷抵抗回路の前に設けた。図2(B)は、整流回路で無負荷電圧を測定したデータである。かかるデータは、発電機50の回転速度の増加に比例して出力電圧が増加することを示している。図2(C)は、負荷抵抗を60Ωのヒータとしたときの回転速度に対応する発電機50から発生した電流値、電圧値、電力値、トルク値と、計算で求めた対応するモータ64の入力電力値と効率を示している。
フライホイール発電装置10で、実際に、電動モータ41が3000min−1でフライホイール30を所定の600min−1に維持したときの仕事率の結果を説明する。電動モータ41は、出力を制御する図示しないコントローラが取り付けられており、フライホイール30を所定の600min−1回転速度に維持するために出力を徐々に下げると、45%の出力に相当する54Wで回転させることができた。ちなみに、このときの電流値は、0.39Aであった。この結果は、電動モータ41自体の軸動力が大きいことや、空気の抵抗に代表される抵抗が大きいことに起因していると考えられる。ただし、フライホイール30の錘32、32、…は、錘32、32の隙間を図示しない樹脂フィルムでふさぎ、抗力の発生を減少させるようにしている。
以下試算で説明を行う。発電機50は、負荷抵抗60Ωにおいて回転速度が600min−1で1.23N・mという最大値となっており、出力電力として36.35Wを発生することができている。フライホイール発電装置10において、直径を80mmとするローラ43が直径が400mmとするフライホイール30を介して発電機50を600min−1させるときの仕事率を求める。ローラ43が発電機50を回転させるトルクTは、トルク(N・m)=接線力(N)×回転半径(m)より、T=1.23/0.2×0.04/0.2×0.04=0.00492(N・m)となる。したがって、3000min−1するローラ43の仕事率P(W)は、仕事率=1分間にする仕事/1分間より、P=2×π×T×3000/60=2×π×0.0492×3000/60=15.5(W)となる。したがって、仕事率を約16Wとするローラ34が出力電力36Wの発電機50を回転させ得ることとなる。なお、フライホイール30と発電機50とを同時に起動したときに実測した起動トルク0.0686N・mを使用すれば、3000min−1するローラ43の仕事率は、約21Wとなる。実際には、一般環境下にあるフライホイール30は、回転速度が増加するにともなって、たとえば、風速に比例する空気摩擦抵抗や風速の2乗に比例する抗力の影響を受け、ローラ43の仕事率を増加させる。ここで、フライホイール30の回転エネルギーを概算で試算する。円盤の慣性モーメントIaは、Ia=1/2mR2であらわされ、円輪の慣性モーメントIbは、Ib=mR2であらわされる。なお、mは、質量をあらわし、Rは、半径をあらわしている。ここで、フライホイール30の慣性モーメントIを円盤と円輪の中間値として直径400mmと質量16kgとに適用すると、I=3/4×m(kg)×(R(m))2=0.75×16×0.22=0.48(kg・m2)となる。したがって、600min−1するフライホイール30の回転エネルギーEは、E=1/2×I×ω2=0.5×0.48×(600/60×2×π)2=94748Jとなっている。
フライホイール30は、内部を真空にした容器71の中で回転することができる(図3(A))。容器71は、内部にフライホイール30が回転軸21、21を介して上下方向に軸受22、22に支持されており、真空ポンプ72に接続されている。真空ポンプ72は、フライホイール発電装置10を起動する前に運転し、容器71内を所定の真空圧に到達すれば、開いていたバルブ73を閉めて容器71の内部の真空の環境を密閉すれば足りると考えられるため、発電中の電気エネルギーを消費しない。なお、図3(A)は、電磁コイル側の部材52を容器71の天井部に固定し、フライホイール30の外周に磁石側の部材51を固定して一対の発電機50を形成することができることを模式的に示している。
フライホイール30の下部の外周にN極とS極とを一対とする磁石を等分に配置することによって被駆動部材34aに対応する磁石の部材41a1を形成し、磁石の部材41a1に対応する3相の電磁コイルの部材41a2を容器71の底部に固定することによって、一対のリニアモータ41aを形成することができる(図3(A)、(B))。フライホイール30は、垂直な回転軸21、21に取り付けて非接触のリニアモータ41aで回転力を与えることによって、回転軸21、21に直角方向の力を受けず、また、回転軸21、21の直角方向に自重の影響も与えないため高速回転に適している。なお、図3(A)は、回転軸21、21がフライホイール30を貫通していない形を模式的に示しており、また、図3(B)は、リニアモータ41aを構成する磁石の部材41a1と電磁コイルの部材41a2とを模式的に示している。また、底部のリニアモータ41aは、天井部に配置し、天井部の発電機50は、底部に配置しても構わない。
軸受22、22は、磁気ベアリング22aとすることができる(図4(A))。磁気ベアリング22aは、たとえば、磁気コイルのスラストベアリング22a1とラジアルベアリング22a2を組み合わせることによって、フライホイール30とともに回転軸21を空中に浮かせて支持し、図示しない位置センサーが回転軸21の位置を検出して磁気ベアリング22aへの電流を制御することによって回転軸21の姿勢を上下左右に制御するという原理で実用化されている(たとえば、http://www.s2m.co.jp/technology2.html)。なお、図4(A)は、一方の下部の軸受のみを模式的に示している。
発電機50で発生した電流を交流から直流に変換する変換器81と、電流を蓄えるバッテリ82とを備えてなり、バッテリ82は、直流で図示しない電動モータに電力を送りフライホイール30を回転させることができる(図3)。また、バッテリ82に直流から交流に再度変換する変換器83を介した制御盤84は、リニアモータ41aや真空ポンプ72に電気エネルギーを供給するという運転を制御するとともに、外部に電気エネルギーEを供給することができる。なお、図3は、制御盤84からリニアモータ41aに動力を供給することを模式的に示している。
[他の実施の形態]
[他の実施の形態]
フライホイール30は、回転軸21に固定する代わりに、固定軸21b、21bに回転自在な軸受22、22を介して回転することができる(図4(B))。なお、図4は、磁石の部材41a1と電磁コイルの部材41a2とで一対のリニアモータ41aが形成され、電磁コイル側の部材52と磁石側の部材51とで一対の発電機50が形成されることを模式的に示している。
フライホイール30は、磁気ベアリング22aに代えて、現在開発されているという超電導軸受を使用することによって、回転エネルギーの損失を減少させることができる。
リニアモータ41aと発電機50とは、構造が近似しているため、兼用することができる。すなわち、フライホイール発電装置10は、リニアモータ41aでフライホイール30の回転数を所定の上限に到達させてリニアモータ41aへの通電を停止し、フライホイールを慣性エネルギーだけで回転させることによって、リニアモータ41aを発電機50として電気エネルギーを発生させて回収することができ、フライホイールの回転数が所定の下限に到達したら、再度リニアモータ41aに通電することによって、フライホイール30の回転数を上げるという間欠的な運転をすることができる。
本発明は、フライホイール30の機械的な回転エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換する方法と、それを利用する発電装置に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
E…電流
10…フライホイール発電装置
21…回転軸
22…軸受
22a…磁気ベアリング
30…フライホイール
34a…被駆動部材
41…電動モータ
41a1…磁石の部材
41a2…電磁コイルの部材
50…発電機
51…磁石側の部材
52…電磁コイル側の部材
61…容器
10…フライホイール発電装置
21…回転軸
22…軸受
22a…磁気ベアリング
30…フライホイール
34a…被駆動部材
41…電動モータ
41a1…磁石の部材
41a2…電磁コイルの部材
50…発電機
51…磁石側の部材
52…電磁コイル側の部材
61…容器
Claims (6)
- 回転によって電気エネルギーを発生する発電機と、同一の回転速度で該発電機の発生する電気エネルギーの仕事率より大きい回転エネルギーを有しているフライホイールとを、共通の回転軸に固定し、前記フライホイールと前記発電機とを電動モータで起動させて所定の回転速度とし、前記フライホイールの回転エネルギーは、前記発電機に所定の仕事率で電気エネルギーを発生する仕事をさせ、前記電動モータは、前記フライホイールに前記発電機がする仕事率より小さい仕事率で所定の回転速度に維持することを特徴とするフライホイールによる発電方法。
- 請求項1に記載の回転軸と、前記回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記回転軸に固定する請求項1に記載のフライホイールと、請求項1に記載の発電機と、請求項1に記載の電動モータとを備えてなり、前記フライホイールは、前記回転軸より直径の大きな円形状の被駆動部材を前記回転軸に同心円状に取り付けてあり、前記発電機は、前記回転軸とともに回転する磁石側の部材と磁石側の部材に回転自在で前記回転軸に対して回転不能な電磁コイル側の部材とを設けており、前記電動モータは、前記被駆動部材に係合して回転力を与えることによって、フライホイールを所定の回転速度まで回転させて回転速度を維持し、前記発電機は、磁石側の部材が電磁コイル側の部材に対して相対的に回転して交流電流を発生することによって、前記フライホイールの回転エネルギーを電気エネルギーに変換することを特徴とするフライホイール発電装置。
- 前記フライホイールは、内部を真空にした容器の中で回転することを特徴とする請求項2記載のフライホイール発電装置。
- 前記被駆動部材と前記電動モータとは、前記被駆動部材を固定した磁石の部材とし、前記電動モータを前記磁石の部材に対応する電磁コイルの部材とすることによって、一対のリニアモータを形成することを特徴とする請求項2または請求項3記載のフライホイール発電装置。
- 前記軸受は、磁気ベアリングとすることを特徴とする請求項2ないし請求項4のいずれか一項に記載のフライホイール発電装置。
- 前記発電機で発生した電流を交流から直流に変換する変換器と、直流に変換した前記電流を蓄えるバッテリーとを備えてなり、前記バッテリーは、前記電動モータに電気エネルギーを供給することを特徴とする請求項2ないし請求項5のいずれか一項に記載のフライホイール発電装置。
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