JP2013211955A

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

Info

Publication number: JP2013211955A
Application number: JP2012079111A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Minekage; 孝輔嶺蔭
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10

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

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）。

特開２０１１−２５９５６１号公報

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。

全体構成図要部説明図全体構成図要部構成図

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。

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＝１／２ｍＲ^２であらわされ、円輪の慣性モーメントＩｂは、Ｉｂ＝ｍＲ^２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＝０．７５×１６×０．２^２＝０．４８（ｋｇ・ｍ^２）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×ω^２＝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］

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

Claims

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。