JP2018068089A - Superconducting magnetic energy storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書は、超電導磁気エネルギー貯蔵装置(Superconducting Magnetic Energy Storage : SMES)に関する。 The present specification relates to a superconducting magnetic energy storage (SMES).
特許文献1は、液体水素を利用して超電導磁気エネルギー貯蔵装置の超電導コイルを冷却するシステムを開示する。このシステムでは、エネルギーの有効利用を図るために、超電導コイルを冷却するために用いられる液体水素がガス化したボイルオフガスを、ガスタービン等で利用できるように構成されている。
ところで、水素分子は、2つの核スピンの向きが同じであるオルト水素と2つの核スピンの向きが逆であるパラ水素の2種類の核スピン異性体があることが知られている。オルト水素は、パラ水素よりもエネルギーが高い。このため、オルト水素からパラ水素へのオルト・パラ転換が発熱反応であり、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換が吸熱反応である。 By the way, it is known that the hydrogen molecule has two types of nuclear spin isomers, that is, ortho hydrogen in which the directions of two nuclear spins are the same and para hydrogen in which the directions of two nuclear spins are opposite. Ortho hydrogen has higher energy than para hydrogen. For this reason, ortho-para conversion from ortho hydrogen to para hydrogen is an exothermic reaction, and para-ortho conversion from para hydrogen to ortho hydrogen is an endothermic reaction.
特許文献1のように、冷却媒体として液体水素を利用する超電導磁気エネルギー貯蔵装置では、超電導コイルが充電されると、超電導コイルが発生する磁場により、液体水素の核スピンの向きが一致し、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換が生じる。このパラ・オルト転換の吸熱反応により、磁場を通して超電導コイルからエネルギーが奪われる。一方、超電導コイルが放電すると、液体水素は平衡状態に戻るため、オルト水素からパラ水素へのオルト・パラ転換が生じる。このオルト・パラ転換の発熱反応により、液体水素が暖められ、ボイルオフガスが発生する。
As in
このように、冷却媒体として液体水素を利用する超電導磁気エネルギー貯蔵装置では、超電導コイルの充放電が繰り返されると、エネルギー損失が増大するとともに、ボイルオフガスが大量に発生する。特許文献1は、発生するボイルオフガスをガスタービン等で利用するとしているが、ガスタービンの駆動を必要としないときは、ボイルオフガスを有効に利用することができない。
Thus, in a superconducting magnetic energy storage device that uses liquid hydrogen as a cooling medium, when charging / discharging of the superconducting coil is repeated, energy loss increases and a large amount of boil-off gas is generated. In
本明細書は、冷却媒体として液体水素を利用する超電導磁気エネルギー貯蔵装置において、エネルギー損失の増大を抑えるとともに、ボイルオフガスの発生を抑える技術を提供する。 The present specification provides a technique for suppressing increase in energy loss and suppressing generation of boil-off gas in a superconducting magnetic energy storage device using liquid hydrogen as a cooling medium.
本明細書が開示する超電導磁気エネルギー貯蔵装置の一実施形態は、磁気エネルギーを貯蔵する超電導コイル、その超電導コイルを収容するとともに液体水素を貯留する貯留槽、及び、液体水素をオルト水素の多い状態に維持するオルト水素維持手段を備える。この超電導磁気エネルギー貯蔵装置では、オルト水素維持手段によって液体水素がオルト水素の多い状態に維持されているので、超電導コイルの充放電が繰り返されても、パラ・オルト転換の吸熱反応及びオルト・パラ転換の発熱反応の双方が抑えられる。このため、この超電導磁気エネルギー貯蔵装置では、エネルギー損失の増大が抑えられるとともに、ボイルオフガスの発生が抑えられる。 One embodiment of a superconducting magnetic energy storage device disclosed in this specification includes a superconducting coil that stores magnetic energy, a storage tank that stores the superconducting coil and stores liquid hydrogen, and a state in which liquid hydrogen is rich in ortho hydrogen. Ortho hydrogen maintenance means is provided. In this superconducting magnetic energy storage device, liquid hydrogen is maintained in a state of a lot of ortho hydrogen by the ortho hydrogen maintaining means. Therefore, even if the superconducting coil is repeatedly charged and discharged, the endothermic reaction and ortho-para Both exothermic reactions of conversion are suppressed. For this reason, in this superconducting magnetic energy storage device, an increase in energy loss can be suppressed and generation of boil-off gas can be suppressed.
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。 The technical features disclosed in this specification will be summarized below. The technical elements described below are independent technical elements and exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Absent.
本明細書が開示する超電導磁気エネルギー貯蔵装置の一実施形態は、磁気エネルギーを貯蔵する超電導コイル、その超電導コイルを収容するとともに液体水素を貯留する貯留槽、及び、液体水素をオルト水素の多い状態に維持するオルト水素維持手段を備えていてもよい。ここで、本明細書で記載する「オルト水素の多い状態に維持する」とは、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換を促進させることにより、貯留槽内の環境下におけるオルト水素とパラ水素の平衡状態よりも、パラ水素に対するオルト水素の存在比が高い状態に液体水素を維持させることをいう。超電導コイルの線材には、液体水素の温度である約−253℃(20.4K)よりも高い温度に臨界温度を有する高温超電導体が用いられ、例えばMgB2、YBCO、BSCCO、Hg-1223及びLaFeAs(O,F)が例示される。オルト水素維持手段には、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換を促進させる様々な手段を採用することができ、例えば液体水素に磁場を印加してパラ・オルト転換を促進する手段を採用することができる。オルト水素維持手段は、貯留槽内に配置されていてもよく、貯留槽とは別体の構造体に配置されていてもよい。 One embodiment of a superconducting magnetic energy storage device disclosed in this specification includes a superconducting coil that stores magnetic energy, a storage tank that stores the superconducting coil and stores liquid hydrogen, and a state in which liquid hydrogen is rich in ortho hydrogen. Ortho hydrogen maintenance means for maintaining the temperature may be provided. Here, “maintaining a state in which there is a lot of ortho hydrogen” described in this specification means that by promoting the para-ortho conversion from para hydrogen to ortho hydrogen, ortho hydrogen and para hydrogen in the environment in the storage tank are promoted. This means that liquid hydrogen is maintained in a state where the abundance ratio of ortho hydrogen to para hydrogen is higher than the equilibrium state of hydrogen. For the wire of the superconducting coil, a high-temperature superconductor having a critical temperature higher than the liquid hydrogen temperature of about −253 ° C. (20.4 K) is used. For example, MgB2, YBCO, BSCCO, Hg-1223, and LaFeAs (O, F) is exemplified. Various means for promoting the para-ortho conversion from para-hydrogen to ortho-hydrogen can be adopted as the ortho-hydrogen maintaining means. For example, a means for promoting para-ortho conversion by applying a magnetic field to liquid hydrogen is adopted. can do. The ortho hydrogen maintaining means may be disposed in the storage tank, or may be disposed in a separate structure from the storage tank.
オルト水素維持手段は、循環装置及び磁場発生装置を有していてもよい。循環装置は、貯留槽から液体水素を引き出して貯留槽に液体水素を戻すように構成されている。磁場発生装置は、循環装置によって貯留槽から引き出された液体水素に磁場を印加するように構成されている。この態様によると、磁場発生装置がパラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換を行うことにより、貯留槽内の液体水素がオルト水素の多い状態に維持される。さらに、磁場発生装置は、超電導コイルが放電している期間において、磁場を印加するように制御されてもよい。これにより、超電導コイルが磁場を発生させない期間において、磁場発生装置が貯留槽内に貯留されている液体水素をオルト水素の多い状態に維持することができる。また、磁場発生装置は、超電導コイルが充電しているときの少なくとも一部の期間において、磁場の印加を停止するように制御されてもよい。超電導コイルが充電している期間では、超電導コイルが発生する磁場によって貯留槽内に貯留されている液体水素がオルト水素の多い状態に維持される。このため、この期間の一部において磁場発生装置を停止することにより、超電導磁気エネルギー貯蔵装置のエネルギー効率を向上させることができる。 The ortho hydrogen maintaining means may have a circulation device and a magnetic field generator. The circulation device is configured to draw liquid hydrogen from the storage tank and return the liquid hydrogen to the storage tank. The magnetic field generator is configured to apply a magnetic field to liquid hydrogen drawn from the storage tank by the circulation device. According to this aspect, the magnetic field generator performs para-ortho conversion from para-hydrogen to ortho-hydrogen, so that the liquid hydrogen in the storage tank is maintained in a state of high ortho-hydrogen. Furthermore, the magnetic field generator may be controlled to apply a magnetic field during a period when the superconducting coil is discharged. Thereby, in the period when a superconducting coil does not generate a magnetic field, the magnetic field generator can maintain the liquid hydrogen stored in the storage tank in a state where there is a lot of ortho hydrogen. Further, the magnetic field generator may be controlled to stop the application of the magnetic field in at least a part of the period when the superconducting coil is charged. During the period in which the superconducting coil is charged, the liquid hydrogen stored in the storage tank is maintained in a state in which the amount of ortho hydrogen is high by the magnetic field generated by the superconducting coil. For this reason, the energy efficiency of the superconducting magnetic energy storage device can be improved by stopping the magnetic field generator during part of this period.
図1に示されるように、超電導磁気エネルギー貯蔵装置1は、超電導コイル2、貯留槽4、循環装置6、磁場発生装置7及び制御装置8を備える。循環装置6、磁場発生装置7及び制御装置8は、オルト水素維持手段として機能する。
As shown in FIG. 1, the superconducting magnetic
超電導コイル2は、例えば系統の交流電源がインバータ装置を介して接続しており、直流電流が流れるように構成されている。超電導コイル2は、直流電流が流れているときに両端を短絡させるスイッチ回路(図示省略)を有する。これにより、超電導磁気エネルギー貯蔵装置1は、超電導コイル2を含む閉ループに直流電流を還流させ、電気エネルギーを磁気エネルギーとして貯蔵することができる。超電導コイル2の線材には、YBCOが用いられている。
The
貯留槽4は、超電導コイル2を収容するとともに液体水素を貯留するように構成されている。後述するように、貯留槽4に貯留されている液体水素は、超電導コイル2が充放電を繰り返すときに、オルト水素の多い状態に維持されている。
The
循環装置6は、貯留槽4から液体水素を引き出して貯留槽4に液体水素を戻すように構成されている。
The
磁場発生装置7は、循環装置6の循環経路に設けられており、循環経路を循環する液体水素に磁場を印加するように構成されている。磁場発生装置7は、液体水素に対して0.1T(テスラ)以上の強さの磁場を印加可能に構成されている。このような強磁場が印加されると、液体水素では、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト水素転換が促進される。また、液体水素を冷却する冷却装置が循環装置6の循環経路に設けられていてもよい。
The
制御装置8は、磁場発生装置7が液体水素に磁場を印加するタイミングを制御するように構成されている。制御装置8は、超電導コイル2が放電している期間において、磁場発生装置7が磁場を印加するように制御する。また、制御装置8は、超電導コイル2が充電されているときの少なくとも一部の期間において、磁場発生装置7が磁場を印加するのを停止するように制御する。
The
次に、超電導磁気エネルギー貯蔵装置1の動作を説明する。なお、超電導磁気エネルギー貯蔵装置1が動作する前の段階では、貯留槽4内に貯留されている液体水素は、オルト水素とパラ水素が平衡状態にあり、特定のパラ水素が多い存在比でオルト水素とパラ水素が存在する。
Next, the operation of the superconducting magnetic
まず、超電導磁気エネルギー貯蔵装置1は、初期充電動作を実行する。初期充電動作では、スイッチ回路(図示省略)が、超電導コイル2に直流電流が流れているときに、超電導コイル2の両端を短絡させて超電導コイル2を含む閉ループを構成する。これにより、超電導コイル2を含む閉ループを直流電流が還流し、超電導コイル2が充電される。超電導コイル2が充電されると、超電導コイル2が発生する磁場により、貯留槽4内に貯留されている液体水素の核スピンの向きが一致し、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換が生じる。パラ・オルト転換は吸熱反応であり、この吸熱反応により磁場を通して超電導コイル2からエネルギーが奪われる。なお、この初期充電に先立って、循環装置6が液体水素を循環させるとともに制御装置8が磁場発生装置7を駆動して循環する液体水素に磁場を印加し、液体水素にパラ・オルト転換を生じさせておいてもよい。このように、初期充電が完了すると、貯留槽4内に貯留されている液体水素は、平衡状態に比して、パラ水素に対するオルト水素の存在比が高い状態となる。
First, the superconducting magnetic
次に、超電導磁気エネルギー貯蔵装置1は、外部負荷の要求に応じて、放電動作を実行する。放電動作では、スイッチ回路(図示省略)が、超電導コイル2の両端を開放して超電導コイル2を外部負荷に接続させる。これにより、超電導コイル2に貯蔵されていた磁気エネルギーが電気エネルギーとして外部負荷に供給される。この超電導コイル2の放電動作に先立って、循環装置6が液体水素を循環させるとともに制御装置8が磁場発生装置7を駆動して循環する液体水素に磁場を印加する。これにより、超電導コイル2が放電して超電導コイル2が磁場を発生しなくなった後でも、磁場発生装置7が液体水素に対して磁場を印加し続けるので、貯留槽4内に貯留されている液体水素は、オルト水素の多い状態に維持される。これにより、液体水素がオルト水素からパラ水素にオルト・パラ転換することが抑えられる。液体水素のオルト・パラ転換は発熱反応であり、この発熱反応が抑えられるので、ボイルオフガスの発生が抑えられる。
Next, the superconducting magnetic
次に、超電導磁気エネルギー貯蔵装置1は、充電動作を実行する。充電動作では、スイッチ回路(図示省略)が、超電導コイル2に直流電流が流れているときに、超電導コイル2の両端を短絡させて超電導コイル2を含む閉ループを構成する。これにより、超電導コイル2を含む閉ループを直流電流が還流し、超電導コイル2が充電される。貯留槽4内に貯留されている液体水素がオルト水素の多い状態に維持されているので、この充電動作では、パラ水素からオルト水素へのパラ・オルト転換が抑えられる。このため、パラ・オルト転換の吸熱反応によるエネルギー損失が低減される。超電導コイル2が充電されると、制御装置8は、磁場発生装置7の駆動を停止し、循環する液体水素に磁場を印加するのを停止する。超電導コイル2が充電されると、超電導コイル2が発生する磁場により、貯留槽4内に貯留されている液体水素は、オルト水素の多い状態に維持される。このため、磁場発生装置7の駆動を停止することにより、超電導磁気エネルギー貯蔵装置1のエネルギー効率を向上させることができる。
Next, the superconducting magnetic
その後、上記の放電動作と充電動作が繰り返されるが、貯留槽4内に貯留されている液体水素がオルト水素の多い状態に維持されているので、オルト・パラ転換の発熱反応とパラ・オルト転換の吸熱反応の双方が抑えられる。このように、超電導磁気エネルギー貯蔵装置1では、超電導コイル2の充放電が繰り返されても、エネルギー損失の増大が抑えられるとともに、ボイルオフガスの発生が抑えられる。
Thereafter, the discharging operation and the charging operation are repeated. However, since the liquid hydrogen stored in the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
1:超電導磁気エネルギー貯蔵装置
2:超電導コイル
4:貯留槽
6:循環装置
7:磁場発生装置
8:制御装置
1: Superconducting magnetic energy storage device 2: Superconducting coil 4: Reservoir 6: Circulation device 7: Magnetic field generator 8: Control device
Claims (4)
磁気エネルギーを貯蔵する超電導コイルと、
前記超電導コイルを収容するとともに液体水素を貯留する貯留槽と、
前記液体水素をオルト水素の多い状態に維持するオルト水素維持手段と、を備える超電導磁気エネルギー貯蔵装置。 A superconducting magnetic energy storage device,
A superconducting coil for storing magnetic energy;
A storage tank for storing the superconducting coil and storing liquid hydrogen;
A superconducting magnetic energy storage device comprising: ortho hydrogen maintaining means for maintaining the liquid hydrogen in a state in which the amount of ortho hydrogen is high.
前記貯留槽から前記液体水素を引き出して前記貯留槽に前記液体水素を戻すように構成されている循環装置と、
前記循環装置によって前記貯留槽から引き出された前記液体水素に磁場を印加するように構成されている磁場発生装置と、を有する、請求項1に記載の超電導エネルギー貯蔵装置。 The ortho hydrogen maintaining means includes
A circulation device configured to draw the liquid hydrogen from the storage tank and return the liquid hydrogen to the storage tank;
The superconducting energy storage device according to claim 1, further comprising: a magnetic field generator configured to apply a magnetic field to the liquid hydrogen drawn from the storage tank by the circulation device.
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