JP4496930B2

JP4496930B2 - 風力発電システム

Info

Publication number: JP4496930B2
Application number: JP2004328251A
Authority: JP
Inventors: 徹岡崎
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2024-11-11
Also published as: JP2006141128A

Description

本発明は、ブレード、ブレードが回転可能に取り付けられる発電機、発電機が収納されるナセル、ナセルが頂部に取り付けられる支柱を備え、ブレードの回転により発電機で発電を行う風力発電システムに関する。

風力発電として、支柱の上部に、ブレード、発電機、発電機が収納されるナセルを設けた風力発電装置を用い、ブレードの回転により発電機で発電を行うものが知られている。

この風力発電装置を用いて、高出力の風力発電を行おうとすると、ブレードを大型化したり、上空の強い風を利用するために支柱を高くしたりする必要がある。ブレードを大型化する場合には、ブレードの後部に配置される発電機および発電機が収納されるナセルも大型化する必要がある。このように、ブレード等を大型化する場合には、風力発電装置が風圧によって転倒する恐れがあるので、転倒防止のために、ブレード等を支える支柱も太くしなければならない。

特に、より高い位置での風をブレードで受けるようにするには、支柱の高さを高くしなければならないので、ブレードおよび発電機を大きくする場合には、支柱の強度を十分に保つために、さらに、支柱を太くしなければならない。

また、風力発電装置が設置されるところは、僻地が多いため、ブレード、発電機、ナセル、支柱の全てが大きくなると、これらの部材を現地で組み立てる作業は非常に困難となる。

そこで、発電機を地上に配置することにより、支柱で支持する部材の軽量化を図ったものが提案されている（特許文献１参照）。この特許文献１に示す風力発電装置は、支柱内に、支柱の下部から上部に至る伝動軸を配置し、ブレードの回転軸の端部と伝動軸の上端部とにベベルギヤを取り付け、伝動軸の下端を発電機に接続して構成されている。特許文献１の風力発電装置は、ブレードの回転をベベルギヤを介して伝動軸に伝え、この伝動軸の回転により発電機で発電を行うようにしている。

特開2003-278639号公報

しかし、特許文献1に示す風力発電装置では、ブレードの回転を、ベベルギアと伝動軸を介して発電機に伝えるようにしているため、ベベルギヤにより大きな摩擦抵抗が生じる。さらに、ブレード回転軸で長く重たい伝動軸を回転させる必要があるので、ブレード回転軸に大きな負荷抵抗が生じる。その結果、特許文献１に示す風力発電装置による発電は、発電効率が非常に悪くなるという問題がある。

従って、本発明は、発電機およびナセルを軽量・小型化し、支柱も細く軽量化できながら、風力発電による発電効率を上げられる風力発電システムを提供することを目的とする。

本発明は、ブレード、ブレードが回転可能に取り付けられる発電機、発電機が収納されるナセル、ナセルが頂部に取り付けられる支柱を備え、ブレードの回転により発電機で発電を行う風力発電システムにおいて、前記発電機を、超電導発電機としていることを特徴とする。

超電導発電機は、小型な発電機でありながら、大きな電力を得ることができる。超電導発電機としては、例えば、ブレードの回転軸に連結される回転体と、回転体の周りに配設される電機子コイルと、この電機子コイルの外周に配置される磁気シールドとを備え、回転体の内部中心に液冷媒が充填される冷却室を、その冷却室の外周囲に超電導磁界コイルを配置させたものが挙げられる。

このように、風力発電に用いる発電機として超電導発電機を用いることにより、通常の超電導磁界コイルを用いない発電機と比較して小型で軽量でありながら、発電効率が非常に良くなる。

超電導発電機で発電した電力は、電力としてそのまま発電所・需要者に供給することもできるし、二次電池に蓄電することもできる。

ところで、超電導発電機は、超電導磁界コイルを冷媒で冷却する必要があるので、冷媒を冷却するための冷却装置が必要となり、冷却装置で冷却した冷媒を超電導発電機に循環路を介して送るためのポンプも必要となる。これら、冷却装置やポンプを駆動させるためには、電力が必要となるが、本発明では、これら装置を駆動させるために超電導発電機で発電した電力をそのまま用いることができる。

しかし、風力発電は、発電量が安定しないため、冷却装置やポンプを駆動させる際に超電導発電機から直接電力の供給が行えない恐れがある。そこで、二次電池を備えておき、電池により適宜電力供給されるように構成することで、冷却装置、ポンプなどの機器の安定した運転を行うことができる。

さらに、後記する液冷媒製造装置（液体水素製造装置を含む）、気体冷媒製造装置（水素ガス製造装置を含む）を設ける場合には、これら装置を駆動させるために超電導発電機で発電した電力を用いることができる。これら装置を駆動させるための電力は、発電した電力の全てを用いてもよいし、一部を用いるようにしてもよい。さらに、二次電池に蓄電させた電力をこれら装置の駆動のために用いるようにしてもよい。

超電導発電機は、超電導磁界コイルを超電導状態に維持するために、冷媒を用いて冷却し続ける必要がある。本発明では、液体ヘリウム、液体水素、液体窒素、77K以下の水素ガス、77K以下のヘリウムガスなどの冷媒を用いて超電導磁界コイルを冷却する。超電導磁界コイルの冷却は、できるだけ温度が低い方が好ましいので、冷媒として、液体窒素よりも低温である液体ヘリウム、液体水素、液体水素を気化した極低温の水素ガス(液体窒素の沸点(77K)よりも低温のもの)を用いることが好ましい。

ところで、超電導発電機を冷媒で冷却する際、一般的に、冷却装置と超電導発電機との間を冷媒循環路を介して冷媒を循環させて行う。その場合、冷媒循環路には冷媒循環用のポンプを備える。従って、冷媒として気体冷媒を用いる場合には、液体冷媒よりも冷媒を循環させる際のポンプ動力を低減できる。

また、水素は、近年、燃料電池に使用されてきており、その利用価値が高くなっている。従って、本発明においても、超電導磁界コイルを冷却する冷媒としては、液体水素や極低温の水素ガスを用いることが好ましい。

一般に液体水素ステーション、液体水素プラントなどの液体水素供給箇所の多くは、海水を利用して水素を製造するために海に近い場所に建設される。また、風力発電装置も風の強い海辺に設置されることが多い。このように、液体水素供給箇所と風力発電装置の設置箇所が近い場合には、液体水素供給箇所から液体水素を超電導発電機に直接供給して、超電導発電機を冷却するようにしてもよい。この場合、液体水素供給箇所から風力発電装置までの水素供給用の配管の長さを短くできるので、水素の外部からの熱影響によるロスをできるだけ少なくできる。

さらに、液体水素供給箇所から供給される液体水素は、超電導発電機までの輸送中に気化しても、水素の温度が、十分低温であれば、超電導発電機を冷却できる。従って、液体水素供給箇所から超電導発電機まで、極低温の水素ガスを供給するようにすれば、液体水素を輸送する場合よりも輸送する際のポンプ動力を低減できる。

本発明の風力発電システムでは、超電導発電機を液冷媒で冷却する構成とする場合、気体冷媒を液化する液冷媒製造装置と、液冷媒製造装置と超電導発電機との間で冷媒を循環させる冷媒循環機構とを備える構成とすることができる。

液冷媒製造装置は、冷媒循環機構における冷媒循環路中に冷媒を封入しておいて、冷媒循環路を循環する冷媒が、超電導発電機に入る際には常に液体の状態になるように超電導発電機から戻った冷媒を液化する構成にすることができる。

液冷媒製造装置から超電導発電機に至る冷媒流路は、液冷媒のジュール熱や侵入熱による冷媒の温度上昇を低減するために短い方が好ましい。従って、冷媒循環機構を冷媒循環路中に冷媒を封入する構成とする場合には、液冷媒製造装置は、ナセル内に設けることが好ましい。ナセル内に液冷媒製造装置を設けることにより、液冷媒の循環路を短くできるし、ポンプ容量も小さくできる。なお、ナセル内に液冷媒製造装置を設けても、発電機を従来よりも小さくでき、液冷媒製造装置も小さくできるので、従来よりも支柱の上部は軽く小型化できる。

また、液冷媒製造装置は、この装置に外部から気体冷媒を供給して液化し、液化された液冷媒を冷媒循環機構を介して超電導発電機に送った後、当該装置に戻し、ガス化した冷媒を外部の他の利用箇所に送るように構成してもよい。この場合には、液冷媒製造装置は、冷媒循環機構における液冷媒の循環路は長くなるが、液冷媒製造装置で製造した液冷媒を他の利用箇所にも供給するため、支柱の近くに配設することが好ましい。また、この場合、超電導発電機から液冷媒製造装置に戻った冷媒を再度液化して、超電導発電機に送るようにしてもよい。

また、冷媒循環機構における液冷媒の循環路が長くなっても、液冷媒製造装置から超電導発電機に至る冷媒循環路を液冷媒が流れる間に冷媒を極低温状態に気化させるようにすれば、気体冷媒は、液体冷媒よりも軽く流路抵抗も小さいので、冷媒循環路に設けるポンプ動力を小さくできる。特に、冷媒として水素を用いる場合には、水素ガスは非常に軽いために、冷媒循環路に設けるポンプ動力をさらに小さくできる。しかも、液冷媒製造装置に外部から気体冷媒を供給する場合も、液冷媒製造装置までの冷媒輸送路に設けるポンプの動力を低減できる。

そして、冷媒循環機構は、液冷媒製造装置で得られた液冷媒を超電導発電機に供給し、この発電機を冷却した後に液冷媒製造装置に戻す構成としている。例えば、冷媒循環機構は、超電導発電機に設ける冷却室と液冷媒製造装置とを連通する往路配管と復路配管を設け、何れかの配管にポンプを設ける構成とする。冷媒循環機構は、ポンプの駆動により、液冷媒製造装置で得られた液冷媒を往路配管から超電導発電機の冷却室に供給して超電導磁界コイルを冷却し、復路配管から液冷媒製造装置に戻して冷媒を循環させる。

本発明では、液冷媒製造装置を用いることにより、液冷媒製造装置までは冷媒を気体の状態で輸送できるので、冷媒をパイプラインで輸送する場合には、輸送に用いるポンプ動力を低減することができる。また、輸送される気体冷媒の温度が高くなっても液冷媒製造装置により気体冷媒を液化して極低温にできるので、輸送路の断熱性能も小さくすることができる。なお、液冷媒製造装置で液化する気体冷媒は、非常に軽量でポンプ動力を低減できる水素ガスとすることが好ましい。

ところで、風力発電システムで発電する場合、発電は、風の状態に左右されるため、常に一定の電力が得られないので電力の供給が不安定となる。そのため、このシステムで発電された電力をそのまま発電所などに供給するよりも、水素を製造する製造装置を駆動させるために用いて、得られた水素を需要者に供給する方が利用価値が高い。製造された水素はタンクに貯蔵しておけばよいので水素の供給も安定する。

そこで、本発明のシステムは、超電導発電機を冷却する冷媒として、液体水素を用いるとともに、水素ガスを製造する水素ガス製造装置と、水素ガスを液化して液体水素を製造する液体水素製造装置とを備えるようにしてもよい。

この場合には、水素ガス製造装置と液体水素製造装置とを超電導発電機により発電された電力を用いて駆動し、液体水素製造装置で製造された液体水素を用いて超電導発電機を冷却する。

さらに、水素ガス製造装置と液体水素製造装置とを備える構成とする場合には、製造された液体水素を超電導発電機の冷却に用いるだけでなく、他の用途に用いることができる。例えば、製造された液体水素を、燃料電池に用いたり、水素タンクに貯蔵しておいて液体水素ステーション、液体水素プラントなどに供給したりする。

液体水素を燃料電池に用いる場合には、この燃料電池で発電される電力を本発明の風力発電システムで用いる機器（例えば、水素ガス製造装置や液体水素製造装置、ポンプなど）を駆動させるための電力として利用するようにしてもよい。

ところで、液体水素製造装置を設ける場合、これらの装置と超電導発電機との間で冷媒を循環させる冷媒循環機構を必要とする。特に支柱の外部に前記した冷媒循環機構を設ける場合には、支柱内に長い冷媒配管を設け、さらに、配管中の冷媒を循環させるための容量の大きいポンプが必要となる。

そこで、液体水素製造装置をナセル内に配置させれば、液体水素の循環路を短くできるし、ポンプ容量も小さくできる。この場合、液体水素製造装置には、水素ガスを供給すればよいので、液体水素製造装置までの冷媒輸送路に設けるポンプの動力を低減できる。

さらに、冷媒循環機構を省くために、本発明の風力発電システムは、ナセル内に、超電導発電機と共に、超電導発電機を冷却する冷却装置を備える構成としてもよい。冷却装置は、超電導発電機に設ける冷却室内に貯留される冷媒を冷却する。冷媒は超電導発電機の冷却室内に封止しておいて、冷却装置で冷却室内の冷媒を冷却する。冷却装置で冷却する冷媒は、水素が好ましく、液体水素でもよいし、極低温の水素ガスでもよい。ナセル内に冷却装置を設ける場合には、冷媒循環機構、ポンプ、冷媒輸送路が不要となる。

本発明の風力発電システムによれば、風力発電に用いる発電機として超電導発電機を用いることにより、通常の発電機と比較して小型で、軽量でありながら、発電効率を非常に良くすることができる。しかも、従来のように、抵抗の大きいベベルギヤや回転伝達用の長い軸を介することなくブレードの回転をそのまま発電機に伝えることができる。さらに、発電機、ナセルを軽量・小型化できるので、支柱上部が軽くなり、支柱の強度を従来のように強くしなくてもよくなることから、支柱も軽量にできる。

その結果、発電機、ナセルの軽量・小型化、支柱の軽量化が可能となり、しかも、ギヤや伝達軸などの部材も無くすことができるので、風力発電システム全体として低コスト化が図れながら、発電機効率も良くすることができる。また、発電機およびナセルの小型化により、支柱や支柱を支える土台などがより簡便な構造とすることができる。

以下、本発明の風力発電システムの実施の形態を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る風力発電システムの概略構成図である。

本実施形態の風力発電システムは、風力発電装置11、二次電池12、水素ガス製造装置13、液冷媒製造装置（液体水素製造装置14）、冷媒循環機構15、水素タンク16、燃料電池17とを備える。

風力発電装置11は、ブレード2、ブレード2が回転可能に取り付けられる超電導発電機3、超電導発電機3が収納されるナセル4、ナセル4が頂部に取り付けられる支柱5を備える。風力発電装置11は、ブレード2が風を受けて回転することにより超電導発電機3で発電が行なわれる。

超電導発電機3は図１に示すように、ブレード2の回転軸21に連結される回転体31と、回転体31の周りに配設される電機子コイル32と、この電機子コイル32の外周に配置される磁気シールド33とを備える。さらに、回転体31の内部中心に液冷媒（液体水素）が充填される冷却室34を設け、その冷却室34の外周囲に超電導磁界コイル35を配置させている。

本実施形態では、超電導発電機3で発電した電力は、二次電池12に蓄電したり、水素ガス製造装置13、液体水素製造装置14、冷媒循環機構15のポンプ15cを駆動するために用いる。さらに、二次電池12に蓄電した電力は、水素ガス製造装置13および液体水素製造装置14、ポンプ15cを駆動するために用いる。二次電池12としては、リチウムイオン電池、レドックスフロー電池、鉛蓄電池などが挙げられる。

本実施形態では、水素ガス製造装置13で、水素ガスを製造し、製造された水素ガスを液体水素製造装置14で液化して液体水素を製造するようにしている。水素ガス製造装置13および液体水素製造装置14は、市販されている装置を用いている。液体水素製造装置14は、液冷媒のジュール熱や侵入熱による冷媒の温度上昇をできだけ低減するために支柱5の近くの地面に設置している。

本実施形態では、液体水素製造装置14で製造した液体水素を用いて超電導発電機3の超電導磁界コイル35を冷却し、超電導磁界コイル35の超電導状態を維持するようにしている。即ち、液体水素が冷媒循環機構15により液体水素製造装置14から超電導発電機3に送られ、超電導発電機3の超電導磁界コイル35が液体水素で冷却される。

冷媒循環機構15は、具体的には、超電導発電機3に設ける冷却室34と液体水素製造装置14とを連通する往路配管15aと復路配管15bを備えると共に、往路配管15aに設けるポンプ15cを備えている。本実施形態では、このポンプ15cの駆動により、液体水素製造装置14で製造された液体水素を往路配管15aから超電導発電機3の冷却室34に供給して超電導磁界コイル35を冷却し、復路配管15bから液体水素製造装置14に戻すようになっている。

なお、液体水素製造装置14は、水素ガス製造装置13で製造された水素ガスを液化したり、超電導発電機3を冷却したときに気化した水素ガスを液化する。

液体水素製造装置14で製造した液体水素は、超電導発電機3を冷却するために用いるだけでなく、水素タンク16に貯留される。水素タンク16に貯留した液体水素は、水素ステーションなどの水素供給箇所に輸送したり、燃料電池17に供給したりする。燃料電池17で発生した電力も水素ガス製造装置13、液体水素製造装置14、ポンプ15cを駆動させるために用いる。

本実施形態の風力発電装置11は、ブレード2が風で回転することにより、超電導発電機3で発電するようになっている。このとき生じた電力は、水素ガス製造装置13と液体水素製造装置14を駆動するために用いられ、さらに、余剰の電力は、二次電池12に蓄積させたり、発電所や需要者に供給される。

水素ガス製造装置13で製造された水素ガスは、液体水素製造装置14で液化され、冷媒循環機構15を介して超電導発電機3を冷却するために用いられるとともに、水素タンク16に一部が貯留される。水素タンク16に貯留された液体水素は、水素ステーションなどに送られたり、燃料電池17に供給される。

本実施形態では、風力発電装置11を構成する発電機に超電導発電機3を用いているので、風力発電装置全体を軽量・小型化できながら発電効率も良くすることができる。しかも、超電導発電機3で発電した電力を利用して、液体水素を製造することができるので、発電した電力が無駄となることなく、有効に活用できる。

このように、第１実施形態では、軽量・小型で発電効率の良い風力発電システムで発電された電力を、需要者側に供給するだけでなく、水素ガスおよび液体水素を製造するためにも用いることができる。

なお、第１実施形態では、水素ガスを水素ガス製造装置13で製造して、得られた水素ガスを液体水素製造装置14で液化するようにしたが、液体水素製造装置14に、水素ステーションなどの外部から水素ガスを供給するようにしてもよい。水素ステーションから水素を供給する場合、液体水素を輸送の途中で水素をガス化させ、水素を供給するためのポンプ動力を低減させるようにする。そして、水素ガスを、液体水素製造装置14で再度液化させ、液体水素を超電導発電機3に供給して発電機を冷却する。

上記実施形態は、液体水素製造装置14で製造された液体水素を冷媒循環機構15を介して超電導発電機3に送って冷却するようにしたが、図２に示す第２実施形態では、冷媒循環機構を設けず、ナセル4内に、超電導発電機3と共に、超電導発電機3を冷却する冷却装置6も収納する構成としている。

本実施形態では、ブレード2、超電導発電機3、支柱5の構成は、第１実施形態と同じであるので、同符号で示す部材については説明を省略する。

冷却装置6は、超電導発電機3の回転体31における軸方向一端側で、ブレード2配設側とは反対側に配設している。冷却装置6は、熱交換チューブ61を超電導発電機3に設ける冷却室34内に挿入させ、この熱交換チューブ61により、冷却室34内の冷媒を冷却するようにしている。冷媒として本実施形態では、水素を用いているが、液体ヘリウムや液体窒素を用いてもよい。水素は、極低温の水素ガスまたは液体水素を用いる。

本実施形態も、超電導発電機3で発電した電力を二次電池12に蓄電するようになっており、冷却装置6は、超電導発電機3で発電された電力または二次電池12に蓄電されている電力を用いて駆動させる。

本実施形態によれば、冷媒の循環機構を設ける必要がなくなり、それだけ構成を簡単にできるし、構成部材も少なくできる。

本発明の風力発電システムは、僻地に風力発電装置を設ける場合に好適である。

本発明風力発電システムの第1実施形態の構成の概略を示す説明図である。本発明風力発電システムの第２実施形態の構成の概略を示す説明図である。

符号の説明

11 風力発電装置
2 ブレード 21 回転軸
3 超電導発電機
31 回転体 32 電機子コイル 33 磁気シールド
34 冷却室 35 超電導磁界コイル
4 ナセル 5 支柱 6 冷却装置 61 熱交換チューブ
12 二次電池 13 水素ガス製造装置 14 液体水素製造装置
15 冷媒循環機構
15a 往路配管 15b 復路配管 15c ポンプ
16 水素タンク 17 燃料電池

Claims

ブレード、ブレードが回転可能に取り付けられる発電機、発電機が収納されるナセル、ナセルが頂部に取り付けられる支柱を備え、ブレードの回転により発電機で発電を行う風力発電システムであって、
前記発電機が、超電導発電機であり、
前記超電導発電機内に冷媒が貯留される冷却室を設け、前記ナセル内に、前記冷却室内の冷媒を冷却する冷却装置を備えることを特徴とする風力発電システム。
前記冷却室内に貯留される冷媒が水素であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電システム。
ブレード、ブレードが回転可能に取り付けられる発電機、発電機が収納されるナセル、ナセルが頂部に取り付けられる支柱を備え、ブレードの回転により発電機で発電を行う風力発電システムであって、
前記発電機が、超電導発電機であり、
水素ガスを製造する水素ガス製造装置と、
水素ガスを液化して液体水素を製造する液体水素製造装置とを備え、
前記水素ガス製造装置と前記液体水素製造装置とを前記超電導発電機により発電された電力を用いて駆動し、
前記液体水素製造装置で製造された液体水素を用いて前記超電導発電機を冷却することを特徴とする風力発電システム。