JP5435357B2 - Power generation system - Google Patents
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Description
本発明は、誘導加熱を利用して、回転エネルギー(機械エネルギー)を熱エネルギーに変換し、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、この熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備える発電システムに関する。 The present invention uses induction heating to convert rotational energy (mechanical energy) into heat energy and heat the heat medium, and a power generation unit that converts heat of the heat medium into electric energy. The present invention relates to a power generation system provided.
水を加熱する装置として、誘導加熱(渦電流)を利用した加熱装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の渦電流加熱装置は、外周に永久磁石が配置された回転可能なロータと、このロータの外周に固定して設けられ、内部に水を流通させる流通路が形成された導電材料の加熱部とを備える。そして、ロータが回転することより、ロータ外周の永久磁石による磁力線が加熱部を貫通して移動することで、加熱部に渦電流が発生して、加熱部自体が発熱する。その結果、加熱部で発生した熱が内部の流通路を流通する水に伝達され、水が加熱される。
As a device for heating water, a heating device using induction heating (eddy current) has been proposed (for example, see Patent Document 1). The eddy current heating device described in
上記の技術は風力などのエネルギーを利用して給湯を行うことを主目的としたものであるが、近年、同じく風力、水力、波力などの再生可能エネルギーを利用した発電システムが注目されている。 The above-mentioned technology is mainly intended to supply hot water using energy such as wind power, but in recent years, power generation systems using renewable energy such as wind power, hydraulic power, and wave power are also attracting attention. .
例えば非特許文献1〜3には、風力発電に関する技術が記載されている。風力発電は、風で風車を回転させ、発電機を駆動して発電するものであり、風のエネルギーを回転エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出すものである。風力発電システムは、塔の上部にナセルを設置し、このナセルに水平軸風車(風の方向に対して回転軸がほぼ平行な風車)を取り付けた構造が一般的である。ナセルには、風車の回転軸の回転数を増速して出力する増速機と、増速機の出力によって駆動される発電機とが格納されている。増速機は、風車の回転数を発電機の回転数まで高める(例えば1:100)ものであり、ギアボックスが組み込まれている。
For example, Non-Patent
最近では、発電コストを下げるため、風車(風力発電システム)を大型化する傾向があり、風車の直径が120m以上、1基当たりの出力が5MWクラスの風力発電システムが実用化されている。このような大型の風力発電システムは、巨大かつ重量物であるため建設上の理由から、洋上に建設されるケースが多い。 Recently, there is a tendency to increase the size of a windmill (wind power generation system) in order to reduce the power generation cost, and a wind power generation system with a wind turbine diameter of 120 m or more and an output per unit of 5 MW has been put into practical use. Such large-scale wind power generation systems are huge and heavy, and are often constructed offshore for construction reasons.
また、風力発電では、風力の変動に伴い発電出力(発電量)が変動するため、風力発電システムに蓄電システムを併設し、不安定な電力を蓄電池に蓄えて、出力を平滑化することが行われている。 In wind power generation, the power generation output (power generation amount) fluctuates with the fluctuation of wind power. Therefore, a power storage system is added to the wind power generation system, unstable power is stored in the storage battery, and the output is smoothed. It has been broken.
しかし、上記した特許文献1に記載されるような従来の誘導加熱装置では、磁場(磁力線)を発生させる手段に永久磁石を用いているため、次のような不具合が起こり得る。
However, in the conventional induction heating apparatus as described in
誘導加熱エネルギーは、磁場の強さ(H)の二乗に比例するが、永久磁石では一般的に発生できる磁場が弱いため、十分な誘導加熱エネルギーが得られず、所望の温度まで熱媒体(例えば、水などの液体)を加熱できない虞がある。 The induction heating energy is proportional to the square of the magnetic field strength (H). However, since a magnetic field that can generally be generated by a permanent magnet is weak, sufficient induction heating energy cannot be obtained, and a heat medium (for example, up to a desired temperature) , Liquid such as water) may not be heated.
また、強力な磁場を得るためにネオジウム磁石を使用することが考えられるが(特に、特許文献1の段落0037参照)、ネオジウム磁石は熱に弱く、温度が上昇すると、磁気特性が低下する(これは、一般的なフェライト磁石も同じ)。そのため、加熱部の近い位置に永久磁石が配置されるような従来の誘導加熱装置では、永久磁石の温度が上昇し易く、磁気特性が低下して、結果的に所望の温度まで熱媒体を加熱できない虞がある。さらに、永久磁石は、時間の経過とともに磁気特性が劣化することから、長時間の使用に耐えられない虞がある。ところで、熱による磁気特性の低下(劣化)を防止するために永久磁石の周囲に断熱材を設けることも考えられるが、断熱材は通常非磁性体であるため、永久磁石と加熱部との間の磁気ギャップが所定以上に大きくなり、結果的に磁場の低下を招いてしまう虞がある。 In addition, it is conceivable to use a neodymium magnet to obtain a strong magnetic field (see, in particular, paragraph 0037 of Patent Document 1), but the neodymium magnet is vulnerable to heat, and as the temperature rises, the magnetic properties deteriorate (this) The same applies to general ferrite magnets). Therefore, in the conventional induction heating apparatus in which the permanent magnet is arranged near the heating unit, the temperature of the permanent magnet is likely to rise, the magnetic characteristics are lowered, and as a result, the heating medium is heated to a desired temperature. There is a possibility that it cannot be done. Furthermore, since permanent magnets deteriorate in magnetic characteristics over time, there is a possibility that they cannot be used for a long time. By the way, in order to prevent the deterioration (deterioration) of the magnetic properties due to heat, it is conceivable to provide a heat insulating material around the permanent magnet. However, since the heat insulating material is usually a non-magnetic material, it is between the permanent magnet and the heating part. There is a possibility that the magnetic gap becomes larger than a predetermined value, resulting in a decrease in the magnetic field.
一方、一般に広く知られている風力発電システムでは、出力平滑化のため蓄電システムが設置されているが、蓄電システムには電力を蓄電池に蓄えるためにコンバータなどの部品が必要であるため、システムの複雑化、電力損失の増大を招く。また、大型の風力発電システムの場合では、発電量に応じた大容量の蓄電池が必要であり、システム全体としてのコスト増大を招く。 On the other hand, in a generally well-known wind power generation system, a power storage system is installed for smoothing the output. However, since the power storage system requires components such as a converter to store power in the storage battery, This increases complexity and power loss. Further, in the case of a large-scale wind power generation system, a large-capacity storage battery corresponding to the amount of power generation is required, which increases the cost of the entire system.
また、風力発電システムの故障原因の多くは、増速機、より具体的にはギアボックスのトラブルによるものである。ギアボックスが故障すると、通常はギアボックスを交換することで対処しているが、塔の上部にナセルが設置されている場合は、ギアボックスの取り付け・取り外しに多大な時間と労力を要する。そこで最近では、増速機を必要としないギアレスの可変速式風力発電機もある。 Moreover, many of the causes of failure of the wind power generation system are due to problems with the gearbox, more specifically, the gear box. When a gearbox breaks down, it is usually dealt with by exchanging the gearbox. However, if a nacelle is installed at the top of the tower, it takes a lot of time and labor to install and remove the gearbox. Therefore, recently, there is a gearless variable-speed wind generator that does not require a gear box.
しかし、ギアレスの場合、具体的には発電機の極数を増やすこと(多極発電機)で対応するが、増速機を使用する場合と比較して、発電機が大型・重量化する。特に、5MWクラスの大型の風力発電システムでは、発電機の重量が300トン(300000kg)を超えるものと考えられ、ナセル内に配置することが困難である。 However, the gearless case can be dealt with by specifically increasing the number of poles of the generator (multipolar generator), but the generator becomes larger and heavier than when using a speed increaser. In particular, in a large-scale wind power generation system of 5 MW class, the weight of the generator is considered to exceed 300 tons (300000 kg), and it is difficult to arrange in the nacelle.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、熱媒体を発電に必要な温度まで加熱するのに適した性能を有し、この熱媒体の熱を電気エネルギーに変換して発電する発電システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is to have a performance suitable for heating a heat medium to a temperature necessary for power generation. It is to provide a power generation system that generates electricity by converting to energy.
本発明の発電システムは、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備える。この誘導加熱装置は、回転体と、コイルと、加熱部と、配管と、を備える。回転体は、少なくとも一部が磁性材料で形成され、回転軸を有する第一回転体とこの第一回転体に対し連結される第二回転体との双方を組み合わせてなる。コイルは、第一回転体と第二回転体とに一方の磁極と他方の磁極とが対向するように第一回転体と第二回転体との間に配置され、回転体の軸方向に磁場を発生させる。加熱部は、少なくとも一部が導電材料で形成され、回転体の外側に回転体と間隔をあけて配置される。配管は、加熱部に設けられ、熱媒体が流通する。そして、第一回転体と第二回転体との双方には、回転体の径方向に突出する少なくとも1個の凸部が形成されており、双方の凸部が、互いに周方向にずれた状態で相手側に向かって延設されると共に互いに離間していることを特徴とする。 The power generation system of the present invention includes an induction heating device that heats a heat medium, and a power generation unit that converts heat of the heat medium into electric energy. This induction heating apparatus includes a rotating body, a coil, a heating unit, and piping. The rotating body is formed by combining both a first rotating body that is formed at least in part from a magnetic material and has a rotating shaft and a second rotating body that is connected to the first rotating body. The coil is disposed between the first rotating body and the second rotating body such that one magnetic pole and the other magnetic pole face the first rotating body and the second rotating body, and a magnetic field is provided in the axial direction of the rotating body. Is generated. At least a part of the heating unit is formed of a conductive material, and is disposed outside the rotating body and spaced from the rotating body. Piping is provided in a heating part and a heat carrier distribute | circulates. In addition, at least one convex portion protruding in the radial direction of the rotating body is formed on both the first rotating body and the second rotating body, and the both convex portions are displaced from each other in the circumferential direction. And extending toward the other side and spaced apart from each other.
本発明の発電システムは、誘導加熱装置を利用して加熱した熱媒体の熱を発電に利用するものであり、従来にない新規な発電システムである。例えば、誘導加熱装置の回転軸に風車を接続し、回転体の動力に風力を利用すれば、風のエネルギーを回転エネルギー→熱エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出すことができる。そして、本発明の発電システムによれば、熱を電気エネルギーに変換する構成としたことで、蓄熱器を用いて熱としてエネルギーを蓄えることにより、効率の良い安定した発電システムを実現できる。また、熱を蓄熱器に蓄えると同時に蓄熱器から発電に必要な熱を取り出すことができる蓄熱システムは、蓄電システムに比べて簡易であり、蓄熱器も蓄電池に比べれば安価である。さらに、従来の発電システムのように増速機を用いる必要がなく、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。 The power generation system of the present invention is a novel power generation system that does not have a conventional power generation system that uses heat of a heat medium heated by using an induction heating device for power generation. For example, if a windmill is connected to the rotating shaft of the induction heating device and wind power is used as the power of the rotating body, the wind energy can be converted from rotational energy to thermal energy and extracted as electrical energy. And according to the electric power generation system of this invention, it was set as the structure which converts heat into an electrical energy, By storing energy as heat using a thermal accumulator, an efficient and stable electric power generation system is realizable. In addition, a heat storage system that can store heat in the heat accumulator and simultaneously extract heat necessary for power generation from the heat accumulator is simpler than the power storage system, and the heat accumulator is less expensive than the storage battery. Further, it is not necessary to use a speed increaser as in the conventional power generation system, and it is possible to avoid a gearbox trouble.
また、本発明の発電システムにおける誘導加熱装置は、磁場発生手段にコイルを用いているため、従来の永久磁石を用いた装置に比較して、より強い磁場を発生させることができる。具体的には、コイルに通電する電流を大きくすることで、強い磁場を発生させることができ、通電電流を制御することで、磁場の強さを調整することも可能である。また、コイルであれば、永久磁石に比較して、温度上昇による磁気特性の低下や、経時的な磁気特性の劣化が起こり難い。したがって、磁場発生手段にコイルを用いることで、通電電流を大きくして十分な磁場強度を維持し易く、熱媒体を発電に必要な温度(例えば100℃〜600℃、好ましくは200℃〜350℃)まで加熱するのに十分な性能(熱エネルギー)を得ることができる。なお、コイルには直流電流を流し、直流磁場を発生させることが挙げられる。 In addition, since the induction heating device in the power generation system of the present invention uses a coil as the magnetic field generation means, it can generate a stronger magnetic field as compared with a conventional device using a permanent magnet. Specifically, it is possible to generate a strong magnetic field by increasing the current applied to the coil, and it is also possible to adjust the strength of the magnetic field by controlling the applied current. In addition, in the case of a coil, compared to a permanent magnet, the magnetic characteristics are less likely to deteriorate due to a temperature rise, and the magnetic characteristics are less likely to deteriorate over time. Therefore, by using a coil as the magnetic field generating means, it is easy to maintain a sufficient magnetic field strength by increasing the energization current, and the temperature of the heat medium required for power generation (for example, 100 ° C. to 600 ° C., preferably 200 ° C. to 350 ° C. ) Sufficient performance (heat energy) can be obtained. Note that a direct current is passed through the coil to generate a direct magnetic field.
また、誘導加熱装置は、回転せず固定された加熱部に配管を設けることで、配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がなく、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。具体的には、熱媒体が加熱されることで配管内の圧力が上昇し、例えば熱媒体が水(蒸気)の場合では600℃で約25MPa(250気圧)に達する。加熱部(配管)が回転する場合は、その圧力に耐えられる特殊な回転継手が必要であるところ、回転しない場合は、回転継手の必要がなく、例えば給排管と配管とを溶接するといった単純な方法を採用することで、十分に堅牢な構造を実現できる。 In addition, the induction heating device is provided with a pipe in a fixed heating section that does not rotate, so that the pipe rotates to connect the supply and discharge pipe that communicates with the pipe and supplies and discharges the heat medium from the outside. Therefore, it is not necessary to use a rotary joint that allows for a strong connection with a simple configuration. Specifically, when the heat medium is heated, the pressure in the pipe increases. For example, when the heat medium is water (steam), the pressure reaches about 25 MPa (250 atm) at 600 ° C. When the heating part (pipe) rotates, a special rotary joint that can withstand the pressure is required. When it does not rotate, there is no need for a rotary joint. For example, a simple connection such as welding the supply / discharge pipe and the pipe By adopting this method, a sufficiently robust structure can be realized.
この誘導加熱装置における熱媒体の加熱メカニズムについて説明する。コイルが通電されることで、コイルの一方の磁極と対向する第一回転体が一方の磁極と同じ極性に磁化されると共に、コイルの他方の磁極と対向する第二回転体が他方の磁極と同じ極性に磁化される。その結果、第一回転体と第二回転体との双方の凸部が異なる極性に磁化され、回転体の軸方向に直交する断面において、双方の凸部は離間した状態で回転体の周方向に交互に配置されるので、回転体の隣り合う凸部の極性が互いに異なる。第一回転体と第二回転体との双方の凸部から流れ出た磁束は、回転体(凸部)の外側に配置された加熱部を通過する。そして、回転体が回転することにより、加熱部を通過する磁束が変化し、加熱部に誘導電流が発生することで、加熱部が誘導加熱され、熱媒体が加熱される。 The heating mechanism of the heat medium in this induction heating apparatus will be described. When the coil is energized, the first rotating body facing one magnetic pole of the coil is magnetized to the same polarity as the one magnetic pole, and the second rotating body facing the other magnetic pole of the coil is Magnetized to the same polarity. As a result, the convex portions of both the first rotating body and the second rotating body are magnetized to have different polarities, and in the cross section orthogonal to the axial direction of the rotating body, both convex portions are spaced apart in the circumferential direction of the rotating body. Since they are alternately arranged, the polarities of adjacent convex portions of the rotating body are different from each other. The magnetic flux that has flowed out of the convex portions of both the first rotating body and the second rotating body passes through the heating unit disposed outside the rotating body (convex portion). When the rotating body rotates, the magnetic flux passing through the heating unit changes, and an induction current is generated in the heating unit, whereby the heating unit is induction-heated and the heat medium is heated.
凸部は、第一回転体と第二回転体との双方にそれぞれ複数(例えば2個以上、双方合わせて計4個以上)設けることが好ましく、凸部を複数設ける場合は、回転体の周方向に等間隔に設けることが好ましい。 It is preferable to provide a plurality of convex portions on each of the first rotating body and the second rotating body (for example, two or more, and a total of four or more in total). It is preferable to provide at equal intervals in the direction.
本発明において、誘導加熱装置の回転体に使用する磁性材料としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、ケイ素鋼、パーマロイ、及びフェライトなどが挙げられる。また、加熱部に使用する導電材料としては、例えば、アルミニウムや銅、鉄などの金属が挙げられる。特に、加熱部にアルミニウムを使用することで、加熱部の軽量化を図ることができ、もって誘導加熱装置の軽量化を図ることができる。熱媒体としては、例えば、水、油、液体金属(Na、Pbなど)、溶融塩などの液体並びに気体が挙げられる。 In the present invention, examples of the magnetic material used for the rotating body of the induction heating apparatus include iron, nickel, cobalt, silicon steel, permalloy, and ferrite. Moreover, as a conductive material used for a heating part, metals, such as aluminum, copper, and iron, are mentioned, for example. In particular, by using aluminum for the heating unit, it is possible to reduce the weight of the heating unit, thereby reducing the weight of the induction heating device. Examples of the heat medium include water, oil, liquid metals (Na, Pb, etc.), liquids such as molten salts, and gases.
本発明の発電システムの一形態としては、さらに、加熱部の外周に配置され、磁性材料からなるステータ部を備え、ステータ部が、筒状であり、この筒状部分から求心状に突出する突起部を有し、加熱部は、ステータ部の内周面に取り付けられ、突起部が挿通される孔を有することが挙げられる。 As one form of the power generation system of the present invention, it further includes a stator portion that is disposed on the outer periphery of the heating portion and is made of a magnetic material. The stator portion has a cylindrical shape, and protrudes in a centripetal manner from the cylindrical portion. The heating part is attached to the inner peripheral surface of the stator part, and has a hole through which the protruding part is inserted.
この構成によれば、誘導加熱装置のステータ部における突起部の周囲を加熱部を形成する導電材料によって囲むことができる。そして、回転体の回転により、回転体の凸部とステータ部の突起部との間の距離が狭小→広大、或いは広大→狭小になり、突起部に流れる磁束が変化すると、突起部周囲の加熱部において、誘導起電力(逆起電力)が発生し、電流が流れることで加熱される。したがって、この構成によれば、突起部周囲の加熱部における誘導起電力も利用して熱媒体を加熱することができ、また、突起部が存在することで、突起部がない場合と比較して、回転体(凸部)‐ステータ部(突起部)間の距離が狭小になるときの凸部から突起部に流れる磁束量が増加する。その結果、ステータ部の突起部に流れる磁束の変化を大きくして、発生する誘導起電力を大きくすることができ、加熱効率を向上できる。 According to this structure, the circumference | surroundings of the projection part in the stator part of an induction heating apparatus can be enclosed with the electrically-conductive material which forms a heating part. When the distance between the convex portion of the rotating body and the protrusion of the stator portion becomes narrow → wide or wide → narrow due to the rotation of the rotating body, and the magnetic flux flowing through the protrusion changes, heating around the protrusion In the part, an induced electromotive force (counterelectromotive force) is generated and heated by a current flowing. Therefore, according to this configuration, the heat medium can be heated using the induced electromotive force in the heating portion around the protrusion, and the presence of the protrusion can be compared with the case where there is no protrusion. The amount of magnetic flux flowing from the protrusion to the protrusion increases when the distance between the rotating body (protrusion) and the stator (protrusion) is narrow. As a result, it is possible to increase the change in magnetic flux flowing through the protrusions of the stator portion, increase the induced electromotive force, and improve the heating efficiency.
突起部は、複数(例えば4個以上)設けることが好ましく、また、突起部を複数設ける場合は、ステータ部の周方向に等間隔に設けることが好ましい。 It is preferable to provide a plurality of projections (for example, four or more), and when providing a plurality of projections, it is preferable to provide them at equal intervals in the circumferential direction of the stator unit.
ステータ部に使用する磁性材料としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、ケイ素鋼、パーマロイ、及びフェライトなどが挙げられる。 Examples of the magnetic material used for the stator portion include iron, nickel, cobalt, silicon steel, permalloy, and ferrite.
本発明の発電システムの一形態としては、コイルが超電導コイルであることが挙げられる。 One form of the power generation system of the present invention is that the coil is a superconducting coil.
誘導加熱装置のコイルとしては、銅線などの常電導コイルや超電導線材を用いた超電導コイルが挙げられる。コイルに直流電流を流し、直流磁場を発生させる場合、超電導コイルであれば、電気抵抗がゼロであり、大電流を流してもコイルに発熱(損失)が実質的に生じない。そのため、常電導コイルに比較して、大電流を流すことによるコイルの発熱(損失)を抑制することができ、大空間であっても電力損失なしで極めて強い磁場を維持することができる。また、超電導線材は電流密度が高く、コイルの小型・軽量化を図ることができ、もって誘導加熱装置の小型・軽量化を図ることができる。例えば、大規模発電に見合った熱エネルギーを得ようとした場合、超電導コイルを用いることで、常電導コイルに比較して、消費電力が小さくなると共に、装置の小型・軽量化を図ることができ、ナセル内に配置することが容易になる。 Examples of the coil of the induction heating device include a normal conducting coil such as a copper wire and a superconducting coil using a superconducting wire. When a direct current is passed through the coil to generate a direct current magnetic field, if it is a superconducting coil, the electric resistance is zero, and even if a large current is passed through, no substantial heat (loss) is generated in the coil. Therefore, compared with a normal conducting coil, heat generation (loss) of the coil caused by flowing a large current can be suppressed, and an extremely strong magnetic field can be maintained without power loss even in a large space. In addition, the superconducting wire has a high current density, so that the coil can be reduced in size and weight, and the induction heating device can be reduced in size and weight. For example, when trying to obtain thermal energy suitable for large-scale power generation, the use of a superconducting coil can reduce power consumption and reduce the size and weight of the device compared to a normal conducting coil. It becomes easy to arrange in the nacelle.
本発明の発電システムの一形態としては、回転軸が風車に接続され、回転体を回転させる動力に風力を利用することが挙げられる。 As one form of the electric power generation system of this invention, a rotating shaft is connected to a windmill and using wind power for the motive power which rotates a rotary body is mentioned.
本発明の発電システムにおいて、誘導加熱装置の回転体(回転軸)の動力には、風力、水力、波力などの再生可能エネルギーを利用することが好ましい。再生可能エネルギーを利用すれば、CO2の増加を抑制でき、中でも風力を利用することが好適である。 In the power generation system of the present invention, it is preferable to use renewable energy such as wind power, hydraulic power, and wave power for the power of the rotating body (rotating shaft) of the induction heating device. If renewable energy is used, an increase in CO 2 can be suppressed, and it is particularly preferable to use wind power.
本発明の発電システムは、誘導加熱装置の磁場発生手段にコイルを用いているため、極めて強い磁場を発生させることができ、熱媒体を発電に必要な温度まで加熱することが容易である。そして、誘導加熱装置を利用して加熱した熱媒体の熱を発電部により電気エネルギーに変換して発電することができる。 Since the power generation system of the present invention uses a coil as the magnetic field generating means of the induction heating device, it can generate a very strong magnetic field and can easily heat the heat medium to a temperature required for power generation. And the heat | fever of the heat medium heated using the induction heating apparatus can be converted into electric energy by the power generation part, and can be generated.
本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
本発明の発電システムは、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備える。ここでは、まず、誘導加熱装置について説明し、次いで、発電システム全体について説明する。 The power generation system of the present invention includes an induction heating device that heats a heat medium, and a power generation unit that converts heat of the heat medium into electric energy. Here, the induction heating apparatus will be described first, and then the entire power generation system will be described.
<誘導加熱装置>
(実施の形態1)
図1〜3に示す実施の形態1に係る誘導加熱装置101は、回転体11と、コイル12と、加熱部13と、配管14と、ステータ部15とを備える。以下、誘導加熱装置101の構成を詳しく説明する。
<Induction heating device>
(Embodiment 1)
The
回転体11は、回転可能に支持された回転軸21を有する第一回転体11aと、この第一回転体11aに対し連結される第二回転体11bとの双方を組み合わせてなる。第一回転体11aと第二回転体11bとの双方には、回転体11の径方向に突出する複数の凸部111a,111bが形成されており、双方の各凸部111a,111bが、互いに周方向にずれた状態で相手側に向かって延設されると共に互いに離間している。つまり、第一回転体11aと第二回転体11bとは、相互に各凸部111a,111bが噛み合うように対向配置されている。また、双方の各凸部111a,111bは、回転体11の周方向に等間隔に設けられている。この例では、第一回転体11aと第二回転体11bとのそれぞれに8個の凸部が形成されており、双方合わせて計16個の凸部が回転体11に設けられている。また、回転体11(第一回転体11a及び第二回転体11b)は、鉄などの磁性材料で形成されている。なお、ここでは、回転体11が回転軸21側から見て反時計方向に回転するものとする(図3中の矢印は回転体11の回転方向を示す。図5(B)、図6も同じ)。
The rotating
コイル12は、第一回転体11aと第二回転体11bとに一方の磁極と他方の磁極とが対向するように第一回転体11aと第二回転体11bとの間に配置され、回転体11の軸方向に磁場を発生する。即ち、回転体11の内部に配置されたコイル12が通電により励磁されたとき、一方の磁極と対向する第一回転体11aが一方の磁極と同じ極性に磁化されると共に、他方の磁極と対向する第二回転体11bが他方の磁極と同じ極性に磁化される。このとき、第一回転体11a及び第二回転体11bの各凸部111a,111bも磁化される。このコイル12には、図示しない直流電源が接続される。この例では、コイル12が超電導コイルであり、コイル12に通電する直流電流の向きを制御して、発生させる磁場(磁束)の方向を決定しており、一方の磁極がN極、他方の磁極がS極となるようにしている。また、超電導コイル12は、周囲を図示しない冷却用ジャケットで覆われ、冷却することによって超電導状態に保持されている。
The
この例では、第一回転体11aと第二回転体11bとが、中央内部に配置される柱状の連結部材112を介して連結されており、連結部材112が、コイル12の内側に挿通されると共にコイル12を支持している(図2参照)。連結部材112を形成する材料としては、磁性材料、非磁性材料を問わず、機械的強度を有し、コイル12を支持可能な材料であればよく、構造強度と長期耐候性に優れる材料が好ましい。例えば、構造用材料に使用される鉄、鋼、ステンレス、アルミニウム合金、マグネシウム合金、GFRP(ガラス繊維強化プラスチック)やCFRP(炭素繊維強化プラスチック)などの複合材料が挙げられる。
In this example, the first
ここでは、連結部材112が非磁性材料で形成されている。例えば、連結部材112を磁性材料で形成した場合、連結部材112の磁束飽和ために超電導コイル12の発生磁場が限定されてしまう虞があることから、連結部材112を非磁性材料で形成することが好ましい場合もある。また、連結部材112の形状は、例えば、円柱状、円筒柱状、多角柱状、多角筒柱状などが挙げられ、適宜必要に応じて好ましい形状を選択すればよい。
Here, the connecting
加熱部13は、回転体11の外側に回転体11と間隔をあけて配置され、回転体11の周囲を覆うように筒状に形成されている。この加熱部13には、後述するように、回転体11の凸部111a、111bから流れ出た磁束が通過する。また、加熱部13は、アルミニウムなどの導電材料で形成されている。
The
加熱部13には、熱媒体が流通する配管14が設けられている(図3参照)。この例では、加熱部13の内部に軸方向に沿って延びる複数の流通路を形成し、これらを熱媒体が流通する配管14に利用している。そして、加熱部13と配管14とは熱的に接続されている。例えばこの例では、配管14の一端側から熱媒体を供給し、他端側から排出する構成としたり、配管14の一端側において、配管14と別の配管14とを接続する接続管を取り付け、配管14の他端側から熱媒体を供給し、接続管を介して、別の配管14の他端側から排出する構成としたりすることが挙げられる。即ち、前者の場合は片道の流路、後者の場合は往復の流路となり、後者の場合、前者の場合と比較して、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。
The
また、加熱部13の周囲には、加熱部13を保温するために、断熱材(図示せず)を配置してもよい。例えばこの例では、加熱部13の内外周面、及び加熱部13の端面のうち配管14の配置箇所を除く箇所に断熱材を設けることが挙げられる。断熱材には、例えば、ロックウール、グラスウール、発泡プラスチック、レンガ、セラミックスなどを用いることができる。
Further, a heat insulating material (not shown) may be arranged around the
加熱部13の周囲に断熱材を配置した場合、磁化された回転体11の凸部111a、111bと加熱部13との間の距離が大きくなることから、加熱部13を通過する磁束が減る、つまり加熱部13に印加される磁場が減少する。誘導加熱装置101では、コイル12を用いているため、もともとの磁場強度が高く、また、必要に応じて通電電流を大きくして磁場強度を高めることもできるので、断熱材を配置した場合であっても、熱媒体を発電に必要な温度まで加熱するのに十分な性能(熱エネルギー)を得易い。
When a heat insulating material is arranged around the
ステータ部15は、加熱部13の外周に配置された筒状の部材であり、内周面に加熱部13が取り付けられている。そして、加熱部13及びステータ部15は、回転しないように固定されている。
The
この例では、ステータ部15が円筒状であり、磁性材料で形成されている。ステータ部15には、例えば、ケイ素鋼板を積層した積層鋼板や、鉄粉などの磁性粉末の表面に絶縁被覆を施し、この粉末を加圧成形した圧粉磁心を用いてもよい。
In this example, the
次に、誘導加熱装置101における熱媒体の加熱メカニズムについて詳しく説明する。
Next, the heating mechanism of the heat medium in the
誘導加熱装置101では、コイル12への通電によりコイル12が励磁され回転体11の軸方向に磁場が発生し、コイル12の一方の磁極(N極)と対向する第一回転体11aがN極に磁化される共に、コイル12の他方の磁極(S極)と対向する第二回転体11bがS極に磁化される。その結果、第一回転体11aの凸部111aがN極に、第二回転体11bの凸部111bがS極に磁化され、回転体11の軸方向に直交する断面において、双方の凸部111a,111bは離間した状態で回転体11の周方向に交互に配置されるので、回転体11の隣り合う凸部の極性が互いに異なる(特に、図3参照)。第一回転体11aと第二回転体11bとの双方の凸部111a,111bから流れ出た磁束は、回転体11(凸部)の外側に配置された加熱部13を通過する。そして、回転体11が回転することにより、加熱部13を通過する磁束が変化し、加熱部13に誘導電流が発生することで、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。
In the
ここで、誘導加熱装置101では、回転体11の隣り合う凸部の極性が互いに異なることから、加熱部13の凸部111a(N極)に対向する部分と加熱部13の凸部111b(S極)に対向する部分とでは、磁束(磁場)の方向が異なる。N極の凸部111aに対向する部分(例えば図3のa点)では、磁束(磁場)の方向が、加熱部13の内周側から外周側方向(径方向の+方向)となる。一方、S極の凸部111bに対向する部分(例えば図3のb点)では、磁束(磁場)の方向が、加熱部13の外周側から内周側(径方向の−方向)となる。
Here, in the
図4は、図3のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。磁場は、N極の凸部に対向し、N極の凸部‐加熱部間の距離が最も狭小になるとき、強さが+方向に最大となる。一方、S極の凸部に対向し、S極の凸部‐加熱部間の距離が最も狭小になるとき、強さが−方向に最大となる。つまり、回転体11の回転により凸部が回転移動することで、磁場の方向と強さが周期的に逆転しながら変化する。
FIG. 4 is a diagram schematically showing the temporal change of the magnetic field at point a in FIG. The magnetic field is opposite to the N-pole convex part, and when the distance between the N-pole convex part and the heating part is the narrowest, the strength is maximum in the + direction. On the other hand, when facing the convex portion of the S pole and the distance between the convex portion of the S pole and the heating portion is the narrowest, the strength is maximum in the − direction. That is, the direction and strength of the magnetic field change while periodically reversing as the convex portion rotates and moves due to the rotation of the
また、凸部111a,111bの数は、適宜設定することができる。ここで、凸部111a,111bの数をある程度増やすことで、磁場の周期を短くすることができる。誘導加熱エネルギー(誘導電流)は、磁場の周波数に比例関係にあることから、磁場の周期を短くすることで、加熱効率を向上できる。
Further, the number of the
さらに、コイル12は、例えば第二回転体11bの中央に形成された開口部113から引出線を引き出して、外部の電源と接続すればよい。回転体11と共にコイル12が回転する場合は、例えばスリップリングを介して引出線と外部電源とを接続すればよい。また、回転体11が回転してもコイル12が回転しないように連結部材112とコイル12との間にベアリング(軸受)を取り付けて、引出線と外部電源とを接続してもよい。
Furthermore, the
(実施の形態2)
図5、6に示す実施の形態2に係る誘導加熱装置102は、ステータ部および加熱部の形状が図1〜3に示す実施の形態1の誘導加熱装置101と相違し、以下ではその相違点を中心に説明する。
(Embodiment 2)
The
実施の形態2の誘導加熱装置102では、ステータ部15が、円筒状部分から求心状に突出する複数の突起部151を有し、かつ、加熱部13には、各突起部151が挿通される孔131を有する。この例では、ステータ部15が16個の突起部151を有し、各突起部151が周方向に等間隔に設けられている。つまり、凸部111aと凸部111bとを合わせた回転体11の凸部の数とステータ部15の突起部151の数が等しい。また、突起部151は、ステータ部15の軸方向に対して平行で、突出方向と直交方向に切断にした断面が略矩形状の四角柱状である。
In the
誘導加熱装置102における熱媒体の加熱メカニズムについて説明すると、回転体11が回転することにより、凸部111a,111bが回転移動することで、加熱部13を通過する磁束が周期的に変化し、加熱部13に誘導電流が発生することで、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される点は、実施の形態1の誘導加熱装置101と同様である。さらに、誘導加熱装置102においては、回転体11の回転により、回転体11の凸部とステータ部15の突起部151との間の距離が狭小→広大、或いは広大→狭小になり、突起部151に流れる磁束が変化する(図6(A)、(B)参照)。それにより、突起部周囲の加熱部において、誘導起電力(逆起電力)が発生し、電流が流れることで、加熱部13が加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。
The heating mechanism of the heat medium in the
このように、誘導加熱装置102では、誘導起電力が発生した際に、突起部151の周囲に存在する加熱部13の導電材料により、突起部151の周囲にループ状の電流経路が形成されることから、実施の形態1の誘導加熱装置101と異なり、誘導起電力も利用して熱媒体を加熱する。
As described above, in the
また、ステータ部15(突起部151を含む)が磁性材料で形成されていることから、ステータ部15に磁束が流れる。そして、各凸部111a,111bと各突起部151とが対向するとき、N極の凸部111aから流れ出た磁束は、この凸部111aに対向する突起部151に流れ、ステータ部15の筒状部分を通って、S極の凸部111bに対向する突起部151に流れる(図5(B)中の点線矢印は磁束の流れのイメージを示す)。つまり、N極の凸部111aからステータ部15を通ってS極の凸部111bに至る磁路が形成されることから、各突起部151に流れる磁束が大きくなる。
Further, since the stator portion 15 (including the protruding portion 151) is made of a magnetic material, a magnetic flux flows through the
この実施の形態2の誘導加熱装置102では、ステータ部15における突起部151の形状が、突出方向と直交方向に切断にした断面が略矩形状の四角柱状である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図7に示すように、ステータ部15の突起部151をステータ部15の軸方向に対して傾斜させたスキュー構造とすることができる。スキュー構造を採用することで、コギングトルクを低減して、回転体11の回転を滑らかにすることができる。また、回転体11の凸部をスキュー構造としてもよい。
In the
上記した実施の形態1、2の誘導加熱装置101、102では、加熱部13の内部に流通路を形成し、加熱部13と配管14とを一体に形成した場合を例に説明したが、加熱部13と配管14とを別体で形成してもよい。その場合、配管も導電材料で形成することが好ましい。配管を導電材料で形成することで、配管を加熱部として兼用することができる。また、加熱部と配管とを別体とし、配管を加熱部の表面に設けてもよい。ここで、配管を導電材料で形成し、配管を加熱部として兼用する場合は、例えば、配管のみを配置する他、筒状の支持台の表面に配管を取り付けるようにしてもよい。このとき、筒状の支持台を導電材料以外の材料で形成してもよい。
In the
図8は、配管を導電材料で形成し、かつ、配管のみ配置する場合の配管の配置例を示す展開平面図である。ここでは、円筒状のステータ部15の内周面に配管14を這わして取り付けた場合を例に説明し、図8は、配管14をステータ部15の内周面側から見た展開平面図である。また、図8中の黒塗り矢印は、熱媒体の供給、並びに排出方向を示す。
FIG. 8 is a developed plan view showing an arrangement example of piping when the piping is formed of a conductive material and only the piping is arranged. Here, the case where the
図8(A)は、1個の配管14で構成した場合であり、ステータ部15の内周面全体に周方向に蛇行するように配管14を折り曲げ形成して配設している。配管14を蛇行させることで、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。この場合、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向に略360°ずれる、即ち供給側端部と排出側端部とは周方向の略同じ位置に位置することになる。そのため、排出側端部から排出される加熱された熱媒体が、供給側端部から供給される熱媒体によって冷やされ、加熱効率が低下することが懸念される。そこで、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向にある程度ずらすことが好ましく、例えば10°以上ずらすことが好ましい。
FIG. 8A shows a case where the
図8(B)は、2個の配管14で構成した場合であり、図8(A)と同様に、ステータ部15の内周面全体に配管14が蛇行状態で配設されている。この場合、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向に略180°ずれることになる。また、この例では、隣り合う配管14の供給側端部同士、並びに排出側端部同士がそれぞれ周方向の略同じ位置に位置している。そのため、配管14の排出側端部から排出される加熱された熱媒体が、別の配管14の供給側端部から供給される熱媒体によって冷やされることもない。
FIG. 8B shows a case where two
図8(C)は、4個の配管14で構成した場合であり、図8(B)と同様に、ステータ部15の内周面全体に配管14が蛇行状態で配設され、また、隣り合う配管14の供給側端部同士、並びに排出側端部同士がそれぞれ周方向の略同じ位置に位置している。この場合、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向に略90°ずれることになる。
FIG. 8 (C) shows a case where four
このように、配管を蛇行状態で配置する場合は、複数の配管を用いて構成してもよい。また、図8(A)〜(C)に示した例では、配管14の供給側端部と排出側端部とをステータ部15の軸方向の一方側に設けているが、供給側端部を一方側又は他方側に、排出側端部を他方側又は一方側に設けることも可能である。
Thus, when arrange | positioning piping in a meandering state, you may comprise using several piping. Further, in the example shown in FIGS. 8A to 8C, the supply side end and the discharge side end of the
さらに、上記した実施の形態2の誘導加熱装置102のように、ステータ部15が突起部151を有する場合は、突起部を挟むように蛇行させた配管のうち、折り曲げ部とは突起部を挟んで反対側の配管部分同士が離隔する側に配管の部分同士を電気的に接続する接続導体141を別途取り付けて(図8(D)参照)、導電材料からなる配管14と接続導体141とで突起部151の周囲を囲むようにしてもよい。これにより、突起部151に流れる磁束が変化することに起因して発生する誘導起電力に伴う電流が、配管14と接続導体141とで形成されるループ状の電流経路を流れることになり、配管14を伝って外部に漏れるのを防ぐことができる。
Further, as in the
また、ステータ部が突起部を有する場合は、図9に例示するように、突起部151の外周に導電材料からなる配管14を巻回して取り付けてもよい。この構成によっても、突起部151に流れる磁束が変化することで、配管14に誘導起電力が発生し、配管14に電流が流れることで、配管14が加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。さらに、配管14を伝って電流が外部に漏れるのを防ぐため、配管14の巻き始めと巻き終わりの端部同士を接続導体で電気的に接続してもよい。
In addition, when the stator portion has a protrusion, a
以上説明した本発明の実施の形態に係る誘導加熱装置は、磁場発生手段にコイルを用いているため、従来の永久磁石を用いた装置に比較して、強い磁場を発生させることができる。特に、超電導コイルを採用したことで、大電流を流すことによるコイルの発熱を抑制することができ、また、より強い磁場を発生させることができる。また、加熱部(配管)が回転しない構造としたことで、例えば配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がなく、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。 Since the induction heating apparatus according to the embodiment of the present invention described above uses a coil as the magnetic field generating means, it can generate a stronger magnetic field as compared with a conventional apparatus using a permanent magnet. In particular, by adopting a superconducting coil, it is possible to suppress the heat generation of the coil caused by flowing a large current, and it is possible to generate a stronger magnetic field. In addition, since the heating part (pipe) does not rotate, for example, a rotary joint that allows rotation of the pipe to connect the pipe to the supply / discharge pipe that communicates with the pipe and supplies and discharges the heat medium from the outside. There is no need to use a simple connection, and a robust connection can be realized.
<発電システム>
次に、図10を用いて、本発明に係る発電システムの全体構成の一例を説明する。図10に示す発電システムPは、誘導加熱装置10と、風車20と、蓄熱器50と、発電部60とを備える。塔91の上部に設置されたナセル92に風車20が取り付けられ、ナセル92内に誘導加熱装置10が格納されている。また、塔91の下部(土台)に建てられた建屋93に蓄熱器50及び発電部60が設置されている。以下、発電システムPの構成を詳しく説明する。
<Power generation system>
Next, an example of the overall configuration of the power generation system according to the present invention will be described with reference to FIG. A power generation system P shown in FIG. 10 includes an
誘導加熱装置10は、例えば、上記した実施の形態1、2に係る誘導加熱装置101、102を利用している。また、回転軸21の他端側が後述する風車20に直結され、回転体を回転させる動力に風力を利用している。なお、ここでは、熱媒体が水である場合を例に説明する。
For example, the
風車20は、水平方向に延びる回転軸21を中心に、3枚の翼201を回転軸21に放射状に取り付けた構造である。出力が5MWを超える風力発電システムの場合、直径が120m以上、回転数が10〜20rpm程度である。
The
誘導加熱装置10の配管には、誘導加熱装置10に水を供給する給水管73と、誘導加熱装置10により加熱した水を蓄熱器50に送る輸送管51が接続されている。そして、誘導加熱装置10は、コイルの通電により、回転体の外周に設けられた凸部が周方向に交互に極性が異なるように磁化されると共に、回転体の回転により、回転体の外側に配置された加熱部を通過する磁束が変化することで、加熱部を誘導加熱し、配管内の水を加熱する。誘導加熱装置10は、磁場発生手段にコイルを用いているため、強い磁場を発生させることができ、熱媒体である水を例えば100℃〜600℃といった高温に加熱することが可能である。また、誘導加熱装置10は、加熱部(配管)が回転しない構造であるので、配管と輸送管51及び給水管73との接続に回転継手を用いる必要がなく、例えば溶接などを用いて、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。
Connected to the piping of the
この発電システムPは、誘導加熱装置10により水を発電に適した温度(例えば200℃〜350℃)まで加熱し、高温高圧水を発生させる。高温高圧水は、誘導加熱装置10と蓄熱器50とを連結する輸送管51を通って蓄熱器50に送られる。蓄熱器50は、輸送管51を通って送られてきた高温高圧水の熱を蓄え、また、熱交換器を用いて発電に必要な蒸気を発電部60に供給する。なお、誘導加熱装置10により蒸気を発生させてもよい。
In the power generation system P, water is heated to a temperature suitable for power generation (for example, 200 ° C. to 350 ° C.) by the
蓄熱器50としては、例えば、蒸気アキュムレーターや、溶融塩や油などを用いた顕熱型、或いは、融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型の蓄熱器を利用することができる。潜熱型の蓄熱方式は蓄熱材の相変化温度で蓄熱を行うため、一般に、顕熱型の蓄熱方式に比べて蓄熱温度域が狭帯域であり、蓄熱密度が高い。
As the
発電部60は、蒸気タービン61と発電機62とを組み合わせた構造であり、蓄熱器50から供給された蒸気によって蒸気タービン61が回転し、発電機62を駆動して発電する。
The
蓄熱器50に送られた高温高圧水又は蒸気は、復水器71で冷却され水に戻される。その後、ポンプ72に送られ、高圧水にして給水管73を通って誘導加熱装置10に送られることで循環する。
The high-temperature high-pressure water or steam sent to the
この発電システムPによれば、再生可能エネルギー(例、風力)を動力として回転エネルギーを得て熱を発生させ、その熱を蓄熱器に蓄熱して発電することで、高価な蓄電池を用いなくても、需要に応じた安定的な発電を実現できる。また、従来の風力発電システムのように増速機を設ける必要がなく、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。さらに、熱媒体の熱を輸送管により例えば塔の下部(土台)に設置された発電部に供給することで、ナセルに発電部を格納する必要がなく、塔の上部に設置されるナセルを小型・軽量化することができる。 According to this power generation system P, it is possible to generate rotational energy by using renewable energy (eg, wind power) as power, generate heat, and store the heat in a heat accumulator to generate electricity, so that an expensive storage battery is not used. However, stable power generation according to demand can be realized. Further, it is not necessary to provide a speed increaser unlike the conventional wind power generation system, and it is possible to avoid a gearbox trouble. Furthermore, by supplying the heat of the heat medium to the power generation unit installed in the lower part (base) of the tower, for example, by a transport pipe, there is no need to store the power generation part in the nacelle, and the nacelle installed in the upper part of the tower is made small -It can be reduced in weight.
上記した発電システムでは、熱媒体に水を用いた場合を例に説明したが、水よりも熱伝導率の高い液体金属を熱媒体に用いてもよい。このような液体金属としては、例えば液体金属ナトリウムが挙げられる。液体金属を熱媒体に用いる場合は、例えば、加熱部から熱を受け取る一次熱媒体に液体金属を用い、輸送管を通って送られてきた液体金属の熱で熱交換器を介して二次熱媒体(水)を加熱し、蒸気を発生させることが考えられる。 In the power generation system described above, the case where water is used as the heat medium has been described as an example. However, a liquid metal having a higher thermal conductivity than water may be used as the heat medium. An example of such a liquid metal is liquid metal sodium. When using a liquid metal as the heat medium, for example, the liquid metal is used as the primary heat medium that receives heat from the heating unit, and the secondary heat is transmitted through the heat exchanger using the heat of the liquid metal sent through the transport pipe. It is conceivable that the medium (water) is heated to generate steam.
また、常圧で100℃超の沸点を有する例えば油、液体金属、溶融塩などを熱媒体に用いた場合は、水に比較して、100℃超に加熱したときに、配管内の熱媒体の気化による内圧上昇を抑制し易い。 In addition, when oil, liquid metal, molten salt, or the like having a boiling point of over 100 ° C. at normal pressure is used as the heating medium, the heating medium in the piping when heated to over 100 ° C. compared to water It is easy to suppress an increase in internal pressure due to vaporization.
(試算例1)
図11に例示するようなシミュレーションモデル1000を使用して、コイル1200に超電導コイルを用いた場合と銅コイルを用いた場合のイニシャルコストとランニングコストとを合わせたトータルコストについて試算した。
(Example 1)
Using a
シミュレーションモデル1000は、磁気ギャップを有するC字状の鉄心1100にコイル1200を装着した構造である。鉄心1100は、断面が400mm×500mmであり、ギャップ距離が100mmである。
The
コストは、次の条件で試算した。運転時間を年間4800時間(200日×24時間)とし、電力料金を1キロワット時当たり15円として計算した。また、コイルの消費電力を考慮すると共に、超電導コイルを用いる場合は、冷却系統の運転電力も考慮し、銅コイルを用いる場合は、水冷方式と空冷方式の二通りについて行い、水冷方式では水冷系統の運転電力も考慮した。コイルには、磁気ギャップに1Tの磁場を発生させる電流を流すものとした。 The cost was estimated under the following conditions. The operation time was 4800 hours per year (200 days x 24 hours), and the electricity rate was calculated as 15 yen per kilowatt hour. In addition, considering the power consumption of the coil, when using a superconducting coil, also consider the operating power of the cooling system. When using a copper coil, the water cooling system and the air cooling system are used. Considering the operating power. A current that generates a 1T magnetic field in the magnetic gap was passed through the coil.
トータルコストの試算結果を図12に示す。図12中、超電導コイルのトータルコストを実線、水冷方式の銅コイル(水冷銅コイル)のトータルコストを破線、空冷方式の銅コイル(空冷銅コイル)のトータルコストを点線で示している。この結果から、超電導コイルを用いた場合、水冷方式の銅コイルに比較して、イニシャルコストは高くなるが、消費電力が小さいため、ランニングコストが低くなり、運転年数が3年程度でトータルコストが逆転することが分かる。つまり、超電導コイルの方が、本発明の発電システムにおける誘導加熱装置の磁場発生手段に用いた場合、費用対効果が高く、発電コストを抑えることができる。 The result of trial calculation of the total cost is shown in FIG. In FIG. 12, the total cost of the superconducting coil is indicated by a solid line, the total cost of a water-cooled copper coil (water-cooled copper coil) is indicated by a broken line, and the total cost of an air-cooled copper coil (air-cooled copper coil) is indicated by a dotted line. From this result, when a superconducting coil is used, the initial cost is higher than that of a water-cooled copper coil, but since the power consumption is small, the running cost is low and the total cost is about 3 years. It turns out that it reverses. That is, when the superconducting coil is used as the magnetic field generating means of the induction heating device in the power generation system of the present invention, the cost effectiveness is higher and the power generation cost can be suppressed.
次に、上記条件で、図11のシミュレーションモデル1000におけるコイル1200に超電導コイルを用いた場合と銅コイルを用いた場合のコイル重量について試算した。ただし、水冷方式の銅コイルの場合は電流密度を10A/mm2、空冷方式の銅コイルの場合は電流密度を1A/mm2として計算し、また、超電導コイルの場合は、冷却系統の重量も考慮し、水冷方式の銅コイルの場合は、水冷系統の重量も考慮した。
Next, under the above conditions, the weight of the coil when the superconducting coil was used as the
コイル重量を試算した結果、超電導コイルの重量は200kg、水冷方式の銅コイルの重量は200kg、空冷方式の銅コイルの重量は2000kgであった。この結果から、超電導コイルを用いた場合、空冷方式の銅コイルに比較して、小型・軽量化を図れることが分かる。つまり、超電導コイルの方が、本発明の発電システムにおける誘導加熱装置の磁場発生手段に用いた場合、誘導加熱装置の小型・軽量化を図ることができ、例えばナセル内に配置することが容易になる。さらに、銅コイルを誘導加熱装置の磁場発生手段に用いる場合、磁場を強くするために鉄心が必要であり、また、鉄心の磁束飽和を抑えるために鉄心を大型化せざるを得ないので、超電導コイルに比較して、誘導加熱装置の大型・重量化を免れ得ない。 As a result of calculating the coil weight, the weight of the superconducting coil was 200 kg, the weight of the water-cooled copper coil was 200 kg, and the weight of the air-cooled copper coil was 2000 kg. From this result, it can be seen that when a superconducting coil is used, it can be made smaller and lighter than an air-cooled copper coil. That is, when the superconducting coil is used as the magnetic field generating means of the induction heating device in the power generation system of the present invention, the induction heating device can be reduced in size and weight and can be easily placed in, for example, the nacelle. Become. Furthermore, when a copper coil is used as the magnetic field generating means of the induction heating device, an iron core is required to strengthen the magnetic field, and the iron core must be enlarged to suppress the magnetic flux saturation of the iron core. Compared to a coil, the induction heating device cannot be avoided in size and weight.
さらに、最近では、風車の回転に伴う低周波騒音による人体への影響が問題になっている。風車から発生する低周波騒音の低減対策が国内のみならず海外でも検討されており、風車を低速回転させることで低周波騒音を抑制できることが知られている。本発明の発電システムにおける誘導加熱装置の加熱メカニズムでは、回転体を低速回転させると得られる熱エネルギーが減るが、誘導加熱装置の磁場発生手段に超電導コイルを採用することで強力な磁場を発生させることができるため、低速回転でも十分な熱エネルギーを得ることができる。 Furthermore, recently, the influence on the human body due to the low frequency noise accompanying the rotation of the windmill has become a problem. Measures for reducing low-frequency noise generated from a windmill are being studied not only in Japan but also overseas, and it is known that low-frequency noise can be suppressed by rotating the windmill at a low speed. In the heating mechanism of the induction heating device in the power generation system of the present invention, the heat energy obtained when the rotating body is rotated at a low speed decreases, but a strong magnetic field is generated by adopting a superconducting coil as the magnetic field generating means of the induction heating device. Therefore, sufficient heat energy can be obtained even at a low speed.
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、回転体やステータ部の形状を適宜変更したり、回転体及びステータ部を形成する材料を適宜変更したりすることも可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the gist of the present invention. For example, it is possible to appropriately change the shapes of the rotating body and the stator part, and to appropriately change the material forming the rotating body and the stator part.
本発明の発電システムは、再生可能エネルギーを利用した発電の分野に好適に利用可能である。 The power generation system of the present invention can be suitably used in the field of power generation using renewable energy.
10、101〜102 誘導加熱装置 P 発電システム
11 回転体
11a 第一回転体 11b 第二回転体
111a,111b 凸部 112 連結部材 113 開口部
12 コイル(超電導コイル)
13 加熱部 131 孔
14 配管 141 接続導体
15 ステータ部 151 突起部
21 回転軸
20 風車 201 翼
50 蓄熱器 51 輸送管
60 発電部 61 蒸気タービン 62 発電機
71 復水器 72 ポンプ 73 給水管
91 塔 92 ナセル 93 建屋
1000 シミュレーションモデル 1100 鉄心 1200 コイル
10, 101-102 Induction heating device P Power generation system
11 Rotating body
11a
111a, 111b
12 coil (superconducting coil)
13
14 Piping 141 Connecting conductor
15
21 Rotation axis
20
50
60
71
91
1000
Claims (5)
前記誘導加熱装置は、
少なくとも一部が磁性材料で形成され、回転軸を有する第一回転体と前記第一回転体に対し連結される第二回転体との双方を組み合わせてなる回転体と、
前記第一回転体と前記第二回転体とに一方の磁極と他方の磁極とが対向するように前記第一回転体と前記第二回転体との間に配置され、回転体の軸方向に磁場を発生させるコイルと、
少なくとも一部が導電材料で形成され、前記回転体の外側に前記回転体と間隔をあけて配置される加熱部と、
前記加熱部に設けられ、前記熱媒体が流通する配管と、
前記加熱部の外周に配置され、磁性材料からなるステータ部と、を備え、
前記第一回転体と前記第二回転体との双方には、回転体の径方向に突出する少なくとも1個の凸部が形成されており、双方の前記凸部が、互いに周方向にずれた状態で相手側に向かって延設されると共に互いに離間しており、
前記ステータ部は、筒状であり、この筒状部分から求心状に突出する突起部を有し、
前記加熱部は、前記ステータ部の内周面に取り付けられ、前記突起部が挿通される孔を有する発電システム。 An induction heating device that heats the heat medium; and a power generation unit that converts heat of the heat medium into electric energy,
The induction heating device includes:
A rotating body formed by combining at least a part of a first rotating body formed of a magnetic material and having a rotating shaft and a second rotating body connected to the first rotating body;
The first rotating body and the second rotating body are arranged between the first rotating body and the second rotating body so that one magnetic pole and the other magnetic pole face each other, and in the axial direction of the rotating body A coil for generating a magnetic field;
A heating unit that is at least partially formed of a conductive material and is arranged outside the rotating body and spaced from the rotating body;
A pipe provided in the heating unit and through which the heat medium flows ;
A stator portion disposed on the outer periphery of the heating portion and made of a magnetic material ,
Both the first rotating body and the second rotating body are formed with at least one protrusion protruding in the radial direction of the rotating body, and the both protrusions are displaced in the circumferential direction. Extended toward the other side in a state and separated from each other ,
The stator portion has a cylindrical shape, and has a protruding portion that projects centripetally from the cylindrical portion,
The heating unit is attached to an inner peripheral surface of the stator unit, and has a hole through which the protrusion is inserted .
前記回転体を回転させる動力に風力を利用する請求項1又は請求項2に記載の発電システム。 The rotating shaft is connected to a windmill;
The power generation system according to claim 1 , wherein wind power is used as power for rotating the rotating body.
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