JP7222563B1

JP7222563B1 - 電力効率化システム

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Publication number: JP7222563B1
Application number: JP2021211553A
Authority: JP
Inventors: 利昭安井; 浩維藤本; 和幸弓矢
Original assignee: 株式会社アルティメットウェーブ
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2021-12-24
Publication date: 2023-02-15
Anticipated expiration: 2041-12-24
Also published as: JP2023095578A

Abstract

【課題】電力設備の継続的な電力効率を高めることを可能とする。【解決手段】電力効率化システムは、電力設備の電源の複数の相ごとに用意された複数の筐体の各々であって、非導電の素材の筐体の内部において、導電板と、前記導電板を圧着するように敷き詰めた、トルマリンを素材とする粉末素材と、前記筐体の内部を密閉して接着するための圧着端子と、を備え、前記筐体の側面から前記筐体の内部の前記導電板に接続され、前記筐体の外部の電力設備の電源に接続する導電線を備え、前記電力設備の電源の二次側の相の各々に、当該相から電力を伝達する電力設備に接続する配線とは異なる引き出し線として、前記複数の筐体に接続された前記導電線が接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電力効率化システムに関する。

従来、電力改善装置に係る技術がある（特許文献１参照）。この技術では、電力改善装置の内側箱の中に高誘電率の混合層と、混合層の中に配置した金、銀、又は銅からなる電極板と、磁気層を作り出す磁石と、を備えており、混合層に塩水を含んでいる。

特許６２７４５２３

もっとも、従来技術の手法では塩水を用いており、塩水の浸食による装置自体の経年劣化が想定され得る。電力を伴う電力設備は長期間の稼働が想定されるため、電力を削減するための装置は経年劣化やメンテナンスは少ないことが望ましい。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、電力設備の継続的な電力効率を高めることを可能とする電力効率化システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力効率化システムは、電力設備の電源の複数の相ごとに用意された複数の筐体の各々であって、非導電の素材の筐体の内部において、導電板と、前記導電板を圧着するように敷き詰めた、トルマリンを素材とする粉末素材と、前記筐体の内部を密閉して接着するための圧着端子と、を備え、前記筐体の側面から前記筐体の内部の前記導電板に接続され、前記筐体の外部の電力設備の電源に接続する導電線を備え、前記電力設備の電源の二次側の相の各々に、当該相から電力を伝達する電力設備に接続する配線とは異なる引き出し線として、前記複数の筐体に接続された前記導電線が接続されている。

本発明によれば、電力設備の継続的な電力効率を高めることを可能とする、という効果が得られる。

電力効率化システムの構成の一例を示すブロック図である。電力効率化装置を構成する筐体の詳細を示す図である。高電圧用の電力効率化装置の筐体の斜視図の一例である。低電圧用の電力効率化装置の筐体の斜視図の一例である。電力効率化装置を変圧器に適用した場合の一例を示す図である。実証実験の構成を示す図である。実証実験の実際の設備を撮影した写真である。測定した電流の累計を示すグラフである。測定した電流の時系列の推移を示すグラフである。測定した７次の高調波の累積結果を示すグラフである。測定した５次の高調波の時系列の推移を示すグラフである。３次、５次、７次の高調波の削減率の結果を示したものである。

［本発明の実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の電力効率化システムについて説明する。

図１は、電力効率化システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す例において、電力効率化システム１は、電力効率化装置１０（１０Ａ、１０Ｂ、及び１０Ｃ）と、漏電ブレーカ２０と、電力使用装置３０とにより構成される。漏電ブレーカ２０の電源の一次側は電線等の電力供給設備に接続されている。漏電ブレーカ２０の電源の二次側は電力ケーブル２１により電力使用装置３０に接続されている。漏電ブレーカ２０は、接続された電力ケーブル２１から交流の電力を電力使用装置３０に供給する。以下では電力効率化システム１において電力効率化を図るための基本的な構成だけを説明するが、適宜、構成の変更が可能である。

電力効率化装置１０は、漏電ブレーカ２０の複数の相ごとに用意される。本実施形態では漏電ブレーカ２０の相は２０ａ、２０ｂ、及び２０ｃの３相であるため、電力効率化装置１０Ａ、１０Ｂ、及び１０Ｃの３つが用意される。電力効率化装置１０Ａ、１０Ｂ、及び１０Ｃは、漏電ブレーカ２０の電源の二次側の各相にそれぞれ銅線２２により接続される。銅線２２は導電線であれば他の金属素材の線を用いてよい。なお、漏電ブレーカ２０の交流の線式が、単相３線のＲ相－Ｎ相－Ｔ相、又は三相３線のＲ相－Ｓ相－Ｔ相のいずれであっても同様にそれぞれの相に接続する。

図２は、電力効率化装置１０を構成する筐体の詳細を示す図である。図２に示すように、電力効率化装置１０は筐体１１によって構成される。筐体１１には非電導、防水、防塵の素材を用いる。筐体１１は側面に設けられた接地面から銅線２２と接続される。銅線２２はグランド部材１２によって筐体１１に圧着され、銀板１３に接合される。銀板１３は、筐体１１の内部に水平方向に設置されている。なお銀板１３も導電性であれば他の金属素材を用いてよい。筐体１１の内部は、銀板１３を圧着するようにトルマリンを素材とする粉末素材１４が敷き詰められている。上部からアルミ板１５を用いて粉末素材１４を押圧し、圧縮ビス１６により固定することにより、粉末素材１４が銀板１３を圧着した状態を形成できる。筐体１１はこの形成過程により空洞部１７を有するが、空洞部１７の有無は設計事項である。粉末素材１４は、トルマリンを２，０００メッシュ程度の粒度にした粉末である。筐体１１に敷き詰められる素材には、粉末素材１４のみが用いられる。粉末素材１４には筐体１１の内部収容時に、のため微妙の水分を霧噴射する程度である。

粉末素材１４に用いるトルマリンの特性について説明する。１８８０年にキュリー兄弟（キュリー夫人の夫と兄）がトルマリンの結晶体に圧力を加えると結晶体の両極端にピエゾ電気（圧電気）と呼ばれる電荷が生じ、更にトルマリンを熱するとピロ電気（集電気）と呼ばれる電荷が生じることを発見している。このような結晶内部の電気的な分極作用によって起こる現象は様々な制御装置に活用されている（参考文献１）。
［参考文献１］"ＴＤＫ電気と磁気の館 No.17 圧電セラミックスのマルチ・パフォーマンス",URL:"https://www.tdk.com/ja/tech-mag/hatena/017"

このようなトルマリンの特性について、上記キュリー兄弟のトルマリンを加圧した時の電気の出現則に関する研究が記載された文献がある（参考文献２参照）。
［参考文献２］"Lois du degagement de l'electricite par pression, dans la tourmaline. Note de MM.JACQUES et PIERRE CURIE, presentee par M . Friedel."、"Comptes rendus hebdomadaires des seances de l'Academie des sciences,92(1881) 186"、科学技術振興事業団・訳参照

ここで参考文献２に記載された研究を概説する。研究では次の５つの特性が見出されている。（１）トルマリンの両端面には、向きの違う同量の電気が現れる。（２）或る圧力で出現する電気量は、同量の減圧で出現する電気量と、同量で、逆向きである。（３）この量は圧力の変化に比例する。（４）この量はトルマリンの長さによらない。（５）単位面積当たりの圧力変化に対して、この量は面積に比例する。

この研究で用いられたトルマリンは、主軸に平行なプリズム形で、両端の基底面を薄い錫箔で覆い、その上を非常に厚いガラス板で保護し、木製の「てこ」の間で結晶を圧縮して行われた。上記の（４）で示されているように電気量はトルマリンの長さには比例せず、（３）、（５）で示されているように、圧力、及び面積に比例することがわかっている。

また、この研究では、トルマリンは、透明、無色、又は色付き（緑、黄色、またはうすいバラ色のものなど）のものは、一般には絶縁性であることがわかっており、一方、多少とも不透明なものや、黒いものは導電性があることがわかっている。中でも、黒いトルマリン（ブラックトルマリン）では、電気計の針の瞬間的な動きは、同重量の透明なものの動きと比べて、約１／５であったことが検証されている。以上が参考文献２における研究の概説である。

また、その後、研究の結果、トルマリンの結晶体をどんなに細かくしてもその両極端にはプラスとマイナスの電極が自発的に生じていることが発見されている。またトルマリンは大気圏を通過した素粒子のマイナスイオンを引き寄せ、常にマイナス電子を放出して、水中では電気分解を起こして水（Ｈ_２Ｏ）の浄化を行う。このトルマリンの特性から、トルマリンに電圧をかけると逆方向にマイナスイオンを帯びたマイナス電子を放ち、不変に移動する電子の動きを整え、電気と導体抵抗から発生する熱を抑え、電気ロスを緩和させることが分かっている。例えば、ショールトルマリン原石に対する加圧により、マイナスイオンが発生することが研究されている（参考文献３参照）。

［参考文献３］[online]、インターネット<URL:http://eco-academyclub.com/syoseki-2/q14.html>,エコ・アカデミークラブ株式会社,"Ｑ１４…トルマリンはどうやってマイナスイオンを発生させるの？"

ここでトルマリンの種類に応じて効果が異なることを発明者らは確認している。多数種類のトルマリンを用いてテストを繰り返し、最終的に中国のある地域に既存するブラックトルマリンを使用し、かつ、粉砕２，０００メッシュのものが最大に電力削減効果を引き出すことが分かった。ブラックトルマリンを採用するのは、上記参考文献２にも記載があるように導電性を有するためである。また、マイナスイオンを放出させる際に使用する導体板は銀板（銀板１３）と銅板を使うことが最も適しており、上記導体板とトルマリンが接している面積が大きいほど効果が上がることも分かった。これは、上記参考文献２に示されたトルマリンの特性とも一致している。なお、検証により、電圧容量及び電流使用量に比例してトルマリン量を変えると効果は変化する。

電力効率化装置１０は、高電圧用と低電圧用とに分けられ、それぞれ高電圧用の電力効率化装置１０Ｘの筐体を筐体１１Ｘ、低電圧用の電力効率化装置１０Ｙの筐体を筐体１１Ｙとする。図３は高電圧用の電力効率化装置１０Ｘの筐体１１Ｘの斜視図の一例である。図４は低電圧用の電力効率化装置１０Ｙの筐体１１Ｙの斜視図の一例である。いずれも内部構造は図２に示した例と同様に構成できるが、大きさが異なる。電力効率化装置１０Ｘの筐体１１Ｘの大きさは、例えば、高さ１５０ｍｍ、横幅３６０ｍｍ、奥行２００ｍｍとして構成する。電力効率化装置１０Ｙの筐体１１Ｙの大きさは、例えば、高さ３５ｍｍ、横幅５０ｍｍ、奥行５２ｍｍとして構成する。

電力効率化装置１０の適用例は、電灯又は動力を含む負荷設備機器を対象とする。電灯には、例えば、照明、空調機器、又はインバータ等のものが含まれる。動力には、モータ、製造機器、空調機器、又はインバータ等のものが含まれる。また、負荷設備機器には、上記例に挙げた漏電ブレーカや、蓄電池、変圧器が含まれる。蓄電池は、家庭用、工業用の用途のいずれも想定される。

低電圧用の電力効率化装置１０Ｙを適用する場合は、電力供給量に関し、負荷設備機器のアンペアが０Ａ～１２５Ａの範囲かつ電圧が０～２００Ｖの範囲である場合に適用する。高電圧用の電力効率化装置１０Ｘを適用する場合は、電力供給量に関し、低電圧用の電力効率化装置１０Ｙについて定めたアンペア又は電圧の範囲を負荷設備機器が超える場合に適用する。

図５は、電力効率化装置１０Ｘを変圧器に適用した場合の一例を示す図である。この例は、変圧器２３のトランスの二次側の各相に電力効率化装置１０Ｘの銅線２２を接続する場合である。変圧器２３との間には安全対策として漏電ブレーカ２０を設置し、漏電ブレーカ２０を介して、電力効率化装置１０Ｘ１～３を接続する。

［実証実験］
本実施形態の電力効率化装置１０の効果を検証するため実証実験を行った。電力効率化装置１０は、電力にかかる電気配線送電ロス、電子機器及び変圧器等を対象に当該消費する電気使用量の削減、を目的として設置する。削減の態様として、電力使用量、高調波流出電流の抑制や、熱損失による電力ロスの抑制が挙げられる。効果は、電力量削減、熱量低減による電気機器及び配線寿命の延命、高調波抑制による機器及び作業場周辺環境の改善や、これらの影響による電気使用料金の削減が挙げられる。

図６は、実証実験の構成を示す図である。実証実験は、比較のため同種の設備で、電力効率化装置１０Ｙが適用できる環境を用意した。同種の漏電ブレーカ（ＥＬＢ）、インバータ（ＩＮＶ）、及びファン（ＦＡＮ）を用意し、一方は電力効率化装置１０Ｙなし、他方は電力効率化装置１０Ｙ（１０Ｙ１～１０Ｙ３）ありの構成として、同一の測定器によって電圧及び高調波を測定した。電力効率化装置１０は３つ接続して測定を行っている。図７は、実証実験の実際の設備を撮影した写真である。図７には、電力効率化装置１０の設置箇所と、漏電ブレーカ側の接続箇所を示している。表１は、実証実験の設備の仕様である。

電力負荷設備は（シロッコ）ファン（Ｂ）を用い、インバータ（Ａ）は一般的に電力削減に使用される。インバータ自身が消費するインバータ損失とファンのモータ単体の損失が最小となる制御方式搭載の上でのセッテイングとした。また、設備は高調波を微量に発生する。ＥＬＢが上記構成の漏電ブレーカ２０、ＩＮＶ及びＦＡＮが上記構成の電力使用装置３０に対応する。本検証はファンモータとインバータの相関関係による電力（電流）と高調波の変化が示せるものとした。測定は２０２１年６月１０日から開始した。

図８は、測定した電流の累計を示すグラフである。図８の例は６月１６日までの累計結果、７月１３日までの累計結果を示しており、電力効率化装置１０Ｙなしと比較して電力効率化装置１０Ｙありで継続して電流が削減されていることがわかる。図９は、測定した電流の時系列の推移を示すグラフである。図９の例では、７月２日に負荷を増加するように周波数を４２Ｈｚに変更（変更前は３０Ｈｚ）したが、周波数を変更しても継続して電流が削減されていることが分かった。表２は、９月７日まで測定した電流の削減パーセンテージを示した結果である。結果は９月７日までに９．３０％電流を削減できた。

高調波は３次、５次、７次、９次、１１次について測定した。代表例として７次の高調波の累積結果を示す。図１０は、測定した７次の高調波の累積結果を示すグラフである。電力効率化装置１０Ｙなしと比較して電力効率化装置１０Ｙありで継続してＲ相、Ｔ相共に高調波が削減されていることが分かる。時系列推移の代表例として５次の高調波の結果を示す。図１１は、測定した５次の高調波の時系列の推移を示すグラフである。図１１の例では、時系列において継続して５次の高調波は削減されていることが分かる。図１２は、３次、５次、７次の高調波の削減率の結果を示したものである。９月７日までの測定の結果、高調波５次のＲ相では１２．１０％、Ｔ相では１２．４０％、高調波７次のＲ相では１０．６０％、Ｔ相では９．２０％の削減が図れていた。電力ロスは高調波の３次から７次の影響が大きいため、５次と７次において高調波が削減できていることが、上記電流削減にも寄与していると捉えられる。

また、電線及び負荷設備のファンのモータ等の電力干渉部温度について、接続後、上記表面温度が下がることも確認できている。つまり、電流抵抗が減り、機器損失率も低減することが考えられる。

以上、説明したように、本発明の実施形態に係る電力効率化システム１によれば、電力設備の継続的な電力効率を高めることを可能とする。

本実施形態の電力効率化装置１０は、電気機器ではない点が特徴である。本製品にはモータや、半導体等電気機器等のような負荷がかからない為、電力の使用は一切かからない。また、電力効率化装置１０の耐用年数は比較的長く、配線の劣化を主な基準として、１０年程度は継続して使用可能である。

今回の実証実験では、テスト機器は全てＰＳＥ製品かつ高調波規制範囲のものを使用した。そのため、１０年以上前の機器に適用することで、より効果を発揮すると想定される。

また、電力効率化システム１は太陽光発電機器へ適用しても効果を発揮する。検証において、パワーコンディショナーと変圧器の間に電力効率化装置１０を接続することにより、発電率の約８～１０％上昇を確認している。

また、電力効率化システム１は蓄電池へ適用しても効果を発揮する。電力効率化装置１０を蓄電池１次側に接続すると蓄電池内部温度が低下し、蓄電量が増加し、蓄電池自体の劣化を遅くする効果が期待できる。また、今後自動車ＥＶ車の普及増加することを鑑みて、電力効率化装置１０の導入により走行距離の増加と電池劣化減少効果が見込める。なお、ＥＶ車は蓄電池だけではなく、高調波抑制により、電装機器故障原因や人体への影響も緩和することも期待できる。

また、変圧器と進相コンデンサの高調波抑制と損失低減にも効果を発揮する。高圧の進相コンデンサを設置した場合負荷設備に電源に歪みを含む電流を流す物があるとその歪みの原因の高調波が電力会社の配電線に出て行き、高調波障害を与える事例が多くなっている。その為、現在は高圧進相コンデンサの容量の６％の直列リアクトルを入れることになっている。３次の高調波が多く含まれる所では１３％入れることになっている。このような環境下にて、電力効率化装置１０を変圧器２次側に接続することにより、第３次・５次・７次の高調波を抑制し、電気ロス及び変圧器の熱抑制により損失率を低減できる。

また、電気配線の劣化低減にも効果を発揮する。電力効率化装置１０をブレーカ電源２次側から負荷設備の間に接続するとその間の配線から発生する熱を抑制し、導体線及び絶縁体の被覆の劣化を防ぐ。

また、家庭居住内の電力設備にも導入できる。電力効率化装置１０を各家庭の主幹ブレーカ２次側へ接続することにより、家電製品の電力使用量を減少することが可能である。検証では、１０～２０％程度の電力削減を確認している。

また、ＣＯ_２削減に資する。電力効率化装置１０の電力削減により、電力会社発電量を低減でき、かつＰＶ発電量増加も可能であることによって、発電にかかるＣＯ_２抑制の貢献が大である。

上記のほか、高調波ノイズ低減により各種用途、例えば、電波環境の改善、音響環境改善、ノイズ混入による制御機器環境改善や、電源インピーダンス低減等にも応用できる。

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、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

１電力効率化システム
１０電力効率化装置
１１筐体
１２グランド部材
１３銀板
１４粉末素材
１５アルミ板
２０漏電ブレーカ
２１電力ケーブル
２２銅線
２３変圧器
３０電力使用装置

Claims

電力設備の電源の複数の相ごとに用意された複数の筐体の各々であって、非導電の素材の筐体の内部において、
導電板と、
前記導電板を圧着するように敷き詰めた、トルマリンを素材とする粉末素材と、
前記筐体の内部を密閉して接着するための圧着端子と、
を備え、
前記筐体の側面から前記筐体の内部の前記導電板に接続され、前記筐体の外部の電力設備の電源に接続する導電線を備え、
前記電力設備の電源の二次側の相の各々に、当該相から電力を伝達する電力設備に接続する配線とは異なる引き出し線として、前記複数の筐体に接続された前記導電線が接続されており、
前記粉末素材に、トルマリンを粉末状にした素材のみを用いる、
電力効率化システム。
前記筐体の素材には防水及び防塵の素材を用い、前記粉末素材を密閉して格納する請求項１に記載の電力効率化システム。
前記電力設備は、電灯又は動力を含む負荷設備機器であって、漏電ブレーカ、蓄電池、及び変圧器を含む負荷設備機器を対象とする請求項１又は請求項２に記載の電力効率化システム。
前記電力設備の電力供給量に応じて、前記筐体として、第１の大きさの第１の筐体、又は前記第１の筐体より小さな第２の筐体の何れかを用いる請求項１～請求項３の何れか１項に記載の電力効率化システム。
前記第２の筐体は、電力供給量に関し、アンペアが０Ａ～１２５Ａの範囲かつ電圧が０～２００Ｖの範囲の電灯又は動力を含む負荷設備機器であって、漏電ブレーカ、蓄電池、及び変圧器を含む負荷設備機器の場合に適用し、
前記第１の筐体は、電力供給量に関し、前記第２の筐体について定めたアンペア又は電圧の範囲を超える前記負荷設備機器の場合に適用する、請求項４に記載の電力効率化システム。
前記粉末素材の前記トルマリンには導電性を有するブラックトルマリンを使用し、かつ、粉砕２，０００メッシュに粉末状にしたものを、前記筐体の内部に敷き詰めて使用する請求項１～請求項５の何れか１項に記載の電力効率化システム。