JPWO2020095555A1 - 電磁誘導型発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】送電線に流れる電流が小さいときでも所望の電力を発電でき、電流が大きいときには余分な電力をできるだけ発電しない電磁誘導型発電装置を提供する。【解決手段】電磁誘導型発電装置1は、送電線2に取り付けられる電流トランス10と、電流トランス10から出力される交流電圧を整流する整流回路20と、整流回路から出力される直流電圧を一定の電圧レベルに制限するレギュレータ回路30とを備えている。電流トランス10は、一次巻線としての送電線2に取り付けられた磁性コア11と、磁性コア11を介して送電線2に磁気結合された二次巻線12とを有し、磁性コア11は、送電線2に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるように構成されている。【選択図】図1
Description
本発明は、電磁誘導型発電装置に関し、特に、送電線に取り付けられるIoT(Internet of Things)デバイスの電源として好適な電磁誘導型発電装置に関する。
送電線に取り付けられてその状態を監視するIoTデバイスが知られている。例えば、特許文献1には、送電線の異常振動を検出するための振動検出装置が記載されている。振動検出装置の電源には、送電線の周囲に発生する磁界の変化による電磁誘導を利用した発電装置、あるいは太陽光発電装置が用いられている。
また特許文献2には、電磁誘導方式の電源装置を用いた監視カメラシステムが記載されている。この監視カメラシステムは、送・配電線路に着脱可能に設けられ、電磁誘導方式で電力を生成する発電用CTコアと、発電用CTコアから発生した交流電力を直流電力に変換する電力変換部と、動画を撮影するカメラモジュールと、カメラモジュールの出力データを外部に伝送する無線通信モジュールとを備えている。
送電線に流れる電流は電力需要により大きく変動する。このように送電線に流れる電流が変動してもIoTデバイスが安定的に動作するためには、送電線に流れる電流が最小値のときでもIoTデバイスが動作可能な最低限の電力が常に発電されるように電磁誘導型発電装置を設計する必要がある。
一方、送電線に流れる電流で発電する電磁誘導型発電装置では、送電線の通電時間を変えることができないため、送電線の電流の増加と共に二次電流も増加する。そのため、送電線に流れる電流が非常に大きい場合には、発電される電力も非常に大きくなる。このように発電量が増加しているにもかかわらず、IoTデバイスが一定の消費電力で動作している場合には、余分な電力が大量に発生することなるため、熱に変換するなど、何らかの方法で余剰電力を消費する必要がある。
しかしながら、余剰電力を熱に変換する場合、IoTデバイスの不要な温度上昇を招くことになり、IoTデバイス内の部品や素子の劣化が加速するおそれがある。また例えば、高圧送電線には数千アンペア以上の大電流が流れる場合があるが、大電流によって発生した余剰電力をすべて熱に変換することは極めて困難である。さらにIoTデバイスが架空送電線に設置される場合、その設置やメンテナンスは非常に困難である。そのため、そのような場所に設置されるIoTデバイスには、一度設置したら例えば10年以上の長期間にわたって安定的に動作することが求められていることから、高温化等によるIoTデバイスの特性劣化を極力防止することが望ましい。
したがって、本発明の目的は、送電線に流れる電流が小さいときでも所望の電力を発電でき、電流が大きいときには余分な電力をできるだけ発電しない電磁誘導型発電装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明による電磁誘導型発電装置は、一次巻線としての送電線に取り付けられる電流トランスと、前記電流トランスから出力される交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路から出力される直流電圧を一定の電圧レベルに制限するレギュレータ回路とを備え、前記電流トランスは、前記送電線に取り付けられた磁性コアと、前記磁性コアを介して前記送電線に磁気結合された二次巻線とを有し、前記磁性コアは、前記送電線に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるように構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、送電線に流れる一次電流が非常に小さいときでも所望の電力を発電でき、IoTデバイスに対して安定的に電力を供給することができる。また一次電流が非常に大きいときには、二次巻線からの出力電圧の増加は一次電流に比例せず、出力電圧の増加が抑制されるので、必要以上の余分な電力の発生を抑えることができ、余分な電力を熱に変換することによる不要な温度上昇を防止することができる。これにより、電力供給を受けるIoTデバイスの性能の低下等を防止することができる。
本発明において、前記送電線に流れる電流の変動範囲の最小値は10A以上100A以下であることが好ましく、30A以上70A以下であることがより好ましく、40A以上50A以下であることが特に好ましい。さらにまた、前記変動範囲の最大値は800A以上であることが好ましく、1080A以上であることが特に好ましい。このように、送電線に流れる電流の変動範囲が非常に広く、一次電流に比例した出力電圧が発生する場合には、電流トランスから極めて大きな出力電圧が発生することになり、余分な電力の処理が極めて困難となる。しかし、本発明では余分な電力の発電が抑えられているので、そのような発熱の問題を解決することができる。
本発明において、前記磁性コアはフェライトからなる環状コアであり、前記送電線は前記環状コアの中空部を貫通していることが好ましい。磁性コアがフェライトからなる場合には、珪素鋼鈑等の他の磁性材料と比べて酸化による磁気特性の経年劣化を抑えることができる。したがって、例えば10年以上の長期間にわたって信頼性を確保することができ、メンテナンスが困難な設置環境下で好ましく使用することができる。
本発明において、前記磁性コアは、前記送電線に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるようにその断面積が設定されていることが好ましい。磁性コアの磁気特性の選択の幅が狭い場合には、主に磁性コアの断面積によって磁気飽和特性を制御することができる。
本発明において、前記送電線は架空送電線であることが好ましく、送電電圧が66kV以上である高圧送電線であることが特に好ましい。このような高圧の架空送電線の場合、IoTデバイスの設置やメンテナンスが極めて困難であるため、本発明による効果が顕著である。
本発明によれば、送電線に流れる電流が小さいときでも所望の電力を発電でき、電流が大きいときには余分な電力をできるだけ発電しない電磁誘導型発電装置を提供することができる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態による電磁誘導型発電装置の構成を示す図である。
図1に示すように、電磁誘導型発電装置1は、送電線2に取り付けられる電流トランス10と、電流トランス10から出力される交流電圧を整流する整流回路20と、整流回路20から出力される直流電圧を一定の電圧レベルに制限するレギュレータ回路30とを備えている。本実施形態による電磁誘導型発電装置はIoTデバイスの電源となるものであり、レギュレータ回路30の出力端子にはIoTモジュール40が接続されている。IoTモジュール40の種類は特に限定されず、送電線2の物理的又は電気的な状態を計測する各種センサモジュールであってもよく、遠隔監視カメラなどであってもよい。IoTモジュール40は通信機能を有し、センサやカメラで収集したデータをサーバに向けて送信することができる。
送電線2は架空送電線であることが好ましく、送電電圧が66kV以上の高圧送電線であることがさらに好ましい。架空送電線は地上から数十メートル以上の高所に架設されているため、IoTデバイスの設置やメンテナンスが極めて困難であり、さらに送電線2に流れる電流の変動範囲は広く、本発明の効果が顕著だからである。送電線2には商用周波数(50Hz又は60Hz)の交流電流が流れており、送電線2の周囲には交番磁界が発生している。交番磁界の大きさは、送電線2に流れる電流の大きさによって変化する。
電流トランス10は、一次巻線としての送電線2に取り付けられた磁性コア11と、磁性コア11を介して送電線2に磁気結合された二次巻線12とを有している。磁性コア11は例えば分割型トロイダルコアであり、送電線2がトロイダルコアの中空部を貫通するように当該送電線2に取り付けられている。二次巻線12はトロイダルコアに所定のターン数で巻き回されており、整流回路20の一対の入力端子は二次巻線12の両端に接続されている。磁性コア11は丸型のトロイダルコアに限定されず、角型コア等の多角形の環状コアであってもよい。
図2は、電流トランス10の構造を示す略断面図である。図示に示すように、電流トランス10はアルミケース等の金属ケース13に収容された状態で送電線2に設置されることが好ましい。この場合、送電線2は金属ケース13と接触しており、金属ケース13は送電線2と電気的に接続されているが、金属ケース13内の電流トランス10は、絶縁体14a,14bを介して金属ケース13の外殻13a及び内殻13bと絶縁分離されている。さらに二次巻線12は絶縁被覆されており、磁性コア11と二次巻線12との間の絶縁状態も確保されている。
本実施形態において、磁性コア11を構成する磁性材料はフェライトであることが好ましい。フェライトは酸化鉄を主成分とする強磁性材料であり、最初から酸化しているため、珪素鋼鈑等の他の磁性材料と比べて酸化等の経年変化による磁気特性の変化が少ないからである。送電線2に設置されるIoTデバイスは、設置された後の修理や交換が極めて困難であり、例えば10年以上の長期間にわたって安定的に使用し続けることができ、経年劣化が少ないことが求められるからである。低周波ではフェライトよりも珪素鋼鈑の磁気特性の方が良好であるため、珪素鋼鈑を用いた場合には磁性コアを小型化することが可能である。しかし、経年劣化による信頼性の低下を考慮した場合には、珪素鋼鈑よりもフェライトの方が有利である。
送電線2に流れる電流は電力需要に応じて大きく変化し、50A程度の非常に小さな電流から1080A以上の極めて大きな電流まで様々である。一方、IoTデバイスを常に安定的に動作させるためには、送電線2に流れる電流の最小値で所望の電力を発電させることができるだけでなく、送電線2に流れる電流が大きくなっても余分な電力を発生させないことが求められる。一次電流に比例して出力電圧が大きくなる場合、非常に大きな余剰電力が発生することになるからである。例えば、一次電流の最小値が50Aであるとき、一次電流が1080Aのときの出力電圧は、一次電流が最小値のときの出力電圧の21倍以上にもなる。このような余剰電力を熱に変換して放出した場合には、電源装置を含めたIoTデバイス全体の温度上昇をもたらし、経年劣化を加速させる原因となる。
そのため、本実施形態による電流トランス10の磁性コア11は、送電線2に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始め、送電線2に流れる電流が増加しても二次巻線12からの出力電圧の増加が抑制されるように構成したものである。このように、磁性コア11が送電線2に流れる電流の変動範囲の最小値近傍で磁気飽和している場合、送電線2に流れる電流をそれ以上増加させても磁性コア11内の磁束は一次電流に比例して増加せず、二次巻線12に誘起される出力電圧もほとんど増加しないので、IoTモジュール40に余分な電力が供給されることを防止することができる。
送電線2に流れる電流の変動範囲の最小値は10A以上100A以下であることが好ましく、30A以上70A以下であることがより好ましく、40A以上50A以下であることが特に好ましい。一方、送電線2に流れる電流の変動範囲の最大値は800A以上であり、1080A以上であることが好ましい。このように、送電線2に流れる電流の変動範囲が非常に広く、一次電流に比例した出力電圧が発生する場合には、電流トランス10から極めて大きな出力電圧が発生することになり、余分な電力の処理が極めて困難となる。しかし、磁性コア11が磁気飽和している場合には、余分な電力の発電が抑えられているので、そのような発熱の問題を解決することができる。
図3は、磁性コア11を構成する磁性材料のB−H曲線を示すグラフである。
図3に示すように、磁性コア11が磁気飽和していないときの磁界Hと磁束密度Bとの間にはB=μHの関係式が成り立ち、図中の破線のように磁束密度Bは磁界Hに比例する。しかし、実際のB−H曲線は図中の実線のようになり、磁束密度Bは磁界Hに比例しなくなる。磁界Hは一次電流Iに比例するので、この実線は一次電流Iに応じて透磁率μが小さくなることを意味する。
すなわち、一次電流I(磁界H)が増加すると、磁束密度Bはその磁性材料が持つ最大磁束密度に到達し、それ以上増加しなくなる。このように磁束密度Bの変化が非常に小さくなった状態が磁気飽和の状態である。
本実施形態においては、送電線2に流れる一次電流Iがその変動範囲の最小値のときに磁性コア11が実質的に磁気飽和の状態となるように、磁性コア11の材質(透磁率)又は断面積を選定した上で二次巻線12のターン数を算出する。このようにすることで、一次電流が増加しても余剰電力を発生させない電磁誘導型発電装置1を実現することができる。
一次電流Iによって誘起される磁界H(起磁力)の大きさは、磁性コア11の断面積や透磁率に比例する。磁性コア11の断面積を大きくすれば起磁力Hも大きくなり、磁性コア11の透磁率μを大きくすれば起磁力も大きくなる。そのため、磁性コア11の断面積や透磁率μを調整することにより、磁性コア11の磁気飽和特性を調整することができ、送電線2に流れる電流の変動範囲が当該送電線2に対して規定される最小値(例えば50A)のときに磁性コア11が磁気飽和し始めるようにすることができる。
本実施形態においては、送電線2に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるように磁性コア11の断面積が設定されていることが特に好ましい。磁性コア11にフェライトを用いる場合、磁気特性の選択の幅が狭いことから、磁性コア11の断面積によって磁気飽和特性を調整することができる。
送電線2に流れる電流がその変動範囲の最小値(例えば50A)であるときの磁性コア11の起磁力をHLとし、送電線2に流れる電流がその変動範囲の最大値(例えば1200A)であるときの磁性コア11の起磁力をHHとし、磁性コア11は起磁力がHLのときに磁気飽和し始めるものとする。起磁力がHLであるときの磁性コア11の磁束密度はBLであり、起磁力がHHであるときの磁性コア11の磁束密度はBHである。ここで、起磁力HHは起磁力HLの24倍であるが、磁性コア11は磁気飽和していることから、磁束密度BHは磁束密度BLの2倍以下とすることができる。つまり、一次電流Iが最大値のときの出力電圧VOは、一次電流Iが最小値のときの出力電圧VOの2倍以下に抑えられるので、レギュレータ回路30で制御可能な電圧レベルであり、余剰電力の発生を抑えることができる。
以上説明したように、本実施形態による電磁誘導型発電装置1は、一次巻線としての送電線2に取り付けられる電流トランス10を含み、電流トランス10の磁性コア11は、送電線2に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるように構成されているので、二次巻線12に誘起される出力電圧の増加を抑制することができ、IoTデバイスで消費しきれない余分な電力の発生を抑制することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態においては、IoTデバイスを架空送電線に設置する場合を好ましい例として挙げたが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、地中送電線などの他の送電線に対しても適用可能である。ただし、架空送電線には非常に大きな電流が流れるため、余分な電力の影響も非常に大きく、さらに架空送電線へのIoTデバイスの設置やメンテナンスも非常に困難であるため、本発明の効果が顕著である。
1 電磁誘導型発電装置
2 送電線
10 電流トランス
11 磁性コア
12 二次巻線
13 金属ケース
13a 金属ケースの外殻
13b 金属ケースの内殻
14a,14b 絶縁体
20 整流回路
30 レギュレータ回路
40 IoTモジュール
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Claims (5)
- 一次巻線としての送電線に取り付けられる電流トランスと、
前記電流トランスから出力される交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路から出力される直流電圧を一定の電圧レベルに制限するレギュレータ回路とを備え、
前記電流トランスは、前記送電線に取り付けられた磁性コアと、前記磁性コアを介して前記送電線に磁気結合された二次巻線とを有し、
前記磁性コアは、前記送電線に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるように構成されていることを特徴とする電磁誘導型発電装置。 - 前記送電線に流れる電流の変動範囲の最小値が10A以上100A以下である、請求項1に記載の電磁誘導型発電装置。
- 前記磁性コアがフェライトからなる環状コアであり、前記送電線は前記環状コアの中空部を貫通している、請求項1又は2に記載の電磁誘導型発電装置。
- 前記磁性コアは、前記送電線に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるようにその断面積が設定されている、請求項3に記載の電磁誘導型発電装置。
- 前記送電線が架空送電線である、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電磁誘導型発電装置。
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