TWI587746B - 發電系統 - Google Patents

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TWI587746B
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Description

發電系統
本發明關於一面利用風力使導電體旋轉，一面對導電體施加磁場，藉由將導電體感應加熱以加熱熱媒體，並將此熱媒體的熱轉換成電能來發電的發電系統。
近年來，從削減溫室效應氣體的觀點，利用風力或太陽光等可再生能源的發電系統正在被注視中。
例如，於非專利文獻1～3中記載著關於風力發電的技術。風力發電係利用風使風車旋轉以驅動發電機來發電者，即，係將風的能量轉換成旋轉能量，以作為電能並加以擷取者。風力發電系統一般係於塔的上部設置短艙(nacelle)，並於此短艙安裝水平軸風車(相對於風的方向，旋轉軸大致呈平行的風車)的構造。短艙收納有將風車之軸的轉數予以增速並予以輸出的增速機、及藉增速機的輸出而被驅動的發電機。增速機係將風車的轉速提高至發電機的轉速(例如1：100)者，且組裝有齒輪箱。
最近，為了降低發電成本，乃有將風車(風力發電系統)予以大型化的趨勢，而風車的直徑在120m以上，5MW的風力發電系統已實用化。如此大型的風力發電系統為巨大且係重量重之物，因此，從建設上的理由，多為建設在海洋上的情況。
又，若是風力發電，發電輸出(發電量)會隨著風力的變動而變動，因此，將蓄電系統併設於風力發電系統，以將不穩定的電力儲存於蓄電池，而能進行平滑化輸出。
另一方面，例如於非專利文獻4記載著關於太陽熱能發電的技術。太陽熱能發電係將太陽熱能予以聚光以轉換成熱能，並利用該熱能以使蒸氣產生而使渦輪機旋轉，藉以驅動發電機來發電者，即，係將太陽能轉換成熱能，以作為電能並加以擷取者。作為太陽熱能發電系統者，例如塔方式者已被實用化。此乃將太陽光聚光至已設置於塔(tower)的上部的聚熱器，而將利用其熱所產生的蒸氣送至已設置於塔的下部的渦輪機，並以使渦輪機旋轉，藉以驅動發電機來發電的方式(參照非專利文獻4的第3圖)。
太陽熱能發電的情況，係輸出也會因天氣或時間而變動，所以，為了進行穩定的發電，乃進行著將能將熱儲存於蓄熱器以擷取發電所必要的熱的蓄熱系統設置於太陽熱能發電系統。
[先行技術文獻] [非專利文獻]
[非專利文獻1]“風力發電(01-05-01-05)”、[online]、原子能百科辭曲ATOMICA、[平成21年10月13日檢索]、網際網路<URL:http://www.rist.or.jp/atomica/>
[非專利文獻2]“2000kW大型風力發電系統SUBARU80/2.0 PROTOTYPE”、[online]、富士重工業公司、[平成21年10月13日檢索]、網際網路<URL:http://www.subaru-windturbine.jp/home/index.html>
[非專利文獻3]“風力講座”、[online]、三菱重工業公司、[平成21年10月13日檢索]、網際網路<URL:http://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza_0101.html>
[非專利文獻4]“太陽熱能發電系統(01-05-01-02)”、[online]、原子能百科辭曲ATOMICA、[平成21年10月13日檢索]、網際網路<URL:http://www.rist.or.jp/atomica/>
[非專利文獻5]“Doubling the Efficiency with Superconductivity”、[online]、Industrial heating、[平成21年10月13日檢索]、網際網路<URL:http://www.Industrialheating.com/Articles/Feature_Articles/BNP_GUID_9-5-2006_A_10000000000000416320>
雖然風力發電系統設置有蓄電系統，但是於蓄電系統為了將電力儲存至蓄電池，必須有變流器等零件，所以會導致系統的複雜化、電力損失增大。又，若是大型的風力發電系統的情況下，必須有與發電量對應的大容量的蓄電池，乃會導致系統整體的成本增大。
另一方面，雖然太陽熱能發電系統設置有蓄熱系統，但是蓄熱系統較蓄電系統簡易，蓄熱器也較蓄電池廉價。然而，相對於風力發電只要有風的話，即使是夜間也能發電，太陽熱能發電在夜間就無法發電。所以，為了在夜間也持續供電，就必須有大規模的蓄熱器。
又，風力發電系統之故障原因多為增速器所造成，更具體而言為齒輪箱的故障所造成者。一旦齒輪箱故障，則通常以更換齒輪箱的方式來應付，唯，於塔的上部設置有短艙的情況下，在齒輪箱的安裝及拆卸上需要很多的時間與勞力。所以最近也有不必有增速器之無齒輪的可變速式。
但是，無齒輪的情況下，具體上係藉由增加發電機之極數(多極發電機)來應對，唯，與使用增速器的情形比較，發電機將會大型化或重量化。特別是，若是5MW等級之大型的風力發電系統，考量發電機的重量超過300噸(300000kg)，難以配置於短艙內。
本發明係鑒於以上所述情事而完成的發明，其目的之一係在於提供一種利用風力的發電系統，且係保持性優良，設置於塔上部的短艙可小型或輕量化的發電系統。
本發明之發電系統，係具備：風車；導電體，係與風車的旋轉連動而旋轉；磁場產生器，係產生通過導電體的磁場；熱媒體，係從在磁場內旋轉而經感應加熱後之導電體接受熱；及發電部，係將熱媒體的熱轉換成電能。
本發明之發電系統，係風的能量→旋轉能量→熱能的轉換以作為電能來擷取者，係習知所無之新穎的發電系統。如此一來，依據本發明之發電系統可達到以下的效果。(1)係利用風力，所以可於夜間發電，而於設置蓄熱器的情況下，可將蓄熱器設成較太陽熱能發電系統還小規模者。(2)藉由將風車的旋轉能量利用於產生熱，利用該熱來發電，而不須設置蓄電系統。(3)不須設置增速器，能避免齒輪箱的故障。
唯，雖然也可考量到利用旋轉能量以產生摩擦熱，但是該情況下，產生摩擦熱的零件會因使用而磨耗，所以必須定期性地更換等保養的觀點上有問題。相對於此，本發明利用旋轉能量使導電體旋轉並藉感應加熱來產生熱，所以與摩擦加熱比較，在保養的觀點上為有利的。
作為本發明之發電系統的一形態，具備：塔，係較發電部的設置處更朝上方延伸；及短艙，係設置於塔的上部，且設置有風車、導電體及磁場產生器。又，可舉出具備：熱媒體槽，係配置於短艙內，且收容從導電體接受熱之熱媒體；及輸送管，係將熱媒體槽之熱媒體的熱送至發電部。
藉由於設置在塔上部的短艙安裝風車，能利用上空之風速強的風之能量。又，藉輸送管而對已設置於例如塔的下部(基座)的發電部供給熱媒體，而無須於短艙設置發電部，可將設置於塔上部之短艙作成小型、輕量化。
而且，可舉出以下的結構作為本發明之發電系統之具體的形態。
發電部具有利用熱媒體的熱來旋轉的渦輪機、及藉渦輪機來驅動的發電機的形態。
具備儲存熱媒體之熱的蓄熱器的形態。
於導電體的一部分配置有磁性體的形態。
磁場產生器具有產生磁場的線圈的形態。特別是，該線圈係超導體線圈的形態。
磁場產生器產生朝向與導電體反方向旋轉的旋轉磁場的形態。
本發明之發電系統達到以下的效果。(1)係利用風力，所以可於夜間發電，於設置蓄熱器的情況下，可將蓄熱器設成較太陽熱能發電系統還小規模者。(2)藉由將風車的旋轉能量利用於產生熱，利用該熱來發電的情況下，而不須設置蓄電系統。(3)不須設置增速器，能避免齒輪箱的故障。
 [用以實施發明之樣態]
使用圖式來說明本發明的實施形態。又，於圖中對同一構件賦與同一符號。
(實施形態1)
第1圖所示之發電系統W具備風車10、導電體20、熱媒體槽30、磁場產生器40、蓄熱器50及發電路60。於設置在塔101之上部的短艙102安裝有風車10，於短艙102內收納有導電體20、熱媒體槽30及磁場產生器40。又，於建設在塔101之下部(基底)的建築物103設置有蓄熱器50及發電部60。以下詳細說明發電系統W的結構。
風車10係以延伸於水平方向的旋轉軸15為中心，並將三片的翼11以輻射狀安裝於旋轉軸15的構造。在輸出超過5MW之風力發電系統的情況下，直徑為120m以上，轉數為10～20rmp的程度。
導電體20直接連結於旋轉軸15，而與風車10的旋轉連動旋轉。導電體20係藉由在磁場內旋轉產生渦電流，且係以可被感應加熱的材料所形成。可使用例如鋁或銅、鐵等金屬。在使用鋁的情況下，能謀求輕量化。另一方面，當使用鐵等磁性體時，能提高磁束密度，能使渦電流(加熱能)增大。所以，也可於導電體的一部分配置磁性體，例如，可舉出在柱狀(筒狀)之導電體(例如鋁)的中心部配置有磁性體(例如鐵)的構造。
又，導電體20的形狀係能採用圓柱狀、圓筒狀、多角柱狀、多角筒狀等各種的形狀。
熱媒體槽30於內部配置導電體20之同時，且收納有從已被加熱的導電體20接受熱的熱媒體。熱媒體係可採用例如水或油、熔融鹽等液體。在此，以使用水作為熱媒體的例子來說明。
磁場產生器40係以夾著導電體20對向的方式配置一對磁石41、42的構造。在此，磁石41、42係使用永久磁石，產生磁束從磁石41流向磁石42的直流磁場(參照第3圖(A))。於磁場產生器40，除了使用永久磁石之外，也可建構成使用正常導體線圈或超導體線圈，將線圈激磁以產生磁場的方式。
此發電系統W係將利用在藉磁場產生器40產生的磁場內旋轉而經感應加熱的導電體20的熱，傳送至熱媒體槽30的水(熱媒體)以產生高溫暨高壓蒸氣。所產生的蒸氣通過將熱媒體槽30與蓄熱器50予以連結之輸送管51而傳送至蓄熱器50。
蓄熱器50儲存已通過輸送管51所送來之蒸氣的熱，又，將發電所必要的蒸氣供給至發電部60。
發電部60係組合蒸氣渦輪機61與發電機62的構造，蒸氣渦輪機61藉著從蓄熱器50所供給的蒸氣而旋轉，以驅動發電機62而發電。
此蓄熱器50及發電部60係可利用太陽熱能發電的技術。作為蓄熱器50係可利用例如將蒸氣以壓力水的形態儲存的蒸氣儲存器、或使用熔融鹽或油等的顯熱型，或利用融點高的熔融鹽之相變化的潛熱型的蓄熱器。潛熱型的蓄熱方式係利用蓄熱材的相變化溫度來進行蓄熱，所以，一般而言，蓄熱溫度範圍較顯熱型的蓄熱方式的範圍還窄，蓄熱密度高。又，蓄熱器50也可具備熱交換器，也可建構成利用已儲存於蓄熱器50的熱並利用熱交換器來產生發電所必要之蒸氣的方式。
送到蓄熱器50的蒸氣將熱儲存於蓄熱器50之後，或轉繞於渦輪機61之後，以復水器71冷卻而變回水。之後，以送至泵72作成高壓水並通過供水管73而送到熱媒體槽30的方式來循環。
接著，檢討關於本發明之發電系統的規格。在此，假定了輸出為超過5MW的發電系統。具體上，已試算導電體以15rmp旋轉時，導電體產生7.2MW之熱能所必要之導電體的尺寸。
非專利文獻5揭示有在對超導體線圈流通直流電所產生的磁場內，使導電性的加工物旋轉，藉感應加熱以加熱加工物的技術。此文獻記載有輸入電力：360kW、旋轉數：240～600rmp、鋼胚尺寸：直徑178mm×長度690mm，作為加熱圓柱狀之鋁的鋼胚之感應加熱裝置的規格。
又，感應加熱的能量P可利用以下式表示(參照電工學手冊(出版社：電學會，發行年月日：昭和63年2月28日(初版))，p.1739)。
[式1]　P=2.5fH2LμrAQ10-8(其中，CGS單位制)
f為頻率(1/s)，能從導電體的轉數求得。H為磁場的強度(Oe)，在此設為一定。L為導電體之軸方向的長度(cm)，A為導電體的剖面積(cm2)，L×A表示導電體的體積。μr為導電體的相對導磁率，Q為取決於導電體之形狀的修正係數。在此，為了將導電體的形狀設成與上述圓柱狀之鋼胚的形狀相似形狀，Q的值也設成一定。從上述式1得知能量P(W)與頻率f、體積(長度L×面積A)成比例。
當將假定的發電系統與上述感應加熱裝置比較時，發電系統的轉數為感應加熱裝置之轉數的約1/20，另一方面，所產生的熱能為感應加熱裝置之輸入電力的約20倍。所以，可推定所假定的發電系統必須為導電體之約400倍的體積者。
試算的結果，使用圓柱狀之鋁胚於導電體的情況下，尺寸例如相當於直徑1320mm×長度5110mm，體積約7m3，其重量約21噸(21000kg，換算成密度為3g/cm3)。如此一來，即便是合併收納於短艙內的其他設備類，短艙的重量預估也達到50噸程度。可瞭解輸出為5MW的風力發電系統為無齒輪的情況下，當短艙的重量超過300噸時，本發明的發電系統具有同等以上的能力，同時短艙的重量可大幅地輕量化。
(變形例1)
上述實施形態1中，以使用永久磁石於磁場產生器的情況為例子進行了說明，唯，也可建構成使用正常導體線圈或超導體線圈，藉通電將線圈予以激磁以產生磁場的方式。使用第2圖來說明於產生磁場的手段係利用了超導體線圈之磁場產生器的一例。
第2圖所示之磁場產生器40係具有超導體線圈45、46，且係以夾著導電體20對向的方式配置有超導體線圈45、46的構造。超導體線圈45(46)收納於冷卻容器80，且安裝於冷凍機81的冷作頭(cold head)82而可傳導冷卻。藉由使用超導體線圈，與使用正常導體線圈的情況比較，能產生強的磁場，容易達成小型暨輕量化。又，使用超導體線圈時，由於不使用鐵芯，因此能消除磁性飽和，且由於無鐵芯的緣故，乃能達到更輕量化。
又，使用超導體線圈時，也可建構成將液體冷媒(例如液態氮)導入冷卻容器以將超導體線圈浸泡於液體冷媒的狀態下，一面使液體冷媒循環一面利用冷凍機冷卻的方式。此情形下，也可將用以壓送冷媒的泵等循環機構配置於短艙內，也可配置在位於塔的下部的建築物內。
(變形例2)
上述實施形態1中，以將兩個磁石對向配置的磁場產生器為例進行了說明，唯，也可配置三個以上的磁石。例如，可考量沿著導電體的周圍方向將複數個磁石以磁極交互的方式配置的構造。例如，如第3圖(B)所示，配置四個磁石41～44的情況下，係使磁束從磁石41、43流向磁石42、44的磁場產生。
(變形例3)
上述實施形態1中，以產生磁場不會經時間變化的直流磁場的磁場產生器為例子進行了說明，唯，也可建構成使用複數個線圈以產生旋轉磁場的方式。例如，可考量係藉由設成將複數個線圈沿著導電體的周圍方向配置的構造，順序地將複數個線圈予以激磁，以沿著導電體的周圍方向產生旋轉磁場。更具體而言，可舉出於導電體外周，將於徑方向對向配置的線圈對在周圍方向以等間隔配置三對。此時，藉由將旋轉磁場的方向設成與導電體的旋轉方向呈反方向，能增大外觀上導電體的旋轉數，能增大產生的熱能。產生旋轉磁場時，可舉出例如以與3相交流之各相對應的電流來將前述各線圈對予以激磁。
(變形例4)
上述實施形態1中，以使用水的情形作為熱媒體的例子進行了說明，唯，也可使用熱傳導率較水高的液體金屬作為熱媒體。作為如此的液體金屬者，可舉出例如液體金屬鈉。使用液體金屬作為熱媒體時，可考量係例如使用液體金屬作為從導電體接受熱之一次熱媒體，利用通過輸送管所送來之液體金屬的熱並透過熱交換器來加熱二次熱媒體(水)，以產生蒸氣。
又，本發明非限定於上述實施形態者，在不脫離本發明之要旨的範圍內可作適當的變更。例如，也可適切地變更導電體或熱媒體，或將正常導體線圈使用於磁場產生器。
[產業上利用性]
本發明之發電系統可適合利用於利用風力發電的領域。
W．．．風力發電系統
10．．．風車
11．．．翼
15．．．旋轉軸
20．．．導電體
30．．．熱媒體槽
40．．．磁場產生器
41、42、43、44．．．磁石
45、46．．．超導體線圈
50．．．蓄熱器
51．．．輸送管
60．．．發電部
61．．．蒸氣渦輪機
62．．．發電機
71．．．復水器
72．．．泵
73．．．供水管
80．．．冷卻容器
81．．．冷凍機
82．．．冷作頭
101．．．塔
102．．．短艙
103．．．建築物
第1圖係說明本發明之風力發電系統之一例的概略圖。
第2圖係說明具有超導體線圈之磁場產生器之一例的概略圖。
第3圖(A)係說明夾著導電體而將兩個磁石對向配置的情況下，磁束之流動的圖式，(B)係說明沿著導電體的周圍方向，將4個磁石以磁極呈交互的方式均等配置的情況下，磁束之流動的圖式。
W．．．風力發電系統
10．．．風車
11．．．翼
15．．．旋轉軸
20．．．導電體
30．．．熱媒體槽
40．．．磁場產生器
41、42．．．磁石
50．．．蓄熱器
51．．．輸送管
60．．．發電部
61．．．蒸氣渦輪機
62．．．發電機
71．．．復水器
72．．．泵
73．．．供水管
101．．．塔
102．．．短艙
103．．．建築物

Claims (9)

  1. 一種發電系統，其特徵在於具備：風車；導電體，係與前述風車的旋轉連動而旋轉；磁場產生器，係產生通過前述導電體的磁場；熱媒體，係從在前述磁場內旋轉而經感應加熱後的前述導電體接受熱；及蓄熱器，係儲存前述熱媒體之熱，並供給發電所必要的蒸氣；發電部，係使用由前述蓄熱器所供給的蒸氣，產生電能。
  2. 如申請專利範圍第1項之發電系統，其具備塔，係較前述發電部的設置處更朝上方延伸；短艙，係設置於前述塔的上部，且設置有前述風車、前述導電體及前述磁場產生器；熱媒體槽，係配置於前述短艙內，且收容已從前述導電體接受熱之前述熱媒體；及輸送管，係將前述熱媒體槽之前述熱媒體的熱送至前述蓄熱器。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之發電系統，其中前述發電部具有利用由前述蓄熱器所供給的蒸氣來旋轉的渦輪機、及藉前述渦輪機來驅動的發電機。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之發電系統，其中於前述導電體的一部分配置有磁性體。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之發電系統，其中前述磁場 產生器具有產生磁場的線圈。
  6. 如申請專利範圍第5項之發電系統，其中前述線圈係超導體線圈。
  7. 如申請專利範圍第1項之發電系統，其中前述發電部的輸出至少為5MW。
  8. 如申請專利範圍第1項之發電系統，其中前述磁場產生器係包含與前述導電體的表面對向的第1及第2磁極，前述第1及第2磁極係沿著前述導電體的旋轉方向配置，前述第1磁極係具有第1磁性，前述第2磁極係具有與前述第1磁性不同的第2磁性。
  9. 如申請專利範圍第8項之發電系統，其中包含前述第1及第2磁極的4個磁極係沿著前述導電體的旋轉方向配置，以使前述第1磁性與第2磁性沿著前述導電體的旋轉方向交互配置。
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