WO2024116405A1 - 雷エネルギー貯蔵装置 - Google Patents

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篤 長尾
高志 池田
雅人 丸山
俊久 枡田
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日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J15/00—Systems for storing electric energy

Definitions

  • This disclosure relates to a lightning energy storage device.
  • Non-Patent Document 1 proposes a technology to induce lightning by dropping a metal wire from the air.
  • Non-Patent Document 2 considers a technology to charge a drone with lightning energy by connecting it to a charging device with a conductor. In order to charge a lightning strike, it is necessary to receive the lightning and charge a capacitor or battery.
  • Non-Patent Document 3 discloses a technology for compressing air to store electricity.
  • This disclosure has been made in light of the above, and aims to efficiently store lightning energy.
  • the lightning energy storage device of one embodiment of the present disclosure comprises a lightning induction section that receives lightning strikes, a conductor through which a lightning surge current induced from the lightning induction section flows, an air compression section around which the conductor is wound and which compresses air using the electromagnetic force generated when a lightning surge current flows through the conductor, and a storage section that stores the compressed air generated by the air compression section.
  • This disclosure makes it possible to efficiently store lightning energy.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a lightning energy storage device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of inducing a lightning surge current to a lightning energy storage device.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of inducing a lightning surge current to a lightning energy storage device.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an air compression unit.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an air compression unit.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an air compression unit.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an air compression unit.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of a piston with a conductor wound thereon.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a lightning energy storage device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of inducing a lightning surge current to a lightning energy storage device.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a piston with a conducting wire wound thereon.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a piston with a conductive wire wound thereon.
  • FIG. 11 is a flowchart showing an example of the flow of a process for accumulating lightning energy.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a lightning energy storage device 1 of this embodiment.
  • the lightning energy storage device 1 shown in the figure includes a lightning induction section 11, an air compression section 12, a conductor 13, and storage sections 15A and 15B. Air inside the air compression section 12 passes through a switching section 14 to reach storage sections 15A and 15B. There may be one storage section 15A or 15B, or there may be three or more storage sections. Cylinders may be used for storage sections 15A and 15B.
  • the switching section 14 can be switched between three stages: connecting the air compression section 12 and storage section 15A, connecting the air compression section 12 and storage section 15B, or disconnecting both.
  • a compressor 18 is connected to the air compression section 12 via a switch 17.
  • the storage sections 15A and 15B are connected to a turbine 21 and a generator 22 via a switching section 16.
  • the switching unit 16 can be switched between three stages: connecting the turbine 21 and the storage unit 15A, connecting the turbine 21 and the storage unit 15B, or disconnecting both.
  • the lightning guidance unit 11 receives a lightning strike and guides the lightning surge current to the conductor 13. For example, as shown in FIG. 2, the lightning surge current is guided to the conductor 13 by using a lightning rod installed on a building. Alternatively, as shown in FIG. 3, the lightning surge current is guided to the conductor 13 by receiving a lightning strike using a lightning-resistant drone.
  • the conductor 13 is wound around the air compression section 12.
  • the conductor 13 and the air compression section 12 are insulated.
  • the lightning surge current flows through the conductor 13 around the air compression section 12 and is released to earth.
  • an electromagnetic force is generated.
  • the air compression section 12 compresses the air using electromagnetic force generated by the lightning surge current flowing through the conductor 13.
  • the first method is to construct the air compression section from metal parts and use the inward force that occurs when a current flows through a conductor.
  • electromagnetic induction causes a reverse current to flow on the surface of the metal tube.
  • a force acts inward on the metal tube (Fleming's left-hand rule), compressing it.
  • an expandable metal tube 121 (such as a bellows tube) can be used as the air compression section 12.
  • the conductor 13 is wound around the metal tube 121.
  • the metal tube 121 can store air inside. When a lightning surge current flows through the conductor 13, a force acts inward on the metal tube 121, compressing it, and the compressed air passes through the switching section 14 and is stored in the storage sections 15A and 15B.
  • the air compression section 12 is composed of an outer compression bag 122 and an inner compression bag 123, as shown in FIG. 5.
  • the inner compression bag 123 which is made of vinyl and can store air, is provided inside the outer compression bag 122, which is made of a stretchable metal mesh material.
  • the conductor 13 is wrapped around the outer compression bag 122. When a lightning surge current flows through the conductor 13, a force acts inward on the outer compression bag 122, compressing the outer compression bag 122 and the inner compression bag 123, and the compressed air passes through the switching section 14 and is stored in the storage sections 15A and 15B.
  • the second method is to create a lightning electromagnet by winding a conductor around a core of magnetic material, and when a lightning surge current flows through the conductor, a magnetic force is generated in the lightning electromagnet, which attracts a permanent magnet.
  • the air compression section 12 is a vinyl bag 125 filled with air, placed between a lightning electromagnet 124 wrapped around a conductor 13 and a permanent magnet 126.
  • a lightning surge current flows through the conductor 13
  • a magnetic force is generated in the lightning electromagnet 124, which attracts the permanent magnet 126.
  • the entire air compression section 12 may be constructed as a cylinder.
  • a piston 128 is wound with conductor 13 to form a lightning electromagnet, and a permanent magnet 126 is placed on the bottom surface of the cylinder 127.
  • Rubber 128A is placed on the bottom of the piston 128, creating an enclosed space 129 between it and the permanent magnet 126.
  • the piston 128 has a magnetic force that attracts the permanent magnet 126. This compresses the air in the enclosed space 129, and the compressed air passes through the switching section 14 and is stored in the storage sections 15A and 15B.
  • Figures 8 to 10 show examples of how to wind the conductor 13 around the piston 128.
  • the piston 128 is made convex and the conductor 13 is wound around it.
  • a groove is formed in the piston 128 and the conductor 13 is wound around it.
  • the piston 128 has a space for winding the conductor 13. In either case, a space can be secured for winding the conductor 13, and air is stored between the piston 128 and the permanent magnet 126.
  • the air compression unit 12 and the storage unit 15A are connected by the switching unit 14, and the switching unit 16 and the switch 17 are closed.
  • step S11 when lightning strikes the lightning induction unit 11, the lightning surge current flows to earth via the conductor 13.
  • step S12 the air compression section 12 is compressed by the electromagnetic force generated when a lightning surge current flows.
  • step S13 the compressed air compressed by the air compression unit 12 passes through the switching unit 14 and reaches the storage unit 15A.
  • step S14 when compressed air is stored in storage unit 15A, switching unit 14 is switched to connect air compression unit 12 and storage unit 15B.
  • step S15 the switch 17 is opened and the compressor 18 is operated to seal air in the air compression section 12 and the storage section 15B, creating a state in which compressed air can be generated when lightning strikes.
  • steps S11 through S15 are repeated.
  • the switching unit 16 When generating electricity, the switching unit 16 is operated to connect the storage units 15A and 15B to the turbine 21, and the compressed air stored in the storage units 15A and 15B is used to rotate the turbine 21, generating electricity using the generator 22.
  • the lightning energy storage device 1 of this embodiment comprises a lightning induction section 11 that receives lightning strikes, a conductor 13 through which a lightning surge current induced from the lightning induction section 11 flows, an air compression section 12 around which the conductor 13 is wound and which compresses air using the electromagnetic force generated when a lightning surge current flows through the conductor 13, and storage sections 15A, 15B that store the compressed air generated by the air compression section 12.
  • Lightning energy storage device 11
  • Lightning induction section 12
  • Air compression section 121
  • Metal tube 122
  • Compressed outer bag 123
  • Compressed inner bag 124
  • Lightning electromagnet 125
  • Bag 126
  • Permanent magnet 127
  • Cylinder 128 Piston 128A Rubber 129 Enclosed space 13
  • Conductor 14 Switching section 15A, 15B Storage section 16
  • Switching section 17 Switch 18 Compressor 21 Turbine 22 Generator

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

雷エネルギー貯蔵装置１は、落雷を受ける雷誘導部１１と、雷誘導部１１から誘導された雷サージ電流が流れる導線１３と、導線１３が巻かれて、導線１３に雷サージ電流が流れたときに発生する電磁力を利用して空気を圧縮する空気圧縮部１２と、空気圧縮部１２で生成された圧縮空気を貯蔵する貯蔵部１５Ａ，１５Ｂを備える。

Description

雷エネルギー貯蔵装置
　本開示は、雷エネルギー貯蔵装置に関する。
　雷雲下でドローンを飛ばして落雷を捕捉し、地上に導く技術が考案されている。非特許文献１では、空中から金属製のワイヤを投下し、雷を誘発する技術が提案されている。非特許文献２では、ドローンと充電装置を導線で接続し、雷エネルギーを充電する技術が検討されている。落雷を充電するためには、雷を受けて、コンデンサやバッテリーに充電を行う必要がある。
D. Wang, F. Wang, W. Lu, Y. Zhang, Q. Meng, and G. Zhang, "Triggering Lightning Discharges at Various Controllable Altitudes and Their Potential Applications", International Conference on Atmospheric Electricity, August 08-12, 2011, Brazil 「落雷制御・充電技術」、[online]、2021年12月03日、日本電信電話株式会社、インターネット〈 URL：https://www.rd.ntt/research/SE0010.html〉 「空気を圧縮して電力を貯蔵」、[online]、2021年11月29日、日経クロステック、インターネット〈 URL：https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/01855/00005/〉
　しかしながら、雷サージ電流の発生時間は数μ秒と非常に短いため、バッテリーへの充電は困難である。また、コンデンサに充電する場合、高耐圧かつ静電容量の大きいコンデンサを選定する必要があり、高耐圧なコンデンサはコストが高く、想定以上の雷サージ電流が流れた場合、爆発の危険性もある。
　一方、非特許文献３には、空気を圧縮して電力を貯蔵する技術が開示されている。
　本開示は、上記に鑑みてなされたものであり、雷エネルギーを効率的に貯蔵することを目的とする。
　本開示の一態様の雷エネルギー貯蔵装置は、落雷を受ける雷誘導部と、前記雷誘導部から誘導された雷サージ電流が流れる導線と、前記導線が巻かれて、前記導線に雷サージ電流が流れたときに発生する電磁力を利用して空気を圧縮する空気圧縮部と、前記空気圧縮部で生成された圧縮空気を貯蔵する貯蔵部を備える。
　本開示によれば、雷エネルギーを効率的に貯蔵できる。
図１は、本実施形態の雷エネルギー貯蔵装置の構成の一例を示す図である。 図２は、雷サージ電流を雷エネルギー貯蔵装置に誘導する一例を示す図である。 図３は、雷サージ電流を雷エネルギー貯蔵装置に誘導する一例を示す図である。 図４は、空気圧縮部の一例を示す図である。 図５は、空気圧縮部の一例を示す図である。 図６は、空気圧縮部の一例を示す図である。 図７は、空気圧縮部の一例を示す図である。 図８は、ピストンに導線を巻いた一例を示す図である。 図９は、ピストンに導線を巻いた一例を示す図である。 図１０は、ピストンに導線を巻いた一例を示す図である。 図１１は、雷エネルギーを蓄積する処理の流れの一例を示すフローチャートである。
　以下、本開示の実施の形態について図面を用いて説明する。
　図１は、本実施形態の雷エネルギー貯蔵装置１の構成の一例を示す図である。同図に示す雷エネルギー貯蔵装置１は、雷誘導部１１、空気圧縮部１２、導線１３、および貯蔵部１５Ａ，１５Ｂを備える。空気圧縮部１２の内部の空気は切替部１４を通って貯蔵部１５Ａ，１５Ｂに至る。貯蔵部１５Ａ，１５Ｂは、１つでもよいし、３つ以上でもよい。貯蔵部１５Ａ，１５Ｂには、ボンベを用いることができる。切替部１４は、空気圧縮部１２と貯蔵部１５Ａを接続、空気圧縮部１２と貯蔵部１５Ｂを接続、あるいは、いずれも切断の三段階に切り替え可能である。空気圧縮部１２には開閉器１７を介してコンプレッサ１８が接続される。貯蔵部１５Ａ，１５Ｂは、切替部１６を介してタービン２１と発電機２２に接続される。切替部１６は、タービン２１と貯蔵部１５Ａを接続、タービン２１と貯蔵部１５Ｂを接続、あるいは、いずれも切断の三段階に切り替え可能である。
　雷誘導部１１は、落雷を受けて、雷サージ電流を導線１３に誘導する。例えば、図２に示すように、建物に設置した避雷針を利用して雷サージ電流を導線１３に誘導する。あるいは、図３に示すように、耐雷ドローンで落雷を受けて雷サージ電流を導線１３に誘導する。
　導線１３は、空気圧縮部１２に巻きつけられる。導線１３と空気圧縮部１２とは絶縁している。雷サージ電流は、空気圧縮部１２の周りの導線１３を流れて、アースへ逃がされる。導線１３に雷サージ電流が流れると電磁力が発生する。
　空気圧縮部１２は、導線１３に雷サージ電流が流れることによって発生する電磁力を利用して空気を圧縮する。
　ここで、電磁力を利用して空気を圧縮する方法について説明する。第１の方法は、空気圧縮部を金属部材で構成し、導線に電流が流れることで内向きに働く力を利用する方法である。電流が金属管の周りの導線に流れた場合、電磁誘導により、金属管の表面には逆向きの電流が流れる。その結果、金属管の内向きに力が働き（フレミングの左手の法則）、金属管が圧縮される。
　空気圧縮部１２として、図４に示すように、伸縮可能な金属管１２１（例えば蛇腹管など）を利用できる。導線１３は、金属管１２１に巻きつけられる。金属管１２１は内部に空気をためることができる。導線１３に雷サージ電流が流れると金属管１２１の内向きに力が働き、金属管１２１が圧縮されて、圧縮空気が切替部１４を通って貯蔵部１５Ａ，１５Ｂに貯蔵される。
　あるいは、空気圧縮部１２を、図５に示すように、圧縮外袋１２２と圧縮内袋１２３で構成する。伸縮可能な金属メッシュ素材の圧縮外袋１２２内部に、ビニール製で、空気をためることができる圧縮内袋１２３を備える。導線１３は、圧縮外袋１２２に巻きつけられる。導線１３に雷サージ電流が流れると圧縮外袋１２２の内向きに力が働き、圧縮外袋１２２と圧縮内袋１２３が圧縮されて、圧縮空気が切替部１４を通って貯蔵部１５Ａ，１５Ｂに貯蔵される。
　第２の方法は、磁性材料の芯に導線を巻いて雷電磁石を構成し、雷サージ電流が導線を流れたときに、雷電磁石に磁力が生じて永久磁石と引き合う力を利用する方法である。
　空気圧縮部１２として、図６に示すように、導線１３を巻いた雷電磁石１２４と永久磁石１２６との間に空気をためたビニール製の袋１２５を配置する。雷サージ電流が導線１３を流れると、雷電磁石１２４に磁力が生じて永久磁石１２６と引き合う。これにより、袋１２５が圧縮されて、圧縮空気が切替部１４を通って貯蔵部１５Ａ，１５Ｂに貯蔵される。
　あるいは、図７に示すように、空気圧縮部１２全体をシリンダで構成してもよい。ピストン１２８に導線１３を巻いて雷電磁石とし、シリンダ１２７の底面に永久磁石１２６を配置する。ピストン１２８の底部にゴム１２８Ａを配置して、永久磁石１２６との間に密閉空間１２９を作る。雷サージ電流が導線１３を流れると、ピストン１２８が磁力を持って永久磁石１２６と引き合う。これにより、密閉空間１２９内の空気が圧縮されて、圧縮空気が切替部１４を通って貯蔵部１５Ａ，１５Ｂに貯蔵される。
　図８ないし図１０に、ピストン１２８への導線１３の巻き方の例を示す。図８は、ピストン１２８を凸型にして導線１３を巻いている。図９は、ピストン１２８に溝を形成して導線１３を巻いている。図１０は、ピストン１２８に導線１３を巻く空間を備えている。いずれの場合も、導線１３を巻く空間を確保でき、ピストン１２８と永久磁石１２６との間に空気がためられる。
　次に、図１１のフローチャートを参照し、図１の雷エネルギー貯蔵装置１を用いて雷エネルギーを蓄積する処理の流れについて説明する。切替部１４により、空気圧縮部１２と貯蔵部１５Ａとが接続され、切替部１６と開閉器１７は閉じているものとする。
　ステップＳ１１にて、雷誘導部１１に落雷を受けると、雷サージ電流が導線１３を経由してアースへと流れる。
　ステップＳ１２にて、雷サージ電流が流れた際に発生する電磁力によって空気圧縮部１２が圧縮される。
　ステップＳ１３にて、空気圧縮部１２で圧縮された圧縮空気は、切替部１４を経由して貯蔵部１５Ａへ至る。
　ステップＳ１４にて、貯蔵部１５Ａに圧縮空気が貯蔵されると、切替部１４が切り替えられて、空気圧縮部１２と貯蔵部１５Ｂとが接続される。
　ステップＳ１５にて、開閉器１７を開き、コンプレッサ１８を動作させて、空気圧縮部１２と貯蔵部１５Ｂに空気を封入し、落雷時に圧縮空気を生成できる状態とする。
　以降、落雷があると、ステップＳ１１ないしステップＳ１５の処理が繰り返される。
　発電時は、切替部１６を操作して、貯蔵部１５Ａ，１５Ｂとタービン２１とを接続し、貯蔵部１５Ａ，１５Ｂにためられた圧縮空気でタービン２１を回して発電機２２によって発電する。
　以上説明したように、本実施形態の雷エネルギー貯蔵装置１は、落雷を受ける雷誘導部１１と、雷誘導部１１から誘導された雷サージ電流が流れる導線１３と、導線１３が巻かれて、導線１３に雷サージ電流が流れたときに発生する電磁力を利用して空気を圧縮する空気圧縮部１２と、空気圧縮部１２で生成された圧縮空気を貯蔵する貯蔵部１５Ａ，１５Ｂを備える。これにより、落雷時の雷サージ電流により電磁力を発生させ、電磁力を利用して空気を圧縮することで、雷エネルギーを効率的に貯蔵できる。
　１　雷エネルギー貯蔵装置
　１１　雷誘導部
　１２　空気圧縮部
　１２１　金属管
　１２２　圧縮外袋
　１２３　圧縮内袋
　１２４　雷電磁石
　１２５　袋
　１２６　永久磁石
　１２７　シリンダ
　１２８　ピストン
　１２８Ａ　ゴム
　１２９　密閉空間
　１３　導線
　１４　切替部
　１５Ａ，１５Ｂ　貯蔵部
　１６　切替部
　１７　開閉器
　１８　コンプレッサ
　２１　タービン
　２２　発電機

Claims (5)

  1. 　落雷を受ける雷誘導部と、
    　前記雷誘導部から誘導された雷サージ電流が流れる導線と、
    　前記導線が巻かれて、前記導線に雷サージ電流が流れたときに発生する電磁力を利用して空気を圧縮する空気圧縮部と、
    　前記空気圧縮部で生成された圧縮空気を貯蔵する貯蔵部を備える
    　雷エネルギー貯蔵装置。
  2. 　請求項１に記載の雷エネルギー貯蔵装置であって、
    　前記空気圧縮部は、収縮可能な金属部材であり、
    　前記導線に雷サージ電流が流れたときに内向きに働く力が生じて、前記金属部材が収縮して空気が圧縮される
    　雷エネルギー貯蔵装置。
  3. 　請求項１に記載の雷エネルギー貯蔵装置であって、
    　前記空気圧縮部は、前記導線が磁性材料の芯に巻かれた雷電磁石と永久磁石を備え、
    　前記導線に雷サージ電流が流れたときに前記雷電磁石に磁力が生じて、前記雷電磁石と前記永久磁石とが引き合い空気が圧縮される
    　雷エネルギー貯蔵装置。
  4. 　請求項３に記載の雷エネルギー貯蔵装置であって、
    　前記空気圧縮部は、前記雷電磁石を備えたピストンと前記永久磁石を底面に配置したシリンダで構成される
    　雷エネルギー貯蔵装置。
  5. 　請求項１ないし４のいずれかに記載の雷エネルギー貯蔵装置であって、
    　前記貯蔵部に貯蔵された圧縮空気でタービンを回して発電する
    　雷エネルギー貯蔵装置。
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