JP2010163004A - 船舶用フライホイール蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主電源が供給する電力の消費を増大さえることなく、フライホイールの回転数を維持することが出来る船舶用フライホイール蓄電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】船舶用フライホイール蓄電装置が、フライホイール蓄電装置と、フライホイールを保持し、船体に固定され、かつ回転自在の１つまたは複数の回転軸によって構成されるジンバル機構と、ジンバル機構の回転軸に連結し、回転軸の回転に応じて電力を発電する発電機と、発電機が発電した電力を整流することによって電力の変換を行い、変換した電力をフライホイール蓄電装置へ供給する電力変換手段とを、具備する。
【選択図】図３

Description

本発明は、船舶用フライホイール蓄電装置に関する。

フライホイールを使用して電力の蓄電を行うフライホイール蓄電装置は、フライホイール、容器、モータ／発電機及び軸受部から構成されている。フライホイール蓄電装置は、電力エネルギーをフライホイールの回転エネルギーに変換することによって蓄電するようにしたものである。このフライホイール蓄電装置では、蓄電時のフライホイール及びモータ／発電機の回転を阻害する空気抵抗及び軸受の摩擦をできるだけ低減する必要がある為、モータ／発電機及びフライホイールは真空の容器の中で作動している。さらに、モータ／発電機を支持する軸受に、磁気軸受等を採用することによって軸受によって生じる摩擦を軽減している。

このようなフライホイール蓄電装置に関する発明として、下記特許文献１には、フライホイール蓄電装置のフライホイールを緊急停止させる技術が開示されている。また、下記特許文献２には、フライホイールに装着された回転軸の端部に、永久磁石を備えた被制動筒を固定し、強磁性体を備えた制動筒を被制動筒と同心に配置し、緊急時にこの制動筒を被制動筒に対向させことによって制動筒に渦電流が惹起されて、回転軸に制動力が加わり、フライホイールが停止する技術が開示されている。
そして、現在、このようなフライホイール蓄電装置をジンバル機構によって保持し、船舶に蓄電装置として搭載する発明が考案されている。従来、船舶では、ディーゼル発電機等の主電源によって発電された電力を蓄電する為に鉛蓄電池が搭載されている。しかし、鉛蓄電池は高温及び塩害に弱いという欠点があった。その為、このような鉛蓄電池の欠点を持たない蓄電装置としてフライホイール蓄電装置を船舶へ搭載することが考えられている。なお、フライホイール蓄電装置をジンバル機構によって保持する理由は、波による揺動の影響を抑える為である。

特開平０８−２４７１８３号公報 特開平０９−２３３８０３号公報

ところで、上記従来技術では、真空中でフライホイールを回転させ、さらに軸受として磁気軸受を採用することによって、フライホイールの回転を阻害する摩擦を極力低減している。しかしながら、それでも取り除くことが出来なかった摩擦の影響により時間の経過と共にフライホイールの回転数は落ちてしまう。その為に、定期的にモータ／発電機へ電力を供給して、モータ／発電機にフライホイールを再加速させて回転数を維持させている。そして、同様に、フライホイール蓄電装置を搭載した船舶では、ディーゼル発電機が発電した電力をフライホイール蓄電装置に蓄電した後にも、継続して電力を供給しなければならなくなってしまう。船舶は、限られた燃料を使用して洋上で活動する為に、主電源である発電機が発電した電力を効率良く消費することが求められる。しかし、フライホイール蓄電装置を船舶に搭載すると、フライホイールの回転数を維持する必要がある為に、主電源が供給する電力の消費が増大してしまう。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、主電源が供給する電力の消費を増大さえることなく、フライホイールの回転数を維持することが出来る船舶用フライホイール蓄電装置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、本発明では、船舶用フライホイール蓄電装置に係る第１の解決手段として、フライホイール蓄電装置と、前記フライホイールを保持し、船体に固定され、かつ回転自在の１つまたは複数の回転軸によって構成されるジンバル機構と、前記ジンバル機構の前記回転軸に連結し、前記回転軸の回転に応じて電力を発電する発電機と、前記発電機が発電した電力を整流することによって電力の変換を行い、変換した電力を前記フライホイール蓄電装置へ供給する電力変換手段とを、具備するという手段を採用する。

本発明では、船舶用フライホイール蓄電装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記ジンバル機構は、前記回転軸の１つとして、水平かつ両端が船首及び船尾の方向を向く第１の回転軸を有し、船体のローリングによって前記第１の回転軸が振動運動すると、前記第１の回転軸の振動運動によって発電機が電力を発電するという手段を採用する。

本発明では、船舶用フライホイール蓄電装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記電力変換手段の電力の供給先を前記フライホイール蓄電装置及び系統負荷のいずれかに切り替える切替手段と、前記フライホイール蓄電装置のフライホイールの回転数が定格回転域である場合には、前記電力変換手段の電力の供給先を前記フライホイール蓄電装置から前記系統負荷へ前記切替手段に切り替えさせ、前記フライホイール蓄電装置のフライホイールの回転数が定格回転域より下がっている場合には、前記電力変換手段の電力の供給先を前記系統負荷から前記フライホイール蓄電装置へ前記切替手段に切り替えさせる制御手段とを、具備するという手段を採用する。

本発明によれば、船舶用フライホイール蓄電装置が、フライホイール蓄電装置と、フライホイールを保持し、船体に固定され、かつ回転自在の１つまたは複数の回転軸によって構成されるジンバル機構と、ジンバル機構の回転軸に連結し、回転軸の回転に応じて電力を発電する発電機と、発電機が発電した電力を整流することによって電力の変換を行い、変換した電力をフライホイール蓄電装置へ供給する電力変換手段とを、具備する。これにより、船舶用フライホイール蓄電装置では、フライホイール蓄電装置が、発電機が発電した電力を活用し、フライホイールを再加速させて回転数を維持することが出来る為に、主電源が供給する電力の消費を増大することなくなくフライホイールの回転数を維持することが出来る。

本発明の一実施形態に係る船舶用フライホイール蓄電装置Ａの外観の概要及び設置場所を示す平面模式図である。 本発明の一実施形態に係る船舶用フライホイール蓄電装置Ａの外観の概要及び設置場所を示す側面模式図である。 本発明の一実施形態に係る船舶用フライホイール蓄電装置Ａの機能ブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。本発明の船舶用フライホイール蓄電装置に関する。
まず、船舶用フライホイール蓄電装置Ａの外観の概要及び設置場所を、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る船舶用フライホイール蓄電装置Ａの外観の概要及び設置場所を示す平面模式図であり、図２は、本実施形態に係る船舶用フライホイール蓄電装置Ａの外観の概要及び設置場所を示す側面模式図である。

船舶用フライホイール蓄電装置Ａは、図１及び図２に示すように、船舶の船体内に設けられ、チャンバ１によって、フライホイール、モータ／発電機等の各内部機構を保持している。この船舶用フライホイール蓄電装置Ａは、このチャンバ１に保持されるモータ／発電機に電力が供給されると、電力をフライホイールの回転エネルギーに変換して保存する。そして、各内部機構を収容するチャンバ１の側面には、図１及び図２に示すように、回転軸２が設けられている。この回転軸２は、図１及び図２に示すように、水平かつその両端が船首及び船尾の方向を向くように、船体内に固定された支持台３の軸受によって回転自在に支持されている。これにより、チャンバ１は、回転軸２を中心として自在に傾動することが出来る。

さらに、この船舶用フライホイール蓄電装置Ａでは、図１に示すように、回転軸２は、船舶の船体の船首と船尾とを結ぶ中央線に沿って設けられている、すなわち船体の右舷と左舷との中間地点に設けられている。船舶用フライホイール蓄電装置Ａでは、上記チャンバ１、回転軸２及び支持台３によってジンバル機構を構成している。このジンバル機構は、フライホイールの姿勢を安定させることを目的として設けている。船舶は、港湾内の航行のように、低速で航行するような場合に、波の影響を受け易くなる。その為、船舶用フライホイール蓄電装置Ａでは、ジンバル機構を設けることによって、波によって発生する船体の揺動（特に、ローリング）をフライホイールの回転に影響を与えないようにすることが出来る。

次に、船舶用フライホイール蓄電装置Ａの機能構成について、図３を参照して、説明する。図３は、実施形態に係る船舶用フライホイール蓄電装置Ａの機能ブロック図である。なお、図３における実線矢印は電力の流れを示し、点線矢印は制御信号の流れを示す。船舶用フライホイール蓄電装置Ａは、図３に示すように、チャンバ１、回転軸２、支持台３、フライホイール蓄電装置４、発電機５、発電機用コンバータ６、インバータ７、主電源用コンバータ８及び切替スイッチ９から構成されている。

そして、上記フライホイール蓄電装置４は、フライホイール４ａ、モータ／発電機４ｂインバータ／コンバータ４ｃ及び制御部４ｄから構成されている。このフライホイール蓄電装置４は、船舶が港湾内を航行している時などに、ディーゼル発電機等の主電源の出力が低下すると、船舶の各種設備及び機器等のＡＣ負荷の二次電源として活用されるものである。ＡＣ負荷（例えばＡＣ４４０Ｖ）には、船舶の通常航行時に、主電源からＡＣ直送経路を介して電力が供給されるが、主電源からの電力が不足した場合に、フライホイール蓄電装置４が、ＡＣ負荷へ電力を供給する。

フライホイール４ａは、モータ／発電機４ｂのフライホイール回転軸と同心に誘導回転している円盤である。このフライホイール４ａは、モータ／発電機４ｂの回転駆動によって回転し、モータ／発電機４ｂによる回転駆動が停止しても慣性によって回転し続ける。
モータ／発電機４ｂは、慣性によって回転するフライホイール４ａの回転速度を減速させることにより回転エネルギーを電気エネルギーへ変換する発電機として交流電力を発生させるものであり、当該交流電力をインバータ／コンバータ４ｃへ出力する。

また、このモータ／発電機４ｂは、モータとしてインバータ／コンバータ４ｃから供給される交流の駆動電力によって、フライホイール４ａを回転駆動する。なお、フライホイール蓄電装置４では、フライホイール４ａ及びモータ／発電機４ｂの動作を妨げる空気抵抗を低減する為に、フライホイール４ａ及びモータ／発電機４ｂは、真空にされた容器に収容されている。

インバータ／コンバータ４ｃは、制御部４ｄによる制御の下、インバータとして発電機用コンバータ６及び主電源用コンバータ８から供給されるＤＣ中間電圧（例えば、６００Ｖ）の直流の駆動電力を交流の駆動電力に変換し、当該駆動電力によってモータ／発電機４ｂをモータとして駆動する。また、インバータ／コンバータ４ｃは、制御部４ｄによる制御の下、コンバータとしてモータ／発電機４ｂから供給される交流電力をＤＣ中間電圧の直流電力に変換して、この直流電力をインバータ７へ出力する。

制御部４ｄは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）から構成される内部メモリ並びにインバータ／コンバータ４ｃと信号の入出力をそれぞれ行うインタフェース回路等から構成されており、上記ＲＯＭに記憶された制御プログラムに基づいて船舶用フライホイール蓄電装置Ａの全体動作を制御する。

発電機５は、チャンバ１の側面に設けられた回転軸２の端部に連結し、回転軸２の回転に応じて発電する。例えば、船舶が港湾内を低速で航行中に横波の影響によってローリングすると、船体のローリングに応じてチャンバ１が傾動を繰り返することによって回転軸２が振動運動を行い、この振動運動を基に上記発電機５は発電を行う。そして、チャンバ１が保持するフライホイール構成機器は１〜２トンの総重量を持ち、大きな慣性質量を有している為、船体の揺動によって得られる大きなトルクによって発電機５は大きな電力を発電する。そして、この発電機５、発電した電力を発電機用コンバータ６へ出力する。なお、船体のローリングに基づき発電機５が発電する電力は、脈動電力である。

発電機用コンバータ６は、整流回路及び平滑回路を有し、発電機５から入力される脈動電力を整流回路及び平滑回路によってＤＣ中間電圧の直流電力に変換し、この直流電力をインバータ／コンバータ４ｃ又はインバータ７へ出力する。
インバータ７は、インバータ／コンバータ４ｃ又は発電機用コンバータ６から入力されたＤＣ中間電圧の直流電力を交流電力に変換し、この交流電力をＡＣ負荷に供給する。
主電源用コンバータ８は、ディーゼル発電機等の主電源から供給される交流の電力をＤＣ中間電圧の直流電力に変換し、この直流電力をインバータ／コンバータ４ｃへ出力する。
切替スイッチ９は、制御部４ｄの制御の下、発電機用コンバータの電力の供給先をフライホイール蓄電装置４及びインバータ７のいずれかに切り替える。

次に、このように構成された船舶用フライホイール蓄電装置Ａの動作について詳しく説明する。
まず、制御部４ｄは、フライホイール蓄電装置４へ主電源から交流電力が供給されると、インバータ／コンバータ４ｃをインバータとして作動させて、モータ／発電機４ｂにフライホイール４ａを回転駆動させる。そして、制御部４ｄは、モータ／発電機４ｂによる駆動によって、５分〜１５分をかけてフライホイール４ａを１３０００ｒｐｍ（revolutions per minute：毎分回転数）まで加速させる。そして、制御部４ｄは、フライホイール４ａが、１３０００ｒｐｍまで加速すると、船舶の揺動が少ない為に発電機５による発電量が少ない場合に、主電源から供給される最低源の電力のみをモータ／発電機４ｂへインバータ／コンバータ４ｃに供給させて、フライホイール４ａの定格回転域である１２５００〜１３０００ｒｐｍの回転数を維持する。

そして、船舶が港湾内を低速で航行している際に、横波によって船体がローリングすると、回転軸２が振動運動する為に、発電機５は、脈動電力を発電し、この脈動電力を発電機用コンバータ６へ出力する。
発電機用コンバータ６は、発電機５から入力される脈動電力をＤＣ中間電圧の直流電力に変換し、当該直流電力をインバータ／コンバータ４ｃへ出力する。

制御部４ｄは、発電機用コンバータ６からインバータ／コンバータ４ｃへＤＣ中間電圧の直流電力が入力されると、インバータ／コンバータ４ｃにインバータとして作動させることによってモータ／発電機４ｂへ交流電力を供給し、フライホイール４ａが１２５００ｒｐｍ以下になると、モータ／発電機４ｂによりフライホイール４ａを再加速させて、１３０００ｒｐｍとする。
また、制御部４ｄは、加速時または、再加速によってフライホイール４ａの回転数が１３０００ｒｐｍになると、発電機用コンバータ６の電力の供給先をフライホイール蓄電装置４からインバータ７へ切替スイッチ９に切り替えさせる。これにより、発電機５によって発電された電力がＡＣ負荷に供給される。

さらに、制御部４ｄは、フライホイール４ａの回転数が１２５００ｒｐｍより下がると、発電機用コンバータ６の電力の供給先をインバータ７からフライホイール蓄電装置４へ切替スイッチ９に切り替えさせる。なお、制御部４ｄは、図示しない回転数センサの検出結果に基づいてフライホイール４ａの回転数を判断する。

以上のように、本実施形態に係る船舶用フライホイール蓄電装置Ａでは、船舶が港湾内を低速で航行している時などに、横波によって船体がローリングするエネルギーを活用して、ジンバル機構の回転軸２に連結している発電機５に発電させる。そして、この発電機５が発電した脈動電力を発電機用コンバータ６が直流電力に変換し、当該直流電力をフライホイール蓄電装置４へ出力する。そして、船舶用フライホイール蓄電装置Ａでは、フライホイール蓄電装置４が、発電機５が発電した電力を活用し、フライホイール４ａを再加速させて１２５００〜１３０００ｒｐｍの定格回転域を維持することが出来る為に、主電源が供給する電力の消費を増大することなくなくフライホイール４ａの回転数を維持することが出来る。これにより、主電源が発電した電力を、フライホイール蓄電装置４ではなく、主にＡＣ負荷の為に使用することが出来る。
さらに、制御部４ｄが、発電機コンバータ６の電力の供給先をフライホイール蓄電装置１からインバータ７へ切替スイッチ９に切り替えることによって、発電機５が発電した電力をＡＣ負荷の為に活用することが出来る。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、船舶用フライホイール蓄電装置では、チャンバ１に設けられた１本の回転軸２によってジンバル機構は構成されているが、本発明はこれに限定されない。
例えば、水平かつ船首及び船尾を結ぶ中央線に対して直角方向を向く回転軸をチャンバ１の側面に設け、当該回転軸の端部に発電機を連結する。これにより、船体のピッチングに応じて当該回転軸が振動運動を行い、当該ピッチングに応じた回転軸の振動運動によって発電機が発電することが出来る。

また、支持台を底面から支えるように回転軸を立設し、当該回転軸の端部に発電機を連結する。これにより、船体のヨーイングに応じて当該回転軸が振動運動を行い、当該ヨーイングに応じた回転軸の振動運動によって発電機が発電することが出来る。さらに、ジンバル機構を２軸以上によって構成し、これらの各軸に発電機を設け、これら発電機が発電する電力を利用するようにしてもよい。

（２）上記実施形態では、回転軸２の片側の端部に発電機５を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、回転軸２の片側の端部だけでなくもう一方の端部にも発電機５を設ける、すなわち回転軸２の両端部に発電機５を設けるようにしてもよい。このように
回転軸２の両端部に発電機５を設けることによって、片側の端部に発電機５を設けた場合と比較して、２倍の電力を発電することが出来る。そして、この電力をフライホイール４ａの再加速またはＡＣ負荷に使用することによって、主電源の負担をさらに軽減することが出来る。

Ａ…船舶用フライホイール蓄電装置、１…チャンバ、２…回転軸、３…支持台、４…フライホイール蓄電装置、４ａ…フライホイール、４ｂ…モータ／発電機、４ｃ…インバータ／コンバータ、４ｄ…制御部、５…発電機、６…発電機用コンバータ、７…インバータ、８…主電源用コンバータ、９…切替スイッチ

Claims (3)

1. フライホイール蓄電装置と、
   前記フライホイールを保持し、船体に固定され、かつ回転自在の１つまたは複数の回転軸によって構成されるジンバル機構と、
   前記ジンバル機構の前記回転軸に連結し、前記回転軸の回転に応じて電力を発電する発電機と、
   前記発電機が発電した電力を整流することによって電力の変換を行い、変換した電力を前記フライホイール蓄電装置へ供給する電力変換手段とを、
   具備することを特徴とする船舶用フライホイール蓄電装置。
2. 前記ジンバル機構は、前記回転軸の１つとして、水平かつ両端が船首及び船尾の方向を向く第１の回転軸を有し、
   船体のローリングによって前記第１の回転軸が振動運動すると、前記第１の回転軸の振動運動によって発電機が電力を発電することを特徴とする請求項１に記載の船舶用フライホイール蓄電装置。
3. 前記電力変換手段の電力の供給先を前記フライホイール蓄電装置及び系統負荷のいずれかに切り替える切替手段と、
   前記フライホイール蓄電装置のフライホイールの回転数が定格回転域である場合には、前記電力変換手段の電力の供給先を前記フライホイール蓄電装置から前記系統負荷へ前記切替手段に切り替えさせ、前記フライホイール蓄電装置のフライホイールの回転数が定格回転域より下がっている場合には、前記電力変換手段の電力の供給先を前記系統負荷から前記フライホイール蓄電装置へ前記切替手段に切り替えさせる制御手段とを、
   具備することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の船舶用フライホイール蓄電装置。
   

Images