JP2022097523A - エネルギー貯蔵システムおよび変動電力安定利用システム - Google Patents
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Abstract
Description
再生可能エネルギーの導入が今後ますます増加することが予想される。しかし、太陽光発電や風力発電などの不安定な電源が電力系統に大量に連系されると、出力変動に伴う余剰電力が発生するだけでなく、電力系統に周波数変動が発生して系統周波数の維持が困難(周波数調整力不足)になるなど、電力品質の低下を引き起こし、電力系統の安定性に多大な影響を与えることが懸念される。電力系統の周波数変動が大きくなると、場合によっては、電力系統に接続されている発電機が脱調し、電力系統を安定して維持できなることもある。したがって、再生可能エネルギーの大量導入に伴う電力系統の効率化・安定化の観点から、余剰電力を貯蔵でき、周波数調整機能を備えるエネルギー貯蔵システムの開発が望まれる。
本開示に係るエネルギー貯蔵システムは、余剰電力を吸収できるとともに、周波数調整機能を備える。
最初に、本発明の実施態様を列記して説明する。
本発明の実施形態に係るエネルギー貯蔵システムの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。図中の同一符号は同一又は相当部分を示す。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図1~図10を参照して、実施形態に係るエネルギー貯蔵システム1について説明する。図1に示すエネルギー貯蔵システム1は、電力系統Lに設置され、発熱装置100と蓄熱装置200とを備える。この例では、更に発電装置300を備える。このエネルギー貯蔵システム1の特徴の1つは、発熱装置100が、電力系統Lに接続される電動機10と、電動機10の回転力を熱に変換する発熱機20とを備える点にある。以下では、初めに、図1を参照してエネルギー貯蔵システム1の構成を説明し、その後、図2~図10を主に参照して発熱装置100の構成を詳しく説明する。
電力系統Lは、電源Gで発電した電力を需要家に供給する設備である。電源Gは、電力系統Lに接続される発電機群で構成される。電源Gには、例えば、火力発電、原子力発電、水力発電などの一般電源の他、太陽光発電、風力発電などに代表される再生可能エネルギー電源といった各種電源が含まれる。
発熱装置100は、電力から熱を発生させる装置であり、より具体的には、電力系統Lに接続され、電力系統Lの余剰電力を熱に変換する。発熱装置100は、電動機10と発熱機20とを組み合わされた構成を有する。この例では、電力系統Lの余剰電力に応じて発熱装置100を制御する制御部110が備えられており、電力系統Lに余剰電力が発生したとき、制御部110によって発熱装置100が作動する。例えば、電力系統Lには、電源Gによる発電量(供給量)や需要家での消費量(需要量)を監視する電力監視システム(図示せず)が設置されている。電力監視システムは、電力系統Lの電力需給を監視し、電力需給に基づき制御部110に動作指令を送る。制御部110では、余剰電力発生時に電力監視システムから動作指令を受け取り、電動機10や発熱機20に制御指令を発することにより、制御部110によって余剰電力に応じて発熱装置100(電動機10、発熱機20)が制御される。
蓄熱装置200は、発熱装置100で発生した熱を蓄える装置である。蓄熱装置200は、公知のものを利用でき、例えば、断熱容器内に蓄熱材が充填された構成を有する。蓄熱材には、例えば、岩や砕石、溶融塩などの太陽熱発電で実用化されている蓄熱材などを用いることができる。
発電装置300は、蓄熱装置200に蓄えられた熱を利用して発電する装置であり、電力系統Lに接続されている。発電装置300は、公知のものを利用でき、例えば、蒸気タービンと発電機とで構成される。
実施形態1では、図2~図4を参照して、分離型の発熱装置100について説明する。実施形態1の発熱装置100は、図2に示すように、電動機10の回転軸11に発熱機20が結合されている。
電動機10は、同期電動機又は誘導電動機であり、公知のものを利用できる。誘導電動機としては、代表的には三相誘導電動機であり、かご形誘導電動機と巻線形誘導電動機のいずれでもよい。電動機10は、図2に示すように、電力変換装置12を介して電力系統Lに接続され、電力変換装置12で変換された電力が供給される。電力変換装置12は、制御部110(図1を参照)によって制御される。
発熱機20は、電動機10により駆動される。発熱機20の一例としては、図3、図4に示すように、回転部21と、発熱部22と、磁束発生部33と、熱媒体流路34とを備える構成が挙げられる。
回転部21は、電動機10の回転軸11(図2を参照)に連結される回転軸31を有し、電動機10の回転軸11に連動して回転する。回転軸31は、軸受32により回転可能に支持されている(図3を参照)。回転軸31は、電動機10の回転軸11と直結されていてもよいし、増速機(図示せず)を介して連結されていてもよい。直結した場合、増速機(ギアボックス)によるトラブルを回避できる。
発熱部22は、回転部21に対して間隔をあけて配置される。この例では、発熱部22が筒状であり、回転部21の外側に配置され、回転しないようにケーシング(図示せず)に固定されている。発熱部22には、後述する磁束発生部33による磁束が通過することにより、電磁誘導による誘導電流(渦電流)が発生し、その電気抵抗によって発熱部22が発熱する。発熱部22の形成材料は、電磁誘導により発熱する材料であればよいが、例えば、鉄や鋼、ステンレス鋼などの導電性を有する磁性材料が好ましい。
磁束発生部33は、回転部21に取り付けられ、発熱部22に対して磁束を発生し、発熱部22に電磁誘導を起こさせる。この例では、発熱部22に対向するように回転部21の外周に磁束発生部33が設けられ、発熱部22に向けて磁束を発生する。磁束発生部33には、コイル33cが用いられており、回転部21の各凸部331にコイル33c(計6個)が巻回されて取り付けられている(図4を参照)。凸部331が磁性材料で形成されている場合、コイル33cと凸部331とで磁束発生部33が構成されることになる。各コイル33cには、例えばスリップリングを介して直流電源が接続され、各コイル33cに通電する電流の向きを制御することにより、隣り合うコイル33cの極性が互いに異なるようにしている(図4を参照)。磁束発生部33(コイル33c)の数は、適宜設定すればよく、例えば4個以上、6個以上、更に8個以上とすることが挙げられる。
コイル33cに超電導コイルを用いた場合、その強力な磁場によって、発熱部22をより高温に発熱させることができ、発熱部22を形成する磁性材料のキューリー温度以上(例えば700℃超)の熱を発生させることも可能である。超電導コイルの場合は、周囲を冷却用ジャケットで覆い、冷却することによって超電導状態を維持することが挙げられる。
発熱部22には、熱媒体が流通する熱媒体流路34が設けられている。熱媒体は、発熱部22から熱を受け取り加熱される。この例では、熱媒体流路34が発熱部22の外周に軸方向に沿って螺旋状に設けられており、熱媒体流路34には、一端側に熱媒体を供給する入口部341と、他端側に熱媒体を排出する出口部342とが設けられている(図3を参照)。熱媒体流路34は、配管34pによって構成され、配管34pは、例えば、鉄や鋼、ステンレス鋼などの金属材料で形成されている。熱媒体としては、例えば、水、水蒸気、油、液体金属(Na、Pbなど)、溶融塩などの液体、並びに気体が挙げられる。
実施形態2では、図5~図9を参照して、一体型の発熱装置100について説明する。実施形態2の発熱装置100は、図5に示すように、電動機10自体が発熱機20を兼ねる。実施形態2の発熱装置100では、電動機10は誘導電動機である。実施形態2の発熱装置100の一例としては、図6に示すように、熱媒体が流通する格納容器44内に電動機10が収納された構成が挙げられる。
回転子41は、回転子鉄心411と、その周囲に配置される回転子導体412とを有する。この例では、回転子導体412がかご形導体である。この例では、電動機10は、回転子41にかご形導体を用いたかご形誘導電動機であるが、回転子41に巻線を用いた巻線形誘導電動機であってもよい。回転子鉄心411は、例えば、ケイ素鋼板などの磁性材料で形成することができる。回転子導体412は、例えば、銅やアルミニウムなどの導電性材料で形成することが挙げられる。
固定子42は、回転子41の外側に配置され、回転子41に対向する突極を有する固定子鉄心421と、その突極に巻回された固定子巻線422とを有する。固定子42には、固定子鉄心421の突極に分布巻で三相(U相、V相、W相)の固定子巻線422が巻回されている。固定子巻線422は、分布巻としているが、集中巻とすることも可能である。この例では、固定子巻線422の各相がY結線されている(図7を参照)。固定子鉄心421は、円筒状のヨーク部と、このヨーク部から回転子41に向かって突出する突極を有する構造である。固定子鉄心421は、例えば、ケイ素鋼板などの磁性材料で形成することができる。また、この例では、固定子巻線422が、高温となる熱媒体中に配置され、高温環境下で使用されるため、固定子巻線422には、例えば、セラミック絶縁層を有する超耐熱巻線を用いることが挙げられる。勿論、使用温度が低い場合は、ポリアミドイミド銅線やポリイミド銅線などのエナメル線を用いることも可能である。
電動機10(回転子41及び固定子42)は、格納容器44内に収納されている。格納容器44には、回転軸11を回転可能に支持する軸受45が設けられている。格納容器44は、例えば、金属製の容器であり、この例では、金属製容器の周囲に断熱材を配置して構成された断熱容器である。断熱材としては、例えば、ロックウール、グラスウール、発泡プラスチック、レンガ、セラミック、又はこれら材料の任意の組み合わせからなる複合材などを用いることが挙げられる。図6では、格納容器44内に回転軸11が収納されているが、回転軸11の両端部の少なくとも一方が格納容器44から引き出されていてもよい。この場合、格納容器44から引き出された回転軸11の端部に、例えば、後述するフライホイール15(図10を参照)を取り付けたり、実施形態1で説明した発熱機20(図2、図3を参照)を更に結合したりすることが可能である。この点は、後述する図8、図9の場合も同じである。
電動機10は、電力変換装置12を介して電力系統Lと接続されており、電力変換装置12で変換された電力が供給される。電力変換装置12は、インバータによる三相の可変周波数の交流に変換して、電動機10を可変速制御する。この電力変換装置12は、固定子巻線422に単相交流を供給して交番磁界を発生させる単相交流変換部と、固定子巻線422に三相交流を供給して回転磁界を発生させる三相交流変換部とを有し、単相交流と三相交流とを重畳して固定子巻線422に供給することが可能である。電力変換装置12は、制御部110(図1を参照)によって制御される。
上述した各実施形態に係るエネルギー貯蔵システム1は、以下の効果を奏することができる。
実施形態に係るエネルギー貯蔵システム1は、電力系統Lの電力貯蔵に利用できる他、水素製造に利用したり、暖房や給湯、熱化学反応などに利用することも可能である。以下に、実施形態に係るエネルギー貯蔵システム1の1つの適用の形態として、変動電力安定利用システム50を開示する。
Claims (14)
- エネルギー貯蔵システムであって、
電力から熱を発生させる発熱装置と、前記発熱装置で発生した熱を蓄える蓄熱装置とを備え、
前記発熱装置は、
電力系統に接続され、前記電力系統から受電した余剰電力により回転する電動機と、
前記電動機により回転する回転部及び電磁誘導により発熱する発熱部を有し、前記電動機の回転力を熱に変換する発熱機と、を備える、エネルギー貯蔵システム。 - 前記電動機が同期電動機又は誘導電動機であり、
前記電動機の回転軸に前記発熱機が結合されている、請求項1に記載のエネルギー貯蔵システム。 - 前記電動機が誘導電動機であり、
前記電動機自体が前記発熱機を兼ねる、請求項1に記載のエネルギー貯蔵システム。 - 前記誘導電動機が巻線形誘導電動機である、請求項2又は請求項3に記載のエネルギー貯蔵システム。
- 前記電動機の回転軸上にフライホイールを備える、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵システム。
- 前記発熱機の前記発熱部が固定されている、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵システム。
- 前記発熱機の前記発熱部が前記回転部の外側に配置されている、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵システム。
- 前記発熱機が超電導コイルを備え、
前記超電導コイルにより前記発熱部に電磁誘導を起こさせる、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵システム。 - 前記蓄熱装置に蓄えられた熱を利用して発電する発電装置を備える、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のエネルギー貯蔵システム。
- 請求項9に記載のエネルギー貯蔵システムと、
前記発電装置を、前記電力系統と、第2の電力系統とのいずれか一方に接続するように構成されたスイッチとを備える、変動電力安定利用システム。 - 前記発電装置は、
第1の蒸気タービンと、
前記第1の蒸気タービンに結合されて、前記電力系統に交流電力を供給するように構成された第1の発電機と、
第2の蒸気タービンと、
前記第2の蒸気タービンに結合されて、前記第2の電力系統に交流電力を供給するように構成された第2の発電機とを含む、請求項10に記載の変動電力安定利用システム。 - 前記発電装置は、
蒸気タービンと、
前記蒸気タービンに結合された発電機とを含み、
前記発電機は、前記電力系統に第1の周波数の交流電力を供給し、前記第2の電力系統に、前記第1の周波数と異なる第2の周波数を有する第2の交流電力を供給するように、前記蒸気タービンによって駆動されるように構成される、請求項10に記載の変動電力安定利用システム。 - 前記発電装置は、
発電機と、
前記発電機が前記電力系統に第1の周波数の交流電力を供給するように、前記発電機を駆動するための第1の蒸気タービンと、
第1の蒸気タービンを前記発電機に結合する第1のクラッチと、
前記発電機が前記電力系統に前記第1の周波数と異なる第2の周波数の交流電力を供給するように、前記発電機を駆動するための第2の蒸気タービンと、
第2の蒸気タービンを前記発電機に結合する第2のクラッチと、
前記第1の蒸気タービンおよび前記第2の蒸気タービンの一方に、蒸気を供給するように構成された三方弁とを含む、請求項10に記載の変動電力安定利用システム。 - 前記発電装置は、
蒸気タービンと、
前記蒸気タービンに結合された発電機とを含み、
前記蒸気タービンは、抽気タービンである、請求項10に記載の変動電力安定利用システム。
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