JP2014190503A - 電力貯蔵装置におけるフライホイール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、繊維強化プラスチック又は金属のそれぞれの利点を取り入れたハイブリッド型のフライホイールを形成することにより、容量の最適化とコスト削減を図ることができる電力貯蔵装置におけるフライホイール構造を提供する。
【解決手段】超電導磁気軸受を介して、極低温及び高真空下にあるフライホイール８を回転動作させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵する電力貯蔵装置において、前記フライホイール８の内周部２０を破壊周速の小さい材料により形成し、該フライホイール８の外周部２１を、前記内周部２０より破壊周速の大きい材料により形成したことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気エネルギーを回転体の運動エネルギーとして貯蔵する電力貯蔵装置に係り、回転体となるフライホイールの構成材料を最適に選択することにより、小型化とコスト削減を図ることができる電力貯蔵装置におけるフライホイール構造に関する。

電気エネルギーを回転体の運動エネルギーとして貯蔵する電力貯蔵装置として、特許文献１に示される超電導フライホイール蓄電装置が知られている。
超電導フライホイール蓄電装置は、所定の質量及び半径を有するフライホイールと、このフライホイールの中心に固定される回転軸と、この回転軸に連結される非接触トルク伝達部品とで構成される回転体と、これらを収容する内槽と、この内槽周りの輻射シールド槽と、この輻射シールド槽周りの真空容器が配置される構成とされている。また、フライホイールの回転軸は、超電導体を有する磁気支持装置により非接触状態で回転自在に支持されている。

そして、上記超電導フライホイール蓄電装置では、ロータ及びステータに超電導体を使用した浮上式の磁気支持装置を用いることにより、磁気支持を安定かつ恒久的に行うことができる。

ところで、上記超電導フライホイール蓄電装置では、貯蔵エネルギーは回転体であるフライホイールの回転慣性に比例し、回転数の二乗に比例する。このために、フライホイールをどのような材料構成により形成すれば、効率的かつ経済的なエネルギー貯蔵が可能であるかの研究が進められている。

例えば、特許文献２に示される高速回転体では、内径及び外径を有する円盤状体であって、この円盤状体は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）からなり、該強化繊維が、円筒座標系のＲ方向（径方向）、θ方向（周方向）、Ｚ方向（厚さ方向）のそれぞれに配向される構成が示されている。

特開２０１０−２３９７９６号公報 特開２０１０−１５９７７３号公報

ところで、上記フライホイール式のエネルギー貯蔵装置では、回転慣性（慣性モーメントに質量を掛けたもの）を大きくすれば、同じ回転数で大きなエネルギーを貯蔵できることから、半径が大きくかつ質量が大きい材料を使えば、大きなエネルギー貯蔵が可能となる。
ところが、回転に伴って生じる遠心力により、たが張り応力（フープ応力）が大きくなり、破壊周速を越えてしまうと、最終的には回転体が裂けてしまうという問題がある。例えば、フライホイールの材料に破壊周速の小さい金属を使用した場合には、その小さい破壊周速のために回転数を上げることができない。一方、フライホイールの材料に、特許文献２に示される繊維強化プラスチックを使用した場合には、半径の増大が可能であるが、質量が小さいために大きなエネルギー貯蔵ができないという不具合がある。
また、その一方で、一般的には、高速回転型のフライホイールには繊維強化プラスチックが選択されることが多いので、小型化には適さず、また、低速回転型のフライホイールには鉄系金属が選択されることが多いので、大型化には適さないとの問題があり、これら双方の問題を解決した中間型の電力貯蔵装置の提供が望まれている。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、繊維強化プラスチック又は金属のそれぞれの利点を取り入れたハイブリッド型のフライホイールを形成することにより、容量の最適化とコスト削減を図ることができる電力貯蔵装置におけるフライホイール構造を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、超電導磁気軸受を介して、極低温及び高真空下にあるフライホイールを回転動作させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵する電力貯蔵装置において、前記フライホイールの外周部を、該フライホイールの内周部より破壊周速の大きい材料により形成したことを特徴とする。

本発明によれば、フライホイールの外周部を、該フライホイールの内周部より破壊周速の大きい材料により形成した。例えば、フライホイールの内周部を金属により形成し、該フライホイールの外周部を、金属より破壊周速の大きい繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成することにより、該フライホイール全体で一定の質量を確保することができる。また、該フライホイールの外周部を破壊周速が大きい繊維強化プラスチックにより形成することにより、該フライホイールを大径に形成することも可能となる。
これにより、繊維強化プラスチックをフライホイール材料に選択した高速回転型の電力貯蔵装置と、金属をフライホイール材料に選択した低速回転型の電力貯蔵装置がある現状において、一定の質量を確保しかつ破壊周速の向上を図った中間型の電力貯蔵装置を得ることができる。
その結果、需要に応じた大きさの最適かつ経済的なフライホィール式の電力貯蔵装置を実現することが可能となる。

本発明が適用される電力貯蔵装置を示す断面図である。 本発明に係るフライホイールの平面図である。 図２をＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した断面図である。

本発明の実施形態について図１〜図３を参照して説明する。
図１は本発明が適用される電力貯蔵装置１であって、電気エネルギーを回転体の運動エネルギーとして貯蔵する機能を有する。

電力貯蔵装置１は、充電時には余剰電力をフライホイール８の運動エネルギーに変換して貯蔵するとともに、放電時にはこのフライホイール８に蓄積されている運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。電力貯蔵装置１は、例えば、超電導体を使用した磁気支持装置によって回転体を支持し、電力を回転体の運動エネルギーとして蓄積する超電導フライホイール蓄電装置である。
電力貯蔵装置１は、電動発電機２と、架台３と、継手４は、連結軸５と、磁気クラッチ６と、回転軸７と、フライホイール８と、超電導磁気軸受９、１０と、内槽１１と、冷却装置１２と、外槽１３と、真空排気装置１４Ａ、１４Ｂと、制振構造１５などを備えている。

電動発電機２は、電動機と発電機とが可逆であり兼用される装置である。電動発電機２は、電気エネルギーによって電動機を回転させてフライホイール８を回転させるとともに、このフライホイール８の運動エネルギーによって発電機を回転させて電力を発生する。電動発電機２は、回転軸２ａなどを備えている。架台３は、電力貯蔵装置１の主要部分を支持する部材である。架台３は、外槽１３の外側に配置されているフレーム状の部材であり、
電動発電機２、圧縮機１２ｂ、外槽１３及び真空ポンプ１４ａ、１４ｃなどを支持している。継手４は、電動発電機２側の回転軸２ａと磁気クラッチ６側の連結軸５とを接続する装置である。継手４は、例えば、電動発電機２と磁気クラッチ６との間で動力を伝達する軸継手などである。連結軸５は、継手４と磁気クラッチ６とを連結する部材である。連結軸５は、継手４及び磁気クラッチ６と一体となって回転するように、一方の端部が継手４に固定されており、他方の端部が磁気クラッチ６のクラッチ片６ａに固定されている。

磁気クラッチ６は、電動発電機２と回転軸７との間で動力を伝達する装置である。磁気クラッチ６は、例えば、非接触で動力を断続させる非接触式磁気クラッチのような磁気力トルク伝達部品である。磁気クラッチ６は、永久磁石又はコイル（例えば銅線）のクラッチ片６ａと、このクラッチ片６ａとの間に磁力を発生する永久磁石のクラッチ片６ｂとを備えている。磁気クラッチ６は、クラッチ片６ａとクラッチ片６ｂとの間に間隙部を形成するようにクラッチ片６ａとクラッチ片６ｂとが対向しており、外槽１３の外側にクラッチ片６ａが配置され、内槽１１の内側にクラッチ片６ｂが配置されている。

回転軸７は、フライホイール８と一体となって回転する部材である。回転軸７は、上端部が磁気クラッチ６のクラッチ片６ｂに固定されている。フライホイール８は、電気エネルギーを運動エネルギーとして保存するための部材である。フライホイール８は、このフライホイール８の中心が回転軸７の中心軸と一致するように、この回転軸７に固定されている。フライホイール８は、回転軸７とともに内槽１１内に浮揚状態で収容されており、電力貯蔵用の超電導フライホイールとして機能する。

超電導磁気軸受９、１０は、回転軸７を回転自在に支持する装置である。超電導磁気軸受９は、フライホイール８の上方に配置されており、回転軸７の上端那個を非接触で支持している。超電導磁気軸受１０は、フライホイール８の下方に配置されており、回転軸７の下端部側を非接触で支持している。超電導磁気軸受９、１０は、超電導物質のマイスナー効果による磁気浮上を利用して回転軸７を回転自在に支持するスラスト軸受として機能する。超電導磁気軸受９、１０は、超電導バルク体（回転子）９ａ、１０ａと超電導コイル（固定子）９ｂ、１０ｂなどを備えており、回転体側の超電導バルク体９ａ、１０ａと固定体側の超電導コイル９ｂ、１０ｂとの間に磁場を発生させる。超電導磁気軸受９、１０は、超電導バルク体９ａ、１０ａと超電導コイル９ｂ、１０ｂとを対向させてこれらの間に磁気反発力を発生させて、超電導バルク体９ａ、１０ａと超電導コイル９ｂ、１０ｂとの間に所定の間隔が保持させるように回転軸７をガイドする。超電導磁気軸受９、１０は、回転軸７及びフライホイール８を浮揚状態で支持することによって、エネルギー損失の大部分を占める軸受部分の摩擦抵抗を低減している。

超電導バルク体９ａ、１０ａは、単結晶と同等の超電導特性を有する高温超電導材料の固まりである。超電導バルク体９ａ、１０ａは、例えば、Ｙ系超電導材料などを溶解させてから結晶成長させた溶融成長体であり、冷却することによって超電導特性を発揮する。

内槽１１は、内部が極低温／高真空下の容器である。内槽１１は、超電導磁気軸受９、１０の超電導コイル９ｂ、１０ｂを支持した状態でこの超電導磁気軸受９、１０を収容する。また、この内槽１１は、超電導磁気軸受９、１０の超電導コイル９ｂ、１０ｂを臨界温度以下にするために内部が極低温下に維持されているとともに、フライホイール８の風損を低減するために内部が高真空下に維持されている。

冷却装置１２は、内槽１上の内部を冷却する装置である。冷却装置１２は、例えば、内槽１１内の超電導磁気軸受９、１０の超電導コイル９ｂ、１０ｂを液体窒素によって臨界温度以下に冷却する極低混用冷凍機のような熱伝導型冷却装置である。この冷却装置１２は、ヘリウムガスの圧縮と膨張とを繰り返して冷却するＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機のような冷凍機１２ａと、この冷凍機１２ａに冷媒ガスを供給する圧縮機１２ｂと、冷凍機１２ａと圧縮機１２ｂとの間で冷媒ガスが流れる可撓性を有する柔軟な管路１２ｃなどを備えている。冷却装置１２は、冷凍機１２ａが内槽１１の内側に配置されており、圧縮機１２ｂが外槽１３の外側に配置されている。

外槽１３は、内部が高真空下の容器である。外槽１３は、内槽１１を高真空下で収容する真空断熱容器である。外槽１３は、内槽１１との問に真空断熱層（空間）を形成しており、内槽１１とは異なり極低温下ではないが、この内槽１１と同様に高真空下でこの内槽１１を収容している。

真空排気装置１４Ａは、内槽１１の内部を真空状態にする装置であり、真空排気装置１４Ｂは、外槽１３の内部を真空状態にする装置である。真空排気装置１４Ａは、超電導バルク体９ａ、１０ａへの伝熱（超電導コイル９ｂ、１０ｂからの冷熱で超電導バルク体９ａ、１０ａを冷却）のために、内槽１１の内部を数〜１００Ｐａ程度の真空状態に調整する。真空排気装置１４Ａは、内槽１１の内部を真空排気する真空ポンプ１４ａと、この真空ポンプ１４ａと内槽１１とを接続する可撓性を有する柔軟な管路１４ｂなどを備えている。同様に、真空排気装置１４Ｂは、外槽１３の内部を真空排気する真空ポンプ１４ｃと、この真空ポンプ１４ｃと外槽１３とを接続する可撓性を有する柔軟な管路１４ｄなどを備えている。

次に、この実施形態に係る電力貯蔵装置１の作用を説明する。
電力貯蔵装置１に電力を貯蔵するときには、フライホイール８の運動エネルギーに電気エネルギーを変換して貯蔵する。磁気クラッチ６を通電状態にしてクラッチ片６ａとクラッチ片６ｂとの間に電磁力を発生させて、電動発電機２の回転軸２ａと回転軸７と接続する。
次に、電動発電機２を電動機として機能させて、余剰電力によって電動発電機２が回転軸７を回転し、この回転軸７と一体となってフライホイール８が回転し、電気エネルギーが運動エネルギーとして蓄積される。このとき、超電導磁気軸受９、１０の超電導バルク体９ａ、１０ａと超電導コイル９ｂ、１０ｂとの間に磁気反発力が作用しているため、回転軸７及びフライホイール８が浮揚状態となって回転し、摩擦抵抗によって運動エネルギーが損失するのを超電導磁気軸受９、１０が防ぐ。

電力貯蔵装置１から電力を取り出すときには、フライホイール８の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す。
電動発電機２を発電機として機能させて、フライホイール８の回転エネルギーによって電動発電機２の回転軸２ａを回転させると、電動発電機２が電力を発生して運動エネルギーが電気エネルギーとして取り出される。このように、余剰電力をフライホイール８の運動エネルギーに変換して電力貯蔵装置１が貯蔵するとともに、フライホイール８に貯蔵されている運動エネルギーを必要時に電力貯蔵装置１が電気エネルギーに変換しこの電気エネルギーが取り出される。

次に、電力貯蔵装置１内に設置されたフライホイール８及び該フライホール８に貯蔵される蓄電エネルギーについて説明する。

フライホイール８の蓄電エネルギー量（電力貯蔵装置１で出し入れできるエネルギー量）ΔＥは、以下の数式で示される。

上記数式において、Ｉは回転慣性、ｍはフライホイールの質量、ｒはフライホイールの半径（ｒ_ｏｕｔは外径、ｒ_ｉｎは回転軸周囲の内径）、ω_１は最大角速度、ω_２は最小角速度（つまり、角速度ω_１〜ω_２は、通常の運転で示される角速度の範囲）である。
そして、上記の式に示されるように、電力貯蔵装置１内に設置されたフライホイールの蓄電エネルギー量ΔＥは、角速度の二乗、あるいはフライホイール半径の二乗に比例して大きくなるが、該フライホイールを形成している材料の破壊周速（周速は角速度、半径に比例）に達すると、当該フライホールは破壊してしまう。

一方、フライホイールの蓄積エネルギー量は、上記式からも明らかなように、フライホイールの質量に比例する。そこで、破壊周速が小さくかつ密度が大きい材料を、フライホールの内周部に配置し、破壊周速が大きくかつ密度が小さい材料を該フライホールの外周部側に配置することにより、効率的に回転慣性Ｉを上げ、コンパクトでエネルギー密度の高いハイブリッド型フライホールを実現しようと言うのが、本発明の電力貯蔵装置におけるフライホイール構造の主旨である。

本実施形態の電力貯蔵装置１におけるフライホイール構造について、図２及び図３を参照して詳細に説明する。
図２はフライホール８の平面図、図３の図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。これらの図を参照して分かるように、フライホイール８は、回転軸７の周囲に設けられた円形状の内周部２０と、該内周部２０の外側に接合されたリング状の外周部２１とから構成されている。

そして、このような構成のフライホイール８において、内周部２０を破壊周速の小さい材料により形成し、該フライホイール８の外周部２１を、前記内周部２０より破壊周速の大きい材料により形成している。
具体的には、フライホイール８の内周部２０を金属により形成し、該フライホイール８の外周部２１を繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）により形成している。このような構成により、フライホイール８全体で一定の質量を確保することができる。
また、該フライホイール８の外周部２１を破壊周速が大きい繊維強化プラスチックにより形成することにより、該フライホイール８を大径に形成することも可能となる。その結果、繊維強化プラスチックをフライホイール材料に選択した高速回転型の電力貯蔵装置と、金属をフライホイール材料に選択した低速回転型の電力貯蔵装置がある現状において、一定の質量を確保しかつ破壊周速の向上を図った中間型の電力貯蔵装置を得ることが可能となる。

なお、上記金属材料としては、ジュラルミン、ステンレス鋼といった合金又は鉄系の材料が使用される。また、繊維強化プラスチックとして、ガラス繊維強化プラスチック、炭素繊維強化プラスチックなどが使用される。
また、これに限定されず、内周部２０及び外周部２１を共に金属、又は共に繊維強化プラスチックで形成しても良い。このときも同様に、１つのフライホイール８において、内周部２０を破壊周速の小さい材料により形成し、外周部２１を、内周部２０より破壊周速の大きい材料により形成するものとする。
また、内周部２０及び外周部２１の材料の組み合わせとしては、例えば、ステンレス鋼と炭素繊維強化プラスチックとの組み合わせが適当とされる。

また、図２及び図３に示されるように、フライホイール８は、回転軸７の周囲に設けられた円形状の内周部２０と、該内周部２０の外側に接合されたリング状の外周部２１とから構成されており、このため、該フライホイール８の外周部２１は、周方向に複数に分割した分割片２２を接合して一体化した構造とされている。
また、フライホイール８の内周部２０に対して、外周部２１はボルト２３の締結により一体化されている。外周部２１の分割片２２は、内周部２０との間の凹凸状の接合部２４を介して互いに結合されている。
また、

以上詳細に説明したように本実施形態に示される電力貯蔵装置１におけるフライホイール構造では、フライホイール８の内周部２０を破壊周速の小さい材料により形成し、該フライホイール８の外周部２１を、前記内周部２０より破壊周速の大きい材料により形成した。例えば、フライホイール８の内周部２０を金属により形成し、前記フライホイール８の外周部２１を、金属より破壊周速の大きい繊維強化プラスチックで形成することにより、該フライホイール８全体で一定の質量を確保することができる。また、該フライホイール８の外周部２１を破壊周速が大きい繊維強化プラスチックにより形成することにより、該フライホイール８を大径に形成することも可能となる。
これにより、繊維強化プラスチックをフライホイール材料に選択した高速回転型の電力貯蔵装置と、金属をフライホイール材料に選択した低速回転型の電力貯蔵装置がある現状において、一定の質量を確保しかつ破壊周速の向上を図った中間型の電力貯蔵装置を得ることができる。
その結果、需要に応じた大きさの最適かつ経済的なフライホイール式の電力貯蔵装置を実現することが可能となる。

フライホイール８の外周部２１は、周方向に複数に分割した分割片２２を接合して一体化した構造とすることで、内周部２０の外側に外周部２１を保持することができる。

なお、本実施形態では、フライホイール８の外周部２１を分割構造としたが、これに限定されず、一体構造に形成しても良い。そして、外周部２１を一体構造とした場合には、内周部２０を冷しばめで収縮されることにより、該内周部２０を外周部２１のリング体内に嵌合するようにしても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、電気エネルギーを回転体の運動エネルギーとして貯蔵する電力貯蔵装置に係り、回転体となるフライホイールの構成材料を最適に選択することにより、小型化とコスト削減を図ることができる電力貯蔵装置におけるフライホイール構造に関する。

１ 電力貯蔵装置
８ フライホイール
２０ 内周部
２１ 外周部
２２ 分割片
２３ ボルト

Claims (6)

1. 超電導磁気軸受を介して、極低温及び高真空下にあるフライホイールを回転動作させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵する電力貯蔵装置において、
   前記フライホイールの外周部を、該フライホイールの内周部より破壊周速の大きい材料により形成したことを特徴とする電力貯蔵装置におけるフライホイール構造。
2. 前記フライホイールの内周部を金属により形成し、前記フライホイールの外周部を繊維強化プラスチックにより形成したことを特徴とする電力貯蔵装置におけるフライホイール構造。
3. 前記フライホイールの外周部は、周方向に複数に分割した分割片を接合して一体化した構造とされることを特徴とする請求項１又は２のいずれか1項に記載の電力貯蔵装置におけるフライホイール構造。
4. 前記フライホイールの外周部はガラス繊維強化プラスチックにより形成されることを特徴とする請求項１又は２のいずれか1項に記載の電力貯蔵装置におけるフライホイール構造。
5. 前記フライホイールの外周部は炭素繊維強化プラスチックにより形成されることを特徴とする請求項１又は２のいずれか1項に記載の電力貯蔵装置におけるフライホイール構造。
6. 前記フライホイールの内周部は鉄系材料により形成されることを特徴とする請求項１又は２のいずれか1項に記載の電力貯蔵装置におけるフライホイール構造。

Images