(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然界に存在する流体の往復運動に合わせて往復運動するフロートと、
前記フロートの往復運動エネルギーを熱エネルギーに変換するエネルギー変換装置と、
前記エネルギー変換装置から熱を受け取る熱媒体と、
を備え、
前記エネルギー変換装置は、磁場発生手段と、少なくとも一部が導電材料で形成されると共に、前記磁場発生手段による磁束が通過する加熱部と、を有し、
前記磁場発生手段と前記加熱部のいずれか一方が、前記フロートに取り付けられ、前記フロートの往復運動によって、前記磁場発生手段と前記加熱部とが相対的に往復移動し、
前記熱媒体が流通し、前記加熱部から受熱する配管を備える熱媒体加熱装置。
【請求項２】
前記磁場発生手段が、超電導コイルである請求項１に記載の熱媒体加熱装置。
【請求項３】
前記磁場発生手段が、永久磁石または常電導コイルである請求項１に記載の熱媒体加熱装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の熱媒体加熱装置と、
前記熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備える発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然界に存在する流体の往復運動を利用して熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置およびそれを備える発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、CO2削減の観点から、太陽光、太陽熱、風力、地熱、波力などの自然エネルギー（再生可能エネルギー）を利用した発電システムが注目されている。自然界に存在する流体の往復運動を利用した発電方法の一つとして、例えば、波の上下振動を利用した波力発電が挙げられる。波力は、自然エネルギーの中ではエネルギー密度が高く、変動も少なく発電に向いているなど、有望なエネルギー資源として期待されており、波力発電の研究開発が進められている。
【０００３】
例えば非特許文献１には、ダイレクトリンク式波力発電装置を備える波力発電システムに関する技術が記載されている（図４参照）。図４に示す波力発電装置100は、波の上下振動に合わせて往復運動するフロート110と、フロート110上に立設された棒状体120と、発電機130とを備える。棒状体120と発電機130とは、図示しない往復運動を回転運動に変えるリンク機構（伝達機構）を介して接続されている。リンク機構としては、例えば、特許文献１に記載されるようなラック・ピニオン機構（特に、特許文献１の図１参照）が挙げられる。
【０００４】
この波力発電装置100は、波の上下振動によるフロート110（棒状体120）の往復運動をリンク機構を介して回転運動に変換し、発電機130を駆動して発電する。つまり、波による往復運動エネルギーを回転運動エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出す。このような波力発電装置は、構造が比較的単純で小型化が容易である。
【０００５】
また、上記した波力発電装置を用いて波力発電システムを構築する場合は、商用電力系統へ連系するため、例えば、増速機（ギアボックス）を用いて、商用周波数に対応した回転数で発電機を回転させたり、或いは、発電機で発電した交流を整流して直流に変換し、その直流をインバータで商用周波数の交流に変換したりすることが行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７‐２９７９２９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】小松原祐、他２名、“ダイレクトリンク式波力発電システムにおける浮きの設計が変換効率に及ぼす影響”、平成21年電気関係学会関西支部連合大会  講演予稿集  G5-24
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記した図４に示されるような従来の波力発電装置では、リンク機構が必要であるため、耐久性に難があり、保守性に課題がある。
【０００９】
リンク機構は、歯車などの部品を組み合わせて構成されているため、故障し易く、また歯車などの部品が潮の影響を受けて腐食し易いなどの欠点がある。
【００１０】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、簡易な構造で保守性に優れ、自然界に存在する流体の往復運動を利用して熱媒体を加熱する熱媒体加熱装置およびそれを備える発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の熱媒体加熱装置は、自然界に存在する流体の往復運動に合わせて往復運動するフロートと、フロートの往復運動エネルギーを熱エネルギーに変換するエネルギー変換装置と、エネルギー変換装置から熱を受け取る熱媒体と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の発電システムは、本発明の熱媒体加熱装置と、熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の熱媒体加熱装置は、自然界に存在する流体の往復運動を利用し、その往復運動エネルギーを回転運動エネルギーに変換することなく、熱エネルギーに変換して、熱媒体を加熱する。そのため、往復運動を回転運動に変える複雑なリンク機構が必要なく、簡易な構造で優れた保守性を実現できる。
【００１４】
一方、本発明の発電システムは、上記した本発明の熱媒体加熱装置を利用して加熱した熱媒体の熱を発電に利用するものであり、従来にない新規な発電システムである。例えば、波の上下振動を利用すれば、波のエネルギーを熱エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出すことができる。そして、本発明の発電システムによれば、往復運動エネルギーを熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーを電気エネルギーに変換する構成としたことで、例えば増速機を用いなくても任意の周波数で発電することが可能であり、故障が少なく効率の良い発電システムを実現できる。
【００１５】
また、加熱した熱媒体の熱を一時的に蓄熱器に蓄えるようにしてもよい。発生した電気エネルギーを蓄電池に蓄えるようにした場合、系統連系するためには交流に変換するインバータなどの部品が必要であり、システムの複雑化、電力損失の増大を招く。さらに、蓄熱器は、蓄電池に比べれば安価であるという利点もある。
【００１６】
本発明において、熱媒体としては、例えば、水、油、液体金属（Na、Pbなど）、溶融塩などの液体ならびに気体が挙げられる。
【００１７】
本発明の熱媒体加熱装置において、往復運動エネルギーを熱エネルギーに変換するエネルギー変換装置としては、例えば、誘導加熱や圧縮熱を利用することが挙げられる。
【００１８】
誘導加熱を利用する場合は、本発明の熱媒体加熱装置の一形態としては、エネルギー変換装置は、磁場発生手段と、少なくとも一部が導電材料で形成されると共に、磁場発生手段による磁束が通過する加熱部と、を有する。そして、磁場発生手段と加熱部のいずれか一方が、フロートに取り付けられ、フロートの往復運動によって、磁場発生手段と加熱部とが相対的に往復移動する。また、熱媒体が流通し、加熱部から受熱する配管を備えることが挙げられる。
【００１９】
この構成によれば、磁場発生手段と加熱部とが相対的に往復移動することで、加熱部を通過する磁束の変化により、誘導電流（渦電流）が発生して加熱部が誘導加熱され、加熱部から熱を受け取って配管内の熱媒体が加熱される。
【００２０】
熱媒体加熱装置におけるエネルギー変換装置の加熱部に使用する導電材料としては、例えば、アルミニウムや銅、鉄などの金属が挙げられる。
【００２１】
エネルギー変換装置の磁場発生手段としては、永久磁石やコイル（電磁石）を用いることができる。コイルとしては、銅線などの常電導コイルや超電導コイルが具体的に挙げられる。誘導加熱エネルギー（誘導電流）は、磁場の強さ（Ｈ）の二乗に比例することから、磁場発生手段には、永久磁石に比較して強い磁場を発生させることができるコイルを用いることが好ましい。コイルを用いる場合、コイルに通電する電流を大きくすることで、強い磁場を発生させることができ、通電電流を制御することで磁場の強さを調整することも可能である。また、コイルであれば、永久磁石に比較して、温度上昇による磁気特性の低下や、経時的な磁気特性の劣化が起こり難い。さらに、加熱部を保温するために加熱部の周囲に断熱材を設けた場合、断熱材が磁場発生手段と加熱部との間に配置され、磁場発生手段と加熱部との距離が大きくなることがあっても、通電電流をより大きくすることで、十分な磁場強度を維持し易い。したがって、磁場発生手段にコイルを用いることで、熱媒体を所定の温度（例えば、100℃〜600℃）まで加熱するのに十分な磁場を得ることができる。なお、コイルを用いる場合は、コイルに直流電源を接続し、直流磁場を発生させることが挙げられる。
【００２２】
さらに、超電導コイルであれば、電気抵抗がゼロであり、大電流を流してもコイルに発熱（損失）が実質的に生じない。そのため、常電導コイルに比較して、大電流を流すことによるコイルの発熱（損失）を抑制することができ、また、より強い磁場を発生させることができる。
【００２３】
一方、圧縮熱を利用する場合は、例えば、シリンダとシリンダ内に収納されたピストンとを有し、フロートの往復運動によって、ピストンがシリンダに対して相対的に往復移動し、ピストンによる圧縮熱を熱媒体に伝達して熱媒体を加熱することが挙げられる。なお、ピストンは、油圧、空圧のいずれでもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の熱媒体加熱装置は、往復運動を回転運動に変えるリンク機構が必要ないため、簡易な構造で保守性に優れ、自然界に存在する流体の往復運動を利用して熱媒体を加熱することができる。また、本発明の発電システムは、上記した本発明の熱媒体加熱装置を利用して加熱した熱媒体の熱を発電に利用するものであり、従来にない新規な発電システムである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施の形態１に係る熱媒体加熱装置の構成を示す模式図であり、（A）は外観図、（B）は一部切り欠き断面図である。
【図２】実施の形態１に係る熱媒体加熱装置における加熱部と配管とを別体で形成した場合の一例を示す模式図である。
【図３】本発明に係る発電システムの全体構成の一例を示す模式図である。
【図４】従来の波力発電装置の全体構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２７】
＜熱媒体加熱装置＞
（実施の形態１）
図１に示す実施の形態１に係る熱媒体加熱装置101は、フロート20と、支持柱25と、エネルギー変換装置30とを備える。以下、熱媒体加熱装置101の構成を詳しく説明する。
【００２８】
フロート20は、海面や湖面などの水面に浮かぶ部材であり、波の上下振動に合わせて往復運動する。
【００２９】
支持柱25は、フロート20上に立設された部材であり、後述する磁場発生手段31が取り付けられている。
【００３０】
エネルギー変換装置30は、往復運動エネルギーを直接的に熱エネルギーに変換する装置であり、磁場発生手段31と加熱部35とを有する。磁場発生手段31は、支持柱25の中間部に取り付けられている。この例では、磁場発生手段31が超電導コイルであり、また、支持柱25が非磁性材料で形成されている。
【００３１】
磁場発生手段（超電導コイル）31は、支持柱25の外周に支持柱25の軸方向に沿って螺旋状に巻回され取り付けられている。この超電導コイル31には、図示しない直流電源が接続される。この例では、超電導コイル31に通電する電流の向きを制御して、発生させる磁場（磁束）の方向を決定しており、一端側（フロート20側）がS極、他端側がN極となるようにしている（図１（B）中の点線矢印は磁束の流れのイメージを示す）。また、超電導コイル31は、周囲を冷却用ジャケット（図示せず）で覆われ、冷却することによって超電導状態に保持されている。
【００３２】
加熱部35は、磁場発生手段31の外側に磁場発生手段31と間隔をあけて設けられ、磁場発生手段31の周囲を覆うように筒状（具体的には円筒状）に形成されている。この加熱部35には、磁場発生手段31による磁束が通過する。また、加熱部35は、導電材料からなり、例えばアルミニウムや銅、鉄などの金属で形成されている。この加熱部35は、フロート20（磁場発生手段31）に対して動かないように、例えばケーソン（図示せず）に固定されている。
【００３３】
加熱部35には、熱媒体が流通する配管40が設けられている。この例では、加熱部35の内部に軸方向に沿って延びる複数の流通路を形成し、これらを熱媒体が流通する配管40に利用している。各配管40はそれぞれ、外部から熱媒体を供給する供給管41と、外部に排出する排出管42とに接続され連通している。そして、加熱部35と配管40とは熱的に接続されている。この例では、配管40の下側（フロート20側）から熱媒体を供給し、上側から熱媒体を排出するようにしているが、上側から熱媒体を供給し、下側から熱媒体を排出するようにしてもよい。
【００３４】
また、加熱部35の周囲には、断熱材（図示せず）を配置してもよい。例えばこの例では、加熱部35の内外周面（ただし、供給管41や排出管42との接続箇所を除く）、および加熱部35の両端面に断熱材を設けることが挙げられる。断熱材には、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、セラミックスなどを用いることができる。
【００３５】
次に、熱媒体加熱装置101における熱媒体が加熱されるメカニズムについて詳しく説明する。
【００３６】
超電導コイル31が通電されることで、磁場が発生し、加熱部35を磁束が通過する。また、波の上下振動に合わせてフロート20が往復運動し、フロート20の往復運動によって、支持柱25に取り付けられた磁場発生手段31が加熱部35に対して相対的に往復移動する。その結果、加熱部35を通過する磁束が変化し、加熱部35に誘導電流（渦電流）が発生することで、加熱部35が誘導加熱され、配管40内の熱媒体が加熱される。
【００３７】
エネルギー変換装置30の磁場発生手段31にコイル（常電導コイル、超電導コイルを含む）を用いる場合は、コイルの引出線を外部の電源と接続し、電流を供給すればよい。
【００３８】
上記した実施の形態１の熱媒体加熱装置101では、加熱部35の内部に流通路を形成し、加熱部35と配管40とを一体に形成した場合を例に説明したが、加熱部35と配管40とを別体で形成してもよい。その場合、配管も導電材料で形成することが好ましい。配管を導電材料で形成することで、配管を加熱部として兼用することができる。また、加熱部と配管とを別体とし、配管を加熱部の表面に設けてもよい。ここで、配管を導電材料で形成し、配管を加熱部として兼用する場合は、例えば、配管のみ配置する他、筒状の支持台の表面に配管を設けるようにしてもよい。このとき、筒状の支持台を導電材料以外の材料で形成してもよい。
【００３９】
図２は、加熱部と配管とを別体で形成した場合の一例を示す図である。この例の配管40は、加熱部35の外周面に加熱部35の軸方向に沿って螺旋状に巻回され取り付けられており、コイル形状である。このように配管を構成すれば、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。この例では、加熱部35の外周面に配管40を設けているが、加熱部35の内周面に配管40を設けてもよい。その他、複数の蛇行形状の配管を加熱部35の内外周面のいずれかに設けることによっても、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。
【００４０】
また、図２の配管40は導電材料で形成されている。そのため、フロートの往復運動によって、コイル形状の配管40の内側に配置された磁場発生手段が配管40に対して相対的に往復移動すると、導電材料からなるコイル形状の配管40の内側を貫通する磁束も変化する。これにより、コイル形状の配管40の内側を貫く磁束が変化することに起因して、コイル形状の配管40に誘導起電力が発生し、配管40に電流が流れることで、配管40が加熱され、配管40に流通する熱媒体が加熱される。さらに、配管40に発生した電流が配管40を伝って外部に漏れるのを防ぐため、配管40の巻き始めと巻き終わりの端部同士を接続導体で電気的に接続してもよい。
【００４１】
以上説明した本発明の実施の形態に係る熱媒体加熱装置は、自然界に存在する流体の往復運動を利用し、その往復運動エネルギーを回転運動エネルギーに変換することなく、熱エネルギーに直接変換して、熱媒体を加熱することができる。そのため、往復運動を回転運動に変える複雑なリンク機構が必要なく、簡易な構造で優れた保守性を実現できる。また、超電導コイルを採用したことで、大電流を流すことによるコイルの損失を抑制することができ、また、より強い磁場を発生させることができる。
【００４２】
さらに、加熱部（配管）が動かないように固定されているため、例えば配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する供給管や排出管（以下、まとめて給排管と呼ぶ）と配管との接続に、配管の往復移動を許容する伸縮継手（フレキシブルジョイント）を用いる必要がなく、簡易な方法で堅牢な接続を実現できる。
【００４３】
熱媒体が加熱されると配管内の圧力が上昇し、例えば熱媒体が水（蒸気）の場合では600℃で約250MPa（250気圧）に達する。加熱部（配管）がフロートに取り付けられ、磁場発生手段が動かないように固定された構造では、給排管と配管との接続に、配管の往復移動を許容し、かつ、その圧力に耐えられる特殊な伸縮継手が必要である。しかし、図１に示す熱媒体加熱装置101のように、加熱部（配管）が動かないように固定された構造では、給排管と配管との接続に、伸縮継手を用いる必要がなく、例えば給排管と配管とを溶接するといった簡易な方法で、十分に堅牢な接続を実現できる。
【００４４】
上記した実施の形態１の熱媒体加熱装置101では、エネルギー変換装置30に誘導加熱方式を利用した場合を例に説明したが、摩擦熱を利用することも考えられる。例えば、図１に示す熱媒体加熱装置101の磁場発生手段31に代えて、フロート20に加熱部35と摺接する摺接部材を取り付け、フロートの往復運動によって、摺接部材と加熱部とが互いに摺接しながら相対的に往復移動することで、摩擦熱を発生させることが考えられる。しかし、この場合は、摺接部材と加熱部のいずれか一方又は両方が使用により摩耗することから、定期的に部品を交換する必要がある。
【００４５】
＜発電システム＞
次に、図３を用いて、本発明に係る発電システムの全体構成の一例を説明する。図３に示す発電システムPは、熱媒体加熱装置10と、蓄熱器50と、発電部60とを備える。以下、発電システムPの構成を詳しく説明する。
【００４６】
熱媒体加熱装置10は、本発明の熱媒体加熱装置であり、例えば、上記した実施の形態１に係る熱媒体加熱装置101を利用することができる。なお、ここでは、熱媒体が水である場合を例に説明する。
【００４７】
熱媒体加熱装置10の配管には、装置10に水を供給する供給管41と、装置10により加熱された水を排出する排出管42とが接続されており、装置10と蓄熱器50との間で水が循環するように構成されている。
【００４８】
熱媒体加熱装置10は、エネルギー変換装置30の磁場発生手段31により磁場を発生させ、この磁場発生手段31による磁束が加熱部35を通過する。また、波の上下振動に合わせてフロート20が往復運動し、磁場発生手段31が加熱部35に対して相対的に往復移動する。そして、波の上下振動により、加熱部35を通過する磁束が変化することで、加熱部35が誘導加熱され、配管内の水が加熱される。また、熱媒体加熱装置10は、磁場発生手段31にコイルを用いているため、強い磁場を発生させることができ、熱媒体である水を例えば100℃〜600℃といった高温に加熱することが可能である。さらに、熱媒体加熱装置10は、加熱部35（配管）が動かないように固定された構造であるので、供給管41および排出管42と配管との接続に伸縮継手を用いる必要がなく、例えば溶接などの簡易な方法で堅牢な接続を実現できる。
【００４９】
この発電システムPは、熱媒体加熱装置10により水を発電に適した温度（例えば200℃〜350℃）まで加熱し、高温高圧水を発生させる。高温高圧水は、熱媒体加熱装置10から排水管42を通って蓄熱器50に送られる。蓄熱器50は、排出管42を通って送られてきた高温高圧水の熱を蓄え、また、熱交換器を用いて発電に必要な蒸気を発電部60に供給する。なお、熱媒体加熱装置10により蒸気を発生させ、発電部60に蒸気を直接供給してもよい。
【００５０】
蓄熱器50としては、例えば、蒸気アキュムレーターや、溶融塩や油などを用いた顕熱型、或いは、融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型の蓄熱器を利用することができる。潜熱型の蓄熱方式は蓄熱材の相変化温度で蓄熱を行うため、一般に、顕熱型の蓄熱方式に比べて蓄熱温度域が狭帯域であり、蓄熱密度が高い。
【００５１】
発電部60は、蒸気タービン61と発電機62とを組み合わせた構造であり、蓄熱器50から供給された蒸気によって蒸気タービン61が回転し、発電機62を駆動して発電する。この蒸気タービン61は、発電機62を任意の回転数（例えば1分間に3600回転）で回転させることができる。
【００５２】
発電部60（蒸気タービン61）に送られた高温高圧水又は蒸気は、例えば復水器で冷却され、水に戻される。
【００５３】
この発電システムPによれば、自然エネルギー（例、波力）を利用して発電することができる。具体的には、自然界に存在する流体の往復運動（例、波の上下振動）を直接的に熱エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出すことができる。そして、往復運動エネルギーを熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーを電気エネルギーに変換する構成としたことで、例えば増速機を用いなくても任意の周波数で発電することが可能であり、故障が少なく効率の良い発電システムを実現できる。
【００５４】
上記した発電システムでは、熱媒体に水を用いた場合を例に説明したが、水よりも熱伝導率の高い液体金属を熱媒体に用いてもよい。このような液体金属としては、例えば液体金属ナトリウムが挙げられる。
【００５５】
また、熱媒体に、常圧で100℃以上の沸点を有する例えば油、液体金属、溶融塩などを用いた場合は、水に比較して、100℃以上に加熱したときに、配管内の熱媒体の気化による内圧上昇を抑制し易い。
【００５６】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の熱媒体加熱装置は、自然エネルギーを利用した発電システムに利用する他、例えば給湯システムや暖房システムに利用することも可能である。また、本発明の発電システムは、自然エネルギーを利用した発電の分野に好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００５８】
10,101  熱媒体加熱装置    P  発電システム
20  フロート    25  支持柱
30  エネルギー変換装置
31  磁場発生手段（超電導コイル）    35  加熱部
40  配管    41  供給管    42  排出管
50  蓄熱器
60  発電部    61  蒸気タービン    62  発電機
100  波力発電装置
110  フロート    120  棒状体    130  発電機
【図１】
0005504935.tif 000002
【図２】
0005504935.tif 000003
【図３】
0005504935.tif 000004
【図４】
0005504935.tif 000005