(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、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、
前記誘導加熱装置は、
少なくとも一部が磁性材料で形成され、回転軸を有する第一回転体と前記第一回転体に対し連結される第二回転体との双方を組み合わせてなる回転体と、
前記第一回転体と前記第二回転体とに一方の磁極と他方の磁極とが対向するように前記第一回転体と前記第二回転体との間に配置され、回転体の軸方向に磁場を発生させるコイルと、
少なくとも一部が導電材料で形成され、前記回転体の外側に前記回転体と間隔をあけて配置される加熱部と、
前記加熱部に設けられ、前記熱媒体が流通する配管と、
前記加熱部の外周に配置され、磁性材料からなるステータ部と、を備え、
前記第一回転体と前記第二回転体との双方には、回転体の径方向に突出する少なくとも１個の凸部が形成されており、双方の前記凸部が、互いに周方向にずれた状態で相手側に向かって延設されると共に互いに離間しており、
前記ステータ部は、筒状であり、この筒状部分から求心状に突出する突起部を有し、
前記加熱部は、前記ステータ部の内周面に取り付けられ、前記突起部が挿通される孔を有する発電システム。
【請求項２】
前記コイルが、超電導コイルである請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記回転軸が、風車に接続され、
前記回転体を回転させる動力に風力を利用する請求項１又は請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記加熱部に、アルミニウムが使用されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項５】
前記誘導加熱装置を利用して加熱した前記熱媒体の熱を蓄える蓄熱器を備える請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱を利用して、回転エネルギー（機械エネルギー）を熱エネルギーに変換し、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、この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に関する。
【背景技術】
【０００２】
水を加熱する装置として、誘導加熱（渦電流）を利用した加熱装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の渦電流加熱装置は、外周に永久磁石が配置された回転可能なロータと、このロータの外周に固定して設けられ、内部に水を流通させる流通路が形成された導電材料の加熱部とを備える。そして、ロータが回転することより、ロータ外周の永久磁石による磁力線が加熱部を貫通して移動することで、加熱部に渦電流が発生して、加熱部自体が発熱する。その結果、加熱部で発生した熱が内部の流通路を流通する水に伝達され、水が加熱される。
【０００３】
上記の技術は風力などのエネルギーを利用して給湯を行うことを主目的としたものであるが、近年、同じく風力、水力、波力などの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。
【０００４】
例えば非特許文献１〜３には、風力発電に関する技術が記載されている。風力発電は、風で風車を回転させ、発電機を駆動して発電するものであり、風のエネルギーを回転エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出すものである。風力発電システムは、塔の上部にナセルを設置し、このナセルに水平軸風車（風の方向に対して回転軸がほぼ平行な風車）を取り付けた構造が一般的である。ナセルには、風車の回転軸の回転数を増速して出力する増速機と、増速機の出力によって駆動される発電機とが格納されている。増速機は、風車の回転数を発電機の回転数まで高める（例えば1：100）ものであり、ギアボックスが組み込まれている。
【０００５】
最近では、発電コストを下げるため、風車（風力発電システム）を大型化する傾向があり、風車の直径が120m以上、１基当たりの出力が5MWクラスの風力発電システムが実用化されている。このような大型の風力発電システムは、巨大かつ重量物であるため建設上の理由から、洋上に建設されるケースが多い。
【０００６】
また、風力発電では、風力の変動に伴い発電出力（発電量）が変動するため、風力発電システムに蓄電システムを併設し、不安定な電力を蓄電池に蓄えて、出力を平滑化することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５‐１７４８０１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】“風力発電（01‐05‐01‐05）”、［online］、原子力百科辞典ATOMICA、[平成22年2月8日検索]、インターネット<URL：http://www.rist.or.jp/atomica/>
【非特許文献２】“2000kW大型風力発電システム  SUBARU80/2.0  PROTOTYPE”、［online］、富士重工業株式会社、[平成22年2月8日検索]、インターネット<URL：http://www.subaru-windturbine.jp/home/index.html>
【非特許文献３】“風力講座”、［online］、三菱重工業株式会社、[平成22年2月8日検索]、インターネット<URL：http://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza.html>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記した特許文献１に記載されるような従来の誘導加熱装置では、磁場（磁力線）を発生させる手段に永久磁石を用いているため、次のような不具合が起こり得る。
【００１０】
誘導加熱エネルギーは、磁場の強さ（Ｈ）の二乗に比例するが、永久磁石では一般的に発生できる磁場が弱いため、十分な誘導加熱エネルギーが得られず、所望の温度まで熱媒体（例えば、水などの液体）を加熱できない虞がある。
【００１１】
また、強力な磁場を得るためにネオジウム磁石を使用することが考えられるが（特に、特許文献１の段落００３７参照）、ネオジウム磁石は熱に弱く、温度が上昇すると、磁気特性が低下する（これは、一般的なフェライト磁石も同じ）。そのため、加熱部の近い位置に永久磁石が配置されるような従来の誘導加熱装置では、永久磁石の温度が上昇し易く、磁気特性が低下して、結果的に所望の温度まで熱媒体を加熱できない虞がある。さらに、永久磁石は、時間の経過とともに磁気特性が劣化することから、長時間の使用に耐えられない虞がある。ところで、熱による磁気特性の低下（劣化）を防止するために永久磁石の周囲に断熱材を設けることも考えられるが、断熱材は通常非磁性体であるため、永久磁石と加熱部との間の磁気ギャップが所定以上に大きくなり、結果的に磁場の低下を招いてしまう虞がある。
【００１２】
一方、一般に広く知られている風力発電システムでは、出力平滑化のため蓄電システムが設置されているが、蓄電システムには電力を蓄電池に蓄えるためにコンバータなどの部品が必要であるため、システムの複雑化、電力損失の増大を招く。また、大型の風力発電システムの場合では、発電量に応じた大容量の蓄電池が必要であり、システム全体としてのコスト増大を招く。
【００１３】
また、風力発電システムの故障原因の多くは、増速機、より具体的にはギアボックスのトラブルによるものである。ギアボックスが故障すると、通常はギアボックスを交換することで対処しているが、塔の上部にナセルが設置されている場合は、ギアボックスの取り付け・取り外しに多大な時間と労力を要する。そこで最近では、増速機を必要としないギアレスの可変速式風力発電機もある。
【００１４】
しかし、ギアレスの場合、具体的には発電機の極数を増やすこと（多極発電機）で対応するが、増速機を使用する場合と比較して、発電機が大型・重量化する。特に、5MWクラスの大型の風力発電システムでは、発電機の重量が300トン（300000kg）を超えるものと考えられ、ナセル内に配置することが困難である。
【００１５】
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、熱媒体を発電に必要な温度まで加熱するのに適した性能を有し、この熱媒体の熱を電気エネルギーに変換して発電す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】
【００１６】
本発明の発電システムは、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、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。この誘導加熱装置は、回転体と、コイルと、加熱部と、配管と、を備える。回転体は、少なくとも一部が磁性材料で形成され、回転軸を有する第一回転体とこの第一回転体に対し連結される第二回転体との双方を組み合わせてなる。コイルは、第一回転体と第二回転体とに一方の磁極と他方の磁極とが対向するように第一回転体と第二回転体との間に配置され、回転体の軸方向に磁場を発生させる。加熱部は、少なくとも一部が導電材料で形成され、回転体の外側に回転体と間隔をあけて配置される。配管は、加熱部に設けられ、熱媒体が流通する。そして、第一回転体と第二回転体との双方には、回転体の径方向に突出する少なくとも１個の凸部が形成されており、双方の凸部が、互いに周方向にずれた状態で相手側に向かって延設されると共に互いに離間していることを特徴とする。
【００１７】
本発明の発電システムは、誘導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、誘導加熱装置の回転軸に風車を接続し、回転体の動力に風力を利用すれば、風のエネルギーを回転エネルギー→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、熱を電気エネルギーに変換する構成としたことで、蓄熱器を用いて熱としてエネルギーを蓄えることにより、効率の良い安定した発電システムを実現できる。また、熱を蓄熱器に蓄えると同時に蓄熱器から発電に必要な熱を取り出すことができる蓄熱システムは、蓄電システムに比べて簡易であり、蓄熱器も蓄電池に比べれば安価である。さらに、従来の発電システムのように増速機を用いる必要がなく、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。
【００１８】
また、本発明の発電システムにおける誘導加熱装置は、磁場発生手段にコイルを用いているため、従来の永久磁石を用いた装置に比較して、より強い磁場を発生させることができる。具体的には、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。したがって、磁場発生手段にコイルを用いることで、通電電流を大きくして十分な磁場強度を維持し易く、熱媒体を発電に必要な温度（例えば100℃〜600℃、好ましくは200℃〜350℃）まで加熱するのに十分な性能（熱エネルギー）を得ることができる。なお、コイルには直流電流を流し、直流磁場を発生させることが挙げられる。
【００１９】
また、誘導加熱装置は、回転せず固定された加熱部に配管を設けることで、配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がなく、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。具体的には、熱媒体が加熱されることで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25MPa（250気圧）に達する。加熱部（配管）が回転する場合は、その圧力に耐えられる特殊な回転継手が必要であるところ、回転しない場合は、回転継手の必要がなく、例えば給排管と配管とを溶接するといった単純な方法を採用することで、十分に堅牢な構造を実現できる。
【００２０】
この誘導加熱装置における熱媒体の加熱メカニズムについて説明する。コイルが通電されることで、コイルの一方の磁極と対向する第一回転体が一方の磁極と同じ極性に磁化されると共に、コイルの他方の磁極と対向する第二回転体が他方の磁極と同じ極性に磁化される。その結果、第一回転体と第二回転体との双方の凸部が異なる極性に磁化され、回転体の軸方向に直交する断面において、双方の凸部は離間した状態で回転体の周方向に交互に配置されるので、回転体の隣り合う凸部の極性が互いに異なる。第一回転体と第二回転体との双方の凸部から流れ出た磁束は、回転体（凸部）の外側に配置された加熱部を通過する。そして、回転体が回転することにより、加熱部を通過する磁束が変化し、加熱部に誘導電流が発生することで、加熱部が誘導加熱され、熱媒体が加熱される。
【００２１】
凸部は、第一回転体と第二回転体との双方にそれぞれ複数（例えば２個以上、双方合わせて計４個以上）設けることが好ましく、凸部を複数設ける場合は、回転体の周方向に等間隔に設けることが好ましい。
【００２２】
本発明において、誘導加熱装置の回転体に使用する磁性材料としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、ケイ素鋼、パーマロイ、及びフェライトなどが挙げられる。また、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。特に、加熱部にアルミニウムを使用することで、加熱部の軽量化を図ることができ、もって誘導加熱装置の軽量化を図ることができる。熱媒体としては、例えば、水、油、液体金属（Na、Pbなど）、溶融塩などの液体並びに気体が挙げられる。
【００２３】
本発明の発電システムの一形態としては、さらに、加熱部の外周に配置され、磁性材料からなるステータ部を備え、ステータ部が、筒状であり、この筒状部分から求心状に突出する突起部を有し、加熱部は、ステータ部の内周面に取り付けられ、突起部が挿通される孔を有することが挙げられる。
【００２４】
この構成によれば、誘導加熱装置のステータ部における突起部の周囲を加熱部を形成する導電材料によって囲むことができる。そして、回転体の回転により、回転体の凸部とステータ部の突起部との間の距離が狭小→広大、或いは広大→狭小になり、突起部に流れる磁束が変化すると、突起部周囲の加熱部において、誘導起電力（逆起電力）が発生し、電流が流れることで加熱される。したがって、この構成によれば、突起部周囲の加熱部における誘導起電力も利用して熱媒体を加熱することができ、また、突起部が存在することで、突起部がない場合と比較して、回転体（凸部）‐ステータ部（突起部）間の距離が狭小になるときの凸部から突起部に流れる磁束量が増加する。その結果、ステータ部の突起部に流れる磁束の変化を大きくして、発生する誘導起電力を大きくすることができ、加熱効率を向上できる。
【００２５】
突起部は、複数（例えば４個以上）設けることが好ましく、また、突起部を複数設ける場合は、ステータ部の周方向に等間隔に設けることが好ましい。
【００２６】
ステータ部に使用する磁性材料としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、ケイ素鋼、パーマロイ、及びフェライトなどが挙げられる。
【００２７】
本発明の発電システムの一形態としては、コイルが超電導コイルであることが挙げられる。
【００２８】
誘導加熱装置のコイルとしては、銅線などの常電導コイルや超電導線材を用いた超電導コイルが挙げられる。コイルに直流電流を流し、直流磁場を発生させる場合、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、大空間であっても電力損失なしで極めて強い磁場を維持することができる。また、超電導線材は電流密度が高く、コイルの小型・軽量化を図ることができ、もって誘導加熱装置の小型・軽量化を図ることができる。例えば、大規模発電に見合った熱エネルギーを得ようとした場合、超電導コイルを用いることで、常電導コイルに比較して、消費電力が小さくなると共に、装置の小型・軽量化を図ることができ、ナセル内に配置することが容易になる。
【００２９】
本発明の発電システムの一形態としては、回転軸が風車に接続され、回転体を回転させる動力に風力を利用することが挙げられる。
【００３０】
本発明の発電システムにおいて、誘導加熱装置の回転体（回転軸）の動力には、風力、水力、波力などの再生可能エネルギーを利用することが好ましい。再生可能エネルギーを利用すれば、CO2の増加を抑制でき、中でも風力を利用することが好適である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の発電システムは、誘導加熱装置の磁場発生手段にコイルを用いているため、極めて強い磁場を発生させることができ、熱媒体を発電に必要な温度まで加熱することが容易である。そして、誘導加熱装置を利用して加熱した熱媒体の熱を発電部により電気エネルギーに変換して発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施の形態１に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、分解斜視図であり、（B）は、組み立て状態を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係る誘導加熱装置における回転体の概略分解斜視図である。
【図３】実施の形態１に係る誘導加熱装置を回転体の軸方向と直交方向に切断した概略正面断面図である。
【図４】図３のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。
【図５】実施の形態２に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、分解斜視図であり、（B）は、回転体の軸方向と直交方向に切断した正面断面図である。
【図６】実施の形態２に係る誘導加熱装置の部分拡大概略図であり、（A）は、回転体が回転中の一状態を示し、（B）は、回転体が回転中の別の状態を示す。
【図７】実施の形態２に係る誘導加熱装置におけるステータ部の変形例を示す概略斜視図である。
【図８】誘導加熱装置における配管の配置例を示す概略図であり、（A）は、１つの配管で構成する場合の展開平面図であり、（B）は、２つの配管で構成する場合の展開平面図であり、（C）は、４つの配管で構成する場合の展開平面図である。（D）は、同図（A）の配置例の場合に、配管の部分同士を電気的に接続する接続導体の取り付け例を示す展開平面図である。
【図９】誘導加熱装置における配管の別の配置例を示す概略側面図である。
【図１０】本発明に係る発電システムの全体構成の一例を示す概略図である。
【図１１】試算例１に使用したシミュレーションモデルを模式的に示す図である。
【図１２】シミュレーションモデルでのトータルコストの試算結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
本発明の発電システムは、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、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。ここでは、まず、誘導加熱装置について説明し、次いで、発電システム全体について説明する。
【００３５】
＜誘導加熱装置＞
（実施の形態１）
図１〜３に示す実施の形態１に係る誘導加熱装置101は、回転体11と、コイル12と、加熱部13と、配管14と、ステータ部15とを備える。以下、誘導加熱装置101の構成を詳しく説明する。
【００３６】
回転体11は、回転可能に支持された回転軸21を有する第一回転体11aと、この第一回転体11aに対し連結される第二回転体11bとの双方を組み合わせてなる。第一回転体11aと第二回転体11bとの双方には、回転体11の径方向に突出する複数の凸部111a,111bが形成されており、双方の各凸部111a,111bが、互いに周方向にずれた状態で相手側に向かって延設されると共に互いに離間している。つまり、第一回転体11aと第二回転体11bとは、相互に各凸部111a,111bが噛み合うように対向配置されている。また、双方の各凸部111a,111bは、回転体11の周方向に等間隔に設けられている。この例では、第一回転体11aと第二回転体11bとのそれぞれに８個の凸部が形成されており、双方合わせて計１６個の凸部が回転体11に設けられている。また、回転体11（第一回転体11a及び第二回転体11b）は、鉄などの磁性材料で形成されている。なお、ここでは、回転体11が回転軸21側から見て反時計方向に回転するものとする（図３中の矢印は回転体11の回転方向を示す。図５（B）、図６も同じ）。
【００３７】
コイル12は、第一回転体11aと第二回転体11bとに一方の磁極と他方の磁極とが対向するように第一回転体11aと第二回転体11bとの間に配置され、回転体11の軸方向に磁場を発生する。即ち、回転体11の内部に配置されたコイル12が通電により励磁されたとき、一方の磁極と対向する第一回転体11aが一方の磁極と同じ極性に磁化されると共に、他方の磁極と対向する第二回転体11bが他方の磁極と同じ極性に磁化される。このとき、第一回転体11a及び第二回転体11bの各凸部111a,111bも磁化される。このコイル12には、図示しない直流電源が接続される。この例では、コイル12が超電導コイルであり、コイル12に通電する直流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、一方の磁極がN極、他方の磁極がS極となるようにしている。また、超電導コイル12は、周囲を図示しない冷却用ジャケットで覆われ、冷却することによって超電導状態に保持されている。
【００３８】
この例では、第一回転体11aと第二回転体11bとが、中央内部に配置される柱状の連結部材112を介して連結されており、連結部材112が、コイル12の内側に挿通されると共にコイル12を支持している（図２参照）。連結部材112を形成する材料としては、磁性材料、非磁性材料を問わず、機械的強度を有し、コイル12を支持可能な材料であればよく、構造強度と長期耐候性に優れる材料が好ましい。例えば、構造用材料に使用される鉄、鋼、ステンレス、アルミニウム合金、マグネシウム合金、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）やＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などの複合材料が挙げられる。
【００３９】
ここでは、連結部材112が非磁性材料で形成されている。例えば、連結部材112を磁性材料で形成した場合、連結部材112の磁束飽和ために超電導コイル12の発生磁場が限定されてしまう虞があることから、連結部材112を非磁性材料で形成することが好ましい場合もある。また、連結部材112の形状は、例えば、円柱状、円筒柱状、多角柱状、多角筒柱状などが挙げられ、適宜必要に応じて好ましい形状を選択すればよい。
【００４０】
加熱部13は、回転体11の外側に回転体11と間隔をあけて配置され、回転体11の周囲を覆うように筒状に形成されている。この加熱部13には、後述するように、回転体11の凸部111a、111bから流れ出た磁束が通過する。また、加熱部13は、アルミニウムなどの導電材料で形成されている。
【００４１】
加熱部13には、熱媒体が流通する配管14が設けられている（図３参照）。この例では、加熱部13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14に利用している。そして、加熱部13と配管14とは熱的に接続されている。例えばこの例では、配管14の一端側から熱媒体を供給し、他端側から排出する構成としたり、配管14の一端側において、配管14と別の配管14とを接続する接続管を取り付け、配管14の他端側から熱媒体を供給し、接続管を介して、別の配管14の他端側から排出する構成としたりすることが挙げられる。即ち、前者の場合は片道の流路、後者の場合は往復の流路となり、後者の場合、前者の場合と比較して、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。
【００４２】
また、加熱部13の周囲には、加熱部13を保温するために、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13の内外周面、及び加熱部13の端面のうち配管14の配置箇所を除く箇所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。
【００４３】
加熱部13の周囲に断熱材を配置した場合、磁化された回転体11の凸部111a、111bと加熱部13との間の距離が大きくなることから、加熱部13を通過する磁束が減る、つまり加熱部13に印加される磁場が減少する。誘導加熱装置101では、コイル12を用いているため、もともとの磁場強度が高く、また、必要に応じて通電電流を大きくして磁場強度を高めることもできるので、断熱材を配置した場合であっても、熱媒体を発電に必要な温度まで加熱するのに十分な性能（熱エネルギー）を得易い。
【００４４】
ステータ部15は、加熱部13の外周に配置された筒状の部材であり、内周面に加熱部13が取り付けられている。そして、加熱部13及びステータ部15は、回転しないように固定されている。
【００４５】
この例では、ステータ部15が円筒状であり、磁性材料で形成されている。ステータ部15には、例えば、ケイ素鋼板を積層した積層鋼板や、鉄粉などの磁性粉末の表面に絶縁被覆を施し、この粉末を加圧成形した圧粉磁心を用いてもよい。
【００４６】
次に、誘導加熱装置101における熱媒体の加熱メカニズムについて詳しく説明する。
【００４７】
誘導加熱装置101では、コイル12への通電によりコイル12が励磁され回転体11の軸方向に磁場が発生し、コイル12の一方の磁極（N極）と対向する第一回転体11aがN極に磁化される共に、コイル12の他方の磁極（S極）と対向する第二回転体11bがS極に磁化される。その結果、第一回転体11aの凸部111aがN極に、第二回転体11bの凸部111bがS極に磁化され、回転体11の軸方向に直交する断面において、双方の凸部111a,111bは離間した状態で回転体11の周方向に交互に配置されるので、回転体11の隣り合う凸部の極性が互いに異なる（特に、図３参照）。第一回転体11aと第二回転体11bとの双方の凸部111a,111bから流れ出た磁束は、回転体11（凸部）の外側に配置された加熱部13を通過する。そして、回転体11が回転することにより、加熱部13を通過する磁束が変化し、加熱部13に誘導電流が発生することで、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。
【００４８】
ここで、誘導加熱装置101では、回転体11の隣り合う凸部の極性が互いに異なることから、加熱部13の凸部111a（N極）に対向する部分と加熱部13の凸部111b（S極）に対向する部分とでは、磁束（磁場）の方向が異なる。N極の凸部111aに対向する部分（例えば図３のa点）では、磁束（磁場）の方向が、加熱部13の内周側から外周側方向（径方向の＋方向）となる。一方、S極の凸部111bに対向する部分（例えば図３のb点）では、磁束（磁場）の方向が、加熱部13の外周側から内周側（径方向の−方向）となる。
【００４９】
図４は、図３のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。磁場は、N極の凸部に対向し、N極の凸部‐加熱部間の距離が最も狭小になるとき、強さが＋方向に最大となる。一方、S極の凸部に対向し、S極の凸部‐加熱部間の距離が最も狭小になるとき、強さが−方向に最大となる。つまり、回転体11の回転により凸部が回転移動することで、磁場の方向と強さが周期的に逆転しながら変化する。
【００５０】
また、凸部111a,111bの数は、適宜設定することができる。ここで、凸部111a,111bの数をある程度増やすことで、磁場の周期を短くすることができる。誘導加熱エネルギー（誘導電流）は、磁場の周波数に比例関係にあることから、磁場の周期を短くすることで、加熱効率を向上できる。
【００５１】
さらに、コイル12は、例えば第二回転体11bの中央に形成された開口部113から引出線を引き出して、外部の電源と接続すればよい。回転体11と共にコイル12が回転する場合は、例えばスリップリングを介して引出線と外部電源とを接続すればよい。また、回転体11が回転してもコイル12が回転しないように連結部材112とコイル12との間にベアリング（軸受）を取り付けて、引出線と外部電源とを接続してもよい。
【００５２】
（実施の形態２）
図５、６に示す実施の形態２に係る誘導加熱装置102は、ステータ部および加熱部の形状が図１〜３に示す実施の形態１の誘導加熱装置101と相違し、以下ではその相違点を中心に説明する。
【００５３】
実施の形態２の誘導加熱装置102では、ステータ部15が、円筒状部分から求心状に突出する複数の突起部151を有し、かつ、加熱部13には、各突起部151が挿通される孔131を有する。この例では、ステータ部15が１６個の突起部151を有し、各突起部151が周方向に等間隔に設けられている。つまり、凸部111aと凸部111bとを合わせた回転体11の凸部の数とステータ部15の突起部151の数が等しい。また、突起部151は、ステータ部15の軸方向に対して平行で、突出方向と直交方向に切断にした断面が略矩形状の四角柱状である。
【００５４】
誘導加熱装置102における熱媒体の加熱メカニズムについて説明すると、回転体11が回転することにより、凸部111a,111bが回転移動することで、加熱部13を通過する磁束が周期的に変化し、加熱部13に誘導電流が発生することで、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される点は、実施の形態１の誘導加熱装置101と同様である。さらに、誘導加熱装置102においては、回転体11の回転により、回転体11の凸部とステータ部15の突起部151との間の距離が狭小→広大、或いは広大→狭小になり、突起部151に流れる磁束が変化する（図６（A）、（B）参照）。それにより、突起部周囲の加熱部において、誘導起電力（逆起電力）が発生し、電流が流れることで、加熱部13が加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。
【００５５】
このように、誘導加熱装置102では、誘導起電力が発生した際に、突起部151の周囲に存在する加熱部13の導電材料により、突起部151の周囲にループ状の電流経路が形成されることから、実施の形態１の誘導加熱装置101と異なり、誘導起電力も利用して熱媒体を加熱する。
【００５６】
また、ステータ部15（突起部151を含む）が磁性材料で形成されていることから、ステータ部15に磁束が流れる。そして、各凸部111a,111bと各突起部151とが対向するとき、N極の凸部111aから流れ出た磁束は、この凸部111aに対向する突起部151に流れ、ステータ部15の筒状部分を通って、S極の凸部111bに対向する突起部151に流れる（図５（B）中の点線矢印は磁束の流れのイメージを示す）。つまり、N極の凸部111aからステータ部15を通ってS極の凸部111bに至る磁路が形成されることから、各突起部151に流れる磁束が大きくなる。
【００５７】
この実施の形態２の誘導加熱装置102では、ステータ部15における突起部151の形状が、突出方向と直交方向に切断にした断面が略矩形状の四角柱状である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、ステータ部15の突起部151をステータ部15の軸方向に対して傾斜させたスキュー構造とすることができる。スキュー構造を採用することで、コギングトルクを低減して、回転体11の回転を滑らかにすることができる。また、回転体11の凸部をスキュー構造としてもよい。
【００５８】
上記した実施の形態１、２の誘導加熱装置101、102では、加熱部13の内部に流通路を形成し、加熱部13と配管14とを一体に形成した場合を例に説明したが、加熱部13と配管14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、配管のみを配置する他、筒状の支持台の表面に配管を取り付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。
【００５９】
図８は、配管を導電材料で形成し、かつ、配管のみ配置する場合の配管の配置例を示す展開平面図である。ここでは、円筒状のステータ部15の内周面に配管14を這わして取り付けた場合を例に説明し、図８は、配管14をステータ部15の内周面側から見た展開平面図である。また、図８中の黒塗り矢印は、熱媒体の供給、並びに排出方向を示す。
【００６０】
図８（A）は、１個の配管14で構成した場合であり、ステータ部15の内周面全体に周方向に蛇行するように配管14を折り曲げ形成して配設している。配管14を蛇行させることで、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。この場合、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向に略360°ずれる、即ち供給側端部と排出側端部とは周方向の略同じ位置に位置することになる。そのため、排出側端部から排出される加熱された熱媒体が、供給側端部から供給される熱媒体によって冷やされ、加熱効率が低下することが懸念される。そこで、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向にある程度ずらすことが好ましく、例えば10°以上ずらすことが好ましい。
【００６１】
図８（B）は、２個の配管14で構成した場合であり、図８（A）と同様に、ステータ部15の内周面全体に配管14が蛇行状態で配設されている。この場合、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向に略180°ずれることになる。また、この例では、隣り合う配管14の供給側端部同士、並びに排出側端部同士がそれぞれ周方向の略同じ位置に位置している。そのため、配管14の排出側端部から排出される加熱された熱媒体が、別の配管14の供給側端部から供給される熱媒体によって冷やされることもない。
【００６２】
図８（C）は、４個の配管14で構成した場合であり、図８（B）と同様に、ステータ部15の内周面全体に配管14が蛇行状態で配設され、また、隣り合う配管14の供給側端部同士、並びに排出側端部同士がそれぞれ周方向の略同じ位置に位置している。この場合、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向に略90°ずれることになる。
【００６３】
このように、配管を蛇行状態で配置する場合は、複数の配管を用いて構成してもよい。また、図８（A）〜（C）に示した例では、配管14の供給側端部と排出側端部とをステータ部15の軸方向の一方側に設けているが、供給側端部を一方側又は他方側に、排出側端部を他方側又は一方側に設けることも可能である。
【００６４】
さらに、上記した実施の形態２の誘導加熱装置102のように、ステータ部15が突起部151を有する場合は、突起部を挟むように蛇行させた配管のうち、折り曲げ部とは突起部を挟んで反対側の配管部分同士が離隔する側に配管の部分同士を電気的に接続する接続導体141を別途取り付けて（図８（D）参照）、導電材料からなる配管14と接続導体141とで突起部151の周囲を囲むようにしてもよい。これにより、突起部151に流れる磁束が変化することに起因して発生する誘導起電力に伴う電流が、配管14と接続導体141とで形成されるループ状の電流経路を流れることになり、配管14を伝って外部に漏れるのを防ぐことができる。
【００６５】
また、ステータ部が突起部を有する場合は、図９に例示するように、突起部151の外周に導電材料からなる配管14を巻回して取り付けてもよい。この構成によっても、突起部151に流れる磁束が変化することで、配管14に誘導起電力が発生し、配管14に電流が流れることで、配管14が加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。さらに、配管14を伝って電流が外部に漏れるのを防ぐため、配管14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。
【００６６】
以上説明した本発明の実施の形態に係る誘導加熱装置は、磁場発生手段にコイルを用いているため、従来の永久磁石を用いた装置に比較して、強い磁場を発生させることができる。特に、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発熱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。また、加熱部（配管）が回転しない構造としたことで、例えば配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がなく、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。
【００６７】
＜発電システム＞
次に、図１０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１０に示す発電システムPは、誘導加熱装置10と、風車20と、蓄熱器50と、発電部60とを備える。塔91の上部に設置されたナセル92に風車20が取り付けられ、ナセル92内に誘導加熱装置10が格納されている。また、塔91の下部（土台）に建てられた建屋93に蓄熱器50及び発電部60が設置されている。以下、発電システムPの構成を詳しく説明する。
【００６８】
誘導加熱装置10は、例えば、上記した実施の形態１、２に係る誘導加熱装置101、102を利用している。また、回転軸21の他端側が後述する風車20に直結され、回転体を回転させる動力に風力を利用している。なお、ここでは、熱媒体が水である場合を例に説明する。
【００６９】
風車20は、水平方向に延びる回転軸21を中心に、３枚の翼201を回転軸21に放射状に取り付けた構造である。出力が5MWを超える風力発電システムの場合、直径が120m以上、回転数が10〜20rpm程度である。
【００７０】
誘導加熱装置10の配管には、誘導加熱装置10に水を供給する給水管73と、誘導加熱装置10により加熱した水を蓄熱器50に送る輸送管51が接続されている。そして、誘導加熱装置10は、コイルの通電により、回転体の外周に設けられた凸部が周方向に交互に極性が異なるように磁化されると共に、回転体の回転により、回転体の外側に配置された加熱部を通過する磁束が変化することで、加熱部を誘導加熱し、配管内の水を加熱する。誘導加熱装置10は、磁場発生手段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。また、誘導加熱装置10は、加熱部（配管）が回転しない構造であるので、配管と輸送管51及び給水管73との接続に回転継手を用いる必要がなく、例えば溶接などを用いて、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。
【００７１】
この発電システムPは、誘導加熱装置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、誘導加熱装置10と蓄熱器50とを連結する輸送管51を通って蓄熱器50に送られる。蓄熱器50は、輸送管51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、誘導加熱装置10により蒸気を発生させてもよい。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
蓄熱器50に送られた高温高圧水又は蒸気は、復水器71で冷却され水に戻される。その後、ポンプ72に送られ、高圧水にして給水管73を通って誘導加熱装置10に送られることで循環する。
【００７５】
この発電システムPによれば、再生可能エネルギー（例、風力）を動力として回転エネルギーを得て熱を発生させ、その熱を蓄熱器に蓄熱して発電することで、高価な蓄電池を用いなくても、需要に応じた安定的な発電を実現できる。また、従来の風力発電システムのように増速機を設ける必要がなく、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。さらに、熱媒体の熱を輸送管により例えば塔の下部（土台）に設置された発電部に供給することで、ナセルに発電部を格納する必要がなく、塔の上部に設置されるナセルを小型・軽量化することができる。
【００７６】
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。液体金属を熱媒体に用いる場合は、例えば、加熱部から熱を受け取る一次熱媒体に液体金属を用い、輸送管を通って送られてきた液体金属の熱で熱交換器を介して二次熱媒体（水）を加熱し、蒸気を発生させることが考えられる。
【００７７】
また、常圧で100℃超の沸点を有する例えば油、液体金属、溶融塩などを熱媒体に用いた場合は、水に比較して、100℃超に加熱したときに、配管内の熱媒体の気化による内圧上昇を抑制し易い。
【００７８】
（試算例１）
図１１に例示するようなシミュレーションモデル1000を使用して、コイル1200に超電導コイルを用いた場合と銅コイルを用いた場合のイニシャルコストとランニングコストとを合わせたトータルコストについて試算した。
【００７９】
シミュレーションモデル1000は、磁気ギャップを有するC字状の鉄心1100にコイル1200を装着した構造である。鉄心1100は、断面が400mm×500mmであり、ギャップ距離が100mmである。
【００８０】
コストは、次の条件で試算した。運転時間を年間4800時間（200日×24時間）とし、電力料金を1キロワット時当たり15円として計算した。また、コイルの消費電力を考慮すると共に、超電導コイルを用いる場合は、冷却系統の運転電力も考慮し、銅コイルを用いる場合は、水冷方式と空冷方式の二通りについて行い、水冷方式では水冷系統の運転電力も考慮した。コイルには、磁気ギャップに1Tの磁場を発生させる電流を流すものとした。
【００８１】
トータルコストの試算結果を図１２に示す。図１２中、超電導コイルのトータルコストを実線、水冷方式の銅コイル（水冷銅コイル）のトータルコストを破線、空冷方式の銅コイル（空冷銅コイル）のトータルコストを点線で示している。この結果から、超電導コイルを用いた場合、水冷方式の銅コイルに比較して、イニシャルコストは高くなるが、消費電力が小さいため、ランニングコストが低くなり、運転年数が３年程度でトータルコストが逆転することが分かる。つまり、超電導コイルの方が、本発明の発電システムにおける誘導加熱装置の磁場発生手段に用いた場合、費用対効果が高く、発電コストを抑えることができる。
【００８２】
次に、上記条件で、図１１のシミュレーションモデル1000におけるコイル1200に超電導コイルを用いた場合と銅コイルを用いた場合のコイル重量について試算した。ただし、水冷方式の銅コイルの場合は電流密度を10A／mm2、空冷方式の銅コイルの場合は電流密度を1A／mm2として計算し、また、超電導コイルの場合は、冷却系統の重量も考慮し、水冷方式の銅コイルの場合は、水冷系統の重量も考慮した。
【００８３】
コイル重量を試算した結果、超電導コイルの重量は200kg、水冷方式の銅コイルの重量は200kg、空冷方式の銅コイルの重量は2000kgであった。この結果から、超電導コイルを用いた場合、空冷方式の銅コイルに比較して、小型・軽量化を図れることが分かる。つまり、超電導コイルの方が、本発明の発電システムにおける誘導加熱装置の磁場発生手段に用いた場合、誘導加熱装置の小型・軽量化を図ることができ、例えばナセル内に配置することが容易になる。さらに、銅コイルを誘導加熱装置の磁場発生手段に用いる場合、磁場を強くするために鉄心が必要であり、また、鉄心の磁束飽和を抑えるために鉄心を大型化せざるを得ないので、超電導コイルに比較して、誘導加熱装置の大型・重量化を免れ得ない。
【００８４】
さらに、最近では、風車の回転に伴う低周波騒音による人体への影響が問題になっている。風車から発生する低周波騒音の低減対策が国内のみならず海外でも検討されており、風車を低速回転させることで低周波騒音を抑制できることが知られている。本発明の発電システムにおける誘導加熱装置の加熱メカニズムでは、回転体を低速回転させると得られる熱エネルギーが減るが、誘導加熱装置の磁場発生手段に超電導コイルを採用することで強力な磁場を発生させることができるため、低速回転でも十分な熱エネルギーを得ることができる。
【００８５】
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。例えば、回転体やステータ部の形状を適宜変更したり、回転体及びステータ部を形成する材料を適宜変更したりすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明の発電システムは、再生可能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】
【００８７】
10、101〜102  誘導加熱装置    P  発電システム
11  回転体
11a  第一回転体    11b  第二回転体
111a,111b  凸部    112  連結部材    113  開口部
12  コイル（超電導コイル）
13  加熱部    131  孔
14  配管    141  接続導体
15  ステータ部    151  突起部
21  回転軸
20  風車    201  翼
50  蓄熱器    51  輸送管
60  発電部    61  蒸気タービン    62  発電機
71  復水器    72  ポンプ    73  給水管
91  塔    92  ナセル    93  建屋
1000  シミュレーションモデル    1100  鉄心    1200  コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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