(57)【要約】【課題】大容量の電源を使用することなく、多くの電気エネルギーを超電導コイルに貯蔵する。【解決手段】電源と電源接続用スイッチを介して接続すると共に超電導温度とした容器内に固定している超電導コイルからなる一次コイルと、一次コイルと接離自在に対向配置されると共に、両端を短絡させた超電導コイルからなる二次コイルと、一次コイルとの間の磁束の反発で離反する前記二次コイルの移動保持手段と、一次コイルを電源と遮断した状態で閉回路とし、前記二次コイルとの間で互いに反発する磁束を発生させる電流を流す電流スイッチを備え、二次コイルとの間で発生する離反・近接方向のエネルギーを電気エネルギーに変換して前記一次コイル内に電流として貯蔵している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と電源接続用スイッチを介して接続すると共に、超電導温度とした容器内に固定している超電導コイルからなる一次コイルと、
前記一次コイルと接離自在に対向配置されると共に、両端を短絡させた超電導コイル、または常電導コイルからなる二次コイルと、
前記一次コイルとの間の磁束の反発で離反する前記二次コイルの移動保持手段と、
前記一次コイルを電源と遮断した状態で閉回路とし、前記二次コイルとの間で互いに反発する磁束を発生させる電流を流す電流スイッチを備え、
前記二次コイルとの間で発生する離反・近接方向のエネルギーを電気エネルギーに変換して前記一次コイル内に電流として貯蔵していることを特徴とする電気エネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
前記二次コイルも超電導コイルとし、該二次コイルを前記一次コイルと共に前記容器内に収容して超電導温度に保持している請求項１に記載の電気エネルギー貯蔵装置。
【請求項３】
前記二次コイルの移動保持手段としてモータ駆動されるジャッキあるいは昇降用シリンダを備え、該移動保持手段で前記一次コイルから反発浮上する二次コイルを平衡状態で上向き力または下向き力を継続的に印加している請求項１または請求項２に記載の電気エネルギー貯蔵装置。
【請求項４】
前記一次コイルに接続された負荷と、
前記一次コイルと負荷との間に介在させた負荷接続用スイッチを備え、
前記負荷への通電時には、前記電流スイッチをオフすると共に負荷接続用スイッチをオンして、前記一次コイルから前記負荷へ通電する構成としている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電気エネルギー貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギー貯蔵装置に関し、詳しくは、大容量の電源を使用することなく、超電導コイルに電気エネルギーを電流として貯蔵するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、停電時における電力供給や夜間の余剰電力の活用、季節間の電力需要格差等に対応するために、エネルギー貯蔵の重要性が高まってきている。このため、超電導材を用いたエネルギー貯蔵装置が特許第３０５２３９７号公報（特許文献１）で提案されている。
該特許文献１には、図９に示すように、電力系統１に超電導エネルギー貯蔵装置が接続されており、該超電導エネルギー貯蔵装置では超電導コイル２と電流式永久電流スイッチ３がクライオスタット４に配置され、超電導コイル２の閉回路を構成している。
該エネルギー貯蔵装置では、電力系統１から電気エネルギーが供給されると、電流式永久電流スイッチ３をオンすることで、閉回路に電流を減衰することなく流し続け、電気エネルギーを貯蔵している。
【０００３】
【特許文献１】特許第３０５２３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１においては、超電導エネルギー貯蔵装置に蓄える電気エネルギーは全て電力系統から供給されている。このため、より多くの電気エネルギーを貯蔵したい場合には、貯蔵する電気エネルギーを全て電力系統もしくは電源から供給しなければならず、大容量の電源や電気エネルギー供給源を必要とするという問題がある。
【０００５】
本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、大容量の電源を使用することなく、超電導コイルに電気エネルギーを貯蔵出来るようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は、電源と電源接続用スイッチを介して接続すると共に、超電導温度とした容器内に固定している超電導コイルからなる一次コイルと、
前記一次コイルと接離自在に対向配置されると共に、両端を短絡させた超電導コイル、常電導コイルからなる二次コイルと、
前記一次コイルとの間の磁束の反発で離反する前記二次コイルの移動保持手段と、
前記一次コイルを電源と遮断した状態で閉回路とし、前記二次コイルとの間で互いに反発する磁束を発生させる電流を流す電流スイッチを備え、
前記二次コイルとの間で発生する離反・近接方向のエネルギーを電気エネルギーに変換して前記一次コイル内に電流として貯蔵していることを特徴とする電気エネルギー貯蔵装置を提供している。
【０００７】
前記二次コイルも超電導コイルとし、該二次コイルを前記一次コイルと共に前記容器内に収容して超電導温度に保持していることが好ましい。
【０００８】
前記構成からなる本発明の電気エネルギー貯蔵装置では、電気エネルギー貯蔵用の前記超電導コイルからなる一次コイルに対して、通電時に反発しあう磁束により該一次コイルから浮上して離反する二次コイルを設けていることを特徴とし、該二次コイルと一次コイルとの間に発生する離反・近接方向のエネルギーで電気エネルギーを変換させて、超電導コイルからなる一次コイルに電気エネルギーを貯蔵している。
【０００９】
詳しくは、一次コイルを電源に接続して通電すると、対向配置されて両端を短絡した二次コイルに誘導電流が流れ、二次コイルには一次コイルとは逆向きの磁束が発生し、反発力が発生する。一次コイルは固定しているため二次コイルは浮上する。この状態で、一次コイルを電源と遮断すると共に電流スイッチをオンにして一次コイルの両端が接続された閉回路とすると、一次コイルは超電導コイルであるため閉回路では電流が減衰せずに永久に流れ続け、二次コイルは浮上した状態を保つ。
この磁束同士の反発で浮上した第１位置から、前記移動保持手段により二次コイルを、一次コイルと離反する第２位置に移動させると、この二次コイルの移動によって一次コイルを貫く磁束が減少するので、一次コイルには磁束の変化を妨げようとする向き、すなわち、これまで発生している磁束と同じ向きにより多くの磁束が発生することになり、一次コイルで構成する閉回路に流れる電流は増加する。また、一次コイルと二次コイルの間には吸引力が発生するが、二次コイルを移動保持手段で引き上げた位置で保持することで、一次コイルに流れる電流は増加した状態を保つ。この電流の増加分は、二次コイルの移動・保持による機械的な仕事エネルギーが電気エネルギーに変換されて一次コイルに貯蔵されたものである。
【００１０】
なお、二次コイルを引き上げる第２位置は、一次コイルと二次コイルが発生する磁束が互いに影響を及ぼし合うことができる位置で、一次コイルと二次コイルが最も離れた位置であることが好ましい。
一次コイルと二次コイルが発生する磁束が互いに影響を及ぼし合うことができなければ一次コイルには電流が増加せず、また、二次コイルの移動距離が長く一次コイルと二次コイルが離れた位置にあるほど磁束の変化が大きく、一次コイルの電流の増加分が大きくなるからである。
【００１１】
前記とは逆に、一次コイルとの反発力で浮上した二次コイルの第１位置から、前記移動保持手段で二次コイルを一次コイルに近接する第３位置に押し下げてもよい。
この二次コイルの近接方向への移動によって、一次コイルと二次コイルの間の磁束は増加するので、二次コイルには磁束を減少させる向きに電流が流れ、一次コイルには磁束の変化を妨げようとする向き、すなわち、これまで発生している磁束と同じ向きにより多くの磁束が発生することになり、一次コイルで構成する閉回路に流れる電流は増加する。
このように、磁束の反発で浮上する二次コイルを移動保持手段で一次コイルに近接することでも、一次コイルに流れる電流を増加させることができる。
【００１２】
さらに、二次コイルを磁束の反発で浮上した第１位置から、前記移動保持手段により、二次コイルを一次コイルに離反するように第２位置まで引き上げた後、二次コイルを一次コイルに近接するよう第３位置まで押し下げてもよい。
一次コイルに対する二次コイルの離反・近接の動作を繰り返すことで、一次コイルに流れる電流を増加させることができる。
なお、離反・近接の動作回数は、一次コイル・二次コイルに流れる電流が臨界電流を超えない範囲であることが好ましい。
【００１３】
前記構成によれば、電流の増加による電気エネルギーの増加分は電源から供給しているのではなく、機械的な仕事エネルギーを電気エネルギーに変えて貯蔵しているので、電気エネルギー貯蔵装置に貯蔵する電気エネルギーを全て電源から供給する場合に比べて電源容量を小さくすることができる。また、二次コイルの移動・保持という簡単な動作だけで、一次コイルに電気エネルギーを貯蔵することができる。
【００１４】
さらに、本発明では、機械的な仕事エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換することができる。
例えば、発電機を用いてロータを回転させる仕事エネルギーを電気エネルギーに変換する場合、軸受などにより機械的なエネルギーロスが発生するが、本発明では、二次コイルを移動させると機械的な接点を有さずに直接的に一次コイルに電気エネルギーが貯蔵することができる。このため、機械的なロスがなく高いエネルギー変換効率で電気エネルギーを得ることができる。
【００１５】
また、前記一次コイルに発生する起電力は、コイルを貫く磁束の時間変化で与えられるため、二次コイルの移動の速度を速くすることで、磁束の時間変化が大きくなり、一次コイルに流れる電流を大きくすることができる。すなわち、二次コイルの移動速度を大きくすることで、一次コイルにより多くの電気エネルギーを貯蔵することができる。
【００１６】
前記二次コイルの移動保持手段として、例えば、モータ駆動されるジャッキあるいは昇降用シリンダ等が好適に用いられ、該移動保持手段で前記一次コイルから反発浮上する二次コイルを平衡状態で上向き力または下向き力を継続的に印加している。
【００１７】
また、本発明では、前記一次コイルに貯蔵している電気エネルギーを停電時等において負荷駆動電源として用いられるようにしている。
この場合、前記一次コイルに接続された負荷と、
前記一次コイルと負荷との間に介在させた負荷接続用スイッチを備え、
前記負荷への通電時には、前記電流スイッチをオフすると共に負荷接続用スイッチをオンして、前記一次コイルから前記負荷へ通電する構成としている。
【００１８】
即ち、一次コイルは電流スイッチをオンして閉回路を構成して、電気エネルギーを貯蔵しているため、負荷への通電時には、一次コイルと負荷とを接続する負荷接続用スイッチをオンすると共に電流スイッチをオフすることで、該閉回路に負荷を接続する。該状態で電流は負荷に流れ、一次コイルに貯蔵した電気エネルギーを取り出して負荷を駆動することができる。
【発明の効果】
【００１９】
前述したように、本発明によれば、電源と接続した超電導コイルからなる一次コイルと、該一次コイルと接離自在に対向配置した二次コイルとを設け、一次コイルとの間では発生する磁束同士の反発力で浮上する二次コイルを、移動保持手段で更に移動保持することにより、機械的な仕事エネルギーを電気エネルギーに変えて一次コイルに流れる電流量を増加させて、一次コイルに貯蔵することができる。
よって、超電導コイルに貯蔵する大容量の電気エネルギーを、全て電源から供給する必要はなく、電源容量を小さくすることができる。また、二次コイルの移動・保持という簡単な動作だけで、一次コイルに電気エネルギーを貯蔵することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図６は本発明の第１実施形態を示す。
図１は概略的な構成を示し、冷媒を封入して超電導温度とした冷却容器１４内に、いずれも超電導コイルからなる同一形状の一次コイル２０と二次コイル３０とを上下積層配置して収容している。下段の一次コイル２０を容器底面に固定する一方、二次コイル３０を一次コイル２０の上面に接離自在に載置すると共に、二次コイル３０を移動保持手段を構成する電動ジャッキ４０で吊り上げている。かつ、これら一次コイル２０と二次コイル３０の中心軸線を一致させている。
【００２１】
また、図２の電気回路に示すように、一次コイル２０の一端は電源５０と直列接続した電源接続用スイッチ５１を介して接続すると共に一次コイル２０に並列に電流スイッチ７０を接続し、前記電源接続用スイッチ５１をオフして電源５０との遮断時に、電流スイッチ７０をオンして、一次コイル２０を閉回路８０としている。さらに、一次コイル２０の他端は負荷接続用スイッチ６１を介して負荷６０と接続している。
【００２２】
図３乃至図５は前記したエネルギー貯蔵装置の具体的な構成を示す。
超電導エネルギー貯蔵装置１０は、上下に対向させたストッパー１１と台座１２とをガイド棒１３で連結し、台座１２上に超電導コイルからなる一次コイル２０を取り付けると共に、ガイド棒１３に超電導コイルからなる二次コイル３０を上下方向に摺動自在に取り付けている。
前記ストッパー１１と台座１２は共に円柱形状とし、ストッパー１１の下面と台座１２の上面とを垂直方向に延在する複数本のガイド棒１３で連結している。ガイド棒１３は、ストッパー１１と台座１２の周方向に間隔を空けて配置しており、本実施形態では４本のガイド棒１３を設けている。
【００２３】
一次コイル２０は軸線方向が垂直方向となるように台座１２上に固定している。一次コイル２０の両端の超電導線２１には、一次コイル２０に並列に超電導スイッチである電流スイッチ７０を接続している。電流スイッチ７０をオンすることで、前記したように、一次コイル２０に閉回路８０を構成している。
一方、二次コイル３０は上面に、該二次コイル３０よりも直径の大きいガイド板３１を設け、二次コイル３０の上面とガイド板３１は固定している。前記ガイド棒１３をガイド板３１の貫通孔３１ａに貫通させると共に二次コイル３０の外周面に沿わせて、二次コイル３０をガイド棒１３に摺動自在に取り付けて可動としている。二次コイル３０の超電導線の両端は短絡している。
該二次コイル３０も前記一次コイル２０と同様に、軸線方向が垂直方向となるように収容し、一次コイル２０と二次コイル３０の軸線方向の端面同士を対向させている。
【００２４】
二次コイル３０のガイド板３１とストッパー１１の間には、移動保持手段を構成する前記電動ジャッキ４０を配置している。ストッパー１１の下面には電動ジャッキ４０の駆動用モータを備えた駆動部４０ａを取り付け、駆動部４０ａから垂直方向下向きに延在したジャッキ棒４０ｂの先端に接続された支持板４０ｃをガイド板３１の上面に取り付けている。
【００２５】
冷媒を満たした冷却容器１４の底辺に台座１２を取り付け、前記一次コイル２０と二次コイル３０は冷媒に浸漬し、ガイド板３１と電動ジャッキ４０のジャッキ棒４０ｂの下方部分と支持板４０ｃは冷却容器１４内に収容している。ストッパー１１とガイド棒１３の上方部分、電動ジャッキ４０の駆動部４０ａとジャッキ棒４０ｂの上方部分は冷却容器１４には収容せず、冷却容器１４の上面にシールを介して突出している。
なお、電導ジャッキ４０は昇降用シリンダを用いてもよい。
【００２６】
また、一次コイル２０の超電導線２１の両端は冷却容器１４上面に設けた接続端子１５を介して導線１６に接続している。導線１６は他方を二つに分岐し、分岐のうち一方の導線１７を電源接続用スイッチ５１を介して電源５０と接続し、分岐のうち他方の導線１８を負荷接続用スイッチ６１を介して負荷と接続している。本実施形態では負荷をモータ６０としている。
【００２７】
前記構成としたエネルギー貯蔵装置におけるエネルギー貯蔵方法について説明する。
一次コイル２０に電源５０から通電すると、図６（Ａ）の回路構成となり、一次コイル２０には電流が流れ磁束が発生する。対向配置した二次コイル３０には電磁誘導により一次コイル２０とは逆向きの磁束が発生する。このため、一次コイル２０と二次コイル３０の間には反発力が発生し、一次コイル２０は固定しているため、図５（Ａ）に示すように、二次コイル３０が一次コイル２０より離反する方向へと浮上する。二次コイル３０は超電導状態であるため、一旦電流が流れると長時間流れ続け、二次コイル３０は、その重力と一次コイル２０との前記反発力とが釣り合う第１位置に浮上し続けることとなる。
【００２８】
この状態で、電源接続用スイッチ５１をオフして一次コイル２０から電源５０を切り離すと共に、電流スイッチ７０をオンして一次コイル２０の両端を短絡して閉回路８０とする。すなわち、図６（Ｂ）の回路構成とする。一次コイル２０は超電導状態であるため、一次コイル２０には電流が流れ続ける。一次コイル２０と二次コイル３０は互いに逆向きの磁束を発生するように電流を流し続けるので、二次コイル３０は一次コイル２０から離反した第１位置に留まることとなる。
【００２９】
次に、二次コイル３０が一次コイル２０から第１位置に留まった状態で、図５（Ｂ）に示すように二次コイル３０に電動ジャッキ４０で力を加えて、二次コイル３０を一次コイル２０から離れる第２位置まで持ち上げて保持する。
この第２位置は、一次コイル２０と二次コイル３０が発生する磁束が互いに影響を及ぼし合うことができる範囲内であって、一次コイル２０と二次コイル３０が最も離れた位置であり、かつ一次コイル２０に流れる電流が臨界電流を超えない位置である。
【００３０】
この二次コイル３０の移動によって、一次コイル２０の閉回路８０に流れる電流は増加する。
即ち、二次コイル３０の移動・保持という外部から力を加えた機械的な仕事エネルギーを、一次コイル２０で構成する閉回路８０に流れる電流を増加させることで電気エネルギーに変換して蓄えている。
一次コイル２０の閉回路８０に蓄えられるエネルギーＥは式（１）で与えられる。
【００３１】
Ｅ＝１／２・Ｌ・Ｉ２        ・・・・式（１）
式中、Ｌは第１超電導コイル２０のインダクタンス、Ｉは電流値である。
【００３２】
なお、コイルに発生する起電力はコイルを貫く磁束の時間変化で与えられるため、二次コイル３０の移動の速度が速くなれば、磁束の時間変化が大きくなり一次コイル２０に流れる電流は大きくなる。すなわち、二次コイル３０の移動速度を大きくすることで、より一次コイル２０に多くの電気エネルギーを貯蔵することができる。
【００３３】
次に、エネルギー貯蔵装置１０からエネルギーを取り出す方法について説明する。
閉回路８０に蓄えられた電気エネルギーを負荷（モータ）６０の駆動用エネルギーとして取り出している。
負荷接続用スイッチ６１をオンしてモータ６０を閉回路８０に接続すると共に、電流スイッチ７０をオフすると、図６（Ｃ）の回路構成となり、一次コイル２０からの電流がモータ６０に流れ、モータ６０を駆動する。このように、負荷を駆動させることで一次コイル２０からの電気エネルギーを取り出すことができる。
【００３４】
一次コイル２０からモータ６０に流れる電流が減衰し、電気エネルギーが放出されると、二次コイル３０を電動ジャッキ４０から離して重力により下方向に移動させる。すると、反発力と重力が釣り合う第１位置にまで戻る。
【００３５】
再び、一次コイル２０に電気エネルギーを貯蔵するには、電動ジャッキ４０により二次コイルを上方向に引き上げる。電磁誘導により一次コイル２０に流れる電流は再び増加し、二次コイル３０を引き上げた機械的な仕事エネルギーを電気エネルギーとして貯蔵することができる。
【００３６】
図７は本発明の第２実施形態を示す。
第２実施形態では、一次コイル２０に通電して二次コイル３０を第１位置まで浮上させた後、二次コイル３０が一次コイル２０に近接するように、二次コイル３０を電導ジャッキ４０で第３位置まで押し下げている。
【００３７】
前記二次コイル３０の移動によって、一次コイル２０と二次コイル３０の間の磁束は増加するので、二次コイル３０には磁束を減少させる向きに電流が流れ、一次コイル２０には磁束の変化を妨げようとする向き、すなわち、これまで発生している磁束と同じ向きにより多くの磁束が発生することになり、一次コイルで構成する閉回路に流れる電流は増加する。
二次コイル３０を第３位置まで押し下げても、二次コイル３０の移動・保持という外部から力を加えた機械的な仕事エネルギーを、一次コイル２０で構成する閉回路８０に流れる電流を増加させることで電気エネルギーに変換して蓄えることができる。
なお、他の構成および作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３８】
図８は本発明の第３実施形態を示す。
第３実施形態では、二次コイル３０は一次コイル２０と同一のものではなく、小型の超電導コイルを複数個配置している点で第１実施形態と相違させている。
第３実施形態では二次コイルとして、二つの超電導コイル３３ａ、３３ｂを配置しており、それぞれの超電導コイル３３ａ、３３ｂの両端は短絡している。
安価な小型の超電導コイルを使用することで、装置全体を安価に製造することができる。
なお、他の構成および作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では二つの二次コイル３３ａ、３３ｂを可動としているが、二次コイル３３ａ、３３ｂを冷却容器１４に固定し、一次コイル２０を可動としてもよい。
【００３９】
なお、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の特許請求の範囲内の種々の形態が含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態の概略構成図である。
【図２】第１実施形態の電気回路図である。
【図３】第１実施形態の具体的な斜視図である
【図４】第１実施形態を示す断面図である。
【図５】（Ａ）（Ｂ）は二次コイルの動作の説明図である。
【図６】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は動作毎の回路の説明図である。
【図７】第２実施形態を示す断面図である。
【図８】第３実施形態を示す断面図である。
【図９】従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  超電導エネルギー貯蔵装置
１４  冷却容器
２０  一次コイル
３０  二次コイル
４０  電動ジャッキ
５１  電源接続用スイッチ
５０  電源
６１  負荷接続用スイッチ
６０  負荷(モータ)
７０  電流スイッチ
８０  閉回路
【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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