(57)【要約】【課題】装置維持のためのランニングコストを低減することが可能なエネルギー蓄積装置を提供すること。【解決手段】消費電力検出部３１は、エネルギー蓄積装置１に接続される電気負荷５への供給電力を検出する。蓄積エネルギー量演算部３３は、消費電力検出部３１にて検出された電気負荷５への供給電力に基づいて、フライホイール１３に蓄積するエネルギー量（フライホイール１３の回転速度）を求める。電力供給停止検出部３７は、商用電源３から供給される交流電力に基づいて、実際に電力供給が停止されたことを検出する。エネルギー蓄積制御部３５は、電力供給停止検出部３７が電力供給の停止を検出していない際に、フライホイール１３にて蓄積エネルギー量演算部３３にて求められたエネルギー量を蓄積するように、コンバータ／インバータ部１７に制御信号を出力する。【選択図】  図１
2004222451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギーを蓄積可能なエネルギー蓄積手段と、
電力供給が停止されたことを検出する電力供給停止検出手段と、
前記エネルギー蓄積手段に蓄積するエネルギー量を求める蓄積エネルギー量演算手段と、
前記電力供給停止検出手段が前記電力供給の停止を検出していない際に、前記蓄積エネルギー量演算手段にて求められた前記エネルギー量を蓄積するように前記エネルギー蓄積手段の動作を制御するエネルギー蓄積制御手段と、を有することを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項２】
前記蓄積エネルギー量演算手段は、当該エネルギー蓄積装置に接続される負荷への供給電力を検出する供給電力検出手段を含み、当該供給電力検出手段にて検出された前記供給電力に基づいて前記エネルギー蓄積手段に蓄積する前記エネルギー量を求めることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項３】
前記蓄積エネルギー量演算手段は、予め記憶された値に基づいて前記エネルギー蓄積手段に蓄積する前記エネルギー量を求めることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項４】
前記予め記憶された値は、時間帯により異ならせて設定されていることを特徴とする請求項３に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項５】
前記エネルギー蓄積手段は、交流発電電動機と、前記交流発電電動機の回転軸に連結されるフライホイールと、を含み、
前記エネルギー蓄積制御手段は、電気エネルギーを前記フライホイールの回転運動エネルギーに変換して蓄積するように、前記交流発電電動機に電力を供給して当該交流発電電動機を電動機として動作させることを特徴する請求項１に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項６】
前記エネルギー蓄積制御手段は、前記電力供給停止検出手段が電力供給の停止を検出すると、前記フライホイールの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して供給するように、前記交流発電電動機を発電機として動作させることを特徴とする請求項５に記載のエネルギー蓄積装置。
【請求項７】
前記エネルギー蓄積手段は、前記フライホイールの外側に同じ回転軸芯を持ち回転自在に支持され、前記フライホイールを覆う覆回転体を更に含むことを特徴とする請求項５に記載のエネルギー蓄積装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー蓄積装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のエネルギー蓄積装置として、例えば、電気エネルギーを蓄積する無停電電源装置（以下、ＵＰＳと称する）が広く知られている（例えば、特許文献１参照。）。このＵＰＳは、通電時に入力電圧（例えば１００Ｖ商用交流電圧）を降圧してバッテリを充電しておき、停電時に当該バッテリに充電された充電電圧を上記入力電圧に昇圧して出力する電源装置であり、電源の供給を停止することができない機器に接続して用いられる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−６４３８１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＵＰＳでは、一般にバッテリとして鉛蓄電池を用いており、この鉛蓄電池は、３〜４年で交換しなければならず、装置維持のためのランニングコストが高くなってしまう。このため、エネルギーを蓄積する手段として、鉛蓄電池の代わりにフライホイール等を用い、電気エネルギーではなく他のエネルギー（例えば、運動エネルギー）で蓄積しておくことも考えられるが、この場合においても、エネルギーを蓄積した状態に維持しておくためのエネルギーが新たに必要となり、ランニングコストを低減することは不可能である。例えば、フライホイールを用いる場合、常時フライホイールをモータにより回転させておく必要があり、モータを駆動するための電気エネルギーが必要となる。
【０００５】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、装置維持のためのランニングコストを低減することが可能なエネルギー蓄積装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るエネルギー蓄積装置は、エネルギーを蓄積可能なエネルギー蓄積手段と、電力供給が停止されたことを検出する電力供給停止検出手段と、エネルギー蓄積手段に蓄積するエネルギー量を求める蓄積エネルギー量演算手段と、電力供給停止検出手段が電力供給の停止を検出していない際に、蓄積エネルギー量演算手段にて求められたエネルギー量を蓄積するようにエネルギー蓄積手段の動作を制御するエネルギー蓄積制御手段と、を有することを特徴としている。
【０００７】
本発明に係るエネルギー蓄積装置では、エネルギー蓄積手段と、電力供給停止検出手段と、蓄積エネルギー量演算手段と、エネルギー蓄積制御手段とを有しているので、エネルギー蓄積制御手段により、電力供給停止検出手段が電力供給の停止を検出していない際に、蓄積エネルギー量演算手段にて求められたエネルギー量を蓄積するようにエネルギー蓄積手段の動作が制御されることとなる。このため、エネルギー蓄積手段においてエネルギーを必要以上に蓄積しておくことがなくなり、エネルギーを蓄積した状態にエネルギー蓄積手段を維持しておくためのエネルギーを削減でき、装置維持のためのランニングコストを低減することができる。
【０００８】
また、蓄積エネルギー量演算手段は、当該エネルギー蓄積装置に接続される負荷への供給電力を検出する供給電力検出手段を含み、当該供給電力検出手段にて検出された供給電力に基づいてエネルギー蓄積手段に蓄積するエネルギー量を求めることが好ましい。このように構成した場合、エネルギー蓄積手段に蓄積するエネルギー量が適切に設定されることとなり、エネルギーを蓄積した状態に維持しておくためのエネルギーが必要最小限ですみ、装置維持のためのランニングコストをより一層低減することができる。
【０００９】
また、蓄積エネルギー量演算手段は、予め記憶された値に基づいてエネルギー蓄積手段に蓄積するエネルギー量を求めることが好ましい。このように構成した場合、エネルギー蓄積手段に蓄積するエネルギー量を極めて簡易に設定することができる。
【００１０】
また、予め記憶された値は、時間帯により異ならせて設定されていることが好ましい。このように構成した場合、使用電力は概ね時間帯によって異なるため、エネルギー蓄積手段に蓄積するエネルギー量を適切に設定することができる。
【００１１】
また、エネルギー蓄積手段は、交流発電電動機と、交流発電電動機の回転軸に連結されるフライホイールと、を含み、エネルギー蓄積制御手段は、電気エネルギーをフライホイールの回転運動エネルギーに変換して蓄積するように、交流発電電動機に電力を供給して当該交流発電電動機を電動機として動作させることが好ましい。このように構成した場合、停電発生以前において、フライホイールに回転運動エネルギーを確実に蓄積することができる。
【００１２】
また、エネルギー蓄積制御手段は、電力供給停止検出手段が電力供給の停止を検出すると、フライホイールの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して供給するように、交流発電電動機を発電機として動作させることが好ましい。このように構成した場合、停電発生時に、フライホイールの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、電力を確実に供給することができる。
【００１３】
また、エネルギー蓄積手段は、フライホイールの外側に同じ回転軸芯を持ち回転自在に支持され、フライホイールを覆う覆回転体を更に含むことが好ましい。
このように構成した場合、フライホイールと覆回転体との間で相対速度が減少し、流体抵抗が低減され、風損が低減されることとなる。この結果、フライホイールにおける回転運動エネルギーの蓄積効率を高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るエネルギー蓄積装置について図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
まず、図１に基づいて、本第１実施形態に係るエネルギー蓄積装置の構成について説明する。図１は、本第１実施形態に係るエネルギー蓄積装置の構成を説明するためのブロック図である。エネルギー蓄積装置１は、商用電源３と各種電気機器等の電気負荷５との間に設けられ、図１に示されるように、交流発電電動機１１、フライホイール１３、コンバータ部１５、コンバータ／インバータ部１７、インバータ部１９、制御部２３等を有している。
【００１６】
交流発電電動機１１は、モータ（電動機）及びジェネレータ（発電機）として機能するものであり、例えば三相交流発電電動機を用いることができる。
【００１７】
フライホイール１３は、交流発電電動機１１の回転軸に連結されており、交流発電電動機１１が電動機として機能する場合には、交流発電電動機１１から駆動力が与えられることにより回転する。一方、交流発電電動機１１が発電機として機能する場合には、フライホイール１３は、交流発電電動機１１の回転軸に駆動力を与える。
【００１８】
ここで、図２に基づいて、フライホイール１３の構成について説明する。図２はフライホイールの一部を破断した斜視図である。フライホイール１３は軸１０１を有しており、この軸１０１が交流発電電動機１１の回転軸に接続されることにより、交流発電電動機１１の回転軸に連結される。フライホイール１３は、当該フライホイール１３と同じ回転軸芯を持ち回転自在に支持される第１の覆回転体１０２で覆われている。この第１の覆回転体１０２は、薄板で形成されている。
【００１９】
第１の覆回転体１０２は、フライホイール１３と同じ回転軸芯を回転自在に支持される第２の覆回転体１０３で覆われている。この第２の覆回転体１０３は、第１の覆回転体１０２と同様に、薄板で形成されている。
【００２０】
第２の覆回転体１０３のさらに外側には、これらフライホイール１３、第１の覆回転体１０２および第２の覆回転体１０３を覆い、フライホイール１３の軸受部１０４，１０５が設けられた容器１０６が輩けられている。容器１０６は図示しない支持台に固定されている。第１の覆回転体１０２と第２の覆回転体１０３との間には、一対の軸受１０７，１０８が設けられ、第２の覆回転体１０３と容器１０６との間には、一対の軸受１０９，１１０が設けられている。
【００２１】
なお、第１の覆回転体１０２、第２の覆回転体１０３には、図３に示されるように、その平面上には開孔２０１、２０２を設けるようにしてもよい。この開孔２０１、２０２は貫通し、相互間で気体の移動が可能になっている。
【００２２】
また、図３においては、容器１０６には、ガス管１１３が取り付けられ、このガス管１１３から空気はもとより空気よりも質量の小さい気体、例えば水素やヘリウムなどを注入することができる。注入されると第１の覆回転体１０２や第２の覆回転体１０３には開孔２０１、２０２がそれぞれ設けられているため、水素を注入すればこれら開孔から水素が入り込み、装置全体を水素で置換することができる。また、回転体の速度を上げて外周のガス圧が高くなり、中心部の圧力が下がって中心近くの覆回転体は内側に変形し、逆に外周に近い部分では圧力が上がって外側に変形する可能性があるが、開孔を設けることにより、この圧力変動を減少でき、覆回転体が押しつぶされる現象を回避できる。
【００２３】
ここで、フライホイール１３を覆回転体１０２，１０３で覆うことにより、風損が減少する原理について説明する。フライホイール等、周速が高い回転体における単位面積当たりの流体抵抗Ｄは、流体の密度をρ、レイノルズ数や動粘性係数などで決定される係数をＡ、回転体の速度をＶとすると、
Ｄ＝（ρ／２）ＡＶ２                          …    （１）
で表されることが知られている。
【００２４】
よって、Ａが係数であるから、抵抗は、速度の二乗に比例していることが分かる。したがって、回転体全体が受ける抵抗は回転体の角速度の二乗に比例することが分かり、回転体が流体抵抗によって受けるトルクをＱ、流体の密度をρ、トルク係数Ｂ、回転体の角速度をωとすると、トルクＱは
Ｑ＝（ρ／２）Ｂω２                          …    （２）
で表される。
【００２５】
まず、覆回転体が１つ場合で考える。フライホイール１３と覆回転体の表面積がほぼ等しいとし、フライホイール１３の角速度ω１、覆回転体の角速度ω２が釣り合って回転しているとして、フライホイール１３と覆回転体１０２との間の流体抵抗によるトルクをＱ１、覆回転体１０２と覆回転体１０２の外側の流体との間の流体抵抗によるトルクをＱ２とすると、トルクＱ１及びＱ２は、
Ｑｌ＝（ρ／２）Ｂ（ω１一ω２）２            …    （３）
Ｑ２＝（ρ／２）Ｂω２２                      …    （４）
【００２６】
この両者は釣り合って回転しており、両者のトルクＱ１とＱ２は等しいため、Ｑ１＝Ｑ２の関係が成立し、上記Ｑ１とＱ２の式から、次の関係を導ける。
（ρ／２）Ｂ（ω１一ω２）２＝（ρ／２）Ｂω２２    …  （５）
この式を整理すると、ω２＝ω１／２が得られる。これは覆回転体１０２の角速度ω２がフライホイール１３の角速度ω１の１／２の速度で回転することを示す。
【００２７】
次に覆回転体が任意数ある場合について考える。覆回転体をｎ個設けたときに各覆回転体のトルクをＱ１、Ｑ２、Ｑ３、…、Ｑｎ−１、Ｑｎとすると、それらは全て同じ値になり、それぞれの相対角速度はω１／（ｎ＋１）で等しくなる。さらに、フライホイール１３および覆回転体に接する流体の層の数は（ｎ＋１）層となるので、フライホイール１３を露出して回転させる場合の流体抵抗によるトルクをＱ０とすると、覆回転体をｎ個設けたときめ流体抵抗によるトルクＱｎは、
Ｑｎ＝Ｑ０／（ｎ＋１）２                    …    （６）
となる。したがって、フライホイール１３が受ける抵抗は覆回転体が１個、２個、３個、…と増えるにしたがって１／４、１／９、１／１６、…のように減少する。
【００２８】
このように、フライホイール１３に覆回転体を多数設けるとフライホイール１３の流体抵抗が減少し、いわゆる風損を減少できることがわかる。実際には、覆回転体を多数設けると、フライホイール１３に接する流体層などは層全体が大きい角速度で回転することになって流体の質量による影響が無視できなくなる。
【００２９】
図４は、フライホイールや覆回転体の周速Ｖと、流体の回転による遠心力による圧力Ｐの関係をグラフに示したものであり、Ｐは図中に記載の式により得られる。この式において、周速をＶ、気体定数をＲ、絶対温度をＴ、大気圧をＰ０で示す。フライホイールや覆回転体の周速が極めて大きくなると、それら同士に挟まれる流体の回転による遠心力の影響が無視できなくなり、フライホイールまたは覆回転体の外周部分の圧力が増大するので、外周に近い部分の密封性を高くすることが望まれる。特に気体のように圧縮性流体の場合には、回転体の外周に基づくにしたがって流体の密度が高くなる。
【００３０】
図４のグラフから明らかなように、空気の場合には、フライホイールの周速を大きくすると、５００ｍ／ｓで４．４２気圧、１０００ｍ／ｓで３８２．２気圧と急激に圧力が上昇する。これに対し、水素は２０００ｍ／ｓでも計算値では、５．３４気圧となり、空気と比較して圧力上昇が極めて少ない。
【００３１】
このように、空気で周速を１５００ｍ／ｓにすることは現実的に不可能であるが、水素では空気の４倍の速度、２０００ｍ／ｓの周速にしても空気の１／４の速度の場合の圧力と大差ない。空気より密度が小さい水素やヘリウムで置換すると空気に比べ抵抗がはるかに小さく、より風損を減少できる。また、特に水素は熱伝導度が高いため、水素に置換することにより、従来技術では使用できなかった発熱を伴う部品も利用可能になる。
【００３２】
再び、図１を参照する。コンバータ部１５は、商用電源接続部１６を介して商用電源３に接続されており、当該商用電源３からの交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を出力する。
【００３３】
コンバータ／インバータ部１７は、コンバータ部１５に接続されており、交流発電電動機１１を電動機として動作させる際には、コンバータ部１５からの直流電力を交流電力に変換し、交流発電電動機１１に供給する。一方、コンバータ／インバータ部１７は、交流発電電動機１１を発電機として動作させる際には、交流発電電動機１１からの交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を出力する。
【００３４】
インバータ部１９は、コンバータ部１５に接続されると共に、コンバータ／インバータ部１７に接続されており、コンバータ部１５からの直流電力あるいはコンバータ／インバータ部１７からの直流電力を交流電力に変換し、電気負荷接続部２０に接続された電気負荷５に供給する。
【００３５】
制御部２３は、図５に示されるように、予め設定された制御プログラムに従って各種演算処理を実行するＣＰＵ２４、制御プログラムや制御データ等を予め格納するＲＯＭ２５、各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ２６、外部機器（コンバータ／インバータ部１７等）が接続されるインターフェース部（Ｉ／Ｆ部）２８等を有している。制御プログラムには、停電を検知する停電検知プログラム、コンバータ／インバータ部１７の制御プログラム等が含まれている。また、制御部２３は、エネルギー蓄積装置１の作動状態等を示すための表示部２９（例えば、ディスプレイ等）や使用者がエネルギー蓄積装置１の操作を行なうための操作部３０（例えば、マウスやキーボード等）を含んでいる。
【００３６】
制御部２３は、上記各種プログラムを実行することにより、機能的な構成要素として、図１に示されるように、消費電力検出部３１（供給電力検出手段）と、蓄積エネルギー量演算部３３（蓄積エネルギー量演算手段）と、エネルギー蓄積制御部３５（エネルギー蓄積制御手段）と、電力供給停止検出部３７（電力供給停止検出手段）とを備えて構成される。
【００３７】
消費電力検出部３１は、エネルギー蓄積装置１に接続される電気負荷５への供給電力、即ち電気負荷５の消費電力を検出する。消費電力検出部３１は、消費電力を検出すると、検出した消費電力を示す消費電力情報を送出する。
【００３８】
蓄積エネルギー量演算部３３は、消費電力検出部３１からの消費電力情報を受領し、当該消費電力情報に基づいて、フライホイール１３に蓄積する回転運動エネルギー量を求める。蓄積エネルギー量演算部３３は、フライホイール１３に蓄積する回転運動エネルギー量を求めると、蓄積する回転運動エネルギー量（回転運動エネルギー量）を示す蓄積エネルギー量情報を送出する。なお、本実施形態においては、蓄積エネルギー量演算部３３は、フライホイール１３に蓄積する回転運動エネルギー量として、フライホイール１３の回転速度を求めている。
【００３９】
電力供給停止検出部３７は、商用電源３から供給される交流電力に基づいて、実際に電力供給が停止されたことを検出する。電力供給停止検出部３７は、実際に電力供給が停止されたことを検出すると、電力供給が停止された旨を示す停電情報を送出する。
【００４０】
エネルギー蓄積制御部３５は、蓄積エネルギー量演算部３３から送出された蓄積エネルギー量情報を受領し、電力供給停止検出部３７が電力供給の停止を検出していない、即ち停電情報を受領していない際に、蓄積エネルギー量情報に対応する回転運動エネルギーをフライホイール１３にて蓄積するように、即ちフライホイール１３の回転速度が求められたフライホイール１３の回転速度となるようにコンバータ／インバータ部１７に制御信号を出力する。また、エネルギー蓄積制御部３５は、電力供給停止検出部３７から送出された停電情報を受領し、フライホイール１３にて蓄積された回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して供給するように、コンバータ／インバータ部１７に制御信号を出力する。
【００４１】
続いて、図６を参照して、エネルギー蓄積装置１の動作について説明する。図６は、エネルギー蓄積装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【００４２】
まず、制御部２３（電力供給停止検出部３７）において、電力供給の停止を検出したか否かを判定する（Ｓ１０１）。電力供給停止検出部３７が電力供給の停止を検出していない場合、制御部２３（消費電力検出部３１）において、電気負荷５の消費電力を検出する（Ｓ１０３）。電気負荷５の消費電力を検出すると、制御部２３（蓄積エネルギー量演算部３３）において、消費電力に対応するフライホイール１３の回転速度を演算して求める（Ｓ１０５）。フライホイール１３の回転速度の演算は、以下のようにして行なう。
【００４３】
まず、停電時に必要な電気エネルギーＥ１は、
Ｅ１＝Ｐ×ｔ                                    …    （７）
Ｐ：電気負荷の消費電力［Ｗ］
ｔ：保証時間［ｓ］
で与えられる。
【００４４】
一方、フライホイール１３の使用最低回転速度における回転運動エネルギー
Ｅ２は、
2004222451.tif 000003
Ｉ：フライホイールの慣性モーメント［ｋｇ・ｍ２］
ω３：フライホイールの使用最低回転速度における角速度［ｒａｄ／ｓ］
Ｎ１：フライホイールの使用最低回転速度［ｒｐｍ］
で与えられる。従って、停電時に上記電気エネルギーＥ１を出力可能とするためのフライホイール１３の回転運動エネルギーＥ３は、
Ｅ３＝Ｅ１＋Ｅ２                                …    （１０）
で与えられる。
【００４５】
そして、停電時に上記電気エネルギーＥ１を出力可能とするためのフライホイール１３の角速度ω４は、
ω４＝（２×Ｅ３／Ｉ）１／２                        …    （１１）
で与えられ、停電時に上記電気エネルギーＥ１を出力可能とするためのフライホイール１３の回転速度Ｎ２は、
Ｎ２＝６０×ω４／（２×π）                      …    （１２）
で与えられる。
【００４６】
以上のことから、フライホイール１３の回転速度Ｎ２は、
2004222451.tif 000004
このように、電気負荷の消費電力Ｐ以外の保証時間ｔ、慣性モーメントＩ及びフライホイールの使用最低回転速度Ｎ１が固定値であることから、消費電力Ｐを検出し、上記（１３）式を用いることで、消費電力に対応するフライホイール１３の回転速度（Ｎ２）が演算されることとなる。
【００４７】
再び、図６を参照する。消費電力に対応するフライホイール１３の回転速度を求めると、制御部２３（エネルギー蓄積制御部３５）において、交流発電電動機１１を駆動してフライホイール１３を回転させ、当該フライホイール１３の回転速度が上記回転速度Ｎ２となるように制御信号を出力し、コンバータ／インバータ部１７を制御する（Ｓ１０７）。
【００４８】
商用電源３からの交流電力は、コンバータ部１５により直流電力に変換され、変換された直流電力の一部はコンバータ／インバータ部１７にも供給され、一部はインバータ部１９に供給されている。したがって、コンバータ／インバータ部１７は、コンバータ部１５からの直流電力を交流電力に変換するとともに、交流発電電動機１１を電動機として動作させ、フライホイール１３が回転速度Ｎ２に達するように当該交流発電電動機１１の回転を制御する。これにより、商用電源３からの交流電力が有する電気エネルギーがフライホイール１３での回転運動エネルギーに変換されて、蓄積されていくこととなる。なお、インバータ部１９は、コンバータ部１５からの直流電力を交流電力に変換して、電気負荷５に供給する。
【００４９】
一方、電力供給停止検出部３７が電力供給の停止を検出すると、制御部２３（エネルギー蓄積制御部３５）は、フライホイール電力供給処理を実行する（Ｓ１０９）。フライホイール電力供給処理は、フライホイール１３の回転により交流発電電動機１１を駆動して交流発電電動機１１を発電機として動作させるようにコンバータ／インバータ部１７を制御する処理を含んでいる。この処理は、制御部２３（エネルギー蓄積制御部３５）からの制御信号に基づいて、コンバータ／インバータ部１７が作動することにより実行される。
【００５０】
フライホイール電力供給処理により、交流発電電動機１１は発電機として動作して、フライホイール１３に蓄積された回転運動エネルギーが電気エネルギーに変換され、変換された電気エネルギーが交流電力としてコンバータ／インバータ部１７に供給される。コンバータ／インバータ部１７は、交流発電電動機１１からの交流電力を直流電力に変換し、インバータ部１９に供給する。インバータ部１９は、コンバータ／インバータ部１７からの直流電力を交流電力に変換して、電気負荷５に供給する。
【００５１】
以上のように、本実施形態のエネルギー蓄積装置１では、フライホイール１３、交流発電電動機１１、制御部２３（消費電力検出部３１、蓄積エネルギー量演算部３３、エネルギー蓄積制御部３５及び電力供給停止検出部３７）等を有しているので、エネルギー蓄積制御部３５により、電力供給停止検出部３７が電力供給の停止を検出していない際に、蓄積エネルギー量演算部３３にて求められた回転運動エネルギー量を蓄積するように交流発電電動機１１（フライホイール１３）の回転が制御されることとなる。このため、フライホイール１３において回転運動エネルギーを必要以上に蓄積しておくことがなくなり、回転運動エネルギーを蓄積した状態にフライホイール１３を維持しておくための電気エネルギーを削減でき、装置維持のためのランニングコストを低減することができる。
【００５２】
本実施形態のエネルギー蓄積装置１において、蓄積エネルギー量演算部３３は、消費電力検出部３１にて検出された供給電力（電気負荷５の消費電力）に基づいてフライホイール１３に蓄積する回転運動エネルギー量、即ちフライホイール１３の回転速度を求めている。これにより、フライホイール１３に蓄積する回転運動エネルギー量が適切に設定されることとなり、回転運動エネルギーを蓄積した状態に維持しておくための電気エネルギーが必要最小限ですみ、装置維持のためのランニングコストをより一層低減することができる。
【００５３】
また、本実施形態のエネルギー蓄積装置１において、エネルギー蓄積制御部３５は、電力供給停止検出部３７が電力供給の停止を検出していない場合、電気エネルギーをフライホイール１３の回転運動エネルギーに変換して蓄積するように、交流発電電動機１１に電力を供給して当該交流発電電動機１１を電動機として動作させている。これにより、停電発生以前において、フライホイール１３に回転運動エネルギーを確実に蓄積することができる。
【００５４】
また、本実施形態のエネルギー蓄積装置１において、エネルギー蓄積制御部３５は、電力供給停止検出部３７が電力供給の停止を検出すると、フライホイール１３の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して供給するように、交流発電電動機１１を発電機として動作させている。これにより、停電発生時に、フライホイール１３の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、電力を確実に供給することができる。
【００５５】
また、本実施形態のエネルギー蓄積装置１においては、フライホイール１３の外側には、フライホイール１３と同じ回転軸芯を持ち回転自在に支持され、フライホイール１３を覆う覆回転体１０２，１０３が設けられている。これにより、フライホイール１３と覆回転体１０２，１０３との間で相対速度が減少し、流体抵抗が低減され、風損が低減されることとなる。この結果、フライホイール１３における回転運動エネルギーの蓄積効率を高めることができる。
【００５６】
（第２実施形態）
続いて、図７に基づいて、第２実施形態に係るエネルギー蓄積装置の構成について説明する。図７は、本第２実施形態に係るエネルギー蓄積装置の構成を説明するためのブロック図である。
【００５７】
第２実施形態のエネルギー蓄積装置５１において、制御部２３は、機能的な構成要素として、図７に示されるように、消費電力検出部３１と、蓄積エネルギー量演算部５３と、エネルギー蓄積制御部３５と、電力供給停止検出部３７と、時計５９を備えて構成される。
【００５８】
蓄積エネルギー量演算部５３は、フライホイール１３に蓄積する回転運動エネルギー量を時間帯に対応して予め複数記憶している。蓄積エネルギー量演算部５３は、時計５９から現在の時刻に関する情報を取得すると、予め記憶している上記回転運動エネルギー量の中から、現在の時刻を含む時間帯に対応する回転運動エネルギー量を読み出して、蓄積エネルギー量情報としてエネルギー蓄積制御部３５に送出する。なお、本実施形態においても、第１実施形態と同じく、蓄積エネルギー量演算部３３は、フライホイール１３に蓄積する回転運動エネルギー量として、フライホイール１３の回転速度を求めている。
【００５９】
ここで、蓄積エネルギー量演算部５３が時間帯に対応して予め記憶しているフライホイール１３の回転速度の一例について説明する。フライホイール１３に蓄積される回転運動エネルギーは、上記（８）及び（９）式で表され、図８に示されるような特性を示す。
【００６０】
例えば、エネルギー蓄積装置５１の出力電力として、時間帯８：００〜２０：００では１５ｋＷ必要とされ、時間帯２０：００〜８：００では１ｋＷ必要とされる場合を考える。１５ｋＷの電力を３分間出力するためには、停電時に必要な電気エネルギーＥ１は２．７ＭＪとなり、停電時に上記電気エネルギーＥ１を出力可能とするためのフライホイール１３の回転運動エネルギーＥ３は３．６８７ＭＪとなる。この回転運動エネルギーＥ３を３．６８７ＭＪとするためには、フライホイール１３の回転速度Ｎ２を５７９８ｒｐｍとする必要がある。
【００６１】
また、１ｋＷの電力を３分間出力するためには、停電時に必要な電気エネルギーＥ１は０．１８ＭＪとなり、停電時に上記電気エネルギーＥ１を出力可能とするためのフライホイール１３の回転運動エネルギーＥ３は１．１６７ＭＪとなる。
この回転運動エネルギーＥ３を１．１６７ＭＪとするためには、フライホイール１３の回転速度Ｎ２を３２６２ｒｐｍとする必要がある。
【００６２】
したがって、蓄積エネルギー量演算部５３は、時間帯８：００〜２０：００に対応してフライホイール１３の回転速度５７９８ｒｐｍを記憶し、時間帯２０：００〜８：００に対応してフライホイール１３の回転速度３２６２ｒｐｍを記憶すればよいこととなる。フライホイール１３の回転速度は、上記ＲＯＭ２５にテーブル等の形態で記憶させることができる。なお、ここでは、エネルギー蓄積装置５１のＵＰＳとしての仕様を定格出力２０ｋＷ、保証時間３分とし、フライホイール１３の仕様を慣性モーメント２０ｋｇ・ｍ２、使用可能回転速度範囲３０００〜６５００ｒｐｍとしている。
【００６３】
続いて、図９を参照して、エネルギー蓄積装置５１の動作について説明する。
図９は、エネルギー蓄積装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【００６４】
まず、制御部２３（電力供給停止検出部３７）において、電力供給の停止を検出したか否かを判定する（Ｓ２０１）。電力供給停止検出部３７が電力供給の停止を検出していない場合、制御部２３（蓄積エネルギー量演算部５３）において、時計５９の出力から現在の時刻を検出する（Ｓ２０３）。現在の時刻を検出すると、制御部２３（蓄積エネルギー量演算部３３）において、上述したようにＲＯＭ２５に記憶されているテーブルから現在の時刻を含む時間帯に対応するフライホイール１３の回転速度を読み出して求める（Ｓ２０５）。
【００６５】
現在の時刻を含む時間帯に対応するフライホイール１３の回転速度を求めると、制御部２３（エネルギー蓄積制御部３５）において、交流発電電動機１１の駆動してフライホイール１３を回転させ、当該フライホイール１３の回転速度が上記回転速度となるように制御信号を出力し、コンバータ／インバータ部１７を制御する（Ｓ２０７）。
【００６６】
商用電源３からの交流電力は、コンバータ部１５により直流電力に変換され、変換された直流電力の一部はコンバータ／インバータ部１７にも供給され、一部はインバータ部１９に供給されている。したがって、コンバータ／インバータ部１７は、コンバータ部１５からの直流電力を交流電力に変換するとともに、交流発電電動機１１を電動機として動作させ、フライホイール１３が現在の時刻を含む時間帯に対応する回転速度に達するように当該交流発電電動機１１の回転を制御する。これにより、商用電源３からの交流電力が有する電気エネルギーがフライホイール１３での回転運動エネルギーに変換されて、蓄積されていくこととなる。なお、インバータ部１９は、コンバータ部１５からの直流電力を交流電力に変換して、電気負荷５に供給する。
【００６７】
一方、電力供給停止検出部３７が電力供給の停止を検出すると、制御部２３（エネルギー蓄積制御部３５）は、第１実施形態と同じく、フライホイール電力供給処理を実行する（Ｓ２０９）。
【００６８】
以上のように、本実施形態のエネルギー蓄積装置５１では、フライホイール１３、交流発電電動機１１、制御部２３（時計５９、蓄積エネルギー量演算部５３、エネルギー蓄積制御部３５及び電力供給停止検出部３７）等を有しているので、エネルギー蓄積制御部３５により、電力供給停止検出部３７が電力供給の停止を検出していない際に、蓄積エネルギー量演算部３３にて求められた回転運動エネルギー量を蓄積するように交流発電電動機１１（フライホイール１３）の動作が制御されることとなる。このため、フライホイール１３において回転運動エネルギーを必要以上に蓄積しておくことがなくなり、回転運動エネルギーを蓄積した状態にフライホイール１３を維持しておくための電気エネルギーを削減でき、装置維持のためのランニングコストを低減することができる。
【００６９】
本実施形態のエネルギー蓄積装置５１において、蓄積エネルギー量演算部３３は、予め記憶された値に基づいてフライホイール１３に蓄積する回転運動エネルギー量（フライホイール１３の回転速度）を求めている。これにより、フライホイール１３に蓄積する回転運動エネルギー量を極めて簡易に設定することができる。
【００７０】
また、本実施形態のエネルギー蓄積装置５１において、予め記憶されたフライホイール１３に蓄積する回転運動エネルギー量（フライホイール１３の回転速度）は、時間帯により異ならせて設定されている。これにより、電気負荷５の使用電力は概ね時間帯によって異なるため、フライホイール１３に蓄積する回転運動エネルギー量を適切に設定することができる。
【００７１】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、第２実施形態においては、時間帯に対応してフライホイール１３に蓄積する回転運動エネルギー量（フライホイール１３の回転速度）を予め記憶しているが、日時に対応してフライホイール１３に蓄積する回転運動エネルギー量を予め記憶するようにしてもよい。また、時間帯も、３つ以上に分割してもよい。
【００７２】
また、上記第１及び第２実施形態のエネルギー蓄積装置１，５１における動作を省エネモードとして、常時フライホイール１３を定格回転数で駆動する通常モードとの間で動作モードを選択可能として構成するようにしてもよい。
【００７３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、装置維持のためのランニングコストを低減することが可能なエネルギー蓄積装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るエネルギー蓄積装置の構成を説明するためのブロック図である。
【図２】第１実施形態に係るエネルギー蓄積装置に含まれるフライホイール及び覆回転体の一部を破断した斜視図である。
【図３】第１実施形態に係るエネルギー蓄積装置に含まれるフライホイール及び覆回転体の一部を破断した斜視図である。
【図４】流体の種類によるフライホイールの周速と圧力との関係を示したグラフである。
【図５】第１実施形態に係るエネルギー蓄積装置に含まれる制御部の構成を示すブロック図である。
【図６】第１実施形態に係るエネルギー蓄積装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】第２実施形態に係るエネルギー蓄積装置の構成を説明するためのブロック図である。
【図８】フライホイールの回転速度に対する当該フライホイールに蓄積される回転運動エネルギーの関係を示す線図である。
【図９】第２実施形態に係るエネルギー蓄積装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１，５１…エネルギー蓄積装置、３…商用電源、５…電気負荷、１１…交流発電電動機、１３…フライホイール、１５…コンバータ部、１７…コンバータ／インバータ部，１９…インバータ部、２３…制御部、３１…消費電力検出部、３３，５３…蓄積エネルギー量演算部、３５…エネルギー蓄積制御部、３７…電力供給停止検出部、５９…時計、１０２，１０３…覆回転体。
【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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