(57)【要約】【課題】回転子自体の発熱を抑えながら、単純、安価な構造で発熱することが可能な発熱機、および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムを提供する。【解決手段】発熱機３０は、強磁性体からなる回転子３１と、回転子３１の回転方向に交差する方向に磁場を形成する磁場形成部３４と、回転子３１の少なくとも一部が浸漬される液体３７を保持する容器３６と、液体３７内を通過し、内部を熱交換用の流体が通る配管３８とを備えている。【選択図】図２
2012112298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体からなる回転子と、
前記回転子の回転方向に交差する方向に磁場を形成する磁場形成部と、
前記回転子の少なくとも一部が浸漬される液体を保持する容器と、
前記液体内を通過し、内部を熱交換用の流体が通る配管とを備えた、発熱機。
【請求項２】
前記液体の沸点は２００℃以上である、請求項１に記載の発熱機。
【請求項３】
前記磁場形成部は、内部を電流が流れることにより磁場を形成するコイルを含んでいる、請求項１または２に記載の発熱機。
【請求項４】
前記コイルは超電導材料からなっている、請求項３に記載の発熱機。
【請求項５】
風車と、
前記風車に接続され、前記風車の回転により発熱する発熱機と、
前記発熱機に接続され、前記発熱機において発生した熱を蓄える蓄熱部と、
前記蓄熱部に接続され、前記蓄熱部において蓄えられた熱を電気に変換する発電部とを備え、
前記発熱機は請求項１〜４のいずれか１項に記載の発熱機であり、
前記回転子は、前記風車の回転により回転する、風力熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発熱機および風力熱発電システムに関し、より特定的には、渦電流による発熱を利用した発熱機および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自然エネルギを利用した発電装置としては、たとえば特許文献１に示されたような風力発電機が知られている。当該特許文献１では、風により風車を回転させ、当該風車の回転エネルギを発電機により電気エネルギに変換している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された風力発電機では、風が止めば風車が停止し、すぐに発電も停止するため、風などの環境条件が変化する場合であっても安定して発電を行うことができるように改善が望まれる。このような安定した発電を行うため、たとえば風車の回転エネルギを一旦熱などの別のエネルギに変換して蓄積し、蓄積した当該別のエネルギを用いて発電を定常的に行うことが考えられるが、従来の風力発電機ではこのような中間的なエネルギ（熱エネルギ）に回転エネルギを一旦変換するといったことは行われていなかった。また、経済性の観点から、そのようなエネルギ変換の機構は極力単純な構成であることが望まれる。
【０００５】
本発明は、以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、風力発電における運動エネルギ（回転エネルギ）を熱エネルギに、単純かつ安価な構成により変換することが可能な発熱機、および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者は、風力発電システムについて鋭意研究を進めることにより、本発明を完成するに至った。すなわち、風力発電機における風車の回転エネルギを一旦熱エネルギーに変換し、当該熱エネルギを蓄積して発電に用いれば、風の状態に大きく左右されることなく発電を安定して実施できると考えた。
【０００７】
一方、回転エネルギを熱エネルギに変換する機構としては、たとえばシャーシダイナモや、ダイナモメータなどが知られている。しかし、これらの構成を風力発電に用いることは、互いの技術分野がまったく異なることから、従来検討されていなかった。発明者は、上述のような風力発電機に関する課題に関して検討を進めるなかで、風力発電の分野では従来着目されていなかった回転エネルギから熱エネルギへの変換機構（渦電流を利用した発熱）を風力発電機に適用するという着想を得た。このような着想に基づき、本発明に従った発熱機は、強磁性体からなる回転子と、回転子の回転方向に交差する方向に磁場を形成する磁場形成部と、回転子の少なくとも一部が浸漬される液体を保持する容器と、液体内を通過し、内部を熱交換用の流体が通る配管とを備えている。
【０００８】
本発明の発熱機においては、磁場形成部が形成する磁場の影響を受ける領域においてのみ回転子が加熱される。回転子が加熱される領域は液体に浸漬されているため、回転子の熱は即座に液体に伝達される。当該液体に伝達された回転子の熱は、配管の内部を通る熱交換用の流体に伝達される。当該熱交換用の流体の熱は、外部へ熱エネルギとして輸送される。以上のような簡素な構成を有する本発明の発熱機は、回転子を容易に冷却しながら、高効率に回転子の熱を外部へ輸送することができる。
【０００９】
上記発熱機においては、液体の沸点は２００℃以上であることが好ましい。回転体が浸漬される液体の沸点を高くすることにより、当該液体がこれを保持する容器内にて蒸発することを抑制することができる。回転体が液体に接することにより液体に熱が伝達し、回転体が冷却されることにより、回転体から液体への熱伝達の効率が上がる。
【００１０】
上記発熱機においては、磁場形成部は、内部を電流が流れることにより磁場を形成するコイルを含んでいることが好ましい。当該コイルに流れる電流がつくる磁場により、周囲の回転子の内部には、誘導電流としての渦電流が流れる。磁場形成部と回転子との配置により、簡素な構成にて、回転子を誘導加熱することができる。
【００１１】
上記発熱機においては、コイルは超電導材料からなっていることが好ましい。コイルとして超電導材料を用いれば、コイルにより高い電流を流すことができる。その結果、当該コイルはより大きい磁場を形成するため、回転子はより高効率に発熱する。
【００１２】
本発明に従った風力熱発電システムは、風車と、風車に接続され、風車の回転により発熱する発熱機と、発熱機に接続され、発熱機において発生した熱を蓄える蓄熱部と、蓄熱部に接続され、蓄熱部において蓄えられた熱を電気に変換する発電部とを備えている。そして、発熱機は上記本発明の発熱機であり、回転子は、上記風車の回転により回転する。
【００１３】
本発明の風力熱発電システムにおいては、発熱機として安価で単純な構造を有する上記本発明の発熱機が採用される。そのため、風力熱発電システム全体を安価で単純な構造とすることができる。また、風車の回転エネルギを熱エネルギとして蓄熱部に蓄え、当該蓄熱部に蓄えられた熱を発電部により電気に変換するので、風車の回転状況の直接的に左右されず発電を安定して行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上の説明から明らかなように、本発明の発熱機および風力熱発電システムによれば、安価で単純な構造を有する発熱機、および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】風力熱発電システムの構造を示す概略図である。
【図２】発熱機の構造を示す概略図である。
【図３】発熱機の構造を、図２に対して９０°の方向から見た概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１７】
図１を参照して、本実施の形態における風力熱発電システム１は、風車１０と、風車１０に接続され、風車１０の回転により発熱する発熱機３０と、発熱機３０に接続され、発熱機３０において発生した熱を蓄える蓄熱部４０と、蓄熱部４０に接続され、蓄熱部４０において蓄えられた熱を電気に変換する発電部５０とを備えている。風車１０は、主軸１１と、主軸１１から径方向に突出し、風を受けることにより主軸１１を周方向に回転させるブレード１２とを含んでいる。発熱機３０は、風車１０の主軸１１に接続され、主軸１１の回転により発熱する。また、発熱機３０は、風車１０の後方に隣接して配置されたナセル２０の中に収納されている。そして、風車１０およびナセル２０は、回転支持部２１を介してタワー８１上に配置されている。
【００１８】
蓄熱部４０は、配管９１，９６，９７を介して発熱機３０と接続されており、発熱機３０において加熱された熱媒体としての流体を保持する。熱媒体としての流体としては、種々の流体を採用可能であるが、本実施の形態としてはその一例として水を採用する。発電部５０は、蒸気タービン５１と、蒸気タービン５１の回転により発電する発電機５２とを含んでいる。蒸気タービン５１は、配管９２により蓄熱部４０に接続され、配管９２を介して供給される水蒸気により回転する。当該回転は発電機５２に伝達され、発電に利用される。
【００１９】
風力熱発電システム１は、さらに復水器６０とポンプ７１，７２とを備えている。復水器６０は、配管９３により蒸気タービン５１に接続されている。復水器６０には、蒸気タービン５１を通過した水蒸気が配管９３を介して供給され、当該水蒸気は復水器６０の中で液体の水に戻される。復水器６０には、配管６１および配管６２が接続されている。そして、復水器６０には上記水蒸気を冷却して水に戻すための冷却水が配管６１を通して供給され、配管６２を通して排出される。ポンプ７１は、配管９４により復水器６０に接続されるとともに、配管９５により蓄熱部４０に接続されている。また、ポンプ７２は配管９６により蓄熱部４０に接続されるとともに、配管９７によりタワー８１上のナセル２０に収納された発熱機３０に接続されている。蓄熱部４０、発電部５０および復水器６０は、発電室８２内に配置されている。
【００２０】
次に、風力熱発電システム１の動作について説明する。図１を参照して、ブレード１２が風を受けると風車１０が回転することにより、主軸１１が軸周りに回転する。この主軸１１の回転は、ナセル２０内の発熱機３０において熱に変換される。なお、発熱機３０の具体的な構成については後述する。発熱機３０において発生した熱は、熱媒体である水の加熱に用いられる。そして、加熱された水は水蒸気（あるいは加圧された熱水、または水蒸気と熱水との混合体）となり、配管９１を通って蓄熱部４０に到達する。そして、当該水蒸気および／または熱水は、高温、高圧の状態で蓄熱部４０に蓄えられる。
【００２１】
蓄熱部４０に蓄えられた水蒸気または熱水から発生した水蒸気は、配管９２を介して蒸気タービン５１に供給され蒸気タービン５１が回転する。そして、蒸気タービン５１の回転が発電機５２において電気に変換され、発電が達成される。
【００２２】
蒸気タービン５１の回転に用いられた水蒸気は配管９３を通って復水器６０に到達する。復水器６０では、当該水蒸気が冷却されて液体の水に戻される。この水は配管９４を通ってポンプ７１に送られる。そして、ポンプ７１は配管９５を通して水を蓄熱部４０に戻す。一方、蓄熱部４０内の水は、配管９６を通してポンプ７２に送られる。そして、ポンプ７２は配管９７を通して水を発熱機３０に供給する。つまり、発熱機３０から蓄熱部４０に入り、蓄熱部４０から発熱機３０に戻る水の循環と、蓄熱部４０から蒸気タービン５１、復水器６０を通って蓄熱部４０に戻る水の循環とが形成される。このようにして、熱媒体である水は風力熱発電システム１内を循環する。
【００２３】
上記風力熱発電システム１においては、風車１０の回転エネルギーを熱エネルギーに変換して蓄積し、必要に応じて熱エネルギーを用いて発電することができる。そのため、風車１０の回転エネルギーを電気エネルギーに直接変換する風力発電システムにおいて必要な、コストの高い蓄電装置を省略することが可能となる。また、風の状況に大きく左右されることなく、比較的安定した発電を行うことができる。
【００２４】
次に、ナセル２０内に収納される本実施の形態における発熱機３０について、図２〜図３を参照して説明する。本実施の形態における発熱機３０は、強磁性体からなる回転子３１と、回転子３１の回転方向に交差する方向に磁場を形成する磁場形成部３４と、回転子３１の少なくとも一部が浸漬される液体３７を保持する容器３６と、液体３７内を通過し、内部を発熱機３０において加熱された熱媒体としての流体が通る配管３８とを備えている。
【００２５】
容器３６の内部に格納された回転子３１はたとえば円板形状を有しており、その中心には軸３５が固定されている。回転子３１は軸３５を中心として円板形状の円周方向に沿って回転可能である。軸３５は回転子３１の回転方向に交差する方向に延在しており、回転子３１の中心を、回転子３１の回転方向に交差する方向に貫通する。また鉄芯３３はたとえば図３の上下方向に延びる成分と、図３の左右方向に延びる成分とが一体となった構成（環状の部材の円周の一部を切り欠いたような構成）を有しており、容器３６および回転子３１の一部が鉄芯３３の一部に挟まれるように配置されることが好ましい。
【００２６】
磁場形成部３４は、内部を電流が流れることにより磁場αを形成するコイル３２と、コイル３２が巻回された鉄芯３３とを含んでいる。コイル３２は超電導材料からなっていることが好ましい。また配管３８は配管９１（図１参照）に接続されており、配管３８には上記流体の蒸気、たとえば水蒸気、あるいは加圧された熱流体、たとえば熱水、あるいは上記と熱流体との混合体が通る。また軸３５は主軸１１に接続されており、風車１０（主軸１１）が回転すれば軸３５に固定された回転子３１が回転する。
【００２７】
液体３７としては、たとえばオレフィン・パラフィン油、シリコン油、芳香族炭化水素、溶融塩、金属ナトリウムの液体などを用いることが好ましい。上記のうちいずれを使用するかに応じて、液体３７を加熱することが可能な最高温度が定まる。たとえば溶融塩のなかには、４５０℃を超える高温でも液体として使用可能な物質もある。ただし液体３７は２００℃以上の沸点を有する物質であることが好ましい。
【００２８】
ここで、発熱機３０の動作を説明する。鉄芯３３に巻回されたコイル３２に電流を流すと、磁場形成部３４は電磁石となり、磁場αが形成される。磁場形成部３４に挟み込まれる位置に配置される回転子３１は、風車１０の回転に伴い回転する。このとき回転子３１の回転方向に交差する方向に関して回転子３１を貫通する磁場αの大きさは、回転子３１の各部分において時間変化する。このため回転子３１の内部には、磁場αの時間変化に起因する渦電流が発生し、渦電流と回転子３１の電気抵抗に応じたジュール熱が発生する。
【００２９】
回転子３１に発生する熱は、回転子３１の一部が浸漬される液体３７に伝達され、液体３７が加熱される。この液体３７の熱により、液体３７の内部に配置された配管３８の内部を流れる水などの流体は加熱されて水蒸気あるいは熱水となる。この水蒸気および／または熱水が配管３８に接続される配管９１の内部に達し、以後上記のように蓄熱部４０に到達し、発電機５２において発電される。
【００３０】
ここで回転子３１と容器３６との間、すなわち容器３６の内部を気密にする必要はなく、回転子３１を回転するための回転ジョイントなども必須ではない。このため発熱機３０は安価に製造されうる単純な構造を有する。
【００３１】
また液体３７は２００℃以上の比較的高い沸点の物質からなる。このため加熱された液体３７が容器３６の内部で気化することが抑制される。液体３７が加熱されても容易には気化されないため、回転子３１から液体３７への熱の伝達効率が容易に確保され、回転子３１の過熱が抑制される。
【００３２】
なお図２の左右方向に関して、磁場形成部３４が回転子３１の中央部分に配置されている。しかし回転子３１の回転方向に応じて磁場形成部３４が回転子３１に対して左右いずれかに偏って配置されてもよい。このようにすれば、回転子３１の回転状況に応じて回転子３１を貫通する磁場αの時間変化をより大きくし、回転子３１の発熱効率をさらに高めることができる。
【００３３】
また図２および図３において、容器３６と外部との間の熱絶縁については、鉄芯３３と共に容器３６の全体を覆うように熱絶縁を行う（断熱材を配置する）ようにしてもよい。この場合、コイル３２を、熱くなる鉄芯３３や容器３６から熱絶縁することで、コイル３２を定格温度以下に維持することが好ましい。
【００３４】
また、容器３６と鉄芯３３との間で熱絶縁する場合、鉄芯３３と容器３６との間に熱絶縁用の材料（断熱材）を挟むように配置することが好ましい。このとき熱絶縁用の材料により、容器３６を挟みこむ鉄芯３３同士の距離が広くなり、鉄芯３３から回転子３１に伝わる磁場αの強度が小さくなる可能性がある。このときコイル３２として超電導材料を用いれば、コイル３２に流れる電流値をより大きくすることができる。その結果、磁場形成部３４が形成する磁場αをより強くすることができ、回転子３１での渦電流の値をより大きくできる。つまり、より効率的に発熱することができる。なお熱絶縁用の材料を用いない場合においても、超電導材料からなるコイル３２を用いてもよい。
【００３５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の発熱機および風力熱発電システムは、渦電流による発熱を利用した発熱機および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムに、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００３７】
１  風力熱発電システム、１０  風車、１１  主軸、１２  ブレード、２０  ナセル、３０  発熱機、３１  回転子、３２  コイル、３３  鉄芯、３４  磁場形成部、３５  軸、３６  容器、３７  液体、３８  配管、４０  蓄熱部、５０  発電部、５１  蒸気タービン、５２  発電機、６０  復水器、７１，７２  ポンプ、８１  タワー、８２  発電室、９１〜９７  配管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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