ИНДУКЦИОННОЕ НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО
INDUCTION HEATING DEVICE AND ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM CONTAINING SUCH DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к индукционному нагревательному устройству, которое нагревает среду теплоносителя, используя индукционный нагрев, и к системе генерирования энергии, содержащей такое индукционное нагревательное устройство.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Нагревательное устройство, в котором используется индукционный нагрев (вихревые токи), было предложено как устройство для нагревания воды (см., напр., патентный документ 1). Нагревательное устройство на вихревых токах, описанное в патентном документе 1, содержит вращающийся ротор, имеющий постоянный магнит, расположенный на его внешней периферии, и нагревательный участок, выполненный из электропроводного материала и зафиксированный на внешней стороне ротора, и в котором сформирован проточный канал, внутри которого циркулирует вода. Когда ротор вращается, линии магнитного силового поля (магнитный поток), создаваемого постоянным магнитом вокруг внешней периферии ротора, движутся, проникая сквозь нагревательный участок, в результате чего в нагревательном участке возникают вихревые токи, нагревающие сам нагревательный участок. Следовательно, теплота, генерируемая в нагревательном участке, переносится в воду, циркулирующую в проточном канале, и нагревает эту воду.
Главной целью вышеописанной технологии является подача горячей воды, используя такую технологию, как энергия ветра и т.п., и в последние годы генерирование электроэнергии за счет вращения ветровой турбины энергией ветра и преобразование энергии ветра в энергию вращения для получения преобразованной энергии в форме электроэнергии. Системы генерирования электроэнергии с использованием энергия ветра, по существу, имеют конструкцию, в которой на вершине башни устанавливают гондолу и к гондоле крепят ветровую турбину с горизонтальной осью (ветровую турбину, вал вращения которой расположен, по существу, параллельно направлению ветра. В гондоле находится механизм увеличения частоты вращения, который выводит увеличенную частоту вращения вала вращения ветровой турбины, и генератор электроэнергии, приводимый в действие выходным валом механизма увеличения частоты вращения. Механизм увеличения частоты вращения может повышать частоту вращения ветровой турбины до частоты вращения генератора электроэнергии (например, 1:100) и содержит редуктор.
В последние годы появилась тенденция увеличивать размер ветровых турбин (ветровых систем генерирования электроэнергии) для снижения себестоимости генерирования электроэнергии и в практическую эксплуатацию уже введены ветровые системы генерирования электроэнергии, относящиеся к классу, имеющему ветровые турбины диаметром 120 м или более и с мощностью каждой турбины 5 МВт. Многие из таких больших ветровых систем генерирования электроэнергии построены в океане из-за из огромного размера и большого веса.
Кроме того, в ветровых электростанциях выход произведенной электроэнергии (количество произведенной электроэнергии) изменяется с изменением силы ветра, поэтому вместе с системой генерирования электроэнергии устанавливают систему накопления энергии, чтобы сохранять нестабильную электроэнергию в аккумуляторах, чтобы сгладить выход электроэнергии.
ПЕРЕЧЕНЬ ИСТОЧНИКОВ
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
Патентный документ 1: Японская выложенная заявка № 2005-174801.
Документы, не являющиеся патентными:
Источник 1: "Wind power generation (01-05-01-05)" [online], ATOMICA [searched on February 2, 2011], Internet <URL:http//www.rist.or.jp/atomica/>.
Источник 2: "SUBARU WIND TURBINE" [online], Fuji Heavy Industries, Ltd., [searched on February 2, 2011], Internet <URL:http// www.subaru-windturbine.jp/windturbine/>.
Источник 3: "Wind power lecture" [online, Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., [searched on February 2, 2011], Internet <URL:http// www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza.html>.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В известном индукционном нагревательном устройстве, описанном в патентном документе 1, нагревательный участок выполнен из единственного электропроводного материала, такого как нержавеющая сталь, алюминиевый сплав и т.п., и, следовательно, нельзя получить достаточное количество тепловой энергии (количество генерируемой теплоты) и теплоноситель (жидкость, такая как, например, вода) не может быть нагрета до требуемой температуры.
В то же время в широко известных ветровых системах генерирования электроэнергии устанавливают систему хранения энергии для сглаживания выхода и эта система хранения энергии требует компонентов, таких как преобразователи и т.п., чтобы хранить электроэнергию в аккумуляторах. Это приводит к усложнению системы и повышению потерь энергии. Более того, в случае крупной ветровой системы генерирования электроэнергии требуются аккумуляторы большой емкости, соответствующей количеству вырабатываемой электроэнергии, что повышает стоимость всей системы.
Кроме того, многие отказы в ветровых системах генерирования электроэнергии вызваны неисправностями механизма повышения частоты вращения, более конкретно в редукторе. В случае отказа редуктора его обычно заменяют на новый, однако, когда гондола установлена на вершине башни, снятие/установка редуктора требует больших затрат времени и труда. Поэтому в последние годы появились бесступенчатые генераторы с переменной частотой вращения, не требующие механизма повышения частоты вращения.
В случае бесступенчатого генератора электроэнергии увеличивают количество полюсов генератора (многополюсные генераторы), однако повышение размера и веса генератора делает его сравнимым с генератором с механизмом повышения частоты вращения. В частности, для ветровой системы генерирования электроэнергии класса 5 МВт считается, что вес генератора превышает 300 т (300000 кг), что затрудняет установку генератора в гондолу.
Настоящее изобретение было создано, имея в виду вышеописанные обстоятельства, и одной задачей изобретения является создание индукционного нагревательного устройства, которое производит увеличенное количество теплоты и имеет характеристики, подходящие для нагревания теплоносителя. Другой задачей изобретения является создание системы генерирования электроэнергии, содержащей упомянутое выше индукционное нагревательное устройство.
В результате проб и ошибок в попытках дополнительно увеличить количество генерируемой теплоты, при создании индукционного нагревательного устройства изобретатели рассчитали, что в электропроводном материале (нагревательный участок), на который извне воздействует периодически изменяющееся магнитное поле (магнитный поток), теплота генерируется в соответствии со следующей формулой:
[Формула 1]
0
1y
0
1y
1y
1y -
1y
1/2
В правой стороне этой формулы f - частота, R - внутренний диаметр нагревательного участка, n - количество полюсов, σ - электропроводность нагревательного участка, µ - магнитная проницаемость нагревательного участка, B - напряженность магнитного поля в нагревательном участке. Кроме того, ω - угловая скорость (ω=2πf), δ - толщина оболочки нагревательного участка (δ=[2/(ω µ σ)]), k - частота формы волны (k=n/R), и v - скорость (v=ω/k). Изобретатели из этой формулы также обнаружили, что количество генерируемой теплоты эффективно увеличивается за счет формирования нагревательного участка из материала, который одновременно имеет высокую магнитную проницаемость (µ) и высокую электропроводность (σ). Следует отметить, что в правой части формулы причина, по которой количество (W) генерируемой теплоты увеличивается с увеличением μ, несмотря на то, что µ находится в знаменателе, заключается в том, что B в формуле представлена выражением µH и, следовательно, 3/2 степень µ остается в числителе. H это магнитное поле в нагревательном участке. Причина, по которой H не используется в формуле 1, заключается в том, что поскольку плотность магнитного потока можно измерить фактически, считается, что это выражение в формуле 1 будет проще для практического применения. Настоящее изобретение было создано на основе результатов, описанных выше.
Индукционное нагревательное устройство по настоящему изобретению является устройством, которое нагревает теплоноситель, содержащим ротор, имеющий вал вращения, и статор, имеющий нагревательный участок, расположенный на расстоянии от ротора. В роторе, напротив нагревательного участка расположен участок, генерирующий магнитный поток в направлении нагревательного участка. Нагревательный участок сформирован из композитного материала, содержащего магнитный материал и электропроводный материал, и имеет конструкцию, в которой комбинируются участок магнитного материала и участок электропроводного материала. Когда участок, генерирующий магнитный поток, находится в положении напротив нагревательного участка, площадь сечения участка магнитного материала меньше, чем площадь потокосцепления магнитного потока, генерируемого участком генерирования магнитного потока в нагревательном участке, и участок электропроводного материала расположен так, чтобы окружать периферию участка магнитного материала. В нагревательном участке имеется проточный канал, в котором циркулирует теплоноситель.
В случае формирования нагревательного участка из единственного материала, в основном потому, что не существует материала с высоким и µ, и σ, трудно получить оптимальный материал. При вышеописанной конструкции, поскольку нагревательный участок сформирован из композитного материала, содержащего магнитный материал с высокой µ, и электропроводный материал с высокой σ, в такой конструкции можно свободно выбирать µ и σ нагревательного участка для увеличения количества генерируемой теплоты. Кроме того, когда участок генерирования магнитного потока находится в положении напротив нагревательного участка, площадь сечения участка магнитного материала меньше, чем площадь потокосцепления магнитного потока, генерируемого участком генерирования магнитного потока в нагревательном участке. В это время в области нагревательного участка, в котором возникает потокосцепление магнитного потока, генерируемого участком генерирования магнитного потока, участок магнитного материала и участок электропроводного материала смешиваются для регулирования µ и σ. Участок магнитного материала может быть сформирован, например, как колонна или в плоской форме и проходить от одной торцевой поверхности до другой торцевой поверхности параллельно направлению магнитного потока, генерируемого участком генерирования магнитного потока (т.е. в направлении толщины нагревательного участка).
7
В качестве материала, образующего участок магнитного материала, предпочтительно выбирать материал, имеющий высокую μ, например магнитный материал с µ=1000 или более, рассчитанную как относительная проницаемость. Конкретными примерами магнитного материала являются железо, никель, кобальт, электротехническая сталь, пермаллой, феррит и т.п. В качестве электропроводного материала, образующего участок магнитного материала, предпочтительно выбирать материал с высокой σ, например, магнитный материал с σ=3×10 S/м или более. Конкретными примерами электропроводных материалов являются металлы и, как один пример комбинации магнитного материала и электропроводного материала, в качестве магнитного материала можно выбрать материал на основе железа, а в качестве электропроводного материала можно выбрать материал на основе алюминия или меди. Материал на основе алюминия или меди является предпочтительным, поскольку также обладает прекрасной теплопроводностью и в участке электропроводного материала, выполненном из электропроводного материала, также выполнен проточный канал, в котором циркулирует теплоноситель. В частности, когда участок электропроводного материала выполнен из материала на основе алюминия, нагревательный участок может быть более легким, что позволяет снизить вес индукционного нагревательного устройства. Примерами теплоносителя являются жидкости, такие как вода, масло, жидкие металлы (Na, Pb и т.п.), расплавы солей и т.п., а также газы.
Кроме того, поскольку проточный канал выполнен в нагревательном участке, который зафиксирован и не вращается, нет необходимости использовать вращающееся соединение, через которое подается жидкость или газ, которое допускает вращательное движение проточного канала, чтобы соединить и подающую/отводящую трубу, сообщающуюся с проточным каналом, чтобы извне подавать теплоноситель и отводить его, и можно использовать жесткое соединение с простой конструкцией. Более конкретно считается, что когда теплоноситель нагрет, давление внутри проточного канала повышается приблизительно до 25 МПа (250 атм) при 600°С, когда теплоносителем является, например, вода (пар). Если нагревательный участок (проточный канал) вращается, нужно специальное вращающееся соединение, способное выдерживать такое давление, однако если нагревательный участок зафиксирован и не вращается, вращающееся соединение не нужно, и можно выполнить достаточно жесткое соединение, используя даже простой способ, например сварку, чтобы соединить подающую/отводящую трубу и проточный канал.
В одном варианте индукционного нагревательного устройства по настоящему изобретению, когда участок, генерирующий магнитный поток, находится в положении напротив нагревательного участка, в области нагревательного участка, где возникает потокосцепление магнитного потока от участка генерирования магнитного потока, может присутствовать множество участков магнитного материала.
При такой конструкции, поскольку в области нагревательного участка, где возникает потокосцепление магнитного потока от участка генерирования магнитного потока, присутствует множество участков магнитного материала, возникает конструкция, в которой участок магнитного материала представляется разделенным на множество частей. Тепловое распределение можно уравновесить, уменьшая дисбаланс между µ и σ в нагревательном участке. Кроме того, например, создав проточный канал, в котором циркулирует теплоноситель, в участке электропроводного материала между участками магнитного материала, можно переносить теплоту в теплоноситель, что позволяет эффективно его нагревать. Кроме того, вес и размер каждого участка магнитного материала можно уменьшить, что облегчает сборку.
В одном варианте индукционного нагревательного устройства по настоящему изобретению участки магнитного материала имеют круглую или многоугольную форму сечения.
Хотя форма сечения участков магнитного материала может быть любой и практически не ограничена, она может быть, например, круглой или многоугольной. Можно использовать разнообразные формы и, например, в случае круглой формы можно использовать идеально круглую форму или овальную форму, а в случае многоугольной формы можно использовать треугольную или четырехугольную форму. В частности, когда форма сечения участков магнитного материала является формой со скругленными периферийными кромками, например круглой формой, синхронный момент можно уменьшить, чтобы добиться плавного вращения ротора. Следует отметить, что форма сечения участков магнитного материала относится к форме сечения, перпендикулярного направлению магнитного потока, генерируемого участком генерирования магнитного потока.
В одном варианте индукционного нагревательного устройства по настоящему изобретению магнитный поток, генерируемый участком генерирования магнитного потока, может быть магнитным потоком, генерируемым катушкой.
В качестве средства генерирования магнитного потока можно использовать постоянный магнит или катушку (электромагнит). Катушка может быть нормальной проводящей катушкой, например, из медной проволоки, или сверхпроводящей катушкой, например из проволоки из сверхпроводящего материала. В случае использования катушки можно получить большую напряженность магнитного поля по сравнению с использованием постоянного магнита. Более конкретно магнитное поле большей напряженности можно получить, увеличивая ток, подаваемый на катушку,и напряженность магнитного поля также можно регулировать, управляя подаваемым током. Поскольку количество генерируемой теплоты пропорционально квадрату напряженности магнитного поля, можно ожидать дополнительного увеличения количества производимой теплоты. Более того, по сравнению с постоянным магнитом в катушке маловероятно ухудшение магнитных свойств из-за высокой температуры или со временем. Следовательно, когда магнитный поток создается участком генерирования магнитного потока, содержащим катушку, можно легко поддерживать достаточную напряженность магнитного поля, увеличивая подаваемый ток, и можно достичь характеристик (тепловой энергии), достаточной для нагрева теплоносителя до заранее определенной температуры (например, 100-600°С). В индукционном нагревательном устройстве, описанном, например, в патентном документе 1, поскольку постоянный магнит расположен в положении напротив нагревательного участка и рядом с ним, температура этого постоянного магнита легко увеличивается из-за влияния теплоты от нагревательного участка и, следовательно, его магнитные свойства могут ухудшаться и, следовательно, теплоноситель не может нагреться до требуемой температуры. Следует отметить, что через катушку можно пропускать постоянный ток, чтобы генерировать постоянное магнитное поле.
Кроме того, при пропускании через катушку постоянного тока для генерирования постоянного магнитного поля, при использовании сверхпроводящей катушки электрическое сопротивления снижается до нуля, и даже если пропускать большой ток, в катушке практически не генерируется теплота. По сравнению с нормальной электропроводной катушкой генерирование теплоты (потери) в катушке, вызванное пропусканием большого тока, можно подавить и поддерживать магнитное поле очень высокой напряженности без каких-либо потерь энергии.
В одном варианте индукционного нагревательного устройства по настоящему изобретению вал вращения может быть соединен с ветровой турбиной, и энергию ветра можно использовать как механическую энергию для вращения ротора.
2
Хотя в качестве источника механической энергии для ротора (вала вращения) можно использовать двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель и пр., предпочтительно использовать возобновляемую энергию, такую как энергия ветра, гидравлическую энергию, энергию волн и т.п. Использование возобновляемой энергии позволяет сократить выбросы СО и поэтому преимущественно используется энергия ветра.
Система генерирования электроэнергии по настоящему изобретению отличается тем, что содержит вышеописанное индукционное нагревательное устройство по настоящему изобретению и участок генерирования электроэнергии, который преобразует теплоту теплоносителя, нагретого индукционным нагревательным устройством, в электроэнергию.
Такая система генерирования электроэнергии является до настоящего времени неизвестной и новой системой, в которой теплота теплоносителя, нагретого вышеописанным индукционным нагревательным устройством, используется для генерирования электроэнергии. Например, если ветровая турбина соединена с вращающимся валом индукционного нагревательного устройства, и энергия ветра используется как механическая энергия для ротора, можно преобразовать энергию ветра в энергию вращения, а затем в тепловую энергию и получить в результате электрическую энергию. В качестве одного примера воду, являющуюся теплоносителем, можно нагреть для получения пара, имеющего высокую температуру и высокое давление, а электроэнергию можно генерировать с помощью вращающегося генератора с паровой турбиной, в которой используется полученный пар. Поскольку такая система генерирования электроэнергии имеет конструкцию, которая преобразует теплоту в электрическую энергию, она может эффективно и стабильно генерировать электроэнергию, запасая энергию в форме теплоты, используя тепловые аккумуляторы. Кроме того, система хранения теплоты, которая способна хранить теплоту в тепловых аккумуляторах и может одновременно отдавать из тепловых аккумуляторов теплоту, необходимую для генерирования электроэнергии, проще, чем система хранения электроэнергии, и тепловой аккумулятор дешевле электрического аккумулятора. Кроме того, отсутствует необходимость в механизме увеличения частоты вращения, который используется в известных ветровых системах генерирования электроэнергии, что позволяет избежать отказов редуктора.
В индукционном нагревательном устройстве по настоящему изобретению, поскольку нагревательный участок сформирован из композитного материала из магнитного материала и электропроводного материала, и имеет конструкцию, в которой участок магнитного материала и участок электропроводного материала объединены, количество генерируемой теплоты можно увеличить. Кроме того, система генерирования электроэнергии по настоящему изобретению может генерировать электроэнергию с помощью генерирующего электроэнергию участка, преобразуя теплоту теплоносителя, нагретого вышеописанным индукционным нагревательным устройством, в электрическую энергию.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схематический чертеж первого варианта индукционного нагревательного устройства, фиг 1(А) - разнесенный вид в перспективе, а фиг. 1(В) - вид в перспективе собранного устройства.
Фиг. 2 - схематический чертеж первого варианта индукционного нагревательного устройства в сечении, перпендикулярном осевому направлению ротора.
Фиг. 3 - вид в перспективе в развертке, частично в увеличенном масштабе, схематически иллюстрирующий конструкцию нагревательного участка первого варианта индукционного нагревательного устройства.
Фиг. 4 - вид в перспективе, в развертке частично в увеличенном масштабе, схематически иллюстрирующий конструкцию варианта нагревательного участка в индукционном нагревательном устройстве.
Фиг. 5 - виз сверху, в развертке, частично в увеличенном масштабе, схематически иллюстрирующий вариант проточного канала в индукционном нагревательном устройстве, где фиг. 5(А) иллюстрирует один пример проточного канала в конструкции нагревательного участка по фиг. 3, а фиг. 5(В) иллюстрирует пример проточного канала в конструкции нагревательного участка по фиг. 4.
Фиг. 6 - схематический чертеж, иллюстрирующий один пример общей конструкции системы генерирования электроэнергии по настоящему изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Далее следует подробное описание вариантов настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи. На чертежах одинаковые или подобные детали обозначены одними и теми же позициями.
ИНДУКЦИОННОЕ НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ
Индукционное нагревательное устройство 101 по первому варианту настоящего изобретения, показанное на фиг. 1-3, содержит ротор 11 и статор 12, имеющий нагревательный участок 13. Далее следует подробное описание конструкции индукционного нагревательного устройства 101.
Ротор 11 имеет вал 21 вращения, который установлен с возможностью вращения и в осевом направлении имеет внешнюю форму шестерни, имеющей множество выступов 111, отходящих в радиальном направлении. В этом примере ротор 11 имеет восемь выступов 111, которые сформированы с равными интервалами в направлении окружности. участок генерирования магнитного потока, который будет описан ниже (в этом примере катушка 15), расположен вокруг внешней периферии ротора 11. В данном примере ротор 11 вращается против часовой стрелки (стрелка на фиг. 2 показывает направление вращения).
Материалом, из которого выполнен ротор 11, может быть любой материал, имеющий механическую прочность и способный поддерживать катушку 15 независимо от того, является ли он магнитным или немагнитным материалом, и предпочтительно материал, обладающий высокой конструкционной прочностью и долговечностью (стойкостью к погодным условиям и коррозии). Примерами такого материала являются композитные материалы, такие как железо, сталь, нержавеющая сталь, алюминиевый сплав, магниевый сплав, пластики, армированные стекловолокном, пластики, армированные углеродным волокном, и т.п., которые используются как конструкционные материалы.
В этом примере ротор 11 (включая выступы 111) сформирован из немагнитного материала. Когда в качестве катушки 15 используется катушка нормальной проводимости, ротор 11 предпочтительно выполнен из магнитного материала. С другой стороны, если используется сверхпроводящая катушка, ротор 11 может быть выполнен из магнитного материала или из немагнитного материала.
Нагревательный участок 13 расположен снаружи ротора 11 в радиальном направлении на расстоянии от ротора 11 и имеет цилиндрическую форму, окружая периферию ротора 11. Нагревательный участок 13 прикреплен к статору 12, который не вращается.
Катушка 15 намотана вокруг каждого выступа 111 ротора 11 и прикреплена к нему так, чтобы находиться напротив нагревательного участка 13, и представляет собой участок генерирования магнитного потока, который генерирует магнитный поток в радиальном направлении ротора 11 (в направлении нагревательного участка 13). Кроме того, с каждой катушкой 15 соединен не показанный источник постоянного тока. В этом примере направление генерируемого магнитного поля (магнитного потока) определяется путем управления направлением постоянного тока, подаваемого на каждую катушку 15, и соседние катушки 15 имеют полярность, отличающуюся друг от друга (см. фиг. 2). Каждая катушка 15 является сверхпроводящей катушкой и покрыта не показанной охлаждающей рубашкой, проходящей вокруг ее окружности, и поддерживается в сверхпроводящем состоянии с помощью охлаждения. В качестве катушек 15 можно использовать катушки нормальной проводимостью, и вместо катушек 15 можно использовать постоянные магниты. Ток на катушку 15 может подаваться путем соединения катушки 15 с внешним источником питания через, например, токосъемное кольцо.
Магнитный поток, создаваемый катушкой 15, проходит сквозь нагревательный участок 13. Нагревательный участок сформирован из композитного материала, содержащего магнитный материал и электропроводный материал и имеет конструкцию, в которой участок 131 магнитного материала и участок 132 электропроводного материала комбинируются. В этом примере в качестве магнитного материала выбран материал на основе железа, содержащий железо, а в качестве электропроводного материала выбран материал на основе алюминия, содержащий алюминий, или материал на основе меди, содержащий медь, при этом участок 131 магнитного материала сформирован из материала на основе железа, а участок 132 электропроводного материала сформирован из материала на основе алюминия или из материала на основе меди.
В нагревательном участке 13, когда катушка 15 находится напротив него, площадь сечения участка 131 магнитного материала меньше, чем площадь сечения потокосцепления магнитного потока, генерируемого катушкой 15 (в этом примере соответствующей площади сечения выступа 111). В это время в области нагревательного участка 13, где возникает потокосцепление магнитного потока, участок 131 магнитного материала и участок 132 электропроводного материала смешиваются и множество участков 131 магнитного материала распределяются (см. фиг. 2).
Далее следует подробное описание нагревательного участка 13. Как показано на фиг. 3, участки 131 магнитного материала являются цилиндрическими элементами, имеющими круглую форму сечения, а участки 132 электропроводного материала окружают периферию участков 131 магнитного материала. Кроме того, участки 131 магнитного материала сформированы так, чтобы проходить в направлении толщины нагревательного участка 13 от внутренней периферийной поверхности к внешней периферийной поверхности и расположены с одинаковыми интервалами в осевом направлении нагревательного участка 13. Множество таких рядов участков 131 магнитного материала далее расположены с одинаковыми интервалами на всей периферии нагревательного участка 13 и участок 132 электропроводного материала сформирован интегрально так, чтобы окружать каждый участок 131 магнитного материала.
В нагревательном участке 13 выполнены проточные каналы 14, по которым циркулирует теплоноситель. В этом примере показаны линейные проточные каналы 14, образованные сквозными отверстиями в участке 132 электропроводного материала между соседними в окружном направлении участками 131 магнитного материала, которые проходят параллельно осевом направлению нагревательного участка 13 (см. фиг. 3). Например, в этом случае проточный канал 14 может иметь структуру, в которой теплоноситель подается в один конец, а выводится из другого конца, или структуру, в которой один конец проточного канала 14 прикреплен к трубе, соединяющей проточный канал 14 с другим проточным каналом 14, и теплоноситель подается в другой конец проточного канала 14, а выводится через соединительную трубу из другого конца другого проточного канала 14. То есть первая структура является проточным каналом с однонаправленным потоком, а вторая структура является круговым проточным каналом. Во второй структуре расстояние, на котором нагревается теплоноситель, можно увеличить по сравнению с первой структурой.
Кроме того, в этом примере статор 12 имеет участок 125 цилиндрического ярма, выполненный из магнитного материала, и участок 125 ярма расположен на стороне нагревательного участка 13 напротив стороны, обращенной к ротору 11 (внешняя окружность нагревательного участка 13). Участки 131 магнитного материала соединены с участком 125 ярма и соединяются друг с другом через ярмо 125.
Вокруг периферии нагревательного участка 13 может быть помещен теплоизолирующий материал (не показан). Этом случае теплоизолирующий материал может быть помещен, например, на внутренней и на внешней периферийных поверхностях нагревательного участка 13 и в области торцевых поверхностей нагревательного участка 13, кроме тех областей, где сформированы проточные каналы 14. Примером теплоизолирующего материала является минеральная вата, стекловата, вспененный пластик, кирпич, керамика и пр.
Далее следует подробное описание механизма нагрева теплоносителя в индукционном нагревательном устройстве 101.
В индукционном нагревательном устройстве 101 на катушку 15 подается питания для генерирования магнитного потока в радиальном направлении ротора 11, и магнитный поток проходит сквозь нагревательный участок 13. Когда катушка 15 находится напротив нагревательного участка 13, сильный магнитный поток проходит сквозь ту область нагревательного участка 13, в которой возникает потокосцепление магнитного потока от катушки 15, что приводит к усилению магнитного поля. Наоборот, когда катушка 15 находится не напротив нагревательного участка 13, сила магнитного потока от катушки 15 уменьшается в области нагревательного участка 13, где возникает потокосцепление магнитного потока, что приводит к ослаблению магнитного поля. Затем, когда катушка 15 поворачивается вместе с ротором 13, она движется относительно нагревательного участка 13, что приводит к возникновению магнитного потока, который, изменяясь, проходит по всей окружности нагревательного участка 13 так, что магнитное поле, приложенное к нагревательному участку 13, периодически изменяется. Следовательно, в нагревательном участке 13 возникают вихревые токи, нагревая этот нагревательный участок 13 и проходящий по проточным каналам теплоноситель.
Здесь, поскольку нагревательный участок 13 в индукционном нагревательном устройстве 101 выполнен из композитного материала, состоящего из магнитного материала и электропроводного материала, конструкция позволяет увеличить количество генерируемой теплоты путем подбора μ и σ нагревательного участка 13, тем самым увеличивая количество генерируемой теплоты. Кроме того, поскольку множество участков 131 магнитного материала распределено в той области нагревательного участка 13, в которой происходит потокосцепление магнитного потока от катушки 15 и участки 131 магнитного материала распределены равномерно по всему нагревательному участку 13, отсутствует дисбаланс между µ и σ в нагревательном участке 13 в целом, что позволяет уравнять тепловое распределение в нагревательном участке 13. Кроме того, поскольку проточный канал 14 выполнен в участке 132 электропроводного материала между расположенными по окружности участками 131 магнитного материала, теплота переносится в теплоноситель и может быть эффективно получена. Кроме того, поскольку участки 131 магнитного материала соединены через участок 125 ярма, выполненный из того же магнитного материала, величину магнитного потока, проходящего через участок 131 магнитного материала (нагреваемый участок 13),можно увеличить и, следовательно, можно ожидать дальнейшего увеличения количества генерируемой теплоты.
Дополнительно, поскольку соседние катушки 15 в индукционном нагревательном устройстве 101 имеют полярности, противоположные друг другу, направление магнитного потока (магнитного поля) отличается между случаем, когда напротив находится катушка с северным полюсом, и случаем, когда напротив находится катушка с южным полюсом. Когда катушка 15 с северным полюсом находится напротив нагревательного участка 13, магнитный поток (магнитное поле) направлен от внутренней периферийной стороны к внешней периферийной стороне (направление + в радиальном направлении). С другой стороны, когда катушка 15 с южным полюсом находится напротив нагревательного участка 13, магнитный поток (магнитное поле) направлен от внешней периферийной стороны к внутренней периферийной стороне (направление - в радиальном направлении). То есть когда катушка 15 вращается вместе с ротором 11, направление магнитного потока (магнитного поля) изменяется. Периодически меняя полярность.
Кроме того, участки 131 магнитного материала имеют круглое сечение, что уменьшает синхронный момент, способствуя плавному вращению ротора.
ПЕРВАЯ МОДИФИКАЦИЯ
Выше было описано индукционное нагревательное устройство 101 по первому варианту настоящего изобретения, показанное на фиг. 3, в котором участки 131 магнитного материала нагревательного участка 13 являются цилиндрическими элементами круглого сечения; однако форма участков 131 магнитного материала не ограничена цилиндрической формой. Например, участки 131 магнитного материала могут быть призматическими элементами, имеющими многоугольную форму сечения.
Кроме того, участки 131 магнитного материала могут быть пластинчатыми элементами, как показано на фиг. 4. В конструкции нагревательного участка 13, показанного на фиг. 4, участки 131 магнитного материала являются пластинчатыми элементами, имеющими прямоугольное сечение, а участок 132 электропроводного материала окружает периферию участков 131 магнитного материала. Участки 131 магнитного материала сформированы так, чтобы проходить в направлении толщины нагревательного участка 13 от внутренней периферийной поверхности к внешней периферийной поверхности, и расположены в вертикальном положении параллельно осевому направлению нагревательного участка 13. Множество участков 131 магнитного материала также распределено с равными интервалами по всей периферии нагревательного участка 13, а участок 132 электропроводного материала сформирован интегрально так, чтобы окружать каждый участок 131 магнитного материала. В этом случае участки 131 магнитного материала расположены параллельно осевому направлению нагревательного участка 13; однако они могут быть расположены и с наклоном к осевому направлению нагревательного участка 13. Кроме того, участки 131 магнитного материала могут быть расположены перпендикулярно к осевому направлению нагревательного участка 13, и участки 131 магнитного материала могут проходить в осевом направлении нагревательного участка 13.
Кроме того, когда участки 131 магнитного материала являются элементами в форме колонн, несмотря на то, что участки 131 магнитного материала расположены так, чтобы совпадать с осевым и окружным направлениями нагревательного участка 13 в структуре нагревательного участка 13, показанного на фиг. 3, они также могут быть расположены в шахматном порядке (зигзагом).
ВТОРАЯ МОДИФИКАЦИЯ
Выше был описан первый вариант индукционного нагревательного устройства 101, показанного на фиг. 3, в котором выполнены линейные проточные каналы 14, проходящие параллельно осевому направлению нагревательного участка 13; однако форма проточных каналов 14 этим не ограничивается. Например, в конструкции нагревательного участка 13, показанного на фиг. 5(А), проточные каналы 141, 142 могут иметь волнообразную форму для прохождения внутри участка 132 электропроводного материала между участками 131 магнитного материала рядом друг с другом в осевом направлении. Кроме того, проточные каналы 141, 142 выполнены в разных положениях в направлении толщины нагревательного участка 13. Следует отметить, что фиг. 5(А) является разверткой нагревательного участка по фиг. 3, если смотреть со стороны ротора 11, то есть от стороны внутренней периферийной поверхности нагревательного участка 13 (фиг. 5(В) является такой же разверткой). Кроме того, как показано на фиг. 5(В), проточный канал 14 может иметь волнообразную форму так, чтобы непрерывно проходить в направлении окружности вокруг участка 132 электропроводного материала между соседними в окружном направлении участками 131 магнитного материала.
СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Далее со ссылками на фиг. 6 следует описание одного примера всей конструкции системы генерирования электроэнергии. Система Р генерирования электроэнергии, показанная на фиг. 6, содержит индукционное нагревательное устройство 10, ветровую турбину 20, тепловой аккумулятор 50, и участок 60 генерирования электроэнергии. Ветровая турбина 20 прикреплена к гондоле 92, установленной на вершине башни 91, а индукционное нагревательное устройство установлено в гондоле 92. Тепловой аккумулятор 50 и участок 60 генерирования электроэнергии расположены в здании, находящемся в нижней части (основании) башни 91. Далее следует подробное описание системы Р генерирования электроэнергии.
Индукционное нагревательное устройство 10 является индукционным нагревательным устройством по настоящему изобретению, и в качестве индукционного нагревательного устройства 10 можно использовать индукционное нагревательное устройство 101 по первому варианту настоящего изобретения, описанному выше. Другой конец вала 21 вращения непосредственно соединен с ветровой турбиной 20, описанной ниже, и энергия ветра используется как механическая энергия для вращения ротора. Здесь описывается случай, когда теплоносителем является вода.
Ветровая турбина 20 имеет конструкцию, в которой вал 21 вращения, который проходит горизонтально, используется как центр, и к валу 21 вращения радиально прикреплены три лопасти 201. В случае ветровой энергии выход системы генерирования электроэнергии превышает 5 МВт, диаметр равен приблизительно 120 м или более, а частота вращения равна приблизительно 10-20 об/мин.
Проточный канал индукционного нагревательного устройства 10 соединен с трубой 73 подачи воды, по которой в индукционное нагревательное устройство 10 подается вода, и с транспортной трубой 51, которая подает воду, нагретую индукционным нагревательным устройством 10, в тепловой аккумулятор 50. В индукционном нагревательном устройстве 10 устройством генерирования магнитного поля, расположенным в роторе, создается магнитный поток, и когда ротор вращается, магнитный поток, проходящий сквозь нагревательный участок, находящийся на расстоянии от ротора, изменяется. Это приводит к возникновению вихревых токов в нагревательном участке, которые нагревают нагревательный участок и тем самым воду в проточном канале. Поскольку нагревательный участок 13 сформирован из композитного материала, состоящего из магнитного материала и электропроводного материала, индукционное нагревательное устройство вырабатывает увеличенное количество теплоты и способно нагревать воду, являющуюся теплоносителем до температуры, например, 100°С-600°С. Кроме того, поскольку индукционное нагревательное устройство 10 имеет такую конструкцию, в которой нагревательный участок (проточный канал) не вращается, для соединения проточного канала с транспортной трубой 51 и подающей трубой 73 вращающееся соединение не требуется, и можно использовать жесткое соединение простой конструкции, например сварное соединение.
Система Р генерирования электроэнергии генерирует использует воду с высокой температурой и под высоким давлением, при этом вода нагревается индукционным нагревательным устройством 10 до температуры, подходящей для генерирования электроэнергии (например, 200°С-350°С). Вода с высокой температурой и под высоким давлением подается в тепловой аккумулятор 50 по транспортной трубе 50. Тепловой аккумулятор 50 хранит теплоту воды с высокой температурой и под высоким давлением, поданной по транспортной трубе 51, и подает пар, необходимый для выработки электроэнергии, на участок 60 генерирования электроэнергии, используя теплообменник. Альтернативно пар может генерироваться индукционным нагревательным устройством 10.
Можно использовать тепловой аккумулятор 50, аккумулятор пара, сухой тепловой аккумулятор, в котором используется расплав соли, масло и т.п., или латентный тепловой аккумулятор, в котором используется фазовый переход расплава соли с высокой температурой плавления. При способе сухого накопления теплоты теплота храниться при температуре фазового перехода материала теплового аккумулятора и, следовательно, хранение теплоты происходит в узком диапазоне температур по сравнению с латентным способом хранения теплоты, и такой способ имеет высокую плотность хранения теплоты.
Участок 60 генерирования электроэнергии имеет конструкцию, в которой объединены паровая турбина 61 и электрогенератор 62, и когда паровая турбина вращается паром, подаваемым из теплового аккумулятора 50, электрогенератор приводится в действие и вырабатывает электроэнергию.
Вода или пар с высокой температурой и под высоким давлением, подаваемая в тепловой аккумулятор 50, охлаждается в конденсаторе 71, где она становится водой под высоким давлением, проходит по трубе 73 подачи воды, и возвращается в индукционное нагревательное устройство 10, и таким образом осуществляется ее циркуляция.
В системе Р генерирования электроэнергии теплота образуется за счет энергии вращения с использованием возобновляемой энергии (например, ветровой) в качестве механической энергии, а электроэнергия вырабатывается путем хранения теплоты в тепловом аккумуляторе. Таким образом, можно стабильно генерировать электроэнергию в соответствии с потреблением без использования дорогих аккумуляторов. Кроме того, нет необходимости использовать механизм повышения частоты вращения, который применяется в известных ветровых генерирующих установках, что позволяет избежать отказов редуктора. Кроме того, при подаче теплоты теплоносителем на участок генерирования электроэнергии, расположенный в нижней части (в основании) башни, например по транспортной трубе, нет необходимости размещать участок генерирования электроэнергии в гондоле, что позволяет уменьшить размер и вес гондолы, расположенной на вершине башни.
Хотя выше был описан случай, когда в качестве теплоносителя в системе генерирования электроэнергии используется вода, в качестве теплоносителя также можно использовать жидкий металл, имеющий теплопроводность более высокую, чем теплопроводность воды. Одним из примеров такого жидкого металла является жидкий металлический натрий. В случае использования жидкого металла в качестве теплоносителя пар можно генерировать, например, используя жидкий металл в качестве первичного теплоносителя, который принимает теплоту от нагревательного участка и нагревает вторичный теплоноситель (воду) через теплообменник, при этом теплота жидкого металла подается по транспортной трубе.
При использовании в качестве теплоносителя масла, жидкого металла, расплава соли и т.п., точка кипения которых превышает 100°С при нормальном давлении, когда теплоноситель нагревается до заранее определенной температуры, повышение внутреннего давления из-за испарения нагретого теплоносителя внутри проточного канала можно легко предотвратить, в отличие от случая, когда используется вода.
Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами и может быть изменено в соответствии с необходимостью без выхода за пределы сути настоящего изобретения. Например, формы или материалы участка магнитного материала и участка электропроводного материала в нагревательном участке, а также форма проточного канала могут изменяться в соответствии с необходимостью.
Индукционное нагревательное устройство по настоящему изобретению может использоваться не только для систем генерирования электроэнергии, использующих возобновляемые источники энергии, но и для систем горячего водоснабжения, систем отопления и пр. Кроме того, система генерирования электроэнергии по настоящему изобретению преимущественно может использоваться в области генерирования электроэнергии с использованием возобновляемых источников энергии.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ
10, 101 - индукционное нагревательное устройство
Р - система генерирования электроэнергии
11 - ротор
12 - статор
125 - участок ярма
13 - нагревательный участок
131 - участок магнитного материала
132 - участок электропроводного материала
14, 141, 142 - проточный канал
15 - участок генерирования магнитного потока (катушка)
21 - вал вращения
20 - ветровая турбина
201 - лопасть
50 - тепловой аккумулятор
51 - транспортная труба
60 - участок генерирования электроэнергии
61 - паровая турбина
62 - электрогенератор
71 - конденсатор
72 - насос
73 - труба подачи воды
91 - башня
92 - гондола
93 - здание