はじめてのオールウインドシステム

 

 　　　　　　　　　　　　　　　　The "Unaffordable" Care Act will soon be history!

　　　　　　　　　 　　    　「負担しきれない医療保険制度改革法」（オバマケア）は
　　　　　　　　  　もうすぐお払い箱さ！
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　   　   　ドナルド・トランプ　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　       　　Jan. 13, 2017 21:00 　　　　　　

                                                                                                                                              　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　

 　　　

 

 

【ＲＥ１００倶楽部：スマート風力タービンの開発 Ⅷ】 

【「オール・ウインドシステム」の狙い】

●　Looop社　ケニアで４０メガワットのメガソーラー建設

１月１２日、Looop 社が、ケニアに出力約４０メガワットの大規模太陽光発電所を同国キツイ郡（
Kitui County）と共同プロジェクトの実施に関して合意し、覚書（MOU）に調印し、建設すると発表。
Looop社が事業計画を策定し、１８年度中の着工を目指す。用地確保についてはキツイ郡が支援し、
同郡の所有する土地を活用する。現在、想定している用地で、４０メガワット程度の発電設備の設置
と系統連系などに関し、すでにめどが立っている。総事業費は数十億円になる見込みで、同社の出資
額など、具体的な資本金、ファインナンススキームについては、今後詰めていく。国立ジョモ・ケニ
ヤッタ農工大学とソーラーシェアリングの共同実験を行った経緯がある。今回の共同プロジェクトは、
その実績が評価されたという。南アフリカを除くアフリカで、メガソーラー事業を実施するのは、日
本企業単独としては初めての試みとなる。株式会社Loopは、１１年４月４日設立というニューカマー
だ、と言っても、シャープ、パナソニックなどの大手を除いて、ソフトバンク・エナジーを始めほと
んど、福島第一原発事故以降に続々と設立されてきた。

発電した電力はケニア電力電灯会社（KPLC）に固定価格買取制度を利用して売電する。同国の制度で
はメガソーラーの発電電力は１２セント（約１４円）／キロワットアワーで２０年間、売電できる。
Looop 社が自社製の太陽光パネルを供給するほか、建設コストが日本より下げられるため、事業性を
確保できるとみているという話だが、売電価格の逓減ぶりは激しく、その分、イニシャルコストの相
対的な割高を相殺する資金調達力の小さな企業は太刀打ちできない出ないのではと老婆心ながら心配
するほどだ。それほどまでに「オールソーラーシステム」は予想を上回るほど順調に事業発展してい
るなか、ソーラーの課題は、①量子ドット太陽電池を代表する変換効率３０％超のソーラ、②蓄電シ
ステム価格の逓減の２つとなっている。ゆえに、国内における風力発電システム事業拡大は相対的に
後退しているように見え、これを挽回すべく、新年から「オールウインドシステム」事業開発に傾注
することになる。

●　よりコンパクトに！どこでも！風況に依存せず！風さえあれば発電

【特許事例】特許5773362 エネルギー貯蔵装置

●　特許請求範囲

1. 一対あるいは複数対の永久磁石を、同極どうしを対向させるとともに軟磁性材からなる歯車形
   のスペーサ部材を永久磁石の端面間に介在させて、永久磁石とスペーサ部材とを一体形成した
   磁界発生モジュールと、コイル部材を有する電力回収モジュールとを備え、磁界発生モジュー
   ルは、軸線の回りに回転自在に支持され、貯蔵したいエネルギー源を用いて駆動部を介して回
   転させ、このコイル部材は、前記磁界発生モジュールから発生する交流磁界と鎖交する配置と
   して、スペーサ部材に近接する位置と、スペーサ部材から離隔した退避位置との間において移
   動可能に設けられていることを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
2. 前記電力回収モジュールは、前記コイル部材により回収された電気エネルギーを利用する負荷
   を備えることを特徴とする請求項１記載のエネルギー貯蔵装置。
3. 前記電力回収モジュールは、前記磁界発生モジュールが発生する磁界の周波数に合わせて、こ
   のコイル部材のインピーダンスと前記負荷のインピーダンスとを整合する機能を備えることを
   特徴とする請求項２記載のエネルギー貯蔵装置。
4. 前記磁界発生モジュールは、前記駆動部との連繋を遮断可能に設けられていることを特徴とす
   る請求項１～３のいずれか一項記載のエネルギー貯蔵装置。
5. 前記磁界発生モジュールは全体として円柱状に形成されていることを特徴とする請求項１～４
   のいずれか一項記載のエネルギー貯蔵装置。

【符号の説明】

１０ 磁界発生モジュール １２ スペーサ部材　 １２ａ 歯部　 １２ｂ 凹部　 １４、１５ 永久磁
石　 ２０，２１ 支持部　 ２２ 永久磁石（第２の永久磁石）　 ２３ 永久磁石（第３の永久磁石）
３０ 駆動部　 ４０ 電力回収モジュール　 ４２ 空心コイル　 ４４ 負荷　 ５０ａ、５０ｂ 回転
軸　 ５２ 支持部材

【技術背景】

IoTを実現するための重要な課題のひとつが、電源の確保である。あらゆるモノがインターネットに
接続するためには、それら全てのモノに電源が必要となる。しかし、電源配線、電池交換、充電操作
などが必ずしも容易ではない場所も多い。そのため、代替となる低コストで普遍的な電源技術の確立
が急務となっているのが、そのような代替電源技術のひとつとしてエネルギーハーベスティング技術。
エネルギーハーベスティングは、光、振動、熱（温度差）、電波など、周りの環境に様々な形態で存
在する希薄なエネルギーを「収穫」（ハーベスト）して、電力に変換する技術である。環境発電とも
呼ばれる。発電量はマイクロワット～数ワットのオーダーであり、量的にもコスト的にも再生可能エ
ネルギーとしての意味はないが、近年の低消費電力化技術の進歩で、利用用途が広がってきた。とく
に、IoTやサイバーフィジカルシステム、トリリオンセンサなどへの関心が高まってきたことで、無
線センサの自立電源駆動を実現するためのキーテクノロジとして、エネルギーハーベスティングへの
期待が高まる。現状のエネルギーハーベスティングの技術水準では、あらゆる場所で普遍的に使える
電源技術にはならないが、世界的な研究開発競争が起きており、技術進歩も著しい。

エネルギー・ハーベスティングのシステムの代表的な動作の流れは，①まず、エネルギー源を検出し
電力を発生させ、②収穫した電力を電源回路で変換しコンデンサや2次電池に蓄える。③たまった電
力を使って制御マイコンやセンサを起動して、④処理した情報を無線送受信によって外部に伝達する。
周辺部品の進化とは，発電した電力を高効率に利用するための電源回路や，信号の送受信に利用する
無線IC、制御マイコン、センサなどが大幅に低消費電力化したことを指す（図３）。これまでは、発
電デバイスがせっかく電力を収穫しても、こうした周辺部品の自己消費で使い切ってしまい、所望の
機能に利用するには至らなかったが、高効率で低消費電力の回路を持つICが出そろったことで、ようやくエ
ネルギー・ハーベスティングが“使える”段階に入ってきた。

この技術は、利用可能な量に限りのある化石燃料と異なり、無尽蔵に存在する自然エネルギーを利用
可能なため、次世代のエネルギー源として近年注目されており、IDTechExによると、エナジーハーベ
スティング技術の市場は、２０年には$４.４b（１０年では$６０５m）に急成長すると予測されている。
一方、エナジーハーベスティング技術では、太陽光などの自然エネルギーを用いるため、周囲の天候
等によって回収できるエネルギー量が大きく変動するという課題がある。このため、エナジーハーベ
スティング技術を用いて安定した電力を供給するためには、併せてエネルギー貯蔵技術についても議
論される必要がある。

【課題を解決するための手段】

本発明に係るエネルギー貯蔵装置は、

①一対あるいは複数対の永久磁石を、同極どうしを対向させるとともに軟磁性材からなる歯車形のス
ペーサ部材を永久磁石の端面間に介在させて、永久磁石とスペーサ部材とを一体形成した磁界発生モ
ジュールと、②コイル部材を有する電力回収モジュールとを備え、前記磁界発生モジュールは、軸線
の回りに回転自在に支持され、貯蔵したいエネルギー源を用いて駆動部を介して回転させ、前記コイ
ル部材は、前記磁界発生モジュールから発生する交流磁界と鎖交する配置として、前記スペーサ部材
に近接する位置と、前記スペーサ部材から離隔した退避位置との間において移動可能に設けられてい
ることを特徴とする。

なお、複数対の永久磁石とは、スペーサ部材を複数個備える場合で、スペーサ部材ごとに永久磁石が
対向配置されているという意味である。また、磁界発生モジュールは、

①直接的に駆動部に連繋して設ける場合と、
②間接的に連繋して設けられる場合がある。

本発明は、永久磁石を対向配置することにより、①中心軸に対して径方向に大きな磁界を発生させる
ことが可能であること、②スペーサ部材の形状により周囲の径方向磁界の大きさに変動を持たせるこ
とが可能であること、③磁界発生モジュールを回転させることで回転中心軸に対して径方向に交流磁
界を発生可能であること、④磁界空間中に回転中心軸から径方向から近づけたコイル部材を置くこと
により高い電力密度で高効率にエネルギーを回収することが可能になるとの知見に基づく。

すなわち、自然エネルギーなどを利用して、軸線の回りで回転する回転体として駆動される磁界発生
モジュールの回転エネルギーを、コイル部材を介して電気エネルギーとして回収して利用する。なお、
コイル部材としては適宜ターン数の空心コイルが好適に使用できる。

①第一のモジュールは磁界発生モジュールであり、軸線方向に着磁された永久磁石を対向配置し、そ
の間に歯車形状に加工した軟磁性材からなるスペーサ部材を挟みこむことで、径方向磁界の分布に強
弱を持たせた構造を有する。回転エネルギーを回収するという発想は、水力、風力発電に代表される
技術で古くから行われているが、通常、こうした技術は、発電した電力をすぐに系統へ送るか蓄電池
に貯めるという手法をとるため、水量、風量が小さい場合には極めて効率が悪いか回転エネルギーを
得ることができない。この点、本出願に係る第一のモジュールによれば、理論上空気抵抗と軸受の損
失のみで回転エネルギーとして蓄えておくことができ、必要な時に磁界発生モジュール対して非接触で
エネルギーを取り出すことが可能になる。

②第二のモジュールは電力回収モジュールであり、コイル部材を備える。このモジュールによれば、
渦電流による発熱や電力損失を受けにくい低周波磁界を利用することが可能である。この第二のモジ
ュールでは、電力の回収にコイル部材（空心コイル）を用いるため、磁界振幅の２乗に比例する電力
を回収することが可能になる。第一のモジュールを回転させることで周囲に変動磁界を発生し、第二
のモジュールにより非接触で磁界のエネルギーを回収することが可能になる。

電力回収モジュールとしてコイル部材に負荷を接続することにより、コイル部材により回収された電
気エネルギーを負荷に供給できる。磁界発生モジュールは、この磁界発生モジュールを軸線の回りに
回転駆動する駆動部に連繋する構成とする。駆動部のエネルギー源として風力や水力等の自然エネル
ギーを利用することにより、自然エネルギーを有効活用することができる。

前記一対の永久磁石に円柱磁石あるいは円筒磁石を使用し、磁界発生モジュール全体を円柱状とし、
中心に軸を設けて中心の回りに自由回転可能にすることにより効率的に回転エネルギーを保持するこ
とができる。永久磁石の大きさは限定されるものではなく、多角柱状、多角筒状とすることもできる。
回転体としての慣性を大きくするために錘をつけることも可能である。本出願に係るエネルギー貯蔵
装置は、磁石と磁性材料、コイルから構成されるため、安価であり、構成が容易である。また、磁界
発生モジュールは３６００rpm以下といった低速回転で利用することを想定しており、渦電流損が小
さく、少ない電力ロスで使用することが可能である。また、コイル部材のインピーダンスと負荷のイ
ンピーダンスを整合することにより、共振現象を利用できれば、最大電力供給の定理より最適な電気
エネルギーの供給が可能である。

なお、低周波磁界を利用することで、生体への影響が懸念される（ICNIRP2010による生体への電磁界
ガイドライン値は200μT）が、磁界発生モジュールが発生する磁界は、距離が離れると２つのダイポ
ール磁気モーメントと仮定できるため、距離の３乗で反比例して減衰する。そのため適宜距離を離す
ことで、生体への磁界曝露の基準を解決できる。

【発明の効果】

本発明に係るエネルギー貯蔵装置によれば、低コストかつ電力ロスの少ない高効率なエネルギー貯蔵、
回収を行うことが可能なエネルギー貯蔵装置を提供することが可能である。

これに対し、九州工業大学らの研究グループの「風況を選ばない高出力インテリジェント風力発
電機の実用化研究」による（下表）カットイン風速は毎秒１メートル以上で、比較年間発
電量や約３０％アップを示す。それでは、「相逆転二段羽根車と内外二重回転子からなる発電
装置」に関する特許事例を見みることに。

【特許事例】特開平10-201197 相逆転二段羽根車と内外二重回転子からなる発電装置

ノズルや案内羽根を設けず、前後段の羽根車１１、１２を互いに逆方向に回転させて、両羽根車間を
通過する流体に角運動量変化を発生させることにより、軸方向流入流出を実現させる。このときの角
運動量変化からえられた回転動力それぞれを内外二重の回転子７、８に伝え、両回転子間の相対速度
を倍にすることにより、発電機の外径を従来のものに比べて半減させ、流体エネルギーを利用する発
電装置について、羽根車へ流入する流体に角運動量を与えるためのノズルや案内羽根を取り除くとと
もに、発電機の外径を半減させることにより、発電装置の簡素化を図る。

【符号の説明】

１ 前段羽根車の羽根要素　２ 後段羽根車の羽根要素　３ ケーシング　４ ハブ　５ スリップリン
グ　６ ステー羽根　７ 外側回転子　８ 内側回転子 ９ 前段羽根車の回転軸　１０ 後段羽根車の回
転軸　１１ 前段羽根車　１２ 後段羽根車　１３ 軸受　１４ 封水リング

この発明は、流体のもつ運動および位置エネルギーを電気エネルギーに効率よく変換するため、回転
中心軸を共有し互いに逆方向に回転する二段の羽根車を設け、その両回転動力を内外二重の回転子に
伝えて電力を発生させる装置に関するものである。

①従来、流体がもつエネルギーを羽根車で吸収する形式の発電装置では、羽根車へ流入する流体に角
運動量を与えるため、上流側にノズルあるいは案内羽根を設けるのが普通であった。このため、構造
は複雑となり摩擦損失の増加を招く欠点があった。

②また、羽根車の回転軸と発電機の回転子を連結し、回転子の外周側に設けた固定子との相対運動に
よって電力を発生させていた。このため、羽根車の回転は一方向に限定され、その回転数は羽根車性
能の要求から一義的に決まる。したがって、水車などの低速回転羽根車の場合には、所望する電力、
すなわち、固定子との相対速度を速めるために、また交流発電では極数を多くするためにも、回転子
の外径を大きくとらなければならない欠点があった。

本発明は、互いに逆方向に回転する二段の羽根車と内外二重の回転子からなる発電機を設けることに
よって、従来から当然のこととして容認してきた上記の欠点を取り除いた発電装置に関するものであ
る。本発明装置に設ける羽根車の作用について、軸流羽根車の場合を例にとり図１によって説明する。
流体は左方から軸方向に絶対速度Ｖ１（＝Ｖｍ：軸方向速度成分）で流入し、前段羽根車１を上流側
から見て周速度Ｕで右回転させる。そして、前段羽根車の出口では、回転方向とは逆方向の旋回速度
成分（Ｖ２×ｓｉｎＡ２）を発生させる。この流れはそのまま後段羽根車２に対する流入条件（絶対
速度Ｖ３＝Ｖ２）となり、後段羽根車を、前段羽根車とは逆方向に周速度Ｕで左回転させる。

そして、後段羽根車の出口では再度軸方向流れ（Ｖ４＝Ｖｍ）となるようにする。このようにすると、
流体が前後段の羽根車それぞれを通過するときの角運動量変化は同じになるから、周速度（回転数）
を同じにすれば、流体からえられる回転動力も同じになる。このように互いに逆方向に回転する前後
段の羽根車の回転動力を内外二重の回転子にそれぞれ伝えることにより、両回転子間における相対速
度は倍になる。したがって、固定子と回転子からなる従来の発電機に比べて半分の外径で同一の電力
が発生し、交流発電の場合には極数は半分となる。

本発明装置の一具体例として、上記の軸流羽根車と回転子を設けた場合について図２によって説明す
る。流体は左方から軸方向に流入し、前段羽根車１１と後段羽根車１２を互いに逆方向に回転させた
後、軸方向に流出する。これらの羽根車からえられた回転動力は回転中心軸が一致しているそれぞれ
の回転軸９、１０によって内外二重の回転子７、８に伝えられる。ここでえられた電力は外側回転子
７に設けたスリップリング５を介して外部に取り出される。これらの回転子はケーシング３とステー
羽根６で固定されたハブ４内に設けられている。本発明の発電装置は、従来の装置に比べて次のよう
な利点を有す。

（１）前後段の羽根車を互いに逆方向に回転させることにより、軸方向流入流出が実現できるので、
　　羽根車の上流側で流体に角運動量を与えるためのノズルや案内羽根が不要となり、構造の簡素化
　　や摩擦損失の軽減を図ることができる。
（２）互いに逆方向に回転する内外二重の回転子にすることにより、従来の発電機に比べて外径を半
　　減でき、交流発電では極数も半減できる。このことは、低速回転の場合にとくに有利となる。
（３）上記内容は発電装置全体のコンパクト化に連なり、簡易発電装置として有効であるばかりでな
　　く、従来の業務用バルブ水車などの発電機部分の外径を半減させることができるので、装置自身
　　に限らず、発電所建設における掘削経費節減や発電機輸送の容易さなどにも多大に貢献する。

時間が来たので、この続きは、明日のブログに掲載する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　この項つづく