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» 2014年03月14日 07時00分 UPDATE

蓄電・発電機器:鉄道総研が狙う超電導、太陽光に生かす (1/2)

大電力を蓄えるさまざまな装置が実用化されている。揚水発電所は最も規模が大きい。NAS電池や大容量リチウムイオン蓄電池もある。電力の取り出し時間が短いキャパシタ技術も使われている。鉄道総合技術研究所は、古河電気工業などと共同で、大電力を低損失で蓄電可能な超電導フライホイール蓄電システムを開発中だ。

[畑陽一郎,スマートジャパン]

 「極低温に保った超電導コイルを利用してフライホイールに電力を蓄え、電力系統と接続する連系試験を計画している。現在、山梨県の米倉山に建設中のメガソーラーが対象だ」(鉄道総合技術研究所)。メガソーラーの出力は1MW。

 同研究所は、古河電気工業とクボテック、ミラプロ、山梨県企業局を取りまとめて、「次世代フライホイール蓄電システム」の技術開発を進めている*1)。太陽光発電など、再生可能エネルギー発電所の出力変動を吸収、補償する大容量蓄電システムを開発することが目的だ。「最終的な目標は容量300kWhの蓄電システム。まずは100kWhの蓄電システムで連系試験に進む」(古河電気工業)。図1にシステムの完成予想図を挙げた。

*1) 新エネルギー・産業技術開発総合開発機構(NEDO)が2012年度に公募した「安全・低コスト大規模蓄電システム技術開発」プロジェクトに採択された。実施期間は2012〜2014年度。なお、鉄道総合技術研究所は2012年度まで国土交通省の国庫補助金を利用して、超電導軸受の開発を進めており、NEDOのプロジェクトでは大型化と実用化に向けた開発を目指している。

yh20140314SC_sysetm_590px.jpg 図1 次世代フライホイール蓄電システムの完成イメージ 出典:鉄道総合技術研究所

摩擦ゼロを実現する

 次世代フライホール蓄電システムの仕組みはこうだ。図1は灰色のシリンダ(円筒)の他、手前に制御装置と人が描かれている。

 イラストではシリンダの手前表面の約半分を取り除いてある。シリンダ内部には黒色で中央部が中空のフライホイールが収まっている。フライホイールの直径は約2m、素材は炭素繊維だ。灰白色の軸を中心に分速3000〜6000回転で動く。「容量300kWhのシステムではフライホイールの重量が10トンに達する」(古河電気工業)。

 外部からシステムに電力を供給すると、中心軸につながった電動機によって停止していたフライホイールが動き始め、次第に回転速度が上がっていく。電力が必要になったときには、フライホイールの運動エネルギーを電力の形で取り出す。蓄電、放電にかかる時間が短く、何度くり返しても劣化しない「蓄電池」だ。

 効率のよい蓄電システムを作り上げるには、フライホイールの回転が摩擦によって衰えないようにする仕組みが必要だ。そこで2つの手法を取り入れた。

 1つはシリンダ内部をある程度の真空に保つこと。事業に参加するミラプロが真空技術を担当する。もう1つは軸受の工夫だ。摩擦をゼロにするためにフライホイールを磁力で空中に浮かせて保持する。図1の中心軸の最下部に主要な軸受があり、ここで重量を支える。中心軸の上下2カ所にある灰白色の円盤は補助軸受だ。

なぜ超電導なのか

 通常の磁石ではこれほどの重量物を安定して浮かせることが難しい。そこで超電導技術を採用した。「軸受全体の基本設計や浮上量解析などを当研究所が担当し、古河電気工業が超電導磁石の設計とコイルの評価などを進めた」(鉄道総合技術研究所)。

 2014年3月には最終的なシステムに至る中間段階として、高温超電導マグネットの開発に成功したことを発表。世界初の成功例だという。「1.6T(テスラ)の磁力を発生し、1組の軸受で2トンを超える荷重を非接触で支持できた。今後の開発目標は4トンである」(古河電気工業)。「2015年までに100kWhのシステムを作り上げ実証実験に入る」(鉄道総合技術研究所)。このときフライホイールの重量は約3トン。冒頭で紹介したメガソーラーと組み合わせる。

 軸受部分でフライホイールを浮かせるには、軸受側とフライホイール側の両方に超電導電磁石が必要になりそうだ。だが、フライホイール側は空中に浮いており、電力を供給しにくい。そこで、フライホイール側の軸に鉄道総合技術研究所が開発した超電導バルク体を据え付けた。超電導バルク体には極低温状態で反磁性*2)という性質があり、磁力を受けると反発する。磁石に吸い付けられる鉄などとは正反対の性質だ。反磁性を使うことで、電磁石は1つで済む。

*2) 身の回りの物質では、水や岩塩、銅などが反磁性を示す。ただし、これらの物質では反磁性効果が弱く、今回開発したマグネットの数十倍〜数百倍の性能がないと、重量物を支えることはできない。

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