Development of high-temperature superconducting linear power generation module suitable for ocean power generation

适用于海洋发电的高温超导线性发电模块研制

• 批准号: 21H01541
• 负责人: 井田 徹哉
• 金额: $ 10.98万
• 依托单位: Tokyo University of Marine Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01541/
• 关键词: 海洋発電; リニア発電モジュール; アンジュレータ型潮流発電機; ダイレクトドライブ型波力発電機; 高温超電導バルク; 海洋エネルギー発電

本研究は回転タービンを持たない、新形式のアンジュレータ型潮流発電機の採用によって我が国おける潮流発電の実用化を推進することを目的として実施された。アンジュレータ型潮流発電機は潮流を膜のうねりに変換して発電を行う。回転タービンを用いないこのシステムにおいて、発電に必要な流速は0.4 m/s 程度と低く、2 m/sで実用的な発電が可能である。膜のうねりから発電をするためには、直線運動から電力を得るリニア発電モジュールを用いる必要がある。リニア発電モジュールの変位量はかなり小さくなる。潮流に対する流体損失を抑制するために、リニア発電モジュールの外形寸法は小さいほど望ましい。一方、潮流による膜の変動周波数は概ね0.4 Hzと低く、そのストロークの短さと合わせて大きな電力を得ることが難しい。空気の840倍という高い密度を持つ海水に曝されるこの構造は大きな力を受け止めて確実に発電する必要のあるため、リニア発電モジュールには緩衝器としての役割も期待される。本研究では課題解決手段のひとつとして、発電時に電機子コイルで得られる電流密度は磁束密度が大きいほど増加することに注目し、界磁子に高温超電導バルク材料を採用することを検討し、リニア発電モジュールの試設計を行った。界磁子をリニア発電モジュールの上下層と中層に設け、その間に電機子を挿入して往復駆動させた。電機子には当研究室で回転機の駆動に使用実績のある渦巻型コイルを採用した。界磁子にNd-Fe-B永久磁石を使用した5 kW出力のリニア発電モジュールに対して、高温超電導バルク磁石を界磁子に使用した場合は最大で3倍を超える平均出力と力密度が得られることが示された。但し、高温超電導バルク磁石を実機に搭載する場合、冷却のために冷凍機を利用する必要があり、その運転に要する消費電力を始めとするコストを考慮すると出力向上比はこれより小さくなる。

这项研究的目的是通过采用一种不带旋转涡轮的新型波荡器式潮汐流发电机来促进日本潮汐流发电的实际应用。波荡器型潮汐流发电机通过将潮汐流转换成膜波动来发电。在该系统中，由于不使用旋转涡轮，发电所需的流速低至0.4m/s，实际发电速度为2m/s即可。为了利用膜的起伏来发电，需要使用通过线性运动获取电力的线性发电模块。线性发电模块的位移量变得相当小。为了抑制潮流造成的流体损失，期望线性发电模块的外部尺寸尽可能小。另一方面，潮汐流引起的膜的波动频率较低，约为0.4 Hz，这与短行程相结合，使得难以获得大量电力。由于这种结构暴露在密度比空气高840倍的海水中，因此必须能够吸收较大的力并可靠地发电，因此线性发电模块也有望起到缓冲的作用。在这项研究中，作为解决该问题的一种手段，我们关注发电过程中电枢线圈中获得的电流密度随着磁通密度的增加而增加的事实，并考虑使用高温超导块体材料来实现对发电模块进行了试验设计。线性发电模块的上、下、中三层安装有磁场元件，它们之间插入电枢来驱动它们来回运动。对于电枢，我们采用了螺旋线圈，该线圈已在我们的实验室中用于驱动旋转机器。与使用Nd-Fe-B永磁体作为磁场元件的5kW输出的线性发电模块相比，当使用高温超导块体磁体作为磁场元件时，平均输出功率和力密度高达3结果表明，可以得到更高的倍数。然而，当高温超导块体磁体安装在实际机器中时，需要使用制冷机进行冷却，并且当考虑到包括其运行所需的功耗在内的成本时，输出提高比例将小于此。

项目成果

Conceptual design of a linear generator suitable for marine energy power generation

适用于海洋能源发电的线性发电机概念设计

• 发表时间: 2021
• 作者: Petrus Kambo; Yuhi Yamanouchi; Antomne Ale;re Caunes; Masahiro Watasaki; Kota Yamaguchi;Tetsuya Ida
• 通讯作者: Tetsuya Ida