エネルギーキャッシュシステム用高速回転形フライホイールの定常損失評価 ◎村井啓介春名順之介伊東淳一山田昇 (長岡技術科学大学) １．はじめに近年，新エネルギー導入を機運としてエネルギー貯蔵技術が注目されている。エネルギー貯蔵にはバッテリー，フライホイール(FW)，電気二重層コンデンサなどが有力である(1)が，著者らは耐環境性，メンテナンス性に優れる FW を短時間のエネルギー補償，エネルギーキャッシュシステム(ECS)へ適用することを検討している。本論文では，ECS への適用を目的とした高速回転形 FW を製作し，基礎実験として真空引き状態での定常損失について実験的に評価したので報告する。２．フライホイールの構成 Fig. 1.Flywheel structure. 図 1 に今回製作した FW の概略図を，表 1 にその仕様を示す。本装置の目標は，低コストで製作することにある。そこで，慣 Table 1. Specification of Flywheel unit. Outward form 58.25×34×35.3cm 性体を横向きに取り付けた横形の構成を採用した。横回転形は Diameter of FW 30cm 縦回転形と比較すると構造が簡単化できる。また，近年ベアリ Weight of FW 110kg ング技術の向上に伴い，高速回転時における耐久性が高く損失 Rated speed of rotation 15,000r/min が小さいベアリングが登場している。本機は 15,000r/min である Accumulated energy 1.53MJ が軸受にはボールベアリングを使用している。将来高速化を検 Motor capacity 43.4kVA 討しているが，30,000r/min 程度までは本ベアリングを適用でき 12 る。これにより，磁気軸受のような複雑な制御・装置を必要と Inverter and Motor 10 Power [kW] しないため，装置の小型化とコスト低減が可能となる。FW を駆動するモータには誘導機を，電力変換器には汎用インバータ (FRENIC5000G11S 富士電機)を使用し，補機として冷却用のオイルポンプと，風損を低減するための真空ポンプを取り付けて 8 All system 6 4 Accessories 2 いる。真空度は 30kPa に設定している。以上の構成により，FW 0 の慣性負荷を真空中で動作することができるため，風損を低減 0 できる。 200 400 600 Time [s] 800 1000 Fig. 2. Acceleration experimental results. ３．実験結果図 2 に加速試験時の測定結果を示す。本実験では真空ポンプ， 6 オイルポンプを動作させた後，FW を回転する。インバータの制 5 御には V/f 制御を使用し，定格速度 15,000r/min までの加速時間 4 を 680sec に設定している。図 2 に示すように，補機の出力は 3 1.0kW で加速，定常にかかわらず，ほぼ一定である。インバー 2 タは加速に伴い出力電力が増加し，定格回転時で 9.9kW に達す 1 る。インバータの消費電力は定常時では 5kW であることから， 0 この条件では加速電力は最大 5kW であることがわかる。加速途中，出力電力に上下する点が存在するが，これは，機械系の共 Fig. 3. Steady loss experimental results. 振により電力が変動したものと考えられる。図 3 に定常時における各装置の損失を示す。定常時のインバータの出力電力が 5.4kW，補機の出力電力は 1.0kW となり，本タと誘導機の損失が大きいため，マトリックスコンバータと PM 機では定常状態を維持するための損失が大きいことがわかる。モータを適用することで高効率化が可能である。また，オイル一方，風損・機械損は，定格回転時からインバータを停止してポンプでの損失については冷却系を見直し低減をはかる。 FW をフリーランし，FW の回転が停止するまでの時間を測定す参考文献ることで計算できる(2)。定格回転から停止まで9575sec を要した。 (1) 従って，風損と機械損の合計は 160W となる。 (2) 以上より，本機の定常損失が解析できた。本機ではインバー黒崎他「普及版環境と省エネルギーのためのエネルギー技術大系」エス・ティ・エス田爪他，電子情報通信学会総合大会講演論文集，p657，(1999)