2015 Fiscal Year Research-status Report
もったいないエネルギーによるピコ発電システムの開発
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15K01000
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| Research Institution | Sendai National College of Technology |
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Principal Investigator |
山田 洋 仙台高等専門学校, 電気システム工学科, 准教授 (80302230)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ピコ水力発電 / エネルギーハーベスティング / アキシャルギャップ型コアレス発電機 / らせん水車 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、身近にあるが普段見過ごし捨ててしまっている流水の小さなエネルギーを電気エネルギーの形で収穫する「エネルギーハーベスティング」技術を発展させるものであり、再生可能エネルギーの利活用を推進するものである。数MW級のマイクロ水力発電に対して、数W級のピコ水力発電を研究対象とする。試作した発電機は、水車の低速回転に対応する多極型ダイレクトドライブ方式、円盤状アキシャルギャップ型のコアレス構造とした。この発電機は、最大出力が得られる負荷条件において、回転数400rpmのときに10W近い出力がシミュレーション及び実験より得られた。
今年度は流れのエネルギーを汎用的に捉えるため、水道水に限らず一般的な低落差の水の流れを対象とし、それに適するらせん水車を採用した。ここで、らせん水車は一枚羽根と三枚羽根の2種類を設計・試作し、その回転軸長方向の長さを変えたときの特性を調査した。実験の都合上、らせん水車は管路中に設置した。一枚羽根らせん水車の回転は流量の影響を受けること、及び軸長を長くとると損失の影響が大きくなることが確認された。一方、三枚羽根らせん水車の回転は水圧の影響を受けること、及び軸長を長く取ると損失もあるが出力が増加する傾向が確認された。今回は管路の水流を対象としたため、らせん水車の性能を十分発揮することはできなかったが、最大出力が得られる負荷条件において400 rpm程度の回転数を達成し、10W近い出力がらせん水車発電機により得られた。
この成果は平成28年1月に開催された高専シンポジウムにおいて2件発表し、今後、8月の電気関係学会東北支部大会などで発表する予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
科研費申請時はピコ水力発電システムを上水道蛇口向けに開発することを目的としていたが、初年度はより汎用的な水の流れを対象とすることに目標を拡張した。これにより、対象とする水車として新たにらせん水車を選定して試作し、工業用水や農業用水などの用水路（開渠）にも適用することが可能となった。ここでは、試作した発電機の性能を十分発揮することができる水車環境を構築でき、汎用的な水の流れから約10Wの出力が得られたことが一つの成果である。
一方、らせん水車の性能を発揮するためには開けた環境が必要であり、水圧管を流れる水には効率が不十分であるため適用できない。水圧は大きなエネルギー源であるが、蛇口の外では見過ごして廃棄しているため、この水圧エネルギーも利活用する必要がある。蛇口の外側に長く水路を確保することができれば、前述のらせん水車で電気エネルギーを得ることができるが、その場所を確保できないことも想定し、蛇口及び水圧管に設置する水車のケーシング及び水車回転軸の軸封水を十分確保するため、水車の動力を非接触で発電機に伝達する機構を発電機とハイブリッドな構造とした新しいシステムの基礎検討を現在進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
水圧管に設置する水車のケーシングには大きな水圧がかかっており、密封することで漏水の危険度を低減することが可能である。本研究では、軸封水を十分にするため、非接触動力伝達を基本とする水車発電機の新しい構造を検討中である。今年度は、非接触動力伝達の基礎特性をシミュレーション及び実験を通じて確認し、その非接触動力伝達構造とアキシャルギャップ型発電機の構造とを照らし合わせて、水車と発電機のハイブリッド構造でどこまで出力が得られるかの基礎特性を検討する。この基礎検討は最初に大気中で行い、その幾何学的構造（大きさ、極数、コイル数、ギャップ長など）と機械的・電気的出力の関係を精査する。次に水車と組み合わせたハイブリッド水車発電システムの検討へと展開するが、並行して水車効率の高い水車構造も探査する。また、発生した電力を蓄電するシステムの構築も、簡易モデルの検討から、より高効率な蓄電システムの検討へと進める予定である。
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| Causes of Carryover |
当初の予定では水車タービン設計用シミュレータの導入を検討していたが、まずはシミュレータを走らせる環境を整備し、学内他学科が有するソフトが利用可能か、適用できるかどうか検討した上で、新たなシミュレータを導入することを検討したことから、購入が遅れている。よって、次年度に購入することを検討している。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
水車を設計するためのシミュレータの購入を今年度も検討し、ハイブリッド水車の設計・試作のために使用する計画である。ハイブリッド水車発電システムは水車と非接触動力伝達をマージする構造であることから、それらを一意的に計算するために、構造解析と電磁界解析とを融合して行うことは重要である。
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