| 研究課題/領域番号 |
23K22748
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01477 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21010:電力工学関連
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| 研究機関 | 明治大学 |
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研究代表者 |
野村 新一 明治大学, 理工学部, 専任教授 (90401520)
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| 研究分担者 |
仁田 旦三 明治大学, 研究・知財戦略機構, 研究推進員(客員研究員) (40026266)
新冨 孝和 明治大学, 研究・知財戦略機構, 研究推進員(客員研究員) (10016082)
平野 直樹 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (60529650)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2025年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
2024年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
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| キーワード | 系統安定度 / 固有値 / 超電導磁気エネルギー貯蔵（SMES） / 二ホウ化マグネシウム（MgB2） / 冷凍機冷却 / ヘリカルコイル / 超電導磁気エネルギー貯蔵 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
再生可能エネルギーの導入量増大，電力自由化が進む現在，電力変動に対してレジリエンス（復元力）が働き系統が安定して運転できるかどうかの指標である系統安定度が測定できていない問題がある。本研究は，超電導磁気エネルギー貯蔵（SMES）を用いて系統に正弦波状の微小電力変動を与え，系統の振動モード（固有値）を測定する手法を提案し，これまで計算に頼っていた系統安定度（固有値）が直接測定できることの工学的根拠を示す。また，固有値測定を目的としたSMES装置の実現性を冷凍機冷却の超電導導体および巻線モデルの基礎実験を行い検証する。
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は，超電導磁気エネルギー貯蔵（SMES）を用いて，系統固有周波数（1～2 Hz）で正弦波状の有効電力による強制励振を行い，系統の電力変動応答を評価し振動モード（固有値）を直接測定する手法の工学的根拠を示すことである。2024年度は，主としてSMES用超電導コイルの要素技術開発を進めてきた。本研究では，丸線形状で多数本撚線による大容量（大電流）導体化が容易な二ホウ化マグネシウム（MgB2）線材を利用した冷凍機冷却の無冷媒超電導コイルの開発を目標としている。通常，冷凍機冷却の超電導コイルは，100ないし200 A程度の通電電流で運転されるが，電力応用を考えた場合，kA級の大電流化の実現が重要な技術的課題となる。液体ヘリウムなど冷媒で冷却された超電導コイルでは，冷たい蒸発ガスも常温と極低温を電気的に接続する銅電流リードの冷却に利用できた。しかし，冷凍機冷却の場合，電流リードの両端は冷凍機で冷却できても中央部は断熱真空状態であるため，電流リードの冷却設計が難しく大電流化を困難にさせている。本研究では，銅電流リードの再設計・改良を繰り返し，600 A級の銅電流リードを市販の冷凍機1台で冷却することに成功した。これにより，MgB2線材の曲げひずみの特性試験を行うための実験環境整備が完了した。2024年度はMgB2素線の熱処理を行い通電試験を開始している状況にある。また，同時進行で撚線導体化のための加工機の改良を進め，撚線導体の具体的な構成を検討し導体短尺試料の製作を開始している。加えて，本研究ではSMES装置の可搬性実現のため，電磁力支持材重量を大幅に低減させた電磁力平衡コイルを採用した超電導コイルの軽量化の実現を目指している。複雑なヘリカル巻線形状を有する電磁力平衡コイルの機械巻製作の可能性を検証するため，連続巻に対応したヘリカル巻線機の試作機の改良を進めてきた。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
3: やや遅れている
理由
昨年度より常温と極低温を電気的に接続する銅電流リードの冷却性能が得られなかった課題に対して，再設計と改良を重ねることで本年度は600 A級の銅電流リードを市販の冷凍機1台で冷却することに成功し，MgB2線材短尺試料および実証モデルコイルの冷凍機冷却試験のための実験環境整備を完了させることができた。MgB2線材素線曲げひずみ試験と撚線導体開発を同時進行で進めることで研究計画の遅れを解消する対応策をとってきたが，素線と撚線導体の曲げひずみの解析結果と冷凍機冷却による通電特性を評価する段階には至っておらず，実証モデルコイルの設計段階へは進んでいない状況である。しかし，撚線導体の具体的な構成は検討しており，MgB2素線の熱処理，冷凍機冷却通電試験，撚線導体製作などの一連の実験手順は十分に確認できている。このため，実験データ収集に関しては今後順調に進んでいく目途は立っている状況にある。一方，電力工学の観点から固有値測定条件の検討に関しては，冷凍機冷却の実験環境整備に多くの時間を費やしたため，詳細な検討には至っていない。以上の理由により，進捗はやや遅れている状況である。
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| 今後の研究の推進方策 |
独自にMgB2線材撚線導体の撚線加工機を開発する必要が生じた点や冷凍機冷却装置の性能評価において電流リードの冷却性能が十分に得られなかった点など，当初の想定に反して研究期間全体での計画に遅れが生じてしまい，実験環境の整備に多くの研究時間を費やしてしまった。本研究は，SMESを用いて系統安定度（固有値）を測定する手法の工学的根拠を示すことを目的とし，電力工学と超電導工学の観点から研究を進めていく計画であった。特に電力工学の観点からは固有値測定条件を系統解析などを行い検討する予定であった。しかし，固有値測定のためのSMES装置本体の実現性を示すことができなければ，これまで検討してきた可搬性を重視した超電導コイルの概念設計や固有値測定を想定したSMESの運転シナリオの妥当性について工学的根拠が得られない結果となってしまう。このため，残りの研究期間では超電導工学の観点からの研究に軸足を傾け，SMES用冷凍機冷却超電導コイルの要素技術開発に主眼をおいて研究を行う。残りの研究期間では，MgB2線材の撚線導体化，熱処理，コイル製作のそれぞれの段階における工学的実現性を検証し，本研究の目的の一つである逐次変化する系統の状態に対応可能な可搬性重視のSMES装置形態と運転方法を明らかにするという目的の達成を目指す。
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