JP7605477B2 - Flywheel and flywheel energy storage system - Google Patents
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Description
本発明は、フライホイール、及び、フライホイール蓄電システムに関する。 The present invention relates to a flywheel and a flywheel energy storage system.
従来、フライホイールを回転動作させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵するフライホイール蓄電システムが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。 Conventionally, a flywheel energy storage system is known that stores electrical energy as kinetic energy by rotating a flywheel (see, for example, Patent Document 1 below).
フライホイール蓄電システムのフライホイールとして一般的には、下記特許文献１のように一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤によるもの、或いは、円盤の外周縁部に当該円盤よりも低密度の材料で形成した外縁部を設けたものが用いられている。 The flywheel in a flywheel energy storage system is generally a disk made of one type of material with a uniform density throughout, as in Patent Document 1 below, or a disk with an outer periphery made of a material with a lower density than the disk itself.
しかし、上記従来の構成では、同じ体格（体積）のフライホイールを同じ回転角速度で回転させようとしたとき、十分な質量エネルギー密度が得られないという問題がある。 However, the above conventional configuration has the problem that when trying to rotate a flywheel of the same size (volume) at the same rotational angular velocity, sufficient mass energy density cannot be obtained.
上記の点に鑑み、本発明は、高いエネルギー密度を有するフライホイール、及び、そのフライホイールを採用して蓄電エネルギーの増大と軽量化を両立させることができる蓄電システムを提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention aims to provide a flywheel with high energy density and an energy storage system that employs the flywheel to achieve both increased stored energy and reduced weight.
本発明は、フライホイール蓄電システムのフライホイールであって、回転軸と、相対的に平均密度が低い低密度円盤部と、該低密度円盤部より平均密度が高い高密度外縁部とを備え、前記低密度円盤部は、前記回転軸に一体に支持されて、その全部が前記高密度外縁部の内周面よりも回転軸線側に位置し、前記高密度外縁部は、前記低密度円盤部に一体に支持されて、その全部が前記低密度円盤部の外側に位置し、前記回転軸の回転が前記低密度円盤部を介して前記高密度外縁部に伝達するように構成されていることを特徴とする。 The present invention is a flywheel for a flywheel energy storage system, comprising a rotating shaft, a low-density disk section having a relatively low average density, and a high-density outer edge section having a higher average density than the low-density disk section, the low-density disk section being supported integrally with the rotating shaft and its entirety being located closer to the rotation axis than the inner circumferential surface of the high-density outer edge section, the high-density outer edge section being supported integrally with the low-density disk section and its entirety being located outside the low-density disk section, and the rotation of the rotating shaft being transmitted to the high-density outer edge section via the low-density disk section.
本発明のフライホイールは、低密度円盤部と高密度外縁部とで構成されていることにより、同じ体積として同じ角速度で回転するとき、従来のフライホイール（一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤によるもの、或いは、円盤の外周縁部に当該円盤よりも低密度の材料で形成した外縁部を設けたもの）に比べて、高い質量エネルギー密度を達成することができる。 The flywheel of the present invention is composed of a low-density disk portion and a high-density outer edge portion, and therefore, when rotating at the same angular velocity with the same volume, it can achieve a higher mass energy density than conventional flywheels (which are made of a disk formed with a uniform density throughout from one type of material, or which have an outer edge portion around the outer periphery of the disk formed from a material with a lower density than the disk).
また、本発明のフライホイールにおいては、一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤による従来のフライホイールよりも１０％以上の質量エネルギー密度の改善を得る場合には、前記低密度円盤部の平均密度をρｉ、半径をＲｉ、前記高密度外縁部の平均密度をρｏ、半径をＲｏとするとき、Ｒｉ／Ｒｏは０．４以上１未満、かつ、ρｉ／ρｏは０．６以下とすればよい。 Furthermore, in the flywheel of the present invention, in order to obtain a mass energy density improvement of 10% or more compared to a conventional flywheel using a disk formed of a single type of material with a uniform density throughout, when the average density of the low-density disk portion is ρ i , the radius is R i , the average density of the high-density outer edge portion is ρ o , and the radius is R o , R i /R o should be 0.4 or more and less than 1, and ρ i /ρ o should be 0.6 or less.
また、本発明のフライホイールにおいては、一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤による従来のフライホイールよりも５０％以上の質量エネルギー密度の改善を得る場合には、前記低密度円盤部の平均密度をρｉ、半径をＲｉ、前記高密度外縁部の平均密度をρｏ、半径をＲｏとするとき、Ｒｉ／Ｒｏは０．８以上１未満、かつ、ρｉ／ρｏは０．１以下とすればよい。 Furthermore, in the flywheel of the present invention, in order to obtain a mass energy density improvement of 50% or more compared to a conventional flywheel using a disk formed of a single type of material with a uniform density throughout, when the average density of the low-density disk portion is ρ i , the radius is R i , the average density of the high-density outer edge portion is ρ o , and the radius is R o , R i /R o should be 0.8 or more and less than 1, and ρ i /ρ o should be 0.1 or less.
前記フライホイールを設計する場合には、前記低密度円盤部の平均密度をρｉ、半径をＲｉ、前記高密度外縁部の平均密度をρｏ、半径をＲｏとするとき、下記式（１）で定義された値Ｚを増大させるように、Ｒｉ／Ｒｏとρｉ／ρｏとを適正化することが挙げられる。 When designing the flywheel, where ρi is the average density of the low-density disk portion, Ri is the radius, ρo is the average density of the high-density outer edge portion, and Ro is the radius, Ri / Ro and ρi / ρo can be optimized to increase the value Z defined by the following formula (1):
式（１）は、本発明フライホイールと一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤による従来のフライホイール（以下、単に従来のフライホイールという）とのエネルギー密度比である。 Equation (1) is the energy density ratio between the flywheel of the present invention and a conventional flywheel made of a disk that is made of a single type of material and has a uniform density throughout (hereinafter, simply referred to as the conventional flywheel).
即ち、式（１）は、次のようにして求められる。従来のフライホイールの質量Ｍと、慣性モーメントＪと、エネルギＥとの関係から、従来のフライホイールのエネルギー密度は、式（２）となる。 That is, formula (1) can be calculated as follows. From the relationship between the mass M, moment of inertia J, and energy E of a conventional flywheel, the energy density of the conventional flywheel is given by formula (2).
一方、本発明のフライホイールの前記低密度円盤部の質量Ｍｉ、慣性モーメントをＪｉ、エネルギをＥｉとの関係と、 On the other hand, the relationship between the mass M i of the low density disk portion of the flywheel of the present invention, the moment of inertia J i , and the energy E i is as follows:
及び、本発明のフライホイールの前記低密度円盤部の質量Ｍｏ、慣性モーメントをＪｏ、エネルギをＥｏとの関係と、 and a relationship between the mass M o , the moment of inertia J o , and the energy E o of the low-density disk portion of the flywheel of the present invention;
により、本発明のフライホイールのエネルギー密度は、式（３）となる。
Therefore, the energy density of the flywheel of the present invention is expressed by formula (3).
そして、式（２）と式（３）とから、本発明フライホイールと従来のフライホイールとのエネルギー密度比を示す式（４）を得ることができる。なお、式（４）により、エネルギー密度比はＲｉ／Ｒｏとρｉ／ρｏにのみ依存しており、回転角速度ωは無関係となることが明らかである。 From equations (2) and (3), equation (4) can be obtained, which shows the energy density ratio between the flywheel of the present invention and the conventional flywheel. It is clear from equation (4) that the energy density ratio depends only on R i /R o and ρ i /ρ o , and is unrelated to the rotational angular velocity ω.
式（１）は、式（４）に基づくものである。よって式（１）からエネルギー密度比の値Ｚを求めることができる。このように、式（１）を用いることにより、所望のエネルギー密度比を容易に算出することができる。 Equation (1) is based on equation (4). Therefore, the energy density ratio value Z can be obtained from equation (1). In this way, the desired energy density ratio can be easily calculated by using equation (1).
このことから明らかなように、本発明のフライホイールを設計する場合には、前記値Ｚを最大化させるように前記Ｒｉ／Ｒｏと前記ρｉ／ρｏとを決定することが好ましい。 As is apparent from this, when designing the flywheel of the present invention, it is preferable to determine the R i /R o and the ρ i /ρ o so as to maximize the value Z.
更に、本発明のフライホイールを設計する場合には、変数Ｒｉ／Ｒｏと変数ρｉ／ρｏとの交点に前記値Ｚが記録されたマトリクス表を用いて、前記値Ｚの増大領域を視覚的に探索することが好ましい。前記マトリクス表は、例えば、図１２に示すように、横方向にＲｉ／Ｒｏの値を配し、縦方向にρｉ／ρｏの値を配し、Ｒｉ／Ｒｏの値とρｉ／ρｏの値との交差位置に式（１）によって算出したエネルギー密度比の値Ｚを記録したものが挙げられる。 Furthermore, when designing the flywheel of the present invention, it is preferable to visually search for an area where the value Z increases by using a matrix table in which the value Z is recorded at the intersections of the variables R i / R o and ρ i /ρ o . The matrix table may, for example, be one in which the values of R i /R o are arranged horizontally and the values of ρ i /ρ o are arranged vertically, as shown in Fig. 12, and the values of the energy density ratio Z calculated by formula (1) are recorded at the intersections of the values of R i /R o and ρ i /ρ o .
前記マトリクス表を用いることにより、目標とするエネルギー密度比（改善比）を達成するＲｉ／Ｒｏとρｉ／ρｏの組み合わせ候補を複数提示することができる。よって、極めて容易且つ迅速に前記Ｒｉ／Ｒｏと前記ρｉ／ρｏとを決定することができる。 By using the matrix table, it is possible to present a plurality of combination candidates of R i /R o and ρ i /ρ o that achieve a target energy density ratio (improvement ratio), and therefore it is possible to very easily and quickly determine the R i /R o and the ρ i /ρ o .
即ち、従来のフライホイールよりも１０％以上の質量エネルギー密度の改善を得る場合、図１２に示すマトリクス表を用いれば、Ｒｉ／Ｒｏは０．４以上１未満、かつ、ρｉ／ρｏは０．６以下とすればよいことが容易に決定でき、従来のフライホイールよりも５０％以上の質量エネルギー密度の改善を得る場合、前記マトリクス表を用いれば、Ｒｉ／Ｒｏは０．８以上１未満、かつ、ρｉ／ρｏは０．１以下とすればよいことが容易に決定できる。 That is, to obtain an improvement in mass energy density of 10% or more over a conventional flywheel, by using the matrix table shown in FIG. 12 it can be easily determined that R i /R o should be 0.4 or more and less than 1, and ρ i /ρ o should be 0.6 or less, and to obtain an improvement in mass energy density of 50% or more over a conventional flywheel, by using the matrix table, it can be easily determined that R i /R o should be 0.8 or more and less than 1, and ρ i /ρ o should be 0.1 or less.
また、本発明のフライホイールにおいて、前記低密度円盤部は、炭素繊維プラスチック、炭化ケイ素繊維強化プラスチック、及び、軽金属のうちの何れか１つの材料により形成され、又は、複数の前記材料を選択的に組み合わせて形成されていることが好ましい。 In the flywheel of the present invention, it is preferable that the low-density disk portion is formed from any one of carbon fiber plastic, silicon carbide fiber reinforced plastic, and light metal, or is formed from a selective combination of two or more of the above materials.
また、本発明のフライホイールにおいて、前記高密度外縁部は、重金属、重金属を埋設した炭素繊維プラスチック、及び、重金属を埋設した炭化ケイ素繊維強化プラスチックのうちの何れか１つの材料により形成されていることが好ましい。 In addition, in the flywheel of the present invention, it is preferable that the high-density outer edge portion is formed from one of the following materials: heavy metal, carbon fiber plastic with heavy metal embedded therein, and silicon carbide fiber reinforced plastic with heavy metal embedded therein.
このとき、前記炭素繊維プラスチックに埋設する重金属、或いは、前記炭化ケイ素繊維強化プラスチックに埋設する重金属は、粉体、又は、ワイヤー、又は、周回等角対称に配置された素片であることが挙げられる。 In this case, the heavy metal embedded in the carbon fiber plastic or the heavy metal embedded in the silicon carbide fiber reinforced plastic may be in the form of powder, wire, or pieces arranged in a circular equiangular symmetry.
このうち、前記周回等角対称に配置された重金属の素片は、前記高密度外縁部の回転軸線に向かって突出する形状であることが好ましい。 Of these, it is preferable that the heavy metal pieces arranged in circumferential equiangular symmetry are shaped to protrude toward the axis of rotation of the high-density outer edge portion.
また、本発明は、発電電動機と、該発電電動機が備える入出力軸と同軸に設けられた回転軸と、該回転軸に設けられたフライホイールとを備えるフライホイール蓄電システムであって、前記フライホイールは、回転軸と、相対的に平均密度が低い低密度円盤部と、該低密度円盤部より平均密度が高い高密度外縁部とを備え、前記低密度円盤部は、前記回転軸に支持されて、その全部が前記高密度外縁部の内周面よりも回転軸線側に位置し、前記高密度外縁部は、前記低密度円盤部に一体に支持されて、その全部が前記低密度円盤部の外側に位置し、前記低密度円盤部を介して回転軸の回転が前記高密度外縁部に伝達するように構成されていることを特徴とする。 The present invention also provides a flywheel energy storage system comprising a generator motor, a rotating shaft coaxial with an input/output shaft of the generator motor, and a flywheel mounted on the rotating shaft, the flywheel comprising a rotating shaft, a low-density disk portion having a relatively low average density, and a high-density outer edge portion having an average density higher than that of the low-density disk portion, the low-density disk portion being supported by the rotating shaft and entirely located on the rotation axis side of the inner peripheral surface of the high-density outer edge portion, the high-density outer edge portion being supported integrally with the low-density disk portion and entirely located outside the low-density disk portion, and the rotation of the rotating shaft being transmitted to the high-density outer edge portion via the low-density disk portion.
本発明のフライホイール蓄電システムは、質量エネルギー密度の高いフライホイールを備えている。従って、軽量化されたフライホイールを用いて、フライホイール蓄電システム全体の軽量化を図ることができ、高効率のフライホイール蓄電システムを提供することができる。 The flywheel energy storage system of the present invention is equipped with a flywheel with a high mass energy density. Therefore, by using a lightweight flywheel, the weight of the entire flywheel energy storage system can be reduced, and a highly efficient flywheel energy storage system can be provided.
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１を参照して第１及び第２実施形態のフライホイールＡ，Ｂについて説明する。第１実施形態のフライホイールＡは、円柱状の低密度円盤部１０と、円筒状の高密度外縁部１１とを備えている。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Flywheels A and B of the first and second embodiments will be described with reference to FIG. 1. The flywheel A of the first embodiment has a cylindrical low-density disk portion 10 and a cylindrical high-density outer edge portion 11.
低密度円盤部１０と高密度外縁部１１とは同じ厚み寸法ｔｏに形成され、高密度外縁部１１は、低密度円盤部１０の外周に一体に設けらている。高密度外縁部１１と低密度円盤部１０とは中心である回転軸線ｘが一致している。 The low-density disk portion 10 and the high-density outer edge portion 11 are formed to have the same thickness dimension t o , and the high-density outer edge portion 11 is provided integrally on the outer periphery of the low-density disk portion 10. The high-density outer edge portion 11 and the low-density disk portion 10 are aligned with each other along the rotation axis x, which is their centers.
第１実施形態のフライホイールＡにおいては、低密度円盤部１０は、半径Ｒｉが１２ｃｍ、平均質量密度ρｉが１．６ｇ／ｃｍ３である炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を材料として形成され、高密度外縁部１１は、半径Ｒｏが１５ｃｍ、平均質量密度ρｏが１９．２５ｇ／ｃｍ３である高融点金属、例えばタングステンを材料として形成されている。厚み寸法ｔｏは２０ｃｍで形成されている。 In the flywheel A of the first embodiment, the low-density disk portion 10 is made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) having a radius R i of 12 cm and an average mass density ρ i of 1.6 g/cm 3 , and the high-density outer peripheral portion 11 is made of a high-melting point metal, such as tungsten, having a radius R o of 15 cm and an average mass density ρ o of 19.25 g/cm 3. The thickness dimension t o is 20 cm.
なお、低密度円盤部１０は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）以外に、炭化ケイ素繊維強化プラスチック（ＳｉＣＦＲＰ）を材料として形成してもよい。 The low-density disk portion 10 may be made of silicon carbide fiber reinforced plastic (SiCFRP) instead of carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
第１実施形態のフライホイールＡによれば、下記式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．５１となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて５１％向上する。 According to the flywheel A of the first embodiment, the energy density ratio value Z calculated by the following formula (1) is 1.51, which is a 51% improvement in energy density compared to a conventional flywheel.
第２実施形態のフライホイールＢは、第１実施形態のフライホイールＡと同様に、円柱状の低密度円盤部２０と、円筒状の高密度外縁部２１とを備えている。 The flywheel B of the second embodiment, like the flywheel A of the first embodiment, has a cylindrical low-density disk portion 20 and a cylindrical high-density outer edge portion 21.
低密度円盤部２０は、半径Ｒｉが１３ｃｍ、平均質量密度ρｉが１．６ｇ／ｃｍ３である炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を材料として形成され、高密度外縁部２１は、半径Ｒｏが１５ｃｍ、平均質量密度ρｏが１４．２ｇ／ｃｍ３である高硬度鋼、例えばＷＣ－Ｃｏサーメット合金を材料として形成されている。厚み寸法ｔｏは２０ｃｍである。 The low-density disk portion 20 is made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) having a radius R i of 13 cm and an average mass density ρ i of 1.6 g/cm 3, and the high-density outer edge portion 21 is made of high-hardness steel, for example, a WC-Co cermet alloy, having a radius R o of 15 cm and an average mass density ρ o of 14.2 g/cm 3. The thickness dimension t o is 20 cm.
第２実施形態のフライホイールＢによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．４９となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて４９％向上する。 According to the second embodiment of the flywheel B, the energy density ratio value Z calculated by formula (1) is 1.49, which is a 49% improvement in energy density compared to the conventional flywheel.
次に、第３実施形態のフライホイールＣについて説明する。第３実施形態のフライホイールＣは、図２及び図３に示すように、円盤状の低密度円盤部３０と、円筒状の高密度外縁部３１とを備えている。低密度円盤部３０の厚み寸法ｔｉは、高密度外縁部３１の厚み寸法ｔｏよりも小さい。 Next, a flywheel C according to a third embodiment will be described. As shown in Fig. 2 and Fig. 3, the flywheel C according to the third embodiment includes a disk-shaped low-density disk portion 30 and a cylindrical high-density outer peripheral portion 31. The thickness dimension ti of the low-density disk portion 30 is smaller than the thickness dimension t0 of the high-density outer peripheral portion 31.
低密度円盤部３０は、厚み寸法ｔｉが３ｃｍ、半径Ｒｉが１３．５ｃｍ、平均質量密度ρｉが４．５ｇ／ｃｍ３であるチタンを材料として形成され、高密度外縁部３１は、厚み寸法ｔｏが２０ｃｍ、半径Ｒｏが１５ｃｍ、平均質量密度ρｏが１９．２５ｇ／ｃｍ３である高融点金属、例えばタングステンを材料として形成されている。 The low-density disk portion 30 is formed from titanium having a thickness dimension t i of 3 cm, a radius R i of 13.5 cm, and an average mass density ρ i of 4.5 g/cm 3 , and the high-density outer edge portion 31 is formed from a high-melting point metal, such as tungsten, having a thickness dimension t o of 20 cm, a radius R o of 15 cm, and an average mass density ρ o of 19.25 g/cm 3 .
第３実施形態のフライホイールＣによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．６８となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて６８％向上する。 According to the third embodiment of the flywheel C, the energy density ratio value Z calculated by formula (1) is 1.68, which is a 68% improvement in energy density compared to the conventional flywheel.
次に、第４実施形態のフライホイールＤについて説明する。第４実施形態のフライホイールＤは、図４に示すように、円盤状の低密度円盤部４０と、円筒状の高密度外縁部４１とを備えている。低密度円盤部４０は、チタン円盤４０１と、このチタン円盤４０１を挟む一対の炭素繊維強化プラスチック円盤４０２とで構成されている。高密度外縁部４１は低密度円盤部４０の外周に設けられている。 Next, a flywheel D of the fourth embodiment will be described. As shown in FIG. 4, the flywheel D of the fourth embodiment has a disk-shaped low-density disk portion 40 and a cylindrical high-density outer edge portion 41. The low-density disk portion 40 is composed of a titanium disk 401 and a pair of carbon fiber reinforced plastic disks 402 that sandwich the titanium disk 401. The high-density outer edge portion 41 is provided on the outer periphery of the low-density disk portion 40.
チタン円盤４０１は、厚み寸法ｔｉ１が３ｃｍ、半径Ｒｉが１３ｃｍ、平均質量密度ρｉ１が４．５ｇ／ｃｍ３であり、炭素繊維強化プラスチック円盤４０２は、夫々、厚み寸法ｔｉ２が８．５ｃｍ、半径Ｒｉが１３ｃｍ、平均質量密度ρｉ２が１．６ｇ／ｃｍ３である。 The titanium disk 401 has a thickness dimension t i1 of 3 cm, a radius R i of 13 cm, and an average mass density ρ i1 of 4.5 g/cm 3 , while the carbon fiber reinforced plastic disk 402 has a thickness dimension t i2 of 8.5 cm, a radius R i of 13 cm, and an average mass density ρ i2 of 1.6 g/cm 3 .
チタン円盤４０１と一対の炭素繊維強化プラスチック円盤４０２とからなる低密度円盤部４０の平均質量密度ρｉは、４．５×（３／２０）＋１．６×（１７／２０）＝１．６ｇ／ｃｍ３である。 The average mass density ρ i of the low-density disk portion 40 consisting of the titanium disk 401 and the pair of carbon fiber reinforced plastic disks 402 is 4.5×(3/20)+1.6×(17/20)=1.6 g/cm 3 .
高密度外縁部４１は、厚み寸法ｔｏが２０ｃｍ、半径Ｒｏが１５ｃｍ、平均質量密度ρｏが１９．２５ｇ／ｃｍ３である高融点金属、例えばタングステンを材料として形成されている。 The high density outer edge portion 41 is made of a high melting point metal, for example tungsten, having a thickness dimension t o of 20 cm, a radius R o of 15 cm, and an average mass density ρ o of 19.25 g/cm 3 .
第４実施形態のフライホイールＤによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．５１となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて５１％向上する。 According to the fourth embodiment of the flywheel D, the energy density ratio value Z calculated by formula (1) is 1.51, which is a 51% improvement in energy density compared to the conventional flywheel.
次に、第５実施形態のフライホイールＥについて説明する。第５実施形態のフライホイールＥは、図５に示すように、第１実施形態のフライホイールＡと同様に、円柱状の低密度円盤部５０と、円筒状の高密度外縁部５１とを備えている。低密度円盤部５０と高密度外縁部５１とは同じ厚みでその寸法ｔｏは２０ｃｍである。 Next, a flywheel E of a fifth embodiment will be described. As shown in Fig. 5, the flywheel E of the fifth embodiment includes a cylindrical low-density disk portion 50 and a cylindrical high-density outer edge portion 51, similar to the flywheel A of the first embodiment. The low-density disk portion 50 and the high-density outer edge portion 51 have the same thickness, and the dimension t0 is 20 cm.
低密度円盤部５０は、半径Ｒｉが１３ｃｍ、平均質量密度ρｉが１．６ｇ／ｃｍ３の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を材料として形成されており、高密度外縁部５１は、半径Ｒｏが１５ｃｍ、平均質量密度ρｏが１３．８２ｇ／ｃｍ３である金属繊維強化プラスチック（ＭＦＲＰ）を材料として形成されている。金属繊維強化プラスチック（ＭＦＲＰ）は、直径５μｍのＷ微細線バンドルを円周方向に巻いて強化したものが採用されている。 The low-density disk portion 50 is made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) having a radius R i of 13 cm and an average mass density ρ i of 1.6 g/cm 3, while the high-density outer edge portion 51 is made of metal fiber reinforced plastic (MFRP) having a radius R o of 15 cm and an average mass density ρ o of 13.82 g/cm 3. The metal fiber reinforced plastic (MFRP) is reinforced by winding a W fine wire bundle having a diameter of 5 μm in the circumferential direction.
第５実施形態のフライホイールＥによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．４９となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて４９％向上する。 With the flywheel E of the fifth embodiment, the energy density ratio value Z calculated by formula (1) is 1.49, which is a 49% improvement in energy density compared to the conventional flywheel.
次に、図６を参照して第６、第７及び第８実施形態のフライホイールＦ，Ｇ，Ｈについて説明する。 Next, the flywheels F, G, and H of the sixth, seventh, and eighth embodiments will be described with reference to FIG. 6.
第６実施形態のフライホイールＦは、中空の低密度円盤部６０と、円筒状の高密度外縁部６１とを備えている。 The sixth embodiment of the flywheel F has a hollow low-density disk portion 60 and a cylindrical high-density outer edge portion 61.
低密度円盤部６０は、空隙６０２を存して軸線方向に互いに対向する２つの円盤６０１によって構成されている。低密度円盤部６０を構成する円盤６０１は、夫々、厚み寸法ｔｉが２ｃｍ、半径Ｒｉが１３．５ｃｍ、平均質量密度ρｉ２が１．６ｇ／ｃｍ３の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を材料として形成されている。 The low-density disk portion 60 is composed of two disks 601 facing each other in the axial direction with a gap 602 therebetween. Each of the disks 601 constituting the low-density disk portion 60 is made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) having a thickness dimension t i of 2 cm, a radius R i of 13.5 cm, and an average mass density ρ i2 of 1.6 g/cm 3 .
２つの円盤６０２による低密度円盤部６０の平均質量密度ρｉは、１．６×（（２＋２）／２０）＝０．３２ｇ／ｃｍ３である。 The average mass density ρ i of the low density disk portion 60 consisting of the two disks 602 is 1.6×((2+2)/20)=0.32 g/cm 3 .
高密度外縁部６１は、半径Ｒｏが１５ｃｍ、平均質量密度ρｏが５．８４ｇ／ｃｍ３の超硬金属微細繊維強化プラスチック（ＭＦＲＰ）により形成されている。厚み寸法ｔｏは２０ｃｍである。超硬金属微細繊維強化プラスチック（ＭＦＲＰ）は、直径１０μｍのピアノ微細線バンドルを円周方向に巻いて強化したものが採用されている。 The high-density outer edge portion 61 is formed of ultra-hard metal microfiber reinforced plastic (MFRP) having a radius R o of 15 cm and an average mass density ρ o of 5.84 g/cm 3. The thickness dimension t o is 20 cm. The ultra-hard metal microfiber reinforced plastic (MFRP) is reinforced by winding a piano fine wire bundle having a diameter of 10 μm in the circumferential direction.
第６実施形態のフライホイールＦによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．６２となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて６２％向上する。 According to the sixth embodiment of the flywheel F, the energy density ratio value Z calculated by formula (1) is 1.62, which is a 62% improvement in energy density compared to the conventional flywheel.
なお、第６実施形態のフライホイールＦにおける低密度円盤部６０の両円盤６０１の位置は、高密度外縁部６１の内部に収容された状態であれば、図６に示す位置に限定されない。例えば、図示しないが、両円盤６０１間が図６に示したものより近接していてもよい。また、第６実施形態では厚み寸法ｔｉが２ｃｍの円盤６０２を２つ用いた例を示したが、それ以外に、厚み寸法ｔｉの小さい円盤を３つ以上用いて低密度円盤部６０を形成してもよい。 The positions of both disks 601 of the low-density disk portion 60 in the flywheel F of the sixth embodiment are not limited to the positions shown in Fig. 6 as long as they are housed inside the high-density outer edge portion 61. For example, although not shown, the distance between both disks 601 may be closer than that shown in Fig. 6. Also, although an example in which two disks 602 with a thickness dimension t i of 2 cm are used has been shown in the sixth embodiment, the low-density disk portion 60 may be formed using three or more disks with a small thickness dimension t i .
第７実施形態のフライホイールＧは、第６実施形態と同じ材料で同じ構造の低密度円盤部７０と、第６実施形態と同じ形状で同じ寸法であって材料が異なる高密度外縁部７１とで構成されている。 The seventh embodiment of the flywheel G is composed of a low-density disk portion 70 made of the same material and structure as the sixth embodiment, and a high-density outer edge portion 71 that has the same shape and dimensions as the sixth embodiment but is made of a different material.
低密度円盤部７０については第６実施形態の低密度円盤部６０と同じであるため、その平均質量密度ρｉは、１．６×（（２＋２）／２０）＝０．３２ｇ／ｃｍ３である。 Since the low-density disk portion 70 is the same as the low-density disk portion 60 of the sixth embodiment, the average mass density ρ i is 1.6×((2+2)/20)=0.32 g/cm 3 .
第７実施形態の高密度外縁部７１は、炭素繊維（ＣＦ）と超硬金属微細繊維（ＭＦ）とで強化したプラスチック（ＣＭＦＲＰ樹脂）で構成されている。高密度外縁部７１に採用したＣＭＦＲＰ樹脂は、Ｗ微細線（ワイヤー）と炭素繊維線（共に直径約５～１０μｍ）からなる複合バンドルを円周方向に巻いて強化したものであり、その平均質量密度ρｏは６．８４ｇ／ｃｍ３である。 The high-density outer edge portion 71 of the seventh embodiment is made of plastic (CMFRP resin) reinforced with carbon fiber (CF) and ultra-hard metal fine fiber (MF). The CMFRP resin used for the high-density outer edge portion 71 is reinforced by winding a composite bundle of W fine wires and carbon fiber wires (both with a diameter of about 5 to 10 μm) in the circumferential direction, and has an average mass density ρ o of 6.84 g/cm 3 .
第７実施形態のフライホイールＧによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．６４となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて６４％向上する。なお、高密度外縁部７１に採用するＣＭＦＲＰ樹脂としては、Ｗ微細線に替えてピアノ線のような超硬金属微細線を用いてもよい。 According to the seventh embodiment of the flywheel G, the value Z of the energy density ratio calculated by formula (1) is 1.64, which is 64% higher than that of a conventional flywheel. Note that, as the CMFRP resin used for the high-density outer edge portion 71, ultra-hard metal fine wires such as piano wires may be used instead of the W fine wires.
第８実施形態のフライホイールＨは、第６実施形態と同じ材料で同じ構造の低密度円盤部８０と、第６実施形態と同じ形状で同じ寸法であるあって材料が異なる高密度外縁部８１とで構成されている。 The eighth embodiment of the flywheel H is composed of a low-density disk portion 80 made of the same material and structure as the sixth embodiment, and a high-density outer edge portion 81 that has the same shape and dimensions as the sixth embodiment but is made of a different material.
低密度円盤部８０については第６実施形態の低密度円盤部６０と同じであるため、その平均質量密度ρｉは、１．６×（（２＋２）／２０）＝０．３２ｇ／ｃｍ３である。 Since the low-density disk portion 80 is the same as the low-density disk portion 60 of the sixth embodiment, the average mass density ρ i thereof is 1.6×((2+2)/20)=0.32 g/cm 3 .
第８実施形態の高密度外縁部８１は、超硬金属Ｍ粉末を分散させたプラスチック（エポキシ樹脂）を炭素繊維（ＣＦ）で強化した固体であるＣＦＲＰ：Ｍ材料によって形成されている。 The high-density outer edge portion 81 of the eighth embodiment is formed from a CFRP:M material, which is a solid made of plastic (epoxy resin) with dispersed ultra-hard metal M powder reinforced with carbon fiber (CF).
超硬金属Ｍ粉末は、Ｗ粉末（密度ρｏ２＝１９．２５ｇ／ｃｍ３、粒径０．７μｍ、充填率Ｖｆ２＝０．２５）である。プラスチックは、エポキシ樹脂（密度ρｏ３＝１．１５ｇ／ｃｍ３）である。炭素繊維は、密度ρｏ１＝１．８０ｇ／ｃｍ３、線径５～１０μｍ、充填率Ｖｆ１＝０．４５であり、炭素繊維束を円周方向に巻くことにより強化されている。この構成において、高密度外縁部８１の平均質量密度ρｏは６．８４ｇ／ｃｍ３となる。 The cemented carbide M powder is W powder (density ρ o2 =19.25 g/cm 3 , particle size 0.7 μm, packing ratio V f2 =0.25). The plastic is epoxy resin (density ρ o3 =1.15 g/cm 3 ). The carbon fiber has density ρ o1 =1.80 g/cm 3 , wire diameter 5-10 μm, packing ratio V f1 =0.45, and is reinforced by winding carbon fiber bundles in the circumferential direction. In this configuration, the average mass density ρ o of the high-density outer edge portion 81 is 6.84 g/cm 3 .
第８実施形態のフライホイールＨによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．６２となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて６２％向上する。なお、高密度外縁部８１に採用するＣＦＲＰ：Ｍ材料では、Ｗ粉末に替えて他の金属の微細粉末を用いてもよい。 According to the eighth embodiment of the flywheel H, the value Z of the energy density ratio calculated by formula (1) is 1.62, which is 62% higher in energy density than that of a conventional flywheel. In addition, in the CFRP:M material used for the high-density outer edge portion 81, fine powders of other metals may be used instead of W powder.
次に、第９実施形態のフライホイールＩについて説明する。図７及び図８に示すように、第９実施形態のフライホイールＩは、第６実施形態と同じ材料で同じ構造の低密度円盤部９０と、第６実施形態と同じ形状で同じ寸法の高密度外縁部９１とで構成されている。 Next, the flywheel I of the ninth embodiment will be described. As shown in Figures 7 and 8, the flywheel I of the ninth embodiment is composed of a low-density disk portion 90 made of the same material and structure as the sixth embodiment, and a high-density outer edge portion 91 of the same shape and dimensions as the sixth embodiment.
低密度円盤部９０については第６実施形態の低密度円盤部６０と同じであるため、その平均質量密度ρｉは、１．６×（（２＋２）／２０）＝０．３２ｇ／ｃｍ３である。 Since the low-density disk portion 90 is the same as the low-density disk portion 60 of the sixth embodiment, the average mass density ρ i is 1.6×((2+2)/20)=0.32 g/cm 3 .
第９実施形態のフライホイールＩにおける高密度外縁部９１は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）によって円筒状に形成されているが、その内部には、周方向に互いに所定間隔を存して周回等角対称に配置された複数の金属素片９１１が埋設されている。 The high-density outer edge portion 91 of the flywheel I of the ninth embodiment is formed into a cylindrical shape using carbon fiber reinforced plastic (CFRP), and within it are embedded a number of metal pieces 911 that are arranged equiangularly symmetrically around the circumference at a predetermined interval from each other in the circumferential direction.
各金属素片９１１は、全て同一形状であり、重金属で形成され、回転軸線に向かって突出するように、突出形状の先端を回転軸線に向けた姿勢で設けられている。 Each metal piece 911 is identical in shape, is made of heavy metal, and is oriented so that the tip of the protruding shape faces the axis of rotation so that it protrudes toward the axis of rotation.
金属素片９１１は、超硬合金の平均質量密度ρｏ１が１４．２ｇ／ｃｍ３であり、充填率Ｖｆ１が０．２５であり、プラスチックであるエポキシ樹脂の平均質量密度ρｏ２が１．１５ｇ／ｃｍ３である。よって、この構成による高密度外縁部９１の平均質量密度ρｏは４．４１ｇ／ｃｍ３となる。 The metal piece 911 has an average mass density ρ o1 of the cemented carbide of 14.2 g/cm 3 , a filling rate V f1 of 0.25, and an average mass density ρ o2 of the plastic epoxy resin of 1.15 g/cm 3. Therefore, the average mass density ρ o of the high-density outer edge portion 91 with this configuration is 4.41 g/cm 3 .
第９実施形態のフライホイールＩによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．５７となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて５７％向上する。 According to the ninth embodiment of the flywheel I, the energy density ratio value Z calculated by formula (1) is 1.57, which is a 57% improvement in energy density compared to the conventional flywheel.
なお、金属素片９１１は、図９に示すように、各種形状（図９において金属素片９１１、９１１ａ～９１１ｆ）のものを選択的に用いることができる。このとき、高密度外縁部９１には、同じ形状の金属素片を用い、金属素片９１１、９１１ａ～９１１ｆの何れの形状を採用した場合であってもその突出形状の先端（図において上方に示した側の端）を回転軸線に向ける。 As shown in Figure 9, metal pieces 911 can be selectively used in various shapes (metal pieces 911, 911a to 911f in Figure 9). In this case, metal pieces of the same shape are used for the high-density outer edge portion 91, and regardless of which shape of metal pieces 911, 911a to 911f is used, the tip of the protruding shape (the end shown at the top in the figure) is directed toward the axis of rotation.
また、金属素片９１１は、図７に示すように、回転軸線に沿って長さを有する形状とする以外に、図１０に示すように、短い長さ寸法の金属素片９１１を回転軸線に沿った方向に間隔を存して複数配列して設けてもよい。 In addition to having the metal pieces 911 have a shape with a length along the axis of rotation as shown in FIG. 7, multiple metal pieces 911 with short lengths may be arranged at intervals along the axis of rotation as shown in FIG. 10.
上記各実施形態で示したフライホイールは、フライホイール蓄電システムに好適に採用することができる。即ち、図１１に示すように、フライホイール蓄電システム１００は、発電電動機部１０１と、フライホイール部１０２とを備えている。 The flywheels shown in the above embodiments can be suitably used in a flywheel power storage system. That is, as shown in FIG. 11, the flywheel power storage system 100 includes a generator motor section 101 and a flywheel section 102.
フライホイール部１０２は、フライホイール１０２ａと、このフライホイール１０２ａを収容する筐体１０２ｂとを備えている。フライホイール１０２ａは回転軸１０２ｃに設けられて回転軸１０２ｃと一体に回転する。 The flywheel unit 102 includes a flywheel 102a and a housing 102b that houses the flywheel 102a. The flywheel 102a is attached to a rotating shaft 102c and rotates integrally with the rotating shaft 102c.
回転軸１０２ｃは、発電電動機部１０１の入出力軸１０１ａに連結されている。フライホイール１０２の回転軸１０２ｃは、筐体１０２ｂに設けられた一対の軸受け１０２ｄに回転自在に支持されている。 The rotating shaft 102c is connected to the input/output shaft 101a of the generator motor unit 101. The rotating shaft 102c of the flywheel 102 is rotatably supported by a pair of bearings 102d provided in the housing 102b.
フライホイール１０２ａは、上述した各実施形態で示した構成のもの（フライホイールＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉの何れか）が採用される。蓄電エネルギーの増大はフライホイール１０２ａの厚み寸法や直径を増加させることで容易に達成することができる。 The flywheel 102a is of the configuration shown in each of the above-mentioned embodiments (any of flywheels A, B, C, D, E, F, G, H, or I). The increase in stored energy can be easily achieved by increasing the thickness and diameter of the flywheel 102a.
フライホイール１０２ａが上述した各実施形態で示した構成であることにより、エネルギー密度が高く、従来のフライホイールと比べて軽量となる。よって、フライホイール蓄電システム１００を軽量に構成することができる。 Since the flywheel 102a has the configuration shown in each of the above-mentioned embodiments, it has a high energy density and is lighter than conventional flywheels. Therefore, the flywheel energy storage system 100 can be configured to be lightweight.
また、フライホイール１０２ａの軽量化により、従来のフライホイール蓄電システムに比べてシステムレベルでのエネルギー密度を向上させることができる。 In addition, by reducing the weight of the flywheel 102a, it is possible to improve the energy density at the system level compared to conventional flywheel energy storage systems.
本発明は、高い質量エネルギー密度が得られるフライホイール、及び、このフライホイールを回転動作させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵するフライホイール蓄電システムが得られ、余剰電力の貯蔵及び利用のために好適な装置を提供することができる。 The present invention provides a flywheel that can obtain a high mass energy density, and a flywheel energy storage system that stores electrical energy as kinetic energy by rotating the flywheel, thereby providing a device suitable for storing and utilizing surplus electricity.
１００…フライホイール蓄電システム
１０１…発電電動機
１０１ａ…入出力軸
１０２ｃ…回転軸
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，１０２ａ…フライホイール
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０…低密度円盤部
１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１…高密度外縁部
９１１，９１１ａ，９１１ｂ，９１１ｃ，９１１ｄ，９１１ｅ，９１１ｆ…素片
100... Flywheel power storage system 101... Generator motor 101a... Input/output shaft 102c... Rotating shaft A, B, C, D, E, F, G, H, I, 102a... Flywheel 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90... Low-density disk portion 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91... High-density outer edge portion 911, 911a, 911b, 911c, 911d, 911e, 911f... Piece
Claims (9)
回転軸と、相対的に平均密度が低い低密度円盤部と、該低密度円盤部より平均密度が高い高密度外縁部とを備え、
前記低密度円盤部は、前記回転軸に一体に支持されて、その全部が前記高密度外縁部の内周面よりも回転軸線側に位置し、
前記高密度外縁部は、前記低密度円盤部に一体に支持されて、その全部が前記低密度円盤部の外側に位置し、
前記回転軸の回転が前記低密度円盤部を介して前記高密度外縁部に伝達するように構成されていることを特徴とするフライホイール。 A flywheel of a flywheel power storage system,
A rotating shaft, a low density disk portion having a relatively low average density, and a high density outer edge portion having a higher average density than the low density disk portion,
the low-density disk portion is supported integrally by the rotating shaft, and the entire low-density disk portion is located closer to the rotation axis than the inner circumferential surface of the high-density outer edge portion;
the high density outer edge portion is integrally supported by the low density disk portion and entirely located outside the low density disk portion;
A flywheel characterized in that the rotation of the rotating shaft is transmitted to the high density outer edge portion via the low density disk portion.
前記低密度円盤部の平均密度をρi、半径をＲi、前記高密度外縁部の平均密度をρo、半径をＲoとするとき、Ｒi／Ｒoは０．４以上１未満、かつ、ρi／ρoは０．００１以上０．６以下であることを特徴とするフライホイール。 2. The flywheel of claim 1,
A flywheel characterized in that, when the average density of the low-density disk portion is ρ i , the radius is Ri , the average density of the high-density outer edge portion is ρ o , and the radius is Ro , R i /R o is 0.4 or more and less than 1, and ρ i /ρ o is 0.001 or more and 0.6 or less.
前記低密度円盤部の平均密度をρi、半径をＲi、前記高密度外縁部の平均密度をρo、半径をＲoとするとき、Ｒi／Ｒoは０．８以上１未満、かつ、ρi／ρoは０．００１以上０．１以下であることを特徴とするフライホイール。 2. The flywheel of claim 1,
A flywheel characterized in that, when the average density of the low-density disk portion is ρ i , the radius is Ri , the average density of the high-density outer edge portion is ρ o , and the radius is Ro , R i /R o is 0.8 or more and less than 1, and ρ i /ρ o is 0.001 or more and 0.1 or less.
前記低密度円盤部は、炭素繊維プラスチック、炭化ケイ素繊維強化プラスチック、及び、軽金属のうちの何れか１つの材料により形成され、又は、複数の前記材料を選択的に組み合わせて形成されていることを特徴とするフライホイール。 2. The flywheel of claim 1,
The flywheel is characterized in that the low-density disk portion is formed from any one of carbon fiber plastic, silicon carbide fiber reinforced plastic, and light metal, or is formed by selectively combining a plurality of the materials.
前記高密度外縁部は、重金属、重金属を埋設した炭素繊維プラスチック、及び、重金属を埋設した炭化ケイ素繊維強化プラスチックのうちの何れか１つの材料により形成されていることを特徴とするフライホイール。 2. The flywheel of claim 1,
A flywheel characterized in that the high-density outer edge portion is formed from any one of a heavy metal, a carbon fiber plastic having a heavy metal embedded therein, and a silicon carbide fiber reinforced plastic having a heavy metal embedded therein.
前記高密度外縁部に用いられる前記重金属は、超高強度鋼、又は、高融点金属、又は、高融点金属合金であることを特徴とするフライホイール。 6. The flywheel of claim 5,
The heavy metal used in the high density outer edge portion is ultra-high strength steel, or a high melting point metal, or a high melting point metal alloy.
前記炭素繊維プラスチックに埋設する重金属、或いは、前記炭化ケイ素繊維強化プラスチックに埋設する重金属は、粉体、又は、ワイヤー、又は、周回等角対称に配置された素片であることを特徴とするフライホイール。 6. The flywheel of claim 5,
A flywheel characterized in that the heavy metal embedded in the carbon fiber plastic or the heavy metal embedded in the silicon carbide fiber reinforced plastic is in the form of powder, wire, or pieces arranged in a circumferentially equiangular symmetry.
前記周回等角対称に配置された重金属の素片は、前記高密度外縁部の回転軸線に向かって突出する形状であることを特徴とするフライホイール。 8. The flywheel of claim 7,
A flywheel characterized in that the heavy metal pieces arranged in circumferential equiangular symmetry are shaped to protrude toward the rotation axis of the high-density outer edge portion.
前記フライホイールは、回転軸と、相対的に平均密度が低い低密度円盤部と、該低密度円盤部より平均密度が高い高密度外縁部とを備え、
前記低密度円盤部は、前記回転軸に支持されて、その全部が前記高密度外縁部の内周面よりも回転軸線側に位置し、
前記高密度外縁部は、前記低密度円盤部に一体に支持されて、その全部が前記低密度円盤部の外側に位置し、
前記低密度円盤部を介して回転軸の回転が前記高密度外縁部に伝達するように構成されていることを特徴とするフライホイール蓄電システム。 A flywheel power storage system including a generator motor, a rotating shaft provided coaxially with an input/output shaft of the generator motor, and a flywheel provided on the rotating shaft,
The flywheel includes a rotating shaft, a low-density disk portion having a relatively low average density, and a high-density outer peripheral portion having an average density higher than that of the low-density disk portion,
the low-density disk portion is supported by the rotating shaft and is entirely located on the rotation axis side relative to an inner circumferential surface of the high-density outer edge portion,
the high density outer edge portion is integrally supported by the low density disk portion and entirely located outside the low density disk portion;
A flywheel power storage system characterized in that rotation of a rotating shaft is transmitted to the high density outer edge portion via the low density disk portion.
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