技術ファイル: シャフト ジェネレーター 101

May 16, 2023

2023 年 6 月 2 日

安川環境エネルギー / スイッチは、船舶で効率的に電力を生成する方法に光を当てます。

船は水上都市のようなもので、運航や船内の設備に電力を供給する必要があります。 では、移動しながらその電力を生成するにはどうすればよいでしょうか? この問題は、電力新時代の最前線でエキサイティングな新技術が開拓されていた 150 年以上にわたり、海運業界の課題となってきました。 今日に目を向けると、船舶での発電をめぐる課題が再び加速しています。 国際海事機関の新しい規制、とりわけ新しいプロトコルにより、船主と運航者は排出量を削減し、船舶をより効率的にする方法を見つける必要があります。

推進力は、改善のために注目すべき明らかな領域の 1 つであり、それを推進する燃料も含まれます。 シャフトジェネレーターも現代の推進システムにおいて重要な役割を果たしているため、精査が必要です。

原動力

プロペラ シャフトがどのようなもので、その機能がどのようなものであるかは誰でも想像できますが、シャフト ジェネレーターとは正確には何で、燃料使用量の削減と排出ガスの削減にどのように役立つのでしょうか? 再び電力生産の話に戻りますが、船体の内部に隠されたこれらのユニットは、思われるほど神秘的ではありません。スタンドアロンの発電機セット (発電機) は、動作して電力を生成するために外部燃料源を必要とし、これは通常行われます。船の主エンジンとは別の補助ディーゼルエンジンを使用します。

シャフト発電機は、プロペラ シャフトに直接接続され、メイン エンジンによってすでに供給されている推進力を利用して電気を生成するため、発電機とその補助エンジンの必要性を排除します。 これがシャフトジェネレーターと呼ばれる理由です。 その後、発電機をオフにすることができるため、燃料が節約され、排出ガスが削減されます。

さらに、このように大型の 2 ストローク主エンジンを利用すると、通常発電機に動力を供給する 4 ストローク エンジンよりもはるかに効率的になります。 フィンランドの企業Yaskawa Environmental Energy / The Switchは、従来のシャフト発電機よりも燃料使用量をさらに2%から4%削減できるシステムを開発した。

大規模ドライブ テスト センターでは、造船所に納入する前にすべての PM マシンをテストします。 画像提供：安川環境エネルギー / The Switch

ちょっとした歴史

最初のシャフト発電機は 1960 年代に開発され、それまでの数十年間、船上で発電の役割を担ってきた発電機の隣に設置されました。

これらの最初のシャフト発電機は大きな進歩であり、発電機を使用する必要性が減りました。 しかし、まだ大きな欠点が 1 つありました。それらは船の推進シャフトと送電網の両方に直接接続されていましたが、間に周波数変換器がありませんでした。

これは、シャフト発電機が船の推進ドライブからの一定速度にしか対応できないため、限界があることを意味しました。 船の速度が変化すると、生成される電流の周波数が変動し、使用できなくなります。 そのため、シャフト発電機を切り離して、発電機に道を譲る必要がありました。

この周波数の問題は、周波数変換器が導入された 1980 年代に解決されました。 その後、シャフト発電機が真価を発揮し、ゼロから船の定格速度までのあらゆる速度に対応し、船のグリッドに一定の周波数を供給することができました。

従来のシャフト発電機と周波数変換器の組み合わせは、船舶上の唯一の発電源として、または発電機の補助として使用でき、燃料を燃やす必要性を減らします。

シャフト発電機は、非常に低速でプロペラを駆動するための動力源としても使用でき、これは排出ガスを節約するために入港するときに役立ちます。 さらに、このシステムは、氷を突き破ったり、強い向かい風に対抗するために必要な場合に、時折最大 15% の推進力ブーストを行うために使用できます。

ただし、これらの利点にもかかわらず、従来のシャフト発電機では不十分な重要な領域がいくつかあります。 これは、Switch 永久磁石シャフト発電機がさらに一歩進んでおり、排出ガス規制が厳しくなるにつれて、ますます強力な節約効果をもたらします。従来のシャフト発電機では、依然として磁界を生成するためにローター巻線に電流を流す必要があります。熱によるエネルギー損失が常に発生します。 この熱損失は電力変換効率の低下を意味し、主エンジンの燃料消費量が増加します。

常設アトラクション

永久磁石シャフトジェネレーターにはネオジム磁石を使用しています。 これは、ロータに電流を供給する外部電力を必要とせずに磁場をより簡単かつ効率的に生成できることを意味し、その結果、使用する必要のある燃料の量が即座に節約されます。

また、機構がシンプルなため摩耗部品がほとんどなく、信頼性も向上します。 最初の永久磁石シャフト発電機は 2014 年に The Switch によって設置され、現在 100 台以上が稼働しており、故障は一度も発生していないと同社は述べています。

これらの機械の永久磁石は非常に強力であるため、ユニット全体のサイズを小さくすることができ、通常、従来の機械よりも重量が最大 30 ～ 50% 軽くなります。

永久磁石シャフト発電機の効率により、さらに 2% ～ 4% の燃料節約がもたらされ、従来のシャフト発電機で見られる以上の節約が実現します。 この削減は排出量にも適用されます。 大型船舶の一般的な 20 ～ 25 年の耐用年数にわたって、これらの節約により燃料コストが 200 万ドル削減され、5,000 トンの二酸化炭素排出が削減されます。

最初の発電機は 1831 年に誕生し、発明家マイケル ファラデーの笑顔を輝かせました。 排出量削減の必要性により、エンジニアはエキサイティングな新技術を再び提供するよう駆り立てられているため、磁石への魅力がどこまで到達しているのかを彼が理解できればよかったのに。

The Switch が製造する PM シャフト ジェネレーターの製品群。 画像提供：安川環境エネルギー / The Switch

画像提供：安川環境エネルギー / The Switch

画像提供：安川環境エネルギー / The Switch