特許 7687671 超電導ケーブル及び電力輸送システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-05-26

(45)【発行日】2025-06-03

(54)【発明の名称】超電導ケーブル及び電力輸送システム

(51)【国際特許分類】

   H01B 12/02 20060101AFI20250527BHJP

   H01F 6/06 20060101ALI20250527BHJP

   H02J 15/00 20060101ALN20250527BHJP

【ＦＩ】

H01B12/02

H01F6/06 110

H02J15/00 B

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021120933

(22)【出願日】2021-07-21

(65)【公開番号】P2023016545

(43)【公開日】2023-02-02

【審査請求日】2024-02-09

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「エネルギー・環境新技術先導プログラム／未踏チャレンジ２０５０／革新的エネルギーネットワーク基盤技術の創製」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504145342

【氏名又は名称】国立大学法人九州大学

(74)【代理人】

【識別番号】100099634

【弁理士】

【氏名又は名称】平井 安雄

(72)【発明者】

【氏名】東川 甲平

【審査官】鈴木 大輔

(56)【参考文献】

【文献】特開平５－３０８７２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０３３７６８（ＷＯ，Ａ２）

【文献】特開平１０－３１２７１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１４３０１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｂ １２／００－１２／１６

Ｈ０１Ｆ ６／０６

Ｈ０２Ｊ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

出力が時間に応じて変化する一の電源と負荷との間で電力輸送を行う超伝導ケーブルであって、
前記一の電源の一端側と前記負荷との間で接続され、非磁性体の心材の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に巻回される第１の超伝導線材と、
前記一の電源の他端側と前記負荷との間で接続され、前記第１の超伝導線材と絶縁された状態で前記心材に積層して巻回され、前記第１の超伝導線材に電流を通電した場合に生じる磁界と同方向の磁界を生じるように前記心材の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に巻回される第２の超伝導線材と、
を有するエネルギー貯蔵手段を備えることを特徴とする超伝導ケーブル。

【請求項2】

請求項１に記載の超伝導ケーブルにおいて、
前記エネルギー貯蔵手段が、
出力が時間に応じて変化する他の電源の一端側と前記負荷との間で接続され、前記心材の長手方向に対して前記第１の超伝導線材に電流を通電した場合に生じる磁界と同方向の磁界を生じるように所定の角度で螺旋状に巻回される第３の超伝導線材を有し、
共通の前記心材に対して巻回される超伝導線材が、夫々絶縁された状態で積層して巻回されている超伝導ケーブル。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の超伝導ケーブルにおいて、
前記エネルギー貯蔵手段が、
出力が時間に応じて変化する他の電源の他端側と前記負荷との間で接続され、前記心材の長手方向に対して前記第１の超伝導線材に電流を通電した場合に生じる磁界と同方向の磁界を生じるように所定の角度で螺旋状に巻回される第４の超伝導線材を有し、
共通の前記心材に対して巻回される超伝導線材が、夫々絶縁された状態で積層して巻回されている超伝導ケーブル。

【請求項4】

出力が時間に応じて変化する電源と負荷との間で電力輸送を行う超伝導ケーブルであって、
一の電源の一端側と前記負荷との間で接続され、非磁性体の一の心材の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に巻回される第１の超伝導線材と、
前記一の電源の他端側と前記負荷との間で接続され、非磁性体の他の心材の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に巻回される第２の超伝導線材と、
他の電源の一端側と前記負荷との間で接続され、前記一の心材の長手方向に対して前記第１の超伝導線材に電流を通電した場合に生じる磁界と同方向の磁界を生じるように所定の角度で螺旋状に巻回されるか、又は、前記他の心材の長手方向に対して前記第２の超伝導線材に電流を通電した場合に生じる磁界と同方向の磁界を生じるように所定の角度で螺旋状に巻回される第３の超伝導線材と、
を有するエネルギー貯蔵手段を備え、
共通の心材に対して巻回される超伝導線材が、夫々絶縁された状態で積層して巻回されることを特徴とする超伝導ケーブル。

【請求項5】

請求項４に記載の超伝導ケーブルにおいて、
前記エネルギー貯蔵手段が、
他の電源の他端側と前記負荷との間で接続され、前記一の心材の長手方向に対して前記第１の超伝導線材に電流を通電した場合に生じる磁界と同方向の磁界を生じるように所定の角度で螺旋状に巻回されるか、又は、前記他の心材の長手方向に対して前記第２の超伝導線材に電流を通電した場合に生じる磁界と同方向の磁界を生じるように所定の角度で螺旋状に巻回される第４の超伝導線材を有する超伝導ケーブル。

【請求項6】

出力が時間に応じて変化する電源と負荷との間で電力輸送を行う超伝導ケーブルであって、
一の電源の一端側と前記負荷との間で接続され、非磁性体の一の心材の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に巻回される第１の超伝導線材と、
前記一の電源の他端側と前記負荷との間で接続され、非磁性体の他の心材の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に巻回される第２の超伝導線材と、
他の電源の他端側と前記負荷との間で接続され、前記一の心材の長手方向に対して前記第１の超伝導線材に電流を通電した場合に生じる磁界と同方向の磁界を生じるように所定の角度で螺旋状に巻回されるか、又は、前記他の心材の長手方向に対して前記第２の超伝導線材に電流を通電した場合に生じる磁界と同方向の磁界を生じるように所定の角度で螺旋状に巻回される第４の超伝導線材と、
を有するエネルギー貯蔵手段を備え、
共通の心材に対して巻回される超伝導線材が、夫々絶縁された状態で積層して巻回されることを特徴とする超伝導ケーブル。

【請求項7】

請求項２ないし６のいずれかに記載の超伝導ケーブルを用いた電力輸送システムであって、
前記エネルギー貯蔵手段が、
前記一の電源を含む一の系統と前記他の電源を含む他の系統との間でエネルギーの貯蔵及び放出を行う電力輸送システム。

【請求項8】

請求項１に記載の超伝導ケーブルを用いた電力輸送システム、又は請求項７に記載の電力輸送システムにおいて、
前記負荷の消費電力に応じて当該負荷の受電端の電圧を調整する調整手段を備える電力輸送システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、時間的な変動が大きい電源から負荷に対して電力を送電する超伝導ケーブルに関し、特に電力貯蔵機能を有する超伝導ケーブル及びそれを用いた電力輸送システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、太陽光発電などの再生可能エネルギーの活用が急速に増大している。図９のグラフは太陽光発電において一日の時間経過に対する出力電力の一例を示す図である。図９に示すように晴れの日は短時間での出力変動があまりなく安定的に増加、減少するように変化している。雨の日は短時間での出力変動があるものの、そもそも出力電力が小さいためその変動による影響はそれほど大きいものとなりにくい。一方、曇りの日の場合は出力電力が安定せず、状況によっては毎秒10%の速度でその出力が変化することもある。すなわち、再生可能エネルギーのように短時間で大きく出力変動が起こる場合において、高速且つ高出力での電力補償が必要不可欠である。現状では、この電力補償にキャパシタ、二次電池、電力貯蔵（SMES）等が活用されている。

【0003】

キャパシタの場合、秒以下の短時間で出力することが可能であるものの、その出力が小さくなってしまう。二次電池の場合は秒以下の短時間で最大出力を得るのが難しく、充放電の回数に限界があるため寿命が短くなってしまうといった問題もある。SMESのような超伝導を利用した電力貯蔵を利用する場合は、秒以下の短時間で比較的高出力を実現することが可能であるものの出力が十分とは言えず、装置構成が複雑で大型化してしまうといった課題がある。

【0004】

電力輸送に関して、例えば非特許文献１及び特許文献１、２に示す技術が開示されている。非特許文献１に示す技術は、超伝導ケーブルにより電力系統自体に磁気エネルギーによるエネルギー貯蔵機能を持たせることで、上記のような電力補償を可能とするものである。

【0005】

特許文献１に示す技術は、需要先と異なる遠隔地域にある炭田地域での石炭エネルギーをその炭田地域近傍での火力発電により電気エネルギーに変換する炭田近傍の火力発電手段と、需要先側の交流負荷と、交流送配電網と、前記炭田近傍の火力発電手段よりの電気エネルギーを電力輸送手段を介して前記送配電網に送電する電力輸送手段とからなる石炭エネルギー利用システムであって、前記電力輸送手段は、送電ロスの小さな直流電力において超電導の電力輸送ケーブルを利用して輸送を行う超電導送電系統と、常温における通常の送配電網の組み合わせであって、その接続端に設けた交直変換機構により需要先へ給電する送配電網への給電位置で交流に変換して該交流送配電網を介して需要先に電気エネルギーの輸送を行うものである。

【0006】

特許文献２に示す技術は、超伝導体を用いて電力を送電する超伝導ケーブルにおいて、超伝導ケーブルの長手方向を基準方向とし、基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設される超伝導材からなる導電部を備え、導電部が複数の層からなり、最内層から最外層に向かって、螺旋の角度が基準方向に対して順次異なる角度であり、導電部に流れる電流により当該電流の流れと同方向に磁界を生じさせるものである。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【文献】Kohei Higashikawa and Takanobu Kiss “Novel Power System With Superconducting Cable With Energy Storage Function for Large-Scale Introduction of Renewable Energies”, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 29, NO. 5, AUGUST 2019

【特許文献】

【0008】

【文献】国際公開第２００４／０８８８１５号

【文献】国際公開第２０１１／０４３３７６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

非特許文献１に示す技術は、超伝導ケーブルを用いて電力系統自体にエネルギー貯蔵機能を持たせることで高速且つ高出力での電力補償が可能であり、充放電による寿命などもないが、エネルギー貯蔵の観点ではより大きなエネルギーを効率よく貯蔵することが望まれている。

【0010】

特許文献１には、余剰電流を貯蔵するために閉回路が形成された超伝導ケーブルが記載されているが、充放電のために電流バイパス回路により切り替え制御が必要となり動作が複雑化してしまうと共に、上記のような秒以下の短時間で高出力の電力補償を可能とする技術として開示されているものではない。

【0011】

特許文献２には、内側と外側とで往復の送電を可能となる超伝導ケーブルが記載されているが、あくまで臨界電流密度を上げて大電流を輸送するための技術であり、エネルギー貯蔵により電力補償を可能とするものではない。

【0012】

本発明は、出力が短時間で変動する電源と負荷との間で電力輸送を行いながら磁気エネルギーを貯蔵し、往路の超伝導線と復路の超伝導線とで相互インダクタンスを作用させることで貯蔵できるエネルギー量を大幅に増やすことができる超伝導ケーブル及び当該超伝導ケーブルを用いた電力輸送システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明に係る超伝導ケーブルは、出力が時間に応じて変化する一の電源と負荷との間で電力輸送を行う超伝導ケーブルであって、前記一の電源の一端側と前記負荷との間で接続され、非磁性体の心材の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に巻回される第１の超伝導線材と、前記一の電源の他端側と前記負荷との間で接続され、前記第１の超伝導線材と絶縁された状態で前記心材に積層して巻回され、前記第１の超伝導線材に電流を通電した場合に生じる磁界と同方向の磁界を生じるように前記心材の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に巻回される第２の超伝導線材と、を有するエネルギー貯蔵手段を備えるものである。

【0014】

このように、本発明に係る超伝導ケーブルにおいては、出力が時間に応じて変化する電源から負荷に電力を輸送する場合に、非磁性体の心材の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に巻回して電源の一端側と負荷との間を接続する第１の超伝導線材と、第１の超伝導線材と絶縁された状態で前記心材に積層して巻回され、第１の超伝導線材に電流を通電した場合に生じる磁界と同方向の磁界を生じるように前記心材の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に巻回して一の電源の他端側と負荷との間を接続する第２の超伝導線材と、を有するエネルギー貯蔵手段を備えるため、第１の超伝導線材と第２の超伝導線材とが共巻されることで単位長さあたりのインダクタンスを最大４倍にすることができ、貯蔵できる総エネルギー量を最大で２倍にまで上げることができるという効果を奏する。

【0015】

また、第１の超伝導線材と第２の超伝導線材とが共通の心材に対して巻回されることで、超伝導ケーブルの総長を半減することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１の実施形態に係る超伝導ケーブルを用いた電力輸送システムの構成を示す模式図である。

【図2】第１の実施形態に係る超伝導ケーブルの構造の一例を示す図である。

【図3】図１における電力輸送システムの等価回路を示す図である。

【図4】第２の実施形態に係る超伝導ケーブルを用いた電力輸送システムの構成を示す模式図である。

【図5】図４における電力輸送システムの等価回路を示す図である。

【図6】第２の実施形態に係る超伝導ケーブルにおいて負荷側の電圧制御により系統間のエネルギーの受け渡しを行う場合のシミュレーション結果を示す図である。

【図7】第２の実施形態に係る超伝導ケーブルを用いた電力輸送システムのシステム構成例を示す図である。

【図8】その他の実施形態に係る電力輸送システムにおいて、負荷側の電圧が一定である場合と可変する場合との出力の比較例を示す図である。

【図9】太陽光発電において一日の時間経過に対する出力電力の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る超伝導ケーブルについて図１ないし図３を用いて説明する。本実施形態に係る超伝導ケーブルは、超伝導を利用してケーブル自体に高い磁気エネルギーを貯蔵することで短時間に大きく出力変動する電源の電力補償を可能とするものである。

【0018】

図１は、本実施形態に係る超伝導ケーブルを用いた電力輸送システムの構成を示す模式図である。図１において、電力輸送システム１は、時間変化に応じて出力電力が不規則に変動する電源１１と、電源１１の出力電力を受電する負荷１３と、電源１１と負荷１３との間を接続して電力輸送を行う超伝導ケーブル１２とを備える。電源１１は、図９に示す太陽光発電のような再生可能エネルギーを用いたものであり、短時間に出力が大きく変動するものが想定される。負荷１３は一般的な需要家であり高圧の大口・小口需要家や低圧需要家が想定される。

【0019】

超伝導ケーブル１２は、電源１１の正極側と負荷１３とを接続する第１の超伝導線材１２ａと、電源１１の負極側と負荷１３とを接続する第２の超伝導線材１２ｂとを有している。第１の超伝導線材１２ａは、非磁性体の心材１４の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に（ソレノイド状に）巻回されており、第２の超伝導線材１２ｂも第１の超伝導線材に積層された状態で心材１４の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に（ソレノイド状に）巻回されるが、このとき第１の超伝導線材１２ａに電流が通電された場合に生じる磁界と同方向の磁界を生じるような角度で心材１４の長手方向に対して螺旋状に巻回される。つまり、電源１１から負荷に対して電力が供給され電流が通電される場合に、第１の超伝導線材１２ａで生じる長手方向の磁界と、第２の超伝導線材で生じる長手方向の磁界とが強め合うように巻回されている。

【0020】

図２は、本実施形態に係る超伝導ケーブルの構造の一例を示す図である。図２において、第１の超伝導線材１２ａは心材１４に螺旋状に巻回される。その外側には絶縁層１５を介して第２の超伝導線材１２ｂが積層されて巻回される。第２の超伝導線材１２ｂの層のさらに外側には冷媒を流すための冷媒層１６が形成され、最外層である保護層１８との間には断熱層１７が形成される。このとき、電源１１から負荷１３に向かって（以下、往路という）第１の超伝導線材１２ａに電流が通電された場合に、矢印Ａの方向に磁界が生じるように第１の超伝導線材１２ａが心材１４に巻回されているとすると、第２の超伝導線材１２ｂには負荷１３から電源１１に向かって（以下、復路という）電流が通電され、このときに矢印Ａの方向に磁界が生じるように第２の超伝導線材１２ｂが巻回されている。

【0021】

すなわち、電源１１と負荷１３との間の往復送電を一本のケーブルで行うことでケーブルの総長を短くすることができると共に、それぞれの超伝導線材を流れる電流により相乗的な磁気エネルギーを生成することが可能となる。以下、エネルギー貯蔵量に関してより詳細に説明する。

【0022】

図３は、図１における電力輸送システムの等価回路を示す図である。図３の回路図においてPV1は電源１１、LOAD1は負荷１３、L₁は第１の超伝導線材１２ａによる自己インダクタンス、L₂は第２の超伝導線材１２ｂによる自己インダクタンス、M₁₂はL₁とL₂との間に働く相互インダクタンス、v_xxはそれぞれの位置における電圧、i_xxはそれぞれの位置における電流、p_xxはそれぞれの位置における電力を示している。

【0023】

図３の回路図における超伝導ケーブル１２のエネルギー貯蔵量の合計W_totalは、

【0024】

【数1】

【0025】

となる。一方、往路である第１の超伝導線材１２ａと復路である第２の超伝導線材１２ｂとをそれぞれ個別のケーブルとして運用する場合は、両者間に働く相互インダクタンスがゼロとなり、エネルギー貯蔵量の合計は

【0026】

【数2】

【0027】

にとどまる。すなわち、本実施形態に係る超伝導ケーブル１２によってエネルギー貯蔵量を大幅に増加されることが可能となり、例えば両者が理想的に磁気的な結合をした場合には、

【0028】

【数3】

【0029】

となり、L1=L2，i1=i2とすると、本実施形態に係る超伝導ケーブル１２によるエネルギー貯蔵量の合計は、それぞれの超伝導線材がそれぞれ個別に運用された場合の2倍となる。また、往路と復路のケーブルを一本のケーブルとして一つの真空断熱管に収めることができるため、冷却や敷設に係る手間やコストを大幅に低減することが可能となる。

【0030】

このように、本実施形態に係る超伝導ケーブル１２においては、第１の超伝導線材１２ａと第２の超伝導線材１２ｂとが共巻されることで単位長さあたりのインダクタンスを最大４倍にすることができ、貯蔵できる総エネルギー量を最大で２倍にまで上げることができ、大容量のエネルギー貯蔵を実現することができる。

【0031】

また、第１の超伝導線材１２ａと第２の超伝導線材１２ｂとが共通の心材１４に対して巻回されることで、超伝導ケーブル１２の総長を半減し、冷却や敷設に係る手間やコストを大幅に低減することが可能となる。

【0032】

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る超伝導ケーブルについて、図４ないし図７を用いて説明する。本実施形態に係る超伝導ケーブルは、電源と負荷とを有する電力輸送システムの系統が複数ある場合に、それらの系統を構成する超伝導ケーブルを利用することで系統間のエネルギーのやり取りを行うものである。なお、本実施形態において前記第１の実施形態と重複する説明は省略する。

【0033】

図４は、本実施形態に係る超伝導ケーブルを用いた電力輸送システムの構成を示す模式図である。電力輸送システム１は、系統１の輸送システムと系統２の輸送システムとを有しており、系統１の輸送システムにおいては、時間変化に応じて出力電力が不規則に変動する第１の電源１１ａと、第１の電源１１ａの出力電力を受電する第１の負荷１３ａと、第１の電源１１ａと第１の負荷１３ａとの間を接続して電力輸送を行う超伝導ケーブル１２１とを備える。超伝導ケーブル１２１は、第１の電源１１ａの正極側と第１の負荷１３ａとを接続する第３の超伝導線材１２１ａと、第１の電源１１ａの負極側と第１の負荷１３ａとを接続する第４の超伝導線材１２１ｂとを有している。第３の超伝導線材１２１ａは、前記第１の超伝導線材１２ａと同様に非磁性体の心材１４の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に巻回されている。

【0034】

系統２の輸送システムにおいては、時間変化に応じて出力電力が不規則に変動する第２の電源１１ｂと、第２の電源１１ｂの出力電力を受電する第２の負荷１３ｂと、第１の電源１１ｂと第１の負荷１３ｂとの間を接続して電力輸送を行う超伝導ケーブル１２２とを備える。超伝導ケーブル１２２は、第２の電源１１ｂの正極側と第２の負荷１３ｂとを接続する第５の超伝導線材１２２ａと、第２の電源１１ｂの負極側と第２の負荷１３ｂとを接続する第６の超伝導線材１２２ｂとを有している。第５の超伝導線材１２２ａは第３の超伝導線材１２１ａに積層された状態で心材１４の長手方向に対して所定の角度で螺旋状に巻回されるが、このとき第３の超伝導線材１２１ａに電流が通電された場合に生じる磁界と同方向の磁界を生じるような角度で心材１４の長手方向に対して螺旋状に巻回される。

【0035】

すなわち、第１の電源１１ａ及び第２の電源１１ｂから第１の負荷１３ａ及び第２の負荷１３ｂに対してそれぞれ電力が供給されて電流が通電される場合に、第３の超伝導線材１２１ａで生じる長手方向の磁界と、第５の超伝導線材１２２ａで生じる長手方向の磁界とが強め合うように巻回されている。

【0036】

このように、異なる系統間であっても、電力輸送を行う超伝導線材を一本のケーブルに共巻することでケーブルの総長を短くすることができると共に、それぞれの超伝導線材を流れる電流により相乗的な磁気エネルギーを生成することが可能となる。

【0037】

図５は、図４における電力輸送システムの等価回路を示す図である。図５の回路図においてPV1は第１の電源１１ａ、PV2は第２の電源１１ｂ、LOAD1は第１の負荷１３ａ、LOAD2は第２の負荷１３ｂ、L₁は第３の超伝導線材１２１ａによる自己インダクタンス、L₂は第５の超伝導線材１２２ａによる自己インダクタンス、M₁₂はL₁とL₂との間に働く相互インダクタンス、v_xxはそれぞれの位置における電圧、i_xxはそれぞれの位置における電流、p_xxはそれぞれの位置における電力を示している。

【0038】

図５の回路図に示す通り、エネルギー貯蔵量の合計W_totalについては前記第１の実施形態において説明した図３の場合と同じである。つまり、本実施形態に係る超伝導ケーブル１２１、１２２によるエネルギー貯蔵量の合計を、それぞれの超伝導線材が個別に運用された場合の２倍とすることができる。

【0039】

上述したように、図４及び図５に示す電力輸送システムでは、異なる系統間であってもエネルギーの貯蔵量を増大させることが可能であるが、さらに本実施形態においては、系統間でエネルギーの受け渡しが可能となる。すなわち、本実施形態に係る超伝導ケーブルは、系統１の第３の超伝導線材１２１ａと系統２の第５の超伝導線材１２２ａとが磁気結合しているため、第３の超伝導線材１２１ａ（又は第５の超伝導線材１２２ａ）で蓄えられた磁気エネルギーを第５の超伝導線材１２２ａ（又は第３の超伝導線材１２１ａ）と共有することが可能となる。つまり、例えば第１の電源１１ａから出力された電力が第３の超伝導線材１２１ａにより磁気エネルギーとして貯蔵され、磁気結合する第５の超伝導線材１２２ａから第２の負荷１３ｂにエネルギーを供給することが可能となる。このように、複数の系統間でエネルギーの授受が可能になることで、消費電力に応じた適正なエネルギー分配が可能となる。

【0040】

負荷側の電圧制御と系統間のエネルギーの受け渡しについてより詳細に説明する。図５の回路図においてインダクタンスによる電圧降下は以下の式で与えられる。

【0041】

【数4】

【0042】

これをそれぞれの系統に流れる電流i₁、i₂について解くと、以下の通りに求めることができる。

【0043】

【数5】

【0044】

このとき、例えば系統１の第１の負荷１３ａの負荷電圧v_L1を増加させて電位差（v_P1-v_L1）を負とした場合、i₁が減少しi₂は増加する。すなわち、系統１側のエネルギーを系統２に受け渡すことが可能となる。換言すれば、負荷側の電圧を制御することで系統間のエネルギーの受け渡しを制御することが可能となる。

【0045】

図６は、負荷側の電圧制御により系統間のエネルギーの受け渡しを行う場合のシミュレーション結果を示す図である。まず図６（Ａ）に示すように、初期条件（t=0 s）では系統１のみで発電（p_P1=5 MW）と電力の消費（p_L1=5 MW）が行われるものとし、系統１のみに電流（i=10 kA）が流れている。なお、それぞれの系統の超伝導ケーブルの自己インダクタンスはL₁=L₂=20 Hとし、現実的な両者の磁気結合（第３の超伝導線材１２１ａと第５の超伝導線材１２２ａの磁気結合）を結合係数k=0.9と想定し、相互インダクタンスはM₁₂=18 Hとする。

【0046】

ここで、上記で示したエネルギーの受け渡し動作を確認するために、図６（Ｂ）に示すようにt=100 sから第１の負荷１３ａの負荷電圧v_L1を増加させていくと、図６（Ａ）及び（Ｃ）に示すようにi₁が減少し、i₂が増加することがわかる。さらに、系統１から系統２に受け渡されたエネルギーが系統２で消費できることを確認するため、図６（Ｄ）に示すようにt=200 sから系統２側の第２の負荷１３ｂの負荷電圧v_L2を調整すると、図６（Ｅ）に示すように第２の負荷１３ｂで電力（p_L2=1 MW）を受け取れていることがわかる。すなわち、系統１及び系統２の発電量の合計は5 MWであり、消費電力の合計は6 MWであることを考慮すると、不足分に相当する系統２での消費電力1 MWは、もともと系統1側に流れていた電流によって貯蔵されていた磁気エネルギーによって賄われたことになる。

【0047】

このシミュレーション結果からも明らかなように、本実施形態に係る超伝導ケーブルを用いることで、異なる系統間でのエネルギーの受け渡しが可能であり、特に負荷側の電圧を制御することによって系統間で受け渡すエネルギーを適正に調整することが可能となる。

【0048】

なお、図４においては第３の超伝導線材１２１ａと第５の超伝導線材１２２ａとを共通の心材１４に対して共巻きにする構成を示したが、例えば図７に示すように、共巻にする超伝導線材の本数及び組み合わせは、使用状態に応じて任意に設計することが可能である。具体的には、図７（Ａ）の場合、系統１が第１の実施形態で説明した構成と同様に往路である第３の超伝導線材１２１ａと復路である第４の超伝導線材１２１ｂとが共巻きにされており、更に系統２の第５の超伝導線材１２２ａが共巻きにされている。図７（Ｂ）の場合、第３の超伝導線材１２１ａ、第４の超伝導線材１２１ｂ、第５の超伝導線材１２２ａ及び第６の超伝導線材１２２ｂが全て１つの心材１４に共巻きにされている。このように共巻きにする線材を増やすことで図５において説明した通り蓄積できる磁気エネルギー量を格段に増加することができる。

【0049】

また、例えば図７（Ｃ）の場合、系統１の第４の超伝導線材１２１ｂと系統２の第５の超伝導線材１２２ａとが共巻きにされている。このように超伝導ケーブルの使用態様に応じて共巻きにする超伝導線材を任意に組み合わせることが可能である。図７で例示した以外にも、第３，第４及び第６の超伝導線材を共巻きにする場合、第３，第５及び第６の超伝導線材を共巻きにする場合、第４，第５及び第６の超伝導線材を共巻きにする場合、第３及び第６の超伝導線材を共巻きにする場合、第４及び第６の超伝導線材を共巻きにする場合等の組み合わせが可能である。さらに、第３及び第５の超伝導線材を共巻きにしつつ第４及び第６の超伝導線材も共巻きにするというように共巻きにされた超伝導線材を複数有する構成であってもよい。

【0050】

さらにまた、結合する系統数は２つに限定されるものではなく、３つ以上の系統であっても共巻きにすることで結合及びエネルギーの受け渡しが可能である。

【0051】

（本発明のその他の実施形態）
その他の実施形態について、以下に説明する。上記第２の実施形態においては負荷側の電圧を制御することで系統間のエネルギーが受け渡し可能であることについて説明したが、結合する系統数や共巻きの有無に関わらず負荷側の電圧を制御することで貯蔵／放出するエネルギーを調整して出力される電力を安定化することが可能である。

【0052】

図８は、本実施形態に係る電力輸送システムにおいて、負荷側の電圧が一定である場合と可変する場合との出力の比較例を示す図である。図８（Ａ）は負荷側の電圧が一定である場合の等価回路及び電力変動を示しており、図８（Ｂ）は負荷側の電圧が可変である場合の等価回路及び電力変動を示している。図８（Ａ）に示すように、電力系統では負荷側の電圧が一定であるため、この決まった電圧での電力を受け取ることとなる。すなわち、図８（Ａ）の電力変動が示すように、電力P_Loadに時間的な変化が生じて供給されるエネルギーが安定しない。一方、図８（Ｂ）に示すように、負荷側の電圧を可変にして制御した場合は、負荷側の需要に応じた所望の電力P_Loadを安定して受け取ることが可能となる。

【0053】

このように、本実施形態に係る電力輸送システムにおいては、負荷側の電圧を制御することで供給されるエネルギーを安定化することが可能となる。このとき、上述したように結合する系統の数や共巻きの有無は問わない。

【符号の説明】

【0054】

１ 電力輸送システム
１１ 電源
１２ 超伝導ケーブル
１２ａ 第１の超伝導線材
１２ｂ 第２の超伝導線材
１３ 負荷
１４ 心材
１５ 絶縁層
１６ 冷媒層
１７ 断熱層
１８ 保護層
１２１，１２２ 超伝導ケーブル
１２１ａ 第３の超伝導線材
１２１ｂ 第４の超伝導線材
１２２ａ 第５の超伝導線材
１２２ｂ 第６の超伝導線材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】