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磁性流体発電

◆磁性流体発電システム

原子力発電と自然エネルギー発電の問題点
福島原発の事故、原子力発電を根底から見直しが必用である。
発電エネルギーが安いとされていたが、福島県地域の多くが今後数十年間帰郷することが出来ない事実を突きつけられる原子力発電の即時廃棄の道を選択せざるを得ない。
火力発電の依存度が高まったが、京都議定書の締結とCO2発生量は他の産業のCO2発生量よりも大きく、大きな課題となっている。
従来の自然エネルギーは、投資コストに対して発電エネルギーが小さく、経済的な負担を解決するには至っていない。
新らたな発電システムが広く、緊急に求められている。




磁性流体量子エネルギー発電システムの開発
我々は、2004年7月、新たな発電エネルギーの特許申請を行った。2005年に国際出願し、日本国特許出願は平成23年(2011年)12月13日特許査定された。

 発電の原理は、物理学的で高い知識を必要とするが、構造的には、簡単で、小さな構造から大きなエネルギーを確保することが出来る。
この発電の特長は、初期エネルギーとして駆動電気を必要とするが、継続したエネルギー源を必要とせず、一見すると永久機関と錯覚される要素もあるが、新たな科学知識と長年のマイクロ波応用技術によって開発したエネルギーである。

原理的には、電子レンジに、金属片や金属の粉を入れることは、危険であり、避けることが示されている。マイクロ波に金属磁性素材を入れると高温になり、場合によっては、爆発し火災の原因になる。大きなエネルギーが発生したことが示されている。
プラズマ現象は、瞬時に、マイクロ波の入力よりも遙かに大きなエネルギーに転化したことを示している。
磁性素材がマイクロ波によって生じるプラズマ現象を持続的に緩和し、コントロールすることで、持続的発電エネルギーとして活用することが可能かを研究した。
利用するのは、磁性流体とマイクロ波のマグネトロン、永久磁石を組み合わせた構造である。

1.構造及びシステム特長と原理

 磁性流体をマイクロ波によって加熱し、磁性流体のコロイド粒子のスピンを励起させることによって生じる、磁性流体の自発磁化と、外部から永久磁石又は、超伝導電磁石によって強磁場を印加することによる磁性共鳴によって、磁性流体のエネルギーは、加熱に必要とした、マイクロ波のエネルギーよりも、大きくなる。

マイクロ波による混層状態の感温磁性流体(温度あたりの磁束密度の変化の大きい磁性流体)を加熱することによる、磁力の減少、水による冷却から生じる磁力の回復増加によって推進エネルギーが生じる、混層状態(複数の種類の温度あたりの磁束密度の異なる磁性流体を混層状態で使用)による非線形力も推進エネルギーとなる。

この混層状態の感温磁性流体に、アルゴンガス、貴金属を挿入し、外部から、マイクロ波によって加熱され、永久磁石又は超伝導電磁石によって、強磁場が印加されていることによって生じるアルゴンガスのプラズマ振動、貴金属のプラズモン振動によって生じる電場の増幅が感温磁性流体のエネルギーとして増幅される。その結果、生じる感温磁性流体の推進エネルギーによって回転体を回転させることによる起電力、及び感温磁性流体の磁場及びアルゴンガスのプラズマ振動、貴金属のプラズモン振動との相互作用によって生じる、ローレンツ起電力を発電エネルギーとして使用する。磁性流体をそのまま発電エネルギーとして駆動させる方法である。


○科学的原理(対称性と対称性の自発的破れ)
エネルギーの保存則が存在する理由は対称性によるとされている。
しかし、対称性が自発的に破れるという一般原理も存在する。この原理を素粒子物理に導入したことによって、シカゴ大学教授の南部陽一郎氏はノーベル賞を受賞されている。

対称性の自発的破れの例として、強磁性体のスピン波の励起(南部-ゴールドストーンの定理)。電磁場と物質が相互作用した場合の対称性の破れの例として、超伝導、貴金属のプラズモン現象、及びガスのイオン化によるプラズマ現象がある(アンダーソン-ヒッグスの定理)。アンダーソン-ヒッグスの定理とは、電磁場と物質が相互作用した場合、対称性が破れることによって、物質内の量子励起から質量(エネルギー)を獲得するというものである。この発電システムは強磁場を印加しながら、マイクロ波によって加熱することによる、磁性流体のスピン波の励起と磁性共鳴、アルゴンガスのプラズマ振動、貴金属のプラズモン振動によってエネルギーを物質内の量子励起から獲得する。また外部から永久磁石、超伝導電磁石によって強磁場を印加するため、この発電装置のエネルギーは、入力に必要とするマイクロ波のエネルギーよりも、大きいエネルギーが得られる。

また磁性流体とプラズマ振動、プラズモン振動及び磁性流体が混層であることの非線形性によってソリトン波が生じ、減衰しない永続的な運動が生じる。そのため、磁性流体の推進エネルギーは継続的な発電が可能になる。


○素粒子の標準模型
シカゴ大学教授、南部陽一郎氏の対称性の自発的破れの原理の素粒子物理への導入によって電磁場と弱い力を統一的に描けるという電弱統一理論がアメリカの理論物理学者であるグラショ-、ワインバーク、ヨーロッパの物理学者、サラムによって示されこの理論は素粒子の標準模型と呼ばれている。

その成果によってグラショ-、ワインバーグ、サラムは1979年にノーベル賞を受賞している。
宇宙空間の真空は超伝導体、磁性体のような媒質となっており、その媒質に電磁場(γ線)が相互作用することによって、対称性が破れ質量のない電磁場(γ線)は非常に重い質量(エネルギー)を持つ、W、Z0 粒子という弱い力は媒介する粒子と統一されるというものである。W、Z0 粒子はヨ-ロッパ連合原子核研究所(CERN)によって1983年に発見されている。また対称性の破れの原理を最終的に証明するアンダーソン-ヒッグス定理によるヒッグス粒子もヨ-ロッパ連合原子核研究所(CERN)の実験によって発見されようとしている。(LHC実験)W、Z0 粒子の質量(エネルギー)は電磁場(γ線)が質量をもたないことに比べ、非常に重くW粒子は80GeV、  Z0 粒子は91GeV である。


2.エネルギーとエネルギー転換効率
本発明のエネルギーは、磁性流体にマイクロ波を照射し得るエネルギーである。
特長として、磁性流体にマイクロ波を照射し、磁性流体を約-40℃~+200℃の温度変化を2秒程度の間に上下に振動させ、上下振動から得られるエネルギーを流体の回転エネルギーとして発電機に連結し取り出す構造である。

初期エネルギーを投下するだけで、後は、定期的マイクロ波の照射によって、磁性流体は回転運動が継続する。マイクロ波の照射に必要なエネルギーに対して、得られるエネルギーは、1駆動で、10倍以上最大30倍近くを得ることが出来る。
この原理は、古典的物理学なエネルギー不変の法則を逸脱した量子エネルギーである。

感温磁性流体発電の出力計算
磁性流体を振動磁場または高周波磁場で加熱したときのエネルギーは次の文献によって知られている。

(参照)
Heating magnetic fluid with alternating magnetic field
R.E. Rosensweig
Exxon Research and Engineering Co. USA
Journal of Magnetism and Magnetic Materials 252(2002) 370-374 Elsevier

Theory of magnetic fluid with an alternating magnetic field with temperature dependent materials
properties for self-regulated heating
C.L.Ondeck, A.H. Habib, P.Ohdnicki,K. Miller, C.A. Sawyer, P.Chaudhary
Carnegie Mellon University USA
Journal of applied physics (2009)


上記の文献によってマイクロ波によって磁性流体を磁場を印加しながら加熱したときに
生じるエネルギーは次の方程式で表わされる。
magnetic01.gif

P;エネルギー  f;周期周波数  △U;内部エネルギーの増加  
μ0 ; 真空の透磁率   π;円周率    χ";磁性体の複素透磁率   H0;印加した振動高周波磁場  ω;印加した振動高周波磁場の周波数    χ0;  磁性体の初期透磁率
τ;緩和時間  τB ;ブラウン運動粒子緩和時間  τN ;ネール緩和時間



磁性流体に磁場を加え、マイクロ波で加熱したとき、磁性流体の材料を高透磁率のMn-Znフェライトとすると、入力のマイクロ波のエネルギーの約8倍のエネルギーが磁性流体に得られる。
マイクロ波で磁性流体を加熱すると、磁性流体の超常磁性による、強磁性共鳴によって温度は短時間に振幅することは知られている。次の文献によってその事実は知られている。
(参照)
Magnetic resonance of nanoparticles in a ferrofluid: evidence of thermofluctuation effects
F. Gazeau, V shilov, J.C. Barci, E. Dubois, F. Grendron, R. Peryzynski, Yu.L. Raikher, V.I. Stepanov
Universitie Pierre et Marie Curie France
Ural Branch of the Russian Academy of science, Russia
Journal of Magnetism and Magnetic Materials 202(1999) 535-546 Elsevier     

 我々の実験では強磁場を加え、マイクロ波でMn-Znフェライト磁性粒子を加熱すると 2秒間隔で-60℃~ 200℃の間で温度は振動した。

その場合の磁性流体のエネルギーを計算する。
磁性流体のエネルギーは下の3つの方程式であらわされる。
(参照)
円管内を流れる磁性流体の磁場下における熱輸送特性に関する研究
須知成光(同志社大 院) 山口博司 (同志社大)
磁性流体連合講演会

magnetic02.gif
P;エネルギー T;温度 M;磁化 H;磁性流体の磁場 vH;磁性流体の速度 x;磁性流体の長さ t;時間

magnetic03.gif
-60℃<T<200℃ 平均T=70℃=343(K)

1(Tesla)=10000 (Gauss)
P=4527000(Gauss2/sec)
P=0.45(Tesla2/sec)
一般的に磁場のエネルギーは次の方程式で記される。

magnetic04.gif
μ0(真空の透磁率)=4π×10-7[H/m]
よって磁性流体の単位体積(m3)あたりのエネルギーは次の方程式である。
magnetic05.gif
(179kW/m3)Mn-Znフェライト密度4800(kg/m3)すなわち1000kgの磁性流体は37.2kW/kgの出力の電力を生産する。

マイクロ波帯の表面プラズモンによる電場の増強作用は次の論文によって知られておりその場合、電場は16倍増強すると、実験でしめされている。
その実験は次の文献で知られている。
(参照)
Surface-topography-induced enhanced transmission and directivity of microwave radiation through a subwavelength circular metal aperture
Mattew J. Lockyear, Alastair P. Hibbins and Roy Sambles
University of Exeter
Christopher R. Lawrence 
Applied physics letters volume 84, Number 12  American Institute of Physics

マイクロ波によってアルゴンガスを磁場を印加することによって加熱しプラズマ振動を生じさせた場合、マイクロ波を磁場をかけずに加熱しプラズマ振動を生じさせたときよりも、エネルギーは遙かに大きくなる。そのことは次の文献によって知られている。

(参照)
著書名 マイクロ波プラズマの技術
電気学会 マイクロ波プラズマ、調査専門委員会偏
オーム社 第3章マイクロ波帯のプラズマ生成の考え方
P39~ P44

マイクロ波を磁場をかけずに加熱しプラズマ振動を生じさせたときの、エネルギーは
次の方程式で表される。

magnetic06.gif

W;エネルギー  n0;プラズマの密度   e;電子の電荷 me;電子の質量
  E;印加したマイクロ波電界  νe ;    弾性衝突周波数     ω;マイクロ波の周波数


マイクロ波を磁場をかけて加熱しプラズマ振動を生じさせたとき磁場に対して、水平な電界以外に、印加された磁界に対して右旋回に生じる電界と、印加された磁界に対して左旋回に生じる電界が生じる。そのときのエネルギーは次の方程式で表される。

magnetic07.gif

ω=eB0 /me   ;磁界印加によって電子サイクロトロン共鳴が生じたときの周波数
B0;印加された磁界   E+;印加された磁界に対して右旋回に生じる電界  
 E-;印加された磁界に対して左旋回に生じる電界      Ez; 水平電界


マイクロ波によってアルゴンガスを磁場を印加することによって加熱しプラズマ振動を生じさせた場合、マイクロ波を磁場をかけずに加熱しプラズマ振動を生じさせたときよりも、エネルギーは約3倍となる。

感温磁性流体にアルゴンガスを加え、貴金属を挿入し、強磁場を印加することによって、マイクロ波で加熱すると、感温磁性流体のエネルギーは、アルゴンガスによるプラズマ振動のエネルギー、貴金属による、プラズモン振動のエネルギーによって増幅され、出力されるエネルギーは入力のマイクロ波エネルギーの約30倍以上となると考えられる。
すなわち1kWのマイクロ波によって1000kgの磁性流体を加熱し、アルゴンガス、貴金属を挿入し、永久磁石、超伝導電磁石によって強磁場を印加すると、出力は約30kWと計算される。発電効率はその60%、20kW程度と考えられる。


3.磁性流体発電の特性

磁性流体は高速回転から得られるエネルギーと低速高トルクを必用とするエネルギーの目的別選択が可能である。(磁性流体素材から選択が可能)
システムとして、小型から大型に至るまで自由な設計ができる。


現在の主な発電システムと異なり、太陽、風、水などの設置場所を選ぶ必要が無く、自然環境に影響されない。電力を必要とする場所で小型施設から大型まで、且つ、必要発電量に応じた施設を設置し過剰投資の必要がない。
火力発電のようにCO2の発生による温暖化現象を回避でき、持続的に高エネルギーを維持できる。送電線における送電ロスも最低限度に抑えることが可能である。原子力発電のような、廃棄物処理等の後生に負荷を掛ける要因は全く存在していない、クリーンエネルギーである。
発電コスト、発電に必要な施設コストは、太陽光発電の1/2以下と予測でき、施設コストが大きく軽減できる。

大型、小型の電気自動車、電気駆動車、ハイパワーを必用とする重機、建設機器、農業機器、小型船舶、大型船舶の直接駆動が可能であり、バッテリーとの併用活用も可能である。

磁性流体の素材はFeをベースにした微粉体であり、磁性流体は粘性が強い、磁性流体の素材の磁化率、比重、粘度の調整から構造によって目的とする発電機、機能の選択が出来る。

世界のエネルギー危機の問題を解決へ
世界では石油の枯渇によるエネルギー危機が近い将来にやってくるとされていた。
石油を大量に使用しはじめたのは、20世紀の中頃であるが僅か100年も満たない間に、全ての人類のエネルギー財産を食い散らかし散在したのである。
次世代エネルギーの開発は人類の課題である。

故手塚治虫の鉄腕アトムの空を飛ぶ姿は人々の大きな希望であり、夢であった。
宇宙戦艦ヤマトも空を飛んだ。
何時か代替エネルギーが生まれることを人類は期待していたはずである。
磁性流体エネルギーはまだ空を飛んではいない。しかし、高機能エネルギーとして一歩近づけた。

このエネルギーに対して疑問を持たれる人が存在するならば、「貴方は地球の自転エネルギーについて疑問を持ちませんか?地球マグマの持続している熱エネルギーに疑問を抱きませんか?」
我々はその疑問の上で生命を育んでいます。
さあ、一歩前進しましょう!!


発明に至った経緯
2000年からはじまり5年間、大阪大学大学院、工学研究科元教授柳田祥三先生が座長として産総研主催のマイクロ波効果・応用シンポジュウムに関する研究、関経連の任意団体、元、アイ・アイ・エス、代表、金田(元ソニー(株)副社長)によるイノベーションの継続した開催によるヒント、信州大学精密素材工学教授松瀬丈浩研究室における実験が基礎を作りあげている。
過去、マイクロ波輻射よる磁性素材を利用し、エネルギー転換効率の高い加熱、発熱に関する研究を続けいてきた。

電子レンジを利用した、磁性容器の発熱効果は調理の現場で一定の効果が確認でき、エネルギー転換効率の高さを実証した。
磁性流体にマイクロ波を照射し、温度変化から生じるエネルギー、磁性共鳴のエネルギー を流体活動の中で外部から永久磁石によって磁場を与えると混層した磁性流体が生じ、一定容器内を回転し回転エネルギーとして取り出すことができる。


磁性流体発電を併用したスマートグリットシステムの導入
日本の全ての発電において、原子力依存からの脱却、火力発電から生じるCO2の軽減という2つの大きな課題が目の前に残されている。他方自然エネルギーの太陽光発電ではエネルギー転換効率の課題、設備コストと発電量のバランス、風力発電は設置場所と安定性、水力発電は設置場所の限界などの課題があり、現在まで安定した発電システムの解決には至っていない。発電システムの新たな開発は、人類全体の課題でもある。

原子力発電は、大きな課題が存在していたが、課題の解決策を明確にせずに施設の拡大を実施してきたが、東北大震災は、人類に明快な答えを求めることを要求している。
持続性が高く、安定性のある発電システムが求められている。

京都議定書において、日本の最大課題とされているのは発電から生じるCO2発生量の大きなウエートであり、軽減策として原子力に依存した計画が進められていた。
原発の事故は火力発電への依存へとシフトしており、京都議定書の達成には大きな課題が蓄積している。
次代のCO2の発生しない発電システムの開発は必須である。我我の開発はその第一歩の蓋を開けることが出来た。

日本は既に全国に送電線は完備されている。磁性流体発電システムは、電力を必要とする場に直接設置が可能である。大電力を必要とする施設ほど電力使用から生じるCO2軽減が求められており、京都議定書の達成とは相反する課題となっている。
CO2の発生量を基準にした転換を推進し、新たな磁性流体発電を効果的に普及させると短期に京都議定書を批准できる構造改革が推進できる。
スマートグリットシステムは多いに生かすことができる。

○磁性流体発電機の容量
1工場、1事業所、一つのビルで必要な最大電力量は1千kw~3千kw程度であり、一つの発電機の大きさは、最大で1千kw程度を並列にし、必要電力量に応じ並列の発電機が発電するシステム及び従来の送電システムをそのまま活用し、発電によって生じた余剰電力は、現在の送電システムを利用し売電できる。
*磁性流体発電は現在の法令ではまだ発電システムとして認定されていない。

○今後開発に必用な人材の要請とその費用
実用実験機を製作に必要な人材
総合エンジニアリング
発電機機器開発 小型、中型、大型
マイクロ波も発信装置機器設計
構造設計
実用機組み立て、
実用実験機の製作費用、
機種  20kw  x3   100kw  x3  1000kw  x3
完成までに必用な期間の予測
2012年3月スタート完成2015年3月





 

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