JP2006226221A

JP2006226221A - 発電装置

Info

Publication number: JP2006226221A
Application number: JP2005042467A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Suzuki; 昭宏鈴木; Keisuke Kamiya; 恵輔神谷; Toshiro Matsumoto; 敏郎松本
Original assignee: Nagoya University NUC
Current assignee: Nagoya University NUC
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】水流や風などの流体流を利用し、簡単な構造で，幅広い流速に対して発電することが可能な発電装置を提供することを目的とする．
【解決手段】流体流のカルマン渦による強制振動をエネルギー源とするのではなく、振動発生体１０の断面に流体流の流れ方向と直角な面１０ａを設けることで生じるギャロッピング振動をエネルギー源とした。このギャロッピング振動は幅広い流速で生じるため、カルマン渦による強制振動をエネルギー源とした発電装置では必要であった固有振動数を複数持たせる、または固有振動数を変化させるための付加的な装置を必要としない。こうしてより簡単な機構で、幅広い流速で効率良く発電が行えることとなった。
【選択図】図５

Description

本発明は、風や水流などの流体流をエネルギー源として、振動現象から電気エネルギーを取り出す発電装置に関する。

身近にある自然エネルギーを利用した発電の中で、風を利用した発電装置として、風力によってプロペラを回転させ、その回転力によって発電装置を駆動し、電力を得るものが一般的である。このプロペラ型発電装置で大きな電力を得ようとすると、大型プロペラを用いる必要がある。大型プロペラは微風では回転せずに発電できない。また、台風などの暴風時にはプロペラの破損を避けるため、地面と平行方向である待避位置にプロペラを移動させる必要があり、複雑な機構を必要とする。こうして、全体の構造が大型化、複雑化し、装置そのものの価格と共に付帯設備の価格、保守費用も高価なものとなっている。

このような問題を解決するため、下記特許文献１では、エネルギー変換効率に優れ、簡単な構造で小型、安価な圧電型風力発電装置を開示している。この圧電型風力発電装置は、渦発生部材に風によるカルマン渦を発生させ、その渦によって振動板を振動させ、圧電素子によって振動板の振動から電力を取り出す装置である。

また、下記特許文献２では、簡単な構造で低速の流体流であっても発電することが可能な発電装置を開示している。これは、渦発生部材に生じるカルマン渦による振動を永久磁石の運動に伝達し、前記永久磁石がコイルの中を往復運動することで、前記コイルに誘導電流を発生させる装置である。

上述の発電装置はいずれも、風や水流などの流体流によって発生するカルマン渦を外力とする強制振動現象を利用したものである。したがって、振動体は発生するカルマン渦の周波数によって加振される状態となる。強制振動においては、振動板の固有振動数と、カルマン渦の発生周波数が近接する共振状態のときに大振幅の振動を発生し、両固有振動数が一致するときに最大振幅を発生する。発電装置が効率良く電気エネルギーを生み出すためには、振動体を上述の共振状態として大振幅の振動を発生させることが望ましい。

ところでカルマン渦の発生周波数は、流速に依存することが知られている。そこで、特許文献１による発電装置では、幅広い流速に対して共振状態を得るため、固有振動数の異なる複数の振動体を用意している。また、特許文献２による発電装置では、振動体に繋がれたばねに角度を持たせ、前記ばね角度を手動調整もしくは流速に応じた自動調整とすることで、幅広い流速に対して共振状態を得ている。このような幅広い流速に対して共振状態を得るための付加的装置の存在は、構造物の複雑化を意味し、それは高コスト化、メンテナンスの煩雑化、信頼性の低下をもたらす。

特開平１１−３０３７２６号公報特開２００３−１６４１３６号公報

上述の発電装置は、プロペラ形発電装置に比べれば簡単な構造で発電できる装置であるが、強制振動現象を利用しているため、幅広い流速に対して共振状態を得るための付加的装置が必要となる。この付加的装置とは、特許文献１では固有振動数の異なる複数の振動体を用意することであり、特許文献２ではばね角度の自動調整装置であるが、これらは発電機構の複雑化を意味し、それは高コスト化、メンテナンスの煩雑化をもたらす。

本発明は、カルマン渦による強制振動を利用しないことで幅広い流速に対して大振幅を発生させて効率よく電気エネルギーを発生させ、述来の発電装置よりもより簡単な構成の発電装置の実現を目的とするものである。

前記課題を解決するため、請求項１の発明は、流体流を受けて一方向にギャロッピング振動する振動発生体と、前記振動発生体で生じた運動が伝達されてたわみ振動を行う振動体と、前記振動体のたわみ振動による歪みエネルギーを電気エネルギーに変換するトランスデューサーとを具備して成ることを特徴とする発電装置である。かかる振動発生体に生じるギャロッピング振動は、流体流を受けての振動の開始により、時間と共に成長する特性を有し、振幅は次第に大きくなる。その振動発生体の振動で受ける振動体はたわみ振動を行い、その振動の歪エネルギーをトランスデューサーが電気エネルギーに変換することで、幅広い流速で発電することができる。

請求項２によれば、請求項１に記載の発電装置において、前記発電装置は、回転自在に支持されている回転台に、流れ方向を決定する方向決定部材と前記振動発生体を設けることで、前記振動発生体のギャロッピング振動の方向が流体流と常に直角になるように構成されていることを特徴とする。
請求項３によれば、請求項１または２に記載の発電装置において、前記発電装置は、流体流が前記振動体に接触することを防ぐ流体流遮断体を備えることで、流体流が前記振動体の振動を減衰させることを防止するように構成されていることを特徴とする。

本発明は上述したように構成されているため、少ない部品点数で小型に構成し、幅広い流速において発電することが可能である。よって、低いコスト、優れたメンテナンス性、高い信頼性の発電装置を実現し、設置場所に関する制約を小さくすることができる。その結果、電力を必要とするその場で発電を行い、送電設備を必要とすることなく電気機器を使用することができる。
また、本発明はエネルギー源として、水流や風などの様々な自然エネルギーを用いるため、環境負荷を低減することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施例を説明するが、本実施形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施が可能なものである。
図１は本発明の第一の実施例に係る発電装置を説明するための斜視図である。振動発生体１０は、ギャロッピング振動が発生するように、流体流の流れ方向に対して直角な面１０aを有する。前記面１０aが流体流の流れ方向と直角になるように、流体流の中に本装置を設置する。前記振動発生体１０の断面形状Ａ−Ａは、流体流の流れ方向に対して直角な面１０aが存在する形状であれば、図２の正方形や図３の三角形や図４の半円など、任意の変更が可能である。

前記面１０ａが流体流と直角になるように前記振動発生体１０を流体流の中に設置し、自然界の小さな乱れによって振動発生体１０が図１の左側に移動した場合を考える。このとき振動発生体１０の左側では流速が速く、右側では遅くなる。ベルヌーイの定理によれば、流体流の中の物体が受ける力は流れの速いところで小さく、遅いところで大きいので、振動発生体１０の受ける力は左側で小さく、右側で大きくなる。したがって振動発生体１０が左側に動きつつあるとき、振動発生体１０は左向きに力を受ける。逆に振動発生体１０が右側に動くとき、振動発生体１０は右向きに力を受ける。このようにして振動発生体１０は少しずつ振幅を増しながら振動する。このような振動をギャロッピング振動という。
ギャロッピング振動が生じるためには、流体流の流れ方向に直角な面１０aが流体流とぶつかる必要があり、面１０ａの存在しない形状、例えば円柱、楕円柱といった形状は振動発生体１０に適さない。
前記振動発生体１０の下方側には、弾性を有する振動体１１が振動発生体１０と接合され(または一体に成型され)ており、前記振動体１１は前記振動発生体１０で生じたギャロッピング振動と一体となって振動し、歪みを生じる。

前記振動体１１の両側面には、トランスデューサー１２ａ、１２ｂが接合または一体に成型されており、前記振動体１１の振動から生じる歪みエネルギーを電気エネルギーに変換する。本実施例では前記トランスデューサー１２ａ、１２ｂは圧電素子を用いたが、圧電素子のように歪みエネルギーを電気エネルギーに変換することができれば、導電性高分子アクチュエーター等であってもよい。また、前記トランスデューサー１２ａ、１２ｂは前記振動体１１の両側に必ず必要というわけではなく、どちらか一方だけでもよい。なお、特に図示はしないが，トランスデューサー１２ａ、１２ｂの外表面には，それぞれ，電力を取り出すための電極が形成されている．

ギャロッピング振動は、自然界の小さな乱れによって一度生じれば、時間と共に成長する。ギャロッピング振動は、流体流の流速がごく小さいときには生じないが、流体流がある流速以上になると発生し、流速と共に定常振幅が大きくなる。したがって、振動発生体１０の質量や振動体１１の剛性などを適切に選び、ギャロッピング振動の発生流速を非常に小さくする。こうして、幅広い流速に対して振動発生体１０は振動を生じることが可能となり、その振動を振動体１１とトランスデューサー１２ａ、１２ｂを介して、幅広い流速で発電することができる。

以上のように、本実施例には摩擦部分が存在しないので、次の効果がある。すなわち、摩擦部分がある機構では減衰効果が生じ、流体流によって生じたギャロッピング振動の運動エネルギーが消費されるため、電気エネルギーとして取り出すことのできるエネルギー量が減少するのに対し、摩擦部分が存在しない本実施例では、発電装置のエネルギー変換効率は非常に高くなる。

図５は本発明の第二の実施例に係る発電装置を説明するための斜視図である。前記図１の発電装置を回転台２１に接合し、前記回転台２１に方向決定材２０を接合することで、前記図１の発電装置が前記回転台２１を中心として自由に回転することができるようにしたものである。

流体流が方向決定材２０に衝突すると、方向決定材２０は流体流の圧力を受け回転し、下流方向を示して停止する。振動発生体１０の面１０ａは、前記方向決定材２０と直角になるように構成されている。したがって上記のように方向決定材２０が下流方向を示して停止すると、振動発生体１０の面１０ａは常に流体流の流れ方向に対して直角になり、効率よく上記ギャロッピング振動を発生することができる。

図６は本発明の第三の実施例に係る発電装置を説明するための斜視図である。前記図２の発電装置の流体流の流れてくる前方に、流体流遮断体３０を設置する。

流体流は、前記振動発生体１０がギャロッピング振動を生じるためには必要なものであるが、前記振動体１１が振動する際の障害となり前記振動体１１に減衰効果を与える。この減衰効果によって、流体流によって生じたギャロッピング振動の運動エネルギーが消費されるため、発電装置のエネルギー変換効率は低下する。

したがって前記流体流遮断体３０を設置することで、流体流による前記振動体１１の減衰効果を防ぎ、より効率的にギャロッピング振動の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能となる。

なお、前記流体流遮断体３０を設置することにより図２の方向決定材２０には流体流が衝突しなくなる。そこで第三の実施例では図３のように前記方向決定材２０を複数用意し、前記流体流遮断体３０の陰とならない場所に設置する。こうして前記方向決定材２０は前記流体流遮断体３０の影響を受けることがなくなり、前記振動発生体１０の面１０ａは常に流体流の流れ方向に対して直角となるように前記回転台２１を中心として自由に回転することが可能となる．その結果、前記振動発生体１０は効率よく上記ギャロッピング振動を発生することができる。

本発明の第一実施形態の一例を示す斜視図である。図１におけるＡ−Ａ面断面図の変更例を示す。図１におけるＡ−Ａ面断面図の変更例を示す。図１におけるＡ−Ａ面断面図の変更例を示す。本発明の第二実施形態の一例を示す斜視図である。本発明の第三実施形態の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０振動発生体
１０ａ振動発生体１０における、流れ方向に直角となる面
１１振動体
１２ａトランスデューサー
１２ｂトランスデューサー
２０方向決定材
２１回転台
３０流体流遮断体

Claims

流体流を受けて一方向にギャロッピング振動する振動発生体と、
前記振動発生体で生じた運動が伝達されてたわみ振動を行う振動体と、
前記振動体のたわみ振動による歪みエネルギーを電気エネルギーに変換するトランスデューサーとを具備して成ることを特徴とする発電装置。
前記発電装置は、回転自在に支持されている回転台に、流れ方向を決定する方向決定部材と前記振動発生体を設けることで、前記振動発生体のギャロッピング振動の方向が流体流と常に直角になるように構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記発電装置は、流体流が前記振動体に接触することを防ぐ流体流遮断体を備えることで、流体流が前記振動体の振動を減衰させることを防止するように構成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。