JP2010169054A

JP2010169054A - 筒形流体振動発電装置

Info

Publication number: JP2010169054A
Application number: JP2009014070A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Ueda; 義徳植田
Original assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2029-01-26
Also published as: JP5219854B2

Abstract

【課題】簡素な構成で、発電効率を高めること
【解決手段】筒形部材１０の内部に風力による流体エネルギーを受けて起電力を発生する複数の振動起電力発生手段である振動板２１と圧電素子２２とからなる振動起電力発生部材２０を配置し、これらの振動起電力発生部材２０からの起電力を集電手段である起電力集電装置３０によって集電すると、該起電力集電装置３０によって集電された起電力が充電手段である充電装置４０によって蓄電手段である蓄電池５０に充電されるようにした。これにより、筒形部材１０の内部を風が通過するとき、風速が高まるとともに、乱気流が発生するため、振動起電力発生部材２０が比較的小さくても起電力を効率よく生じさせることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力や水力による流体エネルギーを利用して発電を行う筒形流体振動発電装置に関する。

従来より、自然エネルギーを有効活用する技術が様々提案されている。その一例として、風力発電機、太陽電池、水力発電機等が知られている。

ここで、風力発電機は、風の流れを利用して風車を回し、その動力で発電機を回転させて発電する装置である。また、太陽電池は、性質の異なったＰ型とＮ型と呼ばれる半導体物質を張り合わせた薄い板型の構造を有するパネル（ソーラーパネルと呼ばれている）に照射される太陽光を受けて電流を発生させる装置である。また、水力発電機は、水の流れを利用してプロペラを回し、その動力で発電機を回転させて発電する装置である。

ところが、これらの装置においては、それぞれ一長一短があり、使用目的や設置場所等を考慮した上で利用されることが多い。

一方、近年においては、圧電材料を利用し、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電装置が着目されている。この振動発電装置は、上述した風力発電機、太陽電池、水力発電機等に比べて小型化及び軽量化が図れるという利点がある。また、運動エネルギーとしては、風や水等の流体やあらゆる振動のエネルギーを利用することができるという利点もある。

このような圧電材料を利用したものとして、特許文献１では、振動板と、振動板に固定されており、風を受けた際に振動板を振動させるような空気の渦流を発生させるための渦発生部材と、振動板に固定されており、かつ振動板の振動を受けて電力を取り出すことを可能とする圧電素子とを備えた圧電型風力発電機を提案している。

また、特許文献２では、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、振動発生体で生じた運動が伝達されて撓み振動を行う振動体と、振動体の撓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備えた発電装置を提案している。

特許第３９５１４３８号特開２００６−２２６２２１号公報

上述した特許文献１では、振動板に風を受けた際に空気の渦流を発生させる渦発生部材を固定し、その空気の渦流によって振動板が振動するようにし、その振動板に振動を受けて電力を取り出すことを可能とする圧電素子を固定したことにより、エネルギー変換効果に優れ、比較的簡単な構造を有し、小型に構成することができるものと考えられる。

また、上述した特許文献２では、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、振動発生体の断面に流体流の流れ方向と直角な面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とにより、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となるものと考えられる。

ところで、これらの特許文献１，２に示される圧電素子やトランスデューサーによる起電力による発電効率を高めるためには、これらの圧電素子やトランスデューサーを複数用いる必要がある。

ところが、特許文献１では、震動源として左右に開いた振動板が必要となるため、振動板と圧電素子との組み合わせが増えることにより、装置の小型軽量化を図ることが困難となるばかりか、単に振動板と圧電素子との組み合わせを増やしただけでは振動板に風を効率よくあてることができないため発電効率を高めることができないという問題があった。

また、特許文献２では、震動源に付随するものとして、直角な面を有する振動発生体が取り付けられた振動体と、この振動体の後方に延設された流体流に対する方向決定材とが必要となるため、これらの震動源に付随するものとトランスデューサーとの組み合わせが増えることにより、上記同様に、装置の小型軽量化を図ることが困難となるばかりか、直角な面を有する振動発生体に水流や風などの流体を効率よくあてることができないため発電効率を高めることができないという問題があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で、発電効率を高めることができる筒形流体振動発電装置を提供することを目的とする。

本発明の筒形流体振動発電装置は、筒形部材と、該筒形部材内に配置され、流体エネルギーを受けて起電力を発生する複数の振動起電力発生手段と、これらの振動起電力発生手段からの起電力を集電する集電手段と、該集電手段によって集電された起電力を蓄電手段に充電する充電手段とを備えることを特徴とする。
また、前記筒形部材には、風向板と回転手段とが設けられ、前記風向板に風があたると、前記回転手段を介して前記筒形部材の向きが風上に向けられるようにすることができる。
また、前記筒形部材には、該筒形部材を傾斜自在とする傾斜手段が設けられているようにすることができる。
本発明の筒形流体振動発電装置では、筒形部材の内部に風力や水力による流体エネルギーを受けて起電力を発生する複数の振動起電力発生手段を配置し、これらの振動起電力発生手段からの起電力を集電手段によって集電すると、該集電手段によって集電された起電力が充電手段によって蓄電手段に充電される。
ここで、筒形部材には風又は水が進入するようになっており、これらの風又は水が筒形部材の内部を通過するとき、風速又は水の流速が高まるとともに、乱気流又は渦流が発生するため、振動起電力発生手段が比較的小さくても起電力が効率よく生じることになる。

本発明の筒形流体振動発電装置によれば、筒形部材の内部で風速又は水の流速が高められるとともに、乱気流又は渦流が発生し、振動起電力発生手段が比較的小さくても起電力を効率よく生じさせるようにしたので、簡素な構成で、発電効率を高めることができる。

本発明の筒形流体振動発電装置の第１の実施形態に係る、風力による流体エネルギーを電気エネルギーに変換する筒形流体振動発電装置を示す図である。図１の振動起電力発生部材を説明するための図である。図１の起電力集電装置を説明するための図である。図１の振動起電力発生部材を示す図である。図２の圧電素子による起電力による発生電流の概要を説明するための図である。図２の圧電素子における、負荷抵抗に対する電流と電圧の発生の概要を説明するための図である。図１の筒形部材の構成を変えた場合の他の例を説明するための図である。水力による流体エネルギーを電気エネルギーに変換する筒形流体振動発電装置に係る第２の実施形態を示す図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態の詳細について説明する。図１は本発明の筒形流体振動発電装置に係る第１の実施形態を説明するための図であり、図２は振動起電力発生部材を説明するための図であり、図３は起電力集電装置を説明するための図である。

まず、図１に示す筒形流体振動発電装置１は、風力による流体エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、風力を受けやすい環境に設置されるものであって、ポール、支柱、台座等に取り付けられるようになっている。また、筒形流体振動発電装置１の用途としては、電子機器センサーの電源、路側の電光標識等の道路安全支援装置の電源、防犯システムの電源等とすることができる。

また、筒形流体振動発電装置１は、筒形部材１０と、振動起電力発生手段である振動起電力発生部材２０と、集電手段である起電力集電装置３０と、充電手段である充電装置４０とを備えている。なお、図中符号５０は蓄電池を示し、符号６０は負荷制御装置を示し、符号７０は負荷を示している。

筒形部材１０は、風が入り込む入口１１から風が抜け出る出口１２までの径がほぼ同一とされ、風が入り込む入口１１から風が抜け出る出口１２まで空洞とされている。筒形部材１０の断面は、円形、楕円形、菱形、四角形、六角形、八角形等のように、様々な形状とすることができる。

また、筒形部材１０は、室外に設置されることを想定し、たとえば耐食性等に優れたＰＶＣ管（ポリカーボネイト）、管（ポリ塩化ビニール）、ＳＵＳ管（ステンレス）、Ａｌ（アルミ管）等で構成することができる。また、筒形部材１０の下面側には、回転軸１３ａと回転軸受け１３ｂとからなる回転テーブル１３が取り付けられている。また、筒形部材１０の下面側には、後述の圧電素子２２を装着する複数の装着穴１５が設けられている。

また、筒形部材１０の上面側には、風向板１４が取り付けられている。この風向板１４に風があたることで、回転テーブル１３を介して筒形部材１０の入口１１が風上に向けられるようになっている。

振動起電力発生部材２０は、風による流体エネルギーを受けて起電力を発生するものであり、筒形部材１０の下面側の複数の装着穴１５にそれぞれ装着されている。なお、振動起電力発生部材２０は、筒形部材１０の軸方向に沿って同一線上に配置されていてもよいが、好ましくは千鳥状に配置する。このように千鳥状に配置することで、前方の振動起電力発生部材２０に後方の振動起電力発生部材２０が重ならないことから、前方の振動起電力発生部材２０によって弱められた風が後方の振動起電力発生部材２０にあたるようなことがなくなり、風力を効率良く受けることができる。

また、振動起電力発生部材２０は、図２に示すように、振動板２１と圧電素子２２とを有している。振動板２１は、棒状をなし、耐食性や耐衝撃性及びある程度の可撓性とを有する部材で構成されている。また、振動板２１としては、振幅の復元性、耐久性が要求されることから、ＳＵＳ（ステンレス）の薄板加工、燐青銅の薄板加工、バネ材の薄板加工等によって成型することができる。また、振動板２１の下端側が圧電素子２２の上面側に直付けされている。

圧電素子２２は、圧電セラミックス２３，２４が結合部材２５を介して張り合わされた構成となっている。また、図２のように、圧電素子２２は、筒形部材１０の装着穴１５に装着されるとともに、たとえば左端部側が固定部材２６を介して筒形部材１０の装着穴１５の縁部に取り付けられるようになっている。これにより、圧電素子２２の右端部側が自由端となり、左端部側を支点としてその右端部側が振動板２１の振動に応じて上下に変位するようになっている。また、圧電セラミックス２３，２４には、起電力集電装置３０に接続されるリード線２３ａ，２３ｂの一端側が接続されている。

起電力集電装置３０は、圧電素子２２によって発生される起電力を集電するものである。また、起電力集電装置３０は、圧電素子２２によって発生される起電力から得られる電流の直流成分と交流成分とを分離する、たとえば図３に示すようなインピーダンスボンドを有しており、そのインピーダンスボンドによって分離された直流成分と交流成分の電力を電力線８０ａを介して充電装置４０に送出する。

すなわち、図３に示すインピーダンスボンド３１は、一次コイル３２と、磁心３３と、二次コイル３４とを有している。

一次コイル３２には、上述したリード線２３ａ，２３ｂに接続されるリード端子３２ａ，３２ｂが設けられている。二次コイル３４には、端子３４ａ，３４ｂ，３４ｃが設けられている。ここで、端子３４ｂは、二次コイル３４のほぼ中央に接続されるようになっている。また、端子３４ｂと二次コイル３４との間には、ダイオード３５が設けられている。

このようなインピーダンスボンド３１では、上述した圧電素子２２による起電力によって発生した電流（交流成分）が一次コイル３２に流れることで、二次コイル３４には一次コイル３２の磁界の変化を妨げる方向に起電力が発生する。

このとき、端子３４ａ，３４ｃ間の起電力によって発生した電流（交流成分）が取り出される。また、端子３４ａ，３４ｂ間、及び端子３４ｂ，３４ｃ間では、ダイオード３５によって整流された電流（直流成分）が取り出される。

充電装置４０は、起電力集電装置３０に集電された電力を電力線８０ｂを介して蓄電池５０に充電する。蓄電池５０としては、バッテリーやリチウムイオン蓄電池等を用いることができる。

負荷制御装置６０は、電力線８０ｃを介して蓄電池５０に接続されている。負荷制御装置６０は、電力線８０ｄを介して負荷７０へ供給する蓄電池５０の充電電力の供給制御を行う。ここで、負荷７０としては、屋外に設置されているＬＥＤ照明灯、警告灯、案内灯等とすることができる。よって、負荷制御装置６０は、たとえば周囲が暗くなり始めると、負荷７０への電力供給を開始するような制御を行うことができる。

なお、負荷制御装置６０には、負荷７０への電力供給の開始を知らせるタイマーや、負荷７０への電力供給の開始を示すデータ等が持たされているようにしてもよい。また、負荷制御装置６０に受信器を搭載しておいて、外部からの無線で負荷７０への電力供給の開始を制御するようにすることも可能である。また、負荷７０としては、携帯端末等のようなモバイル機器とすることも可能である。

次に、筒形流体振動発電装置１の動作を、図４〜図６を用いて説明する。ここで、図４は図１の振動起電力発生部材２０を示す図であり、図５は圧電素子２２による起電力による発生電流の概要を説明するための図であり、図６は負荷抵抗に対する電流と電圧の発生の概要を説明するための図である。

まず、筒形部材１０を室外に設置する。この場合、回転テーブル１３の回転軸受け１３ｂを任意の部位にボルト等の締結部材を用いて固定する。また、振動起電力発生部材２０起電力集電装置３０、充電装置４０、蓄電池５０、負荷制御装置６０を所定の収納ボックスに収納しておく。

そして、筒形部材１０の上面側に取り付けられている風向板１４に風があたると、回転テーブル１３を介して筒形部材１０の入口１１が風上に向けられる。このとき、筒形部材１０の入口１１から進入した風が筒形部材１０の内部を通過するとき、風速が高まるとともに、乱気流が生じる。

これにより、振動起電力発生部材２０の振動板２１への風力が高められるため、振動板２１が棒状であっても、図４（ａ）又は図４（ｂ）のように少なくとも左側（矢印ａ方向）又は右側（矢印ｂ方向）に交互に振動する。このとき、図４（ａ）の状態では圧電素子２２の圧電セラミックス２３が縮み、圧電素子２２の圧電セラミックス２４が伸びることになるため、リード線２３ａ側が−でリード線２３ｂ側が＋となる起電力が発生する。

一方、図４（ｂ）の状態では圧電素子２２の圧電セラミックス２３が伸び、圧電素子２２の圧電セラミックス２４が縮むことになるため、リード線２３ａ側が＋でリード線２３ｂ側が−となる起電力が発生する。

この場合、圧電素子２２による起電力により、図５に示すような電流が発生する。この発生した電流には、上述したように、直流成分と交流成分とが含まれているため、起電力集電装置３０のインピーダンスボンドにより直流成分と交流成分とに分離され、充電装置４０に送出される。

これにより、起電力集電装置３０により、圧電素子２２による起電力によって発生する電流が効率よく集電されることになる。なお、図５はあくまでも圧電素子２２による起電力による電流の発生の概要を示すものであり、圧電素子２２等の構成や数によって電流波形が異なることは勿論である。

そして、充電装置４０により、起電力集電装置３０に集電された電力が電力線８０ｂを介して蓄電池５０に充電され、たとえば所定時間に達すると、負荷制御装置６０により、電力線８０ｄを介して負荷７０へ供給する蓄電池５０の充電電力の供給が開始される。

ここで、振動起電力発生部材２０の圧電素子２２による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する際の変換効率は、負荷７０による負荷抵抗との関係で左右される。つまり、負荷７０による負荷抵抗と、圧電素子２２の起電力による電流及び電圧とは、図６に示すような関係となることが知られている。同図から分かる通り、電圧は負荷抵抗が大きくなるに従い、その値が大きくなる。これに対し、電流は１００００Ω程度までは１０ｍＡ程度の一定の値を示すが、１００００Ωを超えると、１ｍＡ程度まで下がる。

よって、振動起電力発生部材２０の圧電素子２２による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する際の変換効率を高めるためには、たとえば電流が１０ｍＡ程度の一定の値を示す１００００Ω程度までとすればよいことが分かる。なお、図６はあくまでも負荷抵抗と、起電力による電流及び電圧との関係の概要を示すものであり、上記同様に、圧電素子２２等の構成や数によってその関係が異なることは勿論である。

このように、第１の実施形態では、筒形部材１０の内部に風力による流体エネルギーを受けて起電力を発生する複数の振動起電力発生手段である振動板２１と圧電素子２２とからなる振動起電力発生部材２０を配置し、これらの振動起電力発生部材２０からの起電力を集電手段である起電力集電装置３０によって集電すると、該起電力集電装置３０によって集電された起電力が充電手段である充電装置４０によって蓄電手段である蓄電池５０に充電されるようにした。

これにより、筒形部材１０の内部を風が通過するとき、風速が高まるとともに、乱気流が発生するため、振動起電力発生部材２０が比較的小さくても起電力を効率よく生じさせることができることから、簡素な構成で、発電効率を高めることができる。

また、第１の実施形態では、筒形部材１０に、風向板１４と、回転手段である回転軸１３ａと回転軸受け１３ｂとからなる回転テーブル１３と設け、風向板１０に風があたると、回転テーブル１３を介して筒形部材１０の向きが風上に向けられるようにしたので、筒形部材１０内部への風の取り込みを効率よく行うことができる。

なお、第１の実施形態では、筒形部材１０の径が、風が入り込む入口１１から風が抜け出る出口１２までほぼ同一とされた場合としているが、この例に限らず、たとえば図７のように、風が入り込む入口１１ａ側が出口１２の径より大きくなるようなラッパ状の構成としてもよい。

この場合、筒形部材１０の入口１１ａから進入する風量が多くなるため、その風が筒形部材１０の内部を通過するとき、風速がさらに高まるため、筒形部材１０の周囲の風速が弱くても振動起電力発生部材２０の振動板２１をより確実に振動させることが可能となる。

（第２の実施形態）
図８は、水力による流体エネルギーを電気エネルギーに変換する筒形流体振動発電装置１Ａに係る第２の実施形態を示す図である。なお、以下の説明においては、図１と共通する部分には同一符号を付し、重複する説明は適宜行うものとする。

同図に示す筒形流体振動発電装置１Ａは、図１の風向板１４が省かれているとともに、図１の回転テーブル１３が傾斜テーブル１６に置き換えられている点で、図１の筒形流体振動発電装置１とは相違している。また、筒形流体振動発電装置１Ａは、水力による流体エネルギーを利用するものであるため、圧電素子２２の周囲が防水部材２０ａによって覆われている点でも図１の筒形流体振動発電装置１とは相違している。

また、本実施形態での筒形流体振動発電装置１Ａは、水力用とされることから、たとえば家屋の雨樋配水管等に接続して利用される。このような筒形流体振動発電装置１Ａでは、たとえば商用電源を利用できない地域であっても、上記同様に、電子機器センサーの電源、路側の電光標識等の道路安全支援装置の電源、防犯システムの電源等として用いることができる。

ここで、傾斜テーブル１６は、上端側が筒形部材１０の下面側に取り付けられるとともに、下端側にたとえば回転球１６ａを有する回動支持軸１６ｂと、回転球１６ａを回動自在に支持する回動支持部１６ｃを有する回動支持軸受け１６ｄとを有している。このような傾斜テーブル１６が筒形流体振動発電装置１Ａの筒形部材１０の下面側に取り付けられることで、入口１１の向きを、少なくとも上下に傾斜させることができ、水の流れに沿った方向にその入口１１を向けることができる。

なお、傾斜テーブル１６にあっては、筒形部材１０を少なくとも上下に傾斜させることができればよいため、ヒンジ状の簡単な継ぎ手構成としてもよい。

このような筒形流体振動発電装置１Ａでは、たとえば家屋の雨樋配水管等に接続し、雨樋配水管内の水が筒形部材１０内に進入するものとすると、筒形部材１０の入口１１から進入した水が筒形部材１０の内部を通過するとき、その水の流速が高まるとともに、渦流が生じる。

これにより、振動起電力発生部材２０の振動板２１は、上述した図４（Ａ）又は図４（Ｂ）のように少なくとも左側（矢印ａ方向）又は右側（矢印ｂ方向）に交互に振動する。

そして、上述したように、圧電素子２２による起電力により、直流成分と交流成分とが含まれている電流が発生し、起電力集電装置３０のインピーダンスボンドにより直流成分と交流成分とに分離され、充電装置４０に送出される。

さらに、充電装置４０により、起電力集電装置３０に集電された電力が電力線８０ｂを介して蓄電池５０に充電され、たとえば所定時間に達すると、負荷制御装置６０により、電力線８０ｄを介して負荷７０へ供給する蓄電池５０の充電電力の供給が開始される。

このように、第２の実施形態では、筒形部材１０に、該筒形部材１０を傾斜自在とする傾斜手段である傾斜テーブル１６を設けるようにしたので、水の流れに沿った方向に筒形部材１０の向きを調整でき、筒形部材１０内部への水の取り込みを効率よく行うことができることから、第１の実施形態と同様に、振動起電力発生部材２０が比較的小さくても起電力を効率よく生じさせることができ、簡素な構成で、発電効率を高めることができる。

外部からの電力供給を受けない無給電型装置に適用可能である。

１，１Ａ筒形流体振動発電装置
１０筒形部材
１１，１１ａ入口
１２出口
１３回転テーブル
１４風向板
１５装着穴
１６傾斜テーブル
２０振動起電力発生部材
２０ａ防水部材
２１振動板
２２圧電素子
２３，２４圧電セラミックス
２６固定部材
３０起電力集電装置
４０充電装置
５０蓄電池
６０負荷制御装置
７０負荷

Claims

筒形部材と、
該筒形部材内に配置され、流体エネルギーを受けて起電力を発生する複数の振動起電力発生手段と、
これらの振動起電力発生手段からの起電力を集電する集電手段と、
該集電手段によって集電された起電力を蓄電手段に充電する充電手段とを備える
ことを特徴とする筒形流体振動発電装置。
前記筒形部材には、風向板と回転手段とが設けられ、
前記風向板に風があたると、前記回転手段を介して前記筒形部材の向きが風上に向けられる
ことを特徴とする請求項１に記載の筒形流体振動発電装置。
前記筒形部材には、該筒形部材を傾斜自在とする傾斜手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の筒形流体振動発電装置。