JP2010512132A - 流体誘発振動を利用した発電機 - Google Patents

Abstract

磁場発生装置と、流体の流れに存在するエネルギーを振動エネルギーに変換する少なくとも１つのエネルギーコンバータとを備える発電機である。コンバータは、少なくとも２つの固定端を有する柔軟膜を備える。柔軟膜は、流体の流れにさらされたときに振動を生じる。導電体および磁場発生器の一方が膜に取り付けられて膜とともに運動するように構成されている。流体の流れによって引き起こされる膜の振動は、導電体と印加磁場との間に相対的な運動を引き起こす。この相対的な運動は、導電体に印加される磁場の強さに変化をもたらし、この導電体に印加される磁場の強さの変化が、導電体を流れる電流を引き起こす。
【選択図】図１

Description

本出願は、一般に、流動流体からのエネルギー採取に関するもので、より具体的には、流体の流動によって振動を引き起こすとともにその振動を利用して電気を生成するエネルギーコンバータおよび発電機の特有の構造に関するものである。

風や水のような流動流体に存在する運動エネルギーは、穀物の製粉、水の汲み上げなど、生産的な人間の試みにうまく利用されている。風力発電機は、それら流体を発電に利用するために開発されたものである。今日、風力発電機は、概ねどこにでも存在する形式のタービンや回転翼を採用している。それらのタービンに基づく風力発電機は、一般に、常に高速風の存在する一定のオープンスペースに有効であるが、大きな初期資本コスト、狭い風速の範囲で低効率、低出力レベル（＜１ｋＷ）でのコスト効率の悪さ等の難点も未だ存在する。

タービンに基づくデバイスの難点を回避するために、その他の自然界の流動現象を利用した様々な他の発電機が考案されている。しかしながら、それらの提案は、構造の複雑さや、追加的なコスト、複雑な取付構造の必要性、エネルギー生産の低効率、不十分な発電、非効率な振動発生、高流速に対する制限などの理由により、満足できるものではなかった。

この開示には、流体の流動によって引き起こされる振動を効率良く促進し、その振動を電気やその他のタイプのエネルギーの生成に利用する特有の発電機の様々な実施形態が記載されている。一態様において、例示的な発電機は、２点以上で固定された“ベルト”または張力をかけた膜に沿って誘発させたフラッター（flutter）と渦の離脱（vortices shedding）の組合せにより、流体の流れのエネルギーを利用している。膜は、振動を流動流体に促進することで知られている細長い形またはその他の形状を有している。

例示的な発電機は、少なくとも１つの磁場発生器と、少なくとも１つの導電体と、少なくとも２つの固定端を有する少なくとも１つの柔軟膜とを備えている。膜は、流体の流れにさらされたときに振動する。導電体と磁場発生器の一方は、膜に取り付けられて、膜とともに動くように構成されている。流体の流れによって引き起こされた膜の振動は、導電体と印加磁場との間に相対運動を引き起こす。この相対運動は、導電体に印加された磁場の強さの変化をもたらし、この導電体に印加された磁場の強さの変化は、導電体に電流の流れを生じさせる。発電機の一部またはすべての部分は、ＭＥＭＳ（微少電気機械システム）デバイスとして実装することができる。一態様においては、膜が振動しないときに、磁場の方向が、導電体によって囲まれた領域に対してほぼ垂直となるようにすることができる。

例示的な発電機は、膜に取り付けられた少なくとも１つのマス（mass）をさらに備え、これにより、流体の流れにさらされたときに膜の運動または振動が促進されるようになっている。一実施形態では、生じた電流を調整するために、電力調整回路を設けるようにしてもよい。また、電力調整回路に、電流を整流するように構成された整流回路を設けるようにしてもよい。別の実施形態では、磁場発生装置は、少なくとも１つの永久磁石を有している。さらに別の実施形態では、例示的な発電機は、コイル等の複数組の導電体を備えている。複数組の導電体によって生成された電流は直列に組み合わされるようにしてもよい。前記電流により充電されるように、バッテリーやコンデンサ等の再充電可能な電力貯蔵デバイスを設けるようにしてもよい。

一実施形態では、例示的な発電機は、さらに支持構造体を備えている。膜の固定端は支持構造体に固着されている。導電体は膜に取り付けられている。磁場発生器は支持構造体上に配設されている。別の実施形態では、磁場発生器が膜に取り付けられ、導電体が支持構造体上に配設されている。別の実施形態では、膜の平面に対して垂直な磁場（すなわち、両極を結ぶ軸）が形成されるように、磁場発生器が向けられている。さらに別の実施形態では、膜の平面に対して平行な磁場が与えられるように、磁場発生器が向けられている。もちろん、磁場方向の変化を捕らえるために、対応する各実施形態においては導電体が再配置される。

他の実施形態において、例示的な発電機は、流体の流れる速度に応じて膜の固定端間に調整可能な張力を加えるように構成された、モータなどの調整可能な張力付与装置を備えている。流体の流れの影響（effect）を示す信号を生成するために、センサを設けるようにしてもよい。一態様では、張力は電流に基づいて調整される。

他の実施形態においては、例示的な発電機に、複数の柔軟膜を設けるようにしてもよい。一態様では、膜を同じ支持構造体に付けるようにしてもよい。

本開示のさらなる態様や利点は、以下の詳細な説明から当業者にとって容易に明らかなものとなるであろう。以下の説明では、本開示を実行することを意図したベストモードを単に説明することにより、本開示の例示的な実施形態のみが示され記載されている。当然のことながら、本開示は、他の異なる実施形態も適用可能であり、その様々な細部構造はすべて、開示から逸脱することなく、様々な自明な点において変更が可能である。したがって、図面および説明は実際のところ例示的なものであって、限定的なものとみなされるべきではない。

図１は、本開示に係る発電機の一例を示す斜視図である。 図２は、一例となる実施形態の例示的な振動モードを示す側面図である。 図３は、永久磁石とその生成磁場の方向の一例を示す図である。 図４は、例示的な発電機によって生じた電流を処理するための電気回路の回路図である。 図５は、例示的な発電機の別の実施形態を示す斜視図である。 図６は、流体の流動によって生じた振動を利用する例示的な発電機のさらに別の実施形態を示す斜視図である。 図７は、振動の他のモードを示す斜視図である。 図８は、例示的な発電機の振動方向を示す断面斜視図である。

以下の記述では、説明の目的で、本開示の完全な理解を与えるために、数多くの具体的な細部構造が示されている。しかしながら、それらの具体的な細部構造が無くても本開示を実施できることが、当業者にとって明らかになるであろう。他の例では、本開示が不必要に曖昧になるのを避けるために、周知の構造および装置がブロック図の形式で示されている。

例示的な発電機は、磁場発生器と、空気流、水流、潮流等の流体の流れの中に存在するエネルギーを振動（vibrations or oscillations）に変換するための柔軟膜とを備えている。柔軟膜は、当該柔軟膜に取り付けられた少なくとも１つの導電体を備え、少なくとも２つの固定端を有している。膜は、流体の流れにさらされたときに振動する。本明細書で使用されているように、“柔軟”という用語は、加えられた力の作用に応答して、損傷を生じることなく、多種多様の特定または不特定の形状に変形することができる膜を指している。

少なくとも１つの導電体は、膜に取り付けられて膜とともに動くように構成されたアルミニウムまたは銅コイルにより実現することができる。例えば、１または２以上のコイルは、振動膜に組み込まれ、または振動膜上に一体化されている。それらコイルは対応する磁場発生器の上方に配置されている。一実施形態では、コイルは、近年ＲＦＩＤタグおよびパッチアンテナ用に開発された技術によって、膜の上に直接印刷されている。

流体の流れによって引き起こされた膜の振動は、導電体と印加磁場との間に相対運動を引き起こす。この相対運動は、導電体に印加される磁場の強さに変化をもたらし、この導電体に印加される磁場の強さの変化は、導電体に電流の流れを生じさせる。

例示的な発電機を駆動するのに風または水流を使用するとき、風は、細長い形状の膜等の膜の長軸に対して垂直に流れる。流動する流体は、張力を付与された膜に、フラッターとして知られる自然発生的な不安定性をもたらす。膜のフラッターは、適切な設計の変動において、均一な、ねじれが低減された高エネルギー振動モードをもたらす。このモードは、振動の第１通常モードと呼ばれる。さらに、振動を促進する場合には、膜の縁または表面に沿って渦の離脱が発生するようにしてもよい。

膜の振動により、磁石に対してコイルが相対的に移動する。磁場の変化は、コイルによって規定された閉領域を通り抜け、これによりコイル内で起電力（ＥＭＦ）が生じる。その結果、発電のために振動膜のピストンまたはカムシステムへの物理的な結合を必要とすることなく、電流が生じる。この発電機は、タービンに基づく多くの風力発電機に求められる風速よりも低い風速を含む様々な風速で作動する。また、本開示の例示的な発電機のコストは、風力に基づく多くの他の発電機のそれよりも遙かに低く、また、物理的にグラインドする部品が存在しないため、長い期間、静かなメンテナンスフリーの運転を可能にする。誘導するブラッフボディ（bluff bodies）は、必要に応じて利用することも可能であるが、不要である。

さらに、例示的な発電機は、例えば従来の圧電方式を用いた発電機のようなタービンレス発電機やタービン発電機よりも、特に小規模で、高い効率を得ることができる。また、翼に基づく回転タービンのベッツ（Betz）限界制限無しに、この改良された風力発電クラスに対して、より緩やかな効率限界を設けることができる。

本明細書に開示の概念は、小規模ＲＦセンサアレイのためのエネルギー利用から、グリッド接続された大規模電力供給への分散された地方の電化にわたる、多様な分野におけるエネルギー課題を解決する。

幾つかの実施形態において、振動は、相対的に固定された２つのノードを有するモード内にあり、一方、他の実施形態では、膜全体にわたり多数のノードが設定されている。また、幾つかの実施形態では、膜の上にコイルが配置されて、このコイルが固定された一組の磁石に対して相対的に移動する一方、他の実施形態では、架台上にコイルが固定されて、動く膜に磁石が付けられている。さらに、磁場は、永久磁石によって生成することができ、あるいは、発電機によって作られた電気の一部を電磁石の配線に送りながら、電磁誘導によって磁場を生成し、維持することもできる。前記コイルは様々な形状、構造、形式とすることができる。

図１は、本開示に係る例示的な発電機１００を表している。この発電機１００は、細長い膜２と、２つのコイル４ａ，４ｂと、支持構造体６とを備えている。支持構造体６は、基部８と、永久磁石１２ａ，１２ｂを支えるための２部分とを含む。膜２を基部８に接合させるために、接着部１４ａ，１４ｂが設けられている。電力調整回路は、基部／膜上または外に設けられ、コイル４ａ，４ｂによって発生した電流を処理する。コイル４ａ，４ｂは、膜２の表面または膜２内に固着され、磁石１２ａ，１２ｂの上方にそれぞれ配置されている。２つのリード１６ａ，１６ｂがコイル４ａ，４ｂにそれぞれ連結されている。膜２に加えられる張力は、基部８の両端間の特定の距離とともに、基部８の物理特性（すなわち、ヤング率）と、膜２の弾性力に依存する。

図１に示す例示的な発電機１００は、次のように動作する。例えば水の液体流を含む流体の流れや、あるいは人工的な通気システムまたは自然風で見られるような空気の流れが、張力が与えられた細長い膜２を横切って進む。この流体の流れは、膜の主軸に対してほぼ垂直な方向に進み、その後、膜の自励振動が始まる。この振動は、多くの場合、膜２の僅かなねじれによって開始する。しかしながら、この初期状態は、図２に示すような、ねじれが減少した最小通常モードの振動にすぐに（約１秒未満で）安定化する。膜２が振動すると、固定された永久磁石１２ａ，１２ｂの上で、同様にコイル４ａ，４ｂも膜２とともに振動する。この振動の側面図が図２に描かれている。

図３は、コイル４ａ，４ｂ下方の磁石１２ａ，１２ｂの例示的な方向を示している。もともとマイケル・ファラデーにより説明されているように、コイル４ａ，４ｂの閉領域が垂直力線によって交差されるように磁場が向けられている。なお、磁石の幾つかの方向は、適当な方向を向く磁場を形成することに留意されたい。コイル４ａ，４ｂを通過する磁場の強さは、固定された磁石１２ａ，１２ｂに対して相対的にコイル４ａ，４ｂが移動するのに連れて変化する。この磁場の変化によって、起電力（ＥＭＦ）が生じる。このＥＭＦは、負荷状態、内部抵抗、インピーダンス、その他の要因の範囲に依存して、電流、すなわち電気の流れを生じる。

振動の第１通常モードでは、コイル４ａ，４ｂは、互いにほぼ同調して振動する。各リード１６ａ，１６ｂを流れる電気は、顕著な相殺的干渉無しに、組み合わせることができる。リード１６ａ，１６ｂは、発電機１００に付随する電力調整回路に流れる望ましい電圧および電流に応じて、並列または直列に接続することができる。

図１に示す構成は、膜全体の振動エネルギーを１または複数の離散領域に効率良く集める。これは、レバーが大きな移動動作を、大きなポテンシャル力を有する小さな動きに“集約する”のと同様の方法で作用する。この膜両端近傍のより大きな力は、振動を弱めることなく、重くて太いコイルを組み込むことを可能にするものである。このため、より小さい磁場が、コイルの進む空間のより小さい体積を満たすために必要であり、これが、より小さい磁石のコストに変換する。また、コイルを流動流体の流路から大きく離して配置することにより、配線の障害を生じることなく、膜の中心領域の大部分が、それら流体の流れに応答できるようになる。

図４は、低風速で高い電圧を得ることができるように直列接続を使用した例示的な電力調整回路４０のブロック図を示している。回路４０は、整流器４１、平滑コンデンサ４２、逓増サプライ（step-up supply）４３、再充電可能なバッテリーまたは超コンデンサなどの電力貯蔵デバイス４４を備えている。整流器４１および平滑コンデンサ４２は、交流電流の形式のコイル４ａ，４ｂの出力を、平滑化された直流電流に変換する。その後、直流電流が逓増サプライ４３に送り込まれ、或いは、最終的な利用のために電圧の特定範囲が望ましい場合には、直流電流がブーストコンバータに送り込まれる。電力貯蔵デバイス４４は、利用によって取り出される電流と、発電機１００のコイル４ａ，４ｂからの供給との間でバッファリングを行うために設けられている。

図１に示すように、基部８は弓形とされている。弓形の基部は、僅かな偏差で、膜２に対してほぼ一定の張力を付与する。膜２はやがて伸びるため、基部８のバネ作用が、膜２を一定の張力で維持する。なお、他の形状の基部を使用して発電機１００を実施するようにしてもよい。また、平らな、曲がっていない基部を使用して、同様の目的を、膜２自体の自然な弾性によって達成することも可能である。別の実施形態では、定荷重バネ（ベルビルワッシャーなど）や追従機構を膜の端部に取り付けたり、或いは基部自体の構造に組み入れることにより、長い期間に亘って、膜２上により信頼性の高い一定の張力が維持されるようにしてもよい。膜が垂直方向に向けられる実施形態では、膜２または基部８に錘を取り付けることによって、重力により一定の復元力が生じる。

別の実施形態では、フィードバックシステムが発電機１００に構築され、より高い風速においてより高い張力が膜２に付与または加えられる。このフィードバックシステムは、支持構造体の基部２内にソレノイドを配設するなど、様々な方法で実装することができる。その後、ソレノイドの押圧力は、コイル４ａ，４ｂの電気出力とともに変化する。別の実施形態では、入力電圧の変換とともに形状が変化する記憶合金または誘電体を使用して、センサで検知した風速に応じて膜２の張力を変える。

図５は、本開示の概念を使用した例示的な発電機５００の別の実施形態を表している。この実施形態では、コイル５２が膜表面５４のより広い領域に及んでいる。同様の電気出力を維持するためには、同様の細長い磁場を形成するのに、より多くの永久磁石５６が必要とされる。図５に描かれた構成は、ＭＥＭＳデバイスや“チップ上の発電機”など、膜のより広い範囲に及ぶコイルを容認することができる非常に小さい発電機においては、コイルの平行移動の体積を飽和するのに必要とされる磁場が非常に限定されたオーダとなるため、特に有効である。

図６は、図１に示す実施形態の変形例を示している。少なくとも１つのマス（mass）６２が膜２上に設けられている。マス６２は、対照的なまたは非対称的な形状の一又は複数の薄型の物体とすることができる。より大きな寸法の膜（例えば、長さ０．５ｍを超える膜）のために、取り付けたマス６２は、膜２のより活発な振動を与える。ある場合には、マス６２は、振動の開始時に不安定性の原因を与えるべく作用し、これにより、膜２の僅かな初期ねじれを引き起こす。しかしながら、マス６２の位置および形状、膜２の張力、幅および長さは、前記不安定性が、減少したねじれを有する第１通常モードの振動に速やかに変換されるように、設定することができる。

図７は、本開示の別の実施形態を示している。この実施形態では、コイルと膜の配置が図１に示す発電機と同様になっている。しかしながら、図７の膜は、図７に示す第２モードのように、振動の他の通常モードで振動するように形成されている。複数のコイルの位相振動の出力を受け入れるために、電力調整回路に幾つかの単純な変更が必要である可能性がある。しかし、より大きな発電機にとって、それら他のモードは効率において顕著な利得を提供することができるであろう。

図１、図５〜図７に示す実施例は、固定された一組の永久磁石を基準にして移動する１または複数のコイルを備えるものであるが、他の実施形態、すなわち、膜上に磁石が置かれて、それら磁石が固定されたコイルに対して相対的に移動するように構成された他の実施形態を実施できることを理解されたい。このような配置の利点は、コイルから延びる配線リードが、コイルが動く実施形態で生じるような曲げ応力を全く受けないことである。

さらに、図１に示すように、細長い膜２の表面とほぼ平行にコイルが配置されているが、別の選択肢として、膜２の下方または上方に取り付けて、膜に対して実質的により垂直にコイルを配置することが考えられる。もちろん、永久磁石に対する磁場の方向は、このような変更を受け入れるために変更する必要があるであろう。同様に、このような膜に対するコイルの再配向の選択肢は、磁場発生器が膜２に取り付けられるとともにコイルが基部８に付けられた実施形態に適用できる。図８は、対応するコイルが磁場発生器の側部に位置する状態で、膜２の平面に対して平行な磁場（すなわち、両極を結ぶ軸）を形成するように、磁石７２などの磁場発生器を向ける実施例の断面図を示している。図８に示すように、永久磁石７２は、十分に硬い部材７４に取り付けられ、この部材７４自体は、柔軟膜２に対しておおよそ垂直な姿勢で取り付けられている。永久磁石７２によって形成される磁場は、コイル４ａを通る方向に向けられ、コイル４ａは、支持体７６により、磁石７２と非常に近い位置で保持されている。膜２が振動すると、永久磁石７２も振動する。この振動は、コイル４ａを通る方向に向けられた磁場の強さを変化させ、これにより、ＥＭＦを生じさせる。この特定の実施形態では、磁石７２がコイル４ａと近接離間する方向に動くというよりは、むしろコイル４ａの表面に沿って移動することとなるので、振動速度の広い範囲に亘って磁石とコイルの接触を避けられるという利点がある。追加的な磁極からの利得を得るために磁石７２の反対側に追加的なコイルを配置するようにしてもよい。ある変形例において、コイル４ａと磁石７２は、この出願の他の部分に記載されているように、完全な磁気回路を形成するために、鉄鋼材で支持されている。

別の実施形態においては、コイルを膜に付着するより、むしろ線形発電機を振動膜２に結合させることができる。この結合を実現する多くの単純な方法は、線形発電機の磁石と、膜との間にシャフトまたは糸を接続し、膜上に組み込んだより小さい磁石を、反発力または誘引力によって、線形発電機の磁石における振動を非接触で刺激するために使用するものである。線形発電機の磁石の振動の固有振動数は、膜の駆動振動の固有振動数と一致させることが望ましい。この実施形態によって、大きな発電機設備は効率を得ることができる。

特定用途向けの例示的な発電機の性能を向上させるために、追加的な変更を加えるようにしてもよい。例えば、コイルによる磁束を高めるために、発電機のコイルに、フェライト粉末または積層鉄金属を充填することが望ましい。また、従来からよく知られているように、積層または粉末強磁性体または強磁性材料を磁石コアの周囲に適切に配置することによって、永久磁石により形成された磁場を“完全な回路”とすることも可能である。この技術により、最大磁場をコイルの領域に向けることができるようになる。

発電機の磁場発生源として、数多くの強磁性材料を使用することができる。ＮｄＦｅＢ希土類磁石、セラミック磁石、アルニコ磁石、サマリウム・コバルト磁石は、より一般的な選択肢のいくつかである。

また、磁場発生源として、発電機利用の磁界コイルとしても知られている電磁石を、永久磁石の代わりに使用するようにしてもよい。空気コアまたは強磁性コアを有する１または複数の電線コイルを磁界コイルとして機能させるようにしてもよい。これらの磁界コイルは、コア内の小さい残余の磁場によって帯電され、これにより、移動する膜コイル内に初期の小さなＥＭＦを引き起こすことができる。この電気フローの一部は、磁界コイルで転用され、結果として、より大きな磁界となる。この増大した磁場は、振動膜コイルで生じるＥＭＦの増大に繋がり、この正のフィードバックループは、平衡に達するまで継続される。この平衡点において、磁界コイルは、永久磁石によって形成される磁場と同様の強力な磁場を形成する。これらの自励式の発電機は、そうとも呼ばれるように、通常は、“直巻”発電機、“分巻”発電機または“複巻”発電機の一部として分類され、それらの原理は従来よりよく知られている。別の可能性は、外部発生源によって与えられた磁界に必要な電気フローにより分離して励起された磁界コイルを使用することである。これらの非永久磁石の両選択肢は、大きな永久磁石のコストが非常に高くなる、より大きな設備に特に有用である。

その他の幾つかの変形例には膜も含まれる。膜の形状は、長方形に限定する必要は無い。むしろ、先細の膜や様々な形状の膜は、特定規模において顕著な利点を提供することができる。また、膜は、フィルムの平坦な繊維（web）や布に限定する必要はなく、細長い柔軟膜の振動特性を向上させるために、翼により近い外形とすることも可能である。また、繊維は全体に亘って連続的である必要はなく、それよりはむしろ、孔や窪みを含むものであってもよい。幾つかの場合には、膜取付コイルの中心に形成された孔によって、基部取付磁石が、部分的にコイルを通過することが可能となり、これにより、活発な振動時における特定実施形態の膜と磁石の衝突を防止することができる。

ここまで述べたほとんどの実施形態は、例えば、ポール上に垂直に取り付けたり、２つのタワーの間に水平に取り付けたり、または任意の組合せ或いはその変形例など、任意の方向に向けることも可能である。本開示の例示的な発電機は、例えば、リップストック（ripstock）ナイロン、超薄型ポリエステルフィルム、マイラー被覆タフタ（mylar-coated taffeta）、ケブラー（Kevlar）テープ、ポリエチレンフィルムなど、多くの可能性のごく一部を挙げたに過ぎないが、任意の膜材料を有するものであってもよい。

所与の区域または利用のための様々なレベルの電力を供給するために、発電設備において複数の発電機を用いることも可能である。コスト効率の良い実施形態は、それぞれ永久磁石の両側に配置された内蔵コイルを有する２つの膜の利用を含んでいる。この構成によれば、磁場の両極の利用が可能になる。この複式膜変形例の各膜のＡＣ出力は同相とすることができ、このため、別々に整流および調整して、その後追加的なＤＣ出力に再び組み合わせることができる。明らかに、これらの数多くの発電機はタワーの上に積層したり、構造体内に配置することができ、これにより、単一の発電機のみで見られる小さな面積を捕らえるというよりはむしろ、風の大断面積のエネルギーを捕らえることができる。

例示的な発電機の別の変形例は、例えば、２つの建物間や２つのタワー間など、離れた２地点間で引き延ばされた膜を備えている。この場合には、膜の全長に亘って延びる基部が不要となる。膜両端の留め具が膜と磁場発生源（当該磁場発生源が永久磁石と磁界コイルの何れのセットであっても）を支持することができる。バネまたは特別に設計された追従機構を留め具に組み込んで、膜に（それが長い距離を横断するものであっても）一定の張力を加えるようにしてもよい。

この開示に係る例示的な発電機の利点は、非常に高い風速に対する応答に関わるものである。一般に、従来の水平軸タービンまたは鉛直軸発電機においては、畳み機構（furling mechanism）を発電機の設計に組み込む必要があった。この畳み機構は、発電機のブレードを風の流れの外で曲げることができ、これにより、強風時に破滅的な損傷が生じるのを回避することができる。この追加機構は、費用のかかるものであり、風に基づく従来の発電機における複雑な機能である。ある場合には、多大なタービンブレードの運動エネルギーは、畳みの予防措置にも関わらず、危険性を残すものとなる。これとは反対に、本開示に係る例示的な発電機は、入念に選択された張力条件下で運転することができる。したがって、発電機に危険を引き起こす強風時において、膜の張力は容易に低減され、あるいは僅かにねじれた膜となり、発電機と風の流れの結合を大きく低下させることができる。これが生じたときは、膜は、安全に再開できるまで、振動を停止するであろう。仮に、膜が破滅的な状態に陥り、取付構造体から分離してしまった場合、周囲の領域の危険は、タービンに基づく従来の発電機と比較して小さくなる。

本開示にしたがって実施される発電機は、発電規模の広い範囲に亘って多くの用途を有する。例えば、本開示に係る数百の小型発電機を、建物のＨＶＡＣダクトの至るところに配置することができる。これらの発電機は、ダクト網の至るところで空気の流れを利用することができ、これにより、近傍のワイヤレスセンサに電力の連続供給を提供することができる。これら多くのセンサは、スマートビルディングの構築に重要なものである。しかしながら、構築に必要なセンサは、多くの場合３〜５年の寿命を有するバッテリーを用いるため、これは、１０〜２０年のライフサイクルに亘って、センサの維持費用の大幅な増大をもたらす。本開示にしたがって実施され、ＨＡＶＣダクトの至るところに配置された発電機は、バッテリへの依存を低減し、分配された長寿命のセンサアレイのフィールドの届く範囲を拡張することができる。別の実施形態において、異なる風速で発生する電圧が所与の設計で知られている場合には、例示的な発電機自体は、風センサおよびそのセンサ情報を送信するのに必要な電源として機能することができる。

この開示に係る発電機の別の重要な用途は、主として新興経済国における地方の照明である。発展途上世界の殆どの家庭は、その年収の２０％以下を、照明用の灯油、すなわち、火災の危険性と室内空気質健康被害の双方をもたらす、煙を出すタイプの燃料ベースの照明に使っている。新しい照明システムは、本開示に係る数十ワット規模の発電機を高効率な白色ＬＥＤと組み合わせることによって実施することができる。この新しいシステムは、１０年以上に亘って、クリーンで安価な照明を提供することができ、灯油消費（ＵＳ１０ドル〜５０ドル）の数ヶ月分の費用で支払うことができる。この開示の例示的な発電機の関連する用途は、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）等の無線データ送信ネットワークやメッシュネットワークにおける電力供給ノードにある。

図１に示す構成を利用した実施形態においては、膜は、２つの固定端を有する細長い形状を有している。膜は、マイラー被覆タフタからなり、その寸法が長さ４４０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ０．１〜０．１５ｍｍとなっている。この膜には、各固定端から７４ｍｍの位置に、２つのコイルが固着されている。それらコイルは３８ａｗｇのエナメル被覆ワイヤからなり、それぞれが約１５０巻きで、約２５Ωの抵抗を有している。コイルは内径が約３／４インチ、外径が約７／８インチである。これらのコイルは直列に配線され、約５０Ωの全抵抗を有している。その基部はアクリルからなる。２つの円筒状のＮｄＦｅＢ磁石がコイルの下方に配置されている。磁石は、厚みが１／２インチ、直径が３／４インチで、５８４０ガウスの表面磁場を形成する。膜の縦の振動は、最大振幅で約２０ｍｍである。この実施形態は、９〜１０ｍｐｈ（４−４．５ｍ／ｓ）の風速下で、整合負荷に亘って約１５〜２０ｍＷ発生する。これは、温度や電圧等の情報の連続ＲＦ送信用の無線トランシーバの給電や、無線トランシーバのコンデンサ充電に十分な電力である。この実施形態のより小型のものは、空気流のエネルギーを取得してセンサーアレイに給電するためのものとして、ＨＶＡＣダクト内で作動させるのに適当である。

別の実施形態において、図１に示す構成にしたがい構築された例示的な発電機は、鋼鉄およびＨＤＰＥ基部の双方の上の、マイラー被覆タフタまたはリップストックナイロンからなり、長さ１．７５ｍ、幅５０ｍｍのより大きな膜を利用している。一実施形態においては、約１．５インチ×１．５インチの寸法を有する薄い長方形の鋼鉄片が、膜の中間部に固着されて、図６に示すマスとして働くようになっている。２８ａｗｇのワイヤからなる２つの長方形コイルは、ベルトの端部近傍に固着され、対応する長方形のＮｄＦｅＢ磁石の上方に配設されている。この例示的な発電機によって１０ｍｐｈの風速下で、整合負荷に亘って発生する電力は、約０．５〜１Ｗである。これは、携帯電話の充電や、地方の照明に電力を供給するのに適当な電力である。

前記実施形態では、空気の流れのエネルギーを補足する実施例を使用することを述べてきたが、同様の構成が水の流れのエネルギー補足に適用できることを理解されたい。例えば、低い粘性抵抗特性を持つ変形例に係る膜を用いる発電機は、海流のエネルギーを捕らえるために海底に設置することができる。さらに、上述したＨＶＡＣシステム内のエネルギーを取得するのと同様の方法で、本開示の原理に基づく発電機を水配管に組み込むことも可能である。海流と風の何れか一方のみによっても実現可能であるが、海流と風の両方を組み合わせた発電機を使用して、開放水塊上のリモートセンサーアレイを形成することが可能である。

本明細書に記載された例示的な発電機の１または複数の部分またはモジュールは、この開示で述べた発電機に組み込まれるアセンブリ用に別々に売ることが可能である。例えば、エネルギーコンバーターは、磁場を有する発電機における使用のために設けることができる。このコンバータは、少なくとも１つの柔軟膜を備える。各膜は、少なくとも２つの固定端を有し、発電機で使用するときに磁場に曝される。また、膜は、流体の流れにさらされたときに振動する。各膜には、少なくとも１つの導電体が取り付けられている。流体の流れによって引き起こされた各膜の振動は、磁場に対する導電体の相対的な運動を引き起こす。この導電体の相対的な運動は、導電体に印加される磁場の強さに変化をもたらす。導電体に印加される磁場の強さの変化は、導電体を流れる電流を引き起こす。発電機は複数組のエネルギーコンバータを利用してより大きな規模で電力を発生させるようにしてもよいことを理解されたい。

別の実施形態において、例示的なエネルギーコンバータは、少なくとも１つの磁場発生装置と少なくとも１つの導電体の一方を備える発電機における使用のために設けることができる。コンバータは、少なくとも１つの柔軟膜と、少なくとも１つの磁場発生装置と膜に取り付けられた少なくと1つの導電体の他方とを備える。各膜は少なくとも２つの固定端を備える。また、各膜は、流体の流れにさらされたときに振動する。流体の流れによって引き起こされた各膜の振動は少なくとも１つの導電体と、少なくとも１つの磁場発生装置によって形成された磁場との間に相対的な運動を引き起こす。この相対的な運動は、少なくとも１つの導電体に印加される磁場の強さに変化をもたらす。少なくとも１つの導電体に印加される磁場の強さの変化は、少なくとも１つの導電体を流れる電流を引き起こす。

この開示は、その具体的な実施形態に関連して述べている。しかしながら、本開示の大局的な精神と範囲を逸脱しない範囲で、それに対して数多くの変形や変更を加えることが可能であることは明らかである。この開示に記載されている概念は、当該概念から逸脱しない範囲で、ネットワーク化されたプレゼンテーションシステムの様々な操作に適用することができる。したがって、本明細書および図面は、例示的なものであって、限定的意味としてみなされるものではない。

Claims (24)

1. 少なくとも２つの固定端を有し、流体の流れにさらされたときに振動を生じる柔軟膜と、導電体と、当該導電体に磁場を印加するように構成された磁場発生器とを備え、
   前記導電体および前記磁場発生器の一方が前記膜に取り付けられて前記膜とともに運動するように構成された発電機であって、
   前記流体の流れによって引き起こされる前記膜の振動が、前記導電体と印加磁場との間に相対的な運動を引き起こし、その結果、
   前記相対的な運動が、前記導電体に印加される磁場の強さに変化をもたらすとともに、この導電体に印加される磁場の強さの変化が、導電体を流れる電流を引き起こすことを特徴とする発電機。
2. 請求項１に記載の発電機において、
   支持構造体をさらに備え、
   前記膜の前記固定端が前記支持構造体に固着され、
   前記導電体が前記膜に取り付けられ、
   前記磁場発生装置が前記支持構造体に配設されていることを特徴とする発電機。
3. 請求項１に記載の発電機において、
   支持構造体をさらに備え、
   前記膜の前記固定端が前記支持構造体に固着され、
   前記磁場発生装置が前記膜に取り付けられ、
   前記導電体が前記支持構造体に配設されていることを特徴とする発電機。
4. 請求項１に記載の発電機を内蔵したことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
5. 請求項１に記載の発電機において、
   前記膜に取り付けられたマスをさらに備えることを特徴とする発電機。
6. 請求項１に記載の発電機において、
   前記導電体に結合されて電流を調整するように構成された電力調整回路をさらに備えることを特徴とする発電機。
7. 請求項６に記載の発電機において、
   前記電力調整回路が、電流を整流するように構成された整流回路を備えることを特徴とする発電機。
8. 請求項１に記載の発電機において、
   前記磁場発生装置が少なくとも１つの永久磁石を備えることを特徴とする発電機。
9. 請求項１に記載の発電機において、
   前記導電体が複数組のコイルを有することを特徴とする発電機。
10. 請求項９に記載の発電機において、
    前記複数組のコイル内で生じる電流が、直列に組み合わされていることを特徴とする発電機。
11. 請求項１に記載の発電機において、
    前記電流によって充電されるように構成されたコンデンサまたは再充電可能なバッテリーをさらに備えることを特徴とする発電機。
12. 請求項１に記載の発電機において、
    前記膜の前記固定端間の調整可能な張力が、前記流体の流れの速度に応じて調整されることを特徴とする発電機。
13. 請求項１２に記載の発電機において、
    前記流体の流れの影響を示す信号を発生するように構成されたセンサをさらに備えることを特徴とする発電機。
14. 請求項１２に記載の発電機において、
    前記張力が、発生した前記電流に基づいて調整されることを特徴とする発電機。
15. 請求項１に記載の発電機において、
    前記膜が振動しないとき、前記磁場の方向が、前記導電体によって囲まれる領域に対してほぼ垂直となっていることを特徴とする発電機。
16. 請求項２に記載の発電機において、少なくとも１つの追加的な柔軟膜を有し、それら追加的な柔軟膜の各々が、前記支持構造体に固定された少なくとも２つの端部と、前記磁場発生装置によって形成された磁場にさらされる取り付けられた導電体とを備え、
    前記追加的な膜の各々が、流体の流れにさらされたときに振動し、
    前記流体の流れによって引き起こされた前記追加的な柔軟膜の各々の振動が、前記追加的な柔軟膜の各々に取り付けられた前記導電体と前記磁場との間に相対的な運動を引き起こし、その結果、
    前記相対的な運動が、前記追加的な柔軟膜の各々に取り付けられた前記導電体に印加される磁場の強さに変化をもたらすとともに、前記追加的な柔軟膜の各々に取り付けられた導電体に印加される磁場の強さの変化が、前記導電体を流れる電流を引き起こすことを特徴とする発電機。
17. 少なくとも２つの固定端を有し、流体の流れにさらされたときに振動を生じる柔軟な振動手段と、
    電気を伝導するための導電手段と、
    前記導電手段に印加する磁場を生成するための磁場発生手段とを備えた発電機であって、
    前記導電手段と前記磁場発生手段の一方が、前記振動手段に取り付けられて前記振動手段とともに運動するように構成され、
    前記流体の流れによって引き起こされた前記振動手段の振動が、前記導電手段と前記磁場発生手段との間に相対的な運動を引き起こし、その結果、
    前記相対的な運動が、前記導電手段に印加される磁場の強さに変化をもたらすとともに、この導電手段に印加される磁場の強さの変化が、前記導電手段を流れる電気信号を引き起こすことを特徴とする発電機。
18. 請求項１７に記載の発電機において、
    前記振動手段を支持するための支持手段をさらに備え、
    前記振動手段の前記固定端が前記支持手段に固着され、
    前記導電手段が前記振動手段に取り付けられ、
    前記磁場発生手段が前記支持手段に配設されていることを特徴とする発電機。
19. 請求項１７に記載の発電機において、
    前記振動手段を支持するための支持手段をさらに備え、
    前記振動手段の前記固定端が前記支持手段に固着され、
    前記導電手段が前記支持手段に取り付けられ、
    前記磁場発生手段が前記振動手段上に配設されていることを特徴とする発電機。
20. 請求項１７に記載の発電機において、
    前記流体の流れる速さまたは前記電気信号の強さにしたがって、前記振動手段の前記固定端の間に調整可能な張力を付与するための調整可能な張力付与手段をさらに備えることを特徴とする発電機。
21. 少なくとも１つの磁場発生装置と少なくとも１つの導電体の一方を備える発電機に使用するためのエネルギーコンバータであって、
    少なくとも１つの柔軟膜であって、その各々が少なくとも２つの固定端を有し、流体の流れにさらされたときに振動を生じる柔軟膜と、
    前記少なくとも１つの磁場発生装置と前記膜に取り付けられた少なくと1つの導電体の他方とを備え、
    前記流体の流れによって引き起こされる各膜の振動が、前記少なくとも１つの導電体と前記少なくとも１つの磁場発生装置によって生成される磁場との間に相対的な運動を引き起こし、その結果、
    前記相対的な運動が、前記少なくとも１つの導電体に印加される磁場の強さに変化をもたらすとともに、前記少なくとも１つの導電体に印加される磁場の強さの変化が、前記少なくとも１つの導電体を流れる電流を引き起こすことを特徴とするエネルギーコンバータ。
22. 請求項２１に記載のエネルギーコンバータにおいて、
    支持構造体をさらに備え、各膜の前記固定端が前記支持構造体に固着されていることを特徴とするエネルギーコンバータ。
23. 請求項２１に記載のエネルギーコンバータにおいて、
    各膜が、膜の表面に取り付けられたマスを有することを特徴とするエネルギーコンバータ。
24. 請求項２１に記載のエネルギーコンバータにおいて、
    前記流体の流れる速さにしたがって、各膜の前記固定端の間に調整可能な張力を付与するように構成された調整可能な張力付与装置をさらに備えることを特徴とするエネルギーコンバータ。

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