JP2012143108A - 流体振動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、流体が物体を通過する際に発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換する流体振動発電装置に関し、効率良く流体振動を受けかつ容易に長伸化を可能にすることを目的とする。
【解決手段】本発明は、ケーブル形状を有し、流体Ｆを上流側で分岐させ渦Ｖを下流側で発生させ、自身を振動させる振動発生部１と、振動発生部１と一体になって振動し、その振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電部２と、を備えることを特徴とする流体振動発電装置Ｐである。
【選択図】図５

Description

本発明は、流体が物体を通過する際に発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換する流体振動発電装置に関し、効率良く流体振動を受けかつ容易に長伸化を可能にする。

近年、地球規模の温暖化が懸念されており、主な原因とされる二酸化炭素の排出が少ない、自然エネルギーを利用した太陽光発電及び風力発電が注目されている。中でも風力発電装置は夜間の発電も可能であり、大型化により大出力の発電も可能であることから、世界各地にウィンドファームが多数建設されつつある。図１に示した従来のタービンの回転を用いた風力発電や水車を利用した従来の発電方式の課題について述べる。

従来における上記方式の課題として専用の用地確保の課題がある。一般的に発電規模に応じた広さが必要であり、安全性の確保も重要になる。さらに、運用における騒音・振動など周辺の自然環境や住環境に配慮する必要がある。そのため、発電装置は発電に最適な場所に必ずしも設置できるとは限らないため、設置自由度に課題が存在する。さらに、設置後に予定するエネルギーが得られないリスクも存在するうえに、一度建設してしまうと撤去にも規模に応じた費用がかかる。また、一般的に大規模な発電装置が設置される場所は、用地の確保・費用の観点から電力消費地である市街地から離れた場所であることが多く、送電による送電ロスが発生する。

次に、維持管理についての課題を述べる。一般的に機械や装置が大型化する場合、適用する機能の数も多くなるため、構造や管理が複雑化し、結果として手間やコストがかかる。上記の従来方式の発電装置も同様であり、特にタービンやギアや軸受部は回転により消耗するため、定期的な保守が必須であり、手間やコストを必要とする。

次に、過負荷状態での運用における課題について述べる。特に従来の風力発電や水力発電では、流体の運動エネルギーをタービンで受け電気エネルギーに変換する。このとき規定以上の運動エネルギーを持つ流体がタービンを通過する場合、高負荷・過回転状態に陥り、タービン、ギア、軸受、発電装置及び支柱等が耐えられず破壊されてしまう可能性がある。また、タービン式の風力発電の場合、落雷などによりタービンブレードが破壊される可能性もある。タービンなどの回転部分・部品は高速で回転しており運動エネルギーが蓄積されており、破壊によりこれらの運動エネルギーが急激に解放されることで、破壊片が高速かつ広範囲に飛散し周囲に危険を及ぼす。そのため、過負荷状態での回転を防ぐフェザー機能や、（風力発電方式では）部品の飛散を考慮した用地確保など、回転に起因する危険に対応する安全策が必須であり、これは建設や維持管理等のコストの上昇を招く。

また、タービンによる回転で発電する方式、特に風力発電ではブレードに飛行中の鳥類等の生物が巻き込まれ生態系へ影響を与える恐れがある。そして、特に希少な鳥類が生息している地域では、生態系に影響を与えにくい設置場所や構造を考慮する必要があり、効率・構造に制限が発生する恐れがある。

次に非回転性の流体発電方式について述べる。流体の渦による振動は古くから知られており、双子渦、カルマン渦及び乱流などが挙げられる。そして、これらの渦の振動周波数が物体の共振周波数に近づくことにより、物体と共鳴し自励振動を発生させる。ここで、自励振動が物体に破壊的な影響をもたらす場合もあることから、屋外に設置するケーブルや航空機の開発などでは風圧振動に対する評価試験は重要項目である。

特にカルマン渦の評価は渦による振動を評価する上で最も重要である。図２に示したように、流体Ｆ１中に円柱Ｃ１を設置した場合、円柱Ｃ１の下流側に負圧領域Ｎ１が発生し、円柱Ｃ１の背後に発生するカルマン渦Ｖ１の振動周波数は一般的にｆ＝Ｓｔ×Ｖ／ｄで表され（Ｓｔ:定数、Ｖ:流速、ｄ:直径）、円柱Ｃ１は流れの方向に対して垂直方向に上記の振動周波数で振動を生じる。また、流体Ｆ１中に円柱Ｃ１ではなく楕円柱や四角柱を設置した場合、これらには回転するモーメントも加わり、複雑な振動運動を伴う。

渦の物体への影響は渦励振といわれる形で変換される。渦による物体の励振は主に渦からの強制振動周波数と物体の共振周波数の一致による自励振動がある。自励振動の場合、大きな割合で流体の渦エネルギーは物体の振動エネルギーとして変換されるため、物体に流体振動発電装置を設置することにより、電力を抽出するのに適している。このような原理を利用した公知の技術は、以下に示すように、いくつか提案されている。

自然界に存在する振動による発電装置の研究開発が活発化している（特許文献１、２）。背景として近年電子デバイス類の技術の発展により、自然界に存在する小さな振動エネルギーを電力源としても利用可能（数ｍＷ）になったことがある。また、数十〜数百Ｈｚ程度の低周波領域の振動は自然界や人間の社会活動でありふれた存在であるため、これらの振動を効率良くエネルギーに変換するための研究開発が進められている。

特に振動型エレクトレット発電装置はＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）製造プロセスを用いているため、小型・量産性に優れており、低周波数領域でも発電が可能なため、流体振動発電装置の有望な候補として挙げられている。そして、非特許文献１、２によると２０Ｈｚ程度〜の領域でも発電可能であり、出力も数十μＷあるため、アレー状に大量に配置することで纏まった発電が可能になる。また、空気中（Ｓｔ：０．２）に設置された一般的な電線（直径１０ｍｍ）に秒速１０ｍ／ｓの風が通過する場合、上記の数式を適用すれば、電線の風下側に発生するカルマン渦の振動周波数はｆ＝０．２×１０／０．０１＝２００（ｒａｄ／ｓ）≒３３Ｈｚとなり、上記のエレクトレットと共振させることが可能である。

特開平０８−３２１６４２号公報 特開２００１−１５７４３３号公報

Ｍ．Ｅｄａｍｏｔｏ，Ｙ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｎ．Ｋａｓａｇｉ，Ｋ．Ｋａｓｈｉｗａｇｉ，Ｙ．Ｍｏｒｉｚａｗａ，Ｔ．Ｙｏｋｏｙａｍａ，Ｔ．Ｓｅｋｉ，Ｍ．Ｏｂａ，"Ｌｏｗ−Ｒｅｓｏｎａｎｔ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｅｔ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ"，Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００９．ＭＥＭＳ ２００９．ＩＥＥＥ ２２ｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｐ．１０５９−１０６２，Ｊａｎ．２００９． Ｃ．Ｍａｒｂｏｕｔｉｎ，Ｙ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｎ．Ｋａｓａｇｉ，"Ｏｐｔｉｍａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｅｔ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ"，７ｔｈ Ｉｎｔ． Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｍｉｃｒｏ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（ＰｏｗｅｒＭＥＭＳ ２００７），Ｆｒｅｉｂｕｒｇ，ｐｐ．１４１−１４４，２００７．

次に流体による振動発電の従来技術について説明を以下に行う。図３に示した特許文献２の従来技術は、自身で形状を保持できる剛性のある円柱状のポールＧ１を振動させる方式であり、ポールＧ１は２つの支持部Ｓ１及び２つのバネＥ１を用いて支持されており、ポールＧ１の両端には振動を電力に変換する２つの発電部Ｐ１が備わっている。流体Ｆ１がポールＧ１を通過することにより、カルマン渦を下流側に発生させ、この渦の振動周波数とポールＧ１の共振周波数を一致させることで、振動を発生させる。

発生可能な電力は発電装置の規模を拡大することで実現できるが、ポールＧ１を延長し振動発電の効率を向上させようとする場合、ポールＧ１の重量や振動で発生する負荷が増大するため、ポールＧ１や支持部Ｓ１を強化する必要がある。各部位の強化が重量を増加させるだけではなく、重量増加自体が各部位の負荷をさらに増大させるため、重量の増加も含めた強度設計が必要になり、使用できる材料の制限が発生する。これにより、ポールＧ１が延長できる長さにも制限が発生する。

また、ケーブルや電線、コード類など自身の形状を自身の強度によって支えることのできない柔軟な材料に対して上記の方式を適用した場合、ポールＧ１の両端は振動の節となるため、振動幅が得られにくく、発電が効率的とは言えない（言い換えると、発電効率が最大である振動の腹の部分で発電することができない）。上記の理由により、柔軟な線状の材料をポールＧ１の両端での振動発電に用いることには課題がある。

また、支持部Ｓ１に設置される発電部Ｐ１には、バネＥ１など機械的に動作する部分が存在するため、発電装置を大型化することは、発電規模に対応して大きな振幅に耐え重量のある支持部Ｓ１を支える構造とすることを必要とし、大型で重く複雑な構造の機械的な部位を必要とする。これにより発電部分だけでなく支柱や基礎等、装置全体としての重量の増加・構造の複雑化、さらに規模に応じた部品を用いる必要性に迫られ、コストの上昇や保守運用性の悪化を招く。さらに、ポールＧ１の両端はバネＥ１を介して発電部Ｐ１と接続されているため、バネＥ１が破損すると部品が飛散する恐れがあり危険である。

複数の支柱を用いかつ支柱の間隔が異なる状態で振動発電を行う場合、支柱間の振動周波数が異なり、支柱を挟みポール間の張力のバランスも崩れるため、不規則な方向の振動や振動を打ち消す逆位相の力が発生するなど、強度面及び発電効率面で課題が発生する。

また、電力を抽出できる振動方向は鉛直方向であるため、振動方向が鉛直・水平方向であっても、鉛直方向の振動エネルギーしか電力エネルギーに変換することができない。

また、従来の振動発電方式は、非常に長いケーブルによって振動発電を行うことが前提とされていないため、構造上、有限の長さ（大きさ）でしか構築することができず、ケーブルなどに対して適応が困難である課題がある。

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、流体が物体を通過する際に発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換する流体振動発電装置に関し、効率良く流体振動を受けかつ容易に長伸化を可能にすることを目的とする。

上記課題を解決するために、ケーブル形状を有する振動発生部が、流体を上流側で分岐させ渦を下流側で発生させることにより自身を振動させ、振動発生部と一体である振動発電部が、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することとした。

具体的には、本発明は、ケーブル形状を有し、流体を上流側で分岐させ渦を下流側で発生させ、自身を振動させる振動発生部と、前記振動発生部と一体になって振動し、その振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電部と、を備えることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、流体が物体を通過する際に発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換する流体振動発電装置に関し、ケーブル形状を有する振動発生部が効率良く流体振動を受けかつ容易に長伸化を可能にすることができる。

また、本発明は、前記振動発生部は、延伸方向に対して略垂直方向に振動することを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、振動発生部の延伸方向に対して略垂直方向について、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

また、本発明は、前記振動発生部の共振周波数が前記渦の振動周波数と略等しくなるように、前記振動発生部に対する張力が調整されることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、振動発生部の振幅を効率よく増加させることができる。

また、本発明は、前記振動発生部の共振周波数が前記渦の振動周波数と略等しくなるように、前記振動発生部の前記上流側の投影面積が調整されることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、振動発生部の振幅を効率よく増加させることができる。

また、本発明は、前記振動発生部は、延伸方向に対して捻れる方向に振動することを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、振動発生部の延伸方向に対して捻れる方向について、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

また、本発明は、電気エネルギーを消費する電気的負荷が調整され、振動エネルギーが調整されることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、振動発生部の振幅を増加させ過ぎないことができる。

また、本発明は、可撓性及びシート形状を有し、前記振動発生部の前記下流側に配置され、前記渦の引き起こす振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するシート形状振動発電部、をさらに備えることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、シート形状振動発電部が効率良く流体振動を受けることができる。

また、本発明は、前記振動発電部は、前記振動発生部と並行する電力線及び前記振動発生部と並行する通信線の信号制御装置のうち少なくともいずれかに給電することを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、流体振動発電装置を電力通信線と共存させることができる。

また、本発明は、前記振動発生部及び前記振動発電部を、前記振動発生部と並行する電力線及び前記振動発生部と並行する通信線の少なくともいずれかに一体となるように接続する電力通信接続部、をさらに備えることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、流体振動発電装置を電力通信線と共存させることができる。

また、本発明は、前記振動発生部及び前記振動発電部を一体となるように接続する振動発生発電接続部、をさらに備えることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、振動発生部の振動振幅が大きい位置には振動発電部を配置する一方で、振動発生部の振動振幅が小さい位置には振動発電部を配置しないことができる。

本発明は、流体が物体を通過する際に発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換する流体振動発電装置に関し、効率良く流体振動を受けかつ容易に長伸化を可能にすることができる。

従来技術のタービン回転を用いた発電方式を示す図である。 従来技術の流体振動発電装置の原理を示す図である。 従来技術の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１の流体振動発電装置の原理を示す図である。 実施形態１の流体振動発電装置の原理を示す図である。 実施形態１の振動発電部の配置を示す図である。 実施形態１の支持部の構造を示す図である。 実施形態２の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態３の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態４の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態４の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態５の渦周波数安定化部の構成を示す図である。 実施形態５の渦周波数安定化部の構成を示す図である。 実施形態６の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態６の流体振動発電装置の原理を示す図である。 実施形態６の流体振動発電装置の原理を示す図である。 実施形態８の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態８の流体振動発電装置の原理を示す図である。 実施形態９の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１０の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１１の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１１の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１１の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１２の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１３の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１４の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１４の流体振動発電装置の構成を示す図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
実施形態１の流体振動発電装置の構成を図４に示す。流体振動制御装置Ｐは、振動発生部１及び振動発電部２から構成される。振動発生部１は、ケーブル形状を有し、流体を上流側で分岐させ渦を下流側で発生させ、自身を振動させる。振動発電部２は、振動発生部１と一体になって振動し、その振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。振動発生部１は、延伸方向に対して略垂直方向に振動する。振動発生部１及び振動発電部２は、支持部Ｓにより支持される。

振動発生部１はケーブル状の形態であり、図５のように流体や粉流体が通過することにより、下流側（流体Ｆが振動発生部１に当たる裏側）に負圧領域Ｎを生成させ、カルマン渦Ｖなどの渦を発生させる。これらの渦は流体Ｆの性質や流速、振動発生部１への入射角度に応じた周波数及び運動エネルギーを有する（なお、一般的に自然界の渦の形状は完全な円形ではなく不均一な円状が多い）。

これらの渦の持つ回転に伴う振動エネルギーを振動発生部１で受け、渦からの振動エネルギーを得る（渦励振）。この振動エネルギーを振動発生部１に接続または設置（設置場所は振動発生部１に設置してあれば任意）された振動発電部２で電気エネルギーへ変換することにより電力を得る。この時、振動発生部１、振動発電部２又は左記の部分を一体とみなした物体の共振周波数が、渦の持つ振動周波数と一致する、もしくはこれに近い固有振動数（周波数）を保持する形態とすることで、渦と共振し図６のような振動（ギャロッピング）が発生する。これにより、振動発電部２を振動させ、電気エネルギーを得る。

また、振動発電部２について、小型の振動発電素子をアレー状に多数配置するような場合、図７のように最も振幅の大きな腹の部分やその付近である領域Ａに集中的に配置すれば、発電効率の向上が期待できる。逆に、支持部Ｓ付近（振動の節付近）の振動エネルギーが得られにくい場所には振動発電素子を設置しなくてもよい（必ずしもすべての振動発生部１に振動発電部を備える必要はない）。ここで、振動発電部２として、非特許文献１、２の振動型エレクトレット発電装置などの公知の振動発電装置を利用できる。

次に、支持部Ｓについて説明する。支持部Ｓは振動発生部１及び振動発電部２を支持する。支持部Ｓは、振動発生部１及び振動発電部２に流体をスムーズに通過させる効果を持つ。また、支持部Ｓは、ケーブル状の振動発生部１へ張力を与え、振動発生部１の共振周波数を調整する役割もあり、発生した渦の振動周波数に適合した振動発生部１の共振周波数を得る。逆に、支持部Ｓは、意図的に渦の振動周波数と振動発生部１の共振周波数をずらすことで、振動発生部１の過剰な振動を抑える役割をもつ。

振動発生部１及び振動発電部２を弦とみなした場合、支持部Ｓの張力をTとした場合、弦の基本振動数νはν＝１／２×ｌ×（Ｔ／ρ）＾（１／２）（ｌ：弦長、ρ：弦の密度）と近似され、振動発生部１が発生する渦の振動数が弦の基本振動数の整数倍付近に達すると、共鳴し大きな振幅が得られ大きな振動エネルギーを得る。

なお、図８のように、振動発生部１に流体が十分通過でき、振動発生部１や振動発電部２に張力を与え、振幅が最大であっても振幅が地面Ｇや壁面Ｇ等と干渉しないのであれば、支持部Ｓは壁面Ｇであっても地面Ｇであってもよい。

また、流体振動発電装置Ｐが非常に長い場合でも、流体振動発電装置Ｐの重量と比較して、支持部Ｓの強度が十分であるかまたは十分な数の支持部Ｓがあれば、任意の長さで実施形態１を実施可能（理論上無限の長さで発電可能）である。

（実施形態２）
実施形態２の流体振動発電装置の構成を図９に示す。流体振動発電装置Ｐは、配管Ｔの内部に配置される。振動発生部１及び振動発電部２は環状に配置される。図９（ａ）のように、振動発生部１及び振動発電部２は、配管Ｔの内壁から配管Ｔの中心へと向かう支持部Ｓを用いて支持されてもよい。図９（ｂ）のように、振動発生部１及び振動発電部２は、配管Ｔの内壁を支持部Ｓとして用いて支持されてもよい。支持部Ｓにかかる力を複数個所に分散でき、かつ流体Ｆが通過する振動発生部１の長さも確保（拡大）される。

（実施形態３）
実施形態３の流体振動発電装置の構成を図１０に示す。流体振動発電装置Ｐのうち、一端が支持部Ｓに固定され、他端が自由端とされる。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）のように、流体振動発電装置Ｐの個数は単数でもよく複数でもよい。流体振動発電装置Ｐは、重力、空気抵抗及び回転に伴う遠心力などを用いて張力及び形状を確保されるため、形状確保のために剛性を確保する必要がなく軽量な構造となる。

（実施形態４）
実施形態４の流体振動発電装置の構成を図１１及び図１２に示す。支持部Ｓが存在しない場合でも、振動発生部１及び振動発電部２を図１１及び図１２のように回転させ、発電に適した張力及び形状を保持する手段があれば、流体Ｆが通過することによる渦振動から電気エネルギーを抽出することができる（この場合、振動発生部１及び振動発電部２を流体Ｆ中に流しながら、電気エネルギーを使用する実施形態になる）。

図１１では、流体振動発電装置Ｐは、リング状を形成している。流体Ｆの流れを用いて、流体振動発電装置Ｐを回転させる。そして、回転に伴う遠心力を用いて、流体振動発電装置Ｐの張力及び円環状の形状を維持する。さらに、流体振動発電装置Ｐは、流体Ｆの流れを用いて、流体Ｆ中を漂いつつ流体振動発電を行ない、電力を出力部Ｅに出力する。

図１２では、流体振動発電装置Ｐは、ひも状を形成している。流体Ｆの流れを用いて、流体振動発電装置Ｐを回転させる。そして、回転に伴う遠心力を用いて、流体振動発電装置Ｐの張力及び直線状の形状を維持する。さらに、流体振動発電装置Ｐは、流体Ｆの流れを用いて、流体Ｆ中を漂いつつ流体振動発電を行なう。

（実施形態５）
実施形態５は、流体Ｆの状態（速度）変化に伴う渦の周波数の変化を抑制し、発電に望ましい渦の周波数を得る形態である。振動発生部１が生成する渦は主にカルマン渦であり、円柱の背後に発生するカルマン渦の周波数は、一般的にｆ＝Ｓｔ×Ｖ／ｄ（Ｓｔ：定数、Ｖ：流速、ｄ：直径）と近似される。つまり、渦の周波数は流速及び流れに影響を及ぼす物体の前面投影面積に依存している。つまり、振動発生部１を通過する流体の流速が変化しても、図１３及び図１４のように、流体Ｆに対する前面投影面積を流速に応じて変化させることにより、目的とする周波数の渦を得ることができる。

振動発生部１の前面投影面積を流速に応じて調節する方法として、測定された流速に基づいて振動発生部１を交換する方法が最もシンプルで容易であるが、交換に時間やコストが必要になる。そこで、モータや人の手で振動発生部１の形状を機械的に調節する方法があるが、複雑な機構が必要になるため製造コストや維持管理に手間が掛かる。外部からの補助手段を利用しない場合、通過する流体Ｆの持つ運動エネルギーを利用することが有効である。実施形態５の渦周波数安定化部の構成を図１３及び図１４に示す。

図１３では、振動発生部１に付随する渦周波数安定化部３が、通過する流体Ｆの運動エネルギー(流体Ｆから受ける圧力)に応じて、開閉し前面投影面積を制御する。流体Ｆの速度が十分に遅い場合は、渦周波数安定化部３は閉じたままで、流体Ｆに対する前面投影面積を抑制する。流速が速く、振動発生部１の共振周波数よりも渦周波数が高くなってしまう条件の場合、渦周波数安定化部３が流体Ｆの運動エネルギー（流体Ｆから受ける圧力）に応じて開き始め、流体Ｆに対する前面投影面積を増大させることにより、発生する渦の周波数を抑制し振動発生部１の共振周波数に調整することができる。この場合、渦周波数安定化部３は、ゴムなどの可撓性の弾性体を用いれば、部品数が少なくシンプルである。また、スプリングなどを用いた機械式のものでも、同様の動作が期待できる。

図１４では、渦周波数安定化部４として、ラム圧式のパラシュートのようにラム圧を利用し、流速に応じた形状をとる構成としてもよい。渦周波数安定化部４は、流体Ｆが流入する流体取入部５を有し、袋状の渦周波数安定化部になる。この場合、ラム圧に応じて、渦周波数安定化部４のサイズが変化し、前面投影面積が変化する。

（実施形態６）
実施形態６の流体振動発電装置の構成を図１５に示す。流体振動制御装置Ｐは、振動発生部１及び振動発電部２から構成される。振動発生部１は、ケーブル形状を有し、流体を上流側で分岐させ渦を下流側で発生させ、自身を振動させる。振動発電部２は、振動発生部１と一体になって振動し、その振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。振動発生部１は、延伸方向に対して捻じる方向に振動する。実施形態６では、延伸方向に対して捻れる方向の振動を発電に利用しているが、実施形態１−６を組み合わせて、延伸方向に対して捻れる方向の振動及び延伸方向に対して略垂直方向の振動をともに発電に利用してもよい。

振動発生部１の捻れ振動は、下流側の流体Ｆの渦により、振動発生部１の上端及び下端における非対称の圧力の変動により発生する。自然界の流体は均一な流体ではなく流速や密度に揺らぎを持つため、上記の状態は発生しやすい。このとき、振動発生部１や振動発電部２の捻れ方向の弾性により、振動発生部１や振動発電部２が復元する力を利用することにより、適度な振動振幅及び振動周波数を得ることができる。

図１６（ａ）では、重心６の位置を上下対称に位置するようにすることで、上端及び下端で振動振幅が等しいように構成する。図１６（ｂ）では、重心６の位置を上下非対称に位置するようにすることで、上端及び下端で振動振幅が異なるように構成し、一端では他端より大きな振動振幅を持つ。図１６（ｂ）のようにより大きな振動振幅を持つ側に振動発電部２を配置することで、図１６（ａ）のように対称な捻れ振動を利用する場合に比べて、振動発電部２はより大きな振動エネルギーを受け発電することができる。

図１７（ａ）では、振動発生部１は、上下対称な楕円断面を有し、重心６を断面の中心に有するが、回転軸部７を断面の上端に有する。図１７（ｂ）では、振動発生部１は、上下対称な円形断面を有し、重心６を断面の中心に有するが、回転軸部７を断面の上端に有する。このように、振動発生部１に回転軸部７を設けることにより、形状に関係なく回転の中心を置くことができる。よって、振動発生部１の形状が上下対称であっても、重心６の位置に関わらず、振動発生部１は上下非対称の振動振幅を得ることができる。

（実施形態７）
実施形態７は、振動発生部１により発生させた振動エネルギーを、振動発電部２で電気エネルギーに変換することで、振動を抑制する形態である。構成は実施形態１−６と同一であるが、振動を減衰させるための電気的な制動部として振動発電部２を利用している。

一般的に、運動エネルギーを電気エネルギーに変換するとき、エネルギー保存則を考慮すれば、減少した運動エネルギーが生成した電気エネルギーとなる。つまり、適度な電気的な負荷をおくことで、振動エネルギーを消費することができる。そして、電気的な負荷を制御することにより、振動も抑制することができる。

また、発電と振動抑制を同時に行なえることから、例えば流体の状況により装置へダメージを与えるような過度の振動が発生しそうな場合、発電における電気的負荷を増加させるなどの制御を行なうことにより、振動を抑制し装置の破壊防止に寄与することができる。また、流体振動発生装置Ｐが通常は設置されていない通常の電線などのケーブルなどにおいても、振動発電部２を装着するとともに電気的負荷を制御する機構を組み込むことにより、ケーブルの振動を抑制・制御することができる。

（実施形態８）
実施形態８の流体振動発電装置の構成を図１８に示す。流体振動発電装置Ｐは、シート形状振動発電部８を、実施形態１−７に対してさらに備える。シート形状振動発電部８は、可撓性及びシート形状を有し、振動発生部１の下流側に配置され、渦の引き起こす振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。

シート形状振動発電部８は、旗状もしくは帆状の面積が広い発電部分を有しており、高効率で振動を受けつつかつ発電部分の重量の増加や力学的負荷を軽減するため、柔軟で長い振動発電面としている。これにより、図１９に示すように、発電部分が渦Ｖを受ける面積を増大させかつ渦Ｖが進行する方向に沿って発電部分を配置する構造により、1つの渦Ｖを受け止める励振時間を延長する。つまり、旗状の発電部分は、渦Ｖを受け止める面積及び受け止める時間を増大させることにより、発電効率を拡大する。また、流体Ｆの向きが変化した場合においても、シート形状振動発電部８は旗状であるため、流体Ｆの向きが変化した後の下流側に回り込み渦Ｖの振動を受けることができる。

（実施形態９）
実施形態９の流体振動発電装置の構成を図２０に示す。図２０（ａ）の流体振動発電装置Ｐは、通信線／電力線９を、実施形態１−８に対してさらに備える。図２０（ｂ）の流体振動発電装置Ｐは、通信線９Ｓ及び電力線９Ｅを、実施形態１−８に対してさらに備える。流体振動発電装置Ｐは、通信線９Ｓ及び電力線９Ｅの少なくともいずれかを持ち、通信機能及び送電機能の少なくともいずれかと一体となり発電を行なう。これにより、別系からの送電や通信及び振動による発電が共存できる。

（実施形態１０）
実施形態１０の流体振動発電装置の構成を図２１に示す。電力通信接続部としての着脱式支持部１０は、振動発生部１及び振動発電部２を、振動発生部１と並行する電力線９Ｅ及び振動発生部１と並行する通信線９Ｓの少なくともいずれかに一体となるように接続する。流体振動発電装置Ｐは、通信線／電力線９及び着脱式支持部１０を、実施形態１−８に対してさらに備える。通信線９Ｓ又は電力線９Ｅなどの既存のケーブルに対して、着脱式支持部１０を用いて振動発生部１及び振動発電部２を着脱可能な形態である。

既存のケーブルなどを流体振動発電装置Ｐの一部として用いることができるため、新規に設置する場合にくらべて、発電の条件が確保できれば既存の電線や電柱を流体振動発電装置Ｐに対して利用できて、専用の土地や設備を確保する手間やコストが省ける。

（実施形態１１）
実施形態１１の流体振動発電装置の構成を図２２、図２３及び図２４に示す。振動発電部２は、振動発生部１と並行する電力線９Ｅ及び振動発生部１と並行する通信線９Ｓの信号制御装置９Ｃのうち少なくともいずれかに給電する。

図２２では、振動発電部２は、電力線９Ｅに給電する。図２２（ａ）では、電力線９Ｅは、振動発生部１に内蔵されており、給電部１１を通じて給電される。図２２（ｂ）では、電力線９Ｅは、実施形態１０の着脱式支持部１０を介して振動発生部１に接続されており、給電部１１及び給電線１２を通じて給電される。

図２３では、振動発電部２は、通信線９Ｓの信号制御装置９Ｃに給電する。図２３（ａ）では、通信線９Ｓ及び信号制御装置９Ｃは、振動発生部１に内蔵されており、信号制御装置９Ｃは、給電部１１及び給電線１２を通じて給電される。図２３（ｂ）では、通信線９Ｓは、実施形態１０の着脱式支持部１０を介して振動発生部１に接続されており、信号制御装置９Ｃは、給電部１１及び給電線１２を通じて給電される。振動発電による給電のみで、信号制御装置９Ｃを動作させることができれば、外部の系から給電することなく、振動発電のみで動作させることができるため、独立した電源として用いることができる。

図２４では、振動発電部２は、電力線９Ｅ及び通信線９Ｓの信号制御装置９Ｃに給電する。電力線９Ｅ、通信線９Ｓ及び信号制御装置９Ｃは、振動発生部１に内蔵されており、電力線９Ｅ及び信号制御装置９Ｓは、給電部１１及び給電線１２を通じて給電される。発電装置、電力線９Ｅ及び通信線９Ｓが共存している場合、電力の送電に伴うロスを補填したり、十分な発電量が得られれば送電する電力量を増加させたりすることができるだけでなく、通信機能も発電に見合った機能を許容できる。

（実施形態１２）
実施形態１２の流体振動発電装置の構成を図２５に示す。図２５（ａ）では、振動発電部２は、振動発生部１に内蔵されており、振動発生部１及び振動発電部２は、一体となって振動する。図２５（ｂ）では、振動発電部２は、振動発生部１の表面にあり、振動発生部１及び振動発電部２は、一体となって振動する。

振動発生部１及び振動発電部２は一体である。よって、別々の収納や保管は必要なく、収納や保管は容易である。そして、振動発生部１及び振動発電部２の接合部分に対して、振動や張力変化に伴う過剰な応力集中を防ぐことができ、発電装置としての強度を高めることができる。さらに、現場で振動発生部１及び振動発電部２を設置する手間が省ける。

（実施形態１３）
実施形態１３の流体振動発電装置の構成を図２６に示す。振動発生発電接続部としての着脱部１３は、振動発生部１及び振動発電部２を一体となるように接続する。振動発生部１及び振動発電部２は、着脱部１３を用いて結合又は分割が可能である。

振動振幅が大きく発電効率が高い部分に対して、振動発電部２を集中的に設置する一方で、振動振幅が小さく発電効率が低い部分に対して、振動発電部２を取り外すまたは設置しないという構成とすれば、必要な部分に効率的に振動発電部２を用いることができ、振動発電部２の数の削減と発電効率の向上が見込める。

発電を行わない場合には振動発電部２を取り外し保管することにより、発電装置の経年劣化を防ぐことが期待できる。同様に風などが吹かない時期には、振動発電部２を取り外し、十分な風力が得られる場所に容易に移動させ設置することができる。

振動発電部２を小型化しアレー状に配置することにより、振動発電部２の剛性が高くても、振動発生部１の振動に振動発電部２の形状を追従させることができる。

（実施形態１４）
実施形態１４の流体振動発電装置の構成を図２７及び図２８に示す。流体振動発電装置Ｐは、通信線９Ｓ又は電力線９Ｅなどの既存のケーブルに対して、実施形態１３の着脱部１３を用いて振動発生部１及び振動発電部２を着脱可能な形態である。

図２７では、既存のケーブルである通信線／電力線９に対して、着脱式の振動発生部１及び着脱部１３を介する着脱式の振動発電部２を着脱可能である。振動発生部１が振動発生に寄与するうえに、通信線／電力線９も振動発生に寄与する。図２７（ａ）及び図２７（ｂ）は、それぞれ各構成要素の接続時及び非接続時を示している。

図２８では、既存のケーブルである通信線／電力線９に対して、着脱部１３を介する着脱式の振動発電部２を着脱可能である。通信線／電力線９が振動発生に寄与する。図２８（ａ）及び図２８（ｂ）は、それぞれ各構成要素の接続時及び非接続時を示している。

既存のケーブルなどを流体振動発電装置Ｐの一部として用いることができるため、新規に設置する場合にくらべて、発電の条件が確保できれば既存の電線や電柱を流体振動発電装置Ｐに対して利用できて、専用の土地や設備を確保する手間やコストが省ける。

一定の長さのユニット式として運用すれば、振動エネルギーが期待できない場合には、振動発電部２を省いたり、流体の抵抗が部分的に強くケーブルへの負荷が部分的に懸念される場合には、該当箇所の振動発生部１を省いたりすることができる。

風が吹かない季節が存在するなど、流体による振動発電が期待できない期間がある場合、及び一定期間降雪や潮風など発電装置に望ましくない影響が発生する場合には、発電装置を取り外し別の場所に保管することもできる。また、例えば、風が吹かない場所から発電装置を取り外し、風の吹く場所へ発電装置を移動し使用することが可能であるため、限られた数の発電装置を効率的に運用することもできる。

本発明に係る流体振動発電装置は、発電量の増加及びコストの低減を要求される、地球規模の温暖化を防止する自然エネルギーを利用した発電装置に適用することができる。

Ｐ：流体振動発電装置
Ｓ：支持部
Ｆ：流体
Ｎ：負圧領域
Ｖ：カルマン渦
Ａ：領域
Ｇ：地面／壁面
Ｔ：配管
Ｅ：出力部
１：振動発生部
２：振動発電部
３、４：渦周波数安定化部
５：流体取入部
６：重心
７：回転軸部
８：シート形状振動発電部
９：通信線／電力線
９Ｓ：通信線
９Ｅ：電力線
９Ｃ：信号制御装置
１０：着脱式支持部
１１：給電部
１２：給電線
１３：着脱部

Claims (10)

1. ケーブル形状を有し、流体を上流側で分岐させ渦を下流側で発生させ、自身を振動させる振動発生部と、
   前記振動発生部と一体になって振動し、その振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電部と、
   を備えることを特徴とする流体振動発電装置。
2. 前記振動発生部は、延伸方向に対して略垂直方向に振動することを特徴とする、請求項１に記載の流体振動発電装置。
3. 前記振動発生部の共振周波数が前記渦の振動周波数と略等しくなるように、前記振動発生部に対する張力が調整されることを特徴とする、請求項２に記載の流体振動発電装置。
4. 前記振動発生部の共振周波数が前記渦の振動周波数と略等しくなるように、前記振動発生部の前記上流側の投影面積が調整されることを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の流体振動発電装置。
5. 前記振動発生部は、延伸方向に対して捻れる方向に振動することを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかに記載の流体振動発電装置。
6. 電気エネルギーを消費する電気的負荷が調整され、振動エネルギーが調整されることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれかに記載の流体振動発電装置。
7. 可撓性及びシート形状を有し、前記振動発生部の前記下流側に配置され、前記渦の引き起こす振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するシート形状振動発電部、をさらに備えることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれかに記載の流体振動発電装置。
8. 前記振動発電部は、前記振動発生部と並行する電力線及び前記振動発生部と並行する通信線の信号制御装置のうち少なくともいずれかに給電することを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれかに記載の流体振動発電装置。
9. 前記振動発生部及び前記振動発電部を、前記振動発生部と並行する電力線及び前記振動発生部と並行する通信線の少なくともいずれかに一体となるように接続する電力通信接続部、をさらに備えることを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれかに記載の流体振動発電装置。
10. 前記振動発生部及び前記振動発電部を一体となるように接続する振動発生発電接続部、をさらに備えることを特徴とする、請求項１から請求項９のいずれかに記載の流体振動発電装置。

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