JP2015233369A - Vibration power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動発電装置に関する。 The present invention relates to a vibration power generator.
従来、TMD(Tuned Mass Damper)と称する制振装置を建物の頂部側(屋上など)に設置し、建物の地震時応答を低減させることが提案、実用化されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
Conventionally, it has been proposed and put into practical use that a damping device called TMD (Tuned Mass Damper) is installed on the top side of a building (such as a rooftop) to reduce the earthquake response of the building (for example,
このTMDは、例えば、付帯フレームに振り子(錘体(重錘))を取り付け、錘体が往復振動する1自由度振動系として構成されている。そして、建物の1次固有周期と同調させて、建物の振動と逆方向に錘体を振動させることにより、すなわち、錘体が振動することによる慣性抵抗力(慣性質量効果)を利用することにより、建物に作用した地震エネルギーを減衰させ、建物の応答を低減させることができる。 This TMD is configured, for example, as a one-degree-of-freedom vibration system in which a pendulum (weight (weight)) is attached to an accompanying frame and the weight reciprocates. And by synchronizing the primary natural period of the building and vibrating the weight in the opposite direction to the vibration of the building, that is, by utilizing the inertial resistance force (inertial mass effect) due to the vibration of the weight It can attenuate the seismic energy acting on the building and reduce the response of the building.
一方、非特許文献1には、TMDの錘体等、建物内外で発生する小さな振動を振動増幅器で増幅させることにより、振動発電機の発電量を増加させるシステム(振動発電装置)が開示されている。
On the other hand, Non-Patent
しかしながら、上記の振動発電装置は、微振動を対象としたもので、効率的な発電が行える振動数が25〜30Hzである。すなわち、広範の振動数帯域の振動エネルギーを効果的に利用して発電することができないという問題がある。 However, the vibration power generator described above is intended for micro vibrations, and the frequency at which efficient power generation can be performed is 25 to 30 Hz. That is, there is a problem that power cannot be generated by effectively using vibration energy in a wide frequency band.
本発明は、上記事情に鑑み、未利用エネルギーの振動エネルギーを利用して、より効果的且つ効率的に発電を行うことを可能にする振動発電装置を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a vibration power generation apparatus that can generate power more effectively and efficiently by using vibration energy of unused energy.
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。 In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
本発明の振動発電装置は、振動する構造物に連結して設けられ、該構造物が変位すると錘が回転して回転慣性質量効果を発生させる回転慣性質量機構と、前記回転慣性質量機構に連結して設けられ、前記回転慣性質量機構の回転によって駆動して発電する発電機構と、前記回転慣性質量機構及び前記発電機構に直列に連結された付加ばねとを備え、前記回転慣性質量機構と前記付加ばねとにより定まる振動数を前記構造物の卓越する振動数に同調させるようにしたことを特徴とする。 The vibration power generation apparatus of the present invention is connected to a vibrating structure, and when the structure is displaced, a weight rotates to generate a rotating inertial mass effect, and the rotating inertial mass mechanism is connected to the rotating inertial mass mechanism. A power generation mechanism that is driven by the rotation of the rotary inertial mass mechanism to generate power, and the rotary inertial mass mechanism and an additional spring connected in series to the power generation mechanism, the rotary inertial mass mechanism and the The frequency determined by the additional spring is tuned to the dominant frequency of the structure.
また、本発明の振動発電装置においては、前記発電機構に、下記の式(1)で定められる負荷抵抗が接続されていることが望ましい。 In the vibration power generator of the present invention, it is desirable that a load resistance defined by the following formula (1) is connected to the power generation mechanism.
本発明の振動発電装置においては、構造物に接続して設置することにより、構造物から伝わる振動エネルギーを回転慣性質量機構で回転運動エネルギーに変換し、発電機構で発電することが可能になる。 In the vibration power generation device of the present invention, the vibration energy transmitted from the structure is converted into rotational kinetic energy by the rotating inertial mass mechanism by being connected to the structure, and the power generation mechanism can generate power.
また、付加ばねを備えることで構造物に同調させることができ、これにより、構造物の振幅より発電装置の振幅を増幅させ、発電効率を高めることが可能になる。 Moreover, it can synchronize with a structure by providing an additional spring, and it becomes possible to amplify the amplitude of a power generator from the amplitude of a structure, and to improve electric power generation efficiency.
さらに、比較的簡易な装置構成で、微振動だけでなく大振幅の振動にも適用できる。また、低振動数での同調効果も得られ、発電効率に優れ、信頼性が高い振動発電装置を安価に製造することができる。さらに、構造物に加わる振動を電気エネルギーに変換できるので、建物などの構造物の振動を低減する副次的効果も期待できる。 Furthermore, it can be applied not only to fine vibrations but also to large amplitude vibrations with a relatively simple device configuration. In addition, a tuning effect can be obtained at a low frequency, and a vibration power generator having excellent power generation efficiency and high reliability can be manufactured at low cost. Furthermore, since the vibration applied to the structure can be converted into electric energy, a secondary effect of reducing the vibration of the structure such as a building can be expected.
以下、図1から図7を参照し、本発明の一実施形態に係る振動発電装置について説明する。 Hereinafter, a vibration power generation apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7.
本実施形態の振動発電装置Aは、図1に示すように、回転慣性質量機構(回転慣性質量)1と発電モーターの発電機構2を一体化して構成されている。さらに、本実施形態では、図2に示すように、回転慣性質量機構1及び発電機構2と、付加ばね3とを直列に接続して振動発電装置Aが構成されている。
As shown in FIG. 1, the vibration power generation apparatus A of the present embodiment is configured by integrating a rotary inertia mass mechanism (rotational inertia mass) 1 and a
具体的に、本実施形態の振動発電装置Aの回転慣性質量機構1は、図1に示すように、ボールねじ機構(ボールねじ4と、ボールねじ4に螺合したボールナット5を主な構成要素とした機構)等により軸方向O1変位を回転に変換し、錘6を回転させることにより錘の数千倍もの大きな慣性質量効果を発生させるように構成されている。
Specifically, as shown in FIG. 1, the rotary
さらに、本実施形態の振動発電装置Aは、ボールねじ4に回転軸を接続し、回転慣性質量機構1の回転で回転軸が回転するように発電機構2が回転慣性質量機構1に一体に連結されている。これにより、軸方向O1変位に比例して発電機構2が回転するように構成されている。
Furthermore, in the vibration power generation apparatus A of the present embodiment, a rotating shaft is connected to the
そして、本実施形態の振動発電装置Aは、回転慣性質量機構1の一端部(軸受け7を固着した一端部側)8を発電機構2に連結し、他端部(ボールナット5を固着した他端部側)9を構造物(振動する構造物)10に連結し、回転慣性質量機構1の一端部8側と他端部9側を回転拘束した状態で設置される。これにより、構造物10に振動が生じると、この振動で軸方向O1変位が生じて回転慣性質量機構1が回転し、回転慣性質量機構1が回転するとともに発電機構2が駆動して発電する。
The vibration power generator A of the present embodiment is configured such that one end portion (one end portion side to which the
よって、この振動発電装置Aを構造物10に接続して設置することにより、構造物10から伝わる振動エネルギーを回転慣性質量機構1で増幅させ、この未利用エネルギーである振動エネルギーで発電モーターの発電機構2を回転させ、発電することが可能になる。
また、回転慣性質量機構1を回転慣性質量ダンパーとして扱う場合には、発電機構2の回転抵抗力を回転慣性質量ダンパーの減衰として利用することができる。
Therefore, by installing this vibration power generation apparatus A connected to the
Further, when the rotary
ここで、発電機構2の起電力Eは、変位x、回転量θ=2πx/Ld、起電力定数KE(単位:V・s/rad)とすると、次の式(2)で表される。
Here, the electromotive force E of the
また、負荷回路の電流Iは、回路抵抗をRとするとI=E/Rとなり、加振機(回転慣性質量機構1)の抵抗Fは、この電流による発電機構2のトルク係数KT(単位:N・m/A)と錘6の回転慣性モーメントIθを用い、次の式(3)で表される。
The load circuit current I is I = E / R, where R is the circuit resistance, and the resistance F of the vibration exciter (rotational inertial mass mechanism 1) is the torque coefficient K T (unit) of the
一方、防災用の手回し発電機や自転車用のダイナモ発電機などのように、コイル(発電機構)に抵抗(負荷として照明ランプ等)を接続したものは既知であり、ランプを点灯した際に回転抵抗が増す(重くなる)。そして、この原理によって減衰力を発揮する装置が例えば「砂子田、大竹、松岡:発電式振動抑制装置の研究、日本機械学会論文集、2005年8月」に示され、且つ速度に比例した減衰力が発揮されることが示されている。 On the other hand, it is known that a resistance (such as an illumination lamp as a load) is connected to a coil (power generation mechanism), such as a handwheel generator for disaster prevention or a dynamo generator for bicycles, and it rotates when the lamp is turned on. Resistance increases (heavy). A device that exhibits a damping force based on this principle is shown in, for example, “Sagoda, Otake, Matsuoka: Research on Power Generation Type Vibration Suppressor, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, August 2005” and a damping force proportional to speed. Has been shown to be demonstrated.
上記のことから、発電機構2と回転慣性質量機構1を一体化してなる本実施形態の振動発電装置Aは、発電機構2によって回転慣性質量機構1の両端の相対速度x(上に・)に比例した減衰力と、相対加速度x(上に・・)に比例した抵抗力を有する。そして、次の式(4)、式(5)の関係を満たす場合、減衰係数cと慣性力Ψを並列にした振動発電装置Aとして構成されることになる。
From the above, the vibration power generation apparatus A of the present embodiment, in which the
さらに具体的に、発電機構2及び回転慣性質量機構1と、付加ばね3とを直列にした本実施形態の振動発電装置Aを、図2及び図3(b)に示すように、構造物10に接続し、構造ばね(剛性)kと並列に配置した場合について説明する。この場合には、発電機構2の回転と錘6の回転が同じ(または増速比β倍)であり、発電機構2と回転慣性質量機構1は並列となり、振動モデル上で、この振動発電装置Aは、式(4)と式(5)の減衰係数cと回転慣性質量Ψを並列配したものと等価になる。
More specifically, the vibration power generation apparatus A according to the present embodiment in which the
なお、上記のモデルにおいて、回転慣性質量機構1によって制振効果を発揮させる場合には、各諸元の最適値を、「斉藤健二、栗田哲、井上範夫:慣性接続要素を利用した線形粘性ダンパーによる一質点構造の最適応答制御とKelvinモデル化手法に関する考察,構造工学論文集,Vol.53B,pp.53−66,2007年3月」を参考に、次のように設定すればよい。
In the above model, when the damping effect is exerted by the rotary
まず、慣性質量Ψは、回転錘6の回転慣性モーメントIθとボールねじ4のリード(ねじ山間隔)Ldより、式(6)で求められる。
First, the inertial mass Ψ is obtained from the rotational inertia moment I θ of the
構造物10の質量mとの比をμ=Ψ/m、構造剛性をkとすると、付加ばね3の最適値kdは式(7)、慣性質量Ψに並列する減衰の最適値cは式(8)となる。
If the ratio of the
次に、式(6)、式(7)、式(8)と、式(4)から、発電機構2に接続する最適負荷抵抗(インピーダンス)Rは式(9)となる。
Next, from the equations (6), (7), (8), and (4), the optimum load resistance (impedance) R connected to the
そして、このように構成すると、構造物10の固有振動数近傍では構造物10の振幅よりも振動発電装置Aの振幅の方が同調効果によって大きくなる。このため、振幅を拡大した箇所に発電機構2を設けることで、発電効率を向上させることができる。また、発電機構2への負荷抵抗が同じであれば、発電機構2の振幅(速度振幅)がn倍になると、発電機構2に生じる電圧(起電力)も電流もn倍になるため、発電機構2で生じる電力がn2倍となる。この発電した電力を構造物10の照明11に利用したり、蓄電して他の電力(買電、太陽光発電、風力発電等)と組み合わせたりすることができる。
And if comprised in this way, near the natural frequency of the
より詳しく説明すると、次のようになる。
図2に示したモデルにおいて、発電機構2で生じる電力は以下のように求めることができる。
More detailed description is as follows.
In the model shown in FIG. 2, the electric power generated by the
下記の式(10)に示すように、構造物10に作用する加振力fを角振動数ωの正弦波とする。
As shown in the following formula (10), the excitation force f acting on the
そして、式(6)から式(9)で示した最適設計では、同調時に振動数伝達関数の最大値を最小化するように最適化しており、2つの極大値のうち大きい方の角振動数をωQ、構造物10の固有角振動数ω0に対する比νQをνQ=ωQ/ω0、付加ばねkdと慣性質量Ψとによる固有角振動数ωd=√(kd/Ψ)のω0に対する比γをγ=ωd/ω0とすると、構造物10の振幅Xに対する振動発電装置Aの振幅Xdは次の式(11)で表される。
In the optimum design expressed by the equations (6) to (9), the maximum value of the frequency transfer function is optimized at the time of tuning, and the larger angular frequency of the two maximum values. Ω Q , the ratio ν Q to the natural angular frequency ω 0 of the
また、最適値の算定からνQは次の式(13)となる。 Further, from the calculation of the optimum value, ν Q is expressed by the following equation (13).
そして、これら式(12)、式(13)を式(11)に代入すると、式(14)となる。 Then, when these formulas (12) and (13) are substituted into formula (11), formula (14) is obtained.
|Xd/X|は振動発電装置Aの変位と構造物10の変位の比であるため、発電機構2を振動発電装置Aに具備した場合(図3(b):減衰係数c+慣性質量Ψ(+付加ばねkd)の場合)と、発電機構2を構造物10と固定端の間に設けた場合(図3(a):減衰係数cのみの場合)の起電力(電圧)の比であり、負荷抵抗が同じなら電流の比と同じになる。また、発電機構2で生じる電力は「起電力(電圧)×電流となり、|Xd/X|2は発電機構2を振動発電装置Aに具備した場合と、構造物10と固定端の間に設けた場合の電力の比とみなせる。
Since | X d / X | is the ratio of the displacement of the vibration power generator A and the displacement of the
最適値に対してγ2=1/(1−μ)の関係を式(14)に代入すると、慣性質量比μと発生電力E(発電機構2を構造物10と固定端の間に設けた場合の電力との比較)の関係は図4となる。
すなわち、慣性質量比が小さいほど電力増幅率が高く、上記の式(8)から減衰係数cが小さくなるので発生電力は小さいが、効率よく発電できることが分かる。
Substituting the relationship of γ 2 = 1 / (1-μ) with respect to the optimum value into the equation (14), the inertial mass ratio μ and the generated power E (the
That is, the smaller the inertial mass ratio, the higher the power amplification factor. From the above equation (8), the attenuation coefficient c becomes smaller, so that the generated power is small, but it can be seen that power can be generated efficiently.
一方、加振力に対する構造物10の振動についても考慮する必要がある。構造物10の変位振幅Xは加振力に対する静的変位(f0/k)に対する応答倍率で求まり、次の式(15)で表される。
そして、この式(15)の関係を図示すると、図5となる。
On the other hand, it is necessary to consider the vibration of the
FIG. 5 shows the relationship of the equation (15).
ここで、例えば、「発電機構2と回転慣性質量機構1を一体化した振動発電装置A」において、慣性質量Ψを構造物10の5%に設定した場合(μ=0.05)、構造物10の変位応答は「加振力f0を構造剛性kに作用させたときの静的変位」の6倍となり、このときの発電機構2の電力は構造物10と固定端との間に設けた場合の12.5倍となる。
Here, for example, in the case of “vibration power generation apparatus A in which the
また、慣性質量Ψを構造物10の15%に設定した場合(μ=0.15)、構造物10の変位応答倍率はこの半分の3倍に低減し、応答抑制効果が向上するが、このときの発電機構2の電力は構造物10と固定端との間に設けた場合の5倍となり、増幅効率が低下する。
但し、増幅率は常に1より大きいので発電機構2を回転慣性質量機構1に一体化するだけで、他の場所に設置するよりはるかに発電効率を高めることができると言える。
In addition, when the inertial mass Ψ is set to 15% of the structure 10 (μ = 0.15), the displacement response magnification of the
However, since the amplification factor is always larger than 1, it can be said that the power generation efficiency can be improved much more than the case where the
一方、構造物10と固定端との間に発電機構2を設け、変位応答倍率を最小化する最適減衰となるように負荷抵抗を設けた場合には、発電機構2に負荷抵抗を付加した機構による等価減衰定数をh1とすると、最大変位応答倍率は次の式(16)で表される。
On the other hand, when the
次に、式(15)、式(16)より、応答倍率を揃えると、次の式(17)、式(18)、式(19)のようになる。 Next, when the response magnifications are made uniform from the equations (15) and (16), the following equations (17), (18), and (19) are obtained.
したがって、構造物10と固定端との間に発電機構2を設けた場合の吸収エネルギーに対する本実施形態の振動発電装置Aの場合の吸収エネルギーの比率R(発電する電力の比率と同じ)は、式(8)より、次の式(20)で表される。
Therefore, the ratio R (the same as the ratio of the power to be generated) of the absorbed energy in the vibration power generator A of the present embodiment to the absorbed energy when the
そして、式(20)の関係を図示すると、図6及び図7となる。
これにより、例えば、回転慣性質量機構1と発電機構2を一体に備えた振動発電装置Aにおいては、慣性質量Ψを構造物10の5%にした場合(μ=0.05)、構造物10と固定端との間に設けて変位応答を同じにする場合の0.1倍の減衰係数で、1.07倍の吸収エネルギー、すなわち1.07倍の発電電力を得ることができる。
Then, the relationship of Expression (20) is illustrated in FIGS. 6 and 7.
Thus, for example, in the vibration power generation apparatus A integrally including the rotary
また、慣性質量Ψを構造物10の15%に設定した場合(μ=0.15)、同じく0.25倍の減衰係数で1.25倍の吸収エネルギー/発電電力を得ることができる。 Further, when the inertial mass Ψ is set to 15% of the structure 10 (μ = 0.15), the absorption energy / generated power of 1.25 times can be obtained with the attenuation factor of 0.25.
このように、本実施形態の振動発電装置Aにおいては、減衰係数をαc倍に低減しても従来以上の電力が得られる。これは、式(4)、式(5)の起電力定数KEやトルク係数KTが小さくて済むことを意味しており、これにより、本実施形態の振動発電装置Aにおいては、小型で安価な発電機(発電機構2)で効率よく大きな電力を得ることができる。
なお、図6及び図7より、μ≧0.25ならR>1となり、本実施形態の振動発電装置Aの方がより多くの電力が得られることが分かるが、これは回転慣性質量機構1と付加ばね3を直列して同調型にすることで共振時に両者を逆位相にし、回転慣性質量機構1と一体化した発電機構2の振幅を拡大することによる。
Thus, in the vibration power generator A of the present embodiment, even if the attenuation coefficient is reduced by α c times, more power than the conventional power can be obtained. This equation (4), which means that only a small electromotive force constant K E and torque coefficient K T of the formula (5), thereby, in the vibration generator unit A of this embodiment, a small Large electric power can be obtained efficiently with an inexpensive generator (power generation mechanism 2).
6 and 7, if μ ≧ 0.25, R> 1, and it can be seen that the vibration power generation apparatus A of the present embodiment can obtain more electric power. And the
よって、本実施形態の振動発電装置Aにおいては、回転慣性質量機構1と発電機構2を一体化して構成することで、また、付加ばね3を設けて構造物10に同調させるように構成することで、発電機構2の振幅を拡大して従来よりも優れた発電効率を達成することができる。
Therefore, in the vibration power generation apparatus A of the present embodiment, the rotary
したがって、本実施形態の振動発電装置Aにおいては、構造物10に接続して設置することにより、構造物10から伝わる振動エネルギーを回転慣性質量機構1で回転運動エネルギーに変換して発電機構2を回転させ、発電することが可能になる。
Therefore, in the vibration power generation apparatus A of the present embodiment, the vibration energy transmitted from the
また、付加ばね3を備えることで構造物10に同調させることができ、これにより、構造物10の振幅より発電機構2の振幅を増幅させ、発電効率を高めることが可能になる。
Moreover, it can synchronize with the
さらに、比較的簡易な装置構成で、微振動だけでなく大振幅の振動にも適用できる。また、回転慣性質量機構1に対する10Hz以下の低振動数での同調効果も確認されており、信頼性が高い振動発電装置Aを安価に製造することができる。さらに、構造物10に加わる振動を電気エネルギーに変換できるので、建物などの構造物10の振動を低減する副次的効果も期待できる。
Furthermore, it can be applied not only to fine vibrations but also to large amplitude vibrations with a relatively simple device configuration. Further, a tuning effect at a low frequency of 10 Hz or less with respect to the rotary
以上、本発明に係る振動発電装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 The embodiment of the vibration power generation apparatus according to the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
例えば、本実施形態の振動発電装置Aは、例えば、特許第5146757号公報の慣性質量ダンパーと置き換えるようにして用いてもよい。すなわち、大スパン構造物のH形梁の両端から張弦梁のように斜材を設け、その中央に回転慣性質量機構1及び発電機構2を接合して振動発電装置Aを構成してもよい。この場合には、斜材が付加ばね3に相当し、その鉛直剛性をkdで評価する。また、この振動発電装置A(回転慣性質量機構1及び発電機構2)は慣性質量Ψと減衰係数cを並列にもち、この減衰係数cを発電機構2による抵抗力で評価する。
For example, the vibration power generation apparatus A of the present embodiment may be used by replacing the inertial mass damper disclosed in Japanese Patent No. 5146757, for example. That is, the vibration power generation apparatus A may be configured by providing diagonal members like a stringed beam from both ends of an H-shaped beam of a large span structure and joining the rotary
また、本実施形態の振動発電装置Aは、橋梁等に設置し、交通振動、歩行振動、風荷重による振動等の未利用エネルギー(振動エネルギー)を利用して効率的な発電を行うように用いられてもよい。 The vibration power generation apparatus A of the present embodiment is installed on a bridge or the like, and is used to efficiently generate power using unused energy (vibration energy) such as traffic vibration, walking vibration, and vibration caused by wind load. May be.
1 回転慣性質量機構(回転慣性質量)
2 発電機構
3 付加ばね
4 ボールねじ
5 ボールナット
6 回転錘
7 軸受け
8 一端部
9 他端部
10 構造物
11 照明
A 振動発電装置
O1 軸方向
1 Rotational inertial mass mechanism (rotational inertial mass)
2
Claims (2)
前記回転慣性質量機構に連結して設けられ、前記回転慣性質量機構の回転によって駆動して発電する発電機構と、
前記回転慣性質量機構及び前記発電機構に直列に連結された付加ばねとを備え、
前記回転慣性質量機構と前記付加ばねとにより定まる振動数を前記構造物の卓越する振動数に同調させるようにしたことを特徴とする振動発電装置。 A rotary inertial mass mechanism that is connected to a vibrating structure and rotates when a displacement of the structure causes a rotational inertial mass effect;
A power generation mechanism that is connected to the rotary inertial mass mechanism and that generates power by being driven by the rotation of the rotary inertial mass mechanism;
An additional spring connected in series with the rotary inertia mass mechanism and the power generation mechanism,
A vibration power generator characterized in that a frequency determined by the rotary inertia mass mechanism and the additional spring is synchronized with an excellent frequency of the structure.
前記発電機構に、下記の式(1)で定められる負荷抵抗が接続されていることを特徴とする振動発電装置。
A vibration power generation apparatus, wherein a load resistance defined by the following formula (1) is connected to the power generation mechanism.
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