JP2018178586A - Electric power generation structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電構造物に係り、例えば、柱・梁からなる架構を備える主構造体と、それらに取り付けられる耐震要素と、発電素子とを備える発電構造物に関する。 BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a power generation structure, and more particularly to a power generation structure including a main structure provided with a pillar / beam structure, a seismic element attached thereto, and a power generation element.
構造物に取り付けて発電を行う技術が各種提案されている(例えば特許文献1?3参照)。特許文献1に開示の技術は、大型構造物である建築物の接合部に圧電変換素子を直接挿入し、構造物に加わる大きな振動エネルギーを電気に変換する。 Various techniques for attaching power to a structure to generate power have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 3). In the technology disclosed in Patent Document 1, a piezoelectric conversion element is directly inserted into a joint of a large structure, which is a large structure, to convert large vibrational energy applied to the structure into electricity.
特許文献2に開示の技術は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する手段として、圧電素子を振動子に取り付け、振動子の振動エネルギーを電力に変換する。 In the technology disclosed in Patent Document 2, as a means for converting vibrational energy into electrical energy, a piezoelectric element is attached to a vibrator and the vibrational energy of the vibrator is converted into electric power.
これらに対し、特許文献3に開示の技術は、振動子を能動的に動かしてその変位を開放して振動させ、その後の自由振動により発電する。発電には、カムを回転させる技術が用いられている。 On the other hand, in the technique disclosed in Patent Document 3, the vibrator is actively moved to release its displacement and vibrate, and power is generated by free vibration thereafter. For power generation, a technology for rotating a cam is used.
図1に圧電素子における振動数と発電効率の関係の例を示す。図示の例では、10kNと20kNの2種類の力が作用した場合における、振動数と発電効率の関係を示している。いずれの例でも、振動数が高いほど、発電効率が高くなる。例えば、5Hz程度の振動数では、1桁の発電効率であるが、15Hzの振動数になると、発電効率が20%近くまで向上し、さらに振動数が大きくなるにつれて発電効率が上がる。すなわち、できる限り振動数の大きい状態で圧電素子から電力を取り出す必要がある。 FIG. 1 shows an example of the relationship between the frequency of the piezoelectric element and the power generation efficiency. The illustrated example shows the relationship between the frequency and the power generation efficiency when two types of forces, 10 kN and 20 kN, act. In any of the examples, the higher the frequency, the higher the power generation efficiency. For example, at a frequency of about 5 Hz, the power generation efficiency is one digit, but at a frequency of 15 Hz, the power generation efficiency improves to nearly 20%, and the power generation efficiency increases as the frequency further increases. That is, it is necessary to extract power from the piezoelectric element in a state where the frequency is as large as possible.
特許文献1に開示の技術では、上述のように、大型構造物である建築物の接合部に直接圧電素子を挿入することで、大きな力に基づく電力を取り出せるという利点がある反面、建築構造物は大型(すなわち高層)になるほど固有周期が長くなり振動数を高くすることができず、変換効率を高くすることが難しいという課題がある。 The technique disclosed in Patent Document 1 has an advantage that electric power based on a large force can be taken out by directly inserting a piezoelectric element into a joint of a large structure, as described above, but on the other hand, a building structure There is a problem that it is difficult to increase the conversion efficiency because the natural period becomes longer and the frequency can not be increased as the size becomes larger (that is, higher).
特許文献2に開示の技術は、振動子の固有周期を主構造物の固有周期に同調するよう設定するため効率的にエネルギーを取り出せるが、変換されるエネルギー量は振動子の質量に制約を受けるため、取得できるエネルギーに制限があるという課題がある。 Although the technique disclosed in Patent Document 2 can efficiently extract energy in order to set the natural period of the oscillator to the natural period of the main structure, the amount of energy to be converted is limited by the mass of the oscillator Therefore, there is a problem that there is a limit to the energy that can be obtained.
これらに対し、特許文献3に開示の技術では、カムの回転により振動子を強制的、すなわち、能動的に変形させるため、振動子の固有周期を主構造物の固有周期に同調させる必要はないが、変換されるエネルギー量は付加した振動子の質量に制約を受ける上、カムを回転させるエネルギーも必要となり、それがエネルギーロスとなるとともに構造を複雑なものになるという課題がある。 On the other hand, in the technique disclosed in Patent Document 3, there is no need to tune the natural period of the vibrator to the natural period of the main structure in order to forcibly, ie, actively deform the vibrator by the rotation of the cam. However, the amount of energy to be converted is limited by the mass of the added vibrator, and the energy for rotating the cam is also required, which causes a problem of energy loss and complicated structure.
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、構造物に圧電素子を取り付けて発電する装置において、取り出せるエネルギーを増加させる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a technique for increasing the energy that can be taken out in an apparatus that generates power by attaching a piezoelectric element to a structure.
本発明に係る態様は、発電構造物であって、柱・梁からなる架構を備える主構造体と、この主構造体の一部に接合されながら、他の一部から相対変位可能に分離した耐震要素と、相対変位を生じる前記主構造体と前記耐震要素との間に介在する圧電素子と、を備え、前記圧電素子は前記主構造体と前記耐震要素との間に互いに接近する向きの相対変位が生じたときに圧縮力を受けて電力を発生し、相対変位を生じる前記主構造体と前記耐震要素との間に、前記主構造体が前記耐震要素との間に生じる圧力が一定値を超えるまでは、前記主構造体が前記耐震要素を接続した状態に保ち、前記一定値を超えたときに前記主構造体と前記耐震要素を互いに分離させるストッパが介在している。 An aspect according to the present invention is a power generation structure, and a main structure including a frame composed of columns and beams, and a part of the main structure separated from other parts so as to be relatively displaceable. A seismic element, and a piezoelectric element interposed between the main structure causing relative displacement and the seismic element, wherein the piezoelectric element is oriented to approach each other between the main structure and the seismic element When the relative displacement occurs, the pressure is generated between the main structural body and the aseismic element under the compressive force to generate electric power and generate the relative displacement between the main structural body and the aseismic element. Until it exceeds the value, the main structural body keeps the seismic element connected, and there is a stopper that separates the main structural body and the seismic element from each other when the predetermined value is exceeded.
このような構成により、付属構造物である耐震要素(例えばブレース)と主構造体(または、その一部と見なすことができるような構造物)の間に圧電素子を入れているため、耐震要素と主構造体の間の大きな力が直接、圧電素子に掛かるが、その反面、圧電素子を直接挟んでいることから、エネルギ損失が少なく比較的大きな振動エネルギーを急速に変換することができる。また、耐震要素の高い振動数による荷重が圧電素子に作用することから、主構造体の振動数よりも効率の高い領域でのエネルギー変換が可能である。なお、そのような構造に好適な圧電素子として、ある程度の厚さが製造可能なPZTなどの圧電材料を用いることができる。 With such a configuration, since the piezoelectric element is inserted between the aseismatic element (for example, brace) which is an attached structure and the main structure (or a structure that can be regarded as a part thereof), the aseismatic element Although a large force directly acts on the piezoelectric element between the and the main structure, since the piezoelectric element is directly sandwiched, energy loss can be small and relatively large vibrational energy can be rapidly converted. Moreover, since the load by the high frequency of a seismic resistance element acts on a piezoelectric element, energy conversion in the area | region where efficiency is higher than the frequency of the main structure is possible. As a piezoelectric element suitable for such a structure, a piezoelectric material such as PZT which can be manufactured to a certain degree of thickness can be used.
本発明に係る別の態様は、発電構造物であって、柱・梁からなる架構を備える主構造体と、この主構造体の一部に接合されながら、他の一部から相対変位可能に分離した耐震要素と、この耐震要素の、前記主構造体との間に相対変位を生じる箇所に固定される圧電素子とを備え、前記圧電素子は前記耐震要素の前記主構造体との相対変位時に正負の向きに振動して電力を発生し、相対変位を生じる前記主構造体と前記耐震要素との間に、前記主構造体が前記耐震要素との間に生じる圧力が一定値を超えるまでは、前記主構造体が前記耐震要素を接続した状態に保ち、前記一定値を超えたときに前記主構造体と前記耐震要素を互いに分離させるストッパが介在している。 Another aspect according to the present invention is a power generation structure, which is a main structure including a frame made of columns and beams, and can be relatively displaced from another portion while being joined to a portion of the main structure. A separate seismic element and a piezoelectric element fixed at a position where relative displacement occurs between the seismic element and the main structure, wherein the piezoelectric element is a relative displacement of the seismic element with the main structure Sometimes the pressure generated between the main structural body and the aseismatic element exceeds a certain value between the main structural body and the aseismic element, which vibrates in positive and negative directions to generate electric power and generate relative displacement. A stopper is interposed to keep the main structural body in a connected state of the aseismic elements, and to separate the main structural body and the aseismic elements from each other when the predetermined value is exceeded.
このような構成により、圧電素子の振動は耐震要素(すなわち付属構造物)単体の振動と同じくなるため、すなわち、圧電素子の自由な振動が阻害されないことから、例えば100Hz程度またはそれ以上の振動数の振動が実現され、その振動によるエネルギーを抽出するため、高い発電効率の発電を実現できる。なお、耐震要素としては耐震壁等も使用可能であるが、ブレースを想定した場合、主構造体(柱・梁架構)との間の相対回転変形も振動になるため、少ない歪、小さな力変動を抽出することから、例えば高分子系の圧電材料を用いることができる。 With such a configuration, the vibration of the piezoelectric element is the same as the vibration of the seismic element (i.e. the attached structure) alone, that is, the free vibration of the piezoelectric element is not impeded, for example, a frequency of about 100 Hz or more Vibration is realized, and energy is extracted due to the vibration, so that power generation with high power generation efficiency can be realized. In addition, although a seismic wall etc. can also be used as aseismic elements, in the case of assuming braces, the relative rotational deformation with the main structure (column / beam structure) also becomes vibration, so there is little distortion and small force fluctuation. For example, a polymeric piezoelectric material can be used.
本発明に係る別の態様は、上記の発電構造物であって、前記ストッパが前記主構造体と前記耐震要素を接続した状態をばねが保持し、前記圧力が前記ばねの抵抗力を超えたときに前記ストッパが解除され、前記主構造体と前記耐震要素を独立して挙動させ、耐震要素を主構造体に対して自由に振動させる。 Another aspect according to the present invention is the power generation structure described above, wherein the spring holds a state in which the stopper connects the main structure and the aseismic element, and the pressure exceeds the resistance of the spring. Sometimes the stopper is released, causing the main structure and the seismic element to behave independently and causing the seismic element to vibrate freely relative to the main structure.
この場合、主構造体と耐震要素の連結機構が、実質的にストッパとばねとのシンプルな構造で実現できるため、主構造体と耐震要素の固定状態の維持及び解除、復帰の調整や維持管理が容易になる。 In this case, since the connection mechanism between the main structure and the aseismic element can be realized substantially by a simple structure of a stopper and a spring, maintenance and release of the fixed state of the main structure and the aseismic element, adjustment and maintenance of restoration, Becomes easier.
本発明によると主構造体と耐震要素とが一体の時に振動によるひずみエネルギーを蓄積し、蓄積したひずみエネルギーを、変換効率の良好な振動数で振動する耐震要素を主構造体から分離させて、振動エネルギーを介して圧電素子で電気エネルギーへ変換することができる。 According to the present invention, when the main structure and the seismic element are integrated, strain energy due to vibration is stored, and the accumulated strain energy is separated from the main structure, the seismic element vibrating at a frequency with good conversion efficiency, The vibration energy can be converted into electrical energy by the piezoelectric element.
以下、本発明を実施するための形態(以下、「実施形態」という)について図面を参照して説明する。本実施形態の概要は次の通りである。すなわち、ビルなどの構造物に取り付けて発電する発電構造物を想定する。このようなビルでは、比較的頻度の高い風の外力を受けやすく、大きな発電量が期待できる。ただし、固有周期が長いことでエネルギーの変換効率が低くなる傾向がある。そこで、本実施形態では、柱・梁架構の主構造体と比較して高振動数を有するブレースなどの耐震要素を利用して効率的に電力を取り出す。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention (hereinafter, referred to as “embodiments”) will be described with reference to the drawings. The outline of the present embodiment is as follows. That is, a power generation structure that is attached to a structure such as a building to generate power is assumed. Such a building is susceptible to relatively frequent wind external force, and a large amount of power generation can be expected. However, the energy conversion efficiency tends to be low due to the long natural period. So, in this embodiment, electric power is taken out efficiently using earthquake-resistant elements, such as a brace which has high frequency compared with the main structure of a pillar and a beam frame.
図2は本実施形態の発電構造物である建築物1の全体イメージを示す。図2(a)は建築物1の概略構造を示す。図2(b)は図2(a)の一点破線で示す領域Xの拡大図であって、圧電素子50が耐震要素としてのブレース20と梁12の連結部分に配置される例を示している。後述する実施例1、3、4でより具体的な例を示す。図2(c)は図2(a)の一点破線で示す領域Xの拡大図であって、圧電素子50がブレース20のブレース本体21に配置される例を示している。後述する実施例2でより具体的な例を示す。耐震要素としては耐震壁や間柱等が使用されることもあるが、以下では耐震要素がブレース20である場合の例を説明する。
FIG. 2 shows an overall image of a building 1 which is a power generation structure of the present embodiment. FIG. 2A shows a schematic structure of the building 1. FIG. 2 (b) is an enlarged view of a region X indicated by a dashed dotted line in FIG. 2 (a) and shows an example in which the
まず、図2(a)に示すように、建築物1は、柱11及び梁12からなる架構を主構造体10とし、さらに、付属構造物として耐震要素としてのブレース20とを備えて構成されている。主構造体10は柱11・梁12からなる架構を備えればよいため、橋脚を含む。
First, as shown in FIG. 2 (a), the building 1 is configured to have a
ブレース20は、架構(主構造体10)の一部(下層階、または隣接する柱11の内の一方の柱11)に接合されながら、他の一部(上層階、または他方の柱11)から相対変位可能に分離する。風や地震等によって、建築物1が大きく振動しブレース20に蓄積したひずみが一定値を超えると、ブレース20が主構造体10から分離し、柱11・梁12とは独立して振動をする。
The
図2(b)のようにブレース20と主構造体10とが分離する部分に、または図2(c)のようにブレース20に圧電素子50を配置し、主構造体10と分離したあとのブレース20の振動を圧電素子50に作用させることで、発電効率が比較的高い振動条件(振動数)で圧電素子50に発電させる。
After the
発電した電力は、例えば、ダイオード等の整流回路を用いてコンデンサ等の蓄電池に蓄電したり各種の電装装置で利用するが、それら装置は一般的な公知の技術を用いることができる。また、蓄電池は、一つの圧電素子50からの電力だけでなく複数の圧電素子50からの電力を蓄電してもよい。
The generated electric power is stored in a storage battery such as a capacitor using a rectifier circuit such as a diode, for example, or used in various electric devices, but those devices can use general known techniques. Further, the storage battery may store not only the power from one
ここでは、ブレース20は、いわゆるK型ブレース(またはY型ブレース)であって、2つの脚状(逆V字状)のブレース本体21と、左右中央上部で2つのブレース本体21が交わる部分に形成されたブレース頭部22とを備える。ブレース頭部22は、例えば上層階の梁中央部分14に、一定以上の振動数、または振幅の振動発生時に分離自在に接続(連結)される。また、ブレース本体21のそれぞれの端部23は、柱11と梁12との接合部分13に剛接合(固定)されている。
Here, the
ここで、ブレース頭部22と梁中央部分14の接続部分では、ストッパ機能を有する連結機構15で梁12に取り付けられている。梁12とブレース20との間に生じる圧力(圧縮力)が一定値を超えるまでは、連結機構15は、梁12とブレース20とを接続した固定状態、すなわち一体に挙動する状態に保つ。前記の一定値を超えたときに、連結機構15は、梁12とブレース20とを分離させる。分離後、ブレース頭部22と連結機構15とは、振動によって相対変位可能に分離し、振動が収まった際には、もとの固定状態に復帰する。
Here, the connecting portion between the
上述のように、梁12と分離した後、ブレース20は、梁12とは独立して振動する。このとき、柱11と梁12は、例えば、0.2?0.5Hzの相対的に低い振動数で振動する。
As discussed above, after separation from
一方、付属構造物であるブレース20は、例えば、20?100Hzの相対的に高い振動数で振動する。すなわち、ブレース20と同じ振動数となる圧電素子50は、図1で示したように、例えば、20%を超える発電効率を実現することができる。
On the other hand, the
固定状態ではブレース20にひずみエネルギーが蓄えられ、それを解放することで振動エネルギーに変換される。一度に多くのひずみエネルギーが振動エネルギーに変換され、圧電素子50に吸収されれば、ブレース20の振動回数は少なく、わずかずつしか変換されなければ長く振動する。
In the fixed state, strain energy is stored in the
0.2?0.5Hzの低振動数の柱梁架構(主構造体)とブレース(付属構造物)により構成される構造物において、外力により付属構造物に生じた変形をストッパにより解除した後の付属構造物の振動を利用し、付属構造物と主構造体の間に設置した圧電素子に、付属構造物の振動数に相当する20?100Hzの高い振動数の繰り返し圧力を加える。 In a structure composed of a low-frequency beam-column structure (main structure) and braces (accessory structure) with a low frequency of 0.2 to 0.5 Hz, after the deformation caused to the attached structure by external force is released by the stopper The vibration of the attached structure is used to apply a high-pressure cyclic pressure of 20 to 100 Hz, which corresponds to the frequency of the attached structure, to the piezoelectric element placed between the attached structure and the main structure.
以下、実施例1〜4で、より具体的な構造について説明する。なお、以下では、ブレース20のブレース頭部22と梁12との連結機構15に着目して説明し、端部23と柱11・梁12接合部との連結構造については、一般的な構造であるので説明を省略する。
Hereinafter, more specific structures will be described in Examples 1 to 4. The following description focuses on the
<実施例1>
図3に、本実施例の梁112とブレース120との連結構造を示す。図3(a)は、振動していない状態、すなわちブレース120と梁112がロックした状態を示す。図3(b)は、ロック状態が解除された状態を示す。図3(c)は図3(a)の一点破線円の領域Aを拡大した図である。
Example 1
The connection structure of the
二つのブレース本体121が交わる部分に形成されたブレース頭部122は、連結機構125を介して大梁112a(梁112)の梁底面112bに取り付けられている。
The
連結機構125は、梁112側のばね材130と、ブレース120側のストッパ140とを積層した構造である。すなわち、ばね材130が、ストッパ140を付勢しブレース120のブレース頭部122に押しつける。ばね材130は、例えば、ゴムばねや、金属材料による圧縮ばね等であるが、これに限る趣旨ではなく、要求される仕様に応じて適宜選択しうる。
The
ストッパ140は、例えば、硬質ゴムや鋼材で略プレート状に形成され、さらに、ブレース120側(図示では下側)の面の所定の位置に、突部142がブレース120の方向に向けて形成されている。より具体的には、ブレース120が固定状態において、ブレース頭部122の左右の角123が突部142に当接する。したがって、ストッパ140の幅は、少なくともブレース頭部122の幅よりも長い。ばね材130の付勢力によって、ブレース120はストッパ140の突部142にロックされた固定状態となる。なお、ストッパ140のプレート状部分と突部142とは異なる材質の部品が組み合わされてもよい。
The
連結機構125の、梁112軸方向の両サイドには、それぞれブラケット115が設けられている。それら二つのブラケット115がストッパ140を挟んでいる。ブラケット115は、下方向、すなわちブレース頭部122の方向に向けて、ブレース頭部122の上端面より所定長長く延び、頭部側面124に対向する。
左右の頭部側面124とブラケット115とが対向する領域では、その対向している部分のそれぞれに、圧電素子150が挟まって配置される。圧電素子150で変換された電力は蓄電池190に蓄電される。ブラケット115は、梁112に固定されることから、主構造体10の一部と見なすことができる。
In the area where the left and right head side surfaces 124 and the
圧電素子150は、主構造体10の一部と見なすことができるブラケット115と耐震要素であるブレース120との間に互いに接近する向きの相対変位が生じたときに圧縮力を受けて電圧を発生するものであって、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)系のセラミック材料であるピエゾ素子を用いることができる。特に、本実施例では、圧電素子150を大きな力が直接掛かる箇所であるブレース120と主構造体10との間に配置し、かつ圧電素子150を直接挟んでいる。この場合、振動エネルギーは急速に電気エネルギーに変換され、振動回数は少なくなることが想定されるため、PZTのような材料の圧電素子150が好適である。
The
主構造体10(架構)とブレース20とが一体の状態では、0.2?0.5Hzの相対的に低い振動数の外力によりブレース20に変形(ひずみ)が生じ、ひずみエネルギーが蓄えられる。ひずみが大きくなりストッパ140によるロックが解除されると、そのひずみエネルギーは、ブレース120の振動エネルギーに変換される。
When the main structure 10 (frame) and the
ブレース120は、主構造体10と独立して振動する場合、例えば、20?100Hzの相対的に高い振動数で振動する。振動するブレース20は、その振動数で繰り返し圧電素子150に対して圧力を加える。
When the
次に、ブレース120がストッパ140にロックするタイミングは、ブレース頭部122が中立位置に戻るまでの間、すなわち1/4周期以下であって、例えば固有周期が2秒程度であれば、0.5秒程度である。あまり振動が残りすぎると、振動エネルギーが電気エネルギーに変換されないままロックしひずみエネルギーが蓄積された状態となる。このため、限られた時間内で効率的にエネルギー変換される必要がある。
Next, the timing at which the
また、ストッパ140が外れた後の抵抗を小さくする工夫も必要である。例えば、図3(c)に示すように、ストッパ140は固定時にはブレース頭部122との摩擦力とブレース頭部122のばね材130で固定され、それらの抵抗以上の水平力が加わると、上部に変位して外れ、ブレース120が自由振動する。
In addition, it is also necessary to reduce the resistance after the
その状態では、ばね材130でストッパ140がブレース120のブレース頭部122に押し付けられた状態になる。このため、その際の抵抗を減らすためにブレース120を滑りやすくしたり、突部142をベアリング部材としたり、ばね材130が小さくて済むようにストッパ140の突部142との接続角度θを適切に設定することが望ましい。
In this state, the
<実施例2>
図4は、本実施例の梁212とブレース220との連結構造を示す。図示では、振動していない状態、すなわちブレース220と梁212がロックした状態を示す。実施例1の圧電素子150の取付位置を、ブレース220のブレース本体221に変更したものである。ロック解除している状態では、図3(b)と同様の動きであるので説明を省略する。
Example 2
FIG. 4 shows the connection structure of the
図示のように、ブレース220のブレース頭部222は、連結機構225を介して大梁212a(梁212)の梁底面212bに取り付けられている。
As illustrated, the
連結機構225は、実施例1と同様に、梁212側のばね材230と、ブレース220側のストッパ240とを積層した構造となっている。すなわち、ばね材230が、ストッパ240を付勢しブレース220のブレース頭部222に押しつける。
As in the first embodiment, the connecting
ストッパ240の、ブレース220側(図示では下側)の面の所定の位置に、突部242がブレース220の方向に向けて形成されている。より具体的には、ブレース220が固定状態において、ブレース頭部222の左右の角223が突部242に当接する。ばね材230の付勢力によって、ブレース220はストッパ240の突部242にロックされた固定状態となる。突部242の形状や滑りやすさを考慮すべき点については実施例1と同様である。
A
連結機構225の、梁212軸方向両サイドには、それぞれブラケット215が形成されている。それら二つのブラケット215がストッパ240を挟んでいる。ブラケット215は、下方向に向けて、概ねブレース頭部222の上端面と同じ高さまで延びている。ブラケット215は、梁212に固定されることから、主構造体10の一部と見なすことができる。
ブレース頭部222から、左右の斜め下方向に延びる二つのブレース本体221の梁212側の面には、圧電素子250が接着、溶接その他の手段により取り付けられている。すなわち、圧電素子250は、ブレース本体221と一体に動く。
圧電素子250は、ブレース220の主構造体10(ブラケット215)との相対変位時に正負の向きに振動して電圧を発生するものであって、例えば、ポリふっ化ビニリデン(PVDF)に代表されるような高分子系の圧電材料をシート形状としたものがある。本実施例では、圧電素子250に作用する力は、実質的にブレース220単体の振動によるものとなる。このため、圧電素子250の振動は、100Hz近い振動数となる。その振動エネルギーを抽出するため、仮に主構造体10の固有周期が例えば2秒の場合、1/4周期である0.5秒の間に50回振動する。ブレース220などの少ない歪、小さな力変動を抽出するためには、上述の高分子系の圧電材料が有効である。
The
本実施例によると、梁212(ブラケット215)とブレース220との間の圧力が所定の大きさ(値)を超えたら解除できるスイッチ機構によりブレース220を梁212(主構造体10)から解放し、ブレース220を高振動数で自由振動させることで、ブレース220に設置された圧電素子250により効率的に発電を行うことができる。
According to this embodiment, the
<実施例3> Example 3
実施例3は、実施例1のストッパ140とブレース120の固定構造の変形例である。図5では、実施例3の梁312とブレース320との連結構造を示す。ここでは、振動していない状態、すなわちブレース320と梁312がロックした状態を示す。
The third embodiment is a modification of the fixing structure of the
ブレース320のブレース頭部322は、連結機構325を介して大梁312a(梁312)の梁底面312bに固定されている。
The
連結機構325は、ばね材330と、ストッパ340と、ブレース凹部323とで構成されている。実施例1と同様に、ストッパ340と梁312(梁底面312b)の間にばね材330が配置されている。ただし、ストッパ340に設けられる突部342が、幅方向の略中央に一つだけである。
The
二つのブレース本体321が交わる部分に形成されたブレース頭部322には、この突部342が嵌まるブレース凹部323が形成される。突部342がブレース凹部323に嵌まった状態のときに、ブレース320は梁312に固定された状態となる。すなわち、ばね材330が、ストッパ340を付勢しブレース320のブレース頭部322のブレース凹部323に嵌め込み押しつける。
The
連結機構325の一部であるストッパ340及びばね材330の両サイドには、それぞれブラケット315が形成されている。それら二つのブラケット315がストッパ340を挟んでいる。ブラケット315は、実施例1と同様に、下方向に向け、ブレース頭部322の上端面より所定長長く延び、頭部側面324に対向する。
左右の頭部側面324とブラケット315とが対向する領域では、その対向している部分のそれぞれに、圧電素子350が挟まって配置される。ブラケット315は、梁312に固定されることから、主構造体10の一部と見なすことができる。
In the area where the left and right head side surfaces 324 and the
圧電素子350は、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)系のセラミック材料であるピエゾ素子を用いることができる。
The
梁312とブレース320とが一体の状態で、0.2?0.5Hzの相対的に低い振動数の外力によりブレース320に変形(ひずみ)が生じ、ひずみエネルギーが蓄えられる。ひずみが大きくなりストッパ340によるロックが解除されると、そのひずみエネルギーは、ブレース320の振動エネルギーに変換される。
In a state where the
すなわち、一定以上の力がストッパ340に加わるとバネを押し上げてストッパ340がブレース凹部323から外れ、ブレース320が負担していた荷重(ひずみ)によりブレース320が20?100Hzの高振動数で自由振動を行う。この結果、ブレース320が図示で左右方向に振動し、その振動による荷重が圧電素子に加わり、圧電素子350が発電する。
That is, when a force of a certain level or more is applied to the
なお、ストッパ340がブレース凹部323から外れ振動する条件(ブレース320のひずみ)や再度嵌合して固定状態となる条件を考慮して、ブレース凹部323とストッパ340の形状や表面状態等が定まる。
The shapes, surface states, and the like of the
本実施例では、連結機構325がスイッチ機構にように機能し、スイッチオンで固定状態、スイッチオフで固定解除状態となる。
In the present embodiment, the connecting
なお、実施例2のように、高分子材料でプレート状の構造の圧電素子350をブレース320のブレース本体321に取り付ける構造としてもよい。
As in the second embodiment, the
<実施例4>
実施例4は、実施例3の変形例であって、スイッチ機構となっている連結機構425の構成が異なる。図6は、実施例4の梁412とブレース420との連結構造を示す。ここでは、振動していない状態、すなわちブレース420と梁412がロックした状態を示す。
Example 4
The fourth embodiment is a modification of the third embodiment, and the configuration of the connecting
二つのブレース本体421が交わる部分に形成されたブレース頭部422は、連結機構425を介して大梁412a(梁412)の梁底面412bに固定されている。
The
連結機構425は、ばね材430と、ストッパ440と、ブレース凹部423とで構成されている。ばね材430は、例えば、トーションばねであって、中心側の端部に回転軸441を有する。そして、この回転軸441に、下方向に延びるキー形状のストッパ440が支持されている。ストッパ440の下方向の端部は、ブレース凹部423に嵌め込まれる。
The
なお、本実施形態では、ばね材430を梁底面412bより上側の領域に配置し二つのブラケット414で挟み、略梁底面412bの位置に回転軸441が水平方向、ここでは図手前方向に延びる構成としている。ただし、実施例1−3のように、梁底面412bの下側の領域に配置する構成であってもよい。
In the present embodiment, the
ストッパ440に一定以上の力が加わると、ストッパ440が回転軸441を中心に回転して外れる。その結果、ブレース420が固定状態から解放されて自由振動を行う。
When a force of a predetermined level or more is applied to the
梁底面412bには、ブレース420のブレース頭部422を挟むように、所定距離離間して二つのブラケット415が形成されている。ブラケット415と頭部側面424の間に圧電素子450が配置されている。圧電素子450は、例えば、PZT系のセラミック材料であるピエゾ素子を用いることができる。
Two
梁412とブレース420とが一体の状態で、0.2?0.5Hzの相対的に低い振動数の外力によりブレース420に変形(ひずみ)が生じ、ひずみエネルギーが蓄えられる。ひずみが大きくなりストッパ440によるロックが解除されると、そのひずみエネルギーは、ブレース420の振動エネルギーに変換される。
When the
すなわち、一定以上の力がストッパ440に加わると、回転軸441を介してばね材430が弾性変形し、ストッパ440が荷重方向に回転する。その結果、ストッパ440がブレース凹部423から外れ、ブレース420が負担していた荷重(ひずみ)によりブレース420が20?100Hzの高振動数で自由振動を行う。この結果、ブレース420が図示で左右方向に振動し、その振動による荷重が圧電素子450に加わり、圧電素子450が発電する。
That is, when a predetermined force or more is applied to the
なお、ストッパ440がブレース凹部423から外れ振動する条件(ブレース320のひずみ)や再度嵌合して固定状態となる条件を考慮して、ブレース凹部423とストッパ440の形状や表面状態、ばね材430のばね定数等が定まる。また、ばね材430としてトーションばねを用いる代わりに、ストッパ440の回転軸441より上の部分を左右からコイルばねで挟み込む構成でも、一定以上の荷重でストッパ440の固定状態が解除されその後再度固定状態となる機能を実現できる。
The shape and surface condition of the
以上、本実施形態を実施例1〜4で具体的に説明した。上述のように本実施形態により、比較的頻度の高い風の外力を受けやすく、大きな発電量が期待できる固有周期の長い超高層建物(建築物1)において、内部のブレース20、120,220、340、420などの耐震要素の振動を利用して効率よく力学エネルギー(ひずみエネルギー、振動エネルギー)を電気エネルギーに変換して電力を取り出すことができる。外力が地震であっても同じことを発生させることができる。
The present embodiment has been specifically described above in the first to fourth embodiments. As described above, according to the present embodiment, the
以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described above based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to the combination of the respective constituent elements, and such modifications are also within the scope of the present invention.
例えば、上述の実施例1〜4では、取得した電力を蓄電または電装装置で利用することを想定した。そのほかに、電力の出力状態をモニタリングし、過去のデータまたは、他の出力と比較することで、ブレース20、120、220、320、420等の状態を把握することができる。すなわち、構造上の劣化等を判別することができる。
For example, in the above-described first to fourth embodiments, it is assumed that the acquired electric power is used in the storage or the electrical equipment. In addition, by monitoring the output state of the power and comparing it with past data or other outputs, the state of the
1 建築物
10 主構造体
11 柱
12、112、212、312、412 梁
13 結合部分
14 梁中央部分
15、125、225、325、425 連結機構
20、120、220、320、420 ブレース
21、121、221、321、421 ブレース本体
22、122、222、322、422 ブレース頭部
23 端部
50、150、250、350、450 圧電素子
112a、212a、312a、412a 大梁
112b、212b、312b、412b 梁底面
115、215、315、414、415 ブラケット
123、223 角
124、324、424 頭部側面
130、230、330、430 ばね材
140、240、340、440 ストッパ
142、242、342 突部
190 蓄電池
323、423 ブレース凹部
441 回転軸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
この主構造体の一部に接合されながら、他の一部から相対変位可能に分離した耐震要素と、
相対変位を生じる前記主構造体と前記耐震要素との間に介在する圧電素子と、
を備え、
前記圧電素子は前記主構造体と前記耐震要素との間に互いに接近する向きの相対変位が生じたときに圧縮力を受けて電力を発生し、
相対変位を生じる前記主構造体と前記耐震要素との間に、前記主構造体が前記耐震要素との間に生じる圧力が一定値を超えるまでは、前記主構造体が前記耐震要素を接続した状態に保ち、前記一定値を超えたときに前記主構造体と前記耐震要素を互いに分離させるストッパが介在している
ことを特徴とする発電構造物。 A main structure having a frame made of columns and beams;
A seismic element that is joined to a part of this main structure, but is relatively displaceably separated from the other part,
A piezoelectric element interposed between the main structure causing the relative displacement and the aseismatic element;
Equipped with
The piezoelectric element generates a power by receiving a compressive force when a relative displacement in the direction of approaching each other occurs between the main structure and the seismic element.
The main structural body connected the seismic resistance element until the pressure generated between the main structural body and the seismic resistance element exceeds a predetermined value between the main structural body causing relative displacement and the seismic resistance element A power generation structure characterized by being interposed with a stopper for keeping the main structure and the aseismic element separated from each other when kept in the state and exceeding the predetermined value.
この主構造体の一部に接合されながら、他の一部から相対変位可能に分離した耐震要素と、
この耐震要素の、前記主構造体との間に相対変位を生じる箇所に固定される圧電素子とを備え、
前記圧電素子は前記耐震要素の前記主構造体との相対変位時に正負の向きに振動して電力を発生し、
相対変位を生じる前記主構造体と前記耐震要素との間に、前記主構造体が前記耐震要素との間に生じる圧力が一定値を超えるまでは、前記主構造体が前記耐震要素を接続した状態に保ち、前記一定値を超えたときに前記主構造体と前記耐震要素を互いに分離させるストッパが介在している
ことを特徴とする発電構造物。 A main structure having a frame made of columns and beams;
A seismic element that is joined to a part of this main structure, but is relatively displaceably separated from the other part,
And a piezoelectric element fixed at a position where relative displacement occurs between the seismic element and the main structure,
The piezoelectric element vibrates in positive and negative directions upon relative displacement of the seismic element with the main structure to generate electric power.
The main structural body connected the seismic resistance element until the pressure generated between the main structural body and the seismic resistance element exceeds a predetermined value between the main structural body causing relative displacement and the seismic resistance element A power generation structure characterized by being interposed with a stopper for keeping the main structure and the aseismic element separated from each other when kept in the state and exceeding the predetermined value.
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