JP2020190088A

JP2020190088A - インフラ敷設管理システム

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Publication number: JP2020190088A
Application number: JP2019094665A
Authority: JP
Inventors: 康善齋藤; Yasuyoshi Saito; 浩明牧野; Hiroaki Makino; 正道猪飼; Masamichi Ikai; 好克木村; Yoshikatsu Kimura
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2020-11-26

Abstract

【課題】基部に打ち込んだ杭にコンクリートプレキャスト版を固定したインフラ構造体において系統電料から独立したインフラ敷設管理システムを提供する。【解決手段】基部３０に打ち込まれた杭３２上にコンクリートプレキャスト版３４を固定した構造体において、杭３２又はコンクリートプレキャスト版３４に生ずる応力又は振動を電力に変換する発電素子と、発電素子から出力された電力によってセンシングを行うセンサと、を備えるインフラ敷設管理システムとする。【選択図】図２

Description

本発明は、インフラ敷設管理システムに関する。

道路等のインフラに発電素子を付設して、道路に掛かる圧力や道路に発生する振動を電力に変換して利用するインフラ敷設発電システムが知られている。発電素子としては、圧電式、磁気歪み式、電磁ソレノイド式、Ｓｉ−ＭＥＭＳ静電式等が用いられている（非特許文献１〜４他）。

例えば、図６及び図７に示すように、道路５００に発電素子５０２を埋め込み、道路５００上を走行する車両５０４によって加えられる圧力や振動を電力に変換するインフラ敷設発電システムが開示されている。また、図８に示すように、道路５００の表面に発電素子５０２を配置し、道路５００上を走行する車両５０４によって加えられる圧力や振動を電力に変換するインフラ敷設発電システムが開示されている。また、図９に示すように、道路５００の路肩に発電素子５０２を配置し、道路５００上を走行する車両５０４によって加えられる圧力や振動を電力に変換するインフラ敷設発電システムが開示されている。また、道路等のインフラにセンサを配置し、インフラの状態、交通流等をモニタリングするインフラ敷設発電システムも知られている（非特許文献５，６）。

「橋梁振動を対象とした同調質量系発電デバイスの開発と実橋梁への適用」、竹谷晃一他、土木学会論文集Ａ１（構造・地震工学）、２０１６年７２巻２号２９０−３０１(https://doi.org/10.2208/jscejseee.72.290) 「センサーとＲＦＩＤによる道路施設のモニタリング技術」、藤原博、コンクリート工学、２０１２年５０巻９号８７９−８８２(https://doi.org/10.3151/coj.50.879) https://www.researchgate.net/figure/innovattech-Piezoelectric-Generator-Panels-for-Road-and-Railways_fig5_281209488 "Assessment of Piezoelectric Materials for roadway energy harvesting," DNK KEMA Energy & Sustainability, Final project final report, California Energy Commision, 2014.1 https://www.itmedia.co.jp/smartjapan/articles/1711/15/news060.html https://www.itmedia.co.jp/smartjapan/articles/1611/07/news034.html

ところで、従来のインフラ敷設発電システムでは発電素子が分散的に配置されているために車両等による圧力や振動が発電素子の一部のみに加えられ、発電の効率が低く、大きな電力を発電することができなかった。例えば、図６〜図８の構成では、車両５０４のタイヤ接触面の部分のみに圧力や振動が加わるので、当該部分においてのみ発電が有効となるので発電効率が低くなっていた。また、図９の構成では、道路５００の路肩まで振動を伝える必要があり、振動の減衰によって発電効率が低くなっていた。

また、発電素子に圧縮応力のみならず、せん断応力が掛かるため素子の耐久性が低くなってしまうおそれがあった。

また、インフラの異常やインフラを道路として利用したときの交通量等のインフラに関する状況を把握する技術が要望されている。特に、災害時等において系統電源からの電力の供給が停止した場合であっても、独立してインフラの状況を把握することができるインフラ敷設管理システムが必要とされている。

本発明の１つの態様は、基部に打ち込まれた杭上にコンクリートプレキャスト版を固定した構造体において、前記杭又は前記コンクリートプレキャスト版に生ずる応力又は振動を電力に変換する発電素子と、前記発電素子から出力された電力によってセンシングを行うセンサと、を備えることを特徴とするインフラ敷設管理システムである。

ここで、前記センサは、振動センサ、歪みセンサ、荷重センサ、光センサ、水分センサ、熱センサ、測距センサ、音響センサ、画像センサの少なくとも１つであることが好適である。

また、前記センサは、前記杭と前記コンクリートプレキャスト版との間に配置されていることが好適である。

また、前記センサからの出力又は当該出力を解析して得られたインフラの状況を示す情報を表示させる標示素子をさらに備えることが好適である。

また、前記発電素子は、圧電素子を含み、前記杭と前記コンクリートプレキャスト版との間に配置されていることが好適である。

また、前記発電素子は、振動発電素子を含み、前記杭又は前記コンクリートプレキャスト版に配置されていることが好適である。

本発明によれば、基部に打ち込んだ杭にコンクリートプレキャスト版を固定したインフラ構造体において系統電料から独立したインフラ敷設管理システムを提供することができる。

本発明の実施の形態におけるインフラ敷設管理システムの構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるフリーアクセス型構造体の構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるインフラ敷設管理システムの設置の態様を示す図である。変形例１におけるインフラ敷設管理システムの設置の態様を示す図である。変形例２におけるインフラ敷設管理システムの設置の態様を示す図である。従来のインフラ敷設管理システムの例を示す図である。従来のインフラ敷設管理システムの例を示す図である。従来のインフラ敷設管理システムの例を示す図である。従来のインフラ敷設管理システムの例を示す図である。

本発明の実施の形態におけるインフラ敷設管理システム１００は、図１に示すように、発電素子１０、入力保護回路１２、整流回路１４、蓄電素子１６、制御回路１８、センサ２０及び標示素子２２を含んで構成される。

インフラ敷設管理システム１００は、フリーアクセス型構造体であるインフラに適用される。図２は、フリーアクセス型構造体２００の構成例を示す。フリーアクセス型構造体２００は、地面や床等の基部３０に打ち込まれた複数の杭３２と、杭３２に固定及び支持されるコンクリートプレキャスト版３４と、によって構成される。

杭３２は、金属や樹脂等のコンクリートプレキャスト版３４を支持するための機械的な強度を有する材料によって構成される。杭３２は、円柱、角柱、円筒等の柱状の形状とされる。杭３２は、その一部が基部３０に打ち込まれてコンクリートプレキャスト版３４を支持するための支柱として利用される。

コンクリートプレキャスト版３４は、現場で組み立て及び設置を行うために工場等であらかじめ製造されたコンクリート製の板である。コンクリートプレキャスト版３４は、基部３０に打ち込まれた杭３２の頭頂部に固定されて支持される。これによって、コンクリートプレキャスト版３４の底面と基部３０の表面との間に空間を形成することができる。

なお、コンクリートプレキャスト版３４を複数組み合わせてインフラを構成する場合、隣り合うコンクリートプレキャスト版３４の間にクラウト材を注入して隙間を埋めるようにしてもよい。

このようにして構成されたフリーアクセス型構造体２００は、コンクリートプレキャスト版３４の表面を道路や床等のインフラとして利用することができる。また、基部３０とコンクリートプレキャスト版３４との間の空間を設備等の設置場所であるフリーアクセス空間として利用することができる。

図３は、フリーアクセス型構造体２００にインフラ敷設管理システム１００を適用した状態を示す模式図である。

本実施の形態におけるインフラ敷設管理システム１００では、発電素子１０は、杭３２とコンクリートプレキャスト版３４との間に配置される。発電素子１０は、圧力・振動・歪み等の機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。発電素子１０は、特に限定されるものでないが、例えば、圧電式、磁気歪み式、電磁ソレノイド式、Ｓｉ−ＭＥＭＳ静電式の発電素子とすることが好適である。特に、発電素子１０は、印加される応力に応じて発電を行う応力発電素子とすることが好適である。

発電素子１０から出力される電力は、入力保護回路１２及び整流回路１４を介して蓄電素子１６に蓄電される。入力保護回路１２は、例えば、ツェナーダイオードを含む高電圧保護回路から構成される。整流回路１４は、例えば、ダイオードブリッジを含む全波整流回路又は半波整流回路から構成される。蓄電素子１６に蓄電された電力は、センサ２０の電源や標示素子２２の電源として利用される。制御回路１８は、発電素子１０による発電電力による蓄電素子１６の充電と、蓄電素子１６からセンサ２０や標示素子２２へ電力供給による放電とを制御する。

また、入力保護回路１２、整流回路１４、蓄電素子１６、制御回路１８は、発電素子１０毎に設置してもよいし、杭３２毎に設置してもよいし、インフラ敷設管理システム１００毎に設置してもよい。

電力送信及び信号送信の送信方式は、特に限定されるものではなく、有線又は無線のいずれであってもよい。例えば、無線送信として、４ＧＬＴＥ、ＷｉＦｉ、ＺｉｇＢｅｅ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ａ／ｇ／ｎ／ａｃ、ＬＰＷＡ（ＬｏｗＰｏｗｅｒＷｉｄｅＡｒｅａ）等を適用することができる。

センサ２０は、特に限定されるものではなく、例えばフリーアクセス型構造体２００の状態を検知することができる機能を有することが好ましい。センサ２０は、例えば、振動センサ（加速度センサ）、歪みセンサ、荷重センサ（圧力センサ）、光センサ、水分センサ、熱センサ、測距センサ、音響センサ、画像センサ、塩素センサ等とすることができる。

荷重センサは、杭３２とコンクリートプレキャスト版３４の接続部分において、杭３２とコンクリートプレキャスト版３４との間に配置することが好適である。すなわち、荷重センサは、コンクリートプレキャスト版３４から杭３２に掛る荷重を検知して出力信号として出力できるように設置することが好適である。荷重センサは、セラミック圧電荷重センサ、高強度セラミック型圧抵抗センサ等とすることが好ましい。

歪みセンサは、コンクリートプレキャスト版３４の裏面側に配置することが好適である。すなわち、歪みセンサは、荷重によるコンクリートプレキャスト版３４の歪みを検知して出力信号として出力できるように設置することが好適である。振動センサは、杭３２及びコンクリートプレキャスト版３４のいずれかに配置することが好適である。すなわち、振動センサは、杭３２及びコンクリートプレキャスト版３４に生ずる振動を検知して出力信号として出力できるように設置することが好適である。

また、例えば、センサ２０として水分センサを設置する場合、インフラを構成する杭３２及びコンクリートプレキャスト版３４に含有される水分を検知して出力信号として出力できるように設置することが好適である。また、センサ２０として熱センサを設置する場合、インフラを構成する杭３２及びコンクリートプレキャスト版３４の温度を検知して出力信号として出力できるように設置することが好適である。また、センサ２０として測距センサを設置する場合、インフラを構成する杭３２及びコンクリートプレキャスト版３４の位置関係を検知して出力信号として出力できるように設置することが好適である。例えば、杭３２の間の距離、コンクリートプレキャスト版３４と基部３０との距離等の変化を測定して出力信号として出力できるように設置する。また、センサ２０として音響センサを設置する場合、インフラを構成する杭３２及びコンクリートプレキャスト版３４から発せられる音を検知して出力信号として出力できるように設置することが好適である。例えば、マイクを音響センサとして設置し、杭３２やコンクリートプレキャスト版３４から生ずる振動音の強度を測定して出力信号として出力できるように設置する。また、センサ２０として画像センサを設置する場合、インフラを構成する杭３２及びコンクリートプレキャスト版３４の状態を画像として写して出力信号として出力できるように設置することが好適である。例えば、杭３２又はコンクリートプレキャスト版３４の表面の画像をカメラで写して出力信号として出力するようにする。また、センサ２０として塩素センサを設置する場合、インフラを構成する杭３２及びコンクリートプレキャスト版３４に含まれる塩素成分を検知して出力信号として出力できるように設置することが好適である。杭３２又はコンクリートプレキャスト版３４は塩素によって劣化することが多いので、塩素センサを配置して杭３２やコンクリートプレキャスト版３４に含まれる塩素成分を検出して管理することでフリーアクセス型構造体２００の劣化状態を適切に知ることができる。

標示素子２２は、標識等の情報を表示させる素子である。標示素子２２は、例えば、液晶表示素子、ＥＬ表示素子等を含む構成とすることができる。標示素子２２は、図３に示すように、コンクリートプレキャスト版３４の表面に埋め込んだり、路肩に設置したりするようにしてもよい。

なお、センサ２０からの出力の内容を標示素子２２に表示させるようにしてもよい。また、制御回路１８においてセンサ２０からの出力信号を解析し、その解析結果に基づいてインフラの状況や環境状況を標示素子２２に表示させるようにしてもよい。例えば、センサ２０の出力に基づいて、交通量、天候、インフラの状況等を解析し、その解析結果を標示素子２２に表示させるようにしてもよい。

フリーアクセス型構造体２００では、コンクリートプレキャスト版３４の底面と基部３０の表面との間に空間に入力保護回路１２、整流回路１４、蓄電素子１６、制御回路１８及びセンサ２０を配置することが可能である。したがって、入力保護回路１２、整流回路１４、蓄電素子１６、制御回路１８及びセンサ２０及びそれらを接続する配線を外部環境に曝すことなく設置することができる。また、杭３２やコンクリートプレキャスト版３４にセンサ２０を直接設置することができ、杭３２やコンクリートプレキャスト版３４の状態を直接的に検知することができる。

本実施の形態におけるインフラ敷設管理システム１００によれば、杭３２とコンクリートプレキャスト版３４との間に発電素子１０を配置し、発電素子１０を杭３２の構造体の一部として利用する。これによって、杭３２とコンクリートプレキャスト版３４との間に掛かる応力や振動を発電に利用することができる。すなわち、道路等に利用できるインフラ敷設管理システム１００に独立した発電機能を実装することが可能になる。発電素子１０によって発電された電力は、センサ２０や標示素子２２の電源として利用することができる。したがって、災害時等において系統電力の供給が停止した場合であっても蓄電素子１６に蓄積された電力をセンサ２０や標示素子２２の電源として利用することでインフラとしての機能を維持することができる。

このとき、車両の通過等によってコンクリートプレキャスト版３４に掛かる力や振動は杭３２とコンクリートプレキャスト版３４との間にほぼ集中するので、発電素子１０による発電効率を向上させることができる。

また、杭３２とコンクリートプレキャスト版３４との間に配置した発電素子１０にはせん断応力はほぼ掛かることがなく、圧縮応力のみが印加されるので発電素子１０の耐久性を高めることができる。

なお、発電素子１０を杭３２とコンクリートプレキャスト版３４との間に配置した場合、発電素子１０の機械的な強度を適切に設定することが好適である。発電素子１０の弾性率はコンクリートプレキャスト版３４と同等以上にすることが好適である。コンクリートプレキャスト版３４の弾性率は一般的に１３ＧＰａ以上７０ＧＰａ以下であるので、発電素子１０の弾性率はこの値以上とすることが好ましい。また、発電素子１０の圧縮破壊強度はコンクリートプレキャスト版３４と同等以上にすることが好適である。コンクリートプレキャスト版３４の圧縮破壊強度は一般的に１８ＭＰａ以上１５０ＭＰａ以下であるので、発電素子１０の圧縮破壊強度はこの値以上とすることが好ましい。また、発電素子１０の曲げ強度はコンクリートプレキャスト版３４と同等以上にすることが好適である。コンクリートプレキャスト版３４の曲げ強度は一般的に３ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下であるので、発電素子１０の曲げ強度はこの値以上とすることが好ましい。

例えば、発電素子１０の弾性率を７０ＧＰａ以上、圧縮破壊強度を１５０ＭＰａ以上、曲げ強度を３０ＭＰａ以上とすることがより好ましい。

発電素子１０がこのような条件を満たすことによって、負荷が加わった際に発電素子１０の変形量をコンクリートプレキャスト版３４と同等の変形量に抑えることができ、車両等の走行の安全性を確保しつつ、乗り心地を向上させることができる。

また、このような条件を満たす発電素子１０としては、例えば、無機セラミック発電素子、単結晶発電素子及び磁歪発電素子が挙げられる。

無機セラミック発電素子及び単結晶発電素子は、Ｐ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３材料を用いた素子としてもよいが、鉛を含まない非鉛圧電材料を用いた素子とすることがより好ましい。例えば、無機セラミック発電素子及び単結晶発電素子は、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３系ペロブスカイトや（Ｂｉ，Ｋ，Ｎａ）Ｔｉ系ペロブスカイトを用いた素子とすることが好適である。ただし、発電量を大きくするためには、圧電電荷ｄ定数が３０ｐＣ／Ｎ以上の材料を用いることがより好ましい。

また、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＧａＮ等の非強誘電体圧電材料を用いてもよい。これによって、発電素子１０の耐久寿命を向上させることができる。ただし、圧電電荷ｄ定数が１〜２０ｐＣ／Ｎと小さく、発電量が小さくなる傾向がある。

なお、発電素子１０の温度耐久寿命を延ばすために、キュリー温度は２００℃以上の材料を用いることが好ましく、２５０℃以上の材料を用いることがより好ましく、３００℃以上の材料を用いることがさらに好ましい。

また、発電素子１０は、厚みが０．０１ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることが好ましく、幅が１ｃｍ以上５０ｃｍ以下とすることが好適である。

［変形例１］
図４は、変形例１におけるインフラ敷設管理システム１０２の構成を示す。インフラ敷設管理システム１０２では、発電素子１０を複数積層して杭３２とコンクリートプレキャスト版３４との間に配置した構成としている。

杭３２とコンクリートプレキャスト版３４との間に掛かる応力は減衰しないので、発電素子１０を積層構造とすることによって発電量をより増加させることができ、発電効率を高めることができる。

［変形例２］
図５は、変形例２におけるインフラ敷設管理システム１０４の構成を示す。インフラ敷設管理システム１０４では、杭３２の周面に振動発電素子１０ａがさらに設けられている。

このように、杭３２の周面に振動発電素子１０ａを設置することによって、杭３２とコンクリートプレキャスト版３４との間に配置した発電素子１０のみならず、振動発電素子１０ａによる発電も利用することが可能になる。

振動発電素子１０ａは、杭３２の構造部材の一部ではないので、弾性率、圧縮破壊強度、曲げ強度は特に限定されない。また、振動発電素子１０ａは、その方式は特に限定されるものではなく、圧電型、磁歪型、静電容量型、電磁式ソレノイド型等を適用することができる。また、振動発電素子１０ａの素子構造は、特に限定されるものではなく、モノモルフ構造、バイモルフ構造、鋼球衝突構造、ソレノイド構造、静電容量櫛形構造等を適用することができる。

１０発電素子、１０ａ振動発電素子、１２入力保護回路、１４整流回路、１６蓄電素子、１８制御回路、２０センサ、２２標示素子、３０基部、３２杭、３４コンクリートプレキャスト版、１００，１０２，１０４インフラ敷設管理システム、２００フリーアクセス型構造体、５００道路、５０２発電素子、５０４車両。

Claims

基部に打ち込まれた杭上にコンクリートプレキャスト版を固定した構造体において、
前記杭又は前記コンクリートプレキャスト版に生ずる応力又は振動を電力に変換する発電素子と、
前記発電素子から出力された電力によってセンシングを行うセンサと、
を備えることを特徴とするインフラ敷設管理システム。
請求項１に記載のインフラ敷設管理システムであって、
前記センサは、振動センサ、歪みセンサ、荷重センサ、光センサ、水分センサ、熱センサ、測距センサ、音響センサ、画像センサの少なくとも１つであることを特徴とするインフラ敷設管理システム。
請求項１又は２に記載のインフラ敷設管理システムであって、
前記センサは、前記杭と前記コンクリートプレキャスト版との間に配置されていることを特徴とするインフラ敷設管理システム。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のインフラ敷設管理システムであって、
前記センサからの出力又は当該出力を解析して得られたインフラの状況を示す情報を表示させる標示素子をさらに備えることを特徴とするインフラ敷設管理システム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のインフラ敷設管理システムであって、
前記発電素子は、圧電素子を含み、前記杭と前記コンクリートプレキャスト版との間に配置されていることを特徴とするインフラ敷設管理システム。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のインフラ敷設管理システムであって、
前記発電素子は、振動発電素子を含み、前記杭又は前記コンクリートプレキャスト版に配置されていることを特徴とするインフラ敷設管理システム。