JP2021072707A

JP2021072707A - 振動発電装置

Info

Publication number: JP2021072707A
Application number: JP2019198216A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　雅彦; Masahiko Ito; 雅彦伊藤
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-05-06

Abstract

【課題】小さな振動加速度の振動源であっても、使用目的に応じた十分な電圧と必要な電力を得る。【解決手段】１つの振動子２８に固定される３つの発電素子２２の振動により電力を得る振動発電手段（発電素子２２）と、振動発電手段で発電された電力の電圧を昇圧させる昇圧回路手段２４とを備え、発電素子２２は、磁歪材料２６の周囲にコイル２７が巻かれて構成され、発電素子２２で発電された電力の電圧が昇圧回路手段２４により昇圧されて必要な電力として供給される。【選択図】図２

Description

本発明は、発電素子を振動させて電力を得る振動発電装置に関する。

電力を供給するための設備（電力供給設備）としての発電設備、例えば、水力発電設備や火力発電設備では、流体により回転体（水車・タービン）を回転させ、回転体の回転により発電機（交流発電機）が駆動されて発電が行なわれる。交流発電機の駆動に伴い、励磁による電磁力に起因したモータ（回転子）等の揺れで交流発電機には振動が発生している。

また、電力を供給するための設備としての変電所では、変圧器により交流電力が変圧されている。変圧に伴い変圧器の筐体には、励磁による電磁力の引っ張り力の繰り返しによる振動が発生している。

このように、電力を供給するための設備には、振動によるエネルギーが未利用のエネルギーとして存在しているのが現状である。例えば、特許文献１で開示された振動発電装置を用いて、電力を供給するための設備での振動によるエネルギーを電力に変換することが考えられる。電力を供給するための設備での振動によるエネルギーを電力に変換することができれば、未利用のエネルギーを有効に利用することが可能になる。

しかし、電力供給設備で発生する振動は、必ずしも大きな振動加速度を有しておらず、必要な場所にて必ずしも十分な電力を得ることができないのが現状であった。このため、例えば、１ｍ／ｓ^２程度の振動加速度からでも必要とする電力を得ることが求められている。小さな振動加速度から大きな電力を得るためには、振動させる発電素子を大きくしたり、発電素子を多数備えたりする必要がある。

振動させる発電素子を大きくした場合、発電素子の剛性等が変化して振動エネルギーを取り込む感度が低くなる虞があった。また、発電素子を多数備えた場合、発電素子の個体差の影響で振動状態がずれて互いの出力を干渉する虞があった。

特開２０１９―１３４６７２号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、小さな振動加速度の振動源であっても、使用目的に応じた十分な電圧と必要な電力を得ることができる振動発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本願発明の振動発電装置は、発電素子の振動により電力を得る振動発電手段と、前記振動発電手段で発電された電力の電圧を昇圧させる昇圧回路手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、発電素子の振動により電力が得られ、得られた電力の電圧が昇圧回路により昇圧される。例えば、得られた交流電力がダイオードとコンデンサから構成される昇圧回路により直流電力として電圧が昇圧される。そして、コンバータにより所望の電圧に降圧され、必要な電力として供給される。

このため、小さな振動加速度の振動源であっても、使用目的に応じた必要な電圧と電力を得ることが可能になる。

そして、請求項２に係る本願発明の振動発電装置は、請求項１に記載の振動発電装置において、前記振動発電手段は、電力を供給するための設備に関わる構成機器に取り付けられ、固有振動数が５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚ及びその高調波に合わせられていることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、電力を供給するための設備の構成機器の振動である、固有振動数が５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚ（商用周波数）及びその高調波の振動により発電が実施される。固有振動数は、周波数調整手段を備えることで調整される。

電力供給設備としての発電所の建屋、発電機器の周囲の構造体、及び、電力供給設備としての変電所の変圧器の構造体には、励磁による電磁力に起因したモータ（回転子）等の揺れで振動が発生している。振動は、地域の電源の商用周波数５０Ｈｚ、もしくは、６０Ｈｚの第２高調波（１００Ｈｚ、もしくは、１２０Ｈｚ）、及び、その高調波で生じていることが知られている。このため、固有振動数を５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚ及びその高調波に合わせることが好適になる。

また、請求項３に係る本発明の振動発電装置は、請求項１もしくは請求項２に記載の振動発電装置において、前記振動発電手段は、一つもしくは複数の前記発電素子が一つの振動子に固定されていることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、複数の発電素子を用いても、素子の個体差に起因する振動のずれを抑制し、交流出力の干渉による発電量の減少を抑えることができる。このため、振動加速度に対して電圧を比例して増加させることができ、発電素子を増加することで大きな電圧と電力を得ることが可能になる。

また、請求項４に係る本発明の振動発電装置は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の振動発電装置において、前記振動発電手段の発電素子は、磁歪材料の周囲にコイルが配された素子本体を有し、前記素子本体の振動により前記コイルに起電力を発生させることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、逆磁歪効果を用いて、数十Ｈｚから数百Ｈｚの固有振動数で振動させることができ、特に、電力供給設備の振動に固有振動数を合わせやすい。つまり、前述したように、電力供給設備には、５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚ、その倍数の振動が構造体に生じているので、この振動数に固有振動数を合わせやすい。そして、構成が堅牢で大きな衝撃に対しても壊れにくい。

発電設備（電力を供給するための設備）では、ＩｏＴ（Internet of Things）技術を活用したインフラの整備が考えられてきている。例えば、発電設備の状態監視・計測を行い、状態監視・計測の結果情報を通信により送受信し、結果情報を複数の部門で共有し、発電設備のメンテナンスの計画、実行等を行うことが考えられている。

ＩｏＴ技術を活用したインフラの整備において、発電設備の状態監視・計測におけるセンシングの電源として、本発明の振動発電装置を用いることができる。本発明の振動発電装置を用いることで、センシングの電源として別途バッテリを備える必要がなくなり、バッテリ交換やバッテリのメンテナンス等が不要になり、発電設備の状態監視・計測等の適用範囲を広げることができる。

本発明の振動発電装置は、小さな振動加速度の振動源であっても、使用目的に応じた十分な電圧と必要な電力を得ることが可能になる。

本発明の一実施例に係る振動発電装置を備えた電力供給設備の全体の説明図である。振動発電装置の外観図である。振動発電装置の平面図である。振動加速度と電圧との関係を説明するグラフである。他の実施例に係る振動発電装置の概略構成を説明する平面図である。

以下に示す電力供給設備は、電力を供給するための設備である火力発電設備の発電機、及び、変電所の変圧器に振動発電装置が備えられたものである。つまり、発電機、及び、変電所の変圧器の振動により電力を得る振動発電装置を備えた電力供給設備となっている。このため、振動発電装置により、発電設備や変電所で使用する機器で、バッテリから電源をとっていた機器の電力を賄うことができる。

尚、電力供給設備としては、火力発電設備の他に、水力発電設備、原子力発電設備等、他の発電設備を適用することが可能である。また、振動発電装置が備えられる機器は、上記の発電設備等の機器に限定されない。

以下、図面に基づいて本発明の実施例を具体的に説明する。

図１には本発明の一実施例に係る振動発電装置を備えた火力発電設備、変電所を有する電力供給設備の全体の状況を示してある。

図に示すように、火力発電設備１は、ボイラ２で得られた高温・高圧の蒸気が蒸気タービン３に送られ、蒸気タービン３の作動により発電機４が駆動される。発電された電力は送電線１１を介して変電所１２の変圧器１３で変圧されて事業所等の需要地に送られる。また、電柱１４を経由して一般の需要地に送られる。

火力発電設備１は、発電機４により交流電力を得る発電所であり、発電機４は、励磁による電磁力に起因したモータ（回転子）等の揺れで振動が発生する。発電機４、及び、変電所１２の変圧器１３には発生した振動により発電を行う振動発電装置２１が備えられている。

振動発電装置２１には、固有振動周波数が調整される周波数調整手段が備えられ、周波数調整手段により、振動発電装置２１の固有振動周波数が、例えば、発電機４、変圧器１３が設置される地域の電源の商用周波数を含む領域、もしくは、その高調波を含む領域に調整されている。

例えば、東日本の地域（商用周波数が５０Ｈｚの地域）では、発電機４に対し、商用周波数の第２高調波（１００Ｈｚ）、及び、その高調波である、２００Ｈｚ、３００Ｈｚ、４００Ｈｚの振動（振動加速度のピーク）が得られていることが確認されている。このため、振動発電装置２１の固有振動周波数が、地域の電源の商用周波数５０Ｈｚを含む領域、もしくは、その高調波１００Ｈｚ、２００Ｈｚ、３００Ｈｚ、４００Ｈｚを含む領域に調整されている。

また、西日本の地域（商用周波数が６０Ｈｚの地域）では、発電機４に対し、商用周波数の第２高調波（１２０Ｈｚ）、及び、その高調波である、２４０Ｈｚ、３６０Ｈｚ、４８０Ｈｚの振動（振動加速度のピーク）が得られていることが確認されている。このため、振動発電装置２１の固有振動周波数が、６０Ｈｚを含む領域、もしくは、その高調波１２０Ｈｚ、２４０Ｈｚ、３６０Ｈｚ、４８０Ｈｚを含む領域に調整されている。

これにより、振動発電装置２１を備えることで、発電機４、変圧器１３の振動が小さな振動であっても、振動を効率良く適切に電力に変換して、振動発電装置２１により必要な電力を得ることができる。

尚、火力発電設備１の振動を利用する機器としては、発電機４のケースに限定されない。例えば、発電機４の内部や、発電機４の外の手すり、蒸気タービン３のケーシングの上部、下部、足場、発電機４の近傍の機器の筐体、蒸気タービン３や復水器、排水・給水用の配管等、発電機４に起因する振動が生じる機器に振動発電装置２１を設置することができる。

図２から図４に基づいて振動発電装置２１を具体的に説明する。

図２には振動発電装置２１の全体の構成を説明する外観視の状況、図３には振動発電装置２１の全体の構成を説明する平面視の状況、図４には振動加速度と電圧の関係を示してある。

図２、図３に示すように、振動発電装置２１は、発電素子２２の振動により電力を得る振動発電手段と、振動発電手段２３で発電された電力の電圧を昇圧させる昇圧回路手段２４を備えている。振動発電手段の発電素子２２は、機器である発電機４（図１参照）、変圧器１３（図１参照）に固定されるＵ字型のフレーム２５を有している。

フレーム２５には磁歪材料２６が貼り付けられ、磁歪材料２６の周囲にコイル２７が巻かれた素子本体により発電素子２２が構成されている。本実施例では、発電素子２２が３つ備えられている。３つの発電素子２２のフレーム２５の先端には、一つの振動子（錘）２８が取り付けられ、フレーム２５の先端同士が一つの振動子２８で連結されている。

発電機４（図１参照）、変圧器１３（図１参照）の振動により一つの振動子２８に振動が与えられる。振動が与えられると、慣性力により振動子２８が、例えば、上下に往復移動し、フレーム２５が変形する。フレーム２５の変形により磁歪材料２６の長手方向に圧縮・引張の力が作用し、逆磁歪効果により周囲の磁束が変化し電磁誘導によりコイル２７に起電力が発生する（電力が発生する）。

発電素子２２は、磁歪材料２６の周囲にコイル２７が配された素子本体を有し、素子本体の振動によりコイル２７に起電力を発生させるので、逆磁歪効果を用いて、数十Ｈｚから数百Ｈｚの固有振動数で振動させることができ、特に、電力供給設備の振動に固有振動数を合わせやすい。つまり、前述したように、電力供給設備には、５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚ、その倍数の振動が構造体に生じているので、この振動数に固有振動数を合わせやすい。そして、構成が堅牢で大きな衝撃に対しても壊れにくい。

３つの発電素子２２が一つの振動子２８に固定されているので、３つの発電素子２２を用いても、発電素子２２の個体差に起因する振動のずれが抑制され、交流出力の干渉による発電量の減少を抑えることができる。このため、振動加速度に対して電圧を比例して増加させることができ、発電素子数を増加することで大きな電圧と必要な電力を得ることが可能になる（図４参照）。

因みに、個別の振動子２８に固定された場合、発電素子２２の個体差に起因する振動のずれが生じて交流出力が干渉し、振動加速度が大きくなるほど、発電量の減少が発生する。これにより、図４に点線で示すように、一定の振動加速度よりも大きくなっても、発電量が増加しない状態になり、十分な電圧・電力を得ることができない虞がある。

振動発電手段の発電素子２２で得られた電力（コイル２７に発生した起電力）の電圧が昇圧回路手段２４により昇圧される。例えば、１ｍ／ｓ^２以下（１ｍ／ｓ^２程度）の振動加速度の振動により振動発電手段２３で得られた交流電力が、ダイオードとコンデンサから構成される昇圧回路手段２４により直流電力（例えば、３.３Ｖを超える）として電圧が昇圧される（３.３Ｖ以上）。そして、コンバータにより所望の電圧に降圧され（例えば、３.３Ｖに整流され）、必要な電力として供給される。

これにより、小さな振動加速度（１ｍ／ｓ^２程度、もしくはそれよりも小さい）の微振動であっても、所望の電圧、例えば、３.３Ｖに整流されて必要な電力として供給することができる。つまり、小さな振動加速度の振動源であっても、使用目的に応じた必要な電力を発電することが可能になる。

前述したように火力発電設備１（図１参照）では、ＩｏＴ（Internet of Things）技術を活用したインフラの整備の一環として、発電機４（図１参照）の状態監視・計測を行い、状態監視・計測の結果情報を通信により送受信し、結果情報を複数の部門で共有し、発電機４（図１参照）のメンテナンスの計画、実行等を行うことが考えられる。

このため、例えば、発電機４（図１参照）には状態監視・計測を行うセンサー７、状態監視・計測の結果情報を通信により送受信する送受信手段８が備えられることが想定される。これら、センサー７、送受信手段８は、火力発電設備１（図１参照）で供給される電力によらない電源を用いることが好ましい。

本実施例の振動発電装置２１を適用することで、ＩｏＴ技術による設備の状態監視・計測におけるセンサー７の電源、通信のための送受信手段８の電源の電力を賄うことができ、バッテリなどの電源を用いる必要がなくなる。これにより、バッテリ交換、メンテナンスの時間、労力を省略することができ、ＩｏＴ技術の構築に大きく貢献することが可能になる。

上述した振動発電装置２１は、発電素子２２の振動により電力が得られ、得られた電力の電圧が昇圧回路手段２４により直流電力として電圧が昇圧され、コンバータにより所望の電圧に降圧されて必要な電力として供給される。このため、発電機４（図１参照）や変圧器１３（図１参照）の小さな振動加速度の振動源であっても、使用目的に応じた必要な電力を発電することが可能になる。

そして、本実施例では周波数調整手段を備えているので、電力を供給するための設備の構成機器（発電機４、変圧器１３）の振動の周波数（商用周波数の第２高調波、商用周波数の第２高調波の高調波）に、振動発電手段の発電素子２２の固有振動周波数を合わせることができる。これにより、発電機４（図１参照）、変圧器１３（図１参照）の振動に対して振動発電手段の発電素子２２振動加速度が最大限に得られ、効率が良い発電を実施して、付設機器等（ＩｏＴ技術のセンサー類、送受信手段）の電源を確保することが可能になる。

尚、上述した実施例では、３個の発電素子２２（振動発電手段２３）に一つの振動子２８を取付けた例を挙げて説明したが、図５（ａ）に示すように、６個の振動発電手段２３に一つの振動子２８を取付けたり、図５（ｂ）に示すように、８個の振動発電手段２３に一つの振動子２８を取付けたりすることが可能であり、一つの振動子２８に対する発電素子２２の数は、１個以上の任意の数を適用することができる。また、振動発電手段２３の配置も任意の位置に配置することができる。

本発明は、振動発電手段を備えた電力供給設備、及び、振動発電機の産業分野で利用することができる。

１火力発電設備
２ボイラ
３蒸気タービン
４発電機
１１送電線
１２変電所
１３変圧器
１４電柱
２１振動発電装置
２２発電素子
２４昇圧回路手段
２５フレーム
２６磁歪材料
２７コイル
２８振動子

Claims

発電素子の振動により電力を得る振動発電手段と、
前記振動発電手段で発電された電力の電圧を昇圧させる昇圧回路手段とを備えた
ことを特徴とする振動発電装置。
請求項１に記載の振動発電装置において、
前記振動発電手段は、
電力を供給するための設備に関わる構成機器に取り付けられ、固有振動数が５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚ及びその高調波に合わせられている
ことを特徴とする振動発電装置。
請求項１もしくは請求項２に記載の振動発電装置において、
前記振動発電手段は、
一つもしくは複数の前記発電素子が一つの振動子に固定されている
ことを特徴とする振動発電装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の振動発電装置において、
前記振動発電手段の発電素子は、
磁歪材料の周囲にコイルが配された素子本体を有し、
前記素子本体の振動により前記コイルに起電力を発生させる
ことを特徴とする振動発電装置。