JP5219854B2 - Cylindrical fluid vibration power generator - Google Patents

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Description

本発明は、風力や水力による流体エネルギーを利用して発電を行う筒形流体振動発電装置に関する。   The present invention relates to a cylindrical fluid vibration power generation device that generates power using fluid energy generated by wind power or hydraulic power.

従来より、自然エネルギーを有効活用する技術が様々提案されている。その一例として、風力発電機、太陽電池、水力発電機等が知られている。   Conventionally, various techniques for effectively using natural energy have been proposed. As an example, a wind power generator, a solar battery, a hydroelectric power generator, and the like are known.

ここで、風力発電機は、風の流れを利用して風車を回し、その動力で発電機を回転させて発電する装置である。また、太陽電池は、性質の異なったP型とN型と呼ばれる半導体物質を張り合わせた薄い板型の構造を有するパネル(ソーラーパネルと呼ばれている)に照射される太陽光を受けて電流を発生させる装置である。また、水力発電機は、水の流れを利用してプロペラを回し、その動力で発電機を回転させて発電する装置である。   Here, the wind power generator is a device that rotates a wind turbine using the flow of wind and rotates the power generator with the power to generate power. In addition, a solar cell receives a current by receiving sunlight applied to a thin plate type panel (called a solar panel) in which semiconductor materials called P-type and N-type having different properties are bonded to each other. It is a device to generate. A hydroelectric generator is a device that rotates a propeller using the flow of water and rotates the generator with the power to generate electricity.

ところが、これらの装置においては、それぞれ一長一短があり、使用目的や設置場所等を考慮した上で利用されることが多い。   However, these apparatuses have advantages and disadvantages, and are often used in consideration of the purpose of use and the installation location.

一方、近年においては、圧電材料を利用し、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電装置が着目されている。この振動発電装置は、上述した風力発電機、太陽電池、水力発電機等に比べて小型化及び軽量化が図れるという利点がある。また、運動エネルギーとしては、風や水等の流体やあらゆる振動のエネルギーを利用することができるという利点もある。   On the other hand, in recent years, a vibration power generation apparatus that uses a piezoelectric material and converts kinetic energy into electric energy has attracted attention. This vibration power generation apparatus has an advantage that it can be reduced in size and weight as compared with the above-described wind power generator, solar battery, hydroelectric power generator and the like. Further, as kinetic energy, there is an advantage that fluids such as wind and water and energy of any vibration can be used.

このような圧電材料を利用したものとして、特許文献1では、振動板と、振動板に固定されており、風を受けた際に振動板を振動させるような空気の渦流を発生させるための渦発生部材と、振動板に固定されており、かつ振動板の振動を受けて電力を取り出すことを可能とする圧電素子とを備えた圧電型風力発電機を提案している。   As a material using such a piezoelectric material, in Patent Document 1, a vibration plate is fixed to the vibration plate, and a vortex for generating an eddy current of air that vibrates the vibration plate when receiving wind. A piezoelectric wind power generator has been proposed that includes a generating member and a piezoelectric element that is fixed to the diaphragm and that can extract electric power by receiving vibration from the diaphragm.

また、特許文献2では、流体流を受けて一方向にギャロッピング振動する振動発生体と、振動発生体で生じた運動が伝達されて撓み振動を行う振動体と、振動体の撓み振動による歪みエネルギーを電気エネルギーに変換するトランスデューサーとを備えた発電装置を提案している。   In Patent Document 2, a vibration generator that gallops and vibrates in one direction in response to a fluid flow, a vibration body that transmits a motion generated in the vibration generator and performs flexural vibration, and distortion energy due to the flexural vibration of the vibration body. Has proposed a power generation device including a transducer for converting electric energy into electrical energy.

特許第3951438号Patent No. 3951438 特開2006−226221号公報JP 2006-226221 A

上述した特許文献1では、振動板に風を受けた際に空気の渦流を発生させる渦発生部材を固定し、その空気の渦流によって振動板が振動するようにし、その振動板に振動を受けて電力を取り出すことを可能とする圧電素子を固定したことにより、エネルギー変換効果に優れ、比較的簡単な構造を有し、小型に構成することができるものと考えられる。   In Patent Document 1 described above, a vortex generating member that generates an eddy current of air when wind is received by the diaphragm is fixed, and the diaphragm is vibrated by the eddy current of the air. By fixing the piezoelectric element that can extract electric power, it is considered that it has an energy conversion effect, has a relatively simple structure, and can be configured in a small size.

また、上述した特許文献2では、流体流のカルマン渦による強制振動をエネルギー源とするのではなく、振動発生体の断面に流体流の流れ方向と直角な面を設けることで生じるギャロッピング振動をエネルギー源としたことにより、水流や風などの流体流を利用し、簡単な構造で、幅広い流速に対して発電することが可能となるものと考えられる。   Further, in Patent Document 2 described above, the galloping vibration generated by providing a plane perpendicular to the flow direction of the fluid flow on the cross section of the vibration generator is not used as an energy source instead of the forced vibration due to the Karman vortex of the fluid flow. By using the power source, it is considered that it is possible to generate power for a wide range of flow rates with a simple structure using a fluid flow such as a water flow or wind.

ところで、これらの特許文献1,2に示される圧電素子やトランスデューサーによる起電力による発電効率を高めるためには、これらの圧電素子やトランスデューサーを複数用いる必要がある。   By the way, in order to increase the power generation efficiency by the electromotive force generated by the piezoelectric elements and transducers disclosed in Patent Documents 1 and 2, it is necessary to use a plurality of these piezoelectric elements and transducers.

ところが、特許文献1では、震動源として左右に開いた振動板が必要となるため、振動板と圧電素子との組み合わせが増えることにより、装置の小型軽量化を図ることが困難となるばかりか、単に振動板と圧電素子との組み合わせを増やしただけでは振動板に風を効率よくあてることができないため発電効率を高めることができないという問題があった。   However, in Patent Document 1, since a diaphragm that is opened to the left and right is required as a vibration source, the number of combinations of the diaphragm and the piezoelectric element increases, which makes it difficult to reduce the size and weight of the device. There has been a problem that power generation efficiency cannot be increased because wind cannot be efficiently applied to the diaphragm simply by increasing the combination of the diaphragm and the piezoelectric element.

また、特許文献2では、震動源に付随するものとして、直角な面を有する振動発生体が取り付けられた振動体と、この振動体の後方に延設された流体流に対する方向決定材とが必要となるため、これらの震動源に付随するものとトランスデューサーとの組み合わせが増えることにより、上記同様に、装置の小型軽量化を図ることが困難となるばかりか、直角な面を有する振動発生体に水流や風などの流体を効率よくあてることができないため発電効率を高めることができないという問題があった。   Further, in Patent Document 2, a vibration body attached with a vibration generator having a right-angled surface and a direction determining material for a fluid flow extending behind the vibration body are necessary as accompanying the vibration source. Therefore, the increase in the number of combinations of those associated with these vibration sources and transducers makes it difficult to reduce the size and weight of the device, as well as the above, and the vibration generator having a right angle surface. However, there is a problem in that power generation efficiency cannot be increased because fluid such as water flow or wind cannot be efficiently applied.

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で、発電効率を高めることができる筒形流体振動発電装置を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of such a condition, and it aims at providing the cylindrical fluid vibration electric power generating apparatus which can improve electric power generation efficiency with a simple structure.

本発明の筒形流体振動発電装置は、筒形部材と、該筒形部材内に配置され、流体エネルギーを受けて起電力を発生する複数の振動起電力発生手段と、前記振動起電力発生手段からの起電力を集電する集電手段と、前記集電手段によって集電された起電力を蓄電手段に充電する充電手段とを備え、前記振動起電力発生手段は、前記筒形部材に装着される振動板と圧電素子とを有し、前記集電手段は、前記圧電素子によって発生される起電力から得られる電流の直流成分と交流成分とを分離し、該分離した直流成分と交流成分の電力を電力線を介して前記充電手段に出力するインピーダンスボンドを有し、前記インピーダンスボンドは、前記圧電素子に接続される一次コイルと、前記電力線に接続される二次コイルと、該二次コイルの中央に接続されるダイオードとを有し、前記二次コイルの両端間の起電力により発生する交流成分と、前記二次コイルの一方端と前記ダイオードの出力端との間、及び前記二次コイルの他方端と前記ダイオードの出力端との間での前記ダイオードにより整流された直流成分とが取り出されることを特徴とする。
また、前記筒形部材には、風向板と回転手段とが設けられ、前記風向板に風があたると、前記回転手段を介して前記筒形部材の向きが風上に向けられるようにすることができる。
また、前記筒形部材には、該筒形部材を傾斜自在とする傾斜手段が設けられているようにすることができる。
本発明の筒形流体振動発電装置では、筒形部材の内部に風力や水力による流体エネルギーを受けて起電力を発生する複数の振動起電力発生手段を配置し、これらの振動起電力発生手段からの起電力を集電手段によって集電すると、該集電手段によって集電された起電力が充電手段によって蓄電手段に充電される。
ここで、筒形部材には風又は水が進入するようになっており、これらの風又は水が筒形部材の内部を通過するとき、風速又は水の流速が高まるとともに、乱気流又は渦流が発生するため、振動起電力発生手段が比較的小さくても起電力が効率よく生じることになる。
Tubular fluid vibration generator according to the present invention includes a cylindrical member, disposed within said cylindrical-shaped member, a plurality of vibration electromotive force generating means for generating an electromotive force by receiving the fluid energy, the vibration electromotive force generating means a collector means for collect the electromotive force from, e Bei and a charging means for charging an electromotive force which is the current collector to the storage means by said collector means, the vibration electromotive force generating means, said cylindrical member And the current collecting means separates a DC component and an AC component of current obtained from an electromotive force generated by the piezoelectric element, and the separated DC component An impedance bond for outputting AC component power to the charging means via a power line, the impedance bond comprising: a primary coil connected to the piezoelectric element; a secondary coil connected to the power line; Next to the center of the next coil An AC component generated by electromotive force between both ends of the secondary coil, between one end of the secondary coil and the output end of the diode, and the other end of the secondary coil And a direct current component rectified by the diode between the diode and the output terminal of the diode .
Further, the tubular member is provided with a wind direction plate and a rotating means, and when the wind blows on the wind direction plate, the direction of the cylindrical member is directed to the windward via the rotating means. Can do.
The cylindrical member may be provided with a tilting means for tilting the cylindrical member.
In the cylindrical fluid vibration power generation device of the present invention, a plurality of vibration electromotive force generating means for generating electromotive force by receiving fluid energy by wind power or hydraulic power is arranged inside the cylindrical member, and from these vibration electromotive force generating means When the electromotive force is collected by the current collecting means, the electromotive force collected by the current collecting means is charged to the power storage means by the charging means.
Here, wind or water enters the tubular member, and when these wind or water passes through the inside of the tubular member, the wind speed or the flow rate of water increases and turbulence or vortex flow is generated. Therefore, even if the vibration electromotive force generating means is relatively small, the electromotive force is efficiently generated.

本発明の筒形流体振動発電装置によれば、筒形部材の内部で風速又は水の流速が高められるとともに、乱気流又は渦流が発生し、振動起電力発生手段が比較的小さくても起電力を効率よく生じさせるようにしたので、簡素な構成で、発電効率を高めることができる。   According to the cylindrical fluid vibration power generation device of the present invention, the wind speed or the flow rate of water is increased inside the cylindrical member, turbulence or vortex is generated, and the electromotive force is generated even if the vibration electromotive force generating means is relatively small. Since it was made to produce efficiently, electric power generation efficiency can be improved with a simple structure.

本発明の筒形流体振動発電装置の第1の実施形態に係る、風力による流体エネルギーを電気エネルギーに変換する筒形流体振動発電装置を示す図である。It is a figure which shows the cylindrical fluid vibration power generator which converts the fluid energy by wind force into electrical energy based on 1st Embodiment of the cylindrical fluid vibration power generator of this invention. 図1の振動起電力発生部材を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the vibration electromotive force generation member of FIG. 図1の起電力集電装置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the electromotive force collector of FIG. 図1の振動起電力発生部材を示す図である。It is a figure which shows the vibration electromotive force generation member of FIG. 図2の圧電素子による起電力による発生電流の概要を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline | summary of the electric current generated by the electromotive force by the piezoelectric element of FIG. 図2の圧電素子における、負荷抵抗に対する電流と電圧の発生の概要を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline | summary of generation | occurrence | production of the electric current and voltage with respect to load resistance in the piezoelectric element of FIG. 図1の筒形部材の構成を変えた場合の他の例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the other example at the time of changing the structure of the cylindrical member of FIG. 水力による流体エネルギーを電気エネルギーに変換する筒形流体振動発電装置に係る第2の実施形態を示す図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment which concerns on the cylindrical fluid vibration electric power generating apparatus which converts the fluid energy by hydraulic power into electrical energy.

(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態の詳細について説明する。図1は本発明の筒形流体振動発電装置に係る第1の実施形態を説明するための図であり、図2は振動起電力発生部材を説明するための図であり、図3は起電力集電装置を説明するための図である。
(First embodiment)
Details of the first embodiment of the present invention will be described below. FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the cylindrical fluid vibration power generation device of the present invention, FIG. 2 is a diagram for explaining a vibration electromotive force generating member, and FIG. 3 is an electromotive force. It is a figure for demonstrating a current collector.

まず、図1に示す筒形流体振動発電装置1は、風力による流体エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、風力を受けやすい環境に設置されるものであって、ポール、支柱、台座等に取り付けられるようになっている。また、筒形流体振動発電装置1の用途としては、電子機器センサーの電源、路側の電光標識等の道路安全支援装置の電源、防犯システムの電源等とすることができる。   First, the cylindrical fluid vibration power generation device 1 shown in FIG. 1 converts fluid energy generated by wind power into electric energy, and is installed in an environment that is susceptible to wind power. It can be attached. The cylindrical fluid vibration power generator 1 can be used as a power source for electronic equipment sensors, a power source for road safety support devices such as roadside lightning signs, and a power source for a crime prevention system.

また、筒形流体振動発電装置1は、筒形部材10と、振動起電力発生手段である振動起電力発生部材20と、集電手段である起電力集電装置30と、充電手段である充電装置40とを備えている。なお、図中符号50は蓄電池を示し、符号60は負荷制御装置を示し、符号70は負荷を示している。   Moreover, the cylindrical fluid vibration power generation device 1 includes a cylindrical member 10, a vibration electromotive force generation member 20 that is a vibration electromotive force generation unit, an electromotive force current collector 30 that is a current collection unit, and a charge that is a charging unit. Device 40. In the drawing, reference numeral 50 indicates a storage battery, reference numeral 60 indicates a load control device, and reference numeral 70 indicates a load.

筒形部材10は、風が入り込む入口11から風が抜け出る出口12までの径がほぼ同一とされ、風が入り込む入口11から風が抜け出る出口12まで空洞とされている。筒形部材10の断面は、円形、楕円形、菱形、四角形、六角形、八角形等のように、様々な形状とすることができる。   The cylindrical member 10 has substantially the same diameter from the inlet 11 through which the wind enters to the outlet 12 through which the wind escapes, and is hollow from the inlet 11 through which the wind enters to the outlet 12 through which the wind exits. The cross-section of the cylindrical member 10 can have various shapes such as a circle, an ellipse, a rhombus, a quadrangle, a hexagon, and an octagon.

また、筒形部材10は、室外に設置されることを想定し、たとえば耐食性等に優れたPVC管(ポリカーボネイト)、管(ポリ塩化ビニール)、SUS管(ステンレス)、Al(アルミ管)等で構成することができる。また、筒形部材10の下面側には、回転軸13aと回転軸受け13bとからなる回転テーブル13が取り付けられている。また、筒形部材10の下面側には、後述の圧電素子22を装着する複数の装着穴15が設けられている。   The tubular member 10 is assumed to be installed outdoors. For example, a PVC pipe (polycarbonate), a pipe (polyvinyl chloride), a SUS pipe (stainless steel), an Al (aluminum pipe), etc. having excellent corrosion resistance. Can be configured. Further, on the lower surface side of the cylindrical member 10, a rotary table 13 including a rotary shaft 13a and a rotary bearing 13b is attached. In addition, a plurality of mounting holes 15 for mounting a piezoelectric element 22 to be described later are provided on the lower surface side of the cylindrical member 10.

また、筒形部材10の上面側には、風向板14が取り付けられている。この風向板14に風があたることで、回転テーブル13を介して筒形部材10の入口11が風上に向けられるようになっている。   A wind direction plate 14 is attached to the upper surface side of the cylindrical member 10. When the wind direction plate 14 is winded, the inlet 11 of the tubular member 10 is directed to the windward via the rotary table 13.

振動起電力発生部材20は、風による流体エネルギーを受けて起電力を発生するものであり、筒形部材10の下面側の複数の装着穴15にそれぞれ装着されている。なお、振動起電力発生部材20は、筒形部材10の軸方向に沿って同一線上に配置されていてもよいが、好ましくは千鳥状に配置する。このように千鳥状に配置することで、前方の振動起電力発生部材20に後方の振動起電力発生部材20が重ならないことから、前方の振動起電力発生部材20によって弱められた風が後方の振動起電力発生部材20にあたるようなことがなくなり、風力を効率良く受けることができる。   The vibration electromotive force generating member 20 generates electromotive force upon receiving fluid energy from the wind, and is mounted in the plurality of mounting holes 15 on the lower surface side of the cylindrical member 10. The vibration electromotive force generating members 20 may be arranged on the same line along the axial direction of the cylindrical member 10, but are preferably arranged in a staggered manner. Since the rear vibration electromotive force generation member 20 does not overlap the front vibration electromotive force generation member 20 by arranging in a staggered manner in this way, the wind weakened by the front vibration electromotive force generation member 20 is behind The vibration electromotive force generating member 20 is not hit, and wind force can be received efficiently.

また、振動起電力発生部材20は、図2に示すように、振動板21と圧電素子22とを有している。振動板21は、棒状をなし、耐食性や耐衝撃性及びある程度の可撓性とを有する部材で構成されている。また、振動板21としては、振幅の復元性、耐久性が要求されることから、SUS(ステンレス)の薄板加工、燐青銅の薄板加工、バネ材の薄板加工等によって成型することができる。また、振動板21の下端側が圧電素子22の上面側に直付けされている。   Moreover, the vibration electromotive force generating member 20 has a diaphragm 21 and a piezoelectric element 22 as shown in FIG. The diaphragm 21 has a rod shape and is made of a member having corrosion resistance, impact resistance, and a certain degree of flexibility. In addition, since the vibration plate 21 is required to have amplitude restoration and durability, it can be formed by thin plate processing of SUS (stainless steel), thin plate processing of phosphor bronze, thin plate processing of a spring material, or the like. Further, the lower end side of the diaphragm 21 is directly attached to the upper surface side of the piezoelectric element 22.

圧電素子22は、圧電セラミックス23,24が結合部材25を介して張り合わされた構成となっている。また、図2のように、圧電素子22は、筒形部材10の装着穴15に装着されるとともに、たとえば左端部側が固定部材26を介して筒形部材10の装着穴15の縁部に取り付けられるようになっている。これにより、圧電素子22の右端部側が自由端となり、左端部側を支点としてその右端部側が振動板21の振動に応じて上下に変位するようになっている。また、圧電セラミックス23,24には、起電力集電装置30に接続されるリード線23a,23bの一端側が接続されている。   The piezoelectric element 22 has a configuration in which piezoelectric ceramics 23 and 24 are bonded together via a coupling member 25. Further, as shown in FIG. 2, the piezoelectric element 22 is mounted in the mounting hole 15 of the cylindrical member 10, and the left end side is attached to the edge of the mounting hole 15 of the cylindrical member 10 via the fixing member 26, for example. It is supposed to be. Accordingly, the right end portion side of the piezoelectric element 22 becomes a free end, and the right end portion side is displaced up and down according to the vibration of the diaphragm 21 with the left end portion side as a fulcrum. In addition, one end sides of lead wires 23 a and 23 b connected to the electromotive force current collector 30 are connected to the piezoelectric ceramics 23 and 24.

起電力集電装置30は、圧電素子22によって発生される起電力を集電するものである。また、起電力集電装置30は、圧電素子22によって発生される起電力から得られる電流の直流成分と交流成分とを分離する、たとえば図3に示すようなインピーダンスボンドを有しており、そのインピーダンスボンドによって分離された直流成分と交流成分の電力を電力線80aを介して充電装置40に送出する。   The electromotive force current collector 30 collects the electromotive force generated by the piezoelectric element 22. Further, the electromotive force current collecting device 30 has an impedance bond as shown in FIG. 3 for separating the direct current component and the alternating current component of the current obtained from the electromotive force generated by the piezoelectric element 22, for example. The DC component power and AC component power separated by the impedance bond are sent to the charging device 40 via the power line 80a.

すなわち、図3に示すインピーダンスボンド31は、一次コイル32と、磁心33と、二次コイル34とを有している。   That is, the impedance bond 31 shown in FIG. 3 has a primary coil 32, a magnetic core 33, and a secondary coil 34.

一次コイル32には、上述したリード線23a,23bに接続されるリード端子32a,32bが設けられている。二次コイル34には、端子34a,34b,34cが設けられている。ここで、端子34bは、二次コイル34のほぼ中央に接続されるようになっている。また、端子34bと二次コイル34との間には、ダイオード35が設けられている。   The primary coil 32 is provided with lead terminals 32a and 32b connected to the lead wires 23a and 23b described above. The secondary coil 34 is provided with terminals 34a, 34b, and 34c. Here, the terminal 34 b is connected to substantially the center of the secondary coil 34. A diode 35 is provided between the terminal 34 b and the secondary coil 34.

このようなインピーダンスボンド31では、上述した圧電素子22による起電力によって発生した電流(交流成分)が一次コイル32に流れることで、二次コイル34には一次コイル32の磁界の変化を妨げる方向に起電力が発生する。   In such an impedance bond 31, the current (alternating current component) generated by the electromotive force generated by the piezoelectric element 22 flows through the primary coil 32, so that the secondary coil 34 interferes with the change in the magnetic field of the primary coil 32. An electromotive force is generated.

このとき、端子34a,34c間の起電力によって発生した電流(交流成分)が取り出される。また、端子34a,34b間、及び端子34b,34c間では、ダイオード35によって整流された電流(直流成分)が取り出される。   At this time, the current (alternating current component) generated by the electromotive force between the terminals 34a and 34c is taken out. Further, a current (DC component) rectified by the diode 35 is taken out between the terminals 34a and 34b and between the terminals 34b and 34c.

充電装置40は、起電力集電装置30に集電された電力を電力線80bを介して蓄電池50に充電する。蓄電池50としては、バッテリーやリチウムイオン蓄電池等を用いることができる。   The charging device 40 charges the storage battery 50 with the power collected by the electromotive force current collecting device 30 via the power line 80b. As the storage battery 50, a battery, a lithium ion storage battery, or the like can be used.

負荷制御装置60は、電力線80cを介して蓄電池50に接続されている。負荷制御装置60は、電力線80dを介して負荷70へ供給する蓄電池50の充電電力の供給制御を行う。ここで、負荷70としては、屋外に設置されているLED照明灯、警告灯、案内灯等とすることができる。よって、負荷制御装置60は、たとえば周囲が暗くなり始めると、負荷70への電力供給を開始するような制御を行うことができる。   The load control device 60 is connected to the storage battery 50 via the power line 80c. The load control device 60 performs supply control of the charging power of the storage battery 50 supplied to the load 70 through the power line 80d. Here, the load 70 may be an LED illumination light, a warning light, a guide light, or the like installed outdoors. Therefore, the load control device 60 can perform control to start power supply to the load 70, for example, when the surroundings start to darken.

なお、負荷制御装置60には、負荷70への電力供給の開始を知らせるタイマーや、負荷70への電力供給の開始を示すデータ等が持たされているようにしてもよい。また、負荷制御装置60に受信器を搭載しておいて、外部からの無線で負荷70への電力供給の開始を制御するようにすることも可能である。また、負荷70としては、携帯端末等のようなモバイル機器とすることも可能である。   Note that the load control device 60 may have a timer for notifying the start of power supply to the load 70, data indicating the start of power supply to the load 70, and the like. It is also possible to mount a receiver in the load control device 60 and control the start of power supply to the load 70 wirelessly from the outside. The load 70 can be a mobile device such as a portable terminal.

次に、筒形流体振動発電装置1の動作を、図4〜図6を用いて説明する。ここで、図4は図1の振動起電力発生部材20を示す図であり、図5は圧電素子22による起電力による発生電流の概要を説明するための図であり、図6は負荷抵抗に対する電流と電圧の発生の概要を説明するための図である。   Next, operation | movement of the cylindrical fluid vibration electric power generating apparatus 1 is demonstrated using FIGS. Here, FIG. 4 is a diagram showing the vibration electromotive force generating member 20 of FIG. 1, FIG. 5 is a diagram for explaining the outline of the current generated by the electromotive force by the piezoelectric element 22, and FIG. It is a figure for demonstrating the outline | summary of generation | occurrence | production of an electric current and voltage.

まず、筒形部材10を室外に設置する。この場合、回転テーブル13の回転軸受け13bを任意の部位にボルト等の締結部材を用いて固定する。また、振動起電力発生部材20起電力集電装置30、充電装置40、蓄電池50、負荷制御装置60を所定の収納ボックスに収納しておく。   First, the cylindrical member 10 is installed outdoors. In this case, the rotary bearing 13b of the rotary table 13 is fixed to an arbitrary part using a fastening member such as a bolt. Moreover, the vibration electromotive force generating member 20 electromotive force current collecting device 30, the charging device 40, the storage battery 50, and the load control device 60 are stored in a predetermined storage box.

そして、筒形部材10の上面側に取り付けられている風向板14に風があたると、回転テーブル13を介して筒形部材10の入口11が風上に向けられる。このとき、筒形部材10の入口11から進入した風が筒形部材10の内部を通過するとき、風速が高まるとともに、乱気流が生じる。   Then, when wind blows on the wind direction plate 14 attached to the upper surface side of the tubular member 10, the inlet 11 of the tubular member 10 is directed upwind via the rotary table 13. At this time, when the wind that has entered from the inlet 11 of the tubular member 10 passes through the inside of the tubular member 10, the wind speed increases and turbulence is generated.

これにより、振動起電力発生部材20の振動板21への風力が高められるため、振動板21が棒状であっても、図4(a)又は図4(b)のように少なくとも左側(矢印a方向)又は右側(矢印b方向)に交互に振動する。このとき、図4(a)の状態では圧電素子22の圧電セラミックス23が縮み、圧電素子22の圧電セラミックス24が伸びることになるため、リード線23a側が−でリード線23b側が+となる起電力が発生する。   Thereby, since the wind force to the diaphragm 21 of the vibration electromotive force generating member 20 is increased, even if the diaphragm 21 is rod-shaped, at least the left side (arrow a) as shown in FIG. 4A or 4B. Direction) or right side (arrow b direction). At this time, in the state shown in FIG. 4A, the piezoelectric ceramic 23 of the piezoelectric element 22 contracts and the piezoelectric ceramic 24 of the piezoelectric element 22 expands, so that the electromotive force is-on the lead wire 23a side and + on the lead wire 23b side. Will occur.

一方、図4(b)の状態では圧電素子22の圧電セラミックス23が伸び、圧電素子22の圧電セラミックス24が縮むことになるため、リード線23a側が+でリード線23b側が−となる起電力が発生する。   On the other hand, in the state shown in FIG. 4B, the piezoelectric ceramic 23 of the piezoelectric element 22 expands and the piezoelectric ceramic 24 of the piezoelectric element 22 contracts, so that an electromotive force that is + on the lead wire 23a side and − on the lead wire 23b side is generated. Occur.

この場合、圧電素子22による起電力により、図5に示すような電流が発生する。この発生した電流には、上述したように、直流成分と交流成分とが含まれているため、起電力集電装置30のインピーダンスボンドにより直流成分と交流成分とに分離され、充電装置40に送出される。   In this case, a current as shown in FIG. 5 is generated by the electromotive force generated by the piezoelectric element 22. Since the generated current includes a direct current component and an alternating current component as described above, the generated current is separated into the direct current component and the alternating current component by the impedance bond of the electromotive force current collector 30, and is sent to the charging device 40. Is done.

これにより、起電力集電装置30により、圧電素子22による起電力によって発生する電流が効率よく集電されることになる。なお、図5はあくまでも圧電素子22による起電力による電流の発生の概要を示すものであり、圧電素子22等の構成や数によって電流波形が異なることは勿論である。   Thus, the current generated by the electromotive force generated by the piezoelectric element 22 is efficiently collected by the electromotive force collector 30. FIG. 5 merely shows an outline of generation of current due to electromotive force by the piezoelectric element 22, and it goes without saying that the current waveform varies depending on the configuration and number of the piezoelectric elements 22 and the like.

そして、充電装置40により、起電力集電装置30に集電された電力が電力線80bを介して蓄電池50に充電され、たとえば所定時間に達すると、負荷制御装置60により、電力線80dを介して負荷70へ供給する蓄電池50の充電電力の供給が開始される。   Then, the power collected by the electromotive force current collecting device 30 by the charging device 40 is charged to the storage battery 50 via the power line 80b. When, for example, a predetermined time is reached, the load control device 60 loads the power via the power line 80d. Supply of the charging power of the storage battery 50 supplied to 70 is started.

ここで、振動起電力発生部材20の圧電素子22による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する際の変換効率は、負荷70による負荷抵抗との関係で左右される。つまり、負荷70による負荷抵抗と、圧電素子22の起電力による電流及び電圧とは、図6に示すような関係となることが知られている。同図から分かる通り、電圧は負荷抵抗が大きくなるに従い、その値が大きくなる。これに対し、電流は10000Ω程度までは10mA程度の一定の値を示すが、10000Ωを超えると、1mA程度まで下がる。   Here, the conversion efficiency when the kinetic energy generated by the piezoelectric element 22 of the vibration electromotive force generating member 20 is converted into electric energy depends on the relationship with the load resistance due to the load 70. That is, it is known that the load resistance due to the load 70 and the current and voltage due to the electromotive force of the piezoelectric element 22 have a relationship as shown in FIG. As can be seen from the figure, the voltage increases as the load resistance increases. On the other hand, the current shows a constant value of about 10 mA up to about 10,000Ω, but decreases to about 1 mA when it exceeds 10,000Ω.

よって、振動起電力発生部材20の圧電素子22による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する際の変換効率を高めるためには、たとえば電流が10mA程度の一定の値を示す10000Ω程度までとすればよいことが分かる。なお、図6はあくまでも負荷抵抗と、起電力による電流及び電圧との関係の概要を示すものであり、上記同様に、圧電素子22等の構成や数によってその関係が異なることは勿論である。   Therefore, in order to increase the conversion efficiency when converting the kinetic energy generated by the piezoelectric element 22 of the vibration electromotive force generating member 20 into electric energy, for example, the current may be up to about 10000Ω indicating a constant value of about 10 mA. I understand. FIG. 6 merely shows an outline of the relationship between the load resistance and the current and voltage due to the electromotive force. Of course, the relationship varies depending on the configuration and number of the piezoelectric elements 22 and the like, as described above.

このように、第1の実施形態では、筒形部材10の内部に風力による流体エネルギーを受けて起電力を発生する複数の振動起電力発生手段である振動板21と圧電素子22とからなる振動起電力発生部材20を配置し、これらの振動起電力発生部材20からの起電力を集電手段である起電力集電装置30によって集電すると、該起電力集電装置30によって集電された起電力が充電手段である充電装置40によって蓄電手段である蓄電池50に充電されるようにした。   As described above, in the first embodiment, the vibration composed of the vibration plate 21 and the piezoelectric element 22 which are a plurality of vibration electromotive force generating means for generating electromotive force by receiving fluid energy by wind power inside the cylindrical member 10. When the electromotive force generating member 20 is arranged and the electromotive force from the vibration electromotive force generating member 20 is collected by the electromotive force current collecting device 30 as current collecting means, the current is collected by the electromotive force current collecting device 30. The electromotive force is charged in the storage battery 50 as the storage means by the charging device 40 as the charging means.

これにより、筒形部材10の内部を風が通過するとき、風速が高まるとともに、乱気流が発生するため、振動起電力発生部材20が比較的小さくても起電力を効率よく生じさせることができることから、簡素な構成で、発電効率を高めることができる。   Thereby, when the wind passes through the inside of the cylindrical member 10, the wind speed increases and turbulence is generated. Therefore, even if the vibration electromotive force generating member 20 is relatively small, the electromotive force can be generated efficiently. The power generation efficiency can be increased with a simple configuration.

また、第1の実施形態では、筒形部材10に、風向板14と、回転手段である回転軸13aと回転軸受け13bとからなる回転テーブル13と設け、風向板10に風があたると、回転テーブル13を介して筒形部材10の向きが風上に向けられるようにしたので、筒形部材10内部への風の取り込みを効率よく行うことができる。   Further, in the first embodiment, the cylindrical member 10 is provided with the wind direction plate 14 and the rotary table 13 including the rotation shaft 13a and the rotation bearing 13b as rotation means. Since the direction of the cylindrical member 10 is directed to the windward via the table 13, the wind can be taken into the cylindrical member 10 efficiently.

なお、第1の実施形態では、筒形部材10の径が、風が入り込む入口11から風が抜け出る出口12までほぼ同一とされた場合としているが、この例に限らず、たとえば図7のように、風が入り込む入口11a側が出口12の径より大きくなるようなラッパ状の構成としてもよい。   In the first embodiment, the diameter of the cylindrical member 10 is substantially the same from the inlet 11 through which the wind enters to the outlet 12 through which the wind escapes. However, the present invention is not limited to this example. For example, as shown in FIG. In addition, a trumpet-like configuration may be employed in which the inlet 11a side into which the wind enters is larger than the diameter of the outlet 12.

この場合、筒形部材10の入口11aから進入する風量が多くなるため、その風が筒形部材10の内部を通過するとき、風速がさらに高まるため、筒形部材10の周囲の風速が弱くても振動起電力発生部材20の振動板21をより確実に振動させることが可能となる。   In this case, since the amount of air entering from the inlet 11a of the tubular member 10 increases, the wind speed further increases when the wind passes through the inside of the tubular member 10, so the wind speed around the tubular member 10 is weak. Also, the vibration plate 21 of the vibration electromotive force generating member 20 can be vibrated more reliably.

(第2の実施形態)
図8は、水力による流体エネルギーを電気エネルギーに変換する筒形流体振動発電装置1Aに係る第2の実施形態を示す図である。なお、以下の説明においては、図1と共通する部分には同一符号を付し、重複する説明は適宜行うものとする。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a diagram illustrating a second embodiment of a cylindrical fluid vibration power generation apparatus 1A that converts fluid energy generated by hydraulic power into electric energy. In the following description, parts common to those in FIG.

同図に示す筒形流体振動発電装置1Aは、図1の風向板14が省かれているとともに、図1の回転テーブル13が傾斜テーブル16に置き換えられている点で、図1の筒形流体振動発電装置1とは相違している。また、筒形流体振動発電装置1Aは、水力による流体エネルギーを利用するものであるため、圧電素子22の周囲が防水部材20aによって覆われている点でも図1の筒形流体振動発電装置1とは相違している。   The cylindrical fluid vibration power generation apparatus 1A shown in FIG. 1 has the cylindrical fluid of FIG. 1 in that the wind direction plate 14 of FIG. 1 is omitted and the rotary table 13 of FIG. This is different from the vibration power generator 1. Further, since the cylindrical fluid vibration power generation device 1A uses fluid energy by hydraulic power, the cylindrical fluid vibration power generation device 1 of FIG. 1 is also different in that the periphery of the piezoelectric element 22 is covered with a waterproof member 20a. Is different.

また、本実施形態での筒形流体振動発電装置1Aは、水力用とされることから、たとえば家屋の雨樋配水管等に接続して利用される。このような筒形流体振動発電装置1Aでは、たとえば商用電源を利用できない地域であっても、上記同様に、電子機器センサーの電源、路側の電光標識等の道路安全支援装置の電源、防犯システムの電源等として用いることができる。   Moreover, since the cylindrical fluid vibration power generation device 1A in this embodiment is used for hydraulic power, it is used by being connected to, for example, a rain gutter water pipe of a house. In such a cylindrical fluid vibration power generation device 1A, for example, even in an area where commercial power cannot be used, similarly to the above, the power source of an electronic device sensor, the power source of a road safety support device such as a roadside lightning sign, the security system It can be used as a power source or the like.

ここで、傾斜テーブル16は、上端側が筒形部材10の下面側に取り付けられるとともに、下端側にたとえば回転球16aを有する回動支持軸16bと、回転球16aを回動自在に支持する回動支持部16cを有する回動支持軸受け16dとを有している。このような傾斜テーブル16が筒形流体振動発電装置1Aの筒形部材10の下面側に取り付けられることで、入口11の向きを、少なくとも上下に傾斜させることができ、水の流れに沿った方向にその入口11を向けることができる。   Here, the tilting table 16 is attached to the lower surface side of the cylindrical member 10 at the upper end side, and a rotation support shaft 16b having, for example, a rotation ball 16a on the lower end side, and a rotation for rotatably supporting the rotation ball 16a. And a rotation support bearing 16d having a support portion 16c. By attaching such an inclined table 16 to the lower surface side of the cylindrical member 10 of the cylindrical fluid vibration power generation device 1A, the direction of the inlet 11 can be inclined at least up and down, and the direction along the flow of water The entrance 11 can be directed to the side.

なお、傾斜テーブル16にあっては、筒形部材10を少なくとも上下に傾斜させることができればよいため、ヒンジ状の簡単な継ぎ手構成としてもよい。   In addition, in the inclination table 16, since the cylindrical member 10 should just be able to incline up and down at least, it is good also as a hinge-like simple joint structure.

このような筒形流体振動発電装置1Aでは、たとえば家屋の雨樋配水管等に接続し、雨樋配水管内の水が筒形部材10内に進入するものとすると、筒形部材10の入口11から進入した水が筒形部材10の内部を通過するとき、その水の流速が高まるとともに、渦流が生じる。   In such a cylindrical fluid vibration power generation device 1 </ b> A, for example, when connected to a gutter water distribution pipe of a house and the water in the gutter water distribution pipe enters the cylindrical member 10, the inlet 11 of the cylindrical member 10 is used. When the water that has entered from the inside passes through the inside of the tubular member 10, the flow rate of the water increases and a vortex is generated.

これにより、振動起電力発生部材20の振動板21は、上述した図4(A)又は図4(B)のように少なくとも左側(矢印a方向)又は右側(矢印b方向)に交互に振動する。   Thereby, the diaphragm 21 of the vibration electromotive force generating member 20 alternately vibrates at least on the left side (arrow a direction) or the right side (arrow b direction) as shown in FIG. 4A or 4B described above. .

そして、上述したように、圧電素子22による起電力により、直流成分と交流成分とが含まれている電流が発生し、起電力集電装置30のインピーダンスボンドにより直流成分と交流成分とに分離され、充電装置40に送出される。   As described above, an electromotive force generated by the piezoelectric element 22 generates a current containing a direct current component and an alternating current component, which is separated into a direct current component and an alternating current component by the impedance bond of the electromotive force current collector 30. And sent to the charging device 40.

さらに、充電装置40により、起電力集電装置30に集電された電力が電力線80bを介して蓄電池50に充電され、たとえば所定時間に達すると、負荷制御装置60により、電力線80dを介して負荷70へ供給する蓄電池50の充電電力の供給が開始される。   Furthermore, the power collected by the electromotive force current collector 30 by the charging device 40 is charged to the storage battery 50 via the power line 80b. When, for example, a predetermined time is reached, the load controller 60 loads the power via the power line 80d. Supply of the charging power of the storage battery 50 supplied to 70 is started.

このように、第2の実施形態では、筒形部材10に、該筒形部材10を傾斜自在とする傾斜手段である傾斜テーブル16を設けるようにしたので、水の流れに沿った方向に筒形部材10の向きを調整でき、筒形部材10内部への水の取り込みを効率よく行うことができることから、第1の実施形態と同様に、振動起電力発生部材20が比較的小さくても起電力を効率よく生じさせることができ、簡素な構成で、発電効率を高めることができる。   As described above, in the second embodiment, since the cylindrical member 10 is provided with the tilting table 16 that is a tilting means for tilting the cylindrical member 10, the cylindrical member 10 is aligned in the direction along the flow of water. Since the direction of the shape member 10 can be adjusted and water can be taken into the cylindrical member 10 efficiently, as in the first embodiment, even if the vibration electromotive force generating member 20 is relatively small, Electric power can be generated efficiently, and power generation efficiency can be increased with a simple configuration.

外部からの電力供給を受けない無給電型装置に適用可能である。   The present invention is applicable to a non-powered device that does not receive external power supply.

1,1A 筒形流体振動発電装置
10 筒形部材
11,11a 入口
12 出口
13 回転テーブル
14 風向板
15 装着穴
16 傾斜テーブル
20 振動起電力発生部材
20a 防水部材
21 振動板
22 圧電素子
23,24 圧電セラミックス
26 固定部材
30 起電力集電装置
40 充電装置
50 蓄電池
60 負荷制御装置
70 負荷
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1A Cylindrical fluid vibration power generator 10 Cylindrical member 11, 11a Inlet 12 Outlet 13 Rotary table 14 Wind direction plate 15 Mounting hole 16 Inclination table 20 Vibration electromotive force generating member 20a Waterproof member 21 Diaphragm 22 Piezoelectric element 23, 24 Piezoelectric Ceramics 26 Fixed member 30 Electromotive force current collector 40 Charging device 50 Storage battery 60 Load control device 70 Load

Claims (3)

筒形部材と、
該筒形部材内に配置され、流体エネルギーを受けて起電力を発生する複数の振動起電力発生手段と、
前記振動起電力発生手段からの起電力を集電する集電手段と、
前記集電手段によって集電された起電力を蓄電手段に充電する充電手段とを備え、
前記振動起電力発生手段は、前記筒形部材に装着される振動板と圧電素子とを有し、
前記集電手段は、前記圧電素子によって発生される起電力から得られる電流の直流成分と交流成分とを分離し、該分離した直流成分と交流成分の電力を電力線を介して前記充電手段に出力するインピーダンスボンドを有し、
前記インピーダンスボンドは、前記圧電素子に接続される一次コイルと、前記電力線に接続される二次コイルと、該二次コイルの中央に接続されるダイオードとを有し、
前記二次コイルの両端間の起電力により発生する交流成分と、前記二次コイルの一方端と前記ダイオードの出力端との間、及び前記二次コイルの他方端と前記ダイオードの出力端との間での前記ダイオードにより整流された直流成分とが取り出される
ことを特徴とする筒形流体振動発電装置。
A tubular member;
A plurality of vibration electromotive force generating means arranged in the cylindrical member and receiving electromotive force to generate electromotive force;
A collector means for collect the electromotive force from the oscillating electromotive force generating means,
Bei give a, a charging means for charging an electromotive force which is the current collector to the storage means by said collector means,
The vibration electromotive force generating means has a diaphragm and a piezoelectric element attached to the cylindrical member,
The current collecting means separates a DC component and an AC component of a current obtained from an electromotive force generated by the piezoelectric element, and outputs the separated DC component and AC component power to the charging means via a power line. Has an impedance bond to
The impedance bond has a primary coil connected to the piezoelectric element, a secondary coil connected to the power line, and a diode connected to the center of the secondary coil,
AC component generated by electromotive force between both ends of the secondary coil, between one end of the secondary coil and the output end of the diode, and between the other end of the secondary coil and the output end of the diode And a direct current component rectified by the diode in between .
前記筒形部材には、風向板と回転手段とが設けられ、
前記風向板に風があたると、前記回転手段を介して前記筒形部材の向きが風上に向けられる
ことを特徴とする請求項1に記載の筒形流体振動発電装置。
The cylindrical member is provided with a wind direction plate and a rotating means,
The cylindrical fluid vibration power generator according to claim 1, wherein when the wind blows on the wind direction plate, the cylindrical member is directed upward on the wind via the rotating means.
前記筒形部材には、該筒形部材を傾斜自在とする傾斜手段が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の筒形流体振動発電装置。   The cylindrical fluid vibration power generator according to claim 1, wherein the cylindrical member is provided with a tilting means for tilting the cylindrical member.
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