JP5243189B2 - 圧電発電モジュール及びこれを用いた無線送信システム、風速監視システム - Google Patents
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Description
まず、風力発電に使用した圧電素子を図1に示した。使用した圧電素子は日本セラテック社製で、0.1mm厚のステンレスのシム板を60mm×20mm×0.2mmtのPZT系セラミックス板2枚で挟んだバイモルフタイプと呼ばれる構造であり、圧電セラミックスは図中の矢印に示す同一の分極方向に配置されパラレル接続で配線されている。
ついで、自然エネルギー、特に風力をエネルギー源とした電力回収において、数十Hz以上の振動として圧電素子に与える場合の素子構造と振動周波数が、発生電圧と付加抵抗に与える影響を検討した。
図8に風力圧電発電手段の一例の外観を示す。この機構は中心部の軸に放射状にAタイプの圧電バイモルフ素子8個を配置し,各素子の先端部に受風板が取り付けたものであるので全方位からの風を受けることができる.圧電バイモルフ素子は強風を受けても破壊に至らないように各素子の先端部には過剰な変位を抑制するストッパーを取り付けている.
風力圧電発電手段の発電出力が風速に応じて鋭敏に変化すれば、風害の防災センサーネットワークにおける風速センサーの役割も兼ね備えることができると考えられる。そこで,およそ3週間、実フィールドにブルーム型圧電発電手段を設置し、その発生電力の風速による変化を、同時に設置した市販の風車型風向風速計が捉えた風速と比較検討した。
本ブルーム型圧電発電手段の発生電力は10kΩの時に3mW程度であるため,風速6.5m/sにおいて連続的に無線モジュールを直接動作させることは困難である。
前記発電手段1の基本構成の一例を図14示す。受風翼20は、その幅は長手方向において変化している。すなわち、受風翼20は、対向する短辺の長さがそれぞれ2L1、2L2で互いに異なり(L1>L2とする)、受風翼20の長さL3が短辺の長さよりも極端に長い(L3>>L1)略台形状の板部材が、所定の角度θ(以下、「内角θ」という)で幅方向に二つ折りにされた構造を有している。保持部材30は受風翼20の短辺のうちの短い方の端部側を保持している。
受風翼20としては、剛性を有する金属材料または樹脂材料等が好適に用いられる。ここでは、受風翼20は樹脂材料で構成されているとする。受風翼20の長さL3に制限はなく、例えば、数センチメートル、数十センチメートル、数メートル、数十メートルと、設置場所および設置目的によって任意に設定することができる。受風翼20の形状(つまり、各辺の長さL1、L2、L3)と厚み、内角θは、使用される材料特性を考慮して、後述する受風翼20の振動が効率的に発生するように、適宜、設定される。
圧電素子10は、シム板12とこの両面に接着された2枚の圧電板11を含む。圧電板11は、主面に図示しない電極膜を備えており、厚み方向に分極されている。
シム板12若しくは、圧電板11は、その一端で、前記受風翼20のL2側に接続体30を介して固着され、他端は、振動がフリーに行われる状態で保持体40に固着されている。
接続体30は、受風翼20を圧電素子に接続して、
受風翼の振動運動等を圧電素子の伝達するものである。従って、両者に接合可能で、その形態を保持することができる所定の硬さを有していればよく、例えば、金属材料、樹脂材料、セラミックス材料、これらの材料からなる複合材料等を用いることができる。
さらに、中心の支持体から左側の受風翼に風が抜ける場合にも同様にカルマン渦の発生により、風下側の受風翼へ持続した振動を与える。カルマン渦の発生は受風翼を中心として発生するだけでなく図17に示す構造全体の風下方向でも発生する。また、自然風で得られる風は直線的な風向が持続するものではなく、絶えず風向に変化が生ずる。従って、一方向の受風翼のみが前記振動を得られるわけではなく、振動量に差異はあるものの設置された全ての受風翼が持続的な振動を得られる。
前記発電手段1で風力発電された電気エネルギーを蓄える蓄電手段2と、蓄電された電圧の上限及び下限電圧をモニターする電圧モニタリングIC部3が、前記電圧が上限値以上となるとONし、下限値以下となるとOFFするスイッチ4によって、キャパシタからの放電を制御して、所定電圧で蓄電手段2からの電力を供給し、所定の電圧で、回路スイッチをOFFとする電気回路の処理の流れ図(図23)を示す。
図24に、前記回路と前記ブルーム型圧電発電手段を使用し、風速6.5m/秒の風力で得られる電力の本回路によるキャパシタ蓄電電圧と供給電圧の時間変化の一例を示した。前記蓄電手段2として、570μFのキャパシタを用い、蓄電された電圧の上限値を4.2V、下限電圧を2.5Vとして、モニターする電圧モニタリングIC部3が、前記電圧が上限値以上となるとONし、下限値以下となるとOFFするスイッチ4によって、2.5〜4.5Vの電圧で蓄電手段2からの電力を供給する。これにより、所定電圧、所定電流の電力を2.5〜3.5秒の間隔で、間欠的に供給する圧電発電モジュールが構成できた。
実施例で用いた特定小電力無線機は、消費電流11mA、2.1V以上の電圧で駆動するものを用いた。
さらに、本データ送信には、風力圧電発電手段で電力源となった風速データを併送信できる。図27に風速データも送信する場合のブロック図を示す。風力圧電発電手段1は、蓄電手段2に電力を供給するとともに、入力手段によって、発生電圧データをCPUに入力する。CPUで時系列のデータとして処理された風速データは、出力手段によって、無線送信モジュールに出力され、本データは、無線送信モジュールによって送信される。
10;圧電素子
12;シム板
11;圧電板
20;受風翼
30;接続部
40;保持体
50;風防
60;保持体の棒
90;集電回路
91;整流回路
92;負荷
93;充放電回路
94;ダイオード
95;電力貯蔵体
Claims (3)
- 風力圧電発電手段と、
前記発電手段で発電された電気エネルギーを蓄える蓄電手段と、
蓄電された電圧の上限及び下限電圧の電圧モニタリングIC部が、
前記電圧が上限値以上となるとONし、下限値以下となるとOFFするスイッチによって、
所定電圧で蓄電手段からの電力を供給する電気回路と、
を有し、所定電圧、所定電流の電力を間欠的に供給する圧電発電モジュールであって、
前記発電手段は、
長尺状でその幅方向に二つ折りされた形状を有し、風力を受けた際に振動を生ずる剛性を有する受風翼と、
前記受風翼の長手方向の一端が下方側の端部に取り付けられ、前記受風翼の振動によって発電する板状の圧電素子と、
前記圧電素子が下方側の端部を振動自在として複数個配置され、前記圧電素子それぞれの上方側の端部が取り付けられる支持体と
を有し、
前記複数の圧電素子は、前記複数の圧電素子それぞれの板面が同一円の接線方向に一致するように、等間隔に前記支持体の周囲に取り付けられ、
前記受風翼はそれぞれ、前記圧電素子から垂下し、
前記受風翼はそれぞれ、前記二つ折りされた形状が前記圧電素子の板面が一致する前記同一円の周方向に向かって同じ向きに開くように、配置され、
前記受風翼が、二方向以上の風のそれぞれによって発電することを特徴とする圧電発電モジュール。 - 請求項1の圧電発電モジュールからの電力を供給されて、間欠的に風速のデータ送信を行う無線送信モジュールを含むことを特徴とする無線送信システム。
- 請求項2の無線送信システムと送信シグナルの受信機を含む風速監視システム。
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