JP5478221B2 - 発電装置 - Google Patents
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Description
また、振動伝達部材を柱状体の長手方向と流体の流れ方向とに直交する方向に長くすることで振幅が大きくなる。つまり、柱状体の長さを長くすることなく、振幅を大きくすることででき、その結果、発電量が大きくなる。
請求項3の発明は、前記振動増幅構造は、筐体に第二支持部材で揺動可能に設けられた第二錘に、前記第一錘が前記第一支持部材で揺動可能に設けられている、
請求項3の発明では、第一錘及び第二錘の固有振動数が振動部材の振動数と一致又は略一致し共振することで、第一錘及び第二錘の振幅が増幅される。よって、第一部材の振動の振幅が大きくなり、この結果、より効果的に発電され、より多くの電気エネルギーが得られる。
図1と図2とを用いて、本発明の第一実施形態に係る発電装置について説明する。
図1に示すように、気体、液体、粉体等の流体が内部に流れる断面矩形状の筒状のダクト10の側壁12に発電装置100が設けられている。
発電部200は、所定の振動方向に振動すると発電する。よって、発電部200を説明する際は、発電する振動方向を基準に図示及び説明する。
なお、振動方向Gが水平方向の場合、後述する図7(B)のように錘62の上下にコイルバネ20を配置して自立するようにした構成や後述するガイド機構を有する構成が望ましい。
また、発電部200を説明する際に上下、天井、底等を使用する場合は、便宜上各図における上下方向を基準として説明しているだけであり、繰り返すが、この方向に必ず設置することを意味するものでない。
例えば、図2(A)における上方側が重力方向とした場合(つまり上下逆さま)、コイルバネ20は錘62と磁石38とを載せた構成なる(この場合、コイルバネ20は圧縮コイルバネとなる)。
更に、振動方向Gが水平方向であってもよい。なお、前述したように振動方向Gが水平方向の場合、後述する図7(B)のように錘62の上下にコイルバネ20を配置し、自立するようにした構成が望ましい。
例えば、図2(B)に示すガイド機構61のように錘62と磁石38との軸心に貫通孔63をあけ、この貫通孔63に筐体50に固定された軸65が通された機構であってもよい。
なお、貫通孔63と軸65との摩擦による電気エネルギーへの変換のロスを考慮すると、振動方向Gは鉛直方向とすることが望ましい。
図1に示すように、ダクト10に流れる流体中に配置された柱状体110の内部側114の、流れ方向Rの後方側に流体の流れに乱れが生じ、柱状体110が振動する。或いは、流れに乱れが生じた状態の流体中に柱状体110の内部側114を配置することで柱状体110が振動する。
磁石38が移動する移動量が大きくなると、式(1)を用いて説明したように、発電量が大きくなる。別の言い方をすると、流体中で振動する柱状体110の振動エネルギーが効果的に電気エネルギーに変換される。
流体中に配置される振動体(本実施形態では柱状体110の内部側114(図1参照))の大きさ、流体の密度、粘性、そして流れの速さによって、この振動体の下流側にできる流れに違いが現れる。その流れの違いは、振動体が、本実施形態のように円柱状の柱状体110の場合、直径をd、流体の粘性をν、流体の流れの速さをUとして、表されるレイノルズ数Re=Ud/νの値によって分けることができる。
しかし、流体の流れが速くなりレイノルズ数50〜60よりも速くなると、図24(B)に示すようなカルマン渦K1、K2に変化する。
そして更に流れが速くなると図24(C)に示すような乱流に変化する。
更に、前述したように、柱状体110の端部110Aの振動数と、錘62と磁石38の固有振動数とが一致又は略一致し、錘62と磁石38が共振するように、錘62の重量やコイルバネ20の長さやばね定数を設定することで、錘62と磁石38の振幅が増幅される。
そして、この結果、発電装置100が、大きな電力を発生させる。
更に、流れ方向Rと直交する板厚をt、流れ方向に沿った長さをhとすると、h/t=1〜2程度が良いとされている。
これらの力N1,N2によって板部120に軸回りに捩れ、これによる捩れ振動が発生する。このため、流れ方向Rと直交する方向の振動S1が小さくなる(図3も参照)。
まず、図7を用いて第一変形例〜第三変形例について説明する。
なお、判りやすくするため、図7(a)と図7(b)では筐体50とコイルバネ20と錘62のみを図示して説明し、図7(c)では、筐体50と錘62とコイル40のみを図示して説明する。
言い換えると、天井部50Aと錘62との間と、底部50Cと錘62と間に、それぞれコイルばね20が設けられている。
図8に示すように第四変形例の発電部210は、振動増幅部82と第一実施形態の発電部200とが振動方向Gに直列に並んで構成されている。
内ガイド部材26は、外ガイド部材30の収容孔28に挿入され、この状態で内ガイド部材26に対して外ガイド部材30が図における上下方向に相対移動できる構成とされている。
柱状体110(図1参照)の振動数と振動増幅部82の錘22の固有振動数とが、一致又は略一致し、錘22が共振するように、錘22の重量やコイルバネ20の長さやばね定数を設定することで、錘22の振幅が増幅される。つまり、錘22の振動の振幅が大きくなる。
第一実施形態では、コイル40と磁石38とが相対移動することによって、電磁誘導の原理によってコイル40から電力を発生させていたが、これに限定されない。
しかし、錘22に固定されているので、錘22の重量により慣性力が大きくなり、これによって抵抗力による振動抑制効果が低減される。
つぎに本発明に係る第二実施形態の発電装置300について説明する。なお、第一実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。また、発電部は第一実施形態で説明した発電部と同一の構成であるので、説明を省略する。
図12に示すように、ダクト10に流れる流体中に配置された柱状体110の内部側114の、流れ方向Rの後方側に発生するカルマン渦K1,K2(図24(B)参照)によって、柱状体110が振動するように設定されているので、柱状体110は、X方向に沿って主に振動する。つまり、シール部材116を支点に端部110Bが矢印S1方向に振動する。
まず、第一変形例について説明する。
図13と図14とに示すように、第一変形例の発電装置310は、ダクト10中に配置された柱状体110の内部側114の下流側に板状のスプリッタープレート312が配置されている。
柱状体110は、前述したように、所定の条件下において、後方に交互に発生するカルマン渦K1,K2(図24(B)参照)によって振動する。カルマン渦K1,K2により励起される柱状体110の振動の振動数が柱状体110の固有振動数と一致又は略一致すると共振し振幅が大きくなる。カルマン渦K1,K2が発生する周期は、流体の流れが速いほど短くなるとされている。つまり、柱状体110の振動数は流体の流速に依存する。よって、流体の流速が変動し、柱状体110の振動数が固有振動数から外れると共振しない、つまり振幅が大きくならない。
よって、流体の流速の幅広い範囲で、共振状態と同等以上の振幅で柱状体が振動する。つまり、スプリッタープレート312を下流側に設けない構成と比較し、幅広い流速で柱状体110の振幅が大きくなる。
柱状体110の振幅が大きくなると、前述したように発電量が大きくなる。
また、図15(B)のように、柱状体110の直径をDとスプリッタープレート312の距離をGとすると、G/D=0.17の場合の結果である。
つまり、柱状体の振動を抑制する目的でスプリッタープレートを設ける発想はあるが、柱状体の振動を増幅する目的でスプリッタープレートを設ける発想は今までにない。
言い換えると、発電効率を向上させるために、スプリッタープレートを設けることが新しい発想である。
図17と図18とに示すように、第二変形例の発電装置320は、ダクト10の中に配置された柱状体110の内部側114の上流側に柱状の増幅部材322が配置されている。増幅部材322は、長手向が柱状体の長手方向と同じZ方向に沿って、平行に配置されている。
柱状体110の内部側114は、後方に交互に発生するカルマン渦K1,K2(図24(B)参照)によって振動する。更に、図18に示すように、柱状体110の内部側114の上流側に柱状の増幅部材322を柱状体110との平行に配置すると、上流側の柱状の増幅部材322の背後に形成される後流(増幅部材322の下流側に発生する流体の蛇行等)の影響により、柱状体110の振幅が大きくなる。
柱状体110の振幅が大きくなると、前述したように発電量が大きくなる。
つぎに本発明に係る第三実施形態の発電装置400について説明する。なお、第一実施形態及び第二実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。また、発電部は第一実施形態で説明した発電部と同一の構成であるので、説明を省略する。なお、発電部は変形例の構成も適用できる。
図20(B)に示すように、ダクト10に流れる流体中に配置された柱状体110の、流れ方向R後方側に発生するカルマン渦K1,K2(図24(B)参照)によって、柱状体110が振動するように設定されているので、柱状体110は、X方向に沿って主に振動する。
つぎに本発明に係る第四実施形態の発電装置500について説明する。なお、第一実施形態〜第三実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。また、発電部は第一実施形態で説明した発電部と同一の構成であるので、説明を省略する。なお、発電部は変形例の構成も適用できる。
ダクト10に流れる流体中に板部502を配置すると、矢印S5で示すように振動する。この振動によって柱状体110が軸回りに捩れるように振動する。柱状体110が捩れ振動すると、振動伝達部材302の両端部が矢印S6向に振動する。よって、振動方向Gは、X方向とされる。
第一実施形態の図3で説明したように、図21(B)に示す板部502のh/tが大きくなると、板部502の流れ方向Rの先端部502Sと後端部502Uとにそれぞれ逆向きに力N1,N2が発生、板部502が捩れ、これによる捩れ振動が発生する。この捩れ振動によって、柱状体110が軸回りに捩れるように振動する。
つぎに本発明に係る第五実施形態の発電装置600について説明する。なお、第一実施形態〜第三実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。
ダクト10に流れる流体中に配置された柱状体110の後方に発生するカルマン渦K1,K2(図24(B)参照)によって、柱状体110が振動するように設定されているので、柱状体110はZ方向に沿って主に振動する。
第一実施形態〜第四実施形態では、いずれもダクト10の外に発電部200を設けたがこれに限定されない。ダクト内の柱状体110の内部側114や板部120、502に発電部200を設けてもよい。
よって、このような場所に設置する発電装置の一例を第六実施形態として説明する。
発電装置700を風が吹く場所に設置する。なお、風の方向を矢印Rで示す。風が柱状体110に当たると柱状体110の、流れ方向Rの後方側に発生するカルマン渦K1,K2(図24(B)参照)によって、振動体110が振動するように設定されているので、振動体はX方向に沿って主に振動する。つまり、シール部材116を支点に端部110Bが矢印S1方向に振動する。
これに対して、本発明が適用された発電装置では、川の中や海中に設置するのは形状が非常にシンプルな柱状体のみであり、しかも回転でなく柱状体を振動させて発電する。よって、柱状体に漂流物が絡まり難い。また、絡まったとしても容易に除去することができる。
したがって、本発明が適用された発電装置は、川の中や海中に配置した柱状体を振動させて発電し回転する部材が無いので、例えば、スクリューを回転させる構成の発電装置と比較し、故障が少なく耐久性に優れている。
20 コイルバネ(支持部材)
22 錘
38 磁石(第一部材、第二部材)
40 コイル(第一部材、第二部材)
62 錘
100 発電装置
110 柱状体(振動体)
120 板部(振動体)
140 圧電素子(第二部材)
142 錘(第一部材)
144A 電極(第一部材)
144B 電極(第一部材)
150 圧電素子(第二部材)
152 錘(第二部材)
154 支柱(第一部材)
156A 電極(第一部材)
156B 電極(第一部材)
178 エレクトレット(第一部材)
180 対向電極(第二部材)
300 発電装置
302 振動伝達部材
310 発電装置
312 スプリッタープレート(板状部材)
312A 側面
320 発電装置
322 増幅部材
400 発電装置
502 板部(振動部材)
600 発電装置
602 磁石(第一部材)
612 軸部(振動伝達部材)
621 錘
622 コイル(第二部材)
630 シール部材(支持部材)
700 発電装置
Claims (4)
- 流体中に配置され、振動するように支持された振動体と、
第一錘と、前記振動体又は前記振動体から振動が伝達されて振動する振動伝達部材に前記第一錘を揺動可能に設ける第一支持部材と、を有する振動増幅構造と、
前記第一錘に固定された第一部材と前記第一部材に対して相対移動可能に設けられた第二部材とを有し、前記第一部材と前記第二部材との相対移動によって電力が発生する発電手段と、
を備え、
前記振動体は、前記流体の流れ方向と交差する方向を長手方向として配置された柱状体とされ、
前記柱状体の前記流体の流れ方向の下流側に、側面が流れ方向に沿って配置され、前記柱状体の長手方向に沿って延設された板状部材を有する発電装置。 - 流体中に配置され、振動するように支持された振動体と、
第一錘と、前記振動体から振動が伝達されて振動する振動伝達部材に前記第一錘を揺動可能に設ける第一支持部材と、を有する振動増幅構造と、
前記第一錘に固定された第一部材と前記第一部材に対して相対移動可能に設けられた第二部材とを有し、前記第一部材と前記第二部材との相対移動によって電力が発生する発電手段と、
を備え、
前記振動体は、前記流体の流れ方向と交差する方向を長手方向として配置された柱状体とされ、
前記柱状体の上流側に、前記柱状体の長手方向に沿って、前記柱状体と平行に配置された柱状の増幅部材を有し、
前記振動伝達部材は、前記柱状体の端部に、前記柱状体の長手方向と前記流体の流れ方向とに直交する方向を長手方向として設けられ、
前記振動伝達部材の長手方向の両端部に前記振動増幅構造と前記発電手段とが設けられている発電装置。 - 前記振動増幅構造は、筐体に第二支持部材で揺動可能に設けられた第二錘に、前記第一錘が前記第一支持部材で揺動可能に設けられている、
請求項1又は請求項2に記載の発電装置。 - 一つ又は複数の前記振動体が、流体が流れる配管の内部又は前記配管の開口部に設けられている請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の発電装置。
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