JP5720379B2 - 水流発電装置 - Google Patents
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Description
すなわち、カルマン渦を利用する方式において、効率の良い機械振動を得て発電効率を高めるためには、カルマン渦の発生周波数と円柱体の共振周波数とを一致させる必要がある。両周波数が一致するとき、カルマン渦によって円柱体に発生する横方向振動変位は、図4に示すように、カルマン渦により発生する(流れに直交する)横方向振動の変位βが最大(図中B)のとき、円柱体の張力σが最大となり、出力電位も最大となる。
なぜなら、平滑な円筒表面の流体剥離が、カルマン渦の発生起源であり、円筒表面の平滑化が損なわれると、流体剥離は乱流となって、カルマン渦の発生起源とはなり得なくなるためである。
加えて、特許文献4に記載の発電装置は、ギャロップ振動に起因する振動体の湾曲振動が圧電素子に加わる構造であるため、剛性の高い高価な材料を用いて振動体を形成する必要がある。
また、この風水力発電装置では、多関節平板の影響を受けて、周囲や下流の流れに乱れが生じる虞があるので、複数の風水力発電装置を近接して設置すると、相互の影響が無視できないという問題もある。
また、この発明は、保守性・耐久性に優れ、水流の到来方向を選ばずに、安定的に電力を得ることができる水流発電装置を提供することを第2の目的としている。
また、弦状又は弓状の振れ回り振動体を用いるので、小型軽量で、かつ簡易で安価な水流発電装置を具現できる上、生物付着などの影響が少ないため、保守性・耐久性に優れ、水流の到来方向を選ばずに、効率良く電力を得ることができる。
図1は、この発明の第1の実施形態である水流発電装置の機械的電気的構成を斜視断面図とブロック図とを結合して示す概念図、図2は、同水流発電装置を構成する振れ回り振動体が、水流の流体力によって撓み、振れ角で振れ回る振動をする様子を模式的に示す状態説明図、また、図3は、同振れ回り振動体の振動変位及び張力変化と張力発電部の出力電圧を示すグラフである。
この水流発電装置は、図1に示すように、水流の流体力に応じて撓み、振れ回り、振れ角に応じた張力を発生する弦状の振れ回り振動体1と、該振れ回り振動体1から張力を受けて発電する圧電方式の張力発電部2、2とを備えて構成されている。
この水流発電装置は、図1に示すように、弦状の振れ回り振動体1と、該振れ回り振動体1の両端部に配設された一対の円板状の張力発電部2、2と、水流部を画成するための複数本の支柱3、3…とから概略構成されている。
上記振れ回り振動体1は、長尺の弦状部材から構成され、水流の流体力に応じて下流側に流されて撓み、かつ、撓んだ状態で振れ回り、振れ角((振動偏角))に応じた張力を発生する。ここで、水流とは、潮流や海流はもちろん、河川の流れも含む概念である。
この水流発電装置は、図1に示すように、張力発電部2、2から出力される電力のうち、交流成分のみを出力する直流・交流分離部9と、該直流・交流分離部9から出力された交流電力を蓄積する蓄電部10とを備えている。蓄電部10に蓄積された電力は、図示せぬ観測機器などに供給される。
振れ回り振動体1は、図2に示すように、水流(水流力)Fに応じて撓み、流れの下流側で、振れ角αの振れ回りの態様で振動する。振れ回りの際には、振れ回り振動体(弦状部材)1は、その両端を固定手段8、8にて固定した状態で、円弧状に撓み下流側に張り出した状態で、振れ回りの振動を行う。振れ回り振動体(弦状部材)1の振れ角が0のとき(図2.図3(a))、すなわち、振れ回り振動体1が最も遠くまで流されたとき(図2中A)、振れ回り振動体1に生じる張力σは最大となる(図3(b))。この最大張力は、張力伝達板6を介して、圧電素子5、5に最大圧力として作用するので、各張力発電部2、2からの出力電圧も最大となる(図3(c))。なお、図2では、振れ回り振動体1の弧状変形が、実際よりも強調的に示されている。
この第2の実施形態では、図示せぬ振れ回り振動体(弦状部材)が、帯状又はへら状の張力発生部材から構成されている点で、第1の実施形態で用いる断面円状、楕円状、又は多角形状の振れ回り振動体(弦状部材)1と相違している。なお、上記以外の点では、上記した第1の実施形態とほぼ同様であるので、その説明を省略する。この第2の実施形態を構成する張力発生部材の素材も、上記した第1の実施形態で用いる弦状部材の素材と同様のものを用いることができる。
また、帯状又はへら状の張力発生部材は、中央部に最大の広幅部を有するように構成しても良い。このように構成すれば、大きな張力を得ることができる。
第1の実施形態の弦状部材は、水流の流向が時間的に激しく変化する水域で用いて、とくに好適であるが、この第2の実施形態の帯状又はへら状の張力発生部材は、水流の流向が時間的に激しく変化しない水域に用いて、とくに好適である。
この第3の実施形態では、図示せぬ振れ回り振動体が、水流力を受けていなくても、予め弓形(弧状)に設置されている点で、第1の実施形態の振れ回り振動体(弦状部材)1と相違している。なお、上記以外の点では、上記した第1の実施形態とほぼ同様であるので、その説明を省略する。この第3の実施形態を構成する振れ回り振動体の素材も、上記した第1の実施形態で用いる弦状部材の素材と同様のものを用いることができる。
また、この実施形態では、張力発電部を圧電素子で構成したが、これに代えて、振れ回り振動体の端部に磁性体を設け、周囲にコイルを設けることにより、張力の変動を変位変動に変換して電磁的に発電するようにしても良い。
また、電池交換や電源供給の困難な流体配管内など微小空間に設置する各種センサの電源供給手段としても利用できる。
2 張力発電部
3 支柱
4a、4b 電極
5 圧電素子
6 張力伝達板
7a、7b 貫通孔
8 固定手段
9 直流・交流分離部
10 蓄電部
F 水流(水流力)
σ 張力
P 圧力
Claims (10)
- 水流の流体力に押されて下流側に撓み、かつ、下流側に撓み張り出した状態で振れ回り、水流の方向からの振れ角に応じた張力を発生する振れ回り振動体と、該振れ回り振動体から張力を受けて発電する電磁的又は圧電素子からなる張力発電部とを備えてなると共に、
前記振れ回り振動体の振れ角が0のときであって前記振れ回り振動体が最大に撓んだとき、前記張力発電部が前記振れ回り振動体から受ける張力が最大となって,前記張力発電部からの出力電圧も最大となる一方、振れ角が最大のときであって前記振れ回り振動体が最小に撓んだとき、前記張力発電部が前記振れ回り振動体から受ける張力が最小となって,前記張力発電部からの出力電圧も最小となることで、電力を取り出す構成とされていることを特徴とする水流発電装置。 - 前記振れ回り振動体が弦状部材からなることを特徴とする請求項1記載の水流発電装置。
- 前記弦状部材が、帯状又はへら状の張力発生部材からなることを特徴とする請求項2記載の水流発電装置。
- 前記張力発生部材が、横断面円弧状に形成されていることを特徴とする請求項3記載の水流発電装置。
- 前記張力発生部材は、中央部に最大の広幅部を有していることを請求項3記載の水流発電装置。
- 予め弓形の形状を保持する態様で設置され、水流の流体力に応じてさらに撓み、かつ、撓んだ状態で振れ回り、振れ角に応じた張力を発生する弓状の振れ回り振動体と、該振れ回り振動体から張力を受けて発電する電磁的又は圧電素子からなる張力発電部とを備えてなることを特徴とする水流発電装置。
- 前記弓状の振れ回り振動体は、帯状又はへら状の張力発生部材からなることを特徴とする請求項6記載の水流発電装置。
- 前記張力発生部材は、横断面円弧状に形成されていることを特徴とする請求項7記載の水流発電装置。
- 前記張力発生部材は、中央部に最大の広幅部を有していることを請求項7記載の水流発電装置。
- 前記張力発電部は、前記振れ回り振動体の一端側又は両端側に設けられた前記圧電素子からなると共に、前記振れ回り振動体に発生した張力が張力伝達体を介して前記圧電素子に伝達されて、前記圧電素子内に圧縮応力又は撓み応力を生じさせる構成になされていることを特徴とする請求項1又は6記載の水流発電機構。
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