JP6001732B1

JP6001732B1 - 流体利用による双安定型非線形振り子発電機

Info

Publication number: JP6001732B1
Application number: JP2015149023A
Authority: JP
Inventors: 好彦原
Original assignee: 好彦原
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2035-07-09
Also published as: JP2017020482A

Abstract

【課題】渦励振を利用して適応流速域が広い「広帯域」を実現する「垂直軸型」振り子式発電装置を提供する。【解決手段】揚力を有する翼形状の柱状体を用い、この柱状体と回転軸の間に結合するアーム部材を設け、柱状体とアーム部材の形状を適切に設計することによって「エネルギー障壁が低い双安定ポテンシャル」を有する非線形振り子を構成する。これを流体中に設置して、柱状体後部に発生するカルマン渦列等の外乱によって生じる励起振動を、流体の流速成分に対し垂直な回転軸を有する振り子の回動運動に変換して発電する。【選択図】図１

Description

本発明は流体による振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置に関する。

潮流や河川流等の流体の自然エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機は広く知られている。このような発電機の多くは、風や水流によってプロペラ翼等の回転体を回転させる機構を有する。回転軸の方向によって大きく、「水平軸型」と「垂直軸型」に分けられる。カルマン渦列による励起振動を利用する発電方法としては、流れ場内に位置する円柱の並進振動を用いる方法（特許文献１参照）、水平軸に回転軸を有する振り子運動を用いる方法（特許文献２、特許文献３参照）、垂直軸に回転軸を有する振り子運動を用いる方法（特許文献４）などが既に提案されている。

米国特許７４９３７５９Ｂ２特許第４９２３２４５号特許第５３０３６８６号特開昭５４−０３９７４３号

潮汐流利用のように双方向の流れに対応させるだけで良い場合も存在するが、水流の向きが変化しやすい場所においては、「水平軸型」や「並進振動を利用する方法」では流れに対し有効な向きが限定されるため、向きを制御しなければならず高コストになりやすい。さらに発電機や動力伝達機構の一部が水中に置かれるため、メンテナンスが容易でなく、錆、付着物、防水対策等が必要であり、これらがコスト要因となっている。したがって、水流を利用する場合は、発電機を水上に設置できる「垂直軸型」が望ましい。

また、「水平軸型」「垂直軸型」に依らず回転翼やプロペラ翼を用いる場合は、流れ場の急激な変化や流れ場内に存在する漂流物を巻き込むことによって、機械的破損を受ける恐れや、魚類等の海洋生物を傷つける恐れがある。さらに、回転翼やプロペラ翼は比較的複雑な形状をしており、製造コストも高くなりやすい。海流発電は一般に過酷環境であり、動水圧に耐えうるように回転翼等の堅牢性を確保すれば、発電性能が落ちるという問題も存在する。

一方、流体励振利用による振動発電機は、比較的簡単な堅牢構造であるため、低コストを実現しやすい。また、漁場や航路の妨げにならない省スペース化を実現できる。しかし、既に提案されている流体励起振動発電機の多くは、カルマン渦列等による外乱から共振現象を利用してエネルギーを吸収して発電を行うことを前提としており、吸収可能な振動数帯域が狭い。カルマン渦列の発生周波数は流速に比例することが知られているが、自然界における流体の速度は常に変動しているため、カルマン渦列の発生周波数も常に変化している。つまり、適応流速域が狭く実用的でない。そこで、何らかの工夫が必要とされる。振動体以外に別の装置を付加することで流速やカルマン渦列の発生周波数を制御する方法も考えられるが、メンテナンス性やコスト面から考えても現実的ではない。

本発明は以上の点を鑑みてなされたものであり、適応流速域が広い「広帯域」を実現する環境フレンドリーな垂直軸型流体励起振動発電装置を提供することを目的とする。

揚力を有する翼形状の柱状体を用い、この柱状体と回転軸の間に、柱状体と結合するアーム部材を設け、柱状体とアーム部材の形状を適切に設計することによって「エネルギー障壁が低い双安定ポテンシャル」を有する非線形振り子を構成する。具体的には、この柱状体を鉛直に立てた場合に水平に切った断面は、弦を共有し２つの円弧を向かい合わせた形状（これに類するあらゆる形状、例えば、長軸を共有する短軸の長さが異なる２つの半楕円を向かい合わせた形状など）であって、この切断面の弦の中心の集合を通り、この切断面の弦の集合が作る面に対し垂直方向に、アーム部材を回転軸との間に設けて接合させる。この時、柱状体とアーム部材の接合部が、柱状体の長手方向全部を覆わないようにする。また、このアーム部材は抗力を得るための面を有しているものとする。ところで、回転軸、アーム部材、柱状体が作る構造物を、アーム部材の接合部と非接合部とで、回転軸と柱状体を水平に切断し各構造部分として分けて考えると、「アーム部材との非接合部」である構造部分は、変位角がゼロでない時に揚力の効果を発揮し、変位角を増大させる向きのトルクを生じる。一方、それ以外の構造部分「アーム部材との接合部」は流体に対し抗力の効果を発揮し、変位角を減少させる向きのトルクを生じさせる。この二つの異なる特徴を持つ部分によって構成される構造物の相反トルクを、変位角±約３０度の範囲において拮抗するように、接合部の長さとアーム長を決定する。

これを流体の流れに対し柱状体の長手方向が垂直になるように流体中に設置して、柱状体後部に発生するカルマン渦列等の外乱によって生じる励起振動を、流体の流速成分に対し垂直な回転軸を有する振り子の回動運動に変換して発電する。

請求項１の発明によって、比較的簡単な構造を用いて、流体により発生する柱状体の励起振動を、流体の流れに対し垂直軸まわりに回動する振り子運動に変換し、これを利用することで発電を可能にする。また、「エネルギー障壁が低い双安定ポテンシャル」を有する非線形振り子であるため、吸収可能なエネルギー周波数領域が広帯域となり、適応流速域が広く高効率な発電が可能となる。

柱状であり、振り子の回転半径も小さいので、近接して多数の設置が可能であり、狭い場所にも設置できる。さらに、構造が簡単であり構造容積も小さいため、比較的安価な発電設備を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１に示すように、揚力を有する翼形状の柱状体（図１−３）と回転軸（図１−１）の間に、柱状体（図１−３）の長手方向全部を覆わないように結合するアーム部材（図１−２）を設け、振り子を構成する。また、この柱状体（図１−３）およびアーム部材（図１−２）は、流体中に設置して振り子として振動させたときに、進行方向に対し流体抵抗を受けにくい形状であることが望ましい。

振り子の変位に対して揚力と抗力が、互いに相反するトルクを与える（図２および図３）。その合成トルクを、想定される流速領域に対して適切に働くように設計する。具体的には、「柱状体（図１−３）が奏でる揚力によるトルク」を「柱状体（図１−３）とアーム部材（図１−２）に働く抗力によるトルク」に拮抗させ、振り子の変位角が±約３０度以内において、その合成トルクが小さく抑えられるように、柱状体（図１−３）とアーム部材（図１−２）の接合部の長さやアーム部材（図１−２）のアーム長等を調整する。変位角が±約３０度を超える範囲では、徐々に「柱状体（図１−３）が持つ揚力によるトルク」よりも「柱状体（図１−３）とアーム部材（図１−２）に働く抗力による合成トルク」が強くなるように設計する。このとき、ポテンシャルエネルギー（図３）は「エネルギー障壁の低い双安定ポテンシャル」となるが、エネルギー障壁を可能な限り小さく設計することが重要である。

また、振り子の振動数を上げるために振り子の慣性モーメントを小さくする必要がある。これにはアーム部材（図１−２）によって与えられる振り子のアーム長を短くすればよい。柱状体（図１−３）とアーム部材（図１−２）の接合部分を柱状体の長手方向に長くすることで、アーム長を短くすることが可能である。このように設計すれば、振り子の回転半径が小さくなり、これが省スペース化に寄与する。しかしながら、接合部分の長さを伸ばすと柱状体（図１−３）の揚力をもたらす部分が減少する。これに拮抗させる抗力を得るようにアーム部材（図１−２）を設計するわけだから、流体から抗力を受けるアーム部材（図１−２）の側面積は、元の側面積より小さく設計されることになる。振り子運動から効率良く電力を取り出すには、系の運動によるエネルギー損失が少なく、系の外部から与えられるトルクが大きいことが望ましい。確かに、振り子のアーム長が短くなり、流体から抗力を受けるアーム部材（図１−２）側面積も小さくなれば、系の運動による移動距離が減少し、流体抵抗によるエネルギー損失も少なくなる。しかしながら、充分なトルクを得るために、流体によって抗力を受けるアーム部材（図１−２）側面積とアーム長をある程度維持する必要があり、振り子の振動数と得られるトルクのバランスが、想定される流体の流速域に対し適切に設計されなければならない。また、対応する流速域をさらに広げるために、アーム部材（図１−２）によって与えられるアーム長、もしくは柱状体（図１−３）の高さを可変にして制御する方法も考えられる。

［００１３］、［００１４］、［００１５］に従って設計された、回転軸（図１−１）、アーム部材（図１−２）、柱状体（図１−３）で構成される振り子を、軸受のついたケージなどに固定し、流体の流れに対し柱状体（図１−３）の長手方向が垂直になるように流体中に設置する。この時、柱状体（図１−３）は完全に流体中に入っている必要がある。流体の流れによって柱状体（図１−３）の後方にカルマン渦列が発生し自励振動が起こるが、揚力と抗力の合成トルクによって作られるポテンシャルエネルギー（図３）が、「エネルギー障壁の低い双安定ポテンシャル」となるため、振幅の大きさが保証された振り子運動が誘発される。この運動に起因する往復回転運動を動力とし発電機に伝達して発電する。また、カルマン渦列の発生周波数は流速に比例することが知られている。この振り子運動が双安定型の非線形振動であることから、吸収可能なエネルギー周波数領域が広帯域となり適応流速域が広くなる。

また、［特許文献３］などの、重力や浮力によって働く復元力を利用した水平軸型振り子式発電機が既に提案されているが、図４に示すように、２つの軸受（図４−４、図４−７）の間にユニバーサルジョイント（図４−５）を介して角度を保持する支柱（図４−６）を設けて振動体に直接結合している回転軸を傾けることによって、重力や浮力による復元力を、揚力や抗力などと同様に合成トルクの要素に含めて双安定ポテンシャルを作るよう設計することが可能である。この様にすれば、柱状体の長さを利用して獲得するトルクを大きくしながら、適応流速域の広帯域化を実現し、動力伝達に使われる回動軸を流体の流れに対し、垂直にすることができる。

本発明に係る垂直軸振動振り子発電機は、柱状、垂直軸型であり、運動する振り子の回転半径も小さいため省スペースであって、近接して多数の設置が可能であり、狭い場所にも設置できる利点を有する。垂直軸型であるため、回転軸を鉛直に設置した場合、流れに対して自動的に向きが変わるので、流体の流れの向きが変わりやすい場所での設置にも適している。潮流発電はもちろん、落差を利用しない流速利用型の小水力発電にも利用でき、深さは充分だが幅狭の水路などで発電する際に適している。また、ビルの立ち並ぶ市街地などの風力発電として設置することが可能である。一方、回転軸を水平に設置し、比重を流体の比重に合わせることで、動力伝達機構が水中になるが、幅広であっても水位の低い水路や河川などにも設置可能である。さらに、適応流速域が広いため設置可能範囲も広い。したがって、産業上の利用可能性は極めて高いといえる。

本発明の一形態の鳥瞰図本発明の一形態に働く揚力と抗力を回転軸方向から見た図変位角に対する各トルクとポテンシャルエネルギーのグラフ重力や浮力を用いる場合の本発明の一形態の側面図

Claims

揚力を有する翼形状の柱状体を用い、この柱状体と回転軸の間にアーム部材を設け、流れ場内の揚力と抗力によって作られる運動ポテンシャルを「エネルギー障壁が低い双安定ポテンシャル」となるように設計する。具体的には、この柱状体を鉛直に立てた場合に水平に切った断面は、弦を共有し２つの円弧を向かい合わせた形状（これに類するあらゆる形状、例えば、長軸を共有する短軸の長さが異なる２つの半楕円を向かい合わせた形状など）であって、この切断面の弦の中心の集合を通り、この切断面の弦の集合が作る面に対し垂直方向に、アーム部材を回転軸との間に設けて接合させる。この時、柱状体とアーム部材の接合部が、柱状体の長手方向全部を覆わないようにする。また、このアーム部材は抗力を得るための面を有しているものとする。ところで、回転軸、アーム部材、柱状体が作る構造物を、アーム部材の接合部と非接合部とで、回転軸と柱状体を水平に切断し各構造部分として分けて考えると、「アーム部材との非接合部」である構造部分は、変位角がゼロでない時に揚力の効果を発揮し、変位角を増大させる向きのトルクを生じる。一方、それ以外の構造部分「アーム部材との接合部」は流体に対し抗力の効果を発揮し、変位角を減少させる向きのトルクを生じさせる。この二つの異なる特徴を持つ部分によって構成される構造物の相反トルクを、変位角±約３０度の範囲において拮抗するように、接合部の長さとアーム長を決定する。このように構成された双安定型非線形振り子を流体中に設置して、柱状体後部に発生するカルマン渦列等の外乱によって生じる励起振動を、流体の流速成分に対し垂直な回転軸を有する振り子の回動運動に変換して発電する発電手法。
［請求項１］の発電手法であって、「エネルギー障壁が低い双安定ポテンシャル」を構成する要素の一つに重力または浮力を用いる発電手法。