JP6017199B2 - 振動発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、路面等の振動源上に設置された構造物の振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に関する。

風や地震による超高層ビルの振動を制御するために種々の制振装置が提案されており、この種の制振装置は、振動エネルギーを熱エネルギーに変換して振動を吸収するものであり、一般的にはオイルダンパが用いられている。

風や地震による振動エネルギーの有効利用に関しては、例えば特許文献１から３において、振動エネルギーを電気エネルギーに変換して利用する技術が提案されている。

特許文献１においては、制振対象物と分離して配設された質量体と、質量体を制振対象物に対して相対変位可能に支持する支持機構と、質量体と制振対象物との相対変位を減衰させる減衰機構とを備えており、減衰機構には、質量体に固定された固定部と、制振構造物に固定された固定部と、両固定部の間に介装された減衰体とが備えられており、減衰体が、質量体と制振対象物との相対変位に伴い伸縮変形する可撓性を有する誘電性基体と、誘電性基体の両面にそれぞれ積層された一対の電極とを備え、誘電性基体の伸縮変形によって一対の電極から電気エネルギーを発生させる発電性を有している制振装置が提案されている。

特許文献２においては、橋梁に取り付けられた圧電素子に対し橋梁に発生する機能的変位を発電用エネルギーとして与える橋梁における発電方法が提案されている。

特許文献３においては、免震装置及び／又は制震装置と、複数個の圧電素子及び各圧電素子を吊り下げる吊り下げ部とから構成され、免震装置及び／又は制震装置に装置されることによって、免震装置及び／又は制震装置の変形に伴い、吊り下げ部に吊り下げられた複数の圧電素子同士を互いに衝突させて発電を行う発電装置とを備えた建造物が提案されている。

特開２０１１−１４４８９２号公報 特開２００４−２７４８１０号公報 特開２００８−２５９３５４号公報

原子力発電に替わるエネルギー源が強く求められている今日、自然現象の中で発生する振動をエネルギー源として有効利用する方法やエネルギー回生する方法が提案されており、そのような中で振動力発電等の研究が進められているが、風や地震による振動は、定常的に発生するわけではないので安定したエネルギー源とはなりえない。

また、多数の人の歩行によって発生する床面の振動を圧電素子で電力に変える研究もなされているが、これも常時歩行する人の動きが前提となるので定常的に安定したエネルギー源とはなりえない。

自然現象の中で発生する振動による振動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法としては、圧電素子を板に貼り付け、振動によって板が歪むことで起電力を発生させて振動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法が挙げられるが、板の歪み量が小さい場合には十分な発電量を得難い。

本発明は、前記諸点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、振動が定常的に発生する振動源を活用して、この振動源の振動エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換することができる振動発電装置を提供することにある。

本発明の振動発電装置は、微振動が常時発生する振動源上に設置される構造物と、この構造物の振動源振動との共振時において最大変位が発生する部位での機械的変位を電気エネルギーに変換する変位−電力変換装置とを具備している。

本発明の振動発電装置によれば、微振動が常時発生する振動源上に構造物が設置されるために、振動が定常的に発生する振動源を活用することができて、構造物の振動源振動との共振時において最大変位が発生する部位での機械的変位を電気エネルギーに変換する変位−電力変換装置を具備しているために、振動源の振動エネルギーを電気エネルギーに、即ち、電力に効率的に変換することができる。

本発明では、振動源は、車両が常時走行する路面であってもよく、工場等において機械設備が設置される基礎であってもよい。

本発明の振動発電装置では、構造物は門型構造物からなっていてもよく、斯かる場合には、門型構造物は、一対の支柱と、一対の支柱を連結している上部構造物とを具備していてもよく、変位−電力変換装置は、最大変位が発生する部位である一対の支柱の最上部又は基部での最大変位を電気エネルギーに変換するようになっていてもよく、このような振動発電装置によれば、振動エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換することができる。

本発明の振動発電装置では、構造物は、その固有振動数が２Ｈｚから５Ｈｚまでの間、２．５Ｈｚから４．５Ｈｚまでの間、３Ｈｚから３．５Ｈｚまでの間若しくは３Ｈｚから３．３Ｈｚまでの間における振動数となるように又は３Ｈｚ、３．１５Ｈｚ若しくは３．３Ｈｚとなるように構成されてもよく、また、構造物は、その固有振動数が振動源の卓越する振動数に同調されるように構成されていてもよい。このような振動発電装置によれば、振動源上に設置された構造物を共振現象により大きく振動させることができ、例えば、ダンプトラックなどの重量車両が路面を通過する時に発生する振動が概ね３Ｈｚ付近に卓越する振動数を有しているので、振動源としての当該路面に設置された構造物の固有振動数を上述のように３Ｈｚ若しくはその付近の振動数となるように設定することで、路面上に設置された構造物の共振現象により大きく振動させることができる。

変位−電力変換装置は、振動源及び構造物において最大変位が発生する部位のうちの一方に固定された磁気回路と、この磁気回路の中において水平方向に可動なコイルと、このコイルを振動源及び構造物において最大変位が発生する部位のうちの他方に連結する連結手段とを具備していてもよい。

本発明の振動発電装置では、複数個の上記の構造物が振動源上に設置されていてもよく、この場合、複数個の構造物に対応して設けられた複数個の上述の変位−電力変換装置の夫々は、対応の構造物の振動源振動との共振時において最大変位が発生する部位での機械的変位を電気エネルギーに変換するようになっていてもよく、また、複数個の構造物は、互いに同一の又は異なる固有振動数を有していてもよく、更には、複数個の構造物のうちの少なくとも一つの構造物は、その固有振動数が振動源の卓越振動数に同調されるように構成されていてもよい。

本発明によれば、振動が定常的に発生する振動源を活用して、この振動源の振動エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換することができる振動発電装置を提供することができる。

図１は、本発明による好ましい実施例の全体説明図である。 図２は、図１に示す構造物の変位の振動モード形の説明図である。 図３は、図１に示す構造物の歪みの振動モード形の説明図である。 図４は、路面から取得された振動のスペクトル分析に関する説明図である。 図５は、図１に示す振動発電装置の設置例の説明図である。 図６は、一自由度系の周波数応答における共振応答曲線に関する説明図である。 図７は、本発明による好ましい他の実施例の全体説明図である。 図８の（ａ）は、図７に示す構造物の共振時の変位の振動モード形の説明図であり、図８の（ｂ）は、図７に示す構造物の共振時の曲げモーメント（歪み）の振動モード形の説明図である。 図９は、３Ｈｚで共振する塔状構造物の応答倍率曲線に関する説明図である。 図１０は、本発明による好ましい更に他の実施例の全体説明図である。

次に本発明の実施の形態を、図に示す好ましい例に基づいて更に詳細に説明する。なお、本発明はこれら例に何等限定されないのである。

図１に示す本例の振動発電装置１は、交通振動や工場等の機械振動により微振動が常時発生する振動源としての路面２上に設置される構造物としての門型構造物３と、門型構造物３の振動源振動との共振時において振動モード形の最大歪みが発生する部位である最上部１５及び１６並びに基部１７及び１８の夫々での機械的歪みを電気エネルギーに変換するべく、当該最上部１５及び１６並びに基部１７及び１８の夫々に設置された圧電素子４、５、６及び７を有する歪み−電力変換装置８と、門型構造物３の振動源振動との共振時において振動モード形の最大変位が発生する部位である最上部１５及び１６での機械的変位を電気エネルギーに変換する変位−電力変換装置９とを具備している。

門型構造物３は、鉛直方向に伸びていると共に互いに同一形状である一対の支柱１１及び１２と、支柱１１及び１２の最上部１５及び１６を連結して橋絡していると共に支柱１１及び１２の剛性に比べて十分に高剛性である上部構造物１３とを具備している。

図２及び図３に示すように、門型構造物３の一次モードの振動モード形における変位と曲げモーメント（歪み）において、変位の最大振幅は、支柱１１及び１２の最上部１５及び１６に生じ、歪みの最大振幅は、最上部１５及び１６と基部１７及び１８との四つの部位に生じ、而して、構造物として門型構造物３を利用することによって、最大振幅が発生する部位を増加させることができ、発電効率の大幅な向上を図り得る。

幹線道路を走行するダンプトラックなどの重量車両により路面２で常時発生する振動は、図４に示すそのスペクトル分析から明らかであるように、３Ｈｚ及びその付近に卓越する振動数を有しており、而して、門型構造物３は、その固有振動数が振動源としての路面２の卓越する振動数に同調されるように、例えば、その固有振動数が２Ｈｚから５Ｈｚまでの間における振動数となるように構成されている。

路面２に設置された門型構造物３の固有振動数を上述のように３Ｈｚ若しくはその付近の振動数となるように設定すると、ダンプトラックなどの重量車両が路面２を通過する時に発生する振動が概ね３Ｈｚ及びその付近に卓越する振動数を有しているので、門型構造物３の路面２の振動との共振現象により門型構造物３の振動を大きくし得る。

圧電素子４、５、６及び７は、歪みが与えられることによって起電力を得るので、効率よく電力を得るためには、曲げモーメント（歪み）が最大となる部位に圧電素子４、５、６及び７を取り付けるのがよく、圧電素子４、５、６及び７は、門型構造物３の振動源振動との共振時における一次振動モード形において曲げモーメントが最大となって最大歪みが発生する部位としての支柱１１及び１２の最上部１５及び１６並びに基部１７及び１８に夫々貼り付けられている。

変位−電力変換装置９は、永久磁石２１と、永久磁石２１を挟む磁性部材２２と、永久磁石２１及び磁性部材２２によって構成されている磁気回路２３と、磁気回路２３の中において水平方向に可動なコイル２５を有した振動体２４と、永久磁石２１及び磁性部材２２を固定支持した筐体２７と、筐体２７を路面２に水平方向に剛に支持した支柱２６と、振動体２４が取り付けられていると共に磁性部材２２及び筐体２７を水平方向に貫通したロッド２８並びに一端ではロッド２８に連結固定されている一方、他端では上部構造物１３に連結固定された連結部材２９を有した支持構造物３０とを具備している。

振動体２４は、常時微振動が発生する路面２上の振動により共振する門型構造物３の振動源振動との共振時における振動モード形の最大変位が発生する部位である門型構造物３の最上部としての上部構造物１３に支持構造物３０を介して水平方向に剛に支持されている。

路面２に固定された磁気回路２３と、磁気回路２３の中において水平方向に可動なコイル２５と、コイル２５を門型構造物３において最大変位が発生する部位である上部構造物１３に連結する支持構造物３０からなる連結手段とを具備している斯かる変位−電力変換装置９は、路面２の振動に基づいて門型構造物３が水平方向に振動した際に、上部構造物１３に設置された振動体２４が路面２に設置された筐体２７に対して水平方向の変位を生じ、これにより起電力を得るように構成されている。なお、本例の変位−電力変換装置９は、導体としてのコイル２５が磁束を横切る速度に比例する起電力を利用しているが、振動体２４の水平方向の変位が大きければ、結果として、大きな起電力を得ることができるのである。

門型構造物３は、一対の支柱１１及び１２が鉛直方向に伸びている上に、重量物としての上部構造物１３が支柱１１及び１２の最上部１５及び１６に連結されているために、路面２の変位振幅に対する支柱１１及び１２の歪み振幅及び振動体２４の変位振幅を大幅に増大させることができる。

本例の振動発電装置１によれば、常時微振動が発生する振動源としての路面２上に設置される構造物としての門型構造物３と、門型構造物３の振動源振動との共振時における振動モード形の最大変位が発生する部位となる一対の支柱１１及び１２の最上部１５及び１６での機械的変位を電気エネルギーに変換するようになっている変位−電力変換装置９とを具備しているために、振動が定常的に発生する振動源を活用することができて、門型構造物３に定常的に安定した振動エネルギーを生じさせることができ、しかも、路面２上に設置された門型構造物３の共振現象により大きくされた振動に基づいて、振動エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換することができる。

振動発電装置１によれば、門型構造物３の振動源振動との共振時における振動モード形の最大歪みが発生する最上部１５及び１６並びに基部１７及び１８に設置された圧電素子４、５、６及び７を有した歪み−電力変換装置８を更に有しているために、振動エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換することができる。

振動発電装置１によれば、構造物は門型構造物３からなっているために、門型構造物３の振動源振動との共振時における振動モード形の最大歪みが発生する部位を支柱１１及び１２の最上部１５及び１６並びに基部１７及び１８の四ヶ所にまで増加させることができ、而して、振動エネルギーの電気エネルギーへの変換をより効率的に行うことができる。

振動発電装置１によれば、門型構造物３の固有振動数が振動源の卓越する振動数に同調されているために、路面２上に設置された門型構造物３の共振現象による振動をより好適に拡大させることができ、例えば、路面２を振動源として設置された門型構造物３の固有振動数を上述のように３Ｈｚ若しくはその付近の振動数となるように設定することで、ダンプトラックなどの重量車両が路面２を通過する時に発生する概ね３Ｈｚ及びその付近に卓越する振動数を有している振動に対する共振現象による振動を門型構造物３に好適に発生させ得る。

また、複数個、例えば、図５に示すように、三基の門型構造物３を路面２に並設すると共にこの三基の門型構造物３に対応して三基の歪み−電力変換装置８及び三基の変位−電力変換装置９を設けて振動発電装置１を構成してもよく、この場合、門型構造物３の夫々の固有振動数を、図６の共振応答曲線３１、３２及び３３で示すように、３Ｈｚ、３．１５Ｈｚ、３．３Ｈｚのように、路面２の卓越する振動の３Ｈｚ及びその近傍で分散させることにより、三基の門型構造物３、三基の歪み−電力変換装置８及び三基の変位−電力変換装置９を有した振動発電装置１は、路面２の環境に応じて効果的に電力を得ることができる。換言すると、路面２をダンプトラックなどの重量車両が通行する際、卓越振動数が時々刻々と変化しても、発電量変動の少ない振動発電装置となる。

上記では、構造物は、門型構造物３からなるが、これに代えて、例えば図７に示すように、構造物は、質量体４０と、最上部３９で質量体４０を固定支持している一方、ダンプトラックなどが頻繁に通過する路面２に基部３６で固定支持されて鉛直方向に伸びた支持構造物４１とを有した塔状構造物３５からなっていてもよく、斯かる場合には、歪み−電力変換装置８は、塔状構造物３５の振動源振動との共振時における振動モード形の最大歪みが発生する部位、例えば一次モードの曲げモーメントが最大となる部位である当該塔状構造物３５の基部３６に設置された圧電素子３７を有していてもよく、変位−電力変換装置９は、振動体２４が塔状構造物３５の振動源振動との共振時における振動モード形の最大変位が発生する部位としての当該塔状構造物３５にロッド２８を介して連結固定されている。

塔状構造物３５では、図８の（ａ）及び（ｂ）に示すように、一次振動モードの変位の最大振幅は、塔状構造物３５の最上部３９で生じ、一次振動モードの曲げモーメントの最大値は、基部３６で生じる。

また、塔状構造物３５は、例えば、図９に示すように、３Ｈｚの共振周波数と２５倍の共振時の応答倍率とを有しており、したがって、路面２に設置された塔状構造物３５の基部３６の変位振幅が１ｍｍであっても最上部３９の変位振幅は、２５ｍｍに拡大されるように、路面２の振動が微弱であっても最上部３９で共振によって大きく振動するようになっている。

図７に示す振動発電装置１おいては、振動体２４は、質量体４０の質量Ｍ、支持構造物４１の水平方向のバネ定数Ｋとすると、路面２の卓越振動数によって共振するように、次式（１）によって求められる固有振動数ｆで振動するように設定されている。

そして、図７に示す変位−電力変換装置９は、フレミングの法則に基づいて次式（２）で表される起電力をコイル２５に生起させる。

したがって、例えば、磁気回路２３の磁束密度Ｂ＝０．５Ｔ、変位振幅ｘ＝５ｍｍ、振動数ｆ＝３Ｈｚ、巻かれたコイルの捲き数約５００、コイルの平均直径Ｄ＝１５ｍｍとすれば、図７に示す変位−電力変換装置９では、１Ｖ程度の起電力が得られることになり、而して、この１Ｖ程度の起電力に圧電素子３７による起電力が加算される結果、常時微振動下で定常的に振動発電力が得られる。変位−電力変換装置９の個数を増加したり、その形状を大型に変更すれば、当該増加、変更に応じた振動発電力が得られる。

図７に示す塔状構造物３５を具備してなる振動発電装置１においても、図１に示す振動発電装置１と同様の上述の効果を奏し得る。門型構造物３を具備した振動発電装置１では、歪み−電力変換装置８を設けなくても、変位−電力変換装置９によって振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、また、塔状構造物３５を具備した振動発電装置１では、例えば図１０に示すように歪み−電力変換装置８を設けなくも、変位−電力変換装置９によって振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

１ 振動発電装置
２ 路面
３ 門型構造物
４、５、６、７、３７ 圧電素子
８ 歪み−電力変換装置
９ 変位−電力変換装置
３５ 塔状構造物

Claims (13)

1. 常時微振動が発生する振動源上に設置される構造物と、この構造物の振動源振動との共振時において最大変位が発生する当該構造物の部位での機械的変位を電気エネルギーに変換する変位−電力変換装置とを具備しており、変位−電力変換装置は、永久磁石と、この永久磁石を挟む磁性部材と、永久磁石及び磁性部材によって構成されている磁気回路と、この磁気回路の中において水平方向に可動なコイルを有した振動体と、永久磁石及び磁性部材を固定支持した筐体と、この筐体を振動源に水平方向に剛に支持した支柱と、振動体が取り付けられていると共に磁性部材及び筐体を水平方向に貫通したロッド並びに一端ではロッドに連結固定されている一方、他端では構造物の最大変位が発生する部位に連結固定された連結部材を有した支持構造物とを具備している振動発電装置。
2. 構造物は、門型構造物からなる請求項１に記載の振動発電装置。
3. 門型構造物は、一対の支柱と、一対の支柱を連結している上部構造物とを具備しており、変位−電力変換装置は、最大変位が発生する部位である一対の支柱の最上部での機械的変位を電気エネルギーを変換するようになっている請求項２に記載の振動発電装置。
4. 構造物は、その固有振動数が２Ｈｚから５Ｈｚまでの間における振動数となるように構成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発電装置。
5. 構造物は、その固有振動数が２．５Ｈｚから４．５Ｈｚまでの間における振動数となるように構成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発電装置。
6. 構造物は、その固有振動数が３Ｈｚから３．５Ｈｚまでの間における振動数となるように構成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発電装置。
7. 構造物は、その固有振動数が３Ｈｚから３．３Ｈｚまでの間における振動数となるように構成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発電装置。
8. 構造物は、その固有振動数が３Ｈｚ、３．１５Ｈｚ又は３．３Ｈｚとなるように構成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発電装置。
9. 構造物は、その固有振動数が振動源の卓越振動数に同調されるように構成されている請求項１から８のいずれか一項に記載の振動発電装置。
10. 複数個の前記構造物が振動源上に設置されており、当該複数個の構造物に対応して設けられた複数個の前記変位−電力変換装置の夫々は、対応の構造物の振動源振動との共振時において最大変位が発生する部位での機械的変位を電気エネルギーに変換するようになっている請求項１から９のいずれか一項に記載の振動発電装置。
11. 複数個の構造物は、互いに同一の固有振動数を有している請求項１０に記載の振動発電装置。
12. 複数個の構造物は、互いに異なる固有振動数を有している請求項１０に記載の振動発電装置。
13. 複数個の構造物のうちの少なくとも一つの構造物は、その固有振動数が振動源の卓越振動数に同調されるように構成されている請求項１０から１２のいずれか一項に記載の振動発電装置。

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