JP2012143109A - 流体振動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、流体が物体を通過する際に発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換する流体振動発電装置に関し、効率良く流体振動を受けかつ容易に長伸化を可能にすることを目的とする。
【解決手段】本発明は、ケーブル形状を有し、流体Ｆを上流側で分岐させ渦Ｖを下流側で発生させる渦発生部１と、渦発生部１の下流側に配置され、渦Ｖの引き起こす振動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部２と、を備えることを特徴とする流体振動発電装置Ｐである。
【選択図】図５

Description

本発明は、流体が物体を通過する際に発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換する流体振動発電装置に関し、効率良く流体振動を受けかつ容易に長伸化を可能にする。

近年、地球規模の温暖化が懸念されており、主な原因とされる二酸化炭素の排出が少ない、自然エネルギーを利用した太陽光発電及び風力発電が注目されている。中でも風力発電装置は夜間の発電も可能であり、大型化により大出力の発電も可能であることから、世界各地にウィンドファームが多数建設されつつある。図１に示した従来のタービンの回転を用いた風力発電や水車を利用した従来の発電方式の課題について述べる。

従来における上記方式の課題として専用の用地確保の課題がある。一般的に発電規模に応じた広さが必要であり、安全性の確保も重要になる。さらに、運用における騒音・振動など周辺の自然環境や住環境に配慮する必要がある。そのため、発電装置は発電に最適な場所に必ずしも設置できるとは限らないため、設置自由度に課題が存在する。さらに、設置後に予定するエネルギーが得られないリスクも存在するうえに、一度建設してしまうと撤去にも規模に応じた費用がかかる。また、一般的に大規模な発電装置が設置される場所は、用地の確保・費用の観点から電力消費地である市街地から離れた場所であることが多く、送電による送電ロスが発生する。

次に、維持管理についての課題を述べる。一般的に機械や装置が大型化する場合、適用する機能の数も多くなるため、構造や管理が複雑化し、結果として手間やコストがかかる。上記の従来方式の発電装置も同様であり、特にタービンやギアや軸受部は回転により消耗するため、定期的な保守が必須であり、手間やコストを必要とする。

次に、過負荷状態での運用における課題について述べる。特に従来の風力発電や水力発電では、流体の運動エネルギーをタービンで受け電気エネルギーに変換する。このとき規定以上の運動エネルギーを持つ流体がタービンを通過する場合、高負荷・過回転状態に陥り、タービン、ギア、軸受、発電装置及び支柱等が耐えられず破壊されてしまう可能性がある。また、タービン式の風力発電の場合、落雷などによりタービンブレードが破壊される可能性もある。タービンなどの回転部分・部品は高速で回転しており運動エネルギーが蓄積されており、破壊によりこれらの運動エネルギーが急激に解放されることで、破壊片が高速かつ広範囲に飛散し周囲に危険を及ぼす。そのため、過負荷状態での回転を防ぐフェザー機能や、（風力発電方式では）部品の飛散を考慮した用地確保など、回転に起因する危険に対応する安全策が必須であり、これは建設や維持管理等のコストの上昇を招く。

また、タービンによる回転で発電する方式、特に風力発電ではブレードに飛行中の鳥類等の生物が巻き込まれ生態系へ影響を与える恐れがある。そして、特に希少な鳥類が生息している地域では、生態系に影響を与えにくい設置場所や構造を考慮する必要があり、効率・構造に制限が発生する恐れがある。

次に非回転性の流体発電方式について述べる。流体の渦による振動は古くから知られており、双子渦、カルマン渦及び乱流などが挙げられる。そして、これらの渦の振動周波数が物体の共振周波数に近づくことにより、物体と共鳴し自励振動を発生させる。ここで、自励振動が物体に破壊的な影響をもたらす場合もあることから、屋外に設置するケーブルや航空機の開発などでは風圧振動に対する評価試験は重要項目である。

特にカルマン渦の評価は渦による振動を評価する上で最も重要である。図２に示したように、流体Ｆ１中に円柱Ｃ１を設置した場合、円柱Ｃ１の下流側に負圧領域Ｎ１が発生し、円柱Ｃ１の背後に発生するカルマン渦Ｖ１の振動周波数は一般的にｆ＝Ｓｔ×Ｖ／ｄで表され（Ｓｔ:定数、Ｖ:流速、ｄ:直径）、円柱Ｃ１は流れの方向に対して垂直方向に上記の振動周波数で振動を生じる。また、流体Ｆ１中に円柱Ｃ１ではなく楕円柱や四角柱を設置した場合、これらには回転するモーメントも加わり、複雑な振動運動を伴う。

渦の物体への影響は渦励振といわれる形で変換される。渦による物体の励振は主に渦からの強制振動周波数と物体の共振周波数の一致による自励振動がある。自励振動の場合、大きな割合で流体の渦エネルギーは物体の振動エネルギーとして変換されるため、物体に流体振動発電装置を設置することにより、電力を抽出するのに適している。このような原理を利用した公知の技術は、以下に示すように、いくつか提案されている。

自然界に存在する振動による発電装置の研究開発が活発化している（特許文献１、２）。背景として近年電子デバイス類の技術の発展により、自然界に存在する小さな振動エネルギーを電力源としても利用可能（数ｍＷ）になったことがある。また、数十〜数百Ｈｚ程度の低周波領域の振動は自然界や人間の社会活動でありふれた存在であるため、これらの振動を効率良くエネルギーに変換するための研究開発が進められている。

特に振動型エレクトレット発電装置はＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）製造プロセスを用いているため、小型・量産性に優れており、低周波数領域でも発電が可能なため、流体振動発電装置の有望な候補として挙げられている。そして、非特許文献１、２によると２０Ｈｚ程度〜の領域でも発電可能であり、出力も数十μＷあるため、アレー状に大量に配置することで纏まった発電が可能になる。また、空気中（Ｓｔ：０．２）に設置された一般的な電線（直径１０ｍｍ）に秒速１０ｍ／ｓの風が通過する場合、上記の数式を適用すれば、電線の風下側に発生するカルマン渦の振動周波数はｆ＝０．２×１０／０．０１＝２００（ｒａｄ／ｓ）≒３３Ｈｚとなり、上記のエレクトレットと共振させることが可能である。

特開平０８−３２１６４２号公報 特開２００１−１５７４３３号公報

Ｍ．Ｅｄａｍｏｔｏ，Ｙ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｎ．Ｋａｓａｇｉ，Ｋ．Ｋａｓｈｉｗａｇｉ，Ｙ．Ｍｏｒｉｚａｗａ，Ｔ．Ｙｏｋｏｙａｍａ，Ｔ．Ｓｅｋｉ，Ｍ．Ｏｂａ，"Ｌｏｗ−Ｒｅｓｏｎａｎｔ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｅｔ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ"，Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００９．ＭＥＭＳ ２００９．ＩＥＥＥ ２２ｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｐ．１０５９−１０６２，Ｊａｎ．２００９． Ｃ．Ｍａｒｂｏｕｔｉｎ，Ｙ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｎ．Ｋａｓａｇｉ，"Ｏｐｔｉｍａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｅｔ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ"，７ｔｈ Ｉｎｔ． Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｍｉｃｒｏ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（ＰｏｗｅｒＭＥＭＳ ２００７），Ｆｒｅｉｂｕｒｇ，ｐｐ．１４１−１４４，２００７．

次に流体による振動発電の従来技術について説明を以下に行なう。図３に示した特許文献２の従来技術は、自身で形状を保持できる剛性のある円柱状のポールＧ１を振動させる方式であり、ポールＧ１は２つの支持部Ｓ１及び２つのバネＥ１を用いて支持されており、ポールＧ１の両端には振動を電力に変換する２つの発電部Ｐ１が備わっている。流体Ｆ１がポールＧ１を通過することにより、カルマン渦を下流側に発生させ、この渦の振動周波数とポールＧ１の共振周波数を一致させることで、振動を発生させる。

発生可能な電力は発電装置の規模を拡大することで実現できるが、ポールＧ１を延長し振動発電の効率を向上させようとする場合、ポールＧ１の重量や振動で発生する負荷が増大するため、ポールＧ１や支持部Ｓ１を強化する必要がある。各部位の強化が重量を増加させるだけではなく、重量増加自体が各部位の負荷をさらに増大させるため、重量の増加も含めた強度設計が必要になり、使用できる材料の制限が発生する。これにより、ポールＧ１が延長できる長さにも制限が発生する。

また、ケーブルや電線、コード類など自身の形状を自身の強度によって支えることのできない柔軟な材料に対して上記の方式を適用した場合、ポールＧ１の両端は振動の節となるため、振動幅が得られにくく、発電が効率的とは言えない（言い換えると、発電効率が最大である振動の腹の部分で発電することができない）。上記の理由により、柔軟な線状の材料をポールＧ１の両端での振動発電に用いることには課題がある。

また、支持部Ｓ１に設置される発電部Ｐ１には、バネＥ１など機械的に動作する部分が存在するため、発電装置を大型化することは、発電規模に対応して大きな振幅に耐え重量のある支持部Ｓ１を支える構造とすることを必要とし、大型で重く複雑な構造の機械的な部位を必要とする。これにより発電部分だけでなく支柱や基礎等、装置全体としての重量の増加・構造の複雑化、さらに規模に応じた部品を用いる必要性に迫られ、コストの上昇や保守運用性の悪化を招く。さらに、ポールＧ１の両端はバネＥ１を介して発電部Ｐ１と接続されているため、バネＥ１が破損すると部品が飛散する恐れがあり危険である。

複数の支柱を用いかつ支柱の間隔が異なる状態で振動発電を行なう場合、支柱間の振動周波数が異なり、支柱を挟みポール間の張力のバランスも崩れるため、不規則な方向の振動や振動を打ち消す逆位相の力が発生するなど、強度面及び発電効率面で課題が発生する。

また、電力を抽出できる振動方向は鉛直方向であるため、振動方向が鉛直・水平方向であっても、鉛直方向の振動エネルギーしか電力エネルギーに変換することができない。

また、従来の振動発電方式は、非常に長いケーブルによって振動発電を行なうことが前提とされていないため、構造上、有限の長さ（大きさ）でしか構築することができず、ケーブルなどに対して適応が困難である課題がある。

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、流体が物体を通過する際に発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換する流体振動発電装置に関し、効率良く流体振動を受けかつ容易に長伸化を可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するために、ケーブル形状を有する渦発生部が、流体を上流側で分岐させ渦を下流側で発生させ、渦発生部の下流側に配置された振動発電部が、渦を用いて振動することにより振動エネルギーを電気エネルギーに変換することとした。

具体的には、本発明は、ケーブル形状を有し、流体を上流側で分岐させ渦を下流側で発生させる渦発生部と、前記渦発生部の前記下流側に配置され、前記渦の引き起こす振動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部と、を備えることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、流体が物体を通過する際に発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換する流体振動発電装置に関し、ケーブル形状を有する渦発生部が効率良く流体振動を受けかつ容易に長伸化を可能にすることができる。

また、本発明は、前記振動発電部の共振周波数が前記渦の振動周波数と略等しくなるように、前記渦発生部の前記上流側の投影面積が調整されることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、振動発電部の振幅を効率よく増加させることができる。

また、本発明は、前記振動発電部は、前記渦発生部の延伸方向軸に対して複数の略垂直方向に延伸するように前記渦発生部に接続されることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、流体の流れ方向に関わらず振動発電を行なうことができる。

また、本発明は、前記振動発電部を前記渦発生部の延伸方向軸に関して回転させる回転部、をさらに備えることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、流体の流れ方向に関わらず振動発電を行なうことができる。

また、本発明は、電気エネルギーを消費する電気的負荷が調整され、振動エネルギーが調整されることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、振動発電部の振幅を増加させ過ぎないことができる。

また、本発明は、前記振動発電部は、可撓性及びシート形状を有することを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、振動発電部が効率良く流体振動を受けることができる。

また、本発明は、前記振動発電部は、前記渦発生部と並行する電力線及び前記渦発生部と並行する通信線の信号制御装置のうち少なくともいずれかに給電することを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、流体振動発電装置を電力通信線と共存させることができる。

また、本発明は、前記渦発生部及び前記振動発電部を、前記渦発生部と並行する電力線及び前記渦発生部と並行する通信線の少なくともいずれかに一体となるように接続する電力通信接続部、をさらに備えることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、流体振動発電装置を電力通信線と共存させることができる。

また、本発明は、前記渦発生部及び前記振動発電部を一体となるように接続する渦発生発電接続部、をさらに備えることを特徴とする流体振動発電装置である。

この構成によれば、発電に適切な渦が発生する位置には振動発電部を配置する一方で、発電に適切な渦が発生しない位置には振動発電部を配置しないことができる。

本発明は、流体が物体を通過する際に発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換する流体振動発電装置に関し、効率良く流体振動を受けかつ容易に長伸化を可能にすることができる。

従来技術のタービン回転を用いた発電方式を示す図である。 従来技術の流体振動発電装置の原理を示す図である。 従来技術の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１の流体振動発電装置の原理を示す図である。 実施形態２の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態３の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態３の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態４の渦周波数安定化部の構成を示す図である。 実施形態４の渦周波数安定化部の構成を示す図である。 実施形態５の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態６の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態８の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態８の流体振動発電装置の原理を示す図である。 実施形態９の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１０の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１１の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１１の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１１の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１２の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１３の流体振動発電装置の構成を示す図である。 実施形態１３の流体振動発電装置の構成を示す図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
実施形態１の流体振動発電装置の構成を図４に示す。流体振動制御装置Ｐは、渦発生部１、振動発電部２及び渦受容部３から構成される。渦発生部１は、ケーブル形状を有し、流体を上流側で分岐させ渦を下流側で発生させる。振動発電部２は、渦発生部１の下流側に配置され、渦の引き起こす振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。渦受容部３は、振動発電部２を配置するとともに、渦発生部１で発生する渦を整えて保持する。渦発生部１、振動発電部２及び渦受容部３は、支持部Ｓにより支持される。

渦発生部１はケーブル状の形態であり、図５のように流体や粉流体が通過することにより、下流側（流体Ｆが渦発生部１に当たる裏側）に負圧領域Ｎを生成させ、カルマン渦Ｖなどの渦を発生させる。これらの渦は流体Ｆの性質や流速、渦発生部１への入射角度に応じた周波数及び運動エネルギーを有する（なお、一般的に自然界の渦の形状は完全な円形ではなく不均一な円状が多い）。

これらの渦の持つ回転に伴う振動エネルギーを振動発電部２で受ける（渦励振、共鳴振動又は強制振動）。流体Ｆが通過することにより、渦が渦発生部１から次々と生成され、振動発電部２を次々と通過してゆき、これにより発電が行われる。

なお、渦発生部１から発生した渦は、下流側に設置された振動発電部２に対して振動（渦励振、共鳴振動又は強制振動）を与えればよいため、渦発生部１自身は、渦の影響による振動を受ける必要がない。よって、渦発生部１の共振周波数及び振動発電部２の共振周波数を一致させなくてもよい。つまり、渦発生部１の共振周波数を得るために、渦発生部１に与える張力を考慮しなくてもよい。そして、振動発電における設計に際して、渦発生部１に与える張力を考慮しなくてもよい。渦発生部１の強度設計が渦との共振を前提とする必要がないことは、材料選定や設計への自由度を高めることが期待できる。

また、渦発生部１から生成される渦の周波数は、通過する流体Ｆの状態により変化する。よって、一定の周波数の渦が得られる場合には、この周波数に対応した振動発電部２を統一的に用いることが望ましい。しかし、自然の風など流体Ｆが通過する条件が変化する場合には、想定される範囲の渦の周波数に対応する振動発電部２を用いて、渦の広範囲の周波数において発電効率の平滑化が期待できる。ここで、振動発電部２として、非特許文献１、２の振動型エレクトレット発電装置などの公知の振動発電装置を利用できる。

また、障害物や支持部Ｓの影響で渦発生部１を通過する流体Ｆの速度や密度が均質でなく、部分的に発電に不適な渦が発生する場合、該当部分の渦発生部１や振動発電部２を撤去することで無駄な部分に振動発電機構を設置することを防ぎ、設置コスト及び製造コストや維持管理費及び部品数を削減することが期待できる。

振動発電部２は渦発生部１の任意の箇所で設置可能であり、発電をしたい部分又は発電に適した部分にのみ振動発電部２を設置してもよい。これにより、一本のケーブルに、振動発電を行なう機構を持つ部分及び持たない部分を共存させることができる。

支持部Ｓは、渦発生部１及び振動発電部２を支持する。支持部Ｓは、渦発生部１及び振動発電部２に流体をスムーズに通過させる効果を持つ。なお、渦発生部１に流体が十分通過でき、渦発生部１や振動発電部２に張力を与え、振幅が最大であっても振幅が地面や壁面等と干渉しないのであれば、支持部Ｓは壁面であっても地面であってもよい。

また、流体振動発電装置Ｐが非常に長い場合でも、流体振動発電装置Ｐの重量と比較して、支持部Ｓの強度が十分であるかまたは十分な数の支持部Ｓがあれば、任意の長さで実施形態１を実施可能（理論上無限の長さで発電可能）である。

（実施形態２）
実施形態２の流体振動発電装置の構成を図６に示す。流体振動発電装置Ｐは、配管Ｔの内部に配置される。渦発生部１及び振動発電部２は環状に配置される。図６（ａ）のように、渦発生部１及び振動発電部２は、配管Ｔの内壁から配管Ｔの中心へと向かう支持部Ｓを用いて支持されてもよい。図６（ｂ）のように、渦発生部１及び振動発電部２は、配管Ｔの内壁を支持部Ｓとして用いて支持されてもよい。支持部Ｓにかかる力を複数個所に分散でき、かつ流体Ｆが通過する渦発生部１の長さも確保（拡大）される。

（実施形態３）
実施形態３の流体振動発電装置の構成を図７及び図８に示す。支持部Ｓが存在しない場合でも、渦発生部１及び振動発電部２を図７及び図８のように回転させ、発電に適した形状を保持する手段があれば、流体Ｆが通過することによる渦振動から電気エネルギーを抽出することができる（この場合、渦発生部１及び振動発電部２を流体Ｆ中に流しながら、電気エネルギーを使用する実施形態になる）。

図７では、流体振動発電装置Ｐは、リング状を形成している。流体Ｆの流れを用いて、流体振動発電装置Ｐを回転させる。そして、回転に伴う遠心力を用いて、流体振動発電装置Ｐの円環状の形状を維持する。さらに、流体振動発電装置Ｐは、流体Ｆの流れを用いて、流体Ｆ中を漂いつつ流体振動発電を行ない、電力を出力部Ｅに出力する。ここで、リング状の全長に対する発電効率を高めるため、リング状の外側及び内側において振動発電部２を配置している。つまり、流体Ｆの下流側において、振動発電部２が配置されていない箇所が存在しないように、振動発電部２を配置している。

図８では、流体振動発電装置Ｐは、ひも状を形成している。流体Ｆの流れを用いて、流体振動発電装置Ｐを回転させる。そして、回転に伴う遠心力を用いて、流体振動発電装置Ｐの直線状の形状を維持する。さらに、流体振動発電装置Ｐは、流体Ｆの流れを用いて、流体Ｆ中を漂いつつ流体振動発電を行なう。ここで、直線状の全長に対する発電効率を高めるため、回転軸に対して一方側及び他方側において、振動発電部２を異なる側面位置に配置している。つまり、流体Ｆの下流側において、振動発電部２が配置されていない箇所が存在しないように、振動発電部２を配置している。

（実施形態４）
実施形態４は、流体Ｆの状態（速度）変化に伴う渦の周波数の変化を抑制し、発電に望ましい渦の周波数を得る形態である。渦発生部１が生成する渦は主にカルマン渦であり、円柱の背後に発生するカルマン渦の周波数は、一般的にｆ＝Ｓｔ×Ｖ／ｄ（Ｓｔ：定数、Ｖ：流速、ｄ：直径）と近似される。つまり、渦の周波数は流速及び流れに影響を及ぼす物体の前面投影面積に依存している。つまり、渦発生部１を通過する流体の流速が変化しても、図９及び図１０のように、流体Ｆに対する前面投影面積を流速に応じて変化させることにより、目的とする周波数の渦を得ることができる。

渦発生部１の前面投影面積を流速に応じて調節する方法として、測定された流速に基づいて渦発生部１を交換する方法が最もシンプルで容易であるが、交換に時間やコストが必要になる。そこで、モータや人の手で渦発生部１の形状を機械的に調節する方法があるが、複雑な機構が必要になるため製造コストや維持管理に手間が掛かる。外部からの補助手段を利用しない場合、通過する流体Ｆの持つ運動エネルギーを利用することが有効である。実施形態４の渦周波数安定化部の構成を図９及び図１０に示す。

図９では、渦発生部１に付随する渦周波数安定化部４が、通過する流体Ｆの運動エネルギー(流体Ｆから受ける圧力)に応じて、開閉し前面投影面積を制御する。流体Ｆの速度が十分に遅い場合は、渦周波数安定化部４は閉じたままで、流体Ｆに対する前面投影面積を抑制する。流速が速く、振動発電部２の共振周波数よりも渦周波数が高くなってしまう条件の場合、渦周波数安定化部４が流体Ｆの運動エネルギー（流体Ｆから受ける圧力）に応じて開き始め、流体Ｆに対する前面投影面積を増大させることにより、発生する渦の周波数を抑制し振動発電部２の共振周波数に調整することができる。この場合、渦周波数安定化部４は、ゴムなどの可撓性の弾性体を用いれば、部品数が少なくシンプルである。また、スプリングなどを用いた機械式のものでも、同様の動作が期待できる。

図１０では、渦周波数安定化部５として、ラム圧式のパラシュートのようにラム圧を利用し、流速に応じた形状をとる構成としてもよい。渦周波数安定化部５は、流体Ｆが流入する流体取入部６を有し、袋状の渦周波数安定化部になる。この場合、ラム圧に応じて、渦周波数安定化部５のサイズが変化し、前面投影面積が変化する。

（実施形態５）
実施形態５の流体振動発電装置の構成を図１１に示す。振動発電部２は、渦発生部１の延伸方向軸に対して複数の略垂直方向に延伸するように渦発生部１に接続される。図１１では、振動発電部２は、渦発生部１の延伸方向軸に対して、正反対の２つの略垂直方向に延伸するように、渦発生部１に接続される。

振動発電部２は、流体Ｆの流れる方向に対して渦発生部１の下流側に存在することにより、渦の振動を受け止め発電を行なう。しかし、流体Ｆの方向が変化し反転した場合、発電可能な領域Ｒも変化し反転するため、振動発電部２は発電を行なうことができない（ただし、後述の実施形態８を除く）。そこで、振動発電部２を図１１のように設置することにより、流体Ｆの流れる方向が逆転しても発電を行なうことができる。

図１１（ａ）では、紙面左側から流体Ｆが流れており、紙面左側の上流側に位置する振動発電部２は発電することができないが、紙面右側の下流側で発電可能な領域Ｒに位置する振動発電部２は発電することができる。図１１（ｂ）では、紙面右側から流体Ｆが流れており、紙面右側の上流側に位置する振動発電部２は発電することができないが、紙面左側の下流側で発電可能な領域Ｒに位置する振動発電部２は発電することができる。

（実施形態６）
実施形態６の流体振動発電装置の構成を図１２に示す。回転部７は、振動発電部２を渦発生部１の延伸方向軸に関して回転させる。振動発電部２は、風見鶏のように、流体Ｒの流れる向きに対して、常に下流側（渦が生成され通過する方向）に位置することができるため、流体Ｒの流れる方向に依存せず発電を行なうことができる。

（実施形態７）
実施形態７は、渦発生部１により発生させた振動エネルギーを、振動発電部２で電気エネルギーに変換することで、振動を抑制する形態である。構成は実施形態１−６と同一であるが、振動を減衰させるための電気的な制動部として振動発電部２を利用している。

一般的に、運動エネルギーを電気エネルギーに変換するとき、エネルギー保存則を考慮すれば、減少した運動エネルギーが生成した電気エネルギーとなる。つまり、適度な電気的な負荷をおくことで、振動エネルギーを消費することができる。そして、電気的な負荷を制御することにより、振動も抑制することができる。

また、発電と振動抑制を同時に行なえることから、例えば流体の状況により装置へダメージを与えるような過度の振動が発生しそうな場合、発電における電気的負荷を増加させるなどの制御を行なうことにより、振動を抑制し装置の破壊防止に寄与することができる。また、流体振動発生装置Ｐが通常は設置されていない通常の電線などのケーブルなどにおいても、振動発電部２を装着するとともに電気的負荷を制御する機構を組み込むことにより、ケーブルの振動を抑制・制御することができる。

（実施形態８）
実施形態８の流体振動発電装置の構成を図１３に示す。流体振動発電装置Ｐは、振動発電部２として、シート形状振動発電部８を、実施形態１−７に対して備える。シート形状振動発電部８は、可撓性及びシート形状を有し、渦発生部１の下流側に配置され、渦の引き起こす振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。

シート形状振動発電部８は、旗状もしくは帆状の面積が広い発電部分を有しており、高効率で振動を受けつつかつ発電部分の重量の増加や力学的負荷を軽減するため、柔軟で長い振動発電面としている。これにより、図１４に示すように、発電部分が渦Ｖを受ける面積を増大させかつ渦Ｖが進行する方向に沿って発電部分を配置する構造により、1つの渦Ｖを受け止める励振時間を延長する。つまり、旗状の発電部分は、渦Ｖを受け止める面積及び受け止める時間を増大させることにより、発電効率を拡大する。また、流体Ｆの向きが変化した場合においても、シート形状振動発電部８は旗状であるため、流体Ｆの向きが変化した後の下流側に回り込み渦Ｖの振動を受けることができる。

（実施形態９）
実施形態９の流体振動発電装置の構成を図１５に示す。図１５（ａ）の流体振動発電装置Ｐは、通信線／電力線９を、実施形態１−８に対してさらに備える。図１５（ｂ）の流体振動発電装置Ｐは、通信線９Ｓ及び電力線９Ｅを、実施形態１−８に対してさらに備える。流体振動発電装置Ｐは、通信線９Ｓ及び電力線９Ｅの少なくともいずれかを持ち、通信機能及び送電機能の少なくともいずれかと一体となり発電を行なう。これにより、別系からの送電や通信及び振動による発電が共存できる。

（実施形態１０）
実施形態１０の流体振動発電装置の構成を図１６に示す。電力通信接続部としての着脱式支持部１０は、渦発生部１及び振動発電部２を、渦発生部１と並行する電力線９Ｅ及び渦発生部１と並行する通信線９Ｓの少なくともいずれかに一体となるように接続する。流体振動発電装置Ｐは、通信線／電力線９及び着脱式支持部１０を、実施形態１−８に対してさらに備える。通信線９Ｓ又は電力線９Ｅなどの既存のケーブルに対して、着脱式支持部１０を用いて渦発生部１及び振動発電部２を着脱可能な形態である。

既存のケーブルなどを流体振動発電装置Ｐの一部として用いることができるため、新規に設置する場合にくらべて、既存の電線や電柱を流体振動発電装置Ｐに対して利用できて、専用の土地や設備を確保する手間やコストが省ける。

（実施形態１１）
実施形態１１の流体振動発電装置の構成を図１７、図１８及び図１９に示す。振動発電部２は、渦発生部１と並行する電力線９Ｅ及び渦発生部１と並行する通信線９Ｓの信号制御装置９Ｃのうち少なくともいずれかに給電する。

図１７では、振動発電部２は、電力線９Ｅに給電する。図１７（ａ）では、電力線９Ｅは、渦発生部１に内蔵されており、給電部１１を通じて給電される。図１７（ｂ）では、電力線９Ｅは、実施形態１０の着脱式支持部１０を介して渦発生部１に接続されており、給電部１１及び給電線１２を通じて給電される。

図１８では、振動発電部２は、通信線９Ｓの信号制御装置９Ｃに給電する。図１８（ａ）では、通信線９Ｓ及び信号制御装置９Ｃは、渦発生部１に内蔵されており、信号制御装置９Ｃは、給電部１１及び給電線１２を通じて給電される。図１８（ｂ）では、通信線９Ｓは、実施形態１０の着脱式支持部１０を介して渦発生部１に接続されており、信号制御装置９Ｃは、給電部１１及び給電線１２を通じて給電される。振動発電による給電のみで、信号制御装置９Ｃを動作させることができれば、外部の系から給電することなく、振動発電のみで動作させることができるため、独立した電源として用いることができる。

図１９では、振動発電部２は、電力線９Ｅ及び通信線９Ｓの信号制御装置９Ｃに給電する。電力線９Ｅ、通信線９Ｓ及び信号制御装置９Ｃは、渦発生部１に内蔵されており、電力線９Ｅ及び信号制御装置９Ｓは、給電部１１及び給電線１２を通じて給電される。発電装置、電力線９Ｅ及び通信線９Ｓが共存している場合、電力の送電に伴うロスを補填したり、十分な発電量が得られれば送電する電力量を増加させたりすることができるだけでなく、通信機能も発電に見合った機能を許容できる。

（実施形態１２）
実施形態１２の流体振動発電装置の構成を図２０に示す。渦発生発電接続部としての接続部１３は、渦発生部１及び振動発電部２を一体となるように接続する。渦発生部１及び振動発電部２は、接続部１３を用いて結合又は分割が可能である。

振動振幅が大きく発電効率が高い部分に対して、振動発電部２を集中的に設置する一方で、振動振幅が小さく発電効率が低い部分に対して、振動発電部２を取り外すまたは設置しないという構成とすれば、必要な部分に効率的に振動発電部２を用いることができ、振動発電部２の数の削減と発電効率の向上が見込める。

発電を行なわない場合には振動発電部２を取り外し保管することにより、発電装置の経年劣化を防ぐことが期待できる。同様に風などが吹かない時期には、振動発電部２を取り外し、十分な風力が得られる場所に容易に移動させ設置することができる。

（実施形態１３）
実施形態１３の流体振動発電装置の構成を図２１及び図２２に示す。流体振動発電装置Ｐは、通信線９Ｓ又は電力線９Ｅなどの既存のケーブルに対して、実施形態１２の接続部１３を用いて渦発生部１及び振動発電部２を着脱可能な形態である。

図２１では、既存のケーブルである通信線／電力線９に対して、着脱式の渦発生部１及び接続部１３を介する着脱式の振動発電部２を着脱可能である。渦発生部１が渦発生に寄与するうえに、通信線／電力線９も渦発生に寄与する。図２１（ａ）及び図２１（ｂ）は、それぞれ各構成要素の接続時及び非接続時を示している。

図２２では、既存のケーブルである通信線／電力線９に対して、接続部１３を介する着脱式の振動発電部２を着脱可能である。通信線／電力線９が渦発生に寄与する。図２２（ａ）及び図２２（ｂ）は、それぞれ各構成要素の接続時及び非接続時を示している。

既存のケーブルなどを流体振動発電装置Ｐの一部として用いることができるため、新規に設置する場合にくらべて、既存の電線や電柱を流体振動発電装置Ｐに対して利用できて、専用の土地や設備を確保する手間やコストが省ける。

一定の長さのユニット式として運用すれば、振動エネルギーが期待できない場合には、振動発電部２を省いたり、流体の抵抗が部分的に強くケーブルへの負荷が部分的に懸念される場合には、該当箇所の渦発生部１を省いたりすることができる。

風が吹かない季節が存在するなど、流体による振動発電が期待できない期間がある場合、及び一定期間降雪や潮風など発電装置に望ましくない影響が発生する場合には、発電装置を取り外し別の場所に保管することもできる。また、例えば、風が吹かない場所から発電装置を取り外し、風の吹く場所へ発電装置を移動し使用することが可能であるため、限られた数の発電装置を効率的に運用することもできる。

本発明に係る流体振動発電装置は、発電量の増加及びコストの低減を要求される、地球規模の温暖化を防止する自然エネルギーを利用した発電装置に適用することができる。

Ｐ：流体振動発電装置
Ｓ：支持部
Ｆ：流体
Ｎ：負圧領域
Ｖ：カルマン渦
Ｔ：配管
Ｅ：出力部
Ｒ：領域
１：渦発生部
２：振動発電部
３：渦受容部
４、５：渦周波数安定化部
６：流体取入部
７：回転部
８：シート形状振動発電部
９：通信線／電力線
９Ｓ：通信線
９Ｅ：電力線
９Ｃ：信号制御装置
１０：着脱式支持部
１１：給電部
１２：給電線
１３：接続部

Claims (9)

1. ケーブル形状を有し、流体を上流側で分岐させ渦を下流側で発生させる渦発生部と、
   前記渦発生部の前記下流側に配置され、前記渦の引き起こす振動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部と、
   を備えることを特徴とする流体振動発電装置。
2. 前記振動発電部の共振周波数が前記渦の振動周波数と略等しくなるように、前記渦発生部の前記上流側の投影面積が調整されることを特徴とする、請求項１に記載の流体振動発電装置。
3. 前記振動発電部は、前記渦発生部の延伸方向軸に対して複数の略垂直方向に延伸するように前記渦発生部に接続されることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の流体振動発電装置。
4. 前記振動発電部を前記渦発生部の延伸方向軸に関して回転させる回転部、をさらに備えることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の流体振動発電装置。
5. 電気エネルギーを消費する電気的負荷が調整され、振動エネルギーが調整されることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかに記載の流体振動発電装置。
6. 前記振動発電部は、可撓性及びシート形状を有することを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれかに記載の流体振動発電装置。
7. 前記振動発電部は、前記渦発生部と並行する電力線及び前記渦発生部と並行する通信線の信号制御装置のうち少なくともいずれかに給電することを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれかに記載の流体振動発電装置。
8. 前記渦発生部及び前記振動発電部を、前記渦発生部と並行する電力線及び前記渦発生部と並行する通信線の少なくともいずれかに一体となるように接続する電力通信接続部、をさらに備えることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれかに記載の流体振動発電装置。
9. 前記渦発生部及び前記振動発電部を一体となるように接続する渦発生発電接続部、をさらに備えることを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれかに記載の流体振動発電装置。

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