JP5303686B2 - 発電機 - Google Patents

Description

本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより電力を発生する発電機に関する。

従来より、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が知られている。このような発電機では、例えば風や水流によってプロペラ翼等の回転体を回転させることによりロータを回転させる機構を有する。

しかし、このような回転体は複雑な構造を有しているので、発電機の製造コストが増大することが懸念される。また、回転体を用いた場合には、流れ場内に存在する漂流物が回転体に巻き込まれることにより回転体が破損したり、流れ場内に存在する魚類等の生物が回転体に巻き込まれて傷つけられるおそれがある。

一方、流体の流れ場内に位置することによって振動する振動体を利用した発電機が知られている。具体的には、この発電機は、流体の流れ方向に対し長手方向が交差するように配設された柱状体を備え、柱状体の振動により永久磁石がコイルの中を移動して前記コイルに誘導電流を発生させて発電する。
すなわち、上記発電機は、流れ場内で発生する振動体の流体励起振動の振動エネルギーを有効利用して発電を行う。

特開２００８−０１１６６９号公報

ところで、上記発電機では、柱状体を弾性支持する弾性部材が設けられており、弾性部材によって流体の自然エネルギーから柱状体の振動エネルギーへの変換を容易に行うことができる。しかしながら、弾性部材を用いた場合には、柱状体の振動が絶えず繰り返されることによって弾性部材が疲労破壊するおそれがあるため、長期間の運用に耐えることは困難である。

そこで、本発明は、流体の流れによって生じる振動体の振動により生成される電力を、簡単な構成で得ることができる発電機を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、流体の流れ場に設けられる発電機である。当該発電機は、
柱状の振動体であって、前記振動体の一方の端部が、流体の流れ場において前記流体の流れ方向に平行な軸に軸支されて前記軸の周りに自励振動により往復運動する振動体と、
前記振動体の往復振動に応じて電気エネルギーを生成する発電部と、を有する。

その際、前記振動体は、流体の比重よりも小さい比重を有し、且つ、前記軸に軸支される前記振動体の位置は、鉛直方向下端側である。

前記振動体を第１振動体というとき、前記流体の流れ方向の上流側あるいは下流側に、前記流体の比重よりも小さい比重を有し、且つ、鉛直方向下端側が前記流体の流れ場において前記流体の流れ方向に平行な軸に軸支されて往復振動する柱状の第２振動体を有し、前記第１振動体及び前記第２振動体を共通に軸支する支持部を有してもよい。
この場合、前記第１振動体の位置及び前記第２振動体の位置の少なくとも一方を移動させることにより、前記第１振動体及び前記第２振動体の軸間距離を流体の流速に応じて調整する制御部を有することが好ましい。

また、前記支持部は前記流体の流れ方向に沿って延びるように形成され、前記支持部には、複数の前記振動体が間隔をおいて支持されてもよい。

さらに、前記振動体の往復振動を制御する振動制御体を有し、前記振動制御体は、前記流れ場において、前記振動体の上流側及び下流側の少なくとも一方に前記振動体に離間して配置されてもよい。
この場合、前記振動体の位置と前記振動制御体の位置の少なくとも一方を移動させることにより、前記振動体と前記振動制御体との軸間距離を流体の流速に応じて調整する制御部を有することが好ましい。
また、前記振動体の固有振動数を調整するための調整部を有してもよい。

さらに、前記発電部は、前記振動体の振動経路に沿って設けられた導電体と、前記振動体に取付けられるとともに前記導電体に磁場を印加する磁場発生器とを互いに対向するように有し、前記磁場発生器から前記導電体に印加される磁場が前記振動体の往復振動によって変化することにより、電気エネルギーを生成してもよい。

また、前記発電部は、前記振動体に取付けられた導電体と、前記振動体の振動経路に沿って設けられるとともに前記導電体に磁場を印加する磁場発生器とを互いに対向するように有し、前記磁場発生器から前記導電体に印加される磁場が前記振動体の往復振動によって変化することにより、電気エネルギーを生成してもよい。

また、前記流体は液面を有する液体であり、
前記軸に軸支される前記振動体の位置は、鉛直方向上端側にあり、
さらに、前記振動体を液体の液面に浮上させ、前記往復運動に復元力を与える、前記振動体と接続したフロートを有する、形態であってもよい。

前記形態の場合、前記フロートは、前記軸の軸方向に対して直交する方向であって、前記振動体を液面上方からみたとき前記軸を境にして両側の方向に延びた一対の腕部と、前記腕部の先端のそれぞれに設けられ、前記液体の比重に比べて比重が小さい一対のフロート本体と、を含み、
前記往復運動時、前記一対のフロート本体のうち一方のフロート本体が他方のフロート本体に比べて、液体中に多く浸ることで前記復元力が発生するように、前記腕部および前記フロート本体が設けられていることが好ましい。

さらに、前記発電機は、前記腕部の長さを調整する調整機構が設けられていることが好ましい。

上述の発電機では、流体の流れによって生じる振動体の振動により生成される電力を、簡単な構成で得ることができる。

第１実施形態の発電機の概略構成図である。 図１に示す発電機を模式的に説明した図である。 第１実施形態の発電機の変形例を模式的に説明した図である。 (ａ)〜（ｄ）は、第１実施形態の発電機の他の変形例を模式的に説明した図である。 (ａ)〜（ｃ）は、第１実施形態における振動体の直径に対する振動体の角速度の変化の例を示す図である。 第１実施形態の発電機の他の変形例を模式的に説明した図である。 第１実施形態の発電機の他の変形例を模式的に説明した図である。 第１実施形態の振動体の断面形状の変形例を模式的に示す図である。 （ａ），（ｂ）は、第１実施形態の装置構成の、他の例を模式的に示す図である。 第１実施形態の振動体において測定したエネルギー取得率の結果を示す図である。 第１実施形態の振動体の変形例について測定したエネルギー取得率の結果を示す図である。 従来の振動体の形態の一例を模式的に示す図である。 第２実施形態の発電機の概略構成図である。 第１実施形態及び第２実施形態の発電機のさらに別の例を説明する図である。

以下、本発明の発電機について詳細に説明する。
本実施形態の発電機は、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装置であり、具体的には、流体の流れ場内に位置することによって発生する振動体の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。この発電機において、上記流体は気体であってもよいし、液体であってもよい。流体が気体の場合、上記発電機は、風によって振動する振動体の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する構成を有し、風によってプロペラ翼等の回転体を回転させることによりロータを回転させる風力発電機の構成と異なる。一方、流体が液体の場合、上記発電機は、海底の潮流、あるいは河川（農業用水路や工業用水路を含む）における水流によって、海底に、あるいは河川内に配置した振動体の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する構成を有し、水流によってロータを回転させる水力発電機の構成と異なる。
以下説明する第１実施形態及び第２実施形態の発電機は、流体の流れ場に設けられる発電機である。この発電機は、柱状の振動体であって、柱状の振動体と発電部とを有する。振動体は、この振動体の一方の端部が、流体の流れ場において流体の流れ方向に平行な軸に軸支されて軸の周りに自励振動により往復運動する。発電部は、振動体の往復振動に応じて電気エネルギーを生成する。

（第１実施形態）
第１実施形態の発電機は、流体の比重よりも小さい比重を有し、且つ、鉛直方向下端側が流体の流れ場において流体の流れ方向に平行な軸に軸支されて往復振動する柱状の振動体と、振動体の往復振動に応じて電気エネルギーを生成する発電部と、を有する。
当該構成により、第１実施形態の発電機は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する従来の発電機に用いられる弾性部材を設ける必要がない。このため、第１実施形態の発電機は、流体の流れによって生じる振動体の振動により生成される電気エネルギーを、簡単な構成で得ることができる。また、第１実施形態の発電機は、弾性部材を用いていないため、弾性部材を用いた場合と比較して耐久性に優れている。

図１は、第１実施形態の発電機１０の概略構成図である。
発電機１０は、振動体１２と支持部１４と発電部１６（図２参照）とを有し、流れ場Ｆを有する流体内に設けられている。振動体１２は、流体の流れ方向（図１中では流れ場Ｆの矢印方向）に直交する方向に延びる柱状に形成されるとともに、流体の比重よりも小さい比重を有する。また、振動体１２は、流体の流れ場Ｆ内に位置することによって、鉛直方向下端側が流れ場Ｆにおいて流体の流れ方向に平行な支持部１４に軸支されて往復振動する。この往復振動は、流れ場Ｆ内に振動体１２を位置することによって発生するカルマン渦励振によりなされる。また、振動体１２は、振動体１２の質量や長さによって定まる固有振動数を有する。
ここで、振動体１２が流体の比重よりも小さい比重を有するためには、振動体１２は、流体が水の場合、例えば中空状の塩化ビニル、繊維強化プラスチック、鋼材等で構成されることが好ましく、流体が空気の場合、例えばポリ塩化ビニル、ハイパロン等で構成されることが好ましい。なお、流体が空気の場合には、振動体１２の比重を空気よりも小さくするために、空気よりも比重が小さいヘリウムや水素を、中空状の振動体１２内に充填することが好ましい。振動体１２は、円柱体であるが、必ずしも円柱体でなくてもよく、三角柱、矩形柱、多角柱等の柱状体等であってもよい。なお、流体（例えば水）の流速が１〜５ｍ／秒の流れ場Ｆ内に円柱状の振動体１２を配置した場合にカルマン渦励振を発生させるためには、例えば、レイノルズ数が１０^５〜１０^７の範囲内となるように、直径が１００〜３０００ｍｍの振動体１２を用いることが好ましい。また、振動体１２の長さは、例えば、５０〜２０００ｃｍとすることが好ましい。

支持部１４は、流体の流れ方向に平行に延びるとともに、振動体１２の鉛直方向下端側の部分を回動可能に軸支する。また、振動体１２は、流体の比重よりも小さい比重を有しているため、振動体１２に作用する浮力が振動体１２に作用する重力よりも大きい。このため、振動体１２には、鉛直方向上向きの力Ｂが、振動体１２を鉛直方向に延びた状態に戻すための復元力として常に作用する。したがって、振動体１２は、カルマン渦励振と鉛直方向上向きの力Ｂとにより、振動体１２の鉛直方向下端側が支持部１４に軸支された状態で往復運動する。この場合、振動体１２は、鉛直方向下端側を支点とする倒立振子として作用する。

次に、図２を参照して、発電部１６の構成を説明する。発電部１６は、例えば、永久磁石等の磁場発生器１６ａと、コイル等の導電体１６ｂとを含む。磁場発生器１６ａは、振動体１２の鉛直方向上端側の先端に取付けられて振動体１２とともに運動する。一方、導電体１６ｂは、振動体１２の振動経路に沿って間隔をおいて設けられ、振動体１２とともに運動する磁場発生器１６ａと間隔をおいて互いに対向するように配置されている。この発電部１６では、振動体１２の振動が、導電体１６ｂと磁場発生器１６ａの印加磁場との間に相対的な運動を引き起こし、その結果、導電体１６ｂに印加される磁場の強さに変化を与え、この導電体１６ｂに印加される磁場の強さの変化によって電磁誘導を誘発し、導電体１６ｂを流れる誘導電流を引き起こす。これにより、電気エネルギーが生成される。
この場合、振動体１２の振動エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換することができるので、電気エネルギーへの変換が間接的に行われる場合と比較して、例えば、振動体１２に接続された発電用モータを、振動体１２の振動エネルギーによって回転させることにより発電する場合と比較して、振動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を向上させることができる。

このように、第１実施形態の発電機は、振動体を振動させるための弾性部材を設ける必要がないので、結果として、製造コストを低減することができる。また、本実施形態の発電機は、弾性部材を用いていないため、弾性部材を用いた場合と比較して耐久性に優れている。
本実施形態の発電機の振動体１２のエネルギー取得率ηを下記のように定義するとき、エネルギー取得率ηは、最適条件において７６％を実現することができる。
エネルギー取得率η（％）
＝（振動体１２の最大の仕事率）／（１／２・ρ・ｄ・Ｌ・Ｕ³）
ρは流体の密度、ｄは振動体１２の直径、Ｌは振動体１２の長さ、Ｕは流体の流速である。

（変形例１）
図３は、本実施形態の発電機１０の変形例を模式的に説明した図である。本変形例は、上記実施形態に対して、振動体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，・・・が、流れ場Ｆ内に流れ方向に一列に配列されている点で異なる。これ以外の部分は、本実施形態の構成と同じであるので、構成及び機能の説明は省略する。
本変形例では、振動体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，・・・は、互いに近接して配置されている。以降の説明では、振動体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，・・・のうち、振動体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅを代表して説明する。なお、振動体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅの軸間距離は、流体の種類や流速の条件等によって変化するが、直径ｄ（振動体１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅの円柱形状の直径をｄとする）の１〜３倍が例示される。

振動体１２ａ〜１２ｅそれぞれの鉛直方向下端側は、支持部１４によって共通に軸支されている。また、振動体１２ａ〜１２ｅそれぞれの鉛直方向上端側の先端には、図２に示す振動体１２と同様に、磁場発生器１６ａと同様の磁場発生器（図示省略）が設けられ、振動体１２ａ〜１２ｅそれぞれの振動経路に沿った位置であって、磁場発生器と対向する位置には、図２に示す導電体１６ｂと同様の導電体（図示省略）が設けられる。振動体１２ａ〜１２ｅの振動により、導電体と磁場発生器の印加磁場との間で相対的な運動が発生し、この運動によって、発電が行われる。
このような発電機１０では、振動体１２ａ〜１２ｅのそれぞれを流れ場Ｆ内に流れ方向に一列に配列することにより、上流側あるいは下流側に隣接する他の振動体により大きな振動エネルギーを発生させることができる。具体的に説明すると、振動体１２ａにて形成された剥離流れ１８が、下流側に隣接する振動体１２ｂの振動に影響を与えることにより、振動体１２ｂには、振幅が増幅された振動Ｖが誘起される。この振動Ｖを持続するための流体の流速範囲は広い。また、振動体１２ａには、振動体１２ｂの振動Ｖの影響を受けることにより、振動Ｖが振動体１２ｂと同時に誘起される。さらに、振動体１２ｃ〜１２ｅにも、振動体１２ａ，１２ｂと同様に振動Ｖが誘起される。すなわち、本変形例では、上記実施形態のように単独の振動体１２を用いた場合と比較して、流体の流速が変化しても振動Ｖが持続し易く、且つ、振幅が増幅された自己励起的な振動（自励振動）を振動体１２ａ〜１２ｅのそれぞれに発生させることができる。
なお、振動体１２ａ〜１２ｅそれぞれの振動は互いに同位相ではない。すなわち、振動体１２ａ〜１２ｅの振動はそれぞれ独立であって、振動の位相は振動体１２ａ〜１２ｅ間で互いに異なる。

本変形例では、振動体１２ａ〜１２ｅ、・・・・による振動伝搬効果を利用することにより、流体励起振動を用いて風、潮流、河川流などの自然エネルギーから発電する発電機に有効利用することができる。また、本変形例では、図１，２に示すような単独の振動体１２を用いる場合よりも多くの電気エネルギーを取り出す点で有効である。さらに、本変形例では、複数の振動体を互いに近接して配置することができるので、発電機の占有面積に対して取得可能な電気エネルギーの割合を向上させることができる。

（変形例２）
図４は、本実施形態の発電機１０の他の変形例を模式的に説明した図である。本変形例は、上記実施形態に対して、振動体１２ａ，１２ｂの振動を制御する振動制御体２０が流れ場Ｆ内に配置されている点で異なる。これ以外の部分は、本実施形態の構成と同じであるので、構成及び機能の説明は省略する。
振動制御体２０は、振動体１２ａ，１２ｂの周りに振動体１２ａ，１２ｂに離間して固定配置され、鉛直方向に延びる円柱体である。振動制御体２０は、例えば、支持体１４に固定されてよい。また、振動制御体２０は、高い剛性を有し、流れ場Ｆ内に配置されても流体の流力あるいは１２ａ，１２ｂの振動によって変位しない。なお、振動制御体２０の直径は、円柱体である振動体１２の直径と同じであり、円柱体の長さも同じであるが、直径及び長さは異なっていてもよい。また、振動制御体２０は、円柱体であるが、必ずしも円柱体でなくてもよく、三角柱、矩形柱、多角柱等の柱状体等であってもよい。
振動制御体２０は、振動体１２ａ，１２ｂの上流側及び下流側の少なくとも一方に振動体１２ａ，１２ｂに離間して配置されることにより、振動体１２ａ，１２ｂの往復振動を制御することができる。ここで、振動体１２ａ，１２ｂの往復振動の制御とは、流体の流速の変化に応じて振動を持続すること、さらには、振動の振幅を増幅することを含む。

振動制御体２０は、図４（ａ）に示すように、流れ場Ｆにおける振動体１２ａ，１２ｂの上流側に位置してもよいし、図４（ｂ）に示すように、下流側に位置してもよい。また、振動制御体２０は、流れ場Ｆの流れ方向に沿って配列してもよいし、振動制御体２０および振動体１２の、流れ方向に対して直交する方向の位置が互いにずれていてもよい。振動制御体２０は、図４（ｃ）に示すように、流れ場Ｆの流れ方向に直交する方向に支持部１４を介して対向するように複数設けてもよいし、図４（ｄ）に示すように、振動体１２ａ，１２ｂの上流側および下流側に設けてもよい。
振動体１２と振動制御体２０との間の軸間距離は、流体の種類や流速の条件等によって変化するが、直径ｄ（振動体１２および振動制御体２０の円柱形状の直径をｄとする）の１〜３倍が例示される。上記軸間距離は、振動制御体２０にて形成された剥離流れが、振動体１２ａ，１２ｂの振動を効率よく制御できる範囲で設定される。

図５（ａ）〜（ｃ）は、振動体１２，１２ｂに振動体１２ａあるいは振動制御体２０を近接配置した場合の振動体１２，１２ｂの直径に対する振動体１２，１２ｂの角速度の変化の例を示す図である。
図５（ａ）は、直径が１１５ｍｍの円柱体を成した振動体１２ａを流れ場Ｆの上流側に配置し、振動体１２ａと振動体１２ｂとの間の軸間距離を１４〜２０ｃｍとし、流体を水として、流速を１ｍ／秒とした条件の下、振動体１２ｂの直径ｄを種々変更したときの振動体１２ｂの角速度ωの変化を実線で示している。なお、比較として、振動体１２ｂを単独で流れ場Ｆに配置した場合に振動体１２ｂの直径ｄを種々変更したときの振動体１２ｂの角速度ωの変化を破線で示している。前述したように、２つの振動体１２ａ，１２ｂを近接配置した場合には、振動が持続するための流速範囲が広く、且つ、振動の振幅が増幅された自励振動が振動体１２ａ，１２ｂに誘起される。一方、振動体１２ｂを単独で用いた場合、振動体１２ｂは、カルマン渦励振により振動する。
図５（ａ）より、２つの振動体１２ａ，１２ｂを近接配置した場合には、振動体１２ｂの直径ｄを変化させることにより、振動体１２ｂの角速度ωが種々変化することがわかる。例えば、振動体１２ｂの直径ｄ＝１１５ｍｍの場合には、最も大きい角速度応答が得られることがわかる。また、図５（ａ）より、２つの振動体１２ａ，１２ｂを近接配置することにより振動体１２ａ，１２ｂに誘起される自励振動は、振動体１２ｂを単独で用いた場合に生じるカルマン渦励振と比較して、大きな角速度応答が得られることがわかる。

図５（ｂ）は、直径が１１５ｍｍの円柱体を成した振動制御体２０を流れ場Ｆの上流側に配置し、振動制御体２０と振動体１２との間の軸間距離を１４〜２０ｃｍとし、流体を水として、流速を１ｍ／秒とした条件の下、振動体１２の直径ｄを種々変更したときの振動体１２の角速度ωの変化を実線で示している。なお、図５（ａ）と同様に、振動体１２を単独で流れ場Ｆに配置した場合に振動体１２の直径ｄを種々変更したときの振動体１２の角速度ωの変化を破線で示している。図５（ｂ）より、振動体１２の上流側に振動制御体２０を近接配置した場合には、振動体１２の直径ｄを変化させることにより、振動体１２の角速度ωが種々変化することがわかる。また、何れの直径ｄにおいても、振動体１２の上流側に振動制御体２０を近接配置した場合の振動体１２の角速度は、振動体１２を単独で用いた場合の角速度よりも大きくなることがわかる。

図５（ｃ）は、直径が１１５ｍｍの円柱体を成した振動制御体２０を流れ場Ｆの下流側に配置し、振動制御体２０と振動体１２との間の軸間距離を１４〜２０ｃｍとし、流体を水として、流速を１ｍ／秒とした条件の下、振動体１２の直径ｄを種々変更したときの振動体１２の角速度ωの変化を実線で示している。なお、図５（ａ）と同様に、振動体１２を単独で流れ場Ｆに配置した場合に振動体１２の直径ｄを種々変更したときの振動体１２の角速度ωの変化を破線で示している。図５（ｃ）より、振動体１２の下流側に振動制御体２０を近接配置した場合には、振動体１２の直径ｄを変化させることにより、振動体１２の角速度ωが種々変化することがわかる。また、何れの直径ｄにおいても、振動体１２の下流側に振動制御体２０を近接配置した場合の振動体１２の角速度は、振動体１２を単独で用いた場合の角速度よりも大きくなることがわかる。
以上のように、振動体１２を単独で用いるよりも、振動体１２を複数、あるいは振動制御体２０とともに用いることが、角速度応答を大きくすることができる点で、好ましい。

（変形例３）
図６は、本実施形態の発電機１０の他の変形例を模式的に説明した図である。本変形例は、上記実施形態に対して、振動体１２の固有振動数を調整するための調整部２２を有する点で異なる。これ以外の部分は、本実施形態の構成と同じであるので、構成及び機能の説明は省略する。
振動体１２の内部は中空状に形成され、この内部には、振動体１２の長手方向に延びるロッド２３が設けられている。このロッド２３には、調整部２２が振動体１２の長手方向に摺動可能に設けられている。調整部２２には、例えば錘を用いてもよい。
調整部２２が振動体１２内部を移動することにより、振動体１２の固有振動数が変化する。具体的に説明すると、例えば、調整部２２が、鉛直方向上方側、すなわち支持部１４から離れる方向に移動した場合には、慣性モーメントが増加することにより、振動体１２の固有振動数が低下する。一方、調整部２２が、鉛直方向下方側、すなわち支持部１４に近づく方向に移動した場合には、慣性モーメントが減少することにより、振動体１２の固有振動数が増加する。したがって、振動体１２を単独で用いる場合には、振動体１２に生じるカルマン渦放出周波数と共振するように振動体１２の固有振動数を調整することにより、振動体１２の振動の振幅を増幅することができる。一方、振動体１２を複数用いたり、振動体１２とともに振動制御体２０を用いる場合には、流速、振動体の代表長（例えば、振動体の直径等）及び固有振動数で決定される無次元流速が振動体１２の振動励起範囲内に収まるように固有振動数を調整することによって、振動体１２の振幅を増幅することができる。
このようにして、調整部２２を振動体１２の長手方向に移動させることにより、振動体１２の固有振動数を調整することができるので、調整部２２を設けていない振動体と比較して、振動体１２の振動を持続するための流体の流速範囲をより広く設定することができるとともに、振動の振幅を増幅することができる。

（変形例４）
図７は、本実施形態の発電機１０の他の変形例を模式的に説明した図である。本変形例は、上記実施形態に対して、発電部１６の構成が異なる。これ以外の部分は、本実施形態の構成と同じであるので、構成及び機能の説明は省略する。
本変形例の発電部１６では、導電体１６ｂは、振動体１２の鉛直方向上端側の先端に取付けられて振動体１２とともに運動する。一方、磁場発生器１６ａは、振動体１２の振動経路に沿った方向に間隔をおいて複数設けられ、振動体１２とともに運動する導電体１６ｂと間隔をおいて互いに対向するように配置されている。この発電部１６では、振動体１２の振動が、導電体１６ｂと磁場発生器１６ａの印加磁場との間に相対的な運動を引き起こし、その結果、導電体１６ｂに印加される磁場の強さに変化を与え、この導電体１６ｂに印加される磁場の強さの変化によって電磁誘導を誘発し、導電体１６ｂを流れる誘導電流を引き起こす。これにより、電気エネルギーが生成される。
本変形例においても、上記実施形態と同様に、振動体１２の振動エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換することができるので、電気エネルギーへの変換が間接的に行われる場合と比較して、例えば、振動体１２に接続された発電用モータを、振動体１２の振動エネルギーによって回転させることにより発電する場合と比較して、振動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を向上させることができる。

（その他の変形例）
上記実施形態および変形例１〜４において、振動体１２はいずれも断面が円形状の円柱を用いたが、図８に示すように、振動体１２の断面形状の円形状の一部が直線１３ａ，１３ａと、直線１３ａ，１３ａ同士が凸部１３ｂで交わる形状を有してもよい。この場合、凸部１３ｂは、流体の長れ場Ｆ内の上流側に向くように、振動体１２の向きが設定されることが好ましい。このように、凸部１３ｂを挟んで直線１３ａと直線１３ａとの間で角度θを持つ断面形状は、流体の流速や粘性に応じて上記角度θが変化するものであってもよい。上記角度θを変化させることにより、流れ場Ｆ内で発生するカルマン渦の発生位置を変化させることで、エネルギー取得率ηが最大になるようにカルマン励振をさせることができる。角度θを変化させることにより、流れ場Ｆ内で振動体１２の表面で生じる層流剥離の状態が変化するので、カルマン渦の挙動が変化する。このため、流れ場Ｆ内の流速が変わるたびに上記角度θを変化させることで、エネルギー取得率ηを最適に調整することもできる。
図８に示すような角度θの凸部１３ｂを持つ断面形状は、図４（ａ）〜（ｄ）に示される振動制御体２０においても適用することができる。また、振動制御体２０においても、流体の流速や粘性に応じて角度θが変化してもよい。このような断面形状を振動制御体２０が持つことで、流れ場Ｆ内の流速の変化に応じて角度θを変化させることにより、エネルギー取得率ηが最大になるように調整することができる。

また、図３に示す複数の振動体１２ａ〜１２ｅの配列において、図９（ａ）に示すように、配列方向（流体の流れ方向）の軸間距離を流れ場Ｆの流体の流速に応じて変化させるように振動体１２ａ〜１２ｅを構成することもできる。具体的には、振動体１２ａ〜１２ｅが支持部１４の上に沿って自在に移動することができる移動機構２４を移動体１２ａ〜１２ｅのそれぞれが備える。この場合、発電機は、移動機構２４の移動を制御するコンピュータで構成される制御部２６と、流体の流速を計測する流速計２８とを備えるとよい。流速計２８が計測した流速の情報は、制御部２６に送られる。制御部２６は、振動体１２ａ〜１２ｅの最適な軸間距離を流速毎に記録保持しておく。最適な軸間距離とは、エネルギー取得率ηが最大になる時の軸間距離をいう。制御部２６から流速計２８で計測した流速に基いて振動体１２ａ〜１２ｅの最適な軸間距離を求め、この軸間距離を実現するように、移動機構２４を駆動する指示を出す。流体の流速によって振動体１２ａ〜１２ｅの自励振動が発生する条件は変化するため、振動体１２ａ〜１２ｅの位置を自在に移動させることにより、振動体１２ａ〜１２ｅの軸間距離を調整することができる。すなわち、制御部２６は、振動体１２ａ〜１２ｅの位置の少なくとも１つを移動させることにより、振動体１２ａ〜１２ｅの軸間距離を調整する。これにより、エネルギー取得率ηが最大になるように自励振動を発生させることができる。
図９（ｂ）に示すように、図４（ａ）〜（ｄ）に示す種々の形態においても、振動体１２ａ，１２ｂ等の軸間距離の他に、振動制御体２０と振動体１２ａ，１２ｂの軸間距離を流体の流れ方向で調整できるように、振動体１２ａ，１２ｂ及び振動制御体２０が流れ方向で自在に移動することができる移送機構２４を振動体１２ａ，１２ｂ及び振動制御体２０は備えてもよい。この場合においても、移動機構２４の移動を制御する、コンピュータで構成される制御部２６と、流体の流速を計測する流速計２８とを備えるとよい。すなわち、制御部２６は、振動制御体２０の位置と振動体１２ａ，１２ｂの各位置の少なくとも１つを移動させることにより、振動制御体２０及び振動体１２ａ，１２ｂの軸間距離を調整する。

図１０は、図１に示す振動体１２を用いて、流速及び振動体１２の長さ及び直径ｄを変化させた時のエネルギー取得率ηの結果を示す図である。図１１は、図４（ａ）に示す形態から振動体１２ｂを除いた形態、すなわち振動制御体２０及び振動体１２ａからなる形態において、流速および振動体１２ａの長さを変化させて振動体１２ａのエネルギー取得率ηを求めた時の結果を示す図である。このときの振動制御体２０と振動体１２ａとの間の軸間距離は、直径７５ｍｍ、長さ９００ｍｍのとき、９０ｍｍであり、直径１１５ｍｍ、長さ９００ｍｍのとき、１３５ｍｍであり、直径１６５ｍｍ、長さ９００ｍｍのとき、１９０ｍｍである。なお、発電機を想定して振動体１２あるいは振動体１２ａに接続したトルク減衰器に対して行う振動体１２あるいは振動体１２ａの仕事率を計測することにより、エネルギー取得率ηの算出に用いる、振動体１２あるいは振動体１２ａの最大の仕事率を取得した。
振動体１２及び振動体１２ａは、いずれも塩化ビニル管を用いて構成した。
図１０に示す結果から、図１に示す振動体１２では、エネルギー取得率ηが最大で７６％に達し、流体の流れによる運動エネルギーの７６％を振動体１２の振動によって取り出すことができることを示す。一方、図１１に示す振動体１２ａを用いた場合、エネルギー取得率ηが最大で５５％である。すなわち、流体の流れによる運動エネルギーの５５％を振動体１２ａの振動によって取り出すことができることを示す。このように、本実施形態及び変形例の振動体１２あるいは振動体１２ａのエネルギー取得率ηは５０％を越え、流体の運動エネルギーから、振動体の振動によって有効にエネルギーを取り出すことができるのがわかる。特に、図１に示す振動体１２のエネルギー取得率ηは７０％を越え、高い値を有する。図１２に示すように、流れ場Ｆ内に円柱形状の振動体１００を水平方向に配置し、振動体１００の両端をバネ等の弾性部材１０２で支持した振動体の形態では、カルマン渦励振を発生させたときのエネルギー取得率ηは最大でも３７％であった。これより、本実施形態及び変形例におけるエネルギー取得率ηは従来の形態に比べて高いことがわかる。したがって、本実施形態及び変形例において、振動体の振動により生成される電力を、簡単な構成で効率よく得ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態の発電機は、第１実施形態と同様に、液面を有する液体の流れ場に設けられる発電機である。発電機は、柱状の振動体と発電部を有する。
振動体は、振動体の一方の端で流体の流れ方向に平行な軸に軸支されている。すなわち、振動体は液体中で、振動体の上端側で軸支されている。振動体は、液体の流れ場において、軸の周りに自励振動により往復運動する。発電部は、振動体の往復振動に応じて電気エネルギーを生成する。
当該構成により、第２実施形態の発電機は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する従来の発電機に用いられる弾性部材を設ける必要がない。このため、第２実施形態の発電機は、流体の流れによって生じる振動体の振動により生成される電気エネルギーを、簡単な構成で得ることができる。また、第２実施形態の発電機は、弾性部材を用いていないため、弾性部材を用いた場合と比較して耐久性に優れている。

図１３は、第２実施形態の発電機１０の概略構成図である。
発電機５０は、振動体５２と支持部５４と一対のフロート５３と発電部５６とを有し、流れ場Ｆを有する液体内または液体表面上に設けられている。振動体５２は、液体の流れ方向（図１中では流れ場Ｆの矢印方向）に直交する方向に延びる柱状に形成される。振動体の比重は、液体の比重よりも大きくても小さくてもよい。しかし、振動体が流れ場Ｆ内で振動しやすくするためには、振動体の比重は液体の比重より小さいことが好ましい。また、振動体５２は、液体の流れ場Ｆ内に位置することによって、鉛直方向上端側が流れ場Ｆにおいて流体の流れ方向に平行な支持部５４に軸支されて第１の実施形態と同様に、往復振動する。この往復振動は、流れ場Ｆ内に振動体５２を位置することによって発生するカルマン渦励振によりなされる。一対のフロート５３のそれぞれは、フロート本体５３ａと一対の腕部５３ｂとを有する。腕部５３ｂは、支持部５４の軸の軸方向に対して直交する方向に２方向に延びている。具体的には、一対の腕部５３ｂは、支持部５４の軸の軸方向に対して直交する方向であって、振動体５２を液面上方からみたとき支持部５４の軸を境にして両側の方向に軸から延びている。図１３では、振動体５２が鉛直方向下方に向いて配置されるとき、腕部５３ｂは、Ｙ字形状を成すように、左右対称の方向に延びている。フロート体５３ａは、腕部５３の先端に設けられ、支持部５４の軸を中心とした円周状に延びる三日月形状を成している。フロート体５３ａの比重は、液体の比重より軽い。
このため、上記自励振動による振動体５２の往復運動時、一対のフロート本体５３ａのうち一方のフロート本体５３ａが他方のフロート本体５３ａに比べて、液体中に多く浸ることで復元力が発生するように、腕部５３ｂおよびフロート本体５３ａが設けられている。すなわち、フロート５３ａ，５３ｂを有するフロート５３は復元力生成部として機能する。具体的には、腕部５３ｂとフロート本体５３ａの接続位置、フロート本体５３ａの長さ、腕部５３ｂの延在方向、腕部５３ｂの長さが、上記復元力が好ましく発生するように設定されている。

ここで、振動体５２は、流体が水の場合、例えば塩化ビニル、繊維強化プラスチック、鋼材等で構成されることが好ましい。振動体５２は、円柱体であるが、必ずしも円柱体でなくてもよく、三角柱、矩形柱、多角柱等の柱状体等であってもよい。なお、流体（例えば水）の流速が１〜５ｍ／秒の流れ場Ｆ内に円柱状の振動体１２を配置した場合にカルマン渦励振を発生させるためには、例えば、レイノルズ数が１０^５〜１０^７の範囲内となるように、直径が１００〜３０００ｍｍの振動体５２を用いることが好ましい。また、振動体５２の長さは、例えば、５０〜２０００ｃｍとすることが好ましい。

支持部５４は、流体の流れ方向に平行に延びるとともに、振動体５２の鉛直方向上端側の部分を回動可能に軸支する。また、振動体５２にはフロート本体５３ａが接続されている。このため、振動体５２の往復運動中、両側のフロート本体５３ａの液体中に浸る体積が異なり、浮力に差分が生じることにより往復運動に復元力を与える。したがって、振動体５２がこの復元力により振動システムをつくる。このため、上記カルマン渦による自励振動の周波数と振動体５２と復元力による振動システムの周波数とを一致させることにより、共振を発生させ、大きな往復運動を実現することができる。振動システムでは、腕部５３ｂの支持部５４の軸からフロート本体５３までの長さによって振動の周波数が変化するため、腕部５３ｂには、支持部５４の軸からフロート本体５３までの長さが自在に調整できる調整機構５３ｃが設けられていることが好ましい。例えば、図示されない測定・制御装置が、振動体５２のカルマン渦により自励振動する周波数を計測し、この周波数に応じて、調整機構５３ｃを通して腕部５３ｂの長さを伸縮自在に調整する。振動体５２の自励振動の周波数は、例えば流れ場Ｆの流速によって変化する。このため、計測した周波数に応じて、腕部５３ｂの長さを調整することは、流れ場Ｆから電気エネルギーを最適に取り出すために好適である。

発電部５６は、例えば、永久磁石等の磁場発生器５６ａと、コイル等の導電体５６ｂとを含む。磁場発生器５６ａは、振動体５２の鉛直方向下端側の先端に取付けられて振動体５２とともに運動する。一方、導電体５６ｂは、振動体５２の振動経路に沿って間隔をおいて設けられ、振動体５２とともに運動する磁場発生器５６ａと間隔をおいて互いに対向するように配置されている。この発電部５６では、振動体５２の振動が、導電体５６ｂと磁場発生器５６ａの印加磁場との間に相対的な運動を引き起こし、その結果、導電体５６ｂに印加される磁場の強さに変化を与え、この導電体５６ｂに印加される磁場の強さの変化によって電磁誘導を誘発し、導電体５６ｂを流れる誘導電流を引き起こす。これにより、電気エネルギーが生成される。
この場合、振動体５２の振動エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換することができるので、電気エネルギーへの変換が間接的に行われる場合と比較して、例えば、振動体５２に接続された発電用モータを、振動体５２の振動エネルギーによって回転させることにより発電する場合と比較して、振動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を向上させることができる。

図１３に示す形態は、磁場発生器５６ａを振動体５２に設け、導電体５６ｂを液体中に設ける形態であるが、磁場発生器５６ａを液体中に設け、導電体５６ｂを振動体５２に設ける形態を用いることもできる。
また、第２実施形態では、第１実施形態で用いる振動制御体２０（図４Ａ〜図４Ｄ参照）を振動体５２の上流側あるいは下流側に配置してもよい。

さらに、第２実施形態では、第１実施形態と同様に、発電部５６は、磁場発生器５６ａ及び導電体５６ｂを組み合わせて、振動体５２から直接電気エネルギーを取得する形態であるが、発電部５６は、これ以外の形態を用いることもできる。図１４に示すように、振動体５２で得られた支持部５４の軸周りの往復回転運動を、回転／並進変換機構６０を用いて並進往復運動に変換し、この往復運動を、油圧システム６２を用いて離間した位置に伝達し、さらに、並進往復運動を、並進／回転変換機構６４を用いて回転運動に変換し、この回転運動を、タービン／発電部６６を通してタービンを回転させて発電部で電気エネルギーに変換することもできる。このような発電形態は、第１実施形態の発電機１０にも適用することができる。回転／並進変換機構６０及び並進／回転変換機構６４は、カムシャフト機構等を用いることができる。

このように、第２実施形態の発電機は、振動体５２を振動させるための弾性部材を設ける必要がないので、結果として、製造コストを低減することができる。また、第２実施形態の発電機は、弾性部材を用いていないため、弾性部材を用いた場合と比較して耐久性に優れている。

以上、本発明の発電機について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態および変形例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１０，５０ 発電機
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，５２ 振動体
１３ａ 直線
１３ｂ 凸部
１４，５４ 支持部
１６，５６ 発電部
１６ａ，５６ａ 磁場発生器
１６ｂ，５６ｂ 導電体
１８ 剥離流れ
２０ 振動制御体
２２ 調整部
２４ 移動機構
２６ 制御部
２８ 流速計
５３ フロート
５３ａ フロート本体
５３ｂ 腕部
５３ｃ 調整機構
５３ｄ 復元力生成部
６０ 回転／並進変換機構
６２ 油圧システム
６４ 並進／回転変換機構
６６ タービン／発電部

Claims (13)

1. 流体の流れ場に設けられる発電機であって、
   前記流体の流れ方向に平行な支持部と、
   前記流体の流れ方向に直交する方向に伸びる柱状に形成され、一方の端部が前記支持部に軸支されて自励振動により前記支持部の軸を中心として往復運動する振動体と、
   前記振動体の往復振動に応じて電気エネルギーを生成する発電部と、を有する、
   ことを特徴とする発電機。
2. 前記振動体は、流体の比重よりも小さい比重を有し、且つ、前記支持部に軸支される前記振動体の位置は、鉛直方向下端側である、請求項１に記載の発電機。
3. 前記振動体を第１振動体というとき、前記流体の流れ方向の上流側あるいは下流側に、前記流体の比重よりも小さい比重を有し、且つ、鉛直方向下端側が前記流体の流れ場において前記流体の流れ方向に平行な支持部に軸支されて往復振動する柱状の第２振動体を有し、
   前記支持部は第１振動体及び前記第２振動体を共通に軸支する、請求項２に記載の発電機。
4. 流体の流れ場に設けられる発電機であって、
   前記流体の流れ方向に平行な支持部と、
   柱状の振動体であって、流体の比重よりも小さい比重を有し、かつ、鉛直方向下端側が前記流体の流れ場において前記支持部に軸支されて前記支持部の軸周りに自励振動により往復運動する第１振動体と、
   前記第１振動体に対して、前記流体の流れ方向の上流側あるいは下流側に、前記流体の比重よりも小さい比重を有し、且つ、鉛直方向下端側が前記流体の流れ場において前記支持部に軸支されて前記支持部の軸周りに往復振動する柱状の第２振動体と、
   前記第１振動体及び前記第２振動体の往復振動に応じて電気エネルギーを生成する発電部と、
   前記第１振動体の位置及び前記第２振動体の位置の少なくとも一方を移動させることにより、前記第１振動体及び前記第２振動体の軸間距離を流体の流速に応じて調整する制御部を有する、発電機。
5. 前記振動体の往復振動を制御する振動制御体を有し、
   前記振動制御体は、前記流れ場において、前記振動体の上流側及び下流側の少なくとも一方に前記振動体に離間して配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電機。
6. 流体の流れ場に設けられる発電機であって、
   前記流体の流れ方向に平行な支持部と、
   柱状の振動体であって、一方の端部が前記流体の流れ場において前記支持部に軸支されて前記支持部の軸周りに自励振動により往復運動する振動体と、
   前記振動体の往復振動に応じて電気エネルギーを生成する発電部と、
   前記流れ場において、前記振動体の上流側及び下流側の少なくとも一方に前記振動体に離間して配置され、前記振動体の往復振動を制御する振動制御体と、
   前記振動体の位置と前記振動制御体の位置の少なくとも一方を移動させることにより、前記振動体と前記振動制御体との軸間距離を流体の流速に応じて調整する制御部を有する、発電機。
7. 前記振動体の固有振動数を調整するための調整部を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発電機。
8. 前記発電部は、前記振動体の振動経路に沿って設けられた導電体と、前記振動体に取付けられるとともに前記導電体に磁場を印加する磁場発生器とを互いに対向するように有し、前記磁場発生器から前記導電体に印加される磁場が前記振動体の往復振動によって変化することにより、電気エネルギーを生成する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発電機。
9. 前記発電部は、前記振動体に取付けられた導電体と、前記振動体の振動経路に沿って設けられるとともに前記導電体に磁場を印加する磁場発生器とを互いに対向するように有し、前記磁場発生器から前記導電体に印加される磁場が前記振動体の往復振動によって変化することにより、電気エネルギーを生成する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発電機。
10. 前記流体は液面を有する液体であり、
    前記支持部に軸支される前記振動体の位置は、鉛直方向上端側にあり、
    さらに、前記往復運動に復元力を与える、前記振動体と接続した復元力生成部を有する、請求項１に記載の発電機。
11. 前記復元力生成部は、前記振動体を液体の液面に浮上させるフロートである、請求項１０に記載の発電機。
12. 液面を有する液体である流体の流れ場に設けられる発電機であって、
    前記流体の流れ方向に平行な支持部と、
    柱状の振動体であって、鉛直方向上端側が前記流体の流れ場において前記支持部に軸支されて前記支持部の軸周りに自励振動により往復運動する振動体と、
    前記振動体と接続され、前記振動体を液体の液面に浮上させることで前記往復運動に復元力を与えるフロートと、
    前記振動体の往復振動に応じて電気エネルギーを生成する発電部と、を備え、
    前記フロートは、前記支持部の軸方向に対して直交する方向であって、前記振動体を液面上方からみたとき前記軸を境にして両側の方向に延びた一対の腕部と、前記腕部の先端のそれぞれに設けられ、前記液体の比重に比べて比重が小さい一対のフロート本体と、を含み、
    前記往復運動時、前記一対のフロート本体のうち一方のフロート本体が他方のフロート本体に比べて、液体中に多く浸ることで前記復元力が発生するように、前記腕部および前記フロート本体が設けられている、請求項１１に記載の発電機。
13. 前記腕部の長さを調整する調整機構が設けられている、請求項１２に記載の発電機。

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