JP6099240B2 - 複数の振動子を備えたエネルギー変換装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
流体振動を用いたエネルギー変換装置を用いた水力・風力発電装置により多くの発電量を得ることを目的として、複数の振動子を用いるものが提案されている(例えば、特許文献1、2)。
非特許文献2には、ウェイクギャロッピングを原理として用いるエネルギー回収方法において、上流側円柱と下流側円柱との距離を変化させた場合の影響が記載されている。
また、非特許文献1に記載のフィードバック制御機構には、上流側円柱を加振するために制御エネルギーを消費するという問題がある。そして、この構成では、上流側円柱の加振にエネルギーを要し、また、フィードバック制御を行うため構造が複雑になるという問題もある。
本発明の複数の振動子を備えたエネルギー変換装置は、前記固定子と前記固定子に隣接して設けられている振動子との固定子振動子間距離および隣接する振動子間の振動子間距離が、前記振動子が単数の場合に振幅が最大となる最大振幅距離以下である構成とすることが好ましい。この構成によれば、複数の振動子を相互に作用させて、単数の場合には振動子が振動しない風力の領域において、複数の振動子を同時に振動させることができる。
図1は本実施形態に係る発電機の概略構成を模式的に示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態のエネルギー変換装置10は、固定子1と3つの振動子2を有しており、振動子2が変位可能な状態で引張バネ(弾性体)3に支持されて、固定子1の下流側に複数設けられている。この構成によれば、その上流側の固定子1側から風や水などの流れを受けることによりウェイクギャロッピング等の発散振動が生じて、3つの振動子2を同時に激しく振動させることができる。このため、風のエネルギーをより多く獲得して、エネルギー変換装置10により効率の良いエネルギー変換を実現することが可能になる。
固定子1はその下流側にその表面から剥離した空気の流れである剥離せん断層を形成し、変動流を生じさせるものである。固定子1の形状は限定されるものではないが、例えば、断面形状が円形である円柱や、断面形状が多角形の角柱などを用いることができる。固定子1として円柱を用いることにより、例えば、エネルギー変換装置10を空気の通路であるダクトや水路に設けた場合に、空気や水の流れの抵抗を抑えることができる。また、固定子1として角柱を用いた場合、その表面から空気が剥離する位置の変化を抑制して変動流を安定化することができる。
振動子2の形状としては、例えば、その伸長方向に垂直な切断面の断面形状が円形である円柱、断面形状が四角形、菱形、これ以外の多角形の角柱などを用いることができる。なお、振動子2は固定子1と同じ形状、大きさのものを用いてもよいが、これに限られるものではない。振動子2として円柱、角柱を用いた場合の効果は、固定子1について説明したものと同じである。
また、「振動子間距離」とは、隣接する振動子2の断面形状の中心の距離をいう。例えば、振動子2が円柱である場合、円柱を伸長方向に対して垂直に切断して得られる断面における中心間の距離が「振動子間距離」である。
上記断面の形状が点対称な形状でない場合、断面の重心間の距離が「固定子振動子間距離」、「振動子間距離」である。
エネルギー変換装置10では、引張バネ3の軸が振動子2の断面の重心を通る位置に引張バネ3を設ける必要がある。このため、隣接する振動子2を支持する引張バネ3の軸の距離が「振動子間距離」となる。
エネルギー変換装置10の形状を流れの方向に沿った細長いプロポーションとすることができるから、ダクトや水路など狭隘な場所に設置することが可能である。また、エネルギー変換装置10は、風向が変化する開けた空間に設置することもできる。この場合、エネルギー変換装置10は、固定子1と振動子2とが並んだ方向と風向とを一致させるための機構をも備える。このような機構として、例えば、風向計およびエネルギー変換装置10の向きを変化させるための駆動手段を用いることができる。
ここで、最大振幅距離は、固定子1と振動子2との固定子振動子間距離を段階的に変化させて振動の大きさを測定した結果によって特定する。例えば、固定子1および振動子2として同一形状の円柱を用いる場合、固定子振動子間距離が、固定子1および振動子2の円柱の直径dの整数倍になるように段階的に変化させて測定することにより、最大振幅距離を特定することができる。なお、固定子振動子間距離は直径の整数倍とする必要はなく、これら距離を適宜変化させて最大振幅距離を特定すればよい。
本実施形態のエネルギー変換装置10は、上述したように、固定子1の下流に設けられたウェイクギャロッピングする振動子2のさらに下流に引張バネ3によりフレーム4に支持された振動子2を配置することにより、複数の振動子2を振動させて風のエネルギーをより多く獲得することを可能とするものである。
具体的なエネルギー変換装置10の実施例として、固定子1および振動子2として円柱を用い、振動子2としての円柱を1本から3本までの範囲として、ウェイクギャロッピングによる複数の振動子2の振動を測定した。この実験の結果を以下に示す。
図3は、実験装置を説明する概略側面図である。同図に示すように、風洞20は正方形断面22.5cm×22.5cmの吹き出し口を有する開放型風洞であり、軸流ファン21で吸い込んだ風をハニカムで整流して吹き出す簡易なものを用いた。風路の吹き出し口22から1cm下流位置に中心軸を水平にして直径d=2cm、長さ30cmの固定子1としての木製円柱を固定して置き、さらにその下流に直径d=2cm、長さ30cm、質量113gの振動子2としてのアクリル製円柱を4つの引張バネ3で弾性支持させて3つ設置した。引張バネ3は、線径0.4mm、外径6.0mm、自由長90mmのものを用いた。
本実施例では、図2、図3に示したように、各振動子2を4つの引張バネ3により支持する構成を採用した。この結果、各振動子2は、気流直交方向(空気の流れ方向に直交する方向、鉛直方向)の並進振動に限定されることなく、気流直交方向(鉛直方向)の回転運動、気流方向(水平方向)の並進および回転振動も許容されている。表1にこれら4つの振動モードの固有振動数を示す。
表2に示すように、振動子2の本数が1本から3本の3通り、固定子振動子間距離D1ならびに振動子間距離D2およびD3が円柱直径dの2倍、3倍、4倍の3通りを組み合わせて、全部で9ケース(9通り)の実験を行った。それぞれのケースについて、風速U=1m/秒(s)〜13m/秒(s)の範囲で風速を1m/秒(s)ピッチで増加させ、各風速での振動が安定したときのビデオ画像から振動振幅と振動数を読み取った。なお円柱が水平振動する場合には、鉛直並進振動を促すため、手で鉛直並進振動を与えた後に手を離す操作をした。この操作により、安定的な鉛直並進運動とすることができた。
(参考例)
[後流内の振動円柱1本の場合]
通常のウェイクギャロッピングに相当するケースである。図4および表3に示すように、今回の実験では、上流にある固定子1と下流の振動子2との中心間距離(D1:固定子振動子間距離)が固定子1および振動子2の直径dの3倍(3d)および4倍(4d)の場合に大きな鉛直並進振動を生じた。振動数は表1に示した固有振動数fVTにほぼ一致している。固定子振動子間距離D1が2dの場合はあまり揺れず、風速を大きくしても鉛直回転モードの動揺がほぼ振動数fVRで生じる状況であった。
図4および表3に示すように、固定子1および振動子2を各1つずつ備えた構成では、風速10(m/秒)の風を当てたときに振動子2に生じる振動の振幅が最大となる最大振幅距離(Dfmax)は3dであった。
なお、図4では、白抜きマークは鉛直回転振動を示し、塗りつぶしマークは鉛直並進振動を示し、マークがないところはほぼ無振動の状態のため判別不能であったことを示している。
[後流内の振動円柱2本の場合]
固定子1の下流側の後流内に振動子2を2本配置した場合、図5(a)〜(c)および表4に示すように、D1およびD2を2dとした振動子2が最も大きな振幅で振動した。また、その振動の大きさは、上流側(固定子1側)の振動子2(2d−1/2)および下流側の振動子2(2d−2/2)のいずれも、振動子2を1本配置した場合(2d−1/1)の4〜5倍程度大きな振幅で振動し、これは振動子2を1本配置した場合に最も振幅の大きかった振動子2(3d−1/1)よりも大きなものであった。
なお、図5では、白抜きマークは鉛直回転振動を示し、塗りつぶしマークは鉛直並進振動を示し、マークがないところはほぼ無振動の状態のため判別不能であったことを示している。
固定子1の下流側の後流内に振動子2を3本配置した場合、図6(a)〜(c)および表5に示すように、D1、D2およびD3を2dとした振動子2が、3d、4dとした振動子2よりも大きな振幅で振動する結果となった。D1、D2およびD3が2dの場合は、固定子1にもっとも近い(隣接する)1本目の振動子2よりも2本目、3本目の振動子2の振動振幅の方が大きかった。
なお、図6(a)〜(c)では、白抜きマークは鉛直回転振動を示し、塗りつぶしマークは鉛直並進振動を示し、マークがないところはほぼ無振動の状態のため判別不能であったことを示している。
また、3d、4dのいずれの場合も2本目よりも3本目の振動子2の方がよく揺れる傾向にあった。これは、固定子1の下流側に設けた一本目の振動子2の振動が、2本目よりも3本目の振動子2の振動を増強する作用をしたことによるものと考える。
なお、図7(a)〜(c)では鉛直回転振動と鉛直並進振動とを区別していない。
なお、図8(a)〜(c)では鉛直回転振動と鉛直並進振動とを区別していない。
このように、固定子振動子間距離および振動子間距離を、最大振幅距離以下とし、かつ振動子2を3つ以上とすることにより、振動子2を単独で用いた場合には、振動子2の振動がほとんど生じない風速5m/s以下の領域でも、複数の振動子2を同時に振動させることができる。したがって、単独で用いた場合には振動運動に変換することが出来なかった風速を発電に利用することが可能となる。
2 振動子
3 引張バネ(弾性体)
10 エネルギー変換装置
Claims (10)
- 固定子と振動子とを有しており、
前記固定子が、上流側に固定されており、
前記振動子が、変位可能な状態で弾性体に支持され、前記固定子の下流側に複数設けられており、
前記固定子が前記上流側から下流側への風または水の流れを変動させることによって、前記複数の振動子を同時に振動させて、前記風または水の流れのエネルギーを前記複数の振動子の振動に変換し、当該振動を電気エネルギーに変換することを特徴とする複数の振動子を備えたエネルギー変換装置。 - 前記固定子と前記固定子に隣接して設けられている振動子との固定子振動子間距離および隣接する振動子間の振動子間距離が、前記振動子が単数の場合に振幅が最大となる最大振幅距離以下であることを特徴とする請求項1に記載の複数の振動子を備えたエネルギー変換装置。
- 前記固定子および前記振動子が同形状の円柱であり、
複数の前記振動子が、前記固定子振動子間距離で等間隔に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の複数の振動子を備えたエネルギー変換装置。 - 前記固定子および前記振動子が同形状の円柱であり、
前記円柱の断面円の直径をdとすると、前記固定子振動子間距離が3d以下であることを特徴とする請求項3に記載の複数の振動子を備えたエネルギー変換装置。 - 前記固定子および前記振動子が同形状の円柱であり、
前記円柱の断面円の直径をdとすると、前記固定子振動子間距離が2d以下であることを特徴とする請求項3に記載の複数の振動子を備えたエネルギー変換装置。 - 前記固定子および前記振動子が同形状の円柱であり、
前記円柱の断面円の直径をdとすると、前記固定子振動子間距離が2d以上3d以下の範囲内である請求項3に記載の複数の振動子を備えたエネルギー変換装置。 - 前記振動子の数が3以上である請求項4に記載の複数の振動子を備えたエネルギー変換装置。
- 前記振動子が棒状であり、前記各振動子がその両端付近の鉛直上方と鉛直下方の4箇所で前記弾性体により支持されていることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の複数の振動子を備えたエネルギー変換装置。
- 請求項1に記載の複数の振動子を備えたエネルギー変換装置の製造方法であって、
前記固定子の下流側に前記振動子を1つだけ配置した状態で、前記固定子と前記振動子との固定子振動子間距離を変化させて、流れにより生じる振動子の振幅を測定し、振幅を測定した前記固定子振動子間距離のうち、振幅が最大になる最大振幅距離を特定する最大振幅距離特定ステップと、
前記固定子振動子間距離および隣接する前記振動子間の振動子間距離を前記最大振幅距離の範囲内で変化させて、流れにより生じる振動子の振幅を測定し、複数の前記振動子の振幅を測定する振幅測定ステップと、
前記振幅測定ステップの測定結果に基づいて、前記固定子振動子間距離および前記振動子間距離を決定する振動子位置決めステップと
を備えていることを特徴とする複数の振動子を備えたエネルギー変換装置の製造方法。 - 前記振幅測定ステップにおいて、前記固定子振動子間距離と前記振動子間距離とが同じになるように変化させる請求項9に記載の複数の振動子を備えたエネルギー変換装置の製造方法。
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