JP6315260B2 - 振動発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動発電装置に関する。

従来、ＴＭＤ（Tuned Mass Damper）と称する制振装置を建物の頂部側（屋上など）に設置し、建物の地震時応答を低減させることが提案、実用化されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

このＴＭＤは、例えば、付帯フレームに振り子（錘体（重錘））を取り付け、錘体が往復振動する１自由度振動系として構成されている。そして、建物の１次固有周期と同調させて、建物の振動と逆方向に錘体を振動させることにより、すなわち、錘体が振動することによる慣性抵抗力（慣性質量効果）を利用することにより、建物に作用した地震エネルギーを減衰させ、建物の応答を低減させることができる。

一方、非特許文献１には、ＴＭＤの錘体等、建物内外で発生する小さな振動を振動増幅器で増幅させることにより、振動発電機の発電量を増加させるシステム（振動発電装置）が開示されている。

特開２０００−１８３２３号公報 特開２０１１−２２０５１１号公報

株式会社竹中工務店：２０１０年９月１６日，株式会社竹中工務店ホームページリリース，「http://www.takenaka.co.jp/news/2010/09/02/index.html」

しかしながら、上記の振動発電装置は、微振動を対象としたもので、効率的な発電が行える振動数が２５〜３０Ｈｚである。すなわち、広範の振動数帯域の振動エネルギーを効果的に利用して発電することができないという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、未利用エネルギーの振動エネルギーを利用して、より効果的且つ効率的に発電を行うことを可能にする振動発電装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の振動発電装置は、振動する構造物に連結して設けられ、該構造物が変位すると錘が回転して回転慣性質量効果を発生させる回転慣性質量機構と、前記回転慣性質量機構に連結して設けられ、前記回転慣性質量機構の回転によって駆動して発電する発電機構と、前記回転慣性質量機構及び前記発電機構に直列に連結された付加ばねとを備え、前記回転慣性質量機構と前記付加ばねとにより定まる振動数を前記構造物の卓越する振動数に同調させ、前記回転慣性質量機構で構造物の振動を低減させるとともに前記発電機構で発電するように構成されていることを特徴とする。

また、本発明の振動発電装置においては、前記発電機構に、下記の式（１）で定められる負荷抵抗が接続されていることが望ましい。

ここで、Ｒ：回路抵抗、Ｌ_ｄ：ボールねじのリード、Ｋ_Ｅ：起電力定数、Ｋ_Ｔ：トルク係数、ｍ：構造物の質量、ｋ：構造ばね（剛性）、μ：慣性質量と構造物の質量の比（Ψ／ｍ）である。

本発明の振動発電装置においては、構造物に接続して設置することにより、構造物から伝わる振動エネルギーを回転慣性質量機構で回転運動エネルギーに変換し、発電機構で発電することが可能になる。

また、付加ばねを備えることで構造物に同調させることができ、これにより、構造物の振幅より発電装置の振幅を増幅させ、発電効率を高めることが可能になる。

さらに、比較的簡易な装置構成で、微振動だけでなく大振幅の振動にも適用できる。また、低振動数での同調効果も得られ、発電効率に優れ、信頼性が高い振動発電装置を安価に製造することができる。さらに、構造物に加わる振動を電気エネルギーに変換できるので、建物などの構造物に作用する振動エネルギーによって発電しつつ、構造物の振動を低減（構造物に作用する振動エネルギーを減衰）させることができる。

本発明の一実施形態に係る振動発電装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係る振動発電装置のモデル図である。 本発明の一実施形態に係る振動発電装置のモデル図である。 本発明の一実施形態に係る振動発電装置の慣性質量比と発生電力の関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る振動発電装置の慣性質量比と変位応答倍率の関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る振動発電装置の慣性質量比と減衰係数比の関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る振動発電装置の慣性質量比と吸収エネルギー比の関係を示す図である。

以下、図１から図７を参照し、本発明の一実施形態に係る振動発電装置について説明する。

本実施形態の振動発電装置Ａは、図１に示すように、回転慣性質量機構（回転慣性質量）１と発電モーターの発電機構２を一体化して構成されている。さらに、本実施形態では、図２に示すように、回転慣性質量機構１及び発電機構２と、付加ばね３とを直列に接続して振動発電装置Ａが構成されている。

具体的に、本実施形態の振動発電装置Ａの回転慣性質量機構１は、図１に示すように、ボールねじ機構（ボールねじ４と、ボールねじ４に螺合したボールナット５を主な構成要素とした機構）等により軸方向Ｏ１変位を回転に変換し、錘６を回転させることにより錘の数千倍もの大きな慣性質量効果を発生させるように構成されている。

さらに、本実施形態の振動発電装置Ａは、ボールねじ４に回転軸を接続し、回転慣性質量機構１の回転で回転軸が回転するように発電機構２が回転慣性質量機構１に一体に連結されている。これにより、軸方向Ｏ１変位に比例して発電機構２が回転するように構成されている。

そして、本実施形態の振動発電装置Ａは、回転慣性質量機構１の一端部（軸受け７を固着した一端部側）８を発電機構２に連結し、他端部（ボールナット５を固着した他端部側）９を構造物（振動する構造物）１０に連結し、回転慣性質量機構１の一端部８側と他端部９側を回転拘束した状態で設置される。これにより、構造物１０に振動が生じると、この振動で軸方向Ｏ１変位が生じて回転慣性質量機構１が回転し、回転慣性質量機構１が回転するとともに発電機構２が駆動して発電する。

よって、この振動発電装置Ａを構造物１０に接続して設置することにより、構造物１０から伝わる振動エネルギーを回転慣性質量機構１で増幅させ、この未利用エネルギーである振動エネルギーで発電モーターの発電機構２を回転させ、発電することが可能になる。
また、回転慣性質量機構１を回転慣性質量ダンパーとして扱う場合には、発電機構２の回転抵抗力を回転慣性質量ダンパーの減衰として利用することができる。

ここで、発電機構２の起電力Ｅは、変位ｘ、回転量θ＝２πｘ／Ｌ_ｄ、起電力定数Ｋ_Ｅ（単位：Ｖ・ｓ／ｒａｄ）とすると、次の式（２）で表される。

また、負荷回路の電流Ｉは、回路抵抗をＲとするとＩ＝Ｅ／Ｒとなり、加振機（回転慣性質量機構１）の抵抗Ｆは、この電流による発電機構２のトルク係数Ｋ_Ｔ（単位：Ｎ・ｍ／Ａ）と錘６の回転慣性モーメントＩ_θを用い、次の式（３）で表される。

一方、防災用の手回し発電機や自転車用のダイナモ発電機などのように、コイル（発電機構）に抵抗（負荷として照明ランプ等）を接続したものは既知であり、ランプを点灯した際に回転抵抗が増す（重くなる）。そして、この原理によって減衰力を発揮する装置が例えば「砂子田、大竹、松岡：発電式振動抑制装置の研究、日本機械学会論文集、２００５年８月」に示され、且つ速度に比例した減衰力が発揮されることが示されている。

上記のことから、発電機構２と回転慣性質量機構１を一体化してなる本実施形態の振動発電装置Ａは、発電機構２によって回転慣性質量機構１の両端の相対速度ｘ（上に・）に比例した減衰力と、相対加速度ｘ（上に・・）に比例した抵抗力を有する。そして、次の式（４）、式（５）の関係を満たす場合、減衰係数ｃと慣性力Ψを並列にした振動発電装置Ａとして構成されることになる。

さらに具体的に、発電機構２及び回転慣性質量機構１と、付加ばね３とを直列にした本実施形態の振動発電装置Ａを、図２及び図３（ｂ）に示すように、構造物１０に接続し、構造ばね（剛性）ｋと並列に配置した場合について説明する。この場合には、発電機構２の回転と錘６の回転が同じ（または増速比β倍）であり、発電機構２と回転慣性質量機構１は並列となり、振動モデル上で、この振動発電装置Ａは、式（４）と式（５）の減衰係数ｃと回転慣性質量Ψを並列配したものと等価になる。

なお、上記のモデルにおいて、回転慣性質量機構１によって制振効果を発揮させる場合には、各諸元の最適値を、「斉藤健二、栗田哲、井上範夫：慣性接続要素を利用した線形粘性ダンパーによる一質点構造の最適応答制御とＫｅｌｖｉｎモデル化手法に関する考察，構造工学論文集，Ｖｏｌ．５３Ｂ，ｐｐ．５３−６６，２００７年３月」を参考に、次のように設定すればよい。

まず、慣性質量Ψは、回転錘６の回転慣性モーメントＩ_θとボールねじ４のリード（ねじ山間隔）Ｌ_ｄより、式（６）で求められる。

構造物１０の質量ｍとの比をμ＝Ψ／ｍ、構造剛性をｋとすると、付加ばね３の最適値ｋ_ｄは式（７）、慣性質量Ψに並列する減衰の最適値ｃは式（８）となる。

次に、式（６）、式（７）、式（８）と、式（４）から、発電機構２に接続する最適負荷抵抗（インピーダンス）Ｒは式（９）となる。

そして、このように構成すると、構造物１０の固有振動数近傍では構造物１０の振幅よりも振動発電装置Ａの振幅の方が同調効果によって大きくなる。このため、振幅を拡大した箇所に発電機構２を設けることで、発電効率を向上させることができる。また、発電機構２への負荷抵抗が同じであれば、発電機構２の振幅（速度振幅）がｎ倍になると、発電機構２に生じる電圧（起電力）も電流もｎ倍になるため、発電機構２で生じる電力がｎ^２倍となる。この発電した電力を構造物１０の照明１１に利用したり、蓄電して他の電力（買電、太陽光発電、風力発電等）と組み合わせたりすることができる。

より詳しく説明すると、次のようになる。
図２に示したモデルにおいて、発電機構２で生じる電力は以下のように求めることができる。

下記の式（１０）に示すように、構造物１０に作用する加振力ｆを角振動数ωの正弦波とする。

ここで、ｉ＝√（−１）、ｔは時間である。また、構造物１０の固有角振動数をω_０＝√（ｋ／ｍ）とし、構造減衰は無視する。

そして、式（６）から式（９）で示した最適設計では、同調時に振動数伝達関数の最大値を最小化するように最適化しており、２つの極大値のうち大きい方の角振動数をω_Ｑ、構造物１０の固有角振動数ω_０に対する比ν_Ｑをν_Ｑ＝ω_Ｑ／ω_０、付加ばねｋ_ｄと慣性質量Ψとによる固有角振動数ω_ｄ＝√（ｋ_ｄ／Ψ）のω_０に対する比γをγ＝ω_ｄ／ω_０とすると、構造物１０の振幅Ｘに対する振動発電装置Ａの振幅Ｘ_ｄは次の式（１１）で表される。

ここで、ｈ_ｄは慣性質量Ψに並列する減衰係数の最適値ｃから慣性質量比μ＝Ψ／ｍ（最適値に対しμ＝（γ^２−１）／γ^２）を用い、次の式（１２）で定められる。

また、最適値の算定からν_Ｑは次の式（１３）となる。

そして、これら式（１２）、式（１３）を式（１１）に代入すると、式（１４）となる。

｜Ｘ_ｄ／Ｘ｜は振動発電装置Ａの変位と構造物１０の変位の比であるため、発電機構２を振動発電装置Ａに具備した場合（図３（ｂ）：減衰係数ｃ＋慣性質量Ψ（＋付加ばねｋｄ）の場合）と、発電機構２を構造物１０と固定端の間に設けた場合（図３（ａ）：減衰係数ｃのみの場合）の起電力（電圧）の比であり、負荷抵抗が同じなら電流の比と同じになる。また、発電機構２で生じる電力は「起電力（電圧）×電流となり、｜Ｘ_ｄ／Ｘ｜^２は発電機構２を振動発電装置Ａに具備した場合と、構造物１０と固定端の間に設けた場合の電力の比とみなせる。

最適値に対してγ^２＝１／（１−μ）の関係を式（１４）に代入すると、慣性質量比μと発生電力Ｅ（発電機構２を構造物１０と固定端の間に設けた場合の電力との比較）の関係は図４となる。
すなわち、慣性質量比が小さいほど電力増幅率が高く、上記の式（８）から減衰係数ｃが小さくなるので発生電力は小さいが、効率よく発電できることが分かる。

一方、加振力に対する構造物１０の振動についても考慮する必要がある。構造物１０の変位振幅Ｘは加振力に対する静的変位（ｆ_０／ｋ）に対する応答倍率で求まり、次の式（１５）で表される。
そして、この式（１５）の関係を図示すると、図５となる。

ここで、例えば、「発電機構２と回転慣性質量機構１を一体化した振動発電装置Ａ」において、慣性質量Ψを構造物１０の５％に設定した場合（μ＝０．０５）、構造物１０の変位応答は「加振力ｆ_０を構造剛性ｋに作用させたときの静的変位」の６倍となり、このときの発電機構２の電力は構造物１０と固定端との間に設けた場合の１２．５倍となる。

また、慣性質量Ψを構造物１０の１５％に設定した場合（μ＝０．１５）、構造物１０の変位応答倍率はこの半分の３倍に低減し、応答抑制効果が向上するが、このときの発電機構２の電力は構造物１０と固定端との間に設けた場合の５倍となり、増幅効率が低下する。
但し、増幅率は常に１より大きいので発電機構２を回転慣性質量機構１に一体化するだけで、他の場所に設置するよりはるかに発電効率を高めることができると言える。

一方、構造物１０と固定端との間に発電機構２を設け、変位応答倍率を最小化する最適減衰となるように負荷抵抗を設けた場合には、発電機構２に負荷抵抗を付加した機構による等価減衰定数をｈ_１とすると、最大変位応答倍率は次の式（１６）で表される。

ここで、ｈ_１は振動発電装置Ａの減衰係数をｃ_１としたとき、ｈ_１＝ｃ_１／（２ｍω_０）で表される。

次に、式（１５）、式（１６）より、応答倍率を揃えると、次の式（１７）、式（１８）、式（１９）のようになる。

したがって、構造物１０と固定端との間に発電機構２を設けた場合の吸収エネルギーに対する本実施形態の振動発電装置Ａの場合の吸収エネルギーの比率Ｒ（発電する電力の比率と同じ）は、式（８）より、次の式（２０）で表される。

そして、式（２０）の関係を図示すると、図６及び図７となる。
これにより、例えば、回転慣性質量機構１と発電機構２を一体に備えた振動発電装置Ａにおいては、慣性質量Ψを構造物１０の５％にした場合（μ＝０．０５）、構造物１０と固定端との間に設けて変位応答を同じにする場合の０．１倍の減衰係数で、１．０７倍の吸収エネルギー、すなわち１．０７倍の発電電力を得ることができる。

また、慣性質量Ψを構造物１０の１５％に設定した場合（μ＝０．１５）、同じく０．２５倍の減衰係数で１．２５倍の吸収エネルギー／発電電力を得ることができる。

このように、本実施形態の振動発電装置Ａにおいては、減衰係数をα_ｃ倍に低減しても従来以上の電力が得られる。これは、式（４）、式（５）の起電力定数Ｋ_Ｅやトルク係数Ｋ_Ｔが小さくて済むことを意味しており、これにより、本実施形態の振動発電装置Ａにおいては、小型で安価な発電機（発電機構２）で効率よく大きな電力を得ることができる。
なお、図６及び図７より、μ≧０．２５ならＲ＞１となり、本実施形態の振動発電装置Ａの方がより多くの電力が得られることが分かるが、これは回転慣性質量機構１と付加ばね３を直列して同調型にすることで共振時に両者を逆位相にし、回転慣性質量機構１と一体化した発電機構２の振幅を拡大することによる。

よって、本実施形態の振動発電装置Ａにおいては、回転慣性質量機構１と発電機構２を一体化して構成することで、また、付加ばね３を設けて構造物１０に同調させるように構成することで、発電機構２の振幅を拡大して従来よりも優れた発電効率を達成することができる。

したがって、本実施形態の振動発電装置Ａにおいては、構造物１０に接続して設置することにより、構造物１０から伝わる振動エネルギーを回転慣性質量機構１で回転運動エネルギーに変換して発電機構２を回転させ、発電することが可能になる。

また、付加ばね３を備えることで構造物１０に同調させることができ、これにより、構造物１０の振幅より発電機構２の振幅を増幅させ、発電効率を高めることが可能になる。

さらに、比較的簡易な装置構成で、微振動だけでなく大振幅の振動にも適用できる。また、回転慣性質量機構１に対する１０Ｈｚ以下の低振動数での同調効果も確認されており、信頼性が高い振動発電装置Ａを安価に製造することができる。さらに、構造物１０に加わる振動を電気エネルギーに変換できるので、建物などの構造物１０に作用する振動エネルギーによって発電しつつ、構造物１０の振動を低減（構造物１０に作用する振動エネルギーを減衰）させることができる。

以上、本発明に係る振動発電装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態の振動発電装置Ａは、例えば、特許第５１４６７５７号公報の慣性質量ダンパーと置き換えるようにして用いてもよい。すなわち、大スパン構造物のＨ形梁の両端から張弦梁のように斜材を設け、その中央に回転慣性質量機構１及び発電機構２を接合して振動発電装置Ａを構成してもよい。この場合には、斜材が付加ばね３に相当し、その鉛直剛性をｋ_ｄで評価する。また、この振動発電装置Ａ（回転慣性質量機構１及び発電機構２）は慣性質量Ψと減衰係数ｃを並列にもち、この減衰係数ｃを発電機構２による抵抗力で評価する。

また、本実施形態の振動発電装置Ａは、橋梁等に設置し、交通振動、歩行振動、風荷重による振動等の未利用エネルギー（振動エネルギー）を利用して効率的な発電を行うように用いられてもよい。

１ 回転慣性質量機構（回転慣性質量）
２ 発電機構
３ 付加ばね
４ ボールねじ
５ ボールナット
６ 回転錘
７ 軸受け
８ 一端部
９ 他端部
１０ 構造物
１１ 照明
Ａ 振動発電装置
Ｏ１ 軸方向

Claims (2)

1. 振動する構造物に連結して設けられ、該構造物が変位すると錘が回転して回転慣性質量効果を発生させる回転慣性質量機構と、
   前記回転慣性質量機構に連結して設けられ、前記回転慣性質量機構の回転によって駆動して発電する発電機構と、
   前記回転慣性質量機構及び前記発電機構に直列に連結された付加ばねとを備え、
   前記回転慣性質量機構と前記付加ばねとにより定まる振動数を前記構造物の卓越する振動数に同調させ、前記回転慣性質量機構で構造物の振動を低減させるとともに前記発電機構で発電するように構成されていることを特徴とする振動発電装置。
2. 請求項１記載の振動発電装置において、
   前記発電機構に、下記の式（１）で定められる負荷抵抗が接続されていることを特徴とする振動発電装置。
   

   

   ここで、Ｒ：回路抵抗、Ｌ_ｄ：ボールねじのリード、Ｋ_Ｅ：起電力定数、Ｋ_Ｔ：トルク係数、ｍ：構造物の質量、ｋ：構造ばね（剛性）、μ：慣性質量と構造物の質量の比（Ψ／ｍ）である。

Images