(57)【要約】【課題】木を模した構造物を利用して分散する流体エネルギーから効率よく電気エネルギーを採取することができる発電システムを提供する。【解決手段】木の形状を模した振動体１１と、振動体１１の振動により発電する発電部１２とを備え、振動体１１は、木の幹に相当し可撓性を有する幹部２１と、木の枝に相当し幹部から派生して延びる、可撓性を有する複数の枝部２２，２３とを含み、幹部２１及び枝部２２，２３がそれぞれ異なる固有振動数を有しており、発電部１２は、幹部２１及び枝部２２，２３が流体の力を受けることによって振動体１１の全体に生じる振動により発電を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
木の形状を模した振動体と、
前記振動体の振動により発電する発電部とを備え、
前記振動体は、木の幹に相当し可撓性を有する幹部と、木の枝に相当し前記幹部から派生して延びる、可撓性を有する複数の枝部とを含み、
前記幹部及び前記枝部がそれぞれ異なる固有振動数を有しており、
前記発電部は、前記幹部及び前記枝部が流体の力を受けることによって前記振動体の全体に生じる振動により発電を行うことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記幹部は、前記流体の力を受けていない状態で当該幹部及び前記枝部の重量により湾曲している、請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記振動体は、流体の力を受けて湾曲している状態から当該力が解除されたときに、直立姿勢を通過して反対側に湾曲可能である、請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記振動体が、板面と交差する方向に湾曲可能な板材により形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項５】
前記発電部は、コイルと磁石とを有しており、前記振動体の振動により前記コイルと前記磁石の相対位置を変動させて誘導起電力を発生する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項６】
前記発電部は、前記幹部の振動を利用して発電を行う、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力や水力等の流体によるエネルギーを用いて発電を行う発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然界に存在するエネルギーを用いて発電を行うシステムが種々活用されている。例えば、風力エネルギーを回転エネルギーに変換して発電を行う風力発電は、地球温暖化の原因となりうる二酸化炭素の排出や石油等の地下資源の枯渇についての問題を解消し、環境への負担が少ない発電方法として注目されている。
ところが、上記のような風力発電は、装置の設置コストの割りに収益性が低いという課題がある。また、ある一定速度の風が定常的に吹いている状態では安定した発電を行えるものの、風向や風速が絶えず変動しているような状態では安定した出力を得ることができず、効率が悪化するという課題もある。
また、風力以外の他の自然エネルギーについてもランダムで一貫性のない（非周期的な）ものが多いため、当該自然エネルギーを用いた発電も風力発電と同様の課題が生じる傾向にある。
【０００３】
一方、風力エネルギーの非周期的な乱流や振動等から電気エネルギーを採取しようとする試みもなされている。例えば、風による木の動きを利用してエネルギーを採取しようとするものがある（非特許文献１，２参照）。また、木を模した構造物に風車を組み合わせて電気を生成する装置（特許文献１参照）や、当該構造物の枝に設けられた圧電トランスデューサによって電気を生成する装置（特許文献２参照）も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０２８９２６９号明細書
【特許文献２】国際公開第０１／３４９７６号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Scott McGarry and Chris Knight. "The potential for harvesting energy from the movement of trees", Sensors, 11:9275-9299, 2011.
【非特許文献２】Scott McGarry and Chris Knight. "Development and successful application of a tree movement energy harvesting device, to power a wireless sensor node." Sensors, 12:12110-12125, 2012.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記各特許文献及び各非特許文献に記載された技術は、風による葉や枝の動きから僅かな電力しか生成することができず、分散した周波数の風力エネルギーを効率よく集めて大きな電力を採取することは困難である。
そこで、本発明は、木を模した構造物を利用して分散する流体エネルギーから効率よく電気エネルギーを採取することができる発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る発電システムは、
木の形状を模した振動体と、
前記振動体の振動により発電する発電部とを備え、
前記振動体は、木の幹に相当し可撓性を有する幹部と、木の枝に相当し前記幹部から派生して延びる、可撓性を有する枝部とを含み、
前記幹部及び前記枝部のそれぞれが異なる固有振動数を有しており、
前記発電部は、前記幹部及び前記枝部が流体の力を受けることによって前記振動体の全体に生じる振動により発電を行うことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、振動体における幹部及び枝部が流体の力を受けることによって振動し、それぞれの振動を重畳させることによって振動体の全体を複数の固有振動数で大きく振動させることができる。そのため、流体の乱流等によって分散した周波数帯の流体の力を集めて振動体全体の大きな運動エネルギーを得ることができ、発電部において効率よく発電を行うことができる。
【０００９】
前記幹部は、前記流体の力を受けていない状態で当該幹部及び前記枝部の重量により湾曲していることが好ましい。
このような構成によって、流体の力を受けたときに振動体をより大きく振動させることができる。
【００１０】
上記構成において、前記振動体は、流体の力を受けて湾曲している状態から当該力が解除されたときに、直立姿勢を通過して反対側に湾曲可能であることが好ましい。
このような構成によって、流体の力の変動によって振動体を大きく湾曲させることができる。
【００１１】
前記振動体は、板面に交差する方向に湾曲可能な板材により形成されていることが好ましい。
このような構成によって振動体の振動を大きくすることができる。
【００１２】
前記発電部は、コイルと磁石とを有しており、前記振動体の振動によって前記コイルと前記磁石の相対位置を変動させることで誘導起電力を発生させるものであってもよい。
【００１３】
また、前記発電部は、前記幹部の振動を利用して発電を行うものであってもよい。このような構成によって幹部の大きな振動を利用して効率よく発電を行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、木を模した構造物を利用して分散する流体エネルギーから効率よく電気エネルギーを取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る発電システムの斜視図である。
【図２】同発電システムにおける振動体の正面図である。
【図３】振動体が振動したときのコイルと磁石の位置関係を示す作用図である。
【図４】発電部の回路図である。
【図５】木構造の２次元の解析モデルを示す図である。
【図６】木構造の各要素のエネルギースペクトル密度を示すグラフである。
【図７】木構造の３次元解析モデルを示す図である。
【図８】木構造に与える風力の状態を示すグラフである。
【図９】図８に示される風力を与えたときの木構造（１次要素）の変位とエネルギースペクトル密度とを示すグラフである。
【図１０】図８に示される風力を与えたときの木構造（２次要素）の変位とエネルギースペクトル密度とを示すグラフである。
【図１１】図８に示される風力を与えたときの木構造（３次要素）の変位とエネルギースペクトル密度とを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る発電システムの斜視図、図２は、同発電システムにおける振動体の正面図である。
本実施形態の発電システム１０は、木の形状を模した振動体１１と、この振動体１１の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部１２とを備えている。
振動体１１は、木の「幹」に相当する幹部２１と、木の「枝」に相当し、幹部２１から派生して延びる枝部２２，２３と、木の「葉」に相当し、枝部２３に設けられた受風部２４とを有する。
【００１７】
幹部２１は、例えば、アルミニウム等の金属材料や合成樹脂材料により長方形の薄板形状に形成されている。そして、幹部２１は可撓性を有しており、その板面に交差する方向へ弾性変形（湾曲）することができる。幹部２１は、長方形の長辺を上下方向に向けた状態で後述するベース部３１上に立設されている。
【００１８】
前記枝部２２，２３は、例えば、アルミニウム等の金属材料や合成樹脂材料によって長方形の薄板形状に形成されている。また、枝部２２，２３は、幹部２１の幅よりも小さい幅を有している。例えば、枝部２２，２３は、幹部２１の１／２の幅を有している。また、枝部２２，２３は、幹部２１よりも短い長さを有している。枝部２２，２３は、可撓性を有しており、その板面に交差する方向へ弾性変形（湾曲）することができる。
【００１９】
枝部２２，２３は、幹部２１から分岐する２本の第１の枝部２２と、各第１の枝部２２から分岐する、合計４本の第２の枝部２３とを有している。２本の第１の枝部２２は、幹部２１の上端部から互いに逆方向に斜め上方へ延びている。各第１の枝部２２の水平方向に対する角度は、約４５度に設定されている。
【００２０】
第２の枝部２３は、各第１の枝部２２に２本ずつ設けられている。一方の第２の枝部２３は、第１の枝部２２の先端部から略水平方向に延び、他方の第２の枝部２３は、第１の枝部２２の先端部から略上方へ延びている。
第１の枝部２２は、幹部２１よりも短く形成することができ、第２の枝部２３は、第１の枝部２２よりも短く形成することができる。例えば、幹部２１と第１の枝部２２との長さの比率は、第１の枝部２２と第２の枝部２３との長さの比率と同一とすることができる。
【００２１】
受風部２４は、金属材料や合成樹脂材料、紙材料等によって略正方形の薄板形状に形成されている。そして、受風部２４は、各第２の枝部２３の先端にそれぞれ取り付けられている。したがって、本実施形態の振動体１１には、４枚の受風部２４が設けられている。
また、第２の枝部２３には、受風部２４に代えて又は加えて、ウエイトを設けてもよい。
【００２２】
幹部２１と第１の枝部２２とは、互いに端部同士を重ね合わせた状態でボルト及びナットからなる締結具２５により連結されている。また、第１の枝部２２と第２の枝部２３とも互いに端部同士を重ね合わせた状態で締結具２５により連結されている。同様に、第２の枝部２３と受風部２４とも互いに重ね合わせた状態で締結具２５により連結されている。したがって、幹部２１、枝部２２，２３、及び受風部２４は、その板面同士が互いに平行となるように配置されている。また、振動体１１は、幹部２１の板幅方向の中心を対称軸として線対称に形成されている。
【００２３】
振動体１１は、幹部２１の基端部がベース部３１に直立した状態で固定されている。そして、振動体１１は、その板面に交差する方向への弾性変形（湾曲、ねじれ）が可能となっている。そのため、振動体１１は、その板面に交差する方向の風力を受けるとその方向へ湾曲するように弾性変形する。また、その風力が解除されると、振動体１１は、逆方向に弾性復帰する。
【００２４】
振動体１１における幹部２１及び枝部２２，２３は、それぞれ類似した個別の振動の周波数（固有振動数）を有する。したがって、振動体１１の全体は、風の異なった周期に相互作用することのできる複数の共振周波数を有している。そして、振動体が風を受けると、幹部２１、第１の枝部２２、及び第２の枝部２３がそれぞれ振動し、これらの振動が互いに重畳することによって、振動体１１の全体が大きく振動する。したがって、非周期的な風の乱流等によって分散した周波数の風力エネルギーを振動体１１の全体の運動エネルギーに変換することができる。
【００２５】
幹部２１及び枝部２２，２３は、効率的に風を捉えることができるように平坦な板状に形成されている。また、受風部２４は、効率よく風力を受けるのに効果的である。また、第２の枝部２３にウエイトを設けた場合、そのウエイトは、第２の枝部２３の振動を促進するために好適に役立つ。受風部２４はウエイトとしての機能をも有していてもよい。
【００２６】
本実施形態の発電部１２は、電磁誘導によって発電するものである。発電部１２は、ベース部３１と、このベース部３１に設けられた支持体３２と、この支持体３２に取り付けられたコイル３３と、振動体１１に取り付けられた磁石３４とを備えている。
ベース部３１は、木材等の板状又はブロック状の絶縁体により形成され、地面等に設置される。ベース部３１には、コンデンサや負荷等が実装された回路基板３５が設けられている。
【００２７】
支持体３２は、合成樹脂材等の可撓性を有する絶縁体からなり、帯状に形成されている。そして、支持体３２は、ベース部３１の一端部と他端部との間にアーチ状（円弧状）に湾曲した状態で設けられている。また、支持体３２は、振動体１１が基端部を支点として板面に垂直な方向へ湾曲したときに幹部２１の先端部の移動軌跡に沿って配置されている。また、支持体３２は、２つの第１の枝部２２の間に相当する位置に配置されている。
【００２８】
磁石３４は、振動体１１における幹部２１の頂部に設けられている。したがって、幹部２１がその板面方向に湾曲することに伴って磁石３４も一緒に移動する。また、磁石３４は、支持体３２の内面に沿って移動する。
コイル３３は、支持体３２の内面に複数設けられている。複数のコイル３３は支持体３２の長手方向に間隔をあけて取り付けられている。そして、幹部２１が湾曲することに伴って磁石３４が移動すると、図３に示されるように、当該磁石３４とコイル３３との相対位置関係が変化する。この相対位置変化によってコイル３３内を通る磁束が変化し、コイル３３に誘導起電力が発生する。
【００２９】
図４は、発電部の回路図である。
各コイル３３に発生した誘導電流は、整流用のダイオードブリッジ３９によって一方向に整流される。そして、整流された電流は、ダイオードブリッジ３９と並列に接続されたコンデンサ４０に蓄電され、平滑化される。本実施形態では、コンデンサ４０において平滑化された電流は、ツェナーダイオード３６及び抵抗３７を介してＬＥＤ３８を発光させるものとしている。
【００３０】
＜発電システムの基本理論＞
以下、上記実施形態で示した振動体１１は、もっとも効率的なエネルギー採取を行うため、その大きさや形状が最適化される。以下、当該最適化のために振動体１１に生じるエネルギー（運動エネルギー及びポテンシャルエネルギー）を解析する手法について説明する。
まず、図５に示されるように、非線形の振動を受けて横方向に振動する二次元の木構造について考察する。
図５（ａ）において、木構造の要素Ｂｒ０は、上述の実施形態の振動体１１における幹部２１に相当し、要素Ｂｒ１及びＢｒ２は、第１の枝部２２に相当し、要素Ｂｒ１１，Ｂｒ１２，Ｂｒ２１，Ｂｒ２２は、第２の枝部２３に相当する。以下、これらを１次要素Ｂｒ０、２次要素Ｂｒ１，Ｂｒ２（Ｂｒｉ）、３次要素Ｂｒ１１，Ｂｒ１２，Ｂｒ２１，Ｂｒ２２（Ｂｒｉｊ）ともいう。また、１次要素Ｂｒ０の長さをｌ０、２次要素Ｂｒ１，Ｂｒ２の長さをｌ１，ｌ２（ｌｉ）、３次要素Ｂｒ１１，Ｂｒ１２，Ｂｒ２１，Ｂｒ２２の長さをｌ１１，ｌ１２，ｌ２１，ｌ２２（ｌｉｊ）とする。
【００３１】
図５（ｂ）は、木構造に横方向の振動が生じたときの状態を示している。このとき、木構造の要素Ｂｒ０，Ｂｒ１，Ｂｒ２，Ｂｒ１１，Ｂｒ１２，Ｂｒ２１，Ｂｒ２２の鉛直線に対する角度を、それぞれφ０，φ１，φ２，φ１１，φ１２，φ２１，φ２２で示している。
木構造の各要素の質量の中心位置の座標（ｒ０，ｒｉ，ｒｉｊ）（図５（ｃ）参照）は、次の式（１）〜（３）により表すことができる。
【数１】
2015212524.tif 000003
【数２】
2015212524.tif 000004
【数３】
2015212524.tif 000005
【００３２】
また、木構造の各要素の質量中心における移動速度（Ｖ０，Ｖｉ，Ｖｊ）は、次の式（４）〜（６）により表すことができる。
【数４】
2015212524.tif 000006
【数５】
2015212524.tif 000007
【数６】
2015212524.tif 000008
【００３３】
また、一般に要素の質量中心における慣性モーメントは、次の式（７）のように表すことができる。
【数７】
2015212524.tif 000009
ただし、ｍは、要素の質量である。
【００３４】
木構造の各要素（Ｂｒ０，Ｂｒｉ，Ｂｒｉｊ）における運動エネルギー（Ｖ０，Ｖｉ，Ｖｉｊ）は次の式（８）〜（１０）で表すことができる。
【数８】
2015212524.tif 000010
【数９】
2015212524.tif 000011
【数１０】
2015212524.tif 000012
【００３５】
一方、木構造の各要素（Ｂｒ０，Ｂｒｉ，Ｂｒｉｊ）におけるポテンシャルエネルギー（Ｐ０，Ｐｉ，Ｐｉｊ）は、次の式（１１）〜（１３）のように表すことができる。
【数１１】
2015212524.tif 000013
【数１２】
2015212524.tif 000014
【数１３】
2015212524.tif 000015
【００３６】
ただし、αは線形バネ係数、βは非線形バネ係数である。
また、φＥｉｊは、各要素（枝部）の平衡角度である。
また、ｍｗｉｊ  は、３次要素Ｂｒｉｊの先端に加わるウエイトの質量である。
【００３７】
以上より、（Ｌ＝Ｋ−Ｐ）で定義されるラグランジュ関数は、以下の式（１４）で表すことができる。
【数１４】
2015212524.tif 000016
【００３８】
そして、オイラー・ラグランジュ方程式により、運動方程式は、次の式（１５）で表すことができる。
【数１５】
2015212524.tif 000017
【００３９】
本出願の発明者は、以上のような運動方程式を用いてもっともエネルギーを得やすくなる要素Ｂｒ０の長さｌ０と要素Ｂｒｉの長さｌｉとの比、及び要素Ｂｒｉの長さｌｉと要素Ｂｒｉｊの長さｌｉｊとの長さの比について検討した。具体的には、次の式（１６）に示す比ｋが最適の値となる長さｌ０、ｌｉ，ｌｉｊの関係を有することにした。なお、各要素の長さは各要素の質量と比例関係にある。
【数１６】
2015212524.tif 000018
【００４０】
そして、ある例では、上記式（１６）のｋの値が０．７前後であるときに最もエネルギーを得やすくなることがわかった。このとき、木構造は、無風（無負荷）でも自然に湾曲した状態（木構造が自身の重量によって湾曲し、直立状態を維持できない状態）となる。ただし、その湾曲の程度はわずかであり、例えば、湾曲している方向から風を受けたときにはその風力によって容易に直立状態を通り越して反対側に湾曲できる程度とされている。また、湾曲している方向とは逆方向から風を受けたときにはさらに同方向に湾曲し、その風が止まったときに自己の弾性復元力によって直立状態を通り越して反対側に湾曲できる程度とされている。
【００４１】
（フーリエ解析）
本発明者は、図５に示される木構造の各要素の運動についてフーリエ解析を行った。この解析において、木構造に与える風は、ホワイトノイズをフィルタリングすることによって生成され、１Ｈｚ〜５Ｈｚの周波数帯を有するものとした。
その結果、図６に示すエネルギースペクトル密度が得られた。図６（ａ）は、１次要素（Ｂｒ０）のエネルギースペクトル密度、図６（ｂ）は２次要素（Ｂｒｉ）のエネルギースペクトル密度、図６（ｃ）は３次要素（Ｂｒｉｊ）のエネルギースペクトル密度を示している。
【００４２】
木構造の１次要素（図６（ａ）参照）では、約１Ｈｚにおいてエネルギースペクトル密度のピークが表れ、約１３Ｈｚにおいてもエネルギースペクトル密度が立ち上がっている。これに対して、２次要素（図６（ｂ）参照）においては、約１Ｈｚ及び約１３Ｈｚ以外にも約６Ｈｚ及び約７０Ｈｚにおいてエネルギースペクトル密度が立ち上がっている。さらに、３次要素（図６（ｃ）参照）においては、約３６Ｈｚにおいてもエネルギースペクトル密度が立ち上がり、約７０Ｈｚにおける立ち上がり量が大きくなっている。このように本発明においては、１〜３次要素において幅広い周波数帯域で高いエネルギースペクトル密度を得ることができ、高効率で発電を行うことができる。
【００４３】
（３次元の木構造）
次に、図７に示されるように、縦方向（図７のｘ方向）に振動する３次元の木構造について考察する。
図７（ａ）は、木構造の斜視図、図７（ｂ）は、木構造の正面図、図７（ｃ）は、振動している木構造の側面図である。なお、図７（ｃ）においては木構造が捻れることによって角度ψが生じたものとなっている。
図７に示される木構造が振動したときの各要素（Ｂｒ０，Ｂｒｉ，Ｂｒｉｊ）の角度をψ０，ψｉ，ψｉｊとすると、その速度ｖ０，ｖｉ，ｖｉｊは、次の式（１７）〜（１９）で表すことができる。ただし、ψ０，ψｉ，ψｉｊは小さいとして近似した。
【数１７】
2015212524.tif 000019
【数１８】
2015212524.tif 000020
【数１９】
2015212524.tif 000021
【００４４】
そして、木構造の運動エネルギー（ＫＥ）は次の式（２０）で表すことができる。
【数２０】
2015212524.tif 000022
【００４５】
さらに、木構造のポテンシャルエネルギー（ＰＥｂｅｎｄ，ＰＥｇｒａｖ）は、次の式（２１）、（２２）で表すことができる。
【数２１】
2015212524.tif 000023
【数２２】
2015212524.tif 000024
【００４６】
ただし、ＰＥｂｅｎｄは、木構造の変形によるポテンシャルエネルギーであり、
ＰＥｇｒａｖは、木構造の重量によるポテンシャルエネルギーである。
【００４７】
以上より、ラグランジュ関数は、次の式（２３）で表すことができ、オイラー・ラグランジュ方程式は、次の式（２４）で表すことができる。
【数２３】
2015212524.tif 000025
【数２４】
2015212524.tif 000026
【００４８】
図９〜図１１は、図８に示されるような方形波（０．２Ｈｚ）からなる風力を与えたときの、木構造の各要素（Ｂｒ０，Ｂｒｉ，Ｂｒｉｊ）の時間の経過に伴う変位と、エネルギースペクトル密度を示す。
【００４９】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
例えば、発電部におけるベース部は、風向きに応じてその方向を変化させる機構を備えていてもよい。例えばベース部を上下方向の軸心回りに旋回自在に備え、風向きに対して振動体の板面が垂直となるようにベース部の方向を変更する機構を設けてもよい。このような機構を備えることによって、風向きが変わったとしても振動体を大きく振動させることができる。
【００５０】
発電部は、支持体側に磁石を設け、振動体側にコイルを設けたものであってもよい。
また、発電部は、電磁誘導によって発電を行うものに限らず、ピエゾ素子等の圧電素子によって発電を行うものであってもよい。
振動体は、板状に形成されたものに限らず、棒状に形成されたものであってもよい。また、振動体は、ある特定の方向に振動（湾曲）するものに限らず、四方八方（３６０°）に振動するものであってもよい。
【００５１】
振動体は、３本以上の第１の枝部を備えていてもよい。また、振動体は、各第１の枝部から分岐する３本以上の第２の枝部を備えていてもよい。さらに、振動体は、第２の枝部から分岐する枝部や、その枝部からさらに分岐する枝部を備えていてもよい。
本発明の発電システムは、風力以外の流体の力、例えば水力によって発電を行うものであってもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０：発電システム
１１：振動体
１２：発電部
２１：幹部
２２：第１の枝部
２３：第２の枝部
３３：コイル
３４：磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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