(57)【要約】  本発明は、圧電発電器を使用して道路及び高速道路上で電力回収装置、システム、及び方法に関する。本発明は、道路内に埋め込まれた複数の圧電装置を含み、圧電装置は、車両が圧電装置の場所を横断した場合に電力を生成するように構成される、電力回収システム及び方法を提供することである。このシステムは、電力調整ユニットと、上記圧電体を上記電力調整ユニットに接続する導電体とを含む。回収されたエネルギーは、エネルギー生成場所の近傍で局所的に使用してもよく、後で使用するために蓄えてもよく、又は遠隔地で使用するために送電してもよい。【選択図】図６
2011511619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を生成可能な複数の圧電装置と、
電力調整ユニットと、
前記圧電装置を前記電力調整ユニットに接続する導電体と
を備え、
前記電力は、車両が前記圧電装置の場所を横断した場合に生成される、電力回収システム。
【請求項２】
前記圧電装置は道路内に埋め込まれる、請求項１に記載の電力回収システム。
【請求項３】
前記電力調整ユニットは、電力をバッテリ充電ステーションに供給して、電気車両のバッテリを充電する、請求項２に記載の電力回収システム。
【請求項４】
前記電力調整ユニットは電力を道路際の照明に供給する、請求項２に記載の電力回収システム。
【請求項５】
前記電力調整ユニットは、電力を交通信号ユニットに供給する、請求項２に記載の電力回収システム。
【請求項６】
前記電力調整ユニットは主幹電力網にさらに接続される、請求項１に記載の電力回収システム。
【請求項７】
前記電力調整ユニットは蓄電ユニットにさらに接続される、請求項１に記載の電力回収システム。
【請求項８】
前記圧電装置は、結合材内に埋め込まれた複数のＰＺＴ道路を備える、請求項１に記載の電力回収システム。
【請求項９】
前記結合材はエポキシ樹脂である、請求項８に記載の電力回収システム。
【請求項１０】
前記結合材は、熱可塑性ポリマー、ゴム、又は他の自然若しくは合成の弾性材料等の結合材の群から選択することができる、請求項８に記載の電力回収システム。
【請求項１１】
前記結合材はビチューメン−ポリマー混合物である、請求項８に記載の電力回収システム。
【請求項１２】
前記結合材は樹脂であり、特性は、前記圧電装置の平均機械的特性が滑走路舗装の機械的特性に対応するように選択される、請求項８に記載の電力回収システム。
【請求項１３】
前記圧電装置は滑走路内に埋め込まれる、請求項１に記載の電力回収システム。
【請求項１４】
電力を生成可能な複数の圧電装置を道路内に埋め込むこと、及び
導電体により電力調整ユニットを前記複数の圧電装置に接続すること
を含み、
前記電力は、車両が前記圧電装置の場所を横断した場合に生成される、エネルギー回収方法。
【請求項１５】
圧電装置ベースのエネルギー回収システムを埋め込むことは、
前記複数の圧電装置及び前記導電体を道路のコンクリート基礎上に位置決めすること、及び
前記圧電装置及び前記導電体上にアスファルトを注ぐこと
を含む、請求項１４に記載のエネルギー回収方法。
【請求項１６】
圧電装置ベースのエネルギー回収システムを埋め込むことは、
第１のアスファルト層を道路基礎上に注ぐこと、
前記複数の圧電装置及び前記導電体を前記第１のアスファルト層上に位置決めすること、及び
第２のアスファルト層を前記圧電装置及び前記導電体上に注ぐこと
を含む、請求項１４に記載のエネルギーを回収する方法。
【請求項１７】
圧電装置ベースのエネルギー回収システムを埋め込むことは、
第１のアスファルト層を有するすでに舗装された道路から、アスファルト層を部分的に除去すること、
前記複数の圧電装置及び前記導電体を前記第１のアスファルト層上に位置決めすること、及び
第２のアスファルト層を前記圧電装置及び前記導電体上に注ぐこと
を含む、請求項１４に記載のエネルギー回収方法。
【請求項１８】
圧電装置ベースのエネルギー回収システムを埋め込むことは、
すでに舗装された道路から、前記道路の長手寸法に平行する狭い溝に沿ってアスファルト層を除去すること、
前記複数の圧電装置及び前記導電体を前記溝内に位置決めすること、及び
前記圧電装置及び前記導電体上にアスファルトを注ぎ、それにより、前記溝を充填すること
を含む、請求項１４に記載のエネルギー回収方法。
【請求項１９】
前記すでに舗装された動作から、前記道路の長手寸法に平行する狭い溝に沿ってアスファルト層を除去することは、前記道路のコンクリート基礎に達する溝を作ることを含む、請求項１８に記載のエネルギー回収方法。
【請求項２０】
前記すでに舗装された動作から、前記道路の長手寸法に平行する狭い溝に沿ってアスファルト層を除去することは、前記道路のレーン毎に、前記道路の長手寸法に平行する狭い２つの溝を作ることを含む、請求項１８に記載のエネルギー回収方法。
【請求項２１】
道路中で電力を生成できる複数の圧電装置を埋め込むことは、前記圧電装置を前記道路の表面に角度をつけて埋め込むことを含む、請求項１８に記載のエネルギー回収方法。
【請求項２２】
基板と、
上板と、
前記上板と下板との間に配置され、電力を生成可能な複数の圧電装置と、
前記基板と前記上板とを接続し、圧縮力を前記複数の圧電装置に対して及ぼす弾性部材と、
電力調整ユニットと、
前記圧電装置を前記電力調整ユニットに接続する導電体と
を備え、
前記電力は、車両が前記装置を横断した場合に生成される、電力回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電発電器を使用して道路、高速道路、鉄道線路、及び空港の滑走路で電力を回収する装置、システム、及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電気とは、加えられた機械的応力に比例して電荷を生み出す特定の結晶質の能力である。印加された電場に比例して歪みが生じた場合、これら材料に逆効果を見ることもできる。これは元々、１８８０年代にＣｕｒｉｅにより発見された。今日、産業用途の圧電材料は、広範囲の性質の鉛ベースのセラミックである。圧電材料は、通常、トランスデューサに使用されると共に、適応構造で使用される最もよく知られている活物質である。
【０００３】
完全な圧電効果を利用するために、未使用セラミック材料をまず分極させなければならない。分極は、高電場を材料に印加することからなる。分極プロセス中、材料中の結晶双極子は、印加された電場に沿って並び、材料は電場の方向において膨脹する。逆方向に電場を印加することにより、逆符号の歪みが観察される。この逆の電場の大きさが増大した場合、材料はまず減極し、最後に再分極する。
【０００４】
分極した圧電材料は横等方性であると考えられる。すなわち、一平面が等方性であり、面外方向が異なる性質を有する。ＩＥＥＥ（非特許文献１）に採用される標準座標変換では、１−２平面に対称平面を割り当て、３方向に面外分極方向を割り当てる。印加される電場が小さい場合、圧電セラミックの応答は、工学行列で表現される以下の線形圧電構造によりモデリングすることができる（非特許文献２）。
【０００５】
【数１】
2011511619.tif 000003
【０００６】
式中、Ｄ−電気変位、Ｓ−歪み、Ｅ−電場、Ｔ−応力、εＴ−一定応力（非クランプ）誘電率、ｄ−誘導歪み定数、ｓＥ−定電場コンプライアンスである。
【０００７】
分極した圧電セラミック要素に対する機械的な圧縮又は引っ張りは、双極子モーメントを変更させ、電圧を生じさせる。分極方向に沿った圧縮又は分極方向に垂直する引っ張りは、分極電圧と同じ極性の電圧を生じさせる。分極方向に沿った引っ張り又は分極方向に垂直する圧縮は、分極電圧とは逆の極性の電圧を生じさせる。これら動作は発電器の動作であり、セラミック要素が、圧縮又は引っ張りという機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する。この挙動は、燃料点火装置、固体状態電池、力感知装置、及び他の製品に使用されている。圧縮応力の値及び応力を圧電セラミック要素に印加することにより生成される電圧（又は電場強度）は、材料に固有の応力までは線形に比例する。同じことが、印加される電圧及び生成される歪みに対しても当てはまる。
【０００８】
分極電圧と同じ極性の電圧が、分極電圧の方向においてセラミック要素に印加される場合、要素は長くなり、その直径は小さくなる。分極電圧とは逆の極性の電圧が印加される場合、要素は短くなり、広くなる。交流電圧が印加される場合、要素は印加される電圧の周波数で周期的に長くなり、短くなる。これはモータの動作である。電気エネルギーが機械的エネルギーに変換される。この原理は、圧電モータ、音波又は超音波生成装置、及び他の多くの製品に利用されている。
【０００９】
図１ａは、当分野において既知の圧電要素の発電器動作を概略的に示す。
【００１０】
圧電材料は、トランスデューサの達成可能な性能にかなりの影響を及ぼす。一般に使用される圧電材料は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックに基づく。
【００１１】
ＰＺＴ要素がトランスデューサとして直接使用されると仮定すると、重要な材料パラメータを概略的に示して、材料の性能指数を提供することができる。ＰＺＴの組成の選択に影響する多くの要因がある。低応力（Ｔ）レベル下での線形圧電材料の構造方程式は、
【００１２】
【数２】
2011511619.tif 000004
【００１３】
として書くことができ、式中、ｘは歪みであり、Ｄは電気変位であり、Ｅは電場であり、ｓは弾性コンプライアンスであり、ｇは
【００１４】
【数３】
2011511619.tif 000005
【００１５】
として与えられる圧電電圧係数である。
【００１６】
ここで、ｄは圧電定数であり、εは誘電定数である。式（３）中の定数βは電気分極率であり、誘導体逆誘電率テンソル成分に等しい。力Ｆ＝Ｔ・Ａ（Ａは面積）が加えられる場合、セラミックの開回路出力電圧（Ｕ）は、式（３）から計算することができ、
【００１７】
【数４】
2011511619.tif 000006
【００１８】
として与えられ、式中、ｔはセラミックの厚さである。圧電セラミックに生じる変化（Ｑ）は、式（２）から特定することができ、
【００１９】
【数５】
2011511619.tif 000007
【００２０】
として与えられ、式中、Ｃは材料の静電容量である。上記式は、低周波では、圧電板が、平行板キャパシタのように挙動すると仮定できることを示す。したがって、周期的な励起の下で利用可能な電力は、以下のように式（８）により得られる。
【００２１】
【数６】
2011511619.tif 000008
【００２２】
式中、ｖ＝Ａ×ｔは圧電発電器の容積である。
【００２３】
特定の実験条件下では、一定の面積及び厚さの所与の材料の場合、電力は材料のｄ２／εＸ比に依存する。
【００２４】
高いｄ２／εＸ比を有する材料は、圧電セラミックがエネルギーの回収に直接利用された場合、高電力を生成する。
【００２５】
図１ｂ（ｉ）は、単一要素トランスデューサの構造を示し、図１ｂ（ｉｉ）は、多層トランスデューサを示す。
【００２６】
図１ｂ（ｉｉ）の多層構造では、同じ力Ｆがすべての層に加えられる。しかし、各層の厚さが小さいため、各層で生じる電圧（層は電気的に並列接続されるため、これは構造全体で生じる電圧である）はより低い。すべての層を電気的に並列接続することで、構造の静電容量が増大する。
【００２７】
図１ｂ（ｉｉｉ）は、多層ＰＺＴ発電器の好ましい実施形態を示し、連続した層の分極方向は逆になる。この実施形態では、共通電極が２つの逆向きの層の間に使用される。
【００２８】
検討記事（非特許文献３）は、低プロファイルトランスデューサを使用する圧電環境発電の分野での最近の発展の包括的な理解を提供すると共に、様々な環境発電試作装置の結果を提供する。オン共鳴用途及びオフ共鳴用途への圧電材料の選択についての手短な考察も提示されている。
【００２９】
論文（非特許文献４）では、生体内センサ、埋め込みＭＥＭＳ素子、及び分散ネットワーキング等のいくつかの遠隔用途でのＰＺＴベースの発電器の潜在的な用途が考察されている。この論文では、ソース特徴が不良であり（高電圧、低電流、高インピーダンス）、かつ電力出力が比較的低いため、圧電発電器の開発が困難なことが指摘されている。
【００３０】
記事（非特許文献５）では、ユビキタスに配備されたセンサ網及びモバイル電子機器に給電する環境発電分野が検討されると共に、人間の活動から電力を集めるか、又は限られたエネルギーを周囲の熱、光、電波、又は振動から導出することができるシステムが記載されている。
【００３１】
総括論文（非特許文献６）には、システムの周囲のエネルギーを取得して、使用可能な電気エネルギーに変換するプロセスが考察されており、これは電力回収と呼ばれている。この論文では、電力回収分野で実行されている研究及び電力回収が日常に使用されるために達成しなければならない将来の目標が考察されている。
【００３２】
２００６年９月２１日に出願され、Ｃａｒｍａｎ  Ｇｒｅｇｏｒｙ  Ｐ．及びＬｅｅ  Ｄｏｎｇ  Ｇ．に付与された「Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ」という名称の特許出願（特許文献１）には、ある周波数の機械的エネルギーを受け取るように構成された逆周波数整流器を有し、力によりトランスデューサが別の周波数を受ける、電気システムに使用するためのエネルギーを回収する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】国際公開出願第０７０３８１５７Ａ２号パンフレット
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  ｏｎ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，１７６−１９７８
【非特許文献２】Ｊａｆｆｅ，Ｂ．，Ｃｏｏｋ  Ｊｒ．，Ｗ．Ｒ，ａｎｄ  Ｈ．Ｊａｆｆｅ，１９７１，”Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ”，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ
【非特許文献３】Ｓｈａｓｈａｎｋ  Ｐｒｉｙａ，”Ａｄｖａｎｃｅｓ  Ｉｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ｌｏｗ  Ｐｒｏｆｉｌｅ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ”，Ｊ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｅｒａｍ（２００７）１９：１６５−１８２
【非特許文献４】Ｓｔｅｐｈｅｎ  Ｒ．Ｐｌａｔｔ、Ｓｈａｎｅ  Ｆａｒｒｉｔｏｒ，ａｎｄ  Ｈａｎｉ  Ｈａｉｄｅｒ，”Ｏｎ  Ｌｏｗ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｗｉｔｈ  ＰＺＴ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ”，ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  Ｏｎ  Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ、ＶＯＬ．１０，ＮＯ．２，Ａｐｒｉｌ  ２００５
【非特許文献５】Ｊｏｓｅｐｈ  Ａ．Ｐａｒａｄｉｓｏ  ａｎｄ  Ｔｈａｄ  Ｓｔａｒｎｅｒ，”Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｍｏｂｉｌｅ  ａｎｄ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”，ＩＥＥＥ  ＣＳ及びＩＥＥＥ  ＣｏｍＳｏｃ，１５３６−１２６８／０５／
【非特許文献６】Ｈｅｎｒｙ  Ａ．Ｓｏｄａｎｏ，Ｄａｎｉｅｌ  Ｊ．Ｉｎｍａｎ，ａｎｄ  Ｇｙｕｈａｅ  Ｐａｒｋ，”Ａ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  ｆｒｏｍ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”，Ｔｈｅ  Ｓｈｏｃｋ  ａｎｄ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｄｉｇｅｓｔ，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．３，Ｍａｙ  ２００４  １９７−２０５，Ｓａｇｅ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
本発明は、圧電発電器を使用して道路及び高速道路から電力を取り込む装置、システム、及び方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
本発明の一態様は、複数の圧電装置であって、車両が圧電装置の場所を横断した場合に電力を生成するように構成された複数の圧電装置と、電力調整ユニットと、上記圧電体を上記電力調整ユニットに接続する導電体とを備える、電力回収システムを提供することである。
【００３７】
いくつかの実施形態では、圧電装置は道路内に埋め込まれる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、電力調整ユニットは主幹電力網にさらに接続される。
【００３９】
いくつかの実施形態では、電力調整ユニットは蓄電ユニットにさらに接続される。
【００４０】
いくつかの実施形態では、電力調整ユニットは、電力をバッテリ充電ステーションに供給して、電気車両のバッテリを充電する。
【００４１】
いくつかの実施形態では、電力調整ユニットは電力を道路際の照明に供給する。
【００４２】
いくつかの実施形態では、電力調整ユニットは電力を信号ユニットに供給する。
【００４３】
いくつかの実施形態では、本発明の別の態様は、上記圧電装置が結合材内に埋め込まれた複数のＰＺＴ道路を備える、電力回収システムを提供することである。
【００４４】
いくつかの実施形態では、上記結合材はエポキシ樹脂である。
【００４５】
いくつかの実施形態では、上記結合材は、熱可塑性ポリマー、ゴム、又は他の自然若しくは合成の弾性材料等の結合材群から選択することができる。
【００４６】
本発明の別の態様は、エネルギー回収方法であって、電力を生成可能な複数の圧電装置を道路内に埋め込むこと、導電体により電力調整ユニットを上記複数の圧電装置に接続することを含み、電力は、車両が前記圧電装置の場所を横断した場合に生成される、方法を提供することである。
【００４７】
いくつかの実施形態では、上記複数の圧電装置及び上記導電体を道路のコンクリートベース上に位置決めすること、及び上記圧電装置及び上記導電体上にアスファルトを注ぐことを含む、上記圧電装置ベースのエネルギー回収システムを埋め込むこと。
【００４８】
いくつかの実施形態では、第１のアスファルト層を道路の基礎に注ぐこと、上記複数の圧電装置及び上記導電体を第１のアスファルト層上に位置決めすること、並びに第２のアスファルト層を上記圧電装置及び前記導電体上に注ぐことを含む、上記圧電装置ベースのエネルギー回収システムを埋め込むこと。
【００４９】
いくつかの実施形態では、第１のアスファルト層を残して、すでに舗装された道路からアスファルト層を部分的に除去すること、上記複数の圧電装置及び上記導電体を上記第１のアスファルト層上に位置決めすること、並びに第２のアスファルト層を上記圧電装置及び上記導電体上に注ぐことを含む、上記圧電装置ベースのエネルギー回収システムを埋め込むこと。
【００５０】
いくつかの実施形態では、すでに舗装された道路から、上記道路の長手寸法に平行する狭い溝に沿ってアスファルト層を除去すること、上記複数の圧電装置及び上記導電体を上記溝内に位置決めすること、並びに上記圧電装置及び上記導電体上にアスファルトを注ぎ、それにより、上記溝を充填することを含む、上記圧電装置ベースのエネルギー回収システムを埋め込むこと。
【００５１】
いくつかの実施形態では、上記すでに舗装された道路から、上記道路の長手寸法に平行する狭い溝に沿ってアスファルト層を除去することは、上記道路のコンクリート基礎に達する溝を作ることを含む。
【００５２】
いくつかの実施形態では、上記すでに舗装された道路から、上記道路の長手寸法に平行する狭い溝に沿ってアスファルト層を除去することは、上記道路のレーン毎に上記道路の長手方向に平行する２つの狭い溝を作ることを含む。
【００５３】
別段に定義されない限り、本明細書に使用されるすべての技術用語及び科学用語は、本発明が属する分野の当業者が一般に理解する意味と同じ意味を有する。本明細書に記載される方法及び材料と同様又は等価の方法及び材料を本発明の実施又は試験に使用することができるが、適した方法及び材料を以下に説明する。矛盾する場合には、本特許出願が、定義を含めて、支配するものとする。さらに、材料、方法、及び例は単なる例示であり、限定を目的とするものではない。
【００５４】
本発明を単なる例示として、添付図面を参照して本明細書において説明する。これより、特に図面を参照して、図示される詳細が例であり、本発明の好ましい実施形態を説明考察するのみのためであり、本発明の原理及び概念的側面の最も有用かつ容易に理解される説明であると信じられるものを提供するために提示されることを強調しておく。この点に関して、本発明を基本的に理解するために必要な詳細よりも詳しく本発明の構造的詳細を示す試みはなされず、説明は図面を使用して行われ、本発明のいくつかの形態を実際にどのように具現し得るかを当業者に明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１ａ】当分野において既知の圧電装置の発電動作を概略的に示す。
【図１ｂ】当分野において既知の圧電装置の発電動作を概略的に示す。
【図２ａ】電気信号を生成し、整流し、蓄える装置を概略的に示す。
【図２ｂ】電気信号を生成し、整流し、蓄える装置を概略的に示す。
【図３ｉ】本発明の例示的な実施形態による圧電トランスデューサの図を概略的に示す。
【図３ｉｉ】本発明の例示的な実施形態による圧電トランスデューサの図を概略的に示す。
【図３ｉｉｉ】本発明の例示的な実施形態による圧電トランスデューサの図を概略的に示す。
【図４】本発明の好ましい実施形態による四角形の圧電トランスデューサを概略的に示す。
【図５】本発明の例示的な実施形態による道路に実施される電力回収システムの図を概略的に示す。
【図６】本発明の例示的な実施形態による、エネルギー回収システム及びエネルギー使用の実施態様を概略的に示す。
【図７】道路舗装中の、コンクリート基礎を有する新しい道路での本発明の好ましい実施形態によるエネルギー回収システムの実施態様を概略的に示す。
【図８】道路舗装中の、コンクリート基礎を有さない新しい道路での本発明の好ましい実施形態によるエネルギー回収システムの実施態様を概略的に示す。
【図９】道路舗装中の、コンクリート基礎を有さない新しい道路での本発明の好ましい実施形態によるエネルギー回収システムの実施方法を概略的に示す。
【図１０ａ】コンクリート基礎を有する既存の道路での本発明の実施態様によるエネルギー回収システムの実施方法を概略的に示し、レトロフィットプロセスの段階を示す。
【図１０ｂ】コンクリート基礎を有する既存の道路での本発明の実施態様によるエネルギー回収システムの実施方法を概略的に示し、レトロフィットプロセスの段階を示す。
【図１０ｃ】コンクリート基礎を有する既存の道路での本発明の実施態様によるエネルギー回収システムの実施方法を概略的に示し、レトロフィットプロセスの段階を示す。
【図１０ｄ】コンクリート基礎を有する既存の道路での本発明の実施態様によるエネルギー回収システムの実施方法を概略的に示し、レトロフィットプロセスの段階を示す。
【図１１ａ】コンクリート基礎を有する既存の道路での本発明の実施態様によるエネルギー回収システムの実施方法を概略的に示し、レトロフィットプロセスの段階を示す。
【図１１ｂ】コンクリート基礎を有する既存の道路での本発明の実施態様によるエネルギー回収システムの実施方法を概略的に示し、レトロフィットプロセスの段階を示す。
【図１１ｃ】コンクリート基礎を有する既存の道路での本発明の実施態様によるエネルギー回収システムの実施方法を概略的に示し、レトロフィットプロセスの段階を示す。
【図１１ｄ】コンクリート基礎を有する既存の道路での本発明の実施態様によるエネルギー回収システムの実施方法を概略的に示し、レトロフィットプロセスの段階を示す。
【図１２ａ】本発明の別の態様による複合圧電発電器の側面断面図を概略的に示す。
【図１２ｂ】本発明の別の態様による複合圧電発電器の側面図を概略的に示す。
【図１２ｃ】本発明の別の態様による複合圧電発電器の上面図を概略的に示す。
【図１２ｄ】本発明の例示的な実施形態による複合圧電発電器を使用するエネルギー回収システムを概略的に示す。
【図１２ｅ】本発明の例示的な実施形態による複合圧電発電器を使用するエネルギー回収システムを概略的に示す。
【図１３】本発明の別の態様による圧電発電器の傾斜した配置を概略的に示す。
【図１４】典型的な寸法を示す、民間航空機の前面図を概略的に示す。
【図１５】車輪の構成及び典型的な寸法を示す民間航空機のフットプリントを概略的に示す。
【図１６ａ】本発明の例示的な実施形態による滑走路上の圧電エネルギー生成器（ＰＥＧ）の図を概略的に示す。
【図１６ｂ】本発明の例示的な実施形態による滑走路でのＰＥＧの実施を概略的に示す。
【図１７】本発明の別の好ましい実施形態による箱形圧電トランスデューサ１７００を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
本発明は、圧電発電器を使用して道路及び高速道路から電力を回収する装置、システム、及び方法に関する。
【００５７】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の用途が、以下の説明に記載されるか、又は図面に示される構成要素の構造及び配置の詳細に限定されないことを理解されたい。本発明は他の実施形態が可能であり、又は様々な方法で実施又は実行することが可能である。また、本明細書に利用される表現及び用語が、説明を目的としたものであり、限定としてみなされるべきではないことも理解されたい。
【００５８】
図面は概して一定の縮尺ではない。いくつかのオプションの部品は破線を使用して描かれた。
【００５９】
明確にするために、重要ではない要素を図面のうちのいくつかから省略した。
【００６０】
本明細書において使用する、単数形で記され、前に「ａ」又は「ａｎ」が付いた要素又はステップは、複数の除外が明示的に記されない場合、複数の要素又はステップを除外しないものと理解されるべきである。
【００６１】
図１ａ及び図１ｂは、当分野において既知であり、背景の項で考察された圧電装置の発電動作を概略的に示す。
【００６２】
図１ａ（ｉ）はＰＺＴディスク１１０を示し、外力がない状態でのポーリング軸を示す。この場合、電圧計１２０は生成電荷を示さない。
【００６３】
図１ａ（ｉｉ）及び図１ａ（ｉｉｉ）は、圧縮力及び伸張力のそれぞれが加えられた状態での同じＰＺＴディスク１１０を示す。この場合、電圧計１２０は正及び負のそれぞれの生成電荷を示す。
【００６４】
図１ｂ（ｉ）は、図１ａに示すものと同様の単一の素子ＰＺＴを示す。この図では、素子の長さ「Ｌ」及びその表面積「Ａ」が記される。
【００６５】
図１ｂ（ｉｉ）は、それぞれが実質的に同じ厚さｔ及び表面積「Ａ」を有するｎ枚のＰＺＴディスク１１１（１）〜１１１（ｎ）を含む複数要素のＰＺＴ積層を示す。この場合、すべてのＰＺＴディスク１１１（１）〜１１１（ｎ）は同じ方向にポーリングされ、すべては電気的に並列接続される。電気絶縁体を隣接する素子の接触電極間に設置する必要がある。
【００６６】
電荷出力がコネクタ１１３（＋）及び１１３（−）において見られる。本明細書では、便宜上、これらコネクタのそれぞれを「上部電極」及び「下部電極」と呼称し得る。
【００６７】
図１ｂ（ｉｉｉ）は、それぞれが実質的に同じ厚さ及び表面積を有するｎ枚のＰＺＴディスク１１２（１）〜１１２（ｎ）を含む複数要素のＰＺＴ積層を示す。この場合、すべてのＰＺＴディスク１１１（１）〜１１１（ｎ）は、矢印で示されるように、交互になった方向にポーリングされる。好ましくは、共通電極が隣接する素子の面間に使用される。
【００６８】
電荷出力がコネクタ１１４（＋）及び１１４（−）に見られる。本明細書では、便宜上、これらコネクタのそれぞれを「上部電極」及び「下部電極」と呼称し得る。
【００６９】
圧電発電器
ＰＺＴの重要な用途分野は、機械的エネルギーから電気エネルギーへの変換であり、この章では、最大量のエネルギーを変換するために、ＰＺＴ素子を使用すべき条件について説明する。
【００７０】
ＰＺＴ円柱体は、電極ギャップを跨ぐスパークを発生させるほど十分に高い電圧を生成することができ、そのようなスパークを使用して、例えば、タバコのライター又はガスレンジの可燃性ガスを点火することができる。
【００７１】
さらに、図２から分かるように、ＰＺＴトランスデューサにより生成されるエネルギーの一部分をキャパシタに蓄え、回路への給電に使用することができる。
【００７２】
図２に示す生成装置及び貯蔵装置では、圧電トランスデューサにより生成された電荷は、キャパシタ等のエネルギー貯蔵装置に蓄えられる。ダイオードＤ１で概略的に示される整流器が、エネルギーがエネルギー利用負荷により利用されるまで、集められた電荷をキャパシタに保持する。
【００７３】
図２（ｉ）は単一のダイオード整流器を示し、図２（ｉｉ）は４つのダイオードブリッジからなる全波整流器を示す。
【００７４】
図２（ｉ）は、単一のダイオード整流器Ｄ１を使用するエネルギー回収システム２００（ｉ）を示す。図２ａ及び図２ｂの両方の圧電セラミックトランスデューサは、上部電極２１１及び下部電極２１２を有する単一の素子として現れるが、ＰＺＴトランスデューサは、図１ｂ（ｉｉ）に示されるような、又は好ましくは図１ｂ（ｉｉｉ）に示されるような複数素子構造であってもよい。
【００７５】
整流ダイオードＤ１は、負荷が上記トランスデューサからなくなると、キャパシタＣｐに蓄積された電荷がトランスデューサに戻るのを阻止する。したがって、キャパシタＣｐの電荷は、負荷出力２２０（ｉ）に接続された負荷により利用されるまで留まる。
【００７６】
図２（ｉｉ）は、４つのダイオードブリッジＦＲを含む全波整流器を使用するエネルギー回収システム２００（ｉｉ）を示す。
【００７７】
４つのダイオードを含む整流ブリッジＦＲは、ＰＺＴトランスデューサに加えられた圧縮力及び伸張力の両方により生成された電荷をキャパシタＣｐに向ける。整流ブリッジＦＲは、負荷が上記トランスデューサからなくなると、キャパシタＣｐに蓄積された電荷がトランスデューサに戻るのを阻止する。したがって、キャパシタＣｐの電荷は、負荷出力２２０（ｉｉ）に接続された負荷により利用されるまで留まるが、システム２００（ｉｉ）が生成電荷をよりよく利用し、それにより、より高いエネルギー効率を有することが明らかに分かる。
【００７８】
図３（ｉ）、図３（ｉｉ）、及び図３（ｉｉｉ）は、本発明の例示的な実施形態による圧電トランスデューサの図を概略的に示す。
【００７９】
図３（ｉ）は、上部電極３１０及び下部電極３１１を示す圧電トランスデューサ３００の等角投影図を示す。
【００８０】
図３（ｉｉ）に見られる断面図及び図３（ｉｉｉ）に見られる垂直断面図に概略的に示されるように、エポキシ又は他の結合樹脂３２１で結合された圧電ロッド３２０で作られた複合ディスク。例えば、結合材は熱可塑性ポリマー、ゴム、又は他の自然若しくは合成の弾性材料であり得る。
【００８１】
各ロッドは、図１ｂ（ｉ）、図１ｂ（ｉｉ）、又は図１ｂ（ｉｉｉ）に見られるように、単一構造複数の層で作ることができる。
【００８２】
好ましくは、すべてのロッドの電極は、図３（ｉｉｉ）に示すように、上部電極及び下部電極に並列接続される。
【００８３】
トランスデューサ及びロッドの円形、ロッドの位置、及びトランスデューサのアスペクト比が、例示のみのためであり、実際のパラメータが、利用可能なスペース、負荷等の要件を考慮して、用途に従って選択されるべきであることが当業者には明らかなはずである。
【００８４】
図４は、本発明の好ましい実施形態による四角形の圧電トランスデューサ４００を概略的に示す。
【００８５】
図に概略的に示されるように、エポキシ又は他の結合樹脂４２１により結合された圧電ロッド４２０で作られた複合ボックス。
【００８６】
ロッドは正方形の断面を有して示されるが、円柱形又は他の形状を使用してもよい。
【００８７】
４×４ｃｍ及び高さ２ｃｍという典型的な寸法が例として与えられる。他の形状及び寸法を使用してもよい。
【００８８】
好ましくは、活性圧電材料と結合充填剤との比率はおおよそ５０％である。しかし、より大きな又は小さな比率を使用してもよい。
【００８９】
通常、結合材は圧電材料よりも軟らかい。
【００９０】
各ロッドは、単一構造又は複数の層で作ることができる。
【００９１】
好ましくは、すべてのロッドの電極は、上部電極及び下部電極に並列接続される（この図では見られない）。
【００９２】
試験装置では、活性圧電材料と結合充填剤との比率はおおよそ６４％である。しかし、より大きな又は小さな比率を使用してもよい。好ましくは結合材比率は３０％〜４０％である。
【００９３】
試験装置では、８×８配列（合計で６４個）の圧電積層が結合材内に埋め込まれ、各層は４×４ｍｍであり、高さ２０ｍｍである。
【００９４】
通常、結合材は圧電材料よりも軟らかい。
【００９５】
各ロッドは、当分野において既知のように複数の層で作ることができる。好ましくは、各ロッドは、図１ｂ（ｉｉｉ）に示すように、複数層の構造を有する。好ましくは、すべてのロッドの電極は、上部電極及び下部電極に並列接続される（この図では見られない）。
【００９６】
試験された装置では、各ＰＺＴロッドは高さ２０ｍｍである。通常、ポーリング電圧は１ｃｍ当たり５０，０００ボルトのオーダである。このポーリング技法を使用する場合、スパークを発生させ得る１００，０００ボルトが必要であり、非常に高い電圧源を必要とする。本発明の好ましい実施形態によれば、複数のロッドが並列接続され、オーブンに配置され、キュリー温度（セラミックが使用される場合、おおよそ摂氏３００度）近くの温度、又は好ましくはキュリー温度を超える温度まで加熱される。５，０００Ｖ／ｃｍ（合計で〜１０，０００Ｖ）のみのポーリング電圧を使用した。好ましくは、ロッドをポーリング電圧下で室温まで冷却した。その後ロッドを、結合材を注ぐことによりトランスデューサ構造と一体化した。
【００９７】
図５は、本発明の例示的な実施形態による、２レーン道路５０５上に実施された電力回収システム５００の上面図を概略的に示す。道路５０５の一部分が拡大して示される。
【００９８】
図示の実施形態では、複数のエネルギー生成装置５２０が道路内に埋め込まれる。好ましくは、装置５２０は、図３又は図４に示される圧電トランスデューサである。
【００９９】
好ましい実施形態では、エネルギー生成装置５２０は、路面の下に一定間隔で位置決めされる。図５の拡大部分に示すものとして、３０ｃｍの軸方向距離を選択し得る。エネルギー生成装置５２０の間隔が、好ましくは、道路構造内の歪みの幅に依存し、ひいては道路の構造及び材料に依存することに留意されたい。一般に、装置の間隔は、回収されるエネルギーの最適な見返り並びに設置費及び圧電装置毎の価格により影響を受けるシステムのコストによって決まる。
【０１００】
好ましくは、２行のトランスデューサが、道路の各レーンに位置決めされ、各行は、通行する車両の車輪が横断する可能性が高い場所に位置決めされる。電気ケーブル５１０が、エネルギー生成装置に接続され、生成されたエネルギーをエネルギー管理ユニット５３０に転送するために使用される。その後、調整されたエネルギーがエネルギー利用システム５４０に転送される。
【０１０１】
一実施形態では、各ケーブル５１０は２つの導電体で作られ、すべてのエネルギー生成装置が並列接続される。代替として、エネルギー生成装置は直列接続される。並列接続と直列接続との組み合わせも可能である。
【０１０２】
いくつかの実施形態では、電気整流が各エネルギー生成装置において、又はエネルギー生成装置群において行われ、整流された電気信号がケーブルにより伝搬される。
【０１０３】
エネルギー管理ユニット５３０は、生成された電気信号を有用な形態に変換するために必要な電圧の変換及び調整を含み得る。
【０１０４】
例えば、エネルギー管理ユニット５３０は、生成され整流された信号を、通所の家庭主幹電力網により給電されるように設計された装置に給電可能なＡＣ電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器でを備え得る。
【０１０５】
好ましい実施形態では、エネルギー管理ユニット５３０は、道路の中央に位置決めされ、道路の一区画、例えば道路の１ｋｍ分にサービス提供する。エネルギー生成装置とエネルギー管理ユニットとの距離の最適化が、ケーブル敷設のコスト、装置のコスト、ケーブル内のエネルギー損失等に依存することを理解されたい。
【０１０６】
好ましくは、示される電力回収システムは、電力をさらに回収するために、道路に沿って繰り返される。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、行になったエネルギー生成装置は、レーンの中央を中心として対称的にではなく、車両が走行する可能性がより高い道路のカーブのより近くに位置決めされる。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、行になったエネルギー生成装置は、互いから平均車軸幅だけ離れて位置決めされる。
【０１０９】
この図での２レーン道路での実施例が、例示及び簡略化のみのためのものであることに留意されたい。このシステムは、単一レーン又は複数レーンの道路に使用することができる。
【０１１０】
図６は、本発明の例示的な実施形態によるエネルギーを取り込むシステム６００及びエネルギー使用の実施態様を概略的に示す。
【０１１１】
図示の実施形態では、道路６０５内に埋め込まれたエネルギー生成装置により生成されたエネルギー６１０は、エネルギー管理ユニット６３０により有用な形態の電力に変換される。
【０１１２】
図６の例示的な実施形態は、各方向に２レーンを有する４レーンの高速道路を示すが、他の種類の道路を本発明の範囲内で使用し得る。一般に、車両は、左レーンよりも右レーン（ＵＫ及び同様の国々では左レーン）を走行する可能性がより高い。したがって、エネルギー生成器を最も往来の頻繁なレーンのみに実施することが費用効率的であり得る。好ましくは、１つのエネルギー管理ユニット６３０が、両走行方向においてレーンを含む道路の一区画にサービス提供して、ケーブル電気抵抗によるエネルギー損失が最小に抑えられる。
【０１１３】
オプションとして、大型キャパシタ又は好ましくは充電可能なバッテリ等のエネルギー貯蔵装置６２０が、必要な場合に使用されるエネルギーを蓄えるために使用される。生成されたエネルギーは、車両がエネルギー生成装置上を通過するときのみ存在するため、エネルギー貯蔵装置は、車両がない、交通が遅い、又は車両数が少ない場合に電源が中断しないように有用であり得る。
【０１１４】
エネルギーは、エネルギー利用システム６３０により利用される。オプションとして、エネルギー利用システム６３０は、エネルギー管理ユニット６３０及びオプションのエネルギー貯蔵装置６２０の近傍に配置される。
【０１１５】
例えば、エネルギーを夜間の道路の照明に使用し得る。この場合、日中に生成された蓄えられたエネルギーを、車両の往来が少なすぎて完全な電力要件を提供できないことがある、続く夜間に使用し得る。
【０１１６】
特に、主幹電力網から電力線を使用して電力を提供するコストが高い可能性がある、遠隔であり人があまりいない場所及び交差点にある信号灯及び道路傍のサインに給電することもできる。他の用途は、緊急通信ユニット、モバイル通信基地局、及び線路側広告への給電であり得る。
【０１１７】
電気車両が普及するにつれて、道路側バッテリ充電ステーションに対する必要性が増しつつある。通り過ぎる車両から回収られた電力を使用し得る。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、生成されたすべての電力又は局所的な電力需要が満たされた後に残った余剰電力は、電気会社により支払われる料金のために主幹電力網に送電される。これら実施形態では、エネルギー管理ユニットは、生成された電力を、高電圧電力線で使用される高電圧に変換し得る。これら実施形態では、オプションの主幹電力網接続６９０を、往来が少ない場合に局所的に使用するバックアップ電源として使用し得る。
【０１１９】
図７は、本発明の好ましい実施形態による道路舗装中のコンクリート基礎を有する新しい道路内へのエネルギー回収システムの実施を概略的に示す。
【０１２０】
この実施形態では、砂利層７２０を土７１０上に堆積させ、コンクリート基礎７３０が準備された後、行になったエネルギー生成装置７５０及び接続ケーブル７６０がコンクリート上に配置され、アスファルト層７４０がその上に舗装される。
【０１２１】
この実施態様は最も単純なものであり、必要とされる、通常の道路舗装実施からの違いは最小のみである。こういった実施形態では、接続ケーブル及びそれらの方向の構成に関して、略完全な自由がある。
【０１２２】
図８は、本発明の好ましい実施形態による道路舗装中のコンクリート基礎を有さない新しい道路でのエネルギー回収システムの実施を概略的に示す。
【０１２３】
この実施形態では、エネルギー生成装置及び接続ケーブルは、アスファルト内に埋め込まれる。
【０１２４】
図９は、本発明の好ましい実施形態による道路舗装中のコンクリート基礎を有さない新しい道路でのエネルギーを取り込むシステムの実施方法を概略的に示す。
【０１２５】
この実施形態では、砂利基礎７２０が準備された後、第一のアスファルト層９４０が舗装される。行になったエネルギー生成装置７５０及び接続ケーブル７６０が、第１のアスファルト層９４０上に配置され、第２のアスファルト層９４１がその上に舗装される。
【０１２６】
この実施態様は単純であり、通常の道路舗装方法から最小限の逸脱の必要があるだけである。この実施形態では、接続ケーブルの構成及び方向に関して略完全な自由がある。
【０１２７】
図１０は、本発明の実施形態によるコンクリート基礎を有さない既存の道路でのエネルギー回収システムの実施方法を概略的に示す。
【０１２８】
この実施形態では、例えば、円盤を使用して溝１０１０を道路に沿って切られる。各溝は、アスファルト層７４０を部分的に貫入するのに十分な深さである。溝は、エネルギー生成装置７５０及び接続ケーブル７６０を収容するのに十分な幅である。行になったエネルギー生成装置及び接続線は、溝の底に配置され、その後溝はアスファルト充填材１０２０で充填される。
【０１２９】
図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、レトロフィットプロセスの段階を示す。
【０１３０】
図１１は、本発明の実施形態によるコンクリート基礎７３０を有する既存の道路でのエネルギー回収システムの実施方法を概略的に示す。
【０１３１】
この実施形態では、例えば、円盤を使用して溝１１１０が道路に沿って切られる。各溝は、アスファルト層７４０を完全に貫通し、コンクリート層７３０に達するのに十分な深さである。溝は、エネルギー生成装置７５０及び接続ケーブル７６０を収容するのに十分な幅である。行になってエネルギー生成装置及び接続線は、溝の底のコンクリート上に配置され、溝はよりもアスファルト充填材１１２０で充填される。
【０１３２】
図１１（ａ）〜図１１（ｄ）は、レトロフィットプロセスの段階を示す。
【０１３３】
図１１ａは、レトロフィット前の道路を示す。
【０１３４】
図１１ｂは、上部舗装層に溝を掘る段階を示す。
【０１３５】
図１１ｃは、エネルギー回収装置を配置する段階を示す。
【０１３６】
図１１ｄは、溝が再舗装された後の道路を示す。
【０１３７】
図１２ａは、本発明の別の態様による複合圧電発電器の側面断面図を概略的に示す。
【０１３８】
本発明の例示的な実施形態によれば、複合圧電発電器１２００は、複数の圧電発電器１２４４を備える（この図では４つが示されるが、より多数又はより少数を使用してもよい）。
【０１３９】
例えば、各圧電発電器１２４４は、図４の四角形の圧電トランスデューサ４００であってもよく、又は他の形状の圧電発電器であってもよい。
【０１４０】
好ましくは、圧電発電器１２４４は基板１２３２上に配置され、上板１２３１で覆われる。
【０１４１】
好ましくは板１２３１及び１２３２の端部にあるバネ１２１１等の弾性部材が、構造を一緒に保ち、好ましくは、圧縮力を基板１２３２と上板１２３１との間に加える。この圧縮力は圧電発電器１２４４に加えられる。車又はトラックが複合圧電発電器１２００上又はその近傍を通過する際、車両により生じた圧力及び振動が道路内を伝搬し、基板１２３２及び上板１２３１に影響を及ぼし、圧電発電器１２４４に対して経時変化する力を生じさせ、それにより、電力が生成される。この構造が弾性部材１２１１により「予め応力をかけられる」ことにより、電気が振動サイクルの引っ張り部分でも発生することが保証されることを認識されたい。したがって、好ましくは、弾性部材１２１１により及ぼされる力は、振動サイクル中に予想される最大プーリング力に匹敵するか、又はそれを超える。
【０１４２】
好ましくは、圧電発電器１２４４は互いに電気的に接続されると共に、導電体１２９１及び１２９２を経由して局所エネルギー調整ユニット１２９３に接続される。しかし、オプションとして、各圧電発電器１２４４を別個に局所エネルギー調整ユニット１２９３に接続してもよい。局所エネルギー調整ユニット１２９３は、例えば、図２に開示される形態であり得る。局所エネルギー調整ユニット１２９３からの調整されたエネルギーは、ケーブル１２９４を経由して外部エネルギー利用装置に転送される。オプションとして、局所エネルギー調整ユニット１２９３は、複合圧電発電器１２００のすべて又は数個にはなく、エネルギー調整は、複合圧電発電器外部で実行される。
【０１４３】
好ましくは、複合圧電発電器１２００は長さおおよそ６０ｃｍ、幅４ｃｍ、及び高さ３ｃｍであり、高さは、２ｃｍの活性圧電材料、基板１２３２及び上板１２３１の厚さを含む。しかし、他の寸法を使用してもよい。
【０１４４】
オプションとして、例えば、土埃及び湿気から保護するため、例えば、道路内への埋め込み中にアスファルトが発電器内に入らないようにするために、複合圧電発電器１２００全体は可撓性保護カバー内に収容される。追加又は代替として、複合圧電発電器１２００を弾性材料で覆われる。
【０１４５】
図１２ｂは、本発明の別の態様による複合圧電発電器の側面図を概略的に示す。
【０１４６】
本発明の例示的な実施形態によれば、複合圧電発電器１２００は複数の圧電発電器１２４４を備える。
【０１４７】
好ましくは、圧電発電器１２４４は基板１２３２上に配置され、上板１２３１で覆われる。
【０１４８】
バネ１２１１等の弾性部材が構造を一緒に保ち、好ましくは、圧縮力を基板１２３２と上板１２３１との間に加える（この側面図では２つが見られるが、１つ又は３個以上を使用してもよい）。
【０１４９】
図１２ｃは、本発明の別の態様による複合圧電発電器の上面図を概略的に示す。
【０１５０】
本発明の例示的な実施形態によれば、複合圧電発電器１２００は複数の圧電発電器１２４４を備える。
【０１５１】
好ましくは、圧電発電器１２４４は基板１２３２上に配置され、上板１２３１で覆われる（ここでは上板のみが見られる）。
【０１５２】
バネ１２１１等の弾性部材が構造を一緒に保ち、好ましくは、圧縮力を基板１２３２と上板１２３１との間に加える（この上面図では、各側に２つの弾性部材が見られるが、１つ又は３個以上を使用してもよい）。
【０１５３】
図１２ｄは、本発明の例示的な実施形態による複合圧電発電器を使用するエネルギー回収システムを概略的に示す。
【０１５４】
エネルギー回収システム１２６６は、好ましくは、道路内に埋め込まれる。この概略図では、外側境界１２６２（道路のカーブ又は別のレーンの境界であり得る）及び内側境界１２６３により画定される１つの道路レーン。エネルギー回収システム１２６６は、好ましくは２行に配置された複数の複合圧電発電器１２００を備える。
【０１５５】
本発明の例示的な実施形態によれば、複合圧電発電器１２００は、回収されるエネルギーを最大化するように配置される。回収されるエネルギーの最大化は、通過中の車両の車輪が発電器１２００の中心上を通過する確率を最大化する位置に発電器１２００を配置することにより行うことができる。
【０１５６】
本発明の例示的な実施形態では、発電器１２００は、同じ交通レーンに対応する２行に沿っておおよそ３０ｃｍ間隔で互いに実質的に平行に配置される。本発明の例示的な実施形態では、発電器１２００の中心は、レーンの外側境界１２６２からおおよそ６０ｃｍのところに配置される。本発明の例示的な実施形態では、第２の行の発電器１２００の中心は、第１の行の発電器１２００の中心からおおよそ１８０ｃｍのところに配置される。発電器１２００の他の間隔を使用してもよいことに留意されたい。
【０１５７】
ケーブル１２９４が、主ケーブル１２９５を経由して発電器１２００をエネルギー利用システムに電気的に接続する。
【０１５８】
図１２ｅは、本発明の例示的な実施形態による複合圧電発電器を使用するエネルギー回収システムを概略的に示す。
【０１５９】
エネルギー回収システム１２６７は、ケーブル技術がシステム１２６６と異なる。この例示的な実施形態では、行収集ケーブル１２６７が、各行の発電器１２００を外部のエネルギー利用システムに接続する。
【０１６０】
他のケーブルトポロジを使用してもよいこと、及び本発明が１レーン道路に限定されないことを認識されたい。
【０１６１】
図１３は、本発明の別の態様による圧電発電器の傾斜した配置を概略的に示す。
【０１６２】
本発明の一般的な態様によれば、圧電発電器１３００を道路の表面１３２０に対して角度αで舗装７４０内に埋め込むことができる。
【０１６３】
好ましくは、傾斜角度は、発電器１３００上の普及している移動車両の方向１３１０にある。
【０１６４】
発電器１３００は、任意の種類の圧電発電器から選択し得る。好ましくは、圧電発電器１３００は、図１２に見られるような複合圧電発電器である。
【０１６５】
別の好ましい実施形態では、エネルギー生成装置は、飛行場の滑走路タールマックの下に位置決めされる。空港の交通はあまり頻繁ではないが、着陸する航空機によりケースされる応力は、車のものよりもはるかに大きい。好ましくは、エネルギー回収システムは、応力がピークである飛行場の着陸部分に位置決めされる。
【０１６６】
図１４は、民間航空機の前面図を概略的に示し、典型的な寸法を示す。
【０１６７】
この図に示される民間ジェット航空機１４００、例えば、Ｂｏｅｉｎｇ７４７−４００は通常、胴体の前に接続された前輪組立体１４１０と、翼のベースに接続された２つの主輪組立体１４２０とを備える着陸ギアを有する。
【０１６８】
通常、航空機重量の大半は、２つの主輪組立体１４２０にある。示されるＢｏｅｉｎｇ７４７の場合、前輪組立体１４１０への最大負荷（離陸）はおおよそ１７トンであり、２つの主輪組立体１４２０のそれぞれでおおよそ６０トンである。
【０１６９】
航空機の種類及びサイズに応じて、２つの主輪組立体１４２０の中心間距離は様々である。典型的な距離はおおよそ１１ｍである。
【０１７０】
図１５は、民間航空機のフットプリントを概略的に示し、車輪の構成及び典型的な寸法を示す。
【０１７１】
この図にフットプリントが示される民間ジェット航空機、例えば、Ｂｏｅｉｎｇ７６７は通常、胴体の前に接続された前輪組立体１４１０と、翼のベースに接続された２つの主輪組立体１４２０とを備える着陸ギアを有する。
【０１７２】
２つの主輪組立体１４２０の中心間距離は、おおよそ９．３ｍである。
【０１７３】
舗装
滑走路に構築に使用される材料の選択は、用途及び局所的な地面の状態に依存する。一般的には、主要空港の場合、地面の状態により可能であれば、長期の保守が最小の最も満足のいく種類の舗装はコンクリートである。特定の空港はコンクリート舗装内に補強材をお使用しているが、これは一般に、コンクリートスラブの相対移動を可能にし、コンクリート内に配置されるダボ組立体が滑走路を横切る伸縮継手を除き、不必要であることが分かっている。不安定な地面の状態により、数年にわたって滑走路の大きな沈下が予想できる場合、定期的に継ぎをして補修するのがより容易であるため、アスファルトコンクリート面を敷設することが好ましい。軽航空機の往来が非常に低い飛行場の場合、芝生面を使用することが可能である。
【０１７４】
舗装設計の展開は、いくつかのパスに沿って進められる。調査用ボーリングが行われて、路床の状況が特定され、路床の相対支圧強度に基づいて、異なる舗装仕様が確立される。通常、頑丈な民間航空機の場合、舗装厚は、上面が何であれ、路床を含めて１０インチ（２５ｃｍ）から４フィート（１ｍ）まで様々である。
【０１７５】
歴史的に見て、空港の舗装は２つの方法により設計されてきた。第１のウェスタガード（Westergaard）の方法は、舗装が、Ｋ値として知られている均一反応係数（uniform reaction coefficient）を有する、重液ベース上に支持された弾性板であるという仮定に基づく。経験から、公式が開発されたＫ値が、非常に大きなフットプリント圧力を有するより新しい航空機には適用できないことが分かっている。
【０１７６】
空港舗装構築はかなり高価であるため、航空機が舗装に与える応力を最小化するために、あらゆる努力がなされている。大型航空機の製造業者は、航空機の重量がより大きくより多数のタイヤで支持されるように着陸ギアを設計する。舗装に対する悪影響が最小化されるような着陸ギア自体の特性も注目されている。しかし、最終解析では、過去にそうであったように航空機の重量が増大し続けた場合、欧州及び米国で一般に使用されているものよりもかなり強度の高い舗装を提供することが必要になる。より高い負荷に備えて、元のスラブに適宜接合されたアスファルトコンクリート又はポートランドセメントコンクリートのオーバーレイを適用することにより、舗装を補強可能な場合がある。
【０１７７】
ポストテンションコンクリートが、滑走路面用に開発された。これは、より薄い舗装の使用を可能にし、より長いコンクリート舗装寿命に繋がるはずである。より薄い舗装は凍上を受けやすいため、このプロセスは一般に、あまり凍結作用がない場所でのみ適用可能である。
【０１７８】
滑走路長
滑走路長はいくらかの学問的な関心のあるものであり得るが、航空輸送オペレーションの使用可能性に関しては、少なくとも６，０００フィート（１，８２９ｍ）長の滑走路が通常、おおよそ９０，７１８ｋｇ未満の航空機重量に対して適切である。通常、より大きな航空機は少なくとも海抜高度２，４３８ｍが必要であり、より高い高度の空港では、さらなる高さが必要である。広胴型の国際飛行でも、着陸要件３，０４８ｍ以上を有し、離陸要件３，９６２ｍ以上を有し得る。
【０１７９】
海抜ゼロでは、３，０４８ｍを、略あらゆる航空機に適合する適切な長さと考えることができる。任意の所与の航空機は、高度が高いほど空気密度が低減し、揚力及びエンジンパワーを低減するため、高い高度にある滑走路ほど、長い滑走路を必要とする。大半の民間航空機は、所与の温度で必要とされる調整を示す製造業者の表を携帯している。
【０１８０】
図１６ａは、本発明の例示的な実施形態による滑走路への圧電エネルギー生成器（ＰＥＧ）の設置を概略的に示す。
【０１８１】
滑走路エネルギー回収システム１１５０は、滑走路１５１０を有する空港に設置される。明確にするために、ケーブル、エネルギー調整要素、及びエネルギー貯蔵要素はこの図から省略されている。しかし、これら要素は前図において開示された一般的な構築及び動作モードに従う。
【０１８２】
少なくとも滑走路の一端部の近傍に、着陸マーク１５２０が舗装上にペイントされる。パイロットは航空機をこのマークに着陸させることを目標にする。通常、離陸も同じマーク又はその近傍で開始される。離陸及び着陸の方向は一般に、風向きに逆行するため、風向きが変化する場所では、着陸マークは滑走路の両端部にペイントされる。しかし、卓越風向により、一方向で着陸する確率又は他方向で着陸する確率が決まる。同じ空港内で、着陸及び離陸に異なる滑走路が使用される。
【０１８３】
着陸では、着陸ギアに対する応力は着陸滑走全体を通して高い。逆に、離陸中、航空機の速度が増大する場合、揚力は応力を低減する。
【０１８４】
好ましくは、ＰＥＧは、滑走路を使用する航空機の着陸ギアにより生じる応力が大きく頻繁である滑走路舗装の下に設置される。
【０１８５】
図１６ａに示される例示的な実施形態では、ＰＥＧ１５４０は、群１５３０で着陸マーク１５２０から開始されて設置される。各ＰＥＧ群１５３０は、複数のＰＥＧ１５４０を含む（この図には４つが示されるが、群内のＰＥＧ数は変更し得る）。好ましくは、各群は長さ１ｍ〜６ｍである。群１５３０は、指定された距離で平行構成に配置されて、２行になった群１５３５を形成する。図１６ａに示される例示的な実施形態では、群の間隔はおおよそ３０ｃｍであり、２行１５３５の中心間距離はおおよそ１１ｍである。一般に、２行１５３５の中心間距離は、滑走路を使用する航空機の主着陸ギアの平均間隔によって決まる。一般に、群１５４０の間隔及び群内のＰＥＧの間隔は、ＰＥＧのコスト増大と、ＰＥＧ数が多い場合のエネルギー回収効率の増大とのトレードオフである。
【０１８６】
図示の実施形態では、ＰＥＧは滑走路の始まりから、通過する航空機により生じる応力の確率が、回収される予想エネルギーが、ＰＥＧの設置が費用効率的ではないポイントまで低減するポイントまで設置される。例えば、大半の離陸滑走路は平均離陸滑走よりも長いため、ＰＥＧの設置は滑走路の始まりに制限される。同様の考慮事項が、着陸滑走路、着陸、離陸滑走路、及び風向きが変化する場所にある滑走路に対して該当する。風向きが変化する場所にある滑走路では、ＰＥＧを滑走路の両端部から開始して、又は滑走路の全長を通して設置し得る。
【０１８７】
図１６ｂは、本発明の例示的な実施形態による滑走路内へのＰＥＧの実施を概略的に示す。
【０１８８】
図１６ｂ（ｉ）は、基礎１６１０上に配置されたコンクリート層１６２０及びコンクリート層１６２０上に堆積したアスファルト層１６３０を含む滑走路を示す。この実施形態では、ＰＥＧ１５４０は、好ましくは、コンクリート層１６２０に取り付けられ、アスファルトで覆われる。
【０１８９】
代替として、ＰＥＧをコンクリート層１６２０の下に設置してもよい。
【０１９０】
図１６ｂ（ｉｉ）は、アスファルト層なしで基礎１６１０上に配置されたコンクリート層１６２０を含む滑走路を示す。この実施形態では、ＰＥＧ１５４０をコンクリート層１６２０内に設置することができる。この実施形態では、ＰＥＧは、補強コンクリートが使用される場合、補強コンクリートの補強構造に取り付けることができる。代替として、コンクリートが注がれている間、ＰＥＧを支持構造１５４５で支持してもよい。
【０１９１】
代替として、ＰＥＧをコンクリート層１６２０の下に設置してもよい。
【０１９２】
図１７は、本発明の別の好ましい実施形態による箱形圧電トランスデューサ１７００を概略的に示す。
【０１９３】
図に概略的に示されるように、結合樹脂１７２１により結合される圧電ロッド１７２０で作られた複合ボックス。好ましくは、結合樹脂はビチューメン−ポリマー混合物で作られる。好ましくは、樹脂の特性は、発電器１７００（圧電ロッドが内部に設置された母材）の平均機械的特性が滑走路舗装の機械的特性に対する要件に対応するように選択される。
【０１９４】
ロッドは正方形の断面を有するものとして示されるが、円柱形又は他の形状を使用してもよい。図示の実施形態では、「碁盤目」構成の道路が選択された。しかし、異なるパッキング構成を使用してもよい。
【０１９５】
１２．５×５ｃｍ及び高さ２．５ｃｍという典型的な寸法が例として与えられる。他の形状及び寸法を使用してもよい。図示の実施形態では、容積の４０％が圧電ロッドに占められるが、他のロッドと樹脂との比率を使用してもよい。図示の実施形態では、行毎に１３個及び１２個のロッドが交互になった１０行に配置された１２５個の圧電ロッドが使用されるが、他のロッド構成を使用してもよい。
【０１９６】
各ロッドは、単一の構造で作られもよく、又は複数の層で作られてもよい。
【０１９７】
図示の実施形態では、すべてのロッドのすべての上部電極は上部電極１７３０に並列接続される。上部電極１７３０は、上部電極線１７３２に上部接点１７３３において接続される。
【０１９８】
同様に、すべてのロッドのすべての下部電極は、下部電極（この図には見られない）に並列接続される。下部電極は下部電極線１７４２に上部接点１７４３において接続される。エネルギー調整ユニット及びエネルギー利用ユニット（この図には見られない）に繋がるケーブル１７５０に結合される線１７４２及び１７３２。
【０１９９】
別の好ましい実施形態では、エネルギー生成装置は電車鉄道トラックの下に位置決めされる。電車の往来頻度はより低いが、電車により生じる応力は車のものよりもはるかに大きい。さらに、通過する電車によりケースされる応力は、レール下に集中され、回収がより容易であり得る。
【０２００】
明確にするために、別個の実施形態の文脈の中で説明した本発明の特定の特徴を、単一委の実施形態において組み合わせて提供してもよいことが分かる。逆に、簡略にするために、単一の実施形態の文脈の中で説明した本発明の様々な特徴を、別個に、又は任意の適した下位組み合わせで提供してもよい。
【０２０１】
本発明を特定の実施形態と併せて説明したが、多くの代替、変更、及び変形が当業者に明らなことが明らかである。したがって、添付の特許請求の主旨及び広い範囲内にあるそのようなすべての代替、変更、及び変形を包含することが意図される。本明細書において参照されたすべての出版物、特許、及び特許出願は、まるで個々の各出版物、特許、及び特許出願が特に個々に参照により本明細書に援用されるかのような程度まで、参照により本明細書に援用される。さらに、本願でのいかなる参照の引用又は識別も、そのような参照が本発明に対する従来技術として利用可能なことを認めるものとして解釈されるべきではない。
【図１ａ】
2011511619.tif 000009
【図１ｂ】
2011511619.tif 000010
【図２ａ】
2011511619.tif 000011
【図２ｂ】
2011511619.tif 000012
【図３（ｉ）】
2011511619.tif 000013
【図３（ｉｉ）】
2011511619.tif 000014
【図３（ｉｉｉ）】
2011511619.tif 000015
【図４】
2011511619.tif 000016
【図５】
2011511619.tif 000017
【図６】
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【図７】
2011511619.tif 000019
【図８】
2011511619.tif 000020
【図９】
2011511619.tif 000021
【図１０（ａ）】
2011511619.tif 000022
【図１０（ｂ）】
2011511619.tif 000023
【図１０（ｃ）】
2011511619.tif 000024
【図１０（ｄ）】
2011511619.tif 000025
【図１１（ａ）】
2011511619.tif 000026
【図１１（ｂ）】
2011511619.tif 000027
【図１１（ｃ）】
2011511619.tif 000028
【図１１（ｄ）】
2011511619.tif 000029
【図１２ａ】
2011511619.tif 000030
【図１２ｂ】
2011511619.tif 000031
【図１２ｃ】
2011511619.tif 000032
【図１２ｄ】
2011511619.tif 000033
【図１２ｅ】
2011511619.tif 000034
【図１３】
2011511619.tif 000035
【図１４】
2011511619.tif 000036
【図１５】
2011511619.tif 000037
【図１６ａ】
2011511619.tif 000038
【図１６ｂ】
2011511619.tif 000039
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月6日(2010.10.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両が通過する道路から電力回収装置であって、
基板、
上板、
前記上板と下板との間に配置された母材内に埋め込まれた複数の圧電ロッドを有し、電力を生成可能な少なくとも１つの圧電装置、
前記基板と前記上板とを接続し、前記少なくとも１つの圧電装置に対して圧縮力を及ぼすことが可能な弾性部材
を特徴とする、電力回収装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの圧電装置は、母材内に埋め込まれた複数の圧電ロッドを備える、請求項１に記載の電力回収装置。
【請求項３】
前記母材は結合材を含む、請求項２に記載の電力回収装置。
【請求項４】
前記結合材はエポキシ樹脂である、請求項３に記載の電力回収装置。
【請求項５】
前記結合材は、熱可塑性ポリマー、ゴム、自然弾性材料、及び合成弾性材料等の結合材群から選択することができる、請求項３に記載の電力回収装置。
【請求項６】
前記結合材は、前記少なくとも１つの圧電装置の少なくとも５０％を含む、請求項４に記載の電力回収装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの圧電装置は、通過する車両が前記複数の圧電ロッドに圧縮力を生成するように、前記圧電装置内に位置決めされた複数の圧電ロッドを備える、請求項１に記載の電力回収装置。
【請求項８】
前記複数の圧電ロッドは、通過する車両が前記複数の圧電ロッドの長手軸に沿って圧縮力を生成するように、前記少なくとも１つの圧電装置内に位置決めされる、請求項７に記載の電力回収装置。
【請求項９】
前記複数の圧電ロッドのそれぞれが複数の圧電積層を備える、請求項１に記載の電力回収装置。
【請求項１０】
表面及び少なくとも１つのレーンを有する道路から電力回収システム内に組み込まれる、複数の、請求項１に記載の電力回収装置であって、
電力調整ユニット、
前記少なくとも１つの圧電装置を前記電力調整ユニットに接続する導電体
をさらに備え、前記複数の圧電装置は、少なくとも１つのレーンの移動車両の車輪が通過する確率が最も高い場所に沿って２行になって前記表面の下に埋め込まれる、複数の電力回収装置。
【請求項１１】
前記電力調整ユニットは、電力をバッテリ充電ステーションに供給して、電気車両のバッテリを充電する、請求項１０の電力回収システム。
【請求項１２】
前記電力調整ユニットは主幹電力網にさらに接続される、請求項１０の電力回収システム。
【請求項１３】
前記結合材はビチューメン−ポリマー混合物である、請求項１０の電力回収システム。
【請求項１４】
表面及び少なくとも１つのレーンを有する道路からエネルギー回収方法であって、
通過する車両により生成される圧縮歪みに応答して電力を生成可能な複数の圧電装置を道路内に埋め込むこと、
導電体により電力調整ユニットを前記複数の圧電装置に接続すること
を特徴とし、
前記複数の圧電装置は、少なくとも１つのレーンの移動車両の車輪が通過する確率が最も高い場所に沿って２行になって前記表面の下に埋め込まれる、エネルギー回収方法。
【請求項１５】
前記複数の圧電装置は、
基板と、
上板と、
母材内に埋め込まれた複数の圧電ロッドを有する少なくとも１つの圧電装置であって、前記上板と下板との間に配置され、電力を生成可能な少なくとも１つの圧電装置と
を備える、請求項１４に記載のエネルギー回収方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１７
【補正方法】追加
【補正の内容】
【図１７】
2011511619.tif 000040
【国際調査報告】
2011511619.tif 000041
2011511619.tif 000042