ギャロッピングを利用した小型風力振動発電機の開発

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K06147
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 長嶺 拓夫 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (00323379)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 流体関連振動 / 自励振動 / ギャロッピング / 振動発電 / 圧電素子

Outline of Annual Research Achievements

本研究は風力を利用した振動式の小型発電機の開発を目的としている。特に、風速が低い数m/s程度で発電が可能なものを対象とする。このように一般的な風力発電機の適用風速である平均風速６m/s以上よりも低い風速であるため、流れ場を利用して効率良く振動を起こすことが発電機の開発には大切である。このため、空力自励振動であるギャロッピング現象を利用して振動を起こすことを考えた。一般に自励振動は系の固有振動数で振動するため効率よく振動していると考えられているからである。実験装置は、空気の流れ場に配置した受風部とそれを支える板バネと発電を行う圧電素子とそれを含む回路からなる。発電は流れから受風部が励振され、不安定振動（ギャロッピング）が発生することから行う。この受風部は板バネで支持して振動が起こる形状としており、その支持の仕方も発電特性に影響を与える。この板バネの曲げ振動から圧電素子を利用して発電を行う。基本的な構造は単純であり、独立したセンサ用の電源としても活用が期待されるものである。しかしながら、各部の形状および特性、電気回路による特性への影響など実験により調査しなければならないものがある。ここでは、風速に対する受風部の向き、形状、取付け方法などが振動特性に与える影響について実験を行う。さらに電気回路についても、振動特性と発電特性に与える影響を実験的に調べる。さらに、実用化において風速の変動に対しても調査が必要であるため、実証実験を行う。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

流れ場に配置した受風部の振動について、各パラメータの特性について実験を実施した。まず初めに発電を行わない状態で振動特性について実験をした。風速と迎え角について受風部の形状をパラメータとして実験を行い、振動発電に適した形状について検討を行い。受風面の形状について中央部がくぼんでいるものが適していることを実験的に明らかにしている。次に発電を行うことでの振動特性について実験を行い、以前の研究していたものよりもギャロッピングで発電させる本形状の方が振動特性に与える影響が少ないことがわかった。電気回路についてはいくつかの方式を検討し、発電特性を考慮したものを選ぶ必要があることがわかった。

Strategy for Future Research Activity

振動特性および発電特性についての実験はほぼ実施した。今後は流れ場の可視化を行いその励振メカニズムを検討するとともに、数値シミュレーションを実施し観察した可視化結果と比較を行う。その結果良い一致を得た後流体からの励振力について検討を行う。これらの結果をもとに設計指針を構築するとともに、製作する発電機の実証試験を実施する予定である。

Causes of Carryover

可視化に関する実験をまだ実施していない、その実験に関する消耗品等を購入していないため次年度の使用額が発生している。

Expenditure Plan for Carryover Budget

可視化実験を実施するとともに、研究計画に沿って消耗品および旅費等の使用を計画している。