波動原理により風力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電旗の研究

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K06979
• Research Institution: Kindai University
• Principal Investigator: 西垣 勉 近畿大学, 生物理工学部, 准教授 (80251643)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 圧電フィルム / エネルギーハーベスティング / 環境発電 / 風力発電

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，適切に形状設計された圧電フィルムがその表面に貼付されて一体化され，波動発電機能を実装したスマート発電ダクトを開発し，圧電体の面積比以上の発電量が低風速域でも得られる構造体の設計基準について示すことを目的としている．平成２８年度には，厚さ0.1mm，直径80mm，軸長300mm程度のサイズのプラスチック製の円筒を作成し，これを鉛直方向に配置しその両端を緩く支持した上で、水平方向に風力を与えたときの振動挙動をハイスピードカメラで観測したところ，低風速域では支持軸回りの回転運動が主となるような振動挙動が観測され，中風速域では円筒の円周方向波動が現れ曲げ振動が発生する領域があることがわかった．圧電素子による発電は，ダクトの面内ひずみを利用するため，面内振動が発生するのはこの円周方向波動が強く励起される条件となるため，この波動を利用し上記のダクトの支持軸付近に長方形状圧電フィルムを貼付した場合について，圧電素子の出力電圧と振動挙動を同時に観測し，発電量を評価した結果，上記の円周方向波動を活用することによって発電量が大幅に向上する可能性のあることが見出された．平成２９年度はこれに引き続き、円周方向波動を低風速域で励起する条件について解析的に予測可能とする方法について検討した．このために円環の振動を表す運動方程式から薄肉円環の固有振動数の理論解析解を導き，上記のサイズを持つ薄肉円環について解析した．その一方で，薄肉円環への励振力は渦によって発生するものと考え，中実円柱の場合の渦発生周波数を円環の半径の関数として表し，これらの2つの周波数が一致すると共振と同じ効果が起き曲げ振動の振幅が大きくなり，発電量が大幅に大きくなるものと考えた．検討の結果，円環を薄肉にするか，現状のままで半径を大きくするとこの条件を満たすことを明らかにできた．

Current Status of Research Progress

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

Reason

第一年度となる平成28年度には発電ダクトによる微小電力発生用風力エネルギーハーベスターの発電量向上可能性を示すことを狙いとし．風力により励振されたダクトに生じた波動による曲げ振動を活用することで，発電量が向上する場合があることが見出され，またハイスピードカメラの使用により，優れた発電特性を示す場合のダクトの振動挙動を詳細に観測して，発電メカニズムを考察することができるようになった．そこで第二年度においては，この曲げ振動が大きく励起されるメカニズムの物理的な考察をともなった設計が最も重要と考えて解析的設計法の検討に進めることができた．薄肉円環の固有振動数と流体中に置かれた円柱まわりの渦発生周波数という２つの理論解について解析的に検討したけっか，狙った通り低風速域における発電量の向上が見込める発電ダクトの平均半径と厚さ，密度等のパラメーターが予測できるようになり，発電量が向上する設計法を明らかにできる可能性が極めて高まったと言える．
以上の考察により，本研究課題はおおむね順調に進展していると考えられるため．

Strategy for Future Research Activity

第一年度・第二年度の成果により，圧電フィルムを用いた発電ダクトの可能性および本研究で課題とする低風速域での発電量を向上させるダクト構造の基本的設計法が，簡易風洞およびハイスピードカメラを用いた観察および理論解析的考察の組合せによって見出されたため，今後は発電特性に影響を与えると考えられる，ダクトのサイズおよび材質，風速，圧電フィルムのサイズや貼付位置などを第二年度の予測結果を中心に変更させながら，同時にハイスピードカメラを用いたダクトの振動波動挙動の観察を実施し，これらの結果を分析・考察することで，発電量が向上する条件と，そのメカニズムを明らかにすることを目的に実験を継続していく予定である．本研究課題の最終目標は，低風速域における発電量の向上方法を明らかにすることであり，風励振による流体と構造の連成振動を最も有効に利用する条件を見出すべく，本実験系のエネルギーハーベスターとしての最適設計条件を明らかにできればと考えている．

Causes of Carryover

（理由）当初の研究計画として，平成28年度にシロッコファンを用いた風洞の作製費，2Dデータ解析ソフトウェア購入費，データ処理用ＰＣ購入費などを見込んでいたが，研究が当初の予測よりも理論的に大きく進展して，平成28年度に作製したコンパクトな発電ダクトによる実験においても良好な成果が得られ，また平成29年度には解析的予測による設計法の大幅な一般化に取り組み所望の成果を挙げることができたため、これらの機器の作製・購入を平成29年度には実施せず，研究計画を修正して平成30年度に総合的に実施することとしたため．
（使用計画）ハイスピードカメラで得られた動画と圧電素子の出力電圧を詳細に分析・考察するためにはデータ処理用ＰＣが今後必要となるため，平成30年度での購入を予定している．またハイスピードカメラのレンズについてもダクトのサイズによっては広角なものが必要となる可能性もあり，平成29年度での購入を実施した．一方，2Dデータ解析ソフトウェアについては，本研究の発電ダクト回りの流体の挙動の分析が困難との見通しとなったため，代替ソフトウェアの購入にあてる可能性があり引き続きソフトウェアによるシミュレーションの可能性を検討する．これには有限要素法ソフトウェアを考えている．さらに，発電ダクトの固有振動数を実験的にも把握する必要が生じたため，ダクト加振用のミニシェーカの購入を検討している．