2015 Fiscal Year Research-status Report
水飲み鳥の揺動原理に基づく熱機関からの利用可能な余剰エネルギー回収システムの開発
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25630442
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| Research Institution | Hiroshima City University |
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Principal Investigator |
小作 敏晴 広島市立大学, 情報科学研究科, 助教 (90295840)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐野 学 大阪学院大学, 情報学部, 教授 (10092785)
厚海 慶太 広島市立大学, 情報科学研究科, 助教 (80453207)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 水飲み鳥 / 熱機関 / 余剰動力回収 / 発電機構 / エネルギープラント / リアルタイム画像処理 / 連続自動計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，「水飲み鳥」と呼ばれるガラス製玩具の揺動運動を工学的な観点から定量的に解析し，エネルギープラントとしての実現可能性を検証することを目的としている．当該年度は３年計画の３年目であり，前年度までの進捗の遅れを考慮し，（１）余剰動力を計算する数理モデルの構成，（２）動作原理に基づく熱機関モデルの製作，（３）熱機関モデルと発電機構の統合による単体エネルギープラントの構成と性能評価，を当該年度の研究課題とした．
（１）では，数理モデルの構成に必要となる実験データを効率良く収集・処理するため，リアルタイム画像処理システムを導入して実験装置を改良した結果，計測対象となる全ての物理量の長期間・連続・自動（または半自動）計測を実現し，試験データから余剰動力の推定値を得た．統計的に十分な量のデータ収集と解析は実施できず，数理モデルの構成は未達成となったが，これまでの成果をまとめ，学会で発表した．
（２）では，動作原理に基づく熱機関モデルとして，玩具として市販されている水飲み鳥より大型の実体模型を製作した．前年度までの計画では，将来の実用プラントへの展開を考え，金属系材料による製作を行うこととしていた．しかし，金属製では内部観測が困難なことや，充填する液剤との親和性が問題となり，検討を重ねた結果，初期の計画を変更し，本体がガラス製の実体模型を製作することにした．実際の製作は外部に発注し，製作された実体模型の動作試験を実施したところ，玩具品と同様の持続的な揺動運動を実現することができず，当該年度内の完成に至らなかった．（３）は，（２）が未完成のため実施できなかった．
以上の実績を踏まえ，研究をさらに１年継続することによって，当初の計画を包括的に達成することを目的として，補助期間の延長を申請した結果，受理されたので，次年度において，当該年度の研究を継続して遂行することになった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
当該年度は３年計画の３年目（最終年度）であり，研究実績の概要で述べた（１）余剰動力を計算する数理モデルの構成，（２）動作原理に基づく単体の熱機関モデルの製作，（３）熱機関モデルと発電機構の統合による単体エネルギープラントの構成と性能評価，の研究課題のうち，（２）と（３）は交付申請時の２年目の研究計画であり，３年目の計画内容であった「複合システムの開発」は，２年目の終了段階で中止を決めている．
（１）は，計測システムの長期間・連続・自動（半自動）化を達成したものの，数理モデルを構成するために必要なデータの収集と解析を実施するに至らなかった．理由の１つは，完全自動化に必要な一部の計測制御プログラムの作成が遅れ，完成できなかったことである．ただし，機器の準備と構成は完了しているので，あとは未完成の計測制御プログラムが完成すれば，広範囲の実験条件で統計的に十分な量のデータを効率よく収集・解析することが可能な段階に達している．
（２）は，当初予定していた金属製実体模型の製作について，いくつか問題があったため，外注先の業者と共同して本体がガラス製の実体模型の製作に取り組んだ．玩具用として市販されている水飲み鳥より大きい簡易模型を，丸底フラスコ等を利用して試行錯誤的に製作し，その動作試験を実施したが，現在までのところ市販品のように揺動運動が持続する状態を実現する段階に至っていない．この理由の１つは，（１）の数理モデルの構成が実現されておらず，形状寸法など種々のパラメータの変化について，解析的な考察が十分に提供できなかったことである．
（３）の発電機構については，初年度から開発を実施し，発電原理および市販品による発電の実証は完了しているが，（２）の単体の熱機関モデルが完成していないため，統合と性能評価に至っていない．
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| Strategy for Future Research Activity |
当該年度が３年計画の最終年度であったが，補助期間の延長を申請し，受理されたので，当該年度の研究課題である（１）余剰動力を計算する数理モデルの構成，（２）動作原理に基づく単体の熱機関モデルの製作，（３）熱機関モデルと発電機構の統合による単体エネルギープラントの構成と性能評価，の中で未達成の内容を，次年度の研究課題として遂行する．
（１）では，実験装置の計測制御プログラムを完成させ，広範囲の温度・湿度条件における水飲み鳥の揺動運動計測データを収集，解析する．そして，温度と湿度を入力とし，種々のパラメータを介して余剰動力を出力する数理モデルの構成と評価を行う．計測制御プログラムの中で最も大きな課題は，サーモグラフィ装置による熱画像のリアルタイム処理の実現であり，メーカが提供するソフトウェア開発環境を活用する．また，数理モデルの構成では，すでに先行研究で与えられてる物理モデル（ホワイトボックスモデリング）を基盤とし，水飲み鳥の頭部表面の伝熱特性など，物理モデルでは表現が困難な部分では，実験データに基づく実験モデルの構成（ブラックボックスモデリング）を試みる．
（２）では，動作原理に基づく単体の熱機関モデルとして，市販品と同様に持続的な揺動運動が可能で大型のガラス製実体模型を完成させる．（１）の数理モデルの構成が早期に実現できれば，シミュレーション等により形状寸法パラメータの変化を解析し，実体模型の設計・製作の最適化を図る．
（３）では，（２）で完成した単体熱機関モデルに，負荷特性を考慮した発電機構を付加して，単体のエネルギープラントを構成する．このプラントの運動計測を行うとともに，抽出可能な動力を計測する．最後に利用可能な余剰動力と効率の見積りを行い，本方式でのエネルギープラントの実現可能性についての評価と将来の課題を整理する．
以上の研究成果をまとめ，成果公表を実施する．
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| Causes of Carryover |
当該年度は３年計画の３年目（最終年度）であったが，遅延により遂行できなかった研究課題を継続するため，補助事業期間の延長を申請した結果，受理されたので，最終年度に執行できなかった経費を次年度で執行することとした．
また，外注した実験装置の製作費について，当該年度での執行を予定していたが，装置が完成せず執行されなかったため，次年度使用額には，補助事業期間延長の申請時に提示した次年度使用予定額に，本製作費の未執行分が加わっている．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
物品費については，水飲み鳥の動作原理に基づく熱機関モデルの実体模型の製作費，熱機関モデルと発電機構を統合し単体のエネルギープラントを構成する際に必要な材料購入費として使用する．旅費については，熱機関モデルを外注する際の出張費，研究代表者と研究分担者の打ち合わせのための出張費，および成果発表のための出張費として執行する．
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Research Products
(1 results)
