发电的制造方法

发电的制造方法
【专利摘要】本发明的发电机是设置在流体的流场中的发电机，其包含：振动体，其是柱状的振动体，所述振动体的一端部在流体的流场中轴支在与所述流体的流动方向平行的轴上，且通过自激振动而在所述轴的周围进行往复运动；及发电部，其根据所述振动体的往复振动生成电能。
【专利说明】发电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通过将振动能转换为电能而产生电力的发电机。
【背景技术】
[0002]以往，已知一种将海流或河川流等流体的自然能转换为电能的发电机。此种发电机中，含有例如通过风或水流使螺旋桨翼等旋转体旋转而使转子旋转的机构。
[0003]然而，此种旋转体具有复杂的构造，因而担心发电机的制造成本会增大。而且，在使用旋转体的情况下，有如下担忧:因存在于流场内的漂流物卷进旋转体中而导致旋转体破损，或存在于流场内的鱼类等生物卷进旋转体中而导致损伤。
[0004]另一方面，已知一种利用了因位于流体的流场内而产生振动的振动体的发电机。具体来说，该发电机包含以使长度方向相对于流体的流动方向相交的方式而配设的柱状体,通过柱状体的振动使永久磁铁在线圈内移动而使所述线圈中产生感应电流从而发电。
[0005]即，所述发电机有效地利用流场内产生的振动体的流体激发振动的振动能来进行发电。
[0006]【背景技术】文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本专利特开2008-011669号公报
【发明内容】

[0009]发明要解决的问题
[0010]且说，在所述发电机中，设置着弹性支撑柱状体的弹性构件，利用弹性构件而可容易地进行从流体的自然能向柱状体的振动能的转换。然而，在使用弹性构件的情况下，有因不断地重复柱状体的振动而导致弹性构件疲劳破损的担忧，因此难以经受长期的运用。
[0011]因此，本发明的目的在于提供一种发电机，其可通过简单的构成来获得利用由流体的流动所产生的振动体的振动而生成的电力。
[0012]解决问题的技术手段
[0013]本发明之一态样是设置在流体的流场中的发电机。该发电机包含:振动体，其是柱状的振动体，所述振动体的一端部在流体的流场中轴支在与所述流体的流动方向平行的轴上，且通过自激振动而在所述轴的周围进行往复运动；及
[0014]发电部，其根据所述振动体的往复振动生成电能。
[0015]此时，所述振动体具有比流体的比重小的比重，且轴支在所述轴上的所述振动体的位置为铅垂方向下端侧。
[0016]在将所述振动体称为第一振动体时，所述发电机也可包含柱状的第二振动体，所述第二振动体在所述流体的流动方向的上游侧或下游侧，具有比所述流体的比重小的比重，且铅垂方向下端侧在所述流体的流场中轴支在与所述流体的流动方向平行的轴上而进行往复振动，且也可包含支撑部，所述支撑部共同轴支所述第一振动体及所述第二振动体。[0017]该情况下，所述发电机优选包含控制部，所述控制部通过使所述第一振动体的位置及所述第二振动体的位置中的至少一个移动，而根据流体的流速来调整所述第一振动体及所述第二振动体的轴间距离。
[0018]而且，所述支撑部也可以沿所述流体的流动方向延伸的方式而形成，且在所述支撑部上，也可隔开间隔地支撑着多个所述振动体。
[0019]此外，所述发电机也可包含控制所述振动体的往复振动之振动控制体，所述振动控制体也可在所述流场中，在所述振动体的上游侧及下游侧的至少一侧与所述振动体隔开而配置。
[0020]该情况下，所述发电机优选包含控制部，所述控制部通过使所述振动体的位置与所述振动控制体的位置中的至少一个移动，而根据流体的流速来调整所述振动体与所述振动控制体的轴间距离。
[0021]而且，所述发电机也可包含用以调整所述振动体的固有振动频率的调整部。
[0022]此外，所述发电部也可以彼此相向的方式包含导电体与磁场发生器，所述导电体沿所述振动体的振动路径而设置，所述磁场发生器安装在所述振动体上并且对所述导电体施加磁场，从所述磁场发生器施加到所述导电体的磁场因所述振动体的往复振动而变化，由此生成电能。
[0023]而且，所述发电部也可以彼此相向的方式包含导电体与磁场发生器，所述导电体安装在所述振动体上，所述磁场发生器沿所述振动体的振动路径而设置并且对所述导电体施加磁场，从所述磁场发生器施加到所述导电体的磁场因所述振动体的往复振动而变化，由此生成电能。
[0024]而且，也可为如下形态:
[0025]所述流体是具有液面的流体，
[0026]轴支在所述轴上的所述振动体的位置位于铅垂方向上端侧，
[0027]所述发电机还包含浮体，所述浮体使所述振动体朝液体的液面上浮，对所述往复运动提供恢复力，且与所述振动体连接。
[0028]在所述形态的情况下，优选所述浮体包含:一对横杆部，其沿相对于所述轴的轴方向正交的方向、即从液面上方观察所述振动体时以所述轴为界而为两侧的方向延伸；及一对浮体本体，其设置在所述横杆部的各前端上，且比重小于所述液体的比重，且
[0029]以如下方式设置所述横杆部及所述浮体本体，S卩，在所述往复运动时，通过使所述一对浮体本体中的一浮体本体比另一浮体本体多地浸在液体中而产生所述恢复力。
[0030]此外，所述发电机优选设置着调整所述横杆部的长度的调整机构。
[0031][发明的效果]
[0032]所述发电机可通过简单的构成而获得利用由流体的流动产生的振动体的振动而生成的电力。
【专利附图】

【附图说明】
[0033]图1是第一实施方式的发电机的概略构成图。
[0034]图2是示意性说明图1所示的发电机的图。
[0035]图3是示意性说明第一实施方式的发电机的变形例的图。[0036]图4(a)?(d)是示意性说明第一实施方式的发电机的另一变形例的图。
[0037]图5(a)?(C)是表示第一实施方式的振动体的角速度相对于振动体的直径的变化之例的图。
[0038]图6是示意性说明第一实施方式的发电机的另一变形例的图。
[0039]图7是示意性说明第一实施方式的发电机的另一变形例图。
[0040]图8是示意性表示第一实施方式的振动体的剖面形状的变形例的图。
[0041]图9(a)、(b)是示意性表示第一实施方式的装置构成的另一例的图。
[0042]图10是表示第一实施方式的振动体中测定的能量获取率的结果的图。
[0043]图11表示对第一实施方式的振动体的变形例测定的能量获取率的结果的图。
[0044]图12是示意性表示现有的振动体的形态之一例的图。
[0045]图13是第二实施方式的发电机的概略构成图。
[0046]图14是说明第一实施方式及第二实施方式的发电机的又一例的图。
【具体实施方式】
[0047]以下，对本发明的发电机详细地进行说明。
[0048]本实施方式的发电机是将海流或河川流等流体的自然能转换为电能的装置，具体来说，是将因位于流体的流场内而产生的振动体的振动能转换为电能的装置。该发电机中，所述流体可为气体，也可为液体。在流体为气体的情况下，所述发电机具有将利用风而振动的振动体的振动能转换为电能的构成，其与利用风而使螺旋桨翼等旋转体旋转从而使转子旋转的风力发电机的构成不同。另一方面，在流体为液体的情况下，所述发电机具有利用海底的海流、或河川(包含农业用水路或工业用水路)的水流，将配置在海底、或河川内的振动体的振动能转换为电能的构成，其与利用水流使转子旋转的水力发电机的构成不同。
[0049]以下说明的第一实施方式及第二实施方式的发电机是设置在流体的流场中的发电机。该发电机包含柱状的振动体与发电部。对振动体而言，该振动体的一端部在流体的流场中轴支在与流体的流动方向平行的轴上，且通过自激振动而在轴的周围进行往复运动。发电部根据振动体的往复振动生成电能。
[0050](第一实施方式)
[0051]第一实施方式的发电机包含:柱状的振动体，其具有比流体的比重小的比重，且铅垂方向下端侧在流体的流场中轴支在与流体的流动方向平行的轴上而进行往复振动；及发电部，其根据振动体的往复振动生成电能。
[0052]根据该构成，第一实施方式的发电机无需设置将振动能转换为电能的现有的发电机中使用的弹性构件。因此，第一实施方式的发电机可通过简单的构成来获得利用由流体的流动产生的振动体的振动而生成的电能。而且，第一实施方式的发电机由于不使用弹性构件，所以与使用弹性构件的情况相比在耐久性方面优异。
[0053]图1是第一实施方式的发电机10的概略构成图。
[0054]发电机10包含振动体12、支撑部14及发电部16 (参照图2)，且设置在具有流场F的流体内。振动体12形成为在与流体的流动方向(图1中流场F的箭头方向)正交的方向上延伸的柱状，并且具有比流体的比重小的比重。而且，振动体12因位于流体的流场F内，而铅垂方向下端侧在流场F中轴支在与流体的流动方向平行的支撑部14上而进行往复振动。该往复振动由因振动体12位于流场F内而产生的卡曼润流(Karman vortex)激振而完成。而且，振动体12具有根据振动体12的质量或长度而规定的固有振动频率。
[0055]此处，为了使振动体12具有比流体的比重小的比重，在流体为水的情况下，振动体12优选例如包含中空状的氯乙烯、纤维增强塑料、钢材等，在流体为空气的情况下，振动体12优选例如包含聚氯乙烯、海帕伦(Hypalon)等。另外,在流体为空气的情况下,为了使振动体12的比重小于空气，优选将比重小于空气的氦或氢填充到中空状的振动体12内。振动体12为圆柱体，但也可不必为圆柱体，也可为三棱柱、四棱柱、多棱柱等柱状体等。另外，为了在流体(例如水)的流速为I~5m /秒的流场F内配置着圆柱状的振动体12的情况下产生卡曼润流激振，优选例如以雷诺数(Reynolds number)为IO5~IO7的范围内的方式，使用直径为100~3000mm的振动体12。而且，优选将振动体12的长度设为例如50~2000cmo[0056]支撑部14与流体的流动方向平行地延伸，并且可旋动地轴支振动体12的铅垂方向下端侧的部分。而且，振动体12具有比流体的比重小的比重，因而作用于振动体12的浮力大于作用于振动体12的重力。因此，铅垂方向朝上的力B作为用以使振动体12还原为在铅垂方向上延伸的状态的恢复力而始终作用于振动体12。由此，振动体12利用卡曼涡流激振与铅垂方向朝上的力B，而在振动体12的铅垂方向下端侧轴支在支撑部14的状态下进行往复运动。该情况下，振动体12作为以铅垂方向下端侧为支点的倒立摆锤而发挥作用。
[0057]接下来，参照图2，说明发电部16的构成。发电部16例如包含永久磁铁等磁场发生器16a、及线圈等导电体16b。磁场发生器16a安装在振动体12的铅垂方向上端侧的前端且与振动体12 —同运动。另一方面，导电体16b沿振动体12的振动路径隔开间隔而设置，且配置成与磁场发生器16a隔开间隔而彼此相向，所述磁场发生器16a与振动体12 —同运动。该发电部16中，振动体12的振动在导电体16b与磁场发生器16a的施加磁场之间引起相对的运动，其结果为，造成施加到导电体16b的磁场强度发生变化，且由于该施加到该导电体16b的磁场强度的变化而引起电磁感应，引起流经导电体16b的感应电流。由此，生成电能。
[0058]该情况下，可将振动体12的振动能直接转换为电能，因而与间接地转换为电能的情况相比，例如，与利用振动体12的振动能使与振动体12连接的发电用马达旋转并由此而发电的情况相比，可使从振动能向电能的转换效率提高。
[0059]这样，第一实施方式的发电机无需设置用以使振动体振动的弹性构件，因而结果可降低制造成本。而且，本实施方式的发电机由于不使用弹性构件，所以与使用弹性构件的情况相比在耐久性方面优异。
[0060]将本实施方式的发电机的振动体12的能量获取率η以下述方式定义时,在最佳条件下能量获取率H可实现76%。
[0061]能量获取率η (% )
[0062]=(振动体12 的最大功率)/ (I / 2Χ P XdXLXU3)
[0063]P为流体的密度，d为振动体12的直径，L为振动体12的长度，U为流体的流速。
[0064](变形例I)
[0065]图3是示意性说明本实施方式的发电机10的变形例的图。
[0066]本变形例相对于所述实施方式的不同点在于，将振动体12a、12b、12c、12d、12e、…在流场F内沿流动方向排列成一列。除此之外的部分与本实施方式的构成相同，因而省略构成及功能的说明。
[0067]本变形例中，将振动体12a、12b、12c、12d、12e、…相互靠近地配置。在以下的说明中，以振动体12a、12b、12c、12d、12e、…中的振动体12a、12b、12c、12d、12e为代表进行说明。另外，振动体12a、12b、12c、12d、12e的轴间距离会根据流体的种类或流速的条件等而变化，例示直径d (将振动体12a、12b、12c、12d、12e的圆柱形状的直径设为d)的I~3倍。
[0068]振动体12a~12e各自的铅垂方向下端侧由支撑部14共同轴支。而且，在振动体12a~12e各自的铅垂方向上端侧的前端，与图2所示的振动体12同样地，设置着与磁场发生器16a相同的磁场发生器(图示省略)，在沿振动体12a~12e各自的振动路径的位置、且与磁场发生器相向的位置上，设置着与图2所示的导电体16b相同的导电体(图示省略)。利用振动体12a~12e的振动，在导电体与磁场发生器的施加磁场之间产生相对的运动，利用该运动进行发电。
[0069]此种发电机10中，通过将振动体12a~12e各自在流场F内沿流动方向排列成一列，而可使上游侧或下游侧邻接的其他振动体产生更大的振动能。如果具体地说明，则由振动体12a形成的剥离流18会对下游侧邻接的振动体12b的振动造成影响，由此使振动体12b引起振幅得到放大的振动V。用以使该振动V持续的流体的流速范围较广。而且，由于受到振动体12b的振动V的影响，使振动体12a与振动体12b同时引起振动V。此外，使振动体12c~12e也与振动体12a、12b同样地引起振动V。即，本变形例中，如所述实施方式般与使用单独的振动体12的情况相比，即便流体的流速发生变化也容易使振动V持续，且可引起振动体12a~12e各自产生振幅得到放大的自我激发的振动(自激振动)。
[0070]另外，振动体12a~12e各自的振动并非相互为同相位。g卩，振动体12a~12e的振动分别独立，振动的相位在振动体12a~12e间相互不同。
[0071]本变形例中，可有效地用于发电机，所述发电机通过利用振动体12a~12e、…的振动传播效应，使用流体激发振动而从风、海流、河川流等自然能进行发电。而且，本变形例中，在提取比使用如图1、2所示的单独的振动体12的情况多的电能这一方面较为有效。进而，本变形例中，可将多个振动体相互靠近地配置，因而可提高能够获取的电能相对于发电机的占有面积的比例。
[0072](变形例2)
[0073]图4是示意性说明本实施方式的发电机10的另一变形例的图。本变形例相对于所述实施方式的不同点在于，将对振动体12a、12b的振动进行控制的振动控制体20配置在流场F内。除此之外的部分与实施方式的构成相同，因而省略构成及功能的说明。
[0074]振动控制体20是在振动体12a、12b的周围与振动体12a、12b跟开而固定配置、且在铅垂方向上延伸的圆柱体。振动控制体20例如也可固定在支撑体14上。而且，振动控制体20具有较高的刚性，即便配置在流场F内也不会因流体的流力或12a、12b的振动而位移。另外，振动控制体20的直径与作为圆柱体的振动体12的直径相同，与圆柱体的长度也相同，但直径及长度也可不同。而且，振动控制体20是圆柱体，但也可不必为圆柱体，也可为三棱柱、四棱柱、多棱柱等柱状体等。
[0075]振动控制体20通过在振动体12a、12b的上游侧及下游侧的至少一侧使振动体12a、12b隔开配置，而可控制振动体12a、12b的往复振动。此处，振动体12a、12b的往复振动的控制包含根据流体流速的变化而使振动持续，还包含将振动的振幅放大。
[0076]振动控制体20可如图4 (a)所示位于流场F的振动体12a、12b的上游侧，也可如图4(b)所示位于下游侧。而且，振动控制体20也可沿流场F的流动方向排列，振动控制体20及振动体12在相对于流动方向正交的方向上的位置也可相互错开。振动控制体20可如图4(c)所示以在相对于流场F的流动方向正交的方向上隔着支撑部14而相向的方式设置多个，也可如图4(d)所示设置在振动体12a、12b的上游侧及下游侧。
[0077]振动体12与振动控制体20之间的轴间距离会根据流体的种类或流速的条件等而变化，例示直径d(将振动体12及振动控制体20的圆柱形状的直径设为d)的I?3倍。所述轴间距离在由振动控制体20形成的剥离流可效率良好地控制振动体12a、12b的振动的范围内设定。
[0078]图5 (a)?(C)是表示将振动体12a或振动控制体20与振动体12、12b靠近配置的情况下的振动体12、12b的角速度相对于振动体12、12b的直径的变化之例的图。
[0079]图5 (a)中，以实线表示在将形成直径为115mm的圆柱体的振动体12a配置在流场F的上游侧，将振动体12a与振动体12b之间的轴间距离设为14?20cm，将流体设为水，且将流速设为Im /秒的条件下，使振动体12b的直径d发生各种变更时的振动体12b的角速度ω的变化。另外，作为比较，以虚线表示将振动体12b单独配置在流场F中的情况下使振动体12b的直径d发生各种变更时的振动体12b的角速度ω的变化。如上所述，在将两个振动体12a、12b靠近配置的情况下，用以使振动持续的流速范围较广，且使振动体12a、12b引起振动的振幅得以放大的自激振动。另一方面，在单独使用振动体12b的情况下，振动体12b利用卡曼涡流激振而振动。
[0080]由图5(a)可知，在将两个振动体12a、12b靠近配置的情况下，通过使振动体12b的直径d发生变化，而使振动体12b的角速度ω产生各种变化。可知例如在振动体12b的直径d=115mm的情况下，可取得最大的角速度响应。而且，由图5(a)可知，与单独使用振动体12b的情况下产生的卡曼涡流激振相比，可通过将两个振动体12a、12b靠近配置而使振动体12a、12b引起的自激振动取得较大的角速度响应。
[0081]图5(b)中，以实线表示在将形成直径为115mm的圆柱体的振动控制体20配置在流场F的上游侧，将振动控制体20与振动体12之间的轴间距离设为14?20cm，将流体设为水，且将流速设为Im /秒的条件下，使振动体12的直径d发生各种变更时的振动体12的角速度ω的变化。另外，与图5(a)同样地，以虚线表示将振动体12单独配置在流场F中的情况下使振动体12的直径d发生各种变更时的振动体12的角速度ω的变化。由图5(b)可知，在将振动控制体20靠近配置在振动体12的上游侧的情况下，通过使振动体12的直径d发生变化，而振动体12的角速度ω产生各种变化。而且可知，对于任一直径d，将振动控制体20靠近配置在振动体12的上游侧的情况下的振动体12的角速度均大于单独使用振动体12的情况下的角速度。
[0082]图5(c)中，以实线表示在将形成直径为115mm的圆柱体的振动控制体20配置在流场F的下游侧，将振动控制体20与振动体12之间的轴间距离设为14?20cm，将流体设为水，且将流速设为Im /秒的条件下，使振动体12的直径d发生各种变更时的振动体12的角速度ω的变化。另外，与图5(a)同样地，以虚线表示将振动体12单独配置在流场F中的情况下使振动体12的直径d发生各种变更时的振动体12的角速度ω的变化。由图5(c)可知，将振动控制体20靠近配置在振动体12的下游侧的情况下，通过使振动体12的直径d发生变化，而振动体12的角速度ω产生各种变化。而且可知，对于任一直径d，将振动控制体20靠近配置在振动体12的下游侧的情况下的振动体12的角速度均大于单独使用振动体12的情况下的角速度。
[0083]如上所述，比起单独使用振动体12，使用多个振动体12或将振动体12与振动控制体20 —同使用更能够加大角速度响应，因此优选。
[0084](变形例3)
[0085]图6是不意性说明本实施方式的发电机10的另一变形例的图。本变形例相对于所述实施方式的不同点在于，包含用以调整振动体12的固有振动频率的调整部22。除此之外的部分与本实施方式的构成相同，因而省略构成及功能的说明。
[0086]振动体12的内部形成为中空状，且在该内部设置着在振动体12的长度方向上延伸的棒23。在该棒23上，调整部22设置成可在振动体12的长度方向上滑动。对于调整部22，例如也可使用砝码。
[0087]调整部22在振动体12内部移动，由此使振动体12的固有振动频率发生变化。如果具体地说明，则例如在调整部22朝铅垂方向上方侧、即从支撑部14离开的方向移动的情况下，惯性力矩会增加，由此导致振动体12的固有振动频率降低。另一方面，在调整部22朝铅垂方向下方侧、即接近支撑部14的方向移动的情况下，惯性力矩会减少，由此导致振动体12的固有振动频率增加。因此，在单独使用振动体12的情况下，以与振动体12中产生的卡曼涡流释放频率共振的方式来调整振动体12的固有振动频率，由此可将振动体12的振动的振幅予以放大。另一方面，在使用多个振动体12、或一同使用振动控制体20与振动体12的情况下，以使根据流速、振动体的代表长(例如，振动体的直径等)及固有振动频率而决定的无因次流速包含在振动体12的振动激发范围内的方式来调整固有振动频率，由此可将振动体12的振幅放大。
[0088]以此方式，通过使调整部22在振动体12的长度方向上移动，由此可调整振动体12的固有振动频率，因而与未设置调整部22的振动体相比，可更广地设定用以使振动体12的振动持续的流体的流速范围，并且可将振动的振幅予以放大。
[0089](变形例4)
[0090]图7是不意性说明本实施方式的发电机10的另一变形例的图。本变形例相对于所述实施方式的不同之处在于发电部16的构成。除此之外的部分与本实施方式的构成相同，因而省略构成及功能的说明。
[0091]本变形例的发电部16中，导电体16b安装在振动体12的铅垂方向上端侧的前端且与振动体12—同运动。另一方面，磁场发生器16a在沿着振动体12的振动路径的方向上隔开间隔而设置着多个，且配置成与导电体16b隔开间隔而彼此相向，所述导电体16b与振动体12 —同运动。该发电部16中,振动体12的振动在导电体16b与磁场发生器16a的施加磁场之间引起相对的运动，其结果为，造成施加到导电体16b的磁场强度发生变化，且由于该施加到导电体16b的磁场强度的变化而引起电磁感应，从而引起流经导电体16b的感应电流。由此，生成电能。
[0092]本变形例中，也与所述实施方式同样地，可将振动体12的振动能直接转换为电能，因而与间接地转换为电能的情况相比，例如，与利用振动体12的振动能而使与振动体12连接的发电用马达旋转并由此而发电的情况相比，可使从振动能向电能的转换效率提闻。
[0093](其他变形例)
[0094]所述实施方式及变形例I?4中，振动体12均使用剖面为圆形状的圆柱，但如图8所示，振动体12的剖面形状的圆形状的一部分也可具有直线13a、13a、与直线13a、13a彼此和凸部13b相交的形状。该情况下，优选以使凸部13b朝向流体的长场F内的上游侧的方式来设定振动体12的朝向。这样，隔着凸部13b而在直线13a与直线13a之间具有角度Θ的剖面形状也可为根据流体的流速或粘性而所述角度Θ发生变化的形状。通过使所述角度Θ变化，而使流场F内产生的卡曼涡流的产生位置变化，由此能够以使能量获取率η为最大的方式引起卡曼激振。通过使角度Θ变化，而使流场F内在振动体12的表面产生的层流剥离的状态变化，因而卡曼涡流的行为发生变化。因此，每当流场F内的流速发生变化时便使所述角度Θ发生变化，由此也可将能量获取率η调整为最佳。
[0095]如图8所示的具有角度Θ的凸部13b的剖面形状在图4(a)?(d)所示的振动控制体20中也可应用。而且，在振动控制体20中，角度Θ也可根据流体的流速或粘性而变化。使振动控制体20具有此种剖面形状，由此通过使角度Θ根据流场F内的流速的变化而变化，从而可将能量获取率Π调整为最大。
[0096]而且，在图3所示的多个振动体12a?12e的排列中，也可如图9(a)所示，以使排列方向(流体的流动方向)的轴间距离根据流场F的流体的流速而变化的方式构成振动体12a?12e。具体来说，移动体12a?12e各自包含可供振动体12a?12e沿着支撑部14上自如地移动的移动机构24。该情况下，发电机可包含:控制移动机构24的移动且含有电脑的控制部26 ;及测量流体的流速的流速计28。将流速计28所测量的流速的信息发送到控制部26。控制部26针对每一流速来记录保持振动体12a?12e的最佳的轴间距离。所谓最佳的轴间距离，是指能量获取率Π为最大时的轴间距离。由控制部26根据流速计28所测量的流速来求出振动体12a?12e的最佳的轴间距离，且为了实现该轴间距离而发出驱动移动机构24的指示。振动体12a?12e的自激振动产生的条件会根据流体的流速而变化，因而通过使振动体12a?12e的位置自如地移动，可调整振动体12a?12e的轴间距离。即，控制部26通过使振动体12a?12e的位置中的至少I个移动来调整振动体12a?12e的轴间距离。由此，能够以使能量获取率η为最大的方式而产生自激振动。
[0097]如图9(b)所示，在图4(a)?(d)所示的各种形态中，振动体12a、12b及振动控制体20也可包含移送机构24，该移送机构24能够以除可调整振动体12a、12b等的轴间距离夕卜，还可在流体的流动方向上调整振动控制体20与振动体12a、12b的轴间距离的方式，使振动体12a、12b及振动控制体20在流动方向上自如地移动。该情况下，发电机也可包含:控制移动机构24的移动且含有电脑的控制部26 ;及测量流体的流速的流速计28。S卩，控制部26通过使振动控制体20的位置与振动体12a、12b的各位置中的至少I个移动，来调整振动控制体20及振动体12a、12b的轴间距离。
[0098]图10是表示使用图1所示的振动体12，使流速、振动体12的长度及直径d变化时的能量获取率H的结果的图。图11是表示在自图4(a)所示的形态中去除振动体12b后的形态、即包含振动控制体20及振动体12a的形态中，使流速及振动体12a的长度变化而求出振动体12a的能量获取率η时的结果的图。关于此时的振动控制体20与振动体12a之间的轴间距离，在直径为75mm,且长度900mm时，为90mm,在直径为115mm,且长度为900mm时，为135mm，在直径为165mm、且长度为900mm时，为190mm。另外，设想发电机并测量对与振动体12或振动体12a连接的扭矩衰减器进行的振动体12或振动体12a的功率，由此获取在能量获取率H的计算中使用的振动体12或振动体12a的最大的功率。
[0099]振动体12及振动体12a均使用氯乙烯管而构成。
[0100]根据图10所示的结果而显示,对于图1所示的振动体12,能量获取率η最大达76%，可通过振动体12的振动而提取流体的流动所产生的运动能的76%。另一方面，在使用图11所示的振动体12a的情况下，能量获取率η最大为55%。即，表示可通过振动体12a的振动而提取流体的流动所产生的运动能的55%。这样，本实施方式及变形例的振动体12或振动体12a的能量获取率η超过50%，可通过振动体的振动而从流体的运动能中有效地提取能量。特别是图1所示的振动体12的能量获取率η超过70%，具有较高值。如图12所示，在流场F内将圆柱形状的振动体100配置在水平方向，且将振动体100的两端利用弹簧等弹性构件102进行支撑的振动体的形态中，产生卡曼涡流激振时的能量获取率η最大也就是37%。由此可知，本实施方式及变形例的能量获取率η高出现有的形态。因此，本实施方式及变形例中，可通过简单的构成而有效地获得由振动体的振动而生成的电力。
[0101](第二实施方式)
[0102]与第一实施方式同样地，第二实施方式的发电机是设置在具有液面的液体的流场中的发电机。发电机包含柱状的振动体及发电部。
[0103]振动体中，振动体的一端被轴支在与流体的流动方向平行的轴上。即，振动体在液体中，振动体的上端侧被轴支。振动体在液体的流场中，在轴的周围通过自激振动而进行往复运动。发电部根据振动体的往复振动生成电能。
[0104]根据该构成，第二实施方式的发电机无需设置将振动能转换为电能的现有的发电机中所使用的弹性构件。因此，第二实施方式的发电机可通过简单的构成来获得利用由流体的流动产生的振动体的振动而生成的电能。而且，第二实施方式的发电机由于不使用弹性构件，所以与使用弹性构件的情况相比在耐久性方面更优异。
[0105]图13是第二实施方式的发电机10的概略构成图。
[0106]发电机50包含振动体52、支撑部54、一对浮体53及发电部56,且设置在具有流场F的液体内或液体表面上。振动体52形成为在与液体的流动方向(图1中流场F的箭头方向)正交的方向上延伸的柱状。振动体的比重可大于液体的比重也可小于液体的比重。然而，为了使振动体在流场F内容易振动，优选振动体的比重小于液体的比重。而且，振动体52因位于液体的流场F内，所以铅垂方向上端侧在流场F中轴支在与流体的流动方向平行的支撑部54上而与第一实施方式同样地进行往复振动。该往复振动由因振动体52位于流场F内而产生的卡曼涡流激振而完成。一对浮体53各自包含浮体本体53a与一对横杆部53b。横杆部53b在相对于支撑部54的轴的轴方向正交的方向上朝两方向延伸。具体来说，从轴朝相对于支撑部54的轴的轴方向正交的方向、且从液面上方观察振动体52时以支撑部54的轴为界而为两侧的方向延伸。图13中，将振动体52朝铅垂方向下方而配置时，横杆部53b以成Y字形状的方式在左右对称的方向上延伸。浮体体53a设置在横杆部53的前端，且形成呈以支撑部54的轴为中心的圆周状延伸的月牙形状。浮体体53a的比重比液体的比重轻。
[0107]因此，以如下方式设置横杆部53b及浮体本体53a，即，在由所述自激振动引起的振动体52的往复运动时，通过使一对浮体本体53a中的一浮体本体53a比另一浮体本体53a多地浸在液体中而产生恢复力。即，包含浮体53a、53b的浮体53作为恢复力生成部而发挥功能。具体来说，以优选产生所述恢复力的方式设定横杆部53b与浮体本体53a的连接位置、浮体本体53a的长度、横杆部53b的延伸方向、及横杆部53b的长度。
[0108]此处，在流体为水的情况下，振动体52优选例如包含氯乙烯、纤维增强塑料、钢材等。振动体52为圆柱体，但也可不必为圆柱体，也可为三棱柱、四棱柱、多棱柱等柱状体等。另外，为了在流体(例如水)的流速为I?5m /秒的流场F内配置着圆柱状的振动体12的情况下产生卡曼涡流激振，优选例如以雷诺数为IO5?IO7的范围内的方式，使用直径为100?3000mm的振动体52。而且，优选将振动体52的长度设为例如50?2000cm。
[0109]支撑部54与流体的流动方向平行地延伸，并且可旋动地轴支振动体52的铅垂方向上端侧的部分。而且，在振动体52上连接着浮体本体53a。因此，在振动体52的往复运动中，两侧的浮体本体53a浸在液体中的体积不同，导致浮力产生差量，由此对往复运动提供恢复力。因此，振动体52可利用该恢复力来建立振动系统。因此，通过使由所述卡曼涡流引起的自激振动的频率与振动体52及由恢复力引起的振动系统的频率一致，而产生共振，从而可实现较大的往复运动。振动系统中，振动的频率根据横杆部53b的从支撑部54的轴到浮体本体53为止的长度而变化，因而优选在横杆部53b上，设置可自如地调整从支撑部54的轴到浮体本体53为止的长度的调整机构53c。例如，未图示的测定、控制装置测量由振动体52的卡曼涡流而自激振动的频率，并根据该频率,经由调整机构53c伸缩自如地调整横杆部53b的长度。振动体52的自激振动的频率例如根据流场F的流速而变化。因此，为了从流场F中最佳地提取电能，宜根据所测量的频率来调整横杆部53b的长度。
[0110]发电部56例如包含永久磁铁等磁场发生器56a、及线圈等导电体56b。磁场发生器56a安装在振动体52的铅垂方向下端侧的前端且与振动体52 —同运动。另一方面，导电体56b沿振动体52的振动路径隔开间隔而设置，且配置成与磁场发生器56a隔开间隔而彼此相向，所述磁场发生器56a与振动体52 —同运动。该发电部56中,振动体52的振动在导电体56b与磁场发生器56a的施加磁场之间引起相对的运动,其结果为,造成施加到导电体56b的磁场强度发生变化,且由于该施加到导电体56b的磁场强度的变化而引起电磁感应，引起流经导电体56b的感应电流。由此,生成电能。
[0111]该情况下，可将振动体52的振动能直接转换为电能，因而与间接地转换为电能的情况相比，例如，与利用振动体52的振动能而使与振动体52连接的发电用马达旋转并由此而发电的情况相比，可使从振动能向电能的转换效率提高。
[0112]图13所示的形态是将磁场发生器56a设置在振动体52上、且将导电体56b设置在液体中的形态，但也可使用将磁场发生器56a设置在液体中、且将导电体56b设置在振动体52上的形态。
[0113]而且，第二实施方式中，也可将第一实施方式中使用的振动控制体20(参照图4A?图4D)配置在振动体52的上游侧或下游侧。
[0114]此外,第二实施方式中，与第一实施方式同样地，发电部56是将磁场发生器56a及导电体56b组合而从振动体52直接取得电能的形态，但发电部56也可使用除此之外的形态。如图14所示，也可使用旋转/平移转换机构60将振动体52中获得的在支撑部54的轴周围的往复旋转运动转换为平移往复运动，且将该往复运动使用油压系统62而传递至隔开的位置，此外，也可使用平移/旋转转换机构64将平移往复运动转换为旋转运动，使该旋转运动通过涡轮/发电部66而使涡轮旋转从而在发电部中转换为电能。此种发电形态也可应用在第一实施方式的发电机10中。旋转/平移转换机构60及平移/旋转转换机构64可使用凸轮轴机构等。
[0115]这样，第二实施方式的发电机无需设置用以使振动体52振动的弹性构件，因而结果可降低制造成本。而且，第二实施方式的发电机由于不使用弹性构件，所以与使用弹性构件的情况相比在耐久性方面优异。
[0116]以上，对本发明的发电机详细地进行了说明，但本发明并不限定于所述实施方式及变形例，在不脱离本发明的主旨的范围内，当然也可进行各种改良或变更。
[0117][符号的说明]
[0118]10、50发电机
[0119]12、12a、12b、12c、12d、12e、52 振动体
[0120]13a直线
[0121]13b凸部
[0122]14,54支撑部
[0123]16,56发电部
[0124]16a、56a磁场发生器
[0125]16b、56b导电体
[0126]18剥离流
[0127]20振动控制体
[0128]22调整部
[0129]24移动机构
[0130]26控制部
[0131]28流速计
[0132]53浮体
[0133]53a浮体本体
[0134]53b横杆部
[0135]53c调整机构
[0136]53d恢复力生成部
[0137]60旋转/平移转换机构
[0138]62油压系统
[0139]64平移/旋转转换机构
[0140]66涡轮/发电部
【权利要求】
1.一种发电机，其特征在于:其是设置在流体的流场中的发电机，且包含: 振动体，其是柱状的振动体，所述振动体的一端部在流体的流场中轴支在与所述流体的流动方向平行的轴上，且通过自激振动而在所述轴的周围进行往复运动；及 发电部，其根据所述振动体的往复振动生成电能。
2.根据权利要求1所述的发电机，其中所述振动体具有比流体的比重小的比重，且轴支在所述轴上的所述振动体的位置为铅垂方向下端侧。
3.根据权利要求2所述的发电机，其中在将所述振动体称为第一振动体时，包含柱状的第二振动体，所述第二振动体在所述流体的流动方向的上游侧或下游侧，具有比所述流体的比重小的比重，且铅垂方向下端侧在所述流体的流场中轴支在与所述流体的流动方向平行的轴上而进行往复振动， 且包含支撑部，所述支撑部共同轴支所述第一振动体及所述第二振动体。
4.根据权利要求3所述的发电机，其包含控制部，所述控制部通过使所述第一振动体的位置及所述第二振动体的位置中的至少一个移动，而根据流体的流速来调整所述第一振动体及所述第二振动体的轴间距离。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的发电机，其包含振动控制体，所述振动控制体控制所述振动体的往复振动， 所述振动控制体在所述流场中，在所述振动体的上游侧及下游侧的至少一侧与所述振动体隔开而配置。
6.根据权利要求5所述的发电机，其包含控制部，所述控制部通过使所述振动体的位置与所述振动控制体的位置中的至少一个移动，而根据流体的流速来调整所述振动体与所述振动控制体的轴间距离。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的发电机，其包含调整部，所述调整部用以调整所述振动体的固有振动频率。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的发电机，其中所述发电部以彼此相向的方式包含导电体与磁场发生器，所述导电体沿所述振动体的振动路径而设置，所述磁场发生器安装在所述振动体上并且对所述导电体施加磁场，从所述磁场发生器施加到所述导电体的磁场因所述振动体的往复振动而变化，由此生成电能。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的发电机，其中所述发电部以彼此相向的方式包含导电体与磁场发生器，所述导电体安装在所述振动体上，所述磁场发生器沿所述振动体的振动路径而设置并且对所述导电体施加磁场，从所述磁场发生器施加到所述导电体的磁场因所述振动体的往复振动而变化，由此生成电能。
10.根据权利要求1所述的发电机，其中所述流体是具有液面的流体， 轴支在所述轴上的所述振动体的位置位于铅垂方向上端侧， 还包含恢复力生成部，所述恢复力生成部对所述往复运动提供恢复力，且与所述振动体连接。
11.根据权利要求10所述的发电机，其中所述恢复力生成部是使所述振动体朝液体的液面上浮的浮体。
12.根据权利要求11所述的发电机，其中所述浮体包含:一对横杆部，其沿相对于所述轴的轴方向正交的方向，且从液面上方观察所述振动体时以所述轴为界而为两侧的方向延伸；及一对浮体本体，其设置在所述横杆部的各前端上，且比重小于所述液体的比重， 以如下方式设置所述横杆部及所述浮体本体，即，在所述往复运动时，通过使所述一对浮体本体中的一浮体本体比另一浮体本体多地浸在液体中而产生所述恢复力。
13.根据权利要求11或12所述的发电机，其中设置着调整机构，所述调整机构调整所述横杆部的长度。
【文档编号】H02K35/02GK103843237SQ201280028577
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年6月20日 优先权日:2011年7月28日
【发明者】比江岛慎二, 林健一 申请人:国立大学法人冈山大学, 三井造船株式会社