海洋エネルギー発電デバイス及びこれを用いた蓄電装置
【課題】潮流や潮汐等の種々の海洋エネルギーから電気エネルギーを得ることができる海洋エネルギー発電デバイス及びこれを用いた蓄電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】海洋エネルギー発電デバイス１は、柔軟性弾性素材からなる内側弾性板１１と、内側弾性板１１を狭持する一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂと、柔軟性弾性素材からなり一対の圧電フィルムを狭持する一対の外側弾性板１３ａ、１３ｂと、を備える。一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂそれぞれは海洋エネルギー発電デバイス１の中立軸から離間しており、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだ際に一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂそれぞれが海洋エネルギー発電デバイス１の中立軸から離間して撓み発電する。
【解決手段】海洋エネルギー発電デバイス１は、柔軟性弾性素材からなる内側弾性板１１と、内側弾性板１１を狭持する一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂと、柔軟性弾性素材からなり一対の圧電フィルムを狭持する一対の外側弾性板１３ａ、１３ｂと、を備える。一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂそれぞれは海洋エネルギー発電デバイス１の中立軸から離間しており、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだ際に一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂそれぞれが海洋エネルギー発電デバイス１の中立軸から離間して撓み発電する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は海洋エネルギー発電デバイス及びこれを用いた蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー需要の増大と地球温暖化が問題となっており、それに伴って太陽光発電や風力発電等、自然エネルギー源を利用した発電について更なる研究が続けられている。また、海洋の流れも時間・空間的に無尽蔵に存在する安定的な自然エネルギー源として期待できるものであり、このような海洋エネルギーの有効活用が望まれている。
【０００３】
海洋エネルギーの有効活用としては、これまで種々のタイプの潮流発電、波力発電、潮汐発電が提案、研究が行われてきた。しかしながら、これらの海洋エネルギーを用いる発電は、太陽光発電や風力発電に比べ、発電効率、経済性、安全性、景観、コスト等の面で課題が多く、本格的な実用化は困難な状況にある。
【０００４】
このような自然エネルギーを電気エネルギーへ変換可能な素子や装置等について、種々の研究開発がなされており、例えば、特許文献１では、圧電素子を用いた風力発電モジュールが開示されている。特許文献１では、受風板の一端が基台に固定され、他端（自由端）に柔軟なリボン形の布材やフィルム材からなる吹き流し部材が取り付けられている。そして、受風板の両面に圧電素子が固定されており、吹き流し部材が様々な方角からの風を受けて自由にバタつき、それが受風板に伝わることで、圧電素子からの発電を促進させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２４５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の風力発電モジュールでは、プラスチック板や金属薄板等、硬質弾性素材からなる板が受風板として用いられている。受風板が硬質弾性素材であるため、受風板に厚みがあると撓みにくくなり、圧電素子として柔軟な圧電フィルムを用いた場合には、圧電フィルムが歪みにくい。海洋にこの風力発電モジュールをそのまま配置しても、波等による揺らぎでは圧電フィルムの撓みが不十分となり、発電効率を高めることができないという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、潮流や潮汐等の種々の海洋エネルギーから電気エネルギーを得ることができる海洋エネルギー発電デバイス及びこれを用いた蓄電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る海洋エネルギー発電デバイスは、
海洋に設置され海洋エネルギーを電気エネルギーに変換する海洋エネルギー発電デバイスであって、
柔軟性弾性素材からなる内側弾性板と、
前記内側弾性板を狭持する一対の圧電フィルムと、
柔軟性弾性素材からなり前記一対の圧電フィルムを狭持する一対の外側弾性板と、を備え、
前記一対の圧電フィルムそれぞれが前記海洋エネルギー発電デバイスの中立軸から離間しており、前記海洋エネルギー発電デバイスが撓んだ際に前記一対の圧電フィルムそれぞれが前記海洋エネルギー発電デバイスの前記中立軸から離間して撓み発電する、ことを特徴とする。
【０００９】
また、前記一対の外側弾性板の厚みがそれぞれ同じであることが望ましい。
【００１０】
また、前記柔軟性弾性素材がシリコンゴム、天然ゴムまたは合成ゴムであることが望ましい。
【００１１】
また、前記一対の圧電フィルム間の距離（δ）と前記海洋エネルギー発電デバイスの厚み（Ｈ）との関係が０．８＜δ／Ｈ＜１であることが望ましい。
【００１２】
更に、前記一対の外側弾性板を狭持するように、一対以上の圧電フィルムと一対以上の外側弾性板が交互に積層されていてもよい。
【００１３】
本発明に係る蓄電装置は、
上記いずれかの海洋エネルギー発電デバイスと、
前記海洋エネルギー発電デバイスに接続する整流器と、
前記整流器に接続する蓄電体と、を備える、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る海洋エネルギー発電デバイスでは、撓んだ際に内包されるそれぞれの圧電フィルムは中立軸から離間した状態で撓む。圧電フィルムが海洋エネルギー発電デバイスの中立軸から離間した状態で撓むことで、撓み発生時にはいずれの圧電フィルムも全面的に伸張或いは収縮するので、同一圧電フィルム内で生じる電圧が相殺されることなく、大きな電圧を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】海洋エネルギー発電デバイスの概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】海洋エネルギー発電デバイスの断面図である。
【図３】海洋エネルギー発電デバイスが撓んだときの状態を示す断面図である。
【図４】海洋エネルギー発電デバイスが撓んだときの状態を示す断面図である。
【図５】海洋エネルギー発電デバイスの配線を示す断面図である。
【図６】海洋エネルギー発電デバイスの配線を示す回路図である。
【図７】海洋エネルギー発電デバイスの配線を示す断面図である。
【図８】海洋エネルギー発電デバイスの配線を示す回路図である。
【図９】他の形態に係る海洋エネルギー発電デバイスの断面図である。
【図１０】蓄電装置の概略構成を示す回路図である。
【図１１】実施例１における出力電圧の測定結果である。
【図１２】実施例１における出力電圧の測定結果である。
【図１３】実施例２における電力測定結果である。
【図１４】（Ａ）は、実施例３におけるＣａｓｅ１の海洋エネルギー発電デバイスが変形する様子を示す図、（Ｂ）は、実施例３におけるＣａｓｅ２の海洋エネルギー発電デバイスが変形する様子を示す図である。
【図１５】実施例３におけるＣａｓｅ３の海洋エネルギー発電デバイスが変形する様子を示す図である。
【図１６】実施例３におけるＣａｓｅ４の海洋エネルギー発電デバイスが変形する様子を示す図である。
【図１７】実施例３におけるＣａｓｅ１の出力電圧の経時変化を示す図である。
【図１８】実施例３におけるＣａｓｅ２の出力電圧の経時変化を示す図である。
【図１９】実施例４における円柱後流の乱流および渦エネルギーによって変形する海洋エネルギー発電デバイスの様子を示す図である。
【図２０】実施例４における出力された起電力の経時変化を示す図である。
【図２１】実施例５における出力電圧の経時変化を示す図である。
【図２２】実施例５における蓄電電圧の経時変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（海洋エネルギー発電デバイス）
海洋エネルギー発電デバイスについて、図を参照しつつ説明する。海洋エネルギー発電デバイスは、図１の分解斜視図、図２の断面図に示すように、内側弾性板１１と、内側弾性板１１を狭持する一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂと、一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂを狭持する一対の外側弾性板１３ａ、１３ｂから構成される。
【００１７】
内側弾性板１１、及び、外側弾性板１３ａ、１３ｂは、潮流等の海洋エネルギーによって柔軟に変形しやすいよう、撓みやすく伸縮性を備える柔軟性弾性素材から構成される。柔軟性弾性素材として、シリコンゴム、天然ゴム、合成ゴム等が挙げられる。
【００１８】
また、外側弾性板１３ａ、１３ｂはそれぞれほぼ同じ厚みである。このため、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだ際に、中立軸は中央に配置される内側弾性板１１に存在する。
【００１９】
圧電フィルム１２ａ、１２ｂはその歪みに応じて分極して電荷を発生し、発電する特性を備える。圧電フィルム１２ａ、１２ｂは、蒸着、スパッタリング或いは導電性ペーストなどによって両面に電極膜が形成されている。圧電フィルム１２ａ、１２ｂそれぞれの両面の電極膜にそれぞれ配線２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂが接続されており、この配線２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂから圧電フィルム１２ａ、１２ｂの歪みに応じて発生する電荷が取り出される。
【００２０】
海洋エネルギー発電デバイス１は、波等の揺らぎで圧電フィルム１２ａ、１２ｂを撓ませて、発電させるものゆえ、圧電フィルム１２ａ、１２ｂとして、柔軟な高分子材料からなる高分子圧電フィルム１２ａ、１２ｂが用いられる。例えば、ポリフッ化ビニリデンやシアン化ビニリデンを素材とする高分子圧電フィルムが挙げられる。
【００２１】
圧電フィルム１２ａ、１２ｂは、波等の揺らぎでも柔軟に撓みやすいよう、厚みが４０〜１１０μｍの超薄型であることが好ましい。超薄型の圧電フィルム１２ａ、１２ｂは、軽量で柔軟な機械的運動特性に加え、内側弾性板１１、及び、外側弾性板１３ａ、１３ｂとの良好な接合性や所望の形に容易に加工できるという長所を備えている。
【００２２】
圧電フィルム１２ａ、１２ｂと内側弾性板１１及び外側弾性板１３ａ、１３ｂとは、密着されていることが好ましい。圧電フィルム１２ａ、１２ｂと内側弾性板１１及び外側弾性板１３ａ、１３ｂとが密着状態にあることで、内側弾性板１１及び外側弾性板１３ａ、１３ｂの撓みによって圧電フィルム１２ａ、１２ｂの伸長、或いは圧縮が促進される。これにより、圧電フィルム１２ａ、１２ｂの発電効率が高められる。圧電フィルム１２ａ、１２ｂと内側弾性板１１及び外側弾性板１３ａ、１３ｂとの密着は、シリコン系樹脂等の接着によるものでもよい。
【００２３】
また、海洋エネルギー発電デバイス１は、海中に設置されて使用されるものであり、圧電フィルム１２ａ、１２ｂと内側弾性板１１及び外側弾性板１３ａ、１３ｂとが密着されることにより防水効果が高められ、圧電フィルム１２ａ、１２ｂの電極膜や配線の錆の防止のほか、耐久性の向上にも寄与する。
【００２４】
続いて、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだ状態について説明する。図３に、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだ状態の断面を示す。図中、一点破線は海洋エネルギー発電デバイス１の中立軸を示している。一対の外側弾性板１３ａ、１３ｂはそれぞれほぼ同じ厚みであるので、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだときに中立軸は内側弾性板１１に存在する。そして、一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂは内側弾性板１１を狭持した構造であるため、一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂは、いずれも海洋エネルギー発電デバイス１の中立軸から離間した状態で撓んでいる。
【００２５】
図３のように、海洋エネルギー発電デバイス１が上方に突出して撓んだ場合では、上方に位置する圧電フィルム１２ａの両面はいずれも引っ張られるので、圧電フィルム１２ａは全面的に伸張する。一方、下方に位置する圧電フィルム１２ｂの両面はいずれも押し縮められるので、圧電フィルム１２ｂは全面的に収縮することになる。
【００２６】
一方、中立軸に圧電フィルムが存在する場合、圧電フィルムの発電効率が低下する。これについて、図４を参照して説明する。図４は、一枚の圧電フィルム１２を一対の外側弾性板１３ａ、１３ｂで狭持した構造の海洋エネルギー発電デバイス２が撓んだ状態の断面を示している。図中の一点破線は中立軸である。
【００２７】
図４に示すように、中立軸に圧電フィルム１２が存在している場合、圧電フィルム１２の一方の面（図における上面）が伸長し、他方の面（図における下面）が収縮することになる。この場合、圧電フィルム１２内に生じる電圧が相殺されることとなり、発電効率の低下をきたす。
【００２８】
このように、圧電フィルムを撓ませて発電させる場合、圧電フィルムの両面がともに伸張或いは圧縮されることが重要である。本実施の形態に係る海洋エネルギー発電デバイス１では、図３に示したように、一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂそれぞれが中立軸から離間した状態で撓むため、それぞれの圧電フィルム１２ａ、１２ｂは撓みつつも全面的に伸張歪み、或いは、収縮歪みを生じる。このため、圧電フィルム１２ａ、１２ｂ内で生じる電圧が相殺されることなく、それぞれの圧電フィルム１２ａ、１２ｂから効率的に発電させることができる。
【００２９】
一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂはできるだけ離間していることが好ましい。圧電フィルム１２ａ、１２ｂ間の距離が大きいほど、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだ際に、それぞれの圧電フィルム１２ａ、１２ｂが中立軸からより離間して、伸張或いは収縮するが、圧電フィルム１２ａ、１２ｂが中立軸から離間することで、その変形量は大きくなる。そして、圧電フィルム１２ａ、１２ｂは、変形量に応じた電荷を生じるので、中立軸から離間して大きく変形することにより、より大きな電圧を発生させることができるためである。
【００３０】
例えば、図２に示すように、圧電フィルム１２ａ、１２ｂ間の距離をδ、海洋エネルギー発電デバイス１の厚みをＨとすると、０．８＜δ／Ｈ＜１であることが好ましい。δ／Ｈが０．８より小さいと、圧電フィルム１２ａ、１２ｂの撓みによる変形量が小さいので、発生する電荷が少なくなるためである。
【００３１】
更に、海洋エネルギー発電デバイス１は２枚の圧電フィルム１２ａ、１２ｂを内包しているが、これらに接続する配線２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは以下のように接続するとよい。
【００３２】
図５のように、海洋エネルギー発電デバイス１が下方凸状に撓んでいる場合を考える。なお、ここでは、圧電フィルム１２aおよび１２bは、伸張したときにフィルムの下面が＋極、上面が−極、一方で、収縮したときは、上面が＋極、下面が−極となる分極特性を有しているとする。海洋エネルギー発電デバイス１が下方凸状に撓んでいる場合、上方に位置する圧電フィルム１２ａは、収縮しているので、分極が生じ、上面の電位が高くなり（上面が＋極、下面が−極）、一方、下方に位置する圧電フィルム１２ｂは、伸張しているので、分極が生じ、下面の電位が高くなる（下面が＋極、上面が−極）。
【００３３】
圧電フィルム１２ａの上面の電極膜に接続する配線２１ａと圧電フィルム１２ｂの下面の電極膜に接続する配線２２ａとを結線し、配線２３ａとする。一方、圧電フィルム１２ａの下面の電極膜に接続する配線２１ｂと圧電フィルム１２ｂの上面の電極膜に接続する配線２２ｂとを結線し、配線２３ｂとする。このように、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだ際に、圧電フィルム１２ａ、１２ｂそれぞれの電位が高くなる電極膜同士（＋極になる電極膜同士）に接続する配線を結線するとよい。
【００３４】
図６は、上記のように配線した場合の回路図を示している。上記のように配線することにより、図６の矢印で示すように、圧電フィルム１２ａ、１２ｂから出力される電流の向きを互いに一致させて取り出すことができるので、高い出力電圧を得られる。
【００３５】
一方で、図７に示すように、上記とは逆に配線２１ａと配線２２ｂとを結線し、配線２１ｂと配線２２ａとを結線した場合、図８の回路図に示すように、圧電フィルム１２ａ、１２ｂから出力される電流の向きが互いに逆になるので、電流が相殺されてしまい、出力電圧が低くなるため好ましくない。このように、圧電フィルムの特性を把握し、配線することが、発電する上で重要である。
【００３６】
図９は、他の形態に係る海洋エネルギー発電デバイス３の断面構造を示している。海洋エネルギー発電デバイス３は、上述した海洋エネルギー発電デバイス１に加え、一対の圧電フィルム１４ａ、１４ｂと一対の外側弾性板１５ａ、１５ｂを備えている。
【００３７】
一対の外側弾性板１３ａ、１３ｂを狭持して一対の圧電フィルム１４ａ、１４ｂが積層されている。そして、一対の圧電フィルム１４ａ、１４ｂを狭持して一対の外側弾性板１５ａ、１５ｂが積層されている。
【００３８】
一対の外側弾性板１５ａ、１５ｂはそれぞれ同じ素材、同じ厚みとすることで、海洋エネルギー発電デバイス３は、内側弾性板１１の中心軸を中立軸として撓むことになる。このため、４枚の圧電フィルム１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂは、それぞれ中立軸から離間した状態で撓む。これにより、４枚の圧電フィルム１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂは撓みつつもそれぞれ全面的に伸張歪み、或いは、収縮歪みを生じる。従って、同一圧電フィルム内において発生電圧が相殺されることがないので、それぞれの圧電フィルム１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂから効率的に発電させることができる。
【００３９】
なお、更に一対以上の圧電フィルムと一対以上の外側弾性板を同様に交互に積層した構造であってもよい。
【００４０】
（蓄電装置）
図１０を参照して、蓄電装置について説明する。蓄電装置５は、海洋エネルギー発電デバイス４と、海洋エネルギー発電デバイス３に接続する整流器３１と、整流器３１に接続する蓄電体３２とを備える。
【００４１】
海洋エネルギー発電デバイス４は、上述した海洋エネルギー発電デバイス１、３が用いられる。
【００４２】
整流器３１は、海洋エネルギー発電デバイス４から出力される電流（交流）を整流して蓄電体３２に送るものである。整流器３１は、所謂全波整流器であり、整流素子としてダイオードが４つ用いられ、４つのダイオードでブリッジ状に整流回路を構成しており、海洋エネルギー発電デバイス３から発生した交流が無駄なく蓄電体３２に送られる。
【００４３】
蓄電体３２は、整流器３１を経て流れてくる電荷を蓄積するものである。蓄電体３２として、種々の蓄電池やキャパシタ等が用いられる。
【００４４】
上記の構成により、海洋エネルギー発電デバイス４が波エネルギー等により撓んで、内部にある圧電フィルムの撓み歪みで生じる電荷が整流器３１を経て効率的に蓄電体３２に蓄電される。
【実施例１】
【００４５】
圧電フィルムが海洋エネルギー発電デバイスの中立軸に存在している場合、及び、圧電フィルムが海洋エネルギー発電デバイスの中立軸から離間して存在している場合ついて、それぞれの海洋エネルギー発電デバイスを振動させて、海洋エネルギー発電デバイスから出力される電圧について検証した。
【００４６】
圧電フィルムとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製圧電フィルム（厚み１１０μｍ）（呉羽化学株式会社製）、内側弾性板及び外側弾性板としてシリコンシートを用いて、海洋エネルギー発電デバイスを作成した。作成した海洋エネルギー発電デバイスは、圧電フィルム間距離（内側弾性板の厚み）δ＝１ｍｍ、それぞれの外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、海洋エネルギー発電デバイスの厚みＨ＝約２ｍｍである。以下、本実施例において、これを海洋エネルギー発電デバイスＡと記す。
【００４７】
また、参考例として、外側弾性板としてシリコンシート、圧電フィルムとして厚み１１０μｍのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製圧電フィルム（呉羽化学株式会社製）を用い、１枚の圧電フィルムを一対の外側弾性板で狭持した構造の海洋エネルギー発電デバイスを作成した。作成した海洋エネルギー発電デバイスは、それぞれの外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、海洋エネルギー発電デバイスの厚みＨ＝約１ｍｍである。以下、本実施例において、これを海洋エネルギー発電デバイスＢと記す。
【００４８】
なお、いずれの海洋エネルギー発電デバイスＡ、Ｂも、長さ×幅はいずれも１５．０ｃｍ×２．０ｃｍである。
【００４９】
それぞれの海洋エネルギー発電デバイスＡ、Ｂの一端を加振器に接続し、周期的に振動を与え、海洋エネルギー発電デバイスＡ、Ｂの撓み変形を繰り返し生じさせ、発生する電圧を測定した。
【００５０】
図１１にその結果を示す。また、図１２に、図１１の縦軸のレンジを拡大し、海洋エネルギー発電デバイスＢからの発生電圧の経時変化を示す。圧電フィルムが海洋エネルギー発電デバイスの中立軸に存在している場合、最大でも０．０４Ｖ程度である。圧電フィルムが中立軸に存在するため、圧電フィルムの一方の面が伸張し、他方の面が収縮するので、圧電フィルム内で電圧が相殺されてしまい、高い電圧を出力することができないことがわかる。
【００５１】
一方、海洋エネルギー発電デバイスＡでは、図１１に示すように、２枚の圧電フィルムは、それぞれ最大で１０Ｖ以上の電圧を出力している。２枚の圧電フィルムはいずれも中立軸から離間して存在しているので、それぞれの圧電フィルムが全面的に伸張或いは収縮するため、圧電フィルム内で電圧が相殺されることなく、いずれの圧電フィルムからも高い電圧を発生させることができる。
【実施例２】
【００５２】
一対の圧電フィルム間距離を異ならせた海洋エネルギー発電デバイスを作成し、それぞれの海洋エネルギー発電デバイスを２次元造波水槽内に設置して、一対の圧電フィルム間距離の相異による電力量について検証を行った。
【００５３】
圧電フィルムとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製圧電フィルム（厚み１１０μｍ）（呉羽化学株式会社製）、内側弾性板及び外側弾性板としてシリコンシートを用いて、海洋エネルギー発電デバイスを作成した。
【００５４】
圧電フィルム間距離（内側弾性板の厚み）δ＝５ｍｍ、それぞれの外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、海洋エネルギー発電デバイス厚みのＨ＝約６ｍｍ、δ／Ｈ≒０．８３として作成した海洋エネルギー発電デバイスを、以下、海洋エネルギー発電デバイスＣと記す。また、圧電フィルム間距離δ＝１ｍｍ、それぞれの外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、海洋エネルギー発電デバイスの厚みＨ＝約２ｍｍ、δ／Ｈ≒０．５として作成した海洋エネルギー発電デバイスを、以下、海洋エネルギー発電デバイスＤと記す。作成した２種類の海洋エネルギー発電デバイスＣ、Ｄの長さ×幅はいずれも２８．５ｃｍ×４．０ｃｍである。
【００５５】
また、用いた２次元造波水槽の仕様は、長さ×幅×高さ＝８．０ｍ×０．２ｍ×０．６ｍである。
【００５６】
２次元造波水槽のおよそ中央に、波の進行方向とＰＶＤＦ接着面が直交するように海洋エネルギー発電デバイスＣ、Ｄを鉛直に配置し、下端を固定装置で固定した。海洋エネルギー発電デバイスＣ、Ｄは、固定部以外が外力により自由に変形することが可能である。
【００５７】
造波装置により周期１ｓ、波高５〜９０ｍｍの規則波を発生させ、それぞれ海洋エネルギー発電デバイスＣ、Ｄからの出力電圧をＡ／Ｄ変換機を経て計測した。
【００５８】
図１３は、入射波ｍｍと電力換算値ｍＷの関係を示したものである。なお、この電力はＡ／Ｄ変換機の内部抵抗を考慮して換算したものである。
【００５９】
図１３を見ると、いずれの海洋エネルギー発電デバイスＣ、Ｄにおいても、波高が大きいほど発電量が大きいことがわかる。そして、圧電フィルム間距離δが５ｍｍ（δ／Ｈ＝０．８３）の海洋エネルギー発電デバイスＣでは、圧電フィルム間距離δが１ｍｍ（δ／Ｈ＝０．５）の海洋エネルギー発電デバイスＤに比べ、大幅に発電量が大きくなっている。海洋エネルギー発電デバイスＣでは、一対の圧電フィルムがそれぞれ中立軸から大きく離間しているので、圧電フィルムの変形量が大きくなり、発電量が増加している。このように、圧電フィルム間距離δを大きくすることで電力量を大幅に向上させられることを実証した。
【実施例３】
【００６０】
波浪・砕波エネルギーによる海洋エネルギー発電デバイスの発電について検証を行った。
【００６１】
圧電フィルムとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製圧電フィルム（厚み１１０μｍ）（呉羽化学株式会社製）、内側弾性板及び外側弾性板としてシリコンシートを用いて、海洋エネルギー発電デバイスを作成した。作成した海洋エネルギー発電デバイスは、圧電フィルム間距離（内側弾性板の厚み）δ＝５ｍｍ、各外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、デバイスの厚みＨ＝６ｍｍ、長さ２８．５ｃｍ、幅４ｃｍである。この海洋エネルギー発電デバイスを、以下、海洋エネルギー発電デバイスＥと記す。
【００６２】
水槽に潜堤（天端高３０ｃｍ、天端幅３９ｃｍ、天端水深６．５ｃｍ）を設置し、海洋エネルギー発電デバイスＥを、潜堤の波上側（Ｃａｓｅ１）及び波下側（Ｃａｓｅ２）からそれぞれ５ｃｍ離れた場所に、下端を固定し直立に設置した。
【００６３】
そして、一様水深３６．５ｃｍ、入射波高８ｃｍ、波周期１ｓの条件で波を起こし、潜堤によって強制的に砕波現象を発生させた。
【００６４】
また、同様の海洋エネルギー発電デバイスＥを潜堤の波上上端部に水平に片持ち支持（支持点：没水深６．５ｃｍ、波上側上端部から５ｃｍ）させた場合（Ｃａｓｅ３）についても行った。
【００６５】
また、潜堤を設置しない場合（Ｃａｓｅ４）についても、海洋エネルギー発電デバイスＥの下端を水槽に固定し直立に設置して行った。
【００６６】
図１４（Ａ）はＣａｓｅ１の場合、図１４（Ｂ）はＣａｓｅ２の場合における、潜堤周辺の渦・流れ・砕波によって海洋エネルギー発電デバイスＥが変形する様子を示したものである。図１４（Ａ）を見ると、Ｃａｓｅ１の場合、砕波前であるが、天端上の水平流れによって波下側に海洋エネルギー発電デバイスＥが大きく変形していることがわかる。また、図１４（Ｂ）を見ると、Ｃａｓｅ２の場合、砕波に伴う連行気泡と水平渦によって波下側に海洋エネルギー発電デバイスＥが大きく変形していることがわかる。
【００６７】
更に、図１５を見ると、Ｃａｓｅ３の場合、砕波前であるが、波動運動によって海洋エネルギー発電デバイスＥの自由端が上下に大きく変形していることがわかる。
【００６８】
また、図１６を見ると、Ｃａｓｅ４の場合、海洋エネルギー発電デバイスＥは没水と冠出を繰り返しながら大きく変形していることがわかる。
【００６９】
海洋エネルギー発電デバイス設置位置における渦・流れ・砕波現象に応じて、海洋エネルギー発電デバイスＥはそれぞれ撓み変形を生じた。そして、出力される電圧は、渦・流れ・砕波現象に応じた特徴的な起電力波形となっていた。これらのことから、いずれの流体場であっても海洋エネルギー発電デバイスは柔軟に変形し、波エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能であることがわかる。
【００７０】
なお、図１７は、Ｃａｓｅ１における海洋エネルギー発電デバイスＥから発生した出力電圧の経時変化、図１８は、Ｃａｓｅ２における海洋エネルギー発電デバイスＥから発生した出力電圧の経時変化を示している。これらの起電力波形を積分し、平均電力値（ｍＷ）に換算すると、Ｃａｓｅ１の場合０．０５７８ｍＷ、Ｃａｓｅ２の場合０．０３９４ｍＷ、Ｃａｓｅ３の場合０．０５８９ｍＷ、Ｃａｓｅ４の場合０．０５５７ｍＷであった。
【００７１】
なお、用いた本海洋エネルギー発電デバイスのサイズであれば、１波長当たり５０〜１００個程度は設置可能であることを考慮すると、波の理論エネルギーに対して、１４〜２７％の発電効率（１個当たり役０．２７％）と推定される。
【実施例４】
【００７２】
一様流場の上流側に円柱体（Ｂｌｕｆｆ ｂｏｄｙ）を固定し、その後流において生成される乱流・渦場によって、海洋エネルギー発電デバイスを変形させた場合の発電特性について検証を行った。これは、潮流・渦による発電に関わる検証である。
【００７３】
圧電フィルムとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製圧電フィルム（厚み１１０μｍ）（呉羽化学株式会社製）、内側弾性板及び外側弾性板としてシリコンシートを用いて、海洋エネルギー発電デバイスを作成した。作成した海洋エネルギー発電デバイスは、圧電フィルム間距離（内側弾性板の厚み）δ＝５ｍｍ、各外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、デバイスの厚みＨ＝６ｍｍ、長さ２８．５ｃｍ、幅４ｃｍである。この海洋エネルギー発電デバイスを、以下、海洋エネルギー発電デバイスＦと記す。
【００７４】
円柱体の直径は１１．５ｃｍ、一様流速は０．７４ｍ／ｓｅｃ、円柱体と海洋エネルギー発電デバイスＦとの距離は１９ｃｍ、レイノルズ数は８．５１×１０４である。
【００７５】
図１９に、円柱後流の乱流および渦エネルギーによって変形する海洋エネルギー発電デバイスＦの様子を示す。また、図２０に、海洋エネルギー発電デバイスＦから出力された起電力の経時変化を示したものである。
【００７６】
図１９、２０から、柔軟な海洋エネルギー発電デバイスＦは、円柱後流の乱流・渦エネルギーによっても、準周期的に変形を繰り返し、その結果として、大きな出力電圧を発生させていることがわかる。従って、乱流・渦エネルギーによっても、海洋エネルギー発電デバイスＦは発電できることを立証した。
【実施例５】
【００７７】
図１０に示す蓄電装置５を構成し、海洋エネルギー発電デバイスから生じる電力の蓄電を試みた。圧電フィルムとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製圧電フィルム（厚み８０μｍ）（呉羽化学株式会社製）、内側弾性板及び外側弾性板としてシリコンシートを用いて、海洋エネルギー発電デバイスを作成した。作成した海洋エネルギー発電デバイスは、圧電フィルム間距離（内側弾性板の厚み）δ＝約１ｍｍ、各外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、デバイス厚みＨ＝約２ｍｍ、長さ約１７ｃｍ、幅約１．７ｃｍである。この海洋エネルギー発電デバイスを、以下、海洋エネルギー発電デバイスＧと記す。蓄電体として、コンデンサを用いた。
【００７８】
図２１は、海洋エネルギー発電デバイスＧからの出力電圧の経時変化、図２２は、蓄電電圧の経時変化を示している。図２２からわかるように、時間経過とともに蓄電できることがわかる。したがって、この蓄電装置を海洋に設置することにより、小規模〜大規模発電施設を整備することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明に係る海洋エネルギー発電デバイスは、柔軟性弾性素材からなる内側弾性板を一対の柔軟な圧電フィルムで狭持し、更に、一対の圧電フィルムを柔軟性弾性素材からなる外側弾性板が狭持する構成である。いずれの圧電フィルムも、海洋エネルギー発電デバイスの中立軸から離間して撓み変形するので、いずれの圧電フィルムも全面的に伸張或いは収縮することになり、圧電フィルム内における発生電圧が相殺されず、高い電圧が出力される。そして、海洋エネルギー発電デバイスは柔軟性に富むため、潮流や潮汐等の種々の海洋エネルギーを受けて柔軟に撓み変形し発電するので、海洋における設置場所を選ぶことなく、種々の海洋エネルギーを利用する発電施設等に利用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１ 海洋エネルギー発電デバイス
２ 海洋エネルギー発電デバイス
３ 海洋エネルギー発電デバイス
４ 海洋エネルギー発電デバイス
５ 蓄電装置
１１ 内側弾性板
１２ 圧電フィルム
１２ａ 圧電フィルム
１２ｂ 圧電フィルム
１３ａ 外側弾性板
１３ｂ 外側弾性板
１４ａ 圧電フィルム
１４ｂ 圧電フィルム
１５ａ 外側弾性板
１５ｂ 外側弾性板
２１ａ 配線
２１ｂ 配線
２２ａ 配線
２２ｂ 配線
２３ａ 配線
２３ｂ 配線
３１ 整流器
３２ 蓄電体
【技術分野】
【０００１】
本発明は海洋エネルギー発電デバイス及びこれを用いた蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー需要の増大と地球温暖化が問題となっており、それに伴って太陽光発電や風力発電等、自然エネルギー源を利用した発電について更なる研究が続けられている。また、海洋の流れも時間・空間的に無尽蔵に存在する安定的な自然エネルギー源として期待できるものであり、このような海洋エネルギーの有効活用が望まれている。
【０００３】
海洋エネルギーの有効活用としては、これまで種々のタイプの潮流発電、波力発電、潮汐発電が提案、研究が行われてきた。しかしながら、これらの海洋エネルギーを用いる発電は、太陽光発電や風力発電に比べ、発電効率、経済性、安全性、景観、コスト等の面で課題が多く、本格的な実用化は困難な状況にある。
【０００４】
このような自然エネルギーを電気エネルギーへ変換可能な素子や装置等について、種々の研究開発がなされており、例えば、特許文献１では、圧電素子を用いた風力発電モジュールが開示されている。特許文献１では、受風板の一端が基台に固定され、他端（自由端）に柔軟なリボン形の布材やフィルム材からなる吹き流し部材が取り付けられている。そして、受風板の両面に圧電素子が固定されており、吹き流し部材が様々な方角からの風を受けて自由にバタつき、それが受風板に伝わることで、圧電素子からの発電を促進させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２４５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の風力発電モジュールでは、プラスチック板や金属薄板等、硬質弾性素材からなる板が受風板として用いられている。受風板が硬質弾性素材であるため、受風板に厚みがあると撓みにくくなり、圧電素子として柔軟な圧電フィルムを用いた場合には、圧電フィルムが歪みにくい。海洋にこの風力発電モジュールをそのまま配置しても、波等による揺らぎでは圧電フィルムの撓みが不十分となり、発電効率を高めることができないという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、潮流や潮汐等の種々の海洋エネルギーから電気エネルギーを得ることができる海洋エネルギー発電デバイス及びこれを用いた蓄電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る海洋エネルギー発電デバイスは、
海洋に設置され海洋エネルギーを電気エネルギーに変換する海洋エネルギー発電デバイスであって、
柔軟性弾性素材からなる内側弾性板と、
前記内側弾性板を狭持する一対の圧電フィルムと、
柔軟性弾性素材からなり前記一対の圧電フィルムを狭持する一対の外側弾性板と、を備え、
前記一対の圧電フィルムそれぞれが前記海洋エネルギー発電デバイスの中立軸から離間しており、前記海洋エネルギー発電デバイスが撓んだ際に前記一対の圧電フィルムそれぞれが前記海洋エネルギー発電デバイスの前記中立軸から離間して撓み発電する、ことを特徴とする。
【０００９】
また、前記一対の外側弾性板の厚みがそれぞれ同じであることが望ましい。
【００１０】
また、前記柔軟性弾性素材がシリコンゴム、天然ゴムまたは合成ゴムであることが望ましい。
【００１１】
また、前記一対の圧電フィルム間の距離（δ）と前記海洋エネルギー発電デバイスの厚み（Ｈ）との関係が０．８＜δ／Ｈ＜１であることが望ましい。
【００１２】
更に、前記一対の外側弾性板を狭持するように、一対以上の圧電フィルムと一対以上の外側弾性板が交互に積層されていてもよい。
【００１３】
本発明に係る蓄電装置は、
上記いずれかの海洋エネルギー発電デバイスと、
前記海洋エネルギー発電デバイスに接続する整流器と、
前記整流器に接続する蓄電体と、を備える、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る海洋エネルギー発電デバイスでは、撓んだ際に内包されるそれぞれの圧電フィルムは中立軸から離間した状態で撓む。圧電フィルムが海洋エネルギー発電デバイスの中立軸から離間した状態で撓むことで、撓み発生時にはいずれの圧電フィルムも全面的に伸張或いは収縮するので、同一圧電フィルム内で生じる電圧が相殺されることなく、大きな電圧を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】海洋エネルギー発電デバイスの概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】海洋エネルギー発電デバイスの断面図である。
【図３】海洋エネルギー発電デバイスが撓んだときの状態を示す断面図である。
【図４】海洋エネルギー発電デバイスが撓んだときの状態を示す断面図である。
【図５】海洋エネルギー発電デバイスの配線を示す断面図である。
【図６】海洋エネルギー発電デバイスの配線を示す回路図である。
【図７】海洋エネルギー発電デバイスの配線を示す断面図である。
【図８】海洋エネルギー発電デバイスの配線を示す回路図である。
【図９】他の形態に係る海洋エネルギー発電デバイスの断面図である。
【図１０】蓄電装置の概略構成を示す回路図である。
【図１１】実施例１における出力電圧の測定結果である。
【図１２】実施例１における出力電圧の測定結果である。
【図１３】実施例２における電力測定結果である。
【図１４】（Ａ）は、実施例３におけるＣａｓｅ１の海洋エネルギー発電デバイスが変形する様子を示す図、（Ｂ）は、実施例３におけるＣａｓｅ２の海洋エネルギー発電デバイスが変形する様子を示す図である。
【図１５】実施例３におけるＣａｓｅ３の海洋エネルギー発電デバイスが変形する様子を示す図である。
【図１６】実施例３におけるＣａｓｅ４の海洋エネルギー発電デバイスが変形する様子を示す図である。
【図１７】実施例３におけるＣａｓｅ１の出力電圧の経時変化を示す図である。
【図１８】実施例３におけるＣａｓｅ２の出力電圧の経時変化を示す図である。
【図１９】実施例４における円柱後流の乱流および渦エネルギーによって変形する海洋エネルギー発電デバイスの様子を示す図である。
【図２０】実施例４における出力された起電力の経時変化を示す図である。
【図２１】実施例５における出力電圧の経時変化を示す図である。
【図２２】実施例５における蓄電電圧の経時変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（海洋エネルギー発電デバイス）
海洋エネルギー発電デバイスについて、図を参照しつつ説明する。海洋エネルギー発電デバイスは、図１の分解斜視図、図２の断面図に示すように、内側弾性板１１と、内側弾性板１１を狭持する一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂと、一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂを狭持する一対の外側弾性板１３ａ、１３ｂから構成される。
【００１７】
内側弾性板１１、及び、外側弾性板１３ａ、１３ｂは、潮流等の海洋エネルギーによって柔軟に変形しやすいよう、撓みやすく伸縮性を備える柔軟性弾性素材から構成される。柔軟性弾性素材として、シリコンゴム、天然ゴム、合成ゴム等が挙げられる。
【００１８】
また、外側弾性板１３ａ、１３ｂはそれぞれほぼ同じ厚みである。このため、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだ際に、中立軸は中央に配置される内側弾性板１１に存在する。
【００１９】
圧電フィルム１２ａ、１２ｂはその歪みに応じて分極して電荷を発生し、発電する特性を備える。圧電フィルム１２ａ、１２ｂは、蒸着、スパッタリング或いは導電性ペーストなどによって両面に電極膜が形成されている。圧電フィルム１２ａ、１２ｂそれぞれの両面の電極膜にそれぞれ配線２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂが接続されており、この配線２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂから圧電フィルム１２ａ、１２ｂの歪みに応じて発生する電荷が取り出される。
【００２０】
海洋エネルギー発電デバイス１は、波等の揺らぎで圧電フィルム１２ａ、１２ｂを撓ませて、発電させるものゆえ、圧電フィルム１２ａ、１２ｂとして、柔軟な高分子材料からなる高分子圧電フィルム１２ａ、１２ｂが用いられる。例えば、ポリフッ化ビニリデンやシアン化ビニリデンを素材とする高分子圧電フィルムが挙げられる。
【００２１】
圧電フィルム１２ａ、１２ｂは、波等の揺らぎでも柔軟に撓みやすいよう、厚みが４０〜１１０μｍの超薄型であることが好ましい。超薄型の圧電フィルム１２ａ、１２ｂは、軽量で柔軟な機械的運動特性に加え、内側弾性板１１、及び、外側弾性板１３ａ、１３ｂとの良好な接合性や所望の形に容易に加工できるという長所を備えている。
【００２２】
圧電フィルム１２ａ、１２ｂと内側弾性板１１及び外側弾性板１３ａ、１３ｂとは、密着されていることが好ましい。圧電フィルム１２ａ、１２ｂと内側弾性板１１及び外側弾性板１３ａ、１３ｂとが密着状態にあることで、内側弾性板１１及び外側弾性板１３ａ、１３ｂの撓みによって圧電フィルム１２ａ、１２ｂの伸長、或いは圧縮が促進される。これにより、圧電フィルム１２ａ、１２ｂの発電効率が高められる。圧電フィルム１２ａ、１２ｂと内側弾性板１１及び外側弾性板１３ａ、１３ｂとの密着は、シリコン系樹脂等の接着によるものでもよい。
【００２３】
また、海洋エネルギー発電デバイス１は、海中に設置されて使用されるものであり、圧電フィルム１２ａ、１２ｂと内側弾性板１１及び外側弾性板１３ａ、１３ｂとが密着されることにより防水効果が高められ、圧電フィルム１２ａ、１２ｂの電極膜や配線の錆の防止のほか、耐久性の向上にも寄与する。
【００２４】
続いて、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだ状態について説明する。図３に、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだ状態の断面を示す。図中、一点破線は海洋エネルギー発電デバイス１の中立軸を示している。一対の外側弾性板１３ａ、１３ｂはそれぞれほぼ同じ厚みであるので、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだときに中立軸は内側弾性板１１に存在する。そして、一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂは内側弾性板１１を狭持した構造であるため、一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂは、いずれも海洋エネルギー発電デバイス１の中立軸から離間した状態で撓んでいる。
【００２５】
図３のように、海洋エネルギー発電デバイス１が上方に突出して撓んだ場合では、上方に位置する圧電フィルム１２ａの両面はいずれも引っ張られるので、圧電フィルム１２ａは全面的に伸張する。一方、下方に位置する圧電フィルム１２ｂの両面はいずれも押し縮められるので、圧電フィルム１２ｂは全面的に収縮することになる。
【００２６】
一方、中立軸に圧電フィルムが存在する場合、圧電フィルムの発電効率が低下する。これについて、図４を参照して説明する。図４は、一枚の圧電フィルム１２を一対の外側弾性板１３ａ、１３ｂで狭持した構造の海洋エネルギー発電デバイス２が撓んだ状態の断面を示している。図中の一点破線は中立軸である。
【００２７】
図４に示すように、中立軸に圧電フィルム１２が存在している場合、圧電フィルム１２の一方の面（図における上面）が伸長し、他方の面（図における下面）が収縮することになる。この場合、圧電フィルム１２内に生じる電圧が相殺されることとなり、発電効率の低下をきたす。
【００２８】
このように、圧電フィルムを撓ませて発電させる場合、圧電フィルムの両面がともに伸張或いは圧縮されることが重要である。本実施の形態に係る海洋エネルギー発電デバイス１では、図３に示したように、一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂそれぞれが中立軸から離間した状態で撓むため、それぞれの圧電フィルム１２ａ、１２ｂは撓みつつも全面的に伸張歪み、或いは、収縮歪みを生じる。このため、圧電フィルム１２ａ、１２ｂ内で生じる電圧が相殺されることなく、それぞれの圧電フィルム１２ａ、１２ｂから効率的に発電させることができる。
【００２９】
一対の圧電フィルム１２ａ、１２ｂはできるだけ離間していることが好ましい。圧電フィルム１２ａ、１２ｂ間の距離が大きいほど、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだ際に、それぞれの圧電フィルム１２ａ、１２ｂが中立軸からより離間して、伸張或いは収縮するが、圧電フィルム１２ａ、１２ｂが中立軸から離間することで、その変形量は大きくなる。そして、圧電フィルム１２ａ、１２ｂは、変形量に応じた電荷を生じるので、中立軸から離間して大きく変形することにより、より大きな電圧を発生させることができるためである。
【００３０】
例えば、図２に示すように、圧電フィルム１２ａ、１２ｂ間の距離をδ、海洋エネルギー発電デバイス１の厚みをＨとすると、０．８＜δ／Ｈ＜１であることが好ましい。δ／Ｈが０．８より小さいと、圧電フィルム１２ａ、１２ｂの撓みによる変形量が小さいので、発生する電荷が少なくなるためである。
【００３１】
更に、海洋エネルギー発電デバイス１は２枚の圧電フィルム１２ａ、１２ｂを内包しているが、これらに接続する配線２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは以下のように接続するとよい。
【００３２】
図５のように、海洋エネルギー発電デバイス１が下方凸状に撓んでいる場合を考える。なお、ここでは、圧電フィルム１２aおよび１２bは、伸張したときにフィルムの下面が＋極、上面が−極、一方で、収縮したときは、上面が＋極、下面が−極となる分極特性を有しているとする。海洋エネルギー発電デバイス１が下方凸状に撓んでいる場合、上方に位置する圧電フィルム１２ａは、収縮しているので、分極が生じ、上面の電位が高くなり（上面が＋極、下面が−極）、一方、下方に位置する圧電フィルム１２ｂは、伸張しているので、分極が生じ、下面の電位が高くなる（下面が＋極、上面が−極）。
【００３３】
圧電フィルム１２ａの上面の電極膜に接続する配線２１ａと圧電フィルム１２ｂの下面の電極膜に接続する配線２２ａとを結線し、配線２３ａとする。一方、圧電フィルム１２ａの下面の電極膜に接続する配線２１ｂと圧電フィルム１２ｂの上面の電極膜に接続する配線２２ｂとを結線し、配線２３ｂとする。このように、海洋エネルギー発電デバイス１が撓んだ際に、圧電フィルム１２ａ、１２ｂそれぞれの電位が高くなる電極膜同士（＋極になる電極膜同士）に接続する配線を結線するとよい。
【００３４】
図６は、上記のように配線した場合の回路図を示している。上記のように配線することにより、図６の矢印で示すように、圧電フィルム１２ａ、１２ｂから出力される電流の向きを互いに一致させて取り出すことができるので、高い出力電圧を得られる。
【００３５】
一方で、図７に示すように、上記とは逆に配線２１ａと配線２２ｂとを結線し、配線２１ｂと配線２２ａとを結線した場合、図８の回路図に示すように、圧電フィルム１２ａ、１２ｂから出力される電流の向きが互いに逆になるので、電流が相殺されてしまい、出力電圧が低くなるため好ましくない。このように、圧電フィルムの特性を把握し、配線することが、発電する上で重要である。
【００３６】
図９は、他の形態に係る海洋エネルギー発電デバイス３の断面構造を示している。海洋エネルギー発電デバイス３は、上述した海洋エネルギー発電デバイス１に加え、一対の圧電フィルム１４ａ、１４ｂと一対の外側弾性板１５ａ、１５ｂを備えている。
【００３７】
一対の外側弾性板１３ａ、１３ｂを狭持して一対の圧電フィルム１４ａ、１４ｂが積層されている。そして、一対の圧電フィルム１４ａ、１４ｂを狭持して一対の外側弾性板１５ａ、１５ｂが積層されている。
【００３８】
一対の外側弾性板１５ａ、１５ｂはそれぞれ同じ素材、同じ厚みとすることで、海洋エネルギー発電デバイス３は、内側弾性板１１の中心軸を中立軸として撓むことになる。このため、４枚の圧電フィルム１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂは、それぞれ中立軸から離間した状態で撓む。これにより、４枚の圧電フィルム１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂは撓みつつもそれぞれ全面的に伸張歪み、或いは、収縮歪みを生じる。従って、同一圧電フィルム内において発生電圧が相殺されることがないので、それぞれの圧電フィルム１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂから効率的に発電させることができる。
【００３９】
なお、更に一対以上の圧電フィルムと一対以上の外側弾性板を同様に交互に積層した構造であってもよい。
【００４０】
（蓄電装置）
図１０を参照して、蓄電装置について説明する。蓄電装置５は、海洋エネルギー発電デバイス４と、海洋エネルギー発電デバイス３に接続する整流器３１と、整流器３１に接続する蓄電体３２とを備える。
【００４１】
海洋エネルギー発電デバイス４は、上述した海洋エネルギー発電デバイス１、３が用いられる。
【００４２】
整流器３１は、海洋エネルギー発電デバイス４から出力される電流（交流）を整流して蓄電体３２に送るものである。整流器３１は、所謂全波整流器であり、整流素子としてダイオードが４つ用いられ、４つのダイオードでブリッジ状に整流回路を構成しており、海洋エネルギー発電デバイス３から発生した交流が無駄なく蓄電体３２に送られる。
【００４３】
蓄電体３２は、整流器３１を経て流れてくる電荷を蓄積するものである。蓄電体３２として、種々の蓄電池やキャパシタ等が用いられる。
【００４４】
上記の構成により、海洋エネルギー発電デバイス４が波エネルギー等により撓んで、内部にある圧電フィルムの撓み歪みで生じる電荷が整流器３１を経て効率的に蓄電体３２に蓄電される。
【実施例１】
【００４５】
圧電フィルムが海洋エネルギー発電デバイスの中立軸に存在している場合、及び、圧電フィルムが海洋エネルギー発電デバイスの中立軸から離間して存在している場合ついて、それぞれの海洋エネルギー発電デバイスを振動させて、海洋エネルギー発電デバイスから出力される電圧について検証した。
【００４６】
圧電フィルムとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製圧電フィルム（厚み１１０μｍ）（呉羽化学株式会社製）、内側弾性板及び外側弾性板としてシリコンシートを用いて、海洋エネルギー発電デバイスを作成した。作成した海洋エネルギー発電デバイスは、圧電フィルム間距離（内側弾性板の厚み）δ＝１ｍｍ、それぞれの外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、海洋エネルギー発電デバイスの厚みＨ＝約２ｍｍである。以下、本実施例において、これを海洋エネルギー発電デバイスＡと記す。
【００４７】
また、参考例として、外側弾性板としてシリコンシート、圧電フィルムとして厚み１１０μｍのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製圧電フィルム（呉羽化学株式会社製）を用い、１枚の圧電フィルムを一対の外側弾性板で狭持した構造の海洋エネルギー発電デバイスを作成した。作成した海洋エネルギー発電デバイスは、それぞれの外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、海洋エネルギー発電デバイスの厚みＨ＝約１ｍｍである。以下、本実施例において、これを海洋エネルギー発電デバイスＢと記す。
【００４８】
なお、いずれの海洋エネルギー発電デバイスＡ、Ｂも、長さ×幅はいずれも１５．０ｃｍ×２．０ｃｍである。
【００４９】
それぞれの海洋エネルギー発電デバイスＡ、Ｂの一端を加振器に接続し、周期的に振動を与え、海洋エネルギー発電デバイスＡ、Ｂの撓み変形を繰り返し生じさせ、発生する電圧を測定した。
【００５０】
図１１にその結果を示す。また、図１２に、図１１の縦軸のレンジを拡大し、海洋エネルギー発電デバイスＢからの発生電圧の経時変化を示す。圧電フィルムが海洋エネルギー発電デバイスの中立軸に存在している場合、最大でも０．０４Ｖ程度である。圧電フィルムが中立軸に存在するため、圧電フィルムの一方の面が伸張し、他方の面が収縮するので、圧電フィルム内で電圧が相殺されてしまい、高い電圧を出力することができないことがわかる。
【００５１】
一方、海洋エネルギー発電デバイスＡでは、図１１に示すように、２枚の圧電フィルムは、それぞれ最大で１０Ｖ以上の電圧を出力している。２枚の圧電フィルムはいずれも中立軸から離間して存在しているので、それぞれの圧電フィルムが全面的に伸張或いは収縮するため、圧電フィルム内で電圧が相殺されることなく、いずれの圧電フィルムからも高い電圧を発生させることができる。
【実施例２】
【００５２】
一対の圧電フィルム間距離を異ならせた海洋エネルギー発電デバイスを作成し、それぞれの海洋エネルギー発電デバイスを２次元造波水槽内に設置して、一対の圧電フィルム間距離の相異による電力量について検証を行った。
【００５３】
圧電フィルムとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製圧電フィルム（厚み１１０μｍ）（呉羽化学株式会社製）、内側弾性板及び外側弾性板としてシリコンシートを用いて、海洋エネルギー発電デバイスを作成した。
【００５４】
圧電フィルム間距離（内側弾性板の厚み）δ＝５ｍｍ、それぞれの外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、海洋エネルギー発電デバイス厚みのＨ＝約６ｍｍ、δ／Ｈ≒０．８３として作成した海洋エネルギー発電デバイスを、以下、海洋エネルギー発電デバイスＣと記す。また、圧電フィルム間距離δ＝１ｍｍ、それぞれの外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、海洋エネルギー発電デバイスの厚みＨ＝約２ｍｍ、δ／Ｈ≒０．５として作成した海洋エネルギー発電デバイスを、以下、海洋エネルギー発電デバイスＤと記す。作成した２種類の海洋エネルギー発電デバイスＣ、Ｄの長さ×幅はいずれも２８．５ｃｍ×４．０ｃｍである。
【００５５】
また、用いた２次元造波水槽の仕様は、長さ×幅×高さ＝８．０ｍ×０．２ｍ×０．６ｍである。
【００５６】
２次元造波水槽のおよそ中央に、波の進行方向とＰＶＤＦ接着面が直交するように海洋エネルギー発電デバイスＣ、Ｄを鉛直に配置し、下端を固定装置で固定した。海洋エネルギー発電デバイスＣ、Ｄは、固定部以外が外力により自由に変形することが可能である。
【００５７】
造波装置により周期１ｓ、波高５〜９０ｍｍの規則波を発生させ、それぞれ海洋エネルギー発電デバイスＣ、Ｄからの出力電圧をＡ／Ｄ変換機を経て計測した。
【００５８】
図１３は、入射波ｍｍと電力換算値ｍＷの関係を示したものである。なお、この電力はＡ／Ｄ変換機の内部抵抗を考慮して換算したものである。
【００５９】
図１３を見ると、いずれの海洋エネルギー発電デバイスＣ、Ｄにおいても、波高が大きいほど発電量が大きいことがわかる。そして、圧電フィルム間距離δが５ｍｍ（δ／Ｈ＝０．８３）の海洋エネルギー発電デバイスＣでは、圧電フィルム間距離δが１ｍｍ（δ／Ｈ＝０．５）の海洋エネルギー発電デバイスＤに比べ、大幅に発電量が大きくなっている。海洋エネルギー発電デバイスＣでは、一対の圧電フィルムがそれぞれ中立軸から大きく離間しているので、圧電フィルムの変形量が大きくなり、発電量が増加している。このように、圧電フィルム間距離δを大きくすることで電力量を大幅に向上させられることを実証した。
【実施例３】
【００６０】
波浪・砕波エネルギーによる海洋エネルギー発電デバイスの発電について検証を行った。
【００６１】
圧電フィルムとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製圧電フィルム（厚み１１０μｍ）（呉羽化学株式会社製）、内側弾性板及び外側弾性板としてシリコンシートを用いて、海洋エネルギー発電デバイスを作成した。作成した海洋エネルギー発電デバイスは、圧電フィルム間距離（内側弾性板の厚み）δ＝５ｍｍ、各外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、デバイスの厚みＨ＝６ｍｍ、長さ２８．５ｃｍ、幅４ｃｍである。この海洋エネルギー発電デバイスを、以下、海洋エネルギー発電デバイスＥと記す。
【００６２】
水槽に潜堤（天端高３０ｃｍ、天端幅３９ｃｍ、天端水深６．５ｃｍ）を設置し、海洋エネルギー発電デバイスＥを、潜堤の波上側（Ｃａｓｅ１）及び波下側（Ｃａｓｅ２）からそれぞれ５ｃｍ離れた場所に、下端を固定し直立に設置した。
【００６３】
そして、一様水深３６．５ｃｍ、入射波高８ｃｍ、波周期１ｓの条件で波を起こし、潜堤によって強制的に砕波現象を発生させた。
【００６４】
また、同様の海洋エネルギー発電デバイスＥを潜堤の波上上端部に水平に片持ち支持（支持点：没水深６．５ｃｍ、波上側上端部から５ｃｍ）させた場合（Ｃａｓｅ３）についても行った。
【００６５】
また、潜堤を設置しない場合（Ｃａｓｅ４）についても、海洋エネルギー発電デバイスＥの下端を水槽に固定し直立に設置して行った。
【００６６】
図１４（Ａ）はＣａｓｅ１の場合、図１４（Ｂ）はＣａｓｅ２の場合における、潜堤周辺の渦・流れ・砕波によって海洋エネルギー発電デバイスＥが変形する様子を示したものである。図１４（Ａ）を見ると、Ｃａｓｅ１の場合、砕波前であるが、天端上の水平流れによって波下側に海洋エネルギー発電デバイスＥが大きく変形していることがわかる。また、図１４（Ｂ）を見ると、Ｃａｓｅ２の場合、砕波に伴う連行気泡と水平渦によって波下側に海洋エネルギー発電デバイスＥが大きく変形していることがわかる。
【００６７】
更に、図１５を見ると、Ｃａｓｅ３の場合、砕波前であるが、波動運動によって海洋エネルギー発電デバイスＥの自由端が上下に大きく変形していることがわかる。
【００６８】
また、図１６を見ると、Ｃａｓｅ４の場合、海洋エネルギー発電デバイスＥは没水と冠出を繰り返しながら大きく変形していることがわかる。
【００６９】
海洋エネルギー発電デバイス設置位置における渦・流れ・砕波現象に応じて、海洋エネルギー発電デバイスＥはそれぞれ撓み変形を生じた。そして、出力される電圧は、渦・流れ・砕波現象に応じた特徴的な起電力波形となっていた。これらのことから、いずれの流体場であっても海洋エネルギー発電デバイスは柔軟に変形し、波エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能であることがわかる。
【００７０】
なお、図１７は、Ｃａｓｅ１における海洋エネルギー発電デバイスＥから発生した出力電圧の経時変化、図１８は、Ｃａｓｅ２における海洋エネルギー発電デバイスＥから発生した出力電圧の経時変化を示している。これらの起電力波形を積分し、平均電力値（ｍＷ）に換算すると、Ｃａｓｅ１の場合０．０５７８ｍＷ、Ｃａｓｅ２の場合０．０３９４ｍＷ、Ｃａｓｅ３の場合０．０５８９ｍＷ、Ｃａｓｅ４の場合０．０５５７ｍＷであった。
【００７１】
なお、用いた本海洋エネルギー発電デバイスのサイズであれば、１波長当たり５０〜１００個程度は設置可能であることを考慮すると、波の理論エネルギーに対して、１４〜２７％の発電効率（１個当たり役０．２７％）と推定される。
【実施例４】
【００７２】
一様流場の上流側に円柱体（Ｂｌｕｆｆ ｂｏｄｙ）を固定し、その後流において生成される乱流・渦場によって、海洋エネルギー発電デバイスを変形させた場合の発電特性について検証を行った。これは、潮流・渦による発電に関わる検証である。
【００７３】
圧電フィルムとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製圧電フィルム（厚み１１０μｍ）（呉羽化学株式会社製）、内側弾性板及び外側弾性板としてシリコンシートを用いて、海洋エネルギー発電デバイスを作成した。作成した海洋エネルギー発電デバイスは、圧電フィルム間距離（内側弾性板の厚み）δ＝５ｍｍ、各外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、デバイスの厚みＨ＝６ｍｍ、長さ２８．５ｃｍ、幅４ｃｍである。この海洋エネルギー発電デバイスを、以下、海洋エネルギー発電デバイスＦと記す。
【００７４】
円柱体の直径は１１．５ｃｍ、一様流速は０．７４ｍ／ｓｅｃ、円柱体と海洋エネルギー発電デバイスＦとの距離は１９ｃｍ、レイノルズ数は８．５１×１０４である。
【００７５】
図１９に、円柱後流の乱流および渦エネルギーによって変形する海洋エネルギー発電デバイスＦの様子を示す。また、図２０に、海洋エネルギー発電デバイスＦから出力された起電力の経時変化を示したものである。
【００７６】
図１９、２０から、柔軟な海洋エネルギー発電デバイスＦは、円柱後流の乱流・渦エネルギーによっても、準周期的に変形を繰り返し、その結果として、大きな出力電圧を発生させていることがわかる。従って、乱流・渦エネルギーによっても、海洋エネルギー発電デバイスＦは発電できることを立証した。
【実施例５】
【００７７】
図１０に示す蓄電装置５を構成し、海洋エネルギー発電デバイスから生じる電力の蓄電を試みた。圧電フィルムとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）製圧電フィルム（厚み８０μｍ）（呉羽化学株式会社製）、内側弾性板及び外側弾性板としてシリコンシートを用いて、海洋エネルギー発電デバイスを作成した。作成した海洋エネルギー発電デバイスは、圧電フィルム間距離（内側弾性板の厚み）δ＝約１ｍｍ、各外側弾性板の厚み０．５ｍｍ、デバイス厚みＨ＝約２ｍｍ、長さ約１７ｃｍ、幅約１．７ｃｍである。この海洋エネルギー発電デバイスを、以下、海洋エネルギー発電デバイスＧと記す。蓄電体として、コンデンサを用いた。
【００７８】
図２１は、海洋エネルギー発電デバイスＧからの出力電圧の経時変化、図２２は、蓄電電圧の経時変化を示している。図２２からわかるように、時間経過とともに蓄電できることがわかる。したがって、この蓄電装置を海洋に設置することにより、小規模〜大規模発電施設を整備することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明に係る海洋エネルギー発電デバイスは、柔軟性弾性素材からなる内側弾性板を一対の柔軟な圧電フィルムで狭持し、更に、一対の圧電フィルムを柔軟性弾性素材からなる外側弾性板が狭持する構成である。いずれの圧電フィルムも、海洋エネルギー発電デバイスの中立軸から離間して撓み変形するので、いずれの圧電フィルムも全面的に伸張或いは収縮することになり、圧電フィルム内における発生電圧が相殺されず、高い電圧が出力される。そして、海洋エネルギー発電デバイスは柔軟性に富むため、潮流や潮汐等の種々の海洋エネルギーを受けて柔軟に撓み変形し発電するので、海洋における設置場所を選ぶことなく、種々の海洋エネルギーを利用する発電施設等に利用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１ 海洋エネルギー発電デバイス
２ 海洋エネルギー発電デバイス
３ 海洋エネルギー発電デバイス
４ 海洋エネルギー発電デバイス
５ 蓄電装置
１１ 内側弾性板
１２ 圧電フィルム
１２ａ 圧電フィルム
１２ｂ 圧電フィルム
１３ａ 外側弾性板
１３ｂ 外側弾性板
１４ａ 圧電フィルム
１４ｂ 圧電フィルム
１５ａ 外側弾性板
１５ｂ 外側弾性板
２１ａ 配線
２１ｂ 配線
２２ａ 配線
２２ｂ 配線
２３ａ 配線
２３ｂ 配線
３１ 整流器
３２ 蓄電体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海洋に設置され海洋エネルギーを電気エネルギーに変換する海洋エネルギー発電デバイスであって、
柔軟性弾性素材からなる内側弾性板と、
前記内側弾性板を狭持する一対の圧電フィルムと、
柔軟性弾性素材からなり前記一対の圧電フィルムを狭持する一対の外側弾性板と、を備え、
前記一対の圧電フィルムそれぞれが前記海洋エネルギー発電デバイスの中立軸から離間しており、前記海洋エネルギー発電デバイスが撓んだ際に前記一対の圧電フィルムそれぞれが前記海洋エネルギー発電デバイスの前記中立軸から離間して撓み発電する、
ことを特徴とする海洋エネルギー発電デバイス。
【請求項２】
前記一対の外側弾性板の厚みがそれぞれ同じであることを特徴とする請求項１に記載の海洋エネルギー発電デバイス。
【請求項３】
前記柔軟性弾性素材がシリコンゴム、天然ゴムまたは合成ゴムであることを特徴とする請求項２または３に記載の海洋エネルギー発電デバイス。
【請求項４】
前記一対の圧電フィルム間の距離（δ）と前記海洋エネルギー発電デバイスの厚み（Ｈ）との関係が０．８＜δ／Ｈ＜１であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の海洋エネルギー発電デバイス。
【請求項５】
更に、前記一対の外側弾性板を狭持するように、一対以上の圧電フィルムと一対以上の外側弾性板が交互に積層されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の海洋エネルギー発電デバイス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかの海洋エネルギー発電デバイスと、
前記海洋エネルギー発電デバイスに接続する整流器と、
前記整流器に接続する蓄電体と、を備える、
ことを特徴とする蓄電装置。
【請求項１】
海洋に設置され海洋エネルギーを電気エネルギーに変換する海洋エネルギー発電デバイスであって、
柔軟性弾性素材からなる内側弾性板と、
前記内側弾性板を狭持する一対の圧電フィルムと、
柔軟性弾性素材からなり前記一対の圧電フィルムを狭持する一対の外側弾性板と、を備え、
前記一対の圧電フィルムそれぞれが前記海洋エネルギー発電デバイスの中立軸から離間しており、前記海洋エネルギー発電デバイスが撓んだ際に前記一対の圧電フィルムそれぞれが前記海洋エネルギー発電デバイスの前記中立軸から離間して撓み発電する、
ことを特徴とする海洋エネルギー発電デバイス。
【請求項２】
前記一対の外側弾性板の厚みがそれぞれ同じであることを特徴とする請求項１に記載の海洋エネルギー発電デバイス。
【請求項３】
前記柔軟性弾性素材がシリコンゴム、天然ゴムまたは合成ゴムであることを特徴とする請求項２または３に記載の海洋エネルギー発電デバイス。
【請求項４】
前記一対の圧電フィルム間の距離（δ）と前記海洋エネルギー発電デバイスの厚み（Ｈ）との関係が０．８＜δ／Ｈ＜１であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の海洋エネルギー発電デバイス。
【請求項５】
更に、前記一対の外側弾性板を狭持するように、一対以上の圧電フィルムと一対以上の外側弾性板が交互に積層されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の海洋エネルギー発電デバイス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかの海洋エネルギー発電デバイスと、
前記海洋エネルギー発電デバイスに接続する整流器と、
前記整流器に接続する蓄電体と、を備える、
ことを特徴とする蓄電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１１−１０６４３４（Ｐ２０１１−１０６４３４Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６５７２６（Ｐ２００９−２６５７２６）
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第２１回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム、社団法人 電気学会（産業応用部門）、平成２１年５月２０日（水）−２２日（金）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第２１回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム、社団法人 電気学会（産業応用部門）、平成２１年５月２０日（水）−２２日（金）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
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