確率共振を利用したエナジー・ハーべスティング

K. Nakano Lab
確率共振を利用したエナジーハーベスティング
協力：シェフィールド大学
助成:選定研究（所内）
概要
実験
エナジーハーベスティングとは，振動などの活用されてこなかっ
た環境エネルギを利用して発電を行うことである．双安定系に微
小な周期性のある力を与えることによって，確率共振を起こし，
振動を増大させ，従来の手法よりも効率よく発電を行う方法を検
討する．
Piezoelectric films
双安定系における確率共振
Electromagnet
Magnet
Aluminium alloy beam
Magnets
学際情報学府，機械工学専攻
Non-contacting
actuator
Piezoelectric
generator
Magnet
Magnets
FV
FM
Shaker
Function generator

y0
Y
y
.
N
h
.
Amplifier
S
X
d
FE
Laser
displacement
sensor
Accelerometer
Y(t)
双安定系：
2
d y
dy
3
m 2  c  ay  by  Y (t )
dt
dt
Laser displacement
sensor
ここでY(t)は環境振動を表す．変位yから独立した周期性振動を
与えると, 以下の運動方程式が導かれる．
2
d y
dy
3
m 2  c  a(1   cos(2 ft )) y  by  Y (t )
dt
dt
系のポテンシャルエネルギ:
Data recorder
電磁石によって梁に与えられる周期的な力の周波数
が: (a)1.0Hz, (b)2.0Hz, (c)3.0Hz, (d)4.0Hz, (e)6.0Hz
and (f)8.0Hz, であった時の片持ち梁の自由端におけ
る変位を表す．確率共振が起きる条件である周期
2.76Hzに近い時，振動の増大が観測される．
a(1   cos(2 ft )) 2 b 4
U ( y, t )  
y  y
2
4
ポテンシャルエネルギ
の井戸の高さは，周期
的な力と同じ周波数で
変化する．質点の動き
と高さの変化のサイク
ルがある確率で一致
すると，共振のように
動きが増幅される．
10
t = 0, T/2
t = T/4
t = 3T/4
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-3
-2
-1
0
1
2
3
確率共振が起きる条件:
2

1 a
a 
f 
exp  

2 2
 4bD 
D は環境振動のインテンシティである．
Publications:
(c) 3Hz
(e) 6Hz
K. Nakano, M. P. Cartmell, H. Hu, R. Zheng, 2014, Feasibility of Energy Harvesting Using Stochastic Resonance Caused by
Axial Periodic Force, Journal of Mechanical Engineering, 60(5), pp. 314-320.
R. Zheng, K. Nakano, H. Hu, D. Su, M. P. Cartmell, 2014, An application of stochastic resonance for energy harvesting in a
bistable vibrating system, Journal of Sound and Vibration, 333(12), pp. 2568–2587.
D. Su, K. Nakano, H. Hu, M. P. Cartmell, M. Ohori and R. Zheng, 2013, Further Application of Stochastic Resonance for
Energy Harvesting, ASME Dynamic Systems and Control Conference, Palo Alto, California, USA, V002T19A005.
Institute of Industrial Science, the University of Tokyo

Download Report