成果報告書詳細
管理番号20110000001323
タイトル平成19年度~平成20年度 成果報告書「エネルギー使用合理化技術戦略的開発/エネルギー使用合理化技術実用化開発/駅・建物等における省エネルギーのためのエネルギー変換技術の研究開発」
公開日2011/11/9
報告書年度2007 - 2008
委託先名東日本旅客鉄道株式会社 ジェイアール東日本コンサルタンツ株式会社
プロジェクト番号
部署名エネルギー対策推進部
和文要約本共同研究は、通勤ラッシュ時などの人と物の移動に関わる床等に加えていたエネルギーを電気エネルギーに変換する技術開発として、圧電素子(ピエゾ素子)の発電効果を利用した床発電装置と蓄電制御装置を実現することにより、建物内の独立電源や補助電源に利用し、駅・建物全体の省エネ化を促進することを目的とした。 本共同研究開始前に実施した平成18年基礎試験(東京駅丸の内北口試験)では、改札口1通路(1平米)を一人が通過する際に平均0.1Ws(ワット秒)程度の電力を取り出せることが確認された。そこで本共同研究では、基礎試験時の約100倍の発電量(改札通過時1人あたり10Ws)と耐久性の向上を目標とした。 発電床全体システムは、圧電素子モジュール、発電ユニット(圧電素子モジュールを上下から挟む床材・保護材等)、蓄電制御装置で構成される。本共同研究では、まず、これらの3項目について研究を実施した。そして、得られた結果を組み合わせ、発電床全体システムの性能評価を行い、実用化に向けた仕様の確立を目指した。 (1)圧電素子モジュールの研究:発電用途向け圧電素子モジュールを開発するため、圧電素子の材質・寸法・積層化・形状等の検討を行った。検討においては、様々な圧電素子モジュール試験体を製作し、試験体評価装置による基礎計測、シミュレーションにより、圧電素子の材質・寸法・積層化・形状等が発電量に及ぼす影響を評価した。 (2)発電ユニット構造の研究:基礎試験では、8週間経過後、発電量が4分の3程度低下し、耐久性が課題となっていた。原因として、圧電素子への必要以上の応力、引張応力の印加による圧電素子の劣化が考えられた。また、足踏荷重の分散による発電量増大も予想された。そのため発電ユニットの構造及び、構成する床材・保護材の材質や硬度について、破壊応力試験、構造・応力・発電量解析により発電量に及ぼす影響を評価した。 (3)蓄電制御装置の研究:基礎試験では、発電ユニットから蓄電制御装置間で約50%程度の電気的損失が発生しており、発電量(最終蓄電制御装置での蓄電量)が少ない原因となっていた。そのため、蓄電制御装置について、電気的な損失の検証、回路を構成する部品の検証、回路の改良、負荷抵抗の解析等の検討を行った。 (4)発電床全体システムの性能評価:前記(1)~(3)の結果を組合せた発電床全体システムの試作品を製作し、JR東京駅八重洲北口改札周辺にて敷設、データ収集を行い、発電量、耐久性、安全性の評価を行った。その結果、平成20年12月~翌2月のフィールド試験において、発電量は改札通過時一人あたり4.3Wsとなり、改札部と階段部を合わせた全体(約25平米)の1日あたりの発電量は、最大940KWsとなった。耐久性は、試験開始より5週間(通過人数約300万人に相当)経過後に95%の発電能力となった。また、試験期間中大きな事故やクレーム等の発生はなかった。 本共同研究では、最終的な検討の結果として、発電量は基礎試験時の約43倍に留まり、目標の約100倍には到達できなかった。しかし、耐久性は大幅に改善することができ、発電床全体システムとして、耐久性・安全性を確保しつつ発電能力の向上を図ることができた。 今後の展開としては、これまでの研究成果を踏まえ、駅構内での長期耐久試験や自動改札機等の駅設備との接続方法の開発を引き続き行い、本システムの実用化に取り組んで行く。
英文要約Title: Research and Development of Energy Conversion Technology for Energy Saving at Train Stations and Buildings (FY2007-FY2008) Final Report
This development work aims at promoting energy saving by realizing electric power generating floor system. This system utilizes electric power generation effect of piezoelectric element for converting physical energy to usable electric energy. In the basic experiments conducted in 2006, it was verified that passage of one passenger through a ticket gate (having an area of 1 square meter) can produce electric power approximately as large as 0.1 Ws (watt by second). Based on this data, the development team made a plan to bring up the power generation capability to 100 times as large as this figure as a target together with a plan to improve the durability of the component hardware. The power generating floor system as a whole is composed of piezoelectric modules, power generating unit and power storage and control equipment. The team conducted, in the first place, individual research in each of these fields. Then they aimed at establishing specifications for actual application of the system by consolidating the obtained results and thereby evaluating the performance of the total system. (1)Study of Piezoelectric Module: Study was carried out to determine quality, dimensions, laminating method and physical form of the module most appropriate for application to the intended power generation. (2)Study of Structure of Power Generating Unit: In the basic experiment, durability of the unit was found to be a problem, because the power generating capability dropped by 3/4 after 8 weeks of test run. Therefore, the team conducted evaluation of the effect on the generating capability of the structure of the power generating module as well as the quality and hardness of the floor and protection materials that consist the module. (3)Study of Power Storage and Control Equipment: In the basic experiment, it was observed that about 50% of the generated power was lost between the power generating unit and the storage and control equipment. Based on this finding, further research was carried out into the performance of the storage and control equipment, through verification of the power loss, examination of the components used in the electronic circuits, improvement of the circuits, and analysis of the load resistance. (4)Performance of Total System: A sample power generating floor system that consolidates the results of the above works (1) to (3) was built up and installed around the ticket gates of the Tokyo Railway Station, and evaluation were carried out. The result of the test conducted in December, 2008 was that the power generation level per passenger passing the ticket gate was improved to 4.3Ws. Regarding the durability, the system retained 95 % of the initial power level after 5 weeks of test run. During the test, no major accidents were reported. The team’s future plan is to carry out long-term durability tests and development of technologies for connecting this system with various station facilities, with the aim of putting this system to practical use.
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