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未来創造賞_Gemileo
- 6. 2)再生可能エネルギー
●再生可能エネルギーの1)~5)は、化石燃料エネルギーを置き換えるために、利用が進められている。
●一方、6)の環境中に存在している未利用希薄エネルギー(振動、光、熱、および電磁波など)を電気に変換する
エネルギーハーべスティングが注目されている。
●IoT機器(センサー)などの災害時にも使えるメンテナンスフリーな電源として、非常に期待されている。 ▶︎SDGs7に対応
種類 原理・特徴 メリット デメリット
国内での発電量
割合 目的
1)太陽光発電 ・太陽光パネルの光電効果により発電。
・災害時など、活用可能
・一般家庭でも設置可能
・比較的普及しており、補助金制度も豊富
・導入コストなどのハードルが高い 7.4%
・化石燃料エネルギーを置き
換える。
・現在の18.5%から2030年に
は、22~24%が目標
2)風力発電 ・風をプロペラで受け、回転力を利用して発
電する方法
・一定の風量があれば昼夜問わず発電でき
る
・費用対効果が高い
・広大な土地が必要
・発電量が風況に左右される 0.76%
3)水力発電 ・ダムを用いて水の位置エネルギーを蓄え、
水車を回転させることで発電
・エネルギー変換効率高
・管理コストが安い
・日本は水源と山が豊富
・降水量に左右 7.4%
4)地熱発電 ・火山活動などに由来する地熱による水蒸気
でタービンを回転させて電力を発生
・天候や昼夜に関わらず発電可能
・蒸気を再利用可能
・エネルギー変換効率が比較的低い
・火山性ガスに二酸化炭素が含まれる場合あり 0.24%
5)バイオマス
発電
・化石燃料以外の動植物に由来するエネル
ギー資源(穀物や間伐材、生ごみ、糞な
ど)
・バイオマスを燃焼させて発電
・発電量が環境そのものに左右されない
・廃棄していた生ごみなどを利用できる
・運転時に燃料費がかかる
・発電効率が比較的低い 2.7%
6)エネルギー
ハーベスティング
環境中に存在している未利用希薄エ
ネルギー(振動、光、熱、および電
磁波など)を電気に変換する
IoT機器(センサー)などの
①電池フリー、メンテナンスフ
リーな電源
②災害時への対応
・発電電力が微弱であること。
・マイクロワット、さらにはそれ以下
のナノワット単位のIoT、無線デバイ
ズが必要
-
IoT機器(センサー)などの
①電池フリー、メンテナンスフ
リーな電源
②災害時への対応
【再生可能エネルギーの種類別】特徴やメリット、日本における…|太陽光チャンネル https://taiyoko-ch.com/knowledge/type-of-renewable-energy.html 6
- 20. ① 発電電力量
ユニット出力:25W、通過時間:0.07s より、
●電力量𝑷𝑼( 1台あたり1時間当たりの)
𝑷𝑼 =25W×0.07s=2.0 (Ws)=0.5mWh
●LEDパネルの消費電力~1W とすれば、
●2.0(Ws)/1W=2.0s 2.0秒間表示可能
② コスト
●製造コスト(1ユニット当たり)=125万円
●設置工事コスト(*)(1ユニット当たり)~1万円
●今後量産化が進めば製造コストの低減が見込め
るとのこと。
15km/h
30cm
●出力=約25W
●ユニット上の通過時間0.07s(推定値)
**Km/h
消費電力0.1W
4]発電電力量と設置コストの推定
20
ユニット出力、通過時間、製造コストに関しては、セイリツ工業株式会社様提供資料「自動車走行時の
未使用エネルギーを回収する振動発電ユニットの開発」の中の情報を、許可を得て使用しました。
*コンクリート舗装の適用:https://www.jcassoc.or.jp/cement/1jpn/jk11_2.html
- 21. 5]磁歪発電による車両速度の測定方法
振動発電
ユニット 通信モジュール
Gateway
モジュール
PC
𝒅𝒘 , 𝒗 の計算
振動発電
ユニット 通信モジュール
サーバー
du dw
時間 t
t12t11
t22 t21
●振動発電ユニットを2台近接して並べて設置
2台の間隔を𝒅𝒖とする。
●車両の前輪軸と後輪軸間の距離を、 𝒅𝒘とする。
● 𝒅𝒘は車種によって異なる。
●車両速度を𝒗とする。
●GatewayモジュールPC内で、t11, t12, t21, t22,を受
信し、これらと、 𝒅𝒖の値を用いて、 𝒅𝒘と𝒗を求め
る。
車軸間距離:
𝒅𝒘
𝒅𝒖
=
(t22-t12)+(t21-t11)
𝟐
(t22-t21)+(t12-t11)
𝟐
vは、以下の式で求まる。
車両速度:𝒗 =
𝒅𝒘
t22+t21
𝟐
−
t12+t11
𝟐
●振動発電ユニットを1台設置する方法
前輪と後輪の時間差からは、速度決定不可
(車軸間距離が車種によって異なるため)
●2台のユニットを一定距離離して設置する方法
ユニット間距離情報を使うことで、車軸間距離と車
両速度を求める方法を考案した。
前輪によるピーク時間 t12, t11
後輪によるピーク時間 t22, t21
𝒗
𝒗
21
- 22. ● 発電電圧 V は、車両速度 v 、又は車両重量 w が増加すると、増加する(右上図)
● Vのvとwに対する関数形を仮定し、右上図データをフィッテイングし、
関数を決定 V=V(v, w) 1)
● これをwについて解く。 w=w(V, v) 2)
車両速度 vは、発電ユニットの信号時系列から、求められる(前スライド)。
発電電圧 Vは、発電時のピーク強度(右下図)として観測される。
2)式によって、車両重量 w を、車両速度 vと発電電圧 Vから推定可能である。
V=V(v, w)
w=w(V, v)
V
Gateway
モジュールPC
𝒅𝒘 , 𝒗, 𝒘の計算
時間 t
t12 t11
t22 t21
V
発電ユニット
22
発電時のピーク強度(オシロスコープ画面)
発電ピークの車重、速度依存性
上記の図は、セイリツ工業株式会社様提供資料「自動車走行時の未使用エネルギーを回収する振動発電
ユニットの開発」中に書かれたものを、許可を得て使用しました。
●発電時のピーク強度について、右図のように、車重と速度の増加関数であること
が、知られていた(セイリツ工業株式会社様提供資料)。
●この性質を利用し、さらに速度を求める方法(前スライド)と組み合わせること
で、車重を推定する新しい方法を考案した。
●発電ユニットからGatewayモジュールへ、ピーク強度と時間の情報を送付。
●GatewayモジュールPCで、車両速度 v と車両重量 w を計算する。
6]磁歪発電による車両重量の推定方法1
ピーク強度からのアプローチ
- 23. 重量 𝒘𝒂 、区間[𝒘𝒎𝒊𝒏 - 𝒘𝒎𝒂𝒙]
7]磁歪発電による車両重量の推定方法2
自動車データベースからのアプローチ
●車両速度の測定方法では、車軸間距離を求めることができる。
●車軸間距離は、車両のサイズを反映していると考えられる。
車軸間距離から、車両重量を推定できないか?
ホイールベースが長い小型車&普通車 ランキング
全2232件
最大 3827mm
最小 1805mm
最大ー最小=2022mm
100mm当り、
2232×100/2022=110.4台/100mm
自動車データベースを用いた車両重量の推定方法の提案
1)自動車のデータベースを用意する。
データベースの内容
・国産・輸入車(約20年前以降)
・重量、車軸間距離(ホイールベース)
(より一般的には、車軸数、各車軸間距離)
2)磁歪発電の信号から、車軸間距離𝒅𝒘を得る。
3)車軸間距離𝒅𝒘をクエリーとして、適当な誤差
(例えば、±10cm)を仮定し、データベースの検
索を実行する。
4)誤差を認めてヒットした自動車のリストから、そ
れらの重量のリストを作成する。
5)重量のリストの平均値𝒘𝒂 、最大値𝒘𝒎𝒂𝒙 、最小値
𝒘𝒎𝒊𝒏を求め、検索の答えとして、
𝒘𝒂 、区間[𝒘𝒎𝒊𝒏 - 𝒘𝒎𝒂𝒙]を出力する。
手順
全2232件
参照:https://greeco-channel.com/car/wheel_base_ranking_jpn/
自動車データベース(例)
車軸間距離𝒅𝒘 ±10cm
クエリー
ヒット自動車リスト
ヒット自動車重量リスト
検索の答え
- 28. ●歩道で太陽光パネルによる発電を行うための費用
太陽光パネル(1枚) :約1.6m×1m
太陽光パネル価格(2枚) :4.5万円
高透過ガラス(1枚) :7.2万円
地面への設置費用(2枚) :6万円
パワーコンディショナー(整流器) (1個) :6.6万円
合計 :24.3万円
*東京都の事業では、太陽光発電設備の費用が開示されていない。
➡ 市販されているものを参考に、費用を算出した。
●蓄電池の費用
費用(1台) :15万円
●太陽光発電機器と蓄電池を含めた1ユニット当たりの合計価格:39.3万円
参考にした太陽光パネル
https://item.rakuten.co.jp/cherrybell-
k/solarpanel3_2pc/
参考にした高透過ガラス
https://www.order-
glass.com/floor.html?gclid=CjwKCAjwjJmIBhA4
EiwAQdCbxlz260KXHldAnXdM19JgIUimiiLdzllTy
STy4cnNyohhke1I539ShhoC6YkQAvD_BwE
参考にした整流器
https://www.solar-
off.com/shopdetail/000000000343
参考にした設置費用
https://www.eco-hatsu.com/article-
solar/useful/45657/
参考にした蓄電池
https://www.amazon.co.jp/dp/B081JCVL1B/ref
=olp_aod_redir_impl1?_encoding=UTF8&aod=1
参考:https://re-mieruka.jp/monitoring/
28
4]太陽光発電ユニットの設置コスト
- 30. 30
其の他機器
**
㎞
速度・温度
表示
道路確認用カメラ
1台5万円
1個1万円
温度センサー
パソコン
Gateway端末
衛星通信用
アンテナ
1個1万円 1台2.2万円
1台4.6万円
1台5.5万円
(3) 周辺機器 2]周辺機器の設置費用
機器名称 用途 費用 参照先
① 蓄電池
太陽光発電ユニットの電力
を蓄電し、LEDパネル以外
の機器に給電する。
15万円 https://www.amazon.co.jp/dp/B081JCVL1B/ref=olp_aod_redir_impl1?_encoding=UTF8&aod=1
② アンテナ
災害時に、有線から切り替
えて、衛星通信を行う。
5.5万円 https://japan.cnet.com/article/35173129/
③ パソコン
Gateway端末からのデータ
を解析する。
2.2万円
https://www.amazon.co.jp/Lenovo%EF%BC%88%E3%83%AC%E3%83%8E%E3%83%9C%EF%BC%89
-Lenovo-Slim350iChromebook82BA000LJP/dp/B08PQQBYQX/ref=asc_df_B08PQQBYQX/?tag=jpgo-
22&linkCode=df0&hvadid=342386108575&hvpos=&hvnetw=g&hvrand=9932365234439778088&h
vpone=&hvptwo=&hvqmt=&hvdev=c&hvdvcmdl=&hvlocint=&hvlocphy=1009298&hvtargid=pla-
1212305704259&psc=1
④ LEDパネル
温度と速度を表示する。
振動発電の電力で賄う。
1万円
https://www.amazon.co.jp/LED%E9%9B%BB%E5%85%89%E6%8E%B2%E7%A4%BA%E6%9D%BFLE
D%E3%83%8D%E3%82%AA%E3%83%B3%E7%9C%8B%E6%9D%BF-
%E8%B5%A4%E8%89%B2LED%E7%9C%8B%E6%9D%BF-
LED%E8%A1%A8%E7%A4%BA%E5%99%A8%E3%82%AD%E3%83%A3%E3%82%AF%E3%83%88%E3
%83%BC%E3%83%ABLED%E9%9B%BB%E5%85%89%E7%9C%8B%E6%9D%BF/dp/B07XQD96CF
⑤
温度セン
サー
路面の温度を計測する。 1万円
https://www.google.com/shopping/product/1?q=%E8%B7%AF%E9%9D%A2%E6%B8%A9%E5%BA
%A6%E3%82%BB%E3%83%B3%E3%82%B5%E3%83%BC%E3%80%80%E4%BE%A1%E6%A0%BC&prd
s=epd:15885769648849514887,eto:15885769648849514887_0,pid:15885769648849514887,prmr:
1&sa=X&ved=0ahUKEwjwqtPJ0pTyAhVCY94KHWkQAmkQ9pwGCAU
⑥
Gateway端
末
振動発電ユニットからの情
報を受け取る。
4.6万円 https://www.monotaro.com/p/5747/7097/?utm_id=g_pla&utm_medium=cpc&utm_source=Adw
ords&utm_campaign=246-833-4061_6466659573&utm_content=96539050923&utm_te
⑦ カメラ 路面や道路状況を撮影する。 5万円 https://www.maspro.co.jp/products/home_security/category02.html#ahd
合計(蓄電池を除く) 18.7万円
- 31. 3)システムの構築と運用
(1) 設置場所の検討
1]東京都の交通量
2]検討手順
① 経路の交通量と距離の取得
② 経路毎の振動発電による発電電力量と設置コストの計算
③ 経路毎の発電電力量と設置コストの表の作成
④ 経路毎の発電電力量と設置コストのグラフ作成
3]振動発電ユニットの最適設置経路
4]最適設置径路の時間ごと、曜日ごとの発電量
5]振動発電ユニットの設置位置
6]振動発電ユニットの設置工事
(2) システムの構築
1]サブシステム間の連結と情報の流れ
2]実際の道路上での配置の様子
(3) システムの運用
1]サーバーからの情報の各種機関への提供
2]災害時の通信方法
3]車両重量情報の活用について
(4) 設置費用(合計)
31
- 35. ②-2 経路毎の振動発電設置コストの計算
●振動発電の1ユニットあたりのコスト𝑪𝑼 は、
𝑪𝑼 = 𝑪𝑷 + 𝑪𝑰
ここで、𝑪𝑷:ユニットの価格(1250k円)、𝑪𝑰:設置費用(100k円とした)
●1径路当たりのコスト(K円/経路)を𝑪𝑹と置くと、径路当たりのユ
ニット設置数𝑵 =
𝑫𝑹
𝑫𝑩𝑼
を用いて、
𝑪𝑹 = 𝑪𝑼 ∙ 𝑵 = 𝑪𝑷 + 𝑪𝑰 ∙
𝑫𝑹
𝑫𝑩𝑼
35
② 経路毎の振動発電による発電電力量と設置コストの計算
ユニット設置数 𝑵 =
𝑫𝑹
𝑫𝑩𝑼
1経路・1日あたりの発電電力量 𝑷𝑹 = 𝑵𝑪 ∙ 𝑷𝑼 ∙ 𝑵
径路の走行回数𝑵𝑪
ユニット電力量𝑷𝑼
1経路あたりの設置コスト𝑪𝑹 = 𝑪𝑼 ∙ 𝑵 = 𝑪𝑷 + 𝑪𝑰 ∙
𝑫𝑹
𝑫𝑩𝑼
ユニット設置数𝑵 =
𝑫𝑹
𝑫𝑩𝑼
ユニットコスト 𝑪𝑼
𝑫𝑩𝑼
𝑫𝑹
②-1 経路毎の振動発電による発電電力量の計算
●経路当たりのユニット設置数 𝑵 は、𝑵 =
𝑫𝑹
𝑫𝑩𝑼
ここで、 𝑫𝑹:径路の距離、𝑫𝑩𝑼:設置間隔(200m; 次ページ参照)
●1経路・1日あたりの発電電力量(kWh)を𝑷𝑹とすると、
𝑷𝑹 = 𝑵𝑪 ∙ 𝑷𝑼 ∙ 𝑵 = 𝑵𝑪 ∙ 𝑷𝑼 ∙
𝑫𝑹
𝑫𝑩𝑼
ここで、𝑷𝑼 = 𝟎. 𝟓 𝐦𝑾𝒉 スライドp20参照
ユニットの価格は、セイリツ工業株式会社様提供資料「自動車走行時の未使用エネル
ギーを回収する振動発電ユニットの開発」の中の情報を、許可を得て使用しました。
- 36. ③ 経路毎の発電電力量と設置コストの表の作成
●①~③で計算した径路ごとの量を、各経路の走行回数で降
順にソートした表(右の表)を作成した。
●各径路は、出発点IDと到着点IDによって、決定される。
●各行には、走行回数𝑵𝑪、下道距離(km)、コスト(1経路当
り)、発電量(1経路・1日当り)を表示しており、
さらに、積算コストと積算発電量(1日当たり)を表示している。
●積算コストと積算発電量(1日当たり)は、表の一番上からそ
の行(n番目)までの値を積算したものである。
36
③ 経路毎の発電電力量と設置コストの表の作成
No 出発点ID 到着点ID 走行回数𝑵𝑪
下道距
離(km)
コスト
1経路当り
発電量
1経路・1日当り 積算コスト
積算発電量
(1日当り)
1 13113 13103 6164.8429 6.147 76837.5 4.5474347 76837.5 4.5474347
2 13103 13113 5624.9571 6.118 76475 4.1296185 153312.5 8.6770532
3 13101 13102 4456.9571 4.82 60250 2.577904 213562.5 11.254957
4 13102 13101 3966.9143 3.861 48262.5 1.8379507 261825 13.092908
5 13109 13103 3619.6857 6.391 79887.5 2.7760094 341712.5 15.868917
6 13110 13112 3498.8 5.684 71050 2.3864615 412762.5 18.255379
7 13101 13103 3301.4571 6 75000 2.3770491 487762.5 20.632428
8 13102 13103 3193.3286 5.243 65537.5 2.0091146 553300 22.641543
9 13110 13113 3013 5.805 72562.5 2.0988558 625862.5 24.740398
10 13113 13110 2991.8 5.601 70012.5 2.0108486 695875 26.751247
11 13103 13109 2968.8429 6.407 80087.5 2.2825651 775962.5 29.033812
12 13103 13102 2936.1714 5.734 71675 2.0203208 847637.5 31.054133
13 13103 13101 2820.0286 5.982 74775 2.0243293 922412.5 33.078462
14 13113 13104 2752.6 5.151 64387.5 1.7014371 986800 34.779899
15 13104 13113 2686.5857 5.315 66437.5 1.7135044 1053237.5 36.493404
16 13113 13112 2641.9143 8.58 107250 2.7201149 1160487.5 39.213519
17 13109 13110 2519.6714 6.363 79537.5 1.9239203 1240025 41.137439
18 13109 13111 2395.7857 6.005 75062.5 1.7264032 1315087.5 42.863842
19 13111 13109 2339.5857 5.946 74325 1.6693412 1389412.5 44.533183
20 13112 13110 2313.4571 5.699 71237.5 1.5821271 1460650 46.11531
21 13102 13108 2276.6 4.929 61612.5 1.3465634 1522262.5 47.461874
22 13112 13113 2123.1286 7.958 99475 2.0275029 1621737.5 49.489377
23 13108 13102 2002.8286 4.87 60875 1.170453 1682612.5 50.65983
24 13107 13108 1941.6 7.731 96637.5 1.8012612 1779250 52.461091
- 37. ●左図に示すように、nの増大と共
に、積算発電量と積算コストは増
大する。
●積算コストは直線より少し下に凸
なグラフになっている。また、積
算発電量は、最初の立ち上がりは
大きいが、その後飽和に達する。
●ここで、積算コスト、積算発電量
の値を、それぞれの最大値で割っ
て、100分率で表示した量を、そ
れぞれ積算発電率、積算コスト率
と呼ぶことにする。
●グラフの縦軸を、積算発電率、積
算コスト率にしたグラフを、次
ページに示す。
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
140.0
160.0
0
20,000,000
40,000,000
60,000,000
80,000,000
100,000,000
120,000,000
1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601
1日当たりの積算発電量(KWd)
積算コスト(K円)
1日当たり・径路当たりの走行回数の降順の順位n
1日当たり・径路当たりの走行回数の降順の順位 n に対して、
1日当たりの積算発電量(KWd)と積算コスト(K円)をプロットした図
37
④ 経路毎の発電電力量と設置コストのグラフ作成
積算発電量(1日当たり)(%)
積算コスト(%)
- 41. 41
4]最適設置径路の曜日ごと、時間ごとの発電量推移
日曜日 月曜日 火曜日 水曜日 木曜日 金曜日 土曜日 0時 4時 8時 12時 16時 20時
縦軸:発電量(wh) 縦軸:発電量(wh)
横軸:曜日 横軸:時間
発
電
量
発
電
量
発電量の曜日ごとの推移 発電量の時間ごとの推移
最適化187経路の出発地点(29地点)毎の、到着地点で平均をとった発電量
●時間ごとの推移でみると、経路によらず、9時頃と17時頃にピークがあるが、径路によっては別の時間にもピークがある。
●曜日ごとの推移でみると、土日が低くて月金が高いパターンであるが、発電量の大きさでみると、3つのグループに分かれる。
- 42. 42
4]最適設置径路の時間ごと、曜日ごとの発電量推移
日曜日 月曜日 火曜日 水曜日 木曜日 金曜日 土曜日 0時 4時 8時 12時 16時 20時
横軸:時間
1-2月
3-4月
5月
縦軸:発電量の平均 縦軸:発電量の平均
1-2月
3-4月
5月
曜日 時間
横軸:曜日
●時間ごとの推移でみる
と、1,3,5月のデータで顕
著な差は見られなかった。
●曜日ごとの推移でみる
と、1月~4月でみられた
水曜日のピークが5月では
みられないことがわかる。