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未来創造賞_Gemileo
- 1. 振動発電による 都内交通量の持続可能な エネルギー利用 チーム名：Gemileo 大学名：武蔵野大学 メンバー： 馬場綺海 土方愛斗 藤田大輝 棚田真起 濱田一輝 大和正樹 湯山力輝 アドバイザー： 西川哲夫 1
- 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
- 7. ３）エネルギーハーベスティング ●エネルギーハーベスティング技術とは、 ・周りの環境から微小エネルギーを収穫して、電力に変換する技術 ・エネルギー限としては、光・熱（温度差）・振動・電波など ●得られる発電量はごく微小であるが，充電・取り替えなしで長期間エネルギー供給が可能な電源として、 IoTの実現に必須の技術として近年注目され、研究開発が活発化 エネルギーハーベスティングコンソーシアム https://www.nttdata-strategy.com/ehc/about/index.html エネルギーハーベスティングが拓くIoTの世界 | 三菱総合研究所（MRI） https://www.mri.co.jp/knowledge/insight/20170120.html ●我々は、都内の交通量をエネルギーに変えるた めに、エネルギーハーベスティングの1 つである 振動発電に注目 ＊振動発電：産業機器や建造物の振動，人体運動等の力学的エ ネルギーを電気エネルギーに変換する技術 ▶︎SDGs9, 11に対応 振動発電 7
- 8. “災害に強いインフラを整え、新し い技術を開発し、みんなに役立つ安 定した産業化を進めよう” SDGs9 公益財団法人 日本ユニセフ協会.「9.産業と技術革新の基盤を作ろう」. https://www.unicef.or.jp/kodomo/sdgs/17goals/9-industry/ , (参照2021/08/01） “だれもがずっと安全に暮らせて、 災害にも強いまちをつくろう” 公益財団法人 日本ユニセフ協会 . 「11.住み続けられるまちづくりを」 . https://www.unicef.or.jp/kodomo/sdgs/17goals/11-cities/ ,(参照2021/08/01） SDGs11 8
- 10. ５）逆磁歪方式の振動発電 ●交通量をエネルギーに変える方法 ・交通の振動をエネルギーに変える ➡ 振動発電 ●振動発電とは、 ・機器の振動、建造物の振動、人体運動等の力学的エネル ギーを電気エネルギーに変換する技術 ・電磁誘導、静電誘導、逆磁歪効果、圧電効果の4つの原 理に基づく方法がある（右の表）。 ●交通分野での利用には、耐久性が重要 ・逆磁歪効果の方式を採用する。 ・強固な磁性材料を用いることで耐久性が高い。 ・発電効率も高い。 ・駐車場での車両検知の実証実験の実績（＊）がある 表の上の部分：用語解説第114回テーマ . 振動発電 . https://www.jstage.jst.go.jp/article/ieejpes/140/9/140_NL9_6/_pdf/-char/ja 発電効率 低 ー 高 高 機器の大きさ 大 ー 小 小 表の下の部分：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」を参考にして作成しまし た。 10
- 11. ６）振動発電電力を何に使うか？ ●振動発電の使い方？ ・発電量が小さいので、自分自身の動作を持続させる 用途が向いている。 ・これにより、メンテナンスフリーの動作を実現する。 ・そのためには、センサーとしての用途が向いている。 ●交通量による振動発電エネルギーの用途？ ・センサーとしての用途 ・車の状態に関する情報の取得とその利用 ・速度 ➡ 速度表示、渋滞情報の提示 ・重量 ➡ 道路状況（劣化具合）のモニター ●利用法？ ・リアルタイムな情報提示 ・長期的なデータ蓄積、交通状況や道路状況のモ ニター、分析を行って保守に利用 速度 振動発電 **Km/h 車の状態に関するセンサー情報 重 量 振動発電 センサー メンテナンスフリーの動作を実現 ●振動発電の使い方？ ●交通量による振動発電エネルギーの用途？
- 17. （１）振動発電ユニット １］採用装置 ・株式会社竹中工務店、セイリツ工業株式会社、 湘南メタルテック株式会社の3社が共同開発を 行った振動発電ユニットを採用する。 ・沖縄県浦添市の屋内駐車場にて、本装置を用い た車両誘導システムの実証実験が実施され、2019 年度には「令和元年度 新エネ大賞」にて審査委 員長特別賞【導入活動部門】を受賞した。 NEF 一般財団法人 新エネルギー財団「新エネ大賞-New Energy Award-」より https://www.nef.or.jp/award/kako/r01/t_01.html 17
- 18. 上記の図、数値は、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。 ２］磁歪発電の原理と発電機の構造 ① 力による磁歪材料の圧縮 ② 磁束密度と磁界の変化 ③ 周りのコイルに電流発生 ① 発電機の材質は、SUS。 ② 磁性材料は、右上図の振動発電機内部に設置（耐荷重：5t） ③ 振動発電機は、地面下設置の振動発電ユニット内に設置（右下 図） ④ 振動発電ユニット上部を車が走行すると、ユニット上部壁のポッ チから振動発電機に力が加わり、発電。 ⑤ 実際の試験走行では、電圧5～10V,電流2.5Aの電気を得た。 振動発電機 磁歪材料 振動発電 ユニット 18
- 19. ３］磁歪発電の電力測定結果 ① 実際に発電した様子をオシロスコープで観測 ② 電圧5～10V,電流2.5Aの電気を得た。 ③ 車種や速度によって、電圧が5～10Vに変化 ① 車両速度と車種（重量差あり）を変えて、測定。 ② 発電電圧 V は、車両速度 v 、または、車両重量 w が増加すると、 増加した。 19 上記の図、数値情報は、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」中に書かれた情報を、許可を得て使用しました。
- 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
- 24. 24 ８］車両重量の計測の意義と我々の方法の特徴 ●道路の老朽化には、大型車などの荷重による疲労が1つの原因であることが知られている。 ●車両の重量による道路構造物の疲労に及ぼす影響は、 舗装で４乗、RC床版（鉄筋コンクリート）で１ ２乗といわれている（右上図）。 ●舗装の耐久性は、大型車の影響が支配的⇒大型車が多いほど、舗装の損傷進行が早い（右中図） 参照： http://www.thr.mlit.go.jp/aomori/syutu/towada/pdf/20100602160046511.pdf ●橋梁上を通行する車両の軸重等の計測システム 橋梁部材にひずみゲージを設置して荷重計測を行う（右下図）。 ●橋や高速道路で、BWIMを用いた活荷重実態調査が、多く実施されている（補修対象の特定のため）。 活荷重計測（BWIM：Bridge Weigh in Motion) PWIM ●路面型の計測システムで、路面に圧電センサを敷設して荷重計測を行う。 ●高精度だが、設置と維持の費用がかかる。 これからの舗装マネジメント：https://www.mlit.go.jp/common/001145725.pdf 橋梁を用いた車両重量計測システム（BWIM） http://www.nilim.go.jp/japanese/technical/bwim/BWIM.html 過積載を見逃さない道路橋：https://www.adl.nii.ac.jp/~kat/NII20.pdf 道路の老朽化の要因 我々の荷重計測方法の特徴と精度 方法 特徴 デメリット 改良法 ピーク強度からのアプローチ ●橋や高速道路では、BWIMを用いた計測が行われてい るが、一般舗装道路でのPWIMはあまりおこなわれてい ない。 ●ひずみ計測のBWIMよりも高精度を期待。 ●圧電センサを用いたPWINよりも耐久性が高い。 ●測定精度が今のところ 分からない。 ●大型車用と小型車用に分けて、 重量と発電量の関係を最適化し、 同時に2つのユニットを用いる ことで、大型車と小型車に同時 に対応可能になると期待。 自動車データベースからのア プローチ ●軸数や軸距離パターンの測定から、大型車のタイプ の特定はある程度正確にできそうである。 ●両者の差から、積載量が推定できる可能性。 ●軸間距離が同じでも重 量がことなる車両がある ので、推定精度に限界が ある。
- 26. • 東京都のモデル化事業の歩道設置型太陽光パネル • 2020年6月と12月（最小発電量）の総発電量（公 開データ）を用いて、電力量の収支を分析した。 • 1日当たりの発電電力(Wh)を求め、 • 必要な機器の消費電力(Wh)を見積り、 • 差し引くことで、余剰電力(Wh)を推定。 • 我々の提案に必要な電力が得られることが分かっ た。 • 余剰電力は蓄電し、夜や雨の日などに活用する。 東京都再生可能エネルギーモデル化事業参照: https://re-mieruka.jp/monitoring/ 26 （２）太陽光発電ユニット 2］発電量の分析
- 27. ● 2020年6月、余剰電力(Wh)が1日当たり、 1466.4 Wh ●そこで、蓄電池設備は定格出力1000w、定格エネル ギーは1500Whのポータブル式のものを用いるとして 試算した。 ●これは、満充電の場合で、 消費電力40ｗのパソコンが35時間持つ（1日以上）。 ●価格は1台15万円。 35時間稼働!! 定格出力：1000w 定格エネルギー：1500Wh 消費電力：40w 27 ３］太陽光発電ユニットの蓄電について
- 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
- 29. ●今回のユニットで必要な周辺機器として、①蓄 電池、②衛星通信用アンテナ、③防犯カメラ、④ 情報を表示するLEDパネル、⑤温度センサー、⑥ 無線機(Gateway端末)、 ⑦パソコンの７つの機器 が必要になる。 ●LEDパネルの表示とGateway端末への情報送信 は振動発電により発電した電力で賄う。Gateway 端末からデータを取り、解析するためにパソコン も配置する。 ●LEDパネルは1～2秒だけ点灯するので振動発電 で賄うことができる。 ●衛星通信用アンテナをつけることで災害時でも 衛星通信を可能に。 (３) 周辺機器 １］周辺機器の概要 29 その他機器 ⑤、6、⑦ ** ㎞ 振動発電ユニット 太陽光パネル ④速度・ 温度表示 ③道路確認用カメラ 蓄電池 LEDパネル（速 度・温度表示） ① 衛星通信用アンテナ ② **㎞ **℃ 温度センサー ⑤ ⑥ Gateway端末 パソコン ⑦ カメラ ③ ④
- 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
- 32. 東京都全体の交通量を以下のように見積もった。 ●株式会社Mobility Technologies様からご提供頂いたデータか ら、1～2月の1日当たりの全乗車数（運行タクシー台数とする） を求めたところ、18万台/日であった。 ●GOアプリにあるタクシー会社一覧よりTaxiGoのシェア率を、 大手6社のタクシー会社（1000台以上保有）のタクシー保有台数 より、推定。 ●シェア率を約60%と推定し、東京都全体のタクシー乗車数は、 18万台/日を1/0.6倍した30万台/日と見積もられた。 ●一方、一般車両の交通量は215万台/日（警視庁のデータ） ●積算発電量 東京都全体のタクシー 提供データからの発電量の1.8倍 一般車両 提供データからの発電量の12倍 警視庁 . 「交通量統計表」. https://www.keishicho.metro.tokyo.jp/about_mpd/jokyo_tokei/tokei_jokyo/ryo.html （参照2021/08/02） 32 (1) 設置場所の検討 １］東京都の交通量 タクシー会社 台数 東京都個人タクシー協同組合 12874 日本交通 4715 帝都自動車交通 1183 東京無線タクシー 3744 日の丸自動車 1298 東都自動車 （23区・武蔵野三鷹） 1602 合計 25416 58.2% 東京都のタクシー台数（平成30年） 43687 【2021年】GOの迎車料金まとめ【エリア別・タクシー会社別】 - タ クシー情報 https://taxi-blog.tokyo/2021/02/02/go-pick-up-fee/#GO_in-5
- 33. ここでは、効率的な発電が可能な設置場所の検討を行った。 できるだけ少ない設置コストで、できるだけ大きな発電量が得 られる方法として、交通量の多い道路から順にn番目まで発電 ユニットを設置するとし、何番目まで設置すれば、より効率的 かを検討する。そのために、以下の手順で計算を行った。 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 33 (1) 設置場所の検討 ２］検討手順 順番 出発 点 到着 点 乗車回 数／日 径路の 距離 発電電 力量 設置コ スト 1 2 3 n 径路ごとの発電量と設置コスト 降順ソート
- 34. 次に、 ●各径路に一定距離間隔で何個発電ユニットが設置できるか を求めるために、各径路の距離を近似的に求めた。 ・径路の近似的距離を、Google Maps APIを用いて求めた。 ・出発点と到着点の経度・緯度を与えて、 出発点と到着点間の下道距離（一般自動車） 𝑫𝑹を求めた。 （右下図に、下道距離のヒストグラムを示す） ・実際の距離は、出発点、到着点の実際の位置が分からず、 知りようがないので、近似値として求めた。 34 ① 経路の交通量と距離の取得 参照：Google Maps API（https://www.zenrin-datacom.net/business/media/g004/） 順番 出発点 到着点 時間帯 曜日 走行回 数NC 走行回数NC ／1日 1 A B 1 日 10 3.2 2 A B 2 月 5 3 A B 2 金 25 C n D F Y 径路当たり1日当たりの乗車回数にまとめる ①下道距離のヒストグラム １）経路の交通量と距離の取得 ●そのために、まず交通量の多い道路を求めるために、提供 されたデータをもとに、径路ごとの1日当たりの乗車回数 (Adjusted count)を、径路の走行回数𝑵𝑪として求めた。 ・東京23区内を出発点、到着点とする約3,000の経路ごとに、 𝑵𝑪の値を求めた。
- 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(%)
- 38. ●このグラフから、積算発量率 の割合ができるだけ多く、か つ積算コスト率の割合ができ るだけ小さくなるようなnを、 コストパフォーマンス的に最 適なnであるとみなし、RP=積 算発電率-積算コスト率を最大 にするnを、最適なnとして求 めることとした。 ●RPをnに対してプロットした グラフを、次ページに示す。 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率（KWd）と積算コスト率（K円）をプロットした図 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601 1日当たりの積算発電量率（%） 積算コスト率（%） 1日当たり・径路当たりの走行回数の降順の順位ｎ 38 積算発電量（1日当たり）(％) 積算コスト(%)
- 39. ●左図に示すように、RP=積算発 電率-積算コスト率を最大にす るnは、187であり、その時、 RPの値は、70.7%となった。 ●以上より、コストパフォーマン スが最適な条件（n=187, その 時のRP=70.7%）を求めること ができた。 この時、 積算発電率=89.9%=136.9kW日 積算コスト率=19.2%=18,664k円 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、 PR( = 1日当たりの積算発電量－積算コスト) をプロットした図 70.7% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 1 15 29 43 57 71 85 99 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 281 295 309 323 337 351 365 379 393 407 421 435 449 463 477 491 505 519 533 547 561 575 589 603 積算発電量（1日当り）ー積算コスト(%) 1日当たり・径路当たりの走行回数の降順の順位ｎ 187番目 39
- 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。
- 49. (３)システムの運用 ３］車両重量情報の活用について サーバー 道路管理者 （国、自治体等） 道路の保守点検 ●車両の舗装に与えるダメージは輪荷重 の4乗に比例する。 ● 1万台の乗用車（輪荷重500kg）と、1 台の大型車（輪荷重5000kg）が舗装 に与えるダメージは等しい。 ●そこで、推定重量を4乗したものを破壊 指数として、ある時点からの破壊指数 を積算した「積算破壊指数」を定義す る。 ●積算破壊指数の時系列を振動発電ユ ニットごとにモニターする。 ●積算破壊指数が一定の値を超えた場所 を、重点的に保守点検の対象とする。 道路 番号 道路内 ユニット番号 時刻 t 推定速度 v(km/h) 推定重量 w(ｔ) 破壊指数 （4乗） 積算破壊 指数 1 1 18:10:30 45 0.7 0.24 0.24 1 1 18:10:40 10 1.0 1 1.24 1 1 18:10:45 10 1.2 2.07 3.31 1 1 18:11:00 5 0.9 0.65 3.96 1 1 18:10:30 70 1.5 5.06 9.03 1 1 18:10:30 40 3.0 81 90.0 1 1 18:10:30 30 5.0 625 715.0 発電ユニットごとに検出した車両の 推定重量、破壊指数、積算破壊指数 参照： http://www.thr.mlit.go.jp/aomori/syutu/towada/pdf/20100602160046511.pdf
- 50. (4) 設置費用(合計) 50 項目 １ユニット当たりの 費用 （現状費用） 187径路、200m 間隔で設置 （現状費用） １ユニット当たりの費 用 （2期目：10年後） 187径路、200m間隔 で設置 （2期目：10年後） 耐用年数 振動発電ユニットの設置 ユニット 125万円 設置費用 10万円 合計価格：135万円 約100億円 ユニット 30万円 設置費用 10万円 合計価格：40万円 約31億円 10年（＊） 太陽光発電ユニットの設置 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 約29億円 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 約29億円 5年 周辺機器の設置 アンテナ、パソコン、 LEDパネル、温度セ ンサー、Gateway 端末、カメラ等 合計価格：18.7万円 約9.3億円 アンテナ、パソコン、 LEDパネル、温度セン サー、Gateway端末、 カメラ等 合計価格：18.7万円 約9.3億円 5年 合計費用 138.3億円 69.3億円 ＊セイリツ工業株式会社 技術部部長 竹之内様からのmailによると、 「耐用年数は理論上30年以上であり、現在設置から2年程度経過しています。」とのこと。