圧電素子を用いた風力発電装置
【課題】構造が比較的単純で、高い効率で発電が可能で、設置場所の制限も少なく集積化が容易な風力発電装置を提供すること。
【解決手段】屈曲することによって発電する平板上の圧電素子部材と、前記平板状の圧電素子部材の一端に取り付けられており、風力を受けて変位して前記圧電素子部材を屈曲させる受風板と、前記平板状の圧電素子部材の、前記受風板が取り付けられていない側の一端を保持する固定保持部材と、を有する発電機構、並びに、前記受風板にあたる風を周期的に遮断することによって、前記受風板を周期的に変位させる風力遮断機構と、を具備することを特徴とする風力発電装置。
【解決手段】屈曲することによって発電する平板上の圧電素子部材と、前記平板状の圧電素子部材の一端に取り付けられており、風力を受けて変位して前記圧電素子部材を屈曲させる受風板と、前記平板状の圧電素子部材の、前記受風板が取り付けられていない側の一端を保持する固定保持部材と、を有する発電機構、並びに、前記受風板にあたる風を周期的に遮断することによって、前記受風板を周期的に変位させる風力遮断機構と、を具備することを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を用い、風力を利用して発電する風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
クリーンな発電方法として風力発電が注目されるようになってきている。一般的な風力発電装置としては、プロペラを風力で回転させ、電磁誘導により発電するものが知られているが、これには、装置が大型であってコストが高いことや、設置場所が制限されること、また、所定の設置間隔を取らなければ発電効率が低下すること等の問題があった。
【０００３】
このような問題を解決するために、圧電素子を用いた発電装置が提案されている。例えば、特許文献１には、空気の渦流を発生させて振動板を振動させ、その振動を圧電素子に加えて発電する方法が記載されている。しかしながら、この構造では圧電素子に加わる振動の変位は限られたものになり、大きな電力は得られない場合があった。
【０００４】
また、特許文献２には、フレーム部材と、フレーム部材に支持された圧電振動板と、振動板の表面に取り付けられた受風部材とを備え、風を受けて振動板に屈曲運動を生じさせることにより発電する風力発電装置が記載されている。しかしながら、この構造では、振動板の振動がフレーム部材によって抑制され、発電量が十分に得られないという問題があった。一方、振動抑制を小さくするためにフレーム部材を大きくすると、設置面積が広くなってしまうという問題があった。
【０００５】
更に、特許文献１と特許文献２に共通する問題点として、これらの装置は、風が脈動しているか、または定常流であっても羽根の後方でカルマン渦を形成する場合しか振動しないので、駆動効率が低いという問題もあった。
【０００６】
風の脈動や羽根の後方での渦だけに依存しない装置として、特許文献３には、長尺状でその幅方向に所定角度で二つ折りされた形状を有し、その長手方向の一端が固定された状態で風力を受けた際に所定のねじれ振動を生ずるように、その幅が長手方向において変化している受風翼と、前記受風翼の振動によって発電する発電部とを具備する風力発電装置が記載されている。そして、発電部には、屈曲することによって発電する圧電素子が使用されている。しかしながら、この構造では、風自体を制御していないため、受風翼に取り付けられた圧電素子に効率的な振動を常に与えられない場合があった。
【０００７】
また、特許文献４には、断面形状が略Ｖ字状等の受風翼を支持する支持棒をその軸芯回りに回転自在に保持する軸保持部材と、この軸保持手段が取り付けられる振動板と、風力によって振動板に発生する振動を利用して発電する発電機構を具備する風力発電装置が記載されている。そして、振動板には圧電素子は貼り付けられており、圧電素子が屈曲することによって発電できる構造が記載されている。しかしながら、この構造でも、風自体を制御していないため、振動板に貼り付けられた圧電素子に効率的な振動を常に与えられない場合があった。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３０３７２６号公報
【特許文献２】特開２００１−２３１２７３号公報
【特許文献３】特開２００５−２７３６４４号公報
【特許文献１】特開２００６−２９１８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は、構造が比較的単純で、高い効率で発電が可能で、設置場所の制限も少なく集積化が容易な風力発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】
【００１０】
本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、圧電素子部材と風力を受けて変位して前記圧電素子部材を屈曲させる受風板とを有する発電機構に対し、更に、かかる受風板にあたる風を周期的に遮断する風力遮断機構を具備させることによって、風力エネルギーを高い効率で電気エネルギーに変換することが可能であることを見出して、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち本発明は、屈曲することによって発電する平板上の圧電素子部材と、
前記平板状の圧電素子部材の一端に取り付けられており、風力を受けて変位して前記圧電素子部材を屈曲させる受風板と、
前記平板状の圧電素子部材の、前記受風板が取り付けられていない側の一端を保持する固定保持部材と、
を有する発電機構、並びに、
前記受風板にあたる風を周期的に遮断することによって、前記受風板を周期的に変位させる風力遮断機構と、
を具備することを特徴とする風力発電装置を提供するものである。
【００１２】
また本発明は、前記風力遮断機構が、
前記受風板にあたる風を遮断する風遮断板と、
前記風遮断板の一端を保持し、前記受風板にあたる風を周期的に遮断するように、前記風遮断板を公転させる回転保持部材と、
を有するものである上記風力発電装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、受風板にあたる風を周期的に遮断することによって、時間と共に風力がどのように変化しても、受風板を効率的に振動させることができ、また、かかる受風板の振動をダイレクトに圧電素子部材に伝達させることにより、高い発電効率を実現することができ、構造が比較的単純であって設置場所の制限も少なく集積化が容易な風力発電装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明するが、本発明は以下の実施の形態のみに限定されるものではなく、技術的思想の範囲内で任意に変形して実施することができる。
【００１５】
図１は、本発明の風力発電装置の基本的な構成を示す概略図であり、発電機構１と風力遮断機構２が示されている。発電機構１は、少なくとも、
（ａ）屈曲することによって発電する平板上の圧電素子部材１１
（ｂ）前記平板状の圧電素子部材１１の一端に取り付けられており、風力を受けて変位して前記圧電素子部材１１を屈曲させる受風板１２
（ｃ）前記平板状の圧電素子部材１１の、前記受風板１２が取り付けられていない側の一端を保持する固定保持部材１３
によって構成されている。
【００１６】
このうち、平板上の圧電素子部材１１は、薄手の圧電素子を金属板等に貼り合わせたモノモルフ構造を有するものであっても、２枚の圧電素子を貼り合わせたバイモルフ構造を有するものであってもよいが、発電能力の点でバイモルフ構造が好ましい。また、１個の圧電素子部材１１を構成する圧電素子１１１は複数個であってもよい。
【００１７】
図２は、２枚の圧電素子１１１を用いた圧電素子部材１１を示すものである。１つの圧電素子部材１１は１枚の圧電素子１１１からなっていてもよいが、複数枚の圧電素子１１１からなっていてもよい。
【００１８】
図１において、受風板１２は、前記平板状の圧電素子部材１１の一端に取り付けられており、風力を受けて変位する。すなわち、受風板１２は、風を受けることによって風下側に変位し、風が遮断されると風上側に変位して元に戻るようになっている。この変位を前記圧電素子部材１１に伝え、圧電素子部材１１を屈曲させる。受風板１２は、風を受けたときの圧電素子部材１１の屈曲の量が大きくなるよう、圧電素子部材１１に取り付けられている。
【００１９】
受風板１２の形状については、風力によって効率的に圧電素子部材１１を屈曲させることができれば特に限定はなく、長方形板状や円形板状等何れでもよい。受風板１２の面積についても特に限定はないが、圧電素子部材１１と同等かそれ以上の面積を有していることが、弱い風によっても圧電素子部材１１をより屈曲させることができるため好ましい。また、受風板１２の面積は、風遮断板２２の面積と同等又はそれ以下であることが好ましい。受風板１２の材質も特に限定はなく、金属又は樹脂が好適に用いられる。
【００２０】
圧電素子部材１１と受風板１２は一体となって、ある特定の固有振動数を有する。風力遮断機構２の説明において後述するように、風力遮断機構２中の風遮断板２２によって受風板１２にあたる風が周期的に遮断されるが、その遮断の周期の逆数である振動数が、「受風板が取り付けられた前記圧電素子部材」全体としての固有振動数に等しくなるようにすることが、圧電素子部材１１の効率的な屈曲を実現し、延いては効率よく発電させるために好ましい。従って、圧電素子部材１１と受風板１２の質量や形態、すなわち材質、形状等は、それらが一体となったものが有する固有振動数も勘案して決められる。
【００２１】
前記平板状の圧電素子部材１１の、前記受風板１２が取り付けられていない側は、固定保持部材１３によって固定されている。固定保持部材１３の形態は特に限定はなく、図１に示すような直方体であってもよいし、図３や図４に示すように、円盤状であっても、棒状であってもよい。また、材質も圧電素子部材１１を保持することができる所定の硬さを有していれば特に限定されず、例えば、金属材料、樹脂材料、セラミックス材料、これらの材料を含有する複合材料等を用いることができる。固定保持部材１３は、圧電素子部材１１が動かないように固定するものであり、圧電素子部材１１の屈曲の力を逃がさないように弾性は高いことが好ましく、風力によって実質的に変位を受けずに静止していることが好ましい。
【００２２】
受風板１２が取り付けられた圧電素子部材１１は、１個だけが固定保持部材１３に固定されていてもよいが、装置の大きさと発電量の兼合いを考慮すると、２個以上が固定されていることが好ましい。図１に示すように、圧電素子部材１１は、固定保持部材１３の表面に略垂直に固定されていてもよいし、図４に示すように、円盤状の固定保持部材１３の円周上に固定されていてもよいし、放射線状に伸びた棒状の固定保持部材１３の先端に固定されていてもよい。
【００２３】
図１における風力遮断機構２は、受風板１２にあたる風を周期的に遮断することによって、受風板１２を周期的に変位させ、その変位によって圧電素子部材１１を周期的に振動させるようになっている。
【００２４】
風力遮断機構２の構造は特に限定はなく、開閉するシャッターによって風を周期的に遮断してもよいし、風遮断板２２を移動させることによって風を周期的に遮断してもよいし、図３や図４に示すような構造によって、風遮断板２２を、ある点を中心に板面上平行に公転させることによって風を周期的に遮断してもよい。また、開閉、移動、公転等の風力遮断機構２の駆動は、外部電力等によって行ってもよいし、風力によって行ってもよい。風力遮断機構２の駆動に外部電力等を消費しても、風のエネルギーが加わることによって、外部電力等の消費エネルギーよりも大きい電気エネルギーが得られるが、より好ましくは、風力遮断機構２の駆動自体にも風力エネルギーを用いることである。
【００２５】
以下、本発明の風力発電装置の好ましい形態を図３及び図４を用いて更に説明する。図４（ｂ）は発電機構１と風力遮断機構２の最も好ましい形態の一例を示す斜視図である。発電機構１に関しては、３枚の「受風板１２が取り付けられた圧電素子部材１１」（以下、受風板１２と圧電素子部材１１が一体となったものを、「静翼１０」ということがある）が、１枚の円盤状の固定保持部材１３に、平面を共通にして固定されている。１枚の固定保持部材１３に取り付けられる静翼１０の数は、好ましくは１〜２０枚、より好ましくは２〜１０枚、特に好ましくは３〜５枚である。少なすぎると発電効率が悪くなる場合があり、多すぎると１枚の受風板１２の面積が小さくなって、圧電素子部材１１を十分に屈曲させられない場合がある。また、静翼１０の数は、風遮断板２２の数より１枚だけ多いことが、圧電素子出力の整流平滑化が可能である点で好ましい。
【００２６】
図３及び図４に示すように、静翼１０は静翼保持部材１３に固定され、静翼保持部材１３は静翼軸１４に垂直に固定されている。そして、静翼１０（受風板１２と圧電素子部材１１）と静翼保持部材１３は、静翼軸１４を保持する静翼軸保持柱１５によって、風を受け易いように略垂直に立てられている。静翼１０と静翼保持部材１３が形成する平板の直径等の差渡し長さは大きいほど１つの静翼保持部材１３に固定される受風板１２の数を多くでき、従って圧電素子部材１１の数も多くできるので大きな出力を得ることができる。
【００２７】
一方、図４（ｂ）において、風力遮断機構２に関しては、５枚の風遮断板２２が回転保持部材２１に固定されており、風遮断板２２と回転保持部材２１が一体となったもの（以下、これを「動翼２０」ということがある）が動翼軸２４に固定されている（図３参照）。そして、動翼軸２４は、静翼軸１４と軸を共通にして自由に回転できるようになっている。
【００２８】
図５に示したように、動翼２０は回転することによって、動翼２０の先端に位置する風遮断板２２が周期的に受風板１２に当たる風を遮断する。なお、図５において、風は紙面の上部から紙面に向かって吹いている。風遮断板２２が周期的に風を遮断するによって、受風板１２が周期的に変位して、その変位が圧電素子部材１１を周期的に特定の振動数で屈曲させる。動翼２０の回転は外部エネルギーによって行ってもよいし、風力エネルギーによって行ってもよいが、風力エネルギーによって行うことが好ましい。すなわち、動翼２０は風力によって回転する風車状のものであることが好ましい。また、特定の「遮断・非遮断の振動数」を得るために、動翼の回転数を制御できる仕組みを有することが好ましい。
【００２９】
風力によって行うときは、風遮断板２２の板面は、回転保持部材２１の面と完全に同一平面上にはなく、一定の角度をもって回転保持部材２１に固定されていることが好ましい。すなわち、それにより、風遮断板２２自体がプロペラのようになっていて、風を受けて回転する力を生成するようになっていることが好ましい。また、円盤状等の平面状の回転保持部材２１に、プロペラ状に切れ込みがあり、回転保持部材２１が風を受けて回転する力を与えるようになっていることも好ましい。この場合は、風遮断板２２自体はプロペラ状であっても、風方向に対して垂直方向に角度（後述のα＝０°）を有していてもよい。１枚の風遮断板２２の平面と、回転平面すなわち回転保持部材の平面（動翼が風車状のときは風車の平面）とがなす角度をαとすると、αは０°〜４５°が好ましく、１０°〜３０°が特に好ましい。αを大きくすると動翼の回転数は低下するが、大きなトルクを生じて回転しやすくなり、弱風でも受風板１２に周期的に変動した風があたり圧電素子１１１を発電させることができる。αが０°の場合は、風力のみでは風遮断板２２によっては動翼に回転を与えられないので外部エネルギーによって回転を与える必要がある。
【００３０】
１枚の回転保持部材２１に取り付けられる風遮断板２２の数は特に限定はないが、好ましくは１〜２０枚、より好ましくは２〜１０枚、特に好ましくは３〜５枚である。少なすぎると発電効率が悪くなる場合があり、多すぎると１枚の風遮断板２２の面積と共に風遮断板２２がない部分の面積も小さくなって、風の遮断、非遮断の区別が曖昧になって、受風板１２を周期的に大きく変位させられなくなる場合がある。また、多すぎても少なすぎても、後述する静翼１０の固有振動数に一致した「風の遮断と非遮断」ができなくなる場合がある。また、風遮断板２２の数は、静翼１０の数（受風板１２の数）より１枚だけ少ないことが、圧電素子出力の整流平滑化が可能である点で好ましい。
【００３１】
図４において、受風板１２の大きさを表すＡｓとＢｓ、及び、風遮断板２２の大きさを表すＡｒとＢｒの関係は、効率よく圧電素子部材１１を屈曲させられれば特に限定はないが、受風板１２の面積は風遮断板２２の面積よりも狭小であることが、風力によって効率よく圧電素子部材１１を屈曲させられる点で好ましい。また、回転保持部材２１と風遮断板２２が形成する動翼２０の直径等の差渡し長さは大きいほど風遮断板２２の数を多くでき、従ってそれに対応して静翼１０の数も多くできるので大きな出力を得ることができる。また、出力が最大の効果を示すのは、図４（ａ）発電機構１の受風板１２も含んだ全体の直径Ｓｗ等の差渡し長さが、風遮断機構２の動翼２０の直径Ｄｗ等の差渡し長さのほぼ７０％付近にある場合である。
【００３２】
図４における回転保持部材２１は円盤状であるが、一般に本発明においては中心から放射線状に伸びた棒状のものであってもよく、その先端に風遮断板２２が固定されていてもよい。すなわち本発明において、風力遮断機構２は、一般に少なくとも以下の（Ａ）及び（Ｂ）を有するものであることが好ましい。
（Ａ）受風板１２にあたる風を遮断する風遮断板２２
（Ｂ）風遮断板２２の一端を保持し、受風板１２にあたる風を周期的に遮断するように、風遮断板２２を公転させる回転保持部材２１
【００３３】
動翼２０は、静翼１０と静翼保持部材１３に平行に位置していてもよいが、βだけの角度で斜めに位置していてもよい（図４（ａ）参照）。βとしては特に限定はないが、実質的に０°であることが好ましい。
【００３４】
βが０°のときの「静翼１０と静翼保持部材１３」と動翼２０との好適な距離や、βが０°でないときの好適な上記平均距離、すなわち、受風板１２と風遮断板２２との好適な（平均）距離Ｓは、受風板１２の大きさを表すＡｓやＢｓ、風遮断板２２の大きさを表すＡｒやＢｒ（図４参照）に依存し特に限定はないが、例えば、Ｂｒが２０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲の場合は、Ｓ／Ｂｒの値として０．２〜３の範囲で好適な発電電圧が得られる。
【００３５】
動翼２０が回転することによって風遮断板２２が公転し、風遮断板２２は受風板１２にあたる風を周期的に遮断するが、その遮断・非遮断の振動数が、「受風板１２が取り付けられた圧電素子部材１１」（すなわち静翼１０）の固有振動数に等しくなるように、動翼２０の回転数や風遮断板２２の枚数等を調整することが、効率的な屈曲を圧電素子部材１１に与えることができ、延いては、常に大きな電圧や電力を得ることができる点で好ましい。
【００３６】
すなわち、風速が強すぎて動翼２０の回転数が大きくなりすぎた場合は、静翼１０の固有振動数に一致するように、回転数調整手段によって動翼２０の回転数を下げ、一定値に調整することも好ましい。また、本発明の風力発電装置が設置される地方の平均的な風速で最も効率的に電力を得るために、静翼１０の大きさ（静翼１０の固有振動数）、動翼２０の回転数、風遮断板２２の枚数等を調整することも好ましい。
【００３７】
実施例１及び実施例２で後述するように、風速と得られる電圧の間にはよい相関が見られるので、風速を検知することができる。また、風速が変化すると動翼２０の回転数が変化し、その結果、風遮断板２２による受風板１２にあたる風の遮断・非遮断の振動数が、静翼１０の固有振動数からずれ、そのずれの大きさに応じて受風板１２の変位や圧電素子部材１１の屈曲の程度が小さくなり、発電量（電圧のピーク値、電圧時間積分等）が低下するので、その変化をモニターすることによって、そのときの風速を検知することもできる。
【００３８】
図６は、圧電素子部材１１ａ、１１ｂからの集電を行う集電回路９０の一例を示す説明図であり、かかる集電回路９０は本発明の風力発電装置に好適に用いられる。集電回路９０は、圧電素子部材１１ａ、１１ｂが発生した電気（交流）を整流する整流回路９１と、整流回路９１によって整流された電力の一部を貯蔵するとともに、貯蔵した電力を負荷９２へ供給する充放電回路９３とを有している。整流回路９１は、ダイオード９４で全波整流する構成を有する。また、充放電回路９３は、電力を貯蔵／放出するコンデンサや二次電池等の電力貯蔵体９５を備えている。
【００３９】
このような集電回路９０によれば、整流回路９１により整流された電力のうち、負荷９２へ必要な電力をリアルタイムに送ることができる。一方、負荷９２で必要とされない余剰電力を電力貯蔵体９５に貯蔵することができるために、例えば、受風板１２に変位が生じない無風時等には、この電力貯蔵体９５に貯蔵された電力を用いて負荷９２を動作させることができる。なお、発電電力が大きい場合には、例えば、電力会社へ給電することもできる。
【００４０】
本発明の風力発電装置は、電力が必要なあらゆる分野に用いられるが、前記特質を利用して風速測定用に用いることもできる。また、無線送信用の電力供給用に用いることも、無線通信で必要とされる電力供給が可能であればメンテナンスフリーを実現可能の点で好ましい。更には、無電源で風速を測定し、その結果を無線送信するための電力供給用に用いることも好ましい。また、強風警報装置、風速計測装置等にその特質を生かして用いられる。
【実施例】
【００４１】
以下に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限りこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４２】
実施例１
図３及び図４に示した風力発電装置と、受風板１２の数と風遮断板２２の数が異なる以外は類似の風力発電装置において、７枚の風遮断板２２が回転保持部材２１に取り付けられた動翼２０を用い、動翼２０の回転数を１５０回転／分（ｒｐｍ）に固定し、１個の圧電素子部材１１から得られる電圧Ｅ（Ｖ）を測定した。図７（ａ）に、この風力発電装置を用いて得られた、横軸が時間、縦軸が電圧Ｅ（Ｖ）の電圧曲線の１例を示す。また、図７（ｂ）に、この風力発電装置を用いて得られた、横軸が時間、縦軸が電力（Ｗ）の電力曲線の１例を示す。
【００４３】
なお、用いた風力発電装置の構造は以下の通りである。図４において、Ｄｗ＝２８０ｍｍ、Ｄｈ＝１８０ｍｍ、φ＝８０ｍｍ、Ａｓ＝Ａｒ＝５０ｍｍ、Ｂｓ＝Ｂｒ＝４０ｍｍ、受風板１２と風遮断板２２との距離（Ｓ）が４０ｍｍ、β＝０°。
【００４４】
図７（ａ）、（ｂ）では、７２０ｍｓの間に２回だけ風遮断板２２が受風板１２を遮断している。風遮断板２２が受風板１２を１回遮断するごとに、ピークを発生させ次いで徐々に収束する電圧波形が１個発生することが分かった。図７（ａ）及び（ｂ）から、本発明の風力発電装置によって、風力により良好に発電ができることが分かった。
【００４５】
図７（ｃ）に風速（ｍ／ｓ）を変化させたときの発生電力（Ｗ）を示す。風速（ｍ／ｓ）が大きくなると、発生電力（Ｗ）も大きくなることが分かった。このことから、本発明の風力発電装置は、電力の獲得以外に風速の測定にも応用できることが分かった。
【００４６】
図７（ｄ）に風速を変化させたときの、「１個の圧電素子部材１１から発生する発電電圧」を示す。風速（ｍ／ｓ）が大きくなると、出力電圧のピーク値も発生電力（Ｗ）も、それに対応してほぼ直線的に大きくなることが分かった。
【００４７】
実施例２
実施例１で用いたものと同様の風力発電装置を用い、風速を変化させ、「電圧曲線におけるプラス側及びマイナス側のピーク電圧（Ｖ）の平均値」、並びに、「１周期ごとの電圧プラス側だけの積分値及び１周期ごとの電圧マイナス側だけの積分値（以下、総称して「積分値」と略記する）からそれぞれ求めた平均電圧（Ｖ）」を求めた。
【００４８】
ここで「積分値」とは、１個の波形発生時から収束時までの半波を積分して算出した平均値と定義される。すなわち、図１１は、例えば図７のような電圧曲線の一部の拡大図であるが、以下の、Ｅａ−Ｅｂ、Ｔａ−Ｔｂで囲まれる台形の面積を算出する。
【数１】
【００４９】
上記台形の面積から、以下のように出力電圧を算出する。
【数２】
【００５０】
出力電圧、負荷抵抗を用いて、電力Ｗを算出する。
Ｗ＝（電圧）２／抵抗 （「抵抗」は電圧測定時の負荷抵抗）
で表されるので、Ｗは以下で表される。
【数３】
この値に、経過時間「Ｔｂ−Ｔａ」をかけたものが、電力量（Ｗ・ｓｅｃ）（Ｊ）である。
【００５１】
そして、プラス側だけ波形発生時から収束時までの総和をとった平均値を、電圧プラス側の積分値（Ｗ）と定義する。また、マイナス側だけの総和をとった平均値を、電圧マイナス側の積分値（Ｗ）と定義する。すなわち、「積分値」とは、半周期ごとの電圧出力の時間での積分値から求めた平均出力電圧をもとに得られるものであり、半波を積分して算出した平均値（Ｗ）である。実際には、出力をダイオードで全波整流し、コンデンサで平滑化された電圧を基に算出した。また、上記経過時間「Ｔｂ−Ｔａ」を０．００５秒（ｓｅｃ）に設定して算出した。
【００５２】
図８に結果を示す。それぞれの測定値プロットは以下の通りである。
○：プラス側ピーク電圧の平均値（Ｖ）
●：マイナス側ピーク電圧の平均値（Ｖ）
△：プラス側電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）
▲：マイナス側電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）
ここで、「平均値」とは、半波１０個の平均値である。
【００５３】
図８において、横軸である任意単位の風速４０は、実際の風速１０ｍ／ｓにほぼ該当している。また、圧電素子部材１１が風力に押されて風下側に屈曲したときにプラスの電圧が発生し、マイナスの電圧はその逆のときに発生する。
【００５４】
なお、実施例２では、データ取得の都合上、動翼２０の回転数は、外部電力によってモーターを回して常に１５０回転／分（ｒｐｍ）になるように調整したが、風力によっても動翼２０を回転させることができ、それも好ましい。風力によって動翼２０を回転させる場合は、静翼１０の固有振動数にほぼ一致するように、回転数調整手段によって動翼２０の回転数を調整することが、効率よく大きな出力を得るために好ましい。すなわち、風速が強すぎて動翼２０の回転数が大きくなりすぎた場合等には、ブレーキ等の回転数調整手段によってその回転数を下げ、所定の回転数に調整することが特に好ましい。
【００５５】
図８から、風速が強くなるに従って、ピーク電圧の平均値（Ｖ）も、電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）も大きくなることが分かった。また、プラス側もマイナス側も同様の傾向が見られた。更に、ある一定の風速（約１０任意単位）を差し引くと、風速と「ピーク電圧の平均値（Ｖ）」、及び、風速と「電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）」は、ほぼ比例関係にあることが分かった。このことから、本発明の風力発電装置は、電力の入手以外に風速の測定にも応用できることが分かった。
【００５６】
実施例３
実施例１、２で使用した風力発電装置（７枚の風遮断板２２が回転保持部材２１に取り付けられた動翼２０が使用されている）を用い、風速を３０任意単位に固定し、動翼２０の回転数を変化させて「ピーク電圧（Ｖ）」と「電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）」を測定した。それぞれの測定値プロットは上記と同じである。結果を図９（ａ）に示す。
【００５７】
また、実施例１、２で使用した風力発電装置において、「７枚の風遮断板２２が回転保持部材２１に取り付けられた動翼２０」に代えて、「４枚の風遮断板２２が回転保持部材２１に取り付けられた動翼２０」を用いた以外は、上記と同様にして、風速を３０任意単位に固定し、動翼２０の回転数を変化させて「ピーク電圧（Ｖ）」と「電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）」とを測定した。結果を図９（ｂ）に示す。
【００５８】
図９（ａ）から、７枚の風遮断板２２が使用されている場合は、動翼２０の回転数が１５０ｒｐｍのときに、全ての測定値（プラスとマイナスの、「ピーク電圧（Ｖ）」と「電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）」）で最大値が得られた。
[１５０（回転／分）／６０（秒／分）]×７（回／回転）＝１７．５（回／秒）（Ｈｚ）
より、静翼１０（受風板１２と圧電素子部材１１が一体となったもの）の固有振動数が、約１７（Ｈｚ）であり、それに合うように風遮断板２２が受風板１２に当たる風を遮断したとき、共振して全ての測定値で最大値等が得られたと考えられる。
【００５９】
一方、図９（ｂ）から、４枚の風遮断板２２が使用されている場合は、動翼２０の回転数が２５０ｒｐｍのときに、全ての測定値で最大値が得られた。
[２５０（回転／分）／６０（秒／分）]×４（回／回転）＝１６．７（回／秒）（Ｈｚ）
より、静翼１０の固有振動数約１７（Ｈｚ）に合うように、風遮断板２２が受風板１２に当たる風を遮断したとき、全ての測定値で最大値が得られたと考えられる。
【００６０】
上記測定結果のうち、プラスとマイナスのピーク電圧（Ｖ）の値を、横軸に「風遮断板２２が受風板１２に当たる風を遮断する周波数（回／秒）」（以下、「遮断周波数」ということがある）をとってプロットしたものが図１０である。図１０中、大きな○又は●は、７枚の風遮断板２２が使用されている動翼２０を用いた場合で、小さな○又は●は、４枚の風遮断板２２が使用されている動翼２０を用いた場合である。
【００６１】
風遮断板２２の数が７枚の場合、４枚の場合の何れの場合も、風遮断板２２が受風板１２に当たる風を遮断するときの遮断周波数が、約１７（回／秒）のときに最大値が得られた。このことは、静翼１０（受風板１２と圧電素子部材１１が一体となったもの）の固有振動数が約１７（Ｈｚ）であり、それに遮断周波数が一致したとき、ピーク電圧の最大値が得られたことを示している。
【００６２】
以上から、本発明の風力発電装置を用いれば、単に自然に吹く風の強さや風の脈動にのみ依存するのではなく、風を人為的に及び／又は周期的に遮断できるので、より効果的に風力発電ができることが分かった。また、本発明の風力発電装置を用いれば、風遮断板２２の数、動翼２０の回転数（ｒｐｍ）、静翼１０の大きさ（すなわち静翼１０の固有振動数）を調整し、静翼１０の固有振動数と遮断周波数を一致させることによって、特に効率的に風力発電ができることが分かった。
【００６３】
更に、風力によって動翼２０を回転させ、風遮断板２２が受風板１２を遮断する振動数を静翼１０の固有振動数にほぼ一致するように、公知の回転数調整手段によって動翼２０の回転数を設定すれば、更に効率よく大きな出力を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の風力発電装置は、風速測定用、無線送信の電力供給用等に用いられるほか、本発明の風力発電装置は発電機構１と風力遮断機構２を有しており、発電効率に特に優れているため、電力を必要とするあらゆる分野に広く一般に利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の風力発電装置の基本構成を示す概略図である。
【図２】本発明の風力発電装置に用いられる圧電素子部材１１の概略図である。
【図３】本発明の風力発電装置の特に好ましい構造の一例を示す全体側面図である。
【図４】本発明の風力発電装置の基本部分の構造を示す説明図である。 （ａ）側面図 （ｂ）斜視図
【図５】圧電素子部材１１が振動する仕組みを示す概念図である。
【図６】本発明の風力発電装置からの集電を行う集電回路の一例を示す回路図である。
【図７】１個の圧電素子から得られる発電電圧の一例を示すグラフである（実施例１）。 （ａ）横軸を時間としたときの電圧曲線 （ｂ）横軸を時間としたときの電力曲線 （ｃ）風速を変化させたときの発生電力の変化を示すグラフ （ｄ）風速を変化させたときのピーク電圧（Ｖ）の平均値と、電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）の変化を示すグラフ
【図８】風速に対して、ピーク電圧及び電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）をプロットしたグラフである（実施例２）。 ○：プラス側のピーク電圧の平均値（Ｖ） ●：マイナス側のピーク電圧の平均値（Ｖ） △：プラス側の電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ） ▲：マイナス側の電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）
【図９】動翼の回転数に対して、ピーク電圧及び積分値をプロットしたグラフである（実施例３）。 （ａ）風遮断板２２が７枚の場合 （ｂ）風遮断板２２が４枚の場合 ○：プラス側のピーク電圧の平均値（Ｖ） ●：マイナス側のピーク電圧の平均値（Ｖ） △：プラス側の電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ） ▲：マイナス側の電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）
【図１０】遮断周波数に対して、ピーク電圧をプロットしたグラフである（実施例３）。
【図１１】「積分値」の定義の説明に用いられる電圧曲線の拡大図である。
【符号の説明】
【００６６】
１・・・・・発電機構
１０・・・・静翼（圧電素子部材と受風板が一体となったもの）
１１・・・・圧電素子部材
１１ａ・・・圧電素子部材ａ
１１ｂ・・・圧電素子部材ｂ
１１１・・・圧電素子
１２・・・・受風板
１３・・・・静翼保持部材
１４・・・・静翼軸
１５・・・・静翼軸保持柱
２・・・・・風遮断機構
２０・・・・動翼（回転保持部材と風遮断板が一体となったもの）
２１・・・・回転保持部材
２２・・・・風遮断板
９０・・・・集電回路
９１・・・・整流回路
９２・・・・負荷
９３・・・・充放電回路
９４・・・・ダイオード
９５・・・・電力貯蔵体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を用い、風力を利用して発電する風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
クリーンな発電方法として風力発電が注目されるようになってきている。一般的な風力発電装置としては、プロペラを風力で回転させ、電磁誘導により発電するものが知られているが、これには、装置が大型であってコストが高いことや、設置場所が制限されること、また、所定の設置間隔を取らなければ発電効率が低下すること等の問題があった。
【０００３】
このような問題を解決するために、圧電素子を用いた発電装置が提案されている。例えば、特許文献１には、空気の渦流を発生させて振動板を振動させ、その振動を圧電素子に加えて発電する方法が記載されている。しかしながら、この構造では圧電素子に加わる振動の変位は限られたものになり、大きな電力は得られない場合があった。
【０００４】
また、特許文献２には、フレーム部材と、フレーム部材に支持された圧電振動板と、振動板の表面に取り付けられた受風部材とを備え、風を受けて振動板に屈曲運動を生じさせることにより発電する風力発電装置が記載されている。しかしながら、この構造では、振動板の振動がフレーム部材によって抑制され、発電量が十分に得られないという問題があった。一方、振動抑制を小さくするためにフレーム部材を大きくすると、設置面積が広くなってしまうという問題があった。
【０００５】
更に、特許文献１と特許文献２に共通する問題点として、これらの装置は、風が脈動しているか、または定常流であっても羽根の後方でカルマン渦を形成する場合しか振動しないので、駆動効率が低いという問題もあった。
【０００６】
風の脈動や羽根の後方での渦だけに依存しない装置として、特許文献３には、長尺状でその幅方向に所定角度で二つ折りされた形状を有し、その長手方向の一端が固定された状態で風力を受けた際に所定のねじれ振動を生ずるように、その幅が長手方向において変化している受風翼と、前記受風翼の振動によって発電する発電部とを具備する風力発電装置が記載されている。そして、発電部には、屈曲することによって発電する圧電素子が使用されている。しかしながら、この構造では、風自体を制御していないため、受風翼に取り付けられた圧電素子に効率的な振動を常に与えられない場合があった。
【０００７】
また、特許文献４には、断面形状が略Ｖ字状等の受風翼を支持する支持棒をその軸芯回りに回転自在に保持する軸保持部材と、この軸保持手段が取り付けられる振動板と、風力によって振動板に発生する振動を利用して発電する発電機構を具備する風力発電装置が記載されている。そして、振動板には圧電素子は貼り付けられており、圧電素子が屈曲することによって発電できる構造が記載されている。しかしながら、この構造でも、風自体を制御していないため、振動板に貼り付けられた圧電素子に効率的な振動を常に与えられない場合があった。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３０３７２６号公報
【特許文献２】特開２００１−２３１２７３号公報
【特許文献３】特開２００５−２７３６４４号公報
【特許文献１】特開２００６−２９１８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は、構造が比較的単純で、高い効率で発電が可能で、設置場所の制限も少なく集積化が容易な風力発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】
【００１０】
本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、圧電素子部材と風力を受けて変位して前記圧電素子部材を屈曲させる受風板とを有する発電機構に対し、更に、かかる受風板にあたる風を周期的に遮断する風力遮断機構を具備させることによって、風力エネルギーを高い効率で電気エネルギーに変換することが可能であることを見出して、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち本発明は、屈曲することによって発電する平板上の圧電素子部材と、
前記平板状の圧電素子部材の一端に取り付けられており、風力を受けて変位して前記圧電素子部材を屈曲させる受風板と、
前記平板状の圧電素子部材の、前記受風板が取り付けられていない側の一端を保持する固定保持部材と、
を有する発電機構、並びに、
前記受風板にあたる風を周期的に遮断することによって、前記受風板を周期的に変位させる風力遮断機構と、
を具備することを特徴とする風力発電装置を提供するものである。
【００１２】
また本発明は、前記風力遮断機構が、
前記受風板にあたる風を遮断する風遮断板と、
前記風遮断板の一端を保持し、前記受風板にあたる風を周期的に遮断するように、前記風遮断板を公転させる回転保持部材と、
を有するものである上記風力発電装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、受風板にあたる風を周期的に遮断することによって、時間と共に風力がどのように変化しても、受風板を効率的に振動させることができ、また、かかる受風板の振動をダイレクトに圧電素子部材に伝達させることにより、高い発電効率を実現することができ、構造が比較的単純であって設置場所の制限も少なく集積化が容易な風力発電装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明するが、本発明は以下の実施の形態のみに限定されるものではなく、技術的思想の範囲内で任意に変形して実施することができる。
【００１５】
図１は、本発明の風力発電装置の基本的な構成を示す概略図であり、発電機構１と風力遮断機構２が示されている。発電機構１は、少なくとも、
（ａ）屈曲することによって発電する平板上の圧電素子部材１１
（ｂ）前記平板状の圧電素子部材１１の一端に取り付けられており、風力を受けて変位して前記圧電素子部材１１を屈曲させる受風板１２
（ｃ）前記平板状の圧電素子部材１１の、前記受風板１２が取り付けられていない側の一端を保持する固定保持部材１３
によって構成されている。
【００１６】
このうち、平板上の圧電素子部材１１は、薄手の圧電素子を金属板等に貼り合わせたモノモルフ構造を有するものであっても、２枚の圧電素子を貼り合わせたバイモルフ構造を有するものであってもよいが、発電能力の点でバイモルフ構造が好ましい。また、１個の圧電素子部材１１を構成する圧電素子１１１は複数個であってもよい。
【００１７】
図２は、２枚の圧電素子１１１を用いた圧電素子部材１１を示すものである。１つの圧電素子部材１１は１枚の圧電素子１１１からなっていてもよいが、複数枚の圧電素子１１１からなっていてもよい。
【００１８】
図１において、受風板１２は、前記平板状の圧電素子部材１１の一端に取り付けられており、風力を受けて変位する。すなわち、受風板１２は、風を受けることによって風下側に変位し、風が遮断されると風上側に変位して元に戻るようになっている。この変位を前記圧電素子部材１１に伝え、圧電素子部材１１を屈曲させる。受風板１２は、風を受けたときの圧電素子部材１１の屈曲の量が大きくなるよう、圧電素子部材１１に取り付けられている。
【００１９】
受風板１２の形状については、風力によって効率的に圧電素子部材１１を屈曲させることができれば特に限定はなく、長方形板状や円形板状等何れでもよい。受風板１２の面積についても特に限定はないが、圧電素子部材１１と同等かそれ以上の面積を有していることが、弱い風によっても圧電素子部材１１をより屈曲させることができるため好ましい。また、受風板１２の面積は、風遮断板２２の面積と同等又はそれ以下であることが好ましい。受風板１２の材質も特に限定はなく、金属又は樹脂が好適に用いられる。
【００２０】
圧電素子部材１１と受風板１２は一体となって、ある特定の固有振動数を有する。風力遮断機構２の説明において後述するように、風力遮断機構２中の風遮断板２２によって受風板１２にあたる風が周期的に遮断されるが、その遮断の周期の逆数である振動数が、「受風板が取り付けられた前記圧電素子部材」全体としての固有振動数に等しくなるようにすることが、圧電素子部材１１の効率的な屈曲を実現し、延いては効率よく発電させるために好ましい。従って、圧電素子部材１１と受風板１２の質量や形態、すなわち材質、形状等は、それらが一体となったものが有する固有振動数も勘案して決められる。
【００２１】
前記平板状の圧電素子部材１１の、前記受風板１２が取り付けられていない側は、固定保持部材１３によって固定されている。固定保持部材１３の形態は特に限定はなく、図１に示すような直方体であってもよいし、図３や図４に示すように、円盤状であっても、棒状であってもよい。また、材質も圧電素子部材１１を保持することができる所定の硬さを有していれば特に限定されず、例えば、金属材料、樹脂材料、セラミックス材料、これらの材料を含有する複合材料等を用いることができる。固定保持部材１３は、圧電素子部材１１が動かないように固定するものであり、圧電素子部材１１の屈曲の力を逃がさないように弾性は高いことが好ましく、風力によって実質的に変位を受けずに静止していることが好ましい。
【００２２】
受風板１２が取り付けられた圧電素子部材１１は、１個だけが固定保持部材１３に固定されていてもよいが、装置の大きさと発電量の兼合いを考慮すると、２個以上が固定されていることが好ましい。図１に示すように、圧電素子部材１１は、固定保持部材１３の表面に略垂直に固定されていてもよいし、図４に示すように、円盤状の固定保持部材１３の円周上に固定されていてもよいし、放射線状に伸びた棒状の固定保持部材１３の先端に固定されていてもよい。
【００２３】
図１における風力遮断機構２は、受風板１２にあたる風を周期的に遮断することによって、受風板１２を周期的に変位させ、その変位によって圧電素子部材１１を周期的に振動させるようになっている。
【００２４】
風力遮断機構２の構造は特に限定はなく、開閉するシャッターによって風を周期的に遮断してもよいし、風遮断板２２を移動させることによって風を周期的に遮断してもよいし、図３や図４に示すような構造によって、風遮断板２２を、ある点を中心に板面上平行に公転させることによって風を周期的に遮断してもよい。また、開閉、移動、公転等の風力遮断機構２の駆動は、外部電力等によって行ってもよいし、風力によって行ってもよい。風力遮断機構２の駆動に外部電力等を消費しても、風のエネルギーが加わることによって、外部電力等の消費エネルギーよりも大きい電気エネルギーが得られるが、より好ましくは、風力遮断機構２の駆動自体にも風力エネルギーを用いることである。
【００２５】
以下、本発明の風力発電装置の好ましい形態を図３及び図４を用いて更に説明する。図４（ｂ）は発電機構１と風力遮断機構２の最も好ましい形態の一例を示す斜視図である。発電機構１に関しては、３枚の「受風板１２が取り付けられた圧電素子部材１１」（以下、受風板１２と圧電素子部材１１が一体となったものを、「静翼１０」ということがある）が、１枚の円盤状の固定保持部材１３に、平面を共通にして固定されている。１枚の固定保持部材１３に取り付けられる静翼１０の数は、好ましくは１〜２０枚、より好ましくは２〜１０枚、特に好ましくは３〜５枚である。少なすぎると発電効率が悪くなる場合があり、多すぎると１枚の受風板１２の面積が小さくなって、圧電素子部材１１を十分に屈曲させられない場合がある。また、静翼１０の数は、風遮断板２２の数より１枚だけ多いことが、圧電素子出力の整流平滑化が可能である点で好ましい。
【００２６】
図３及び図４に示すように、静翼１０は静翼保持部材１３に固定され、静翼保持部材１３は静翼軸１４に垂直に固定されている。そして、静翼１０（受風板１２と圧電素子部材１１）と静翼保持部材１３は、静翼軸１４を保持する静翼軸保持柱１５によって、風を受け易いように略垂直に立てられている。静翼１０と静翼保持部材１３が形成する平板の直径等の差渡し長さは大きいほど１つの静翼保持部材１３に固定される受風板１２の数を多くでき、従って圧電素子部材１１の数も多くできるので大きな出力を得ることができる。
【００２７】
一方、図４（ｂ）において、風力遮断機構２に関しては、５枚の風遮断板２２が回転保持部材２１に固定されており、風遮断板２２と回転保持部材２１が一体となったもの（以下、これを「動翼２０」ということがある）が動翼軸２４に固定されている（図３参照）。そして、動翼軸２４は、静翼軸１４と軸を共通にして自由に回転できるようになっている。
【００２８】
図５に示したように、動翼２０は回転することによって、動翼２０の先端に位置する風遮断板２２が周期的に受風板１２に当たる風を遮断する。なお、図５において、風は紙面の上部から紙面に向かって吹いている。風遮断板２２が周期的に風を遮断するによって、受風板１２が周期的に変位して、その変位が圧電素子部材１１を周期的に特定の振動数で屈曲させる。動翼２０の回転は外部エネルギーによって行ってもよいし、風力エネルギーによって行ってもよいが、風力エネルギーによって行うことが好ましい。すなわち、動翼２０は風力によって回転する風車状のものであることが好ましい。また、特定の「遮断・非遮断の振動数」を得るために、動翼の回転数を制御できる仕組みを有することが好ましい。
【００２９】
風力によって行うときは、風遮断板２２の板面は、回転保持部材２１の面と完全に同一平面上にはなく、一定の角度をもって回転保持部材２１に固定されていることが好ましい。すなわち、それにより、風遮断板２２自体がプロペラのようになっていて、風を受けて回転する力を生成するようになっていることが好ましい。また、円盤状等の平面状の回転保持部材２１に、プロペラ状に切れ込みがあり、回転保持部材２１が風を受けて回転する力を与えるようになっていることも好ましい。この場合は、風遮断板２２自体はプロペラ状であっても、風方向に対して垂直方向に角度（後述のα＝０°）を有していてもよい。１枚の風遮断板２２の平面と、回転平面すなわち回転保持部材の平面（動翼が風車状のときは風車の平面）とがなす角度をαとすると、αは０°〜４５°が好ましく、１０°〜３０°が特に好ましい。αを大きくすると動翼の回転数は低下するが、大きなトルクを生じて回転しやすくなり、弱風でも受風板１２に周期的に変動した風があたり圧電素子１１１を発電させることができる。αが０°の場合は、風力のみでは風遮断板２２によっては動翼に回転を与えられないので外部エネルギーによって回転を与える必要がある。
【００３０】
１枚の回転保持部材２１に取り付けられる風遮断板２２の数は特に限定はないが、好ましくは１〜２０枚、より好ましくは２〜１０枚、特に好ましくは３〜５枚である。少なすぎると発電効率が悪くなる場合があり、多すぎると１枚の風遮断板２２の面積と共に風遮断板２２がない部分の面積も小さくなって、風の遮断、非遮断の区別が曖昧になって、受風板１２を周期的に大きく変位させられなくなる場合がある。また、多すぎても少なすぎても、後述する静翼１０の固有振動数に一致した「風の遮断と非遮断」ができなくなる場合がある。また、風遮断板２２の数は、静翼１０の数（受風板１２の数）より１枚だけ少ないことが、圧電素子出力の整流平滑化が可能である点で好ましい。
【００３１】
図４において、受風板１２の大きさを表すＡｓとＢｓ、及び、風遮断板２２の大きさを表すＡｒとＢｒの関係は、効率よく圧電素子部材１１を屈曲させられれば特に限定はないが、受風板１２の面積は風遮断板２２の面積よりも狭小であることが、風力によって効率よく圧電素子部材１１を屈曲させられる点で好ましい。また、回転保持部材２１と風遮断板２２が形成する動翼２０の直径等の差渡し長さは大きいほど風遮断板２２の数を多くでき、従ってそれに対応して静翼１０の数も多くできるので大きな出力を得ることができる。また、出力が最大の効果を示すのは、図４（ａ）発電機構１の受風板１２も含んだ全体の直径Ｓｗ等の差渡し長さが、風遮断機構２の動翼２０の直径Ｄｗ等の差渡し長さのほぼ７０％付近にある場合である。
【００３２】
図４における回転保持部材２１は円盤状であるが、一般に本発明においては中心から放射線状に伸びた棒状のものであってもよく、その先端に風遮断板２２が固定されていてもよい。すなわち本発明において、風力遮断機構２は、一般に少なくとも以下の（Ａ）及び（Ｂ）を有するものであることが好ましい。
（Ａ）受風板１２にあたる風を遮断する風遮断板２２
（Ｂ）風遮断板２２の一端を保持し、受風板１２にあたる風を周期的に遮断するように、風遮断板２２を公転させる回転保持部材２１
【００３３】
動翼２０は、静翼１０と静翼保持部材１３に平行に位置していてもよいが、βだけの角度で斜めに位置していてもよい（図４（ａ）参照）。βとしては特に限定はないが、実質的に０°であることが好ましい。
【００３４】
βが０°のときの「静翼１０と静翼保持部材１３」と動翼２０との好適な距離や、βが０°でないときの好適な上記平均距離、すなわち、受風板１２と風遮断板２２との好適な（平均）距離Ｓは、受風板１２の大きさを表すＡｓやＢｓ、風遮断板２２の大きさを表すＡｒやＢｒ（図４参照）に依存し特に限定はないが、例えば、Ｂｒが２０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲の場合は、Ｓ／Ｂｒの値として０．２〜３の範囲で好適な発電電圧が得られる。
【００３５】
動翼２０が回転することによって風遮断板２２が公転し、風遮断板２２は受風板１２にあたる風を周期的に遮断するが、その遮断・非遮断の振動数が、「受風板１２が取り付けられた圧電素子部材１１」（すなわち静翼１０）の固有振動数に等しくなるように、動翼２０の回転数や風遮断板２２の枚数等を調整することが、効率的な屈曲を圧電素子部材１１に与えることができ、延いては、常に大きな電圧や電力を得ることができる点で好ましい。
【００３６】
すなわち、風速が強すぎて動翼２０の回転数が大きくなりすぎた場合は、静翼１０の固有振動数に一致するように、回転数調整手段によって動翼２０の回転数を下げ、一定値に調整することも好ましい。また、本発明の風力発電装置が設置される地方の平均的な風速で最も効率的に電力を得るために、静翼１０の大きさ（静翼１０の固有振動数）、動翼２０の回転数、風遮断板２２の枚数等を調整することも好ましい。
【００３７】
実施例１及び実施例２で後述するように、風速と得られる電圧の間にはよい相関が見られるので、風速を検知することができる。また、風速が変化すると動翼２０の回転数が変化し、その結果、風遮断板２２による受風板１２にあたる風の遮断・非遮断の振動数が、静翼１０の固有振動数からずれ、そのずれの大きさに応じて受風板１２の変位や圧電素子部材１１の屈曲の程度が小さくなり、発電量（電圧のピーク値、電圧時間積分等）が低下するので、その変化をモニターすることによって、そのときの風速を検知することもできる。
【００３８】
図６は、圧電素子部材１１ａ、１１ｂからの集電を行う集電回路９０の一例を示す説明図であり、かかる集電回路９０は本発明の風力発電装置に好適に用いられる。集電回路９０は、圧電素子部材１１ａ、１１ｂが発生した電気（交流）を整流する整流回路９１と、整流回路９１によって整流された電力の一部を貯蔵するとともに、貯蔵した電力を負荷９２へ供給する充放電回路９３とを有している。整流回路９１は、ダイオード９４で全波整流する構成を有する。また、充放電回路９３は、電力を貯蔵／放出するコンデンサや二次電池等の電力貯蔵体９５を備えている。
【００３９】
このような集電回路９０によれば、整流回路９１により整流された電力のうち、負荷９２へ必要な電力をリアルタイムに送ることができる。一方、負荷９２で必要とされない余剰電力を電力貯蔵体９５に貯蔵することができるために、例えば、受風板１２に変位が生じない無風時等には、この電力貯蔵体９５に貯蔵された電力を用いて負荷９２を動作させることができる。なお、発電電力が大きい場合には、例えば、電力会社へ給電することもできる。
【００４０】
本発明の風力発電装置は、電力が必要なあらゆる分野に用いられるが、前記特質を利用して風速測定用に用いることもできる。また、無線送信用の電力供給用に用いることも、無線通信で必要とされる電力供給が可能であればメンテナンスフリーを実現可能の点で好ましい。更には、無電源で風速を測定し、その結果を無線送信するための電力供給用に用いることも好ましい。また、強風警報装置、風速計測装置等にその特質を生かして用いられる。
【実施例】
【００４１】
以下に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限りこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４２】
実施例１
図３及び図４に示した風力発電装置と、受風板１２の数と風遮断板２２の数が異なる以外は類似の風力発電装置において、７枚の風遮断板２２が回転保持部材２１に取り付けられた動翼２０を用い、動翼２０の回転数を１５０回転／分（ｒｐｍ）に固定し、１個の圧電素子部材１１から得られる電圧Ｅ（Ｖ）を測定した。図７（ａ）に、この風力発電装置を用いて得られた、横軸が時間、縦軸が電圧Ｅ（Ｖ）の電圧曲線の１例を示す。また、図７（ｂ）に、この風力発電装置を用いて得られた、横軸が時間、縦軸が電力（Ｗ）の電力曲線の１例を示す。
【００４３】
なお、用いた風力発電装置の構造は以下の通りである。図４において、Ｄｗ＝２８０ｍｍ、Ｄｈ＝１８０ｍｍ、φ＝８０ｍｍ、Ａｓ＝Ａｒ＝５０ｍｍ、Ｂｓ＝Ｂｒ＝４０ｍｍ、受風板１２と風遮断板２２との距離（Ｓ）が４０ｍｍ、β＝０°。
【００４４】
図７（ａ）、（ｂ）では、７２０ｍｓの間に２回だけ風遮断板２２が受風板１２を遮断している。風遮断板２２が受風板１２を１回遮断するごとに、ピークを発生させ次いで徐々に収束する電圧波形が１個発生することが分かった。図７（ａ）及び（ｂ）から、本発明の風力発電装置によって、風力により良好に発電ができることが分かった。
【００４５】
図７（ｃ）に風速（ｍ／ｓ）を変化させたときの発生電力（Ｗ）を示す。風速（ｍ／ｓ）が大きくなると、発生電力（Ｗ）も大きくなることが分かった。このことから、本発明の風力発電装置は、電力の獲得以外に風速の測定にも応用できることが分かった。
【００４６】
図７（ｄ）に風速を変化させたときの、「１個の圧電素子部材１１から発生する発電電圧」を示す。風速（ｍ／ｓ）が大きくなると、出力電圧のピーク値も発生電力（Ｗ）も、それに対応してほぼ直線的に大きくなることが分かった。
【００４７】
実施例２
実施例１で用いたものと同様の風力発電装置を用い、風速を変化させ、「電圧曲線におけるプラス側及びマイナス側のピーク電圧（Ｖ）の平均値」、並びに、「１周期ごとの電圧プラス側だけの積分値及び１周期ごとの電圧マイナス側だけの積分値（以下、総称して「積分値」と略記する）からそれぞれ求めた平均電圧（Ｖ）」を求めた。
【００４８】
ここで「積分値」とは、１個の波形発生時から収束時までの半波を積分して算出した平均値と定義される。すなわち、図１１は、例えば図７のような電圧曲線の一部の拡大図であるが、以下の、Ｅａ−Ｅｂ、Ｔａ−Ｔｂで囲まれる台形の面積を算出する。
【数１】
【００４９】
上記台形の面積から、以下のように出力電圧を算出する。
【数２】
【００５０】
出力電圧、負荷抵抗を用いて、電力Ｗを算出する。
Ｗ＝（電圧）２／抵抗 （「抵抗」は電圧測定時の負荷抵抗）
で表されるので、Ｗは以下で表される。
【数３】
この値に、経過時間「Ｔｂ−Ｔａ」をかけたものが、電力量（Ｗ・ｓｅｃ）（Ｊ）である。
【００５１】
そして、プラス側だけ波形発生時から収束時までの総和をとった平均値を、電圧プラス側の積分値（Ｗ）と定義する。また、マイナス側だけの総和をとった平均値を、電圧マイナス側の積分値（Ｗ）と定義する。すなわち、「積分値」とは、半周期ごとの電圧出力の時間での積分値から求めた平均出力電圧をもとに得られるものであり、半波を積分して算出した平均値（Ｗ）である。実際には、出力をダイオードで全波整流し、コンデンサで平滑化された電圧を基に算出した。また、上記経過時間「Ｔｂ−Ｔａ」を０．００５秒（ｓｅｃ）に設定して算出した。
【００５２】
図８に結果を示す。それぞれの測定値プロットは以下の通りである。
○：プラス側ピーク電圧の平均値（Ｖ）
●：マイナス側ピーク電圧の平均値（Ｖ）
△：プラス側電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）
▲：マイナス側電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）
ここで、「平均値」とは、半波１０個の平均値である。
【００５３】
図８において、横軸である任意単位の風速４０は、実際の風速１０ｍ／ｓにほぼ該当している。また、圧電素子部材１１が風力に押されて風下側に屈曲したときにプラスの電圧が発生し、マイナスの電圧はその逆のときに発生する。
【００５４】
なお、実施例２では、データ取得の都合上、動翼２０の回転数は、外部電力によってモーターを回して常に１５０回転／分（ｒｐｍ）になるように調整したが、風力によっても動翼２０を回転させることができ、それも好ましい。風力によって動翼２０を回転させる場合は、静翼１０の固有振動数にほぼ一致するように、回転数調整手段によって動翼２０の回転数を調整することが、効率よく大きな出力を得るために好ましい。すなわち、風速が強すぎて動翼２０の回転数が大きくなりすぎた場合等には、ブレーキ等の回転数調整手段によってその回転数を下げ、所定の回転数に調整することが特に好ましい。
【００５５】
図８から、風速が強くなるに従って、ピーク電圧の平均値（Ｖ）も、電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）も大きくなることが分かった。また、プラス側もマイナス側も同様の傾向が見られた。更に、ある一定の風速（約１０任意単位）を差し引くと、風速と「ピーク電圧の平均値（Ｖ）」、及び、風速と「電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）」は、ほぼ比例関係にあることが分かった。このことから、本発明の風力発電装置は、電力の入手以外に風速の測定にも応用できることが分かった。
【００５６】
実施例３
実施例１、２で使用した風力発電装置（７枚の風遮断板２２が回転保持部材２１に取り付けられた動翼２０が使用されている）を用い、風速を３０任意単位に固定し、動翼２０の回転数を変化させて「ピーク電圧（Ｖ）」と「電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）」を測定した。それぞれの測定値プロットは上記と同じである。結果を図９（ａ）に示す。
【００５７】
また、実施例１、２で使用した風力発電装置において、「７枚の風遮断板２２が回転保持部材２１に取り付けられた動翼２０」に代えて、「４枚の風遮断板２２が回転保持部材２１に取り付けられた動翼２０」を用いた以外は、上記と同様にして、風速を３０任意単位に固定し、動翼２０の回転数を変化させて「ピーク電圧（Ｖ）」と「電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）」とを測定した。結果を図９（ｂ）に示す。
【００５８】
図９（ａ）から、７枚の風遮断板２２が使用されている場合は、動翼２０の回転数が１５０ｒｐｍのときに、全ての測定値（プラスとマイナスの、「ピーク電圧（Ｖ）」と「電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）」）で最大値が得られた。
[１５０（回転／分）／６０（秒／分）]×７（回／回転）＝１７．５（回／秒）（Ｈｚ）
より、静翼１０（受風板１２と圧電素子部材１１が一体となったもの）の固有振動数が、約１７（Ｈｚ）であり、それに合うように風遮断板２２が受風板１２に当たる風を遮断したとき、共振して全ての測定値で最大値等が得られたと考えられる。
【００５９】
一方、図９（ｂ）から、４枚の風遮断板２２が使用されている場合は、動翼２０の回転数が２５０ｒｐｍのときに、全ての測定値で最大値が得られた。
[２５０（回転／分）／６０（秒／分）]×４（回／回転）＝１６．７（回／秒）（Ｈｚ）
より、静翼１０の固有振動数約１７（Ｈｚ）に合うように、風遮断板２２が受風板１２に当たる風を遮断したとき、全ての測定値で最大値が得られたと考えられる。
【００６０】
上記測定結果のうち、プラスとマイナスのピーク電圧（Ｖ）の値を、横軸に「風遮断板２２が受風板１２に当たる風を遮断する周波数（回／秒）」（以下、「遮断周波数」ということがある）をとってプロットしたものが図１０である。図１０中、大きな○又は●は、７枚の風遮断板２２が使用されている動翼２０を用いた場合で、小さな○又は●は、４枚の風遮断板２２が使用されている動翼２０を用いた場合である。
【００６１】
風遮断板２２の数が７枚の場合、４枚の場合の何れの場合も、風遮断板２２が受風板１２に当たる風を遮断するときの遮断周波数が、約１７（回／秒）のときに最大値が得られた。このことは、静翼１０（受風板１２と圧電素子部材１１が一体となったもの）の固有振動数が約１７（Ｈｚ）であり、それに遮断周波数が一致したとき、ピーク電圧の最大値が得られたことを示している。
【００６２】
以上から、本発明の風力発電装置を用いれば、単に自然に吹く風の強さや風の脈動にのみ依存するのではなく、風を人為的に及び／又は周期的に遮断できるので、より効果的に風力発電ができることが分かった。また、本発明の風力発電装置を用いれば、風遮断板２２の数、動翼２０の回転数（ｒｐｍ）、静翼１０の大きさ（すなわち静翼１０の固有振動数）を調整し、静翼１０の固有振動数と遮断周波数を一致させることによって、特に効率的に風力発電ができることが分かった。
【００６３】
更に、風力によって動翼２０を回転させ、風遮断板２２が受風板１２を遮断する振動数を静翼１０の固有振動数にほぼ一致するように、公知の回転数調整手段によって動翼２０の回転数を設定すれば、更に効率よく大きな出力を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の風力発電装置は、風速測定用、無線送信の電力供給用等に用いられるほか、本発明の風力発電装置は発電機構１と風力遮断機構２を有しており、発電効率に特に優れているため、電力を必要とするあらゆる分野に広く一般に利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の風力発電装置の基本構成を示す概略図である。
【図２】本発明の風力発電装置に用いられる圧電素子部材１１の概略図である。
【図３】本発明の風力発電装置の特に好ましい構造の一例を示す全体側面図である。
【図４】本発明の風力発電装置の基本部分の構造を示す説明図である。 （ａ）側面図 （ｂ）斜視図
【図５】圧電素子部材１１が振動する仕組みを示す概念図である。
【図６】本発明の風力発電装置からの集電を行う集電回路の一例を示す回路図である。
【図７】１個の圧電素子から得られる発電電圧の一例を示すグラフである（実施例１）。 （ａ）横軸を時間としたときの電圧曲線 （ｂ）横軸を時間としたときの電力曲線 （ｃ）風速を変化させたときの発生電力の変化を示すグラフ （ｄ）風速を変化させたときのピーク電圧（Ｖ）の平均値と、電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）の変化を示すグラフ
【図８】風速に対して、ピーク電圧及び電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）をプロットしたグラフである（実施例２）。 ○：プラス側のピーク電圧の平均値（Ｖ） ●：マイナス側のピーク電圧の平均値（Ｖ） △：プラス側の電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ） ▲：マイナス側の電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）
【図９】動翼の回転数に対して、ピーク電圧及び積分値をプロットしたグラフである（実施例３）。 （ａ）風遮断板２２が７枚の場合 （ｂ）風遮断板２２が４枚の場合 ○：プラス側のピーク電圧の平均値（Ｖ） ●：マイナス側のピーク電圧の平均値（Ｖ） △：プラス側の電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ） ▲：マイナス側の電力出力の積分値から求めた平均電圧（Ｖ）
【図１０】遮断周波数に対して、ピーク電圧をプロットしたグラフである（実施例３）。
【図１１】「積分値」の定義の説明に用いられる電圧曲線の拡大図である。
【符号の説明】
【００６６】
１・・・・・発電機構
１０・・・・静翼（圧電素子部材と受風板が一体となったもの）
１１・・・・圧電素子部材
１１ａ・・・圧電素子部材ａ
１１ｂ・・・圧電素子部材ｂ
１１１・・・圧電素子
１２・・・・受風板
１３・・・・静翼保持部材
１４・・・・静翼軸
１５・・・・静翼軸保持柱
２・・・・・風遮断機構
２０・・・・動翼（回転保持部材と風遮断板が一体となったもの）
２１・・・・回転保持部材
２２・・・・風遮断板
９０・・・・集電回路
９１・・・・整流回路
９２・・・・負荷
９３・・・・充放電回路
９４・・・・ダイオード
９５・・・・電力貯蔵体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈曲することによって発電する平板上の圧電素子部材と、
前記平板状の圧電素子部材の一端に取り付けられており、風力を受けて変位して前記圧電素子部材を屈曲させる受風板と、
前記平板状の圧電素子部材の、前記受風板が取り付けられていない側の一端を保持する固定保持部材と、
を有する発電機構、並びに、
前記受風板にあたる風を周期的に遮断することによって、前記受風板を周期的に変位させる風力遮断機構と、
を具備することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記風力遮断機構が、
前記受風板にあたる風を遮断する風遮断板と、
前記風遮断板の一端を保持し、前記受風板にあたる風を周期的に遮断するように、前記風遮断板を公転させる回転保持部材と、
を有するものである請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記風遮断板とそれを保持する前記回転保持部材が一体となって、風力によって回転する風車状のものである請求項１又は請求項２記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記風遮断板が前記受風板にあたる風を周期的に遮断する振動数が、前記受風板が取り付けられた前記圧電素子部材の固有振動数に等しくなるように、前記風遮断板を公転させる請求項１ないし請求項３の何れかの請求項記載の風力発電装置。
【請求項５】
風速測定用である請求項１ないし請求項４の何れかの請求項記載の風力発電装置。
【請求項６】
無線送信用の電力供給用である請求項１ないし請求項５の何れかの請求項記載の風力発電装置。
【請求項１】
屈曲することによって発電する平板上の圧電素子部材と、
前記平板状の圧電素子部材の一端に取り付けられており、風力を受けて変位して前記圧電素子部材を屈曲させる受風板と、
前記平板状の圧電素子部材の、前記受風板が取り付けられていない側の一端を保持する固定保持部材と、
を有する発電機構、並びに、
前記受風板にあたる風を周期的に遮断することによって、前記受風板を周期的に変位させる風力遮断機構と、
を具備することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記風力遮断機構が、
前記受風板にあたる風を遮断する風遮断板と、
前記風遮断板の一端を保持し、前記受風板にあたる風を周期的に遮断するように、前記風遮断板を公転させる回転保持部材と、
を有するものである請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記風遮断板とそれを保持する前記回転保持部材が一体となって、風力によって回転する風車状のものである請求項１又は請求項２記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記風遮断板が前記受風板にあたる風を周期的に遮断する振動数が、前記受風板が取り付けられた前記圧電素子部材の固有振動数に等しくなるように、前記風遮断板を公転させる請求項１ないし請求項３の何れかの請求項記載の風力発電装置。
【請求項５】
風速測定用である請求項１ないし請求項４の何れかの請求項記載の風力発電装置。
【請求項６】
無線送信用の電力供給用である請求項１ないし請求項５の何れかの請求項記載の風力発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１８０１１８（Ｐ２００８−１８０１１８Ａ）
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３１０７（Ｐ２００７−１３１０７）
【出願日】平成１９年１月２３日（２００７．１．２３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度独立行政法人科学技術振興機構、革新技術開発研究事業、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月２３日（２００７．１．２３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度独立行政法人科学技術振興機構、革新技術開発研究事業、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]