風力発電デバイス、及び風力発電装置
【課題】発電効率の高い風力発電デバイス、及び風力発電装置を提供する。
【解決手段】風力発電デバイス１２０は、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電デバイスであって、風によって高次モードで振動する柔軟性素材から構成される柔軟性シート１２１と、柔軟性シート１２１を挟持する一対の圧電フィルム１２２と、を備え、圧電フィルム１２２それぞれが風力発電デバイス１２０の中立軸から離間しており、風力発電デバイス１２０が風により撓んだ際に、圧電フィルム１２２それぞれが中立軸から離間して撓み発電する。
【解決手段】風力発電デバイス１２０は、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電デバイスであって、風によって高次モードで振動する柔軟性素材から構成される柔軟性シート１２１と、柔軟性シート１２１を挟持する一対の圧電フィルム１２２と、を備え、圧電フィルム１２２それぞれが風力発電デバイス１２０の中立軸から離間しており、風力発電デバイス１２０が風により撓んだ際に、圧電フィルム１２２それぞれが中立軸から離間して撓み発電する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電デバイス、及び風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然エネルギーの有効活用が望まれている。特許文献１には、風力によって振動する振動板と、その振動板に取り付けられ振動によって発電する圧電素子と、を備える風力発電機が開示されている。
【０００３】
また、非特許文献１には、木の葉を模した三角形のプレートを振動板の先端にヒンジを介して連結することで振動板の振動を促進する発電デバイスが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３０３７２６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Li S., Lipson H., (2009) "Vertical-Stalk Flapping-Leaf Generator For Parallel Wind Energy Harvesting", Proceedings of the ASME/AIAA 2009 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems, SMASIS2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１や非特許文献１に示すデバイスは、硬い素材の振動板を使用している。そのため、振動板が微小にしか変形せず、効率のよい発電ができない。
【０００７】
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、発電効率の高い風力発電デバイス、及び風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の観点に係る風力発電デバイスは、
風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電デバイスであって、
風によって高次モードで振動する柔軟性素材から構成される柔軟性シートと、
前記柔軟性シートを挟持する一対の圧電フィルムと、を備え、
前記圧電フィルムそれぞれが前記風力発電デバイスの中立軸から離間しており、前記風力発電デバイスが風により撓んだ際に、前記圧電フィルムそれぞれが前記中立軸から離間して撓み発電する、
ことを特徴とする。
【０００９】
前記柔軟性シートは伸縮性素材から構成されてもよい。
【００１０】
前記柔軟性シートの長手方向の長さは前記圧電フィルムの長手方向の長さより長く、
前記柔軟性シートは、一端に前記圧電フィルムによって挟持されていない突出領域を有し、
前記突出領域は、風によりはためいて前記風力発電デバイスの振動を促進してもよい。
【００１１】
前記圧電フィルムの表面に積層される積層圧電フィルム、を備え、
前記積層圧電フィルムは、
前記圧電フィルムよりも長手方向の長さが短く、前記積層圧電フィルムの長手方向の中心は前記圧電フィルムの長手方向の中心から一方に偏った位置にあり、前記風力発電デバイスが風により撓んだ際に撓んで発電してもよい。
【００１２】
前記圧電フィルムは、前記柔軟性シートに対向する内面に設置される内側電極と、その反対側の外面に設置される外側電極と、を備え、
前記積層圧電フィルムは、前記圧電フィルムに対向する内面の反対側の外面に設置される外側電極、を備え、
前記圧電フィルムの外側電極とその圧電フィルムに積層される前記積層圧電フィルムの外側電極とは導線で接続されていてもよい。
【００１３】
前記風力発電デバイスの一端に柔軟性素材で構成される薄膜状の連結シートを介して接続される板状の板状付加物、を備えていてもよい。
【００１４】
前記風力発電デバイスの一端に紐を介して接続される立体付加物、を備えていてもよい。
【００１５】
前記風力発電デバイスの表面には、複数の柔毛が設置されていてもよい。
【００１６】
本発明の第２の観点にかかる風力発電装置は、
本発明の第１の観点にかかる風力発電デバイスを複数備え、
複数の前記風力発電デバイスは平面を平行に一列に配置されており、風上にある前記風力発電デバイスによって気流が乱されることによって風下にある前記風力発電デバイスの振動が促進される、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
発電効率の高い風力発電デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る風力発電装置の斜視図である。
【図２】風力発電デバイスを説明するための図であり、（Ａ）は発電デバイスの分解斜視図、（Ｂ）は発電デバイスの縦断面図である。
【図３】風力発電デバイスの固定端部分を拡大した分解断面図である。
【図４】風力発電デバイスが風によって高次モード（２次モード以上）で振動することを説明するための図である。
【図５】発電デバイスが風で変形したときの部分断面部であり、（Ａ）は圧電フィルムが分極した様子を示す図、（Ｂ）は積層圧電フィルムが分極した様子を示す図である。
【図６】蓄電装置の内部構成を説明するための図である。
【図７】風力発電デバイスが風によって振動する様子を示す図である。
【図８】板状付加物を付加した風力発電デバイスを示す図であり、（Ａ）は風力発電デバイスの斜視図、（Ｂ）は風力発電デバイスの断面図である。
【図９】立体付加物を付加した風力発電デバイスを示す図である。
【図１０】表面に柔毛を設置した風力発電デバイスを示す図であり、（Ａ）は風力発電デバイスの斜視図、（Ｂ）は風力発電デバイスの断面図である。
【図１１】風力発電デバイスの構成の一例を示す図であり、（Ａ）は圧電フィルムの両面に積層圧電フィルムを設置した風力発電デバイスの分解断面図、（Ｂ）は積層圧電フィルムにさらに積層圧電フィルムを積層した風力発電デバイスの断面図である。
【図１２】風力発電装置の構造様式を説明するための図であり、（Ａ）は稲穂を模した構造様式を示す図、（Ｂ）は柳を模した構造様式を示す図、（Ｃ）は大型膜体構造様式を示す図である。
【図１３】実施例で使用した風力発電デバイスの構成を説明するための図である。
【図１４】実施例１の実験結果を説明するための図である。
【図１５】実施例２の実験結果を説明するための図あり、（Ａ）は一方向伸縮性素材を使用した風力発電デバイスの実験結果を示す図、（Ｂ）は双方向伸縮性素材を使用した風力発電デバイスの実験結果を示す図である。
【図１６】実施例３の実験結果を説明するための図である。
【図１７】実施例４で使用した風力発電デバイスの構成を示す図であり、（Ａ）は一様な厚さの矢印形の樹脂に圧電フィルムを設置した風力発電デバイスを示す図、（Ｂ）は発電デバイスの先端にヒンジを使って三角形の板状付加物を設置した風力発電デバイスを示す図、（Ｃ）は発電デバイスの先端に薄型樹脂を使って三角形の板状付加物を設置した風力発電デバイスを示す図である。
【図１８】実施例４の実験結果を説明するための図である。
【図１９】実施例５の実験条件を説明するための図であり、（Ａ）は風の向きに対して平行配置した風力発電デバイスを示す図、（Ｂ）は風の向きに対して直交配置した風力発電デバイスを示す図である。
【図２０】実施例５の実験結果を説明するための図であり、（Ａ）は風の向きに対して平行配置した風力発電デバイスの実験結果を示す図、（Ｂ）は風の向きに対して直交配置した風力発電デバイスの実験結果を示す図である。
【図２１】実施例６の実験条件を説明するための図であり、（Ａ）は実施例６で使用した風力発電デバイスの構成を示す図、（Ｂ）は風力発電デバイスを支持棒に固定した様子を示す図である。
【図２２】実施例６の実験結果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態に係る風力発電デバイスを用いた風力発電装置について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
風力発電装置１００は、風力により発電する装置であり、図１に示すように、フレーム１１０と、風力発電デバイス１２０と、配線ケーブル１３０と、蓄電装置１４０とから構成される。
【００２１】
フレーム１１０は、風力発電デバイス１２０を設置するための構造物である。フレーム１１０は２本の縦棒１１１の中間に横棒１１２を設置したハシゴ状をしており、横棒１１２にはそれぞれ風力発電デバイス１２０の長手方向の一端が連結されている。フレーム１１０は風力発電デバイスを下側に向けて設置される。
【００２２】
風力発電デバイス１２０は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電シートであり、図２（Ａ）に示すように、柔軟性シート１２１と、圧電フィルム１２２と、積層圧電フィルム１２３等から構成される。なお、以下の説明では、風力発電デバイス１２０のフレーム１１０に固定される側を固定端、他端を開放端と呼ぶ。
【００２３】
柔軟性シート１２１は、風力発電デバイス１２０の基体となる部分である。柔軟性シート１２１は、例えば、テント素材に使用される化学繊維の織布や、ビニール袋に使用される薄膜状樹脂等の柔性の高い柔軟性素材から構成される。柔軟性素材は、例えば、ヤング率が１．５ＧＰａ以下、好ましくは０．１ＧＰａ以下の素材である。柔軟性素材は、例えば、質量７４２ｇ／ｍ２、厚さ１．２０ｍｍ、剥離強度（ＪＩＳＬ１０９６）５５×５６Ｎ／３ｃｍ、引裂強度（ＪＩＳＬ１０９６）１２８×１０１Ｎ、切断強度（ＪＩＳＬ１０９６）６１９．０×１０７．５Ｎ／ｃｍ、切断伸度（ＪＩＳＬ１０９６）８８．３×４６８．７％のウレタンケブラー（登録商標）であってもよい。
【００２４】
風力発電デバイス１２０は柔性の高い柔軟性シート１２１を基体としているため、硬い振動板を使用した従来の発電デバイスとは異なり、高次モード（例えば、図４に示すような２次・３次モード等）での振動が可能となっている。柔軟性シート１２１は、図２（Ｂ）に示すように、２枚の圧電フィルム１２２によって挟持されている。
【００２５】
圧電フィルム１２２は、ＰＶＤＦ（PolyVinylidene DiFluoride：ポリフッ化ビニリデン）などの圧電材料によって構成される圧電シートの両面に電極膜を形成したフィルム状の圧電素子から構成される。圧電フィルム１２２は、図５（Ａ）に示すように、伸張したとき、一方の面の電位が高くなり（例えば、図中上面が＋極、下面が−極となり）、収縮したとき、他方の面の電位が高くなる（例えば、図中上面が−極、下面が＋極となる）分極特性を有している。なお、以下の説明では、柔軟性シート１２１に対向する側を内面、他方を外面と呼ぶ。
【００２６】
圧電フィルム１２２の両面には、図２（Ｂ）に示すように、それぞれ外側電極１２２ａと内側電極１２２ｂとが形成されている。外側電極１２２ａと内側電極１２２ｂには、それぞれ配線１２４ａと配線１２４ｂとが接続されている。分極によって発生した電荷は、配線１２４ａおよび配線１２４ｂを通じて外部に出力される。
【００２７】
圧電フィルム１２２の長手方向の長さＬ２は、柔軟性シート１２１の長手方向の長さＬ１より短くなっている。また、２枚の圧電フィルム１２２は、それぞれ柔軟性シート１２１の固定端側に寄って配置されている。そのため、柔軟性シート１２１の開放端側には、図２（Ｂ）に示すように、圧電フィルム１２２によって挟持されていない突出領域が形成されている。突出領域は圧電フィルム１２２によって挟持されていない分、圧電フィルム１２２によって挟持されている本体領域よりも柔性が高くなっている。
【００２８】
積層圧電フィルム１２３は、ＰＶＤＦ等の圧電シートの両面に電極膜を形成したフィルム状の圧電素子から構成される。圧電フィルム１２２は、図５（Ｂ）に示すように、伸張したとき、一方の面の電位が高くなり、収縮したとき、他方の面の電位が高くなる分極特性を有している。積層圧電フィルム１２３は、圧電フィルム１２２の外面に積層しており、積層圧電フィルム１２３と圧電フィルム１２２の間は樹脂１２６で絶縁されている。なお、以下の説明では、圧電フィルム１２２に対向する側を内面、他方を外面と呼ぶ。
【００２９】
積層圧電フィルム１２３の長手方向の長さＬ３は、圧電フィルム１２２の長手方向の長さＬ２の例えば５０％以下であり、好ましくは１０％程度である。
【００３０】
積層圧電フィルム１２３は圧電フィルム１２２の固定端側に寄せて配置されている。例えば、積層圧電フィルム１２３の長手方向の中心（図２（Ｂ）に示す（ｂ））が、圧電フィルム１２２の長手方向の中心（図２（Ｂ）に示す（ａ））に対して固定端側に位置するように配置されている。
【００３１】
積層圧電フィルム１２３の外面には、図２（Ｂ）に示すように、外側電極１２３ａが形成されている。外側電極１２３ａは、図３に示すように、配線１２５によって圧電フィルム１２２の外面および外側電極１２２ａと連結されている。なお、配線１２５は配線１２４ａと一本の導線となっている（すなわち、配線１２５は配線１２４ａを延長した部分である）。配線１２５は、外側電極１２２ａの内部を貫通し、さらに、外側電極１２２ａと圧電フィルム１２２の間を通って、圧電フィルム１２２に接した状態で外側電極１２３ａに伸びている。分極によって圧電フィルム１２２と積層圧電フィルム１２３から生じた電荷は、配線１２５および配線１２４ａを通じて外部に出力される。
【００３２】
配線ケーブル１３０は、配線１２４ａと配線１２４ｂを束ねたものであり、フレーム１１０の脇を通って蓄電装置１４０に接続されている。
【００３３】
蓄電装置１４０は、風力発電デバイス１２０が生成した電荷を蓄えるための装置であり、図６に示すように、整流回路１４１と、蓄電媒体１４２とから構成される。
【００３４】
整流回路１４１は、ダイオードブリッジ回路等の整流回路から構成される。整流回路１４１は、一対の入力端子を有しており、その入力端子は、それぞれ、配線１２４ａと配線１２４ｂに接続されている。また、整流回路１４１は、正極端子、負極端子から構成される１対の出力端子を有しており、正極端子は蓄電媒体１４２の正極端子に、負極端子は蓄電媒体１４２の負極端子に接続されている。
【００３５】
蓄電媒体１４２は、大容量コンデンサや二次電池等から構成され、整流回路１４１により整流された電流を蓄える。
【００３６】
次に、このような構成を有する風力発電装置１００の発電動作について説明する。
【００３７】
風力発電デバイス１２０は、図７に示すように、フレーム１１０に吊るされた状態で設置されている。風力発電装置１００に風が当たると、風上にある風力発電デバイス１２０は風を遮って風下に気流の渦を発生させる。風力発電デバイス１２０は柔らかい素材の柔軟性シート１２１を基体としているため、風下の風力発電デバイス１２０は気流の渦によって高次モードで振動する。高次モードで振動することによって圧電フィルム１２２は効率よく分極し、両面に大きな電荷を発生させる。
【００３８】
また、風力発電デバイス１２０の先端には柔性の極めて高い突出領域が形成されている。風力発電デバイス１２０に風があたると、突出領域は旗がはためくように揺れ、本体領域の振動を促進する。そうすると、本体領域に設置された圧電フィルム１２２は振動して両面に電荷を発生させる。
【００３９】
また、風力発電デバイス１２０は、固定端側に積層圧電フィルム１２３を有している。図７に示すように、固定端部分は他の部分と比べ相対的に変曲量が大きい。そのため、積層圧電フィルム１２３は風力発電デバイス１２０の振動に伴って大きく変曲し、両面に大きな電荷を発生させる。
【００４０】
圧電フィルム１２２および積層圧電フィルム１２３の外側に発生した電荷は、配線１２５および配線１２４ａを介して、他方、圧電フィルム１２２の内側に発生した電荷は、配線１２４ｂを介して、蓄電装置１４０に伝達される。蓄電装置１４０に伝達された電荷は整流回路１４１によって一定方向の電流に変換され、蓄電媒体１４２に蓄積される。
【００４１】
本実施形態によれば、風力発電デバイス１２０は、柔軟性シート１２１を基体としているため、高次モードでの振動が可能となっている。そのため、従来の硬い振動板を使用し、一次モードでしか振動しない発電デバイスと比較して効率のよい発電を実現できる。
【００４２】
また、突出領域がはためくことによって本体領域の振動が促進されるので、風力発電デバイス１２０はさらに効率のよい発電を実現できる。
【００４３】
また、積層圧電フィルム１２３は変曲量が大きい固定端部分に配置されているので、極めて効率のよい発電を実現できる。
【００４４】
また、風力発電においてデバイス重量・剛性の増加は発電効率の低下の要因となるが、積層圧電フィルム１２３は発電効率の高い固定端部分にのみ配置されているので、デバイス重量の増加を抑えつつ、高い発電効率を実現できる。
【００４５】
なお、風力発電デバイス１２０には付加物が付加されていてもよい。例えば、図８に示すように、柔軟性素材の連結シート１５２によって、例えば、円形、楕円形、多角形（例えば三角形や四角形）等の形状をした板状の板状付加物１５１が連結されていてもよいし、図９に示すように、風力発電デバイス１２０の開放端に連結された紐１５４の一端に、例えば、球体、楕円体、多面体（例えば、立方体、直方体、角柱など）、又は円柱などの形状をした立体付加物１５３が連結されていてもよい。また、板状付加物１５１や立体付加物１５３は突出領域に直接連結されていてもよい。
付加物は柔軟性素材や紐を介して発電デバイスに連結されているので風によって大きくばたつくことができる。その結果、風力発電デバイス１２０の振動が促進され、さらに効率のよい発電が可能になる。
【００４６】
また、風力発電デバイス１２０の表面は粗くなっていてもよい。例えば、図１０に示すように、風力発電デバイス１２０の表面に毛糸等の柔毛１６０が設置されていてもよい。風を効率よく受け止めることができるようになり、風力発電デバイス１２０の振動をさらに促進することができる。
【００４７】
また、積層圧電フィルム１２３の積層構造は図２に示す構造に限られない。例えば、図１１（Ａ）に示すように、圧電フィルム１２２の外面と内面の双方に積層圧電フィルム１２３が積層されていてもよいし、図１１（Ｂ）に示すように、積層圧電フィルム１２３の外面に、さらに積層圧電フィルム１２３が積層されていてもよい。変曲の大きい固定端部分を無駄なく使用できるので、さらに効率のよい発電が可能になる。
【００４８】
なお、積層圧電フィルム１２３に設置された外側電極・内側電極は、それぞれ、図１１に示すように、配線１２５によって一段内層のフィルムの電極にそれぞれ連結されていてもよい。配線１２４ａ、１２４ｂに配線を集約できるので、風力発電デバイス１２０から出る配線の数を少なくできる。
【００４９】
柔軟性シート１２１に使用される柔軟性素材は、伸縮性のある伸縮性素材であってもよい。伸縮性素材としては、例えば、トリコット等のメリヤス編みされた織布であってもよいし、ゴム等の伸縮性のある薄膜状樹脂であってもよい。風によって柔軟性シート１２１が伸び縮みするので、圧電フィルム１２２の変形が促進され、さらに効率のよい発電が可能になる。
【００５０】
また、上記伸縮性素材は、一方向にだけ高い伸縮性を有しそれと直交する方向にはほとんど伸縮性を示さない一方向伸縮性素材であってもよい。一方向伸縮性素材は、例えば、伸縮性のある縦糸と伸縮性のない横糸とを使用した織布であってもよい。この場合、柔軟性シート１２１は長手方向にのみ伸縮性を示すように配置されてもよい。変形させたい方向に圧電フィルム１２２を効率よく変形させることができるので、さらに効率のよい発電が可能になる。
【００５１】
風力発電装置１００は「植生を模した構造様式」であってもよい。例えば、図１２（Ａ）に示すように、風力発電デバイス１２０を稲穂を模した色・形状にし、それらを人工地盤に配置してもよいし、図１２（Ｂ）に示すように、風力発電デバイス１２０を枝垂れ柳の下垂した枝を模した色・形状にし、それらを木の枝に設置してもよい。一般家庭でも風力発電装置の設置が可能になる。また、風がないときはオブジェとして使用できるため景観問題も発生しない。また、風車等で問題となっているバードストライクの問題も発生しない。
【００５２】
風力発電装置１００は「大型膜体構造様式」であってもよい。例えば、図１２（Ｃ）に示すように、洋上に大きなテントをはり、そのテント素材に複数の圧電フィルムを貼付してもよい。膨大なエネルギー資源である洋上風力を活用することが可能になる。また、設置コストが安価であり、海洋環境に与える影響も少なく、騒音問題も発生しない。
【実施例１】
【００５３】
風力発電デバイスを１次モード、２次モード、３次モードで振動させてデバイス単位面積あたりの発電量を比較した。
【００５４】
風力発電デバイスを３つ作成した。風力発電デバイスは、それぞれ、図１３に示すように、柔軟性シートを２枚の圧電フィルム（ＰＶＤＦ）で挟持した構成をしている。これら風力発電デバイスのサイズはそれぞれ以下の通りである。
【００５５】
風力発電デバイス１（Ｔｙｐｅ１）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ=３６０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ=３８０ｍｍ
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．５５ｍｍ
【００５６】
風力発電デバイス２（Ｔｙｐｅ２）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ＝２４０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ＝２６０ｍｍ
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．５５ｍｍ
【００５７】
風力発電デバイス３（Ｔｙｐｅ３）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝３０ｍｍ、Ｌ＝２４０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝４０ｍｍ、ｌ＝２６０ｍｍ
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．５５ｍｍ
【００５８】
これら３つの風力発電デバイスの一端を自由端とし、他端を所定の周波数で強制振動させた。図１４は、その結果をグラフにしたものである。どの風力発電デバイスも、１次モードと比較して２次・３次モードでの発電量が増加することが分かる。
【実施例２】
【００５９】
風力発電デバイスの基体に、伸縮性のない通常素材を使用する場合と、長手方向にのみ伸縮性を示す一方向伸縮性素材を使用する場合と、長手方向と直交する方向にも伸縮性を示す双方向伸縮性素材を使用する場合と、でどのように発電量が変わるか検討した。
【００６０】
風力発電デバイスを４つ作成した。風力発電デバイスは、実施例１と同様に、図１３に示す構成をしている。これら風力発電デバイスのサイズはそれぞれ以下の通りである。
【００６１】
風力発電デバイス１（一方向伸縮性素材）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ＝２００ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ＝２２０ｍｍ、素材：ケブラー（登録商標）
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝１．８ｍｍ
【００６２】
風力発電デバイス２（双方向伸縮性素材）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝１５ｍｍ、Ｌ＝１５０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝２５ｍｍ、ｌ＝１６０ｍｍ、素材：トリコット
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．９ｍｍ
【００６３】
風力発電デバイス３（通常素材）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ＝２００ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ＝２２０ｍｍ、
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝１．８ｍｍ
【００６４】
風力発電デバイス４（通常素材）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝１５ｍｍ、Ｌ＝１５０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝２５ｍｍ、ｌ＝１６０ｍｍ、
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．９ｍｍ
【００６５】
これら３つの風力発電デバイスの一端を自由端とし、他端を所定の周波数で強制振動させた。図１５（Ａ）に示す（ａ）は風力発電デバイス１（一方向伸縮性素材）の実験結果であり、図１５（Ｂ）に示す（ｂ）は風力発電デバイス２（双方向伸縮性素材）の実験結果であり、図１５（Ａ）に示す（ｃ）は風力発電デバイス３（通常素材）の実験結果であり、図１５（Ｂ）に示す（ｄ）は風力発電デバイス４（通常素材）の実験結果である。一方向伸縮性素材を使用した風力発電デバイスは通常素材を使用した風力発電デバイスの３．９倍、双方向伸縮性素材を使用した風力発電デバイスは通常素材を使用した風力発電デバイスの１．７倍の発電量を示すことが分かる。
【実施例３】
【００６６】
圧電フィルムを積層する場合と積層しない場合とでどのように発電量が変わるか検討した。
【００６７】
風力発電デバイスを２つ作成した。作成した風力発電デバイスは、図１３に示すように、柔軟性シートを２枚の圧電フィルム（ＰＶＤＦ）で挟持した風力発電デバイス１と、図１１（Ａ）に示すように、圧電フィルム（ＰＶＤＦ）の両面にさらに積層圧電フィルム（追加ＰＶＤＦ）を積層させた風力発電デバイス２の２つである。これら風力発電デバイスのサイズはそれぞれ以下の通りである。
【００６８】
風力発電デバイス１（積層圧電フィルムなし）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝１５ｍｍ、Ｌ＝１５０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝２５ｍｍ、ｌ＝１６０ｍｍ、素材：トリコット
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．９ｍｍ
【００６９】
風力発電デバイス２（積層圧電フィルムあり）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝１５ｍｍ、Ｌ＝１５０ｍｍ
追加ＰＶＤＦ ：Ｂ＝１５ｍｍ、Ｌ＝１５ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝２５ｍｍ、ｌ＝１６０ｍｍ、素材：トリコット
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．９ｍｍ
【００７０】
これら２つの風力発電デバイスの一端を自由端とし、他端を所定の周波数で強制振動させた。図１６に示す（ａ）は風力発電デバイス１（積層圧電フィルムなし）の実験結果であり、図１６に示す（ｂ）は風力発電デバイス２（積層圧電フィルムあり）の実験結果である。もとの長さに対して１０％のＰＶＤＦ追加でも十分に発電性能が向上することが分かる。
【実施例４】
【００７１】
板状付加物の追加による風力発電デバイスの発電量の変化を検討した。使用した風力発電デバイスは以下の３つである。
【００７２】
風力発電デバイス１（一様樹脂タイプ）
風力発電デバイス１は、矢印の形をした一様な厚さの樹脂（例えばポリマー）の長方形部分（矢印の根元部分）の両面に圧電フィルム（ＰＶＤＦ）を設置した図１７（Ａ）に示す構成の発電デバイスである。なお、この発電デバイスのサイズは以下のとおりである。
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ=２４０ｍｍ
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．５５ｍｍ
矢印の根元（長方形部分）：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ=２６０ｍｍ
矢印の頭部（三角形部分）：底辺ａ＝１６０mm、高さｈ＝１６０ｍｍの二等辺三角形
【００７３】
風力発電デバイス２（ヒンジタイプ）
風力発電デバイス２は、風力発電デバイス１（一様樹脂タイプ）の長方形部分と同じ構成の発電デバイスの先端にヒンジを使って三角形の板状付加物を設置した図１７（Ｂ）に示す構成の発電デバイスである。なお、板状付加物は風力発電デバイス１（一様樹脂タイプ）の三角形部分と同じサイズである。
【００７４】
風力発電デバイス３（薄型樹脂タイプ）
風力発電デバイス３は、風力発電デバイス１（一様樹脂タイプ）の長方形部分と同じ構成の発電デバイスの先端に柔性の高い連結シート（図１７（Ｃ）に示す「薄型樹脂」）を使って三角形の板状付加物を設置した図１７（Ｃ）に示す構成の風力発電デバイスである。なお、板状付加物は風力発電デバイス１（一様樹脂タイプ）の三角形部分と同じサイズである。
【００７５】
これら３つの風力発電デバイスの一端を構造物に固定し、所定の風速の風を加えた。図１８は、その結果をグラフにしたものである。薄型樹脂タイプはヒンジタイプの６０％超の発電量を示すことが分かる。
【実施例５】
【００７６】
付加物の追加による風力発電デバイスの発電量の変化を検討した。使用した風力発電デバイスは以下の２つである。
【００７７】
風力発電デバイス１（付加物なし）
柔軟性シートを２枚の圧電フィルム（ＰＶＤＦ）で挟持した図１３に示す構成の発電デバイスである。なお、この発電デバイスのサイズは以下のとおりである。
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ=２４０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ=２６０ｍｍ
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．５５ｍｍ
【００７８】
風力発電デバイス２（付加物あり）
風力発電デバイス２は、風力発電デバイス１（付加物なし）の先端に紐を介して球状の立体付加物を設置した図９に示す構成の発電デバイスである。なお、立体付加物および紐のサイズは以下のとおりである。
立体付加物 ：直径約４０ｍｍの球体
紐 ：長さ約５ｃｍの紐
【００７９】
これら２つの風力発電デバイスの一端を、図１９（Ａ）に示すように、風力発電デバイスの平面が風の向きと平行になるように支持棒に固定した。また、これら２つの風力発電デバイスの一端を、図１９（Ｂ）に示すように、風力発電デバイスの平面が風の向きと直交するように支持棒に固定した。そして、それぞれに所定の風速の風を加え、発電量を計測した。図２０は、その結果をグラフにしたものである。付加物を追加した風力発電デバイスは、付加物を追加していない風力発電デバイスより高い発電量を示すことが分かる。
【実施例６】
【００８０】
柔毛の追加による風力発電デバイスの発電量の変化を検討した。使用した風力発電デバイスは以下の２つである。
【００８１】
風力発電デバイス１（柔毛なし）
柔軟性シートを２枚の圧電フィルム（ＰＶＤＦ）で挟持した図１３に示す構成の発電デバイスである。なお、この発電デバイスのサイズは以下のとおりである。
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ=２４０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ=２６０ｍｍ
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．５５ｍｍ
【００８２】
風力発電デバイス２（柔毛あり）
風力発電デバイス２は、風力発電デバイス１（柔毛なし）の片面に柔毛を設置した図２１（Ａ）に示す構成の発電デバイスである。
【００８３】
これら２つの風力発電デバイスの一端を、図２１（Ｂ）に示すように、支持棒に固定した。なお、風力発電デバイス２は、図２１（Ｂ）に示すように、柔毛が風下側に位置するよう固定した。そして、それぞれに所定の風速の風を加え、発電量を計測した。図２２は、その結果をグラフにしたものである。風下側に柔毛を向けた風力発電デバイスは、柔毛を設置していない風力発電デバイスより高い発電量を示すことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
大型膜体構造様式による洋上風力発電や植生を模した構造様式による陸上風力発電等、風力エネルギーを利用する種々の発電システムで利用可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１００ 風力発電装置
１１０ フレーム
１１１ 縦棒
１１２ 横棒
１２０ 風力発電デバイス
１２１ 柔軟性シート
１２２ 圧電フィルム
１２２ａ、１２３ａ 外側電極
１２２ｂ、１２３ｂ 内側電極
１２３ 積層圧電フィルム
１２４ａ、１２４ｂ 配線
１２５ 配線
１２６ 樹脂
１３０ 配線ケーブル
１４０ 蓄電装置
１４１ 整流回路
１４２ 蓄電媒体
１５１ 板状付加物
１５２ 連結シート
１５３ 立体付加物
１５４ 紐
１６０ 柔毛
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電デバイス、及び風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然エネルギーの有効活用が望まれている。特許文献１には、風力によって振動する振動板と、その振動板に取り付けられ振動によって発電する圧電素子と、を備える風力発電機が開示されている。
【０００３】
また、非特許文献１には、木の葉を模した三角形のプレートを振動板の先端にヒンジを介して連結することで振動板の振動を促進する発電デバイスが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３０３７２６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Li S., Lipson H., (2009) "Vertical-Stalk Flapping-Leaf Generator For Parallel Wind Energy Harvesting", Proceedings of the ASME/AIAA 2009 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems, SMASIS2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１や非特許文献１に示すデバイスは、硬い素材の振動板を使用している。そのため、振動板が微小にしか変形せず、効率のよい発電ができない。
【０００７】
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、発電効率の高い風力発電デバイス、及び風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の観点に係る風力発電デバイスは、
風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電デバイスであって、
風によって高次モードで振動する柔軟性素材から構成される柔軟性シートと、
前記柔軟性シートを挟持する一対の圧電フィルムと、を備え、
前記圧電フィルムそれぞれが前記風力発電デバイスの中立軸から離間しており、前記風力発電デバイスが風により撓んだ際に、前記圧電フィルムそれぞれが前記中立軸から離間して撓み発電する、
ことを特徴とする。
【０００９】
前記柔軟性シートは伸縮性素材から構成されてもよい。
【００１０】
前記柔軟性シートの長手方向の長さは前記圧電フィルムの長手方向の長さより長く、
前記柔軟性シートは、一端に前記圧電フィルムによって挟持されていない突出領域を有し、
前記突出領域は、風によりはためいて前記風力発電デバイスの振動を促進してもよい。
【００１１】
前記圧電フィルムの表面に積層される積層圧電フィルム、を備え、
前記積層圧電フィルムは、
前記圧電フィルムよりも長手方向の長さが短く、前記積層圧電フィルムの長手方向の中心は前記圧電フィルムの長手方向の中心から一方に偏った位置にあり、前記風力発電デバイスが風により撓んだ際に撓んで発電してもよい。
【００１２】
前記圧電フィルムは、前記柔軟性シートに対向する内面に設置される内側電極と、その反対側の外面に設置される外側電極と、を備え、
前記積層圧電フィルムは、前記圧電フィルムに対向する内面の反対側の外面に設置される外側電極、を備え、
前記圧電フィルムの外側電極とその圧電フィルムに積層される前記積層圧電フィルムの外側電極とは導線で接続されていてもよい。
【００１３】
前記風力発電デバイスの一端に柔軟性素材で構成される薄膜状の連結シートを介して接続される板状の板状付加物、を備えていてもよい。
【００１４】
前記風力発電デバイスの一端に紐を介して接続される立体付加物、を備えていてもよい。
【００１５】
前記風力発電デバイスの表面には、複数の柔毛が設置されていてもよい。
【００１６】
本発明の第２の観点にかかる風力発電装置は、
本発明の第１の観点にかかる風力発電デバイスを複数備え、
複数の前記風力発電デバイスは平面を平行に一列に配置されており、風上にある前記風力発電デバイスによって気流が乱されることによって風下にある前記風力発電デバイスの振動が促進される、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
発電効率の高い風力発電デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る風力発電装置の斜視図である。
【図２】風力発電デバイスを説明するための図であり、（Ａ）は発電デバイスの分解斜視図、（Ｂ）は発電デバイスの縦断面図である。
【図３】風力発電デバイスの固定端部分を拡大した分解断面図である。
【図４】風力発電デバイスが風によって高次モード（２次モード以上）で振動することを説明するための図である。
【図５】発電デバイスが風で変形したときの部分断面部であり、（Ａ）は圧電フィルムが分極した様子を示す図、（Ｂ）は積層圧電フィルムが分極した様子を示す図である。
【図６】蓄電装置の内部構成を説明するための図である。
【図７】風力発電デバイスが風によって振動する様子を示す図である。
【図８】板状付加物を付加した風力発電デバイスを示す図であり、（Ａ）は風力発電デバイスの斜視図、（Ｂ）は風力発電デバイスの断面図である。
【図９】立体付加物を付加した風力発電デバイスを示す図である。
【図１０】表面に柔毛を設置した風力発電デバイスを示す図であり、（Ａ）は風力発電デバイスの斜視図、（Ｂ）は風力発電デバイスの断面図である。
【図１１】風力発電デバイスの構成の一例を示す図であり、（Ａ）は圧電フィルムの両面に積層圧電フィルムを設置した風力発電デバイスの分解断面図、（Ｂ）は積層圧電フィルムにさらに積層圧電フィルムを積層した風力発電デバイスの断面図である。
【図１２】風力発電装置の構造様式を説明するための図であり、（Ａ）は稲穂を模した構造様式を示す図、（Ｂ）は柳を模した構造様式を示す図、（Ｃ）は大型膜体構造様式を示す図である。
【図１３】実施例で使用した風力発電デバイスの構成を説明するための図である。
【図１４】実施例１の実験結果を説明するための図である。
【図１５】実施例２の実験結果を説明するための図あり、（Ａ）は一方向伸縮性素材を使用した風力発電デバイスの実験結果を示す図、（Ｂ）は双方向伸縮性素材を使用した風力発電デバイスの実験結果を示す図である。
【図１６】実施例３の実験結果を説明するための図である。
【図１７】実施例４で使用した風力発電デバイスの構成を示す図であり、（Ａ）は一様な厚さの矢印形の樹脂に圧電フィルムを設置した風力発電デバイスを示す図、（Ｂ）は発電デバイスの先端にヒンジを使って三角形の板状付加物を設置した風力発電デバイスを示す図、（Ｃ）は発電デバイスの先端に薄型樹脂を使って三角形の板状付加物を設置した風力発電デバイスを示す図である。
【図１８】実施例４の実験結果を説明するための図である。
【図１９】実施例５の実験条件を説明するための図であり、（Ａ）は風の向きに対して平行配置した風力発電デバイスを示す図、（Ｂ）は風の向きに対して直交配置した風力発電デバイスを示す図である。
【図２０】実施例５の実験結果を説明するための図であり、（Ａ）は風の向きに対して平行配置した風力発電デバイスの実験結果を示す図、（Ｂ）は風の向きに対して直交配置した風力発電デバイスの実験結果を示す図である。
【図２１】実施例６の実験条件を説明するための図であり、（Ａ）は実施例６で使用した風力発電デバイスの構成を示す図、（Ｂ）は風力発電デバイスを支持棒に固定した様子を示す図である。
【図２２】実施例６の実験結果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態に係る風力発電デバイスを用いた風力発電装置について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
風力発電装置１００は、風力により発電する装置であり、図１に示すように、フレーム１１０と、風力発電デバイス１２０と、配線ケーブル１３０と、蓄電装置１４０とから構成される。
【００２１】
フレーム１１０は、風力発電デバイス１２０を設置するための構造物である。フレーム１１０は２本の縦棒１１１の中間に横棒１１２を設置したハシゴ状をしており、横棒１１２にはそれぞれ風力発電デバイス１２０の長手方向の一端が連結されている。フレーム１１０は風力発電デバイスを下側に向けて設置される。
【００２２】
風力発電デバイス１２０は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電シートであり、図２（Ａ）に示すように、柔軟性シート１２１と、圧電フィルム１２２と、積層圧電フィルム１２３等から構成される。なお、以下の説明では、風力発電デバイス１２０のフレーム１１０に固定される側を固定端、他端を開放端と呼ぶ。
【００２３】
柔軟性シート１２１は、風力発電デバイス１２０の基体となる部分である。柔軟性シート１２１は、例えば、テント素材に使用される化学繊維の織布や、ビニール袋に使用される薄膜状樹脂等の柔性の高い柔軟性素材から構成される。柔軟性素材は、例えば、ヤング率が１．５ＧＰａ以下、好ましくは０．１ＧＰａ以下の素材である。柔軟性素材は、例えば、質量７４２ｇ／ｍ２、厚さ１．２０ｍｍ、剥離強度（ＪＩＳＬ１０９６）５５×５６Ｎ／３ｃｍ、引裂強度（ＪＩＳＬ１０９６）１２８×１０１Ｎ、切断強度（ＪＩＳＬ１０９６）６１９．０×１０７．５Ｎ／ｃｍ、切断伸度（ＪＩＳＬ１０９６）８８．３×４６８．７％のウレタンケブラー（登録商標）であってもよい。
【００２４】
風力発電デバイス１２０は柔性の高い柔軟性シート１２１を基体としているため、硬い振動板を使用した従来の発電デバイスとは異なり、高次モード（例えば、図４に示すような２次・３次モード等）での振動が可能となっている。柔軟性シート１２１は、図２（Ｂ）に示すように、２枚の圧電フィルム１２２によって挟持されている。
【００２５】
圧電フィルム１２２は、ＰＶＤＦ（PolyVinylidene DiFluoride：ポリフッ化ビニリデン）などの圧電材料によって構成される圧電シートの両面に電極膜を形成したフィルム状の圧電素子から構成される。圧電フィルム１２２は、図５（Ａ）に示すように、伸張したとき、一方の面の電位が高くなり（例えば、図中上面が＋極、下面が−極となり）、収縮したとき、他方の面の電位が高くなる（例えば、図中上面が−極、下面が＋極となる）分極特性を有している。なお、以下の説明では、柔軟性シート１２１に対向する側を内面、他方を外面と呼ぶ。
【００２６】
圧電フィルム１２２の両面には、図２（Ｂ）に示すように、それぞれ外側電極１２２ａと内側電極１２２ｂとが形成されている。外側電極１２２ａと内側電極１２２ｂには、それぞれ配線１２４ａと配線１２４ｂとが接続されている。分極によって発生した電荷は、配線１２４ａおよび配線１２４ｂを通じて外部に出力される。
【００２７】
圧電フィルム１２２の長手方向の長さＬ２は、柔軟性シート１２１の長手方向の長さＬ１より短くなっている。また、２枚の圧電フィルム１２２は、それぞれ柔軟性シート１２１の固定端側に寄って配置されている。そのため、柔軟性シート１２１の開放端側には、図２（Ｂ）に示すように、圧電フィルム１２２によって挟持されていない突出領域が形成されている。突出領域は圧電フィルム１２２によって挟持されていない分、圧電フィルム１２２によって挟持されている本体領域よりも柔性が高くなっている。
【００２８】
積層圧電フィルム１２３は、ＰＶＤＦ等の圧電シートの両面に電極膜を形成したフィルム状の圧電素子から構成される。圧電フィルム１２２は、図５（Ｂ）に示すように、伸張したとき、一方の面の電位が高くなり、収縮したとき、他方の面の電位が高くなる分極特性を有している。積層圧電フィルム１２３は、圧電フィルム１２２の外面に積層しており、積層圧電フィルム１２３と圧電フィルム１２２の間は樹脂１２６で絶縁されている。なお、以下の説明では、圧電フィルム１２２に対向する側を内面、他方を外面と呼ぶ。
【００２９】
積層圧電フィルム１２３の長手方向の長さＬ３は、圧電フィルム１２２の長手方向の長さＬ２の例えば５０％以下であり、好ましくは１０％程度である。
【００３０】
積層圧電フィルム１２３は圧電フィルム１２２の固定端側に寄せて配置されている。例えば、積層圧電フィルム１２３の長手方向の中心（図２（Ｂ）に示す（ｂ））が、圧電フィルム１２２の長手方向の中心（図２（Ｂ）に示す（ａ））に対して固定端側に位置するように配置されている。
【００３１】
積層圧電フィルム１２３の外面には、図２（Ｂ）に示すように、外側電極１２３ａが形成されている。外側電極１２３ａは、図３に示すように、配線１２５によって圧電フィルム１２２の外面および外側電極１２２ａと連結されている。なお、配線１２５は配線１２４ａと一本の導線となっている（すなわち、配線１２５は配線１２４ａを延長した部分である）。配線１２５は、外側電極１２２ａの内部を貫通し、さらに、外側電極１２２ａと圧電フィルム１２２の間を通って、圧電フィルム１２２に接した状態で外側電極１２３ａに伸びている。分極によって圧電フィルム１２２と積層圧電フィルム１２３から生じた電荷は、配線１２５および配線１２４ａを通じて外部に出力される。
【００３２】
配線ケーブル１３０は、配線１２４ａと配線１２４ｂを束ねたものであり、フレーム１１０の脇を通って蓄電装置１４０に接続されている。
【００３３】
蓄電装置１４０は、風力発電デバイス１２０が生成した電荷を蓄えるための装置であり、図６に示すように、整流回路１４１と、蓄電媒体１４２とから構成される。
【００３４】
整流回路１４１は、ダイオードブリッジ回路等の整流回路から構成される。整流回路１４１は、一対の入力端子を有しており、その入力端子は、それぞれ、配線１２４ａと配線１２４ｂに接続されている。また、整流回路１４１は、正極端子、負極端子から構成される１対の出力端子を有しており、正極端子は蓄電媒体１４２の正極端子に、負極端子は蓄電媒体１４２の負極端子に接続されている。
【００３５】
蓄電媒体１４２は、大容量コンデンサや二次電池等から構成され、整流回路１４１により整流された電流を蓄える。
【００３６】
次に、このような構成を有する風力発電装置１００の発電動作について説明する。
【００３７】
風力発電デバイス１２０は、図７に示すように、フレーム１１０に吊るされた状態で設置されている。風力発電装置１００に風が当たると、風上にある風力発電デバイス１２０は風を遮って風下に気流の渦を発生させる。風力発電デバイス１２０は柔らかい素材の柔軟性シート１２１を基体としているため、風下の風力発電デバイス１２０は気流の渦によって高次モードで振動する。高次モードで振動することによって圧電フィルム１２２は効率よく分極し、両面に大きな電荷を発生させる。
【００３８】
また、風力発電デバイス１２０の先端には柔性の極めて高い突出領域が形成されている。風力発電デバイス１２０に風があたると、突出領域は旗がはためくように揺れ、本体領域の振動を促進する。そうすると、本体領域に設置された圧電フィルム１２２は振動して両面に電荷を発生させる。
【００３９】
また、風力発電デバイス１２０は、固定端側に積層圧電フィルム１２３を有している。図７に示すように、固定端部分は他の部分と比べ相対的に変曲量が大きい。そのため、積層圧電フィルム１２３は風力発電デバイス１２０の振動に伴って大きく変曲し、両面に大きな電荷を発生させる。
【００４０】
圧電フィルム１２２および積層圧電フィルム１２３の外側に発生した電荷は、配線１２５および配線１２４ａを介して、他方、圧電フィルム１２２の内側に発生した電荷は、配線１２４ｂを介して、蓄電装置１４０に伝達される。蓄電装置１４０に伝達された電荷は整流回路１４１によって一定方向の電流に変換され、蓄電媒体１４２に蓄積される。
【００４１】
本実施形態によれば、風力発電デバイス１２０は、柔軟性シート１２１を基体としているため、高次モードでの振動が可能となっている。そのため、従来の硬い振動板を使用し、一次モードでしか振動しない発電デバイスと比較して効率のよい発電を実現できる。
【００４２】
また、突出領域がはためくことによって本体領域の振動が促進されるので、風力発電デバイス１２０はさらに効率のよい発電を実現できる。
【００４３】
また、積層圧電フィルム１２３は変曲量が大きい固定端部分に配置されているので、極めて効率のよい発電を実現できる。
【００４４】
また、風力発電においてデバイス重量・剛性の増加は発電効率の低下の要因となるが、積層圧電フィルム１２３は発電効率の高い固定端部分にのみ配置されているので、デバイス重量の増加を抑えつつ、高い発電効率を実現できる。
【００４５】
なお、風力発電デバイス１２０には付加物が付加されていてもよい。例えば、図８に示すように、柔軟性素材の連結シート１５２によって、例えば、円形、楕円形、多角形（例えば三角形や四角形）等の形状をした板状の板状付加物１５１が連結されていてもよいし、図９に示すように、風力発電デバイス１２０の開放端に連結された紐１５４の一端に、例えば、球体、楕円体、多面体（例えば、立方体、直方体、角柱など）、又は円柱などの形状をした立体付加物１５３が連結されていてもよい。また、板状付加物１５１や立体付加物１５３は突出領域に直接連結されていてもよい。
付加物は柔軟性素材や紐を介して発電デバイスに連結されているので風によって大きくばたつくことができる。その結果、風力発電デバイス１２０の振動が促進され、さらに効率のよい発電が可能になる。
【００４６】
また、風力発電デバイス１２０の表面は粗くなっていてもよい。例えば、図１０に示すように、風力発電デバイス１２０の表面に毛糸等の柔毛１６０が設置されていてもよい。風を効率よく受け止めることができるようになり、風力発電デバイス１２０の振動をさらに促進することができる。
【００４７】
また、積層圧電フィルム１２３の積層構造は図２に示す構造に限られない。例えば、図１１（Ａ）に示すように、圧電フィルム１２２の外面と内面の双方に積層圧電フィルム１２３が積層されていてもよいし、図１１（Ｂ）に示すように、積層圧電フィルム１２３の外面に、さらに積層圧電フィルム１２３が積層されていてもよい。変曲の大きい固定端部分を無駄なく使用できるので、さらに効率のよい発電が可能になる。
【００４８】
なお、積層圧電フィルム１２３に設置された外側電極・内側電極は、それぞれ、図１１に示すように、配線１２５によって一段内層のフィルムの電極にそれぞれ連結されていてもよい。配線１２４ａ、１２４ｂに配線を集約できるので、風力発電デバイス１２０から出る配線の数を少なくできる。
【００４９】
柔軟性シート１２１に使用される柔軟性素材は、伸縮性のある伸縮性素材であってもよい。伸縮性素材としては、例えば、トリコット等のメリヤス編みされた織布であってもよいし、ゴム等の伸縮性のある薄膜状樹脂であってもよい。風によって柔軟性シート１２１が伸び縮みするので、圧電フィルム１２２の変形が促進され、さらに効率のよい発電が可能になる。
【００５０】
また、上記伸縮性素材は、一方向にだけ高い伸縮性を有しそれと直交する方向にはほとんど伸縮性を示さない一方向伸縮性素材であってもよい。一方向伸縮性素材は、例えば、伸縮性のある縦糸と伸縮性のない横糸とを使用した織布であってもよい。この場合、柔軟性シート１２１は長手方向にのみ伸縮性を示すように配置されてもよい。変形させたい方向に圧電フィルム１２２を効率よく変形させることができるので、さらに効率のよい発電が可能になる。
【００５１】
風力発電装置１００は「植生を模した構造様式」であってもよい。例えば、図１２（Ａ）に示すように、風力発電デバイス１２０を稲穂を模した色・形状にし、それらを人工地盤に配置してもよいし、図１２（Ｂ）に示すように、風力発電デバイス１２０を枝垂れ柳の下垂した枝を模した色・形状にし、それらを木の枝に設置してもよい。一般家庭でも風力発電装置の設置が可能になる。また、風がないときはオブジェとして使用できるため景観問題も発生しない。また、風車等で問題となっているバードストライクの問題も発生しない。
【００５２】
風力発電装置１００は「大型膜体構造様式」であってもよい。例えば、図１２（Ｃ）に示すように、洋上に大きなテントをはり、そのテント素材に複数の圧電フィルムを貼付してもよい。膨大なエネルギー資源である洋上風力を活用することが可能になる。また、設置コストが安価であり、海洋環境に与える影響も少なく、騒音問題も発生しない。
【実施例１】
【００５３】
風力発電デバイスを１次モード、２次モード、３次モードで振動させてデバイス単位面積あたりの発電量を比較した。
【００５４】
風力発電デバイスを３つ作成した。風力発電デバイスは、それぞれ、図１３に示すように、柔軟性シートを２枚の圧電フィルム（ＰＶＤＦ）で挟持した構成をしている。これら風力発電デバイスのサイズはそれぞれ以下の通りである。
【００５５】
風力発電デバイス１（Ｔｙｐｅ１）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ=３６０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ=３８０ｍｍ
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．５５ｍｍ
【００５６】
風力発電デバイス２（Ｔｙｐｅ２）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ＝２４０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ＝２６０ｍｍ
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．５５ｍｍ
【００５７】
風力発電デバイス３（Ｔｙｐｅ３）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝３０ｍｍ、Ｌ＝２４０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝４０ｍｍ、ｌ＝２６０ｍｍ
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．５５ｍｍ
【００５８】
これら３つの風力発電デバイスの一端を自由端とし、他端を所定の周波数で強制振動させた。図１４は、その結果をグラフにしたものである。どの風力発電デバイスも、１次モードと比較して２次・３次モードでの発電量が増加することが分かる。
【実施例２】
【００５９】
風力発電デバイスの基体に、伸縮性のない通常素材を使用する場合と、長手方向にのみ伸縮性を示す一方向伸縮性素材を使用する場合と、長手方向と直交する方向にも伸縮性を示す双方向伸縮性素材を使用する場合と、でどのように発電量が変わるか検討した。
【００６０】
風力発電デバイスを４つ作成した。風力発電デバイスは、実施例１と同様に、図１３に示す構成をしている。これら風力発電デバイスのサイズはそれぞれ以下の通りである。
【００６１】
風力発電デバイス１（一方向伸縮性素材）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ＝２００ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ＝２２０ｍｍ、素材：ケブラー（登録商標）
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝１．８ｍｍ
【００６２】
風力発電デバイス２（双方向伸縮性素材）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝１５ｍｍ、Ｌ＝１５０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝２５ｍｍ、ｌ＝１６０ｍｍ、素材：トリコット
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．９ｍｍ
【００６３】
風力発電デバイス３（通常素材）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ＝２００ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ＝２２０ｍｍ、
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝１．８ｍｍ
【００６４】
風力発電デバイス４（通常素材）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝１５ｍｍ、Ｌ＝１５０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝２５ｍｍ、ｌ＝１６０ｍｍ、
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．９ｍｍ
【００６５】
これら３つの風力発電デバイスの一端を自由端とし、他端を所定の周波数で強制振動させた。図１５（Ａ）に示す（ａ）は風力発電デバイス１（一方向伸縮性素材）の実験結果であり、図１５（Ｂ）に示す（ｂ）は風力発電デバイス２（双方向伸縮性素材）の実験結果であり、図１５（Ａ）に示す（ｃ）は風力発電デバイス３（通常素材）の実験結果であり、図１５（Ｂ）に示す（ｄ）は風力発電デバイス４（通常素材）の実験結果である。一方向伸縮性素材を使用した風力発電デバイスは通常素材を使用した風力発電デバイスの３．９倍、双方向伸縮性素材を使用した風力発電デバイスは通常素材を使用した風力発電デバイスの１．７倍の発電量を示すことが分かる。
【実施例３】
【００６６】
圧電フィルムを積層する場合と積層しない場合とでどのように発電量が変わるか検討した。
【００６７】
風力発電デバイスを２つ作成した。作成した風力発電デバイスは、図１３に示すように、柔軟性シートを２枚の圧電フィルム（ＰＶＤＦ）で挟持した風力発電デバイス１と、図１１（Ａ）に示すように、圧電フィルム（ＰＶＤＦ）の両面にさらに積層圧電フィルム（追加ＰＶＤＦ）を積層させた風力発電デバイス２の２つである。これら風力発電デバイスのサイズはそれぞれ以下の通りである。
【００６８】
風力発電デバイス１（積層圧電フィルムなし）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝１５ｍｍ、Ｌ＝１５０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝２５ｍｍ、ｌ＝１６０ｍｍ、素材：トリコット
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．９ｍｍ
【００６９】
風力発電デバイス２（積層圧電フィルムあり）
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝１５ｍｍ、Ｌ＝１５０ｍｍ
追加ＰＶＤＦ ：Ｂ＝１５ｍｍ、Ｌ＝１５ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝２５ｍｍ、ｌ＝１６０ｍｍ、素材：トリコット
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．９ｍｍ
【００７０】
これら２つの風力発電デバイスの一端を自由端とし、他端を所定の周波数で強制振動させた。図１６に示す（ａ）は風力発電デバイス１（積層圧電フィルムなし）の実験結果であり、図１６に示す（ｂ）は風力発電デバイス２（積層圧電フィルムあり）の実験結果である。もとの長さに対して１０％のＰＶＤＦ追加でも十分に発電性能が向上することが分かる。
【実施例４】
【００７１】
板状付加物の追加による風力発電デバイスの発電量の変化を検討した。使用した風力発電デバイスは以下の３つである。
【００７２】
風力発電デバイス１（一様樹脂タイプ）
風力発電デバイス１は、矢印の形をした一様な厚さの樹脂（例えばポリマー）の長方形部分（矢印の根元部分）の両面に圧電フィルム（ＰＶＤＦ）を設置した図１７（Ａ）に示す構成の発電デバイスである。なお、この発電デバイスのサイズは以下のとおりである。
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ=２４０ｍｍ
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．５５ｍｍ
矢印の根元（長方形部分）：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ=２６０ｍｍ
矢印の頭部（三角形部分）：底辺ａ＝１６０mm、高さｈ＝１６０ｍｍの二等辺三角形
【００７３】
風力発電デバイス２（ヒンジタイプ）
風力発電デバイス２は、風力発電デバイス１（一様樹脂タイプ）の長方形部分と同じ構成の発電デバイスの先端にヒンジを使って三角形の板状付加物を設置した図１７（Ｂ）に示す構成の発電デバイスである。なお、板状付加物は風力発電デバイス１（一様樹脂タイプ）の三角形部分と同じサイズである。
【００７４】
風力発電デバイス３（薄型樹脂タイプ）
風力発電デバイス３は、風力発電デバイス１（一様樹脂タイプ）の長方形部分と同じ構成の発電デバイスの先端に柔性の高い連結シート（図１７（Ｃ）に示す「薄型樹脂」）を使って三角形の板状付加物を設置した図１７（Ｃ）に示す構成の風力発電デバイスである。なお、板状付加物は風力発電デバイス１（一様樹脂タイプ）の三角形部分と同じサイズである。
【００７５】
これら３つの風力発電デバイスの一端を構造物に固定し、所定の風速の風を加えた。図１８は、その結果をグラフにしたものである。薄型樹脂タイプはヒンジタイプの６０％超の発電量を示すことが分かる。
【実施例５】
【００７６】
付加物の追加による風力発電デバイスの発電量の変化を検討した。使用した風力発電デバイスは以下の２つである。
【００７７】
風力発電デバイス１（付加物なし）
柔軟性シートを２枚の圧電フィルム（ＰＶＤＦ）で挟持した図１３に示す構成の発電デバイスである。なお、この発電デバイスのサイズは以下のとおりである。
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ=２４０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ=２６０ｍｍ
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．５５ｍｍ
【００７８】
風力発電デバイス２（付加物あり）
風力発電デバイス２は、風力発電デバイス１（付加物なし）の先端に紐を介して球状の立体付加物を設置した図９に示す構成の発電デバイスである。なお、立体付加物および紐のサイズは以下のとおりである。
立体付加物 ：直径約４０ｍｍの球体
紐 ：長さ約５ｃｍの紐
【００７９】
これら２つの風力発電デバイスの一端を、図１９（Ａ）に示すように、風力発電デバイスの平面が風の向きと平行になるように支持棒に固定した。また、これら２つの風力発電デバイスの一端を、図１９（Ｂ）に示すように、風力発電デバイスの平面が風の向きと直交するように支持棒に固定した。そして、それぞれに所定の風速の風を加え、発電量を計測した。図２０は、その結果をグラフにしたものである。付加物を追加した風力発電デバイスは、付加物を追加していない風力発電デバイスより高い発電量を示すことが分かる。
【実施例６】
【００８０】
柔毛の追加による風力発電デバイスの発電量の変化を検討した。使用した風力発電デバイスは以下の２つである。
【００８１】
風力発電デバイス１（柔毛なし）
柔軟性シートを２枚の圧電フィルム（ＰＶＤＦ）で挟持した図１３に示す構成の発電デバイスである。なお、この発電デバイスのサイズは以下のとおりである。
ＰＶＤＦ ：Ｂ＝２０ｍｍ、Ｌ=２４０ｍｍ
柔軟性シート ：ｂ＝３０ｍｍ、ｌ=２６０ｍｍ
ＰＶＤＦ間厚さ：δ＝０．５５ｍｍ
【００８２】
風力発電デバイス２（柔毛あり）
風力発電デバイス２は、風力発電デバイス１（柔毛なし）の片面に柔毛を設置した図２１（Ａ）に示す構成の発電デバイスである。
【００８３】
これら２つの風力発電デバイスの一端を、図２１（Ｂ）に示すように、支持棒に固定した。なお、風力発電デバイス２は、図２１（Ｂ）に示すように、柔毛が風下側に位置するよう固定した。そして、それぞれに所定の風速の風を加え、発電量を計測した。図２２は、その結果をグラフにしたものである。風下側に柔毛を向けた風力発電デバイスは、柔毛を設置していない風力発電デバイスより高い発電量を示すことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
大型膜体構造様式による洋上風力発電や植生を模した構造様式による陸上風力発電等、風力エネルギーを利用する種々の発電システムで利用可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１００ 風力発電装置
１１０ フレーム
１１１ 縦棒
１１２ 横棒
１２０ 風力発電デバイス
１２１ 柔軟性シート
１２２ 圧電フィルム
１２２ａ、１２３ａ 外側電極
１２２ｂ、１２３ｂ 内側電極
１２３ 積層圧電フィルム
１２４ａ、１２４ｂ 配線
１２５ 配線
１２６ 樹脂
１３０ 配線ケーブル
１４０ 蓄電装置
１４１ 整流回路
１４２ 蓄電媒体
１５１ 板状付加物
１５２ 連結シート
１５３ 立体付加物
１５４ 紐
１６０ 柔毛
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電デバイスであって、
風によって高次モードで振動する柔軟性素材から構成される柔軟性シートと、
前記柔軟性シートを挟持する一対の圧電フィルムと、を備え、
前記圧電フィルムそれぞれが前記風力発電デバイスの中立軸から離間しており、前記風力発電デバイスが風により撓んだ際に、前記圧電フィルムそれぞれが前記中立軸から離間して撓み発電する、
ことを特徴とする風力発電デバイス。
【請求項２】
前記柔軟性シートは伸縮性素材から構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の風力発電デバイス。
【請求項３】
前記柔軟性シートの長手方向の長さは前記圧電フィルムの長手方向の長さより長く、
前記柔軟性シートは、一端に前記圧電フィルムによって挟持されていない突出領域を有し、
前記突出領域は、風によりはためいて前記風力発電デバイスの振動を促進する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電デバイス。
【請求項４】
前記圧電フィルムの表面に積層される積層圧電フィルム、を備え、
前記積層圧電フィルムは、
前記圧電フィルムよりも長手方向の長さが短く、前記積層圧電フィルムの長手方向の中心は前記圧電フィルムの長手方向の中心から一方に偏った位置にあり、前記風力発電デバイスが風により撓んだ際に撓んで発電する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風力発電デバイス。
【請求項５】
前記圧電フィルムは、前記柔軟性シートに対向する内面に設置される内側電極と、その反対側の外面に設置される外側電極と、を備え、
前記積層圧電フィルムは、前記圧電フィルムに対向する内面の反対側の外面に設置される外側電極、を備え、
前記圧電フィルムの外側電極とその圧電フィルムに積層される前記積層圧電フィルムの外側電極とは導線で接続されている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風力発電デバイス。
【請求項６】
前記風力発電デバイスの一端に柔軟性素材で構成される薄膜状の連結シートを介して接続される板状の板状付加物、を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の風力発電デバイス。
【請求項７】
前記風力発電デバイスの一端に紐を介して接続される立体付加物、を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の風力発電デバイス。
【請求項８】
前記風力発電デバイスの表面には、複数の柔毛が設置されている、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の風力発電デバイス。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項の風力発電デバイスを複数備え、
複数の前記風力発電デバイスは平面を平行に一列に配置されており、風上にある前記風力発電デバイスによって気流が乱されることによって風下にある前記風力発電デバイスの振動が促進される、
ことを特徴とする風力発電装置。
【請求項１】
風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電デバイスであって、
風によって高次モードで振動する柔軟性素材から構成される柔軟性シートと、
前記柔軟性シートを挟持する一対の圧電フィルムと、を備え、
前記圧電フィルムそれぞれが前記風力発電デバイスの中立軸から離間しており、前記風力発電デバイスが風により撓んだ際に、前記圧電フィルムそれぞれが前記中立軸から離間して撓み発電する、
ことを特徴とする風力発電デバイス。
【請求項２】
前記柔軟性シートは伸縮性素材から構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の風力発電デバイス。
【請求項３】
前記柔軟性シートの長手方向の長さは前記圧電フィルムの長手方向の長さより長く、
前記柔軟性シートは、一端に前記圧電フィルムによって挟持されていない突出領域を有し、
前記突出領域は、風によりはためいて前記風力発電デバイスの振動を促進する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電デバイス。
【請求項４】
前記圧電フィルムの表面に積層される積層圧電フィルム、を備え、
前記積層圧電フィルムは、
前記圧電フィルムよりも長手方向の長さが短く、前記積層圧電フィルムの長手方向の中心は前記圧電フィルムの長手方向の中心から一方に偏った位置にあり、前記風力発電デバイスが風により撓んだ際に撓んで発電する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風力発電デバイス。
【請求項５】
前記圧電フィルムは、前記柔軟性シートに対向する内面に設置される内側電極と、その反対側の外面に設置される外側電極と、を備え、
前記積層圧電フィルムは、前記圧電フィルムに対向する内面の反対側の外面に設置される外側電極、を備え、
前記圧電フィルムの外側電極とその圧電フィルムに積層される前記積層圧電フィルムの外側電極とは導線で接続されている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風力発電デバイス。
【請求項６】
前記風力発電デバイスの一端に柔軟性素材で構成される薄膜状の連結シートを介して接続される板状の板状付加物、を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の風力発電デバイス。
【請求項７】
前記風力発電デバイスの一端に紐を介して接続される立体付加物、を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の風力発電デバイス。
【請求項８】
前記風力発電デバイスの表面には、複数の柔毛が設置されている、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の風力発電デバイス。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項の風力発電デバイスを複数備え、
複数の前記風力発電デバイスは平面を平行に一列に配置されており、風上にある前記風力発電デバイスによって気流が乱されることによって風下にある前記風力発電デバイスの振動が促進される、
ことを特徴とする風力発電装置。
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１４】
【図１８】
【図２０】
【図２２】
【図３】
【図４】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１９】
【図２１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１４】
【図１８】
【図２０】
【図２２】
【図３】
【図４】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１９】
【図２１】
【公開番号】特開２０１３−９５６９（Ｐ２０１３−９５６９Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４２３４２（Ｐ２０１１−１４２３４２）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【出願人】（０００２００６６６）泉株式会社 (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【出願人】（０００２００６６６）泉株式会社 (24)
【Ｆターム（参考）】
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