JP2006291842A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い効率で発電可能で、集積化が容易な風力発電装置を提供する。
【解決手段】 風力発電装置１は、受風翼２と、受風翼２を支持する支持棒３と、支持棒３をその軸芯回りに回転自在に保持するベアリング４と、ベアリング４が取り付けられる振動板５と、振動板５を保持する振動板保持台６と、受風翼２が風力を受けていない状態で受風翼２を所定位置に保持し、受風翼２が風力を受けて受風翼２と支持棒３とが一体的に回転したときに、受風翼２を所定位置に戻すように支持棒３の動きを制御するぜんまいバネ７と、振動板５に取り付けられた圧電素子９と、を具備する。受風翼２が風力を受けることによって振動板５に発生する撓みまたは振動を利用して圧電素子９を発電させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は風力を利用して電気エネルギーを取り出す風力発電装置に関する。

近年、クリーンなエネルギーを用いた発電方法として風力発電が注目されている。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てモータを回し、電磁誘導により発電するものが実用化されているが、これら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等の問題がある。

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。たとえば、特許文献１には、枠状のフレーム部材と、フレーム部材の上開口面を覆う振動板と、振動板の表面に取り付けられた受風翼とを具備し、振動板に屈曲変位を生ずることにより発電するバイモルフ型等の圧電素子が取り付けられた構造を有する風力発電装置が開示されている。この風力発電装置では、受風翼が風力を受けることによって振動し、この振動が振動板に伝えられて圧電素子を屈曲させることにより、電気エネルギーを得ることができる。

しかしながら、この風力発電装置では、振動板の振動がフレームによって抑制されることにより、発電効率が低下するという問題がある。一方、このような振動板のフレームによる振動抑制を小さくするためには、フレームを大きくしなければならず、設置面積が広くなってしまい、集積化の効率が悪いという問題がある。また、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、駆動効率が高いとは言い難い。さらに、屈曲型圧電素子の大きさには製造技術上の制限があるために、大電力発電を目的とする場合には、必ずしも圧電素子を用いることが適切ではない場合がある。
特開２００１−２３１２７３号公報

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高い効率で発電が可能で集積化が容易な風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、断面形状が略Ｖ字状または所定の曲率の孤状である受風翼と、
前記受風翼を支持する支持棒と、
前記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、
前記軸保持手段が取り付けられる振動板と、
前記振動板を保持する振動板保持手段と、
前記受風翼が風力を受けていない状態で前記受風翼を所定位置に保持し、前記受風翼が風力を受けて前記受風翼と前記支持棒とが一体的に回転したときに、前記受風翼を前記所定位置に戻すように前記支持棒の動きを制御する受風翼回帰機構と、
前記受風翼が風力を受けることによって前記振動板に発生する撓みまたは振動を利用して発電する発電機構と、
を具備することを特徴とする風力発電装置、が提供される。

この風力発電装置において、発電機構としては、屈曲変位を生じる圧電素子またはコイルと磁石が好適に用いられる。圧電素子を用いる場合には、圧電素子は振動板に貼り付けることができる。一方、コイルと磁石を用いる場合には、その一方を振動板に取り付け、他方を振動板に生じる撓みまたは振動によって振動板に取り付けた一方が移動する際に電磁誘導によりコイルに電流が発生するように所定位置に配置することができる。受風翼は、矩形板をその幅方向で二つ折りした形状を有するものが好適に用いられる。支持棒は、その折り目部分に取り付けることが好ましい。受風翼回帰機構には、スプリング、ゴム、ぜんまいバネが好適に用いられる。

本発明は、受風翼が風力を受けて倒れることで振動板を屈曲させ、その際に受風翼が回転することで受けた風を逃がして元の姿勢に戻ろうとする力を受風翼回帰機構によりアシストし、受風翼が元の姿勢に戻れば再び受風翼が風力を受けて倒れるという一連の動作により、振動板に撓みや振動を生じさせるもので、高い効率で発電することができる。また、本発明の風力発電装置は大きさの設計の自由度が大きく、集積化も容易である。なお、本発明の風力発電装置は、機械的に大きな応力が集中する部分がないので、製品寿命が長い。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１に風力発電装置１の概略構造を表す斜視図を示す。風力発電装置１は、断面略Ｖ字型の受風翼２と、受風翼２に取り付けられた支持棒３と、支持棒３をその軸芯回りに回転自在に保持するベアリング４と、ベアリング４が取り付けられる振動板５と、振動板５を保持する振動板保持台６と、支持棒３に取り付けられた受風翼回帰機構の一例としてのぜんまいバネ７と、ぜんまいバネ７を保持するためのバネ保持部材８と、受風翼２に貼り付けられた圧電素子９と、を備えている。

受風翼２は、矩形板をその幅方向で二つ折りした形状を有するものが好適に用いられ、これは１枚の矩形板を折り曲げ加工したものであってもよいし、２枚の矩形板を接合したものであってもよい。折り曲げ角度θに制限はないが、好ましい折り曲げ角度θは、６０〜１２０度の範囲である。θが６０度よりも小さい場合には、風力を受ける力が小さくなるために、後述する振動板の撓み量や振動振幅が小さくなり、１２０度よりも大きい場合には、受風翼２の支持棒３の軸芯回りの回転が起こり難くなって振動が発生し難くなる。受風翼２には、例えば、金属やエンジニアリングプラスチック、ＦＲＰ等の材料が用いられ、受風翼２はそれ自体が風力を受けても撓み等の変形を起こさないように、その形状（寸法）を設定することが好ましい。

支持棒３は受風翼２その折り目部分に取り付けられる。これらは強固に接合されていることが好ましく、受風翼２と支持棒３は一体成形品であってもよい。この支持棒３もまた、それ自体が屈曲しない程度の機械的強度を有することが好ましい。

ベアリング４は振動板５に取り付けられて、支持棒３を回転自在に保持している。支持棒３を保持する部材はベアリングに限定されるものではないが、支持棒３がその軸芯回りにぶれが少ない状態で回転自在に保持するものを用いることが望ましい。

振動板５は、例えば、矩形の金属板や樹脂板であり、適度な屈曲性とバネ性を有するものが用いられる。圧電素子９は、圧電セラミックスや圧電性樹脂からなる板状またはフィルム状の部材の表裏面に電極が形成されているものであってもよいし（つまり、圧電素子９と振動板５とでユニモルフ素子やバイモルフ素子の構造とする）、ユニモルフ素子やバイモルフ素子あるいは積層型バイモルフ素子等の屈曲変位型圧電素子であってもよい。

圧電素子９の取り付け位置は、図１に示す位置に限定されるものではなく、後述するように振動板５が屈曲する際に、大きく撓む部分（曲率の変化が大きい部分）に設けることが好ましい。また、振動板５には、複数の圧電素子を貼り付けてもよいが、圧電素子が矩形形状の場合には、その長手方向を振動板５の長手方向に一致させることで、撓み量を大きく取ることができ、発電量を大きくすることができる。さらに、圧電素子９を振動板５の表裏面に貼り付けることも好ましい。図１では圧電素子９全体が振動板５に貼り付けられた構造となっているが、圧電素子の一部が振動板５からはみ出るように振動板５に貼り付けてもよい。

ぜんまいバネ７は、その中心部分が支持棒３に取り付けられ、その外周部がバネ保持部材８に取り付けられており、このバネ保持部材８は振動板５に取り付けられている。バネ保持部材８は支持棒３と直接に接合されていなければよいので、例えば、バネ保持部材８は振動板支持台６に取り付けられていてもよい。

図１に示した状態で支持棒３を軸芯回りに一定角度、強制的に回転させる（ねじる）と（回転させる向きは時計回りでも反時計回りでも構わない）、ぜんまいバネ７が変形し、支持棒３を元の状態に戻そうと力が支持棒３に作用する。したがって、支持棒３を芯回りに回転させる力を除去すると、ぜんまいバネ７のバネ力により、支持棒３が元の状態に戻る。風力発電装置１において、このように支持棒３を軸芯回りに一定角度回転させる力は、受風翼２に作用する風力である。

次に、風力発電装置１の主な発電態様について説明する。図２に受風翼２の主な動きを受風翼２の端面の動きで表し、これに対応する振動板５の動きを表した図を示す。風力発電装置１が動作していない状態における受風翼２の位置を「待機位置」と呼ぶこととし、図２に“Ｐ_０”で示す。また、受風翼２が待機位置にあるときの振動板５の上端の位置を図２に“Ｑ_０”で示す。

受風翼２が待機位置Ｐ_０にある状態で、受風翼２の折り曲げ角度θ側の面が風を受けると、振動板５が振動板保持台６との境界部を支点として屈曲し、受風翼２が風下側へ移動する。これと同時に受風翼２の一方の面が風下側へ移動するような回転（ねじれ）が生じ、ぜんまいバネ７が伸びる。こうして受風翼２が最も大きく動いた位置を「第１変位位置」と呼び、図２に“Ｐ_１”で示す。また、受風翼２が第１変位位置Ｐ_１にあるときの振動板５の上端の位置を図２に“Ｑ_１”で示す。

受風翼２および振動板５にこのような動きが生じる原因としては、次のことが考えられる。すなわち、受風翼２の折り曲げ角度θ側の面が風を受けた場合に、その面に均一な力が掛かるならば、受風翼２は回転することなく直線的に風下側に移動すると考えられるが、実際には風力のばらつき等によってそのような移動は起こり難く、そのため、受風翼２は風力を受けて風下側に押されながら（これによって振動板５が撓む）、強く風力が作用している側の面が風下側へ移動するように回転が生じるものと考えられる。

受風翼２には、こうして第１変位位置Ｐ_１に移動した後に、待機位置Ｐ_０に戻る動きが生じ、これと同時に振動板５が元の姿勢（撓みのない状態）に戻る動きが生じる。このように受風翼２が第１変位位置Ｐ_１から待機位置Ｐ_０へ戻る動きが生じる原因としては次のことが考えられる。すなわち、受風翼２が第１変位位置Ｐ_１へ移動すると、受風翼２が受けた風が逃げやすくなって受風翼２が受ける風力が小さくなるために、ぜんまいバネ７のバネ力の方が風力よりも大きくなって受風翼２が元の姿勢に戻る回転が生じ、これと同時に、振動板５を撓ませる力も弱まるので、振動板５にもそのバネ力によって元の姿勢に戻る動きが生じる。

このようにして受風翼２が静止位置Ｐ_０に戻ろうとすると、受風翼２は静止位置Ｐ_０を通り越して逆向きに回転変位しながら風下側へ移動する動きが生じ、振動板５にも再び風下側への撓みが生じる。このときの受風翼２の変位位置を「第２変位位置」と呼び、図２に“Ｐ_２”で示す。

なお、図２においては、受風翼２の第１変位位置Ｐ_１と第２変位位置Ｐ_２のＸ方向変位量を同じとし、また、受風翼２の回転角度も同じとしている（その場合には、受風翼２が第２変位位置Ｐ_２にある場合の振動板５の先端の位置もまた位置Ｑ_１となる）が、これら第１変位位置Ｐ_１と第２変位位置Ｐ_２のＸ方向変位量、受風翼２の回転角度は、ぜんまいバネ７の作用や風力の変化等により異なることが一般的である。

受風翼２に第２変位位置Ｐ_２へ移動する動きが生じる原因としては以下のことが考えられる。すなわち、受風翼２が待機位置Ｐ_０に戻ろうとすると、受風翼２が受ける風力が再び大きくなり、また、受風翼２はそれ自体の運動量に起因する慣性によって待機位置Ｐ_０を超えて反対の向きに回転しようとし、さらに、ぜんまいバネ７が元の状態に戻ろうとするバネ力が受風翼２の回転をアシストする。そのため、これらの力が合わさって、受風翼２が第２変位位置Ｐ_２へ移動する動きが生じると考えられる。

続いて、受風翼２は第２変位位置Ｐ_２から待機位置Ｐ_０へ戻ろうとする。この動きは、受風翼２の第１変位位置Ｐ_１から待機位置Ｐ_０への動きと同様にして生じる。こうして結果的に、受風翼２には、待機位置Ｐ_０（または、受風翼２および振動板５のぶれを考慮すると、待機位置Ｐ_０の近傍である場合もある）を通過して、第１変位位置Ｐ_１と第２変位位置Ｐ_２との間で移動する回動が生じ、その際に、振動板５に撓み振動が生じる。この撓み振動によって圧電素子９が発電し、電力を得ることができる。こうして圧電素子９に発生する電圧は交流となるので、例えば、二次電池等の充電に利用する場合には、ブリッジ整流回路等の整流回路を通して、直流に変換して取り出すことが好ましい。

上述の通りに振動板５に撓み振動を生じさせるために受風翼２が受ける風は、脈動流であってもよく、微弱な定常流でもあってもよい。そのため、風力発電装置１は、無風状態時以外を除いた殆どの状態で駆動させることができるので、高い駆動効率を実現することができる。

図３に別の風力発電装置１０の概略構造を表す斜視図を示す。この風力発電装置１０は、先に説明した風力発電装置１と比べると、ぜんまいバネ７に代えてスプリング１７を、圧電素子９に代えてコイル１９ａと磁石（永久磁石）１９ｂを、用いたものであり、受風翼２、支持棒３、振動板５の動きは、風力発電装置１と同じである。

スプリング１７を保持するためのスプリング保持部材１８は、支持棒３に取り付けられた第１スプリング保持部材１８ａと、振動板５に取り付けられた第２スプリング保持部材１８ｂから構成されている。受風翼２が風力を受けて回転して支持棒３が軸芯回りに回転するとスプリング１７が伸び、この伸びたスプリング１７が受風翼２を元の位置に戻そうとして縮む。風力発電装置１０では、スプリング１７の代わりにゴムを用いることも好ましい。第２スプリング保持部材１８は、振動板５に固定しなければならないものではない。例えば、振動板保持台６から鉛直方向に延びる棒を設け、この棒の先端にスプリング１７を取り付けた構成としてもよい。

図３では振動板５にコイル１９ａを取り付けた構造を示したが、磁石１９ｂを振動板５に取り付けてもよい。振動板５が先に図２を参照しながら説明したように撓み振動すると、コイル１９ａと磁石１９ｂとの距離に変化が生じ、電磁誘導により発電する。なお、図３において、コイル１９ａを振動板５の両面に設け、磁石１９ｂを振動板５を挟んで２カ所に設けることも好ましい。また、振動板５において最も大きく変位する部分は、振動板保持台６とは反対側の端面であるから、その端面側に近い位置にコイル１９ａを設け、その位置に合わせて磁石１９ｂを配置することも好ましい。

上述の通りに説明した風力発電装置１・１０は、支持棒３の動きに支障が生じないように、受風翼２と支持棒３の一部を除いて箱体内に格納配置することも好ましく、必要に応じて箱内へ水が浸入しない、または浸入し難い構成とすることが好ましい。このように箱体に収容した構造とすることで、集積配置が容易となる。風力発電装置１・１０の設置方向には限定はなく、受風翼２を下側に向けた倒立姿勢で配置してもよいし、横倒しにして配置してもよい。

風力発電装置１・１０の集積設置例としては、ビルの屋上、戸建て住宅やマンションの敷地外周に設ける垣根、海岸線等の防風林、高速道路等の防風壁等が挙げられ、このように従来は発電機能を付与することが困難であった場所への設置が可能になることで、化石燃料を用いないクリーンなオンサイト発電を促進し、既存の大規模発電施設への電力依存を軽減することができる。また、風力発電装置１・１０の大型のものは、既存のプロペラ式の風力発電設備に置き換えて設置することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、受風翼２の運動の態様は図２に示したものに限定されるものではなく、風向きによっても変化し、結果的に振動板５を撓ませることができれば、発電が生じる。例えば、受風翼２が受風翼２の折り曲げ角度θの反対側から風力を受けた場合（＋Ｘの逆向き）に、受風翼２にその風下側へ移動するような動きが生じた場合にも振動板５は屈曲し、これにより圧電素子９が発電する。このように、振動板５を撓ませるように受風翼２を動かすことができれば、受風翼２にあたる風の向きに制限はない。

受風翼２は、図１，図３に示すものに限定されるものではない。図４に、本発明の風力発電装置に適用することができる別の受風翼２ａの概略斜視図を示す。この受風翼２ａのように、断面が所定の曲率を有する円弧状のものであっても、風力を受けて回転すると受けた風が逃げて、ぜんまいバネ７等のバネ力により元の姿勢に戻るような動きが生じる。さらに、受風翼２，２ａをその端面側が中央部に比べて細くなるような形状としてもよいし、一端が他端よりも細くなっている形状としてもよい。

本発明の風力発電装置は、大型のものは大電力発電装置として好適であり、中・小型のものは小型発電装置として、各種電気機器の運転や充電装置として好適である。

風力発電装置の概略構造を示す斜視図。 風力発電装置の発電メカニズムを示す図。 別の風力発電装置の概略構造を示す斜視図。 別の受風翼の概略構造を示す斜視図。

符号の説明

１・１０；風力発電装置
２・２ａ；受風翼
３；支持棒
４；ベアリング
５；振動板
６；振動板保持台
７；ぜんまいバネ
８；バネ保持部材
９；圧電素子
１７；スプリング
１８；スプリング保持部材
１８ａ；第１スプリング保持部材
１８ｂ；第２スプリング保持部材
１９ａ；コイル
１９ｂ；磁石

Claims (5)

1. 断面形状が略Ｖ字状または所定の曲率の孤状である受風翼と、
   前記受風翼を支持する支持棒と、
   前記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、
   前記軸保持手段が取り付けられる振動板と、
   前記振動板を保持する振動板保持手段と、
   前記受風翼が風力を受けていない状態で前記受風翼を所定位置に保持し、前記受風翼が風力を受けて前記受風翼と前記支持棒とが一体的に回転したときに、前記受風翼を前記所定位置に戻すように前記支持棒の動きを制御する受風翼回帰機構と、
   前記受風翼が風力を受けることによって前記振動板に発生する撓みまたは振動を利用して発電する発電機構と、
   を具備することを特徴とする風力発電装置。
2. 前記発電機構は屈曲変位を生じる圧電素子であり、当該圧電素子は前記振動板に貼り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記発電機構はコイルと磁石であり、前記コイルと磁石のうちの一方は前記振動板に取り付けられ、他方は前記振動板に生じる撓みまたは振動によって前記一方が移動する際に電磁誘導により前記コイルに電流が発生するように所定位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
4. 前記受風翼は、矩形板をその幅方向で二つ折りした形状を有し、その折り目部分に前記支持棒が取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
5. 前記受風翼回帰機構は、スプリング、ゴム、ぜんまいバネのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の風力発電装置。

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