JP2007198175A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力を用いて振動体を振動させ、これにより屈曲型の圧電素子をその破壊を抑制しながら振動させて発電させることができる風力発電装置を提供する。
【解決手段】風力発電装置１０は、平坦なテープ状をなし、その長手方向に所定の張力が掛かるように長手方向端が保持される振動体１１と、振動体１１の長手方向端の少なくとも一方に設けられた、矩形板状の圧電素子１２を有する。振動体１１がその主面と平行な方向に吹く風によって弧状振動し、その振動により圧電素子１２を屈曲させて電気エネルギーを取り出す。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は風力によって振動を発生させ、この振動エネルギーを電気エネルギーに変換して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、流体の力を利用した発電装置が注目されている。例えば、振動体である円柱に流体によって励起される振動をもとに、コイルおよび永久磁石を用いた電磁誘導により直接発電を行う方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、この特許文献１によれば、振動体として、斜張橋の吊りワイヤや高圧電線等を利用することができることが述べられている。また、特許文献１には、円柱状振動体の振動を圧電素子に与えて圧電素子に剪断変形を生じさせ、これにより電気エネルギーを得る方法が開示されている。

これと同様に、円柱状のものを振動体として用いてエネルギーを取り出す機構として、円柱状のケーブルを用いる方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に開示された技術では、ケーブルが風力を受けることによって発生する振動でダイヤフラムを作動させる油圧装置が開示されている。この油圧装置に電磁誘導発電装置を適用すれば、特許文献１に開示された発電装置と同様の発電装置が実現されるものと考えられる。

このような円柱状の振動体では、その長手方向に垂直な方向からであればどの方向から風があたっても振動が発生する。換言すれば、円柱状振動体は、振動を良好に発生させるための風向きの指向性が低い。そのため、風向きによって稼働率が変わる等の問題が発生し難く、電磁誘導発電装置の駆動には適していると考えられる。

しかしながら、このような発電装置に、コンパクト化・集積化が容易で、大きな電気エネルギーを得ることが容易なバイモルフ素子等の屈曲型圧電素子を適用する場合、単純に屈曲型圧電素子の長手方向を円柱状振動体の長手方向と平行または垂直に配置した構造のものでは、振動体の風向きの指向性が低いことによって、屈曲型圧電素子にねじれや剪断を生じさせる応力が作用してしまい、破壊されてしまうという問題がある。
特開２００１−１５７４３３号公報（段落［００６０］，［００９８］，図４，図１０等） 米国特許第４０２４４０９号明細書

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、風力を用いて振動体を振動させ、これにより屈曲型圧電素子をその破壊を抑制しながら振動させて発電させることができる風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点によれば、平坦なテープ状をなし、その長手方向に所定の張力が掛かるように長手方向端が保持される振動体と、前記振動体の長手方向端の少なくとも一方に設けられた，矩形板状の圧電素子を有する圧電発電ユニットとを具備し、前記振動体がその主面と平行な方向に吹く風によって弧状に振動し、その振動により前記圧電素子を屈曲させて電気エネルギーを取り出すことを特徴とする風力発電装置、が提供される。

本発明の第２の観点によれば、断面略Ｌ字型でテープ状をなし、その長手方向に所定の張力が掛かるように長手方向端が保持される振動体と、前記振動体の少なくとも一方の長手方向端に設けられた，矩形板状の圧電素子を有する圧電発電ユニットとを具備し、前記振動体がその内角側で風を受けて弧状に振動し、その振動により前記圧電素子を屈曲させて電気エネルギーを取り出すことを特徴とする風力発電装置、が提供される。

これらの風力発電装置では、圧電発電ユニットは圧電素子そのものであってもよい。すなわち、振動体の長手方向端部に直列的に圧電素子が取り付けられていてもよい。また、平坦なテープ状の振動体の場合、その主面の長手方向端近傍に圧電素子が貼り付けられていてもよい。

圧電発電ユニットとしては、矩形の補強板と、前記補強板の各主面にその長手方向の中央部で離間するように貼り付けられた圧電板とを具備する圧電素子を用い、このような圧電素子をＳ字型に屈曲、振動させるものが好適である。

圧電発電ユニットの１つの態様は、複数のこのような圧電素子を、その主面が平行かつその厚み方向で離間するようにその長手方向端で保持する一対の保持治具を具備するものである。この場合、圧電素子の長手方向が振動体の長手方向と平行で、かつ、圧電素子の主面が振動体の弧状に振動の振幅方向と直交するように、一対の保持治具の一方を振動体の長手方向の一端に取り付け、他方を構造物等に不動に固定する。

圧電発電ユニットの別の態様は、２個の圧電素子をその主面が平行かつその厚み方向で離間するようにその長手方向端で保持する非拘束な連結部材と、これら２個の圧電素子の一方の長手方向他端を保持するとともに振動体の一端に取り付けられる第１の保持部材と、２個の圧電素子の他方の長手方向端を保持するとともに所定位置に不動に固定される第２の保持部材とを具備するものである。

圧電発電ユニットのさらに別の態様は、複数の圧電素子をその主面が平行かつその厚み方向で離間するようにその長手方向端で保持する一対の保持治具とを具備するものであり、圧電素子の主面が振動体の長手方向と直交するように、一対の保持治具の一方を振動体の長手方向の一端に取り付け、他方を構造物等に不動に固定する。

圧電発電ユニットのさらに別の態様は、複数の圧電素子をその主面が平行かつその厚み方向で離間するようにその長手方向端で保持する，四角枠状の保持治具を具備するものである。この保持治具は対向する辺が平行を維持したまま剪断変形自在に構成されており、１つの頂点部を振動体の長手方向端部に取り付け、この頂点部と対向する頂点部を固定する。

さらに別の発電ユニットとして、振動体の長手方向の少なくとも一端を圧電素子の主面の中央部に取り付け、この圧電素子を保持する保持部材は、この圧電素子をその長手方向端でその主面が振動体の長手方向と直交するように保持し、圧電素子において振動体が取り付けられていない主面の中央部に圧電素子の屈曲振動が補助するための弾性体、例えば、バネやゴムが取り付けられた構造を有するものも好適である。このような発電ユニットの場合、さらに保持部材として、圧電素子を双安定状態の一方の姿勢で保持するものを用いると、圧電素子の屈曲を急峻に行わせることができ、より好ましい。

本発明の風力発電装置によれば、平坦なテープ状の振動体では、その主面に略平行に吹く風によって弧状に振動し、この振動を利用して圧電素子を屈曲振動させるので、圧電素子には屈曲とは異なる変形を生じさせる応力が掛かり難く、これにより圧電素子の破壊を防止することができる。また、このような振動体に発生する弧状の振動は、振動速度が速いために圧電素子の変形が速く、これにより大きな電気エネルギーを取り出すことができるという利点がある。さらに、圧電素子の集積化が容易であり、大きな電気エネルギーを得ることができるという利点もある。断面略Ｌ字型のテープ状振動体を用いた場合も、その内角側が風を受けることで同様の弧状に振動し、これにより圧電素子を駆動することができる。

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１Ａに本発明の実施形態に係る風力発電装置１０の概略構造を表した斜視図を示す。また、図１Ｂに風力発電装置１０における振動体１１の振動態様を模式的に表した側面図を示す。

この風力発電装置１０は、平坦なテープ状の振動体１１と、振動体１１の長手方向の両端に設けられた矩形板状の圧電素子１２と、振動体１１の長手方向に所定の張力が掛かるように振動体１１の両端を保持する保持部材１３とを備えている。

振動体１１は、例えば、プラスチックや金属からなる。平坦なテープ状の振動体１１とは、後述するように、振動体１１の主面（振動体１１の長手方向に垂直な断面の長辺側の面）と略平行に風が吹いたときに、その風によって図１Ｂに示すように、弧状にその凹凸の向きが入れ替わるように変形することが繰り返される振動が発生するものをいう。振動体１１の形状と張力は、設置場所と、予め設定された駆動風力に基づいて計算によりまたは実験的に決定される。

圧電素子１２は、所謂、バイモルフ素子やユニモルフ素子等であり、金属板や樹脂板、セラミックス板等の補強板の少なくとも一方の主面に、圧電セラミックス薄板等の薄板状圧電体が貼り付けられた構造を有している。圧電素子１２の一端は保持部材１３に固定されている。例えば、圧電素子がバイモルフ素子である場合、その補強板の一端保持部材１３に固定することができる。このとき、薄板状圧電体の一部も固定されていることが好ましい。これにより圧電素子１２は、後述するように、振動体１１の弧状振動にしたがって屈曲し、発電する。なお、図１Ａ，図１Ｂでは、圧電素子１２を簡略化して示している。

風力発電装置１０では、図１Ｂに示されるように、振動体１１の主面に圧電素子１２の主面を貼り付けた構造としているが、これに限定されるものではなく、例えば、圧電素子の長手方向と振動体の長手方向端とが接合された構造であってもよいし、振動体に直接に薄板状の圧電体が貼り付けられた構造であってもよい。また、振動体１１の長手方向の両端両主面に圧電素子１２を設けているが、圧電素子１２は振動体１１の長手方向の片端片主面にのみ設けられていてもよい。さらに、圧電素子１２の幅を振動体１１の幅とほぼ同じとしているが、圧電素子１２の幅は振動体１１の幅よりも広くなっていてもよいし、逆に、狭くなっていてもよい。

保持部材１３は不動であり、例えば、コンクリート構造物や金属構造物等の不動な構造物１８に取り付けられる。構造物１８が不動であるとは、振動体１１に対して不動という意味であり、例えば、振動体１１と構造物１８は一体的に移動可能であってもよい。

風力発電装置１０では、振動体１１に常に一定の張力が掛けられているために、どの方向から風が吹いても、ねじれ変形や剪断変形が生じ難く、したがって、圧電素子１２は破壊し難い。

風力発電装置１０では、図１Ａに示すように振動体１１の主面と略平行なＸ方向に風が吹いたときに、振動体１１には図１Ｂに示すように、Ｙ方向に膨らむように弧状に、かつ、その凹凸が入れ替わるように変形することが繰り返される振動（以下「弧状振動」と呼ぶこととする）が生じる。この弧状振動によって、圧電素子１２に屈曲振動が発生する。

振動体１１に発生する弧状振動は定常波振動であり、しかも共振振動であることが多く、そのため振動速度が速いという特徴を有している。これにより圧電素子１２は大きな電気エネルギーを発生させることができる。振動体１１に生じる振動は図１Ｂに示すような一次振動に限定されることなく、二次以上の振動であってもよい。

なお、圧電素子１２では、振動体１１の主面と略垂直に風が吹くと、その主面が風を受けることによって弧状の変形は発生するが、弧状振動は発生し難く、大きな電気エネルギーを取り出すことは困難である。

圧電素子１２から得られる電気は交流であり、最高電圧も振動振幅や振動速度によって異なるので、整流ブリッジ回路等を介して、直流として取り出すことが好ましい。取り出した電気エネルギーは、直接に各種電気製品等を運転するために用いてもよいし、コンデンサや二次電池に蓄えて、後に用いるようにしてもよい。

風力発電装置１０では、振動体１１の主面と圧電素子１２の主面とを平行としたが、図２に示す風力発電装置１０Ａのように、圧電素子１２をその主面が振動体１１の主面と直交するように配設してもよい。図２において、符号１４ａは圧電素子１２を保持するための保持部材であり、符号１４ｂは圧電素子１２と振動体１１とを連結するための連結部材である。

この図２に示した風力発電装置１０Ａでは、振動体１１の弧状振動によって連結部材１４ｂが振動体１１側に引き上げられることによって、圧電素子１２が屈曲し、発電する。圧電素子１２の自由端（連結部材１４ｂ側）にはバネ１５が連結部材１４ｂと構造物１８との間に設けられており、このバネ１５は、振動体１１側に引き上げられた連結部材１４ｂを引き戻すことによって圧電素子１２の屈曲振動を補助する。

圧電素子１２をその主面が振動体１１の主面と直交するように配設した別の風力発電装置１０Ｂの概略構造を図３Ａ，図３Ｂに示す。この風力発電装置１０Ｂでは、振動体１１の下端に連結棒１６ａが取り付けられており、圧電素子１２は双安定状態で保持部材１６ｂに保持されている。連結棒１６ａは保持部材１６ｂに設けられた穴部に挿通されており、その変位がＺ方向に制限されている。連結棒１６ａは圧電素子１２の主面の中央部に取り付けられている。

圧電素子１２を双安定状態で保持するとは、圧電素子１２にその長手方向に圧縮力を作用させることにより圧電素子１２を屈曲させた状態に保持し、その屈曲の向きを反転させるような一定の力が作用したときにはその屈曲状態が瞬時に反転するように保持されている状態をいう。

圧電素子１２には、圧電素子１２を介して連結棒１６ａと対向する位置にバネ１７が取り付けられている。このバネ１７により、振動体１１が直線状のときには、図３Ａに示すように、圧電素子１２は下に凸の状態で、双安定状態で保持されている。

風力発電装置１０Ｂでは、振動体１１に弧状振動が発生した際には、連結棒１６ａの変位はＺ方向での変位振動となる。図３Ｂに示すように、振動体１１の弧状振動が連結棒１６ａを上に引き上げる力によって圧電素子１２は上に凸となるように変形し、このときに電気が発生する。連結棒１６ａが下に下がる際には、バネ１７によって圧電素子１２は下に凸な状態に戻り、このときにも圧電素子１２が発電する。このようにバネ１７は、圧電素子１２の屈曲振動を補助する役割を果たす。圧電素子１２の双安定状態間遷移を利用すれば、変形が瞬時に起こるために、大きな電気エネルギーを得ることができるようになる。

この風力発電装置１０Ｂのさらなる変形例として、圧電素子１２の長手方向に圧縮力を加えることなく圧電素子１２を平坦な姿勢で保持した形態が挙げられる。図３Ｃは、このような変形例において振動体１１が静止しているときの圧電素子１２の状態を示している。この場合にも、振動体１１の弧状振動によって連結棒１６ａはＺ方向に変位振動し、これにより圧電素子１２に屈曲振動が生じて電気エネルギーを取り出すことができる。

次に本発明の実施形態に係るさらに別の風力発電装置について説明する。図４Ａに風力発電装置２０の概略側面図を示す。この風力発電装置２０は、テープ状の振動体１１（風力発電装置１０のものと同じで、以下同様とする）の長手方向の一端に圧電発電ユニット（以下、「発電ユニット」と記す）２１が設けられた構造を有している。

発電ユニット２１は、３個の圧電素子２２と、これらの圧電素子２２をその主面が平行かつその厚み方向（Ｙ方向）で離間するようにその長手方向（Ｚ方向）端で保持する一対の保持治具２４ａ，２４ｂとを有している。なお、圧電素子２２の数は３個に限定されるものではないが、２個以上である。

なお、先に説明した風力発電装置１０では、圧電素子１２そのものが発電ユニットであり、風力発電装置１０Ａ，１０Ｂでは、圧電素子１２およびその周辺の構造部品が発電ユニットを構成している。

圧電素子２２の長手方向と振動体１１の長手方向は平行であり、かつ、振動体１１の主面と圧電素子２２の主面も平行である。図４Ａでは、振動体１１と圧電素子２２の幅方向は紙面に垂直な保持治具２４ａは構造物１８に不動に固定され、他方の保持治具２４ｂは振動体１１の一端に取り付けられている。振動体１１の他端は保持部材１３を介して不動な構造物１８に取り付けられている。

図４Ｂに圧電素子２２の構造をより詳細に表した側面図を示す。この図４Ｂは図４Ａの拡大図に相当する。圧電素子２２は、矩形の補強板２３と、補強板２３の各主面にその長手方向の中央部で離間するように貼り付けられた４枚の圧電板２５ａ〜２５ｄを有している。圧電板２５ａ〜２５ｄの構造は詳細には示していないが、それぞれ、圧電セラミックス薄板の両面に電極膜が形成され、厚み方向に分極された構造を有している。この分極の向きは図４Ｂに示した圧電板２５ａ〜２５ｄの中に矢印で示されている。

ここでは、補強板２３は金属箔であるとする。したがって、例えば、圧電板２５ａでは、圧電板２５ａの補強板２３側の電極（図示しない）は補強板２３と導通している。補強板２３を介して対向する圧電板（つまり、圧電板２５ａ，２５ｂの組、圧電板２５ｃ，２５ｄの組）は分極の向きが同じであり、補強板２３の長手方向中央部を介して対向する圧電板（つまり、圧電板２５ａ，２５ｃの組、圧電板２５ｂ，２５ｄの組）では分極の向きが反対となっている。そして、圧電板２５ａ〜２５ｄの外表面どうしがリード線２６で結線され、補強板２３を共通電極として用いている。

風力発電装置２０における振動体１１の振動の態様は、風力発電装置１０における振動の態様と同じである。しかし、風力発電装置２０では、３枚の圧電素子２２はＹ方向に並べて平行（並列）に固定されているために振動体１１と同じように弧状に変形することができず、振動体１１が保持治具２４ｂを実質的にＹ方向で変位させる振動を発生させ、３個の圧電素子２２にはＳ字型屈曲を伴う振動が生じる。

図４Ｃに圧電素子２２のＳ字型屈曲振動の態様を模式的に示す。圧電素子２２がＳ字型に変形するとは、図４Ｃ左図に示すように、圧電素子２２を側面から見たとき（図４Ａ，図４Ｂに示すようにＸ方向から見たとき）に、保持治具２４ｂがＹ方向左側へ移動したときには、圧電素子２２の長さ方向のほぼ中央部を変極点として、上側が左に凸に、下側が右に凸に撓むことをいい、また、その逆の変形、すなわち図４Ｃ右図に示すように、保持治具２４ｂがＹ方向右側へ移動したときには、圧電素子２２の長さ方向のほぼ中央部を変極点として上側が右に凸に、下側が左に凸に撓むことをも指す。

風力発電装置２０では、振動体１１に先に図１Ｂに示した振動が生じることによって、圧電素子２２に図４Ｃ左図の状態と図４Ｃ右図の状態との間を遷移するＳ字型屈曲振動が生じ、これにより電気エネルギーが得られる。

図４Ｃ左図の状態によれば、圧電素子２２において、圧電板２５ａ，２５ｄには引張応力がかかり、圧電板２５ｂ，２５ｃには圧縮応力がかかる。一方、図４Ｃ右図の状態では、圧電板２５ａ，２５ｄには圧縮応力がかかり、圧電板２５ｂ，２５ｃには引張応力がかかる。いずれの場合でも、圧電板２５ａ，２５ｄはともに分極の向きが補強板２３側から外表面側に向かう方向であり、圧電板２５ａ，２５ｄはともに分極の向きが外表面側から補強板２３側に向かう方向となっているので、結果的に、圧電板２５ａ〜２５ｄに生ずる起電力の正負は補強板側で同じとなり、外表面側でも同じとなる。こうして、圧電板２５ａ〜２５ｄで発生する電気エネルギーを相殺させることなく、取り出すことができる。

なお、風力発電装置２０では、振動体１１の片端にのみ発電ユニット２１を配置したが、発電ユニット２１は振動体１１の両端にそれぞれ設けてもよい。また、圧電素子２２のようにＳ字型屈曲を生じさせることによって電気エネルギーを取り出す圧電素子の場合には、必ず２枚の圧電板には同時に引張応力が掛かり、２枚の圧電板には圧縮応力が掛かるので、全ての圧電板で分極の向きを同じとするか、または、補強板を介して対向する圧電板で分極の向きを反対とし、補強板の長手方向中央部を介して対向する圧電板で分極の向きを同じとしてもよい。この場合、補強板を共通電極として用いることはできないので、例えば、補強板として、絶縁材料からなるものや、金属板であってもその表面に絶縁層が形成されているもの等を用いることが必要となる。

先に説明した風力発電装置１０を風力発電装置１０Ａに変形したのと同様にして、風力発電装置２０もまた、振動体１１の主面と発電ユニット２１を構成する圧電素子２２の主面とが直交するように、振動体１１に発電ユニット２１を取り付けてもよい。その場合にも、圧電素子２２にはＳ字型屈曲振動を発生させることができる。

次に振動体１１の長手方向端に取り付けられる発電ユニットの別の形態について説明する。図５Ａに発電ユニット３１の概略構造を表した断面図を示す。この発電ユニット３１は、４個の圧電素子２２ａ〜２２ｄ（発電ユニット２１を構成するものと同じ）と、２個の圧電素子２２ａ，２２ｂをその主面が平行かつその厚み方向（Ｚ方向）で離間するようにその長手方向端で保持する非拘束な連結部材３２ａと、同様に２個の圧電素子２２ｃ，２２ｄを保持する連結部材３２ｂと、円柱状の支柱３５と、支柱３５にＺ方向に移動自在に挿通され、２個の圧電素子２２ａ，２２ｃの長手方向他端を保持する第１保持部材３４ａと、支柱３５に固定され、２個の圧電素子２２ｂ，２２ｄの長手方向端を保持する第２保持部材３４ｂと、を備えている。

振動体１１の一端は第１保持部材３４ａに取り付けられ、支柱３５は構造物１８に不動に固定されている。第１保持部材３４ａは、所謂リニアブッシュとして機能するものである。連結部材３２ａ，３２ｂには、軽量で剛性が大きく、変形し難い材料、例えば、軽金属，軽金属合金、エンジニアリングプラスチック等が好適である。

図５Ｂに発電ユニット３１における圧電素子２２ａ〜２２ｄの変形を模式的に示す。この発電ユニット３１では、振動体１１に図１Ｂに示した弧状振動が発生すると、第１保持部材３４ａには、第１保持部材３４ａをＺ方向に引き上げる力が作用すると同時に、Ｙ方向へスライドさせる力も作用する。しかし、第１保持部材３４ａは、支柱３５の長手方向であるＺ方向にのみ移動できる構造となっている。そのため、結果的に、振動体１１は保持部材３４ａをＺ方向に変位振動させる。

図５Ｂに示されるように、第１保持部材３４ａが図５Ａに示される位置よりもＺ方向上向きに変位すると、圧電素子２２ａ，２２ｃにＳ字型屈曲が生じて、これらが発電する。そして、連結部材３２ａ，３２ｂは非拘束状態、つまりフリーな状態にあるので、圧電素子２２ａ，２２ｃはＳ字型屈曲しながら連結部材３２ａ，３２ｂをそれぞれ持ち上げ、こうして連結部材３２ａ，３２ｂが上側に移動する。この連結部材３２ａ，３２ｂの移動によって、圧電素子２２ｂ，２２ｄにもＳ字型屈曲が生じ、これらが発電する。

このように、発電ユニット３１では、基本的に、図５Ａに示した状態と図５Ｂに示した状態との間を遷移するように、圧電素子２２ａ〜２２ｄにＳ字型屈曲振動が発生し、これによって電気エネルギーを取り出すことができる。

図５Ａに示した発電ユニット３１は、図６Ａの側面図および図６Ｂの平面図に示す構造を有する発電ユニット３１Ａに変形することができる。この発電ユニット３１Ａは、発電ユニット３１の第１保持部材３４ａを、Ｚ方向に一定の間隙を設けて圧電素子２７を並べて保持することができる別の第１保持部材３４ｃに替え、第２保持部材３４ｂもまたＺ方向に一定の間隙を設けて圧電素子２７を並べて保持することができる別の第２保持部材３４ｄに替えた構造を有している。

第１保持部材３４ｃと第２保持部材３４ｄは、Ｚ方向に３個以上の圧電素子２７を並べて保持することができるものでもよい。圧電素子２７の他端を保持する連結部材３２ｃ，３２ｄとしては、ボルト３７と、このボルト３７と螺合するネジ穴が設けられた所定の厚さのスペーサ３６とからなるものを例示している。

圧電素子２７は、図６Bに示されるように、補強板２８の幅方向（Ｘ方向）にも圧電板２９が並べられた構造を有している。このような構造は、例えば、補強板２８のサイズが大きくなった場合に好適に用いられる。補強板２８の幅方向には、図６Ｂに示す２列に限定されず、３列以上の圧電板２９を配置してもよい。なお、図６Ｂの圧電板２９に示す「＋」「−」の表示は、図示された圧電板２９の表面の分極時の極性を示している。

この発電ユニット３１Ａにおける圧電素子２７の発電態様は発電ユニット３１と同じであるので、ここでの説明は省略するが、発電ユニット３１Ａでは発電ユニット３１と比較すると、より大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

ところで、発電ユニット３１では、４個の圧電素子２２を用いた構成としたが、１個の連結部材とこれに保持された２個の圧電素子を１組として、第１，第２保持部材３４ａ，３４ｂの外周に放射状にこれを複数組配置した構造、すなわち、Ｚ方向から見たときに連結部材どうしを結ぶと、正三角形，正方形，正五角形，正六角形，正八角形となるように圧電素子と連結部材とが放射状に配置された構造とすることもできる。発電ユニット３１Ａもこれと同様に変形できることは言うまでもない。

また、発電ユニット３１Ａのさらなる変形例として、支柱３５を設けない構造が挙げられる。すなわち、第２保持部材３４ｄを直接に構造物１８に固定し、第１保持部材３４ｃが、圧電素子２７と連結部材３２ｃ，３２ｄを介して支持されるとともに振動体１１によっても吊支されることにより所定の位置に位置決めされた構造としてもよい。

このような構造では、振動体１１に弧状振動が発生すると、振動体１１が第１保持部材３４ｃをＹ方向に変位させる力を作用させるが、圧電素子２７の連結構造によって第１保持部材３４ｃのＹ方向変位が抑制される。圧電素子２７の数が多いほどこのような第１保持部材３４ｃのＹ方向変位抑制効果は大きくなる。

続いて、さらに別の発電ユニットについて説明する。図７Ａに発電ユニット４１の概略構造を表した側面図を示す。この発電ユニット４１は、複数の圧電素子２２と、これらの圧電素子２２をその主面が平行かつその厚み方向で離間するようにその長手方向端で保持する，四角枠状の保持治具４２から構成されている。

この保持治具４２は、棒状の枠部材４２ａ〜４２ｄから構成され、枠部材４２ａ，４２ｂにはそれぞれ圧電素子２２を保持するための突起部４８が設けられている。棒状の枠部材４２ａ〜４２ｄは、枠部材４２ａと枠部材４２ｂが平行で、かつ、枠部材４２ｃと枠部材４２ｄが平行となるように、支点４４ａ〜４４ｄにおいて互いに回動自在に連結されている。これにより、保持治具４２は対向する枠部材どうしが平行を維持したまま剪断変形自在である。

図７Ａには、支点４４ｄの位置が変化することのないように（但し、支点４４ｄ回りに、枠部材４２ｂ，４２ｄは回動可能である）、支点４４ｄが係止部材４６ａにより係止された状態を示している。また、支点４４ａ回りに枠部材４２ａ，４２ｃが回動可能な状態で、支点４４ａは係止部材４６ｃにより係止されており、係止部材４６ｃが振動体１１に取り付けられている。

図７Ｂに発電ユニット４１の駆動態様を示す。振動体１１に図１Ｂに示した弧状振動が発生すると、係止部材４６ｃにＺ方向変位を生じさせる力Ｆが作用する。なお、係止部材４６ｃには、係止部材４６ｃをＹ方向へも変位させるような力が作用するが、図７Ａ，６Ｂに示されるように支点４４ｄだけが係止されている場合には、係止部材４６ｃをＹ方向に変位させる力は保持治具４２を支点４４ｄ回りに回転させる力となって、圧電素子２２のＳ字型屈曲には大きな影響を及ぼさないと考えられる。

この力Ｆによって、保持治具４２は、支点４４ａがＺ方向に持ち上げられ、支点４４ｂ，４４ｃどうしが互いに接近するように、平行四辺形に変形する。発電ユニット４１では、図７Ａに示した状態と図７Ｂに示した状態との間を遷移するように、圧電素子２２にＳ字型屈曲振動が発生し、発電する。

図７Ｃに保持治具４２の別の係止形態およびその場合の発電ユニット４１の駆動態様を示す。この図７Ｃに示すように、支点４４ｃ回りに枠部材４２ｃが回動自在で、支点４４ｄ回りに枠部材４２ｄが回動自在となるように、枠部材４２ｂを係止部材４６ｂにより固定してもよい。この場合にも、支点４４ａに作用する力Ｆによって支点４４ａが斜め上方に引き上げられて保持治具４２が平行四辺形に変形し、これにより圧電素子２２がＳ字型に変形し、発電する。

なお、図７Ｃに示す状態と同様に、保持治具４２は、支点４４ｂ回りに枠部材４２ａが回動自在で、支点４４ｄ回りに枠部材４２ｂが回動自在となるように、枠部材４２ｃを係止部材４６ｂにより固定してもよい。

なお、図７Ａ，７Ｂに示したように発電ユニット４１を支点４４ａ，４４ｄで係止する場合には、図７Ｄに示すように、力Ｆが作用する方向つまり支点４４ａと支点４４ｄを結ぶ対角線方向において、支点４４ａ，４４ｄとの間にバネ４７ａを介挿した構造とすることも好ましい。この場合、係止部材４６ａ・４６ｃの形状は、適宜、変形させればよく、バネ４７は発電ユニット４１がX方向対称構造となるように、図示紙面の裏面側にも設けることがより好ましい。バネ４７でＺ方向での平均張力をバランスさせることができ、圧電素子２２に中立点を中心としたＳ字屈曲振動を生じさせることができる。

以上に説明した風力発電装置においては、平坦なテープ状の振動体１１に代えて、図８Ａの斜視図に示すような、長手方向に垂直な断面が略Ｌ字型でテープ状の振動体１１ａを用いてもよい。この振動体１１ａの振動態様を図８Ｂに示す。振動体１１ａは、その内角側の面が風を受けたときに、長手方向軸を中心とした若干の回動を伴いながらＹ方向に弧状に変形する弧状振動が発生し、これによって、振動体１１ａの長手方向端に設けられた発電ユニットを駆動することができる。

振動体１１ａと先に説明した発電ユニット３１との接続形態を図８Ｃに示す。振動体１１ａを直接に第１保持部材３４ａに取り付けると、振動体１１ａに生じる弧状振動により振動体１１ａ自体が損傷するおそれがあるため、図８Ｃに示すように、例えば、振動体１１ａの内角側の角部に棒状の連結部材１４を取り付け、この連結部材１４を第１保持部材３４ａに固定する方法を用いることが好ましい。

次に、上述した風力発電装置２０を例として、これを用いた風力発電システムの一例について説明する。図９の斜視図に示す風力発電システム５０は、複数の風力発電装置２０を、それぞれの振動体１１の主面が平行であり、かつ、それぞれの振動体１１がその厚み方向に一定の間隔で一列に並ぶように、配置した構造を有している。なお、この図９では、発電ユニット２１を簡略的に箱体として示している。風力発電装置２０を保持する構造物５２は、支柱５２ａと、支柱５２ａに懸架されたワイヤ（または棒）５２ｂと、支柱５２ａを支持するための補助支持ワイヤ５２ｃと、発電ユニット２１を固定するための棒状のユニット固定部材５２ｄと、を有している。このような風力発電システム５０では、各風力発電装置２０で発生する電気を整流回路を通して直流化した後に集電することによって、大きな電気エネルギーを得ることができる。

なお、この風力発電システム５０は、強風時における破損・破壊を防止するために、全体が傾倒自在に構成されていることが好ましい。また、発電ユニット２１の自重を利用して振動体１１に一定の張力を掛けることができるので、その場合にはユニット固定部材５２ｄは必ずしも必要ではない。但し、振動体１１の弧状振動時において、発電ユニット２１の保持治具２４ａが実質的に固定されているとみなされる程度に、発電ユニット２１の自重が大きいことが要求される。

このような風力発電システム５０を縦横に配置してシステムを大型化することができる。このとき、振動体１１の主面に平行な方向において振動体１１が一直線上に並ばないようにすることが好ましい。

図１０に別の風力発電システム６０の概略構造を、風力発電装置２０が具備する振動体１１の配置を示すことによって表した平面図を示す。紙面に垂直な方向は振動体１１の長手方向であり、各振動体１１の長手方向端に図示しない発電ユニット２１が取り付けられている。

風力発電システム６０を構成する複数の振動体１１は、その主面が平行で、かつ、その厚み方向（Ｙ方向）および幅方向（Ｘ方向）に所定の間隔で、配置されている。Ｘ方向に風が吹いたときに振動体１１には弧状振動が発生するが、この風力を有効に利用するために、複数の振動体１１はＸ方向において一直線上に位置することのないように並べられている。

この風力発電システム６０をＸ方向から見たときの開口率（振動体１１が配置されている領域において振動体１１により視界が遮られていない部分の割合）は、２０％〜４０％とすることが好ましい。この開口率が小さいと発電システム６０内での風がスムーズに流れず、一方、この開口率が大きいと発電に利用されない風力が多くなる。この開口率を２０％〜４０％とすることにより、風を有効に発電に利用することができる。

このような風力発電システムは、例えば、防風林に代替する設備として、用いることができ、特に風が強く吹く場所には設置することが好ましい。また、ゴルフ練習場のフェンスや、学校等のグラウンドのフェンス等として用いることも好ましい。

風力発電装置の概略構造を示す斜視図。 振動体の振動態様を模式的に示す側面図。 別の風力発電装置の概略構造を示す斜視図。 さらに別の風力発電装置の概略構造を示す図。 図３Ａに示す風力発電装置の駆動態様を模式的に示す図。 図３Ａに示す風力発電装置の変形例を示す図。 さらに別の風力発電装置の概略構造を示す側面図。 図４Ａの風力発電装置を構成する圧電素子の構造を示す側面図。 図４Ｂの圧電素子のＳ字型屈曲振動の態様を模式的に示す図。 別の発電ユニットの概略構造を示す断面図。 図５Ａの発電ユニットにおける圧電素子の変形を模式的に示す図。 図５Ａに示す発電ユニットの変形例の概略構造を示す側面図。 図６Ａに示す発電ユニットの概略構造を示す平面図。 さらに別の発電ユニットの概略構造を示す側面図。 図７Ａの発電ユニットにおける駆動態様を示す図。 図７Ａの発電ユニットにおける別の駆動態様を示す図。 図７Ａの発電ユニットの変形例を示す側面図。 別の振動体の構造を示す斜視図。 図８Ａに示す振動体の弧状振動の態様を模式的に示す図。 図８Ａの振動体と図５Ａの発電ユニットとの接続形態を示す図。 図４Ａの風力発電装置を用いた風力発電システムの概略構造を示す斜視図。 別の風力発電システムの構造を振動体の配置で示した平面図。

符号の説明

１０・１０Ａ・１０Ｂ・２０…風力発電装置、１１・１１ａ…振動体、１２…圧電素子、１３…保持部材、１４・１４ｂ…連結部材、１４ａ…保持部材、１５…バネ、１６ａ…連結棒、１６ｂ…保持部材、１７…バネ、１８…構造物、２１・３１・３１Ａ・４１…発電ユニット、２２・２２ａ・２２ｂ・２２ｃ・２２ｄ…圧電素子、２３…補強板、２４ａ・２４ｂ…保持治具、２５ａ・２５ｂ・２５ｃ・２５ｄ…圧電板、２６…リード線、２７…圧電素子、２８…補強板、２９…圧電板、３２ａ・３２ｂ…連結部材、３４ａ・３４ｃ…第１保持部材、３４ｂ・３４ｄ…第２保持部材、３５…支柱、３６…スペーサ、３７…ボルト、４２…保持治具、４２ａ・４２ｂ・４２ｃ・４２ｄ…枠部材、４４ａ・４４ｂ・４４ｃ・４４ｄ…支点、４６ａ・４６ｂ・４６ｃ…係止部材、４７…バネ、４８…突起部、５０・６０…風力発電システム、５２…構造物、５２ａ…支柱、５２ｂ…ワイヤ（または棒）、５２ｃ…支持ワイヤ、５２ｄ…ユニット固定部材。

Claims (8)

1. 平坦なテープ状をなし、その長手方向に所定の張力が掛かるように長手方向端が保持される振動体と、
   前記振動体の長手方向端の少なくとも一方に設けられた，矩形板状の圧電素子を有する圧電発電ユニットと、
   を具備し、
   前記振動体がその主面と平行な方向に吹く風によって弧状に振動し、その振動により前記圧電素子を屈曲させて電気エネルギーを取り出すことを特徴とする風力発電装置。
2. 断面略Ｌ字型でテープ状をなし、その長手方向に所定の張力が掛かるように長手方向端が保持される振動体と、
   前記振動体の少なくとも一方の長手方向端に設けられた，矩形板状の圧電素子を有する圧電発電ユニットと、
   を具備し、
   前記振動体がその内角側で風を受けて弧状に振動し、その振動により前記圧電素子を屈曲させて電気エネルギーを取り出すことを特徴とする風力発電装置。
3. 前記圧電素子は、矩形の補強板と、前記補強板の各主面にその長手方向の中央部で離間するように貼り付けられた圧電板とを具備し、
   前記圧電発電ユニットは、複数の前記圧電素子と、これら複数の圧電素子をその主面が平行かつその厚み方向で離間するようにその長手方向端で保持する一対の保持治具とを具備し、
   前記圧電素子の長手方向が前記振動体の長手方向と平行で、かつ、前記圧電素子の主面が前記振動体の弧状に振動の振幅方向と直交するように、前記一対の保持治具の一方は前記振動体の長手方向の一端に取り付けられ、他方は不動に固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
4. 前記圧電素子は、矩形の補強板と、前記補強板の各主面にその長手方向の中央部で離間するように貼り付けられた圧電板とを具備し、
   前記圧電発電ユニットは、２個の圧電素子をその主面が平行かつその厚み方向で離間するようにその長手方向端で保持する非拘束な連結部材と、前記２個の圧電素子の一方の長手方向他端を保持するとともに前記振動体の一端に取り付けられる第１の保持部材と、前記２個の圧電素子の他方の長手方向端を保持するとともに所定位置に不動に固定される第２の保持部材とを具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
5. 前記圧電素子は、矩形の補強板と、前記補強板の各主面にその長手方向の中央部で離間するように貼り付けられた圧電板とを具備し、
   前記圧電発電ユニットは、複数の前記圧電素子と、これら複数の圧電素子をその主面が平行かつその厚み方向で離間するようにその長手方向端で保持する一対の保持治具とを具備し、
   前記圧電素子の主面が前記振動体の長手方向と直交するように、前記一対の保持治具の一方は前記振動体の長手方向の一端に取り付けられ、他方は不動に固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
6. 前記圧電素子は、矩形の補強板と、前記補強板の各主面にその長手方向の中央部で離間するように貼り付けられた圧電板とを具備し、
   前記圧電発電ユニットは、複数の前記圧電素子と、これら複数の圧電素子をその主面が平行かつその厚み方向で離間するようにその長手方向端で保持する，四角枠状の保持治具とを具備し、
   前記保持治具は、対向する辺が平行を維持したまま剪断変形自在であり、その１つの頂点が前記振動体の長手方向端部に取り付けられ、この頂点と対向する頂点は所定位置に固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
7. 前記振動体の長手方向の少なくとも一端が前記圧電素子の主面の中央部に取り付けられており、
   前記圧電発電ユニットは、前記圧電素子の主面と前記振動体の長手方向とが直交するように前記圧電素子の長手方向端を保持するための保持部材と、前記圧電素子の屈曲振動を補助するために前記圧電素子において前記振動体が取り付けられていない主面の中央部に取り付けられた弾性体とを具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
8. 前記保持部材は、前記圧電素子を双安定状態の一方の姿勢で保持し、前記弾性体は、前記圧電素子の双安定状態間での屈曲振動を補助することを特徴とする請求項７に記載の風力発電装置。

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