JP2009127600A - 圧電素子を用いた風力発電機並びに風速測定装置及び風力発電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】垂直軸風車、及び、該垂直軸風車の上部又は下部に、該垂直軸風車の中心軸に一端が軸支された複数の垂直板、若しくは、該垂直軸風車の中心軸に固定された軸柱に設けられた複数の垂直溝、を有する風力伝達機構(1)、並びに、
該垂直軸風車と中心軸を共通にする円周上に一端が固定され、円周の内部に垂直に張り出された、屈曲することによって発電する圧電素子部材、及び、該圧電素子部材の固定されていない他端に取り付けられており、上記垂直板若しくは垂直溝から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材に伝えて発電させる受力板、を有する発電機構(2)、を具備する風力発電機。
【選択図】図4
Description
該垂直軸風車と中心軸を共通にする円周上に一端が固定され、円周の内部に垂直に張り出された、屈曲することによって発電する圧電素子部材、及び、該圧電素子部材の固定されていない他端に取り付けられており、上記垂直板若しくは垂直溝から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材に伝えて発電させる受力板、を有する発電機構(2)、
を具備する風力発電機を提供するものである(態様1)。
該垂直軸風車の中心軸に軸支された固定保持部材に一端が固定され、円周の外部に垂直に張り出された、屈曲することによって発電する圧電素子部材、及び、該圧電素子部材の固定されていない他端に取り付けられており、上記垂直溝から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材に伝えて発電させる受力板、を有する発電機構(2)、
を具備する風力発電機を提供するものである(態様2)。
図1〜図4には、風力伝達機構(1)と風力発電機構(2)が示されている。図1は、本発明の風力発電機の好ましい基本構成を有する装置の一例を示すものであり、図2は、本発明の風力発電機の好ましい基本構成を示す上面図であり、図3はその側面図であり、図4は上からの透視図である。
風力伝達機構(1)は、少なくとも、
(a)垂直軸風車10
(b)該垂直軸風車10の上部又は下部に、該垂直軸風車10の中心軸11に一端が軸支された複数の垂直板14、若しくは、該垂直軸風車10の中心軸11に一端が固定された軸柱15に設けられた複数の垂直溝16
によって構成されている。
(c)該垂直軸風車10と中心軸を共通にする円周上に一端が固定され、円周の内部に垂直に張り出された、屈曲することによって発電する圧電素子部材21
(d)前記圧電素子部材21の一端に取り付けられており、上記垂直板14若しくは垂直溝16から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材21に伝えて発電させる受力板23
(e)前記圧電素子部材21の、前記受力板23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24
によって構成されている。
本発明における垂直軸風車とは、風向きに対し回転軸が垂直になっている風車である。垂直軸風車であることによって、風向きの影響を受けずに常に風を受けることができ発電が効率的となり、また、風速が正確に測定でき、特に本発明の特長である瞬間風速の測定にも適用が可能となる。具体的には、例えば、クロスフロー形風車、サボニウス形風車、パドル形(風杯型)風車、ジャイロミル形風車、ダリウス形風車、S形風車等が挙げられる。
本発明における圧電素子部材21は、垂直軸風車10と中心軸11を共通にする円周上に一端が固定され、円周の内部に中心に向かって垂直に張り出している。該圧電素子部材21は、薄手の圧電素子22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、製造が容易である、発熱しない、発電能力の効率からバイモルフ構造が好ましい。また、1個の圧電素子部材21を構成する圧電素子22は複数個であってもよい。
本発明の態様2については、図4(c)に示した。
風力伝達機構(1)は、少なくとも、
(a)垂直軸風車10
(b)該垂直軸風車10の上部、下部又は内部に、該垂直軸風車10と中心軸11を共通にする円筒18の内部に周設された複数の柱19に設けられた垂直溝16
によって構成されている。
(c)該垂直軸風車10の中心軸11に軸支された固定保持部材24
(d)前記固定保持部材24に一端が固定され、円周の外部に垂直に張り出された、屈曲することによって発電する圧電素子部材21
(d)前記圧電素子部材21の固定されていない他端に取り付けられており、上記垂直溝16から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材21に伝えて発電させる受力板23
によって構成されている。
垂直軸風車10は上記態様1で記載した通りである。本発明の風力発電機構(1)には、該風車10と中心軸11を共通にする円筒18の内部に周設された複数の柱19に設けられた垂直溝16を有する。該垂直溝16は、垂直軸風車10の上部、下部又は垂直軸風車10と同一面の内部(垂直軸風車10の内部)の何れにあってもよいが、垂直軸風車10の内部にあることが好ましい。
本発明における圧電素子部材21は、風車10の中心軸11に軸支された固定保持部材24に一端が固定され、中心軸11から円周の方に向かって垂直に張り出している。該圧電素子部材21及び固定保持部材24の構造等は、前記態様1と同様である。
本発明の風速測定装置は、上記した風力発電機を用いたものである。該風速測定装置は、以下の(A)、(B)及び/又は(C)の方法によって風速を測定する。
(A)上記複数の垂直板14又は上記複数の垂直溝16のうち、どの段階のものまでが上記受力板23を押して振動を開始させたかを検知して風速を測定する。
(B)上記複数の垂直板14又は上記複数の垂直溝16から受力板23が周期的に押されて振動する際の振動数を圧電素子部材21が検知して風速を測定する。
(C)上記複数の垂直板14又は上記複数の垂直溝16から受力板23が周期的に押されて振動することによって圧電素子部材21が振動して発電する際の出力電圧又は電力を検知して風速を測定する。
方法(A)は、圧電素子部材21の位置を、該垂直軸風車10の中心軸11からそれぞれ段階的にずらして固定して、風速により、上記複数の垂直板14が、段階的に上記受力板23を押して振動を開始させるようにして風速を測定するものである。すなわち、例えば、図5(a)〜(d)に示すように、垂直板14と受力板23との接触が段階的になるように、垂直板14と受力板23との間隔が、距離tずつ増えていくように設定し、風速に応じて各垂直板14が段階的に受力板23を押して振動を開始させるようにする。図5(a)では、受力板23[1]と垂直板14との距離は、両者が接触しているので0であり、受力板23[2]と垂直板14との距離はtであり、受力板23[3]と垂直板14との距離は2tであり、受力板23[4]と垂直板14との距離は3tである。
方法(B)は、上記複数の垂直板14又は上記複数の垂直溝16から受力板23が周期的に押されて振動する際の振動数を圧電素子部材21が検知して風速を測定する。通常、振動数が大きいほど風速が強いことになる。方法(B)の場合、上記tは0であっても、0でなくてもよい。また、垂直溝16の溝幅は段階的に広げてあっても(図6(a))、段階的に広げてなくて(溝幅が等しくて)もよい(図6(b))。すなわち、方法(B)は、単独で風速を測定しても、方法(A)と組み合わせて風速を測定してもよい。
方法(C)は、上記複数の垂直板14又は上記複数の垂直溝16から受力板23が周期的に押されて振動することによって、その振動を圧電素子部材21に伝え、圧電素子部材21が周期的に振動して発電する際の出力電圧又は電力を検知して風速を測定する。圧電素子部材21からの出力電圧又は電力が大きいほど風速が強いことになる。方法(C)は、単独で風速を測定しても、方法(A)や方法(B)と組み合わせて風速を測定してもよい。
本発明の風力発電装置は、上記した風力発電機を用い、外部に電力を供給できるようにしたものである。また、上記した風速測定装置を用いて測定された風速データを無線送信するための電力供給用としても用いることができる。
図4(a)に示した本発明の風力発電機を用いて、9.69m/s及び12.3m/sの一定風速下での各圧電素子部材21から得られる電圧(V)を測定した。図9に横軸が時間(ms)、縦軸が発電電圧(V)の電圧曲線の一例を示す。
図1と図10に示した本発明の風力発電機を用いて、風速5m/s〜28m/sにおける風速下での各圧電素子部材21から得られる電圧(V)を測定した。ここで、本実施例で用いた風力発電機は、図10に示すように、受力板23と複数の垂直板14が段階的に接触するように、各圧電素子部材21[1]〜[4]を距離t=1mmだけずらして固定した以外は、実施例1と同様のものである。結果を図11に、横軸が時間(ms)、縦軸が出力電圧(V)の電圧曲線として示す。
2・・・・・発電機構
10・・・・・垂直軸風車
11・・・・・中心軸
12a・・・・上円盤
12b・・・・下円盤
13・・・・・半円筒羽根
14・・・・・垂直板
15・・・・・軸柱
16・・・・・垂直溝
17・・・・・台座
18・・・・・円筒
19・・・・・柱
21・・・・・圧電素子部材
21a・・・・圧電素子部材a
21b・・・・圧電素子部材b
21[1]・・圧電素子部材[1]
21[2]・・圧電素子部材[2]
21[3]・・圧電素子部材[3]
21[4]・・圧電素子部材[4]
22・・・・・圧電素子
23・・・・・受力板
23[1]・・受力板[1]
23[2]・・受力板[2]
23[3]・・受力板[3]
23[4]・・受力板[4]
24・・・・・固定保持部材
80・・・・・風速測定装置の測定回路
81・・・・・抵抗
82・・・・・電圧計
90・・・・・風力発電装置の集電回路
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
Claims (10)
- 垂直軸風車、及び、該垂直軸風車の上部又は下部に、該垂直軸風車の中心軸に一端が軸支された複数の垂直板、若しくは、該垂直軸風車の中心軸に固定された軸柱に設けられた複数の垂直溝、を有する風力伝達機構(1)、並びに、
該垂直軸風車と中心軸を共通にする円周上に一端が固定され、円周の内部に垂直に張り出された、屈曲することによって発電する圧電素子部材、及び、該圧電素子部材の固定されていない他端に取り付けられており、上記垂直板若しくは垂直溝から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材に伝えて発電させる受力板、を有する発電機構(2)、
を具備する風力発電機。 - 垂直軸風車、及び、該垂直軸風車の上部、下部又は内部に、該垂直軸風車と中心軸を共通にする円筒の内部に周設された複数の柱に設けられた垂直溝、を有する風力伝達機構(1)、並びに、
該垂直軸風車の中心軸に軸支された固定保持部材に一端が固定され、中心軸から円周に向かって垂直に張り出された、屈曲することによって発電する圧電素子部材、及び、該圧電素子部材の固定されていない他端に取り付けられており、上記垂直溝から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材に伝えて発電させる受力板、を有する発電機構(2)、
を具備する風力発電機。 - 請求項1又は請求項2記載の風力発電機を用いた風速測定装置。
- 上記圧電素子部材と上記受力板の位置を、該垂直軸風車の軸からそれぞれ段階的にずらして固定して、風速により、上記複数の垂直板が、段階的に上記受力板を押して振動を開始させるようにした請求項3記載の風力発電機を用いた風速測定装置。
- 上記複数の垂直溝の溝幅を段階的に広げ、上記受力板との間に段階的にクリアランスを設け、風速により、上記複数の垂直溝が、段階的に上記受力板を押して振動を開始させるようにした請求項3記載の風速測定装置。
- 上記複数の垂直板又は上記複数の垂直溝のうち、どの段階のものまでが上記受力板を押して振動を開始させたかを検知して風速を測定する請求項4又は請求項5記載の風速測定装置。
- 上記垂直板若しくは垂直溝から受力板が周期的に押されて振動する際の振動数を該圧電素子部材が検知して風速を測定する請求項3ないし請求項5の何れかの請求項記載の風速測定装置。
- 請求項3ないし請求項7の何れかの請求項記載の風速測定装置を用いたことを特徴とする瞬間風速測定装置。
- 請求項1又は請求項2記載の風力発電機を用い、外部に電力を供給できるようにした風力発電装置。
- 請求項3ないし請求項7の何れかの請求項記載の風速測定装置を用いて測定された風速データを無線送信するための電力供給用の請求項9記載の風力発電装置。
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