JP2021083281A

JP2021083281A - 発電装置

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Publication number: JP2021083281A
Application number: JP2019211394A
Authority: JP
Inventors: 敬介市毛; Keisuke Ichige; 充佳河上; Mitsuyoshi Kawakami; 建深川; Ken Fukagawa; 英二板倉; Eiji Itakura
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2039-11-22
Also published as: JP7316199B2

Abstract

【課題】発電装置において、発電効率を向上する技術を提供する。【解決手段】発電装置は、可動子と固定子を有し、可動子が固定子に対して往復移動することで電気を発生させる発電部と、一方の端部が可動子に接続される線状部材と、線状部材の他方の端部に接続されており、受けた風圧から揚力を発生させる飛行体と、を備え、飛行体は、揚力を含む空気力によって、線状部材を介して可動子を引っ張ることで、可動子を往復移動の一方向側に移動させ、一方向側に移動した可動子は、位置エネルギを用いて往復移動の他方向側に移動する。【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置に関する。

従来から、飛行体を飛行させて発電する発電装置が知られている。例えば、特許文献１には、タービン駆動発電機を搭載した凧を上空で飛行させ、上空の風を用いてタービンを回して発電する技術が開示されている。また、特許文献２には、アームの一方の端部に接続された凧を上空で旋回飛行させることで、アームの他方の端部に接続されている地上の発電機で発電する技術が開示されている。また、特許文献３には、巻上機に巻かれている制御紐を飛行する凧によって引き出すことで、巻上機に接続する発電機で発電する技術が開示されている。また、特許文献４には、地上に設けられる支柱と、支柱に沿って移動する移動体とを備え、風を受けて移動体が支柱に沿って移動すると、支柱に電気を発生させる技術が開示されている。

特開２０１６−１５５５４７号公報特開２０１４−５１９９１号公報特開２００８−９５５１７号公報国際公開第２００９／１１５２５３号

特許文献１に記載の技術では、凧に搭載されているタービン駆動発電機によって発電された電力は、例えば、タービン駆動発電機に接続された送電線によって地上に送電される。しかしながら、送電線は重量物であるため、凧の飛行特性が悪化し、タービン駆動発電機における発電効率が低下するおそれがある。また、特許文献１に記載の技術では、発電された電力を凧に搭載した蓄電池に蓄電し、凧を回収してから利用する方法も考えられるが、電力を利用するたびに凧を回収する必要があるため、発電効率を向上することが困難である。特許文献２に記載の技術では、凧は、アームを旋回できる範囲内でしか飛行させることができないため、例えば、アームを旋回できる範囲内での風が弱いと発電効率が低下する。また、特許文献３に記載の技術では、凧の飛行によって巻上機から引き出された制御紐を次の発電のためにモータによって巻き取る必要がある。このため、モータでの巻取りに電力を消費するため、発電装置全体での発電効率が低下する。また、特許文献４に記載の技術では、移動体は風を受けることで支柱のみに沿って移動するため、支柱周りの風が弱いと移動体を移動させることができず、発電効率が低下する。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、発電装置において、発電効率を向上する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、発電装置が提供される。この発電装置は、可動子と固定子を有し、前記可動子が前記固定子に対して往復移動することで電気を発生させる発電部と、一方の端部が前記可動子に接続される線状部材と、前記線状部材の他方の端部に接続されており、受けた風圧から揚力を発生させる飛行体と、を備え、前記飛行体は、前記揚力を含む空気力によって、前記線状部材を介して前記可動子を引っ張ることで、前記可動子を前記往復移動の一方向側に移動させ、前記一方向側に移動した前記可動子は、位置エネルギを用いて前記往復移動の他方向側に移動する。

この構成によれば、可動子は、線状部材によって飛行体に接続されており、飛行体が空気力によって上昇することで、線状部材を介して往復移動の一方向側に引っ張られる。また、一方向側に移動した可動子は、位置エネルギによって往復移動の他方向側に移動する。可動子は、このようにして、飛行体に作用する空気力と、飛行体によって一方向側に引っ張られたことで得られた位置エネルギとによって、固定子に対して往復移動する。これにより、発電部は、飛行体の空気力と位置エネルギの両方によって電気を発生させることができるため、発電効率を向上することができる。

（２）上記形態の発電装置において、前記飛行体は、風圧を受ける翼面が形成されている翼部と、前記翼部と前記線状部材とを接続し、前記線状部材に対する前記翼面の傾きの角度を調整する傾き角調整部と、を有してもよい。この構成によれば、傾き角調整部によって、線状部材に対する翼面の傾きの角度を調整することができる。これにより、飛行体の角度を、飛行体が飛行中に風を受けやすい角度に調整することができるため、飛行体の翼面に、効率的に風圧を受けることができる。したがって、飛行体の空気力が大きくなるため、飛行体は高速で上昇することができ、発電効率をさらに向上することができる。

（３）上記形態の発電装置において、前記傾き角調整部は、前記翼部の両端にそれぞれの端部が固定されたワイヤと、前記線状部材と前記ワイヤとを連結しつつ、前記ワイヤに沿って移動可能な可動連結部と、前記ワイヤに対する前記可動連結部の位置を制御する位置制御部と、を有し、前記位置制御部は、前記可動連結部から前記ワイヤの一方の端部までの距離と、前記可動連結部から前記ワイヤの他方の端部までの距離との比率を変更することで、前記線状部材に対する前記翼面の傾きの角度を調整してもよい。この構成によれば、ワイヤに対する可動連結部の位置を制御することで、可動連結部からワイヤの一方の端部までの距離と、可動連結部からワイヤの他方の端部までの距離との比率が変更されるため、ワイヤを介して翼部の両端のそれぞれに作用する力の大きさを変更することができる。これにより、線状部材に対する翼面の傾きの角度を調整することができるため、飛行体の翼面に、効率的に風圧を受けることができる。したがって、発電効率を簡素な構成でさらに向上することができる。

（４）上記形態の発電装置において、前記翼部は、複数のフレームと、前記複数のフレームの間に張られる膜体を有してもよい。この構成によれば、翼部は比較的軽量になるため、翼部を上昇させるために必要な空気力を低減することができる。これにより、比較的小さい空気力でも飛行体を上昇させることができるため、発電効率を向上することができる。

（５）上記形態の発電装置において、前記固定子は、筒状に形成されており、前記可動子は、前記固定子の内側に移動可能に収容されており、前記固定子の内側には、前記可動子の移動速度を低減する流体が貯められていてもよい。この構成によれば、固定子の内側で可動子が移動するとき、可動子の移動速度が流体の抵抗によって低減されやすくなる。これにより、例えば、他方向側に移動する可動子が、固定子の底部に形成されている内壁に衝突するときの衝撃を緩和したり、比較的高速で移動する可動子の側面が固定子の側部の内壁にこすれることを抑制したりすることができる。したがって、発電部の破損を抑制することができる。

（６）上記形態の発電装置において、前記発電部は、巻線を有する前記固定子と、前記巻線の内側に移動可能に収容される永久磁石を有する前記可動子と、を備えていてもよい。この構成によれば、発電部は、巻線と、巻線の内側に移動可能に収容される永久磁石との組み合わせによって構成することができる。これにより、発電部の簡素化を図ることができる。

（７）上記形態の発電装置において、前記発電部は、少なくとも一部が地中または海中に配置されてもよい。この構成によれば、可動子の移動距離に合わせて比較的長くなりやすい発電部は、上空を飛行する飛行体とは別の位置に設けられており、少なくとも一部が地中または海中に配置される。これにより、地上において、発電部によって占有される空間を小さくすることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、発電方法、発電システム、発電をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム、コンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等などの形態で実現することができる。

第１実施形態の発電装置の概略構成を示した説明図である。飛行体の下面図である。飛行体の側面図である。飛行体の正面図である。傾き角調整部の作用を説明する図である。飛行体が上昇するときの発電装置の模式図である。飛行体に発生する空気力を説明する図である。飛行体が下降するときの発電装置の模式図である。第２実施形態の発電装置の概略構成を示した説明図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の発電装置１の概略構成を示した説明図である。本実施形態の発電装置１は、風を受けて上空で飛行する飛行体２０の動きを利用して、地面３に固定されている発電部１０において発電する。本実施形態の発電装置１は、発電部１０と、飛行体２０と、発電部１０と飛行体２０とを接続する係留ライン５０を備える。なお、説明の便宜上、図１〜８において、飛行体２０の先端が向いている方向をｘ軸方向とし、地面３に略平行な平面においてｘ軸に垂直な方向をｙ軸方向とし、ｘ軸とｙ軸とに直交する方向をｚ軸方向とする。本実施形態では、飛行体２０が飛行するときに飛行体２０が上昇する方向は、ｚ軸方向となる。

発電部１０は、いわゆる、リニア発電機であって、固定子１１と、可動子１６とを有する。本実施形態では、発電部１０は、大部分が地面３下の地中４に配置されている。図１に示す発電部１０は、可動子１６が固定子１１の地面３側の端部付近まで移動したときの状態を示している。

固定子１１は、シリンダ１２と、複数の巻線１３と、ガイド部１４を備えている。固定子１１は、地面３に固定されており、大部分が地中４に配置されている。

シリンダ１２は、有底筒状に形成されている部材であって、絶縁材料から形成されている。本実施形態では、シリンダ１２は、底部１２ａをｚ軸方向のマイナス側に位置させて、中心軸がｚ軸方向に沿うように地中４に配置されている。シリンダ１２のｚ軸方向の長さは、可動子１６が飛行体２０の移動によって移動する距離より長い。シリンダ１２の内側には、中心軸に垂直な断面形状が円形状の収容空間１２ｂが形成されている。収容空間１２ｂは、可動子１６を移動可能に収容する。

複数の巻線１３は、シリンダ１２の筒部１２ｃの内側面１２ｄにおいて、ｚ軸方向に沿って、等間隔に配置されている。巻線１３は、銅やアルミニウムなどの電気伝導性を有する材料から形成されており、可動子１６が移動することで、電気を発生する。巻線１３は、送電ライン１３ａを介して、地面３に設置されているインバータ１０ａと電気的に接続されている。インバータ１０ａは、巻線１３で発生する電気を整流する。インバータ１０ａは、整流した電気を、例えば、回転トルクを発生するモータなどの負荷１０ｂに出力する。

ガイド部１４は、シリンダ１２におけるｚ軸方向のプラス側の開口１２ｅを塞ぐように配置されている。ガイド部１４は、ｚ軸のプラス方向に移動する可動子１６の衝突による衝撃を緩和しつつ、収容空間１２ｂをｚ軸のプラス方向に移動する可動子１６が収容空間１２ｂから飛び出すことを抑制する。ガイド部１４には、係留ライン５０が挿通されるガイド孔１４ａが形成されている。

可動子１６は、磁石支持部１７と、複数の永久磁石１８と、衝撃緩和部材１９を備える。磁石支持部１７は、外径がシリンダ１２の収容空間１２ｂの内径より小さい円柱形状の部材である。磁石支持部１７には、係留ライン５０が接続されている。

永久磁石１８は、鉄を主成分とする合金または酸化物から形成されており、磁界を形成する。本実施形態では、複数の永久磁石１８は、磁石支持部１７の側面１７ａに、ｚ軸方向に沿って、等間隔に配置されている。

衝撃緩和部材１９は、磁石支持部１７のｚ軸方向のマイナス側に配置されている。衝撃緩和部材１９は、収容空間１２ｂをｚ軸のマイナス方向に移動する可動子１６のシリンダ１２の底部１２ａとの衝突による衝撃を緩和する。

ここで、説明の便宜上、発電部１０における可動子１６の往復移動の移動方向を次のように定義する。可動子１６がｚ軸のプラス方向に移動するとき、可動子１６は、往復移動の一方向側に移動するという。すなわち、可動子１６が往復移動の一方向側に移動するとき、可動子１６は、鉛直上方向に移動している。また、可動子１６がｚ軸のマイナス方向に移動するとき、可動子１６は、往復移動の他方向側に移動するという。すなわち、可動子１６が往復移動の他方向側に移動するとき、可動子１６は、鉛直下方向に移動している。

図２は、飛行体２０の下面図であって、ｚ軸方向のマイナス側から見た図である。図３は、飛行体２０の側面図であって、ｙ軸方向のマイナス側から見た図である。図４は、飛行体２０の正面図であって、ｘ軸方向のプラス側から見た図である。飛行体２０は、例えば、フレキシブル翼のデルタカイトであって、翼部３０と、傾き角調整部４０とを備える。翼部３０は、複数のフレームとしてのスパイン３１、スプレッダ３２、および、一対のスパー３３、３４と、膜体３５を有する。

スパイン３１は、ｘ軸方向における翼部３０の長さとほぼ同じ長さの棒状の部材であって、翼部３０においてｘ軸に沿って配置されている（図２参照）。スパイン３１の先端部３１ａは、膜体３５の先端部３５ａに固定されており、スパイン３１の後端部３１ｂは、膜体３５の後縁部３５ｂの中央に固定されている。これにより、スパイン３１は、膜体３５のｘ軸方向の張りを維持する。

スプレッダ３２は、スパイン３１と同様に、棒状の部材であって、翼部３０においてｙ軸に沿って配置されている。すなわち、スパイン３１とスプレッダ３２とは、翼部３０において直交するように配置されている（図２参照）。スプレッダ３２の２つの端部３２ａ、３２ｂは、膜体３５に形成されているスプレッダホルダ３５ｃ、３５ｄに収納されている。これにより、スプレッダ３２は、膜体３５のｙ軸方向の張りを維持する。

スパイン３１と、スプレッダ３２とのそれぞれは、図３に示すように、膜体３５を挟むように配置されている。本実施形態では、スパイン３１は、膜体３５に対してｚ軸方向のマイナス側に配置され、スプレッダ３２は、膜体３５に対してｚ軸方向のプラス側に配置されている。

一対のスパー３３、３４は、いずれも棒状の部材であって、スプレッダ３２の両端におけるそれぞれの延長上に配置されている。一対のスパー３３、３４のそれぞれは、翼部３０の２つの前縁部３５ｅ、３５ｆのそれぞれに配置されている。スパー３３、３４の先端部３３ａ、３４ａは、スパイン３１の先端部３１ａよりもｘ軸方向のマイナス側であり、かつ、スプレッダ３２よりｘ軸方向のプラス側に位置し、膜体３５に形成されているスパーホルダ３５ｇ、３５ｈに収納されている。スパー３３、３４の後端部３３ｂ、３４ｂは、膜体３５の後縁部３５ｂの両端３５ｉ、３５ｊに位置し、膜体３５に形成されているスパーホルダ３５ｋ、３５ｌに収納されている。すなわち、スパー３３、３４の後端部３３ｂ、３４ｂと、スパイン３１の後端部３１ｂとは、膜体３５の後縁部３５ｂ上に並んで配置されている。スパー３３、３４の中心軸Ｃ３３、Ｃ３４は、スプレッダ３２の中心軸Ｃ３２に対して９０度未満となる角度αを形成している。

膜体３５は、略三角形状の薄膜であって、例えば、布などの軟質材料から形成されている。膜体３５は、飛行前では略三角形状の平面である本体部３５ｍと、スパイン３１を収容する胴体袋部３５ｎを有する。本体部３５ｍにおけるｘ軸方向のプラス側には、膜体３５の先端部３５ａから後縁部３５ｂにわたって、袋状の前縁袋部３５ｏ、３５ｐが形成されている。前縁袋部３５ｏ、３５ｐは、スパー３３、３４、および、スパーホルダ３５ｇ、３５ｈ、３５ｋ、３５ｌを収容する。本体部３５ｍにおいて、前縁袋部３５ｏと前縁袋部３５ｐとの間には、スプレッダホルダ３５ｃ、３５ｄが配置されている。胴体袋部３５ｎは、本体部３５ｍに対して、スプレッダ３２が配置されている側とは反対側に配置されている。胴体袋部３５ｎは、スパイン３１を収容する。

傾き角調整部４０は、制御ライン４１と、可動連結部４２と、滑車４３と、位置制御部４４と、を備える。傾き角調整部４０は、翼部３０と係留ライン５０との間に配置される。

制御ライン４１は、翼部３０の両端のそれぞれに端部が固定されている。具体的には、図３に示すように、制御ライン４１の２つの端部４１ａ、４１ｂのうち、端部４１ａは、膜体３５の先端部３５ａに固定されている（図３に示す接続点Ｃ１）。また、端部４１ｂは、スパイン３１の後端部３１ｂ近傍の胴体袋部３５ｎ（図３に示す接続点Ｃ２）に固定されている。制御ライン４１は、スパイン３１の長さより長い。このため、図３に示すように、制御ライン４１を翼部３０のｚ軸方向のマイナス側に位置させると、制御ライン４１は、翼部３０から離間して垂れ下がる。制御ライン４１は、特許請求の範囲の「ワイヤ」に相当する。

可動連結部４２は、制御ライン４１に巻かれた状態で配置されており、制御ライン４１に沿って移動可能である。具体的には、可動連結部４２には、図４に示すように、溝４２ａが形成されており、制御ライン４１を溝４２ａに沿わすことで、可動連結部４２を制御ライン４１に巻きつけることができる。本実施形態では、可動連結部４２には、可動連結部４２の外周の長さより長く、制御ライン４１が巻かれている。また、本実施形態では、溝４２ａは、螺旋状に形成されている。これにより、図４に示すように、制御ライン４１は、可動連結部４２から見て、膜体３５の接続点Ｃ１側に位置する制御ライン４１ｃと、膜体３５の接続点Ｃ２側に位置する制御ライン４１ｄとは、ずれた状態で、膜体３５に接続されている。

滑車４３は、２枚の板状部材４３ａ、４３ｂを介して可動連結部４２に接続されている。本実施形態では、滑車４３は、可動連結部４２のｚ軸方向下方に配置されており、２枚の板状部材４３ａ、４３ｂのそれぞれの一方の端部に回転可能に挟まれている。このとき、可動連結部４２は、２枚の板状部材４３ａ、４３ｂのそれぞれの他方の端部に回転可能に挟まれている。滑車４３には、係留ライン５０が接続されている。これにより、滑車４３は、２枚の板状部材４３ａ、４３ｂのそれぞれの長手方向が、ｚ軸に沿う方向に略平行な状態を維持させつつ、可動連結部４２を制御ライン４１に対して移動させることができる。

位置制御部４４は、図４に示すように、板状部材４３ｂを挟んで可動連結部４２と反対側に配置される。位置制御部４４は、可動連結部４２に連結されており、図示しないモータ、バッテリ、および、受信部を有する。位置制御部４４は、地上からの送信に応じてモータを回転することで、可動連結部４２を回転し、制御ライン４１ｃまたは制御ライン４１ｄの一方を巻き取るとともに、制御ライン４１ｃまたは制御ライン４１ｄの他方を巻き取られている状態から解放する。これにより、制御ライン４１に対する可動連結部４２の位置を制御する。

図５は、傾き角調整部４０の作用を説明する図である。位置制御部４４による可動連結部４２の制御ライン４１に対する位置の制御について、図５を用いて説明する。図５（ａ）および図５（ｂ）には、制御ライン４１および可動連結部４２の上面図を示し、図５（ｃ）には、制御ライン４１および可動連結部４２の側面図を示す。図５（ａ）の状態は、図５（ｃ）に可動連結部４２を点線で示す状態に対応し、図５（ｂ）の状態は、図５（ａ）に可動連結部４２を実線で示す状態に対応する。図５（ａ）の状態、および、図５（ｃ）に可動連結部４２を点線で示す状態は、例えば、発電装置１において、飛行体２０を離陸させる前の状態である。なお、図５（ｃ）では、説明の便宜上、滑車４３、および、２枚の板状部材４３ａ、４３ｂは、省略している。

図５（ａ）に示す状態から、可動連結部４２が位置制御部４４によって制御ライン４１ｄを巻き取ると、図５(ｃ)の状態となる。具体的には、位置制御部４４のモータの回転力によって可動連結部４２が回転することで、制御ライン４１ｄを巻き取るとともに、可動連結部４２に巻き取られていた制御ライン４１ｃを解放する。これにより、図５(ｂ)に示すように、可動連結部４２は、制御ライン４１の端部４１ｂ側に移動する（図５（ｂ）および図５（ｃ）に示す点線で示す可動連結部４２から実線で示す可動連結部４２への移動を示す白抜き矢印Ｆ４２参照）。

図５（ａ）の状態から図５（ｂ）の状態に可動連結部４２が移動すると、可動連結部４２から制御ライン４１の２つの端部４１ａ、４１ｂのそれぞれまでの距離が変化する。具体的には、図５（ｃ）に示すように、可動連結部４２の中心Ｃ４２から端部４１ａが翼部３０に接続する接続点Ｃ１までの距離は、可動連結部４２が移動する前では距離Ｌａ１であるのに対し、可動連結部４２が移動した後では距離Ｌａ２と長くなる。一方、可動連結部４２の中心Ｃ４２から端部４１ｂが翼部３０に接続する接続点Ｃ２までの距離は、可動連結部４２が移動する前では距離Ｌｂ１であるのに対し、可動連結部４２が移動した後では距離Ｌｂ２と短くなる。位置制御部４４は、このようにして、可動連結部４２の中心Ｃ４２から接続点Ｃ１までの距離と、可動連結部４２の中心Ｃ４２から接続点Ｃ２までの距離との比率を変更することができる。なお、上述したように、発電装置１において、飛行体２０を離陸させる前の状態では、図５（ｃ）に示すように、距離Ｌａ１と距離Ｌｂ１とは、ほぼ同じ長さとなっている。

図５で説明した位置制御部４４による可動連結部４２の位置制御の内容は、一例であって位置制御部４４による可動連結部４２の位置制御の内容はこれに限定されない。図５（ａ）の状態から可動連結部４２を移動し、可動連結部４２の中心Ｃ４２から接続点Ｃ１までの距離を短くしてもよい。また、図５（ｂ）の状態から図５（ａ）の状態に戻してもよい。すなわち、位置制御部４４は、制御ライン４１の両端部４１ａ、４１ｂの間において可動連結部４２を回転させることで、可動連結部４２の制御ライン４１に対する位置を任意に変更することができる。

係留ライン５０は、発電部１０と飛行体２０とを接続する。具体的には、係留ライン５０の一方の端部５１は、発電部１０の可動子１６に接続される。係留ライン５０の他方の端部５２は、飛行体２０の滑車４３に接続される。係留ライン５０は、飛行体２０の飛行範囲を、発電部１０上の上空周辺の一定の範囲に留めておく。係留ライン５０は、特許請求の範囲の「線状部材」に相当する。

図６は、飛行体２０が上昇するときの発電装置１の模式図である。次に、本実施形態の発電装置１を用いた発電方法について説明する。飛行体２０を離陸させる前の発電装置１では、図１に示すように、飛行体２０の翼部３０が、地面３に対して略平行な状態で配置されている。本実施形態では、図６に示すように、飛行体２０を離陸させる前に翼部３０の迎え角を変更し、飛行体２０において翼部３０が風を受けやすい状態に調整する。

図７は、翼部３０に発生する空気力を説明する図である。図７には、説明の便宜上、風Ｗ１が流れる方向に略平行な仮想面Ｐ３を示している。ここで、翼部３０に発生する空気力と翼部３０の迎え角について説明する。翼部３０に発生する空気力は、翼部３０が風Ｗ１を受けることで発生する。翼部３０は、図７に示すように、ｚ軸方向のマイナス側、すなわち、地面３側の翼面ＷＳ１に、風Ｗ１による風圧を受ける。なお、翼部３０は、本体部３５ｍの風圧を受ける側に胴体袋部３５ｎを有しているが、ここでは、便宜的に、本体部３５ｍの風圧を受ける側の面のみを翼面ＷＳ１とする。翼面ＷＳ１は、特許請求の範囲の「風圧を受ける翼面」に相当する。

翼部３０では、翼面ＷＳ１に受ける風圧によって、翼面ＷＳ１とは反対側の翼面ＷＳ２に、空気力Ａ１が発生する。このとき、空気力Ａ１を鉛直方向でもあるｚ軸方向と、水平方向でもあるｙ軸方向とに分解した力が、飛行体２０を鉛直方向に上昇させる揚力Ａｆ１と抗力Ａｄ１となる（図７参照）。なお、実際には、翼面ＷＳ１、ＷＳ２の断面形状は、風Ｗ１の風圧によって複雑な形状となるが、ここでの空気力の説明、および、図７においては、便宜上、平面形状とした。したがって、上述した空気力についての考察は、翼部３０の断面において、前縁と後縁とを結ぶことで形成されるコード線ＷＳを用いて説明しても同様である。

揚力Ａｆ１は、空気力Ａ１のｚ軸方向の成分であることから、空気力Ａ１の大きさと、翼面ＷＳ１と風Ｗ１の流れ方向とがなす角度、すなわち、迎え角と、によって決定される。ここで、本実施形態での迎え角とは、図７に示すように、翼面ＷＳ１と風Ｗ１が流れる方向に略平行な仮想面Ｐ３との角度βとなる。すなわち、揚力Ａｆ１は、空気力Ａ１と角度βとの関係によって決定される。そこで、本実施形態では、飛行体２０を離陸させるとき、迎え角βを傾き角調整部４０によって調整することで、揚力Ａｆ１を大きくする。なお、本実施形態では、飛行体２０が飛行しているとき、係留ライン５０は、飛行体２０を定常的に、ほぼ鉛直方向下向きに引っ張っている。このことから、上述した翼面ＷＳ１とほぼ地面３に沿って流れる風Ｗ１の流れ方向とがなす角度である迎え角βと、翼面ＷＳ１と係留ライン５０の延伸方向（図７に示す二点鎖線Ｐ５０）とがなす角度γとには、相関がある。したがって、迎え角βを、翼面ＷＳ１と係留ライン５０の延伸方向とがなす角度γで置き換えて考えることができる。

本実施形態では、飛行体２０を離陸させる前に、翼面ＷＳ１と係留ライン５０の延伸方向とがなす角度γを変更する。具体的には、傾き角調整部４０において、可動連結部４２によって制御ライン４１ｄを巻き取る一方、制御ライン４１ｃを解放する。これにより、図５で説明したように、可動連結部４２の中心Ｃ４２から端部４１ａまでの距離は距離Ｌａ２と長くなる一方、可動連結部４２の中心Ｃ４２から端部４１ｂまでの距離は距離Ｌｂ２と短くなる。このように、制御ライン４１に対する可動連結部４２の位置を変更することで可動連結部４２の中心Ｃ４２から接続点Ｃ１までの距離と、可動連結部４２の中心Ｃ４２から接続点Ｃ２までの距離との比率を変更させると、翼部３０の前端と後端とに作用する力の関係が変化する。具体的には、翼部３０の前端は、制御ライン４１によってｚ軸のマイナス方向に引っ張られる力が小さくなる一方、翼部３０の後端は、ｚ軸のマイナス方向に引っ張られる力が大きくなる。これにより、翼部３０の前端がｚ軸のプラス方向に移動するとともに、翼部３０の後端がｚ軸のマイナス方向に移動するため、翼面ＷＳ１と係留ライン５０の延伸方向とがなす角度γが変更される。本実施形態では、図６に示すように、飛行体２０に発生する空気力Ａ１が大きくなるように、翼面ＷＳ１と係留ライン５０の延伸方向とがなす角度γを翼面ＷＳ１が風Ｗ１を受けやすい角度とする。本実施形態では、飛行体２０を図６に示す状態にして、飛行体２０を離陸させる。

飛行体２０が離陸すると、飛行体２０は、揚力Ａｆ１によって上昇する（図６の白抜き矢印Ｆ１１）。飛行体２０が上昇すると、係留ライン５０によって接続されている可動子１６は、固定子１１の内側を一方向側に移動する（図６の白抜き矢印Ｆ１２）。これにより、発電部１０において、固定子１１が電気を発生させる。

図８は、飛行体２０が下降するときの発電装置１の模式図である。飛行体２０の上昇が続くと、可動子１６は、発電部１０において一方向側に移動し続ける。可動子１６の一方向側への移動によって可動子１６が固定子１１のガイド部１４に近くなると、傾き角調整部４０によって翼部３０に作用する揚力Ａｆ１を小さくする。具体的には、位置制御部４４によって可動連結部４２の制御ライン４１に対する位置を変更し、翼面ＷＳ１と係留ライン５０の延伸方向とがなす角度を小さくする（図８参照）。これにより、飛行体２０に作用する揚力Ａｆ１が小さくなるため、飛行体２０の上昇速度が低下する。飛行体２０の上昇速度が小さくなると、可動子１６の一方向側への移動速度も低下する。

さらに、飛行体２０に作用する揚力Ａｆ１が飛行体２０と可動子１６とに作用している重力より小さくなると、飛行体２０が降下し始める（図８の白抜き矢印Ｆ２１）とともに、可動子１６は、他方向側への移動を開始する。すなわち、可動子１６は、一方向側への移動によって得られた位置エネルギによって、重力を利用して他方向側に移動する（図８の白抜き矢印Ｆ２２）。これにより、発電部１０において、固定子１１が電気を発生させる。

本実施形態の発電装置１では、このように、飛行体２０の揚力Ａｆ１によって可動子１６を往復移動の一方向側に移動させる。また、固定子１１の一方向側に移動した可動子１６は、自身の位置エネルギによって往復移動の他方向側に移動する。これにより、可動子１６を固定子１１に対して往復移動させ、固定子１１において電気を発生させる。

以上説明した、本実施形態の発電装置１によれば、可動子１６は、係留ライン５０によって飛行体２０に接続されており、飛行体２０が揚力Ａｆ１によって上昇することで、係留ライン５０を介して往復移動の一方向側に引っ張られる。また、一方向側に移動した可動子１６は、位置エネルギによって往復移動の他方向側に移動する。可動子１６は、このようにして、飛行体２０に作用する揚力Ａｆ１と、飛行体２０によって一方向側に引っ張られたことで得られた位置エネルギとによって、固定子１１に対して往復移動する。これにより、発電部１０は、飛行体２０の揚力Ａｆ１と位置エネルギの両方によって電気を発生させることができるため、発電効率を向上することができる。

また、本実施形態の発電装置１によれば、傾き角調整部４０によって、係留ライン５０に対する翼面ＷＳ１の傾きの角度γを調整することができる。これにより、飛行体２０の角度を、飛行体２０が飛行中に風を受けやすい角度に調整することができるため、飛行体２０の翼面ＷＳ１に、効率的に風圧を受けることができる。したがって、飛行体２０の空気力が大きくなるため、飛行体２０は高速で上昇することができ、発電効率をさらに向上することができる。

また、本実施形態の発電装置１によれば、傾き角調整部４０は、制御ライン４１に対する可動連結部４２の位置を調整することで、可動連結部４２から制御ライン４１の端部４１ａまでの距離と可動連結部４２から制御ライン４１の端部４１ｂまでの距離との比率を変更する。これにより、制御ライン４１を介して翼部３０の膜体３５の先端部３５ａおよびスパイン３１の後端部３１ｂ近傍の胴体袋部３５ｎのそれぞれに作用する力の大きさを変更することができる。これらの力の大きさを変更することで係留ライン５０に対する翼面ＷＳ１の傾きの角度を調整することができるため、飛行体２０の翼面ＷＳ１に、効率的に風圧を受けることができる。したがって、発電効率を簡素な構成でさらに向上することができる。

また、本実施形態の発電装置１によれば、翼部３０は、複数のフレームとしてのスパイン３１、スプレッダ３２、および、一対のスパー３３、３４と、膜体３５を有するフレキシブル翼のデルタカイトである。これより、翼部３０は比較的軽量になるため、翼部３０を上昇させるために必要な揚力を低減することができる。したがって、比較的小さい空気力でも飛行体２０を上昇させることができるため、発電効率を向上することができる。

また、本実施形態の発電装置１によれば、発電部１０は、複数の巻線１３と、巻線１３の内側に移動可能に収容される永久磁石１８との組み合わせによって構成することができる。これにより、発電部１０の簡素化を図ることができる。

また、本実施形態の発電装置１によれば、発電部１０は、大部分が地中４に配置される。発電部１０は、可動子１６の移動距離に合わせた長さになるため、比較的長くなりやすく、大部分が地中４に配置されることで、地上において、発電部１０によって占有される空間を小さくすることができる。また、比較的大きくなる発電部を鉛直方向に延びるように地上に設置した場合、発電部が倒れるおそれがある。しかしながら、本実施形態の発電装置１によれば、大部分が地中４に配置されるため、倒れるおそれがなくなる。

また、本実施形態の発電装置１によれば、飛行体２０は、可動子１６の移動に応じて、翼面ＷＳ１と係留ライン５０の延伸方向とがなす角度γを変えるだけで、固定子１１に対して可動子１６を往復移動させることができる。これにより、発電部１０での発電のために飛行体２０の飛行を制御するための複雑な制御機器が不要となる。したがって、装置コストを低減することができる。

また、本実施形態の発電装置１によれば、発電部１０と飛行体２０とを接続する係留ライン５０は、発電部１０のガイド部１４によってガイドされており、発電部１０と飛行体２０との間において、常に延びた状態が維持される。これにより、ウインチなどで巻き取ることで係留ラインが摩擦でこすれる場合に比べ、摩擦による係留ライン５０の破損を抑制することができる。

＜第２実施形態＞
図９は、第２実施形態の発電装置２の概略構成を示した説明図である。第２実施形態の発電装置２は、第１実施形態の発電装置１（図１）と比較すると、固定子の内側に流体が貯められている点が異なる。

本実施形態の発電装置２は、発電部６０と、飛行体２０と、発電部６０と飛行体２０とを接続する係留ライン５０を備える。発電部６０は、いわゆる、リニア発電機であって、固定子１１と、可動子１６と、流体６１を有する。本実施形態では、発電部６０は、大部分が地面下の地中４に配置されている。

流体６１は、シリンダ１２の内側に貯められている。流体６１は、例えば、絶縁性を有する油であって、シリンダ１２の内側を移動する可動子１６の移動速度を低減することが可能である。

以上説明した、本実施形態の発電装置２によれば、固定子１１の収容空間１２ｂで可動子１６が移動するとき、可動子１６の移動速度が流体６１の抵抗によって低減されやすくなる。これにより、例えば、他方向側に移動する可動子１６が、シリンダ１２の底部１２ａに形成されている内壁に衝突するときの衝撃を緩和することができる。また、例えば、比較的高速で移動する可動子１６の側面が固定子１１の筒部１２ｃの内側面１２ｄにこすれることを抑制することができる。したがって、発電部６０の破損を抑制することができる。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

［変形例１］
上述の実施形態では、発電部１０では、可動子１６がｚ軸に沿う方向に移動するように、固定子１１は、中心軸がｚ軸に沿うように配置されるとした。しかしながら、可動子１６が移動する方向は、これに限定されない。可動子１６は、ｚ軸方向に対して斜めの方向に移動してもよく、この場合、固定子１１は、ｚ軸方向に対して傾斜するように配置される。可動子１６がｚ軸方向に対して斜めの方向に移動する場合、可動子１６は、飛行体２０に作用する揚力に加えて抗力によっても、固定子１１の一方向側に移動する。

［変形例２］
上述の実施形態では、傾き角調整部４０は、制御ライン４１を巻き取ることが可能な可動連結部４２と、制御ライン４１に対する可動連結部４２の位置を制御する位置制御部４４を有するとした。しかしながら、傾き角調整部４０の構成は、これに限定されない。係留ライン５０に対する翼部３０の翼面ＷＳ１の傾きの角度を調整することができればよい。また、傾き角調整部はなくてもよい。

［変形例３］
上述の実施形態では、位置制御部４４は、可動連結部４２を回転するモータのためのバッテリを有するとした。しかしながら、モータへの電力の供給方法は、これに限定されない。例えば、翼部３０に設けた太陽電池によって発電した電力を供給してもよいし、地上から送電してもよい。

［変形例４］
上述の実施形態では、位置制御部４４は、飛行体２０の離陸前と、可動子１６を下降させるときに、可動連結部４２の位置を制御し、翼部３０の迎え角の調整を行うとした。しかしながら、翼部３０の迎え角を調整するタイミングは、これに限定されない。飛行体２０の離陸後に行ってもよい。また、飛行体２０の高度を検出可能な高度センサを用いり、固定子１１に対する可動子１６の位置を検出する位置センサを用いたりして、飛行体２０の高度かに応じて迎え角を調整してもよい。例えば、高度センサの場合、所定の高度になると迎え角を変更するように位置制御部４４が可動連結部４２の位置を制御することで、移動する可動子１６が固定子１１の底部１２ａまたはガイド部１４に衝突することを抑制する。また、位置センサの場合、移動する可動子１６の位置が固定子１１の底部１２ａまたはガイド部１４に衝突するおそれがある位置になると、迎え角を変更するように位置制御部４４が可動連結部４２の位置を制御する。

［変形例５］
上述の実施形態では、翼部３０は、複数のフレームとしてのスパイン３１、スプレッダ３２、および、一対のスパー３３、３４と、膜体３５を有するフレキシブル翼のデルタカイとであるとした。しかしながら、翼部３０の構成はこれに限定されない。空気力によって上昇する飛行体であればよい。

［変形例６］
上述の実施形態では、発電部１０は、筒状に形成されている固定子１１と、固定子１１の内側に移動する可動子１６とを備えるとした。しかしながら、発電部１０の構成はこれに限定されない。固定子の外側を可動子が移動してもよい。

［変形例７］
上述の実施形態では、発電部１０は、複数の巻線１３と、永久磁石１８とから構成されるとした。発電部の構成は、これに限定されない。

［変形例８］
上述の実施形態では、発電部１０は、大部分が地中４に設置されるとした。しかしながら、発電部１０は、海中に設置されてもよいし、地上に設置されてもよい。発電部１０を海中に設置する場合、第２実施形態の流体６１を海水にしてもよい。

［変形例９］
第２実施形態では、固定子１１の内側には、油が貯められるとした。しかしながら、固定子１１の内側に溜められる流体はこれに限定されない。油以外の液体であってもよいし、気体であってもよい。絶縁性を有する流体が望ましい。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１，２…発電装置
３…地面
４…地中
１０…発電部
１１…固定子
１２…シリンダ
１３…巻線
１４…ガイド部
１６…可動子
１７…磁石支持部
１８…永久磁石
１９…衝撃緩和部材
２０…飛行体
３０…翼部
３１…スパイン
３２…スプレッダ
３３…スパー
３５…膜体
４０…傾き角調整部
４１，４１ｃ，４１ｄ…制御ライン
４１ａ，４１ｂ…（制御ラインの）端部
４２…可動連結部
４３…滑車
４３ａ，４３ｂ…板状部材
４４…位置制御部
５０…係留ライン
５１…一方の端部
５２…他方の端部
６０…発電部
６１…流体
Ａ１…空気力
Ａｄ１…抗力
Ａｆ１…揚力
Ｃ１，Ｃ２…接続点
Ｃ４２…中心
Ｌａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２…距離
Ｐ３…仮想面
Ｗ１…風
ＷＳ…コード線
ＷＳ１，ＷＳ２…翼面

Claims

発電装置であって、
可動子と固定子を有し、前記可動子が前記固定子に対して往復移動することで電気を発生させる発電部と、
一方の端部が前記可動子に接続される線状部材と、
前記線状部材の他方の端部に接続されており、受けた風圧から揚力を発生させる飛行体と、を備え、
前記飛行体は、前記揚力を含む空気力によって、前記線状部材を介して前記可動子を引っ張ることで、前記可動子を前記往復移動の一方向側に移動させ、
前記一方向側に移動した前記可動子は、位置エネルギを用いて前記往復移動の他方向側に移動する、
発電装置。
請求項１に記載の発電装置であって、
前記飛行体は、
風圧を受ける翼面が形成されている翼部と、
前記翼部と前記線状部材とを接続し、前記線状部材に対する前記翼面の傾きの角度を調整する傾き角調整部と、を有する、
発電装置。
請求項２に記載の発電装置であって、
前記傾き角調整部は、
前記翼部の両端にそれぞれの端部が固定されたワイヤと、
前記線状部材と前記ワイヤとを連結しつつ、前記ワイヤに沿って移動可能な可動連結部と、
前記ワイヤに対する前記可動連結部の位置を制御する位置制御部と、を有し、
前記位置制御部は、前記可動連結部から前記ワイヤの一方の端部までの距離と、前記可動連結部から前記ワイヤの他方の端部までの距離との比率を変更することで、前記線状部材に対する前記翼面の傾きの角度を調整する、
発電装置。
請求項２または請求項３に記載の発電装置であって、
前記翼部は、複数のフレームと、前記複数のフレームの間に張られる膜体を有する、
発電装置。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電装置であって、
前記固定子は、筒状に形成されており、
前記可動子は、前記固定子の内側に移動可能に収容されており、
前記固定子の内側には、前記可動子の移動速度を低減する流体が貯められている、
発電装置。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発電装置であって、
前記発電部は、巻線を有する前記固定子と、前記巻線の内側に移動可能に収容される永久磁石を有する前記可動子と、を備える、
発電装置。
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の発電装置であって、
前記発電部は、少なくとも一部が地中または海中に配置される、
発電装置。