JP3951438B2 - 圧電型風力発電機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力から電気エネルギーを取り出すことを可能とする風力発電機に関し、より詳細には、圧電素子を用いて風力から電力を取り出すことを可能とする圧電型風力発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電方法としては、水力発電、原子力発電、火力発電、太陽電池を用いた発電方法、風力発電などの様々な方法が知られている。もっとも、立地条件の制約及び電力事業の高まりに伴って、水力発電に代わり、現在では、原子力発電及び火力発電が主として用いられている。
【０００３】
しかしながら、原子力発電や火力発電では、化石燃料を使用するため、大気汚染や放射線による汚染等を引き起こすおそれがあった。そこで、太陽エネルギーや風力などのいわゆるクリーンなエネルギーを用いた発電方法が注目されている。
【０００４】
図４は、従来の風力発電装置の一例を示す斜視図である。
風力発電装置５１では、回転軸５２の上端に電磁型発電機５３が取り付けられている。電磁型発電機５３には、羽根５４ａ〜５４ｃの一端が固定された回転部材５４が取り付けられている。
【０００５】
発電に際しては、回転軸５２を軸周りに回転させ、羽根５４ａ〜５４ｃを風上の方向に位置させる。その結果、風力により羽根５４ａ〜５４ｃを有する回転部材５４が回転し、この回転に伴うエネルギーが電磁型発電機５３により電力として取り出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の風力発電機５１では、電磁型発電機５３を用いて運動エネルギーが電気エネルギーに変換され、それによって電力が取り出されていた。しかしながら、回転部材５４の回転に伴う運動エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換することができず、エネルギー変換効率が低かった。
【０００７】
そのため、大きな電力を得るには、羽根５４ａ〜５４ｃとして、かなり大型のものを用意しなければならなかった。従って、全体の構造が複雑かつ大型化し、コストも高くつくという問題があった。
【０００８】
加えて、従来の風力発電装置５１は、上記のようにかなり大型であるため、取り付け場所にも制約があり、現実には、大きなスペースを確保し得る土地において、所定の間隔を隔ててかなりの数の風力発電機５１が設置されていることが多い。
【０００９】
本発明の目的は、従来の風力発電機の欠点を解消し、エネルギー変換効率に優れており、さらに比較的簡単な構造を有し、かつ小型化が容易である安価な風力発電機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するためになされたものであり、圧電素子を用いて機械エネルギーを電気エネルギーに変換することにより風力から電力を取り出すものである。
【００１１】
請求項１に記載の発明に係る圧電型風力発電機は、振動板と、前記振動板に固定されており、風を受けた際に振動板を振動させるような空気の渦流を発生させるための渦発生部材と、前記振動板に固定されており、かつ振動板の振動を受けて電力を取り出すことを可能とする圧電素子とを備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、前記圧電型風力発電機に連結されており、かつ回転自在に支持されている回転軸をさらに備え、前記渦発生部材と圧電素子を挟んで反対側の振動板端部が風上方向を向くように渦発生部材が構成されている。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の発明に係る圧電型風力発電機が複数備えられており、この複数の圧電型風力発電機として共振周波数が異なる振動板を有するものが用いられる。
【００１４】
請求項４に記載の発明に係る圧電型風力発電機は、一端側において連結されており、他端側における間隔が連結されている側の間隔よりも広くされている第１，第２の振動板と、前記第１，第２の振動板にそれぞれ固定されており、風を受けた際に振動板を振動させるような空気の渦流を発生させるための第１，第２の渦発生部材と、前記第１，第２の振動板にそれぞれ固定されており、振動板の振動を受けて電力を取り出すことを可能とする第１，第２の圧電素子とを備え、風を受けた際に、一端側で連結された第１，第２の振動板が音叉型振動を発生するように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、前記第１，第２の振動板の連結部分に一端側が連結されており、連結部分側とは反対側の端部の間隔が連結部分側端部の間隔よりも広くされている第３，第４の振動板と、前記第３，第４の振動板にそれぞれ固定されており、風を受けた際に振動板を振動させるような空気の渦流を発生させる第３，第４の渦発生部材と、前記第３，第４の振動板にそれぞれ固定されており、振動板の振動を受けて電力を取り出すことを可能とする第３，第４の圧電素子とをさらに備え、前記第３，第４の振動板により音叉型振動が発生するように構成されておりかつ第１，第２の振動板により発生される音叉型振動と、第３，第４の振動板により発生される音叉型振動の周波数が異ならされている。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、前記連結部に固定されており、かつ回転自在に支持された回転軸をさらに備え、前記連結部側が風上方向を向くように構成されている。
【００１７】
請求項７に記載の発明では、前記振動板において、渦発生部材が、圧電素子を挟んで振動板が連結されている部分とは反対側に固定されている。
請求項８に記載の発明では、上記渦発生部材が、該渦発生部材が固定されている振動板の主面に沿って流れてきた風の方向を変えるように、該主面に対して所定の角度をなす面を有する部材により構成されている。
【００１８】
請求項９に記載の発明では、前記渦発生部材が、振動板と一体に構成されている。
請求項１０に記載の発明では、前記渦発生部材が、振動板の端部を折り曲げることにより構成されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の非限定的な実施例を挙げることにより、本発明をより具体的に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施例に係る圧電型風力発電機を説明するための斜視図である。
圧電型風力発電機１は、軸受２に回転自在に軸支された回転軸３を有する。回転軸３の上端には、風の方向を示すロッド４が回転軸３と直交する方向を向くように固定されている。ロッド４の先端には、風上方向を示す矢印となる円錐状先端部４ａが形成されている。
【００２１】
ロッド４の後端には、第１，第２の振動板５，６が固定されている。第１，第２の振動板５，６は、その長さ方向にそって屈曲振動をし得るように構成された細長い矩形の板状部材により構成されている。振動板５，６は、前端側において、連結部７により連結されている。振動板５，６の後端側の間隔は、連結部７側における振動板５，６の間隔よりも広げられている。
【００２２】
振動板５，６は、屈曲振動が生じ易い、弾性変形し得る材料、例えば金属により構成することが望ましいが、合成樹脂などの他の材料で構成してもよい。
振動板５，６の後端には、振動板５，６の端部を折り曲げることにより、渦発生部材５ａ，６ａが形成されている。
【００２３】
渦発生部材５ａ，６ａは、本実施例では、振動板５，６の主面とある角度をなす板状部材として構成されている。
振動板５，６の長さ方向中央においては、第１，第２の圧電素子８，９がそれぞれ貼り合わされている。従って、上記渦発生部材５ａ，６ａは圧電素子８，９を挟んで連結部７すなわち振動板５，６の前端とは反対側に配置されている。
【００２４】
圧電素子８，９は、振動板５，６が屈曲振動した場合、その振動エネルギーを受けて電力を取り出すことを可能とするために設けられている。従って、圧電素子８，９としては、振動板５，６の振動を受けて歪み、圧電効果により、与えられた振動エネルギーを電気エネルギーに変換し得る適宜の圧電素子を用いることができる。
【００２５】
なお、特に図示はしないが、圧電素子８，９の外表面には、それぞれ、電力を取り出すための一方の電極が形成されており、圧電素子８，９の他面には、他方の電極が形成されている。他方の電極については、振動板５，６を金属で構成した場合、振動板５，６を電極と兼ねさせることにより、省略してもよい。
【００２６】
圧電素子８，９を構成する圧電体については、特に限定されず、圧電セラミックスや圧電単結晶などを用いた適宜の圧電体を用いることができる。
本実施例の圧電型風力発電機１は、風力により電力を発生させ得るだけでなく、風の方向を示す風向計としても用いられるものである。次に、この圧電型風力発電機の作用効果を動作と共に説明することとする。
【００２７】
圧電型風力発電機１は、上記のように圧電素子８，９を用いるものであるため、小型に構成することができる。従って、軸受２は、家屋の屋根等に簡単に取り付けることができる。
【００２８】
いま、風がある方向に吹いている場合、振動板５，６のいずれかが風により押され、回転軸３が回転される。
第１，第２の振動板５，６では、先端側における間隔よりも、後端側において両者の間隔が広げられているので、円錐状先端部４ａは風上方向に向かうことになる。すなわち、円錐状先端部４ａ側から連結部７側に風が流れてきた場合、空気の流れは、連結部７より後方では振動板５，６の外表面に沿って分岐されることになる。そのため、ロッド４の長さ方向に流れてきた空気流により、振動板５，６が、それぞれ、内面側に押されることになる。その結果、振動板５，６の外面側から内面側に向かう力を受けることになるため、風の流れに対してロッド４の長さ方向が一致している辺りで振動板５，６に加わる上記力が拮抗することになる。よって、円錐状先端部４ａは、常に風向き方向に向かうことになる。
【００２９】
従って、圧電型風力発電機１は、従来の風向計と同様に風向きを示す風向計として機能する。
しかも、振動板５，６の外表面に沿って振動板５，６の長さ方向に沿って流れてきた空気流は、渦発生部材５ａによりその方向を変化される。この場合、渦発生部材５ａ，６ａは、折り曲げにより形成された内面が、振動板５，６の主面と交差する角度をなすように形成されているので、流れてきた空気流が、渦発生部材５ａ，６ａの折り曲げにより形成された内面に沿って方向を変化され、振動板５，６の外側に渦流を発生させる。
【００３０】
その結果、振動板５，６の後端側において、振動板５，６の外側に渦流が発生するため、並びに振動板５，６の前端側は連結部７により固定されているため、振動板５，６は、連結部７側を固定端とし、渦発生部材５ａ，６ａ側を自由端として屈曲振動で振動することになる。この場合、振動板５，６が連結部７で連結されているので、第１，第２の振動板５，６及び連結部７で構成される構造体は、音叉型振動で振動する。
【００３１】
従って、圧電素子８，９が該振動により歪みを受けて、交流電圧を発生する。よって、圧電素子８，９から電力を取り出すことができる。
本実施例の圧電型風力発電機では、上記第１，第２の振動板５，６は、従来の風見鶏型の風向計と同様に、後端側において両者の間隔が広げられているので、常に円錐状先端部４ａが風向き方向を向こうとし、振動板５，６が最大風圧を受けるように構成されている。加えて、渦発生部材５ａ，６ａが形成されているので、上記渦流が効果的に発生され、それによって小型であるにも係わらず比較的大きな電力を取り出すことができる。すなわち、変換効率に優れた発電機を提供することができる。
【００３２】
特に、本実施例の圧電型風力発電機では、上記第１，第２の振動板５，６が、連結部７で連結されているので、振動板５，６が屈曲モードで振動するが、振動板５，６を連結部７で構成した構造体全体が、音叉型屈曲振動を引き起し、その共振周波数において最も大きな交流電圧を得ることができる。
【００３３】
図２は、本発明の第２の実施例に係る圧電型風力発電機を説明するための部分切欠斜視図である。圧電型風力発電機１１では、ロッド４に、第１，第２の振動板５，６が連結部７を介して連結されている。第１，第２の振動板５，６には、第１の実施例と同様に、圧電素子８，９がそれぞれ貼り合わされており、かつ第１，第２の振動板５，６の後端には、第１の振動板５，６を折り曲げることにより渦発生部材５ａ，６ａが形成されている。
【００３４】
また図示はしないが、ロッド４の先端に、第１の実施例の場合と同様に円錐状先端部４ａ（図１参照）が形成されており、かつロッド４には、第１の実施例と同様に、回転軸３及び軸受２が連結されている。
【００３５】
本実施例の特徴は、第１，第２の振動板５，６だけでなく、上下方向に対向するように、第３，第４の振動板１２，１３が連結部７に連結されていることにある。すなわち、振動板１２，１３の前端は連結部７に連結されている。また、振動板１２，１３の後端側は、互いの間隔が、連結部７に連結されている側の端部の間隔よりも大きくされている。
【００３６】
さらに、振動板１２，１３の後端を折り曲げることにより、渦発生部材１２ａ，１３ａが形成されている。渦発生部材１２ａ，１３ａは、振動板１２，１３の主面とある角度をなすように、振動板１２，１３を外側に折り曲げることにより形成されている。従って、渦発生部材１２ａ，１３ａの折り曲げにより形成された内面は、振動板１２，１３の主面とある角度をなし、振動板１２，１３の主面に沿って流れてきた空気流の方向を変換し、渦流を発生させるように構成されている。
【００３７】
また、第３，第４の振動板１２，１３の外表面には、第３，第４の圧電素子１４，１５が貼り合わされている。圧電素子１４，１５は、第１の実施例で用いた圧電素子８，９と同様に構成されている。
【００３８】
すなわち、第２の実施例の圧電型風力発電機１１の特徴は、第１の実施例の圧電型風力発電機１において、さらに第３，第４の振動板１２，１３、渦発生部材１２ａ，１３ａ及び圧電素子１４，１５を付加した構造に相当する。もっとも、第３，第４の振動板１２，１３の共振周波数は、第１，第２の振動板５，６の共振周波数と異ならされている。従って、風を受けて振動した場合、第３の振動板１２、連結部７及び第４の振動板１３で構成される音叉型構造体が音叉型振動で振動し、この音叉型振動の共振周波数は、第１，第２の振動板５，６及び連結部７で構成される音叉型振動の共振周波数と異ならされている。
【００３９】
本実施例の圧電型風力発電機１１では、第１，第２の振動板５，６が上記のように構成されているので、第１の実施例と同様に、風向計としても機能する。
加えて、第１，第２の振動板５，６及び連結部７で構成される部分の音叉型振動により、第１，第２の圧電素子８，９から交流電圧を取り出すことができる。
【００４０】
さらに、第３，第４の振動板１２，１３側においても、第３，第４の振動板１２，１３及び連結部７で構成されている構造体の音叉型振動に伴うエネルギーが圧電素子１４，１５から交流電圧として取り出される。
【００４１】
従って、第１の実施例の圧電型風力発電機１に比べて、より大きな電力を取り出すことができる。特に、第３，第４の振動板１２，１３もまた、連結部７と共に音叉型振動体を構成しているので、第１，第２の振動板５，６と同様に、最大風圧を効果的に受けることができ、第３，第４の圧電素子１４，１５においても大きな電力を取り出すことができる。
【００４２】
のみならず、本実施例では、第１，第２の振動板５，６及び連結部７で構成される音叉型振動体の共振周波数と、第３，第４の振動板１２，１３及び連結部７で構成される音叉型振動体の共振周波数が異なるので、風速が変化した場合や、風向きが若干変化した場合でも、より効果的に電力を取り出すことができる。従って、エネルギー変換効率をより一層高めることができる。
【００４３】
図３は、本発明の第３の実施例に係る圧電型風力発電機を説明するための部分切欠斜視図である。
圧電型風力発電機２１では、ロッド４に、一枚の振動板２２が固定されている。ロッド４の前方は図示を省略してあるが、第１の実施例と同様に、円錐状先端部４ａ、回転軸３及び軸受２が配置されている。
【００４４】
振動板２２の後端には、振動板２２を折り曲げることにより、渦発生部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃが形成されている。振動板２２の両主面中央には、圧電素子２３，２４が貼り合わされている。圧電素子２３，２４は、第１の実施例で用いた圧電素子８，９と同様に構成することができる。
【００４５】
本実施例では、渦発生部材２２ａ，２２ｃが折り曲げられる方向と、渦発生部材２２ｂが折り曲げられている方向とが逆とされている。すなわち、一枚の振動板２２のみを用いるため、振動板２２の両側に分けて渦発生部材２２ａ，２２ｃ及び渦発生部材２２ｂを形成することにより、振動板２２の後端近傍両側において渦流が発生されるように構成されている。
【００４６】
従って、振動板２２の両面において渦流が発生されるので、一枚の振動板２２を用いているが、ロッド４の先端側から風を受けた場合、上記両面に発生される渦流により、振動板２２の側方への移動が規制され、ロッド４の先端が常に風向きを向くように位置されることになる。
【００４７】
すなわち、渦発生部材２２ａ，２２ｃと渦発生部材２２ｂとは、渦流を発生して振動板２２を屈曲振動させるだけでなく、振動板２２の主面の前後方向を風の流れる方向と一致する方向に規制する作用も果たす。
【００４８】
従って、本実施例の圧電型風力発電機２１も、風向きを表示する機能も果たす。
加えて、風がロッド４の長さ方向に流れてきた場合には、振動板２２の両面において、渦発生部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃにより振動板２２の後端近傍に渦流が発生し、それに伴って振動板２２が長さ方向に沿って屈曲振動する。そのため、振動板２２の両面に貼り合わされた圧電素子２３，２４から交流電圧を取り出すことができる。
【００４９】
従って、第３の実施例に係る圧電型風力発電機２１においても、風力を利用し、圧電素子２３，２４の電気機械変換効果を利用することにより、電力を効率良く取り出すことができる。
【００５０】
なお、第１〜第３の実施例では、渦発生部材５ａ，６ａ，１２ａ，１３ａ，２２ａ〜２２ｃは、振動板の後端を折り曲げることにより形成したが、渦発生部材としては、振動板の主面とある角度をなし、渦流を振動板の主面外側に発生させ得る限り、特に限定されるものではない。すなわち、振動板の主面とある角度をなして渦流を発生させる面を有する突状、リブ、突起などの適宜の形状の渦発生部材を構成することができる。また、渦発生部材は、振動板と別部材で構成されていてもよく、その場合渦発生部材を振動板に固定する方法についても、接着やねじ止めなど適宜の方法で行い得る。
【００５１】
さらに、渦発生部材は、振動板の後端に形成されている必要は必ずしもなく、振動板を屈曲振動させ得る渦流を発生させ得る限り、任意の位置に形成することができる。もっとも、第１〜第３の実施例のように、風上側となる振動板端部とは圧電素子を挟んで反対側に渦発生部材を配置すれば渦発生部材により振動板を効果的に振動させることができると共に、風向計としての作用を果たさせ得る。
【００５２】
また、第１の実施例では、第１，第２の振動板５，６を同じ共振周波数を有するように構成したが、本発明においては、複数の振動板を用い、該複数の振動板として共振周波数が異なる振動板を適宜組み合わせて圧電型風力発電機を構成してもよい。
【００５３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明に係る圧電型風力発電機によれば、振動板に固定された渦発生部材により、風を受けた際に空気の渦流が発生されて振動板が振動される。その結果、振動板の振動を受けて圧電素子により電力を取り出すことができる。従って、振動板、渦発生部材及び圧電素子からなる比較的簡単な構造で、風力から電力を取り出すことができる。加えて、比較的簡単な構造を有するため、家屋の屋根等に設置し得る小型かつ安価な発電機を提供することが可能となる。
【００５４】
さらに、比較的簡単な構造を有し、小型に構成し得るため、各家庭等に圧電型風力発電機を設置することにより、電力を消費するその場で発電を行うことができ、送電に伴うエネルギーロスも生じ難い。加えて、風力を利用するものであるため、環境汚染が生じ難く、かつエネルギー資源の節約にも寄与する。
【００５５】
請求項２に記載の発明では、圧電型風力発電機に、回転自在に支持されている回転軸が備えられており、渦発生部材と圧電素子を挟んで反対側の振動板端部が風上方向を向くように渦発生部材が構成されているので、振動板が大きな風圧を確実に受けることができ、エネルギー変換効率を高めることができると共に、風向計としての機能をも風力発電機に与えることができる。
【００５６】
請求項３に記載の発明では、共振周波数が異なる振動板を用いた複数の圧電型風力発電機を備えるため、風速の変化や風向きの変化に対応することができ、より一層エネルギー変換効率を高めることができる。
【００５７】
請求項４に記載の発明に係る圧電型風力発電機では、第１，第２の振動板が連結部を介して連結されて音叉型振動を発生するように構成されており、第１，第２の振動板の連結されている側とは反対側の端部における間隔が広げられているので、最大風圧を確実に受けることができ、それによって、より一層エネルギー変換効率を高めることができ、大きな電力を取り出すことができる。
【００５８】
請求項５に記載の発明では、第１，第２の振動板に加えて、第３，第４の振動板を用いた圧電型風力発電機が備えられているので、風向きや風速の変化により確実に対応することができ、常に最大風圧を効率良く受けることができる。従って、より一層エネルギー変換効率に優れた風力発電機を提供することができる。
【００５９】
請求項６に記載の発明では、請求項４，５に記載の発明に係る圧電型風力発電機において、回転自在に支持された回転軸がさらに備えられており、連結部側が風上方向を向くように構成されているので、それによって最大風圧をより効率良く受けることができ、エネルギー変換効率を高めることができる。
【００６０】
請求項７に記載の発明では、渦発生部材が圧電素子を挟んで振動板が連結されている部分とは反対側において振動板に固定されているので、渦発生部材により発生された渦流により振動板が効率良く振動し、それによってエネルギー変換効率を高めることができる。
【００６１】
請求項８に記載の発明では、渦発生部材が、固定されている振動板の主面に沿って流れてきた風の方向を変えるように、主面に対して所定の角度をなす面を有する部材により構成されているので、振動板を振動させる渦流が効果的に発生される。
【００６２】
請求項９に記載の発明では、渦発生部材が振動板と一体に構成されているので、渦発生部材及び振動板を機械加工や成形などの方法により容易に得ることができると共に、部品点数の低減を果たし得る。
【００６３】
請求項１０に記載の発明では、渦発生部材が、振動板の端部を折り曲げることにより構成されているので、例えば金属などからなる振動板を用意した後、折り曲げ加工により、容易に渦発生部材を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る圧電型風力発電機を説明するための斜視図。
【図２】本発明の第２の実施例に係る圧電型風力発電機の要部を説明するための部分切欠斜視図。
【図３】本発明の第３の実施例に係る圧電型風力発電機を説明するための部分切欠斜視図。
【図４】従来の風力発電装置を説明するための斜視図。
【符号の説明】
１…圧電型風力発電機
５，６…第１，第２の振動板
５ａ，６ａ…渦発生部材
７…連結部分
８，９…第１，第２の圧電素子
１１…圧電型風力発電機
１２，１３…第３，第４の振動板
１２ａ，１３ａ…第３，第４の渦発生部材
１４，１５…第３，第４の圧電素子
２１…圧電型風力発電機
２２…振動板
２２ａ〜２２ｃ…渦発生部材
２３，２４…圧電素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力から電気エネルギーを取り出すことを可能とする風力発電機に関し、より詳細には、圧電素子を用いて風力から電力を取り出すことを可能とする圧電型風力発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電方法としては、水力発電、原子力発電、火力発電、太陽電池を用いた発電方法、風力発電などの様々な方法が知られている。もっとも、立地条件の制約及び電力事業の高まりに伴って、水力発電に代わり、現在では、原子力発電及び火力発電が主として用いられている。
【０００３】
しかしながら、原子力発電や火力発電では、化石燃料を使用するため、大気汚染や放射線による汚染等を引き起こすおそれがあった。そこで、太陽エネルギーや風力などのいわゆるクリーンなエネルギーを用いた発電方法が注目されている。
【０００４】
図４は、従来の風力発電装置の一例を示す斜視図である。
風力発電装置５１では、回転軸５２の上端に電磁型発電機５３が取り付けられている。電磁型発電機５３には、羽根５４ａ〜５４ｃの一端が固定された回転部材５４が取り付けられている。
【０００５】
発電に際しては、回転軸５２を軸周りに回転させ、羽根５４ａ〜５４ｃを風上の方向に位置させる。その結果、風力により羽根５４ａ〜５４ｃを有する回転部材５４が回転し、この回転に伴うエネルギーが電磁型発電機５３により電力として取り出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の風力発電機５１では、電磁型発電機５３を用いて運動エネルギーが電気エネルギーに変換され、それによって電力が取り出されていた。しかしながら、回転部材５４の回転に伴う運動エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換することができず、エネルギー変換効率が低かった。
【０００７】
そのため、大きな電力を得るには、羽根５４ａ〜５４ｃとして、かなり大型のものを用意しなければならなかった。従って、全体の構造が複雑かつ大型化し、コストも高くつくという問題があった。
【０００８】
加えて、従来の風力発電装置５１は、上記のようにかなり大型であるため、取り付け場所にも制約があり、現実には、大きなスペースを確保し得る土地において、所定の間隔を隔ててかなりの数の風力発電機５１が設置されていることが多い。
【０００９】
本発明の目的は、従来の風力発電機の欠点を解消し、エネルギー変換効率に優れており、さらに比較的簡単な構造を有し、かつ小型化が容易である安価な風力発電機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するためになされたものであり、圧電素子を用いて機械エネルギーを電気エネルギーに変換することにより風力から電力を取り出すものである。
【００１１】
請求項１に記載の発明に係る圧電型風力発電機は、振動板と、前記振動板に固定されており、風を受けた際に振動板を振動させるような空気の渦流を発生させるための渦発生部材と、前記振動板に固定されており、かつ振動板の振動を受けて電力を取り出すことを可能とする圧電素子とを備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、前記圧電型風力発電機に連結されており、かつ回転自在に支持されている回転軸をさらに備え、前記渦発生部材と圧電素子を挟んで反対側の振動板端部が風上方向を向くように渦発生部材が構成されている。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の発明に係る圧電型風力発電機が複数備えられており、この複数の圧電型風力発電機として共振周波数が異なる振動板を有するものが用いられる。
【００１４】
請求項４に記載の発明に係る圧電型風力発電機は、一端側において連結されており、他端側における間隔が連結されている側の間隔よりも広くされている第１，第２の振動板と、前記第１，第２の振動板にそれぞれ固定されており、風を受けた際に振動板を振動させるような空気の渦流を発生させるための第１，第２の渦発生部材と、前記第１，第２の振動板にそれぞれ固定されており、振動板の振動を受けて電力を取り出すことを可能とする第１，第２の圧電素子とを備え、風を受けた際に、一端側で連結された第１，第２の振動板が音叉型振動を発生するように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、前記第１，第２の振動板の連結部分に一端側が連結されており、連結部分側とは反対側の端部の間隔が連結部分側端部の間隔よりも広くされている第３，第４の振動板と、前記第３，第４の振動板にそれぞれ固定されており、風を受けた際に振動板を振動させるような空気の渦流を発生させる第３，第４の渦発生部材と、前記第３，第４の振動板にそれぞれ固定されており、振動板の振動を受けて電力を取り出すことを可能とする第３，第４の圧電素子とをさらに備え、前記第３，第４の振動板により音叉型振動が発生するように構成されておりかつ第１，第２の振動板により発生される音叉型振動と、第３，第４の振動板により発生される音叉型振動の周波数が異ならされている。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、前記連結部に固定されており、かつ回転自在に支持された回転軸をさらに備え、前記連結部側が風上方向を向くように構成されている。
【００１７】
請求項７に記載の発明では、前記振動板において、渦発生部材が、圧電素子を挟んで振動板が連結されている部分とは反対側に固定されている。
請求項８に記載の発明では、上記渦発生部材が、該渦発生部材が固定されている振動板の主面に沿って流れてきた風の方向を変えるように、該主面に対して所定の角度をなす面を有する部材により構成されている。
【００１８】
請求項９に記載の発明では、前記渦発生部材が、振動板と一体に構成されている。
請求項１０に記載の発明では、前記渦発生部材が、振動板の端部を折り曲げることにより構成されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の非限定的な実施例を挙げることにより、本発明をより具体的に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施例に係る圧電型風力発電機を説明するための斜視図である。
圧電型風力発電機１は、軸受２に回転自在に軸支された回転軸３を有する。回転軸３の上端には、風の方向を示すロッド４が回転軸３と直交する方向を向くように固定されている。ロッド４の先端には、風上方向を示す矢印となる円錐状先端部４ａが形成されている。
【００２１】
ロッド４の後端には、第１，第２の振動板５，６が固定されている。第１，第２の振動板５，６は、その長さ方向にそって屈曲振動をし得るように構成された細長い矩形の板状部材により構成されている。振動板５，６は、前端側において、連結部７により連結されている。振動板５，６の後端側の間隔は、連結部７側における振動板５，６の間隔よりも広げられている。
【００２２】
振動板５，６は、屈曲振動が生じ易い、弾性変形し得る材料、例えば金属により構成することが望ましいが、合成樹脂などの他の材料で構成してもよい。
振動板５，６の後端には、振動板５，６の端部を折り曲げることにより、渦発生部材５ａ，６ａが形成されている。
【００２３】
渦発生部材５ａ，６ａは、本実施例では、振動板５，６の主面とある角度をなす板状部材として構成されている。
振動板５，６の長さ方向中央においては、第１，第２の圧電素子８，９がそれぞれ貼り合わされている。従って、上記渦発生部材５ａ，６ａは圧電素子８，９を挟んで連結部７すなわち振動板５，６の前端とは反対側に配置されている。
【００２４】
圧電素子８，９は、振動板５，６が屈曲振動した場合、その振動エネルギーを受けて電力を取り出すことを可能とするために設けられている。従って、圧電素子８，９としては、振動板５，６の振動を受けて歪み、圧電効果により、与えられた振動エネルギーを電気エネルギーに変換し得る適宜の圧電素子を用いることができる。
【００２５】
なお、特に図示はしないが、圧電素子８，９の外表面には、それぞれ、電力を取り出すための一方の電極が形成されており、圧電素子８，９の他面には、他方の電極が形成されている。他方の電極については、振動板５，６を金属で構成した場合、振動板５，６を電極と兼ねさせることにより、省略してもよい。
【００２６】
圧電素子８，９を構成する圧電体については、特に限定されず、圧電セラミックスや圧電単結晶などを用いた適宜の圧電体を用いることができる。
本実施例の圧電型風力発電機１は、風力により電力を発生させ得るだけでなく、風の方向を示す風向計としても用いられるものである。次に、この圧電型風力発電機の作用効果を動作と共に説明することとする。
【００２７】
圧電型風力発電機１は、上記のように圧電素子８，９を用いるものであるため、小型に構成することができる。従って、軸受２は、家屋の屋根等に簡単に取り付けることができる。
【００２８】
いま、風がある方向に吹いている場合、振動板５，６のいずれかが風により押され、回転軸３が回転される。
第１，第２の振動板５，６では、先端側における間隔よりも、後端側において両者の間隔が広げられているので、円錐状先端部４ａは風上方向に向かうことになる。すなわち、円錐状先端部４ａ側から連結部７側に風が流れてきた場合、空気の流れは、連結部７より後方では振動板５，６の外表面に沿って分岐されることになる。そのため、ロッド４の長さ方向に流れてきた空気流により、振動板５，６が、それぞれ、内面側に押されることになる。その結果、振動板５，６の外面側から内面側に向かう力を受けることになるため、風の流れに対してロッド４の長さ方向が一致している辺りで振動板５，６に加わる上記力が拮抗することになる。よって、円錐状先端部４ａは、常に風向き方向に向かうことになる。
【００２９】
従って、圧電型風力発電機１は、従来の風向計と同様に風向きを示す風向計として機能する。
しかも、振動板５，６の外表面に沿って振動板５，６の長さ方向に沿って流れてきた空気流は、渦発生部材５ａによりその方向を変化される。この場合、渦発生部材５ａ，６ａは、折り曲げにより形成された内面が、振動板５，６の主面と交差する角度をなすように形成されているので、流れてきた空気流が、渦発生部材５ａ，６ａの折り曲げにより形成された内面に沿って方向を変化され、振動板５，６の外側に渦流を発生させる。
【００３０】
その結果、振動板５，６の後端側において、振動板５，６の外側に渦流が発生するため、並びに振動板５，６の前端側は連結部７により固定されているため、振動板５，６は、連結部７側を固定端とし、渦発生部材５ａ，６ａ側を自由端として屈曲振動で振動することになる。この場合、振動板５，６が連結部７で連結されているので、第１，第２の振動板５，６及び連結部７で構成される構造体は、音叉型振動で振動する。
【００３１】
従って、圧電素子８，９が該振動により歪みを受けて、交流電圧を発生する。よって、圧電素子８，９から電力を取り出すことができる。
本実施例の圧電型風力発電機では、上記第１，第２の振動板５，６は、従来の風見鶏型の風向計と同様に、後端側において両者の間隔が広げられているので、常に円錐状先端部４ａが風向き方向を向こうとし、振動板５，６が最大風圧を受けるように構成されている。加えて、渦発生部材５ａ，６ａが形成されているので、上記渦流が効果的に発生され、それによって小型であるにも係わらず比較的大きな電力を取り出すことができる。すなわち、変換効率に優れた発電機を提供することができる。
【００３２】
特に、本実施例の圧電型風力発電機では、上記第１，第２の振動板５，６が、連結部７で連結されているので、振動板５，６が屈曲モードで振動するが、振動板５，６を連結部７で構成した構造体全体が、音叉型屈曲振動を引き起し、その共振周波数において最も大きな交流電圧を得ることができる。
【００３３】
図２は、本発明の第２の実施例に係る圧電型風力発電機を説明するための部分切欠斜視図である。圧電型風力発電機１１では、ロッド４に、第１，第２の振動板５，６が連結部７を介して連結されている。第１，第２の振動板５，６には、第１の実施例と同様に、圧電素子８，９がそれぞれ貼り合わされており、かつ第１，第２の振動板５，６の後端には、第１の振動板５，６を折り曲げることにより渦発生部材５ａ，６ａが形成されている。
【００３４】
また図示はしないが、ロッド４の先端に、第１の実施例の場合と同様に円錐状先端部４ａ（図１参照）が形成されており、かつロッド４には、第１の実施例と同様に、回転軸３及び軸受２が連結されている。
【００３５】
本実施例の特徴は、第１，第２の振動板５，６だけでなく、上下方向に対向するように、第３，第４の振動板１２，１３が連結部７に連結されていることにある。すなわち、振動板１２，１３の前端は連結部７に連結されている。また、振動板１２，１３の後端側は、互いの間隔が、連結部７に連結されている側の端部の間隔よりも大きくされている。
【００３６】
さらに、振動板１２，１３の後端を折り曲げることにより、渦発生部材１２ａ，１３ａが形成されている。渦発生部材１２ａ，１３ａは、振動板１２，１３の主面とある角度をなすように、振動板１２，１３を外側に折り曲げることにより形成されている。従って、渦発生部材１２ａ，１３ａの折り曲げにより形成された内面は、振動板１２，１３の主面とある角度をなし、振動板１２，１３の主面に沿って流れてきた空気流の方向を変換し、渦流を発生させるように構成されている。
【００３７】
また、第３，第４の振動板１２，１３の外表面には、第３，第４の圧電素子１４，１５が貼り合わされている。圧電素子１４，１５は、第１の実施例で用いた圧電素子８，９と同様に構成されている。
【００３８】
すなわち、第２の実施例の圧電型風力発電機１１の特徴は、第１の実施例の圧電型風力発電機１において、さらに第３，第４の振動板１２，１３、渦発生部材１２ａ，１３ａ及び圧電素子１４，１５を付加した構造に相当する。もっとも、第３，第４の振動板１２，１３の共振周波数は、第１，第２の振動板５，６の共振周波数と異ならされている。従って、風を受けて振動した場合、第３の振動板１２、連結部７及び第４の振動板１３で構成される音叉型構造体が音叉型振動で振動し、この音叉型振動の共振周波数は、第１，第２の振動板５，６及び連結部７で構成される音叉型振動の共振周波数と異ならされている。
【００３９】
本実施例の圧電型風力発電機１１では、第１，第２の振動板５，６が上記のように構成されているので、第１の実施例と同様に、風向計としても機能する。
加えて、第１，第２の振動板５，６及び連結部７で構成される部分の音叉型振動により、第１，第２の圧電素子８，９から交流電圧を取り出すことができる。
【００４０】
さらに、第３，第４の振動板１２，１３側においても、第３，第４の振動板１２，１３及び連結部７で構成されている構造体の音叉型振動に伴うエネルギーが圧電素子１４，１５から交流電圧として取り出される。
【００４１】
従って、第１の実施例の圧電型風力発電機１に比べて、より大きな電力を取り出すことができる。特に、第３，第４の振動板１２，１３もまた、連結部７と共に音叉型振動体を構成しているので、第１，第２の振動板５，６と同様に、最大風圧を効果的に受けることができ、第３，第４の圧電素子１４，１５においても大きな電力を取り出すことができる。
【００４２】
のみならず、本実施例では、第１，第２の振動板５，６及び連結部７で構成される音叉型振動体の共振周波数と、第３，第４の振動板１２，１３及び連結部７で構成される音叉型振動体の共振周波数が異なるので、風速が変化した場合や、風向きが若干変化した場合でも、より効果的に電力を取り出すことができる。従って、エネルギー変換効率をより一層高めることができる。
【００４３】
図３は、本発明の第３の実施例に係る圧電型風力発電機を説明するための部分切欠斜視図である。
圧電型風力発電機２１では、ロッド４に、一枚の振動板２２が固定されている。ロッド４の前方は図示を省略してあるが、第１の実施例と同様に、円錐状先端部４ａ、回転軸３及び軸受２が配置されている。
【００４４】
振動板２２の後端には、振動板２２を折り曲げることにより、渦発生部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃが形成されている。振動板２２の両主面中央には、圧電素子２３，２４が貼り合わされている。圧電素子２３，２４は、第１の実施例で用いた圧電素子８，９と同様に構成することができる。
【００４５】
本実施例では、渦発生部材２２ａ，２２ｃが折り曲げられる方向と、渦発生部材２２ｂが折り曲げられている方向とが逆とされている。すなわち、一枚の振動板２２のみを用いるため、振動板２２の両側に分けて渦発生部材２２ａ，２２ｃ及び渦発生部材２２ｂを形成することにより、振動板２２の後端近傍両側において渦流が発生されるように構成されている。
【００４６】
従って、振動板２２の両面において渦流が発生されるので、一枚の振動板２２を用いているが、ロッド４の先端側から風を受けた場合、上記両面に発生される渦流により、振動板２２の側方への移動が規制され、ロッド４の先端が常に風向きを向くように位置されることになる。
【００４７】
すなわち、渦発生部材２２ａ，２２ｃと渦発生部材２２ｂとは、渦流を発生して振動板２２を屈曲振動させるだけでなく、振動板２２の主面の前後方向を風の流れる方向と一致する方向に規制する作用も果たす。
【００４８】
従って、本実施例の圧電型風力発電機２１も、風向きを表示する機能も果たす。
加えて、風がロッド４の長さ方向に流れてきた場合には、振動板２２の両面において、渦発生部材２２ａ，２２ｂ，２２ｃにより振動板２２の後端近傍に渦流が発生し、それに伴って振動板２２が長さ方向に沿って屈曲振動する。そのため、振動板２２の両面に貼り合わされた圧電素子２３，２４から交流電圧を取り出すことができる。
【００４９】
従って、第３の実施例に係る圧電型風力発電機２１においても、風力を利用し、圧電素子２３，２４の電気機械変換効果を利用することにより、電力を効率良く取り出すことができる。
【００５０】
なお、第１〜第３の実施例では、渦発生部材５ａ，６ａ，１２ａ，１３ａ，２２ａ〜２２ｃは、振動板の後端を折り曲げることにより形成したが、渦発生部材としては、振動板の主面とある角度をなし、渦流を振動板の主面外側に発生させ得る限り、特に限定されるものではない。すなわち、振動板の主面とある角度をなして渦流を発生させる面を有する突状、リブ、突起などの適宜の形状の渦発生部材を構成することができる。また、渦発生部材は、振動板と別部材で構成されていてもよく、その場合渦発生部材を振動板に固定する方法についても、接着やねじ止めなど適宜の方法で行い得る。
【００５１】
さらに、渦発生部材は、振動板の後端に形成されている必要は必ずしもなく、振動板を屈曲振動させ得る渦流を発生させ得る限り、任意の位置に形成することができる。もっとも、第１〜第３の実施例のように、風上側となる振動板端部とは圧電素子を挟んで反対側に渦発生部材を配置すれば渦発生部材により振動板を効果的に振動させることができると共に、風向計としての作用を果たさせ得る。
【００５２】
また、第１の実施例では、第１，第２の振動板５，６を同じ共振周波数を有するように構成したが、本発明においては、複数の振動板を用い、該複数の振動板として共振周波数が異なる振動板を適宜組み合わせて圧電型風力発電機を構成してもよい。
【００５３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明に係る圧電型風力発電機によれば、振動板に固定された渦発生部材により、風を受けた際に空気の渦流が発生されて振動板が振動される。その結果、振動板の振動を受けて圧電素子により電力を取り出すことができる。従って、振動板、渦発生部材及び圧電素子からなる比較的簡単な構造で、風力から電力を取り出すことができる。加えて、比較的簡単な構造を有するため、家屋の屋根等に設置し得る小型かつ安価な発電機を提供することが可能となる。
【００５４】
さらに、比較的簡単な構造を有し、小型に構成し得るため、各家庭等に圧電型風力発電機を設置することにより、電力を消費するその場で発電を行うことができ、送電に伴うエネルギーロスも生じ難い。加えて、風力を利用するものであるため、環境汚染が生じ難く、かつエネルギー資源の節約にも寄与する。
【００５５】
請求項２に記載の発明では、圧電型風力発電機に、回転自在に支持されている回転軸が備えられており、渦発生部材と圧電素子を挟んで反対側の振動板端部が風上方向を向くように渦発生部材が構成されているので、振動板が大きな風圧を確実に受けることができ、エネルギー変換効率を高めることができると共に、風向計としての機能をも風力発電機に与えることができる。
【００５６】
請求項３に記載の発明では、共振周波数が異なる振動板を用いた複数の圧電型風力発電機を備えるため、風速の変化や風向きの変化に対応することができ、より一層エネルギー変換効率を高めることができる。
【００５７】
請求項４に記載の発明に係る圧電型風力発電機では、第１，第２の振動板が連結部を介して連結されて音叉型振動を発生するように構成されており、第１，第２の振動板の連結されている側とは反対側の端部における間隔が広げられているので、最大風圧を確実に受けることができ、それによって、より一層エネルギー変換効率を高めることができ、大きな電力を取り出すことができる。
【００５８】
請求項５に記載の発明では、第１，第２の振動板に加えて、第３，第４の振動板を用いた圧電型風力発電機が備えられているので、風向きや風速の変化により確実に対応することができ、常に最大風圧を効率良く受けることができる。従って、より一層エネルギー変換効率に優れた風力発電機を提供することができる。
【００５９】
請求項６に記載の発明では、請求項４，５に記載の発明に係る圧電型風力発電機において、回転自在に支持された回転軸がさらに備えられており、連結部側が風上方向を向くように構成されているので、それによって最大風圧をより効率良く受けることができ、エネルギー変換効率を高めることができる。
【００６０】
請求項７に記載の発明では、渦発生部材が圧電素子を挟んで振動板が連結されている部分とは反対側において振動板に固定されているので、渦発生部材により発生された渦流により振動板が効率良く振動し、それによってエネルギー変換効率を高めることができる。
【００６１】
請求項８に記載の発明では、渦発生部材が、固定されている振動板の主面に沿って流れてきた風の方向を変えるように、主面に対して所定の角度をなす面を有する部材により構成されているので、振動板を振動させる渦流が効果的に発生される。
【００６２】
請求項９に記載の発明では、渦発生部材が振動板と一体に構成されているので、渦発生部材及び振動板を機械加工や成形などの方法により容易に得ることができると共に、部品点数の低減を果たし得る。
【００６３】
請求項１０に記載の発明では、渦発生部材が、振動板の端部を折り曲げることにより構成されているので、例えば金属などからなる振動板を用意した後、折り曲げ加工により、容易に渦発生部材を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る圧電型風力発電機を説明するための斜視図。
【図２】本発明の第２の実施例に係る圧電型風力発電機の要部を説明するための部分切欠斜視図。
【図３】本発明の第３の実施例に係る圧電型風力発電機を説明するための部分切欠斜視図。
【図４】従来の風力発電装置を説明するための斜視図。
【符号の説明】
１…圧電型風力発電機
５，６…第１，第２の振動板
５ａ，６ａ…渦発生部材
７…連結部分
８，９…第１，第２の圧電素子
１１…圧電型風力発電機
１２，１３…第３，第４の振動板
１２ａ，１３ａ…第３，第４の渦発生部材
１４，１５…第３，第４の圧電素子
２１…圧電型風力発電機
２２…振動板
２２ａ〜２２ｃ…渦発生部材
２３，２４…圧電素子
Claims (10)
- 振動板と、
前記振動板に固定されており、風を受けた際に振動板を振動させるような空気の渦流を発生させるための渦発生部材と、
前記振動板に固定されており、かつ振動板の振動を受けて電力を取り出すことを可能とする圧電素子とを備えることを特徴とする、圧電型風力発電機。 - 前記圧電型風力発電機に連結されており、かつ回転自在に支持されている回転軸をさらに備え、前記渦発生部材と圧電素子を挟んで反対側の振動板端部が風上方向を向くように渦発生部材が構成されている、請求項１に記載の圧電型風力発電機。
- 共振周波数が異なる振動板を用いた複数の請求項１に記載の圧電型風力発電機を備えることを特徴とする圧電型風力発電機。
- 一端側において連結されており、他端側における間隔が連結されている側の間隔よりも広くされている第１，第２の振動板と、
前記第１，第２の振動板にそれぞれ固定されており、風を受けた際に振動板を振動させるような空気の渦流を発生させるための第１，第２の渦発生部材と、
前記第１，第２の振動板にそれぞれ固定されており、振動板の振動を受けて電力を取り出すことを可能とする第１，第２の圧電素子とを備え、
風を受けた際に、一端側で連結された第１，第２の振動板が音叉型振動を発生するように構成されていることを特徴とする、圧電型風力発電機。 - 前記第１，第２の振動板の連結部分に一端側が連結されており、連結部分側とは反対側の端部の間隔が連結部分側の端部の間隔よりも広くされている第３，第４の振動板と、
前記第３，第４の振動板にそれぞれ固定されており、風を受けた際に振動板を振動させるような空気の渦流を発生させる第３，第４の渦発生部材と、
前記第３，第４の振動板にそれぞれ固定されており、振動板の振動を受けて電力を取り出すことを可能とする第３，第４の圧電素子とをさらに備え、
前記第３，第４の振動板により音叉型振動が発生するように構成されておりかつ第１，第２の振動板により発生される音叉型振動と、第３，第４の振動板により発生される音叉型振動の周波数が異ならされている、請求項４に記載の圧電型風力発電機。 - 前記連結部に固定されており、かつ回転自在に支持された回転軸をさらに備え、前記連結部側が風上方向を向くように構成されている、請求項４または５に記載の圧電型風力発電機。
- 前記振動板において、渦発生部材が、圧電素子を挟んで振動板が連結されている部分とは反対側に固定されている、請求項１〜６のいずれかに記載の圧電型風力発電機。
- 前記渦発生部材が、該渦発生部材が固定されている振動板の主面に沿って流れてきた風の方向を変えるように、該主面に対して所定の角度をなす面を有する部材である、請求項１〜７のいずれかに記載の圧電型風力発電機。
- 前記渦発生部材が、振動板と一体に構成されている、請求項１〜８のいずれかに記載の圧電型風力発電機。
- 前記渦発生部材が、振動板の端部を折り曲げることにより構成されている、請求項９に記載の圧電型風力発電機。
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