JP4913921B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、風等の流体を用いた発電装置に関する。

昨今、再生可能でクリーンなエネルギの利用推進が求められており、風力発電はその中でも代表的なものの一つとして知られている。風力発電装置としてはプロペラ等の風車を利用したものが一般的である。また、それ以外にも、風によって生じる振動を利用したものもあり、例えば、下記特許文献１では旗のはためきを利用したものが採用されている。

特許第４５９０６４１号特許公報

しかし、風車を利用した構成の場合、シャドーフリッカー、バードストライクや景観上の問題等が生じることもあった。また、特許文献１の方式であれば、支柱以外の箇所にも構成部材を配置しなければならないなど、構造が複雑化・大型化して、コスト高に繋がるという問題もあった。さらに、特許文献１の方式では、設置に際し、多大な手間を要していた。

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、簡易な構成で小型化を実現でき、容易に設置することができる発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、流体の流れにより振動する平面体と、前記平面体の振動に伴う振動エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換部と、前記平面体に連結され、前記平面体に生じた振動エネルギを前記エネルギ変換部に伝達する伝達部と、前記伝達部を牽引可能な牽引部と、建築物や地面等に固定され得る支柱と、を有する発電装置であって、前記伝達部は、紐状部材であり、前記平面体の前記支柱側の一辺において一箇所の部位につき複数の前記紐状部材の一端部が取り付けられ、かつ複数の前記紐状部材の他端部が前記エネルギ変換部及び前記牽引部に取り付けられ、前記平面体は、前記紐状部材により固有周期を持たずに自由にはためき得るように設けられ、各々の前記紐状部材の一端部から各々の前記紐状部材の他端部に向かって、前記平面体の面に直交する方向に沿って前記平面体から次第に離間していることを特徴とする。

この場合、前記平面体に生じた振動は、前記エネルギ変換部と前記平面体との間に位置する前記紐状部材の長さ方向に沿った往復運動に変換されて、前記エネルギ変換部に伝達されることが好ましい。

この場合、前記牽引部は、前記平面体の面方向に沿った振動に伴う前記紐状部材の移動と前記平面体の面に対して直交する方向に沿った振動に伴う前記紐状部材の移動のいずれに対しても復元力を作用させることが好ましい。

この場合、前記支柱には、前記伝達部を支持するための支持部材が設けられ、前記支持部材は、伸びきった状態の前記平面体の面に対して直交する方向に向って前記平面体の面から所定の距離だけ離間しており、複数の前記紐状部材の他端部が前記支持部材を介して前記エネルギ変換部及び前記牽引部に取り付けられていることが好ましい。

この場合、前記支柱は、所定の軸回りに回転可能となるように回転手段に取り付けられていることが好ましい。

本発明によれば、旗のはためきを発電に利用する場合において、発電に必要な機構は支柱と一体化した構造にすることができる。これにより、小型で簡素な発電装置とすることができ、ひいては製造コストが抑えられる。また、発電装置の可搬性に優れ、設置に手間がかからない。さらに、都市部、住宅街、道路沿いや野鳥飛来地など風車の弊害が顕在化しやすい場所への発電装置の設置にも適し、風力発電の普及拡大に資することが期待できる。

特に、支柱が回転手段に取り付けられているため、その復元力が支柱の回転力として働き、風向きの変化に応じて支柱が自然に回転し追従することができる。

本発明の一実施形態に係る発電装置の構成を示した図である。 本発明の構成において、（Ａ）は風向き方向に生じる紐の挙動を示した図であり、（Ｂ）は風向き方向に対して直交する方向に生じる紐の挙動を示した図である。 本発明の一実施形態に係る発電装置の支柱の回転手段の一実施例の構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係る発電装置の紐牽引手段の一実施例の構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係る発電装置の発電手段の一実施例の構成を示した図である。 特許文献１の第１実施形態において旗竿を紐体に変更したもの、あるいは同第２実施形態における紐体において、（Ａ）は風向き方向に生じる紐の挙動を示した図であり、（Ｂ）は風向き方向に対して直交する方向に生じる紐の挙動を示した図である。 本発明の一実施形態に係る発電装置の変形例１の構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係る発電装置の変形例２の構成を示した図である。

本発明の一実施形態に係る発電装置について、図面を参照して説明する。本実施形態では、風力を利用した風力発電装置の態様を説明する。なお、本発明は、流体を利用するものであれば、風力を利用した風力発電装置に限定されるものではない。本発明者は、風力発電装置の他に、潮流・河川流などの液体を利用した発電装置も想定しており、本発明に含まれる。

図１に示すように、発電装置１０は、旗１２と、支柱１４と、を備えている。旗１２の支柱１４側の一辺には、１ヶ所の部位につき２本の紐１６の一方側端部が取り付けられている。当該旗１２は、複数の紐１６により固有周期を持たずに自由にはためき得るように設けられている。

支柱１４には、紐１６を支持するための紐支持手段１８が固定されている。紐支持手段１８は、合計４個設けられている。各紐支持手段１８は、風を受けて伸びきった状態の旗１２の面に対して直交する方向（垂直方向）に沿って所定の距離だけ離れている。

各紐１６の他方側端部は、紐支持手段１８を介して発電手段２０及び紐牽引手段２２に取り付けられている。発電手段２０と紐牽引手段２２は、相互に直列的に配置されている。

ここで、各々の紐１６の一方側端部から各々の紐１６の他方側端部に向かって、旗１２の面に直交する方向（図１及び図２中矢印Ｙ方向）に沿って旗１２から次第に離間していくように構成されている。換言すれば、各々の紐１６の一方側端部から各々の紐１６の他方側端部に向かって、紐１６同士の間隔が開いていくように設定されている。

支柱１４は、軸回りに回転可能となるように、回転手段２４（図３参照）に取り付けられている。

発電装置１０によれば、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、風向き方向に生じる振動（図１及び図２中矢印Ｘ方向）とそれに直交する方向に生じる振動（図１及び図２中矢印Ｙ方向）のいずれもが合成振動として旗１２に作用する。そして、当該旗１２の合成振動により紐１６が当該紐１６の長さ方に沿って往復振動する。当該紐１６の往復運動は、向旗１２と紐支持手段１８との間に現れた紐１６の長さＬ（図１及び図２中矢印Ｌで図示）の変化として具現化される。

なお、紐１６は伸縮するものではなく、しかるに長さＬの変化は紐支持手段１８を介することにより、さらに往復運動に変換されて、発電手段２０に伝達される。

なお、本実施形態では、紐支持手段１８を用いた構成を一例として挙げているため、上記旗１２の合成振動（換言すれば、紐１６の往復運動）が旗１２と紐支持手段１８との間に現れた紐１６の長さＬ（図１及び図２中矢印Ｌで図示）の変化に具現化される。しかし、紐支持手段１８を用いない構成を採用する場合には、上記旗１２の合成振動が旗１２と紐支持手段１８との間に現れた紐１６の長さＬ（図１及び図２中矢印Ｌで図示）の変化に変換されるのではなく、発電手段２０と旗１２との間に位置する紐１６の長さ方向に沿った往復運動のままで、発電手段２０に伝達される。

また、図２（Ｂ）において、風向きが変わるなどして、旗１２が中心点から大きく離れようとした場合、２本の紐１２のうち長く引っ張られた方にはより大きな牽引力が紐牽引手段２２から作用して、中心点付近に戻そうとする復元力が働く。ここで、支柱１４は、回転手段２４（図３参照）に取り付けられているため、その復元力は支柱１４の回転力として働き、風向きの変化に応じて支柱１４が自然に回転して追従する。このようにして、紐牽引手段２２は、旗１２の面方向に沿った振動に伴う紐１６の移動と旗１２の面に対して直交する方向に沿った振動のいずれに対しても復元力を作用させる。

ここで、上下の紐支持手段１８の間隔を調整できるようスライド可能な構造とすれば、旗１２の大きさを変えることにも対応できる。また、旗１２に紐１６を取り付ける箇所及びそれに対応する構成要素は上下２ヶ所に限らず、任意の数に増やしてもよい。

（従来技術との比較）
次に、従来技術である特許文献１と比較検討する。特許文献１の例えば第１実施形態又は第２実施形態には、エネルギ変換部が旗の面に直交する方向に沿って離間していない構成が記載されている。しかし、当該構成では、以下の点で技術的な問題が生じる。すなわち、図６（Ａ）に示すように、特許文献１の第１実施形態において旗竿を紐体に変更したもの、あるいは同第２実施形態における紐体では、風向き方向（旗１０２の面方向：図６（Ａ）中矢印Ｘ方向）の旗１０２の振動は、そのまま紐１００の往復運動に変換される。ところが、図６（Ｂ）に示すように、旗１０２の面方向に対して直交する方向（図６（Ｂ）中矢印Ｙ方向）の旗１０２の振動は、紐１００の角度を変える運動になるものの、紐１００の往復運動として変換される効率が低くなる。そこで、紐１００を引っ張る力が作用して往復運動になることで、はじめて、旗１０２に生じた振動エネルギ（力）がエネルギ変換部に伝達されることを考慮すると、紐１００の角度を変える運動は力の伝達に全く寄与しない。このため、特許文献１の構成では、旗１０２に生じた振動エネルギ（力）をエネルギ変換部に確実に伝達することができず、エネルギ変換効率が低下するという技術的な問題が生じる。

これに対して、本願発明のように、旗１２の支柱１４側の一辺において一箇所の部位につき複数の紐１６の一端部が取り付けられ、かつ複数の紐１６の他端部がエネルギ変換部２０及び牽引部２２に取り付けられ、かつ、各々の紐１６の一端部から各々の紐１６の他端部に向かって、旗１２の面に直交する方向に沿って旗１２から次第に離間している構成により、旗１０２に生じた振動エネルギ（力）をエネルギ変換部に確実に伝達することができる。

なお、紐支持手段１８として、紐１６を通すことができるリングや首振り可能な滑車などを用いることができる。リングを用いる場合、フッ素樹脂コーティングするなどして摩擦抵抗を減らすことが望ましい。

発電手段２０として、圧電素子や電磁誘導式発電機などを用いることができる。

紐牽引手段２２として、バネやゴムなどの弾性体あるいは巻き取りリールなどを用いることができる。

発電手段２０には、可動部と固定部の両方を備えているが、そのうちの可動部が紐牽引手段２２に接続されている。例えば、圧電素子では一方の端が可動部になり、他方の端が固定部になる。後述の一実施例におけるリニア発電機では、磁石体が可動部になり、コイルが固定部になる。あるいは磁石体が固定部になり、コイルが可動部の構成も採用可能である。また、一般的な電磁誘導式回転発電機では、回転軸が可動部になり、筐体が固定部になるが、この場合巻き取りリールやギア機構など往復運動を回転運動に変換する機構とともに用いられる。

なお、電磁誘導式回転発電機と巻き取りリールを用いる場合には、両者を一体化した構造にすることも可能である。さらに、それらを紐支持手段１８の位置に取り付けることにより、紐支持手段１８を省略した構造にすることもできる。

ここで、支柱１４の回転手段２４の一実施例を説明する。

図３に示すように、回転手段２４は、軸方向長さが長い導体の長円筒２６と、軸方向長さが長円筒２６よりも短い導体の短円筒２８と、を有している。短円筒２８の内径は、長円筒２６の内径よりも大きい。回転手段２４は、太い方の短円筒２８の内部に、細い方の長円筒２６が挿入され、両者の間に絶縁体（図示省略）が挟まれた構造になっている。

各円筒２６、２８の下部は、土台（図示省略）あるいは土台に固定された別の支柱（図示省略）に固定されている。各円筒２６、２８の上部には、内輪が接する形でベアリング３０、３２がそれぞれ取り付けられている。さらに、各ベアリング３０、３２の外輪が導体板３４、３６にそれぞれ取り付けられている。各導体板３４、３６の側面が、支柱１４にそれぞれ取り付けられている。支柱１４は、少なくとも２枚の導体板３４、３６の間において絶縁されている。

かかる構造によれば、支柱１４が回転可能になるとともに、発電手段２０の出力を導体板３４、３６に接続することにより、ベアリング３０、３２を通じて土台に取り付けられた円筒２６、２８から発電手段２０の出力を外部に取り出すことができる。

ここで利用するベアリング３０、３２は、導電性グリスを用いるなどした導電性の高いものが望ましい。各発電手段２０の出力波形や位相は必ずしも一致しないため、整流しないまま直列あるいは並列に接続することは避け、個別に整流した上で接続するのがよい。

次に、紐牽引手段２２の一実施例について説明する。

図４に示すように、紐牽引手段２２は、弾性体（バネやゴム等）等を単体で利用することに代えて、次のような構造としてもよい。すなわち、旗１２の同一箇所に紐１６を介して繋がれた２つの発電手段２０には、紐１７がさらに接続されている。紐１７は、支柱１４に固定された紐支持手段１９（リングや滑車等）に介されている。紐支持手段１９の発電手段２０側の部位であって２本の紐１７の間には、弾性体３８が取り付けられている。当該弾性体３８は、２本の各紐１７に掛け渡されている。支柱１４には、弾性体３８とは別の弾性体４０が取り付けられている。弾性体４０には、紐支持手段２１が取り付けられている。このため、各発電手段２０に接続された各紐１７は、紐支持手段１９、２１を介して弾性体４０に取り付けられている。

なお、弾性体３８は、図１中の矢印Ｙ方向の紐１６の移動（運動）に対抗して復元力を発生させるものである。また、弾性体４０は、図１中の矢印Ｘ方向の紐１６の移動（運動）に対抗して復元力を発生させるものである。

かかる構造であれば、弾性体４０を設けることにより、両方の紐１７が共に引っ張られる方向つまり旗の風向き方向の動き、換言すれば図１中の矢印Ｘ方向の紐１６の移動（運動）に対抗する形で復元力が作用する。また、弾性体３８を設けることにより、紐１７のうち一方が引っ張られる方向つまりそれに対し直交する方向の動き、換言すれば図１中の矢印Ｙ方向の紐１６の移動（運動）に対抗する形で復元力が作用する。したがって、それぞれの弾性体３８、４０の牽引力を個別に調整することにより、それぞれの方向の復元力も個別に調整することができる。

発電手段２０として電磁誘導式発電機を用いる場合には、回転式のものでもよいが、旗１２のはためきによる振動（図１中の矢印Ｘ方向の運動と図１中の矢印Ｙ方向の運動との合成運動）は紐の往復運動として伝えられるため、リニア式のものであれば回転運動に変換することなくそのまま利用できる。

ここで、リニア発電機の一実施例について説明する。

旗１２のはためきによって生じると考えられる紐の最小の振幅をｗ、紐の合成動に伴う最大の移動距離をＷとして、ｄ及びＤをｄ≦（ｗ÷２）、Ｄ≧Ｗとなるように定めるのがよい。なぜなら、例えば、ｄが大きいと、紐が前記往復運動してもコイルと磁石の位置関係によってはほとんど発電出力を得られないこともあり得るからである。

図５に示すように、発電手段２０の一態様であるリニア発電機４２として、先ず、同一円周上の外面は一様に同一の極を持ち、かつｄのピッチごとに極が反転している円柱状または円筒状の磁石体４４を製造する。

この製造方法には、径方向に着磁された（外面側隣接磁極間の短絡防止のため）ｄより若干小さい幅を持つ曲面状焼結磁石を円柱状または円筒状のヨークの側面に貼り合わせていく、もしくはｄのピッチで縞状に片面多極着磁されたラバー磁石を円柱状または円筒状の物体に巻き付ける、などの方法がある。

一方、磁石体４４よりＤだけ短い長さと磁石体４４の外径より若干大きい内径を持ち、かつｄのピッチごとに巻き方向が反転しているコイル４６を作る。そして、コイル４６の外径と等しい内径を持つ円筒状ヨーク４８の内面に、コイル４６を取り付ける。

ヨーク４８の内面と磁石体４４の外面の距離は磁石体４４の各磁極の幅・隣接磁極間の間隔いずれよりも小さくなるようにするのがよい。

コイル４６の内面及び磁石体４４の外面は、フッ素樹脂テープで覆うなどして摩擦抵抗を少なくするのが望ましい。

コイル４６の内径と磁石体４４の外径の差は小さい方がよいが、完全に密着させるのではなく両者が小さな抵抗で往復運動できる程度の遊びを持たせるのがよい。

ヨーク４８には、縦方向にスリットを入れる、あるいは圧粉磁心を用いるなどして、鉄損を小さくするのが望ましい。その上で、ヨーク４８を支柱１４に固定し、磁石体４４をコイル４７内に挿入した後、紐１６を取り付けて往復運動させることにより、コイル４６に起電力が生じる。

なお、上記とは逆に磁石体４４がコイル４６よりＤだけ短くなるようにしたり、あるいはコイル４６と磁石体４４の関係を入れ替えて、磁石体４４側が固定されコイル４６が往復運動するような構成にしてもよい。

ここでは、磁石体４４、コイル４６及びヨーク４８の形状が円柱形のものを説明したが、これに限られず、角柱形としてもよく、また偏平であってもよい。偏平な場合、磁石体の短辺側側面には磁石を配置しない構成としてもよく、例えば片面多極着磁された平板状焼結磁石の非着磁面同士を貼り合わせるなどしたものを利用できる。さらに、それを束ねて集積化することもできる。このようなリニア発電機は、細長い形状にすることができ、回転発電機よりも支柱に取り付けるのに適しているという利点がある。

本実施形態の発電装置１０によれば、旗１２のはためきを発電に利用する場合において、発電に必要な機構は支柱１４と一体化した構造にすることができる。これにより、小型で簡素な発電装置１０とすることができ、ひいては製造コストが抑えられる。また、発電装置１０の可搬性に優れ、設置に手間がかからない。さらに、都市部、住宅街、道路沿いや野鳥飛来地など風車の弊害が顕在化しやすい場所への発電装置１０の設置にも適し、風力発電の普及拡大に資することが期待できる。

なお、以下、本願発明に含まれる各変形例について説明する。

図７は、変形例１が示されている。変形例１では、旗１２に取り付けられている紐１６が巻き取りリール５０に巻き取り可能になっている。紐１６が巻き取りリール５０に巻き取られるとき又は巻き取りリール５０から送り出されるときに巻き取りリール５０の軸５２が回転する。巻き取りリール５０の軸５２には、発電手段２０としての回転発電機が取り付けられている。巻き取りリール５０の軸５２の回転により、回転発電機が発電する。図７では、各回転発電機は、旗１２の面に対して直交する方向に沿って離間している構成である。

図８は、変形例２が示されている。変形例２では、旗１２に取り付けられている紐１６が複数のリング５４（紐支持手段に相当）を介して発電手段２０としてのリニア発電機に取り付けられている。図８では、各リニア発電機は、旗１２の面に対して直交する方向に沿って離間していない。

１０ 発電装置
１２ 旗（平面体）
１４ 支柱
１６ 紐（紐状部材、伝達部）
１８ 紐支持手段（支持部材）
２０ 発電手段（エネルギ変換部）
２２ 紐牽引手段（牽引部）
２４ 回転手段

Claims (5)

1. 流体の流れにより振動する平面体と、
   前記平面体の振動に伴う振動エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換部と、
   前記平面体に連結され、前記平面体に生じた振動エネルギを前記エネルギ変換部に伝達する伝達部と、
   前記伝達部を牽引可能な牽引部と、
   建築物や地面等に固定され得る支柱と、
   を有する発電装置であって、
   前記伝達部は、紐状部材であり、
   前記平面体の前記支柱側の一辺において一箇所の部位につき複数の前記紐状部材の一端部が取り付けられ、かつ複数の前記紐状部材の他端部が前記エネルギ変換部及び前記牽引部に取り付けられ、
   前記平面体は、前記紐状部材により固有周期を持たずに自由にはためき得るように設けられ、
   各々の前記紐状部材の一端部から各々の前記紐状部材の他端部に向かって、前記平面体の面に直交する方向に沿って前記平面体から次第に離間していることを特徴とする発電装置。
2. 前記平面体に生じた振動は、前記エネルギ変換部と前記平面体との間に位置する前記紐状部材の長さ方向に沿った往復運動に変換されて、前記エネルギ変換部に伝達されることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記牽引部は、前記平面体の面方向に沿った振動に伴う前記紐状部材の移動と前記平面体の面に対して直交する方向に沿った振動に伴う前記紐状部材の移動のいずれに対しても復元力を作用させることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
4. 前記支柱には、前記伝達部を支持するための支持部材が設けられ、
   前記支持部材は、伸びきった状態の前記平面体の面に対して直交する方向に向って前記平面体の面から所定の距離だけ離間しており、
   複数の前記紐状部材の他端部が前記支持部材を介して前記エネルギ変換部及び前記牽引部に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電装置。
5. 前記支柱は、所定の軸回りに回転可能となるように回転手段に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電装置。