JP5080331B2

JP5080331B2 - 風力発電装置

Info

Publication number: JP5080331B2
Application number: JP2008093657A
Authority: JP
Inventors: 長岡真二; 江里口玲; 小川彰一
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009243424A

Description

本発明は風力を利用して電気エネルギーを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風力発電が注目されている。一般的な風力発電装置としては、プロペラを風力で回転させてモータを回し、電磁誘導により発電するものが実用化されているが、これらは装置が大型であってコストが高いことや、設置場所が制限されること、また、所定の設置間隔を取らなければ発電効率が低下する等の問題がある。

このような問題を解決するために、圧電素子を用いた発電装置が提案されている。たとえば、特許文献１には、枠状のフレーム部材と、フレーム部材の上開口面を覆う振動板と、振動板の表面に取り付けられた受風翼とを具備し、振動板に屈曲変位を生ずることにより発電するバイモルフ型等の圧電素子が取り付けられた構造を有する風力発電装置が開示されている。この風力発電装置では、受風翼が風力を受けることによって振動し、この振動が振動板に伝えられて圧電素子を屈曲させることにより、電気エネルギーを得ることができる。

しかしながら、このような風力発電装置では、振動板の振動がフレームによって抑制されることにより、発電効率が低下する問題がある。一方、このような振動板のフレームによる振動抑制を低減させるためには、フレームを大きくしなければならず、設置面積が広くなってしまう。また、屈曲型圧電素子の大きさには製造技術上の制限があるために、大電力発電を目的とする場合には、必ずしも圧電素子を用いることが適切ではない場合がある。

更に、特許文献２には、バネ性を有する二つ折り形状の受風翼の振動を圧電素子の屈曲運動として発電する風力発電機が開示されている。これは、バネ性を有する材料の選定によっては、高電圧の起電力を得るために、多くの発電部を設ける必要があり、また、他方向からの風に対応して発電するためにも、発電部の集積が必要であった。
特開２００１−２３１２７３号公報特許第３７５９９４５号公報

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、多方向からの風に対応できるコンパクトな構造であるため、設置面積が狭く、風向に影響を受けずに、より高い効率で発電が可能な風力発電装置を提供することを目的とする。また、本発明は、微風から比較的強風に対応可能な風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明は第１発明として、長尺状でその幅方向に二つ折りされた形状を有し、風力を受けた際に振動を生ずる剛性を有する受風翼と、前記受風翼の長手方向の一端が下方側の端部に取り付けられ、前記受風翼の振動によって屈曲して発電する矩形板状の圧電素子と、前記圧電素子が下方側の端部を振動自在として複数個配置され、前記圧電素子それぞれの上方側の端部が取り付けられる支持体とを有し、前記複数の圧電素子は、前記複数の圧電素子それぞれの板面が同一円の接線方向に一致するように、等間隔に前記支持体の周囲に取り付けられ、前記受風翼はそれぞれ、前記圧電素子から垂下し、前記受風翼はそれぞれ、前記二つ折りされた形状が前記圧電素子の板面が一致する前記同一円の周方向に同じ向きに開くように、配置され、前記受風翼が、二方向以上の風のそれぞれによって発電することを特徴とする風力発電装置、を提供する。

また、本発明は第２発明として、長尺状でその幅方向に二つ折りされた形状を有し、風力を受けた際に振動を生ずる剛性を有する受風翼と、前記受風翼の長手方向の一端が下方側の端部に取り付けられ、前記受風翼の振動によって屈曲して発電する矩形板状の圧電素子と、前記圧電素子が下方側の端部を振動自在として複数個配置され、前記圧電素子それぞれの上方側の端部が取り付けられる支持体とを有し、前記複数の圧電素子は、前記複数の圧電素子それぞれの板面が同一円の半径方向に一致するように、等間隔に前記支持体の周囲に片持ちで取り付けられ、前記受風翼はそれぞれ、前記圧電素子から垂下し、前記受風翼はそれぞれ、前記二つ折りされた形状が前記圧電素子の板面が一致する前記同一円の半径方向における外方に向かって開くように、配置され、前記受風翼が、二方向以上の風のそれぞれによって発電することを特徴とする風力発電装置、を提供する。
更に、第１及び第２発明において、前記受風翼は、対向する短辺の長さが互いに異なる略短冊状の２枚の板部材が、所定の角度をなし、かつ、長手方向の一端が他端よりも幅広となるように、その長辺で接合された構造を有することを特徴とする風力発電装置を提供する。
更に、第１発明において、前記受風翼の二つ折りにしてなす鋭角が、支持体の中心軸を中心とする同一円周上の時計回りまたは、反時計回りの同一方向に開くように配置することも好ましい。

更に、第２発明において、前記受風翼の二つ折りにしてなす鋭角が、支持体の中心軸を中心とする同一円の半径方向の外側に開いていることも好ましい。
更に、上記発明において、前記複数の圧電素子及び前記複数の受風翼の周囲を囲み、所定以上の前記受風翼の変位を規制する風防をさらに有することを特徴とする風力発電装置、を提供する。

更にまた、前記風力発電装置であって、複数の前記発電部で発生する電気エネルギーを直列および／または並列で集電する集電装置を具備することを特徴とする風力発電装置、を提供する。

本発明の風力発電装置は、多方向からの風に対応でき、構造が簡単であり、１個あたりの設置面積が狭い。また、発電部に圧電素子を用いるので、受風翼の振動がダイレクトに伝えられることにより、受風翼に剛性を有する材料を用いるので、より高い発電効率を実現することができる。

（発電部の基本構成）
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１は、本発明の発電部と受風翼の基本構成の一例を示す。受風翼２０は、その幅は長手方向において変化している。すなわち、受風翼２０は、対向する短辺の長さがそれぞれ２Ｌ１、２Ｌ２で互いに異なり（Ｌ１＞Ｌ２とする）、受風翼２０の長さＬ３が短辺の長さよりも極端に長い（Ｌ３＞＞Ｌ１）略台形状の板部材が、所定の角度θ（以下、「内角θ」という）で幅方向に二つ折りにされた構造を有している。保持部材３０は受風翼２０の短辺のうちの短い方の端部側を保持している。

（受風翼）
受風翼２０としては、剛性を有する金属材料または樹脂材料等が好適に用いられる。ここでは、受風翼２０は樹脂材料で構成されているとする。受風翼２０の長さＬ３に制限はなく、例えば、数センチメートル、数十センチメートル、数メートル、数十メートルと、設置場所および設置目的によって任意に設定することができる。受風翼２０の形状（つまり、各辺の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３）と厚み、内角θは、使用される材料特性を考慮して、後述する受風翼２０の振動が効率的に発生するように、適宜、設定される。

なお、図２では、受風翼２０として１枚の板部材を二つ折りにした形態を示したが、例えば、短辺の長さがＬ１、Ｌ２（L1＞L２）で、長さがＬ３の２枚の板部材をその長辺で接合することにより、受風翼２０を形成してもよい。受風翼２０はその厚みが薄い場合には、折り曲げ板金加工により二つ折りにすることができるが、厚みが厚いものの場合には、鋳造等により製造することができる。また、受風翼として樹脂製のものを用いる場合には、その厚みが薄い場合には、弾性フィルムを折り曲げ加工することにより、一方、その厚みが厚い場合には射出成形や押し出し成形等により、所望の受風翼を製造することができる。

（圧電素子）
圧電素子１０は、シム板１２とこの両面に接着された2枚の圧電板１１を含む。圧電板１１は、主面に図示しない電極膜を備えており、厚み方向に分極されている。

（保持体）
シム板１２若しくは、圧電板１１は、その一端で、前記受風翼２０のL2側に接続体３０を介して固着され、他端は、振動がフリーに行われる状態で保持体４０に固着されている。

（接続体）
接続体３０は、受風翼２０を圧電素子に接続して、
受風翼の振動運動等を圧電素子の伝達するものである。従って、両者に接合可能で、その形態を保持することができる所定の硬さを有していればよく、例えば、金属材料、樹脂材料、セラミックス材料、これらの材料からなる複合材料等を用いることができる。

図３に受風翼２０の振動形態を模式的に示す説明図を示す。図3の右手方向から風が受風した場合、右側に設置された受風翼は直接風を受け、圧電素子１０に大きな変位を与える。風は受風翼を抜けた時点（中心の支持体付近）でカルマン渦を発生させ、風上方向へ受風翼を押し戻す力となり、その繰り返しにより圧電素子へ持続した振動を与える。
さらに、中心の支持体から左側の受風翼に風が抜ける場合にも同様にカルマン渦の発生により、風下側の受風翼へ持続した振動を与える。カルマン渦の発生は受風翼を中心として発生するだけでなく図３に示す構造全体の風下方向でも発生する。また、自然風で得られる風は直線的な風向が持続するものではなく、絶えず風向に変化が生ずる。従って、一方向の受風翼のみが前記振動を得られるわけではなく、振動量に差異はあるものの設置された全ての受風翼が持続的な振動を得られる。

図３は、図１に示す８個の構成部分が、一個の保持体４０に取り付けられた例示の模式図である。保持部分が、正八角形形状であり、正八角形の各辺に、圧電素子のシム板１０が振動自在に装着されている。圧電素子を上方とし、受風翼が前記受風翼の二つ折りにしてなす鋭角が、同一円周上の時計回りまたは、反時計回りの同一方向に開くように矩形状圧電素子を保持している。圧電素子の個数は、8個以上でも8個以下でも良い。また、保持体４０は、圧電素子の個数に応じて保持部の形状を変化させても良い。例えば、６個の圧電素子を装着する保持体形状は、正六角形とする等である。

図４には、図３の構成部分を下方からみた底面図である。受風翼２０は、時計方向に二つ折りにしたなる鋭角が開くように配置されている。このように配置すると八方向からの風に対して、ひとつの受風翼が、一番、風を受けやすい。しかも、該当する受風翼は、その風の方向が、その圧電素子シム板に対して垂直ではなく、シム板に水平成分を持つため、連続的な定常風に対しても、シム板は、一方向に押されっぱなしになることなく、振動を持続させることができる。従って、定常的にふく風にたいしても、風向が変動する風にたいしても、効率よく、圧電素子に振動を伝えることができる。保持体４０の中心の棒６０は、風防５０の取り付け体となるとともに、風防５０も受風翼２０が強風で過度に変位して破損しないためのストッパーとなる。

図６は、圧電板１１ａ・１１ｂからの集電を行う集電回路９０の一例を示す説明図である。集電回路９０は、圧電板１１ａ・１１ｂが発生した電気（交流）を整流する整流回路９１と、整流回路９１によって整流された電力の一部を貯蔵するとともに、貯蔵した電力を負荷９２へ供給する充放電回路９３と、を有している。整流回路９１は、ダイオード９４がホイートストンブリッジ型に接続された構成を有する。また、充放電回路９３は、電力を貯蔵／放出するコンデンサや二次電池等の電力貯蔵体９５を備えている。

このような集電回路９０によれば、整流回路９１により整流された電力のうち負荷９２へ必要な電力をリアルタイムに送ることができる。一方、負荷９２で必要とされない余剰電力を電力貯蔵体９５に貯蔵することができるために、例えば、受風翼２０が動作しない無風時等には、この電力貯蔵体９５に貯蔵された電力を用いて負荷９２を動作させることができる。なお、発電電力が大きい場合には、例えば、電力会社へ給電することができる。

圧電素子としてバイモルフ型の素子を示したが、後述する風力発電装置２に用いられている公知のユニモルフ素子や積層型バイモルフ素子（マルチモルフ素子）を用いてもよい。

次いで、本発明の発電特性について説明する。図３の構成に、風防５０をとりつけた状態における本発明（図５に示す。）の起電力の風速依存結果を図８に示す。測定条件は、表１の通りである。

8個の発電部からの電圧の取り出しの回路図は、図７のとおりである。

平均風速７ｍ／ｓ程度までは、急速に発生電圧が増加する。これを超えると前記保持体のストッパー、互いの受風翼で接触して、動作が抑制されること等により漸次発生電圧は減少する。これらは、発電板の材質、形状、羽の材質、長尺／短尺比等の形状、シム板の材質、形状によって、本発明の設置場所、取り出し電圧等に応じて、設定することができる。

図９は、図１に示す８個の構成部分が、一個の保持体４０に取り付けられた別の例示の下方からみた底面図である。保持部分が、正八角形形状であり、正八角形の各辺に、保持部の延長部４１が伸ばされ、ここに、圧電板の板面が、等間隔で、支持体の中心軸を中心とする同一円の半径方向に一致するように圧電素子のシム板１０が片持ちで、振動自在に装着されている。圧電素子を上方とし、受風翼が前記受風翼の二つ折りにしてなす鋭角が、同一円周上の半径方向に開くように矩形状圧電素子を保持している。

このように配置すると八方向からの風に対して、ひとつの受風翼が、一番風を受けやすい。しかも、該当する受風翼は、その風の方向が、その圧電素子に対して垂直となるように設置しているので、受風翼が風向に対して横揺れを生じ、風向に対して垂直の振動成分の力を圧電素子に伝達することができる。また、受風翼を抜けた風により発生するカルマン渦により風下方向から風上方向へ受風翼を押し戻す力がはたらくことで持続した振動を得ることができる。カルマン渦の発生は受風翼を中心として発生するだけでなく図９に示す構造全体の風下方向でも発生する。従って、一方向からの定常的にふく風にたいしても、風向が変動する風にたいしても、効率よく、圧電素子に振動を伝えることができる。保持体４０の中心の棒６０は、風防５０の取り付け体となるとともに、風防５０も受風翼２０が強風で過度に変位して圧電素子から受風翼が外れないためのストッパーとなるのは、図５の例示の通りである。

図９の底面図で示される発電部を有し、図１０で示される回路を有する風力発電機（以下、タイプ２）について、表1の実験条件で平均風速６．５ｍ／ｓの定常風で、負荷抵抗値を変化させて起電力を測定した結果を図１１に示す。併せて、図４の底面図で示される発電部を有し、図１０で示される回路を有する風力発電機（以下、タイプ１）についても同様の実験をおこなった。結果を図１１に併記する。定常風においては、タイプ２では、タイプ１の７倍以上の起電力を得ることができた。

更に、タイプ２について、図１２に示す回路を有する風力発電機で、充電特性を測定した。コンデンサ容量を変化させ、平均風速６．５ｍ／ｓの定常風で、３．５Ｖまで充電に要する到達時間を測定した。結果を図１３に示す。図１３には、各コンデンサにおける3.5Ｖまで充電に要した時間と充電速度（3.5Vまで充電される単位時間当たりの電圧）を数値とグラフで表した。図１３のグラフは、各コンデンサに充電されるまでの電圧の変化である。各コンデンサによる充電速度は、コンデンサ容量220μ，470μ，1000μ，2200μFにおいて、それぞれ0.57，1.16，2.76，5.38V/secとなった。

ところで、本発明の風力発電装置を構成する受風翼は、上記受風翼に限定されるものではなく、長手方向の一端が固定された状態で風力を受けた際に所定の振動を生ずるように、その幅が長手方向において変化していればよい。具体的には、端部が中心部よりも細く、幅方向で二つ折りにされた構造であってもよい。さらにその解放端の端面が直線的でなく曲線的であってもよい。また、固定端から解放端に向かってその幅が徐々に広くなった後に、先細りとなるような形状を有するものであってもよい。

各受風翼が同時に同一振幅で振動することは稀であると考えられるために、ユニット集電装置としては、受風翼ごとに整流回路９１が設けられ、各整流回路９１から出力された電気エネルギーを直列および／または並列に接続して集電する構造のものが好適に用いられる。

こうして所定の場所に設けられた風力発電装置等によって作り出された電気エネルギーは、好ましくはその風力発電装置等が配置されている場所の近傍における家庭用電力や道路・街頭照明用電力として、直接にまたは所定の充電装置に充電されて、用いられる。

本発明の風力発電装置および風力発電システムは、大型のものは大電力発電装置として好適であり、中・小型のものは小型発電装置として、各種電気機器の運転や充電装置として好適である。

受風翼、圧電素子と接続部の概略構造を示す模式図。受風翼の斜視図。本発明の構成を模式的に示す説明図。本発明の受風翼の取り付けを示す説明図。本発明の風防をつけた実施形態を示す斜視図。圧電素子から配線例示す回路図。本発明品の起電力測定に用いた回路を模式的に示す説明図。本発明品の起電力の風速依存性を示す説明図。本発明の別の形態の受風翼と圧電板の取り付けを示す説明図。本発明の圧電素子から別の配線例を示す回路図。本発明の別の形態の起電力の風速依存性を示す説明図。本発明の圧電素子からの更に別の配線例示す回路図本発明の別の形態の充電特性を示す説明図。

符号の説明

１；風力発電装置
１０；圧電素子
１２；シム板
１１；圧電板
２０；受風翼
３０；接続部
４０；保持体
５０；風防
６０；保持体の棒
９０；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

長尺状でその幅方向に二つ折りされた形状を有し、風力を受けた際に振動を生ずる剛性を有する受風翼と、
前記受風翼の長手方向の一端が下方側の端部に取り付けられ、前記受風翼の振動によって屈曲して発電する矩形板状の圧電素子と、
前記圧電素子が下方側の端部を振動自在として複数個配置され、前記圧電素子それぞれの上方側の端部が取り付けられる支持体と
を有し、
前記複数の圧電素子は、前記複数の圧電素子それぞれの板面が同一円の接線方向に一致するように、等間隔に前記支持体の周囲に取り付けられ、
前記受風翼はそれぞれ、前記圧電素子から垂下し、
前記受風翼はそれぞれ、前記二つ折りされた形状が前記圧電素子の板面が一致する前記同一円の周方向に同じ向きに開くように、配置され、
前記受風翼が、二方向以上の風のそれぞれによって発電することを特徴とする風力発電装置。
長尺状でその幅方向に二つ折りされた形状を有し、風力を受けた際に振動を生ずる剛性を有する受風翼と、
前記受風翼の長手方向の一端が下方側の端部に取り付けられ、前記受風翼の振動によって屈曲して発電する矩形板状の圧電素子と、
前記圧電素子が下方側の端部を振動自在として複数個配置され、前記圧電素子それぞれの上方側の端部が取り付けられる支持体と
を有し、
前記複数の圧電素子は、前記複数の圧電素子それぞれの板面が同一円の半径方向に一致するように、等間隔に前記支持体の周囲に片持ちで取り付けられ、
前記受風翼はそれぞれ、前記圧電素子から垂下し、
前記受風翼はそれぞれ、前記二つ折りされた形状が前記圧電素子の板面が一致する前記同一円の半径方向における外方に向かって開くように、配置され、
前記受風翼が、二方向以上の風のそれぞれによって発電することを特徴とする風力発電装置。
前記受風翼は、対向する短辺の長さが互いに異なる略短冊状の２枚の板部材が、所定の角度をなし、かつ、長手方向の一端が他端よりも幅広となるように、その長辺で接合された構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。
前記複数の圧電素子及び前記複数の受風翼の周囲を囲み、所定以上の前記受風翼の変位を規制する風防をさらに有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の風力発電装置。
請求項１から４のいずれかに記載の風力発電装置であって、
複数の前記発電部で発生する電気エネルギーを直列および／または並列で集電する集電装置を具備することを特徴とする風力発電装置。