JP5179235B2 - 圧電素子を用いた風力発電機並びにそれを用いた風力発電装置及び風速測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を用い、風力を利用して発電する風力発電機、並びに、該風力発電機を用いた風力発電装置及び風速測定装置に関する。

クリーンな発電方法として風力発電が注目されるようになってきている。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、電磁誘導により発電するものが知られているが、これには、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こと等の問題があった。

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。例えば、特許文献１には、空気の渦流を発生させて振動板を振動させ、その振動を圧電素子に加えて発電する方法が記載されている。しかしながら、この構造では圧電素子に加わる振動の変位は限られたものになる場合があった。

また、特許文献２には、フレーム部材と、フレーム部材に支持された圧電振動板と、振動板の表面に取り付けられた受風部材とを備え、風を受けて振動板に屈曲運動を生じさせることにより発電する風力発電装置が記載されている。しかしながら、この構造では、振動板の振動がフレーム部材によって抑制され、発電量が十分に得られないという問題があった。一方、振動抑制を小さくするためにフレーム部材を大きくすると、設置面積が広くなってしまうという問題があった。

更に、特許文献１と特許文献２に共通する問題点として、これらの装置は、風が脈動しているか、または定常流であっても羽根の後方でカルマン渦を形成する場合しか振動しないので、駆動効率が低いという問題もあった。

また、特許文献４には、断面形状が略Ｖ字状等の受風翼を支持する支持棒をその軸芯回りに回転自在に保持する軸保持部材と、この軸保持手段が取り付けられる振動板と、風力によって振動板に発生する振動を利用して発電する発電機構を具備する風力発電装置が記載されている。そして、振動板には圧電素子は貼り付けられており、圧電素子が屈曲することによって発電できる構造が記載されている。しかしながら、この構造でも、風自体は制御できないため、振動板に貼り付けられた圧電素子に効率的な振動を常には与えられない場合があった。

特開平１１−３０３７２６号公報 特開２００１−２３１２７３号公報 特開２００５−２７３６４４号公報 特開２００６−２９１８４２号公報

本発明は上記背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は、風力を効率的に利用し、安価で設置が容易な風力発電機を提供することにあり、更に、その風力発電機を用いた外部に電力の供給が可能な風力発電装置、及び微弱風でも測定が可能な風速測定装置を提供することにある。

本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、風車の回転軸が偏心運動をすることで生じる風車の振動によって、圧電素子部材を押すことによって発電させることによって上記課題が解決できることを見出して、本発明を完成するに至った。

また本発明は、回転軸が偏心運動をする風車の回転により生じる振動によって、圧電素子部材が押されて発電する風力発電機であって、上記風車が水平軸風車であって、該水平軸風車の回転軸を垂直に支える支柱が、回転軸の偏心運動によって横振動をし、該横振動に伴って、該支柱に固定された押圧部材が該押圧部材に並存する圧電素子部材を押すことによって発電することを特徴とする風力発電機を提供するものである。

また、本発明は、上記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を提供するものである。

また、本発明は、上記風力発電機を用いた風速測定装置を提供するものである。

本発明によれば、風車の回転により生じる振動を圧電素子部材に伝達させることができ、風力を有効に利用することが可能となり、単純な構造であるため安価で、装置の設置が容易な風力発電機が提供できる。また、該風車の振動を圧電素子部材に伝達させることにより、微弱風でも効率よく発電できる風力発電機が提供できる。

更に、本発明の風力発電機を用いれば、高い発電効率を実現できる風力発電装置を提供することができ、該圧電素子部材の発生電圧により、微弱風であっても風速の測定が可能な風速測定装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明するが、本発明は以下の実施の具体的形態のみに限定されるものではなく、技術的思想の範囲内で任意に変形することができる。

図１〜図３に、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した。図１は、本発明の風力発電機の好ましい基本構成を示す正面図であり、図２は、その右前方から見た図であり、図３は、本発明の風力発電機の好ましい基本構成において、押圧部材２３、圧電素子部材２１等が有する部分の拡大図である。

本発明の風力発電機は、回転軸が偏心運動をする風車の回転により生じる振動によって、圧電素子部材が押されて発電することを特徴とする。すなわち、回転軸が偏心運動をするようになっている風車が、風力によって回転軸の周りを回転することによって、その回転軸が偏心運動をしようとし、それより生じる振動によって、圧電素子部材が押されて発電することを特徴とする。該風車はその回転軸が偏心運動をするような構造になっているが、該回転軸は支柱等に固定されていて自由な運動が妨げられている場合があるので、該風車の回転により生じる回転軸の実際の運動は、厳密な偏心運動には限定されない。

本発明の風力発電機は、回転軸１１が偏心運動をするような構造になっている風車１０、回転軸１１を支え、該風車１０の回転により生じる回転軸１１の振動を押圧部材２３に伝える支柱１４、押圧部材２３の振動によって押される圧電素子部材２１等によって構成されている。

本発明における風車１０の種類は、回転軸が偏心運動をし得る風車であれば特に制限はなく、水平軸風車、垂直軸風車の何れも用いることができる。具体的には、例えば、プロペラ型風車、リボン型風車等の揚力型水平軸風車；かざぐるま型風車、セイルウィング型風車、オランダ型風車、多翼型風車等の抗力型水平軸風車等が挙げられる。尚、設置する環境や得られる風速に併せ、風車の種類を任意に変更することもできる。

本発明における風車１０は、その回転軸１１が偏心運動をするようになっている。偏心運動をするようにする方法については特に限定はないが、簡単な方法としては、風車１０が有するいくつかの羽根１２の質量を他の羽根１２より、重くしたリ、軽くしたり、風の効力又は揚力を受け易くしたり、受け難くしたりする方法が挙げられる。また、風車１０ではなく回転軸１１等を工夫することもできる。図１においては、風車１０は、回転軸１１が偏心運動をするために、風車１０が有する１つの羽根１２の先端に重り１３が取り付けられている。重り１３の形状及び質量は、風車１０の回転を効率よく回転軸１１の偏心運動に伝達できるように適宜調整することが好ましい。

支柱１４は、風車１０を支持するものであり、風車１０の回転軸１１を垂直に支えるものであり、回転軸１１が偏心運動しようとすることにより、支軸１５を支点として図２のＡ方向に振動するようになっている。すなわち、回転軸１１が偏心運動しようとすることにより、支軸１５を支点として、図２のＡ方向に振動することにより後述の押圧部材２３が圧電素子部材２１を効率良く押すことができる点で、地面に対して水平方向に振動する横振動であることが好ましい。

支柱１４の材質は特に限定はなく、金属、樹脂等の何れでもよいが、繰り返し強度が高く、塑性変形しない、風車１０の回転により効率よく振動する等の点で、弾性率の高い金属等が好ましい。また、支柱１４の形状も特に限定はなく、図１〜図３で示したように円柱状でもよいが、風車１０の回転や風の影響を受け難い板状、帯状等が好ましい。また、回転軸１１が偏心運動しようとする際、図２のＢ方向に動き難くし、図２のＡ方向にのみに振動し易くするためにも、支柱１４の断面は、回転軸１１と同方向（図２のＡ方向）に長くなっていて、支柱自体は板状になっていることが好ましい。

本発明における押圧部材２３は、風車１０の回転により生じる振動を圧電素子部材２１に伝達するものであり、支柱１４に固定されている。押圧部材２３は、圧電素子部材２１を押したり屈曲させたりできれば特に限定はなく、押圧部材２３の圧電素子部材２１を押す部分は、楕円形状、四角形状等の何れでもよい。ただ、圧電素子部材２１を押す際に押圧部材２３自身が変形し、圧電素子部材２１を屈曲させるのに十分な力を伝達できないことがないように、押圧部材２３に用いる材質の強度や弾性係数から鑑みて適当な面積を有していることが好ましい。

押圧部材２３は、振動によって効率よく圧電素子部材２１を押せれば、支柱１４のどの位置に固定されていてもよい。支柱１４において、回転軸１１が固定されている点（力点）、押圧部材２３が固定されている点（作用点）、支軸１５が固定されている点（支点）の順が、効率よく圧電素子部材２１を押せる点で好ましい。

図１〜３のような場合、風車１０の回転により生じる回転軸１１の振動を効率良く圧電素子部材２１に伝達することができる点、装置の安定性が良い点、押圧部材２３が圧電素子部材２１を押す距離と押す力の関係が適切である点等のため、支柱１４の長さ（力点から支点までの長さ）の下から（支点から）２／３より下部に押圧部材２３を固定することが好ましく、より好ましくは支柱１４の長さの下から（支点から）１／２〜１／４であり、特に好ましくは支柱１４の長さの下から（支点から）約１／３に押圧部材２３を固定する。

本発明における圧電素子部材２１は、回転軸１１が偏心運動をする風車１０の回転により生じる振動によって発電する。該風車１０の回転により生じる振動によって回転軸１１が横振動し、その横振動が風車１０の支柱１４に固定された押圧部材２３に伝達され、該押圧部材２３が圧電素子部材２１を押して発電することが好ましい。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ユニモルフ構造を有するものであっても、２枚の圧電素子を金属板等の裏表に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、発電能力の効率等からバイモルフ構造が好ましい（図４参照）。

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く、複数個の圧電素子２２は、圧電素子部材２１の片面に並べて貼られていてもよいし、圧電素子部材２１の押圧部材２３から押される面とその裏面の両面に貼られていてもよい。

本発明において、圧電素子部材２１は、押圧部材２３に効率よく押されるように、押圧部材２３に併存している。振動していない状態で（風車１０が回転していない状態で）、圧電素子部材２１は押圧部材２３に接しているか極めて隣接していることが好ましい。例えば、図３に示したように、押圧部材２３の両側に併存していて、振動の右側と左側の両方で圧電素子部材２１を押すようになっていることが好ましい。押圧部材２３の両側に併存していることによって、図５、６、８に示したように、２つの圧電素子部材２１による２倍の発電が可能となる。

また、圧電素子部材２１の両端は固定保持部材２４で固定されている。圧電素子部材２１の長さ、大きさは特に限定はなく、発電能力の効率を上げる、発生電圧を高くする点、耐久性の面を考慮し、適宜調整することが好ましい。

固定保持部材２４は、圧電素子部材２１が動かないように固定するものであり、圧電素子部材２１の屈曲の力を逃がさないようになっていることが好ましく、風力や振動によって実質的に変位を受けずに静止しているようになっている。また、圧電素子部材２１が屈曲しても、圧電素子部材２１はずれないようになっている。

以下、本発明の風力発電機を用いた風力発電装置と風速測定装置について説明する。

（１）風力発電装置について
本発明の実施例の風力発電装置は、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、ＬＥＤ等の消費電力の比較的小さい光源への電力供給用として、特に好適に用いることができる。また、本発明における風力発電装置は、より多くの電力を得るために、本発明における風力発電機を複数設置してもよい。

本発明の実施例の風力発電装置は、微弱風下での風力発電にも好適に用いられる。具体的には、１．２ｍ／ｓ〜４．５ｍ／ｓの風速が好ましく、２．０ｍ／ｓ〜４．０ｍ／ｓの風速が特に好ましい。

図５に、圧電素子部材２１からの集電を行う集電回路８０の一例を示した。かかる集電回路８０は本発明の風力発電装置に好適に用いられる。集電回路８０は、圧電素子部材２１が発生した電気（交流）を整流する整流回路８１と、整流回路８１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８２へ供給する充放電回路８４とを有している。整流回路８１は全波整流する構成を有する。また、充放電回路８４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８４を備えていてもよい。

このような集電回路８０によれば、整流回路８１により整流された電力のうち、負荷８２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８２で必要とされない余剰電力を電力貯蔵体８５に貯蔵することができるために、例えば、回転軸１１の偏心運動が生じない無風時等には、この電力貯蔵体８５に貯蔵された電力を用いて負荷８２を動作させることができる。

本発明の風力発電装置を無線送信用の電力供給用に用いることは、メンテナンスフリーを実現できる点で好ましい。更には、無電源で風速を測定し、その結果を無線送信するための電力供給用に用いることも好ましい。

（２）風速測定装置について
本発明の風速測定装置は、上記した風力発電機を用い、圧電素子部材２１が発電する際の発生電圧や振動数を検知して風速を測定することができる。具体的には、風速が大きい程、圧電素子部材２１からの発生電圧（最大値振幅、交流電圧）や振動数（周波数、交流電圧）が大きく、逆に、風速が小さい程、圧電素子部材２１からの発生電圧や振動数が小さいことを利用して、風速を測定する。

図６に、本発明の風速測定装置の測定回路９０の一例を示した。測定回路９０では、圧電素子部材２１から発生した電圧を電圧計９２で測定する。圧電素子部材２１からの発生電圧は、振動周波数や圧電素子２２の変位と相関があり、振動周波数や変位が大きいほど発生電圧が大きい。

本発明の風速測定装置は、微弱風でも風速測定が可能であるため、微弱風の風速測定に特に好適に用いられる。また、測定回路を工夫して平均風速の測定も可能である。更に、本発明の風速測定装置で風速を測定し、その結果を、前記本発明の風力発電装置からの電力で無線送信することも好ましい。本発明の風力発電装置や風速測定装置は、電源供給のない離島、海上ブイ（buoy）等に設置されることも好ましい。

以下に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限りこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例１
図１〜図３に示した本発明の風力発電機を用いて、送風機の平均風速が２．０ｍ／ｓ、３．０ｍ／ｓ及び４．０ｍ／ｓの一定風速下での各圧電素子部材２１から得られる発生電圧（Ｖ）及び圧電素子２２の中央部の変位を測定した。発生電圧（Ｖ）は、図６に示す測定回路において、負荷抵抗９１として炭素皮膜抵抗１０ｋΩとして測定した。また、圧電素子部材２１からの発生電圧は、デジタル式オシロスコープを用いて測定した。圧電素子２２の中央部の変位は、レーザー変位計３３を用いて測定した。

測定装置の外観を図７に示す。図７に示したように、送風機３１及び風洞３２を用いて、本発明の風力発電機に送風した。送風機３１の「平均風速」としては、風車１０の中心に熱式風速計を設置し、約１０秒間の風速の平均を用いた。

本発明の風力発電機は、水平軸風車１０の１つの羽根１２の先端に重り１３として１ｇの円板を固定し、回転軸１１が偏心運動をするようにした水平軸風車１０を用いた。また、圧電素子部材２１には、バイモルフ素子を用いた。圧電素子部材２１は、押圧部材２３の左右両側に１個ずつ用い（それぞれ、素子−１と素子−２）、図８に示すように各圧電素子部材２１（素子−１と素子−２）をパラレルに接続した。

結果を表１及び図９に示す。本発明の風力発電機は、風力によって効率よく発電することが分かった。

表１及び図９より、平均風速が２．０ｍ／ｓから４．０ｍ／ｓになることにより、風車１０の回転数が増し、支柱１４に取り付けた押圧部材２３の振動の振幅が大きくなる為、圧電素子２２の中央部の変位が０．０７ｍｍから０．３９ｍｍとなり、押圧部材２３の振動の振幅と振動数が大きくなる為、最大発生電圧も５．２Ｖから３２．０Ｖになった。なお、図９において、圧電素子２２の変位がマイナス側にしかないのは、押圧部材２３の左右両側に併存させた２個の圧電素子部材２１のうち、一方だけの変位を測定しているからである。

従って、本発明の風力発電機を用いて、最大発生電圧（振幅）、交流電圧、交流の周波数等を測定し、その時の風速を測定できることが分かった。

実施例２
実施例１において、負荷抵抗９１として、１０ｋΩに、更に２７ｋΩ、４７ｋΩ、１００ｋΩを加えた以外は、実施例１と同様にして、発生電圧（Ｖ）、発生電力（μＷ）、発生エネルギー（μＪ）を測定した。結果を表２及び図１０に示す。

表２及び図１０より、最大発生電圧（図１０（ａ））はどの負荷抵抗値においても各平均風速に比例して上昇し、平均風速４．０ｍ／ｓの時に３３．６Ｖと最大を示した。発生電力（μＷ）（図１０（ｂ））は、平均風速４．０ｍ／ｓの時に、１１１００μＷと最大を示し、各平均風速の発生エネルギ（図１０（ｃ））は、共に最適負荷抵抗２７ｋΩの時に最大を示し、平均風速４．０ｍ／ｓの場合約１０００μＪであった。

実施例３
実施例１において、図６に示す測定回路の代わりに、図５に示す測定回路（（８２）として、上記デジタル式オシロスコープ使用）を用いた以外は、実施例１と同様にして、各平均風速における充電電圧（Ｖ）を測定した。本実施例では、図５における電力貯蔵体８５として、アルミ電解コンデンサのコンデンサ容量が４４０μＦ及び１０００μＦのものを用いた。結果を表３及び図１１に示す。

表３及び図１１より、４００秒後の充電電圧は、平均風速２．０ｍ／ｓの時、コンデンサ容量４４０μＦ、１０００μＦにおいて、それぞれ４．７６Ｖ、４．６８Ｖであった。また、平均風速４．０ｍ／ｓの時、コンデンサ容量４４０μＦ、１０００μＦにおいて、それぞれ３２．０Ｖ、３２．２Ｖであった（図１１（ａ））。充電電圧は、どの平均風速においても、各コンデンサ容量共に値がほぼ飽和した。

また、４Ｖまで充電される単位時間当たりの電圧を「充電速度」とすると、平均風速２．０ｍ／ｓの時、コンデンサ容量４４０μＦ、１０００μＦにおいて、それぞれ０．０７Ｖ／ｓ、０．０３Ｖ／ｓであった。また、平均風速４．０ｍ／ｓの時、コンデンサ４４０μＦ、１０００μＦでは、それぞれ１．６７Ｖ／ｓ、１．１１Ｖ／ｓであった。

以上より、本発明の風力発電機を用いれば、風速の大小によって、圧電素子２２により生じる発生電圧等の発電特性が変化することを利用する風速測定装置、及び、特に微弱風下での風力発電が可能な風力発電装置を提供することができる。また、本発明の風力発電機は、風力発電装置としても風速測定装置としても用いることができ、これらを利用することで、外部に電力を供給することも可能である。

本発明の風力発電機は、風速測定用、電力供給用等に用いられるほか、発電効率に特に優れているため、電力を必要とするあらゆる分野に広く一般に利用されるものである。

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正面写真である。 本発明の風力発電機の好ましい基本構成を示す装置の右前方から見た写真である。 本発明の風力発電機の好ましい基本構成において、押圧部材２３、圧電素子部材２１等を含む部分の拡大図である。 本発明における圧電素子部材の一例を示す図である。 本発明の風力発電機からの集電を行う集電回路の一例を示す回路図である。 本発明の風力発電機、風速測定装置からの出力を検知するための測定回路の一例を示す回路図である。 実施例における測定状況を示した写真である。 実施例１における２つの圧電素子部材２１の接続を示す概略の回路図である。 実施例１において、２つの圧電素子部材２１から得られる発生電圧（薄い線）、及び、一方の圧電素子部材２１の変位（濃い線）の一例を示すグラフである。 （ａ）平均風速２．０ｍ／ｓ下における出力電圧と変位 （ｂ）平均風速４．０ｍ／ｓ下における出力電圧と変位 実施例２において、圧電素子部材２１から得られる発生電圧、発生電力、発生エネルギの一例を示すグラフである。 （ａ）発生電圧 （ｂ）発生電力 （ｃ）発生エネルギ 実施例３において、圧電素子部材２１から得られる充電電圧の一例を示すグラフである。 （ａ）充電電圧 （ｂ）充電電圧が４Ｖに到達するのに要した時間が分かるように（ａ）を拡大したグラフである。

符号の説明

１０・・・・・風車
１１・・・・・回転軸
１２・・・・・羽根
１３・・・・・重り
１４・・・・・支柱
１５・・・・・支軸
２１・・・・・圧電素子部材
２２・・・・・圧電素子
２３・・・・・押圧部材
２４・・・・・固定保持部材
３１・・・・・送風機
３２・・・・・風洞
３３・・・・・レーザー変位計
８０・・・・・風力発電装置の集電回路
８１・・・・・整流回路
８２・・・・・負荷又はオシロスコープ
８３・・・・・ダイオード
８４・・・・・充放電回路
８５・・・・・電力貯蔵体
９０・・・・・風速測定装置の測定回路
９１・・・・・抵抗
９２・・・・・電圧計又はオシロスコープ

Claims (3)

1. 回転軸が偏心運動をする風車の回転により生じる振動によって、圧電素子部材が押されて発電する風力発電機であって、上記風車が水平軸風車であって、該水平軸風車の回転軸を垂直に支える支柱が、回転軸の偏心運動によって横振動をし、該横振動に伴って、該支柱に固定された押圧部材が該押圧部材に並存する圧電素子部材を押すことによって発電することを特徴とする風力発電機。
2. 請求項１に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。
3. 請求項１に記載の風力発電機を用いた風速測定装置。