(57)【要約】【課題】都市部などの人口過密地域やトンネルやビルの間などの狭小空間などにも設置することができるとともに、微風下においても電力を得られる圧電素子およびこの圧電素子を用いた発電システムを提供することを目的としている。【解決手段】線状または棒状をした少なくとも電歪性高分子材料からなる圧電素子であって、伸張状態で圧電素子の長手方向に直交する特定方向からの気流に曝されると、他の方向からの気流に曝された場合に比べ、大きく振動しやすい面を有する断面形状に形成されていることを特徴としている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
線状または棒状をした少なくとも電歪性高分子材料からなる圧電素子であって、伸張状態で前記圧電素子の長手方向に直交する特定方向からの気流に曝されると、他の方向からの気流に曝された場合に比べ、大きく振動しやすい面を有する断面形状に形成されていることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
長手方向に直交する方向に切断したときの切断面が略楕円型または略卵型をしている請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
高弾性材料からなる芯材層と、この芯材を囲むように設けられ、電歪性高分子材料からなる表面材層とを備えている請求項１または請求項２に記載の圧電素子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の圧電素子と、気流を、前記圧電素子の大きく振動しやすい面にガイドする整流手段とを備えていることを特徴とする発電システム。
【請求項５】
複数の請求項１〜請求項３のいずれかに記載の圧電素子を備え、これらの圧電素子が、トンネルの出入口方向に大きく振動しやすい面を向けてトンネルの内壁面に伸張状態で取り付けられていることを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力等の気流によって振動して効率よく起電力を得ることができる圧電素子およびこの圧電素子を用いた風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ2ガス削減など地球温暖化対策を始めとする地球環境への配慮からクリーンなエネルギーへの関心が高まっている。
ここで、従来から自然界に存在する風を利用して、発電機と連結した風車を回して電力を得る風力発電は広く知られている。しかし、風車を利用した風力発電方式は、小型のものであっても風車の羽根部の直径が１ｍ以上は必要であり、都市部などの人口過密地域などでは設置場所の制約があり実施することができないという問題がある。
【０００３】
一方、近年、圧電素子を用いた風力発電方式が注目されている。これは、外部から与えられた力（変位）を電力に変換する性質を持つ圧電素子を用いて電力を得る方式であり、風車を利用する風力発電方式に比べ設置場所の制約を受けないことから、近年注目されている発電方式である。
このような圧電素子を用いた風力発電方式として、プラスチックや金属材料からなるテープ状の振動体の両端を振動体が風を受けて振動するように支持するとともに、この振動体の振動によって、振動体の端部に添設した圧電素子、あるいは、振動体の振動が伝達されるように振動体に連設された発電ユニットの圧電素子に変位を与えて発電する方式が提案されている（特許文献１）。
この方式では、テープ状の振動体の主面と略平行な方向から風を当てることによって、振動速度が速い「弧状振動」を発生させることによって、大きな電気エネルギーを得ることができることが開示されている。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の方式では、振動体がテープ状物となっている。ここで、このテープ状の振動体をバタバタと振動させるような、「弧状振動」を起こさせるにはかなりの風力を必要とすることから、特に風力が弱い日には、圧電素子に全く変位を与えることができない場合があり、風が吹いているにもかかわらず、電力を全く得ることができないという課題があった。
また、特許文献１に記載の圧電素子内の圧電体は、セラミックス製の薄板状のものであり、元来変形しにくく脆い材料であることから、添設される圧電素子が大きい場合には、変形が起こりにくく効率的に電力を発生することができず、逆に、圧電素子が薄く小さい場合には、振動により変形は大きくなるが破断の危険性が生じるという課題もあった。
【０００５】
さらに、振動体の振動が伝達されるように振動体に連設された発電ユニットの圧電素子に変位を与えて発電する場合においては、振動体が風を受けて振動することから、振動体が弱い張力で支持されている場合には、上記発電ユニットの圧電素子に効果的な変位を与えることができず、十分な電力を得ることができないという課題があった。
また、振動体を複数本使用してその合力で大きな張力を得る事も考えられるが、力の発生を同期させないと大きな合力を得ることは難しく、必然的に大きな張力を得ようとすると振動体を大型化せざるを得ないという課題もあった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１９８１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みて、都市部などの人口過密地域やトンネルやビルの間などの狭小空間などにも設置することができるとともに、微風下においても電力を得られる圧電素子およびこの圧電素子を用いた発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明にかかる圧電素子は、線状または棒状をした少なくとも電歪性高分子材料からなる圧電素子であって、伸張状態で圧電素子の長手方向に直交する特定方向からの気流に曝されると、他の方向からの気流に曝された場合に比べ、大きく振動しやすい面を有する断面形状に形成されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明における電歪性高分子材料とは、広義の電気活性ポリマーを指し、例えば、人工筋肉などのソフトアクチュエーターに使用されている、例えば、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）主体の有機架橋高分子ハイドロゲルや、ポリアニリンやポリピロールやポリチオフェンなどを主体とする導電性高分子や、フッ素系イオン交換樹脂でテトラフルオロエチレンにパーフルオロビニルエーテルを共重合し、高分子鎖の末端にスルホン酸基やカルボン酸基を導入したような高分子電解質ゲルや、イオン交換樹脂に金属をメッキなどで複合・接合させたイオン高分子金属複合体や、アクリルゴムやシリコンゴム主体の誘電性エラストマーなどといったものが挙げられる。
そして、これらの電気活性ポリマーの中でも、電流−伸縮応答速度の大きさと変位を電力に変換する効率の高さから、誘電性エラストマー系のものを用いるのが好ましい
【００１０】
また、本発明における圧電素子は、圧電素子全体を電歪性高分子材料で作製してもよいが、圧電素子全体が振動によって繰返し変形することによる張力破壊をより防止するためには、高弾性材料を芯材層として、この芯材層を囲むように電歪性高分子材料からなる表面材層を備えておくことが好ましい。すなわち、本発明において、芯材層を囲むとは、芯材層の周囲を包むように電歪性高分子材料層を設けた２層構造とするだけでなく、芯材層を挟むように芯材層の表裏面に電歪性高分子材料層を設けて３層構造としたものも含まれる。
なお、電歪性高分子材料層の表層には粉塵による傷防止の為のハードコート層を設けることもできるし、高弾性材料層と電歪性高分子材料層との間には接着力向上のためにカップリング層を設けることもできる。
【００１１】
ここで、芯材層となる高弾性材料としては、繰返し変形する際においても弾性が維持されるものであれば特に限定されないが、微風下においても振動を発生させるためには、例えば、ガラス繊維強化樹脂、カーボン繊維強化樹脂、ボロン繊維強化樹脂、超延伸して高弾性化させたポリプロピレンなどの板状材や棒状材が挙げられ、ガラス繊維強化樹脂に比べ軽量であるカーボン繊維強化樹脂、ボロン繊維強化樹脂、超延伸して高弾性化させたポリプロピレン製のものが好ましい。
【００１２】
本発明における圧電素子の形状としては、圧電素子の長手方向に直交する特定方向からの気流に曝された場合に、電力を発生させるだけの振動が発生するような断面形状に形成されていれば、特に限定されないが、本発明者らが、送電線に着氷または着雪が発生することによって起こる、送電線の自励振動現象であるギャロッピング現象に着目し、鋭意検討した結果から、例えば、圧電素子を長手方向に直交する方向に切断したときの切断面が略楕円型または略卵型になるようにすることが好ましい。
【００１３】
具体的には、圧電素子を長手方向に直交する方向に切断したときの切断面が略楕円型または略卵型になるようにすることによって、微風下においても電力を得ることができるだけの振動を発生させることができる。特に、略楕円型とした場合には、後述するように、本発明における圧電素子をトンネルなど１８０°方向の異なる風が発生する場所に設置する場合に、上り方向と下り方向において発生する風を有効に利用して圧電素子を振動させることができる。
【００１４】
また、上記略楕円型または略卵型の断面形状は、特に限定されないが、図２に示すように、基準円の中心から外縁との最長長さ部分（以下、「長径」と記す）の長さＲと、断面に内接するように描いた基準円の半径ｒとの比であるＲ／ｒ値が１．２〜３．５の範囲となるものが好ましい。すなわち、Ｒ／ｒ値が小さすぎると風を受けた際に発生する揚力が小さくなり、逆にＲ／ｒ値が大きすぎると揚力とは逆方向の抗力が大きくなり、いずれの場合もギャロッピング現象を発生させにくくなるおそれがある。
【００１５】
そして、圧電素子を長手方向に直交する方向に切断したときの切断面を略楕円型または略卵型にした場合には、微風下においても圧電素子に大きな変位を与えるだけの振動を起こさせるように、上記圧電素子の長手方向に直交する特定方向から風を当てることが好ましい。この特定方向としては、図２に示すように、断面の長径の長さ方向に対する風の迎え角をθ、これに依存する揚力係数をＣL（θ）、抗力係数をＣD（θ）としたときに、ｄＣL（θ）／ｄθ＋ＣD（θ）＜０となる方向であることが好ましい。
ここで、風の迎え角θは、θが小さすぎると圧電素子が風を受けた際に揚力の発生が起こりにくく、逆にθを大きくすると揚力とは逆方向の抗力が大きくなってしまいギャロッピング現象を発生させにくくなることから、上記数式から１０〜２０度の範囲であることが好ましい。
【００１６】
このように、上記の断面形状の圧電素子とし、上記の方向から風を圧電素子に当てることによって、ギャロッピング現象を発生させることができ、微風下においても効果的に電力を得ることができるのである。
【００１７】
本発明における圧電素子から電力を取り出すための電極の設置位置については、振動した際の圧電素子の伸び側と縮み側に電極が接合されていれば特に限定されず、電歪性高分子材料層の一端に設けても良いし、両端に設けても良い。また、芯材層を用いた３層構造となっている場合には、両側の電歪性高分子材料層を跨ぐように電極を設けても良い。
【００１８】
一方、本発明にかかる発電システムは、上記本発明の圧電素子と、気流を、前記圧電素子の大きく振動しやすい面にガイドする整流手段とを備えていること、あるいは、上記本発明の圧電素子を備え、これらの圧電素子が、トンネルの出入口方向に大きく振動しやすい面を向けてトンネルの内壁面に伸張状態で取り付けられていることを特徴としている。
上記本発明の発電システムは、基本的に、上記圧電素子の長手方向の両端を構造物に固定して伸張状態に保持するとともに、自然界で発生する風や、排気筒や換気扇等から排出される排気ガス等の気流を圧電素子が大きく振動する面に当てて圧電素子を効率よく振動させて発電するものである。
なお、圧電素子の両端を構造物に固定する際には、あまりにも強い張力で固定すると振動自体が起こらず、逆にあまりにも弱い張力で固定すると発電に適した振幅が得られない。
従って、伸張状態に保持するための張力は、使用する圧電素子の材質などの特性と設置場所の風力などの設置環境を元に決定することとなる。
【００１９】
上記整流手段としては、気流を、圧電素子の大きく振動しやすい面にガイドすることができれば特に限定されないが、例えば、整流板、整流筒等が挙げられる。
ここで、整流板については、風の流入口を広くして排出口に向かって徐々に狭くする形状とすることによって、排出される風の流速を早くすることもできる。また、圧電素子−整流板―圧電素子−整流板―圧電素子といったように連続に配置することもできる。
さらに、上記したように本発明における圧電素子をトンネルに設置する場合には、圧電素子の振動方向の前後に整流板を設けておくことによって、上り方向と下り方向において発生する１８０°方向の異なる風を効率よく圧電素子に当てることもできる。
【００２０】
なお、本発明における圧電素子を用いた発電システムにおいては、圧電素子を支持する支持基材が風向を検知する風向計を有し、この風向計によって検知された風向に常に圧電素子の大きく振動しやすい面が向かうように回転自在に枢支することもできる。
ここで、風向計としては、方向舵を圧電素子の長手方向の両端に設けて、風向にあわせて圧電素子を回転させて、風を効率よく圧電素子に当てるものであってもよいし、圧電素子とは別の位置に風向を計測する装置を設置して、当該装置の計測結果に基づいて、圧電素子を枢支している支持基材を回転させて、風を効率よく圧電素子に当てるものとすることもできる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明にかかる圧電素子は、線状または棒状をした少なくとも電歪性高分子材料からなる圧電素子であって、伸張状態で圧電素子の長手方向に直交する特定方向からの気流に曝されると、他の方向からの気流に曝された場合に比べ、大きく振動しやすい断面形状に形成されている。
従って、大きく振動しやすい面に風が圧電素子の長手方向に直交する特定方向から当たるように設置しておけば、微風下においても圧電素子が効果的に変位して、十分な電力を得ることができる。
また、電歪性高分子材料を用いているので、セラミック製の圧電素子に比べ、大きく撓ませても破損しにくく、耐久性に優れたものとすることができる。
しかも、圧電素子を伸張状態で保持するだけでよいので、この圧電素子を用いた発電システムは小型化が可能であり、都市部などの人口過密地域やトンネルやビルの間などの狭小空間などにも設置することができる。
また、長手方向に直交する方向に切断したときの切断面を略楕円型または略卵型とすることによって、効果的にギャロッピング現象を発生させ、効率よく電力を得ることができる。
さらに、高弾性材料からなる芯材層と、この芯材を囲むように設けられ、電歪性高分子材料からなる表面材層とを備えることによって、圧電素子自体が振動によって繰返し変形することによる張力破壊を防止することができる。
【００２２】
本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムは、上記圧電素子と、気流を、前記圧電素子の大きく振動しやすい面にガイドする整流手段とを備えているので、効率よく自然風等の気流を圧電素子に当てて微風下においても圧電素子を効果的に変位させて、十分な電力を得ることができる。
また、本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムは、上記圧電素子を備え、これらの圧電素子が、トンネルの出入口方向に大きく振動しやすい面を向けてトンネルの内壁面に伸張状態で取り付けられているので、常にトンネル内の出入口方向に流れる気流を利用して、効率よく発電をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明を、その実施の形態をあらわす図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、以下に述べる実施の形態は本発明を具体化した一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
図１は、本発明にかかる圧電素子を示す模式図であり、図２は、図１の圧電素子の断面図である。
【００２４】
図１における圧電素子１ａ、２ａは、圧電素子全体を電歪性高分子材料で作製したものであり、図１（ａ）は長手方向に直交する方向に切断したときの切断面が略楕円型の圧電素子１ａを、図１（ｂ）は長手方向に直交する方向に切断したときの切断面が略卵型の圧電素子２ａを示すものである。
なお、上記したように、図２に示す断面の長径の長さＲと断面に内接するように描いた基準円の半径ｒから求められるＲ／ｒ値を１．２〜３．５の範囲とし、風の迎え角θを、これに依存する揚力係数ＣL（θ）、抗力係数ＣD（θ）から導き出される、数式：ｄＣL（θ）／ｄθ＋ＣD（θ）＜０が成立するようにすることで、他の方向から風が当たるよりも、また微風下においても、圧電素子がギャロッピング現象を起こして大きく振動するようになっている。
【００２５】
図３は、本発明にかかる圧電素子の別の実施の形態を表す断面図である。より具体的には、長手方向に直交する方向に切断したときの切断面が略楕円型を示す圧電素子の別の実施の形態を表す断面図である。
図３において、図３（ａ）は高弾性材料を芯材層３として、この芯材層３を挟むように芯材の表裏面に沿って電歪性高分子材料層４を設けた３層構造とした圧電素子１ｂであり、図３（ｂ）は高弾性材料を芯材層３として、この芯材層３を包むように電歪性高分子材料層４を設けた２層構造とした圧電素子１ｃである。
【００２６】
図４は、本発明にかかる圧電素子から電力を取り出すための電極の設置位置を示す図である。
図４（ａ−１）、（ａ−２）、（ａ−３）は、図３（ａ）の圧電素子１ｂの電極の設置位置の一例を示す図であり、図４（ｂ−１）、（ｂ−２）は、図３（ｂ）の圧電素子１ｃの電極の設置位置の一例を示す図である。
図４（ａ−１）と図４（ａ−２）は、図３（ａ）の圧電素子１ｂのそれぞれの電歪性高分子材料層４の伸び側と縮み側となる面に電極５を設置したものであり、図４（ａ−１）は電歪性高分子材料層４の一端に、図４（ａ−２）は電歪性高分子材料層４の両端に電極５を設置したものである。図４（ａ−３）は、図３（ａ）の圧電素子１ｂの両側の電歪性高分子材料層４を跨ぐように電極５を設置したものである。
図４（ｂ−１）は、図３（ｂ）の圧電素子１ｃの電歪性高分子材料層４の一端に電極５を設置したものであり、図４（ｂ−２）は、図３（ｂ）の圧電素子１ｃの電歪性高分子材料層４の両端に電極５を設置したものである。
また、本発明の圧電素子によって得られる電力は交流であることから、電極５は電線６を介して整流装置７に接続されており、整流装置７において交流電力を直流電力にした後、充電電池８に蓄えられる。
【００２７】
図５は、本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムの第１の例を示す模式図である。
図５において、圧電素子１ｂは、支持基材９によって長手方向の両端を固定され、風によって振動する仕組みになっている。そして、電極５から電力を取り出し、電線６を介して整流装置７を経て、充電電池８に蓄えられる。
なお、支持基材９は、風向を検知する風向計（図示せず）を有し、この風向計によって検知された風向に常に圧電素子の大きく振動しやすい面が向かうように回転自在に枢支することもできる。
【００２８】
図６は、本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムに用いられる整流筒を示す模式図であり、図６（ａ）は入口１０が広口で出口１１が狭くなった整流手段としての整流筒１２を、図６（ｂ）は出入口が同口径の整流筒１３を示すものである。
【００２９】
図７は、本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムの第２の例を示す模式図である。
図７に示すように、この発電システムＡは、整流筒１２を伸張状態に支持された圧電素子１ｂの長手方向に沿うように設け、整流筒１２によって広口の入口１０側で風を受けて、出口１１側に風を集約して強い風にするとともに、出口１１から吹き出した風が、圧電素子１ｂの最も振動しやすい面に圧電素子１ｂの長手方向に直交する特定方向から当たるようにしている。
すなわち、この発電システムＡによれば、微風下であっても整流筒１２によって強い風を圧電素子１ｂに供給することができ、より効率の良い発電を行うことができる。
【００３０】
図８は、本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムの第３の例を示す模式図である。
図８に示すように、この発電システムＢは、２つの整流筒１２を、圧電素子１ｂの上記した特定方向の前後から挟むように配置した以外は、上記発電システムＡと同じになっている。
すなわち、この発電システムＢによれば、圧電素子１ｂの上記した特定方向の前後から吹く風を効率よく利用することができる。
【００３１】
図９は、本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムの第４の例を示す模式図である。
図９に示すように、この発電システムＣは、複数の圧電素子１ｂを平行に並べるとともに、圧電素子１ｂと、圧電素子１ｂとの間に整流筒１３を配置するとともに、最も外側の圧電素子１ｂより外側に整流筒１２を設けている。
すなわち、この発電システムＣによれば、整流筒１２によって流速を早くした風が圧電素子１ｂに当った後にも、整流筒１３によって風の流れを一定方向に整流させて、次の圧電素子１ｂに当てることができ、圧電素子１の振動効率を高めることができる。
【００３２】
図１０は、本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムの第５の例を示す模式図である。
図１０に示すように、この発電システムＤは、トンネル１４の内壁面１５を圧電素子１ｂおよび整流筒１２、１３の支持体として利用するとともに、圧電素子１ｂの長手方向をトンネル１４の出入口方向（例えば、自動車等の進行方向）に直交するように配置した以外は、上記発電システムＣと同様になっている。
すなわち、この発電システムＤによれば、既存のトンネル１４の内壁面１５を支持体として使用できるとともに、トンネル１４内に常に発生している上り方向や下り方向の気流を有効に利用できることから、今まで利用していなかった自然エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
なお、トンネル１４内にトンネル１４内の空気の換気を促すファン（図示せず）などが設置されていて、トンネル１４内の空気の流れが一定方向となっている場合には、上記整流筒１２、１３の設置を省略することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の圧電素子およびこの圧電素子を用いた発電システムは、例えば、トンネルや大型装置同士やビルの間などの狭小空間に生じる風を利用した発電に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明にかかる圧電素子を示す模式図である。
【図２】図１の圧電素子の断面図である。
【図３】本発明にかかる圧電素子の別の実施の形態を表す断面図である。
【図４】本発明にかかる圧電素子から電力を取り出すための電極の設置位置を示す図である。
【図５】本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムの第１の例を示す模式図である。
【図６】本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムに用いられる整流筒を示す模式図である。
【図７】本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムの第２の例を示す模式図である。
【図８】本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムの第３の例を示す模式図である。
【図９】本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムの第４の例を示す模式図である。
【図１０】本発明にかかる圧電素子を用いた発電システムの第５の例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３５】
１ａ，１ｂ，１ｃ  圧電素子
２ａ  圧電素子
３  芯材層
４  電歪性高分子材料層
５  電極
６  電線
７  整流装置
８  充電電池
９  支持基材
１０  入口
１１  出口
１２  整流筒（整流手段）
１３  整流筒（整流手段）
１４  トンネル
１５  内壁面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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