(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直軸風車、及び、該垂直軸風車の上部、下部又は内部に、該垂直軸風車と中心軸を共通にする円筒の内部に周設された複数の柱に設けられた垂直溝、を有する風力伝達機構（１）、並びに、
該垂直軸風車の中心軸に軸支された固定保持部材に一端が固定され、中心軸から円周に向かって垂直に張り出された、屈曲することによって発電する圧電素子部材、及び、該圧電素子部材の固定されていない他端に取り付けられており、上記複数の柱に設けられた垂直溝から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材に伝えて発電させる受力板、を有する発電機構（２）、
を具備する風力発電機を用いた風速測定装置であって、
上記複数の柱に設けられた垂直溝の溝幅を段階的に広げ、上記受力板との間に段階的にクリアランスを設け、風速により、上記複数の柱に設けられた垂直溝が、段階的に上記受力板を押して振動を開始させるようにしたことを特徴とする風速測定装置。
【請求項２】
上記複数の柱に設けられた垂直溝のうち、どの段階のものまでが上記受力板を押して振動を開始させたかを検知して風速を測定する請求項１記載の風速測定装置。
【請求項３】
上記複数の柱に設けられた垂直溝から受力板が周期的に押されて振動する際の振動数を該圧電素子部材が検知して風速を測定する請求項１記載の風速測定装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れかの請求項記載の風速測定装置を用いたことを特徴とする瞬間風速測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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速測定装置及び風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
風の脈動や羽根の後方での渦だけに依存しない装置として、特許文献３には、長尺状でその幅方向に所定角度で二つ折りされた形状を有し、その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ねじれ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る受風翼と、前記受風翼の振動によって発電する発電部とを具備する風力発電装置が記載されている。そして、発電部には、屈曲することによって発電する圧電素子が使用されている。しかしながら、この構造では、風自体を制御していないため、受風翼に取り付けられた圧電素子に効率的な振動を常に与えられない場合があった。
【０００７】
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、風自体を制御していないため、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３０３７２６号公報
【特許文献２】特開２００１−２３１２７３号公報
【特許文献３】特開２００５−２７３６４４号公報
【特許文献４】特開２００６−２９１８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、風力を有効的に利用し、安価で設置が容易であり、瞬間風速の測定が可能な風速測定装置、及び外部に電力の供給が可能な風力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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、垂直軸風車を有する風力伝達機構、及び、圧電素子部材に振動を与える受力板と該振動により屈曲し発電する圧電素子部材とを有する発電機構を組み合わ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。
【００１１】
すなわち本発明は、垂直軸風車、及び、該垂直軸風車の上部又は下部に、該垂直軸風車の中心軸に一端が軸支された複数の垂直板、若しくは、該垂直軸風車の中心軸に固定された軸柱に設けられた複数の垂直溝、を有する風力伝達機構（１）、並びに、
該垂直軸風車と中心軸を共通にする円周上に一端が固定され、円周の内部に垂直に張り出された、屈曲することによって発電する圧電素子部材、及び、該圧電素子部材の固定されていない他端に取り付けられており、上記垂直板若しくは垂直溝から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材に伝えて発電させる受力板、を有する発電機構（２）、
を具備する風力発電機を提供するものである（態様１）。
【００１２】
また本発明は、垂直軸風車、及び、該垂直軸風車の上部、下部又は内部に、該垂直軸風車と中心軸を共通にする円筒の内部に周設された複数の柱に設けられた垂直溝、を有する風力伝達機構（１）、並びに、
該垂直軸風車の中心軸に軸支された固定保持部材に一端が固定され、円周の外部に垂直に張り出された、屈曲することによって発電する圧電素子部材、及び、該圧電素子部材の固定されていない他端に取り付けられており、上記垂直溝から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材に伝えて発電させる受力板、を有する発電機構（２）、
を具備する風力発電機を提供するものである（態様２）。
【００１３】
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。
【００１４】
また本発明は、上記風力発電機を用い、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。
【００１５】
更に本発明は、本発明における上記風速測定装置を用いて測定された風速データを無線送信するための電力供給用の上記風力発電装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、一定風速下で生じるカルマン渦によって生じる非対称の流れによる回転振動を捉えることができ、風力を有効的に利用し、単純な構造であるため安価で、措置の設置が容易である。また、瞬間風速の測定が可能であり突風信号を発信することができ、該回転振動を複数の圧電素子部材に段階的に伝えることにより風速の階級分けが可能な風速測定装置を提供することができる。更に、該回転振動を圧電素子部材に伝達させることにより、高い発電効率を実現できて外部に電力を供給できる風力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の風力発電機の好ましい基本構成を有する装置である。
【図２】本発明の風力発電機の好ましい基本構成を示す上面図である。
【図３】本発明の風力発電機の好ましい基本構成を示す側面図である。
【図４】本発明の風力発電機の好ましい基本構成を示す上からの透視図である。    （ａ）複数の垂直板１４を用いた場合    （ｂ）複数の垂直溝１６を用いた場合    （ｃ）複数の柱１９に設けられた垂直溝１６を用いた場合
【図５】本発明の風力発電機を用いた風速測定装置の風速が測定できる機構を示す上からの透視図である。    （ａ）圧電素子部材２１［１］のみが振動している場合    （ｂ）圧電素子部材２１［１］〜［２］が振動している場合    （ｃ）圧電素子部材２１［１］〜［３］が振動している場合    （ｄ）圧電素子部材２１［１］〜［４］が振動している場合
【図６】本発明の風力発電機において、垂直溝１６を用いたときの、垂直溝１６と受力板２３及び圧電素子部材２１との位置関係を示したものである。    （ａ）垂直溝１６の各溝幅を段階的に広くした場合    （ｂ）垂直溝１６の各溝幅が全て等しい場合
【図７】本発明の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。
【図８】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。
【図９】実施例１において圧電素子部材２１から得られる発電電圧の一例を示すグラフである。
【図１０】実施例２で用いた風速測定機の上からの透視図である。
【図１１】実施例２において圧電素子部材２１から得られる出力電圧の一例を示すグラフである。    （ａ）風速８．１７ｍ／ｓ下における出力電圧    （ｂ）風速１６．５ｍ／ｓにおける出力電圧    （ｃ）風速２２．５ｍ／ｓにおける出力電圧    （ｄ）風速２７．２ｍ／ｓにおける出力電圧
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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して実施することができる。
【００１９】
（１）風力発電機について
図１〜図４には、風力伝達機構（１）と風力発電機構（２）が示されている。図１は、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すものであり、図２は、本発明の風力発電機の好ましい基本構成を示す上面図であり、図３はその側面図であり、図４は上からの透視図である。
【００２０】
＜態様１について＞
風力伝達機構（１）は、少なくとも、
（ａ）垂直軸風車１０
（ｂ）該垂直軸風車１０の上部又は下部に、該垂直軸風車１０の中心軸１１に一端が軸支された複数の垂直板１４、若しくは、該垂直軸風車１０の中心軸１１に一端が固定された軸柱１５に設けられた複数の垂直溝１６
によって構成されている。
【００２１】
風力発電機構（２）は、少なくとも、
（ｃ）該垂直軸風車１０と中心軸を共通にする円周上に一端が固定され、円周の内部に垂直に張り出された、屈曲することによって発電する圧電素子部材２１
（ｄ）前記圧電素子部材２１の一端に取り付けられており、上記垂直板１４若しくは垂直溝１６から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材２１に伝えて発電させる受力板２３
（ｅ）前記圧電素子部材２１の、前記受力板２３が取り付けられていない側の一端を保持する固定保持部材２４
によって構成されている。
【００２２】
（１−１）風力伝達機構について
本発明における垂直軸風車とは、風向きに対し回転軸が垂直になっている風車である。垂直軸風車であることによって、風向きの影響を受けずに常に風を受けることができ発電が効率的となり、また、風速が正確に測定でき、特に本発明の特長である瞬間風速の測定にも適用が可能となる。具体的には、例えば、クロスフロー形風車、サボニウス形風車、パドル形（風杯型）風車、ジャイロミル形風車、ダリウス形風車、Ｓ形風車等が挙げられる。
【００２３】
垂直軸風車には、抗力型垂直軸風車と揚力型垂直軸風車がある。抗力型垂直軸風車とは、風向きに対し回転軸が垂直であり、抗力で回転力を得る風車であり、揚力型垂直軸風車とは、風向きに対し回転軸が垂直であり、揚力で回転力を得る風車である。本発明においては何れも用いられるが、受力板２３を押す力が強く、また、強風時においても過度な回転力を与えないように、半円筒羽根１３の枚数で回転数やトルクを調整可能等の点で抗力型垂直軸風車が好ましい。
【００２４】
抗力型垂直軸風車の中でも、騒音、起動性、安全性、指向性、出力特性等の点で、クロスフロー形風車、サボニウス形風車、パドル形（風杯型）風車等がより好ましく、一定風速下で生じるカルマン渦を利用して効率良く回転振動が捉えられる点、風向きの影響を受け難くい点で、クロスフロー形風車が特に好ましい。
【００２５】
本発明における抗力型垂直軸風車としてクロスフロー形風車を用いる場合には、効率良く回転力を得るために、上円盤１２ａと下円盤１２ｂとで中心軸１１が固定された半円筒羽根１３が４〜１０枚用いられることが好ましい。特に好ましくは６〜１０枚である。半円筒羽根１３の数が多すぎると、回転速度が大きくなりすぎる場合があり、一方、少なすぎると、回転速度が小さく圧電素子に与える振動が少なくなる場合がある。
【００２６】
半円筒羽根１３の大きさについては、風向きの影響を受けずに回転できれば特に制限はない。
【００２７】
本発明の風力伝達機構（１）には、該風車の中心軸１１に一端が軸支された複数の垂直板１４、若しくは、該風車の中心軸１１に固定された軸柱１５に設けられた複数の垂直溝１６を有する。
【００２８】
風車の中心軸１１に一端が軸支された複数の垂直板１４は、例えば、図４（ａ）に示すように、中心軸１１に固定された軸柱１５に一端が軸支されていてもよく、中心軸１１に直接に一端が軸支されていてもよい（図示せず）。垂直板１４は、中心軸１１の回りを風車の回転と共に回転し、その回転の際に、受力板２３を押して振動を開始させるものである。
【００２９】
本発明における複数の垂直板１４の形状については、効率的に受力板２３を通じて圧電素子部材２１を屈曲させることができれば特に限定はなく、長方形板状や円形板状等の何れでもよい。垂直板１４の面積についても特に限定はないが、受力板２３を押す際に垂直板１４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、垂直板１４に用いる材質の弾性係数から鑑みて十分な面積を有していることが、弱い風によっても圧電素子部材２１をより屈曲させることができる点で好ましい。複数の垂直板１４の材質も特に限定はなく、金属や樹脂等の何れでもよいが、繰り返し強度、塑性変形しない材質が好ましい。
【００３０】
複数の垂直板１４は、３〜１６枚の垂直板１４が好ましく、より好ましくは４〜８枚の垂直板１４であり、特に好ましくは４枚の垂直板である。垂直板１４の枚数が多すぎると、回転力に対する反発力が大きくなりすぎ、小さい風力では効率的な発電ができない等の場合があり、一方、少なすぎると、その枚数分しか段階分けによって風速が測定できない場合があるので、風速測定の細かい段階分けができなくなる、風向により圧電素子部材２１の出力が影響を受けやすくなる等の場合がある。
【００３１】
複数の垂直板１４は、段階的に受力板２３を押し始めるように、一定の距離ずつずらして設置してあることも好ましい。段階的に受力板２３を押し始めるようにするには、後で詳述するように複数の受力板２３の方を一定の距離ずつずらして設置することもできるが、複数の垂直板１４の方を一定の距離ずつずらして設置することも可能である。これにより、後述する方法（Ａ）を用いた風速測定装置が得られる。
【００３２】
また、風車の中心軸１１に固定された軸柱１５に設けられた複数の垂直溝１６とは、例えば、図４（ｂ）に示すように、風車の中心軸１１に軸支された軸柱１５に、中心軸１１と平行に、地面とは垂直に設けられた溝であり、風車の回転と共に回転し、その回転の際に、受力板２３を押して振動を開始させるものである。
【００３３】
垂直溝１６の個数としては、３〜１６個であることが好ましく、より好ましくは４〜８個であり、特に好ましくは４個である。垂直溝１６の個数が多すぎると、回転力に対して圧電素子部材２１自身が有する反発力が大きくなりすぎ、小さい風力では効率的な発電ができない等の場合があり、一方、少なすぎると、その個数分しか段階分けによって風速が測定できない場合があるので、風速測定の細かい段階分けができなくなる、風向により圧電素子部材２１の出力が影響を受けやすくなる等の場合がある。
【００３４】
本発明における垂直溝１６の形状については、効率的に受力板２３を押して圧電素子部材２１を屈曲させることができれば特に限定はない。複数の垂直溝１６が設けられている軸柱１５の材質も特に限定はなく、金属や樹脂等の何れでもよいが、繰り返し強度、耐摩耗性等の点で金属が好ましい。
【００３５】
また、複数の垂直溝１６の各溝幅は、その全てが等しくなっていてもよく、段階的に広くなっていてもよい。複数の垂直溝１６のうち、どの段階のものまでが受力板２３を押して振動を開始させたかを検知して風速を測定する場合（後述する方法（Ａ）の場合）には、段階的に広くなっている必要がある。
【００３６】
好ましい溝幅としては、１ｍｍ〜８ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ〜４ｍｍである。溝幅が大きすぎる場合は、垂直溝１６の個数を少なくせざるを得ないので、上記した垂直溝１６の個数が少ない時と同様の問題が生じる場合があり、また、小さい風力下では圧電素子部材２１に伝達する力が少なくなる等の場合があり、一方、小さすぎる場合は、回転力が圧電素子部材２１に与える力が過剰になる場合があり、圧電素子部材２１の耐久性に影響を与える等の場合がある。
【００３７】
垂直溝１６と受力板２３との間のクリアランスは、その全てが等しくなっていてもよく、段階的に広くなっていてもよい。また、このクリアランスは０ｍｍであってもよい。すなわち、クリアランスは実質的になくてもよい。
【００３８】
（１−２）風力発電機構について
本発明における圧電素子部材２１は、垂直軸風車１０と中心軸１１を共通にする円周上に一端が固定され、円周の内部に中心に向かって垂直に張り出している。該圧電素子部材２１は、薄手の圧電素子２２を金属板等に貼り合わせたモノモルフ構造を有するものであっても、２枚の圧電素子を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、製造が容易である、発熱しない、発電能力の効率からバイモルフ構造が好ましい。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い。
【００３９】
本発明における複数の圧電素子部材２１の位置は、垂直軸風車１０と中心軸１１を共通にする円周上に、それぞれ等しい距離を持って等間隔に固定してもよいが、風速により上記複数の垂直板１４が、段階的に上記受力板２３を押して振動を開始させるようにするためには、図５（ａ）に示すように段階的に一定の距離ずつずらして固定する。
【００４０】
圧電素子部材２１は、上記複数の垂直板１４又は複数の垂直溝１６と通常等しい数だけ設けられる。
【００４１】
本発明における受力板２３は、図３に示すように、上記の圧電素子部材２１の一端に取り付けられており、垂直板１４若しくは垂直溝１６から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材２１に伝えて発電させるものである。本発明における受力板２３の形状については、効率的に圧電素子部材２１を屈曲させることができれば特に限定はなく、長方形板状や円形板状等の何れでもよい。受力板２３の面積についても特に限定はないが、受力板２３を押す際に垂直板１４自身が変形し圧電素子部材２１を屈曲させるために十分な力を伝達できないことがないように、垂直板１４に用いる材質の弾性係数から鑑みて十分な面積を有していることが好ましい。受力板２３の材質も特に限定はなく、金属や樹脂等の何れでもよい。
【００４２】
上記圧電素子部材２１の、上記受力板２３が取り付けられていない側は、固定保持部材２４によって固定されている。固定保持部材２４は、垂直軸風車１０と中心軸１１を共通にする同心円の円周上に配置されている。本発明における圧電素子部材２１は、垂直軸風車１０と中心軸１１を共通にする円周上に、固定保持部材２４によって一端が固定されて、中心に向かって張り出している。
【００４３】
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。
【００４４】
＜態様２について＞
本発明の態様２については、図４（ｃ）に示した。
風力伝達機構（１）は、少なくとも、
（ａ）垂直軸風車１０
（ｂ）該垂直軸風車１０の上部、下部又は内部に、該垂直軸風車１０と中心軸１１を共通にする円筒１８の内部に周設された複数の柱１９に設けられた垂直溝１６
によって構成されている。
【００４５】
風力発電機構（２）は、少なくとも、
（ｃ）該垂直軸風車１０の中心軸１１に軸支された固定保持部材２４
（ｄ）前記固定保持部材２４に一端が固定され、円周の外部に垂直に張り出された、屈曲することによって発電する圧電素子部材２１
（ｄ）前記圧電素子部材２１の固定されていない他端に取り付けられており、上記垂直溝１６から外れないように周期的に押されて振動してその振動を該圧電素子部材２１に伝えて発電させる受力板２３
によって構成されている。
【００４６】
（１−３）風力伝達機構について
垂直軸風車１０は上記態様１で記載した通りである。本発明の風力発電機構（１）には、該風車１０と中心軸１１を共通にする円筒１８の内部に周設された複数の柱１９に設けられた垂直溝１６を有する。該垂直溝１６は、垂直軸風車１０の上部、下部又は垂直軸風車１０と同一面の内部（垂直軸風車１０の内部）の何れにあってもよいが、垂直軸風車１０の内部にあることが好ましい。
【００４７】
風車１０と中心軸１１を共通にする円筒１８の内部に周設された複数の柱１９に設けられた垂直溝１６は、例えば、図４（ｃ）に示すように、風車と中心軸１１を共通にする円筒１８の内部に周設された複数の柱１９に、地面とは垂直に設けられた溝であり、風車の回転と共に回転し、その回転の際に受力板２３を振動させるものである。
【００４８】
円筒１８の内部に周設された柱１９の個数としては、３〜１６個であることが好ましく、より好ましくは４〜８個であり、特に好ましくは４個である。柱１９の個数が多すぎると、回転力に対して圧電素子部材２１が有する反発力が大きくなりすぎ（あまり屈曲せず）、小さい風力では効率的な発電ができない場合があり、一方、少なすぎると、その個数分しか段階分けによって風速が測定できない場合があるので、風速測定の細かい段階分けができなくなる、風向により圧電素子部材２１の出力が影響を受けやすくなる等の場合がある。垂直溝１６の形状、溝幅やクリアランスは上記態様１と同様である。
【００４９】
（１−４）風力発電機構について
本発明における圧電素子部材２１は、風車１０の中心軸１１に軸支された固定保持部材２４に一端が固定され、中心軸１１から円周の方に向かって垂直に張り出している。該圧電素子部材２１及び固定保持部材２４の構造等は、前記態様１と同様である。
【００５０】
上記圧電阻止部材２１の一端に取り付けられている受力板２３は、図４（ｃ）に示すように、垂直溝１６から外れないように周期的に押されて振動して、その振動を該圧電素子部材２１に伝えて、圧電素子２２を発電させるものである。受力板２３の形状等については、前記態様１で上記した通りである。
【００５１】
以下、本発明の風力発電機を用いた風速測定装置と風力発電装置について説明する。
【００５２】
（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たものである。該風速測定装置は、以下の（Ａ）、（Ｂ）及び／又は（Ｃ）の方法によって風速を測定する。
（Ａ）上記複数の垂直板１４又は上記複数の垂直溝１６のうち、どの段階のものまでが上記受力板２３を押して振動を開始させたかを検知して風速を測定する。
（Ｂ）上記複数の垂直板１４又は上記複数の垂直溝１６から受力板２３が周期的に押されて振動する際の振動数を圧電素子部材２１が検知して風速を測定する。
（Ｃ）上記複数の垂直板１４又は上記複数の垂直溝１６から受力板２３が周期的に押されて振動することによって圧電素子部材２１が振動して発電する際の出力電圧又は電力を検知して風速を測定する。
【００５３】
＜方法（Ａ）について＞
方法（Ａ）は、圧電素子部材２１の位置を、該垂直軸風車１０の中心軸１１からそれぞれ段階的にずらして固定して、風速により、上記複数の垂直板１４が、段階的に上記受力板２３を押して振動を開始させるようにして風速を測定するものである。すなわち、例えば、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、垂直板１４と受力板２３との接触が段階的になるように、垂直板１４と受力板２３との間隔が、距離ｔずつ増えていくように設定し、風速に応じて各垂直板１４が段階的に受力板２３を押して振動を開始させるようにする。図５（ａ）では、受力板２３［１］と垂直板１４との距離は、両者が接触しているので０であり、受力板２３［２］と垂直板１４との距離はｔであり、受力板２３［３］と垂直板１４との距離は２ｔであり、受力板２３［４］と垂直板１４との距離は３ｔである。
【００５４】
方法（Ａ）による風速測定は、具体的には以下の通りである。すなわち、風速が小さい場合には、図５（ａ）に示すように、垂直板１４が「受力板２３［１]−圧電素子部材２１［１］」のみに振動を与え、風速がそれより大きくなると、図５（ｂ）に示すように、２枚の垂直板１４が、それぞれ「受力板２３［１]−圧電素子部材２１［１］」と「受力板２３［２]−圧電素子部材２１［２］」の２個に振動を与える。このように、風速が大きくなるにつれて、振動を与える垂直板１４と「受力板２３−圧電素子部材２１」の組数が増えていく。そして、何組が振動して発電されているかを検知して風速を測定する。
【００５５】
距離ｔとしては、１ｍｍ〜８ｍｍが好ましく、特に好ましくは１ｍｍ〜４ｍｍである。距離ｔが大き過ぎる場合には、小さい風力下で圧電素子２２に伝達する力が少なくなる等の場合があり、弱風時の検知感度が低下する場合があり、小さすぎる場合には、圧電素子２２に与える力が弱風時において高くなるため強風時に適切に検知できない場合がある。
【００５６】
また、方法（Ａ）については、複数の垂直溝１６の溝幅を段階的に広げ、上記受力板２３との間に段階的にクリアランスを設け、風速により、上記複数の垂直溝１６が、段階的に上記受力板２３を押して振動を開始させるようにすることもできる。すなわち、例えば図６（ａ）に示すように、複数の垂直溝１６の溝幅を段階的に広げ、受力板２３との間に段階的に広くなるクリアランスを設け、風速により、複数の垂直溝１６が、段階的に受力板２３を押し始めて振動を開始させることもできる。風速が大きくなるにつれて、振動を与える垂直板１４と垂直溝１６の組数が増えていく。そして、何組が振動して発電されているかを検知して風速を測定する。
【００５７】
この場合、溝幅は、０．５ｍｍ〜１ｍｍずつ広げていくことが好ましく、特に好ましくは１ｍｍずつ広げていくことである。
【００５８】
上記風速測定装置は、何組が振動しているかが瞬時に分かることから、瞬間時の風速が容易に得られ、従来は測定が難しかった瞬間風速測定装置として機能する。例えば、パドル形（風杯型、三杯型）風速計では、瞬間風速の値はその直前の風速の影響を受けてしまう。従って、本発明の風速測定装置は、瞬間風速測定装置として用いられることも好ましい。また、振動している受力板２３の数によって、容易に風速の階級分けが可能になる。更に、受力板２３の特定の枚数以上が振動を開始したときに（特定の組数が振動した時に）警報を発信するように設定しておけば、瞬間風速により警報を発信することができて災害防止に極めて有効である。
【００５９】
＜方法（Ｂ）について＞
方法（Ｂ）は、上記複数の垂直板１４又は上記複数の垂直溝１６から受力板２３が周期的に押されて振動する際の振動数を圧電素子部材２１が検知して風速を測定する。通常、振動数が大きいほど風速が強いことになる。方法（Ｂ）の場合、上記ｔは０であっても、０でなくてもよい。また、垂直溝１６の溝幅は段階的に広げてあっても（図６（ａ））、段階的に広げてなくて（溝幅が等しくて）もよい（図６（ｂ））。すなわち、方法（Ｂ）は、単独で風速を測定しても、方法（Ａ）と組み合わせて風速を測定してもよい。
【００６０】
＜方法（Ｃ）について＞
方法（Ｃ）は、上記複数の垂直板１４又は上記複数の垂直溝１６から受力板２３が周期的に押されて振動することによって、その振動を圧電素子部材２１に伝え、圧電素子部材２１が周期的に振動して発電する際の出力電圧又は電力を検知して風速を測定する。圧電素子部材２１からの出力電圧又は電力が大きいほど風速が強いことになる。方法（Ｃ）は、単独で風速を測定しても、方法（Ａ）や方法（Ｂ）と組み合わせて風速を測定してもよい。
【００６１】
図７に、本発明の風速測定装置の測定回路８０の一例を示した。測定回路８０では、圧電素子部材２１が発生した電圧を電圧計８２で測定する。
【００６２】
（３）風力発電装置について
本発明の風力発電装置は、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、上記した風速測定装置を用いて測定された風速データを無線送信するための電力供給用としても用いることができる。
【００６３】
本発明における風力発電装置は、例えば図６（ｂ）に示すように、複数の垂直溝１６の各溝幅は全て等しい方が好ましい。また、本発明における圧電素子部材２１は、垂直軸風車１０の中心軸１１から放射状に全て等しい距離をおいて固定することが好ましい。
【００６４】
より多くの電力を得るために、本発明における風力伝達機構（１）及び発電機構（２）を１個の垂直軸風車１０に複数設置してもよい。その際、垂直軸風車１０の下部に積み重ねるようにして設置することが、装置の設置がしやすい等点で好ましい。
【００６５】
また、風速測定装置と風力発電装置は共通の装置とすることも可能ではあるが、両者を分離させた構造の方が、風速測定装置の測定回路８０を動作させるための安定的な電力を確保できる点で好ましい。また、１個の垂直軸風車１０に対して、前記の風速測定装置と風力発電装置を積み重ねて設置し、かかる風速測定装置で測定した風速のデータを、かかる風力発電装置で発電した電力により無線発信することも好ましい。
【００６６】
図８に、圧電素子部材２１からの集電を行う集電回路９０の一例を示した。かかる集電回路９０は本発明の風力発電装置に好適に用いられる。集電回路９０は、圧電素子部材２１ａ、２１ｂ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で全波整流する構成を有する。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を備えていてもよい。
【００６７】
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、受力板２３に変位が生じない無風時等には、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。
【００６８】
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。
【実施例】
【００６９】
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。
【００７０】
実施例１
図４（ａ）に示した本発明の風力発電機を用いて、９．６９ｍ／ｓ及び１２．３ｍ／ｓの一定風速下での各圧電素子部材２１から得られる電圧（Ｖ）を測定した。図９に横軸が時間（ｍｓ）、縦軸が発電電圧（Ｖ）の電圧曲線の一例を示す。
【００７１】
本実施例で用いた本発明の風力発電機の構造は、図４（ａ）に示したように、８枚の半円筒羽根１３を有する垂直軸風車１０の下部に、該垂直軸風車１０の中心軸１１に軸支された軸柱１５に一端が固定された４枚の垂直板１４を有し、該垂直軸風車１０と中心軸１１を共通にする円周上に一端が固定され、円周の内部に中心に向かって垂直に張り出された４個の圧電素子部材２１及び該圧電素子部材２１に固定されている受力板２３を有する風力発電機である。
【００７２】
図９から明らかなように、一定風速下で生じるカルマン渦を利用して、圧電素子部材２１の振動により発電した。更に、風速が速くなるにつれて圧電素子部材２１が振動する個数が２個から４個に増加し、総発電量も増加していることが分かった。従って、本発明の風力発電機は、風速測定装置としても風力発電装置としても用いることができ、これ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。
【００７３】
実施例２
図１と図１０に示した本発明の風力発電機を用いて、風速５ｍ／ｓ〜２８ｍ／ｓにおける風速下での各圧電素子部材２１から得られる電圧（Ｖ）を測定した。ここで、本実施例で用いた風力発電機は、図１０に示すように、受力板２３と複数の垂直板１４が段階的に接触するように、各圧電素子部材２１［１］〜［４］を距離ｔ＝１ｍｍだけずらして固定した以外は、実施例１と同様のものである。結果を図１１に、横軸が時間（ｍｓ）、縦軸が出力電圧（Ｖ）の電圧曲線として示す。
【００７４】
図１１（ａ）〜（ｄ）に示したように、風速８．１７ｍ／ｓ下では１個の圧電素子部材２１［１］のみが、１６．５４ｍ／ｓでは２個が、２２．５２ｍ／ｓでは３個が、２７．２２ｍ／ｓでは４個の圧電素子部材２１［１］〜［４］全てが振動し、発電した。このとき、垂直板１４が接触していない（押していない）受力板２３に固定された圧電素子部材２１からの出力はほぼ０であった。つまり、風速の大小により、振動する圧電素子の個数が変化するのを利用して、風速の階級分けをすることができた。以下に本実施例における風速と、圧電素子が振動し発電した個数を示す。
【００７５】
【表１】
0005608215.tif 000002
【００７６】
また、風速が小さい（８．１７ｍ／ｓ）図１１（ａ）では振動数が小さく、風速が大きくなるにつれて（例えば風速２２．５２ｍ／ｓの図１１（ｃ））、振動数が大きくなった。これより、振動周波数が大きくなることによっても、風速が測定できることが明らかになった。
【００７７】
また、風速が小さい（８．１７ｍ／ｓ）図１１（ａ）では電力量が小さく、風速が大きくなるにつれて（例えば風速２２．５２ｍ／ｓの図１１（ｃ））、電力量が大きくなった。これより、電力量が大きくなることによっても、風速が測定できることが明らかになった。
【００７８】
以上より、本発明の風力発電機を用いれば、圧電素子が振動し発電する個数等から風速の階級分けが可能な風速測定装置、及び、自然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。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の風力発電機は、風速測定用、無線送信の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。
【符号の説明】
【００８０】
１・・・・・風力伝達機構
２・・・・・発電機構
１０・・・・・垂直軸風車
１１・・・・・中心軸
１２ａ・・・・上円盤
１２ｂ・・・・下円盤
１３・・・・・半円筒羽根
１４・・・・・垂直板
１５・・・・・軸柱
１６・・・・・垂直溝
１７・・・・・台座
１８・・・・・円筒
１９・・・・・柱
２１・・・・・圧電素子部材
２１ａ・・・・圧電素子部材ａ
２１ｂ・・・・圧電素子部材ｂ
２１［１］・・圧電素子部材［１］
２１［２］・・圧電素子部材［２］
２１［３］・・圧電素子部材［３］
２１［４］・・圧電素子部材［４］
２２・・・・・圧電素子
２３・・・・・受力板
２３［１］・・受力板［１］
２３［２］・・受力板［２］
２３［３］・・受力板［３］
２３［４］・・受力板［４］
２４・・・・・固定保持部材
８０・・・・・風速測定装置の測定回路
８１・・・・・抵抗
８２・・・・・電圧計
９０・・・・・風力発電装置の集電回路
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
【図２】
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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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【図１１】
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【図１】
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【図３】
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