(57)【要約】 【課題】  構造が単純で、高い効率で発電が可能な風力発電装置を提供する。また、設置面積を狭くすることができ、また設置場所の制限も少ない風力発電装置を提供する。【解決手段】  風力発電装置１は、対向する短辺の長さが互いに異なり、その長さが短辺の長さよりも極端に長い略台形状の板部材が、所定の角度θでその幅方向に二つ折りにされた構造を有する受風翼１０と、受風翼１０の振動によって発電する発電部たる圧電板１１ａ・１１ｂを具備する。受風翼１０が風力を受けることによってねじり振動し、圧電板１１ａ・１１ｂが撓んで発電する。【選択図】  図１ 
2005273644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
を具備することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
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に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記２枚の板部材は一体であることを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
長尺状で、その長さ方向に垂直な断面の形状が略弧状であり、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、
を具備することを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
前記発電部は屈曲することによって発電する圧電素子を有し、
前記圧電素子は、前記受風翼に取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記受風翼と前記発電部とを連結する連結部材をさらに具備し、かつ、前記発電部は屈曲することによって発電する圧電素子を有し、
前記受風翼のねじれ振動を、前記連結部材を介して前記圧電素子に伝えることによって、前記圧電素子を撓ませて発電させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記受風翼と前記発電部とを連結する連結部材をさらに具備し、かつ、前記発電部は電磁誘導により発電する発電コイル、または、油圧ポンプおよび油圧発電機を有し、
前記受風翼のねじれ振動を、前記連結部材を介して前記発電コイルまたは前記油圧ポンプおよび油圧発電機に伝えることによって、前記発電コイルまたは前記油圧ポンプおよび油圧発電機を動作させて発電させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項８】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の風力発電装置を複数用いて構成される風力発電システムであって、
複数の前記受風翼が所定間隔で並べられ、
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システム。
【請求項９】
所定数の前記受風翼が、風を受ける面が同じ方向を向くように、縦列もしくは並列または縦並列または放射状に並べられた構成を有する受風ユニットを複数具備し、
前記複数の受風ユニットは、互いに風を受ける面が異方向を向いていることを特徴とする請求項８に記載の風力発電システム。
【請求項１０】
所定数の前記受風翼が、風を受ける面が同じ方向を向くように、縦列もしくは並列または縦並列または放射状に並べられた構成を有する受風ユニットと、
尾翼と、
前記受風ユニットと前記尾翼とを連結する連結部材と、
前記連結部材を回転自在に支持する支持機構と、
を具備し、
前記尾翼が風力を受けることによって前記受風ユニットの風を受ける面が風向きの変化に応じて風上を向くことを特徴とする請求項８に記載の風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力を利用して電気エネルギーを取り出す風力発電装置およびこれを用いた風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【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。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。
【０００４】
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。
【特許文献１】特開２００１−２３１２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、構造が単純で、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、設置面積を狭くすることができ、また設置場所の制限も少ない風力発電装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、このような風力発電装置を用いた風力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】
【０００６】
本発明は第１発明として、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、
を具備することを特徴とする風力発電装置、を提供する。
【０００７】
この風力発電装置においては、受風翼として、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ものが好適に用いられる。この場合、２枚の板部材は一体であることが好ましい。
【０００８】
また本発明は第２発明として、長尺状で、その長さ方向に垂直な断面の形状が略弧状であり、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、
を具備することを特徴とする風力発電装置、を提供する。
【０００９】
上記本発明に係る風力発電装置においては、発電部として屈曲することによって発電する圧電素子を有するものが好適に用いられる。この場合、圧電素子を受風翼に取り付けてもよい。また、受風翼とこの圧電素子とを連結する連結部材をさらに設けて、受風翼のねじれ振動がこの連結部材を介して圧電素子に伝えられるようにして圧電素子を撓ませ、発電させてもよい。
【００１０】
一方、発電部として電磁誘導により発電する発電コイルを用いることもできる。この場合、受風翼と発電コイルとを連結する連結部材をさらに設けて、受風翼のねじれ振動をこの連結部材を介して発電コイルに伝え、発電コイルを動作させることができる。発電コイルに代えて、油圧ポンプおよび油圧発電機を用いてもよい。なお、本発明において、受風翼にはバネ性を有する金属材料や樹脂材料が好適に用いられる。
【００１１】
本発明は第３発明として、上記風力発電装置を複数用いて構成される風力発電システムであって、
複数の前記受風翼が所定間隔で並べられ、
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システム、を提供する。
【００１２】
このような風力発電システムにおいては、所定数の受風翼が、風を受ける面が同じ方向を向くように、縦列もしくは並列または縦並列または放射状に並べられた構成を有する受風ユニットを複数具備し、これら複数の受風ユニットが、互いに風を受ける面が異方向を向いている構成とすることが好ましい。
【００１３】
また、所定数の受風翼が、風を受ける面が同じ方向を向くように、縦列もしくは並列または縦並列または放射状に並べられた構成を有する受風ユニットと、尾翼と、受風ユニットと尾翼とを連結する連結部材と、この連結部材を回転自在に支持する支持機構とを具備し、尾翼が風力を受けることによって受風ユニットの風を受ける面が風向きの変化に応じて風上を向く構成とすることも好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の風力発電装置は、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場合には、受風翼の振動がダイレクトに伝えられることにより、高い発電効率を実現することができる。さらに、発電部として圧電素子を用いた場合と電磁誘導を用いた発電コイルを用いた場合とで、実質的に相違のない構造を実現することができるので、例えば、受風翼の大きさや設置目的等に合わせて、適切な発電部を選択することができる。このような風力発電装置を複数用いれば、電気エネルギーの使用目的に応じて低出力から大出力の様々の発電を行うことができる風力発電システムを容易に構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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、風力発電装置１の概略構造を示す正面図であり、図２は風力発電装置１を構成する受風翼１０の斜視図である。風力発電装置１は、風力を受けることによって所定の振動を生ずる受風翼１０と、受風翼１０に取り付けられ、受風翼１０の振動によって電気エネルギーを発生する発電部たる圧電板１１ａ・１１ｂと、受風翼１０を保持する保持部材１２と、有している。
【００１６】
図２に示すように、受風翼１０の幅は長手方向において変化している。すなわち、受風翼１０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１０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１２は受風翼１０の短辺のうちの短い方の端部側を保持している。
【００１７】
受風翼１０としては、バネ性を有する金属材料または樹脂材料が好適に用いられる。ここでは、受風翼１０は金属材料で構成されているとする。受風翼１０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１０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１０の振動が効率的に発生するように、適宜、設定される。
【００１８】
なお、図２では、受風翼１０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１０を形成してもよい。受風翼１０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。
【００１９】
発電部たる圧電板１１ａ・１１ｂはそれぞれ、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。圧電板１１ａ・１１ｂはそれぞれ直接に受風翼１０の内角θ側の表面に、一方の電極膜が受風翼１０と導通するように、接着されている。これにより、風力発電装置１では、電力を取り出すための出力電極として受風翼１０を用いることができるようになっている。
【００２０】
風力発電装置１では、圧電板１１ａ・１１ｂを受風翼１０の内角θ側に設けているが、圧電板１１ａ・１１ｂは受風翼１０の外角側に設けてもよく、さらに受風翼１０の各面に任意に設けてもよい。また、受風翼１０が大型の場合には、受風翼１０の各表面に、複数の圧電板を配置することができる。なお、受風翼１０は、２枚のユニモルフ素子をその長辺で内角θが形成されるように接合した構造であると、換言することができる。
【００２１】
保持部材１２は、受風翼１０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。
【００２２】
図３に受風翼１０の振動形態を模式的に示す説明図を示す。ここで、受風翼１０が静止しているときの受風翼１０の長手方向、つまり受風翼１０における折り曲げ部の長さ方向軸をＺ軸とし、受風翼１０の内角θを２等分する方向軸をＸ軸とし、Ｘ軸およびＺ軸と直交する方向軸をＹ軸と定めることとする。また、受風翼１０の開放端側における受風翼１０の折り曲げ部をＰ点とする。
【００２３】
受風翼１０は、風がＸ方向から受風翼１０の内角θ側の面に向けてあたるときに、最も効率よく振動する。すなわち、受風翼１０が静止している状態ではＰ点は、Ｘ軸とＹ軸の交点（Ｚ軸上）に位置している。そして、受風翼１０にＸ方向から風力を受けると、受風翼１０は受けた風を逃がそうとするために、受風翼１０には、受風翼１０の固定端側がバネとして機能して受風翼１０の開放端側のＰ点がＸ−Ｙ平面上のＰ１点とＰ２点との間を往復しながらＺ軸回りに回動するような「ねじれ振動」、が生ずる。このとき、圧電板１１ａ・１１ｂが撓んで圧電効果によって電気を発生する。なお、Ｐ１点とＰ２点の位置は、風があたる向きや風速（風力）によって異なる。
【００２４】
このようなねじれ振動を効率的に受風翼１０に生じさせるためには、受風翼１０はＸ軸について対称な構造を有していることが好ましく、また、受風翼１０の内角θは、４５度〜１３５度の間に設定することが好ましく、９０度近傍とすることがより好ましい。
【００２５】
図４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。
【００２６】
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１０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。
【００２７】
風力発電装置１の構成は種々に変形することができる。例えば、受風翼１０の全面に圧電板１１ａ・１１ｂを設けてもよい。また、受風翼自体を圧電機能を有する樹脂材等で形成してもよい。さらに、圧電素子として単板の圧電板１１ａ・１１ｂを示したが、後述する風力発電装置２に用いられているバイモルフ素子２１や、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。
【００２８】
次に、本発明の風力発電装置の別の実施形態について説明する。図５（ａ）に風力発電装置２の概略構造を示す正面図を示し、図５（ｂ）にその側面図を示す。この風力発電装置２は、受風翼１０と、発電部たるバイモルフ素子２１と、受風翼１０とバイモルフ素子２１とを連結する連結部材２２と、バイモルフ素子２１を保持する保持部材２３と、を備えている。
【００２９】
受風翼１０は図２に示したものと同じである。バイモルフ素子２１は、周知の通り、金属板等の補強板２１ａに圧電板２１ｂ・２１ｃが貼り付けられた構造を有している。連結部材２２は、受風翼１０の振動をバイモルフ素子２１に伝達する部材であり、できるだけ振動を減衰させないように、例えば、金属やセラミックスで構成される。受風翼１０と連結部材２２との接合、連結部材２２とバイモルフ素子２１との接合には、これらを構成する材料を考慮して、溶接や樹脂接着剤による方法が採られる。樹脂接着剤を用いる場合には、エポキシ樹脂等の硬質樹脂を用いることが好ましい。
【００３０】
このような構造を有する風力発電装置２でも、受風翼１０が風力を受けて図３に示した振動を起こすことにより、バイモルフ素子２１が屈曲して発電し、これにより、電気エネルギーを得ることができる。
【００３１】
風力発電装置２は、図６の側面図に示す風力発電装置２ａの形態に変形することができる。すなわち、受風翼１０の長手方向とバイモルフ素子２１の主面との角度は、風力発電装置２では０度（平行）であったが、風力発電装置２ａでは９０度（垂直）となっている。風力発電装置２でも、受風翼１０が風力を受けて図３に示した振動を起こすことにより、バイモルフ素子２１に屈曲変異が生じて発電し、これにより電気エネルギーを得ることができる。
【００３２】
風力発電装置２のように、受風翼１０が連結部材２２で支持された構造の場合には、発電部としてバイモルフ素子２１に代えて、電磁誘導により発電する発電コイルを用いることもできる。図７に発電コイル４０を備えた風力発電装置５の模式図を示す。この場合、受風翼１０の振動により連結部材２２に生ずる往復回動運動を利用して、発電コイル４０を駆動する。特に、受風翼１０の長さが数メートルから数十メートルに達するような大型発電装置の場合には、受風翼１０を保持するために発電部にも高い機械的強度が必要とされる。このような発電部として、発電コイル４０は好適に用いられる。
【００３３】
発電コイル４０に代えて、油圧（水圧および空気圧を含む、以下同様）を利用した油圧発電ユニットを用いることも好ましい。図８に油圧発電ユニット５０の概略構成を示す説明図を示す。油圧発電ユニット５０は、油圧シリンダ５１と、アキュームレータ５２と、油圧モータ５３と、油圧モータ５３へ送る油圧を調整する圧力調整弁５４と、発電機５５を備えている。
【００３４】
受風翼１０が風力を受けて振動することで連結部材２２に生ずる往復回動運動が油圧シリンダ５１のピストンを駆動するように、連結部材２２を油圧シリンダ５１のピストンで直接的または間接的に支持する。ピストンの駆動により油圧シリンダ５１で発生した油圧はアキュームレータ５２に蓄積される。アキュームレータ５２は、公知の通り、密閉されたシェル内がゴム袋でできた窒素ガスを封入した室と油室とに分けられており、窒素ガスの圧縮比で圧油の貯蔵を行う。アキュームレータ５２に蓄積された油圧は圧力調整弁５４を通して引き出され、この油圧で油圧モータ５３のスピンドルを回転させる。この油圧モータ５３のスピンドル回転により発電機５５を駆動して、電気エネルギーを発生させる。
【００３５】
なお、アキュームレータ５２は、必要に応じて作動油に生じる衝撃圧（油撃）を吸収して圧油の脈動を減衰させたり、油圧シリンダ５１を停止させて受風翼１０の傾倒を防止するための油圧源としても機能する。
【００３６】
図９に本発明のさらに別の実施形態である風力発電装置３の概略構造を示す斜視図を示す。この風力発電装置３が具備する受風翼３０は、長尺状で、その長さ方向に垂直な断面の形状が略弧状であり、かつ、その一端の弧の長さと他端の弧の長さが異なる形状を有している。受風翼３０の弧の長さが短い方の端部は、保持部材３２に保持されている。受風翼３０は、受風翼１０と同様に、バネ性を有する金属材料または樹脂材料で構成される。
【００３７】
圧電板３１ａ・３１ｂは受風翼３０の表面に取り付けられている。圧電板３１ａ・３１ｂが薄く、受風翼３０の曲率が大きい場合には、圧電板３１ａ・３１ｂを受風翼３０の曲面にそって曲げた状態で、貼り付けることができる。また、受風翼３０の曲率が小さい場合には、圧電板として短冊状のものを複数貼り付けることで、これらの圧電板を受風翼３０に密着させて取り付けることができる。
【００３８】
受風翼３０の内側曲面が風力を受けることによって、受風翼３０には受風翼１０と同様の振動が発生し、これにより圧電板３１ａ・３１ｂが撓み、発電する。受風翼３０の長さ、厚さ、端部の曲率および弧の長さは、このような振動が効率よく生ずるように、設定される。なお、先に説明した風力発電装置２・２ａは風力発電装置１に用いられている受風翼１０を備えていたが、この受風翼１０に替えて受風翼３０を用いてもよい。
【００３９】
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１０・３０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ればよい。具体的には、図１０（ａ）に斜視図で示す受風翼１０ａのように、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。受風翼１０ａでは、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、図１０（ｂ）に斜視図で示す受風翼３０ａのように、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。
【００４０】
図１１に本発明のさらに別の実施形態である風力発電装置４の概略構造を示す説明図を示す。図１１（ａ）は風力発電装置４の上面図であり、図１１（ｂ）は上面図中に示す矢視ＡＡ断面図である。この風力発電装置４では、バイモルフ素子２１の補強板２１ａが受風翼１０にブリッジするように配置されている。この構造では、バイモルフ素子２１は、受風翼１０の開放端側の内角側面が風力を受けることができるように、受風翼１０の固定端側に配置する。風力発電装置４でも、受風翼１０が風力を受けて図３に示す振動が生じることにより、バイモルフ素子２１が撓んで発電する。
【００４１】
本発明に係る風力発電装置は、勿論、単体で設置することが可能であるが、複数の受風翼を所定間隔で並べて配置し、各受風翼に生ずる振動エネルギーを基にして各発電部で発生させた電気エネルギーを直列および／または並列で集電するユニットを構成し、このようなユニットを単独でまたは複数組み合わせて、風力発電システムを構成することが好ましい。
【００４２】
以下に、風力発電ユニットの実施形態について説明する。
図１２に複数の受風翼１０ａを用いて構成された受風ユニットの種々の例を示す説明図を示す。図１２（ａ）に示す受風ユニット６１は、複数の受風翼１０ａが棒状の保持部材７１に一列で一定の間隔で取り付けられた構造を有する。図１２（ｂ）に示す受風ユニット６２は、複数の受風翼１０ａが全体的な形状が略扇型となるように円板状の保持部材７２に放射状に取り付けられた構造を有する。図１２（ｃ）に示す受風ユニット６３は、複数の受風翼１０ａが全体的な形状が円形となるように放射状に保持部材７２に取り付けられた構造を有する。図１２（ｄ）に示す受風ユニット６４は、複数の受風翼１０ａがフレーム７３にその面内に収まるように配置された構造を有する。図１２（ｅ）に示す受風ユニット６５は、複数の受風翼１０ａがパネル７４に縦横に並べて取り付けられた構造を有する。
【００４３】
これら受風ユニット６１〜６４では、各受風翼１０ａはその内角側の面が同じ方向を向いていることが好ましい。また、受風ユニット６５では、各受風翼１０ａの内角側の面が一方向を向いた構造としたが、各受風翼１０ａの内角側の面の向きはランダムであってもよい。なお、このような各種の発電ユニットには、その長さが数メートル〜１ｍまたはこれ以下の受風翼が好適に用いられる。
【００４４】
このような受風ユニット６１〜６４では、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。
【００４５】
次に、このような受風ユニットを用いた発電システムの実施形態について説明する。図１３に複数の受風ユニット６１からなる風力発電システム８０の概略構成を示す説明図を示す。図１３（ａ）はその上面図であり、図１３（ｂ）はその鉛直断面図である。なお、図１３（ａ）では、受風翼１０ａを簡略的に黒点で示しており、図１３（ｂ）では紙面後方に位置する受風ユニット６１の図示を省略している。
【００４６】
風力発電システム８０は樹木の形態を擬したものであり、複数の受風ユニット６１が支柱７６の周囲に放射状に配置された構造を有している。この風力発電システム８０は、図１３（ｂ）と同様にして図１４に示す風力発電システム８０′のように、その下部から上部に向けて、大きさの異なる受風翼（図１４において、符号「１０ｂ」、「１０ｃ」、「１０ｄ」、「１０ｅ」で示し、この順番で受風翼は小さくなる）が配置された構造へ変形することも好ましい。
【００４７】
図１５に複数の受風ユニット６２からなる風力発電システム８１の概略構成を示す正面図を示す。風力発電システム８１は、複数の受風ユニット６２を、隣接する受風ユニットどうしが左右交互に位置するように、支柱７７に一定の間隔で取り付けられた構造を有する。なお、風力発電システム８１を、隣接する受風ユニットどうしが支柱７７の長手方向から見たときに９０度ずれるように支柱７７に一定の間隔で取り付けられた構造へと変形することも、好ましい。
【００４８】
図１６に受風ユニット６３からなる風力発電システム８２の概略構成を示す説明図を示す。図１６（ａ）はその上面図であり、図１６（ｂ）はその正面図である。風力発電システム８２では、十字型で棒部の長さが異なる保持部材７８ｂ・７８ｃが、交互に、かつ、棒部が主支柱７８ａの長手方向から見て４５度ずれるようにして、主支柱７８ａの長手方向に一定の間隔で取り付けられ、これら保持部材７８ｂ・７８ｃの棒部の各先端に受風ユニット６３が取り付けられた構造を有している。
【００４９】
図１７に受風ユニット６３を用いた別の風力発電システム８３の概略構成を示す説明図を示す。この風力発電システム８３は、尾翼７９ａと、受風ユニット６３と尾翼７９ａとを連結する連結部材７９ｂと、連結部材７９ｂを回転自在に支持する支持機構７９ｃと、を具備している。この風力発電システム８３では、尾翼７９ａが風力を受けると、尾翼７９ａは風下に、受風ユニット６３は風上に配置される。つまり、風見鶏のような動きをする。したがって、風力発電システム８３では、風向きが変わっても、受風ユニット６３が常に風上側に配置され、受風翼１０ａが振動するために、稼働効率が高くなる。
【００５０】
図１８に上述した発電装置、受風ユニット、風力発電システムの配置形態を示す説明図を示す。受風翼の長さが数メートル〜数十メートルに及ぶ大型のものの設置場所としては、既存のプロペラ式発電装置等が設置されている場所、例えば、海岸線近くの自然の風が吹く場所、山間地の谷間等が挙げられる。この場合には、受風翼を気象経験上の最大風速における振動振幅を考慮して、その振動時に接触しない間隔で配置すればよい。
【００５１】
樹木型の風力発電システム８０′等は、例えば、海岸線や家屋の周囲に配置することができ、この場合には、防風林としての役割を担わせることができる。風力発電システム８０′等を砂浜近くに配置した場合には、防砂林としても機能させることができる。また、パネル型の受風ユニット６４は、道路脇や線路脇、家屋回りに配置することができ、この場合には、受風ユニット６４に、ガードレールや横風防止柵、進入防止柵、防音壁等としての役割を持たせることができる。さらに受風ユニット６４は、各種工場やビル、家屋等で用いられる排気設備から排出される風、例えば、ボイラーやエアコンの排気口に取り付けることができ、この場合には、自然環境に左右されない定期的かつ効率的な発電が可能となる。受風ユニット６５は、例えば、家屋の屋根等に設けることができる。
【００５２】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】風力発電装置の概略構造を示す正面図。
【図２】図１に示す風力発電装置を構成する受風翼の斜視図。
【図３】図１に示す受風翼の振動形態を模式的に示す説明図。
【図４】圧電板からの集電を行う集電回路の一例を示す説明図。
【図５】別の風力発電装置の概略構造を示す正面図および側面図。
【図６】さらに別の風力発電装置の概略構造を示す側面図。
【図７】さらに別の風力発電装置の概略構造を示す正面図。
【図８】油圧発電ユニットの概略構成を示す説明図。
【図９】さらに別の風力発電装置の概略構造を示す斜視図。
【図１０】別の受風翼の概略構造を示す斜視図。
【図１１】さらに別の風力発電装置の概略構成を示す説明図。
【図１２】複数の受風翼を用いて構成された受風ユニットの種々の例を示す説明図。
【図１３】風力発電システムの概略構成を示す説明図。
【図１４】別の風力発電システムの概略構成を示す説明図。
【図１５】さらに別の風力発電システムの概略構成を示す説明図。
【図１６】さらに別の風力発電システムの概略構成を示す説明図。
【図１７】さらに別の風力発電システムの概略構成を示す説明図。
【図１８】発電装置、受風ユニット、風力発電システムの配置形態を模式的に示す説明図。
【符号の説明】
【００５５】
１・２・２ａ・３・４・５；風力発電装置
１０・１０ａ〜１０ｅ・３０・３０ａ；受風翼
１１ａ・１１ｂ・２１ｂ・２１ｃ・３１ａ・３１ｂ；圧電板
１２・２３・３２；保持部材
２１；圧電バイモルフ素子
２１ａ；補強板
２２；連結部材
４０；発電コイル
５０；油圧発電ユニット
５１；油圧シリンダ
５２；アキュームレータ
５３；油圧モータ
５４；油圧調整弁
５５；発電機
６１・６２・６３・６４・６５；受風ユニット
７１・７２・７８ｂ・７８ｃ；保持部材
７３；フレーム
７４；パネル
７６・７７；支柱
７８ａ；主支柱
７９ａ；尾翼
７９ｂ；連結部材
７９ｃ；支持機構
８０・８０′・８１・８２・８３；風力発電システム
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
【図１】
2005273644.tif 000003
【図２】
2005273644.tif 000004
【図３】
2005273644.tif 000005
【図４】
2005273644.tif 000006
【図５】
2005273644.tif 000007
【図６】
2005273644.tif 000008
【図７】
2005273644.tif 000009
【図８】
2005273644.tif 000010
【図９】
2005273644.tif 000011
【図１０】
2005273644.tif 000012
【図１１】
2005273644.tif 000013
【図１２】
2005273644.tif 000014
【図１３】
2005273644.tif 000015
【図１４】
2005273644.tif 000016
【図１５】
2005273644.tif 000017
【図１６】
2005273644.tif 000018
【図１７】
2005273644.tif 000019
【図１８】
2005273644.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成17年8月11日(2005.8.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バネ性を有する材料で形成され、
長尺状で、対向する短辺の長さが互いに異なる台形状の板部材が、その幅方向に４５度〜１３５度の角度で二つ折りされた形状を有し、
前記短辺のうちの短い方の端部が支持された状態で風力を受けた際に、先端側の折り曲げ部が該折り曲げ部の長さ方向軸回りに回動するようなねじれ振動を生ずる受風翼と、
前記受風翼の振動によって発電する発電部と、
を具備することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
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に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記２枚の板部材は一体であることを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記発電部は屈曲することによって発電する圧電素子を有し、
前記圧電素子は、前記受風翼に取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記受風翼と前記発電部とを連結する連結部材をさらに具備し、かつ、前記発電部は屈曲することによって発電する圧電素子を有し、
前記受風翼のねじれ振動を、前記連結部材を介して前記圧電素子に伝えることによって、前記圧電素子を撓ませて発電させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記受風翼と前記発電部とを連結する連結部材をさらに具備し、かつ、前記発電部は電磁誘導により発電する発電コイル、または、油圧ポンプおよび油圧発電機を有し、
前記受風翼のねじれ振動を、前記連結部材を介して前記発電コイルまたは前記油圧ポンプおよび油圧発電機に伝えることによって、前記発電コイルまたは前記油圧ポンプおよび油圧発電機を動作させて発電させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の風力発電装置を複数用いて構成される風力発電システムであって、
複数の前記受風翼が所定間隔で並べられ、
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システム。
【請求項８】
所定数の前記受風翼が、風を受ける面が同じ方向を向くように、縦列もしくは並列または縦並列または放射状に並べられた構成を有する受風ユニットを複数具備し、
前記複数の受風ユニットは、互いに風を受ける面が異方向を向いていることを特徴とする請求項７に記載の風力発電システム。
【請求項９】
所定数の前記受風翼が、風を受ける面が同じ方向を向くように、縦列もしくは並列または縦並列または放射状に並べられた構成を有する受風ユニットと、
尾翼と、
前記受風ユニットと前記尾翼とを連結する連結部材と、
前記連結部材を回転自在に支持する支持機構と、
を具備し、
前記尾翼が風力を受けることによって前記受風ユニットの風を受ける面が風向きの変化に応じて風上を向くことを特徴とする請求項７に記載の風力発電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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およびこれを用いた風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【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。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。
【０００４】
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。
【特許文献１】特開２００１−２３１２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、構造が単純で、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、設置面積を狭くすることができ、また設置場所の制限も少ない風力発電装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、このような風力発電装置を用いた風力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】
【０００６】
本発明は第１発明として、バネ性を有する材料で形成され、
長尺状で、対向する短辺の長さが互いに異なる台形状の板部材が、その幅方向に４５度〜１３５度の角度で二つ折りされた形状を有し、
前記短辺のうちの短い方の端部が支持された状態で風力を受けた際に、先端側の折り曲げ部が該折り曲げ部の長さ方向軸回りに回動するようなねじれ振動を生ずる受風翼と、
前記受風翼の振動によって発電する発電部と、
を具備することを特徴とする風力発電装置、を提供する。
【０００７】
この風力発電装置においては、受風翼として、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ものが好適に用いられる。この場合、２枚の板部材は一体であることが好ましい。
【０００８】
上記本発明に係る風力発電装置においては、発電部として屈曲することによって発電する圧電素子を有するものが好適に用いられる。この場合、圧電素子を受風翼に取り付けてもよい。また、受風翼とこの圧電素子とを連結する連結部材をさらに設けて、受風翼のねじれ振動がこの連結部材を介して圧電素子に伝えられるようにして圧電素子を撓ませ、発電させてもよい。
【０００９】
一方、発電部として電磁誘導により発電する発電コイルを用いることもできる。この場合、受風翼と発電コイルとを連結する連結部材をさらに設けて、受風翼のねじれ振動をこの連結部材を介して発電コイルに伝え、発電コイルを動作させることができる。発電コイルに代えて、油圧ポンプおよび油圧発電機を用いてもよい。なお、本発明において、受風翼にはバネ性を有する金属材料や樹脂材料が好適に用いられる。
【００１０】
本発明は第２発明として、上記風力発電装置を複数用いて構成される風力発電システムであって、
複数の前記受風翼が所定間隔で並べられ、
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システム、を提供する。
【００１１】
このような風力発電システムにおいては、所定数の受風翼が、風を受ける面が同じ方向を向くように、縦列もしくは並列または縦並列または放射状に並べられた構成を有する受風ユニットを複数具備し、これら複数の受風ユニットが、互いに風を受ける面が異方向を向いている構成とすることが好ましい。
【００１２】
また、所定数の受風翼が、風を受ける面が同じ方向を向くように、縦列もしくは並列または縦並列または放射状に並べられた構成を有する受風ユニットと、尾翼と、受風ユニットと尾翼とを連結する連結部材と、この連結部材を回転自在に支持する支持機構とを具備し、尾翼が風力を受けることによって受風ユニットの風を受ける面が風向きの変化に応じて風上を向く構成とすることも好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の風力発電装置は、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場合には、受風翼の振動がダイレクトに伝えられることにより、高い発電効率を実現することができる。さらに、発電部として圧電素子を用いた場合と電磁誘導を用いた発電コイルを用いた場合とで、実質的に相違のない構造を実現することができるので、例えば、受風翼の大きさや設置目的等に合わせて、適切な発電部を選択することができる。このような風力発電装置を複数用いれば、電気エネルギーの使用目的に応じて低出力から大出力の様々の発電を行うことができる風力発電システムを容易に構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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、風力発電装置１の概略構造を示す正面図であり、図２は風力発電装置１を構成する受風翼１０の斜視図である。風力発電装置１は、風力を受けることによって所定の振動を生ずる受風翼１０と、受風翼１０に取り付けられ、受風翼１０の振動によって電気エネルギーを発生する発電部たる圧電板１１ａ・１１ｂと、受風翼１０を保持する保持部材１２と、有している。
【００１５】
図２に示すように、受風翼１０の幅は長手方向において変化している。すなわち、受風翼１０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１０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１２は受風翼１０の短辺のうちの短い方の端部側を保持している。
【００１６】
受風翼１０としては、バネ性を有する金属材料または樹脂材料が好適に用いられる。ここでは、受風翼１０は金属材料で構成されているとする。受風翼１０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１０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１０の振動が効率的に発生するように、適宜、設定される。
【００１７】
なお、図２では、受風翼１０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１０を形成してもよい。受風翼１０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。
【００１８】
発電部たる圧電板１１ａ・１１ｂはそれぞれ、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。圧電板１１ａ・１１ｂはそれぞれ直接に受風翼１０の内角θ側の表面に、一方の電極膜が受風翼１０と導通するように、接着されている。これにより、風力発電装置１では、電力を取り出すための出力電極として受風翼１０を用いることができるようになっている。
【００１９】
風力発電装置１では、圧電板１１ａ・１１ｂを受風翼１０の内角θ側に設けているが、圧電板１１ａ・１１ｂは受風翼１０の外角側に設けてもよく、さらに受風翼１０の各面に任意に設けてもよい。また、受風翼１０が大型の場合には、受風翼１０の各表面に、複数の圧電板を配置することができる。なお、受風翼１０は、２枚のユニモルフ素子をその長辺で内角θが形成されるように接合した構造であると、換言することができる。
【００２０】
保持部材１２は、受風翼１０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。
【００２１】
図３に受風翼１０の振動形態を模式的に示す説明図を示す。ここで、受風翼１０が静止しているときの受風翼１０の長手方向、つまり受風翼１０における折り曲げ部の長さ方向軸をＺ軸とし、受風翼１０の内角θを２等分する方向軸をＸ軸とし、Ｘ軸およびＺ軸と直交する方向軸をＹ軸と定めることとする。また、受風翼１０の解放端側における受風翼１０の折り曲げ部をＰ点とする。
【００２２】
受風翼１０は、風がＸ方向から受風翼１０の内角θ側の面に向けてあたるときに、最も効率よく振動する。すなわち、受風翼１０が静止している状態ではＰ点は、Ｘ軸とＹ軸の交点（Ｚ軸上）に位置している。そして、受風翼１０にＸ方向から風力を受けると、受風翼１０は受けた風を逃がそうとするために、受風翼１０には、受風翼１０の固定端側がバネとして機能して受風翼１０の解放端側のＰ点がＸ−Ｙ平面上のＰ１点とＰ２点との間を往復しながらＺ軸回りに回動するような「ねじれ振動」、が生ずる。このとき、圧電板１１ａ・１１ｂが撓んで圧電効果によって電気を発生する。なお、Ｐ１点とＰ２点の位置は、風があたる向きや風速（風力）によって異なる。
【００２３】
このようなねじれ振動を効率的に受風翼１０に生じさせるためには、受風翼１０はＸ軸について対称な構造を有していることが好ましく、また、受風翼１０の内角θは、４５度〜１３５度の間に設定することが好ましく、９０度近傍とすることがより好ましい。
【００２４】
図４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。
【００２５】
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１０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。
【００２６】
風力発電装置１の構成は種々に変形することができる。例えば、受風翼１０の全面に圧電板１１ａ・１１ｂを設けてもよい。また、受風翼自体を圧電機能を有する樹脂材等で形成してもよい。さらに、圧電素子として単板の圧電板１１ａ・１１ｂを示したが、後述する風力発電装置２に用いられているバイモルフ素子２１や、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。
【００２７】
次に、本発明の風力発電装置の別の実施形態について説明する。図５（ａ）に風力発電装置２の概略構造を示す正面図を示し、図５（ｂ）にその側面図を示す。この風力発電装置２は、受風翼１０と、発電部たるバイモルフ素子２１と、受風翼１０とバイモルフ素子２１とを連結する連結部材２２と、バイモルフ素子２１を保持する保持部材２３と、を備えている。
【００２８】
受風翼１０は図２に示したものと同じである。バイモルフ素子２１は、周知の通り、金属板等の補強板２１ａに圧電板２１ｂ・２１ｃが貼り付けられた構造を有している。連結部材２２は、受風翼１０の振動をバイモルフ素子２１に伝達する部材であり、できるだけ振動を減衰させないように、例えば、金属やセラミックスで構成される。受風翼１０と連結部材２２との接合、連結部材２２とバイモルフ素子２１との接合には、これらを構成する材料を考慮して、溶接や樹脂接着剤による方法が採られる。樹脂接着剤を用いる場合には、エポキシ樹脂等の硬質樹脂を用いることが好ましい。
【００２９】
このような構造を有する風力発電装置２でも、受風翼１０が風力を受けて図３に示した振動を起こすことにより、バイモルフ素子２１が屈曲して発電し、これにより、電気エネルギーを得ることができる。
【００３０】
風力発電装置２は、図６の側面図に示す風力発電装置２ａの形態に変形することができる。すなわち、受風翼１０の長手方向とバイモルフ素子２１の主面との角度は、風力発電装置２では０度（平行）であったが、風力発電装置２ａでは９０度（垂直）となっている。風力発電装置２でも、受風翼１０が風力を受けて図３に示した振動を起こすことにより、バイモルフ素子２１に屈曲変異が生じて発電し、これにより電気エネルギーを得ることができる。
【００３１】
風力発電装置２のように、受風翼１０が連結部材２２で支持された構造の場合には、発電部としてバイモルフ素子２１に代えて、電磁誘導により発電する発電コイルを用いることもできる。図７に発電コイル４０を備えた風力発電装置５の模式図を示す。この場合、受風翼１０の振動により連結部材２２に生ずる往復回動運動を利用して、発電コイル４０を駆動する。特に、受風翼１０の長さが数メートルから数十メートルに達するような大型発電装置の場合には、受風翼１０を保持するために発電部にも高い機械的強度が必要とされる。このような発電部として、発電コイル４０は好適に用いられる。
【００３２】
発電コイル４０に代えて、油圧（水圧および空気圧を含む、以下同様）を利用した油圧発電ユニットを用いることも好ましい。図８に油圧発電ユニット５０の概略構成を示す説明図を示す。油圧発電ユニット５０は、油圧シリンダ５１と、アキュームレータ５２と、油圧モータ５３と、油圧モータ５３へ送る油圧を調整する圧力調整弁５４と、発電機５５を備えている。
【００３３】
受風翼１０が風力を受けて振動することで連結部材２２に生ずる往復回動運動が油圧シリンダ５１のピストンを駆動するように、連結部材２２を油圧シリンダ５１のピストンで直接的または間接的に支持する。ピストンの駆動により油圧シリンダ５１で発生した油圧はアキュームレータ５２に蓄積される。アキュームレータ５２は、公知の通り、密閉されたシェル内がゴム袋でできた窒素ガスを封入した室と油室とに分けられており、窒素ガスの圧縮比で圧油の貯蔵を行う。アキュームレータ５２に蓄積された油圧は圧力調整弁５４を通して引き出され、この油圧で油圧モータ５３のスピンドルを回転させる。この油圧モータ５３のスピンドル回転により発電機５５を駆動して、電気エネルギーを発生させる。
【００３４】
なお、アキュームレータ５２は、必要に応じて作動油に生じる衝撃圧（油撃）を吸収して圧油の脈動を減衰させたり、油圧シリンダ５１を停止させて受風翼１０の傾倒を防止するための油圧源としても機能する。
【００３５】
図９に本発明のさらに別の実施形態である風力発電装置３の概略構造を示す斜視図を示す。この風力発電装置３が具備する受風翼３０は、長尺状で、その長さ方向に垂直な断面の形状が略弧状であり、かつ、その一端の弧の長さと他端の弧の長さが異なる形状を有している。受風翼３０の弧の長さが短い方の端部は、保持部材３２に保持されている。受風翼３０は、受風翼１０と同様に、バネ性を有する金属材料または樹脂材料で構成される。
【００３６】
圧電板３１ａ・３１ｂは受風翼３０の表面に取り付けられている。圧電板３１ａ・３１ｂが薄く、受風翼３０の曲率が大きい場合には、圧電板３１ａ・３１ｂを受風翼３０の曲面にそって曲げた状態で、貼り付けることができる。また、受風翼３０の曲率が小さい場合には、圧電板として短冊状のものを複数貼り付けることで、これらの圧電板を受風翼３０に密着させて取り付けることができる。
【００３７】
受風翼３０の内側曲面が風力を受けることによって、受風翼３０には受風翼１０と同様の振動が発生し、これにより圧電板３１ａ・３１ｂが撓み、発電する。受風翼３０の長さ、厚さ、端部の曲率および弧の長さは、このような振動が効率よく生ずるように、設定される。なお、先に説明した風力発電装置２・２ａは風力発電装置１に用いられている受風翼１０を備えていたが、この受風翼１０に替えて受風翼３０を用いてもよい。
【００３８】
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１０・３０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ればよい。具体的には、図１０（ａ）に斜視図で示す受風翼１０ａのように、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。受風翼１０ａでは、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、図１０（ｂ）に斜視図で示す受風翼３０ａのように、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。
【００３９】
図１１に本発明のさらに別の実施形態である風力発電装置４の概略構造を示す説明図を示す。図１１（ａ）は風力発電装置４の上面図であり、図１１（ｂ）は上面図中に示す矢視ＡＡ断面図である。この風力発電装置４では、バイモルフ素子２１の補強板２１ａが受風翼１０にブリッジするように配置されている。この構造では、バイモルフ素子２１は、受風翼１０の解放端側の内角側面が風力を受けることができるように、受風翼１０の固定端側に配置する。風力発電装置４でも、受風翼１０が風力を受けて図３に示す振動が生じることにより、バイモルフ素子２１が撓んで発電する。
【００４０】
本発明に係る風力発電装置は、勿論、単体で設置することが可能であるが、複数の受風翼を所定間隔で並べて配置し、各受風翼に生ずる振動エネルギーを基にして各発電部で発生させた電気エネルギーを直列および／または並列で集電するユニットを構成し、このようなユニットを単独でまたは複数組み合わせて、風力発電システムを構成することが好ましい。
【００４１】
以下に、風力発電ユニットの実施形態について説明する。
図１２に複数の受風翼１０ａを用いて構成された受風ユニットの種々の例を示す説明図を示す。図１２（ａ）に示す受風ユニット６１は、複数の受風翼１０ａが棒状の保持部材７１に一列で一定の間隔で取り付けられた構造を有する。図１２（ｂ）に示す受風ユニット６２は、複数の受風翼１０ａが全体的な形状が略扇型となるように円板状の保持部材７２に放射状に取り付けられた構造を有する。図１２（ｃ）に示す受風ユニット６３は、複数の受風翼１０ａが全体的な形状が円形となるように放射状に保持部材７２に取り付けられた構造を有する。図１２（ｄ）に示す受風ユニット６４は、複数の受風翼１０ａがフレーム７３にその面内に収まるように配置された構造を有する。図１２（ｅ）に示す受風ユニット６５は、複数の受風翼１０ａがパネル７４に縦横に並べて取り付けられた構造を有する。
【００４２】
これら受風ユニット６１〜６４では、各受風翼１０ａはその内角側の面が同じ方向を向いていることが好ましい。また、受風ユニット６５では、各受風翼１０ａの内角側の面が一方向を向いた構造としたが、各受風翼１０ａの内角側の面の向きはランダムであってもよい。なお、このような各種の発電ユニットには、その長さが数メートル〜１ｍまたはこれ以下の受風翼が好適に用いられる。
【００４３】
このような受風ユニット６１〜６４では、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。
【００４４】
次に、このような受風ユニットを用いた発電システムの実施形態について説明する。図１３に複数の受風ユニット６１からなる風力発電システム８０の概略構成を示す説明図を示す。図１３（ａ）はその上面図であり、図１３（ｂ）はその鉛直断面図である。なお、図１３（ａ）では、受風翼１０ａを簡略的に黒点で示しており、図１３（ｂ）では紙面後方に位置する受風ユニット６１の図示を省略している。
【００４５】
風力発電システム８０は樹木の形態を擬したものであり、複数の受風ユニット６１が支柱７６の周囲に放射状に配置された構造を有している。この風力発電システム８０は、図１３（ｂ）と同様にして図１４に示す風力発電システム８０′のように、その下部から上部に向けて、大きさの異なる受風翼（図１４において、符号「１０ｂ」、「１０ｃ」、「１０ｄ」、「１０ｅ」で示し、この順番で受風翼は小さくなる）が配置された構造へ変形することも好ましい。
【００４６】
図１５に複数の受風ユニット６２からなる風力発電システム８１の概略構成を示す正面図を示す。風力発電システム８１は、複数の受風ユニット６２を、隣接する受風ユニットどうしが左右交互に位置するように、支柱７７に一定の間隔で取り付けられた構造を有する。なお、風力発電システム８１を、隣接する受風ユニットどうしが支柱７７の長手方向から見たときに９０度ずれるように支柱７７に一定の間隔で取り付けられた構造へと変形することも、好ましい。
【００４７】
図１６に受風ユニット６３からなる風力発電システム８２の概略構成を示す説明図を示す。図１６（ａ）はその上面図であり、図１６（ｂ）はその正面図である。風力発電システム８２では、十字型で棒部の長さが異なる保持部材７８ｂ・７８ｃが、交互に、かつ、棒部が主支柱７８ａの長手方向から見て４５度ずれるようにして、主支柱７８ａの長手方向に一定の間隔で取り付けられ、これら保持部材７８ｂ・７８ｃの棒部の各先端に受風ユニット６３が取り付けられた構造を有している。
【００４８】
図１７に受風ユニット６３を用いた別の風力発電システム８３の概略構成を示す説明図を示す。この風力発電システム８３は、尾翼７９ａと、受風ユニット６３と尾翼７９ａとを連結する連結部材７９ｂと、連結部材７９ｂを回転自在に支持する支持機構７９ｃと、を具備している。この風力発電システム８３では、尾翼７９ａが風力を受けると、尾翼７９ａは風下に、受風ユニット６３は風上に配置される。つまり、風見鶏のような動きをする。したがって、風力発電システム８３では、風向きが変わっても、受風ユニット６３が常に風上側に配置され、受風翼１０ａが振動するために、稼働効率が高くなる。
【００４９】
図１８に上述した発電装置、受風ユニット、風力発電システムの配置形態を示す説明図を示す。受風翼の長さが数メートル〜数十メートルに及ぶ大型のものの設置場所としては、既存のプロペラ式発電装置等が設置されている場所、例えば、海岸線近くの自然の風が吹く場所、山間地の谷間等が挙げられる。この場合には、受風翼を気象経験上の最大風速における振動振幅を考慮して、その振動時に接触しない間隔で配置すればよい。
【００５０】
樹木型の風力発電システム８０′等は、例えば、海岸線や家屋の周囲に配置することができ、この場合には、防風林としての役割を担わせることができる。風力発電システム８０′等を砂浜近くに配置した場合には、防砂林としても機能させることができる。また、パネル型の受風ユニット６４は、道路脇や線路脇、家屋回りに配置することができ、この場合には、受風ユニット６４に、ガードレールや横風防止柵、進入防止柵、防音壁等としての役割を持たせることができる。さらに受風ユニット６４は、各種工場やビル、家屋等で用いられる排気設備から排出される風、例えば、ボイラーやエアコンの排気口に取り付けることができ、この場合には、自然環境に左右されない定期的かつ効率的な発電が可能となる。受風ユニット６５は、例えば、家屋の屋根等に設けることができる。
【００５１】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】風力発電装置の概略構造を示す正面図。
【図２】図１に示す風力発電装置を構成する受風翼の斜視図。
【図３】図１に示す受風翼の振動形態を模式的に示す説明図。
【図４】圧電板からの集電を行う集電回路の一例を示す説明図。
【図５】別の風力発電装置の概略構造を示す正面図および側面図。
【図６】さらに別の風力発電装置の概略構造を示す側面図。
【図７】さらに別の風力発電装置の概略構造を示す正面図。
【図８】油圧発電ユニットの概略構成を示す説明図。
【図９】さらに別の風力発電装置の概略構造を示す斜視図。
【図１０】別の受風翼の概略構造を示す斜視図。
【図１１】さらに別の風力発電装置の概略構成を示す説明図。
【図１２】複数の受風翼を用いて構成された受風ユニットの種々の例を示す説明図。
【図１３】風力発電システムの概略構成を示す説明図。
【図１４】別の風力発電システムの概略構成を示す説明図。
【図１５】さらに別の風力発電システムの概略構成を示す説明図。
【図１６】さらに別の風力発電システムの概略構成を示す説明図。
【図１７】さらに別の風力発電システムの概略構成を示す説明図。
【図１８】発電装置、受風ユニット、風力発電システムの配置形態を模式的に示す説明図。
【符号の説明】
【００５４】
１・２・２ａ・３・４・５；風力発電装置
１０・１０ａ〜１０ｅ・３０・３０ａ；受風翼
１１ａ・１１ｂ・２１ｂ・２１ｃ・３１ａ・３１ｂ；圧電板
１２・２３・３２；保持部材
２１；圧電バイモルフ素子
２１ａ；補強板
２２；連結部材
４０；発電コイル
５０；油圧発電ユニット
５１；油圧シリンダ
５２；アキュームレータ
５３；油圧モータ
５４；油圧調整弁
５５；発電機
６１・６２・６３・６４・６５；受風ユニット
７１・７２・７８ｂ・７８ｃ；保持部材
７３；フレーム
７４；パネル
７６・７７；支柱
７８ａ；主支柱
７９ａ；尾翼
７９ｂ；連結部材
７９ｃ；支持機構
８０・８０′・８１・８２・８３；風力発電システム
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