(57)【要約】【課題】強風時における受風翼の破壊が防止される風力発電装置を提供する【解決手段】風力発電装置１０は、受風翼１１と、圧電板２２を備えた発電板１２と、受風翼１１を発電板１２に取り付ける支持部材１３と、受風翼保護機構１４を具備し、受風翼保護機構１４は、発電板１２を保持する台座部材３１と、台座部材３１を吸着する永久磁石３２と、台座部材３１が永久磁石３２に対して着脱可能とする蝶番様部材３３を有する。この風力発電装置１０では、受風翼１１のねじれ振動が支持部材１３を介して発電板１２に伝えられて発電板１２が振動することで圧電板２２が発電する。強風時等、永久磁石３２が台座部材３１を保持する力よりも受風翼１１が受ける風力が大きくなったときに、台座部材３１と永久磁石３２とが離れて蝶番様部材３３が開き、受風翼１１が傾斜して保持されることで受風翼１１が受ける風力を小さくし、受風翼１１を保護する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺状で、その長さ方向に垂直な断面がＶ字形状または円弧形状であり、その長手方向の一端が保持され他端が開放された状態でその凹面側が風力を受けた際にねじれ振動を生ずる受風翼と、
圧電体を備えた発電板と、
前記受風翼を前記発電板に取り付けるための支持部材と、
磁性材料からなり、前記発電板を保持する台座部材と、前記台座部材を磁力により吸着する磁石と、前記台座部材が前記磁石に対して着脱可能であるように前記台座部材に取り付けられた蝶番様部材とを有する受風翼保護機構と、
を具備し、前記受風翼のねじれ振動が前記支持部材を介して前記発電板に伝えられて前記発電板が振動することにより前記圧電体に発電させる風力発電装置であって、
前記磁石が前記台座部材を保持する力よりも前記受風翼が受ける風力が大きくなったときに、前記台座部材と前記磁石とが離れて前記蝶番様部材が開き、前記受風翼と前記発電板と前記支持部材とが一体的に傾斜して保持されることで、前記受風翼が受ける風力を小さくすることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記発電板の主面は、前記受風翼の幅方向端を含む平面と直交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】
前記受風翼保護機構は、前記受風翼が受ける風力が、前記磁石が前記台座部材を吸着保持する力以下となったときに、前記台座部材を再び前記磁石に吸着させるためのバネ部材をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
【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に関し、より詳しくは、強風時における破壊を回避する機構を備えた風力発電装置に関する。
【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させるものが実用化されているが、このような風力発電装置は大型でコストが高く、しかも設置場所が制限されるという問題や、所定の設置間隔を取らなければ発電効率が低下するといった問題がある。
【０００３】
そこで、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、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、屈曲変位を生じさせることにより発電するバイモルフ型等の圧電素子がこの振動板に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ため、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という問題が生じる。
【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】
このような問題を解決するために、発明者は先に特願２００４−１８７３７０号において、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、このねじれ振動のエネルギーを電気エネルギーに変換する手段とを有する風力発電装置を開示した。
【０００６】
この特願２００４−１８７３７０号で開示した風力発電装置によれば、微弱風でも受風翼が振動し発電することが可能となったが、その反面、受風翼が強風を受けたときに、受風翼が破壊する等の問題が発生するおそれのあることがわかった。また受風翼はその幅が一定であっても、幅と長さが所定の条件を満たせば、ねじれ振動が生じることも明らかとなった。
【０００７】
本発明はこのように前記特願２００４−１８７３７０号に開示された風力発電装置に新たに生ずる問題および新たな知見に鑑みてなされたものであり、強風時における受風翼の損傷、破壊を防止することができる風力発電装置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】
本発明によれば、長尺状で、その長さ方向に垂直な断面がＶ字形状または円弧形状であり、その長手方向の一端が保持され他端が開放された状態でその凹面側が風力を受けた際にねじれ振動を生ずる受風翼と、
前記受風翼を前記発電板に取り付けるための支持部材と、
磁性材料からなり、前記発電板を保持する台座部材と、前記台座部材を磁力により吸着する磁石と、前記台座部材が前記磁石に対して着脱可能であるように前記台座部材に取り付けられた蝶番様部材とを有する受風翼保護機構と、
を具備し、前記受風翼のねじれ振動が前記支持部材を介して前記発電板に伝えられて前記発電板が振動することにより前記圧電体に発電させる風力発電装置であって、
前記磁石が前記台座部材を保持する力よりも前記受風翼が受ける風力が大きくなったときに、前記台座部材と前記磁石とが離れて前記蝶番様部材が開き、前記受風翼と前記発電板と前記支持部材とが一体的に傾斜して保持されることで、前記受風翼が受ける風力を小さくすることを特徴とする風力発電装置、が提供される。
【０００９】
この風力発電装置においては、発電板の主面が受風翼の幅方向端を含む平面と直交するように、発電板と受風翼を配置した構成とすることが好ましい。また、受風翼保護機構は、受風翼が受ける風力が、磁石が台座部材を吸着保持する力以下となったときに、台座部材を再び磁石に吸着させるためのバネ部材をさらに有していることが好ましい。これにより風速が小さくなったときに、容易に受風翼を元の姿勢に戻すことができる。
【００１０】
受風翼の好ましい形状としては、固定端側の幅が開放端側の幅よりも狭くなっている形状や、固定端と開放端の幅が長さ方向中央部の幅よりも狭くなっている形状が挙げられ、小さな風力でねじれ振動を生じさせることができる。また、受風翼の幅が一定の形状の場合には、その幅をＤ、長さをＬとした場合に、１５≧Ｌ／Ｄ＞５の関係を満たすことが好ましく、このときには強い風を必要とせず、また、受風翼が折れ曲がり難くなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、受風翼にねじれ振動を生じさせて発電させる風力発電装置において、強風による受風翼の破損を防止することができるという効果が得られる。また、本発明によれば、大きな風力を受けたために磁石と台座部材とが離れた状態でも、受風翼は一定の強さの風を受けてねじれ振動を生ずるために、高い稼動効率が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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風力発電装置１０の概略構造を示す正面図（ａ）と側面図（ｂ）を示す。この風力発電装置１０は、受風翼１１と、発電板１２と、受風翼１１を発電板１２に取り付けるための支持部材１３と、受風翼保護機構１４とを有している。なお、受風翼１１の長手方向をＺ方向、発電板１２の主面と平行な方向をＸ方向、発電板１２の主面と直交する方向をＹ方向としている。
【００１３】
図２に受風翼１１の斜視図を示す。受風翼１１は長尺状をなし、その幅方向で一定角度θ（以下「内角θ」という）に二つ折りされた断面略Ｖ字型の形状を有している。また、受風翼１１は、後述する‘ねじれ振動’を微弱風でも生じさせることができるように、その幅を長さ方向で変化させた形状を有している。
【００１４】
受風翼１１に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。受風翼１１は、薄板を用いて構成する場合には、その材料となる薄板を折り曲げ加工することにより作製することができ、一方、このような折り曲げ加工を用いることができない場合において、金属材料を用いる場合には鋳造や接合（溶接）を、樹脂材料を用いる場合には射出成形や押出成形等を用いて作製することができる。
【００１５】
発電板１２としては、いわゆる、圧電バイモルフや圧電ユニモルフ等の屈曲変位型の圧電素子を用いることができる。図１では、発電板１２として、金属または樹脂からなる補強板２１の両面に薄板状の圧電板２２が貼り付けられた圧電バイモルフを示している。発電板１２の主面は、受風翼１１の幅方向の両端面を含む平面に直交する方向、すなわち、受風翼１１の内角θを２等分する方向、と平行なＸ方向となっている。このような構造とすることにより、発電板１２の主面がこの方向と直交する場合よりも、同じ風力で、高い発電性能を得ることができる。また、後に詳細に説明する受風翼１１の傾倒が、発電板１２が大きな風力を受けることによって生じたり補助されたりすることを回避することができる。
【００１６】
支持部材１３としては、受風翼１１のねじれ振動を吸収することなく発電板１２に伝えるために、剛性の高い材料を用いることが好ましく、具体的には、ステンレスや鋳鉄等の硬質金属、エンジニアリングセラミックス等が好適に用いられる。
【００１７】
受風翼保護機構１４は、鉄鋼材等の磁性材料からなる台座部材３１と、台座部材３１を磁力により吸着する永久磁石３２と、台座部材３１が永久磁石３２に対して着脱可能であるように台座部材３１に取り付けられた蝶番様部材３３とを有しており、永久磁石３２と蝶番様部材３３は土台４１に固定されている。受風翼保護機構１４はさらに、受風翼１１が受ける風力が、永久磁石３２が台座部材３１を吸着保持する力以下となったときに、台座部材３１を再び永久磁石３２に吸着させるためのバネ部材３４を有している。
【００１８】
次に、風力発電装置１０の動作について説明する。最初に、受風翼１１と発電板１２の変位（振動）の態様について説明する。図３（ａ）に受風翼１１に生じるねじれ振動の態様を、図３（ｂ）に発電板１２に生じるねじれ振動の態様を、それぞれ模式的に示す。受風翼１１の内角θ側の面（凹面）が風を受けると、受けた風を逃がそうとして受風翼１１に‘ねじれ振動’が生じ、このねじれ振動が支持部材１３を介して発電板１２に伝えられ、発電板１２にもねじれ振動が生ずると考えられる。
【００１９】
つまり、受風翼１１の開放端における折り曲げ部をＰ点とすると、受風翼１１が静止している状態ではＰ点はＸ軸とＹ軸の交点に位置している。受風翼１１の内角θ側の面がＸ方向からの風を受けると、受風翼１１は受けた風を逃がそうとし、受けた風が逃げると元の姿勢に戻ろうとし、このとき受風翼１１は慣性を有しているので、受風翼１１には、図３（ａ）に示す点線間での変位、すなわち、受風翼１１の開放端側のＰ点が、風下側でＹ方向にずれたＰ１点とＰ２点との間をＸ軸とＹ軸の交点を通って往復しながら回動する振動が生じると考えられる。このとき、受風翼１１の支持部材１３側の端面の変位量は、発電板１２と支持部材１３による拘束によって、開放端の変位量よりは小さくなると考えられるので、受風翼１１にはねじれが生ずることとなる。なお、Ｐ１点とＰ２点の位置は風向きや風速によって変化すると考えられる。
【００２０】
受風翼１１の形状がＸ軸を含む平面について対称であると、実験上、安定したねじれ振動を生じさせることができる。このとき、Ｐ１点側とＰ２点側のそれぞれの振動振幅はほぼ等しくなっていると考えられる。受風翼１１の長さ、幅、内角θは、このねじれ振動を発生させることができる限りおいて制限されない。受風翼１１の内角θは４５°〜１３５°の間に設定することが好ましく、９０°近傍とすることがより好ましい。内角θが４５°より小さいと風を受ける力が小さくなってねじれ振動が生じ難くなり、一方、１３５°より大きいと受風翼１１が風下側へ倒されやすくなる。
【００２１】
受風翼１１にこのようなねじれ振動が発生すると、このねじれ振動が支持部材１３によって発電板１２に伝えられ、発電板１２にも、発電板１２の受風翼１１側の端面が、図３（ｂ）に示す点線間で変位するような‘ねじれ振動’が発生し、圧電板２２が発電する。なお、図３（ｂ）では発電板１２の構造を簡略化して示している。圧電板２２から取り出される電流は交流電流なので、整流回路を通してこれを直流電流に変換することも好ましい。
【００２２】
続いて、風力発電装置１０における受風翼１１の破壊回避動作について説明する。図４に風力発電装置１０の破壊回避動作の態様を模式的に示す。風力発電装置１０では、風速が大きくなって、永久磁石３２が台座部材３１を吸着保持する力よりも受風翼１１が受ける風力が大きくなると、自然に台座部材３１と永久磁石３２とが離れて蝶番様部材３３が開く。これにより受風翼１１と発電板１２と支持部材１３（以下、「受風翼１１等」という）が一体的に傾斜して保持され、受風翼１１が受ける風力が小さくなる。台座部材３１が永久磁石３２から離れる条件は、風速、受風翼１１の形状、永久磁石３２の磁力の強さに大きく支配されるので、逆に、これらのパラメータを適切に定めることにより、受風翼１１等の傾倒条件を定めることができる。
【００２３】
こうして、受風翼１１等の破壊を回避することができるが、受風翼１１等が傾倒した状態においても、受風翼１１にねじれ振動を発生させて発電を行うことができるように、受風翼１１等を保持する角度ηを設定することが好ましい。例えば、この角度ηの設定は、蝶番様部材３３の開閉角度をその機械的構造によって制限することにより、行うことができる。
【００２４】
風速が小さくなると、バネ部材３４が台座部材３１を永久磁石３２側に引き戻そうとする。台座部材３１が永久磁石３２に徐々に近づくと、ある位置で急激に台座部材３１は永久磁石３２に吸い寄せられるため、バネ部材３４はその位置まで台座部材３１を移動させるだけのバネ定数を有していればよい。こうして、風速が小さくなると、受風翼１１等は元の姿勢に復帰する。
【００２５】
なお、受風翼１１等が吊り下げられて配置されている場合、つまり、図１において、上下さかさまに配置されている場合には、強風により台座部材３１が永久磁石３２から離れて受風翼１１等が傾倒しても、風が弱まれば受風翼１１等は重力の作用により自然に元の姿勢に復帰することができるので、バネ部材３４は受風翼保護機構１４に必ずしも必要とされない。
【００２６】
次に、複数の受風翼１１を備えた発電システムについて説明する。図５に風力発電システム５０の概略構造を示す。この風力発電システム５０は、複数の受風翼１１，発電板１２，支持部材１３と、複数の受風翼１１等を保護するための受風翼保護機構１４ａとを備えている。この受風翼保護機構１４ａは、複数の発電板１２を保持する台座部材３１ａと、台座部材３１ａを吸着保持するための、例えば、２個の永久磁石３２と、台座部材３１ａの長手方向端にそれぞれ設けられた蝶番様部材３３とを有している。これら永久磁石３２と蝶番様部材３３は第１フレーム５１に固定されており、この第１フレーム５１は第２フレーム５２に回転自在に保持されており、第１フレーム５１には旗部５３が設けられており、この旗部５３は、全ての受風翼１１が受ける風力よりも大きな風力を受ける。そのため、旗部５３の主面が風向きと平行になり、受風翼１１は内角θ側の面で風を受けることができるように位置調節され、発電を効率的に行うことができるようになっている。
【００２７】
発電システム５０は、例えば、第１フレーム５１の上端を回転自在に保持し、かつ、第１フレーム５１の下端に錘を取り付けることにより、第１フレーム５１を吊り下げた状態となっている構造に変形してもよい。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、上記説明においては、受風翼としてその一翼が台形のものを示したが、受風翼の形状はこれに限定されるものではない。図６の斜視図に示す受風翼１１ａのように、両端部よりも中央部の幅が広くなっている形状のものもまた、微弱風でもねじれ振動が生じることから、好適に用いられる。また、図７の斜視図に示す受風翼１１ｂのように、長尺状でその長さ方向に垂直な断面の形状が円弧状のものを用いることもできる。受風翼１１ｂを用いて風力発電装置１０と同様の構成とした場合にも、発電板１２の主面が、受風翼１１ｂの幅方向の両端面を含む平面に直交する方向、すなわち、受風翼１１ｂの弧形状の断面の中心を通り、その弧の法線方向と平行になる構造とすることが好ましい。さらに、図８の斜視図に示す受風翼１１ｃのように、幅Ｄが一定で、長さがＬであるものを用いることもできる。この場合には、１５≧Ｌ／Ｄ＞５の関係が満たされることが好ましい。Ｌ／Ｄ≦５の場合には、ねじれ振動が生じるためには大きな風速が必要となり、また、ねじれ振動の振動数も高くなるので、効率の良い発電には不向きである。また、Ｌ／Ｄ＞１５の場合には、ねじれ振動の周期が長くなり、受風翼１１ｃが折れ曲がるおそれがあり、一度折れてしまうと復元が困難となる。
【００２９】
また、風力発電装置１０では、台座部材３１が発電板１２を保持している形態としているが、台座部材３１と永久磁石３２の配置を逆にしてもよい。つまり、永久磁石３２が発電板１２を保持した形態としてもよい。さらに、台座部材３１として永久磁石を用い、または台座部材３１に永久磁石を取り付けて、それぞれの永久磁石のＳ極とＮ極が引き合うように構成してもよい。さらにまた、受風翼保護機構が具備する蝶番様部材は、永久磁石３２に固定されていてもよい。
【００３０】
受風翼１１等を用いた風力発電装置では、支持部材１３と発電板１２を用いず、受風翼１１等を直接に台座部材３１に取り付けて、受風翼１１等の表面（内角θ側でも、その反対側でもよい）に圧電板２２を貼り付けた構造としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る風力発電装置の概略構造を示す正面図と側面図。
【図２】受風翼の斜視図。
【図３】受風翼と発電板のねじれ振動の態様を模式的に示す図。
【図４】風力発電装置の破壊回避動作の態様を模式的に示す図。
【図５】発電システムの概略構造を示す図。
【図６】別の受風翼を示す斜視図。
【図７】さらに別の受風翼を示す斜視図。
【図８】さらに別の受風翼を示す斜視図。
【符号の説明】
【００３２】
１０…風力発電装置
１１・１１ａ・１１ｂ・１１ｃ…受風翼
１２…発電板
１３…支持部材
１４・１４ａ…受風翼保護機構
２１…補強板
２２…圧電板
３１・３１ａ…台座部材
３２…永久磁石
３３…蝶番様部材
３４…バネ部材
４１…土台
５０…風力発電システム
５１…第１フレーム
５２…第２フレーム
５３…旗部
【図１】
2007051588.tif 000003
【図２】
2007051588.tif 000004
【図３】
2007051588.tif 000005
【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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