(57)【要約】      （修正有）【課題】風による発電ユニットの振動に伴う圧電素子の屈曲変形で発電する風力発電装置において、通常の風速領域における発電性能を損なうことなく強風時の振動の振幅増大に起因する損傷を抑制し、幅広い風速域の風で安定的に効率良く発電できるようにする。【解決手段】発電ユニット１４の下端部が張力調整機構２０のスライド嵌合部３０に連結され、強風時には翼状部３８の揚力によりスライド嵌合部３０が風速上昇に伴い第１位置（上昇端）から第２位置（下降端）へ向かって移動させられて発電ユニット１４の引張力が大きくなるため、強風時に発電ユニット１４の振動の振幅が過大になって発電ユニット１４が損傷することが抑制される。強風時以外は、スライド嵌合部３０が第１位置に保持されて発電ユニット１４の引張力が小さく、大きな振幅で振動できるため、圧電フィルムの屈曲変形によって効率良く発電することができる。【選択図】図２
2016023637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性変形可能な長手平板形状の基盤材に圧電素子が設けられた発電ユニットを有し、
該発電ユニットの長手方向の両端部が保持されて風が通る位置に配置され、該長手方向の中間部分が板厚方向へ往復移動するように振動させられることにより、前記圧電素子を繰り返し屈曲変形させて発電する風力発電装置において、
前記圧電素子として樹脂製の圧電フィルムが用いられ、前記基盤材に積層されているとともに、
前記発電ユニットの長手方向の少なくとも一方の端部は、該発電ユニットの長手方向へ移動可能な可動部材に連結されており、
風速が速い場合に前記可動部材を移動させて前記発電ユニットを長手方向へ引っ張る引張力を大きくする張力調整装置を有する
ことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記張力調整装置は、前記可動部材の両側に翼状に延び出すように一体的に設けられ、風速に応じて発生する揚力に基づいて該可動部材を移動させる揚力発生部材である
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】
前記可動部材は、前記引張力が小さい第１位置と該引張力が大きい第２位置との間を移動可能に配設されているとともに、弾性部材の付勢力に従って該第１位置に位置決めされるようになっており、風速が速くなると前記張力調整装置により該弾性部材の付勢力に抗して前記第２位置へ向かって移動させられる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記発電ユニットは、前記長手平板形状の平板面が互いに平行になり且つ長手方向が互いに一致する姿勢で、矩形の枠形状の保持部材の内側に複数並列に配置されている
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記張力調整装置は、前記可動部材の両側に翼状に延び出すように一体的に設けられ、風速に応じて発生する揚力に基づいて該可動部材を移動させる揚力発生部材で、
該揚力発生部材が設けられた前記可動部材は、並列に配置された前記複数の発電ユニットの長手方向の何れか一方の端部であって交互に反対側に位置する端部に配設されている
ことを特徴とする請求項４に記載の風力発電装置。
【請求項６】
並列に配置された前記複数の発電ユニットの長手方向の同じ側に位置する一端部は、それぞれ該複数の発電ユニットに対応して配設された複数の可動部材に連結されているとともに、
前記張力調整装置は、前記複数の可動部材に跨がって両側へ延び出すように翼状に設けられ、風速に応じて発生する揚力に基づいて該複数の可動部材を一体的に移動させる共通の揚力発生部材である
ことを特徴とする請求項４に記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記複数の発電ユニットの各々の基盤材は硬度が相違し、
前記張力調整装置によって前記引張力が大きくされる風速域は、前記基盤材の硬度に応じて相違している
ことを特徴とする請求項４または５に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電装置に係り、特に、長手平板形状の発電ユニットの長手方向の中間部分が板厚方向へ往復移動するように振動させられることにより圧電素子を繰り返し屈曲変形させて発電する風力発電装置の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
(a) 弾性変形可能な長手平板形状の基盤材に圧電素子が設けられた発電ユニットを有し、(b) その発電ユニットの長手方向の両端部が保持されて風が通る位置に配置され、その長手方向の中間部分が板厚方向へ往復移動するように振動させられることにより、前記圧電素子を繰り返し屈曲変形させて発電する風力発電装置が知られている。特許文献１に記載の装置はその一例で、圧電素子として圧電セラミックス薄板が用いられている。圧電素子として、特許文献２に記載の樹脂製の圧電フィルムを採用することも考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１９８１７５号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３７２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来の風力発電装置においては、強風時に発電ユニットの振動の振幅が過大になると、基盤材や圧電素子が損傷する恐れがあった。特に、圧電素子として圧電セラミックス薄板が用いられている場合には、脆くて一層破損し易い。これに対し、発電ユニットを長手方向へ引っ張って保持するようにすれば、その引張力により強風時の振動の振幅を小さく抑えることが可能で、振幅増大に起因する発電ユニットの損傷等を防止することができるが、損傷する恐れがない通常の風速領域における振動の振幅が小さくなるため、発電性能が損なわれる。
【０００５】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、風による発電ユニットの振動に伴う圧電素子の屈曲変形で発電する風力発電装置において、通常の風速領域における発電性能を損なうことなく強風時の振動の振幅増大に起因する損傷を抑制し、幅広い風速域の風で安定的に効率良く発電できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的を達成するために、第１発明は、(a) 弾性変形可能な長手平板形状の基盤材に圧電素子が設けられた発電ユニットを有し、(b) その発電ユニットの長手方向の両端部が保持されて風が通る位置に配置され、その長手方向の中間部分が板厚方向へ往復移動するように振動させられることにより、前記圧電素子を繰り返し屈曲変形させて発電する風力発電装置において、(c) 前記圧電素子として樹脂製の圧電フィルムが用いられ、前記基盤材に積層されているとともに、(d) 前記発電ユニットの長手方向の少なくとも一方の端部は、その発電ユニットの長手方向へ移動可能な可動部材に連結されており、(e) 風速が速い場合に前記可動部材を移動させて前記発電ユニットを長手方向へ引っ張る引張力を大きくする張力調整装置を有することを特徴とする。
【０００７】
第２発明は、第１発明の風力発電装置において、前記張力調整装置は、前記可動部材の両側に翼状に延び出すように一体的に設けられ、風速に応じて発生する揚力に基づいてその可動部材を移動させる揚力発生部材であることを特徴とする。
【０００８】
第３発明は、第１発明または第２発明の風力発電装置において、前記可動部材は、前記引張力が小さい第１位置とその引張力が大きい第２位置との間を移動可能に配設されているとともに、弾性部材の付勢力に従ってその第１位置に位置決めされるようになっており、風速が速くなると前記張力調整装置によりその弾性部材の付勢力に抗して前記第２位置へ向かって移動させられることを特徴とする。
【０００９】
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの風力発電装置において、前記発電ユニットは、前記長手平板形状の平板面が互いに平行になり且つ長手方向が互いに一致する姿勢で、矩形の枠形状の保持部材の内側に複数並列に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
第５発明は、第４発明の風力発電装置において、(a) 前記張力調整装置は、前記可動部材の両側に翼状に延び出すように一体的に設けられ、風速に応じて発生する揚力に基づいてその可動部材を移動させる揚力発生部材で、(b) その揚力発生部材が設けられた前記可動部材は、並列に配置された前記複数の発電ユニットの長手方向の何れか一方の端部であって交互に反対側に位置する端部に配設されていることを特徴とする。
【００１１】
第６発明は、第４発明の風力発電装置において、(a) 並列に配置された前記複数の発電ユニットの長手方向の同じ側に位置する一端部は、それぞれその複数の発電ユニットに対応して配設された複数の可動部材に連結されているとともに、(b) 前記張力調整装置は、前記複数の可動部材に跨がって両側へ延び出すように翼状に設けられ、風速に応じて発生する揚力に基づいてその複数の可動部材を一体的に移動させる共通の揚力発生部材であることを特徴とする。
【００１２】
第７発明は、第４発明または第５発明の風力発電装置において、(a) 前記複数の発電ユニットの各々の基盤材は硬度が相違し、(b) 前記張力調整装置によって前記引張力が大きくされる風速域は、前記基盤材の硬度に応じて相違していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
このような風力発電装置においては、発電ユニットの長手方向の少なくとも一方の端部が可動部材に連結され、強風時には張力調整装置によってその可動部材が移動させられることにより発電ユニットの引張力が大きくなるため、強風時に発電ユニットの振動の振幅が過大になって発電ユニットが損傷することが抑制される。強風時以外は発電ユニットの引張力が小さく、大きな振幅で振動できるため、圧電素子の屈曲変形によって効率良く発電することができる。また、圧電素子として樹脂製の圧電フィルムが用いられているため、圧電セラミックス薄板に比べて破損し難く、比較的大きな振幅まで振動させて発電することが可能で、幅広い風速域の風で安定的に効率良く発電することができる。
【００１４】
第２発明では、可動部材の両側に翼状に延び出すように一体的に設けられた揚力発生部材が張力調整装置として用いられているため、風速に応じて機械的に可動部材が移動させられ、可動部材の移動を風速に応じて電気的に制御する場合に比較して装置が簡単で且つ安価に構成される。
【００１５】
第３発明では、可動部材が第１位置と第２位置との間を移動可能に配設され、弾性部材の付勢力に従って第１位置に位置決めされるとともに、強風時には張力調整装置によって第２位置へ向かって移動させられるため、通常の風力発電時には発電ユニットの振動を含めた装置全体の作動が安定する一方、強風時に可動部材が必要以上に移動して発電ユニットの引張力が過剰に高くなることが防止される。
【００１６】
第４発明では、複数の発電ユニットが互いに平行で且つ長手方向が互いに一致する姿勢で矩形の保持部材の内側に並列に配置されているため、多数の発電ユニットを互いに近接して密に配設することにより大きな起電力を容易に確保できる。
【００１７】
第５発明は、可動部材の両側に翼状に延び出すように一体的に設けられた揚力発生部材が張力調整装置として用いられる場合で、その揚力発生部材が設けられた可動部材は、並列に配置された複数の発電ユニットの長手方向の何れか一方の端部であって交互に反対側に位置する端部に配設されているため、隣接する発電ユニットに接触しない範囲で揚力発生部材を拡張することが可能で、揚力を大きくできる。これにより、その揚力で発電ユニットを引っ張ることにより強風時の損傷を抑制しつつ、発電ユニットの幅寸法等を大きくして発電効率を高くすることができる。或いは、揚力発生部材の寸法が同じであれば、その揚力発生部材を含めた発電ユニットを互いに干渉しないように近接して配置することにより、風力発電装置を小型化することができる。
【００１８】
第６発明は、並列に配置された複数の発電ユニットの長手方向の同じ側の端部に可動部材が配設されているとともに、その複数の可動部材に跨がって揚力発生部材が設けられているため、揚力発生部材が繋がっている分だけ揚力発生面積が拡大されて揚力が大きくなり、第５発明と同様の効果が得られる。
【００１９】
第７発明では、複数の発電ユニットの各々の基盤材は硬度が相違し、張力調整装置によって引張力が大きくされる風速域はその基盤材の硬度に応じて相違しているため、基盤材の硬度に応じた所定の風速域で大きな振幅により効率良く発電できるとともに、風速が高くなったら個々に引張力を大きくして損傷を抑制することが可能で、全体として幅広い風速域の風で安定的に効率良く発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例である風力発電装置の概略正面図である。
【図２】図１におけるII−II矢視部分の断面図である。
【図３】図２における III−III 矢視部分の拡大断面図である。
【図４】翼状の揚力発生部材の揚力を説明する図である。
【図５】図４において揚力によりスライド嵌合部が弾性部材の付勢力に抗して下降させられた状態を示した図である。
【図６】揚力によるスライド嵌合部の移動で発電ユニットの引張力が大きくなり、振動の振幅が小さくなることを説明する図である。
【図７】図１の風力発電装置の発電ユニットを長手方向に沿って切断した断面図である。
【図８】図７の発電ユニットが撓み変形させられた状態を示す断面図である。
【図９】発電ユニットの発電原理を説明する図である。
【図１０】風の向きと略平行に配置された発電ユニットの振動原理を説明する図である。
【図１１】図１の風力発電装置に設けられた電気回路の一部を示す回路図である。
【図１２】本発明の他の実施例を説明する図で、発電ユニットの長手方向の両端部に張力調整機構が設けられている場合の正面図である。
【図１３】本発明の更に別の実施例を説明する図で、発電ユニットの長手方向の上端部に張力調整機構が設けられ、付勢手段を省略した場合の正面図である。
【図１４】本発明の更に別の実施例を説明する図で、発電ユニットの長手方向の何れか一方の端部であって交互に反対側に位置する端部に張力調整機構が設けられている場合の正面図である。
【図１５】本発明の更に別の実施例を説明する図で、張力調整機構を発電ユニットの下端部に並べて設けた通常配置と、段違いで配置した場合と、長手方向の反対側に交互に配置した場合とを比較して示した図である。
【図１６】本発明の更に別の実施例を説明する図で、複数のスライド嵌合部に跨がって揚力発生部材が設けられている場合の正面図である。
【図１７】本発明の更に別の実施例を説明する図で、スライド嵌合部が２本のガイドピンによって案内される場合であり、図３に対応する断面図である。
【図１８】本発明の更に別の実施例を説明する図で、スライド嵌合部が２本のガイドピンによって案内されるとともに、そのガイドピンの頭部によって第１位置が規定され、嵌合穴の小径段部によって第２位置が規定される場合であり、図３に対応する断面図である。
【図１９】本発明の更に別の実施例を説明する図で、風速に応じてエア圧を制御して発電ユニットの引張力を切り換える場合であり、図３に対応する断面図である。
【図２０】発電ユニットの別の例を説明する図で、図７に対応する断面図である。
【図２１】発電ユニットの更に別の例を説明する図で、図７に対応する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、土地や建物等の不動産物に配置されて、風により発電するように構成されるが、例えば自動車や航空機、船舶などの移動体に配置され、その移動体の移動により相対的に風を受けて発電する場合にも適用され得る。
【００２２】
基盤材としては、例えば天然ゴムや合成ゴム等のエラストマー、シリコン等が好適に用いられる。この基盤材の硬度によって風速に対する変形特性や発電特性が相違するため、硬度が異なる複数種類の基盤材を用いた複数種類の発電ユニットを組み合わせて配置することで、幅広い風速域で効率良く発電することができる。
【００２３】
圧電フィルムは、圧電効果（ピエゾ効果）を有する圧電性物質にて構成された樹脂フィルムで、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やポリシアン化ビニリデンなどが好適に用いられる。この圧電フィルムの両面には、アルミニウム等の電極膜が蒸着、スパッタリング、導電性ペースト等によって設けられ、その電極膜に電気配線が接続される。基盤材および圧電フィルムは、交互に２層（各１層ずつ）以上積層されれば良いが、発電効率を上げるために圧電フィルムを２層以上とし、基盤材と合わせて３層以上の積層構造が望ましい。３層構造の場合、基盤材の両面に圧電フィルムを貼り合わせれば良い。
【００２４】
張力調整装置は、風速に応じて可動部材を連続的に移動させて張力を連続的に変化させるものでも良いが、一定の風速に達したら可動部材を第１位置から第２位置へ移動させて張力を２段階で切り換えるだけでも良い。発電ユニットの長手方向の両端部に張力調整装置を設けた場合は、張力を３段階で変化させることもできる。風速に応じて可動部材を電気的に移動させる場合には、張力を４段階以上の多段階で変化させることも可能である。
【００２５】
張力調整装置としては、例えば翼状の揚力発生部材が好適に用いられるが、風速に応じて回転する回転体の回転エネルギーでエアポンプを作動させてエアシリンダにより可動部材を移動させることもできる。風速計によって風速を計測し、その風速に応じてエアシリンダや送りねじ機構などを電気的に作動させて可動部材を移動させることもできるなど、種々の態様が可能である。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において、図は説明のために適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。
【００２７】
図１は、本発明の一実施例である風力発電装置１０を示す概略正面図で、図２は図１におけるII−II矢視部分の断面図、図３は図２における III−III 矢視部分の拡大断面図である。この風力発電装置１０は、長方形の枠形状を成す保持部材１２と、その保持部材１２によって保持されている多数（実施例では５枚）の発電ユニット１４とを有して構成されている。多数の発電ユニット１４は、長方形の平板形状を成しているとともに、それぞれ風の流れ方向（図１における紙面に垂直な方向）と略直交する略垂直な姿勢で互いに平行に、且つ風の流れ方向と直角な水平方向に互いに離間して保持部材１２に配置されている。ここで、風の向きは一定でないため、基本的な風向きに基づいて図１における紙面に対して垂直方向から風を受けるように配置されるが、例えば風力発電装置１０全体を風向きに応じて略垂直な回転軸まわりに回動させたり、複数の発電ユニット１４を個別に略垂直な回転軸まわりに回動させたり、或いは回動可能に配設したりすることもできる。自動車や船舶等の移動体に設置する場合は、進行方向に対して直角になる一定の姿勢で固定しても良い。なお、図１の風力発電装置１０では多数の発電ユニット１４が水平方向へ離間して略垂直に配置されているが、図１を略９０°回転させて横倒しにしたように、多数の発電ユニット１４を垂直方向へ離間して略水平に配置することも可能である。
【００２８】
多数の発電ユニット１４は、何れもその長手方向の両端部においてそれぞれ固定部材１８、張力調整機構２０を介して保持部材１２に保持されている。固定部材１８は、保持部材１２に一体的に取り付けられているが、張力調整機構２０は軸状（円柱形状或いは角柱形状）のスライド嵌合部３０を備えており、保持部材１２に設けられた嵌合穴２８内に軸方向すなわち発電ユニット１４の長手方向である上下方向へ移動可能に嵌合されている。そして、発電ユニット１４の下端部は、そのスライド嵌合部３０の上端部に連結されている。スライド嵌合部３０の上端部には、図３に示されるようにボルト２２およびクランプ部材２４が配設されており、傾斜面２６を介してクランプ部材２４が発電ユニット１４に押圧されることにより、その発電ユニット１４の端部が幅方向の全域に亘ってクランプ部材２４とスライド嵌合部３０との間で挟圧されて一体的に固定されるようになっている。発電ユニット１４の上端部も、図示は省略するが幅方向の全域に亘ってクランプ部材により固定部材１８に押圧されて一体的に固定されるようになっている。なお、接着剤などの他の固定手段で発電ユニット１４の端部を固定部材１８、スライド嵌合部３０に固定することも可能である。
【００２９】
上記スライド嵌合部３０は可動部材に相当し、上下方向に長穴３２が設けられているとともに、保持部材１２に略水平に配設された位置決めピン３４がその長穴３２内を挿通させられており、長穴３２の下端部に位置決めピン３４が当接する第１位置（図３および図４の状態）と、長穴３２の上端部に位置決めピン３４が当接する第２位置（図５の状態）との間で上下移動可能とされている。第１位置は上昇端で、発電ユニット１４に加えられる引張力は比較的小さい一方、第２位置は下降端で、発電ユニット１４に加えられる引張力は比較的大きく、スライド嵌合部３０が第１位置から第２位置へ向かって移動させられることにより発電ユニット１４の引張力が増大させられる。嵌合穴２８の底部には、付勢手段として圧縮コイルスプリング３６が配設されており、通常はその圧縮コイルスプリング３６の付勢力に従ってスライド嵌合部３０は第１位置に保持され、発電ユニット１４は比較的小さい引張力で引っ張られた状態で風を受けて振動させられる。発電ユニット１４は、風の影響を受けない時の基準形状が、上記引張力に従って図１、図２に示すように長方形の略平板形状とされる。
【００３０】
上記スライド嵌合部３０の上端部には、左右両側へ翼状に延び出すように一対の翼状部３８が一体に設けられている。この翼状部３８は、風を受けることで揚力を発生する揚力発生部材で、図４に示すように平坦な腹面４０が上向きで、凸状の背面４２が下向きになる姿勢で設けられており、背面４２側が高速流で低圧場になることにより白抜き矢印で示すように下向きの揚力Ｆが発生する。風が比較的弱い間は、この揚力Ｆが比較的小さく、スライド嵌合部３０は揚力Ｆに関わらず圧縮コイルスプリング３６の付勢力に従って図４に示す第１位置に保持される。しかし、風が強くなって揚力Ｆが大きくなり、圧縮コイルスプリング３６の付勢力を超えると、その揚力Ｆに従ってスライド嵌合部３０は図５に示すように第２位置へ向かって移動させられ、発電ユニット１４が寸法ｔ（図６参照）だけ下方へ引っ張られて引張力が大きくなる。スライド嵌合部３０が第２位置へ向かって移動させられると、図５から明らかなように翼状部３８と保持部材１２との間の隙間が小さくなるため、背面４２側の風の流れが一層速くなって低圧場となり、揚力Ｆが一層大きくなってスライド嵌合部３０が第２位置へ向かって一層押し下げられる。
【００３１】
本実施例では、総ての張力調整機構２０が同じ構成で、圧縮コイルスプリング３６の付勢力（ばね定数や初期荷重）も同じであり、略同じ風速域でスライド嵌合部３０が第１位置から第２位置へ向かって移動させられて発電ユニット１４の引張力を大きくする。翼状部３８は、風の強さ（風速）に応じて発電ユニット１４の引張力を調整する張力調整装置として機能する。図４および図５は、図２に相当する断面図で、揚力Ｆを説明するために翼状部３８を含む張力調整機構２０の近傍を拡大して示した図である。スライド嵌合部３０および一対の翼状部３８は、例えば合成樹脂材料を用いて一体成形されるが、別体に構成して一体的に接合することもできる。
【００３２】
一方、前記発電ユニット１４は、図７に示すように弾性変形可能な平板状の基盤材４４の両面に一対の圧電フィルム４６が貼り合わされたものである。図７は、発電ユニット１４を長手方向に沿って切断した断面図、すなわち図２の III−III 矢視断面である図３に相当する断面の拡大図である。基盤材４４は、ショアＡ（デュロメータタイプＡ）硬さが例えば１０〜６０程度の範囲内のエラストマーなどの弾性体である。この基盤材４４の硬度を変更することで、風による発電ユニット１４の変形特性や発電特性を調整することが可能で、予め実験等により適宜定められ、多数の発電ユニット１４は硬度が略等しい同じ材質の基盤材４４を用いて構成される。この基盤材４４の両面に貼り付けられた一対の圧電フィルム４６は、圧電効果を有する圧電性物質にて構成されたフィルムで、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が用いられる。この圧電フィルム４６の両面には、アルミニウム等の電極膜５０、５２が蒸着、スパッタリング、導電性ペースト等によって設けられ、その電極膜５０、５２にそれぞれ電気配線５４、５６が接続される。なお、発電ユニット１４の表面は、非導電性合成樹脂等の被覆材５８で被覆されている。
【００３３】
このような発電ユニット１４は、風によって基盤材４４が板厚方向へ弾性変形させられると、それに伴って圧電フィルム４６が撓み変形させられ、一対の電極膜５０、５２の間に起電力が発生する。図８は、図７の発電ユニット１４の変形態様の一例で、中間部分が上方へ湾曲するように弾性変形させられた状態であり、例えば図９の(a) →(b) に示すように圧電フィルム４６内の電荷が分極し、この分極によって電位差が発生する。また、風の流れ方向と略平行に配置された発電ユニット１４は、図１におけるＸ−Ｘ断面に相当する図１０に示すように、風の流れによって生じる圧力差で長手方向の中央部分が板厚方向の一方へ弾性変形すると（変形状態Ｉ）、その弾性で逆方向へ向かう力が発生するため、板厚方向のもう一方へ弾性変形する（変形状態II) 。この変形状態Ｉと変形状態IIとが交互に繰り返し発生することで、発電ユニット１４が図１に矢印Ａで示すように振動し、電荷の分極が繰り返し変化するとともに、継続して発電することができる。発電ユニット１４の長さや引張力で固有振動数を調整し、一定の条件下で共振させることもできる。図１１は、風力発電装置１０が備えている電気回路６０の一例で、一つの発電ユニット１４に関する部分であり、整流ブリッジ回路６２により整流して蓄電装置６４を充電することができる。基盤材４４の両側に設けられた一対の圧電フィルム４６に生じる電位差の正負は一定の関係で変化するため、一方の整流ブリッジ回路６２を省略し、共通の単一の整流ブリッジ回路６２で整流することも可能である。
【００３４】
ここで、上記発電ユニット１４は、適度な風速の風を受けて振動させられることにより、効率良く発電することができるが、風速が強くなるに従って振動の振幅が大きくなる。振幅が大きくなると発電量が大きくなるものの、発電ユニット１４が破損する可能性がある。一方、保持部材１２に配設した際の発電ユニット１４の引張力を大きくしたり、発電ユニット１４の基盤材４４の硬度を高くしたりすれば、台風等の過剰な風速を受けた場合でも発電ユニット１４の振幅を比較的小さく抑え、破損を防止することができる。しかし、このように発電ユニット１４の振幅が小さくなるようにすると、風力発電に適した通常の風速時、例えば２０〜６０ｋｍ／時（５．６〜１６．７ｍ／秒）程度における発電ユニット１４の振幅が小さくなって発電効率が損なわれる。
【００３５】
これに対し、本実施例では、発電ユニット１４の下端部が連結されたスライド嵌合部３０が上下動可能に保持部材１２に配設され、風速が速くなると翼状部３８に生じる揚力Ｆによってスライド嵌合部３０が機械的に第２位置へ向かって下降させられ、発電ユニット１４の引張力が大きくされる。すなわち、風速が比較的小さい間は、揚力Ｆが小さいため、スライド嵌合部３０は図１〜図４に示すように第１位置に保持され、発電ユニット１４の引張力が低めに維持される。したがって、発電ユニット１４の基盤材４４として比較的軟質の材料を採用することにより、図６の(a) に示すように、低風速域でも発電ユニット１４を比較的大きな振幅で振動させることが可能で、効率良く発電できる。一方、風が強くなって翼状部３８に生じる揚力Ｆが大きくなると、図５に示すようにスライド嵌合部３０が第２位置へ向かって下降させられる。これにより、発電ユニット１４は最大で図６の(b) に示すように寸法ｔだけ下方へ引っ張られ、その分だけ引張力が大きくなるため、強風に関わらず振動の振幅が抑制されて破損が防止される。
【００３６】
翼状部３８の大きさや形状等は、このように発電ユニット１４が破損する恐れが無い通常の風速時には、スライド嵌合部３０を第１位置に保持して発電ユニット１４が大きな振幅で振動することを許容するが、発電ユニット１４が破損する恐れが有る強風時には、スライド嵌合部３０を第２位置へ向かって移動させて発電ユニット１４の振動を抑制するように、発電ユニット１４の基盤材４４の材質等を考慮して適宜定められる。本実施例では、例えば２０〜６０ｋｍ／時（５．６〜１６．７ｍ／秒）程度、より望ましくは３０〜４０ｋｍ／時（８．３〜１１．１ｍ／秒）程度では、スライド嵌合部３０が第１位置に保持されて、発電ユニット１４が大きな振幅で振動して効率良く発電するように、その第１位置での発電ユニット１４の引張力や基盤材４４の硬度、板厚、幅寸法、長さ寸法等が設定される。そして、その風速域を超えたら、スライド嵌合部３０が風速上昇に伴って第２位置へ向かって連続的に移動させられ、発電ユニット１４の引張力が大きくされて破損が防止されるように、翼状部３８の大きさや形状、圧縮コイルスプリング３６のばね定数、初期荷重、スライド嵌合部３０の移動ストローク（寸法ｔ）等が設定される。
【００３７】
このように、本実施例の風力発電装置１０によれば、発電ユニット１４の下端部が張力調整機構２０のスライド嵌合部３０に連結され、強風時には翼状部３８の揚力Ｆによりスライド嵌合部３０が第１位置から第２位置へ向かって移動させられて発電ユニット１４の引張力が大きくなるため、強風時に発電ユニット１４の振動の振幅が過大になって発電ユニット１４が損傷することが抑制される。強風時以外は、スライド嵌合部３０が第１位置に保持されて発電ユニット１４の引張力が小さく、大きな振幅で振動できるため、圧電フィルム４６の屈曲変形によって効率良く発電することができる。
【００３８】
また、上記発電ユニット１４の圧電素子として樹脂製の圧電フィルム４６が用いられているため、圧電セラミックス薄板に比べて破損し難くなり、比較的大きな振幅まで振動させて発電することが可能で、幅広い風速域の風で安定的に効率良く発電することができる。
【００３９】
また、本実施例ではスライド嵌合部３０の上端部の両側に翼状に延び出すように一体的に設けられた一対の翼状部３８が張力調整装置として用いられているため、風速に応じて機械的にスライド嵌合部３０が上下移動させられ、スライド嵌合部３０の移動を風速に応じて電気的に制御する場合に比較して装置が簡単で且つ安価に構成される。
【００４０】
また、スライド嵌合部３０は第１位置と第２位置との間を移動可能に配設され、圧縮コイルスプリング３６の付勢力に従って第１位置に位置決めされるとともに、強風時には翼状部３８の揚力Ｆで第２位置へ向かって移動させられるため、通常の風力発電時には第１位置に保持されて発電ユニット１４の振動を含めた装置全体の作動が安定する一方、強風時にスライド嵌合部３０が必要以上に移動して発電ユニット１４の引張力が過剰に高くなることが防止される。
【００４１】
また、多数の発電ユニット１４が互いに平行で且つ長手方向が互いに一致する姿勢で矩形の保持部材１２の内側に並列に配置されているため、多数の発電ユニット１４を互いに近接して密に配設することにより大きな起電力を容易に確保できる。
【００４２】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において前記実施例と実質的に共通する部分には同一の符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４３】
前記実施例では多数の発電ユニット１４として基盤材４４の材質が等しい同じ変形特性、発電特性のものが用いられ、各発電ユニット１４が連結されたスライド嵌合部３０は何れも同じ風速域で第１位置から第２位置へ向かって移動させられて、発電ユニット１４の引張力を大きくするようになっていたが、複数の発電ユニット１４の基盤材４４の変形特性（振動に影響する硬度や板厚、板幅など）を相違させるとともに、基盤材４４の変形特性に応じて張力調整装置（翼状部３８）によって引張力を大きくする風速域を相違させることができる。具体的には、例えば基盤材４４の硬度が高い程、破損を抑制しつつ高い風速域で振動させて効率良く発電できるため、張力調整装置（翼状部３８）によって引張力を大きくする風速域を高くすることができる。発電ユニット１４の引張力の調整は、翼状部３８の形状や大きさだけでなく、圧縮コイルスプリング３６の付勢力（初期荷重など）を変更することでも可能である。これにより、基盤材４４の硬度に応じて個別に所定の風速域で大きな振幅により効率良く発電できるとともに、風速が高くなったら個別に引張力を大きくして損傷を抑制することにより、全体として多数の発電ユニット１４の損傷を抑制しつつ幅広い風速域で安定的に効率良く発電することができる。
【００４４】
図１２は、発電ユニット１４の上端部も張力調整機構７０を介して保持部材１２に取り付けられている場合で、張力調整機構７０は前記張力調整機構２０と上下対称に構成されており、所定の風速に達すると発電ユニット１４の上端部を寸法ｔだけ上方へ引っ張って引張力を大きくする。すなわち、この実施例では、発電ユニット１４が上下合わせて寸法２ｔだけ引っ張られ、より柔らかくて伸び易い材質の基盤材４４を採用することでより低い風速域から発電可能になると共に、強風域では寸法２ｔだけ引っ張って引張力を高くすることが可能で、発電ユニット１４の破損を適切に抑制することができる。また、前記実施例と同等の硬度の基盤材４４であれば、発電ユニット１４の長手方向の寸法を拡大して圧電フィルム４６を大きくすることにより発電効率を高くすることができる。
【００４５】
図１３は、発電ユニット１４の下端部が固定部材７２を介して保持部材１２に取り付けられ、上端部は前記張力調整機構７０に連結されているが、前記圧縮コイルスプリング３６が省略され、張力調整機構７０は自重および発電ユニット１４の引張力で第１位置に保持されている。この場合は、圧縮コイルスプリング３６の分だけ部品点数が少なくなり、製造コストが低減される。張力調整機構７０のスライド嵌合部３０を第２位置へ移動させる風速域、すなわち発電ユニット１４の引張力を大きくする風速域は、翼状部３８の大きさや形状で調整することができる。
【００４６】
図１４の風力発電装置７６は、並列に配置された多数の発電ユニット１４の長手方向の何れか一方の端部であって交互に反対側に位置する端部が張力調整機構２０、７０に連結されている。この場合は、隣接する発電ユニット１４に接触しない範囲で各張力調整機構２０、７０の翼状部３８を拡張することが可能で、揚力Ｆを大きくできる。これにより、その揚力Ｆで発電ユニット１４を引っ張ることにより強風時の損傷を抑制しつつ、発電ユニット１４の幅寸法等を大きくして発電量を大きくすることができる。或いは、翼状部３８の寸法が同じであれば、その翼状部３８を含めた発電ユニット１４を互いに干渉しないように近接して配置することにより、風力発電装置７６を小型化することができる。例えば、図１４において二点鎖線で示した翼状部３８は、図１の配置の場合で、隣接する発電ユニット１４の間隔が同じであれば実線で示すように翼状部３８を拡張することができる。
【００４７】
図１５は、保持部材１２に対して３つの発電ユニット１４が配設されている場合に、その配置形態によって配設スペースをコンパクト化できることを説明する図である。上段の風力発電装置８０は、実質的に前記図１の風力発電装置１０と同じで、３つの発電ユニット１４の下端部が何れも張力調整機構２０に連結されている場合である。中段の風力発電装置８２は、中央の発電ユニット１４の下端部の連結部位に段差８４を設けて段違いに配置した場合であり、翼状部３８を部分的に重ねて配置できる分だけ風力発電装置８０よりも幅寸法をコンパクトに構成できる。この風力発電装置８２は、複数の発電ユニット１４の発電特性を同じにするため、長さ寸法が同じになるように固定部材１８の厚さが調整されている。下段の風力発電装置８６は、実質的に図１４の風力発電装置７６と同じで、交互に反対側の端部が張力調整機構２０、７０に連結されており、複数の発電ユニット１４を更に近接して配置することが可能で、中段の風力発電装置８２よりも幅寸法を更にコンパクトに構成できる。
【００４８】
図１６の風力発電装置９０は、図１の風力発電装置１０と同様に並列に配置された多数の発電ユニット１４の長手方向の同じ側の端部に前記スライド嵌合部３０が配設されている場合で、その多数のスライド嵌合部３０に跨がって単一の翼状部材９２が設けられており、その単一の翼状部材９２、多数のスライド嵌合部３０、圧縮コイルスプリング３６等によって張力調整機構９４が構成されている。すなわち、前記翼状部３８の代わりに、揚力発生部材として総てのスライド嵌合部３０に共通の翼状部材９２が設けられているのであり、その翼状部材９２が繋がっている分だけ揚力発生面積が拡大されて揚力Ｆが大きくなる。これにより、その揚力Ｆで発電ユニット１４を引っ張ることにより強風時の損傷を抑制しつつ、発電ユニット１４の幅寸法等を大きくして発電量を大きくすることができる。或いは、揚力発生面積が同じであれば、多数の発電ユニット１４を互いに近接して配置することにより、風力発電装置９０を小型化することができる。なお、この翼状部材９２の断面形状、すなわち図１６におけるXVI −XVI 矢視部分の断面形状は、例えば図４に示される前記翼状部３８の断面形状と同様の形状に定められる。
【００４９】
図１７は、張力調整機構２０のスライド嵌合部３０に一対のガイド穴９６が設けられ、保持部材１２に一体的に固設された一対のガイドピン９８が嵌合されている場合で、スライド嵌合部３０の姿勢が安定し、こじりやねじれ、がたつきが抑制されて、第１位置と第２位置との間を円滑に直線移動させられるようになる。これにより、風速に基づく発電ユニット１４の張力調整が安定して行われるようになる。
【００５０】
図１８の張力調整機構１００は、スライド嵌合部３０の軸方向寸法が小さくされて、そのスライド嵌合部３０と一対の翼状部３８との間に小径の首部１０２が設けられている。この実施例では、スライド嵌合部３０および首部１０２が可動部材に相当する。そして、そのスライド嵌合部３０に一対のガイド穴１０４が設けられて、保持部材１２に一体的に固設された頭付きのガイドピン１０６が挿通させられており、ガイドピン１０６の頭部によって第１位置が規定されるとともに、嵌合穴２８に設けられた小径段部１０８によって第２位置が規定されるようになっている。この場合も、図１７の実施例と同様にスライド嵌合部３０の姿勢が安定し、こじりやねじれ、がたつきが抑制されて、第１位置と第２位置との間を円滑に直線移動させられるようになり、風速に基づく発電ユニット１４の張力調整が安定して行われるようになる。また、小径の首部１０２によって翼状部３８の背面４２側の幅寸法が寸法ｄだけ拡大されるため、それだけ大きな揚力Ｆが得られるようになり、発電ユニット１４の幅寸法等を拡大して発電量を大きくしたり、或いは翼状部３８の幅寸法（翼長）を小さくしてコンパクトに構成したりすることができる。なお、本実施例では前記長穴３２および位置決めピン３４が不要である。
【００５１】
図１９は、発電ユニット１４の下端部がスライド嵌合部３０を有する可動部材１１０に連結されている場合で、この可動部材１１０は、嵌合穴２８の上端内壁面にスライド嵌合部３０が当接させられることによって第１位置が規定されるとともに、小径段部１０８にスライド嵌合部３０が当接させられることによって第２位置が規定され、通常は圧縮コイルスプリング３６の付勢力に従って第１位置に保持される。一方、スライド嵌合部３０と嵌合穴２８の上端内壁面との間には圧力室１１２が設けられており、風速計１１４によって検出された風速が予め定められた判定値を超えると、エアポンプ等を有するエア圧制御装置１１６から圧力エアが供給されることにより、可動部材１１０が圧縮コイルスプリング３６の付勢力に抗して第１位置から第２位置へ向かって移動させられ、発電ユニット１４が下方へ引っ張られて引張力が大きくされる。これにより、前記各実施例と同様の作用効果が得られる。本実施例では、風速計１１４およびエア圧制御装置１１６を含んで張力調整装置１１８が構成されている。なお、風速が判定値を超えた場合に、可動部材１１０を第１位置から第２位置へ一気に移動させて、発電ユニット１４の引張力を２段階で切り換えるようにしても良い。また、エア圧制御装置１１６は、風速計１１４によって検出された風速に基づいて電動エアポンプや切換弁等を電気的に制御して圧力エアを圧力室１１２に供給し、可動部材１１０を第２位置へ向かって移動させるが、風速計１１４が風速に応じて回転させられる場合には、その回転でエアポンプを機械的に回転させて圧力エアを圧力室１１２内へ供給することにより、可動部材１１０を第２位置へ向かって移動させるように構成することもできる。
【００５２】
図２０および図２１は前記図７に対応する断面図で、発電ユニットの別の例を説明する図である。図２０の発電ユニット１２０は、前記発電ユニット１４に比較して、基盤材４４の両面に積層された一対の圧電フィルム４６の両側（外側）に更に一対の基盤材１２２が積層されているとともに、その上に一対の圧電フィルム１２４が積層されており、計７層構造とされている。基盤材１２２、圧電フィルム１２４は、それぞれ基盤材４４、圧電フィルム４６と同じ材料で構成されるが、基盤材１２２の板厚は基盤材４４の板厚よりも薄く、全体として板厚方向へ弾性変形することが許容される。この場合は、計４枚の圧電フィルム４６、１２４で発電するため、一層高い発電効率が得られる。
【００５３】
図２１の発電ユニット１３０は、上記発電ユニット１２０に比較して外側の一対の圧電フィルム１３２の長さが短く、長手方向の中央部分に部分的に積層されている。このように変形量の大きい部位のみ積層することで、発電ユニット全体の剛性アップを抑制しつつ、効率良く発電性能を向上させることができる。また、積層数増加による圧電フィルムのコスト増加を極力抑制できる。
【００５４】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０、７６、８０、８２、８６、９０：風力発電装置    １２：保持部材    １４、１２０、１３０：発電ユニット    ２０、７０、９４、１００：張力調整機構    ３０：スライド嵌合部（可動部材）    ３６：圧縮コイルスプリング（弾性部材）    ３８：翼状部（揚力発生部材、張力調整装置）    ４４、１２２：基盤材    ４６、１２４、１３２：圧電フィルム（圧電素子）    ９２：翼状部材（揚力発生部材、張力調整装置）    １０２：首部（可動部材）    １１０：可動部材    １１８：張力調整装置    Ｆ：揚力
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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