(57)【要約】【課題】風力発電機のもつ特長である、「風のあるときには発電する」、「発電出力を計測することで風速を検知できる」を活かし、バッテリなどの外部電源を使用せずに、風力発電機のみで「強風注意」電光表示を点灯させ、風速計やバッテリなどの付帯機器が省け、メンテナンスの低減や低コスト化が図れる風力発電式表示システムを提供する。【解決手段】  一定の風速以上の状態の時に情報を表示するための表示器１０を備えた揚力型風力発電機１と、前記表示器１０は前記揚力型風力発電機１と直結され、前記表示器１０への電力供給は前記揚力型風力発電機１からのみ行われるバッテリレス型の風力発電式表示システムであって、前記表示器１０を動作させるために必要な必要電力を予め記憶し、前記揚力型風力発電機１の失速運転で前記必要電力を賄えるときに、前記揚力型風力発電機１を失速運転させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の風速以上の状態の時に情報を表示するための表示器を備えた揚力型風力発電機と、
前記表示器は前記揚力型風力発電機と直結され、前記表示器への電力供給は前記揚力型風力発電機からのみ行われるバッテリレス型の風力発電式表示システムであって、
前記表示器を動作させるために必要な必要電力を予め記憶し、
前記揚力型風力発電機の失速運転で前記必要電力を賄えるときに、
前記揚力型風力発電機を負荷制御により失速運転させることを特徴とする風力発電式表示システム。
【請求項２】
前記表示器に表示するタイミングまで、前記発電機は固定抵抗部材に接続されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電式表示システム。
【請求項３】
前記失速運転は、前記揚力型風力発電機からのみ電力を供給されるバッテリレス型のＣＰＵを用いて行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電式表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、揚力型風力発電機に情報表示器が直結されたバッテリレス型の風力発電式表示システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、風速に応じて情報を表示するものとして、風速が過大になったことを知らせる強風注意表示システムが知られている。
【０００３】
この表示システムとして、太陽電池式強風注意表示システムがある。このシステムは、電光表示設備の独立電源化が図られたものであり、導入時に商用電源の敷設工事を必要としないため、既設の配電設備状況にとらわれず設置が可能である。また、電力系統側のトラブルによる影響もなく、表示を続けることができる。しかしながら、太陽電池式強風注意表示システムは、風速判定のために風速計が必要となる。また、太陽電池による発電と強風とのタイミングは一致しないので、発電電力を一旦バッテリに充電する必要がある。よって、バッテリをはじめとする付帯設備が多くなり、独立電源化しても結果としてコストメリットが得られるものではない。
【０００４】
一方で、風力発電を利用した風力発電式強風注意表示システムが知られている（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。
【０００５】
特許文献１（風力を利用した標識）の特徴は、基本的には、表示器は風車と直結（バッテリレス）であり、コンデンサや小容量バッテリ及び自動電圧調整器（ＡＶＲ）を介して、突風時などの出力変動による表示のチラツキを防止できるものである。さらに、風車ブレードをピッチ制御したり、回転軸に遠心クラッチなどを設けることにより、風速がある設定値に達したときから発電が開始できる、すなわち風速計が不要なものである。しかしながら、特許文献１のシステムでは、強風時に風車を制動する手段がなく、暴走するおそれがある。
【０００６】
一般に、風車の安全制御として、機械的なパッシブ方式があるが、地上高数ｍの風の乱れの大きい場所では、可動部が故障する頻度が高くなる。また、表示器自体の消費電力は、大きくても３０Ｗ程度であるため、負荷直結方式の場合、強風時では風車の発生エネルギーに対して、負荷が小さすぎるため、無負荷に近い状態となり風車が暴走することがある。風エネルギーは、風速の３乗に比例するためである。また、電気制御により風車回転を抑制できる風車もあるが、一般的な風車の場合、バッテリなどの外部電源から制御用電力が供給されるシステムのため、バッテリレスとはならない。負荷直結方式の場合、負荷の状況次第で風車回転数と風速との関係は変化するため、正確に風速を判定することができない。
【０００７】
特許文献２（風警報装置）の特徴は、風力発電を利用した独立電源タイプの強風注意表示のため、風エネルギーを有効利用でき、風力の発電電圧および半波整流のパルス化による回転数検知により、風速を検知するため、風速計が不要になることである。また、上記の風速検知により、発電電力に応じて表示器の点灯条件（消費電力）を変更できる。しかしながら、特許文献２のシステムの場合、充電用としてのバッテリは必須となり、コストメリットは低く、メンテナンスの負担も掛かる。また、バッテリの充電状況次第で発電電圧・風車回転数と風速との関係は変化するため、正確に風速を判定することができない。
【０００８】
特許文献３（流速表示装置）の特徴は、ある風速以上で表示器が点灯するシステムであり、基本的には、表示器は風車と直結（バッテリレス）しているものである。また、負荷の動作電圧を設定することで、表示開始風速を設定できる、風速計が不要である。しかしながら、特許文献３は、概念的な内容であり、風車の制御など一切記載されていない。また、負荷直結方式の場合、負荷の状況次第で発電電圧と風速との関係は変化するため、正確に風速を判定することができない。
【０００９】
特許文献４には、強風等によって風車回転数が基準回転数以上になると、入力電圧を低くする制御を行い、風車回転数増加を抑えながら、発電を続けることを可能とする旨が記載されている。しかしながら、制御のポイントは、設定した限界回転数を閾値とする制御であり、そのために複雑な演算を必要とし、制御の内容が煩雑である。
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−６１１２号公報
【特許文献２】特開平８−２６２０５０号公報
【特許文献３】特開平８−２９４４３号公報
【特許文献４】特開２００２−１３６１９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この発明は上記従来技術を考慮したものであって、風力発電機のもつ特長である、「風のあるときには発電する」、「発電出力を計測することで風速を検知できる」を活かし、バッテリなどの外部電源を使用せずに、風力発電機のみで「強風注意」電光表示を点灯させ、風速計やバッテリなどの付帯機器が省け、メンテナンスの低減や低コスト化が図れる風力発電式表示システムの提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するため、請求項１の発明では、一定の風速以上の状態の時に情報を表示するための表示器を備えた揚力型風力発電機と、前記表示器は前記揚力型風力発電機と直結され、前記表示器への電力供給は前記揚力型風力発電機からのみ行われるバッテリレス型の風力発電式表示システムであって、前記表示器を動作させるために必要な必要電力を予め記憶し、前記揚力型風力発電機の失速運転で前記必要電力を賄えるときに、前記揚力型風力発電機を負荷制御により失速運転させることを特徴とする風力発電式表示システムを提供する。
【００１３】
請求項２の発明では、請求項１の風力発電式表示システムにおいて、前記表示器に表示するタイミングまで、前記発電機は固定抵抗部材に接続されることを特徴としている。
【００１４】
請求項３の発明では、請求項１又は２の風力発電式表示システムにおいて、前記失速運転は、前記揚力型風力発電機からのみ電力を供給されるバッテリレス型のＣＰＵを用いて行われることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、表示器を動作させるために必要な必要電力を予め記憶し、表示開始風速における失速運転でその必要電力を賄えないときはそのまま発電電力を表示器に供給し、失速運転で賄えるときは失速運転となるように、例えば電子制御する。このような、可変負荷による風車の失速運転制御により、強風時の風車回転数の異常増速を抑えつつ、安全で安定的に発電電力を表示器へ供給することができる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、表示器が表示を開始するタイミングまで、発電機に固定抵抗部材が接続される。表示器で表示するまでは、風車による発電電力は余剰電力となるので、これを固定抵抗部材で消費することができる。また、固定抵抗部材を接続することにより、風車の電圧と風速をほぼ比例の関係にすることができ、表示タイミングの検知がある程度正確にできる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、ＣＰＵがバッテリレス型であるため、ＣＰＵは風車の発電電力のみから電力を供給される。無風時には表示器を表示する必要がないため、この状態ではＣＰＵの監視自体が不要となる。したがって、バッテリレス型とすることにより、バッテリや外部電源から完全に独立して表示器による表示のための制御を行うことができ、当該表示器の設置が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
この発明は、一定の風速以上の状態の時に情報を表示するための表示器を備えた揚力型風力発電機と、前記表示器は前記揚力型風力発電機と直結され、前記表示器への電力供給は前記揚力型風力発電機からのみ行われるバッテリレス型の風力発電式表示システムであって、前記表示器を動作させるために必要な必要電力を予め記憶し、前記揚力型風力発電機の失速運転で前記必要電力を賄えるときに、前記揚力型風力発電機を失速運転させることを特徴とする風力発電式表示システムである。
【実施例１】
【００１９】
図１はこの発明に係る風力発電式表示システムの概略図であり、図２は風車の出力特性を示すグラフ図である。
【００２０】
揚力型風力発電機１に電子負荷２が接続され、これに相互に並列に整流器３，４が接続される。整流器３にはＣＰＵ５が接続される。ＣＰＵ5には電気二重層キャパシタ６と、固定抵抗スイッチ７と、表示器スイッチ８が並列にそれぞれ接続される。固定抵抗スイッチ７には、固定抵抗部材９が接続される。表示器スイッチ８には、表示器１０が接続される。なお、図では表示器として、表示機器の端子部分のみを示している。
【００２１】
表示器１０は、通常は最大でも３０Ｗ程度の消費電力である。直径１ｍ程度の風車の発電電力は、風速１０ｍ／ｓで１００Ｗを超える。また、風力エネルギーは、風速の３乗に比例するため、例えば風速２０ｍ／ｓになると、８００Ｗにも達することとなる。このときに、負荷が３０Ｗであると、風車は限りなく無負荷状態となり、回転数は通常の２倍以上に増加し、暴走することとなる。
【００２２】
表示器１０を強風注意表示に利用する場合は、当然のことながら風速２０ｍ／ｓ超の強風時でも表示器を点灯させるため、風車の回転数を制動させつつ、発電をつづけなければならない。風車を制動させる方法としては、可動式尾翼やブレードピッチ制御など機械的な手法があるが、地上高４ｍ程度の設置環境の場合、強風時の風の乱れは大きくなり、結果として可動部の故障になることが多い。
【００２３】
また、電気的負荷を変化させることにより、回転数を抑える方式も制御方法として挙げられるが、前述したように、風力エネルギーは風速の３乗に比例するため、強風時には余剰分の電力が増大する（風速２０ｍ／ｓで約７５０Ｗ）。この余剰電力を電子負荷にて消費させるには、制御の各素子の容量を上げる必要があることと、制御回路の放熱対策のため、筐体の構造が複雑化またスケール増加になり、３０Ｗ出力の表示システムとしては過大な設備となってしまう（コストメリット低下）。
【００２４】
図２に示すように、風力発電機の出力特性は、負荷とのバランスにより最大出力点が存在する。このように、風車出力は同一風速においても、負荷の変化により発生出力および回転数は変化することとなる。特に、回転数が低い領域では、風車の発生出力は極端に低下する。この現象は揚力型風車で起こるものであり、失速現象と呼ばれる。この失速のタイミングは、風車それぞれによって異なるが、設計段階で想定することは可能である。また、失速のタイミングは、風速と風車ブレード先端の周速との比で示される「周速比」で決まり、周速比が１〜２の間に失速点があるものが一般的である(特に直径２ｍ以下のマイクロ風車の場合)。この失速現象中の風車の運転を失速運転という。失速運転は、風速ごとに所定の回転数を下回った場合に開始される。この所定回転数を失速ポイントという（図２のＡ点）。
【００２５】
強風時にこの失速特性を有効に利用した電子負荷制御を行うことで、制動時の各電気素子の負担を低減しつつ、風車を制動しながら発電が可能となる。なお、失速運転中は、当然のことながら発電電力は急激に低下するが、本システムの場合は、表示器の消費電力分（３０Ｗ程度）あればよいので、強風時であれば失速状態での発生電力のみで十分賄うことができる。風速が低い領域で表示器を点灯させる場合は、失速運転せずにそのまま出力させる。以降、風速が上昇すると可変負荷制御により、失速域まで落とし込む。こうすることにより、余剰電力の消費のために負荷制御部の容量を大きくすることなく、風車回転数を制動でき、安全で安定的に表示器に電力を供給することができる。
【００２６】
すなわち、揚力型風力発電機１で発電された電力は、整流器３を通ってＣＰＵ５に通電し、ＣＰＵ５を起動させる。これと同時に、電気二重層キャパシタ６への充電が開始される。電気二重層キャパシタ６は、風力の変動成分を平滑化するために配設される。電気二重層キャパシタ６が満充電となると、ＣＰＵ５からの信号で固定抵抗スイッチ７がオンになり、固定抵抗部材９が接続される。なお、電気二重層キャパシタ６と固定抵抗スイッチ７のオンのタイミングは同時であってもよい。固定抵抗スイッチ７がオンの間は、この固定抵抗部材９が風力発電機１の負荷となる。電気二重層キャパシタ（コンデンサでもよい）６は、変動風速による表示のチャタリング（ちらつき）などを防ぐ。
【００２７】
表示器１０にて表示すべき風速となったら、固定抵抗スイッチ７をオフにして、表示器スイッチ８をオンにして、表示器１０により情報を表示する。この風速は、整流器４を通った風力電圧をＣＰＵ５にて検知して測定される。このように、表示器１０が表示を開始するタイミングまで、発電機１に固定抵抗部材９が接続されるので、表示器１０で表示するまでは、風車による発電電力は余剰電力となるが、これを固定抵抗部材９で消費することができる。また、固定抵抗部材９を接続することにより、風車の電圧と風速をほぼ比例の関係にすることができ、表示タイミングの検知がある程度正確にできる。表示開始風速を検知する方式としては、風力発電の発電電圧を測定することで行うので、風速と発電電圧との関係は、同一負荷状態においては、比例の関係になるものの、負荷状態が変化した場合は、比例の関係は崩れることとなるので、正確な風速検知はできない。そこで、表示開始風速になるまでは、発電電力を固定抵抗部材９に流れるようにし、この固定抵抗部材９を基準負荷としたときの風速と電圧との比例関係により、負荷状態に関係なく、風速計もなしで正確に表示開始風速を検知することができる。
【００２８】
風速がさらに上昇した場合（失速運転で表示器１０が必要とする必要電力を賄える場合）、ＣＰＵ５にて電子負荷制御が行われ、風車の回転数が維持される。すなわち、失速運転が行われ、失速ポイントＡまで回転数を落とされて運転される。本システムは、表示器を動作させるのに必要な電力を失速運転で賄える風速以上になったら、その風速における風力電圧又は電流又は回転数を閾値として、そのいずれかの値が閾値を超えたとき、失速運転を行い、その閾値以下であれば通常運転を行うものである。
【００２９】
このため、失速運転状態で表示器１０を表示できるようになる風速を判定するための前述したいずれの閾値もＣＰＵ５に記憶され、この閾値（風力の電圧又は電流又は回転数）と現在の風速における通常運転時の風力電圧又は電流又は回転数を比較して、いずれかの値が閾値を超えるようであれば電子負荷制御を開始し、失速運転に切り替える。また、電子負荷制御中も常に風力の電圧又は電流又は回転数をモニタリングし、失速運転開始時の風力の電圧又は電流又は回転数を超えないように制御し続けることで、強風時においても必要電力を確保しつつ風車を失速状態に保つことができる。  
【００３０】
また、ＣＰＵ５は、風力発電機１の発電電力を直接供給され、発電機に備わるバッテリ及び外部電源と非接続であるため、通常の風力発電時にはＣＰＵ５は風車の発電電力のみから電力を供給される。また、無風時には風力から電力の供給は無くなるが、この状態ではＣＰＵ５での監視自体が不要となる。したがって、バッテリや外部電源から完全に独立して風力発電機を制御することができる。
【００３１】
ＣＰＵ５が行う電子負荷制御は、発電機１からの発電電圧や電流や回転数をもとに、CPUからの電圧や電流のパルス振幅及び周期を一定にし、１パルスのオンオフ時間の比率を変えることにより、平均電圧又は電流を変化させることで揚力型風力発電機に対する電子負荷２を制御するＰＷＭ（パルス幅変調）制御である。このＰＷＭ制御は、高速でのオンオフ制御であるため、応答速度が速い。したがって、発電機１に接続された電子負荷２を確実に制御でき、風車の回転数を制御して失速運転を行うことができる。
【００３２】
また、電子負荷制御として、ＰＡＭ（パルス振幅変調）制御を用いてもよい。パルスの幅、周期は一定とし、電圧や電流の振幅を変化させることにより、平均電圧や電流を変化させることで負荷を制御するものである。振幅を変化するために、負荷の電圧や電流の制御が広範囲にわたって行うことができる。ただし、応答速度が遅い問題点もある。  あるいは、ＰＰＭ（パルス位置変調）制御を行ってもよい。これは、パルスの幅、振幅は一定とし、負荷電圧や電流に応じてパルス周期を変え、出力電圧や電流を一定に保つ制御方法である。
【実施例２】
【００３３】
図３はこの発明に係る別の風力発電式表示システムの概略図である。
【００３４】
この実施例２は、ＣＰＵ５による風車の回転数制御として、抵抗切換制御を用いたものである。この抵抗切換制御は、ＣＰＵ５と発電機１の間に、整流器３と並列にして、抵抗切換ユニット１４を設けて行われる。抵抗切換ユニット１４は、抵抗切換スイッチ１２と可変抵抗部材１３で構成される。抵抗切換ユニット１４の発電機１側には、整流器１１が備わる。
【００３５】
このシステムを用いた場合、上記実施例１と失速運転に切り替える方法が異なる。すなわち、抵抗切換スイッチ１２をオンにし、可変抵抗部材１３の抵抗値をＣＰＵ５にて制御することにより、発電機１と接続される抵抗値を変化させ、風速に応じた失速ポイントにおける回転数を維持する。
【００３６】
その他の構成、作用、効果は実施例１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明に係る風力発電式表示システムの概略図である。
【図２】風車の出力特性を示すグラフ図である。
【図３】この発明に係る別の風力発電式表示システムの概略図である。
【符号の説明】
【００３８】
１：揚力型風力発電機、２：電子負荷、３：整流器、４：整流器、５：ＣＰＵ、６：電気二重層キャパシタ、７：固定抵抗スイッチ、８：表示器スイッチ、９：固定抵抗部材、１０：表示器、１１：整流器、１２：抵抗切換スイッチ、１３：可変抵抗部材、１４：抵抗切換ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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