(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空円筒状のタワーと、当該タワー内に騒音を発生させる騒音発生源とを備えた風力発電装置の騒音低減方法であって、
前記タワー内に、騒音検出マイクと消音用制御音を発するスピーカとを備える能動型消音ユニットを配置しておき、
前記能動型消音ユニットを用いて、前記騒音発生源が発生させる前記タワー内の騒音のうち、前記タワーの高さ方向に生じる定在波の周波数成分を低減する騒音低減ステップ、からなる風力発電装置の騒音低減方法。
【請求項２】
あらかじめ、前記タワーの高さ方向での定在波の基本周波数を求め、当該基本周波数の定在波が生じる場合の腹の位置を求めるステップを実行し、
前記能動型消音ユニットを配置する場合に、前記スピーカ及び前記騒音検出マイクを、前記腹の位置に配置する請求項１に記載の風力発電装置の騒音低減方法。
【請求項３】
前記騒音低減ステップにおいて、
前記騒音検出マイクで検出された騒音のうち、前記定在波の周波数成分のみを取り出すフィルタリングステップと、
前記フィルタリングステップで取り出した周波数成分から前記消音用制御音を生成する消音用制御音生成ステップと、を実行する請求項１又は２に記載の風力発電装置の騒音低減方法。
【請求項４】
中空円筒状のタワーと、当該タワー内に騒音を発生させる騒音発生源とを備えた風力発電装置であって、
前記タワー内に、騒音検出マイクと消音用制御音を発するスピーカとを備える能動型消音ユニットが配置され、
前記能動型消音ユニットを用いて、前記騒音発生源が発生させる前記タワー内の騒音のうち、前記タワーの高さ方向に生じる定在波の周波数成分を低減する騒音低減手段と、からなる騒音低減型風力発電装置。
【請求項５】
前記スピーカ及び前記騒音検出マイクが、前記タワーの高さ方向での基本周波数の定在波が生じる場合の腹の位置に配置された請求項４に記載の騒音低減型風力発電装置。
【請求項６】
前記騒音低減手段が、
前記騒音検出マイクで検出された騒音のうち、前記定在波の周波数成分のみを取り出すフィルタリング手段と、
前記フィルタリング手段で取り出した周波数成分から前記消音用制御音を生成する消音用制御音生成手段と、を備える請求項４又は５に記載の騒音低減型風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空円筒状のタワーと、当該タワー内に騒音を発生させる騒音発生源とを備えた風力発電装置の騒音低減方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全やエネルギーセキュリティの確保が可能なエネルギー源として、風力エネルギーが注目されており、風力エネルギーを用いた発電設備として大型風車（風力発電装置）の建設が各地で進められている。一方で、大型風車から発生する低周波音や２０Ｈｚ以下の超低周波音が近隣住民の健康に及ぼす影響が懸念されており、大型風車から発生する騒音の低減は課題の１つとなっている。
【０００３】
このような課題への取り組みとして、例えば、特許文献１には、風の力を受けて回転するブレードの騒音を測定し、測定された騒音の値によりブレードのピッチ角を制御する風力発電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−３２９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示の技術では翼を傾けるために発電効率が低下するおそれがある。また、特許文献１のように風力発電装置自体に改良を加える方法は、既存の風力発電装置に対しては適用できないという問題があった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、発電効率に影響を与えることなく風力発電装置から外部へと生じる騒音を低減するとともに、既存の風力発電装置にも適用可能な騒音の低減方法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】
【０００７】
本発明に係る風力発電装置の騒音低減方法の特徴構成は、中空円筒状のタワーと、当該タワー内に騒音を発生させる騒音発生源とを備えた風力発電装置の騒音低減方法であって、前記タワー内に、騒音検出マイクと消音用制御音を発するスピーカとを備える能動型消音ユニットを配置する配置ステップと、前記能動型消音ユニットを用いて、前記騒音発生源が発生させる前記タワー内の騒音のうち、前記タワーの高さ方向に生じる定在波の周波数成分を低減する騒音低減ステップと、からなることにある。
【０００８】
ここで、発明者らの鋭意研究の結果、風力発電装置のタワー内の空間では、風力発電装置内に存在する騒音源（例えば、発電機や増速機などの稼動部）から発生する騒音が共鳴を起こし、ときとして非常に大きな音となる、という知見を得た。より詳しくは、騒音源から発生した騒音の特定周波数成分が、略閉空間であるタワー内において定在波を生じていることが分かった。本発明は、このタワー内における定在波を弱めることで、風力発電装置から外部へと生じる騒音を低減することが可能であるとの着眼に基づきなされたものである。
【０００９】
上記特徴構成によれば、騒音検出用マイクによって、タワー内の騒音を検出する。そして、検出した騒音をもとに作成した消音用制御音を、同じくタワー内でスピーカから発生させる。よって、タワー内で生じる定在波を効果的に打ち消すことができる。このため、発電効率に影響を与えることなく風力発電装置から外部へと生じる騒音を低減できる。また、本願発明においては、既存の風力発電装置に対して新たにタワー内に能動型消音ユニットを配置するだけで済むため、既存の風力発電装置にも適用可能である。
【００１０】
ここで、あらかじめ、前記タワーの高さ方向での定在波の基本周波数を求め、当該基本周波数の定在波が生じる場合の腹の位置を求めるステップを実行し、前記配置ステップにおいて、前記スピーカ及び前記騒音検出マイクを、前記腹の位置に配置すると好適である。
【００１１】
ここで、タワー内で発生する定在波は、その周波数によらず、基本周波数の定在波の腹の位置において、腹が形成される。上記特徴構成によれば、基本周波数の定在波の腹の位置で、タワー内の騒音を検出する。そして、検出した騒音をもとに作成した消音用制御音を、同じく腹の位置でスピーカから発生させる。よって、タワー内で発生するあらゆる定在波を効果的に打ち消すことができ、風力発電装置から外部へと生じる騒音を低減できる。
【００１２】
また、前記騒音低減ステップにおいて、前記騒音検出マイクで検出された騒音のうち、前記定在波の周波数成分のみを取り出すフィルタリングステップと、前記フィルタリングステップで取り出した周波数成分から前記消音用制御音を生成する消音用制御音生成ステップと、を実行すると好適である。
【００１３】
上記特徴構成によれば、能動型消音ユニットによって効果的に打ち消すことができる周波数成分のみを、能動型消音ユニットによる消音対象とすることができる。よって、能動型ユニットを用いることで逆に増幅されてしまうおそれのある周波数成分に対して、能動型ユニットの使用による悪影響を与えずに済む。すなわち、タワー内で発生する定在波のみを効果的に打ち消すとともに、定在波以外の周波数成分の騒音の増幅を抑えることができる。これにより、風力発電装置から外部へと生じる騒音を効果的に低減できる。
【００１４】
本発明に係る騒音低減型風力発電装置の特徴構成は、中空円筒状のタワーと、当該タワー内に騒音を発生させる騒音発生源とを備えた風力発電装置であって、前記タワー内に、騒音検出マイクと消音用制御音を発するスピーカとを備える能動型消音ユニットが配置され、前記能動型消音ユニットを用いて、前記騒音発生源が発生させる前記タワー内の騒音のうち、前記タワーの高さ方向に生じる定在波の周波数成分を低減する騒音低減手段と、からなることにある。
【００１５】
上記特徴構成によれば、騒音検出用マイクによって、タワー内の騒音を検出する。そして、検出した騒音をもとに作成した消音用制御音を、同じくタワー内でスピーカから発生させる。よって、タワー内で生じる定在波を効果的に打ち消すことができる。このため、発電効率に影響を与えることなく風力発電装置から外部へと生じる騒音を低減できる。
【００１６】
ここで、前記スピーカ及び前記騒音検出マイクが、前記タワーの高さ方向での基本周波数の定在波が生じる場合の腹の位置に配置された構成とすると好適である。
【００１７】
上記特徴構成によれば、基本周波数の定在波の腹の位置で、タワー内の騒音を検出する。そして、検出した騒音をもとに作成した消音用制御音を、同じく腹の位置でスピーカから発生させる。よって、タワー内で発生するあらゆる定在波を効果的に打ち消すことができ、風力発電装置から外部へと生じる騒音を低減できる。
【００１８】
また、前記騒音低減手段が、前記騒音検出マイクで検出された騒音のうち、前記定在波の周波数成分のみを取り出すフィルタリング手段と、前記フィルタリング手段で取り出した周波数成分から前記消音用制御音を生成する消音用制御音生成手段と、を備えると好適である。
【００１９】
上記特徴構成によれば、能動型消音ユニットによって効果的に打ち消すことができる周波数成分のみを、能動型消音ユニットによる消音対象とすることができる。よって、能動型ユニットを用いることで逆に増幅されてしまうおそれのある周波数成分に対して、能動型ユニットの使用による悪影響を与えずに済む。すなわち、タワー内で発生する定在波のみを効果的に打ち消すとともに、定在波以外の周波数成分の騒音の増幅を抑えることができる。これにより、風力発電装置から外部へと生じる騒音を効果的に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る風力発電装置の外形図である。
【図２】本発明の実施形態に係るナセル内部の概略図である。
【図３】本発明の実施形態に係るタワー内における騒音のスペクトログラムである。
【図４】本発明の実施形態に係る風力発電装置の概略図である。
【図５】本発明の実施形態に係る制御部内のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
１．風力発電装置の概要
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に、本発明に係る風力発電装置１の外形を示す。風力発電装置１は、鉛直方向に設置された中空円筒状のタワー２を備えている。図２に示すように、タワー２は、内部に昇降はしご等が存在するものの、大きな中空円柱である。また、タワー２内部は、上端と下端が閉じられた閉空間となっている。本実施形態においては、タワー２の高さは、約７０ｍである。また、タワー２上端には、ブレード５及びブレード５の回転を伝達するハブ４を支持するナセル３が取り付けられている。
【００２２】
図２に、ナセル３内部の構造を示す。ナセル３内部には、ハブ４に連結された主軸６の回転数を増加させるための増速機７及び、増速機７から伝達された回転により発電する発電機８が設けられている。増速機７には、例えば、複数のギアを有する遊星歯車機構が用いられる。本実施形態においては、増速機７は、タワー２の高さ方向における定在波の基本周波数の整数倍に相当する周波数成分をもつ騒音を発生させるように構成されている。本願発明者らによる確認によれば、具体的には、増速機７は、稼動状態の変化に伴い、主に４０Ｈｚ〜１６０Ｈｚにかけて音圧のピークが連続的に変化する騒音を発生させる。
【００２３】
また、図示は省略するが、タワー２内には、油圧ポンプや、各種機器の冷却用ファンなどが設けられている。上述の増速機７、発電機８、及びこれらの機器は、風力発電装置１の頂部もしくは底部に設けられており、本発明における「タワー２内に騒音を発生させる騒音発生源」に相当する。
【００２４】
２．タワー内に発生する騒音
図３に、風力発電装置１のブレード５が回転しているある時点（風力発電装置１の起動時）において、上記騒音発生源によりタワー２内に発生する騒音のスペクトログラムを示す。縦軸は騒音の周波数を、横軸は時間を表している。図中の各点での色の濃淡は、各時点・各周波数での音圧（相対値）を表している。なお、騒音の計測は、タワー２の下部に設けられた出入り口にて行っている。同図において淡色側（白色側）が音圧の大きい側を、濃色側（黒色側）が音圧の小さい側に対応している。
【００２５】
ここで、４０Ｈｚ〜１００Ｈｚの周波数帯域に注目すると、時間の経過とともに音圧のピークが徐々に高周波数側にシフトする様子が複数箇所（図中、右斜め上方向に伸びている箇所）に存在する。これらの時系列変化は、発電状態に合わせて、風力発電装置１内部の機器の運転状態が変化することにより引き起こされていると考えられる。このような風力発電装置１内部の機器としては、例えば、増速機７や発電機８などが相当すると考えられる。
【００２６】
上記音圧の時系列変化をより詳しく見ると、特定の周波数領域においては、時系列で見てその前後に比べ、急激に音圧が上昇している。具体的には、図中、点線で示すように、６０〜８０Ｈｚの間において５Ｈｚおきに音圧が上昇する箇所が存在している。以下では、この点について考察する。
【００２７】
本実施形態においては、タワー２の高さが７０ｍ、図３のスペクトログラム計測時の気温が３５℃（音速が３５０ｍ／ｓ）であるため、閉空間であるタワー２の高さ方向に存在し得る定在波の基本周波数は２．５Ｈｚと求まる。閉空間においては、基本周波数の整数倍の音波は定在波を生じるので、６０〜８０Ｈｚの間において５Ｈｚおきに音圧が上昇しているのは、各周波数のときにタワー２内で定在波を生じている（タワー２内で共鳴が起きている）ためと考えられる。本発明は、これらの定在波を能動型消音ユニット（Active Noise Canceller; ANC）により打ち消し、風力発電装置１から外部へと生じる騒音を低減することを目的としている。
【００２８】
３．騒音低減型風力発電装置の構成
図４に、本発明に係る風力発電装置１の概略図を示す。タワー２内には、スピーカ１１及び騒音検出マイク１２を備えた能動型消音ユニット１０が配置されている。本実施形態においては、スピーカ１１及び騒音検出マイク１２は、タワー２の高さ方向での基本周波数の定在波が生じる場合の腹の位置（タワー２の上端及び下端）にそれぞれ配置されている。
【００２９】
また、風力発電装置１内には、能動型消音ユニットを用いて、上記騒音発生源が発生させる騒音のうち、タワー２の高さ方向に生じる定在波の周波数成分を低減する制御部２０が設けられている（図４上では、作図の都合上、制御部２０を風力発電装置１外に記載している）。制御部２０は、マイクロプロセッサ及び半導体メモリを含むマイクロコンピュータを主要な機器として構築される。
【００３０】
ここで、制御部２０は本発明における「騒音低減手段」に相当する。
【００３１】
制御部２０は、騒音検出マイク１２で検出された信号に基づく騒音の波形から、当該騒音の波形とは逆位相の波形を算出し、スピーカ１１に出力する。スピーカ１１から出力された音波が、騒音発生源から発生した騒音と干渉することで、当該騒音を低減することができる。
【００３２】
この制御部２０は、簡単には、フィードフォワード制御によって制御波形をスピーカから出力するように構成することができるが、本実施形態では、より精度の高い消音効果を得るために、フィードバック制御を採用している。従って、エラーマイクとして機能する誤差検出マイク１３が用意されるとともに、制御部２０には誤差検出マイク１３からの評価用騒音信号に基づいて騒音制御フィルタ部２２のフィルタ係数を調整する逆フィルタ演算部２５が含まれている。
【００３３】
ここで本実施形態における制御部２０の構成を図５に示す。制御部２０は、プリアンプやＡ／Ｄ変換器を含む前処理部２１、騒音制御フィルタ部２２、バンドパスフィルタ２３、Ｄ／Ａ変換器やアンプなどを含む駆動部２４を有する。前処理部２１は、騒音検出マイク１２及び誤差検出マイク１３の検出信号を後段の処理に適した形態に処理して出力する。
【００３４】
騒音検出マイク１２は、騒音発生源から発生する騒音を拾うためのいわゆるリファレンスマイクとして利用される。騒音制御フィルタ部２２は、騒音検出マイク１２で検出された騒音の音量が小さくなるように、騒音検出マイク１２からの検出信号に基づく騒音波形（定在波波形）とは逆位相の制御波形を示す制御信号を生成する。駆動部２４は騒音制御フィルタ部２２からの制御信号に基づいてスピーカ１１を駆動し、スピーカ１１から騒音波形と打ち消しあう制御波形を出力させる。
【００３５】
さらに、制御部２０は、騒音検出マイク１２で検出された騒音のうち、定在波の周波数成分のみを取り出すフィルタリング処理を行うバンドパスフィルタ２３を騒音制御フィルタ部２２と駆動部２４との間に備えている。より詳しくは、バンドパスフィルタ２３は、タワー２の高さ方向での基本周波数の倍数となる周波数のみを通し、それ以外の周波数成分を取り除くように構成されている。本実施形態においては、基本周波数が２．５Ｈｚであるため、２．５Ｈｚの倍数にあたる周波数のみを通すように構成されている。そして、バンドパスフィルタ２３でのフィルタリング処理により取り出した周波数成分の波形から、スピーカ１１に出力する消音用制御音を生成するように構成されている。このような構成とすることで、能動型消音ユニットが作用する周波数のみを効果的に打ち消すことができる。
【００３６】
ここで、バンドパスフィルタ２３は本発明における「フィルタリング手段」に相当する。
【００３７】
バンドパスフィルタ２３が通す周波数は、あらかじめ設定しておく他に、騒音検出マイク１２で検出した騒音信号の時系列変化に基づいて動的に設定しても構わない。すなわち、時系列で見て音圧のピーク値が大きくなっている周波数を、ピーク値が大きい順に複数個選択するように構成されていても構わない。例えば、本実施形態の場合、図３に白色破線で示すように、５Ｈｚ刻みで６０〜８０Ｈｚの周波数において大きなピーク値を示しているため、バンドパスフィルタ２３が通す周波数を、６０、６５、７０、７５、８０Ｈｚに設定すると良い。
【００３８】
制御部２０の適応制御で用いられる音響モデルは、騒音検出マイク（リファレンスマイク）２から誤差検出マイク（エラーマイク）４までの１次経路とスピーカ１１から誤差検出マイク（エラーマイク）４までの２次経路、スピーカ１１から騒音検出マイク（リファレンスマイク）２までのフィードバック経路を、伝達関数でモデル化したものである。このような消音適応制御の詳しい説明は、本願と同じ出願人による特開２０１１−１０７６７３号を参照することができる。
【００３９】
なお、本実施形態で用いている能動型消音ユニット１０は、騒音検出マイク（リファレンスマイク）１２の位置、スピーカ（消音音源）１１の位置、誤差検出マイク（エラーマイク）１３の位置に定在波の節がきている場合、誤差信号を十分に検出できずに十分な消音ができないことが実験的に確かめられている。このため、騒音検出マイク１２、スピーカ１１、誤差検出マイク１３を定在波の節を避けて配置することが重要である。
【００４０】
〔その他の実施形態〕
（１）上記実施形態においては、能動型消音ユニット１０がフィードバック制御を用いて消音用制御音を生成する場合の例を説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、能動型消音ユニット１０が、誤差検出マイク１３を備えず、公知のフィードフォワード制御によって消音用制御音をスピーカから出力するように構成しても構わない。
【００４１】
（２）上記実施形態においては、スピーカ１１及び騒音検出マイク１２が、タワー２の高さ方向の基本周波数の定在波の腹の位置に配置されている場合の例を説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、スピーカ１１及び騒音検出マイク１２が任意の場所に配置されていても構わない。
【００４２】
（３）上記実施形態においては、制御部２０がバンドパスフィルタ２３を備える場合の例を説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、制御部２０がバンドパスフィルタ２３を備えず、騒音検出マイク１２で検出した信号に基き、全周波数帯域に渡って騒音の波形とは逆位相の波形を生成するように構成されていても構わない。
【００４３】
（４）上記実施形態においては、制御部２０においてバンドパスフィルタ２３を騒音制御フィルタ部２２の前段に備える場合の例を説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、スピーカ１１に出力される制御波形の周波数成分が、タワー２内に高さ方向で発生する定在波の周波数成分のみとなるようにバンドパスフィルタ２３が備えられていれば良い。例えば、バンドパスフィルタ２３が騒音制御フィルタ部２２の後段に備えられていても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、中空円筒状のタワーと、当該タワー内に騒音を発生させる騒音発生源とを備えた風力発電装置に適応可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１        ：風力発電装置
２        ：タワー
７        ：増速機（騒音発生源）
８        ：発電機（騒音発生源）
１０      ：能動型消音ユニット
１１      ：スピーカ
１２      ：騒音検出マイク
２１      ：制御部（騒音低減手段）
２３      ：バンドパスフィルタ（フィルタリング手段）
【図１】
0005851193.tif 000002
【図２】
0005851193.tif 000003
【図４】
0005851193.tif 000004
【図５】
0005851193.tif 000005
【図３】
0005851193.tif 000006