(57)【要約】  衝突により電圧を発生する圧電素子（５１）と、前記圧電素子（５１）への衝突により発生した信号を検出する信号検出手段と前記信号検出手段により検出した信号から圧電素子への衝突位置を特定する処理手段とを備える衝突位置検出装置（５０）である。前記圧電素子（５１）が、長尺の圧電体（５１ｂ）と、前記圧電体（５１ｃ）の両面に積層された導電体（５１ａ、５１ｃ）と、これらの外周に被覆された被覆体（５１ｄ）とからなる長尺圧電素子（５１）であり、前記長尺圧電素子（５１）の先端から発生した先端信号と、前記長尺圧電素子（５１）の後端から発生した後端信号との双方を検出して、衝突位置を特定することができる。これを風車のブレードに配設すると、ブレードに衝突した鳥類の情報を検出することができる。
2013165011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
衝突により電圧を発生する圧電素子と、
前記圧電素子への衝突により発生した信号を検出する信号検出手段と、
前記信号検出手段により検出した信号から圧電素子への衝突位置を特定する処理手段とを備える衝突位置検出装置であって、
前記圧電素子が、長尺の圧電体と、前記圧電体が発生する信号を伝達する１対の導電体とを備える長尺圧電素子であり、
前記信号検出手段が、前記長尺圧電素子の先端から発生した先端信号と、前記長尺圧電素子の後端から発生した後端信号との双方を検出するものであり、
前記処理手段が、前記先端信号と後端信号との信号発生時間差から圧電素子の衝突位置を特定するものである、衝突位置検出装置。
【請求項２】
前記処理手段が、更に、前記先端信号と後端信号との信号強度に基づいて、衝突の強度を評価するものである、請求項１記載の衝突位置検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の衝突位置検出装置を備える風力発電装置であり、
前記圧電素子は風車のブレード内に配設され、
前記信号検出手段および処理手段によってブレードに衝突する衝突物の衝突位置を特定しうる、風力発電装置。
【請求項４】
請求項３記載の風力発電装置と受信装置とを備える風力発電システムであって、
前記受信装置は、受信部と制御部と記憶部とを備え、
前記受信部は、衝突位置検出装置から出力された信号情報を受信するものであり、
前記記憶部は、前記受信部が受信した信号情報と、前記信号情報と衝突物の種類とを対応付けた信号−衝撃物テーブルとを保存するものであり、
前記制御部は、前記記憶部に保存された前記信号情報と前記信号−衝撃物テーブルとを対比させてブレードに衝突した衝突物の種類を特定するものであることを特徴とする、風力発電システム。
【請求項５】
更に、前記衝突物に向けてレーザーを照射するレーザー照射手段を備える請求項４記載の風力発電システム。
【請求項６】
更に、前記衝突物に向けて音声を発生する音声発生装置を備える請求項４または５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、衝突位置検出装置、前記衝突位置検出装置を配設した風力発電装置および風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置では、回転するブレードを視認できなかった鳥類がブレードに衝突する事故が発生している。風力発電装置にダメージを与えるだけでなく、天然記念物の鳥類や、渡り鳥が風力発電装置のブレード部に衝突し、死亡する事例が一部で発見されている。しかしながら、衝突によって落下した鳥類は近隣の動物の餌となる場合が多く、鳥類衝突の実態を正確に把握する手段が存在しなかった。一方で、昨今の電力不足から、風力発電装置は地上だけでなく、海上にも建設が進んでおり、渡り鳥の飛行ルートに設置されやすいことと相俟って鳥類の被害が懸念される。しかしながら、実態把握が困難なため有効な対策を講じることが困難であった。【０００３】
そのような事故を防止するため、風力発電装置から距離の異なる位置に複数のラインセンサを配設し、該ラインセンサが、風力発電装置の遠い側から近い側に光が連続して遮られたことを検知することによって、鳥類の接近を検知する飛来物検知装置が知られている（特許文献１）。【０００４】
また、レーダのように、風力発電装置から、電磁波を発射して前方の飛来物や鳥類からの反射を捕らえて検出する方法もある。しかしながら、システムが複雑になり、高価なものになる。また、実際に衝突したかどうかの明確なデータにはなりえなかった。更に、風力発電装置の近くにカメラを設置して連続撮影しておき、飛来する物体を画像処理技術により処理する方法も考えられるが、膨大な撮影データを解析する必要があり、システムが複雑かつ高価になる。【０００５】
一方、圧電素子を使用して振動を検知する装置は既に存在する（特許文献２）。特許文献２は、基板に垂直にケーブル状圧電素子を配設した振動検知センサである。前記ケーブル状圧電素子は、芯電極とその周囲に配設された圧電体と、前記圧電体の周囲に配設された外側電極と、前記外側電極を被覆する被覆層とからなる。前記ケーブル状圧電子の端部に出力検出器を接続すれば、曲げ荷重が負荷された際の出力変化を検出することで振動を検知しうるという。なお、前記圧電素子の他端側は、前記芯電極の先端部近傍に断線検知抵抗が接続され、かつ芯電極の先端と前記外側電極とが導通しうるように導電樹脂により封止しされている。【０００６】
また、断面視円形の芯電極の外周に圧電体を被覆し、前記圧電体に外電極を被覆したケーブル状圧力センサであって、前記外電極が間隔をあけて配設された２つの外電極１と外電極２からなることを特徴とするセンサもある（特許文献３）。外電極に圧力が印加されるとその部分に電荷（Ｑ）が誘起され、この電荷は芯電極と外電極の静電容量（Ｃ）に蓄えられるため、振動電圧（Ｖｄ＝Ｑ／Ｃ）を振動電圧検出手段により検出することができる。外電極１に圧力が印加された場合は振動電圧検出手段１により、外電極２に圧力が印加された場合は振動電圧検出手段２により信号を検出させる。信号検出により、ケーブル状圧力センサの外電極１、外電極２のいずれに圧力が印加されたかがわかるという。【０００７】
また、断面視円形の芯電極に、圧電体、制御抵抗被膜層、ピエゾ抵抗膜層、電気伝導体層および外被層をそれぞれ被覆してなるセンサーケーブルもある（特許文献４）。電気伝導体と制御抵抗被膜層の間の抵抗、および芯電極と制御抵被膜層との間の電圧差をセンサーケーブルの両端で測定し、ケーブルの変形を検出するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２２８５５４号公報
【特許文献２】特開２００６−７８３９３号公報
【特許文献３】特開２０００−２３０８７２号公報
【特許文献４】米国特許第６５３４９９９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の飛来物検知装置では、鳥類以外の飛来物、例えばビニール袋などを誤って検知してしまう可能性がある一方、実際に衝突したのか、風力発電装置の近郊をとおり抜けたのかの判断が困難であった。特に、豪雪地帯などでは、雪の影響で正確に飛来する鳥類を捉えることが困難で、観測できる時間帯や季節が限定されるという問題があった。また、画像を取得する方式では、夜間の飛来を検出するために赤外線を使った映像システムなどを配備する必要があった。【００１０】
一方、風車のブレードに衝突位置検出手段を配設する方法も考えられる。しかしながら、前記特許文献２記載の振動検知センサは、ケーブル状圧電素子の振動を感知しうるが、振動位置を特定することができない。前記特許文献３記載のケーブル状圧力センサも同様であり、外電極１と外電極２とのいずれに圧力が印加されたかが判明するに過ぎず、衝突箇所を特定することが困難である。更に、前記特許文献４記載のセンサーケーブルは、制御抵抗被膜層とピエゾ抵抗膜層とが積層されている特殊なケーブルであり入手が容易でなく、かつ抵抗膜によって信号が減衰しやすく、高感度の信号受信を行うことができない。【００１１】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、衝突した場合に、簡便に衝突位置を特定しうる衝突位置検出装置を提供することを目的とする。【００１２】
更に、このような衝突位置検出装置を配設し、風車のブレードに鳥類が衝突した場合に、衝突位置を特定しうる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】
【００１３】
本発明者は、前記圧電体と、その両面に積層された導電体と、これらの外周に被覆された被覆体とからなる長尺圧電素子について詳細に検討した結果、衝撃などが負荷されると前記導電体間に圧電効果による起電力が生じること、前記起電力による電圧信号は、衝撃部分から圧電素子の先端部と後端部とにそれぞれ伝播されること、各端部までの伝播時間は衝撃部から端部までの距離に対応すること、従って、両端部の伝播時間の差を検出すれば、衝撃が印加された場所までの距離を算出しうることを見出し、本発明を完成させた。【００１４】
すなわち、本発明は、衝突により電圧を発生する圧電素子と、
前記圧電素子への衝突により発生した信号を検出する信号検出手段と、
前記信号検出手段により検出した信号から圧電素子への衝突位置を特定する処理手段とを備える衝突位置検出装置であって、
前記圧電素子が、長尺の圧電体と、前記圧電体が発生する信号を伝達する１対の導電体とを備える長尺圧電素子であり、
前記信号検出手段が、前記長尺圧電素子の先端から発生した先端信号と、前記長尺圧電素子の後端から発生した後端信号との双方を検出するものであり、
前記処理手段が、前記先端信号と後端信号との信号発生時間差から圧電素子の衝突位置を特定するものである、衝突位置検出装置を提供するものである。【００１５】
また本発明は、前記処理手段が、更に、前記先端信号と後端信号との信号強度に基づいて、衝突の強度を評価するものである、前記衝突位置検出装置を提供するものである。【００１６】
また本発明は、上記衝突位置検出装置を備える風力発電装置であり、
前記圧電素子は風車のブレード内に配設され、
前記信号検出手段および処理手段によってブレードに衝突する衝突物の衝突位置を特定しうる、風力発電装置を提供するものである。【００１７】
また本発明は、上記風力発電装置と受信装置とを備える風力発電システムであって、
前記受信装置は、受信部と制御部と記憶部とを備え、
前記受信部は、衝突位置検出装置から出力された信号情報を受信するものであり、
前記記憶部は、前記受信部が受信した信号情報と、前記信号情報と衝突物の種類とを対応付けた信号−衝撃物テーブルとを保存するものであり、
前記制御部は、前記記憶部に保存された前記信号情報と前記信号−衝撃物テーブルとを対比させてブレードに衝突した衝突物の種類を特定するものであることを特徴とする、風力発電システムを提供するものである。【００１８】
また本発明は、更に、前記衝突物に向けてレーザーを照射するレーザー照射手段を備える前記風力発電システムを提供するものである。【００１９】
また本発明は、更に、前記衝突物に向けて音声を発生する音声発生装置を備える前記風力発電システムを提供するものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の衝突位置検出装置によれば、簡便な構成で衝突した衝突位置を検出することができる。【００２１】
本発明の風力発電システムによれば、風車のブレードに衝突した衝突物の位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の衝突位置検出装置に使用する圧電素子を説明する図である。
【図２】本発明の衝突位置検出装置の概略を説明する図である。
【図３】本発明の衝突位置検出装置に使用する圧電素子からの信号処理回路のタイムチャート図である。
【図４】本発明の風力発電システムを説明するための図である。
【図５】本発明の風力発電装置の模式図である。
【図６】本発明の風力発電システムに係る受信装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の風力発電システムに係る受信装置の記憶部に保存されている信号−衝撃物テーブルである。
【図８】本発明の風力発電システムを説明するための図であって、円筒状のディフューザーおよびレーザー照射装置および音声発生装置を備えた風力発電システムを示す図である。
【図９】本発明の風力発電システムで使用する受信装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の第一は、衝突により電圧を発生する圧電素子と、前記圧電素子への衝突により発生した信号を検出する信号検出手段と前記信号検出手段により検出した信号から圧電素子への衝突位置を特定する処理手段とを備える衝突位置検出装置であって、前記圧電素子が、長尺の圧電体と、前記圧電体が発生する信号を伝達する１対の導電体とを備える長尺圧電素子であり、前記信号検出手段が、前記長尺圧電素子の先端から発生した先端信号と、前記長尺圧電素子の後端から発生した後端信号との双方を検出するものであり、前記処理手段が、前記先端信号と後端信号との信号発生時間差から圧電素子の衝突位置を特定するものである、衝突位置検出装置である。
【００２４】
本発明で使用する圧電素子５１は、長尺の圧電体と、前記圧電体が発生する信号を伝達する１対の導電体とを備えるものであり、更にこの外周を被覆体で被覆したものであってもよい。前記圧電体に配設された一対の導電体は、それぞれ「電極」として機能する。便宜のため、衝突物が衝突する側の導電体を外部導電体５１ｃと称し、他の導電体をグランド導電体５１ａと称する。ただし、一対の電極のいずれを外部導電体５１ｃとし、他をグランド導電体５１ａとしてもよい。前記グランド導電体５１ａと外部導電体５１ｃとは接触することなく圧電体５１ｂに配設される。従って、例えば図１（ａ）に示すように、長尺板状の圧電体５１ｂの両面にそれぞれ導電体５１ａと５１ｃとを積層し、更にその外周を保護被覆５１ｄで被覆したものなどを使用することができる。圧電体５１ｂの形状は長尺板状に限定されるものではなく、例えばケーブル状であってもよい。図１（ｂ）に、グランド導電体５１ａがケーブル状であり、その外周に順次、圧電体５１ｂと、外部導電体５１ｃと、保護被覆５１ｄとを同軸ケーブル状に形成したケーブルセンサ状の圧電素子５１の態様を示す。更に、外部導電体５１ｃの形状も板状に限定されるものではなく、圧電体５１ｂを被覆する筒状や膜状であってもよい。従って、絶縁層５１ｅで被覆されたケーブル状のグランド導電体５１ａに、外部導電体５１ｃで被覆された圧電体５１ｂを積層または巻回し、その外周を保護被覆５１ｄで被覆したものであってもよい。図１（ｃ）に絶縁層５１ｅで被覆されたケーブル状のグランド導電体５１ａに、圧電体５１ｂを外部導電体５１ｃで被覆した被覆圧電体Ａを巻回し、その外周を保護被覆５１ｄで被覆した圧電素子５１を示す。
【００２５】
グランド導電体５１ａおよび外部導電体５１ｃは、電極として機能しうる部材で構成され、好ましくは銅、錫、銀、アルミニウムなどの金属であり、軟銅線、錫メッキ軟銅線、銀メッキ軟銅線、銅線に銀合金がコイル状に巻き付いたものなどを使用することができる。また、圧電体５１ｂは、圧力が加えられると電圧を発生する誘電体である。例えば、ポリフッ化ビニリデンやポリフッ化ビニリデンと他の樹脂との混合物、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとの共重合体、その他の高分子圧電体；チタン酸鉛やジルコン酸鉛、これらの混晶であるチタン酸鉛ジルコン酸鉛、前記化合物をゴムや樹脂、その他に添加してなる複合体や圧電性セラミックスなどを使用することができる。また、絶縁層５１ｅや保護被覆５１ｄとしては、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの合成樹脂を好適に使用することができる。圧電体、導電体および被膜体の形状は、板状のほか、箔状、薄膜状、ケーブル状、編み込みネット状など最終的な長尺圧電素子の形状に応じて適宜選択することができる。例えば、圧電素子が同軸ケーブル状の場合には、グランド導電体５１ａとして軟銅線を好適に使用することができ、ポリフッ化ビニリデンで前記軟銅線を被覆して圧電体５１ｂとし、その外周を編組み軟銅線で被覆して外部導電体５１ｃとし、その外周を合成樹脂膜で被覆して保護被覆５１ｄとしたものを好適に使用することができる。外部導電体５１ｃを軟銅による編組み銅線で構成することで、衝撃後の復元力を確保することができる。なお、保護被覆５１ｄとしてポリ塩化ビニル、ポリエチレンを使用すれば、圧電素子５１に柔軟性を付与でき、曲面状に沿わせて配設することが容易となる。更に、適度の弾力性を備えているため、衝撃後も短時間に形状が復旧する。
【００２６】
更に、本発明で使用する圧電素子５１の断面積（保護被覆５１ｄの内側面積）は１〜１００ｍｍ２であることが好ましく、より好ましくは２〜７０ｍｍ２である。本発明では、圧電素子５１から電圧を検出するが、大きな電流を取り出す必要はない。上記範囲で圧電体５１ｂを厚くして信号強度を確保でき、しかも小型軽量であるため配設も容易に行うことができる。また、圧電素子５１の長さは、５〜２０００ｍが好ましく、より好ましくは１０〜１５００ｍである。この範囲で、衝突位置を精度よく検出することができる。
【００２７】
本発明の衝突位置検出装置は、圧電素子５１からの信号を検出する。便宜のため、前記圧電素子５１のいずれか一端を先端と称し、他端を後端と称する。本発明の衝突位置検出装置５０の概略を図２に示す。圧電素子５１の前記先端のグランド導電体５１ａと外部導電体５１ｃとは、ケーブル５２を介してパルス波形整形回路５５に連接される。圧電素子５１の先端からの信号は、パルス波形整形回路５５入力され、次いでオペレーションアンプ５６ａにより増幅される。後端からの信号も同様であり、グランド導電体５１ａと外部導電体５１ｃとはケーブル５２を介してパルス波形整形回路５５に連接され、パルス波形整形回路５５に入力された信号は、オペレーションアンプ５６ｂにより増幅される。
【００２８】
前記パルス波形整形回路５５は、整流ダイオード５５ａと平滑用コンデンサ５５ｂとを有し、圧電素子５１側からの電流を整形されたパルス信号に変換する回路であり、本発明における信号検出手段に該当する。オペレーションアンプ５６ａ、５６ｂは、マイクロコンピュータ５８に電気的に接続されている。マイクロコンピュータ５８は処理手段に該当し、入出力回路５８ａと、ＣＰＵ５８ｂと、記憶部５８ｃと、タイマー回路５８ｄと、を有している。入出力回路５８ａは、オペレーションアンプ５６ａ、５６ｂから入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換したり、例えば、記憶部５８ｃに保存された演算結果などの情報（電気信号）を図示しない無線変換装置などに出力するＡ／Ｄ変換器で構成することができる。ＣＰＵ５８ｂは、記憶部５８ｃ内のプログラムに応じて、マイクロコンピュータ５８の動作を制御する中央演算処理装置である。記憶部５８ｃは、ＣＰＵ５８ｂが演算した結果などを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、プログラムやデータが記憶されているＲＯＭ（Read Only Memory）と、を備えるメモリである。タイマー回路５８ｄは、ＣＰＵ５８ｂの指示に従ってカウントを開始しまたは終了する回路である。
【００２９】
圧電素子５１に衝撃が加わると、グランド導電体５１ａと外部導電体５１ｃとの間に圧電効果による起電力が生じ、前記起電力による電圧信号は、衝撃部から圧電素子５１の先端と後端とにそれぞれ伝播される。前記パルス波形整形回路５５で検出される圧電素子５１の先端および後端からの電流ピークは、衝撃部から各端部までの距離に応じた時間差を有する。図３に、横軸を時間軸、縦軸を電圧軸とし、圧電素子５１の先端からの信号と、後端からの信号との電位の変化を示す。圧電素子５１への衝突物Ｐの衝突により先端からＴａ時に電位が上昇する信号が受信され、後端からＴｂ時に電位が上昇する信号が受信される。それぞれの信号はオペレーションアンプ５６ａ、５６ｂで波形整形された後にマイクロコンピュータ５８に入力される。マイクロコンピュータ５８では、タイマー回路５８ｄにより前記した信号発生時であるＴａおよびＴｂを特定し、ＣＰＵ５８ｂによってＴａ−Ｔｂの絶対値を算出する。これらの情報と圧電素子５１の信号伝達速度とから衝撃位置を演算することができる。
【００３０】
例えば、圧電素子５１の長さが５０ｍであり、圧電素子５１の全長を２００ミリ秒で信号が伝播する場合、｜Ｔａ−Ｔｂ｜がゼロであれば、衝突物が圧電素子５１の略中央、すなわち先端から２５ｍの位置に衝突したと算出することができる。一方、Ｔａ＜Ｔｂであって｜Ｔａ−Ｔｂ｜が２００ミリ秒の場合は、圧電素子５１の先端に衝突したと算出することができる。
【００３１】
なお、記憶部５８ｃに、予め、Ｔａ、Ｔｂ、｜Ｔａ−Ｔｂ｜と圧電素子５１の衝撃位置との相関を示す信号−衝突位置テーブルを保存してもよい。Ｔａ、Ｔｂおよび｜Ｔａ−Ｔｂ｜を算出し、前記信号−衝突位置テーブルと対応させることで圧電素子５１のどの位置に衝撃が発生したかを検知することができる。なお、Ｖｔｈは、オペレーショナルアンプ５６ａ、５６ｂでの閾値を示しており、オペレーションアンプ５６ａ、５６ｂのコンパレータ機能でＶｔｈ以下の信号をカットするなどの設定を行えば、一定以下の信号は計測しないように構成することができる。
【００３２】
また、前記信号の計測は、計測回路に基準となるタイミング発生回路を配設し、これを基準としてパルス発生時間を計測してもよいし、Ｔａ時、Ｔｂ時のいずれかの信号が入力されたことを、マイクロコンピュータ５８の割り込み信号として入力し、これをきっかけとして、｜Ｔａ−Ｔｂ｜を計測するように構成してもよい。本発明によれば、圧電素子５１の長さが５ｍ以上であれば、十分に両端での信号遅延差を計測することができる。
【００３３】
なお、Ｖａは先端信号の信号強度を、Ｖｂは後端信号の信号強度を示しており、この信号強度を計測することで、衝撃の大きさを知ることができる。圧電素子５１内で信号の減衰が発生しない場合は、ＶａとＶｂとは同じ値となる。一方、減衰によってＶａとＶｂとが異なる場合には、双方を計測しいずれか大きい方の値を記録することが好ましい。ただし、ＶａとＶｂとの双方を記録し、またはＶａとＶｂとの平均を記録してもよい。
【００３４】
本発明の衝突位置検出装置は、先端または後端から信号をパルス波形整形回路５５に入力するケーブル５２のいずれかに、更に平滑用コンデンサ５５ｂを含めても良い。図２では、圧電素子５１の先端のグランド導電体５１ａに連設されるケーブルの一部に平滑用コンデンサ５５ｂが配設される態様を示す。平滑用コンデンサ５５ｂの配設により圧電素子５１からの衝撃信号がパルス波形整形回路５５に入力される時間を数ｍＳｅｃから数十ｍＳｅｃの範囲で遅延させることができ、処理速度が遅いマイクロコンピュータ５８を用いても｜Ｔａ−Ｔｂ｜を算出し、および前記｜Ｔａ−Ｔｂ｜から圧電素子５１上の衝撃部を特定することができる。光やレーザ反射の計測回路と異なり、高速の精密な信号処理が不要であり、安価な構成のハードウエアで本発明を実現することができる。なお、前記した信号−衝突位置テーブルを保存する場合は、付加的な平滑用コンデンサを含む場合の｜Ｔａ−Ｔｂ｜に基づいて、衝突位置が特定される。
【００３５】
なお、測定した圧電素子５１の先端からの信号受信時Ｔａ、同後端からの信号受信時Ｔｂ、ＶａとＶｂ、算出した｜Ｔａ−Ｔｂ｜、圧電素子５１の衝撃位置などの情報は、記憶部５８ｃに保存される。
【００３６】
本発明の衝突位置検出装置５０は、長尺圧電素子５１を使用するため、このような圧電素子５１を外部からの侵入者の侵入位置に張り巡らせると、侵入場所を検出することができ、セキュリティーシステムの一部として使用することができる。従来は、ワイヤーを張り巡らせた場合に、ワイヤーの切断を信号として受信するものやワイヤーのいずれかに生じた電位変化を受信するものがあり、侵入箇所を特定するには、複数のワイヤーを配設する必要があった。しかしながら、本発明ではワイヤー状の圧電素子を使用してその先端と後端の電位変化を評価することで衝突箇所を特定できるため、１本の長尺の圧電素子５１を配設するだけで、侵入箇所を特定することができる。
【００３７】
本発明の衝突位置検出装置５０は、前記長尺圧電素子５１を使用し、当該長尺圧電素子５１に衝突した衝突力を電気的に測定し、衝突位置を特定しうるものである。直接、圧電素子５１に衝突物が衝突した際の電圧を測定するため他のノイズの影響を抑制することができ、感度にも優れる。従って、例えば多くの流体などが移送されるパイプラインを含むプラントなどにおいて、圧電素子５１をパイプラインに沿わせて配設し、パイプラインの破損などに伴って発生する音響を振動として捉え、破損箇所を特定することもできる。一方、検出感度を低下させて僅かの振動が検出されないように制御し、森や民家などの地中に圧電素子５１を埋設し、圧電素子５１に一定以上の圧が負荷された場合の信号のみを受信するように調整し、信号の検出を害獣などの侵入として検知することもできる。
【００３８】
なお、本発明の衝突位置検出装置５０は、圧電素子５１の切断状況を検出するために、定期的に微弱な衝撃を圧電素子５１に付与し、発生したテストパルスを受信する機構を併設させることができる。例えば、圧電素子５１にテストパルスを送信し、末端部から反射信号のレベルをモニターすれば、圧電素子５１の劣化や切断状況を監視することができる。腐食などで劣化が生じた場合は信号特性も低下するため、上記により簡便に圧電素子５１の状況を監視することができる。テストパスルを受信できない場合は切断状態と判断することができる。
【００３９】
更に、本発明の衝突位置検出装置５０には、温度センサーや威嚇音発生装置などを連設することができる。例えば、温度センサーを配設した場合には、衝撃と温度との双方を感知させ、ダクト内の火災発生なども容易に検出することができ、安価な火災検出システムを構築することができる。更に、威嚇音発生装置を併設する場合には、例えば信号受信時を害獣侵入時として特定しうることを条件に、信号受信時に威嚇音を発生させることもできる。
【００４０】
本発明の第二は、前記衝突位置検出装置を備える風力発電装置であり、前記圧電素子は風車のブレード内に配設され、前記信号検出手段および処理手段によってブレードに衝突する衝突物の衝突位置を特定しうる、風力発電装置である。また、本発明の第三は、前記風力発電装置と受信装置とを備える風力発電システムであって、前記受信装置は、受信部と制御部と記憶部とを備え、前記受信部は、衝突位置検出装置から出力された信号情報を受信するものであり、前記記憶部は、前記受信部が受信した信号情報と、前記信号情報と衝突物の種類とを対応付けた信号−衝撃物テーブルとを保存するものであり、前記制御部は、前記記憶部に保存された前記信号情報と前記信号−衝撃物テーブルとを対比させてブレードに衝突した衝突物の種類を特定するものであることを特徴とする、風力発電システムである。
【００４１】
図４に示すように、本発明の実施の形態に係る風力発電システム１００は、地表面Ｇに設置された鉄筋コンクリート製の基礎１２上に立設されるタワー１１と、このタワー１１の上端部に設置されるナセル２０と、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能に支持されてナセル２０の前端部側に設けられるハブ３０とからなる風力発電装置１０と、受信装置８０とを備える。図５に示すように、前記風力発電装置１０には前記衝突位置検出装置５０が配設されている。圧電素子５１をブレード４０に配設することで、衝撃物として鳥類がブレード４０に衝突した際の電圧を検出し、ブレード４０への衝突状態を検出することができる。
【００４２】
前記タワー１１は、例えば鋼などの金属で筒状に形成されている。タワー１１の内部には、外部の風雨に晒すことができない電気機器などが配設されている。ナセル２０は、筒状に形成され、その内部には、増速用の変速ギア２１と、発電機２２とが配設されている。
【００４３】
ハブ３０は、放射方向に延びる複数枚（例えば３枚）のブレード４０を有している。ブレード４０は、衝撃による振動を伝えることができる所定の硬さを有する材料、例えばＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）や繊維強化複合材料などから中空状に形成されている。
【００４４】
ハブ３０のナセル２０側には、ナセル２０の内部に延びるローター軸２３が接続されている。ローター軸２３の他端は、ナセル２０内の増速用の変速ギア２１に接続されている。変速ギア２１には、動力伝達軸２４が接続されている。また、動力伝達軸２４の他端は発電機２２に接続されている。
【００４５】
以上のように構成された風力発電装置１０では、風がブレード４０に当たりハブ３０が回転すると、ハブ３０の回転がローター軸２３に伝動される。次いで、ローター軸２３の回転によって変速ギア２１が回転し、動力伝達軸２４を介して発電機２２を駆動して発電が行われる。発電された電力は、図示しないケーブルによって、タワー１１の内部の電気機器に送られる。
【００４６】
なお、ナセル２０は、ブレード４０と共に、タワー１１の上端において水平方向に旋回することができ、図示しない駆動装置と制御装置により、常に風上方向に指向して効率良く発電できるように制御されている。
【００４７】
以下、ブレード４０に衝突物が衝突したことを検出する衝突位置検出装置５０について説明する。
【００４８】
本発明の風力発電装置１０や風力発電システム１００で使用する圧電素子５１は、圧電体５１ｂに衝撃を受けると、グランド導電体５１ａと外部導電体５１ｃとの間の圧電効果により電圧を発生させる。その際の発生電圧量は、圧電素子５１に質量１００ｇの物体を高さ３０ｃｍから落下させたときに、１００〜２００Ｖであることが好適である。この範囲であれば、風などの弱い衝撃の場合に電圧を発生させなることがなく、鳥類の衝撃を精度よく検出しうるからである。このような感度に制御するには、圧電体を構成する圧電材料の選択、特に、圧電材料中のポリフッ化ビニリデンやジルコンチタン酸鉛などの含有量の調整、圧電体の厚さの調整などによって行うことができる。また、市販のセンサケーブルなどの中から、上記感度のものを選択して使用してもよい。上記感度であれば、軽微な振動では低電圧か、またはほとんど電圧を発生しないように、圧電素子５１自体に信号フィルタの機能を担保し、一定以上の衝撃に対してのみ反応させることができる。これにより、砂塵やごみなどの小さな衝撃による信号は、圧電素子５１のフィルタ特性でカットされる。なお、入力のオペレーションアンプ５６ａ、５６ｂのコンパレータ機能でＶｔｈ以下の信号をカットし、衝突物以外の小さな衝撃が検出されないように調整し、鳥類の衝突に対する信号精度を向上させることもできる。Ｖｔｈの設定は、風力発電システム１００を設置する環境に応じて適宜選択することができる。
【００４９】
図５に示すように、衝突位置検出装置５０は、圧電素子５１と、２つのパルス波形整形回路５５からなる信号検出手段と、マイクロコンピュータ５８からなる処理手段とを備えている。ブレード４０の先端側の圧電素子５１のグランド導電体５１ａと外部導電体５１ｃとはそれぞれケーブル５２に連接され、信号は、回転コイル５３ａと固定コイル５３ｂとからなる第１の回転トランス５３を介してパルス波形整形回路５５に入力され、次いで、入力信号がオペレーションアンプ５６ａにより増幅される。同様に、ブレード４０のハブ３０側の圧電素子５１のグランド導電体５１ａと外部導電体５１ｃもそれぞれケーブル５２に連接され、回転コイル５４ａと固定コイル５４ｂとからなる第２の回転トランス５４を介してパルス波形整形回路５５ｂに入力され、次いで、入力信号がオペレーションアンプ５６ｂにより増幅される。
【００５０】
オペレーションアンプ５６ａ、５６ｂにより増幅された信号は、それぞれマイクロコンピュータ５８からなる処理手段に入力され、前記衝突位置検出装置５０の項で説明したように、信号受信時であるＴａ、Ｔｂ、および信号伝達の差である｜Ｔａ−Ｔｂ｜を算出し、これらの数値に基づいて圧電素子５１の衝突位置、ひいてはブレード４０の衝突位置を特定することができる。
【００５１】
なお、ＣＰＵ５８ｂは、マイクロコンピュータ５８に入力された圧電素子５１の後端側からの信号と先端側からの信号のうち、衝突Ｐにより発生し、先端または後端から伝達される信号のうち、早く到達した信号を第１の衝突信号とし、遅く到達した信号を第２の衝突信号としてもよい。第１の衝突信号が入力された場合にタイマー回路５８ｄによる計時を開始させ、遅く到達した第２の衝突信号が入力されるまでの時間を測定する。この場合、第２の衝突信号が入力されるとタイマー回路５８ｄによる計時が停止されるように設定する。
【００５２】
なお、本発明で使用する圧電素子５１は、一般に、長さ５０ｍを１５０〜３００ミリ秒で信号を伝達することができる。この伝達速度は、レーザー光などの伝達時間と比較すると遅いため｜Ｔａ−Ｔｂ｜が大きく、このため高感度に｜Ｔａ−Ｔｂ｜を検出することができる。更に図５に示すように、圧電素子５１のハブ３０側の信号伝達回路に平滑用コンデンサ５５ｂを配設することで信号差｜Ｔａ−Ｔｂ｜を更に大きくすることができる。これにより、汎用コンピューターを使用し、簡便かつ安価な構成で本発明を実施することができる。なお、図５と相異して、圧電素子５１のブレード４０の先端側の信号伝達回路に平滑用コンデンサ５５ｂを配設してもよい。
【００５３】
本発明では、マイクロコンピュータ５８から出力された信号を、受信装置８０に送信する無線変換装置５９が配設されている。受信装置８０は、図６に示すように、受信部８１と、制御部８２とを備えている。
【００５４】
前記受信部８１では、無線変換装置５９の送信方法に対応した受信処理を行う。例えば、前記無線変換装置５９は、電池で駆動する微弱無線モジュールで形成されているものを使用することができる。
【００５５】
無線変換装置５９が微弱無線モジュールで形成される場合にはスペクトラム拡散通信を行うことができる。スペクトラム拡散通信では、送信側で拡散符号を用いて搬送波を変調（拡散）してから送信するが、その際、伝送遅延時間分だけ前記拡散符号の位相をシフトして同期させて受信信号に乗算し、受信側では前記拡散符号を伝送遅延時間分だけ位相シフトして逆拡散する。伝送遅延時間が不明の状態で受信を成功させるには、拡散符号を少しずつスライドさせながら逆拡散操作の試行を繰り返し、例えば、拡散符号に与えるべきシフト量として、試行ステップ毎に１チップ（拡散符号の最低時間単位）時間分ずつ増やしていき、その後、再現された搬送波が有為レベルにあるかどうかによって、受信の成否を判定する同期検出方法を採用することができる。
【００５６】
また、他の同期検出方法として、受信信号搬送波の位相変化点を用いる方法でもよい。時系列に並べた位相変化点と、予め作成した１チップ時間分の拡散符号を反転させたものとを比較し、位相変化点と拡散符号とのズレ量（シフト量）の候補を計算する。ズレ量の候補毎に求められる逆拡散符号で逆拡散を試行し、復調が成功したか否かの判定を行う。この方法によれば、予め推定した逆拡散符号で逆拡散するので、受信信号を高速で同期することができる。更に、時系列に並べた位相変化点を、１チップ時間分の拡散符号を反転させたものと比較するため、受信信号の中にノイズによる短い位相変化点が含まれている場合でも、その位相変化点を１チップ時間の整数倍で出現する位相変化点として検出することがない。そのため、風力発電装置のように大きなノイズが発生する装置に配設された場合でも、ノイズに影響されることがない。
【００５７】
マイクロコンピュータ５８に入力されたＴａ、Ｔｂ、｜Ｔａ−Ｔｂ｜、ＶａとＶｂ、衝突位置などの情報は、無線変換装置５９から送信され、受信部８１で受信される。
【００５８】
制御部８２は、記憶部８３に保存されたプログラムに応じて、受信装置８０の動作を制御する中央演算処理装置である。受信部８１が受信した前記信号情報は、記憶部８３に保存される。
【００５９】
記憶部８３には、更に、圧電素子５１が発生する信号情報と前記信号情報に対応する衝撃物との相関を示す信号−衝撃物テーブル８４が保存されている。信号情報としては、測定電圧や電圧変化時間などの信号強度があり、衝撃物としては、鳥類名がある。信号−衝撃物テーブル８４には、季節や時間などの項目を含めてもよい。なお、信号−衝撃物テーブル８４は、風力発電装置１０が配設される地域毎に作成されることが好ましい。地域によって衝突物が相違する場合があるからである。信号−衝撃物テーブル８４の一例を図７に示す。
【００６０】
以上のように構成された風力発電システム１００は、以下のように動作する。
まず、図４に示す風力発電装置１０の運用が開始されて、風がブレード４０に当たると、ハブ３０がローター軸２３を中心に回転する。高速で回転しているブレード４０を視認することができなかった鳥類が衝突物として風力発電装置１０に接近しブレード４０に衝突する。
【００６１】
鳥類がブレード４０に衝突することによって、圧電素子５１は直接的または間接的に衝撃を受け、電圧を発生させる。そして、電流が、圧電素子５１の先端側および後端側までそれぞれ伝播する。なお、ブレード４０は、衝撃による振動を伝えることができる所定の硬さを有する材料で形成されているので、衝突物が圧電素子５１に直接衝突しなくても、ブレード４０が振動することで圧電素子５１は電圧を発生させることができる。
【００６２】
圧電素子５１の端部に到達した電流は、それぞれケーブル５２を介して、第１の回転トランス５３および第２の回転トランス５４に伝播し、第１の回転トランス５３および第２の回転トランス５４に到達した電流は、それぞれパルス波形整形回路５５で整形されたパルス信号に変換される。パルス波形整形回路５５で整形されたパルス信号は、それぞれオペレーションアンプ５６ａ、５６ｂで増幅される。
【００６３】
オペレーションアンプ５６ａ、５６ｂで増幅されたアナログ信号信号は、マイクロコンピュータ５８に出力され、次いでマイクロコンピュータ５８の入出力回路５８ａでデジタル信号に変換される。
【００６４】
マイクロコンピュータ５８は、前記衝突位置検出装置の項で記載したように、圧電素子５１の先端からの信号発生時Ｔａおよび後端からの信号発生時Ｔｂを測定および保存し、前記ＴａとＴｂの信号強度であるＶａおよびＶｂを測定および保存し、ＴａとＴｂとの絶対値を算出し、衝突位置の特定を行い、これらの情報を記憶部５８ｃに保存している。これらの情報は、無線変換装置５９を介して受信装置８０に送信される。
【００６５】
受信部８１で受信した情報は、復調後、少なくとも、｜Ｔａ−Ｔｂ｜に関する時間差情報Ａ、前記ＴａまたはＴｂの間で先に発生した信号（第１の衝突信号）に関する衝突情報Ｂ、第１の衝突信号が入力された日時に関する日時情報Ｃ、第１の衝突信号の信号強度に関する信号強度情報Ｄ、衝撃位置の情報に関する衝突位置情報Ｅなどを、制御部８２に配設される記憶部８３に保存する。前記第１の衝突信号の各情報に変えて、ＴａおよびＴｂなどの情報を使用してもよい。
【００６６】
制御部８２は、予め記憶部８３に保存された信号−衝撃物テーブル８４と、受信装置８０が受信した日時情報Ｃ、信号強度情報Ｄとを対比し、衝撃物を特定することができる。例えば、入力された日時情報Ｃが１月、信号強度情報Ｄが２５０Ｖである場合、制御部８２は、信号−衝撃物テーブル８４を参照して、衝突物として鳥名ＢＢＢＢを抽出することができる。また、入力された日時情報が３月、信号強度情報Ｄが３５０Ｖである場合、制御部８２は、信号−衝撃物テーブル８４を参照して、衝突物として鳥名ＤＤＤＤを抽出することができる。なお、信号−衝撃物テーブル８４は、更に細かく分類されていてもよい。例えば、０〜６時、６〜１２時、１２〜１８時、１８〜２４時など、時間毎に分類されていてもよい。鳥類の大きさ、飛来時間、季節などの情報は、鳥類の研究により、ある程度把握されているため、これらの情報と比較することで、衝突した鳥類をほぼ特定することができる。なお、受信装置８０に表示装置が配設される場合には、衝突物がブレード４０に衝突した位置を上記衝突位置情報Ｅに基づいて表示装置に表示させてもよい。更に、特定された衝突物の情報を表示装置に表示させてもよい。本発明の風力発電システム１００は、簡便な機構で稼働中に衝突する衝突物を特定することができる。
【００６７】
本発明では、複数の風力発電装置からの衝撃データを集計することで、風力発電装置に衝突する鳥類などの状況を世界的な規模で把握することができる。このデータに基づき、衝突を回避しうる風力発電装置の立地条件を特定することができる。これにより、環境保全に寄与する。しかも、本発明のシステムは、電磁波を使わないため、鳥類や近隣の住民に対する影響がなく、環境に対する負荷が少ない。
【００６８】
本発明の風力発電システム１００は、受信装置８０に保存された衝突位置情報Ｅを用いて、衝突物に向けて鳥類忌避手段を講ずることができ、これによって新たな衝突を回避することができる。例えば、図８に示すように、衝突物に向けてレーザーを照射するレーザー照射手段９０、９１や、衝突物に向けて音声を発生する音声発生装置９５、９６などの鳥類忌避手段を配設することができる。なお、構成する風力発電装置１０は、ブレード４０に向かう風速を増加させるため、ブレード４０の周りに円筒状のディフューザー１１０を備えてもよい。図８では、前記レーザー照射装置９０が地表面Ｇに、レーザー照射装置９１がディフューザー１１０に配設される態様を示す。また、音声発生装置９５、９６は、鳥が嫌がる音声を発生させる装置であり、図８では、音声発生装置９５が地表面Ｇに、音声発生装置９６がディフューザー１１０に配設される態様を示す。前記レーザー照射装置９０、９１や音声発生装置９５、９６の制御は、ＯＮ−ＯＦＦ制御のみならず、レーザー照射装置９０、９１で、種々の色や光量のレーザーを照射するように制御してもよく、衝突した鳥類の種類に応じて色や光量を変更できるようにしてもよい。更に、音声発生装置９５、９６から種々の周波数や音量を発生させ、飛来する鳥類の衝突を回避してもよい。レーザー照射装置９０、９１に限定されず、発光ダイオードを有する照明装置が配設されてもよい。
【００６９】
鳥類忌避手段を配設する風力発電システム１００として、例えば図９に示すように、受信装置８０に受信部８１と制御部８２とに送信部８５を含めることができる。例えば、受信装置８０に新たに衝突位置情報Ｅが保存されると、制御部８２から送信部８５に、レーザー照射装置９０、９１および／または音声発生装置９５、９６をＯＮ−ＯＦＦ制御するための操作信号が出力されるように設定する。例えば、いずれかのブレード４０に鳥類が衝突すると、衝突位置検出装置５０によって、Ｔａ、Ｔｂ、｜Ｔａ−Ｔｂ｜、衝突位置情報が特定され、処理手段であるマイクロコンピューター５８の記憶部５８ｃに保存される。この情報が無線変換装置５９を介して受信装置８０に送信され、記憶部８３に保存される。新たな衝撃によって衝突位置情報Ｅが更新されると、制御部８２から衝突位置に向けてレーザー照射装置９０、９１および／または音声発生装置９５、９６をＯＮし、所定の時間の経過後にこれら装置をＯＦＦに戻す操作信号が出力される。渡り鳥などが群れをなして飛来する場合、最初の衝突を感知した後に鳥類忌避手段を講ずることで、新たな衝突を回避することができる。
【００７０】
本発明の風力発電システム１００は、鳥類忌避手段として、風力発電装置１０のハブ３０を透明部材で構成し、ハブ３０の内部に映写機を収納させ、映写機から透明部材に向けて猛禽類の映像を投射させてもよい。猛禽類の映像はハブ３０表面に投影され、透明部材を介して外部から映像を目視することができる。ブレード４０に近寄った鳥類が、ハブ３０から投影される猛禽類の映像を視認することで、ハブ３０やブレード４０への接近を回避させることができる。なお、映像は猛禽類に限定されず、鳥類が接近を忌避するものであれば、広く対象とすることができる。このような映像の投影は、受信装置８０に新たに衝突位置情報Ｅが保存された場合に、制御部８２から送信部８５に、映像を所定時間、投影させる指示情報を送信させることで実施することができる。
【００７１】
複数の風力発電システム１００によってウィンドファームを構成する場合には、ある風力発電システム１００に配設されている衝突位置検出装置５０が鳥類の衝突を検知した場合に、他の風力発電システム１００にその情報を通信し、これら風力発電システム１００のブレード４０の回転を止めるように構成してもよいし、他の風力発電システム１００のレーザー照射装置および音声発生装置をＯＮ−ＯＦＦ制御しうるように構成してもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。また、上述した実施形態の各構成要素を自由に組み合わせることも可能である。
【００７２】
本発明は２０１２年５月１日に出願された日本国特許出願２０１２−１０４４９０号に基づく。本明細書中に日本国特許出願２０１２−１０４４９０号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
【符号の説明】
【００７３】
１０：風力発電装置、１１：タワー、１２：基礎、１５：照明装置、２０：ナセル、２１：変速ギア、２２：発電機、２３：ローター軸、２４：動力伝達軸、３０：ハブ、４０：ブレード、５０：衝突位置検出装置、５１：圧電素子、５１ａ：グランド導電体、５１ｂ：圧電体、５１ｃ：外部導電体、５１ｄ：保護被覆、５１ｅ：絶縁層、５２：ケーブル、５３：第１の回転トランス、５３ａ：回転コイル、５３ｂ：固定コイル、５４：第２の回転トランス、５４ａ：回転コイル、５４ｂ：固定コイル、５５：パルス波形整形回路、５５ａ：整流ダイオード、５５ｂ：平滑用コンデンサ、５６ａ、５６ｂ：オペレーションアンプ、５８：マイクロコンピュータ、５８ａ：入出力回路、５８ｂ：ＣＰＵ、５８ｃ：記憶部、５８ｄ：タイマー回路、５９：無線変換装置、８０：受信装置、８１：受信部、８２：制御部、８３：記憶部、８４：信号−衝撃物テーブル、８５：送信部、９０、９１：レーザー照射装置、９５、９６：音声発生装置、１００：風力発電システム、１１０：ディフューザー
【図１】
2013165011.tif 000003
【図２】
2013165011.tif 000004
【図３】
2013165011.tif 000005
【図４】
2013165011.tif 000006
【図５】
2013165011.tif 000007
【図６】
2013165011.tif 000008
【図７】
2013165011.tif 000009
【図８】
2013165011.tif 000010
【図９】
2013165011.tif 000011
【国際調査報告】
2013165011.tif 000012
2013165011.tif 000013
2013165011.tif 000014
2013165011.tif 000015