(57)【要約】【課題】      強風時の風車の回転数の上昇を機械的機構を用いることなく抑制して機械的故障を大幅に減少させ、メンテナンスフリーとした中小型風力発電装置を提供する。【解決手段】  風車羽根をアルミニューム合金薄板および逆対称構造を有するＣＦＲＰの積層材料からスマートブレード１として構成する。スマートブレード１に、強風時の過剰電流を流し、ジュール加熱して、負荷を増大させることにより回転数を抑制する。さらに風速が増加し、空冷により消費しきれない余剰電流を生ずるようになれば、スマートブレードを温度上昇によりねじれ変形させ、揚力を減少させて出力を抑制する．【選択図】    図４
2005273642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の一端部側に風車羽根を取着し他端部側に回転子を連結し、風車羽根の回転で回転子を駆動して発電する風力発電装置において、
回転羽根が、金属薄板およびＣＦＲＰ薄板、および金属薄板とＣＦＲＰ薄板を電気的に絶縁するための絶縁性ＦＲＰ薄板、または絶縁性フィルムを厚さ方向に積層するとともに、ＣＦＲＰ薄板および絶縁性ＦＲＰ薄板、またはＣＦＲＰ薄板および絶縁性フィルムを、回転羽根の厚さ方向の羽根中央面に対して逆対称に配置したスマートブレードとして構成されており、
回転羽根、回転軸および回転子の少なくとも一部材の回転状態を検出し、検出した回転状態が予め設定した閾値を越えると回転子で発生した電流をスマートブレードのＣＦＲＰに流す回転状態検出装置が設けられていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
回転軸の一端部側に風車羽根を取着し他端部側に回転子を連結し、風車羽根の回転で回転子を駆動して発電する風力発電装置において、
回転羽根が、金属薄板およびＣＦＲＰ薄板、および金属薄板とＣＦＲＰ薄板を電気的に絶縁するための絶縁性ＦＲＰ薄板、または絶縁性フィルムを厚さ方向に積層するとともに、ＣＦＲＰ薄板および絶縁性ＦＲＰ薄板、またはＣＦＲＰ薄板および絶縁性フィルムを、回転羽根の厚さ方向の羽根中央面に対して逆対称に配置したスマートブレードとして構成されており、
回転羽根、回転軸および回転子の少なくとも一部材の回転状態を検出し、検出した回転状態が予め設定した閾値を越えると回転子で発生した電流をスマートブレードのＣＦＲＰに流す回転状態検出装置が設けられ、
スマートブレードに温度センサーが設けられ、温度センサーの検知温度が予め設定した限界温度を越えると回転子とは別の電源からスマートブレードに電流を流してスマートブレードを大きく変形させ失速状態とするコントローラが設けられいてることを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、風力発電装置に関し、特に、市街地や家庭への普及を目的とした中小型風力発電装置において強風時の風車の回転数の上昇を抑制できるようにした装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置は環境負荷の極めて小さいエネルギー源として普及が期待されている。風力発電はウインドファームのような大規模発電施設によるもののほか、小規模分散型エネルギー源として市街地や家庭での設置を目的とした中小型タイプのものが提案されている。【０００３】  しかしながら、このような中小型風力発電装置は、強風時に風車が高速で回転し、風切り音を発生することが市街地や家庭への普及の妨げとなる原因となっており、静粛運転の必要性が求められている。
台風のような強風時においては、発電装置の出力側電流をショートさせ回転を停止させる方法が一般に取られているが、そこまでに至らない強風時の中小型風力発電装置の回転抑制方法としては、１）ローター偏向式、２）ピッチ制御式、または、３）特許文献１に開示の発電装置の回転子と固定子の間隔を制御する方法等が用いられ、あるいは提案されている。【０００４】
【特許文献１】  特開２００３−３２４８９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかし、上述した従来の方式は何れも、精巧な機械的機構を必要とし、製造コストの上昇となる。それとともに、精巧であるために故障の確率が増大する。そして、常に風雨にさらされる風力発電装置としては、メンテナンスが欠かせず、維持するために手間がかかる。
本発明は、中小型風力発電装置の強風時の風車の回転数の上昇を、なんらの機械的機構を用いることなく抑制する方法に関するものであり、特に中小型風力発電装置の静粛運転を可能とし、市街地および家庭において設置可能な風力発電装置、特に中小型風力発電装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明においては、回転軸の一端部側に風車羽根を取着し他端部側に回転子を連結し、風車羽根の回転で回転子を駆動して発電する風力発電装置において、
回転羽根が、金属薄板およびＣＦＲＰ薄板、および金属薄板とＣＦＲＰ薄板を電気的に絶縁するための絶縁性ＦＲＰ薄板、または絶縁性フィルムを厚さ方向に積層するとともに、ＣＦＲＰ薄板および絶縁性ＦＲＰ薄板、またはＣＦＲＰ薄板および絶縁性フィルムを、回転羽根の厚さ方向の羽根中央面に対して逆対称に配置したスマートブレードとして構成されており、
回転羽根、回転軸および回転子の少なくとも一部材の回転状態を検出し、検出した回転状態が予め設定した閾値を越えると回転子で発生した電流をスマートブレードのＣＦＲＰに流す回転状態検出装置が設けられていることを特徴とする風力発電装置により、上述した課題を達成する。【０００７】  本発明においては、更に、スマートブレードに温度センサーが設けられ、温度センサーの検知温度が予め設定した限界温度を越えると回転子とは別の電源からスマートブレードに電流を流してスマートブレードを大きく変形させ失速状態とするコントローラが設けられていてもよい。【０００８】  本発明における金属薄板としては、アルミニューム合金板、チタン板、チタン合金板、鉄板、ステンレス鋼板等の鉄合金板、銅板または銅合金板等の一種または複数種を用いることができ、特に、アルミニューム合金板は強度および熱膨脹係数が大きく、温度変化に対して変形が大きいことから好ましい。【０００９】  ＣＦＲＰは炭素繊維強化樹脂（カーボン・ファイバー・リンフォースド・プラスチック）であり、絶縁性ＦＲＰは非伝導性繊維と樹脂から成る、ファイバー・リンフォースド・プラスチックである。ここに、ＣＦＲＰ薄板および絶縁性ＦＲＰまたはＣＦＲＰ薄板および絶縁性フィルムは、回転羽根の厚さ方向の羽根中央面に対して逆対称に配置されている。すなわち、ＣＦＲＰ薄板および絶縁性ＦＲＰはそれらの弾性主軸方向が、回転羽根の長手方向軸線に対して角度をなして配置され、その傾斜角度は回転羽根の厚さ方向に見て、羽根中央面より上側は＋θ、下側は−θと、その絶対値が等しく向きが逆になっている。
本発明においては、逆対称に配置したＣＦＲＰに電流を流してジュール加熱することにより、別に機械的なアクチュエータ等を設けなくとも回転羽根を変形させることができ、本特許請求の範囲および明細書においては、このような特性を有する羽根をスマートブレードと称している。【００１０】  本発明の回転状態検出装置は、回転羽根、回転軸および回転子の少なくとも一部材の回転状態を検出する。ここに、回転状態としては、回転数、回転速度、または回転子の発電電流値等である。【００１１】  本発明においては、回転状態検出装置により、回転羽根、回転軸および回転子の少なくとも一部材の回転状態を検出し、検出した回転状態が予め設定した閾値を越えると回転子で発生した電流をスマートブレードのＣＦＲＰに流す。これにより、スマートブレードは発熱する。回転羽根は回転軸の先端で回転するので、風車に吹きつける風よりも大きな周速であり、回転羽根のスマートブレードは効率よく冷却され、発電装置の余剰電流を消費する。これにより回転子の回転を適性値に抑制することができる。なお、、スマートブレードは、流す電流が或る値までは、発熱はするが、殆ど変形はしない。【００１２】  更にスマートブレードに流す電流が増すと、ＣＦＲＰ薄板および絶縁性ＦＲＰ薄板、またはＣＦＲＰ薄板および絶縁性フィルムを回転羽根の厚さ方向の羽根中央面に対して逆対称に配置しているので、スマートブレードは温度上昇とともにねじれ変形を生ずる。これにより、放熱によっても消費しきれない余剰電力はねじれ変形を生じさせることに消費され、また、捩じれ変形によりスマートブレードに揚力減少が生じて回転羽根の回転が減速される。これらにより、回転子の回転が抑制され、適性値となる。【００１３】  なお、好ましくは、実施例に示すように、スマートブレードに温度センサーが設けられ、回転子の回転数を制御しきれないほどの強風時においては、温度センサーの検知温度が予め設定した限界温度を越えると、上述のように回転子からスマートブレードに電流を流すことに加えて、蓄電池等の別電源からスマートブレードに直接電流を投入して、スマートブレードを大きくねじれ変形させることにより、回転羽根を失速状態に導き、限界回転数、限界速度もしくは限界電流値等の限界値を越えないようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】  本発明に係るスマートブレードは発熱体であると同時に放熱体でもあり、しかも発熱、放熱のバランスが崩れ、温度が上昇するとそれに合わせて自身のねじれ角度を変化させることができる。
このブレードを利用することにより、強風時に風車の回転数が所定の値に上昇し、必要とする電力を越えた場合に、余剰となった電力を、まずブレード自身を加熱することに使うことによって発電装置に負荷を加え、その負荷による回転子の回転トルクの増大により風車の回転を抑制する。
さらなる風速の増大に対してはスマートブレードのねじれ角を変化させることにより、揚力を減少させ、風車の回転トルクと回転子の回転トルクとのバランスを崩し風車の回転数を抑制する。
さらなる強風に対しては、電池等の別電源から電流を流し、スマートブレードのねじれを大きくして失速状態にし、回転を抑えることができる。
それでも回転を抑制できないほどの強風に対しては発電装置の出力を短絡させ回転を完全に停止させる。【００１５】  以上のように、本発明に係る風車の回転速度制御に関しては、速度抑制のための機械的機構を全く必要としないため、機械的故障は大幅に減少し、メンテナンスフリーのシステムが構築できる。
また、夜間には分流回路の閾値を下げ、回転抑制の始動値を低くして低速回転を維持するように設定することもでき、設置条件や使用目的に合った運転制御を可能とするものである。
【発明の実施をするための最良の形態】
【００１６】  以下に本発明の実施の形態を、本発明の実施例を図示した図面を用いて具体的に説明する。図１は、本発明に用いるスマートブレードの構造を示す斜視図である。
図１において、金属薄板２、絶縁性ＦＲＰ薄板または絶縁性フィルムから成る絶縁層３、逆対称積層ＣＦＲＰ４、絶縁層３および金属薄板２が厚さ方向に積層されている。
金属薄板２はアルミニューム合金板により作られており、放熱部材となると同時に、逆対称積層ＣＦＲＰ４および絶縁層３の温度上昇に伴う曲げ剛性の低下を補う。
ＣＦＲＰ部４は、ＣＦＲＰ一方向プリプレグで構成され、ＣＦＲＰは板厚中心面に対し上下の繊維方向がそれぞれ、＋θおよび−θとなるように積層されている。なお、この実施例においては、θを４５°に設定した。
【００１７】  図１において、積層された上側の絶縁層３内の左端には銅箔製プラス電極７が装着され、それに接続する、層内を左から右に貫通する銅箔製導電回路が一緒に積層されており、その右端はコの字状に折曲げられ、その下側先端は積層ＣＦＲＰ４の厚さ方向の羽根中央面の右側位置に挿入されている。また、積層ＣＦＲＰ４の厚さ方向の羽根中央面の左側位置には銅箔製マイナス電極５が装着されている。
プラス電極７とマイナス電極５間に電圧をに印加すると、プラス電極７から絶縁層内の導電回路を通りＣＦＲＰ４に流れた電流がＣＦＲＰ部をジュール加熱し、マイナス電極５に流れる構造になっている。
【００１８】  製作に際しては、以上のように積層構成した金属薄板２、絶縁層３、逆対称積層ＣＦＲＰ４、絶縁層３および金属薄板２、その他電極材料などの積層素材を平板状の金型に挟み、加熱、加圧して硬化させる。これを室温まで冷却後、脱型すれば所定の設計意図に応じたねじれ変形したスマートブレード１が得られる。
【００１９】  なお絶縁層３として絶縁性の一方向プリプレグを使用すれば、その繊維方向とＣＦＲＰ層の繊維方向を一致させて積層することにより、ＦＲＰ部分全体として±θとなる逆対称構造とすることができる。これにより、ねじれ変形の大きさの設計自由度を増大することが可能である。
【００２０】  ２つある絶縁層３のうち、図１において下側に示す絶縁層３には、極細の熱電対または光ファイバーなどの温度センサー８が埋め込まれている。これによりスマートブレード１の温度をリアルタイムで測定し、その時のブレード１のねじれ角を知ることができる。
【００２１】  図３はこのようにして製作されたスマートブレード１の作動を、スマートブレードの温度−ねじれ角度の線図で示している。すなわち、図１において、電極５、７より直流電流をＣＦＲＰ層に流すことによりＣＦＲＰ層にジュール熱が発生するので、このジュール熱をセンサー８で測定し、その温度に対するスマートブレードのねじれ角を測定し、スマートブレードの温度に対するねじれ角度の変化として表している。
【００２２】  また図４はスマートブレードを具備した発電装置の作動原理を示している。回転羽根（スマートブレード１）、回転軸および回転子１７の少なくとも一部材の回転状態を検出するために回転状態検出装置の一態様として回転センサー１０が設けられている。図５に図示した実施例においては、回転センサー１０は回転子１７の回転数を検出する。
コントローラー９は回転センサー１０の情報に基づき、発電機１１あるいは蓄電池１２等の別に設けた電源からの電流をスマートブレード１のＣＦＲＰ層に流し、ＣＦＲＰ層をジュール加熱する。これにより、ブレードは電力を、熱とひずみエネルギーに変換する。この動作原理により以下に述べるように風力発電装置の回転速度制御が可能となる。
【００２３】  通常は、回転羽根の回転により発電された電力は、コントロラー９により、発電装置に接続された負荷（伝統や電動機等）で消費されたり、あるいは余剰電力として蓄電池１２に蓄えられる。
しかし、風速が増大し、回転子１７の回転数、風車の回転速度、または発電電流値が予め設定した所定値以上になると、その状態に至ったことを検出装置１０により検出する。検出値が所定の値を越えて上昇した場合に、コントローラー９によって余剰電流をスリップリング１８を通じてスマートブレードの１に流し、スマートブレード１を発熱させ、同時に吹きつける風によって冷却することにより余剰電流を消費してしまうことにより回転子１７の回転を適性値に抑制する。なお、、スマートブレードは、流す電流が或る値までは、発熱はするが、殆ど変形はしない。
【００２４】  スマートブレード１のＣＦＲＰ部４および絶縁層３の積層角度±θを調節することにより、温度上昇とともに適切なねじれ変形を生ずるような構造としている。放熱によっても消費しきれない余剰電力が生じると、この電流をスマートブレード１に流すことにより、スマートブレード１はねじれ変形を生じる。このようにねじれ変形させることにより、電流は大量に消費される。また、スマートブレード１の変形により、スマートブレード１の揚力減少を生ずるので、これを利用して回転子１７の回転を一層抑制する。
【００２５】  以上の方法によってもなお回転数を制御しきれないほどの強風時においては、蓄電池１２からスマートブレード１に直接電流を投入し、スマートブレード１を大きくねじれ変形させる。これにより羽根を失速状態に導くことができ、回転羽根が限界回転数（または限界速度もしくは限界電流値）を越えないようにすることができる。
【００２６】  更に風速が上昇して回転羽根の回転数が上昇し続ける場合には、その時のブレード温度を埋め込んである熱センサー８等の温度測定装置１３によって検出し、それが予め決めてある限界温度に達すれば出力短絡装置２０によって発電装置出力を短絡させ風車の回転を停止させる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】  本発明に用いるスマートブレードの構造の概略を示す斜視図である。
【図２】  図１に示したスマートブレードの横断面図である。
【図３】  スマートブレードの温度−ねじれ角度の実験例を示す線図である。
【図４】  スマートブレードの作動原理を説明するフロー図である。
【図５】  本発明に係るスマートブレードを使用する風力発電装置の構成の一例を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００２７】１  風車羽根（スマートブレード）
２  金属薄板
３  絶縁材料
４  逆対称積層ＣＦＲＰ
５、６、７  銅箔製電極
８  温度センサー
１６  回転軸
１７  回転子
１８、１９  スリップリング
【図１】
2005273642.tif 000003
【図２】
2005273642.tif 000004
【図３】
2005273642.tif 000005
【図４】
2005273642.tif 000006
【図５】
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