JP2005190976A - 自然エネルギ発電部を搭載した照明システム - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡素化され、かつ太陽光発電部と風力発電部にて発生する微小電力を最大限有効利用し、しかも消費電力を抑えることができる風力発電電源，太陽光発電電源、さらには商用電源などを併用した構成の自然エネルギ発電部を搭載した照明システムを提供する。
【解決手段】太陽電池からなる太陽光発電部１と、多極型同期発電機とクロスフロー型風車からなるクロスフロー風力発電機からなる風力発電部２からの発生電力をコントローラ回路１２に接続し、前記太陽光発電部１と前記風力発電部２からの電力をコントローラ回路１２にてコントロールし、かつＤＣバッテリ１３に充電可能にする。前記コントローラ回路１２から直接、またはＤＣバッテリ１３から供給される電力を高周波点灯回路１５を介して蛍光灯５に対して高周波点灯する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電にて得られた電力と、太陽光を受けて発電して得られた電力で発生する微小電力を用いて照明部を点灯する構成の自然エネルギ発電部を搭載した照明システムに関するものである。

自然エネルギの活用が着目され、近年、風力エネルギおよび太陽光エネルギを各種電源として利用し、例えば街路灯における照明部の電源として使用することが提案され、また実際に実施されてきている。

特許文献１，２には、風力発電機を電源として用いる街路灯、あるいは蛍光灯の電源として太陽電池，風力発電機などを用いる蛍光灯点灯装置に関する技術が記載されている。
太陽電池としては、具体的な仕様を除いて、機能的，外観的な特徴、および使用方法などは各社とも同様なものであるが、風力発電機においては、いわゆるプロペラ型の風力発電機ではなく、クロスフロー型風力発電機が、動作時の騒音が低いことから、人家に近接した街路灯の電源として適しているといえる。

クロスフロー型風力発電機は、クロスフロー風車を使用するものであり、このクロスフロー風車は、風向きに関係なく回転し、回転数が低く、大きなトルクが得られる特徴を有し、低風速域からスムーズに回転することができることが確認されている。クロスフロー型風力発電機の基本的な構造については、特許文献３などに記載されている。
登録実用新案第３０６１８５６号公報 特開２００１−３３８７８６号公報 特開２０００−１６１１９６号公報

従来の風力発電機を電源として使用する街路灯では、太陽電池を電源として併用し、街路灯の蛍光灯を点灯するようになっている構成のものがある。

図５は従来の風力発電機と太陽電池とを蛍光灯点灯用電源として併用する場合の街路灯照明システムにおける駆動回路の一例を示すブロック図である。

図５において、１は太陽光発電部（太陽電池）、２は風力発電部、３は太陽光発電部１と風力発電部２にて発生した電力を受け、整流して直流電流に変えるコントローラ回路、４は風力発電部２の回転数を検出してコントローラ回路３に出力する回転検知器、５は蛍光灯（２０Ｗ）、６は点灯用インバータ（１００Ｖ）であり、太陽光発電部１と風力発電部２からの電力が十分でない場合に、商用電源（ＡＣ１００Ｖ）７を投入できるように電源切替スイッチ８，９が設けられている。

図５に示す駆動回路では、１００Ｖの点灯用インバータ６が必要であり、この点灯用インバータ６における消費電力は、太陽光発電部１と風力発電部２にて発生する微小電力に対して比較的大きく問題の１つであった。

また、商用電源７との併用の場合、電源切替スイッチ８，９が必要となり、構成が複雑になり、コストを高くし、また商用電源７は、負荷の消費のみの利用になってしまうという問題があった。

さらに点灯用インバータ６などにより、通常の１００Ｖの商用電源用蛍光灯システムにより蛍光灯５を点灯する場合、その蛍光灯５が定格２０Ｗの場合、力率７０％で約３０Ｗの電力が消費されるという問題もある。

そこで本発明は、前記従来の問題を解決し、構造が簡素化され、かつ太陽光発電部と風力発電部にて発生する微小電力を最大限有効利用し、しかも消費電力を抑えて省電力化を図ることができるようにした、風力発電電源，太陽光発電電源、さらには商用電源などを併用することが可能な構成の自然エネルギ発電部を搭載した照明システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、風力発電部と太陽光発電部とからなる自然エネルギ発電部と、前記風力発電部と前記太陽光発電部からの発生電力をコントロールするコントローラ回路と、このコントローラ回路により充電コントロールされるバッテリと、前記コントローラ回路および前記バッテリ（例えばＤＣ／１２〜２４Ｖ）から電力供給を受けて点灯する微小電流の高周波点灯可能な蛍光灯，ＬＥＤなどの照明部とを備えた自然エネルギ発電部搭載の照明システムであって、前記コントローラ回路あるいは前記バッテリからの電力を受けて、前記照明部に対して高周波点灯を行う高周波点灯回路を備えたものであり、高周波点灯回路を用いて点灯駆動するため、従来の点灯用インバータ（１００Ｖ）に比べて、この部位での消費電力を抑制することができ、太陽光発電部と風力発電部にて発生する微小電力を無駄に消費することを防ぐことができるため、高効率の自然エネルギ発電部を搭載した照明システムが実現する。

また本発明は、前記コントローラ回路に、前記自然エネルギ発電部の発生電力を補充するため商用電源を接続したものであり、気象状況に影響されずに安定した点灯が行われ、信頼性ある自然エネルギ発電部を搭載した照明システムにすることができる。さらに、商用電源の使用切り換えにもコントローラ回路を用いるため、負荷の駆動に止まらず、バッテリへの充電を効率よく行え、また、従来のような有接点リレーなどを使用することなく、構成が簡単になると共に消費電力を抑えることができる。

また本発明は、前記高周波点灯回路を、発振回路と、増幅器と、高周波トランスと、低周波成分除去部とから構成したものであり、従来の高周波点灯回路の定数を覆すような周波数と高電圧を発生させ、さらに効率的な高周波点灯に無効な電力となる成分を除去することて信頼性と安定性の高い省電力の高周波点灯が行われることになる。

また本発明は、前記低周波成分除去部としてマッチングコンデンサを設けることで簡素化された構成で高周波点灯が行われる。

また、前記コントローラ回路に対して、商用電源など高電力の他の電源を接続することでバッテリに効率のよい充電が可能である。

本発明によれば、風力発電電源，太陽光発電電源と、さらには商用電源の切り替えをコントローラ回路によりコントロールして、従来のような有接点スイッチ，有接点リレーを使用せず、さらに点灯用安定器，蛍光灯内フィラメントを使用することなく、バッテリ（ＤＣ−１２〜２４Ｖ）による直流電力で高周波点灯回路を介して蛍光管などに高周波電圧を印加して点灯するなど、全体として構成を簡単にする共に、従来の同種の回路構成のものに比べて、消費電力を抑えることができるなど、自然エネルギ発電部の微小発電電力の利用に対する安定性と信頼性を高められ、さらには省電力化を図ることができる実際的で有効な自然エネルギ発電部を搭載した照明システムが実現する。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図５に示す構成部材と同一手段のものには同一符号を付してある。

図１は本発明の第１の実施形態である街路灯照明システムの基本構成を示すブロック図である。

図１において、１は太陽電池からなる太陽光発電部、２は多極型同期発電機とクロスフロー型風車からなるクロスフロー風力発電機からなる風力発電部、１２は太陽光発電部１と風力発電部２からの発生電力をコントロールするコントローラ回路、１３はコントローラ回路１２から充電コントロールされるＤＣバッテリ（例えば１２Ｖ）、１５は蛍光灯（例えば２０Ｗ）５を点灯駆動する高周波点灯回路である。

図２は本発明の第２の実施形態である街路灯照明システムの基本構成を示すブロック図である。

図２の第２の実施形態において、商用電源（ＡＣ１００Ｖ）７をコントローラ回路１２に接続して電力コントロールする以外は第１の実施形態と同様である。

図３は本実施形態における前記高周波点灯回路１５の構成を示すブロック図である。

図３において、３５は発振回路、３６は増幅器、３７は高周波トランス、３８は低周波成分除去部としてのマッチングコンデンサであり、これらから構成される高周波点灯回路１５が照明器３０に接続されて蛍光灯５の点灯駆動を行う。

図４は本実施形態における前記コントローラ回路１２の構成を示すブロック図であり、図４では商用電源７を接続した構成を示している。

図２において、２０は商用電源７のオン／オフ用のスイッチ、２１はスイッチ２０の駆動回路、２２，２３は風力発電部２と商用電源７とにそれぞれ接続されている整流回路、２４は風力発電部２に接続されている波形検出回路、２５，２６は太陽光発電部１と風力発電部２とにそれぞれ接続されているＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調器）、２７は電流検知回路、２８は電流／電圧検出回路、２９は前記各回路をコントロールするＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央演算処理ユニット）、３０は複数の蛍光灯（２０Ｗ）５からなる照明器である。

第１と第２の実施形態の基本動作は商用電源に関すること以外は同様であるので、以下、本実施形態の動作を第２の実施形態について説明する。

図４において、太陽光発電部１の発電コントロール、および風力発電機２の多極型同期発電機による発電を行う際、太陽光発電部１は、ＤＣバッテリ１３への充電電流を検知する電流検知回路２７を通して、ＤＣバッテリ１３の消耗状態を監視しながらＰＷＭ２５にてＰＷＭ制御を行い、ＤＣバッテリ１３に対する充電を行う。

ここで、ＰＷＭ制御とは、一度に大きな電流を流して風力の回転効率を低下させないようにすること、あるいはＤＣバッテリ１３に対する負荷を大きくせずに、充電電流を検知しながら電流（パルス波形）のオン／オフの周期と、オン時間とオフ時間との幅の制御を行うことによって、見かけ上のＤＣバッテリ１３への内部抵抗をコントロールして、充電電流をＤＣバッテリ１３へ流すようにする制御をいう。

また、風力発電部２の多極型同期発電機は交流発電機であって、整流回路２２によって直流変換され、その電力は電流／電圧検出回路２８により、あらかじめＣＰＵ２９に記憶された風力発電部２の特性データ（回転数／仕事量の特性など）に比例した負荷抵抗をＰＷＭ２６にて形成し、ＤＣバッテリ１３に効率よく充電する。

また、本実施形態では、充電コントローラ回路１２は、図４に示す構成のように、商用電源７を負荷の消費だけでなく、風力発電部２の発電の代用電源として取り込める構成になっているため、ＤＣバッテリ１３の特性に合ったＰＷＭ制御を行うことによって、消費電力を抑えることもできる。さらに、商用電源７の投入の切り替えを無接点で行うことができるため、該切り替え機能を容易に充電コントロール回路１２に組み込むことができ、切り替え時の消費電力も抑えることができる。

さらに、既述したように、１２ＶのＤＣバッテリにて、通常の１００Ｖの商用電源用の蛍光灯システムにより蛍光灯を点灯する場合、その蛍光灯５が定格２０Ｗであるときには力率７０％であり、約３０Ｗの電力が消費されるが、本実施形態では、従来の点灯用インバータを用いず、図３に示すように、高周波点灯回路１５において、発振回路３５により従来の点灯周波数より高い周波数の駆動波形を生成し、増幅器３６で電圧増幅して高周波トランス３７で高周波／高電圧にして、さらにマッチングコンデンサ３８にて高周波点灯に無効な電力となる低周波成分をカットし、従来の熱電子管で熱損を発生させる回路ではないため、省電力で照明器３０を点灯させる構造になり、よって、消費電力が少なくなり、従来の点灯用回路、すなわち安定器，グロー放電バルブの不要な蛍光灯点灯構成にすることができることにより、消費電力を５０％〜７０％削減することができる。

このように、本実施形態では、蛍光灯点灯以外に消費される電力を少なくでき、しかもバッテリへの捕捉充電（充電効率）が高まることから、特にクロスフロー型風力発電機などの微小な発電電力を有効に利用することができる。

なお、風力発電部２のクロスフロー風車の回転数は、従来では回転検出器（ロータリエンコーダ）を外部に設けて検出していたが、本実施形態においては、多極型同期発電機の電圧特性を利用することができる。すなわち、多極型同期発電機の発生電圧のサインカーブ波形を波形整形することにより、カウンタ用パルスを作成する回路を構成することにより、ＣＰＵ２９にパルス信号を入力して計数することによって風車の回転を検出するようにして、信頼性を高めるようにしている。

このようにすることによって、構成の簡素化ができ、コストダウンおよび回転数の制御の信頼性を高められる。

ＣＰＵ２９は、風力発電部２の各種特性データを、プログラミングして複数組み込むことにより、複数種類の仕様の風力発電部に対応することができる制御を容易に行うことが可能である。

また、ＤＣバッテリ１３の充電検知のため、ＬＥＤ表示灯などを設置して、充電中は１秒点滅し、バッテリ電圧低下時には２秒ごとの点滅とし、充電完了時には点灯するようにすることによって、バッテリ満充電を外部から容易に判断することができ、かつ１つのランプ点灯で複数の動作表示を可能にすることによって、消費電力を少なくすることも可能になる。

また、本実施形態において、近接センサ，移動物体検知センサなどを検知して、人が近づいてきたときのみ点灯駆動する構成にすることにより、照明電力を節減することも考えられる。

本発明は、風力発電および太陽光発電にて発電する微小電力を有効に利用する照明システムに適用され、特に照明器具として蛍光灯を使用する一般市街地内に設置される街路灯の場合には、低騒音性などにおいて有利なクロスフロー型風力発電機を用いてる場合に最も有効である。また、太陽電池，風力発電機，商用電源以外の電源も併用することが可能である。

本発明の第１の実施形態である街路灯照明システムの基本構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態である街路灯照明システムの基本構成を示すブロック図である。 本実施形態における高周波点灯回路の構成を示すブロック図である。 本実施形態における充電コントローラ回路の構成を示すブロック図である。 従来の風力発電機と太陽電池とを蛍光灯点灯用電源として併用する場合の街路灯照明システムにおける駆動回路の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 太陽光発電部
２ 風力発電部
５ 蛍光灯
７ 商用電源
１２ 充電コントローラ回路
１３ 充電用のＤＣバッテリ
１４ 蛍光灯
１５ 高周波点灯回路
２０ スイッチ
２１ スイッチの駆動回路
２２，２３ 整流回路
２４ 波形検出回路
２５，２６ ＰＷＭ（ルス幅変調器）、
２７ 電流検知回路
２８ 電流／電圧検出回路
２９ ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）
３０ 複数の蛍光灯からなる照明器
３５ 発振回路
３６ 増幅器
３７ 高周波トランス
３８ マッチングコンデンサ

Claims (4)

1. 風力発電部と太陽光発電部とからなる自然エネルギ発電部と、前記風力発電部と前記太陽光発電部からの発生電力をコントロールするコントローラ回路と、このコントローラ回路により充電コントロールされるバッテリと、前記コントローラ回路および前記バッテリから電力供給を受けて点灯する蛍光灯などの照明部とを備えた自然エネルギ発電部搭載の照明システムであって、
   前記コントローラ回路あるいは前記バッテリからの電力を受けて、前記照明部に対して高周波点灯を行う高周波点灯回路を備えたことを特徴とする自然エネルギ発電部を搭載した照明システム。
2. 前記コントローラ回路に、前記自然エネルギ発電部の発生電力を補充するため商用電源を接続したことを特徴とする請求項１記載の自然エネルギ発電部を搭載した照明システム。
3. 前記高周波点灯回路を、発振回路と、増幅器と、高周波トランスと、低周波成分除去部とから構成したことを特徴とする請求項１記載の自然エネルギ発電部を搭載した照明システム。
4. 前記低周波成分除去部としてコンデンサを設けたことを請求項３記載の自然エネルギ発電部を搭載した照明システム。

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