日本の小型風力発電機の現状 ー...
DESCRIPTION
2008年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97年07月31日. 日本の小型風力発電機の現状 ー フィールド実験、設計、導入、 簡易設計法、性能、ラベリング ー. 日本風力エネルギー協会会長 明道大学能源研究中心 教授 関 和市. 1. 小型・マイクロ風力発電機の現状. 小形風力発電機の定義. 風車のサイズ,発電出力などによる分類がある。. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
日本の小型風力発電機の現状
ーフィールド実験、設計、導入、 簡易設計法、性能、ラベリングー
日本風力エネルギー協会会長明道大学能源研究中心 教授
関 和市
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
1. 小型・ 風力発電機の現状マイクロ
風車のサイズ,発電出力などによる分類がある。風車のサイズ,発電出力などによる分類がある。
IEC 61400-2(IEC 61400-2( 小形風車の安全基準=小形風車の安全基準= JISC1400-2)JISC1400-2) では,受風では,受風面積(プロペラ等ロータ回転面の面積)が面積(プロペラ等ロータ回転面の面積)が 40m40m22 未満の風車未満の風車を指す。ロータ直径を指す。ロータ直径 77 mm程度であり,出力は通常程度であり,出力は通常 10kW10kW 程程度になる。度になる。IEC 61400-2IEC 61400-2 第第 22 版(改正ドラフト)では,受風面積は,版(改正ドラフト)では,受風面積は,初版で定義されていた初版で定義されていた 40 m40 m22 未満から未満から 200 m200 m22 未満未満に大幅に大幅に拡大される。新しい規格では,ロータ直径がに拡大される。新しい規格では,ロータ直径が 16m16m 未満未満の風車は「小形」に分類されることになる。の風車は「小形」に分類されることになる。
電気事業法においては,出力電気事業法においては,出力 20kW20kW 未満の風力発電設備が未満の風力発電設備が「小出力発電設備」として定められている。 「小出力発電設備」として定められている。
小形風力発電機の定義
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
1.小型・ 風力発電機の現状マイクロ
風車の定義マイクロ 一般的には、定格出力 1 kW未満の風車 IEC( 改正ドラフト ) では、受風面積 2m2 未満で規格の一部が分類されている
風力発電機の定義マイクロ
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
1.小型・ 風力発電機の現状マイクロ
直線翼型
抗力型
揚力型
風車種類の概要
揚力型抗力型
揚力型:翼の浮く力を利用した風車抗力型:翼を押す力を利用した風車
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
1.小型・ 風力発電機の現状マイクロ
揚力型(高速機)
揚力型( 中速機 )
抗力型
水平軸風車の一例
揚力型 ( 高速 ) =比較的発電効率は高いが、 が低いため高風速域向けトルク
揚力型 ( 中速 ) =多翼のため も比較的高いため、市街地などの低風速トルク域 でも起動し、発電が見込める。
抗力型=揚力型に比べて低速回転のため、発電には不向き ( 動力として利用 )
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
1.小型・ 風力発電機の現状マイクロ
ダリウス型風車 直線翼垂直軸風車 サボニウス型風車
垂直軸風車の一例
ダリウス・直線翼垂直軸風車=揚力型であり、発電用として開発された風車
※ 直線翼垂直軸風車は、無指向性・静粛性の特長があり、
近年、市街地用風車として利用されている。
サボニウス風車=抗力型であり、発電には不向き ( 動力として利用 )
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
直線翼垂直軸風力発電機 実験フィールド
Blade number 5
Rotor diameter
2.5m
Swept area 5m2
Rated wind speed
10 m/s
Rated output 1kW
Turbine’s specification
供試風車
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
実験結果フィールド (1 ヶ月間 )
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5/1 5/6 5/11 5/16 5/21 5/26 5/31
Date
Ave
rag
e W
ind
Sp
ee
d (
m/s
)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Po
we
r O
utp
ut
(Wh
/da
y)
Power output
Average wind speed
月平均風速= 1.98m/s 発電量= 4850Wh
日平均風速= 3.67m/s 発電量= 665Wh
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
実験結果フィールド ( 連続データ )
2 ) 連続データ( 1日)
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00
Time (sec)
Wind
spe
ed (
m/s)
0
50
100
150
200
250
Outp
ut (
W)
Wind speed
Output
風速 3m/sec の風が安定して流れると、発電を開始することを確認した。
3m/s
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
発電状況 ( 風向安定時 )
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 0:00 4:48Time
Win
d di
rect
ion
(deg
) tur
bine
's o
utpu
t(W
)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Win
d sp
eed(
m/s
)
Wind direction
turbine's output
Wind speed
E
N
W
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
発電状況 ( 風向変動時 )
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 0:00:00 4:48:00Time
Win
d di
rect
ion
(deg
) tur
bine
's o
utpu
t(W
)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Win
d sp
eed(
m/s
)
Turbidne's outputWind directionWind speed
風向変化が激しい状況でも、安定時と同様な発電特性
無指向性であることが確認
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
1.小型・ 風力発電機の現状マイクロ ( 各構成部品説明 )
発電機の種類
発電機
誘導型
同期型
かご型誘導発電機
巻線型誘導発電機
堅牢で安価のため、 1MW 未満の風車では広く利用
起動時の突入電流の調整など、風車運転時の制御性が高いことから、 1MW 以上の大型機で広く利用
巻線他励磁方式
永久磁石界磁方式 ( PMG )
突入電流自体が無いなど誘導型に比べて、より制御性が高く、近年大型機で利用が増加 ( 励磁器が必要=コスト高 )
永久磁石により界磁するため、励磁器が必要なく、複雑な制御の必要がないため、小形・ 風車で広く利マイクロ用 ※近年、希土類系磁石の普及により、大型風車への利用も増加
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
1.小型・ 風力発電機の現状マイクロ ( 各構成部品説明 )
ナセル
一般風車のナセル内部一般風車のナセル内部
増速器発 電 機
発電機・ハブ一体型発電機・ハブ一体型
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
1.小型・ 風力発電機の現状マイクロ ( 各構成部品説明 )
風向制御
尾翼
WIND WIND
アップウィンド型 ダウンウィンド型
水平軸風車=風車面を風向に正対する必要あり
アクティブヨー方式= による風向制御モータ ( 風車での使用は殆どマイクロ無い )
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
1.小型・ 風力発電機の現状マイクロ ( 用途例 )
ハイブリット
風 車単機
風 車複数台
ハイブリット
風 車単機
風 車複数台
蓄電池あ り
蓄電池な し
系統連系型
ハイブリット
風 車単機
風 車複数台
ハイブリット
風 車単機
風 車複数台
スタンドアロン
独立電 源 型
系統切替型
風 力 発 電システム
小形・ 風力発電機の導入形態は、負荷との関係により分類さマイクロれる。
導入形態
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
1.小型・ 風力発電機の現状マイクロ ( 用途例 )
制 御装置
蓄電池 インバー タ直 流負荷
交 流負荷
独立電源 ( スタンドアロン )
負荷側が交流 (AC100Vor200V) の場合のみインバータが付属商用電源が敷設されていない場所での電源としての利用が多い
利用用途 街路灯・公園照明・情報表示・山小屋照明・無人監視カメラ電源 etc
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
1.小型・ 風力発電機の現状マイクロ ( 用途例 )
公園灯・街路灯
情報表示
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
1.小型・ 風力発電機の現状マイクロ ( 用途例 )
制 御装置
蓄電池
インバー タ 切替スイッチ 交 流負荷
商用 電 源
商用電源バックアップ (系統切替 )
独立電源型を基本とし、 用として負荷側に商用電源ユニットバックアップを追加蓄電池の充電量が著しく低下した際に商用電源から電力供給される
利用用途 ポンプなど比較的電力を多く必要とし、かつ継続的な利用をするもの
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
1.小型・ 風力発電機の現状マイクロ ( 用途例 )
制 御装置 パワーコンディショナ
取引用計量器 系統電 源
交 流負荷
蓄電池有
蓄電池無OR
系統連系方式
発電電力と商用電力とを並列で使用する方式風車は、出力が小さいことに加え、風速変動により出力も変動すマイクロ
るため、コストメリットが低い。 (1kW 以上の風車であれば可能性あり )現行のシステム 系統連系 として認証された太陽電池用 を流用システム パワーコンディショナ
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
2.設計・導入における留意点
導入について【導入手順】
(1) 導入計画 (2) 設計 (3)据付 (4)維持管理 ※ 最も重要なのが( 1 )導入企画で
ある慎重に検討しないと ・・・
(1) 風車が回らない (2) 発電しない (3)うるさい (4)破損した ( 5 )景観上問題
( 6 )役に立たない ( 7 )メンテナンスできない
問題発生
市街地=弱風地域が多い 大型風車と異なる考え方が要求される
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
2.設計・導入における留意点(導入段階)
機種選定
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
2.設計・導入における留意点(設計段階)
風車出力効率
一般的に 型風車は高出力、高速回転となプロペラる※ 理論上最大出力効率は 0.593 である( ・ランチェスタ ベッツ
係数)
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
2.設計・導入における留意点(設計段階)
断面特ブレード性
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
Attack of angle (deg)
Lift coefficient (CL)
- 0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Drag coefficient (CD)
C揚力係数 LCD抗力係数
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
Attack of angle (deg)
Lift coefficient (CL)
- 0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Drag coefficient (CD)
揚力係数CLCD抗力係数
Re=1.5×105 Re=6×106
断面形状=ブレード NACA0012
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
2.設計・導入における留意点(設計段階)
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 2 4 6 8 10 12 14
Ti p Speed Rati o
Cp
1357911
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 2 4 6 8 10 12 14
Tip Speed Ratio
Cp
46810
α d
Re=1.5×105 Re=6×106
風車出力特性
断面形状=ブレード NACA0012
Re=6×106 から 1.5×105 に変化 約 26%の出力低下
風車の使用条件に応じた翼断面形状の選定が重要
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
2.設計・導入における留意点(設計段階)
発電機と風車との整合性
一般的な 充電式風力発電機の起動から安定して発電するまでの流れ バッテリー
①起動時=発電電圧が 電圧よりも低い状バッテリ態
風車は無負荷運転
②充電開始=発電電圧が 電圧と同等バッテリ 充電開始とともに回転数も減少
風速付近では①から②を繰り返すカットイン
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
2.設計・導入における留意点(設計段階)
強風時対策
風車過回転防止機構機械式偏向 (タイプ パッシブ式)電気的負荷制御タイプ
【機械式偏向タイプ】 風車の各部に可動部を設け、強風時に風車受風面を風向きからそら
す
比較的安定した風が吹く場所では効果的な方式
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
2.設計・導入における留意点(設計段階)
極度な風速・風向の変動がある場所では、可動部が故障する が見られケースる
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
6:00 7:12 8:24 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00Time
Wind speed (m/s)
- 100
0
100
200
300
400
500
Wind direction (deg)
Wind speedWind direction
【市街地における風速・風向の変動状況】
小型風車の設置環境
建物の影響により風向・風速は激しく変動する
風向変動大(100度強の変動幅 )
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
2.設計・導入における留意点(設計段階)
発電機と風車との整合性
【充電開始時の発電状況イメージ】
パルス的な断続充電となる。また、この間の発電は図中①と②の繰り返しとなるため、発電効率も極めて低くなる。
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
2.設計・導入における留意点(設計段階)
発電機と風車との整合性
【通常発電状態 】
③~⑤=常に発電電圧が 電圧を上回るバッテリ 安定した充電が行えているが、最大出力点が存在する
最大出力点に合うように風車と発電機との整合をとる必要あり
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
2.設計・導入における留意点(設計段階)
発電機と風車との整合性
Revolution number (rpm)
Output (W)
4m/ s6m/ s8m/ s10m/ s12m/ s
A特性B特性
風車の最大出力点は風速の3乗に比例
発電機の出力は非3乗特性
全ての風速で最適負荷状態を維持することは困難
当該発電機の使用風速域で最適負荷状態となるよう仕様を決定する
最近の 風力発電機では、マイクロ DC-DCコンバータなどを発電機と との間に組み込バッテリーみ、発電電圧を電気的に制御 ( 昇圧、減圧 ) することにより、広い風速範囲で高い発電効率を得ることができる製品が増えてきている。
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
2.設計・導入における留意点(設計段階)
【電気負荷制御タイプ】 強風時に発電機の出力端を短絡することにより増大する回生電流に
より過負荷状態を作り風車回転数を抑制
強風時対策
※ 近年の 風車で最も多く行われている方マイクロ式
短絡 時に発生する回生電流を考慮し、発電機およブレーキびその他通電材料の選定が必要
検討を怠ると・・・
短絡 時に発電機コイルおよび通電材料が異常発熱ブレーキ
コイル焼損により、風車暴走の恐れあり
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
2.設計・導入における留意点(設計段階)
騒 音
・ 機械音
増速ギヤなどの機械音 風車の殆どはギマイクロヤレス 影響小
・ 空力騒音
風車の過回転制御時に まわり流れのはくりブレード現象※ に剛性が無い場合、フラッタ現ブレード
象が起こり大きな騒音となる
端部の風切り音ブレード※ 風車回転速度に大きく依存
風車は回転数が高いため高周波の音となり、非常に耳障りマイクロ
・ 表面を粗し「剥離点を遅らせる」 ・ 端部の形状ブレード ブレードを工夫
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
設計荷重ケース
設計荷重 は、風車の運転状態ケース ( 発電・停止・待機 ) に対して風車各部に作用する荷重を想定するものであり、各荷重の区分としては、疲労荷重と終極荷重とに大きく分類される。
現在の IEC規格では、「発電時の風車最大推力」「発電機短絡時」および「ヨーエラー」が、荷重に加えられている。ケース
設計条件 荷重ケース 風速 解析区分 備考
発電 A 通常運転 VR周辺の周期的変化 疲労荷重 出力:1.5PR~0.5PR
回転数:1.5nR~0.5nR
B ヨーイング Vhub=VR 終極荷重 最大ヨーイング角速度 C (電気的)
負荷遮断
Vhub=Vexr 終極荷重 通常風速でロータ回転数を計
測し Vexrに外挿
停止 D 通常停止 Vhub=VR 終極荷重 制動トルク 待機 E 受風面積最小 Vhub=1.4Vexr 終極荷重 通常待機姿勢
F 受風面積最大 Vhub=Vexr 終極荷重 最大受風面積
簡易設計計算における設計荷重ケース
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
簡易計算法解説
①荷重ケース A ( 通常運転 )
通常運転時における一定範囲内の疲労荷重を想定
出力変動の幅を「 1.5P Rから 0.5PR 」、回転数の変動幅を「 1.5nR ~ 0.5n
R 」
ブレード根元および シャフトに作用する通常運転時の荷重の変動幅について算出する ロータ
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
【ブレード根元荷重 _引張方向】
①荷重ケースA
根元への荷重は、回転の変動に対するブブレードレード自体の遠心力により発生する。
遠心力は、ブレード質量 (mB) と 重心位置ブレードから回転中心までの距離 (RcgB) との関係により、以下の式によって示される。
FZB: RcgB:
引張荷重ブレード (N)重心から回転中心までの距離ブレード (m)
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
【ブレード根元荷重 _ 回転方向】①荷重ケースA
根元に作用する回転と逆方向の曲げ 変動幅は、定格時発生トルクブレード モーメントQR と 自重によるトルクによる。 ブレード
MxB: B:
回転方向曲げブレード モーメント(Nm)
枚数 ブレード
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
【ブレード根元荷重 _ 方フラップ向】
①荷重ケースA
根元に作用するフラップ方向の曲げ 変動幅は、風車の推力係数と出力ブレード モーメント係数との関係 ( 式⑥ ) をもとに算出された風車推力の変動荷重をブレード一枚あたりに分割し、 のブレード 2/3Rの位置に作用したときの として、以下の式によモーメントり算出する。
= =
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
【シャフト荷重 _ 軸方向】
①荷重ケースA
シャフトに作用する軸方向の軸力変動幅は、風車の推力係数と出力係数との関係式をもとに算出された風車推力である
FxS:λR:
風車の推力 (N)風車設計周速比
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
【シャフト荷重 _捩り方向】
①荷重ケースA
に作用する回転と逆方向の捩れシャフト モーメント変動幅は、風車の負荷トルクにより依存し、以下の式によって示される
MxS:QR:
に作用する捩れ シャフト モーメント (Nm)風車定格 トルク (Nm)
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
【シャフト荷重 _ フラップ方向】
①荷重ケースA
の第一 部に作用する曲げシャフト ベアリング モーメント変動幅は、 自重ロータ (mR) と によっウィンドシェアて引き起こされる軸力の偏芯によって以下の式で示される。
MxS:mR:
lrb :
に作用する捩れ シャフト モーメント (Nm)風車 質量 ロータ (kg)風車から第一 までの距離ベアリング (m)
自重項推力偏芯項
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
簡易計算法解説
②荷重ケース B( ヨーイング )
風車が している際に各部に作用する 力および を算出 ヨーイング ジャイロ ジャイロモーメント
当該規格では受風面積 2m2 以下の風車では 3rad/sを想定
最大の 角速度は、設計的に未知の場合はヨーイング 1rad/sと想定
改定後の IEC規格では最大 角速度について、以下の式によって算出するように変更ヨーイング
ωyaw,max: 最大 角速度 ヨーイング (rad/s)
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
②荷重ケース B( ヨーイング )【ブレード根元荷重 _ フラップ方向】
根元に作用する 方向の曲げブレード フラップ モーは、 回転による 遠心力、メント ヨーイング ブレード
および によって引きジャイロモーメント ウィンドシェア起こされる軸力偏心からなり、以下の式によって示される。
遠心力項 項ジャイロモーメント 推力偏芯項
MyB,max:e:
lB :
根元に作用する曲げ ブレード モーメント(Nm)風車と 中心間の距離 タワー (m)
の慣性ブレード モーメント (kgm2)
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
②荷重ケース B( ヨーイング )【シャフト荷重 _曲げ方向】 の第一 部に作用する曲げシャフト ベアリング モーメント
は、 回転による風車 部のヨーイング ロータ ジャイロモーからなり、以下の式によって示される。メント
自重項ロータ項ジャイロモーメント 推力偏芯項
MyS,max:mR:
lrb :
根元に作用する曲げ ブレード モーメント(Nm)風車 の質量 ロータ (kg)風車から第一 までの距離ベアリング (m)
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
簡易計算法解説
③荷重ケースC ( 負荷遮断時 )
この では、負荷が遮断した際に、起り得る最大回転数で発生する遠ケース心力荷重を算出
負荷遮断時に無負荷となる風車の場合は、基準風速時の無負荷回転数を想定しなければならない。
負荷遮断時でも制動できる制御機構がある場合は、その制御上での最大回転数で検討する
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
③荷重ケースC ( 負荷遮断時 )【ブレード根元荷重 _ 回転方向】
根元に作用する引張り荷重は、最大回ブレード転時の 自体の遠心力によるものであり、ブレード以下の式によって求められる。
FzB,max:RcgB:
nmax :
根元に作用する引張り荷重 ブレード (N)重心から回転中心までの距離ブレード (m)
負荷遮断時最大回転数 (rpm)
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
③荷重ケースC ( 負荷遮断時 )【シャフト荷重 _曲げ方向】
の第一 部に作用する曲げシャフト ベアリング モーメントは、最大回転時の 重心位置の偏芯によロータる 全体の遠心力によるものであり、以ロータ下の式によって求められる。
遠心力項 自重項ロータ
FzB,max:er:
に作用する曲げ シャフト モーメント (Nm)重心と回転中心との距離ロータ (m)
偏芯距離 er は 0.001R と想定する
※ 改訂後の IEC 規格では 0.005Rに変更
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
簡易計算法解説
④荷重ケースD ( 運転停止時 )
風力発電機に回転制動用、緊急停止用などの 機構が備わっている場合に適用されブレーキる
※ 停止の状況によっては、ブレーキによる制動力の方が、通常の負荷状態 よりも上回ることがある
【シャフト荷重 _捩れ方向】 に作用する回転と逆方向の捩れ は、シャフト モーメント
の定格制動 と風車の負荷 との合計ブレーキ トルク トルクによって求められる。
MxS,max
:Mbrake
:
に作用する捩り シャフト モーメント (Nm)の定格 ブレーキ トルク (Nm)
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
【ブレード根元荷重 _ 回転方向】
根元に作用する回転と逆方向の曲げ は、ブレード モーメント時の に作用する捩りブレーキ シャフト モーメント (MxS,max) とブ
の自重による との合計によって示される。 レード トルク
制動 項トルク 自重項ブレード
MxB,max:MxS,max:
に作用する曲げ ブレード モーメント (Nm)に作用する捩り シャフト モーメント (Nm)
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
3.小型風車の簡易設計計算
⑤荷重ケース E(通常待機時 )
望ましい状態で待機しているときの各部に作用する風圧荷重を求めるものである。従って、 リング機構を有している風車については、 の状態で風向に垂直なファー ファーリング各部の投影面積により風圧荷重を算出することとなる。
F1:Cd :ρ:Vex
r :Aproj
:
通常待機時の各部の風圧荷重 (N)抵抗係数空気密度 (kg/m3)基準風速 (m/s)通常待機状態における各部の受風面積 (m2)
⑥荷重ケース E(故障待機時 )
方位制御が故障し全方向から風を受けると想定した場合の各部に作用する風圧荷重を求めるものである。従って風車は最も厳しい状態での風向に垂直な各部の投影面積により、風圧荷重を算出することとなる。
基準風速にガストファクター 1.4 を乗じた値で検討
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
4. 小型風車の性能評価
現在市場にある小型・ 風力発電機は、各社それぞれが、自社製品の出力性能にマイクロついて や 上などで記載しているが、この出力性能の評価方法自体がまカタログ ホームページちまちであり、統一性がないのが現状
風車の出力性能を表すパワーカーブを測定するにあたり、 IEC 61400-12-1 で規定されている「ビン法」にて行っている。この方法は、 実験での測定結果を、あフィールドる一定の幅をもった風速範囲ごとに分類することにより、連続的に変動する測定結果をとりまとめるものである。
小型風車
大型風車
実際の 風力発電機の 実験結果から、このマイクロ フィールド IEC 規格で規定されている「ビン法」での風車出力性能評価を行った事例をもとに、当該評価方法の小型・ 風マイクロ車への適用性について説明する。
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
4. 小型風車の性能評価
連続 をもとにデータ 10 分間または1分間平均値を求める
風速と出力との関係を設定した 毎に分類ビンする
※ 幅=ビン 0~ 1m/s, 1~ 2m/s, 2~ 3m/s ・ ・ ・
各 に分類された風速と出力の値から平ビン均値をとり、その値を評価風車の代表値とする
ビン法による出力性能評価
Vi :VN,I,J:Pi :
PN,I,J :Ni :
ビン iにおける平均風速 (m/s)ビン iにおけるデータセット jの風速 (m/s)ビン iにおける平均出力 (W)ビン iにおけるデータセット jの出力 (W)ビン iにおける 10分間 ( または 1分間 ) データセット数
小型風車の場合は、 1 分間データセットで行うことが推奨
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
4. 小型風車の性能評価
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8Wind speed (m/ sec)
Output (W)
Field test
連続データ風速と出力の関係( 1 分間平均デー)タ
ビン法によるデータ処理イメージ
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
4. 小型風車の性能評価
実験の概要フィールド
【供試風車】
那須電機鉄工㈱製「 AURA1000 」
風車直径 1000mm
起動風速 2m/sec
充電開始風速 2m/sec
定格出力 135W( 風速 10m/sec)
風速カットアウト DC12V系: 13m/sec
DC24V系: 16m/sec
耐風速 60m/sec
AURA1000仕様
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
4. 小型風車の性能評価
【 実験方法フィールド 】
設置場所: 東京都江東区にある弊社工場敷地内 周辺にはマンションが建ち並ぶ市街地環境
測定項目=風速、風向、発電電圧 (DC-V) 、発電電流 (DC-A) 発電機負荷=DC12V バッテリー
周期=サンプリング 1sec ( を介してデータロガー PC にて自動保存 )
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
4. 小型風車の性能評価
性能評価結果
【実験サイトの風況】
一日平均風速 風向頻度分布 風速と乱れ強さ
月平均風速= 2.5m/s
風向=各方位に分散
乱れ強さ=風速 4m/s 以上で0.3
低風速で変動の大きい風況下でのフィールド実験 (市街地特有)
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
4. 小型風車の性能評価
性能評価結果
【ビン法による評価】
設計値と 結果とは非常に良好な一致を示しているフィールド
IEC 61400-12-1 で規定されている「ビン法」による出力性能評価は、小型・マイクロ風力発電機にも十分適用できることが確認できる。
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
小形風車のラベリング制度
国際 機関エネルギー (IEA) が主導となり、今年度より実施予定
認証機関を設け、「騒音性」「発電量」「耐久性」「強度」について審査を受け、認定されたものにラベルが発行される。
「騒音 耐久性」・ IEC 61400-2 に従い実施 耐久性試験期間中の平均風速をラベル表示 見かけの騒音レベルとして、等価騒音(dBA) で評価する。 ( ランクとしてラベル表示 )
「発電量」 IEC 61400-2 に従い 試験からフィールド パワー
を求め、年平均風速カーブ 5m/s としての 分布から年間発電量を算出してラベルレイリー表示
「強度」IEC 61400-2 に従い 指定の小形風車 のメーカ クラス設計条件による強度計算書の提出
2008 年中小風機設備標準性能測試研討會 交通部運輸研究所 97 年 07 月 31 日 日本風力エネルギー協会会長明道大学 能源研究中心 教授 関 和市
5. まとめ
本報では、現在市場にある 風力発電機について紹介し、その現状と市街マイクロ地設置における問題点および設計留意点などについて述べた。さらに IEC
で規定されている測定方法に基づいた 風力発電機の出力性能評価についマイクロて、実際の 実験結果をもとに紹介した。フィールド今後も、製品としての信頼性の向上、また小型・ 風力発電機の特性にマイクロ合った導入計画のもと、より有効的に活用されることを期待する。