極東極楽 ごくとうごくらく

豊饒なセカンドライフを求め大還暦までの旅日記

革命的な風力タービンⅢ

2017年02月11日 | 環境工学システム論

 

  

      連帯を阻むもの / 火雷噬嗑(からいぜいこう)


                                

    ※ 噬嗑とは噛み合わせること。卦の形を見ると、上と下の陽爻(-)
      はあご、陰爻(--)は歯と歯の間に物があって上下が噛みあうこ
      とを妨げている状態である。邪魔者を噛み砕けば上下が合する。
      また、上爻の離(り)は太陽、電光、下卦の震(しん)は活動、.
      震動、雷鳴であり、いずれも盛んな活動力を象徴する。旺盛な生
      活力と積極性で、障害物をはねとばしてゆけば、大きな成果があ
      ることを示している。しかし障害物は剛陽であり、甘く
考えてい
      ると思わぬ抵抗に遇うことになる。中途半端な妥協や姑
息な手段
      を弄することなく、全力を傾けて真正面からぶつかって
行くこと
      が肝心
である。

 

● ZW倶楽部:核のごみの無毒化・減容化・有用化に挑戦!

理化学研究所は、原発から出る放射性廃棄物(核のごみ)に含まれる長寿命の放射性物
質を、生活に役立つ貴金属に変える実証実験に2018年度から着手する。理論上は可
能とされるがこれまで実用化には至らず、「現代の錬金術」とも言われるが、実現でき
れば、処分に困る「核のごみ」の減量や有効活用にもつながるという(毎日新聞 2017.
02.11)。 

記事によれば「核のごみ」は放射線量が高く、専用容器に密封して地中深く隔離する方
法が現在検討されている。核変換が実用化すれば、ごみの減量や有効利用の可能性があ
る。一方で、理論通り実現するか、低コストで実用化できるかは未知数だ。国内では、
燃料のウランが原子炉内で中性子を吸収して質量数が大きくなった「重いごみ」(マイ
ナーアクチノイド)では、高速実験炉「常陽」(茨城県大洗町)で核変換の実験をした
ことがあるが、パラジウムと同様に核分裂してできた「軽いごみ」(核分裂生成物)で
は前例がない。

しかし、目論見通り行くのか?と疑問に思うのだが、実験は、内閣府が主導する革新的
研究開発推進プログラム「ImPACT(インパクト)」の一環。まずは、核のごみに含ま
れ、放射線量が半減するのに650万年かかる放射性物質「パラジウム107」を、宝
飾品や歯科治療、車の排ガス浄化用触媒などに使われる無害な貴金属「パラジウム10
」に変える。理研仁科加速器研究センター(埼玉県和光市)の加速器で、「重陽子

(陽子と中性子各1個で構成)のビームをパラジウム107に当て、原子核の中性子が
1個少ないパラジウム106に変える「核変換」の実現を目指す。勿論、成功するれば
パラジウムの核変換実験は世界初となる。実験で核変換される割合などを確認し18年
秋にも結果をまとめるということだが、研究担当者は、まだ実験段階で、実験データー
がとれれば一歩前進とのことだが、うまく行けば「核のZW」にひとつの道筋がしめさ
れる。


 

【RE100倶楽部:スマート風力タービンの開発 22】

● 風力タービンの軸受の開発による性能アップ

前回は、「風力発電システムにおける転がり技術の適用に関する研究」(浅生利之、足
利工業大学 2015.07.25)を通し、垂直型風力タービンの回転軸受――アンギュラ玉軸
受の内輪と主軸の一体化で、部品点数が削減すると共に、大形ロックナットを不要にし、
風車の軽量化と製造コストの削減を実現―――
に絞り、➀始動トル
の改善(既製品比較
で60%ダウン)、➁風車始動風速が2.9m/sから1.8m/sに改善
(38%ダウン)。
➂回転中の機械的な動力損失が低減されて発電効率が約3ポイント改
善。➃軸受の基本
定格寿命5倍以上の耐久性を実証できている。この成果ポイントは、従来の軸受では、
変動するモーメント荷重が作用すると、内輪と軸の嵌め合い部でフレッチング等の破損
が生じるが、内輪と主軸が一体化することで解決できたことにある。いわば、「軸受の
剛性・弾性・共振性の改良」に絞り込んだ達成事例である。


特開2014-152729 垂直軸型流体発電装置 JP 2014-152729 A 2014.8.25


特開2014-138535 風力発電装置 2014.07.28 


● 事例研究:特開2017-031920 垂直型風力発電システム、
       及び垂直型風力発電システムにおける制御方法
 

以上の実証実験では既存の垂直型風力発電装置での軸受の比較であり、垂直型風力発電
ステム全体設計でなかった。今回は、バンテイジ・ポイント(vantage point)がえられ
る事例を調べることに。前回の事例はベアリング(軸受)からのアプローチだったのだ
が、ここで風況からのアプローチから考える、例えば、風速は、毎秒0.5メートルか
ら30メートル、そして絶え間ない変動を伴う。さらには、作動流体の空気は、雨、雪、
氷などが含まれ、気温は氷点下から40℃を超える、炎天下では、紫外線、嵐には、落
雷、竜巻、雹、霰、飛散物の襲来という過酷な条件を踏まえ、「特開2017-031920 垂直
型風力発電システム、及び垂直型風力発電システムにおける制御方法」で下記のように
課題を掲げる。
 

  1. ここまで、どのような条件にすれば、①回転トルクが大きくなるのか、②周速比
    や③翼性能および④レイノルズ数がどのように関係してくるのか、翼型が変われ
    ばどうなるのか等といった最も本質となるところの考察がない。したがって、⑤
    どのような相対角度にすれば、⑥どの程度回転トルクまたは、⑦発電効率が上が
    るのかが不明である。また、⑧空気力学的な最適解には至っていないため、2m
    /s程度の微風時にはブレードの回転トルクをほとんど得ることができず、ブレ
    ードが回転するにはさらに大きな風速が必要となる。⑨また、出現頻度が最も高
    い平均風速(たとえば6m/sあたり)付近では、逆に⑩ブレードの翼型の影響
    および⑪揚力が最大となる最適な迎角のずれにより発電効率が低下する。したが
    って、発電効率の高い垂直型風力発電システムを提供することが困難となる。
  2. ⑫さらには、強風時の過大風力への対応としてもわずかにブレードの回転トルク
    を低減できる程度であり、実際の強風に対して精度よくブレードの回転制御を行
    うことは困難であり、⑬強度的に長時間の運転には適さないという問題が発生し、
    ⑭垂直型風力発電システムの寿命や⑮信頼性が大きな課題となる。
  3. また、⑯カムやリンクでは、特定の風向きしか効果が無く、⑰風向きが変わった
    場合は逆に回転エネルギー変換効率が悪化してしまう点や、⑱調整範囲が狭い、
    ⑲さらにはどういう角度調整を行うか、またその効果がどの程度あるのかという
    点が全く考慮されていないなどの課題を有す。
  4. ⑳特許第4514502号の後縁部に切欠部22については、起動特性はわずかには改善
    されるものの、起動時にマイナストルクを発生している要因を改善しない限り大
    きな起動性の改善は見込めないし、(21)切り欠きにより、逆に本来の翼特性が
    失われ揚力の大幅な減少により通常回転時の発電量が大幅に低下するという課題
    がある。
  5. このように、先行文献に開示されている垂直型風力発電システムでは、(22)微風
    時におけるブレードの回転起動ができない、(23)平均風速での発電効率が低下す
    る、(24)強風時の回転数の制御が困難であり、(25)長時間の運転に適さないとい
    う問題がある。
  6. また、風速、風向およびブレードの回転数(周速比)に応じた効率的な発電効率
    の改善には至っていないため、実際の風況下における発電効率の向上にはほとん
    ど貢献していない状況となっている。
  7. 発電効率を向上させるためには、風の運動エネルギーをブレードの回転エネルギ
    ーに変換する回転エネルギー変換効率(Cpを向上させるとともに、回転エネル
    ギーを電気エネルギーに変換する電気エネルギー変換において、様々な風況にお
    いて可能な限り常時電気エネルギー変換を行うことが重要となる。したがって、
    できる限り風速の大きな状況でも風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し
    発電することが望ましい。
  8. 従って、発電効率の高い垂直型風力発電システムの課題は、①低風速(微風)時
    からのブレードの起動性と、②低風速時から強風時の風況における回転エネルギ
    ー変換効率の大幅な向上と、③強風時の過大な風のエネルギーの条件下での発電
    である。
  9. ブレードの起動に関しては、ブレードの枚数を増やす(ソリディティーを上げる)、
    切り欠きを入れる、スタータを設けるなどの手段があるが、いずれも微風時から
    効率的に回転し効率的な発電をするような自己起動性を満足するには至っていな
    い。
  10. また、低風速時から強風時の風況における回転エネルギー変換効率の向上に対し
    て、出現頻度の高い風況化でできる限り発電効率を高める狙いがあり、様々な翼
    型や翼構成の垂直型風力発電システムが提案されているが、空力特性の本質的な
    課題の解決には至っておらず、いずれも一定の割合の回転エネルギー変換効率を
    超えるのは困難な状況となっている。
  11. さらに、強風時の過大な風のエネルギー条件下での発電を行うには、ブレードの
    回転数が上昇することで、①ブレードを含む回転体の遠心力への強度的な対策が
    必要となるとともに、②回転エネルギーが増大するに従い、発電機への負荷が重
    くなってしまい、発電機のサイズ、重量、信頼性などへの影響が懸念される。
  12. 特に、ブレードおよびブレードを支持するアーム、アームを支持するシャフトユ
    ニットおよび発電機の回転部などは、回転数が増加するに従い遠心力が増大し、
    許容応力を超えてしまう。回転部分の信頼性を確保するためには補強する必要が
    生じるが、大きくかつ重くなるため、益々遠心力が増加してしまう。
  13. また、発電機の電気的特性においても、発電機出力は回転数に応じ所定の電力が
    出力されるが、回転数が増加すると、耐圧仕様の大幅な改善や負荷変動時の発熱
    を含めたサイズアップが必要となり、大きくかつ重くなるとともに、コスト大幅
    に増加してしまうなどの課題がある。

と、課題を述べ、発電効率の高い垂直型風力発電システムの実現には、①垂直型ブレー
ドの空力特性の本質的な課題の解明や②回転エネルギー変換効率(Cp)を大幅に向上
させる方式の探索、③ブレードの回転エネルギーを効果的に低減する方式、④過度な回
転を抑制する垂直型風力発電システムの構築が必須となるとし、次のような解決方法を
提案する。

 本発明に係る垂直型風力発電システムは、上記した課題を解決するために、複数の
 直線翼から構成される垂直型ブレードと、垂直型ブレードまたは直線翼を保持する
 アームと、このアームと固定されアームの回転を支持するシャフトユニットと、シ
 ャフトユニットと連動し、垂直型ブレードの回転エネルギーを電気エネルギーに変
 換する発電機と、素直型ブレードと前記アームとシャフトユニットを保持するポー
 ルと、ベアリング等から構成されシャフトユニットをポールに回動固定するシャフ
 トユニット保持部と、垂直型ブレードの回転面内において、アームに対する直線翼
 の相対角度をそれぞれ独立して回動させる回動手段と、回動手段により相対角度を
 調整する回転角制御手段と、垂直型ブレードの回転中心を基準にした平面座標系に
 おける基準角度からの垂直型ブレードまたは個々の直線翼のブレード回転角度と、
 ブレード回転角度から演算した相対角度の回転角度テーブルとを有し、回転角度テ
 ーブルをもとに回転角制御手段を用い、ブレード回転角度に応じて直線翼の相対角
 度を可変とする構成を備えている。
 

ここで、前術の課題の第8項目の考え方――発電効率の高い垂直型風力発電システムの
課題は、①低風速(微風)時
からのブレードの起動性と、②低風速時から強風時の風況
における回転エネルギ
ー変換効率の大幅な向上と、③強風時の過大な風のエネルギーの
条件下での発電
であると、3つのステージに切り分け整頓していることに注目する。

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JP 2017-31920 A 2017.2.9 

【要約】 

垂直型風力発電システム15は、垂直型ブレード1、直線翼2、アーム3、シャフトユ
ニット4、発
電機5、ポール6、シャフトユニット保持部7、相対角度8、回動手段9、
回転角制御手段10、
平面座標系11、基準角度12、ブレード回転角度13、回転角
度テーブル14、垂直型風力発
電システム15、風速16、風速検出手段17、回転数
検出手段18、風向検出手段19、回転ト
ルク20、回転抑止トルク可変手段21、発
電機コントローラ(回転数制御手段)、パワーコント
ローラ23、結合部24、取付け
部27、風向27とを備えることで、微風から強風までの広
範囲の風速に対応し、回転
エネルギーへの変換効率高い垂直型風力発電システムを提供する。

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● 実施形態

垂直型ブレードの発生する揚力および抗力において、回転トルクに対して正の力のみを
検討しており、特に微風時に支配的な負の回転トルクについての検討がなされていない。
さらに、推測や概念のみの試みが多く、回転エネルギー変換効率の改善量(ΔCp)と迎
角との関係が全く検討されていないし、示されていない。
また、もっとも重要な、ブレ
ードの回転数(周速比)と迎角との関係についてはその関係について見出していないし、
検討もなされていないなどの多くの問題があり、実際の垂直型風力発電システムの回転
エネルギー変換効率の改善には効果が不明であり、効果を検証しようとしてもほとんど
発電効率の向上という効果を得ることができないという大きな課題に直面した。

そこで、この問題点に関し、垂直型ブレードの翼型、揚力や抗力と迎角とレイノルズ数
との関係を示す翼型特性、直径やソリディティーなどの構成、垂直型ブレードの回転速
度などの構成条件や、風速や風向などの環境変化に応じて回転エネルギー変換効率が最
大となる相対角度を詳細に検証し、それぞれの構成条件や環境条件で回転エネルギー変
換効率が規則的かつ大きく変化する相対角度があることを見出している。

さらに、回転エネルギー変換効率の改善において、特定の角度で大きな改善効果(ΔCp
を見出すとともに、特定の角度変化のパターンで効果的に回転エネルギー変換効率を改
善することを見出した。特に、周速比(ブレードの回転数)と最適な相対角度との緻密
な関係および規則性の発見に至ったことで、回転エネルギー変換効率(Cp)の大幅改善
を実現する制御方法を見出し本発明に至ったとして、以下に示す態様の提案を行ってい
る。

                                                  この項つづく

 

  ● 今夜の一曲

 

スメタナ: 弦楽四重奏曲 String Quartet No.1我が生涯より」, in e    

弦楽四重奏曲第1番 ホ短調「わが生涯より(チェコ語:Z mého života)」は、ベドルジ
ハ・スメタナが1876年の10月から12月にかけて作曲した弦楽四重奏曲。
作曲者自身の生
涯を象徴する半自叙伝的な内容をもち、この副題が付けられている。第1楽章の開始に
おいてヴィオラが高音域で主旋律を奏でることや、終楽章において第1ヴァイオリンが
ハーモニクスでホ音の保続音(スメタナに聞こえていたという幻聴の象徴。実際にはイ
長調の主和音が聞こえていたという)を奏でることで名高い。
 

聴力を失ったスメタナが、プラハからヤブケニツェへと隠遁して間もない1876年10月頃
から作曲が開始され、同年末頃に完成。しかし、第3楽章が技術的に困難であるとされ
たことや、様式的に欠陥があると指摘され、初演の引き受け手がなかなか見つからなか
った。完成から2年が経過した1879年3月26日に、スメタナの友人であるスルブ=デブ
ルノフの家で初演され、このときヴィオラ奏者を務めたのがアントニン・ドヴォルザー
クである。公開初演はスルブ=デブルノフ家での試演から3日後の、1879年3月29日に
フェルディナント・ラハナーやアロイス・ネルーダ、ヤン・ペリカーン、ヨゼフ・クレ
ハンの4名による演奏でプラハで行われる。初演を引き受けた4名は、スメタナが隠遁
する前に指揮者として活動していた仮劇場のオーケストラの中心メンバーで、また、こ
の曲はフランツ・リストの前でも演奏しており、彼はこの演奏に熱狂する。

 



● 彦根に新しいランドマーク誕生!
     平和堂新社屋屋上に太陽光パネル設置
 

8日、平和堂は、滋賀県彦根市の本社社屋の建て替えが完成したと発表。13日に移転。
研修用の宿泊施設や間仕切りがないオフィススペースを設けており、社員同士のコミュ
ニケーションの円滑化を図る。投資額は58億円。
今年3月に迎える創業60周年を記
念するとともに、1972年に建設した旧社屋の老朽化に対応。
新社屋は旧社屋の南西
300メートルに建設した。鉄骨3階建て延べ1万4300平方メートル。3階を主に
社員交流スペースとし、宿泊用の部屋17室のほか、行事や懇親会に使えるラウンジと
和室の大広間を設けた。社史を学ぶ展示室や研修室もある。


オフィスは部門間の間仕切りをなくし、会議室の壁をガラス張りにして開放的な空間に
しつらえた。店舗指導などで出張が多い社員を対象に、自席を固定しないフリーアドレ
ス制度を導入した。
同社は「新社屋では部門間の壁をなくし、業務の効率化と生産性の
向上を目指す」としている。また、新社屋に入る本部の愛称は、「HeadOffice(本部)
And Training(トレーニング)Omotenashi(おもてなし)Communiction(コミュニケーシ
ョン)の意味と、ハトのマークにちなんで「HATOC(ハトック)。平和堂広報課で
は「単なる本部ではなく、研修の場であり、お客様や店舗の要望をしっかり聞いて、情
報や意志を伝える場であるという意味を込めた」としている。創業者の歴史や理念など
を学ぶ展示室を設けている。屋上には太陽光発電の設備も設置している。
  


 

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