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Ⅵ

2017年02月14日 | 環境工学システム論

 

  

   24  一陽来復  /  地雷復(ちらいふく)

 

 

                                

 
    ※ 破壊のあとに建設が始まる。復興である。「復」は冬至を示す。
      陰の
気(--)がたれこめている中に、陽の気(-)が萌し始め、
      徐々に春が立ち復(かえ)るのだ。卦の形も、地中(坤)深い
      所に春機が発動
(震)していることを示している。長かった苦
      しみも、もう一息だ。しかし焦って今すぐ飛び出す
ようなこと
      をしてはいけない。あわてて芽を出そうとすれば、晩霜に遇っ
      てたちまちくじかれる。じ
りくりと将来の大計を樹てるべきと
      きである。易占では、復縁、仲直り、失せ物によいとされる卦
      で
ある。

 

  

【RE100倶楽部:スマート風力タービンの開発 24】 

● 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
  

● 第31の態様

また、第31の態様に係る垂直型風力発電システムは、第1~第29の態様に係る垂直
型風力発電システムの構成において、電力源35への電力の供給は、太陽光パネルをア
ーム3の表面に張り、太陽光パネルから電力源35に電力を供給する構成としている。
この構成により電力源35への電力の供給が簡素な構成で行うことができ、小型かつ低
コストの垂直型風力発電システム15を実現できる※。

※ 第31項は、ハイブリッド化であるが、わたし(たち)なら、現在進行中の「全国
  無電柱化」にあわせ、信号機や防犯カメラ、拡声機、防犯灯などの機能を融合させ「
  道路構造令に建築限界」を配慮し、高さ6メートル程度の「マルチ・タウン電柱
  として刷新し、意匠性と機能性を調和
させた、"Think Globally Act Locally"で革命的
  な「
風力タービンポール
」として世界展開する絵を描く。


上記した構成により、回転角度テーブルの高精度化、垂直型風力発電システムの発電効
率の向上、信頼性の向上および小型化が可能となるため、小型高性能、高効率かつ高信
頼性の垂直型風力発電システムを実現できる。

また、次のような制御方法として提供することもできる。

複数の直線翼から構成される垂直型ブレードと、直線翼を保持するアームと、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する発電機とを有し、風
力によって回転する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①
型風力発電システムの直線翼の制御方法で、アームに対する②直線翼の相対角度をそ
れぞ
れ独立して回動可能に構成し、垂直型ブレードの回転中心を基準した平面座標系に
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、ブレード回転角度に応じて直線翼の相対角度を変化させることを特徴とする。
さらに、上記の垂直型風力発電システムにおける回動手段を備えた垂直型ブレード、ま
たは回転角制御手段の単独で提供してもよしとする。
 


【符号の説明】

1 垂直型ブレード 2 直線翼 3 アーム 4 シャフトユニット 5 発電機 6 ポ
ール 
7 シャフトユニット保持部 8 相対角度 9 回動手段 10 回転角制御手段
11 平面
座標系 12 基準角度 13 ブレード回転角度 14 回転角度テーブル 
15 垂直型風
力発電システム 16 風速 17 風速検出手段 18 回転数検出手段 
19 風向検出手
段 20 回転トルク 21 回転抑止トルク可変手段 22 発電機コ
ントローラ(回転数
制御手段) 23 パワーコントローラ 24 結合部 25 翼弦 
26 翼直径 27 取
付け部 28 風向 29 翼弦長 30 駆動源 31 動力伝達
部 32 軸支部 33
回動軸部 34 翼長 35 電力源 36 向周速 37 相対
風速 38 迎角 39 ピ
ッチ角度 40 揚力 41 抗力 42 揚力による回転トル
ク 43 抗力による回転ト
ルク 

● 実施形態1

図1~図13を参照して実施の形態1に係る垂直型風力発電システムについて説明する。
図1および図2A~Cは、実施の形態1に係る垂直型風力発電システムの構成の一例を
示した模式図である。図1では、実施の形態1に係る垂直型風力発電システムを側方か
ら見たときの構成を模式的に示している。

図2A~Cでは、実施の形態1に係る風力発電システムを上方から見たときの構成を模
式的に示している。図3は実施の形態1に係る風力発電システムに搭載する直線翼2の
回動手段9の構成を示した略図である。図1および図2A~Cに示すように、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(図10に図示)、回転抑止トルク可変手段
21(図10に図示)、発電機コントローラ22(回転数制御手段)(図10に図示)、
パワーコントローラ23(図10に図示)、結合部24、垂直型ブレードの取付け部2
7、風向28より構成されている。



垂直型ブレード1は複数の直線翼2から構成され、アーム3により回動可能に保持され
る。シャフトユニット4はアーム3を固定し保持するとともにアームの回転を支持する
。シャフトユニット4は前記垂直型ブレード1の回転エネルギーを電気エネルギーに変
換する発電機5の回転部分(ロータ、シャフトなど)と結合(または一体化)され連動
し、垂直型ブレード1の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。

この際、結合部24(詳細は図示せず)を介してシャフトユニット24と発電機5の回
転部分とを結合してもよく、結合部24はカップリング、ギヤ、増速機、減速機などの
いずれかから構成されている。この時、結合部24の増速比または減速比により垂直型
ブレード1の回転数―出力特性と、発電機5の回転数-出力特性をマッチングさせるこ
とが可能
となる。

ポール6は、ベアリングおよび保持部(詳細は図示せず)などから構成されているシャ
フトユニッ
ト保持部7により、垂直型ブレード1とアーム3とを固定したシャフトユニ
ット4を保持し、シャフトユニット4をポール6に回動可能状態で保持する。一方、
1個又は複数個備える風速検出手段17は垂直型ブレード1の周辺の風速を検出し、回
転数検出手段18は垂直型ブレード1の回転数を検出し、風向検出手段19は垂直型ブ
レード19に流入する風の平面座標系11の回転中心Oを中心とした基準角度12に対
する風向28(角度)を検出する。

また、直線翼2はアーム3に回動手段9により回動可能に保持されている。
図3(a)、(
b)は実施の形態1に係る風力発電システムに搭載する直線翼2の回動手段9(直線翼
2、アーム3は含まない)の構成を示した略図である。回動手段9は回動軸部33、ス
テッピングモータ、DCモータ、超音波モータ、圧電素子などの駆動源30、ギヤ、カ
ップリング、シャフトなどから構成される動力伝達部31、ベアリングなどを用いた軸
支部32、駆動源30に電力を供給する電池などの電力源35より構成され、直線翼2
はアーム3に対して、最大で±180度の回動状態で保持される。

この際、軸支部32はベアリングに限らず摺動性を有した公知の軸支部材でも良い。ま
た、動力伝達部31は各種ギヤやカップリングを介しても良いし、駆動源30と回動軸
部33を直接結合する構成でも良い。

図3(a)、(b)の差は駆動源30および動力伝達部31の一部を垂直または水平に
配置したことである。図3(b)の構成では、駆動源30、動力伝達部31および電源
35の水平部をアーム3の内部に収納することも可能である。駆動源30、動力伝達源
31、電源35をアーム3に格納することで、垂直型風力発電システム15の小型化が
可能であるとともに、風雨や紫外線の影響を抑えることができ、信頼性および耐久性に
優れた垂直型風力発電システム15を実現できる。

図2Aは平面座標系11(X軸、Y軸、Z軸、原点O)における基準角度12(0度)、
垂直型ブレード1(直線翼2)の2種類のブレード回転角度13(θ)、垂直型ブレー
ド1の直径となる翼直径26、アーム3と直線翼1の取付け部27および2種類の相対
角度8、風速16、風向28、翼直径26をそれぞれ示している。直線翼2はアーム
3に対して取付け部27の位置に相対角度8の取付け角で回動可能状態にて保持されて
いる。

図2Bおよび図2Cはブレード回転角度13と迎角38との関係を示した図である。図
2Bにおいて、直線翼2は説明を簡素にするため約180度の位置にあり、風速16の
条件で、垂直型ブレード1の回転数に応じた翼直径26(外周)の回転速度で周速35
で回転している。この時、周速35は「m/s」の単位で表すものとする。

図2Cは、図2Bにおける迎角38を表した図で、翼型特性を表す際に用いられる迎角
38は、次のように求められる。すなわち、風速16と垂直型ブレード1の翼直径26
(外周)での回転速度である周速35に対する向周速36との合成となるいわゆる相対
風速37と、直線翼2の翼弦25とのなす角度である。


基本的な仕組みとして、接線方向の回転力(回転トルク)が大きくなるような迎角38
にするために相対角度8を変化させる。
図4(a)は実施の形態1に係る風力発電シス
テムに搭載する直線翼2の断面形状においていわゆる対称翼の一例を示した図で、図4
(b)はいわゆる非対称翼の一例を示した図である。直線翼1の前縁と後縁とを結んだ
線分を翼弦25とし、翼弦25の長さを翼弦長29としている。

また図4(c)は、図4(a)、(b)に示す翼型断面における取付け位置27を中心
として回転させた時の、相対風速37と翼弦25との角度となる迎角38と翼型断面の
表面で発生する揚力40および抗力41の関係を示している。風速16、翼弦25、取
付け部27、ブレード回転角度13、相対角度8、相対風速37、迎角38、ピッチ角
度39、揚力40、抗力41、揚力40による回転トルク42、抗力41による回転抑
止トルク(マイナストルク)43の関係を示した図である。相対角度8はアーム3と翼
弦25とのなす角の場合の図である。 この時、相対角度8を翼弦25と取付け位置27
における接線方向との角度とした場合はピッチ角度39が相対角度8となる。

図4(c)においてピッチ角度39は(相対角度8)-90度で表すことができる。ま
た、抗力41による回転抑止トルク43は周速比が1以下でブレード回転角度14が
180度から360度の間では、正の回転トルクとなる場合がある。したがって、周速
比が1以上の領域で回転エネルギー変換効率Cpを上げるには、揚力40による回転ト
ルク42を大きくし、抗力41による回転抑止トルク43を小さくすることが必要とな
る。また、周速比が1以下の領域で回転エネルギー変換効率Cpを上げるには、揚力
40による回転トルク42を大きくし、抗力41による回転抑止トルク43を小さく
するとともに、抗力41による回転トルク43(第3および第4象限ではプラストルク
が発生する)を大きくすることが必要となる。

図5は実施の形態1に係る風力発電システムに搭載する直線翼2の断面形状における翼
型特性を示した図である。
図5(a)は迎角38(ATTACK ANGLE)と揚力係数(C
L)の関係を示し、図5(b)は迎角38(ATTACK ANGLE)と抗力係数(CD)と
の関係を示した一例(特定の風速、またはレイノルズ数における参考図)である。回転
角度テーブル14におけるピッチ角度39の演算を行う場合、それぞれの風速またはレ
イノルズ数毎の翼型特性を考慮することは必須であり、この特性を考慮しない限りC
を最大とする回転角度テーブル14の演算は困難となる。逆に、様々な風速またはレイ
ノルズ数に対応した翼型特性があれば、精度よく回転角度テーブル14を作成すること
が可能となる。

ここで、抗力係数および揚力係数は、ともに係数に1/2(ρCV2)をかけることで
力(N/m)に換算できる。この時、ρは空気密度(kg/m3)、Cは翼弦長29(
m)、Vは風速(m/s)とする。
図6は、実施の形態1に係る風力発電システムに搭
載する直線翼2における周速比λと風速16、向周速36、相対速度37とブレード回
転角度(θ)13との関係を示した模式図である。

図6(a)および図6(b)は周速比λが1以下の領域の場合と、周速比が1を超えた
場合のブレード回転角度13と相対速度37の関係を示している。特に、周速比1以下
ではピッチ角度38の調整角度によっては、ブレード回転角度(θ)13が180度~
360度の領域では抗力による回転トルク(プラストルク)を発生させることが可能と
なる。

また、図6の(c)と図6の(d)は周速比と迎角38の関係を示した図である。ピッ
チ角度39を0度に固定した場合、周速比が1以下の領域では迎角38は0度~360
度となるが、周速比が1を超えると迎角は大幅に小さくなることが分かる。また、全て
の周速比において相対風速37は垂直型ブレード1の平面座標系11における下流側(
0≦φ≦90度、270度≦φ≦360度)では翼型の腹側から当たることになる。

                                                                 この項つづく

 ● 今夜の一曲

 

デル・シャノン(Del Shannon、1934年12月30日 - 1990年2月8日)は、米国のシンガー
ソングライター。1961年のデビューシングル「悲しき街角(Runaway)」がビルボード
1位を獲得する。ミシガン州グランドラピッズに生まれ、その近くのクーパースヴィル
で育つ。本名は、Charles Weedon Westover。14歳の時にギターを手にしたのきっかけ
にミュージシャンを決意。高校時代にバンドも結成し、ナイトクラブにも出入りし活動
を開始。一時期軍隊に入隊、除隊後と地元ミシガンでオルガニストのマックス・クルッ
クと共にバンドを結成。
1961年に「悲しき街角」が大ヒット、ここからシャノンの運命
が大きく変わる。その後ヒットを何曲か飛ばし、1963年にイギリスに上陸した際にはビ
ートルズとも面識があったという。1964年にピーター&ゴードンが歌った「アイ・ゴー・
トゥ・ピーセス」(シャノン自身のパージョンは翌1965年に発表)がヒット。

しかし、1960年代の半ば頃から徐々に精神的バランスを崩し、アルコールにも手を出す。
ヒットも「さすらいの街角(街角のストレンジャー)」を最後に長い低迷時代を向え、
1982年にフィル・フィリップスの1959年のヒット曲「シー・オブ・ラブ」をカヴァーを
し、全米トップチャートで40位にランクイン。1985年には「ミュージックフェア」にも
出演を果たす。テレビ朝日のオールディー番組に出演するが、その日は番組開始10分過
ぎ位に入った御巣鷹山の日航機事故特別臨時ニュースのためカットされる。1990年2月8
日、自宅で猟銃自殺を遂げる55歳没。ポスト60年安保の頃、僕たちの青春と共にあ
った。

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