JP2015108371A - 気流発生装置、移動体、および、風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】剥離流れの発生を効果的に抑制することが可能であって、効率の向上を容易に実現可能な、気流発生装置等を提供する。【解決手段】実施形態の気流発生装置は、第１電極６２１と、第１電極から離れて設けられた第２電極６２２と、第１電極と第２電極との間にパルス変調された電圧を印加することによって気流を発生させる電圧印加部とを有する。電圧印加部は、第１のデューティ率で電圧の印加を開始した後に、第１のデューティ率よりも小さい第２のデューティ率で電圧の印加を行う。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、気流発生装置、移動体、および、風力発電システムに関する。

放電によってプラズマを生成して気流を発生させる気流発生装置が提案されている。この気流発生装置は、たとえば、風力発電システムにおいてブレード（風車翼）などの移動体に設置される。

風力発電システムは、再生可能エネルギーである風力エネルギーを利用して発電を行う。風力発電システムは、定格風速（一般に１２〜１３ｍ／ｓ）よりも風速が低い風が、年間において最も多く吹く場所に設置されることが多い。このため、風速が低速域および中速域であるときに、発電出力を増加することが求められている。

風力発電システムにおいては、ブレードの表面に剥離流れが発生し、発電量が変動する場合がある。たとえば、風速や風向きが急に変動したときには、ブレードの周りにおいて速度三角形が定格点から大きくずれて、剥離流れが広い範囲で発生する場合がある。風速や風向きが急に変動したときには、ヨー角やピッチ角の調整では十分に対応ができない。このため、風力発電システムにおいては、ブレードの揚力の低下などにより、発電出力を安定に維持できずに、効率を高めることが容易でない場合がある。

この対策として、気流発生装置をブレードの表面に設置することが提案されている（たとえば、特許文献１，２，３参照）。気流発生装置では、一対の電極間に電圧を印加し、バリア放電によりプラズマを生成することによって、気流を発生させる。たとえば、低周波のパルス変調波でパルス変調された高周波の電圧を一対の電極間に印加することによって、気流を間歇的に発生させる。気流発生装置においては、一対の電極間に印加する電圧について、電圧値、周波数、デューティ率などの特性を制御することで、適宜、気流を調整することができる。また、パルス変調周波数を所定の関係を満たすように設定することで、高い発電出力になるように、気流を調整することができる。この他に、電圧値を増加させることで、気流の速度を更に増すことができる。

このように、気流発生装置を用いて気流を発生させることによって、剥離流れの発生を抑制することにより、風力発電システムの高効率化を実現することができる。

図１１，図１２は、気流発生装置を用いて気流を発生させた場合と、発生させない場合との結果を示す図である。ここでは、小型の風車においてブレードの前縁付近に気流発生装置を設置し、そのブレードの周りにおいて速度三角形が定格点からずれる条件で風洞実験を行った結果を示している。

図１１では、気流発生装置を駆動させた時間ｔと、風車の回転数ｒ（ｒｐｍ）との関係を示しており、横軸が時間ｔであって、縦軸が風車の回転数ｒ（ｒｐｍ）である。

図１２では、ブレードに流入する風の風速と、風力発電システムの発電出力との関係を示しており、横軸が風速ｖであり、縦軸が発電出力Ｅである。図１２において、実線は、気流発生装置を駆動させて気流を発生させた場合（Ｏｎ）を示し、破線は、気流発生装置を駆動させずに気流を発生させない場合（Ｏｆｆ）を示している。

図１１に示すように、気流発生装置を駆動させて気流を発生させた場合（Ｏｎのとき（ｔ０以降））には、発生させない場合（Ｏｆｆのとき（ｔ０よりも前））と比べて、ブレードが設置されたロータの回転数ｒが増加する。これは、気流発生装置によって発生した気流により、ブレードの周囲において剥離流れの発生が抑制され、ブレードの揚力が増加したからであると考えられる。図１２に示すように、気流発生装置を駆動させることによって、特に、風速が低速域および中速域において発電出力Ｅを増加することができる（たとえば、非特許文献１参照）。

上記と同様に、中型の風車（定格３０ｋＷ）に気流発生装置を適用してフィールド実験を行ったところ、風速および風向きが変動する実際の条件の下でも、高効率化を実現することができるが確認されている（たとえば、非特許文献２参照）。

特開２００８−２５４３４号公報 特開２０１２−２４９５１０号公報（たとえば、図７，図９，図１７） 特開２００７−３１７６５６号公報（たとえば、図１４Ｂ）

Matsuda,H., Tanaka,M., Goshima,S., Amemori,K., Nomura,M., and Osako,T., (2012), Experimental Study on Plasma Aerodynamic Control for Improving Wind Turbine Performance, Asian Congress on Gas Turbine 2012-Tradition, Challenge and Future, Shanghai,R.P.China, ACGT2012-1058. Tanaka,M., Amemori,K., Matsuda,H., Shimura,N., Yasui,H., Osako,T., Kamada,Y. and Maeda,T. (2013),"Field test of plasma aerodynamic controlled wind turbine",EWEA 2013, Viena.

しかしながら、上記の気流発生装置においては、剥離流れの発生を十分に抑制することが容易でない場合がある。特に、風車が大型である場合には、ブレードの翼コード長は、１〜４ｍであって、中型の風車の場合に対して２〜５倍であるので、剥離流れが大きくなり、剥離流れの発生を効果的に抑制することができない場合がある。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、剥離流れの発生を効果的に抑制することが可能であって、効率の向上を容易に実現可能な、気流発生装置、移動体、および、風力発電システムを提供することである。

実施形態の気流発生装置は、第１電極と、第１電極から離れて設けられた第２電極と、第１電極と第２電極との間にパルス変調された電圧を印加することによって気流を発生させる電圧印加部とを有する。電圧印加部は、第１のデューティ率で電圧の印加を開始した後に、第１のデューティ率よりも小さい第２のデューティ率で電圧の印加を行う。

図１は、第１実施形態に係る風力発電システムの全体を示す図である。 図２は、第１実施形態に係る風力発電システムにおいて、気流発生装置を示す図である。 図３は、第１実施形態に係る風力発電システムにおいて、気流発生装置を示す図である。 図４は、第１実施形態に係る風力発電システムの気流発生装置において、電圧印加部が印加する電圧の波形を示している。 図５は、第１実施形態に係る風力発電システムにおいて、パルス変調された電圧の印加を気流発生装置が行ったときに、ブレードの周囲における風の流れを示す図である。 図６は、第１実施形態に係る風力発電システムにおいて、パルス変調された電圧の印加を気流発生装置が行ったときに、ブレードの周囲における風の流れを示す図である。 図７は、第１実施形態に係る風力発電システムにおいて、ストローハル数と圧力係数との関係を示す図である。 図８は、第２実施形態に係る風力発電システムの気流発生装置において、電圧印加部が印加する電圧の波形を示している。 図９は、第３実施形態に係る風力発電システムの気流発生装置において、電圧印加部が印加する電圧の波形を示している。 図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、パルス変調波の各周期（Ｔ１，Ｔ２，・・・）において、印加時間Ｔａに印加される高周波の電圧の波数ｋと、揚力係数ＣＬとの関係を示す図である。 図１１は、気流発生装置を用いて気流を発生させた場合と、発生させない場合との結果を示す図である。 図１２は、気流発生装置を用いて気流を発生させた場合と、発生させない場合との結果を示す図である。

実施形態について、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
［Ａ］風力発電システム１の全体構成
図１は、第１実施形態に係る風力発電システム１の全体を示す図である。

風力発電システム１は、図１に示すように、アップウィンド形のプロペラ風車であって、タワー２、ナセル３、ロータ４、および、風向風速計測部５を備えている。

風力発電システム１を構成する各部について順次説明する。

［Ａ−１］タワー２
タワー２は、垂直方向に沿って延在しており、地中に埋め込まれた基台（図示省略）に下端部が固定されている。

［Ａ−２］ナセル３
ナセル３は、タワー２の上端部に設置されており、ヨー角の調整のために、垂直方向を軸にして回転するように支持されている。

図示を省略しているが、ナセル３の内部には、発電機（図示省略）が収容されている。

［Ａ−３］ロータ４
ロータ４は、ナセル３の一方の側端部に回転可能に支持されており、たとえば、水平方向を回転軸として回転方向Ｒに回転する。ロータ４は、ナセル３の内部に収容された発電機（図示省略）の回転軸に連結されており、ロータ４の回転によって発電機が駆動し、発電が行われる。

ロータ４は、ハブ４１と複数のブレード４２とを備えている。

ロータ４において、ハブ４１は、外形が半楕円体状の先端カバーを含み、水平方向において風上から風下へ向かうに伴って外周面の外径が大きくなるように形成されている。

ロータ４において、複数のブレード４２のそれぞれは、ハブ４１を中心にして径方向に延在しており、回転方向Ｒにおいて等間隔に並ぶように設置されている。たとえば、３枚のブレード４２が設けられており、それぞれは、ピッチ角の調整のために、一端がハブ４１に回転可能に支持されている。

また、複数のブレード４２のそれぞれにおいては、図１に示すように、気流発生装置６の本体部６１が、複数、翼スパン方向に並ぶように設置されている。気流発生装置６の詳細については後述するが、気流発生装置６は、発生した気流がブレード４２の前縁側から後縁側へ向かって流れるように構成されている。

［Ａ−４］風向風速計測部５
風向風速計測部５は、図１に示すように、ブレード４２の風下において、ナセル３の上面に取付けられている。

風向風速計測部５は、風速および風向きについて計測することによって、風速データおよび風向きデータを得る。

［Ｂ］気流発生装置６の詳細構成
図２，図３は、第１実施形態に係る風力発電システムにおいて、気流発生装置を示す図である。

図２では、ブレード４２の翼厚方向に沿った断面において、気流発生装置６が設置された様子を示している。これに対して、図３（ａ），図３（ｂ）では、気流発生装置６の本体部６１を拡大して示しており、図３（ａ）は、断面図であり、図３（ｂ）は、上面図である。図３（ａ）は、図３（ｂ）においてＸ−Ｘ部分の断面に相当する。

図２に示すように、気流発生装置６は、本体部６１と、電圧印加部６２と、接続部６３と、制御部６４とを備えている。

また、気流発生装置６の本体部６１は、図２，図３（ａ），図３（ｂ）に示すように、基体６１１と、第１電極６２１（表面電極）と、第２電極６２２（内挿電極）とを含む。

気流発生装置６を構成する各部について順次説明する。

［Ｂ−１］本体部６１
気流発生装置６において、本体部６１は、図２に示すように、ブレード４２に設置されている。たとえば、本体部６１は、ブレード４２の背側の面（図２では上面）のうち、前縁ＬＥの側の部分に形成された溝の内部に収容されている。ここでは、本体部６１は、第１電極６２１が第２電極６２２よりもブレード４２の外側に位置すると共に、第１電極６２１と第２電極６２２とが前縁ＬＥから後縁ＴＥに向かって順次並ぶように設置されている。

図３（ａ），図３（ｂ）に示すように、本体部６１は、断面が矩形形状であって、基体６１１に第１電極６２１と第２電極６２２とが設けられている。

本体部６１において、基体６１１は、絶縁材料（誘電体）で形成されている。たとえば、基体６１１は、シリコーン樹脂（シリコンゴム）、エポキシ樹脂、フッ素樹脂などの有機材料を用いて形成されている。この他に、基体６１１について、アルミナ、ガラス、マイカなどの無機材料を用いて形成してもよい。

本体部６１において、第１電極６２１と第２電極６２２とのそれぞれは、たとえば、金属材料などの導電材料で形成されている。

第１電極６２１は、板状体であって、基体６１１の表面（上面）に設けられている。ここでは、第１電極６２１は、図３（ａ）に示すように、上面が露出しており、上面以外の面（下面，側面）が、基体６１１に接するように配置されている。また、第１電極６２１は、図３（ｂ）に示すように、直線状に延在している。

第２電極６２２は、第１電極６２１と同様に、板状体である。第２電極６２２は、図３（ａ）に示すように、第１電極６２１と異なり、基体６１１の内部に設けられている。つまり、第２電極６２２は、上面、下面，側面が基体６１１に接しており、第１電極６２１よりも深い位置に配置されている。また、第２電極６２２は、図３（ｂ）に示すように、第１電極６２１が延在する延在方向（第１の方向，長手方向）と同じ方向（図３（ｂ）では縦方向）に、直線状に延在している。ここでは、第２電極６２２は、第１電極６２１の延在方向（第１の方向）に直交する方向（第２の方向）（図３（ｂ）では横方向）にて、第１電極６２１と並ぶように配置されている。

［Ｂ−２］電圧印加部６２
気流発生装置６において、電圧印加部６２は、図２に示すように、接続部６３を介して、第１電極６２１と第２電極６２２とのそれぞれに電気的に接続されており、第１電極６２１と第２電極６２２との間に電圧を印加する。

電圧印加部６２は、第１電極６２１と第２電極６２２との間に電圧を印加することによって、本体部６１において第１電極６２１の表面（上面）の近傍に、バリア放電によってプラズマを発生させて、気流（プラズマ誘起流）を誘起する。気流は、第１電極６２１側から第２電極６２２側へ向かって流れるように誘起される。

図示を省略しているが、電圧印加部６２は、たとえば、ブレード４２の翼根部に設置されており、複数の本体部６１のそれぞれ（図１参照）において電圧を印加するように構成されている。

［Ｂ−３］接続部６３
気流発生装置６において、接続部６３は、一対の接続配線６３１，６３２を含む。

接続部６３のうち、一方の接続配線６３１は、一端が第１電極６２１に電気的に接続されており、他端が電圧印加部６２に電気的に接続されている。

接続部６３のうち、他方の接続配線６３２は、一端が第２電極６２２に電気的に接続されており、他端が電圧印加部６２に電気的に接続されている。

図示を省略しているが、一対の接続配線６３１，６３２は、気流発生装置６を構成する複数の本体部６１（図１参照）のそれぞれに対応して、複数組が設けられており、ロータ４のハブ４１の側からブレード４２の先端側に延在するように配置されている。

［Ｂ−４］制御部６４
気流発生装置６において、制御部６４は、図２に示すように、電圧印加部６２に制御信号ＣＴＬ６４を出力することによって、電圧印加部６２の動作を制御する。

制御部６４は、風向風速計測部５から風速データおよび風向データが入力される。この他に、制御部６４は、風力発電システム１の発電出力と、ブレード４２のトルクと、ブレード４２の回転数との少なくとも１つを計測することによって得た計測データが入力される。制御部６４は、その入力された各データに基づいて、ヨー角やピッチ角の調整を行う。この他に、制御部６４は、その入力された各データに基づいて、電圧印加部６２に制御信号ＣＴＬ６４を出力して制御を行う。

制御部６４は、上記の計測データが風速データに応じて定められる基準データよりも低い状態になり、その状態を保持した時間が予め設定された時間を超えたときに、パルス変調した電圧の印加を行うように、電圧印加部６２を制御する。

そして、制御部６４は、上記の計測データが風速データに応じて定められる基準データ以上である状態になり、その状態を保持した時間が予め設定された時間を超えたときには、パルス変調した電圧の印加を停止するように、電圧印加部６２を制御する。なお、制御部６４は、メモリ装置が記憶しているプログラムを用いて演算器が演算処理を行うように構成されており、上記のように、演算器が入力信号に基づいて演算処理を実行することによって制御信号ＣＴＬ６４を出力信号として出力する。

［Ｃ］電圧印加部６２が印加する電圧について
図４は、第１実施形態に係る風力発電システムの気流発生装置において、電圧印加部が印加する電圧の波形を示している。図４において、横軸は時間であり、縦軸は電圧の値である。

気流発生装置６において、電圧印加部６２は、制御部６４（図２参照）から出力される制御信号ＣＴＬ６４に基づいて、図４に示すように、高周波の電圧（交番電圧）を、第１電極６２１と第２電極６２２との間に、予め設定された周波数（基本周波数）で印加する。高周波の電圧は、その高周波の電圧の周波数よりも低周波なパルス変調波（図示省略）でパルス変調され、そのパルス変調波の各周期（Ｔ１，Ｔ２，・・・）において印加される。

本実施形態においては、図４に示すように、パルス変調された高周波の電圧は、第１のデューティ率Ｄ１から、その第１のデューティ率Ｄ１よりも小さい第２のデューティ率Ｄ２へ変化されて、第１電極６２１と第２電極６２２との間に印加される。

具体的には、まず、第１の周期Ｔ１では、高周波の電圧が、第１のデューティ率Ｄ１で印加される。ここでは、第１の時点ｔ１に電圧の印加が開始される。そして、その第１の時点ｔ１から第２の時点ｔ２の間の時間ｔ１２（第１のオン時間）に、予め設定された周波数（基本周波数）で高周波の電圧が印加される。つまり、時間に応じて正極性と負極性とに変化する電圧を周期的に繰り返し印加することによって、気流を発生させる。その後、第２の時点ｔ２から第３の時点ｔ３の間の時間ｔ２３（第１のオフ時間）においては、高周波の電圧を印加することが停止され、気流の発生が止められる（Ｔ１＝ｔ１２＋ｔ２３）。

つぎに、第２の周期Ｔ２（＝Ｔ１）では、高周波の電圧が、第１のデューティ率Ｄ１よりも小さい第２のデューティ率Ｄ２で印加される。ここでは、第３の時点ｔ３に電圧の印加が開始される。そして、その第３の時点ｔ３から第４の時点ｔ４の間の時間ｔ３４（第２のオン時間）に、第１の周期Ｔ１と同様に、予め設定された周波数（基本周波数）で高周波の電圧が印加され、気流が発生する。その後、第４の時点ｔ４から第５の時点ｔ５の間の時間ｔ４５（第２のオフ時間）においては、高周波の電圧を印加することが停止され、気流の発生が止められる（Ｔ２＝ｔ３４＋ｔ４５）。

第２の周期Ｔ２において気流の発生を行う時間ｔ３４（第２のオン時間）は、第１の周期Ｔ１において気流の発生を行う時間ｔ１２（第１のオン時間）よりも短い（ｔ３４＜ｔ１２）。これに対して、第２の周期Ｔ２において気流の発生を停止する時間ｔ４５（第２のオフ時間）は、第１の周期Ｔ１において気流の発生を停止する時間ｔ２３（第２のオフ時間）よりも長い（ｔ４５＞ｔ２３）。つまり、第２の周期Ｔ２において気流を発生させる時間ｔ３４（第２のオン時間）の割合である第２のデューティ率Ｄ２（ｔ３４／（ｔ３４＋ｔ２３）＝Ｄ２）は、第１の周期Ｔ１において気流を発生させる時間ｔ１２（第１のオン時間）の割合である第１のデューティ率Ｄ１（ｔ１２／（ｔ１２＋ｔ２３）＝Ｄ１）よりも小さくなっている（Ｄ２＜Ｄ１）。

第２の周期Ｔ２よりも後の周期（第３の周期以降）では、第２の周期Ｔ２の場合と同様に、第２のデューティ率Ｄ２で電圧の印加が行なわれる。

このように、本実施形態においては、まず、第１の周期Ｔ１では第１のデューティ率Ｄ１で高周波の電圧を印加し、その第１の周期Ｔ１よりも後の第２の周期Ｔ２以降の各周期では、第１のデューティ率Ｄ１よりも小さい第２のデューティ率Ｄ２で高周波の電圧の印加を行う。

たとえば、第１のデューティ率Ｄ１は、１０％であり、第２のデューティ率Ｄ１は、１％である。

図５，図６は、第１実施形態に係る風力発電システムにおいて、パルス変調された電圧の印加を気流発生装置が行ったときに、ブレードの周囲における風の流れを示す図である。

図５，図６では、ブレード４２の周りにおいて速度三角形が定格点から外れて剥離流れが生ずる条件で気流発生装置を用いて気流を発生させたときに、ブレード４２の周囲を流れる風の流れについて観測した様子を示している。ここでは、粒子画像流速計（ＰＩＶ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ））を用いて、流れを観測した結果を模式的に示している。図５，図６においては、図２の場合と同様に、上方がブレード４２の背側である。図５，図６では、ブレード４２の表面に生じた剪断層ＳＬの境界を破線で示すと共に、発生する渦の強さ、および、剪断層ＳＬに形成された増速域の強さを矢印の大きさで示している。

ここで、図５（ａ）および図５（ｂ）は、第１のデューティ率Ｄ１が１０％の条件で高周波の電圧の印加を行った場合（Ｄ１＝１０％）を示しており、図６（ａ）および図６（ｂ）は、第２のデューティ率Ｄ２が１％の条件で高周波の電圧の印加を行った場合（Ｄ２＝１％）を示している。また、図５（ａ）と図６（ａ）とのそれぞれは、印加開始直後（開始から７ｍｓ後）の様子を示し、図５（ｂ）と図６（ｂ）とのそれぞれは、印加開始後に定常状態になったときの様子を示している。

図５（ａ），図６（ａ）に示すように、電圧の印加を開始することによって、ブレード４２の背側に渦が発生する。そして、図５（ｂ），図６（ｂ）に示すように、電圧の印加を繰り返し行って定常状態になったときには、その渦が合体して成長して、剪断層ＳＬに増速域が形成される。

電圧印加の開始直後においては、図５（ａ）と図６（ａ）とを比較して判るように、第１のデューティ率Ｄ１の場合（図５（ａ）参照）の方が、第２のデューティ率Ｄ２の場合（図６（ａ）参照）よりも、強い渦が形成される。このため、電圧印加の開始直後では、よりデューティ率が大きい方が、流れをより増速させることができる。

これに対して、電圧印加の開始後に定常状態になったときには、図５（ｂ）と図６（ｂ）とを比較して判るように、第１のデューティ率Ｄ１の場合（図５（ｂ）参照）よりも第２のデューティ率Ｄ２の場合（図６（ｂ）参照）の方が、剪断層ＳＬが翼の近くに位置するため、流れをより増速させることができる。

本実施形態では、上述したように、第１のデューティ率Ｄ１での電圧の印加を開始した後に、第２のデューティ率Ｄ２（Ｄ２＜Ｄ１）での電圧の印加を行う。

これから判るように、本実施形態では、まず、図５（ａ）に示すように、第２のデューティ率Ｄ２よりも高い第１のデューティ率Ｄ１で電圧の印加を開始するため、第２のデューティ率Ｄ２の場合（図６（ａ）参照）よりも流れを増速させることができる。その後、本実施形態では、図６（ｂ）に示すように、第１のデューティ率Ｄ１よりも低い第２のデューティ率Ｄ２で電圧の印加を繰り返し行うため、第１のデューティ率Ｄ１の場合（図５（ｂ）参照）よりも流れを増速させることができる。すなわち、本実施形態では、電圧の印加を開始した直後において、プラズマによる気流の速度を効果的に増加させることができると共に、電圧の印加を繰り返して行って定常状態になるときにおいても、プラズマによる気流の速度を効果的に増加させることができる。

その結果、本実施形態では、気流発生装置により発生した気流によって、ブレード４２の周囲において剥離が発生することを容易に抑制することができる。

本実施形態において、電圧印加部６２が印加する高周波の電圧は、周波数（基本周波数）が、たとえば、１０ｋＨｚ〜１５ｋＨｚに設定されている。そして、気流は、第１電極６２１の直下において、たとえば、１〜３ｍ／ｓの風速になるように誘起される。

［Ｄ］パルス変調周波数ｆについて
本実施形態において、パルス変調周波数ｆ（パルス変調波の周波数）については、たとえば、ストローハル数Ｓｔが下記に示す関係式（Ａ）を満たす値になるように設定される。

０．２５≦Ｓｔ≦５ ・・・（Ａ）

ストローハル数Ｓｔは、下記の関係式（Ｂ）に示すように、パルス変調周波数ｆと代表長さｃと代表速度Ｕとに基づいて求められる。このうち、代表長さｃは、ブレード４２の翼コード長である。また、代表速度Ｕは、主流速度であり、回転するブレード４２の周速と、ブレード４２に流入する風の風速とを合成した速度である。なお、ブレード４２が、たとえば、テーパー翼等であって、翼根と翼端との間において翼コード長が変化する場合には、ブレード４２のスパン方向において気流発生装置６の本体部６１の中心が位置する部分の翼コード長を、上記の代表長さｃとして用いる。

Ｓｔ＝ｆｃ／Ｕ ・・・（Ｂ）

図７は、第１実施形態に係る風力発電システムにおいて、ストローハル数と圧力係数との関係を示す図である。

図７では、２次元翼を用いた風洞実験の結果を示している。具体的には、下記に示す条件で風洞実験を行い、その結果を図７に示している。
・翼型：ＮＲＥＬ Ｓ８２５
・翼コード長：４００ｍｍ
・流入風速：Ｒｅ＝４．１×１０^５条件（Ｕ＝１５ｍ／ｓ）
・迎角：２６度

本風洞実験では、パルス変調周波数ｆを変えることによってストローハル数Ｓｔを変化させて、ブレード４２の背側（翼背側）における静圧データをモニターすることにより、モニター位置の圧力係数Ｃｐを求めている。なお、圧力係数Ｃｐは、下記の関係式（Ｃ）に示すように、局所壁面静圧Ｐｓと空気密度ρと代表速度Ｕとに基づいて求められる。

Ｃｐ＝２Ｐｓ／ρＵ^２ ・・・（Ｃ）

図７から判るように、ストローハル数Ｓｔが関係式（Ａ）に示す範囲（０．２５≦Ｓｔ≦５）であるときには、圧力係数Ｃｐが低くなり、剥離流れを効果的に制御することができる。特に、関係式（Ａ）に示す範囲（０．２５≦Ｓｔ≦５）のうち、下記の関係式（Ａ１）に示す範囲では、圧力係数Ｃｐが更に小さく、剥離流れを更に効果的に制御することができる（図７参照）。

０．５≦Ｓｔ≦１．０ ・・・（Ａ１）

本実施形態では、制御部６４が、風向風速計測部５で計測された風速データおよび風向データと、ブレード４２の周速を計測することによって計測データとして得た周速データと、予め記憶しているブレード４２の翼コード長のデータなどの各データに基づいて、上記の関係式（Ａ）を満たすパルス変調周波数ｆを求めて設定する。そして、そのパルス変調周波数ｆでパルス変調された高周波の電圧を上記のように印加するように、制御部６４が電圧印加部６２の動作を制御する。

たとえば、風力発電システム１が２ＭＷ級の大型風車を備える場合において、代表長さｃが１．５ｍ程度（５０％スパン）であり、代表速度Ｕが定格風速時を考慮して４０ｍ／ｓ程度であるときに、ストローハル数Ｓｔを１．０に設定した場合には、パルス変調周波数ｆは、２７Ｈｚに設定される。このとき、電圧の周波数（基本周波数）が、たとえば、１５ｋＨｚである場合には、デューティ率が１０％のときには、５６個の撹乱が発生し、デューティ率が１％のときには５．５個の撹乱が発生することになる。

［Ｅ］電圧印加の開始と停止について
本実施形態では、パルス変調された電圧の印加については、ブレード４２の表面に剥離流れが多く発生したと判断されるときに開始する。そして、剥離流れの発生が少なくなったと判断されるときには、その電圧の印加を停止する。

ブレード４２の表面に剥離流れが発生したときには揚力が低下する。このため、風力発電システム１の発電機（図示省略）から出力される発電出力、ブレード４２が設置されたロータ４が回転することによって生じるトルク、および、そのロータ４の回転数（風車回転数）のそれぞれが低下する。このため、本実施形態では、発電出力などの因子について実測して得た計測データに基づいて、パルス変調された電圧印加の開始および停止を行う。

具体的には、本実施形態では、発電出力などの因子を実測して得た計測データが、風速データに応じて定められる基準データよりも低い状態になり、その状態を保持した時間が予め設定された時間になったときには、パルス変調した電圧の印加を開始して、剥離流れの発生を抑制させる。

たとえば、剥離流れの発生がない状態で発電出力などの因子について計測される基準データ（設計データ）と、風速データとの間を関連付けたデータベースを予め記憶させておき、そのデータベースを用いて、実測された風速データに対応する基準データを、制御部６４が求める。そして、発電出力などの因子について実測された計測データが、その求めた基準データよりも低い状態になった時間（たとえば、計測データが基準データに対して８０％未満になった時間）をカウントする。そして、その低い状態を保持した時間が、予め設定された時間（たとえば、５〜１０秒）になったか否かを判定する。そして、その予め設定された時間になったときには、制御部６４が制御信号ＣＴＬ６４を電圧印加部６２に出力して、パルス変調された電圧の印加を電圧印加部６２に開始させる。つまり、図４に示したように、第１のデューティ率Ｄ１での電圧の印加後に第２のデューティ率Ｄ２での電圧の印加を繰り返し行う動作を、開始させる。

そして、パルス変調された電圧の印加を開始した後に、発電出力などの因子を実測して得た計測データが、風速データに応じて定められる基準データ以上の状態になり、その状態を保持した時間が予め設定された時間になったときには、そのパルス変調した電圧の印加を停止する。

たとえば、上記と同様に風速データから基準データを求めた後に、実測された計測データが、その基準データ以上の状態になった時間（たとえば、計測データが基準データに対して８０％以上になった時間）をカウントする。そして、その状態を保持した時間が、予め設定された時間（たとえば、５〜１０秒）になったか否かを判定する。そして、その予め設定された時間になったときには、制御部６４が制御信号ＣＴＬ６４を電圧印加部６２に出力して、パルス変調された電圧の印加を、電圧印加部６２に停止させる。つまり、図４に示したように、第１のデューティ率Ｄ１での電圧の印加後に第２のデューティ率Ｄ２での電圧の印加を繰り返し行う動作を、停止させる。

［Ｆ］まとめ
以上のように、本実施形態の風力発電システム１（図１参照）において、気流発生装置６は、第１電極６２１と第２電極６２２とがブレード４２（移動体）に設置されており、電圧印加部６２（図２，図３参照）が第１電極６２１と第２電極６２２との間に、パルス変調された電圧を印加して気流を発生する。本実施形態では、電圧印加部６２（図２，図３参照）は、その電圧の印加を第１のデューティ率Ｄ１で開始した後に、その第１のデューティ率Ｄ１よりも小さい第２のデューティ率Ｄ２で電圧の印加を行う（図４参照）。このため、本実施形態では、上述したように、電圧の印加を開始した直後において、プラズマによる気流の速度を効果的に増加させることができると共に、定常状態においても、プラズマによる気流の速度を効果的に増加させることができる（図５（ａ），図６（ｂ）参照）。

したがって、本実施形態では、気流発生装置６により発生した気流によって、ブレード４２の周囲において剥離が発生することを容易に抑制することができる。その結果、本実施形態の風力発電システム１では、発電出力が安定に維持し、発電効率を向上することができる。特に、本実施形態では、翼コード長が１ｍ〜４ｍ程度になる大型風車においても、境界層に擾乱を効果的に発生させることができるため、好適である。

本実施形態では、電圧印加部６２は、上述した関係式（Ａ）に示すストローハル数Ｓｔを満たすように設定されたパルス変調周波数ｆでパルス変調された高周波の電圧を印加する。このため、本実施形態では、剥離流れの発生を効果的に抑制することができる（図７参照）。

本実施形態では、上記したように、気流発生装置６の本体部６１が、ブレード４２の翼スパン方向に複数が並ぶように設置されている。つまり、第１電極６２１と第２電極６２２とのそれぞれが、ブレード４２の翼スパン方向に、複数設置されている（図１参照）。このため、本実施形態では、ブレード４２の翼スパン方向において、剥離流れの発生を効果的に抑制することができる。

本実施形態では、上記したように、気流発生装置６は、風力発電システム１の発電出力とブレード４２のトルクとブレード４２の回転数との少なくとも１つを計測することによって得られた計測データに基づいて、制御部６４が電圧印加部６２の動作を制御する。ここでは、風速データに応じて定められた基準データよりも計測データが低い時間が予め設定された時間になったときには、剥離が発生したと判断して、電圧印加部６２に電圧の印加を開始させる。また、風速データに応じて定められた基準データ以上に計測データがなった時間が予め設定された時間になったときには、剥離の発生が抑制されたと判断して、電圧印加部６２に電圧の印加を停止させる。このように、本実施形態では、剥離流れの発生状況に応じて電圧の印加を制御するので、剥離流れを効果的に抑制することができる。また、剥離の発生が抑制されたときには電圧の印加を停止するため、電力を効率的に利用することができる。

［Ｇ］変形例
上記の実施形態では、気流発生装置６の本体部６１をブレード４２の表面に形成された溝の内部に収容する場合（図２参照）について説明したが、これに限らない。たとえば、ブレード４２に表面に溝を形成せずに、気流発生装置６の本体部６１をブレード４２の表面に設置してもよい。また、上記のように、気流発生装置６の本体部６１をブレード４２とは別に作製し、その本体部６１をブレード４２に設置する場合の他に、第１電極６２１と第２電極６２２とをブレード４２に直接設けることによって、気流発生装置６を構成してもよい。

上記の実施形態では、ブレード４２の前縁ＬＥの近傍に、第１電極６２１と第２電極６２２と設置する場合について説明したが、これに限らない。たとえば、ブレード４２の背側の面のうち、後縁側の部分に、第１電極６２１と第２電極６２２と設置してもよい。

上記の実施形態では、風力発電システムの発電出力とブレード４２のトルクとブレード４２の回転数との少なくとも１つを計測することによって得られた計測データに基づいて、制御部６４が電圧印加部６２の動作を制御する場合について説明したが、これに限らない。上記以外の因子について計測することによって得た計測データに基づいて、電圧印加部６２の動作を制御してもよい。たとえば、ブレード４２の表面における圧力を計測することで得た計測データに基づいて、剥離流れの発生有無を判断し、電圧印加部６２の動作を制御してもよい。この他に、計測データに基づいて電圧印加部６２の動作を制御しなくてよい。たとえば、第１のデューティ率Ｄ１での電圧の印加を１回行った後に、第２のデューティ率Ｄ２での電圧の印加を予め設定した回数行う動作を繰り返し行うように、電圧印加部６２の動作を制御してもよい。

上記の実施形態では、気流発生装置６を構成する第１電極６２１と第２電極６２２とのそれぞれをブレード４２に設置する場合について説明したが、これに限らない。気流発生装置６を構成する第１電極６２１と第２電極６２２とのそれぞれを、ブレード４２以外の移動体に設置してもよい。

＜第２実施形態＞
［Ａ］構成等
図８は、第２実施形態に係る風力発電システムの気流発生装置において、電圧印加部が印加する電圧の波形を示している。

本実施形態は、図８に示すように、気流発生装置６（図２参照）において、電圧印加部６２が印加する電圧の波形の一部が、第１実施形態の場合と異なる（図４参照）。本実施形態は、上記の点、及び、関連する点を除き、上記の実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において重複する個所については、適宜、記載を省略する。

電圧印加部６２は、図８に示すように、上記の実施形態の場合と同様に、第１の周期Ｔ１においては、第１のデューティ率Ｄ１で電圧の印加を開始する。そして、第１の周期Ｔ１よりも後の第２の周期Ｔ２では、その第１のデューティ率Ｄ１よりも小さい第２のデューティ率Ｄ２で電圧の印加を行う（図４参照）。つまり、第２の周期Ｔ２において気流を発生させる時間ｔ３４（第２のオン時間）の割合（ｔ３４／（ｔ３４＋ｔ２３）＝Ｄ２）は、第１の周期Ｔ１において気流を発生させる時間ｔ１２（第１のオン時間）の割合（ｔ１２／（ｔ１２＋ｔ２３）＝Ｄ１）よりも小さくなっている（Ｄ２＜Ｄ１）。

しかし、本実施形態では、図８に示すように、上記の実施形態（図４参照）の場合と異なり、電圧印加部６２は、第１のデューティ率Ｄ１で印加する電圧の値よりも、第２のデューティ率Ｄ２で印加する電圧の値の方が大きくなるように、高周波の電圧の印加を行う。

具体的には、上記の実施形態では、高周波の電圧は、パルス変調波の各周期（Ｔ１，Ｔ２，・・・）において同じ最大値（波高値）で繰り返し印加されている（図４参照）。これに対して、本実施形態では、図８に示すように、高周波の電圧の最大値（波高値）は、第１の周期Ｔ１よりも第２の周期Ｔ２以降の周期の方が大きい。

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態の風力発電システム１（図１参照）では、第１のデューティ率Ｄ１で印加する電圧の値よりも、第２のデューティ率Ｄ２で印加する電圧の値の方が大きい。

上述したように、第１電極６２１および第２電極６２２の間に印加する電圧の値を増加させることで、気流の速度を更に増すことができるが、電圧の値が増加するに伴って、第１電極６２１および第２電極６２２は、寿命が短くなる。

しかし、本実施形態では、第１実施形態の場合と同様に、第２のデューティ率Ｄ２は、第１のデューティ率Ｄ１よりも小さい。このため、第２のデューティ率Ｄ２で印加するときの電圧の値が、第１のデューティ率Ｄ１のときよりも大きくても、第１電極６２１および第２電極６２２の寿命に対して与える影響は、小さい。

したがって、本実施形態では、気流発生装置６において、第１電極６２１および第２電極６２２の寿命が低下することを抑制可能であるので、安定に駆動させることができる。その結果、本実施形態の風力発電システム１では、発電出力を安定に維持し、発電効率の向上を容易に実現することができる。

＜第３実施形態＞
［Ａ］構成等
図９は、第３実施形態に係る風力発電システムの気流発生装置において、電圧印加部が印加する電圧の波形を示している。

本実施形態は、図９に示すように、気流発生装置６（図２参照）において、電圧印加部６２が印加する電圧の波形の一部が、第１実施形態の場合（図４参照）、および、第２実施形態の場合（図８参照）と異なる。本実施形態は、上記の点、及び、関連する点を除き、上記の実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において重複する個所については、適宜、記載を省略する。

気流発生装置６において、電圧印加部６２は、上記の実施形態の場合と同様に、図９に示すように、予め設定された周波数（基本周波数）で高周波の電圧（交番電圧）を第１電極６２１と第２電極６２２との間に印加する。ここでは、高周波の電圧は、パルス変調波（図示省略）でパルス変調され、そのパルス変調波の各周期（Ｔ１，Ｔ２，・・・）において印加される。

しかしながら、本実施形態においては、上記の実施形態（図４，図８参照）と異なり、電圧印加部６２は、パルス幅が一定なパルス変調波でパルス変調された高周波の電圧を、第１電極６２１と第２電極６２２との間に繰り返し印加する。つまり、本実施形態では、高周波の電圧は、第１実施形態（図４参照）のように、時間に応じてデューティ率が変化するパルス変調波でパルス変調が行なわれていない。また、第２実施形態（図８参照）のように、時間に応じて振幅が変化するパルス変調波でパルス変調が行なわれていない。本実施形態では、高周波の電圧は、デューティ率が一定であって振幅が一定であるパルス変調波でパルス変調されている。

特に、本実施形態では、電圧印加部６２は、パルス変調波の各周期（Ｔ１，Ｔ２，・・・）において高周波の電圧を印加する印加時間Ｔａと、その電圧の基本周期Ｔｂとが、下記式（Ｘ）に示す関係を満たすように、電圧の印加を行う。換言すると、パルス変調波の各周期（Ｔ１，Ｔ２，・・・）で電圧の印加を行う印加時間Ｔａにおいて、電圧の波数が１以上であって１０以下になるように、電圧印加部６２が電圧の印加を行う。

Ｔｂ≦Ｔａ≦１０・Ｔｂ ・・・（Ｘ）

たとえば、図９に示すように、第１の周期Ｔ１の印加時間ｔ１２（＝Ｔａ）において印加される高周波の電圧の波数は、２である。同様に、第２の周期Ｔ２（＝Ｔａ）の印加時間ｔ３４（＝Ｔａ）において印加される電圧の波数は２である。図示を省略しているが、第２の周期Ｔ２よりも後の周期（第３の周期以降）においても、電圧の波数は２である。

［Ｂ］作用および効果
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、パルス変調波の各周期（Ｔ１，Ｔ２，・・・）において、印加時間Ｔａに印加される高周波の電圧の波数ｋと、揚力係数ＣＬとの関係を示す図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）において、横軸は、波数ｋを示し、縦軸は、揚力係数ＣＬを示している。図１０（ａ）では、翼型Ａのブレードに関してレイノルズ数が低い条件（低Ｒｅ数）と高い条件（高Ｒｅ数）とのそれぞれで風洞実験を行った結果を示している。これに対して、図１０（ｂ）は、翼型Ｂのブレードに関して風洞実験を行った結果を示している。揚力係数ＣＬの計測は、電圧を印加しないときの失速角以降に迎角を固定した条件で風洞実験を行うことで求めた。また、揚力係数ＣＬの絶対値は、翼型、レイノルズ数などの条件に応じて変化するため、各条件で得られた揚力係数の最大値で正規化した値を各図で示している。たとえば、図１０（ａ）では、翼型Ａのブレードに関して、レイノルズ数が低い条件（低Ｒｅ数）の場合にはｋが３であるデータを基準にした割合を示すとともに、レイノルズ数が低い条件（低Ｒｅ数）の場合にはｋが２であるデータを基準にした割合を示している。

図１０（ａ）に示すように、波数ｋが１０よりも大きい場合よりも１０以下である場合には、揚力係数ＣＬが大きい。また、図１０（ｂ）に示すように、波数ｋが７０を超える場合よりも、波数ｋが小さい場合の方が、揚力係数ＣＬが大きい。図１０（ａ）および図１０（ｂ）において、波数ｋは、パルス変調波の各周期（Ｔ１，Ｔ２，・・・）において高周波の電圧を印加する印加時間Ｔａを、その電圧の基本周期Ｔｂで割った値に相当する（つまり、ｋ＝Ｔａ／Ｔｂ）。このため、上記の式（Ｘ）に示す関係を満たすように、電圧の印加を行うことによって、揚力係数ＣＬを効果的に向上させることができる。

したがって、本実施形態では、気流発生装置６により発生した気流によって、ブレード４２の周囲において剥離が発生することを容易に抑制することができる。その結果、本実施形態の風力発電システム１では、発電出力が安定に維持し、発電効率を向上することができる。

特に、大型な風車を備える風力発電システム１において、上記の式（Ｘ）に示す関係を満たすように、電圧の印加を行うことが好ましい。

表１は、２ＭＷ級の大型な風車において、ブレード位置と波数ｋ等との関係を示している。表１では、定格風速時において、デューティ率Ｄを制御したときの結果を示している。

表１に示すように、翼根部から翼端部へ向かうに伴って、コード長ｃは短くなるのに対して、主流速度Ｕは高くなる。そして、上記した式（Ｂ）に基づいてストローハル数Ｓｔが１になるようにパルス変調周波数ｆが設定される。具体的には、パルス変調周波数ｆは、上記の場合には、翼根部が５Ｈｚに設定され、翼中央部が２０Ｈｚに設定され、翼端部が８０Ｈｚに設定される。また、表１に示すように、印加する電圧の基本周波数Ｆは、たとえば、１５０００ｋＨｚに設定される。

この場合、デューティ率Ｄが１０％であるときには、印加する電圧の波数ｋは、表１に示すように、翼根部が３００個であり、翼中央部が７５個であり、翼端部が１８．７５個になる。また、デューティ率Ｄが１％であるときには、印加する電圧の波数ｋは、翼根部が３０個であり、翼中央部が７．５個であり、翼端部が１．８７５個になる。このように、大型な風車の場合にデューティ率Ｄを制御したときには、上記した式（Ｘ）に示す関係を満たさない場合がある。揚力係数が同程度になるのであれば、波数が多い場合よりも波数が少ない場合の方が消費電力を低減可能であるので、より高い効率な風力発電システムを実現することができる。このため、特に、大型な風車の場合には、上記した式（Ｘ）に示す関係を満たすように、パルス変調波の各周期（Ｔ１，Ｔ２，・・・）において印加時間Ｔａに印加される高周波の電圧の波数ｋを制御することが好ましい。

［Ｃ］変形例
本実施形態では、高周波の電圧は、デューティ率が時間に応じて変化せずに一定なパルス変調波でパルス変調されている場合について説明したが、これに限らない。第１実施形態の場合（図４参照）と同様に、高周波の電圧は、時間に応じてデューティ率が変化するパルス変調波でパルス変調が行なわれていてもよい。つまり、電圧印加部６２は、第１実施形態の場合（図４参照）と同様に、第１のデューティ率で電圧の印加を開始した後に、その第１のデューティ率よりも小さい第２のデューティ率で電圧の印加を行うように構成されていてもよい。

また、本実施形態では、高周波の電圧は、振幅が時間に応じて変化せずに一定なパルス変調波でパルス変調されている場合について説明したが、これに限らない。第２実施形態の場合（図８参照）と同様に、高周波の電圧は、時間に応じて振幅が変化するパルス変調波でパルス変調が行なわれていてもよい。つまり、電圧印加部６２は、第２実施形態の場合（図８参照）と同様に、第１のデューティ率で印加する電圧よりも、第２のデューティ率で印加する電圧の方が高くなるように、電圧の印加を行ってもよい。

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…風力発電システム、２…タワー、３…ナセル、４…ロータ、５…風向風速計測部、６…気流発生装置、４１…ハブ、４２…ブレード、６１…本体部、６２…電圧印加部、６３…接続部、６４…制御部、６１１…基体、６２１…第１電極、６２２…第２電極、６３１，６３２…接続配線

Claims (11)

1. 第１電極と、
   前記第１電極から離れて設けられた第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に、パルス変調された電圧を印加することによって気流を発生させる電圧印加部と
   を有し、
   前記電圧印加部は、第１のデューティ率で電圧の印加を開始した後に、前記第１のデューティ率よりも小さい第２のデューティ率で電圧の印加を行うことを特徴とする、
   気流発生装置。
2. 前記第１のデューティ率で印加する電圧よりも、前記第２のデューティ率で印加する電圧の方が高いことを特徴とする、
   請求項１に記載の気流発生装置。
3. 前記電圧印加部は、パルス変調の周期において電圧を印加する印加時間Ｔａと、電圧の基本周期Ｔｂとが、下記式（Ｘ）に示す関係を満たすように、電圧の印加を行うことを特徴とする、
   請求項１または２に記載の気流発生装置。
   Ｔｂ≦Ｔａ≦１０・Ｔｂ ・・・（Ｘ）
4. 第１電極と、
   前記第１電極から離れて設けられた第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に、パルス変調された電圧を印加することによって気流を発生させる電圧印加部と
   を有し、
   前記電圧印加部は、パルス変調の周期において電圧を印加する印加時間Ｔａと、電圧の基本周期Ｔｂとが、下記式（Ｘ）に示す関係を満たすように、電圧の印加を行うことを特徴とする、
   気流発生装置。
   Ｔｂ≦Ｔａ≦１０・Ｔｂ ・・・（Ｘ）
5. 前記電圧印加部は、下記の関係式（Ａ）に示すストローハル数Ｓｔを満たすように設定されたパルス変調周波数によってパルス変調された電圧を印加することを特徴とする、
   請求項１から４のいずれかに記載の気流発生装置。
   ０．２５≦Ｓｔ≦５ ・・・（Ａ）
6. 請求項１から５のいずれかに記載の気流発生装置
   を有し、
   前記気流発生装置の前記第１電極と前記第２電極とが設置されていることを特徴とする、
   移動体。
7. 前記第１電極と前記第２電極とのそれぞれが複数設置されていることを特徴とする、
   請求項６に記載の移動体。
8. ブレードと、
   請求項１から５のいずれかに記載の気流発生装置と
   を有し、
   前記気流発生装置の前記第１電極と前記第２電極とが前記ブレードに設置されていることを特徴とする、
   風力発電システム。
9. 前記気流発生装置は、
   前記風力発電システムの出力と前記ブレードのトルクと前記ブレードの回転数との少なくとも１つを計測することによって得られた計測データに基づいて、前記電圧印加部の動作を制御する制御部
   を有することを特徴とする、
   請求項８に記載の風力発電システム。
10. 前記制御部は、風速データに応じて定められた基準データよりも前記計測データが低くなった時間が予め設定された時間になったときに、前記電圧印加部に電圧の印加を開始させることを特徴とする、
    請求項９に記載の風力発電システム。
11. 前記制御部は、前記風速データに応じて定められた基準データ以上に前記計測データがなった時間が予め設定された時間になったときに、前記電圧印加部に電圧の印加を停止させることを特徴とする、
    請求項１０に記載の風力発電システム。

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