JP2017031920A - 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 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】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とを備えている。
【選択図】図1
Description
具体的には、特許文献1の図5および[0022]に示すように、後縁部に切欠部22が形成されているのでブレード20が後方から風を受けて回転すると、切欠部22によってブレード20に大きな空気抵抗が生じ、半円筒型片寄カップ型の風車効果によってブレード20に回転モーメントが発生して、風車の起動トルクが発生する構成としている。
また、特許文献2では、特許文献2の図6に示されるように、カムやリンク機構を用いブレード3の角度を変化させることで揚力の大きさを変え、低速時の揚力を増加させたり、強風時に発生する揚力を低減させた構成としている。
さらには、強風時においては、緻密かつ安全性に優れたブレードの相対角度制御を行い、ブレードの揚力および抗力による回転力および回転抑止力を最適かつ高精度に制御しブレードの回転トルクに変換することで、ブレードの効率的な回転エネルギーの低減や精度の高いブレードの回転数制御を行うことができ、発電機や回転体への負荷を減らし、発電効率の大幅な向上と、信頼性および寿命の大幅な改善を実現することができるという効果を奏する。
ここで、前記相対角度は、前記迎角と、風速、周速、ブレード回転角度から演算が可能である。
この構成により、周速比レベルに応じたもっとも回転エネルギーへの変換効率の高い垂直型風力発電システムを実現できる。
この構成により、小型、簡素かつ効率的に回動手段および動力源を構成することが可能となり、発電効率に優れ、小型かつ低コストの垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
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。
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。
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。
本発明の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。
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。
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。
なお、風速は0m/sから最大100m/sの範囲を想定し、相対角度8は90度を基準に調整範囲を±180度としている。
ここで、垂直型ブレード1のパワーP(出力 W)は、回転トルクQ(Nm)と回転角速度ω(rad/sec)の積でありP=Qωという関係がある。
また、風速16および周速比は平均的な値を代入することで、回転角度テーブル14の大まかな形を算出することは可能である。
二重アクチュエータ多流管モデルによる風車特性計算の概要を説明する。二重アクチュエータ多流管モデルでは、図19に示すような複数の流管を設定する。そして、図20に示すようにブレード回転円と各流管が交差する上流側および下流側それぞれの位置にアクチュエータ面を仮想し、各流管に対して翼素運動量理論を適用する。
なお、図20中において
p∞ : 垂直型風車上下流の一様流および風車内の圧力(大気圧)
R : アーム長(ブレード回転半径)
A∞ : 流管s 入口面積
V∞ : 流管s 入口の風速(一様流風速)
Au : 流管s の上流側アクチュエータ面における断面積
Vu : 流管s の上流側アクチュエータ面における風速
p+ u : 流管s の上流側アクチュエータ面上流側における圧力
p- u : 流管s の上流側アクチュエータ面下流側における圧力
Aa : 流管s の風車内における断面積
Va : 流管s の風車内における風速
Ad : 流管s の下流側アクチュエータ面における断面積
Vd : 流管s の下流側アクチュエータ面における風速
p+ d : 流管s の下流側アクチュエータ面上流側における圧力
p- d : 流管s の下流側アクチュエータ面下流側における圧力
AW : 流管s 出口面積
VW : 流管s 出口の風速
である。
一方、力Fuは上流側アクチュエータ面の風上側の圧力p+ uと風下側の圧力p− uによる力の差として
ベルヌーイの定理を図20の流管s入口と上流側アクチュエータ面の風上側に適用した
上流側アクチュエータにおける風速Vuは、数10より
Cp=P/(1/2ρAV3)
図9AはゾーンごとにCpが最大となる相対角度8(または迎角38、ピッチ角39)を演算する過程を示したもので、それぞれのゾーンでCpが最大になる相対角度8を演算し、変化させていった際のエネルギー変換効率改善量(ΔCp)を示した一例である。
この時、ΔCpと相対角度8の変化量とにより、その効果度合いで回転角度テーブル14を作成しても良い。
図10は直線翼2の回転角制御および垂直型ブレード1の回転数制御の動作を示した簡易的な動作図である。
この時、風向はX軸と一致するような平面座標系としているが、実際の風向を別途加算する必要がある。
図16を参照して実施の形態2に係る垂直型風力発電システムについて説明する。図16は、実施の形態2に係る垂直型風力発電システムの相対角度8および垂直型ブレード1の回転数制御方法の一例を示した模式図である。
図16において、起動時から高速時のそれぞれの周速比の領域で下記のような垂直型風力発電システム15を構成している。
また、需給エネルギーのバランスより、特定の周速比レベルのみ相対角度8の調整を行う構成でも良い。
図18を参照して、実施の形態3に係る垂直型風力発電システムについて説明する。
図18において、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、動力源35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度の回動状態となる。このとき、駆動源30、動力伝達部31伝達機構はアーム3に格納され、電力弦35はアーム3またはポール6に格納(図示せず)される構成としている。
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
Claims (34)
- 複数の直線翼から構成される垂直型ブレードと、前記直線翼を保持するアームと、前記アームの回転を支持するシャフトユニットと、前記シャフトユニットと連動し、前記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、前記垂直型ブレードと前記アームと前記シャフトユニットを保持するポールと、前記ポールが前記シャフトユニットを回動自在に保持するためのシャフトユニット保持部と、前記アームに対する前記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、前記回動手段により前記相対角度を調整する回転角制御手段と、前記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前記垂直型ブレードまたは個々の前記直線翼のブレード回転角度と、前記ブレード回転角度から演算した前記相対角度の回転角度テーブルとを有し、前記回転角度テーブルをもとに前記回転角制御手段を用い、前記ブレード回転角度に応じて前記直線翼の前記相対角度を可変とすることを特徴とした垂直型風力発電システム。
- 前記回転角度テーブルは、予め演算した値もしくは、一部またはすべてをリアルタイムで演算した値を用いることを特徴とする請求項1に記載の垂直型風力発電システム。
- 前記直線翼の翼型断面形状は、対称翼または非対称翼であることを特徴とする請求項1又は2に記載の垂直型風力発電システム。
- 風速と前記垂直型ブレードの回転速度である周速に対する向風速との合成となる相対風速と、前記直線翼の前縁と後縁とを結んだ線分となる翼弦とのなす角度である迎角とを用い、接線方向の回転力が大きくなるような迎角にするために前記相対角度を変化させることを目的として、前記相対角度は前記翼弦と前記アームとの角度、または前記翼弦と前記直線翼の保持位置における接線方向との角度としたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記平面座標系において前記垂直型ブレードに流入する風の風速または前記垂直型ブレードの周辺の風速を検出する風速検出手段と、前記垂直型ブレードの回転数を検出する回転数検出手段とを有し、前記回転角度テーブルは、前記風速、前記垂直型ブレードの翼直径、前記翼型の前記風速またはレイノルズ数および前記迎角に対する揚力特性および抗力からなる翼型特性、前記回転数または周速比、前記翼弦の長さとなる翼弦長、前記垂直型ブレードの全長となる翼長または単位長さ、前記直線翼の翼枚数および前記翼直径から演算されたソリディティー、および前記ブレード回転角度のすべての数値またはいずれか一つ以上の数値から演算した前記ブレード回転角度と前記相対角度の関係を表す前記回転角度テーブルとを有したことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記回転角度テーブルは、前記迎角または前記相対角度、前記ブレード回転角度、前記周速比および前記風速との関係を表したもので、一方の軸を前記ブレード回転角度、もう一方の軸を前記相対角度または前記迎角として、前記周速比および/または前記風速毎の複数の情報を有したデータであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記回転角度テーブルの前記風速は0m/sから最大100m/sの範囲とし、前記相対角度の調整範囲は±180度としたことを特徴とした請求項1ないし6のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記平面座標系における風向角度を検出する風向検出手段を有し、前記相対角度は、前記回転角度テーブルより、前記風速、前記回転数または周速比、および前記ブレード回転角度をもとに参照した前記相対角度に、前記風向検知手段より検出した前記風向角度を加算した風向加算相対角度とすることを特徴とした、請求項1ないし7のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記風速に応じて発生する前記垂直型ブレードの回転エネルギーによる回転トルクと、前記発電機の負荷による回転抑止トルクを釣り合わせることにより前記垂直型ブレードの前記回転数を一定回転数に制御する前記垂直型ブレードの回転数制御手段を有し、前記回転数制御手段は前記発電機の前記回転数に応じて発生する回転抑止トルクに対して、前記発電機の回転数に応じて発生する電力、電圧、電流または前記発電機に付加する抵抗値を変化させる回転抑止トルク可変手段を有した構成としたことを特徴とした請求項1ないし8のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記回転角度テーブルは、前記垂直型ブレードの投影面積を単位時間当たりに通過する風の運動エネルギーから前記垂直型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を向上させることを目的として、前記風速の風速レベルにより前記相対角度を変化させた値とし、それぞれの前記ブレード回転角度において、前記風速レベルが所定の風速以下である微風の時は前記直線翼から発生する力のうち相対的に前記抗力による前記接線方向の回転トルクが大きくなる前記相対角度、または相対的に前記回転エネルギー変換効率が高くなる前記相対角度とし、前記風速レベルが前記微風の領域を超えた場合は前記直線翼から発生する力のうち相対的に前記揚力による前記接線方向の力が大きくなる前記相対角度、前記揚力と前記抗力の比となる揚抗比が相対的に大きくなる前記相対角度、または前記回転エネルギー変換効率が相対的に大きくなる前記相対角度としとした構成としたことを特徴とした請求項1ないし9のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記風速レベルにおいて、4m/s以下の前記風速は微風とし、8m/sを超える前記風速は強風とすることを特徴とした請求項10記載の垂直型風力発電システム。
- 前記回転角度テーブルは、前記回転エネルギー変換効率を向上させることを目的として、前記垂直型ブレードの前記周速比の周速比レベルにより前記相対角度を変化させた値とし、前記周速比レベルが所定の値以下である低速の時は前記直線翼から発生する力のうち相対的に前記抗力による前記接線方向の力が大きくなる前記相対角度とし、前記周速比レベルが低速の領域を超えた場合は前記直線翼から発生する力のうち相対的に前記揚力による前記接線方向の力が大きくなる前記相対角度または前記揚力と前記抗力の比となる揚抗比が相対的に大きくなる前記相対角度としたことを特徴とした請求項1ないし9のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記周速比レベルにおいて、前記周速比が1以下の前記回転数は低速とし、前記周速比が1を超える前記前記回転数は高速とすることを特徴とした請求項12記載の垂直型風力発電システム。
- 前記回転角度テーブルは、前記回転エネルギー変換効率を向上させることを目的として、前記風速および前記周速比により前記相対角度を導いた値とし、前記風速レベルが微風でかつ前記周速比レベルが低速の場合は前記直線翼から発生する力のうち相対的に前記抗力による前記接線方向の回転力が大きくなる前記相対角度とし、前記風速レベルが強風でかつ前記周速比レベルが高速の場合は前記直線翼から発生する力のうち相対的に前記揚力による前記接線方向の回転力が大きくなる前記相対角度または前記揚抗比が相対的に大きくなる前記相対角度とし、前記風速レベルが強風でかつ前記周速比レベルが低速の場合は前記直線翼から発生する力のうち相対的に前記抗力による前記接線方向の回転力が大きくなる前記相対角度とし、前記風速レベルが微風でかつ前記周速比レベルが高速の場合は前記直線翼から発生する力のうち相対的に前記揚力による前記接線方向の回転力が大きくなる前記相対角度または前記揚抗比が相対的に大きくなる前記相対角度とし、それ以外の前記風速レベルおよび前記周速比レベルの領域では前記揚抗比が大きくなる前記相対角度としたことを特徴とした請求項1ないし9のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記回転角度テーブルは、前記回転エネルギー変換効率を低下させることを目的として、前記風速レベルおよび前記回転数または前記周速比の大小により前記回転角を変化させた値とし、前記風速レベルが強風の場合は前記直線翼から発生する力のうち相対的に揚力が小さくなる前記相対角度とする、または前記風速が強風の場合は前記直線翼から発生する力のうち相対的に揚抗比が小さくなる前記相対角度とすることを特徴とした請求項1ないし9のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記回転角度テーブルは、前記風速レベルが強風で変動した場合でも、前記回転数制御手段により前記回転数を一定に制御することを目的として前記相対角度を制御することを特徴とした請求項1ないし9のいずれか又は請求項15に記載の垂直型風力発電システム。
- 前記周速比レベルが低速の場合は前記直線翼から発生する力のうち相対的に前記抗力による前記接線方向の回転力が大きくなる前記相対角度とし、前記周速比レベルが高速の場合は前記直線翼から発生する力のうち相対的に前記揚力による前記接線方向の回転力が小さくなる前記相対角度または前記揚抗比が相対的に小さくなる前記相対角度とし、前記周速比レベルが低位から高速の間では前記直線翼から発生する力のうち相対的に前記揚力による前記接線方向の回転力が大きくなる前記相対角度または前記揚抗比が相対的に大きくなる前記相対角度とすることを特徴とした請求項1ないし16のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記回転角度テーブルにおける前記ブレード回転角度は、一周を複数のゾーンに分割して、それぞれの前記ゾーンでは同一の前記相対角度とし、前記ゾーンは2から3600の分割範囲であることを特徴とする請求項1ないし17のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記ブレード回転角度、前記周速比、前記風速および前記相対速度との関係を示す前記回転前記回転角度テーブルの特徴は、横軸を前記ブレード回転角度、縦軸を前記相対角度または前記迎角とし、前記周速比および/または前記風速毎の複数の線分を有し、それぞれがSIN波型、のこぎり刃型、階段型、台形型等の形状をしていることを特徴とする請求項1ないし18のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記回転角度テーブルは、前記相対角度変化による前記回転エネルギー変換効率の改善量(ΔCp)の演算値を有し、前記垂直型ブレードが1回転する間の前記相対角度の変化量を必要最小限とするために、前記改善量(ΔCp)があらかじめ設定した値より低い前記回転角度テーブルにおける前記ブレード回転角度または前記ゾーンでは、前記相対角度の調整を行わないことを特徴とする請求項1ないし19のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記回転角度テーブルは、前記相対角度変化による前記回転エネルギー変換効率の改善量(ΔCp)の演算値を有し、前記垂直型ブレードが1回転する間の前記相対角度の変化量を必要最小限とするために、一つ前の前記ゾーンの前記相対角度の差となる相対角度変化量が必要最小限となるよう、前記改善量(ΔCp)に対し前記相対角度変化量を優先して前記回転角度テーブルを設定したことを特徴とする請求項1ないし20のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記周速比が1以下の場合、前記平面座標系における前記基準角度からの個々の前記直線翼の前記ブレード回転角度が、第一象限または第二象限で指定角度または指定の前記ゾーンのみ抗力による負の回転トルク(マイナストルク)を低減し、第3象限から第4象限の指定角度または指定の前記ゾーンのみ抗力による回転トルクを増加させる前記相対角度とすることを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の垂直型風力発電装置。
- 前記周速比レベルが低速を超える場合は、前記平面座標系における前記基準角度からの個々の前記直線翼の前記ブレード回転角度が第1象限から第4象限の特定角度のみ、前記直線翼から発生する力のうち相対的に前記揚力による前記接線方向の力が大きくなる前記相対角度または前記揚抗比が相対的に大きくなる前記相対角度となる前記回転角度テーブルとすることを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記周速比レベルにおいて、前記回転エネルギー変換効率を向上させることを目的として、前記周速比レベルが低速の場合と比較し、前記周速比レベルが高速の場合は、前記相対角度の変動量が小さくなるように前記回転角度テーブルを設定するとともに、前記周速比レベルが低速の場合から前記周速比レベルが高速の場合に変化するに従い、前記相対角度の変動量を順次小さくするように前記回転角度テーブルとし、前記周速比レベルが高速の場合から前記周速比レベルが低速の場合に変化するに従い、前記相対角度の変動量を順次大きくするように前記回転角度テーブルとしたことを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記周速比レベルにおいて、前記回転エネルギー変換効率を向上させることを目的として、前記周速比レベルが低速の場合に前記相対角度の調整を行う前記回転角度テーブルとしたことを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記周速比レベルにおいて、前記回転エネルギー変換効率を低下させる、または前記垂直型ブレードの前記回転数を一定とすることを目的として、前記周速比レベルが高速の場合に前記相対角度の調整を行う前記回転角度テーブルとしたことを特徴とする請求項1ないし25のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記回転角度テーブルは、前記風速レベルが強風の時に、前記回転エネルギー変換効率を低下させるとともに前記回転数の増加を抑えるために、前記回転エネルギー変換効率を低減させるとともに最大回転トルクおよび最大回転エネルギーを発生する周速比または回転数の位置を低速側に移動させた前記相対角度の調整を行う前記回転角度テーブルとしたことを特徴とする請求項1ないし26のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記回動手段は、ステッピングモータやDCモータなど動力源と、前記動力源の回転力を前記直線翼に伝達するギヤなどの伝達機構と、前記動力源に電力を共有する電池などの電源より構成され、前記動力源、前記伝達機構は前記アームに格納され、前記電源は前記アームまたは前記ポールに格納されることを特徴とする請求項1ないし27のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 前記電源が前記アームに格納されている場合の前記電源への電力供給手段は、前記シャフトユニットの固定部と回転部における接触給電または非接触給電とし、前記電源が前記ポールに格納されている場合の前記駆動源への電力供給手段は、前記シャフトユニットの固定部と回転部における接触給電としたことを特徴とする請求項28記載の垂直型風力発電システム。
- 前記電源が前記アームに格納されている場合の前記電源への電力供給手段は、前記垂直型ブレードの回転が停止している場合のみ接触給電または非接触給電としたことを特徴とする請求項27又は請求項28記載の垂直型風力発電システム。
- 前記電力源への電力の供給は、アーム表面に固定した太陽光パネルから電力源35に電力を供給する構成としたことを特徴とする請求項1ないし31のいずれかに記載の垂直型風力発電システム。
- 複数の直線翼から構成される垂直型ブレードと、前記直線翼を保持するアームと、前記アームの回転を支持するシャフトユニットと、前記シャフトユニットと連動する発電機とを少なくとも有して、風力によって回転する前記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垂直型風力発電システムにおける前記直線翼の制御方法において、
前記アームに対する前記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、
前記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前記垂直型ブレードまたは個々の前記直線翼のブレード回転角度と、前記ブレード回転角度から演算した前記相対角度の回転角度テーブルとを有し、
前記回転角度テーブルをもとに前記ブレード回転角度に応じて前記直線翼の前記相対角度を変化させる
ことを特徴とする垂直型風力発電システムにおける制御方法。 - 前記請求項1ないし31のいずれかに記載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。
- 前記請求項1ないし31のいずれかに記載の垂直型風力発電システムにおける、回転角制御手段。
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