JP2018073606A - 気流発生装置、気流発生方法および風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】湿度の変化を反映して電源条件を制御する気流発生装置、気流発生方法および風力発電装置を提供すること。【解決手段】本発明の実施形態によれば、誘電体基板に設けられた電極に電圧を印加する電源装置と、前記電源装置から出力される前記電圧の電源条件を制御する制御装置と、を備える気流発生装置において、前記気流発生装置は、前記誘電体基板近傍または周囲の湿度を測定する湿度センサを備え、前記制御装置は、前記湿度センサで測定する前記湿度が変化した場合に、前記電源条件と前記湿度との関係に基づいて、前記電源装置の前記電源条件が前記湿度センサで測定した前記湿度に対応する前記電源条件になるよう制御する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、気流発生装置、気流発生方法および風力発電装置に関する。

気流発生装置は、放電によってプラズマを生成し、生成したプラズマ粒子を電界によって気体分子と衝突させて気流を発生させる。気流を発生させることによって、翼面近傍の流れを制御する。気流発生装置を搭載した風力発電システムは、プラズマによる気流制御によって翼からの流れの剥離を抑制し、高効率で安定した風力発電を行うことを提案している。高効率で安定した風力発電を行うためには、適切なプラズマ密度でプラズマを生成するための電源条件を制御する必要がある。

従来の気流発生装置では、印加電圧のデューティ比を制御して適切に気流を制御するが、プラズマ密度は電源条件だけでなく、周囲の圧力によっても変化するので、圧力の変化を反映して電源条件を制御する。

特開２０１５−１０８３７１号公報 特許第５８３７３２３号 特許第４８１０３４２号

周囲の状態を反映するパラメータのうち、特に湿度は、水分子が折れ線構造の極性分子であり、プラズマに対して散乱や電気的な相互作用による影響を与える。よって、湿度の変化を考慮しない場合と湿度の変化を考慮した場合とを比較すると、湿度の変化を考慮した場合のプラズマ密度は、圧力の変化からでは予測できない不規則な分布を有する。

従って、本発明が解決しようとする課題は、湿度の変化を反映して電源条件を制御する気流発生装置および風力発電装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の実施形態によれば、誘電体基板に設けられた電極に電圧を印加する電源装置と、前記電源装置から出力される前記電圧の電源条件を制御する制御装置と、を備える気流発生装置において、前記気流発生装置は、前記誘電体基板近傍または周囲の湿度を測定する湿度センサを備え、前記制御装置は、前記湿度センサで測定する前記湿度が変化した場合に、前記電源条件と前記湿度との関係に基づいて、前記電源装置の前記電源条件が前記湿度センサで測定した前記湿度に対応する前記電源条件になるよう制御する。

第一の実施形態に係る気流発生装置の概略構成図である。 第二の実施形態に係る気流発生装置の概略構成図である。 第三の実施形態に係る気流発生装置の概略構成図である。

以下、実施形態に係る気流発生装置について説明する。

（第一の実施形態）
第一の実施形態について説明する。図１は、第一の実施形態に係る気流発生装置の概略構成図である。第一の実施形態に係る気流発生装置は、電源装置１と、湿度センサ１０と、制御装置２０と、翼体１００と、第１の電極１０１と、第２の電極１０２から構成される。

第１の電極１０１と第２の電極１０２は、翼体１００に設置される。翼体１００は誘電体材料であり、第１の電極１０１は翼体１００の内部に設置される。一方、第２の電極１０２は、翼体１００の表面に設置される。

電源装置１は、第１の電極１０１と第２の電極１０２との間に電圧を印加する。電源装置１が印加する電圧は、例えばパルス波形や交流波形を有する。電極間の電圧がある閾値電圧を越えると、誘電体バリア放電によってプラズマが生成される。生成されたプラズマによって気流を発生させ、翼体１００の表面近傍の流れを制御する。

湿度センサ１０は、翼体１００の表面に設置され、一定の時間間隔で翼体１００の周囲の湿度を測定する。湿度センサ１０の設置箇所は、第２の電極１０２の近傍が好ましいが、翼体１００の表面以外に設置してもよい。また、湿度は周囲の気候や天候により変化する場合がある。そこで、センサ１０で測定した湿度のうち、電源条件が切り替わる際の湿度を初期湿度とする。例えば、最初の湿度が１０％のときに、電源条件が条件１だったとして、湿度が１０％１５％、１８％、２１％の順に変化する場合を考える。湿度が２１％のときに電源条件が条件１から条件２へ変化したとすると、１０％は条件１の初期湿度、２１％は条件２の初期湿度となる。

制御装置２０は、プラズマ密度解析部２１と、解析結果記憶部２２と、電源条件制御部２３から構成され、電源装置１の電源条件を制御する。電源条件は、印加する電圧の実効値や基本周波数、デューティ率などのパラメータである。また、湿度センサ１０で測定した湿度が、制御装置２０に入力される。

プラズマ密度解析部２１は、プラズマ密度の分布を算出する。プラズマ密度の分布を一定とする、すなわち気流の強さや向きを保つようにすることによって、湿度と電源条件が対応付けられる。プラズマ密度の分布を算出する理由については、後述の気流制御装置の制御方法で詳細に説明する。

解析結果記憶部２２は、プラズマ密度解析部２１で算出されたプラズマ密度の分布を記憶する。

電源条件制御部２３は、最初の湿度に対応した電源条件および変化後の湿度に対応した電源条件を探索し、電源装置１の電源条件を制御する。湿度が変化した場合には、解析結果記憶部２２に記憶されたプラズマ密度の分布に基づいて、変化後の湿度に対応し、プラズマ密度の分布を一定とする電源条件に変更する。湿度が変化した場合に、プラズマ密度の分布が一定となる電源条件を新たな電源条件とする。また、あらかじめ湿度の変化量の閾値を設定し、初期湿度からの変化量が閾値以上の場合には、新たな電源条件に変更することとする。

次に、気流発生装置の電源条件の制御方法について説明する。

まず、風洞試験について説明する。電源装置１、湿度センサ１０、翼体１００、第１の電極１０１、第２の電極１０２を用いて、湿度および電源条件を変化させた場合にどのように気流が発生するか（気流の強さや向き）のデータが採取される。風洞試験では、湿度および電源条件のほかに、翼体１００の形状、風の迎角、風速をパラメータとして試験を行う。風洞試験によって採取された、湿度および電源条件に対する気流のデータは、図示していない風洞試験記憶部に記憶される。

次に、プラズマ密度解析部２１では、プラズマ密度の分布が算出される。プラズマ密度の算出方法を説明する。風洞試験記憶部からプラズマ密度解析部２１へ気流のデータが入力される。気流のデータをプラズマ密度の分布に変換するために、プラズマ密度解析部２１ではプラズマ密度の分布が算出される。プラズマ密度の分布と、湿度および電源条件に対する気流のデータから、湿度と電源条件とプラズマ密度の分布との対応付けができる。湿度と電源条件とプラズマ密度の分布とを対応付けした結果は、解析結果記憶部２２に記憶される。

ここで、プラズマ密度を算出する理由を説明する。気流のデータから、気流の強さや向きを保つように、湿度と電源条件が対応付けされる必要がある。なぜなら、湿度が変化すると、空間中に存在する水分子の数が増減し、プラズマに与える散乱や電気的な相互作用の影響が変化する。よって、同じ電源条件を設定しても、湿度が変化した場合にはプラズマ密度の分布が変化する。湿度が変化した場合でも気流を制御するためには、プラズマ密度の分布を一定とする電源条件に変更する必要がある。そのためにプラズマ密度の分布が算出される。

次に、湿度センサ１０では、一定の時間間隔で翼体１００の周囲の湿度が測定される。初期湿度の測定から時間経過後に測定された複数の湿度のうち、初期湿度からの変化量が閾値以上となる場合の湿度を変化湿度とする。一方、初期湿度からの変化量が閾値未満となる場合の湿度は、過渡湿度とする。例えば、初期湿度を１０％として、初期湿度からの変化量の閾値が１０％の場合を考える。湿度を５分毎に測定し、１５％、１８％、２１％の順に変化したとすると、１５％および１８％が過渡湿度となり、２１％が変化湿度となる。

次に、電源条件制御部２３には、現在の湿度および初期湿度と、解析結果記憶部２２で記憶されたプラズマ密度の分布が入力される。現在の湿度は、初期湿度の測定から一定時間経過後に湿度センサ１０で測定された今の湿度を示す。続いて電源条件制御部２３では、初期湿度から現在の湿度への変化量が算出される。現在の湿度が変化湿度となった場合には、プラズマ密度の分布を一定とする新たな電源条件を探索する。新たな電源条件を電源装置１へ出力して、電源装置１の電源条件を制御する。

なお、電源条件を変更するために湿度の変化量を設定したが、基準となる湿度の範囲または値を設定して比較を行ってもよい。

上述した第一の実施形態によれば、電源条件だけでなく、湿度の影響を反映して気流制御できる。湿度の影響を反映した気流制御によって、本実施形態に記載の気流制御装置を搭載した風力発電装置は、天候や気候の変化に応じて気流制御できる。

（第二の実施形態）
次に、第二の実施形態について説明する。図２は、第二の実施形態に係る気流発生装置の概略構成図である。第一の実施形態と類似する箇所については、説明を省略する。

制御装置２０は、解析結果記憶部２２と、電源条件制御部２３から構成される。

解析結果記憶部２２は、あらかじめ外部で算出されたプラズマ密度の分布を記憶する。

次に、気流発生装置の電源条件の制御方法について説明する。電源条件制御部２３では、第一の実施形態と同様の方法によって新たな電源条件に変更する。新たな電源条件によって電源装置１の電源条件を制御する。

上述した第二の実施形態によれば、第一の実施形態と同様の効果に加えて、プラズマ密度の分布の算出を外部で行うことによって、湿度の変化をより早く反映して電源条件を制御できる。

（第三の実施形態）
次に、第三の実施形態について説明する。図３は、第三の実施形態に係る気流発生装置の概略構成図である。第一および第二の実施形態と類似する箇所については、説明を省略する。

制御装置２０は、プラズマ密度解析部２１と、電源条件制御部２３から構成される。

次に、気流発生装置の電源条件の制御方法について説明する。

まず、風洞試験について説明する。電源装置１、湿度センサ１０、翼体１００、第１の電極１０１、第２の電極１０２を用いて、湿度および電源条件を変化させた場合にどのように気流が発生するか（気流の強さや向き）のデータが採取される。風洞試験によって採取された気流のデータ（気流の強さや向き）は、図示していない風洞試験記憶部に記憶される。

次に、湿度センサ１０では、最初の電源条件の初期湿度が測定される。初期湿度が測定された後に、プラズマ密度解析部２１には、湿度センサ１０で測定された初期湿度と、風洞試験記憶部で記憶された気流のデータのうち、初期湿度での気流のデータが入力される。続いてプラズマ密度解析部２１では、初期の電源条件を設定するために、初期湿度に対応したプラズマ密度の分布が算出される。電源条件制御部２３では、プラズマ密度解析部２１で算出されたプラズマ密度の分布から、最初の電源条件を探索する。最初の電源条件は、過去に算出したプラズマ密度の分布や、過去に気流制御装置を稼動した際の電源条件と比較して設定することが好ましい。

次に、電源条件制御部２３には、現在の湿度と、初期湿度が入力される。続いて電源条件制御部２３では、初期湿度から現在の湿度への変化量が算出される。現在の湿度が変化湿度である場合には、プラズマ密度解析部２１にて、現在の湿度に対応したプラズマ密度の分布が算出される。ここで算出されるプラズマ密度の分布は、湿度センサ１０で測定された現在の湿度と、風洞試験記憶部に記憶された気流のデータのうち、現在の湿度での気流のデータを用いて算出される。現在の湿度でのプラズマ密度の分布が算出された後に、電源条件制御部２３では、初期湿度に対応したプラズマ密度の分布と、現在の湿度に対応したプラズマ密度の分布を一定とするように、新たな電源条件を探索する。新たな電源条件を電源装置１へ出力して、電源装置１の電源条件を制御する。

上述した第三の実施形態によれば、湿度が変化した場合にプラズマ密度の分布を算出することによって、第一の実施形態と同様の効果を有する。

なお、上述した第一から第三の実施形態では、湿度を反映して気流制御を行ったが、湿度に加えて周囲の温度、翼体周囲の圧力による影響を加味してもよい。その場合には、例えば圧力センサや温度センサのような測定装置を翼体１００に設ける。加えて風洞試験では、圧力と温度も加味して試験を行う。プラズマ密度の分布を一定とすることによって、湿度と、温度と、圧力と、電源条件が対応付けされる。湿度と圧力と温度の少なくとも１つが変化した場合に、電源条件制御部２３は、プラズマ密度の分布を一定とするように新たな電源条件を探索する。圧力や温度も反映することによって、周囲の条件が複雑に変化する場合も利用できる。従って、風力発電装置だけでなく、航空機の回転翼や固定翼、タービン翼にも応用できる。

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、発明の趣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．電源装置
１０．湿度センサ
２０．制御装置
２１．プラズマ密度解析部
２２．解析結果記憶部
２３．電源条件制御部
１００．翼体
１０１．第１の電極
１０２．第２の電極

Claims (6)

1. 誘電体基板に設けられた電極に電圧を印加する電源装置と、
   前記電源装置から出力される前記電圧の電源条件を制御する制御装置と、
   を備える気流発生装置において、
   前記気流発生装置は、前記誘電体基板近傍または周囲の湿度を測定する湿度センサを備え、
   前記制御装置は、前記湿度センサで測定する前記湿度が変化した場合に、前記電源条件と前記湿度との関係に基づいて、前記電源装置の前記電源条件が前記湿度センサで測定した前記湿度に対応する前記電源条件になるよう制御する気流発生装置。
2. 前記制御装置は、あらかじめ前記電源条件と前記湿度との関係を算出し、前記湿度センサで測定する前記湿度が変化した場合に、前記電源条件と前記湿度との関係に基づいて、前記電源装置の前記電源条件が前記湿度センサで測定した前記湿度に対応する前記電源条件になるよう制御する請求項１に記載の気流発生装置。
3. 前記気流発生装置は、前記誘電体基板近傍または周囲の圧力および温度の少なくとも一方を測定するセンサをさらに具備し、
   前記制御装置は、前記電源条件と前記湿度に加えて前記圧力および前記温度の少なくとも一方をパラメータとした関係に基づいて、前記センサで測定する前記圧力および温度の少なくとも一方が変化した場合に、前記電源装置の前記電源条件が前記センサで測定した前記圧力および前記温度の少なくとも一方に対応する前記電源条件になるよう制御する請求項１または２に記載の気流発生装置。
4. 誘電体基板近傍または周囲の湿度を測定し、
   前記誘電体基板に設けられた電極に印加する電圧の電源条件と前記湿度との関係を算出し、
   前記誘電体基板近傍の湿度が変化した場合に、前記電源条件を前記湿度が変化した後の前記湿度に対応する前記電源条件になるよう制御する気流発生方法。
5. ロータ軸と、
   前記ロータ軸の動径方向に設けられ、風によって回転する風車翼と、
   前記風車翼の少なくとも一つに設けられ、
   誘電体基板に設けられた電極に電圧を印加する電源装置と、
   前記電源装置から出力される前記電圧の電源条件を制御する制御装置と、
   を具備する気流発生装置を備えた風力発電装置において、
   前記気流発生装置は、前記風車翼近傍または周囲の湿度を測定する湿度センサを有し、
   少なくとも前記気流発生装置が設けられる前記風車翼は、誘電体材料で形成され、
   前記制御装置は、前記湿度センサで測定する前記湿度が変化した場合に、前記電源条件と前記湿度との関係に基づいて、前記電源装置の前記電源条件が前記湿度センサで測定した前記湿度に対応する前記電源条件になるよう制御する風力発電装置。
6. 前記制御装置は、あらかじめ前記電源条件と前記湿度との関係を算出し、前記湿度センサで測定する前記湿度が変化した場合に、前記電源条件と前記湿度との関係に基づいて、前記電源装置の前記電源条件が前記湿度センサで測定した前記湿度に対応する前記電源条件になるよう制御する請求項５に記載の風力発電装置。

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