JP5837323B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は風力発電装置に係わり、特に誘電体バリア放電により気流を発生させるプラズマ気流発生装置を備えたものに関する。

地球温暖化防止の観点から、全地球規模で再生エネルギー発電システムの導入が進められている。普及が進められている発電方式の一つとして、風力発電が存在する。しかし、風力発電は風速変動や風向変動によって発電量が左右される。このため、日本等のように風速および風向がめまぐるしく変わる山岳性気象を有する地域においては発電出力を安定維持することが困難であり、風力発電装置導入の足かせになっている。従って、安定かつ高効率な風力発電装置の開発が強く望まれている。

こうした背景のもとで、風車翼面に誘電体バリア放電によりプラズマ気流を発生させる装置を配設することで、風の変動に対応した制御が可能な風力発電装置が特許文献１において提案されている。

また後述するように、プラズマ気流発生装置を用いて翼の剥離流れを抑制する際に、剥離渦の放出周期に同調してプラズマ気流を発生すると、より効果的に剥離流れを抑制することができることが特許文献２において開示されている。

特開２００８−２５４３４号公報

「日本機械学会論文集（B編），７４巻７４４号，（２００８−８），論文 NO.０８−７００６」

風車翼周りの気流は、主流速に対して風車回転数が遅い時、あるいは風向が急に変化したとき等の場合、風車翼周りの速度三角形が定格点から大きくずれることで、流れの剥離が風車翼の広範囲で発生する。従来の風力発電装置では、こうした風の急激な変動にピッチ制御及びヨー制御が対応できず、発電が不安定になり高効率の風力発電装置を実現することができないという問題があった。

特許文献１に記載された誘電体バリア放電によるプラズマ気流発生装置を備えた風力発電装置は、図１０に概略的に示されたように、翼２１の前縁に沿って配置された複数のプラズマ気流発生装置１０を備えている。

このようなプラズマ気流発生装置１０を備えた風力発電装置では、風洞実験を実施した結果、プラズマ気流発生装置がオフ状態の場合と比較し、オン状態では風車の回転数が大幅に増大することが明らかとなった。この現象は、風車翼の前縁に設けたプラズマ気流発生装置により翼の表面を流れる空気の境界層付近に高速なプラズマ気流が発生し、境界層の速度分布が変化して翼周りの剥離流れが抑制され、風車翼の揚力が増大することで風車の回転数が増大し、これがポジティブフィードバックとなって一挙に回転数が増大したものと考えられる。

風力発電装置の定格風速は、一般には１２〜１３ｍ／ｓとされる。しかし、このような定格風速に恵まれる風車立地点は少なく、より低速域（４〜８ｍ／ｓ）の風が年間を通じて吹くような立地点が多い。よって、プラズマ気流発生装置の設置により低・中風速域での発電を増大できることは、年間を通じて安定して高効率な風力発電装置が実現できることを意味している。

ところで、運転時の風車翼は風の力によって大きく撓むため、翼の変形に対しても対応可能なようにプラズマ気流発生装置を設置する必要がある。図１１に、翼１２１の前縁にプラズマ気流発生装置１１０を複数配置した例を示す。従来は、このように複数のプラズマ気流発生装置１１０を接続導線１０９により単純に直列接続し、低圧側電源１０１に接続されたプラズマ電源１０２に接続されており、プラズマ気流発生装置における短絡等の故障が発生した場合に対する配慮が施されていなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、プラズマ気流発生装置において短絡等の故障が発生した場合であってもその影響が装置全体に及ぶことを防止し、安定して高効率の風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明の風力発電装置は、
第１の電極と、前記第１の電極と誘電膜を隔てて設けられた第２の電極とを有し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加されると誘電体バリア放電によりプラズマ気流を発生する、複数の系統からなるプラズマ気流発生装置と、
前記プラズマ気流発生装置に電圧を供給する、少なくとも一つのプラズマ電源とを備え、
前記プラズマ気流発生装置は風力発電装置における翼に設けられ、前記複数の系統に分かれて系統毎に独立して電圧が供給されることを特徴とする。

本発明の風力発電装置によれば、プラズマ気流発生装置への電源供給系統を複数備えることで、一部のプラズマ気流発生装置が故障した場合であってもその影響が装置全体に及ぶことを防止し、安定して高効率の風力発電装置を実現することが可能である。

本発明の第１の実施の形態による風力発電装置におけるプラズマ気流発生装置の配置構成及びプラズマ気流発生装置に電源を供給する接続構成を示した説明図。 同プラズマ気流発生装置の構成を示した斜視図及び縦断面図。 同プラズマ気流発生装置において翼にプラズマ気流発生装置を取り付ける位置を示した断面図。 本発明の第２の実施の形態による風力発電装置におけるプラズマ気流発生装置の配置構成及びプラズマ気流発生装置に電源を供給する接続構成を示した説明図。 本発明の第３の実施の形態による風力発電装置におけるプラズマ気流発生装置に電源を供給する接続構成を示した説明図。 本発明の第４の実施の形態による風力発電装置におけるプラズマ気流発生装置の配置構成及びプラズマ気流発生装置に電源を供給する接続構成を示した説明図。 本発明の第５の実施の形態による風力発電装置におけるプラズマ気流発生装置の配置構成及びプラズマ気流発生装置に電源を供給する接続構成を示した説明図。 本発明の第６の実施の形態による風力発電装置におけるプラズマ気流発生装置の配置構成及びプラズマ気流発生装置に電源を供給する接続構成を示した説明図。 本発明の第７の実施の形態による風力発電装置におけるプラズマ気流発生装置の配置構成及びプラズマ気流発生装置に電源を供給する接続構成を示した説明図。 プラズマ気流発生装置を備えた風力発電装置の全体の概略構成を示した斜視図。 従来の風力発電装置におけるプラズマ気流発生装置の配置構成及びプラズマ気流発生装置に電源を供給する接続構成を示した説明図。

以下、本発明の実施の形態による風力発電装置について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態による風力発電装置において、翼２１に複数のプラズマ気流発生装置を配置した構成を図１（ａ）に、さらにプラズマ気流発生装置に電源を供給する接続構成を図１（ｂ）にそれぞれ示す。

図１（ａ）に示されたように、風車の翼２１の前縁に沿って、ユニット化されたプラズマ気流発生装置１０が複数配置されている。このプラズマ気流発生装置は、外観を示した斜視図である図２（ａ）、並びに図２（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う縦断面図である図２（ｂ）に示されたように、耐候性が高くかつ変形に対する耐性が高い樹脂８が基材として設けられ、樹脂８の表面上に導電性を有する内挿電極６ｂが配置されている。内挿電極６ｂを覆うように樹脂８の表面上に誘電膜７が形成され、誘電膜７の表面上に導電性を有する表面電極６ａが設けられてユニットとして成形されている。

このように耐候性並びに変形に対する耐性の高い樹脂８を用いてユニット成型したことにより、このプラズマ気流発生装置１０は風車が設置されるような屋外環境においても長寿命で信頼性が高く、また凹凸が少ないため気流制御特性に優れた流体制御用アクチュエータとして動作することができる。

このプラズマ気流発生装置１０の装着は、翼２１の成型時に埋め込んでもよく、あるいは翼２１の表面に接着、ネジ止め等により固定してもよい。尚、翼２１の表面にプラズマ気流発生装置１０を装着する部位は、剥離流れを抑制することが可能な位置である必要がある。具体的には、図３に示されたように、プラズマ気流発生装置１０の表面電極６ａの長手方向の一端面が、翼２１の前縁において、キャンバーラインＣＬで規定される翼２１の前縁基点ＢＰから背面側２１ａの所定範囲に渡る、図中点線で示された範囲２１ｂであることが望ましい。しかし、この範囲２１ｂに限定されるものではなく、空力学的及び剥離流れの抑制を行う上で望ましい任意の位置にプラズマ気流発生装置１０を装着することができる。

表面電極６ａ、内挿電極６ｂは、それぞれ図示されていない接続導線により後述するプラズマ電源に接続される。表面電極６ａと内挿電極６ｂとの間にプラズマ電圧が印加され、表面電極６ａの近傍において誘電体バリア放電が誘起され、電子やイオンが生成されて電界により移動して翼２１の表面を流れる空気の境界層付近に高速なプラズマ気流が発生し、境界層の速度分布が変化して空気の剥離が抑制される。尚、気流の大きさや向きは、プラズマ電圧、周波数、電流波形、デューティ比等を変化させることで制御することができる。

そして、図１（ａ）に示されたように、電源を供給される系統が異なる第１の系統の複数のプラズマ気流発生装置１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ａ３と、第２の系統の複数のプラズマ気流発生装置１０Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３とが、翼２１の前縁に沿って交互に配置されている。ここで、それぞれの系統のプラズマ気流発生装置１０の数は１以上の任意の数でよく、また系統は複数であればよく３以上設けられていてもよい。

このように配置されたプラズマ気流発生装置１０に電源を供給する接続構成について、図１（ｂ）を参照して説明する。低圧側電圧１から、例えばＡＣ１００Ｖの電源電圧がプラズマ電源２に供給される。プラズマ電源２は、内蔵する制御機構により、印加電圧や発生周波数を調整して誘電体バリア放電の制御を行う。尚、プラズマ電源２の装着部位は、翼２１の回転軸に接続された発電機等を収納したナセル内、あるいは翼２１の内部等、プラズマ気流発生装置１０に電気的に接続可能な箇所であれば限定されずいずれの箇所であってもよい。

プラズマ電源２には、第１の系統のプラズマ気流発生装置１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ａ３が、遮断装置３Ａを介して並列に接続導線９Ａにより接続されている。また、第２の系統のプラズマ気流発生装置１０Ｂ１、１０Ｂ２、１０Ｂ３が、遮断装置３Ｂを介して並列に接続導線９Ｂにより接続されている。尚、それぞれのプラズマ気流発生装置１０が遮断装置３Ａ、３Ｂを介して接続される接続構成は、並列に限らず直列であってもよい。

尚、本実施の形態並びに後述する第２〜第７の実施の形態における接続導線９は、高電圧と例えば接地された低電圧とを、表面電極６ａと内挿電極６ｂとにそれぞれ供給するため、２本の導線が１対をなしているものとする。

遮断装置３Ａ、３Ｂは、それぞれ制御部１１に接続されている。制御部１１は、いずれかのプラズマ気流発生装置１０において絶縁破壊等により故障が発生したことを例えばセンサからの情報により検出し、このプラズマ気流発生装置１０が属するいずれかの系統の遮断装置３Ａ又は３Ｂを遮断する。これにより、故障したプラズマ気流発生装置１０が含まれる系統の全てのプラズマ気流発生装置１０にはプラズマ電源が供給されず、動作を停止する。

しかし、他の系統のプラズマ気流発生装置１０にはプラズマ電源が供給されて動作状態を維持するので、翼２１周りの剥離流れを抑制することができる。さらに、第１の系統のプラズマ気流発生装置１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ａ３と第２の系統のプラズマ気流発生装置１０Ｂ１、１０Ｂ２、１０Ｂ３とを翼２１のスパン方向に沿って交互に配置しているので、一方の系統に故障が発生して動作を停止した場合であっても翼２１のスパン方向に沿う全域に渡って剥離流れの抑制制御が可能である。

以上説明したように、第１の実施の形態の風力発電装置によれば、プラズマ気流発生装置により翼周りの剥離流れを抑制する際に、複数のプラズマ気流発生装置を複数系統に分けて電源を供給し、いずれかのプラズマ気流発生装置に故障が発生した場合その系統の動作を停止し、故障が発生していない系統は引き続き動作させるように構成したことにより、故障の影響が装置全体に及ぶことがなく、安定して高効率の風力発電装置を実現することができる。

(第２の実施の形態)
本発明の第２の実施の形態について、そのプラズマ気流発生装置の配列並びに接続構成を示した図４を参照して説明する。上記第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の番号を付して、重複する説明は省略する。

図４（ａ）に示されたように、翼２１の前縁方向に沿って複数のプラズマ気流発生装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄが配置されている。そして第２の実施の形態では、図４（ｂ）に示されたように、各々のプラズマ気流発生装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ毎にプラズマ電源２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄが設けられ、それぞれ接続導線９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄにより直接接続されている。

いずれかのプラズマ気流発生装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄが故障した場合であっても、装置毎にプラズマ電源２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄが設けられているので、他のプラズマ気流発生装置１０にはそれに接続されたプラズマ電源２からの電源の供給を継続することができる。これにより故障の影響が装置全体に及ばず、剥離流れの抑制制御を継続して行い、安定して高効率の風力発電装置を実現することが可能である。

ところで近年は、ロータ径が８０ｍを超える風力発電装置が現れている。このような大型風力発電装置では、翼の先端領域、中間領域、翼根領域において回転速度が大きく異なる。また、翼コード長も半径位置毎に異なっており、半径位置毎の翼周りも大きく異なっている。

上述したように、プラズマ気流発生装置により翼の剥離流れを抑制する際に、剥離渦の放出周期に同調してプラズマ気流を発生することで、より効果的に剥離流れを抑制することができる。第２の実施の形態では、スパン方向に沿って配列されたプラズマ気流発生装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ毎にプラズマ電源２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄを設けているので、個別にプラズマ電源の電圧周波数を制御することが可能である。これにより、スパン方向に沿って大きく異なる翼２１周りの剥離渦周期に同調した最適な剥離防止のための制御を行うことができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態について、プラズマ気流発生装置の接続構成を示した図５を用いて説明する。上記第１、第２の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、重複した説明を省略する。

第３の実施の形態では、プラズマ気流発生装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ毎にプラズマ電源２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄを備える。尚、プラズマ気流発生装置１０Ａ〜１０Ｄの翼２１への配列は、図４（ａ）に示された上記第２の実施の形態と同一であり、説明を省略する。

プラズマ気流発生装置１０Ａとプラズマ電源２Ａとを接続するため２本の接続導線９Ａ１及び９Ａ２が設けられている。同様に、プラズマ気流発生装置１０Ｂとプラズマ電源２Ｂ、プラズマ気流発生装置１０Ｃとプラズマ電源２Ｃ、プラズマ気流発生装置１０Ｄとプラズマ電源２Ｄとを接続するため、それぞれ２本の接続導線９Ｂ１及び９Ｂ２、９Ｃ１及び９Ｃ２、９Ｄ１及び９Ｄ２が設けられている。

尚、上述したように、高電圧と低電圧とを表面電極６ａ、内挿電極６ｂにそれぞれ供給するため、接続導線９Ａ１、９Ａ２、９Ｂ１、９Ｂ２、９Ｃ１、９Ｃ２、９Ｄ１、９Ｄ２はそれぞれ２本の導線で１対をなしている。

さらに、接続導線９Ａ１及び９Ａ２、９Ｂ１及び９Ｂ２、９Ｃ１及び９Ｃ２、９Ｄ１及び９Ｄ２には、プラズマ電源２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄに近接した接続根部において、それぞれ遮断装置３Ａ１及び３Ａ２、３Ｂ１及び３Ｂ２、３Ｃ１及び３Ｃ２、３Ｄ１及び３Ｄ２が接続されている。

遮断装置３Ａ１及び３Ａ２、３Ｂ１及び３Ｂ２、３Ｃ１及び３Ｃ２、３Ｄ１及び３Ｄ２は、制御部１１に接続されている。翼２１の撓み等により、２本の接続導線９Ａ１又は９Ａ２、９Ｂ１又は９Ｂ２、９Ｃ１又は９Ｃ２、９Ｄ１又は９Ｄ２のいずれか一方において断線が発生した場合には、制御部１１が断線した接続導線９に接続されている遮断装置３を遮断する。

これにより、断線が生じた接続導線９による接続を遮断し、残った接続導線９により当該プラズマ気流発生装置１０に電源を供給して引き続き駆動を継続することができる。この結果、断線が生じたいずれか一方の接続導線９に接続されているプラズマ気流発生装置１０の動作を他方の接続導線９により継続することができるので、スパン方向において大きく異なる翼２１の周りの気流に対応して半径位置毎に異なる剥離渦周期に同調した最適な制御を維持することが可能である。

尚、第３の実施の形態では１つのプラズマ気流発生装置１０に対して２本の接続導線９を接続した場合について説明した。しかし、接続導線の数は２本に限定されず３本以上接続してもよい。

(第４の実施の形態)
本発明の第４の実施の形態について、プラズマ気流発生装置の翼における配列、並びにプラズマ気流発生装置の接続構成を示した図６を用いて説明する。上記第１〜第３の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、重複した説明を省略する。

第４の実施の形態は、上記第１の実施の形態における複数のプラズマ気流発生装置１０を複数系統に分けて各々の系統に複数のプラズマ気流発生装置１０をそれぞれ設けた構成と、上記第２の実施の形態における複数系統毎に１つずつプラズマ電源２を設けた構成とを組み合わせて、複数系統毎に１つずつプラズマ電源２を設けて各々の系統に複数のプラズマ気流発生装置１０をそれぞれ設けたものに相当する。

具体的には、１０個のプラズマ気流発生装置１０が５系統に分割され、各々の系統には２個ずつプラズマ気流発生装置１０が配置され、系統毎にプラズマ電源２が設けられている。プラズマ気流発生装置１０Ａ１及び１０Ａ２にプラズマ電源２Ａが接続導線９Ａにより接続される。プラズマ気流発生装置１０Ｂ１及び１０Ｂ２にプラズマ電源２Ｂが接続導線９Ｂにより接続される。プラズマ気流発生装置１０Ｃ１及び１０Ｃ２にプラズマ電源２Ｃが接続導線９Ｃにより接続される。プラズマ気流発生装置１０Ｄ１及び１０Ｄ２にプラズマ電源２Ｄが接続導線９Ｄにより接続される。プラズマ気流発生装置１０Ｅ１及び１０Ｅ２にプラズマ電源２Ｅが接続導線９Ｅにより接続される。そして、プラズマ気流発生装置１０Ａ１とプラズマ気流発生装置１０Ａ２との間に他の系統のプラズマ気流発生装置１０Ｂ１が配置されるというように、同じ系統内の２つのプラズマ気流発生装置１０の間に他の系統のプラズマ気流発生装置１０が配置されている。但し、全てのプラズマ気流発生装置１０がこのように間隔を開けて配置される必要はなく、プラズマ気流発生装置１０Ｅ１及び１０Ｅ２のように連続して配置されたものが含まれてもよい。

例えば、一つの系統内のプラズマ気流発生装置１０Ａ１に故障が発生したような場合、これに接続されたプラズマ電源２Ａからの電源の供給動作を停止し、プラズマ気流発生装置１０Ａ１及び１０Ａ２の駆動を停止する。他のプラズマ気流発生装置１０Ｂ１及び１０Ｂ２、１０Ｃ１及び１０Ｃ２、１０Ｄ１及び１０Ｄ２、１０Ｅ１及びＥ２への電源の供給は継続し、動作状態を維持する。

このように、系統毎にプラズマ電源２を設けることで、いずれかの系統内のプラズマ気流発生装置１０に故障が発生した場合にも、他の系統のプラズマ気流発生装置１０の動作状態を維持することができる。また、同一系統内の複数のプラズマ気流発生装置１０の間に他の系統のプラズマ気流発生装置１０を挿入するように配置したことで、いずれかの系統のプラズマ気流発生装置１０が動作しない状態になった場合にも、翼２１の半径位置毎に異なる剥離流れに対応した最適制御を維持することができる。

さらに、一つの系統に設けられた１個のプラズマ電源２に対して複数のプラズマ気流発生装置１０を配置したことにより、プラズマ電源２の数の増加を抑制しコスト低減を図りつつ、翼２１の広い範囲に渡って剥離流れの制御が可能である。

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態について、プラズマ気流発生装置の翼における配列、並びにプラズマ気流発生装置の接続構成を示した図７を用いて説明する。上記第１〜第４の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、重複した説明を省略する。

近年の風力発電装置では大型風車が用いられており、ロータ径が８０ｍを超えるものも現れてきた。このため、翼の半径位置によってはコード長が２〜４ｍにも達する。

このような大きな翼周りの流れを制御するためには、プラズマ気流発生装置を翼弦方向に沿ってタンデム状に設けて、より強いプラズマ気流を発生させることが有効である。

第５の実施の形態はこのような大型風車に対して特に有効なものであり、プラズマ気流発生装置が半径位置毎にタンデム状に複数設けられてブロックを構成するとともに、ブロック毎にプラズマ電源がそれぞれ設けられている。

具体的には、図７（ａ）、（ｂ）に示されたように、プラズマ気流発生装置１０Ａ１２、１０Ａ２２、１０Ａ１１及び１０Ａ２１が気流発生方向に沿ってタンデム状に配置されて１つのブロックを構成している。図７（ａ）においては、翼２１の前縁に沿って配置された４個のプラズマ気流発生装置１０のうち、プラズマ気流発生装置１０Ａ１２、１０Ａ２２が図示されており、プラズマ気流発生装置１０Ａ１１、１０Ａ２１はプラズマ気流発生装置１０Ａ２２の背後に配置されている。同様に、４個のプラズマ気流発生装置１０Ｂ１２、１０Ｂ２２、１０Ｂ１１及び１０Ｂ２１、４個のプラズマ気流発生装置１０Ｃ１２、１０Ｃ２２、１０Ｃ１１及び１０Ｃ２１、４個のプラズマ気流発生装置１０Ｄ１２、１０Ｄ２２、１０Ｄ１１及び１０Ｄ２１が気流発生方向に沿ってタンデム状にそれぞれブロックを構成して配置されている。

図７（ｂ）に示されたように、タンデム状に配置された４個のプラズマ気流発生装置１０から成るブロック毎に、１つずつプラズマ電源２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄが配置されている。

プラズマ電源２Ａには、遮断装置３Ａ１、３Ａ２をそれぞれ介して接続導線９Ａ１、９Ａ２によりプラズマ気流発生装置１０Ａ１１、１０Ａ２１が並列に接続され、プラズマ気流発生装置１０Ａ１１と直列にプラズマ気流発生装置１０Ａ１２が接続され、プラズマ気流発生装置１０Ａ２１と直列にプラズマ気流発生装置１０Ａ２２が接続されている。

同様に、プラズマ電源２Ｂには、遮断装置３Ｂ１、３Ｂ２をそれぞれ介して接続導線９Ｂ１、９Ｂ２によりプラズマ気流発生装置１０Ｂ１１、１０Ｂ２１が並列に接続され、プラズマ気流発生装置１０Ｂ１１と直列にプラズマ気流発生装置１０Ｂ１２が接続され、プラズマ気流発生装置１０Ｂ２１と直列にプラズマ気流発生装置１０Ｂ２２が接続されている。

プラズマ電源２Ｃには、遮断装置３Ｃ１、３Ｃ２をそれぞれ介して接続導線９Ｃ１、９Ｃ２によりプラズマ気流発生装置１０Ｃ１１、１０Ｃ２１が並列に接続され、プラズマ気流発生装置１０Ｃ１１と直列にプラズマ気流発生装置１０Ｃ１２が接続され、プラズマ気流発生装置１０Ｃ２１と直列にプラズマ気流発生装置１０Ｃ２２が接続されている。

プラズマ電源２Ｄには、遮断装置３Ｄ１、３Ｄ２をそれぞれ介して接続導線９Ｄ１、９Ｄ２によりプラズマ気流発生装置１０Ｄ１１、１０Ｄ２１が並列に接続され、プラズマ気流発生装置１０Ｄ１１と直列にプラズマ気流発生装置１０Ｄ１２が接続され、プラズマ気流発生装置１０Ｄ２１と直列にプラズマ気流発生装置１０Ｄ２２が接続されている。

そして、遮断装置３Ａ１、３Ａ２、３Ｂ１、３Ｂ２、３Ｃ１、３Ｃ２、３Ｄ１、３Ｄ２は、それぞれ制御部１１に接続されている。

このように第５の実施の形態では、４個のプラズマ気流発生装置１０を１つのブロックとして気流発生方向に沿ってタンデム状に配置するとともに、翼２１の半径位置毎に独立してプラズマ電源２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄを設けたことにより、大型風車において半径位置により大きく変化する翼２１周りの気流に対応して、それぞれの剥離渦周期に同調した最適な制御を行うことができる。

また、タンデム状に配置された４個のプラズマ気流発生装置１０のうち、直列に接続された例えばプラズマ気流発生装置１０Ａ１１及び１０Ａ１２に遮断装置３Ａ１、プラズマ気流発生装置１０Ａ２１及び１０Ａ２２に遮断装置３Ａ２が接続されている。例えば、プラズマ気流発生装置１０Ａ１１に故障が発生した場合には制御部１１が遮断装置３Ａ１を遮断し、これに直列に接続されたプラズマ気流発生装置１０Ａ１１及び１０Ａ１２への電力の供給を停止する。しかし、残りのプラズマ気流発生装置１０には電力の供給が可能であり、引き続き動作状態を継続することができる。

さらに、同一の遮断装置３に直列接続されたプラズマ気流発生装置１０の間に、他の遮断装置３に接続されたプラズマ気流発生装置１０が配置されていることで、いずれかの遮断装置３において遮断が生じた場合にも気流の発生に与える影響が抑制され、翼２１全体としての剥離流れ制御を十分維持することができ、安定して高効率の風力発電装置が実現される。

（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態について、プラズマ気流発生装置の翼における配列、並びにプラズマ気流発生装置の接続構成を示した図８を用いて説明する。上記第１〜第５の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、重複した説明を省略する。

第６の実施の形態では、上記第４の実施の形態によるプラズマ気流発生装置において、翼２１の運転状態をモニタして得られた情報に基づきプラズマ電源２Ａ〜２Ｅの動作に対して制御部１１がフィードバック制御を行う構成が加えられたものに相当する。プラズマ気流発生装置１０の翼２１における配列、プラズマ気流発生装置１０とプラズマ電源２との接続構成は上記第４の実施の形態と同一であり、説明を省略する。

プラズマ気流発生装置１０により翼２１の剥離流れを制御する場合には、上述したように剥離渦の放出周期に同調してプラズマ気流を発生させることにより、剥離現象をより抑制することができる。しかしながら、翼２１の半径位置により旋回速度や翼弦長が異なり、さらには装置の高さ位置により風速や風向が異なるため、剥離渦の周波数も位置により異なることとなる。

そこで第６の実施の形態では、例えば風車回転数を回転数センサ５を用いてモニタし、風車回転数が増大するような周波数制御条件を制御部１１にて演算して、プラズマ電源２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄにそれぞれ独立してフィードバックする。これにより、半径位置に応じた剥離流れを抑制することが可能となる。尚、この周波数制御条件は、プラズマ電源２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ毎に独立して与えることが半径位置に応じた制御を行うためには望ましい。しかし、翼２１全体で一括して同一の周波数条件をプラズマ電源２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄに与えても、剥離を制する制御自体は可能である。

また、風力発電装置が一般に備えている種々のセンサ、例えば翼２１に流入する気流の速度を測定する風速センサ、翼２１に流入する気流の風向を計測する風向センサ、翼２１の表面の圧力を計測する圧力センサ等から得られた情報に基づいて、プラズマ電源２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄが発生する電圧の周波数条件を設定してもよい。

周波数条件の設定は、例えば、制御部１１において第１の周波数条件を設定してプラズマ電源２に与え、この第１の周波数条件で電源をプラズマ気流発生装置１０に与えて所定時間駆動し、この時の風車回転数を測定する。そして、異なる第２の周波数条件でプラズマ気流発生装置１０を所定時間駆動し、この時の風車回転数を測定する。第１の周波数条件と第２の周波数条件の時とにおけるそれぞれの風車回転数を比較して望ましい方を選択する。このような処理を繰り返していくことで、最適な条件を探索していく。

当然ながら、フィードバック制御は風速風向変動に対して応答するまでに時定数が存在する。しかし、所定時間を単位として平均化すると、フィードバック制御による最適条件の探索を行うことは剥離抑制を行う上で有効である。

このように第６の実施の形態によれば、例えば風車回転数をモニタしてその情報に基づいて翼周りの剥離流れを抑制し、また上記第４の実施の形態と同様に一部のプラズマ気流発生装置に故障が発生した場合にも他のプラズマ気流発生装置の駆動を継続することで、安定して高効率な風力発電装置を実現することが可能である。

(第７の実施の形態)
本発明の第７の実施の形態について、プラズマ気流発生装置の接続構成を示した図９を用いて説明する。上記第１〜第６の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、重複した説明を省略する。

第７の実施の形態は、上記第６の実施の形態の構成に加えて翼２１の表面に物理センサ４を設け、翼２１周りの気流の情報を検出してその情報を制御部１１に与え、この情報に基づいてプラズマ電源２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅの電源電圧の周波数を制御する。このようなフィードバックループを設けたことによって、上記第６の実施の形態よりさらに有効に剥離を抑制するようプラズマ気流を発生させるものである。尚、プラズマ気流発生装置１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ｂ１、１０Ｂ２、１０Ｃ１、１０Ｃ２、１０Ｄ１、１０Ｄ２、１０Ｅ１、１０Ｅ２の翼２１の表面における配列、及びこれらのプラズマ気流発生装置１０とプラズマ電源２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄとの接続構成は、上記第６の実施の形態と同様であり説明を省略する。

物理センサ４として、例えば圧力センサや、翼２１の表面の流速を計測する流速センサ等を用いてもよい。圧力センサを用いた場合は、翼２１の表面に付着していた流れが剥離すると表面圧力が増大するため、この圧力の変化を検出する。流速センサを用いた場合は、剥離現象が起こると翼２１の表面における気流の流速に変化が生じるため、この流速の変化を検出する。

翼２１の先端が地上１００ｍ近くにもなる大型風車の場合は、垂直方向の風速や風向の分布も翼２１周りの流れに影響する。このため、翼２１周りの気流は時々刻々、半径位置及び回転位置で異なる。翼２１の表面の圧力や表面の流速を物理センサ２１を用いてモニタしておくことで、翼２１周りの各位置における局所的な流れの挙動を把握することが可能となる。

そこで、翼２１に設けた物理センサ４により流れの挙動を把握しておき、流れが剥離している領域が時間的に最も多い箇所に配置されたプラズマ気流発生装置１０のプラズマ気流発生周波数の最適化を図る。例えば、具体的には第１の周波数条件でプラズマ気流発生装置１０を所定時間駆動し、この時に物理センサ４が検知した情報を制御部１１が取得する。次に、第２の周波数条件でプラズマ気流発生装置１０を所定時間駆動し、この時に物理センサ４が検知した情報と先の情報を比較し、剥離流れがより抑制されるいずれかの周波数条件を探索する処理を繰り返していく。

第７の実施の形態によれば、物理センサ４が検出した流れの挙動に基づき最適な電圧周波数をプラズマ気流発生装置１０に供給しプラズマ気流の最適化を図ることで、翼２１周りの剥離流れを有効に抑制することができる。また上記第６の実施の形態と同様に、一部のプラズマ気流発生装置１０が故障した場合にも、他のプラズマ気流発生装置１０の動作を継続することができるので、安定して高効率の風力発電装置を実現することができる。

上記実施の形態はいずれも一例であって、本発明の技術的範囲内において様々に変形することが可能である。例えば、上記第１〜第７の実施の形態におけるプラズマ気流発生装置の個数や配列、翼の設置位置、プラズマ気流発生装置の系統数等について、必要に応じて任意に設定することができる。

例えば、上記第１〜第７の実施の形態では、図１（ａ）等に示されたように、翼２１の前縁に沿ってプラズマ気流発生装置１０の長手方向がスパン方向に一致するように配置している。しかしプラズマ気流発生装置１０の配列方向は限定されず、例えばプラズマ気流発生装置１０の長手方向が翼２１のコード方向に一致するように配置してもよい。このように、プラズマ気流発生装置１０の配列方向は、風車翼が回転する際に空力学的に望ましいように、また剥離の抑制制御において望ましいように配列することができる。

１ 低圧側電源
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ プラズマ電源
３Ａ、３Ｂ、３Ａ１、３Ａ２、３Ｂ１、３Ｂ２、３Ｃ１、３Ｃ２、３Ｄ１、３Ｄ２ 遮断装置
４ 物理センサ
５ 回転センサ
６ａ 表面電極
６ｂ 内挿電極
７ 誘電膜
８ 樹脂
９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｅ、９Ａ１、９Ａ２、９Ｂ１、９Ｂ２、９Ｃ１、９Ｃ２、９Ｃ１、９Ｃ２、９Ｄ１、９Ｄ２ 接続導線
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ｂ１、１０Ｂ２、１０Ｂ３、１０Ｃ１、１０Ｃ２、１０Ｄ１、１０Ｄ２、１０Ｅ１、１０Ｅ２、１０Ａ１１、１０Ａ１２、１０Ａ２１、１０Ａ２２、１０Ｂ１１、１０Ｂ１２、１０Ｂ２１、１０Ｂ２２、１０Ｃ１１、１０Ｃ１２、１０Ｃ２１、１０Ｃ２２、１０Ｄ１１、１０Ｄ１２、１０Ｄ２１、１０Ｄ２２ プラズマ気流発生装置
１１ 制御部
２１ 翼

Claims (8)

1. 第１の電極と、前記第１の電極と誘電膜を隔てて設けられた第２の電極とを有し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加されると誘電体バリア放電によりプラズマ気流を発生する、複数の系統からなるプラズマ気流発生装置と、
   前記プラズマ気流発生装置に電圧を供給する、少なくとも一つのプラズマ電源と、
   前記系統毎に設けられた遮断装置と、
   前記遮断装置の導通状態又は遮断状態を制御する制御部と、
   を備え、
   前記プラズマ気流発生装置は風力発電装置における翼に設けられ、前記複数の系統に分かれて系統毎に独立して電圧が供給され、
   前記プラズマ気流発生装置は、前記系統毎に前記遮断装置を介して前記プラズマ電源に接続されており、
   前記制御部は、いずれかの前記プラズマ気流発生装置に故障が発生すると、このプラズマ気流発生装置と同一系統の前記遮断装置を遮断し、この系統に属する前記プラズマ気流発生装置への電圧の供給を停止し、他の前記遮断装置は導通状態を維持することを特徴とする風力発電装置。
2. 第１の電極と、前記第１の電極と誘電膜を隔てて設けられた第２の電極とを有し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加されると誘電体バリア放電によりプラズマ気流を発生する、複数の系統からなるプラズマ気流発生装置と、
   前記プラズマ気流発生装置に電圧を供給する、少なくとも一つのプラズマ電源と、
   を備え、
   前記プラズマ気流発生装置は風力発電装置における翼に設けられ、前記複数の系統に分かれて系統毎に独立して電圧が供給され、
   前記プラズマ電源は前記系統毎に設けられ、
   前記系統毎に、少なくとも一つの前記プラズマ気流発生装置が同じ系統の前記プラズマ電源に接続されており、
   前記系統毎に独立して、前記プラズマ電源が前記プラズマ気流発生装置に電圧を供給することを特徴とする風力発電装置。
3. 第１の電極と、前記第１の電極と誘電膜を隔てて設けられた第２の電極とを有し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加されると誘電体バリア放電によりプラズマ気流を発生する、複数の系統からなるプラズマ気流発生装置と、
   前記プラズマ気流発生装置に電圧を供給する、少なくとも一つのプラズマ電源と、
   前記プラズマ気流発生装置毎に複数設けられた遮断装置と、
   前記遮断装置の導通状態又は遮断状態を制御する制御部と、
   を備え、
   前記プラズマ気流発生装置は風力発電装置における翼に設けられ、前記複数の系統に分かれて系統毎に独立して電圧が供給され、
   前記プラズマ電源は、前記プラズマ気流発生装置毎に設けられており、
   前記プラズマ気流発生装置と前記プラズマ電源とは、それぞれ複数の前記遮断装置を介して接続導線により前記プラズマ電源に接続されており、
   前記制御部は、いずれかの前記接続導線に断線が発生すると、この接続導線に接続された前記遮断装置を遮断し、この接続導線に接続された前記プラズマ気流発生装置に接続されている他の遮断装置の導通状態を継続することを特徴とする風力発電装置。
4. 第１の電極と、前記第１の電極と誘電膜を隔てて設けられた第２の電極とを有し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加されると誘電体バリア放電によりプラズマ気流を発生する、複数の系統からなるプラズマ気流発生装置と、
   前記プラズマ気流発生装置に電圧を供給する、少なくとも一つのプラズマ電源と、
   を備え、
   前記プラズマ気流発生装置は風力発電装置における翼に設けられ、前記複数の系統に分かれて系統毎に独立して電圧が供給され、
   前記プラズマ気流発生装置は、前記翼のコード方向に沿ってタンデム状に複数配置されたブロックが、前記翼のスパン方向に沿って複数配置されており、
   前記プラズマ電源は、前記ブロック毎に設けられており、
   各々の前記ブロックは複数のサブブロックを有し、前記サブブロック毎に前記プラズマ気流発生装置が複数設けられ、同一の前記サブブロック内の前記プラズマ気流発生装置の間には他の前記サブブロック内の前記プラズマ気流発生装置が配置されており、
   前記サブブロック毎に設けられた遮断装置と、
   前記遮断装置の導通状態又は遮断状態を制御する制御部と、をさらに備え、
   各々の前記サブブロック内の前記プラズマ気流発生装置は、前記遮断装置を介して前記プラズマ電源に接続されていることを特徴とする風力発電装置。
5. 前記プラズマ発生装置は、風力発電装置における前記翼の表面上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の風力発電装置。
6. 前記翼の回転速度、前記翼の表面の圧力状態、前記翼の表面上の気流の流速の少なくともいずれか一つに関する情報を検出する物理センサと、
   前記プラズマ電源の動作を制御する制御部と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記物理センサが検出した前記情報に基づいて、前記プラズマ電源の動作を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の風力発電装置。
7. 前記プラズマ気流発生装置は、前記第１の電極の長手方向の一端面が、前記翼のキャンバーラインで規定される前記翼の前縁基点から背面側に渡る範囲内に、前記翼のスパン方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の風力発電装置。
8. 前記プラズマ気流発生装置は、前記翼のスパン方向に沿って、異なる前記系統に属するものが交互に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の風力発電装置。

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