JP6574634B2 - 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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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 (4)
- 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と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構成において、
前記回転角度テーブルは、前記相対角度変化による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では、前記相対角度の調整を行わないことを特徴とする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と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構成において、
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、
前記回転角度テーブルは、前記相対角度変化による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構成において、
前記回転角度テーブルは、前記相対角度変化による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では、前記相対角度の調整を行わないこと特徴とする垂直型風力発電システムにおける制御方法。 - 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、
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