JP6639335B2 - 風力発電システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、風力発電システムに関する。

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発電システムである。

風力発電システムにおいては、ロータに設けられた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することが容易でない。その結果、ブレードにおいて揚力の低下などが生ずるために、発電量が変動する場合がある。特に、日本等のように山岳性気象の地域では、風速および風向の変化が大きいため、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。

上記の対策として、気流発生装置をブレードの表面に設置し、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が提案されている（たとえば、特許文献１、２参照）。気流発生装置は、一対の電極が誘電体を介して離間しており、その一対の電極の間に電圧が印加され、バリア放電によるプラズマを生成することによって、気流が発生する。

具体的には、中型風車（定格３０ｋＷ）、大型風車（メガワット・クラス）において、気流発生装置をブレードの表面に設置することによって、発電出力を十分に向上可能なことが確認されている。この他に、複数の気流発生装置をブレードのスパン方向に複数設置し、ブレードのスパン方向において異なる周期で発生する剥離渦に同調させて気流を発生することが提案されている。これにより、特に、大型な風車において、剥離流れの発生を効果的に抑制することができる。

特開２００８−２５４３４号公報 特開２０１２−２４９５１０号公報

図１１は、関連技術に係る風力発電システム１において、全体構成を模式的に示す図である。図１１では、斜視図を示している。

図１１に示すように、風力発電システム１は、たとえば、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５を有する。この他に、風力発電システム１は、気流発生装置１０を有する。

風力発電システム１のうち、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。

風力発電システム１のうち、ナセル３は、タワー２の上端部に設置されている。ナセル３は、ヨー角の調整のために、タワー２の上端部において垂直方向を軸にして回転可能に支持されている。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。

風力発電システム１のうち、ロータ４は、ナセル３の一方の側端部において、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。また、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いる。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、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、たとえば、テーパー翼であって、ハブ４１を中心にして回転方向Ｒに間を隔てて設けられている。たとえば、３枚のブレード４２がハブ４１に設けられており、それぞれは、ピッチ角の調整のために、翼根側の端部がハブ４１に回転可能に支持されている。

風力発電システム１のうち、風向風速計５は、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５は、風速および風向きについて計測し、その計測データを制御装置（図示省略）に出力する。そして、その計測データに応じて、制御装置がヨー角やピッチ角の調整を行う。

風力発電システム１のうち、気流発生装置１０は、ブレード４２に設置されている。ここでは、複数のブレード４２のそれぞれに、複数の気流発生装置１０が設置されている。複数の気流発生装置１０は、ロータ４の径方向に沿った翼スパン方向において互いが間を隔てて並ぶように、ブレード４２の表面に設置されている。たとえば、接着によって、気流発生装置１０がブレード４２に設置されている。また、ネジなどの締結部材を用いて、気流発生装置１０をブレード４２に設置してもよい。その他、ブレード４２に気流発生装置１０を埋め込むように設置してもよい。

複数の気流発生装置１０は、たとえば、ブレード４２の翼背側の面（上面）のうち、前縁側の部分に設置されている。

図１２Ａ、図１２Ｂは、関連技術に係る風力発電システム１において、気流発生装置１０を模式的に示す図である。図１２Ａは、断面図であり、図１２Ｂは、上面図であり、図１２ＢにおいてＸ−Ｘ部分の断面が図１２Ａに相当する。図１２Ａおよび図１２Ｂは、気流発生装置１０がブレード４２に設置される前の状態を示している。

気流発生装置１０は、図１２Ａ、図１２Ｂ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１０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。

気流発生装置１０において、基体６１１は、誘電体（絶縁材料）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。

気流発生装置１０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１２Ａ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１２Ｂ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１２Ａ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１２Ｂ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１２Ｂ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１２Ｂ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。

図示を省略しているが、気流発生装置１０は、第１電極６２１が第２電極６２２よりもブレード４２（図１１参照）の外側に位置すると共に、第１電極６２１と第２電極６２２とがブレード４２の前縁から後縁に向かって順次並ぶように設置される。

気流発生装置１０は、図１２Ｂに示すように、接続部９を介して、プラズマ電源装置６２に電気的に接続されている。

接続部９は、図１２Ｂに示すように、一対の接続配線９１，９３を含み、第１電極６２１および第２電極６２２のそれぞれと、プラズマ電源装置６２との間を電気的に接続している。具体的には、接続部９のうち、一方の接続配線９１は、一端が第１電極６２１に電気的に接続されており、他端がプラズマ電源装置６２に電気的に接続されている。また、接続部９のうち、他方の接続配線９３は、一端が第２電極６２２に電気的に接続されており、他端がプラズマ電源装置６２に電気的に接続されている。

プラズマ電源装置６２は、電源回路を含み、制御装置６４が出力した制御信号に基づいて、気流発生装置１０に電圧を印加する。プラズマ電源装置６２は、たとえば、ブレード４２の内部において翼根側の部分に設置されている。

制御装置６４は、メモリ装置（図示省略）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、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出力信号として制御信号を出力する。具体的には、制御装置６４は、風向風速計５から風速データおよび風向データが入力される他に、回転数検知器（図示省略）からロータ４の回転数データなどが計測データとして入力される。制御装置６４は、その入力された計測データに基づいて、プラズマ電源装置６２に制御信号を出力し、その制御信号に基づいてプラズマ電源装置６２が気流発生装置１０に電圧を印加する。ここでは、プラズマ電源装置６２は、制御信号に基づいて、パルス変調器（図示省略）が高周波の交流電圧を低周波のパルス変調波でパルス変調し、そのパルス変調された高周波の交流電圧を気流発生装置１０に印加する。これにより、気流発生装置１０の表面（上面）においては、バリア放電によるプラズマが発生し、気流（プラズマ誘起流）が間歇的に誘起される。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、剥離流れの発生が抑制される。

なお、制御装置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、プラズマ電源装置６２を制御する。そして、制御装置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、プラズマ電源装置６２を制御する。

ところで、風力発電システムで使用されるブレード４２には、さまざまな翼型がある。このため、ブレード４２の翼型によっては、ブレード４２の翼背側の面（負圧面）のうち翼厚が最大翼厚ｔｍａｘになる部分よりも後縁側に位置する部分で剥離流れが発生した後に、迎角の増加に応じて前縁側に位置する部分で剥離流れが発生する場合がある。たとえば、迎角が１２°になったときに剥離流れが後縁側で発生し、迎角が２０°に増加したときに剥離流れが前縁側で発生する。

図１３は、関連技術に係る風力発電システム１において、ブレード４２の翼断面を模式的に示す図である。ここでは、横方向がロータ４（図１１参照）の回転軸方向ｙであって、縦方向がロータ４のラジアル方向ｙであって、紙面に垂直な方向がロータ４の回転方向ｘである。図１３においては、迎角が所定角度（たとえば、１２°）であるときに、ブレード４２の翼背側の面（負圧面）のうち翼厚が最大翼厚ｔｍａｘになる位置よりも後縁側の部分で剥離流れ（破線の矢印）が生ずる翼型のブレード４２について示している。

この場合には、ブレード４２の前縁部分に気流発生装置１０を設置した場合であっても、気流発生装置１０が生じた気流（実線の矢印）の作用が十分でなく、剥離流れの発生を効果的に抑制することが容易でない。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、広い迎角の範囲で剥離流れの発生を十分に抑制することが可能な、風力発電システムを提供することである。

実施形態の風力発電システムは、ブレードが取付けられたロータを備えると共に、気流発生装置を有する。気流発生装置は、第１電極と第２電極とが誘電体を介して離間しており、第１電極と第２電極との間に電圧が印加されることによって気流を発生する。気流発生装置は、ブレードの前縁を基準にして、ブレードの翼背側の面の長さに対して５％の長さ分、翼腹側へ移動した位置と、翼背側へ移動した位置との間に配置されている第１の気流発生装置と、ブレードの翼背側の面において翼厚が最大翼厚になる位置を基準にして、ブレードの翼背側の面の長さに対して１０％の長さ分、前縁側へ移動した位置と、後縁側へ移動した位置との間に配置されている第２の気流発生装置とを含む。また、第１の気流発生装置に設けられた第１電極と第２電極との間に電圧を印加することによって、第１の気流発生装置を駆動する第１のプラズマ電源装置と、第２の気流発生装置に設けられた第１電極と第２電極との間に電圧を印加することによって、第２の気流発生装置を駆動する第２のプラズマ電源装置とを有し、第１の気流発生装置が発生した気流が移動して、第２の気流発生装置に到達した時点で、第２の気流発生装置が気流を発生するように、第１のプラズマ電源装置および第２のプラズマ電源装置が動作する。

第１実施形態に係る風力発電システム１において、気流発生装置１０がブレード４２に設置された様子を示す図である。 第１実施形態に係る風力発電システムにおいて、ブレード４２に気流発生装置１０が設置された部分を拡大して示した図である。 第２実施形態に係る風力発電システムにおいて、気流発生装置がブレードに設置された様子を示す図である。 第２実施形態に係る風力発電システムにおいて、気流発生装置がブレードに設置された様子を示す図である。 第２実施形態に係る風力発電システムにおいて、ブレード４２に第１の気流発生装置１０Ａが設置された部分を拡大して示した図である。 第２実施形態に係る風力発電システムのブレード４２について、迎角αと揚力係数ＣＬとの関係を示す図である。 第３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１０がブレード４２に設置された様子を示す図である。 第３実施形態に係る風力発電システムにおいて、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとのそれぞれに印加する電圧の波形を例示している。 第４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１０がブレード４２に設置された様子を示す図である。 第５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１０がブレード４２に設置された様子を示す図である。 関連技術に係る風力発電システム１において、全体構成を模式的に示す図である。 関連技術に係る風力発電システム１において、気流発生装置１０を模式的に示す図である。 関連技術に係る風力発電システム１において、気流発生装置１０を模式的に示す図である。 関連技術に係る風力発電システム１において、ブレード４２の翼断面を模式的に示す図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る風力発電システム１において、気流発生装置１０がブレード４２に設置された様子を示す図である。図１においては、図１３と同様に、ブレード４２の翼断面を示している。つまり、迎角が所定角度（たとえば、１２°）であるときに、ブレード４２の翼背側の面（負圧面）のうち後縁側の部分で剥離流れ（破線の矢印）が生ずる翼型のブレード４２について示している。具体的には、レイノルズ数Ｒｅが比較的に小さい翼型（たとえば、Ｒｅ≦５×１０^５）のブレード４２に関して示している。

本実施形態では、図１に示すように、気流発生装置１０がブレード４２に設置された位置が、関連技術の場合（図１３参照）と異なる。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、関連技術の場合と同様であるので、重複する部分については適宜説明を省略する。

本実施形態において、気流発生装置１０は、図１に示すように、ブレード４２の翼背側の面（負圧面）のうち翼厚が最大翼厚ｔｍａｘになる部分付近に設置されている。

図２は、第１実施形態に係る風力発電システムにおいて、ブレード４２に気流発生装置１０が設置された部分を拡大して示した図である。

図２では、説明の都合により、ブレード４２の翼背側の面４２Ｓを曲面状でなく平面状に示しており、横方向ｙ１が翼断面において翼背側の面４２Ｓに沿った方向であって、縦方向が翼断面において翼背側の面４２Ｓに直交する方向ｚ１である。図２の横方向においては、前縁ＬＥと後縁ＴＥとの位置を示す共に、翼厚が最大翼厚ｔｍａｘになる位置を示している。また、ブレード４２の翼断面において翼背側の面４２Ｓの長さＬＮを示している。

図２に示すように、気流発生装置１０は、第１電極６２１のうち第２電極６２２側に位置する一端部の位置（一点鎖線で示す位置）が、ブレード４２の翼背側の面４２Ｓにおいて所定範囲Ｈにあることが好ましい。具体的には、ブレード４２の翼背側の面４２Ｓにおいて第１電極６２１の一端部が位置する所定範囲Ｈは、翼厚が最大翼厚ｔｍａｘになる位置を基準にして、ブレード４２の翼背側の面の長さＬＮに対して１０％の長さＤ（Ｄ＝０．１・ＬＮ）分、前縁側へ移動した位置と、後縁側へ移動した位置との間の範囲であることが好ましい。特に、図２に明示したように、ブレード４２の翼背側の面４２Ｓにおいて翼厚が最大翼厚ｔｍａｘになる位置に、第１電極６２１の一端部が一致することが好ましい。

本実施形態では、ブレード４２の翼背側の面のうち後縁側に位置する部分で剥離流れが発生し得る迎角になるときに、図１に示すように、ブレード４２に設置した気流発生装置１０を駆動して気流（実線の矢印）を発生させる。これにより、ブレード４２の翼背側の面のうち後縁側に位置する部分で剥離流れが発生することを効果的に抑制することができる。

以上のように、本実施形態では、ブレード４２の揚力を向上可能であるので、風力発電システムの発電出力を増加することができる。つまり、本実施形態は、発電効率が高く安定した風力発電システムを実現可能である。

＜第２実施形態＞
図３および図４は、第２実施形態に係る風力発電システムにおいて、気流発生装置がブレードに設置された様子を示す図である。図３は、図１と同様に、翼断面図であり、図４は、斜視図である。図３に示す翼断面は、図４に示すＢ−Ｂ部分の断面に相当する。

本実施形態では、図３および図４に示すように、第１実施形態の場合（図１等を参照）と異なり、複数の気流発生装置１０がブレード４２に設置されている。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様であるので、重複する部分については適宜説明を省略する。

本実施形態においては、図３に示すように、気流発生装置１０として、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとがブレード４２の翼背側の面に設置されている。換言すると、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとがブレード４２のコード方向に並ぶように配置されたセット１００を風力発電システムが備える。

第１の気流発生装置１０Ａは、ブレード４２の翼背側の面のうち前縁部分に設置されている。第２の気流発生装置１０Ｂは、第1実施形態の気流発生装置１０と同様に、ブレード４２の翼背側の面のうち翼厚が最大翼厚ｔｍａｘになる部分付近に設置されている。

図４に示すように、第１の気流発生装置１０Ａは、接続部９を介して、プラズマ電源装置６２に電気的に接続されている。同様に、第２の気流発生装置１０Ｂは、接続部９を介して、プラズマ電源装置６２に電気的に接続されている。本実施形態では、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとの両者は、同一のプラズマ電源装置６２に電気的に接続されている。

図５は、第２実施形態に係る風力発電システムにおいて、ブレード４２に第１の気流発生装置１０Ａが設置された部分を拡大して示した図である。図５では、説明の都合により、ブレード４２の翼背側の面４２Ｓおよび翼腹側の面４２Ｈを曲面状でなく平面状に示しており、横方向ｙ１が翼断面において翼背側の面４２Ｓおよび翼腹側の面４２Ｈに沿った方向であって、縦方向が翼断面において翼背側の面４２Ｓおよび翼腹側の面４２Ｈに直交する方向ｚ１である。図５の横方向においては、前縁ＬＥと後縁ＴＥとの位置を示している。この他に、図５では、ブレード４２の翼断面における翼背側の面４２Ｓの長さＬＮと共に、ブレード４２の翼断面における翼腹側の面４２Ｈ（正圧面）の長さＬＰを示している。

図５に示すように、第１の気流発生装置１０Ａは、第１電極６２１のうち第２電極６２２側に位置する一端部の位置（一点鎖線）が、ブレード４２の面において所定範囲Ｈ１に位置することが好ましい。具体的には、ブレード４２の面において第１電極６２１の一端部が位置する所定範囲Ｈ１は、前縁ＬＥを基準にして、ブレード４２の翼背側の面４２Ｓの長さＬＮに対して５％の長さＤ（Ｄ＝０．０５・Ｌ）分、翼腹側へ移動した位置と、翼背側へ移動した位置との間の範囲であることが好ましい。特に、第１電極６２１の一端部は、図４に示すように、前縁ＬＥに一致することが好ましい。

なお、第２の気流発生装置１０Ｂの詳細な配置については図示を省略しているが、第１実施形態の気流発生装置１０（図２参照）と同様であることが好ましい。

本実施形態では、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとの両者にプラズマ電源装置６２が同時に電圧を印加することによって、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとの両者を同時に駆動する。ここでは、風向風速計５（図１１参照）などの計測器で計測された計測データに基づいて算出された剥離渦の放出周期に同調して、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとの両者が気流を発生するように、プラズマ電源装置６２が電圧の印加を行う。これにより、本実施形態では、気流の発生を、より強く剥離渦に同調させることができるので、剥離流れの発生を効果的に抑制することができる。

図６は、第２実施形態に係る風力発電システムのブレード４２について、迎角αと揚力係数ＣＬとの関係を示す図である。

図６では、本実施形態において第１の気流発生装置１０Ａおよび第２の気流発生装置１０Ｂを駆動させた場合の結果を、「実施例」として示している。この他に、図６では、第１の気流発生装置１０Ａおよび第２の気流発生装置１０Ｂを駆動させない場合を「比較例１」として示している。また、第１の気流発生装置１０Ａを駆動させ、第２の気流発生装置１０Ｂを駆動させない場合を「比較例２」として示している。

図６に示すように、「比較例１」では、迎角αが約１２°を超えたときに、ブレード４２の翼背側の面において後縁側に位置する部分で剥離流れが発生するために、揚力係数ＣＬが大きく低下する。そして、「比較例１」では、迎角αが約２２°を超えたときに、ブレード４２の翼背側の面において前縁側に位置する部分で剥離流れが発生するために、揚力係数ＣＬが更に大きく低下する。

「比較例２」では、前縁に設置した第１の気流発生装置１０Ａを駆動させることによって、前縁側に位置する部分で剥離流れが発生することを抑制することができる。その結果、「比較例２」では、迎角αが約２２°を超えたときには、「比較例１」よりも揚力係数ＣＬを大きくすることができる。しかし、「比較例２」は、迎角αが小さい範囲では、「比較例１」と同様であって、揚力係数ＣＬを十分に大きくすることが容易でない。

これに対して、「実施例」では、第１の気流発生装置１０Ａおよび第２の気流発生装置１０Ｂを駆動させることによって、迎角αが小さい範囲においても、揚力係数ＣＬを十分に大きくすることができる。この作用および効果は、第１の気流発生装置１０Ａで発生した気流による渦と、第２の気流発生装置１０Ｂで発生した気流による渦とが共鳴して、強い横渦に発達して負圧になる部分が発生するために、生ずると考えられる。

以上のように、本実施形態の風力発電システムでは、第１の気流発生装置１０Ａおよび第２の気流発生装置１０Ｂの駆動によって、揚力係数が大きくなり、発電出力を増加することができる。つまり、本実施形態は、発電効率が高く安定した風力発電システムを実現できる。

＜第３実施形態＞
［Ａ］構成
図７は、第３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１０がブレード４２に設置された様子を示す図である。図７は、図４と同様に、斜視図である。

本実施形態では、図７に示すように、第２実施形態の場合（図４等を参照）と異なり、プラズマ電源装置６２が複数である。図７に示すブレード４２は、第２実施形態の場合と図面では同様であるが、たとえば、メガワット・クラスの大型風車を構成するものであって、第２実施形態の場合よりも大きいものを示している（たとえば、スパン方向において中央に位置する部分のコード長が１．５ｍを超え、根本側に位置する部分のコード長が３ｍを超えるもの）。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第２実施形態の場合と同様であるので、重複する部分については適宜説明を省略する。

本実施形態においては、図７に示すように、プラズマ電源装置６２として、第１のプラズマ電源装置６２Ａと第２のプラズマ電源装置６２Ｂとが設けられている。

図７に示すように、第１のプラズマ電源装置６２Ａは、接続部９を介して、第１の気流発生装置１０Ａに電気的に接続されている。第２のプラズマ電源装置６２Ｂは、接続部９を介して、第２の気流発生装置１０Ｂに電気的に接続されている。つまり、本実施形態では、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとのそれぞれは、第１のプラズマ電源装置６２Ａと第２のプラズマ電源装置６２Ｂとのそれぞれによって、互いに独立に電圧が印加されるように構成されている。

図８は、第３実施形態に係る風力発電システムにおいて、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとのそれぞれに印加する電圧の波形を例示している。図８において、横軸は時間であって、縦軸は電圧の値である。図８において、上段は、第１のプラズマ電源装置６２Ａが第１の気流発生装置１０Ａに印加する電圧の波形を示し、下段は、第２のプラズマ電源装置６２Ｂが第２の気流発生装置１０Ｂに印加する電圧の波形を示している。

図８に示すように、第１のプラズマ電源装置６２Ａと第２のプラズマ電源装置６２Ｂとのそれぞれは、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとのそれぞれに、高周波の電圧（交番電圧）を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、高周波の電圧の周波数よりも低い周波数ｆのパルス変調波でパルス変調され、そのパルス変調波の各周期（Ｔ＝１／ｆ）において電圧の印加が繰り返し行われる。ここでは、パルス変調波の周波数ｆは、所定のストローハル数Ｓｔを満たすように設定される（Ｓｔ＝ｆｃ／Ｕ，ｃは、ブレード４２のコード長、Ｕは、ブレード４２の周速とブレード４２に流入する流体の速度とを合成した相対速度）。たとえば、ブレード４２のコード長ｃが２ｍであって相対速度Ｕが２０ｍ／ｓであるときにストローハル数Ｓｔを１にするときには、パルス変調波の周波数ｆが１Ｈｚに設定される。

本実施形態では、第１のプラズマ電源装置６２Ａが第１の気流発生装置１０Ａを駆動して気流を発生させた後に、第２のプラズマ電源装置６２Ｂが第２の気流発生装置１０Ｂを駆動して気流を発生するように、制御装置６４(図１２Ｂ参照)が制御を行う。つまり、第１のプラズマ電源装置６２Ａが電圧の印加を開始した時点から、所定の遅延時間Ｄｔが経過した後に、第２のプラズマ電源装置６２Ｂが電圧の印加を開始する。制御装置６４は、たとえば、各計測データ（風速データ、風向データ、回転数データなど）と遅延時間Ｄｔとの間が関連付けた関数をメモリ（図示省略）に記憶しており、その関数を用いて各計測データに対応する遅延時間Ｄｔを設定する。遅延時間Ｄｔは、第１の気流発生装置１０Ａが発生した気流（渦）が移動して、第２の気流発生装置１０Ｂに到達した時点に、第２の気流発生装置１０Ｂが気流（渦）を発生するように設定される。これにより、第１の気流発生装置１０Ａで発生した気流による渦と、第２の気流発生装置１０Ｂで発生した気流による渦とが共鳴するため、第２実施形態と同様に、剥離流れの発生を効果的に抑制することができる。

以上のように、本実施形態では、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとのそれぞれは、第１のプラズマ電源装置６２Ａと第２のプラズマ電源装置６２Ｂとのそれぞれによって、互いに独立に電圧が印加される。ここでは、上記したように、第１の気流発生装置１０Ａの駆動後に、適当な位相遅れが経過したときに、第２の気流発生装置１０Ｂを駆動させる。このため、本実施形態では、大型風車を構成するブレード４２においても、第２実施形態の場合と同様に、剥離流れの発生を効果的に抑制することができるので、発電出力を増加することができる。つまり、本実施形態は、発電効率が高く安定した風力発電システムを実現できる。

＜第４実施形態＞
図９は、第４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１０がブレード４２に設置された様子を示す図である。図９は、図４と同様に、斜視図である。

本実施形態では、図９に示すように、第２実施形態の場合（図４等を参照）と異なり、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとを含むセット１００が複数であると共に、プラズマ電源装置６２が複数である。図９に示すブレード４２は、第２実施形態の場合と図面では同様であるが、たとえば、２メガワット・クラスの大型風車を構成するものであって、第２実施形態の場合よりも大きいものを示している（たとえば、翼スパン長が約４０ｍであるもの）。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第２実施形態の場合と同様であるので、重複する部分については適宜説明を省略する。

本実施形態においては、図９に示すように、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとを含むセット１００として、第１のセット１００Ａと第２のセット１００Ｂとがブレード４２に設置されている。第１のセット１００Ａと第２のセット１００Ｂとのそれぞれは、ブレード４２のスパン方向に並ぶように配置されている。

第１のセット１００Ａは、ブレード４２において翼根側に配置されている。これに対して、第２のセット１００Ｂは、ブレード４２において第１のセット１００Ａよりも翼端側に配置されている。

また、本実施形態においては、プラズマ電源装置６２として、第１のプラズマ電源装置６２Ａと第２のプラズマ電源装置６２Ｂとが設けられている。

第１のプラズマ電源装置６２Ａは、第１のセット１００Ａを構成する第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとの両者に、接続部９を介して、電気的に接続されている。同様に、第２のプラズマ電源装置６２Ｂは、第２のセット１００Ｂを構成する第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとの両者に、接続部９を介して、電気的に接続されている。

第１のプラズマ電源装置６２Ａと第２のプラズマ電源装置６２Ｂとのそれぞれは、第１のセット１００Ａと第２のセット１００Ｂとのそれぞれにおいて予め定めた周期で気流が発生するように、電圧の印加を行う。たとえば、第１のプラズマ電源装置６２Ａと第２のプラズマ電源装置６２Ｂとのそれぞれは、ブレード４２のスパン方向において異なる周期で発生する剥離渦に同調させて、第１のセット１００Ａと第２のセット１００Ｂとのそれぞれが気流を発生するように、電圧の印加を行う。

したがって、本実施形態では、第２実施形態の作用および効果を奏することが可能であると共に、特に、翼スパン長が長いブレード４２において翼端から翼根の間で周速が大きく異なる場合に、剥離渦の発生を効果的に調整することができる。その結果、本実施形態では、発電効率が高く安定した風力発電システムを実現できる。

＜第５実施形態＞
図１０は、第５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１０がブレード４２に設置された様子を示す図である。図１０は、図９と同様に、斜視図である。

本実施形態では、図１０に示すように、第４実施形態の場合（図９等を参照）と同様に、第１の気流発生装置１０Ａと第２の気流発生装置１０Ｂとを含む複数のセット１００を備える。しかし、第４実施形態の場合と異なり、ブレード４２のコード方向においては、その複数のセット１００の他に、第１の気流発生装置１０Ａが設置されるが第２の気流発生装置１０Ｂが設置されない部分を有する。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第４実施形態の場合と同様であるので、重複する部分については適宜説明を省略する。

本実施形態においては、図１０に示すように、第１のセット１００Ａは、ブレード４２において翼根側に配置されており、第２のセット１００Ｂは、ブレード４２において第１のセット１００Ａよりも翼端側に配置されている。この他に、本実施形態では、ブレード４２において第２のセット１００Ｂよりも翼端側には、第１の気流発生装置１０Ａが設置されている。この部分では、第２の気流発生装置１０Ｂが設置されていない。

本実施形態においては、プラズマ電源装置６２として、第１のプラズマ電源装置６２Ａと第２のプラズマ電源装置６２Ｂとの他に、第３のプラズマ電源装置６２Ｃが設けられている。

第３のプラズマ電源装置６２Ａは、第２のセット１００Ｂよりも翼端側に配置された第１の気流発生装置１０Ａに電気的に接続されている。第３のプラズマ電源装置６２Ａは、第１のプラズマ電源装置６２Ａと第２のプラズマ電源装置６２Ｂとのそれぞれと共にに、ブレード４２のスパン方向において異なる周期で発生する剥離渦に同調させて、気流を発生するように、電圧の印加を行う。

したがって、本実施形態では、第４実施形態の場合と同様に、翼スパン長が長いブレード４２において翼端から翼根の間で周速が大きく異なる場合に、剥離渦の発生を効果的に調整することができる。その結果、本実施形態では、発電効率が高く安定した風力発電システムを実現できる。

風力発電システムで用いられるブレード４２の翼端側においては、後縁側で剥離流れが生じにくく、迎角の増加に伴って前縁側で剥離流れが発生する場合が多い。このため、ブレード４２の翼形状に応じて、本実施形態のように、必要な部分に気流発生装置１０を配置し、不要な部分に気流発生装置１０を配置しなくてもよい。これにより、コストの低減を実現可能である。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、広い迎角の範囲で剥離流れの発生を十分に抑制することができる。

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。

たとえば、気流発生装置１０の形状、設置数、設置位置、および、制御方法は、上記の各実施形態に限らず、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。

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、９…接続部、１０（１０Ａ，１０Ｂ）…気流発生装置、４１…ハブ、４２…ブレード、６２（６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ）…プラズマ電源装置、９１…接続配線、９３…接続配線、１００（１００Ａ，１００Ｂ）…セット、６１１…基体、６２１…第１電極、６２２…第２電極

Claims (3)

1. ブレードが取付けられたロータを備える風力発電システムであって、
   第１電極と第２電極とが誘電体を介して離間しており、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧が印加されることによって気流を発生する気流発生装置
   を有し、
   前記気流発生装置は、
   前記ブレードの前縁を基準にして、前記ブレードの翼背側の面の長さに対して５％の長さ分、翼腹側へ移動した位置と、翼背側へ移動した位置との間に配置されている第１の気流発生装置と、
   前記ブレードの翼背側の面において翼厚が最大翼厚になる位置を基準にして、前記ブレードの翼背側の面の長さに対して１０％の長さ分、前縁側へ移動した位置と、後縁側へ移動した位置との間に配置されている第２の気流発生装置と
   を含み、
   前記第１の気流発生装置に設けられた第１電極と第２電極との間に電圧を印加することによって、前記第１の気流発生装置を駆動する第１のプラズマ電源装置と、
   前記第２の気流発生装置に設けられた第１電極と第２電極との間に電圧を印加することによって、前記第２の気流発生装置を駆動する第２のプラズマ電源装置と
   を有し、
   前記第１の気流発生装置が発生した気流が移動して、前記第２の気流発生装置に到達した時点で、前記第２の気流発生装置が気流を発生するように、前記第１のプラズマ電源装置および前記第２のプラズマ電源装置が動作する、
   風力発電システム。
2. 前記第１の気流発生装置と前記第２の気流発生装置とが前記ブレードのコード方向に並ぶように配置されたセットが、前記ブレードのスパン方向に複数設置されている、
   請求項１に記載の風力発電システム。
3. 前記ブレードは、前記セットの他に、前記ブレードのコード方向において前記第１の気流発生装置が設置されるが前記第２の気流発生装置が設置されない部分を含む、
   請求項２に記載の風力発電システム。

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