JP6570907B2 - 気流発生装置、および、風力発電システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、気流発生装置、および、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。風力発電システムにおいて、風速や風向きが急に変動したときには、風車翼の周りにおける速度三角形が定格点から大きくずれるため、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、風力発電システムにおいては、発電出力を安定に維持することが困難であって、効率を高めることが容易でない場合がある。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。この他に、民家などの近くに風力発電システムを設置する場合には、騒音の発生が問題になる場合がある。

上記の対策のために、気流発生装置を用いて風車翼の表面に気流を発生させることが提案されている。気流発生装置は、一対の電極が誘電体を介して設けられた本体部を有し、その本体部が風車翼の表面に設置される。そして、気流発生装置は、その一対の電極の間に電圧印加部（放電用電源）が電圧を印加してプラズマを生成することによって、気流を発生させる。たとえば、回転数検知部（回転数センサ）によって検知された風車翼の回転数に応じてパルス変調周波数を設定し、その設定したパルス変調周波数によってパルス変調された高周波の電圧を、一対の電極の間に印加する。このように気流発生装置を用いて気流を発生させることによって、風車翼の表面において流体の流れを制御し、剥離流れの発生を抑制することができる。その結果、風車翼の揚力が増加し、発電の安定化と共に発電効率の向上を実現することができる。また、騒音の発生を抑制することができる。

風力発電システムにおいて、たとえば、スリップリングを介して、静止体から回転体へ電圧の印加が行われる。

特開２００８−２５４３４号公報 特開２０１２−２５５４３２号公報

風力発電システムにおいて、電圧印加部（放電用電源）は、効率化および安全性を考慮して、スリップリングを介して高圧な電圧を気流発生装置の本体部に供給しないように、風車翼などの回転体に搭載される。この場合においては、ナセルなどの静止体に設置された回転数検知部（回転数センサ）によって検知された回転数のデータは、スリップリングを介して、回転体に設置された電圧印加部に送られる。このため、スリップリングに起因したノイズによって誤動作が生ずる場合がある。また、スリップリングの極数が増加するために、特に、既設の風力発電システムに気流発生装置を設置することが困難になる場合がある。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、スリップリングの極数増加を抑制し、スリップリングに起因したノイズの発生によって誤動作が生ずることを効果的に防止可能な、気流発生装置、及び、風力発電システムを提供することである。

実施形態の気流発生装置は、本体部と回転数検知部と電圧印加部とを有する。本体部は、誘電体で形成された基体に第１電極と第２電極とが設けられており、回転体に設置される。回転数検知部は、その回転体の回転数を検知する。電圧印加部は、その回転数検知部において検知された回転数に基づいて、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、気流を発生させる。ここでは、電圧印加部および回転数検知部が回転体の内部に設置されている。

実施形態に係る風力発電システムの全体構成を模式的に示す斜視図である。 実施形態に係る風力発電システムにおいて、気流発生装置を模式的に示す図である。 実施形態に係る風力発電システムにおいて、気流発生装置を模式的に示す図である。 実施形態に係る風力発電システムにおいて、気流発生装置の構成部材が配置された様子を示す図である。 実施形態に係る風力発電システムの気流発生装置において、電圧印加部が印加する電圧の波形を例示している。 実施形態に係る風力発電システムの気流発生装置において、回転数検知部を構成する加速度センサが加速度を検知したときのデータを示す図である。 実施形態の変形例において、電圧印加部と回転数検知部との要部を模式的に示すブロック図である。

実施形態について、図面を参照して説明する。

［風力発電システム１の構成］
図１は、実施形態に係る風力発電システムの全体構成を模式的に示す斜視図である。

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、図１に示すように、タワー２、ナセル３、ロータ４、および、風向風速計測部５を備えている。

風力発電システム１のうち、タワー２は、鉛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の上端部において鉛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、増速機と発電機とが収容されている。

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。ロータ４は、ナセル３の内部に収容された増速機の回転軸に連結されており、増速機を介して発電機が駆動し、発電が行われる。ここでは、ロータ４は、ハブ４１と複数の風車翼４２（ブレード）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、その先端カバーは、水平方向において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、複数の風車翼４２のそれぞれは、ハブ４１を中心にして径方向に延在しており、回転方向Ｒにおいて等しい間隔で並ぶように設置されている。たとえば、３枚の風車翼４２が設けられており、それぞれは、ピッチ角の調整のために、一端がハブ４１に回転可能に支持されている。

また、複数の風車翼４２のそれぞれにおいては、図１に示すように、後述する気流発生装置６の本体部６１が、複数、翼スパン方向に並ぶように設置されている。気流発生装置６の詳細については後述する。

風力発電システム１のうち、風向風速計測部５は、風車翼４２の風下において、ナセル３の上面に取り付けられている。風向風速計測部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部（図示省略）に出力する。ここでは、制御部は、メモリ装置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、上記のように入力された計測データに応じてヨー角およびピッチ角の調整が行われる。

［気流発生装置６の構成］
図２および図３は、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６を模式的に示す図である。図２では、気流発生装置６のうち本体部６１については断面を示している。また、図３では、気流発生装置６のうち本体部６１については上面を示している。図２においては、図３のうちＸ−Ｘ部分の断面を示している。また、図３においては、本体部６１を構成する部材のうち、内部に設置される部材の輪郭について、破線で示している。

また、図４は、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６の構成部材が配置された様子を示す図である。図４では、ロータ４（図１参照）の側面について要部を示している。また、図４においては、内部に設置される部材の輪郭について、破線で示している。

気流発生装置６は、図２、図３、および、図４に示すように、本体部６１と電圧印加部６２と回転数検知部６４とを備えている。

気流発生装置６を構成する各部について順次説明する。

（本体部６１）
気流発生装置６において、本体部６１は、図２および図３に示すように、基体６１１と第１電極６２１と第２電極６２２と含む。

本体部６１のうち、基体６１１は、絶縁材料（誘電体）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）、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂などの樹脂を用いて形成されており、フレキシブルである。

本体部６１のうち、第１電極６２１は、板状体であって、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、図２に示すように、基体６１１の表面（上面）に設けられた表面電極であって、図３に示すように、直線状に延在している。

本体部６１のうち、第２電極６２２は、第１電極６２１と同様に、板状体であって、金属材料などの導電材料で形成されている。第２電極６２２は、図２に示すように、内部電極であって、第１電極６２１と異なり、基体６１１の内部に設けられている。図３に示すように、第２電極６２２は、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３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方向）（図３では横方向）において、第１電極６２１と並ぶように配置されている。

本体部６１は、たとえば、プレス加工、押出成形加工などの種々の加工によって形成される。

図４に示すように、本体部６１は、回転体である風車翼４２に設置されている。ここでは、本体部６１は、第１電極６２１が設けられた表面（上面）とは反対の面（下面）が、風車翼４２の面に密着するように、風車翼４２に接着される（図２参照）。本体部６１は、たとえば、風車翼４２の翼背側の面（上面）のうち前縁側の部分において、第１電極６２１と第２電極６２２とが前縁から後縁に向かって順次並ぶように設置される。また、本体部６１は、第１電極６２１および第２電極６２２の延在方向（第１の方向）が、翼スパン（翼幅）方向に沿うように設置される。

（電圧印加部６２）
気流発生装置６において、電圧印加部６２（放電用電源）は、図２および図３に示すように、接続部Ｃ１０を介して、本体部６１に電気的に接続されている。ここでは、接続部Ｃ１０は、一対の接続配線Ｃ１１，Ｃ１２を含み、第１電極６２１および第２電極６２２のそれぞれと、電圧印加部６２との間を電気的に接続している。具体的には、接続部Ｃ１０のうち、一方の接続配線Ｃ１１は、一端が第１電極６２１に電気的に接続されており、他端が電圧印加部６２に電気的に接続されている。また、接続部Ｃ１０のうち、他方の接続配線Ｃ１２は、一端が第２電極６２２に電気的に接続されており、他端が電圧印加部６２に電気的に接続されている。

電圧印加部６２は、図４に示すように、回転体である風車翼４２に設置されている。本実施形態では、電圧印加部６２は、たとえば、風車翼４２の内部において翼根側の部分に設置されている。図示を省略しているが、電圧印加部６２は、一の風車翼４２に設置された複数の本体部６１のそれぞれ（図１，図４参照）に対して独立に電圧を印加するように、複数が設置されている。なお、複数の風車翼４２のそれぞれに設置された複数の電圧印加部６２の全体の重心が、ロータ４（図１参照）の回転軸に一致するように、複数の電圧印加部６２を配置することが好ましい。

電圧印加部６２は、接続部Ｃ１０を介して、本体部６１に設けられた第１電極６２１と第２電極６２２との間に電圧を印加する。本実施形態においては、電圧印加部６２は、回転数検知部６４で検知された回転数に基づいて、電圧の印加を行う。

具体的には、電圧印加部６２は、たとえば、ＡＣ／ＤＣコンバータによって商用周波数の交流電圧から変換された直流電圧が、ナセル３などの静止体側からスリップリングを介して供給される。そして、電圧印加部６２では、高周波発生器（インバータ）が直流電圧から高周波（たとえば、１〜２０ｋＨｚ）の交流電圧を生成した後に、その高周波の交流電圧を変圧器が昇圧する（たとえば、数ｋＶ）。

そして、電圧印加部６２においては、その昇圧された高周波の交流電圧をパルス変調器が低周波のパルス変調波でパルス変調する。ここでは、電圧印加部６２は、まず、回転数検知部６４で検知された回転数ｎ（ｒｐｍ）に基づいて、演算器がパルス変調波のパルス変調周波数Ｆを設定する。

具体的には、下記の式（Ａ）に示すように、回転数検知部６４が検知した回転数ｎ（ｒｐｍ）と共に、予め設定されたストローハル数Ｓｔ、風車翼４２のコード長Ｃｎ（ｍ）、風車翼４２の回転半径Ｒｎを用いて演算処理を行うことによって、パルス変調周波数Ｆを設定する。ここでは、上記の式（Ａ）のうち、Ｃｎについては、風車翼４２において複数の本体部６１のそれぞれの中心（第１電極６２１および第２電極６２２の延在方向の中心）が位置する部分のコード長とし、Ｒｎについては、風車翼４２のスパン方向において複数の本体部６１のそれぞれの中心と回転軸ＡＸとの間の距離として、複数の本体部６１のそれぞれについて、パルス変調周波数Ｆの設定を行う。

Ｆ＝（２πｎ／６０）×Ｓｔ×Ｃｎ×Ｒｎ ・・・（Ａ）

そして、その設定されたパルス変調周波数Ｆのパルス変調波によって高周波の交流電圧をパルス変調する。その後、電圧印加部６２は、そのパルス変調された高周波の交流電圧を、第１電極６２１と第２電極６２２との間に印加する。

図５は、実施形態に係る風力発電システム１の気流発生装置６において、電圧印加部６２が印加する電圧の波形を例示している。図５において、横軸は時間であり、縦軸は電圧の値である。

図５に示すように、電圧印加部６２は、高周波の電圧（交番電圧）を、第１電極６２１と第２電極６２２との間に、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周波なパルス変調波（図示省略）でパルス変調され、そのパルス変調波の各周期（Ｔ１，Ｔ２，・・・＝１／Ｆ）において印加される。

具体的には、まず、第１の周期Ｔ１では、第１の時点ｔ１に電圧の印加が開始される。そして、その第１の時点ｔ１から第２の時点ｔ２の間の時間ｔ１２（第１のオン時間）に、予め設定された周波数（基本周波数）で電圧が印加され、気流が発生する。つまり、時間に応じて正極性と負極性とに変化する電圧を周期的に繰り返し印加する。その後、第２の時点ｔ２から第３の時点ｔ３の間の時間ｔ２３（第１のオフ時間）においては、電圧の印加が停止され、気流の発生が止められる（Ｔ１＝ｔ１２＋ｔ２３）。

そして、第２の周期Ｔ２（＝Ｔ１）では、第１の周期Ｔ１の場合と同様に、高周波の電圧が印加される。つまり、第３の時点ｔ３に電圧の印加が開始される。そして、その第３の時点ｔ３から第４の時点ｔ４の間の時間ｔ３４（第２のオン時間）に、第１の周期Ｔ１と同様に、予め設定された周波数（基本周波数）で高周波の電圧が印加され、気流が発生する。第２の周期Ｔ２において気流を発生させる時間ｔ３４（第２のオン時間）は、たとえば、第１の周期Ｔ１において気流を発生させる時間ｔ１２（第１のオン時間）と同じである。その後、第４の時点ｔ４から第５の時点ｔ５の間の時間ｔ４５（第２のオフ時間）においては、高周波の電圧を印加することが停止され、気流の発生が止められる（Ｔ２＝ｔ３４＋ｔ４５）。

図示を省略しているが、第２の周期Ｔ２よりも後の周期（第３の周期以降）においても、第１の周期Ｔ１および第２の周期Ｔ２の場合と同様に、電圧の印加が行われる。

電圧の印加により、本体部６１の表面（上面）に、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。

（回転数検知部６４）
気流発生装置６において、回転数検知部６４（回転数センサ）は、図２および図３に示すように、信号線を含む接続部Ｃ２０を介して、電圧印加部６２に電気的に接続されている。図示を省略しているが、回転数検知部６４は、一の風車翼４２に設置された複数の本体部６１のそれぞれ（図１，図４参照）に対応して設置された複数の電圧印加部６２に電気的に接続されている。また、回転数検知部６４は、たとえば、電圧印加部６２から電力が供給される。

回転数検知部６４は、図４に示すように、回転体である風車翼４２に設置されている。本実施形態では、回転数検知部６４は、電圧印加部６２と同様に、たとえば、風車翼４２の内部において翼根側の部分に設置されている。

回転数検知部６４は、風車翼４２を含むロータ４の回転数を検知し、その検知した回転数のデータ信号を、接続部Ｃ２０を介して、リアルタイムに電圧印加部６２へ出力する。

本実施形態では、回転数検知部６４は、たとえば、半導体を用いて形成された加速度センサを含む。回転数検知部６４において、加速度センサは、鉛直方向に沿った軸における加速度を検知する。そして、回転数検知部６４は、その加速度センサによって検知された加速度について演算器が演算処理を行うことによって、ロータ４の回転数を求める。加速度センサは、小型であるため、設置が容易である。

図６は、実施形態に係る風力発電システム１の気流発生装置６において、回転数検知部６４を構成する加速度センサが加速度を検知したときのデータを示す図である。図６において、横軸は時間ｔであり、縦軸は加速度ａである。図６では、ロータ４が一回転したときの様子を示している。

図６に示すように、ロータ４が一回転したときには、加速度ａは、時間ｔに応じて、正弦曲線を描くように変化する。このため、一回転したときの時間Ｔ１０（つまり、周期）から、単位時間当たりの回転数（ｒｐｍ）を換算して求めることができる。

［作用および効果］
以上のように、本実施形態では、電圧印加部６２（放電用電源）が、回転体である風車翼４２に設置されている。これと共に、回転数検知部６４が、回転体である風車翼４２に設置されている。このため、本実施形態においては、回転体に設置された回転数検知部６４が検知した回転数のデータが、スリップリングを介在せずに、その回転体に設置された電圧印加部６２に送られる。

したがって、本実施形態では、スリップリングに起因したノイズによって誤動作が生ずることを防止可能である。また、本実施形態では、スリップリングの極数が増加することを防止可能である。その結果、既設の風力発電システム１に気流発生装置６を設置することが容易になる。

［変形例］
上記の実施形態では、電圧印加部６２（放電用電源）と回転数検知部６４との両者が、ロータ４の風車翼４２に設置されている場合について説明したが、これに限らない。たとえば、ロータ４のハブ４１に設置してもよい。

上記の実施形態では、直流電圧が静止体側からスリップリングを介して電圧印加部６２に供給される場合について説明したが、これに限らない。無線給電によって、電圧印加部６２に直流電圧が供給されるように構成されていてもよい。

上記の実施形態では、回転数検知部６４が加速度センサを用いて回転数を検知する場合について説明したが、これに限らない。たとえば、回転数検知部６４が光ファイバーセンサを用いて回転数を検知するように構成されていてもよい。つまり、回転によって、光ファイバーセンサを通過する光の特性が変動することに基づいて、回転数を検知してもよい。その他、種々の方法によって、回転数検知部６４が回転数を検知するように構成されていてもよい。

上記の実施形態では、回転数検知部６４が、電圧印加部６２と同様に、風車翼４２の内部において翼根側の部分に設置されている。そして、上記の実施形態では、風車翼４２を含むロータ４の回転数を回転数検知部６４が検知し、その検知した回転数のデータ信号を、接続部Ｃ２０を介して、リアルタイムに電圧印加部６２へ出力する。しかし、このような構成に限らない。

図７は、実施形態の変形例において、電圧印加部６２と回転数検知部６４との要部を模式的に示すブロック図である。

図７に示すように、電圧印加部６２（放電電源）は、筐体６２０を含み、その筐体６２０の内部に、高周波発生器６２１等の構成部材を収容すると共に、電圧印加部６２の構成部材でない回転数検知部６４を更に収容するように構成してもよい。電圧印加部６２の構成部材のうち、変圧器６２２は、ノイズ源となる可能性があるため、筐体６２０の外部に設置されていることが好ましい。また、電圧印加部６２の筐体６２０は、金属で形成されていることが好ましい。これにより、回転数検知部６４から電圧印加部６２へ信号を伝送する際に接続部Ｃ２０が電気的なノイズを受けて信号が変化することを避けることができる。

また、上記の実施形態では、回転数検知部６４から電圧印加部６２へ信号を伝送するために、接続部Ｃ２０を使用しているが、これに限らない。回転数検知部６４と電圧印加部６２との間の信号の授受を無線で行うように構成してもよい。つまり、無線によって上記の信号伝送を行うように構成してもよい。これにより、回転数検知部６４から電圧印加部６２への信号伝送の際に接続部Ｃ２０が電気的なノイズを受けて信号が変化することを避けることができる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、電圧印加部および回転数検知部を回転体に設置することにより、スリップリングの極数増加を抑制し、スリップリングに起因したノイズの発生によって誤動作が生ずることを効果的に防止することができる。

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。

１…風力発電システム、２…タワー、３…ナセル、４…ロータ、５…風向風速計測部、６…気流発生装置、４１…ハブ、４２…風車翼、６１…本体部、６２…電圧印加部、６４…回転数検知部、６１１…基体、６２１…第１電極、６２２…第２電極

Claims (7)

1. 誘電体で形成された基体に第１電極と第２電極とが設けられており、回転体に設置される本体部と、
   前記回転体の回転数を検知する回転数検知部と、
   前記回転数検知部において検知された回転数に基づいて、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することによって気流を発生させる電圧印加部と
   を有し、
   前記電圧印加部および前記回転数検知部が前記回転体の内部に設置されていることを特徴とする、
   気流発生装置。
2. 前記回転数検知部は、加速度センサを有する、
   請求項１に記載の気流発生装置。
3. 前記電圧印加部は、前記回転数検知部で検知された回転数に応じて設定されたパルス変調周波数によってパルス変調された電圧を、前記第１電極と前記第２電極との間に印加する、
   請求項１または２に記載の気流発生装置。
4. 前記回転体は、風車翼を有し、
   前記本体部、前記回転数検知部および前記電圧印加部のそれぞれが、前記風車翼に設置されている、
   請求項１から３のいずれかに記載の気流発生装置。
5. 前記回転数検知部は、前記電圧印加部を構成する筐体の内部に設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の気流発生装置。
6. 前記回転数検知部と前記電圧印加部の間の信号の授受を無線で行うことを特徴とする、請求項１に記載の気流発生装置。
7. 風車翼が設置された回転体と、前記風車翼の表面において気流を発生する気流発生装置とを備える風力発電システムであって、
   前記気流発生装置は、
   絶縁材料で形成された基体に第１電極と第２電極とが設けられており、前記風車翼の表面に設置される本体部と、
   前記回転体の回転数を検知する回転数検知部と、
   前記回転数検知部において検知された回転数に基づいて、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することによって気流を発生させる電圧印加部と
   を有し、
   前記電圧印加部および前記回転数検知部が前記回転体の内部に設置されていることを特徴とする、
   風力発電システム。

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