2013 Fiscal Year Research-status Report
自律的過回転抑制機構を用いた小型風力発電システムの出力安定化制御
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25420924
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | University of the Ryukyus |
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Principal Investigator |
玉城 史朗 琉球大学, 工学部, 教授 (80163666)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 正己 琉球大学, 工学部, 教授 (30171250)
天久 和正 琉球大学, 工学部, 准教授 (40284955)
平田 哲兵 琉球大学, 工学部, 研究員 (40518007)
長田 康敬 琉球大学, 工学部, 教授 (50208021)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 小型風力発電システム / 過回転抑制機構 / 受動的ピッチ制御 / 能動的ピッチ制御 / 出力電力安定化 / バネ-ダンパ系 / 高次振動システム / 振動の可視化 |
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| Research Abstract |
我々は、平成25年度において、「自律型過回転抑制機構風力発電システム」の実機を設計・製作し、ピッチ角抑制制御（パッシブ制御）系の解析を行った。ここで導入した制御システムは、羽根の失速・回復を速やかに実現可能とするために、バネ-ダンパ制御系を導入したことが大きな進展となった。そして、回転により誘発される遠心力の作用で羽根のピッチ角の変化を可視化すると共に、その挙動を数理的に解明するための力学的モデルを構築した。また、回転数-トルク係数-ピッチ角をそれぞれ座標軸とした三次元空間（時間を導入したら四次元空間）で表現し、それらの物理量が変動した時の挙動解析を行っている。すなわち、強風になると羽根の回転が増大し、それに伴い発電機出力電力が増加する。さらに回転が増すと遠心力の作用で羽根のピッチ角が変化すると共に、作用する揚力が減少する。その結果、回転数が減少する。その、失速-回復機構の最適化（最適なバネ-ダンパ係数の決定）を行う。現在は、外力を加えたときの羽根の失速-回復変位の計測データを基に、全体の運動方程式の構成、及び、数値シミュレーションを実行中である。のすなわち、変動する風速域での発電機の出力変動を抑制するための最適化問題に帰着した。その成果物は、先ず、知的財産として出願し、それとともに、今年度開催される国際会議で発表する。特に、平成25年に実施した研究開発において、最も大きな成果は、羽根の失速-回復現象を高速度カメラで撮影し、その変位を取得可能としたことである。それにより、羽根の回転数-ピッチ角変化-発電機出力変化を統合的に解析することが可能となったことである。本成果は、先ず、知的財産として出願し、それ共に、今年度開催される国際会議（Grand Renewable Energy2014:7月開催）で発表する。そして、これまでの結果を国際学会誌に投稿準備中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成25年度では、パッシブピッチ制御系の製作を主体に研究開発を行うことを目標としていた。また、アクティブピッチ制御系では、電磁アクチュエータの開発を目標としていた。平成25年度の計画を振り返ると、まず、１）直径3mの風力発電システム（実機：最大出力２kW(1000r.p.m.)を製作し、パッシブ制御系の設計を行った。その結果、羽根の回転数が増大すると遠心力でピッチ角が失速領域に到達し、失速後、回転数が減少して元のピッチ角に滑らかに回復する機構の設計・製作を達成できた。その失速回復機構は、バネ-ダンパ系を用い、さらに、３枚の羽根をハブに集約しているため、連動して失速制御が達成可能なことを実験により検証した。また、羽根の失速角度の精密な計測をハイスピードカメラ、及び、３次元赤外線カメラで行うことが可能となった。この計測結果は、現在、構築している力学系モデルの物理パラメータの同定に積極的に反映することが可能となる。また、羽根自身の弾性変形の様子も視覚的に可視化できるため、動的な解析が格段進捗した。さらに、風洞実験を行えるように製作した実機の１/３モデルを製作中であり、今年度の研究進展が非常に円滑となった。また、非接触電磁ブレーキの開発は困難を極めたが、鋼板磁界を用いた駆動システムを制動系（過回転抑制ブレーキ）として組込む可能性を見出した。この制動システムは、発電機主軸に相対して４本の円筒鋼板を設置し、主軸が回転しある一定以上の出力に到達すると、その出力電流を用いて４本の円筒に鋼板磁界を発生し、この磁界が制動力となる原理を用いる。この制動力の開発は平成２５年度後半から行っており、軽量化や磁力効果の計測は現在進行中である。上述の結果より、申請書で記述した以上の成果を達成することが可能となった。公表された論文は4編、国際会議4件、さらには、26年度4月中に特許申請を行う予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題では、強風域における小型風力発電システムの過回転防止のために、新たな失速制御系を提案し、その有用性をフィールド実験で検証することである。今年度は、平成25年度の成果を踏まえて、特に、開発の観点から、過回転防止を抑制する非接触制動ブレーキの開発（アクティブ制御系の開発）を行っていく計画である。すなわち、平成25年度に着眼した、鋼板磁界の原理に基づく電磁誘導ブレーキシステムを設計・製作し、それを風力発電システム過回転抑制制御系へ組込む事を課題の一つとする。また、平成25年度に達成した受動的失速制御システムの開発と、そのメカニズムの駆動実験（自由振動や強制振動実験）データに基づき、詳細な力学的モデルを構築し、数値シミュレーションにより、アクティブ制御系（可変型非接触電磁レーキ）やパッシブ制御系（遠心力により励起されるピッチ制御系）のベストマッチングを検証するため、様々なパラメータを設定して最適性を追及する。今年度は数値シミュレーションを主体として計画しているが、風洞実験用小型風力発電システムがが完成したら、実験と並行して相互に結果をフィードバックを行えるように作業を進捗させていく。
本研究課題は、その開発目標として、「強風域でも運転可能な風力発電システムの開発」である。それが実現できれば、一般の小型風車では不可能な稼働域である風速15ｍ/ｓ以上でも運転可能となり、その結果、高効率な小型風力発電システムが実用化できる。さらに、流体力学・制御工学・電力工学を融合した学術的な新しい知見を得ることを目標としている。すなわち、風速の変動（入力エネルギー）→羽根の回転（回転数の増減）→発電機出力の変動（出力エネルギー）を最小化するという制御系設計問題、羽根の失速・回復現象を解明する動力学的解析問題、さらには、羽根自身の弾性振動問題を融合した統合的連成問題の解決を目標とする。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
まず、物品に関してはトルク検出計・表示計を予定していたが、その代用品として、ディジタル式のトルク測定器（フォースセンサ）を購入し、それで、データ計測を行うことが可能となった。また、回転計は既存の機器を使用した。従って、大きな設備備品費は当初予定していた85万円から大幅に減じて30万円となった。また、現在、風洞実験用の小型風力発電システムの製作に取り掛かっているが、その製作に必要な機械部品、電気部品（小型計測制御用コンパクトマイコン（３万円）等）が30万円程度の金額となった。なお、当該使用額は、研究分担者の20万円を除き170万円であるが、実際に使用した額は上述の理由により141万2千円である。そして、差額が28万71千円であり、この金額を平成26年度に繰り越して、禅師ブレーキ開発費に充当する。
今年度購入及び開発する大きな備品は、風車シャフトの装着するコンパクト型電磁ブレーキである。これは、磁束を変化させることにより非接触で電磁摩擦を生じさせ、回転数の制動を行う仕組みである。また、研究開発が当初予定より大幅に推進できたので、来年度の計画を前倒しで実行する。その詳細は以下である。1）小型風力発電過回転防止用非接触電磁ブレーキの開発30万円。2）小型風力発電用ブレード15万円（羽根：長さ600mm、4枚（1枚は予備)).3)ブレード回転時に失速制御の稼働を確認するための高速度カメラレンタル料（30万円）、4）実機によるフィールド試験場賃貸料24万円（月２万円×12月）、5）成果発表のための国際会議出席旅費30万円（海外3回、国内３回）。その他消耗品・謝金等25万円である。
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