2015 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 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平田 哲兵 琉球大学, 工学部, 研究員 (40518007) [Withdrawn]
長田 康敬 琉球大学, 工学部, 教授 (50208021)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 小型風車 / ロバスト適応ピッチ制御 / 自律的失速制御 / 過回転防止制御 / ブレードリンク機構 / 出力安定化制御 / 電磁ブレーキ / コンパクトセンシング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、風速15ｍ/ｓ-25ｍ/ｓでも運転可能な小型風力発電システム（自律型過回転抑制機構の開発)を目指している。まず、本来ならば平成27年度終了の研究であるが、実機試験における実験の不具合により、今年度も継続を行う次第である。研究の概要を以下に述べる。本研究で開発を行っている小型風力発電システムは、風速の上昇に従い回転力が増加すると、ブレーキの遠心力を用いて羽根のピッチ角を捩じり、その姿勢を逆ピッチに変化させることにより失速を実現させる仕組みである。さらには、変動する風速に対し、その微小変動を抑制するために、可変電磁ブレーキシステムを導入し、羽根の回転速度を一定とするサーボ型レギュレータシステムの設計も行った。これまで得られた結果は以下の通りである。
１．ブレード回転力の変化に伴う失速・回復機構メカニズムの解析：本研究で開発したブレード回転力の変化（遠心力の変化）に伴う失速・回復運動解析を行った。それにより、最適なバネ・ダンパ係数の探索を行ったが、実機と数値実験との比較を試みたが、実機の運動性能の向上に対する進展が芳しくなかったため、再設計を行っている。また、これまで提案している風車運動方程式の巨視的モデルと、失速回転制御機構に翼素理論を導入した運動方程式のモデルを連立させて解法し、ある程度良好な結果を得ることが可能となった。しかし、未だ十分な結果とは言い難い。よって、モデルの詳細な見直しを行うと共に実機に反映した設計を行う必要がある。
２．回転速度変動防止を目的とした電磁ブレーキによる出力安定化制御：変動する風速に対し、発電出力は増大する。ここでは、内部モデル原理制御を用いて、風力発電機システムの出力変動を抑制する制御法を導入した結果、数値シミュレーションでその有効性を確認した。
今後は実機モデルでの実験結果を通して本研究の完全系を実証する。
発表論文3編、国際会議５件。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
羽根が失速後、回復運動を行う際に衝撃現象が生じるようになった。その衝撃運動を解析するために、実験室（民間のモーションキャプチャスタジオ）で、高速度カメラを用いた羽根の三次元運動解析の画像を取得し、そのデータを解析すると共に、衝撃力を算出した。この衝撃力は、現在の構造では不可避な現象となるため、再設計を行う必要も生じでいる。衝撃力の回避策としては、緩衝剤（防振ゴム等）の衝平成25年度、26年度の成果、及び、27年度の成果を踏まえて自己評価を行う。25年度では、ハブ直径60㎝。ブレード直径3ｍの実機を作成し、実験を行ったが設計通りの結果を得ることが困難であったため、26年度以降は、設計を初期段階から見直し、モデリング数値シミュレーション、それと平行した１/3モデルの制作を通して新たな開発を行った。しかし、直径を1/3としたため、羽根は低速羽根の設計が必要となった。そこで、低速羽根の設計(300rpm)を行うため、規範データ（NACA）を参考にしつつ、翼素理論を用いて羽根の流体周りの流れの把握、及び、再設計を行った。その後、この設計データから羽根を（オス）型から起こし、パラフィン剤で（メス）型を作成し、羽根を形成したが、その作業に非常に多くの時間を要した。このことで、実験、及び、数値シミュレーションとの齟齬が生じ、再設計を余儀なくされた。これは研究代表者の計画が不十分であったと考えている。次に、失速・回復現象を生じさせるとき、ハブ中心の円柱ブロックで羽根を支持しているが、失速回復時にそのブロックがハブに衝突する際の緩衝剤の壁面への装着も考えられうるが、ピッチ角変動による反発力の消散を目指した方が性能的に優位であると考えられる。また、回転速度の変動を抑制するためのレギュレータは設計通りの成果をあげたため実装を急いでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、風速15ｍ/ｓ-25ｍ/ｓでも運転可能な小型風力発電システム（自律型過回転抑制機構の開発を目指している。本研究の今後推進方法について以下に述べる。まず、羽根の失速・回復機構の問題点はすでに明らかにされているため、その、解決への道を開くべく再設計を行うことを優先的課題とする。また、失速回転速度を設定し、その速度に基づき羽根の再設計を行うと共に、失速制御機構を再設計する。この時、回復時におけるバネ・ダンパ系の衝撃力の緩衝のための付加的な抑制機構を装着する。以上をまとめると以下の課題の克服があげられる。
１）風洞実験を行うための1/3モデル風力発電モデルの完成を行う。この際、羽根の設計、過回転による失速制御機構の再設計、さらには、バネ・ダンパによる失速回復時衝撃力の大幅な緩和を行う。
２）直径1200㎜の小型風力発電システムを想定しているため、羽根を低速翼型として設計を行う。この時、型の作成には昨年培ったノウハウを有するため制作の面では特に重要な壁はない。
３）過回転防止ピッチ角失速制御系と、電磁ブレーキによる羽根の回転速度を一定とするサーボ型レギュレータシステムの調和的な回転速度制御系を実現するための集約化と連携化（システムインテグレーション）を行う。
以上の課題の克服のためには、データ群（風力発電機電圧、電流、風車回転速度等）のセンシング技術が不可欠となる。従来においては、我々は、すべて有線で行っていたが、そうなると様々な制約（場所的制約、構造的制約）が生じるため、我々が開発したマイコンボードによるデータ収集装置を装着する予定である。最後に、今年度末の完成形をめざし、研究を推進する予定である。
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| Causes of Carryover |
強風域で羽根が高速回転するとき、失速・回復機構の装着を行った。そのとき、ハブ中心の円柱ブロックで羽根を支持しているが、失速回復時にそのブロックがハブに衝突する際の緩衝剤の壁面への装着も考えられうるが、ピッチ角変動による反発力の消散を目指した方が性能的に優位であると考えられる。そのために、防振ゴムの装着や、バネ定数の最適化、さらには、ダンパ係数の最適化等を行ったが、十分な効果は実現できなかった。そこで、１/３スケールモデルを製作し、羽根の設計からやり直した。しかしながら、羽根の１/３モデルの設計・制作を行う際に、強度的問題、流体力学的問題（特に羽根の翼素理論的特性の桂さんの困難性）、さらには、失速制御系の機構的問題の解決には至らなかった。実験に係るほとんどの材料費は現有資産で賄ったが、詳細開発までに至らなかったため差異が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
まず、風洞実験を行うための1/3モデル風力発電モデルの完成を行う。この際、羽根の設計、過回転による失速制御機構の再設計、さらには、バネ・ダンパによる失速回復時衝撃力の大幅な緩和を行う。直径1200㎜の小型風力発電システムを想定しているため、羽根を低速翼型として設計を行う。過回転防止ピッチ角失速制御系と、電磁ブレーキによる羽根の回転速度を一定とするサーボ型レギュレータシステムの調和的な回転速度制御系を実現するための集約化と連携化（システムインテグレーション）を行う。以上の研究を数値シミュレーションと、実験を融合させて行う。従って、羽根の設計、様々な電子・機械部品購入のための経費、さらには、羽根の失速運動の可視化を行うためのモーションキャプチャレンタル費用等が必要となる。
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