成果報告書詳細
管理番号20150000000478
タイトル平成25年度-平成26年度成果報告書 風力等自然エネルギー技術研究開発 風力発電高度実用化研究開発 10MW超級風車の調査研究(全体設計)
公開日2015/10/2
報告書年度2013 - 2014
委託先名株式会社日立製作所
プロジェクト番号P13010
部署名新エネルギー部
和文要約1 設計条件定義
 前提条件を満たす為には環境条件として10MW超クラスの市場(180基、10年間)だけでは十分ではなく、6-10MW市場(2400基、10年間)の基数も獲得する必要がることがわかった。
風況としては下記を設定した。
・極値風速:57.5m/s
・年平均風速:10m/s
・乱流強度:IEC61400-3/-1 B

2 概念検討
 風車主要緒元として下記とした。
・定格出力:10MW
・ロータ直径:204m
・ハブ高さ:130m
・ロータ軸方向:水平軸
・ブレード枚数:3枚翼
・ロータ位置:ダウンウインド
 発電システム方式は得失比較を実施し永久磁石発電機(PMG)とロータリーコンバータ発電システム(RCG)を選択した。
 パワートレイン方式はシングルパスギヤドライブとマルチパスギヤドライブ方式を選択した。

3 風車概念設計
 概念設計を実施し、下記風車仕様を最終検討仕様とした。
・定格出力:10MW
・ロータ直径:204m
・ロータ位置:ダウンウインド
・ハブ高さ:130m
・タワー基部高さ:20m
・ブレード長:100m
・基礎:ジャケット
・設計周速比:10.0
・目標ロータ速度:4.0-8.5rpm
・タワーヘッド質量:880t
・タワー質量:800t

4 ブレード概念設計
 TSR=10.0を選定した根拠を明らかにした。また、日立製作所設計の2MW及び5MWのブレード翼型の実績を踏襲して翼型を選定した。ブレード構造設計に関してはブレード根元モーメントの設定で質量がかなり変化することを示した。

5 次世代パワートレイン実現性検討
 増速機に関してはシングルパス(コンベンショナル)とマルチパス(ディファレンシャル)を検討し、インターナルギヤの加工性及び運搬性からディファレンシャルタイプを選択した。
 発電機に関しては効率と重量比較からRCGを選択した。また、増速機では総合効率と重量から230rpm(速比27)を選択した。

6 要素技術10MW級風車経済性向上策
 10MW風車のブレードと制御を中心に経済性向上策について述べた。全般を通して共通する点として以下が挙げられる。
・基本的にマルチメガワット級のコンセプトの延長線上の技術が考えられている。
・発電量を増加させるために極力大径化する。
・大径化を実現するための制御ならびに材料・構造を合理化に多くの努力がなされている。
なお、パワートレインに関しては、概念検討において網羅的に検討しており、現在の基本設計が最も有望と考えられる。

7 20MW風車への発展性・課題
20MWへの発展性について述べた。全般的な共通点として以下が挙げられる。
・従来のマルチメガワット級の風車のコンセプトでは大型化において大きな課題がある。特に、ブレードとパワートレインがクリティカルになる。
・課題や未検討の部分も多々あるものの、従来とは異なるコンセプトが有利になる可能性もある。

8 浮体式洋上風車への発展性・課題
10MW風車の浮体式洋上風車への発展性の検討として、ハイブリッドスパー浮体の概略設計を行った。
検討の結果、2MWの同様の浮体式洋上風車と比較して、発電量が約6.0倍となる。一方、単基あたりの総重量は7.8倍であるが、重量はコストの一部にしか寄与せず、また、建設、保守なども、サイズよりも機数による影響が大きい。以上を勘案すると、10MWの浮体式洋上風車は2MWと比較して大幅に経済性が向上することが期待される。
 なお、本検討は暴風時の傾斜と固有周期に関して諸元を策定したものである。経済性に関するより詳細な評価を行うためにはモデルの精度向上、制御・保護システムの設計、荷重計算、ならびに、強度計算が必要となる。また、詳細なコストの積算には、詳細設計、ならびに、建設や保守の関する検討が必要となる。これらは、今後の課題である。
英文要約Abstract

1 Design conditions
 In order to meet the base market volume 400 units per 10 years, the developed turbine must meet to not only over 10MW market (180 units per 10 years) but also from 6 to 10MW market(2400units per 10 years). Design conditions are listed as followings.
・Extream wind speed: 57.5m/s
・Average wind speed: 10m/s
・Turburance intensity: IEC61400-3 B

2 Concept Study
The main specifications of the wind turbine are as followings.
・Rated Power: 10MW
・Rotor Diameter: 204m
・Hub Hight: 130m
・Rotor Axisis: Horizontal
・Number of blade: 3
・Rotor Position: Down Wind
 For Generator system, Permanent Magnet Generator(PMG) and Rotary Converter Generation System(RCG) are selected based on the comparison among PMG, RCG, Synchronous Generator(SYG) and Doubly-Fed Generator(DFG).
For power train system, Single-Pass Gear Drive(SG) and Multi-Pass Gear Drive(MG) are selected based on the comparison among SG, MG and Direct Drive(DD).

3 Conceptual Design
 The conceptual design results are followings.
・Rated Power: 10MW
・Rotor Diameter: 204m
・Rotor Position: Down Wind
・Hub Hight: 130m
・Tower Base Hight: 20m
・Blade Length: 100m
・Base Type: Jacket
・Tip Speed Ratio(TSR): 9.0,10.0,11.0
・Rotor Speed: 4.0-8.5rpm
・Tower Head Mass: 880t
・Tower Mass: 800t

4 Blade Conceptual Design
 For TSR, based on the comparison 10.0 is selected. The airfoil is decided based on the current Hitachi wind turbine airfoil used in 2MW and 5MW. For Blade structural design, the weight of that is influenced from Blade root moment.

5 Feasibility Study of Next generation power train
 For gear box, based on the comparison SG(Conventional) and MG(Differencial) the differencial type is selected because of manufacturability and transportability of internal gear.
For Generator, RCG is selected because of the efficiency and the weight. For gear ratio, 27(230rpm) is selected because of total efficiency and toal weight.

6 10MW more economical solution
 More economical solution is described especially about Blade and Control.
・The base concept is current multi-megawatt turbine one.
・The larger rotor is preferable for the more power production.
・For larger rotor, the control, material and structure are investigated logically.
For power train, the conceptual design was cmpreted.

7 20MW power up study based on the component study
20MW power up study is described.
・The current concept has several hardle for 20MW design. Especially the blade and the power train are critical compornents.
・The different concept might be arised and additional study might be needed.

8 Floating wind turbine study
For Floating wind turbine study, hybrid-spar type frotor design is described.
Comparering to 2MW floater the annual generation is improved 6th and toatal weight is increased 7.8th. Total weight contribute for total cost partially and dorastic decrease of installed number of turbine influence the installetion cost and maintenance cost. Based on above 10MW floating turbine might be more economical solution compear to 2MW one.
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