成果報告書詳細
管理番号20150000000674
タイトル平成26年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業 (風力発電その他未利用エネルギー) 小型レンズ風車を用いた超高効率マルチロータシステムの技術開発
公開日2016/3/5
報告書年度2014 - 2014
委託先名株式会社リアムウィンド 国立大学法人九州大学
プロジェクト番号P10020
部署名イノベーション推進部
和文要約件名:平成26年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業 (風力発電その他未利用エネルギー) 「小型レンズ風車を用いた超高効率マルチロータシステムの技術開発」

本研究・開発では,既存の1kWレンズ風車の高風速域での運転継続と高出力化を図り,(1kW機3台から構成される)3kWマルチロータレンズ風車を開発・製造し,既存の3kw機シングルレンズ風車と運転データの比較を行い,低コストかつ高出力のマルチロータレンズ風車を開発することを目的とする.また,将来的には,10kWやそれ以上の定格出力を有する小型マルチロータレンズ風車の実用化を目指した基礎的な開発・研究である. マルチロータレンズ風車とは,同一タワー上に,複数のレンズ風車を配置した風車である.通常,風車の出力は,ロータの受風面積に比例し,風車重量は,体積に比例するため,長さの3乗に比例する.ある風車の出力を4倍にしようとする場合,同じ構造材料を使用するならば重量は8倍となる.風車を大型化する場合は,高強度材料を採用するなどで出力増加に伴う重量増加を抑制している.他の方法として,同一タワー上に複数の風車を設置するマルチロータ化を採用することで,出力を4倍にしつつ,重量増加も4倍程度に抑えることができ,それに伴うコスト増加を抑えることができる.(タワーなど風車支持構造物の重量は出力に応じて増えるので4倍以上の重量増加になると予想できるが,それでも大型化よりも重量増加は少ない.)また,マルチロータ風車で使用する基本ユニットを同一仕様とすることで,翼,軸受,発電機など風車構成部品のほとんどを共通使用できる.さらに,この基本ユニットを既存機種とすることにより,部品の共有化と開発期間の短縮による低コスト生産が実現できる. (1)本研究・開発において,模型実験により,マルチロータ風車における複数のレンズ風車間の干渉効果を調査した.複数台の風車模型を同一垂直平面内に配置し,それらの相互間の距離と角度を変えながら性能比較を行い,次の知見を得た.レンズ風車を適切に配置してマルチロータシステムを構築すると,通常風車を用いたマルチロータシステムより多くの出力を得ることが出来る. (2)上述した試験と並行して,マルチロータの基本ユニットに使用する制御機に対し,風車から発する駆動音の抑制,及び従来よりも高風速域まで運転するために高風速域で出力を抑制(ストール制御)に関する改良を行い,次の結果を得た. 整流器とコンデンサ間にインダクタを入れることで,電流変動を抑制し,この結果,駆動音を小さくすることが出来た.制御ルーチンを高速化することにより,風速14m/s(従来は12m/s)まで運転が可能なことを実証した. (3)さらに,1kWレンズ風車3台から構成される3kWマルチロータレンズ風車プロトタイプを設計・試作し,以下のような成果を得た.集風体を小さくし,翼を長くすることで,出力を落とすことなく,風荷重を低減した.これにより,風車全体の軽量化・低コスト化の目処がたった.3kWマルチロータレンズ風車と3kWシングルレンズ風車を隣接して建設し,それぞれの性能や運転データを取得することで,それらの特性を知ることができた.
英文要約Title : New Energy Venture Business Technology Innovation Program / New Energy Venture Business Technology Innovation Program (Wind Power Generation And Other Untapped Energies) / Technology Development of Super High Efficiency Multi Rotor System with Small Wind-lens Turbines FY2014 Final Report

The purpose of this study is to improve power efficiency and ability to maintain stable operation at a high wind speed range. We designed and constructed a 3kW multi rotor Wind-lens turbine consists of three 1kW turbines in triangular arrangement and evaluated the operating data. This multi rotor design enables to lower the cost of a turbine for given rated power. A multi rotor wind turbine would have single tower and support structure with multi number of turbines in one vertical plane. In general, the turbine output is proportional to the rotor swept area. Because the weight is proportional to the length cubed, for example, the weight will be eight times larger by simple scaling to quadruple an output power. Therefore, manufacturers usually try to suppress the weight increase of larger turbines using high strength materials. However, to quadruple the given rated power with multi rotor system, the weight would be four times of an original weight. Also, another advantage is the higher volume efficiency due to the usage of larger number of standardized turbines including blades, bearings, generators, etc. Moreover, the basic unit can be the preexisting smaller turbine unit which results in shortening the development period of the large turbine. (1) We carried out small scaled model experiment of multi rotor turbines to evaluate the complex flow around the multiple bluff bodies of Wind-lens turbines. We compared with each total output power produced by each multi rotor turbine, which varying the distance and angle between each basic unit turbine. The total output of multi rotor Wind-lens turbine, which arranged each turbine with appropriate distance and angle, can be larger than the sum of stand-alone turbine output. (2) We improved the controller for Wind-lens turbine as a basic unit turbine for the multi rotor system to reduce the driving sound and to maintain stable operation in a high wind speed range. Adding inductors between a rectifier and capacitors can suppress the current fluctuations, then reduce the driving sounds. Enhancing the speed of control routine, the turbine can be stably operated up to the wind speed of 14m/s (previously, up to 12m/s). (3) We have constructed a multi rotor system with three 1kW Wind-lens turbines. We have experimented from the field test of the system. Employment of the compact diffuser with slightly longer blades enables to reduce the total weight and hence potentially reduce the cost. There are clear differences in characteristics between single 3kW and a multi 3kW Wind-lens turbines for given wind speed by comparing with the operating data for single 3kW and a multi 3kW Wind-lens turbines in the same site.
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