成果報告書詳細
管理番号20090000001207
タイトル平成20年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 新エネルギーベンチャー技術革新事業/風力等の変動未利用エネルギーを有効獲得する電力変換回路技術
公開日2010/3/10
報告書年度2008 - 2008
委託先名株式会社奥村組
プロジェクト番号P07015
部署名研究開発推進部 技術革新・基盤技術グループ
和文要約コア技術である電力変換回路技術を活用して風力エネルギーを有効獲得する技術の開発を実施した。電力変換回路技術は電気二重層キャパシタ(以下EDLCと称す)の充放電機能を利用して、入力した交流電力を昇圧した後に降圧することにより、入力時よりも数倍高い電圧で安定した出力が可能となる技術である。以下に実施項目とその成果概要を示す。
a.電力変換回路設計の効率化のための解析的検討
提案システムの性能検証実験に先立ち発電機の定格等の性能条件を入力して回路部品定数等を自動計算する「電力変換回路パラメータ計算シート」を作成した。この計算シートの計算結果を基に回路シミュレータによる回路動作、波形、効率、力率、並びに各種自動制御動作の状況を確認し、台数制御用電力変換回路の昇降圧主回路、並びに降圧切替制御回路の設計が簡素化できることを確認した。また、回路シミュレータによる解析により昇降圧機能、電力変換機能、及び力率等の有効性を確認した。
b.同軸に複数の発電機を結合した発電機台数制御システムの実現性検証
 風力を受けて回転する軸に複数の発電機を結合して、風速の増加に応じて発電機の稼動台数を増やしていけば発電自体が軸の回転に対するブレーキとなるので、既存システムの定格風速を越える風速領域においても定格回転数以下で運転でき、その分の風エネルギーを獲得できる。
同容量発電機2台を同軸結合し、電力変換回路を組み合わせた風力発電小型モデルにより、風速に応じて発電機の運転台数を制御する実験を行った。試験モデルでは風速12m/sまでを従来式の対応領域と設定して1台目の発電機のみ出力し、風速12m/sを超えると2台目発電機からも出力されるよう制御した。
試験では、風速増加に伴って軸の回転数と1台目発電機が負担する軸トルクが増加した。風速12m/sを超えて2代目発電機も出力を開始した時点で回転数が下がり、1台目発電機のトルクが2台の発電機に分散して1台目のトルクは減少した。その後の風速増加に伴い回転数とトルクが上昇を続けた。この動作はスムーズであり、発電機を同軸に追加することによる回転数抑制の効果と機構の機械的実現性が確認できた。
2台の発電機が出力する中で風速を17m/s(モデル上の強風領域)まで増加させた。風速17m/s(発電機2台)における発電量は風速12m/s(発電機1台の最大)の3.3倍となった。さらに、風速をランダムに変動させる試験を行い、1台目発電機は常時、2台目発電機は風速12m/sを超える領域で平準化された一定出力を繰り返すこと、そして高風速時は一定出力の繰り返し頻度が増加することにより連続的な出力と等価になることを確認し、風力発電機台数制御による獲得エネルギー量の増加について検証できた。
c.その他
 実用レベルの電力変換回路3相100V1kW×1、1回路を試作し、模擬入力可変電圧変圧器による変動電圧入力でも平準化された出力あることを確認した。
風のレイリー分布特性を考慮して、洋上を含む日本各地の発電電力量を試算する「風力発電電力算出プログラム」を作成し、陸上と洋上の各地で従来型と新型の発電量を比較し、新型の発電電力の方が多い(年平均風速10m/sで約2倍)という結果を得た。
英文要約With the aid of power inverter circuit technique, technological developments for effective wind-power generation were conducted. The power inverter circuit in which Electric Double Layer Capacitor (EDLC) take a leading part has the function to rise and then depress AC power inputted from the generator. So it can change the inputted power voltage higher and more stable. Accomplishments are as follows.
a. Analytical study for efficient design of power inverter circuit
 Before experimental study, analytical study was conducted to make power inverter circuit design sheet by which circuit component's coefficient are automatically calculated. Using the results of this sheet's calculation, circuit's operation state such as wave patterns, efficiency and power factor was checked by circuit simulator. Then it was verified that rising and depressing AC power circuit and their translate circuit which are main parts of the power inverter circuit will be able to achieve simplification.
b. Experimental study to assess the possibility of quantity control system of generators attached to the same axis
In the quantity control system of generators attached to the same axis, the number of operating generators is increased according to wind velocity's increase. As generating put brakes rotating shaft, so this system's allowable wind velocity is bigger than that of ordinary system, and can get more amount of wind energy.
With two generators attached to the shaft and power inverter circuit joined to each generator, experimental study for quantity control of wind power generators was conducted. At the test model, 12m/sec was set as the maximum wind velocity for the ordinary system and only the first generator generated, and the second generator was set to start generating at the wind velocity exceeding 12m/sec. According to the increase of wind velocity up to 12m/sec, number of revolutions of the shaft and rotation moment for the first generator was increased. When wind velocity exceeded 12m/sec, the second generator also started to generate and both number of revolutions of the shaft and rotation moment for the first generator was dramatically decreased, then started again to increase with the increase of wind velocity. This operation run smoothly, so, the effect to constrain the number of revolutions by quantity control and mechanical possibility of this system was confirmed. Under the operation of two generators, wind velocity was increased up to 17m/sec (the maximum velocity point of this system). The electricity generated at the wind velocity 17m/sec (ordinary system) was larger by 3.3 times than that at the wind velocity 12m/sec (new system). Further more, in the condition where wind velocity changed in random order, the first generator generated full-time and the second generator generated at the zone of wind velocity exceeding 12m/sec and output was repeated with stable voltage. In the sufficiently high wind velocity zone, output number of times became as large as continual output. With these results, it was confirmed that quantity control of wind generators is possible to obtain larger mount of wind energy than ever before.
c. as for the rest
It is confirmed that by working prototype power inverter circuit (three-phase, 100V, 1kW circuit), simulated variation voltage input can be converted as steady voltage output.
In consideration of wind's characteristic of rayleigh distribution, calculation program of generated output by wind-power generation was made. This program covers various regions including ocean in Japan. The results of comparison generated output of new types of wind-power generation with old one on various regions is that the former is much more than the later. (double at the region where average wind velocity is 10m/s)
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