風力タービン

実際の地形上での風車性能解析シミュレーション

風力発電機が設置される位置の実際の地形を再現して、その上に風車発電機を配置した状態での「風車性能解析シミュレーション」を始めました。

風車性能解析シミュレーション1

左のように、3次元CADの中で風車設置地点の地形を細かく再現し、そこに羽根まで正確に設計された風車発電機をタワーごと設置して、風車の流れ解析を行います。

風車性能解析シミュレーション2

風車は正確にブレードを設計してモデリングしており、スピナー・ナセル・タワーも正確に造られていますので、この風力発電機の回転数を羽根に設定して、風上から正確な風速分布の風を吹かせれば、風車の発電性能から受ける力まで正確にシミュレーション可能です。

風車性能解析シミュレーション3

風車廻りの流れ解析結果を速度の等値線分布で示しています。
この解析はもちろんブレードの回転による風への作用を計算していますので、それによる風車のトルク、流体力、後流への影響、風上への影響など、運転を適切に行う為の情報を全て得ることが出来ます。

風車性能解析シミュレーション4

度ベクトル矢印を表示してみたものです。

これ以外に、流跡線・圧力分布・相対速度分布など性能を捉えるための色々な解析結果の表示が使え、流れのアニメーションも作成可能です。

自然エネルギーを使うタービンでは、その年間当たりの発電量を最大とする為の非常に詳しく細かい性能解析シミュレーションが、自然の恵みのエネルギーを最も効率良く使う為に必須と考えています。

地形上に2台の風力発電機を置いて流体解析を進行中

実際の地形を想定して、その上に2台の風力発電機を置いて、風上から風を吹かし流体解析を始めてみました。

地形上に2台の風力発電機を置いて流体解析を進行中1

坂になっている地形のところで、川を挟んで2台の風力発電機が高低差があるように設置されている状況を再現しています。

地形上に2台の風力発電機を置いて流体解析を進行中2

この風力発電機は、かなり小型の3枚プロペラ水平軸風車となります。

このように少し離して風車を置いた場合でも、運転時にはお互いに流体的な干渉が生じているのではないかと推測してシミュレーション計算を進めています。

地形上に2台の風力発電機を置いて流体解析を進行中3

シミュレーション計算時の風車軸断面で、土地が低いほうの風上側から高いほうの風下側へどのような速度分布になっているかを見ているものです。
今回の計算では、風車1台の時にはなかった計算上の不安定がかなり出ており、多数台の風力発電機の同時性能解析は工夫と慣れが必要と思いました。

大型風車の設計を始めました

風力発電機を多数ならべた風車廻り流れ解析をここしばらく行っていますが、風車本体部の詳細な設計事例を作る作業も始めました。

大型風車の設計1

現在の設計状況は左図のようになります。

大型風車の設計2

ブレード・可変ピッチ機構・ボス・スピナ・ピッチ変更用サーボモーター・サーボ端子台・主軸・主軸軸受・主架台・増速機・ピッチ指令用すべりスイッチ電力供給・増速機オイルクーラー・ 増速機出力軸継手・誘導発電機・発電制御盤・主軸ディスクブレーキ・増速機出力軸部ディスクブレーキ・ブレーキ用油圧供給蓄圧ユニット・ヨー変更用サーボモーター・発電機冷却装置・ナセル・風向風速計・ヨー変更用軸受け+ギア・ナセル観音開き蓋 などの要素機器で構成された風車となります。

大型風車の設計3

風車中心軸は水平に対して5度傾いており、タワーとの干渉を少なくするようになっていますが、ヨー変更を行う旋回ギア部はタワー上部の水平フランジに取り付可能に水平となっています。

大型風車の設計4

風車全体の形状デザインは、風の抵抗が少なく、シンプルなものにしたいと思い設計しています。
この計画設計を段々と詳細設計にしながら、構造解析・流体解析による詳細な性能と挙動のシミュレーション事例を御紹介していく予定です。

多数風車を緩やかな起伏の平原地形に配置して運転状態解析

多数の風力発電機をゆるやかな起伏を持つ平原地形に配置して、風上から風を吹かし、どのような運転状態となるかの流体解析を始めました。
この運転シミュレーション解析により特に観察したい点は、地形の起伏による各風車への風流入状態の影響、そして各風車が風を乱すことによる後流などによる相互の影響などとなります。

運転状態解析1

今回の多数解析の前に、風車1台のみでの流れ解析を行ってみた結果の風速分布等値線図となります。
思ったよりも細かく流れの様子を捉えることが出来ていると感じました。

運転状態解析2

風上から流跡線を発生させて、風車廻りでそれが乱れる様子を見たのが左図です。

これを見ると、風車の後方だけではなく、風の乱れは風車の前方まで影響を及ぼすことが良く分かります。

既に緩やかな草原地形での多数風車の運転状態解析計算に入っておりますが、その計算がスムーズに進むように相当な数の試行錯誤を試しています。つまり計算シミュレーションを進める為には非常な慣れが必要であることが良く分かります。

斜面に小型風車発電機を多数設置した場合の、運転状態解析結果

ここしばらく続けて行っています「多数風車発電機の運転状態解析」の中から、斜面に多数の風車を設置した場合の全体流れがどうなるかを解析しました。
小型風車発電機の多数設置での運転状態解析結果が下図です。

小型風車発電機を多数設置した場合の、運転状態解析結果1

色つき等値線分布は、速度の分布を示しています。
この図は、縦方向に2基の配置と3基の配置では随分と風車廻りの状況が異なることを示しています。

小型風車発電機を多数設置した場合の、運転状態解析結果2

これは川を挟んで縦方向にならんだ風車群をほぼ正面方向から見たもので、少々この小さい図では分かりづらいと思いますが、横方向の速度分布も左右で均等ではなく、かなり異なる状態となっているのが興味深いところです。

小型風車発電機を多数設置した場合の、運転状態解析結果3

斜面の下側から見上げるように多数の風車発電機をみたものです。
斜面自体も後方風車に進入する風に相当な影響を与えることが分かりました。

1500KW級風車発電機ウィンドファーム運転状態解析

1500KWクラスの大型風力発電機を用いたウィンドファームでの運転状態を、風車の挙動まで含めて性能解析をする事例を開始しています。
下図のように1500KWクラス風力発電機を用いるウィンドファーム地形を想定し、実際のブレード翼型を用いて詳細に設計した風力タービンも実物大で解析地形地面に設置する解析準備を行い、まず1台での運転状態解析を始めています。

1500KW級風車発電機ウィンドファーム運転状態解析1

この解析では風力タービンは1台のみなので、おもに地形による風の乱れなどがタービンにどのように作用するかなどを見ることが出来ます。

1500KW級風車発電機ウィンドファーム運転状態解析2

この図は風速の等値線を示しています。 圧力分布が必要なのは、構造的な強度解析などを計算する為にタワーやブレードの圧力分布が必要となり、渦度分布などは流体的なロスの発生はどうなるか見れそうであり、また時間依存解析を行えば、周期的な各部位の力の変動を捉えられそうです。

「1500KW級風力発電機ウィンドファーム」発生電力最大化の為の解析は、風車が3台、5台、6台と順調に数を増やしての性能シミュレーション解析に既に入り、順調に結果を取得しています。