風力タービン設計

1500KW風車群で構成されるウィンドファームの運転状態解析 3機の場合

ウィンドファームに大型の多数風車が並んでいる場合に、同時に運転している状態を解析したらどうなるかを以前から試験的に進めていますが、今回は1500KW風車発電機3機の同時運転状態解析の結果をご覧頂きたいと思います。

1500KW風車群で構成されるウィンドファームの運転状態解析1

平坦な土地に斜め方向に3機1500KW風車が並んで運転を行っている運転状態図です。

1500KW風車群で構成されるウィンドファームの運転状態解析2

手前の2機は接近しており、奥の1機は離れています。

1500KW風車群で構成されるウィンドファームの運転状態解析3

逆側から3台の様子を見たものです。

1500KW風車群で構成されるウィンドファームの運転状態解析1

接近している2台はやはり前方風車の後流の影響を受けており、この速度の等値線分布ではどれだけの影響なのか分かりづらいですが、解析時に色々な値をモニタリングしながら解析しているので、モニタリング値を見ると影響の度合いが判明します。

次のウィンドファーム運転解析事例は、上記の風車を5台に増やしたものを御紹介します。

シミュレーションにより運転状態を垣間見ること、これはなかなか楽しいものであると感じます。そして注目するのは値の絶対値よりも相対値、つまりどのような傾向となるのかその点を最も気にかけています。

ウインドファームでの風車運転状態の詳細な発電出力などの解析

今後の自然エネルギー関係ビジネスの中でも最も力を入れていきたいと考えています、ウインドファームでの風車運転状態の詳細な発電出力などの解析を流体解析により行う事業について考えてみます。

その為の要素技術についてはかなり確立しています。

実地形生成ソフトウェア

まず重要な技術として、図に示すような実地形を生成するソフトウェア開発です。

この実地形生成ソフトウェアは既に完成しているので、ウインドファーム地形を流体解析ソフトに渡す為のSTLデータなどの出力機能を付加すれば、すぐにウインドファーム運転状態解析が開始できます。

解析結果画像

そして多数風車を地形上に配置して同時の運転状態解析が行えることも解析例のように確立しましたので、後は実際の地形上配置での解析を色々な条件を変えながら進めてたくさんの解析例を実施していくこととなります。

ウインドファーム解析 多数風車の軸方向がそれぞれ異なる場合

ウインドファームの運転状態解析の事例として、多数風車のそれぞれが別の方向を向いている場合に全ての風車の運転状態を解析してみました。

ウインドファーム解析1

運転状態解析結果のように、各風車の軸方向がばらばらの状態での同時運転状態解析を行うことが出来ました。

これにより、風車が安定して運転状態を維持するまでの過渡状態での性能や特性を解析することが可能となります。

ウインドファーム解析2

このような解析を一日を通しての刻々と変化する運転状態として多数行い、それを週単位、月単位として積み上げていけば、年間の発電量算出に大変正確なシミュレーションとなります。

また、過渡状態による運転状態への流体力の作用や、突風時の各風車への影響など、この解析により傾向を見ることの出来る項目は大変に増えるでしょう。

現在までの解析は任意に作った地形となっていますので、実際の地形をそろそろ採用してウインドファーム運転状態解析事例作成に入りましょう。

実地形上での風車1基の性能流れ解析

風車の性能を向上する研究も絶え間なく続けてはおり、例えば風車1基での下図のような性能流れ解析結果がある。

ウインドファーム解析1

これを速度の等値線分布で見たものが下図となる。

ウインドファーム解析2

等値線は速度が同じ範囲が一目でわかるため、速度の変化を
良く掴むことが出来ると思われる。

風車の羽根の逆が大風量を送る軸流型ファンとなり、それらにも
これら解析結果が応用出来ることでしょう。


とにかく上の図を見ると、風車はなるべく風速の変化のない平地に置くのが有利と分かって頂けれるでしょう。

巨大風洞内での風力タービン性能流れ解析

3次元仮想空間中の一辺数十~100mメートル以上という巨大な風洞の中に
実物大の風量タービンを置いて、その性能をシミュレーションしてみたのが、次の解析結果図です。

風車ターワー中心を切断面として見た風速分布の等値線表示が左図です。

更に全体の風上から風下に向けての流れの流跡線が左図ですが、風の風力タービンによる旋回流の発生場所が風車後方に割と行った所になっているのが興味深い結果ですが、果たしてそれで良いのか検証が必要です。

最後の図は、後流方向から流れの流跡線を見たものですが、これを見ると風車ブレードの回転方向への後流渦が発生しているようです。

しかし少し風洞後部の長さが短いようで、より正確な後ろ流れをみるために次はもう少し巨大風洞を長く設定します。

風速分布以外に渦度分布など見たかったのですが、もう一度色々と設定を再度行い、それらが見れるように再計算を行ってみましょう。
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。

工場からの排気風により発電するならばこれだ!

工場などの施設から高速の排気風が外部にただ捨てられているとすれば、それから発電を行う特殊な風力タービン発電装置は次の図のようにするのが最適です。

ウインドファーム解析1

これは、排気風出口から少し話した位置にディフューザーケーシングを持つ風力タービンを設置して発電を行う方式です。少し違う方向からタービン発電装置を見ると次の図となります。

ウインドファーム解析2

すでに流体解析による性能解析も行っており、この方式であれば確実に排気風発電が省エネ施設となります。

ただ、数十KW以上の発電出力を得るならば相当に排気風速が速くなければなりません。 そのような候補地点がどのくらいあるのかが良く分からないところではありますが。
良く掴むことが出来ると思われる。

風車の羽根の逆が大風量を送る軸流型ファンとなり、それらにもこれら解析結果が応用出来ることでしょう。

とにかく上の図を見ると、風車はなるべく風速の変化のない平地に置くのが有利と分かって頂けれるでしょう。