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HOME製品情報エネルギー 風力講座1.4 風車の構造

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1.4 風車の構造

風車の仕組みをもう少し細かく説明していきます。

1.4.1 翼が回転する原理

空気の流れの中に翼が置かれていると力を発生します。

(1)風車翼が回転する原理

1.4.2 水平軸風車の原理

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(1)水平軸風車の構造

1.4.3 水平軸風車の種類

発電機型式誘導式同期式
籠型巻線型巻線式永久磁石式
風車構造増速式 or 直結式
翼(出力)制御ピッチ制御 or ストール制御
回転数一定速度式 or 可変速式

1.4.4 発電機の仕組み

  • 回転している磁石の近くにコイルを持っていくと、電磁誘導によりコイル巻線に電流が流れる。
  • これが発電機の基本的な仕組みで、磁石の替わりに鉄芯に電線を巻いて電磁石にしてもよい。
  • 磁石のように磁界を発生する方を「界磁」、電流を発生する方を「電機子」と言う。
  • また回転する方を回転子(ローター)、固定されている方を固定子(ステーター)と言う。

(1)同期発電機の原理

  • 磁石が磁界を作る。
  • 磁石が回転する。
  • 回転する磁界によって電気が発生する。

(2)誘導発電機の原理

  • 遮断器入りで交流電流がコイルに流れる。
  • 流れた電流に抗して回転子内に電気の流れを止めようとする磁界が発生する。(逆起誘導磁界)
  • 回転子内磁界に励磁されて固定子に電気が発生し、電流が流れる。
  • 回転子の回転速度により発電機又は電動機として働く。
  • 回転速度が供給電気周波数より早いと発電機となる。

1.4.5 直結式風車と増速式風車の形状

増速式風車
増速式風車
直結式風車
直結式風車
  • 増速式は回転数が高いので発電機形状が小さいためナセル直径は小さい。
  • 直結式は回転数が低く多極発電機となるのでナセル直径が大きい。
  • 翼の寸法は変わらない。

1.4.6 風車に増速機が使われる理由

  • 風車の設計回転数は低い。
  • 機種や大きさによるが概ね10~50回転/分
  • 発電機の回転数は電気の周波数から決まる。
  • 50Hzは50回/秒変わるということ。即ち 3000回/分
  • 60Hzは60回/秒変わるということ。即ち 3600回/分
  • 発電機は通常は4極式が多い。N極、S極が夫々2個ずつ
  • このときの回転数は、50Hzであれば 1500回転/分
  • このときの回転数は、60Hzであれば 1800回転/分
  • 風車の回転と発電機の回転を合わせるために歯車のような増速装置を設置する。
  • 増速装置をつけない場合には発電機の極数を増やすことで対応できる。しかし極数を増やすことで直径が大きくなる。
  • 同期回転数と極数の関係
  • 回転数(回/分)=2×60(秒/分)×周波数(Hz)/極数

1.4.7 誘導発電機と同期発電機の損失

○:優、×:劣

項目 同期風車
三菱儀アレス永久磁石式
歯車式誘導風車
極数切り替え式誘導発電機
1. 回転数(RPM)10~34(可変速)25.5/17
一定速(2速)
2. 周速(m/s)23.6~80(可変速)60/40(固定速)
3. 性能:平均風速(6m/s)○ 年間発電量 6%増基準
4. カットイン風速(m/s)○ 2.5(-0.5)3.0(基準)
5. 定格風速(m/s)○ 13.0(-0.5)13.5(基準)
6. 増速機○ 直結式はなし必須
7. 騒音歯車のない場合低い基準
8. 油設備○ 少ない基準
9. メンテ○ 簡素化基準
10. 発電機の極数多極式とする必要がある4/6極
11. 発電機の大きさ× 大きい○ 基準
12. 系統との接続方式○ AC-DC-ACリンクソフトスタート
13. 発生電力の品質○ 良い変動あり
14. 突入電流○ ほとんど無い少しある(電流抑制装置)
15. 定格時の出力変動幅○ ±3%以内
(INV.COV制御による)
±50%以内
16. 出力の平準化○ フライホイール効果基準
17. 価格× 高価○ 安価