風力発電
1. 風車の種類
@ 揚力型風車
高い回転速度が得られる(風速の数倍〜10倍)。
最大出力係数
A 抗力型風車
風速より高い回転速度は得られない。大きい回転力(トルク)が得られる。
最大出力係数
B 水平軸型風車
風車の回転面が風の向きを向いている必要があるため、方向制御が必要。
C 垂直軸型風車
どの方向から風を受けても回転できる。
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水平軸型 |
垂直軸型 |
揚力型 |
プロペラ型 |
ダリウス型・ジャイロミル型 |
抗力型 |
多翼型・セルウィング型 |
サボニウス型・クロスフロー型 |
2. 風力発電の運用
風況
風速の度数分布は、弱風側に偏ったワイブル分布とされる。
風車の立地条件は年間を通じて6〜7m/sの場所が好ましい。
運転
(1) 0〜3m/s :停止
(2) 3m/s:起動(カットイン風速)
(3) 3m/s〜定格風速:発電→風速の上昇に伴い、発電量も増加
(4) 定格風速〜25m/s:発電→出力を一定にするように運転
(5) 25m/s:停止(カットアウト風速:10分間平均風速で停止)
※ 瞬時カットアウト風速:瞬間最大風速が規定値を超えると停止
出力制御
風速が定格値を超えた時、発電機を過負荷にさせないように、風車の出力制御をおこなう。
@ ピッチ制御
ブレードのピッチ角を風速に合わせて変える。カットアウト風速以上になったら、ピッチ角を風向に平行にして待機状態とする。定格風速以上の発電や大電力発電に有利。
A ストール制御
ピッチ角は固定で、風速が定格値以上になると、ブレード形状の空気力学的特性により、失速(ストール)現象を起こして出力が低下する。
B アクティブストール制御
定格風速以下ではストール制御、定格風速以上でピッチ制御をおこなう。
発電機
@ かご型誘導発電機
回転数は固定。
連係している電力系統の周波数で発電機の回転数が決まる(ACリンク方式)。
系統に並列しないと発電できない。
励磁電流を系統から取る。系統並列時の突入電流が大きい。
構造が簡単で安価。
風速が変化すると電圧も変化する(有効電力・無効電力が変化する)ため、安定した発電量が確保しにくい。
力率改善コンデンサが必要になる。
一般的な風力発電に使われる。
A 同期発電機
可変速運転がおこなわれる。
風車のその風速における最大出力点で運転するために、VVVF装置で、風速に見合った、発電機の回転数に変える。
VVVF装置(コンバータ・インバータ)のはたらきとしては、発電機の磁束(∝電圧/周波数)を一定にして、回転数を変えることである。
電力系統への連係において、VVVF装置を介して周波数が変換される(DCリンク方式)。
風速が変化しても、電圧変動は少ない(有効電力は変化するが無効電力は一定または0)ため、出力変動が小さく安定した発電量が確保できる。
低い風速でも発電が可能。
エネルギー効率が高い。
大型風力発電に使われる。
3. 風車のエネルギー
風車のロータ軸出力(風車で得られる単位時間当たりのエネルギー)は回転面積(寸法の2乗)に比例し、風速の3乗に比例する。
:ロータ(風車羽根車)の出力係数=風車のパワーと風のパワーの比
実際には10〜30%程度。
:空気の密度
:ロータの回転(受風)面積
:風の前方一様流速