小型風車の簡易設計計算

2008年中小風機設備標準性能測試研討會
交通部運輸研究所 97年07月31日
日本の小型風力発電機の現状
ーフィールド実験、設計、導入、
簡易設計法、性能、ラベリングー
日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授
関和市
2008年中小風機設備標準性能測試研討會交通部運輸研究所 97年07月31日
日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
1. 小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状
小形風力発電機の定義
風車のサイズ，発電出力などによる分類がある。
IEC 61400-2(小形風車の安全基準＝JISC1400-2)では，受風面
積（プロペラ等ロータ回転面の面積）が40m2未満の風車を指す。
ロータ直径7ｍ程度であり，出力は通常10kW程度になる。
IEC 61400-2第2版（改正ドラフト）では，受風面積は，初版で定
義されていた40 m2未満から200 m2未満に大幅に拡大される。
新しい規格では，ロータ直径が16m未満の風車は「小形」に分
類されることになる。
電気事業法においては，出力20kW未満の風力発電設備が
「小出力発電設備」として定められている。
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状
ﾏｲｸﾛ風力発電機の定義
ﾏｲｸﾛ風車の定義
一般的には、定格出力1ｋＷ未満の風車
IEC(改正ﾄﾞﾗﾌﾄ)では、受風面積2m2未満で規格の一部が分類されている
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明道大学能源研究中心教授関和市
１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状
風車種類の概要
揚力型
抗力型
直線翼型
抗力型
揚力型
揚力型：翼の浮く力を利用した風車
抗力型：翼を押す力を利用した風車
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明道大学能源研究中心教授関和市
１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状
水平軸風車の一例
揚力型
（高速機）
揚力型
(中速機)
抗力型
揚力型(高速)＝比較的発電効率は高いが、ﾄﾙｸが低いため高風速域向け
揚力型(中速)＝多翼のためﾄﾙｸも比較的高いため、市街地などの低風速域
でも起動し、発電が見込める。
抗力型＝揚力型に比べて低速回転のため、発電には不向き(動力として利用)
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１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状
垂直軸風車の一例
ダリウス型風車
直線翼垂直軸風車
サボニウス型風車
ダリウス・直線翼垂直軸風車＝揚力型であり、発電用として開発された風車
※ 直線翼垂直軸風車は、無指向性・静粛性の特長があり、
近年、市街地用風車として利用されている。
サボニウス風車＝抗力型であり、発電には不向き(動力として利用)
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直線翼垂直軸風力発電機ﾌｨｰﾙﾄﾞ実験
供試風車
Turbine’s specification
Blade number
5
Rotor diameter
2.5m
Swept area
5m2
Rated wind
speed
10 m/s
Rated output
1kW
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ﾌｨｰﾙﾄﾞ実験結果(1ヶ月間)
5
1400
Power output
Average wind speed
1200
4
1000
3.5
3
800
2.5
600
2
1.5
400
1
200
0.5
0
0
5/1
5/6
5/11
5/16
5/21
5/26
5/31
Date
月平均風速＝1.98m/s 発電量＝4850Wh
日平均風速＝ 3.67m/s 発電量＝665Wh
Power Output (Wh/day)
Average Wind Speed (m/s)
4.5
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ﾌｨｰﾙﾄﾞ実験結果(連続データ)
2）連続データ（1日）
20
250
Wind speed
15
Output
3m/s
200
5
0
0:00
150
2:24
4:48
7:12
9:36
12:00
14:24
-5
16:48
19:12
21:36
0:00
100
Output (W)
Wind speed (m/s)
10
-10
50
-15
-20
0
Time (sec)
風速3m/secの風が安定して流れると、発電を開始することを確認した。
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明道大学能源研究中心教授関和市
発電状況(風向安定時)
450
E
10
W ind direction
turbine's output
400
9
W ind speed
7
300
6
250
5
200
4
150
3
100
2
50
0
0:00
1
4:48
9:36
14:24
Tim e
19:12
0:00
0
4:48
W ind speed(m /s)
W
8
350
W ind direction (deg) turbine's output(W )
N
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明道大学能源研究中心教授関和市
発電状況(風向変動時)
450
10
Turbidne's output
W ind direction
W ind speed
9
8
350
7
300
6
250
5
200
4
W ind speed(m /s)
W ind direction (deg) turbine's output(W )
400
150
3
100
2
50
0
0:00:00
1
4:48:00
9:36:00
14:24:00
Tim e
19:12:00
0:00:00
0
4:48:00
風向変化が激しい状況でも、安定時と同様な発電特性
無指向性であることが確認
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(各構成部品説明)
発電機の種類
かご型誘導発電機
誘導型
堅牢で安価のため、1MW未満の風車では広く利用
巻線型誘導発電機
起動時の突入電流の調整など、風車運転時の制御性が
高いことから、1MW以上の大型機で広く利用
発電機
同期型
巻線他励磁方式
突入電流自体が無いなど誘導型に比べて、より制御性が
高く、近年大型機で利用が増加(励磁器が必要＝コスト高)
永久磁石界磁方式(ＰＭＧ)
永久磁石により界磁するため、励磁器が必要なく、複雑な
制御の必要がないため、小形・ﾏｲｸﾛ風車で広く利用
※近年、希土類系磁石の普及により、大型風車への利用も増加
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(各構成部品説明)
ナセル
発電機
増速器
一般風車のナセル内部
発電機・ハブ一体型
2008年中小風機設備標準性能測試研討會交通部運輸研究所 97年07月31日
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明道大学能源研究中心教授関和市
１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(各構成部品説明)
風向制御
水平軸風車＝風車面を風向に正対する必要あり
尾翼
WIND
WIND
アップウィンド型
ダウンウィンド型
アクティブヨー方式＝ﾓｰﾀによる風向制御(ﾏｲｸﾛ風車での使用は殆ど無い)
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明道大学能源研究中心教授関和市
１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(用途例)
導入形態
風車単機
独立電源型
風車複数台
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄ
ｽﾀﾝﾄﾞｱﾛﾝ
風車単機
系統切替型
風車複数台
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄ
風力発電
ｼｽﾃﾑ
風車単機
蓄電池なし
風車複数台
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄ
系統連系型
風車単機
蓄電池あり
風車複数台
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄ
小形・ﾏｲｸﾛ風力発電機の導入形態は、負荷との関係により分類される。
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明道大学能源研究中心教授関和市
１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(用途例)
独立電源(ｽﾀﾝﾄﾞｱﾛﾝ)
交流負荷
制御装置
蓄電池
直流負荷
インバータ
負荷側が交流(AC100Vor200V)の場合のみインバータが付属
商用電源が敷設されていない場所での電源としての利用が多い
利用用途
街路灯・公園照明・情報表示・山小屋照明・無人監視カメラ電源 etc
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１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(用途例)
公園灯・街路灯
情報表示
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明道大学能源研究中心教授関和市
１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(用途例)
商用電源ﾊﾞｯｸｱｯﾌﾟ(系統切
替)
制御装置
インバータ
蓄電池
切替ｽｲｯﾁ
交流負荷
商用電源
独立電源型を基本とし、ﾊﾞｯｸｱｯﾌﾟ用として負荷側に商用電源ユニットを追加
蓄電池の充電量が著しく低下した際に商用電源から電力供給される
利用用途
ポンプなど比較的電力を多く必要とし、かつ継続的な利用をするもの
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明道大学能源研究中心教授関和市
１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(用途例)
系統連系方式
制御装置
取引用計量器
系統電源
ﾊﾟﾜｰｺﾝﾃﾞｨｼｮﾅ
交流負荷
蓄電池有
OR
蓄電池無
発電電力と商用電力とを並列で使用する方式
ﾏｲｸﾛ風車は、出力が小さいことに加え、風速変動により出力も変動するため、
コストメリットが低い。(1kW以上の風車であれば可能性あり)
現行のｼｽﾃﾑ
系統連系ｼｽﾃﾑとして認証された太陽電池用ﾊﾟﾜｰｺﾝﾃﾞｨｼｮﾅを流用
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２．設計・導入における留意点
導入について
【導入手順】
(1)導入計画 (2)設計 (3)据付 (4)維持管理
※ 最も重要なのが（1）導入企画である
慎重に検討しないと・・・
問題発生
(1)風車が回らない (2)発電しない (3)うるさい (4)破損した（5）景観上問題
（6）役に立たない（7）メンテナンスできない
市街地＝弱風地域が多い
大型風車と異なる考え方が要求される
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明道大学能源研究中心教授関和市
２．設計・導入における留意点（導入段階）
機種選定
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明道大学能源研究中心教授関和市
２．設計・導入における留意点（設計段階）
風車出力効率
一般的にﾌﾟﾛﾍﾟﾗ型風車は高出力、高速回転となる
※ 理論上最大出力効率は0.593である（ﾗﾝﾁｪｽﾀ・ﾍﾞｯﾂ係数）
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２．設計・導入における留意点（設計段
階）
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ断面特性
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ断面形状＝NACA0012
0.2
揚力係数CＬ
抗力係数CD
1.5
0.2
揚力係数ＣＬ
抗力係数CD
0.15
0.15
1
1
0.1
0.05
0
-12
0
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
-0.05
-0.5
Lift coefficient (CL)
0.5
Drag coefficient (CD)
Lift coefficient (CL)
0.1
0.5
0.05
0
-12
0
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
-0.05
-0.5
-0.1
-0.1
-1
-1
-0.15
-0.15
-1.5
-0.2
Attack of angle (deg)
Re=1.5×105
-1.5
-0.2
Attack of angle (deg)
Re=6×106
Drag coefficient (CD)
1.5
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
２．設計・導入における留意点（設計段階）
風車出力特性
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ断面形状＝NACA0012
0.6
0.6
1
3
5
7
9
11
0.5
0.4
αｄ
0.5
4
6
8
10
0.4
0.3
Cp
Cp
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
0
0
2
4
6
8
10
12
0
14
2
4
6
8
10
12
14
-0.1
-0.1
Tip Speed Ratio
Tip Speed Ratio
Re=1.5×105
Re=6×106
Re=6×106から1.5×105に変化
約26％の出力低下
風車の使用条件に応じた翼断面形状の選定が重要
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明道大学能源研究中心教授関和市
２．設計・導入における留意点（設計段階）
発電機と風車との整合性
一般的なﾊﾞｯﾃﾘｰ充電式風力発電機の起動から安定して発電するまでの流れ
①起動時＝発電電圧がﾊﾞｯﾃﾘ電圧よりも低い状態
②充電開始＝発電電圧がﾊﾞｯﾃﾘ電圧と同等
風車は無負荷運転
充電開始とともに回転数も減少
ｶｯﾄｲﾝ風速付近では①から②を繰り返す
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
２．設計・導入における留意点（設計段
階）
強風時対策
機械式偏向ﾀｲﾌﾟ（ﾊﾟｯｼﾌﾞ式）
風車過回転防止機構
電気的負荷制御ﾀｲﾌﾟ
【機械式偏向ﾀｲﾌﾟ】
風車の各部に可動部を設け、強風時に風車受風面を風向きからそらす
比較的安定した風が吹く場所では効果的な方式
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２．設計・導入における留意点（設計段階）
【市街地における風速・風向の変動状況】
20
500
18
14
300
12
10
200
8
100
6
4
W ind direction (deg)
400
16
W ind speed (m /s)
小型風車の設置環境
W ind speed
W ind direction
0
2
0
6:00
7:12
8:24
9:36
10:48
12:00
Tim e
13:12
14:24
15:36
16:48
-100
18:00
建物の影響により風向・風速は
激しく変動する
風向変動大
(100度強の変動
幅)
極度な風速・風向の変動がある場所では、可動部が故障するｹｰｽが見られる
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
２．設計・導入における留意点（設計段階）
発電機と風車との整合性
【充電開始時の発電状況イメージ】
パルス的な断続充電となる。また、この間の発電は図中①と②の繰り返しとなる
ため、発電効率も極めて低くなる。
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明道大学能源研究中心教授関和市
２．設計・導入における留意点（設計段階）
発電機と風車との整合性
【通常発電状態】
③～⑤＝常に発電電圧がﾊﾞｯﾃﾘ電圧を上回る
安定した充電が行えているが、最大
出力点が存在する
最大出力点に合うように風車と発電機との整合をとる必要あり
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２．設計・導入における留意点（設計段
階）
発電機と風車との整合性
Output (W)
風車の最大出力点は風速の３乗に比例
4m/s
6m/s
8m/s
10m/s
12m/s
特性A
特性B
発電機の出力は非３乗特性
全ての風速で最適負荷状態を維
持することは困難
当該発電機の使用風速域で最適負
荷状態となるよう仕様を決定する
Revolution number (rpm)
最近のﾏｲｸﾛ風力発電機では、DC-DCコンバータなどを発電機とﾊﾞｯﾃﾘｰとの間に組み込
み、発電電圧を電気的に制御(昇圧、減圧)することにより、広い風速範囲で高い発電
効率を得ることができる製品が増えてきている。
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２．設計・導入における留意点（設計段
階）
強風時対策
【電気負荷制御ﾀｲﾌﾟ】
強風時に発電機の出力端を短絡することにより増大する回生電流により
過負荷状態を作り風車回転数を抑制
※ 近年のﾏｲｸﾛ風車で最も多く行われている方式
短絡ﾌﾞﾚｰｷ時に発生する回生電流を考慮し、発電機および
その他通電材料の選定が必要
検討を怠ると・・・
短絡ﾌﾞﾚｰｷ時に発電機コイルおよび通電材料が異常発熱
コイル焼損により、風車暴走の恐れあり
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２．設計・導入における留意点（設計段
階）
騒音
・機械音
増速ギヤなどの機械音
ﾏｲｸﾛ風車の殆どはギヤﾚｽ
影響小
・空力騒音
風車の過回転制御時にﾌﾞﾚｰﾄﾞまわり流れのはくり現象
※ﾌﾞﾚｰﾄﾞに剛性が無い場合、フラッタ現象が
起こり大きな騒音となる
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ端部の風切り音
※風車回転速度に大きく依存
ﾏｲｸﾛ風車は回転数が高いため高周波の音となり、非常に耳障り
・ﾌﾞﾚｰﾄﾞ表面を粗し「剥離点を遅らせる」
・ﾌﾞﾚｰﾄﾞ端部の形状を工夫
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３．小型風車の簡易設計計算
設計荷重ケース
簡易設計計算における設計荷重ｹｰｽ
設計条件
発電
荷重ｹｰｽ
A
通常運転
風速
解析区分
備考
VR 周辺の周期的変化
疲労荷重
出力：1.5PR～0.5PR
回転数：1.5nR～0.5nR
B
ヨーイング
Vhub=VR
終極荷重
最大ﾖｰｲﾝｸﾞ角速度
C
(電気的)
Vhub=Vexr
終極荷重
通常風速でﾛｰﾀ回転数を計
負荷遮断
測し Vexr に外挿
停止
D
通常停止
Vhub=VR
終極荷重
制動ﾄﾙｸ
待機
E
受風面積最小
Vhub=1.4Vexr
終極荷重
通常待機姿勢
F
受風面積最大
Vhub=Vexr
終極荷重
最大受風面積
設計荷重ｹｰｽは、風車の運転状態(発電・停止・待機)に対して風車各部に作用する荷重を想定するも
のであり、各荷重の区分としては、疲労荷重と終極荷重とに大きく分類される。
現在のIEC規格では、「発電時の風車最大推力」「発電機短絡時」および「ヨーエラー」が、荷重ｹｰ
ｽに加えられている。
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日本風力エネルギー協会会長
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３．小型風車の簡易設計計算
簡易計算法解説
①荷重ケースA
(通常運転)
通常運転時における一定範囲内の疲労荷重を想定
出力変動の幅を「1.5PＲから0.5PR」、回転数の変動幅を「1.5nR～0.5nR」
ブレード根元およびﾛｰﾀシャフトに作用する通常運転時の荷重の変動幅について算出する
2008年中小風機設備標準性能測試研討會交通部運輸研究所 97年07月31日
日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
３．小型風車の簡易設計計算
①荷重ケースA
【ブレード根元荷重_引張方向】
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ根元への荷重は、回転の変動に対するブ
レード自体の遠心力により発生する。
遠心力は、ブレード質量(mB)とﾌﾞﾚｰﾄﾞ重心位置か
ら回転中心までの距離(RcgB)との関係により、以
下の式によって示される。
FZB:
RcgB:
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ引張荷重(N)
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ重心から回転中心までの距離(m)
2008年中小風機設備標準性能測試研討會交通部運輸研究所 97年07月31日
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３．小型風車の簡易設計計算
①荷重ケースA
【ブレード根元荷重_回転方向】
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ根元に作用する回転と逆方向の曲げﾓｰﾒﾝﾄ変動幅は、定格時発生トルク
QRとﾌﾞﾚｰﾄﾞ自重によるトルクによる。
MxB: ﾌﾞﾚｰﾄﾞ回転方向曲げﾓｰﾒﾝﾄ
B: (Nm)
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ枚数
2008年中小風機設備標準性能測試研討會交通部運輸研究所 97年07月31日
日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
３．小型風車の簡易設計計算
①荷重ケースA
【ブレード根元荷重_ﾌﾗｯﾌﾟ方向】
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ根元に作用するフラップ方向の曲げﾓｰﾒﾝﾄ変動幅は、風車の推力係数と出力
係数との関係(式⑥)をもとに算出された風車推力の変動荷重をブレード一枚あたり
に分割し、ﾌﾞﾚｰﾄﾞの2/3Ｒの位置に作用したときのﾓｰﾒﾝﾄとして、以下の式により算
出する。
=
=
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３．小型風車の簡易設計計算
①荷重ケースA
【シャフト荷重_軸方向】
シャフトに作用する軸方向の軸力変動幅は、
風車の推力係数と出力係数との関係式をも
とに算出された風車推力である
FxS: 風車の推力 (N)
λR: 風車設計周速比
2008年中小風機設備標準性能測試研討會交通部運輸研究所 97年07月31日
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３．小型風車の簡易設計計算
①荷重ケースA
【シャフト荷重_捩り方向】
ｼｬﾌﾄに作用する回転と逆方向の捩れﾓｰﾒﾝﾄ
変動幅は、風車の負荷トルクにより依存し、
以下の式によって示される
MxS: ｼｬﾌﾄに作用する捩れﾓｰﾒﾝﾄ (Nm)
QR: 風車定格ﾄﾙｸ (Nm)
2008年中小風機設備標準性能測試研討會交通部運輸研究所 97年07月31日
日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
３．小型風車の簡易設計計算
①荷重ケースA
【シャフト荷重_ﾌﾗｯﾌﾟ方
向】
ｼｬﾌﾄの第一ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ部に作用する曲げﾓｰﾒﾝﾄ
変動幅は、ﾛｰﾀ自重(mR)とｳｨﾝﾄﾞｼｪｱによっ
て引き起こされる軸力の偏芯によって以下
の式で示される。
自重項
推力偏芯項
MxS: ｼｬﾌﾄに作用する捩れﾓｰﾒﾝﾄ (Nm)
mR: 風車ﾛｰﾀ質量 (kg)
lrb：風車から第一ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞまでの距離(m)
2008年中小風機設備標準性能測試研討會交通部運輸研究所 97年07月31日
日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
３．小型風車の簡易設計計算
簡易計算法解説
②荷重ケースB(ﾖｰｲﾝｸﾞ)
風車がﾖｰｲﾝｸﾞしている際に各部に作用するｼﾞｬｲﾛ力およびｼﾞｬｲﾛﾓｰﾒﾝﾄを算出
最大のﾖｰｲﾝｸﾞ角速度は、設計的に未知の場合は1rad/sと想定
改定後のIEC規格では最大ﾖｰｲﾝｸﾞ角速度について、以下の式によって算出するように変更
ωyaw,max: 最大ﾖｰｲﾝｸﾞ角速度 (rad/s)
当該規格では受風面積2m2以下の風車では3rad/sを想定
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
３．小型風車の簡易設計計算
②荷重ケースB(ﾖｰｲﾝｸﾞ)
【ブレード根元荷重_ﾌﾗｯﾌﾟ方
向】
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ根元に作用するﾌﾗｯﾌﾟ方向の曲げﾓｰ
ﾒﾝﾄは、ﾖｰｲﾝｸﾞ回転によるﾌﾞﾚｰﾄﾞ遠心力、
ｼﾞｬｲﾛﾓｰﾒﾝﾄおよびｳｨﾝﾄﾞｼｪｱによって引き
起こされる軸力偏心からなり、以下の式
によって示される。
遠心力項
MyB,max:
e:
lB：
ｼﾞｬｲﾛﾓｰﾒﾝﾄ項
推力偏芯項
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ根元に作用する曲げﾓｰﾒﾝﾄ
(Nm)
風車とﾀﾜｰ中心間の距離 (m)
ﾌﾞﾚｰﾄﾞの慣性ﾓｰﾒﾝﾄ(kgm2)
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３．小型風車の簡易設計計算
②荷重ケースB(ﾖｰｲﾝｸﾞ)
【シャフト荷重_曲げ方向】
ｼｬﾌﾄの第一ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ部に作用する曲げﾓｰﾒﾝﾄ
は、ﾖｰｲﾝｸﾞ回転による風車ﾛｰﾀ部のｼﾞｬｲﾛﾓｰ
ﾒﾝﾄからなり、以下の式によって示される。
ｼﾞｬｲﾛﾓｰﾒﾝﾄ項
ﾛｰﾀ自重項
推力偏芯項
MyS,max: ﾌﾞﾚｰﾄﾞ根元に作用する曲げﾓｰﾒﾝﾄ
mR: (Nm)
lrb：風車ﾛｰﾀの質量 (kg)
風車から第一ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞまでの距離(m)
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３．小型風車の簡易設計計算
簡易計算法解説
③荷重ケースＣ(負荷遮断時)
このｹｰｽでは、負荷が遮断した際に、起り得る最大回転数で発生する
遠心力荷重を算出
負荷遮断時に無負荷となる風車の場合は、基準風速時の無負荷回転数
を想定しなければならない。
負荷遮断時でも制動できる制御機構がある場合は、その制御上での
最大回転数で検討する
2008年中小風機設備標準性能測試研討會交通部運輸研究所 97年07月31日
日本風力エネルギー協会会長
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３．小型風車の簡易設計計算
③荷重ケースＣ(負荷遮断時)
【ブレード根元荷重_回転方
向】
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ根元に作用する引張り荷重は、最大回転
時のﾌﾞﾚｰﾄﾞ自体の遠心力によるものであり、以
下の式によって求められる。
FzB,max: ﾌﾞﾚｰﾄﾞ根元に作用する引張り荷重 (N)
RcgB: ﾌﾞﾚｰﾄﾞ重心から回転中心までの距離(m)
nmax：負荷遮断時最大回転数(rpm)
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
３．小型風車の簡易設計計算
③荷重ケースＣ(負荷遮断時)
【シャフト荷重_曲げ方向】
ｼｬﾌﾄの第一ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ部に作用する曲げﾓｰﾒﾝﾄ
は、最大回転時のﾛｰﾀ重心位置の偏芯による
ﾛｰﾀ全体の遠心力によるものであり、以下の
式によって求められる。
遠心力項
ﾛｰﾀ自重項
FzB,max: ｼｬﾌﾄに作用する曲げﾓｰﾒﾝﾄ (Nm)
er: ﾛｰﾀ重心と回転中心との距離(m)
偏芯距離erは0.001Rと想定する
※改訂後のIEC規格では0.005Rに変更
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３．小型風車の簡易設計計算
簡易計算法解説
④荷重ケースＤ(運転停止時)
風力発電機に回転制動用、緊急停止用などのﾌﾞﾚｰｷ機構が備わっている場合に適用される
※ 停止の状況によっては、ブレーキによる制動力の方が、通常の負荷状態
よりも上回ることがある
【シャフト荷重_捩れ方
向】
ｼｬﾌﾄに作用する回転と逆方向の捩れﾓｰﾒﾝﾄは、ﾌﾞ
ﾚｰｷの定格制動ﾄﾙｸと風車の負荷ﾄﾙｸとの合計に
よって求められる。
MxS,max ｼｬﾌﾄに作用する捩りﾓｰﾒﾝﾄ (Nm)
: ﾌﾞﾚｰｷの定格ﾄﾙｸ (Nm)
Mbrake:
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
３．小型風車の簡易設計計算
【ブレード根元荷重_回転方
向】
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ根元に作用する回転と逆方向の曲げﾓｰﾒﾝﾄは、
ﾌﾞﾚｰｷ時のｼｬﾌﾄに作用する捩りﾓｰﾒﾝﾄ(MxS,max)とﾌﾞﾚｰ
ﾄﾞの自重によるﾄﾙｸとの合計によって示される。
制動ﾄﾙｸ項
ﾌﾞﾚｰﾄﾞ自重項
MxB,max: ﾌﾞﾚｰﾄﾞに作用する曲げﾓｰﾒﾝﾄ (Nm)
MxS,max: ｼｬﾌﾄに作用する捩りﾓｰﾒﾝﾄ (Nm)
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
３．小型風車の簡易設計計算
⑤荷重ケースE(通常待機時)
望ましい状態で待機しているときの各部に作用する風圧荷重を求めるものである。
従って、ﾌｧｰリング機構を有している風車については、ﾌｧｰﾘﾝｸﾞの状態で風向に垂直な各部の
投影面積により風圧荷重を算出することとなる。
基準風速にｶﾞｽﾄﾌｧｸﾀｰ1.4を乗じた値
で検討
F1:
Cd：
ρ：
Vexr：
Aproj:
通常待機時の各部の風圧荷重 (N)
抵抗係数
空気密度 (kg/m3)
基準風速 (m/s)
通常待機状態における各部の受風面積(m2)
⑥荷重ケースE(故障待機時)
方位制御が故障し全方向から風を受けると想定した場合の各部に作用する風圧荷重を求め
るものである。従って風車は最も厳しい状態での風向に垂直な各部の投影面積により、風圧
荷重を算出することとなる。
2008年中小風機設備標準性能測試研討會交通部運輸研究所 97年07月31日
日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
4. 小型風車の性能評価
小型風車
現在市場にある小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機は、各社それぞれが、自社製品の出力性能につい
てｶﾀﾛｸﾞやﾎｰﾑﾍﾟｰｼﾞ上などで記載しているが、この出力性能の評価方法自体がまちまちで
あり、統一性がないのが現状
大型風車
風車の出力性能を表すパワーカーブを測定するにあたり、IEC 61400-12-1で規定されている
「ビン法」にて行っている。この方法は、ﾌｨｰﾙﾄﾞ実験での測定結果を、ある一定の幅をもった風
速範囲ごとに分類することにより、連続的に変動する測定結果をとりまとめるものである。
実際のﾏｲｸﾛ風力発電機のﾌｨｰﾙﾄﾞ実験結果から、このIEC規格で規定されている「ビン法」
での風車出力性能評価を行った事例をもとに、当該評価方法の小型・ﾏｲｸﾛ風車への適用
性について説明する。
2008年中小風機設備標準性能測試研討會交通部運輸研究所 97年07月31日
日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
4. 小型風車の性能評価
ビン法による出力性能評価
連続ﾃﾞｰﾀをもとに10分間または１分間
平均値を求める
風速と出力との関係を設定したﾋﾞﾝ毎に分類する
※ﾋﾞﾝ幅＝0～1m/s, 1～2m/s, 2～3m/s ・・・
各ﾋﾞﾝに分類された風速と出力の値から平均
値をとり、その値を評価風車の代表値とする
Vi：
VN,I,J：
Pi：
PN,I,J：
Ni：
ビンiにおける平均風速(m/s)
ビンiにおけるﾃﾞｰﾀｾｯﾄjの風速(m/s)
ビンiにおける平均出力(W)
ビンiにおけるﾃﾞｰﾀｾｯﾄjの出力(W)
ビンiにおける10分間(または1分間)ﾃﾞｰﾀｾｯﾄ数
小型風車の場合は、1分間データセットで行うことが推奨
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
4. 小型風車の性能評価
ビン法によるデータ処理イメージ
60
Field test
50
Output (W)
40
30
20
10
0
0
連続ﾃﾞｰﾀ
1
2
3
4
5
Wind speed (m/sec)
6
風速と出力の関係
（1分間平均ﾃﾞｰﾀ）
7
8
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4. 小型風車の性能評価
ﾌｨｰﾙﾄﾞ実験の概要
【供試風車】
AURA1000仕様
風車直径
1000mm
起動風速
2m/sec
充電開始風速
2m/sec
定格出力
135W(風速10m/sec)
ｶｯﾄｱｳﾄ風速
DC12V系：13m/sec
DC24V系：16m/sec
耐風速
那須電機鉄工㈱製
「AURA1000」
60m/sec
2008年中小風機設備標準性能測試研討會交通部運輸研究所 97年07月31日
日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
4. 小型風車の性能評価
【ﾌｨｰﾙﾄﾞ実験方法】
設置場所：東京都江東区にある弊社工場敷地内
周辺にはマンションが建ち並ぶ市街地環境
測定項目＝風速、風向、発電電圧(DC-V)、発電電流(DC-A) 発電機負荷＝DC12Vﾊﾞｯﾃﾘｰ
ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ周期＝1sec （ﾃﾞｰﾀﾛｶﾞｰを介してPCにて自動保存）
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
4. 小型風車の性能評価
性能評価結果
【実験サイトの風況】
一日平均風速
風向頻度分布
風速と乱れ強さ
月平均風速＝2.5m/s
風向＝各方位に分散
乱れ強さ＝風速4m/s以上で0.3
低風速で変動の大きい風況下でのフィールド実験
（市街地特有）
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
4. 小型風車の性能評価
性能評価結果
【ビン法による評価】
設計値とﾌｨｰﾙﾄﾞ結果とは非常に良好な一致を示している
IEC 61400-12-1で規定されている「ビン法」による出力性能評価は、小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機
にも十分適用できることが確認できる。
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
小形風車のラベリング制度
国際ｴﾈﾙｷﾞｰ機関(IEA)が主導となり、今年度より実施予定
認証機関を設け、「騒音性」「発電量」「耐久性」「強度」につ
いて審査を受け、認定されたものにラベルが発行される。
「騒音･耐久性」
IEC 61400-2に従い実施
耐久性試験期間中の平均風速をラベル表示
見かけの騒音レベルとして、等価騒音(dBA)
で評価する。(ランクとしてラベル表示)
「発電量」
IEC 61400-2に従いﾌｨｰﾙﾄﾞ試験からﾊﾟﾜｰｶｰﾌﾞ
を求め、年平均風速5m/sとしてのﾚｲﾘｰ分布から
年間発電量を算出してラベル表示
「強度」
IEC 61400-2に従いﾒｰｶ指定の小形風車ｸﾗｽの
設計条件による強度計算書の提出
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日本風力エネルギー協会会長
明道大学能源研究中心教授関和市
5. まとめ
本報では、現在市場にあるﾏｲｸﾛ風力発電機について紹介し、その現状と市街地
設置における問題点および設計留意点などについて述べた。さらにIECで規定さ
れている測定方法に基づいたﾏｲｸﾛ風力発電機の出力性能評価について、実際
のﾌｨｰﾙﾄﾞ実験結果をもとに紹介した。
今後も、製品としての信頼性の向上、また小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の特性に合った
導入計画のもと、より有効的に活用されることを期待する。

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