　　　　　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

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

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。

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

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直線翼型抗力型揚力型

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)＝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)

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・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)

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

ﾌｨｰﾙﾄﾞ実験結果(1ヶ月間) 月平均風速＝1.98m/s 発電量＝4850Wh 日平均風速＝ 3.67m/s 発電量＝665Wh

3m/s 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。ﾌｨｰﾙﾄﾞ実験結果(連続データ) 2）　連続データ（1日）

E N W 発電状況(風向安定時)

発電状況(風向変動時) 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

誘導型 発電機同期型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

１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(各構成部品説明)１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(各構成部品説明) ナセル一般風車のナセル内部発電機・ハブ一体型

WIND WIND 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)

１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(用途例)１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(用途例) 導入形態小形・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。

１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(用途例)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) 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

１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(用途例)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

１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(用途例)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) 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

１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(用途例)１．小型・ﾏｲｸﾛ風力発電機の現状(用途例) 系統連系方式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

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

２．設計・導入における留意点（導入段階） 機種選定

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）

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 Re=1.5×105 Re=6×106

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 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

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風車は無負荷運転 ②充電開始＝発電電圧がﾊﾞｯﾃﾘ電圧と同等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

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

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】小型風車の設置環境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

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。

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

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風車の最大出力点は風速の３乗に比例発電機の出力は非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。

検討を怠ると・・・ 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

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

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。

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

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) 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。

MxB: B: ﾌﾞﾚｰﾄﾞ回転方向曲げﾓｰﾒﾝﾄ(Nm) ﾌﾞﾚｰﾄﾞ枚数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。

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。 = =

FxS: λR: 風車の推力 (N) 風車設計周速比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

MxS: QR: ｼｬﾌﾄに作用する捩れﾓｰﾒﾝﾄ (Nm) 風車定格ﾄﾙｸ　(Nm) 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: mR: lrb：ｼｬﾌﾄに作用する捩れﾓｰﾒﾝﾄ (Nm) 風車ﾛｰﾀ質量　(kg) 風車から第一ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞまでの距離(m) 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

ωyaw,max: 最大ﾖｰｲﾝｸﾞ角速度 (rad/s) 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当該規格では受風面積2m2以下の風車では3rad/sを想定

MyB,max: e: lB：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) 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。遠心力項ｼﾞｬｲﾛﾓｰﾒﾝﾄ項推力偏芯項

MyS,max: mR: lrb：ﾌﾞﾚｰﾄﾞ根元に作用する曲げﾓｰﾒﾝﾄ (Nm) 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) 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

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

FzB,max: RcgB: nmax：ﾌﾞﾚｰﾄﾞ根元に作用する引張り荷重 (N) ﾌﾞﾚｰﾄﾞ重心から回転中心までの距離(m) 負荷遮断時最大回転数(rpm) 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: er: ｼｬﾌﾄに作用する曲げﾓｰﾒﾝﾄ (Nm) ﾛｰﾀ重心と回転中心との距離(m) 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

MxS,max: Mbrake: 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) 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。

MxB,max: MxS,max: ﾌﾞﾚｰﾄﾞに作用する曲げﾓｰﾒﾝﾄ (Nm) ｼｬﾌﾄに作用する捩りﾓｰﾒﾝﾄ (Nm) 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

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) 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 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。

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。

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