論 文
6
0
0
全文
(2) 動 力 損 失 と して 影 響 す る と 考 え られ る.本 節 リ ン ク機 構 に よ る 翼 の 揺 動 が,可. 論 文 で は,4. 変 ピ ッチ 式 直 線 翼 垂. 能 で あ り,αcは. 偏 心 リン ク ま た は 第2リ. αwは 翼 部 リ ン ク ま た は 偏 心 リ ン ク の 長 さ を 変 え て 調 節. 直 軸 風 車 の 出 力 に 与 え る影 響 を理 論 計 算 及 び 風 洞 実 験 に. す る8).第1リ. よ り調 べ る.. 転 す る と,回 転 中 心 が 異 な る第2リ. ン ク に 繋 が れ て い る翼 が 点0を. が れ て い るた め,翼 2.可. 変 ピ ッチ 角 機 構. え ば,各. 本 風 車 を 上 か ら見 た 概 略 図 を 図1に の 前 縁 側 の節 を 点P1,後 中 心 を 点0,第2回 lmの 第1リ. こで,翼. 縁 側 の 節 を 点P2,第1回. 転 軸 中 心 を 点Oeと. ン ク と長 さ4の 第2リ. OOe,P1.P2間. 示 す.こ. 転軸. す る。各 節 は 長 さ. ン ク で 連 結 され て お り,. は そ れ ぞ れ 長 さleの 偏 心 リ ン ク,長. 翼 部 リ ン ク と して 扱 うこ とで4節 い る.風 車 の 回 転 角 ψ は,偏. さlcの. リン ク機 構 を構 成 して. 心 リン ク と第1リ. ン ク が成. ン ク の長 さ を,. 中心 に回. ン ク と翼 後 縁 部 が 繋. が 正 弦 的 に 揺 動 す る こ と に な る.例. リ ン ク 長 さ をlm=373mm,ls=365mm,lc=85mm,. le=22mmと. して,点Oeが. Rω/V,R:ロ. 下 流 側 に あ る場 合 の 周 速 比λ[=. ー タ 半径,ω:風. 風 車 回 転 数,V:風. 車 角 速 度(=2πN/60),N:. 速]が2.0に. お い て,風 車 が 一 回 転 した. 時 の 風 車 回 転 角 度 ψと翼 の ピ ッチ 角 αp及 び 流 入 風 に 対 す る 翼 の 迎 角 αvの 関係 を 図2に. 示 す.同. 図 中 には固 定 ピ ッ. チ 式 の 翼(取 付 角 αc=0°)に お け る 迎 角 αfの 変 化 も示 す. こ こ で,翼. の ピ ッチ 角 αpの 変 動 の 平 均 値 は αc,振. 幅は. 中 心 と して. ±αwで あ る.図2で 示 した リン ク長 さ の 組 み 合 わ せ で は,. の 取 付 角 αcと 振 れ 角. 取 付 角 αc=11.9°とな り,風 車 が1画 転 す る 問 に 翼 は 点P1. す 角 と し,本 風 車 を 上 か ら見 た と き,点0を 反 時 計 回 り を正 回 転 方 向 とす る.翼. αwは リン ク 長 さ を変 え る こ とで,任 意 の 角 度 に設 定 が 可. を 回 転 中 心 と して,正 る.固. 弦 的 に振 れ 角 αw=±15.0° で 揺 動 す. 定 ピ ッチ 式 の 翼 の 場 合,周. れ に 対 す る 迎 角 αfは‑30°. 速 比 λ=2.0に. お け る流. 〜30° ま で 変 化 す る.こ の 変. 動 す る 迎 角 を 小 さ くす る た め に 可 変 ピ ッ チ 角 機 構 を 用 い る こ とで,迎. 角 αvは‑4.11°. 合 よ り も小 さい 変 動 とな る.し. 〜33.1° と 固 定 ピ ッチ の 場 た が っ て,翼. の迎 角 を最. 適 な 角 度 に維 持 す る こ とが 可 能 に な る.. 3.翼. の 揺 動 に 要 す る動 力. 本 リ ン ク機 構 に よ る 翼 の 揺 動 に 費 や す 動 力 を,図3の よ うに 翼1枚 Oを. に お い て 点P1を. 中 心 と した 回 転 座 標 系 と点. 中心 と した 回転 座 標 系 の2つ. で 考 え る.ま. ず,翼. が. 点P1を 中心 と した 回転 運 動 とす る場 合,翼1枚 の 慣 性モ ー メ ン トを 為 と して ,翼 が 角 加 速 度 βbで 揺 動 す る た め に 必 要 な トル クTbは 式(1)で 与 え られ る. Fig.1 Variable-pitch. angle mechanism Tb=Ibβb. 点0を. (1) 中 心 と した 回 転 座 標 に お い て,原. 1リ ン ク が 一 定 の 角 速 度 ω(=dφ/dt)で. Fig.2 pitch. Vahation angle. Joumal. of. αp with. the. angle. blade. of. azimuth. atbck angle. αf,αv. and. 動 節 で あ る第. 回 転 して い る 時,. the. Fig.3 Analysis model of four-bar linkage. ψ for λ=2.0. of JWEA ―130―. 2008年.
(3) 可変 ピッチ式直線翼垂直軸風車 にお ける翼の揺動 による動力損失. 中 間節 で あ る 翼 部 リン クlcの 角 速 度(揺 動 角 速 度)ωb,角 加 速 度(揺 動 角 加 速 度)βbは 原 動 節 の 位 置 ψ の 関 数 と して, 以 下 の よ うに表 せ る. 図3中. の 点P2の 位 置 に つ い て 角 度 γ,θ を 用 い て 式(2). の 関係 が 得 られ る.. (8b) (2). した が っ て,翼. をn枚. 有 す る風 車 が 一 回転 した 場 合 の翼. が 揺 動 す るた め の動 力PBは 式(2)を 時 間1で 微 分 し,式(3)を. 式(9)の よ うに な る.. 得 る.. (9) (3). 式(8a)よ りPbは ω の3乗 に 比 例 す る こ とに な る.つ ま り, 損 失 と して 作 用 す る翼 の 揺 動 に費 や す 動 力Pbは,翼. こ こ で ωb(=dγ/dt),ωS(=dθ/dt)は,そ. れ ぞれ翼 部 リン. 性 モ ー メ ン ト 為ま た は 風 車 回転 数Nが. ク と 第2リ. 解 け ば 両 者 は)求. 加 す る の で,風. ン ク の 角 速 度 で あ り,式(3)を. め ら れ,式(4),(5)の. 車 出 力Pが. の慣. 大 き く な る ほ ど増. 低 下 す る と予 想 され る.. よ う に な る.. 4.実. (4). 験装 置 お よび実験 方法. 供 試 翼 の 仕 様 を 表1に. 示 す.実. 験 に は 製 作 が 容 易 で,. 慣 性 モ ー メ ン トを簡 単 に 変 え る こ とが で き る翼 弦 長c= 200mm,翼. (5). 厚2mmの. 平 板 翼 を 用 い た.翼 の 慣 性 モ ー メ ン. トを変 え る た め に,翼 の材 質 を 鉄 とア ル ミの2種 類 と し, さ ら に,回 転 中 心 点P1を. 翼 中 央 及 び 翼 前 縁 方 向 に70mm. した が っ て,原 動 節 の角 度 ψ と角 速 度 ω が 与 え られ る と,. 移 動 させ た.ま. 連 立 方 程 式(2)か ら角 度 γ,θ が 定 ま り,こ れ らの 値 を 式. な 実 験 で 求 め た.図4の. (4),(5)に 代 入 して 翼 部 リン ク と第2リ. ン ク の 角 速 度 ωb,. た 糸 を 巻 き つ け,錘. ωSが 算 出 で き る.ま た 同 様 に,式(3)を. さ ら に 時 間1で 微. 下 時 間1を 測 定 し,錘 の 落 下 加 速 度aを. 分 して 式(6)が 得 られ,第2リ る こ とで,翼. た,供 試 翼 の 慣 性 モ ー メ ン トは 次 の よ う よ うに,翼. を 高 さHか. の 回 転 軸 に錘 が付 い. ら落 下 させ,そ. ン ク の 角 加 速 度 βsを 消 去 す. 部 リン ク の 角 加 速 度 βb(=d2γ/dt2)が. の時 の落. 式(10)で 得 る.. (10). 式(7). 錘 の質 量Mと. の よ うに 得 られ る.. 落 下加 速 度aか. ら糸 にか か る張力 男 は式. Table 1 Blade specification. (6). (7). 以 上 の こ とか ら,翼1枚. の 揺 動 に必 要 な 動 力Pbは. 式(8a). の よ うに な る.. (8a) た だ し,. Vol.32,No.2 ―131―. 風 力 エ ネ ル ギー.
(4) (11)の. ±12.2°,±15.0° とす る条 件 で 揺 動 させ た.風. よ う に 表 さ れ る.. (11) gは. 重 力 加 速 度 で あ る.式(10),(11)よ. り翼 の 慣 性 モ ー. メ ン トIbは 式(12)で 算 出 で き る.な お,表1の. 値 は風 車. 車 トル クTw. は,風. 速Vを. 一 定 と し,モ ー タ に つ な が れ た 風 車 の 回 転. 数Nを. イ ンバ ー タ で 制 御 し,ト ル ク 計(TEACTQ‑AR5N). を 用 い て 測 定 した.そ. して,風. 車 出 力P(=Twω)及. 力 係 数Cp(=P/ρRhV3,ρ:空. び出. 気 密 度)を 算 出 した.. 運 転 に 必 要 な 取 付 金 具 を含 む 翼 ブ レー ドの 慣性 モ ー メ ン トで あ り,糸 巻 き な ど の 翼 以 外 の 軸 や 取 付 金 具 の慣 性 モ ー メ ン トを 事 前 に 測 定 し ,差 し引 い て い る.. 風 洞 実 験 は 図5に. お,風. 性 は 土1.8%以. 示 す よ うな 断 面 寸 法W1200mm×. 機 械 損 失 をPM,揺. 車 が 風 か ら得 る エ ネ. ー タ の 空 気 力 学 的 損 失 をPa,. 動 に よ る動 力 損 失 を 馬 とす る と,次. 式 で 与 え られ る.. の 測 定 断 面 に お け る速 度 分 布 の 一 様. 下,乱 れ 強 さ は0.8%以. で使 用 し た風 車 は,翼 枚 数n=3枚,ロ 翼 ス パ ン長 さh=800mmで で,ソ. 5.1動 力 損 失 の 評 価 方 法. ル ギ ー をPw(=ρRhV3),ロ. 測 定 部 を 持 つ 開 放 型 回流 式 風 洞 で 行 っ た.な. 速V=6m/sで. 験結 果 お よび考察. 可 変 ピ ッチ 式 風 車 の 出力Pは,風. (12). H1200mmの. 5.実. ー タ 半 径R=400mm,. あ る.翼 弦 長c=200mmな. リデ ィ テ ィ σ'(=nc/R)=1.5に. を αc=11.9° と一 定 に し,振. (13). 下 で あ っ た.実 験. な る.翼. こ こ で,Blade(1)とBlade(3)の の. は,取 付 角. れ 角 の 範 囲 を αw=士9.5°,. 風 車 出力 を 、P1,P3と す る.. 風 車 の ス ケ ー ル 及 び 揺 動 条 件 な ど が 同 じ場 合,風 車 のPw, Pa,PMは. 等 し く な る の で,P1とP3は. か し,動 力 損 失 が含 ま れ る の で,実 モ ー メ ン トが 大 き いBlade(3)の 式(14)の よ うに,翼. 際 の 出 力 は 翼 の慣 性. 風 車 の 方 が 小 さ く な る.. の 揺 動 に よ る動 力 損 失 の 差 ΔPBはP1. とP3の 差 で 求 ま る.以 後,各 の 動 力 損 失 を評 価 す る.出 由 は,平. 同 じ値 に な る.し. 風 車 の 出 力 差 に よ り翼 揺 動. 力 差 で 動 力 損 失 を評 価 した 理. 板 翼 の 固 定 ピ ッ チ 式 風 車 が 回 転 し な い た め,そ. の 出 力 特 性 を基 準 と した 相 対 的 評 価 が 出 来 な い か らで あ る.. (14) 5.2翼 の 慣 性 モ ー メ ン トの 影 響. Fig.4 Experimental apparatus for the measurement of moment. 本 風 車 の 仕 様 で 効 率 が 良 か っ た 揺 動 条 件 の αc=11.9°,. of inertiaof a blade. αw=±15.0°に お い て,風. 速V=8m/sで. の ピ ッチ 角 条 件 翼. の 慣 牲 モ ー メ ン トを変 化 させ た 場 合 の 出力 係 数 を 図6に 示 す.慣. Fig.6. Fig.5 Experimental apparatus for the wind tunnel test. 性 モ ー メ ン トが 最 も小 さ く,翼. Effect. coefficient. Journal of JWEA ―132―. Cp. of. inertia. moment. of. for αc=11.9°,αw=±15.0°and. の回転 位 置 が翼. blades. on. power. V=8.0m/s. 2008年.
(5) 可変 ピッチ式直線翼垂直軸風車 にお ける翼の揺動 による動力損失. 中 央 で あ るBlade(1)は,λ=0.75付 9%を. 示 した.し. 近 で最 大 の出力係 数. 小 さ く,振 れ 角 αwに よ る差 異 は あ ま り見 られ な い.し か. か し,翼 の 材 質 を 鉄 に して 慣 性 モ ー メ. し,高 い 回 転 数 に な る と振 れ 角 が 大 き い αw=土15.0° の 方. ン トを 増 加 させ たBlade(3)で 下 した.ま して,慣 は,顕. た,翼. はBlade(1)よ. り も出 力 は 低. の 回 転 中心 を 翼 前 縁 方 向へ70mmず. 性 モ ー メ ン トを増 加 させ たBlade(2),(4)の. ら 場合. 著 に影 響 が 現 れ て お り,λ ≧0.4で 急 激 な 出 力 低 下. が 生 じた.こ. が ΔPBは 大 き くな る こ とが 分 か る.出 力 係 数 が ピー ク と な る 回 転 数N=110rpmの. 出 力 差 ΔPBの 値 は,振 れ 角 αw. が3° 小 さ く な る と13%程. 度 低 下 す る た め,高 回 転 数 域. で は,翼 を 大 き く揺 動 させ な い こ とが 望 ま しい と い え る.. の 結 果 よ り,翼 の 慣 性 モ ー メ ン トが 可 変 ピ. ッチ 式 風 車 の 出 力 に影 響 す る とい え る. 5.3振 れ 角 の 影 響 Blade(1),(3)に お い て,翼. の 取 付 け角 をαc=11.9° と し,. 振 れ 角 αwを 変 化 させ た 場 合の 出 力 係 数 を 図7に 力 係 数 は,αw=±15.0° 速 比 が1〜2程. の 条 件 に お い て 最 大 と な っ た.周. 度 で は,図2に. 変 動 す る た め,翼. 示 す.出. 示 し た よ うに 迎 角 が 大 き く. の ピ ッチ 角 変 化 も 大 き く変 化 させ て,. 迎 角 変 化 を 出 来 るだ け 小 さ くす る こ と で性 能 が 向 上 す る とい え る.し. か し,λ>1.1の. 激 に 低 下 し,αw=土15.0°. 高 周 速 比 に な る と出 力 が 急. の 出 力 係 数 は,最. 終 的 に αw=. 土12.2°,士9.5° よ り も小 さ くな っ た.こ の よ うに,αwが. 小. (a)Blade(1). さい ほ ど高 周 速 比 域 の 出 力 曲 線 の 傾 き が な だ らか で あ る. こ の傾 向 は,図7(b)に. 示 すBlade(3)の. 方 が 顕 著 に 現 れ た.. 振 れ 角 を 小 さ く す る こ とで 翼 の揺 動 に よ る動 力 損 失 が 小 さ くな る とい え る. 5.4風 速 の 影 響 翼(1),(3)で,ピ 合 に お い て,風. ッチ 角 条 件 αc=11.9°,αw=土15.0° の 場 速 を 変 化 させ た 場 合 の 出 力 係 数 を 図8に. 示 す.風. 速V=4m/sの. っ た.こ. れ は,レ. 方 がV=8m/sよ. り も効 率 が 低 く な. イ ノル ズ数 が低 下 す る と翼 に 生 じ る流. 体 力 が 減 少 し9),出 力 が 低 下 した と考 え られ る. 5.5風 車 回 転 数 の 影 響 Blade(1),(3)で を 図9に. の 風 車 の 出 力 差 ΔPBと 回 転 数Nの. 示 す.翼. の揺 動 に よ る動 力 損 失 は,風. 関係. (b)Blade(3). 車 回転数. に 依 存 して お り,回 転 数 が 増 加 す る と動 力 損 失 も急 激 に. Fig.7Effect. 増 加 す る.こ. coefficient. の こ とか ら,本 風 車 は 低 回 転 数 で 運 転 す る. of blade Cp. pitch. angle. for αc=11.9°and. amplitude. αw on power. V=8.0m/s. こ とが 望 ま しい とい え る. 次 に,Blade(1)とBlade(2),(3)と 図10に. の 出 力 差 の 値 ΔPBを. 示 す.ま た,図 中 に は慣 性 モ ー メ ン トの値 と式(9). か ら求 め た 計 算 値 を 実 線 で 示 して い る.理 論 値 で あ る 実 線 のΔPBは,風. 車 回 転 数 の3乗. の 直 線 が 描 か れ る.実 て い な い が,低. に比 例 す る た め,傾. き3. 験 デ ー タ と理 論 値 は 完 全 に一 致 し. 回 転 数 域 に お け る実 験 値 の傾 き は3.00で. あ る こ とか ら,傾 向 は ほ ぼ 一 致 して い る とい え る.ま た, Blade(1)とBlade(3)の. 出 力 差 に対 し,翼 の 慣 性 モ ー メ ン. トの 変 化 が 大 き いBlade(1)とBlade(2)の. 出力 差 の方 が. ΔPBは 大 き い. 図11に,各. 振 れ 角 αwに お け るBlade(1)とBlade(3)の. 出力 差 ΔPBの 変 化 を示 す.低. Fig.8Effectof wind speed on power coefficient Cp. い 回 転 数 に お い て はΔPBが. Vol.32,No.2 ―133―. 風 力 エ ネ ル ギー.
(6) この よ うに,可 変 ピ ッチ式 風 車で は,翼 を最適 な角 度. Symposium on Transport Phenomena (Daejeon, KOREA),. で揺 動 させ る こ とで性 能 は 良 くな るが,揺 動 に費 やす 動 力 は翼 の振れ 角,翼 の慣性 モ ー メ ン トと風 車 回転 数 に依. ISTP18-316,pp.1834-1839, (2007-8). 9). Quanhua Sun and Iain D. Boyd, Flat-plateaerodynamicsat very. 存 す るので,本 風 車 の実 用化 に向 けて,そ れ らを考慮 し. low Reynolds number, J.Fluid Mech. (2004), vol.502,. てい く必 要が あ る.具 体 的に は,風 車 半径 を増大 させ て,. pp.199-206.. 低 回転数 で運 転 させ るこ と,翼 の軽 量化 お よび揺 動軸 を 翼 の重 心へ近 づ け る こ と,高 速 回転 時 には な るべ く揺 動 させ ない よ うな工夫 な どが必 要で あ る. 6.結 論 4節 リンク機構 を用 いた 可変 ピ ッチ式 直線 翼垂 直軸 風 車 にお け る翼 の揺動 が風 車 出力 に与 える影 響 を理 論 計算 と風洞 実験 に よ り調 べ,以 下 の結果 を得 た. (1)翼. を揺 動 させ る こ とで,周 速 比 が 上昇 す る に従 い. 揺 動 に よる動力 損 失 が急激 に増 加 す るこ とを示 した. (2)低. 回 転数 域 にお い て,翼 の揺 動 に よる動力 損失 は. 風車 回転数 の3乗. に比 例 し,理 論 計算 と傾 向 が一致. す る こ とを示 した.さ らに,翼 の慣 性モ ー メ ン トが. Fig.9Difference in powers vs.rotational speed(Blade. 増 加 す る と風 車 出力 が低 下す るこ とを 明 らか に した.. (1)‑Blade(3)). (3)振. れ 角 を大 き くす る こ とで,翼 の揺 動 に よ る動 力. 損 失 が増加 す るこ とを示 した. なお,本 研 究 の一 部 は 日本 学術 振 興会 科学 研究 補助 金 及びNEDOの. 大 学発事 業創 出実 用化研 究 開発費 の助 成 を. 受 けた.こ こに記 して謝 意 を表す. 参考文献 1). 上田, NEDO関. 連プロジェク トの進歩状況 と成果, 第29. 回30周 年記念風力エネルギー利用シンポジウム講演論文 集(2007‑11), pp38‑44. 2). Noll, R.B. and Zvara,J., High-reliability Vertical-Axis Wind Turbine, Proceedings Small wind Turbine Systems 1981,. 3). (1981-5),pp.17-28. Spera,D.A., WindTurbineTechnology,(1981),ASME Press.. 4). Pawsey,N.C.K., Development and Evaluation of Passive. Fig.10Difference inpowersvs.rotational speed(Blade (1)‑Blade(2)and Blade(1)‑Blade(3)). Variable-PitchVerticalAxis Wind Turbines, PhD Thesis, Univ. New SouthWales,Australia,(2002). 5). Vandenberghe,D.and Dick,E., A Theoreticaland Experimental Investigationinto the StraightBladed VerticalAxis Wind Turbine with Second Order Harmonic Pitch Control, Wind Engineering, Vol.10,No.3, pp.122-138,1986.. 6). 森 永 ・曾 禰 ・田村, 鉛 直 軸 可 変 ピ ッチ 風 車, 論 文 集(B編). 7). 49巻443号(1983‑7),. 日本 機 械 学 会. pp.1410‑1419.. 関 ・牛 山, さ らな る風 を求 め て 垂 直 軸 風 車(基 礎 ・設 計 か ら 応 用 ま で), パ ワー 社 (2008), pp81‑82.. 8). Fig.11 Effect of blade pitch. Kiwata, T.,etal.,Performanceof a Vertical‑Axis Wind Turbine. difference in powers. angle. amplitude. (V= 8m/s). withVariable‑Pitch Straight Blades,Proc.of 18thInternational Journal. 2008年. of JWEA ―134―. on.
(7)
関連したドキュメント
Based on this analysis, we designed a fluctuation generation model that combines three elements: disordering of the skeletal axis, disordering of annual ring intervals, and
Accordingly, this study is designed to evaluate the possible protective effects of TQ against Aβ 1-42 induced neuronal toxicity using embryonic rat primary hippocampal and cortical
