周速比

風力タービンの先端速度比λ（TSR）は、ブレードの先端の接線速度と実際の風速vの比です。先端速度比は効率と関連しており、最適な値はブレードの設計によって異なります。^{[ 1 ] [ 2 ]}先端速度が速いほど騒音レベルが高くなり、遠心力が大きくなるためより強力なブレードが必要になります。

${\displaystyle \lambda ={\frac {\mbox{ブレードの先端速度}}{\mbox{風速}}}}$

ブレードの先端速度は で計算できます。ここではローターの回転速度、Rはローターの半径です。したがって、次のようにも書けます。 ${\displaystyle \omega \cdot R}$ ${\displaystyle \omega }$

${\displaystyle \lambda ={\frac {\omega R}{v}},}$

ブレードハブの高さにおける風速は どこですか。${\displaystyle v}$

C _p –λ曲線

出力係数は、風力タービンによって取り出される風力エネルギーの割合を表します。これは通常、周速比とピッチ角の両方の関数であると想定されます。以下は、ピッチ角を一定に保った状態で、周速比を変化させた場合の出力係数の変化を示したグラフです。 ${\displaystyle C_{p}}$

可変速風力タービンの事例

もともと風力タービンは固定速度でした。これは、発電機のローター速度が一定であるため、交流電圧の周波数が一定になるという利点があります。これにより、風力タービンを送電システムに直接接続できます。しかし、上の図から、出力係数は周速比の関数であることがわかります。つまり、風力タービンの効率も周速比の関数です。

理想的には、あらゆる風速においてタービンがC _pの最大値で動作することが望まれます。これは、風速が変化するとローター速度も変化し、 C _p = C _{p max}となることを意味します。ローター速度が可変の風力タービンは、可変速風力タービンと呼ばれます。これは、風力タービンが様々な風速範囲においてC _{p max}またはその近傍で動作することを意味しますが、交流電圧発生器の周波数は一定ではありません。これは次の式で表すことができます 。

${\displaystyle N={\frac {120f}{P}},}$

ここで、 Nはローターの角速度、fはステーター巻線に発生する交流電圧の周波数、Pはナセル内の発電機の極数です。したがって、可変速運転のために送電システムに直接接続することはできません。必要なのは、タービン発電機で発生した信号を直流信号に変換し、さらにそれを系統/送電システムの周波数を持つ交流信号に変換する電力変換器です。

可変速風力タービンに反対する理由

可変速風力タービンは送電システムに直接接続できません。その欠点の一つは、可変速風力タービンの稼働台数が増えるにつれて送電システムの慣性が低下することです。その結果、発電ユニットの損失時に送電システムの電圧周波数が大幅に低下する可能性があります。さらに、可変速風力タービンにはパワーエレクトロニクスが必要となるため、タービンの複雑さが増し、新たな故障原因が発生します。一方、可変速風力タービンと固定速風力タービンを比較した場合、約2%の追加的なエネルギー回収が可能であることが示唆されています。^{[ 3 ]}

参考文献

1. Adkins, Charles N.; Liebeck, Robert H. (1994年9月). 「最適プロペラの設計」. Journal of Propulsion and Power . 10 (5): 676– 682. doi : 10.2514/3.23779 .
2. Glauert, H. (1948). 「翼型とスクリュー理論の基本」ケンブリッジ大学出版局（第2版再版）199. doi : 10.1017/CBO9780511574481 .
3. 可変速風力タービンの性能の乱流、ダイナミクス、制御への依存性、ライトヘッド