水平軸小型風力発電機のパッシブヨーイング運動解析（最大ヨーイング角速度簡易計算式の誘導）

摘要

水平軸小型風力発電機の中でも直径2m以下の設置場所は、地上高10m程度の市街地やルーフトップが多く、風速·風向変動が大きい。これら風車の風向制御は尾翼によるパッシブ制御が一般的であり、急激な風向変動により風車のヨー（首振り）角が100°を超える場合がある。この時、風車のヨーイング角速度に比例して発生するジャイロ力がブレードやシャフトを破損させる恐れがあり、小型風力発電機の機械故障の主要因の一つとなっている。このため水平軸小型風力発電機の設計基準を定めているIEC61400-2ed.2では、風向変動に対する最大ヨーイング角速度（以後ω_(max)）を式(1)の通り定めている。しかし、この式は実験的に得られたものであり[4]、風車半径だけに依存する非常に省略化された式となっている。また風車のヨーイングに関する従来の研究の殆どはヨー角が60°までのものであり、またパッシブヨー風車のヨーイング挙動を解析した事例も少ない。本研究では急激な風向変動に対応する、ヨーイング挙動を180°まで表せる運動方程式を誘導する。次にその方程式を使って様々な設計条件でω_(max)を計算し、ω_(max)の新たな簡易式を誘導する。本報で提案した簡易式は、式(1)と比べて風車半径、尾翼面積、慣性モーメントといった設計因子を全て含む、より実際的なω_(max)の簡易計算式である。