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日本機械学会流体工学部門講演会講演論文集（2015.11.7-8, 東京）

Copyright ©2015 一般社団法人 日本機械学会

能動制御乱流風洞を用いた速度変動模擬自然風における水平軸風車の性能評価

Performance evaluation of a HAWT in the simulated natural wind with velocity fluctuating by means of an active control turbulent wind tunnel

正 利光 和彦（福岡工大） ○学 成原 貴彦（大分高専専攻科）

正 菊川 裕規（大分高専） 秋吉 新 （IHI）

河津 裕也（大分高専専攻科）

Kazuhiko TOSHIMITSU, Fukuoka Institute of Technology, 3-30-1 Wajiro-higashi, Higashi-ku, Fukuoka 811-0295 Takahiko NARIHARA, Advanced Course, Oita College, National Institute of Technology, 1666 Maki, Oita 870-0152 Hironori KIKUGAWA, Oita College, National Institute of Technology Arata AKIYOSHI, IHI Corporation Yuuya KAWAZU, Advanced Course, Oita College, National Institute of Technology

A wind turbine operates in turbulent natural wind. In particular, the unsteadiness and turbulence of wind in japan are

stronger than one of western countries - Europe, America and others in general. Therefore, we should take account of

the unsteadiness of natural wind in installed open-air location for designing a rotor blade in order to make higher

performance. The present paper describes the effects of sinusoidally velocity fluctuation, turbulent intensity and vortex

scale of simulated natural wind on performance of a horizontal axis wind turbine (HAWT). Using five wind turbine

rotors on the basis of NACA and MEL blades, experimental results are mainly presented to demonstrate the dependency

of wind frequency, turbulent intensity of the wind. As the results, we succeed that one of our designed MEL-type rotors

indicates 130% power coefficient as large as one of steady wind in simulated natural wind.

Key Words: Wind Turbine, Unsteady Flow, Turbulence, Power Coefficient, Rotor Blade Design

１．緒言

通常，風車の設計開発は，風洞を用いた定常風による風

車性能評価によって基本設計を行い，次に現地に設置したモ

デル風車によるフィールド試験で設計改良や詳細決定を行

うといった手順で実施される．日本では，欧米に比べて風速

が時間的に変動する非定常性が強い風であることが多く，不

安定発電の要因の一つとなっている．このため，現在の風車

設計は設置場所における風の時間的変化や乱れを考慮した，

より精緻な設計へ発展しつつある(例えば，1,2)．さらに，この時

間的変動や乱流成分を含む自然風は，定常風より風自体の持

つパワーが大きい場合もあり，非定常風のパワーをうまく取

り出すことができれば，より大きな風車出力が期待できる(3)．

そこで，本研究では，模擬自然風が発生できる能動制御風洞

試験によって，設置風況の非定常性を積極的に利用すること，

同時に，長期にわたるフィールド試験をこの風洞試験で代用

することで，開発時間やコストを抑えた風車設計法の確立を

最終目的とする．本報では，まず著者らの今までの研究結果(4)と実測した風況データ(5)に基づき，運動量理論と翼素理論(6)を用いた翼車の設計・製作を行う．次に，製作した翼車の

非定常風における基本性能評価を行うため，まず，正弦的速

度変動風における翼車の性能を評価する．さらに自然風での

翼車性能評価を目的として，カルマンのパワースペクトル式

を用いた模擬的自然風における翼車性能を評価し，最適な翼

車を明らかにする．

２．風洞および風車性能測定装置

図 1 に，風車性能測定実験装置の概略を示す．風車は，測

定断面 1m×1m の風洞中心位置に設置する．風洞は 66 個（横

6 個×縦 11 個）から成るマルチファン風洞で，能動的制御に

よって変動風や剪断風を発生できる．翼車はトルクメータ

（小野測器製，SS-005 定格 0.5N･m，MP-981）に接続し，発

電機負荷として直流モータ（Maxon 社製，RE25，定格 20W，

40W）を使用する．このモータの負荷トルクを直流電源で調

Fig. 1 Schematics of experimental system to measure wind

turbine performance.

Fig. 2 Schematic and photograph of the wind turbine model,

MEL3.

Table 1 Design condition of rotor

Rotor Name U

[m/s] 𝜆𝐷

AOA

[deg.]

POT

(xe/c)

MOI (I)

[kgm2]

Mass

[g]

NACA1 10 5.0 - 50% 1.52×10-4 120

NACA2 6.5 3.5 8 35% 8.65×10-5 102

MEL1 6 5.0 10 33% 2.81×10-5 67.4

MEL2 6 4.0 15 33% 3.95×10-5 70.5

MEL3 6 2.5 15 33% 1.42×10-4 104

𝜆𝐷 =Designed Tip speed ratio, AOA=Angle of attack, POT=Position of torsional axis from leading edge, MOI=Moment of inertia.

整し，任意の周速比に対する翼車のトルクおよび回転数を計測する．なお，実験において，風洞測定断面の風車モデルによる閉塞率は 3.0%で十分小さいため，本実験では風洞壁面の効果は特に考慮しない

３．翼車

図 2 に製作した翼車の概略と写真の一例を，表 1 に設計条

件を示す．本実験風車では，例えば上流風速 7m/s, 代表寸法

0.194m（翼車直径）とした場合に，レイノルズ数は Re=9.0×104

である．実験では，NACA63 系列の層流翼型および MEL002

翼型（産総研が風車用に開発）に基づく 5 種類の翼車を用い

る．ここで，NACA1 は，ロングタイプ風レンズ風車用に最

適設計された既存のもので，翼形状は翼根から翼端に向かっ

て，NACA63218（翼根）～NACA63212 （翼端）で変化する(5)．この翼車の定常および非定常風における基本性能はほぼ

把握済みである(4)．その他の翼車は，著者らが作成した翼車

設計計算プログラムによって新規に設計・製作する．NACA2

は，NACA63218 翼型で Re=3.0×106の翼性能データを使用す

る．MEL1～3 では，風車レイノルズ数とほぼ同じ Re=9.0×104

の翼型 MEL002 を使用する．

４．定常風における出力特性

4-1定常風における出力特性の定義 定常風における風車

の出力係数𝐶𝑤，トルク係数𝐶t，周速比λを式(1)～(3)で定義す

る．P は風車出力[W]，𝑇は風車トルク[Nm]，𝜌は空気密度

[kg/m3]，𝐴は受風面積[m2]，�̅�は平均風速[m/s]，𝑟は翼車半径

[m]，𝜔は回転角速度[rad/s]である．

𝐶𝑤 ≡𝑃

12𝜌𝐴�̅�3

, 𝐶t ≡𝑇

12𝜌𝐴𝑟�̅�2

(1), (2)

𝜆 ≡𝑟𝜔

�̅� (3)

4-2 定常風における各風車の出力特性 図 3，4 に定常風

（�̅� = 7.0m/s）における各翼車の出力係数とトルク係数を示

す．本設計計算プログラムにより設計した NACA2 および

MEL1～3 は，いずれもやや低い設計周速比で最高出力を示

す．しかし，その違いは NACA1 ほど大きくなく，したがっ

て妥当な設計できていると考えられる．特に，風車出力が大

きいのは，NACA1 と MEL3 である．また，周速比の変化に

対して𝐶𝑤，𝐶tの変化が緩やかな翼車は MEL1, 2 である．これ

らの定常性能と次章の変動風での性能を加味して最適な翼

車を選定する．

５．正弦的速度変動風における出力特性

5-1 正弦的速度変動風条件 本実験では風速を𝑈 = �̅� +

�̃�sin(2𝜋𝑓𝑡)；�̅� = 7.0m/s，�̃� ≃ 1.4m/s(20%)，𝑓=0.033Hz，

0.05Hz，0.083Hz，0.125Hz，0.25Hz で変化させる．（このとき，

風の変動周期は，𝑇w=30s，20s，12s，8s，4s である．）なお，

実験での変動風振幅，周波数（周期）の実験条件は，九州大

学伊都キャンパスにおける風況データについて調査した伊

庭ら(4)のデータを参考にした．

5-2正弦的速度変動風における出力変化 正弦的速度変動

風および定常風における出力係数の比（変動風での出力変化

率）を𝐶𝑤𝑢/𝐶𝑤𝑠 で評価する．ここで，𝐶𝑤𝑢，𝐶𝑤𝑠はそれぞれ正

弦的速度変動風および定常風での最大出力係数である．図 5，

6に𝜆 = 2.0(1400rpm)，3.9(2700rpm)での各翼車の出力変化

率を示す．小さい周速比𝜆 = 2.0において，MEL3 が最も出力

増加率が大きい．一方，周速比𝜆 = 3.9では，T ≥ 12sで MEL3

増加率が大きく，特に T=20s では 130%の大きな増加率を示

Fig.3 Power coefficient of the wind turbines in steady wind

at �̅� = 7.0m/s.

Fig.4 Torque coefficient of the wind turbines in steady wind

at �̅� = 7.0m/s.

Fig.5 Power coefficient ratio with wind turbine type and

wind period in the oscillating velocity wind at λ=2.0.

Fig.6 Power coefficient ratio with wind turbine type and

wind period in the oscillating velocity wind at λ=3.9.

す．さらに，短い変動風周期 T = 4s では，NACA1 および

MEL1 の増加率が大きくなる．総合的には，定常風での最高

出力が大きく，かつ正弦的速度変動風での出力増加率も大き

な MEL3 が最も性能の良い翼車と考えられる．

６．模擬自然風における出力特性

第 5 章の正弦的速度変動風の結果から，風車出力が大き

い翼車である NACA1 と MEL3 について以下に述べる模擬

自然風で性能評価を行う．

6-1 模擬自然風 模擬自然風は，図 1 のマルチファン型

能動制御乱流風洞を用いて，式(4)に示すカルマンのパワース

ペクトル 𝑆𝑢(𝑓)[m2/s]に基づいて，ランダムな速度変動風を

発生させる．

𝑆𝑢(𝑓) = 4𝐼2𝐿�̅�

1

[1 + 70.7 (𝑓𝐿�̅�)2

]

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(4)

ここで，f は周波数[Hz]，�̅� は平均風速[m/s]，I は乱れ強

度，L は渦スケール[m]である．乱れ強度 I は，乱流の平均

的な乱れの強さを表す尺度であり，風速の標準偏差 σと主

流方向平均風速�̅�との比として次式で定義される．

𝐼 =𝜎

�̅� (5)

実験では，式(4)を実現する時系列風速データが必要とな

る．そのため，本実験では，式(4)で定められたパワースペ

クトルにランダム位相を仮定して逆フーリエ変換を行うこ

とによりランダム模擬自然風を発生させることにする．

6-2 模擬的自然風の条件 自然風の乱れ強度 I および渦ス

ケール L の風車性能への影響を調べるために表 2 に示す条

件で約 10 分間のランダム速度変動模擬自然風において実験

を行った．ランダム速度変動風では，風洞制御プログラムの

目標値（Target）を正確に実現することが難しく，乱れ強度 I

および渦スケール L を変化させると，平均速度や乱れ強度は

若干 Target の値よりずれる．したがって，実験ごとに熱線風

速計で風速を測定した値（Measurement）を示す．なお，風車

の出力係数は実測の時間平均流速を用いて無次元化してい

ることを付記する．図 7 に一例として MEL3 でのカルマンの

式(4)の理論値と変動風速実測値から算出したパワースペク

トルの比較を示す．熱線風速計のノイズなどの影響もあり，

f=0.5Hz 以上の範囲では実験風速はかなり幅を持ったパワー

スペクトルになるが f=0.01～0.05Hz の範囲ではおおよそカ

ルマンの式に合うものとなっている．

6-3模擬自然風における各風車の出力特性 図 8, 9 に乱れ

強度を約 5%とし，渦スケールを 1, 3, 6m と変化させた

NACA1 および MEL3 の時間平均出力係数と周速比の関係を

示す．参考として，図 3 で示した定常風（�̅�=7m/s）における

出力係数も併記する．NACA1 および MEL3 は定常風におい

ての最大出力係数はほぼ同じであるが，増加率𝐶𝑤𝑢/𝐶𝑤𝑠 は，

NACA1 が 1.25，MEL3 が 1.31 で，MEL3 の方が大きく，広

い範囲の周速比で高い出力を示し，かつ，渦スケール（L）の

変化に対して出力はあまり変化しない．これは，NACA1 の

設計周速比が高いこと（いわゆる OFF Design での周速比で

作動していること）および MEL 翼型が本実験風車のレイノ

ルズ数に合致した低レイノルズ数型であることが起因して

Table 2 Condition of turbulent wind.

Target Measurement

�̅�[m/s] I [%] L[m] �̅�[m/s] I [%]

1 6.53 5.4

NACA1 7.0 5 3 6.78 4.5

6 6.44 5.1

1 6.40 3.7

MEL3 7.0 5 3 6.46 4.5

6 6.39 5.0

Fig.7 Comparison of power spectrum between theory and

experiment for fluctuating wind velocity.

Fig.8 Effect of vortex scale on power coefficient of NACA1 in the condition Table 2.

Fig.9 Effect of vortex scale on power coefficient of MEL3 in the condition Table 2.

いると考えられる．しかしながら，その因果関係は明確では

なく，今後さらに多くのケースで実験を行い，乱れ強度およ

び渦スケールと風車性能との関係を明らかにする必要があ

る．現時点においては，自然風に対して MEL3 翼が最も性能

が良いと言える．

７．結 言

本研究では，水平軸 3 枚羽根プロペラ風車に対して，独自

に翼車設計計算プログラムを作成し，NACA 翼および MEL

翼データを用いて設計条件を変えた 4 種類の翼を製作した．

性能が既知な翼と新規に製作した合計 5 種類の翼車で，定常

風，正弦的速度変動風，模擬自然風における出力特性を把握

した．得られた主な結論を以下に示す．

1) 定常風での出力を大きくするには，設計周速比を小さ

めにして翼弦長が長めの翼（幅広翼）を使用する．この

場合，翼車は回転抵抗，慣性モーメントが大きくなる．

ただし，出力は，翼車の特性および発電負荷トルク特性

に依存し，これらの因子のトレードオフ関係として最

適な設計周速比があると考えられる．

2) 正弦的速度変動風のパワーをうまく取り出すには，設

計周速比は小さい方がよい．ただし，性能向上が期待で

きる風速変動周期は，本実験では約 8 秒以上である．

3) カルマンの式（乱れ強度は約 5%，渦スケールは 1,3,6m）

を基本とした模擬自然風において，新規に設計した翼

車（MEL3）は定常風より最大で 131%の高出力を得るこ

とができる．

4) 定常風，正弦的速度変動風および模擬自然風の全てに

おいて，本実験で最も良い出力性能を示す翼車は MEL3

である．

謝 辞

本研究は，ターボ機械協会畠山助成金の援助を受けました．

また，MEL 翼データは，松宮輝氏並びに小垣哲也氏（独立行

政法人産業技術総合研究所）のご厚意により使用させていた

だきました．研究の遂行に当たり，古川明德先生（大分高専），

翼車の製作は岩本光弘技術員（大分高専）にお世話になりま

した．ここに記して謝意を表します．

引用文献

(1) 長谷川豊，菊山功嗣，刈込 界，乱れを伴う流入風によ

る水平軸風車の空力負荷変動，機論，69-684, B（2003)，pp.1846-1853.

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(3) 沖野誠心、伊庭周作、大屋裕二、烏谷隆、渡辺公彦, 大

気乱流が風車の発電性能に与える影響, 日本風力エネ

ルギー学会風力エネルギー利用シンポジウム予稿集,

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(4) 利光和彦，菊川裕規，佐藤浩平，正弦的速度変動風下に

おけるフランジ付きディフューザ風車の出力特性およ

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文集(2006)，pp.377-380．

(6) 牛山 泉, 風車工学入門(第 2 版-基礎理論から運用のノ

ウハウまで), 2013, 森北出版.