周速比

風力タービンの先端速度比λまたは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。先端速度比は効率に関係しており、最適な値はブレードの設計によって異なります。^{[1]先端速度が高くなると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 として計算できます。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。${\displaystyle v}$

出力係数は、風力タービンによって抽出される風力の割合を表します。これは通常、先端速度比とピッチ角の両方の関数であると考えられています。以下は、ピッチが一定に保たれている場合の先端速度比の変化に伴う出力係数の変化のグラフです。 ${\displaystyle C_{p}}$

もともと、風力タービンは固定速度でした。これには、発電機のローター速度が一定であるため、AC 電圧の周波数が固定され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。ただし、上の図から、電力係数は先端速度比の関数であることがわかります。さらに、風力タービンの効率は先端速度比の関数です。

理想的には、すべての風速でタービンが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}になる必要があることを意味します。可変ローター速度を持つ風力タービンは、可変速風力タービンと呼ばれます。これは、風力タービンがさまざまな風速でC _{p max}またはその近くで動作することを意味しますが、AC 電圧ジェネレータの周波数は一定ではありません。これは、次の式で確認できます。

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

ここで、Nはローターの角速度、fはステーター巻線で生成される AC 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、可変速度用の伝送システムに直接接続することはできません。必要なのは、タービン発電機によって生成された信号を DC に変換し、その信号をグリッド/伝送システム周波数の AC 信号に変換する電力変換器です。

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 1 つは、可変速風力タービンがオンラインになると送電システムの慣性が低下することです。これにより、発電ユニットが失われた場合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であり、タービンの複雑さが増し、新しい障害の原因が発生します。一方、可変速風力タービンと固定速風力タービンを比較すると、約 2% の追加エネルギー捕捉が達成されると示唆されています。^[2]