(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼周囲の流体を受ける位置に突出して設けた片持ち梁突起と、
前記片持ち梁突起に固定したファイバーグレーティング部を備えた光ファイバーと、
前記光ファイバーのファイバーグレーティング部からの光のデータを解析することにより、前記片持ち梁突起の歪みを検出するデータ解析部と、
前記翼に固定した誘電体バリア放電部と、
前記誘電体バリア放電部に供給する高周波電圧を制御する高周波電圧制御部とを備え、
前記高周波電圧制御部では、前記データ解析部のデータ解析結果により、前記誘電体バリア放電部に供給する高周波電圧を制御することを特徴とする誘電体バリア放電利用空力制御翼装置。
【請求項２】
前記片持ち梁突起に固定したファイバーグレーティング部に近接し、且つ片持ち梁突起の歪の影響を受けない位置に、データ参照用の他のファイバーグレーティング部を固定したことを特徴とする請求項１記載の誘電体バリア放電利用空力制御翼装置。
【請求項３】
前記翼は回転翼であり、
前記片持ち梁突起に固定することにより翼と共に回転するファイバーグレーティング部と接続する回転側光ファイバーは、光ファイバー回転ジョイントによりに固定側の光ファイバーとデータの送受信可能に接続したことを特徴とする請求項１記載の誘電体バリア放電利用空力制御翼装置。
【請求項４】
前記翼は回転翼であり、
前記誘電体バリア放電部に供給する電源は、固定側に設けた一次コイルから、回転翼の軸に固定し当該一次コイルに近接して回転する二次コイルに電流を供給することにより固定側から回転側に設けたバッテリを充電することを特徴とする請求項３に記載の誘電体バリア放電利用空力制御翼装置。
【請求項５】
前記片持ち梁突起に固定するファイバーグレーティング部は、全て１本の光ファイバーによって直列に接続したものであることを特徴とする請求項１記載の誘電体バリア放電利用空力制御翼装置。
【請求項６】
前記片持ち梁突起は、翼と一体成形したものであることを特徴とする請求項１記載の誘電体バリア放電利用空力制御翼装置。
【請求項７】
前記片持ち梁突起は、翼の一部を構成する部材に一体成形したものであり、当該翼の一部を翼本体に固定することによって所定の翼を形成することを特徴とする請求項１記載の誘電体バリア放電利用空力制御翼装置。
【請求項８】
前記片持ち梁突起は、それぞれ異なった片持ち梁突起形状を備えた部材で構成し、当該部材を任意に組み合わせて使用可能としたことを特徴とする請求項１記載の誘電体バリア放電利用空力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、翼の表面に誘電体バリア放電による表面プラズマを任意に発生させ、翼の空力特性を制御することができるようにした誘電体バリア放電利用空力特性制御翼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より各種アクチュエータが開発されているが、近年表面プラズマを用いたアクチュエータが注目されている。これは例えば図８（ａ）に示すように、樹脂、セラミック等の絶縁体５１を挟んで表面側電極５２と裏面側電極５３を設け、両電極に交流電源５４によって交流電界を発生させると、表面側電極５２の縁部５５から絶縁体５１の表面に沿ってプラズマジェット５６が発生することを利用するものであって、誘電体バリア放電アクチュエータ、或いは表面プラズマアクチュエータ等と呼ばれる。特にこの誘電体バリア放電は周囲の気体を誘導し誘導気流５７が発生するため、この作用を有効に利用する研究がなされている。
【０００３】
その一つとして例えば図９（ａ）に示すような翼５８の表面における、翼面から空気流が剥離しやすい部分に前記のような誘電体バリア放電装置５９を設けるものであり、同図には翼の表面に表面側電極５２を１列に形成したものを示している。このような誘電体バリア放電装置５９を用いると、図９（ｂ）のように前記の原理により表面側電極５２の縁部５５にプラズマジェットが発生する。
【０００４】
それによりこの翼５８の表面を流れる気流は同図（ａ）のように翼の後部に逆流による乱流や渦を発生して剥離を生じる。このとき、誘電体バリア放電装置をオンすると、前記誘導気流の発生原理によって影響を与え、同図（ｂ）のようにこの部分に生じやすい剥離を消すことができる。特にこのような誘電体バリア放電によるプラズマは、翼表面には表面電極として薄い膜を形成するのみでよいので、翼表面を流れる気流に対する空気抵抗等の影響が少なく、且つ機械的な作動部分がないため、故障すること無く安定して作動させることができるものとして期待されている。
【０００５】
特に図８（ａ）に示すように、交流電源５４を制御装置６０によって制御可能とし、且つセンサ５９によって気体速度や温度を検出して、その信号によって制御装置６０が交流電源５４を制御することにより、そのときの条件に対応して渦流の発生を防止することができるようになる。このときの制御信号としては、例えば図８（ｂ）に示すように、 所定の狭い幅の交流パルスを図示の例では１／１５秒間出力するようにし、更に図示の例ではその後１３／３０秒間休止してから同じ交流パルスを出力している。このような制御状態からより強いプラズマジェットを発生させようとするときには、例えば図５（ｃ）に示すようにパルスの供給時間を多くするデューティー比制御を行うことにより対応することができる。
【０００６】
このような誘電体バリア放電装置によるプラズマは、本発明者等が先に提案している各種の電極の形状や配置により、種々のプラズマジェットを発生させることができ、前記のような翼の渦流発生制御による剥離防止作用を行わせるほか、更に各種のアクチュエータとして利用することが考えられる。なお、プラズマアクチュエータについては下記文献に詳細に記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Roth, J. R., Sherman, D. M., and Wilkinson, S. P. (1998). Boundary layer flow control with a one atmosphere uniform glow discharge. AIAA Paper 98-0328, 36th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada.
【非特許文献２】Corke, T. C., Jumper, E. J., Post, M. L., Orlov, D., and McLaughlin, T. E. (2002). Application of weakly-ionized plasmas as wing flow-control devices. AIAA paper 2002-0350, 40th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, Reno, Nevada.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
誘電体バリア放電によるプラズマは、前記のように各種の流体機械に空力特性を向上させる手法として期待されているが、その一つの分野として風力発電用の翼に用いることが注目されている。
【０００９】
風力発電技術は、脱石油、及び環境対応技術として世界的に注目され、多くの風力発電装置が設置され、研究開発も広く行われている。従来、風力発電システムの開発における基本的な考え方は、理想的な環境下での風力発電用タービンブレードの特性を向上させることであり、また風力発電システムを設置する環境（風向き、平均風速、地形）に適したセッティングを行うことである。特に我が国では、複雑で起伏が大きい地形や季節風の変化により風速・風向変動が大きくなるため、より広範囲で優れた特性を持つ風力発電システムが求められる。
【００１０】
風力発電システムにおいて、流体力学的にその稼働率や施設利用率が低下する要因は主に２つある。第１は正面から風が吹いている場合にも、流速がカットイン風速に達しない場合はブレードが回転できないため、結果として発電そのものをできない非稼動状態となる。ブレードの特性や発電機の始動トルクが機種ごとに異なるためカットイン風速には幅があるが、概ね２．５m/sから３m/s程度である。
【００１１】
また、平均流速がカットイン風速に達っしている場合であっても、風向がブレードの回転に必要な揚力を得るための迎角の設定範囲内でなければならない。よって、時間的に風向や風速が変動するような環境では、回転を始動するための風を的確に捉えなければ、静止摩擦に打ち勝ち回転するチャンスを逸してしまう。
【００１２】
第2に、静止摩擦に打ち勝って回転を始めた場合であっても、風の状況が変化することによる失速が原因で、動特性が劣化する場合である。速度が小さい条件下（低レイノルズ数）では低迎角において層流剥離が生じ、翼型の前縁近傍から大きく流れが剥離し失速する場合が多い。流れが層流剥離している場合でもブレードは回転しているため稼働率は維持できるものの、十分な揚力が得られないために風速に対する発電量が落ちてしてしまうため、結果として施設利用率の低下に繋がる。逆に流速が速い条件下（高レイノルズ数）では高い発電量が期待できる反面、乱流剥離と呼ばれる翼後縁部から流れが剥離することで失速が生じる場合がある。
【００１３】
乱流剥離が発生した場合は、ブレードの下流に振動流れが誘起され、さらにフィールドでは風速変動が重なることで、最悪の場合は過荷重や振動によるブレード損傷に繋がることもある。このような状況は台風や季節の変わり目で起こる突風など、我が国の風環境では想定すべき問題であり、安全性の観点から強制的にブレードを停止させなければならない場合も多く、結果として施設利用率の低下に繋がる。このように、固定翼の場合は実験室でどれだけ高い性能を示したとしても、自然環境下では予想したほどの発電量が得られない事例が度々見受けられる。
【００１４】
上記のように風力発電システムでは、時々刻々風向風力が変化する風に対応して、安定して効率よく回転する翼が必要であるのに対して、現在の技術では実際にはほとんど対応することができておらず、そのため上記のような環境変化に対応した翼を備えた風力発電システムの開発が求められている。
【００１５】
翼の表面の空気流を制御する技術は、前記のような風力発電システムばかりでなく、例えば航空機の翼、ジェットエンジンのブレード、ターボチャージャーのブレート等々、広範囲の分野で求められている。しかしながら特に各種の回転翼を利用する分野においては、実際に回転する翼への適用は極めて困難である。
【００１６】
従って本発明は、前記のような誘電体バリア放電によるプラズマ発生によって翼表面の流れを制御する際、周囲の環境に影響されずに確実に翼表面の流れの状態を検出し、誘電体バリア放電による空力特性の制御を行うことができるようにし、特に風力発電装置のような回転翼に適用可能として、風力発電システムを安定して高効率で作動することができ、同様の技術により各種の回転翼を備えた装置にも適用可能な誘電体バリア放電利用空力制御翼装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る誘電体バリア放電利用空力制御翼装置は、前記課題を解決するため、翼周囲の流体を受ける位置に突出して設けた片持ち梁突起と、前記片持ち梁突起に固定したファイバーグレーティング部を備えた光ファイバーと、前記光ファイバーのファイバーグレーティング部からの光のデータを解析することにより、前記片持ち梁突起の歪みを検出するデータ解析部と、前記翼に固定した誘電体バリア放電部と、前記誘電体バリア放電部に供給する高周波電圧を制御する高周波電圧制御部とを備え、前記高周波電圧制御部では、前記データ解析部のデータ解析結果により、前記誘電体バリア放電部に供給する高周波電圧を制御することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る他の誘電体バリア放電利用空力制御翼装置は、前記誘電体バリア放電利用空力制御翼装置において、前記片持ち梁突起に固定したファイバーグレーティング部に近接し、且つ片持ち梁突起の歪の影響を受けない位置に、データ参照用の他のファイバーグレーティング部を固定したことを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る他の誘電体バリア放電利用空力制御翼装置は、前記誘電体バリア放電利用空力制御翼装置において、前記翼は回転翼であり、前記片持ち梁突起に固定することにより翼と共に回転するファイバーグレーティング部と接続する回転側光ファイバーは、光ファイバー回転ジョイントによりに固定側の光ファイバーとデータの送受信可能に接続したことを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る他の誘電体バリア放電利用空力制御翼装置は、 前記誘電体バリア放電部に供給する電源は、固定側に設けた一次コイルから、回転翼の軸に固定し当該一次コイルに近接して回転する二次コイルに電流を供給することにより固定側から回転側に設けたバッテリを充電することを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る他の誘電体バリア放電利用空力制御翼装置は、前記誘電体バリア放電利用空力制御翼装置において、前記片持ち梁突起に固定するファイバーグレーティング部は、全て１本の光ファイバーによって直列に接続したものであることを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る他の誘電体バリア放電利用空力制御翼装置は、前記誘電体バリア放電利用空力制御翼装置において、前記片持ち梁突起は、翼と一体成形したものであることを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る他の誘電体バリア放電利用空力制御翼装置は、前記誘電体バリア放電利用空力制御翼装置において、前記片持ち梁突起は、翼の一部を構成する部材に一体成形したものであり、当該翼の一部を翼本体に固定することによって所定の翼を形成することを特徴とする。
【００２４】
本発明に係る他の誘電体バリア放電利用空力制御翼装置は、前記誘電体バリア放電利用空力制御翼装置において、前記片持ち梁突起は、それぞれ異なった片持ち梁突起形状を備えた部材で構成し、当該部材を任意に組み合わせて使用可能としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は上記のように構成したので、誘電体バリア放電によるプラズマ発生によって翼表面の流れを制御する際、周囲の環境に影響されずに確実に翼表面の流れの状態を検出し、誘電体バリア放電による空力特性の制御を行うことができるようにし、特に風力発電装置のような回転翼に適用可能として、風力発電システムを安定して高効率で作動することができ、同様の技術により各種の回転翼を備えた装置にも適用可能な誘電体バリア放電利用空力制御翼装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明を風力発電システムに利用した例を示す図である。
【図２】片持ち梁にＦＢＧを適用して空気流を検出する例を示す図である。
【図３】ファイバーグレーティングセンサの原理を示す図である。
【図４】翼に片持ち梁突起を設け、ファイバーグレーティング部を設ける例を示す図である。
【図５】翼に片持ち梁突起を形成する例を示す図である。
【図６】片持ち梁突起の各種態様を示す図である。
【図７】ＦＯＲＪの原理図である。
【図８】従来例を示す図である。
【図９】翼に従来の誘電体バリア放電装置を設けた例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２７】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。本発明は、前記図９に示すような本発明者等が先に提案している誘電体バリア放電によるプラズマを用いた翼の表面流制御技術を用い、特にセンサ５９を、各種の回転翼及び固定翼に広範囲に利用でき、特に風力発電システムの回転翼に最適なものを開発したものであるので、最初に本発明で用いるセンサとしての剥離検出センサについて説明する。
【００２８】
本発明で用いる剥離検出センサは、例えば図２に示すような片持ち梁式検知システムであり、ブロードバンドレーザーを用いた歪み検出システムである。このシステムでは複数の歪み検出を1本の光ファイバーによるＦＢＧで行うことができる。
【００２９】
このＦＢＧはＦｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒの略で、ファイバーグレーティングセンサと広く呼ばれる技術である。これは光ファイバー中に紫外線レーザー等により等間隔のスリットを高密度に設置し、外力や周辺温度などによって変化するスリット間隔に応じてブロードバンドレーザーが反射される波長が変化する。この変化量から歪み量を解析できる。異なるスリット間隔のセンサ部を1本のファイバー内に数箇所設置することで、異なる場所の歪みを同時計測できる。
【００３０】
ファイバーの始点から導入されたブロードバンドレーザーがＦＢＧセンサ部Ａに導入されるが、センサＡにはあらかじめ１０mm程度の領域内にスリットが２０００本程度、Lの間隔で設置されているため、レーザー波長のうちｌＢ = ２ｎ0Ｌの波長が反射されることになる。このスリット間隔Ｌは歪みが与えられることによりＬ＋Ｌ’に変化するが歪みと比例することがわかっており、予め歪みと反射波長ｌＢの校正曲線が得られていれば、計測した反射波長ｌＢ1 = ２ｎ0（Ｌ＋Ｌ’)をセンサに歪みとして与えられる外力と読み替えることができる。
【００３１】
ＦＢＧセンサの利点は電磁ノイズや漏電等の問題を回避できるだけではなく、同じファイバー内のセンサＡの部分以外にもＬとは異なるスリット間隔のセンサ部を複数結合することが可能である点で、例えば図３のＦＢＧセンサＢを歪みによる変形を受けない部分に設置すれば、温度変化によるファイバーの変形を検出する参照用の「温度センサ」として用いることが可能となる。
【００３２】
ＦＢＧセンサＡの反射波長も周辺温度の変化により、外力と温度の両方の歪み量として現れるため、ＦＢＧセンサＢをセンサＡ近傍に設置して温度変化のモニタリングを行うことで、温度ドリフトを補正できる。その結果、センサAに与えられる外力をより正確に評価することが可能になる。
【００３３】
前記のようなＦＢＧセンサを用いた図４に示す片持ち梁式ＦＢＧセンサにおいては、片持ち梁突起３１を翼２から、通常の空気流に沿って突出させ、そこに光ファイバー１３を沿わせる。その際に、片持ち梁突起３１の付け根近傍式にＦＢＧセンサＡ２６を接着し、これを片持ち梁突起３１部分でＵターンさせ、これを外に導く時、翼２の表面に沿わせてＦＢＧセンサＢ２６を貼り付けている。
【００３４】
このような片持ち梁突起３１を実際の風車等の回転翼に取り付ける際は、例えば図３（ｂ）のようにして取り付けることができる。同図の例においては、３枚羽の風車の模式図を示しており、３枚の各翼に１個ずつ図４（ａ）と同様の片持ち梁突起を設け、前記と同様のＦＢＧセンサＡとＦＢＧセンサＢとを配置している。これらの片持ち梁突起は１本の光ファイバーで連結しており、したがって図示の例では１本の光ファイバーに６個のＦＢＧが直列に配置される。そのため、回転翼の中心部からは、ファイバー出入口部２７が一つだけとなる。なお、上記のような例の他、各翼毎に一個ずつファイバー出入口を設けることもできる。
【００３５】
翼に片持ち梁式のセンサを取り付けるに際しては各種の手法で実施することができ、図５（ａ）には翼と一体的に片持ち梁突起を形成した例を示している。このような成形は、マシニングセンタや３Ｄプリンタ等を用いて、センサ部を含む翼型を無垢で作ることができる。また、同図（ｂ）に示す例においては、センサ部の破損や劣化に対応できるように、アダプタ４１に前記のような片持ち梁突起を一体成形し、これを翼４２の所定位置に予め形成した溝内にはめ込んで固定することによって成形しても良い。
【００３６】
更に、例えば図６に示すように、各種の片持ち梁突起を同じ大きさのセンサピースとして成形して用意しておき、これらを任意に組み合わせることによって、所望のセンサを形成することができるようにしても良い。同図（ａ）の例では、主たる流れ方向に沿った大きい片持ち梁突起を形成したセンサピース４６Ａと、それに対抗して特に逆流方向の流れを検出する比較的小さな片持ち梁突起を備えたセンサピースとを組み合わせた例を示している。
【００３７】
図６（ｂ）には同図（ａ）とは逆向きに設置した例を示しており、これらのセンサピース４７Ａ及び４７Ｂを新たに作ることなく、同図（ａ）のものを用いて配置を換えるだけで対応することができる。同図（ｃ）の例においては、互いに反対向きで同様の形状の片持ち梁突起４８Ａ、４８Ｂを対向して用いた例を示している。前記のようなセンサピースは任意の組み合わせで、且つ任意の数用いることができ、これらの片持ち梁突起に前記のようなＦＢＧセンサを設けることによって、例えば同図（ｄ）に示すように、種々の態様で実施することができる。なお、１本の光ファイバーにＦＢＧセンサを直列に配置して取りくける時、現在は２０個以上のＦＢＧを用いることが可能である。
【００３８】
上記のような片持ち梁突起にＦＢＧセンサを貼り付けて剥離センサとして用いる時には、前記図４（ｂ）に示すように１本の光ファイバーによって直列に連結して用いることができるものであるが、この翼が風車のように回転翼である場合は、光ファイバーの反射波を利用して各ＦＢＧセンサのデータを解析する時、その解析部分は固定側に存在するので、その間に回転型の光ジョイントを用いる必要がある。そのためには、従来から広く用いられているＦＯＲＪ（fiber optics rotary joint)を使用することによって解決することができる。
【００３９】
このＦＯＲＪの原理を図７に示している。このＦＯＲＪにおいては、固定側レンズ３２と回転側レンズ３３との間では平行光線となるように対向して設置しており、光ファイバーの光導入部３４からの光を、前記のようなレンズからなる光回転ジョイント部を介して、光導出部３５から導出する。このようなＦＯＲＪでは図示するように光り伝達損失を生じるので、多チャンネル化の際は留意する必要がある。
【００４０】
前記のように、翼に設けた片持ち梁突起に光ファイバーに設けたＦＢＧセンサを固定することによって翼で発生する剥離現象を確実に測定することができ、そのセンサ信号によって翼に設けた誘電体バリア放電装置の通電を制御し、剥離に対応した翼表面の空力特性を調節することができるものであるが、このシステムを風力発電の風車に適用した例を図１に示している。
【００４１】
図１の風力発電の風車１の例においては、全体を支える固定軸３に対して、風向きに合わせて回転する水平回転部材５を介して支持軸４を備えており、この支持軸４に風車１の主要部が支えられている。支持軸ベアリングによって回転軸７が回転自在に支持されており、回転軸７は回転翼２の基部と連結している。
【００４２】
回転翼２には例えば図４（ｂ）に示したような片持ち梁突起に、片持ち梁の歪みを計測するＦＢＧセンサＡと、周囲温度参照用のＦＢＧセンサＢとで一対となるセンサ部を固定している。これらのセンサ部は回転するため、前記のようなＦＯＲＪ１５を介してＦＢＧセンサからの光を固定側の光ファイバーに導き、これを解析することによって翼における剥離の状態を検出する。
【００４３】
図１に示す例においては、回転軸に二次コイル１２を設け、風力発電システムからの電力を一次コイル１３に導き、これを回転する二次コイル１２に取り込んで、充電池１６に供給して必要量を充電する。それにより誘電体バリア放電の電源とし、前記ＦＢＧセンサによる剥離検出信号等に応じて、図８に示すように誘導バリア放電用の高周波電源の制御を行う。
【００４４】
上記の制御系は図１（ｂ）に示しており、ＦＢＧセンサ１４で剥離等を検出し、これを固定側のＦＢＧデータ解析部１６に光ファイバー８によって送信する時、前記のように光回転ジョイントであるＨＯＲＪ９を介して送信する。一方、一般電源供給系統１７からの電流を、一次コイル及び二次コイルからなる誘電式電源供給部６によって充電池７を充電する。
【００４５】
高周波印加電圧制御部８では、前記ＦＢＧデータ解析剥離検出部１６の信号によって充電池７の電源によって高周波制御を行い、誘電体バリア放電部３５の放電制御を行い、ＦＢＧセンサ１４の出力に対応した、しかも回転側と固定側の間で信号、及び電源の伝達を行い、剥離防止作用を行うことができる。
【符号の説明】
【００４６】
１  風車
２  翼
３  固定軸
４  支持軸
５  水平回転部材
６  プラズマ用電源供給部
７  回転軸
８   高周波印加電圧制御部
９   ＦＯＲＪ
１０  コーン
１１  動力伝達機構
１２  ２次コイル
１３  １次コイル
１４  剥離センサ
１５  誘電体バリア放電部
１６  ＦＢＧデータ解析剥離検出部
１７  一般電源供給系統
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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