小型風力加速タービン

小型風力加速タービン（CWAT）は、風力発電要素に入る前に風を加速する構造を使用する風力タービンの一種です。 ^[1] これらの構造の概念は何十年も前から存在していますが^[2]、市場では広く受け入れられていません。 2008年には、中風力（100kW-1MW）市場をターゲットとする2つの企業がベンチャーキャピタルから資金提供を受けました。 資金提供を受けた最初の企業はOptiwindで、2008年4月にシリーズAの資金提供を受け、2番目の企業はOgin, Inc.（旧FloDesign Wind Turbine Inc.）で、これも2008年4月にシリーズAの資金提供を受けました。Optiwind ^[3]はCharles River Venturesを通じて、FloDesignはKleiner Perkinsを通じて資金提供を受けています。^[4]開発中の他のCWATには、AristaPowerのWindTame​​r、WindCube、Innowind（概念的なオフショアアプリケーション）、Enfloタービンがあります。

CWAT は、以前は DAWT (ディフューザー増強型風力タービン) と呼ばれていたクラスの機械を包括する新しい頭字語です。上記の技術はすべて、以前の設計と実質的に同じディフューザー増強を主な加速手段として使用しています。DAWT は、1970 年代から 1980 年代にかけてグラマン エアロスペースの K. フォアマンとオマーンによって、また1970 年代にはイスラエルの Igra によって徹底的に研究されました。グラマン、 NASA、DOEの資金提供による10 年にわたる風洞研究と設計の結果、DAWT システムの経済性は商業化を正当化するのに十分ではないと判断されました。^{[要出典] 1990 年代にグラマンの技術は}ニュージーランドの会社である Vortec Windにライセンス供与されました。 1998 年から 2002 年にかけてニュージーランドで Vortec 7 を商業化する試みが行われました。しかし、主流の HAWT (水平軸風力タービン) 技術と比較すると、Vortec 7 は経済的に実現不可能であることが判明しました。

結局のところ、風力タービンの設計は、経済的な現実に照らして評価されなければなりません。「システムの設置と運用にかかるコストは、地域の電力網を含む他の代替手段にかかるコストよりも低いか」という質問に明確に答えなければなりません。歴史的に、CWAT/DAWT 設計は、従来の HAWT 設計に比べてこのハードルを克服できませんでした。しかし、この方程式がこれらの新しい設計にシフトしていると考えられる理由があります。この方程式の 2 つの主な要因は、増強の量と、これらの追加設計要素の構造的影響です。

最初の要素は、出力増加と、DAWT（および最近ではCWAT）設計者がシステムを開発する価値があるかどうかを判断するために使用する比較方法に関するものです。グラマン社やこれらの機械を商品化しようとする他の企業は、ローター面積同士の比較に基づいて自社の機械をHAWTと比較しています。デルフトのヴァン・ブッセル氏（「風からより多くのトルクを生み出す科学：ディフューザー実験と理論の再考」、GJW van Bussel、デルフト、2007年）^[5]が指摘したように、これは不正確な比較であり、出力倍数の比較はローター面積ではなくディフューザーまたはシュラウドの出口面積に基づいて行う必要があります。グラマン社は、周囲風速の1.6倍の加速に基づいて、シュラウドなしのタービンに比べて4倍の出力増加を主張しました（「ディフューザー増強タービンの調査」、DG Philips、2003年（KM Foremanから編集された参考資料））。シュラウド付きローターと出口面積の比率が 1.6 の場合、1.6 の加速度は実際には HAWT の 2.6 倍のパワーです。ただし、ローターと出口面積の比率が 2.75 (グラマンの場合のように) の場合、ディフューザー出口面積と同じ掃引面積を持つ HAWT に対する実際のパワー増加は、パワーの 1.4 倍に過ぎません (出口面積に関連する Cp は 0.34 で、小型のダクトなし風力タービンよりわずかに優れていますが、実用規模の風力タービンの Cp より大幅に劣っています)。この比率の DAWT は、ブレードとディフューザーを考慮すると約 60% 以上の堅牢性があり、HAWT の堅牢性は約 10% であることを考えると、40% のゲインを生み出すために必要なコストと材料の量は、パワーの増加を上回ります。^{[引用が必要]}

2 つ目は、すべての風力タービンが IEC 61400 シリーズの規格(IEC)に従って設計されなければならない、強風時の転倒や曲がりに対する抵抗に関する構造要件です。DAWT 構造は一般に抗力特性が劣ります (DG Philips を参照)。これに高い堅牢性が加わると、従来のモノポール設計を使用する場合、支持構造、ヨー ベアリング、および基礎において HAWT よりも大幅に構造コストが高くなります。ただし、新しいタワー設計、フランジ形状、および基礎システムの出現により、これらの歴史的基準にうまく挑戦しているように見えますが、そうであれば、これらの進歩は従来の HAWT 設計の経済性を改善することにも同様に適用できます。^{[引用が必要]}

Optiwind (現在は廃業) の場合、CWAT/DAWT 設計がもたらす加速と経済の両方の課題を解決したと彼らが考えている証拠が増えているようです。このカテゴリでの新しい設計の以前の試みは加速の大きさにのみ焦点を当てていましたが、Optiwind は加速の利点と同じくらいコストを考慮し、より全体的なアプローチを設計に採用しているようです。さらに、ユニット全体の継続的な運用および保守コストもこの設計でうまく対処されているようです。^[要出典] 大型複合ブレード、ギアボックス、ヨーモーター、ピッチ制御、潤滑など、HAWT システムの大きなコスト要因はありません。さらに、新しい基礎形状により、従来のモノポール基礎設計^[要出典]の構造上の課題が緩和されているようです。これは、もともと大型の 3 ブレードタービンの逆回転効果 (「ぐらつき」) を相殺するために考案されたものです。そのため、Optiwind のシステム全体のコストに対する総合的なアプローチが、加速風の経済的利点を正味システムコストよりも低いコストで現実的に実現できる一連の設計と発見につながったと想定するのは妥当です。これは、Optiwind システムを純粋に定格で HAWT と比較する場合は正確です。そこで問題となるのは、Optiwind の設計をスタック高さ (最も低いタービンから最も高いタービンまでの距離) に基づいて同じ直径の従来の HAWT と比較すると、機械の全体的な出力は HAWT よりも 20% 少なく、それには通常 CWAT/DAWT に関連するすべての付随する材料費と構造費がかかることです。^[要出典] 平均して、CWAT/DAWT システムは、大幅に高い材料費を相殺するために、CWAT/DAWT が使用する最大面積から HAWT が生成できるエネルギーの少なくとも 2 ～ 3 倍を生成する必要があります。^{[引用が必要]} HAWT と同等の条件で比較した場合、このレベルの増加が可能な DAWT/CWAT 設計が存在するという証拠はまだありません。

Ogin の MEWT (ミキサー エジェクター風力タービン、別の CWAT バリエーション) は、ローブ付きの 2 段ディフューザー (Grumman と Vortec の機械も 2 段式ですが、ローブではなく円錐形) を使用してディフューザーの出口領域の圧力を均等にすることで、以前の DAWT と区別されます。理論的には、ローブで均一な圧力分布を作成し、外部の流れを注入すると、ディフューザー内で境界層の分離が防止され、ローターを通る加速が最大になります。Werle と Presz (Flodesign の主任科学者) の論文、AAIA 技術ノート「ダクト式水力/風力タービンの再考 - 2007」では、設計の理論が詳しく説明されています。論文で詳述されている最大加速度は周囲速度の 1.8 倍で、そこから、ローターでは、シュラウドなしのタービンよりも 3 倍の電力を利用できることが導き出されています。出口領域に関しては、この倍数は HAWT の電力と同等になります。公開された画像とCADに基づくと、オギンのタービンは、ローブ状の内側環状部を除いて、ボルテックやグラマンの機械と実質的に同じように見えます。^[6] これは、その抗力特性が類似していることを示唆しています。オギンのWebサイト（www.oginenergy.com）の新しい情報では、ローブが2Dパネルに平らになっていることが示されています。オギンの風力タービンの多くは、理由は明らかにされていませんが、6か月も経たないうちに撤去されています。^[7]

構造物の周りの風の加速の科学、およびシュラウド/ディフューザーの渦放出の利点は、十分に理解され、テストされています。ベルヌーイ以降、科学はこれらの概念をかなり精査しており、その真実性と風力発電への潜在的な影響については、一般的な学術的コンセンサスがあります。しかし、DAWT には、「失速」迎え角で翼が経験する典型的な境界層剥離の問題があります。^[要出典] これにより、上記の Flodesign の論文によると、出口対面積比で示される理論的な速度と比較して、DAWT で達成可能な加速が大幅に減少します。風力タービンによって生成される電力量は風速の 3 乗に比例するため、加速の利点は風力の経済性において統計的に重要である可能性があると一般に考えられています。ただし、前述のように、これは出口対面積比の影響を無視しているため不正確であり、したがってまったく異なる比較です。^[要出典] 典型的なCWAT/DAWTの場合、シュラウドの面積に合わせて調整された完全な理論動作での電力結果は、実際にはローターの速度の2乗です。^[要出典] CWAT/DAWTが理論機能から逸脱すると、質量保存から導かれる式に従って電力増加が大幅に低下します。

${\displaystyle {\text{出力比}}_{DAWT \over HAWT}={{A_{throat}} \over {A_{intake}}}\left({V_{throat} \over V_{freestream}}\right)^{3}}$

${\displaystyle {\text{電力比}}_{DAWT \over HAWT}={1 \over 2.75}\left({27.5{\text{ ms}} \over 10{\text{ ms}}}\right)^{3}=7.56{\text{ 増加}}}$

例えば、Flodesignの面積比2.75で理論関数1.8で動作するDAWTの場合、

${\displaystyle {\text{電力比}}_{DAWT \over HAWT}={1 \over 2.75}\left({18{\text{ ms}} \over 10{\text{ ms}}}\right)^{3}=2.12{\text{ 増加}}}$

DAWTで最大とされる速度増加は、自由流の1.6倍であり、

${\displaystyle {\text{電力比}}_{DAWT \over HAWT}={1 \over 2.75}\left({16{\text{ ms}} \over 10{\text{ ms}}}\right)^{3}=1.48{\text{ 増加}}}$

関連コストを相殺するほど重要ではありません。^[要出典] オプティウィンドの問題はさらに深刻で、システムは HAWT の煙突高さに対して利用可能な掃引面積のほんの一部しかカバーしません。

課題は常に、そしてこれからも、これらの構造物を設置することで得られる増分価値よりも低いコストで、これらの構造物を設置、運用、維持することであり、これは変わりません。材料科学、設置方法論、および全体的なシステム統合における最近の進歩により、DAWT の形状に関して依然として非常に疑問が残る^[要出典]上で明らかにした問題に対処できれば、この到来と新しい非常に持続可能なクラスの風力タービンの夜明けは非常に近いという、はるかに現実的な見方が生まれました。

最近のDAWT設計の中で、コストはともかく、HAWTと比較して明らかにパワーが優れていると思われるものの中に、Enfloタービンがあります。ローター対出口比と公表されているパワー性能に基づくと、このタービンは、出口領域の直径と同じHAWTに比べて、2倍のパワー出力が確認できているようです。この機械がより大きな定格にスケールアップできる可能性はまだ低いですが、公表されているデータ（第三者によるテストでは確認されていません）に基づくと、Enfloはこれまでに製造されたDAWT/CWATの中で最高のパフォーマンスを発揮するようです。^[8]

• CWAT、小型風力加速タービン
• DAWT、ディフューザー増強型風力タービン
• HAWT、水平軸風力タービン
• MEWT、ミキサーエジェクター風力タービン

• ブレードの堅牢性
• バーレーン世界貿易センター3 基の風力加速タービンの例。この場合は、コンパクトではない新しいフォーム ファクタです。