制御された空気力学的不安定現象

制御された空力不安定現象という用語は、2006年に日本の京都で開催された第19回KKCNN土木工学シンポジウム^[2]でクリスティアーノ・アウグスト・トレイン^[1]によって初めて使用されました。この概念は、カルマン渦列、フラッター、ギャロッピング、バフェッティングなどの空力不安定現象を制御された動きに駆動して流れからエネルギーを抽出するために使用することができ、風力発電システムの代替アプローチになるという考えに基づいています。

今日、風力発電をテーマにした議論が展開されると、すぐに思い浮かぶのは、風力で回転する大型の風力タービンのイメージです。しかし、ここ数十年ですでにいくつかの代替アプローチが提案されており、風力タービンが発電目的で風を利用する唯一の可能性ではないことが示されています。

1977年、ジェフリー^[3]は、風でバタつく垂直に取り付けられた旋回翼をベースにした振動翼システムの実験を行いました。ファーシング^[4]は、この自由なバタつきが強風から身を守るために自動的に止まることを発見し、浮体式および杭式モデルを開発して、地表水や井戸水を汲み上げ、補助バッテリーを充電しながら空気を圧縮できるようにしました。マッキニーとデローリエ^{[5]は1981年に、流れからエネルギーを取り出すために関節式の}ピッチングとプランジングを備えた剛性水平翼をベースにしたウィングミルと呼ばれるシステムを提案しました。このシステムは、2003年にムーアズ^[6]に刺激を与え、このようなアイデアの応用についてさらに調査を進めさせました。

同様の傾向に倣って、すでに他の研究も行われています。例えば、2003年に磯貝ら^{[7]が提案した}フラッター発電システムは、翼に当たる風によって生じるフラッターの不安定性を利用して流れからエネルギーを取り出すものです。この分野では、松本ら^[8]がさらに進んで、そのシステムの改良を提案し、鈍い物体での使用の実現可能性を評価しました。デイブ・サントスの「カイトモーター」は、翼の不安定性を利用しています。^[9]

風は、その進路で障害物と相互作用し、そのエネルギーの一部をその相互作用に伝達します。その相互作用は物体にかかる力に変換され、物体をさまざまなレベルの動きに導きます。そのレベルは物体の空力弾性特性と幾何学的特性に直接依存します。これらの相互作用とその依存関係については、主に鈍い物体に関して、カルマン渦列、ギャロッピング、バフェッティング、フラッターなど、相互作用によって生じる空気力学的現象を理解することを目的とした多数の調査と研究が行われてきました。このような現象を理解することで、不安定性とその結果生じる動きを予測し、構造物を適切に配置するために必要なデータを設計者に提供することができます。

ほとんどの場合、たとえば民間の建物では、このような動きは役に立たず望ましくないため、すべての設計アプローチはそれを避けることに重点を置いています。ただし、これらの不安定性は有益な方法で使用することもできます。制御され、予測可能な動きに駆動されると、たとえばタービン、機械、発電機を稼働させるための機械的動力源を提供できます。

したがって、これまでに得られた空気力学的不安定性に関する知識を活用し、新しい機能を開発することで、それらを最適な状態に刺激し、発電目的に使用する方法を提案することができます。このようにして、風車に対する代替アプローチを提案および開発することができます。 Farthing Econologica は、風車の実際の要件を適用して、可能性を大幅に絞り込みます。

• エネルギーカイトシステム