ダリウス風力タービン

ダリウス風力タービンは、風力エネルギーから電気を生成するために使用される垂直軸風力タービン（VAWT）の一種です。タービンは、回転シャフトまたはフレームワークに取り付けられた多数の湾曲した翼型ブレードで構成されています。ブレードの湾曲により、ブレードは高速回転時にのみ張力を受けることができます。直線ブレードを使用する、密接に関連する風力タービンがいくつかあります。このタービンの設計は、フランスの航空技術者であるジョルジュ・ジャン・マリー・ダリウスによって特許を取得しました。特許の申請日は1926年10月1日です。ダリウスタービンを極端な風の状態から保護し、自動起動させるのは非常に困難です。

ダリウス設計のオリジナル版では、翼は対称的に配置され、リギング角度、つまり翼が取り付けられている構造物に対する翼の角度がゼロになっています。この配置は、風がどの方向に吹いても同様に効果的です。これは、風上を向くように回転させる必要がある従来のタイプとは対照的です。

ダリウス ローターが回転しているとき、翼は円軌道を描いて空気中を前方に移動します。ブレードに対して、この接近する気流は風にベクトル的に追加されるため、結果として生じる気流はブレードに対して変化する小さな正の迎え角を作り出します。これにより、特定の「作用線」に沿って斜め前方を向く正味の力が生成されます。この力は、タービン軸を一定の距離だけ越えて内側に投射され、シャフトに正のトルクを与え、シャフトがすでに移動している方向に回転するのに役立ちます。ローターを回転させる空気力学の原理は、オートジャイロやオートローテーションの通常のヘリコプターの原理と同じです。

翼が装置の後ろを回ると、迎え角は反対の符号に変わりますが、翼は対称で索具角度はゼロなので、発生する力は回転方向に斜めのままです。ローターは風速とは関係のない速度で回転し、通常は何倍も速くなります。トルクと速度から生じるエネルギーは、電気発電機を使用して抽出し、有用な電力に変換できます。

航空学用語の揚力と抗力は、厳密に言えば、それぞれ接近する正味の相対気流を横切る力と沿う力なので、ここでは役に立ちません。作用する力はむしろ、ブレードを引っ張る接線方向の力と、ベアリングに作用する半径方向の力です。

ローターが静止しているときは、風速がかなり上昇しても、純回転力は発生しません。トルクを生成するには、ローターがすでに回転している必要があります。したがって、この設計は通常、自動始動しません。まれな状況では、ダリウス ローターが自動始動することがあるため、停止時にそれを保持するための何らかのブレーキが必要です。

この設計上の問題のひとつは、タービンの回転に伴って迎え角が変化するため、各ブレードはサイクルの 2 点 (タービンの前部と後部) で最大トルクを発生することです。これにより、正弦波 (脈動) の電力サイクルが発生し、設計が複雑になります。特に、ほぼすべてのダリウス タービンには共振モードがあり、特定の回転速度で脈動がブレードの固有周波数となり、ブレードが (最終的に) 破損する可能性があります。このため、ほとんどのダリウス タービンには、タービンが長時間この速度で回転しないようにするための機械式ブレーキまたはその他の速度制御装置が備わっています。

回転機構の質量の大部分が、プロペラのようにハブではなく周辺部にあるため、別の問題が発生します。これにより、機構に非常に高い遠心応力が生じ、それに耐えるためには、機構を他の部分よりも強く、重くする必要があります。これを最小限に抑える一般的な方法の 1 つは、翼を「卵ビーター」形状 (これは「紡がれたロープの形状」を意味するギリシャ語に由来する「トロポスケイン」形状と呼ばれます) に曲げて、翼が自立し、それほど重いサポートや取り付けを必要としないようにすることです。図 1 を参照してください。

この構成では、ダリウス設計は理論的には従来のタイプよりも安価です。これは、ほとんどの応力がタービンの下部にある発電機にトルクをかけるブレードにかかるためです。垂直方向にバランスを取る必要がある力は、ブレードが外側に曲がることによる圧縮荷重 (タワーを「圧迫」しようとする) と、タービン全体を吹き飛ばそうとする風力だけです。風力の半分は下部に伝わり、残りの半分は支線で簡単に相殺できます。

対照的に、従来の設計では、風の力はすべて、メインベアリングがある上部でタワーを倒そうとします。さらに、プロペラはタワーの上部の上と下の両方で回転するため、支線を使用してこの負荷を相殺することは容易ではありません。したがって、従来の設計では、プロペラのサイズに応じて大幅に大きくなる強力なタワーが必要です。最新の設計では、可変速度と可変ピッチのタワー負荷のほとんどを相殺できます。

全体的に比較すると、ダリウス設計にはいくつかの利点があるものの、特にMWクラスの大型機では、より多くの欠点があります。ダリウス設計では、ブレードに非常に高価な材料が使用され、ブレードの大部分が地面に近すぎるため、実際の出力が得られません。従来の設計では、エネルギー生産と寿命を最大化するために、翼端が最低地点で地面から少なくとも40メートル離れていることを想定しています。これまでのところ、周期的な負荷要件を満たすことができる既知の材料（炭素繊維さえも）はありません。 ^[要出典]

ダリウスの1927年の特許は、垂直翼を使用したほぼすべての可能な配置をカバーしていました。最も一般的なタイプの1つはHローター^{[1] [2] [3]}で、ジロミルまたはHバー設計 とも呼ばれ、一般的なダリウス設計の長い「卵ビーター」ブレードが、水平サポートで中央タワーに取り付けられたまっすぐな垂直ブレードセクションに置き換えられています。この設計は、上海を拠点とするMUCEによって使用されています。^{[4] [5]}

ジロミルの別のバリエーションはサイクロタービンで、各ブレードは自身の垂直軸を中心に回転できるように取り付けられています。これにより、ブレードを「ピッチング」して、常に風に対して一定の迎え角を持つようにすることができます。この設計の主な利点は、生成されるトルクがかなり広い角度にわたってほぼ一定のままであることです。そのため、3 枚または 4 枚のブレードを備えたサイクロタービンは、かなり一定のトルクを持ちます。この角度の範囲では、トルク自体は可能な限り最大に近く、システムがより多くの電力を生成することを意味します。サイクロタービンには、風に向かって「風下方向に移動する」ブレードを平らにピッチングして抗力を発生させ、タービンを低速で回転させることにより、自己始動できるという利点もあります。欠点は、ブレードのピッチング機構が複雑で一般に重く、ブレードを適切にピッチングするために何らかの風向センサーを追加する必要があることです。

ダリウス水車のブレードは、例えば 3 枚のブレードと 60 度のらせんねじれなど、らせん状に傾斜させることができます。らせん状水車の元の設計者は、ウルリッヒ・スタンパ (ドイツ特許 DE2948060A1、1979 年) です。A. ゴルロフは 1995 年に同様の設計を提案しました(ゴルロフの水車)。風がタービンの風上側と風下側の両方で各ブレードを引っ張るので、この機能により回転全体が均等にトルクに分散され、破壊的な脈動が防止されます。この設計は、Turby、Urban Green Energy、Enessere、Aerotecture、Quiet Revolutionの各ブランドの風力タービンで採用されています。

相対速度はブレードに力を発生させます。この力は軸方向の力と法線方向の力に分解できます (図 5)。ダリウス水車の場合、半径に関連する軸方向の力はトルクを発生させ、法線方向の力は半回転ごとに交互に圧縮応力と伸長応力をアームに生じさせます。クランクロッドシステム (図 6) では、アクティブリフトタービンの原理は、この代替制約を追加のエネルギー回収に変換することです。^{[6] [7]}

ウィキメディア・コモンズには、ダリウス風力発電機に関連するメディアがあります。

• 米国特許 1,835,018
• クランフィールド大学、洋上発電用の新しい構成の垂直軸風力タービンに関するプレスリリース
• ダリウス風力タービンの理論の簡単な紹介