NASAの風力タービン

1975年から、NASAは石油価格の高騰に対応して、米国エネルギー省と米国内務省のために電力用の実用規模の風力タービンを開発するプログラムを管理しました。 ^[1] この先駆的なプログラムの下で、世界最大の風力タービンが数多く開発され、テストされました。このプログラムは、当時の風力タービン発電機の最新技術をはるかに超えるものを目指す試みであり、後に風力タービン業界に採用される多くの技術を開発しました。しかし、1980年代の競合エネルギー価格の大幅な低下により、商業産業の発展は遅れました。

1974年、 1973年の石油危機後の石油価格の上昇への対応として、後に 米国エネルギー省の一部門となるエネルギー研究開発局（ERDA）は、ルイス・ディヴォン指揮下の部署を任命し、実用規模の風力タービンの研究に資金を提供した。NASAは、オハイオ州サンダスキーのルイス研究センター（現在のグレン研究センター）を通じて、ゼネラル・エレクトリック、ウェスティングハウス、ユナイテッド・テクノロジーズ、ボーイングなどの大手請負業者による開発を調整する任務を割り当てられた。

1975年、NASAは全米科学財団とERDAの資金提供を受けて、オハイオ州サンダスキーで最初のプロトタイプの風力タービン、100kW Mod-0を設計・構築した。Mod-0は、オーストリアのウルリッヒ・ヒュッターによる軽量の2枚羽根の研究用タービンをモデルにしている。^[2]フレキシブルまたはティーター式のローターハブを備えた2枚羽根の風力タービンは、NASA主導のプログラムの特徴であった。NASAとその請負業者は、2枚のブレードが3枚のブレードと基本的に同等のエネルギーを生成できるが、ブレードのコストと重量を節約できることを発見した。2枚羽根のローターは同等の3枚羽根のローターよりも高速に回転し、ギアボックスの比率を低減する。ローターの柔軟性により、曲げ荷重がドライブトレインに伝達されるのが最小限に抑えられる。NASAの風力タービンでは、今日使用されている剛性ローターシステムでしばしば問題となるギアボックスの故障は発生しなかった。

NASA のプログラムは、国際的なパートナーを招いて技術会議を主催しました。NASA は、1977 年から 1979 年にかけて、デンマークの 3 枚羽根のゲッサー風力タービンの改修と運用を支援し、その動作と特性を大型ユニットのモデルとして研究しました。ヨハネス ユールが 1957 年に設計したこのユニットは、11 年間で 200 kW を発電し、格子状のタワーと、部分的に内部支線で支えられたブレードを備えた 3 枚羽根のアップウィンド ローターを使用しました。この取り組みにより、空気力学的、電気的、および機械的特性に関する研究データが作成されました。この取り組みの重要な成果は、業界で受動的な電力制御に使用されるエンジニアリング設計モデルの開発でした。^[3]

大型の風力タービンユニットは規模の経済性を実現します。NASA の研究と試作により、構造強度、疲労、速度制御、空気力学において、スケーリングにかなりの課題があることが実証されました。1980 年代、ほとんどの風力タービンは定格 25 kW までの小型ユニットでした。NASA の請負業者が実施した調査では、電力会社が経済的に電力を生産するには、1 MW 以上のはるかに大きなユニットが必要であることが示唆されました。^[4]当時使用されていたプロペラブレードの最大直径はヘリコプター用で、翼幅はわずか 46 フィートでしたが、直径 200 ～ 300 フィートの大型ブレードセットは製造可能であり、エネルギーコストが最も低くなると予測されました。^{[4] [5]}

最初の設計は MOD-0 で、オハイオ州サンダスキーのルイス研究センターの近くに建設され、1975 年 9 月に運用が開始されました。これは、より大型のユニットで使用するための多くのコンセプトの開発のテストベッドとして機能しました。この設計には、同期発電機に接続された直径 38 メートルのダウンウィンド 2 枚羽根ローターがあり、風速 8 m/s で定格出力 100 kW でした。速度増加装置がタービンの 40 r/min を加速し、1800 r/min の発電機を駆動しました。機械の出力は、ローター ブレードのピッチングによって調整されました。

最初のMOD-0ブレードは、アルミニウムでロッキード社によって製造されました。ブレードの根元で構造上の問題がすぐに表面化しました。これに対処するために、いくつかの重要な変更と取り組みが行われました。調査の結果、予想外に高い周期的荷重は、複雑なトラスタワー構造によって風が大きく遮られた結果であることが判明しました。これにより、風下側のローターの空力荷重が急速に変化しました。この遮蔽を修正するために、アクセス階段がタワーの中央から削除されました。^[6]グラスファイバー複合材、スチール、木材、さらにはコンクリートを評価する主要なブレード材料プログラムが開始されました。NASAはミシガン州のGougeon Brothers, Inc.にアプローチし、同社のボート材料技術を風力タービンに適用しました。その結果得られた木材と複合材のブレードは、Mod-0（および後のMod-0A）のアルミニウムブレードに取って代わり、ブレード根元の構造上の問題が解消されました。Gougeon Brothersは、世界中で販売される風力タービン業界への製品の商品化に成功しました。

MOD-0 では、ローター ブレードをタワーの風上に置いた状態での短時間の運転や、タービン ローター用の単一ブレードの試験など、多くの実験が行われました。また、3.2 MW Mod-5B やその後業界全体で使用される前に、最初の可変速度発電機もテストされました。Mod-0 は、現在主流のタワー設計である最初のスチール シェル タワーのテストにも使用されました。設計上の課題は、起動時にソフト構造の共振を安全に通過しながら、タワーの重量とコストを削減することでした。

プロトタイプ MOD-0 の運用経験は、MOD-0A と呼ばれるいくつかのデモユニットの建造の基礎となりました。これらは、ローターサイズが同じプロトタイプと似ていますが、定格出力は 200 kW で、風速がわずかに高くなっています。ウェスティングハウスは、全体の建造を担当する元請け業者に任命されました。ユニットは、1977 年にニューメキシコ州クレイトン、1978 年にプエルトリコのクレブラ、1979 年にロードアイランド州ブロック島に設置され、4 番目は 1980 年にハワイのカハク ポイントに設置されました。

NASAは1978年にゼネラル・エレクトリックと契約し、MOD-0Aの10倍の出力アップを図った。Mod-1は世界初の2メガワット出力の風力タービンであり、ゼネラル・エレクトリック初の風力タービンでもあった。ハブの高さが地上46メートルで、ローターが大きく、定格風速が高いデンマークのda:Vindkraftværket Tvindkraftは、出力2000kWだったが、Mod-1の2MWの出力には達しなかった。Mod-1は設計重量が重かったため、競争力のある商用製品にはならなかったが、プロトタイプがノースカロライナ州ブーンに近いハワード・ノブに設置され、稼働した。第1世代のMod-0をベースにした数メガワットサイズへの迅速な設計サイクルは、技術的および運用上の課題を引き起こした。連邦政府のプログラム資金の削減によるさらなる圧力を受けて、タービンは 1983 年に解体されました。

1977年、ボーイング社は米国で数基の2.5メガワット風力タービンの設計、製造、建設、設置、試験を行う契約をNASAと米国エネルギー省から勝ち取った。最初の4基のMOD-2モデルは1980年代初頭に稼働を開始した。最初の3基のタービンの起工式は1980年4月11日、ワシントン州グッドノーヒルズで建設開始を記念して行われた。^[7] 最初のタービンは12月に稼働する予定だった。^[8] 1982年9月2日、4基目がワイオミング州メディシンボウで稼働を開始した。ボンネビル電力局はグッドノーヒルズのタービンで発電された電気を買い取り、地域の電力網に統合した。1981年5月には、グッドノーヒルズの3基のタービンが世界初の風力発電所を形成した。太陽エネルギー研究所は、メガワット級の風力タービンが電力源として適しているかどうかも評価した。1986年、グッドノーヒルズのMOD-2風力タービンは解体された。1985年、最後のフル稼働年では、3基のタービンの合計電力出力は8,251メガワット時だった。メディシンボウのMOD-2風力タービンは1987年にスクラップとして売却された。2008年、グッドノーヒルズ風力発電所が同じ場所にオープンし、REpower 2.0MW風力タービン47基が設置され、合計定格出力は94MWとなった。enXco /Power Holdingsが風力発電所を所有し、電力購入者はPacifiCorpである。 ^[9]

ワイオミング州の WTS-4 (4 メガワット) 風力タービンは、NASA の技術管理の下、米国内務省の資金提供を受けてユナイテッド テクノロジーズ (ハミルトン スタンダード部門) によって設計されました。WTS-4 は 1982 年にワイオミング州メディシン ボウで運用されました。このタービンは、「ソフト」鋼管タワー、グラスファイバー製ブレード、駆動系内のねじりバネとダッシュポット、およびフレキシブルなティーター ハブを特徴としていました。今日に至るまで、WTS-4 は米国で運用された最も強力な風力タービンであり、20 年以上にわたって世界出力記録を保持していました。2 番目の商用プロトタイプは、より小型の発電機 (3 メガワット) を搭載し、WTS-3 と呼ばれ、スウェーデンで製造および運用されました。 グリデン ドーマンは、 WTS-4 プロジェクトのハミルトン スタンダードのシステム設計マネージャーであり、WTS-3 プロジェクトを開始するためにスウェーデン政府に雇われました。^[10] 2014年、グリデン・ドーマンはマーティン・ヤクボウスキーとシルベストロ・カルーソと共同でシーウィンド・オーシャン・テクノロジーBVを設立し、1991年のWTS-4風力タービンとそれに続く1.5MWガンマ60風力タービンのシステム設計変更に基づいて、新世代の浮体式風力発電技術を展開しました。^{[10] [11]}

1987年に建造されたMOD-5B風力タービンは、1990年代に稼働していた世界最大の風力タービンでした。Mod-5Bの建造契約は1980年にボーイング社に発注され、 1987年にオアフ島に設置されました。 ^[12]定格出力は3.2メガワット、重量は426,000 kg (939,000ポンド)、直径97.53 m (320.0フィート)の2枚羽根ローターが60 m (200フィート)の鉄塔に取り付けられていました。^[13] Mod-5Bの初期稼働では、新しい第1号機の風力タービンの可用性が95パーセントと良好であることが実証されました。 1988年初頭、タービンの運営はハワイアン・エレクトリック・インダストリーズ、その後マカニ・ウイラ・パワー・コーポレーション（MUPC）に移管され、1996年後半まで断続的に稼働していた。財政難のため、風力タービンはMUPCの残りの部分とともに停止され、土地所有者のキャンベル・エステーツに譲渡された。^[13]キャンベル・エステーツはユニットを解体してスクラップとして売却することを決定した。^[14] DOEは1998年7月にドライブトレインのギアボックスと発電機を回収した。 ^[13]

NASAのプロトタイプはいずれも商用発電機として一般に生産されなかった。プログラムの目的が技術の開発と新興産業の支援だったためである。二重給電式可変速発電機、軽量管状タワー、今日の風力産業で使用されているエンジニアリング設計ツールなどの技術の多くは、NASAのプログラムによって開発され、開拓された。^[15] 1974年から1992年までのプログラムの総費用は3億3000万ドルであった。参考までに、世界の風力市場は2008年までに年間470億ドルに達した。^[16]ゼネラル・エレクトリック、ボーイング・エンジニアリング・アンド・コンストラクション、ウェスティングハウス、ユナイテッド・テクノロジーズがこのプログラムの商業パートナーであり、そのうちのいくつかは現在も風力産業に関わっている。商用設計は生産されなかったと広く言われているが、^[4] NASAの業界パートナーは確かにこのプログラム中にボーイングMod-2（前述）やハワイのカフク風力発電所のウェスティングハウス600kWタービンなどの商用タービンを生産した。^[17] 1980年から1990年代初頭にかけて原油価格が3分の1に下落し、いわゆる「1980年代の石油供給過剰」が起こったとき、多くの大手、中小のタービンメーカーが事業から撤退した。例えば、NASA/ボーイングMod-5Bの商用販売は、ボーイングエンジニアリングアンドコンストラクションが「原油価格の低下により風力発電が不採算となっているため、市場から撤退する計画」を発表した1987年に終了した。^[18] DOE/NASAの大型風力タービンプログラムの概要は1984年に発表された。^[19]

• エネルコン E-126
• 風力発電の歴史
• 米国の風力発電
• スミス・パトナム風力タービン

注記

出典

• アスマス、ピーター（2001）。風を刈り取る：機械の魔術師、先見の明のある人、そして利益追求者たちがいかにして私たちのエネルギーの未来を形作ったか。アイランド・プレス。ISBN 1-55963-707-2。
• ポール・ギープ（1995年）。『風力エネルギーの成熟』ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。ISBN 0-471-10924-X。
• ジョンソン、ゲイリー L. (2006). 風力エネルギーシステム(PDF) (電子版).
• Linscott, Bradford S.; Perkins, Porter; Dennett, Joann (1984-03-01). 大型水平軸風力タービン(PDF) . DOE/NASA/20320-58.
• Spera, David 編 (2009)。風力タービン技術。ASME プレス。ISBN 978-0-7918-0260-1。
• Viterna, Larry A.; Janetzke, David C. (1982-09-01). 大型水平軸風力タービンの理論および実験による電力(PDF) . NASA TM-82944.

• Douthwaite, MB (2002).イノベーションの実現: 技術革新を理解し促進するための実践ガイド. Zed Books . pp. 96–101.

• 「風力タービン: 「あの素晴らしい風力機械」(NASA ドキュメンタリー、1980 年)」。ジェフ・クイットニー (YouTube)。2015 年 9 月 12 日。
• 「風力タービン: 「風: エネルギーの代替手段」(エネルギー省のドキュメンタリー、1980 年)」。ジェフ・クイットニー (YouTube)。2016 年 8 月 26 日。