サボニウス型風力タービン

サボニウス型風力タービンは、垂直軸風力タービン（VAWT）の一種で、風の力を回転軸のトルクに変換するために使用されます。このタービンは、通常は回転軸またはフレームに垂直に取り付けられた複数の翼型で構成されており、地上設置型または空中設置型システムがあります（ただし、常に垂直に取り付けられているとは限りません）。

サボニウス風力タービンは、フィンランドのエンジニア、シグルド・ヨハネス・サボニウスによって1922年に発明され、1926年に特許を取得しました。 ^{[ 1 ] [ 2 ]}ヨーロッパ人はそれ以前から何十年にもわたって垂直風力タービンの湾曲ブレードの実験を行っていました。最も古い言及は、エンジニアでもあったチャナード郡の司教、ファウスト・ヴェランツィオによるものです。彼は1616年の著書『 Machinae novae』で、湾曲またはV字型のブレードを備えたいくつかの垂直軸風力タービンについて書いています。彼のものも、それ以前の他の例も、サボニウスが達成した開発段階には達しませんでした。彼の伝記には、フレットナーローターに似た、自転するタービン型ローターを開発する意図があったことが記されています。彼はフィンランドの湖でさまざまな小型ボートにローターを取り付けて実験を行いました。彼の調査の結果は知られていませんが、マグナス効果はフェリックス・ファン・ケーニッヒ（1978）によって確認されています。 ^{[ 3 ]サボニウス風力タービンの特許は、1925年に1件[ 4 ]}、1928年に1件^{[ 5 ]} 、サボニウスによって米国で2件出願された。

サボニウス型タービンは最もシンプルなタービンの1つです。 空力的には、 2つまたは3つのスクープで構成される抗力型装置です。 ^{[ 6 ]}ローターを上から見下ろすと、2つのスクープを備えた機械は断面が「S」の字に似ているかもしれません。曲率のため、スクープは風に逆らって移動するときの方が、風に乗って移動するときよりも抗力が少なくなります。この抗力の差によってサボニウス型タービンは回転します。抗力型装置であるため、サボニウス型タービンは、同じサイズの他の揚力型タービンよりも風のエネルギーをはるかに少なく抽出します。実際には、延長ポストのない短いマウントの場合、サボニウス型ローターの掃引面積の大部分が地面に近いため、低い高度では風速が低くなるため、全体的なエネルギー抽出効率が低下します。水平軸風力タービンに比べて、特に低騒音レベル、低風速での運転能力、風向に対する相対的な独立性など、いくつかの利点があります。^{[ 7 ]}

ベッツの法則によれば、理論上の理想的な回転子から取り出すことができる最大出力は${\displaystyle P_{\mathrm {max} }={\frac {16}{27}}{\frac {1}{2}}\rho \cdot h\cdot d\cdot v^{3}}$、 どこ${\displaystyle \rho }$は空気の密度です。${\displaystyle h}$そして${\displaystyle d}$ローターの高さと直径は、${\displaystyle v}$は風速です。しかし、実際には抽出可能な電力はその約半分です^{[ 8 ]}（ローターの半分、つまり風と共に動くスクープだけが各瞬間に機能していると考えることができます）し、与えられたローターの効率にも依存します。したがって、理論上の理想的なローターの場合、次のようになります。$${\displaystyle P_{\mathrm {max} }\approx 0.18\,\mathrm {kg\,m^{-3}} \cdot h\cdot d\cdot v^{3}}$$しかし、平均最大効率${\displaystyle Cp}$サボニウス風力タービンの約20％は${\displaystyle Cp=0.2}$）^{[ 8 ]}典型的なサボニウスの実際の抽出可能なパワー$${\displaystyle P_{\mathrm {max} }\approx 0.12\,\mathrm {kg\,m^{-3}} \cdot h\cdot d\cdot v^{3}}$$。

ローターの角周波数は次のように表される。${\displaystyle \omega ={\frac {\lambda \cdot v}{r}}}$、 どこ${\displaystyle r}$半径と${\displaystyle \lambda }$λは、先端速度比と呼ばれる無次元の係数です。λは各風車固有の特性であり、サボニウス型ローターの場合、λは通常1前後です。

例えば、 h =の石油樽サイズのサボニウスローター1  mとr = 風速v = 0.5 m10  m/sでは、最大電力が発生します。120  W、最大角速度20 ラジアン/秒（1分間に190回転）。

サボニウス型タービンは、効率よりもコストや信頼性がはるかに重要な場合に使用されます。風速測定の用途では効率は関係ないため、ほとんどの風速計はサボニウス型タービンです。より大型のサボニウス型タービンは、少量の電力しか必要とせず、メンテナンスもほとんど不要な深海ブイで発電するために使用されてきました。水平軸風力タービン（ HAWT）とは異なり、風向を変えるための指向機構が不要で、タービンが自己始動するため、設計が簡素化されています。サボニウス型およびその他の垂直軸型機械は、揚水やその他の高トルク、低回転数の用途に適しており、通常は電力網に接続されません。1980年代初頭、リスト・ヨウツィニエミは、エンドプレートを必要とせず、トルクプロファイルがより滑らかで、交差した一対の直線ローターと同様に自己始動するヘリカルローターバージョンを開発しました。

サボニウス風力タービンの最も一般的な用途は、バンやバスの屋根によく見られる冷却装置であるフレットナー換気装置です。このローターは、 1920年代にドイツの航空機エンジニア、アントン・フレットナーによって換気用に開発されました。 ^{[ 9 ]}サボニウス風力タービンを使用して排気ファンを駆動します。この換気装置は現在も英国のフレットナー換気装置株式会社によって製造されています。^{[ 10 ]}

特別に設計されたサボニウス風力タービンは、南極のロス棚氷にあるARIANNA実験の自律型ニュートリノ検出器ステーションに電力を供給するために使用されている。^{[ 11 ]}

ヨーロッパでは、小型のサボニウス型風力タービンが、回転運動によって広告対象商品への注目を集める「動く」広告看板として利用されているのを見かけることがある。シンプルな2コマアニメーションが用いられることもある。

• 空中風力タービン
• 凧の種類
• サボニウス回転子の軸を水平に設置し、係留すると、カイト現象が発生します。サボニウス回転子の自動回転時に発生する正味揚力マグナス効果を利用した特許や製品は数多く存在します。この回転エネルギーの一部は、音、熱、または電気を生成するために利用できる可能性があります。

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  サボニウスタービンの動作
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  サボニウス型ローターブレードを備えたWECS

ウィキメディア・コモンズには、サボニウス型風力タービンに関連するメディアがあります。

• 自分だけのサボニウス型風力タービンを作ろう
• 極限環境で使用するためのウィンドサイド・サボニウス型風力タービン
• ダイナミックな環境向けサボニウス型タービン www.spinpower.org