垂直軸風力タービン

垂直軸風力タービン（VAWT）は、メインローターシャフトが風に対して直角に設定され、主要コンポーネントがタービンのベースに配置されているタイプの風力タービンです。この配置により、発電機とギアボックスを地面の近くに配置できるため、保守と修理が容易になります。VAWTは風に向ける必要がないため、^{[1] [2]、}風を感知して方向を決めるメカニズムが不要になります。初期の設計（サボニウス、ダリウス、ギロミル）の主な欠点は、回転ごとに大きなトルクリップルが発生し、ブレードに大きな曲げモーメントが発生することでした。後の設計では、ブレードをらせん状にスイープすることでトルクリップルに対処しました（ゴルロフタイプ）。^{[3]サボニウス垂直軸風力タービン（VAWT）は普及していませんが、小型の}水平軸風力タービン（HAWT）と比較してシンプルで乱れた流れ場でも優れた性能を発揮するため、都市環境の分散型発電デバイスの優れた代替手段となっています。^[4]

垂直軸風力タービンは、風の流線に対して垂直で、地面に対して垂直な軸を持ちます。このオプションを含むより一般的な用語は、「横軸風力タービン」または「クロスフロー風力タービン」です。たとえば、元の Darrieus 特許 (米国特許 1835018) には、両方のオプションが含まれています。

サボニウス・ローターなどの抗力型VAWTは、通常、ダリウス・ローターやサイクロタービンなどの揚力ベースのVAWTよりも低い先端速度比で動作します。

コンピュータモデリングによると、風力発電所内に配置された垂直軸風力タービンは、単独で動作する場合よりもタービン1基あたり15％以上多くの電力を生成できる可能性があることが示唆されています。^{[5] [6]}

ダリウス水車に作用する力と速度は、図 1 に示されています。結果として生じる速度ベクトル は、乱されていない上流の空気速度と前進するブレードの速度ベクトルのベクトル和です。 ${\displaystyle {\vec {W}}}$${\displaystyle {\vec {U}}}$${\displaystyle -{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}}$

${\displaystyle {\vec {W}}={\vec {U}}+\left(-{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right)}$

したがって、各サイクルの間に、流入する流体の速度は変化します。最大速度は で、最小速度は で見つかります。ここで、は方位角または軌道ブレードの位置です。迎え角 は、流入する空気の速度 W とブレードの弦の間の角度です。結果として生じる気流は、機械の上流領域でブレードに対して変化する正の迎え角を作り出し、機械の下流領域で符号を反転します。 ${\displaystyle \theta =0{}^{\circ}}$${\displaystyle \theta =180{}^{\circ}}$${\displaystyle \theta}$${\displaystyle \alpha}$

添付の図に示すように、角速度の幾何学的考察から次のことがわかります。

${\displaystyle V_{t}=R\omega +U\cos(\theta )}$

そして：

${\displaystyle V_{n}=U\sin(\theta )}$

接線成分と法線成分の結果として相対速度を解くと、次の式が得られます。

${\displaystyle W={\sqrt {V_{t}^{2}+V_{n}^{2}}}}$ ^[7]

したがって、上記を先端速度比 の定義と組み合わせると、結果速度は次の式で表されます。 ${\displaystyle \lambda =(\omega R)/U}$

${\displaystyle W=U{\sqrt {1+2\lambda \cos \theta +\lambda ^{2}}}}$ ^[8]

迎え角は次のように解かれます:

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {V_{n}}{V_{t}}}\right)}$

これを上記に代入すると次のようになります。

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {\sin \theta }{\cos \theta +\lambda }}\right)}$^[9]

結果として生じる空気力は、揚力(L) -抗力(D) 成分または法線 (N) - 接線 (T) 成分に分解されます。力は 1/4 弦ポイントで作用していると見なされ、ピッチング モーメントが決定されて空気力が分解されます。航空用語の揚力と抗力は、接近する正味の相対気流を横切る力 (揚力) と沿う力 (抗力) を指します。接線力はブレードの速度に沿って作用し、ブレードを引っ張ります。法線力は半径方向に作用し、シャフト ベアリングを押します。揚力と抗力は、動的失速、境界層など、ブレードの周りの空気力を扱うときに役立ちます。一方、全体的なパフォーマンス、疲労荷重などを扱うときは、法線 - 接線フレームの方が便利です。揚力係数と抗力係数は通常、相対気流の動圧によって正規化されますが、通常、法線係数と接線係数は、乱されていない上流の流体速度の動圧によって正規化されます。

${\displaystyle C_{L}={\frac {F_{L}}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{D}={\frac {D}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{T}={\frac {T}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}R}}{\text{ }};{\text{ }}C_{N}={\frac {N}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}}}}$

A = ブレード面積（ブレード/ローターの高さとローターの直径の積に等しい掃引面積と混同しないでください）、R = タービンの半径

風力タービンが吸収できる電力量 P:

${\displaystyle P={\frac {1}{2}}C_{p}\rho A\nu ^{3}}$

ここで、は出力係数、は空気密度、はタービンの掃引面積、は風速です。^[10]${\displaystyle C_{p}}$${\displaystyle \rho}$${\displaystyle A}$${\displaystyle \nu}$

垂直軸風力タービンには、主にサボニウス風力タービンとダリウス風力タービンの2種類があります。ダリウスローターには、らせん形、円盤状、直線ブレードのHローターなど、さまざまなサブフォームがあります。これらのタービンには通常、揚力によって駆動される3つのスリムなローターブレードがあり、高速を達成できます。[1]

垂直風力タービンには、以下に詳述するように、さまざまなシンプルな設計が存在します。実際には、さまざまなバリエーションや組み合わせに遭遇する可能性があり、開発者はさまざまな形の垂直風力タービンを作り上げることで創造性を発揮することがよくあります。

サボニウス風力タービン（SWT）は抗力型VAWTです。一般的な設計には、風を捉える2つまたは3つのスクープを備えた回転軸が含まれます。シンプルで堅牢な設計と比較的低い効率のため、効率よりも信頼性が重要な場合に使用されます。サボニウス風力タービンの効率が低い理由の1つは、タービンの約半分だけが正のトルクを生成し、もう半分は風に逆らって動くため負のトルクを生成することです。SWTの派生型として、らせん状のブレードと高速風時の自動巻き上げ機構を備えた ハーモニー風力タービン^{[11]があります。}

ダリウス風力タービンは揚力型垂直軸風車です。元の設計には、先端が回転軸に取り付けられた湾曲した翼型ブレードがいくつか含まれていました。ただし、H ローターまたは Giromill ダリウス風力タービンと呼ばれる、直線の垂直翼型を使用する設計もあります。さらに、ダリウス風力タービンのブレードはらせん形に成形でき、回転中にトルクを均等に分散することでタービンのトルクリップル効果を軽減します。

ダリウス風力タービンは揚力型の装置であるため、サボニウス風力タービンなどの 抗力型風力タービンよりも風からより多くの電力を取り出すことができます。

回転翼風力タービンまたは回転翼風力タービンは、垂直に立った 1 つの非らせん状の翼を使用して、翼の中心を通る垂直シャフトの周りを 360 度回転させる、新しいカテゴリの揚力型 VAWT です。

VAWT は、従来の水平軸風力タービン(HAWT)に比べて、次のような多くの利点があります。

• 全方向VAWTは風を追跡する必要がないかもしれない。つまり、ローターをヨーイングしたりブレードをピッチングしたりするための複雑な機構やモーターを必要としない。^[12]
• ギアボックスの交換とメンテナンスは、オペレーターが数百フィート上空で作業する必要がなく、地上からギアボックスにアクセスできるため、より簡単かつ効率的です。モーターとギアボックスの故障は、一般に、運用とメンテナンスの重要な考慮事項です。
• 一部の設計ではスクリュー杭基礎を使用できるため、コンクリートの道路輸送と設置による環境への影響が軽減されます。スクリュー杭は、耐用年数が経過すると完全にリサイクルできます。
• VAWTは、既存のHAWTの下のHAWT風力発電所に設置することができ、出力を補うことができます。^[13]
• VAWT は、HAWT に適さない状況でも動作する場合があります。たとえば、サボニウス ローターは、不規則で風の弱い地上レベルの状況でも動作できますが、最も「非効率」な抗力型 VAWT であるにもかかわらず、遠隔地や無人の場所でよく使用されます。
• HAWTに比べて騒音が低減されている^[14]
• 鳥類に対する危険性の軽減^[15]

VAWT風力タービンの速度が増加すると、出力も増加しますが、あるピークポイントでは、風力タービンの速度が最大であっても、出力は徐々にゼロまで減少します。^{[説明が必要]}そのため、ディスクブレーキは、強風時に風力タービンの速度を遅くするために使用されます。ただし、ディスクブレーキの過熱により、タービンが火災を起こすことがあります。^[16]

VAWTは、迎え角が急激に変化するため、ブレードの動的失速に悩まされることが多い。^{[17] [18] [19]}

VAWT のブレードは、回転ごとに加えられる力が大きく変化するため、疲労しやすくなります。垂直方向のブレードは回転ごとにねじれたり曲がったりするため、使用寿命が短くなります。

抗力型以外では、VAWTはHAWTよりも信頼性が低いことが証明されていますが^[20]、現代の設計では多くの初期の問題を克服しています。^{[21] [22]}

2021年の研究では、VAWT構成をシミュレートし、VAWTが同等のHAWT設備よりも15％優れた性能を発揮できるようにしました。11,500時間のシミュレーションでは、グリッド構成を使用することで効率が向上することが実証されました。1つの効果は、効率を低下させるグリッド配置のHAWTから生じる下流の乱流を回避することです。その他の最適化には、アレイ角度、回転方向、タービン間隔、ローターの数が含まれていました。^[23]

2022年、ノルウェーのワールドワイドウィンドは、2組の逆回転ブレードを備えた浮体式VAWTを導入した。2組は同心シャフトに固定されている。それぞれにタービンが取り付けられている。1つはローターに、もう1つはステーターに取り付けられている。これにより、静的ステーターと比較して、互いの速度が2倍になる効果がある。同社は、最大のHAWTと比較して出力が2倍以上になると主張している。HAWTでは、タワーの上部に重いドライブトレイン、ギアボックス、発電機、ブレードが必要なため、重い水中カウンターバランスが必要になる。VAWTでは、重い部品のほとんどをタワーの下部に配置するため、カウンターバランスの必要性が軽減される。ブレードは円錐状の領域を掃引し、各タワーの風下の乱流を軽減し、最大タワー密度を高めるのに役立つ。同社は、400 m（1,300フィート）の40メガワットユニットを建設する予定であると主張している。^[24]

個人（家庭やオフィス）での使用を目的とした小型垂直軸風車「ウィンドスパイア」は、2000年代初頭に米国のマライア・パワー社によって開発された。同社は、2008年6月までに米国全土に数台が設置されたと報告している。^[25]

ミシガン州アナーバーに本拠を置くアーバーウィンド社は、特許取得済みの小型VAWTを製造しており、2013年現在、米国のいくつかの場所に設置されています。^[26]

2011年、サンディア国立研究所の風力エネルギー研究者は、洋上風力発電所に垂直軸風車設計技術を適用する5年間の研究を開始しました。^[27]研究者は次のように述べています。「洋上風力発電の経済性は、設置と運用の課題により、陸上のタービンとは異なります。垂直軸風車には、風力エネルギーのコストを削減できる3つの大きな利点があります。タービンの重心が低いこと、機械の複雑さが軽減されること、非常に大きなサイズへの拡張性が向上することです。重心が低いということは、水上での安定性が向上し、重力疲労負荷が低くなることを意味します。さらに、垂直軸風車のドライブトレインは水面または水面近くにあるため、メンテナンスが容易になり、時間もかかりません。部品が少なく、疲労負荷が低く、メンテナンスが簡単なため、メンテナンスコストが削減されます。」

2010年代初頭、カリフォルニア工科大学の航空学教授ジョン・ダビリ氏によって、南カリフォルニアに24ユニットのVAWT実証プラントが設置されました。彼の設計は、2013年にアラスカのイギウギグ村に設置された10ユニットの発電所に組み込まれました。^[28]

アングルシー島のデュラスは、2014年3月にポートタルボットの防波堤に試作型の垂直軸風車を設置する許可を得た。このタービンはウェールズに拠点を置くC-FEC（スウォンジー）が供給した新設計のもので、^[29] 2年間の試験運用が行われる予定である。^[30]この垂直軸風車には、前進するブレードからの風を遮る風よけが組み込まれているため、前述の「エッグビーター」タイプの垂直軸風車とは異なり、風向センサーと位置決め機構が必要である。^[29]

カナダに拠点を置く企業であるStrongWindは、特許を取得した都市型VAWTを製造しており、2023年現在、カナダ国内および海外のいくつかの地域に設置されています。^[31]

建築家マイケル・レイノルズ（アースシップハウスの設計で知られる）は、ダイナスフィアと呼ばれる第4世代のVAWTを開発した。これは2つの1.5kW発電機を備えており、非常に低速で電力を生成することができる。^[32]

• 従来とは異なる風力タービン
• クロスフローファン

ウィキメディア・コモンズには、垂直軸風力タービンに関連するメディアがあります。

• 今日の地下室の画像では、VAWT が風に対して直角に、軸が水平になっている様子が示されていますが、このためこの機械を HAWT と呼ぶことはできません。