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Wind Turbine Design for Wind Power
再生可能な風力発電システムの中心は風力タービンです。 風力タービンは一般に、ローター、直流（DC）発電機、または交流（AC）発電機で構成され、地上高くにあるタワーに取り付けられます。
では、風力タービンはどのようにして発電するよう設計されているのでしょうか。 簡単に言うと、風力発電機は家庭用や卓上用の扇風機とは逆のものです。 扇風機は、主電源からの電気を使って回転させ、空気を循環させることで風を起こします。 一方、風力発電機は、風の力を利用して電気をつくります。
典型的な風力発電機の設計
上の画像は、典型的な風力発電機の設計を構成するために行く基本コンポーネントを示しています。 風力発電機は、風を減速させて運動エネルギーを取り出し、そのエネルギーを回転軸に伝達するため、優れた設計が重要です。 風力発電で得られる電力は、風速と回転するタービンブレードの面積に依存する。 つまり、風速が速いほど、あるいはローターブレードが大きいほど、風からより多くのエネルギーを取り出すことができるのです。 風力タービンの発電量は、ローターブレードと風の相互作用によって決まると言ってもよいでしょう。 一般的な水平軸と垂直軸の設計である。 水平軸型風力発電機は、より多くの風を受けるため、垂直軸型風力発電機よりも出力が高くなります。
The Vertical Axis Turbine or VAWT, is easier to design and maintain but offers low performance than the horizontal axis types because its simple rotor blade design, high drag of the single rotor blade has a result.
– ローター – これは、風のエネルギーを収集し、それを回転の形で機械的な力に変換する現代の風力発電機設計の主要な部分です。
ちょうど飛行機の翼のように、風力タービンのブレードは、その湾曲した形状により、揚力を生成することによって動作します。 ローターブレードは、風速とブレードの形状によって決まる割合で、揚力の原理に従って、動いている空気塊から運動エネルギーの一部を取り出します。 その結果、空気の流れ方向に対して垂直な方向に揚力が発生する。
残念ながら、タービンのローターブレードは、風の力を100％すべて取り込むわけではありません。 タービンのローターブレードが風力エネルギーから引き出せる理論上の最大効率は30～45％であり、これはローターブレードの以下の変数に依存する。
– ブレード設計 – ローターブレード設計は、流れる空気塊からエネルギーを抽出するために、揚力または抗力法のいずれかの原理で動作します。 ローターブレードは、基本的に飛行機の翼に似た形状の翼である。
下面の圧力は大きく、ブレードを上に「持ち上げる」ように作用するので、この力をできるだけ大きくしたいのです。 ブレードが風力発電機のローターのような中心回転軸に取り付けられている場合、この揚力は回転運動に変換されます。
この揚力に対抗するのは、運動方向に平行な抗力で、空気を切るときにブレードの後縁で乱流を発生させます。 この乱流はブレードにブレーキ効果を与えるので、この抗力をできるだけ小さくしたい。 揚力と抗力の組み合わせにより、ローターはプロペラのように回転します。
抗力設計は、大きなカップ型または曲線型のブレードを持つ垂直風車の設計に多く使用されています。 風は文字通り、中央のシャフトに取り付けられたブレードを押し出す。 ドラッグ設計のローターブレードの利点は、回転速度が遅く、トルクが大きいことで、揚水や農業機械の動力に有用です。 また、風力発電機は抗力型よりも回転速度が速いため、発電に適しています。
– ブレード数 – 風力発電機の設計に使用するローターブレードの数は、一般に空気力学的効率とコストによって決定されます。 理想的な風力発電機は、多くの薄いローターブレードを備えていますが、ほとんどの水平軸風力発電機は、1つ、2つ、または3つのローターブレードしか備えていません。 ローターブレードの枚数を3枚以上に増やすと、ローター効率が少し上がるだけでコストが上がるため、通常は3枚以上のブレードは必要ありませんが、家庭用の小型高回転多刃タービン発電機は販売されています。 一般に、ブレードの数が少ないほど、製造時に必要な材料が少なくなり、全体のコストと複雑さが軽減されます。
Single Bladed Rotors have a counter balance weight on opposite side of the rotor but suffer from high material stress and vibration due to its unsooth rotational motion of the single blade must move more rapidly to grasp same amount of wind energy.The single bladeは、ロータの反対側にカウンターバランス・ウェートがありますが、同じ量の風エネルギーを得るためには、より速く動かなければならず、その結果、高い材料ストレスと振動に悩まされます。 また、単刃または二重刃のローターでは、利用可能な空気の動きとそれによる風力のほとんどが、ローターと相互作用せずにタービンの迂回していない断面を通過してしまい、効率が低下します。 多翼設計では、より遅い回転速度とトルクが可能であるため、ドライブトレインの応力が低下し、ギアボックスと発電機のコストが低下する。 しかし、多くのブレードや非常に幅の広いブレードを使用した風力タービン設計は、非常に強い風の中で非常に大きな力を受けるため、ほとんどの風力タービン設計では3枚のローターブレードを使用しています。 – ローターブレードの数が2、4、6など「偶数」の風力タービン設計は、回転時に安定性の問題に悩まされることがあります。 これは、各ローターブレードに、180度反対方向に位置する正反対のブレードがあるためです。 ローターが回転すると、一番上のブレードが垂直上方を向いた瞬間（12時の位置）、一番下のブレードはタービン支持塔の前方にまっすぐ下向きになります。 その結果、一番上のブレードは、「スラスト荷重」と呼ばれる風から最大の力を受けるため、後方に曲がり、下のブレードは、支持タワーの真正面の風のない領域を通過します。
タービンローターブレード（一番上は風で曲がり、一番下はまっすぐ）の各垂直配置でのこの不均一な屈曲により、2枚のブレードが回転しながら前後に曲がるために、ブレードと回転軸上に望ましくない力が生まれます。
ローターブレードの数が「奇数」（少なくとも3枚）の風力タービン設計は、ジャイロスコープと屈曲力がブレード全体でより均等にバランスされるため、タービンの安定性が増し、よりスムーズに回転するようになります。 最も一般的な奇数ブレードの風力発電機は、3枚ブレードの風力発電機である。 また、隣接するブレード間の乱流や相互作用を避けるために、マルチブレード設計の各ブレード間の間隔とその回転速度は十分に大きくする必要があり、あるブレードがその直前に同じ地点を通過する前のブレードによって乱され弱まった空気の流れに遭遇しないようにする必要があります。
一般に、3枚羽根のタービンローターは2枚羽根の設計よりも景観によく溶け込み、美観に優れ、空気力学的に効率がよいため、風力発電市場では3枚羽根の風力タービンがより優勢である。 ただし、一部のメーカーでは2枚羽根や6枚羽根の風車（ヨット用）も製造しています。 奇数（3枚）ブレードのローターには、よりスムーズな運転、低騒音、バードストライクの減少などの利点がありますが、材料費が高くなるというデメリットを補うものでもあります。 騒音レベルはブレード数に大きく影響されません。
– ローターブレードの長さ – 3つの要因が、風力タービンによって風からどれだけの運動エネルギーを抽出することができるかを決定します。 「空気の密度」、「風速」、「ローターの面積」です。 空気の密度は海抜高度に依存し、風速は天候に左右される。
ローターブレードは、中央のベアリングの周りを360°の真円を描いて回転していますが、円の面積は次の式で表されることが学校でも習ったとおりです。 π.r2. 従って、ローターの掃引面積が増加すると、ローターがカバーする面積も半径の2乗で増加することになります。 したがって、タービンのブレードの長さが2倍になると、その面積は4倍になり、4倍の風力エネルギーを受け取ることができるのです。 しかし、これによって風力タービン設計のサイズ、重量、ひいてはコストが大幅に増加する。
ブレードの長さの重要な側面の1つは、角速度から生じるローターの回転先端速度である。 タービンブレードの長さが長いほど、与えられた風速に対して先端の回転が速くなります。 同様に、ローターブレードの長さが一定であれば、風速が高いほど回転は速くなる。 では、なぜ風が強い環境下で、非常に長いローターブレードを持つ風力発電機が稼働し、風から多くの電気を無料で生み出すことができないのでしょうか。 答えは、ローターブレードの長さと風速の関係で、タービンの出力効率が低下するポイントがあるからです。
効率は、与えられた風速に対してローター先端がどれだけ速く回転するかの関数で、「先端速度比」（λ）と呼ばれる一定の風速対先端比を作り出し、ローター効率を最大化するために使われる無次元単位になります。 言い換えれば、「先端速度比」（TSR）とは、回転するブレード先端の速度（rpm）と風速（mph）の比であり、優れた風力タービン設計では、風とローター速度の組み合わせに関わらずローター出力が決定されます。 この比率が大きいほど、一定の風速で風力タービンのローターが速く回転することになる。 タービンの回転速度は次のように定義されます。rpm = 風速 x 先端速度比 x 60 / (直径 x π).
タービンのローターがあまりにも遅く回転すると、多くの風が乱れずに通過するため、エネルギーをあまり取り出せなくなります。 一方、ローターブレードの回転が速すぎると、風には1つの大きな平らな回転円板として見え、大量の抵抗とチップロスが発生してローターの速度が低下します。 そのため、タービンローターの回転速度を特定の風速に合わせ、最適な効率を得ることが重要である。
ブレードの数が少ないタービンローターは、高い先端速度比で最大効率に達し、一般に発電用の3枚羽根の風車設計では先端速度比が6～8となるが、ブレード数が多いためスムーズに動くことになる。
– ローターブレードのピッチ/角度 – 固定設計の風力タービンローターブレードは、一般的に飛行機の翼のようにまっすぐでも平坦でもなく、ブレードに沿って異なる回転速度を可能にするために、先端から根元までの長さに沿って小さなねじれとテーパーが付いている。 このねじれによって、風が真上からだけでなく、さまざまな接線方向から吹いてきたときに、ブレードが風のエネルギーを吸収することができるのである。
そのため、揚力と効率を高める最適な迎え角をローターブレードに見せ続けるために、風力タービン設計ブレードは一般的にブレードの長さ全体にねじれが生じています。 さらに、風力タービン設計におけるこのねじれは、強風時にローターブレードが速く回転しすぎないようにします。
しかし、発電に使用する非常に大規模な風力タービン設計では、ブレードのこのねじれはその構造を非常に複雑かつ高価にするので、風向と完全に一致したブレード迎え角を保つために他の何らかの形態の空力制御が使用されるのです。
風力タービンによって生成される空力的なパワーは、各ブレードがその長手軸を中心に回転されるときに風の迎え角との関係で風力タービンのピッチ角を調整することによって制御することができる。 次に、ピッチ制御を備えたローターブレードは、より平坦で、より直線的であることができるが、一般にこれらの大型ブレードは、その幾何学的形状に同様のねじれを有するが、ローターブレード上の接線荷重を最適化するためにはるかに小さい。
各ローターブレードには、その長さ（一定のねじれ）に沿って均一な増分ピッチコントロールを生み出す、受動または動的な回転ねじれ機構がブレードの根に組み込まれています。 必要なピッチ量はわずか数度で、ピッチ角の小さな変化が出力に劇的な影響を与えることができます。
ローターブレードのピッチ制御の大きな利点の1つは、風速ウィンドウが大きくなることです。 正のピッチ角は、ロータが回転し始めると、そのカットイン風速を減少させるため、大きな始動トルクを発生させる。 同様に、ローターの最高速度が限界に達する強風時には、ローターの効率と迎え角を下げることによって、ローター回転数が限界を超えないようにピッチを制御することができます。
風力タービンの出力調整は、ローターブレードのピッチ制御を使って、迎え角を制御してブレードの揚力を減らすか増やすことによって達成することができます。 小型のローターブレードは、その設計に小さなねじれを組み込むことでこれを実現しています。 大型の商用風力タービンでは、遠心バネとレバーを使ったパッシブ方式（ヘリコプターのローターと同様）と、ブレードハブに組み込まれた小型電気モーターを使って必要な角度だけ回転させるアクティブ方式の2種類のピッチ制御を採用している。
– ブレードの構造-風から抽出された運動エネルギーは、ローターブレードの形状に影響され、空気力学的に最適なブレード形状とデザインを決定することが重要である。 しかし、ローターブレードの空力設計と同様に、構造設計も同様に重要である。
明らかに、回転翼のための理想的な構造材料は、低コストと所望の翼形状に容易に形成する能力とともに、重量に対する高い強度、高い疲労寿命、剛性、その固有振動数および疲労に対する耐性という必要な構造特性を組み合わせることになる。
100ワット以上の住宅用小型タービンのローターブレードは、一般に、アルミニウムやスチールだけでなく、木彫りの無垢材、木材積層板、木材単板複合材で作られています。 木製のローターブレードは丈夫で軽く、安価で柔軟性があり、簡単に作ることができるため、ほとんどのDIY風力発電機の設計で人気があります。 しかし、他の木材に比べて積層材の強度が低いため、高い先端速度で動作する細長い設計のブレードには適していません。
アルミニウムブレードも軽量で強く、加工しやすいですが、高価で曲がりやすく、金属疲労に悩まされることになります。 同様に、スチールブレードは最も安価な材料を使用し、必要な翼形に従って曲面パネルに形成し成形することができます。
超大型水平軸風力タービンの設計に使用される回転翼は、ガラス繊維/ポリエステル樹脂、ガラス繊維/エポキシ、ガラス繊維/ポリエステル、炭素繊維複合体からなる最も一般的な複合材料で強化プラスチック複合材から作られています。 ガラス繊維と炭素繊維の複合材料は、他の材料と比較して圧縮強度対重量比が大幅に高いのが特徴です。 また、ガラス繊維は軽量で強く、安価で、疲労特性がよく、さまざまな製造工程で使用できます。
必要と思われる風力タービンのサイズ、タイプ、構造は、特定の用途と出力要件に依存します。 小型風力タービンの設計は、20ワットから50キロワット（kW）までの範囲で、より小さいまたは「マイクロ」（20～500ワット）タービンは、バッテリーの充電や照明の電源などさまざまな用途で住宅地で使用されています。
風力エネルギーは、豊富で、燃料費がゼロ、排出のない発電技術を持っており、クリーンで広く分布したエネルギー資源であることから、世界で最も急成長中の再生可能エネルギー源のひとつとなっています。 その結果、小型・軽量化され、屋根の上や短いポールやタワーにすばやく簡単に取り付けられるようになりました。
風力エネルギーに関する次のチュートリアルでは、家庭用風力発電システムの一部として電気を生成するために使用される風力発電機の操作と設計について見ていきます。