無視された「卵泡立て器」 - ダリウス風力タービンの寿命

著者: チェン・ミンチェン

この記事はサイエンスアカデミー公式アカウント（ID: kexuedayuan）から引用したものです。

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21 世紀にはクリーンな再生可能なエネルギーが登場しました。その中でも、風力エネルギーの開発は特に急速です。人々の印象では、風力タービンはどれも同じように見えます。つまり、背の高い柱と3枚の細い羽根で構成された「超大型風車」のようです。実際、風力発電技術の長い進化の中で、さまざまな風力タービンが次々と登場してきました。

例えば、卵泡立て器のような形の風力タービンがあります...

画像出典: veer gallery

無視された新人

歴史的記録によると、世界初の風車は紀元前 2 世紀のペルシャ地方にまで遡ることができます (現在のイランでは、現在でもいくつかの風車が稼働しています)。それは水を汲み上げたり穀物を粉砕したりするために使われた垂直軸風力タービンでした。その後、18世紀にはオランダ風車に代表される水平軸風車が普及しました。同じ時期に、英国のジェームズ・ブライオス卿が最初の垂直軸風力タービンを発明し、垂直軸風力タービンの始まりを示しました。

イラン最古の風車（垂直軸）（画像出典：video.nationalgeographic.com）

風力タービンは、風のエネルギーを電気エネルギーに変換する装置の総称です。現在、世界中のほぼすべての大型風力タービンの回転軸は風向と一致しており、基本的に地面と平行になっています。これらは「水平軸風力タービン」と呼ばれます。一方、「垂直軸風力タービン」の回転軸は風向に対して垂直であり、通常は地面に対しても垂直です。

表面的には、2 つの風力タービンの違いは主軸の方向ですが、2 つの風力タービンの最も根本的な違いは、風に面する必要があるかどうかです。自然界では風の方向は常に変化しています。したがって、水平軸風力タービンがより多くの風力エネルギーを捕捉したい場合は、風向の変化に応じて時間内に調整する必要があり、先端が風の方向を向く必要があります（ひまわりが太陽を向くのと同じように）。しかし、現実には風車が風の方向に完全に追従することは困難です。しかし、垂直軸風力タービンは、風の問題を考慮する必要がなく、あらゆる方向からの風力エネルギーを最大限に吸収することができます。

リアルタイムの風監視を必要とする水平軸風力タービン（画像提供：cinelines.com）

垂直軸風力タービンには多くの種類がありますが、原理的には抗力型と揚力型の2つに大別できます。抵抗型風力タービンは受風面積の半分しか利用できず、単位出力係数は低く、一般的に15%を超えません。一般的な形状としてはカップ型風速計を表すS型があり、主に気象観測所の風洞塔、大型風力タービンのキャビン上部、電柱上部などに設置されます。エネルギー変換効率（20％）は、通常の抵抗型ユニットよりもわずかに高くなります。私たちが目にするおもちゃの風車も、典型的な抵抗型風力タービンです。 S型ユニットは、大規模製造と低エネルギー利用の難しさに直面しているため、風力発電の分野で苦戦してきました。

カップ型風速計（S 型風力タービン）（画像出典: gifmania.co.uk）

ねじれて変形したS字型の風力タービン（画像提供：inhabitat.com）

1931年、フランスの航空技術者ジョルジュ・ジャン・マリー・ダリウスは、自身の名を冠した風力タービンの特許を取得し、揚力式垂直軸風力タービンの先駆者となった。後世の人々は、揚力式垂直軸風車を、地面から突き出た「泡立て器」のような外観から、ダリウス風車（D型風車）と呼ぶようになりました。あらゆるタイプの垂直軸風力タービンの中で、ダリウス風力タービンは風力エネルギー利用率が最も高く、構造がシンプルで、出力性能に優れています。しかし、導入後30年以上も真剣に受け止められることはなかったが、1960年代後半に北米で転機が訪れた。カナダとアメリカの科学者による徹底的な研究の結果、ダリウス風力タービンはついに再び日の目を見ることになり、初期の工学的実用価値を持つようになりました。

ダリウス風力タービンが設置された風力発電所（写真提供：鵬鵬科学技術ネットワーク）

「泡立て器」はなぜ電気を発生できるのでしょうか？

ダリウス風力タービンブレードの形状により、湾曲ブレード（φ型）と直線ブレード（H型、V型など）の2種類に分けられ、国内外で使用されています。湾曲したブレードは主に純粋な張力に耐え、遠心力の負荷の影響を受けません。構造力性能は優れていますが、空間位置を固定する必要があり、可変ピッチなどの制御方法を使用するのは不便です。そのため、湾曲ブレードの製造コストが高く、製造の難易度も高くなります。直翼では、遠心力による大きな曲げ応力を防ぐために、通常、クロスアームケーブルサポートが使用されますが、これらのサポートにより、追加の空気抵抗が発生し、効率が低下します。また、始動性能も若干物足りない。

直線ブレードを備えたダリウス風力タービン（写真提供：鵬鵬科学技術ネットワーク）

見た目では、ダリウス風力タービンと水平軸風力タービンは大きく異なります。実際、どちらのタイプのユニットも、駆動のためにブレード断面の翼型によって提供される揚力に依存しているため、原理的には「性質が類似」しています。以下はH型ダリウス風車の原理分析です（頭の中で風車を動かしてみてください～）。

H型風力タービンの動作原理図（画像出典：筆者自作）

左の写真の H 字型ダリウス風力タービンのローターは、シャフトに平行な 2 枚のブレードで構成されています。ブレードの断面は流線型の形状をした対称的な翼型です。風力タービンシャフトの両側に反対方向に設置されます。右の写真には、0° から 315° までの 8 つの位置にあるブレードがリストされています。風は左から右に吹き、ブレード断面の翼型によって発生する揚力抵抗によって風車が回転します。通常の動作中、ブレードが受ける抵抗は非常に小さく、図には示されていません。

ブレードの前進方向の揚力と抗力の複合力の成分が、風力ローターを回転させる力となります。これら 8 つの角度におけるブレードの力の状態を分析すると、揚力を生成しない 0° と 180° の相対風速を除いて、他の 6 つの位置でブレードに作用する揚力によって移動方向にトルクを生成できることがわかります。言い換えれば、風力ローターとブレードが異なる角度に回転すると、風力ローターを同じ方向に回転させるトルクがほぼ常に発生します。このため、ダリウス風力タービンはあらゆる方向の風でも作動できます。

ダリウス風力タービンの利点

ダリウス型風力タービンと水平軸3枚ブレード風力タービンは、それぞれ垂直軸型風力タービンと水平軸型風力タービンの代表例です。商業発展の面では、両者は長く激しい対立を経験してきた。垂直軸型風力タービンは失敗に終わったが、全くメリットがないわけではない。それどころか、上記のように追加の風制御機構が不要でエネルギー損失を回避できることに加えて、多くの利点もあります。

騒音公害が少なく、高層ビルとの一体化に適しています。

遠隔地での大規模な風力発電所の開発と建設により、風力タービンは住宅地の近くに設置されるようになりました。しかし、これらの大きな動物たちは見た目ほど従順ではありません。風力タービンのブレードが空気を吹き飛ばすと、轟音のような空気力学的騒音が発生し、周辺住民の日常生活に影響を与えます。多くの人が低周波騒音に悩まされ、毎日眠りにつくのに苦労しています。

垂直軸風力タービンは、1分間にわずか12回転の速度で稼働し、ほとんど騒音を発生しません。そのため、人口密集都市に定着し、高層ビルの屋上に設置することで風力発電と建物の一体化を実現し、ユーザー端に直接電力を供給することができます。

エッフェル塔内部の垂直軸風力タービン（画像提供：ecofriend.com）

上海タワーの垂直軸風力タービン（写真提供：Sh.Eastday.Com）

低速、鳥に優しい、強風に強い

3枚ブレードの水平軸風力タービンはシンプルで上品な外観をしており、その独特な形状は自然の景観を飾るものとなっています。しかし、そのブレード先端の速度は80m/sにも達します。風力発電所が鳥の生息地や渡り鳥のルートの近くに建設されると、鳥にとって大きな脅威となります。多くの希少な猛禽類を含む無数の鳥が衝突され、負傷し、さらには死亡しました。

垂直軸風力タービンは非常に低速で稼働するため、鳥に危害を与えることはありません。さらに、塔の高さが低く、耐風性が強いため、我が国の南東海岸の台風上陸地域に大きな開発の余地があります。

ユニット間の距離が短く、設置およびメンテナンスコストが低い

水平軸風力タービンの運転中、風力ローターの後ろに巨大な後流領域が発生し、後ろの風力タービンの性能に大きな影響を与えます。気流の干渉は、前部ユニットと後部ユニット間の距離が風力ローターの直径の 20 倍を超える場合にのみ完全に排除できます。これにより、ケーブル敷設コストが急激に上昇し、多くの土地資源が浪費されます。対照的に、垂直軸ユニットは乱気流の影響を受けにくくなります。テストでは、ユニット間の距離が風力ローターの長さの 4 倍のときに、ユニットが風力エネルギーを最大限に吸収できることが示されています。したがって、風力発電所内でユニットを高密度に配置することができます。さらに、垂直型風力タービンの発電機、ギアボックスなどの重機は地上に設置できるため、機械的特性が大幅に向上し、設置やメンテナンスが容易になります。

海上の水平軸風力タービンによって生成される航跡（画像提供：energirs）

しかし、垂直軸風力タービンには、全体的なエネルギー変換効率が低い、過速度運転時の速度制御が難しい、始動風速が高い、自動始動が難しいなどの欠点もあります。

全体的に見ると、垂直軸風力タービンの方が大きな利点があるように見えますが、風力発電の大規模な工学開発を達成するには、技術の実現可能性を実証するだけでなく、空気力学的効率、構造安全性、騒音レベル、環境への影響、投入コストと利点などを総合的に考慮する必要があります。

ダリウス型風力タービンと水平軸型風力タービンの熾烈な競争の中で、水平軸型風力タービンは21世紀に大きくリードし、商業用風力発電産業を完全に支配しました。しかし、ダリウス風力タービンは消えてはいない。これらは今でも、我が国の遠隔地の山岳地帯や島嶼部に地域電力を供給する役割を果たしており、照明、通信、その他の設備の長期稼働を保証しています。

高速道路上空に湾曲したブレードを備えたダリウス風力タービン

「第二の春」の到来：洋上風力発電開発

21世紀に入ってからは、より多くの風力エネルギーを捕捉し、発電単価を下げるために、水平軸風力タービンのサイズが徐々に大きくなってきました。同時に、「塔が高く、刃が長い」超大型機の欠点も顕著になってきている。運用・保守コストが高いなどの固有の欠点に加え、生態環境にも大きな影響を与えます。その結果、垂直軸風力タービンが再び注目を集め、ダリウス風力タービンの研究の波が巻き起こりました。

現在の洋上風力発電の開発動向によれば、水深60メートル以上の深海域では、2,000GW以上の洋上風力発電容量が見込まれています。データによれば、ダリウス風力タービンは、深海環境において、建設、運用、保守コストの低減など、より大きな利点があることがわかります。垂直軸風力タービンの潜在能力を最大限に引き出すために、研究者らは長期にわたる応用技術の蓄積と高度な数値解析ツールに基づいて、新しいV字型ダリウス風力タービンを提案した。おそらく近い将来、私たちはこの斬新な新しいタイプの風力タービンを目にすることができるでしょう。

斬新なV字型ダリウス洋上風力タービンのコンセプトイメージ（写真提供：Aerogenerator）

ダリウスの風力タービンは20世紀初頭の陸上での戦いでは敗北したが、そのさまざまな特性は、海上で大きな競争力を持つ可能性を示している。しかし、垂直軸風力タービンが長い休眠期間を経て急速に成長し、第二の活力を得て、主流の水平軸風力タービンと競争できるようになるには、まだ長い道のりが残っています。

参考文献:

[1]https://energy.sandia.gov/programs/renewable-energy/wind-power/offshore-wind/#float-vawt

[2] http://news.cntv.cn/20110720/108118.shtml

[3] ブラックウェル、BF、et al。 「ダリウス風力タービンの技術開発状況」エネルギージャーナル、vol. 1、いいえ。 1、1977年、50-64頁。

[4]より環境に優しい未来に向けて航海に出る航空発電機タービン。オンラインで入手可能: http://www.guardian.co.uk/technology/2008/jan/29/wind.energy.aerogenerator (2019 年 5 月 10 日にアクセス)

[5] http://www.pengky.cn/zindex.html。