風車の種類：HAWT、VAWT その他解説

Aug.30.2024

大多数の風力タービン風力発電所（陸上および海上）で見られるものは標準的な3枚羽根の設計です。しかし、いくつか異なるスタイル／タイプのタービンが存在し、それらがどのように風の運動エネルギーを活用するかは大きく異なります。

風車には主に水平軸と垂直軸の2種類があります。水平軸風車は回転軸が水平方向に配置されています。通常3枚の羽根を持ち、風に向かって設置されます。垂直軸風車は回転軸が垂直方向に配置されており、逆方向からの運動エネルギーを活用します。

水平軸および垂直軸風車の他にも、他の種類の風車があり、それらも探求する価値があります。

最も一般的な風力タービンのタイプは『水平軸風力タービン』です。これは、回転軸が水平に配置されているため、水平軸と呼ばれます（下図参照）。

水平軸風力タービンは、最大効率で動作するためには、直接風に向かっていなければなりません。そして、全体のヘッド部分が風を向くように設計されています。風の方向が変わると、ヘッド部分も（または「yaw」）風に向かって調整されます。

水平軸風力タービンは、陸上および海上の風力発電所で使用され、土地が主に平坦で開けた場所では、風が乱流ではない地域で垂直軸タービンよりも効率的に動作します。

サイズのために設計

エネルギー意識の高い住宅所有者向けに、多くの小型の水平軸風力タービンが市販されていますが、その大きな利点の一つは、製造においてスケールしやすく、非常に大型に作れることです。これが風力発電所で使用される別の理由でもあります。1基の10メガワット（MW）タービンを建設・運営する方が、5基の2 MWタービンを作るよりもコスト効果があります。

2021年夏時点での世界最大の風力タービンは、出力15メガワット（MW）のヴェスタス V236タービンです。そのブレードの直径は236mあり、自由の女神の高さの2倍以上です！そのブレードが1回転するだけで、平均的な家庭が1日間使用する電力を供給できます。

垂直軸風力タービン

効率が低く、あまり普及していませんが、もう一つのタイプのタービンが「垂直軸風力タービン」です。これは、回転軸が垂直方向に配置されているため、このように呼ばれます。

水平軸風車の風力発電所で見られるような大規模な垂直軸タービンを建設することは不可能です。これまでに作られた最大の垂直軸風力タービンは、カナダのケベックにある高さ110メートル、3.8MWの「エオール（ÉOLE）」タービンでした。しかし、そのローターベアリングは1993年に支える必要があった880トンの重みの下で故障しました。それ以来運用されておらず、現在では観光客の興味の対象となっています。このような重い重量を単一のベアリングで直接支えることに関連する技術的な問題があるため、これよりも大きな垂直軸タービンを誰かが建設しようとする可能性は極めて低いです。

柔軟性のために設計されたもの

垂直軸風力タービンは規模こそ小さいものの、水平軸風力タービンに対する主な利点は、ヨー動作が必要ないことです。どの方向からでも常に風エネルギーを収集します。ブレードの設計方法により、風がどこから来ても常に同じ方向に回転します。

これは、都市の屋上や建設地帯で風エネルギーを捕獲する垂直軸風力タービンが優れていることを意味します。これらの場所では、乱流となる風が常に方向を変えています。

垂直軸風力タービン同等の出力をもつ水平軸風力タービンよりもスペースを取らず、スペースに制限のあるエリアでよく選ばれます。

VAWTの異なる種類

垂直軸風力タービンには、サボニウスとダリエスという2つの主要な設計があります。これらの設計は、風エネルギーを捕獲する方法においてかなり異なっています。

サボニウス型VAWT

サボニウス形式の垂直軸風力タービンは、風エネルギーを力学的な回転エネルギーに変換するために抵抗の原理を使用します。これはスコップのように働き、タービンに入る風を捕らえる形状をしており、抵抗が発生してその結果として回転を強制します（図を参照、以下）。風がどの方向から来ても、常にスコップの前面と背面の両方に当たりますが、スコップの丸い背面は少ない抵抗しか生まないため、タービンが回転できるようになります。しかし、これによりサボニウス垂直軸風力タービンは、最大で風エネルギーの15%しか力学的な回転エネルギーに変換できません。

ダリウス型VAWT

ダリウス型垂直軸風力タービンは、揚力の原理を使用して風エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換し、サボニウス型垂直軸タービンよりも効率が良いです。ダリウス型垂直軸風力タービンは、断面が飛行機の翼のような形をしたブレードを使用しています。風がブレードを通過すると、エアロフォイル効果によって揚力が発生し、それがタービンを回転させます（下記図参照）。

ダリウス型タービンのエアロフォイルブレードは、直線、曲線、または螺旋状の形状を持つことができます（下記図参照）。

これらはすべてダリウス型タービンです。ローターブレードはすべて同じ揚力を作るエアロフォイルですが、異なる構成になっています。

螺旋状の配置は非常に興味深いものであり、同じ回転領域内にさらに長いエアロフォイルブレードを収容できるため、より多くの風を捕らえ、効率を向上させることができます。

その他のタービン設計

大多数の風力タービンは、この2つの主要なカテゴリ（垂直軸と水平軸）に属していますが、これらの2つの設計の通常の構成から離れたさまざまな実験的なデザインが存在します。

ウィンドツリー

パリを拠点とするNew World Wind社によって作られた『ウィンドツリー』は、サボニウス垂直軸風力タービンに基づいていますが、木の葉のように配置された多くの小さなタービンを使用して、装飾的な都市部の特徴を持っています。

Vortex Bladeless

Vortex Bladelessは、スペインの企業で、風からの運動エネルギーを取り出すために全く異なる方法を採用しています。彼らの「タービン」は、回転しないため、従来のタービンには似ていません。

Vortex Bladelessシステムは、風からエネルギーを抽出するために、渦起因共鳴と呼ばれる技術を使用する柱状の高いマストを利用しています。風が柱を通過すると、その後ろで乱流が発生し、柱が前後に振動します。この機械的エネルギーが線形発電機を駆動し、電流を生成します。

回転する羽根がないため、このタイプの風力発電機は渡り鳥や野生動物に危険を及ぼしません。

車両駆動型タービン

いくつかの企業が、高速道路や自動車専用道路の中央分離帯に設置できる小型の縦軸風力タービンを開発を開始しました。これらのタービンを回転させるのは「自然」の風ではなく、高速で通過する車両の連続的な流れによって引き起こされる乱流です。したがって、これらは依然として従来の縦軸風力タービンですが、適用される状況が新しいものです。

交差軸風力タービン (CAWT)

交差軸風力タービンは、水平と垂直の両方のタービンブレードを新しい交差リンク構成で使用する実験的な垂直軸タービン設計です。3つの垂直ブレードと6つの水平ブレードがあり、水平および垂直方向からの風エネルギーを捕捉することができます。研究では、同じ風況において、これは従来の垂直軸タービンよりも2.5倍効率が良いことがわかりました。