風力タービンの種類（HAWT、VAWT など）の説明

30.2024月XNUMX日

の大部分風力タービン郡内の風力発電所（陸上と洋上の両方）で見られるのは、標準的な 3 枚羽根設計です。ただし、タービンにはさまざまなスタイルやタイプがあり、風から運動エネルギーを活用する方法もそれぞれ異なります。

風力タービンの主な2つのタイプは、水平軸型と垂直軸型です。水平軸風力タービン回転軸が水平に向いています。通常、3 枚のブレードを備え、風に面するように設計されています。垂直軸風力タービンは、回転軸が垂直に配置され、反対方向に運動エネルギーを利用するように設計されています。

水平軸風力タービンと垂直軸風力タービン以外にも、検討する価値のあるタービンの反復が他にもあります。

最も一般的なタイプの風力タービンは「水平軸風力タービン」です。回転軸が水平にあるため、水平軸と呼ばれます（下の図を参照）。

水平軸風力タービンは、最大限の効率で作動するためには風にまっすぐ向かう必要があり、ヘッド全体が風に向くように設計されています。風の方向が変わると、ヘッドも風に向いたままになるように回転（または「ヨー」）する必要があります。

水平軸風力タービンは、風が乱れない地域では垂直軸タービンよりも効率的に動作するため、土地がほぼ平坦で開けている洋上風力発電所や陸上風力発電所で選択されます。

サイズに合わせて設計

エネルギーに敏感な住宅所有者向けに、小規模な水平軸風力タービンが数多く市販されていますが、その大きな利点の 10 つは、製造に適した規模で、非常に大きなサイズで建設できることです。これが、水平軸風力タービンが風力発電所で使用されているもう 2 つの理由です。XNUMX MW タービン XNUMX 基よりも、XNUMX MW タービン XNUMX 基を建設して運用する方が、はるかにコスト効率が高くなります。

世界最大の風力タービン（2021年夏現在）は、定格出力236メガワット（MW）のヴェスタスV15タービンです。ブレードローターの直径は236メートルで、自由の女神像のXNUMX倍以上の高さです。ブレードがXNUMX回転するだけで、平均的な家庭のXNUMX日分の電力を賄うのに十分な電力を供給できます。

垂直軸風力タービン

効率が低く、あまり一般的ではないタービンは「垂直軸風力タービン」です。回転軸が垂直上向きに揃っているため、垂直軸と呼ばれます。

垂直軸タービンは、水平軸タービンの風力発電所で見られるような大規模なものでは建造できません。これまでに建造された最大の垂直軸タービンは、カナダのケベック州にある高さ 110 メートル、3.8 MW の「ÉOLE」タービンです。しかし、ローターベアリングは 1993 年に 880 トンの重量を支えるために故障しました。それ以来、このタービンは稼働しておらず、現在は観光客の興味をそそる存在となっています。このような重量を単一のベアリングで直接支えることに伴う技術的問題のため、これよりも大きな垂直軸タービンを建造しようとする人はほとんどいないでしょう。

柔軟性を重視した設計

垂直軸風力タービンは小型ですが、水平軸風力タービンに比べて、ヨーイングする必要がないという主な利点があります。垂直軸風力タービンは、常にあらゆる方向から風力エネルギーを集めます。ブレードの設計方法により、風がどこから吹いていても、常に同じ方向に回転します。

これにより、垂直軸風力タービンは、乱気流の方向が常に変化する都市の屋上や建物が密集した地域で風力エネルギーをより効果的に捕捉できるようになります。

垂直軸風力タービン同等の出力の水平軸タービンよりも場所を取らないため、スペースが限られている場所でよく選ばれます。

VAWT のさまざまなタイプ

垂直軸風力タービンには、サボニウス型とダリウス型と呼ばれる 2 つの主な設計があります。これらの設計は、風力エネルギーを捕捉する方法がまったく異なります。

サボニウスVAWT

サボニウス型垂直軸風力タービンは、抗力の原理を利用して風力エネルギーを機械的回転エネルギーに変換します。このタービンはスクープのように機能し、タービンに入る風を捕らえる形状で、抗力を生み出してタービンを回転させます (下の図を参照)。風がどの方向から吹いてくるかに関係なく、風は常にスクープの前面と背面の両方に当たりますが、スクープの丸い背面により抗力が小さくなり、タービンが回転します。ただし、これはサボニウス型垂直軸風力タービンが風力エネルギーの 15% しか機械的回転エネルギーに変換できないことを意味します。

ダリウスVAWT

ダリウス垂直軸風力タービンは揚力の原理を利用して風力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的です。ダリウス垂直軸風力タービンは、飛行機の翼のような断面形状のブレードを使用します。風がブレードを通過すると、翼型効果によって揚力が生じ、これがタービンを回転させます (下の図を参照)。

ダリウス水車の翼型は、直線、曲線、または螺旋形のいずれかの形状になります (下の図を参照)。

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生み出す翼ですが、構成が異なります。

らせん状の構成は、直線状のブレードを持つタービンと同じ回転領域内に長い翼型ブレードを収めることができるため、より多くの風を捉えて効率を高めることができるため、おそらく最も興味深いものです。

その他のタービン設計

風力タービンの大部分はこれら 2 つの主なカテゴリ (垂直軸と水平軸) に分類されますが、これら 2 つの設計の通常の構成から逸脱したさまざまな実験的な設計が存在します。

風の木

パリを拠点とするニューワールド・ウィンド社が建設した「ウィンド・ツリー」は、サボニウス垂直軸風力タービンをベースにしているが、多数の小型タービンを木の葉のように見えるように配置し、都市の装飾的な特徴を作り出すという点で斬新である。

ボルテックスブレードレス

Vortex Bladeless は、風から運動エネルギーを抽出するまったく異なる方法を採用したスペインの会社です。同社の「タービン」は回転しないため、従来のタービンとはまったく似ていません。

Vortex Bladeless システムは、渦誘起共鳴と呼ばれる技術を使用して風からエネルギーを抽出する、背の高い柱状のマストを使用します。風が柱を通過すると、柱の後ろに乱気流が発生し、柱が前後に振動します。この機械的エネルギーがリニアオルタネーターを駆動し、電流を生成します。

このタイプの風力発電機には回転するブレードがないので、渡り鳥や野生動物に危険を及ぼすことはありません。

車両駆動タービン

多くの企業が、高速道路の中央分離帯に設置できる小型の垂直軸風力タービンの開発に着手しています。これらのタービンは、「自然」の風で駆動されるのではなく、高速で通過する車の絶え間ない流れによって生じる乱気流によって回転します。したがって、これらは従来の垂直軸風力タービンのままですが、適用される状況が斬新です。

交差軸風力タービン（CAWT）

交差軸風力タービンは、水平および垂直タービンブレードの両方を斬新な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。2.5 枚の垂直ブレードと XNUMX 枚の水平ブレードにより、水平方向と垂直方向の両方から風のエネルギーを捕捉できます。研究により、同じ風の条件下では従来の垂直軸タービンよりも XNUMX 倍効率的であることがわかりました。