小形垂直風力発電機の未来
PK10垂直型風力発電機
概要
本文は主に小形垂直軸型風力発電機の種類、各種類の小形垂直軸型風力発電機のメリットとデメリット、小形垂直軸型風力発電機の設計思想、小形垂直軸型風力発電機の主要パラメータの関連性と発展方向を紹介するほか、垂直軸型風力発電機について簡単をご紹介します。
垂直軸型風力発電機は小風車の回転軸が地面に対して垂直となるタイプで、設置·メンテナンス時の扱いが容易になります。またどの方向の風も利用可能で風向きに対する依存性がありません。季節や時間帯で風向きが変動する、日本独特の風況に向いたタイプと言えます。国内外の各垂直軸型風力発電機の製造業者が採用している研究開発手段と研究開発工具が異なっているため、研究開発技術のレベルがバラバラで、いろいろ外観の垂直軸型風力発電機があり、多くの商品の性能は水平軸型風力発電機と比べ物にならないようです。このような理由から主要な風力発電機生産業者(大型水平軸型風力発電機生産業者)は垂直軸型の生産を行っていません。また、同じような原因で消費者は垂直軸型風力発電機に対し誤解を抱いているようです。しかし、従来の水平軸型風力発電機とは比べ物にならないほどの優位性を持っている為、重視されてきています。近年では、多くの人が伝統的な観念を捨て、この業界に飛び込み、研究開発を開始しました。
1. 垂直軸型風力発電機の現状
垂直軸型風力発電機は低回転と起動トルクが大きいという特性を持っています。翼端速度比は出力が同じ水平軸型風力発電機と比べ低いのですが、ローターの重量は出力が同じ水平軸型風力発電機と比べて大幅に重い、また水平軸型と比べ回転慣性モーメントが大きいようです。また、垂直軸型風力発電機は無騒音と安全などの使用上メリットを持っているほか、風速が変わる時回転速度は急激に変わることがないため、電圧と出力の波動は相対的に緩やかで、送電網への影響が弱いというメリットを持っています。その為、スタンドアローン型風力発電機として都市、ビル屋上、通信、屋外広告、島、田舎発電所、油田採掘機器等、風資源が豊かな地域で採用できるだけではなく、グリット接続システムを建設することもできます。
2.垂直軸型風力発電機の種類
現時点では、まだ抵抗力型と揚力型の二種類の垂直軸型風力発電機が応用されています。
2.1抵抗力型垂直軸型風力発電機
典型的な抵抗力型垂直軸型風力発電機は以下の図2-1、2-2、2-3のようになっています。特筆すべき点は、起動性能が優れていますがデメリットとしては低回転ですが風能の利用率が低い事で空気力速度制御機能が実現する事が難しく、台風に弱いという点があげまれます。この風力発電機の適合場所は少なく、長年、風速が低くて風力エネルギー利用率の要求が低い、また台風がない地域だけで使用可能となります。
2.2 揚力型垂直軸型風力発電機
揚力型垂直軸型風力発電機はダリウス型と直線翼式型があります。ダリウス型はブレードの翼幅が短く、2~3枚のブレードがあり、起動性能が悪いので他の方法で起動する必要があります。最大の欠点はブレードが連結構造で空気力速度制御が実現できない事です。これでは強風の環境下では運転できなくなり、運転すると解体の恐れがあります。グリット接続型として採用すれば、応用範囲が狭いのですがタワーの建設が不要で本体の構造が簡単なのでコストが低いというメリットを持っています。
直形ブレード直線翼式型で、図2-4、2-5、2-6のようになります。直形ブレード直線翼式型風力発電機は設計が適切であれば、空気力速度制御機能が実現でき、速度超過制御の目的に適合しています。ただし、この種類のブレードは主軸の連結方式が様々でブレードを主軸に取り付ける方法により、ローターは異なる力学と空気力特性を持つことになります。
A類はブレード両端と主軸が平行に接続されています(図2-4)。この様に、ローターのブレード両端は主軸と平行に接続されるので空気力性能が優れています。ただし、主軸が長いので受ける曲げモーメントが大きく、ローターの力学的の特性では不利となるようです。
B類はローター主軸を最低限に短縮して、ローター主軸はただ発電機主軸の突き出る部位となっています。図2-5のようにブレードを接続する部品は偏って発電主軸と接続しています。主軸が短いので主軸が受ける曲げモーメントが一番小さくて、主軸の荷重が小さいため、主軸の設計が簡単になり風力機の重量とコストのダウンが出来ます。ただし、ローターが回転してからは、ローター内と外、及びローター内部各点の空気圧差が違うので、上と下が“開いている”ローターは、ローター内と外の圧力差の損失につながりますが、圧力差は揚力型垂直軸型風力機がモーメントを得る重要な要素です。このような風力機は空気力効率を犠牲にして、力学的構造を最優先にしてます。これでブレード、容積比、ブレード枚数など各要素が同じの場合で効率が低いのです。
C類は主軸をブレード長さの約1/2に短縮(図2-6)。この様なローター構造はローターの空気力性能と力学的構造を両立できました。もし他の手段を取り入れて、ローター回転時のローター内外の圧力差の損失を削減できれば、ブレードの両端と接続する垂直軸型風力機とほぼ同じ空気力効率を得ることが出来ます。ほかにも、力学的の性能も優れ、最も商業化に適合します。
第三種の揚力型は変形した直線翼式型垂直軸型風力機、即ちティルトローター方式垂直軸型風力機です。図2-7のように、風力機の“死点”を除去し、且で高速回転のとき抵抗力を低下させることが出来ます。ただし、このような風力機は、各水平方向の断面のモーメントが小さいのでブレードの翼幅が短い時、起動には高速の風が必要となります。また、このような風力機のブレードの接続方式の原因でブレードの迎角を変えることが出来ないので空気力速度制御機能を加えることは出来ません。通常は抵抗器を取ることで速度超過を制御します。そのため、百ワットレベルの風力機に適合するだけで中大型に発展するには難しいようです。
2.3 混合型垂直軸型風力機
混合型風力機はサボ二ウス抵抗型ローターをダリウス揚力型ローターの中央に置いて(図2-8、2-9)、ダリウス型の起動性能を向上する目的を果たす為に使用します。ただし、サボニウスのローターの最適な線速度は風速の1/3です。それで、この様なローターの効率を決める主要な要素はダリウス型ローターではなく、サボニウス型ローターとサボニウス型ローター直径とダリウス型ローター直径の比の値で決められ、比の値が1に近づくと、その効率はサボニウス型ローターの効率に偏りますが、この比の値が小さ過ぎると起動性能を向上する役割は失います。ローターには空気力速度制御機能を加えることが出来ず、利用可能の風速範囲が狭い。メリットは構造が簡単でコストが低いことです。
上記揚力型垂直軸型風力機のブレードの取り付け角度(ブレード翼弦線とローター接線との夾角)はほぼ固定されています。取り付け角度が固定された揚力型風力機は、ほかと比べて構造が簡単でコストが低いのですが、空気力速度制御機能の実現は難しく、発電する風速範囲が狭い。速度超過を制御するという目的を果たすため、利用可能風速範囲を拡大し、既存小形揚力型垂直軸型風力機は大体抵抗器を撤去するか短絡方式で速度超過制御を実現しています。大量の風洞実験を通じてわかったのは、抵抗器を撤去、或いは短絡方式を利用するのはある程度の風速と百ワットレベルの垂直軸型風力機に適用します。高速風と大型垂直軸型風力機の時は、抵抗器の撤去と短絡方式は速度超過制御に適合しません。
図2-10は受動可変迎角式の小形垂直軸型風力器です。“受動可変迎角”技術とはブレードの取り付け角度はある範囲内で受動に変化されると言うことです。受動可変迎角式垂直軸型風力機は水平軸型風力機の可変ピッチ機能と同じで垂直軸型風力機の効率が実現出来、速度超過制御機能も実現します。この技術は垂直軸風力機の発電可能風速範囲を拡大し、ＫＷレベルの垂直軸風力機の速度超過制御に採用でき、ＫWレベルの垂直軸風力機の商業化応用価値を大幅に引き上げ、垂直軸風力機の商業化の為、足固めを行いました。
2.4 垂直軸型風力機のブレード枚数、容積比と起動性能
直形ブレード式直線翼式型垂直軸型風力機のブレード枚数は通常2~5枚で、さらにもっと多い場合もあります。ただし、ブレード枚数は機能性能を影響する重要な原因の一つです。ブレードの枚数が少ないほど、起動時垂直軸型風力機の“死点”位置が多くなります。2~3枚のブレードを持つローターの“死点位置が一番多く、4枚の時は少なくて、5枚の時はほぼなくなります。“死点”とは、ブレードがローターのある位置にあるとき、風力がどんなに強くても風力機は自動で起動できない事です。その原因は、この位置で、気流がブレードにかけるトルクはブレードを回転するには足りない為です。ただし、多いブレード枚数は容積比を上げることになるため(垂直軸型風力機の容積比はブレード幅の合計/ローターの円週の長さとなる)、容積比が高くて一定の数値に到達すると、ローターが回転するとき、前のブレードより産生した乱流は後ろのブレードに影響を与え、風力機の効率が低下し始めます。ただし、低い容積比は無負荷の時は速い回転が出来るが、負荷能力が悪いようです。
直線翼式型直形ブレードから図2-11のような二重直線翼式が派生しました。二重直線翼式は風力機の容積比を向上することになり、起動性能の向上が出来ました。二重ブレードの直線運動と回転運動時の空気力特性は大きく違います。内側ブレードの乱流で、外側ブレードの空気力性能に影響を与え、高速回転時の効率を低下させることになります。また、二重直線翼式風力機の内側と外側ブレードの翼端速度比が違うため、このタイプの風力機の効率に影響を与えます。
2.5垂直軸型風力機の制動
風力機が低速風で起動可能と言うことは、大きいトルクを持っていることになります。その為、風力機のブレーキはそれに応じての大きい制動モーメントが必要です。一級ブレーキ装置を採用する垂直軸型風力機にとっては、制動モーメントは耐風速での風力機の静止モーメントより大きい必要です。第一級ブレーキの安全風速に到達時の制動を考え、ブレーキをかける時間は3分以内に抑える必要があります。その為、二級ブレーキ装置を採用する垂直軸型風力機の場合は、制動モーメントは初期安全風速時の風力機モーメントの約1.5倍にすると適合します。制動モーメントは徐々に最大モーメントに増加することで、風力機の機械構造を保護する必要があります。第二級ブレーキは安全ピンとして、風力機が停止後回転を制御します。
3. 垂直軸型風力機の発展方向
現時点で、多くの垂直軸型風力機のブレード翼弦線とローター接線との夾角は固定されています。垂直軸型風力機ローターは回転過程でブレードの各位置での空気力特性が違うため、理論的には取り付け角度を固定する垂直軸型風力機の効率は水平風力機より効率が低いようです。このため、リアルタイムで攻角可変の垂直軸型風力機は未来への発展方向になります。
図3-3は油圧技術とステッピングモーターを利用して、ブレードの取り付け角度をリアルタイムで調節する垂直軸型風力機です。風速計、風向計、エンコーダーを利用して、風速、風向、風力機回転速度、効率によって、ブレード取り付け角度をリアルタイムで調節することが出来ます。このような技術を取り入れたローターは空気力特性がよく、効率が高くて、発電風速範囲が広いほか、風速の変化は送電網に与える波動の影響が小さいため、ＭWレベルの垂直軸型風力機への応用に適合します。