ダリウス風力タービン
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ダリウス風力タービンは、風力エネルギーを利用して発電する垂直軸風力タービン（VAWT）の一種です。このタービンは、回転軸またはフレームに取り付けられた多数の湾曲した翼で構成されています。この翼の湾曲により、高速回転時にも翼には張力のみが加わります。直線翼を使用した、類似した風力タービンもいくつかあります。このタービンの設計は、フランスの航空技師ジョルジュ・ジャン・マリー・ダリウスによって特許取得されており、 1926年10月1日に出願されました。ダリウスタービンを極端な風の条件から保護し、自動始動させるのは大きな困難を伴います。
操作方法
ダリウス設計のオリジナル版では、翼型は左右対称に配置され、リギングアングル（翼型が取り付けられている構造物に対する翼型の設置角度）はゼロでした。この配置は、風向に関わらず同様に効果的です。これは、従来のタイプでは風上を向くように回転させる必要があるのとは対照的です。
ダリウス・ローターが回転しているとき、翼は円軌道を描いて空気中を前進します。ブレードに対して、この向かい風は風にベクトル的に加わり、結果として生じる気流はブレードに対して変化する小さな正の迎え角を作り出します。これにより、特定の「作用線」に沿って斜め前方に向く正の力が生じます。この力はタービン軸から一定の距離だけ内側に投射され、シャフトに正のトルクを与え、シャフトが既に進んでいる方向に回転するのを助けます。ローターを回転させる空気力学的原理は、オートジャイロや通常のヘリコプターのオートローテーションの原理と同じです。
翼が装置の背面を回ると、迎え角は逆符号に変化しますが、翼は対称形で索具角度はゼロであるため、発生する力は依然として回転方向に対して斜め方向です。ローターは風速とは無関係の速度で回転し、通常は風速の数倍の速度で回転します。このトルクと速度から生じるエネルギーは、発電機を用いて抽出し、有用な電力に変換することができます。
航空学用語の「揚力」と「抗力」は、厳密に言えば、それぞれ接近する正味の相対気流を横切る力と沿う力を指すため、ここでは役に立ちません。作用する力は、むしろブレードを回転させる接線方向の力と、ベアリングに作用する半径方向の力です。
ローターが静止しているときは、風速がかなり上昇しても、純回転力は発生しません。トルクを発生させるには、ローターが既に回転している必要があります。したがって、この設計は通常、自己始動しません。まれに、ダリウス型ローターが自己始動することがあるため、停止時に何らかのブレーキで保持する必要があります。
この設計上の問題点の一つは、タービンの回転に伴って迎え角が変化するため、各ブレードはサイクル中の2点（タービンの前後）で最大トルクを発生することです。これにより、正弦波（脈動）の電力サイクルが発生し、設計が複雑になります。特に、ほぼすべてのダリウス型水車は共振モードを有し、特定の回転速度において、脈動がブレードの固有振動数となり、最終的にブレードが破損する可能性があります。このため、ほとんどのダリウス型水車には、タービンが長時間にわたってこれらの速度で回転しないように、機械式ブレーキなどの速度制御装置が備えられています。
回転機構の質量の大部分が、プロペラのようにハブではなく周縁部に集中していることから、もう一つの問題が生じます。このため、機構には非常に高い遠心応力がかかり、それに耐えるためには、機構を通常よりも強く重くする必要があります。この問題を最小限に抑える一般的な方法の一つは、翼を「卵型ビーター」形状（ギリシャ語で「紡がれたロープの形」を意味する「トロポスケイン」形状と呼ばれます）に曲げることです。これにより翼は自立し、重い支持台や取り付け部を必要としません。図1を参照してください。
この構成では、ダリウス型は理論上、従来の型よりも安価です。これは、応力の大部分がタービン下部の発電機にトルクをかけるブレードにかかるためです。垂直方向にバランスを取る必要がある力は、ブレードが外側に曲がることによって生じる圧縮荷重（タワーを「圧迫」しようとする力）と、タービン全体を倒そうとする風力のみです。風力の半分はタービン下部に伝わり、残りの半分は支線で簡単に相殺できます。
対照的に、従来の設計では、風の力はすべて、メインベアリングが設置されている塔頂部に集中して作用します。さらに、プロペラは塔頂部の上下両方で回転するため、支線を使ってこの荷重を相殺することは容易ではありません。そのため、従来の設計では、プロペラのサイズに応じて大幅に大きくなる強固な塔が必要になります。しかし、現代の設計では、このような可変速度と可変ピッチの塔荷重のほとんどを相殺することができます。
全体的に比較すると、ダリウス型にはいくつかの利点がある一方で、特にMWクラスの大型機では多くの欠点があります。ダリウス型はブレードに非常に高価な材料を使用している一方で、ブレードの大部分が地面に近すぎるため、実質的な出力を発揮できません。従来の設計では、エネルギー生産量と寿命を最大化するために、翼端が最低地点で地面から少なくとも40m離れていることが想定されています。しかしながら、これまでのところ、周期的な負荷要件を満たす 材料は（炭素繊維でさえも）知られていません。
ジロミルズ
ダリウスの1927年の特許は、垂直翼を用いたあらゆる配置を実質的に網羅していました。最も一般的なタイプの1つはHローター[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]で、ギロミルまたはHバー設計とも呼ばれ、一般的なダリウス設計の長い「卵型ビーター」ブレードを、水平支持部を介して中央タワーに取り付けられた直線状の垂直ブレードに置き換えたものです。この設計は、上海に拠点を置くMUCEによって採用されています。[ 4 ] [ 5 ]
サイクロタービン
ジロミルのもう一つのバリエーションはサイクロタービンです。これは、各ブレードがそれぞれの垂直軸を中心に回転するように取り付けられています。これにより、ブレードを「ピッチング」して、風に対して常に一定の迎え角を持つようにすることができます。この設計の主な利点は、発生するトルクがかなり広い角度にわたってほぼ一定であることです。そのため、3枚または4枚のブレードを持つサイクロタービンは、ほぼ一定のトルクを実現します。この角度範囲では、トルク自体がほぼ最大限に近づくため、システムはより多くの電力を生成できます。サイクロタービンには、風下方向に移動するブレードを風に対して平らに傾けることで抗力を発生させ、タービンを低速で回転させることにより、自己始動が可能であるという利点もあります。欠点は、ブレードのピッチング機構が複雑で、一般的に重量が重いため、ブレードを適切にピッチングするために何らかの風向センサーを追加する必要があることです。
オートサイクロタービンは、機械的な連結機構、センサー、コンピュータ制御を必要とせず、各ブレードのピッチが風速と風向の変化に応じて受動的かつ連続的に調整される、さらなる改良型です。ブレードにかかる空気力と慣性力により、風の状態が変化すると、ブレードは自動的に平衡迎え角に落ち着きます。実際には、各ブレードは空気力学的トルクと復元力のバランスをとることで、独自のピッチを独立して調整し、一時的な突風や方向転換に瞬時に適応します。シャープサイクロタービンの説明によると、ブレードは遠心振り子のように動作し、空気力はピッチを増加させる傾向があり、遠心力による復元力はそれに抵抗するため、回転全体を通して動的に安定したピッチ角が確立されます。[ 6 ]
この自己調整動作により、センサーやモーターが不要になり、機械的な複雑さが軽減されますが、実際の性能は質量と空力特性の慎重なバランスに依存します。（「オートサイクロタービン」に関する詳細な議論とユーザーコメントは、代替エネルギーフォーラムのウェブサイトでご覧いただけます。[ 7 ]）
らせん状のブレード
ダリウス水車のブレードは、例えば3枚のブレードで60度の螺旋状に傾斜させることができます。この螺旋型水車のオリジナルの設計者はウルリッヒ・スタンパ（ドイツ特許DE2948060A1、1979年）です。A・ゴルロフは1995年に同様の設計を提案しました（ゴルロフの水車）。風は水車の風上側と風下側の両方のブレードを回転させるため、この特徴により回転トルクが全回転にわたって均等に分散され、破壊的な脈動を防ぎます。この設計は、Turby、Urban Green Energy、Enessere、Aerotecture、Quiet Revolutionの各ブランドの風力タービンに採用されています。
アクティブリフトタービン
相対速度はブレードに力を発生させます。この力は軸方向の力と法線方向の力に分解できます（図5）。ダリウス水車の場合、半径に関連する軸方向の力はトルクを発生させ、法線方向の力はアームに半回転ごとに交互に圧縮応力と伸長応力を発生させます。クランクロッドシステム（図6）を用いたアクティブリフトタービンの原理は、この交互の制約を追加のエネルギー回収に変換することです。[ 8 ] [ 9 ]
参考文献
- ^ S. Brusca、R. Lanzafame、M. Messina. 「垂直軸風力タービンの設計：アスペクト比がタービンの性能に与える影響」 2014年。
- ^ Mats Wahl. 「アムンゼン・スコット南極基地運用のためのHローター型風力タービンの設計」 2007年。
- ^ 「Hローター図（22ページ）」（PDF） .
- ^ "VAWT、垂直軸風力タービン - MUCE VAWT、上海模斯翼风力発行电设备有限公司" . www.vawtmuce.com。
- ^ 「タスマニア州における再生可能エネルギー埋め込み発電の障壁の克服：付録13 議論 – タスマニア州計画委員会委員長 ピーター・フィッシャー」（PDF）。Goanna Energy Consulting Pty Ltd. 2010年9月10日。195ページ。2019年8月10日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2019年8月10日閲覧。MarineBoard
ビルの（垂直Muce）タービン
- ^アレン・シャープ、ピーター. 「シャープ・サイクロタービン：その仕組みの概要」(PDF) .
{{cite web}}: CS1 maint: url-status (リンク) - ^ 「代替エネルギーフォーラム - など - インデックス」。
- ^ Lecanu, Pierre normandajc、Breard, Joel、Mouaze, Dominique、「制御変位型アクティブリフトタービンの簡略化理論」、2016年4月15日
- ^ Lecanu, Pierre normandajc、Breard, Joel、Mouaze, Dominique、「制御変位型アクティブリフトタービンの動作原理」、2018年7月
外部リンク
