再生可能エネルギー源の開発は、地球温暖化との戦い、そして地球の天然資源の保護にとって極めて重要です。風力と太陽光の収集技術は増加傾向にあります。これにより、垂直軸風力タービンの種類の需要が高まっています。これらについて詳しく見ていきましょう。
垂直軸型風力タービンの種類
市場で入手可能な垂直軸風力タービン（VAWT）には、ダリウス型風力タービンとサボニウス型風力タービンの2種類がある。
住宅用途で主に用いられる風力タービンの一種に、垂直軸風力タービン（ VAWT）があります。VAWTは2枚または3枚の羽根と、垂直方向に回転する回転軸を備えています。VAWTでは、発電機が下部に設置され、羽根はタワーの軸を囲むように配置されています。
これらの風力タービンは高速道路の中央分離帯に設置されることが多く、走行する車両によってタービンの湾曲したブレードが回転し、発電します。タービンは、必要に応じてさまざまな風速を異なる方法で利用します。
1. ダリウス風力タービン （リフトタイプ）
この風力タービンは、発明者であるジョルジュ・ダリウスにちなんで名付けられました。ダリウス型風力タービンは、ローターシャフトの上部と下部に連結された、長く湾曲したブレードを備えています。また、「卵泡立て器」とも呼ばれるこのタービンは、両端がローターシャフトに接続されています。
ダリウス水車は、空気力によって生じる揚力によって回転します。風の流れによって水車の前面に吸引力が生じ、ブレードが反対方向に回転します。
2. サボニウス風力タービン （ドラッグタイプ）
このタービンは、風を受ける面が一体型で、ブレードはらせん状に配置されているため、垂直軸に巻き付いています。サボニウス型タービンは、主に流れの抵抗を利用してモーターを駆動します。
これは、ローターを回転させる能動的な力として作用する動的な風力とは別に必要です。同時に、ブレードの裏側は空気抵抗力に直面します。このため、これらのタービンは風速に比例して回転します。
どちらの風力タービンも、空気抵抗を低減するために特殊な形状の翼を備えています。回転が始まると、タービンの回転速度も風速を超えるまで上昇し、より優れた性能を発揮します。
垂直軸風力タービンの動作原理
垂直軸風力タービンのコンポーネントを見てみましょう。
- ギアボックス – 低速シャフトの回転速度を上げて、発電機に接続された高速シャフトに接続します。
- 発生器 – 風力タービン内で機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。
- リチャージャブルバッテリー – 発電機によって生成された電気出力を蓄えます。
- LDR回路 – システム内のライトをオン/オフする機能です。光依存抵抗器 (LDR)、バッテリー、LED、トランジスタ、抵抗器で構成されています。
風力エネルギー変換の基本原理について詳しくはこちらをご覧ください。
ワーキング
VAWT はギアボックスに接続されており、ギアボックスは発電機のシャフトに直接接続されています。風がタービンを回転させ、機械エネルギーを生成します。
ギアボックスはタービンの回転を内部で改善し、その回転を機械的な入力として発電機に伝達します。発電機はこのエネルギーを使用して電気エネルギーに変換し、バッテリーに蓄えます。蓄えられたエネルギーは自動照明システムによって使用されます。
回路の機能
トランジスタのエミッタは GND に接続され、コレクタは LED のマイナス端子に接続されます。抵抗器の端子は電圧源に直接接続され、LDR はマイナス端子に接続されます。LDR 回路がバッテリーに直接接続されると、光の存在を感知できるようになります。その後、受け取る光 (日光) の量が弱まると、LED が自動的にオンになります。
垂直軸風力タービンの用途
以下は、垂直軸風力タービンのタイプの理想的な用途のリストです。
- 小規模な風力発電プロジェクトやそれほど大規模ではない風力発電設備では
- 住宅の建設または使用において。
- 天候や風況が不安定な地域では発電に便利です。
垂直軸風力タービンの利点
垂直軸風力タービンの利点は次のとおりです。
1. 全方向ローター
垂直軸風力タービン（VAWT）のローターブレードは、あらゆる方向からの風を捉えることができます。そのため、突風や乱気流といった不安定な気象条件下でも発電が可能です。さらに、沿岸部や山岳地帯にも最適です。
2. より近い間隔
各タービンは、風上方向に直径の5倍、下方向に直径の約10倍の間隔で配置されています。この間隔配置により、気流の乱れを防ぐことができます。また、タービン同士の干渉による風速の低下も軽減されます。間隔を狭くすることで、垂直軸風力タービンは、1平方メートルあたりのエネルギーをより効率的に捕捉できます。
スタンフォード大学の機械工学博士課程の学生であるアンナ・クレイグが2017年に行った研究によると、垂直軸風力タービン（VAWT）は、水平軸風力タービン（間隔を広く取ったもの）のグループと比較して、単位面積当たり10倍の発電量を生み出すことができる。
3. 始動風速を下げる
垂直軸風力タービンの始動風速は2～3m/sであり、弱い風でも発電が可能です。風速が低い場合、全体の出力は低下しますが、他のタービンとは異なり、弱い風の状況でも全く役に立たないわけではありません。
4. 環境への影響が少ない
垂直軸風力タービンは、従来のタービンよりも小型です。シャフトを中心に構築されているため、ローターブレードが影を落としません。鳥もブレードを容易に視認できるため、鳥が事故に遭う可能性が低くなります。また、垂直軸風力タービンは騒音が最も少ないため、騒音公害を引き起こしません。
5. インストールと保守が簡単
これらのタービンは小型であるため、輸送、設置、保守が容易です。大型トラック1台でタービン全体を一度に運搬できます。修理やメンテナンスのために高所に登る必要もありません。したがって、垂直軸タービンはメンテナンスが容易です。
6. インストールの制限が少ない
垂直軸風力タービンは、そのサイズから他のタイプのタービンに比べて設置が許可されやすい。地域によって最大建設高さに関する規則や規制は異なるが、垂直軸タービンはそれほど高くないため、ほとんどの州で建設が承認されている。
7. 美的アピール
垂直軸風力タービンは、現代的な幾何学的デザインを採用することで、優れた性能と美しい外観を実現しています。その外観は、学校や大学のキャンパス、公園、その他の建物といった近隣のインフラともよく調和します。
風力タービンと太陽光パネルの組み合わせとその結果に関する興味深い情報をお読みください。
垂直軸風力タービンの欠点
多くの場所で有益であるにもかかわらず、垂直軸風力タービンの欠点はパフォーマンスを制限することです。調べてみましょう。
1. 回転効率が低い
ローターの設計上、すべてのブレードが同時に風を受けるわけではありません。風を受けるブレードは回転しますが、他のブレードはそれに追従するだけで、回転効率が低下します。さらに、サボニウス型風力タービンはブレードの表面積が広いため、より大きな抗力を受けます。
2. 低風速へのアクセス
垂直軸風力タービン（VAWT）は地上に設置されるため、高高度を流れる高速の風を利用することができません。そのため、タービンの稼働は比較的低い風速に限定されます。
3. 部品の急速な摩耗
垂直軸風力タービンは人口密集地の地上に設置されるため、振動や乱流といった問題に直面する機会が多くなります。ブレードはより大きな力に耐えなければならず、支柱とローター間のベアリングも高い圧力に耐える必要があります。そのため、ブレードに亀裂や曲がりが生じる場合があります。
4. 全体的な効率性の低下
垂直軸風力タービンは、その設計および運転特性により、水平軸風力タービン（HAWT）に比べて効率が低い。
5. 手動始動機構
ダリウス風力タービンは、自動回転に十分なトルクを発生しない翼の設計のため、手動で始動する機構を備えています。サボニウス型や水平型タービンのように自動的に始動しません。
したがって、2 種類の垂直軸風力タービンは、道路や高速道路で発電するための持続可能で簡単なソリューションです。ただし、その設計と構築には、利点と欠点の両方があります。それでも、化石燃料ベースのソリューションよりも優れた選択肢であることに変わりはありません。
