垂直軸風力タービン
垂直軸風力タービン（VAWT）は、主なローターシャフトが風を横切るように設定されます（ただし、必ずしも垂直である必要はありません）が、主なコンポーネントはタービンのベースに配置されます。この配置により、発電機とギアボックスを地面の近くに配置でき、サービスと修理が容易になります。 VAWTを風に向ける必要はありません。これにより、風を感知して方向を決めるメカニズムが不要になります。初期の設計（サボニウス、ダリウス、およびギロミル）の主な欠点には、各回転中の大きなトルク変動または「リップル」、およびブレードの大きな曲げモーメントが含まれていました。後の設計では、ブレードを螺旋状にスイープすることでトルクリップルの問題に対処しました（ゴロフタイプ）。
垂直軸風力タービンの軸は、風の流線に垂直で、地面に垂直です。このオプションを含むより一般的な用語は、「横軸風力タービン」または「クロスフロー風力タービン」です。たとえば、元のダリウスの特許である米国特許1835018には、両方のオプションが含まれています。
サボニウスローターなどのドラッグタイプのVAWTは、通常、ダリウスローターやサイクロタービンなどのリフトベースのVAWTよりも低い先端速度比で動作します。
一般的な空気力学
ダリウスタービンで働く力と速度を図1に示します。結果の速度ベクトルW→{\ displaystyle {\ vec {W}}}は、乱されていない上流の空気速度U→{\のベクトル和です。 displaystyle {\ vec {U}}}、および進行するブレードの速度ベクトル、-ω→×R→{\ displaystyle-{\ vec {\ omega}} \ times {\ vec {R}}}。
W→= U→+（-ω→×R→）{\ displaystyle {\ vec {W}} = {\ vec {U}} + \ left（-{\ vec {\ omega}} \ times {\ vec {R}} \ right）}
したがって、対向する流体速度は各サイクル中に変化します。最大速度はθ=0∘{\ displaystyle \ theta = 0 {} ^ {\ circ}}で見つかり、最小速度はθ=180∘{\ displaystyle \ theta = 180 {} ^ {\ circ}}で見つかります。ここで、θ{\ displaystyle \ theta}は方位角または軌道ブレードの位置です。迎え角α{\ displaystyle \ alpha}は、対気速度Wとブレードのコードの間の角度です。結果として生じる気流は、マシンの上流ゾーンでブレードにさまざまな正の迎え角を作り、マシンの下流ゾーンで符号を切り替えます。
添付の図に見られるような角速度の幾何学的な考察から、次のことがわかります。
Vt =Rω+Ucos（θ）{\ displaystyle V_ {t} = R \ omega + U \ cos（\ theta）}
そして：
Vn =Usin（θ）{\ displaystyle V_ {n} = U \ sin（\ theta）}
接線成分と法線成分の結果として得られる相対速度を解くと：
W = Vt2 + Vn2 {\ displaystyle W = {\ sqrt {V_ {t} ^ {2} + V_ {n} ^ {2}}}}
したがって、上記をチップ速度比λ=（ωR）/ U {\ displaystyle \ lambda =（\ omega R）/ U}の定義と組み合わせると、結果の速度について次の式が得られます。
W = U1 +2λcosθ+λ2{\ displaystyle W = U {\ sqrt {1 + 2 \ lambda \ cos \ theta + \ lambda ^ {2}}}}
迎え角は次のように解決されます。
α= tan−1（VnVt）{\ displaystyle \ alpha = \ tan ^ {-1} \ left（{\ frac {V_ {n}} {V_ {t}}} \ right）}
上記を置き換えると、次のようになります。
α= tan−1（sinθcosθ+λ）{\ displaystyle \ alpha = \ tan ^ {-1} \ left（{\ frac {\ sin \ theta} {\ cos \ theta + \ lambda}} \右）}
結果として生じる空力は、リフト（L）-ドラッグ（D）コンポーネントまたはノーマル（N）-タンジェンシャル（T）コンポーネントのいずれかに解決されます。力は1/4コードポイントで作用していると見なされ、空力を解決するためにピッチングモーメントが決定されます。航空用語の「揚力」および「ドラッグ」は、接近する正味の相対気流を横切る力（持ち上げる力）とそれに沿った力（ドラッグする力）を指します。接線方向の力はブレードの速度に沿って作用し、ブレードを引っ張り、法線方向の力は半径方向に作用し、シャフトベアリングを押します。揚力と抗力は、動的失速、境界層など、ブレード周辺の空力を扱うときに役立ちます。一方、グローバルなパフォーマンス、疲労負荷などを扱う場合は、法線接線フレームを使用する方が便利です。揚力係数と抗力係数は通常、相対空気流の動圧によって正規化され、通常および接線係数は通常、乱されていない上流の流体速度の動圧によって正規化されます。
CL = FL1 /2ρAW2; CD = D1 /2ρAW2; CT = T1 /2ρAU2R; CN = N1 /2ρAU2{\ displaystyle C_ {L} = {\ frac {F_ {L}} {{1} / {2} \; \ rho AW ^ {2}}} {\ text {}}; {\テキスト{}} C_ {D} = {\ frac {D} {{1} / {2} \; \ rho AW ^ {2}}} {\ text {}}; {\ text {}} C_ {T } = {\ frac {T} {{1} / {2} \; \ rho AU ^ {2} R}} {\ text {}}; {\ text {}} C_ {N} = {\ frac { N} {{1} / {2} \; \ rho AU ^ {2}}}}
A =ブレード領域（スイープ領域と混同しないでください。スイープ領域は、ブレード/ローターの高さとローター直径の積に等しい）、R =タービンの半径
風力タービンで吸収できる電力量P：
P =12CpρAν3{\ displaystyle P = {\ frac {1} {2}} C_ {p} \ rho A \ nu ^ {3}}
ここで、Cp {\ displaystyle C_ {p}}は出力係数、ρ{\ displaystyle \ rho}は空気密度、A {\ displaystyle A}はタービンの掃引面積、ν{\ displaystyle \ nu}は風速。
長所
VAWTには、従来の水平軸風力タービン（HAWT）よりも多くの利点があります。
- 全方向性であるため、一部のフォームは風を追跡する必要がありません。これは、ローターのヨーイングとブレードのピッチングに複雑なメカニズムとモーターを必要としないことを意味します。
- VAWTは一般に、乱流および突風においてHAWTよりも機能します。 HAWTはそのような風を効率的に収穫することができず、疲労も加速します。
- VAWTのギアボックスは、HAWTのギアボックスよりも疲労がはるかに少なくなります。
- VAWTでは、地上でギアボックスにアクセスできるため、現場でクレーンやその他の大型機器が不要になるため、ギアボックスの交換とメンテナンスがより簡単かつ効率的になります。これにより、コストと環境への影響が削減されます。一般に、モーターとギアボックスの故障は、陸上と沖合の両方でHAWTの運用と保守を行う際の重要な考慮事項です。
- 適切な状況でのVAWTの一部の設計では、スクリューパイル基礎を使用できます。これにより、コンクリートの道路輸送と設置のカーボンコストが大幅に削減されます。ねじ山は、寿命の終わりに完全にリサイクルできます。
- ダリウス型の翼は一定の弦を持っているため、はるかに複雑な形状と構造を持つHAWTのブレードよりも製造が簡単です。
- VAWTはウィンドファームでより密接にグループ化できるため、土地の単位あたりの発電量が増加します。
- VAWTは、既存のHAWTの下のHAWTウィンドファームにインストールできます。これにより、既存のファームの出力を補うことができます。
- Caltechの研究では、VAWTを使用して慎重に設計された風力発電所は、同じサイズのHAWT風力発電所の10倍の出力を得ることができることも示されています。
欠点
垂直軸風力タービン技術が直面している主要な顕著な課題の1つは、迎え角が急速に変化するためのブレードの動的失速です。
VAWTのブレードは、各回転中に加えられる力が大きく変動するため、疲労しやすい傾向があります。これは、スプレッダーウィングの接続に静的荷重をかける空力的なウィングチップの使用など、最新の複合材料の使用と設計の改善によって克服できます。垂直に向けられたブレードは、各回転中にねじれたり曲がったりして、バラバラになります。
VAWTはHAWTよりも信頼性が低いことが証明されていますが、VAWTの最新の設計は初期の設計に関連する多くの問題を克服しています。
用途
Windspireは、個人（家庭またはオフィス）での使用を目的とした小型VAWTで、2000年代初期に米国の会社Mariah Powerによって開発されました。同社は、2008年6月までに全米に複数のユニットが設置されたと報告しました。
Ann-Arbor（米国ミシガン州）に本拠を置くArborwind社は、特許取得済みの小型VAWTを製造しており、2013年時点で米国の複数の場所に設置されています。
2011年、サンディア国立研究所の風力エネルギー研究者は、VAWT設計技術を洋上風力発電所に適用する5年間の研究を開始しました。研究者は次のように述べています。「洋上風力発電の経済性は、設置および運用上の課題により、陸上のタービンとは異なります。VAWTは、風力エネルギーのコストを削減できる3つの大きな利点を提供します。重心が低いと、浮力の安定性が向上し、重力疲労荷重が低くなります。さらに、VAWTのドライブトレインは表面または表面近くにあるため、メンテナンスが容易になり、時間がかかりません。疲労負荷の軽減とメンテナンスの簡素化はすべて、メンテナンスコストの削減につながります。」
24ユニットのVAWTデモンストレーションプロットは、カリフォルニア工科大学の航空学教授John Dabiriによって2010年代初頭にカリフォルニア南部に設置されました。彼のデザインは、2013年にイギギグのアラスカの村に設置された10ユニットの発電所に組み込まれました。
アングルシーのデュラスは、2014年3月にポートタルボットの水辺の防波堤にVAWTのプロトタイプを設置する許可を得ました。このタービンは、ウェールズに本拠を置くC-FEC（スウォンジー）が提供する新しい設計であり、2年間の試験運転が予定されています。このＶＡＷＴは、前進するブレードからの風を遮る風よけを組み込んでおり、したがって、上述の「卵ビーター」タイプのＶＡＷＴとは対照的に、風向センサーおよび位置決め機構を必要とする。
4 Navitas（Blackpool）は、2013年6月からシーメンスパワートレインを搭載した2つのプロトタイプVAWTを運用しており、2015年1月に市場に参入する予定です。 4 Navitasは現在、プロトタイプを1 MWに拡張し（PERAテクノロジーと連携）、タービンをオフショアのポンツーンに浮かせています。これにより、洋上風力エネルギーのコストが削減されます。
Dynasphereは、Michael Reynolds氏（アースシップの家の設計で知られる）の第4世代垂直軸風車です。これらの風車には2つの1.5 KW発電機があり、非常に低速で発電できます。
