風力タービンにはブレードが必要ですか?いいえ！私の世界観が一新されました

羽ばたき翼型風力タービン | Youtube/ TYER WIND

このかわいいウサギは本当に電気を発電できるのでしょうか？それは正しい！風を受けて「羽」をはためかせながら、継続的に電気を出力しています。

「風力タービン」と聞いて、すぐに思い浮かぶのは「大きな白い3枚羽根の風車」でしょうか？

主流の3ブレード風力タービン |ギフィー

この古典的な形状に加えて、実際の風力タービンにはさまざまな不思議な形状もあります。

なぜ3枚刃なのですか?

風力タービンの「祖先」である風車は、オランダの排水に大きな役割を果たしており、世界中で有名です。 4枚羽根のオランダ風車のイメージも人々の心に深く根付いています。

風車 | Pixabay

多翼の水揚風車もかつてはアメリカ西部で人気がありました。複数のブレードにより、風車全体でより大きな電力を生成し、より十分な電力を供給できるようになります。

多翼風車 | Pixabay

4 枚羽根、さらには複数枚羽根の風車がすでに形作られていますが、なぜ 3 枚羽根の風力タービンになったのでしょうか?

ブレードの数はエネルギー利用率に直接影響しません。逆に、ブレードが多すぎると空気の流れが妨げられ、風力エネルギーの利用率が低下します。風力エネルギー利用設備は、風の運動エネルギーの最大59.3%しか捕捉・利用できません。つまり、ブレードが 1 枚しかない風力タービンでも同じ量の電力を生成できるということです。

シングルブレード風力タービン | Youtube/オードゥン

しかし、単翼の風力タービンはまだ主流になっていません。一枚のブレードにより風力ローターのバランスが極端に崩れ、風力タービン全体の安全性が深刻に脅かされる可能性があります。脱水中に衣類が絡まった状態を想像してみてください...洗濯機全体が激しく振動したり、動作が停止したりします。

狂ったように回転する洗濯機 |ギフィー

2 つの対称ブレードにより、この不均衡な力の状態は改善されますが、それでもまだ十分に安定しません。より理想的な負荷制御技術が登場するまでは、2 枚羽根の風力タービンの適用は依然として限られているでしょう。

2 枚羽根の風力タービンの概略図 | Youtube/DOBアカデミースタジオ

3枚羽根の風力タービンは、最適なレイアウトによりバランスの問題を解決しますが、その「重量」も「問題点」の1つになっています。風力タービンのブレード 1 枚の重量は 20 トン、ブレード 3 枚で構成される風力ローターの重量は 60 トンを超えます。本当に重い巨人です。地上の基礎部分に品質上の問題がある場合、ユニット全体が転倒して倒壊する可能性があります。

倒壊した風力タービン | Youtube/デイリートップ20

一部のメーカーは、風力タービンを小さな部品に分解し、複数の小さなブレードを使用して、4 つのヘッドと 12 本のアームを備えた機械に変換します。 2016年、風力発電大手のヴェスタスはデンマーク工科大学に4ローターの風力タービンを設置した。 2年間の無音運転の後、ユニットは完全に解体されました。モデルの希少性から、関連データは非常に貴重であり、両機関はデータをほとんど公開していません。

4ローター風力タービン |パワーテクノロジー

刃はないが電気はある

狂気の科学者は平凡な刃を受け入れるつもりはなかったので、「刃のない」解決策を提案した。伝説の電気技師ニコラ・テスラはかつて、ブレードレスタービンの特許を申請しましたが、適切な製造材料が不足していたため、最終的には断念されました。

テスラのブレードレスタービンの概略図 |ホームコンストラクター

このアイデアに基づいて、渦巻き形状のブレードレス風力タービンが開発されました。風によって内部のディスクが回転し、発電機が駆動して電気を生成します。しかし、この「ペッパピッグ」のような風力タービンは、各部品の加工・製造精度が厳密に保証されており、風を空気取り入れ口に向ける必要があります。このような厳しい条件により、その発展は制限されます。

ブレードレス風力タービンのプロトタイプ |エンドオールディスアセ

あらゆる方向からの風を利用するために、人々は「逆ラッパ」の形をした羽根のない風力タービンを開発しました。衡水市に設置・使用されているこの風力タービンは、あらゆる方向の風力エネルギーを捉え、そよ風を最大限に活用することができます。空気流が内部に入った後、途中でゆっくりと収縮するパイプに沿って空気流の速度が徐々に増加し、最終的に断面の最も狭い部分にある発電機を駆動して電気を生成します。

青い線は低速の空気を示し、赤い線は高速の空気を示します。 |パワーマグ

風を体内に「取り入れて」発電するだけでなく、さらに一歩進んで最も単純な柱状構造に戻り、ブレードレス渦振動子（Vortex Bladeless）である「如意経鼓棒」を発売した企業もあります。

ボルテックスブレードレス

これは「カルマン渦列」現象を利用しており、空気が流れると「渦」が発生し、柱に往復振動を発生させます。簡単に言えば、柱が揺れると電気が発生します。しかし、このモデルの効率は極めて限られており、長期間の振動により材料の摩耗が悪化するため、現時点では商業的な応用価値はありません。

ブレードレスボルテックスバイブレーターの原理 |ボルテックスブレードレス

もう一つのブレードレス風力タービンであるサフォニアン・ブレードレスも、「渦放出効果」を利用しています。 「ゴールデン・カッジェル」風力タービンと比較すると、「サフィニア」は可動ディスクと上部にテールラダー（直立した台形プレート）が取り付けられています。

「サフニア」 |エンドオールディスアセ

垂直軸風力タービンは将来的に

2016年、アイスランド国立音楽センターの近くに風力発電のバス停が開設されました。バス停の上にある奇妙な形をした垂直軸風力タービンは、照明や電子機器に電力を供給します。このユニットは、低風速環境（2メートル/秒）に適応できるだけでなく、ハリケーンレベルの冷風（50メートル/秒以上）でも正常に動作します。

アイスランドの垂直軸風力タービン |デザインブーム

垂直軸風力タービンの回転軸は、気流の方向に対して垂直であり、通常は地面に対して垂直です。従来の水平軸風力タービンは強い風に直面する必要がありますが、垂直軸風力タービンはあらゆる方向からの風を受け入れることができます。

垂直軸発電機の構造支持力も大幅に強化され、より強い風にも対応できるようになりました。これらの特性により、垂直軸発電機は広大な海で活躍します。

浮体式V字型垂直軸風力タービン |ガーディアン

驚くべきアイデアを持つ新しいタイプの風力タービン

オランダの建築家がデザインした「EWICON」は静的ネットです。長方形の鉄骨外網の中に複数の水平断熱管を配置します。各絶縁管上にノズルが密集して配置されています。電極は帯電した水のミストを生成します。風が水の霧を吹き飛ばして電流を発生させ、電気を生み出します。

「アビコン」風力タービン |素晴らしいエンジニアリング

映画「ベイマックス」では、街に電力を供給するために空に浮かぶモーターボート発電機がたくさん登場します。実際、この技術は現実に実現されています。高高度での平均風速は地表よりもはるかに大きく、風速の変動はより安定しています。多くの企業が、大きな潜在価値を持つ高高度風力発電に注目し、「モーターボート発電機」を商品化している。

『ベイマックス』の空中風力タービン |スクリーンショット

現実の高高度発電機 |すべてインフレータブル

全体の構造を軽量化するために、「凧型風車」が誕生しました。

高高度カイト風力タービン |ハゼバード

これらの「脳を開く」風力タービンは美しく見えるが、いかにして電気を効率的かつ安定的に送電するかが依然として大きな問題であり、大規模応用を妨げている。

現在、成熟した 3 枚羽根の風力タービン技術が大規模に使用されていますが、科学者たちは依然として新しいタイプの発電機を研究しています。奇妙な形状は単なる表面的な現象に過ぎません。風力エネルギーの利用限界に限りなく近づくことが、風力エネルギー研究の永遠の目標です。芸術的な外見の下にあるこれらの究極の追求こそが、科学者のロマンスの源なのです。

参考文献

[1]風に揺れる：ブレードレスの... - 情報センター - 研究とイノベーション - 欧州委員会 (europa.eu)

[2] VortexBladeless公式サイト。 https://vortexbladeless.com/

[3]刃物なし！ポール型風力タービン「Vortex Bladeless」は振動により発電します。 https://www.bridgestone.com/

[4]インベロックス風力タービンは機能するのか？ - betterworldsolutions.eu

[5]アルファベット、エネルギーカイト部門を縮小 - The Verge

[6]Watson, S., Moro, A., Reis, V., Baniotopoulos, C., Barth, S., Bartoli, G., ... & Croce, A. (2019).風力発電分野における将来の新興技術：欧州の視点。再生可能および持続可能なエネルギーレビュー、113、109270。

[7] 衡水インベロックス風力タービン建設が景県広川市で開始

http://jingxian.hebei.com.cn/system/2016/07/18/011052501.shtml

企画・制作

出典: Guokr (ID: Guokr42)

著者: チェン・ミンチェン

編集者：何童

校正：Xu Lai、Lin Lin

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