コルゲート翼を有する水平軸風車の断面形状が与える影響について* Effect on cross-sectional shape of small horizontal axis wind turbine with corrugated airfoil 原田敦史** 黒越隆宏*** 小幡章**** Atsushi HARADA Takahiro KUROKOSHI Akira OBATA すことになる．このとき発生する渦によって凹凸の 1. 背景ついた翅の周りは航空機用の翼型とよく似た形状を近年，地球温暖化などの環境問題から，自然エネルギーの積極的な利用が求められており，この中で，持つことになる．風力発電においては，この凸凹の形状を持つ風車ロータを活用することにより，微風風力発電は急速に普及が進んでいる．現在，比較的においても安定した発電を行うことを小幡らが示し風力を安定して得ることができる地域や洋上では，数 MW 級の大型風車の建設が進んでいる．しかし，ている．この研究は，低風速領域におけるプロペラ型風車の効率改善の中で，アクティブ制御を必要と常に風の力を受ける風力発電機は，強風対策のためしない方法として有効な研究の 1 つとなっている 2．の強固な構造など製作コストが増加し，結果的に発電コストが原子力などと比べて高額になり，初期コストの改修が難しい．一方，発電量が 1kW 程度，もしくはそれ以下の小型風車は設置費用が少ないため，LED 照明の効率向上により街灯などの電力の少ない機器の使用を目的とし普及が進んでいる．しかし，出力当りの価格は大型風車よりも悪く，初期投資の回収にかかる年数の長期化などの問題がある．また，小型風車は，十数 m/s 程度を設計値点としており，強く安定した風が吹く地域は発電を行うことができる．しかし，地域によっては，年間平均風速が数 m/s 程度の場所もあり，このような風では十分に発電することができないことが普及に向けた大きな課題の１つとなっている．図 1 コルゲート翼型周りの流れまた，近年，農業就業者の高齢化などの問題により，これまで電気のインフラ設備が十分に整ってい 3. 研究目的なかった農作地域でも安全を考慮した電灯の設置，これまでの風力発電機では困難であった微風でも IT や新技術を取り入れた農業の普及により，さらに安定した発電を実現するためには，コルゲート翼型小規模な電力供給が必要になる地域が多くなること風車の効率改善と最適形状を明らかにする必要があが予想される．このような農作地域の多くは，障害る．本研究では，翼の作成に 3 次元造形機を活用し，物などが少ないため比較的低速の風が安定して吹い様々な形状のコルゲート翼の断面を作成し，断面形ていることが多く，数十 W 級の発電において，これ状が風車の回転性能にどのように関与するのかを明らの問題を解決できる可能性が高い．らかにすることを目的とする． 2. バイオミメティクスの活用と工業機器近年，生物の形態，構造や能力などを模倣し，モノづくりに活用する「バイオミメティクス(生物模倣技術)」が注目を集めている．例えば，トンボの翅は図 2 に示すような凸凹の形状 1 をしており，この凸凹の間に渦が発生することにより，流れを後ろに流 *平成 26 年 11 月 28 日第 50 回風力エネルギー利用シンポジウムにて講演 ** 正会員石川工業高等専門学校機械工学科助教〒929-0392 石川県河北郡津幡町字北中条タ 1 4. 実験装置本研究は，風洞実験装置に直径 60cm のプロペラ型風車を設置し，トルクメータと回転数計から得られるデータを基に出力を算出する．以下に実験装置の概要を示す． 4.1 風洞実験装置風洞実験装置は，風工房社製エッフェル型風洞を用いた．風洞出口の面積は 1m×1m であり，風速 5-30[m/s]，乱れ強度 1％以下である． *** 非会員石川工業高等専門学校機械工学科 5 年 **** 非会員日本文理大学工学部航空宇宙学科教授 − 464 − 4.2 測定装置風車への負荷は，図 2 に示すような風力タービンにトルク変換器(共和電業社製 TQ-5KCE)とパウダーブレーキ(小倉クラッチ社製 OPB5N)を設置し，計測されたトルクと回転数から出力を求める．翼は，初期ひねり角度を 20 度とし，翼先端に向かうに従ってひねり角度を小さくなるように設計し．翼先端部では 4 度となる設計となっている．本研究においては，図 3 に示すコルゲート翼型の凹凸を基準値とし，この凹凸を 1.5，2.0 倍とした場合の翼を製作し，比較実験を行う． 5. 実験結果及び考察図４は，実験結果の一例である．一様流速を 0 から８m/s 程度まで変化させたときの翼先端風速の関係を示した図である． 45.00 図 2 計測装置 4.3 コルゲート翼風力発電装置の翼型は，強度的な面から FRP や金属材料を用いることが多い．しかし，本研究で用いられるコルゲート翼は，翼面に凹凸を彫る必要があるなど製作に時間がかかるため，三次元造形機を用いて製作を行った．製作には，ストラタシス社製 Objet30 を用いており，主な性能は積層ピッチ 0.28m，加工精度 0.1mm であり，造形方式はインクジェット方式である．３D プリンタを用いた翼は，材料の強度的な問題を持っているが，本研究では風洞実験のみを対象としており，これらの実験に十分耐えうるかを確認した後，翼支持部厚さなどを決定している．したがって，実験時に変形することなどは現在まで確認されていない．本実験で用いたコルゲート翼型の断面形状を図 3 に示す．本実験においては，以下に示すような図左下の形状のコルゲート翼を用いて実験を行った．翼先端周速度 v [m/s] 40.00 35.00 30.00 基準値基準値の1.5倍基準値の2.0倍 25.00 20.00 15.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 一様流速 U [m/s] 7.00 8.00 図４凹凸深さを変化させた場合の一様流速と翼先端速度の関係実験結果から，翼の凹凸形状と風車の回転性能に関係があることが確認できる．今回の場合は，基準値の凹凸形状から 1.5 倍大きくしたコルゲート翼が最も良い翼先端周速度を得ることができている．また，基準値の 2.0 倍は基準値よりも良い値が得られているが，1.5 倍よりは劣っている．したがって，凹凸形状の深さに関しても最適値が存在することが予想される．コルゲート翼型風車は，その形状から変更できるパラメータが多い．最適化のためには，試作モデルを更に製作し，実験データの積み重ねが必要となる．参考文献 1. A. Obata, S. Shinohara，"Flow Visualization Study of the Aerodynamics of Modeled Dragonfly Wings"，AIAA Journal, December, Vol. 47, No. 12 : pp. 3043-3046 2. 小幡章，"トンボ風車が生まれるまで"，ソフトウェアクレイドルユーザーカンファレンス 2013 講演集資料，pp.SP(1)-(19) 図 3 翼断面形状 − 465 − 9.00