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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(原田

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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
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