鳥取大学再生可能エネルギー工学研究室

研究内容

1.低コスト小形垂直軸風車の実現を目指した研究

 一般に風力発電では、風車を大きくするほど、高所を吹いている高速の風をとらえることができ、受風面積の増加に伴って取得できる風力エネルギーが増すため、発電単価(円/kWh)の安いシステムが可能になります。そのため、直径が100mを超えるような大形の風車を作ることが、現在の世界のトレンドになっています。一方、風車の独立電源として応用や消費地近くでの発電の利点もあるため、小形風車の需要や普及に対する期待もあります。しかし、小形風車は発電単価低減の方向(大形化)とは逆向きなので、一般にコストが高く、現状では普及しているとは言えない状況にあります。

 この研究テーマでは、そのような小形風車の普及を目指し、低コスト化を図ろうとするチャレンジングな研究です。特に、図1に示す「バタフライ風車」と名付けたちょっと変わった形状の垂直軸風車で低コスト化の実現を目指しています。

バタフライ風車の概念図
図1 バタフライ風車(Butterfly Wind Turbine)の概念図

【バタフライ風車の特徴】

  • 1つのループ状の翼で二重翼の効果をもつため、高い起動性と高出力の両立が可能。
  • アームが無いため、空力抵抗が小さく、部品も少なくできる。
  • 翼端が閉じているため、翼端損失が減少し、騒音低減も期待できる。
  • 風車の重心近くで風車回転軸を保持するため、振動に対して強い構造。

 2016年1月から2018年1月までの2年間に実施した鳥取県産学共同事業化プロジェクト支援事業においては、鳥取県内外の企業と協同して、図2,図3に示す直径7mのバタフライ風車を試作しました。このプロジェクトでは、「大きな風車に小さい発電機でコストダウン」をコンセプトとし、アルミ押出製の翼で大きな風車ロータを構成し、一方で発電機の容量は小さくしてコスト低減を目指してします。この風車の特長の1つは、図4,図5に内部構造と仕組みを示す、過回転抑制機構(OCS:Over-speed Control System)を取り付けてあることです。この機構によって、風車が高速回転状態になった場合には、遠心力を利用して、風車翼を図3のように傾斜(ツイスト)させて空力ブレーキをかけ、過回転を抑制します。理論的は、どのように強い風が吹いても、風車をある一定の回転数に維持して発電を継続させることができ、信頼性の向上と発電単価の低減が期待できます。詳しくは、以下のURLにある論文(Designs 2018, 2(2), 17)を参照してください。(以下のURLのページにある補足資料[Supplementary File 1:ZIP-Document]をダウンロードすれば、風車と過回転抑制機構の動きを示す動画も見ることが可能です。)
http://www.mdpi.com/2411-9660/2/2/17

バタフライ風車(静止時)
図2 バタフライ風車(静止時)
高速回転状態(翼のツイスト時)
図3 高速回転状態(翼のツイスト時)
過回転抑制機構(OCS)
図4 過回転抑制機構(OCS)
OCSユニットの模式図
図5 OCSユニットの模式図

 現在は、さらなるコスト低減を目指して、風車直径の拡大(12.5m以上) 過回転抑制機構の改良を検討しています。

参考動画:直径7mバタフライ風車の強制回転実験(2017.7.27)の様子

【現在の設置場所】

 2020.7.7に、それ以前は鳥取県北栄町に設置してあった7m直径のバタフライ風車を、鳥取大学乾燥地研究センターに移設しました。しかし、2020.9.3に接近した台風9号の影響で風車は損傷してしまい、現在は基礎を残して、風車本体と架台はすべて撤去してあります。今後、改良を施した新しい過回転抑制機構を備えた、新規形状のバタフライ風車を設置する計画をしています。

【新規の過回転抑制機構を有した14mバタフライ風車の開発】

2020年12月18日に、新バタフライ風車開発プロジェクトのキックオフ会議を開催し、図6に示す14mバタフライ風車の開発をスタートしました。この風車では、上述の翼全体を傾斜させる方式とは異なる新規の過回転抑制機構を開発予定です。また、垂直軸風車用の空力弾性解析システムの構築にも取り組み始めました。図6は研究室の学生がMATLAB-Simulink-Simscapeで作成したマルチボディモデルです。これに翼素運動量理論に基づく空力解析システムを組み込む研究を行っています。図6は、空力解析システムを組み込む前の状態であり、モデル構成要素のばね定数も実際とは異なる値としてあり、デモとして、翼が自重で振動する様子を動画で示しているものです。

図6 14mバタフライ風車のMATLAB-Simulink-Simscapeを用いたマルチボディモデル

【新規の過回転抑制機構を有したバタフライ風車の模型実験】

新しい過回転抑制機構では翼全体を傾斜させることはやめて、三角形状のループ翼の中央部に補強材として設ける水平アームの一部のみを傾斜させる可動アーム式を採用します。可動アームの下部には錘あるいは補助翼を取り付け、これらに作用する遠心力と空気力および重力のバランスによって、可動アームの角度を受動的に変化させて空力ブレーキとします。図7は3Dプリンターで製作した直径300 mmの模型風車の風洞実験の様子です。この例では、可動アームの下には錘が取り付けてあります。回転軸にはベアリングだけを設置した無負荷状態の実験です。風は左から右に向かって吹いていて、その主流速度は7 m/sです。可動アームを水平に固定した場合の最大回転数は160 rpmを超えますが、可動にした場合の最大回転数は120 rpm 以下に抑制されることを確認しています。

図7 模型風車(錘タイプの可動アーム)を用いた風洞実験の様子(途中からスロー再生)

2022年3月22日に、乾燥地研究センターに、直径7mのプロトタイプ機を設置しました。現在、試験運転中です。
2023年1月18日からは、可動アームにダンパーを装着して可動アームが急激な動作をしないように改良しました。
図8は可動アームが強風の中で傾斜をしていく様子を示す動画です。

図8 可動アーム式過回転抑制機構を備えた7mバタフライ風車(試作機)
[動画:可動アームの傾斜動作(80秒間)]

令和3年度工学部特別プロジェクトの成果報告書もご参照ください。
[先進機械電子システム研究センター]
『脱炭素社会に役立つバタフライ風車の社会実装・ウインドファームを目指す研究』
リンク ⇒https://eng.tottori-u.ac.jp/archives/6988

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