マグネシウム合金製軽量小型垂直軸風車の基本性能評価
Fundamental performance evaluations of prototype light-weight
Mg-alloy micro Straight Wing-VAWT
若嶋 振一郎
*1宮下
幸雄
*2山田 昇
*2高橋
勉
*3Shin-ichiro WAKASHIMA
Yukio MIYASHITA
Noboru YAMADA Tsutomu TAKAHASHI
富永 禎秀
*4角田
耕大
*5江口
信也
*6大塚
雄市
*2Yoshihide TOMINAGA
Kota KAKUDA
Sinya EGUCHI
Yuichi OTSUKA
* 1 Associate Professor, Nagaoka Univ. of Tech., Dept. of Mech. Eng., 1603-1 Kamitomioka, Nagaoka, 940-2188, Japan
Tel/Fax: +81-258-47-9705, E-mail: [email protected]
* 2 Associate Professor, Nagaoka Univ. of Tech., Dept. of Mech. Eng., 1603-1 Kamitomioka, Nagaoka, 940-2188, Japan * 3 Professor, Nagaoka Univ. of Tech., Dept. of Mech. Eng., 1603-1 Kamitomioka, Nagaoka, 940-2188, Japan
* 4 Professor, Niigata Institute of Tech., Dept. of Arch. and Bld. Eng., 1719 Fujihashi, Kashiwazaki, 945-1195, Japan * 5 Graduate Student, Dept. of Mech. Eng, Nagaoka Univ. of Tech.
* 6 Undergraduate Student, Dept. of Mech. Eng., Nagaoka Univ. of Tech.
Abstract
This paper reports fundamental performance of the prototype light-weight micro vertical axis wind turbine (VAWT) using light-weight magnesium alloy. Wind tunnel experiments were conducted to evaluate fundamental performance of the prototype VAWT such as power and torque coefficients at various wind speeds and rotation speeds. In addition, unsteady numerical simulations of flow around the turbine rotor by using OpenFOAM were carried out to elucidate the factors which aggravated the performance of the prototype VAWT. As a result, it is confirmed that the prototype VAWT rotates under high wind speed up to 13m/s. Moreover, it is found that large radius of curvature at the leading edge of the wing and windage loss of rotor arms reduces torque and power of the wind turbine.
キーワード： 小型垂直軸風車，Mg合金，風洞試験，数値解析
Key words: Micro VAWT, Mg-alloy, Wind tunnel experiment, Numerical analysis １．緒 論 地球温暖化やエネルギー問題の観点から，近年， 再生可能エネルギー利用が世界中で加速している． 風力発電に関しては，中国，米国，インドの発電容 量増加が著しいが 1)，我が国の発電容量はあまり増 えていない．その理由として，複雑地形（乱流成分） や台風等の日本特有の厳しい運転条件，大型風車 に必要な風況を持つ用地の確保，導入・設置コスト， 周辺住民に及ぼす騒音・振動等の問題，がある．こ れらへの対応策として，近年，浮体式洋上発電の計 画 2)や，集風装置による風力エネルギーの高密度化 3)といった進展が見られ，数値解析による評価 4)だけ でなく，国内の条件に対応した新しい風車 5)や発電 機開発 6)も進んでいる．他方，東日本大震災では， 近年にない大規模広域停電となり，小型風力発電と 太陽光発電を組み合わせたシステムが非常用電源と して見直されている．蓄電池と組み合わせた自立分 散型電源としての利用も進むと考えられ，小型風車 の設置ニーズは今後増加すると考えられる． ヨー制御が不要のため日本の複雑な風況に適し ている小型垂直 軸風車に関しては，関ら 7),8)により 1970 年代から積極的な開発が進められてきた．TWT 翼型と呼ばれる低レイノルズ数領域で高性能を示す 垂直軸風車用翼型の開発 9)，垂直軸風車の設計指 針10)など多くの知見・成果が得られており，一部実用 化されている．しかし，翼型の3 次元設計，風速に応 じた最適なローター回転制御方法，集風装置による 風力エネルギーの高密度化 11)，群配置による高効 率化12)など様々な点で性能向上の余地がある． 著者らは，構造が簡素で性能に優れる縦軸直線 翼風車を対象に，軽量化による性能向上と設置性向 上を目指し，マグネシウム（Mg）合金を利用した軽量 小型発電システムの開発を進めてきた13),14)． Mg 合金は，アルミニウム(Al)合金の約 2/3 の密度 *1 長岡技術科学大学機械系准教授（〒940-2188 長岡市 上富岡町1603-1） E-mail:[email protected] *2 長岡技術科学大学機械系准教授 *3 長岡技術科学大学機械系教授 *4 新潟工科大学建築学科教授（〒945-1195 柏崎市藤橋 1719） *5 長岡技術科学大学機械創造工学課程学生 *6 長岡技術科学大学機械創造工学専攻大学院生 （原稿受付： ２０１１年 １２月 １３日）
であり，実用金属中最軽量で，高比強度，FRP 等に 比べてリサイクル性が高い，振動吸収率に優れる等 の長所を有する．この特性を利用して軽量風車シス テムを作ることができれば，大型河川に架かる橋桁下 部に多数の小型垂直軸風車をつり下げ，朝夕の川 風を積極的に利用する等，設置場所を選ばない分 散型風力エネルギー利用の実現が可能となる．また， 軽量であることで，設置コストやメンテナンスコストが 低く済む可能性がある．しかし，これまで，圧延材の 入手性や腐食対策方法などの理由により，Mg 合金 を風車翼に適用した例は知見しない． 本論文では，試作したMg 合金製プロトタイプ風車 に対して大型風洞において性能試験を行った結果 について報告する．得られた性能は当初予定したも のよりも劣る結果であったため，翼型特性の2 次元定 常解析と風車ローター回りの 3 次元非定常解析によ る原因把握を行った 15)．その結果を踏まえ，今後の 設計・製作における課題を検討したので報告する． ２．Mg 合金製軽量小型垂直軸風車 試作翼は，板厚1mm の Mg 合金圧延薄板材を折り 曲げ，後縁部をSPR 接合13)した直線翼である．翼型 はClark-Y 翼型をベースとしているが，曲げ加工上の 限界により，前縁半径は Clark-Y 翼型より大きくなっ た．この翼型を選択した理由は，底面がフラットで曲 げ加工が容易であり，さらに，適度な揚抗比と失速特 性を有するからである．風車ローターの全体写真およ びブラケット拡大図を図 1 に示す．また，風車の主要 諸 元 を 表 １ に ま と め て 示 す ． 主 な 寸 法 は ， 翼 弦 長 236mm，翼最大厚さ 24.9mm，翼長さ 800mm，翼枚 数4，ローター半径 440mm である（ソリディティ 0.343）． 翼上面が外周側になるよう取り付け，ブラケットで翼 取付角θを変更できる．また，翼支持腕は板厚 1mm 断面20×30mm の Mg 合金製中空角パイプである． ローター軸支持は，下部を 3 相交流発電機(（株） スカイ電子 SKY-HR200：重量 5.7kg)と直結した片持 ち支持である．発電機 3 相交流電力は，整流器(新 電元(株)S30VT60)を通し直流化した後に電子負荷 （(株)計測技術研究所 LN-1000C-G6）とコントロー ラ(エフテック（株）F0345)に接続した．回転数は交流 電力信号から直接検出する．写真中のフレームおよ び金網は，安全性の確保のためである． 翼，翼支持腕，ブラケットに用いたMg 合金材料に は，一般的な AZ31（Al3%, Zn1%含有）を用いた． Mg 材料は，そのままでは Al などと比べて腐食性が 高いため陽極酸化処理とクリアラッカー塗装を行って 対策を施した．この他，ローター軸は，材料の入手性 の問題からAl 中空軸（軸径φ60）とし，上下に Al 製 の支持用丸板プレート（t15φ160）を溶接した．発電 機より上側のローター総重量約9.5kg であり，内訳は， 翼は約1.34kg×4 セット（翼 0.80kg,腕・ブラケット 0.27 ｋｇ×2 ネジ類を含む），ローター軸が 4.1ｋｇである． コストについては，Mg 材は合金地金で 280 円/kg 程度と，現時点では Al 材の概ね 2 倍以下程度であ るが 16)，現在，PC やデジタルカメラ筐体，自動車部 品などへの採用が進んでおり，さらなる製造量増加 が見込まれ，今後，低価格化が進むと考えられる．
(a) Photo of the prototype wind turbine
Attachment Angle, θ Rotation
Arm
Bracket
Wing
(b) Schematics of bracket part
Fig.1 Outline of the prototype Mg-alloy SW-VAWT Table 1 Specifications of the prototype wind turbine
Wing section Clark-Y based
Chord length 236 mm
Max. thickness 24.9 mm
Wing span length 800 mm
Rotor radius 440 mm
Number of wings 4 -
Material (wing, arm) Mg arroy (AZ31) Total weight - Rotor axis - Wing set 9.5 kg 4.1 kg 1.34 kg/set ３．風洞試験 新 潟 工 科 大 学 所 有 の 回 流 式 風 洞 （ 測 定 部 断 面 W1.8m×H1.8m，設定風速最大 20m/s，一様流，中 央部乱れ強さ約 0.5%）を用いて，プロトタイプ風車に 対して風洞試験を実施した．寸法上の都合により風 路中央の測定部内に風車を収めることが出来なかっ たため，図2 に示すように風路の一部を屋外開放し， — 33 — Vol.36, No.2 日本風力エネルギー学会 論文集 マグネシウム合金製軽量小型垂直軸風車の基本性能評価
さらに，各風速におけるトルク係数Ctおよびパワー 係数Cpを周速比λで整理したものをそれぞれ図5, 6 に示す．ここでは発電機実出力ではなく，回転数・負 荷に対する発電機効率（整流素子効率を含む）から， 風車ローターの空気力学的係数として求めた．本実 験での回転数・負荷範囲では，メーカー仕様表によ る発電機効率は，およそ30～60％であった． 風車パワー係数は風速 5m/s の条件で，最大値 0.09 程度に留まっており，市販されている小型垂直 軸風車の一般的値（～0.35）に比べ，ピーク値は 1/4 程度である．また，最大パワー係数 Cpを示す周速比 はいずれの風速条件でもλ＝0.7~0.9 の範囲にあり， 実現できた最大周速比も1.1 以下程度であることから， 揚力型としてよりも抗力型に近い風車として動作して いることがわかる．周速比約 0.6 以下の範囲では，他 の揚力型垂直軸風車と同程度の性能を示している． 従って，今後風車性能の改善のためには，より高い ピーク値を実現し，さらに最高周速比を 2～3 程度ま で伸ばすことが必要である． 高周速比にならない，あるいはパワー係数ピーク 値が低い要因としては，まず，用いた風車翼型の揚 力・抗力係数分布のために十分なトルク発生に至っ ていないことが大きいと考えられる．また，ローター周 囲のフレームおよび金網の影響が考えられる．とくに， フレームについては，ローター直径が880mm である のに対し，フレーム間隔が約 1000mm であるため， フレームで剥離した流れが回転中の翼と干渉してい る可能性が考えられる．また，高周速比になると，ソリ ディティが高いためにローター内部の空気の流れが 大きく変化することや，用いた翼支持翼の風損が増 えることも理由と考えられる．これらの定量的な影響 評価については今後の課題である．また，フレーム等 の無い状態での実験が必要である． ４．数値シミュレーションによる検討 風洞実験では回転数が伸びず，実現可能な最大 周速比が低いことが確認された．この理由を明確に するため，プロトタイプ翼型に対する2 次元数値解析， 風車ローターに対する3 次元数値解析を行った． ４．１ 2 次元翼型周りの数値解析 ４．１．１ 数値計算モデルおよび計算条件 プロト タイプ翼型は，加工上の限界によりClark-Y 翼型とは 完全に一致していないため，この翼型に対して 2 次 元乱流解析を実施して基本特性を検証した．プロトタ イプ翼型形状は，SPR 接合部分形状も含めレーザー 形状測定器で計測してCAD データに変換した． 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 To rque co ef fic ie nt ,
Tip speed ratio,
-5m/s 7m/s 9m/s 11m/s 13m/s
Fig.5 Rotor torque coefficients to tip-speed ratio
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 Pow er c oe ffi ci en t,
Tip speed ratio,
-5m/s 7m/s 9m/s 11m/s 13m/s
Fig.6 Rotor power coefficients to tip-speed ratio
Angle of attack, α
Fig.7 Wind sections of Clark-Y and prototype wings 図 7 に計算モデルと計算メッシュを示す．メッシュ 数25850 であり，翼回りに O 型構造格子を作成し，さ らにその周りに非構造格子を作成した．内側の構造 格子を回転して迎角αを変更した計算を行った．最 小メッシュ幅は，翼弦長の 0.1%とし，外部境界は翼 弦長の 10 倍の位置にある．主流風速と翼弦長に基 づくレイノルズ数は Rec=1.5×105であり，表 3 に計算 条件をまとめて示す． 数 値 解 析 に は ， オ ー プ ン ソ ー ス CFD ツールの OpenFOAM 1.6-ext(ソルバー：simpleFoam)を用い， 2 次元非圧縮定常解析を実施した．乱流モデルには， 標準k-εモデルと壁関数法則を用いた． — 35 — Vol.36, No.2 日本風力エネルギー学会 論文集 マグネシウム合金製軽量小型垂直軸風車の基本性能評価
— 37 —
Vol.36, No.2 日本風力エネルギー学会 論文集
５．結 論 本研究では，Mg 合金製軽量小型垂直軸風車の試 作を行い，このプロトタイプ風車に対して風洞試験と 数値解析を実施し，以下の知見を得た． (1) Mg 合金を利用した軽量小型垂直軸風車を完成 させ，風速 13m/s の場合でも問題なく稼働するこ とを確認した．風速5m/s の場合，Clark-Y 翼型を ベースにした翼を用いた本プロトタイプ風車は， 翼取付角10°の条件で最高性能を示し，負の向 きに取り付けると起動しない． (2) 負荷性能試験の結果から，設定風速 13m/s の条 件において，最高回転数 300rpm，最高発電端 出力33.6W，最大パワー係数 0.09 を得た． (3) 本プロトタイプ風車に用いた翼型の 2 次元空力 特性の 2 次元定常解析を実施し，オリジナルの Clark-Y 翼型に比べ，プロトタイプ翼型の大きな 前縁半径と SPR 接合部分の違いにより，揚力係 数，抵抗係数ともに大きいことを明らかにした． (4) 風車ローター回りの 3 次元非定常乱流解析を実 施し，数値計算結果から，本プロトタイプ風車で は，高回転数になると各翼から発生する負のトル クが，隣接した他の翼の発生トルクを相殺し，正 味トルクを低下させていることを明らかにした． (5) プロトタイプ風車のさらなる性能向上のためには， 翼を奇数枚とするなどの起 動特性の改善と，翼 型改良などによる高回転数領域での L/D の向上 とを両立する設計とする必要がある．さらに，翼支 持腕の風損を低減する設計を行う必要がある． 謝 辞 本研究の一部は，文部科学省都市エリア産学官 連携促進事業（発展型）による支援を受けた．また， 本 研 究 の 一 部 は ， 岩 谷 科 学 技 術 研 究 助 成 お よ び JST 地域産学官共同研究拠点整備事業「新潟県次 世代地域エネルギー開発拠点」に関連して行われて いる．さらに，Mg 合金製風車の試作では，（有）小林 製作所に多大なご協力を頂いた．風洞実験に関して は，エフテック（株）に実際的なご支援を頂いた．さら に，実験結果の解釈や実験方法について，東海大 学 関 和市名誉教授より多岐にわたるご助言を頂い た．ここに記して深く謝意を表する． 参考文献
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13) 宮下，高橋，佐藤，山田，大塚，マグネシウム合金を用 いた軽量小型垂直軸風車の開発，太陽/風力エネルギ ー協会合同講演会論文集, pp.153-154, 2010. 14) 宮下，若嶋，大塚，角田，江口，植和田，富永，山田， 高橋，マグネシウム合金製軽量小型垂直軸風車の翼 端接合部近傍の動的ひずみ測定，太陽/風力エネルギ ー協会合同講演会論文集, pp.209-210, 2011. 15) 若嶋，宮下，山田，高橋，富永，角田，江口，大塚，マ グネシウム合金製軽量小型垂直軸風車の基本性能評 価, 太陽/風力エネルギー協会合同講演会論文集, pp.211-214, 2011. 16) 経済産業省，非鉄金属産業戦略資料, 2006. 17) 関谷,植木,西沢,牛山,鈴木,谷口，直線翼垂直軸風車 の性能向上に関する研究，太陽／風力エネルギー講 演論文集, pp.531-534, 2009. 18) 清水, 吉川, 松村, チップベーンによる水平軸風車の 増出力に関する研究 : 第 1 報,チップベーン形状と性 能の関係, 日本機械学会論文集 B 編, Vol.56,No.522, pp.495-501,1990. — 39 — Vol.36, No.2 日本風力エネルギー学会 論文集 マグネシウム合金製軽量小型垂直軸風車の基本性能評価
