先進フロー制御で風力タービン効率向上を目指す新研究

2008年、米国で風力タービン設置容量が石炭火力を初めて上回り、再生可能エネルギーの転換点となりました。風力タービンコストは低下傾向にありますが、エンジニアたちは全体設計が最適性能にはまだ程遠いと合意しています。

最近のブレークスルーは、カリフォルニア州ロングビーチでの米国物理学会流体力学部門会議で披露されました。

風の変動性——突風、乱流、上流ウェーク、シアー——がブレード効率の主要課題です。定常流ではピーク性能が出ますが、実環境条件がそれを損ないます。

Syracuse大学の研究者たちが、タービンブレード上の気流をリアルタイムで能動制御するインテリジェントシステムアプローチを先導しており、多様な風況下での効率向上が期待されます。

Guannan Wang、Basman El Hadidi、Jakub Walczak、Mark Glauser、Hiroshi Higuchiらのチーム（米国エネルギー省支援とミネソタ大学風力エネルギーコンソーシアム支援）は、表面ベースセンサーで局所流れを推定し、予測コントローラーにデータを供給してブレード形状をその場で調整します。

予備シミュレーションでは、ブレード中間半径以降にフロー制御を適用することで、現行容量を変えずにタービンの運用エンベロープ拡大または定格出力向上が可能と示唆されています。

Syracuseの新無響風洞での並行研究では、制御非定常流下でのプロトタイプ翼型の揚力、抗力、騒音スペクトルを測定し、重要な検証データを提供しています。

別の研究ラインでは、マイクログルーブリブレット——目に見えない微小三角リブ（深さ40-225µm）を表面にコーティングし、抗力低減を狙います。これはセーリングボートとエアバスA380で実証された抗力低減技術を模倣するものです。

2.5MWタービン翼型での風洞試験と計算研究で、溝形状と迎角が性能にどう影響するか評価中です。

過去、アメリカズカップセイルと商用旅客機へのリブレット適用で約6%の抗力低減を達成し、概念の実現可能性を示しました。

風力タービンブレードは飛行機翼と異なり、ハブ付近で厚みがあり、地表付近の乱流で動作するため、抗力低減効果は異なります。

Roger Arndt、Leonardo P. Chamorro、Fotis Sotiropoulosらの研究者たちは、リブレットで実環境下のタービン効率を約3%向上できると推定しています。

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