水平軸風力タービンと垂直軸風力タービン：比較

風力エネルギーは、再生可能で清潔な電源であり、温室効果ガス排出量を削減し、化石燃料への依存を減らすことができます。風力タービンは、風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する機械です。軸の向きに基づいて、主に水平軸と垂直軸の2種類があります。

水平軸風力タービンとは？

水平軸風力タービン（HAWT）は、地面に対して水平または並行な回転軸を持つ風力タービンとして定義されます。HAWTは大規模な発電用に最も一般的に使用される風力タービンのタイプです。通常、飛行機のプロペラに似た3枚のブレードを持っていますが、2枚または1枚のブレードを持つものもあります。

HAWTの主要な構成要素は以下の通りです：

• ローター：ブレードとシャフトを接続するハブから成ります。

• ナセル：ジェネレータ、ギアボックス、ブレーキ、ヨー制御システム、その他の機械的および電気的な部品を収容します。

• 塔：ナセルとローターを支持し、地上から高めることでより多くの風を捕集します。

• 基礎：塔を地面に固定し、風力タービンからの負荷を伝達します。

HAWTの動作原理は揚力に基づいています。これは、空気が物体の表面を流れるときに上向きに押し上げる力です。HAWTのブレードは翼型形状をしており、風が吹くと上下の表面間に圧力差が生じます。この圧力差により、ブレードは水平軸を中心に回転し、シャフトとジェネレータを駆動して電力を生成します。

HAWTのロータープレーンは風向きに合わせて配置されなければなりません。そのため、HAWTには風センサーとヨー制御システムがあり、ナセルの向きを風向きに合わせて調整します。また、HAWTにはピッチ制御システムがあり、ブレードの攻角を変更して回転速度と出力電力を制御します。

HAWTの利点は以下の通りです：

• 垂直軸風力タービン（VAWT）よりも高い効率を持ち、少ない抵抗でより多くの風エネルギーを捕集することができます。

• 各回転中に空力が少ない変化があるため、VAWTよりもトルクリップルと機械的ストレスが少ないです。

• 浮体式プラットフォームや固定基礎に設置でき、風速が高い場所でも安定した性能を発揮します。

HAWTの欠点は以下の通りです：

• タービンの周りの乱流や干渉を避けるために、高さのある塔と広い土地が必要です。

• 多くの可動部品と電気部品を持つため、VAWTよりも設置と維持管理にコストがかかります。

• 強風、嵐、落雷、鳥、氷による疲労や損傷に弱いです。

垂直軸風力タービンとは？

垂直軸風力タービン（VAWT）は、地面に対して垂直または直角な回転軸を持つ風力タービンとして定義されます。VAWTはHAWTよりも一般的ではありませんが、小規模や都市での応用ではいくつかの利点があります。通常、直線または曲線の2枚または3枚のブレードを持っています。

VAWTの主要な構成要素は以下の通りです：

• ローター：ブレードとジェネレータにつながる垂直シャフトから成ります。

• ジェネレータ：ローターの機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。

• ベース：ローターとジェネレータを支持し、これらを地面に接続します。

VAWTの動作原理は抗力に基づいています。これは、空気が物体の表面を流れるときに動きを妨げる力です。VAWTのブレードは対称または非対称で、風向きに対して異なる量の抗力を生成します。この抗力の違いにより、ブレードは垂直軸を中心に回転し、ジェネレータを駆動して電力を生成します。

VAWTのロータープレーンは風向きに合わせる必要はありません。そのため、VAWTにはヨー制御システムや風センサーはありません。ただし、VAWTにはピッチ制御システムがあり、ブレードの攻角を変更して回転速度と出力電力を制御することができます。

VAWTの利点は以下の通りです：

• 少ない可動部品と電気部品を持つため、HAWTよりも設置と維持管理にかかるコストが低いです。

• 回転速度が遅いため、HAWTよりも騒音レベルが低いです。

• 建物の屋上や近くに設置できるため、HAWTよりも低く、小さな足跡を持っています。

VAWTの欠点は以下の通りです：

• HAWTよりも効率が低いです。これは、より多くの抗力と少ない揚力を持つためです。

• 各回転中に空力が大きな変化があるため、HAWTよりもトルクリップルと機械的ストレスが高いです。

• HAWTほど安定性と耐久性がないため、海上に設置することはできません。

垂直軸風力タービンの種類

VAWTは、ブレードの設計に基づいて主に2つの種類に分かれます：ダリウス型とサボニウス型。

ダリウス型タービン

ダリウス型タービンは、卵攪拌器やトロコイドに似た曲線のブレードを持つVAWTです。1931年にフランスのエンジニア、ジョルジュ・ダリウスによって発明されました。ダリウス型タービンは揚力と抗力の両方を使用してブレードを回転させることができます。高速回転を達成できますが、自己起動できないため、外部の起動機構（電動モーターや別のタービンなど）が必要です。

ダリウス型タービンの利点は以下の通りです：

• 揚力と抗力の両方を使用するため、サボニウス型タービンよりも高出力係数を持ちます。

• ブレードの数が少なく、間隔が大きいため、サボニウス型タービンよりも固有比が低いです。

ダリウス型タービンの欠点は以下の通りです：

• 自己起動できないため、外部の起動機構が必要です。

• 高速回転を行うため、サボニウス型タービンよりも遠心力が高いです。

サボニウス型タービン