小型垂直軸風車によるダクト排気流発電に関する基礎的研究

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小型垂直軸風車によるダクト排気流発電に関する基礎的研究
Fundamental Study on Duct-Flow Power Generation by a Small-Sized Vertical Axis Wind Turbine
○正
学
原
高垣
豊（鳥取大），
雄大（鳥取大院），
学
古郷
川西
昇平（鳥取大院）
誠（鳥取大 4 年）
Yutaka HARA, Tottori University, 4-101 Koyama-Minami, Tottori-shi, Tottori, 680-8552 Japan
Shohei KOGO, Tottori University, 4-101 Koyama-Minami, Tottori-shi, Tottori, 680-8552 Japan
Katsuhiro TAKAGAKI, Tottori University, 4-101 Koyama-Minami, Tottori-shi, Tottori, 680-8552 Japan
Makoto KAWANISHI, Tottori University, 4-101 Koyama-Minami, Tottori-shi, Tottori, 680-8552 Japan
Key Words: Vertical Axis Wind Turbine, Duct Generation, Wind Energy
1. 緒言
商業施設や工場の排気ダクトから排気される流体エネル
ギーを利用して小型風車で発電を行うダクト発電と呼ばれ
る未利用エネルギーの回収方法が存在する．しかし，風車が
ダクトに及ぼす影響が明らかになっていないため，ダクト発
電の有効性については賛否両論がある．本研究では，排気ダ
クトの代わりに小型風洞を使用し，排気口（風洞吹出口）か
らの風車位置を様々に変えて風車特性と排気口風速の計測
を行った．風車設置位置と排気流体エネルギーの損失の関係
を明らかにし，ダクト発電の有効性を検証する．
2. 実験装置
本研究で使用した実験装置の模式図を図 1 に示す．排気ダ
クトとして，一辺 0.65m の正方形ノズルを有した吹出型風洞
を用いた．供試風車は，キャンバー翼を持ったバタフライ風
車とした．風車ロータの最大半径は R = 0.2 m，ロータ高さは
H = 0.3 m である．受風面積は A = 0.117 m2 であり，風洞吹出
口面積 A0 = 0.4225 m2 に対する閉塞率は A/A0 = 0.277 である．
風車ロータの詳細な形状については文献(1)を参照して頂き
たい．
図 1 に示すように，供試風車を２つのベアリングで鉛直に
保持し，トルク検出器(小野測器：SS-005)を介してインバー
タ制御の誘導モータ(三菱電機：SF-JR 0.75kW)に接続して一
定速度で回転させる．風車特性を計測する際に，風洞吹出口
断面の中心位置にピトー管を設置し風速を計測した．風車の
トルク，回転数，およびピトー管風速は同時計測し，A/D 変
換機(タートル工業：TUSB-0412ADSM-SZ)を使って PC に取
り込んでいる．なお，床面からロータ中心まで,および吹出口
中心までの高さ(1.4 m)は一致させている．
3. 実験方法
本研究では，基準風速を 6 m/s とし，すべての計測におい
て，風洞送風機のインバータ周波数を 58.2 Hz に固定した．
図 2 に座標系と風車ロータの設置位置（黒丸の記号）
を示す．
吹出口に対する風車の位置を変えて行う風車特性計測は，X
軸上(Y = 0)の 5 箇所と X = 0.5, 0.75 m における位置の計 17 箇
所では 5 回ずつ実施した。残りの位置(18 箇所)では特性計測
は２回ずつ実施した．どの位置における計測でも風車特性の
再現性は良好でありデータのばらつきは小さかった．以下の
考察では，風車特性については複数回の計測の平均を用いる．
上述の風車特性計測時には，吹出口断面の中心部のみの風
Fig. 1 Experimental setup
Fig. 2 Installation positions of wind turbine
速を計測しているが，これとは別に，風車を取り外した状態
と風車を(X, Y) = (0.5, 0.0), (0.75, 0.0), (1.0, 0.0)の各位置に設
置した状態で，ピトー管を風洞吹出口断面内で移動して，風
速分布を計測した．ピトー管の移動間隔は 0.1 m とし，7 点
×7 点＝49 点の位置で風速計測を行った．
P  PFE
  WT
PFE 0
(1)
ここで，PFE0 は風車ロータを取り除いた状態における風洞(ダ
クト)から排出される流体の運動エネルギーであり，本研究
の場合は，風速分布の計測から PFE0 = 66.6 (W)である．PWT
は風車の出力であり，ΔPFE は風車を回転させながら計測した
風速分布から求まる排出流体の運動エネルギーの PFE0 から
の減少分で定義される風洞(ダクト)のエネルギー損失である．
図 5 は 0.5 m  X  1 m, Y  0 m の位置で求めた PWT,
ΔPFE, および η のグラフである．X = 0.5 m では風洞(ダ
クト)への影響が大きく，エネルギー回収率がマイナス
となっているが，X = 0.75 m 以上では 2 % 程度と小さ
いながらもプラスのエネルギー回収率が得られている．
0.2
0.1
Cp
0
−0.2
−0.3
0
Y direction
0.45m
0.3m
0.15m
0.0m
−0.15m
−0.3m
−0.45m
0.5
6.5
Cp at λ=1.05 (Y=0m)
6.4
Wind speed at nozzle exit center
6.3
Cp
6.1
6
V (m/s)
6.2
0.1
5.9
0.05
5.8
5.7
5.6
0
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
5.5
1.5
X (m)
Fig. 4 Dependence on the wind turbine installation position
X (Y = 0) of the power coefficients Cp obtained at λ=1.05
(300 rpm) and the wind speeds V at nozzle exit center
4
PWT
ΔPFE
3
η
2
1
0
−1
−2
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
X (m)
Fig. 5 Wind turbine power output PWT measured near
nozzle exit ( 0.5 m  X  1 m, Y  0 m ), the loss ΔPFE of the
fluid kinetic energy at the nozzle exit, and the energy
recovery rate η calculated by Eq. (1)
5. 結言
本研究では，風洞吹出口に対する風車の相対位置を様々に
変えて風車特性と吹出口風速の計測を行い，ダクト発電の有
効性を調べた．以下に得られた知見をまとめる．
(1) 風車回転方向に起因すると考えられる風車出力の Y 方向
に関する傾向は、風車設置位置が下流に行くと逆転する．
(2) 風車位置が X = 0.5 m ではエネルギー回収率が負値にな
ったが，X = 0.75 m 以上では約 2 % の回収率が得られた．
X=0.5m
−0.1
0.15
PWT (W), ΔPFE (W), η (％)
4. 実験結果および考察
図 3 に X = 0.5 m，Y = －0.45～0.45m における 7 箇所に風
車を設置した場合の出力特性(Cp：出力係数)を示す．横軸は
先端周速比 λ である．Y =±0.45 m では最大出力係数が小さ
くなっているが，Y = －0.3～0.3 m の範囲では最大 Cp が 0.1
以上の高い出力特性が得られている．X = 0.5 m では，Y = 0.3
m の位置で，Y = －0.3 m の位置に比べて大きな出力が得ら
れている．これは，風車の回転方向が図 2 に示したように時
計方向であることと，一般的なダリウス型の垂直軸風車では
翼が上流に向かって移動する部分で主要なトルク発生があ
ることから説明ができる．しかし，図に示さないが，この Y
方向についての出力の傾向は，風車の設置位置が下流に行く
にしたがって逆転する傾向がみられた．原因ははっきりとし
ないが，風洞噴流の広がりが影響していると予想される．
風車が風洞噴流の中心線上(Y = 0)に設置される場合，供試
風車の最大出力はおおよそλ = 1.05 (300 rpm)のときに得ら
れている．図 4 は風車を噴流中心線上に設置したときの λ =
1.05 における Cp と同時計測された風洞吹出口中心における
風速 V の X 位置依存性を示す．風車が吹出口近くに設置され
た X = 0.5 m の場合には，多少の Cp の増加と大きな風速の減
少が明白であり，風車の存在が風洞(ダクト)に影響を及ぼし
ていることがわかる．
風洞(ダクト)が排出する流体エネルギーから風車が回収す
るエネルギーの割合を求めるため，次式(1)でエネルギー回収
率 η を定義する．
謝辞
本研究は，鳥取県環境学術研究等振興事業の補助を受
け実施されました．ここに明記し，謝意を表します．
1
1.5
λ
Fig. 3 Power curves measured at X = 0.5 m
2
文献
(1) Hara, Y., et al., “Effects of Blade Section on Performance of
Butterfly Wind Turbines as Double-Blade VAWTs”,
Bulletin of the JSME, Journal of Fluid Science and
Technology, (2015), (in press)

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