今日商業的に成功しているプロペラ式の水平軸風力タービン (HAWT) の話と並んで、あまり知られていない垂直軸風力タービン (VAWT) の話もあります。 かつては風力タービンの設計基準を定めるライバルとみなされていたVAWTですが、今では実用規模のVAWTはますます珍しい存在になっています。 しかし、横軸機が主流の市場で縦軸技術を確立しようと、実用規模のVAWTのプロトタイプが時折姿を現すことがある。 ここでは、100kW以上の実用規模のVAWTプロジェクトを振り返ってみる。
垂直軸風力タービンの記録は、9 世紀のペルシャ、あるいは紀元前 7 世紀のアフガン高地までさかのぼります。 これらの初期の VAWT は、空気力学的抗力に基づく単純な装置で、タービンの片側がカバーされ、風は単に反対側のブレードを押すだけでした。 そのため、このような「曖昧さ」を解消するために、「曖昧さ」を解消した上で、「曖昧さ」を解消した上で、「曖昧さ」を解消した上で、「曖昧さ」を解消した上で、「曖昧さ」を解消した上で、「曖昧さ」を解消した上で、「曖昧さ」を解消した上で、「曖昧さ」を解消した上で、「曖昧さ」を解消した上で、「曖昧さ」を解消した上で、「曖昧さ」を解消した上で、「曖昧さ」を解消した上で、「曖昧さ」を解消した上で、[1]とした。 Darrieus 自身も曲線翼と直線翼の両方の小型モデルを多数作りましたが、最初の発電、空気力学的揚力ベースの VAWT は、同じフランス人の Jean-Baptiste Morel が 1950 年代に南フランスで最大 7 kW の直線翼の Darrieus タービンを多数作りました。
カナダ国立研究会議 (CNCR) の研究者は、長いこと忘れていた以前のフランスの試みを明らかに知らずに、60 年代の途中で VAWT を再発明しました。
カナダの研究は、1970 年代にサンディア国立研究所によって再発見されました。サンディアは核兵器開発の主な任務のほかに、米国エネルギー省から代替エネルギー資源の調査を任されていました。
サンディアは 1976 年にニューメキシコ州アルバカーキの近くに 60 kW のダリアス・タービンを建設し、当時、史上最大の VAWT になっていました。 1970 年代から 1980 年代にかけて、Sandia 社は北米の VAWT 開発の中心にいましたが、実用規模（ここでは 100 kW 以上）の VAWT は、1988 年にテキサス州ブッシュランドに建設された 500 kW の Darrieus タービン 1 台しか建設していません。 この実験用タービンは、可変速、支柱なし、研究用にほとんどの部品を変更できるように設計されているのが特徴です。 支柱がないことが、おそらく出力係数 (風力エネルギー入力に対する電力出力の比率) 0.43 を達成した主な要因であり、これはおそらく今でも実用サイズの VAWT の記録として残っています。
北米におけるダリアスの取り組み
CNRC や Sandia と協力したり、その技術を使用したりして、1970/80 年代にいくつかの企業がダリアス型 VAWT を商用化しようとしはじめました。
カナダでは、アルミニウムメーカーのDAF IndalがCNRCとの主なVAWTの共同開発者となり、1977年にカナダのケベック州のセントローレンス湾のマグダレン島に設置された230kWのダリウスタービンで、前年にサンディアが作ったサイズレコードを破りました。 このタービンは、VAWTが実際に自己始動可能であることを証明したことでも有名です。
1983年から1984年にかけて、DAF-Indal社は3台の500 kWタービンを製造しました。 タービンの 1 つは、カリフォルニア州パームスプリングス近くのサン ゴルゴニオ峠に設置されましたが、試運転前のガイテンション テスト中に倒れ、その上に立っていたエンジニアの命が失われるという悲劇が起こりました。 プリンスエドワード島にある別のタービンも、1985年にブレードの故障で地面に落下しました。
1970年代後半に、ペンシルベニア州ピッツバーグに拠点を置くアルミニウム企業 ALCOA が、サンディアとの技術移転契約のもとで VAWT の開発を開始しました。 ALCOAは、1980年までにこれまでに製造された最大のVAWTとなった3台の500kW機を含む、多くの大型ダリエウスタービンを製造しました。 500kWのタービンの1基は、カリフォルニア州サンゴニオ峠にありましたが、1981年に隣接するパームスプリングスで開催されたカリフォルニアエネルギー委員会の会議の直前に倒壊してしまいました。 停電のためローターがオーバースピードになり、ブレードが下部の取り付け部から外れてガイケーブルを切り落とし、約300m先まで飛んでいき、タービンは地面に落下したのです。 当然、予定していたデモンストレーションは中止となったが、代わりに大胆にも、この時のビデオを会議中に上映し、会場からスタンディングオベーションを受けた。 結局、ALCOA社はVAWT計画を中止したが、その一部は新たに設立されたVAWTPOWER社に売却され、1983年から1984年にかけてサン・ゴルゴニオ峠に40基のタービンが設置された。 この施設は、最初の本格的な VAWT 農場で、1988 年の時点で稼働していました。
VAWT 農場といえば、FloWind が頭に浮かびます。 ロサンゼルス近郊のテハチャピ・パスとサンフランシスコ湾岸のアルタモント・パスで500基以上のタービンを設置しました。 1983年から1986年にかけて170kWと200kWの機種が設置され、総設備容量は約95MWに達していた。 2004年に最後のフロウィンド社が運転を開始した時には、その生涯で1テラワット時近い電力を生み出していました。
1986年、FloWind-19 が壊滅的な故障を起こし、ブレードが隣接する測定トレーラーに投げ込まれ、中にあった DOE/ Sandia コンピューターが壊れました。
上記の他の Darrieus タービン開発者と同様に、FloWind はアルミニウムのブレードを使用しており、これは曲がるように設計されていました。 アルミニウムは周期的な応力に耐える能力が低いため、疲労による故障が発生しました。 これらの問題により、FloWind社のタービンは、同時期にカリフォルニア州で設置されていた水平軸風力発電機よりも多くのダウンタイムを経験することになりました。
カナダの Adecon 社は、少し変わった Darrieus タービン設計を採用し、ガイケーブルの代わりに外部格子フレームワークを使用しました。 1984年、プリンスエドワード島に17m、125kWのタービンを建設した。 ローターが地上17mに設置されたこのタービンは、数時間しか稼働せず、その後オーバースピードで自壊してしまった。
組織変更の後、アデコン社はアルバータ州のピンシャー・クリーク付近に150kWのタービンを10基設置しました。 これらのタービンにはローター支持フレームワークがありませんでしたが、ガイケーブルの代わりにラティスマストが使用されていました。 この格子状のマストが共振を引き起こし、部品の故障につながったのです。 その結果、2基のタービンが転倒し、他のほとんどのタービンがほとんど稼働しない状態に陥った。
特筆すべきは、1987年に完成したケベック州セントローレンス川南岸のキャップシャットにある巨大なエオール（ギリシャ神話の風の支配者アイオロスのフランス語）であろう。 全高 110m、回転質量 880 トン、定格出力 3.8 MW の ÉOLE は、それまでのすべての記録を破り、現在でも史上最大の VAWT です。
この鉄刃の可変速モンスターは、底部ベアリングが破損する 1993 年まで稼働していました。
この鋼鉄製の可変速の怪物は、1993年に底部のベアリングが破損するまで稼働していました。嬉しいことに、ÉOLEはまだ建っていて、夏の間はガイドツアーを開催しています。 ぜひ一度訪れてみてください。 風力発電の愛好家にとってエオレは伝説であり、美しいガスペ半島は全体的に素晴らしい場所である。 便利なことに、ガイドツアーは英語で行われ、数ドルの追加料金を払えば、ÈOLE の最上階のプラットフォームに連れて行ってもらえ、そこからの眺めは絶景です。
他の実用規模のダリュース タービンがあり、1980年代にヨーロッパでもいくつか建設されたことがあります。 しかし、本格的な試みはますます少なくなっています。 ブレードの疲労の問題、ガイワイヤー取り付けのために平らな地形が必要なこと、ローターが地面に近いという欠点はすべて、ダリウス「エッグビーター」がHAWTの競合として地位を確立できなかった理由です。
一方、ヨーロッパでは
北米のダリアスの開発と一部重なり、ヨーロッパでも VAWT が研究されましたが、ここでは、従来のダリアスタービンと比較していくつかの利点がある H ローターのコンセプトに最も焦点が当てられています。
ヨーロッパの VAWT プロジェクトで最も有名で、おそらく最も野心的なものは、1980 年代/90 年代にイギリスの会社 VAWT Ltd が行ったもので、イギリスのリーディング大学の Peter Musgrove が主導した研究から生まれたものでした。 しかし、1986年にウェールズのカーマーゼン湾に設置された130kWの可変ジオメトリータービンを評価した結果、固定された直線状のブレードでも十分にストール制御が可能であると判断されたのです。 そこで、1990年に建設された500kWの試作機では、ブレードを直線翼に変更した。 このタービンは、動力伝達に関連するいくつかの故障を経験し、最終的にはグラスファイバーのブレードの1つが壊れるという壊滅的な故障を経験した。
1990年代には、ドイツの発明家兼企業家の Götz Heidelberg が、ミュンヘンにある Heidelberg Motor GmbH で可変速 PM マグネット H ローターのコンセプトの開発を開始しました。 1991年、最初の大型（300kW）プロトタイプがドイツ北海沿岸のKaiser-Wilhelm-Koogに設置されました。 地上設置型の発電機を使い、タワー全体を回転させるトップベアリングに接続されたガイワイヤーで支えられていた（ダリュースタービンのようなもの）。 地上発電機を捨てた後、大型の多極リング発電機を三脚タワーの上に載せた300kWのプロトタイプが5台開発された。 1995年、溶接の問題で1基のタービンが破壊された後、他の機械は稼働を停止し、1997年についに解体された。
特筆すべきは、ハイデルベルク社が、南極のドイツの研究施設に、より小型の 20 kW 極限環境バージョンを設置し、2008 年に廃止されるまで 15 年間稼動したと報告されている点です。
継続的な努力
ドイツのエンジニアリングでさえ VAWT を保持できなかったのなら、このコンセプトは 1990 年代半ば以降に放棄されたに違いないと推測されるかもしれません。
2010年に、スウェーデンの Vertical Wind AB は、スウェーデン西海岸のファルケンベルグの近くに、200 kW の直接駆動可変速プロトタイプを建設しました。 このタービンは、集成材のタワーと自社製のダイレクトドライブ多極 PM 発電機を備えており、主に測定に使用されてきましたが、風速は制限されているものの、現在も稼働しています。 Vertical Wind社は、2010年に主要な投資家を失った後、開発を中止しましたが、発電機の製造は続けています。
1970/80年代のDAF IndalとALCOAのVAWTプログラムがアルミニウムメーカーのイニシアチブだったように、現在活動しているポーランドのVAWT会社Anew Instituteは、鉄鋼メーカーStalprodukt SAの子会社です。 Anew社は2015年に200kWのプロトタイプを、2017年には最も目立つ1.5MWのプロトタイプを建立し、設置容量では史上最大のVAWTであるÉOLEに次ぐものとなっています。 当然のことながら、建設にはできるだけ多くのスチールが使用されていますが、少なくともブレードはファイバーグラス製であることが幸いです。
浮体式 VAWT はどうでしょうか
浮体式風車は、（たとえば業界団体の WindEurope によって）主要な海上風力エネルギー拡大のための主要実現技術として認識されています。
たとえば、石油・ガス産業向けの浮体式プラットフォームを専門とする日本の企業であるMODECは、skwid (Savonius Keel and Wind Turbine Darrieus) という浮体式風力発電および潮流ハイブリッド発電システムを開発しました。 これは、水面上にH型ローター、水面下にサボニウス型タービンを設置し、潮流を利用するというコンセプトのものである。
浮体式VAWTを商業化する別の試みは、フランスの企業NENUPHARによって行われ、数MWのツインタービンの浮体式海洋プラットフォームの開発を目指しました。
大規模な浮体式VAWTはこれまでに展開されませんでしたが、NENUPHARは2014年にフランスの地中海岸にあるフォシュシュルメールに600kWの陸上の試作品を設置して、異なるブレード構成がテストされました。 しかし、2018年に、NENUPHARは産業パートナーによって放棄された後、清算に入りました。
大規模なプロトタイプをすぐに展開することを熱望する他のいくつかのフローティングVAWT開発努力に言及することができます。 しかし、この簡単な回顧録は、最終的な結果にかかわらず、実用規模の垂直軸タービンの実際の建設を含むプロジェクトに限定されています。
浮遊ニッチで関心が復活
要約すると、ほとんど消滅していた垂直軸風力タービンのコンセプトが、ここ数年、特に浮遊オフショア プラットフォームで再び関心を集めているということです。 1980年代にVAWTを風力タービンの標準として打ち破って以来、ますます技術的に発展してきた水平軸コンセプトと競争することはますます難しくなっていますが、浮体ニッチ市場は垂直軸風力タービンが待ち望んでいた機会なのかもしれません。
著者からの情報です。 Erik Möllerström The Rydberg Laboratory for Applied Sciences, Halmstad University, PO Box 823, SE-301 18 Halmstad, Sweden ()
ここで述べたVAWTや、ここで取り上げられなかった他の小規模なVAWTプロジェクトの詳細については、以下の論文がオープンアクセスで公開されています。 Möllerström E, Gipe P, Beurskens J, Ottermo F, ‘A historical review of installed vertical axis wind turbines rated 100 kW and above’, Renewable & Sustainable Energy Reviews, Vol 105 (2019).