Performance improvement of vertical-axis Gyro-mill type wind turbine with deformation blades

• Project/Area Number: 18K11744
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 64050:Sound material-cycle social systems-related
• Research Institution: Oita National College of Technology
• Principal Investigator: 菊川 裕規 大分工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (70321528)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2019: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 再生可能エネルギー / 風力発電 / ジャイロミル風車 / モーフィング / 弾性翼 / 風洞実験 / 数値シミュレーション / モーフィング技術

Outline of Annual Research Achievements

再生可能エネルギーへの期待が高まっている中で，風力発電は発電単価も安く有用性が高いが，大型風車はメンテナンスコストや景観の問題等により積極的な導入が進んでいない．メンテナンス性が良く小型で高効率な風車が開発されれば有用性は高い．小型でも比較的高効率な風車としてジャイロミル風車に着目したが，起動トルクが小さく，高速回転時には破損の危険性がある．そこで，モーフィング技術を応用した弾性翼によるパッシブ制御を行うことで，相反する問題点を同時に解決する風車開発の着想に至った．本研究では，特殊風洞装置を用いて風車模型による実験と数値シミュレーションにより風車性能を向上させることを目指す．
弾性翼として翼断面の後翼部分をPET素材による弾性フィルムで構成された三枚翼ジャイロミル風車を試作し性能試験を行った．その結果，後半部分の弾性フィルムが変形して起動トルクが向上し，高速回転時には遠心力の作用でブレーキが働くことでトルクが減衰することを確認した．しかし，従来の固定回転翼の性能曲線とは大きく異なり，期待したような高効率が得られなかった．そこで，まず弾性翼の流体的作用を明らかにし，最適な効果が得られるような弾性翼の設計方法を明らかにした．数値シミュレーションと高速度カメラを併用して回転中の弾性翼の変形量を明らかにし，変形量に応じて生じる流体的作用を考察した．次に，弾性係数の異なる複数の素材による弾性翼を製作し，変形量と変形形状の違いによる流体的作用を明らかにした．当初の計画では，弾性翼に加えて回転翼の周囲に集風効果と翼々干渉効果を期待してステーターを設置することで性能向上を目指す予定であったが，期待したような効果が得られないことが明らかとなったため，他の方法にて性能向上を目指す．さらに，本校所有のマルチファン型アクティブ制御乱流風洞の特徴を活かして変動気流での特性を明らかにする予定である．

Research Products

• [Presentation] Improvement of compact Darrieus-type hydraulic turbine for extra low head by changing inlet shape (2020)
  • Author(s): H Kikugawa, Y Kawano , M Shuto and A Furukawa
  • Organizer: 18th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] モーフィング技術を応用した弾性翼による小型垂直軸風車の 性能試験と弾性翼の流体的作用 (2020)
  • Author(s): 菊川 裕規，首藤 聖人，田村 崚，阪本 倫太郎，姫嶋 萌木
  • Organizer: 日本機械学会 第98回流体工学部門講演会
• [Presentation] Improvement of compact Darrieus-type hydraulic turbine for extra low head by changing inlet shape (2020)
  • Author(s): H Kikugawa, Y Kawano, M Shuto and A Furukawa
  • Organizer: 18th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improvement of performance for compact vertical axis wind turbine using elastic wings on morphing technology (2019)
  • Author(s): Hironori Kikugawa, Masato Shuto, Yuto Kawano, Saya Iwata, Masayoshi Kai and Ryuto Noda
  • Organizer: The 15th Asian International Conference on Fluid Machinery (AICFM15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improvement of performance for compact vertical axis wind turbine using elastic wings on morphing technology (2019)
  • Author(s): H. Kikugawa, M. Shuto, Y. Kawano, S. Iwata, M. Kai and R. Noda
  • Organizer: 15th Asian International Conference of Fluid Machinery (AICFM15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improvement of Compact Darrieus-Type Hydraulic Turbine for Extra Low Head Small Waterway (2018)
  • Author(s): Hironori Kikugawa, Yuto Kawano, Yuki Obata, Seiichiro Ito, Keita Kamei, Toshihiro Saito, Masato Shuto and Akinori Furukawa
  • Organizer: 7th Asian Joint Workshop on Thermophysics and Fluid Science (AJWTF7)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 極低落差水力の有効利用に向けたハンディタイプ水車の開発研究 (2018)
  • Author(s): 菊川裕規，御幡侑希，河野祐斗，古川明徳
  • Organizer: 2018九州北部ANSYS-CFXコンソーシアムミーティング