2018 Fiscal Year Research-status Report
抗力型風車高出力化のための集風ケーシング偏流装置の最適化
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17K06175
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| Research Institution | Kurume National College of Technology |
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Principal Investigator |
谷野 忠和 久留米工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (70352367)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 再生可能エネルギー / 抗力型風車 / 垂直軸風車 / 風力発電 / 数値解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請課題では，集風ケーシング付クロスフロー風車のスケールアップとともに，集風ケーシングの小型化の検討を行う．平成30年度は，前年度の検討結果を踏まえ，風向変化時に集風ケーシングの向きと風向とにずれが生じた場合に出力改善効果の低下が明らかになったため，偏流板の枚数を2枚から3枚に増やした新たなケーシングの検討を行った．すなわち，これまでの偏流板Bについて風向変化の影響が大きいため2枚構成とし，それらの配置を検討した．この集風ケーシングを代表直径171mm，翼枚数12枚の供試風車に適用し，数値解析および風洞実験によりその効果を評価した．その結果，提案した集風ケーシングは，ケーシングの向きと風向きとのずれが－5度～+20度の範囲で，高い出力改善効果を維持できることが示された．これまでの偏流板2枚では，ケーシングの効果が得られる範囲は0度～+15度であり，新しく提案した集風ケーシングの風向変化に対する優位性が明らかになった．
提案する集風ケーシングは機械制御なしで尾翼により風向に対する姿勢を独立して制御することを想定している．そこで，さらなる風向変化時の検討，すなわち，その実現性を確認するために，集風ケーシングを構成する尾翼を設計・製作し，風洞実験により羽根車静止時および運転時のケーシングの挙動を把握する実験を行った．尾翼の設計は，偏流板に作用する風車軸回りのトルクを数値解析により見積り，尾翼寸法を決定した．集風ケーシングは，前年度検討した代表直径114mmと，それを1.5倍とした2種類の代表直径171mmの計3種類の供試風車に用いた．風洞実験の結果，静止時は想定するケーシングの向きとはずれた状態になるが，羽根車が旋回すれば，ほぼ目的とする向きでケーシングは風向に正対し，軸回りのずれは最大でも+6度となり，前述のケーシングの効果が得られるずれの範囲内であることが確認できた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前年度に集風ケーシング付クロスフロー風車の集風ケーシングについて，ケーシングの向きが風向に対してずれた場合について検討した結果，2枚の偏流板ではずれが負側に大きいと，出力改善効果が維持できないことが分かった．そこで平成30年度は，新たに3枚の偏流板で構成した集風ケーシングを検討した．OpenFOAMによる数値解析を行い，これまでの偏流板Bを2枚構成とし，風向変化の影響を考慮して，それらの配置を検討した．新たに検討した偏流板3枚の集風ケーシングの解析結果から，ケーシングの向きと風向きとのずれが風車軸回りで－5度～+20度の範囲（これまでは0～+15度）で，高いケーシング効果を維持できることが示された．
さらに数値解析結果を踏まえ，代表直径171mm，翼12枚の供試風車について，ケーシングを構成する偏流板3枚の配置を2通り検討した．すなわち，偏流板3枚の風向に対する風車軸回りの傾きを変えた風洞による出力性能試験を実施し，風向変化時のケーシングの性能評価を行った．3枚の偏流板を任意の傾きで固定できる治具を検討し，3Dプリンタにより製作した．これにより2種類のケーシングについて，傾き角±20度の範囲を5度刻みで条件を変えた出力性能試験を一連の実験で実施可能になった．出力性能試験結果から，ケーシングの風向きに対するずれが－5度～+20度の範囲で，ケーシングの効果は高く，出力性能曲線のピーク時でケーシングなしの条件に比べ，約45%出力性能が向上し，最適なケーシングの向きが+5から+10度付近にあることが明らかになった．
加えて，申請内容以外の検討として，偏流板Aの流れ場改善効果の向上させる方法として簡便な高揚力装置であるガーニーフラップの適用が期待できるため，対称翼の後縁部にフラップを付加した翼型の数値解析等を実施し，ガーニーフラップの効果を確認することができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までの進捗状況で述べた出力性能試験は，代表直径171mm，翼12枚のスケールアップした供試風車のみでの検討であったため，もう1つの翼19枚としてスケールアップした供試風車についても，集風ケーシングを構成する3枚の偏流板を配置した実験を実施し，風向変化時を含めた集風ケーシングの出力改善効果の評価を行う．加えて，ケーシングが風向に対して正側に傾いた場合の偏流板Aの効果および偏流板Bを2枚構成としたことによる効果について，これまでの数値解析結果の流れ場を考察すると，偏流板の断面形状は円弧翼形状でなく，平板形状でも同等の高い効果が得られる可能性が推察できた．そのため，3枚の円弧翼形状の偏流板の集風ケーシングに加え，3枚の平板形状の偏流板の集風ケーシングの製作を行い，これら2種類または形状の異なる偏流板を組み合わせた集風ケーシングについて，風洞実験や数値解析によるケーシングの出力改善効果の評価を行う予定である．
今年度の後半は，集風ケーシング付クロスフロー風車のスケールアップとともに，集風ケーシングの小型化の検討を目的に実施した，集風ケーシング付クロスフロー風車のスケールアップの方法に関する検討，数値解析結果を活用した集風ケーシングを構成する尾翼の設計とケーシングの風車軸回りの挙動の観察，集風ケーシングの小型化のための偏流板断面形状の検討（ガーニーフラップの適用検討も含む）および，風向変化時を考慮した集風ケーシングの出力改善効果の安定性向上のための偏流板3枚のケーシングの検討などの研究結果を取り纏め，申請課題研究の総括を行う予定である．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由について，現在までの達成度でも述べた通り，おおむね順調に進展している．本申請課題では，予算決定において最も不確定な要素が3Dプリンタによる供試風車および偏流板の製作費である．3Dプリンタはまだ未成熟な部分があり，要求する精度の模型の製作に失敗する場合が多く，その分，多めの予算を想定していた．本研究で用いた研究開始当初の供試風車および偏流板の製作も何度か失敗したのちに製作されたものである．当該年度は，新しく低価格で製作が可能な3Dプリンタを別の予算にて導入できたため，それに係る費用が大幅に抑えられたこと，加えて，申請時に計画していた国際会議での成果発表を国内で開催される国際会議に間に合わせることができたことなどが，次年度使用額が生じた主な理由である．
使用計画については，申請時の予算計画は，最終年度は成果のまとめを中心に比較的額の小さくしていたが，新たな集風ケーシングの検討を行うことにしたため，これまでに生じた繰り越し相当額（約24万円）については，新たに製作する平板形状の偏流板3枚で構成した集風ケーシングおよび実験に必要な3枚の偏流板の固定治具などの製作，加えて，成果発表などに充当する計画である．
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