| 研究課題/領域番号 |
20K12270
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| 研究機関 | 弘前大学 |
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研究代表者 |
久保田 健 弘前大学, 地域戦略研究所, 准教授 (70400405)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 垂直軸風車 / 風力エネルギー / 抗力係数 / パワー係数 |
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| 研究実績の概要 |
帆布を翼材とする8枚翼の垂直軸風車において、翼の弛み量を調整した際の風車の空力性能を計測・評価した。また、その際、翼を支持する上下支柱の間に、翼のバタつきを抑制し、かつ受風時の翼の自由変形を回転角によって制御するための支柱を設置した場合についても合わせて調査した。結果、自由翼における弛み量と風車空力性能の関係については、弛み量が増加するに伴いエネルギー変換効率（パワー係数）の極大点は低回転数方向へと遷移すること、低速時のトルクが高まることが確認されるとともに、過度な弛み量の設定では性能低下を引き起こすため、最適点が存在することを見出した。また、支柱の追設による翼形状制御時の性能測定において翼幅方向で追設位置をアレンジすることで、風に対する応答性は顕著に変化し、最適な翼姿勢が存在することを確認した。
弛み量ならびに翼形状の違いで風車の空力性能が変化する現象について明らかにするため風車周りの流れ場の可視化が必要で、実験と数値シミュレーションの両面からアプローチするための準備に着手している。
また、揚水の動力として本風車を組み込んだ風力直動式揚水システムを作製して短期間の実証実験を行い、実際の自然風下での風車出力を評価した。風車が有する慣性モーメントを勘案し、風速の安定した時間帯をサンプリングすることでデータを整理した結果、風洞実験で得られた諸数値からパラメータスタディで大型化した風車においても設計通りに機能することを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究1年目は、年当初に策定した研究計画については概ね取り組むことができたと認識する一方で、学外の風洞施設を利用することで実施可能な高精度な計測実験は、コロナ蔓延の影響を受けて直接出張して実施できなかったこともあり、当初予定の工数には達していない。2年目についてもこの状況は変わらない可能性が高いため、学外風洞施設の管理者（研究協力者）と密に相談し、実験プランを策定する。これと並行して、初年度に主に使用した現有の簡易・小型風洞についても改良を計画中で、確度の高いデータが得られるように風の安定度（風速の空間分布や乱れの度合い）の向上と大型化を図っている。また、帆布翼の形状を制御した際の風車空力性能の変化を調査した実験において、翼形状を円弧型に固定した際の性能が先行研究や教科書から予測される結果とは異なっており、本研究で扱う風車固有の現象が生じているものと予測されるため、2年目に計画する流れ場の可視化については堅実に実施したい。
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| 今後の研究の推進方策 |
帆布翼の垂直軸風車において初年度実施した、帆布翼の弛み量ならびに翼形状による空力性能評価の結果を基準材料として、本研究2年目は以下3点について取り組む。
・翼が回転する風車の一部として受風する際に相対風速が変化することを着目点として、変形翼単体が風を受けて発生する抗力と揚力の風向角依存性について実験的に系統的な測定を行う。
・回転中の垂直軸風車の周りの流れ場の可視化について、実験と数値シミュレーションの両面からアプローチする。特に数値シミュレーションでは、実験結果を妥当に表現できる計算モデルの選定・改良を優先し、風洞実験を実施できない期間においても回転原理の理解と風車性能改良に向けた有機的な研究ができる環境の構築を図る。
・垂直軸風車の帆布翼が変形することで生じる空力的な作用点の変化に着目し、翼の取付位置と取付角度の最適化研究を行うとともに、その場合の最適な弛み量について系統的に調査する。また、この目的のために翼取付角や位置、軸長等のパラメータを即座に変更可能なケーススタディ用に特化した実験用風車を作製して研究の迅速化と実験数の増加を図る。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究1年目には、コロナ蔓延の影響により、学外研究協力者の保有する風洞施設（九州大・応用力学研究所、福岡県春日市）を利用した実験のための実験用風車の試作、ならびに実験出張を取りやめたことによって次年度使用額が生じた。
2年目においてもコロナ影響による出張見合わせの可能性が否定できないため、持ち越しとなった研究費を主たる財源として資材調達を行い、研究室で保有する簡易風洞の性能改質と大型化を図り、学内実験での計測データの確度向上に繋げる。また、学内や学外風洞施設のいずれでも利用可能な風車翼の取付角や位置、軸長等のパラメータを即座に変更可能なケーススタディ用に特化した実験用風車の作製を行う。
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