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Should wind turbine blades be flat, bent or curved
The wind is a free energy resource, until governments put a tax on it, but the wind is also a very unpredictable and an unreliable source of energy because they always changing in both strength and direction. 有用な量の電力を生産するために、風力タービンは一般に大きくて高いものでなければなりませんが、効率的に機能するためには、よく設計され、エンジニアリングされる必要があるため、高価にもなります。
発電用に設計されたほとんどの風車は、水平軸の周りを回転する2枚または3枚の羽根のプロペラから成っています。 このプロペラのような風車のブレード設計は、風のエネルギーをトルクと呼ばれる使用可能な軸動力に変換することは自明と言えます。 これは、風がブレードの上を通過するときに風を減速させることによって、風からエネルギーを取り出すことによって達成される。
飛行機の翼と同じように、風車のブレードはその曲線形状により揚力を発生させて動作します。 最も湾曲している面は低い気圧を発生させ、その下の高い気圧はブレード状の翼の反対側の面を押すことになります。 その結果、ブレードを通過する空気の流れ方向と直交する方向に揚力が発生する。 タービンのプロペラブレードの回転が遅すぎると、多くの風をそのまま通過させてしまうため、潜在的に可能な限り多くのエネルギーを取り出せません。
次に、ローター先端の速度と風速の比として定義される最適な先端速度比（TSR）は、ローターブレードの形状プロファイル、タービンブレードの数、および風力タービン プロペラ ブレード設計自体によって決まります。 では、風力発電機のブレードの形状や設計はどれが最適なのでしょうか。
一般に、風力発電機のブレードは最小の建設コストで最大のパワーを風から得られるような形状になっています。 しかし、風力発電機のブレードメーカーは、より効率的なブレード設計の開発を常に目指しています。 ブレードの設計は常に改良され、よりコンパクトで静か、そしてより少ない風量でより多くの電力を発生させることができる新しい風力タービンが生み出されています。
風力タービンのブレード設計
では、どのようなブレード形状が最も多くのエネルギーを生み出すのでしょうか。 – フラットブレードは最も古いブレード設計で、何千年もの間、風車に使われてきましたが、この平らな広い形状は、他のタイプのブレード設計に比べて一般的ではなくなってきています。 平らなブレードが風を押し、風がブレードを押す。
その結果、発電後にアップストロークで回転して戻ってくるブレードが、発電量と反対になるため、回転が非常に遅くなるのである。 これは、ブレードが間違った方向に動く巨大なパドルのように動作し、風を押すため、ドラッグベースのローターブレードと呼ばれます。
しかし、フラットブレード設計は、他の風車設計と比較してDIYに大きな利点をもたらします。 フラットローターブレードは、合板や金属板から簡単かつ安価に切り出すことができ、ブレードの形や大きさが一定になるようにします。 しかし、効率と発電のしやすさは非常に低い。
カーブドブレードは、上部に曲面を持つ長い飛行機の翼（翼型とも呼ばれる）に非常によく似ています。 カーブドブレードは、ブレードの平らな面の下を流れる空気よりも、カーブドブレードの上面を流れる空気の方が速く、その結果、上部に低い圧力領域を作り、動きを作り出す空気力学的な揚力を受けます。 風が速く吹けば吹くほど、ブレードに発生する揚力は大きくなり、回転も速くなる。 平らなブレードと比べ、湾曲したブレードの利点は、揚力によって風力タービンのブレード先端が風の動きより速く動き、より多くの電力と高い効率を生み出すことができることである。 そのため、現在では揚力を利用した風力発電機のブレードが一般的になりつつある。 また、家庭用の塩化ビニール製風車ブレードは、曲がった形状がすでに組み込まれている標準サイズの排水管から切断することができ、最高のブレード形状になります。
Curved Blade Air Flow and Performance
ただし、曲線ブレードには、ブレードの運動を止めようとする長さ方向の抵抗もかかります。 抗力とは、基本的にブレード表面に対する空気の摩擦です。 抗力は揚力に対して垂直であり、ブレード表面に沿った空気の流れと同じ方向である。 しかし、ブレードを曲げたりねじったりすることで、この抗力を減らすことができます。また、ブレードの長さを先細りにすることで、最も効率の良い風力タービンブレード設計が可能になります。 この迎え角が大きくなると、より多くの揚力が発生するが、さらに角度が大きくなり、約20o以上になると、ブレードは揚力を減少させ始める。 そこで、最適な回転を生み出すローターブレードの理想的なピッチ角があり、実際に現代の風力発電機のローターブレードは、根本の急ピッチから先端の超浅ピッチまで、長さ方向にねじれを持たせて設計されています。
回転するブレードの先端部の速度は根元や中心部よりも速いため、現代のローターブレードは根元から先端に向かって10～20度ねじられており、根元付近では比較的ゆっくりとした空気の動きから先端ではかなり速い空気の動きへと迎角が減少するようになっています。
結論として、風力タービンのローターブレードの長さは、中央ハブの周りを回転するときに、どれだけの風力を取り込むことができるかを決定するもので、風力タービンブレードの空気力学的性能は、フラットブレードと曲線ブレードで大きく異なる。
風力タービンブレードの効率を上げるには、ローターブレードに空気力学的プロファイルを持たせて揚力を生み出しタービンを回転させる必要がありますが、曲がった翼型ブレードは作るのがより困難ですが、性能が良く、回転速度が速く、電気エネルギー生成に理想的なブレードです。 ブレードをねじることで、ブレードに沿った風の角度が変わり、ブレードの長さをねじることと先細りにすることの複合効果により、抗力を減らしながら、速度と効率を高める迎え角が改善されます。
風力タービンのブレード設計は、風力タービンを期待通りに機能させるために非常に重要です。
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