画期的な研究が新たな風力エネルギーの可能性を開拓

• ローザンヌ連邦工科大学（École Polytechnique Fédérale de Lausanne）の研究者は、遺伝的学習アルゴリズムを使用して、垂直軸風力タービンの羽根の最適なピッチプロファイルを特定しました。
• 垂直軸風力タービンは、異なる方向に回転するため、鳥が避けやすく、野生動物にもやさしいです。通常の風力タービンが縦に回転するのに対し、縦軸風力タービンは横に回転します。
• 欧州の風力エネルギー設備の増加率は年間19ギガワットですが、2030年までにUNの排出削減目標を達成するには、この数値は30GWに近づける必要があります。

スイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）の研究者たちは、遺伝学的学習アルゴリズムを使用して、垂直軸風力タービンのブレードの最適ピッチプロファイルを特定しました。 垂直軸風力タービン は、高いエネルギー潜在を持つものの、強風の突風に弱いとされてきました。

解説記事は Nature Communications. に公開されています。

今日の産業用風力タービンを考えると、おそらく、水平軸風力タービン（HAWT）として技術的に知られる風車設計を思い浮かべるでしょう。しかし、風をつかむために風の方向に直角に回転した初めての風力タービンは、8世紀ごろに中東で穀物を挽くために開発された垂直軸風力タービン（VAWT）でした。

VAWTは回転速度が遅いため、HAWTよりも騒音が少なく、風エネルギー密度が高く、同じ出力を得るためにより少ないスペースが必要です。また、羽根は上から切りつけるのではなく、横方向に回転するため、鳥が避けやすいです。

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これらの利点を考えると、なぜVAWTが現在の風力エネルギー市場にほとんど登場しないのでしょうか？エンジニアリングの問題、すなわち空気流量の制御へと遡ると、エンジニアリングにおける問題となっている空気流量の制御が、セバスティアン・ルフォエ氏（School of Engineering Unsteady Flow Diagnostics Lab (UNFOLD) の研究者）によると、センサ技術と機械学習の組み合わせによって解決できると考えています。最近公開された論文では、ルフォエ氏とUNFOLDの責任者であるカレン・ミュレナーズが、VAWTのブレードについて2つの最適なピッチプロファイルを説明し、タービン効率を200%向上させ、構造を脅かす振動を77%削減することに成功しました。

EPFLの実験用VAWTブレード 画像提供: © UNFOLD EPFL CC BY SA.

ルフォエ氏は、「研究は、我々の知る限り、VAWTブレードの最適なピッチを決定するための遺伝学的学習アルゴリズムの実験的適用です。」と指摘しています。

アキレス腱をアドバンテージに変える

ルフォエ氏は、欧州の設置された風力エネルギー容量が年間19ギガワット増加している一方で、この数字を国連の2050年の二酸化炭素排出目標に達するためには、それが30 GW近くに近づける必要があると説明しています。

“これを達成する障壁は財政的なものではなく、社会的および立法的なものです。風力タービンが大きくて騒々しいため、一般市民はそれをほぼ受け入れていません。”と述べました。

これにも関わらず、VAWTはこの点で利点を持っているものの、重大な欠点を抱えています。それは、適度で連続的な空気流にのみ効果的に機能することです。回転軸の垂直軸が、ブレードが風との関係で常に向きを変えていることを意味します。強風が起こると、空気流とブレードの間の角度が増加し、ダイナミックストールと呼ばれる現象で渦が発生します。これらの渦は、ブレードが耐えられない一時的な構造負荷を作り出します。

ガストが及ぼす抵抗不足に対処するため、研究者たちはセンサを作動ブレード軸に取り付け、それに作用する空気力を測定しました。異なる角度、速度、振幅でブレードを前後にピッチングして、一連の「ピッチプロファイル」を生成しました。その後、3500以上の実験的反復を行ったコンピュータに遺伝的アルゴリズムを実行させました。進化の過程のように、アルゴリズムが効率的かつ堅牢なピッチプロファイルを選択し、それらの特性を再組み合わせて新しい改良された「子孫」を生成しました。

このアプローチにより、研究者は、タービンの効率性と堅牢性を大幅に向上させる2つのピッチプロファイル系列を特定し、VAWTの最大の弱点を逆に利点に変えることができました。

“風力タービンを破壊する同じ現象であるダイナミックストールが、小規模なスケールでブレードを前方に推進することができます。ここでは、我々はダイナミックストールを実際に逆手にとり、ブレードピッチを前方に変更して電力を生み出しています。”とルフォエ氏は説明しました。“ほとんどの風力タービンは、ブレードによって生成された力を上向きに向けるが、これは回転を助けることはありません。その角度を変えることで、より小さな渦が形成され、同時に適切なタイミングでそれを押しやることで、下風側において第二の発電領域が生じます。”

 Nature Communications の論文は、ルフォエ氏のUNFOLDラボでの博士号取得研究です。現在、スイス国立科学財団（SNSF）とInnosuisseからBRIDGE助成金を受け取り、概念実証型のVAWTを建設する予定です。その目標は、屋外に設置して、現実の条件下でリアルタイムに反応しつつテストすることです。

“我々はこの空気流量制御技術により、効率的かつ信頼性のあるVAWT技術を完成させ、最終的に商業展開が可能になることを期待しています。”とルフォエ氏は述べました。

この進展が危険で醜いHAWTの多くを置き換えるための力を持つことを確信します。風は断続的な電力源として知られていますが、この技術は本当に経済的に自立できるかもしれません。しかし、プレスリリースにはそのようなコメントはありません。事実は、風が吹く際のわずかな補助というだけです。

ニューエナジーアンドフューエルよりブライアン・ウェステンハウス氏による。

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