機械学習によって再定義された垂直軸風力タービン　風力発電の可能性

EPFL (ローザンヌ工科大学連邦工科大学) 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ブレードの最適なピッチ プロファイルを特定しました。 高いエネルギー潜在力を持つ垂直軸風力タービンは、これまで強い突風に対して脆弱でした。

解説的なオープンアクセス論文が Nature Communications に掲載されました。

今日の産業用風力タービンについて考えるとき、技術的には水平軸風力タービン (HAWT) として知られる風車の設計を思い浮かべるでしょう。 しかし、穀物を粉砕するために 8 世紀頃に中東で開発された最初の風力タービンは、垂直軸風力タービン (VAWT) でした。つまり、風力に対して平行ではなく垂直に回転しました。

VAWT は回転速度が遅いため、HAWT よりも騒音が少なく、より高い風力エネルギー密度を実現します。つまり、陸上と洋上で同じ出力を得るのに必要なスペースが少なくなります。 ブレードは野生動物にも優しいものになっています。ブレードは上から切り落とすのではなく横に回転するため、鳥が避けやすいのです。

これらの利点があるにもかかわらず、VAWT が今日の風力エネルギー市場にほとんど存在しないのはなぜでしょうか? 工学部非定常流診断研究室 (UNFOLD) の研究者であるセバスティアン・ル・フエスト氏が説明するように、それは結局、空気流制御という工学的な問題に帰着し、センサー技術と機械学習を組み合わせることで解決できると考えています。 Nature Communications に最近掲載された論文の中で、Le Fouest 氏と UNFOLD 責任者の Karen Mulleners 氏は、VAWT ブレードの 2 つの最適なピッチ プロファイルについて説明しています。これにより、タービン効率が 200% 向上し、構造を脅かす振動が 77% 削減されます。

Le Fouest氏は、「私たちの研究は、私たちの知る限り、VAWTブレードの最適なピッチを決定するための遺伝的学習アルゴリズムの最初の実験的応用を表している」と述べた。

アキレス腱を有利に変える

ル・フエスト氏は、欧州の風力エネルギーの設置容量は年間19ギガワットずつ増加しているが、国連の2050年の二酸化炭素排出目標を達成するには、この数字を30ギガワットに近づける必要があると説明した。

「これを達成するための障壁は、財政的なものではなく、社会的、立法的なものです。風力タービンは、その大きさと騒音のせいで、一般の人々の受け入れが非常に低いのです」と彼は言いました。

この点での利点にもかかわらず、VAWT には重大な欠点があります。つまり、VAWT は中程度の継続的な空気流でのみ適切に機能します。 回転軸が垂直であるということは、風に対してブレードの向きが常に変化していることを意味します。 強い突風は気流と翼の間の角度を増加させ、動的失速と呼ばれる現象で渦を形成します。 これらの渦により、ブレードが耐えられない一時的な構造負荷が生じます。

この突風に対する抵抗力の欠如に対処するために、研究者らは作動ブレードシャフトにセンサーを取り付け、ブレードシャフトに作用する空気力を測定した。 ブレードを異なる角度、速度、振幅で前後にピッチングすることで、一連の「ピッチプロファイル」を生成しました。 次に、コンピューターを使用して遺伝的アルゴリズムを実行し、3,500 回以上の実験を繰り返しました。 進化のプロセスのように、アルゴリズムは最も効率的で堅牢なピッチ プロファイルを選択し、それらの特性を再結合して新しく改良された「子孫」を生成します。

このアプローチにより、研究者らはタービン効率と堅牢性の大幅な向上に貢献する 2 つのピッチ プロファイル シリーズを特定しただけでなく、VAWT の最大の弱点を強みに変えることもできました。

「動的失速（風力タービンを破壊するのと同じ現象）は、小規模では実際にブレードを前方に推進させる可能性があります。 ここでは、ブレードピッチを前方に向けてパワーを生み出すことで、動的失速を有効に活用しています」とル・フエスト氏は説明しました。 「ほとんどの風力タービンはブレードによって生成される力を上向きに傾けており、回転には役立っていません。 その角度を変えると、より小さな渦が形成されるだけでなく、同時に適切なタイミングで渦が押しのけられ、風下に第 2 の発電領域が生まれます。」

Nature Communications の論文は、UNFOLD 研究室での Le Fouest の博士課程の研究を表しています。 現在、彼はスイス国立科学財団 (SNSF) とイノスイスから、概念実証の VAWT を構築するための BRIDGE 助成金を受け取りました。 目標は、屋外に設置して、現実世界の状況にリアルタイムで反応するかどうかをテストできるようにすることです。

「この気流制御方法により、効率的で信頼性の高いVAWT技術が成熟し、最終的に市販化されることを期待しています」とル・フエスト氏は語った。

この開発によって、危険で醜く騒音が大きいHAWTの多くが置き換えられることを期待したい。風力発電は断続的な電源として知られているが、この業界には莫大な料金支払者や税金を吸い上げる勢いがある。風力タービンのような賃貸料目当ての計画を一掃することは、政治が強制する賃貸料稼ぎ計画によって、経済と市民がどれほどひどいダメージを受けるかの見本となるだろう。

開発者たちが、この技術はそれ自体で経済的に立ち行くことができると言うことができれば、それは素晴らしいことだ。しかし、プレスリリースにはそのようなコメントはない。 現実には、これらは風が吹いたときに少し補うことができるだけだ