水平軸風車のローター設計原理
INTRODUCTION
人類は食糧を除く最初のエネルギーとして火を使いました。 火を使うまで、人類は食べ物だけで生活していました。 また、人間は火を使うことで、他の生物と分離しました。 その後、火を燃やすために薪を使い、火を消すことはなかった。 社会生活の中で分業していたのである。 そこで、人類は新しいエネルギー源を利用した。 その新しいエネルギーとは、もう一人の人間である。 遊牧民の生活では、ある場所から別の場所へ移動しなければならなかった。 遊牧生活の結果、移動のために動物を使うようになった。 人間が使うもう一つのエネルギーは水力である。 これは、遊牧民の生活終了とともに使われるようになりました。 また、人間は風を利用して船を走らせたり、12世紀には風車で風を起こしたりしていました。 16年以降。 16世紀以降、特に石炭の生産が盛んになり、エネルギー消費量が増加しました。 19世紀には石油が使われるようになりました。 産業の時代は石油から始まり、多くの人類が影響を受けた。 その後、人類は原子力を発見した（Inan, 1995）。
20世紀末には環境問題が始まった。 そして、私たちはクリーンで再生可能なエネルギーにつながりました。 このクリーンで再生可能なエネルギーとは、太陽、地熱、バイオマス、水力、風力などです。 (Inan, 1995)。
地球の表面が必要とするすべてのエネルギーは、太陽からもたらされています。 そのエネルギーの約1-2％が風力エネルギーに変換される(Vindmolleindustrien, 2006)。 したがって、風力エネルギーは太陽エネルギーが速度エネルギー（運動エネルギー）に変換されたものであると言える（Karadeli, 1999）。 風は、主要なエネルギー源である太陽による空気の不均一な加熱によって生じる熱の不均衡を平衡させるための大気中の空気の動きと定義される（Ozdamar and Colak, 2000）。
風を生み出しその速度を左右する大気中の主な力は、圧力等級力、転向力、遠心力、摩擦力（Yavuzcan, 1974）である。 圧力勾配力は気圧の高いところから低いところへ空気を移動させる作用がある。 迂回力は、緯度円に沿って生じる動きに対する地球の自転の迂回力と、赤道から極点への動きやその逆方向の動きに対する地球の自転の迂回力の2つの方向から空気に影響を及ぼす。 風は一般に、中心を中心に巻き上がるため、その中心から逸らそうとする力の影響下にある。 この力を遠心力という。 摩擦力は風の速度を低下させようとする。 この力の影響は、地表に近いほど大きくなる（Yavuzcan, 1994）。
ローターの重要性
ローターは、風の運動エネルギーを力学的エネルギーに変換する器官である。 そのため、風力発電機にとって非常に重要な役割を担っています。 ローターとローターブレードは、風力発電機の効率に直接影響するため、最適な機能を持つことが非常に重要です。 1:
流れの質量はその速度から運動エネルギーを持つ（Klug、2001）
成果は時間あたりのエネルギーから導かれる。 質量流量の計算：
これらの条件において、次の式で電力を計算することができます（Klug、2001）;
電力方程式は風に蓄えられる運動エネルギーをワットとして取得できる理論的出力を提供します。 この理論上の電力は、タービンローターの力を借りて有用な電力に変換する必要がある。 このとき、風速、タービン軸の速度、ブレードの選択によって影響を受ける定数を考慮しなければならない。 この定数は理想電力定数（Cp）と呼ばれる。 ここでは、ブレードの種類、ブレードの形状、ブレード先端の傾斜角と速度が有効な因子となる。 図1に理想出力係数の図を示す。 理論上、理想的な電力定数は0.59を超えることはありません。 この定数はBetz定数と呼ばれる。 実際には、この値はさらに小さくなる（Becenen and Eker, 2001）。 なぜなら、実際には機械的損失（η）が効いてくるからである。 しかし、機械効率の値は1に近いので、計算上無視することができる。 この知識で計算すると次のようになる。
ここで忘れてはならないことは、標準気象条件（温度：15℃、気圧：1013.3hPa）で空気密度1.225kgm-3とする（Klug、2001）ことである。
| 図2： | 異なる構造物の生涯サイクル数（Klug、2001） |
The Wind Turbine Rotor and the Other CONstructions
図では、ローターとその他の構造物について、そのサイクル数（1サイクル当たりの回転数）を示している。 2異なる構造物の生涯サイクル数
民間航空機は、橋やヘリコプターよりも応力が大きい。 逆に、橋梁やヘリコプターより回転数が少ない。 この順番だと、橋は民間機より後になります。 ヘリコプターは橋梁よりもストレスが大きい。 そして、風力発電機は一番最後に来ています。
ローター設計の考え方
| – | 低風速で高出力にする。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| – | 低いハブ高で高出力を供給する。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| – | ローターの出力係数が増加する。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| – | ローターの先端速度比が最適化される。 風車の高さ、風車ブレードの掃引面積と空気力学的構造、空気密度、風速などの要因です。 これらの要因の中で最も重要なものは、風車の高さと風車ブレードの空力構造です。 風車の高さは，地表から遠ざかるにつれて風速が増加するため，重要である (Yavuzcan, 1994; Klug, 2001)．また，風車のブレードの掃引面積は，風速が増加するにつれて増加するため，風車の高さは重要である． 風力タービンブレードの空力構造は、風が持つ運動エネルギーの最大59%を有用なエネルギーに変換できるため、重要です（Klug, 2001）。 風力タービンのローター空力：主なエネルギー源である太陽によって大気のさまざまな場所が加熱されてできる風力エネルギーを電気エネルギーに変換する際、変換チェーンの最初のリングである風力ローターは、既存の風力を最小限の損失で伝達する目的で、ベッツまたはグラウベルト-シュミッツに従って設計することができます（オズマールとカバス、1999）
ローター中心から距離rのところにあるブレード要素の回転速度を下向きに計算する (Ozdamar and Kavas, 1999)．
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(5) | (6) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 図5： | That wind volume that the blade elements works (Piggott, 2006) |
Blade angle controls assault angle, thus it controls the lifting and drag amount in the blade (Piggott, 2006)．
実際には、ほとんどのプロファイルはアサルト角が5度のときに最良のリフティング/ドラッグカーブを生成する。 一般論として、詳細なデータが得られない場合、このアサルトアングルを与えることはブレードアングルを露出させることになります（Piggott, 2006）。
ブレード角度を準備すると、コード幅も準備しなければならない。 これはブレードの各要素が弦としてある種の風の影響を受けて動くからである。 紐の半径rは中心付近では小さく、中心から離れるにつれて大きくなり、紐の中の風量は小さく保たれる。 物事の最も重要な部分は、中心から最も遠い刃の部分である（Fig.5）。 Betzによれば、風はローターの掃引領域ごとに1/3の割合で速度を減速させ、この減速は揚力と密接に関連する押力によって実現される。 この法則から、以下の式が導かれる(Piggott, 2006)。
ブレード数を計算するには、以下の式を用いることができる（Piggott, 2006）。
ブレードの外側部分のコードは次の式で計算できる（Piggott、2006）：
ローターの動きにはブレード外側部分の方が重要である。 しかし、ブレードの内側は、スタート時の回転力を助けるために、より広く設計されなければなりません（Piggott, 2006）。 風速が地表から離れると、地表の粗さに起因する摩擦効果から解放される。 そのため、より自由に動くことができます。 風速を減速させる障害物から離れると、風速は増加する。 地表から1000m上空の風、すなわち地衡風は、地表の凹凸や摩擦損失の影響を受けないことが想定されるため、地表から1000m上空の風は、地表の凹凸や摩擦損失の影響を受けない。 以上のことから、風速と風高には関係があると言える。 風車ができるだけ高く建てられるのはこのためである（Becenen and Eker, 2001）。
風速値と回転軸の高さは次の式で計算できる（Klug, 2001）。
この式の値の粗さ係数は、観測、仮定、経験から来ている（Klug, 2001）。 タービンの高さを決定するほかに、ローターブレードが掃引する風の直径を決定する必要がある。 ローターブレードが通過する風の直径は、タービンから得られる電力に直接影響を及ぼします。 当社のローター直径は、ローターが掃引する風セクションの面積を決定します（Klug、2001）
風力タービンローターが動作する場所の風のポテンシャルを。 風力タービンが設置される場所の風力ポテンシャルは非常に重要です。 このため、ローター設計で考慮しなければならないパラメータの1つです。 風力タービンが設置される場所の風速ポテンシャルは、少なくとも6ヶ月間観測する必要があります。 風速は、風のエネルギーに関する最も重要な要素です。 風から得られる電力は風速の3乗に正比例します。
| Fig. 6: | その障害物に対して風を抑える（Klug, 2001） |
| 図.2.3. 7: | 垂直風速分布 |
例えば、大雑把に言うと、風速が1m sec-1なら得られる電力は13=1W、2m sec-1になると、得られる電力は23=8W、2m sec-1になると、得られる電力は33=27 Wとなります（Vindmolleindustrien, 2006）。
風速が風力発電機から得られる電力にこれだけ影響するとなると、風力発電機が建設される場所の風のポテンシャルは非常に重要である。 風速がこれだけ影響するとなると、風車を建てる場所の風況は非常に重要で、風速が最大となるポイントを見つけ、そこに風車を設置することが主な目的です。 風速と風高には関係があります。 この関係は、いくつかの条件に依存します。 これらの条件は土地の形状に起因する。 平坦な土地と障害物のある土地では、同じ条件にはならない。 平坦な土地では、高さが増すと風速も正比例して増加するが、障害物のある土地ではそうはならない。
風からエネルギーを得るための最も重要な基準が風速であるとすれば、風速の大きい場所を見つけ、そこに風車のローターを設置することが非常に重要です。 しかし、高さを上げれば必ずエネルギーを含んだ風を受けられるという誤った思い込みは禁物です（図6）。
高さによって風速が影響を受ける要因は、フォンカルマン定数、表面摩擦速度、ラフネス長です。 これらの値に関する図を以下に示す（図7）＜1708＞＜6929＞風力発電機のローターに要求される性能。 風力発電機のローターに要求される性能：企業用の風力発電機を選ぶ前に、まず企業が必要とする電力量を決定する必要があります。 このように、設置する風力発電機の出力を決定することができます。 ローターに求められる性能は、企業の設置電力に応じて決定されなければなりません。 このとき、将来的に企業が必要とする電力量も考慮しなければならない（Yavuzcan, 1978）。
中央の総電力量（Yavuzcan, 1978）。
最大消費電力はここ(Yavuzcan, 1978)。
企業の光電力は（Yavuzcan, 1978)である。
PRINCIPLES OF DESIGNED ROTORS
Designed Test Bladesに関する計算を行う。 空気の比重の決定。 実験用ブレードの作業中に風洞内の空気温度値を測定する。 そして、それは以下の式で計算することができます。 つまり、この値で大気密度を決定する（Vardar, 2002）。
ロータ断面の面積を決定すること。 ローターの断面積は、ローターの直径に依存する定常値である。
ローターへ向かう風の理論パワーを計算することです。 風はその速度から運動エネルギーを持っています。 運動エネルギーがあるので、ここに電力が発生します。 そして、この電力は風から来る電力のうち、使用可能な最大のものである。 この最大電力は次の式で計算できる（Klug, 2001）。
電気モーターの電力値を決定する。 風速のために、ロータは回転します。 そのため、電気エンジンに電流と電圧が出てきます。 この電流と電圧の値は回路分析器で測定することができます。 そして、この2つの価値は、次の式に書き込み、ここで電力を取得します（Erna、1977）
ブレードチップスピード比を決定する。 翼端速度比は回転速度（ローターの中心からr（半径）の距離の点が回転速度）と風速の関係である。 この回転速度は次の式で求められる（Ozdamar and Kavas, 1999）。
そしてティップスピード比は次の式で計算できる（Ozdamar and Kavas, 1999）。
電力係数を計算する。 風の全体の理論的な電力は、実用的な電力に変換することはできません（Betz、1926年）。 変換の間にいくつかの電力損失を与える。 この条件では、理論的な風力から車力への変換の関係を計算する必要があります。 計算には次の式が使える（Ozdamar and Kavas, 1999）。
表1に渦損失の価値を示す。
| 表1： | λによるCPschmitzの値（Ozdamar and Kavas, 1990） |
プロファイル損失は次の方程式で計算できる（Ozdamar and Kavas, 1999）。
スライドナンバーは、以下の式で計算できる（Ozdamar and Kavas, 1999）。
このεの値はブレードプロファイルに依存する。
実験で得られた速度値は以下の式に書き込まれる（Piggott、2006年）。
計算したRe値と使用プロファイルを観察すれば、最適なCK/CD値とα（迎え角）を求めることができる（ソフトウェアSnack 2の助けによって）。
チップロスは次の式で計算できます(Ozdamar and Kavas, 1999)。
軸出力が決まります。 式18と22で、理論風力と電力係数を決定することができます。 この2つの価値は、次の式に書き込み、ブレードプロファイル（OzdamarとKavas、1999）の実用的な軸電力を置くことができます。
実ブレードに関する計算。
ローター断面の面積を求める。 実ブレードのローター断面の平面も17式で計算できる（Birnie, 1999）。 計算後のローター直径の値は、比較するローターが同じでなければならない（1708）
ローターの軸動力の決定。 ローター軸出力に使用されるCpの値は、式(22)を用いて計算した。 計算後のローターの比較のため、大気密度、風速の値は一定である必要がある。 実ブレードのローター軸出力は以下の式で計算できる(Klug, 2001).
地域風の存在に合わせた実ブレードの配置。 ここで使用されている風速値は、少なくとも6ヶ月間測定され、観測された値である。 ここで使用されている風速値は、地上10mで測定された値です。 ここで使用されている電力係数の値は重要である。 計算の最後にローターを比較するために、空気の比重の値を一定にする必要があります。 ローター断面の面積の計算：実際のブレードの領域への適応でローターの断面の平面は、式（17）（Birnie、1999）の助けを借りて計算することができます。 ローターハブ高さでの風速は、以下の式の助けを借りて計算することができます（Klug、2001）。
Calculating rotors shaft power: The power in the axle can compute help of the Eq. 25 (Klug, 2001).
CONCLUSIONS
風力タービンの効率を上げるために、水平軸の風力タービンではローター計画原則が非常に重要である。
どのテーマでもそうですが、風力エネルギーの活用を成功させるには、科学的データに基づいた基本的な価値観が必要です。 この観点から考えると、風力発電機ではローターの設計パラメータを提示する必要があります。 ここから出発して、ソースデータを基に最適なシステムを開発し、競争力のある高性能なシステムを実用化することが基本戦略である
命名法