NASAの風力タービン – 日本語百科事典辞書

NASA_wind_turbines
1975 年から、NASAは、石油価格の上昇に対応して、電力用の実用規模の風力タービンを開発するために、米国エネルギー省と米国内務省のプログラムを管理しました。この先駆的なプログラムの下で、多くの世界最大の風力タービンが開発され、テストされました。このプログラムは、風力タービン発電機の当時の最新技術をはるかに超える試みであり、後に風力タービン産業で採用される多くの技術を開発しました。しかし、商業産業の発展は、1980 年代に競合するエネルギー価格が大幅に下落したために遅れました。
同じ縮尺で描かれた NASA の実験用風力タービン

コンテンツ
1 プログラムの起源
2 MOD-0 と MOD-0A
3 MOD-1
4 MOD-2
5 WTS-4
6 MOD-5B
7 プログラムレガシー
8 こちらもご覧ください
9 参考文献
10 参考文献
11 外部リンク

プログラムの起源
1974 年、1973 年の石油危機後の石油価格の上昇に部分的に対応して、後の米国エネルギー省の一部であるエネルギー研究開発局(ERDA) は、研究に資金を提供するためにルイディボーンの指揮下にある部門を任命しました。実用規模の風力タービン。NASAは、オハイオ州サンダスキーにあるルイス研究センター (現在のグレン研究センター)を通じて、ゼネラルエレクトリック、ウェスティングハウス、ユナイテッドテクノロジーズ、ボーイングなどの大規模な請負業者による開発の調整作業を割り当てられました。
1975 年、NASA は米国国立科学財団と ERDAからの資金提供を受けて、最初のプロトタイプの風力タービンである 100 kW の Mod-0 をオハイオ州サンダスキーで設計および製造しました。Mod-0 は、オーストリアのUlrich Hütterによる軽量の 2 ブレード研究用タービンをモデルにしています。 NASA 主導のプログラムの特徴は、柔軟なローターハブまたはぐらついたローターハブを備えた 2 枚羽根の風力タービンでした。NASA とその請負業者は、2 つのブレードが 3 つのブレードと本質的に同等のエネルギーを生成できることを発見しましたが、ブレードのコストと重量を節約できます。2 ブレードローターは同等の 3 ブレードローターよりも速く回転し、ギアボックス内の比率を減らします。ローターの柔軟性により、ドライブトレインへの曲げ荷重の伝達が最小限に抑えられます。NASA の風力タービンは、現在使用されている剛性ローターシステムでしばしば問題となるギアボックスの故障を経験し
NASA プログラムは、技術会議を主催し、国際的なパートナーを招待しました。NASA は、1977 年から 1979 年にかけて、デンマークの 3 ブレードゲザー風力タービンの改修と運用を支援し、その運用と特性を大型ユニットのモデルとして研究できるようにしました。この 1957 年にJohannes Juulによって設計されたユニットは 11 年間 200 kW を発電し、 3 枚ブレードのアップウインドローターと格子状のタワーを使用し、ブレードは部分的に内部支線で支えられていました。この取り組みにより、空気力学的、電気的、および機械的特性に関する研究データが作成されます。この取り組みの重要な成果として、業界でパッシブパワーコントロールに使用されるエンジニアリング設計モデルが開発されました。
大型の風力タービンユニットは規模の経済を実現します。NASA の研究とプロトタイプは、構造強度、疲労、速度制御、および空気力学においてかなりのスケーリングの課題があることを示しました。1980 年代、ほとんどの風力タービンは定格 25 kW までの小型ユニットでした。NASA の請負業者によって実施された調査では、公益事業による経済的な電力生産のためには、1 MW 以上のオーダーのはるかに大きなユニットが必要になることが示唆されました。当時使用されていた最大直径のプロペラブレードのセットは、わずか 46 フィートのヘリコプター用でしたが、直径 200 から 300 フィートをカバーする大型のブレードセットを構築することが実現可能であり、エネルギーの最低コスト。
NASA/DOE/DOI 風力タービン
モデル
定格キロワット
掃引直径、m
説明
元請業者
勤続年数
備考
MOD 0100 38
風下と風上の 2 つのブレード
ロッキードのブレードを使用した NASA の設計 1975–1982 サンダスキーのみの試作
MOD 0A200 38
2 枚のブレード、風下
ウェスティングハウス 1977–1984 フィールドトライアル用に4台設置MOD 1 2000年 61
2 枚のブレード、風下
ゼネラル・エレクトリック 1979–1981 Howard’s Knobに 1 台設置。世界で初めて2MWの出力を達成したタービン。
MOD 22500 91
2 枚のブレード、風上
ボーイング
1982～1988年
風力発電所としてGoodnoe Hillsの近くに3台設置。電力会社、パシフィックガスアンドエレクトリックに販売された 4 番目と 5 番目のユニットは 1988 年に取り壊されましたWTS4 4000 79.2
2 枚のブレード、風下
ユナイテッド・テクノロジーズ 1982–1994 ワイオミング州メディスンボウに設置された 1 つのタービンと、スウェーデンにあるもう 1 つの小型の 3 MW WTS 3 バージョン
モッド5A7300 121.5
2 枚のブレード、風上
ゼネラル・エレクトリック
建てたことがないMOD 5B 3200 97.5
2 枚のブレード、風上
ボーイング 1987–1996 ハワイ州オアフ島に設置されたもの

MOD-0 と MOD-0A

オハイオ州サンダスキーの NASA MOD-0 研究用風力タービン
最初の設計は MOD-0 で、オハイオ州サンダスキーのルイス研究センターの近くに建設され、1975 年 9 月に運用されました。これは、より大きなユニットで使用するための多くのコンセプトを開発するためのテストベッドとして機能しました。この設計は、風速 8 m/s で定格電力 100 kW の同期発電機に結合された、直径 38 メートルの風下の 2 ブレードローターを備えていました。増速機がタービンの 40 r/min を増速し、1800 r/min の発電機を駆動しました。マシンの出力は、ローターブレードをピッチングすることによって調整されました。
初期の MOD-0 ブレードはロッキード製で、アルミニウム製でした。構造上の問題は、ブレードの根元の端でほぼ即座に表面化しました。これに対処するために、いくつかの重要な変更と取り組みが行われました。調査の結果、予想外に高い繰返し荷重が発生したのは、複雑なトラスタワー構造によって風が大幅に遮断された結果であることが明らかになりました。これにより、風下のローターにかかる空気力学的負荷が急速に変化しました。この閉塞を修正するために、塔の中央からアクセス階段が取り除かれました。ファイバーグラス複合材料、鋼、木材、さらにはコンクリートを評価する主要なブレード材料プログラムが開始されました。NASA は、ミシガン州の Gougeon Brothers， Inc. に、ボートの材料技術を風力タービンに適用するよう働きかけました。結果として得られた木材と複合材のブレードが、Mod-0 (および後の Mod-0A) のアルミニウムブレードに取って代わり、ブレードルートの構造上の問題が解消されました。Gougeon Brothers は、自社製品を風力タービン業界で商品化することに成功し、世界中で販売されています。
多くの実験が MOD-0 で行われました。これには、タワーの風上にあるローターブレードを使用した簡単な操作や、タービンローター用の単一ブレードの試行が含まれます。3.2 MW Mod-5B で使用される前に、最初の可変速発電機もテストされ、その後業界全体でテストされました。Mod-0 は、現在主流のタワー設計である最初のスチールシェルタワーのテストにも使用されました。設計上の課題は、起動時にソフト構造の共振を安全に通過しながら、タワーの重量とコストを削減することでした。
プロトタイプ MOD-0 での運用経験は、MOD-0A と呼ばれるいくつかのデモユニットの構築の基礎を提供しました。これらは同じローターサイズのプロトタイプに似ていましたが、わずかに高い風速で定格 200 kW でした。ウェスティングハウスは、全体の建設を担当する元請業者として任命されました。ユニットは1977年にニューメキシコ州クレイトンに、1978年にプエルトリコのクレブラに、1979年にロードアイランド州ブロック島に、1980年にハワイのカハクポイントに4台目が設置された。

MOD-1

ノースカロライナ州ブーンにある NASA/GE MOD-1 風力タービンは、世界で初めて 2 MW を発電したタービンです。
NASA は 1978 年に General Electric と契約を結び、MOD-0A から出力を 10 倍に拡大しました。Mod-1 は、2 メガワットを生成した世界初の風力タービンであり、General Electric の最初の風力タービンでもデンマークのda:Vindkraftværket Tvindkraftは、ハブの高さが地上 46 メートルで、ローターが大きく、より高い風速での定格があり、2000 kW の容量がありましたが、Mod-1 の 2 MW の出力を達成することはありませんでした。Mod-1 の設計上の重量により、競争力のある商用製品になることはできませんでしたが、プロトタイプがノースカロライナ州ブーン近くのハワーズノブに設置され、稼働しました。第 1 世代の Mod-0 に基づくマルチメガワットサイズへの迅速な設計サイクルは、技術的および運用上の課題を引き起こしました。重厚なトラスタワーが風を遮り、風下ローターへの低周波騒音が近隣住民に迷惑をかけた。連邦プログラムの資金削減の追加圧力により、タービンは 1983 年に解体されました。

MOD-2

1981 年にGoodnoe Hillsで上に描かれた 3 つの MOD-2 風力タービンは、合計 7.5メガワットの発電容量を持っていました。
1977 年、ボーイングは、米国での 2.5 メガワットの風力タービンモデルの設計、製作、建設、設置、およびテストについて、NASA と US-DOE の契約を獲得しました。最初の 4 つの MOD-2 モデルは、1980 年代初頭に運用を開始しました。最初の 3 基のタービンの起工式は、1980 年 4 月 11 日にワシントン州グッドノーヒルズで開催され、建設の開始を記念しました。最初のタービンは 12 月に稼働することになっていた。 1982 年 9 月 2 日、ワイオミング州メディスンボウで 4 隻目が操業を開始した。Bonneville Power Administration は Goodnoe Hills タービンの発電電力を購入し、地域の電力網に統合しました。1981 年 5 月の期間中、グッドノーヒルズサイトの 3 つのタービンは、世界で最初の風力発電所を形成しました。Goodnoe Hills サイトは、主にボーイング、ボンネビル電力局、NASA、およびバテル記念研究所の研究プロジェクトでした。太陽エネルギー研究所はまた、電力源としてのメガワット級の風力タービンの適合性を評価しました。1986 年、グッドノーヒルズの MOD-2 風力タービンが解体されました。1985 年、最後の 1 年間の運転では、3 つのタービンの合計電気出力は 8，251 メガワット時でした。メディスンボウ MOD-2 風力タービンは 1987 年にスクラップとして売却されました。2008 年にグッドノーヒルズウィンドファームが同じ場所に開設され、47台のREpower 2.0 MW 風力タービンがあり、合わせて94 MW の銘板容量がありました。enXco/Power Holdingsが風力発電所を所有しており、PacifiCorpが電力の購入者です。

WTS-4

ワイオミング州メディスンボウにある NASA/DOI/United Technologies の 4 MW WTS-4 風力タービンは、20 年以上にわたって世界の出力記録を保持していました。
ワイオミング州の WTS-4 (4 メガワット) 風力タービンは、NASA の技術管理の下、米国内務省からの資金提供を受けて、United Technologies ( Hamilton Standard Division) によって設計されました。WTS-4 は、1982 年にワイオミング州メディスンボウで運用が開始されました。これは、「柔らかい」スチールチューブタワー、グラスファイバーブレード、ドライブトレイン内のねじりバネとダッシュポット、柔軟なティーターハブを特徴としていました。今日まで、WTS-4 は米国で運用されている中で最も強力な風力タービンであり、20 年以上にわたって出力の世界記録を保持しています。WTS-3 と呼ばれる小型の発電機 (3 メガワット) を備えた 2 番目の商用プロトタイプがスウェーデンで製造され、運用されました。Glidden Domanは、WTS-4 プロジェクトのハミルトンスタンダードのシステム設計マネージャーであり、WTS-3 プロジェクトを開始するためにスウェーデン政府に雇われました。 2014 年、Glidden Domanは Martin Jakubowski と Silvestro Caruso と共にSeawind Ocean Technology BV を共同設立し、WTS-4 風力タービンとその後の 1.5 MW Gamma 60 風力に対するシステム設計の変更に基づく新世代の浮体式風力技術を展開しました。

MOD-5B

この直径 97.53 m (320.0 フィート) の 2 枚羽根の風力タービンは、1990 年代初頭に稼働した世界最大の風力タービンでした。
1987 年に建設された MOD-5B 風力タービンは、1990 年代に稼働した世界最大の風力タービンでした。Mod-5B を製造する契約は 1980 年にボーイングに与えられ、 1987年にオアフ島に設置されました。 ) 60 m （200 フィート) の鉄塔に取り付けられた直径 2 枚のブレードローター。 Mod-5B の初期の運用では、新しい最初のユニットの風力タービンの 95% の良好な可用性が実証されました。1988 年の初めに、風車の運転はハワイアンエレクトリックインダストリーズに移管され、その後マカニウウィラパワーコーポレーション (MUPC) に移管され、1996 年末まで断続的に使用されていました。 MUPC の残りの部分は、不動産所有者である Campbell Estates に渡されました。キャンベル・エステーツは、ユニットを解体してスクラップとして売却することを決定した。 DOE は 1998 年 7 月にドライブトレインのギアボックスと発電機を引き揚げた。

プログラムレガシー
プログラムの目的は技術を開発し、新興産業をサポートすることだったため、NASA のプロトタイプはどれも商用発電機として一般的に生産されることはありませんでした。二重給電可変速発電機、軽量管状タワー、今日の風力産業で使用されているエンジニアリング設計ツールなどの技術の多くは、NASA プログラムによって開発され、開拓されました。 1974 年から 1992 年までのプログラムの総費用は 3 億 3000 万ドルでした。参考までに、世界の風力発電市場は 2008 年までに年間 470 億ドルに達していた。商用設計は行われなかったと広く言われているが、 NASA の産業界のパートナーは実際にこの計画中にボーイング Mod-2 (前述) やハワイのカフク風力発電所のウェスティングハウス 600 kW タービンなどの商用タービンを製造した。 1980 年代から 1990 年代初頭にかけて石油価格が 3 分の 1 に下落したとき、「1980 年代の石油供給過剰」として知られるようになり、大小を問わず多くのタービン製造業者が事業をやめた。たとえば、NASA/ボーイング Mod-5B の商用販売は、1987 年にボーイングエンジニアリングアンドコンストラクションが「石油価格の低下により発電用の風車が経済的でなくなったため、市場から撤退する計画がある」と発表したときに終了しました。 DOE/NASA の大型風力タービンプログラムの概要が 1984 年に公開されました。

こちらもご覧ください
エネルコン E-126
風力発電の歴史
米国における風力発電の成長
米国の風力発電
スミス・パットナム風力タービン

参考文献
ノート
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ソース
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スペラ、デビッド、エド。（2009）。風力タービン技術。ASMEプレス。ISBN 978-0-7918-0260-1.
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参考文献
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外部リンク
「Wind Turbines: “”These Magnificent Wind Machines”” (NASA Documentary， 1980)」 . ジェフ・クイットニー (YouTube)。2015-09-12。
「Wind Turbines: “Wind: An Energy Alternative” (Department of Energy Documentary、1980)」 . ジェフ・クイットニー (YouTube)。2016-08-26。 · “