2010 年の第 1 火曜日、特徴のない未舗装の道路を運転していたとき、カリフォルニア工科大学の航空工学および生物工学の教授であるジョン ダビリと当時学生だったロバート ウィットルシーは、購入を希望している僻地の土地を調査していました。風力発電の新しい概念をテストします。彼らは、最適化された風力エネルギーのためのフィールド研究所のサイトを FLOWE と名付けました。カリフォルニア州アンテロープ バレーにある 4 エーカーの区画は、穏やかな植生に覆われたなだらかな丘の間に位置し、かつてはショッピング モールになる運命にありましたが、その計画は失敗に終わりました。土地は安かった。そして何より、風が強かった。
250 兆ワットと推定される地球上の風量は、現在の世界のエネルギー消費量の 20 倍以上を供給する可能性があります。しかし、スペイン、ポルトガル、アイルランド、デンマークの 4 か国だけが、自国の電力の 10% 以上をこの方法で生成しています。最も大きく、最も裕福で、最も風通しの良い国の 1 つである米国は、約 4% です。それには理由があります。風力発電所の拡張は、莫大なエンジニアリング費用、見苦しい田舎、大きな騒音、軍用レーダーの混乱、野生生物の死をもたらします。最近の推定では、年間 600,000 羽のコウモリと最大 440,000 羽の鳥を殺すタービンが原因であるとされています。 2014 年 6 月 19 日、アメリカ野鳥保護協会は連邦政府に対して、減少しつつあるワシの個体数に対する風力発電所の影響を抑えるよう求める訴訟を起こしました。また、スタンドアロンの水平軸タービンは風力エネルギーを十分に収集しますが、グループでは非常に浪費的です.プロペラのようなブレードが回転すると、風に面したタービンが自由に流れる空気を乱し、その背後にゆっくりと移動する不毛な空気の航跡を作り出します。
この空気力学的干渉の問題は、風に巻き込まれたベールのように、凝縮した乱気流の尾が前衛タービンの後ろにある洋上風力発電所で観察できます。届くタービンを塞ぐベール。 「風力タービンの全体的な仕事は風からエネルギーを抽出することであるため、この低速の風は、抽出して電力を生成するために利用できるエネルギーが少なくなります」とホイットルシーは説明します。水平軸タービンのサイズ (場合によっては 100 メートルを超える高さ) は、互いに遠く離れて配置する必要があり、風がまったく供給されない場所に大きな隙間ができます。これは、互いに 40 メートル以上の間隔でリンゴの木を植える果樹園に似ています。
この問題を解決するために、多くの研究者は自然の動植物に目を向けました。いくつかのタービン ブレードはザトウクジラのゴツゴツしたヒレを模したものとして設計されており、他のものはマルハナバチの羽ばたきに似た 8 の字の動きで回転します。
ダビリと彼の同僚は、別のアイデアを試しました。彼らは、水中の群れにいる魚に着想を得た位置にある、より小さく、より単純で、安価な垂直軸風力タービンを使用しました。
学部生として、ダビリはクラゲのうねる動きをモデル化しました。 10 年後、彼はクラゲ (弾性シリコンとラットの心臓細胞から作られた合成クラゲ) の構築に関与しました。このクラゲは、脈動する電場が印加されると生きたゼリーのように泳ぎます。その間、ダビリは別の型破りな組み合わせにも魅了されるようになりました。魚の群れと風力です。
大規模な同期グループの形成には、捕食者の回避、採餌の成功の強化、仲間へのアクセスなど、魚にとって利点があります。また、大量の乱流水を生成します。魚が尾を左右に羽ばたかせると、循環する渦の航跡が生じ、その中を魚が泳がなければなりません。しかし、魚の群れは、前にいる 2 匹の同種の魚の後ろとその間を泳ぐように配置することで、これらの渦流を利用して自分自身を前進させます。 「（これらの渦が）回転する方法は、魚が自分自身を動かすために投入しなければならないエネルギーの量を実際に減らします」とウィットルシーは言いました。それは、それぞれの魚の横にある一連の水中車輪のようなもので、魚自身の推進力を補っています。
これらのパターンから、Dabiri と Whittlesey は次のように考えるようになりました。魚が近隣の魚によって生成された渦から恩恵を受けることができるなら、垂直軸の風力タービンも同じことができるでしょうか?これらのバイオに着想を得たアレイが生成できる電力量を見積もるために、彼らはコンピューター モデルを使用しました。 「私たちがしたことは、垂直軸風力タービンを、魚が泳ぐときに渦が放出されるのと同じ位置 [および回転] に配置することでした」とウィットルシーは言いました。しかし、このパターンでは、彼らのタービンは、スタンドアロンのタービンと比較して生産性の向上を示しませんでした.ウィットルシー氏は、彼らはあまり驚かなかったと述べた。 「魚は、発電量を最大化することではなく、他の魚の航跡を利用してエネルギーを節約することに重点を置いています。」そのため、風力タービンを魚の群れの厳密な配置の外に移動しましたが、対になったタービンを反対方向に回転させたままにしました。彼らは、FLOWE サイトで逆回転するダブレット構成をテストすることにしました。
さまざまな構成で配置された 18 個のタービンのアレイを使用して、数千時間のデータを蓄積しました。彼らは、卵泡立て器のペアの配置が実際に最も生産的であり、土地1平方メートルあたり20〜30ワットの電力を生成できることを発見しました.これは、最も生産性の高い最新の風力発電所の 10 倍の増加です。 「数パーセントの増加を得ることは一つのことです」とWhittlesey氏は言います。 「しかし、私たちが話しているのは桁違いです。それは相当なものです。」
Dabiri と Whittlesey は、タービンを密集して配置したペアが最も効率的である理由を正確には知りませんが、いくつかの有効な理論を持っています。 1 つ目は、このダブレット構成では、1 つの回転するタービンによって生成された空気の流れが、そのパートナーの速度を高めることです。逆もまた同様です。 「それらは歯車のようなものです。一方が時計回りに回転し、もう一方が反時計回りに回転することで、相互に利益をもたらすことが想像できます」とウィットルシーは言います。 2 番目の理論は、これらのタービンの背後にある低速の風の後流が大幅に減少するというものです。 「後流は、水平軸の風力タービンで得られるほど永続的ではありません。」
その結果、これらのシステムでは自由に流れる空気がより容易に利用できるようになり、水平軸風力タービンの直径が 15 の標準と比較して、タービンのペアをより密に詰めることができます。使用するスペースが少ないため、これらの親密なアレイは、流れる風の大部分を利用します.
チームはまた、アラスカ州イギウギグの田舎の村で 2 つの垂直軸風力タービンをテストしています。ゴードン アンド ベティ ムーア財団から資金提供を受けているこの初期のプロジェクトは、村全体に電力を供給するために、視覚的に目立たない 50 から 70 の小さなタービンを設置することを目指しています。現在、アラスカのブリストル湾にあるこの人里離れた地域の 50 人ほどの住民は、発電機用の高価で手間のかかるディーゼルの輸送に完全に依存しています。 「資本コストと維持費だけがかかるため、風力発電は非常に魅力的です」と Whttlesey 氏は言いました。「しかし、少なくとも燃料は無料です。」
ダビリと彼の同僚はまた、海の別の住人である海草に目を向けることによって、配列をさらに最適化しようとしています。海草のベッドは、水の垂直循環を使用して、酸素と栄養素を組織に輸送します。さまざまな高さの茎は、この循環を促進すると考えられています。そのため、チームはさまざまな高さのタービンを使用して、農場のキャノピーの上から来る風をよりうまく利用する方法を調査します.
これらの試験場を足がかりとして使用することで、バイオエンジニアは、風力発電をより経済的に実行可能にするだけでなく、風力発電が精査されてきたいくつかの欠点を解決することを望んでいます.サイズが小さいため、垂直軸タービンは建築材料が少なくてすみ、静かで、レーダー信号を妨害しません。おそらくもっと重要なことは、広大な土地を必要とせず、ハクトウワシやイヌワシなどの絶滅危惧種の鳥の邪魔にならないことです。 「垂直軸風力タービンが回転しているとき、それは固体の物体のように見え、野生生物がそれらを避けやすくなります」とウィットルシーは説明します。 「私が知る限り、これらのタービンに関連して鳥やコウモリが死亡したことは一度もありません…そしてここカリフォルニアでは、鳥が大好きです。」
アレックス ライリーは動物学の修士号を取得しており、ブログ「バクテリアからボノボまで」で自然界のさまざまなトピックについて書いています。彼は @riley__alex でツイートしています。
参考文献
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