エネルギー
ブレードレス風力タービン: クリーンエネルギーの未来
グラスゴー大学の研究者は、ブレードレス風力タービン（BWT）の出力を向上させる方法を積極的に探求しています。そのために、これらのタービンに関するコンピュータシミュレーションから得られた洞察1を提供し、将来のモデルに最適な設計を特定しています。
The researchers said:
“この発見は、まだ研究開発の初期段階にあるBWTを、小規模な現場実験から国の電力網向けの実用的な発電形態へと移行させるのに、再生可能エネルギー産業を支援できる可能性があります。”
ブレードレス風力タービンは、主に研究者によって調査されている新興の風力発電方式です。しかし、注目を急速に集めており、市場も同様に急速に拡大しています。
2022年、世界のブレードレス風力タービン市場規模は約$60.5 billionと評価され、再生可能エネルギーへの世界的な需要の高まりにより、2030年までに$116 billionを超えると予測されています。
従来の風力タービンとは異なり、ブレードレス風力タービン（BWT）は静かで占有スペースも少なくなります。また、風向きの変化に対してより速く適応できるため、乱流が多い都市部で非常に有用です。
BWTのもう一つの大きな利点は、特に野生生物への環境影響を低減できることです。鳥類にとって、ブレード付きタービンは高速回転するブレードがぼやけて見えるか、全く見えないため衝突リスクが高まります。ブレードレスタービンは動きがはるかに少なく、鳥が回避しやすくなります。
The low weight and lower center of gravity of BWTs, meanwhile, reduce the need for foundation, in turn, simplifying the installation of bladeless turbines.
これらのタービンは設計がシンプルなため、従来のタービンに比べてメンテナンスが少なくて済み、その結果、耐用年数が延びます。
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ブレードレス風力タービンとは何か、そしてそれはどのように機能するのか？
自然に再生される資源から得られる再生可能エネルギーは、炭素排出が少なく、より持続可能なエネルギーシステムへ移行する鍵です。
再生可能エネルギー源には、風、太陽光、雨、波、潮汐、熱エネルギー、バイオマスが含まれます。これらの資源は、化石燃料への依存を減らすだけでなく、気候変動の緩和にも重要です。
再生可能エネルギー源の中で、風力エネルギーは急速に成長しています。2024年には、再生可能エネルギーと原子力を合わせて世界の電力供給の約41％を占めました。再生可能エネルギーの中では、太陽光が最大の貢献をし、次いで風力が8.1%の世界電力を占めました。
国際エネルギー機関（IEA）によると、太陽光PVと風力は2030年までに全再生可能容量追加の95％を占めると予測されています。
風エネルギーを利用するために、通常は風力タービンが使用され、風の機械エネルギーを電力に変換します。しかし、柔軟構造の空力弾性振動を利用したエネルギー収集設計という代替手段もあります。
過去数十年にわたり、空力弾性エネルギー収集は大きな関心を集めており、特に円柱形のブロフ体の渦誘起振動（VIV）に焦点が当てられています。VIV技術は多くの数値モデル化と実験研究を促進しました。
渦誘起振動は、ブロフ体の両側から交互に渦が放出されることで駆動され、定期的な揚力と抗力、そして構造物の大きな横流れ振動を引き起こします。
渦放出周波数が構造物の固有振動数と一致すると、不安定な動きと非常に大きな振幅の振動が生じます。この現象はロックイン現象として知られています。
風エネルギーを利用する革新的な概念として、VIVとロックインの存在下で構造物の大振幅振動を活用するブレードレス風力タービン（BWT）が提案されています。
BWTは、流体流れ中に設置されたブロフ体として機能し、表面からの流れ分離により渦を生成します。このように、BWTは特定の風速範囲で大きな出力ポテンシャルを示します。そのため、振動振幅を大きくする設計により、出力と作動風速範囲の両方を同時に向上させることが可能です。
BWTの再生可能エネルギー抽出の可能性を考慮し、1〜100Wの小規模出力でVIVを利用した発電が試みられています。
研究では、マスト長、重量、風速などの設計変数とBWTの出力との関係も評価されています。さらに、調整システムを通じてBWTの作動風速範囲を探求していますが、ブレードレス風力タービンの効率についてはまだ明確ではありません。
風は有限資源ではないため、最大効率が最大出力につながるかどうかを判断することが重要です。
しかし、一定の入力風力に対して出力電力を向上させられるかはまだ分かっていません。また、ブレードレス風力タービンの流体構造相互作用モデルが不足しており、これらのパラメータを簡単に探索し、効率に関する答えを得ることができません。
したがって、グラスゴー大学の研究者による最新の研究は、現在小規模である既存のBWTモデルをオフショアサイトでの大規模応用へと拡大する取り組みを加速させることを目的としています。
この研究は、BWTの効率と出力に関する疑問に答えるため、VIVの物理メカニズムを検証するシンプルな数値モデルを開発しました。研究者は、構造的完全性を保ちつつ最大電力抽出を最適化するという重要課題に取り組む包括的な分析フレームワークを提供しています。
ブレードレス風力タービンは従来型と競合できるか？
ブレード付きの従来型風力タービンは、長い間風を電力に変換する一般的な方法として利用されてきました。これらのタービンは風の運動エネルギーを直接回転ブレードの動きに変換し、その回転が発電機を駆動して電力を生成します。
ブレードレス風力タービン（BWT）は、ブレードタービンとは異なる原理で動作します。その核心はVIVであり、ブレードの代わりに高く細長い円柱形のマストが風に揺れ動きます。
ブレードレス風力タービン（BWT）を最大効率で構築するために、グラスゴー大学の研究チームは数千に及ぶBWT設計のシミュレーションを実施しました。
これにより、出力を最大化しつつ構造強度に悪影響を与えない最適点を見つけることができました。James Watt School of EngineeringのWrik Mallik博士によれば：
“この研究が初めて示したのは、直感に反して、エネルギー抽出効率が最も高い構造は必ずしも最高出力をもたらす構造ではないということです。代わりに、BWTが電力を生成しながら構造強度を維持できるように、設計変数の理想的な中間点を特定しました。”
研究結果は、マストの幅や高さといった寸法が、生成される電力だけでなく、タービンの構造的完全性にもどのように影響するかについての洞察を提供します。
これにより、従来は知られていなかったトレードオフが明らかになりました。マスト径を大きくすると効率と電力抽出の両方が向上しますが、最高効率6％と最大出力600ワットは異なる幾何学的構成で達成されます。
しかし、出力最大化だけに最適化された構成は構造安全限界を超える傾向があり、効率最大化だけの構成は電力生成が最適でないことが分かります。
したがって、研究結果が示す理想的な設計は、長さ31.4インチ（80センチメートル）のマストで、直径25.4インチ（65センチメートル）です。
このような最適なパワーと耐久性のバランスは、現在の実証プロトタイプが約100ワットで止まっているのに対し、460ワットという印象的な出力を安全に提供できる可能性があります。
“将来的には、BWTは従来の風力タービンがあまり有効でない都市環境での風力発電に、非常に重要な役割を果たす可能性があります。”
– Dr. Malik
研究結果は、時速20〜70マイル（mph）の風速範囲で構造の安全性を確保する上で重要な役割を果たす可能性があります。研究者によれば、彼らの手法は1,000ワット（1キロワット）以上の発電を可能にするブレードレス風力タービンのスケーリングを実現できるとしています。
この研究により、業界がブレードレス風力タービン（BWT）の新しいプロトタイプを開発する際に、最も効率的な設計を明確に示すことで、開発を促進することが期待されています。
“プロトタイプの改良に伴う推測を減らすことで、BWTが再生可能エネルギーによるネットゼロ達成のための世界的なツールボックスのより有用な一部になることに近づくでしょう。”
– Professor Sondipon Adhikari, James Watt School of Engineering
Adhikari氏によれば、エンジニアはBWT設計の理解をさらに深め、幅広い用途で電力を供給できるよう技術のスケールアップを続ける計画です。
また、彼らは自然界には存在しない特性を付与するように精密に調整された“メタマテリアル”と呼ばれる特殊素材の探索にも熱心で、今後数年でBWTの効果を高めることを目指しています。
次世代BWTの新設計と素材
別の研究2では、今年初めにアレクサンドリア大学の研究者が実施したもので、ロックイン現象により構造の固有周波数付近の狭い範囲に限定されるブレードレス風力タービンの運用上の制限に対処するため、2つの新しいメカニズムが導入されました。
導入されたメカニズムは、チューニング質量メカニズムと弾性チューニングメカニズムで、風速2〜10 m/sの広範な範囲での運転を可能にします。
研究結果は、カンチレバー梁の自由端におけるマストユニットの等価質量と極質量慣性モーメントを利用することが、タービン設計とロックイン条件の確保に重要であることを示しています。
この研究の目的は、メカニズムの実装によりタービンの固有周波数を制御し、理想的な性能を維持することです。
また、特定の風速で放出周波数と一致させるために固有周波数を調整する数学モデルも構築され、検証により高精度が示されました。
第一のメカニズムは、7 m/sで機械効率を99.2％向上させることができますが、より高い曲げ剛性値を得るためには、第二のメカニズムを組み合わせてタービン全体のサイズを削減する必要があります。統合アプローチにより効率は55.7％向上します。
チューニングメカニズムに加えて、タービンの柔軟部品に適した素材を選択することは、構造の全体的な剛性に影響し、十分な強度と性能を確保するために重要です。したがって、構造の固有周波数に影響を与え、結果としてすべてのBWT性能に影響します。
研究は、BWTの主要部品の製造に最適な素材として炭素繊維とガラス繊維を挙げています。
さらに、研究は、層数や配向といった製造パラメータを変更することで、複合材料の機械的特性を制御でき、特定の用途に合わせて強度、剛性、その他の特性をカスタマイズできると指摘しています。
まだ開発初期段階で実験室やラボ設定に限られていますが、技術は実世界での応用の兆しも見せ始めています。
昨年後半、BMWグループはブレードレス風力エネルギーユニットの試験を開始しました。ドイツの自動車メーカーは、オックスフォードにあるミニ製造工場にAeromine Technologies製のブレードレス風力エネルギーユニットを設置しました。
この工場は、同技術のテスト拠点として機能し、世界中の拠点や英国の事業複合施設におけるエネルギー効率向上の可能性を評価します。
Aeromineの風力エネルギーユニットは建物の端に設置され、風向きに向けられています。ユニットの垂直エアフォイルは翼のように機能し、内部プロペラの背後の空気を真空効果で吸い込み、クリーンでグリーンな電力を生成します。
“当社の『無駄な動きのない』風力エネルギー技術は、太陽光システムとシームレスに連携し、屋根上の再生可能エネルギー出力を最大化すると同時に、騒音、振動、野生動物への影響といった課題に対処します。この初期設置がBMWのグローバル施設全体での広範な応用につながることを期待しています。”
– Claus Lønborg, managing director at Aeromine Technologies.
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風力エネルギーへの投資
風力エネルギー部門では、General Electric (GE ) が子会社GE Vernova (GEV ) を通じて最大手の風力タービンメーカーの一つです。GE Vernovaは、持続可能な電力システムを構築するための技術を設計・製造・提供するグローバルエネルギー企業で、事業は電力（水力、ガス、蒸気、原子力）、風力（陸上・洋上タービンとブレード）、電化（電力変換、グリッドソリューション、太陽光、蓄電）を含みます。
同社は、57,000基の風力タービンで合計約120ギガワット（GW）のエネルギーを稼働させ、全世界で40億時間以上稼働しています。
GE Vernova (GEV )
時価総額1329億ドルのGEV株は現在1株あたり486ドルで取引されており、年初来で48％上昇しています。EPS（TTM）は6.94、P/E（TTM）は70.18で、配当利回りは0.21％です。
2025年4月、同社は2025年第1四半期の財務結果を発表し、売上高80億ドル、純利益3億ドル、営業活動によるキャッシュフロー12億ドルを示しました。また、受注は8％増の102億ドルとなりました。
四半期末の現金残高は81億ドルでした。一方、13億ドルが株主に還元されました。
(GEV )
“第1四半期に強力な結果を達成し、事業は引き続き順調に実行しました。設備とサービスの受注残高を拡大し、各セグメントのマージンを大幅に改善し、株主へ多額の資本を還元しています。電力投資のスーパサイクルの始まりに過ぎないと考えると、今後が楽しみです。”
– CEO Scott Strazik
しかし、GE Vernovaの風力事業は、洋上風力で課題に直面する一方、陸上風力は成長記録を示すなど、混在した業績を示しています。
その結果、価格改善に支えられた陸上納入が増加しましたが、洋上事業は縮小しました。風力セグメントは依然として赤字ですが、改善の兆しが見えています。
GE Vernovaの風力事業の受注は6億ドル、売上は18億ドルでした。同社はフリートの性能向上のために1億ドル以上を投資しました。
先月、GE VernovaはロボティクスとAIを活用して、製造する各ブレードの品質や原材料の品質をモデリング・組立前に検査する取り組みを開始しました。長期的には、AI対応の品質管理機能が重要部品の寿命を延ばし、結果としてタービンの寿命も長くなると期待されています。
最新のGE Vernova（GEV）株式ニュースと開発状況
最終考察：ブレードレス風力タービンは未来か？
従来の風力タービンは風エネルギーを効率的に捕捉する上で不可欠ですが、初期コストの高さ、騒音公害、定期的なメンテナンス、視覚的・環境的影響、都市部での建設制限、高風速でのみ効率的に動作するという重大な固有欠点があります。
これらの要因が代替技術の開発を促進し、ブレードレス風力タービン（BWT）は再生可能エネルギー技術の新たでエキサイティングな章を示しています。
BWTでは、風の動きが渦を生成し、構造全体が振動します。揺れの動きが構造の固有振動周波数と一致すると、振動が劇的に増幅されます。その増幅された振動が電力に変換されます。技術は強力ですが、まだ開発初期段階です。
研究者が設計を最適化し、出力と構造的完全性を高めることで、BWTはエネルギーポートフォリオに価値ある追加となり得ます。
クリーンエネルギーへの需要が高まり、継続的な研究がイノベーションを商業的に実用可能なソリューションへと拡大することで、ネットゼロへの道を加速できるでしょう。
参照された研究：
1. Breen, J.; Mallik, W.; Adhikari, S. ブレードレス風力タービンの性能分析と渦振動子モデルを用いた幾何学的最適化. Renew. Energy 2025, 215, 123549. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123549
2. Mohamed, Z.; Soliman, M.; Feteha, M.; et al. 使用される複合材料の機械的特性を考慮したブレードレス風力タービンの新規最適設計アプローチ. Sci. Rep. 2025, 15, 1355. https://doi.org/10.1038/s41598-024-82385-9
