風力エネルギーの基本原理：風力タービンの仕組み

概要

この記事では、風力エネルギーの基本原理とその仕組みについて説明します。風力タービンがどの程度のエネルギーを生産できるかを決定する3つの主要な要因、すなわちブレードのサイズと方向、ブレードの空気力学的設計、およびローターを回転させる風の量について探求します。また、風力エネルギーが直面する課題、つまり断続的な供給とタービンが電気に変換できる風の量に数学的な制限があることについても説明します。しかし、これらの課題にもかかわらず、風力エネルギーは最も効率的で安価な電力源であり続けています。

ブレードの方向

風力タービンのブレードの方向は、その効率を決定する上で重要です。風力タービンは、垂直または水平軸のローターで設計できます。垂直ブレードはどの方向からでも風を受け取ることができますが、水平設計ではブレードが風の方向を追跡してその全力を捉えることができます。この回転プロセスはヨーイングと呼ばれ、現代の風力タービンは、風センサーとコンピューターシステムを使用して、専門家の精度でブレードを自動的に調整してできるだけ多くのエネルギーを捉えるようにしています。

ブレードの設計

風力タービンのブレードの設計も、その効率を最大化する上で重要です。初期の設計では平面のブレードが使用されていましたが、現代のブレードは飛行機の翼のように曲線を描いています。風は曲面を通過すると速度が上がり、ブレードの上部に低圧のポケットを作り上げ、ブレードを上方に押し上げます。現代のブレードはまた、風を切り込むブレードの面積を最適化するようにツイストを組み込んでいます。これらのブレードは、20年以上にわたって雨、雷、灼熱の日差しの中で作動するのに十分な強度を持つ、ガラス繊維と樹脂層で作られています。

風の環境

空気力学的なブレードと水平ローターを備えた風力タービンであっても、風が吹かなければ風を捉えることはできません。風速は通常、高度が高くなるにつれて増加します。そのため、現在では、ほとんどのタービンが高さ100メートル以上で、同じくらいのローター直径を持っています。この高さとサイズのタービンは、年間に750世帯分の電力を生成する巨大な量の風を捉えることができます。同じようなサイズの200基の風力タービンからなる風力発電所は、1年間に15万世帯以上のアメリカ人の家庭を供給することができます。沖合いの風力発電所には、さらに多くのさらに大きなタービンがあります。2019年には、ローター直径220メートルの史上最大の風力タービンがオランダ沖で稼働を開始し、このタービン1基だけで1年間に1万6000世帯分の電力を供給できます。

課題

驚くべきポテンシャルを持つ風力エネルギーにもかかわらず、いくつかの課題があります。風は無料で無制限の燃料であるかもしれませんが、どんなに大きく効率的なタービンでも、電気に変換できる風には数学的な制限があります。ドイツの物理学者アルベルト・ベッツは、ブレードを回転させ続けるために風が残る必要があるため、タービンは風のエネルギーの59.3％しか捉えることができないと計算しました。また、風力タービンが自然の景色を妨げると感じる人もいるため、風力エネルギーの断続的な供給は電力網に統合するのが難しいこともあります。

結論

課題にもかかわらず、現代の風力タービンによって、風力エネルギーは最も効率的で安価な電力源となっています。風力タービンはすでに世界中のコミュニティに必要不可欠なエネルギーを提供しています。また、多くの農家にとって、風力タービンをホストすることは信頼できる追加収入源となることがあります。風力予測、電力網インフラ、エネルギー貯蔵の改善が続けられることで、風力発電は私たちのエネルギー問題を解決する可能性があります。