風力発電の基礎知識(構造・しくみ）

　風力発電は、風の流れを利用して風車を回し、その動力で発電機を回転させて発電します。風は、非常に軽い空気の流れですが、時には頑丈そうな建物さえ倒壊させてしまうほどのエネルギーを有していますので、なかなかあなどれません。

　風のエネルギーは、質量を有する流体であることから、運動エネルギーです。運動エネルギーは、物体の「質量」と「速度の２乗」の積の2分の1ですので、次式が成り立ちます。(運動エネルギーの法則)

　上式に基づいて、風力発電で利用する際の風のパワーを計算するには、単位時間あたりに利用できる風の量を決めなければなりません。風の量は、風が通過する断面積と、風の速さ、すなわち風速によって求めることが出来ます。ここで言う断面積とは、風力発電機のローターが風を受ける受風面積(掃気面積)に相当します。上式における「風の質量」は、所定の断面積を単位時間あたりに通過する空気の質量のことですので、断面積[m^2]と空気密度[kg/m^3]、および風速[m/s]の積によって表されます。

　よって、運動エネルギーの式の「風の質量」の項にこれら(＊印)を代入すると、下式のような「風のパワー」の式が得られます。（パワーとは、単位時間あたりのエネルギー量のことです）

　この式が、風力発電を知る上で最も重要な式であり、風力発電にチャレンジするのであれば、この式の意味を理解しておく必要があります。この式から分かる大切なことを以下に列記します。

(1)風のパワーは、断面積に比例する。
断面積とは、風力発電機の受風面積のことですので、ローターの掃気面積に等しいことが分かります。また受風面積は、ローター直径の２乗に比例しますので、風力発電機のローター直径が２倍になると、得られる風のパワーが４倍になる、ということが分かります。

(2)風のパワーは、空気密度に比例する。
空気密度は、その場の気圧や空気中の水分量によって変化します。例えば高所では、気圧が小さくなりますので、空気密度も小さくなります。専門的には、気圧の低い高所に風力発電システムを計画する際には、空気密度低下に伴う風車出力の減少を考慮に入れますが、一般的な場面においては、ほとんど気にしなくても良いでしょう。通常、平地における空気の密度は、おおよそ1.2[kg/m^3]です。

(3)風速の3乗に比例する。
このことは、とても重要です。「風速の3乗に比例する」とは、風速が2倍になれば風のパワーは8倍に、風速が3倍になれば風のパワーは27倍になる、ということを意味しています。反対の言い方をすれば、風速が半分の時には、風のパワーは8分の1になる、ということです。
従って、風速次第で、風のパワーが大きく変動し、すなわち風力発電機の出力もそれに応じて、大きく変動するということが理解できます。