風力

風力

風は太陽エネルギーの一形態です。風は、太陽による大気の不均一な加熱、地表の不規則性、および地球の自転によって引き起こされます。風の流れのパターンは、地球の地形、水域、および植生の覆いによって変更されます。風力エネルギーは、運動中の空気の運動エネルギーです。この風力エネルギーを収穫することができます。風力発電とは、この風力エネルギーを、風力タービンを使用した電力、風力発電所を使用した機械的電力、風力ポンプによる水の汲み上げまたは排水、船を推進するための帆などの有用な形のエネルギーに変換することです。風力エネルギーは、再生可能または非従来型のエネルギー源です。これはクリーンで汚染のないエネルギー源です。それは世界の多くの地域で大量に入手可能です。発電中に温室効果ガスを発生させることはありません。

風力から利用できる経済的に抽出可能な電力の総量は非常に多いです。ドイツのMaxPlanckInstituteのAxelKleidonは、大気に温度差を生じさせることによって風を駆動する入射太陽放射から始めて、風力エネルギーの量について「トップダウン」計算を実行しました。彼は、18TWから68TW（1兆ワットであるテラワット）の間のどこかで抽出できると結論付けました。クリスティーナアーチャーとマークZ.ジェイコブソンは、風速の実際の測定値に基づいた「ボトムアップ」の見積もりを提示しました。この見積もりによると、陸と海の100メートルの高度で利用可能な風力発電は1700TWです。この利用可能な電力から、72〜170TWを実用的かつコスト競争力のある方法で抽出できます。彼らは後でそれを80TWと推定しました。ただし、ハーバード大学の調査では、大規模な風力発電所の場合、平均で1ワット/平方メートル、2〜10 MW /平方キロメートルの容量が推定されており、世界の風力資源の合計の推定値は約4倍高すぎることが示唆されています。

風力エネルギーからの電力の生成は、風力タービンの助けを借りて行われます。各風力タービンは、発電機（オルタネーター）に接続されています。簡単に言えば、風力タービンはファンの反対です。風力タービンは、扇風機のように電気を使って風を作るのではなく、風を使って電気を作ります。風がブレードを回転させ、ブレードが発電機に接続されたシャフトを回転させて電気を生成します。必要な出力を得るために、多数のタービンが相互に接続されています。この多数の風力タービンの集合体は、風力発電所と呼ばれます。風力発電所は通常、風速がタービンのブレードを動かすのに十分な場所に建設されます。

風力エネルギーからの電力

発電のための風力エネルギーの使用は非常に速い速度で成長しています。風力発電は、風力タービンを使用して、移動する空気のエネルギーを収集し、そのエネルギーを電気に変換します。風力エネルギーから風力発電を行う原理は次のとおりです。

時間tの間に架空のエリアAを流れる総風力エネルギーは、次の式で求められます

どこですか？は空気の密度、vは風速、AvtはAを通過する空気の量（風の方向に垂直であると見なされます）、Avt？したがって、質量 m 単位時間あたりの通過。 ½？v ² は、単位体積あたりの移動する空気の運動エネルギーです。

電力は単位時間あたりのエネルギーであるため、Aに入射する風力（たとえば、風力タービンのローター面積に等しい）は次のようになります。

上記の式から、次のことが推測されます。

• 電力は空気密度に正比例しますか？空気密度が増加すると、タービンの出力が増加します。
• 出力は、タービンブレードの掃引面積に正比例します。ブレードの長さが長くなると、それに応じて掃引領域の半径が大きくなるため、タービン出力が増加します。
• 風力も速度によって変化し、外気の流れでは、風速の3乗に比例します（v）。風速が2倍になると、利用可能な電力は8倍になります。したがって、グリッド電力用の風力タービンは、より高い風速で特に効率的である必要があります。

風力タービン

風力発電所では、風力タービンは運動エネルギーを使用し、風に存在してオルタネーター（発電機）の原動機を回転させて電気を生成します。十分な風がタービンのブレードに当たると、それらは回転します。ブレードはローターと結合されています。したがって、ブレードが動くと、ローターも動きます。風力タービンでは、ピッチシステムがローターの速度を制御します。ローターは低速シャフトに接続されています。この低速シャフトは、ギアシステムによって発電機の高速シャフトに接続されています。ギアシステムは、発電機シャフトの回転速度を一般的な発電機の通常の速度に上げます。この高速発電機は電気を生成します。

風力タービンは、機械をいつ始動または停止するかについてのコントローラーでも構成されています。通常、風力タービンは一定範囲の風速で運転されます。風速が下限を超えると、タービンが始動し、風速が上限に達するとタービンが自動的に停止します。これは、サバイバル風速とも呼ばれます。すべての風力タービンは、この最大風速（生存風速）用に設計されています

風力タービンには、風速を測定し、風速が高いかどうかに関係なく定期的な情報をコントローラーに送信する風速計があります。ブレーキは緊急時にローターを機械的、電気的、または油圧的に停止させる働きをします。風力タービンには、風向計、ヨードライブ、ヨーモーターも含まれています。それらの機能は、風向を測定し、風向が変化したときに風力タービンが風の前にとどまるように調整することです。

風力タービンには一般的に2種類あります。水平軸風力タービン（HAWT）および垂直軸風力タービン（VAWT）。横軸は風上と風下に分けられ、縦軸は抗力ベースと揚力ベースに分けられます。

HAWT風上タービンでは、タービンのシャフトとオルタネーターの両方が水平に配置され、タービンブレードがタービンの前面に配置されます。つまり、空気がタワーの前でタービンブレードに衝突します。 HAWT風下タービンの場合、ローターと発電機のシャフトも水平に配置されますが、タービンブレードはタービンの後に配置されます。つまり、風がブレードの前にタワーに衝突します。

VAWT抗力ベースのタービンを観察すると、発電機のシャフトはブレードが上に配置された状態で垂直に配置され、タービンは通常、地面または小さな塔に取り付けられています。 VAWTリフトベースのタービンの場合、発電機シャフトはブレードの位置が上になるように垂直に配置されます。最新の大型風力タービンのほとんどは、効率が高いため水平軸タービンです。ブレードは常に風に対して垂直に動くので、回転全体を通して電力を受け取ります。タービンには次の主要コンポーネントがあります。

• 風のエネルギーを回転シャフトのエネルギーに変換するブレードまたはローター
• ギアボックスと発電機を含む駆動列
• ローターとドライブトレインをサポートするタワー
• バランス装置には、制御装置、電気ケーブル、地上支援装置、相互接続装置が含まれます。

風力タービンのコンポーネントを図1に示します

図1風力タービンのコンポーネント

風力発電所は、発電に使用されるのと同じ場所にある風力タービンのグループです。大規模な風力発電所は、広範囲に分散された数百の個別の風力タービンで構成されている場合がありますが、タービン間の土地は農業またはその他の目的に使用される場合があります。風力発電所も沖合にある場合があります。

ほとんどすべての大型風力タービンは通常同じ設計であり、3つのブレードを備えた風上ローターを備えた水平軸風力タービンで構成され、背の高い管状タワーの上のナセルに取り付けられています。風力発電所では、個々のタービンが中電圧（約33 kV）、電力収集システム、および通信ネットワークで相互接続されています。変電所では、この中電圧電流は、高電圧送電システムに接続するための変圧器を使用して電圧を上げられます。

風力タービンの設計仕様は、通常、出力曲線と保証された可用性に基づいています。通常の動作温度範囲は20〜40℃です。極端な気候と暑い気候の地域では、バージョンが必要です。風力タービンは、IEC61400規格に従って設計および検証できます。

HAWTの空気力学は少し複雑です。ブレードでの空気の流れは、タービンから遠く離れた空気の流れと同じではありません。ローター表面の空力は、他の空力分野ではめったに見られない現象を示します。 1919年、物理学者のアルバートベッツは、理想的な風力エネルギー抽出機の場合、質量保存の法則により、風の運動エネルギーの59.3％しか捕捉できないことを示しました。最新のタービンはこのベッツの法則の限界に近づき、この理論上の限界の60％から70％に達する可能性があります

風力タービンは通常、広範囲の風速で最大の出力を生成するように設計されています。すべての風力タービンは通常、最大風速になるように設計されています。風力タービンには、次の3つの動作モードがあります。

• 定格風速以下の操作
• 定格風速操作付近（通常は銘板容量）
• 定格風速以上の操作

風の定格風速を超える場合は、電力を制限する必要があります。これはさまざまな方法で行われます。制御システムには、プロセス変数を測定するセンサー、エネルギーキャプチャとコンポーネントの負荷を操作するアクチュエータ、センサーによって収集された情報に基づいてアクチュエータを調整する制御アルゴリズムの3つの基本要素が含まれます。

風力発電のその他の問題

• 風速は一定ではないため、風力発電所の年間エネルギー生産量は、発電機の銘板の定格の合計に1年の合計時間を掛けたものほど大きくなることはありません。この理論上の最大値に対する1年間の実際の生産性の比率は、プラント負荷率（PLF）と呼ばれます。達成される典型的なPLFは15％から40％です。範囲の上限でより高いPLF値は、好ましい場所で達成され、風力タービンの設計の改善によるものです。
• 個々の風力タービンの故障が全体の電力にほとんど影響を与えないため、風力発電が大きな技術的故障に見舞われることはほとんどありません。そのため、分散型風力発電は信頼性が高く、予測可能です。
• 風力発電所は、化石燃料発電所に比べて環境への影響は比較的少ないですが、ローターブレードによって生成されるノイズ、美的（視覚的）な影響、およびローターに飛んで鳥が殺されたことが懸念されます。 。
• 風力を動力源として使用する際の主な課題は、電力が必要なときに風が常に吹くとは限らないため、断続的になることです。風力を蓄えることはできません（ただし、バッテリーを使用すれば、風力で生成された電力を蓄えることはできます）。また、電力需要のタイミングに合わせてすべての風力を利用できるわけではありません。さらに、優れた風力発電所は、電力需要のある地域から遠く離れた場所にあることがよくあります。
• 風力資源の開発は、土地の他の用途と競合することであり、それらの代替用途は、発電よりも高く評価される可能性があります。ただし、風力タービンは、放牧や農業にも使用される土地に設置することができます。






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