【電験三種・電力】風力発電の仕組み｜風車の種類と出力計算(V³の法則)を完全図解

✅ こんな悩みを抱えていませんか?

• 「風が電気になる仕組みがわからない…」
• 「風車の種類が覚えられない…」
• 「出力計算のV³(風速の3乗)って何?」

💡 この記事で完全マスターできること

• 風力発電のメカニズム(風→回転→電気の変換プロセス)
• 風車5種類(水平軸3種・垂直軸2種)の違い
• 出力計算公式 P=½ρAV³Cp の完全理解
• カットイン・定格・カットアウト風速の意味

💡 イメージで覚えよう

風力発電 = 川の水車の空中版
水が水車を回すように、風が巨大な羽根を回して発電するイメージです!

⚡ エネルギー変換の5ステップ

1. 風の運動エネルギー: 風速Vの風が持つエネルギー = ½ρAV³
2. 揚力発生: 翼の形状により揚力が発生し、羽根が回転
3. 回転エネルギー: ロータが10〜20rpmで低速回転
4. 増速: ギアボックスで1:100に増速(15rpm→1500rpm)
5. 発電: 高速回転で発電機が電気を生成!

📊 ベッツ限界の意味

理論最大効率: 59.3%(出力係数Cp = 0.593)

つまり、風のエネルギーを100%取り出すことは物理的に不可能。なぜなら、風を完全に止めてしまったら、後ろから来る風が流れなくなるからです!

実際の風車の効率: 35〜45%(Cp = 0.35〜0.45)

💡 試験で狙われる順番

出力係数Cpの高い順:
3枚翼(0.40〜0.45) > 2枚翼(0.35〜0.40) > ダリウス(0.30〜0.35) > 多翼(0.15〜0.25) ≒ サボニウス(0.15〜0.20)

覚え方: 「さ・み・に・だ」(3枚・2枚・ダリウス)
※水平軸型が垂直軸型より効率が高い!

📐 風力発電の出力公式

P = ½ρAV³Cp [W]

• P: 出力 [W]
• ρ(ロー): 空気密度 [kg/m³] ≈ 1.225(標準状態)
• A: 受風面積 [m²] = πD²/4 = πR²
• V: 風速 [m/s] ← 3乗!
• Cp: 出力係数(0.35〜0.45)

📖 例題

風速10 m/s、ロータ直径80 m、出力係数Cp = 0.40の風車の出力を求めよ。
ただし、空気密度は1.225 kg/m³とする。

💡 計算のコツ

風速が変化したとき:
風速5m/sなら → V³ = 125 → 出力は1/8に!
風速15m/sなら → V³ = 3,375 → 出力は約3.4倍に!

風速の変化が出力に与える影響は超巨大!

⚡ 3つの重要風速

1. カットイン風速(Vci): 発電開始 → 一般的に3〜4 m/s
2. 定格風速(Vr): 定格出力到達 → 一般的に12〜15 m/s
3. カットアウト風速(Vco): 安全停止 → 一般的に25 m/s(台風級)

⚠️ なぜ定格風速以上で出力が一定?

「風が強くなれば出力も上がり続けるのでは?」と思いますよね。でも実際は、ピッチ制御やストール制御で羽根の角度を調整し、受ける風のエネルギーを制限します。

理由は、発電機の定格出力を超えると故障するから。だから、定格風速以上では出力を一定に保つんです!

📖 例題

風力発電に関する次の記述のうち、誤っているものを選べ。

(1) 出力は風速の3乗に比例する
(2) 3枚翼プロペラ型が最も効率が高い
(3) ベッツ限界は約59.3%である
(4) 垂直軸型は風向に関係なく発電できる
(5) 風速が定格風速を超えると出力は無限に増加する

✅ 解答と解説

正解: (5) 風速が定格風速を超えると出力は無限に増加する

解説:
(1) ⭕ P ∝ V³ → 風速2倍で出力8倍
(2) ⭕ Cp = 0.40〜0.45で最高効率
(3) ⭕ 理論最大効率は59.3%
(4) ⭕ 垂直軸型(ダリウス・サボニウス)は風向不問
(5) ❌ 定格風速以上では出力制御により一定出力を維持。カットアウト風速で停止。

✅ この記事で覚えるべき4つのポイント

1. エネルギー変換: 風の運動エネルギー → 回転 → 増速 → 発電、ベッツ限界59.3%
2. 風車の種類: 出力係数は3枚翼(0.40〜0.45) > 2枚翼 > ダリウス > 多翼≒サボニウス
3. 出力公式: P = ½ρAV³Cp、風速2倍で出力8倍!
4. 運転特性: カットイン(3〜4m/s) → 定格(12〜15m/s) → カットアウト(25m/s)

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