タービンは、回転する流体の運動エネルギーをローター システムを介して有用な仕事またはエネルギーに変換する機械です。機械的なギアまたは電磁誘導により、タービンはこのようにして電力を生成します。タービンにはさまざまな種類がありますが、一般的なものは水平軸風力タービンと垂直軸風力タービンに分類されます。この記事では、水平軸風力タービンの機能と水平軸風力タービンの種類についてすべて学びます。
水平軸風力タービンとは何ですか?
現在稼働している風力タービンの中で最も普及しているのは、水平軸風力タービン（HAWT）です。HAWTは、空力ブレード（翼型）が取り付けられたローターを備えており、このローターは風上または風下を向くことができます。高高度風力タービンは通常、非常に高速で回転する2枚または3枚のブレードを備えています。ダウンウィンドローターの円錐形ブレードにより、タービンは自動的に風上を向くことができますが、アップウィンドローターは正しい方向を向くためにヨーまたはテールベーンが必要です。しかし、ダウンウィンドローターは低速の風に合わせる際にふらつくことがあり、その結果、低速時の発電量が低下します。
HAWT は、地面に対して垂直に水平に取り付けられたシャフトを特徴としています。VAWT と同様に、HAWT には 2 枚または 3 枚のブレードがあります。現在までに、3 枚ブレードの HAWT が最も効果的な設計であることが証明されていますが、2 枚ブレードのローターと風向型ローターも、どちらも一定の成功を収めています。ナセルのタービンは、風上 (前) または風下 (後) に向けることができます。風下側のデバイスでは、常に風の方向を向いているため、機械的な方向付けシステムは必要ありません。突風による絶え間ない揺れは、疲労につながるため、最大の欠点です。では、水平軸風力タービンの種類について学びましょう。
水平軸風力タービンの種類は何ですか?
水平軸風力タービンは、非常に効果的な設計で、市場でかなり有名です。他の風力タービンと同様に、水平軸風力タービンのタイプもあります。タイプは次のとおりです。
1. アップウィンドタービン
風上側風力タービンのローターは、タワーの頂上に設置されます。このタービンの主な目的は、風がタワーの裏側に影を落とすのを防ぐことです。ローターは剛性が高く、タワーから離れた位置に設置されているため、この構成は現在、ほとんどの水平軸風力タービン（HAWT）で採用されています。
2. ダウンウィンドタービン
ダウンウィンド型風力タービンのローターは、構造物の基部に配置されています。このタービンは、まず風をタワーに向けてからローターブレードに当てます。ローターがタワーの風陰を通過するため、この風力タービンでは風力発電量に若干の変動が生じます。ここで風力発電量の変動は、ローターがタワーのナセル後方に位置することによって発生します。これで、水平軸風力タービンの種類について理解が深まったことでしょう。
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水平軸風力タービンの動作原理は何ですか?
水平軸風力タービンの種類を理解したところで、水平軸風力タービンの動作原理についても見ていきましょう。風力はローターによってトルクに変換され、それが低速回転軸に伝達されます。ナセルは、ギアボックス、高速回転軸、および低速回転軸から動力を受け取る発電機を保護します。ブレードはローターと回転軸に取り付けられています。この回転軸は、回転アセンブリが風によって毎分約10～20回転というゆっくりとした速度で回転するため、低速回転軸と呼ばれています。
所望の出力周波数60Hzを実現するために、低速シャフトはギアボックスに接続されます。ギアボックスには、シャフトの出力速度を約1,800rpm（周波数が50Hzの場合は1,500rpm）まで増加させるギアシステムが備えられています。このため、ギアボックスから出ているシャフトは高速シャフトと呼ばれることがよくあります。最後に、高速シャフトは発電機に接続され、回転運動を交流電流に変換します。この速度を利用して発電機を直接回転させると、交流出力の周波数は発電機の回転速度に正確に比例します。
たとえば、ダイレクトドライブ風力タービンは、通常、AC 発電機ではなく DC 発電機を使用し、ギアボックスがありません。AC から DC へのコンバーターがこれらに含まれているかどうかは不明です (タワーのベースに配置されている場合があります)。産業用タービンでは、プログラマブル ロジック コントローラー (PLC) またはコンピューターがコントローラーとして使用されます。風速計の読み取り値はコントローラーによって使用され、コントローラーは風力タービンをどの方向に向けるか、どれだけのエネルギーを集めるか、強風時にタービンを加速させるかどうかを決定します。これが水平軸風力タービンの動作原理です。この後、水平軸風力タービンのコンポーネントについて説明します。
水平軸風力タービンコンポーネントとは何ですか?
水平軸風力タービンのコンポーネントには、ベース、タワー、ナセル、発電機、ローターブレード、ハブ、シャフト、ギアボックス、風速計が含まれます。
1. 土台：風力タービンのタワーやその他の部品は数トンもの重量があるため、非常に頑丈な土台にしっかりと固定する必要があります。
2. タワー：ローターハブとナセルを所定の位置に保持する背の高い構造物。これらは、鋼製格子、コンクリート、または鋼管で製造される場合があります。水平軸風力タービンの設計における重要な要素の1つは、タワーの高さです。タワーの高さを高くすると、風速は高度とともに増加するため、タービンはより多くの風力エネルギーを吸収してより多くの電力を生成できます。風力発電システムの高さを高くすると、通常、発電量が増加し、風の乱流も減少します。
3. ローターブレード：風力タービンのブレードは、風の運動エネルギーを捉え、機械エネルギーに変換します。これらのブレードは、木材エポキシ樹脂またはガラス繊維で強化されたポリエステルでできています。設計によっては、風力タービンには、1枚のブレード、2枚のブレード、3枚のブレード、またはそれ以上のブレードが備わっている場合があります。3枚ブレードの水平軸風力タービン（HAWT）が一般的です。これらはローターのハブに取り付けられています。かつては、複数のブレードのアイデアは、水を汲み上げたり、食べ物を挽いたり、その他の作業を行うために利用されていました。
4．ナセル：ナセルは、タービンの主要部品を収容する筐体です。ギアボックス、高速・低速シャフト、発電機、制御装置、ブレーキはすべてタワーの最上部に設置されています。ナセルには、風速を測定する風速計と風向を検知する風向計が備えられています。
5. ハブ：風力タービンのシャフトにローターブレードを接続するには、ローターハブが必要です。ハブ、ボルト、ブレードベアリング、ピッチシステム、内部部品がハブアセンブリを構成します。ローターハブの製造には、鋼、鉄、鍛造鋼が使用され、溶接工程が不可欠です。以下に、ローターハブの例をいくつか示します。
6. シャフト:駆動輪に動力を伝達するシャフト。中空または中実の鋼鉄製シャフトのトルクと応力レベルは非常に高い。駆動シャフトを使用すると、ブレードハブからの機械エネルギーを発電機に送ることができ、回転運動を電流に変換することができる。通常、風力タービンには2 つのシャフトがある。
7. ギアボックス：ギアボックスの出力軸は発電機に接続され、回転機械エネルギーを伝達します。その動作原理はファラデーの電磁誘導の法則に基づいています。これは機械エネルギーから電気を生成する装置です。風力タービンに関しては、遊星歯車機構、ヘリカルギアボックス、ウォームギア付きトランスミッションなど、いくつかの異なるタイプのギアボックスがあります。
8. 風速計：風の運動エネルギーの大きさは、その速度に大きく依存します。風速の3乗は、風のエネルギー量に正比例します。設置場所を選ぶ際には、その地域の平均風速を考慮することが非常に重要です。風速計は、風の流れの速度を測定するために使用される装置です。通常、これらはナセル上部に設置されています。
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水平軸タービンは何に使用されますか?
大規模な風力発電所では、出力とエネルギー効率を最大化するために、水平軸風力タービンが使用されることが多い。これらの風力タービンは、通常、
- 製造施設
- 広大な風力発電所
- 政府支援の建物
これで、水平軸風力タービンの用途について理解できたでしょう。この後、水平軸風力タービンのメリットとデメリットについても学んでおくと良いでしょう。
水平軸風力タービンの利点と欠点は何ですか?
他の装置と同様に、水平軸風力タービンの長所と短所も明らかです。ここでそれらについて徹底的に学びましょう。
水平軸風力タービンの利点 -
1.強力な世代
用途に応じて、水平軸風力タービンは2MWから8MWまでの出力で製造できます。2.5～3.0MWの容量を持つ陸上風力タービンは、年間約6万kWhを発電でき、これはEUの一般的な家庭1,500世帯分の電力に相当します。ただし、発電量はタービンのサイズと風速によって異なります。
2.十分に信頼できる
水平軸風力タービンは長年にわたって市場を支配しており、その設計と開発は十分に進んでいます。すでに市場で入手可能な水平軸風力タービンの実用性と有用性、および将来の開発の可能性の両方を調査します。
3. 非常に強い運用風
水平軸風力タービンは、ローターの高さが高いため、より高速の風を受けることができます。つまり、より高い風速で稼働する可能性が高く、これは性能にとって理想的です。高高度の気流は通常安定しているため、水平軸風力タービンはより信頼性の高い再生可能エネルギー源となります。
4. 非常に高いレベルの効率性
エネルギー変換において、必ず何らかのエネルギーが無駄になる。風力発電分野における新製品開発の主要な焦点は、エネルギー変換効率をいかに向上させるかにある。現状では、最も生産性の高い風力タービンは水平軸型である。これらのタービンは、入射する風力エネルギーの40～50パーセントを実用的な電力に変換できるほどの効率性を備えている。
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水平軸風力タービンの欠点 -
1.移動、設置、および正常な動作状態の維持が難しい。
水平軸風力タービンは非常に巨大なため、輸送や設置の際に物流面および技術面で大きな障害が生じます。水平軸風力タービンのブレードは長さが70メートル、重さが20トンにも達することがあり、丘陵地帯特有の狭く曲がりくねった道路や、住宅、電線、街灯が並ぶ通常の市街地の道路に設置することは困難です。
2.環境に害を与える
水平軸風力タービンが周辺環境にどのような影響を与えるかという問題については、依然として多くの議論と論争が続いている。巨大なブレードが空気を切り裂く轟音、巨大な影、そして周辺の動植物や生態系にもたらす混乱は、いずれも懸念材料となっている。
3.海洋生態系の変化
洋上風力タービンは、私たちがまだ理解していない方法で海洋生態系を変える可能性がありますが、水平軸風力タービンブレードは、 飛行生物との衝突の危険複数の研究により、米国で人工物や人工行為による事故で毎年鳥が死亡する原因の1％以上が風力タービンによるものではないことが判明している。
4. セットアップの厳しい要件
世界中の政府が再生可能エネルギー革命への取り組みを促進するためのインセンティブを提供しているにもかかわらず、風力タービンの開発と設置に関する規制が障害となる可能性がある。例えば、水平軸風力タービンの場合、隣接する住宅からの必要な離隔距離は通常、タービンの全高の4倍である。市当局は、風力発電所の建設を許可する前に騒音調査を実施する必要がある。背景騒音と風力タービンが発生させる騒音の両方を考慮することが不可欠である。多くの場合、適切な目安は存在するものの、政策は政治情勢、社会情勢、自然環境などの要因によって異なる場合がある。
HAWT は、再生可能エネルギーに基づく未来において、大きな役割を果たしており、今後も果たすでしょう。水平軸風力タービンの長所と短所、水平軸風力タービンの種類など、このような技術に関するあらゆることを理解することは非常に重要です。これらは、来るべき未来に備えるのに役立ちます。
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