風力タービンはどのように機能しますか？

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おそらく、田舎を運転しているときにそれらを見たでしょう。または、あなたは彼らを海岸のすぐ外で、回転するブレードで地平線上に大きく浮かんでいるのを見ました。次に、誰かの屋根の上で、または小規模な都市活動の一部としてそれらを見たかもしれません。場所に関係なく、風力タービンと風力は現代世界でますます一般的な機能になっています。

これの多くは、気候変動の脅威、大気汚染、化石燃料への依存から人類を引き離したいという願望に関係しています。そして、代替エネルギーと再生可能エネルギーに関して言えば、風力は将来的に（太陽光に次いで）市場で2番目に大きなシェアを占めると予想されています。しかし、風力タービンはどのように機能するのでしょうか。

説明：

空気タービンは、風の運動エネルギーと空気の流れの変化を電気エネルギーに変える装置です。一般に、これらは次のコンポーネントで構成されます。ローター、ジェネレーター、および構造的サポートコンポーネント（タワー、ローターヨーメカニズム、またはその両方の形をとることができます）。

ローターは、風のエネルギーを取り込むブレードと、風のエネルギーを低速の回転エネルギーに変換するシャフトで構成されています。発電機–シャフトに接続されています–一連の磁石と導体（通常はコイル状の銅線で構成されています）を使用して、低速回転を高エネルギーに電気エネルギーに変換します。

磁石が銅線とともに回転すると、電位差が生じ、電圧と電流が発生します。最後に、構造的サポートコンポーネントがあります。これは、風圧の変化を最適にキャプチャするのに十分な高さでタービンが立っているか、風の流れの方向に面していることを保証します。

風力タービンの種類：

現在、風力タービンには主に2つのタイプがあります。水平軸風力タービン（HAWT）と垂直軸風力タービン（VAWT）です。名前が示すように、水平風力タービンは、タワーの上部にメインローターシャフトと発電機があり、ブレードが風に向けられています。タワーは背後に乱気流を生成する可能性が高いため、通常、タービンはサポートタワーの風上に配置されます。

垂直軸タービン（もう一度、名前が示すように）は、メインローターシャフトが垂直に配置されています。通常、これらは本質的に小さく、回転するために風の方向に向ける必要はありません。これにより、方向が変化する風を利用することができます。

一般的に、水平軸風力タービンはより効率的であり、より多くの電力を生成することができます。垂直モデルは生成する電力が少なくなりますが、より低い標高に配置することができ、コンポーネント（特にヨーメカニズム）の邪魔になることが少なくなります。風力タービンは、タワードモデル、サボニウスモデル、ダリウスモデルなどの設計に基づいて、3つの一般的なグループに分類することもできます。

タワー型モデルはHAWTの最も一般的な形式であり、タワー（名前が示すように）と、タワーの前（およびタワーに平行）に配置された一連の長いブレードで構成されています。 Savonisは、風とスピンを捕らえるために輪郭のあるブレード（スクープ）に依存するVAWTモデルです。それらは一般に低効率ですが、自発的に起動するという利点があります。これらの種類のタービンは、屋上風力発電の一部であるか、または船舶に取り付けられています。

「エッグビーター」タービンとしても知られるダリウスモデルは、設計を開拓したフランスの発明家、ジョルジュダリウスにちなんで名付けられました。このVAWTモデルは、垂直サポートに平行に配置された一連の垂直ブレードを採用しています。それらは一般に効率が低く、回転を開始するために追加のローターを必要とし、高トルクを生成し、タワーに高いストレスをかけます。したがって、設計が進むにつれて、それらは信頼できないと見なされます。

開発の歴史：

風力は何千年もの間、帆を動かしたり、風車に動力を与えたり、水ポンプの圧力を生成したりするために使用されてきました。最も古くから知られている例は中央アジアであり、古代ペルシャ（イラン）で使用されていた風車の年代は500〜900 CEとされています。このテクノロジーは中世にヨーロッパで登場し始め、16世紀には共通の特徴となりました。

19世紀までに、電力の開発に伴い、発電可能な最初の風力タービンが建設されました。最初のものはスコットランドのメリーカークにある別荘を照らすためにスコットランドの学者ジェームスブライスによって1887年に設置されました。 1888年、アメリカの発明家チャールズFブラシは、オハイオ州クリーブランドにある自宅に電力を供給する最初の自動風力タービンを建設しました。

20世紀初頭までに、風力タービンは遠隔地（農場など）の住宅に電力を供給する一般的な手段になり始めました。 1941年、最初のメガワット級の風力タービンがバーモントに設置され、地域のユーティリティグリッドに取り付けられました。 1951年、イギリスは最初のユーティリティグリッド接続の風力タービンをオークニー諸島に設置しました。

1970年代までに、風力タービン技術の研究開発は、OPECの危機と原子力への抗議のおかげでかなり進歩しました。その後の数十年で、代替エネルギーを専門とする協会やロビイストが西ヨーロッパ諸国や米国で出現し始めました。 20世紀の最後の10年までに、大気汚染の増大とクリーンエネルギーの需要の増加により、インドと中国でも同様の取り組みが見られました。

風力：

他の形式の再生可能エネルギーと比較すると、風力は非常に信頼性が高く、安定していると考えられています。風は年々一定であり、需要のピーク時に減少しません。当初、風力発電所の建設は費用のかかる事業でした。しかし、最近の改善のおかげで、風力発電は世界の卸売エネルギー市場にピーク価格を設定し始め、化石燃料産業の収益と利益を削減し始めました。

2015年3月にエネルギー省によって発行されたレポートによると、米国での風力発電の成長は、多くのカテゴリでさらに高度なスキルを持つ仕事につながる可能性があります。「風力ビジョン：米国の風力発電の新時代」というタイトルのこの文書は、2050年までに、業界が米国の電力生産の35％を占める可能性があることを示しています。

さらに、2014年には、グローバルウインドエネルギーカウンシルとグリーンピースインターナショナルが集まり、「グローバルウインドエネルギーアウトルック2014」というタイトルのレポートを発行しました。このレポートでは、世界的に、風力は2050年までに世界の電力の25〜30％を供給することができると述べています。グローバル供給の約3.1％。

これは、風力発電が0.2％未満であった2000年以降、採用率がほぼ16倍に増加したことを示しています。もう1つの見方をすると、風力発電の市場シェアは15年未満で4倍に倍増したと言えます。これは、同じ期間に7倍に倍増した太陽光発電に次ぐ第2位ですが、全体的な市場シェアの面では、風を引きずっています（2014年までに約1％）。

不利な点に関して、一貫して提起されている問題の1つは、風力タービンが地元の野生生物に与える影響と、その存在が地域の景観に与える影響です。しかし、これらの懸念は、風力発電やその他の再生可能エネルギー源の信用を傷つけようとしている特定の利益団体やロビイストによってしばしば高まっていることが示されています。

たとえば、国立再生可能エネルギー研究所が発表した2009年の調査では、大規模な風力発電所の建設によって1エーカー未満が永続的に乱され、1メガワットあたり3.5エーカー未満が一時的に妨害されることが判明しました。同じ研究は、鳥やコウモリの野生生物への影響は比較的低く、同じ結論が海洋プラットフォームにも当てはまると結論付けました。

世界中で、政府と地域社会は、彼らのエネルギー需要を満たすために風力を探しています。燃料価格の上昇、気候変動への懸念の高まり、テクノロジーの向上の時代にあって、これは驚くに値しません。現在の採用率では、20世紀半ばまでに最大のエネルギー源の1つになる可能性があります。

そして、NASAのルイス研究センターの厚意により、風力タービンに関するこのビデオを必ずお楽しみください。

スペースマガジンでは、風力タービンと風力についての興味深い記事を多数書いています。代替エネルギーとは何ですか、化石燃料とは何ですか？再生可能エネルギーの種類は何ですか？（宇宙の助けを借りて）海での風力発電は、太陽と風力で実行できますか？

詳細については、風力発電の歴史とメカニズムに関するHow Stuff Worksの記事とNASAのGreenspaceページをご覧ください。

天文学キャストは、主題に関連するいくつかのエピソードも持っています。エピソード51：地球とエピソード308：気候変動。

出典：