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風力発電について調べています。
工作用紙で換気扇のような羽(羽数が3枚、4枚、8枚など。外径、内径、風速は一定。)を作り、扇風機からの風を当てて電圧を測りましたが、羽数と発電効率の関係についてよく分かりませんでした。
羽数が多いほど電圧が高くなるのでしょうか?一番電圧が高くなる羽数や、なぜその枚数なのかを関係式などを使い詳しく教えていただければ幸いです。

A 回答 (6件)

 羽根の数はその風車がどのような風速で最大の効率になるかにかかっています。

羽根が多いほうが風速の小さい時に効率が良くなります。風力発電とはまず風の運動エネルギを羽根の回転エネルギに変換するのですから、効率よく発電している羽根の後ろに回ってみると風が感じられないというのが本当です。ですから現在あちこちに設置されている大型の三枚羽根の風車がゆっくりゆっくり回っているのは美しい光景ですが風速の不足でぜんぜん効率よく発電できていない常態なのです。あんなんでは羽根のうしろに回っても風車が無いのと同じくらい風が気持ちよく吹いてくるだろうと想像できるでしょう。2枚羽根3枚羽根の風車では羽根が見えなくなるほどの回転数で回っている時が設計上の定格回転で最大効率となります。一方多くの羽根を持つ風車ではそよ風を羽根の後ろに漏らさないようにエネルギ変換できるので小さな風速で最大効率となりますが反面強風の際には回転数が上がらず効率が悪くなるということになります。
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この回答へのお礼

わかりやすかったです。
ありがとうございました。

お礼日時:2011/10/11 12:13

ついでに



http://oshiete.goo.ne.jp/qa/736478.html

ここでも1枚羽根が出てきますね。摩擦ゼロ、機械的強度無限大としてですが。
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この回答へのお礼

サイトの方、参考になりました。
ありがとうございました。

お礼日時:2011/10/11 12:15

1枚羽は実験機でしょうかね?


耐久性、特に軸に掛かる応力と振動を考えると実用には向かないでしょうが、
どんなデータがとれたか、なかなか興味深いですね。

ただ、摩擦の事を考えると、見るからに強風向きのタイプですから
風が弱くなると、この中で一番最初に最初に止まりそうですよ。
風力発電協会の人?^^も「どんな風でも1番効率がいい。」とは言ってないとおもいますが、、、

ちなみに弱風でも、強風でも対応するように可変翼枚数風力発電装置なんてのもあります。
まあ実際に枚数が変わる訳ではないですが。
http://www.salesio-sp.ac.jp/department/lab/yamas …
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No.3 回答はその通りなのですが、回答中にもあるように数字は根拠のあるものではありません。

(たぶんグラフの曲がりぐあいも根拠ありません)
実際は、「力」のグラフはもっと下に、「回転数」のグラフは、もっと上に書かないといけなくて、結果として1枚羽が一番大きな電力を取り出せます(と、風力発電協会の人は言っておられました)

1枚羽風車の写真はここにあります。
http://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza_ …
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この回答へのお礼

一枚羽は興味深かったです。
ありがとうございました。

お礼日時:2011/10/11 12:16

質問者は中学か高校の生徒さんでしょうか?そのつもりで説明します。



図はちょっといい加減なところもありますが、
羽の枚数を増やすと力(トルク)が増え、回転数が減る事を表しています。
(適当に書いたんで数字そのものはいい加減ですよ。)
羽の枚数を増やすと力が増えるのは判りやすいと思いますが、
回転数が落ちていくのは何故でしょうか?
それは、羽そのもので風をさえぎっているためです。風が風車の横をよけて通過していくわけです。
(風車後ろは風が弱まりますが、風車の横はその分少し風が速くなる場所があります。)
この為、羽の枚数を2倍にしても力は2倍までは増えません。

電力と書いたのは力と回転数を掛け算した値です。この例では4枚位のところが
最も効率よく発電できている事になります。

ここで言いたいのは、このようにちょうど良い枚数があると言う事です。
ただし、風の強さ、羽の形や大きさ、発電機にギアをつけたりしてもグラフの形が変わるので
いつも4枚が良いわけではありません。

変速ギア付きの自転車をこいだ事があれば、ギアを上げすぎても重くてこげないし、
下げすぎても、スピードが出ない。ちょうど良いギアがあるという事に似ています。
また、平地での最適なギアと坂道での最適なギアが違う事も良く似ています。
「羽数と発電効率について」の回答画像3
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この回答へのお礼

図がなぜか見れませんでした。
長文ありがとうございました。

お礼日時:2011/10/11 12:18

2年ほど前に風力発電協会の方の講義を聞いてきましたが、風力発電では、羽の数が少ないほど高速回転になり、発電効率もよくなるそうです。

過去には1枚羽のものまであったそうです。
しかし、高速回転すると、騒音や、機械の寿命が縮むなどの欠点があり、今は3枚羽が主流になっているとの事でした。
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この回答へのお礼

ありがとうございました。

お礼日時:2011/10/11 12:19

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Q風力発電機にエネルギー効率100%はあり得ないか?

風力発電機はご存じのように風の力で羽根を回して発電する機械です。
風のエネルギーを100%電気に変えることが出来たときは、風は止まっていなくてはなりません。
なぜなら羽根に当たった風が止まったときに、風のエネルギーは100%消費されたと考えられるからです。
ところが風が風力発電機を回すためには、羽根に当たった後も、羽根をいくらかのスピードで通り過ぎなければなりません。羽根の後で風が止まっているとは考えられないからです。
従って羽根を通過した風はいくらかのエネルギーを持っているはずで、風力発電機のエネルギー変換効率100%は理想状態(回転軸のベアリングの摩擦がゼロ等)でもあり得ないことになりませんか?
このことについてお答え下さい。

Aベストアンサー

>> 普通に考えたら、風を最大限に利用しようとするなら
>> 風が残らず当たるように多くの羽根があって

 そのイメージは全く正しいので、思索の基本の一つとしてよいでしょう。ただしその力は回転面を真正面から押す力、ベクトル的に翼の回転方向と垂直であることも同時に覚えておこう。 そして回転力(トルク)はそれと簡単な比例関係にあるので、回転力(トルク)もおおよそそんな傾向だと思ってよい。

 風車が回ってる光景は、翼が青空に描くスカスカな円があってその中を細身の翼が動いている。円の面積と翼の面積の割合をs(solidity)と書く。
  s = 翼の長さ×幅×枚数 / π×翼の長さ^2

 風車が得るトルクは分かったとして、ではトルク=パワー だろうか? そうではない、ロケットで書いたのと同じで、パワー=力×スピード なのだ。力をいっぱい得ようとして流れを遅くしてしまうと翼のスピードが落ちるので、トルク最高な所はパワーが低いのだ。両者をかけたものが最大になる所を近似理論で計算すると、流れを1/3だけ遅くした場合になる。



 「風車は1枚翼が…」の理由;
 次に、グライーダーが飛んでる光景を想像しよう。上昇気流の中をクルクル回りつつ高度をあげていくグライダーは翼がとても細長い。そして風車も翼が細長い。なぜグライダーは翼を細長くしてるのか?テレビの「鳥人間大会」に出場する記録狙いの機体も例外なく細長い翼だ。強度のリスクがあるのに必死で細長く作る訳は。

飛行機の翼表面の圧力は上面が周囲より低く下面が周囲より高いのは知ってると思う。この圧力差が揚力だ。しかし翼の端では、圧の高い所から周囲に出て行き、低い所へは周囲から入り込み、圧力差が減って揚力を損してるのだ。そこで(同じ翼面積なら)細長く作れば端が短くなるので揚力損失が少ない。これゆえグライダーなどの翼は細長くしてある。(念のため;幅が広くなったぶん奥行きが短いので マサツ損失は変わらない。)

 風車も翼を使ってるのだから同じことで、(以下の話はすなおに納得は難しいと思うが)枚数が多いほど「圧力が漏れる翼端が長い」のだ。例えば三枚翼の場合、三枚をピッタリ並べて一枚の翼と見なせば「なるほど端の長さが3倍だ」と。効率狙いなら三枚を長くつないで直径3倍で回すべきなのだw

 それでは二枚翼は一直線だから良いのか?;残念ながら二枚翼には端が二つある。一枚翼は端が一つなのだ。なぜなら回転中心に近いほどスピードが小さいゆえ。(もう気付いてると思うが飛行機のプロペラと同じなので理論的な事を知りたければその方面の本を当たればよい。)


 というわけで、効率は流速を1/3だけ使う場合が最高、のほかに、翼の枚数が少ないほど損失が小さい、ゆえにこの2者を両立させたものが最良ということになる。その答が現実に見る風車のあのヒョローンと細長い姿なのだ。



>> なぜ三枚翼が多い

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 一枚翼。
真正面から受ける空気力が軸を曲げようとしてるのは素人目にも明らかである。そのほかは二枚翼と同じ。
 二枚翼。
真正面からの空気力のバランスは良い。三枚翼より効率が良いからできれば使いたいのだ。しかし(難しい話になるが)慣性モーメントがアンバランスなのだ。翼の方向にはあるがその直角方向には無い。斜めの風を受けたとき変に曲げる力が生じる状態がある。ヘリコプターのローターが同じ二枚翼なのは知ってると思うが、ローターの付け根にはこの力に対処したフライングヒンジという「ちょうつがい」を使っている。それが無い時代は姿勢を崩して墜落したらしい。風車も同じようなヒンジを付けるのが保守メンテナンス的に面倒なのか、台風などを考慮すると軸受けが大げさになるからなのか、よく分からないが現在のところあまり普及してない。
 三枚翼。
上記のバランスがよい。この一言に尽きるらしい。ヒンジなど使ってないので安くできるのかも。そのほか回転が遅いので風切り騒音が少ない(パワー=力×スピード)

>> 普通に考えたら、風を最大限に利用しようとするなら
>> 風が残らず当たるように多くの羽根があって

 そのイメージは全く正しいので、思索の基本の一つとしてよいでしょう。ただしその力は回転面を真正面から押す力、ベクトル的に翼の回転方向と垂直であることも同時に覚えておこう。 そして回転力(トルク)はそれと簡単な比例関係にあるので、回転力(トルク)もおおよそそんな傾向だと思ってよい。

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最近は風力発電の羽根車をしばしば見かけます。判で押したように必ず3枚羽根です。しかもゆっくりゆっくり回っています。あんなにゆっくり回るならば3枚羽根を
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Aベストアンサー

まず、1つは羽根の枚数が少ない方が発電効率はいいという事があります。

http://www.e-kaze.biz/shikumi.html

などを参照してみてください。

質問者さんの考えられるように、羽根の枚数が多いほうが起動トルクは大きくなります。

しかしながら、仮に風力の100%を発電できる風車があったとすると、風車の真後ろの風速は0になってしまい、発電効率がよすぎると、風をせき止めてしまうことになってしまいます。

そのため、起動トルクが大きい事が必ずしもいいことではないというのがお分かりいただけるかと思います。
むしろ、発電の場合はトルクよりも回転速度が重要になります。

そのため、風車などの動力として用いるものにはトルクの大きい羽根の枚数が多いものが使われます。

また、3枚羽根は、安定性が高く、振動が発生しにくいために一般的に主流になっています。


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