風力発電の羽の重さ

Question

風力発電について納得ができません。

あの１枚５トンもある羽がたった風速３ｍで発電ができるそうです。
たった風速３ｍのそよ風にあの巨大な風車が
影響あることが納得できません。

飛行機のように揚力を利用していることはわかりました。
ベストな方向に風車を向けることができることもわかりました。

重くて長いほうが惰性を利用して周り続けられることもわかりました。

周り始めはモーターでまわしてあげていることもわかりました。

でもやはり、そよ風程度の風であの重くて細い羽が
回る手助けになることが納得できないのです。

縁日で売っているかざぐるならそよ風でも回りそうです。
でもあのかざぐるまの羽が５キロあると考えると
とてもそよ風では回りそうにありません。

たとえば、あの風車の軸の部分はとてもぬるぬるしていて
両手で押せば簡単に周るんだよ！だから重くっても大丈夫！
なら納得ができそうです。

どうか、納得できる回答をもらえないでしょうか。

Tann3 · Accepted Answer

日常的な経験ではそう感じますね。でも、純粋な物理の世界ではそうではないのです。

まず、日常的な経験で小さな風では回らないのは、「摩擦」が大きいからです。摩擦は、風車の「軸」と、それを支える「軸受け」との間に発生します。風車が重ければ重いほど、摩擦力も大きくなります。ですから、最初に回り始めるのに、大きな力が必要です。
　だから、「周り始めはモーターでまわしてあげている」のです。

純粋な物理の世界では、通常「摩擦はないものとする」として考えます。そうすれば、どんなに小さな力でも、ゼロでない限りは風車を回すことができます。

風車の羽根が、風から受ける力は、羽根の形状で決まります。材料が軽量プラスチックだろうが、鉄であろうが、木であろうが、表面の粗さによる空気抵抗の違いを無視すれば、同じ形の羽根であれば同じ力を受けます。

このとき、力学の法則で、

F=ｍａ
　　（Ｆ：力、ｍ：物体の質量、ａ：加速度）

ですから、「羽根が重ければ加速度は小さい」「羽根が軽ければ加速度は大きい」ということになります。
　つまり、同じ形で、風から同じ力を受けたときに、重い羽根はゆっくり加速し、軽い羽根は素早く加速する、ということです。

ここまではよろしいですか？

次の日常的な経験との違いは、日常経験では、「風は吹いたり止まったりする」ということです。このような風では、「重い羽根はゆっくり加速」では、なかなか速度が上がりません。「軽い羽根」はよく回ります。
　しかし、純粋な物理の世界で「風速３ｍの風」というのは、1年以上前からずっと「風速３ｍ」で吹き続けている風なのです。（きっと、これからも1年以上「風速３ｍ」で吹き続けるでしょう）
　こういう風であれば、「ゆっくり加速する重い羽根」であっても、少しずつ加速してどんどん回転数が上がります。時間はかかりますが。

ここまでではどうですか？

次に、少し現実的に考えます。如何に純粋な物理の世界であっても、「空気の抵抗」というものが存在します。まあ、ゆっくりした動きであれば、無視しても良いのですが、「羽根の回転数が上がる」と、無視できなくなってきます。（これを考えないと、無限大の回転数まで加速してしまいます。「風によって力を受ける」ということを出発点にしているので、「回転すると空気抵抗を受ける」ことを無視すると論理に矛盾を生じます）
　羽根の表面は風を受けて「回転力」を生じますが、この羽根の「裏面」は、回転すると静止している空気からの抵抗を受けます。この「裏面」の空気抵抗は、回転数が上がるほど大きくなります。
　つまり、「風を受けて生じる回転推進力」が「風速」が一定ならほぼ一定であるのに対し、「羽根の裏面の空気抵抗」は回転数が上がるほど大きくなって行きます。従って、ある回転数まで上がると、「回転推進力」と「空気抵抗」が釣り合って、それ以上回転数が上がらない状態で落着き、一定回転数で回り続ける状態になります。（これは、常識的に理解できますね？）

つまり、「風速３ｍの風」が継続して吹いていれば、「ゆっくり加速する重い羽根」であっても、「素早く加速する軽い羽根」であっても、ある時間が経過すると、「回転推進力」と「空気抵抗」が釣り合った回転数で、一定回転数で回り続ける状態になります。この回転数に達するまでの時間は「重い」「軽い」で違いますが、1年後2年後の長い時間後であれば、どちらも同じ回転数に落着いているということなのです。

結論を言えば、「重い羽根」と「軽い羽根」は、「加速しやすさ」が違うだけで、同じ力を長時間かけ続ければ、同じ回転数で回るようになる、ということです。
　「摩擦は無視」とか、「風速3ｍの風が数年間連続して吹き続ける」といった、超「不自然」な理想状態（＝純粋な物理の世界）を考えれば、それがあり得るということを理解できるのではないでしょうか。

日常的・経験的な思い込みから脱して、純粋な物理の理想的な状態で思考実験してみることで、一見不思議なことも理解できるようになります。現実にはそのようにはならない、ということも事実でありますが。

kohichiro · Answer

私も素人で、何度も巨大な風力発電所を見ていますので、疑問はありました。このご質問はたいそうためになりました。ありがとうございました。
私の回答部分は軸のことです。プロペラの回転中心には軸と軸受があって、その間はぬるぬるの油とおそらく金属球がたくさんはまっていて、お互いに単純な摩擦でなく、転がり摩擦で力を受けているのだと思います。ころがり摩擦は摩擦力はほとんどゼロですから、多分、（発電しないときは）手で羽根を押しても回るくらいの軽さだろうと思います。

しかし、風力発電機は発電せねばなりませんから、単に羽根を回すだけではやくにたたず、発電機を回そうとすれば、かなり重くなるだろうと思います。私はその方が心配でした。

羽根が回るだけなら、おそらく簡単なことだろうと思っていました。なにしろ昔は風の力だけで大きな帆船が外洋をはやいときは２０ノット近くの速さ行き交っていましたし、今は５０トン以上もあるジャンボジェット機がゆうゆうと天空を飛び交います。これらは基本的に風の力です。ですから、結局、どれほどの電気が風力だけで生み出されるのかが私の懸念だったのです。

私の自宅から最も近い大型風力発電所は響灘にありますが、そこにいくといつも１０基ばかりの風車が立っています。そして（運が悪いのか）その風車が回っているのを見たことがありません。

masa2211 · Answer

何か、別情報が混じって混線しているようですが....

本来の問いに対する回答：
＞１枚５トンもある羽
重量が問題になるのではありません。重量当たりの力が問題になります。
例：直径1ｍと直径10ｍで考えます。
直径1ｍを基準にして、形状を全く変えずに10倍に拡大したのが10ｍのものと考えます。
（長さ10倍、幅10倍、厚み10倍）
重量：1000倍。　これはいいですよね？（実は、強度の関係で怪しい。でも、最初はそう考える。）
面積（風を受ける面積）：100倍。　長さ×幅。　厚みは関係ない。
風により受ける力：100倍。面積に比例。
風車を回そうとする力：1000倍。トルクであり、力×腕の長さ。　
風車の回りやすさ：重量当たりのトルクなので、重量1000倍÷トルク1000倍なので、
回りやすさは同じ。
よって、直径1ｍが風速3ｍで回るなら、直径10ｍも風速3ｍで回る。

重量：1000倍が怪しい理由。
寸法が小さい場合、ムクで作ります。一方、直径が大きくなると、骨組みを組んで表面に板を張って， 整形します。そうしたほうが軽くなくから。その意味では、ムクで作ったほうがトルク当たり重量が重くなくります。
次は、骨組みを組んだ同士で比較の場合。
あまりにも巨大となった場合、トルク当たり重量は重くなります。（あまりにも長い吊橋が作れない理由がコレ。）一方、骨組みの表面の板、ですが、たとえば鳥がぶつかった場合とかを考えるから、
板の厚さ＝一定。つまり、板の厚さは1000倍でなく100倍。ただし、骨組（翼の）が1000倍オーバー。

さて、誤解の部分。
＞飛行機のように揚力を利用していることはわかりました。
＞ベストな方向に風車を向けることができることもわかりました。
これは、プロペラ風車のことです。（それしかないので確定）

＞周り始めはモーターでまわしてあげていることもわかりました。
？？？。
始めはモーターでまわすのは、ダリウス型とかジャイロミル型のように
軸が垂直であっって風車かの向きを変える必要が無いタイプの場合です。
（軸が垂直の場合、風上に翼が動く必要があるので、逆回転しようとするポイントがある。ここにはまり込んだ場合、回転しない。尤も、翼の枚数を増やし、翼の形状を工夫することで回避は可能。）
プロペラ風車は、 逆回転しようとするポイントが無いので、始動モーターは必要ないはず。

＞縁日で売っているかざぐるまならそよ風でも回りそうです。
そういうタイプの風車は、風力発電用のプロペラ風車に比べ、幅が広い（羽の幅÷長さ　が広い）です。幅が広いと、微風でも回転するかわりに回転速度が上がりません。よって、幅が広いほうが微風でも回転しますが、それは、幅広の翼だからであって翼が小さいからではありません。
回転速度が遅いタイプの風車は、強風のときの効率が落ちるので、大電力発電用風車としては使われません。

＞風速３ｍで発電ができる
ここも、意味を誤解していそう。
発電する、というのは、  発電機のパワーを与えるということ。すなわち、発電機は、風車の回転を邪魔するということ。これに抵抗できるだけのパワーを風速３ｍで風車から引っ張り出せるということです。発電機を外した場合（＝配線をスイッチで切り離した場合）、風速３ｍといわず、風速1ｍでも楽勝で回るはずです。発電してないから回る意味が無いし、安全のためそいうことは出来ない仕様だろうけど。

wezard733 · Answer

大学で電気・電力関係の勉強をしている者です。

遠目から見るとゆっくりと回っていて、数字的にも風速3m/sと聞くと「そんなもので発電ができるのか」と疑問に思われるのもわからないではないです。

風力発電の場合、得られる出力は理論式から風速の3乗に比例していることが示されます。また、風車はどんな風速でも発電できるわけではなく、風速の最低速度(カットイン風速といいます)が3～4m/s、最高速度(カットアウト風速といいます)が24～25m/sとなっています。風が弱すぎた場合は風車が回らないので発電できないのは想像がつくと思いますが、速すぎてもダメなんです。速すぎるとその分風車を高速回転できるように思えますが、風車の羽根の先端がその分凄まじいスピードになり、音速を超えてしまう可能性があります。この場合、風車の羽根が耐えきれずに粉砕してしまいます。ですので、安全に稼動できる範囲内で運転を行っています。

papabeatles · Answer

風力発電の風車がたくさん並んででいる所を知っていますが、何台かは回っていない風車があります。我が家の近くの風力発電もこんなに風が吹いているのに回っていないと思うこともあります。
　設計道理に旨く動いている風力発電は少ないのではないかと思います。

Kon1701 · Answer

風力発電施設、見学したことがあります。羽根の重さは聞きませんでしたが、羽根の直径は約90ｍと聞きました。イメージとしては、大型ジェット旅客機が回っているようなものですね。一番早く回るときの先端の速度は200Km/hなのだそうです。見学した時は風速5m/sec.位？　最大出力ではありませんが、半分くらい？　発電していたそうです。
3m/sec.でというのは強い風ではありませんが、それなりの風です。多くの人がそよ風と感じるのは1m/sec.以下でしょう。

さて、3m/sec.あれば発電は可能でしょうね。大きければ回るのに強い風がいる、と考えがちですが、実際にはそうではないです。かざぐるまと同じ位身近なものに凧があります。子供の揚げる凧は幅50cm程度だと思いますが、幅2m程度の凧でも同じような風で揚がります。100畳の大凧もありますが、やはり5m/sec.程度の風で揚がります。風の速さは同じでも広い面積で受ければそれだけ大きな揚力になります。100畳の凧も、１畳の凧を100枚並べたようなもの、と考えれば同じ風で浮くことは納得できると思います。もっとも、実際はそんな単純ではなく、100畳の凧は形を維持するために丈夫でなくてはならないので、面積当たりの重さは重くなりますから、少々揚がりにくくなります。でも、１０倍の大きさだから１０倍の風がいるわけではないですね。
もうひとつ、軸の摩擦ですが、長い羽根で回すなら、これは”てこ”の原理で影響が小さくなります。なにしろ40ｍ近く先から回すわけですから。

イメージに訴えるような回答なので納得できるようなものとは違うかもしれませんが、凧で考えれば１０倍の大きさだから１０倍の風がいるものではない、とイメージしやすいかと思います。

kuro804 · Answer

こんばんは

質問者様の懸念には同感です。
多分、まゆつばものです。

そよ風では発電は出来ないでしょう。
ただ、風速３ｍ／秒　はそよ風より少し強そうな風だとおもいますので、軽量の風力発電では十分に働くでしょう。

科学においても直感は大切です。
海に浮いてる大型タンカーが風で高速に動くニュースなどは見たことがありません。

太陽光発電も色々と騒がれていますが、所詮、”自然に優しい省エネ貢献”が売りの原発がらみの政治的イミテーションであり、金持ちの玩具です。

回転体はエネルギーを蓄えます。　フライホイール蓄電というものがあるようです。
モーターで大型回転体を空気の粘性を抑えるために真空状態で回します。電気を取り出すときはこの軸を発電機につなげれば、勢いである時間発電機を回すことが出来るのです。

回転体は回転させるにはエネルギーが必要です。つまり力を加える必要があります。
ではエネルギーを消費しないかといえば消費はせず、回転体の運動エネルギーに変換されていると考えます。　しかし、人力で力を加えれば体力が消耗します。　一方　エネルギー保存の法則って言葉もあります。つまり体力が消耗したのではなく回転エネルギーに変換されたのです。

故に　”科学的”　と唱うものには　”疑念”　を持つのが正しいことです！

科学を全面に出せば　”物を人が動かすのに体力が消耗する”　は否定可能で
堂々と　”消耗なんかさせてはいない”　単に他のカタチに変換しただけである。
世の中　一切の物を人が消耗させるなど　誰にも出来ないことである！　神のみである。

”省エネ”　なんてチャンチャラおかしな話しである　だれがエネルギーを消耗したっていうんだ！　と、あのアインシュタインもいうことでしょう。

エネルギー保存の法則　からいえば　現在社会がエネルギーを無駄に消耗してる　というのは科学的に全くあり得ないのです。

以上　かなり無駄な内容でご容赦下さい。

hg3 · Answer

簡単に言えば、風を受ける面積が大きければ、風から受ける力も大きくなるからです。

例えば、縁日の風車の羽が10cmくらい、風力発電の風車の羽が30ｍくらいだとすれば、長さが300倍なので、面積は90000倍、よって受ける力も90000倍、縁日の風車を回す力の90000倍の力があれば、5ton位のものでも回せることが想像できるのではないでしょうか。

まあ、実際は、縁日の風車と風力発電の風車は羽の形状も、材質も違いますから、このような単純な計算にはなりませんが、イメージとして捉えれば、こんな感じです。

Mokuzo100nenn · Answer

回転運動というのは、質量が移動しないので、大きな仕事量は不要なのです。
（仕事量が必要となるのは軸受け部の摩擦抵抗と発電機の抵抗です。）

大きな仕事量が必要無いので、小さな力でも回転を維持させることができます。
しかし、回転数を増大（＝つまり加速）する為には比較的大きな力が必要になります。

「回転運動では質量が移動しない」ということをよく理解すると巨大な構造物の回転には大きな仕事が必要無いということが分かると思います。

風力発電の羽の重さ

日常的な経験ではそう感じますね。

私も素人で、何度も巨大な風力発電所を見ていますので、疑問はありました。

何か、別情報が混じって混線しているようですが....

大学で電気・電力関係の勉強をしている者です。

風力発電の風車がたくさん並んででいる所を知っていますが、何台かは回っていない風車があります。

風力発電施設、見学したことがあります。

こんばんは

簡単に言えば、風を受ける面積が大きければ、風から受ける力も大きくなるからです。

回転運動というのは、質量が移動しないので、大きな仕事量は不要なのです。

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