風力タービンのブレードはこんなに薄いのに、どうやって電気を生み出すのでしょうか?

天気は日に日に寒くなり、風も強くなってきています。本当に家にいられたらよかったのに。しかし、寒風の中頑張っている人達も実は多いのです。そうです、そうです：

申し訳ありませんが、間違った写真を載せてしまいました。これは次の写真です:

「私は寒いから、冷たい風は怖くない！春、夏、秋、冬、風と踊ろう！」

それは風力タービンです！

ちょっと待ってください、問題に気付いたでしょうか。風力タービンのブレードはとても薄いのです。風車と比較すると、この直感的な対比は非常にわかりにくいです。こんなに小さな風上面から、本当に風力エネルギーを効果的に抽出できるのでしょうか?
このとき、誰かがこう言ったに違いありません。「この葉っぱ、全然薄くないね！」

風力タービンのブレードが現場を横切って運ばれています。画像出典: インターネット

ここで議論したいのはこの比率です！刃の長さや刃の当たる面積に比べると、これは本当に薄すぎます！風は、小型風車や帆船などのように、風上面に直接的な推力を発生させて仕事をすることができますが、ブレードは非常に薄いため、この推力を利用するようには設計されていないのは明らかです。では、どうやって回転するのでしょうか?

この葉をよく見てみましょう。

この葉の形は見覚えがあると思いますか？これは飛行機の翼の形ではないでしょうか？

上は航空機の翼の側面図、下は風力タービンのブレードの側面図です。画像出典: インターネット

ファンブレードが少し太く見えるという事実を除けば、ここでの類似点を疑わずにはいられません。前の図に写っている風力タービンは、飛行機と同じ方法で電力を得ているのでしょうか？さらに、最も自然なアイデアに従うと、風車のように設計して風圧を直接利用するのはどうでしょうか?これらの問題について議論しましょう！

航空機の揚力源

上記の質問を理解するには、まず航空機の揚力の発生源について簡単に説明する必要があります。

すべての主要なプラットフォームでは、航空機の揚力の原理、つまりベルヌーイの定理なのかニュートンの第 3 法則なのかについて人々が議論しているのが見られます。実際、これらの定性的な視点が議論を呼んでいる理由は、因果関係が不明瞭であることと、定量的な分析が不便であることに他なりません。

複雑な境界条件（たとえば、翼の形状は多様であり、実際のシナリオは凧、飛行機、ロケットである可能性もあります）での空力問題は、たとえ 1 つまたは 2 つの原理に要約できたとしても、特定のアプリケーションでは複雑だが不可欠な精密なシミュレーション計算から逃れることはできません。そうでなければ、自信を持って飛行できる航空機を設計することはできません。翼の揚力の定量的な観点は、一般科学ではほとんど議論されていません。

風力タービンの動作を理解するために、これについて簡単に説明し、より単純で効果的な観点（単純すぎるとある程度の厳密さが失われる可能性がある）を示しながら、対応する厳密な定量的な観点を示したいと思います。

翼が空気中を高速で通過するとき、空気は翼に飛行方向の抵抗（空気摩擦抵抗、圧力差抵抗など）と最も重要な揚力の2つの方向の力を及ぼします。前者はエンジンの推力によってバランスが取られ、後者は重力の力とバランスを取って航空機の飛翔を可能にします。

航空機力図

翼が空気中を動くとき、空気は翼に対してどのように流れるのでしょうか?風洞試験により、翼に対する実際のガスの流れは次のようになることがわかります。

小型風洞シミュレーション実験における流線の図解。画像出典: インターネット

つまり、空気は壁に沿って流れる傾向があります。このようなプロセスにより、非常に重要な結果がもたらされます。つまり、空気は翼を通過した後、下向きに偏向されるということです。よく知られた名前「コアンダ効果」を思い浮かべるかもしれません。

それで、ここに簡単な画像があります!大まかに考えると、翼は空気を下方に押し下げるので、空気に下向きの力が加わり、それに応じて翼に揚力が発生します。より単純な状況では、この画像は揚力を生成できるかどうかを判断するための単純な基準として大まかに使用することができ、非常に便利です。たとえば、凧のような薄い板はなぜ揚力を感じるのでしょうか?

平板上を通過する空気の流線の模式図。画像出典：参考文献[1]

たとえば、飛行機はなぜ逆さまに飛べるのでしょうか?翼を反転させると角度を調整でき、コアンダ効果によって空気を下向きに偏向させる効果を生み出すことができるからです。

直感的な観点から見ると、「空気を下方に偏向させる」というアイデアは非常に便利です。もちろん、これは厳密なものではありません。より厳密な流体力学の計算により、実際に揚力を引き起こすのは循環（クッタ・ジュコフスキー循環揚力定理） 、つまりリング誘起揚力または渦誘起揚力であることが示されています（この説明はバナナボールなどにも当てはまります）。翼が前進すると、翼を通過する空気が渦を形成し、それに応じて翼上に反対方向の付着渦が形成されます。この渦が翼に揚力を与えます。「飛行機はなぜ飛べるのか？今日に至るまで、科学者たちはまだ答えを見つけていない」という科学記事がよく出ます。どうしてそんなことが可能なのでしょうか?しかし、理解には一定の限界があり、合意に達するのが難しい可能性もあります。（読むペースに影響を与えないように、詳細は記事の最後にある付録に記載しています。ここでは簡単な紹介のみを行います。どなたでも議論していただけます）。

翼の実際の状況を考えてみましょう。低速翼型は通常、先端が丸く、尾部が尖った形状をしており、翼弦と風速の間の角度が迎え角として定義されます。

迎え角図。画像出典: インターネット

揚力生成の効率を説明するために、飛行速度と翼面積という明らかに比例する項を取り除き、揚力係数を定義します。

ここでは動圧と呼ばれ、は翼の特性投影面積 (3 次元) または特性長さ (2 次元) です。
比較的単純だが十分に一般的なケースでは、ポテンシャルフロー方程式を解くことによって、揚力係数と迎え角の間にかなり単純な関係を得ることができます。

つまり、攻撃 α との角度関係です!これは、小さな迎え角での実験と非常によく一致しています (翼の有限のサイズを考慮すると、比例係数は実際には理論値よりもわずかに低くなります)。

翼の揚力係数と迎え角の関係

しかし！注意深い読者は、迎え角が大きいほど良いということに気づいたかもしれません。迎え角が一定値を超えると揚力係数は急激に低下します。これは、コアンダ効果が失われ、空気の流れが翼に付着しなくなるためです。

翼上の滑らかな気流が乱流に変わり、抗力が増加して揚力が減少し、揚力係数が急落しました。

実際、異なる速度分布ゾーンの翼の形状と原理は大きく異なります。たとえば、亜音速領域、遷音速領域、超音速領域では、それぞれまったく異なる問題を解決する必要があります。内容が非常に充実していて興味深いです（時間があるときに書きます）。上記の議論は音速の 0.3 倍以下に限定されており、風力タービンの場合を議論するにはこれで十分です。このセクションの主なポイントは次のように要約されます。

1. 単純な遠近法（必ずしも厳密ではない）を探している場合、コアンダ効果 + 「偏向した空気」は非常に良い選択です。

2. 厳密な計算により、単純かつ十分に一般的なケースでは、揚力はリングによって誘発され、揚力係数は小さな角度での迎え角に直線的に関係していることが示されています。

3. 迎え角が一定値を超えると失速が発生し、迎え角の増加に伴って揚力係数が急激に減少します。

風力タービンの発電原理

風力タービンの電力の問題に戻ると、上記の航空機の翼とそれに対応する揚力に関する議論の後、誰もが予備的な質的理解を得て、これらの細いブレードと航空機の翼の類似性についても認識したと思います。この風力タービンのブレードのパワーは、飛行機の翼に似た揚力から生まれます。はい、刃の断面を見ると、さらにそれが感じられます。

いくつかの風力タービンブレードの側面断面図。画像出典：参考文献[2]

もちろん、結局のところ、適用可能なシナリオは異なり、従来の航空機の翼の形状とは明らかな違いがあります。この揚力を動力源とする発電機を揚力型風車と呼びます。非常に小さな風上面を利用して発電に必要な強力な電力を供給できるのが特徴です。上記の迎え角と揚力係数の概念を使用すると、揚力発生器の効率を簡単に計算できます。実際の風力タービンの動作では、ブレードが回転していることは容易に想像できます。空気との相対速度を議論する場合、線速度と風速の重ね合わせを考慮する必要があります。

回転ブレードの迎え角分析では、風速と回転の線速度の重なりを考慮する必要があります。画像出典：参考文献[3]

どうでしょう！風力タービンの動力源についての理解が一気に深まりましたか?

このようなファンを設計することには多くの利点があります。設計の観点から見ると、この「薄い」特徴により、大型風力タービンの設計が大幅に容易になります。 1,500キロワットの風力タービンユニットを例にとると、ユニットのブレードの長さは約35メートル（高さ約12階建て）になります。

風力タービンの上に立つと、風力タービンの大きさを実感できます。画像出典: インターネット

さらに重要な利点は、電力網に接続したときの安定性です。天候は変わりやすく、風速も不安定です。電力の観点から見ると、風が比較的弱い場合、ブレードの迎え角を調整することで最適な発電電力を得ることができます。風速が3m/s（顔にそよ風が吹く程度）に達すると、風力タービンは稼働状態になります。つまり、薄くてもパワーは十分あるということです！風の強い日が来ると、風速がどんどん高くなると迎え角が自然とどんどん大きくなり、ブレードが自然に失速状態になることがわかります（ブレードの位置も調整できます）！その結果、電力の安定性が大幅に保証されます。飛行機にとって失速は非常に危険ですが、風力タービンにとっては安定性を保証するものとなります。通常の全電力条件下では、1 日に発電された電力は 15 世帯が 1 年間使用できます。現在主流の送風機は、前述のリフト式送風機です。

では大きな風車を見てみましょう。実際、風の「推力」を直接仕事に利用するケースもあり、これを抵抗型風力タービンと呼びます。大型風車に非常によく似た具体的な実装は、オランダの 4 枚羽根の風車です。

左の写真は帆を揚げた作業状態を示しています。画像出典: インターネット

風車を稼働させる必要があるときは、帆を上げて風上面を増やし、風のエネルギーを非常に効率的に利用することができます。オランダはヨーロッパの西海岸に位置し、風が強い気候と豊富な風力資源に恵まれています。オランダ自体が低地であるため、水を排水し、海と土地を奪い合うためにダムを建設しようとしました。風車は水を汲み上げるのに適した選択肢となりました。それだけでなく、風車は小麦粉を挽いたり、発電したりするためにも使われており、オランダの祖国の建設に消えることのない貢献をしています。実際には、抵抗型ファンにはさまざまな設計があります。

左が水平軸抵抗型風車、右が風上面積が大きい垂直軸抵抗型風車です。画像出典: インターネット

しかし、リフト型ファンと比較すると、2 つの明らかな欠点があります。一方では、風上面が非常に大きいため、大型ファンの製造には明らかに技術的な困難があります。一方、出力電力を安定に保つことは困難です。極端な天候に直面した場合、損傷を避けるために巨大な風上側を折りたたむ必要があり、格納式の設計は間違いなくより多くのリソースを消費します。

今後、風力タービンの設計がさらに最適化され、風力資源がより効率的に利用されるようになることを期待します。

さらに質問：インペラー！

ブレードは流体と連動して運動エネルギーと機械エネルギーの変換を実行します。この素晴らしいプロセスには、なぜ主流の揚力型風力タービンは 2 枚や 4 枚のブレードではなく 3 枚のブレードを使用するのかなど、自然に生じる非常に興味深い疑問が数多くあります。

たとえば、ヘリコプターの揚力の発生源には何か違いがあるのでしょうか?

たとえば、飛行機のエンジンと船のエンジンはどちらも動力を供給するために使われているのに、なぜブレードの構造がそれほど異なるのでしょうか?

もっと身近な例を挙げると、ファンブレードを選択する際にはどのような点が考慮されるのでしょうか?なぜ大きいものもあれば小さいものもあり、多いものもあれば少ないものもあるのでしょうか?

さまざまな回転ブレードが関連付けられている場合、それらの共通点を見つけるのは簡単です。実際、これらにはインペラーと呼ばれる一般的な名称があります。流体とインペラの相互作用には無限の可能性と無限の魅力があります。実際のアプリケーションでは、インペラが非常に広範囲に及ぶことがわかり、目的の原則が異なるため、具体的な実装形式は大きく異なります。スペースの制限があるため、興味のある友人たちに自分で探索してもらうことにします。

最後に、素敵な写真をいくつか紹介します。

垂直軸抵抗ファン。画像出典: インターネット

垂直軸リフト型ファン。画像出典: インターネット

リング状の翼は機械的強度を向上させ、エネルギー消費を削減すると言われています。画像出典: インターネット

添付ファイル:

この部分は、空気力学関連の教科書すべてに記載されています。

翼の実際の状況を考えてみましょう。低速翼型は通常、丸い頭部と尖った尾部の形状をしています。航空機が発進すると、上面と下面を流れていった空気は速度の違いにより渦を巻き、後方に向かって点渦のような構造を形成します。これが始まりの渦です。ヘルムホルツの法則によれば、流体の正味循環は保存されるはずであり、つまり、翼上では反対方向の循環が生成され、翼の上方の流速が翼の下方の流速よりも高くなるという事実を裏付けます。これはまた、ガスが鋭い尾部からスムーズに排出されるというクッタ条件の確立を裏付けています。この条件により、特定の条件下でのポテンシャルフロー方程式を解くことができます。

左: 開始渦の生成。右: 翼に対する空気の流れは、実際には、翼の周りの円形の流れと、翼に沿って偏向する層流の 2 つの部分で構成されていると考えられます。画像出典：参考文献[6]

渦のデモンストレーションを開始します。画像出典：参考文献[7]

理解を容易にするために、当面はより複雑な状況は考慮せず、低速（音速の 0.3 倍以内）、十分に長い翼長（2 次元の問題として扱える程度）、および上記の翼形状に示すように薄い翼を考えます。

まず、単純なケースを考えてみましょう。非圧縮流体では、流体内の円筒のような単純なケースでは、解は均一な流れ、点源、点シンク、双極子などの重ね合わせとして表現できます。

ポテンシャルフローの基本解の模式図

この時点で、物体に作用する力の大きさは循環速度と均一な流れに依存することが非常に明確に計算できます。等角変換などの方法を使用することで、円は、これから説明する翼型のような、平面上のより複雑な形状に変換できます。さらに、揚力係数は迎え角とかなり単純な関係にあることがわかります。

参考文献

[1] 揚力の原理

[2] 袁尚克風力タービンの失速特性に関する研究[D]蘭州理工大学、2016年。

[3] Sanderse B. 風力タービンの後流の空気力学：文献レビュー[M] ECN、2009年。

[4] 風力タービンは回転が遅いのに、一回転でどれくらいの電力を発電できるのでしょうか？

[5] 張林初オランダの風車[J]。世界文化、2008(02):30-31。