風力タービンにはなぜ 3 枚のブレードが必要なのでしょうか?これは風力エネルギー変換の効率に関係している

昔ながらの扇風機は3枚の羽根で構成されています。

数日前、家にあった古い扇風機がついに壊れてしまったので、新しいものを購入しました。このファンは、従来の扇風機のように 3 枚の羽根だけではなく、多数の小さな羽根で構成されています。このデザインは、従来の扇風機よりもはるかに見栄えが良いようです。同時に、もう一つの疑問も思い浮かびました。それは、風力発電に使われる風車は例外なく3枚のブレードで構成されているということです。これはなぜでしょうか?エネルギーは無から作り出すことはできないので、風力発電は無から電気を作り出すことはできません。単純にエネルギーを変換し、風力エネルギーを電気エネルギーに変換します。エネルギーの変換なので、必然的に変換効率という問題が伴います。風力エネルギー変換率は、風力と風速という 2 つの要素に密接に関係しています。

風力エネルギー変換力は風力×風速に等しくなります。

ここで、風力タービンには非常に多くのブレードがあり、気密ディスクを形成していると仮定しましょう。現時点での風力エネルギー変換効率はどのくらいですか？基本的にゼロです。なぜなら、風車が気密ディスクになると、ディスクに作用する風力は確かに最大に達することができますが、風はディスクを通過できず、ディスクの周りを回るだけなので、ディスクに作用する風速はゼロになります。いかなる数にもゼロを掛けるとゼロになるため、風が強くても風速がなければ変換することはできません。風力エネルギーを電気エネルギーに変換するには、風が早く通過できるように羽根の数を減らす必要があることがわかります。羽根の数が減ると、風速は徐々に増加し、作用する風力は徐々に減少します。最大の変換電力を達成するには、バランスポイントを見つける必要があります。

さて、風力タービンはすべて 3 枚のブレードを備えているので、ブレードが 3 枚あると風力エネルギーの変換効率が最も高くなるからだろうとお考えのことでしょう。実際にはそうではありません。

実際、計算によれば、風力エネルギーの変換効率は 4 枚のブレードを使用した場合に最も高くなります。もしそうなら、なぜ風力タービンには 4 枚ではなく 3 枚のブレードが付いているのでしょうか?問題に遭遇したとき、科学的原理で答えが見つからない場合、その答えは別の要素、つまりお金に関係しているはずです。風力モーターは扇風機ではありません。動作中は大きな力と曲げモーメントに耐える必要があるため、製造に使用する材料は非常に強度の高いものでなければなりません。現代の大型風力タービンのブレードでは、通常、縦梁として鋼管または D 形鋼が使用され、横梁として鋼板が使用されています。内部は発泡プラスチック板で満たされ、外側はグラスファイバーの皮で覆われています。

風力タービンのブレードは高価なので、ブレードを 1 枚追加するとコストが大幅に増加します。

多くの人々にとって、風力発電は無料です。結局のところ、風は無料なので、それを利用したほうが良いでしょう。しかし、実際には、風力発電には風力モーターの製造コストと使用中のメンテナンスコストの両方を含むコストも計算する必要があります。刃が 1 枚増えるとコストが大幅に増加するため、当然、それだけの価値があるかどうかを計算する必要があります。明らかに、その結​​果は価値がないため、3 枚のブレードが風力タービンの標準構成になりました。 3枚のブレードは風力タービンの主な特徴です。さらに、風力タービンには「遅い」というもう一つの特徴があります。どこに建てられたか、風がどれだけ強いかに関係なく、風力タービンの回転速度は常に遅くなります。何故ですか？

一般的に、風力タービンは毎分約7〜12回転の速度で回転します。常識的に考えて、この速度では電気を生成できないと考えられますが、実際その通りです。

風力タービンで発電するには、回転速度を上げるために内部にギア機構を設置する必要があります。ギア機構の速度変更により、風力モーターの内部速度は通常毎分1500回転以上に達することができ、これは大幅な改善です。ここで疑問になるのは、高速が求められるのに、なぜ風力タービンのブレードをもっと速く回転させないのか、ということです。二次速度変更にギア機構を使用するのはなぜですか?回転速度が速くなるほど、ブレードの強度要件も高くなるため、回転速度を制限する理由の 1 つは損傷を避けることですが、これが主な理由ではありません。

風力エネルギー変換効率は、風車に作用する風力と風車を通過する風速に関係しており、風力と風速はブレードの数に直接関係しています。しかし、ここで言う「ブレードの数」は、スポーツの観点から見る必要があります。

風力タービンには3枚のブレードしかありませんが、回転速度を上げると、実際の効果は複数のブレードと同等になります。例えば、風力タービンが非常に高速で回転すると、風を完全に遮断できるディスクになります。このとき風速はゼロであり、風力エネルギーを電気エネルギーに変換することはできません。風力タービンにブレードを 3 枚取り付けるだけでは十分ではないことがわかります。また、回転プロセス中に、実際の効果が常に 3 枚のブレードの効果であり、回転が速すぎて 4 枚、5 枚、またはそれ以上のブレードにならないようにする必要があります。

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