風力発電機の羽の形はなぜ細いのですか

質問

風力発電機の羽はなぜあんなに巨大で細いのですか。家庭用扇風機や天井型扇風機の羽根のような小型の羽の発電機にはならないのでしょうか。バードストライクや雑音、強度など問題山積でしょうが、巨大な羽を見るたびに素朴な疑問にとらわれます。少しずつ発電し、新式の蓄電池に溜めて使うというような気楽な技術が本当は期待されないでしょうか。

回答No.9

mokotann

専門家ではないので、詳しくは説明できませんが、

＞なぜあんなに巨大で細いのですか。

　航空機のプロペラの場合、直径が大きくなるほど、効率が高くなります。（低速で、ゆっくり回した方が良いらしい）

＞家庭用扇風機や天井型扇風機の羽根のような小型の羽

　大きくなればなるほど、重くなるので、幅広い羽は不利です。

　上２つの理由から、小型化すれば、効率は著しく低下します。
　直径１ｍの羽と、直径１０ｍの羽では、長さは１／１０ですが、風を受ける面積比では１／１００と１００倍違います。

（かつて、プロペラの専門家、佐貫亦男さんの本を読んだ者です。大変面白い話が書いてあります。難しくないので、興味があれば、是非。）

回答No.8

debukuro

船の舵ですが
前後方向に短く上下方向に長い舵のほうが効きがいいのです
もうひとつは
風速によって回転速度が変化しないようにピッチを可変にしています
幅が広い翼だと風に対する有効な角度がえらる範囲が狭いようです

回答No.7

sailor

オランダの風車と風力発電機の風車の羽は動作原理に少し違いがあるのです。オランダの風車の羽は基本的に平面ですが発電用の風車の羽は飛行機の翼のような断面になっています。どちらの羽でも迎え角を持って、受けた風の向きを変えることによる反動を利用する点では同じですが、翼型の羽では羽に沿って流れる気流による揚力もエネルギーに変換しているのです。そして、この揚力を大きくするには翼の縦横の比率が大きい方が効率が良いのです。これはグライダーが幅が狭く細長い翼を持っていたり、飛行機のプロペラが細長い翼を持っているのと同じです。また、扇風機のような幅広の羽では付け根に非常に大きな捩れが加わり強度的にも非常に不利です。さらに翼型の羽では強風時に羽の取り付け角度を変更した（フェザリングといいます）時に反動によるトルクは減りますが、翼の前から後ろに流れる気流による揚力によって発生するトルクはあまり変化しません。この点でも縦横比の大きな翼型の羽が有利なのです。

回答No.6

mazeran

羽を巨大にするのは、比較的安定した大きな「トルク」を必要としたからではないかと思います。

発電機の回転ムラは発電効率を下げてしまいます。
大きなトルクにより発電機軸を増速させて発電する方が、発電効率は良くなります。
加えて少しでも安定した「風」を受けるためには、地上付近よりも上空の方が風は安定（風向風速とも）します。
あとは費用対効果の問題もあると思います。

仮に大きな羽での発電電力が１００Ｗとしましょう。建設費が１００万円。
小型の風力発電ができたとして、発電電力が１Ｗだったとすると、作られる電力が１／１００になったから建設費も１／１００になって１万円でできるかと言うと・・・できませんよね。

発電する電力や安全性、コスト、効率などなどいろいろな面が考慮されての大きさだと思いますよ。
航空法での昼間障害標識として、赤白に塗られていないところを見ると、航空法にも引っ掛からないように考慮されているのでは？。
（風力発電の場合は、「景観」が優先されているのかも・・・）

巨大な羽の回転効率も考慮すると、空気に対しての抵抗が少ない方がいいわけで、これは飛行機の翼と同じことが言えると思います。（Ｎｏ，５様が書かれています。）
翼端流による「渦」は、羽の効率を著しく低下させます。
あと回転中の抵抗を下げるためにも、細い方が抵抗は小さくなります。
しかしあまり小さくすると、今度は風を受けて力を得るための「羽」としての効率が下がりますので、バランスを考えながら決められた太さなのだと思います。

回答No.5

oneone101

飛行機や鳥の翼と同じでしょう。
翼の一番端っこに翼端渦という渦ができてそれが抵抗になる。
翼を細く長くすれば端っこの比率が薄まって効率が上がる。
人力飛行機やアホウドリの翼が細く長いのはこのため。

恒常的に風が吹く土地は限られるのでわざわざ効率の悪い
翼を使って無駄に土地の面積を消費するわけにはいかない。

回答No.4

BASKETMM

答えになっていませんが、一言。
羽根の幅と羽根の間隔の比をピッチコード比 (pitch chord ratio) と呼びます。当たり前ですが、この値は羽根の先端と根本でも異なります。最適な値（効率を最大にする値）は、風速、回転数によっても異なります。こんな事を理論や実験によって研究した結果が、現在の発電用風車の形でしょう。

この辺の質問を記事を書いている新聞記者にも出しているのですが、答えを貰っていません。メーカーにも聞いてみるつもりです。
明確な説明が欲しいですね。

お礼

何人もの方から早速のご教示をいただき感激しています。昔、戦時中の思い出ですが、映画館で飛行機の風洞実験とかいうのを見てあこがれたものでした。翼の上の線と下の線に沿って気流がどう変化し揚力がでるかなど面白かったです。また潜水艦がどうして潜航、浮上するかなども模型で見て納得したものです。年齢がわかりますね。今なら、分かりやすく楽しい動画の説明ができそうですね。理科の教材としても、昔、１６ミリ映画を小学校の理科室で見たものを一生おぼえていて時々おもいだすことを思えば、さまざまの困難を妥協しながら乗り越えていく努力を次の世代に伝える工夫も素敵な教材になるでしょう。ぜひお願いしたいと思いました。皆様ありがとうございました。

回答No.3

tance

回答でなくて済みませんが、多分関係する例が飛行機のプロペラ
です。飛行機のプロペラも細いですが、扇風機は幅広です。
飛行機は台風の強風を考慮したものではなさそうですから
流体力学的何かがあるのだろうと思っています。

私も明確な回答を期待しています。

回答No.2

info22

扇風機のように羽根を広い面積にすると、台風などの風の風圧を支えきれず、風車の鉄塔が倒れてしまうでしょうね。

電柱の電線が台風の風圧で風に引っ張られて、電柱が倒れることがたまに起こります。電柱でさえ、電線が台風の風圧を受けて転倒します。
まして、風車の羽根にかかる風圧が、風車の支柱にどの位になるか考えてみてください。風力発電の羽根の長さは50m前後あります。台風のときなどには羽根の自重と風により受ける風圧が羽根の付け根にかかること、またそれらの羽根の風圧の合計が支柱の先端にかかります。てこの原理で
(支柱の先端にかかる力)×(支柱の長さ)
のモーメント（巨大な支柱を転倒させようとする力）が支柱の地面の支え部分にかかります。
なので、できるだけスリムな羽根にしないと羽根の付け根部分で羽根が折れてしまったり、支柱が地面の土台ごと転倒してしまいます。
過去にも転倒が羽根の脱落事故があって、現在のスリムな羽根の形状になったというわけですね。

回答No.1

Willyt

オランダの風車のように羽根が大きいと沢山風を捉らえられて発電効率がよくなりますが、問題は強風によって羽根が壊れることです。壊れたときには高い位置にあるので修理が大変なので長い期間発電が止まってしまいます。ですから強風で壊れない設計をするとあのような形になってしまうのだそうです。