風力発電の風車はなぜ巨大でなければならないのか？

風で風車に直結した発電機を回して発電を行う風力発電は、気候変動の原因となる二酸化炭素やメタンガスなどを排出しない再生可能エネルギーとして期待されています。しかし、風力発電に使われる風車は非常に巨大であり、設置できる場所が限られていることが風力発電のデメリットの1つだといわれています。なぜ風力発電用の風車は巨大でなければならないのかについて、身の回りの科学を解説するYouTubeチャンネル・minutephysicsがムービーで説明しています

The Physics of Windmill Design - YouTube

風力発電は、19世紀末に誕生しました。最初期の風車は羽根の枚数が多く、直径も20m弱といったサイズでした。しかし、時代の流れと共に風車は巨大化し、現代では羽根の直径が100mを超えることもあります。また、また、羽根の枚数も2～3枚に減り、羽自体の形状も細長いものへと変わりました。

羽根に関する「全体の巨大化」「枚数の減少」「1枚あたりの鋭角化」という3つの進化には、物理学上の理由があります。

まず風車全体が巨大化する理由は、単純に風車の直径が大きければ大きいほど風車を回す力が増え、起電力が増加するためです。

そして、地上に近い部分は建物や地形などに風が阻まれてしまうため、効率良く風を受けるためには風車をより高いところに設置する必要があります。

より効率のいい風力発電を目指すためには、風車はより高く、より大きくなることが求められるというわけです。

さらに、風力発電を語る上で避けて通れないのが「ベッツの法則」という物理法則です。ベッツの法則は風車や水車が流体の運動エネルギーから取り出すことのできる最大のエネルギーを計算するための公式で、風力発電における理論上の最大エネルギー変換効率が59.3％であることが数学的に求められます。

59.3％という変換効率に近づくためには、「できるだけ多くの風を受けながら、風車を速く回す」ことが求められます。空気抵抗を可能な限り少なくしながら風の力を回転に変えるためには、「狭い羽根で速く風車を回す」あるいは「広い羽根でゆっくりと風車を回す」という2つのアプローチが存在します。

風車は直線的な風のエネルギーを回転に変換するということであり、これは「空気にねじれを加える」ということを意味します。風車の後ろの空気には渦巻く気流が発生しますが、風車が風のエネルギーを100％得られるならば気流が発生しないと考えられるため、この気流の回転エネルギーは言い換えれば「風車で吸収できなかったエネルギー」ということになります。

つまり、風車の後ろに発生する気流の渦巻きが少ないほど、風車の変換効率が優れていることを意味します。

加えて、風車の速度もエネルギー変換効率に大きく影響を与えます。例えば以下の図のように、移動する三角形の台の斜面にボールを落とした時、ボールは跳ね返って左側に転がっていきます。そして、台の移動速度が速いほど、ボールが左側に転がる距離は短くなります。これは、台の移動速度が速いほど、落下するボールのエネルギーを多く吸収することを意味します。

したがって、「風車の羽根は速く回転する方が、回転エネルギーのロスが減る」ということになります。理論的には、風車の回転速度は風速の5倍以上であることが求められるそうです。

加えて、羽根が広くなって枚数も多くなると、重くなって風車の回転速度が落ち、コストもかさんでしまうため、「細く狭い羽根が2～3枚」というスタイルが現代の風車に採用されるようになりました。

以上の理由から、より効率のよい風車を実現するには「狭い羽根3枚で速く風車を回す」というアプローチを採用するべきだというのが現代の考え方となっています。その結果、現代の風力発電の風車は巨大なものとなり、薄く狭い羽根が高速で回転するように設計されているというわけです。