概念と仕組み
空気の流量は、ρAv であり、単位質量あたりの空気の運動エネルギーは v²/2 です。これらの2つの要素を掛け合わせることで、利用可能な風のエネルギーが得られます。
空気からエネルギーを取り出すと、後方の空気の流れが弱まります。もし完全に空気を停止させると、連続した流れを維持できなくなり、回復率を制限します。
関係式と成立条件
P = ½ρAv³Cp、および円形のローターの面積は πr² です。理想的なアクチュエーターディスクにおけるBetz係数の理論的な限界は、Cp ≤ 16/27 です。
実際のタービンは、起動、定格、風速停止の特性、および電力損失を示します。したがって、実際の電力出力は、すべての条件下で風速の3乗として、連続的に増加するわけではありません。
仮想実験で読み取る変化
半径と出力係数が同じなら、風速を2倍にすると電力は8倍になります。
一様な定常風のローターモデルです。起動、定格出力、強風停止、発電機損失を省略し、実機の出力曲線とは異なります。
重要な関係式と記号
P = ½ρπr²v³Cp · Cp ≤ 16/27
| 記号 | 意味 | 単位 |
|---|---|---|
| Cp | 風力エネルギー回収の出力係数 | 単位なし |
| A | ロータの掃引面積 | m² |
| v | 上流の風速 | m/s |
例で確かめる
風速が同じとき、半径を2倍にすると電力は何倍ですか？
4 · 半径と出力係数が同じなら、風速を2倍にすると電力は8倍になります。
よくある誤解
- 風力発電の限界は、風速の限界ではなく、理想的な条件下で回収可能な風エネルギーの比率の限界です。