風が強くなるほど、風力発電機の出力が際限なく増えるわけではありません。発電を始める風速、一定の出力へ達する範囲、強風のため運転を止める範囲があります。「風があるのに止まっている」という観察だけで、故障だと決めることはできません。
風車の写真では、羽根の大きさに目が行きます。けれど、発電量を比べる問題では、風速と運転した時間も欠かせません。ここでは架空の出力表を使い、一瞬の出力と一日分の電力量を読み分けます。表の数値を実在する機種の性能として使わないでください。
羽根が受け取るのは、動く空気のエネルギー
風車の羽根は、空気の流れから力を受けて回転します。その回転が発電機へ伝わり、電気を作ります。羽根に当たった空気が電線へ入っていくわけではありません。空気の通り道と、電気を取り出す道は分けて描きます。
同じ速さの風でも、羽根が回って掃く円の面積が違えば、受ける風の範囲が変わります。この面積を比べるときは、羽根そのものの細長い面積だけを足すのではありません。回転軸から先端までの長さを半径にした円を考える模型です。実際の出力には効率や制御なども関わるので、面積の比をそのままどの機種にも使うことはしません。
出力のグラフは、区間ごとに読む
教科書的な出力曲線には、風が弱く発電しない区間、風速とともに出力が増える区間、定格出力付近に保つ区間、強風で停止する区間があります。全体を一本の比例の直線に置き換えると、強風時の値を読み違えます。
発電設備は、得られるエネルギーを大きくすることだけでなく、機械を保護しながら運転する必要があります。止まっている時間にも、強風、点検、運用上の都合など複数の理由が考えられます。写真一枚に理由が書かれていないなら、原因は観察した事実とは分けます。
例題1：表にある区間の値を使う
架空の風車では、風速4m/sのとき出力20kW、8m/sでは100kW、12m/sでは100kW、25m/sでは保護のため停止して0kWとします。8m/sから12m/sへ風速が1.5倍になったとき、出力も1.5倍ですか。また、25m/sの出力はいくらですか。
答え・解説： 出力は100kWのままで、1.5倍にはなりません。25m/sでは0kWです。「25は12より大きいから出力も大きい」と補わず、運転条件を含む表の値で答えます。
この表には10m/sの行がありません。ほかにグラフや区間の条件がなければ、10m/sの正確な出力を自由に作ってはいけません。表から確かに読める値と、間をどうつなぐかという仮定は別です。入試の資料でも、与えられた関係を優先します。
例題2：出力が変わる一日の電力量
上と同じ模型で、20kWの運転が3時間、100kWの運転が2時間続き、その後は停止したとします。調べた時間全体の発電電力量は何kWhですか。切り替わりの途中は考えません。
答え・解説： 20×3＋100×2＝260kWhです。出力を足した120kWを、そのまま答えにしません。各区間で出力に時間を掛けてから、同じ電力量の単位で足します。
運転していた5時間の平均出力なら260÷5＝52kWです。ただし、停止時間まで含めた平均を聞かれたら、分母は5時間のままではありません。たとえば停止が5時間なら、全10時間の平均は26kWになります。「平均」の言葉を見たら、何時間分を含む平均かを確認しましょう。
平均風速だけから平均出力を決めない
半分の時間が無風、残りが強風という日と、穏やかな風が続いた日は、平均風速が同じでも運転の様子が違います。出力と風速がすべての範囲で比例しないため、平均風速を表へ一度当てはめるだけでは、平均出力を求められないことがあります。
特に、強風で止まる時間を含む資料では、強い風の値を「よく発電した時間」と読み替えないことが重要です。発電量の記録、停止の記録、風速の記録を同じ時間軸に並べます。どの時間帯を比較したかがそろって、初めて関係を調べられます。
電気を多く作れる場所を考えるときも、一度の突風だけで年間の量は決まりません。平均風速と瞬間風速と電力・電力量を合わせて、速さ・時間・量の三つを整理しましょう。
羽根が回る速さを数えた実験も、電力量を測った実験とは別です。模型の羽根が速く回っても、電気を取り出す回路につながっていなければ、その回転数だけで発電量は求まりません。発電機や負荷をつなぐと回り方自体が変わることもあるため、接続条件を残します。比較する二台で電球の種類を変えてしまうと、明るさの違いを羽根だけの差へ帰すことが難しくなります。羽根の枚数を調べたいなら枚数を、角度を調べたいなら角度を変え、同じ風を当てる位置や時間をそろえる設計から始めましょう。