風力タービンは外部電源なしでどのように電気を生成するのでしょうか

外部電源が存在しない場合、風力タービンは以下の方法で電力を生成することができます。

I. 風力駆動の原理

風力エネルギーから機械エネルギーへの変換

風力タービンのブレードは特定の形状に設計されています。風がブレードを通過すると、ブレードの特殊な形状と空気力学の原理により、風の運動エネルギーがブレードの回転機械エネルギーに変換されます。

例えば、大型の風力タービンのブレードは通常、数10メートル長く、飛行機の翼に似た形状を持っています。風が一定の速度でブレードを通過すると、ブレードの上下面での空気の流れの速度が異なり、圧力差が生じてブレードが回転します。

伝達システムによる機械エネルギーの伝達

ブレードの回転は伝達システムを通じて発電機のローターに伝えられます。伝達システムには通常、ギアボックスや伝達軸などの部品が含まれており、その機能はブレードの低速高トルクの回転を、発電機が必要とする高速低トルクの回転に変換することです。

例えば、一部の風力タービンでは、ギアボックスがブレードの回転速度を数十倍乃至数百倍に増加させることで、発電機の速度要件を満たすことができます。

II. 発電機の動作原理

電磁誘導による電力生成

風力タービンは通常、非同期発電機または同期発電機を使用します。外部電源がない場合、発電機のローターはブレードによって駆動され、スタータ巻線内の磁場を切って誘起電動力を生成します。

電磁誘導の法則によれば、導体が磁場内を移動すると、導体の両端に誘起電動力が生じます。風力タービンにおいて、発電機のローターは導体に相当し、スタータ巻線内の磁場は永久磁石または励磁巻線によって生成されます。

例えば、非同期発電機のローターはスカンクケージ構造です。ローターが磁場内で回転すると、ローター内の導体が磁場を切り、誘起電流を生成します。この誘起電流はさらにローター内で磁場を生成し、スタータ巻線内の磁場と相互作用してローターの回転を継続させます。

自励および電圧の立ち上げ

一部の同期発電機では、初期磁場を確立するために自励による電圧の立ち上げが必要です。自励および電圧の立ち上げとは、発電機の残磁とアーマチュア反応を利用して、外部電源がない場合でも発電機の出力電圧を確立することを指します。

発電機のローターが回転すると、残磁の存在によりスタータ巻線に弱い誘起電動力が生じます。この誘起電動力は励磁回路内の整流器と調整器を通じて励磁巻線を励磁し、スタータ巻線内の磁場を強化します。磁場が増加するにつれて、誘起電動力も徐々に増加し、最終的に発電機の定格出力電圧に達します。

III. 電力出力と制御

電力出力

発電機で生成された電力は、ケーブルを通じて電力網または地元の負荷に送られます。送電過程では、異なる電圧要件を満たすためにトランスフォーマーで昇圧または降圧する必要があります。

例えば、大型の風力タービンで生成された電力は、長距離送電のために高電圧電力網に接続する前に昇圧トランスフォーマーで昇圧する必要があります。

制御と保護

風力タービンの安全かつ安定した運転を確保するためには、制御と保護が必要です。制御システムは、風速、風向、発電機の出力電力などのパラメータに基づいて、ブレードの角度や発電機の回転速度などを調整し、最適な発電効率を実現し、設備を保護します。

例えば、風速が高すぎる場合、制御システムはブレードの角度を調整してブレードの受力面積を減らし、風力タービンが過負荷で損傷することを防ぎます。同時に、制御システムは発電機の出力電圧、電流、周波数などのパラメータを監視し、異常状態が発生した場合は即時に電源を切断して設備と人員の安全を保護します。