1. 風力発電の ABC - 桜美林大学

1. 風 力 発 電 の ABC

1.1. は じ め に

2003 年 3 月 ，東 京 お 台 場 に 東 京 臨 海 風 力 発 電 所『 東 京 風 ぐ る ま 』が 完 成 し た こ と も あ り ， 風 力 発 電 は 一 般 の 人 々 の 関 心 を 集 め て い る ． ま た ， 風 力 発 電 は 次 の 理 由 か ら 児 童 ・ 生 徒 の 興 味 を 引 く 科 学 ・ 技 術 の テ ー マ で あ る ．

① 自 然 エ ネ ル ギ ー で あ る ．

② 風 車 は 目 で 見 て 直 感 的 に 理 解 で き ， そ の 動 作 を 実 感 で き る ．

③ 電 力 は 毎 日 の 生 活 に 利 用 さ れ て い る ．

そ し て ， 風 力 発 電 を 利 用 し て ， 次 の よ う な 分 野 の 知 識 を 具 体 的 に 指 導 で き る ． ま た ， 科 学 技 術 に 関 す る 興 味 を 持 た せ る こ と が で き る ．

① 気 象 に 関 す る 興 味 と 理 解 の 増 大 ．

・ 気 象 と 風

・ 風 の エ ネ ル ギ ー

・ 日 本 の 風 と 世 界 の 風

② 電 気 ・ 機 械 技 術 へ の 興 味 と 理 解 の 増 大 ．

・ モ ー タ ー と 発 電 機

・ 電 力 と 電 力 消 費

・ 発 電 所 と 電 力 供 給

・ 生 活 と 電 気

③ 科 学 と 社 会 の 理 解 の 増 大 ．

・ 風 力 発 電 と 地 球 環 境

・ 風 力 発 電 と 経 済 （ ビ ジ ネ ス ）

こ の よ う な 知 識 を 教 え ， 科 学 技 術 に 対 す る 興 味 を 増 大 さ せ る の に は ， 風 力 発 電 シ ス テ ム に 関 し て 次 の 点 を 特 徴 と す る 教 材 を 用 意 す る こ と が 有 効 で あ る と 考 え る ．

① 電 気 関 連 の 基 礎 知 識

風 力 発 電 の 基 礎 知 識 で は 羽 根 や 制 御 機 構 だ け で な く ， 発 電 や そ の 電 力 利 用 の 電 気 回 路 に 関 す る 内 容 を 盛 り 込 む ． 通 常 ， 電 気 関 連 の 知 識 は 物 理 で 学 習 す る ． し か し ， そ の 内 容 は 基 礎 的 で あ り ， 高 校 生 が 普 段 利 用 し て い る パ ソ コ ン や 携 帯 電 話 な ど の 電 気 ・ 電 子 技 術 と は 大 き く 乖 離 し て い る ．そ の た め ，多 く の 高 校 生 に と っ て ，高 等 学 校「 物 理 」に お け る「 電 気 」 に 関 す る 学 習 内 容 は ， 身 近 で は な く 興 味 を 持 ち 難 い ． 風 力 発 電 は ， 発 電 や 応 用 電 子 回 路 の 体 験 を す る 良 い 機 会 を 与 え る ．

② イ ン タ ー ネ ッ ト 利 用 の 調 査 分 析

風 力 発 電 の 環 境 へ の 貢 献 や ， Wind Firm 会 社 の 投 資 ・ 回 収 ビ ジ ネ ス 計 画 な ど を 課 題 と し

③ 風 力 発 電 の 工 作 ・ 利 用 体 験

ペ ッ ト ボ ト ル や 模 型 用 モ ー タ を 使 っ て 風 力 発 電 機 を 実 際 に 作 る 体 験 は 面 白 く ， 遊 び 感 覚 で 風 力 発 電 の 原 理 を 理 解 で き る ． ま た ， 小 型 風 力 発 電 機 を 学 校 又 は 自 宅 で 利 用 し ， 結 果 を 分 析 す る 体 験 は ， 風 力 発 電 の 有 効 性 の 判 断 ， 利 用 用 途 の 発 案 な ど に 関 連 付 け ら れ る ．

1.2. 風 力 発 電 の 基 礎 知 識 1.2.1. 電 気 と 電 力

生 徒 は 環 境 問 題 ， と く に 地 球 温 暖 化 や CO₂ ガ ス に 関 し て は 関 心 が 高 い ． そ こ で ， 日 本 全 体 で は ， ど の く ら い 発 電 し ， 発 電 の た め に ど の く ら い CO₂ガ ス を 排 出 し て い る か を 知 っ て も ら う ． 普 段 ， 無 意 識 に 使 っ て い る 電 力 量 を 知 り ， そ の 電 力 量 が 如 何 に 大 き い か を 身 体 的 に 理 解 し て も ら う ．

Step 1. 電 力 の 単 位 や 定 義 を 説 明 す る ．

表 1-1. 電 気 の 学 習 の 復 習 身 近 な 電 力 ち ょ っ と 復 習

瞬 間 電 力 W[W] = V[V] × I[A]

電 力 P[Wh] = W[W] × t[h]

1 ワ ッ ト 1[W] = 1[J/s]

1 カ ロ リ ー 1[cal] = 4.2[J] = 1[Ws]

接 頭 語 k: 10³, M:10⁶, G:10⁹, T:10^{1 2}

Step 2. 日 本 の 発 電 総 量 と そ れ が ど の く ら い 環 境 に 負 荷 を か け て い る か ．

日 本 の 発 電 総 量 は 8000 億 kWh=800TWh で あ る ． 電 力 の 使 用 端 CO₂ 排 出 原 単 位 が 0.37kg-CO₂/kWh で あ る ． こ れ は ， 日 本 の CO₂総 排 出 量 の 23%に 当 た り ， 大 き な 環 境 負 荷 で あ る ．

表 1-2. 基 礎 知 識 ： 発 電 と 二 酸 化 炭 素

発 電 と CO₂（ 1999 年 度 ）

日 本 の 総 発 電 量 8000 億 kWh = 800 TWh 使 用 端 CO₂排 出 原 単 位 0.37 kg CO₂/kWh

CO₂総 排 出 量 3.02 億 t-CO₂(23%)

自 然 エ ネ ル ギ ー に よ る 発 電 風 力 ， 水 力 ， 太 陽 ， 地 熱 ， 波 ， バ イ オ マ ス

図 1-1. CO₂と 気 温 の 関 係 （ http://www.jccca.org/）

Step-3 身 近 な 電 力 使 用 ．

32 イ ン チ TV は ，待 機 電 力 2W，使 用 時 220W で あ る ．こ の テ レ ビ を 毎 日 ４ 時 間 見 る と 0.44kWh の 電 力 消 費 と な り ， 0.33kg の CO₂ を 排 出 し て い る こ と と な る ． 二 酸 化 炭 素 排 出 量 は ， 0.37[kg-CO₂/kWh]で あ り ， 家 庭 電 力 料 金 は ， 21 円 /kWh で あ る ． 年 間 消 費 電 力 は 5000kWh = 1850 kg-CO₂と な る ．

表 1-3. 身 近 な 電 力 ： 家 電 品

待 機 電 力 [W] 消 費 電 力 [W]

32 イ ン チ TV 2 220

デ ス ク ト ッ プ PC 1 123

PS2 － 50

Step-5 人 力 発 電 機 の 体 験 ．

手 回 し 発 電 機 と 自 転 車 発 電 機 の 発 電 量 は ， そ れ ぞ れ 0.1W， 50W 程 度 で あ る ． こ れ ら の 体 験 か ら 32 イ ン チ Ｔ Ｖ の 電 力 消 費 量 が い か に 大 き い か ， 身 体 的 に 理 解 で き る ．

図 1-2. 人 力 発 電 機 の 例 （ 左 ： 手 回 し 発 電 機 ， 右 ： 自 転 車 発 電 機 ）

1.2.2. 風 力 発 電 シ ス テ ム

風 力 発 電 の 記 事 や カ タ ロ グ を 理 解 す る の に 必 要 な 基 礎 知 識 を 紹 介 す る ．

Step-1 風 力 発 電 シ ス テ ム の 概 要 ・ 部 位 名

Step-2 風 車 の 種 類

垂 直 軸 型（ ダ リ ウ ス 型 ）は 風 向 に 依 存 し な い ．そ し て ，点 検 も 容 易 で あ る ．水 平 軸 型（ プ ロ ペ ラ 型 ） は 安 定 し た 風 の 場 合 ， 発 電 容 量 が 大 き い ． ま た ， 羽 根 は 抵 抗 型 と 揚 力 型 に 分 類 す る こ と も で き る ．

図 1-5. 風 車 の 形 （ 左 ： ダ リ ウ ス 型 ， 右 ： プ ロ ペ ラ 型 ）

風 力 発 電 機 か ら 取 り 出 さ れ る 風 エ ネ ル ギ ー は 次 式 で 表 現 で き る ．

P = ρ V

³

× A × η

2

1

こ こ で ， ρ は 空 気 の 密 度 で 1.2×10^{- 3} g/cm³， V は 風 速 （ m/s）， A は 受 風 面 積 （ m²）， η は 効 率 で あ り 最 大 で 60％ で あ る ．

Step-3 風 力 発 電 シ ス テ ム の 性 能

風 速 に 対 す る 発 電 量 の 出 力 特 性 グ ラ フ を 用 い て ， Cut-in 風 速 ， Cut-out 風 速 ， 定 格 出 力 な ど の 定 義 を 説 明 す る ．

図 1-6. 風 力 発 電 機 の 出 力 特 性 グ ラ フ

Step-4 日 本 の 風 況 と 風 力 発 電 立 地

年 間 平 均 風 速 5m/s 以 上 の 地 域 が 風 力 発 電 に 適 し て い る と 言 わ れ る ． 風 況 マ ッ プ を 示 し ， ど の よ う な 場 所 で 風 が 強 い か ， ま た ， そ れ は な ぜ か を 説 明 す る ． さ ら に 現 状 の Wind Firm を 紹 介 す る ． 最 後 に ， 身 近 な 場 所 の 何 処 が ， 風 力 発 電 立 地 と し て 適 し て い る か を 考 え さ せ る ． 例 え ば ， NEDO の 風 況 マ ッ プ を 利 用 し て ，「 ど こ に 作 ろ う か ？ 」「 高 さ は ？ 」 な ど の 演 習 を 行 う ．

図 1-7. NEDO の 風 況 マ ッ プ （ http://www2.infoc.nedo.go.jp/nedo/index.html）

1.2.3. 電 磁 誘 導 と 発 電

風 力 発 電 関 連 の 本 な ど で は ，羽 根 や 風 力 特 性 な ど に つ い て 詳 し く 述 べ ら れ て い る が ，発 電 機 や 電 力 回 路 部 分 に 関 す る 情 報 は 少 な い ． そ こ で ， 発 電 機 や 電 力 回 路 部 分 に 関 す る 基 礎 知 識 を ， 高 校 物 理 程 度 の 知 識 を 前 提 に 説 明 す る ．

Step-1 電 磁 誘 導 と 発 電 機 の 仕 組 み Step-2 発 電 機 の 種 類

誘 導 発 電 機 と 直 流 発 電 機

Step-3 直 流 発 電 機 か ら 電 力 を 取 り 出 す

模 型 用 直 流 モ ー タ は 直 流 発 電 機 と し て 利 用 で き る ．こ れ を 用 い て ，豆 電 球 を 点 灯 し た り 充 電 す る 電 子 回 路 を 紹 介 す る ． こ れ ら 回 路 は 簡 単 に 作 成 で き る の で ， 教 室 で 作 ら せ る こ と も 可 能 で あ る ．

1.3. 課 題 研 究

イ ン タ ー ネ ッ ト に 関 連 基 礎 デ ー タ は 豊 富 に 存 在 す る ． 情 報 が 豊 富 な Web Site を 紹 介 し ， そ こ か ら 得 ら れ る デ ー タ を 加 工 す る こ と に よ り ， 次 の よ う な 課 題 に 対 し て 回 答 ・ 提 案 を 考 え さ せ る ．

① 風 力 発 電 は ， 環 境 問 題 へ 貢 献 す る か ？

発 電 に よ る CO2排 出 を 削 減 す る に は ，風 力 発 電 だ け で な く ，太 陽 光 ，地 熱 ，水 力 な ど の 自 然 エ ネ ル ギ ー 利 用 や 原 子 力 発 電 が 考 え ら れ る ． ま た ， 節 電 の 実 行 も 必 要 で あ る ． こ の よ う な 事 を 説 明 し ， 発 電 CO2削 減 の た め の 方 策 を 調 査 ， 立 案 さ せ る ．

③ 儲 か る 風 力 発 電 シ ス テ ム の 経 営

東 京 臨 海 風 力 発 電 所 『 東 京 風 ぐ る ま 』 級 の Wind Firm を 作 る 場 合 ， 投 資 ・ 回 収 の 経 営 が 成 り 立 つ か ど う か を 検 証 さ せ る ． ま た ， Wind Firm が 経 済 的 に 成 り 立 つ た め に は ， ど の よ う な 技 術 開 発 ， コ ス ト 低 減 あ る い は 法 律 が 有 効 か 考 え さ せ る ．

1.4. 風 力 発 電 の 製 作 と 利 用

1.4.1. さ ま ざ ま な 風 車 を 作 っ て み よ う

ケ ン ト 紙 や ス タ イ ロ フ ォ ー ム を 使 っ て 各 種 羽 根 を 作 り 比 較 体 験 さ せ る ．定 量 的 な 実 験 は 困 難 で あ る が ， 回 転 具 合 や 風 向 の 変 化 へ の 対 応 な ど の 得 失 は 容 易 に 体 験 で き る ． 例 え ば ， 風 向 の 変 化 に 対 し て ， サ ボ ウ ス や ダ リ ウ ス な ど 縦 型 は 強 い ． そ し て ， ダ リ ウ ス や プ ロ ペ ラ の 羽 根 は 揚 力 断 面 を 持 つ 必 要 が あ る な ど 体 感 で き る ．

図 1-8. 手 作 り 風 力 発 電 機 の い ろ い ろ

1.4.2. 発 電 機 回 生 回 路 の 体 験

風 車 に 回 生 回 路 を つ け る と ど の 程 度 の ブ レ ー キ 効 果 が で る か 試 し て み る ． 回 生 回 路 で 回 生 抵 抗 を 変 え ， 一 定 の 速 度 で 回 し た と き に 停 止 す る ま で の 時 間 を 測 定 し た ． こ こ で は ， 人 手 で 回 し て い る の で ， 物 理 実 験 と し て は い い 加 減 で あ る ． し か し ， 回 生 抵 抗 の 働 き が 感 覚 的 に 理 解 で き ， よ い 体 験 で あ っ た ．

図 1-9. 回 生 抵 抗 器 を 利 用 し た 実 験

表 1-4. 回 生 回 路 の 実 験 結 果

回 生 抵 抗 値 停 止 ま で の 時 間 回 し た と き の 感 想 ０ Ω 54[秒 ] 重 い .電 流 2A,電 圧 4V 位 .

５ Ω 72[秒 ]

∞ （ オ ー プ ン ） 104[秒 ] 軽 い .電 流 ０ A,電 圧 ８ V 位 .

1.4.3. 小 型 縦 型 風 力 発 電 機 を 自 宅 で 使 っ て み よ う

マ ン シ ョ ン の ベ ラ ン ダ に も 設 置 で き る 縦 型 風 力 発 電 機 を 使 っ て ， 自 分 た ち の 生 活 の 場 で ど の く ら い 風 力 発 電 が 可 能 か 体 験 し て み る ． そ の 時 ， 風 向 風 速 計 も 一 緒 に 設 置 す る ． 次 の よ う な 課 題 が 考 え ら れ る ．

① 一 週 間 か 一 ヶ 月 ぐ ら い ，風 力・風 向 お よ び 発 電 量 を 計 測 し て ，発 電 効 率 を グ ラ フ に す る ． こ の デ ー タ か ら 発 電 機 の 特 性 と 改 良 箇 所 を 考 察 す る ．

② 実 際 に 得 ら れ た 発 電 量 か ら 利 用 方 法 を 考 え る ．

例 え ば ，「 庭 木 へ の 水 や り 装 置 」，「 イ ル ミ ネ ー シ ョ ン 電 源 」な ど が 考 え れ る ．生 徒 の 発 案 に 対 し ， 生 徒 自 身 で は 困 難 な 電 子 回 路 設 計 や 機 械 加 工 な ど は ， 大 学 生 や 学 校 が 支 援 す る 体 制 が 必 要 で あ ろ う ．こ の 自 分 の 発 想 が 具 体 的 製 品 に な る と ，発 案 者 の 生 徒 の 満 足 度 は 高 く ， ま た ， 科 学 技 術 へ の 関 心 と 自 信 を 持 つ こ と が 出 来 る ． 過 去 の 風 力 発 電 に 関 す る 講 演 で も ， 夜 間 照 明 な ど を 発 想 し た 生 徒 が い た ．彼 ら の 思 い つ き を 具 体 化 で き る 体 制 が 用 意 さ れ れ ば ， 非 常 に 有 意 義 な 教 育 と な る で あ ろ う ．

1.5. 参 考 文 献

1) NEDO 風 力 発 電 導 入 ガ イ ド ブ ッ ク 1996 (http://www.nedo.go.jp/index.html) 2) 松 宮 “こ こ ま で き た 風 力 発 電” 工 業 調 査 会 1994.

3) 全 国 地 球 温 暖 化 防 止 活 動 推 進 セ ン タ ー (http://www.jccca.org/ondankan/) 4) も の つ く り 大 学 堀 研 究 室

(http://www.iot.ac.jp/manu/HORI.html)

5) NEDO 風 況 マ ッ プ (http://www2.infoc.nedo.go.jp/nedo/index.html)

堀 聡 （ も の つ く り 大 学 製 造 技 能 工 芸 学 科 ）

2. 気 象 と 風 力 発 電

2.1. 風 の エ ネ ル ギ ー と 発 電 量

風 の エ ネ ル ギ ー は 物 理 で 学 習 す る 運 動 エ ネ ル ギ ー で あ り ， 空 気 の 質 量 （M） と 風 速 （V） の 2乗 の 積 に 比 例 す る ． こ こ で 空 気 の 質 量 は 単 位 時 間 に 風 力 発 電 機 を 吹 き 抜 け る 空 気 の 質 量 と 定 義 で き ， 風 力 発 電 機 の 断 面 積 （S） と 風 速 （V） と 空 気 の 密 度 （ ρ ） の 積 と な る ． そ の 結 果 ， 風 の エ ネ ル ギ ー は 風 速 の 3乗 に 比 例 し ， 次 式 で 表 さ れ る ．

E=（1/2） ･M･V²＝ （1/2）・ ρ ･S･V･V²＝ （1/2） ･ρ ･S･V³ （1） 式

ま た ， 風 車 の ブ レ ー ド の 半 径 を r と し ， 発 電 効 率 を e と す る と ， 風 車 か ら 取 り 出 せ る 風 の エ ネ ル ギ ー は 次 式 で 表 さ れ る ．

E＝e･（1/2） ρ ・ π ･r²･V³ ［kg･m²･s^-3］ （2） 式 こ こ で ， 発 電 効 率 は だ い た い e=30～40%の 範 囲 で あ る ．

空 気 の 密 度 は 温 度 T（ ℃ ） と 気 圧 P（hPa） の 関 数 で あ り ， 次 式 で 表 さ れ る ． ρ （T, P）=1.293/(1+0.00367T)･P/1013.25 [kgm^-3] （3） 式

こ こ で ， 気 圧 を 1013.25hPa と す る と ， 気 温 20℃ と 0℃ に お け る 密 度 は そ れ ぞ れ 1.2046 kgm^-3（20℃ ）1.293kgm^-3（0℃ ） で あ り ， 約 7％ の 違 い が あ る ． つ ま り ， 風 速 が 同 じ 場 合 に は 気 温 が 0℃ に お け る 発 電 量 は 気 温 が 20℃ の 場 合 と 比 較 し て 7％ 多 い こ と を 意 味 す る ．

例 題 1． 海 面 レ ベ ル に 設 置 さ れ た ブ レ ー ド 半 径 30ｍ の 風 車 が ， 風 速 10m/s， 効 率 40％ で 発 電 す る 時 の 理 論 的 な 発 電 量 を 推 定 せ よ ．

解 答 ρ =1.225 kg･m-3， r=30 m， V=10 m/s， e=0.4 (2)式 に こ れ ら の 値 を 代 入 し て 計 算 す る ．

E=(0.4)･(1/2)･(1.225kg･m^{- 3})･π ･(30m)²･(10m/s)³=6.93105 kg･m²･s^{- 3}=693 kW た だ し ， 1W=1J/s=1 kg･m²･s^{- 2}

問 題 １ ． ブ レ ー ド 半 径 が 20m， 効 率 が 30％ の 風 車 が あ る ． 海 面 レ ベ ル に お け る ， 理 論 的 な 発 電 量 を 次 の a～ d の 風 速 を 仮 定 し て 推 定 せ よ ．

a. 2 m/s b. 8 m/s c. 15m/s d. 40 m/s

2.2. 風 と 風 車 の 管 理

風 は 総 観 規 模 や メ ソ ス ケ ー ル ， 境 界 層 ス ケ ー ル の 気 象 に よ り 決 ま り ， 風 力 発 電 に 影 響 を 与 え る ． 風 の エ ネ ル ギ ー は 風 速 の 3乗 と 空 気 の 密 度 （ つ ま り 温 度 ） に 依 存 す る が ， 風 力 発 電 は 単 に 風 が 強 け れ ば よ い だ け で は な い ． 風 を 観 測 し ， 様 々 な 制 御 が 必 要 と な る ．

風 力 発 電 機 が 風 の エ ネ ル ギ ー を 取 り 出 す た め に ， 風 車 は 風 向 の 変 化 に 合 わ せ て ， 向 き を 変 化 さ せ な け れ ば な ら な い ． 大 型 の 風 力 発 電 機 で は 風 の 力 だ け で は 風 向 の 変 化 に 合 わ せ て そ の 向 き を 変 え る こ と は な い の で ， 風 向 を 検 知 し て 風 車 の 向 き を 制 御 し て い る ． こ れ を ヨ ー 制 御 と 呼 ん で い る ．

風 車 が 風 の 向 き に 向 い た 時 ，最 大 の エ ネ ル ギ ー を 取 り 出 す こ と が で き る が ，大 き な 風（ 例 え ば ，約 10m/sよ り も 大 き な 風 速 ）に よ り 発 電 機 が 壊 れ る こ と を 防 ぐ た め に ，風 車 の ブ レ ー ド は 風 速 の 増 加 に 伴 っ て ， 風 向 に 対 す る 角 度 を 徐 々 に 変 化 す る よ う に （ ア タ ッ ク ア ン グ ル を 小 さ く す る ） 設 計 さ れ て い る ． こ の メ カ ニ ズ ム に よ り ， 風 車 は 風 速 に 関 係 な く 一 定 の 速 さ で 回 転 し ，理 論 的 に 予 想 さ れ る 風 の エ ネ ル ギ ー（ そ の 絶 対 量 は 風 車 の 効 率 に 依 存 す る ）

を 取 り 出 し て い る ． た だ し ， 強 風 （ 例 え ば ， 約 30m/s以 上 の 風 速 ） に 対 し て は ， ブ レ ー ド を 風 向 に 対 し て 完 全 に 平 行 に し て ， 発 電 を 停 止 す る ． こ の よ う な 制 御 を ピ ッ チ 制 御 と 呼 ん で い る ．

議 論 ： 風 車 の ブ レ ー ド の 大 き さ に は 物 理 的 な 限 界 が あ る の で ， よ り た く さ ん の 電 力 を 得 る た め に は た く さ ん の 風 車 を 建 設 す る 必 要 が あ る ． こ の 時 ， ど の よ う な こ と を 考 慮 す る 必 要 が あ る か ？

2.3. 地 表 付 近 の 風

対 流 圏 は 地 球 表 面 の 影 響 を 受 け る 大 気 境 界 層 と 自 由 大 気 に 分 け ら れ る ． 大 気 境 界 層 の 厚 さ は 1km ほ ど で あ り ，2～50mほ ど の 厚 さ の 地 表 層 と そ の 上 の 混 合 層 に 分 け る こ と が で き る ． 混 合 層 の 厚 さ は ，1 日 を 周 期 と し て 変 化 す る ． 大 気 境 界 層 の 最 下 部 10％ ほ ど の 地 表 層 の 風 は 地 球 表 面 の 影 響 を 受 け ， ミ ク ロ ス ケ ー ル の 様 々 な 乱 れ が あ る ．

風 力 発 電 機 の 高 さ は 高 い も の で も 100m 程 度 で あ り ， 大 気 境 界 層 内 の 風 を 受 け て い る ． 従 っ て ，風 力 発 電 量 の 見 積 も り に は ，大 気 境 界 層 内 の 風 速 の 分 布 や 強 さ を 知 る 必 要 が あ る ． 地 表 付 近 の 風 速 は 一 般 的 に 高 度 と 共 に 増 大 す る ．

図 2-1. 対 流 圏 の 構 造

2.3.1. 粗 度 長 （ roughness length）

地 表 面 付 近 に お け る 風 速 は 基 本 的 に ゼ ロ で あ り ， こ の 風 速 が ゼ ロ に な る 高 さ は 地 表 面 の 様 子 に よ っ て 決 ま る ． 専 門 的 な 表 現 で は ， 表 面 に お け る 風 の 抗 力 は 表 面 粗 度 に 強 く 依 存 す る ． ま ば ら な 森 林 は 雪 に 覆 わ れ た な だ ら か な 表 面 よ り も よ り 強 い 抵 抗 と な る ． 粗 度 長 z0

は こ の 効 果 を 定 量 化 し た 値 で ， 様 々 な 表 面 に 対 す る 典 型 的 な 粗 度 長 を 表 1に 示 し た ． こ の 表 の 粗 度 長 は 家 や 木 々 ，そ の 他 の 障 害 物 の 実 際 の 高 と は 異 な る ．『 風 力 発 電 導 入 ガ イ ド ブ ッ ク 』（NEDO：2005 年 1 月 改 訂 第 ７ 版 ） の 定 義 に よ れ ば ， 風 速 の 高 度 分 布 が 対 数 則 （ 次 節 参 照 ） に 従 う と し た 時 の 平 均 風 速 が 零 と な る 外 挿 高 で あ る ． つ ま り ， 粗 度 長 が 長 い ほ ど ， 表 面 が 凸 凹 し て い る こ と を 意 味 す る ．表 1 に『 Daveport-Wieringa』の 粗 度 長 分 類 を 示 し た ．

表 2-1. Daveport-Wieringa の 粗 度 長 分 類 z₀(m) 分 類 地 表 面 状 態

0.0002 海 面 海 ， 舗 装 さ れ た 地 面 ， 平 ら な 雪 原 ， tide flat， な め ら か な 砂 漠

0.005 滑 ら か 砂 浜 ， 流 氷 （ パ ッ ク ア イ ス ）， 沼 地 ， 雪 原

0.03 開 け た 草 の 大 草 原 ， 農 場 ， ツ ン ド ラ ， 飛 行 場 ， 荒 野 （ hearther）

0.1 ほ ぼ 開 け た 背 の 低 い 穀 物 が 栽 培 さ れ る 地 域 で 潅 木 が 点 在 す る ．

0.25 凸 凹 し た 背 の 高 い 穀 物 や 様 々 な 高 さ の 穀 物 が 栽 培 さ れ ，木 々 や 生 垣 ，ぶ ど う 園 な ど が 点 在 す る ．

0.5 非 常 に 凸 凹 し た い ろ い ろ な 種 類 の 農 地 と 森 林 薮 ， 果 樹 園 ， 建 物 が 点 在 す る ． 1.0 閉 じ た 大 き な 障 害 物 で 覆 わ れ た 地 域 で ，開 け た 広 さ は ，障 害 物 の 高 さ

に ほ ぼ 等 し い ． 郊 外 の 住 宅 ， 村 ， 成 熟 し た 森 林

≧ 2 で た ら め な 大 都 市 や 市 街 地 の 中 心 部 ， 開 拓 地 を 伴 う ま ば ら な 森 林

2.3.2. 風 速 の 対 数 則 （ Log wind profile）

風 速 V は 地 表 面（ よ り 正 確 に は 空 力 学 的 粗 度 長 に 等 し い 高 さ ）で ゼ ロ と 定 義 で き る ．風 速 は 高 さ と 共 に ， だ い た い 対 数 関 数 的 に 増 加 す る が ， そ の 分 布 曲 線 は 表 面 粗 度 に 依 存 し ， 次 式 で 表 現 で き る ．

) ln(

) ln(

0 1

0 2 1

2

z z

z V z

V = ⋅

^{（4） 式}

こ の 関 係 か ら ， あ る 高 さ z1 に お け る 風 速 V1 を 測 定 で き れ ば ， 他 の 高 さ z2 に お け る 風 速 V2を 推 定 す る こ と が で き る ．多 く の 気 象 観 測 所 は 風 速 を 標 準 の 高 さ 10ｍ で 測 定 し て い る ． そ こ で ， ア メ ダ ス 観 測 デ ー タ か ら 任 意 の 高 さ の 風 速 を 推 定 で き る ．

風 の 対 数 則 分 布 の 例 を 図 2に 示 し た ． こ の よ う な 完 全 な 風 の 対 数 則 分 布 は 均 一 な 表 面 の 上 で ， 大 気 が 中 立 な 状 態 の 時 だ け に 期 待 で き る ． そ の 他 の 静 的 安 定 度 の 場 合 は ， 風 の 鉛 直 分 布 は 対 数 分 布 か ら わ ず か に ず れ て い る ．

片 対 数 グ ラ フ 用 紙 の 上 で は 風 の 対 数 則 分 布 は 直 線 と な っ て 現 れ る ． こ の 関 係 か ら ， 異 な る 二 つ 以 上 の 高 さ で 風 速 を 測 定 し ， 片 対 数 グ ラ フ 用 紙 に プ ロ ッ ト し ， 直 線 を 風 速 ゼ ロ を 切 る 所 ま で 外 挿 す る こ と で ， 粗 度 長 を 推 定 す る こ と が で き る ． つ ま り ， ｚ 軸 の 切 片 が 粗 度 長 を 与 え る ．

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

風速（m /s）

高さ（ｍ）

0.1 1.0 10.0 100.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

風速（m /s）

高さ（ｍ）

図 2-2． 安 定 度 が 中 立 な 地 表 層 内 の 風 速 分 布 （ 粗 度 長 10m）， 右 ： 線 形 図 ， 左 ： 片 対 数 図 ．

例 題 2． 曇 天 の 日 に ， 果 樹 園 内 の 地 上 高 10m に 設 置 さ れ た 風 速 計 で 5m/s 風 速 が 測 定 さ れ た ． 高 さ 25m の 煙 突 の 噴 出 孔 に お け る 風 速 を 推 定 せ よ ．

図 2-3. 例 題 2 の 概 念 図

解 答 z1=10 m，V1=5 m/s， 曇 天 と い う こ と か ら 大 気 は 中 立 で あ り ， 粗 度 長 は 表 1 か ら z0=0.5 m と な る ． こ れ ら の 値 を 用 い て ，z2=25 m に お け る 風 速 V2を(4)式 よ り 求 め る ．

s m m

m m s m

m

V 6 . 53 /

) 5 . 0 10 ln(

) 5 . 0 25 ) ln(

/ (

2

= 5 ⋅ =

議 論 ： 影 響 を 受 け な い 本 当 の 風 を 測 定 で き る よ う に ， 風 速 計 が 煙 突 か ら 十 分 に 離 れ た 場 所 に 設 置 さ れ て い る こ と が 望 ま れ る ．

問 題 2． 次 の a～cに 対 す る 粗 度 長 を 調 べ よ ．

a.都 市 域 b. 平 穏 な 海 面 c. 背 丈 の 低 い 穀 物 畑

問 題 3．生 垣 が ま ば ら に 分 布 す る 地 域 に 高 さ 10mの マ ス ト の 上 に 設 置 さ れ た 風 速 計 で 8m/s の 風 が 測 定 さ れ た ． 次 の a.～d.の 高 さ （ ｍ ） に お け る 風 速 を 推 定 せ よ ．

a. 0.5 b. 2 c. 5 d. 30

問 題 4． 地 上 1mで 風 速 2m/s， 地 上 10ｍ で 5m/s で あ っ た ． 粗 度 長 を 推 定 せ よ ．

問 題 5．z=10 m に お け る 風 速 V1=5m/s が 与 え ら れ た 時 ，z0を a.～d.と 仮 定 し て ， 風 速 と 高 さ の 関 係 を 図 に 示 せ ．

a. 0.001 b. 0.01 c. 0.1 d.2

2.4. 風 速 の 確 率 分 布

風 速 は 絶 え ず 変 化 し て い る ．1年 間 で は ，図 4 に 示 し た よ う に 暴 風 や 強 風 の 日 は 少 な く ， ほ と ん ど 風 が 弱 い ，穏 や か な 日 で あ る ．こ の 風 速 の 分 布 は ，次 に 示 し た ワ イ ブ ル（Weibull） 分 布 と し て 知 ら れ て い る ．

⎥ ⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎣

⎡

⎟⎟ ⎠

⎞

⎜⎜ ⎝

− ⎛

⋅ ⋅ Δ

= ⋅

− α

α

α

α

0 0

1

exp

Pr V

V V

V

V

（5） 式

こ こ で ，Pr は 風 速 V の 確 率 で あ る ． こ の よ う な 風 の 変 化 は ， 総 観 規 模 ， メ ソ ス ケ ー ル ， 境 界 層 な ど の 過 程 で 決 ま る ． 係 数 V0は 平 均 風 速 に 比 例 し ， 場 所 （location） 係 数 と 呼 ば れ

の 間 の 確 率 を 意 味 す る ． 棒 グ ラ フ の そ れ ぞ れ の 棒 の 幅 は ， ΔV =1m/s で あ る ．

全 て の 風 速 階 級 の 確 率 の 和 は 1 と な り ， 風 速 ゼ ロ か ら 無 限 大 ま で の 確 率 が 100%に な る こ と を 意 味 す る ．(4)式 は 近 似 式 な の で ，確 率 の 総 和 は ほ と ん ど 1に な る け れ ど も ，完 全 に 1 に は な ら な い ． こ れ は 分 布 の 誤 り を 検 査 す る 上 で も 良 い 方 法 で あ る ．

風 の 風 速 分 布 は 風 力 発 電 機 が ど の 程 度 の 発 電 能 力 が あ る か を 推 定 す る の に 用 い ら れ る ． ま た ， 暴 風 や 強 風 の 確 率 は 建 物 や 橋 梁 の 設 計 に も 使 わ れ る ．

例 題 3． 平 均 風 速 V0=5 m/s， α=2 と し た 場 合 ， 風 速 5.5m/s～6.5m/s の 確 率 を 求 め よ ． 解 答 V0=5 m/s， α=2， ΔV=1m/s，V=6m/s を(5)式 に 代 入 す る ．

% 4 . 11 114 . / 0

5 / exp 6

) / 5 (

) / 6 ( ) / 1 ( Pr 2

2 2

1 2

=

=

⎥ ⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎣

⎡ ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

− ⎛

⋅ ⋅

= ⋅

−

s m

s m s

m

s m s m

議 論 ： こ の 値 は 同 じ 係 数 を 用 い た 図 4 の V=6m/s に 一 致 す る ． 確 立 の 総 和 を 100%に 非 常 に 近 い 値 と す る た め に は ， 階 級 幅 （ ΔV） を 非 常 に 小 さ く し ， 風 速 の 大 き な 成 分 を き ち ん と 計 算 す る こ と が 必 要 で あ る ．

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

風速（m /s）

確率

図 2.4. ワ イ ブ ル 分 布 に よ る 風 速 の 確 率 分 布 （ α =2， V₀=5m/s）

問 題 6．ワ イ ブ ル 分 布 を 用 い て ，階 級 幅 ΔV=0.5m/s，平 均 風 速 V0=8m/s と し ，α を 次 の a

～d に 変 化 さ せ て ， 風 速 の 確 率 分 布 を 作 図 せ よ ． a. 1.5 b. 2 c. 3 d. 10

2.5. 風 力 発 電 の 経 済 学

風 力 発 電 の 経 済 性 を 考 え る に は ，初 期 投 資 額 と ラ ン ニ ン グ コ ス ト（ 維 持 経 費 ），発 電 量 な ど の 推 定 が 必 要 と な る ．例 え ば ，風 車 の 寿 命 を 20 年 と し て 次 の よ う な 試 算 を 行 う こ と が で き る ．

風 車 1 台 の 購 入 費 用 と 設 置 費 用 （ 初 期 投 資 額 ）： 約 2 億 円 平 均 風 速 7m/s（ 例 え ば ， 日 本 海 沿 海 部 ）

年 間 発 電 量=約 250 万 kW 時

電 力 会 社 の 買 い 取 り 価 格 （8 円/1kW）

年 間 売 り 上 げ 収 入=約 2000 万 円/年 ⇒ 20年 で は ，4 億 円 保 守 点 検 ・ 管 理 費 用 （ 維 持 経 費 ）=年 間 500 万 円

た だ し ， 最 初 の 2 年 間 は メ ー カ ー 保 障 （ つ ま り ，18年 間 は 維 持 管 理 費 用 が 必 要 ） 500 万 円/年 ×18 年 分=9000 万 円 （20年 ）

20 年 間 の 純 利 益=4 億 －2 億 円 －0.9 億 ＝1.1 億 万 円 （ 約 550 万 円/年 ）

こ こ で ， 風 車 の 購 入 費 用 は 機 種 や 大 き さ に よ り 定 価 が あ る が ， 設 置 費 用 は 建 設 場 所 に よ り 大 き く 異 な る ． ま た ， 電 力 会 社 の 買 い 取 り 価 格 は 政 府 の 施 策 に よ り 変 動 す る ． そ し て ， 維 持 経 費 に 関 し て は ， 効 率 的 な 運 営 を す る こ と で 節 約 も で き よ う ．

最 終 的 な 収 益 を 大 き く 左 右 す る の は 年 間 の 平 均 風 速 で あ る ． 発 電 量 が 風 速 の 3 乗 に 比 例 す る こ と を 考 慮 す る と ，風 速 が 10％ 大 き く な る と ，年 間 発 電 量 は 33％ 以 上 も 増 加 す る（1.1³

≒1.331）． そ し て ， こ の 風 速 は 地 表 面 か ら の 高 さ に 依 存 し ， 風 車 を 高 く す る ほ ど 大 き な 発 電 量 が 期 待 で き る ． ま た ， 平 均 風 速 を 推 定 す る た め に は ， 風 速 の ワ イ ブ ル 分 布 を 用 い る 必 要 が あ る ． つ ま り ， 風 力 発 電 の 経 済 性 を 吟 味 す る た め に は 気 象 学 的 な 観 測 と 知 識 が 必 要 と な る の で あ る ．

2.6. お わ り に

本 報 告 で は 気 象 学 の 立 場 か ら 風 力 発 電 の 教 材 化 を 試 み た ． つ ま り ， 風 の エ ネ ル ギ ー の 推 定 に 必 要 な 風 速 が ， 地 表 面 か ら の 高 さ と 地 表 面 の 様 子 （ 設 置 場 所 ） に 依 存 す る こ と を 示 し た ． ま た ， 風 速 の 分 布 も 一 様 で な い こ と を 示 し ， そ の 推 定 方 法 を 示 し た ． 本 報 告 に よ り 堀

（2004）が 示 し た 風 力 発 電 の 課 題 研 究 を よ り 具 体 的 に 実 行 で き る ．つ ま り ，NEDO の 風 況 マ ッ プ を 利 用 し て ， 設 置 場 所 を 決 定 し ， ア メ ダ ス 観 測 点 か ら 地 上 風 の 測 定 結 果 を 入 手 し ， 平 均 風 速 を 推 定 す る ． そ の 結 果 を 用 い て ， 風 車 の 高 さ の 風 速 を 推 定 し ， 年 間 発 電 量 を 推 定 す る こ と が で き る ． そ の 結 果 か ら ， 風 力 発 電 の 経 済 性 を 考 察 す る こ と が き よ う ．

2.7. 参 考 文 献

1）堀 聡 ，2004，「 風 力 発 電 の 教 材 か に 関 し て 」，平 成 15年 度 ス ー パ ー サ イ エ ン ス ハ イ ス ク ー ル 研 究 開 発 実 施 報 告 書 ， 慶 應 義 塾 高 等 学 校 ．

2）Stull, Roland B., 1995, "Meteorology Today For Scientists and Engineers", West Publishing Company.

謝 辞

3. 演 習 教 材

3.1. 実 験 モ ー タ ー と 発 電 機 3.2. 実 験 発 電 と 負 荷

3.3. 実 験 風 の 観 測 3.4. 実 験 風 速 と 発 電

3.5. 風 車 の ペ ー パ ー ク ラ フ ト 型 紙 （ 直 線 翼 型 風 車 と プ ロ ペ ラ 風 車 ） 3.6. 風 車 の ペ ー パ ー ク ラ フ ト 型 紙 （ 抗 力 風 車 ）

3.6. 風 車 の 工 作 （ ダ リ ウ ス 型 風 車 ）

図 3-1. 抗 力 風 車 （ 左 ） と 直 線 翼 型 風 車 （ 右 ）

実 験 モ ー タ ー と 発 電 機

準 備 手 回 し 発 電 器 （2）， 電 球 ソ ケ ッ ト （1）， 電 球 （1）

手 順

① 電 球 を 付 け た 電 球 ソ ケ ッ ト 1 個 を 手 回 し 発 電 器 に 接 続 し ， ハ ン ド ル を 回 転 し ， 電 球 が 点 灯 す る こ と で 発 電 を 確 認 す る ．

② 手 回 し 発 電 器 2 台 を 接 続 し ， 一 方 の ハ ン ド ル を 自 由 に し ， も う 一 方 の ハ ン ド ル を 回 転 す る ． 自 由 な ハ ン ド ル の 動 き を 観 察 す る ． 特 に 二 つ の ハ ン ド ル の 回 転 速 度 に 注 意 す る ．

③ 手 回 し 発 電 器 2 台 を 接 続 し ， 電 球 を 付 け た 電 球 ソ ケ ッ ト も 接 続 し て ， 一 方 の ハ ン ド ル を 回 転 す る ． そ し て ， 二 つ の ハ ン ド ル の 回 転 速 度 に 注 意 す る ．

考 察

① 原 理 的 に は モ ー タ ー は 発 電 機 と し て 使 用 で き る が ，実 際 に は そ う 簡 単 で な い ．手 回 し 発 電 機 の 構 造 を よ く 観 察 し ， 発 電 に 必 要 な 条 件 を 考 え よ ．

② 発 電 機 は 全 て の エ ネ ル ギ ー を 電 気 に 変 え る こ と が 可 能 か ？ こ の 実 験 結 果 を 用 い て 説 明

実 験 発 電 と 負 荷

準 備 手 回 し 発 電 器 ， 電 球 ソ ケ ッ ト （3）， 電 球 （3）

手 順

① 電 球 を 付 け た 電 球 ソ ケ ッ ト 1 個 を 手 回 し 発 電 器 に 接 続 し ， ハ ン ド ル を 回 転 し ， 電 球 が 点 灯 さ せ る ．

② 電 球 を 付 け た 電 球 ソ ケ ッ ト 2 個 を 手 回 し 発 電 器 に 並 列 に 接 続 し ， ハ ン ド ル を 回 転 し ， 電 球 が 点 灯 す る こ と を 確 認 す る ． そ し て ， ハ ン ド ル を 回 転 す る の に 必 要 な 力 の 大 き さ を 電 球 が 1個 の 場 合 と 比 較 せ よ ．

④ 電 球 を 直 列 に 接 続 し た 場 合 ，ハ ン ド ル を 回 転 す る の に 必 要 な 力 の 大 き さ を 並 列 の 場 合 と 比 較 せ よ ．

考 察

① 風 力 発 電 の プ ロ ペ ラ は 風 が 弱 く て も 回 転 す る と 考 え ら れ る か ？

② 複 数 の 電 球 を 用 い た 実 験 で 接 続 方 法 を 並 列 か ら 直 列 に 変 更 す る と ，ハ ン ド ル を 回 転 す る た め に 必 要 な 力 の 大 き さ が 変 化 し た 理 由 を 考 え な さ い ．

参 考 文 献 ： 中 村 理 科 工 業 製 「 セ ネ コ ン （ 手 回 し 発 電 器 ）」 使 用 説 明 書

実 験 風 の 観 測

風 向は 風 が 吹 い て く る 方 向 を い い ， 北 を 基 準 に 全 周 囲 を 16 ま た は 36 に 分 割 し て ，16 方 位ま た は 36 方 位で 表 す ．風 速 は 単 位 時 間 に 大 気 が 移 動 し た 距 離 を い い ，測 定 値 は 0.1m/s の 位 ま で 表 す ． 風 向 ・ 風 速 は た え ず 変 化 し て い る の で ， 一 般 的 に は 観 測 時 刻 の 前 10 分 間 の 測 定 値 を 平 均 し ， そ の 時 刻 の 平 均 風 向 ・ 平 均 風 速 と す る （10 分 間風 程）．

表 1. 風 向 の 16 方 位

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 北

北 東

北 東

東 北 東

東 東

南 東

南 東

南 南 東

南 南

南 西

南 西

西 南 西

西 西

北 西

北 西

北 北 西

北

瞬 間 風 向 ・ 瞬 間 風 速 と は あ る 時 刻 に お け る 風 向 ・ 風 速 を あ ら わ し ， １ 日 の 瞬 間 風 速 の 最 大 値 を日 最 大 瞬 間 風 速と い う ． 一 方 ，10分 間 平 均 風 速 の 最 大 値 を日 最 大 風 速と い う ． 最 大 瞬 間 風 速 と 最 大 風 速 の 比 を 「突 風 率（Gust factor）」 と い い ， 突 風 に 対 す る 防 災 の 指 標 と な っ て い る ． 突 風 率 は 1.5～2 倍 程 度 が 一 般 的 で あ り ， 例 え ば 台 風 等 で 最 大 風 速 20m/s と 発 表 さ れ た 場 合 ， そ の 2 倍 の 40m/s 程 度 の 突 風 が 吹 く 可 能 性 が あ る ．

○ 風 速 計 の 使 い 方

① 『MODE』 キ ー を ４ 秒 間 押 す こ と で ， 電 源 の オ ン ・ オ フ と な る ． こ の 風 速 計 は 34分 後 に 自 動 的 に ， 電 源 が オ フ と な る ．

② 風 速 モ ー ド に は 3 種 類 あ り ，『+』キ ー を 押 す ご と に モ ー ド が 変 換 さ れ る ．『WIND』モ ー ド は ， 現 在 の 風 速 を 示 す ． た だ し ， こ の 現 在 の 風 速 は ， 設 定 し た 時 間 当 た り の 平 均 風 速 で あ り ， こ こ で は 2 秒 間 に 設 定 し て あ る ． こ の 実 験 で は こ の モ ー ド を 使 用 す る ．

『 ▲WIND』 モ ー ド は 電 源 を 入 れ て か ら の 最 大 風 速 を 示 す ． そ し て ，『 φWIND』 モ ー ド は 電 源 を 入 れ て か ら の 平 均 風 速 を 示 す ．

③ ビ ュ ー フ ォ ー ド 風 速 階 級 （ 0～ 12） が 表 示 画 面 の グ ラ フ 表 示 さ れ て い る ． 表 2. ビ ュ ー フ ォ ー ド 風 力 階 級

階 級 説 明 Kts m/s km/h mph

0 Calm（ 静 穏 ） 0 0 0 0

1 Light Air（ 至 軽 風 ） 1 0.5 1.8 1.1 2 Light Breeze（ 軽 風 ） 4 2.1 7.4 4.6 3 Gentle Breeze（ 軟 風 ） 7 3.6 13.0 8.1 4 Moderate Breeze（ 和 風 ） 11 5.7 20.4 12.7 5 Fresh Breeze（ 疾 風 ） 17 8.8 31.5 19.6 6 Strong Breeze（ 雄 風 ） 22 11.3 40.8 25.4 7 Near Gale（ 強 風 ） 28 14.4 51.8 32.3 8 Gale（ 疾 強 風 ） 34 17.5 63.0 39.2 9 Strong Gale（ 大 強 風 ） 41 21.2 75.9 47.2 10 Strom（ 嵐 ） 48 24.7 88.9 55.3 11 Violent Strom（ 猛 嵐 ） 56 28.8 103.7 64.5 12 Hurricane（ ハ リ ケ ー ン ） 64 32.9 118.5 73.7

④ EA-3010U 風 速 計 は 『 MODE』 キ ー を 押 す こ と で ， 温 度 計 モ ー ド に 替 わ る ． 温 度 計 モ ー ド に は ， 温 度 計 測 モ ー ド （ Temperature） と 体 感 温 度 モ ー ド （ Wind chill） が あ り ，『 +』 キ ー を 押 す ご と に 替 わ る ．

図 2. 温 度 の 各 モ ー ド

○ 各 種 設 定 の 変 更 方 法

風 速 （ Km/h, mph, m/s, Kts） と 温 度 （ F と ℃ ） の 単 位 ， 現 在 風 速 の 平 均 時 間 （ 2～ 10 秒 ） を 設 定 す る こ と が で き る ．

① 初 め に 電 源 を 切 る ．

② 次 に『 MODE』キ ー を 6 秒 間 押 し 続 け る と ，風 速 の 単 位 が 点 滅 を 初 め ，設 定 モ ー ド に あ る こ と を 示 す ．

③ 『 +』 キ ー を 押 す こ と で 単 位 と 時 間 の 長 さ が 変 更 で き ，『 MODE』 キ ー で 確 定 す る ．

実 験 風 速 と 発 電

予 備 知 識

パ ワ ー 係 数 ： 風 車 に よ り 取 り 出 さ れ た エ ネ ル ギ ー/風 の 全 エ ネ ル ギ ー 周 速 比 ： 流 入 風 速 に 対 す る 翼 先 端 で の 回 転 速 度 の 比

ソ リ デ テ ィ （solidity）： 翼 の 全 面 積/翼 の 回 転 面 積

図 1. パ ワ ー 係 数 と 周 速 比

準 備 ：送 風 機 ， 風 力 発 電 機 ， 風 速 計 ， 電 圧 計 ， メ ジ ャ ー （1m）

図 3. 実 験 回 路 手 順

① 送 風 機 の 風 速 を 強 に し て ，送 風 機 か ら の 距 離 と 風 速 の 関 係 を 調 べ る ．風 速 の 値 が 安 定 し な い 場 合 は ， 数 秒 間 の 平 均 的 な 値 を 採 用 す る ．

距 離 （cm） 10 20 30 40 50

風 速 （m/s）

② 送 風 機 の 風 速 を 強 に し て ， 風 力 発 電 機 の 位 置 を 10 cm～100 cmま で 変 化 さ せ て ， 発 電 圧 の 大 き さ を 電 圧 計 で 調 べ る ． 電 圧 の 値 が 安 定 し な い 場 合 は ， 数 秒 間 の 平 均 的 な 値 を 採 用 す る ．

距 離 （cm） 10 20 30 40 50

電 圧 （V） 電 力 （V²/R）

③ 送 風 機 の 風 速 を 強 に し て ， 風 力 発 電 機 を 10 cm の 位 置 か ら 次 第 に 遠 ざ け て い き ， プ ロ ペ ラ が 止 る 位 置 を 確 認 し ， そ の 場 所 の 位 置 と 風 速 を 測 定 せ よ ．

送 風 機 か ら の 位 置 （ ）cm， 風 速 （ ）m/s

④ 送 風 機 の 風 速 を 強 に し て ，風 力 発 電 機 を 遠 く か ら 送 風 機 に 近 づ け て い き ，プ ロ ペ ラ が 回 転 し 始 め る 位 置 を 確 認 し ， そ の 場 所 の 位 置 と 風 速 を 測 定 せ よ ．

送 風 機 か ら の 位 置 （ ）cm， 風 速 （ ）m/s 考 察

① ① と ② の 結 果 を 用 い て ， 風 速 を 横 軸 ， 電 力 を 縦 軸 に 取 り ， グ ラ フ を 作 成 せ よ ．

② こ の 風 力 発 電 機 の 発 電 可 能 な 最 低 風 速 を 決 定 せ よ ．

③ プ ロ ペ ラ の 数 が 8 枚 と 4枚 の 場 合 を 比 較 し て ， そ れ ぞ れ の 特 徴 を ま と め な さ い ．

サ ボ ニ ウ ス 型 風 車

① 実 線 に そ っ て ， 切 り 抜 く ．

② 点 線 に そ っ て ， 折 る ．

③ の り で 貼 っ て ， 風 車 を 組 み 立 て る ．

④ き り で 軸 木 を 通 す 穴 を 開 け ， 軸 木 を 通 す ．

文 部 科 学 省 所 管 科 学 技 術 振 興 機 構 「 理 数 系 教 員 指 導 力 向 上 研 修 」 事 業 教 員 研 修 用 テ キ ス ト Ⅲ 『 風 と 風 力 発 電 』

2008 年 8 月 7 日 発 行

発 行 エ ネ ル ギ ー と 環 境 教 育 プ ロ ジ ェ ク ト 桜 美 林 大 学 自 然 科 学 系

〒 194-0294 東 京 都 町 田 市 常 盤 町 3758 電 話 :042-797-8563

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（ 本 テ キ ス ト の 内 容 を 無 断 で 転 載 す る こ と は で き ま せ ん .）