問 題
次の文章は、風力発電に関する記述である。
風力発電は、風のエネルギーによって風車で発電機を駆動し発電を行う。風車は回転軸の方向により水平軸風車と垂直軸風車に分けられ、大電力用には主に( ア )軸風車が用いられる。
風がもつ運動エネルギーは風速の( イ )乗に比例する。また、プロペラ型風車を用いた風力発電で取り出せる電力は、損失を無視すると風速の( ウ )乗に比例する。
風が得られれば電力を発生できるため、発電するときに二酸化炭素を排出しない再生可能エネルギーであり、また、出力変動の( エ )電源とされる。
発電機には誘導発電機や同期発電機が用いられる。同期発電機を用いてロータの回転速度を可変とした場合には、発生した電力は( オ )を介して電力系統へ送電される。
上記の記述中の空白箇所(ア)～(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。
- ア イ ウ エ オ
- 水平 2 2 小さい 増速機
- 水平 2 3 大きい 電力変換装置
- 水平 3 3 大きい 電力変換装置
- 垂直 3 2 小さい 増速機
- 垂直 2 3 大きい 電力変換装置
解 説
( ア )について、風は一般的に横方向に吹くものなので、より効率的で大電力の発電に向いているのは、下図(プロペラ型風車)のように回転方向が軸と水平の関係になっている水平軸風車のほうです。よって、( ア )には「水平」が入ります。
( イ )について、風に限らず、運動エネルギーは速度の2乗に比例します。風も例外ではないので、( イ )には「2」が入ります。
( ウ )で、風力発電で取り出せる電力は以下の式で表すことができます。これは運動エネルギーの公式と同様の形をしています。
- P：風力発電で取り出せる電力=1秒間に風車を通過する風のもつエネルギー [J/s]
- m：風の質量(1秒間に風車を通過する空気の量) [kg/s]
- v：風速 [m/s]
ここで、本来ならエネルギーの単位は[J]ですが、風というのは実体がない(質量がない)ものなので、ここでは「1秒あたり」として考えます。「1秒あたり」と時間を限定すれば、1秒の間に風車を通過する空気の量であれば決めることができるので、これが上式のmになります。
上式を見ると、Pはvの2乗に比例するように見えます。しかし、mは1秒間に風車を通過する空気の量なので、これも風速vに比例することがわかります。よって、これらを合わせると、Pはvの3乗に比例するということになります。
以上から、電力Pは風速vの3乗に比例するので、( ウ )には「3」が入ります。
( エ )について、風力発電は出力変動が大きいという特徴があります。火力発電や原子力発電では一定の燃料を投入することができるので、それらの出力変動は小さいです。しかし、風力発電は風の強さや向きが刻一刻と変化するため、どうしても出力変動は大きくなってしまいます。
よって、( エ )には「大きい」が入ります。
( オ )で、風力発電や太陽光発電で得られる電力は直流電力なので、このままでは交流の電力系統へ送電することはできません。その前に電力変換装置を用いて直流を交流に変える必要があります。
よって、( オ )には「電力変換装置」が入ります。
以上から、( ア )は「水平」、( イ )は「2」、( ウ )は「3」、( エ )は「大きい」、( オ )は「電力変換装置」となるので、正解は(2)です。
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