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風力エネルギー

風力タービン設計ツール

ロータ直径・定格風速・Cp係数のスライダーを動かすと、風力タービンの出力曲線がリアルタイムに変化。ワイブル風速分布を組み合わせて年間発電量と設備利用率まで自動算出し、ベッツ限界との距離も体感できます。

設計パラメータ

ローター直径 D 80 m

ハブ高さ h 80 m

カットイン風速 v_in 3.0 m/s

定格風速 v_r 12.0 m/s

カットアウト風速 v_out 25.0 m/s

出力係数 Cp 0.40

空気密度 ρ 1.225 kg/m³

平均風速（ワイブル） 7.0 m/s

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定格出力 (kW)

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年間発電量 (MWh)

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設備利用率 (%)

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掃引面積 (m²)

出力式（ベッツ理論）

$$P = \frac{1}{2}\rho \pi r^2 C_p v^3$$

ベッツ限界: $C_{p,max} = 16/27 \approx 0.593$

一時停止中はスライダーを動かすと結果が即座に更新されます。

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瞬時出力 P [kW]

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現在の風速 [m/s]

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設備利用率 [%]

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年間発電量 [MWh]

風車アニメーション＋出力曲線 P(v)・ワイブル風速分布

出力曲線 P(v) ワイブル風速分布 f(v) 定格域

風車の出力曲線とは？

🙋

風速が上がると、発電出力はどのように変化しますか？

🎓

カットイン風速未満では発電せず、その後は風速の3乗に近い形で急増します。定格風速を超えると、機械や発電機を守るために出力を定格値へ抑えます。

🙋

強い風ほど常に出力が増えるわけではないのですね。

🎓

はい。ピッチ制御や失速制御で余分な風エネルギーを逃がし、定格出力を保ちます。さらにカットアウト風速を超えると、安全のため停止します。

物理モデルと主要式

風から取り出せる理論出力は、空気密度、ローター面積、風速の3乗に比例します。

$$P=\frac{1}{2}\rho A C_p v^3$$

$C_p$ は出力係数です。Betz限界により、風の運動エネルギーを100%取り出すことはできません。

実務での使いどころ

風車選定: 地点の風況に対して、カットイン風速・定格風速・定格出力が適切かを比較します。

年間発電量の概算: 出力曲線と風速分布を組み合わせて、設備利用率を見積もります。

制御設計: 定格域でのピッチ制御や過大荷重の回避を検討します。

注意点

このツールは理想化した出力曲線です。実機では乱流、地形、ウェイク、空気密度、ブレード汚れ、制御遅れなどで発電量が変わります。設計では長期風況データとメーカーの実測出力曲線を確認してください。