新エネ8【電験3種 電力】風力の空欄！水平軸・エネルギーはv²・電力はv³・電力変換装置 令和4年度上期 A問題5 完全解説

今回は令和4年度上期 電力科目 A問題5を解説します。風力発電について、風車の軸方向・風の運動エネルギーと取り出せる電力の風速依存・出力変動の性質・可変速運転時の系統連系装置を埋める空欄補充問題です。

最大の見どころは「エネルギーは2乗・電力は3乗」の使い分け。風の運動エネルギー(1/2)mv²はv²、取り出せる電力は通過質量ρAvが掛かってv³——新エネ6で覚えた3乗則を、今度は2乗との対比で答えます。

出題のポイント

令和4年度上期 電力科目 A問題5：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

電験3種 電力科目 【新エネルギー】 令和4年度上期 A問題5

　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)
(1)	水平	2	2	小さい	増速機
(2)	水平	2	3	大きい	電力変換装置
(3)	水平	3	3	大きい	電力変換装置
(4)	垂直	3	2	小さい	増速機
(5)	垂直	2	3	大きい	電力変換装置

ポイント解説：エネルギーはv²・電力はv³——単位時間の通過質量が1乗分

(ア)：大電力用の風車は主に水平軸のプロペラ型（垂直軸のダリウス型などは小型用）。

(イ)(ウ)：風の運動エネルギーそのものは (1/2)mv² だから2乗に比例。一方、風車が取り出せる電力は、単位時間に受風面積を通過する空気の質量 m＝ρAv が風速に比例するため、(1/2)ρAv·v²＝(1/2)ρAv³で3乗に比例する。「エネルギーは2乗・電力（パワー）は3乗」——この1乗分の差（通過質量）を説明できれば完璧。

(エ)(オ)：風は気まぐれなので風力は出力変動の大きい電源。同期発電機で回転速度を可変とする方式（可変速運転）では周波数が系統と合わないため、発生した電力はいったん直流に変換し電力変換装置（コンバータ・インバータ）を介して系統に送電する。増速機は風車の低速回転を発電機用に高速化する歯車装置で、系統連系の装置ではない。よって(2)。

問題の解説

STEP1　(ア)

大電力用＝水平軸（プロペラ型）。

STEP2　(イ)(ウ)

運動エネルギー=(1/2)mv²→2乗。電力は通過質量ρAvが掛かって3乗。

STEP3　(エ)(オ)

風任せ→出力変動が大きい。可変速の同期機→電力変換装置を介して連系→(2)。

答え：(2)

まとめ

(ア)	大電力用は水平軸風車（プロペラ型）
(イ)	運動エネルギーは風速の2乗に比例
(ウ)	取り出せる電力は風速の3乗に比例
(エ)	出力変動の大きい電源
(オ)	可変速同期機は電力変換装置を介して連系→(2)

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