風力タービンはどのようにブレーキをかけるのか

風力タービンのブレーキ システムは複雑かつ精密なエンジニアリング プロジェクトであり、単なる「ブレーキ パッド」ではなく、多層の協調型安全システムです。

主な目標は、必要に応じて大型インペラの速度を安全かつ制御可能に停止または減速することです。

「必要な場合」には通常、次のような状況が含まれます。

過度の風速（通常、毎秒 25 メートルを超える）：ファンが高速で回転して構造上の損傷が発生するのを防ぐため。

電力網の障害または停電: 安全なシャットダウンが必要です。

日常のメンテナンスまたはオーバーホール: 技術者に安全な作業環境を提供します。

緊急事態: センサーが重大な故障 (過度の振動、ギアボックスの過熱など) を検出した場合。

現代の大規模風力タービンでは、主に次の 3 つのブレーキ方式が連携して動作します。

1. 空気圧ブレーキ - 主な方法
これは最も一般的に使用されている中核的なブレーキ方式であり、ブレードの空力特性を変更することによって実現されます。

原理：各ブレードの先端は、軸を中心に一定の角度（通常は90度）回転します。この動作は「ローイング」と呼ばれます。

プロセス：

通常の状態では、ブレードは最適な角度（迎え角）で風を向き、風のエネルギーを効率的に捉えます。

ブレーキが必要な場合、制御システムはブレードに回転を指示し、前縁が風の方向を向くか、ブレードの端が風の方向を向くようにします。

このようにして、ブレードは効率的な「翼」から抗力の大きい「木の板」に変形し、揚力は急激に減少し、抗力は大幅に増加して、停止するまで速度が急激に低下します。

利点:

機械的な摩耗なし：物理的な接触摩擦がなく、空気抵抗を利用するため。

信頼性: 電源が失われた場合でも、バッテリーがプロペラ システムにバックアップ電源を供給できます。

調整可能: 部分的なフェザリングによってパワーを調整したり、緊急ブレーキを実現するために完全なフェザリングによってパワーを調整したりできます。

2. 機械式ブレーキ（ディスクブレーキ） - 補助ブレーキとパーキングブレーキ
車のディスクブレーキに似ていますが、通常は減速の主な手段としては使用されません。

設置場所：高速軸（ギアボックス出力端後、発電機前）に設置します。この軸は高速かつ低トルクなので、必要なブレーキ装置のサイズを小さくすることができます。

関数：

パーキング：空気圧ブレーキがインペラの回転をほぼ停止させた後（回転速度が極めて低速になった後）、機械式ブレーキキャリパーがブレーキディスクを挟み込み、ファンをしっかりとロックします。これにより、微風や慣性による回転低下を防ぎます。これは作業員の安全確保に不可欠です。

緊急バックアップ: 空気圧ブレーキが完全に故障する極端な場合には、最後の安全バリアとして機能します。

特徴: 過度の摩耗や熱の発生を避けるため、最新のファンの設計では機械ブレーキの使用頻度を最小限に抑え、通常は完全なシャットダウン後にのみ機械ブレーキを使用します。

3.電動ブレーキ（発電ブレーキ） - 補助調整モード
ブレーキは発電機自体によって実現されます。

原理：発電機が電力網から切り離されている場合、回転システムのエネルギーは、ブレーキ抵抗器で電気エネルギーを消費する（運動エネルギーを熱エネルギーに変換して消散する）か、電力電子機器を介して発電機の逆トルクを制御して減速を補助することによって消費されます。

機能: 主に切断プロセス中に減速を調整および補助し、空気圧ブレーキと組み合わせてスムーズな停止を実現します。

ブレーキシステムの共同ワークフロー（強風時の停止を例に挙げます）
風速センサーは持続風速がカットアウト風速（25m/sなど）を超えたことを検出します。

制御システムはまず、空気圧ブレーキを作動させるコマンドを発行します。これにより、ブレードがピッチングを開始し、インペラの速度が低下します。

同時に、エネルギー消費を助けるために電気ブレーキが作動することもあります。

インペラの速度がほぼゼロ（たとえば、1 分間に数回転）に低下すると、機械式ブレーキが作動し、ブレーキ ディスクを締めてファンを完全に停止し、ロックします。

ファンは安全なシャットダウン状態になります。

特殊なケース: 電力損失時のブレーキ
安全性は最優先事項です。ファンには無停電電源装置（UPS）またはバックアップバッテリーが搭載されています。外部電力網が完全に遮断された場合でも、バックアップ電源は制御システムとピッチングシステムに電力を供給し続け、ブレードのピッチングと空力ブレーキの確実な作動を確保します。これは最も重要なフォールトセーフティ設計です。

まとめ
つまり、風力タービンのブレーキは「コンビネーションパンチ」です。

主力: 空力ブレーキ (フェザリング)。ブレーキとパワー制御の大部分を担います。

パーキング: 機械式ブレーキ。安全を確保するために、安定した停止後にロックする役割を果たします。

アシスト: ブレーキプロセスをスムーズにする電動ブレーキ。

この多重かつ冗長化された安全システムにより、悪天候や故障時でも、巨大な風力タービンを安全かつ確実に停止することができます。