垂直軸風力タービンと水平軸風力タービンのどちらがより効率的ですか?
現在、主流の3ブレード水平軸風力タービンの効率は、垂直軸風力タービンの効率よりもはるかに高くなっています。
この効率の差は根本的なものです。効率を測る上で重要な指標は「風力エネルギー利用率」であり、これは風力タービンが風からどれだけのエネルギーを捕捉できるかを表します。現代の大型水平軸ファンは45%～50%の効率を達成でき、これは理論限界（ベズ限界として知られる59.3%）に近い値です。一方、垂直軸ファンの効率ははるかに低く、設計タイプにもよりますが、通常は15%～40%程度です。
水平軸ファンの効率がなぜ高いのでしょうか?
これは主にその動作原理によるものです:
すべてのブレードが同時に最適な角度で風を切り裂きます。水平軸ファンのブレードは、航空機の翼（空力翼）を模して設計されています。風が吹くと、大きな「揚力」が発生し、これがブレードの回転の主な原動力となります。ブレードは常に同じ方向に回転するため、ブレード全体の大部分が継続的かつ効率的に風のエネルギーを捉えることができます。
高速: 水平軸ファンは非常に高い速度を実現できるため、発電機を駆動して電力を生成するのに非常に効率的です。
垂直軸ファンの効率が低いのはなぜですか?
垂直軸ファン（主に卵泡立て器のような「ダリオ型」を指す）の動作モードは異なります。
ブレードは風を受けて前後に動きます。回転するにつれて、風向に対するブレードの角度は常に変化します。特定の角度でのみ、ブレードは風のエネルギーを効率的に捉えることができます。しかし、他の角度（例えば風上側に戻るときなど）では、ブレードは逆に抵抗を生み出します。この「自分自身と競合する」特性が、効率を根本的に制限するのです。
起動性能が低い: 多くの垂直軸ファンは自動的に起動することができず、外部からの支援が必要になります。
効率には大きな差がありますが、垂直軸ファンにもメリットがないわけではありません。垂直軸ファンは、特定の状況において欠かせない独自の機能を数多く備えています。
水平軸ファンの利点と欠点:
利点:
主な利点: 非常に高い効率性と大規模発電における最高の経済的実現可能性。
デメリット:
風向に合わせる必要がある: 風向マーカーのように、キャビンを常に風向に合わせて調整するための複雑な「ヨー システム」を装備する必要があります。
複雑な構造と高いメンテナンス費用: 数十メートル、数百メートルの高さの塔の頂上に重い発電機とギアボックスが設置されているため、メンテナンスと修理が非常に困難で費用もかかります。
騒音が大きい: 刃先が高速回転するため、大きな騒音が発生します。
設置環境に対する高い要件：安定した滑らかな風の状態が必要であり、乱気流や強風のある都市ではうまく機能しない可能性があります。
垂直軸ファンの利点と欠点:
利点:
風は不要: どの方向からの風でも回転させることができるため、ヨーシステムが不要になります。
シンプルな構造でメンテナンスが容易：発電機やギアボックスなどの主要機器が地上に設置されており、メンテナンス担当者が高いところに登る必要がないため、メンテナンスコストが低く抑えられます。
低騒音: 通常は速度が遅く、動作は静かです。
複雑な風況に適応：風向や乱流が変化しやすい都市環境に非常に適しており、屋上にも設置できます。
始動風速が低い：一部のタイプ（Sタイプなど）は微風でも始動できます。
デメリット:
主な欠点: 効率が低い。
構造上のリスクがあります。一部の設計では、高速回転中にブレードの根元に高い応力が生じ、簡単に問題が発生する可能性があります。
したがって、最終的な結論は次のとおりです。
大規模な風力発電所を建設し、発電量と経済効果の最大化を追求するなら、「高効率」な水平軸風力タービンが唯一の主流の選択肢です。そのため、私たちが実際に目にする風車はほとんどすべて水平軸型です。
しかし、街灯、建物、遠隔地の基地局、特に風向が不安定な都市などに電力を供給するような分散シナリオ向けに「気取らず、扱いやすい」発電機が必要な場合は、「効率は低いが頑丈で耐久性がある」垂直軸ファンの方が実際にはより適切な選択肢かもしれません。
つまり、横軸は性能とスケールを追求する「優秀な生徒」を表し、縦軸は特定の環境に適応する「優秀な生徒」を表しています。純粋な効率性という点では、横軸ファンが優れています。
