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エネルギー新時代


新エネルギーはやわかり

風力発電-風の力で発電

1.発電の仕組み

風力発電とは、風の力で回した風車の回転運動で発電機を起動させる発電方式です。

風の運動エネルギーは、風を受ける風車の面積に比例し、かつ風速の3乗に比例して増大します。そのため風力発電では、少しでも風が強い場所および大きな翼の風車で効率よく風を受けることが重要になります。

そして風のエネルギーを風車に変換する効率は風車の形によって異なりますので、風速に適した回転速度を得られる風車を選択することも大切なポイントです。

2.風車の種類

風車の種類(形式)は、回転軸(回転力を伝える部品)の方向で水平軸風車と垂直軸風車に大別できます(これ以外にも特殊な形式の風車もあります)。

水平軸風車は、地面に対して回転軸が平行な風車です。垂直軸風車は、地面に対して回転軸が垂直な風車です。

水平軸風車では、風向きに対して常に回転軸を平行に保つため、方位制御機構が必要になります。一方、垂直軸風車は、常に回転軸に直角に風が吹くように設置されるため方位制御機構は必要ありません。

また、作動原理に基づくと揚力型風車、抗力型風車に分けられます。

揚力型風車とは、翼の揚力を利用して高速回転・低トルクを得る風車です。一方、抗力型風車は、風が押す力(抗力)で低速回転・高トルクを得る風車です。翼の基本原理は、揚力型風車は飛行機の翼、抗力型風車は帆船の帆と同じです。

【水平軸風車】

1.揚力型
  • プロペラ式(実用化されている風力発電でもっとも普及しています。高速回転に優れた特性をもち、マイクロ風車から大型風車まで幅広く用いられています。一方、騒音が大きく、首振り運動による効率のロスがあり、起電風速が高いなどの課題があります)
  • セイルウィング式(複数の三角形の帆を張った翼の風車です)
  • オランダ式(回転速度は遅いがトルクが大きいですが、発電効率は低いです)
  • 多翼式(翼が多く、回転速度は遅いが比較的トルクは大きいです)

【垂直軸風車】

1.揚力型
  • ダリウス式(飛行機と同じ断面の翼をもち、翼はカーブしています。起動トルクは小さく、風が吹いても自力で起動できないのでモータや他の風車と組み合わせる必要があ ります)
  • ジャイロミル式(飛行機と同じ断面の翼をもち、微風でも回転します。また、強風時には風車の回転を止めるブレーキも必要です)
  • 直線翼式(騒音が低い一方で自己起動性が低いです)
2.抗力型
  • サボニウス式(円筒をタテに半分に割って2枚の翼とし、それをずらして設置して、中心に回転軸を設けています。低速だがトルクが大きく、弱風でも発電でき、強風時の音も静かです。プロペラ型に比べて発電効率が低くなります)
  • パドル式(強風時でも低速のため安全で構造が簡単です)
  • クロスフロー式(微風でも発電でき、騒音が低いですが、受風面と反作用面の両方に風があたるためエネルギーを相殺してしまいます)
  • S型ロータ式(平板をS型に曲げた翼の風車です)

3.メリットとデメリット

【メリット】

  • 風がエネルギー源のため枯渇の心配がありません
  • 発電時にCO2(二酸化炭素)、SOX(硫黄酸化物)、NOX(窒素酸化物)などの大気汚染物質を排出しないので、環境への負荷が極めて少ないです
  • 風が吹けば昼夜を問わず発電できます

【デメリット】

  • 設置場所の風の状況(風速や風力)によって発電量が左右されます
  • 騒音(風車による風切り音や低周波エネルギ)が発生し得ます
  • 定格風速以上の強風や落雷に対して故障や発電停止の可能性があります

4.世界と日本の動向

NEDO再生可能エネルギー技術白書によれば、世界の風力発電の設備容量(導入量)は、2009年末で158.5GW、日本は09年度末で2186 MWです。

欧州では、2020年に477 TWh、米国は2030年に1200 TWh、日本は2020年に5GW(資源エネルギー庁の最大導入ケースでの見通し)、2030年に6.7GW(資源エネルギー庁の最大導入ケースでの見通し)を導入目標としています。

日本でこの導入目標を実現するためには、陸地だけの発電では設置コスト、発電コストが上がる可能性もあり、さらなる低コスト化のために超大型風車や洋上風車、低風速風車などの技術開発が必要であり、その開発が進められています。

掲載日:2012年1月16日


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