2017年1月30日

風力発電の導入加速!

追い風が吹く風力発電の仕組みとメリット

風力発電は、世界全体で導入が加速しており、本格的な普及拡大が始まりつつあります。日本においても、太陽光発電に次ぐ再生可能エネルギーとして期待されています。それにもかかわらず、風力発電の仕組みやメリットは、一般的にはあまり知られていません。それはなぜでしょうか。今回は、風力発電の基礎知識とメリット・デメリットなどについてご紹介します。

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【目次】

風車で発電!風力発電の仕組み

風力発電は風のエネルギーを利用して、発電機につながれた風車を回転させることで電力を発生させています。

風力発電の仕組み

風車の羽根の部分を「ブレード」と呼び、そこに風があたると風力で羽根が回転して、その力がブレードの付け根にある「ハブ(動力伝達軸)」を伝わります。そして、「ナセル」と呼ばれる羽根の軸部分の機器の中にある増速機で回転数を増やし、増速された回転力がタービンに伝わって電力に変換されています。ここで発電されたエネルギーは、「タワー(塔体)」を通って、「トランス(変圧器)」で電圧を上げ、送電線に送られる仕組みです。

風力エネルギーは風を受ける面積や空気の量、風速などに比例して増えます。風を受けやすい場所や方向に向けて設置されていますが、強い風が吹けば良いというものでもありません。台風などの強風では、設備を守るために風車を止める必要があります。強風時や点検時には、ナセルの中に収納されているブレーキで風車をストップさせます。

風車の種類

最も普及しているのが、プロペラ型の風車です。大きな3枚の羽根で風を受けるため高速回転がしやすく、発電効率が高いのがメリットです。向かい風のときが最も回転するため、発電量を増やすためには羽根の方向をコントロールする必要があります。

ヨーロッパなどの風景でよく見られる四角い羽根の風車が、オランダ型です。4~6枚の木製の羽根でできていて風を受けやすい半面、回転速度が遅いため実用性はあまり高くありません。
そのほかにも、飛行機と同じく断面が垂直翼形をしたジャイロミル型の風車があります。微風でも回転し、どの方向からでも風を受けることができるため、プロペラ型の次に発電効率が高く、今後の利用に注目が集まっています。

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風力発電のメリット・デメリット

日本でもさらなる導入が期待される風力発電。そのメリット・デメリットを見てみましょう。

メリット

風力発電は、風があれば昼夜を問わず24時間発電することができます。また、建設にかかる工期が短く、短期間での増設や移設が可能なため、需要の変化に素早く対応できる点も魅力です。

もう1つのメリットは、再生可能エネルギーの中でも発電コストが比較的安いことです。発電コストとは、一定量の電力を発電するのにかかる費用のことで、経済産業省資源エネルギー庁の2014年の調査によると、風力発電の1kWhあたりの発電コストは21.9円です。これは住宅用太陽光発電の29.4円に比べても安い金額です。しかし、最も発電コストの安い原子力発電の10.1円に比べると倍以上かかっていることになります。発電コストは再生可能エネルギー全体の課題といえるでしょう。

その一方で、風力発電は変換効率が高く、風のエネルギーの約40%を電力に変換することができます。さらに、変換ロスも少ないため、素材や機器の研究開発が進めば、風力発電の普及が急速に進む可能性もあります。

デメリット

風力発電にはエネルギーを発生させるための適切な風量の基準があります。風が強すぎても弱すぎても適切な風量とはいえず、台風の多い日本では強風で設備を壊してしまう恐れもあります。このように気象条件に対応するのが難しいという点がデメリットです。風車の倒壊などのトラブルを防ぐため、強すぎる風を感知した場合、ブレードが破損しないよう向きを変えたり、自動停止させたりするブレーキ機能が働くように作られています。

バードストライクも風力発電の課題です。バードストライクとは、風力発電のブレードに鳥が巻き込まれてしまうことで、絶滅危惧種の鳥類においても死因の1つとなっています。

また、風力発電はブレードの風切音や低周波が発生するため、近隣との間で騒音問題が発生することがあります。騒音問題を事前に防ぐため、日本住宅管理協会では風力発電の設備を周囲150m以内に住人がいない土地に設置することを推奨しています。

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課題点を改善!風力発電の導入例

風力発電にはいくつかの課題がありますが、課題点を改善し風力発電を導入している事例をご紹介します。

ウィンドファーム方式

風力発電の課題をカバーするため、一定の敷地内に風車を集中して設置し発電を行う「ウィンドファーム方式」が世界的に導入されています。ウィンドファームは、風車を1カ所に集めることでインフラ整備や施工にかかるコストが抑えられ、発電量も安定的に確保できるというメリットがあります。また、風の強弱による風車のバラつきもうまく制御できるので、電圧と周波数への影響を軽減できると期待されています。

風車を高くする(大型化)

風力発電は風がなければ発電できないため安定供給が難しい発電方法ですが、高い位置にブレードを設置することでこの課題を改善することができます。エネルギーに変えることができる強い風は、地上から高くなるほど発生しやすいという特性があります。ブレードを高い位置に設置すれば、より上空の強い風が活用でき効率よく発電できるというわけです。一般的な風車の高さはブレードの長さを含めると約100mほどですが、さらに風車を大型化することで1基あたりの発電量を増やすことができ、費用対効果も高くなります。

洋上風力発電

風力発電所には、風がある広大な土地が必要です。その課題を改善するために、陸よりも安定した風が強く吹く海洋上に、風力発電設備を設置し発電を行う「洋上風力発電」という方法があります。洋上は、強くて安定した風力を受けられるだけでなく、騒音や景観への影響も小さいため土地の制約も少ないなどのメリットがあり、風力発電には適した場所といえます。

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風力発電は低リスク・高収益!

自然エネルギーを利用する風力発電は、環境への影響やエネルギー源枯渇の心配もありません。風さえあれば24時間発電できるため設備の利用率も高く、低リスクで高い収益が得られる効率的な発電方法です。小型風力発電の開発も進んでおり、日本でも今後の導入拡大が期待されています。

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