風力発電:大気の動きをクリーンな電力に変える技術
風力発電とは
風は太陽エネルギーの一形態です。太陽による大気の不均一な加熱、地表の不規則性、地球の自転によって風が生じます。風の流れパターンは地形、水域、植生によって変化します。風力エネルギーは運動する空気の運動エネルギーであり、これを収集して有用なエネルギーに変換するのが風力発電です。風力タービンによる電力生成、風車による機械動力、風力ポンプによる水の汲み上げ・排水、帆による船舶推進などがあります。
風力エネルギーは再生可能で非従来型のエネルギー源であり、クリーンで無公害です。世界の多くの地域で大量に利用可能で、発電時に温室効果ガスを排出しません。
風力資源のポテンシャル
経済的に採掘可能な風力の総量は非常に大きいとされています。ドイツのマックス・プランク研究所のアクセル・クライドン氏は、太陽放射から駆動される風のエネルギーを「トップダウン」で計算し、18〜68テラワット(TW:1兆ワット)が抽出可能と結論付けました。一方、クリスティーナ・アーチャー氏とマーク・Z・ジェイコブソン氏は実測風速に基づく「ボトムアップ」推定で、地上・海上100m高度で1,700 TWの風力が利用可能とし、そのうち72〜170 TWが実用的かつコスト競争力を持って抽出可能と推定しました(後に80 TWと修正)。しかしハーバード大学の研究では、大規模風力発電所で平均1 W/㎡、2〜10 MW/㎢程度とし、これらの推定値は約4倍過大であるとしています。
風力発電の仕組み
風力発電は風力タービンを用いて行われます。各タービンは発電機(交流発電機)と連結されています。簡単に言えば、風力タービンは扇風機の逆の働きをします。扇風機が電気で風を作るのに対し、風力タービンは風で電気を作ります。風がブレードを回し、シャフトを介して発電機を駆動して発電します。複数のタービンを連結して所望の出力を得ます。この多数の風力タービンの集合体を「風力発電所(ウィンドファーム)」と呼び、十分な風速がある場所に建設されます。
風力発電の物理的原理
風力発電の原理は以下の通りです。時間t동안に仮想面積Aを通過する総風力エネルギーは次の式で表されます:

ここでρは空気密度、vは風速、Avtは面積Aを通過する空気の体積(風向に垂直とみなす)、Avtρは単位時間あたりの通過質量mです。½ρv²は単位体積あたりの運動エネルギーです。
パワーは単位時間あたりのエネルギーなので、面積A(風力タービンのローター面積に相当)に入射する風力パワーは:

この式から以下のことが導かれます:
- パワーは空気密度ρに比例する。密度が高いほどタービン出力は増加する。
- パワーはタービンブレードの掃引面積に比例する。ブレード長を延ばすと掃引半径が大きくなり、出力が増加する。
- 風力は風速の3乗に比例する(開放気流の場合)。風速が2倍になると利用可能パワーは8倍になる。したがって、グリッド連系用風力タービンは高風速域で特に高効率である必要がある。
風力タービンの構造と種類
風力発電所では、風の運動エネルギーでタービンブレードを回転させ、発電機の原動機を駆動して発電します。十分な風がブレードに当たると回転し、ローターを介して低速シャフト、ギアボックスで高速シャフトに変換され、発電機で電力を生成します。
風力タービンにはコントローラーがあり、風速範囲内で運転を開始・停止します。風速が下限を超えると起動し、上限(生存風速)に達すると自動停止します。全タービンはこの最大風速で設計されています。風速計(アネモメーター)で風速を監視し、コントローラーに情報を送ります。ブレーキは緊急時にローターを機械的・電気的・油圧的に停止させます。風向計、ヨー駆動、ヨーモーターで風向を測定し、風向変化時にアップウィンドタービンを風上に向けます。
風力タービンには主に2種類あります:
- 水平軸風力タービン(HAWT):アップウィンド型とダウンウィンド型に分類
- 垂直軸風力タービン(VAWT):ドラッグ型とリフト型に分類
HAWTアップウィンド型ではタービン軸と発電機軸が水平で、ブレードがタワーの前方(風上側)に配置されます。ダウンウィンド型ではブレードがタワー後方(風下側)にあります。VAWTドラッグ型では発電機軸が垂直でブレードが上方にあり、地上や小型タワーに設置されます。大型現代風力タービンの多くは高効率のためHAWTです。ブレードが常に風に垂直に動き、全回転で動力を受け取れるためです。
風力タービンの主要コンポーネント
- ブレード/ローター:風エネルギーを回転軸エネルギーに変換
- ドライブトレイン:ギアボックスと発電機を含む
- タワー:ローターとドライブトレインを支持
- 付帯設備:制御装置、電気ケーブル、地上支援設備、連系設備など

図1 風力タービンのコンポーネント
風力発電所とグリッド連系
風力発電所は同一場所に複数の風力タービンを設置し、発電を行う施設です。大規模なものは数百基のタービンを広範囲に配置しますが、タービン間の土地は農業などに利用可能です。洋上風力発電所もあります。
大型風力タービンのほぼ全ては、3枚ブレードのアップウィンド型水平軸タービンで、ナセルが高い円筒形タワーの頂部に載る設計です。風力発電所内では、各タービンが中電圧(約33 kV)の集電系統と通信ネットワークで相互接続されています。変電所で昇圧変圧器により高電圧送電系統に連系されます。
設計仕様と性能
風力タービンの設計仕様は通常、パワーカーブと保証可用性に基づきます。典型的な動作温度範囲は-20〜40℃で、極寒や酷暑地域向けのバージョンもあります。IEC 61400規格に基づき設計・検証されます。
HAWTの空力は複雑で、ブレード周りの気流は遠方の気流と異なり、ローター表面では他の空力分野では稀な現象が生じます。1919年、物理学者アルベルト・ベッツは、理想的な風力抽出機では質量保存則とエネルギー保存則から、風の運動エネルギーの59.3%(ベッツ限界)を超えて回収できないことを示しました。現代のタービンはこの理論限界の60〜70%に達しています。
運転モードと制御
風力タービンは広範な風速で最大出力を出せるよう設計され、全てが最大風速(生存風速)で設計されています。以下の3つの運転モードがあります:
- 定格風速未満での運転
- 定格風速付近での運転(通常は定格出力で運転)
- 定格風速超過での運転
定格風速を超える場合、出力を制限する必要があり。制御システムはセンサー(プロセス変数測定)、アクチュエーター(エネルギー捕獲とコンポーネント負荷の操作)、制御アルゴリズム(センサー情報に基づきアクチュエーターを調整)の3要素で構成されます。
風力発電の課題と特性
- プラント負荷率(PLF):風速が一定でないため、年間発電量は名板定格の総和×年間時間数には達しません。実際の生産性/理論最大値の比をPLFと呼び、典型的に15〜40%です。好適地とタービン設計改善で上限寄りの値が達成されます。
- 信頼性:個々のタービン故障が全体出力に与える影響が小さいため、分散型風力発電は高信頼性・予測可能です。
- 環境影響:化石燃料発電所より影響は小さいですが、ローター騒音、景観影響、バードストライク(鳥類衝突)への懸念があります。
- 間欠性:風が常に吹くわけではなく、電力需要と一致しないのが最大の課題です。風自体は貯蔵できません(風力発電電力は蓄電池で貯蔵可能)。好適地が需要地から遠いことも多いです。
- 土地利用競合:風力開発は他の土地利用と競合しますが、放牧地や農地との共用も可能です。
製造プロセス