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風力発電の仕組み

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風力発電とは?

風力発電とは?

風の力で風車を回し、その回転を発電機に伝え電気をつくるのが風力発電。風車にあるブレードといわれる大きな羽根が風を受けて回転します。大型の風力発電機では羽根が非常にゆっくりと回転するため、増速器で回転数を増やし、発電機をすばやく回転させて電気をつくり出します。

風力発電の構造

風力発電機には風の力を最大限受け取れるよう風の向きにあわせて風車の向きを自動的に変える機構があり、常に最も効率的な発電ができるように設計されています。風力発電装置では、風力エネルギーの40〜45%(最大理論値は59%)を運動(回転)エネルギーにすることができます。発電機でその90%を電気エネルギーに変換できるとすれば、風力エネルギーのおおよそ30〜40%が電気エネルギーに変換できる計算になります。水力発電の80〜90%には及びませんが、最新鋭の高性能火力発電所が50〜60%程度、一般的な太陽光発電が20%程度ということを考えると、効率の高い発電設備といえます。最近はより効率的な発電を求めることもあって、風力発電設備のタワーはどんどん高くなり、風車も大きくなる傾向にあります。現在は2,000〜3,000kW級のものが主流で、三菱重工の2,400kWタイプの風力発電機では、風車の直径は92m、地上からの高さは羽根を含めると116mもあり、これは33階建てビルの高さに相当します(1階あたり3.5mで換算)。

風力発電の仕組みや種類

風力発電でよく見かけるのは、大きなプロペラが印象的なプロペラ型ですが、他にもいろいろなタイプの風車があります。風車には大きく分けて、風向きに対する回転軸の方向によって水平軸風車と垂直軸風車があります。水平軸風車にはプロペラ型をはじめ、四枚羽根で知られるオランダ型、多翼型などがあります。垂直軸風車には、サボニウス型やダリウス型、ジャイロミル型などがあり、風向きに関係なく風車が回転することがポイントです。風車のタイプや形状によって、パワーは小さいが少ない風量でよく回転する、風量は必要だが大きなパワーを取り出すのに適している、といった特徴があり、用途や設置場所に応じて使い分けられています。近年では大型化が可能で発電効率がよく、大きな電力を発電できるプロペラ型が主流になっています。

風力発電の仕組みや種類

水平軸風車 プロペラ型

風力発電のメリットとデメリット

風力はなくなる心配のないエネルギー源。発電に際して温室効果ガスなどを排出することがない、安全でクリーンな発電方法です。設置コストも年々低下傾向にあり、発電効率も高いため経済性の面からもメリットがあります。風さえ吹いていれば、昼夜を問わず発電できますが、風は常に一定の力で吹いているわけではありません。そのため、発電量が安定しないというデメリットもあります。他にも、羽根の回転による騒音問題や低周波問題が指摘されていること、羽根に鳥が巻き込まれて死傷することがある(バードストライク)、さらには景観を損ねるという意見もデメリットといえます。

風力発電の現状と課題

風力発電は、発電効率が高くクリーンであることから、世界各地で積極的な導入が進んでいます。日本風力発電協会の「風力発電の導入促進に向けて〜風力発電の現状と展望〜」によれば、2013年の世界の累積風力発電導入量は3億1,814万kWで、これは国内電力会社の全発電設備容量の1.6倍に相当する規模にあたります。2013年単年では世界で3,509万kWの風力発電が導入されましたが、日本はわずかに6.5万kW、累計でも270.7万kWにとどまっています。欧米や中国と比べて普及が伸びないのは、地震や台風にも耐えうる発電機を設置する必要があるためコストが高くなる、大量の風車を設置できる場所が限られている、再生可能エネルギーとして太陽光発電を優先させてきた、などの日本独特の事情もあります。
また、普及への課題としてもう1つ、電力会社による買い取り量の制限があります。太陽光や風力を利用した発電は出力が不安定なこともあり、電力会社が買い取り量の上限を設定しており、新たな設備からの買い取りを中断するケースもあります。さらに送電網の問題も切実です。国内の風力発電施設は北海道と東北地方(主に青森県)に集中しています。風力発電に適した土地で、まだ開発可能なエリアもありますが、その電力を大消費地である首都圏まで安定的に送る送電設備の容量が不足しているのです。電力会社は、電力品質や安定供給に影響を及ぼすようなことがないように、各電力会社間で電力の連系可能量を設定しているのが現状です。せっかくの風力発電の電気が送電網に接続できなければ発電の意味がありません。風力発電は導入規模や範囲が増えるほど電力の出力が安定し発電コストも下がります。風力発電の普及には、各電力会社間の電力の連系可能量の見直しや、設備の拡充・整備が急ぎの課題といえそうです。

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