●風力発電【ふうりょくはつでん】

原理

風の起源は太陽からの放射熱である。放射熱が大気や地表の状況の異なりによって分布が乱れ、温度差が生じて風が発生する。この風による風力エネルギーは、大気圏に入ってくる太陽エネルギーの約2％が変換されるといわれ、地球全体としてはきわめて大きなエネルギーとなる。風力発電の原理は、風の運動エネルギーを風車の回転運動に変換して取り出すものである。いま風のあたる受風面積をA、ρを空気の密度、vを風速とすれば、単位時間あたりの運動エネルギー、すなわちパワーはW＝Aρv³/2で表される。つまり風力エネルギーは受風面積に比例して、風速の3乗に比例することとなる。このエネルギーのうち風車のタービンによって回転エネルギーに変換できるのは理論的に約60％が限界で、実際の風車エネルギーは空気の粘性、その他の影響などから約45％以下となる。つまり、受風面積半径1メートル、風速10メートル毎秒では約1キロワットの回転エネルギーが得られる。

［道上　勉・嶋田隆一］

風車の種類と発電システム

風車の種類は水平軸風車と垂直軸風車に分けられ、前者の代表が高速タイプのプロペラ型で、減速比（風車と発電機の回転数比）を小さくできるので風力発電の用途に適している。風はその強さと向きを絶えず変化させるので、風力制御としてはこの変動する風を効率よく捕獲し、安定な出力を得るため、出力、回転速度を制御するピッチ制御と風向制御をつかさどるヨー制御が用いられている。

　後者の垂直軸型は、ダリウス型が代表で風向きによらず発電できるためヨー制御は不要で、中心軸が避雷設備を兼ねるなど小型風車には適している。しかし回転速度が遅く、始動時のトルクが低いので弱風では始動しにくいなどの欠点がある。

　プロペラ型風力発電の代表で1.5メガワットのシステムは、ローター（回転翼）の直径が66メートル、回転軸の高さ60メートルでジャンボジェット機を立てたような巨大な構造物である。風車が大きいほど高さが高いほど、能力が大きくなりワット当りコストが安くなるが、日本では陸上輸送の制限から2.5メガワットが限界であろう。輸送制限のない洋上風力発電では3メガワット、5メガワット機の導入が計画されている。

　風力発電の先進国はドイツ、デンマーク、オランダである。とくにオランダの風車は観光資源としても有名であるが、これらの国は北海からの強い西風に恵まれている。これらの国では1975年ごろから始まる石油の高騰、原子力の衰退、地球温暖化に後押しされ、近代風力発電の開発に成功し、電力の30％を風力に頼るようになっている。ヨーロッパ全体では2020年に全電力の20％、2050年には50％を再生可能エネルギーでまかなうことを目標にしているが、そのほとんどは風力発電である。北海沿いの国では、暖房する冬に電力需要のピークがあり、北海からの強風は風力発電に都合がよく、政府主導による買い取り制度や、買い取り義務目標によって急速に進展している。世界の累積導入量は、1999年には14ギガワットだったものが、5年後の2004年には48ギガワットになって、10年後の2009年にはさらに160ギガワットと目覚ましい伸びを示している。これからは浅い北海にさらに大きな、1機5メガワットクラスの風車を数百機建設する洋上風力発電群の建設が計画されている。

　発電システムとしては、羽の回転を、ギアを介さず、強力な磁石式の直径の大きな多極同期発電機で発電する方式が効率的である。多極ギアレス磁石式同期発電方式は半導体スイッチによるコンバーターで全電力を直流電力に変換し、インバーターで電力系統の配電線に接続する一方、ギア付き発電機方式は増速ギアを使って従来の発電機回転速度にして同期発電機を用いるか、または可変速交流界磁による巻線形誘導発電機を用いる。保守が困難で稼働率が重要な洋上風力発電では、コストが安く堅牢(けんろう)な、かご形誘導発電機方式も検討されている。

［嶋田隆一］

日本の風力発電

日本における風力発電の開発は海外での風力エネルギー利用の研究開発が活発化し始めた1975年（昭和50）ごろから開始され、環境保全上の重要なクリーンなエネルギーとして国のサンシャイン計画のなかで100キロワット級風力発電プラントの開発が取り上げられた。1980年始めは出力50キロワット機が主力であったが、1995年（平成7）時点で500キロ～800キロワット機が主力となり、1996年以降には1000キロ～1500キロワット機が登場した。現在は輸送制限の関係で最大の2500キロワット機が普及段階に達している。設備容量の現状は2007年（平成19）時点で、世界全体で100ギガワットのうち、日本が1.5ギガワット、アメリカ約16ギガワット、ドイツ22ギガワット、スペイン15ギガワット、イギリス2.4ギガワットとなっておりヨーロッパを中心に多く建設されている。2007年からはドイツが伸び悩む一方、インド、中国での風力発電の普及は目覚ましい。日本では地域の電力会社が発電と送配電を独占してきたので買電だけの運営はなじみがなく、民間、NPO（民間非営利組織）、地方自治体が風力発電設備をつくっても電力会社が電気を買い取ってくれない状況があった。グリーン電力として2012年までに3ギガワット（300万キロワット）の導入を義務化して目標としたが（電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法＝RPS法といわれた）、結局、国内全体で目標は達せられなかった。本格的普及は東日本大震災とそれに伴う福島第一原子力発電所事故のあと、その必要性が議論されている電力事業の構造改革がなされてからと思われる。大規模な開発例としては2008年青森県六ヶ所(ろっかしょ)村に1500キロワット機が34台、全体で51メガワットが完成している。単機容量の最大は、北海道根室(ねむろ)市の昆布盛(こんぶもり)にある風力発電所の2.5メガワット機である。日本はヨーロッパのように平野が広くなく山岳が多いため、建設が困難でこの容量が最大であるが、今後は洋上にさらに大型機を多数配置する洋上風力発電群の開発が期待されている。

　日本では、発生電力の電力会社への卸売りに関して、2003年よりRPS法による買い取り量の目標と義務化を行い、さらに2012年7月1日より「再生可能エネルギーの固定価格買取制度」で買い取り価格の保証制度などが実施され、このことが引き金となり急速に普及が進んでいる。

［嶋田隆一］