風力発電は、風の力を利用して電力を生み出す持続可能なエネルギー源です。この技術は、環境に優しく、再生可能なエネルギー源として、私たちの未来に向けた重要な役割を果たしています。
風力発電の主要な利点の一つは、燃料が不要であることです。風が吹けば発電できるため、化石燃料や原子力などの有限な資源に頼る必要がありません。また、風力発電は二酸化炭素（CO2）などの温室効果ガスをほとんど排出しないため、気候変動への対策としても有効です。
さらに、風力発電は地域の雇用創出や経済活性化にも貢献します。風力発電所の建設や運営には多くの技術者や労働者が必要とされ、地域経済にプラスの影響を与えることがあります。
ただし、風力発電にはいくつかの課題も存在します。一つは、風が不安定な要素であることです。風が弱いときや停滞すると、発電量が低下します。また、風力発電所を設置するためには、風の豊富な地域や海上など特定の場所が必要です。
さらに、風力発電所の建設や風車の製造には一定のエネルギーと資源が必要です。また、風力発電所は風車の騒音や景観への影響など、地域社会との調和を考慮する必要があります。
これらの課題にも取り組みつつ、技術の進歩や研究開発により、風力発電はますます効率的で持続可能な選択肢となっています。将来的には、風力発電がより広範な地域で利用され、エネルギー供給の重要な柱となることが期待されています。
風力発電とは
この技術の原理は、風車や風力タービンによって風の運動エネルギーを回転エネルギーに変換し、それを発電機で電力に変換することです。風力発電は再生可能なエネルギー源であり、その利点は多岐にわたります。
まず第一に、風力発電は環境に対する影響が少なく、クリーンなエネルギー供給を実現します。二酸化炭素やその他の有害な排出物をほとんど生じさせず、大気汚染や温室効果ガスの削減に貢献します。これによって、気候変動の緩和や持続可能な未来の構築が促進されます。
また、風力発電はエネルギー供給の多様化にも寄与します。風は自然のエネルギー源であり、風の資源が豊富な地域では持続的な電力供給が可能です。風力発電所は風の強い地域や海上に設置され、地域のエネルギー需要を満たすことができます。
風力発電の特徴
- 温室効果ガスを発生しない、風力発電は石油や石炭などの燃料を使用せず、環境に優しいエネルギー源です。
- 風力発電の技術が進歩することにより、製造コストが低下し、経済的なエネルギー源となっています。
- 風力発電は太陽光発電と同様に、天候に左右されず使用することができます。
- 風力発電は大規模な発電所を建設する必要がなく、地域別に小規模な発電所を設置することができます。
- 風力発電の発電量や状況などはリモートモニタリングにより簡単に確認することができます。
太陽光発電は昼間の太陽光を頼りに発電するのに対して、風力発電は一定の風速があれば発電できます。
風車の羽根（ブレード）が風を受けて回転し、その回転力で発電機を起動させ、電気を作ります。大型風車（１千kW以上）、中型風車（１千kW未満）の電気エネルギーが作れます。
風力発電の電気エネルギー交換率は40％
風の運動エネルギーを100％とした時に、風力発電はどれくらいの電気エネルギーを得ることができるのでしょうか。
一般的なプロペラ型風車では、ロータ（回転体）で生じる空気抵抗や発電機の機械損失を差し引いた残りの30％～40％を電気エネルギーとして取り出すことができます。
風車発電機の構成
風車発電機は以下のような部品から構成されています。
- ブレード・風を受けて回転する旋転翼です。
- ハブ・ブレードを固定する部分
- 増速機・風力をエネルギーに変換するために、タービンを回転させます。
- 発電機・回転したタービンから得られた動力を電力に変換する装置です。
- ナセル・ブレードの回転を増幅させる増速機や電気に変える発電機、制御用コンピューターなどを収める
- 控制システム・風力発電システムの状況をモニタリングし、必要に応じてタービンの方向や回転速度などを調整する装置です。
プロペラ型風力発電機は、基礎工事を行った土台の上に円柱状のタワーを設置し、そのタワーの上端にナセルとブレードが組み立てられています。
ブレードはハブによってロータ軸に連結されており、ナセルの中にはロータ軸、増速機、ブレーキ装置、主軸、発電機が収納されています。
このうち増速機は、ブレードからの回転を発電機に必要な高い回転数まで歯車（ギヤ）を用いて増速させます。また、タワーの内部にはメンテナンス時に使用する昇降機やはしごなどが設置されています。
ヨー駆動装置
風車発電機のヨー駆動装置とは、常に風の強さや風向きが変わる風に対応する装置です。
たとえば、台風や台風並みの風が吹いた場合、風車が壊れないように可変ピッチが働き、風車がまわらないように制御しています。
そのほか、ブレード面を常に風向きに合わせて角度を変えたり、出力を効率的に制御しています。これをヨー制御といいます。
大型風車とウインドファーム
効率良く電気エネルギーを得るためには風力が要、そのためには受風面積と高さがポイント
風車の大きさは一般的にタワーの高さ60～80ｍ、ロータ直径が80～90ｍ程度、市場における大型化はまだまだ進行中です。
そのほか、大型風車をたくさん並べて建設する方法。このときに電力系統・変電所・運転監視施設・送電線も設置して、風力発電機で発電された電力を、変電所を経て電力系統に送ります。これをウインドファームといいます。
風力発電産業の課題
- 【不安定な風力の供給】 風力の発電は天候条件に大きく左右されるため、不安定な風力により電力供給が不安定になる問題があります。
- 【設備コストの高さ】 風力タービンの設置や配線などに必要な設備は高額であり、風力発電の立地選定や設備計画には工数やコストがかかります。
- 【環境影響】 風力タービンは大規模なものであり、野生動物や環境などに影響を与えることがあります。
- 【配線とグリッドの接続】 風力発電のために生産された電力を使用するためには、地域の電力グリッドへの接続が必要ですが、これには工数とコストがかかる場合があります。
- 【風力発電のスケールアップ】 風力発電はまだ普及していないため、大規模な風力発電施設の構築や運用には大量の資金やリソースが必要です。
これらの課題を克服するために、政府や産業界は技術の開発や普及、設備の低コスト化、グリッド接続の改善などの取り組みを進めています。
日本が抱える風力発電の最大の課題は系統制約と言われています。
系統制約とは、火力発電や太陽光発電などの電力を送電網に接続するときに電力需給バランスが崩れないよう出力抑制する場合に生じる問題です。
系統制約は、電力システムにおける制約や制約条件のことです。電力供給と需要のバランスを維持し、電力ネットワークの安定性を確保するために考慮される条件や制約のことを指します。具体的な例としては、電力容量制約、電圧制約、周波数制約などがあります。系統制約の管理は、電力ネットワークの運用者や発電事業者によって行われます。
再生可能エネルギー電源の導入が急拡大する一方で、送電設備が現状のままでは送電容量に空きがなくなり、再生可能エネルギーで作った電気を送れなくなります。
このような系統制約の問題を解決するため、火力発電や揚水発電の調整力の強化、送電設備の整備、地域関連係線の増強などの取り組みが進められています。
風力発電のメリットは？
- 【再生可能エネルギー源】 風は自然に存在し、再生可能な資源です。風力発電は化石燃料に頼らず、地球温暖化や気候変動の影響を軽減することができます。
- 【環境への影響が少ない】 風力発電は二酸化炭素やその他の大気汚染物質を排出せず、大気汚染や酸性雨の原因になりません。また、風車の設置に伴う土地使用も比較的小さいです。
- 【電力供給の多様化】 風力発電はエネルギー供給の多様化に役立ちます。他の発電源と組み合わせて利用することで、エネルギーの安定供給が可能となります。
- 【雇用創出と地域経済の活性化】 風力発電プロジェクトは雇用機会を提供し、地域経済を活性化させることがあります。風力発電所の建設や運営には多くの技術者や作業員が必要となるため、地域社会に経済的な利益をもたらす可能性があります。
風力発電のデメリットは？
- 【風の変動による不安定性】 風力は風の強さや方向によって変動するため、風力発電は不安定な電力供給をもたらすことがあります。風が弱い時や風が吹いていない時には十分な電力を供給できない可能性があります。
- 【風車の視覚的影響】風力発電所の風車は、風景に対して視覚的な影響を与えることがあります。風車が大規模に配置される場合、景観の変化や美観への影響が懸念されます。一部の人々にとっては風車の外観が好ましくないと感じることもあります。
- 【騒音問題】風車の運転中には、風車の回転や機械の動作に伴って騒音が発生することがあります。近隣の住民にとっては、風車の騒音が生活環境に悪影響を与える可能性があります。
- 【適切な立地条件が必要】風力発電所を建設するには、適切な風の吹き付ける条件が必要です。風の質や速度が発電能力に大きく影響するため、十分な風の資源がある地域での建設が求められます。
- 【費用と経済的側面】風力発電所の建設およびメンテナンスには高い初期費用がかかります。また、風の変動による発電の不安定性や送電インフラの整備なども考慮する必要があります。これらの要素によって、風力発電の経済的な持続性には注意が必要です。
最後に
日本における風力発電の導入ポテンシャルが陸上風力と洋上風力を合わせて14億kWを超えると推測されているが、日本のメーカーは大型風車事業においては欧米や中国のメーカーと比べて競争劣位にあるというものです。
風力発電に関しては、欧米や中国のメーカーは主力事業として取り組んでいる一方で、日本のメーカーは重工業を中心に多様な事業を抱えており、風力発電は一事業の中の一部と位置づけられています。そのため、経営資源が大型風車事業に優先的に配分されるわけではなく、優先順位の差が競争劣位を招く要因となっていると考えられています。
この経営上の優先順位の差は、日本のメーカーが風力発電市場において競争力を持てない一因となっています。一方、欧米や中国のメーカーは風力発電に注力し、技術の進歩や経済規模の拡大によって競争力を高めています。
日本の風力発電市場が十分に活性化するためには、日本のメーカーが大型風車事業においても積極的に取り組む必要があります。また、政府や関連団体の支援や風力発電に対する投資環境の整備も重要です。これらの取り組みによって、日本の風力発電産業が成長し、世界市場で競争力を持つことが期待されます。