はじめに

あなたの家や会社に、無料で、クリーンで、自然な再生可能エネルギーが供給されることを想像してみてください。

それは現実に存在します。風力発電は、空気の自然な動きに含まれるエネルギーを利用して電気をつくります。

風力発電システムは、世界中で稼働しています。風力発電機1台で、2,000世帯分の電力を賄える規模のものもあります。

世界では、全電力需要の約5％を風力発電で賄っています。

アメリカでは、全電力の約6％を風力発電で賄っており、中国に次いで世界第2位です。米国における風力発電の発電量は、太陽光を含む他の再生可能エネルギーの発電量を上回ります。

風力発電の概要

風は、気圧の差によって速さや高さを変えながら地球上を流れています。太陽による地表の加熱ムラ、地球の自転、地表の凹凸などにより、気圧が変動します。

風の速さや方向は、自然の特徴によって変化します。水辺、地形、植生などが風の強さや向きに影響するのです。

米国中西部のような平坦な地形、高台、沖合は、公益規模の風力発電に適しています。米国では41州で公益規模のシステムが送電網に電力を供給しています。

しかし、十分な風速がある地方では、より小規模なシステムで電力を供給することができます。小規模なシステムでは、独立した施設として使用することも、地域の配電システムに接続することも可能です。

小規模なコミュニティや農村部、農場、牧場、農業用地などに適しています。小型のシステムは全米50州に存在します。

風力発電のしくみ

風力発電機は、風のエネルギーを取り込み、利用可能なエネルギーに変換する装置です。

風力発電機は、航空機に揚力を与える空気力学の原理を応用して、空気がブレードの上を流れるときに揚力を最大にする仕組みになっています。

ブレードの上を空気が流れるとき、片側にはより大きな圧力がかかり、揚力と抗力の両方が生じます。揚力は抗力よりも大きいため、ローターが回転するのです。

ローターには、ブレードとハブが含まれる。ローターは、ギアボックス、ドライブトレイン、ブレーキ、ジェネレーター、ベアリングなどを含むナセルに取り付けられている。

風速計で風速を測定し、コントローラーにデータが送信されます。コントローラーは風速に応じてタービンを起動・停止させます。風向きや強さに応じてブレードの回転数やピッチを調整し、ローターが取り出すエネルギー量を制御します。

ローターは1分間に8〜20回転と、発電するには遅すぎる速度で回転します。ナセル内部では、ハブがシャフトに接続され、ギアが何枚も回転する。

これにより、1分間に約1,800回転となり、発電に必要な回転が得られます。このエネルギーは発電機に供給されます。

風力発電機にはギアボックスがないものもあります。ダイレクトドライブ方式の風車では、ローターと大きな磁石の輪が一緒に回転します。

ローターと磁石の大きなリングが回転し、銅線の巻かれた大きなコイルが繋げられていて、エネルギーを直接発電機に送ります。

ダイレクトドライブタービンもギアボックス式タービンも、電気は発電機から変圧器や変電所に送られ、送電システムに接続されています。

風力タービンは陸上と洋上で稼働しています。陸上のタービンの高さは平均295フィート（約89.9メートル）、洋上のハブは平均330フィート（約100.6メートル）と、より高くなっています。

陸上のタービンのブレードの長さは平均約200フィート（約61.0メートル）、ローターの直径は平均410フィート（約125.0メートル）です。洋上タービンのハブの直径は、平均でほぼ 500 フィート（約152.4メートル）です。

高度が高いほど風速が増すため、高いタワーはより多くの風力エネルギーを取り込むことができます。

ローターの直径が大きければ、風の弱い地域でもより多くのエネルギーを取り込むことができます。タービンの発電量が増加することから、需要を満たすにはより少ない台数で済みます。

陸上用タービンは洋上用より小さめです。陸上型は部品の運搬が困難なこともあり、大きさに制限があります。

タービンのブレードは一度製造すると曲げることができません。そのため、大型で重い部品を安全に運搬するためのルートを確保しなければなりません。

ブレードをより柔軟で薄く設計することで、輸送や設置が容易になります。産業界と行政の協力により、現地で部品を生産する方法が模索されており、より高いタワーを設置し、より多くの風力エネルギーを取り込むことが可能になるのです。

一方、洋上には障害物がないため、より大きな風力発電所を設置することができます。沖合は風が強いため、発電量も安定し、発電量も多いと言えます。

再生可能エネルギーと風力発電

再生可能エネルギーは、太陽、風、地熱など、常に利用可能な自然の源とプロセスから生まれます。

再生可能エネルギーは、資源量に限りがあり、環境に悪影響を与えることが多い化石燃料に取って代わるものです。風力や太陽光など多くの再生可能エネルギーは、非再生可能エネルギーよりも環境に優しいとされています。

環境を保護し、化石燃料に代わるものを見つけるために、産業界、政府、様々な組織は、再生可能エネルギーの経済性を高める方法を探っています。

非再生可能エネルギーから再生可能エネルギーへの転換は、都市部に広く普及するものから、家庭や事業所に電力を供給する個々のユニットまで、どのような規模でも実施することができます。

風力発電には多くの利点があります。

  • 風力は無料で、しかも無尽蔵にある。
  • 風力発電は、大気や水、土地を汚染することがない。
  • 風力発電は、現在利用可能なエネルギー生産方法の中で、最もコストが低い方法の一つです。
  • 風力発電は、燃料費の変動に左右されないので、利用者にとって価格が安定する。
  • 水力発電、原子力発電、火力発電に比べ、発電に必要な面積が小さい。
  • 機器の冷却や発電に水を必要としないため、節水が可能です。
  • エネルギーを国内で生産できるため、輸入への依存度が低い。エネルギーの自立に貢献します。
  • 風力発電は、雇用を創出し、産業の発展を支えています。

風力発電にも懸念すべき点があります。

大規模な風力発電所は、地域の生態系に影響を与える可能性があります。

鳥やコウモリが回転するブレードに衝突し、命を失うことがあります。

しかし、研究によると、死亡率は送電線、通信塔、建物に関連するものよりも低いことが分かっています。タービンの設計を改善し、ブレードの回転を遅くし、タワーの間隔を変更することで、鳥やコウモリへの影響を軽減しています。

風力発電業界、環境保護団体、政府とのパートナーシップにより、風力発電による環境への影響を低減することを目指しています。

地域によっては、風力が常に需要を満たすほど強くはない場合があります。そのため、米国エネルギー省は、太陽光と風力を組み合わせたハイブリッド型の持続可能なエネルギー源の研究を行っています。

風力発電所が景観に与える影響についても懸念があります。また、風力発電機は音を発生させます。

しかし、風車が発する低レベルのデシベルが健康に悪影響を及ぼすことはないという研究結果が出ています。

住宅地からのセットバック、タワーの適切な配置と配列により、機械音や空気の移動によるヒューヒューという音を最小限に抑えることができます。

今日、風力発電は個人の住宅や中小企業など、単一用途や小規模な用途で利用されています。

また、陸上および洋上の公益規模の風力発電所では、大規模なコミュニティや産業用途の電力を生産しています。2050年までの風力発電は、米国のエネルギー需要の35％を賄い、60万人の雇用を創出し、10ギガトン以上の温室効果ガス排出を回避できると予測されています。

まとめ

 政府、産業界、研究機関の協力により、風力エネルギーへの新しいアプローチが進行中です。

イノベーション、明確なビジョン、実行可能なソリューションの導入により、持続可能でクリーン、自由で自然な再生可能エネルギー源というビジョンが現実のものとなっています。