エネルギー論第１０回目
風力発電システムの仕組み

千葉大学電気電子工学科
劉 康志
２０１６年６月１５日

System Design Laboratory, Chiba University

講義内容
 風力エネルギーの基礎

 風力発電の基本的な流れ
 風車の種類 風車のエネルギー変換効率 風力のパワー曲線
 各種風力発電システムの構成・特長
 風力エネルギーの最大利用技術

 風力発電の課題
 風力発電の出力安定化
 劉研究室における取組
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1

地球に降り注ぐ太陽光エネルギー

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太陽光エネルギー 地球に降り注ぐエネルギー14
電力換算： 1.26 × 10 kW
全世界消費量の １万倍以上
日本： 5.0 × 1010 kW 風力エネルギー
太陽光エネルギーの ０．２％
 無尽蔵、ただ。

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風力発電の原理
 風車のブレードで風の力を受け取る

 風車を回し、風車軸に直結する発電機を回転させる。
 発電機で発電し、電気エネルギーに変換する。

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風車の種類

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5

風車の変換効率
 風の運動エネルギー

1
𝑊 = 𝜌𝐴𝑉 3
2
𝜌 = 1.29 kg/𝑚3 ：空気密度
𝐴 = 𝜋𝑅2 𝑚2 ：受風断面積
V ：風速
 風車の効率：６０％以下

風車が受け取るパワー：
1
𝑃 = 𝐶𝑝 𝜌𝐴𝑉 3
2
𝐶𝑝 < 60%

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各種風車のパワー係数： 周速比依存

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7

大型風力発電システムの構成
 ブレードを長くすることにより、高い周速比を確保、変換効率は高められる。
 火力発電匹敵するC/P

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8

風力発電機の大型化
 洋上発電がメイン

 エネルギー密度が高い
 コストが安い

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9都市型風力発電システム
 設置が容易 パワー密度、エネルギー密度共に低い
 コスト高System Design Laboratory, Chiba University

10Wind energy benefits
No air emissions

No fuel to mine, transport,or store
No cooling waterNo water pollution
No wastes

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Wind turbines

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Turbines: Different sizes and applications
Small (10 kW)• Homes (Grid-connected)• Farms• Remote Applications(e.g. battery charging, water
pumping, telecom sites)

Intermediate(10-500 kW)• Village Power• Hybrid Systems• Distributed Power

Large (500 kW – 5 MW)• Central Station Wind Farms• Distributed Power• Offshore Wind

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Onshore wind farm
 Range in size from100 kW to 5 MW
 Provide wholesalebulk power Require 13-mph

average wind sites

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Offshore wind farm

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Wind turbine structure

System Design Laboratory, Chiba UniversityPower curve: Aerodynamics

 Power to the generator shaft= ratio between tip-speed and wind speed Torque to the generator shaft

System Design Laboratory, Chiba UniversityPower delivered to turbine

MPPT (maximum power point tracking)(Wind speed)

Rotor speed

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Wind turbine sizes

1980s:
 50 kW capacity

Today‘s average:
 Onshore: 2 MW
 Offshore: 5 MW

Source: Garrad Hassan

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Cost structure of a typical 2 MW wind power plant

Investment(€/kW)

Share (%)

Turbine (excludinglabor)

928

75.6

Foundation

80

6.5

Electric installation

181.5

Grid connection

109

8.9

Control systems

40.3

Consultancy

15

1.2

Land48

3.9

Financial costs

151.2

Road110.9

Total

1,227 €/kW

100 %System Design Laboratory, Chiba University

Installed wind power capacity in 2008

70,000 MW

Growth in 2008
Installed capacity in 2007
60,000 MW

50,000 MW

40,000 MW

30,000 MW

20,000 MW

10,000 MW

0 MW
Latin
America &Carribean

Middle East& Africa

Rest ofEurope

Rest of Asia

Asia PacificCanada

India

China

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USA

EU-27

Offshore wind power installed in EU-27 by 2008

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Wind energy in gross electricity generation

20%
2005
2006

18%

2007

16%
14%
12%
10%
8%
6%
4%
2%
0%
EU-27

EU-15EU-12

Denmark Germany

Ireland

GreeceSpainFranceItaly

Portugal

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UnitedKingdomTurkey

Example: Share of Wind power in Denmark

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Integration of wind energy intothe power grid

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Integration into grid: Wind energy

TurbineGenerator
Gearbox

Rectifier
AC/DC

Inverter
DC/ACTransformerC
GridWind

Back-to-Back
Topology Wind turbine is operated at MPPT mode, rotor speed is variable,

leading to frequency fluctuation.
 To synchronize with grid, power electronics plays the key role.
 Rectifier: AC/DC
 Converter: DC/ACSystem Design Laboratory, Chiba University

Connecting wind power to the grid
Administrative challenge Grid access in many countries a key barrier for wind power

development
Physical challenge The electricity grid has been built for centralized power

plants (fossil, nuclear, hydro) The best wind sites are sometimes in areas with weak grid

infrastructure  Grid extensions required to integratethese wind energy potentials

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Fluctuating wind energy source (1) Challengeof forecastingbalancingwindpower Challengeof forecasting
andandbalancing
windpower
production
production
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Fluctuating wind energy source (2) Disadvantage: Wind source is not always

available Advantage: When it is available, zero fuel costs Power fluctuation causes instability of grid, evenblackout in the worst case  Combination with other flexible power

generators such as hydro generation  Combination with high power storages such as

NAS battery

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Smoothing wind power fluctuation

TurbineGenerator
Gearbox

Rectifier
AC/DC

Inverter
DC/ACTransformer

CGridWindNASbattery

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Wind power isn’t perfect Wind power output varies over time; it isn’t dispatchable
 Wind power is location-dependent (rural vs. urban where

it is needed most) Wind power is transmission-dependent for tie-in to thegrid Wind power has environmental impacts (low freq. noise) Wind power can only meet part of the electrical load

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大規模再生可能エネルギー発電の電力品質保証
千葉大学 工学部 電気電子工学科
再生可能エネルギーを大量導入した際の電力品質を保証するため，スマートグリッド全体から発電機までの各階層の制御を行う研究
予測誤差を考慮した発電量の調整（上位レベル）• 常に需要と供給を合わせる必要• 風力，太陽光はその地域の天候に左右• 風力，太陽光発電の統計的性質を活用• 火力発電量を調整して需給バランス

ソーラー，風力発電所の出力平滑化（中位レベル）• 自然エネルギー発電は出力が不安定• 探索的最適化手法によって実現• それぞれの発電所で最適に制御• 蓄電設備の投資を最小限に抑える

事故を拡散させない局所的安定化技術（下位レベル）• 電力系統では落雷，強風や飛来物により事故• 慣性が小さい太陽光，風力は不安定になりやすい• 有効電力，無効電力の適切な制御切り替えにより周波数，電圧を安定化させる

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まとめ 風力発電の基本的な流れ

 風車のエネルギー変換効率 各種風力発電システム
 課題

System Design Laboratory, Chiba University33