１の上段はローターの軸が風向きに水エネルギー供給、電力供給

平な水平軸型風車、下段は風向きに垂直3.4.3

風力発電

な垂直軸型風車です。また、上段左側３風力発電は、1900 年代の後半から発電効率を高める技術開発と、風車の大型化が進みました。近年は単体ではなく、多くの風車を集中設置するウィンドファームが世界的に増加しています。安定した風況を求めて、洋上に設置する事例も増えています。日本も風力発電が増えています
が、適地に恵まれないこともあって、発電量の寄与率は全種類の風車は、回転力を風の押す力（抗力）によって得るタイプ、右側の３種類は回転力を風の浮かす力（揚力）によって得るタイプです。垂直軸型風車はそれぞれ個性的な形をしており、クロスフロー型風車はローターのブレードが立った状態で回ります。ダリウス型風車は卵電力需要の１％に達していません。の泡立て器に似た形で、風の揚力を利用
昔から人類は製粉や灌漑に風のエネルギーを利して高速回転します。一般的に揚力を利用してきましたが、発電に利用する基礎を作った用するタイプは、先端の速度（チップスピード）が先駆者は、デンマークのエジソンといわれた P. ラ

風速の数倍になり、回転数が多くて効率が高いのクール教授です。彼は１世紀以上も前にローターで発電に適しています。たとえばプロペラ型風車の直径が 23m もある大型風車を使い、直流発電機の場合、先端の速度は風車に向かって吹く風速のを使って発電しています。実用化は外部から電力５～10 倍にもなるので、ゆっくり回っているようを得るのが困難な山小屋や、小規模な温室などかに見えても秒速 100m 程度の高速に達します。

ら始まり、その後は小型から大型まで技術が進歩

２．風力発電の原理と効率しています。

運動する物体のエネルギーは、物体の質量を M、１．風車の種類

速度を V とすると、［E＝1／2･MV2２畳］で表さ
風車にもさまざまな形がありますが、ローターれます。図 2 のように、風車の受風面を単位時間の回転軸が風向と水平になる水平軸型風車と、風に通過する風の体積は、風速 V と受風面積 A を掛向と垂直の垂直軸型風車に大きく分かれます。図け合わせ V･A と表されますので、これに空気の密度ρを掛けて 質量
M は、M＝ρVA で表されます。これを前の式に代入 すると、E＝1／2･（ρVA）
V2 ＝ 1 ／ 2 ･ ρ AV3になります。プロペ
ラ型風車の場 合にはローターの 直径を d とすると、受風面積 A はπ（d／2）
２ と表せるので、

図 1．風車の種類

1これを代入すると E＝（πρ／8）･d２･V３ になになります。

ります。

３．風力発電の用途
単位時間に風車の受風面に入る空気の量
A・V(m3)

風車の翼が掃く受風面A(m2)

風力発電は用途によって、風車の種類と大きさが違います。表 1 はおよその目途ですが、マイクｄ（ｍ）

ロ風車はスペースの小さい垂直軸型が多く、メー風カーによって多様な形状が採用されています。主に系統電源から離れた山小屋や、看板や標識の照明などに使われています。小型から大型になると、V(m)パワー係数の大きい 3 枚羽根のプロペラ風車が圧倒的に多くなります。小型風車は離島や僻地の電図 2．単位時間に受風面を通過する気流の体積源、井戸水の汲み上げポンプ駆動、灯台の電源な

このように風車の受風面での風のエネルギーは、どに使用されています。中型風車は、工場や商業

風速の３乗に比例し、ローター直径の２乗に比例施設の自家発電に使われています。大型風車は自します。ローターの直径が大きくなるとハブ（ロ家用ではなく、ほとんどが売電を目的とした電気ータの回転中心軸）の高さも高くなるので、それ事業用です。1 基が単独ではなく、複数の風車を使だけ受ける風速が強くなります。このことからも、って出力規模を大きくしているのが一般的です。

風況の良い場所の選定と風車の大きさが風のエネ

広い地域に数十基を並べた風力発電施設は、ウィルギーを利用する上では重要なこンドファームとかウィンドパークと呼ばれます。とが分かります。
風車で得られる理論的な風のエ
ネルギーは上記のようになりますが、すべてを利用できるのではな
く、熱力学の法則から一定の割合しか利用でません。その割合は風車の種類と周速比で決まるパワー

表 1．風車の規模分類と用途（概略）
規模

定格出力

ローター径

用途

マイクロ風車10kW 未満1～1.5m

山小屋など

小型風車

10～100kW

10～20m

離島など

中型風車

100kW～１MW

20～50m

商業用

大型風車

１MW～3MW50～100m

電気事業用

超大型風車

3MW 以上100m 以上

電気事業用

係数で表されます。周速比はチップスピード（羽の先端の速度）が、風速の何倍かと4．風力発電設備の構成いう数値です。パワー係数は理論的な最大値が0.593 で、実際の数値は水平軸風車で 0.35～0.45です。ただし、この数値は機械的なエネルギーの

図 3 に一般的な 3 枚羽根のプロペラ風車を構成値ですから、電力に変換する場合は変換損失を差する設備を示します。広範囲にわたって多様な先し引く必要があります。変換損失はローターの回進技術が採用されていますが、大きく分けると風転を発電機の駆動歯車に変換する損失と、発電機車ローター系、ナセル内蔵機系、電気系、支持と構自体の機械損失で合わせて 1 割～2 割ぐらいです。

造系から構成されています。

したがって最終的な発電効率は、0.25～0.35 程度
2備がナセルです。ローターの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する一連の機械が内蔵されています。中型や大型の風車の場
合、ローターの回転数は毎分数 10 回転です。しかし一般的な４極式の交流発電機は 60Hz で毎分1,800 回転、50Hz で毎分 1,500 回転と回転数が多いので、回転数を上げるため
図 3．風力発電設備の構成に増速機を介する必要があります。一方、増速機の歯車は風力発電の主な機械騒音源に4.1 風車ローター系の設備なります。このため、大型風車は歯車を組み込む

図 3 の左上部が、風のエネルギーを直接受ける増速機を使わず、代わりに発電機の極数を増やし風車ローターです。風車用のブレード（羽根）の翼た多極型同期発電機を使う場合が増えています。

型は、初期には飛行機の翼型が転用されていまし

このほかに風速計、風向計、ヨー駆動装置、ピッチた。さまざまな飛行機翼の形状について、どのよ制御装置、ブレーキ、冷却機、コントローラーなど

うな揚力と抗力が働くかが昔から実験で調べられが内蔵されています。ヨー駆動装置は、プロペラているからです。翼型は開発した人の名前や開発の方向を自動的に風向き方向に追従させる装置で機関の名前に番号がつけられ、数百の形状データが登録されています。たとえば 1903 年のライトす。ピッチ制御装置は、ブレードの取り付け角（ピ兄弟の翼型や、1922 年のクラーク Y などもそのッチ角度）を調節する装置です。強風時にはピッチ角を風向に近づけて風を逃がし、ローターの過中の１つです。風車専用の性能の高い翼形として回転を防止します。ブレーキは強風時や点検時に、は、海外ではリソ国立研究所（デンマーク）、NRELローターの回転を強制的に停止させる装置です。

（米国）、デルフト工科大学（オランダ）、日本では産業技術総合研究所、三重大学、足利工業大学な

4.3 電気系の設備

どの翼形が知られています。ブレードの材質には、電気系は発電機と電力変換装置から構成されて一般的に軽量で耐久性が高いガラス繊維強化プラいます。発電機は誘導発電機と同期発電機に大きスチックが使われています。

く分けられ、誘導発電機は数千 kW 以下の発電に多く使われます。誘導発電機はカゴ型発電機と 24.2 ナセル内臓機器次巻線型があります。カゴ型は 1,000kW 以下の中

図 3 で風車ローターの右側に直結する横長の設
3

小型機に、巻線型は 2,000kW を超える大型機に多プロペラが回らず発電しませんが、プロペラが回く使われます。通常は風車と発電機の間に増速機し始めて実際に発電を開始する風速を「カットイを設置し、回転数を 40 倍程度に上げて発電しま

ン風速（発電開始）」といいます。カットイン風速す。系統連系は AC リンク方式が一般的です。巻を低く設定すると年間の設備利用率が上がります

線型誘導発電機では可変速運転が可能です。多極が、風速が低いと発電効率が低いので、通常は２型同期発電機を使う場合は、風車のローターと直～５m／秒程度に設定されます。カットイン風速

結させて 40～100 極にすることで、増速機を介さから風速が上がり、所定の定格出力が得られる風ずに低い回転数での発電が可能です。ただし多極速が定格風速です。定格風速は８～16m／秒程度

型同期発電機は直径が大きく、現在最大のに設定されており、この間は定格風速以上に風速

EnerconE-126/6MW の発電機は直径が 12m にもが上がっても、安定した電力を得るために出力はなります。系統への連系はコンバーターとインバ一定値に制御しています。さらに風速が上がったーターを介した DC リンク方式になります。最近場合に、ローターの破損防止のために風車を止めは DC リンク方式が増えてきています。

る風速が「カットアウト（運転停止）風速」です。
カットアウト風速は 20～25m／秒程度に設定さ4.4 支持と構造系の設備れます。

大型の風車を支持する円筒形のタワーは、断面が一様なものと、下部が太くて上部が細い角度のある構造があります。内部にはケーブル類がナセルまで届くように設置してあり、大型の場合は作業員が点検や保守のために登れるようになっています。プロペラ式風車のタワーの高さは、定格出力が 600 kW の場合で 40～50ｍ、羽 根 の 直 径 は 45 ～ 50 ｍ で す 。 定 格 出 力 が1,000kW から 2,000kW の場合は、タワーの高さが 60～80ｍ、羽根の直径は 60～90ｍが一般

図 4．風力発電の出力分布的です。タワーと基礎の強度設計には、暴風時（想定する最大風速時）にタワーに作用する風設備利用率は、年間の発電量を１年間の定格出の荷重と、風車トップ作用する風の荷重を考慮し力（定格出力×8760 時間）で除した数値です。火ています。

力発電なら稼働率に該当しますが、火力発電は人為的に稼働時間を制御できるので、定期点検など

5．風力発電設備の運転と設備利用率の時間を除く 60％～80％程度の稼働率になります。一方、太陽光発電と風力発電は出力が自然任

微風の日もあれば強風の日もあり、1 日の間でせになるので、稼働率に代えて設備利用率というも時間帯によって風速が違います。時々刻々、絶表現が使われています。風力発電の設備利用率は、えず風速と風向を変える自然エネルギーから安定適切な立地環境なら 20～40％を期待できます。しした電力を効率よく取り出すには、風況に合わせたがって、太陽光発電の 10～15%を大きく上回りた運転制御が必要不可欠です。図４は風速に対すます。それでも従来は発電コストが 10 円／kWhる発電出力を表す出力分布です。無風や微風では4を超える場合が多く、コスト競争力は火力発電よ表２．日本の風力発電立地状況

り低い水準でした。しかし近年は風況のよいサイ

都道府県

設備容量(kW)

設置基数(基)青森県

417,463253

秋田県

370,934210

北海道

358,745304

鹿児島県

263,005157

福島県

183,58596

三重県

180,300106

島根県

178,14085

静岡県

158,33092

石川県

124,50071

山口県

113,45055

茨城県

111,570

64

長崎県

109,86078

愛媛県

96,20070

表２は 2018 年における日本の風力発電立地状

和歌山県

94,93065

況です。日本では 1990 年代の後半から導入が急

岩手県

92,38072

速に進み、2018 年度の累積容量は 3,502MW に千葉県

69,95049達しています。地域別にみると北海道、東北地方、高知県

68,90049

九州地区が多く、電力需要の大きい関東地方の立

愛知県

64,71041

地が少ない状況です。国際的に比較すると、風況

山形県

61,23035に恵まれたドイツ、アメリカ、スペイン、インド、鳥取県

59,10041

デンマークの立地が多く、日本の容量規模は世界

兵庫県

55,31029の 15 位前後です。なお、日本の 2016 年度の風力佐賀県

46,67532

発電量は、全発電量の約 0.5％です。

福岡県

32,70530

熊本県

28,95022

福井県

28,00014

風車の動向としては、3 枚羽根の水平軸プロペ

新潟県26,71520

ラ風車が主流になっており、世界の陸上風車の平沖縄県

25,62030

均規模は 2MW 前後まで大型化しています。一方、

徳島県

19,50015

近年は洋上風力の技術開発が活発化しています。

宮崎県

16,0008

洋上風力は陸上風力と比較して、設置・系統連系・

大分県

11,49013

運転・保守の費用が大きいことから、採算性を確

その他

34,54047

保するために 1 基 当たりの発電規模の増大が必

合計

3,502,787

2,253

トの選択、技術進歩による高効率化とコストダウン、信頼性の向上、数十基の大型風車からなるウインドファームの建設などにより、発電コストの競争力が向上しています。風力発電の経済性に影響が大きい因子は、設備建設単価と年間設備利用率です。発電コストを７円／kWh にするには、建設コストが 20 万円／kW 以下で、年間設備利用率30％以上が望まれます。風力発電の設備利用率は立地場所の風況に大きく依存し、30％から 40％が経済性の判断基準とされています。

６．日本の風力発電
6.1 風力発電の立地状況

6.2 風力発電設備の動向

要です。このため、平均の単機容量は年々拡大し

出典：国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発ており、5～10MW 以上の超大型風力発電機の技機構 (2018 年 3 月末現在）

術開発競争が始まっています。また、海洋条件に5適した基礎構造の技術開発や、メンテナンスコスァームの事例を、図５に宗谷岬ウィンドファーム

トの削減を目的としたギアレス発電機の軽量化がの景観を示します。

（おわり）

進んでいます。水深の大きい海域への設置を可能とする浮体式洋上風力の開発も進められています。

参考：風力発電導入ガイドブック(第 9 版)NEDO
再生可能エネルギー技術白書第 2 版

6.3 ウィンドファーム
1990 年代までの風力発電は単体設置が多く、既存の電力と併用する自家消費用が中心でした。しかし近年は電力事業用が増え、広い地域に数基～数十基の風車を集中設置するウィンドファームが増加しています。集中設置は建設時の輸送道路、系統連系にともなう電気設備、運転監視設備や運転･点検体制を共有化できるので、出力あたりの建設費や運転費の低減が可能です。日本のウィンドファー
ムは 1999 年より北海道、東北、九州などで建設され、その後は風車の大型化とも相まって、総出力数万 kW の大規模な図 5. 宗谷岬ウィンドファーム

ウィンドファームが各地で見られるようになりました。表 3 に日本のウィンドフ
表 3．日本のウィンドファーム事例
名称

立地場所

出力容量

電力購入者

響灘風力発電所

福岡県北九州市15,000kW（1.5MW×10 基）

九州電力

瀬戸ウィンドヒル風力発電所

愛媛県瀬戸町

11,000kW（1MW×11 基）

四国電力

六ヶ所村風力発電所

青森県六ヶ所村

32,850kW （ 1.5MW × 20 基 、東北電力

1.425MW×2 基）宗谷岬ウィンドファーム

北海道稚内市

57,000kW（1MW×57 基）

北海道電力

郡山布引高原風力発電所

福島県郡山市65,980kW（2,000kW×32 基、東京電力

1,980kW×1 基）
南あわじウィンドファーム

兵庫県南あわじ市

37,500kW（2.5MW×15 基）

関西電力

サミットウィンドパワー酒田

山形県酒田市

16,000kW（2MW×8 基、東北電力

うち洋上が 5 基）
瀬棚町洋上風力発電所所「風海鳥」 北海道瀬棚町

1,200kW（600kW×2 基）

北海道電力

苫前ウィンビラ

30,600kW（1,650kW×15 基、

北海道電力

北海道苫前郡苫前

1,500kW×4 基）

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