小型風力タービン
小型風力タービンとリペラーの図
パキスタンのラホール郊外に設置された1kW のマイクロ風車
小型風力タービンの出力グラフ
小型風力タービンの出力グラフ

小型風力タービンは、マイクロ風力タービンまたは都市型風力タービンとも呼ばれ、小規模な用途で発電する風力タービンです。これらのタービンは通常、風力発電所で使用されているものよりも小型です。小型風力タービンは、能動的なヨーシステムではなく、受動的なヨーシステムを備えていることが多いです。小型風力タービンは直接​​駆動式の発電機を使用し、テールフィンで風上を向きます。一方、大型風力タービンは、ギア付きのパワートレインを備え、能動的なヨーシステムで風上を向きます。

通常、出力は500Wから10kWですが、50Wほど小さいものもあります。カナダ風力エネルギー協会では、小型風力タービンの出力は300kWまでとしていますが、[ 1 ] IEC 61400規格では、回転面積が200m2未満で、1000V.c.または1500V.d.c.未満の電圧を発生するもの と定義されています。

デザイン

ブレード

小規模風力タービンのタービンブレードは、通常、直径が 1.5～3.5 メートル (4 フィート 11 インチ～11 フィート 6 インチ) で、最適風速で 0.5～10 kW の電力を生成します。 [ 1 ]小規模風力タービンのほとんどは水平軸風力タービンですが、[ 2 ]垂直軸風力タービン(VAWT) は風を電気に変換する効率は劣るものの、メンテナンスや設置の点で利点がある場合があります。[ 3 ]効率を最適化するには、先端速度比(ブレードの先端速度と風速の比) と揚抗比を最適なレベルに維持する必要があります。

地上設置型の小型風力タービンは、通常、4本の支線ワイヤーと、タワーの昇降に用いられるジンポールによって支えられています。「タワーキット」と呼ばれる完全な設置セットもご用意しております。

炭素繊維強化ポリマー、ナノ複合材料、 [ 4 ]および E ガラスポリエステルを含む一連の合成材料が利用可能です。 [ 5 ]天然繊維は品質のばらつき、高い吸湿性、低い熱安定性の影響を受けやすく、大型ブレードには適していませんが、小型タービンでは依然として利用できます。[ 6 ]木材を使用することもできますが、木材の種類は、入手可能性、コスト、成長時間、平均密度、高い剛性、および破壊歪みに基づいて選択する必要があります。一般に、湿気を減らすためにコーティングが使用され、プライマーを塗布した白エナメルが特に効果的であることがわかっています。[ 7 ]シトカスプルース（プロペラに使用）とダグラスファーは、タービンブレードに使用されています。[ 8 ]ネパールでは、サル、サウル、シサウ、ウティッシュ、トゥニ、オカル、マツ、ラクリ材などのコーティングされた木材で作られた小型ブレードタービンが使用されています。 [ 9 ]木材以外にも、竹をベースとした複合材料は、低密度と炭素隔離能力に優れ、環境に優しいことから、大型・小型の風力タービンにも使用できる可能性があります。さらに、竹は木材に比べて破壊靭性、強度が高く、加工コストが低く、成長速度が速いという特徴があります。現在開発中の材料には、樹脂を用いた竹積層材や、竹と炭素繊維をハイブリッドした材料などがあります。[ 10 ]麻、亜麻、木材、竹はすべて、小型タービンのブレード材料の候補です。[ 11 ]

配置

一本の鋼管で支えられるほど小型の風力タービンは、コンクリート基礎に足場ベースプレートを設置して固定されることが多く、ヒンジ設計によりメンテナンス時に容易に降ろすことができます。

小型風力タービンは、発電を開始するために、カットイン速度と呼ばれる特定の風速に達する必要があります。この速度は通常約 4 メートル/秒 (8.9 mph) ですが、[ 12 ]一部のタービンはより低い速度で動作できます。[ 13 ]障害物を避けるため、タービンは多くの場合、高さ 150 メートル (490 フィート) 以内にあるものより少なくとも 9 メートル (30 フィート) 高い塔に設置されます。[ 14 ]タービンのより良い設置場所は、風上にある大きな障害物から離れた場所です。風洞実験では、近くの障害物による重大な悪影響は、風下側で障害物の高さの 80 倍にまで及ぶ可能性があることが示されていますが、[ 15 ]これは極端な例です。小型タービンを設置するもう 1 つの選択肢は、実際の風の測定値に基づくモデルを使用して、近くの障害物のサイズ、形状、距離を考慮して、タービンの設置予定地での局所的な風況に近くの障害物がどのように影響するかを予測することです。[ 16 ]

小規模な屋上風力タービンは屋根の上に設置できますが、屋根の出っ張りによる振動や乱流などの問題があり、発電量に影響を及ぼす可能性があります。特に都市部では、十分な発電量を得るのが難しい場合が多いです。[ 17 ]

配線

オフグリッドハイブリッド風力/太陽光発電システムの高レベル配線図

小型風力タービン用の発電機は通常三相交流発電機であり、誘導型が使用される傾向があるが、一部のモデルでは単相発電機や直流出力を使用している。[ 18 ] [ 19 ]

三相交流線をスリップリングに通して受電端まで引き込んだ後、三相整流器を用いて交流を整流された直流に変換し、特に太陽光ハイブリッド発電システムにおいてバッテリー充電に利用します。整流器は冷却のためにヒートシンクに取り付ける必要がありますが、バイメタルサーマルスイッチで作動するコンピューターファンを追加してアクティブ冷却を行うこともできます。

屋上に設置された都市型風力タービンに使用されている三相整流器

整流器の直流端はバッテリーに接続されます。電力損失を避けるため、この接続は可能な限り短くする必要があります。通常、監視用にシャント式のデジタル電力計を間に挿入します。バッテリーは電力インバータに接続され、電力は一定周波数の交流に変換され、系統への接続と最終用途に使用されます。

強風時にタービンを保護するための転流負荷として使用されている抵抗器

ダイナミックブレーキは、強風時に抵抗負荷を通して過剰なエネルギーを放出することでタービンの速度を制御し、損傷を防ぐ技術です。バッテリーが一定電圧に達するとコントローラーが作動し、ソレノイドまたはソリッドステートリレーを介して負荷をオンにします。ソリッドステートリレーには「フェールオープン」という利点があります。寄生振動を防ぐにはコントローラーの適切な調整が重要であり、遅延機能や、迂回機能を備えたPWM充電コントローラーを使用することで実現できます。

配線が風雨にさらされる場合は、太陽光ケーブルなど、紫外線や温度変化に耐性のあるケーブルを使用する必要があります。システム全体の電線サイズは、流れる電流量に適したものでなければなりません。電線抵抗は長さに比例して増加しますが、全体の電圧降下量の2～5%を超える電圧降下を発生させてはなりません。

市場

日本

2012年7月、枝野幸男経済産業大臣が承認した新たな固定価格買い取り制度が発効し、日本の風力・太陽光発電の生産拡大が期待されています。日本は、2011年3月の福島原発事故による放射能汚染への対応の一環として、再生可能エネルギーへの投資拡大を目指しています。 [ 20 ]この固定価格買い取り制度は太陽光パネルと小型風力タービンに適用され、電力会社は再生可能エネルギー源から発電された電力を政府が定めた価格で買い取ることが義務付けられています。

小規模風力発電（20kW未満の風力タービン）には、少なくとも57.75円（1kWhあたり約0.74米ドル）の補助金が支給される。[ 21 ]

イギリス

英国の農村部や郊外の住宅地では、地域の電力網を補完するために、インバーター付きの風力タービンを設置することができます。英国のマイクロジェネレーション認証制度（MCS）は、適格な小型風力タービンの所有者に固定価格買取制度（FIT）を提供しています。[ 22 ]

アメリカ合衆国

アメリカ合衆国インディアナ州の田舎にある小規模な風力発電塔

アメリカ風力エネルギー協会（AWEA）によると、2008年には、100kW以下の小型風力タービンが米国で合計17.3MWの発電容量を増加しました。この成長は、小型風力タービンの国内市場が78%増加したことを意味します。AWEAの「2009年 小型風力発電世界市場調査」では、この増加の要因として、民間投資による工場拡張による生産量の増加、電気料金の上昇、そして風力発電技術に対する一般の認知度向上が住宅販売の促進につながったことが挙げられています。

2019年、米国における小型風力タービンの需要の多くは、遠隔地での発電と大規模風力発電施設の立地評価を目的としていました。[ 23 ]

米国の小型風力発電産業は世界市場の約半分を占めており、世界市場の恩恵も享受しています。世界中で小型風力タービンの設置に費やされた1億5,600万ドルのうち、米国のメーカーは7,700万ドルを獲得しました。2008年には、世界全体で合計38.7MWの小型風力発電設備が設置されました。[ 24 ]

アメリカ合衆国では、出力2～10kWの住宅用風力タービンの設置費用は通常12,000 ～55,000米ドル（1ワットあたり6米ドル）ですが、19の州では住宅所有者の購入価格を最大50％減額し、1ワットあたり3ドルにできるインセンティブやリベートがあります。[ 25 ]米国のメーカーであるサウスウエスト・ウィンドパワーは、タービンのエネルギー節約によって5～12年で投資を回収できると見積もっています。[ 26 ] [ 27 ]

特に米国では、市場で主流となっているモデルは水平軸風力タービンです。

消費者が小型風力タービンの購入時に十分な情報に基づいた決定を下せるよう、IEA Wind Task 27はIEC TC88 MT2と共同で消費者向けラベル表示方法を開発しました。2011年には、IEA Windはラベル表示に必要な試験と手順を定めた推奨基準を発表しました。[ 28 ]

クロアチア

ハイブリッドシステム、2400W風力タービン、4000Wソーラーモジュール、ジリェ島、クロアチア[ 29 ]

クロアチアは地中海性気候と電力網にアクセスできない島嶼の多いことから、小型風力タービンにとって理想的な市場です。日照時間は短くなるものの風は強くなる冬季には、孤立した再生可能エネルギー施設（ GSM、発電所、マリーナなど）に小型風力タービンを設置することで、年間を通して安定した電力供給が可能になります。

ドイツ

ドイツでは、小型風力タービンの固定価格買取制度（FIT）は、大型タービンと常に同じでした。これが、ドイツの小型風力タービン部門の発展が遅れた主な理由です。対照的に、ドイツの小型太陽光発電システムは、1キロワット時あたり50ユーロセントを超えることもある高額の固定価格買取制度の恩恵を受けていました。

2014年8月、ドイツの再生可能エネルギー法が改正され、風力タービンの固定価格買取制度にも影響が出ました。50キロワット未満の小型風力タービンの運転の場合、固定価格買取制度は20年間で8.5ユーロセントとなります。

ドイツでは固定価格買い取り制度（FIT）が低く、電気料金も高いため、小型風力タービンの経済的な運用は、発電した電力の自家消費率の高さに左右されます。一般家庭は1キロワット時あたり平均35.7ユーロセント（19%のVAT込み）の電気料金を支払っています。[ 30 ]

2014年ドイツの再生可能エネルギー法の一環として、自家消費電力に対する料金が2014年8月に導入されました。この規制は、出力10キロワット未満の小規模発電所には適用されません。料金は1.87ユーロセントと低額です。[ 31 ]

製造業

DIY建設

趣味人の中には、キットや部品を調達して、あるいは一から風力タービンを組み立てる人もいます。DIY風力タービンは通常、約1kW以下の小型（屋上設置型）タービンです。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]これらの小型風力タービンは、通常、ティルトアップ式または固定式／支柱式のタワー型です。[ 36 ] [ 37 ]

DIYによる風力タービンの建設は、OtherPowerやHome Powerなどの雑誌によって人気を集めました。[ 38 ]

プラクティカル・アクションなどの団体は、発展途上国のコミュニティが簡単に建設できるDIY風力タービンを設計し、その方法について具体的な文書を提供しています。[ 39 ] [ 40 ]

現地製造業

DIY小型風力タービンの設計は1970年代初頭に遡り、1970年代後半の米国とヨーロッパにおける陸地回帰運動によってさらに発展しました。[ 41 ]

地元で製造される小型風力タービンは、小規模、低コスト、社会的に埋め込まれ、地元の状況に適応し、知識のオープンな共有に基づいており、適切または中間の技術、共生技術、脱成長、オープン設計、オープン製造の観点に基づいて組み立てられ、または関連付けられています。

参照

参考文献

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さらに読む

  • ダン・フィンク。ダン・バートマン (2008)。自家製風力発電。バックビル パブリケーション LLC。ISBN 978-0-9819201-0-8。{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
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