風力タービン
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ベルギー沖の北海にREpower 5M 5  MW タービンを搭載したソーントンバンク風力発電所

風力タービンは、風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。2020年現在、風力発電所と呼ばれる施設に設置された数十万基の大型タービンが650ギガワット以上の電力を発電しており、毎年60ギガワットずつ追加されています。[ 1 ]風力タービンは、断続的な再生可能エネルギー源としてますます重要になっており、多くの国でエネルギーコストの削減と化石燃料への依存度の低減に役立っています。ある調査によると、2009年時点で、風力は太陽光発電、水力発電、地熱発電、石炭火力発電、ガス火力発電と比較して、「相対的に温室効果ガスの排出量が最も少なく、水の消費量も最も少なく、社会的影響も最も好ましい」とされています。[ 2 ]

小型風力タービンは、バッテリー充電や交通警告標識などの遠隔機器に利用されます。大型風力タービンは、家庭用電力供給に貢献するとともに、未使用の電力を電力網を通じて電力会社に売却することができます。[ 3 ]

風力タービンは、水平軸または垂直軸の幅広いサイズで製造されていますが、最も一般的なのは水平軸です。[ 4 ]

歴史

イラン、シスターンのナシュティファン風力タービン

アレクサンドリアのヘロン（紀元10～70年）の風車は、風力で機械を動かした最初の記録の一つである。[ 5 ]しかし、最初の実用的な風力発電所は、7世紀にペルシャ（現在のイラン）東部のシスタン州で建設された。これらのパネモネ風車は垂直軸風車で、長い垂直の駆動軸と長方形の羽根を備えていた。[ 6 ]葦のマットまたは布で覆われた6～12枚の帆で作られたこれらの風車は、穀物を挽いたり水を汲み上げたりするために使用され、製粉業やサトウキビ産業で使用された。[ 7 ]

風力発電は中世ヨーロッパに初めて登場しました。イギリスにおける風力発電の最初の利用記録は11世紀と12世紀に遡ります。また、1190年頃にはドイツの十字軍が風車製造技術をシリアに持ち込んだという記録もあります。 [ 8 ] 14世紀には、オランダの風力ポンプがライン川デルタ地帯の排水に使用されていました。先進的な風力タービンは、クロアチアの発明家ファウスト・ヴェランツィオの著書『新機械』（1595年）に記述されています。彼は、湾曲したブレードまたはV字型のブレードを備えた 垂直軸風力タービンについて説明しています。

1883年にウィーンで開催された国際電気博覧会でヨーゼフ・フリードレンダーが建設した発電用の風力タービンのイラスト
ジェームズ・ブライスの発電用風力タービン。1891年に撮影。

最初の発電用風力タービンは、1883年のウィーン国際電気博覧会でオーストリアのヨーゼフ・フリードレンダーによって設置されました。それは、発電機を駆動するためのハラデー風力タービンでした。フリードレンダーの直径6.6メートル（22フィート）のハラデー「風力モーター」は、イリノイ州バタビアのUS Wind Engine & Pump社によって供給されました。3.7kW（5馬力）の風力タービンは、地上レベルの発電機を駆動し、一連のバッテリーに電力を供給しました。バッテリーは、脱穀機だけでなく、様々な電動工具やランプにも電力を供給しました。フリードレンダーの風力タービンとその付属品は、ウィーン・プラーターのメイン展示ホール（「ロトゥンデ」）の北側の入口に目立つように設置されていました。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

1887年7月、スコットランドの学者ジェームズ・ブライスは、スコットランドのメアリーカークにある別荘の照明としてバッテリー充電機を設置した。 [ 12 ]数か月後、アメリカの発明家チャールズ・F・ブラッシュは、地元の大学教授や同僚のジェイコブ・S・ギブス、ブリンズリー・コールバードに相談し、電力生産のための設計図の査読を無事に受け、世界初の自動運転風力タービンを製作した。[ 13 ]ブライスのタービンはイギリスでは経済的ではないと考えられていたが、[ 13 ]人口が広く分散している国では、風力タービンによる発電の方が費用対効果が高いと考えられていた。[ 8 ]

最初の自動運転風力タービンは、1887年にチャールズ・F・ブラッシュによってクリーブランドで建設されました。高さ60フィート（18メートル）、重量4トン（3.6メートルトン）で、12kWの発電機に電力を供給しました。[ 14 ]

1900年までにデンマークでは、ポンプや風車などの機械負荷向けに約2,500基の風車が設置され、推定総ピーク電力は約30メガワット（MW）に達しました。最大の風車は、高さ24メートル（79フィート）の塔に設置され、直径23メートル（75フィート）の4枚羽根のローターを備えていました。1908年までに、アメリカ合衆国では5キロワット（kW）から25kWまでの風力発電機が72基稼働していました。第一次世界大戦の頃、アメリカの風力タービンメーカーは毎年10万基の風力タービンを生産しており、そのほとんどが揚水用でした。[ 15 ]

1930年代までに、配電システムが農村地域にまで拡大するにつれて、農村地域での風力タービンの使用は減少しました。[ 16 ]

現代の水平軸風力発電機の先駆けとなるものが、1931年にソ連のヤルタで稼働していました。これは高さ30メートル（98フィート）の塔に設置された100kWの発電機で、地元の6.3kV配電系統に接続されていました。年間稼働率は32%と報告されており、これは現在の風力発電機とほとんど変わりません。

1941年秋、バーモント州で最初のメガワット級風力タービンが電力網に同期されました。スミス・パトナム風力タービンはわずか5年ほど稼働した後、ブレードの1枚が破損しました。[ 17 ]戦時中の資材不足のため、このユニットは修理されませんでした。[ 18 ]

英国で最初に稼働した電力系統接続型風力タービンは、 1951年にジョン・ブラウン社によってオークニー諸島に建設されました。[ 13 ] [ 19 ]

しかし、1970年代初頭、デンマークで反原子力抗議運動が起こり、業界の衰退にもかかわらず、職人技を持つ機械工たちは22kWのマイクロタービンの開発に着手した。 [ 20 ]所有者を協会や協同組合に組織化することで、政府や電力会社へのロビー活動が促進され、1980年代以降、より大型のタービン導入に対するインセンティブが生まれた。その後、ドイツの地域活動家、スペインの新興タービンメーカー、そして1990年代初頭のアメリカの大口投資家が、各国の産業を刺激する政策を求めてロビー活動を行った。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

風力発電の利用拡大は、風力タービンの主要材料である希土類元素（ネオジム、プラセオジム、ジスプロシウムなど）をめぐる地政学的な競争の激化につながるという議論がある。しかし、この見解は、ほとんどの風力タービンが永久磁石を使用していないこと、そしてこれらの鉱物の生産拡大に対する経済的インセンティブの力を過小評価していることを理由に、批判的に否定されている。[ 24 ]

風力発電密度

風力発電密度（WPD）は、あらゆる場所で利用可能な風力エネルギーを定量的に表す指標です。これは、タービンの受風面積あたりの平均利用可能な電力であり、地上からの高さに応じて計算されます。風力発電密度の計算には、風速と空気密度の影響が含まれます。[ 25 ]

風力タービンは設計上の風速によってクラスIからクラスIIIに分類され、AからCは風の乱流強度を表します。[ 26 ]

クラス平均風速（m/s）乱気流
IA1016%
IB1014%
IC1012%
IIA8.516%
IIB8.514%
IIC8.512%
IIIA7.516%
IIIB7.514%
IIIC7.512%

効率

ドイツの物理学者アルベルト・ベッツは、風力タービン技術の開発において重要な役割を果たしました。ベッツの法則によれば、風力タービンは風の運動エネルギーの59.3%以上を捕捉することはできないとされています。

質量保存則によれば、タービンに入る空気と出る空気の質量は等しくなければなりません。同様に、エネルギー保存則によれば、入ってくる風からタービンに与えられるエネルギーは、出て行く風のエネルギーと電気エネルギーに変換されるエネルギーの合計に等しくなければなりません。出て行く風にもいくらかの運動エネルギーが残っているので、入力エネルギーのうち電気エネルギーに変換できる割合は最大でなければなりません。[ 27 ]したがって、ベッツの法則によれば、風力タービンによって得られる風力の最大抽出量は、ベッツ係数として知られ、空気の運動エネルギーがタービンに到達する速度の16 ⁄ 27 (59.3%) となります。[ 28 ] [ 29 ]

風力発電機の理論上の最大出力は、空気の運動エネルギーが発電機の有効ディスク面積に到達する速度の16 ⁄ 27倍です。ディスクの有効面積をA、風速をvとすると、理論上の最大出力Pは次の式で表されます。

P＝162712ρv3あ＝827ρv3あ{\displaystyle P={\frac {16}{27}}{\frac {1}{2}}\rho v^{3}A={\frac {8}{27}}\rho v^{3}A}、

ここでρは空気の密度です。

風力発電の最終価格に影響を与える要因の一つに、風力とローターの効率（ローターブレードの摩擦と抗力を含む）がある。 [ 30 ]ギアボックス、発電機、コンバーターの損失 などのさらなる非効率性によって、風力タービンの出力は低下する。部品を過度の摩耗から保護するため、定格運転速度以上では抽出される電力は一定に保たれる。理論上の電力は風速の3乗に比例して増加するため、理論上の効率はさらに低下する。2001年には、商用の電力会社接続タービンは、定格運転速度で、風から抽出可能なベッツ限界の75%から80%の電力を供給した。[ 31 ] [ 32 ]

効率は時間の経過とともにわずかに低下することがあります。主な原因の一つは、ブレードに付着した埃や昆虫の死骸です。これらは空気力学的プロファイルを変化させ、翼の揚抗比を低下させます。デンマークで10年以上経過した風力タービン3128基を分析したところ、タービンの半数では発電量が低下しなかったのに対し、残りの半数では年間1.2%の発電量減少が見られました。[ 33 ]

一般的に、より安定し一定した気象条件（特に風速）では、不安定な気象条件における風力タービンの効率よりも平均15%高い効率が得られ、安定した条件下では最大7%の風速増加が期待できます。これは、大気の安定性が高い条件では、後流の回復が速くなり、流れの巻き込みが大きくなるためです。しかしながら、風力タービンの後流は、安定した環境よりも不安定な大気条件下でより速く回復することが分かっています。[ 34 ]

風力タービンの効率は、材料によって大きく異なります。エーゲ大学の実験では、直径1メートルのブレード3枚を備えた風力タービン3基が、ガラスとガラス/カーボンエポキシ、ガラス/カーボン、ガラス/ポリエステルという異なる材料で製作されました。試験の結果、全体の質量が大きい材料ほど摩擦モーメントが大きくなり、出力係数が低下することが示されました。[ 35 ]

風速は風力​​タービンの効率に大きく影響します。そのため、適切な設置場所を選ぶことが重要です。陸地と海域の温度差により、海岸付近では風速が高くなります。もう一つの選択肢は、山の尾根に風力タービンを設置することです。風力タービンの高さが高ければ高いほど、平均風速も高くなります。防風壁も風力タービン付近の風速を高める効果があります。[ 36 ]

種類

3つの主なタイプ：VAWTサボニウス、HAWTタワー、VAWTダリウス（稼働中の様子）

風力タービンは水平軸または垂直軸のどちらかを中心に回転しますが、前者はより古くから普及しています。[ 37 ]また、ブレード付きとブレードレスのものがあります。[ 38 ]家庭用サイズの垂直型は発電量が少なく、あまり一般的ではありません。[ 39 ]

横軸

水平軸風力タービンのコンポーネント（ギアボックス、ローターシャフト、ブレーキアセンブリ）が所定の位置に持ち上げられている
オハイオ州フィンドレーの One Energy 社が永久磁石ダイレクトドライブ風力タービンを組み立てています。
ギアレス風力タービンのローターが設置されている様子。このタービンはドイツでプレハブ化され、その後米国へ輸送されて組み立てられた。
イギリスのスクロビー・サンズ風力発電所の洋上水平軸風力タービン（HAWT）
中国河北省張家口市の陸上水平軸風力タービン

大型の3枚羽根の水平軸風力タービン（HAWT）は、ブレードがタワーの風上側（つまり 、ブレードが入ってくる風に面している）にあり、現在、世界中で風力発電の圧倒的多数を生産しています。[ 4 ]これらのタービンは、メインローターシャフトと発電機がタワーの最上部にあり、風上に向ける必要があります。小型タービンは単純な風向計で方向を決めますが、大型タービンでは通常、ヨーシステムと連動した風速センサーを使用します。ほとんどのタービンにはギアボックスがあり、ブレードの低速回転を発電機の駆動に適した高速回転に変換します。[ 40 ]一部のタービンでは、低速回転入力に適した異なるタイプの発電機を使用しています。これらはギアボックスを必要とせず、ダイレクトドライブと呼ばれ、間にギアボックスを介さずにローターと発電機を直接連結することを意味します。永久磁石式ダイレクトドライブ発電機は、必要な希土類材料のためにコストが高くなる可能性があるが、ギアレスタービンは、ギアボックス発電機よりも好まれることがある。これは、「累積疲労トルク負荷、関連する信頼性の問題、およびメンテナンスコストの影響を受けやすいギア増速機が不要になる」ためである。[ 41 ]また、擬似ダイレクトドライブ機構も存在し、これは永久磁石式ダイレクトドライブ機構に比べていくつかの利点がある。[ 42 ]

ほとんどの水平軸型タービンは、ローターを支持塔の風上に配置しています。[ 43 ]風向を維持するための追加機構を必要としないため、ダウンウィンド型のタービンも開発されています。強風時には、ダウンウィンド側のブレードをアップウィンド側のブレードよりも大きく曲げるように設計することで、ブレードの受風面積が減少するため、風圧抵抗が低減し、強風時のリスクが軽減されます。これらの利点にもかかわらず、各ブレードが支持塔の背後を通過する際に風による負荷が脈動的に変化し、タービンに損傷を与える可能性があるため、アップウィンド型設計が好まれます。[ 44 ]

商業発電用の風力発電所で使用されるタービンは、通常3枚羽根です。これらはトルクリップルが低く、優れた信頼性に貢献します。ブレードは通常、日中の航空機からの視認性を考慮して白色で塗装されており、長さは20メートルから80メートル（66フィートから262フィート）です。タービンのサイズと高さは年々増加しています。現在、洋上風力タービンは最大8MWまで製造されており、ブレードの長さは最大80メートル（260フィート）です。2018年には10MWから12MWの設計が準備されており[ 45 ]、2022年には118メートル（387フィート）のブレードを3枚備えた「15MW以上」のプロトタイプの建設が計画されていました[ 46 ]。水平軸風力タービンの平均的なハブ高さは90メートルです[ 47 ] 。

縦軸

垂直軸風力タービン（VAWT）は、主ローターシャフトが垂直に配置されています。この配置の利点の一つは、タービンを風上に向けなくても効率よく発電できることです。[ 48 ]これは、風向が大きく変動する場所では有利です。また、タービンを建物に組み込む場合も、タービンの操舵性が低いため有利です。さらに、発電機とギアボックスを地上近くに設置することで、ローターアセンブリから地上設置型ギアボックスへの直接駆動が可能になり、メンテナンスが容易になります。しかし、これらの設計では、平均して発電量が大幅に減少し、これが大きな欠点となっています。[ 39 ] [ 49 ]

垂直タービンの設計は、標準的な水平設計に比べて効率がはるかに低い。[ 50 ]主な欠点としては、回転速度が比較的低く、その結果トルクが高くなり、駆動トレインのコストが高くなる、本質的に出力係数が低い、各サイクル中に翼が風の流れの中で360度回転するためブレードに非常に動的な負荷がかかる、一部のローター設計によって駆動トレインに脈動トルクが発生する、風の流れを正確にモデル化することが難しく、プロトタイプを製造する前にローターを分析および設計することが困難である、などが挙げられる。[ 51 ]

建物の屋上に風力タービンを設置すると、一般的に風が屋根の上を向きを変えるため、タービン付近の風速が2倍になることがあります。屋上に設置された風力タービンタワーの高さが建物の高さの約半分であれば、風力エネルギーを最大化し、風の乱れを最小限に抑えるのに最適な高さに近いです。建物内の風速は、一般的に風の影響を受けやすい田園地帯よりもはるかに低いですが、[ 52 ] [ 53 ]騒音が懸念される可能性があり、既存の構造物が追加の応力に十分に耐えられない可能性があります。

垂直軸デザインのサブタイプには次のものがあります。

ダリウス風力タービン

「エッグビーター」水車、あるいはダリウス水車は、フランスの発明家ジョルジュ・ダリウスにちなんで名付けられました。[ 54 ]効率は良好ですが、大きなトルクリップルと塔への周期的な応力が発生し、信頼性が低下します。また、始動トルクが非常に低いため、回転を開始するには外部電源、または追加のサボニウス水車が必要になります。トルクリップルは3枚以上のブレードを使用することで低減され、ローターのソリディティが向上します。ソリディティは、ブレード面積をローター面積で割った値で測定されます。

ジロミル

ダリウス水車のサブタイプで、湾曲したブレードではなく直線状のブレードを持つ。サイクロタービン型は可変ピッチ構造を採用しており、トルク脈動を低減し、自動始動も可能である。[ 55 ]可変ピッチの利点は、高い始動トルク、広く比較的平坦なトルク曲線、高い性能係数、乱流下での効率的な運転、そしてブレード速度比が低いためブレードの曲げ応力が低減することである。直線、V字型、または湾曲したブレードが使用可能である。[ 56 ]

サボニウス風力タービン

垂直軸ねじれサボニウス型水車

これらは2つ（またはそれ以上）のスクープを備えた抗力型の装置で、風速計、フレットナーベント（バスやバンの屋根によく見られる）、そして一部の高信頼性低効率発電タービンなどに使用されています。スクープが3つ以上あれば、常に自動始動します。[ 48 ]

ツイストサボニウスは、滑らかなトルクを得るために長い螺旋状のスクープを備えた改良型サボニウスです。屋上風力タービンとしてよく使用され、船舶にも応用されています。[ 57 ]

空中風力タービン

空中風力タービンは、翼または地上に係留された小型航空機で構成されています。[ 58 ]従来の風力タービンでは運転できないより速い風速でも発電できます。東アフリカでは試作機が稼働しています。[ 59 ]

浮体式風力タービン

これらは浮体式プラットフォームで支えられた洋上風力タービンです。[ 60 ]浮体式にすることで、より深い水域に設置できるようになり、より多くのタービンを設置できるようになります。また、陸地から見えにくくなるため、景観に対する人々の懸念も軽減されます。[ 61 ]

型破りなタイプ

  • 逆回転風力タービン
    逆回転風力タービン
  • 垂直軸型洋上風力タービン
    垂直軸型洋上風力タービン
  • 街灯柱風力タービン
    街灯柱風力タービン

設計と建設

水平軸風力タービンのコンポーネント
風力タービンタワーの内部。腱ケーブルが見える。

風力タービンの設計は、コスト、エネルギー出力、疲労寿命の慎重なバランスに基づいて行われます。

コンポーネント

風力タービンは風力エネルギーを電気エネルギーに変換し、配電します。従来の水平軸型タービンは、以下の3つのコンポーネントに分けられます。

  • 風力タービンのコストの約20％を占めるローターには、風力エネルギーを低速回転エネルギーに変換するブレードが含まれています。[ 62 ]
  • 発電機は風力タービンのコストの約34％を占め、発電機、[ 63 ] [ 64 ]制御電子機器、そして多くの場合はギアボックス（例えば遊星ギアボックス）、[ 65 ]可変速駆動装置、または連続可変変速機[ 66 ]低速の入力回転を発電に適した高速回転に変換するための部品で構成されています。
  • 風力タービンのコストの約15％を占める周囲の構造物には、タワーとローターのヨー機構が含まれます。[ 62 ]
風力タービンのナセル

アメリカ合衆国でよく見られる1.5MW（メガワット）の風力タービンは、タワーの高さが80メートル（260フィート）です。ローターアセンブリ（ブレードとハブ）の直径は約80メートル（260フィート）です。 [ 67 ]発電機を内蔵するナセルは、長さ15.24メートル（50フィート）、重量は約300トンです。[ 68 ]

タービン監視と診断

データ伝送の問題により、風力タービンの構造健全性モニタリングは通常、ナセルに取り付けられた複数の加速度計とひずみゲージを用いてギアボックスと機器を監視して行われます。現在、風力タービンブレードの動特性を測定するために、デジタル画像相関法と立体写真測量が用いられています。これらの方法は通常、変位とひずみを測定して欠陥の位置を特定します。非回転型風力タービンの動特性は、デジタル画像相関法と写真測量法を用いて測定されてきました。[ 69 ] 3次元点追跡法も、風力タービンの回転ダイナミクスを測定するために使用されています。[ 70 ]

テクノロジー

風力タービンの規模と出力の発展、1990～2016年

一般的に、タービンブレードの長さが長くなるにつれて効率は向上します。ブレードは、剛性、強度、耐久性、軽量性、そして疲労耐性を備えていなければなりません。[ 71 ]これらの特性を持つ材料としては、ポリエステルやエポキシなどの複合材料が挙げられ、ガラス繊維や炭素繊維は補強材として使用されています。[ 72 ]製造には、手作業による積層や射出成形が必要となる場合があります。既存のタービンを大型ブレードに改造することで、再設計の作業量とリスクを軽減できます。[ 73 ]

2021年時点では、最長のブレードは115.5メートル（379フィート）で、15MWの電力を生産している。[ 74 ]

ブレードの寿命は通常約20年で、これは風力タービンの典型的な寿命です。[ 75 ]

ブレード材質

風力タービンのブレードに一般的に使用される材料を以下に説明します。

ガラス繊維と炭素繊維

イギリスのエデンフィールドを通過するタービンブレードの車列

複合材料の剛性は、繊維の剛性と体積含有率によって決まります。通常、Eガラス繊維が複合材料の主な強化材として使用されます。風力タービンブレード用のガラス/エポキシ複合材料には、通常、重量比で最大75%のガラスが含まれています。これにより、剛性、引張強度、圧縮強度が向上します。有望な複合材料として、Sガラス、Rガラスなどの組成を変えたガラス繊維があります。オーウェンス・コーニング社が開発した他のガラス繊維には、ECRGLAS、Advantex、WindStrandがあります。[ 76 ]

炭素繊維はガラス繊維よりも引張強度が高く、剛性が高く、密度が低い。これらの特性を持つ理想的な材料として、高い引張荷重を受けるブレードの構造要素であるスパーキャップが挙げられる。[ 72 ]長さ100メートル（330フィート）のガラス繊維製ブレードは最大50トン（11万ポンド）の重量になる可能性があるが、スパーに炭素繊維を使用することで、20～30%、約15トン（3万3000ポンド）の軽量化が可能となる。[ 77 ]

ハイブリッド強化

風力タービンブレードの補強材を純粋なガラスや純粋な炭素繊維で作る代わりに、ハイブリッド設計では重量とコストをトレードオフします。例えば、8メートル（26フィート）のブレードを炭素繊維に完全に置き換えると、重量は80%軽減されますが、コストは150%増加します。一方、30%の置き換えでは重量は50%軽減されますが、コストは90%増加します。ハイブリッド補強材には、Eガラス/炭素繊維、Eガラス/アラミド繊維などがあります。LM Wind Power社の現在最長のブレードは、炭素繊維/ガラスのハイブリッド複合材で作られています。最適な材料構成については、さらなる研究が必要です。[ 78 ]

ナノエンジニアリングポリマーおよび複合材料

複合材料のポリマーマトリックス、繊維サイジング材、または層間層に少量（0.5重量%）のナノ強化材（カーボンナノチューブまたはナノクレイ）を添加すると、複合材料の疲労耐性、せん断強度または圧縮強度、破壊靭性が30%から80%向上します。また、少量のカーボンナノチューブ（CNT）を組み込むことで、寿命が最大1500%延長されることも研究で示されています。[ 79 ]

費用

2019年時点で、風力タービンの資本コストは定格容量1メガワットあたり約100万ドルでしたが、この数字は場所によって異なります。たとえば、南米では50万ドルからアジアでは170万ドルまでの範囲でした。[ 80 ]

風力タービンブレードの場合、ガラス繊維と炭素繊維を混合したハイブリッドブレードは、オールガラス繊維ブレードに比べて材料費がはるかに高くなりますが、人件費は低くなります。炭素繊維を使用することで、よりシンプルな設計が可能になり、原材料の使用量を削減できます。ブレード製造における主な製造工程は、層を重ねることです。ブレードを薄くすることで層数を減らし、ひいては労働力を削減できるため、場合によってはガラス繊維ブレードの人件費と同程度になります。[ 81 ]

オフショアでは設置コストが大幅に高くなります。[ 82 ]

ブレード以外の材料

風力タービンのローターブレード以外の部品（ローターハブ、ギアボックス、フレーム、タワーなど）は、主に鋼鉄で作られています。小型タービン（メガワット規模のエネルコン社製タービンも含む）では、軽量化と高効率化のため、これらの部品にアルミニウム合金が使用され始めています。疲労特性と強度特性が改善されれば、この傾向はさらに進む可能性があります。タワーの材料としてプレストレストコンクリートがますます使用されるようになっていますが、タービンの強度要件を満たすには依然として多くの鉄筋が必要です。さらに、増速ギアボックスは磁性材料を必要とする可変速発電機に置き換えられつつあります。[ 71 ]

現代のタービンは、発電機やケーブルなどに数トンの銅を使用しています。 [ 83 ] 2018年現在、世界の風力タービンの生産には年間45万トン（9億9000万ポンド）の銅が使用されています。[ 84 ]

材料供給

米国アーカンソー州ジョーンズボロにあるノルデックス風力タービン製造工場

2015年にヨーロッパで行われた風力エネルギーの材料消費傾向と要件に関する調査では、タービンが大型化すると貴金属の消費量が増えるものの、発電量1kWあたりの材料投入量は少なくなることがわかりました。当時の材料消費量と在庫量は、さまざまな陸上システムの入力材料と比較されました。EU加盟国すべてにおいて、2020年の推定消費量は2009年の2倍になりました。これらの国々は、2020年の推定需要を満たすために資源を拡大する必要があります。例えば、EUは蛍石の世界供給量の3%を占めていましたが、2020年までに14%が必要になります。世界的に、主な輸出国は南アフリカ、メキシコ、中国です。これは、マグネシウム、銀、インジウムなど、エネルギーシステムに必要な他の重要かつ貴重な材料についても同様です。これらの材料のリサイクル率は非常に低く、これに重点を置くことで供給を緩和できる可能性があります。これらの貴重な材料のほとんどは、発光ダイオード（LED）、太陽光発電（PV）、液晶ディスプレイ（LCD）などの他の新興技術にも使用されているため、その需要は増加すると予想されています。[ 85 ]

米国地質調査所が2011年に実施した調査では、2030年までに電力の20%を風力発電で賄うという米国の公約を達成するために必要な資源を推定した。調査が行われた2008年当時は、小型タービンや洋上タービンは一般的ではなかったため、これらの要件は考慮されなかった。鋳鉄、鋼鉄、コンクリートなどの一般的な材料は、2008年と比較して2～3％増加する。グラスファイバーは年間11万～11万5千トン必要となり、14％の増加となる。希土類金属の使用量は利用可能な供給量に比べてそれほど増加しないが、世界的な需要を増やしているバッテリーなど他の技術にも使われている希土類金属を考慮する必要がある。必要な土地は陸上で5万平方キロメートル、洋上で1万1千平方キロメートルとなる。米国は国土が広大であり、同じ土地を農業にも使用できるため、これは問題にならない。より大きな課題は、変動性と需要の高い地域への伝播である。[ 86 ]

風力発電機用の永久磁石には、ネオジム（Nd）、プラセオジム（Pr）、テルビウム（Tb）、ジスプロシウム（Dy）などの希土類金属が含まれています。磁気直接駆動タービンを使用するシステムでは、より多くの希土類金属が必要になります。そのため、風力タービンの生産量の増加は、これらの資源の需要を増加させることになります。2035年までに、Ndの需要は4,000～18,000トン、Dyの需要は200～1,200トン増加すると推定されています。これらの値は現在の生産量の4分の1から半分に相当します。しかし、技術の急速な発展により、これらの推定値は非常に不確実です。[ 87 ]

中国は希土類鉱物の主な生産国（2009年には96%）であり、輸出割当量を削減していたため、部品の希土類鉱物への依存は費用と価格の変動のリスクがあった。 [ 86 ]しかし、近年、他の生産国が生産量を増やし、中国も輸出割当量を増やしたため、供給量の増加、コストの低下、そして可変速発電機の大規模利用の実現可能性が高まった。[ 88 ]

ガラス繊維は最も一般的な補強材です。建設、輸送、風力タービンの需要増加に伴い、需要は増加しています。世界市場は2014年の85億米ドルから2024年には174億米ドルに達すると予想されています。2014年にはアジア太平洋地域が市場の45%以上を占めていましたが、現在では中国が最大の生産国となっています。ガラス繊維業界は中国政府から補助金を受けており、米国や欧州への輸出価格を安く抑えています。しかしながら、価格競争は中国産ガラス繊維への関税賦課などの反ダンピング措置につながっています。[ 89 ]

一般公開された風力タービン

中国香港のラマ・ウィンズのノルデックスN50風力タービンとビジターセンター
バーレーン世界貿易センターの風力タービン

いくつかの地域では、風力タービンの注目を集める性質を利用して、タービンの周囲にビジターセンターを設置したり、少し離れた場所に観覧エリアを設けたりして、タービンを一般公開しています。[ 90 ]風力タービンは一般的に、従来の水平軸の3枚羽根設計で、電力網に供給する電力を生成しますが、技術デモンストレーション、広報、教育といった従来とは異なる役割も果たしています。[ 91 ]

バーレーン・ワールド・トレード・センターは、風力タービンを一般公開した例です。これは、風力タービンを設計に組み込んだ最初の超高層ビルです。

小型風力タービン

英国ブリストルにある小型のQuietrevolution QR5 Gorlov型垂直軸風力タービン。直径3m、高さ5mで、定格出力は6.5kWです。

小型風力タービンは、オングリッドまたはオフグリッド住宅、通信塔、洋上プラットフォーム、地方の学校や診療所、遠隔監視、電力網がない、または電力網が不安定な場所でエネルギーを必要とするその他の用途など、さまざまな用途に使用できます。小型風力タービンは、ボートやキャラバン用の50ワット発電機ほどの大きさのものもあります。太陽光と風力のハイブリッド発電ユニットは、最寄りの主電源接続ポイントから長いケーブルを敷設する必要がないため、特に地方で交通標識にますます使用されています。[ 92 ]米国エネルギー省の国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は、小型風力タービンを100キロワット以下のものと定義しています。[ 93 ]小型ユニットは、多くの場合、ダイレクトドライブ発電機、直流出力、空力弾性ブレード、長寿命ベアリングを備え、風向を風向に合わせるためのベーンを使用しています。[ 94 ]

風力タービンの間隔

ほとんどの水平型風力発電所では、ローター直径の約6～10倍の間隔が推奨されています。しかし、大規模な風力発電所では、一般的な風力タービンと土地のコストを考慮すると、ローター直径の約15倍の間隔の方が経済的です。この結論は、ジョンズ・ホプキンス大学のチャールズ・メネボー氏[ 96 ]とベルギーのルーヴェン大学のヨハン・マイヤーズ氏による研究[ 95 ]によって導き出されました。この研究は、風力タービン間の詳細な相互作用（後流）と乱流境界層全体を考慮した コンピュータシミュレーション[ 97 ]に基づいています。

カリフォルニア工科大学のジョン・ダビリ氏の研究によると、隣接するタービンのブレードが互いに近づくときに同じ方向に動くように、交互の回転パターンが作られる限り、垂直風力タービンははるかに近接して設置できる可能性があることが示唆されている。[ 98 ]

操作性

作業員が風力タービンのブレードを検査している。

メンテナンス

風力タービンは、信頼性と可用性を維持するために定期的なメンテナンスが必要です。最良の場合、タービンは98%の時間で発電可能です。[ 99 ] [ 100 ]タービンブレードへの氷の付着は風力タービンの効率を大幅に低下させることが判明しており、これは雲内着氷や凍結雨が発生する寒冷気候では一般的な課題です。[ 101 ]除氷は主に内部加熱によって行われますが、場合によってはヘリコプターからブレードにきれいな温水を噴霧することによって行われます。[ 102 ]

現代のタービンには通常、メンテナンスツールや小型部品を吊り上げるための小型クレーンが搭載されています。しかし、発電機、ギアボックス、ブレードなどの大型で重量のある部品の交換は稀であり、そのような場合には重量物用の外部クレーンが必要になります。タービンへのアクセスが困難な場合は、コンテナ型クレーンを内部クレーンで吊り上げ、より重い荷物を吊り上げることが可能です。[ 103 ]

再発電

新しい風力タービンの設置は議論の余地がある。代替案として、既存の風力タービンをより大型で強力なものに交換するリパワリング（再発電）がある。これは、場合によっては、発電容量を維持または増加させながら、タービンの数を減らすことで行われる。[ 104 ]

解体とリサイクル

使用されていない風力タービンの一部はリサイクルまたは再発電されています。[ 105 ] [ 106 ]タービン材料の85％は簡単に再利用またはリサイクルできますが、複合材料で作られたブレードは処理がより困難です。[ 107 ]

ブレードのリサイクルへの関心は市場によって異なり、廃棄物に関する法律や地域の経済状況にも左右されます。ブレードのリサイクルにおける課題は、複合材料に起因しています。複合材料は、エポキシ樹脂に炭素繊維を含んだグラスファイバーでできており、再成形して新しい複合材料を作ることができません。[ 108 ]

風力発電所の廃棄物は他のゴミよりも毒性が低い。風力発電業界の業界団体であるアメリカ風力エネルギー協会によると、風力タービンのブレードは米国の廃棄物全体のほんの一部に過ぎない。[ 109 ]

いくつかの公益事業会社、新興企業、研究者が、ブレードの再利用またはリサイクルの方法を開発している。[ 107 ]メーカーのヴェスタスは、繊維を樹脂から分離して再利用を可能にする技術を開発した。[ 110 ]ドイツでは、風力タービンのブレードは、セメント工場の代替燃料ミックスの一部として商業的にリサイクルされている。[ 107 ]英国では、高速鉄道2号線の建設における排出量の削減を目的として、ブレードを細長く切断してコンクリートの鉄筋として使用するプロジェクトが試行される。[ 111 ]使用済みの風力タービンのブレードは、ポーランド[ 112 ]とアイルランドの歩道橋の支持構造の一部として組み込まれることでリサイクルされている。[ 113 ]

他の電源との比較

利点

風力タービンは、太陽光パネルと並んで、再生可能エネルギーの中で最も低コストのものの一つです。[ 114 ]風力タービンに必要な技術が進歩するにつれて、価格も低下しました。さらに、風力は自由に利用できる天然資源であり、その大部分が未開発であるため、現在、風力エネルギーの競争市場は存在しません（将来的には存在する可能性があります）。[ 115 ]小型風力タービンの主なコストは、購入と設置費用で、1基あたり平均48,000ドルから65,000ドルです。通常、得られるエネルギーの総量はタービンのコストを上回ります。[ 116 ]

二重給電誘導発電機を使用するタービンは、グリッドをブラックスタートできるだけでなく、グリッド追従インバータの過剰使用によるグリッドの不安定化を軽減します（コストが低いため）。

風力タービンはクリーンなエネルギー源を提供し、[ 117 ]水の使用量が少なく、[ 2 ]稼働中に温室効果ガスや廃棄物を排出しません。化石燃料由来の1メガワットのエネルギーの代わりに1メガワットのタービンを使用することで、年間1,400トン（1,500ショートトン）以上の二酸化炭素を削減できます。[ 118 ]

デメリット

風力タービンは非常に大きく、高さは260メートル（850フィート）を超え、ブレードの長さは110メートル（360フィート）に達します[ 119 ]。そのため、人々はその視覚的影響についてしばしば不満を述べています。

アメリカでは、猫が殺す鳥の数は風力タービンの1万倍にも上ります。[ 120 ]

風力発電の環境影響には野生生物への影響も含まれますが、適切な戦略を実施すれば軽減することができます。[ 121 ]希少種を含む何千羽もの鳥が風力タービンの羽根によって殺されていますが、[ 122 ]風力タービンは人為的な鳥類の死亡（人間によって殺された鳥）に比較的わずかしか寄与していません。風力発電所と原子力発電所は、1ギガワット時（GWh）の電力あたり0.3～0.4羽の鳥の死因となっていますが、化石燃料発電所は1GWhあたり約5.2羽の死因となっています。比較すると、従来の石炭火力発電所は鳥の死亡率にかなり大きく寄与しています。[ 123 ] 2000年から2020年にかけて米国で記録された鳥の個体数に関する研究では、風力タービンの存在は鳥の個体数に大きな影響を与えなかったことがわかりました。[ 124 ]

風力タービンによって得られるエネルギーは変動性が高く、「送電可能な」電力源ではありません。その利用可能性は、電力需要の有無ではなく、風が吹いているかどうかによって決まります。タービンは尾根や崖に設置することで風へのアクセスを最大化できますが、設置場所も限られてしまいます。[ 115 ]このように、風力エネルギーは特に信頼できるエネルギー源ではありません。しかし、他のエネルギー源を含むエネルギーミックスの一部を構成することは可能です。余剰エネルギーを貯蔵する技術も開発されており、これにより供給不足を補うことができます。[ 125 ]

風力タービンには、衝突を避けるために航空機に警告する点滅灯が付いています。[ 126 ]風力発電所の近くに住む住民、特に田舎に住む住民は、点滅灯が迷惑な光害であると苦情を述べています。[ 126 ]光害軽減のアプローチには、航空機検知灯システム（ADLS）があり、ADLSのレーダーが高度と距離のしきい値内で航空機を検知した場合にのみ灯が点灯します。 [ 126 ]

記録

カナダ、ケベック州カップ・シャにある世界最大の垂直軸風力タービン「エオール」

最も強力な風力タービンのリストも参照してください

記録 モデル/名前 位置 建設業者/製造業者
最大かつ最も強力な MYSE18.X-20MW 海南省、中国 明陽風力発電
最大の縦軸 エオール[ 127 ]カナダ、ケベック州、 キャップ・シャNRC、ハイドロ・ケベック
最大の1枚羽根タービン モノプテロスM50 [ 128 ]ジェイドウィンドパークMBBメッサーシュミット
最大の2枚羽根タービン SCD6.5 [ 129 ]龍源風力発電所 明陽風力発電
ほとんどのローター フォーインワン[ 130 ]マースフラクテ、オランダ ラガーウェイ
最高位の 2.5 [ 131 ]パストルリ氷河ウィンドエイド
最大のオフショア MySE18.X-20MW 海南省、中国 明陽風力発電
最も高い シプカウGICON風力タービンスキプカウ、ドイツ ベンシス、GICON

参照

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さらに読む

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  • ダレル、ドッジ、『1875年までの初期の歴史』、TeloNet Web Development、著作権1996–2001
  • Robert Gasch、Jochen Twele（編）『風力発電所：基礎、設計、建設、運用』Springer 2012 ISBN 978-3-642-22937-4。
  • Erich Hau,風力タービン：基礎、技術、応用、経済学、Springer、2013 ISBN 978-3-642-27150-2（Googleブックスでプレビュー）
  • Siegfried Heier著『風力エネルギー変換システムのグリッド統合』 John Wiley & Sons社、第3版（2014年）、ISBN 978-1-119-96294-6
  • ピーター・ジェイミソン著『風力タービン設計におけるイノベーション』Wiley & Sons (2011)、ISBN 978-0-470-69981-2
  • JF Manwell、JG McGowan、AL Roberts著、『風力エネルギー解説：理論、設計、応用』、John Wiley & Sons、第2版（2012年）、ISBN 978-0-47001-500-1
  • David Spera (編)風力タービン技術：風力タービン工学の基礎概念、第2版（2009年）、ASME Press、ISBN 978-0-7918-0260-1
  • Alois Schaffarczyk（編）、風力発電技術の理解、John Wiley & Sons、（2014）、ISBN 978-1-118-64751-6
  • ヘルマン＝ヨーゼフ・ワーグナー、ジョティルメイ・マトゥール著『風力エネルギーシステム入門：基礎、技術、運用』Springer (2013)、ISBN 978-3-642-32975-3
  • GA Mansoori、N. Enayati、LB Agyarko (2016)、「エネルギー：資源、利用、法律、持続可能性、モデル州としてのイリノイ州」
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