Wind power generation

Japanese: 風力発電 - ふうりょくはつでん

This is a method of converting wind energy into mechanical energy using a windmill, which then rotates a generator to generate electricity.

principle

Wind originates from radiant heat from the sun. The distribution of radiant heat is disturbed due to differences in the atmosphere and the earth's surface conditions, which creates temperature differences and generates wind. It is said that about 2% of the solar energy entering the atmosphere is converted into wind energy by this wind, which is a very large amount of energy for the entire Earth. The principle of wind power generation is to convert the kinetic energy of the wind into the rotational motion of a windmill. If the swept area that the wind hits is A , ρ is the density of the air, and v is the wind speed, the kinetic energy per unit time, that is, the power, is expressed as W = A ρ v ³ /2. In other words, wind energy is proportional to the swept area and the cube of the wind speed. Theoretically, the maximum amount of this energy that can be converted into rotational energy by the windmill turbine is about 60%, and the actual windmill energy is about 45% or less due to the viscosity of the air and other effects. In other words, with a swept area radius of 1 meter and a wind speed of 10 meters per second, about 1 kilowatt of rotational energy can be obtained.

[Tsutomu Michigami and Ryuichi Shimada]

Types of wind turbines and power generation systems

Wind turbines are divided into horizontal axis wind turbines and vertical axis wind turbines, with the former being a high-speed propeller type that can reduce the reduction ratio (ratio of the rotational speed of the wind turbine and the generator), making it suitable for wind power generation.Since the wind is constantly changing in strength and direction, wind control involves pitch control, which controls the output and rotational speed, and yaw control, which controls the wind direction, in order to efficiently capture this fluctuating wind and obtain a stable output.

The latter type, the Darrieus type, is suitable for small wind turbines because it can generate power regardless of the wind direction and does not require yaw control, and the central axis also serves as a lightning protection device. However, it has disadvantages such as a slow rotation speed and low starting torque, making it difficult to start in weak winds.

A 1.5 megawatt system, a representative example of propeller-type wind power generation, is a gigantic structure similar to an upright jumbo jet, with a rotor (rotating blades) diameter of 66 meters and a rotating shaft height of 60 meters. The larger the wind turbine and the taller it is, the greater the capacity and the cheaper the cost per watt, but in Japan, due to land transportation restrictions, 2.5 megawatts is probably the limit. For offshore wind power generation, which has no transportation restrictions, there are plans to introduce 3 megawatt and 5 megawatt machines.

Germany, Denmark, and the Netherlands are the leading countries in wind power generation. Windmills in the Netherlands are especially famous as a tourist resource, and these countries are blessed with strong westerly winds from the North Sea. These countries have succeeded in developing modern wind power generation, driven by the rise in oil prices that began around 1975, the decline of nuclear power, and global warming, and now rely on wind power for 30% of their electricity. Europe as a whole has set a goal of covering 20% of its total electricity with renewable energy in 2020 and 50% in 2050, most of which is wind power. In countries along the North Sea, electricity demand peaks in the winter when people are heating their homes, and the strong winds from the North Sea are ideal for wind power generation, and wind power generation is progressing rapidly due to government-led purchase systems and mandatory purchase targets. The cumulative amount of wind power generation in the world has shown remarkable growth, from 14 gigawatts in 1999 to 48 gigawatts five years later in 2004, and further to 160 gigawatts ten years later in 2009. Going forward, plans are afoot to build even larger offshore wind farms in the shallow North Sea, with hundreds of turbines, each with a capacity of 5 megawatts.

The most efficient power generation system is one that generates electricity from the rotation of the blades using a powerful, large-diameter, multi-pole synchronous generator with magnets, without using gears. Multi-pole gearless magnet synchronous generators use a converter with semiconductor switches to convert all power into DC power, which is then connected to the power grid by an inverter, while geared generator systems use a speed-up gear to increase the rotation speed to the conventional generator speed and use a synchronous generator, or a wound-type induction generator with a variable-speed AC field magnet. For offshore wind power generation, where maintenance is difficult and availability is important, low-cost and robust squirrel-cage induction generators are also being considered.

[Ryuichi Shimada]

Wind power in Japan

The development of wind power in Japan began around 1975, when research and development into the use of wind energy began to pick up steam overseas. The development of 100-kilowatt wind power plants was taken up as part of the national Sunshine Project as an important clean energy source for environmental conservation. At the beginning of the 1980s, 50-kilowatt machines were the norm, but by 1995, 500-800-kilowatt machines were the norm, and after 1996, 1000-1500-kilowatt machines appeared. Currently, due to transportation restrictions, the largest 2500-kilowatt machines have reached the widespread stage. As of 2007, the current installed capacity of the world is 100 gigawatts, with Japan accounting for 1.5 gigawatts, the United States approximately 16 gigawatts, Germany 22 gigawatts, Spain 15 gigawatts, and the United Kingdom 2.4 gigawatts, with most being built mainly in Europe. While Germany's growth has stagnated since 2007, wind power has spread remarkably in India and China. In Japan, local power companies have monopolized power generation and transmission and distribution, so power purchase alone is not familiar, and even if private companies, NPOs (non-profit organizations), and local governments build wind power generation facilities, the power companies do not buy the electricity. The introduction of 3 gigawatts (3 million kilowatts) of green power was made mandatory by 2012 (known as the Special Measures Act on the Use of New Energy, etc. by Electric Utility Companies, or RPS Act), but in the end, the target was not achieved nationwide. It is thought that full-scale spread of wind power will come after the Great East Japan Earthquake and the subsequent Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident, when the restructuring of the power industry, the necessity of which has been debated, was carried out. As an example of large-scale development, 34 1,500-kilowatt units were completed in Rokkasho Village, Aomori Prefecture in 2008, for a total of 51 megawatts. The largest single-unit capacity is a 2.5 megawatt unit at a wind power plant in Konbumori, Nemuro City, Hokkaido. Japan does not have large plains like Europe, and is mountainous, making construction difficult, and this capacity is the largest. However, in the future, there are hopes for the development of offshore wind power plants that will deploy many larger units offshore.

In Japan, the RPS Act was enacted in 2003 to set targets and make mandatory the purchase volume of electricity generated by solar panels for wholesale to electric power companies. Furthermore, a system of guaranteed purchase prices was implemented under the Feed-in Tariff Scheme for Renewable Energy on July 1, 2012. This act has triggered the rapid spread of solar panels.

[Ryuichi Shimada]

[Reference] | Kinetic energy | Power generation | Generators | Wind turbines

Wind power generation facility
A large-scale wind power generation facility in Tomamae Town, Hokkaido, which effectively utilizes the strong winds that are unique to the coast of the Sea of Japan. Since the first unit began full-scale operation in 1999, several companies have built facilities and begun commercial operation one after another. There are more than 40 wind turbines in the town area, and two power plants with an output of over 20,000 kW. Tomamae Town, Tomamae District, Hokkaido ©Masashi Tanaka ">

Wind power generation facility

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

風のエネルギーを風車によって機械エネルギーに変換し、発電機を回して発電する方式をいう。

原理

風の起源は太陽からの放射熱である。放射熱が大気や地表の状況の異なりによって分布が乱れ、温度差が生じて風が発生する。この風による風力エネルギーは、大気圏に入ってくる太陽エネルギーの約2％が変換されるといわれ、地球全体としてはきわめて大きなエネルギーとなる。風力発電の原理は、風の運動エネルギーを風車の回転運動に変換して取り出すものである。いま風のあたる受風面積をA、ρを空気の密度、vを風速とすれば、単位時間あたりの運動エネルギー、すなわちパワーはW＝Aρv³/2で表される。つまり風力エネルギーは受風面積に比例して、風速の3乗に比例することとなる。このエネルギーのうち風車のタービンによって回転エネルギーに変換できるのは理論的に約60％が限界で、実際の風車エネルギーは空気の粘性、その他の影響などから約45％以下となる。つまり、受風面積半径1メートル、風速10メートル毎秒では約1キロワットの回転エネルギーが得られる。

［道上　勉・嶋田隆一］

風車の種類と発電システム

風車の種類は水平軸風車と垂直軸風車に分けられ、前者の代表が高速タイプのプロペラ型で、減速比（風車と発電機の回転数比）を小さくできるので風力発電の用途に適している。風はその強さと向きを絶えず変化させるので、風力制御としてはこの変動する風を効率よく捕獲し、安定な出力を得るため、出力、回転速度を制御するピッチ制御と風向制御をつかさどるヨー制御が用いられている。

　後者の垂直軸型は、ダリウス型が代表で風向きによらず発電できるためヨー制御は不要で、中心軸が避雷設備を兼ねるなど小型風車には適している。しかし回転速度が遅く、始動時のトルクが低いので弱風では始動しにくいなどの欠点がある。

　プロペラ型風力発電の代表で1.5メガワットのシステムは、ローター（回転翼）の直径が66メートル、回転軸の高さ60メートルでジャンボジェット機を立てたような巨大な構造物である。風車が大きいほど高さが高いほど、能力が大きくなりワット当りコストが安くなるが、日本では陸上輸送の制限から2.5メガワットが限界であろう。輸送制限のない洋上風力発電では3メガワット、5メガワット機の導入が計画されている。

　風力発電の先進国はドイツ、デンマーク、オランダである。とくにオランダの風車は観光資源としても有名であるが、これらの国は北海からの強い西風に恵まれている。これらの国では1975年ごろから始まる石油の高騰、原子力の衰退、地球温暖化に後押しされ、近代風力発電の開発に成功し、電力の30％を風力に頼るようになっている。ヨーロッパ全体では2020年に全電力の20％、2050年には50％を再生可能エネルギーでまかなうことを目標にしているが、そのほとんどは風力発電である。北海沿いの国では、暖房する冬に電力需要のピークがあり、北海からの強風は風力発電に都合がよく、政府主導による買い取り制度や、買い取り義務目標によって急速に進展している。世界の累積導入量は、1999年には14ギガワットだったものが、5年後の2004年には48ギガワットになって、10年後の2009年にはさらに160ギガワットと目覚ましい伸びを示している。これからは浅い北海にさらに大きな、1機5メガワットクラスの風車を数百機建設する洋上風力発電群の建設が計画されている。

　発電システムとしては、羽の回転を、ギアを介さず、強力な磁石式の直径の大きな多極同期発電機で発電する方式が効率的である。多極ギアレス磁石式同期発電方式は半導体スイッチによるコンバーターで全電力を直流電力に変換し、インバーターで電力系統の配電線に接続する一方、ギア付き発電機方式は増速ギアを使って従来の発電機回転速度にして同期発電機を用いるか、または可変速交流界磁による巻線形誘導発電機を用いる。保守が困難で稼働率が重要な洋上風力発電では、コストが安く堅牢(けんろう)な、かご形誘導発電機方式も検討されている。

［嶋田隆一］

日本の風力発電

日本における風力発電の開発は海外での風力エネルギー利用の研究開発が活発化し始めた1975年（昭和50）ごろから開始され、環境保全上の重要なクリーンなエネルギーとして国のサンシャイン計画のなかで100キロワット級風力発電プラントの開発が取り上げられた。1980年始めは出力50キロワット機が主力であったが、1995年（平成7）時点で500キロ～800キロワット機が主力となり、1996年以降には1000キロ～1500キロワット機が登場した。現在は輸送制限の関係で最大の2500キロワット機が普及段階に達している。設備容量の現状は2007年（平成19）時点で、世界全体で100ギガワットのうち、日本が1.5ギガワット、アメリカ約16ギガワット、ドイツ22ギガワット、スペイン15ギガワット、イギリス2.4ギガワットとなっておりヨーロッパを中心に多く建設されている。2007年からはドイツが伸び悩む一方、インド、中国での風力発電の普及は目覚ましい。日本では地域の電力会社が発電と送配電を独占してきたので買電だけの運営はなじみがなく、民間、NPO（民間非営利組織）、地方自治体が風力発電設備をつくっても電力会社が電気を買い取ってくれない状況があった。グリーン電力として2012年までに3ギガワット（300万キロワット）の導入を義務化して目標としたが（電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法＝RPS法といわれた）、結局、国内全体で目標は達せられなかった。本格的普及は東日本大震災とそれに伴う福島第一原子力発電所事故のあと、その必要性が議論されている電力事業の構造改革がなされてからと思われる。大規模な開発例としては2008年青森県六ヶ所(ろっかしょ)村に1500キロワット機が34台、全体で51メガワットが完成している。単機容量の最大は、北海道根室(ねむろ)市の昆布盛(こんぶもり)にある風力発電所の2.5メガワット機である。日本はヨーロッパのように平野が広くなく山岳が多いため、建設が困難でこの容量が最大であるが、今後は洋上にさらに大型機を多数配置する洋上風力発電群の開発が期待されている。

　日本では、発生電力の電力会社への卸売りに関して、2003年よりRPS法による買い取り量の目標と義務化を行い、さらに2012年7月1日より「再生可能エネルギーの固定価格買取制度」で買い取り価格の保証制度などが実施され、このことが引き金となり急速に普及が進んでいる。

［嶋田隆一］

[参照項目] | 運動エネルギー | 発電 | 発電機 | 風車

風力発電施設
日本海沿岸特有の強風を有効な資源として活用している北海道苫前町の大規模な風力発電施設。1999年（平成11）の1号機本格稼動以降、複数の企業が相次いで施設を建設、商業運転を開始した。町域には、40基を超える風車が林立し、出力2万kWを超える発電所が二つある。北海道苫前郡苫前町©Masashi Tanaka">

風力発電施設

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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