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 トップページテクの雑学 > 第176回 ますます注目高まる再生可能エネルギー 〜地方によってデザインが異なる風力発電についてみてみよう〜
テクの雑学

第176回 ますます注目高まる再生可能エネルギー 
〜地方によってデザインが異なる風力発電についてみてみよう〜

 再生可能エネルギーとして風力発電に注目が集まっています。エネルギーの「ベストミックス」の観点からも、風力発電を有効活用することには大きな意義があります。今回は、そんな風力発電装置の「構造」と、効率を高めるために用いられている技術についてまとめてみたいと思います。

 なお、風力発電機については以前にテクマグ内の他のコーナーで取り上げているので、そちらもご参考ください。

参考情報
電気と磁気の?(はてな)館 > No.40 強力マグネットによる風力発電の高効率化

さまざまな風車のタイプ

 風力発電の仕組み自体は、いたって簡単なものです。風の運動エネルギーを利用して「風車」を回し、その力で発電機を作動させて電力を得ます。風車は、水車と並んで人類が古くから自然界のエネルギーを利用するために利用してきた機械機構で、製粉や穀物の粉砕、また有名なオランダの風車のように灌漑(かんがい)といった用途に用いられてきました。電気が利用されるようになり、また「フレミングの左手の法則(第163回 電池切れでも安心! 〜手回し式発電機の原理〜)参照」を利用した発電機が考案されると、風車によって電力を得る仕組みが考案されたのは、ごく自然な流れと言えるでしょう。

 風力発電に使われる風車にはさまざまなタイプがあります。まず、風車そのものは「抗力型」と「揚力型」に大別され、さらにロータ(風車の回転する部分)を支持する軸を地面に対して垂直に置く「垂直軸型」と、地面に平行に置く「水平軸型」に分類されます。

 抗力型は風の力を受け止めることで回転するタイプで、代表的なものはロータの先端に半球形の「風杯」を付けた、風速計などによく用いられている「パドル型」風車です。風力発電機に使われる抗力型風車には、縦半分に切った円筒を周方向にずらしたような形状のブレード(羽根)を垂直軸と組み合わせた「サボニウス型」があります。抗力型+垂直軸型の風車はコンパクトな設置スペースで運用でき、風がどの方向から吹いても、ほぼ一定の回転数を保てるといった特長を持っていますが、風からエネルギーを受け取れる効率があまり高くないことから、比較的小規模な風力発電設備に用いられています。

 一方、揚力型は、ロータに備わっているブレードの表面と裏面で空気の流速が異なるような形状とし、それによって生じる「揚力」を利用して回転するもので、航空機の羽根と同じ原理に基づいたものです。私たちが「風力発電」と聞いてとっさに思い浮かべる「プロペラ型+水平軸型」がその代表格で、中〜大規模風力発電機のほぼすべてがプロペラ型風車を採用しています。ちなみに、中小規模風力発電機では、垂直軸に「ジャイロミル型」「ダリウス型」などの揚力型風車を組み合わせたものもあります。

 最近はロータではなく「凧」を使った風力発電システムなども考案されていますが、今回はプロペラ型風車を使った中〜大規模な風力発電システムの話に限ったものとします。

代表的なプロペラ型の構造

 プロペラ型風車を使った大規模風力発電システムは、風車の他に「増速機構」「発電機」「ヨーシステム」などを内部に収め、また風車の水平軸を保持する「ナセル」、ナセルとロータを支持する「タワー」、そして全体の制御システムによって構成されています。こう書くと非常に単純な機構に思えるかもしれませんが、実際の風力発電システムには、なるべく高効率に、かつ風が弱い時でも発電するための、さまざまな仕組みが盛り込まれています。

 まずは、風車の「向き」を制御する仕組みが非常に重要です。プロペラ型風車による風力発電システムでは、ブレードに対してまっすぐに風が当たっている状態が最も効率が高まるので、ロータを常に風上側に向けておきたいからです。このため、ナセル全体が360度回転できるように作られ、かつ、ナセル部に備わる「風向風速計」が感知した風向きに応じてロータの向きを変化させています。ほとんどの場合、この仕組みはタワーとナセルを接合する「ハブ」と呼ばれる部分に組み込まれた歯車で構成する「ヨーシステム」によって行われています。

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