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ノースパワーTOPページ＞自然エネルギーの基礎知識＞風力発電システム 風力発電システム（その２）  ２．風力発電の効率 前項で、風のエネルギーとパワーについて説明しましたが、では実際に、風力発電システムでは、どれくらいの電気が得られるのかについて考えてみます。 風のエネルギーを最終的に電気エネルギーに変換して取り出すには、いくつかのステップがあり、そのすべての各段階においてロスが生じますので、実際に使える電気量は、風の有するエネルギーの一部になります。 まず、風のエネルギーを風力発電機のブレードによって回転の運動エネルギーに変換する効率についてですが、風の流れのもつエネルギーを100%利用しようとすると、風のもつ運動エネルギーをゼロにしてしまうことになります。これはすなわち、風力発電機によって風の流れを完全にせき止めてしまうことに他ならず、風の行き場が無くなってしまいます（つまり、風力発電機に風が一切流入できない状態です）。 また反対の見地からしますと、前項の説明の通り、風のエネルギーは、風速の3乗に比例することから、出来る限り少しでも大きな風速の風が風力発電機を通過することが望ましいことも明らかですが、このためには、出来る限り風をスムーズに風力発電機の後方(風下側)に受け流してやる必要があります。とは言え、まるっきり後方にただ流してしまったのでは、エネルギーを回収することが出来ません。 これらの単純な理屈からも、どの程度、風を後方にエネルギーを残したまま逃がしてやるのが効率的となるのか、ちょうど良いポイントがあることが想像できます。 このことについて理論的に解析したところ、「風エネルギー」を「運動エネルギー」に最も効率的に変換するには、風力発電機の後方側風速が3分の1に低下するようにした場合で、その際の最大効率は、約59.3%であることが証明されています（これを「ベッツの法則」「ベッツ限界」などと呼んでいます）。 上記の値は、理論的に導き出された理想上の限界値であり、実際の風力発電機用風車においては、20〜45%程度のエネルギー変換効率となっています。 （一般に高効率型の風車は、高速回転型となりますので、騒音や寿命、安全性を犠牲にせざるを得なくなる傾向があり、また設計点から外れるような幅広い風速域で柔軟な性能を発揮する目的などからも、必ずしも最大効率だけを優先した風車デザインが採用されるわけではありません。） その他、発電機や送電などによる電気的な効率、回転力の伝達などの機械的効率などがありますが、これらのエネルギー効率(変換効率や伝達効率)は、概ね80〜95%程度と上記の風車効率と比較して、ずっと大きな値となっています。 以上から、風力発電によって得られる電気エネルギー量は、風車が受ける風エネルギーのおよそ10〜35%程度であるとされています。 ３．風力発電の特徴 風のエネルギーやパワーは、風速の3乗に比例することから、風速次第で風力発電機の出力も大きく変動することになります。実際の自然の風は、常に風速が変化し、また日格差や季節格差も大きいのが一般的であり、常に風速が一定の安定した風が得られるような環境はありません。従って、風力発電機の発電特性も時間変動や日格差、季節格差が非常に大きく、ピーキーな発電特性であることが特徴です。 風力発電システムを計画する上で、少しでも大きな風速が得られる場所を選定することは大変重要なことです。また、ただでさえピーキーな発電特性の風力発電ですので、風速や風向の変動が小さい安定的な風が得られる場所を選ぶことも大切で、特に風向変動が大きな場所では、風車へのダメージも飛躍的に大きくなり、寿命を縮めるだけではなく大変危険ですので、ご注意ください(後述)。  |
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