風力発電の仕組みとは？風から電気が生まれるのはなぜ？

現在の日本は、生活に必要なエネルギーの多くを火力発電に依存しており、石炭や石油、天然ガスを消費してエネルギーを得ているため、二酸化炭素を多く排出しています。
これが環境に大きな負担となっているため、火力発電に代わるクリーンな発電である再生可能エネルギーの導入が進められています。

その中でも古くからその仕組みが存在している風力発電は、日本でも普及しはじめています。
この記事では、風力発電はどのような仕組みで発電しているのかについて解説します。

風力発電とは？発電の仕組みやメリット・デメリットについて知ろう

再生可能エネルギーと風力発電

世界では、地球温暖化の影響により気温が上昇するだけでなく、様々な異常気象、気候変動に襲われています。
この地球温暖化の原因の一つとして挙げられているのは温室効果ガスであり、その主な要素は二酸化炭素です。
二酸化炭素は産業革命以降、生産活動などが発展し、大量に排出し、今なお増え続けています。

私たちの生活は、電力・ガスなどのエネルギーなしでは成り立たない社会となりましたが、それは化石燃料に依存し、火力発電などでエネルギーを大量に作り続けなければ維持できない社会でもあるのです。
しかし火力発電をはじめ、エネルギー生産において多くの二酸化炭素が排出されています。
この状況を打開するため、世界では二酸化炭素の排出を抑制・削減するための目標を立て、それに向けた取り組みを行っています。

発電においては、火力発電など二酸化炭素を発生させる発電方法に代わるものが検討されてきており、導入が進められているのが再生可能エネルギーです。
再生可能エネルギーは二酸化炭素をはじめとした温室効果ガスを排出しないだけでなく、化石燃料など特別な資源を必要としないことから、国内で生産できる重要な低炭素国産エネルギー源となっています。
その中には太陽光や地熱、バイオマスによる発電もありますが、実は古くから存在している風力や中小水力も再生可能エネルギーにあたります。

再生可能エネルギーの中では、太陽光発電が技術力や導入量でも一歩抜きん出ていますが、風力発電も2000年以降は導入量が増加し、設備容量でも設置基数でも2016年までに大幅に増えています。
2016年時点での設置基数は2,000基を超え、設備要領は335.7万kW（キロワット）を記録するなど、今後も期待される発電方法です。

（出典：経済産業省「なっとく！再生可能エネルギー」再生可能エネルギーとは　総論）
（出典：経済産業省「なっとく！再生可能エネルギー」再生可能エネルギーとは　風力発電）

風力発電の仕組み

風力発電の原理はかなり古くから存在しています。発電ではないですが、風車で有名なオランダでは昔から干拓のため、水の汲み上げに風車を利用してきました。

風を受け、動力を生み出して利用するという考え方は、現代の風力発電にも通ずるところがあります。それほど風力発電の原理はシンプルなものなのです。
ではどのような原理で風力発電が電気エネルギーを生み出しているのか、全体としてはどのような仕組みで利用されているのか、見てみましょう。

（出典：外務省「オランダ～日蘭通商400周年」）

風力発電の原理

風力発電は文字通り、風の力で発電をします。
風の運動エネルギーを風車、厳密には風力タービンによって回転エネルギーに変え、その回転を直接、あるいは増速機を経て発電機に伝送し、電気エネルギーに変換します。

昔からある風車と異なるのは、技術的な進歩により、電気エネルギーへの変換ができる発電機や、回転エネルギーを増幅させる増速機などが備わっていることです。
これにより、風の運動エネルギーからより多くの電気エネルギーを得られるようになりました。

また、風力発電に関わらず、発電を行う際、電気エネルギーというのは様々な損失が発生します。例えば風力発電であれば、風力エネルギーが100％電気エネルギーに変化されるわけではありません。
風を受けるローター部分では、空気力学的損失により50～60%が損失し、増速機では機械的損失が4%程度、発電機では電気機械的損失が6%程度あるのです。

100%の風力エネルギーから30～40%程度の電気エネルギーを得られることになりますが、これはほかの再生可能エネルギーと比較して高効率であると言われています。
風車の形式や風速に適した回転速度であることなど条件はありますが、風力発電は運動エネルギーから電気エネルギーを効率よく得られる発電方法です。

風力発電の形式・システム

仕組みを理解する上で、原理以外にもう一つ重要なのが風力発電の形式やシステムです。
風力発電は、より多く発電する条件として、風を受ける方法と受ける場所が重要視されます。

風が持つ運動エネルギーは、風を受ける面積に比例し、風速の3乗に比例して増大する性質を持っています。
つまり理論的には、風速が2倍になれば、風力エネルギーはその3乗の8倍になるということです。このことから、風力発電の設備をより風の強い場所に設置し、大きい翼で効率よく風を受ける必要があります。

そこで風力発電の形式として、回転軸の方向による2種類の風車が生み出されました。
一つは従来の風車のように地面に対して水平に回転軸があり、風を受ける翼（ブレード）が付いている「水平軸」と地面に対して垂直に回転軸が付いており、長方形などの風を受けて回転する長方形の翼がついている「垂直軸」があります。

陸上風力発電

陸上風力発電は、別名陸上ウィンドファームと呼ばれており、主には強く多くの風が得られる山岳地に設置されることが多いです。
代表的なものでは新出雲風力発電所や新青山高原風力発電所がありますが、どこも複数の風力発電機が立てられ、風を受けて発電しています。

新青山高原風力発電所は国内最大級のウィンドファームであり、発電出力は8万kWにものぼります。
仕組みとしては風力発電機で発電された電気は直流であるため、地中の送電線・通信ケーブルを通って、運転監視施設と陸上変電所に送られ、交流に変換されたあと、電力系統に送られて私たちの元に送られます。

洋上風力発電

風力発電機は沿岸に設置されることが多く、強い海風を受けて発電します。
海中の下、風力発電機が設置されている海底に海底送電線・通信ケーブルがあり、そこを通って発電された直流電気が送られます。
途中で洋上変電所を通り、港湾施設にある運転監視施設と陸上変電所に送られ、交流となった電気が私たちの元に送られます。

日本では茨城県神栖市の沿岸にウィンド・パワーかみす洋上風力発電所があり、2010年から運転を始めています。
発電出力は3万kWですが、建設コストの低減を実現した事例としても注目されています。
また日本と同じように海に囲まれるイギリスのロンドンでは、沿岸から離れた洋上に大量の風力発電機を設置した洋上ウィンドファームも利用されています。

（出典：環境省「地域における再生可能エネルギー事業の事業性評価等に関する手引き（金融機関向け）Ver4.1～風力発電事業編～」,2019）
（出典：環境省「再生可能エネルギー特別報告書」）
（出典：経済産業省「なっとく！再生可能エネルギー」再生可能エネルギーとは　風力発電）

風力発電の仕組みを理解しよう

日本では風力発電の導入量が太陽光発電やバイオマス発電よりも遅れています。
これは日本ならではの気候や地形などが影響しているためですが、その問題も技術の発展や陸上ではなく洋上への建設などで解決しつつあります。

今後の発展次第で、日本国内でも主力となる発電として期待される風力発電と言えるため、これからの進展に注目していきましょう。