風力発電

風力発電は家庭用のものもある!発電効率についても解説

風力発電は大型の風車が回ることで発電するイメージが多く、背の高い風車がいくつも並んでいる風景が日本国内でも見られます。
海外では洋上に大量の大型風車が並んでいる光景も見られ、風力発電の象徴となっていますが、実は小型の風力発電もあるのです。

小型発電機は家庭用に導入できるよう作られており、公共施設などでも採用されていることがあります。
この記事では、家庭用の風力発電はどのようなものなのか、風力発電はどれほどの発電効率があるのか紹介します。

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

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日本の風力発電


世界では地球温暖化の影響で、各地に様々な災害が起こっています。
日本も例にもれず、猛暑や豪雨、台風の大型化などで甚大な被害を受けている地域があります。
これは温室効果ガスによるものと考えられており、その主な要素は二酸化炭素です。

人類は18世紀に起こった産業革命以降、技術的に大きな発展を遂げました。そこにはエネルギーを得るための発電に飛躍的な進化が見られますが、同時に大気中の二酸化炭素を急速に増加させることにもつながりました。
それが温室効果ガスとして地球を覆い、地球温暖化を進めています。

このような状況に危機感を持ち、世界中で二酸化炭素排出量を削減する取り組みがなされるようになりました。
その方法の一つとして挙がったのが発電方法の見直しであり、注目を集めたのが再生可能エネルギーです。

太陽光や風力、地熱、バイオマス、波力など様々な発電方法がありますが、どれも二酸化炭素を排出せず、自然環境の力を借りて発電するため、クリーンで環境にも負担が少ない国産エネルギー源として導入が進んでいます。
中でも風力発電は、欧州を中心に導入が進んでおり、日本はそれに遅れる形で導入量が増加しています。

仕組みと発電効率

風力発電は、風の運動エネルギーを翼(ブレード)で受け、風車(風力タービン)を回すことで回転エネルギーを得ます。
その回転を直接発電機に伝送し、電気エネルギーに変換します。ただし近年では技術の発展により、回転を増速機に伝えて回転速度を増やし、後に発電機に伝送することで発電量を増やすシステムが組まれているのです。

また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ちます。
そのため理論的には、風速が2倍になると風力エネルギーは8倍になるのです。
つまり風が強い場所に風力発電機を設置して、大きな翼で効率よく風を受けることで、より多くの発電が可能となります。

このような風力発電機を条件に合う場所に置くことで、大型の発電機であれば、風の運動エネルギーの最大30~40%程度を電気エネルギーに変換することが可能です。
100%ではないことに驚かれるかもしれませんが、どのような発電でもロスは発生します。
風力発電は、ほかの発電方法よりも発電効率が高いことでも注目されています。
ただ、効率そのものは風車の形式や、風速と翼の先端速度の比によって異なるので、条件を満たしていないと発電効率は落ちる可能性があります。

  • 再生可能エネルギーは、二酸化炭素を排出せず、自然環境の力を借りて発電するため、クリーンで環境にも負担が少ない国産エネルギー源として導入が進んでいる
  • 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
  • 風の運動エネルギーの最大30~40%程度を電気エネルギーに変換することが可能
  • (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)
    (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)

    家庭用の風力発電とは


    風力発電は、大規模な発電施設を作ることで、より多くの発電量を確保できます。
    中大規模システムになると、経済性を確保するため平均で風速5~6m/s(メートル毎秒)の適した風が吹く状況を選び、施設の建設をする必要があります。
    そのため山林や洋上にいくつもの巨大な風力発電機を立てるイメージがありますが、実はこれほど大規模でなくても風力発電を行うことができます。

    発電量を補うために、経済性を確保できる中大規模の設備であれば、それに見合った施設と条件が必要です。しかし家庭の電力の補助として使うのであれば、それほど大きなものは必要ありません。
    家庭で用いられる再生可能エネルギーは太陽光発電がその大部分を占めていますが、小型風力発電も販売されており、実際に導入されている家庭もあります。
    民生用小型風力発電システムと呼ばれ、メーカーや輸入販売店から市販されています。

    民生用小型風力発電システム

    風力発電はかつてある程度の大きさを確保しなければ発電量を得られず、必然的に重量が重くなるため、中大規模のものが一般的でした。
    しかし近年は、弱風下でも発電ができ、騒音が少ない小規模クラスの施設へ導入可能な小型風力発電機が開発されています。

    またこれまではシステムの関係上、一般家庭用の風力発電は商用電力系統と連係しない、つまり一般的に使われる電力会社からの電力供給と連係できない独立型のシステムとなっていました。
    これにより電気機器に対して電力を供給するためには蓄電池や充放電コントローラ、インバータなどの併設が必要であり、発電電力の利用用とも限定されることから、周辺機器などのコストが高くなる傾向にありました。
    そのため一般家庭用風力発電システムを導入しても、屋外照明や山間部での利用などに留まっていたのです。

    しかし近年はインバータなどを必要としない系統連係型の小型風力発電システムが実用化され、低コスト化が可能となっています。
    また中大型ほどの発電効率は見込めないものの、小型であれば風速2~3m/sほどの弱風でも発電が可能で、騒音も小さく、市街地など人が多く住む地域でも導入が可能であるというメリットがあります。

    世界最高性能の小型風力発電システム

    日本では陸上風力発電の成熟した技術体系と豊富な実績があります。
    導入こそ欧州には遅れているものの、その技術力や低コストシステムの開発は進んでおり、そんな中で世界最高性能の小型風力発電システムである「エアドルフィン」が開発されています。
    「エアドルフィン」は1kW(キロワット)~1.1kWの出力の小型風力発電機です。家庭やビル、看板や学校などに使用されています。

    小型風力発電システムは、住宅地や農村、山岳地など、どんな場所にも設置することができるという利点から大きなエネルギーの供給源として期待されています。
    それだけでなく太陽光発電と違い、日光が届かない日や夜間でも発電できますし、いざとなれば人力での発電も可能になります。
    今後も技術開発が進むことで、この世界最高性能の小型風力発電システムを超えるものが現れるかもしれません。

  • 中大規模システムは、経済性を確保するため平均で風速5~6m/sの適した風が吹く状況を選び、施設の建設をする必要がある
  • 小型風力発電は、風速2~3m/sほどの弱風でも発電が可能であることから、騒音も小さく、市街地など人が多く住む地域でも導入が可能なメリットがある
  • 「エアドルフィン」とは、世界性高性能の小型風力発電システム
  • (出典:環境省「民生用小型風力発電システム」,2011)
    (出典:東京都産業労働局「小型風力発電機「エアドルフィン」(プラネットシリーズ)」)

    家庭用風力発電機で自家消費ができる


    風力発電は、大型の方が発電効率が良いと言われてきました。
    しかし近年、弱風下でも発電ができ、騒音が少ない小型風力発電機が開発され、敷地面積や置ける場所が限られている一般家庭での導入も可能になりました。

    風力を家庭でも発電に使えれば、太陽光発電同様に自家消費できるエネルギーとして発展していく可能性は十分にあります。
    これからの進展に注目してみてはいかがでしょうか。

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