History and Technology of Windmills 第１１回 ７／２ 風力発電の原理と効率・性能および技術開発動向

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1 History and Technology of Windmills 第１１回 ７／２ 風力発電の原理と効率・性能および技術開発動向
風車の技術と歴史 History and Technology of Windmills 第１１回　７／２ 　　風力発電の原理と効率・性能および技術開発動向

2 IHI納入、ドイツ・ノルディック社（１９５０ｋW)
風車見学会／6月27日（日)　報告 東京江東区、若洲海浜公園 IHI納入、ドイツ・ノルディック社（１９５０ｋW) 形式：IN-2500、2004年3月設置 　　　　　参加者14名 定格出力：1950kW 翼直径：80m、タワー・ハブ高さ：60m

3 手塚おさむのキャラクター

4 あずまやの屋根には透明の太陽光発電パネル

5 いろいろのマイクロ風車 　　　（正面）　　水平軸風車　　（側面）　　　　　　　　３杯式ロータ 　クロスフロー　　　　　　　　　S字ロータ　　　　　　　　ジャイロミル

6 講義内容 URL http://www.eureka.tu.chiba-u.jp
○概要説明 　○つづき ○風車の起源と発達 　○風車の種類と構造 ○イギリス風車とオランダ風車 　 ○産業革命---風車、水車、蒸気機関への変遷 ○Millerさんと風車 　○絵画や映画の中の風車 ○日本の風車の利用と発展 　　　＜今回、青文字部分関連＞ ○ランドマーク、町興しとしての風車 ○発電用風車の原理と構造 　○世界のウインドファームと立地 ○風力エネルギー導入施策とエネルギー環境ビジネス 　 ○市民風車の胎動　　○風力発電の将来WindForce12 ○国内外のウインドファームの見学 ○イギリス・オランダ・スペイン・アメリカ・デンマーク・ドイツの風車の旅　 ○課題の作成

7 中間所見の内訳

8 重要な意見 Positive factors Negative factors クリーンなエネルギー 鳥を巻き込む CO2排出がない
エネルギー密度が低い 外観／外見／景観がよい 稼働率（設備利用率）が低い 資源を他国に依存しない 不安定さ エコエネルギーの意識向上 場所を選ぶ 環境によい 騒音 地域興し コストがかかる

9 世界の風力発電容量の推移 (2003.12 ） 国 容量 MW Total 39,434 ドイツ 12,001 ⇒14,609 アメリカ
世界の風力発電容量の推移　( ） 国 容量　MW Total 39,434 ドイツ 12,001 ⇒14,609 アメリカ 4,645 ⇒ 6,352 スペイン 4,830 ⇒ 6,202 デンマーク 2,889 ⇒ 3,115 インド 1,702 ⇒ 2,120 オランダ 686 ⇒ 912 イタリア 785 ⇒ 891 イギリス 552 ⇒ 704 日本 620 ⇒ 644 中国 468 ⇒ 566 オーストリア 139 ⇒ 415 スウェーデン 328 ⇒ 399

10 風力設備容量の地域分布 2004.3

11 世界の総風力設備容量

12 国内の風力設備容量 2010年度まで 風力導入累計量　　　　3000MW

13 風力発電量の伸びは、何故？ 地球温暖化への取り組みは、先進国の責務である。
地球人口の増加、エネルギー需用の益々の伸びは、18世紀末から始まった産業革命による温室効果ガス（CO2、CH4、Ｎ2O、HFC、PFC、SF6）、とくに、CO2の排出削減が要求されている。 このため、再生可能エネルギーの利用、とりわけ太陽光・風力が有力である。 風力発電の利用は、デンマークはじめ、欧米で風車開発が進められ、設置・運転の実績が認められ、環境面への配慮から、飛躍的に進化している。

14 映画　　「大津波」　／ 「デイ・アフター・トゥモロー」 地球温暖化

15 電源別炭素排出量 発電方式 燃料分 建設・運用分 全体での炭素排出量 石炭火力 246 24 270 石油火力 188 12 200 138
LNG火力 138 40 178 原子力 6 水力 5 太陽光 22 風力 10 波力 25 地熱 （出所）関西電力調べ他　　　 単位：(g-C/kWh)

16 風力発電の貢献 [環境保全] ・温室効果ガス削減 ・SOx,NOx削減 [エネルギーセキュリティー] ・エネルギー多様化 ・国産エネルギー
　・温室効果ガス削減 　・SOx,NOx削減 [エネルギーセキュリティー] 　・エネルギー多様化 　・国産エネルギー [経済効果] ・雇用創出 ・地域経済の活性化

17 風速の3乗に比例する 風力エネルギー 運動エネルギー　　　　風車　　　　　回転エネルギー                                                風力エネルギー＝ 2 　× × ＝0.625πR2V3

18 風力エネルギー 3　

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21 大型化 設置コスト 発電コスト 小型 約100kW 中型 約500kW 大型 約１000kW～ \11~15万／kW \7～9／kWh
大型化　 \11~15万／kW \7～9／kWh ＊風速　6m／s　において \13~20万／kW \9～11／kWh 設置コスト \30万／kW \20／kWh 発電コスト 小型　約100kW 中型　約500kW 大型　約１000kW～

22 風車の構造 （水平軸、アップウインド、増速機 ＝デンマークコンセプト）
風車の構造　　　（水平軸、アップウインド、増速機 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＝デンマークコンセプト）

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25 風車の種類 風車 水平軸風車 垂直軸風車 ○構造が比較的簡単 ○効率が高く、大型化が容易 ●風向の依存性がある ●重量物をタワー上部に設置
○風向の依存性がない ○重量物はタワーの 　　下部に設置 ●効率が低く、設置面積大　 ●起動時に大きなトルク必要 ●回転軸に曲げモーメント 　　が加わる 垂直軸風車

26 風車① （水平軸） オランダ型　1 オランダ型　2 セイルウィング型　

27 風車②　（水平軸） アップウィンド リボン型 プロペラ型 多翼型                                                                                風車型 ダウンウィンド

28 風車③　（水平軸ープロペラ型） 一枚翼 二枚翼 三枚翼

29 風車④　（垂直軸　－　抗力型） パドル型 サボニウス1 サボニウス2 S型ロータ

30 風車⑤　（垂直軸　－　抗力型） クロスフロー型　1 クロスフロー型　2 クロスフロー型　3

31 風車⑥　（垂直軸　－　揚力型） 　ジャイロミル型 ダリウス型　1 ダリウス型　2

32 発電風車の種類（その他の風車）

33 出力係数（パワー係数）

34 風力発電の原理

35 風力発電システム

36 風力発電システム構成機器

37 風力発電の運転特性

38 風速分布 f(V)=(k/c)(V/c)k-1exp{-(V/c)k}

39

40 技術開発の動向：―― 風力発電機の開発と進歩、コスト低下 増速機なし（ギアレス）多極発電機の使用 可変ピッチ翼（風速変動に合わせる）
低速回転・低騒音化 電力品位の向上（電圧、周波数） タワーの新型化（景観、美観、心理） 大型化の限界、ほか

41 風車の発電機

42 風力発電導入検討の進め方① ←立地調査 ←風況精査 ←基本設計

43 風力発電導入検討の進め方② ←実施設計 ←関係機関等手続き ←建設工事 ←運転・保守

44 風力発電有望地域の抽出

45 風力発電導入の可能性評価

46 風車の建設単価

47 風力発電の工事計画①

48 風力発電の工事計画②

49 風力発電の課題 性能評価 (1)風速の予実比較、風況予測 (2)風車の性能特性 (3)トラブル 環境影響評価
　　(1)風速の予実比較、風況予測 　　(2)風車の性能特性 　　(3)トラブル 環境影響評価 　　(1)騒音障害　　　環境基準(住宅地、45dB) 　　(2)電波障害 　　(3)生態系に関する影響 　　(4)景観に関する影響

50 風車運転データ（FTデータより） （稚内市2000年１月７日）

51 風車設備利用率(2000年実績) （FTデータより）

52 風力発電の電源としての特徴 風況や日射量(参考)と言った自然条件の変動に伴ってその出力が変動する。
(参考)太陽光発電は市街地でも設置可能であり、同一配電線に多数台連系されることが想定される。 風力発電 太陽光発電 （参考）

53 系統連系における要配慮点 周波数変動(需給ｱﾝﾊﾞﾗﾝｽ) ・需要：電動機回転ムラによる製品への影響など
・系統：発電機の安定運転への影響など 電圧変動(潮流変動) ・需要：モータ焼損、家庭機器の停止など 保護協調 ・保安管理、機器の損傷など その他の電力品質 ・フリッカー、ノイズ、高調波等による電磁誘導、ノイズ等

54 分散電源としての問題 ･通常運転 分散電源の運転、停止による系統電圧の変動 ･単独運転（配電停止後も分散型電源が運転を継続し 配電線
　　　分散電源の運転、停止による系統電圧の変動 ･単独運転（配電停止後も分散型電源が運転を継続し 配電線 を充電する状態) ○分散電源の電圧、周波数は保証されず電気機器の 故障につながる ○保守要員安全が確保できない ○再閉路時の異常電圧による電気機器の故障

55 ～ 蓄電池併設風力発電ｼｽﾃﾑ 風車 ｺﾝﾄﾛｰﾗ ｼｽﾃﾑ ｲﾝﾊﾞｰﾀ 負荷 蓄電池 AC DC Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
　風車 ｺﾝﾄﾛｰﾗ ｼｽﾃﾑ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ～ AC ｲﾝﾊﾞｰﾀ DC 負荷 蓄電池

56 蓄電池による平滑化（調査ﾃﾞｰﾀより）

57 まとめ 以上のように、風力発電は、実用的な新エネルギー である。 解決すべき課題はあるが、 ・環境保全 ・エネルギーセキュリティ ・経済効果
　　　・環境保全 　　　・エネルギーセキュリティ 　　　・経済効果 の面で、貢献できる 　　　再生可能エネルギー 課題については次週に、目標はその翌週に述べる。