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現代の日本では、ほとんどの人が電気を日常的に使っています。安定した電力は全国各地に供給されており、国民はそれを利用して便利な生活を送っています。

このように生活を便利にする電気は、さまざまな方法によって作られます。近年では、数ある発電手段の中でも特に「再生可能エネルギー」による発電が注目を集めています。風力発電は、このような再生可能エネルギー発電の代表的な者の1つに挙げられます。

そこで、ここでは風力発電の歴史や仕組みについて解説していきます。

風力発電とは

前述のように、風力発電は再生可能エネルギー発電の1種です。再生可能エネルギーとは、水力や風力などの「消費しても再び利用することができるエネルギー」のことをいいます。

石油や石炭などの化石燃料は、人工的に作り出すことができません。そのため、資源の量に限りがあり、いずれは利用できなくなります。これに対して、再生可能エネルギーは、自然界に常に存在するものであるため枯渇しません。

また、再生可能エネルギーによる発電には、二酸化炭素など温室効果ガスの排出を伴いません。温室効果ガスは、地球温暖化の原因物質といわれています。そのため、これらを排出しない風力発電は、地球環境に優しい発電方法といえます。

さらに、風力発電のエネルギー源は自然に吹く風であるため、発電のために燃料を調達する必要がありません。これに対して日本の電力供給の主力である火力発電は、発電に化石燃料を必要とします。

そして、このような化石燃料は輸入によって調達します。そのため、火力発電を行うということは、その分だけ日本のお金を消費するということになります。このようなことから、風力発電が普及して火力発電の稼働率が下がると、日本が外貨を失わずに経済が安定しやすくなるといえます。

また、風力発電は、他の発電所に比べて建設期間が短く、設備のメンテナンスが比較的行いやすいという特徴があります。そして、風力発電による電力は、海外情勢による化石燃料の価格変動における影響を受けません。そのため、発電設備を適切な場所に設置すると、風力発電による電力の価格は安価で安定したものとなります。

ただ、当然のことながら、風力発電は風が吹かなければ発電が行なえません。また、風力発電による発電量は風速によって変動します。一方で、台風や竜巻などの強すぎる風は発電設備が壊れる原因となります。

さらに、風力発電は、風で風車が回ることによって電気が作られます。ただ、風車が回る際には低周波音が発生します。そのため、発電所付近に住んでいる人は、騒音被害を受けることになります。

また、風力発電所では、回る風車に鳥が巻き込まれるという「バードストライク」現象も多数発生しています。そのため、大型風力発電所は、生態系における悪影響の原因となる可能性があります。

このように、風力発電所の適切な設置場所となる条件はかなり厳しいです。そのため日本では、ほとんどの大手電力会社が風力発電の導入に消極的であるといわれています。

風力発電の歴史

風力発電は、1887年にイギリスで誕生したといわれています。そして、アメリカやデンマークなどの世界各国で風力発電が研究され、現在では世界における電力需要量の3%程度を担っているといわれています。

日本では、1949年に風力発電が本格的に導入され始めました。そして、1970年代のオイルショックによって火力発電の稼動が困難になった際に、代替エネルギーの1つとして注目を浴びました。

ただ、1980年台に入って化石燃料の価格が下落すると、風力発電の普及が滞っていきました。これは、日本での風力発電設備の設置が難しいことが1つの原因といわれています。

というのも、日本では毎年台風が上陸します。前述のように、台風の時に吹く強風は、発電設備を壊すことがあります。また、出力の高い風車を設置して大量の電気を作るためには、広く平らな土地が必要です。ただ、日本には山が多く、風車の設置に適した場所はそう多くありません。

このようにして注目度が下がっていった風力発電でしたが、1990年代に地球温暖化が問題となるにつれて再び脚光を浴び始めました。前述のように、風力発電には二酸化炭素など温室効果ガスの排出を伴いません。そのため、これらを排出する火力発電の代わりに、風力発電を導入することで温暖化対策を行う動きが世界的に活発になりました。

ただ、日本では、前述のような設置環境の問題などもあり、風力発電ではなく太陽光発電を推されてきました。そのため、日本の風力発電の普及率は、欧米諸国に比べて低い状態が続いています。

とはいえ、風力発電の電力供給量は少しずつ上昇してきています。2000年の時点では14万kW程度の風力発電設備しかありませんでした。これに対して、現在2016年段階の日本では、250万kW程度の電気を発電できるだけの風力発電設備があります。

また、2012年6月までは、再生可能エネルギー電力普及を目的とした制度の対象が太陽光発電のみでした。これに対して、現在は風力発電も対象となり、企業や個人が風力発電を導入しやすくなっています。

このようなことから、風力発電の普及率はさらに上昇する見込みです。そして今後は、風力発電の適地が多い北海道に大型風力発電所が設置される予定となっています。

風力発電の仕組みと種類

前述のように、風力発電は風によって風車が回ることで電気が作られます。このような風車の形式には、風車が地面に対して垂直に回る「水平軸風車(回転軸は水平に回る)」と並行に回転する「垂直軸風車(回転軸は垂直に回る)」」の2種類があります。

水平軸風車は、「揚力型」と呼ばれる風車です。揚力とは、風のもつ「持ち上げる力」のことをいいます。飛行機などが高速で直進することによって浮かび上がるのは、このような「風の揚力」が働くためです。

揚力型の風車は、揚力で羽を回します。つまり、「風の持ち上げる力」を「回転する力」に変換しているということです。このとき、揚力は風速よりも速く羽を回すことができます。そのため、揚力型の風車は出力が高く、多くの電気を作り出すことができます。

一方で、揚力型における風車の羽が揚力を受けるためには、適切な角度から風が吹く必要があります。そのため、揚力型は、後述の「抗力型」の風車に比べて回り始まりにくいという特徴があります。

これに対して、抗力型の風車は、風が持つ「押す力」を利用したものです。抗力型の風車の羽は、片面が風に押されやすい形になっている一方で、その裏面は風に押されにくい形になっています。

これによって、ある一方から風を受けた時、風に押されやすい面の羽が風に押されて回転します。そのため、抗力型は、地面と水平に風を受ける垂直軸風車に採用されています。

抗力型の風車は、風が羽を押すことによって風車が回ります。そのため、抗力型における風車の羽が回る速度は、風速より早くなりません。したがって、抗力型の風車における発電量は、揚力型よりも少なくなります。

一方で、抗力型における風車の羽は、揚力型に比べて風の力を受けやすいです。そのため、抗力型は、揚力型よりも風車が回りやすいという特徴があります。

水平軸風車の特徴と種類

水平軸風車には、「プロペラ型」や「オランダ型」などのいくつかの種類があります。この中でも、プロペラ型は世界的にもっとも普及しており、多くの人が風力発電設備だと認識している形をしています。

プロペラ型の風力発電は、その名の通り、発電設備の形が飛行機のプロペラに似ています。プロペラ型では、風を受けるブレードが高速で回転するため、出力が高くなって発電量が多くなるという特長があります。一方で、羽が高速で回るため、騒音や振動が大きくなりやすいです。

これに対して、オランダ型の風力発電は、ブレードの回転速度がプロペラ型に比べて遅いです。そのため、発電量はプロペラ型よりも少ない一方で、騒音被害などが起こりにくいというメリットがあります。

このような水平軸風車は、風向きに合わせて風車の向きを調整する必要があります。そのため、この型の風車は、垂直軸風車比べて発電設備のメンテナンスにコストがかかります。

垂直軸風車の特徴と種類

垂直軸風車には、揚力型と抗力型があります。そして、揚力型の垂直軸風車には、ダリウス型やジャイロミル型などがあります。

ダリウス型は、羽を弓形に曲げて垂直軸に取り付けた風車です。横から見ると、葉っぱのような形をしています。この型は垂直軸風車のため、どこから風を受けても風車が回るという特長があります。

また、ダリウス型は建設コストが安く、強風時にも騒音が発生しにくいです。そのため、この型の風車は、都市部などでの発電に利用されています。ただ、ダリウス型は回転し始める力がとても弱いです。そのため、この風車は、低い風速でも風車が回る別型の風車と併用されることが多いです。

ジャイロミル型は、地面に対して垂直な何枚かの羽を持った風車です。ダリウス型が自力で起動できなかったのに対して、ジャイロミル型は風を受けることによって自力で回り始めることができます。

また、抗力型の垂直軸風車には、サボニウス型やクロスフロー型などがあります。この中でも特に、サボニウス型は抗力型風車の代表格です。前述のように、抗力型風車は揚力型に比べて出力が低く、発電量が少なめです。

ただ、サボニウス型は弱風でも風車が回ります。また、強風時でも音が静かです。そのため、設置場所を選ばず、街中などでも発電ができる風車です。また、サボニウス型における機動性の良さは、ダリウス型風車起動のためにも利用されています。

洋上風力発電

これまでに述べたように、今までの風力発電設備は陸上に設置されることがほとんどでした。ただ、日本は人口に対して国土が狭く、風力発電設備の設置が困難な土地が多いです。そのため、海の上に風力発電設備を設置する「洋上風力発電」は、国土が海に囲まれた日本にとって最適な風力発電であるといわれています。

洋上風力発電の歴史は浅く、世界的に見ても本格的に研究が始まったのは2000年代に入ってからです。ただ、欧州各国ではすでに洋上風力発電の導入が進んでおり、日本と同じ島国であるイギリスでは急速に普及が進んでいます。

洋上風力には、「着床式」と「浮体式」の2種類があります。着床式は、水深が浅いところに発電機器を直接設置する方式です。これに対して、浮体式では機器全体を海に浮かべて発電します。そのため、浮体式の洋上風力は、水深の深い所で利用されます。

着床式の洋上風力設備は、水深が50m程度の所までしか設置できません。そのため、この方式の発電設備は、設置可能箇所が限られます。また、設置することによる生態系への影響が心配されています。

これに対して浮体式は、機器が海に接する面が少ないため、着床式よりも生態系への負荷が小さいです。また、日本の海域であればどこでも設置ができるため、着床式に比べて設置可能領域が格段に広いです。そのため、浮体式による発電量のポテンシャルは、5億kWを超えるといわれています。これは、着床式の約5.5倍です。

ただ、浮体式は海の上に安定して浮かべる必要があり、海上から人の住む地域までの送電設備が必要なため、着床式よりも建設コストが高いです。現在、このような問題を解決するために多くの企業が開発に力を入れています。

このように、現状の日本では、風力発電の普及はあまり進んでいません。ただ今後、研究が進んで風力発電所が増えると、温室効果ガスの排出を伴わないクリーンな電力を安価で使用できるようになります。これは、私たちの生活に直接関わることです。

そして、2016年の電力自由化以降、一般消費者は電力会社を自由に選べるようになりました。これによって、電力会社の変更によって特定の発電方法を支持することができるようになりました。そのため、今後の電力事情を良くするためにも、電力会社が提供している電気の発電方法に興味を持ち、自分の意思によって会社を選択することが大切です。