風力発電は安定発電は大丈夫?

風力発電投資は、利回りがいいことで検討している人もいるでしょう。しかし、風力発電投資の場合には、発電量を安定して確保することが必要になります。では、風力発電はしっかりと安定発電するのでしょうか?

1.風力発電は風が安定して吹かないが大丈夫か?

風力発電の場合は、風のエネルギーを利用します。しかし、風は必ずしも安定して吹くということではありません。

ため、発電量を一定に保つのが困難になるでしょうが、それでも大丈夫なのでしょうか?風力発電をさまざまところに作ることで対応できるのでしょうか?

別の発電方法を一緒に利用する

風力発電が問題であると言っている人は、風力発電のみで大丈夫かというようなことのみをアピールしています。当然ですが、風力発電の場合には別の発電方法を一緒に利用することが必要です。

しかし、相当広い目で見れば、風はどこかで吹いているため、風力発電が幅広く作られていると、急に全てが停まることは無いでしょう。

相当な変動があった場合でもコントロールできる

さらに、電気を供給する側としては、相当な変動があった場合でもコントロールできる機能が整備されています。電気を利用する側としては、電力会社等にその都度何時の時間帯にどの電気機器を使用します、などのような予約などしていないでしょう。

ユーザーの不特定多数が、電気を好きなだけ好きな時間帯に使っています。この電気を利用する中には、電車もあります。

このように電気が使われても、電気は技術力で非常に安定しているでしょう。このような電気を利用する側の安定しない状態でもカバーできるため、電気を供給する側でも同様に大丈夫と言えるでしょう。

2.風力発電の特徴

風力発電が安定発電かどうかを判断するために、風力発電の特徴について把握することが必要です。風力発電とは、プロペラを風のエネルギーで回転させ、この回転を発電機に伝えて電気を作るものです。プロペラの形は、ほとんどの場合風のエネルギーを変換する効率がいいものが採用されています。

風のエネルギーのメリットは、自然エネルギーであるためクリーン、さらに日本でも利用できるものであることです。一方、デメリットは、風であるため、電力の出力をコントロールすることが難しいこと、またコスト面において化石燃料と比較して競争力が劣ることです。しかし、このようなデメリットが風にはありますが、最大限に地球にある風のエネルギーを利用することができます。

風力発電は安定して発電できる?の説明画像1

大型化と集合化

風力発電は、メリットを活かしながらデメリットを補うために、工夫がいろいろ行われています。例えば、プロペラを大きな径にすることによって、1基の出力を多くすることができます。

同時に、より高くすることによって、強い上空にある風を利用することができ、風のエネルギーを効率良く利用することができます。

また、「ウィンドファーム」という世界でよく使われている一定の敷地内に風力発電を集める方式は、集合化によって安定しない風によるそれぞれの風力発電の違いを上手にまとめて、発電する電力量を多くするだけでなく、周波数と電圧に対する影響があまりないようにできます。

風力発電を作るところ

理論的には、風速の3乗に風のエネルギーは比例します。そのため、できるだけ強い風が吹くところに風力発電を作る、つまり風力発電に適したところを探すことが非常に大切になります。しかし、風力発電の風としては、竜巻や台風のように、大きな被害が出るようなものは適しません。

風力発電の場合には、年間を通じて強い風が安定して吹くことが大切です。そのため、最低でも風の状況の調査を1年以上かけて行うことが必要です。

案外と風はデリケートで、風の状況は地形だけでなく、植物の集団、さらにプロペラ同士が干渉することでも風力発電は影響を受けます。

このため、シミュレーション等によって、風の状況が地形やプロペラ同士の干渉等によってどのように変わるかをいろいろな面から解析して、風のエネルギーがより多く利用できるようにしています。

風力発電は安定して発電できる?の説明画像2

3.風力発電はどのような仕組みか?

風力発電は、安定発電をするためにさまざまな仕組みがあります。

効率良く発電する

発電を効率良く行うために、プロペラの角度を可変ピッチでコントロールします。プロペラの角度を変更すると、最適な状態に受ける風の量をコントロールすることができます。一方、強すぎる風の場合は、プロペラの角度を可変ピッチで変更して、回転しなくすることもできます。

また、コントロールシステムによって、常にプロペラを風が吹いてくる方向へ変えることもできます。竜巻や台風などのような強い風の場合には、プロペラが破損しないように、回転を抑える装置が設けられています。そのため、必要な場合には、プロペラを停めることもできます。

風力発電の大型化が進んでいる

風のエネルギーは、空気密度とプロペラの面積が同じ場合には、風の速さの3乗に比例します。例えば、2倍の風の速さになると、風のエネルギーは2の3乗で8倍になります。つまり、風が速く、羽根の面積が大きくなると、風のエネルギーは大きくなります。

そのため、発電量が大きくなります。発電コストは、大きな風力発電になるほど安くなります。そのため、風力発電の大型化が最近は進んでいます。

4.風力発電で電気を安定して供給できるシステム

4.1 空気を利用して電気を貯めるシステム

神戸製鋼所などは、空気を利用して電気を貯めるシステムを作るために共同で開発を始めました。このシステムは、風力発電が風向きや風量などで発電量が安定しないため、出力が変わるのを抑えたり、電力の需要が最大になるのを平準化したりする新しい技術として期待されています。

また、余った電力を貯めることができるため、風任せの風力発電から計画性があるものに変更できます。神戸製鋼所では、このシステムを「空圧電池」と呼び、商標登録を取っています。

システムのメリットとデメリット

このシステムのメリットについてご紹介しましょう。このシステムは、揚水発電と同様のものと言えます。リチウムイオン電池や蓄電池のような化学的な電池と比較すると、能力が電池のように劣化することによって寿命になる場合はほとんど無く、20年以上の寿命があります。

また、燃焼することが無く、危ない化学物質も使っていないので安全であり、劇物・有害物質なども含まれていないため、廃棄する場合でも心配ないものです。しかし、設置するスペースが大きくなることや、60%~65%の充放電効率であることがデメリットです。

4.2 システムの仕組み

このシステムは、風力発電で発電した電力を、圧縮した熱と低温の圧縮した空気に分けます。タンクに低温の圧縮した空気は貯めておいて、電気が必要になった場合に空気をタンクから出して高温の圧縮した熱に戻して発電機を回して発電します。

風力発電のように発電量が安定しない場合などは、平準化することが求められます。このような要求を満たすには、このシステムのように、すばやく発電したり、放電したりする機能が必要になります。

このため、要求によって回転数をコントロールして、発電能力を自由に1割~10割の範囲で変えることができます。また、エネルギー効率についても、トータルで考えると化学的電池よりも良くなります。さらに、化石燃料のように二酸化炭素や煤などが出ないため、環境を守る意味からもいいものです。

4.3 システムの今後の展開

これからは、充放電効率を60%超からさらにアップするそうです。また、設置するところは自由度が割合高いものですが、設置するスペースが化学的電池と比べて劣っているため縮小化を目指しているそうです。

コストとしては、試験機の段階では1kWについて30万円以上ですが、実用段階では数万円程度になるそうです。

これからは、1000kWクラスの実証機を静岡県内に作って、2016年の秋以降に運転し、本格的に2017年度から売る計画です。このようなシステムが実用化されると、風力発電の安定発電もより大丈夫になってくるでしょう。

5.まとめ

風力発電投資の場合には、利回りがいいが、安定発電は大丈夫か不安になるでしょう。しかし、ここでご紹介したような、風力発電で電気を安定して供給できるシステムなども考えられているため、安定発電も大丈夫と言えるでしょう。

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