風力発電のプロペラの大きさや形の違いについて。小型・大型の区切りとは。

風力発電投資の場合には、風力発電について十分に把握しておく必要があります。ここでは、風力発電の小型・大型の区切り、プロペラの形や大きさの違いについてご紹介しましょう。

1.風力発電の小型・大型の区切り

近年、風力発電は大規模化が進んでおり、1基あたりの出力が大型になっています。風力発電の大規模化のケースとしては、宗谷岬のものがあります。

なお、風力発電を定格出力によって分けると、1kW未満のマイクロ風車、1kW~50kW未満の小型風車、50kW~1000kW未満の中型風車、1000kW以上の大型風車なります。日本においても、実際に風力発電がどんどん多くなってきており、大型の風力発電だけでなく、小型の風力発電が戸建て住宅などで設置されています。小型の風力発電は、今までの大型の風力発電とははっきりと区別されており、現在着目されています。

2.プロペラの形や大きさの違い

垂直軸式と水平軸式がある

風力発電は、回転軸で垂直軸式と水平軸式に大きく型式が分けられます。水平軸式の代表的なものは、プロペラ式です。また、作動原理で、「揚力形」というプロペラ・風力発電の揚力によって高速に回転するものと、「抗力形」という風の力によって低速で回転するものに分けられます。中型風車・大型風車の場合は、メインは水平軸の3枚のプロペラ式です。

大型・小型風力発電の区切り プロペラの形や大きさの違いの説明画像1

アップウィンドとダウンウィンドの方式がある

プロペラ式としては、アップウィンドとダウンウィンドの方式があります。アップウィンド方式は、大型風車の場合のメインで、風上にプロペラ・風力発電の回る面が向いており、風がタワーによって乱れても影響が少ないものです。

ダウンウィンド方式は、小型風車で適用されるケースが多く、風下にプロペラ・風力発電の回る面が向いており、風の向きにプロペラを合わせる装置が要らないものです。また、近年、ダウンウィンド方式の大型風車も研究されています。

垂直軸式のメリットとデメリット

垂直軸式の場合には、風の向きに対して回転軸が垂直であり、風の向きに影響されることがありません。また、プロペラ式と比べてプロペラ・風力発電の製造が簡単であることや、地上に重い発電機等を設置できることなどのメリットがあります。

垂直軸式は、大きなトルクが起動する際に必要である、回転数をコントロールすることが困難である、水平軸式と比べて効率が良くないので大型になるなどのデメリットがあります。

システムの構造

風力発電は、風車によって風のエネルギーを回転エネルギーに変換し、発電機に伝えて、電気エネルギーへ変えるものです。タワーを基礎の上に作り、ナセルとプロペラ・風力発電をこのタワーの上に組みます。

プロペラ・風力発電は、1枚から複数枚のケースがありますが、一般的に、現在は方位をコントロールする際に振動しにくく安定性がいい3枚のものがメインになっています。

ロータは1分間に数十回転くらいであり、一般的に風力発電で使用されている発電機の回転数は1毎間に50Hz用は1,500回転、あるいは60Hz用は1,800回転のため、ギアを使用して回転数をアップしています。一方、同期発電機では、多くの場合はギアを使用しない直結駆動です。

風は、速度や向きが常に変わるので、この風を動力源にしている風力発電は出力を安定して獲得できないことなどがあります。そのため、風力発電の場合には、プロペラ・風力発電が回転する面が常に風の方向になる駆動装置や出力をコントロールするブレーキ装置等が装備されており、安定した出力がより多く獲得できるように考えられています。

また、風の速度が遅い場合でも発電が効率良くできるように、大きな発電機と小さな発電機を搭載して風速に応じて発電機を変更したりするなど、風速が大きく変わった場合でも対応できるような風力発電もあります。

プロペラの大きさ

風は、上空になるほど一般的に強くなるので、プロペラ・風力発電は可能な限り高くする方が獲得できるエネルギーは多くなって、発電量も増えます。また、風車が獲得できるエネルギーは、風車のプロペラ・風力発電の風を受ける面積が大きくなるほど多くなるので、プロペラ・風力発電を長くするとエネルギーは多くなります。

大型・小型風力発電の区切り プロペラの形や大きさの違いの説明画像2

現在、多く使用されているのは、600kWの定格出力の場合は、一般的にタワーは40m~50mの高さ、プロペラの大きさ・風力発電は45m~50mの径になり、1,000kW~2,000kWの定格出力の場合は、タワー60m~80mの高さ、プロペラの大きさ・風力発電は60m~90mの径になります。

できるだけ風のエネルギーを得るには、風の状況が風力発電に適したものであることが大切です。しかし、1基あたりの発電出力を多くするために風力発電を大型にすると同時に、いくつも風力発電を作ることで全体の出力が多くなり、発電費用を下げることが可能であるので、現在、風力発電は大規模になってきています。

なお、風力発電の大型化に関しては、プロペラ・風力発電の重さがプロペラの径の3乗に比例しますが、獲得できるエネルギーはプロペラ・風力発電の径の2乗に比例するため、プロペラ・風力発電に関係する費用は径の 3分の2乗に比例して増えます。

例えば、2倍の出力のプロペラ・風力発電を作るためには、1.4倍の径にすることが必要ですが、2.8倍の費用になります。そのため、出力が増える以上に費用がかかるようになり、技術的な改善をしなければかえって大型化はデメリットになります。

3.まとめ

風力発電投資の場合には、ここでご紹介した風力発電の小型・大型の区切り、プロペラの形や大きさの違いなどについて十分に把握しておきましょう。

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