電気と磁気の?館

No.40 強力マグネットによる風力発電の高効率化

過去の記事を整理・一部リライトして再掲載したものです。 古い技術情報や、 現在、TDKで扱っていない製品情報なども含まれています。

エコ志向が“追い風” となって風力発電がますます注目

クレマチスと総称される園芸植物があります。日本の野生種の名前は“カザグルマ”。8枚の花びら(がく片)が、おもちゃの“かざぐるま”と似ていることに由来します。一般に風車(ふうしゃ)と呼ばれるのは風力を利用した動力装置のことで、英語では(ウィンドミル:windmill)といいます。この“mill”とは“ひき臼”のこと。ヨーロッパの風車の多くが、小麦の製粉に用いられたことによるものです。
 風車は7世紀頃のイスラム圏で生まれたといわれ、ヨーロッパでは12世紀以降、独自の発達を遂げました。ヨーロッパの風車には、箱型風車と塔型風車の2タイプがあります。風車の羽根は同じ方向を向いているわけではなく、風に合わせて向きを変える仕組みが取り入れられています。羽根をつけた建物全体が回転するのが箱形風車。しかし、これでは大型化が困難なので、のちに高層ホテルの回転レストランのように、建物の上部のみを回転させる塔型風車が開発されました。
 風車は地方によってデザインが異なります。ドン・キホーテが巨人と見誤って突撃したスペインの風車は、デザイン的にシンプルな石造りの塔型風車。世界遺産に登録されているキンデルダイクの風車群など、写真や絵画でおなじみのオランダ風車は、曲線的で優美なデザインの塔型風車です。オランダ風車の多くは揚水用です。オランダの国土の4分の1は海面下の干拓地。長大な堤防を築き、多数の風車によって海水を汲み出して、国土を少しずつ広げていったのです。
 日本で風車が利用されるになったのは明治以降で、田畑をかんがいするための揚水用など、小型のものにかぎられました。アメリカから技術導入されたため、日本の揚水用風車のほとんどが、6〜8枚の木製羽根をもつアメリカ農場式の風車です。このタイプの小型風車を改良したものは、昭和初期に発電用にも用いられました。北海道内陸部の開拓農家など、電力供給が遅れていた地域などでは、200〜300W級の風力発電機が各地で活躍していたのです。
 

 

ヨーロッパの塔型風車(製粉用)の内部構造例

 

■ 航空機のプロペラ技術が生かされた大型風車

 発電用風車にはさまざまな種類がありますが、回転軸が地面に対して水平なタイプと垂直なタイプに大別されます。4枚羽根のオランダ型、アメリカの農場などで使われた多翼型、2〜3枚のブレード(翼)をもつプロペラ型などは水平軸方式。特殊形状の輪を回転させるダリウス型や円筒形のロータを回転させるサボニウス型などは垂直軸方式です。
 垂直軸方式はどの方向からの風に対しても回転するという利点がありますが、現在では効率的にすぐれる水平軸方式のプロペラ型が風力発電の主流となっています。プロペラ型ではブレードの回転面を常に風向きに合わせる必要がありますが、これはセンサを用いた制御機構によって実現しています。また、ブレードには航空機のプロペラの技術成果が生かされ、効率も格段にアップしました。風車によって得られる運動エネルギーは、理想的な状態で風のもつエネルギーの60%程度が限界とされますが、プロペラ型では45%程度まで取り出すことが可能です。
 プロペラ型風車では、風車の中心部(ハブ)にボックス状の格納庫を備えています。これはナセルと呼ばれ、内部には増速器や発電機が搭載されています。自転車で速度が増すほど発電ランプは明るく点灯するように、風力発電でもブレードの回転数が大きいほど発電に有利になります。大型風車のブレードは意外とゆっくりと回転していますが、ギア(歯車)を組み合わせた増速器で回転数を高めて発電しています。しかし、この増速器のギアが騒音問題を起こしたり、またギアの摩擦は効率を落としたり故障の原因にもなるので、近年は多極磁石式の発電機によって増速器を省略した“ギアレス”方式が採用されるようになっています。

各種風車の形状と風から取り出せるエネルギーの割合(最大効率)

 

大型風車(2000kW級)のサイズ ナセル内部の基本構造

 

■ 日本をクリーンな“エコ列島”に改造する洋上風力発電

 ギアレス方式の風力発電機は、永久磁石式多極同期発電機というタイプです。コイルに向けて磁石を出し入れすると、コイルに起電力が生まれます。これは理科実験でおなじみの電磁誘導現象です。発電機はこの電磁誘導を利用したもので、ロータに多数の磁石を配列して多極化することで、低速回転でも高出力が得られます。また、永久磁石の磁気パワーが大きいほど、小型化と高出力が図れるため、ハイブリッド車の駆動モータなどにも使われている強力なネオジム磁石(TDKの商品名はNEOREC)が、風力発電機にも採用されるようになっています。
 風のエネルギーは、風が通過する面積に比例し、風速の3乗に比例します。地表よりも上空のほうが風が強いので、風車は大型化したほうが効率的です。2007年に運転開始した福島県の郡山布引高原風力発電所は2000kW級の大型風車33基からなる国内最大級のウインドファームです。
 しかし、国土が狭い日本ではウインドファームに適した立地は限られています。また、大型風車の建設には、長大な資材や建設用重機を運ぶための道路も必要で、いかに風況がよくても険しい山中などに建設することは困難です。そこで、近年、にわかに注目されているのが洋上風力発電。洋上は陸地よりも強い風が安定的に得られるうえ、騒音問題なども解消できるからです。大型風車をブイ(浮き)のように浮かべて海底にワイヤで固定したり、洋上に巨大なイカダのようなものを浮かべて、その上に大型風車を建設するフロート式なども提案されています。
 山国である日本は陸上の風力発電の立地には恵まれていませんが、四方を海に囲まれた海洋国であるのは大きなメリット。洋上風力発電を国家プロジェクトとして推進することで、日本列島全体をクリーンな“エコ列島”として改造することも可能でしょう。強力なネオジム磁石を利用した多極同期発電機の採用などにより、この10年あまりで風力発電技術は急速に進歩しました。日本が風力発電の先進国へと飛躍する絶好のチャンスともいえます。
 

永久磁石式多極同期発電機の原理

 

永久磁石式多極同期発電機のタイプ

 

フロート式洋上風力発電所構想の例

 

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