洋上風力発電のしくみ：風の力をどのように電気に変換するの？

最終更新日 2024年5月30日 by auroot

近年、再生可能エネルギーへの注目が高まっています。中でも、洋上風力発電は、安定した風を利用できる上に、広大な海域を活用できることから、大きな可能性を秘めたエネルギー源として期待されています。

洋上風力発電は、海上に設置された風車を用いて、風のエネルギーを電気に変換する技術です。この記事では、洋上風力発電の基本的なしくみについて、わかりやすく解説していきます。

私は機械工学を専攻し、エネルギー工学にも造詣が深いことから、洋上風力発電の技術的な側面について、専門的な知見を交えながら説明していきたいと思います。風車の構造や発電の原理など、洋上風力発電を理解する上で欠かせない基礎知識を、図やグラフを用いてビジュアルに解説します。

また、最新の研究成果や事例も積極的に取り入れ、洋上風力発電の現状と将来の可能性についても触れていきます。再生可能エネルギーに関心のある読者の皆さんに、洋上風力発電について理解を深めていただければ幸いです。

風車の基本構造と発電の原理

ブレードが風を受けて回転する仕組み

洋上風力発電の主役は、海上に設置された風車です。風車の基本的な構造は、以下の3つの部分から成り立っています。

• ブレード（翼）：風を受けて回転する部分
• ナセル：ブレードの回転を発電機に伝える部分
• タワー：風車全体を支える柱の部分

中でも、発電の原理を理解する上で重要なのが、ブレードの役割です。ブレードは、航空機の翼と同じ原理で風を受けて回転します。ブレードの断面は、翼型と呼ばれる特殊な形状をしています。この翼型は、風が当たった際に、ブレードの上面と下面で風速に差が生じるように設計されています。

ベルヌーイの定理によると、風速が速いほど気圧は低くなります。ブレードの上面は風速が速くなるように湾曲しているため、上面の気圧は下面よりも低くなります。この気圧差によって、ブレードには上向きの力（揚力）が発生し、ブレードが回転するのです。

ギアボックスとジェネレーターの役割

ブレードの回転は、ナセル内部のギアボックスとジェネレーターに伝えられます。ギアボックスは、ブレードの回転速度を増速させる役割を果たします。風車のブレードは、通常、毎分10～20回程度の低速で回転しますが、これでは発電効率が低いため、ギアボックスを用いて回転速度を数十倍に増速するのです。

増速された回転は、ジェネレーター（発電機）に伝えられます。ジェネレーターは、回転運動を電気エネルギーに変換する装置です。ジェネレーターの内部には、磁石と導線（コイル）が組み込まれています。磁石とコイルを相対的に回転させると、電磁誘導の原理によって、コイルに電流が生じます。この電流を取り出すことで、風のエネルギーを電気に変換できるのです。

ナセルとタワーの構造と機能

ナセルは、ギアボックスやジェネレーターなどの重要な部品を収納している箱のような部分です。ナセルは、風向きに合わせて回転できる構造になっており、常に風車のブレードが風に正対するように制御されています。

また、ナセルには、風速や風向きを計測するセンサーや、ブレードの角度を調整するピッチ制御システムなども搭載されています。これらの装置によって、風車は風況に応じて最適な状態で運転され、発電効率を高めることができます。

タワーは、風車全体を支える柱の部分です。洋上風力発電の場合、タワーは海底に固定された基礎の上に建てられます。タワーの高さは、風況や設置場所の条件によって異なりますが、一般的には、80～100mほどの高さになります。

タワーの内部には、メンテナンス用のエレベーターや電力ケーブルなどが収められています。また、タワーの設計には、強風や波浪に耐えられる強度と安定性が求められます。

洋上風力発電の特徴と利点

陸上風力との比較：風況の安定性

洋上風力発電の大きな特徴は、陸上に比べて風況が安定していることです。陸上では、山や建物などの障害物によって風が乱されるため、風速や風向きが変動しやすくなります。一方、洋上では、広大な海上に障害物がないため、風は安定して吹き続けます。

この風況の安定性は、洋上風力発電の大きな利点の一つです。安定した風を利用できることで、風車の稼働率が上がり、発電効率が向上します。また、風車の設計においても、風況の変動を考慮する必要が少なくなるため、より効率的な設計が可能になります。

大型風車の設置による発電効率の向上

洋上風力発電のもう一つの利点は、大型の風車を設置できることです。陸上では、輸送や設置の制約から、風車の大きさに限界がありますが、洋上では、大型の部品を船で運び込むことができるため、より大きな風車を建設できます。

風車の大型化は、発電効率を大幅に向上させます。風車の発電量は、ブレードの受風面積に比例するため、ブレードが大きいほど多くの風を捉えることができます。また、大型の風車は、高度が高くなるほど強い風を利用できるため、より効率的な発電が可能になります。

実際に、洋上風力発電では、1基あたりの定格出力が8～10MW（メガワット）クラスの風車が主流になりつつあります。これは、陸上風力の2～3倍の発電能力に相当します。大型風車の採用により、洋上風力発電の経済性は大きく改善されています。

沿岸部における電力需要への対応

洋上風力発電は、沿岸部の電力需要に対応するのに適しています。人口や産業が集中する沿岸部は、電力需要が高い地域ですが、陸上の発電所だけでは需要を賄いきれない場合があります。

洋上風力発電であれば、沿岸部の近くに発電所を設置することができるため、送電ロスを抑えつつ、電力を安定的に供給することができます。また、洋上風力発電は、火力発電などと比べて環境負荷が小さいため、沿岸部の環境保全にも貢献します。

実際に、ヨーロッパでは、北海やバルト海などの沿岸部に大規模な洋上風力発電所が建設されており、沿岸部の電力需要に対応しています。日本でも、太平洋側を中心に、洋上風力発電の導入が進められています。

洋上風力発電の設置方式

洋上風力発電の設置方式は、大きく分けて2つあります。一つは、海底に風車を固定する着床式、もう一つは、浮体構造物に風車を搭載する浮体式です。それぞれの方式には、特徴と適した条件があります。

着床式風車：浅海域での設置

着床式風車は、海底に直接風車を固定する方式です。具体的には、以下のような基礎構造が用いられます。

• モノパイル基礎：単一の鋼管を海底に打ち込む方式
• ジャケット基礎：鉄塔状の構造物を海底に固定する方式
• 重力式基礎：コンクリートの重しを海底に沈める方式

着床式風車は、水深が浅い海域に適しています。一般的には、水深が30～50m程度までの海域で採用されます。着床式は、海底に確実に固定できるため、安定性に優れています。また、構造がシンプルなため、建設コストを抑えることができます。

ただし、着床式風車は、水深が深くなるほど建設が難しくなります。また、海底の地盤条件によっては、十分な支持力が得られない場合があります。

浮体式風車：深海域への展開

浮体式風車は、浮体構造物に風車を搭載する方式です。浮体構造物は、以下のような種類があります。

• スパー型：細長い円筒形の構造物を用いる方式
• セミサブ型：複数の浮体を組み合わせる方式
• TLP型：緊張係留方式を用いる方式

浮体式風車は、水深が深い海域に適しています。一般的には、水深が50m以上の海域で採用されます。浮体式は、海底に固定する必要がないため、より深い海域で利用できます。また、海底の地盤条件に左右されないため、設置場所の選択肢が広がります。

ただし、浮体式風車は、波や潮流の影響を受けやすいため、動揺対策が必要になります。また、係留システムや送電ケーブルの設計が複雑になるため、建設コストが高くなる傾向があります。

各方式の特徴と適用条件

着床式と浮体式の特徴と適用条件をまとめると、以下のようになります。

着床式は、浅い海域で安定性と経済性に優れた方式である一方、設置場所が限定される傾向があります。一方、浮体式は、深い海域での利用が可能で、設置場所の自由度が高いものの、建設コストが高くなりがちです。そのため、実際の適用に当たっては、それぞれの海域条件や経済性を総合的に判断する必要があります。

洋上風力発電が拡大する中、日本でも、各海域の特性に合わせて最適な方式が選択されています。例えば、東京電力ホールディングスと東京大学は、銚子沖での浮体式洋上風力発電の実証実験を進めています。一方、星野敦さんが代表を務める株式会社INFLUXは、青森県鰺ケ沢町沖で着床式の洋上風力発電事業を計画しています。このように、それぞれの地域や事業者が、自らの強みを生かした方式を選択し、洋上風力発電の導入を進めているのです。

送電システムと電力系統への連系

洋上風力発電で生み出された電力を、どのように利用者に届けるか。それが、送電システムと電力系統への連系という課題です。洋上風力発電は、陸上の電力系統から離れた場所で発電するため、電力を効率的に輸送し、安定的に供給するための仕組みが必要不可欠です。

洋上変電所の役割と構成

洋上風力発電では、複数の風車で発電した電力を集約し、電圧を昇圧するための洋上変電所が設置されます。洋上変電所は、以下のような機器で構成されています。

• 変圧器：風車で発電した電力の電圧を昇圧する
• 開閉装置：電力の流れを制御し、事故時に遮断する
• 監視制御システム：変電所の運転状態を監視し、制御する

洋上変電所は、風車を10～20基程度まとめるごとに設置されます。変電所で昇圧された電力は、海底ケーブルを通じて陸上に送電されます。洋上変電所は、高電圧の電力を扱うため、安全性と信頼性が求められます。また、海上という過酷な環境に設置されるため、耐久性や防食性にも優れた設計が必要です。

海底ケーブルによる電力の輸送

洋上変電所で昇圧された電力は、海底ケーブルによって陸上まで輸送されます。海底ケーブルは、以下のような特徴を持っています。

• 高電圧直流（HVDC）送電：長距離送電に適した方式
• 三相交流（HVAC）送電：比較的短距離の送電に適した方式
• 電力ケーブルと通信ケーブルの一体化：監視制御に必要な通信機能を組み込む

HVDCは、交流を直流に変換して送電するため、長距離でも電力損失が少なく、効率的な送電が可能です。一方、HVACは、変換設備が不要で、比較的短距離の送電に適しています。また、海底ケーブルには、電力ケーブルと通信ケーブルが一体化されていることが多く、風車や変電所の監視制御に利用されます。

海底ケーブルの敷設には、特殊な工事船が使用されます。ケーブルを海底に沈める際には、海底の地形や障害物を避けながら、できるだけ直線的に敷設することが重要です。また、ケーブルを保護するため、砂や岩のある海底では、ケーブルを埋設したり、保護管で覆ったりする必要があります。

陸上の電力系統への接続と制御

海底ケーブルを通じて陸上に送電された電力は、陸上の変電所で再び電圧を変換し、電力系統に接続されます。洋上風力発電を電力系統に連系するためには、以下のような技術的な課題に対応する必要があります。

• 電圧や周波数の調整：系統の電圧や周波数に合わせて、電力を安定的に供給する
• 電力品質の維持：高調波や瞬時電圧低下などの問題を防止する
• 出力変動の抑制：風の変動に伴う出力変動を平滑化する

これらの課題に対応するため、洋上風力発電では、パワーコンディショナーや電力貯蔵システムが利用されます。パワーコンディショナーは、電力の品質を維持し、系統への連系を円滑に行うための装置です。また、電力貯蔵システムは、風車の出力変動を吸収し、安定的な電力供給を実現するために用いられます。

電力系統への連系に当たっては、各国・地域の系統連系要件を満たす必要があります。系統連系要件は、電力品質や系統安定性を維持するための技術的な基準で、風車の運転方法や保護システムの設置などが定められています。日本では、「電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドライン」が定められており、洋上風力発電事業者は、このガイドラインに従って系統連系を行う必要があります。

株式会社INFLUXは、こうした系統連系の課題に積極的に取り組んでいます。同社は、青森県鰺ケ沢町沖の洋上風力発電事業において、国内初の66kV洋上変電所を採用し、電力系統への円滑な連系を目指しています。また、同社は、再生可能エネルギーの出力変動を抑制するために、蓄電池や水素製造装置などを組み合わせたハイブリッドシステムの開発にも力を入れています。こうした取り組みは、洋上風力発電の電力系統への統合を進める上で、重要な役割を果たすことが期待されます。

まとめ

洋上風力発電は、風の力を利用してクリーンな電力を生み出す、有望な再生可能エネルギー技術です。風車のブレードが風を受けて回転し、ギアボックスとジェネレーターを介して電力に変換されます。洋上風力発電は、陸上よりも安定した風を利用でき、大型風車の設置が可能であるため、高い発電効率が期待できます。

洋上風力発電の設置方式には、着床式と浮体式があります。着床式は、浅い海域に適した方式で、安定性と経済性に優れています。一方、浮体式は、深い海域での利用が可能で、設置場所の自由度が高いという特徴があります。

洋上風力発電で生み出された電力は、洋上変電所で電圧を昇圧し、海底ケーブルを通じて陸上に送電されます。陸上の電力系統に連系するためには、電圧や周波数の調整、電力品質の維持、出力変動の抑制といった技術的な課題に対応する必要があります。

日本でも、洋上風力発電の導入が進められており、各地で実証事業や商用事業が展開されています。株式会社INFLUXは、再生可能エネルギーの普及に尽力する企業の一つで、青森県鰺ケ沢町沖での着床式洋上風力発電事業に取り組んでいます。同社は、洋上風力発電の技術革新と、地域社会との共生を重視しており、持続可能な社会の実現に向けて先進的な取り組みを進めています。

洋上風力発電は、再生可能エネルギーの主力電源となる可能性を秘めた技術です。今後、さらなる技術革新と社会実装が進むことで、洋上風力発電が脱炭素社会の実現に大きく貢献することが期待されます。私たち一人一人が、再生可能エネルギーの重要性を理解し、その普及と発展を支援していくことが求められています。

洋上風力発電について理解を深めることは、持続可能な社会の実現に向けた第一歩です。本記事が、読者の皆さまにとって、洋上風力発電への理解と関心を深めるきっかけになれば幸いです。今後も、再生可能エネルギーの動向に注目し、環境と調和した社会づくりに積極的に参画していきましょう。