風力エネルギーとは何ですか?定義とその仕組み

風力エネルギーは、地球の大気中に自然に流れる空気から得られる電気です。使用しても枯渇しない再生可能な資源であるため、環境や気候危機への影響は化石燃料を燃やすよりも大幅に小さくなります。

私たちは、石を回転させて穀物を粉砕する卓越風を捉えるために配置された 8 フィートの帆のセットのような単純なもの (製粉所) を建てることによって、風力エネルギーを生み出すことができます。あるいは、風力エネルギーの構造は、バッテリーに蓄えたり配電システムに配備したりする電気を生成する発電機を回転させる 150 フィートの羽根のように複雑になる場合もあります。羽根のない風力タービンもあります。

2021 年の時点で、米国、44 の州、グアム、プエルトリコで 67,000 基を超える風力タービンが稼働しています。 風力エネルギー機構は、2020 年に米国の電力の約 8.4% を生成しました。 世界中で、風力は世界の電力需要の約 6% を賄っています。 風力エネルギーは前年比約 10% 成長しており、中国、インド、ドイツ、米国を含むいくつかの国におけるほとんどの気候変動削減および持続可能な成長計画の重要な部分となっています。

風力エネルギーの定義

人類は風力エネルギーをさまざまな方法で利用しており、単純なもの (遠隔地で今でも家畜に水を汲み上げるために使用されている) から、ますます複雑なものまで、カリフォルニア州のハイウェイ 580 号線を貫く丘陵地帯を支配する何千ものタービンを思い浮かべてください (上の写真)。 。

どの風力エネルギー システムの基本コンポーネントもかなり似ています。ドライブシャフトに接続されたある程度の大きさと形状のブレードと、風エネルギーを使用または収集するポンプまたは発電機があります。穀物を粉砕したり水を汲み上げたりするなど、風力エネルギーが機械力として直接使用される場合、それは風車と呼ばれます。風力エネルギーを電気に変換するものは、風力タービンとして知られています。タービン システムには、蓄電用のバッテリーなどの追加コンポーネントが必要であるか、送電線などの配電システムに接続されています。

人類が初めて風を利用したのがいつなのかは誰も知りませんが、紀元前 5,000 年頃に風力エネルギーによってエジプトのナイル川の船が動きました。紀元前 200 年までに、中国の人々は風を利用して簡単な揚水ポンプを動かし、中東の住民は手編みの羽根を備えた風車を使用して、穀物を挽く。 時間が経つにつれて、風力ポンプと風車はそこでさまざまな種類の食料を生産するのに役立ち、その概念はヨーロッパに伝わり、そこでオランダ人が湿地を排水するために大型の風力ポンプを建設し、そこからこの考えはアメリカ大陸に伝わりました。

風力エネルギーの基礎

風は、太陽が大気を加熱するとき、地表の変化や惑星の自転によって自然に発生します。風は、水域、森林、牧草地、その他の植生の影響、および標高の変化によって増減することがあります。風のパターンと風速は地形や季節によって大きく異なりますが、それらのパターンの一部は計画を立てるのに十分な予測可能です。

サイトの選択

風力タービンを設置するのに最適な場所は、丸い丘の頂上、開けた平野 (または洋上風力発電用の開けた水域)、および山道 (風が自然に流れ込み、定期的に高い風速が発生する場所) です。通常、標高が高いほど風が強くなるため、標高が高いほど良いと言えます。

風力エネルギーの予測は、風力タービンを設置するための重要なツールです。これらの詳細は、米国海洋大気庁 (NOAA) または国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) のいくつかの風速マップとデータから得られます。

現地の風況を評価し、最大限の効率を得るために風力タービンを設置する最適な方向を決定するには、サイト固有の調査を実施する必要があります。風力タービンの建設を計画している人は、希望する場所の風速、乱気流、方向、気温、湿度を少なくとも 1 年間追跡する必要があります。その情報を評価した後は、予測可能な結果をもたらすタービンの構築が容易になります。

タービンを設置する要因は風だけではありません。風力発電所の開発者は、風力発電所が送電線 (および電力を利用できる都市) にどれだけ近いかを考慮する必要があります。地元の空港や飛行機の交通に干渉する可能性。基礎となる岩石と断層。鳥やコウモリの飛行パターン。地域社会への影響（騒音やその他の考えられる影響）。

大規模な風力発電プロジェクトのほとんどは、少なくとも 20 年、あるいはそれ以上続くように設計されているため、これらの要素を長期的に考慮する必要があります。

風力エネルギーの種類

実用規模の風力エネルギー

これらは、電力会社のエネルギー源として使用することを目的とした大規模な風力発電プロジェクトです。これらは石炭火力発電所や天然ガス発電所と規模が似ており、代替または補完されることもあります。タービンのサイズは 100 キロワットを超え、通常、大量の電力を供給するためにグループで設置されます。現在、この種のシステムは米国の全エネルギーの約 8.4% を供給しています。

洋上風力発電

これらは通常、沿岸地域沖で計画される実用規模の風力エネルギー プロジェクトです。これらは大都市（米国の大部分で海岸近くに集中する傾向がある）の近くで莫大な電力を生成することができます。米国エネルギー省によると、陸上よりも海上では風が安定して強く吹くという。同団体のデータと計算に基づくと、米国の洋上風力エネルギーの潜在力は2,000ギガワット以上で、これは米国の全発電所の発電能力の2倍に相当する。 国際エネルギー機関によると、風力エネルギーは世界中で現在使用されているエネルギーの 18 倍以上を供給できる可能性があります。

小規模または分散型風力エネルギー

このタイプの風力エネルギーは、上記の例とは逆です。これらは、物理的なサイズが小さく、特定の場所または地域のエネルギー需要を満たすために使用される風力タービンです。これらのタービンは、より大規模なエネルギー配電網に接続されている場合もあれば、オフグリッドにある場合もあります。これらの小型の設備 (5 キロワット サイズ) は住宅環境で見られ、天候に応じて家庭のニーズの一部またはほとんどを満たします。また、中型バージョン (20 キロワット程度) は工業用地や地域社会の現場で見られます。太陽光発電、地熱、その他のエネルギー源も含む再生可能エネルギー システムの一部である可能性があります。

風力エネルギーはどのように機能するのでしょうか?

風力タービンの機能は、何らかの形状 (さまざまな場合があります) のブレードを使用して風の運動エネルギーを捉えることです。風がブレードの上を流れると、ボートを押すために帆を持ち上げるのと同じように、ブレードが持ち上げられます。風による押しによりブレードが回転し、ブレードに接続されているドライブシャフトが動きます。そのシャフトは、ある種のポンプを回転させます。穀物 (風車) の上で石片を直接動かすか、そのエネルギーを発電機に押し込んで、すぐに使用したりバッテリーに蓄えたりできる電気を生成します。

発電システム (風力タービン) のプロセスには次の手順が含まれます。

風がブレードを押す

風車や風力タービンは、定期的かつ安定した風が吹く場所に設置するのが理想的です。その空気の動きが特別に設計されたブレードを押し、風ができるだけ簡単にブレードを押せるようにします。ブレードは、その位置の風上または風下に押されるように設計できます。

運動エネルギーが変換される

運動エネルギーは風から来る自由エネルギーです。私たちがそのエネルギーを使用または貯蔵できるようにするには、それを使用可能な電力の形に変換する必要があります。風が風車の羽根にぶつかり、羽根を押すと、運動エネルギーが機械エネルギーに変換されます。ブレードの動きにより駆動シャフトが回転します。

電気が生まれる

風力タービンでは、回転するドライブ シャフトがギアボックスに接続されており、ギアボックスが回転速度を 100 倍に高め、発電機を回転させます。したがって、歯車は風に押されるブレードよりもはるかに速く回転します。これらの歯車が十分な速度に達すると、発電機に動力を供給して電気を生成することができます。

ギアボックスはタービンの中で最も高価で重い部品であり、エンジニアは低速で動作できる (ギアボックスを必要としない) ダイレクトドライブ発電機の開発に取り組んでいます。

変圧器は電気を変換します

発電機によって生成される電気は 60 サイクルの AC (交流) 電気です。地域のニーズに応じて、別の種類の電力に変換するために変圧器が必要になる場合があります。

電気は使用または蓄電されます

風力タービンによって生成された電気は、現場で使用される場合もあり (小規模または中規模の風力プロジェクトに当てはまります)、すぐに使用できるように送電線に供給することも、バッテリーに蓄えることもできます。

より効率的なバッテリー貯蔵は、将来の風力エネルギーの進歩の鍵となります。蓄電容量の増加は、風があまり吹かない日には、風の強い日に蓄えられた電力でそれを補うことができることを意味します。そうすれば、風力の変動は風力による信頼性の高い電力にとって障害ではなくなるでしょう。

風力発電所とは何ですか?

風力発電所は、風力から電気を生成する一種の発電所を形成する風力タービンの集合体です。風力発電所とみなされる施設に正式な数の要件はないため、陸上か洋上かに関係なく、同じエリアで稼働する数基または数百基の風力タービンが含まれる可能性があります。

風力エネルギーの長所と短所