風車の羽根は何故3枚か。風力発電の部品と仕組みをご紹介

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風力発電の風車には、発電効率を上げるための様々な工夫がされています。風車の羽根が3枚なのも、風向きによって風車の向きが変わるのも、その工夫の一つ。今回の記事は風車内部に迫り、風車のかなめ「ナセル」の構造など、風車の部品とそれぞれの役割についてご説明します。

風力発電の風車の構造とその役割

出典：べスタスジャパン「V117-4.2MW（能代港で使われている洋上風車）」

風力発電で一般的なプロペラ型を例として、風車の部品とその役割をご説明します。
風車は、上から順番に、大きく４つの構造で分類できます。

① ブレード：風を受けるための、3枚羽根のプロペラ部分
② ナセル：増速機（ギア）や発電機など、発電に重要な部品を収納する部分
③ タワー：ブレードやナセルを支える支柱部分
④ 基礎部：風車全体を支える部分（着床式と浮体式で形状が異なる）

出典：NEDO

下図が風車の構成要素を簡単にまとめた一覧です。風車には様々な部品があります。

出典：NEDO

風力発電所の風車はなぜ3枚羽根か

出典：日本経済新聞「2枚羽根の洋上風力発電」

飛行機のプロペラは2枚羽根なのに、風力発電所の羽根はなぜか3枚羽根です。2023年時点では、風車のブレードは3枚の方が発電効率が最も良く、風向変化の制御時にも振動が起きにくいとされています。

流体力学的には風車のブレードは少ないほど高速回転するとされており、1枚羽根や2枚羽根の風車もあります。ですが１枚羽根は重心が偏りバランスよく回せない。2枚羽根では空気抵抗が小さく、重量も軽いという長所がありますが、騒音が問題となりました。

風車として最適な設計はもっとも空気抵抗が少なく、揚力が最大になる組み合わせです。ですが実際に使用することを考えた場合には、効率だけでなく、騒音や振動、メンテナンスの費用なども考慮しなければならないため、風力発電所では3枚羽根の風車が採用されています。

一方で、洋上風力のコスト削減の観点から2枚羽根の風車も研究が進んでおり、浮体式洋上風力発電の低コスト化に向け、2030年の発電コストを20円/kWh以下を目指す研究がNEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）を中心として行われています。

2枚羽根風車の実証研究（北九州）
2019年5月より、北九州沖では、2枚羽根の洋上風力発電の実証研究が行われています。この研究は以下の3点を目的としていて、日立造船などがNEDOから受託して稼働を始めました。

• ・2枚翼風車、バージ型鋼製浮体を組み合わせた洋上風力発電システムによる低コスト化
• ・水深50-100m程度の比較的浅い海域に適した係留システムの確立
• ・浮体式洋上風力発電設備における最適な保守管理技術の確立

出典：NEDO「次世代浮体式洋上風力発電システム研実証究」

風力発電所の風車の3枚羽根を支えるナセルの内部構造

出典：NEDO フォトギャラリー

ナセルは風力発電では、重要部品を納めている筐体全体を指す時に使われていますが、もともと、飛行機などでエンジンを収納する流線形の保護カバーを指す用語でした。

ナセルは下から見ると小さく感じますが、実際には人が中に入って点検を行えるほどの大きさがあります。このナセルの中に発電機、増速機、変圧器といった重要な設備が納められていて、発電が行われています。

出典：NEDO 風車の構成要素と概要

増速機：ローターと発電機をつなぐ部品。大型風車のブレードは、風がないときはゆっくりと動いているので、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。増速器のギアは騒音の元となり、摩擦による故障や発電効率低下の原因にもなる事があるため、増速器を省略したギアレス方式が採用されることもあります。

発電機：風車のブレードが風を受けてローター軸が回転し、その力が発電機に伝わることで電気が発生します。風力発電に用いられる発電機の出力はさまざまですが、大型の風車であれば3～4メガワットの出力が可能な発電機が搭載されています。

インバーター：風車では風の強さによって発電量が大きく変動してしまうため、そのまま送電することができません。回転の変動による影響をなくすため、インバーター装置で一度「直流」に変えてから、再度安定した「交流」の電気に変えます。

ブレーキ装置：メンテナンスや、台風などの強風時にローターを止める必要があるときは、この装置で安全のためにブレーキをかけます。

風力発電所の発電効率最適化の仕組み：風向き

風車は常に最適な風を受けられるように様々な仕組みが搭載されています。以下にその仕組みを紹介します。

可変ピッチ機構：

風の強さに合わせてブレードの角度を自動的に変化させる仕組みです。風車の制御の中でも出力の効率と安定性を向上させるための主要な制御項目の一つです。

風車が停まった状態から起動する際や風が弱いときに羽根の角度を大きくして風圧を上げ、風車の回転速度を上げます。風が強すぎるときは、ブレードにかかる負担を抑えるため、羽根を寝かせて風圧を弱めます。

方向制御機構：

風車は発電率向上のため、風向きと正対するよう、常に方向調整が行われています。「ヨー制御」とも呼ばれます。風車が設置されている地域に行くと、同じ場所でも向きが微妙に変わっていたり、日によって違った方向を向いていることがありますが、これは、ヨー制御によるものです。

アップウィンド式とダウンウィンド式 出典：国土交通省

風車にはダウンウィンド式とアップウィンド式と呼ばれる方式があります。現在風力発電の主流は、アップウィンド式で、アップウィンド式ではヨー制御により、常に風車を風向きに正対させるように調整をおこなっています。

ダウンウィンド式は、ブレードの抗力によって風車方向が自動調整される為、ヨー制御装置が不要です。小型風力発電で採用されることが多かったダウンウィンド式は、浮体式洋上風力発電に向いていると注目されており、開発が進んでいます。

風力発電所の風車の3枚羽根の仕組みとまとめ

今回の記事では風車の内部構造と、発電効率の仕組みに触れていきました。旅先などで風車のある風景に出会ったら、風車の見方が今までと変わるかもしれません。
今までよりも少し、風車について詳しくなったと感じていただけたら、うれしいです。