風力発電の発電・送電の仕組み「風力発電所の設備と構造」

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再生可能エネルギーの主力電源化の切り札として注目されている風力発電。風車はどのような仕組みで発電、送電しているのでしょうか。また、陸上風力発電と洋上風力発電では設備に違いはあるのか。風力発電の設備と構造についてお伝えします。

風力発電所の設備と構造：風車の大きさにびっくり

出典：資源エネルギー庁

 

風力発電で使用される風車の大きさをご存知でしょうか。陸上に建設される風車の多くはブレードの直径が90mほどで、自由の女神や25階建てのビルに相当します。

風車はブレードの直径が大きければ大きいほど風が当たる面積が大きくなります。上空にいくほど強く安定した風が得られるため、ブレードも高いところにあるほど発電効率が上がります。

極端な話ですが風車が2倍に大きくなっても、設備費や建設費が2倍になるわけではありませんので、風車が大型化するほど発電コストは下がります。このような理由から風車は年々大型化しています。特に洋上では陸上と違い、景観や騒音問題の心配が少ない事からその傾向は顕著になっています。

風力発電の仕組み

出典：NEDO 風力発電所の風車の構成要素と概要

 

風車は風の力を受けてブレードが回転しますが、自然の力だけでは発電に必要な回転数に足りないため、増速機で回転数を上げ、発電機で風のエネルギーを電気に変換しています。

風車の内部や発電の仕組みについて詳しく知りたい方はこちら


風車で発生させた電気は、風車の中に設置された電力ケーブルを通って変電設備に送電されます。その後、電力会社の送電線を通って街中の電線にも高電圧（6,600V）で配電され、電柱の上にある柱上変圧器で低圧（100Vまたは200V）に降圧された後、ー般家庭まで届けられています。

複数の風車施設を集合させた風力発電所の構造と設備

出典：NEDO 再生可能エネルギー技術白書「送電設備の構成」

 

陸上風力発電と洋上風力発電では、発電に使用する風車に関する設備はほぼ同様ですが、それ以外の設備の構成要素に違いがあります。代表的な構成要素は以下の通りです。

―陸上風力発電設備―
・ 風車
・ 送電線・通信ケーブル
・ 運転監視施設
・ 陸上変電所（連系保護装置、変圧器等）

―洋上風力発電設備―
・ 風車
・ 洋上変電所
・ 海底送電線・通信ケーブル
・ 港湾施設
・ 運転監視施設
・ 陸上変電所（連系保護装置、変圧器等）

陸上風力発電と洋上風力発電は、実は設備や構造が違う

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洋上風力発電所は海上で発電を行うため、洋上風力発電特有の設備を備えています。具体的には、どこが違うのでしょうか。

 

陸上風力発電所と洋上風力発電所に共通する設備

風車（大きな方がより高効率）

発電を行うための設備。機種により発電量は様々、洋上では騒音や景観上の制約が少ないため、大型の風車が設置される場合が多くなります。

 

風力発電を支える設備：運転監視施設

風車のリアルタイムデータを監視。風車運転状況の把握や異常の検知などを行うことで、異常が発生した場合に即時対応を行うことができます。データをもとに風力発電機の運転や停止を制御しています。

陸上の風力発電設備では、構造の健全性を監視するために、現地での視認が可能ですが、アクセスが容易でない洋上では、遠隔監視の必要性が増加しておりインターネットを利用した遠隔監視システムが導入されています。

 

変電所

電気を電力系統(電力会社が電気を消費者に供給するためのシステム)に送るために電圧を変える施設。電気の電圧を変換する変圧器や、風力発電システムの異常、系統に異変が起きた時などに、設備を系統から切り離す系統保護装置などが設置されています。

 

洋上風力発電所特有の設備

洋上で風力発電するが故に必要な設備：洋上変電所

電気を高圧に上げて効率的に送電するための設備。洋上風力発電では大規模に発電を行うために発電量が多く、海外の風力発電所では海底送電線のコスト削減などを目的として、洋上に変電所が建設される場合があります。

 

海底送電線・通信ケーブル

風車と陸上で送電や通信を行うためのケーブル。 ケーブル敷設船で送電ケーブルを垂らし、海底を開削して埋設する工法（埋設工法）が取られる事が多い。

 

洋上風力発電のメンテナンスには不可欠な設備：港湾施設

メンテナンス用のプラットフォーム、着船用設備等。洋上風力発電ではメンテナンスの際に、作業船を使って風車にアクセスするため、船や資材の関連設備を保管、運搬するための設備が必要です。

事例：能代港洋上風力発電所

能代港から見える洋上風力発電所　出典：編集部にて撮影

 

ここで、送電ルートと送電方式について能代港洋上風力発電所の事例を見てみましょう。
以下の図は、能代港の大規模洋上風力発電所の主要設備と系統連系地点の位置を示したものです。※実証時点のものであり、実際の風車配置とは一部異なります。

 

出典：資源エネルギー庁「送電網整備実証事業　成果報告書」

 

能代港洋上風力発電所は、能代港港湾区域内に4.2MW風車を20基設置し、それを33kV海底ケーブルで結び送電します。能代港の南側で陸揚げし、陸揚部に設けたマンホール（渚マンホールといいます）で、陸上送電設備に接続します。その後、変電所で66kVに昇圧し、系統連系地点である東北電力の能代変電所近くまで送電設備を敷設、系統連系し、東北電力に発電電力を送電します。
66kV連系変電所から系統連系地点までの間には、JR奥羽本線、国道7号線、秋田自動車道があるので、これを横断する送電設備とする必要がありました。

風力発電所の仕組みと構造まとめ

風力発電所の構造を、発電から送電線に電気が届くまでの流れをご説明しました。風車で作られた電気が、どのような経路を経て送電されるのか、また、陸上風力発電と洋上風力発電の設備面での違いがお分かりいただけたでしょうか。

政府のエネルギー戦略により、注目を集める再生可能エネルギー。発電効率を高める新しい技術が今後も開発されていくことでしょう。