第８４回原子力安全問題ゼミ
風力発電：日本の現状と問題点
２００１年１０月２３日
石 田 博
（日本風力エネルギー協会員）
はじめに巻 末 資 料
１． 日本の主な風力発電施設の分布図
２． 日本の風力発電導入実績
2-1 2-2 2-3 2-4 2-5
３． 都道府県別の風力発電導入実績
４． 大型風力発電の都道府県別潜在可能性
５． 風力発電所・キャッシュフロー試算例
６． 風力発電事業に係わる主な関係法規の概要と許認可窓口
７． 新エネルギーの主な支援制度
８． 風力発電導入のための基礎調査
９． 系統連系の概要と売電価格
１０． 自然エネルギー発電促進法
（RPS：グリーン証券＋クオータ制か ＊ REFIT：買い取り法か）
風力エネルギーは古くから揚水ポンプや粉ひきの動力として利用されていましたが, 産業革命以後、動力機関の発達によってその利用が衰退していました。1973年の石油ショック以降、発電用のとしての風力エネルギー利用が欧米で始まり、日本でも1980年頃から研究開発がはじめられました。
1980年代は、石油高騰に対抗するエネルギーとして、米国で大規模風力発電施設が建設されましたが、1980年後半の石油価格低下により一時低迷の時代がありました。1990年以降，欧州の一部の国（オランダ・デンマーク・ドイツ・スペインなど）で環境対策としての風力発電が見直され、政府の政策と援助で急速に発展・増加するとともに、技術の進歩・改良が進み、風車の大型化・大規模ウインドファーム・洋上風力発電など本格的な風力エネルギー利用の時代に向かっています。
日本でも、1991年から青森県津軽半島竜飛岬に、275kW風車５基の集合風力発電基地「竜飛ウインドパーク」が建設され、実用型風力発電の本格的な実験・研究が開始されました。その後、1996年頃までは、地方公共施設のシンボルや教育研修施設の展示用としての風車が主力でしたが、1997年以降、電力の買い取り制度が整備され売電用の風力発電施設が建設されるようになりました。
21世紀を迎えて、従来の化石燃料を主力としたエネルギー依存から、自然エネルギーを主とした再生可能エネルギーに変えていくことが要求されています、これ以外には地球の環境を守る方法は無いと思います。
世界の風力発電は 1990年代に入って急成長し、1997年には、ドイツが米国を抜いて１位になり、2000年にはスペインがデンマークを抜いて３位に躍進し、日本は12位でやっと150MWに到達しました。 ( 150 MW = 15 万kW)
１）ドイツ
・250MW計画
1989年に100MWであったのを、1991年には250MWに上方修正して、風力発電導入者に運転データの公表を条件に、10年間送電系統に供給した場合6pf/kWh、自己利用した場合 8pf/kWh政府が補助するプログラムを実施しています。
（このプログラムは、風力発電の建設の最終が1998年で、補助は2008年までです。Pfペニヒ、100pf=約55円）
・電力供給法
1991年に「電力供給（買い取り）法」(EFL)を制定、電力会社に発電した電力の買い取り義務を負わせることとし、風力発電の買い取り価格を電力消費者価格の90%と定めています。この法律により、ドイツの風力発電は急増しましたが、買い入れ量の多い北部地区の電力会社にとって買い取り増加による負担不公平の問題、また、電力消費者価格の低下による 買い取り価格の低下が問題となってきました。
・再生可能エネルギー法
2000年4月「再生エネルギー法」(EEG)の制定によって、「電力供給法」の不具合を是正し、再生可能エネルギーによる発電電力の買い取りによる負担を全電力会社が均等に負担し、買い取り価格も固定することになりました。
２）米国
・公益事業規制特別法
1978年に石油代替エネルギー等の普及を促進するために「公益事業規制特別法」(PURPA法)が制定されました。これは再生エネルギー等による発電事業者の卸電気事業への参入を認め、電力会社には、発電電力を回避コスト（電力会社が新たに発電設備を新設したとする場合に相当するコスト）で全量買い取ることを義務付けたものです。
この連邦政府の政策に対して、カリフォルニア州は、1983年に回避コストをPURPA法より高く設定し、税控除も連邦政府の25%に対し55%を適用したスタンダード・オファー４(SO4)制度を設けたために、カリフォルニア州での風力発電を急増させましたが。その後、石油、天然ガスの価格の安定と風力発電の急増によって、このSO4は1985年で打切りになっています。
・エネルギー政策法
1992年「エネルギー政策法」(EPA)が制定されました。これは、電力の自由化を促し卸電力供給の増加を図るために、各州の電力規制法改革を進めることで、IPP（独立発電事業者）の参入、送電の自由化、標準コストの公表等を規定したものです。
風力発電に対しては、運転開始後10年間1.5セント/kWhの税額が控除されることになっています。この税額控除は1999年６月末に期限切れになりましたが、2001年12月末まで延長され、税額控除も1.7セント/kWhとなっています。
・再生可能エネルギー・ポートフォリオ （巻末資料を参照）
クリントン政権時に提案され連邦議会では否決された「再生可能エネルギー・ポートフォリオ基準(RPS)」が、テキサス州など八つの州で採用されており、これも風力発電の建設に追い風となっています。RPSは、全電力小売事業者に一定割合の再生可能エネルギー電力の買い入れ・供給義務を負わせるものです。
３）スペイン
・再生可能エネルギーの導入促進
1980年制定の法律に、再生可能エネルギーの導入促進を明記しました。
1994年の政令に、再生可能エネルギー発電が特定発電システム扱いとなり、これに対する支援制度が制定されました。
・新電気事業法
1997年に「EU電力指令」を「新電気事業法」として国内法化し、この法律でも再生可能エネルギー発電を特定発電システムと見なすことを明記しています。
・支援制度の新たな枠組み
1998年の政令で、特定発電システムに関する新たな枠組みが制定され、再生可能エネルギー発電の場合は、市場価格＋プレミアムの買い取り価格と、固定買い取り価格のうち、どちらかを選択できます。なお、50MWを越える再生可能エネルギー（水力と廃棄物は除外）発電に限り、さらにESP
1/kWhのプレミアムが付きます。
・再生可能エネルギー開発計画
1999年、国としての「再生可能エネルギー開発計画」が採択されました。この計画は、EUの再生可能開発目標に沿って、2010年にはスペインの１次エネルギー消費に占める再生可能エネルギーの割合を12%にするための具体策が示されています。
４）デンマーク
エネルギー大綱である「エネルギー２１」を掲げ、ＣＯ2排出削減に努めているデンマークは、一連の政策により再生可能エネルギー、特に風力発電の導入には早くから取り組み、風力発電のパイオニア的存在として、国土面積が狭いにもかかわらず世界第４位の（2000年12月2,300MW）風力発電設備が稼働しています。
・エネルギー供給法
1976年「エネルギー供給法」を制定、「デンマーク・エネルギー計画1976」が策定され、1979年には風力発電に対する補助金制度が導入されました。（補助金は1979年には30%、その後削減され最終は1988年の10%で打ち切られた。）
・再生可能エネルギー発電電力の購入義務づけ
1992年、議会決議により、配電会社は再生可能エネルギー発電電力の購入が義務づけられ、風力発電については、配電会社の電気料金の85%(0.30～0.45kr/kWh)で買い取られるとともに、電気税0.17kr/kWhと環境税0,10kr/kWhが還元されるようになりました。（kr
クローネ、1kr=約15円）
・電気税還元の改訂
1999年３月に電気税の還元が、運転時間の制約を受けるように改訂されました。
200kWまでの風力発電については、運転開始後25,000時間まで
201～500kWの風力発電については、運転開始後15,000時間まで
600kw以上の風力発電については、運転開始後12,000時間まで
・電力供給法
1999年６月に「電力供給法」が制定され、電力消費者は再生可能エネルギー電力を割り当てられた量を購入する義務を負うこととなり、この一環として金融証券ともなるグリーン証券システムを導入することになりました。
この法律により、デンマークの再生可能エネルギー支援制度は、固定買い取り価格と環境税還元・電気税還元の組み合わせから、競争原理に基づいたシステムに移行することになります。ただし、グリーン証書システムの発効は、2003年からの予定であり、その間の風力発電事業者は、既存設備については従来どうり、2000～2002年に建設する新規設備については、固定買い取り価格は従来どうりですが、環境税と電気税の還元分がグリーン証券となります。現在、グリーン証券の価格がいくらになるか不明のために、風力発電の新規建設は足踏み状態と伝えられています。
１） 国籍別の風力発電機メーカ
図２に、風力発電機市場でのメーカの国籍別シェアを示します。この図で明らかなように、デンマークの企業が風力発電機の市場をリードしていることがわかります。前項で述べましたように、クリーンな風力エネルギーを積極的に活用しようとする国策の結果、このような順位になったと考えられます。
第２位のドイツについては、ここ数年の風車大型化の傾向などから、デンマークのシェアに近づくものと思われています。
図２ 風力発電機メーカーの国籍別シェア （出典 ; BTM Consult ApS）
２） 風力発電機メーカー別のシェア
表２に、風力発電機メーカー別のシェアを１０位までのランクを示します。上位３位までにデンマークの会社が２社あり、３位にドイツの会社が入っています。日本の三菱重工業は９位にランクされている状況です。
表２ 風力発電機メーカー別シェア（2000年）（出典 BTM Consult ApS）
１） 風力発電導入の推移
我が国では、1997年末に閣議決定された「新エネルギー導入大綱」の風力発電の目標値（2000年度に20MW）に対して、2001年３月には143.6MWとなり大幅に目標をクリアーしました。さらに、北海道や東北地方などで大規模なウインドファームの建設が進められており、経済産業省の総合資源エネルギー調査会「新エネルギー部会報告書」（平成13年６月）のわが国における新エネルギー供給目標（表３）では、2010年の目標を300MWから3,000MWに目標を修正しました。 （図３に我が国の風力発電導入の推移を示します）
この急進展の引き金になったのは、1995年にスタートした「新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)」が実施した「風力発電フィールドテスト事業」による補充制度の効果でありまして、この制度の採択地点も年々増加しています。また、1998年2月から始まった新エネルギー導入促進対策補助金制度(1500kW以上)などがさらに効果を高くしています。 （巻末に、日本の主な風力発電の分布図。導入実績。を示します）
２）日本の導入可能量
日本では好風況地域が少なく、風力発電が普及しないと考えられてきました。この原因は風況データについての十分な情報が少なく、風況マップでの賦存量算定などが十分に市民権を持っていなかったことがあげられています。
今回、上方修正された300万kWの目標値は、従来の風況マップによるもので、ある程度の信憑性はありますが、今後はなお詳細な風況を精査したうえ、風力発電の経済性・技術の進歩も考慮した実際的な導入可能量を算定しなければならないと考えています。
これは、陸上部のみでの値であり沿岸部海上（オフショアー）を考えた場合には、この数10倍以上の建設が可能と思われます。
図３ わが国における風力発電導入の推移
(注NEF調査実績値・単位MW)
（出典：NEF風力発電システム導入促進検討のの手引き・平成13年８月改訂４版）
風は空気の流れであり、風の持つエネルギーは運動エネルギーです。よく知られているように質量m、速度Vの物質の運動エネルギーは1/2mV2で表されます。いま、受風面積A(m2)の風車を考えますと、この面積を単位面積あたりに通過する風速V(m/s)の風のエネルギー（風力パワー）P(W)は、空気密度をρ(kg/m3)とすると次式で表されます。
P = １／２ｍＶ２ ＝ １／２（ρＡＶ）Ｖ２ ＝ １／２ρＡＶ３
すなわち、風力エネルギーは、受風面積に比例し、風速の３乗に比例します。風速が２倍になれば、風力エネルギーは８倍となります。したがって、風力エネルギーを活用するのには、できるだけ風の強い場所を選ぶのが重要です。
（図４に風速に対する風力エネルギー密度の関係を示します）
図４ 風力エネルギー密度
（ 出典：NEDO 風力発電導入ガイドブック・平成１２年３月第４版）
１）風の種類
風は大気の循環によって発生します。大気の循環には、地球的な大規模なものと、地域的な小規模なものがあり、小規模なものは局地的な風であって、以下のようなものがあります。
①海陸風
海陸風は、海岸地域で海陸の温度差で生じる気圧差で吹く風であって、日中は日射により暖められた陸の方が海より温度が高く低圧となり、海から陸に向けて海風が吹きます。逆に夜間は陸の方が冷え高圧となるため、陸から海に向けて陸風が吹きます。
② 山谷風
山谷風も海陸風と同じ熱的原因で起こる風で、日中と夜間の風向きが逆になります。日中は山の斜面や頂上が谷の空気より暖められ、谷から山へ谷風が吹き。夜間は山の方が冷え山から谷に山風が吹きます。
③ 季節風
季節風は、季節により大陸と海洋の日射による暖まり方の違いから発生する風で、夏と冬で相対的な熱関係が逆になるため風向きが大きく変化します。夏は太平洋から南東風が吹き、冬には大陸からの北西風が吹きます。
④ 低気圧や高気圧による風
低気圧や高気圧による風は、気団の大きさや位置関係で風速や風向が変化します。一般に気圧差の大きい場所ほど風が強く、北半球では低気圧の風は反時計回りに中心に向けて吹き込み、高気圧の風は時計回りに中心から吹き出します。
低気圧の通過前は南よりの風、通過後は北よりの風が吹き、前線が通過するときには強風が吹きます。日本では春と秋に３?４日周期で、移動性高気圧と低気圧が交互に現れます。
⑤ 台風
台風は熱帯性低気圧のうちで最大風速が17.2m/s以上のものをいい、前線を伴わない、風速は気圧勾配が大きいために強く、中心から50?150km付近で最も強くなります。 最近は温暖化などの影響で本州付近でも弱まらず、最大風速80m/sを越える強風の記録があります。
⑥ 地域的な局地風
特殊な地形のところで、ある特定の気圧配置になったとき、その土地特有の風が吹くことがあります。この局地風はその地域の地形が原因であるため比較的風況が安定しており、複雑な地形の日本では各地にみられ、細長い渓谷の開口部で平野や海に向かって吹き出す風を「おろし」山から吹き出す風は「だし」と呼ばれています。
（日本各地の主な局地風を図５・表４に示します）
図５ 日本の局地風の分布 （出典 吉野正敏「気候学」(1978) ）
表４ 日本の主な局地風の発生地域・特徴 （出典：吉野正敏「気候学」）
２）風速の高度分布
風は地表の摩擦の影響を受けるため、地表に近づくにつれて弱くなります。この高度による風速の変動は、地表の祖度（植生・建物）が粗いほど、また地形が複雑なほど大きくなります。
地表100m程度までの範囲を、地表境界層といい、地表の摩擦の影響が大きく、地球の自転の転向力は無視できます。
（図６に風速の高度分布の一例を示します）
風車が対象とする地表境界層の風速の高度分布は、経験則として、指数法則が成り立つことが知られており、以下の式が用いられています。
べき指数nの値は地表の祖度状態によって変わり、表５の程度であって、平坦な海岸地域などではn=7、内陸ではn=5程度とされています。図６にn=5およびn=7の場合の風速の高度分布を示します。
図６ 風速の高度分布 （出典：表５・図５：NEDO 風力発電導入ガイドブック）
３）地形による変化
風は基本的には地形に沿って流れるすが、地形の変化により、流れの剥離や収束が起こります。比較的平坦な緩やかな斜面では、風の流れは斜面に沿って流れますが、斜面の勾配が大きくなると、流れは斜面から離れ乱流が発生します。緩やかな丘の上では、流れが収束し風速が強くなります。
風の流れに直角な崖での風速の高度分布の変化は、崖上では収束によって風速は増大します。崖の高さや斜面の傾斜が大きくなると、崖下や崖の頂上部に乱気流領域が発生します。
４）障害物による変化
建物が風に及ぼす影響を図１０に示す。建物周辺には乱流領域が形成され、その領域は風上側に建物の高さの２倍の距離、風下側には10?20倍の距離、高さ方向には建物高さの２倍の範囲に及びます。
風の方向に幅の広い建物（幅が高さの４倍以上）の場合、風は水平方向に広がらず、大部分が建物の上部を通過するため、風下側の乱流領域は広くなります。一方幅の狭い建物では、風は水平方向にも広がり、風下側の乱流領域は狭く
図１０ 建物が風におよぼす影響
自然の障害物である樹林帯などは若干の透過性があり、風はこれらの障害物の中を通り抜けることができますが、若干の影響があります。図１１に密度の高い樹林帯による風況の変化を示します。
図１１ 樹林帯が風況におよぼす影響
（出典：図７～１６ NEDO 風力発電導入ガイドブック：平成１２年３月）
５）風速の時間的な変化
風は短時間のうちに絶えず変化しています。風の変化は風の吹く原因などによってある種の傾向がみられます。
風の日変化は図１２に示す例のように日中に強くなる場合があります。これは、日中の地表付近の空気が暖められて大気が不安定になり上層の空気と混じり合うため起こるもので、特に、海岸地域では、春から秋にかけての日中の強い海風の影響を受けて、この例のような傾向が多くみられます。
風速の季節変化としては、日本では図１３に示す例のように冬に強くなる傾向があります。これは、冬の大陸からの強い季節風の影響によるものです。
風速は短期間の変化とともに、図１４で示す例のように長期間の年平均風速についても変動します。これは、各年の天候の変化や気候変動によるもので、一般には平均値（30年間の平均値）の10%の範囲内で変化するといわれています。
６）風向・風速の分布
風は常に変化し、その風向・風速は絶えず変動しています。ある地点の風況を表すのに、風向分布、風速分布が用いられます。
・風向分布
ある期間の風の各方位別の風向の出現率（頻度）を、放射状のグラフに表したものを風配図（ウインドローズ）と呼びます。 （図１５に年間の風配図の例を示します）
ある期間に最も頻繁に現れる風向を卓越風向といい、図中の実践の例では南東がこれに当たります。
・風速分布
ある期間の各風速階級ごとの出現率（頻度）を、グラフに表したものを風速の出現率分布と呼びます。（図１６） 風速の出現率分布は、図からわかるように、左右非対称で、出現率の最大は弱風側に偏っています。
風力エネルギーを利用するには少しでも風の強い場所を選ぶことが重要であり。そのためには風況データの収集が必要であります。
風況データは、気象データの一つであり、私たちの社会生活に大きく係わっているため。いくつかの機関で観測をおこなっています。以下に風況観測をおこなっている機関をあげます。
気象庁 － 全国に気象台・測候所・AMeDASを展開し気象観測をおこなっている。
海上保安庁 － 航路標識事務所（灯台）などで風向風速などを湾内安全のために観測している。
消防庁 － 各都道府県の消防署では、災害時の予測や対策用に観測している。
建設省 － 道路・河川・ダムなどの管理・工事事務所などで災害防止のために観測している。
農林省 － 農業・園芸・林業試験場で気象との関連を調べるために観測している。
防衛庁 － 自衛隊の訓練場・飛行場などで安全を目的に観測している。
地方自治体 － 環境・公害監視などの目的で観測している。
大学研究所 － 研究・実験に用いる資料として観測しているところもある。
道路公団 － 高速道路・橋梁での吹雪・横風監視などに気象観測をしている。
鉄道 － 橋梁・高架などでの突風・横風監視に風速のみ観測している。
空港 － 空港での安全な離着陸・飛行のため気象観測をおこなっている。
電力会社 － 電力所やダムなどで災害防止のための観測をおこなっている。
民間会社 － スキー場やレジャー施設でリフト・ロープウエイ・遊具などの安全のため観測をしている。
これらの機関のデータの中で、長期間継続して観測をおこない、観測資料を統計的にまとめ容易に閲覧できるように整理されているのは、気象庁のデータであります。
気象庁の観測データは、主に気象官署（気象台および測候所、全国161ヶ所）と地域気象観測所（AMeDAS観測所、全国８４５カ所）で、風向を１６方位、風速を0.1m/s単位で、毎正時に前１０分間の平均値を観測しています。気象官署での風況観測は、平らな開けた場所、地上１０mの高さが基準となっていますが、障害物の関係から実際は10?30m程度の高さで観測されています。
AMeDAS観測所では高さ6.5mが基準となっています、AMeDASは降水量の観測を主目的としていることから、風況観測地点としての立地条件（周辺障害物などの関係）を満たしていない地点が多く、データの利用には事前に立地点を評価して使用する必要があります。
全国風況マップは、風力開発の推進を目的として、種々の風況観測データをもとに地図上に風速階級を示したものであって、風力開発の進んでいる各国では作成されており、風力開発の有望地域の選定に用いられています。
日本の全国風況マップは、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）によって1993年度に作成されました。
NEDOで開発した全国風況マップは、NEDOで実施した３８地点の風況観測データを含め、気象庁など関係各省庁から収集した合計964地点の風況データと、建設省国土地理院が全国を対象に約１kmメッシュの地形因子との相関分析（重回帰分析）により風速予測式を算定し、作成したまのであります。
（図１７に地上高30mを対象とした年平均風速の全国風況マップを示します）
なお、全国風況マップを用いることで、風力発電の有望地域の選定が可能でありますが、風況は地形条件などで大きく変化しますので、全国風況マップは、ひとつの目安として活用することが必要であります。
従って、風車の建設地点を決める場合には、全国風況マップ・そのたの風況を推定させうるデータをも勘案し、地理的な条件なども検討して、目的の地域の現地に即した詳細な風況調査を実施する必要があります。
表６ 全国風況マップ作成に用いた風況データ
（出典：NEDO 風力発電導入ガイドブック 平成１２年３月）
図１７ 全国風況マップ （NEDO
1993年）
（出典：NEDO 風力発電導入ガイドブック 平成１２年３月）
雷の発生状況は雷日数で示されます。雷は日本だけの特有な問題ではありませんが、風力先進国である欧州に比べると、日本の雷日数は多い傾向にあります。
日本では関東平野の北西部、濃尾平野の北部、九州の南部と内陸部、秋田県から福井県までの日本海側で発生回数が多く、年間の雷日数は30?40日程度となります。また、日本海側では冬季に多く発生しています。
NEDOの調査（平成11年）によれば対象とした55件の風力発電施設で、落雷件数は23件（２回以上の落雷も含む）で、この値は決して少ない値ではありません。
この調査から地域別の落雷状況をみますと、日本海側の地域での落雷件数が圧倒的に多く全体の65%を占め、また、季節別では冬季が最も多く61%と半数以上がこの地域と期間に発生し、冬季雷による被害が多くなっています。
落雷部位は、ブレード・観測機器（風速計・風向計などの風況センサー）に対する落雷が多く、避雷針への落雷は13%程度と比較的に少ない傾向があります。
日本では冬季に日本海側で好風況が出現し、これが潜在的な風力導入のポテンシャルを高めていることから、これらの地域で落雷頻度が高いのは大きな問題であります。
国産機ならびに輸入機にはブレードやナセルなどに落雷対策が施されてていますが、まだ十分とはいえず。ダミーポール・設置方法など低コストの技術開発が必要であります。
図１８ 地域別の落雷被害状況 図１９ 季節別の落雷被害状況 図２０ 落雷の部位
１）風車の種類
風力発電用として用いられている風車は、風によって発生する揚力で高速回転し発電するプロペラ型風車とダリウス型風車があります。
プロペラ型風車は、ロータ（羽根車）の回転軸が水平な水平軸型風車のひとつで、現在稼働している実用機の大部分を占めています。プロペラ型風車には、ロータの回転面がタワーの風上側に位置するアップウインド方式と、風下側に位置するダウンウインド方式があります。
アップウインド方式は、ロータがタワーの風上側にあるので、タワーによる風の乱れを受けない、しかし、ロータが風上側にあるので強制的にロータを風に対し正対するように制御する機構（ヨーコントロール駆動装置）が必要となります。
ダウンウインド方式では、ロータが風下側にあるにで風に追従し、風向きに合わせるためのヨー駆動装置が不要となります。
ダリウス型風車は、垂直軸風車のひとつで風向きに依存しないので方向制御が不要であり、また、発電機などの重量物を地上部に設置でき、点検や修理が容易であります。しかし、回転軸の振動対策、自力では起動しないため起動装置の設置が必要となり。この方式は米国で開発され一部は実験・実用機として運転されています。
２）風車の効率
風のエネルギーを風車によって機械的動力に変換する空気力学的な効率は出力係数（パワー係数）とよばれ、理論的には最大約59.3%(Betzの理論)となります。
実際の風車の出力係数は、空気の抵抗や粘性による損失のため理論値には達せず、図１２に示すように風車の種類によって異なります、プロペラ型の場合で最大45%程度となります。
風力発電システムでは、さらに増速機などの機械系伝達効率（95%程度）や発電機の効率（90%程度）などにより、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する総合効率はこれらの積となり20?40%程度となります。
３）風力発電システムの構成
風力発電システムは、風力エネルギーを機械的動力に変換するロータ、ロータから発電機へ動力を伝える伝導系、発電機などの電気系、システムの運転・制御するための制御系、および支持・構造系から構成されています。
電気系統との連系は、通常ACリンク方式が採用されています。
① ブレード
ブレード枚数は通常３枚が多いです。枚数が少ないと回転数が高くなり騒音が大きくなります。ブレードが少ないことはコストダウンとなりますが、風車が大型化したものでは、ブレードのサイズが長くなるため輸送などでの問題が生ずることがあります。
３枚ブレードは、振動が少なく安定性があり、大型機の主流となっています。
ブレードの材質は、軽量で耐久性のあることから、主としてガラス繊維強化プラスチック（GFPR）が使用され、雷対策として内部に導電性の金属を入れるなど工夫がされているものが最近は増えています。
② 増速機
ロータの回転数はその直径にもよりますが、毎分数十回程度です。一方、風力発電システムで使用されている交流発電機の回転数は毎分1,500?1,800回転が要求されます。この回転数の違いを補正するため、歯車装置で増速をおこなっています。
風力発電の騒音のうち、騒音源の最も大きいものは増速機であるので、発電機を多極化して増速機を無くしたギアレス風車の開発がされ、最近では導入例が増えています。
③ 発電機
発電機は誘導発電機と同期発電機の２種類の発電機が使用されています。誘導発電機は、出力変動による電圧変動の問題がありますが、構造が簡単でコストが低く従来のものはほとんどが誘導発電機を採用しています。（ACリンク方式で採用）
同期発電機は、電圧制御が可能であるので電力系統への影響が少なく、発電電力の品質が良いため、誘導発電機に比べコストが高くなりますが、近年、実用機に採用されるケースが増えています。
発電機の極数は従来は４極のものが多かったが、近年は４極と６極の極数変換方式を採用したうえ、ロータ回転数を低速・高速運転の２段切り替えとして、カットイン（起動）風速を下げるとともに低風速域でのブレード騒音を低減させて、風車の総合性能を向上させています。 近年はこの方式を採用したものが多くなっており、この方式の風車では定格出力を、大小２つの定格で表しています。
④ 系統連系
交流発電機の出力を電力系統に連系（送電線につなぎ送ること）する場合、トランス（変圧器）のみを介して直接系統に接続するACリンク方式と、コンバータ・インバータなどから構成される電力変換装置を使用したDCリンク方式がります。（図２４参照）
DCリンク方式は、発電機の交流出力を一旦直流に変換し、さらに系統と同じ周波数の交流に変換して送電する方式で、コストは高くなりますが、風力発電システム固有の問題である風速変動による電圧・周波数の変動をなくし、品質の高い電力として系統に連系でき、可変速運転システム支える方式で大型機に主に採用されています。
可変速運転とは、ACリンク方式では発電機の回転数が系統周波数の関係から一定としなければならず、ロータの回転数も一定となるのに対し、DCリンク方式ではロータの回転数を風の強さに応じて変化させることが可能な運転方式であって、ブレードや主軸・増速機などへの荷重が軽減され耐久信頼性が向上するのに加え、軽量化が可能となります。
発電機の回転数も一定にする必要が無く、ブレードの最も効率の良い回転範囲が使用できるので総合効率も向上します。
⑤ 運転制御
発電機の定格出力は限られているため、定格風速以上では風車出力の制御をする必要があります。出力制御方式としてピッチ制御、または、ストール（失速）制御をおこないます。
ピッチ制御は、風速・発電機出力を検知して、ブレードの取り付け角（ピッチ角）を変化させ出力を制御するもので、油圧またはステップモータを使用します。（小型機ではメカニカル方式のものもあります）
ピッチ制御システムは、出力制御をおこなうだけでなく、台風など強風時にピッチ角を風向きに平行（フェザー状態）にしてロータを停止させる機能、回転数制御によって過回転防止など安全装置としても使用されます。
ストール制御は、ピッチ角は固定で、風速が一定以上になるとブレードの形状の空気特性で失速現象が起こり、出力が低下することを利用して出力を制御する方法で、ピッチ制御に比べ構造がシンプルでコストが低いのが特徴です。
ヨー制御システムは、ロータの方向を風向きに追従させるもので、ダウンウインド型では、ロータに働く空気力が自動的にロータを風向きに追従させる力として働きます。
アップウインド型では、風向センサーで検出した風向に、ロータを正対するよう強制的に、油圧または電動モータで制御します。
ブレーキ装置としては、ピッチ制御ではフェザーリング機能を、ストール制御ではロータの過回転時にブレード先端部が遠心力の作用によって回転する空気ブレーキを備えているものがあります。そのほかに、油圧ディスクブレーキでブレード回転を停止させる機構。さらに、、ヨー制御によってロータの向きを風向きに対し90°にし風を逃がす方式のものもあります。
（点検・整備作業の安全のためブレーキ・ロック装置も装備しています）
⑥ タワー
タワーには、図２５に示すような、格子状のトラス式と円柱状のモノポール式があります。トラス式は低コストであり、ダウンウインド型の場合に風の乱れを軽減するので小型風車で用いられていましたが、景観上や野鳥の巣作りの場所になることから最近は使用されていません。
４）風速と出力の関係
① 風力発電システムと運転特性
風力発電システムでは、一定風速以上になると発電を開始し、出力が発電機の定格出力に達する風速以上ではピッチ制御またはストール制御で出力をコントロールし、さらに風速が大きくなると危険防止と風車の保護のためロータの回転を強制的に止めます。
図２６にこの運転特性の例を示します。
カットイン風速 － ３～５m/s
定格風速 － ８～１５m/s
カットアウト － ２３～２５m/s
風車にたいする出力特性は、性能曲線または出力曲線（パワーカーブ）と呼ばれ、風力発電システムの性能を表すものです。
図２６ 風力発電システムの運転特性（定格出力300kWの例）
② 発電電力量
風力発電システムの発電電力量（エネルギー取得量）は、風力発電システムの出力曲線と設置地点の風車タワーの高さでの風速出現率分布を用いて、以下の式で求められます。
風速出現率分布の観測データが無い場合は、平均風速より推定されるワイブル分布をもちいることで発電電力量を推定するかとが可能であり、導入を検討する際の概略評価として用いることができます。一般には、簡単にするため形状係数k=2のワイブル分布であるレーレ分布が用いられます。
図２７にレーレ分布を仮定したときの年平均風速に対する年間発電量の例を示します。この例では年平均風速が７m/sであれば、500kWの風車で年間1,300MWhの発電量となります。
風力発電導入計画のシステム評価項目として、発電量の以外に、設備利用率と稼働率があります。 設備利用率は、システムの定格出力に対する利用率を表すもので、以下の式で求められます。
図２８に、図２７のデータを用いた場合の年間設備利用率の例を示します。これでは、年平均風速が６m/sで、年間設備利用率20%となります。すなわち、年間8760時間の内
1750時間に相当する時間、定格出力で運転したことを表しています。
設備稼働率は、システムの稼働時間率を表すもので、風車が運転している時間の合計を年間時間で割った値であります。これは、カットイン風速からカットアウト風速までの風速出現率の累積から求めることができます。
風力発電システムの設置には、単体設置と複数の風車を設置する集合設置があります。
単体設置は、既存の購入電力と併用して自家消費用の補助電源として利用されることが多く、地域やレジャー施設などのクリーンエネルギー利用のシンボルとして活用されています。
集合設置は、風のエネルギー密度の低さ、不安定性を複数の風車で補い単体設置に比べ安定した電力を得るための方法であって、ウインドファームまたはウインドパークと呼ばれています。風力発電先進国では多くのウインドファームが建設され、商業運転がおこなわれています。日本でも平成１１年以降、大型機を数１０機集めた大規模ウインドファームの建設・運用が始まりました。
１） 静岡県大東町 （単体設置）
静岡県小笠郡大東町が「大東町海洋公園」に設置した風力発電設備で、定格出力230kWの風力発電システム１基が平成１０年１１月
から運転を始め、発電した電力は「大東温泉シートピア」で使用し、余剰電力は中部電力に売電しています。
運転実績は、平成１１年度、年平均風速5.5 m/s 年間発電量
386.086 kWh 設備利用率 20.0 % でした。
図２９ 大東町海洋公園風力発電施設
（出典 図２９・表８大東町海洋公園風力発電施設パンフレット）
２）青森県竜飛岬
「竜飛ウインドパーク」は、東北電力が青森県竜飛岬に建設した、日本最初の大規模な風力発電所であって、平成３年に
275 kW の風車を５基、平成７年に 300 kW を５基、さらに、平成８年には NEDO
が開発した 500 kW の風車を建設し、合計１１基の集合型風力発電の実証試験をおこなっています。
図３０ 竜飛ウインドパーク
表９ 竜飛ウインドパークの風力発電システム
２） 苫前グリーンヒルウインドパーク・苫前ウインビラ発電所 （集合設置）
「苫前グリーンヒルウインドパーク」は、北海道苫前町に（株）トーメンが建設した総出力
20,000 kW の国内初の大規模な風力発電所であります。
風力発電機は、デンマークのボーナス社製の出力 1,000
kW の風車が２０基導入されています。ここで発電した電力は全て北海道電力に売電されています。
その後、隣接地に「苫前ウインビラ発電所」を、電源開発・苫前町・オリックス・カナモト４社の共同出資の「ドリームアップ苫前」が建設しました。この発電所の風力発電システムは、世界最大級の単機出力 1,650 kW のヴェスタス社（デンマーク）製が１４基、1,500kW のエネルコン社（ドイツ）製が５基の１９基、総出力 30,600 kW の風力発電所が追加建設され、平成１２年末から稼働しています。
図３１ 北海道苫前町の集合型大規模風力発電所
（出典 月刊・エネルギー
‘2001 ２月号）
＜参考文献・資料＞
風力発電導入ガイドブック（2000年３月 : NEDO ）
風力発電システムの設計マニュアル（1996年 : NEDO ）
風況精査マニュアル 平成９年 ( 1996 : NEDO )
風力発電システム導入促進検討の手引き 平成１３年８月(
2001 : NEF )
ドイツ・デンマークの新エネルギー開発・利用・政策に関する調査報告書：
平成１３年３月 （ NEF ）
欧州における再生可能エネルギーの普及と支援制度および電気事業者の対応：
平成１２年８月 海外電力調査会
電力系統連系技術要件ガイドライン９９ 平成１１年 電力新報社
風力開発フィールドテスト事業のデータ収集・解析 平成１１年度報告書
経済産業省総合エネルギー調査会 新エネルギー部会資料 平成１３年６月
さわたかエネルギー風車入門 牛山 泉著 平成８年
風の世界 1989年 吉野正敏著 東京大学出版会
北欧のエネルギー・デモクラシー 2000年 飯田哲也著
月刊 エネルギー ２００１年２月 風力発電徹底研究 日工フォーラム社
「自然エネルギー促進法」推進ネットワーク（GEN） ‘2001.6.10 集会資料
Ｗｉｎｄｐｏｗｅｒ Ｍｏｎｔｈｌｙ Ｊｕｌｙ ２００１
三重大学地域共同研究センター・高度技術研修 講習会資料 平成１３年１０月
大東町海浜公園風力発電施設パンフレット
三菱重工業（株）三菱風力発電設備パンフレット