-
新エネルギーの中での位置
新エネルギー
技術的に実用化段階に達しつつあるが，経済性の面での制約から普及が十分でないもので，石油代替エネルギ導入を図るために特に必要なもの
（新エネルギー利用等の促進に関する特別措置法:1997-2008-）．（新エネルギー利用等の促進に関する特別措置法:1997-2008-）．
48バイオマス発電・熱利用・燃料製造 雪氷熱利用
発電方式ごとの特性
施設設備費（万円/kW)
発電単価(円/kW) 課 題
設備利用率（％）
出力安定性電気の品質（万円/kW) (円/kW) 課 題 （％） 電気の品質
太陽光 3235 20～25 低稼働率 １０～２０ ×
風 力 30 10～14 低周波騒音 ２０～３０ ×
地 熱 79 13程度温泉ガス持続性
～８０ ○
固 形バイオマス 31～41 7～10
製造配送ルート確立
～８０ ○
80小規模水力 80 20? 水利権 ～９０ ○
49
設備利用率＝（総発電量）/（定格出力×24×365）×100 (%)
風車の分類風車の分類
50
風車で利用する力の種類風車で利用する力の種類
風 車使いません
抗 力 型抗 力 型
揚 力 型
風車の種類（水平軸タイプ）風車の種類（水平軸タイプ）
抗力型
揚力型
-
風車の種類（垂直軸タイプ）風車の種類（垂直軸タイプ）風車の種類（垂直軸タイプ）風車の種類（垂直軸タイプ）
ダリウス型抗力型
ダリウス型トロポスキン形状
たとえば．．．たとえば．．．大学2年生レベルである風速での回転数を計算できます．
自己起動 出 力揚力型垂直軸風車の特性
自己起動 出 力
揚力型 × ◎
抗力型 ◎ △
揚力型風車・抗力型風車揚力型風車・抗力型風車揚力型風車・抗力型風車揚力型風車・抗力型風車
風
風回転による流れ
相対
風
相対風向
揚力
回転方向
揚力
抗力回転方向 風速以上では回転できない！回転方向 風速以上では回転できない！
マグナス効果マグナス効果((粘性の利用粘性の利用))
速度増加 → 圧力減少
速度が減少 → 圧力上昇
山田式風車
サハラガラスパーク旧館サハラガラスパーク旧館
小型分散型電源として戦前戦後を通じての唯一の成功例．東北,九州,南米やアフリカでも利用．
⇒昭和30年代には1万台以上普及．300W機は1式6万円で,北海道と農林
小型分散型電源として戦前戦後を通じての唯一の成功例．東北,九州,南米やアフリカでも利用．
⇒昭和30年代には1万台以上普及．300W機は1式6万円で,北海道と農林⇒昭和30年代には1万台以上普及．300W機は1式6万円で,北海道と農林省から2万円ずつの補助があり自己負担は2万円．⇒昭和30年代には1万台以上普及．300W機は1式6万円で,北海道と農林省から2万円ずつの補助があり自己負担は2万円．
羽根のない風車？の開発羽根のない風車？の開発
マグナス風車
http://www.wired.com/2015/05/future-wind-turbines-no-blades/
Vortex（スペイン）
57
浮体式風レンズ風車（九州大）浮体式風レンズ風車（九州大）
58
-
釜石広域ウインドファーム
• 釜石市 １７基
•• 遠野市 １２基
• 大槌町 １４基 合計 ４３基
送電線 地中４０ｋｍ
釜石製鐵所火力 136,000kW
2004年12月稼働
釜石製鐵所火力 136,000kW
2004年12月稼働
総出力：42,900kW
（約3万世帯分に相当）
稼働開始時日本稼働開始時日本最大級最大級のの 現在最大最大級最大級のの
ウインドファームウインドファーム現在最大
宗谷岬ウインドファーム57,000KW（１MW ×57）
国内３位の風力発電容量(秋田)国内３位の風力発電容量(秋田)
203基203基355.1MW
60
61
風車の出力風車の出力
VA
V ρV
( ) 33222
1
2
1vAvvvAmv
2
1 ∝== ρρ( )22
vAvvvAmv2
∝== ρρ
62
利用可能な風力利用可能な風力
2１mVE = 2２
１mVE
ー時間当たりのエネルギパワー（出力）は単位
風の持つエネルギー =
2
2
1V
dt
dmP
ー時間当たりのエネルギパワー（出力）は単位
=2
A
Vdt
P
積）を受ける面積（受風面風車が風のエネルギー
=
( ) 322
1
2
1P ρAV＝VρAV=
3１
22
ρVP/A＝
P/A
ー 単位面積当たりのパワ
風力エネルギー密度≡
63
3
２
１ρVP/A＝ー 単位面積当たりのパワ
風車の出力特性
風のエネルギー(風車の出力)風のエネルギー(風車の出力)⇒ 風速の3乗に比例
風速風速12m/s12m/sの時の時 出力５００出力５００WW の風車の風車
があったがあったとするとする風速風速12m/s12m/sの時の時 出力５００出力５００WW の風車の風車
があったがあったとするとする
½の風速6m/sでは ⇒ ６２.５W (1/8)(1/8) 250Wではない！
¼の風速3m/sでは ⇒ ７.８Ｗ （（1/641/64）） 125Wではない！
64
¼の風速3m/sでは ⇒ ７.８Ｗ （（1/641/64）） 125Wではない！
-
風車の出力特性 ⇒ 出力は風速の３乗に比例
ミニサイズ風車 大型風車
http://taiheitechnos.co.jpzepher
65
日本の局地風
66
風車の分布（2016）
67塔map
現在（東北エリア)現在（東北エリア)
赤：2015年設置1375MW×12
210千MW
1MW×43
429 MW
210千MW
429千MW
68http://www.nedo.go.jp/library/fuuryoku/
広域風況マップ広域風況マップ
地上高 30ｍ 50ｍ 70ｍ地上高 30ｍ 50ｍ 70ｍ
・奥羽山脈，北上高地が比較的平均風速が高い・奥羽山脈，北上高地が比較的平均風速が高い
・洋上風力だと青森県沖が有望
69・発電機が高さ７０ｍとすると翼の直径約100m出力２４００ｋW程度
風 況風 況
国内立地可能面積(陸上)２１,０００ｋｍ２２１,０００ｋｍ
⇒ ５０,４００MW
現在の商用発電量の約約5050％％現在の商用発電量の約約5050％％
年平均風速・４～６ｍ/ｓ 可（工学的に）・６～８ｍ/ｓ 良（商業的に）・８～ ｍ/ｓ 優
標高＋30mで計測
・８～ ｍ/ｓ 優
-
風車の立地
71
立地可能性立地可能性
72
抗力型風車の回転抗力型風車の回転抗力型風車の回転抗力型風車の回転相対風速＝(風速)ー(接線速度)
抗力a＝Da受風面積A
aでの相対風速； V-rω
bでの相対風速； V+rω
抗力a＝Daa
ω（=s/ｒ）
aに作用する力 Da＝CDa・1/2ρAV(V-rω）2
b
風速 V
半径r
ω（=s/ｒ）
bに作用する力 Db＝CDb・1/2ρAV(V+rω）2
r・Dａ＝r・Db抗力b＝Ｄｂ
b
半径r
r・Dａ＝r・Db
(∵一定速で回転 ＝ 軸周りのモーメント ＝ ０ )Ｓ： バケットの接線速度（外周での回転速度の接線方向成分）
CDa・1/2ρA（V-rω）2＝CＤｂ・１/2ρA(V+rω）
２
∴ω＝（√(CDａ)ー√(ＣDb))/(√(Cｄａ)＋√(ＣDb))V [rad/s]
10/1910/19
74
抗力型風車の回転数抗力型風車の回転数抗力型風車の回転数抗力型風車の回転数
抗力a＝Daa
受風面積A
風速 V
a
ω2r
風速 V
b
r
抗力b＝Ｄｂb
Ｓ： バケットの接線速度（外周での回転速度の接線方向成分）
モーメントの釣り合いから角速度ωを求めてください
用語の定義用語の定義
ｐ
Cp tcoefficien Power
風車の取り出すパワー
パワー係数
3
ep
AV
ｐC
∞
=ρ
２
１＝
自然風の持つパワー
風車の取り出すパワー
：風車半径 ＝
トルク係数
RQ
C
Cp tcoefficien Torque
e ：風車半径 ＝ RARV
QC eｑ
2
21
∞ρ
抗力型：抗力成分
分面の回転方向トルク成揚力型：ブレード回転
eT 1
TC
Cp t coefficien Thrust
＝
推力係数
76
2T
AV2
1C
∞ρ＝
-
ｎRR
ratio speedTip
πωλ
２ブレード先端速度
周速比
∞∞ V
ｎR
V
RTSR)
πωλ ２＝＝風速
ブレード先端速度＝（
ソリディティー Solidity σ
影面積ローターブレード全投
揚力型
ソリディティー
1161
Solidity
2
σ
抗力型
：最大パワー時風車掃過面積
影面積ローターブレード全投(Betz)
1
9
16
C
12
L λσ
≅=
：ブレード弦長ブレード枚数 ２＝
抗力型
C:ZR
ZC
πσ
A B λ → 大（高回転数）A B
R
λ → 大（高回転数）↓
σ → 小
77
R
C
システムの効率システムの効率
PeTurbine Pex Gear Pg GeneratorPw
Cp η ηQ QCp ηｇｂ ηｇQｔ Qｇ
P
egexeg
ｗ
ex
CPPPPP
P
PC
＝ ＝＝ 総合効率＝ ギアボックス効率
＝風力タービン効率 ｐ
ηηηη ××××
eg
ggbg
e
ex
g
ｗ
ex
w
e
ex
ggb
P
CP
P
P
P
P
P
P
P
P
P
＝発電機効率
＝ ＝＝ 総合効率＝ ギアボックス効率 ｐ
η
ηηηη ××××
gg P＝発電機効率 η
78
出力基準 Cｐ ηgb ηg 総合出力基準 Cｐ ηgb ηg 総合
大 型 100kW～ 034～035 038～0395 038～0395 0326～0345
小 型 1~100kW 032～034 037～038 036～038 0308～0326小 型 1~100kW 032～034
037～038 036～038 0308～0326
マイクロ ～1kW ≒0335 ー ー ー
＝ トルク＝ 回転数パワー Q(Nm)(rad/s) P ω×
＝ ＝r
uur
Q(Nm)(rad/s) P
ωω
ω×
Q
＝＝
gexP
QP
Q
QrFFuPr
ωω
==
×=
：発電機軸角速度：タービン角速度，
g
gg
t
ext
PQ
PQ
ωωωω
==
79
：発電機軸角速度：タービン角速度， gt ωω
断応力 風車主軸のねじりせん stress shearing tortional τ断応力 風車主軸のねじりせん4
040p
2s
s
r2
d32
I )(N/m I
Qr
stress shearing tortional
ππτ
τ
===
ん断応力中実回転軸表面でのせ
2
p
2Q
232I
τ =
∴
） 23s
(N/m r
2Q
πτ =
80
例 題例 題
Q: λ=6で出力効率が最大になるプロペラ型風車がある．風速12m/s， ローター直径30mとしたとき回転数は？風速12m/s，
ローター直径30mとしたとき回転数は？
;== uurωλ 周速度
)/(72126
;
=×===∴
==
smVru
uVV
λω
λ 周速度
)(min46)/(8.43072
)/(72126
1−≅===
=×===∴
sradr
u
smVru
ω
λω
230r
81
例 題 2例 題 2
Q:Cp=0.32,
ηｇｂ＝0.94，ηｇ＝0.96の風車がある．定格出力は２MW，定格風速が13m/sのときローター直径は？
102P
0.290.960.940.32C6
ggbp ＝＝総合効率
×
≅×××× ηηη
106.922P1
w)106.90.29
102PP
6
66
ew （＝＝＝風車の持つべきパワー
××
××∴ η
D
(m4869.2131.29
106.92
V
2PAAV
2
1P
2
23
6
3w3
w ） ＝＝ より ＝ ×××=
πρ
ρ
(m)78.7D4
DA
2
より == π
82
-
風車設置 ≠ 発電風車設置 ≠ 発電
83
休憩 Intermission
頭の柔軟性試験頭の柔軟性試験
例題
頭の柔軟性試験頭の柔軟性試験
例題
84
ある新聞の投稿欄からある新聞の投稿欄から
私たち夫婦は，地球の温暖化という問題に心を痛め，自分
たちの家庭でもできる限りの省エネルギー・省資源のために
努力しようと決めた．不要な電気の消灯や，雨水の利用など
により水道水の節水を行い，今年一年で約３０００円分の光
熱費を節約することができた．この結果を見て，夫婦で地球
環境を守るために，わずかながらも貢献できたと喜んだ．
85
環境を守るために，わずかながらも貢献できたと喜んだ．
話のつづき．．．
いま，私たちの茶の間での話題は，この省エネルギーで浮い
た分のお金をなにに使おうかということである．地球環境へいさ
さか貢献した自分たちへのご褒美として，美味しいものを食べに
行こうか，景色のいいところへドライブに行こうかと毎日楽しい
話題に事欠かない．省エネもこのような将来の楽しみを考えて話題に事欠かない．省エネもこのような将来の楽しみを考えて
行えば，さして苦労なく行えるものである． （趣旨要約）行えば，さして苦労なく行えるものである． （趣旨要約）
86
省エネ＝環境にやさしい？？？省エネ＝環境にやさしい？？？
before after
その他の経費
before
その他の経費
after
食料品耐久消費財 単に支出費目が変わ耐久消費財
交通費趣味用品医療費
単に支出費目が変わるだけ．
エネルギ消費に変わりはない．
全てエネルギー全てエネルギー消費に直結消費に直結
医療費 変わりはない．
消費に直結消費に直結
自動車燃料 剰余金剰余金 何に使いま
光熱費
自動車燃料
自動車燃料
何に使いますか？
87
光熱費光熱費
10/19
休憩終わり
10/19
88
-
風車の理 論
風車の効率（風のエネルギーの何%取り出せるか）風車の効率（風のエネルギーの何%取り出せるか）
プロペラ(揚力)型： ５９．３% Betz Lanchester limitベッツ・ランチェスター限界
速度低減率 1/3 の時，効率最大
抗力型： １４．８％抗力型： １４．８％
この理論値＋形状から来る揚力が作用するた
め実際は２０％程度
90
風車の効率(Betz limit)風車の効率(Betz limit)
左図でBernoulliの法則から
ρ ρp0 +
ρ2
v 02 = p1 +
ρ2
v12
p + ρ v 2 = p ' + ρ v 2p0 +ρ2
v 22 = p1
' + ρ2
v12
従って風車前後の圧力差は従って風車前後の圧力差は
p1 − p1' = ρ
2v0
2 − v22( )L(1)
p1 − p1 = 2v0 − v2( )L(1)
F = πR2 p1 − p1
'( )= πR2ρv1 v0 − v2( )L(2)風車の受ける力Fは，運動量の法則から
F = πR p1 − p1( )= πR ρv1 v0 − v2( )L(2)
(1)を(2)に代入すると
220
1
vvv
+=2
これを用いると，風車の理論出力Lは
( )( )L = Fv1 = πR
2v1 p1 − p1'( )= πR
2ρ v0 − v2( ) v0 + v2( )2
4
減速比 a=v /v を用いて表すと
L =πR2ρv0
3 1− a( ) 1+ a( )24
- - - function of "a"
減速比 a=v2/v0 を用いて表すと
L =4
- - - function of "a"
また，風の持つ動力Lwは，
30
2
2
1vRLw ρπ=
理論効率η=L/Lwは次のようになる
−( ) +( )2
η = 1− a( ) 1+ a( )2
2L(3)
極値を求めるため，aで微分
dηda
=a +1( ) −3a +1( )
2
a
da 2
効率が最大となるのはa=1/3の時で，この値を(3)に代入すれば，この値を(3)に代入すれば，
593.0=maxη
風車効率の風車効率のBetzBetz限界限界
593.0=maxη
風車効率の風車効率のBetzBetz限界限界
-
実際の風車実際の風車
最大パワー係数 Cpmax=0.593 （Betz limit)
現実値は0.593より小さい要因
１）ロータ後流の旋回（ブレード衝突による運動エネルギ損失）１）ロータ後流の旋回（ブレード衝突による運動エネルギ損失）
⇒高周速比，短弦長なほど減少
２）有限なブレード枚数
⇒低周速比ほど翼端での流体混合により揚力低下⇒低周速比ほど翼端での流体混合により揚力低下
３）CD/CL≠０
95
最大パワー係数とブレード枚数，揚抗比最大パワー係数とブレード枚数，揚抗比
96
地上高と風速地上高と風速
観測高さとハブ高さの補正
地表状態 Zo(cm)
短い草地 1~対数法則
lnlnz
h
z
zVV hz
=
短い草地 1~
長い草地・麦畑 4~
高さ10mの雑木林 50~
対数法則
での風速，地上高 : ,
00
hzVV
zz
hz
hz
郊 外 100~
都市内 100~
粗度係数 :0ｚ海 面 0.001~
風速の高さ補正（べき乗則）風速の高さ補正（べき乗則）
1Z
VVn
=
地表の状態 ｎ
滑面，海面 10
べき指数 1
h
ZVV hZ
= 草原 7森林・低層市街地 4
大都市郊外 3
98
べき指数 1n大都市郊外 3
大都市中心部 2
風向の変動風向の変動
粗度係数
工学部上空の年間風配図工学部上空の年間風配図(無風時も時間カウントしている)
・卓越風向は南（約２１％）・南北方向合計で約３２％存在・南北方向合計で約３２％存在
なめらかなほど風向変動しやすい
風況の数学的表示（ワイブル分布）風況の数学的表示（ワイブル分布）
1 kk −
→風速度数の最大側は弱風
．
( ) ( )
風速 :
1,0,0 exp1
V
cVkc
V
c
V
c
kVf
kk
>>>
−
=−
側に片寄る．→一般にweibull分布が用いら
れることが多い） 形状定数（
風速の度数
風速
parameter shape:
:)(
:
k
Vf
V
れることが多い） 尺度定数（ parameter scale:c
-
風車(新エネルギー全体で)の課題
101
世界の風力発電機メーカー世界の風力発電機メーカー
スウェーデンのエネルギー改革
総電力量の24.9%が
新エネルギ(2002年段階)
風力マクドナルド
オフショア風力オフショア風力風力電車風力電車
104104
105105
風車羽根の運搬
https://blogs.yahoo.co.jp/zaqwsx_29a/64614918.html
出典：日本通運HP
https://i.ytimg.com/vi/O-RmYb6WsPg/maxresdefault.jpg
-
風力発電のあまり知られていない部分Google
地中送電変電所
風力発電のあまり知られていない部分
107107
周辺停電 ⇒ 発電できない（逆潮流不可）Nikkei
大型風車と周辺環境大型風車と周辺環境
http://file.masatsugu.blog.shinobi.jp/dc01bef4.jpeg
葛巻（岩手）
http://file.masatsugu.blog.shinobi.jp/dc01bef4.jpeg
http://www.suntec-sec.jp/entries/cat24/
http://ameblo.jp/uribouno1/entry-11914394380.html
大川原（徳島）
http://www.suntec-sec.jp/entries/cat24/cat25/cat45/000014.html
阿蘇にしはら（熊本）
108108
http://spiralphoto.blog.fc2.com/blog-date-201306.html
六ヶ所村（青森）
http://trust.watsystems.net/aoyamawind.GIF
久居榊原（三重）
岩手県営の風力発電所
109109
オフショア発電オフショア発電
デンマークデンマークE.ON Climate & Renewables, Nordic Rødsand II
havmøllepark
日本の海岸線3万ｋｍ↓↓
洋上発電の可能性
茨城県神栖茨城県神栖http://www.tokyo-np.co.jp/article/ibaraki/20110816/CK2011081602000068.html
洋上風力洋上風力
111
風力電力の送電しない使用法風力電力の送電しない使用法
この方法の利点
１）長い海底送電線で電気を陸まで運ぶ必要がない
２）風の不均一は問題にならない２）風の不均一は問題にならない
３）エネルギーを貯蔵できる
４）現在のエンジンがわずかの改造でそのまま使用できる
オフショア発電酸素
オフショア発電
＋ー
酸素二酸化炭素
海水 電気分解装置 水素 アルコール(液体燃料)
-
風車の構造風車の構造
千葉大 佐藤研究室
CCProven
千葉大 佐藤研究室
千葉大 佐藤研究室
インライン増速機構（遊星歯車）インライン増速機構（遊星歯車）
116
風車の出力効率風車の出力効率
千葉大 佐藤研究室
ﾌｨｰﾙﾄﾞ実験結果(連続データ)ﾌｨｰﾙﾄﾞ実験結果(連続データ)連続データ（1日）
15
20 250
Wind speed
Output
5
10
15
Wind speed (m/s)
200
Output
0
5
0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00
Wind speed (m/s)
100
150
Output (W)
-10
-5
Wind speed (m/s)
50
100 Output (W)
-20
-15
Time (sec)
0
50
Time (sec)
原典 千葉大 佐藤研究室
-
発電状況(風向安定時)発電状況(風向安定時)450 10
350
400
8
9
Wind direction
turbine's output
Wind speed
E
N
250
300
Win
d d
irection (
deg)
tu
rbin
e's
outp
ut(
W)
6
7
Win
d s
peed(m
/s)
N
W
200
250
Win
d d
irection (
deg)
tu
rbin
e's
outp
ut(
W)
4
5
Win
d s
peed(m
/s)
100
150
Win
d d
irection (
deg)
tu
rbin
e's
outp
ut(
W)
2
3
0
50
0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 0:00 4:48
0
1
Time
千葉大 佐藤研究室
発電状況(風向変動時)発電状況(風向変動時)無指向性であることが確認
400
450
8
9
10
Turbidne's output
Wind direction
Wind speed
無指向性であることが確認
300
350
Win
d d
irection (
deg)
tu
rbin
e's
outp
ut(
W)
6
7
8
Win
d s
peed(m
/s)
200
250
Win
d d
irection (
deg)
tu
rbin
e's
outp
ut(
W)
4
5
6
Win
d s
peed(m
/s)
100
150
Win
d d
irection (
deg)
tu
rbin
e's
outp
ut(
W)
2
3
0
50
0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 0:00:00 4:48:00
0
1
0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 0:00:00 4:48:00
Time
千葉大 佐藤研究室
エネルギーとその課題エネルギーとその課題エネルギーとその課題エネルギーとその課題
121
枯渇性 ｖｓ. 再生可能エネルギー
再生可能エネルギー再生可能エネルギー
太陽・地球物理学的・生物学的なものに由来太陽・地球物理学的・生物学的なものに由来
⇒人間の利用速度以上で自然界から補充される
太陽光、風力、波力・潮力、流水・潮汐、地熱、バイオマスなど太陽光、風力、波力・潮力、流水・潮汐、地熱、バイオマスなど
⇒ 自然の力で反復的に補充されるもの
枯渇性エネルギー枯渇性エネルギー化石燃料（石炭、石油、天然ガス、オイルサンド、シェールガス、メタンハイドレート)やウラン等の地下資源を利用した発電等ドレート)やウラン等の地下資源を利用した発電等
⇒ 自然が供給するより人間の利用速度が大きい
新エネルギー(再掲)と再生可能エネルギーの違い
バイオマス／濃度差・温度差／雪氷熱利用／地熱／小水力
123
バイオマス／濃度差・温度差／雪氷熱利用／地熱／小水力
