1.为什么风机很必要？
随着全球变暖的加剧，我们的生活开始受到影响
・干旱、洪水等异常现象频发
・海平面上升威胁到岛屿国家
・冰川的消失导致水源枯竭
对策？
使用可再生能源，抑制CO2 的增加
・风机是最好的选择。它具有经济性和可大规模化的优点。
喜马拉雅冰川后退 (左:曾经、右:现在) 图片来源：名古屋大学环境学研究科冰雪圈变动研究室
2.风机的优点和缺点 优点
・对环境的影响小
→ 不产生CO2 → 像水坝一样不破坏自然环境 ・比太阳能发电效率高 ・纯国产的能源
缺点
・对安装场所有要求
・输出功率不恒定 ・能源密度低 ・有抗台风强度要求
3.风机的种类
达里厄型风机
直线叶片垂直轴风机
1枚叶片
2枚叶片
3枚叶片
主流为3枚叶片的螺旋桨型
4.风机的种类（详细）
5.风场的构成
基础工程和电气工程都很必要
根据发电机的类型分为2种 6.风机的构成
7.风机的大小（机体比较）
◆从叶轮直径D[m]、额定输出功率P[kW]来看、P≒0.3D2
如果风机的额定输出功率是3000[kW]、叶轮直径约为100[m]。
8.风机安装的条件
・强并稳定的风（年平均风速6m/s以上） ・运输机舱、叶片所需的宽阔道路 ・离输电电网近
・广阔、坚实的地基
・无环境（有无稀有鸟类）、法律（公园法等）的限制
9.风机在保护环境方面贡献（三菱1000A） 年平均风速为6m/s，年发电量为228万kWh → 以一般家庭的用电量来换算・・・ 相当于约540户的用电量
→ 以石油火力发电（石油量）来换算・・・ 相当于约550kL（2770筒）
→ 以CO2的减少量来换算・・・ 相当于约1600吨
→ 以吸收上述CO2所需杉树的量来换算・・・ 相当于约11万棵
10.风机的基础知识
10.1 风能等于风速的3次方乘扫风面积
10.2 风机的效率约为43%
理论上限(Betz的限界)是59%
『参考：大学生网上电力讲座：风力发电』
→ 风机的输出功率是由叶轮直径决定的 kW≒ 0.3×（D=直径m）2
600kW 45m 1000kW 61m
2000kW 75m
3000kW 約100m
10.3 海拔越高风力越强（风能分配）
→ 地表凹凸摩擦导致风速下降
10.4 风机的设置要保持适度的距离 → 避免相互干涉（风的争夺） 与相邻风机距离的基准
・同风向（主风向）为叶轮直径的10倍 ・与风向垂直相交的方向为叶轮直径的3倍
10.5 扰流的影响
风机下风向为风速降低区域
下风向的此块儿区域对其他风机有不良影响 ・此处发电量降低，被称作扰流。
・不平衡的风载荷会增加风机的疲劳强度，可能会导致风机寿命达不到20年
11.风机的控制方式
11.1 变桨控制和偏航控制
以下的两种控制均为计算机操作的电子自动控制
11.2 关于风机的发电构造 １． 风推动叶片（风力：扭矩力）、轮毂转动
与轮毂连接的发电机转动产生电能。
此处的、输出功率（电能）＝扭矩力×转数
另外、风机叶片受到的扭矩力与风速有很大的关系。 ２． 扭矩力和发电机发电量平衡时，同速旋转
扭矩力大时旋转数增加、扭矩力小时旋转数减少 风速 ３ｍ／秒时 ： 开始发电（切入）。 风速１３ｍ／秒时 ： 达到额定输出功率。
风速２５ｍ／秒以上： 为保证风机安全停转（切出）。
11.3 风速对风机运行状态的影响
12.为什么欧洲风机很多？ １． 适合风机的优良风况
・ 地形平坦。没有高山风况稳定。
丹麦最高海拔为173m。无山地、丘陵。 风机的长叶片运输不受影响。 ・ 一年四季吹偏西风。风向完全不变。 风机不用偏航，过去没有计算机控制时，荷兰灌溉用风车很普遍。 ・ 没有台风、雷电影响。
２． 市民的环保意识强
・ 1986年乌克兰的切尔诺贝利事故使人们感受到「切身的威胁」后，以德国为中心保护环境的舆论越来越强。 ・ 以此舆论为背景，德国和丹麦举全区之力大力发展风力发电事业。
３． 国家保护政策的推进
・ 将电力公司高价买入风力发电电能作为义务写入法律，形成了「有风就有风机」的局面。 因此两国风电产业得到的惊人的发展。 ・ 培养国内产业和增加就业也成为发展风电产业的目标之一。 丹麦将风机培养为国内最大的出口产业。 ・ 西班牙、澳大利亚等国也相继发展风电产业。
13.日本的状况 １． 风况较差
・平时的平均风速不大、只有台风来袭时较为强烈。 ・ 山地地形，风速、风向变化较大。 ・ 北陸地区有叫「冬季雷」的特殊强雷电发生。 ・ 北海道、東北、九州等地强风区域较多。
２． 社会条件也不利
・ 因人口密度高、安装风机所需广阔的土地相对少。 ・ 島国不利于电网相连、与欧美相比送电系统较弱。 ・ 道路曲折的山峦和道路纵横交织的城市都不利于风机叶片的运输。
３． 挑战逆境 ・ 条件如此不利，日本的风力发电还是以山形県立川町、愛媛県瀬戸町等県町为先头开始了挑战。电力公司纷纷开始试验。 ・ 以1997年国家的「風力発電導入助成制度」为转机，风力发电的革新企业纷纷开始建设风场，真正的进入了风力发电普及的时代。
４． 国家成为风力发电的后盾
・ 1998年内阁会议上将2010年止风力发电300万ｋW导入大纲。 ・ 2003年4月将电力公司一定量的利用新能源电力（通称RPS即Renewable Portfolio Standard）写入法律，风力发电的未来值得期待。 ・ 为解决送电电网限制、提高风机利用率等问题，在资源能源厅的主导下设立了公共的讨论委员会。 ・ 2004年7月经济产业部发表「新能源产业蓝图」，从扶植产业的角度出发，促进日本风力的开发。
14.风机安装的流程 风场調査 (1)选出适合的地域 (2)收集附近风况数据 (3)地理的条件的调查等
↓
风况精査 (1)风况观测 (2)经济性的讨论等
↓
基本设计 (1)机型选择 (2)运输调查 (3)土地所有者交涉 (4)发电量预测、
(5)环境影响评价（噪音・频率干扰・景观等） (6)经济性的讨论 (7)与电力公司的前期商谈 (8)与资金筹措方的讨论
↓
实施设计 (1)测量调查 (2)地质调查 (3)设备设计 (4)工程设计 (5)工程计划
↓
相关部门手续
(1)与电力公司的前期商谈 (2)相关许可手续 (3)当地说明
(4)政府补贴申请 (5)RPS交渉 (6)提交工程计划报告等
↓
建设工程 (1)土木工程 (2)风机安装工程 (3)电气工程 (4)试运行
↓
运行・维护
(1)风机设备・电气设备的维护
第1年： (1)风况精查（1年）
(2) 基本计划（风机的类型和台数、风机配置、土木建造、环境评估、经济性、资金筹措等）
(3)电力公司前期商谈 (4)计划用地的法规调查
(5)土地所有者交涉
第2年： 取得风况精查结果
(1)参加电力投标
(2)公布政府补贴申请结果、公布电力公司投标和政府补贴通过结果 (3)详细设计
(4)土地租赁合同・各类许可申请
(5)电力系统入网申请
第3年： (1)工程竣工
(2)开始吸收电能 (3)试运行调整
(4)使用前检查（电气事业法） (5)开始运行
最低需要3年。
15.风机相关部门一览
注：公司名为举例。
2.8 风机发展和环境问题解决的方案
风力 12 的目标和二氧化碳的削减量
（2020年风电占世界总发电量的12%）
全世界发电容量
2020年
2，950GW 风机目标发电容量
2020年
343GW
国内目标（包括海上风机）
2020年
30,000MW（30GW） 风机对环境保护最大的贡献就是削减二氧化碳。能削减酸性气体600t/GWh 削减量为
2020年
1,856百万ton
累计削减量11,768百万ton 2040年
4,800百万ton
累计削减量86,469百万ton
地球温暖化が進行しており、生活への影響が出始めています。 ・旱魃、洪水などの異常気象の頻発
・海面上昇が島嶼国を脅かす
・氷河の消失による水源の枯渇
再生可能エネルギーに切り替えて CO2増加を抑制する。
・風車はその切り札。経済性と大規模化に優れる。
ヒマラヤの氷河の後退 (左:昔、右:今日)
出典：名古屋大学環境学研究科・雪氷圏変動研究室
利点
・環境への影響が小さい。
→ CO2を全く発生しない。
→ ダムのように自然環境を壊さない。 ・太陽光発電より発電効率が良い。 ・純国産のエネルギー。
欠点
・設置場所が限られる。
・出力が一定しない。
・エネルギー密度が低い。
・一方で台風に耐える強度が必要。
ダリウス型風車
直線翼垂直軸風車
３枚翼
１枚翼
２枚翼
主流は３枚翼のプロペラ型です。
基礎工事や送電線の電気工事も必要です。
発電機のタプで２分されます。
◆ロータ径D[m]、定格出力P[kW]とすると、P≒0.3D2
定格出力3000[kW]の風車であれば、ロータ径は約100[m]となる。
・強く安定した風が吹く （年平均風速6m/s以上） ・風車ナセル・ブレード等を運べる幅広の道路 ・発電した電気を運ぶ送電線が近くにある ・広い敷地と安定した地盤
・環境（希少鳥類の有無）・法律（公園法など）上の制限がない
年平均風速6m/sで，年間228万kWhの電気を生成。 → 一般家庭の消費電力に換算すると・・・ 約540世帯分に相当
→ 石油火力発電所（石油量）に換算すると・・・ 約550kL（ドラム缶2770缶）に相当
→ CO2削減量に換算すると・・・ 約1600tonに相当
→ 上記CO2削減量を吸収するための杉の木に 換算すると・・・ 約11万本に相当
10.1 風のエネルギーは、風速の3乗とロータ面積に比例
10.2 風車の効率は約43%
理論上限(Betzの限界)は59%
『参考：大学生のためのンターネット電力講座：風力発電』 → 風車出力は直径で決まる。 kW≒ 0.3×（D=直径m）
600kW 45m
21000kW 61m
2000kW 75m
3000kW 約100m
10.3 風は上空ほど強い（ウゖンドシェゕ）
→ 地表の凹凸の摩擦で減速する
10.4 風車は適度に離して配置します。
→互 いに干渉（風を取り合う）しないようにです。 隣の風車との距離の目安
・風と同じ向き（主風向）にはローター直径の１０倍 ・風と直交する方向にはローター直径の３倍
10.5 後流（ウェク）の影響
風車の風下には風速の遅くなった影のゾーンが生じます。 風下のこのゾーンに別の風車があると悪影響が出ます。 ・影になるので発電量が減る。ウェクロスと言います。
・ゕンバランスな風荷重が掛かるので疲労強度が厳しくなり、２０年もたずに壊れる可能性が生じます。
11.1 ピッチ制御とヨー制御
次の二つの制御をしています。共にコンピュータによる電子自動制御です。
11.2 風車が発電する仕組みについて
１． 風が羽根を押して（風の力：トルク）、ロータが回転する。
ロータに繋がっている発電機が回転して電気が生まれる。 ここで、出力（発電力）＝トルク×回転数の関係がある。 また、風車の 羽根を廻す力は風速の３乗に比例 して大きくなる。 ２． トルクと発電機が取り出す電力が釣合うと、同じ速度で回転する。
トルクが優ると回転数が上がり、小さいと回転数が下がる。
風速 ３ｍ／秒位 ： 発電をはじめる（カットン）。 風速１３ｍ／秒位 ： 定格出力に到達。
風速２５ｍ／秒以上： 安全のために停止する（カットゕウト）。
11.3 風速による風車の運転状態の違い
１． 風車に優しい気候風土
・ 地形が平坦。風をさえぎる山がないので安定した風が吹く。 デンマークの最高標高は173m。山どころか丘さえありません。 風車の長い羽根を運ぶのも簡単です。
・ １年を通して偏西風が吹く。風向きもほとんど変わらない。
風車の向きを変えなくていいので、制御用のコンピュータがない昔から、オランダで灌漑用に風車が発達しました。 ・ 風車を壊す台風や強い雷もありません。
２． 市民の強い環境意識
・ 1986年のチェルノブリ事故を「身近な脅威」と感じたドツを中心に、脱原発と環境保護の世論が強くなった。
・ この世論を背景に、ドツとデンマークでは国を挙げて風力発電の導入促進に突き進みました。
３． 公的な保護政策の推進 ・ 風力発電の電気を高価格で買取ることを電力会社に義務付ける法律が作られ、「風さえ吹けば風車は儲かる」ようになりました。 そこで両国では爆発的に風車の導入が進みました。 ・ 国内の産業育成と雇用創出も、導入促進の狙いの一つです。 風車はデンマーク最大の輸出産業に育っています。
・ スペン、オーストリゕなど、両国に続く国々も増えています。 注：今回の配色はドツ国旗へのトリビュートです。
より詳しい解説：風力発電機とデンマーク・モデル（松岡憲司著：新評論社）
１． 風車には厳しい気候風土
・ 普段の平均風速は大きくないのに、台風の時だけ猛烈な突風が吹く。 ・ 山がちの地形なので、風の速度と向きの変動が大きい。 ・ 北陸地方には、「冬季雷」と呼ばれる特殊な強い雷がある。 ・ 北海道、東北、九州などには、風の強い地域が多い。
２． 社会条件も不利
・ 人口密度が高いので、風車を建てる広い土地の確保が難しい。 ・ 島国なので周囲と電気の融通ができず、欧米に比べて送電系統が弱い。 末端の弱い送電線には風車を繋げない。
・ 曲がり道の多い山岳部や、歩道橋や交差点のある都市部では、風車の長い羽根は運びにくい。
３． 逆境に挑むチャレンジャー
・ こんな不利な条件にも負けず、日本の風力発電は、山形県立川町、愛媛県瀬戸町のような開拓精神に富んだ自治体の挑戦と、電力会社による試験設備から始まりました。
・ 1997年の国による風力発電導入助成制度の開始が転機となり、風力発電のベンチャー会社が次々とウゖンドフゔームを建設して、風力発電は本格的な普及の時代に入りました。
４． 国も風力発電を後押し
・ 風力発電を2010年に300万ｋWにするという新エネルギー導入大綱が1998年に閣議決定されました。
・ 2003年4月には、電力会社が新エネルギーの電気を一定量以上利用することを義務付けた通称RPS（Renewable Portfolio Standard）法が施行され、風力発電の将来性に弾みがつくと期待されています。
・ 送電線への連系制限の問題や、風車の利用率向上についても、資源エネルギー庁の主導で公的な検討委員会が設立されています。
・ 2004年7月に経済産業省から「新エネルギー産業ビジョン」が発表され、産業育成の点からも、日本の風力開発の発展が促されています。
立地調査 ↓
(1)有望地域の抽出 (2)近傍風況デ－タの収集 (3)地理的条件の調査等
風況精査 ↓ 基本設計 (1)風況観測 (2)経済性の概略検討等
(1)機種選定 (2)輸送調査 (3)地権者交渉 (4)発電量予測、
(5)環境影響評価（騒音・電波障害・景観等） (6)経済性検討、(7)電力会社への事前協議依頼 (8)資金調達先検討
(1)測量調査 (2)地質調査 (3)設備設計 (4)工事設計 (5)工事計画 ↓ 実施設計 ↓
関係機関等手続き
(1)電力会社との事前協議 (2)許認可手続き (3)地元説明
(4)補助金申請 (5)RPS交渉 (6)工事計画の届出等
↓ 建設工事 ↓ 運転・保守
1年目： (1)風況精査（1年間）
(2) 基本計画（風車の機種と台数、風車配置、土木造成、環境ゕセスメント､経済性、資金調達等） (3)電力事前協議
(4)計画地に対する法規制の調査
(5)地権者の調査および折衝
2年目： 風況精査の結果を得て
(1)電力入札参加
(2)補助金申請結果発表、補助金採択発表、電力入札と補助金 採択の結果発表 (3)詳細設計
(4)土地賃貸契約・諸々の許認可申請
(5)電力系統連系申込み
3年目： (1)工事竣工
(2)受電開始 (3)試運転調整
(4)使用前検査（電気事業法）
(5)運転開始する
と最低でも3年はかかります。
(1)土木工事 (2)風車設置工事 (3)電気工事 (4)試運転
(1)風車設備・電気設備の保守点検
注：会社名は代表例を示す。
