自然エネルギーと空気の考察

 

エネルギー源としての「空気」を知る-1

 

エネルギー源とは

 

再生可能エネルギーとして、そのエネルギー源は水力、風力、地熱、太陽光、廃棄物があり、現在の主要なエネルギー源として石油、石炭、天然ガスがある。

 

今、あえて「空気利用」に注目し、新たなエネルギー源として考察する。

 

エネルギー源

 

エネルギー源は、広義には他のエネルギー源に変換しうるものを指す。狭義には一次エネルギー源を指すことが多い。 一次エネルギー源は、自然界に存在しているエネルギー源を指し、二次エネルギー源は一次エネルギー源を何らかの形で変換したものを指す。 多くの場合、二次エネルギー源は電力水素を指し、それ以外が一次エネルギーと考えることができる。

最近では一次エネルギー源は、再生可能エネルギー枯渇性エネルギーに分類されて論じられることが多い。

 

枯渇性エネルギー

 化石燃料

原子力

再生可能エネルギー

うち太陽起源のもの

太陽起源以外のもの

その他

下記ゴミは大元が木質バイオマスの場合は再生可能エネルギーとして認められるものも有るが、石油起源のものは再生可能エネルギーのカテゴリーには入れるべきものではない。

また、新エネルギーのカテゴリーには入っているが、基本的に、これはエネルギーの効率的変換装置であってエネルギー源ではない。

  • 燃料電池
  • LNG冷熱 -162℃の低温で液体の状態にあるLNGが、常温に戻り気化する際に、周囲の熱を奪って冷却させる。これを利用し、中間熱媒体を液化・循環させたり、気化した天然ガスでタービンを回したりする冷熱発電の他に、液体酸素ドライアイスの製造、冷凍倉庫などにも利用されている。

 

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

 

 

「ひと口にエネルギーといっても、そのパワーを生み出すエネルギー源にはいろいろな種類があります。石油をはじめ石炭や天然ガスや原子力。そして、太陽の光を電池の張ったパネルでキャッチして電気をつくる太陽光発電、風の力で巨大なプロペラをグルグル回転させて発電する風力発電。さらに、いらなくなった木材などを加工した燃料を使うバイオマス発電。スペースシャトルで、電気や飲料水をつくるために使われている燃料電池など、さまざまな種類があります。

エネルギー資源が乏しく輸入に頼る日本では、これらのエネルギー源について①安定してエネルギーがつくれるか②値段は安いか③環境にやさしいか、といったことなどを考え、それぞれの長所を活かして利用しています。」

 

日本のエネルギー供給構成
日本のエネルギー供給構成の図


 

http://eneco.jaero.or.jp/important/japan/japan02.html

 

 

今後の社会の成立基盤であるエネルギー政策において、

エネルギー源の考察が欠かせない。

「空気利用」は新たなエネルギー源として有効であり、将来性がある。

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-2

 

人類のエネルギー利用の歴史

 

・摩擦によって生じる熱エネルギー

 

人類のエネルギー利用は、木と木の摩擦によって生じるエネルギーからといわれる。熱エネルギーを活用して木々を燃やし、暖を取り、調理を行っていた。

 

・風力・水力・太陽光の利用

 

農耕が始まるとともに、風力水力、エネルギーは風車水車などを動かす機械の動力として利用されはじめる。太陽光エネルギーは食べ物の乾燥、加熱などに利用されるようになる。

 

・蒸気機関の発明

 

大規模な熱エネルギーの利用形態である蒸気機関が発明されて、産業革命の原動力となり社会を大きく変えることとなる。蒸気機関は、熱エネルギーを水蒸気の形で蓄えて、力学的エネルギーに変換することのできる機関である。

 

・石油・天然ガスへの移行

 

初期の蒸気機関では、熱源として薪や石炭が用いられていたが、石油の発見および精製技術の発達とともに 徐々に石油や天然ガスへ移行している。しかし、現在でも発電部門を中心として石炭蒸気ボイラーは相当数利用されている。

 

・内燃機関の発明

 

その後、蒸気機関よりも、直接的に熱エネルギーを力学的エネルギーへ変換する手法として、内燃機関が発明される。また、蒸気機関や内燃機関によって得られる力学的エネルギーを、電気エネルギーへ変換する手法が確立され、 社会の電化が進むこととなる。

 

・核分裂エネルギー

 

核分裂エネルギーは、第二次世界大戦前後に現れたエネルギー源である。蒸気機関や内燃機関が基本的には化学物質の燃焼であるのに対して、原子核分裂では核分裂反応を利用しているために、莫大なエネルギーを取り出すことが可能である。核分裂エネルギーは、当初原子爆弾などの軍事用途に用いられていたが、戦後は発電用途(原子力発電)でも用いられるようになる。しかし、核分裂反応では放射性廃棄物が発生するために、特に原子力発電では放射性廃棄物の処分が問題となることも多い。

 

・核融合

 

核融合は、核分裂よりもより大きなエネルギーを得ることのできる方法である。放射線や放射性廃棄物を生み出すものの、核分裂よりはリスクが少ない。当初は軍事用途(水素爆弾)にて用いられていたが、核融合炉等の発電用途に向けた研究開発も進められている。

 

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

 

 

人類の歴史は、エネルギー源の歴史によって進歩してきた。

次への模索が始まっている。

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-3

 

人類のエネルギー革命

 

ヴァラニャックによると、今まで人類は7つのエネルギー革命を経ている。

(A・ヴァラニャック『エネルギーの征服』持蔵不三也訳、新泉社より要約)

 

第1次革命 : 火の獲得と利用。火を発火させ安全に保存する技術が開発されることによって、「炉」を中心とする「家」というものができた。

 

第2次革命 :農業と牧畜が発達して、いわゆる新石器の時代がはじまる。農業は余剰生産物を生み出して、交換経済が発達するようになる。初期の都市が形成される。

 

第3次革命 :家の「炉」から治金の「炉」が発達して、金属がつくられるようになる。火の工業的利用が発達するようになり、同時に家畜や風や水力がエネルギー源として利用される。金属の武器の発達は国家を生み出す。

 

第4次革命: 火薬が発明される。これは14世紀から16世紀のことである。化学反応の速度を高めて、燃え火から爆発する火への移行が起こる。

 

第5次革命: 石炭を利用して蒸気機関を動かす技術が確立される。これをきっかけとして、産業革命が起こる。

 

第6次革命:電気と石油。19世紀の西欧では、電気が新しいエネルギーとして発達をはじめる。電子を構成する電子の運動から、エネルギーを取り出す技術である。電子の運動は電磁波をつくりだし、ここから電波通信の技術が発達するようになる。アメリカでは正規が新しいエネルギーとして注目され、大規模な油田開発がはじまる。自動車産業の発達。そこで形成された「フォード主義」は現代的な資本主義生産のモデルとなる。

 

第7次革命: 原子力とコンピューターの開発。いずれも第二次世界大戦の刺激によって発達した技術である。コンピューターは電子の量子力学的ふるまいを、情報処理に利用した技術であるが、この技術がなければ、原子力のコントロールは、ほとんど不可能に近い。

 

これに続いて、経済に「太陽と緑」の次元を取り戻す

第8次自然エネルギー革命を提唱する。

 

 

人類の生き残りを賭けたエネルギー革命は進行する。

そしてより良いエネルギーのみが生き残る。

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-4

 

エネルギーの種類

 

現在用いられているようなエネルギーという概念が確立したのは19世紀後半のことである。

「エネルギー」という語はドイツ語Energie日本語に持ち込まれたもので、その語源となったギリシア語ἐνέργειαenergeia)は、ἐνεργόςenergos)に由来する。これは、en + ergon という構成の語で、en前置詞で、ἔργονergon、エルゴン)は「仕事」を意味する語である。ἔργονergon、エルゴン)に前置詞 en をつけた ἐνεργόςenergos)に由来する。つまり、「物体内部に蓄えられた、仕事をする能力」という意味の語である。エネルギーという概念は「仕事」という概念と深いかかわりがあるのである。

このように、エネルギーという語・概念は、物体が仕事をなし得る能力、を意味したが、その後、自然科学の説明体系が変化し、電磁気もエネルギーとされるようになり、さらに(20世紀初めには)、質量までがエネルギーの一形態である、とされるようになった。

また、エネルギーという用語は、エネルギー資源、つまり様々な分野に必要な動力の源のことも意味している。エネルギー資源の利用の構成は、何度かのエネルギー革命を経て変わってきている。最近では、一次エネルギー資源が枯渇性エネルギー再生可能エネルギーに分けて考えられるようになっており、世界で再生可能エネルギーへの移行が進行中である。

 

 

エネルギー資源

 

産業運輸・消費生活などに必要な動力の源のことをエネルギー資源と呼んでいる。

18世紀までは主要なエネルギー源は鯨油などであったが、19世紀の産業革命のころからそれらにかわって石炭水力石油が主に用いられるようになり、20世紀には核燃料が登場した。

最近では、一次資源が枯渇性エネルギー再生可能エネルギーに分けて考えられるようになっており、再生可能エネルギーの開発とそれへの移行が進行中である。

エネルギー消費の構成が急激に大きく変化すること、特に第二次世界大戦後の石炭から石油への急激なエネルギー源の転換などを指して、エネルギー革命と言う。

 

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人間の生存基盤であるエネルギー源の獲得は

地球の環境と資源の共存共栄なしには得られない。

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-5

 

エネルギーの法則

 

エネルギー保存の法則(エネルギーほぞんのほうそく、the law of the conservation of energy)とは、『ある孤立の中のエネルギーの総量は変化しない』とする(と主張する)法則である。エネルギー保存またはエネルギー保存則ともいう。熱力学第一法則と表現されることもある。

 

「昔から、「この世界(宇宙)では何かが保たれているはずだ」といった類の主張はなされていた。デカルトやライプニッツが、それぞれの仕方でこれを主張し、それぞれの支持者によって議論が長年に渡り行われた。19世紀の中ごろに、マイヤー、ジュール、ヘルムホルツらによって、それぞれ独立に熱と仕事の交換ができる(熱と仕事の等価性)という考え方が提案され、それの総量が保存されている、と主張された。

20世紀にアインシュタインによって、質量とエネルギーの等価性という考え方が提唱され、別の形での保存が主張されたが、その有効性や有効範囲については、疑問視されることも多かった。

現在では《エネルギー保存の法則》は、しばしば「最も基本的な物理法則のひとつ」と考えられている。多くの物理学者が、自然はこの法則にしたがっているはずだ、と信じているのである。」

 

「熱をエネルギーの一形態と考えエネルギー保存の法則(つまり熱力学第一法則)をはじめて提唱したのはマイヤーである。彼は1842年にそれを発表したが全く注目されなかった。しかしほぼ同時期にジュールが行った同様の研究はトムソン(ケルヴィン卿)の知るところとなり、彼らの共同研究から第一法則が明らかにされた。」

 

熱力学の法則

 

第零法則は、温度が一意に定まることを示している。

 

第一法則は、閉鎖された空間では外部との物質や熱、仕事のやり取りがない限り、熱(そしてエネルギー)の総量に変化はないということを示している。

 

第二法則は、エネルギーを他の種類のエネルギーに変換する際、必ず一部分が熱エネルギーに変換されるということ、そして、熱エネルギーを完全に他の種類のエネルギーに変換することは不可能であるということを示している。つまり、どんな種類のエネルギーも最終的には熱エネルギーに変換され、どの種類のエネルギーにも変換できずに再利用が不可能になるということを示している。なお、エントロピーの意味は熱力学の枠内では理解しにくいが、微視的な乱雑さの尺度であるということが統計力学から明らかにされる。

 

第三法則は、絶対零度よりも低い温度はありえないことを示している。

 

熱力学第一法則から、

「自発的変化は自由エネルギーが減少する方向へ進む」
「自由エネルギーが一定であれば系は平衡状態にある」

ことが導かれる。

 

熱力学的系

 

熱力学的系とは考えている世界の一部である。現実あるいは仮想の境界が系と残りの世界を分離する。その残りの世界は外界と呼ばれる。熱力学的系は境界の特徴により分類される。

  • 孤立系 - 外界から完全に独立した系。たとえば宇宙はその全体でひとつの孤立系である。
  • 閉鎖系 - 系と外界との間で熱の移動は許されるが、物質の移動は許されない。温室がその例である。
  • 開放系 - 系と外界との間で熱と物質ともに移動が許される。

 

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エネルギーを知れば世界の構造が見えてくる

世界はエネルギーによって形作られている

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-6

 

エネルギーの製造

 

生物内のエネルギー製造

 

ミトコンドリアがエネルギー作る仕組み解明  

1000分の1秒の速さで「扉」を開閉

 

生物が生命活動のエネルギーを作るため、細胞内の小器官ミトコンドリアが呼吸で取り込んだ酸素や水を変化させる仕組みを、兵庫県立大の吉川信也教授、村本和優准教授らのグループが解明した。

 


ミトコンドリアは二重の膜に包まれた構造で、水や酸素などを化学反応させ、エネルギー源となるアデノシン三リン酸(ATP)を合成している。吉川教授らは、内側の膜上で、酸素と水素イオンが電子をやり取りする反応を担う「チトクロム酸化酵素」に注目。牛の心臓からこの酵素を取り出し、大型放射光施設「スプリング8」で解析した。

その結果、まず酵素に含まれる色素「ヘム」の一種が内膜を通じて酸素をキャッチ、別のヘムから電子を受け取っていた。電子を失った側のヘムは、プラスの電荷を帯び、水素イオンを反発力で一気に外膜へと送り出し、ATP合成の燃料に変えていた。

ヘムには、水素イオンの通り道をふさぐ役割もあり、1000分の1秒の速さで「扉」を開閉。有害な活性酸素が発生しないよう制御していた。吉川教授は「想像以上に精密な働きをしていた」と話す。成果は米科学アカデミー紀要に発表した。

 

生物内のエネルギー代謝

 

「私達は食物から3大栄養素であるタンパク質、炭水化物、脂質を分解しその過程で生じたエネルギーと生体構成部物質を得て生命活動を維持しています。炭水化物は消化器系によってグルコース(ブドウ糖)にまで分解されます。グルコースは血液よって脳細胞や筋肉細胞に運ばれエネルギー源として消費される一方、肝臓に肝グリコーゲン、筋肉に筋グリコーゲンとして貯えられ、必要に応じて再びグルコースに分解されます。
 脂質は消化器系により脂肪酸にまで分解され、血液により筋肉細胞等に運ばれエネルギー源として消費される他に中性脂肪として身体中の脂肪細胞に貯えられ、必要に応じて再び脂肪酸に分解されます。
 また、タンパク質は消化器系でアミノ酸に分解され、血液により身体の各部に運ばれ各細胞で種々のタンパク質に再合成され身体を構成する材料になる他、余ったものはグルコースに変換されエネルギー源となります。消費されなかったグルコースは脂肪酸に変換されるので、結局余計に摂取した栄養素は最終的には脂肪として蓄積されることになります。

 

 

生物はエネルギー体であり、生物のもつエネルギー生産の仕組みを知る

エネルギー無くしては生物である人間の生存は不可能である

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-7

 

エネルギーの効率

 

エネルギー効率とは、広義には投入したエネルギーに対して回収(利用)できるエネルギーとの比をさす。狭義には、燃焼反応)させるエネルギーのうちどれだけのエネルギーが回収できるかという比率のこと

 

  

エネルギー変換効率

変換形態

入力
エネルギー

有効出力

効率 %

火力発電 (石炭)

化学

電力

40–43

コンバインドサイクル発電

化学

電力

50–60

CHPコージェネ

化学

電力、熱

65-75, <98

原子力発電

原子力

電力

33

水力発電

力学

電力

80–90

風力発電

力学

電力

< 59

太陽光発電

電磁波(太陽光)

電力

5–40

MHD発電 (電磁流体発電)

熱源

電力

<30

全世界の発電効率

すべて

電力

39

水の電気分解

電力

化学

70 

エネルギー変換機械・装置

燃料電池

化学

電力

30–70

熱電対

電力

3–8

蒸気機関

化学

動力

3–44

スターリングエンジン

化学

動力

10–66

オットーサイクル

化学

動力

10-37

ガソリンエンジン (自動車)

化学

動力

20-30

ディーゼルエンジン

化学

動力

< 50

2ストローク低速ディーゼル

化学

動力

55

電気モーター

電力

動力

20–99.5

自転車用ダイナモ

力学

電力

20–65

発電機

力学

電力

95–99.5

白熱電球

電力

電磁波(可視光)

3–5

蛍光灯

電力

電磁波(可視光)

28

LED

電力

電磁波(可視光)

5–25

送信機

電力

電磁波(電波)

30–80

高電圧送電

電力

電力

95

スイッチング電源

電力

電力

50–95

変圧器

電力

電力

50–99.8

インバータ

電力

電力

93–98

スピーカー

電力

音波

0.1–40

パルスジェット

化学

動力

?

タービンエンジン (航空機)

化学

動力

40

歯車ポンプ

力学

動力

< 90

熱源

キャンプファイヤー/囲炉裏/火鉢

化学

< 15

かまど/七輪

化学

ガスコンロ

化学

60–70

電気コンロ

電力

50–60

電磁調理器

電力

83

オンドル

化学

暖炉

化学

10–30

ガスヒーター

化学

80–90

石炭ストーブ (家庭用)

化学

30–50

石炭ストーブ (工業用)

化学

80–90

冷蔵庫

電力

(冷却)

20–50

太陽熱パネル

電磁波(太陽光)

< 85

簡易電気ヒーター

電力

< 98

自然界

光合成

電磁波(太陽光)

化学

35

化学

電磁波(可視光)

< 95

デンキウナギ

化学

電力

人間の骨格筋

化学

動力

20–30

その他

採炭から燃焼まで

化学

30–60

光合成によるバイオマスの生産からその燃焼まで

電磁波(太陽光)

化学

0.1–2.5

 

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

 

 

人間は様々なエネルギーを開発し、利用して生きている

エネルギーを利用するなら、エネルギー効率を知らなければならない

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-8

 

太陽のエネルギー

 

太陽はほとんど水素から構成されており、その化学組成は、粒子数でいうと、水素が92.6%、ヘリウム7.3%、他の元素の総計が0.1%である。中心部の水素の原子核、つまり陽子は、高温であるので、秒速300キロメートルの速度で激しく動き回っている。陽子はプラスの電荷をもっているので互いに反発しあう電気の斥力(せきりょく)が強く、陽子どうしが衝突しようとしてもなかなかできず融合しない。陽子がもっている運動エネルギーは、電気的斥力の壁を越えるのに必要なエネルギーの約1000分の1しかないが、量子力学的なトンネル効果によって一部の高速な陽子は壁を突き抜けて2個の陽子がより接近する状態となる。そのときには電気的斥力よりも100倍も強い核力が働き、2個の陽子が衝突して融合する。

 

太陽の中心核では、2個の陽子が衝突して重水素原子核をつくり、さらにこれに陽子が衝突してヘリウム3というヘリウム同位元素になる。そしてヘリウム3の原子核どうしが衝突してヘリウム4の原子核となる。結局、4個の陽子から1個のヘリウムがつくられる。陽子の熱運動によって反応をおこすので、この反応を熱核融合反応ともよぶ。このとき多量のエネルギーが発生し、γ(ガンマ)線が放射され、2個のニュートリノが放出される。ニュートリノは電荷をもたず、他の物質とはほとんど反応せず太陽の中を通り抜けて宇宙空間に逃げ去る。陽子1個の質量は原子質量の単位(1.66043×10-24g)で表すと1.00728であり、4個の陽子の質量は4.02912となる。一方ヘリウム原子核は4.00151であり、0.7%だけ質量が失われる。この消えた質量が、相対性原理から導かれる質量とエネルギーの等価原理から、エネルギーとして放出される。

 

1グラムの水素がヘリウムに変わる核融合反応では、およそ6300億ジュール、すなわち1キロワットのヒーターを連続して20年間も使うことができるエネルギーが発生する。1グラムの石炭を燃やした場合の約2500万倍である。太陽の中心核では、毎秒6億7000万トンの水素が燃え、その灰として6億5250万トンのヘリウムがつくられ、ここで失った質量に相当するエネルギーが、太陽を高温に保っている。太陽の全質量の10分の1が有効に核反応をおこすと考えられているが、現在の水素の消費量から推定すると、今後およそ50億年間燃え続けることができるとされている。

 

出典:Yahoo!百科事典

 

太陽の活動


黒点は温度が5500~4000度Cと周辺部よりも低くなった部分です。黒点では強い磁場が観測されています。この磁場のために内部からのエネルギーの放出が止まり、低温になって黒く見えるのです。黒点の数は、約11年の周期で増減しています。この周期は太陽全体の活動周期と一致しており、太陽活動が活発な時期には黒点も多く見られます。

黒点では、磁力線が太陽表面下から出てきて外層大気に向かって伸びていき、ふたたび太陽内部に戻っていきます。黒点の上空には、この磁力線によって低温になったコロナ物質が集まっています。これを「プロミネンス」といいます。プロミネンスは太陽の外縁部にあると明るく輝いて見えますが、彩層面を背景にすると暗く見えます。温度は7000度C程度です。

黒点の磁場が大きくはじける時には、「磁力線のつなぎかえ」という現象がおこります。この時の爆発現象がフレアとよばれるものです。フレアがおこると、太陽からの荷電粒子の流れである太陽風が強くなり、地球では磁気嵐がおこり、オーロラが出現しやすくなります。


太陽観測衛星SOHOが撮影した太陽の極紫外線画像
太陽観測衛星SOHOが撮影した太陽の極紫外線画像。太陽表面がはげしく活動しているのがわかります。
(写真:NASA)
太陽の黒点です。大きさは長径で地球10個分ほどもあります。
(写真:ぐんま天文台)
太陽の黒点
太陽フレア
太陽フレア。爆発によって太陽内部の物質が噴出してきます。
(写真:ぐんま天文台)
太陽観測衛星SOHOが観測した太陽の極紫外線画像。右上に巨大なプロミネンスがあらわれています。
(写真:NASA)
太陽観測衛星SOHOが観測した太陽の極紫外線画像
皆既日食で姿をあらわしたコロナ
皆既日食で姿をあらわしたコロナ。
(写真:百海 正明)

http://rikanet2.jst.go.jp/

 

 

太陽のエネルギーは巨大すぎて理解を超える

ガイヤのエネルギーの全ての起源は太陽にある

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-9

 

海洋のエネルギー

 

海水は96%(重量比)あまりが水だから、海水の物理・化学性質は水の性質に似ている。水は、ありふれた液体のようであるが、実は水銀と液体アンモニアと並んで特異な液体である。比熱、気化熱、融解熱、熱伝導率、表面張力はきわだって大きく、熱膨張率、圧縮率はきわだって小さい。海水の密度は温度、圧力、塩分で決まる。比熱が大きいので温度変化は小さいが、そのうえ、熱膨張率が小さいので温度変化に伴う体積変化、したがって密度変化が小さい。さらに圧縮率が小さいので、圧力変化に伴う体積変化・密度変化は小さい。密度変化が小さいので圧力変化も小さい。圧力変化が小さいので圧力差によって決まる地衡流は弱い。これが大気の流れ(風)よりも海水の流れがはるかに弱いおもな理由である。

飽和蒸気圧はほかの液体に比べてかなり小さいので海水は蒸発しにくい液体であり、その体積は短い時間で大きく変わることはない。海面からの水の蒸発は少ないけれども、気化熱(潜熱ともいう)はすべての物質のうちで最大なので、蒸発に伴って海から大気に出てゆく気化熱は大きい。この気化熱が大気の重要なエネルギー源となっている。

 

出典:Yahoo!百科事典

 

海洋再生可能エネルギーは、洋上風力と海洋エネルギー(波力、潮汐、潮流、海洋温度差、塩分濃度差など)を合わせた言葉である。この海洋再生可能エネルギーへの取り組みは、宇宙開発と同様、フロンティアへの挑戦といえる。

 

海洋エネルギーとは、波の上下動、海流・潮流等の流れ、潮の満ち引きによる、位置エネルギーや回転エネルギー等のことである。これらのエネルギーを利用して水車を回す発電方法は、複数ある(図表1)。水は空気よりエネルギー密度が高く、海流・潮流等は比較的安定しているため、風力発電に比べて発電効率が高い。

図表1 海洋エネルギーの種類と特徴

 

 

海洋エネルギーの利用は人類のフロンティアへの挑戦である

「母なる海」の意味を問い直し、海洋からガイヤの恩寵を受ける

 

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-10

 

大気のエネルギー -1

 

地球の大気: earth's atmosphere)とは、地球の表面を層状に覆っている気体のこと。地球科学の諸分野で「地表を覆う気体」としての大気を扱う場合は「大気」と呼ぶが、一般的に「身近に存在する大気」や「一定量の大気のまとまり」等としての大気を扱う場合は「空気(air)」と呼ぶ。

大気が存在する範囲を大気圏(たいきけん)、その外側を宇宙空間という。大気圏と宇宙空間との境界は、何を基準に考えるかによって幅があるが、便宜的に地表からの高度80kmから120kmあたりとされている。

 

国際宇宙ステーション(ISS)から見た日没時の地球の大気。対流圏は夕焼けのため黄色やオレンジ色に見えるが、高度とともに青色に近くなり、さらに上では黒色に近くなっていく。

 

地球大気の「進化」

 

地球が誕生した46億年前頃の原始大気: primordial atmosphere)は、主にヘリウム水素からなり、高温高圧だった。これは現在の太陽の大気と似た成分である。また、水蒸気も含まれていて、その温室効果が原始地球を高温高圧に保っていたという説もある。しかし、これらの軽い成分は、原始太陽の強力な太陽風によって数千万年のうちにほとんどが吹き飛ばされてしまったと考えられている。

やがて、太陽風は太陽の成長とともに次第に弱くなってくる。この頃には、地表の温度が低下したことで地殻ができ、地殻上で多くの火山が盛んに噴火を繰り返していた。この噴火にともなって、二酸化炭素とアンモニアが大量に放出された。水蒸気と多少の窒素も含まれていたが、酸素は存在しなかった。この原始大気は二酸化炭素が大半を占め、微量成分として一酸化炭素、窒素、水蒸気などを含む、現在の金星の大気に近いものであったと考えられている。100気圧程度と、高濃度の二酸化炭素が温室効果により、地球が冷えるのを防いでいたと考えられている。

古い変成岩に含まれる堆積岩の痕跡などから、43 - 40億年前頃に海洋が誕生したとみられる。この海洋は、原始大気に含まれていた水蒸気が、火山からの過剰な噴出と温度低下によって凝結して、として降り注いで形成されたものであった。初期の海洋は、原始大気に含まれていた亜硫酸塩酸を溶かしこんでいたため、酸性であったが、陸地にある金属イオンが雨とともに流れ込んで中和されたと考えられている。中和されると二酸化炭素が溶解できるようになるため、原始大気の半分とも推定される大量の二酸化炭素を吸収していった。水蒸気が紫外線を受けて光解離することで酸素が生成されてはいたが、などの酸化によりすぐに吸収されたため、大気中にはほとんど残らなかった。

やがて生命が誕生し、二酸化炭素と自ら光合成を行う生物が誕生すると、それらは水を分解して酸素を発生するようになる。さらに、二酸化炭素が生物の体内に炭素として蓄積されるようになり(炭素固定)、長い時間をかけて過剰な炭素は化石燃料、生物のからできる石灰岩などの堆積岩といった形で固定される。植物が現れて以降は酸素が著しく増え、二酸化炭素は大きく減少する。大気中の酸素は、初期の生物の大量絶滅とさらなる進化を導いた。

また、酸素は紫外線に反応しオゾンをつくった。酸素濃度が低かったころは地表にまで及んでいたオゾン層は、濃度の上昇とともに高度が高くなり、現在と同じ成層圏まで移動した。これにより地表では紫外線が減少し、生物が陸上にあがる環境が整えられた。

 

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

 

奇跡のように地球が生まれ、その地球上の生物を守るため大気オゾン層がある

「父なる大気」である大気のエネルギーにより人類の生存が守られる

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-11

 

大気のエネルギー -2

 

 

MODISで可視化した地球と大気の衛星映像

 

大気の垂直構造

 

電離層 (Ionosphere
大気中の原子分子が主に紫外線を受けて光電離し、イオンが大量に存在している層。中間圏と熱圏の間にあたる60km - 500km付近に存在する。
オゾン層 (Ozonoshpere)
高度約10 - 50km。成層圏の中にある。
磁気圏 (Magnetosphere)
地球磁場太陽風の圧力がつり合う境界の内側。高度1,000km以上。太陽側は高度6 - 7万km、太陽とは逆側に100万km以上の尾を引く。電離圏とは磁力線でつながる。
磁気圏の中で地球に近い内側領域には太陽からの高エネルギー荷電粒子の密度が高い領域があり、これをヴァン・アレン帯 (Van Allen radiation belts)という。放射線の放出が強い。特に赤道上空で顕著。
プラズマ圏 (Plasmasphere)
低温のプラズマがほぼ地球の自転とともに回転している、赤道で高度2万km程度以下の領域。
均質圏 (Homosphere)
大気成分が均質な層。地表から80 - 90km付近まで。この外側を非均質圏 (Heterosphere)といい、高度が上がるにつれて分子量の大きい成分から順に減っていく。分子量に応じて各分子が持つスケールハイトに対応して気体が分離し、約170km以上では酸素が主成分、約1,000km以上ではヘリウムが主成分、さらに外側の数千km以上では水素が主成分というふうに変遷していく。2つの境界を均質圏界面(Homopause)という。
乱流圏 (Turbosphere)
乱流による分子の拡散が分子自身の熱運動による拡散を上回っている層。地表から100 - 110km付近まで。この外側を拡散圏 (Diffusosphere)といい、熱運動による拡散が上回っている。2つの境界を乱流圏界面 (Turbopause)という。

 

大気の水平構造

 

地球の大気は、太陽放射の量が最も多い赤道と最も少ない極との間での輸送を担っており、これにより水平方向に循環構造を持っている。大きく分けて、対流圏の循環と中層大気の循環の2つがある。

対流圏の大規模な循環は、3つの風系が北半球と南半球にに1セットづつの計6つの風系からなる。赤道を挟んだ低緯度には、地表加熱による上昇気流を原動力としたハドレー循環があり、地表では熱帯収束帯と呼ばれる上昇気流の中心線に向かう北東・南東の貿易風が吹く。極を中心とした高緯度には、地表冷却による下降気流を原動力とした極循環があり、地表では極高圧帯から周囲に吹き出す北東・南東の極東風が吹く。中緯度には、間接循環のフェレル循環が存在する。年平均の風向を見ると、熱帯収束帯で上昇した空気が下降してくる亜熱帯高圧帯から高緯度低圧帯に向かって風が吹いているように見えるが、実際には温帯低気圧や移動性高気圧により南北の風向は変化が大きく、それよりも西寄りの偏西風が特徴的である。中緯度では、偏西風の南北蛇行である傾圧不安定波により熱が低緯度から高緯度へ輸送されている。

対流圏ではこれよりも小さな循環が存在する。赤道付近では、太平洋西部で上昇気流、インド洋・大西洋や太平洋東部で下降気流が強く、これをウォーカー循環という。また、大陸と海洋の間で1年を周期に風向が変化する季節風も循環構造を持っている。

中層大気では、低緯度上空や夏の極上空で上昇気流、冬の極上球で下降気流が強く、これをブリューワー・ドブソン循環という。

 

大気の成分

 

地表付近の大気の主な成分は、比率が高い順に、窒素が78.1%、酸素が20.95%、アルゴンが0.9%、二酸化炭素が0.04%である。水蒸気は最大4%程度になるが1%を下回ることもあり、場所や時間によって大きく変動する。水蒸気の影響を除くため、一般的に地球大気の組成は「乾燥大気」での組成で表される。

二酸化炭素、オゾンのほかいくつかの微量成分の濃度も場所や時間によって大きく異なる。地表にそれらの気体の発生源や吸収源が存在するためで、例えば二酸化炭素は、空間的には都市で濃度が高く、時間的には植物の活動が活発化するに濃度が減少する[注 2]。なお二酸化炭素、メタン一酸化二窒素六フッ化硫黄フロン類などの温室効果ガスの濃度は、20世紀中盤以降増加を続けていて、気候変動研究などを目的に監視が続けられているいる[5]。また、排気ガスなどに含まれ大気汚染を引き起こす二酸化硫黄窒素酸化物一酸化炭素炭化水素などいくつかの気体成分は、固体の浮遊粒子状物質などとともに常時測定が行われており[6]日本では高濃度になった際に都道府県大気汚染注意報を発表して排出制限や住民への注意の呼び掛けを行う。

なお、水蒸気、二酸化炭素、オゾンは地表付近に発生源があるため、鉛直方向でも比率が大きく変化する。これら以外の主成分は、高度上昇とともに気圧が下がっても比率は一定で、中間圏界面の上高度90km付近まではほとんど変化しない。

 

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

 

地球の大気は微妙なバランスによって保たれている

生物生存の基盤である大気構造を知らなければならない

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-12

 

空気とは

 

空気: air)とは、地上で暮らす人類のまわりにある無色透明気体のこと。つまり、地球大気の最下層を構成している気体のことである。

空気は、複数の気体の混合物であり、その組成はほぼ一定であり、約8割が窒素、約2割が酸素である。密度としては、気象状況による変動もあるが、おおむね1 cm²あたり約1 kgfの圧力を及ぼす空気が存在している。

 

空気の物性

 

乾燥した空気1 L重さは、セ氏0度、1気圧のときに1.293 gである(この1 Lという単位で見ると、この重さは一見小さいようであるが、垂直に数十kmも積み重なることで、大きな重さ(圧力)となる。また、風速(空気の移動速度)が大きくなるにつれ、衝突する空気の総量が増えることで、大きな風圧が生じることになる。帆船ヨットウィンドサーフィンなどはこれを利用して大きな推力を得ているわけであるし、台風などでは巨大な破壊力となる)。

 

  密度(0 ℃ 1 atm)    1.293 kg/m3

  平均モル質量      28.966 g/mol。

  膨張率(100 ℃ 1 atm)  0.003671 /K

 

空気の成分

 

地球の大気の成分で、最も変動するのは水蒸気だが、それを除いた乾燥空気の成分は、場所季節時刻ではほとんど変化しない。ただし、(*)を付けた成分は、生物産業活動・光化学による合成・分解により、多少変動する。

 

乾燥空気の主要成分
成分  化学式   体積比(%)  重量比(%)
窒素  N2   78.084  75.51
酸素  O2   20.9476  23.01
アルゴン  Ar 0  0.934 0 1.286
二酸化炭素  CO2 0  0.032* 0 0.0314*

 

 

空気の理解史

 

古代ギリシャではすでに、空気は4つの元素四大元素)の1つとされた(四元素説)。この考え方は中世ヨーロッパにも継承された。近代的な元素の概念が生まれた後も、相当期間、空気は元素の1つと考えられていた。空気とは性質が異なるさまざまな気体が発見されたが、それらは空気の化合物混合物だと考えられた。

18世紀になると、アントワーヌ・ラヴォアジエが、空気が酸素窒素の混合物であることを示し、空気を元素とは考えなくなった。

 

現代の気象学においては「風」とは、地球上の大気の流れを意味している。厳密には、地面に対して水平方向の流れ(水平風)のみを指し、垂直方向の流れ(鉛直風)は上昇気流または下降気流というが、一般的には分けないことが多い。ただ、日常において風は水平方向に吹くことが多いため、風といえば普通は水平方向の風を指す。

 

空気と風

 

 

 

風は、風向と風速の2つの要素に分解してとらえることが可能である。

風向は、0度から360度までの方位で表されるが、通常は16方位で表す。風向に関してはしばしば勘違いが起こるが、「北東の風」は北東から吹いてくる風のことで、観測者を中心に見ると北東から南西に向かって吹く風を示す。

風速は、日本では秒速 (m/s) で表すのが普通であるが、国際的にはしばしばノット (kt) がよく用いられる。また、風速は0~12の13段階に分類された「風力」として表現されることがある。

気象学上風を物理量として扱わなければならない場合は、この2要素を用いる。ただ、これは風が水平方向にしか吹かないと仮定した場合の表現であり、垂直方向の風は表現できない。垂直方向の風を表現する際は、鉛直p速度というものを用いる。

 

風の原因

 

物理学的には、場所による気圧の不均一を解消しようとして発生するのが風だと解釈できる。気象学では、「風は気圧傾度力によって発生する」と表現する。

気圧の不均一や気圧傾度力が生まれる根本的な原因は、地球上において、場所によって太陽エネルギーの分布(≒温度)が異なるためである。日光の当たり具合や地表の温まりやすさの違いが、島や大陸といった巨大なスケールで存在すると、気圧が不均一になり、数千km規模の高気圧低気圧が生まれる。高気圧から低気圧へと流れる空気が、「風」の主因となる。

気圧の不均一・気圧傾度力が大きいほど、風は強くなる。天気図で言うと、等圧線の間隔が狭いほど風は強い。ただ、高気圧・低気圧の風は長い距離を流れるため、コリオリの力遠心力を受けて回転を伴う風となる。これを地衡風傾度風という。風の回転を物理量として表現する際には、風向・風速では不十分なので渦度を用いる。

 

風に作用する力

 

気圧傾度力以外で、風に作用する力には以下のようなものがある。その場所その時の風によって、働く力や大きさは異なる。

  • コリオリの力(転向力) - 水平方向の大きさが数百~数千kmと大きな風(低気圧や高気圧に伴う風)に働く。
  • 地表との摩擦力 - 地表付近を流れる風に働く。上空に行くほど小さくなり、高度約1km以上ではほとんど無視して考えてよい(自由大気層)。鬱蒼とした森林の中や建物が密集したところでも強く働き、風の様子を大きく変える。
  • 風自身の回転による遠心力 - 竜巻台風の中心などの場合はこの力が大きくなる。台風の目は風に働く遠心力が大き過ぎるために生じ、目の中では強い上昇気流が吹いている。
  • 地球の引力(重力) - 重力は、密度が高く温度が低い空気ほど大きく働く。上昇気流・下降気流に関しては大きな影響力がある。水平風でも、重力波の風などには大きな影響を及ぼす。重力は、裏を返せば密度の低い空気に働く浮力と考えることもできる。

 

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

 

空気による風は地球のもつエネルギー源である

人類による有史以前から、空気エネルギーを利用してきた歴史に学ばなければならない

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-13

 

空気利用-1

 

空圧

 

空圧: Pneumatics)は、科学工学分野において、圧縮空気を用いて装置駆動する方式である。: Pneumaticsは、ギリシャ語で風を意味する πνευματικός pneumatikos から由来している。

空圧にあたる言葉は西暦60年アレクサンドリアのヘロンに最初に登場しているが、それ以前から知られていた機構である。

 

ファイル:Table of Pneumaticks, Cyclopaedia, Volume 2.jpg

 

空圧機器の一覧, サイクロペディア,1728年より

 

概要

 

空圧とは、大気コンプレッサーによって加圧・圧縮し、その圧力や膨張力をエネルギー源として機器を動かす装置群である。往復運動するピストン、回転運動するモーター、空気の流体としての運動を利用した粉体輸送システム、さらには圧縮空気によって汚れ・埃を吹き飛ばす清掃などに用いられる。

 

特徴

 

空圧は油圧と同様流体の力を応用しているが、油圧と比べて低い圧力で使用される。油圧が高負荷・高圧・重装備であるのに対し、空圧は低負荷・低圧・簡便な設備でかつ火災の心配が少ない安全な方式である。大部分の工業用空圧機器は、0.5 - 0.7MPa(5気圧 - 7気圧、80 - 100psi)で動作する。油圧では、一般的に7 - 35MPa(70気圧 - 350気圧、1,000 - 5,000psi)が用いられ、ときには70MPa (10,000psi) を超える用途もある。

 

空圧の長所

  •  
    • 動力源がコンプレッサーであり、設備が安価で使いやすい。
    • 圧縮空気タンクなどによって、エネルギーの貯蔵が容易に実現できる。
    • 駆動に用いられる流体が軽量かつ比較的低圧であるので、配管やホース類が簡便である。
    • 装置の速度は流量調整弁、装置の出力は圧力調整弁で容易に調整できる。また流体の粘度が低いため高速運転が可能。→たとえば歯科医の空圧ドリルは30万rpmで回転する。
    • 駆動に用いられる流体が基本的に単なる空気であるので、油圧のような流体を戻すラインが不要。
    • 流体が空気なので漏れても周囲を汚染する心配もない。
    • 空気は圧縮できるので、装置が衝撃で壊れることが少ない。つまり、空気が過剰な力を吸収してくれるので、油圧のように力が直接伝わることウォーターハンマーが無い。
    • 空気を使うため、油圧に比べて火災の危険性が殆ど無い。揮発性の危険物を取り扱う施設では、コンプレッサーは別室に設置して、危険物エリアでは空圧ポンプを使用する例がよくみられる。
    • 油圧ではオイルのメンテナンスが必要であるが、空圧では不要。
    • 鉱山等の環境では空圧機器を使用する事で空気を補給する事もできる。

  空圧の短所

  •  
    • 高負荷が求められる場合には不向き。
    • 空気は圧縮・膨張するため、微妙な速度制御や同期運転が困難。例えば油圧ではシリンダーによる位置制御が可能であるが、空圧では困難である。
    • 使用後の空気放出時の音が大きい。これはサイレンサーの設置である程度カバーできる。
    • 油圧や水グリセリン圧機械に比較して漏れが大きい。また、漏れによる排出空気に含まれている潤滑油オイルミストによる汚染の問題(オイルレスシステムを除く)が比較的大きい。
    • 圧縮空気から取り除かれた水分は定期的にドレイン抜き(タンク容量の圧迫と非効率化、タンク内面の錆びのため、こまめなメンテが必要)し、エアーフィルターも定期的な清掃が必要。
    • 空気は圧縮性があるためコンプレッサーを停止しても圧力が残っており装置は稼働できる。そのため停止後の誤操作による事故の可能性がある。また万が一の時の爆発のおそれがある。メンテナンス時には圧力抜きの確認が絶対必要。

 

システム

 

空圧装置は圧力源装置、空気清浄化機器、潤滑装置、制御機、アクチュエイター(空圧作動機器)で構成される。

圧力源装置は主に電気モーターによるコンプレッサー、圧縮された空気の温度を下げるアフタークーラー、エアータンクで構成される。アフタークーラーは圧縮により高温になった空気を冷却する。エアータンク中では水分が凝縮して溜まるため、底にドレイン弁があり、自動的または手動により定期的に排出される。空気清浄化機器はエアードライヤーとエアーフィルターがある。エアードライヤーは圧縮空気を露点以下に冷却して空中の水分を結露させて乾燥空気を作る、結露した水は自動的に排出される。エアーフィルターは水以外の埃などを除去するが、定期的な清掃が必要である。エアードライヤーはコンプレッサーとエアータンクの間に設置されることが多い。エアーフィルターは空気配管中の各所に設置される。潤滑装置はアクチュエイターに必要な潤滑油を空気中に細かい粒状にして混入させる装置でルブリケーターとも呼ばれ、アクチュエイターの直前に設置される。制御機は圧力や空気の方向や流量を調整する制御弁からなる。アクチュエイターは圧縮空気のエネルギーを利用して、往復運動(空圧シリンダー)、回転運動(空圧モーターやタービン類)、粉体輸送などの作業を行う。

 

応用

 

空圧は、さまざまな形態で用いられる。歯科では、同じ出力の電気ドリルに比べ、空圧ドリルのほうが軽く速くシンプルになる。例えば、動力を供給するコンプレッサーがドリルと分離でき、送られてきた圧縮空気でドリルの先を超高速で回転させることができる。空圧による移送システムは多くの工業で粉体デバイスを移動させるのに用いられている。空送チューブは、物体を長い距離移動させることができる。空圧機器は、爆発性粉塵ガスが存在しうる地下深い鉱山のように、安全上の理由で電気モーターが使えないところにも用いられる。

空圧機器(アクチュエイター)の例としては、以下のようなものがある。

 

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

 

 

人類による空気利用の歴史は古く多くの用途に利用されている

自然エネルギーとしての空気に新たな視点で注目する

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-14

 

空気利用-2

 

空気バネ

 

空気バネとは圧縮空気の弾力性を利用したバネ装置である。エアサスペンションair suspension, エアサス)などに利用される。

 

特徴

 

非線形特性である。ばね定数(ばねレート)は可変。共振し難い。

気体の性質としてボイルの法則がある。「一定温度下で気体の圧力と体積は反比例の関係にある」というもので、気体を2分の1の体積まで圧縮すると圧力は2倍になる、すなわち反発力も2倍になる。その性質を利用したのが空気ばねで、人や荷物を積んだ時は圧縮されるので反発力が上がり、それらをおろすと元の反発力に戻る。そのため平常時はそうとうに軟らかいばねレートを設定でき、積載時はどれだけ圧縮しても気体はなくならずより強い反発力を得られることから、乗り心地は悪化しても容易にボトミングすることもない。また、金属の弾力性を利用する金属ばねでは吸収しきれない、微細な振動をも減衰できる。空気の量を変えることで任意にばねレートや車高を設定できるが、空気源や弁装置、車高のセンシングが必要で、システムとしては複雑になる。

 

用途

 

・自動車

 

主にバストラックに採用されている。乗り心地を重視する観光バス高速バスでは標準装備となっている。

路線バスやトラックでは、構造がシンプルで廉価な板バネ(リーフ式サスペンション)が主流だったが、路線バスでは1990年代からバリアフリー化の進展による乗降性改善のために車高調整機能を備える必要があり、ノンステップバスに代表される低床車を中心に採用車種が増えている。バスでは乗降時に空気バネの空気を抜くことで車高を下げる機能を備えており、路線バスの場合は扉が複数有ることが多いため、前輪、後輪とも扉側の空気バネをパンクさせる機構が採用されている。これは、人が片ひざをつく姿勢になぞらえて、「ニーリング機能」と呼ばれている。観光バスや高速バスでは乗降口が前扉のみのものが多く、前輪の空気バネを左右ともパンクさせることで前方が下がることから、「クラウチング機能」とも呼ばれる。もちろん車高を下げるだけでなく、段差を越える場合や道路条件が悪い場合に車高を上げ、接地を防ぐ機能も有するが、速度が制限される。また、全ての空気バネをパンクさせることも出来る(フェリーに乗せるときに使用し、通常は使用しない。その状態では走行不可)。 トラックでは走行中の荷物の損傷を抑え、荷役時に車高調整機能を利用して荷台をスロープ状にできることから、バンボディの中型・大型車を中心に装着されている。後車軸が2軸1デフの場合は、デフのある後前軸の空気バネの内圧を後後軸より高くすることで、軸重(1軸当たりの負担重量)を上げ、発進時に大きなトラクション(駆動力)を得る機能を備えることもできる。

空気バネの構造で「2バッグ式」と「4バッグ式」という呼び方を用いることがある。これは1つの車軸に対して空気バネのダイヤフラム(=バッグ)をいくつ用いているかを表し、2バッグ式は左右1個ずつ、4バッグ式は車軸の前後に2個ずつ備えている。4バッグ式は、ひとつあたりのばね定数を下げることができ、乗り心地や振動の減衰にメリットがあるが、高価となるため、コストを抑える場合は2バッグ式が採られる。前軸は荷重負担が少ないことと、ステアリング機構にスペースが割かれるため、バスも含めて2バッグ式が標準となる。従来の空気バネ付きトラックでは、後軸のみを空気バネとし、前軸は板バネのままの車種が多かったため、前後ともに空気バネを採用する場合は、「総輪エアサス車」(フルエアサス車)と称して区別することがある。

空車時の接地荷重の減少を防いだり、カーフェリー等において軸数に対する運賃を軽減させるために、非駆動軸(デッドアクスル)の一部を持ち上げる「エアリフトアクスル」用のエアバッグを装備するものもある。

また、車種は多くないものの、一部の高級乗用車SUVにも用いられている。

同じく圧縮された気体を利用するものに、シトロエンの「ハイドロニューマチック」があるが、これは、窒素ガスの反発力をばね力に、油をばね力の伝達と減衰に使用している。この方式では、窒素ガスは密閉容器に封入されており、専用の作動油を出し入れすることでばね力と車高の調節を行う。

近年では乗用車用としてミニバンローライダーと呼ばれるジャンルの改造車(古いシボレーなどのアメリカ車やホンダ製セダン等をアメリカ西海岸で行われているような改造を施した車)、VIPカーやスポーツカーなどを中心として後付けでエアサスにすることが出来るキットが発売されている。しかし純正のものと違い、エアタンクの水抜きを始めとしたこまめなメンテナンスが必要である。また、車高の調整が室内から行えるようにした場合は車検に通らないため注意が必要である。最近では車高の低いスポーツカーのために、車高調整式サスペンションのアッパーマウントの場所に取り付けるサブとしてのエアサスも発売されており、段差などクリアランスが求められる場面で用いられる。

テレスコピックショックアブソーバーに似た構造のケースに高圧の窒素ガスを封入したガススプリングと呼ばれる部品は、跳ね上げ式のバックドアの開閉を補助し、開いたドアを支えるなどの用途に用いられている。高級車では車内のグローブボックスなど収納スペースの蓋にまでガススプリングを使用したものもある。

 

・鉄道車両

 

客車貨車気動車電車の別なく路面電車モノレールから新幹線に至るまで広く採用されている(国鉄では急行形特急形201系以降の通勤形キハ66/67117系以降の近郊形に採用)。鉄道では古くからブレーキシステム作動に圧縮空気を使用していたため、ブレーキ用の空気圧縮機や配管などを空気バネの作動にも流用できるメリットがあった。

初期の試作的なものをのぞいてほとんどが台車枕バネ部に使用され、ベローズ式(ゴム筒の中間に何本かの金属線条を通した形状が提灯を連想させることから「提灯バネ」とも通称される)およびダイヤフラム式(外部からは金属製の椀を伏せたような形、またはゴムまりを上下から押し付けたような形に見える)などの構造がある。

ベローズ式はもっぱら上下方向の弾性支持を行なうべく開発され、鉄道車両用としては初期のものから採用された機構であるが、その構造上の特性から横剛性は非常に低い。ダイヤフラム式はベローズ式の持つこの弱点を解決すべく、横方向についても復元力を持たせた改良型と位置付けられる。

心皿を排したボルスタレス台車では、台車の回転方向の移動も空気バネのねじれ・変形によって実現するため、ダイヤフラムの横剛性をボルスタ付台車よりも引き下げた低横剛性空気ばねが使われる。

空気バネ台車では一般に枕バネのバネ定数を引き下げてやわらかいバネを得、なおかつ通勤電車などでの極端な空積差が発生する環境でも十分な空気バネ作用を得るため、空気容量を増大させる目的で、台車枠内などに補助空気室を構成して空気バネと直結させる。これにより、急激な荷重増大などの際にも十分なバネ作用を可能とし、またこの補助空気室と空気バネの間に配管がある場合は絞り弁、直接接している場合は絞り穴と呼ばれる空気の流量を制限する機構を介在させることで、振動減衰作用のない空気バネにおいてオイルダンパなどの併用なしでの振動減衰を実現している。

さらに、時々の荷重の空積差に対応し、空気ばねの空気圧を自動的に調整して車両の高さを一定に保つ自動高さ調整弁を設置して必要に応じて給排気を行い(空気源は空気圧縮機で作られた圧縮空気を元空気溜め管経由で送られる)、左右の空気ばねの空気圧差が過大となった場合に平衡を保つため、左右の補助空気室間を空気管でつなぎ、その途中に差圧弁と呼ばれる圧力調整弁を設置している。

 

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空気利用のシステムは身近にある

自然エネルギーとしての空気の利用範囲は広い

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-15

 

空気利用-3

 

圧縮空気車

 

圧縮空気車 (compressed air car) は、圧縮空気内燃機関動力とする自動車のことである。単に空気自動車 (air car) とも。走行中に空気以外の排気ガスを出さない。タタ・モーターズインド)、MDIフランス)を含む複数の企業で、試作車の開発が推進されている。

 

機構

ガソリンディーゼルなどの動力は、燃料と混合して燃焼しにより膨張したガスでピストンを駆動させることにより発生する。対して空気自動車の動力は、タンクに貯蔵した圧縮空気をそのまま膨張させることにより、ピストン、あるいはタービンを駆動させることにより発生する。

圧縮空気を貯蔵するタンクに関しては、すでにISO規格が存在する(ISO 11439)。それによると、軽量化のため炭素繊維が用いられ、30MPaの圧縮空気を貯蔵することが求められる。

ガソリンディーゼル燃料と同規模の単位体積あたりのエネルギーを貯蔵する場合、供給圧力が最初と最後で大きく変動するので、電気自動車と同じようにレギュレータを必要とする。

 

長所

  • 車体を軽くできる(少ないエネルギーで車体を動かせる)。
  • 高価な素材をほとんど使わない。
  • 電気自動車のように電池やモーターに使うレアメタルが不要
  • 走行時のCO2NOx排出量がゼロ。
  • 製造コストが安い。
  • 既存技術の組み合わせだけで実現できる。
    • 高圧空気タンク、エンジン、コンプレッサーなど必要な部品はすでに市販品で長い実績のあるものが存在しているため新しく技術開発する必要がなく、開発製造が容易である。

短所

  • 現状の電気式エアコンプレッサーを使って圧縮空気を作る場合はエネルギー効率がガソリン車より少し良い程度でCO2排出量の削減に大きく貢献するとは言い難い。(効率のよい圧縮空気製造方法を生み出す必要がある)エネルギーコストとして見た場合、日本では電気でコンプレッサーを動かして圧縮空気を作る場合、ガソリン税などの税金まで含めたコストとして見れば同じエネルギーを得るのに必要なコストはガソリンより安くなる。
  • FRP樹脂のボディの場合、安全性に問題。
  • 現状のタンクでは航続距離が200km程度であり、航続距離伸ばすためには圧縮空気スタンドの普及、圧縮空気タンクの拡大・複数化や小型エンジンとのハイブリッドにする必要がある。
  • 日本の場合1MPa以上の圧縮空気は高圧ガス保安法により高圧ガスとして扱われ、空気を充填する作業が高圧ガス製造とみなされる。圧縮空気スタンドは高圧ガス保安法による法規制を受けるため設置場所が限られ、高圧ガス製造保安責任者が必須となる。
  • 圧縮空気タンクの定期点検が必要となる。高圧ガス装置となるためメンテナンスには普通の自動車整備士とは別の資格が必要になり、整備技術者の確保が問題になる。
  • 交通事故などで車が爆発して搭乗者や周囲の人間を死傷させる危険性がある。30MPaの圧縮空気が充填された高圧ボンベが破裂した場合は爆弾のように爆発する危険があり、高圧空気タンクの爆発による死傷事故は実際に起きている。
  • 気温による影響が大きい、高気温では空気ボンベの内圧が高くなり危険なため安全装置が必要になるが、これは高温地域では燃料が勝手に漏れて行くことになる。逆に氷点下の地域では空気が十分に膨張せず出力や走行距離が低下する。
  • 車内の冷暖房装備などに回すエネルギーの余裕が小さく、エンジンの熱源が無いため暖房装置を使うには別途燃料が必要になるか、空気で発電機を回す必要がある。

 

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エネルギー源としての「空気」を知る-16

 

空気利用-4

 

圧縮空気

 

圧縮空気(英:Compressed air)とは加圧することにより体積を縮小させた空気である。圧搾空気(あっさくくうき)ともいう。圧縮された空気の圧力と大気圧の差により発生する力を利用して鉄道車両ドアなどの自動開閉装置空気ブレーキ原動機エアブラシなどに利用されている。これらの圧縮空気を原動力とした機械空圧機械と呼ぶ。また液体や粉末の散布などに広く利用されている。

 

生成方法

 

機械式

圧縮機を使用して圧縮空気を生成する方法。圧縮機の動力には電気モーターまたは内燃機関等が使用される。工場などで据え置きの場合には運用コストが安い電動モーターが多く使われる。化学消防車等、野外で粉末を散布するような用途には内燃機関が使用される。また化学プラント等の、停電時でも動作する必要がある装置装置を制御する空圧機械に使用する場合にも内燃機関が使用される。

 

手動式

人力で圧縮機または空気ポンプを動作させて、圧縮空気を生成する方法。手で動作させる方法と足踏み式がある。農業などで使用する小型の粉末や液体を散布する装置や玩具等で使用される。

 

供給方法

 

組み込み方式

圧縮空気を必要とする装置の内部に圧縮機を組み込む方式。

 

配管方式

金属製のパイプ及びゴムホース等を利用して圧縮空気を供給する方法。大きな出力や精密な制御を必要としない複数の装置の動力源として圧縮空気を使用すると、圧縮機が一つで済むため運用コストが安くなる。工場で広く使用されている。

 

カートリッジ方式

圧縮空気をカートリッジや小型のタンクに閉じこめて供給する方法。ダイビングや空気銃などに使用される。殺虫剤や化粧品などに使用されるスプレー缶のほとんどはエアロゾルを利用したものであり、圧縮空気とは異なる。

 

圧縮空気の応用

  • 動力用
漏電や放電などが火災及び爆発などの災害を引き起こす可能性が高い工場において、電気を利用した動力の代わりに使用される。また食品加工などの工場において大量の水を使用する行程では簡易な防水で済む空圧機械が使用される場合が多い。
  • 洗浄用
空気を吹き付けて、ゴミなどの不要な付着物を除去するために圧縮空気が使用される。

   

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

 

 

自然エネルギーとしての空気を再認識しなくてはならない

地球環境から生成される空気利用こそ究極エネルギー源である

 

 

エネルギー源としての「空気」を知る-17

 

日本の風力発電、「超大型」と「小型」で世界に再挑戦

 

2013/7/18 7:00  日本経済新聞 電子版より引用

 

世界での風力発電システムの導入が順調に伸びる中で、出遅れていた日本のメーカーもようやく走り始めた。風車の超大型化をきっかけに大幅な技術革新が求められており、周回遅れを挽回し、世界に再挑戦するチャンスが生まれている。日本国内の市場でも“氷河期”からの雪解けが始まりそうだ。風力発電システムは、航空機や電気自動車(EV)などと技術的に近い関係にある。国内でも太陽光発電のように市場が盛り上がれば、部品・部材の大きなすそ野産業が花開く可能性が高い。

 

 風力発電システムで利用する風車の大型化とそれに伴う技術革新が止まらない。風力発電では、風車が大型になるほど、1kWh当たりの発電コストが低減するため、風車メーカーが競って大型化を進めてきた(風車の発電出力は、風速の3乗に比例し、ブレードの長さの2乗にも比例する)。

 

 その結果、風車は1980年代以降、10年で寸法が2倍超になるペースで右肩上がりに大型化し続けている(図1)。風車のブレードの長さは2010年ごろには50mを超え、現在は60m前後になっている。2020年には100mを超える見通しだ。

 

図1 1995~2020年までの風力発電用風車の寸法や出力の推移を示した。1980年代以降、風車の寸法は10年で2倍超のペースで大型化してきた。2013年は三菱重工業の発電出力7MWの風車が世界最大で、ブレードの長さは約83m、高さは200m近くになる。2014年にはVestasの8MWの風車が登場する見込みである

 


■世界では太陽光よりも風力が主流

風力発電の市場も拡大の一途だ。再生可能エネルギーといえば、日本では太陽光発電が主流だが、世界では風力発電が圧倒的に多い。風力発電システムの設備容量累計は世界全体で2012年末に283GW(2.83億kW)に達し、今後も年率約15%の勢いで増えるとみられている(Global Wind Energy Council調べ)。2017年には累計536GWに達する見通しだ。

 

風力発電の設備容量を国・地域別にみると、EU、中国、米国での導入量が突出して多い(図2)。風車のメーカーの上位も導入量が多い国・地域の企業が占めている。

 

 

図2 2012年までに稼働した風力発電システムの国・地域別の設備容量と、上位10社の風車メーカーの2012年の市場シェアを示した。風車についても欧州、米国、中国のメーカーが上位を占めている(グラフはGWEC、表はBTM Consultingの資料を基に日経エレクトロニクス誌が作成)

 

■大型風車の建設に「3年待って」

 

 これに対して、日本は2012年末で風力発電システムの稼働済みの設備容量が累計2.6GWと大きく出遅れている。累計が少ないだけでなく、年間で導入されたシステムも増えるどころか、この数年減っていた(図3)。主な原因の一つが規制の多さだ。日本風力発電協会(JWPA)は、「建築基準の強化や補助金の廃止、環境影響調査(環境アセスメント)の義務化などが影響した」(同協会

事務局長の花岡隆夫氏)とみる。

 

 

図3 日本の風力発電システムの導入状況を示した。2006年度以降、規制強化が相次いだり、補助金が打ち切られたりして、年間導入量は低迷した。ただし、2012年度はFITの認定分が大幅に増えた(日本風力発電協会(JWPA)と資源エネルギー庁の資料を基に日経エレクトロニクス誌が作成)

 

 中でも環境アセスメントの義務化は、影響が大きい。それまでの自主的な調査に比べて調査項目が増え、手続きも複雑になり、調査期間は2倍以上の約3年が必要になった。

 

■これまでにない規模で市場に拡大の兆し

 

 ただし、“氷河期”ともいえる市場の停滞下で本格的な雪解けの兆しが見えてきた。2012年7月に始まった再生可能エネルギーの固定価格買い取り制度(FIT制度)が、太陽光発電ばかりでなく風力発電にも強力な追い風になりつつある。

 

 効果が見え始めたのが小型風車(FIT制度の規定では、発電出力が20kW以下の風力発電システム。ブレード長で約3m以下の風車)だ。小型風車には大型風車と違って規制がほとんどなく、しかもFIT制度での買い取り価格が57.75円/kWhと高いことから、既に市場は過熱気味になっている。小型風車大手のゼファーは、「引き合いが殺到し、風車の生産が追い付かない状態」とうれしい悲鳴を上げている。

 

 大型風車でも環境アセスメントの義務化前、駆け込み的にFIT制度の認定を受けた新規の風力発電システムが2013年2月末時点で622MWに達した。これは過去に日本で導入された設備容量の累計の2割超に相当する。一度厳しくなった建築基準も2014年4月に緩和されることが決まった。さらに、環境アセスメント期間の短縮も検討され始めた。早くて3~4年後には、太陽光発電同様、従来とは次元の違う規模で市場が拡大する可能性がある。

 

■大型化で求められる技術革新

 

 風力発電が拡大すればその波及効果は大きい。部品・部材の産業のすそ野も大きく拡大するからだ。しかも、部品・部材の多くは航空機や自動車、船舶と共通性が高い(図4)。今後、国内の風力発電市場が世界と同等の勢いで拡大するなら、国内の自動車や航空機の部品・部材メーカーにとっても魅力的な市場になり得る。

 

 

図4 風力発電システムの要素技術と共通性の高い技術を示した。風車のブレードは航空機メーカー、増速機は自動車のトランスミッションメーカーが作っている例が多い。自動車のEV化に合わせて、発電機や蓄電池も自動車との共通性が高まってきた

 

 

図5 最近の風車の課題と解決策の例を示した。競争の激化や大型化に伴う課題を解決するために、技術革新が続いている

 

加えて、風力発電システムは今、技術や素材が大きく変わるフェーズにある(図5)。風車の大型化が進行する中、従来技術では対応できない課題が増えている。

 

 例えば、ブレードの大型化に伴って、軽さと強度を兼ね備えた新素材が必要とされている。増速機は機械式のギアの故障率が高いことから、機械式でないものや、まったく増速機を使わない技術が開発された。さらに、発電の出力変動を平準化する蓄電池やその制御技術も新たに必要になりつつある。

 

■洋上向け超大型風車に照準

 

こうした中、日本メーカーの多くは、超大型風車と小型風車で世界市場へ再参入を図ろうとしている(図6)。

 

 現在の主力である発電出力3M~5MW規模、ブレードの長さにして45~65mの風車の世界市場には、日本メーカーが新規参入する余地はほとんどない。一方、6MW以上、ブレード長が約70m以上の超大型風車は、市場競争や技術開発上、新参者が食い込む余地が残されている。

 

 発電出力6M~8MWの風車の開発は海外メーカーも進めているが、実地で稼働するのは2014~2016年になる見通しだ。一方、日本メーカーでは7MWの風車を三菱重工業が80億円を投入して開発済み(総額80億円のうち、半分の40億円はNEDOが出資)。英国で2013年秋に実証実験ながら世界に先駆けて稼働する。2014年夏には福島沖での洋上風力発電の実証実験にも利用する予定だという。

 

 

図6 超大型風車は技術的課題が多く、後発の日本のメーカーにとっても、既存の大手メーカーと競争できる可能性がある。浮体式であれば、陸上では適地の少ない日本の地域性も不利とならない。小型風車も、新しい技術を試しやすいため、日本のメーカーが比較的強い

 

 しかも超大型風車は、日本で立地上の制約が少ない、洋上風力発電で重要な条件の一つでもある。洋上風力発電は陸上での風力発電に比べて、特殊な船を使うなど設置に手間がかかるため初期コストが高い。高い初期コストに見合うようにするには、風車を大型化して発電コストを引き下げる必要がある。

 

 こうした背景から、JWPAは2050年時点で、日本の風力発電システムの2分の1が洋上風力発電になるというロードマップを掲げている(図7)。しかも洋上風力発電の3分の2は、より制約条件の少ない浮体式で実現するとしている。実際、風車を海に浮かべて利用する浮体式洋上風力発電の実証実験は急増している(図8)。

 

 

図7  JWPAによる、日本の風力発電の導入見通しを示した。2050年までに50GWの累積導入量を見込むが、その2分の1が洋上風力発電で、さらにその3分の2が浮体式になる(図:JWPA)

 

 

図8 現在、稼働中または敷設中の洋上風力発電の実験システムの状況を示した。銚子沖と北九州沖、および鹿島港のシステムは着床式、他は浮体式である。2014年夏には福島沖で三菱重工業の7MWの風車も稼働する予定(写真や図:博多湾以外は各社)

 

■故障率の低下が最重要課題

 

風車の大型化に伴う技術上の課題は、大きさに負けない支柱やブレードの強度と軽さの確保、そして故障率の低減である。大型になるほど、初期投資額が大きく、修理も容易ではないからだ。

 

ここで日本のメーカーの技術力が生きる。例えば、ブレードの素材には、軽く強靭(きょうじん)な炭素繊維強化樹脂(CFRP)が、従来のガラス繊維強化樹脂(GFRP)を補強する材料として使われ始めている。三菱重工業やデンマークVestasの大型風車が採用した。CFRPを提供しているのは、東レなどである。

 

■故障多い増速機使わない方式も

 

故障率の低下のカギを握る技術は、15~20rpm(revolution per minute、回/分)程度の風車の回転を、発電機の1000rpm程度の回転に変換する「増速機」の改良だ(図9)。増速機は既存の風車でも故障の多い箇所で、風車の耐久性を大きく下げていた。

 

 

図9 風車の大型化により、従来の増速機(ギアボックス)が限界に近づいている。このため、増速機と、それと組み合わせて利用する発電機を代替する技術の開発が進んでいる。大手メーカーはそれぞれ異なる技術を開発している(写真や図:各社)

 

 風車を大型化すると、求められる増速率が高くなる。6MW以上の規模では、ギアボックスからなる機械的な増速機は技術的限界に達するとみるメーカーが多い。

 

 三菱重工業が7MWの風車で先行する一因が、この課題を解決する新技術を開発できたことにある。同社は、7MWの風車に向けて、油圧を用いた独自の増速機「油圧ドライブ」を開発した。回転の増速率が可変であるため、「10MW以上の規模への対応が容易」(三菱重工業)という。

 

 他社も独自技術の開発を進めている。ドイツSiemensは「ダイレクト・ドライブ」と呼ぶ、増速機を使わない方式を採用した。発電機を多極にすることで、50~60Hzという交流周波数を確保する。一方Vestasは、2014年に実用化予定の8MWの風車でも従来型の増速機を使い続ける選択をした。「ダイレクト・ドライブはまだ技術的に成熟していない。多極の発電機は大型になり、しかも強力な磁石に必要なレアアースを多量に使う」(同社)というのが理由だ。

 

 安川電機はSiemensとVestas両社の折衷案を採用した。3段だったギア構成を1段にしながらも増速機は残し、同時に多極発電機の大きさも抑えた。「5MW対応の製品は既にある。今は6MW対応の製品を開発中」(安川電機)とする。

 

■直流を介さずに周波数を変換

 

 安川電機は、電力系統に合わせて出力電力の周波数を変換する風力発電用大型コンバータでも、故障率を引き下げる技術を開発した(図10)。従来の周波数変換は交流を一度直流に変換し、それをさらに交流に変換する。安川電機は、直流を用いず、交流を直接、別の周波数の交流に変換する「AC-AC変換」を採用した。

 

 

図10  安川電機の風力発電用コンバーターの概要を示した。直流を用いず、交流に直接PWMを施して任意の電圧と周波数を持った交流を出力できる。これによって、従来の高調波フィルターや電解コンデンサーが不要になり、設計寿命も大きく延びた

 

 多くの「PWM(pulse width modulation)」制御を組み合わせることで実現した。風速が変動しても95~98%と高い変換効率を維持できるという。故障率が大きく改善するのは、従来必要だった高調波フィルターや電解コンデンサーなどが不要になり、システムが大幅に簡素化するからだ。電解コンデンサーの寿命は一般に10年未満だが、安川電機のコンバーターの設計寿命は20年である。

 

■小型風車は新技術の「デパート」

 

 超大型とともに、小型風車でも技術革新が続いている。小型風車では、コストが上がりがちな、斬新な技術を試しやすい。ギリギリまで低コスト化する大型風車と異なり、多少値段が高くても許容されるからだ。災害時のバックアップ電源に使う場合など、他の装置で代替が難しかったり、企業イメージの向上に利用されたりするため、コストは“二の次”になることが少なくない(図11)。

 

 

図11  NTTドコモが実験中の、小型風車と太陽電池を用いた携帯電話用基地局「グリーン基地局」の様子を示した。背の高い風車が、ゼファーの「エアドルフィン」(写真:NTTドコモ)

 

 

図12 ゼファーの小型風車「エアドルフィン」は、「世界最軽量」の風車として2004年に登場した。東レの炭素繊維強化樹脂(CFRP)を用いて、ブレード1枚300gを実現した

 

小型風車で進む技術革新の一例が、ブレード自体の工夫だ。例えばゼファーは、東レのCFRPをブレードにいち早く採用した(図12)。ブレードの製法も東レと共同で開発したとする。

 

強風時のブレードの回転の減速技術にも斬新な試みが多い(図13)。一般的な大型風車では個々のブレードの角度(ピッチ角度)をモーターで変えられる。「カットアウト」と呼ばれるしきい値の風速を超える強風時にはピッチ角度を風に平行にすることで、回転が過度に加速(過回転)することや、風による荷重の増大による破損事故を避ける仕組みだ。

 

 この仕組みの課題は、強風時にほとんど発電しない点やピッチ角制御のモーターの耐久性に限界があること。2013年4月17日にはこのモーターの不具合で、三重県に設置された比較的新しい大型風車が58rpmという過回転を起こし、大破する事故が起こった。

 

 ゼファーは、CFRPで製造した軽くて強靭なブレードを生かして、ピッチ角制御もカットアウトのしきい値も利用せず、強風時でも風車が高速に回り続けるようにした。過回転にならないよう電磁ブレーキで減速する。「ブレーキの踏み具合の制御がコア技術の一つ」(ゼファー 代表取締役社長の田中朝茂氏)という。

 

 

図13 風車にとって重要な強風時の減速・失速技術を示した。従来は「カットアウト」と呼ぶ強風のしきい値を超えると、発電がほぼ止まっていた(a)。最近はこれが改善され、強風でも発電する技術が利用されるようになってきた(b~c)(写真(b):ゼファー)

 

 ビルメン鹿児島は、ゼファーとは異なる減速技術を実現した。ピッチ角が、モーターや電気的制御ではなく、回転の遠心力の強さに応じて自動的に変わる仕組みを開発した。さらに、ブレードの先端をねじることで、強風時には先端部分のピッチ角がマイナスになるようにした。この状態では先端部分が適度なブレーキとして機能する。「この仕組みには、ある大型風車メーカー大手が興味を寄せている」(ビルメン鹿児島 主席研究員の屋宣学氏)という。

 

■蓄電池を利用する例も

 

 風力発電の最大の課題の一つは、発電出力の平準化だ。ビルメン鹿児島はこの点でも新しい試みをしている。フライホイールを風車の回転軸に実装したのだ(図14)。

 

 フライホイールには回転の運動エネルギーを蓄積、または放出する機能があり、風力発電以外でもエネルギーのバッファーとして利用されてきた。風車にフライホイールを用いるアイデアは従来からあったが、回転時に負荷になることで弱風時の発電量が減ることが課題だった。ビルメン鹿児島は、遠心力によるピッチ角制御によってこの課題を解決したとする。

 

 発電出力の平準化技術は、大型風車でも盛んに開発されている。最近では、米General Electric(GE)が、小容量の蓄電池を用いる技術を開発した。

 

 

図14 風力発電の大きな課題である発電出力の平準化技術を示した。平準化したい出力変動の周期によって、最適な技術は異なっている(写真と図:(c)以外は各社)

 

■小型風車をそのまま大型化

 

 

図15 九州大学 大屋研究室が開発した「風レンズ風車」、および風レンズがない場合の発電出力の差を示した。同じブレードの風車でも風レンズがあると、発電出力が2倍近くに高まる。大屋研究室は3年以内に500kWの風車を開発する計画。将来は1MW風車も開発したいとする

 

小型風車向けに開発した技術を生かして、ほぼそのまま大型化しようとする例も出てきた。九州大学 教授で応用力学研究所 所長の大屋裕二氏らが世界で初めて実用化した「風レンズ風車」である(図15)。

 

輪状のフードをつけることで、風がフードの内側を通過する際に風速が2~3割速くなる。この結果、発電出力はフードなしの場合の約2倍となる。一般的な風車で課題となっている、ブレード先端部分での風切り音もほぼ消える。

 

 当初は1kW級の風車から適用を始め、現在は100kW級も試作し、実証実験中だ。博多湾での浮体式洋上風力発電の実証実験でも風レンズ風車を利用している(図8)。今後はさらに大型化していく。「2016年までに500kW級システムを開発する予定」(大屋氏)としている。

 

(日経エレクトロニクス 野澤哲生)

 

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