風力タービン

風力タービンは、風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。2020年現在、風力発電所と呼ばれる施設内の何十万もの大型タービンが650ギガワット以上の電力を生成しており、毎年60ギガワットが追加されています。^{[1]風力タービンは、断続的な}再生可能エネルギーのますます重要な供給源であり、多くの国でエネルギーコストを下げ、化石燃料への依存を減らすために使用されています。ある調査によると、2009年の時点で、風は太陽光発電、水力発電、地熱発電、石炭、ガス発電と比較して「相対的に温室効果ガスの排出量が最も少なく、水の消費量が最も少なく、社会的影響が最も好ましい」とのことです。^{[2][アップデート][アップデート]}

小型の風力タービンは、バッテリー充電や交通警告標識などの遠隔装置などの用途に使用されます。大型のタービンは、家庭用電力供給に貢献すると同時に、未使用の電力を電力網を通じて電力会社に販売することができます。^[3]

風力タービンは、水平軸または垂直軸を備えた幅広いサイズで製造されていますが、水平軸が最も一般的です。^[4]

アレクサンドリアのヘロン（紀元10-70年）の風車は、風力で機械を動かした最初の記録例の一つである。^[5]しかし、最初の実用的な風力発電所は、 7世紀にペルシャ（現在のイラン）の東部州シスタンに建設された。これらの「パネモネ」は垂直軸風車で、長方形のブレードが付いた長い垂直の駆動軸を持っていた。 ^[6]葦のマットまたは布で覆われた6〜12枚の帆で作られたこれらの風車は、穀物を挽いたり水を汲み上げたりするために使用され、製粉業やサトウキビ産業で使用された。^[7]

風力発電は中世ヨーロッパで初めて登場した。イギリスで風力発電が使用された最初の歴史的記録は11世紀と12世紀に遡る。1190年頃にドイツの十字軍が風車製造技術をシリアに持ち込んだという報告もある。 ^{[8] 14世紀までには、オランダの風車が}ライン川デルタ地帯の排水に使用されていた。クロアチアの発明家ファウスト・ヴェランツィオは著書『新機械』 （1595年）で、先進的な風力タービンについて説明している。彼は湾曲した、またはV字型のブレードを備えた垂直軸風力タービンについて説明している。

最初の発電用風力タービンは、1883年のウィーン国際電気博覧会でオーストリアのヨーゼフ・フリードレンダーによって設置された。それは、発電機を駆動するためのハラデー風車だった。フリードレンダーの直径6.6メートル（22フィート）のハラデー「風力モーター」は、イリノイ州バタビアのUSウィンドエンジン＆ポンプ社によって供給された。3.7kW（5馬力）の風車は、地上レベルの発電機を駆動し、一連のバッテリーに電気を供給した。バッテリーは、脱穀機だけでなく、さまざまな電動工具やランプに電力を供給した。フリードレンダーの風車とその付属品は、ウィーンプラーターのメイン展示ホール（「ロトゥンデ」）の北側の入り口に目立つように設置された。^{[9] [10] [11]}

1887年7月、スコットランドの学者ジェームズ・ブライスは、スコットランドのメアリーカークにある別荘の照明としてバッテリー充電機を設置した。 ^[12]数か月後、アメリカの発明家チャールズ・F・ブラッシュは、地元の大学教授や同僚のジェイコブ・S・ギブス、ブリンズリー・コールバードに相談し、電力生産のための設計図の査読を無事に受けて、世界初の自動運転風力タービンを製作した。^[13]ブライスのタービンは英国では不経済とされたが、^[13]人口が広範囲に分散している国では風力タービンによる発電の方が費用対効果が高い。^[8]

デンマークでは1900年までに、ポンプや風車などの機械負荷用に約2500基の風車があり、推定合計ピーク電力は約30メガワット（MW）でした。最大の機械は、直径23メートル（75フィート）の4枚羽根のローターを備えた高さ24メートル（79フィート）の塔にありました。1908年までに、米国では5キロワット（kW）から25kWの風力発電機が72台稼働していました。第一次世界大戦の頃、アメリカの風車メーカーは毎年10万基の農業用風車を生産しており、そのほとんどは揚水用でした。^[15]

1930年代までに、配電システムが農村地域にまで拡大するにつれて、農村地域での風力タービンの使用は減少しました。^[16]

現代の水平軸風力発電機の先駆けは、1931年にソ連のヤルタで稼働していた。これは、高さ30メートル（98フィート）の塔に据え付けられた100kWの発電機で、地元の6.3kV配電システムに接続されていた。年間稼働率は32パーセントと報告されており、現在の風力発電機と大差ない。^[要出典]

1941年秋、最初のメガワット級風力タービンがバーモント州の電力網に同期されました。スミス・パトナム風力タービンは、ブレードの1つが折れるまでわずか5年しか稼働しませんでした。^[17]戦争中の資材不足のため、ユニットは修理されませんでした。^[18]

英国で最初に稼働した電力系統接続型風力タービンは、 1951年にジョン・ブラウン・アンド・カンパニーによってオークニー諸島に建設されました。^{[13] [19]}

しかし、1970年代初頭、デンマークで反原子力抗議運動が起こり、業界の衰退にもかかわらず、職人技を持つ機械工たちが22kWのマイクロタービンを開発することになった。[ ^20]所有者を協会や協同組合に組織化することで、政府や電力会社へのロビー活動が促進され、1980年代以降、より大型のタービンに対するインセンティブがもたらされた。その後、ドイツの地元活動家、スペインの新興タービン製造業者、そして1990年代初頭の米国の大口投資家が、これらの国々で業界を刺激する政策を求めてロビー活動を行った。^{[21] [22] [23]}

風力発電の利用拡大は、風力タービンの重要な材料である希土類元素の ネオジム、プラセオジム、ジスプロシウムをめぐる地政学的競争の激化につながると主張されてきた。しかし、この見解は、ほとんどの風力タービンが永久磁石を使用していないことを伝えておらず、これらの鉱物の生産拡大に対する経済的インセンティブの力を過小評価しているとして、批判的に否定されてきた。^[24]

風力発電密度（WPD）は、あらゆる場所で利用可能な風力エネルギーを定量的に測定するものです。これは、タービンの掃引面積1平方メートルあたりに利用可能な平均年間電力であり、地上からの高さごとに計算されます。風力発電密度の計算には、風速と空気密度の影響が含まれます。^[25]

風力タービンは設計上の風速によってクラスIからクラスIIIに分類され、AからCは風の乱流強度を表します。^[26]

質量保存則では、タービンに入る空気とタービンから出る空気の質量は等しくなければなりません。同様に、エネルギー保存則では、入ってくる風からタービンに与えられるエネルギーは、出て行く風のエネルギーと電気エネルギーに変換されるエネルギーを合わせたエネルギーと等しくなければなりません。出て行く風はまだいくらかの運動エネルギーを持っているので、電気エネルギーに変換できる入力エネルギーの割合は最大でなければなりません。^[27]したがって、ベッツの法則では、風力タービンによって得られる風力の最大抽出量は、ベッツ係数として知られ、空気の運動エネルギーがタービンに到達する速度の16 ⁄ 27 (59.3%) と示されています。^{[28] [29]}

風力機械の理論上の最大出力は、空気の運動エネルギーが機械の有効ディスク面積に到達する速度の16 ⁄ 27倍です。ディスクの有効面積が A、風速が v の場合、理論上の最大出力 P は次のようになります。

${\displaystyle P={\frac {16}{27}}{\frac {1}{2}}\rho v^{3}A={\frac {8}{27}}\rho v^{3 }A}$、

ここでρは空気の密度です。

風力からローターへの効率（ローターブレードの摩擦と抗力を含む）は、風力発電の最終価格に影響を与える要因の1つです。^[30]ギアボックス、発電機、コンバーターの損失 などのさらなる非効率性により、風力タービンから供給される電力が減少します。部品を過度の摩耗から保護するために、抽出された電力は定格動作速度以上で一定に保たれますが、理論上の電力は風速の3乗に比例して増加するため、理論上の効率はさらに低下します。2001年には、商用の電力会社に接続されたタービンは、定格動作速度で、風から抽出可能なベッツ限界の75％から80％の電力を供給しました。^{[31] [32]}

効率は時間の経過とともにわずかに低下することがあるが、その主な原因の1つは、ブレードに付着したほこりや昆虫の死骸であり、これらは空気力学的プロファイルを変え、本質的に翼の揚抗比を低下させる。デンマークの10年以上経過した風力タービン3128基を分析したところ、タービンの半分は低下が見られなかったが、残りの半分は年間1.2％の生産量減少が見られた。^[33]

一般的に、より安定し一定した気象条件（特に風速）は、不安定な気象条件での風力タービンの効率よりも平均15％高い効率をもたらし、安定した条件下では最大7％の風速増加を可能にします。これは、大気の安定性が高い条件で発生するより速い回復後流とより大きな流れの巻き込みによるものです。しかし、風力タービンの後流は、安定した環境とは対照的に、不安定な大気条件下でより速く回復することがわかっています。^[34]

風力タービンの効率には、異なる材料がさまざまな影響を与えます。エーゲ大学の実験では、直径1メートルのブレードを3枚備えた風力タービン3基が、ガラスとガラス/カーボンエポキシ、ガラス/カーボン、ガラス/ポリエステルという異なる材料で作られたブレードで構築されました。テストの結果、全体の質量が大きい材料ほど摩擦モーメントが大きくなり、したがって出力係数が低くなることが示されました。^[35]

風速は風力​​タービンの効率に大きく影響します。これが適切な場所を選ぶことが重要である理由です。陸地と海の温度差により、海岸近くでは風速が高くなります。別の選択肢としては、山の尾根に風力タービンを設置することです。風力タービンが高ければ高いほど、平均風速が高くなります。防風壁もタービン付近の風速を高めることができます。^[36]

風力タービンは水平軸または垂直軸のどちらかを中心に回転しますが、前者はより古く、より一般的です。^[37]また、ブレードが付いている場合と付いていない場合があります。^[38]家庭用サイズの垂直型は、出力が低く、あまり一般的ではありません。^[39]

大型の3枚羽根の水平軸風力タービン（HAWT）は、ブレードがタワーの風上側（つまり、 ブレードが入ってくる風に面している）にあり、今日、世界の風力発電の圧倒的多数を生産しています。^[4]これらのタービンは、メインローターシャフトと発電機がタワーの最上部にあり、風に向ける必要があります。小型タービンは単純な風向計で方向を定めますが、大型タービンでは通常、ヨーシステムと連動した風速センサーを使用します。ほとんどのタービンにはギアボックスがあり、ブレードの低速回転を、発電機の駆動に適した高速回転に変換します。^[40]一部のタービンは、より低速の回転速度入力に適した異なるタイプの発電機を使用します。これらはギアボックスを必要とせず、ダイレクトドライブと呼ばれ、間にギアボックスなしでローターを発電機に直接結合することを意味します。永久磁石 直接駆動発電機は希土類材料を必要とするためコストが高くなる可能性があるが、これらのギアレスタービンは「重大な累積疲労トルク負荷、関連する信頼性の問題、およびメンテナンスコストの影響を受けやすいギア速度増加器を排除する」ため、ギアボックス発電機よりも好まれることがある。 ^[41]また、疑似直接駆動機構もあり、これは永久磁石直接駆動機構よりもいくつかの利点がある。^[42]

ほとんどの水平軸タービンは、ローターが支持塔の風上に位置している。^[43]風下向きのタービンは、風と一直線になるようにするための追加機構を必要としないために作られている。強風時には、風下向きのブレードは風上向きのブレードよりも曲がるように設計することもできる。これにより、ブレードの掃引面積が減り、風圧が軽減され、強風時のリスクが軽減される。これらの利点にもかかわらず、風上向きの設計が好まれる。なぜなら、各ブレードが支持塔の後ろを通過するときに風による負荷が脈動してタービンが損傷する可能性があるためである。^[44]

商業用電力生産用の風力発電所で使用されるタービンは、通常3枚羽根です。これらはトルクリップルが低く、信頼性に優れています。ブレードは通常、日中の航空機による視認性を考慮して白色で塗装されており、長さは20～80メートル（66～262フィート）です。タービンのサイズと高さは年々増加しています。現在、洋上風力タービンは最大8MWまで製造されており、ブレードの長さは最大80メートル（260フィート）です。10～12MWの設計は2018年に準備中であり、^[45] 3枚の118メートル（387フィート）ブレードを備えた「15MW+」プロトタイプは2022年に建設される予定です。^{[更新が必要] [46]}水平軸風力タービンのハブの高さは平均90メートルです。^[47]

垂直軸風力タービン（VAWT）は、メインローターシャフトが垂直に配置されています。この配置の利点の1つは、タービンを風に向けなくても効果を発揮できることです。^[48]これは、風向が非常に変動しやすい場所では有利です。また、タービンが建物に統合されている場合にも、本質的に操縦性が低いため有利です。また、発電機とギアボックスを地面近くに配置して、ローターアセンブリから地上のギアボックスに直接駆動することで、メンテナンスのアクセス性が向上します。ただし、これらの設計では、時間平均で生成されるエネルギーが大幅に少なく、これが大きな欠点です。^{[39] [49]}

垂直タービンの設計は、標準的な水平設計に比べて効率がはるかに低い。^[50]主な欠点としては、回転速度が比較的低く、その結果トルクが高くなり、駆動トレインのコストが高くなる、本質的に出力係数が低い、各サイクル中に翼が風の流れの中で360度回転するためブレードに非常に動的な負荷がかかる、駆動トレイン上の一部のローター設計によって生成される脈動トルク、風の流れを正確にモデル化することが難しく、プロトタイプを製造する前にローターを分析および設計することが困難である、などが挙げられます。^[51]

風力タービンを屋上に設置すると、建物は一般的に屋根上の風向きを変え、風力タービンの風速を2倍にすることができます。屋上に設置された風力タービンタワーの高さが建物の高さの約50％であれば、風力エネルギーを最大化し、風の乱れを最小限に抑える最適条件に近くなります。建物内の風速は一般に風にさらされている田舎の敷地よりもはるかに低いですが、^{[52] [53]}騒音が懸念される可能性があり、既存の構造物が追加のストレスに十分に耐えられない可能性があります。

垂直軸デザインのサブタイプには次のものがあります。

「エッグビーター」タービン、またはダリウスタービンは、フランスの発明家ジョルジュ・ダリウスにちなんで名付けられました。^[54]効率は良いですが、大きなトルクリップルとタワーへの周期的なストレスが発生し、信頼性が低下します。また、始動トルクが非常に低いため、回転を開始するには、通常、外部電源または追加のサボニウスロータが必要です。3枚以上のブレードを使用するとトルクリップルが減り、ローターの堅牢性が向上します。堅牢性は、ブレード面積をローター面積で割って測定されます。

ダリウス水車のサブタイプで、湾曲したブレードではなく直線状のブレードを持つ。サイクロタービンの種類は可変ピッチでトルク脈動を減らし、自動始動する。^[55]可変ピッチの利点は、始動トルクが高いこと、トルク曲線が広く比較的平坦であること、性能係数が高いこと、乱気流でも効率的に動作すること、ブレード速度比が低いためブレードの曲げ応力が小さいことである。直線、V、または湾曲したブレードを使用できる。^[56]

これらは2つ（またはそれ以上）のスクープを備えた抗力型の装置で、風速計、フレットナーベント（バスやバンの屋根によく見られる）、および一部の高信頼性低効率発電タービンで使用されています。少なくとも3つのスクープがあれば、常に自動起動します。^[57]

ツイストサボニウスは、滑らかなトルクを生み出すために長い螺旋状のスクープを備えた改良型サボニウスです。屋上風力タービンとしてよく使用され、船舶にも採用されています。^[58]

空中風力タービンは、翼または地面に繋がれた小型航空機で構成されています。^[59]従来のタービンが稼働できるよりも速い風に到達するのに役立ちます。東アフリカで試作品が稼働しています。^[60]

これらは浮体式プラットフォームで支えられた洋上風力タービンです。^[61]浮体式にすることで、より深い水域に設置でき、より多くのタービンを設置できます。また、陸地から見えにくくなるため、景観に対する人々の懸念も軽減されます。^[62]

風力タービンの設計は、コスト、エネルギー出力、疲労寿命の慎重なバランスに基づいて行われます。

風力タービンは風力エネルギーを電気エネルギーに変換して配電します。従来の水平軸タービンは、次の 3 つのコンポーネントに分けられます。

• 風力タービンのコストの約20％を占めるローターには、風力エネルギーを低速回転エネルギーに変換するブレードが含まれています。^[63]
• 風力タービンのコストの約34%を占める発電機には、発電機、^{[64] [65]}制御電子機器、そしておそらくはギアボックス（例：遊星ギアボックス）、^[66] 可変速ドライブ、または連続可変トランスミッション^[67]低速の入力回転を発電に適した高速回転に変換するためのコンポーネントが含まれます。
• 風力タービンのコストの約15％を占める周囲の構造物には、タワーとローターのヨー機構が含まれます。^[63]

米国でよく見られるタイプの1.5（MW ）風力タービンは、タワーの高さが80メートル（260フィート）です。ローターアセンブリ（ブレードとハブ）の直径は約80メートル（260フィート）です。 ^[68]発電機を内蔵するナセルは15.24メートル（50.0フィート）で、重量は約300トンです。[ 69 ^]

データ伝送の問題により、風力タービンの構造健全性モニタリングは通常、ギアボックスと機器を監視するためにナセルに取り付けられた複数の加速度計とひずみゲージを使用して実行されます。現在、デジタル画像相関と立体写真測量が風力タービンブレードのダイナミクスを測定するために使用されています。これらの方法は通常、変位とひずみを測定して欠陥の位置を特定します。非回転風力タービンの動的特性は、デジタル画像相関と写真測量を使用して測定されています。^[70] 3次元ポイントトラッキングも風力タービンの回転ダイナミクスを測定するために使用されています。^[71]

一般的に、タービンブレードの長さが長くなるにつれて効率は向上します。ブレードは、硬く、強く、耐久性があり、軽く、疲労に強いものでなければなりません。^[72]これらの特性を持つ材料には、ポリエステルやエポキシなどの複合材があり、ガラス繊維や炭素繊維は補強に使用されています。^[73]製造には、手作業によるレイアップや射出成形が必要になる場合があります。既存のタービンを大型ブレードに改造すると、再設計の作業とリスクが軽減されます。^[74]

2021年現在、最長のブレードは115.5メートル（379フィート）で、15MWの電力を生産している。^[75]

ブレードの寿命は通常約20年で、これは風力タービンの典型的な寿命です。^[76]

風力タービンのブレードに一般的に使用される材料を以下に説明します。

複合材料の剛性は、繊維の剛性と体積含有量によって決まります。通常、Eガラス繊維は複合材料の主な強化材として使用されます。通常、風力タービンブレード用のガラス/エポキシ複合材料には、重量の75％までのガラスが含まれています。これにより、剛性、引張強度、圧縮強度が向上します。有望な複合材料は、Sガラス、Rガラスなどの修正された組成のガラス繊維です。オーウェンスコーニングが開発した他のガラス繊維には、ECRGLAS、Advantex、WindStrandがあります。^[77]

炭素繊維はガラス繊維よりも引張強度が高く、剛性が高く、密度が低い。これらの特性を持つ理想的な材料は、高い引張荷重を受けるブレードの構造要素であるスパーキャップである。^[73] 100メートル（330フィート）のガラス繊維製ブレードの重量は最大50トン（110,000ポンド）になる可能性があるが、スパーに炭素繊維を使用すると、重量が20％から30％、約15トン（33,000ポンド）軽減される。^[78]

風力タービンブレードの補強材を純粋なガラスや純粋な炭素から作る代わりに、ハイブリッド設計では重量とコストをトレードオフします。たとえば、8メートル（26フィート）のブレードの場合、カーボンファイバーに完全に置き換えると重量は80％削減されますが、コストは150％増加します。一方、30％の交換では重量は50％削減されますが、コストは90％増加します。ハイブリッド補強材には、Eガラス/カーボン、Eガラス/アラミドがあります。LM Wind Powerの現在の最長ブレードは、カーボン/ガラスハイブリッド複合材で作られています。材料の最適な構成については、さらに研究が必要です。^[79]

複合材料のポリマーマトリックス、繊維サイジング、または層間層に少量（0.5重量％）のナノ強化材（カーボンナノチューブまたはナノクレイ）を添加すると、複合材料の疲労耐性、せん断強度または圧縮強度、破壊靭性が30％から80％向上します。研究によると、少量のカーボンナノチューブ（CNT）を組み込むと、寿命が最大1500％長くなることも示されています。^[80]

2019年時点で^{[アップデート]}、風力タービンの資本コストは定格容量1メガワットあたり約100万ドルですが、この数字は場所によって異なります。たとえば、南米では50万ドル、アジアでは170万ドルです。^[81]

風力タービンブレードの場合、ガラス/カーボンファイバーのハイブリッドブレードは、オールガラスファイバーブレードよりも材料費がはるかに高くなりますが、人件費は低くなります。カーボンファイバーを使用すると、より少ない原材料でよりシンプルな設計が可能になります。ブレード製造の主な製造プロセスは、層を重ねることです。ブレードを薄くすると、層の数を減らして労力を削減できるため、場合によってはガラスファイバーブレードの人件費と同等になります。^[82]

オフショアでは設置コストがかなり高くなります。^[83]

風力タービンのローターブレード以外の部品（ローターハブ、ギアボックス、フレーム、タワーなど）は、主に鋼鉄で作られています。小型タービン（およびメガワット規模のエネルコンタービン）では、タービンの軽量化と効率化のため、これらの部品にアルミニウム合金が使用され始めています。疲労特性と強度特性が改善されれば、この傾向はさらに強まる可能性があります。タワーの材料にはプレストレストコンクリートがますます使用されていますが、タービンの強度要件を満たすには依然として多くの鉄筋が必要です。さらに、増速ギアボックスは、磁性材料を必要とする可変速発電機に置き換えられつつあります。^[72]

現代のタービンは発電機やケーブルなどに数トンの銅を使用しています。 ^[84] 2018年現在^{[アップデート]}、世界の風力タービンの生産には年間45万トン（9億9000万ポンド）の銅が使用されています。^[85]

2015年にヨーロッパで行われた風力エネルギーの材料消費傾向と要件に関する調査では、タービンが大きいほど貴金属の消費量が多いが、発電量1kWあたりの材料投入量が少ないことがわかった。当時の材料消費量と在庫は、さまざまな陸上システムの入力材料と比較された。すべてのEU諸国で、2020年の推定値は2009年の消費量の2倍になった。これらの国々は、2020年の推定需要を満たすために資源を拡大する必要がある。たとえば、EUは世界の蛍石供給量の3％を占めていたが、2020年までに14％を必要とする。世界的に、主な輸出国は南アフリカ、メキシコ、中国である。これは、マグネシウム、銀、インジウムなど、エネルギーシステムに必要な他の重要で貴重な材料についても同様である。これらの材料のリサイクルレベルは非常に低く、これに重点を置くことで供給を緩和できる可能性がある。これらの貴重な材料のほとんどは、発光ダイオード（LED）、太陽光発電（PV）、液晶ディスプレイ（LCD）などの他の新興技術にも使用されているため、その需要は増加すると予想されています。^[86]

米国地質調査所による 2011 年の調査では、2030 年までに電力の 20% を風力発電で賄うという米国の公約を果たすために必要な資源が推定された。小型タービンや洋上タービンの要件は、調査が行われた 2008 年当時は一般的ではなかったため考慮されていない。鋳鉄、鋼鉄、コンクリートなどの一般的な材料は、2008 年と比較して 2%～3% 増加する。年間 110,000～115,000 メトリック トンのグラスファイバーが必要となり、これは 14% の増加である。希土類金属の使用量は利用可能な供給量に比べてそれほど増加しないが、世界的な需要が増加しているバッテリーなど他の技術にも使用されている希土類金属を考慮する必要がある。必要な土地は、陸上で 50,000 平方キロメートル、洋上 11,000 平方キロメートルである。米国は面積が広く、同じ土地を農業に使用できるため、これは問題にならない。より大きな課題は、変動性と需要の高い地域への伝播である。^[87]

風力発電機用の永久磁石には、ネオジム（Nd）、プラセオジム（Pr）、テルビウム（Tb）、ジスプロシウム（Dy）などの希土類金属が含まれています。磁気直接駆動タービンを使用するシステムでは、より多くの希土類金属が必要になります。したがって、風力タービンの製造が増加すると、これらの資源の需要が増加することになります。2035年までに、Ndの需要は4,000～18,000トン、Dyの需要は200～1,200トン増加すると予測されています。これらの値は、現在の生産量の4分の1～半分に相当します。ただし、技術が急速に発展しているため、これらの推定値は非常に不確実です。^[88]

部品を希土類鉱物に依存することは、中国が希土類鉱物の主な生産国（2009年には96%）であり、輸出割当量を削減していたため、費用と価格の変動のリスクがありました。^[87]しかし、近年、他の生産国が生産量を増やし、中国が輸出割当量を増やしたため、供給量の増加、コストの低下、可変速発電機の大規模使用の実現可能性の向上につながりました。^[89]

ガラス繊維は補強材として最も一般的な材料である。建設、輸送、風力タービンの発展により需要が高まっている。世界市場は2014年の85億ドルから2024年までに174億ドルに達する可能性がある。2014年にはアジア太平洋地域が市場の45%以上を占めたが、現在は中国が最大の生産国である。この産業は中国政府から補助金を受けており、米国や欧州に安く輸出できる。しかし、価格競争により中国製ガラス繊維への関税などの反ダンピング措置が取られている。^[90]

いくつかの地域では、風力タービンの注目を集める性質を利用して、タービンの周囲にビジターセンターを設置したり、離れた場所に観覧エリアを設けたりして、タービンを一般公開しています。^[91]風力タービンは一般的に、従来の水平軸の3枚羽根設計で、電力網に供給する電力を生成しますが、技術のデモンストレーション、広報、教育などの非従来的な役割も果たしています。^[92]

小型風力タービンは、オングリッドまたはオフグリッド住宅、通信塔、沖合プラットフォーム、地方の学校や診療所、遠隔監視、および電力網がない、または電力網が不安定な場所でエネルギーを必要とするその他の目的など、さまざまな用途に使用できます。小型風力タービンは、ボートやキャラバンで使用するための50ワットの発電機ほど小さい場合があります。ハイブリッド太陽光および風力ユニットは、最寄りの主電源接続ポイントから長いケーブルを敷設する必要がないため、特に地方で交通標識にますます使用されています。^[93]米国エネルギー省の国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は、小型風力タービンを100キロワット以下のものと定義しています。^[94]小型ユニットには、直接駆動発電機、直流出力、空力弾性ブレード、および寿命ベアリングが備わっていることが多く、風に向けるために羽根を使用します。^[95]

ほとんどの水平風力タービンファームでは、ローター直径の約6〜10倍の間隔が維持されることが多いです。ただし、大規模な風力発電所の場合、一般的な風力タービンと土地のコストを考慮すると、ローター直径の約15倍の距離の方が経済的です。この結論は、ジョンズホプキンス大学のチャールズメネボー氏^[97]とベルギーのルーヴェン大学のヨハンマイヤーズ氏による研究[ ^96]によって得られました。この研究は、風力タービン（後流）間の詳細な相互作用と乱流大気境界層全体を考慮した コンピューターシミュレーション^{[98]に基づいています。}

カリフォルニア工科大学のジョン・ダビリによる最近の研究では、隣接するタービンのブレードが互いに近づくときに同じ方向に動くように交互の回転パターンが作られる限り、垂直風力タービンをより密接に配置できることが示唆されている。^[99]

風力タービンは、信頼性と可用性を維持するために定期的なメンテナンスが必要です。最良の場合、タービンは98％の時間でエネルギーを生成することができます。^{[100] [101]}タービンブレードへの氷の付着は、風力タービンの効率を大幅に低下させることもわかっています。これは、雲内結氷や凍結雨が発生する寒冷気候では一般的な課題です。^[102]除氷は主に内部加熱によって行われますが、場合によってはヘリコプターからブレードにきれいな温水を噴霧することによって行われます。^[103]

現代のタービンには通常、メンテナンスツールや小さな部品を吊り上げるための小型のオンボードクレーンが搭載されています。しかし、発電機、ギアボックス、ブレードなどの大型で重い部品を交換することはめったになく、そのような場合には重量物を持ち上げるための外部クレーンが必要です。タービンへのアクセスが難しい道路の場合は、コンテナ型クレーンを内部クレーンで持ち上げて、より重いものを持ち上げることができます。^[104]

新しい風力タービンの設置は議論の余地がある。代替案としては、既存の風力タービンをより大きく、より強力なものに交換するリパワーリングがあり、時にはその数は少なくなり、容量は維持または増加される。^[105]

使用されていない風力タービンの中には、リサイクルまたは再発電されるものもあります。^{[106] [107]}タービン材料の85％は簡単に再利用またはリサイクルできますが、複合材料で作られたブレードは処理がより困難です。^[108]

ブレードのリサイクルに対する関心は市場によって異なり、廃棄物に関する法律や地域の経済状況によっても異なります。ブレードのリサイクルにおける課題は、エポキシ樹脂に炭素繊維を混ぜたグラスファイバーで作られた複合材料に関連しており、これを再成形して新しい複合材料にすることができません。^[109]

風力発電所の廃棄物は他のゴミよりも毒性が低い。風力産業の業界団体であるアメリカ風力エネルギー協会によると、風力タービンのブレードは米国の廃棄物全体のほんの一部に過ぎない。^[110]

いくつかの公益事業会社、新興企業、研究者は、ブレードの再利用またはリサイクルの方法を開発している。^[108]メーカーのヴェスタスは、繊維を樹脂から分離して再利用を可能にする技術を開発した。^[111]ドイツでは、風力タービンのブレードは、セメント工場の代替燃料ミックスの一部として商業的にリサイクルされている。^[108]英国では、プロジェクトでは、ハイスピード2の建設における排出量を削減することを目的として、ブレードを細長く切断してコンクリートの鉄筋として使用することを試みる。^{[112]使用済みの風力タービンのブレードは、ポーランド[113]}とアイルランドの歩道橋の支持構造の一部として組み込まれることでリサイクルされている。^[114]

風力タービンは、太陽光パネルと並んで再生可能エネルギーの中で最も低コストの源の一つである。^[115]風力タービンに必要な技術が進歩するにつれて、価格も下がってきた。さらに、風は自由に利用できる天然資源であり、その大部分が未開発であるため、現在、風力エネルギーの競争市場は存在しない（将来的には存在するかもしれないが）。^[116]小型風力タービンの主なコストは、購入と設置のプロセスであり、平均して1基あたり48,000ドルから65,000ドルである。通常、収穫されるエネルギーの総量はタービンのコストを上回る。^[117]

風力タービンはクリーンなエネルギー源を提供し、^[118]水をほとんど使用せず、^[2]稼働中に温室効果ガスや廃棄物を排出しません。化石燃料からの1メガワットのエネルギーの代わりに1メガワットのタービンを使用することで、年間1,400トン（1,500ショートトン）以上の二酸化炭素を削減できます。^[119]

風力タービンは非常に大きく、高さは260メートル（850フィート）を超え、ブレードの長さは110メートル（360フィート）に達します^[120]。そのため、人々はその視覚的影響についてしばしば不満を述べています。

風力発電の環境影響には野生生物への影響も含まれますが、適切な戦略を実施すれば軽減することができます。^[121]希少種を含む何千羽もの鳥が風力タービンの羽根によって殺されていますが、^[122]風力タービンは人為的な鳥類の死亡に比較的わずかな影響しか与えていません。風力発電所と原子力発電所は、1ギガワット時（GWh）の電力あたり0.3〜0.4羽の鳥の死因となっていますが、化石燃料発電所は1GWhあたり約5.2羽の死因となっています。これと比較して、従来の石炭火力発電機は、鳥類の死亡にかなり大きな影響を与えています。^[123] 2000年から2020年までの米国で記録された鳥類の個体数に関する研究では、風力タービンの存在は鳥類の個体数に大きな影響を与えなかったことがわかりました。^[124]

風力タービンによって得られるエネルギーは変動性があり、「ディスパッチ可能な」電力源ではありません。その可用性は、電気が必要かどうかではなく、風が吹いているかどうかに基づいています。タービンは尾根や崖に設置して風を最大限に利用することができますが、設置できる場所も制限されます。^[116]このように、風力エネルギーは特に信頼できるエネルギー源ではありません。しかし、他のエネルギー源からの電力も含むエネルギーミックスの一部を形成することはできます。余剰エネルギーを貯蔵する技術も開発されており、これにより供給不足を補うことができます。^[125]

風力タービンには、衝突を避けるために航空機に警告する点滅灯が付いています。 ^[126]風力発電所の近くに住む住民、特に田舎に住む住民は、点滅灯が迷惑な光害であると苦情を述べています。^{[126]光害軽減策には、航空機検知灯システム（ADLS）があり、ADLSの}レーダーが高度と距離の閾値内で航空機を検知した場合にのみ灯が点灯します。^[126]

最も強力な風力タービンのリストも参照してください

• トニー・バートン、デビッド・シャープ、ニック・ジェンキンス、アーヴィン・ボサニ：風力エネルギーハンドブック、ジョン・ワイリー＆サンズ、第2版（2011年）、ISBN 978-0-470-69975-1 
• ダレル、ドッジ、1875 年までの初期の歴史、2010 年 12 月 2 日にWayback Machineにアーカイブ、TeloNet Web Development、著作権 1996–2001
• Robert Gasch、Jochen Twele（編）、風力発電所。基礎、設計、建設、運用、Springer 2012 ISBN 978-3-642-22937-4。 
• Erich Hau、風力タービン：基礎、技術、応用、経済学、Springer、2013年ISBN 978-3-642-27150-2（Google Booksでプレビュー） 
• Siegfried Heier、風力エネルギー変換システムのグリッド統合、John Wiley & Sons、第3版（2014年）、ISBN 978-1-119-96294-6 
• ピーター・ジェイミソン『風力タービン設計におけるイノベーション』Wiley & Sons 2011、ISBN 978-0-470-69981-2 
• JF マンウェル、JG マクゴーワン、AL ロバーツ、「風力エネルギーの説明: 理論、設計、応用」、ジョン ワイリー アンド サンズ、第 2 版 (2012)、ISBN 978-0-47001-500-1 
• David Spera (編)風力タービン技術: 風力タービン工学の基本概念、第 2 版 (2009)、ASME Press、ISBN 9780791802601 
• Alois Schaffarczyk (編)、風力発電技術の理解、John Wiley & Sons、(2014)、ISBN 978-1-118-64751-6 
• Hermann-Josef Wagner、Jyotirmay Mathur、「風力エネルギーシステム入門。基礎、技術、運用」。Springer (2013)、ISBN 978-3-642-32975-3 
• GA Mansoori、N Enayati、LB Agyarko (2016)、エネルギー：資源、利用、法律、持続可能性、モデル州としてのイリノイ州

• 世界風力エネルギー協議会
• 世界最大の風力タービン
• 風力発電（マグディ・ラゲブ教授による風力タービンに関する45回の講義）