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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。2024年現在風力発電所と呼ばれる施設に設置された数十万基の大型タービンが、1,136ギガワットを超える電力を発電しており、毎年117ギガワットずつ増加している。[ 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となっており、多くの国でエネルギーコストの削減と化石燃料への依存度低減のために利用されている。ある研究では、2009年時点で、、風力発電は、太陽光発電、水力発電、地熱発電、石炭、ガスといったエネルギー源と比較して、「相対的に温室効果ガス排出量が最も少なく、水の消費需要が最も少なく、社会的影響が最も好ましい」。[ 2 ]
風力タービンは、水平軸または垂直軸のいずれかで、さまざまなサイズで製造されていますが、水平軸が最も一般的です。[ 3 ]商用発電用の水平軸タービンは通常、タワーの風上側に3枚のブレードを備えています。垂直軸タービンは、ダリウス型の「卵泡立て器」 、直線ブレードのジャイロミル、屋上や船舶に適したスクープを備えたサボニウス型、地面に係留された翼を備えた空中型、浮体式（浮体プラットフォームに搭載）、および逆回転ブレードを備えたさまざまな非従来型など、さまざまな設計で製造できます。
ブレードは一般的にガラス繊維複合材で作られていますが、より硬く、強く、密度が低い炭素繊維も使用されています。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機器といった用途に使用されます。大型のタービンは、余剰電力を電力網を介して電力会社に売電しながら、国内の電力供給に貢献することができます。[ 4 ]
風力タービンは、最も安価な再生可能エネルギーの一つであり、温室効果ガスを排出しないクリーンなエネルギー源です。野生生物への影響など、環境への影響は大きいものの、これは軽減可能です。発電量は風力によって変動し、需要には左右されないため、蓄電設備がない限り、安定したエネルギー源とは言えません。
アレクサンドリアのヘロンの風車（ 西暦10～70年）は、風力で機械を動かした最初の記録例の1つである。[ 5 ]しかし、最初に知られている実用的な風力発電所は、7世紀からペルシャ（現在のイラン）の東部州であるシスタンに建設された。これらのパネモネ風車は、長方形の羽根が付いた長い垂直駆動軸を持つ垂直軸風車であった。[ 6 ]葦のマットや布で覆われた6枚から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ました。イングランドでの使用に関する最初の歴史的記録は11世紀から12世紀に遡ります。1190年頃には、ドイツの十字軍が風車製造の技術をシリアに持ち込んだという報告があります。 [ 8 ] 15世紀までには、オランダの風力ポンプが低地の排水に使用されていました。[ 9 ]垂直軸風力タービンは、クロアチアの発明家ファウスト・ヴェランツィオが著書『Machinae Novae 』（1595年）で記述しています。[ 10 ]
最初の発電用風力タービンは、オーストリア人のヨーゼフ・フリードレンダーによって1883年のウィーン国際電気博覧会に設置されました。これはダイナモを駆動するためのハラデー風力タービンでした。フリードレンダーの直径6.6m （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 Wind Engine & Pump Co.によって供給されました。3.7kW（5馬力）の風力タービンは、地上のダイナモを駆動し、一連のバッテリーに電力を供給しました。バッテリーは、さまざまな電気工具やランプ、脱穀機に電力を供給しました。フリードレンダーの風力タービンとその付属品は、ウィーンのプラーターにあるメイン展示ホール（「ロトゥンデ」）の北入口に目立つように設置されました。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]
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を照らすためにバッテリー充電機を設置した。[ 14 ]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・ギブスとブリンズリー・コールバードに相談し、発電用の設計図を査読してもらうことに成功し、最初の自動運転風力タービンを建造することができた。[ 15 ]ブライスのタービンはイギリスでは非経済的だと考えられていたが、[ 15 ]風力タービンによる発電は、人口が広く分散している国ではより費用対効果が高い。[ 8 ]
1900年までにデンマークには約2500基の風力ポンプと風車があり、推定合計最大機械出力は約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枚羽根ローターを備えた24メートル（79フィート）の塔の上にありました。1908年までに、米国では5キロワット（kW）から25kWまでの風力発電機が72基稼働していました。第一次世界大戦の頃には、アメリカの風力タービンメーカーは主に揚水用に年間10万基を生産していました。[ 16 ]
1930年代までに、配電システムが農村地域に拡大するにつれて、農村地域での風力タービンの使用は減少していった。[ 17 ]
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）の塔に設置された100kWの発電機だった。年間設備利用率は32パーセントと報告されており、現在の風力発電機とそれほど変わらない。[ 18 ]
1941年の秋、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た。スミス・パットナム風力タービンは、ブレードの1枚が折れるまで約5年間しか稼働しなかった。[ 19 ]戦争中の資材不足のため、この装置は修理されなかった。[ 20 ]
英国で最初に稼働した電力系統に接続された風力タービンは、 1951年にジョン・ブラウン＆カンパニーによってオークニー諸島に建設された。[ 15 ] [ 21 ]
しかし、1970年代初頭、デンマークでの反原発運動により、業界の衰退にもかかわらず、職人たちが22kWのマイクロタービンを開発するようになった。[ 22 ]所有者が協会や協同組合に組織化され、政府や電力会社へのロビー活動が行われ、1980年代以降、より大型のタービンへのインセンティブが与えられた。1990年代初頭、ドイツの地元の活動家、スペインの新興タービンメーカー、米国の大口投資家が、これらの国の産業を刺激する政策を求めてロビー活動を行った。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]
風力発電の利用拡大は、ネオジム、プラセオジム、ジスプロシウムなどの希土類元素 といった風力タービンの重要材料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、および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ことを伝えていないため、批判的に却下されている。[ 26 ]
風力密度（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表す指標です。これはタービンの掃引面積あたりの平均電力であり、地上からのさまざまな高さで計算されます。風力密度の計算には、風速と空気密度の影響が含まれます。[ 28 ]
風力タービンは、設計時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は風の乱流の強さを表します。[ 29 ]
質量保存の法則では、タービンに入る空気の質量と出る空気の質量が等しくなければならない。同様に、エネルギー保存の法則では、流入する風からタービンに与えられるエネルギーが、流出する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の合計に等しくなければならない。流出する風には依然としていくらかの運動エネルギーがあるため、入力エネルギーのうち電気エネルギーに変換できる最大割合が存在する必要がある。[ 30 ]したがって、ベッツの法則は、風力タービンによって達成可能な風力発電の最大抽出率を、ベッツ係数として、タービンに到達する空気の運動エネルギーの割合の 16/27 (59.3%)としている。 [ 31 ] [ 32 ]
風力発電機の理論上の最大出力は、空気の運動エネルギーが発電機の有効円盤面積に到達する速度の 16/27 倍である。円盤の有効面積を A、風速を v とすると、理論上の最大出力 P は次のようになる。
ここでρは空気密度である。
風力発電の最終価格に影響を与える要因の一つに、風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）があります。 [ 33 ]ギアボックス、発電機、コンバーターの損失 など、その他の非効率性により、風力タービンから供給される電力が減少します。コンポーネントを過度の摩耗から保護するため、定格運転速度を超えると抽出電力は一定に保たれます。理論上の電力は風速の3乗に比例して増加するため、理論上の効率がさらに低下します。2001年には、商用の電力会社に接続されたタービンは、定格運転速度で風から抽出可能な電力のベッツ限界の75%から80%を供給しました。[ 34 ] [ 35 ]
効率は時間の経過とともにわずかに低下する可能性があり、主な理由の 1 つはブレード上の塵や昆虫の死骸で、これらが空力プロファイルを変化させ、実質的に翼型の揚抗比を低下させます。デンマークで 10 年以上経過した 3128 基の風力タービンの分析によると、タービンの半分は低下が見られず、残りの半分は年間 1.2% の生産量低下が見られました。[ 36 ]
一般的に、より安定した一定の気象条件（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で 15% 高い効率をもたらし、安定した条件下では風速を最大 7% 増加させることができます。これは、大気安定性が高い条件下で発生する、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、安定した環境よりも不安定な大気条件の下でより速く回復することがわかっています。[ 37 ]
風力タービンの効率には、材料によってさまざまな影響があります。エーゲ大学の実験では、直径1メートルのブレードが3枚ずつある風力タービン3基を、ガラス、ガラス/カーボンエポキシ、ガラス/カーボン、ガラス/ポリエステルの異なる材料で作られたブレードで製作しました。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、出力係数が低くなることが分かりました。[ 38 ]
風速はタービンの効率に大きく影響します。そのため、適切な場所を選ぶことが重要です。陸地と海の温度差により、海岸付近では風速が高くなります。別の選択肢として、山稜にタービンを設置する方法もあります。風力タービンが高くなるほど、平均風速は高くなります。防風林もタービン付近の風速を高めることができます。[ 39 ]
風力タービンは水平軸または垂直軸のどちらでも回転できますが、前者はより古く、より一般的です。[ 40 ]また、ブレード付きのものとブレードなしのものがあります。[ 41 ]家庭用サイズの垂直型は発電量が少なく、あまり一般的ではありません。[ 42 ]
タワーの風上側（つまり 、風が吹いてくる方向）にブレードがある大型の3枚ブレード水平軸風力タービン（HAWT）が、今日、世界の風力発電の圧倒的大多数を占めています。[ 3 ]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頂上にあり、風に向けなければなりません。小型のタービンは単純な風向計で方向を定めますが、大型のタービンは一般的に風速センサーとヨーシステムを組み合わせて使用します。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を駆動するのに適した高速回転に変換します。[ 43 ]一部のタービンは、より低速の回転速度入力に適した別の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、ローターをギアボックスなしで発電機に直接接続します。永久磁石ダイレクトドライブ発電機は、希土類材料が必要となるためコストが高くなる場合があるが、これらのギアレスタービンは、ギアボックス発電機よりも好まれることがある。なぜなら、「大き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速器を排除できる」からである。[ 44 ]また、永久磁石ダイレクトドライブ機構よりもいくつかの利点を持つ擬似ダイレクトドライブ機構もある。[ 45 ]
ほとんどの水平軸風力タービンは、支持塔の風上側にローターが配置されています。[ 46 ]風下側にローターを配置するタイプのタービンも製造されています。これは、風向きに合わせてローターを一直線に保つための追加の機構が不要になるためです。強風時には、風下側のブレードは風上側のブレードよりも大きく曲がるように設計できるため、ブレードの掃引面積が減少し、風抵抗が軽減され、強風時のリスクが軽減されます。これらの利点にもかかわらず、各ブレードが支持塔の後ろを通過する際に風による負荷が断続的に変化するとタービンに損傷を与える可能性があるため、風上側の設計が好まれています。[ 47 ]
風力発電所で商業用電力生産に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、信頼性が高いです。ブレードは通常、航空機からの昼間の視認性を高めるために白色で、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大きくなっています。洋上風力タービンは現在最大26MWまで建設され、ブレードの長さは最大153メートル（502フィート）に達します[ 48 ] [ 49 ] 。一方、陸上タービンは最大15MWの容量と131メートル（430フィート）のブレードの長さに達します[ 48 ] [ 50 ] 。水平軸風力タービンの平均ハブ高さは、米国の陸上タービンでは103メートル（338フィート） 、世界の洋上タービンでは124メートル（407フィート）です[ 51 ]。
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、風向きに合わせてタービンを向けなくても効果を発揮できることです[ 52 ]。これは、風向が大きく変動する場所では有利です。また、タービンを建物に組み込む場合にも、本質的に操縦性が低いため有利です。さらに、発電機とギアボックスを地面近くに配置でき、ローターアセンブリから地上のギアボックスへの直接駆動を使用することで、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、時間平均で発電量が大幅に少なくなるという大きな欠点があります[ 42 ] [ 53 ] 。
垂直タービン設計は、標準的な水平設計に比べて効率がはるかに低い。[ 54 ]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、駆動系のコストが高くなること、出力係数が本質的に低いこと、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こと、一部のローター設計で駆動系に脈動するトルクが発生すること、風の流れを正確にモデル化することが難しく、そのため試作機を製造する前にローターを解析および設計することが困難であることなどが挙げられる。[ 55 ]
タービンを屋上に設置すると、建物は一般的に風を屋上へと方向転換させ、これによりタービンでの風速が2倍になることがあります。屋上に設置されたタービンタワーの高さが建物の高さの約半分であれば、風力エネルギーを最大化し、風の乱れを最小限に抑えるのに最適な高さに近くなります。建物内の風速は一般的に風の当たらない農村部の場所よりもはるかに低いですが、騒音が懸念される場合があり、既存の構造物は追加のストレスに耐えられる必要があります。[ 56 ] [ 57 ]
垂直軸設計にはいくつかのサブタイプがあり、その中にはダリウス風力タービン（エッグビータータービンとも呼ばれる）があります。これらは、1920年代に設計の特許を取得したジョルジュ・ジャン・マリー・ダリウスにちなんで名付けられました。効率は良好ですが、大きなトルクリップルとタワーへの周期的な応力が発生し、信頼性の低下につながります。トルクリップルは、3枚以上のブレードを使用することで低減され、その結果、ローターの安定性が向上します。[ 58 ]ジロミルは、ストレートブレードを備えたダリウスタービンのサブタイプです。サイクロタービンは、トルク脈動を低減するために可変ピッチを備え、自己始動します。[ 59 ]可変ピッチの利点は、高い始動トルク、広く比較的平坦なトルク曲線、高い性能係数、乱流風でのより効率的な動作、およびブレードの曲げ応力を低減する低いブレード速度比です。ストレート、V、または湾曲したブレードを使用できます。[ 60 ]
サボニウス風力タービンは、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の発電タービンで使用される、2つ（またはそれ以上）のスクープを備えた抗力型装置です。スクープが少なくとも3つあれば、常に自己始動します。[ 52 ]ツイステッドサボニウスは、滑らかなトルクを提供する長いらせん状のスクープを備えた改良型サボニウスです。これは屋上風力タービンとしてよく使用され、船舶にも適応されています。[ 61 ]空中風力タービンは、翼または地面に係留された小型航空機で構成されています。[ 62 ]これらは、従来のタービンが動作できるより速い風に到達するのに役立ちます。東アフリカでプロトタイプが稼働しています。[ 63 ]浮体式風力タービンは、浮体プラットフォームによって支えられた洋上タービンです。[ 64 ]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。陸地から遠く離れた場所に設置することで、視覚的な影響に対する人々の懸念を軽減できる可能性がある。[ 65 ]
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、配電に利用する。従来の水平軸風力タービンは、以下の3つの構成要素に分けられる。
米国でよく見られるタイプの1.5MW風力タービンは、高さ80メートル（260フィート）のタワーを備えています。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。 [ 71 ]発電機を収容するナセルは15.24メートル（50.0フィート）で、重量は約300トンです。[ 72 ]
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行われます。現在、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デジタル画像相関法とステレオ写真測量が使用されています。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、デジタル画像相関法と写真測量を使用して測定されています。[ 73 ] 3次元点追跡も、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。[ 74 ]
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、剛性、強度、耐久性、軽量性、耐疲労性を備えている必要があります。[ 75 ]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料があり、ガラス繊維や炭素繊維が補強材として使用されています。[ 76 ]製造には、手作業による積層または射出成形が含まれる場合があります。既存のタービンをより大きな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。[ 77 ]
タービンの平均寿命は30年だが、ブレードとギアボックスは通常25年まで持つ。[ 78 ]
風力タービンブレードに一般的に使用される材料を以下に説明する。
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。一般的に、Eガラス繊維が複合材料の主強化材として使用されます。一般的に、風力タービンブレード用のガラス/エポキシ複合材料は、重量比で最大75%のガラスを含みます。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ガラスなどの改質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その他のガラス繊維には、ECRGLAS、Advantex、WindStrandなどがあります。[ 79 ]
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。これらの特性に理想的な候補は、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。[ 76 ] 100メートル（330フィート）のガラス繊維ブレードは最大50トン（110,000ポンド）の重量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20～30％、約15トン（33,000ポンド）削減される。[ 80 ]
風力タービンのブレード補強材を純粋なガラスや純粋な炭素で作る代わりに、ハイブリッド設計では重量とコストのトレードオフが生じます。たとえば、8メートル（26フィート）のブレードの場合、炭素繊維で完全に置き換えると重量は80%削減できますが、コストは150%増加します。一方、30%置き換えると重量は50%削減できますが、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/炭素、Eガラス/アラミドなどがあります。LM Wind Powerの現在の最長のブレードは、炭素/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、さらなる研究が必要です。[ 81 ]
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の（0.5重量 ％）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、複合材料の疲労抵抗、せん断強度または圧縮強度、および破壊靭性が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）を組み込むことで、寿命を最大1500％まで延ばすことができることも示されています。[ 82 ]
2010年における風力タービンの世界加重平均資本コストは約2,324ドル/キロワットであった。2024年現在この数値は定格容量1キロワットあたり1,041ドルまで低下し、前年比で約12%の一貫した減少を反映している。[ 83 ]家庭用風力タービンは大幅に安価で、米国では小型の400Wタービン（設置費用を除く）のコストはわずか700ドルである。[ 84 ]
風力タービンの均等化発電コスト（LCOE）、つまり発電所が耐用年数を通じて損益分岐点に達するために受け取る必要のあるエネルギー単位あたりの平均最低価格は、2025年時点で中国の1MWhあたり25ドルからベトナムの1MWhあたり70ドルまで幅があり、世界平均では1MWhあたり約50～60ドルでした。[85] MENA地域は平均LCOEが最も低く、サウジアラビアの2024年アル・ガート風力発電所プロジェクトは1MWhあたりわずか15.66ドルという世界記録を樹立しました。[ 86 ]
風力タービンブレードの場合、ハイブリッドガラス/カーボンファイバー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いものの、人件費は低く抑えることができます。カーボンファイバーを使用することで、原材料の使用量を抑えたシンプルな設計が可能になります。ブレード製造における主な製造工程は、積層です。ブレードを薄くすることで積層数を減らすことができ、その結果、人件費を削減でき、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。[ 87 ]
洋上は設置コストが著しく高い。[ 88 ]洋上風力タービンの世界加重平均設置コストは、2010年の1kWあたり5,518ドルから48%減少し、2024年には1kWあたり2,852ドルとなった。[ 83 ]
ローターブレード以外の風力タービン部品（ローターハブ、ギアボックス、フレーム、タワーなど）は、大部分が鋼鉄でできています。小型タービン（メガワット級のエネルコン製タービンも含む）では、タービンを軽量化して効率を高めるために、これらの部品にアルミニウム合金を使用し始めています。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。プレストレストコンクリートはタワーの材料としてますます使用されるようになっていますが、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、ステップアップギアボックスは、磁性材料を必要とする可変速発電機にますます置き換えられています。[ 75 ]
現代のタービンは、その優れた電気伝導性と耐久性のため、配線、発電機、変圧器、接地システムに約2トンの銅を使用している[ 89 ] 。 [ 90 ] 2018年現在世界の風力タービン生産には年間45万トン（9億9000万ポンド）の銅が使用されています。 [ 91 ] 2025年現在、銅の使用量（銅強度）は容量1MWあたり650～6,200kgです。[ 90 ]
2015年に実施された欧州の風力発電における材料消費動向と必要量に関する調査では、大型タービンほど貴金属の消費量は多いものの、発電量1kWあたりの材料投入量は少ないことが分かりました。当時の材料消費量と在庫量は、様々な陸上システムの規模における投入材料と比較されました。EU加盟国全体で、2020年の推定値は2009年の消費量の2倍でした。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ります。例えば、EUは蛍石の世界供給量の3%を保有しており、2020年までに14%が必要になると予測されています。世界的に見ると、主な輸出国は南アフリカ、メキシコ、中国です。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かつ貴重な材料と同様です。これらの材料のリサイクル率は非常に低いものの、循環性に着目することで供給不足を緩和できる可能性があります。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、需要は増加すると予想されます。[ 92 ]
米国地質調査所が2011年に実施した調査では、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達成するために必要な資源が推定されました。この調査は、小型タービンや洋上タービンについては、調査実施時の2008年には一般的ではなかったため、考慮されていません。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%増加すると予測されています。グラスファイバーは年間11万～11万5千トン必要となり、14%の増加となります。希土類金属の使用量は、供給量と比較してそれほど増加しませんが、バッテリーなどの他の技術にも使用される希土類金属は、世界的な需要が増加しているため、考慮する必要があります。必要な土地は、陸上で5万平方キロメートル、洋上で1万1千平方キロメートルです。米国は広大な国土を有しており、同じ土地を農業に利用できるため、これは米国では問題になりません。より大きな課題は、需要の高い地域への変動性と伝播である。[ 93 ]
風力タービン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します。2035年までに、Ndの需要は4,000～18,000トン、Dyの需要は200～1,200トン増加すると推定されています。これらの値は、現在の生産量の4分の1から半分です。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。[ 94 ]
部品に希土類鉱物を使用することは、中国が希土類鉱物の主要生産国（2009年には96%）であり、輸出割当量を削減していたため、コストと価格の変動リスクを伴っていた。[ 93 ]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、供給量が増え、コストが下がり、可変速発電機の大規模使用の実現可能性が高まった。[ 95 ]
ガラス繊維は最も一般的な補強材です。建設、輸送、風力タービンの成長に伴い、その需要は増加しています。世界の市場規模は、2014年の85億米ドルから2024年には174億米ドルに達する可能性があります。2014年にはアジア太平洋地域が市場の45%以上を占めていましたが、現在では中国が最大の生産国となっています。中国政府は業界に補助金を出しており、これにより中国は米国やヨーロッパに安価に輸出することができます。しかし、価格競争により、中国産ガラス繊維に対する関税などの反ダンピング措置が取られています。[ 96 ]
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、基部周辺にビジターセンターを設けたり、少し離れた場所に展望エリアを設けたりして、風力タービンを一般公開している。[ 97 ]風力タービンは一般的に従来の水平軸3枚羽根設計で、電力網に電力を供給するが、技術デモンストレーション、広報、教育といった型破りな役割も果たしている。[ 98 ]バーレーン世界貿易センターには、風力タービンが一般公開されている。これは、設計に風力タービンを組み込んだ最初の超高層ビルである。[ 99 ]
小型風力タービンは、電力網に接続または接続されていない住宅、通信塔、洋上プラットフォーム、地方の学校や診療所、遠隔監視、その他電力網がない場所や電力網が不安定な場所でエネルギーを必要とする用途など、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50ワットの発電機ほど小さいものもあります。ハイブリッド太陽光発電と風力発電ユニットは、特に地方の交通標識にますます使用されています。これは、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です。[ 100 ]米国エネルギー省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。[ 101 ]小型ユニットは、多くの場合、直接駆動発電機、直流出力、空力弾性ブレード、長寿命ベアリングを備え、風向計を使用して風向きに向けます。[ 102 ]
ほとんどの水平風力タービン発電所では、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。しかし、大規模な風力発電所では、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倍の間隔の方が経済的であるはずだ。この結論は、ジョンズ・ホプキンス大学のチャールズ・メヌヴォー[ 103 ]とベルギーのルーヴェン大学のヨハン・マイヤーズが行った研究で、風力タービン間の詳細な相互作用（後流）と乱流大気境界層全体[105]を考慮したコンピュータシミュレーション[104]に基づいて達成されたものである。
カリフォルニア工科大学のジョン・ダビリ氏の研究によると、隣接するタービンのブレードが互いに接近する際に同じ方向に動くように交互に回転するパターンが作られる限り、垂直風力タービンははるかに密接に配置できる可能性がある。[ 106 ]
風力タービンは、信頼性と稼働率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%の時間発電に利用できます。[ 107 ] [ 108 ]タービンブレードへの着氷は風力タービンの効率を大幅に低下させることがわかっており、これは雲内着氷や着氷雨が発生する寒冷地でよく見られる問題です。[ 109 ]除氷は主に内部加熱[ 110 ]、または場合によってはヘリコプターやドローンが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。 [ 111 ] [ 112 ]
現代のタービンには通常、メンテナンスツールや小型部品を吊り上げるための小型のオンボードクレーンが備えられています。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はめったに交換されないため、そのような場合は大型の外部クレーンが必要になります。タービンへのアクセス道路が困難な場合は、コンテナ型クレーンを内部クレーンで吊り上げて、より重いものを吊り上げることができます。[ 113 ]
新しい風力タービンの設置は議論の的となることがある。代替案として、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リングがあり、場合によっては数を減らしながら容量を維持または増加させる。[ 114 ]
使用されなくなった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。[ 115 ] [ 116 ]タービン材料の85%は容易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加工がより困難です。[ 117 ]
刃物のリサイクルへの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左右される。刃物のリサイクルにおける課題の一つは、エポキシ樹脂に炭素繊維を混ぜたガラス繊維でできた複合材料であり、これを再成形して新しい複合材料を作ることができない点にある。[ 118 ]
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米国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すぎない。[ 119 ]
複数の公益事業会社、スタートアップ企業、研究者が、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。[ 117 ]メーカーのVestas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。[ 120 ]ドイツでは、風力タービンのブレードが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。[ 117 ]英国では、高速鉄道2号線の建設における排出量を削減することを目的として、ブレードを細長い帯状に切断してコンクリートの鉄筋として使用するプロジェクトが試験的に実施される予定である。[ 121 ]使用済みの風力タービンのブレードは、ポーランド[ 122 ]とアイルランド[ 123 ]の歩道橋の支持構造の一部として組み込むことでリサイクルされている。2026年には、中国のメーカーであるMing Yangが、ガラス繊維の代わりに引抜成形炭素繊維パネルを使用し、化学プロセスによってリサイクル業者がコンポーネントを分離できる、初の完全リサイクル可能な風力タービンを開発した。 [ 124 ]
風力タービンは、太陽光パネルと並んで最も低コストな再生可能エネルギー源の1つです。[ 125 ]風力タービンに必要な技術が向上し続けるにつれて、価格も低下しました。さらに、風は無料で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ません（将来的には存在する可能性があります）。[ 126 ]小型風力タービンの主なコストは購入と設置プロセスであり、設置1基あたり平均48,000ドルから65,000ドルです。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ります。[ 127 ]
風力タービンはクリーンなエネルギー源であり、[ 128 ]水の使用量が少なく、[ 2 ]運転中に温室効果ガスや廃棄物を排出しません。1メガワットのタービンを化石燃料からの1メガワットのエネルギーの代わりに使用することで、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。[ 129 ]
風力発電の環境への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できます。[ 131 ]希少種を含む数千羽の鳥が風力タービンのブレードで死亡していますが、[ 132 ]風力タービンは人為的な鳥の死亡（人間によって殺された鳥）には比較的わずかしか寄与していません。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羽の鳥の死亡の原因となっていますが、化石燃料発電所は1GWhあたり約5.2羽の死亡の原因となっています。これに対し、従来の石炭火力発電機は鳥の死亡にかなり大きく寄与しています。[ 133 ] 2000年から2020年までの米国における記録された鳥の個体数に関する研究では、風力タービンの存在は鳥の個体数に有意な影響を与えていないことがわかりました。[ 134 ]
風力タービンで得られるエネルギーは変動的であり、「調整可能な」電源ではありません。その利用可能性は、電力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、風を最大限に活用するために尾根や崖に設置できますが、これは設置場所を制限することにもなります。[ 126 ]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、他の電源からの電力も含むエネルギーミックスの一部を構成することができます。余剰エネルギーを貯蔵し、供給不足を補うための技術も開発されています。[ 135 ]
風力タービンには、航空機との衝突を避けるために警告する点滅灯があります。[ 136 ]風力発電所の近くに住む住民、特に農村部に住む住民は、点滅灯が迷惑な光害の一種だと苦情を言っています。[ 136 ]光害軽減策としては、航空機検知照明システム（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ライトが点灯します。 [ 136 ]
最も強力な風力タービンの一覧も参照してください。
。これらの仕組みは、ローターブレードに熱風を吹き込んで氷を溶かすか、氷が付着するローターブレードの前縁に加熱ケーブルを使用することで機能します。航空機の除氷とは異なり、水に化学物質は添加されません。航空機の除氷では、多くの場合、大量の化学物質が使用されます。風力タービンの除氷にかかる費用は、タービンの2日間の発電量に相当します。
今日新たに建設される陸上風力タービンは、発電する 1 キロワット時 (kWh) あたり約 9 グラムの CO2 を排出します... 海上の新しい洋上発電所は、1 kWh あたり 7 グラムの CO2 を排出します... 太陽光発電所は、発電する 1 kWh あたり 33 グラムの CO2 を排出します... 天然ガスは 1 kWh あたり 442 グラムの CO2 を排出し、石炭火力発電は 864 グラム、褐炭火力発電は 1034 グラムの CO2 を排出します... 原子力エネルギーは、ウラン採掘と原子炉の建設および運転による排出量を考慮すると、1 kWh あたり約 117 グラムの CO2 を占めます。
