在因應氣候變遷和能源安全戰略中，隨着海上風力發電的重要性不斷增加，將多臺風力渦輪發電機組合在一起的「集羣式風電機組」研究正在推進之中。九州大學海上風力研究教育中心等利用圓環式獨特風力發電機，計劃在2028年建設彙集100颱風力發電機的示範機組。這一舉措能否推動風力發電的普及呢？。
九州大學等欲構築的200米高集羣式風電機組示意圖（供圖：九州大學）
由於風力發電機的輸出功率與受風面積成正比，因此葉片不斷向大型化隊形變換。目前最大型葉片的高度近300米。但是，也有意見指出，爲了支撐巨大重量的葉片而提高支柱的強度會導致成本增加等，透過大型化來降低發電成本的效果正在接近心極限。
在大型風力發電機中，葉片的葉片梢速度有時會超過100米每秒，如果這時被雨滴等命中，葉片很容易損壞。另外，高速旋轉產生的噪音也是一大課題。
在上述背景下，將許多中型風力渦輪發電機組合在一起的集羣式風電機組引起了人們的關注。爲了即使不像大型風力發電機那樣高速旋轉也能提高輸出功率，研究人員在葉片的設計上下了功夫，從而避免了高速旋轉帶來的缺點。並且透過將風力發電機合併在一起，還會產生協同效應。從理論上講，與同等尺寸的傳統風力發電機相比，可提高輸出功率。
九州大學和該大學初創企業Riamwind（福岡市）的目標是在2024年建造出組合兩臺直徑約25米的風力發電機的示範機組。透過分析實驗數據，以便在2028年建設一個垂直度方向組合10颱風力發電機、水平方向組合10颱風力發電機的集羣式風電機組。預計其高約230米，寬約280米，輸出功率爲20兆瓦（兆爲100萬）。
預計集羣式風電機組還具有易於持續發電的優點。通常，當風機葉片破損時，需要停止發電進行修理。檢查時停止葉片，發電也會隨之停止。但由於集羣式風電機組可以個別拆卸，因此在檢查和維修時無需停止所有葉片，所以更容易維持發電量。
由於上述諸多優點，國外也相繼出現了以集羣式風電機組實用化爲目標的動向。挪威初創企業Wind Catching Systems建造了一個由100多臺中型風力渦輪發電機組成、高約300米的集羣式風電機組。輸出功率爲75兆瓦，是目前大型風力發電機的五倍。該公司成立於2017年，由美國通用的汽車公司等出資。
九州大學初創企業Riamwind開發的風力發電機因周圍安裝有圓環的獨特形狀而被稱爲透鏡風車。雖然直徑較小，但易於提高輸出功率。風碰到圓環會產生渦流，從而在風機後側形成低氣壓區域。這種構造吸引風進入並增加風速。風速的微小差異將直接影響風力發電機的輸出。經實驗證實，與沒有圓環的情況相比，輸出功率增加了2～3倍。
直徑數米的小型產品已投入實際使用。Riamwind代表董事大屋裕二（九州大學名譽教授）表示：「其旋轉部分的單位面積能量獲取效率爲世界第一。」
在圓環内側，葉片運動產生的渦流相互抵消，不易產生噪音。與具有相同輸出的風力發電機相比，噪音水平也有所下降。由於圓環是靜止的，更容易被鳥發現，因此還具有不易發生與風機相撞的「鳥撞」（bird strike）事故的優點。
但是，除葉片外，圓環也會受到風的影響，所以存在強持續吹風時間風機受力過大而損壞的風險。目前正在考慮採取將整個風機或前端部分水平傾倒，使其不受風的影響的結構。
此外，集羣式風電機組存在一個共通課題，那就是支撐風力發電機的構造物成本。爲了普及，需要降低整體重量。
七國集團（G7）在4月的氣候、能源、環境部長會議上表示，到2030年爲止，海上風電裝機容量將增加1.5億瓩。爲了實施這一目標，應用集羣式發電機組等新型發電方式也不可缺少。
日文：尾崎達也、《日經產業新聞》、2023/6/7
翻譯：JST客觀日本編輯部
