在应对气候变化和能源安全战略中，随着海上风力发电的重要性不断增加，将多台风力发电机组合在一起的“集群式风电机组”研究正在推进之中。九州大学海上风力研究教育中心等利用圆环式独特风力发电机，计划在2028年建设汇集100台风力发电机的示范机组。这一举措能否推动风力发电的普及呢？。
九州大学等欲构筑的200米高集群式风电机组示意图（供图：九州大学）
由于风力发电机的输出功率与受风面积成正比，因此叶片不断向大型化发展。目前最大型叶片的高度近300米。但是，也有意见指出，为了支撑巨大重量的叶片而提高支柱的强度会导致成本增加等，通过大型化来降低发电成本的效果正在接近极限。
在大型风力发电机中，叶片的叶尖速度有时会超过100米每秒，如果这时被雨滴等击中，叶片很容易损坏。另外，高速旋转产生的噪音也是一大课题。
在上述背景下，将许多中型风力发电机组合在一起的集群式风电机组引起了人们的关注。为了即使不像大型风力发电机那样高速旋转也能提高输出功率，研究人员在叶片的设计上下了功夫，从而避免了高速旋转带来的缺点。并且通过将风力发电机合并在一起，还会产生协同效应。从理论上讲，与同等尺寸的传统风力发电机相比，可提高输出功率。
九州大学和该大学初创企业Riamwind（福冈市）的目标是在2024年建造出组合两台直径约25米的风力发电机的示范机组。通过分析实验数据，以便在2028年建设一个垂直方向组合10台风力发电机、水平方向组合10台风力发电机的集群式风电机组。预计其高约230米，宽约280米，输出功率为20兆瓦（兆为100万）。
预计集群式风电机组还具有易于持续发电的优点。通常，当风机叶片破损时，需要停止发电进行修理。检查时停止叶片，发电也会随之停止。但由于集群式风电机组可以个别拆除，因此在检查和维修时无需停止所有叶片，所以更容易维持发电量。
由于上述诸多优点，国外也相继出现了以集群式风电机组实用化为目标的动向。挪威初创企业Wind Catching Systems建造了一个由100多台中型风力发电机组成、高约300米的集群式风电机组。输出功率为75兆瓦，是目前大型风力发电机的五倍。该公司成立于2017年，由美国通用汽车公司等出资。
九州大学初创企业Riamwind开发的风力发电机因周围安装有圆环的独特形状而被称为透镜风车。虽然直径较小，但易于提高输出功率。风碰到圆环会产生涡流，从而在风机后侧形成低压区域。这种构造吸引风进入并增加风速。风速的微小差异将直接影响风力发电机的输出。经实验证实，与没有圆环的情况相比，输出功率增加了2～3倍。
直径数米的小型产品已投入实际使用。Riamwind代表董事大屋裕二（九州大学名誉教授）表示：“其旋转部分的单位面积能量获取效率为世界第一。”
在圆环内侧，叶片运动产生的涡流相互抵消，不易产生噪音。与具有相同输出的风力发电机相比，噪音水平也有所下降。由于圆环是静止的，更容易被鸟发现，因此还具有不易发生与风机相撞的“鸟撞”（bird strike）事故的优点。
但是，除叶片外，圆环也会受到风的影响，所以存在强风时风机受力过大而损坏的风险。目前正在考虑采取将整个风机或前端部分水平倾倒，使其不受风的影响的结构。
此外，集群式风电机组存在一个共通课题，那就是支撑风力发电机的构造物成本。为了普及，需要降低整体重量。
七国集团（G7）在4月的气候、能源、环境部长会议上表示，到2030年为止，海上风电装机容量将增加1.5亿千瓦。为了实现这一目标，应用集群式发电机组等新型发电方式也不可缺少。
日文：尾崎达也、《日经产业新闻》、2023/6/7
翻译：JST客观日本编辑部
