Proof-of-concept Study Including Attitude Control of a Variable-pitch-controlled Vertical Axis Wind Turbines
| Project/Area Number |
23K22975
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| Project/Area Number (Other) |
22H01706 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 24020:Marine engineering-related
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
居駒 知樹 日本大学, 理工学部, 教授 (50302625)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
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| Keywords | 浮体式洋上風力 / 垂直軸型風車 / 可変ピッチ / ツイン風車 / 風－波中応答 / 浮体式風力発電 / 垂直軸風車 / 可変ピッチ風車 / ムーンプール / 水槽実験 / 翼素運動量理論 / 波漂流力 / 2次波強制力 |
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| Outline of Research at the Start |
浮体式洋上風力発電システムとして，風車には垂直軸型を適用し，さらに可変ピッチ機構を導入することで幅広い風速域でより効率的にパワーを得ることを可能とする風車システムを検討する。これを浮体基盤へ搭載する際に，垂直軸型の利点をいかすために２基搭載するツインシステムとする。浮体にはムーンプールを設けることで形状を単純化しながら沖合展開の可能性を探る。本研究ではこのような浮体風車システムのコンセプトを水槽実験によって実証しながら数値シミュレータを開発する。係留方法によって浮体の向きを風向に合わせるために，可変ピッチによるスラスト向きや推進力の効果も水槽実験によって確認する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
翼素運動量理論を多流管ダブルディスク理論に基づいて開発したプログラムで，ツイン垂直軸風車に働くスラスト評価を行えるようにした。また，可変ピッチ翼の影響を考慮することで，本研究で対象とする垂直軸風車に作用するスラストを推進力を考慮しながら相応の精度で評価できるようになった。また，この評価法を導入した一点係留されたツイン風車を搭載した浮体の風による移動運動シミュレーションを可能とし，後に述べる水槽実験結果との比較を行えるようになった。
ムーンプールを有する基盤浮体の波浪中での基本性能を評価し，かつ係留設計精度を向上させるために強非線形状態を含む規則波中の波荷重と運動応答特性について水槽実験と数値計算から評価した。数値計算は弱非線形仮定でのポテンシャル理論に基づく方法で，2次の差周波数成分である波漂流力とは別に，和周波数成分の影響を調べた。この波荷重は線形波力の時には20％程度となる場合もあることがわかり，ムーンプール内の水塊挙動を無視できない場合があることがわかった。また，この荷重は弱非線形仮定でおおよそ推定できることを示した。
可変ピッチ垂直軸風車モデルを2基搭載した浮体模型により，水槽に一点係留で浮かべた場合の風による挙動について水槽実験を実施した。2基の風車のピッチ可変幅を変化させたり，回転数を変化させることで風向に正対するまでの挙動が異なることが実験的に示された。また，正対した後に風によって浮体が左右に揺れる現象が確認された。このことは翼素運動量理論を適用した運動シミュレーションでも再現された。風車性能に影響するほどではないが，特異な現象として今後も調査を実施する。
翌年度に実施する本研究での主たる水槽実験用の大型浮体模型を設計し，製作した。また，ブレードの可変方法にサーボモーター制御を導入したモデルを開発した。これらを搭載した浮体モデルでの水槽実験は次年度に実施する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
風による浮体の追従運動の数値シミュレーションは可能となったが，水波と風の共存場での運動シミュレータが完成していない。また，サーボモータを含めた可変ピッチ垂直軸風車は製作されているが，風洞実験によるスラストや推進力などの基本性能の取得が完了していない。そのためやや進展が遅れていると判断した。しかしながら，研究全体としては最終年度に繋げられる結果を得ているため，最終年度で成果を出せると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
製作された大型の浮体模型にサーボモーター制御の風車モデルを搭載した後に，規則波中での予備計測を行い，本実験を水波のみ，風のみ，水波＋風の共存場での応答計測実験を実施する。係留方法については，事前に運動応答シミュレーターでの評価を行いながら検討し，適切な実験装置を組み上げる。ピッチ角の可変を任意に制御することで風車性能を維持しながら浮体運動の制御や風向に正対させるためのアシスト効果を高性能化する。
運動応答シミュレータの完成のために，水波中での運動を平均位置周りの仮定の結果をデータベース化することで，風によって振れ回る状態を再現することを試みる（当初予定どおり）。また，風車の影響は簡略化したモデルのCFD計算を実施し，ポテンシャル理論と翼素運動量理論を組み合わせた運動応答シミュレーターによる結果との比較から合理的な運動予測法の提案を行う。
可変ピッチ風車についてはCFD計算を併用することで翼素運動量理論の精度向上に務めると共に，風洞実験結果による妥当性の検証を行う。
以上の成果を集約することで本研究で提案する浮体式風車システムの概念の実証結果を提示する。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
