ウィンドファーム発電量最大化のための風車後流の実験式構築に関する研究

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K06154
• Research Institution: Mie University
• Principal Investigator: 前田 太佳夫 三重大学, 工学研究科, 教授 (80238865)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 風力タービン / 後流

Outline of Annual Research Achievements

風力発電所の事業規模を拡大してスケールメリットを生み出すとともに，風車へのアクセス道路や送電線を集約し，風車１台当たりのコストを低減するウィンドファーム（風車を１つのサイトに複数台設置する集合型風力発電所）が主流となっている．ウィンドファームでは，上流側風車の後流が下流側風車に流入することにより，速度欠損による発電量の低下や速度勾配による翼の疲労が問題となる．
これらの問題を解決するため，風車の後流が影響する範囲について，風洞実験，理論解析，実機による観測が行われてきた．しかし,これらの研究はいずれも，風が風車の正面から流入する場合の後流の速度分布を推定するものであって，風車ロータ面に流入する風の向きを意図的に変えることにより，積極的に後流の速度分布を制御した試みはない．
とくに，山岳部などの複雑地形上のウィンドファームでは，風速場の不均一性が著しいために後流内に入る風車が多い．また，洋上風力発電では，風が低乱流のため後流の回復に長い距離が必要となり，後流の影響が広範囲に及ぶ．本研究では，これらを解決するため，ロータ面を意図的に斜め流入状態にして積極的に後流を非対称にし，下流側風車の発電量を向上させることが特色である．
本研究によって様々な地理的条件に適用可能な風車の後流制御が実現し，新設のウィンドファームの最適配置に貢献できるとともに，既設のウィンドファームにおいても複数の風車の流入角を集中制御することにより，後流を能動制御し，ウィンドファーム全体の発電量を向上させることができる．
当該年度においては，後流内速度を流入角，上流風の速度・乱流強度，ロータ推力を変数として整理し，後流の速度分布と進行方向を表す実験式を構築するために，風車の上流風と後流を精度良く測定するための風計測システムおよびロータ推力を測定するための計測システムの整備を行った．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

次年度以降に，風車上流風速と後流内風速およびロータ推力を測定し，測定した後流内速度分布を，上流風の乱流強度，斜め流入角，風車に発生するロータ推力を変数として分類し，非対称性を考慮した後流の実験式を構築し，それを用いたウィンドファームの発電量の改善を行うため，当該年度は，フィールド風車の上流風と後流の測定に必要な計測システムと風車に発生するロータ推力を測定するシステムを構築した．
使用するフィールド風車は直径10ｍ，ハブ高さ13ｍであるため,高さ18mの移動式ポールに超音波流速計を取り付け，ロータ上端から下端まで測定できるようにするとともに，回転軸高さの水平方向に支柱を張り出し，水平方向の後流速度分布を測定できるようにした．これらにより，空間的な後流速度分布が測定可能となった．
また，上流風測定用の超音波流速計を用いて，上流風速と後流内速度の時系列を同期して測定できるようにシステムを構築した．
一方，乱流強度の大きな自然風の中で，後流速度分布とロータ推力の関係を求めるために，フィールド風車に推力が測定できるロードセルを取り付け動ひずみアンプを介してデータを取得できるようにした．
さらに，風車に対して風が斜めから流入すると，ロータ推力の反力，および後流内の主流方向速度と半径方向速度の比率の変化により，後流が偏向するため，運動量の法則から，風車後流の速度欠損と風車の推力に関係を整理した．

Strategy for Future Research Activity

今後の研究の推進方策としては，予備実験データを整理し，本研究で集中的に取得すべき実験条件を把握した後に，条件を絞って詳細な実験データを取得する．そして，測定される物理量の中で相関が強いと考えられる「斜め流入角と後流の偏向角の関係」，「ロータ推力と後流速度分布および回復率の関係」，「乱流強度と局所的な後流拡大率の関係」を整理する．
なお，フィールド実験結果から諸量の相関が明確化できないときなどの，当初計画どおりに進まない時の対応としては，既存の風洞実験結果から得られた変数を部分的に導入することを検討する．
最終成果としては，後流の能動制御に必要な後流モデルの構築を行い，そのための必要条件として，後流の偏向角と局所的な後流拡大率の関係を，主流平均風速，主流乱流強度，斜め流入角，主流方向距離，ロータ推力を変数として実験式を構築する．また，得られた後流モデルの効果を３行３列程度のウィンドファームを想定として実験式を適用し，発電量の改善を試算する．

Causes of Carryover

当初計画では，当該年度に風車の上流風と後流の計測システムと風車に作用する荷重の計測システムを構築したのちに，次年度に向けて，当該年度中に予備計測を完了する計画であった．しかし，既設の計測システムと新規導入したシステムの同期の調整に時間を要し，当該年度中に予備計測の一部を実施できなかった．そのため，当初計画では次年度の風の強い秋季から冬季にかけて集中的に実験データを取得する予定であったが，予備計測データを充実することを目的として春季から風向を絞って適切な風条件での実験データを取得する．また，システムの調整に時間を要したため実施できなかった資料収集に関しても次年度に実施予定である．そのため，当該年度に実施できなかった予備計測の一部および予備計測データ取得を目的とした実験補助のための人件費・謝金および旅費の繰り越しは，次年度に解消予定である．