2017 Fiscal Year Research-status Report
海流発電に適した浮遊式二重反転水車の開発に関する研究
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17K06970
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| Research Institution | Toba National College of Maritime Technology |
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Principal Investigator |
渡辺 幸夫 鳥羽商船高等専門学校, その他部局等, 准教授 (20332033)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 再生可能エネルギー / 海流発電 / 数値流体力学 / 二重反転水車 / シュラウド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
日本国外では，新しい風車として舶用プロペラなどと同様の二重反転機構を採用する試みがなされており，12%程度発電量が増加するとの報告もある．本研究では，風車と作動流体が異なる海流発電用水車にこの二重反転機構を適応することを目的とする．
一般的な風車と本研究で検討する海流発電用水車で異なる点は，第一にその設置方式である．実際に設置するフィールドとして黒潮海流を想定し，陸上における気球のように海中に浮遊させる方式を採用する．またその形状としては，二重反転水車を申請者が既に高出力化を確認しているシュラウド（ダクト）で取り囲み発電出力増加と海中浮遊物による損傷防止を実現する．係留索によって浮上させるのは，海上からメンテナンスすることを容易にするためである．
本研究は３ヵ年で完遂できるよう計画している．内容で大別すると１）水中浮遊式海流発電用水車システムの性能、シュラウドの形状影響などに関する数値解析２）回流水槽における水車システムの性能計測実験と周辺流場のPIV計測（数値解析結果の検証など）３）水車システムの安定性（非定常流体力や係留力など）に関する数値解析４）海流水槽における水車システムの係留に関する水槽計測実験の４段階からなる．何れも数値解析を用いた調査と，水槽における実験による調査の二つの方法を用いて，得られた成果に対する信頼性を高める工夫をしている．
またそれぞれの調査内容について，研究代表者自身のこれまでの研究成果を十分に生かすことが可能であり，さらに研究において使用する施設や装置についても，本研究に使用可能なように既に改良を施しているものある．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29年度は，二重反転機構および翼断面シュラウドを有する水車の設計とCFDによる性能解析，回流水槽実験をおこない，海流発電用水車に適した形状を検討することを計画した．
翼断面シュラウドを有する二重反転水車の簡易性能解析・設計法開発については，簡便ながら精度の良さで広く風車性能解析に使用されている翼素運動量理論を拡張を実施した．また，シュラウドが存在し，且つ二重反転機構を有する水車出力やトルク特性についてはCFDを用いて検討を行なった．また，水車の翼枚数や前後の水車直径の影響について解析を実施し検討を行った．
次に，翼断面シュラウドを有する二重反転水車の出力と作用する流体力の詳細検討について，上記設計法を用いて水車形状（と配置など）を概ね決定したが，発電量予測などには任意の作動状態での水車発電の性能把握が必要であり，翼素運動量理論のみでは困難と予想されるダクトや水車の3次元影響や相互干渉を適切に考慮するために，CFDソフトFluentとCFXを用いて解析を実施した．
回流水槽における性能計測実験については，数値的に検証を行った形状の翼断面シュラウドを有する水車模型に対して鳥羽商船高等専門学校の回流水槽で性能計測実験を行った．この模型の作製には以前の科研費にて導入した３Dプリンタおよび３D切削装置を用いた．水槽試験用の模型は、外注した場合非常に高価となるが，本研究では数種類を対象としていることもあり、３Dプリンタや３D切削装置を用いることによってコストを低く抑えた．また、PIVによる流場計測については，予算の関係上関係機材（高速度カメラやレーザー）の購入が難しく，デモ機材による簡単な計測のみ実施した．平成３０年度に機材の購入からレンタルに切り替えることで，詳細なPIV流場計測を実現することに決定した．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度以降はまず，２９年度に実施できなかった回流水槽におけるPIVによる詳細な流場計測を実施し，海流発電用水車システムの係留力や安定性の数値解析、および水中浮遊システム模型による回流水槽実験を実施し研究を総括する．
前述したが，回流水槽におけるPIVによる詳細な流場計測については，二重反転水車の前後水車間流速やシュラウドが及ぼす流場への影響などをレンタル機材を使用して実施する．これらはCFD解析の結果と比較することで，有効性が増すものと考えられる．また，二重反転水車の性能計測計測において，現状では性能計測が難しいためプロペラ単独試験装置の取付部に変更を加える予定である．
水中浮遊式海流発電用水車システムの係留力・動特性数値解析について，水中浮遊式水車システムを海底に係留した際の挙動や係留力を数値解析によって求める．29年度に実施した汎用CFDソフトを用いた解析によって算出された，水車システムに作用する流体力を入力として使用する．解析については，本研究室で開発したLumped Mass 法解析プログラムをベースに改良して使用する．
回流水槽における水中浮遊式水車システムの動特性計測実験については，３D切削装置や３Dプリンタを用いて水車システム模型を作製し，これを流れの中に係留して模型に作用する力を計測する。また、この時にPIV計測も実施することで、周辺流場の計測と水車システムの動特性（モーションキャプチャー技術を使用）を明らかにする事ができる．係留は水底にアンカーするのが一般的だが，防水仕様の分力計が高価であるので，水底付近までのステーを製作してこれと非防水の分力計を用いて係留力を計測する工夫をする．一連の研究を通して得られた知見については論文投稿，口頭発表などの成果発表を行う．また研究全体を総括し，海流発電に適した新しい形式の水中浮遊式海流発電用水車を提案する．
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| Causes of Carryover |
購入品として計画していたPIV計測に用いる高速度カメラとレーザーについて，メーカーとの協議により予定よりも高精度・高性能のものが必要となった．そこで購入計画を見送り，30年度以降にレンタルすることによって計測を実現する．物品の購入はできないが，レンタル料として予算を使用する．実験実施については可能であると，現場でデモ機を用いたテストも実施済みである．
なお，PIV計測用途ではなく，システム動特性の計測実施のため，PIV計測よりも精度が低い高速度カメラについては購入予定である．
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