2019 Fiscal Year Research-status Report

Elucidation of aero-hydro-elastic coupled behavior and control strategy of floating offshore vertical axis-type wind turbine-generator systems

Research Project

Project/Area Number	18K05016
Research Institution	Osaka Prefecture University
Principal Investigator	涌井徹也大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40339750)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	浮体式洋上風力 / 風力発電 / 垂直軸型風力タービン
Outline of Annual Research Achievements	風力発電の普及促進を図るために垂直軸型タービンを用いた浮体式洋上風力発電システムの開発を目指して研究を行った．垂直軸型風力タービンは風向変動の影響を受けず，低重心でジャイロ効果を有することから，浮体式システムに用いた場合の利点が多い．しかし，ローター回転中にタービントルクや空力荷重などが大きく変動するため，風力タービン，浮体，制御器の動特性が複雑に干渉することが課題となっており，現状ではその導入可能性は明らかにされていない．そこで本研究では，垂直軸型浮体式洋上風力発電システムを対象とした空力-水力-弾性-制御連成解析モデルを構築し，数値解析を通してその連成挙動を解明する．さらに，風速や波高の不規則変動下での発電性能および疲労荷重特性を向上させる制御方策を確立することで，垂直軸型浮体式風力発電システムの導入可能性を高めるための基礎的かつ学術的な知見を得ることを目的としている． 2019年度は，浮体式垂直軸型風力発電システムの空力-水力-係留力連成シミュレーションモデルを構築し，システムの連成挙動を分析した．連成解析モデルは垂直軸型風力タービンの空力サブモデル，浮体サブモデル，制御サブモデル，および動特性サブモデルより構成される．浮体サブモデルでは，浮体変位に応じた準定常状態での浮体外力を絶対座標系基準で計算し，係留力，粘性抗力，浮力を対象とした．サブモデル間の強連成解析を行う場合には，非線形連立微分代数方程式を解くことになり，計算負荷が非常に高い．そこで，サブモデルの計算を個別に行い，変数をサブモデル間で引き渡す弱連成手法を新たに開発した．その上で，定格風速以上の高風速域で直線翼垂直軸型風力タービンを用いた浮体式風力発電システムの連成挙動解析を行い，風速と浮体動揺に起因する風力タービンローターの空力特性の遅れ特性が浮体動揺に大きく影響することを明らかにした．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2018年度は垂直軸型風力タービンの空力サブモデルの構築に注力し，これを核とした浮体式垂直軸型風力発電システムの連成解析シミュレーションモデルの基本的なフレームワークを構築した．これに引き続いて2019年度は係留力モデルの見直しを含めた浮体サブモデルの構築を行い，空力-水力-係留力連成シミュレーションモデルを構築した．さらに計算効率を高めるために変数をサブモデル間で引き渡す弱連成手法を新たに開発した．ほぼ計画通りの研究遂行が行えているが，連成解析シミュレーションの環境をさらに整備するためには浮体サブモデルにおいて波力のモデル化を進める必要がある
Strategy for Future Research Activity	2020年度は，まず，連成解析シミュレーション環境を改良する．浮体（ローター回転軸）動揺時に垂直軸型タービンに作用するジャイロモーメント特性が垂直軸型浮体式洋上風力発電システムにおいて考慮すべき特徴的な特性であるため，浮体サブモデルでジャイロ効果のモデル化に着手する．さらに，直線翼垂直軸型風力タービンの主要諸元（翼枚数，ソリディティ，翼型，アスペクト比）により空力特性が大きく異なり，垂直軸型浮体式洋上風力発電システムの連成挙動に大きく影響を与えることが判明したことから，風力タービンの主要諸元の最適化に着手する．これにより，風力タービンの主要諸元（設計条件）が垂直軸型浮体式風力発電システムの連成挙動に与える影響を解明することができる．
Causes of Carryover	海外出張旅費（航空運賃）が当初の計画より安価であったために研究費残高が発生した． 2020年度の旅費に充てる計画である．