2020 Fiscal Year Annual Research Report
Establishment of reasonable wind-resistant design method of wind turbine with polygonal cross-section modular tower
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19H02291
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| Research Institution | Tokyo Polytechnic University |
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Principal Investigator |
金 容徹 東京工芸大学, 工学部, 教授 (30572416)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田村 幸雄 東京工芸大学, 工学部, 名誉教授 (70163699)
松井 正宏 東京工芸大学, 工学部, 教授 (60350576)
吉田 昭仁 東京工芸大学, 工学部, 教授 (90329219)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 風力発電設備 / モジュラータワー / 風洞実験 / 耐風設計法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，多角形断面モジュラータワーを持つ風力発電設備の耐風安全性を検証し，合理的な耐風設計法を確立することである。それを達成するために，2019年度に引き続き2020年度にも多角形断面タワーを持つ風力発電設備を対象に風洞実験を実施し空力特性および振動特性を検討した。対象とした多角形断面は，前年度と同様に，4角形，4角形ヘリカル(ヘリカル角度180度)，8角形，10角形，12角形，14角形と円形である。上部構造物(ロータとナセル)の影響を調べるために，上部構造物がある場合とない場合(タワーのみ)に分けて風力実験と振動実験を行った。
研究実績として，卒業研究1編，査読中の査読付き国際ジャーナル論文1編，査読付き国内論文1編，国内学会発表1編と国際学会発表2編である。
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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
2020年度は全体的に大きな遅れはなく，おおむね順調に研究を進めることができた。前年度の同じ断面と寸法の風洞実験模型を用いて風力実験と振動実験を行った。実験においては，一つの模型で風力実験と振動実験が行えるように製作した。
風力実験によりタワー断面の違いによる平均的な風力の変化を調べることができた。しかし，模型の重さの関係で，変動成分まで検討することはできなかった。これは当初予期していないことで，同じ大きさの模型を製作した理由は，前年度と同じ大きさの模型を使用した方が前年度の研究との対応がより明確になるからであった。変動成分を詳細に検討するために，より小さな模型を製作し風力実験を再度行い，解析を進めている。
なお，振動実験の結果より上部構造物の有無や断面形状による振動特性の違いを明らかにすることができた。タワーのみの上部構造物がない場合，アスペクト比が大きい煙突と同じ挙動を示すことが分かり，特に，4角形断面では低い風速で不安定振動が発生して風直角方向の変動変位が急激に大きくなることが確認できた。他断面では不安定振動は発現しないものの，同じ低い風速で渦励振が発生することが分かった。特に，8角形断面を持つタワーでは大きな渦励振があらわれており，高風速では10角形断面を持つタワーの変動変位が他断面より大きいことが分かった。しかし，上部構造物を設置することにより，不安定振動や渦励振があらわれなくなり，上部構造物により不安定振動や渦励振が抑制されることが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度には，前年度までの研究成果を総合的かつ定量的にまとめて，多角形断面を持つモジュラータワーの耐風設計法を確立する。
その内容として，まず，全風向から最大となる層風力係数を求め, 設計用層風力係数を提案する。その後，風荷重の組合わせに関する設計式を提案する。風荷重を精度よく求める際には風荷重の組合せを考慮する必要がある。各方向の等価静的風荷重をそのまま足し算すると風荷重に対して過大設計となるため, 各方向の等価静的風荷重の重みを算出する必要がある。これは風荷重効果を考慮して求める必要があり, 初年度に行ったFEM解析の結果を用いる。本研究ではタワー部下端の最大縁応力度に着目し, 新たな設計パラメータとして組合せ係数を定義し設計式を提案する。
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