2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of Extended BEM Method Which Includes the Rotor-Tower Aerodynamic Interaction of Downwind Turbines
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19K04195
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
吉田 茂雄 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (80620137)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 風力発電 / 風車 / ロータ / ダウンウィンド / タワーシャドウ / 翼素・運動量理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
持続可能な循環型社会の実現に向け，再生可能エネルギーの導入促進が不可欠である．特に，風力発電は発電コストが低く，エネルギー賦存量が大きいため，最も有望な技術の一つであるである．風車の設計においては，風や運転条件などの膨大な組み合わせのシミュレーションを行う必要があるため，ロータの空力計算には比較的計算負荷の低い翼素・運動量理論（BEM）が使用されている．しかし，この手法では，タワーやナセルなどの固定部との空力干渉のモデルを開発する必要がある．
本研究では，将来の風車の大型化・低コスト化，ならびに，日本の周辺海域に膨大なエネルギー賦存量が期待できる浮体式洋上風力発電用に有望視されるダウンウィンド風車の技術課題であるロータ～タワー間の空力干渉（RTI）を包含する拡張BEM理論を開発する．これは，従来のBEM理論に，揚力線理論やポテンシャル理論を統合した，これまでにない新しいロータ空力解析理論で過去数十年間のBEMの枠組みを転換させる画期的なモデルである．これにより，少ない計算負荷で精度のよい応答解析を可能とするとともに，個別の現象に対する形状，翼特性，運転条件などの代表的な設計パラメータの個別の影響を明らかにすることにより，設計へのフィードバックが可能とし，より競争力の高いシステムが実現させる．
本研究では，さらに，それを空力弾性解析ソフトに実装し，風車の荷重や性能に対する各種設計・パラメータの影響を評価するとともに，これらの空力干渉を考慮したダウンウィンド風車の設計指針を得る．さらに，国際エネルギー機関の国際共同研究プラットフォームIEA Wind, Task 40 Downwind Turbine Technologiesへ推奨方法案として提案を行い，社会的な普及・定着まで視野に入れている．
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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
ロータ～タワー間の空力干渉に関して，動的揚力の影響を考慮することにより，従来模擬できなかった，タワーシャドウ侵入時に若干荷重が上昇してから減少に転じる現象を模擬できるモデルを開発し，先行研究における風洞試験（直径1m）結果で検証した．また，スケール効果の検討により，より小型で高速のシステムにおいてこの影響がより顕著になることを明らかにした．加えて，実機の計測データにより，風（乱流，ウィンドシア）がRTIに影響する可能性があることを確認し，実機のCFDモデルを作成し，解析に着手した．以上の成果はIEA Windの成果として国際ワークショップや市民向けセミナー，ならびに，国際誌（1編）に発表している．前年度に実施したタワーとの動的/平均空力干渉のモデルと合わせて，IEA Windの最終報告書と推奨方法を執筆中である．
ダウンウィンド風車で顕著になるロータ～ナセルの空力干渉に関して，一般化BEMを元に誘導したモデルに関して，CFDモデルによる検証を進めており，国際誌への投稿を準備している．
ダウンウィンド風車の応用として有望視されるディフューザ付風車のディフューザとロータの空力干渉に関して，一般化アクチュエータディスクモデルにより，ディフューザ単独の最適化指標となる一般化ディフューザ効率を誘導・提案した．さらに，遺伝的アルゴリズムにより，制限条件の中で出力を最大化するディフューザ形状を最適化する手法を開発し学会ならびに国際誌（1編）で発表した．
風洞試験は，既往の実験や実機のデータで代替した．当初最終年度に計画していた空力弾性解析ツールの開発は，モーダル法とマルチボディダイナミクスの2つのアプローチで計画を前倒して実施し，学会ならびに国際誌で発表している．国際誌には既に目標を上回る4編を発表した．以上を勘案し，概ね順調に推移していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 拡張BEMモデル開発・検証：1)ダウンウィンド風車に顕著なロータ～ナセル（スピナ）空力干渉モデルについて，CFDによる検証を完了させ，国際誌に投稿する．2)ダウンウィンド風車のロータ～タワー空力干渉モデルについて，タワー後流の風速分布のパラメータの関係（幅，流速欠損分布など）を明らかにする．3)乱流やウィンドシアなどの風の影響を実機データとの比較で検証する．4)タワーシャドウに対する翼面上の循環の分布の影響を考慮するため，揚力（BEMでは点で代表）を複数の循環で表現する拡張モデルの検討，ダウンウィンドマルチロータシステムの空力干渉モデル，ディフューザ付ダウンウィンド風車の空力干渉モデルなど，さらなる発展性を検討する．
(2) 空力弾性解析ソフトの開発：自作の翼素運動量理論とモーダル法を基本とした空力弾性解析ソフトに(1)の各種モデルを実装し，疲労荷重に対する各モデル・パラメータの影響を明らかにする．合わせて，解析時間に対する影響を評価する．
(3) 推奨方法提案：以上に関してIEA Windに推奨方法案を作成して提出する．
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| Causes of Carryover |
国際学会への参加を計画していたがコロナ禍でオンライン開催となり，旅費を含めて大幅に下回った．代わって，論文が計画の1編から2編となり，投稿料と校正料と合わせて予算を大幅に上回った．以上により，単年度の直接経費として400,000円の予算に対して，445,536円と，ほぼ計画通りとなった．しかし，コロナ禍の影響で実験関連が執行していないため，763,100円からの差額317,564円を次年度使用とする．
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