2019 Fiscal Year Research-status Report

Study on Damping Plates for Reducing Motions of Floating Offshore Wind Turbine

Research Project

Project/Area Number	19K04860
Research Institution	Saga University
Principal Investigator	石田茂資佐賀大学, 海洋エネルギー研究センター, 教授 (30360712)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	永田修一佐賀大学, 海洋エネルギー研究センター, 教授 (30404205) 今井康貴佐賀大学, 海洋エネルギー研究センター, 准教授 (90284231) 村上天元佐賀大学, 海洋エネルギー研究センター, 准教授 (90611278)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	洋上風力発電 / 波浪中動揺 / プレート / フィン
Outline of Annual Research Achievements	再生可能エネルギーの中で、洋上風力発電は大きなポテンシャルを持っているが、我が国では遠浅の海岸が少ないため、大規模なウィンドファームを展開するためには、係留された浮体上に風車を搭載する浮体式風力発電施設が必要となる。その実現には、波や風による動揺を低コストで抑えることが技術的課題である。本研究では、風車支持浮体の動揺低減のための簡易なプレート（平板）構造を対象とし、その減揺効果の評価手法を開発するとともに、効果的な減揺プレートを提案する。 2019年度は、有望な型式のひとつとされるスパー型浮体を対象に、その下部を鉛直プレートで置き換えた模型や上部にフィンを取り付けた模型と従来の単純円筒型について、水槽実験を行って波浪中動揺を比較した。また、波浪中の流れを模擬するため、部分模型を強制的に正弦運動させて、形状変更した部分の流体力の違いも計測している。これらの結果、スパー下部を3枚の鉛直プレートで置き換え、その中央に隙間を設けた新しい型式において、風車にとって重要なピッチング（傾斜）とナセル（タワー上にある風車機械部）の加速度が、波浪中で小さくなることが分かった。この構造は曲げ加工が不要で水密性も必要ないことから、コスト面でも有望と考えられる。また、この部分の流体力（付加質量と減衰力）は、従来の円筒形状よりも小さいため、一般的には波浪中運動が大きくなるが、逆の結果となった。このように、部分的に流体力の小さい形状を用いることで、浮体の波浪中運動を抑え得ることが明らかになった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2019年度は、3年計画の初年度として、有望な型式のひとつとされるスパー型浮体に着目し、その下部を鉛直プレート3～4枚で置き換えた構造と従来の単純円筒型について、波浪中水槽実験を行って動揺を比較した。その際には、プレート構造の中央に設けた隙間の影響や風車ロータの空気抵抗を模擬したディスクの影響も検討している。また、スパー上部に取り付けたフィンの影響も検討しており、結果として13種類の模型を用いて水槽実験を行っている。さらに、それらの流体力学的な特性の違いを調べるため、交換部だけを取り出すとともに、フィンの有無も含め、部分模型を強制的に運動させた場合の流体力を計測した。これらの実験では、実用的な観点から、模型の縮尺を考慮して、実海域で実際に発生する波浪の周波数を用いた。本年は基礎的な性質を調べるため、波浪中実験は規則波中で、強制動揺実験は正弦動揺させて行ったが、流体力（付加質量と減衰力）が小さい方が波浪中運動が小さくなる等、興味深い知見が得られている。動揺低減のメカニズムについては、引き続き整理中である。数値計算法については、プレート・フィン周りの流場や流体力について、渦法を用いる予定である。現在は、既にある2次元コードを3次元化する作業を行っている。
Strategy for Future Research Activity	本研究は、減揺プレート周りの流場の解明や流体力の評価法、減揺プレートを付けた浮体の波浪中動揺評価法を明らかにし、浮体式風力発電施設の波浪中動揺を抑制する効果的な減揺プレートの提案を目的としている。今年度の研究では、スパー型浮体を対象として、その一部をプレート構造に置き換えた場合やフィンを付加した場合について、流体力と波浪中動揺特性を水槽実験により調べた。今年度は基礎的な性質を調べるため、周波数一定の規則波中での検討を行ったが、実海域で発生するのは不規則波である。プレートから発生する剥離流は履歴の影響があるため、不規則波中の流体力はより複雑になる。今後は、不規則波中の検討を加える予定である。実験によらず波浪中動揺評価を行うためには、数値計算法の開発が必要である。その場合、浮体全体と周囲の流場を一度に解くことは計算機の負荷が非常に大きくなる。そこで、プレート・フィン周りの流体力を数値計算で求め、他の部分はポテンシャル理論といった簡易計算法の適用を検討する。数値計算法としては、研究分担者が開発中の3次元渦法を試みる予定である。浮体式風力発電施設候補としては、スパー型と並んで有力な型式とされるセミサブ型を対象とするが、より形状が単純で検討しやすいバージ型も検討する。
Causes of Carryover	今年度の実験では、既存の模型の一部を流用したため節約することができた。次年度は、新規に模型を制作する必要があるため、節約分を合わせて使用する。