2014 Fiscal Year Research-status Report
上空・高度域の風力エネルギーを利用した新規発電法への挑戦
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26630496
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
新川 和夫 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (00151150)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 再生可能エネルギー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球環境の保全のため、温室効果ガスの低減が緊急の課題となっており、クリーンで再生可能エネルギーのひとつである風力発電に注目が集まっている。これに伴い、風力タービンからなる風車が世界的に増加する傾向となっている。風力エネルギーは風速の3乗に比例するので、風車の設置場所として、風況の良好な地点を選定することが重要な課題となる。このため、平地が少なく風況が悪い国内では、沿岸地や山間地が風車の設置場所となっている。また地形や建物による影響を少なくするため、洋上風力発電も計画されている。このように風力発電には、風況のより良い地点が求められている。
風は地表の摩擦の影響を受けるため、風速は地表近くでは小さく、高度が増すにつれて大きくなる。風速の高度分布として指数則が成り立つこと、また植生や建物などによる地表の粗度が大きいほど、地形が複雑なほど風速の変動が大きくなる。このため、多くの風車は平坦な陸地や沿岸部のタワー上に設置されている。風車のタワーを高くすれば発電効率は上がるが、強度やコスト面で問題が発生する。「さらに上空の風をとらえるには？」という考えから本研究は着想したものである。
申請者は (1)上空の風力エネルギーの取得法として「インフレータブルカイト」、「飛行船と風車」、「回転気球」の利用、(2)エネルギーの伝達法として、係留高分子繊維ロープのトルクと張力の応用、(3)ロープのトルクと張力により、地上で発電する技術開発を行ってきた。そして、各手法の性能比較をこれまで進めてきた。その結果、上空の風力エネルギーの取得に有力な手法として、改良型「新規回転気球」と「飛行船と風車」を選定した。本研究では、これら風力発電法のさらなる改善を図ることを主たる目的とした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、現在未利用である上空・高度域の風力エネルギーを取得し、地上で発電する技術を開発した。そのため、(1)上空風力エネルギーの取得法して、「新規回転気球」を開発した。(2)取得したエネルギーの伝達法として、係留高分子繊維ロープのトルクと張力を応用した。(3)さらにロープのトルクにより地上で発電する技術を開発した。(4)同様な技術開発を「飛行船と風レンズ風車」を用いた研究でも実施した。また回転気球や飛行船を利用する上で重要となる繊維ロープおよび高分子系複合材料の強度評価も実施した。
平成26年度は「新規回転気球」と「飛行船と風レンズ風車」を用いた風力エネルギーの取得法に改良を加えた。具体的には以下のような研究を行った。（1）「新規回転気球」がより安定して回転できるように改善した。ブレードの形状、枚数、取り付角を変えることにより、回転安定性を改良した。（2）「飛行船と風レンズ風車」の研究では、風車をアルミニウムで試作した。さらに風車の軽量・大型化を図るため炭素繊維強化複合材料(CFRP)を作製するための基礎実験を行った。CFRPを真空樹脂含浸法(VaRTM)で作製し、材料の力学特性評価を行った。これを更に発展させることによりアルミ製であった風レンズ風車の大幅な軽量化を図ることを可能とした．(3)実験の安全性を確認するため、高分子繊維ロープの強度評価を行った。具体的には、係留ロープの破断荷重に及ぼすねじり回転数の影響を計測するための装置を開発した。(4)係留ロープのトルク・回転数、さらに発電量が直接計測できるような装置を開発するための基礎実験を開始した。これは、平成27年度に当初計画していた研究内容を一部前倒しして行ったものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度は、前年度の(1)－(3)の研究、ならびに前倒した研究内容を継続することにより、回転気球と風車の回転安定性を改善し、風力エネルギーの取得法に改良を加える。さらに上空・高度域からの風力エネルギーの伝達・変換するための技術改善にも着手する。(1)トルク計と張力計を直結させた装置をこれまでに試作したが、この装置は静的トルク値しか計測できず、発電機と直結できない欠点があった。本年度は、係留ロープのトルク・回転数、さらに発電量が直接計測できるような装置を開発する。(2) 真空樹脂含浸法(VaRTM)法を用いて炭素繊維強化複合材料(CFRP)を開発し、風車へ応用する。この方法では真空圧で樹脂を注入して成形するため、大型で複雑な形状を比較的容易に成形することが可能となる。本研究では、風車をCFRPで試作し、大型・軽量化を図る。
平成28年度では、当初の計画変更を考慮の上、研究を継続し、回転気球と風車に改良を加える。特に、風力エネルギーの最適な変換法を考案する。「上空の風力→気球や風車の回転→ロープのトルク→地上で発電」ができることをこれまでの研究で明らかにした。しかし多くの発電機は、低トルク・高速回転式が一般的であり、本研究へ適応すると発電効率は極めて低下する。そのため、高トルク・低速回転式の発電機を用い、発電法に改良を加える。また係留ロープのトルク・回転数、さらに発電量が直接計測できる装置を用いて、最適な発電法を提案する。これらの研究から得られた成果を公表する。
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| Causes of Carryover |
平成26年度は当初計画した研究内容が早めに達成できたため，平成27年度に計画していた研究内容を一部前倒しして行った。このため、平成26年度の当初助成金1,100千円と前倒し支払請求額400千円を利用することにより研究を実施した。したがって，平成27年度は、当初助成金1,200千円より400千円少ない、800千円の経費および前年度からの持ち越し分で研究を実施する計画である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成27年度は、経費800千円および前年度からの持ち越し分で研究を実施する。その使用計画は下記の通りである．
（１）新規回転風車の改良のための材料・部品費として200千円を計画、（２）小型風レンズ風車の軽量化のための材料費として200千円を計画、（３）新規回転風車と小型風レンズ風車の掲揚料として200千円を計画、（４）研究成果発表のための旅費として200千円を計画
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