Study on wake measurement of wind turbine by particle image velocimetry (PIV) using snowfall
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21H01413
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 22020:Structure engineering and earthquake engineering-related
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
本田 明弘 弘前大学, 地域戦略研究所, 教授 (60620606)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 寿 北海道科学大学, 工学部, 教授 (30595343)
千葉 隆弘 北海道科学大学, 工学部, 教授 (40423983)
久保田 健 弘前大学, 地域戦略研究所, 准教授 (70400405)
内田 孝紀 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (90325481)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2021: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000)
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| Keywords | 可視化 / 風力発電 / 後流 / 降雪 / 風車 / 粒子画像流速測定法 / PIV |
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| Outline of Research at the Start |
風車の後流に関して従来は平均風速の簡易モデルが用いられているが、後流の揺らぎや渦による乱れを含めた高度な観測が求められている。これに対して高価なスキャニングライダーを用いた観測では、空間分解能が数10m程度の平均的スカラー量であり、風車翼先端渦の減衰などの微視的な検討は難しい。
本研究では、風車ロータ近傍の流れを降雪による可視化結果を地上から撮影し流速ベクトルを評価する方法を拡張・改良し、風向に対して追随する風車ナセルに小出力の光源を搭載して撮影を行った画像をPIV処理し、更に風下距離も1km程度まで拡張することで風車後流の正確な挙動を追跡する技術を確立し、風車後流の予測モデルの提案につなげる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度に得られた鉛直方向に光面をセットした可視化画像のポスト処理法（大スケールでの画像ひずみ補正方法）を開発し、遠近法による画像ひずみを補正した映像が得られた。その結果、翼端渦の位置は非定常に変化して、全体的な後流が流下するに従い上昇する傾向がみられた。この現象は風車ブレードから放出する揚力線で流れをモデル化したシミュレーションにおいても、接近流に高度方向の風速分布を伴う場合に顕著に認められ、特に陸上風車の後流挙動には重要な知見が得られた。
また、得られた動画からPIV処理を行い後流域の流速分布を求めたところ、平均流速ではナセル後方での速度損失が認められ、風速の変動が増大する特性も認められた。
上記の結果は比較的風車に近い二アウェイクの領域では古典的なイェンセンモデルに近く、流下するにつれてガウシアン分布に近いことが判明した。
この結果を学会（可視化シンポジウム、風力エネルギー利用シンポジウム）にて発表し、さらに本研究での成果をまとめた博士前期課程の学生が、日本風工学会から優秀修士論文賞を受賞した。更にデンマーク工科大学風力エネルギーシステム研究所との情報交換においても紹介し、大変興味を引いた。
冬季の現地実験に関しては、想定していた大型風車が周辺に設置された風車の倒壊事故にともない年度内は全機停止が決定され、ナセルへの投光器設置が困難になった。 そのため小型風車の近傍にハブ高さ（２０ｍ）のタワーを設計・製作したものを設置した。このタワー頂部に投光器を取り付け、水平方向の光面を照射した。特に本年度は現地の降雪頻度が著しく少なく、得られた後流の可視化画像は少ないものの、３月にはようやく風車後流の水平面内での翼端渦が流下する様子を可視化することができ、風車後流の水平面内での’流れの揺らぎ’挙動を可視化することができた。この結果を周波数解析などを行い学会に発表予定である。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(4 results)
