ピコ水力発電のPTDRの飛躍的向上

• Project/Area Number: 21K04966
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 31020:Earth resource engineering, Energy sciences-related
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: 重光 亨 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 准教授 (00432766)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 再生可能エネルギー / 小水力 / インライン水車 / 二重反転形羽根車 / 性能 / CFD / PTDR / ピコ水力 / 翼列間干渉

Outline of Research at the Start

ピコ水力発電を普及させる上で出力-水車直径比(PTDR)の飛躍的向上は必要不可欠である．本研究では，二重反転形羽根車の高流量域での性能特性に着目し，ピコ水力発電のPTDRの更なる向上を目指す．二重反転形小型ハイドロタービンの性能と内部流れの関連性を数値流れ解析により解明する．高流量域においても出力が漸増する特性を活かした羽根車を考案し，性能試験設備において，その効果検証を実施する．また，PTDRの向上に伴う振動や騒音の増加を抑制させるために，翼列間干渉を明らかにする．最終モデルについてはフィールド試験を実施し，二重反転形小型ハイドロタービンのPTDRの飛躍的向上と長期連続運転を可能にする．

Outline of Annual Research Achievements

ピコ水力発電の高出力化および低コスト化において，出力-水車直径比(PTDR)の向上は非常に重要である．本研究では，二重反転形羽根車の性能特性に着目し，ピコ水力発電のPTDRの更なる向上を目指す．令和4年度は，令和3年度に実施した研究成果を活用し，二重反転形小型ハイドロタービンの実験装置を構築し，その性能改善効果を確認する．
令和3年度までの研究により，二重反転形小型ハイドロタービンは，定格回転条件下では，設計流量の2倍の流量においても効率の低下が小さく，出力が大きく上昇することを示した．また，数値流れ解析により，出力増加メカニズムの調査を行い，高流量域においては，後段羽根車入口での流れと入口角のミスマッチが大きいが，後段翼間では流れが羽根に沿うことで一定の性能を維持できることを示した．
そこで，令和4年度は，令和3年度の研究成果を活用し，定格回転条件下でも広い流量範囲において運用が可能と考えられる高ソリディティのタービンの設計を行うと共に，二重反転形小型ハイドロタービンの軸機構，シール，発電機，整流器ユニット，パワーコンディショナーなどの要素技術の検討を実施した．その上で，実験装置の構築と回流試験装置の改良を行った．47mmの超小型タービンにおける性能試験を実施し，回流試験装置において，330Wの出力が得られた（PTDR=7021W/m）．これまでの基礎研究における58mmのタービンでは，PTDR=1707W/m，高流量条件下でPTDR=3000W/mを予想していたため，大幅な性能改善を実現できた．また，水車システムとしても，漏水，電気関係のトラブルもなく完成度の高い試験装置を構築できた．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

令和3年度に高流量条件下における性能特性と出力増加メカニズムを明らかにした．令和4年度は，令和3年度の研究成果を活用し，定格回転条件下でも広い流量範囲において運用が可能と考えられる高ソリディティのタービンの設計を行った．また，実験装置を構築するための軸機構，シール，発電機，整流器ユニット，パワーコンディショナーなどの要素技術の検討を実施した．回流試験装置の改良と実験装置の構築を実施し，連続試験下の漏水状況や電気トラブル発生の有無を確認した．直径47mmの二重反転形小型ハイドロタービンの性能試験を実施し，流量の増加に伴い出力が増加し，回流試験装置での最大流量10.2l/sにおいて 出力330Wが得られた（PTDR=7021W/m）．これまでの基礎研究における58mmのタービンでは，PTDR=1707W/m，高流量条件下でPTDR=3000W/mを予想していたため，大幅な性能改善を実現できた．また，水車システムとしても，漏水，電気関係のトラブルもなく完成度の高い試験装置を構築できた．

Strategy for Future Research Activity

令和5年度は，PTDRのさらなる向上と圧力変動の抑制を図る．PTDRの向上は，出力の大幅な増加を意味し，水車へ流入する流量および羽根車に作用する圧力も大きく増加する．二重反転形羽根車では，二つの羽根車が反転する性質上，それぞれの羽根車の流れ場が干渉し，振動，騒音の増加を招く可能性がある．そこで，最適モデルにおける数値流れ解析結果をもとに，二重反転形羽根車の非定常圧力変化を調査する．また，実験において圧力計測を実施し，数値流れ解析結果との比較を行い，数値流れ解析結果の妥当性を確認する．その上で，実験での計測が困難な内部流れについては，数値流れ解析により補完を行う．一方，令和4年度において，明らかとなった大きな機械損失の抑制を図るために，低トルクのメカニカルシールの導入を行い，PTDRの向上を図る．令和5年度中に，フィールドでの実証試験が実施できる場合は，フィールド試験を実施し，PTDR改善効果を検証する．但し，フィールド試験が難しい場合は，実験室実験をその代替方法として活用する．