地形起因の大気乱流が風車の構造強度・疲労寿命に与える影響の実機検証研究

• 研究課題/領域番号: 17H02053
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 社会システム工学・安全システム
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 内田 孝紀 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (90325481)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2019年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2018年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2017年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円)
• キーワード: 風力発電 / 数値流体力学 / 乱流モデル / 大気乱流 / 複雑地形 / 風車ウエイク / 地形性乱流 / 現地計測 / 数値風況シミュレーション / コンピュータシミュレーション / 風力

研究成果の概要

2011年3月11日に発生した東日本大震災や，2012年7月から施工される再生可能エネルギーの固定価格買い取り制度(FIT)を受け，風力発電に大きな注目が集まっている．本研究では，非定常乱流場の解析が可能な流体工学CFDモデルRIAM-COMPACTを用いて，複雑地形上の風況解析を実施し，乱流が風車に影響を与えるメカニズムを明らかにした．さらに，風車相互の干渉でウィンドファーム全体の発電電力量が低下しないよう，その離隔距離を決めることは極めて重要である．

研究成果の学術的意義や社会的意義

一連の研究成果に基づいて、地形性乱流が大型風車のブレードに与える2種類の新しい定量化指標を提案することに成功しました。この指標を有効に活用することで、風車の「重大事故」を未然に防ぎ、洋上および陸上の大規模風力発電の適切な普及・拡大に大きく貢献することが期待されます。

研究成果

• [雑誌論文] Numerical Prediction of Strong Wind Induced by Topographic Effect (2019)
  • 著者名/発表者名: Takanori Uchida
  • 雑誌名: Open Journal of Fluid Dynamics 巻: 9 号: 03 ページ: 224-240
  • DOI: 10.4236/ojfd.2019.93015
  • NAID: 120006776699
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Numerical Investigation of Terrain-Induced Turbulence in Complex Terrain Using High-Resolution Elevation Data and Surface Roughness Data Constructed with a Drone (2019)
  • 著者名/発表者名: Takanori Uchida
  • 雑誌名: Energies 巻: 3766 号: 19 ページ: 1-20
  • DOI: 10.3390/en12193766
  • NAID: 120006776698
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Numerical Investigation of Terrain-Induced Turbulence in Complex Terrain by Large-Eddy Simulation (LES) Technique (2018)
  • 著者名/発表者名: Uchida Takanori
  • 雑誌名: Energies 巻: 11 号: 10 ページ: 2638-2638
  • DOI: 10.3390/en11102638
  • NAID: 120006529611
• [雑誌論文] Comparison of RANS and LES in the Prediction of Airflow Field over Steep Complex Terrain (2018)
  • 著者名/発表者名: Uchida Takanori、Li Graham
  • 雑誌名: Open Journal of Fluid Dynamics 巻: 08 号: 03 ページ: 286-307
  • DOI: 10.4236/ojfd.2018.83018
  • NAID: 120006539241
• [雑誌論文] Large-Eddy Simulation of Airflow over a Steep, Three-Dimensional Isolated Hill with Multi-GPUs Computing (2018)
  • 著者名/発表者名: Uchida Takanori
  • 雑誌名: Open Journal of Fluid Dynamics 巻: 08 号: 04 ページ: 416-434
  • DOI: 10.4236/ojfd.2018.84027
  • NAID: 120006643529
• [雑誌論文] Design Wind Speed Evaluation Technique in Wind Turbine Installation Point by Using the Meteorological and CFD Models (2018)
  • 著者名/発表者名: Uchida Takanori
  • 雑誌名: Journal of Flow Control, Measurement & Visualization 巻: 06 号: 03 ページ: 168-184
  • DOI: 10.4236/jfcmv.2018.63014
• [雑誌論文] Computational Investigation of the Causes of Wind Turbine Blade Damage at Japan’s Wind Farm in Complex Terrain (2018)
  • 著者名/発表者名: Uchida Takanori
  • 雑誌名: Journal of Flow Control, Measurement & Visualization 巻: 06 号: 03 ページ: 152-167
  • DOI: 10.4236/jfcmv.2018.63013
  • NAID: 120006491405
• [雑誌論文] Computational Fluid Dynamics Approach to Predict the Actual Wind Speed over Complex Terrain (2018)
  • 著者名/発表者名: Uchida Takanori
  • 雑誌名: Energies 巻: 11 号: 7 ページ: 1694-1694
  • DOI: 10.3390/en11071694
  • NAID: 120006489786
• [雑誌論文] LES Investigation of Terrain-Induced Turbulence in Complex Terrain and Economic Effects of Wind Turbine Control (2018)
  • 著者名/発表者名: Uchida Takanori
  • 雑誌名: Energies 巻: 11 号: 6 ページ: 1530-1530
  • DOI: 10.3390/en11061530
  • NAID: 120006489785
• [雑誌論文] Computational Fluid Dynamics (CFD) Investigation of Wind Turbine Nacelle Separation Accident over Complex Terrain in Japan (2018)
  • 著者名/発表者名: Uchida Takanori
  • 雑誌名: Energies 巻: 11 号: 6 ページ: 1485-1485
  • DOI: 10.3390/en11061485
  • NAID: 120006489787
• [雑誌論文] High-Resolution Micro-Siting Technique for Large Scale Wind Farm Outside of Japan Using LES Turbulence Model (2017)
  • 著者名/発表者名: Takanori UCHIDA
  • 雑誌名: Energy and Power Engineering 巻: Vol.09 号: 12 ページ: 802-813
  • DOI: 10.4236/epe.2017.912050
  • NAID: 120006491404
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-Resolution LES of Terrain-Induced Turbulence around Wind Turbine Generators by Using Turbulent Inflow Boundary Conditions (2017)
  • 著者名/発表者名: Takanori UCHIDA
  • 雑誌名: Open Journal of Fluid Dynamics 巻: Vol.7 号: 04 ページ: 511-524
  • DOI: 10.4236/ojfd.2017.74035
  • NAID: 120006491402
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Large-Eddy Simulation and Wind Tunnel Experiment of Airflow over Bolund Hill (2017)
  • 著者名/発表者名: Takanori UCHIDA
  • 雑誌名: Open Journal of Fluid Dynamics 巻: Vol.8 号: 01 ページ: 30-43
  • DOI: 10.4236/ojfd.2018.81003
  • NAID: 120006491408
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 非定常乱流モデルLESを用いた再現期間50年の風車ハブ高さにおける極値3秒平均風速Ve50の推定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 内田 孝紀
  • 学会等名: 第41回風力エネルギー利用シンポジウム
• [学会発表] 複雑地形の発電量予測に対する大気安定度の影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 内田 孝紀
  • 学会等名: 第41回風力エネルギー利用シンポジウム
• [学会発表] 数値流体シミュレーション技術の鉄道分野における適用 -地形性強風の発生メカニズムの数値的解明とその対策- (2017)
  • 著者名/発表者名: 内田孝紀
  • 学会等名: 京都大学 第15回市民防災講座
  • 招待講演
• [学会発表] RIAM-COMPACTの高機能化と性能評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 内田孝紀
  • 学会等名: 第2回ポスト「京」重点課題⑥シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 九州大学伊都キャンパスの数値風況診断 -椎木講堂から大型レンズ風車まで- (2017)
  • 著者名/発表者名: 内田孝紀
  • 学会等名: 九州大学情報基盤研究開発センターシンポジウム 「HPCとIoT -観測・計測系IoTとHPCを繋ぐ-」
  • 招待講演
• [学会発表] 非定常数値風況診断に基づいた風車の安全管理について (2017)
  • 著者名/発表者名: 内田孝紀
  • 学会等名: 風力発電設備の定期安全管理検査制度説明会，九州産業保安監督部電力安全課
  • 招待講演