浮体式波力発電装置の複合物理領域モデリング

• 研究課題/領域番号: 22K04566
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分24020:船舶海洋工学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所
• 研究代表者: 谷口 友基 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (80586678)
• 研究分担者: 梅田 隼 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 主任研究員 (30757563)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 浮体式波力発電装置 / 複合物理領域モデル / EDLC / Kaneの運動方程式

研究開始時の研究の概要

波力発電装置（WEC）は，波エネルギーをWECの運動エネルギーに変換する系（可動物体等），運動エネルギーを電気エネルギーに変換する系（発電機構：機械式，油圧式等），電気エネルギーの充放電を行う系等，複数の物理系を含む複合物理領域システムであり，全体系として安全性・発電性能評価を行う必要がある．
本研究は，WECの複合物理領域モデリング手法の開発と検証を目的とする．波エネルギーを2つのモードで吸収する小型浮体式波力発電装置（SFWEC）を例に，開発したモデリング手法を適用し，その妥当性を水槽試験にて検証する．

研究実績の概要

小型浮体式波力発電装置（Small Floating Point-Absorber type Wave Energy Converter: SFPAWEC）模型の試設計を行った．
SFPAWECは，波エネルギー一次変換装置の可動浮体，支持浮体，及び発電機構から構成される．今年度は，可動浮体と支持浮体の概略諸元を検討し，Kaneの方程式を用いてこれらの前後，上下，及び縦揺れ連成運動方程式の検討を行った．また，概略諸元に基づき可動浮体の流体力係数を3次元境界要素法で計算した．
さらに，SFPAWECの充放電回路に組込みを想定する電解二重層コンデンサ（以下，EDLC）に関する文献調査等を実施し，EDLCの回路モデルをOpenModelicaを用いて構築した．OpenModelicaは，機械，電気，流体，熱等の複合物理領域に対応した非因果的物理モデリングコードであり，今後はOpenModelicaにSFPAWECの運動モデル，発電機構モデル，EDLC回路モデル，及び次年度以降に検討を開始する制御モデルを統合することで，SFPAWECの複合物理領域モデルシミュレータを開発する．

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初は，可動浮体の前後揺れと上下揺れを利用する発電機構を，可動浮体の中央部にのみ設置することを想定していた．この場合，可動浮体の縦揺れのを利用することができないため，新たに発電機構を可動浮体の船首側に取り付け，船尾側にもガイドを設けるようにSFPAWECの設計案を変更した．この変更に伴い，SFPAWECの運動方程式を再度行ったため，想定よりも若干の遅れが生じた．
現在は，新しい設計案に基づくSFPAWECの運動方程式導出を凡そ完了し，運動計算プログラムの開発を行っている．

今後の研究の推進方策

新設計案に基づくSFPAWECの運動方程式導出を完了させ，簡易的な機械式発電機構（以下，機械式PTO）モデルを組込んだOpenModelicaシミュレータ（以下，シミュレータ）を作成する．
これまでに水槽試験及び数値計算を行った浮体式波力発電装置モデルをシミュレータに実装して数値計算を行い，従来手法による結果と比較することでシミュレータを精度検証を行う．
次に，機械式PTOモデルの精緻化，並びに充放電回路モデルの実装を行い，シミュレータを高度化する．