| 研究課題/領域番号 |
24K07758
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分23010:建築構造および材料関連
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| 研究機関 | 明治大学 |
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研究代表者 |
富澤 徹弥 明治大学, 理工学部, 専任准教授 (30774773)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2026年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2025年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2024年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
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| キーワード | 風力発電 / 風力発電設備支持物 / モニタリング / 疲労 / 頻度分布 / 累積損傷度 / ひずみ / レインフロー法 / タワー / 実測 / 損傷度 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
風力発電は再生可能エネルギーとして，急速に普及している。風力発電設備は発電するために風を受けて稼働するため，ブレードを含む発電設備を支持する構造物（以降「タワー」と呼ぶ）は常に振動状態にある。日常的な振動は，鋼構造が多く採用されるタワーにおいて，金属疲労による劣化の原因になり得る。国内では，今後数年内に設計供用期間20年を迎える設備も増えてきており，特段の異常なく正常に作動している設備も多いが，金属疲労は定期検査時の目視等での判断が難しく，設計寿命を超えた設備の安全な延長運転のための工学的評価は重要である。そこで，本課題では風力発電設備支持物の実測に基づく余寿命予測手法の確立に取り組む。
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| 研究実績の概要 |
本研究では，実存する風力発電設備支持物の長期実測に基づく疲労損傷度評価により，今後，設計寿命を迎える風力発電設備の延長運転のための余寿命予測手法の確立を目的とする。
風力発電設備は発電するために風を受けて稼働するため，ブレード（回転翼）を含む発電設備を支持する構造物（以降「タワー」と呼ぶ）は常に振動状態にある。日常的な振動は，鋼構造が多く採用されるタワーにおいて，金属疲労による劣化の原因になり得る。国内では，今後数年内に設計供用期間20年を迎える設備も増えてきており，特段の異常なく正常に作動している設備も多いが，金属疲労は定期検査時の目視等での判断が難しく，設計寿命を超えた設備の安全な延長運転のための工学的評価は重要である。そこで，本課題では風力発電設備支持物の実測に基づく余寿命予測手法の確立に取り組む。
2024年度は実存する風力発電設備のタワー基部付近に応力算出用3軸ひずみゲージを貼付し，動的ひずみを計測した。測定対象は，福岡県北九州市ひびき風力発電所内に2006年に建設された高さ107mの既存風力発電設備支持物とし，計測は毎時00分および30分から5分間行い，SCADAデータから風速風向，ブレード回転数等を取得するとともに，先行研究における加速度および本研究で貼付するひずみゲージから動的ひずみの時刻歴データを1日あたり48個取得している。
さらに，取得した任意の時刻歴ひずみを応力に変換し，レインフロー法を用いて，応力振幅σiと繰返し回数niを算出し，S-N線図から，それぞれの応力振幅に対応する疲労寿命回数と繰返し回数との比を累積して，疲労損傷度Dを算出している。2024～2025年度における計測データを用いて，2026年度に予定している余寿命評価のための風速，風向，加速度，ひずみ，応力等の各計測項目に対応する疲労損傷度Dのデータセットを蓄積している最中である。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
当初の計画通り，2024年度は実存する風力発電設備のタワー基部付近に応力算出用3軸ひずみゲージを貼付し，動的ひずみを計測した。測定対象は，福岡県北九州市ひびき風力発電所内に2006年に建設された高さ107mの既存風力発電設備支持物とし，ひずみゲージはタワー基部付近の計5箇所として，GL+16mは研究代表者の先行研究における加速度計と同じ位置，GL+6m位置は風向による影響を考慮し，タワー円周方向90度ごとに貼付した。風速風向等は既設システムのSCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）データから取得している。計測は毎時00分および30分から5分間行い，SCADAデータから風速風向，ブレード回転数等を取得するとともに，先行研究における加速度および本研究で貼付するひずみゲージから動的ひずみの時刻歴データを1日あたり48個取得しており，1年目の計画は達成している。
2年目では，取得した任意の時刻歴ひずみを応力に変換し，レインフロー法を用いて，応力振幅σiと繰返し回数niを算出することとしている。S-N線図から，それぞれの応力振幅に対応する疲労寿命回数と繰返し回数との比を累積して，疲労損傷度Dを算出する予定としている。1～2年目における計測データを用いて，3年目の予定に示す余寿命評価のための風速，風向，加速度，ひずみ，応力等の各計測項目に対応する疲労損傷度Dのデータセットを蓄積している最中であり，既に疲労損傷度Dの算出には着手しているため，計画以上に進展していると判断している。引き続き，3年目の手法確立のための疲労損傷度Dのデータセットを蓄積する予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
1年目のひずみゲージ設置等での計測体制の拡充を終え，2年目に予定している疲労損傷度Dのデータセット蓄積の初期段階に入っているため，進捗は順調である。今後は当初の予定通り，算出した疲労損傷度Dを基に，季節や時間帯による風速や風向，ブレード回転数の分析を進める。先行研究において，タワーに生じる加速度は風速等と概ね比例関係にあることから，2～3年目は蓄積した各計測項目と疲労損傷度Dとの相関を明らかにし，年間の風速ごとの発生頻度分布を考慮して，余寿命評価を行う。加えて，3年目には余寿命評価の今後の運用を考え，本研究の長期実測による詳細な余寿命評価を，設置が容易な加速度計等を用いた短期間実測のみによる余寿命評価と比較し，より簡易的かつ汎用性の高い余寿命評価手法を確立する予定である。最後に，得られた知見技術等をまとめ，研究全体を取りまとめ，その成果に関する研究発表等を行う予定である。
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