| 研究課題/領域番号 |
21K03887
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| 研究機関 | 久留米工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
谷野 忠和 久留米工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (70352367)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 再生可能エネルギー / 自然エネルギー / 風力エネルギー / 垂直軸風車 / 中・小規模風力発電 |
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| 研究実績の概要 |
申請課題では，提案する外側に揚力型羽根車，内側に抗力型羽根車で構成したハイブリッド垂直軸風車の可能性について，実験および数値解析による検討を行う。
初年度の実験的検討の計画では，上述したハイブリッド垂直軸風車について，揚・抗力型羽根車双方を同軸上に互いに反転させる構造で，それぞれの羽根車を独立して回転数制御して，トルク・回転数計測が可能な供試風車模型を検討し，そのための出力性能試験装置を設計・製作する。
これまでに，トルク・回転数計測装置を追加導入し，外側揚力型羽根車だけでなく内側抗力型羽根車のトルク・回転数計測と回転数制御が可能な供試ハイブリット風車模型の軸系の構造を検討した。3Dプリンタを活用して揚・抗力型ハイブリッド垂直軸風車の供試風車模型を製作し，両羽根車の回転数を独立して制御しながらトルク・回転数を計測する出力性能試験が実施できる環境を構築できた。
数値解析に関わる初年度の計画では，2つの羽根車を有するハイブリッド風車の流れ解析が実施可能な環境整備および解析の予備検討を行う。
これまでに，これらに必要な新しい汎用計算機（1台）を追加導入した。また複数の回転領域を有する数値流体解析（CFD）が可能な解析環境の構築を行った。本研究室では，これまで1つの羽根車の風車を対象とした研究でであったため，CFDソフトウェアにはオープンソース汎用解析ソフトウェアOpenFOAM Ver.1.6-extを用いてきた。申請課題では2つの羽根車（回転領域）を有する解析のため，それに適用できるOpenFOAM Ver.4.1が利用可能な解析環境を導入し，それを用いた解析方法の検討を行い，実験用供試ハイブリッド風車を解析モデルとした解析が行えることを確認した。
ただし，これまでの実験・解析の予備検討から，外側揚力型羽根車の出力性能差が大きく，その原因の把握が課題となっている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
実験的検討において，申請段階で困難を想定していた点は，外側に揚力型風車羽根車，内側に抗力型風車羽根車を組み合わせた供試風車の製作である。提案する揚・抗力型ハイブリッド垂直軸風車は，2つの羽根車の回転軸は同軸上にあり，それぞれが独立した異なる回転数で互いに反転して作動する構造である。そのため，供試風車の羽根車内には２つの回転軸があり羽根車両端から突出する回転軸はそれぞれ異なり，一方は外側羽根車のみ，もう一方は内側羽根車のみに接続されなければならない。したがって，羽根車内で相反して回転する2つの軸は，同軸上に互いの回転の影響を受けない状態にあり，かつ，2つの各羽根車はこれら2つの回転軸で支持される。すわなち，各羽根車の一端は自身を回転させる軸に，もう一端は軸受けを介して他方の羽根車の回転軸に支持される。
これらを満足させる複雑な構造であるため，供試風車模型の製作では，かなりの試行錯誤，試作数が必要と考えていたが，3Dプリンタを有効に活用することで，考えていたよりも試作数は少なく，初年度の時点で，出力性能試験が実施できる状況にまで到達できた。
また，数値解析においても，これまで申請者が実施した単独羽根車の風車と異なり，複数の羽根車を有する風車が対象のため，現有の解析環境では対応できず，解析ソフトウェアの更新が必要で，加えて，オープンソースソフトウェアであるため，市販のものと異なり，更新に伴う解析方法の習熟にある程度の期間を想定していた。これについても解析の目処が立ちつつあり，ほぼ当初の計画通りとなっている。
ただし，上述した実験装置および解析環境を用いて，供試ハイブリッド風車模型の出力性能をそれぞれ評価したところ，外側揚力型羽根車の性能に明らかな差があった。次年度(令和4年度)は，その原因を検討し，実験・解析方法の改善することが課題としてあるが，全体として順調であると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
現在までの進捗状況でも述べた通り，提案する揚・抗力型ハイブリッド垂直軸風車の供試風車模型と，それを用いた出力性能試験装置の設計・製作および，供試風車模型を解析モデルとした2つの羽根車を有するハイブリッド風車の数値解析のための解析環境の構築については，初年度から次年度にかけての計画としていたが，初年度内にて，実験・解析環境ともほぼ構築することができた。ただし，進捗状況等でも述べた通り，より正確な出力性能の把握についてはいくつかの検討課題がある。
そこで，次年度(令和4年度)は，これら実験および解析環境による出力性能の評価における課題である外側揚力型羽根車の出力性能の食い違いに関する原因の調査および対策について検討する。すなわち，より正確な出力性能の把握に向けた検討を行う。特に出力性能試験（実験）に関しては，供試する風車模型が小さい（直径 約380mm，軸方向長さ 約200mm），すなわち，小規模試験であるための難しさであるが，まだ外側羽根車の軸摩擦の評価や，揚力型風車の翼表面の影響などに検討すべき点があると考え，それらを考慮した軸摩擦測定の実験方法など，いくつかの検討項目をリストアップしており，それらを実施する計画である。また，数値解析についても，本ハイブリッド風車が2つの羽根車を有するため，新たに導入したOpenFOAM Ver.4.1は，従来のOpenFOAMとは設定方法がかなり変更されていたため，これまでのOpenFOAMと同様の設定が，本ハイブリッド風車に適切かどうかなど検討を行う予定である。
以上の検討後，供試する揚・抗力型ハイブリッド垂直軸風車について，２つの羽根車の任意の作動条件での出力性能の把握・評価および，流れ場による考察を行う計画である。さらに，外側揚力型羽根車の起動特性について，内側抗力型羽根車の有無による影響を調べるための実験なども行う予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究の進捗状況は，現在までの進捗状況でも述べた通り，おおむね順調に進展している。その中で次年度使用額が生じた理由について，
まず第１の理由は，予算計上した旅費が使われなかったことである。コロナ禍の影響により研究発表で参加した学会講演会がオンライン開催となったためである。
その他の理由は，提案する揚・抗力型ハイブリッド供試風車模型の製作費である。申請課題では，研究概要にも述べた通り，2つの羽根車を有する供試風車模型の出力性能を把握するための実験装置を新たに設計・製作することが必要であり，特に，2つの羽根車それぞれのトルク・回転数が計測できる構造の供試風車模型の製作には，かなりの試行錯誤が必要と考え，予算申請時では，このために十分な試作製作費を申請した。しかし，供試風車模型の製作が思いのほか少ない試作数で済んだ。加えて，羽根車２つ分のトルク・回転計を予算計上したが，時間短縮のために測定系構築を優先して検討し現有の古いトルク・回転計１セットを流用できた。これらの理由により，係る費用を抑えられたことが，次年度使用額が生じた理由である。
使用計画については，ほぼ申請通りを予定している。なお，繰り越し相当額(約48万円)については，申請時の数値解析用計算機が可視化処理能力の高くない仕様であったため，その点を強化した計算機の導入および，既知の課題検討のための供試模型製作費等に充当する計画である。
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