銚子沖における洋上風況観測結果 - 一般社団法人 日本風力エネルギー

銚子沖における洋上風況観測結果*
The Characteristics of Offshore Wind measured off Choshi
福本 幸成**
大窪 一正***
Yukinari FUKUMOTO
1.
Kazumasa OKUBO
山中 徹***
Toru YAMANAKA
石原 孟****
Takeshi ISHIHARA
はじめに
日本の風力発電導入量は，2013 年度末で約 271 万
kW に達している 1)。しかし，今後陸上における適地は
減少し，さらなる風力発電の導入には，洋上風力発電
設備の建設は不可欠と言える。そのような状況の中，
わが国の厳しい自然条件においても適用可能な洋上風
力発電技術の確立，および，洋上風力発電の導入促進
を目的に，独立行政法人新エネルギー・産業技術総合
開発機構と東京電力が共同で，千葉県銚子沖 3.1km 地
点に風況観測タワー1 基，風車 1 基，海象観測機器を
建設・設置し，2013 年 1 月 29 日より，わが国初の沖
合着床式洋上風力発電所として運転を開始した 2)。
本論文では，2013 年 2 月～2014 年 9 月までの 20 ヶ
月分の観測データから得られる風況特性について報告
する。また，風況観測タワー本体が観測結果に与える
図-2
風況観測機器の配置とタワー外観
影響について整理すると共に，個別の観測機器（風速
計）
が故障した期間のデータ補完方法について述べる。
2.
表-1 観測機器の仕様
洋上風況観測システムの概要
洋上風況観測タワーの設置位置を図-1 に示す。設置
位置は北緯 35°40′53″，東経 140°49′18″で，海岸から
3.1km，水深は 11.9m である。風況観測機器の配置と
ｿﾆｯｸ社製 SOW21-1
ｿﾆｯｸ社製 SOD24-3
ｿﾆｯｸ社製 SAT-600A
20Hz
285m
143m
143m
温湿度計
温度差計
波高計
ADCP
雨量計
ｿﾆｯｸ社製 SOR1-502
視程計
ｳﾞｧｲｻﾗ社製 PWD12
気圧計
風力発電
設備
銚子市
三杯式風速計
矢羽式風向計
超音波式
風向風速計
ｻﾝﾌﾟ
ﾘﾝｸﾞ
4Hz
4Hz
LEOSPHERE 社製
WINDCUBE
横河電子機器社製
PTB-330
ｳﾞｧｲｻﾗ社製 HMP155
ｿﾆｯｸ社製 SODMT-624
器の仕様を表-1 にそれぞれ示す。
N
機種名
ﾄﾞｯﾌﾟﾗｰﾗｲﾀﾞｰ
洋上風況観測タワーの外観を図-2 に，設置した観測機
出典：海上保安庁 海底地形図
（犬吠埼 第6367号8）
観測機器
風況観測
タワー
4Hz
4Hz
4Hz
4Hz
ﾊﾟﾙｽ
ｶｳﾝﾄ
4Hz
本観測システムでは，観測タワー本体が周囲の風況
に与える影響を除去するため，三角形トラスのタワー
約 3km
本体各辺からそれぞれ張り出したブームの先端に，三
杯式風速計と矢羽根式風向計を設置している。ブーム
北緯35°40’53”
，東経140°49’19”
-1～3 は，図-3，4 に示す通り，それぞれ 187.5deg.，
図-1
*
風況観測タワーの設置位置
307.5deg.，67.5deg.の方角に向いており，各ブーム先端
平成 26 年 11 月 28 日第 36 回風力エネルギー利用シンポジウムにて講演
** 会員 東京電力㈱技術開発センター 〒230-8510 横浜市鶴見区江ヶ崎町 4-1
〒182-0036 東京都調布市飛田給 2-19-1
*** 非会員 鹿島建設㈱技術研究所
**** 会員 東京大学大学院工学系研究科 〒113-8656 東京都文京区本郷 7-3-1
に設置された三杯式風速計，矢羽根式風向計の機種番
号を，設置高さの情報と併せ，例えば M.S.L.+90m 高
さでは[90m-1]，[90m-2]，[90m-3]とした。
各高さ辺り 3 台の計測器で観測された風向・風速の
− 225 −
風向計-2
風速計-2
風向範囲
④
N
風向範囲
③
風向計-3
風向範囲
⑤
風向範囲
②
風速計-3
N
風向範囲
Ⅱ
風向範囲
Ⅲ
風向範囲
⑥
風向範囲
Ⅰ
風向範囲
①
：タワー本体
：タワー本体
風向計-1
図-3
風速計-1
風向範囲
データ選択・処理ルール
風向範囲
データ選択ルール
①および④
風向計-2 と-3 の平均
Ⅰ
風速計-1
②および⑤
風向計-1 と-2 の平均
Ⅱ
風速計-2
③および⑥
風向計-3 と-1 の平均
Ⅲ
風速計-3
風向範囲と矢羽根式風向計のデータ選択
図-4
電所での風況観測例
3)
に倣い，各時刻における 10
分間平均風向に応じて，図-3，4 に示すルールに基づ
いてデータを選択・処理している。
3.
観測タワー本体の影響とデータ補完方法
風向標準偏差[deg.]
データは，オランダの Egmond aan Zee 洋上風力発
風向範囲と三杯式風速計のデータ選択
80
40
60
30
40
20
20
10
0
37.5
観測タワー本体が周辺の風況に与える影響を評価
67.5
し，図-3，4 に示すデータ処理方法の妥当性を検証す
るため，2013 年 7 月～2014 年 6 月の 1 年間のデータを
図-5
0
97.5 217.5
[95m]平均風向[deg.]
[80m‐1]
[80m‐2]
[80m‐3]
247.5
277.5
80m 高さにおける風向の標準偏差
対象として，以下のデータ整理を行った。なお，後述
の通り，90m 高さに設置した三杯式風速計の内の 1 台
が 2013 年 9 月 5 日～12 月 9 日の期間故障していたた
ェイクの影響を受けていることを示している。
以上より，風上に対して正対する位置，および，観
め，ここでは 80m 高さでのデータを用いている。
測タワー本体の風下の位置では，観測タワー本体の影
(1) 風向データに対する観測タワー本体の影響
響を受けて風向が変動しており，これらの位置での計
95ｍ高さで観測された平均風向が 37.5～97.5deg.お
測データを採用しない，本システムのデータ処理方式
よび 217.5～277.5deg.となる風向（風向計[-1]と[-2]の平
は，妥当なものであると言える。
均が採用される風向範囲②および⑤）を抽出し，80m
(2) 風速データに対する観測タワー本体の影響
高さに設置された 3 台の矢羽根式風向計で計測された
80ｍ高さで観測された平均風向が 7.5～127.5deg.と
風向の標準偏差を図-5 に示す。ただし，平均風速 10m/s
なる風向（風速計[-3]が採用される風向範囲Ⅲ）を抽出
以上のデータのみを抽出している。横軸は，95m 高さ
し，80m 高さに設置された 3 台の三杯式風速計で計測
での平均風向である。
された平均風速・最大瞬間風速・乱れ強さそれぞれの，
平均風向 67.5deg.付近において，観測タワー本体の
風速計同士の比を図-6 に示す。データは平均風速
風上側正面に位置する[80m-3]の風向計が大きな標準
10m/s 以上を抽出しており，横軸は 80m 高さでの平均
偏差を示している。これは，風が観測タワー本体を周
風向である。
り込む向きが切り替わっていることによる影響である。
[80m-1]および[80m-2]風速計が観測タワー本体の後
一方，平均風向 247.5deg.付近において，観測タワー本
流域となる風向範囲（7.5～37.5deg.，および，97.5～
体の風下に位置する[80m-3]の風向計が比較的大きな
127.5deg.）では，それぞれタワー本体の影響を受けて
標準偏差を示している。これは，観測タワー本体のウ
風速は低め，乱れ強さは大きめの値となっていること
− 226 −
1.4
150
[80m‐1]/[80m‐3]
120
[80m‐2]/[80m‐3]
1.2
平均風向[deg.]
平均風速の比
1.3
1.1
1
0.9
0.8
7.5
37.5
67.5
97.5
60
30
0
2014/2/28 2014/3/1
127.5
平均風向[deg.]
2014/3/2
2014/3/3
2014/3/4
2014/3/5
2014/3/4
2014/3/5
2014/3/4
2014/3/5
2014/3/4
2014/3/5
16
1.4
1.3
1.2
[80m‐1]/[80m‐3]
14
[80m‐2]/[80m‐3]
12
平均風速[m/s]
最大瞬間風速の比
90
1.1
1
0.9
0.8
7.5
37.5
67.5
97.5
10
8
6
4
[90m‐3]
2
[90m‐1,2]からの補完
0
2014/2/28 2014/3/1
127.5
2014/3/2
2014/3/3
平均風向[deg.]
20
1.6
[80m‐1]/[80m‐3]
[80m‐2]/[80m‐3]
1.2
15
最大瞬間風速[m/s]
乱れ強さの比
1.4
1
0.8
0.6
10
5
[90m‐1,2]からの補完
0.4
7.5
37.5
67.5
97.5
[90m‐3]
0
2014/2/28 2014/3/1
127.5
2014/3/2
2014/3/3
平均風向[deg.]
30
80m 高さにおける風速
がわかる。一方，[80m-3]風速計が観測タワー本体に対
して風上側正面に位置する風向範囲（37.5～97.5deg.）
乱れ強さ[%]
図-6
25
[90m‐3]
20
[90m‐1,2]からの補完
15
10
では，[80m-1]および[80m-2]の風速計の方が高い風速
5
を示している。この原因として，タワー本体にぶつか
0
2014/2/28 2014/3/1
った風の回り込みにより，両側面付近で増速している
図-7
ことが考えられる。
2014/3/2
2014/3/3
[90m-3]風速計のデータ補完状況
ここで，風況観測タワーのブーム長設計時には，IEC
61400-12-1(Annex G)4)記載の次式に従い，タワー上流
90m 高さの風速計データから，
以下の補完式を算定し，
側の計測機器設置位置での風速低減率が，観測高さ
データの補完を行った。
70m 以上で 1.0%以下，30m～60m で 1.5%以下，20m
①10 分間平均風速および最大瞬間風速：
で 2.5%以下となるよう設計している。
U [ 90 m  2 ]  0.00002   80 2  0.93

2
U [ 90 m 1]  0.00002   80   0.93


L

2
U d  1  0.062CT  0.076CT    0.082 
R


(1)




, for
, for
7.5    80
(2)
80    127.5
CT：タワーのスラスト係数（=2.1×(1-t) ×t），t：タワー
②乱れ強さ：
, for 7.5    80
 I [ 90 m  2 ]

 I [ 90 m 1] , for 80    127.5
の充実率，L：タワーの見つけ幅，R：タワー中心から
ただし，U[90m-1/2]：風速計[90m-1/2]で観測された平均風
の距離
速または最大瞬間風速，I[90m-1/2]：風速計[90m-1/2]で観
(3) 風速欠損データの補完
測された乱れ強さ，α：風向角(deg.)
，
ただし，Ud：低減された風速（接近風速に対する比）
(3)
2013 年 9 月 5 日～12 月 9 日に故障した[90ｍ-3]の三
補完精度の検証のため，風速計[90m-3]が採用される
杯式風速計のデータについて，図-6 と同様に整理した
風 向 範 囲 （ 7.5 ～ 127.5deg. ） が 約 4 日 間 継 続 し た
− 227 −
2014/2/28 9:00 ～ 2014/3/4 17:00 の期間の，[90m-3]で
年 4 月が最も高く 10.0m/s 月平均乱れ強さは 2013 年 12
観測されたデータと，式(2)，(3)によって風速計[90m-1，
月で最も大きく，11.7%であった。2013 年 2 月～2014
2]の観測データから補完したデータとを比較した（図
年 1 月までの 1 年間のデータを用いた，風向別風況特
-7）。両者はよく一致しており，この補完式により精度
性を図-9 に，年平均風況特性を表-2 にそれぞれ示す。
良く補完できることを確認した。
図-9 より，
南南西および北北東の風向発生頻度が高く，
特に南南西で平均風速及び風力エネルギー密度が高い
4.
2013 年 2 月～2014 年 9 月の風況特性
ことが確認された。
観測高さ 90ｍにおける，月平均風速，月平均乱れ強
5.
さを図-8 に示す。20 ヶ月の間で，月平均風速は 2013
まとめ
本風況観測システムでは，観測タワー本体が周囲の
2013年
月平均風速
[m/s]
12
2013年(補完前)
2014年
風況に与える影響を除去するため，3 方向に張り出し
9
たブームの先端に三杯式風速計と矢羽根式風向計を設
6
置している。これらの観測データより得られた結果に
3
ついてまとめる。
12月
11月
10月
9月
8月
7月
6月
5月
4月
3月
2月
1月
0
1) 風上に対して正対する位置，および，観測タワー
2013年(補完前)
2014年
受けて風向の標準偏差が大きくなる。
図-8
12月
11月
10月
9月
8月
7月
強さは大きくなる。一方，観測タワー本体の側面
6月
0
5月
体のウェイクの影響を受けて風速は小さく，乱れ
4月
5
3月
2) 観測タワー本体の風下の位置では，観測タワー本
2月
10
1月
月平均乱れ強さ
[%]
本体の風下の位置では，観測タワー本体の影響を
2013年
15
付近では，風速が大きくなる。
3) 3 方向に設置された三杯式風速計の内の 1 台に不
月平均風速および月平均乱れ強さ
具合が発生したとしても，残り 2 台の観測データ
（観測高さ 90m）
NNW
NW
15
N
補完前
NNE
5
WNW
NNW
補完済み NW
NE
10
から，適切に補完することが可能である。
ENE
WSW
SW
E
W
ESE
WSW
た，観測高さ 90m での年平均風速は 7.3m/s，年平
ENE
均風力エネルギー密度は 526.0W/m2 であった。
SSW
E
ESE
SW
風向計・風速計を設置し，さらにドップラーライダー
N
を用いて M.S.L.+200m までの風況を観測している。今
NNW 1800
NW
NE
10
ENE
NNE
後，高度別の観測データを用いて洋上風の鉛直プロフ
NE
1200
600
WNW
0
ENE
0
W
WSW
SW
E
W
ESE
WSW
SSW
E
SE
SSW
SSE
SSE
S
S
(c) 乱れ強さ [%]
ァイルを整理し，季節や時間帯，大気の安定度と鉛直
プロファイルとの相関を評価する。
ESE
SW
SE
今後の課題
本観測システムでは，M.S.L.+20m～90m の 8 高度に
SSE
S
NNE
20
6.
(b) 平均風速 [m/sec]
N
30
SE
SSW
SSE
S
(a) 風向発生頻度[%]
図-9
NE
5
WNW
SE
WNW
4) 2013 年 2 月～2014 年 1 月の観測データから得られ
NNE
0
W
NW
N
10
0
NNW
15
(d) 風力エネルギー密度 [W/m2]
風向風速および乱れの時刻歴データ
（観測高さ 90m，2013 年 2 月～2014 年 1 月）
参考文献
1)
NEDO HP 日本における風力発電設備・導入実績
http://www.nedo.go.jp/library/fuuryoku/state/1-01.html
2)
助川博之, 福本幸成, 山中徹, 大窪一正, 石原 孟：銚子
沖 3.1km における洋上風況観測，第 35 回風力エネルギ
ー利用シンポジウム，2013.
表-2 年平均風況
（観測高さ 90m，2013 年 2 月～2014 年 1 月）
年平均風速
[m/s]
年平均風力
ｴﾈﾙｷﾞｰ密度[W/m2]
年平均乱れ強さ
[%]
7.3
526.0
9.1
3)
P.J.Eecen,
L.A.H.Machielse,
A.P.W.M.Curvers
：
Meteorological Measurements OWEZ Half year report
01-07-2005 - 31-12-2005, 2007.
4)
− 228 −
IEC 61400-12-1, 2005