風レンズ風車 - 応用力学研究所

2011/6/21
風力発電： 風レンズ風車とは何か
ー その将来計画 ー
九州大学応用力学研究所
新エネルギー力学部門 風工学分野
大屋裕二
内容
１．なぜ風力エネルギー、背景と現状
２．高効率風レンズ風車の開発
３．最近のプロジェクト
４．将来への課題と展望
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１．なぜ風力エネルギー
背景と現状
社会的背景
• 地球環境問題
（CO2の排出抑制など）
• エネルギーの安定供給
（化石燃料の枯渇）
自然エネルギー利用の促進
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オイルピーク・石油のXデー
風力エネルギーの特徴
長所
・クリーンである
・無限の自然エネルギー
短所
・エネルギー密度が小さい
・不規則性、間欠的な性格
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ウインドファーム
洋上風力発電
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Installed Wind Energy Capacity
Worldwide
今後も世界規模では順調に導入量が増加するだろう。
日本では？
日本でここ数年、導入量が伸び悩んでいる。その理由は？
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エネルギー自給率
Science News
(JST)
種々の制約要因による設置の可否
を考慮したエネルギー資源量
電力10社の設備容量
（東日本大震災以前）
→ ２億ｋW
地熱
０．１４
中小水力
０．１４
風力？
太陽光
１．５
[ 億kW ]
平成22年度環境省再生可能エネルギー導入ポテンシャル調査より作成
6
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風力
Science News
(JST)
種々の制約要因による設置の可否
を考慮したエネルギー資源量
電力買い取り制度・技術革新・
助成制度を考慮した導入シナ
リオ
電力10社の設備容量
（東日本大震災以前）
→ ２億ｋW
平成22年度環境省再生可能エネルギー導入ポテンシャル調査より作成
太陽光
2030年 化石燃料から
WWSエネルギーへの転換
2030年時の世界の全電力
需要を風力、太陽光、水力
でまかなう。
その腑存量（資源）は
十分に存在する。
• Wind ５１％
• Water ９％
• Solar ４０％
Water 1.1TW
Wind 5.8TW
Solar 4.6TW
Californiaでの実験
日経サイエンス：
2010年1月号
（Stanford Univ.の研究者らの予測）
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発電コスト
将来の目標
• 欧州風力エネルギー協会： Wind Force 12、2020
年世界の電力需要の１２％を供給、1251157MW
• 日本： 2020年代 新エネルギーは全体の電力需
要の20％以上
• 中国： 2020年,3000万kW(30000MW)、新エネル
ギーは全電力需要の１２％、2050年に8億kWを風力
発電、全電力需要の27％、新エネルギーで50%
• アメリカ： 2030年に全電力需要の20％を風力発電
• IPCC試算： 2050年 自然エネルギーは世界の需
要電力の７７％を供給可能
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２．高効率風レンズ風車の開発
風車は
風車工学の発達
◎できるだけ大きな直径で
◎できるだけ背の高い風車を
◎できるだけ風が吹く所に設置する
方向に発展してきた。
５MW機、
ロータ径
120m
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風力発電と風レンズ効果
発電量 P は風車に流入する
V
風速 V の３乗に比例
P∝V3
単位体積あたりの運動エネルギー
× 流入速度
局所的に風速を上げる。構造体や地形効果をうまく利
用できれば風エネルギーの集中により、発電能力は大
きく向上する。
風レンズ効果
集風加速装置の開発
風エネルギーの集中化
風車を包む構造体
縮小型
拡大型
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アイデアその１：ディフューザタイプの選択
y
L/D=7.7
φ
D
風速分布
x
0
2
L
U/U ∞
1.8
1.6
拡大型
1.4
1.2
縮小型
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.5
0
0.5
1
X/ L
1.5
2
2.5
3
ディフューザ長さに対する最大風速の変化
2
U max /U ∞
1.5
1
1
4.6
1
1
2
1
φ
D
0.5
Φ= 4°
L
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
L/D
11
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風速5m/sが12m/sにアップ
風速2.4倍
発電量14倍？
wind
5m/s
12m/s
アイデアその２： 短いディフューザでも
大きな風の増速が得られないか？
付加要素による最大風速の増加
インレットの付加
（上流取入口）
つばの付加
（下流端）
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集風体の内部・外部の流れ
（2次元DNSアニメ、等渦度線図、流線図)
風速増加のメカニズム
風の流れ つば
渦による圧力低下
流れを引き込む
風車
集風加速装置
（風レンズ体）
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フィールドでの性能試験（５００W風レンズ風車）
ロータ直径0.7ｍのマイクロ風車
W
400
Cw=1.4出力曲線
フィールドデータ(10分平均値)
通常小型風車
350
300
250
５倍
200
５倍出力
150
100
50
0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
m/s
風レンズ風車のメリット
• 簡単な構造の集風体をつけるだけで５倍
の発電出力の増加
• つばによるヨー制御（必ず風向に正対）
• 風車騒音の低減化（翼端渦の抑制）
• 安全性（接触・翼飛散の防御）
• コンパクト化 → 中型・大型風車への適用
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Tip vortexの崩壊 → 風車騒音低減
翼端渦の追跡（1500rpm）
z=48mm
渦度 &速度ベクトル
空力騒音源
Tip Vortex
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翼端渦の追跡（1500rpm）、上段：風レンズ風車
渦度 &速度ベクトル
下段：風車のみ
風レンズ風車
風車のみ
ブレード直後Z=48mm
Z=128mm
Z=208mm
ロングタイプ風レンズ風車
翼端渦の形成
誘導渦の形成
剥離渦の形成
x = 0.2Drotor
誘導渦が崩壊
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２００６年１１月２０号
TIME誌
高効率で非常に
静かな風車
市街地に建てられ
る唯一の候補
Part２: コンパクトタイプの
つば付きディフューザの開発
プロトタイプ機第１号
風車に大きな構造物を
取り付ける
大きな風車への適用に
向かない
ディフューザ長さを短くし
たコンパクトタイプへ
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検討したディフューザの形状
①プロトタイプのディフューザを切断
<プロトタイプ>
②曲面ディフューザ
③さらにコンパクトな曲面ディフューザ
※それぞれのモデルに対して，つばの大きさをケーススタディ
コンパクト風レンズ風車の出力増加率
If Lt/D>0.1
通常風車に比べ、
２－３倍の出力増
加が期待される。
1.2
1.0
2.1
2.3
2.8 倍
2.6
Cw max
0.8
0.6
C0
0.4
Cⅲ
Cⅱ
Cⅰ
with brim h=0.05D
with brim h=0.10D
with brim h=0.15D
with brim h=0.20D
W.T. only
0.2
0.0
0.0
0.1
0.2
Lt/D
0.3
0.4
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３ｋW風レンズ風車 野外試験
野外発電性能試験、 （定格風速10m/s、ロータ直径2.5m）
3,500
Cw*=0.5４
W
実測値(1分間平均）
3,000
Cw=1.0（風レンズ風車）
2,500
発電量
２.５倍
Cw=0.4（従来風車）
2,000
1,500
1,000
風レンズ風車
500
従来風車
0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
m/s
コンパクトタイプ風レンズ風車
Movie
翼端渦の形成
誘導渦の形成
剥離渦の形成
翼端渦形状の崩壊
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実用的利用を目指した
3kW風レンズ風車の開発
(ロータ直径2.5m, 定格風速10m/s)
年間発電量
年間発電量 [kWh]
14,000
12,000
10,000
12,681
一般標準家庭
10,532
年間3600kWh
7,995
8,000
5,326
6,000
4,000
2,000
2,936
373
1,259
0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
年間平均風速 [m/s]
NHK紹介ビデオ
神戸環境サミットG8展示 ２００８．６．２３
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バードストライクなし
コンパクトタイプつば付きディフューザ
・大きな風車にも適用可能
・耐風荷重が小さい（しかし、2倍程度の風荷重）
・風車単体を大きくするよりも出力効率がよい
(低周速比域でBetzの限界に迫る性能
Cw*=0.5-0.54)
高い実用性
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風レンズ風車の外部評価
• 経済産業省NEDOからの支援
・ NEDOホームページ「よくわかる！技術解説
ー 小型風力発電 関連プロジェクト」で紹介
・ NEDO研究開発部支援 ・・・TIME誌
• 新聞・TV報道 多数
• 各種研究助成金の獲得
• 日本風工学会賞受賞（２００７）
• 文部科学大臣賞科学技術賞受賞（２００８）
• 日本流体力学会技術賞（２００９）
• 科学技術基本計画第１-２期(2001-2008）の大学・
公的機関の研究業績ベスト３９事例集へ選出
• 中国敦煌賞(2010)
• JST（科学技術振興機構）サイエンスニュース(2011)
３．最近のプロジェクト
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日中共同研究
NEDOプロジェクト2007－
2008年度
「高効率風レンズ風車を利用
した砂漠の灌漑・緑化」
九州大学
清華大学
甘粛自然エネルギー研究所
（国連工業発展組織）
中国政府： 2009年以降も上
記グループの灌漑・緑化プロ
ジェクトの継続を決定
中 国
甘粛省
北京
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Desert damage of 77 billion US $ over the
world
Desertification has been extending over 1/4 land
in China
China
Gansu
Province
甘粛省 蘭州市
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甘粛自然エネルギー研究所（国連工業発展組織国際
太陽光技術センター）
Schematic of irrigation project
water tank
Wind turbine
pump battery
desert
Underground water
Image of irrigation using wind energy
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中国甘粛省の砂漠域へ
ウィンドレンズ風車（５ｋW)による灌漑プラント建設
10,000m2（１ｈａ)の砂漠に３ｋW機
で1日20m3の水を自動的に点滴灌
漑するシステム
５kW Wind-Lens Turbines for
Irrigation in a Desert Area in
China
屋上設置の一例
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建物群まわりの風況シミュレーションの結果2
電気自動車PJ: 風力発電でEVを運用
九州大学伊都キャンパスはクリーンエネルギー
キャンパスを目指している。
伊都キャンパス内、
および九大学研都
市駅との間で、
電動レンタサイクル
（CHARIITO)、
電気自動車の
運用を計画中
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風車と電気スタンドの設置場所
風レンズ風車３ｋWを2基設置
電気スタンド
正門近くの駐車場内設置
WEST４号館の西側駐車場
中継ポンプ室
常時、電気がきて
いる。200V3相
電気カート
風況
ポール
Hakata bay
風況予測計算モデル（GIS)
福岡市との共同
実証試験
３ｋW風レンズ
風車数台
R-Cによる
数値風況予
測と同時に
風況ポール
で風観測
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局地風況予測（リアムコンパクト）
CFDにより風況パターンを解析し、最適地を捜す。
地上１５ｍ高さでの風況パターン
北
0.9
Wind
博多湾
u/Uref
Uref=1
at z=h
-0.2
百道浜海浜公園、
福岡市
○赤い部分： 風速が速
い
○河口に風が収束して
いる
室見川
29
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地上１５ｍ高さでの風況パターン
百道浜海浜公園、福岡市
福岡市沿岸部
３ｋW風レンズ風車４台設置
みなと100年公園
百道浜海浜公園
みなと100年公園1台
(年平均風速4m/s）
百道浜海浜公園3台設置（年平均風速4m/s弱）
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新型風レンズ風車 ３ｋW定格 at 10m/s
環境省プロジェクト（H22-24年度）
風車の構造検討
・軽量化＆強度
増加
・耐久性増加
強風時の安全運
転
・電気的ストール
・非常時のファー
リング
・可倒式ポール
風レンズ風車の大型化（100kW級）
伊都キャンパス次世代エネルギー実証施設プロジェクト
年平均風速4m/s程度を
期待
通常風車の2/3サイズのロータ径
高静粛性
100kW級
ロータ径
13m
建設地
3kW級
ロータ
径2.5m
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九州大学伊都キャンパス次世代エネルギー
実証施設プロジェクト
100kW風レンズ風車風洞試験
新タイプの風レンズ集風体
Type1(10%brim）
W
100kW Windlens
Turbine Model
Type2 (5%brim）
Two times
increase
m/s
100KW風レンズ風車(中型風車）
長所:
• 首を振って自分で風
に正対（パッシブヨー）
• 静かな風車
• 消費電力が小さくな
ることを期待
(固定ピッチ,風見鶏, etc)
• 従来風車ブレードの
2/3のサイズでOK
• 景観性がよい
Movie
短所:
• 風荷重が大きい
• レンズのコスト
32
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計算結果③
西風
2号機
1号機
1.4
主流方向
速度成分
-0.6
風車位置における速度ベクトルの鉛直分布
Very low noise ー Windlens turbine is very quiet
100kW Windlens Turbine
Rotor diameter of 12.8m
Noise curve
for rotor dia.
of 15m
Noise curve
for rotor dia.
of 22m
43 dB at 100m
distance
2/3 rotor size as
compared to the standard
same power output turbine
of 100kW
60 dB at 100m
distance
66
33
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４．将来への課題と展望
大型洋上浮体
高密度エネルギーファーム
EEZ（排他的経
済水域）
日本は世界６位
の面積を有して
いる
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洋上の再生可能エネルギー基地予想図
風力
大型浮体
太陽光
セミサブ方式
九大経塚研で
波浪安定性を
実証
潮流
波力
水槽実験風景
六角形中抜き（蜂の巣型
浮体
セミサブでトラス構造物
1.4
Heave(上下揺れ)
1.2
九州大学総合理工学
研究院
経塚研究室
ζ １ /2 ζ a
1
0.8
0.6
old
new
0.4
0.2
0
0
1
2
3
λ/L
4
5
6
35
2011/6/21
１ｓｔ stage： 博多湾内に建設計画（2011秋）
現在、設計中の１８m
級直径の浮体と３kW
風レンズ風車：
予定地
Ｂｙ Ｄｒ．Ｓｕｅｙｏｓｈｉ
海上浮体での風力エネルギーの利用（博多湾プロジェクト）
波浪＋風試験
風車部分の風荷重試験
担当：高橋幸平
36
2011/6/21
博多湾海上浮体風力発電ＰＪ
予定地
約500m
予定地
風レンズ風車
オイルフェンス
8.7m
中間シンカ―
点滅灯
点滅灯
オイルフェンス
点滅灯
点滅灯
2m
18m
5トンコンクリートアンカー（2個ｘ６カ所）
約54m
Ｂｙ Ｐｒｏｆ．Ｋｙｏｚｕｋａ
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2011/6/21
2nd Stage: より沖合へ、より外洋へ
2nd Stageの予定場所:
福岡県津屋崎沖合2km
九大応力研タワーの元設置場所
漁業組合の承諾を得ている。
Stage Ⅱ
九大洋上風力発電浮体WGにおけるコンセプトデザインの変遷
60m級浮体第二案：TLPによる係留、係留点をデッキ中央に変更、係留荷重負担を浮
力体基部に直接伝達するトラス構造（逆さ吊り橋状の構造）
Ｂｙ Ｄｒ．Ｓｕｅｙｏｓｈｉ
38
2011/6/21
2nd stage ：津屋崎沖（玄界灘）に60m
級浮体と100kW風レンズ風車
Ｂｙ Ｄｒ．Ｓｕｅｙｏｓｈｉ
Stage Ⅲ
１５０ｍ級浮体 MWクラス風車搭載浮体イメージ
3rd Stageの予定:
風力、太陽、潮流が有望な場所
Ｂｙ Ｄｒ．Ｓｕｅｙｏｓｈｉ
39
2011/6/21
潮流発電（黒潮）
Prof. Kyozuka & Dr. Sueyoshi
河川： 風レンズ技術を利用したマイクロ・ミニ
水力エネルギーの有効利用
ロータ直径１ｍ程度で
３ｋW風レンズ水車が可能。
特に大がかりな土木工事
は不要
担当：谷川陽一郎
40
2011/6/21
海外の風レンズ風車プロジェクト
• 英国： グラスゴーでの認証取得(FIT適用）
ＵＣＬと共同研究(航空ドップラーレーダ）
(日英修好150周年記念事業） Movie
• 米国： ウイスコンシン大学の小型風車ウインド
ファームPJ (九大とU.Wとの共同研究予定)
• カナダ： カナダ風力エネルギー協会、風力エネ
ルギー研究所における認証試験(北米対応）
世界の産業革命
• 第1次： 石炭と蒸気機関の発明 英国の繁栄
• 第2次： 石油の発見 アメリカ発の機械文明
地球資源を略縛する産業構造
• 第3次： 環境産業、（新エネルギー産業、省エ
ネルギー産業、資源リサイクル産業など）
・地球と共生できる産業構造？
・もっと大きな意味で地球に大変化？
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2011/6/21
ご清聴ありがとうござい
ました。
NEDO
42
2011/6/21
風車の種類
回転力による分類
・抗力型
・揚力型
形状による分類
・垂直軸型 （抗力型、揚力型）
・水平軸型 （揚力型）
いろいろな風車（垂直軸型）
ダリウス型
サボニウス型
ジャイロミル型
（揚力型）
（抗力型）
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いろいろな風車（水平軸型）
２翼風車
３翼風車
１翼風車
多翼風車
風車が回るわけ（揚力型・水平軸風車）
回転方向
迎い角
取り付け角
回転力を生む力
翼から見た風
揚力
周速度
吹いている風
入ってくる風
翼に働く力
抗力
風車における翼の働き
44
2011/6/21
風力発電の各種損失
風車の効率： パワー係数
NEDO
NEDO
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