Comments
Description
Transcript
台風14号による 風力発電設備の倒壊等事故調査報告について（概要
台風１４号による 風力発電設備の倒壊等事故調査報告について（概要） 平成１６年１１月 沖縄電力株式会社 0 1 事故の概要 1.1 気象状況 平成 15 年 9 月 6 日に発生した台風 14 号は、10 日 21 時には宮古島の南方海上で、中 心付近の最大風速が 55m/s の「猛烈な台風」となった。宮古島地方は、10 日 17 時頃か ら 11 日 17 時頃まで約 24 時間暴風域に入り、宮古島で 11 日 03 時 00 分に最大風速、北 の風 38.4m/s、11 日 03 時 12 分に最大瞬間風速、北の風 74.1m/s（沖縄気象台速報、沖 縄県内で歴代４位、全国で歴代７位）が観測された。 1.2 風力発電設備の被害状況 宮古島で当社が保有する６基(合計出力 2,900kW)の風力発電設備のうち、３基が倒壊、 ２基がブレード破損、１基がナセル損傷等の被害を受けた。 (1)宮古風力発電実証研究設備 平良市狩俣地区の宮古風力発電実証研究設備（以下、「宮古風力」という）につい て、3 号機と 5 号機の風車はタワーの入口開口上部で座屈により倒壊した。また、4 号機はナセルが損傷し、6 号機はブレードが折損するなどの被害を受けた。 表 1.2-1 風力発電設備の被害状況 設備仕様 ３号機 製造メーカー：ミーコン 定格出力 ：400/100kW 制御方式 ：ストール ハブ高さ ：36m 被害状況 ・倒壊 ・タワー入口扉上部で座屈により南西側に倒壊 ・ブレードとナセルは倒壊時の衝撃により破損 ４号機 製造メーカー：ミーコン 定格出力 ：400/100kW ・ナセル破損 制御方式 ：ストール ・ノーズコーン破損 ハブ高さ ：36m ５号機 製造メーカー：ミーコン 定格出力 ：400/100kW 制御方式 ：ストール ハブ高さ ：36m ・倒壊 ・タワー入口扉上部で座屈により南南西側に倒壊 ・ブレードとナセルは倒壊時の衝撃により破損 ６号機 製造メーカー：エネルコン 定格出力 ：600kW ・ブレード折損 制御方式 ：ピッチ ・ナセル破損 ハブ高さ ：46m 1 (2)七又風力発電実証研究設備 城辺町七又地区の七又風力発電実証研究設備（以下、「七又風力」という）につい て、１号機は基礎破壊により倒壊し、２号機はブレードが折損するなどの被害を受け た。 表 1.2-2 風力発電設備の被害状況 設備仕様 １号機 ２号機 2 被害状況 製造メーカー ：エネルコン ・倒壊 定格出力 ：500kW 制御方式 ：ピッチ ハブ高さ ：44m 製造メーカー ：ベスタス 定格出力 ：600kW ・ブレード折損 制御方式 ：ピッチ ・ナセル破損 ハブ高さ ：35m ・基礎破壊により南側に倒壊 ・ブレードとナセルは倒壊時の衝撃により破損 事故調査結果 2.1 台風 14 号の風速評価 台風 14 号の風速評価は、宮古島の市街地模型を用いた風洞実験と、風力発電サイトに おける地形・地表面粗度を考慮した数値モデルを用いた 3 次元気流解析により、風車設 置地点での各ユニットのハブ高さで風速値を推定した。 表 2.1-1 に各ユニットのハブ高さでの風速値の解析結果を示す。 台風が通過した際の風力発電サイトにおける風車ハブ高さでの最大風速（10 分平均）は、 気象台で観測された最大風速 38.4m/s より 1.5 倍も高く、60m/s に達している。また、最 大風速を用いて計算した最大瞬間風速は、狩俣及び七又サイトとも 90m/s に達しているこ とが実験により推定された。 表 2.1-1 サイト ユニット 風車地点における風速値 シミュレーション結果 ハブ高さ (m) 最大風速 最大瞬間風速 (m/s) (m/s) 3 号機 36 59.7 87.9 4 号機 36 59.2 87.3 5 号機 36 59.4 87.6 6 号機 46 61.5 90.3 1 号機 44 59.8 90.7 2 号機 35 56.8 87.4 宮古風力 七又風力 ※最大風速は 10 分平均の値である。 2 2.2 宮古風力 3 号、5 号機の倒壊原因 宮古風力 3 号、5 号機の座屈倒壊に関して、構造解析により算出した「座屈限界曲げ モーメント」と風応答解析により算出した「台風時に作用した最大曲げモーメント」の 比較により原因の解明を行った。 表 2.2-1 に各ユニットのモーメント値を示す。 3 号、5 号機は台風時に座屈限界曲げモーメントを超える曲げモーメントが生じたため タワーが座屈し倒壊に至ったことが明らかになった。また、3 号∼5 号機の各々のモーメ ント値には、台風時の風車状態（ナセル方向、タワー開口部方向）の違いにより作用し た最大曲げモーメントに違いがあり、同一仕様の風車にもかかわらず、4 号機は「台風 時に作用した最大曲げモーメント」が「座屈限界曲げモーメント」を下回っており 3 号、 5 号機と比較して有利な条件にあったことから座屈を免れた。 表 2.2-1 2.3 タワーに作用するモーメントの比較 座屈限界曲げ 台風時に作用した モーメント 最大曲げモーメント (kNm) (kNm) 3 号機 12,808 14,369 4 号機 13,878 12,973 5 号機 13,492 15,398 七又風力 1 号機の倒壊原因 七又風力 1 号機の基礎破壊による倒壊に関して、構造解析により算出した「破壊限界 曲げモーメント」と風応答解析により算出した「台風時に作用した最大曲げモーメント」 の比較により原因の解明を行った。なお、風応答解析には現場調査で判明したとおりブ レード 3 枚のうち、2 枚がフェザリング（風の入力に対し回転方向の力が生じないよう にブレードのピッチ角を風向きに平行にすること）されていないという状態を反映して 解析を行った。 表 2.3-1 に各々のモーメント値を示す。 算出したモーメント値の比較から、破壊限界曲げモーメントを超える曲げモーメント が生じたため、基礎が破壊し倒壊に至ったことがわかった。 表 2.3-1 1 号機 基礎に作用するモーメントの比較 破壊限界曲げ 台風時に作用した （参考）風車建設時に考慮 モーメント 最大曲げモーメント した最大曲げモーメント※ (kNm) (kNm) (kNm) 23,868 24,740 8,273 ※風車が風向に正対しブレードがフェザリングの状態 3 3 今後の対応 3.1 今後の対応（風車新設） 今回の調査結果を踏まえ、沖縄県が台風の常襲地域であることや、地点毎に風速が異 なることを考慮して以下の基本的な考え方に基づき、今後の風力発電設備の建設に対応 していく。 (1)設計風速の地点毎設定 風車の設計にあたっては、風車設置地点の地表面粗度や局所的な地形の影響を考慮 した設計風速の設定が必要である。設計風速（ハブ高、10 分平均）算出のための手法 のひとつとして平均風速の高さ方向の分布式がある。 今後風車を建設する際には、風車設置地点毎の周辺状況を加味した地表面粗度区分 を用いて設計風速を設定する。 (2)制御用バックアップ電源等の機能付加 台風時に系統停電が発生した場合、風車は制御電源喪失に伴い風向に追従するヨー 制御が不能となり横風を受け、風荷重として厳しい条件となる（ピッチ制御の風車の 場合）。このような事象に対応するため系統停電時でもヨー制御を可能とする制御用バ ックアップ電源等の機能付加を考慮し、風車クラスを選定する。 例えば設計風速が 50m/s を超える場合、JIS 規格では S クラスとなるが、制御用バ ックアップ電源等を付加することにより系統停電でもヨー制御が可能となって、風荷 重を低減できることから、クラスⅠ（42.5m/s∼50m/s）で設計された風車での対応が 可能と考えられる。 (3)風車基礎形状の見直しと鉄筋の補強 基礎の耐力を増すための対応策の一つとして、正八角形、台形タイプの基礎形状が 考えられる。また、風車アンカー部にせん断補強筋を配置することや、割裂ひび割れ の発生を防止するためにフープ筋の本数を増やすことにより、風車基礎の耐力増加を 図っていく。 (4)今後の対応のまとめ 設計風速の地点毎設定、制御用バックアップ電源等の機能付加及び風車基礎形状の 見直しと鉄筋の補強を踏まえて、今後の対応を図ることとする。 表 3.1-1 考慮する風速 既存規格に の範囲(JIS:基 よる風車ク 準風速) ラス 50m/s 以上 Ｓ 今後の対応 今後の対応 対策事項 風車クラス 選定 ①風荷重低減のための機能付加 Ⅰ ②基礎の改善(形状と補強鉄筋) [Ｓ相当] ※表中の JIS とは、風力発電システムの基準風速を規定した「JIS C 1400-1」である。 なお、ほかの風車クラスについては、制御用バックアップ電源等の機能付加による強度 確認を行い、充分な強度が確認できる場合は導入を検討する。 4 3.2 水平展開（既存風車の確認） 今回の風車倒壊等事故は、風車ハブ高での最大風速約 60m/s、最大瞬間風速約 90m/s という、風車建設時に設計で考慮していた以上の風速による風荷重を受けたことが原因 であった。 既設風車への水平展開について風車建設時に設計で考慮していない厳しい方向からの 風を受けることを考慮し、強度確認を行う必要がある。現行の建築基準法による風荷重 を用いて、ヨー制御不能を考慮した厳しい条件での転倒モーメントを算出し、タワー及 び基礎の強度の再確認を行う。 なおタワーについては、タワー座屈、タワー開口部の評価、基礎については、転倒・ 滑動・コーン破壊等の評価を行ない、強度が不足している場合には補強等の対策を行う。 また、ブレードについては、風車設置地点の設計風速値（ハブ高）を算出し、風車ブレ ードのクラスアップ（クラスⅡからⅠ）、系統停電時のバックアップ電源等の機能付加、 周辺環境への影響（民家や生活利用道路等との離隔）等についての検討を踏まえ対策を 行う。 5 宮古風力発電 実証研究設備 池間島 下地島 大神島 宮古第二 伊良部島 発電所 伊良部 変電所 平良変電所 宮 古 発電所 久松配電塔 更竹配電塔 城辺配電塔 下地配電塔 来間島 七又風力発電 実証研究設備 （１、２号機） 年 ３ 月 撮影 ︶ 4 号機 3 号機 6 号機 年 ３ 月 撮影 ︶ 七又風力発電実証研究設備被害前状況 ︵平成 １５ 宮古風力発電実証研究設備被害前状況 ︵平成 １５ 5 号機 1 号機 2 号機 6 3.現場写真 撮影日：2003.9.16 撮影日：2003.9.15 撮影日：2003.9.12 撮影日：2003. 9.12 7 撮影日：2003.9.12 撮影日：2003.9.14 タワー転倒により破損。 ノーズコーン飛散。ナセルカバー タワー転倒により破損。 ②ナセルの 発電機脱落。ギアボックス破損。 が全開状態。ナセル内はゆがみが 発電機脱落。ギアボックス破損。 状態 発生。 倒壊 倒壊なし。 倒壊 （10 日 23 時から 11 日 4 時頃の間） 外観上、異常は認められない。タ （10 日 23 時から 11 日 4 時頃の間） ③タワーの 入口扉上部で南西側の道路へ座 ワー内部の南側面で水平方向の 入口扉上部で南南西側の道路へ 座屈倒壊。 線状の模様が発生している。 屈倒壊。 状態 ④基礎の 状態 七 又 風 力 撮影日：2003.9.15 撮影日：2003.9.14 ナセルカバーに多数の割れが認 められる。また、航空障害灯も取 付台ごと脱落し、南方向に落下。 倒壊なし。 タワー北東側に損傷ブレードに よるものと見られる擦過痕があ るが、その他外観上異常は認めら れない。 撮影日：2003.9.12 撮影日：2003.9.12 撮影日：2003.9.13 撮影日：2003.9.13 外観上、異常は認められない。基 礎周辺の砂利が東南から北西（反 時計廻り）に幅 70∼170cm、深さ 約 10∼20 ㎝の窪みが認められる。 ナセルカバーに多数の割れが認 められる。風向風速計も取付台ご と飛散。 倒壊なし。 タワー外観にブレードの擦過痕 があるが、その他外観上異常は認 められない。タワー内梯子取付座 折損。 力 倒壊時にタワーから抜けて落下。 ナセルはＦＲＰカバーが破損し、 発電機部分が露出。 倒壊 （10 日 21 時から 11 日 4 時頃の間） アンカーボルト並びにアンカー リングごと基礎コンクリートか ら抜け、タワーが南側（太陽光側） に脱壊。 基礎上部コンクリートに微小ク 基礎上部コンクリートに微小ク 基礎上部コンクリートに微小ク 外観上、異常は認められない。基 基礎上部コンクリートは破壊。主 ラックがある。基礎周辺地面の盛 ラックがある。基礎周辺地面の盛 ラックがある。基礎周辺地面の盛 礎周辺地面の盛り上がりや地割 筋に切断は無いが倒壊の衝撃で 屈折。北側の主筋はタワー倒壊時 れ等なし。 り上がりや地割れ等なし。 り上がりや地割れ等なし。 り上がりや地割れ等なし。 に押された様子で屈折。 風 2 号機 ベスタス／デンマーク H10.8.28 600 kW 14/4.5/25 m/s ピッチ制御 3枚 42m 30 rpm 35m なし すべてのブレード表面の GFRP が 剥離。ブレードは 2 枚が折損。1 枚は原型は残っているが外装部 は全て飛散。 古 1 号機 エネルコン／ドイツ H10.8.28 500 kW 14/2.5/25 m/s ピッチ制御 3枚 40.3m 18∼38 rpm 44m なし タワー倒壊時、地面（太陽光発電 設備）と衝突、破損。破片が周囲 に飛散しているが、ブレードは 3 枚ともハブに装着。 宮 ユニット番号 3 号機 4 号機 5 号機 6 号機 製造メーカー／国名 ミーコン／デンマーク ミーコン／デンマーク ミーコン／デンマーク エネルコン／ドイツ H7.12.5 H7.12.5 H7.12.5 H15.3.31 使用開始年月日 400/100 kW 400/100 kW 400/100 kW 600 kW 定格出力 定格/起動/停止風速 15/3/25 m/s 15/3/25 m/s 15/3/25 m/s 13.5/2/25 m/s 出力制御方式 ストール制御 ストール制御 ストール制御 ピッチ制御 ブレード枚数 3枚 3枚 3枚 3枚 ブレード直径 31m 31m 31m 44m 36 rpm 36 rpm 36 rpm ローター回転数 18∼34 rpm 36m 36m 36m 46m ハブ高さ 1.周辺地域への被害 倒壊により道路封鎖 なし 倒壊により道路封鎖 なし ブレードは 3 枚ともハブに装着。 ブレードは 3 枚ともハブに装着。 ブレードは 3 枚ともハブに装着。 ブレードは 3 枚とも折損。2 枚が 2.設備被害 破片が周囲に飛散。 外観上、異常は認められない。 破片が周辺に飛散。 根元から折損飛散。１枚は先端部 状況 ①ブレード 分が折損し、南西方向約 90m に落 の状態 下。 施設名 台風 14 号による風力発電設備の被害状況一覧 １．現場状況調査 ①現状記録 ②測量調査 [ 測量調査] ・タワー倒壊方向 ・ブレード角度 ・タワー入口ドア方向 ・ナセル方向 ・ﾀﾜｰ鋼材(狩俣3,5号) 材料試験 ・基礎ｺﾝｸﾘｰﾄ(七又1号) ・基礎鉄筋(七又1号) ２．風の評価 気流解析 風洞実験 ・模型製作 ３．強度の評価 風荷重の評価 風応答解析 FEM解析 風車実測 ・ﾌﾞﾚｰﾄﾞ形状実測(ﾐｰｺﾝ) ・ﾀﾜｰの風応答実測(狩俣4号) 破壊メカニズム の解明 倒壊原因究明フロー 宮古気象台近傍市街地模型（風洞実験で使用） 狩俣サイト周辺地形と地表面祖度 8 最大風速と最大瞬間風速 サイト 各風車のハブ高さにおける最大風速と風向 ユニット 宮古風力 ハブ高さ 標高 最大風速 (m) (m) (m/s) 3 号機 36 7.5 59.7 4 号機 36 6.2 5 号機 36 6 号機 風車のハブ高さにおける 乱れ強度と最大瞬間風速 七又風力 乱れ強さ 最大瞬間風速 （%） （m/s） 北 12.12 87.9 59.2 北 12.18 87.3 7.4 59.4 北 12.21 87.6 46 9.2 61.5 北 12.03 90.3 1 号機 44 32.9 59.8 北 13.28 90.7 2 号機 35.3 34.4 56.8 北 13.83 87.4 風向 ナセル＋ブレード 15ton 剛リング（密度 10.24g/cm3） 剛リング部に 水平方向載荷 上端直径：1.378m 上 端 直 径 ： 17m 板厚 10mm タワー20ton シェル要素 （密度 8.5ｇ/cm3） 35m タワー ｚ 18m 開口部 板厚 12mm ｘ 180 ｙ 円筒下端完全固定 下端直径：2.46m 90° 0° 解析モデルの概要（宮古風力 3,5 号機） 解析モデルの概要 9 ①座屈直前 ②最大荷重時 ②最大荷重（直後） 荷重：353.1kN 変位：0.602m 荷重：357.2kN 変位：0.627m 変位：0.602m 変位：0.627m 座屈 ③荷重低下 ④倒壊 荷重：150.5kN 変位：1.971m 荷重：45.3kN 変位：6.128m 変位：1.971m 変位：6.128m 座屈変形図（塑性ひずみ）＜宮古風力 3,5 号機＞ 10 崩壊 モーメント ⑤界面破壊 ④コーン破壊 ③割裂破壊 ②上支圧破壊+下支圧破壊 ①引張ひびわれ 頂部変位 モーメント−頂部変位関係概略図＜七又風力 1 号機＞ ②上支圧破壊 ③割裂破壊 ⑤界面破壊 ④コーン破壊 ②下支圧破壊 ①引張ひび割れ 破壊パターン概略＜七又風力 1 号機基礎＞ 主剪断ひずみ＜七又風力 1 号機基礎＞ 11 倒壊風車の風応答解析 ○ 解析プログラム：非線形有限要素解析プログラム ○ 解析モデル：実機の寸法、剛性および重量を極力忠実に再現した有限要素モデル（線形 はり要素を用い、風車停止時のブレードの角度も考慮） ○ 空気力係数：タワー及びナセルには抗力係数、ブレードには抗力及び揚力係数を考慮 宮古風力 3、4、5 号機はストール（失速）制御風車（ブレードのピッチ角は不変） (a)宮古風力３、４号機 (b) 宮古風力５号機 （図のブレード断面は代表的な位置のものであり、実際にはブレード軸に沿って角度が変化） 七又風力 1 号機（現場調査結果から、1 枚のブレードのみピッチ制御されたケースを解析） ○ 風向と風速：事故時の風向は北風、風速は、設置場所における平均風速と乱れ強さの鉛 直分布を考慮した変動風速 (a) 宮古風力３号機 (b) 宮古風力４号機 12 (c) 宮古風力５号機 (d)七又風力１号機 3号 4号 風向 ナセル方向 0 270 風向 0 46° 90 5号 270 風向 0 55.84° 90 270 90 タワー開口部方向 180 180 180 0 0 0 270 90 180 270 90 タワー倒壊方向 90 180 226.16° 90 258.01° 227.46° 180 180 0 0 0 270 270 270 90 270 180 ナセル、タワー開口部、倒壊方向および風の方向 13 209° 233.71° 90 180 209.05° 100 80 風速(m/s) 60 40 20 0 -20 U(36m) V(36m) -40 -60 100 200 300 400 時刻(s) 500 600 700 タワー頂部近傍に作用する変動風速（宮古風力 4 号機） ○ 解析結果（座屈倒壊風車） 合成変位(m) 合成曲げモーメント(kNm) 0.8 曲げモーメント(kN・m) 20000 変位(m) 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 15000 10000 5000 0 -5000 100 200 300 400 500 600 700 100 200 300 時刻(秒) タワー頂部合成変位（宮古風力 3 号機） 400 時刻(秒) 合成変位(m) 700 合成曲げモーメント(kNm) 曲げモーメント(kN・m) 20000 0.6 変位(m) 600 地際合成曲げモーメント（宮古風力 3 号機） 0.8 0.4 0.2 0 -0.2 15000 10000 5000 0 -5000 100 200 300 400 500 600 700 100 200 300 時刻(秒) タワー頂部合成変位（宮古風力 4 号機） 400 時刻(秒) 500 600 700 地際合成曲げモーメント（宮古風力 4 号機） 合成変位(m) 合成曲げモーメント(kNm) 0.8 曲げモーメント(kN・m) 20000 0.6 変位(m) 500 0.4 0.2 0 -0.2 15000 10000 5000 0 -5000 100 200 300 400 500 600 700 100 時刻(秒) タワー頂部合成変位（宮古風力 5 号機） 200 300 400 時刻(秒) 500 600 700 地際合成曲げモーメント（宮古風力 5 号機） 14 ○解析結果（基礎破壊風車） 合成変位(m) 合成曲げモーメント(kNm) 30000 曲げモーメント(kN・m) 2 変位(m) 1.5 1 0.5 25000 20000 15000 10000 5000 0 -5000 0 100 200 300 400 時刻(秒) 500 タワー頂部合成変位 600 700 100 200 300 400 時刻(秒) 地際曲げモーメント（七又風力１号機） 15 500 600 700