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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。
日本でここ数年、導入量が伸び悩んでいる。その理由は?
日本では?
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エネルギー自給率
風力?
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
地熱 中小水力 太陽光0.14 0.14 1.5 [ 億kW ]
Science News(JST)
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
電力10社の設備容量(東日本大震災以前)→ 2億kW
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風力
電力10社の設備容量(東日本大震災以前)→ 2億kW
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
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
Science News(JST)
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
Water 1.1TW
Wind 5.8TW
Solar 4.6TW
Californiaでの実験
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%
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
風車工学の発達風車は
◎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
V
発電量 P は風車に流入する
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
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3X/ L
U/U
∞
拡大型
縮小型
風速分布L/D=7.7 D
L
φ
0x
y
ディフューザ長さに対する最大風速の変化
0
0.5
1
1.5
2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5L/D
Um
ax/U
∞
D
L
φ
1
21
14.6
1
Φ= 4°
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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?
wind5m/s 12m/s
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)
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?
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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)
風の流れ
風車
集風加速装置
(風レンズ体)
風速増加のメカニズム
渦による圧力低下
流れを引き込む
つば
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フィールドでの性能試験(500W風レンズ風車)
W
m/s
5倍
ロータ直径0.7mのマイクロ風車
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0
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
5倍出力
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
ブレード直後Z=48mm Z=128mm Z=208mm
風車のみ
風レンズ風車
ロングタイプ風レンズ風車
誘導渦の形成
x = 0.2Drotor誘導渦が崩壊
翼端渦の形成
剥離渦の形成
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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
2006年11月20号
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
<プロトタイプ> ①プロトタイプのディフューザを切断
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
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4Lt/D
Cwma
x
with brim h=0.05Dwith brim h=0.10Dwith brim h=0.15Dwith brim h=0.20D
W.T. only
C0Cⅰ Cⅱ Cⅲ
2.1 2.32.6 2.8 倍
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。
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0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0
m/s
W実測値(1分間平均)
Cw=1.0(風レンズ風車)
Cw=0.4(従来風車) 発電量2.5倍
従来風車風レンズ風車
野外発電性能試験、 (定格風速10m/s、ロータ直径2.5m)
3kW風レンズ風車 野外試験
Cw*=0.54
コンパクトタイプ風レンズ風車
誘導渦の形成
翼端渦形状の崩壊
翼端渦の形成
剥離渦の形成
Movie
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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
3731,259
2,936
5,326
7,995
10,532
12,681
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
年間平均風速 [m/s]
年間
発電
量 [
kWh]
一般標準家庭
年間3600kWh
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
Image of irrigation using wind energy
desertUnderground water
Wind turbine
pump battery
water tank
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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
5kW Wind-Lens Turbines for Irrigation in a Desert Area in China
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
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
WEST4号館の西側駐車場
風レンズ風車3kWを2基設置
中継ポンプ室
常時、電気がきている。200V3相
電気カート
電気スタンド
正門近くの駐車場内設置
Hakata bay風況ポール
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風況予測計算モデル(GIS)
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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。
Wind
地上15m高さでの風況パターン
○赤い部分: 風速が速い
○河口に風が収束している
Uref=1at z=h
北
室見川
u/Uref
0.9
-0.2
百道浜海浜公園、
福岡市
博多湾
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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
3kW風レンズ風車4台設置
百道浜海浜公園
百道浜海浜公園3台設置(年平均風速4m/s弱)
みなと100年公園
みなと100年公園1台(年平均風速4m/s)
福岡市沿岸部
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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
建設地
100kW級
ロータ径13m
3kW級
ロータ径2.5m
通常風車の2/3サイズのロータ径
高静粛性
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100kW風レンズ風車風洞試験新タイプの風レンズ集風体
Two timesincrease
100kW WindlensTurbine Model
Type1(10%brim)
Type2 (5%brim)
m/s
W
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(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
短所:• 風荷重が大きい• レンズのコスト
Movie
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計算結果③
風車位置における速度ベクトルの鉛直分布
1.4
-0.6
西風
1号機2号機
主流方向速度成分
Very low noise ー Windlens turbine is very quiet
66
Noise curvefor rotor dia. of 15m
Noise curvefor rotor dia. of 22m
100kW Windlens Turbine Rotor diameter of 12.8m
2/3 rotor size as compared to the standard same power output turbine of 100kW
43 dB at 100m distance
60 dB at 100m distance
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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
大型浮体
セミサブ方式
九大経塚研で波浪安定性を実証
風力 太陽光
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
九州大学総合理工学研究院
経塚研究室
Heave(上下揺れ)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0 1 2 3 4 5 6λ/L
ζ1/2
ζa
oldnew
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現在、設計中の18m級直径の浮体と3kW風レンズ風車:
1st stage: 博多湾内に建設計画(2011秋)
By Dr.Sueyoshi
予定地
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)
風車部分の風荷重試験波浪+風試験
担当:高橋幸平
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博多湾海上浮体風力発電PJ
約500m
予定地
予定地
5トンコンクリートアンカー(2個x6カ所)
中間シンカ―
風レンズ風車
約54m
オイルフェンス
オイルフェンス点滅灯点滅灯8.7m
2m
18m
点滅灯点滅灯
By Prof.Kyozuka
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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。
2nd Stage: より沖合へ、より外洋へ
By Dr.Sueyoshi
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)
StageⅡ
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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
150m級浮体 MWクラス風車搭載浮体イメージStageⅢ
By Dr.Sueyoshi
3rd Stageの予定:風力、太陽、潮流が有望な場所
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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
担当:谷川陽一郎
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
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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)
• 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)
Movie
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
• 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?
地球資源を略縛する産業構造
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ご清聴ありがとうございました。
NEDO
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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
ジャイロミル型サボニウス型
(揚力型) (抗力型)
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いろいろな風車(水平軸型)
3翼風車
多翼風車
1翼風車
2翼風車
風車が回るわけ(揚力型・水平軸風車)
入ってくる風
周速度
翼から見た風
揚力
抗力
回転力を生む力
風車における翼の働き
回転方向
吹いている風
迎い角取り付け角
翼に働く力
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風力発電の各種損失
風車の効率: パワー係数 NEDO
NEDO