風向変動を考慮した風車後流の解析精度の検証

Size: px

Start display at page:

Download "風向変動を考慮した風車後流の解析精度の検証"

きょうすけまきい
5 years ago
Views:

技術論文 Accuracy Validation of Wind Turbine Wake Analysis Including Wind Direction Fluctuation Correction 武藤厚俊 Atsutoshi Muto 鈴木潤 Jun Suzuki 鈴木広幸 Hiroyuki Suzuki 藤田泰宏 Yasuhiro Fujita 要旨近年日本における風車建設は

日本国内では乱流強度や風向変動など国際規格で定められている風況とは異なることが多く国際規格で定められている手法を適用できない場合が多いと考えられる本稿では風向変動を考慮した風車周辺の気流解析を実施し観測塔により実測された後流の統計量と比較した結果を示す得られた結果からは本稿で提案した風向変動を考慮した解析手法は平坦地形において実測値と良好な一致が示された

the fact that most of the coastal areas with suitable wind conditions have been fully occupied with the existing wind turbines.

High turbulence intensity gives rise to a large degree of load fluctuation in each part of a wind turbine and may result in fatigue damages in the equipment.

1 技術論文 Accuracy Validation of Wind Turbine Wake Analysis Including Wind Direction Fluctuation Correction 武藤厚俊 Atsutoshi Muto 鈴木潤 Jun Suzuki 鈴木広幸 Hiroyuki Suzuki 藤田泰宏 Yasuhiro Fujita 要旨近年日本における風車建設は風況の良い沿岸の平坦地域がすでに飽和傾向にあるため山岳地域に高密度に配置したウィンドファームが主流となりつつある山岳地域の風況は地形による影響を受けるため乱流強度が高くさらに近接風車の後流の影響により乱れはさらに増大する高い乱流強度は風車各部に大きな荷重変動を生じ疲労による機器の損傷を招く結果となるまた日本国内では乱流強度や風向変動など国際規格で定められている風況とは異なることが多く国際規格で定められている手法を適用できない場合が多いと考えられる本稿では風向変動を考慮した風車周辺の気流解析を実施し観測塔により実測された後流の統計量と比較した結果を示す得られた結果からは本稿で提案した風向変動を考慮した解析手法は平坦地形において実測値と良好な一致が示された今後は複雑地形に対しても適用を試みる予定である Synopsis In recent years, wind farms where wind turbines are densely located in a mountain area have become predominant in the wind turbine construction in Japan because of the fact that most of the coastal areas with suitable wind conditions have been fully occupied with the existing wind turbines. In mountain areas, high levels of turbulence are generated by the terrain, and they are further increased by the wake of neighboring wind turbines. High turbulence intensity gives rise to a large degree of load fluctuation in each part of a wind turbine and may result in fatigue damages in the equipment. In addition, the application of turbulence analysis methods specified by an international standard appears impossible in Japan, where the turbulence intensity and fluctuation in the wind direction are mostly different from those defined in the international standard. In this paper, an air flow analysis around a wind turbine was carried out with a correction in light of fluctuation in the wind direction, and the result was compared with the actual turbulence measured by a met mast on the site. It was shown that the proposed analysis method has precisely predicted the turbulence intensity at least for a flat terrain. The same analysis will be attempted for more complex terrains. 室蘭研究所 Muroran Research Laboratory (46) 日本製鋼所技報 N o. 6 5( )

2 1. 背景近年日本国内においては風車建設に最適な沿岸部好風況地域は既設風車により飽和傾向にあり新規の建設は内陸部特に高風速が期待できる山岳部に集中する傾向にあるまたウィンドファームの発電事業性の観点から風車を高密度に配置する傾向にあるこのようなサイトにおいては地形により生成される乱流と近接風車の後流による乱流により高い乱流強度が発生する乱流強度の増加は風車の疲労荷重の増加による風車のコスト発電量建設可能エリアの縮小等事業性に関わる多くの事項に影響を与えるため精度の高い予測評価方法が求められているしかしながら複雑地形における風車後流による乱流強度の有効な評価手法は未だ提案されていないのが現状である本論文では複雑地形における予測手法の検討に先立ち平坦地形における風車後流の風速及び乱流強度の解析精度の向上を目的とし風車後流の実測値と比較検証した結果について報告する 2. 風車建設事前評価一般的に風車もしくは複数の風車からなるウィンドファームの建設予定地におけるサイト事前評価は大まかに以下の手順によって行われる ( 図 1) ただしここでは極値風速の検討や大臣認定等の手順は含んでいない先述のように複雑地形である山岳地域に建設する場合には地形や近接風車の影響により乱流強度が増加する傾向があるため風車の配置再検討や運転条件の再検討を複数回実施することが多い 4に示す近接風車の後流による影響は IEC Ed.3 Annex D (1) ( 式 (1)~ 式 (3)) に示される手法により算出し測定もしくは解析により得られた乱流強度を補正するこの手法は現時点において風車に関する国際規格に記述された唯一の風車後流による乱流強度の算出方法である (1) ここで各変数は以下の通りである : 有効乱流強度 : 各風車における風向出現率 : 風向 θにおける周囲及び風車後流による乱流強度 : 対象材料の Wöhler 指数 : ハブ高さにおける風速 [15 m/s] 各風向の乱流強度は近接風車が存在しない風向では式 (2) により算出する (2) 一方近接風車が存在する風向では式 (3) により算出する (3) ここで各変数は以下の通りである : 周辺乱流標準偏差 ( 観測値 ) : 対象となる近接風車のロータ直径により規格化された近接風車までの距離 : 定数 [m/s] 図 1 風車 / ウィンドファーム建設前の事前評価手順先述したように本手法は国際規格に記述された風車後流による乱流強度の算出方法を示した手法であるが欧州の平坦地形および洋上環境を基に策定されているため複雑地形における適用可能性については確認されていない加えて当社製風車既設サイトにおける風況測定実績から山岳地域などの複雑地形における多くの場合 IEC の手法では乱流強度を過大に見積もる傾向があることが確認されている乱流強度の過大評価は風車建設可能エリアを縮小するだけでなく風車構成部材製造及び輸送時のコスト運転条件による発電量の低下など事業性に大きな影響を与える可能性があるしたがって複雑地形において乱流強度を精度よく予測することは経済的な風車建設の観点からも重要であると考えられる本研究では複雑地形において近接風車の後流により増大する乱流強度の予測精度向上の試みに先立ち風況観測塔を有する平坦サイトにおいて風車後流による乱流強度の予測精度の検証を目的とする (47)

3. 風況解析手法一般的に風況解析には線形解析ソフト WAsP (2) (Risø) 非線形定常解析ソフト MASCOT (3) (4) ( 東京大学 ) 非線形非定常解析ソフト Riam Compact (5) ( 九州大学 ) などが使用されることが多くすでに多くの実績を挙げている本研究においては自作コードを追記して地形上気流および風車後流の数値再現を実施するために汎用コード

3 3. 風況解析手法一般的に風況解析には線形解析ソフト WAsP (2) (Risø) 非線形定常解析ソフト MASCOT (3) (4) ( 東京大学 ) 非線形非定常解析ソフト Riam Compact (5) ( 九州大学 ) などが使用されることが多くすでに多くの実績を挙げている本研究においては自作コードを追記して地形上気流および風車後流の数値再現を実施するために汎用コード ANSYS Fluent 12.0 を用いた表 1 に解析条件を示す出力 2,000kW の風力発電機である J70 初号機は 2006 年夏に当社室蘭製作所構内に建設され運転を開始し現在に至るまで運転を継続している本論文では通常運転とは異なり定格出力を 1,500kW とした運転モードにおけるデータを使用した風況観測塔は J70 の SSE 方向 262m に位置している表 1 解析条件地形データは国土地理院の数値地図 50m メッシュ ( 標高 ) を使用し地表面粗度は国土交通省の土地利用細分メッシュデータを利用して決定した地表面における境界条件は式 (4) に示す対数則による壁面せん断応力により算出したこれにより地表面粗度を考慮した解析を可能としたなお土地利用と粗度長の関係は文献 (8) に示される値を式 (4) に用いて変換した図 2 JSW 社製風車 J 表 2 J の諸元 (4) ここで各変数は以下の通りである : 地表高さ [m] : 粗度長 [m] : 地表高さ z における風速 [m/s] : 摩擦速度 [m/s] : カルマン定数 [ - ] また対象領域の上流に対象領域と同じ広さを持つ付加領域を追加しそれら二つを合わせた領域の周囲に緩衝領域を設けた領域を解析領域とした (4) 風車後流モデルはアクチュエータディスク理論 (6) に基づいて算出した運動量欠損を流れ方向運動方程式のソース項として組み込んだなお後流速度 U W は解析対象風車の発電量 P 及びスラスト係数 C t より算出した解析対象は風況観測塔を有する当社室蘭製作所構内の風車 J70-2.0( 図 2 表 2 以下 J70) を中心とした地形とした当社製風車 J70 は全長 34m の GFRP 製ブレードと永久磁石による同期型発電機を有する定格 (48) 図 3 図 4 に示すように J70 風車近傍の地形は平坦であり北西 ~ 北方向は海に面しているがその他の方向は標高 100m ~ 200m の比較的低い山に囲まれている解析領域および解析メッシュを図 5 に示す解析メッシュの座標軸は風主流方向を X 軸風直角方向を Y 軸鉛直方向を Z 軸とした解析領域は風車近傍より約 20,000m 上流側としたこれは流入境界を十分前方とすることにより地表面により形成される大気境界層を正確に再現するためであるまた解析領域の鉛直方向高さは上部速度境界による縮流効果が無視できるように日本製鋼所技報 N o. 6 5( )

十分高く 10,000m 設定している流入風速は 10m/s 表 3 解析メッシュの詳細とした表 3 に解析メッシュの詳細を示す４. ４.1 図 3 J70-2.

後流を評価対象としたまた解析風向は J70 の風下に風況観測塔が位置する方位とした観測高さは J70 のハブ高さに等しい 65m とし風速は三杯型風速計風向は矢羽式風向計により測定した観測塔の 65m 高さには超音波型風速計も併設しており実測と解析による乱流強度を比較する際に使用した三杯型

4 十分高く 10,000m 設定している流入風速は 10m/s 表 3 解析メッシュの詳細とした表 3 に解析メッシュの詳細を示す４. ４.1 図 3 J 周辺地形実機による解析モデル検証風況観測塔による風車後流の測定風況観測塔を有する当社構内室蘭サイトを解析対象とし後流モデルの妥当性検証を実施した本サイトには風車が 2 基 J70 J82 設置されているが風車配置と風向出現率から風況観測塔においては J70 風車後流のデータが多く観測されるため J70 後流を評価対象としたまた解析風向は J70 の風下に風況観測塔が位置する方位とした観測高さは J70 のハブ高さに等しい 65m とし風速は三杯型風速計風向は矢羽式風向計により測定した観測塔の 65m 高さには超音波型風速計も併設しており実測と解析による乱流強度を比較する際に使用した三杯型風速計で乱流強度を測定する場合応答速度により高い周波数を測定できないため解析と比較して値を低く見積もることが知られている本検討では観測塔における超音波風速計と比較することにより乱流強度の補正を実施図 4 JSW 室蘭製作所構内の風車及び風況観測塔 Met mast の位置している実測による風車後流域の風速及び乱流強度は後の解析結果と併せて示す４.2 風車後流域風速の解析結果図 6 a b に解析により算出された対象風車 J70 周辺の速度分布図を示す図 6 a より十分上空において風速は流入風速である 10m/s となり地表面近傍で速度が減少する通常の大気境界層が再現されており風車ロータ面下流では後流モデルにより速度欠損が発生し流れが減速されているまた風速の回復はロータ面上方で早く下方で遅いことが確認できるこれは風速の鉛直方向分布ウィンドシアによりロータ面上方では速度が大きく減速域に対する主流からのエネルギ供給が大きいためであると考えられるまた図 6 b は J70 のハブ高さ水平面 X-Y 平面 Z=65m における速度分布を示している図 5 解析領域および座標定義風車ロータ直径を D とすると風車後流は 1D 2D 下流位置において幅 1.5D 程度の速度欠損領域を示した後 10D 下流位置付近において十分な速度回復を示すことが確認された 49

間隔で風速実測値に対して BIN 平均比例するため主流と速度欠損領域の速度差により生成標準偏処理を行った赤点図中のエラーバーは± 1σ され後流に輸送される様子が確認できる図 7 a に差を示しており各方位において約 6% 15% の標準偏見られるように風速が高く主流との大きな速度差が差を有していた解析により算出した速度欠損分布黒線

5 図6 ４.3 解析により得られた J70 周囲の風速分布風車後流域における乱流強度の解析結果図7 ４.4 解析により得られた J70 周囲の乱流エネルギ分布風速分布の実測値と解析結果の比較図 7 a b に解析により算出された対象風車周囲の図 8 に風況観測塔から得られた実測データ及び解析に乱流エネルギ分布を示す乱流エネルギは直接風の乱流よる風車後流の風速を示す横軸は観測塔から見た風車の強度と対応する乱流エネルギの生成項は速度せん断に方位を 0 とし ± 5 間隔で風速実測値に対して BIN 平均比例するため主流と速度欠損領域の速度差により生成標準偏処理を行った赤点図中のエラーバーは± 1σ され後流に輸送される様子が確認できる図 7 a に差を示しており各方位において約 6% 15% の標準偏見られるように風速が高く主流との大きな速度差が差を有していた解析により算出した速度欠損分布黒線発生するロータ面上方において大きな乱流が発生していは実測値と比較して方位が狭く欠損割合が大きかっるまた図 7 b に見られるように乱流場は速度場たこれは数値解析における流入風は風向変動成分をよりも大きく拡大し風車下流 3D 程度の位置において約有していないため風車後流が比較的直線的に後方へ伝搬 3D の幅を示す一般に風車設置の最小間隔は主流方向したためであると考えられるしかしながら実機においに 10D 主流直角方向 3D とされており本結果と一致すては風車後流は風向変動により蛇行 meandering しなるため本モデルの妥当性が定性的に確認されたと考えがら伝搬するため後流による影響範囲は広くなることがられる知られている 8 9 そのため観測塔において実測された風向標準偏差σθを使用して解析値の補正を行った具体的な手順は以下の通りである風向変動は平均値 0 風向標準偏差σθの正規分布に従うとしまた本検討では平坦地形であることから風向が 0 からθ' ずれた際の風 50 日本製鋼所技報 No

6 速分布も風向変動がない場合解析値と同様の分布能であることが確認されたしかしながら先述のように形状であると仮定したそして式 5 に示すように解複雑地形においては風車後流が適切に輸送されないため析によって得られた風速分布を正規分布の重みづけによ適用は可能ではないと思われるり重ね合わせて補正後の風速分布 u' を得た以上より本検討に用いた後流モデルが平坦地形においては実測値に対して良好な精度で一致することが確認 5 された複雑地形における検証は今後の課題としたいここで各変数は以下のとおりである補正後の風速分布平均値 0 標準偏差σθの正規分布関数解析により算出した風速分布風向変動を考慮して補正した風速分布図 8 青線は実測値の平均値赤点を良好に再現しており風向変動の考慮が風車後流の解析において重要な因子であることが確認された図9 解析および実測により得られた風車後流による乱流強度分布 5. まとめと課題汎用流体解析ソフトANSYS Fluent 12.0 及び自作コードを使用して風車後流をモデル化し風車後流を含めた風況解析を試みた平坦地形における実測値との比較では風向変動を考慮することにより風速乱流強度ともに良好な一致が見られることが確認された今後本手法を用いる図8 ４.5 解析および実測により得られた風車後流による風速欠損領域分布乱流強度分布の実測値と解析結果の比較ことにより風車建設前のサイトアセスメント建設後の風況診断に有益な手法となると考えられる今後は本手法を複雑地形に適用しウィンドファームサ 10 解析から得られた乱流エネルギ k より式 6 を用いて乱流強度を算出したイト実測値との比較による解析精度の向上を目指すまた現状の風況解析ソフトと比較して数倍の計算コストを要するため計算速度の向上にも取り組む予定である 6 参考文献図 9 に実測値と解析値における乱流強度 T.I. の分布を示す解析により算出された乱流強度黒線は風速分布図 8 と同様に実測値と比較して過大な値を示すが風向変動を考慮すると実測値と良好に一致する青線 1 IEC Wind turbines Part1 Design Requirements Edition J.F. Corbett S. Ott and L. Landberg The new 次に図 9 中に IEC Ed.3 Annex D に規定される WAsP flow model: a fast linearized Mixed Spectral 有効乱流強度を併せて示す紫線風向 BIN ごとに近接 Integration model applicable to complex terrain 風車の影響を考慮するためステップ状になるがその値 European Wind Energy Conference proceedings は実測値に対し良好に一致するこれはこの IEC の手法が欧州の平坦地形や洋上を想定して策定されたものであ石原孟非線形風況予測モデル MASCOT の開発とそるためであり日本国内においても上流に複雑地形がないの実用化日本流体力学学会誌第 22 巻第2号 2003 平坦地形においてはここで示されたように十分に適用可 pp

7 (4) 石原孟山口敦藤野陽三 : 複雑地形における局所風況の数値予測と大型風洞実験による検証土木学会論文集 No.731/I-63(2003) pp (5) 内田孝紀大屋祐二 : 風況予測シミュレータ RIAM- C O M P A C T の開発日本流体力学学会誌第 2 2 巻第 5 号 (2003) pp (6) Tony Burton David Sharepe et al.: WIND ENERGY HANDBOOK WILEY (2005). (7) 山口敦石原孟藤野陽三 : 力学統計的局所化による新しい風況予測手法の提案と実測による検証土木学会論文集 A Vol.62 No.1(2006) pp (8) Gunner C. Larsen Helge Aa. Madsen et al: Dynamic wake meandering modeling Risø Report (2007). (9) Juan José Trujillo and Martin Kühn: Adaptation of a Lagrangian Dispersion Model for Wind Turbine Wake Meandering Simulation EWEC Proceedings (2009) (10) 風力発電設備支持物構想設計指針同解説 [2010 年度版 ] 土木学会 (2010) (52) 日本製鋼所技報 N o. 6 5( )

PRESS RELEASE (2016/11/29) 九州大学広報室福岡市西区元岡 744 TEL: FAX: URL:

PRESS RELEASE (2016/11/29) 九州大学広報室 819-0395 福岡市西区元岡 744 TEL:092-802-2130 FAX:092-802-2139 MAIL:koho@jimu.kyushu-u.ac.jp URL:http://www.kyushu-u.ac.jp 地形起因の大気乱流が大型風車の構造強度に与える影響の評価に成功 - 大規模風力発電の普及拡大に期待