2011/6/21

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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

2011/6/21

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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

2011/6/21

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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

2011/6/21

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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

2011/6/21

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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

2011/6/21

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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

2011/6/21

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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）

2011/6/21

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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