鳥取砂丘における自然エネルギー評価 : 風力および太陽エネルギー

鳥取砂丘 にお け る自然エネル ギー評価

―風力および太陽エネルギーー

若

良二 十

,田

川公太朗

*,趙

解春 料

Evaluation of Natural Energy atTotton Sand Dune

― Wind and Solar Energies―

WAKA Ryoti*, TAGAWA Kotaro*, ZHAO JieChun**

キーワー ド:風 カエネルギー

,太

陽エネルギー

,鳥

取砂丘

Key Words:ヽ

Vind Eneこ

割

,Solar Energy,Totto

Sand Dune

1,は

じめ:こ エネルギーは国民生活や経済活動 を支 える基盤であり,そ の供給 は石油,石炭 などの化石燃料 に 依存 している。現在

,人

口の増加 および生活の向上か ら

,エ

ネルギー消費量 は増加の一途 をた どっ てお り,それに伴 う化石燃料の燃焼 によって炭酸 ガスや窒素酸化物 などが大気 中に多量 につF出され, 地球温暖化や酸性雨の地球規模の環境 問題 が顕在化 してい る。また

,発

展途上国やア ジア地域 にお ける石油需要の増加,石油供給 における中東依存度の上昇 などが危惧 されてお り

,将

来 におけるエ ネルギー安定供給の確保 が強 く求 め られている。 この ような資源 。エネルギー問題 を解決す る一方策 として

,環

境へ与 える負荷 が小 さく

,無

尽蔵 で

,再

生可能 な自然エネルギーの利用が積極的に推進 されてい る。この うち

,風

力および太陽エネ ルギーを利用 した風 力発電および太陽光発電 は,エネルギー密度が希薄であること

,気

象条件 によ る影響 を受 けること,経済性 についての課題 があることなどの問題 はあるものの

,各

発電技術 は実 用化 レベル に達 してお り

,世

界の広範 囲においてエネルギー賦存量の調査が実施 されてい る。 一方

,風

力および太陽エネルギーは地域 固有のエネルギーであり

,地

域活性化 および街づ くりの 観点か ら

,地

域住民 が容易に取 り組 む ことがで きるエネルギー分野である。したがって

,風

力およ び太陽エネルギニ利用技術 を地域 に導入す ることは ,地 域における普及啓発や学校における環境教 育 を促進 じ

,エ

ネルギー問題 に対す る地域住民の意識 を高めるとい う意義 も有 してい る。 これ までの研究では,風 カエネルギーに着 目し,1998年および 1999年 に実施 した,島取砂丘 におけ る風況精査の結果か ら

,鳥

取砂丘 における風力発電の可能性 について検討 した①。 本研究では

,風

力および太陽エネルギ ーに着 目し

,鳥

取砂丘 における風況精査 (継続

)お

よび 日 射測定 を行い

,そ

の結果か ら風力および太陽エネルギー密度 に関す る評価 を行 った。 半_{鳥取大学教育地域科学部 地域設計学講座} ・ ホ鳥取大学大学院教育学研究科 教科教育専攻

120

若 良二 ,田 川公太朗,趙 解春:′亀取砂丘における自然エネルギー評価

2.調

査 目的 本調査では,「鳥取大学乾燥地研究センター」 の敷地内において

,風

速 風向および全天 日射 量,日_{照時間を観測 し,鳥取砂丘における風況} 特性および 日射特性 を明らかにする。 さらに, 風力および太陽エネルギー密度を算定 し,両者 のエネルギー密度の相関関係を究明することを 目的とする。 図

1.観

測地点の栂略的な位置

3.観

測方法 図1に観測地点の概略的な位置 を示す。観測 は鳥取大学乾燥地研究 セ ンター (鳥取市浜坂 1390番 地 ;北 緯35度 30分

,東

経 134度 15分) の敷地内で行 った。観測期間は

,1999年

10月 1日か ら2000年9月 30日 まで とした。 図2に風況観測機器

(SecOnd Wind社

製 :

NOMADシ

ステ ム)を 示す。本観 測機 器 は

,海

岸 か ら内陸側 へ約

280mの

位置 に ある標高

30mの

砂丘地 に設置 さ れて い る。測 定 部 で あ る二杯型 風 速計 お よび矢 羽根型風向計は, 垂直 に設置 され た 観 測 ポ ー ル (地上高 さ

10m)

の先 端 に取 り付 け られ て い る。 観測 で は

,風

速 お よび風 向 を測 定 し,1分間平均 (鳥取大学乾燥地研究センターパンフレットより引用) 図

2.風

況 観 測 機 器 矢 羽

舶

＼

型         ト 計 速 風       ・ 十           ・ 日 本 湾 thc Sca orJapan データロガー

鳥取大学教育地域科学部紀要 地域研究 第

4巻

第

2号

(2KX13) 値 をデータロガーに自動記録 した。 図 3に 太陽エネルギー観測機器 を示す。本観測機器 は

,乾

燥地研究セ ンターの屋上に設置 されて いる。観測では

,精

密全天 日射計 (英弘精機製

MS-801)で

全天 日射量 を測定 し

,1分

間積算値 を データロガーに自動記録 した。また

,回

転式 日照計 (英弘精機製

MS-091)で

日照時間を測定 し, データロガーに自動記録 した。 図

3.太

陽エネルギー観測機器

回転式 日照計

122

若 良二 ,田 川公太朗 ,趙 解春:′ミ取砂丘における自然エネルギー評価

4.評

価項 目 風力および太陽エネルギーに関 して

,測

定データか ら得 られ る評価項 目の中で

,本

論文で報告す る項 目を以下 に挙 げる。

4.1

風カエネルギーに関する評価項 目

(1)平

均風速 観測データか ら得 られた1時間平均風速 を

,あ

る期間 (日

,月

,年

など

)に

おいて平均化 し た風速で ある。観測地点 における風速の概要 を把握 し

,風

カエネルギー開発の可否 を概略的に 検討す ることがで きる。

(2)風

速出現率 ある期間 (日,月

,年

)に

おける風速階級の出現割合である。風速の出現特性 を明 らかにす るために重要で ある。本観測では

,風

速階級 を

lm/s間

隔に設定 した。 ●

)風

向出現率 ある期間 (日 ,月

,年

)に

おける風 向の出現割合で ある。図4に風配図 を示す。E(東)を0° にとり

,時

計回 り方 向に360° の角度 を設定 した。また

,風

_向は16方_{位 で表 されてお り}

_,各

_風 向の出現率 を百分率で表 した。風 向出現率 によ り

,風

向が もっとも頻繁 に出現す る方位

,す

な わち

,卓

越風向がわかる。 “

)風

向別平均風速 各風向の1時間平均風速 を,あ る期間 (日,月

,年

)に

おいて平均化 した風速である。風向 出現率 と併せて評価す ることで

,風

カエネルギー利用 における主風 向が明 らかになる。 図

4.風

配図 (風向

16方

位の区分要領) ENE ‐_{(348.75° )} ( 180°

)W

E( 0° ) 11.25° ) ( 270° )

鳥取大学教育地域科学部紀要 地域研究 第

4巻

第

2号

(2C103) 123

4.2

太陽エネルギーに関する評価項 目

(1)全

天 日射量 地表面 に到達す る日射 には,太陽か ら地表面へ直接到達す る直達 日射 と大気 によ り散乱 され て全天空か ら到達す る散乱 日射 がある。 これ らを合 わせた 日射量が全天 日射量 で あ り

,単

位時 間

,単

位地表面積 あた りに到達す る 日射のエネルギー量 町

/(m2.s)](=[W/m2])で

表 され る。 また

,全

天 日射量 をある期 間 (日

,月

,年

)に

わたって積分 した積算 日射量

[MJ/m?]は

, 気候 を表す指標 として重要である。

(1)日

照時間

太陽の直射光が地表面 を照射 した時間である。

WMO(Wond MeteOЮ

logica1 0ttanization,

世界気象機関)で は

,直

達日射量が120W/1n2以 上の日射量がある場合に

,「

日照がある」と定義

している。

5,観

測結果

5,1

風カエネルギー

5.1.1

平均風違 図 5に 月平均風速の季節変化 を示す。また

,1998年

および 1999年 における観測結果①も併せて示 す。月平均風速 は冬期 に大 きく (2月に

7,lm/s),夏

期 に小 さく (6月 に

3.3m/s)な

ってお り,日 本特有の傾 向が見 られ る。過去

2年

間の観測結果 と比較 して も

,季

節変化および年平均風速 はほぼ 同 じである。また

,地

上高 さ

10mに

おける年平均風速 が

5.Om/s以

上の場合

,風

力発電 が有望視 さ れている②ことか ら

,冬

期 を中心 とした 11月 か ら4月 にかけて

,風

力発電が期待 で きる。 図

5.月

平均風速の季節変化 月

5,1.2

風向出現率 図6および図 7に 月別および年間の風 向出現率 を示す。図6において

,SSW(南

南西

)あ

るいは

S(南

)からの風 が年間 を通 して出現 してお り,鳥取砂丘では南寄 りの風 が安定 してい ることがわか る。また

,冬

期 を中心 とした10月か ら5月 において

,SSW(南

南西

)の

風 向出現率 が他の風 向 よ り 年平均風 速 1998寄i 5.Om/s 1999寄i 5.lm/s 2000年 5.lm/s ―件

-1998年

-1999年

-2000と

手

若 良二 ,田 川公太朗,趙 解春 i鳥取砂丘における自然エネルギー評価 も著 しく大 きくなっている。図 7に おいて

,年

間の卓越風 向は

SSW(南

南西

)で

あ り

,次

に

S(南

) である。この よ うに卓越風向が年間 を通 して安定 してい ることは

,風

力発電の導入 を検討す る際に 重要 な指針 となる。 図

6.月

別の風向出現率 199つ年 12月 W S 2∞ 0年 4月 Ｓ 叫 Ｓ﹂

Ｓ

叫

畔Ｓ

鳥取大学教育地域科学部紀要 地域研究 第

4巻

第

2号 (2003) 125

5.1.3

風向別平均風速 風 向別 月平均 および年平均風速 を図8および図 9に 示す。図 8に おいて

,冬

期 を中心 とした10月 か ら4月において

,N(北

)を

中心 とした

WNW(西

北西

)か

ら

NE(北

東

)に

かけての月平均風速 が著 しく大 きくなっている。図9において

,5.1.2で

示 した風 向出現率 を併せて考慮す ると

,南

寄 りの風 は卓越風 向で あるものの

,5m/s弱

の風 が吹いてい ること

,北

寄 りの風 は字間を通 して出現 率が低 いが

,風

力発電 に利用可能 な

6m/s以

上の強い風 が吹いていることがわかる。 以上の ことか ら,鳥取砂丘 における風カエネルギーを不U用す る場合,卓越風 向かつ年間を通 して 安定 してい る南寄 りの風 および出現率は低 い ものの冬期 における北寄 りの風 を有効 に利用す ること が重要である。 図

3.風

向別月平均風速 N N NE S 1999年10月 NttW、 1? _NNE NWペ Nttψ

_嘔

NWNNW WNW代 W WSW Yア

イ

イ

ラ

ラ

SW/

SSW W WSW SWV ENE _{WNWた ＼(｀} E W― ESE

wsw rr/

SW/

SS NNW NNE S 1999年11月 S 1999年12月 W E W wsw″

●

V｀｀

斗ESE wsWY´ /

Ⅲ＼｀

ESE wsw▼ ノイノ

SW/

ラ_{SE SWr} WNWA、 W SW SSW NNW NWヘ WNWA、_k、 W WSWf SW SSW NNW NW WNW W WSW ・‐_メ S 2tXXl年 1月 S 2000年2月 NE .ENE WNW E NVV (/rムENE WNWヽ NNW SS NNヽネ12 _NNE NW縫

_＼

: NWぺ SS

ガ

NE SSE NNW NWへ WNW^＼k＼ W WSWP SW SSW NE WNW入_＼く｀_{＼ ブ▼}ィスENE E ｀卜｀_γESE SE SSW NNW(12 NE NWく ヽ9 NE シSE SSE S 2000年9月 数値軸の単位[m/s] WNW^、_ゝ 、

ヶ″

ENE E W SW/ wsw rクri 洋 ｀VESE

SW/

S 2000年,月 S 2000年3月

′

.NttE

ヶ″

ENE FttENE Ｓ 年 NE NE 多 メENE Ｓ 噂 ００   Ｎ NNE NE r4/ャ

ィ

ム

ENE Ｓ 年   Ｎ ∞ ２０ NNE バNE

多ィ

ム

ENE E SSVV _SSW

若 良二 ,日 川公太朗 ,趙 解春:′亀取砂丘における自然エネルギー評価

5.2

太陽エネルギー 5。

2.1

全天 日射量 図 10に 日積算 日射量 の月平均値 を示す。夏期

_7月

)における日射量 は

,冬

期 (1月

)の

場合の約 4.0倍である。また

,6月

は梅雨の時期であり

,夏

期の他の 月よ りも日射量 は減少 している。これ ら のことか ら,日本の気候条件 に対応 して ,日 射量の季節間格差 が大 きい ことがわかる。また

,鳥

取 砂丘 における日射量の年平均値13.2 WIJ/m2は,日本各地 における日射量の平年値0(1971年か ら2000 年 までの平均値 )11.0∼ 15.O A4J/m2の 範囲内にあることか ら,鳥取砂丘 における日射は比較的に良 好であるといえる。 図

10.日

積算日射量の月平均値

25

０       ５       ０       ５ ２       １       １

︵

能

、

こ

咽

凛

田

猷

押

田

月 数値軸 の単位:[m/s] 年平均値 13.2M」/m2

鳥取大学教育地域科学部紀要 地域研究 第

4巻

第

2号

(2003) 図 ■ に1月および7月における時間積算 日射量の月平均値 を示す。いずれの月においても,日射 量は12:00付 近で最大 となってお り,7月における日射量の最大値は,1月の場合の約3.1倍である。 12:00 時刻

5.2.2

日照時間 図 12に 月別の 日照時間を示す。日射量の場合 と同様 に,日照時間の季節間格差 も顕著であ り,夏 期 (7月

)に

おける日照時間は

,冬

期 (1月

)の

場合の約5.7倍である。本観測で得 られた年間 日照 時間2227時間は,日本各地 における日照時間の平年値①(1971年か ら2000年 までの平均値

)1500∼

2000時間を大 きく上回っており,太 陽エネルギーを利用する上で望 ましい結果である。しか しなが ら

,観

測期間が 1年 間と短いことを考 えれば

,本

観測で得 られた年間日照時間は

,年

々変動 してい る年間 日照時間の最大側であるとい う評価にとどめておくことが妥当であるう。したがって

,年

間 日照時間の経年変化を把握するためにも,日 照時間の観測を継続することが必要である。 図

12.月

別の 日照時間 年間 日照時間

2227時

間

‐

￨

■

■

■

■

￨__

￨,￨

■

■

`￨.￨￨￨ ２             １             ０

＄

Ｅ

ヽ

こ

硼

憮

□

飢

胆

臣

世

400

０         ０         ０ ０         ０         ０ ３         ２         １

︵

肛

世

︶

肛

世

醸

田

月 図

11.1月

および7月にお ける時間積算 日射量 ―Ⅲ…1月 ―◆

-7月

10 12

128

若 良二 ,田 川公太朗,超 解春:′亀取砂丘における自然エネルギー評価

6.風

力および太陽エネルギー密度 風力および太陽エネルギーを定量的に評価するために

,そ

れぞれのエネルギー密度 を算出する。 風カエネルギー密度は

,空

気密度および風速 を用いて

,次

式で表 される。 (風カエネルギー密度

)=(1/2)×

(空気密度)× 9風速の

3乗

) 風カエ ネルギー密度が風速の3乗に比例す ることは

,風

力発電の導入 を検討す る際 において

,風

速が大 きい場所 を選定す る所以である。 一方、太陽エネルギー密度 は

,積

算 日射量 を積算時間で除す ることにより算出 され る。 図 13に 風 向別風カエネルギー密度 を示す。北寄 りの風 による風カエネルギー密度 は,南寄 りの風 の場合 よ りも約

3倍

大 きい。 これは

,北

寄 りの風 の風速が南寄 りの風の風速 よ りも大 きく

,そ

の風 速の3乗にエネルギー密度が比例す ることか ら,顕著 な差 となって表れた もので ある。米国の

DOE

(Depa血1lent of Energy;エネルギー省

)で

は

,地

上高

10mに

おける風 カエネル ギー密度 が

150W/

11a2を上回 る場合_,風力発電 における事業化 レベルの開発 が可能で あると評価 してい る。したがって,

150W/m2を

上回 る風カエネルギー密度 を有す る方位 は

,N(北

)を

中心 として 雨 T(北 西)から

NNE

(北北東)にかけての範囲で あり,これ らの方位の風 を有効 に利用す ることで鳥取砂丘 における風力 発電の事業化 は十分 に期待で きる。 図

13.風

向別風カエネルギー密度

N

図14に風力および太陽エネルギー密度の月別変化 を示す。それぞれのエネルギー密度は,月平均 風速および月積算 日射量を用いて算出 した。風カエネルギー密度は

,風

速が強 くなる冬期の方が夏 期よりも大 きくなるのに対 し,太 陽エネルギー密度は,日射量および日照時間が大 きくなる夏期の 数値軸 の単位:[W/m2]

鳥取大学教育地域科学部紀要 地域研究 第

4巻

第

2号 (2003) 129

方が冬期 よりも増加 している。この ことか ら,いずれのエネルギー密度 にも季節間格差 が存在す る ことがわかる。また

,両

者のエネルギー密度 を比較す ると

,冬

期 を除いて太陽エネルギー密度の方 が風カエネルギー密度 を上回 ってお り,太 陽エネルギー密度の年平均値 は風カエネルギー密度の場 合の約2.3倍である。 図

14.風

力および太陽エネルギー密度の月別変化 月 鳥取砂丘 において

,風

力および太陽エネルギーを効率 よ く利用す るためには,両者のエネル ギー 密度の季節間格差 を解消す ることが重要である。そ こで

,風

カエネルギーと太陽エネルギーを複合 利用す る場合 を想定す る。図15に複合利用 における総エネルギー密度の月別変化 を示す。総エネル ギー密度 は

,風

力および太陽エネルギー密度の和で ある。総エネルギー密度 は,2月か ら10月 にか けてほぼ安定 してお り,風 力および太陽エネルギーを単独利用 した場合 に生 じる季節間格差 が緩和 されている。この ことか ら,風力および太陽エネルギーを複合利用 したハ イブ リッ ドシステムの構 築が有効であることがわかる。 図

15.総

エネルギー密度の月別変化 (風力および太陽エネルギー) ０           ０           ０ ０           ０           ０

０

Ｅ

＼

こ

超

綽

︱

午

ミ

半

Ｈ

０           ０           ０ ０           ０           ０ ３           ２           １

命

_Ｅ

＼

ョ

︶

製

樽

︱

午

ミ

や

日

韓

―と一 風カエネルギー

ー●― 太陽エネルギー

年平均値

2156W/m2

年平均値

93.2W/m2

■風 カエネルギー

ロ太陽エネルギー

130

若 良二 ,田 川公太朗 ,趙 解春 :鳥 取砂丘における自然エネルギー評価

7.ま

とめ 本研究では,自然エネルギー利用の観点か ら

,最

も普及が期待 され る風 力および太陽エネル ギー に着 目し

,鳥

取砂丘 における風速・風 向および全天 日射量,日照時間の観測 を行 った。その観測結 果に基づ き

,鳥

取砂丘 における風況特性 ,日 射特性

,な

らびに風力および太陽エネルギー密度 に関 して

,以

下の結論 を得 た。

(1)地

上高 さ

10mに

おける風の年平均風速 は5,lm/sで あ り,風力発電の導入が有望視 され る風速 の条件 を満 た していることを確認 した。卓越風 向は

SSW(南

南西

)の

方位 であ り

,SSW(南

南 西

)お

よび

S(南 )の

風 が年間 を通 して安定 していることがわかった。また,風向出現率は低 い ものの

,冬

期 における

N(北

)を

中心 とした

NE(北

西

)か

ら

NW(北

東

)の

年平均風速が

,他

の風 向の場合 よ りも大 きいことがわかった。

(2)夏

期における日積算 日射量 および 日照時間は

,冬

期の場合 に比べて ,4.0倍 および5,1倍と大 きい ことがわかった。また ,日 射量の年平均値 は 日本各地の平年値の範囲内であり

,年

間 日照 時間は 日本各地の平年値 を大 きく上回っていた。これ らの ことは太陽エネルギーを利用す る上 で望 ましい結果であるが

,観

測期間が1年間 と短 いので,日射量および 日照時間の観測 を継続 す ることが必要である。

(3)冬

期 に出現す る北寄 りの風 によって得 られ る風カエネルギー密度 は,他 の風向の風 によって 得 られ るエネルギー密度 よりも顕著 に大 きくなってお り,風 カエネルギー密度 は冬期の方 が夏 期 よ りも増加 していることが明 らかになった。

(4)太

陽エネルギー密度 は

,夏

期の方が冬期 よりも増加 してい ることがわかった。また

,冬

期 を 除いて風カエネルギー密度 を上回ってお り,太陽エネルギー密度の年平均値 は風カエネル ギー 密度の場合 よ りも約2.3倍大 きい ことがわかった。

(5)風

力および太陽エネルギーを複合利用 した場合 ,各 エネルギーを単独利用 した場合 に比較 し て,エネルギー密度の季節間格差 が緩和 された ことか ら

,風

力および太陽エネルギーを複合 し たハ イブ リッ ドシステムの有用性 を示 した。 以上の結果 を踏 まえて ,風 力および太陽エネルギーを複合利用 したハ イブ リッ トシステムの実用 化 を図るためには

,風

況および 日射観測データの蓄積

,総

エネルギー取得量の算定,システムの最 適化

,経

済性の評価 などに

,実

証試験 によるシステムの性能評価 を加 えた総合的な検討が重要 な課 題 となるであろう。 8. (1) 参 考 文 献 若 良二ら;“鳥取砂丘における風力発電の可能性における調査研究",鳥 取大学教育地域科学部紀要 地域研究,第1巻 2号

,p.65-p.32(2∞

0)

NEDO(新

エネルギー・産業技術総合開発機構

);風

況精査マニュアル 丸善;理科年表 ,p.2610000J 同 上 ,p.2059000J