ダウンウィンド2 MW風力発電システムの技術開発

56 2012.11

ダウンウ

ィ

ンド

2 MW

風力発電システムの技術開発

Development of 2-MW Downwind Wind Power Generation System

世界のエネルギー需要に応える発電・送電技術

feature articles

稲村

慎吾  繁永

康

Inamura Shingo Shigenaga Yasushi

清木

荘一郎  吉田

茂雄

Kiyoki Soichiro Yoshida Shigeo

世界各国で再生可能エネルギーの導入が進められている。特に風 力発電システムは，国内においても，丘陵に設置できることや洋上 への展開が期待されること，また，2012年7月に固定価格買取制 度が開始されたことから，さらなる導入拡大が予想されている。 これまで日立製作所と富士重工業は，2 MW級ダウンウィンド型風 力発電システムを共同開発してきた1），2）。2012年7月には，両社 の風力発電システム事業を統合し，日立グループは，ダウンウィンド 型風車技術と電力制御技術や系統連系・安定化技術の融合をより 強固にすることで，発電から電力安定供給システムまでをトータルで 提供できる体制を整えた。 1. はじめに 近年の世界的な環境意識の高まりを背景に再生可能エネ ルギーが注目されており，風力発電市場もその伸びが期待

されている。

GWEC

（

Global Wind Energy Council

：世界

風力会議）の

Global Wind Report 2011

によれば，

2011

年

の世界の総設備容量は

237,669 MW

に達し，前年比で約

20

％増加している。それに伴い，風車の大型化が進んで おり，特に洋上風車での大型化が著しい。 大型風車では，タワーよりも風上側にロータを配置した アップウィンド風車が一般的である。一方，風下側にロー タを配置するダウンウィンド風車は，複雑地形における性 能上の優位性などにより，有望視される技術である。日立 グループは，富士重工業株式会社との風力発電システム事 業の統合により，富士重工業で開発されてきたダウンウィ ンド風車を採用している。 ここでは，台風や複雑地形など厳しい環境に適したダウ ンウィンド

2 MW

風力発電システムの仕様と技術的な特 徴について述べる。 2. 風力発電システムの仕様

2 MW

のダウンウィンド風車の概略図および風力発電シ ステムの主要仕様を図1，表1に示す。 3. ダウンウィンド風車技術 3.1 複雑地形における発電量 ダウンウィンドロータは，ロータとタワー間のクリアラ ンスを確保するため，負のチルト角を持つ（図2参照）。 これによってロータ軸の角と吹上風角との差が小さくなる ため，発電量が増加する3）。 出力曲線に対する吹上角の影響の補正法として，運動量 ロータ径 80 m ハブ高さ 80 m/60 m 定格出力 2,000 kW 定格風速 13 m/s 運転風速 4∼25 m/s チルト角 −8° 出力制御方式 可変速・ピッチ制御 ヨー制御 アクティブヨー（発電時） フリーヨー（暴風待機時） 表1│風力発電システムの主要仕様 2 MWダウンウィンド風力発電システムの主な仕様を示す。 ハブ高さ 80 m ロータ直径 80 m タワー ハブ ナセル 風の向き 図1│2 MWのダウンウィンド風車 風下側にロータを配置するダウンウィンド風車の概要を示す。

57 featur e ar ticles Vol.94 No.11 794–795 世界のエネルギー需要に応える発電・送電技術 理論に基づいて同図に示す数式を誘導することができる4）。 複雑地形において

1

年間の設備利用率を計算した。吹上 角に対する風速を図3に示す。 ダウンウィンド風車と出力曲線が同一であるアップウィ ンド風車（チルト角＋

5

度，コーニング角

0

度）の設備利 用率を計算した（図4参照）。計算の結果，ダウンウィン ド風車はアップウィンド風車と比べて約

7

％高い設備利用 率（発電量）となった。 3.2 複雑地形におけるナセルヨー計測 発電時にナセルの方位制御（ヨー制御）を行うため，ナ セルの頂部にナセルヨーセンサー（風向計）を設置してい る。一般的にナセルヨーセンサーは，アップウィンド風車 ではロータやナセルの影響を強く受けるのに対し，ダウン ウィンド風車ではほとんど影響を受けない（図5参照）。

CFD

（

Computational Fluid Dynamics

： 数 値 流 体 力 学）

の例を図6に示す。アップウィンド風車では風上側のナセ ルとロータの干渉により，ヨーセンサーの位置に流入する 風は大きく偏向する。それに対し，ダウンウィンド風車で は，ほとんど干渉の影響を受けていない。これにより，ダ ウンウィンド風車の方が複雑地形におけるヨー計測精度が 高く，設備利用率（発電量）の向上や疲労ダメージ低減の 点で有利である5）。 3.3 ナセル風速計 風車の出力や疲労荷重は，発電中の乱流強度の影響を強 く受けるため，乱流強度を精度よく計測できることが必要 である。

2 MW

のダウンウィンド風車では，ナセルとロー 25 風向 （ m/s ） 20 15 10 5 0 −20 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 500 1,000 1,500 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 吹上角（° ） （km） （km） （ m ） 時間平均吹上角＝5.34（° ） （a） （b） 主風向 図3│複雑地形におけるモデル モデル地形を（a）に，風速・吹上角分布を（b）に示す。各点は各風車の1時 刻（6時間ごと）である。 ダウンウィンド アップウィンド（ヨー角＝8°） アップウィンド 注 : 8 7 6 3 4 1 2 0.46 0.44 0.42 0.4 0.38 0.36 0.34 0.32 0.3 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8 年平均風速（m/s） 設備利用率 （ ー ） 8.1 8.2 5 図4│年平均風速・設備利用率 ダウンウィンド風車は，アップウィンド風車に比べて約7％高い設備利用率（発 電量）となった。 P＝min 〔PRate： 定格出力， P0： 定格パワーカーブ（水平風による）， γ ： 吹上角，α ： チルト角〕 ロータ回転面 ロータ回転軸 W ： 吹上風 α ： チルト角 γ ： 吹上風角 P_Rate, ・ P0 3 cos（γ＋α） cos γ・cos α 図2│ダウンウィンドロータと吹上風の関係 ロータ軸の角と吹上風角との差が小さくなるため，発電量が増加する。 ダウンウィンド風車 ヨーセンサー ヨーセンサー アップウィンド風車 図6│CFD（数値流体力学）によるナセルヨーセンサー周りの流線（吹上角 16度，ヨー角16度） ダウンウィンド風車では，ナセルとロータの干渉の影響をほとんど受けてい ない。 ナセルヨーセンサー 吹上風 吹上風 ダウンウィンド風車 アップウィンド風車 ナセルヨーセンサー ロータ ナセル ナセル 図5│吹上風とヨーセンサの位置関係 ダウンウィンド風車では，ナセルヨーセンサーがロータやナセルの影響を強 く受けない。

58 2012.11 タの風上側にナセル風速計を配置しているため，タワー振 動に関して適切な補正を加えることにより，乱流強度を推 定することができる6）。風況マストによる観測結果と，ナ セル風速計による推定値を図7に示す。陸風と海風の乱流 強度の大小や風速に対する効果など，よく一致しているこ とが確認できる。 3.4 フリーヨー暴風待機 フリーヨーは，風見鶏のように自然と風下にロータを向 けるナセル制御方法であり，ダウンウィンド風車の長所の 一つである（図8参照）。特に日本においては，暴風中に 風車にかかる荷重の低減に有効であり，

2 MW

のダウン ウィンド風車では暴風待機時にはフリーヨーを採用して いる。 風 力 発 電 機 設 計 ツ ー ル

GH Bladed

※），7） に よ る シ ミ ュ レーション結果を図9に示す。シミュレーションでは，平 均風速

50 m/s

の変動風を，風向

0

度から

90

度まで

300

秒 の間で変化させたときのナセルの追従を計算した。その結 果，フリーヨーにより，ナセルが風向変化に追従している ことを確認した。 3.5 タワーシャドウモデル ダウンウィンド風車では，ロータの旋回領域がタワーの 風下に位置するため，ロータが

1

回転するごとにタワーの 後流（

Wake

）を通過する。このとき，タワー後流とロータ とが空力干渉することになるが，これをタワーシャドウ効 果と呼ぶ。ダウンウィンド風車では，このタワーシャドウ が疲労ダメージに影響するため，精度のよい計算が要求さ れる。しかし，従来のタワーシャドウモデルは

CFD

や風 洞試験によって孤立タワー後流のプロファイルをモデル化 し，それをロータへの流れ場として与えるものであり，ブ レードによるタワーシャドウに対する空力干渉は考慮され ていなかった。 そこで，

2 MW

ダウンウィンド風車開発時に，

CFD

と

BEM

（

Blade Element and Momentum Th

eory

：翼素運動量

理論）によるシミュレーションにより，この干渉の影響を 考慮した荷重等価モデルを考案した（図10参照）。このモ デルの妥当性は，運転試験でのロータ主軸の曲げを比較す ることで確認した（図11参照）。また，従来の孤立タワー モデルでは，タワーシャドウが過剰に推算されていること も確認でき，適正な荷重レベルまで低減して

2 MW

ダウ ンウィンド風車を開発することが可能になった8），9）。 風向 図8│フリーヨー ダウンウィンド風車では，風見鶏のように自然と風下にロータを向ける効果 がある。 注 ： ハブ（海風） ハブ（陸風） ハブ90％（海風） ハブ90％（陸風） マスト90％（海風） マスト90％（陸風） IEC ClassA IEC ClassB IEC ClassC 4 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 風速（m/ｓ） 10分平均， 海風 ： 3，737点， 陸風 ： 3，164点 乱流強度 （ ー ） 図7│マスト乱流強度とナセル乱流強度（補正）比較 ナセル風速計による推定値は，風況マストによる観測結果とよく一致している。

注：略語説明 IEC（International Electrotechnical Commission）

注 ： 風速（m/s） 風向（° ） ナセル方位角（° ） IEC ClassB 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 時間（s） −20 図9│風速・風向とナセル方位角（フリーヨー） フリーヨーによってナセルが風向変化に追従している。

59 featur e ar ticles Vol.94 No.11 796–797 世界のエネルギー需要に応える発電・送電技術 4. おわりに ここでは，台風や複雑地形など厳しい環境に適したダウ ンウィンド

2 MW

風力発電システムの仕様と技術的な特 徴について述べた。 風力発電システム事業の統合は，ダウンウィンド型風車 技術と電力制御技術や系統連系・安定化技術のより強固な 融合につながる。日立グループは，今後も発電から電力安 定供給システムまでのトータルなソリューションの提供に 向けて取り組んでいく。 1） 松信，外：大型風車「ダウンウィンド2 MW機」の開発̶日本の環境に適合した風 力発電システム̶，日立評論，91，3，306∼309（2009.3） 2） 坂本，外：大型風力発電システムとスマートグリッド，日立評論，93，8，550∼ 553（2011.8）

3） S. Yoshida : Performance of Downwind Turbines in Complex Terrains, Wind Engineering, Vol. 30, No. 6, 2006, pp. 487-501（2006）

4） 吉田，外：複雑地形における推算精度を向上させる三次元的発電量解析法，風力エ ネルギー，Vol. 74，pp. 75∼83，日本風力エネルギー学会（2005.6）

5） S. Yoshida : Nacelle Yaw Measurement Downwind Turbines in Complex Terrain, Windtech International（2008.11）

6） 清木，外：ダウンウィンド風車のナセル風速計による乱流強度計測，風力エネルギー， Vol. 87，pp. 140∼145，日本風力エネルギー学会（2008.11）

7） Garrad Hassan and Partners : Bladed for Windows（2004）

8） S. Yoshida, et al. : Load Equivalent Tower Shadow Modeling for Downwind Turbines, EWEC（2007） 9） 吉田，外：ダウンウィンド風車の荷重等価タワーシャドウモデリング，日本機械学 会論文集，第73巻，第730号，B編，p.1273∼1279（2007.6） 10） 清木，外：SUBARU80/2.0, 2MWダウンウィンド風車の超低周波騒音測定，日本機 械学会，第12回動力・エネルギー技術シンポジウム（2006.6） 参考文献 稲村 慎吾 2003年日立製作所入社，電力システム社日立事業所電機プラント システム部所属 現在，風力発電システムの開発・設計に従事 博士（工学） 電気学会会員 繁永 康 2001年日立製作所入社，日立研究所エネルギー・環境研究センタ 応用エネルギーシステム研究部所属 現在，風力発電システムの開発・研究に従事 日本機械学会会員 清木 荘一郎 2005年富士重工業株式会社入社，電力システム社日立事業所電機 プラントシステム部所属 2012年より富士重工業株式会社から出向中 現在，風力発電システムの開発・設計に従事 吉田 茂雄 1990年富士重工業株式会社入社，電力システム社日立事業所電機 プラントシステム部所属 2012年より富士重工業株式会社から出向中 現在，風力発電システムの開発・設計に従事 博士（工学） 日本風力エネルギー学会会員，日本太陽エネルギー学会会員，日本 機械学会会員，ターボ機械協会会員 執筆者紹介 BEM（荷重等価モデル） 注 ： BEM（孤立タワーモデル） 運転試験 アジマス角（° ） 1.5×10 6 1 0.5 −0.5 −1 −1.5 −2 0 60 120 180 240 300 360 0 M YMS （ Nm ） 図11│アジマス角に対する主軸曲げ（風速：13 m/s） 運転試験でのロータ主軸の曲げを比較し，荷重等価モデルの妥当性を確認した。

注：略語説明ほか  BEM (Blade Element and Momentum Theory）， アジマス角（ロータ中心周りの翼の角度） φ＝180° Pressure 100 −100 −200 −300 ［Pa］ 0 図10│翼のタワー後流通過時のCFD ブレードによるタワーシャドウに対する空力干渉を考慮し，開発時にCFD （Computational Fluid Dynamics）によってシミュレーションした結果を示す。