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A b s t r a c t :   Wind g e n e r a t o r s   h a v e   been  u s e d   and  t e s t e d   by  t h e   J a p a n e s e   A n t a r c t i c  R e s e a r c h  E x p e d i t i o n  ( J A R E ) ,  t o  s u p p l y  power f o r  unmanned o b s e r v a ‑ t o r

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Academic year: 2021

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(1)

ー レ ビ ュ ー 一

R e v i e w  

南極における風力発電機開発の意義と日本南極地城観測隊が 使用した実験機の問題点

石 沢 賢 二 *

The S i g n i f i c a n c e  and t h e  Problems of Wind Generator Development i n   Antarctica Experimented by t h e  Japanese Antarctic Research Expedition 

K e n j i  l S H I Z A  w  A* 

A b s t r a c t :   Wind g e n e r a t o r s   h a v e   been  u s e d   and  t e s t e d   by  t h e   J a p a n e s e   A n t a r c t i c  R e s e a r c h  E x p e d i t i o n  ( J A R E ) ,  t o  s u p p l y  power f o r  unmanned o b s e r v a ‑ t o r i e s  and f o r  h e a t e r s  a t  t h e  s t a t i o n s .   A s o l a r  b a t t e r y  i s   a l s o  e f f e c t i v e  a s  a  h e a t   s o u r c e  o f  t h e  t h e r m a l l y  i n s u l a t e d  box f o r  unmanned o b s e r v a t i o n ,  b u t  t h e  b a t t e r y   f a i l s  t o  work f o r  a b o u t  two months i n  w i n t e r .   T h e r e f o r e ,  a  wind g e n e r a t o r  i s   n e c e s s a r y  t o  make up f o r  t h e  p o w e r l e s s  w i n t e r  m o n t h s .   Even a  s m a l l  power o f   t h e  wind g e n e r a t o r  l e s s  t h a n  1 0  W i s   s u f f i c i e n t  f o r  t h i s  p u r p o s e .  

The u s e  o f  a  wind g e n e r a t o r  a s  a  d o m e s t i c  power s o u r c e  a t  an i n l a n d  s t a ‑ t i o n  w i l l  r e d u c e  amount o f  f u e l  t o  b e  t r a n s p o r t e d  t o  t h e  s t a t i o n  o v e r  a  l o n g  d i s ‑ t a n c e .  

The e x p e c t e d  power o f  t h e   wind g e n e r a t o r   a t   Syowa S t a t i o n   ( 6 9 ° 0 0 ' S ,   3 9 ° 3 5 ' E )   and Mizuho S t a t i o n   ( 7 0 ° 4 2 ' S ,   4 4 ° 2 0 ' E ) ,   A n t a r c t i c a ,   was c a l c u l a t e d   by u s i n g  t h e  wind u t i l i z a t i o n  c u r v e s  a t  t h e  two s t a t i o n s .  

The t r o u b l e s  o f  many wind g e n e r a t o r s  JARE u s e d  i n  A n t a r c t i c a  w e r e  found  t o  have r e s u l t e d  n o t  from s e v e r e  w e a t h e r  c o n d i t i o n s  b u t  from f u n d a m e n t a l  m a t ‑ t e r s  s u c h  a s  v i b r a t i o n  o f  b l a d e s .   S t u d i e s  o f  t h e  wind g e n e r a t o r  i t s e l f  a r e  r e q u i r e d   i n  t h e  f i r s t  p l a c e ,  b e f o r e  i t   i s   p u t  t o   u s e  i n  A n t a r c t i c a .  

要旨:日本南極地域観測隊がこれまで利用を目指してきた風力発電機の用途は,

無人観測用の電力源と,基地の雑用電力源とである.無人観測用保温箱の熱源とし ては,太陽電池も有効だが極夜の約 2カ月は発電不能で,風力発電に期待がかかる.

しかし,これには大きな電力は必要なく,

lOW

以下の発電能力で十分である.ま た,輸送距離の長い内陸基地で風力発電機を雑用電力源として使用すると,燃料輸 送量の節減に大きく役立つ.

南極昭和基地

( 6 9 ° 0 0 ' S ,3 9 ° 3 5 ' E )

とみずほ基地

( 7 0 ° 4 2 ' S ,4 4 ° 2 0 ' E )

での風況曲 線のデータより,風力発電で期待される発電籠を計算した.

日本の南極地域観測隊が実験・使用してきた風力発電機の故障原因を調べた結果,

南極特有の厳しい気象条件よりも,風力発電機そのものの研究不足によるブレード の振動等の根本的な事柄が多いことがわかった.

1 .  

は じ め に

南極地域の風況が風力発電にとって非常に良好なことから,日本南極地域観測隊は,第

1

次観測隊以来多くの実験機を持ちこみ,南極大陸氷床上の各地で実用機として使用したり,

*国立極地研究所.

N a t i o n a l  I n s t i t u t e  o f  P o l a r  R e s e a r c h ,  9 ‑ 1 0 ,  Kaga 1 ‑ c h o m e ,  I t a b a s h i ‑ k u ,  Tokyo 

1 7 3 .  

(2)

V o l .   3 2 ,   No.  2

南極用風力発電機開発の意義と実験機の問題点

1 4 1  

試験機としてテストを繰り返してきた.実用機としては,おもに気水圏や宙空部門の無人観 測機器の電源として用いたものであり,ある時には長期間のデータ取得に成功したが,多く の場合,発電機あるいはその周辺施設がさまざまな原因により故障・破損して観測が失敗す ることが多かった.

このように無人観測の電源として使用する他に,基地の雑用電源として風力発電を利用し ようという考え方もあり,昭和基地

( 6 9 ° 0 0 ' S ,3 9 ° 3 5 ' E )

やみずほ基地

( 7 0 ° 4 2 ' S ,4 4 ° 2 0 ' E )

実地試験が行われたが(粟野,

1 9 7 3 ;A w   ANO  e t   a l . ,   1 9 7 6 ;  A w   ANO and TAKEUCHI, 1 9 7 9 ;  

藤ら,

1 9 7 4 ) ,

実用機として使用されるまでには至っていない.

ここでは,南極での風力発電の有意性を再検討するとともに,これまで南極地域で運転さ れてきた風力発電機の運転状況をふりかえり,故障の問題点を分析し,今後の新型機設計の 基礎資料としたい.

2 .  

南 極 で の 風 力 発 電 機 開 発 の 意 義

2 . 1 .  

無人観測装置の電力源

きびしい南極の寒さの中で,観測機器を長期間運転継続させるために克服しなければなら ないものに二つの事柄がある.ひとつは,寒冷に耐えしかも消費電力が少ない七ンサーや記 録機器の開発であなもうひとつは,耐寒性に優れた小型軽量な電力源の開発である.前者 は,電子部品のめざましい性能改善により優れたものが出現しており,

40°C

位までなら 外部から加温することなしに動作するものもある.また後者については,耐寒性の優れたリ チウム電池が開発され南極でも成果をあげているが,

40°C

以下では放電効率が低下し,

まだまだ改善の余地がありそうだ.

日本の観測隊が,無人観測の主なフィールドとしてきた場所の位置と,深さ

10m

の雪湿 から求められた年平均気温

(SATOW,1 9 7 8 )

を図

1

に示す.風力発電機を設置して観測が行 われた場所は,黒四角で示してある.この図からわかるように,年平均気温が一

40°C

以下 の内陸部にも観測域が広がってきている.

観測地点の年最低気温が観測機器の動作温度以上の場所なら問題はないが,それより低温 の場所では,動作が保証されなくなる.このような場所でも,年乎均気温が機器の動作温度 より高い所では,雪洞やピットを深く掘って短期間の低温期を逃れるという方法が残されて いる.深さ

10m

の雪温は,その場所の年平均気温にほぽ等しいことを利用した方法である.

しかし, さらに寒冷な場所においては,何等かの方法で加温する必要がある.菊地・牧野

( 1 9 8 8 )

は,観測機器の電源にはリチウム電池を使用し,観測機器を一

30°C

に保つ保湿箱の 電源には小型の風力発電機を使用し,やや長期間のデータ取得に成功した.このような方式 は,風力発電機の使用法として今後主流になるものと思われる.ともかく,内陸の寒冷地に おける無人観測においては,なんらかの保温用電力源が不可欠である.

(3)

1 s 0 s  

1

風力発電機を使用して無人観測が行われた場所と年平均気温.年乎均気温は,

10m深の雪温による.

F i g .   1 .   L o c a t i o n  of unmanned o b s e r v a t o r i e s  w i t h  t h e  wind g e n e r a t o r  ( b l a c k  s q u a r e )   and t h e  a n n u a l  mean a i r  t e m p e r a t u r e  r e p r e s e n t e d  b y  10‑m d e e p  snow t e m ‑ p e r a t u r e .  

2 . 2 .  

太陽光発電

無人観測に利用できる自然ニネルギーとして期待されているのに太陽電池の利用がある.

これは昭和基地での宙空系テレメトリー観測の電源として実用化されている(国立極地研究

1 9 8 6 ) .

しかし,極夜の

1 . 5

カ月から

2

カ月間は太陽電池による給電はできなく,ディー

ゼル発電機によって充電された蓄電池を使用している.

太陽電池による発電エネルギーはどれほど期待できるだろうか.表

1

は,みずほ基地で計 測された水平面全天日射量(国立極地研究所編,

1 9 8 5

b)と,藤井(私信,

1 9 8 4 )

によって得ら れた約

3

カ月間の実地試験の結果から推定した月ごとの太陽電池による乎均発電量である.

番号

3

の値は,みずほ基地で得られた変換効率

9.5%

の太陽電池による

3

カ月間の発電量で ある.藤井が実験に用いたパネルは真北に向け,水乎面から

7 5

度の角度に設置された.番

(4)

V o l .  3 2 ,   No. 2

南極用風力発電機開発の意義と実験機の問題点

1 4 3  

4

の 全 天 日 射 量 に 対 す る 太 陽 電 池 の 発 電 率 を 計 算 し て み る と 約

4%

か ら

5%

に な る こ と が わ か る . 実 験 し た

3

カ 月 以 外 の 月 に つ い て は , 発 電 量 が 全 天 日 射 量 の

4.5%

で あ る と 仮 定

し た と き の 値 が 番 号

5

に示してある.

2

には,

100mm

厚 の 断 熱 材 で で き た 立 方 体 の 保 温 箱 か ら 失 わ れ る 熱 損 失 が 示 し て あ る .

1

T a b l e  1 .  

太陽電池で期待できるニネルギー(みずほ基地,

1 9 8 0

Expected e n e r g y  of t h e  s o l a r  b a t t e r y  a t  Mizuho S t a t i o n  i n  1 9 8 0 .  

番号

月 平 均 全 天

cal/cm2・695

日射量

day 

月 平 均 全 天

W/m2 

日射量 月 平 均 太 陽

電池発電量

(実測値)

全天日射量に 対する発電

太陽電池推定 発電量

1

2

3

4

5

6

7

8月

1 6 9  

9

1 0

1 1

1 2

1

2 3  

4 8 7   2 4 3   6 3  

゜ ー

3 2   3 9 5   3 3 6 .  7  2 3 1 .  6 1 1 7 .  7  3 0 .  5 1 .  5  0 .  0  0 .  5  1 5 .  5 

W/m2 

% 

W/m2  1 5 . 3   1 0 . 5   5 . 3   1 .   4  0 .  1  0 .  0  0 .  0 0 .  7 

8 1 .  9 1 9 1 .   4  9 . 9  

3 .  7  5 . 1 7  

9 . 9   6 9 7   3 2 9 . 0  

1 3 . 6  

4 . 5 5  

1 3 . 6   8 1 6   3 9 5 . 3  

1 6 . 1  

4 . 0 7  

1 6 . 1  

1 5  

゜ ー

( M )  

SS01 

lV WH 

t h e r m a l  i n s u

t i o nm a t e r i a l  :  0 . 0 2   f  1 / m , h  

C

100  m t h i c k n e s s  

o . o   0 . 1   0 . 2   0 . 3   0 . 4   0 . 5  

INNER LENGTH OF THERMAL INSULATION BOX 

(m) 

保温箱の熱損失.熱伝導率が

0 . 0 2 kcal/m• h• °C

で厚さが

100mm

の断熱 材でできた立方体の保温箱から出る熱量と保温箱の内径の寸法との関係を,

外気温との温度差をバラメーターにして示した.

F i g .   2 .   Heat l o s s  of t h e  t h e r m a l  i n s u l a t i o n  b o x .   The c u b i c  t h e r m a l  i n s u l a t i o n  box  i s   made of t h e   m a t e r i a l  w i t h   100‑mm t h i c k n e s s   and 0 . 0 2  kcal/m・h・°C  t h e r m a l  c o n d u c t i v i t y .   The p a r a m e t e r ,  L i t ,   i s   t h e  t e m p e r a t u r e  d i f f e r e n c e  b e ‑ t w e e n  t h e  a i r  t e m p e r a t u r e  and t h e  t e m p e r a t u r e  of t h e  b o x ' s  i n s i d e .  

図 2

(5)

15 

!  r o  

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1

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:

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̲ s  

A . t : 3 0 C

△  t : 2 0 ゜ C

JAN  FEB  MAR  APR  MAY  JUNE  JULY  AUG  SEP  OCT  NOV  DEC 

3

みずほ基地における太陽電池の発電鼠.モジュール面積

1 m~

2m2

の太

陽電池の発電量. 2つの水平な直線は,外気温との温度差により失われる保 温箱の熱損失

F i g .   3 .   Power o f  t h e  s o l a r  b a t t e r y  w i t h  module a r e a  o f  1  and 2  m2 a t  Mizuho S t a ‑ t i o n .   Two e v e n  l i n e s  a r e  t h e  h e a t  l o s s  of t h e r m a l  i n s u l a t i o n  box w i t h  t e m ‑ p e r a t u r e  d i f f e r e n c e  o f  3 0  and 20°C r e s p e c t i v e l y .   I n  t h e  p e r i o d  o f  A‑Band 

C‑D, t h e  h e a t  l o s s  e x c e e d s  t h e  power o f  t h e  s o l a r  b a t t e r y  w i t h  m o d u l e  a r e a   o f  2m

外気と保湿箱内の温度差, Llt,をパラメータとし,横軸に保温箱の内径をとって計算した.図

3

は,表

1

5

で求めたモジュール面積

1m2

2m2  v

こよる太陽電池発電量の月別の値を示 している.また,図

2

で求めた熱損失の値のうち,内径

30cm

立方の保温箱がそれぞれ温度

20°c

30°c

の環境におかれたときの熱損失も,比較のために示してある.

2m2

の太腸 電池を使用したとき,

A

点から

B点までの約 1 3 5

日間は熱損失が発電量を上回るので,なん らかの熱源が必要であることがわかる.その間に必要なエネルギーは約

9 7 2 1 . 8 W h

である.

1 2  V 200 Ah

の蓄電池を使用すると約

4

個必要となるが,低温での放電特性を考慮すると,

さらに多くの蓄電池が必要になるだろう.

以上の考察により太陽電池は,夏季には十分利用できるが,極夜の 4月から 7月までの 間はかなりの量のバックアップ電源が必要となり,風力発電に期待がかかる.

2 . 3 .  

昭和基地およびみずほ基地の風の性質

4

と 図

5

に示したのは,それぞれ昭和基地とみずほ基地において,

1980

年から

1 9 8 2

年までの

3

年間の

3

時間ごとの

1 0

分間乎均風速のデータ

(JAPAN METEOROLOGICAL 

(6)

35 

30 

5 0 5 0   2 2 1 1  

( S / W J   0  33dS

N I M  

30 

25 

0 5 0   2 1 1  

[ N

]  

Z w   n o   w u

S C l H f   j 

J  N 

. I I   

1 0   1 5   20  25  30  35  1 ! 0   1 ! 5   WI ND SPEED  (M/51 

F i g .  4 .  

35  ‑ ‑ ‑ 

30• ー一

•』

5

0 5 0   2 2 1 1  

[ S ︑

H ) 0

33dS

N I M  

゜ ゜

30 

25 

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2 1

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)  

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゜ ゜ ー ゜

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0 1   B  3

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2 M  

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5  1  I O   1 5   20  25  30  35  40  HI ND SPEED  (M/SJ 

り 5

3 5  

3 0  

5 0 5 0   2 2 1 1  

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︑ さ

o w w d S  ONIM 

゜ ゜

30 

25 

0 5 0   2 1 1  

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35 

30 

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0 5 0   2 2 1 1  

( S / W l   033dS  ON!M 

゜ ゜

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25 

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I O   I  5  20  25  30  35 り 0 1 1 5   HI ND SPEED  IM/Sl 

図 4 昭和基地の風況曲線(上)と風速の出現頻度分布(下)

Monthly c u m u l a t i v e  d i s t r i b u t i o n  c u r v e  of wind s p e e d  ( u p p e r )  and m o n t h l y  f r e q u e n c y  of wind s p e e d  ( l o w e r )  a t  Syowa S t a t i o n .  

V o l .   3 2 ,

N  

o .

2   ︺ 画蘭玉函辻油直翠濫湘 0 瀦媒代活澪藩 8

亘 函 丸

1 4 5  

(7)

30 

25 

0 5 0   2 1 1  

( N

)  

D N 3 n D

8  w

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40  '  1 5  U  

3 0 • -

5 0 5 0   2 2 1 1  

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30 

25•

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10  15  20  25  30  35  40  WIND SPEED  {M/Sl 

I , 1 4 U  

30 

ー 口

8 0 [

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5 0 5 0 5   2 2 1 1  

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25 

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10  15  20  25  30  35  40  45  WINO SPEED  (M/Sl 

30 

30 

25 

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2 1 1  

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S  OWF 

A  G 

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‑ ‑ ‑ ‑

゜ ゜

10  20  30  40  50  60  70  80  90  100  CUMULATIVE FREQUENCY  ( 1 / . l  

10  15  20  25  30  35  1 1 0   1 1 5   WI NO SPEED  (M/Sl 

 

叩 WA,‑‑

AUG  I 

I

図 4

つ づ ぎ

F i g .  4 .   ( C o n t i n u e d )  

︹ 画

固 滴

(8)

, 0 , ‑ , ‑ 1 ‑

¥ I J   . .   I ― 

!  ̲  ̲ J   I 

L I : E I C D  

IO  20  30 り 0 50  60  70  80  90  I  00  CUMULRT I  VE  FREQUENCY  (%) 

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0 5 0   2 2 1 1  

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図 4

つ づ き

F i g .  4 .   ( C o n t i n u e d )  

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図 5 みずほ基地の風況曲線(上)と風速の出現頻度分布(下)

M o n t h l y  c u m u l a t i v e  d i s t r i b u t i o n  c u r v e  of wind s p e e d  ( u p p e r )  and m o n t h l y  f r e q u e n c y  of wind s p e e d  ( l o w e r )  a t  Mizuho S t a t i o n .  

1 1

︹ 画

蘭 滴

(10)

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図 5

つ づ ぎ

F i g .   5 .   ( C o n t i n u e d )  

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l

図 5 つ づ き F i g .   5 .   ( C o n t i n u e d )  

︹ 画

閤 濠

(12)

V o l .  3 2 ,   No. 2

南極用風力発電機開発の意義と実験機の問題点

1 5 1  

20 

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0  V  <0.5m/s 

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=  10SV<15 

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MIZUHO STATION  ( ' I r .   , 1 9 7 9 )  

F i g .  6 .  

図 6 昭和基地とみずほ基地の風速別風配図

W i n d r o s e  d i v i d e d  by wind s p e e d  a t  Syowa and Mizuho S t a t i o n s .  

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20 

1980‑1982 

10 

JAN  図 7

F i g .   7 .  

FEB 

MAR  APR  MAY  JUNE  JULY  AUG 

SEP  OCT  NOV 

DEC  風力発電機の運転可能時間率.風速

5 ‑ 2 0m/s

の風が吹く時間率を示す.

O p e r a t i n g  r a t e s  of t h e  wind g e n e r a t o r  a t  Syowa and Mizuho S t a t i o n s .   The 

r a t e s  c o i n c i d e  w i t h  t h e  f r e q u e n c y  of wind s p e e d  b e t w e e n  5  and  2 0  m / s .  

(13)

AGENCY,  1 9 8 2 ,  1 9 8 3 ,  1 9 8 4 ;   OHATA  e t  a l . ,   1 9 8 1 ;   NISHIMURA  e t  a l . ,   1 9 8 2 ;   TAKAHASHI  e t   a l . ,  1 9 8 3 )

から得られた月別の風況曲線と風速の出現頻度である. この図からある風速

( m / s )

以上の風が吹く時間数(%表示)を読み取ることができる.昭和基地は,一般に弱風の時間数 が多いが強風も吹く.これに対しみずほ基地は,

5

から

1 5m/sの風が一年を通して安定して

吹いており,

2 0m/s以上の強風も少ない.これらの図から,みずほ基地は風力発電にとって

理想的な風況であることがわかる.図

6は,昭和基地とみずほ基地の風配図(国立極地研究

1 9 8 5

b)である. どちらも風向はほぼ一定しており風力発電にとって条件は良い. 風速

5から 2 0m/sの範囲の風に対して発電可能な風力発電機を想定した場合の発電可能時間数

(%表示)が,図

7

に示してある.みずほ基地は,一年のうち

93.2%

の期間

5

から

2 0m/sの

風が吹いていることになる.これに対し昭和基地は,

46%

である.

以上検討したように,南極は風力発電にとって非常に良好な場所といえる.特にみずほ基 地は,年間を通して安定した風があり最良の場所である.

2 . 4 .  

風力発電によるエネルギー

風車の出力は,風速の

3

乗と風車の受風面積に比例し,次式によって表される.

2 . 0  

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0 . 0  

WIND VELOCITY  (m/a)  10 

15 

8 風力発電機の出力

F i g .  8 .   P o w e r  o f  t h e  w i n d  g e n e r a t o r .   R i n d i c a t e s  t h e  r a d i u s  o f  a  b l a d e .  

(14)

V o l .  3 2 ,   No. 2

南極用風力発電機開発の意義と実験機の問題点

1 5 3   P =   ‑CppA  1  V 8  (W), 

(1) 

ここで

P:風車の出力 (W),Cp: 

風車の出力係数,

p :

空気密度

(kg/m

A:風車の受風面

(m

V:風速 ( m i s ) .

理想風車は,最大でも風カニネルギーの

59.3%

しか利用できないことが理論的研究によ りわかっており,式

( 1 )

における

Cpは,最大 0 . 5 9 3

である.式 (1)

A=nR2(ただし,

(m)は風車の半径)を代入して次式を得る.

P=‑Cp 1 

pR2V3(W). 

(2) 

実際の風車の効率を

70%,

伝達装置•発電機系の効率を 80% と仮定すると,総合効率は

33.2%

となる. ここで総合効率を

30%

とし,式

( 2 )に Cp=0.3, p=  1 . 2 2 5  kg/m3を代入し

て得られたのが図

8

である.この図の出力を持つ風力発電機を昭和基地およびみすほ基地に 設置したときに, 得られる月ごとの平均出力を計算したのが表

2

である. カットイン風速

5m/s, 

カットアウト風速を

20m/sとして図 4

と図

5の風況曲線から計算した.この表

から無人観測用保温箱への熱の供給のためには,ごく小さい径のブレードで十分であること

2参照),みずほ基地では,半径 2 mのブレードがあれば年平均で約 2kW程度の出力

が期待できることなどがわかる.

2

風力発電機で期待できるエネルギー(昭和基地,みずほ基地,

1 9 8 0 ‑ 1 9 8 2年

T a b l e  2 .   E x p e c t e d  e n e r g y  of t h e  w i n d  g e n e r a t o r  a t  Syowa and Mizuho S t a t i o n s  i n  

1 9 8 0 ‑ 1 9 8 2 .  

プ レ ー ド

半 径

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

1 1

1 2

月 年 平 均

(W)  m

m m m m m  

0 1 2 0 1 2  

( s . s ) ‑ ( M . s )  

昭和基地みすほ墓地

3 3   4 3   7 2   8 2   6 3   5 0   4 6   3 4   3 4   5 2   4 6   4 3   1 3 2   1 7 2   2 8 9   3 2 9   2 5 2   2 0 0   1 8 7   1 3 4   1 3 5   2 0 9   1 8 3   1 7 2   5 2 8   6 8 7   1 1 5 6   1 3 1 7   1 0 0 6   7 7 3   7 3 1   5 3 7   5 4 0   8 3 7   7 3 1   6 8 8   8 6   1 0 5   1 1 7   1 2 6   1 3 5   1 2 1   1 3 6   1 3 8   1 3 3   1 2 3   1 1 6   9 2   3 4 5   4 2 1   4 6 6   5 0 6   5 4 0   4 8 2   5 4 3   5 5 2   5 3 3   4 9 4   4 6 5   3 7 0   1 3 7 9   1 6 8 2   1 8 6 4   2 0 2 3   2 1 6 1   1 9 3 0   2 1 7 1   2 2 0 8   2 1 3 2   1 9 7 6   1 8 6 0   1 4 8 7  

5 0   1 9 9   7 9 4   1 1 9   4 7 6   1 9 0 5  

2 . S .  

風力発電機稼働による燃料輸送量の低減

風力発電機を内陸基地の雑用電源(ヒーター等)として使用した時,どれほどの利用効果が あるかを考えてみることにする.内陸基地を運営する上で最も問題となるのが輸送であり,

その距離が長くなるほど深刻となる.現在あすか観測拠点の電力源として使用しているディ ーゼルニンジンの燃料消費率は

0.2379g/Whである.その燃費をもとに風力発電機の運用に

より節約できる燃料を計算したのが表3である.また,節約した燃料を輸送しなくても済む ので(付録参照),それによる輸送用燃料の節約分も同じ表に示してある.例えば,輸送距離

500kmある場所で 5kWの風力発電機を運用すると発電機用の燃料が 1 0 . 4 2 t ,  

さらに

(15)

表 3 風力発電機稼働による燃料の節約量

T a b l e  3 .   Amount off  u e l  s a v e d  b y  o p e r a t i n g  t h e  w i n d  g e n e r a t o r .  

風力発電機出力 発電機燃料節約量 輸送燃料節約量

lkW  2 .  0 8 4  t  0 .  5 2 1  kg/km  2  4 . 1 6 8   1 . 0 4 2   3  6 . 2 5 2   1 . 5 6 3   4  8 . 3 3 6   2 . 0 8 4   5  1 0 . 4 2 0   2 . 6 0 5  

輸送用の燃料が

1 . 3

tで,年間で合計

1 1 .7 

tの燃料が節約できることになる.

3 .  

日 本 南 極 地 域 観 測 隊 が 使 用 し た 風 力 発 電 機 と そ の 問 題 点

4

は,第

1

次から第

26

次観測隊まで南極に搬入した主な風力発電機の一覧表である.

1

次観測隊で搬入後,第

1 2

次観測隊まではしばらく中断のあったものの,第

1 8次観測隊

で無人観測が始められて以来,ほとんど毎年持ち込まれ,実用機としてあるいは実験機とし て運用されてきたことがわかる. この表から日本の観測隊は,風力発電に関しては豊富な経 験を有していると言ってよい.しかし,そのほとんどがなんらかの故障を起こし,途中で運 転を断念している.これだけ長年の豊富な経験を有するにもかかわらず,その結果が芳しく ないのはなぜなのか.このことを探るために,論文,観測隊報告書や担当した人の話をもと にそれぞれの原因を調査し,その対策を考える.

3 . 1 ・

1次観測隊(日本機械学会, 1 9 6 0 )

パッテリーの充電および非常用の電源として考えられた直径

4.4m

のブレードを持つ本 格的なものであった.可変ピッチ機構を有し,ブレードの回転数は

1 6 8

rpm一定である.模 型による風洞実験や静岡県御前崎での実地試験も行われた後,南極に搬入されたが,昭和基 地への輸送途中,デボしておいた場所の海氷が流れ,実用するには至らなかった.

3 . 2 .  

12

次観測隊

A(

伊藤ら,

1 9 7 4 )

南極における風力発電の利用を目的としたものであり, 日本で利用されていたいわゆる山 田式風車をそのまま南極に持ち込み実験した. 日本で風洞試験を行った結果,ある風速でブ レードが大きく振動することがわかった.これは,回転数制御用の錘と風力のバランスが崩 れた時に起こった. この風力発電機は,みずほ基地に設置された.風向がほぼ一定で,しか も風速も安定しているので,風車の首振りをやめて固定し,また,錘でのブレード回転面の 傾きによる回転数制御をやめて,強風の時にもブレードが風向に正対するようにした.連転 時間は,延べ

2673

時間に達し,故障もなく作動したが,総合効率は

9.15%

と低かった.

3 . 3 .  

12

次観測隊

B(

伊藤ら,

1 9 7 4 )

三枚羽根の山田式風車を昭和基地に設置し

1824時間運転した.電力の取り出しは,スプ

リング付きスリップリング機構により行われた.ブリザードの際,この部分に雪が入り込み

(16)

T a b l e  4 .  

表 4 日 本 南 極 地 域 観 測 隊 に よ る 風 力 発 電 機 の 運 転

Wind g e n e r a t o r s  o p e r a t e d   by  t h e  J a p a n e s e  A n t a r c t i c  R e s e a r c h  E x p e d i t i o n .  

隊次 1  12A  12B  14  1  8A  18B  1  9A  19B  2 0 , 2 1 , 2 2   2  1  23  24  25  26 

翌名 N U ‑ I O I   W V ‑1 5 G   W I N C H E R G E R   W V ‑ 1 5 G   K U ‑ 1 0 2   W I N C H 訊 G E R W I M C H K R G K R  

~ 9 悶 0 2 0 T l ( 0 2 0 0 T l f l

1 2 2 2 H   1 2 2 雑 1 2 2 2 H   1 2 V ‑ 9 D O R   2 4 ¥   製造会社 本田技研 1 宮 山 菰 田 風 T 力 茎 名 山 田 ( ! > 風 T 力 堂 日大理工 E l e c t r o   D y n a   E l e c t r o   日大理工 D y n a   D y n a   極地研究所 極地研究所 湯浅電池 湯浅電池

G 1 1 b H   T e c h n o l o 釘 G 1 1 b H   T e c h n o l o u   T e c h n o l o t r  

タワー 5 .   Sm  そ J . i ' ‑ ル そ / $ ' ‑ : ル 4 1 1   3 1   4 量 1 3 冒 3 1 1   3 ,   5 1 1 1   5 1 1   3 冒 対 ‑ J I ¥ ' 1 1 対 → ル ト う ス ス t ‑ ル ト う ス スト外うス ス チ ー ル ト う ス ス チ ー ル ト う ス 紆 ー ル ト う ス ス チ ‑ ル ト う ス ス t ‑ i m

風 10 ぺ ぅ

プ雌 2 枚沢租 t . う 8 1 I I  1 直 ' 枚 径ぺ租 , う , . , s ,   7 '2 枚 径 1 1 木 ペ 3 製 ぅ 冒 直 ア 2 枚 径 恥 木' l . 製 7  B 眉

10 ぺ ぅ

, ‑ t ' ,   , 

I ,., 

ぺ; 1 応う ア恥 う 1D 7 ' t i 1 2 1 C

金 ベ 2 う 属 .  I 製 I  直 3 径 枚 4 .   4 1 1   直径 1 . 2 員

2 枚 径 木 3   1 製 1 4 2 I . 4 5 枚 枚 2 1 1 1 2 直 枚 径 木 I . 製 8 1 1 I  I  直 2 枚 径 木 I . 製 8 1 1   直径 2 , 8 m  

直 2 枚 径 『 R 2 P . 製 8 1 1   直 2 枚 径 木 I . 製 0 1 1   静 動 巽 菫 3 3 0 1 枚 枚 2 枚 『 R P 製

方位制御 ダ切りインド 固定 11 り イ ン ド ダわりインド 71 り イ ン ド '11 り イ ン ド 71 り イ ン ド l ダ り ン り イ ン ド 171 ウ イ ン ド 7 ブ ウ ィ ン ド 固定 タ ・ 切 り イ ン ド 11 り イ ン ド 7 1 り イ ン ド 張艤風対策 遠心式可変 上方値向 逆可変 儡 で 可変ピッチ

叩 臼

1 1 1 r 変 t ' チ り うず電流 I  I  l7‑7'H  7 7 なし 電磁 7

H なし 17-T~

ピッチ ピッチ ( I J ‑ 3 3 1 1 / s )   (  2  7  0  ‑ 9  0  0  側 ( I I 方 ‑偏 3 3  向 冒 / s  ) 7'H  (27HOO  ( 2 7 0 ‑ 9 0 0   側方編向 r p m )   r p 1 1 )   r p 1 1 )  

プ 回 転 レ 数 ー { ド r p ■ )   1 6 8   4 0 0   2 2 0   m o   2 2 0   ~00 2 2 0   3 0 3   g o o   9 0 0   9 0 0   ~00 9 0 0   9 0 0   1 7 1 1 / s   2 0 置 I s 1 0 1 1 / s   1 0 1 / s  

1 2 ,  6 倍 6 倍

泳 直 万 結 阻 鮎 直結

他 A C 6 倍 励 発 式 電 機 3 相 I  4 直 自 極 励 泣 分 . 式 元 巻直儀

直結 直結 直 I 自 砧 D C 2 4 V   4 0 A   T 直 う 流 シ 整 発 流 電 型 機 7 直流 ' 7 シ 整 発 流 電 機 型 単相 A C 4 極分巻

永 式 久 A C 磁 発 石 電機 4 直 自 極 励 流 分 発 式 巻 電機 1 ぅ シ 式 以 他 プ 励 う 沙 式ス 自動車用 I O O V   式 A C 発電機

直 自 励 流 式 発電機 交流発電機 交流発電機 直流発電機 直流発電機

実験出力 0 ,   l  ,   o 1  0 、 3 2 , 3 8   0 、 0 0 7

{ k W )   7 冒 I s 7 1 1 / s   1 5 麗 / s 2 6 ‑ 3 0 冒 I s 1 0 冒 / s

定 暉 運 格 転 恥 舅 出 罰 力 { ( 冒 k / W s ) l  I .   0  0 .   I  0 ,   3  1 . 2   0 .   2  1 . 2   0 .   2  0 .   2  1 . 0   1 . 0   0 . 0 2   0 , 2   I  7  1 0   J O .  3  1 0   1 0   1 0  

1 水没 I I S 7 1 , 5 , 3 0 ‑ 1 1 ' 7 1 , 6 , 1 ‑ 1m,  1 ,   1 8 ‑ 1 9 7 7 ,  5 ,   2 8 ‑ 1 9 7 8 ,  I ,   2 5 ‑ I  1 9 7 9 , 1 0 , 1 7   1 9 8 0 ,  1 1 ,  4 ‑ 1 9 8 2 ,  6 ,   1 ‑ 1 9 8 3 ,  4 ,   1 7 ‑ 1 9 8 4 ,  I I ,  2 5   1 9 8 5 ,  2 ‑ 2 1   6 ,   2 6   1 0 ,  1 5   2 , 2 0   5 ,   2 9   2 ,   5 ?   l  O ,   2 7 ?   1 9 8 1 ,  I ,   J O ?   7 ,   1 7   4 ,   2 5   1 9 8 5 ,  5 ,   5 ?   5 ?   1 9 7 1 ,  9 ,   2 8 ‑ 1 9 7 7 ,  5 ,   3 0 ‑ 1 9 7 8 ,  9   ,   ・ ‑ s 1 9 8 0 ,  1 ,   1 5 ‑ 1 9 8 2 ,  7 ,   1 7 ‑

1 9 7 2 ,  I ,   1 8   8 ,   2 3 ?   1 9 8 0 ,  1 ,   2 3 ?   2 , ?   1 0 ,  3  1 9 8 1 ,  9 ,   3 0 ‑

I I   9 ?  

みずほ碁地 昭実験 和基地 昭和基地 A l   A l   A l   1 昭和基地 Y ! O O   H l 8 0   験ほ甚地 み 験ほ基地

目的 非常用 環 実験 焦人観測 焦人観禰 熊人観測 実験 撫人観測 無人観測

故障

1 2 1 / s ,  2 2 1 /   陽 が 子 グ 機 極 の 入 が 構 出 り 凍 力 に Y 端 雪 結 >  ベルトに雪 蓄電池過充 1 t , ま 磁 1 / ' I リ 集 リグリ 振動による 回転数過大 1 ' v ‑ ド破損 アトドの

S で振動 ,  が入る 爆 電 発 で水素

ア~-卜'破損

1  による トド破損 取 が ル り ト 付 脱 落 け

池が放電 7 ・トド破損

摩 地 る 吹 7 粍 ' 雪 I t ‑によ

1 7 所による 電 断 源 線ケ ー 1k 発電機本体 ドの 電 J { 磁 呻 ア 日 尾翼折損

J イ ズ 発電機と がけ効ヽら 7 ' う シ の

結 が 回 → 転 の 部 接 が 触 凍 脱落 異常磨耗 化 グリースの硬

尾 i ヅ 翼 欠 固 落 定 化 グリースの硬 動 1~ ドの振 電源ケー 1 ' 1 1

断線

V o l .   3 2 ,

N  

o .

  2 ︺ 速蘭迪演辻冷直藩温油 8 瀦燦代漏澪藩

8 F

口 1 個 森

1 5 5  

図 1 風力発電機を使用して無人観測が行われた場所と年平均気温.年乎均気温は,
表 3 風力発電機稼働による燃料の節約量 T a b l e  3 .   Amount off  u e l  s a v e d  b y  o p e r a t i n g  t h e  w i n d  g e n e r a t o r .  風力発電機出力 発電機燃料節約量 輸送燃料節約量 lkW  2
表 4 日 本 南 極 地 域 観 測 隊 に よ る 風 力 発 電 機 の 運 転
図 A ‑ 1 そりの重量

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