非定常・非線形風況シミュレータRIAM-COMPACT - 応用力学研究所

非定常・非線形風況シミュレータRIAM-COMPACTによる
野間ウィンドパークを対象にした年間発電電力量の推定精度検証
Verification of the Estimation Accuracy of Annual Energy Output at Noma Wind Park by
the Non-Stationary and Non-Linear Wind Synopsis Simulator, RIAM-COMPACT
内田 孝紀*1,大屋 裕二*2
Takanori Uchida and Yuji Ohya
*1 Assistant Professor, Research Institute for Applied Mechanics (RIAM), Kyushu University
6-1 Kasuga-koen, Kasuga-city, Fukuoka, 816-8580, JAPAN
TEL: +81-92-583-7776, FAX: +81-92-583-7779
E-mail : takanori@riam.kyushu-u.ac.jp
*2 Professor, Research Institute for Applied Mechanics (RIAM), Kyushu University
Abstract
In the present study, the hub-height wind speed ratios for 16 individual wind directional groups were
estimated by the RIAM-COMPACT for Noma Wind Park, Kagoshima Prefecture. Next, the validity of the
proposed estimation technique for the actual wind was examined. For this procedure, field observational data from
the one year period between April, 2004 and March, 2005 were used. In this case, the mean error on the estimation
accuracy was less than 10% and less than 5% for the monthly and annual average wind speeds, respectively.
Similar to the results for the annual average wind speed, the difference in the selected reference points (Wind
Turbines #4 and #6) had little difference in the mean error on the estimation accuracy of the annual energy output.
For both reference points, the mean error was within 10%.
キーワード:RIAM-COMPACT,複雑地形,野間ウィンドパーク,推定精度検証
Key words : RIAM-COMPACT, Complex terrain, Noma wind park, Estimation accuracy verification
1. はじめに
現在,地球温暖化を防ぐため,CO 2 の大幅な削
減が緊急 課 題となっている.これに伴 い,クリーン
で環境に優 しい風力エネルギーの有効利用に注
目 が集 まっている.日 本 でも,2010年 度 の300万
KWの導 入 目 標 に向 け,風 力 発 電 施 設 は急 速 に
増 加 している.風 車 の発 電 出 力 は風 速 の三 乗 に
比例するため,風況の良好な地点を的確に,かつ
ピンポイントに選定することが重 要である.日 本の
地形は欧米とは著しく異なり,平坦な地形は少なく,
複雑地形がほとんどである.ゆえに,流れの衝突,
剥離,再付着,逆流などの風に対する地形の効果
を考 慮 することが極 めて重 要 である.このような状
況の中,計算流体力学CFD(Computational Fluid
*1 九州大学応用力学研究所 助教
(〒816-8580 春日市春日公園6-1)
E-mail : takanori@riam.kyushu-u.ac.jp
*2 九州大学応用力学研究所 教授
Dynamics)に基づいた日本独自のマイクロサイティ
ングソフトの開発が進められ,現在では実用化され
ているものもある.例えば文献 1, 2)を参照していただ
きたい.
我 々 の 研 究 グ ル ー プ に お い て も , RIAMCOMPACT(Research Institute for Applied
Mechanics, Kyushu University, COMputational
Prediction of Airflow over Complex Terrain;リア
ムコンパクト)と称 する,国 内 外 を問 わず世 界 中 の
あらゆる平 坦 地 形 および複 雑 地 形 に適 用 可 能 な
非 定 常 ・非 線 形 風 況 シミュレータの開 発 を行 って
いる 3) .リアムコンパクトは乱流モデルの一つである
LES(Large-Eddy Simulation) に 基 づ いて お り , 数
百m~数km程度の狭領域に的を絞っている.最大
の特長は,流れの剥離,それに伴う逆流領域の形
成 ,流 れの局 所 的 な増 速 ,剥 離 せん断 層 の再 付
着 など,風 に対 する地 形 効 果 の時 間 変 化 を詳 細
に計算し,それらを視覚化できることである.
一 般 的 に風 車 の建 設 予 定 地 では,30m以 上 の
風 況 観 測 塔 を設 置 し,1年 から数 年 にわたり風 況
観測を実施している.よって,得られた風況観測デ
ータとCFDの出 力 結 果 の双 方 を効 率 的 に連 携 さ
せることができれば 4, 5),風車建設予定地内の任意
地点の年間発電電力量や設備利用率などの経済
的な試算がウィンドファーム建設前に可能となる.
我々は既に,風況観測塔から得られた風況観測
データとCFDの出力結果を用いて,風況観測デー
タが取 得 された地 点 近 傍 における任 意 地 点 の実
風速を推定する手法を提案している6) .つまり,コン
ピュータ上の架空の風速分布(無次元スケール)を
実際の風 況 観測で得られた時 系 列 風況データを
用いて実スケールのスカラー風速値に変換する試
みである.文献 6) では,この手法で重要となる各風
向における風車ハブ高さでの風速比の推定精度と,
この風 速 に基 づいて推 定 された実 風 速 の検 証 期
間に課題が残った.そこで本研究では,鹿児島県
の野間ウィンドパークを対象にして,各風向におけ
る風速比を風洞実験で検証するとともに,1年間の
風 況 観 測 データを用 いて,提 案 する実 風 速 推 定
法の妥当性を再度,検証する.
2. 鹿児島県野間ウィンドパークの概要
N
野間岬
摩
半
島
図1 野間岬と周辺の地勢
No.1
No.10
No.1
No.4 No.5No.6
No.2 No.3
No.7 No.8 No.9 No.10
図 1の実 線 で示 すように,野 間 ウィンドパークは
鹿 児 島 県 南 西 部 の南 さつま市 に位 置 する.周 辺
は海で囲まれているものの,岬の西側には傾斜角
度30度を越える急峻な崖状地形が広がる典型的
な複雑地形である(図2を参照).最大標高は143m
である.ここには,九 州 電 力 (株 )の風 車 が10基 設
置され,実証試験が行われている.各風車は定格
300kWで総出力は3000kWである.表1と表2
N
No.2
表1 野間ウィンドパークの風車スペック
出力
発電機型式
カットイン
風速
定格風速
カットアウト
風速
ロータ直径
タワー高さ
第1~第5
第6~第10
発電所
発電所
300kW/発電所
誘導発電機
同期発電機
3.5m/s
2.5m/s
14.4m/s
14.0m/s
24.0m/s
25.0m/s
29m
30m
(第4:45m)
30m
30m
(第6:45m)
薩
野間岳(591m)
No.1
No.4
No.5
No.3 No.6
No.8
No.7
No.9
No.10
約1200m
図 2 野間ウィンドパークの様子
には,野間ウィンドパークの概要などを示す.野間
ウィンドパークに建設されている風車ナセル上には,
プロペラ型風向・風速計が設置されている(図3にA
で表示).本研究では,このナセルに搭載された風
向 ・風 速 計 による時 系 列 風 況 データ(1分 平 均 値 )
を利 用 した.野 間 ウィンドパークの2002年 6月 から
2003年5月までの1年間における風況特性は文献
7)
に詳しく整理されている.これによると,このサイト
の卓越風 向 は北であり(図4を参 照),月別 平均 風
速の大きい季節は11月~3月であった.図5には,
本 研 究 で対 象 とした平 成 16年 度 (2004年 4月 から
2005年3月まで)の1年間の風況特性を示す.図4と
比較すると,平均風速の値は風向によって違いが
あるものの,風向頻度に関してはほぼ同様な傾向
にあることが確認された.
NNW 30
NW
20
ハブ高さ
(タワー高さ)
1号基
2号基
ENE
W
0
E
WSW
ESE
SW
SSW
SE
SSE
S
(a)風向頻度(%)
NNW
NW
10
8
6
4
2
0
N
NNE
NE
ENE
E
WSW
ESE
SW
SE
SSW
100m
SSE
S
92m
30m
3号基
109m
4号基
45m
122m
5号基
30m
102m
6号基
45m
117m
7号基
88m
8号基
95m
9号基
NE
10
W
設置点
標高
NNE
WNW
WNW
表2 風車ハブ高さと設置点標高
N
30m
92m
10号基
109m
(b)平均風速(m/s)
図4 野間ウィンドパークの風況特性,4号基,
2002年6月から2003年5月までの1年間
NNW 30
NW
20
N
NNE
NE
WNW
10
ENE
W
0
E
WSW
ESE
SW
SSW
SE
SSE
S
A
(a)風向頻度(%)
NNW
NW
WNW
W
10
8
6
4
2
0
N
NNE
NE
ENE
E
WSW
ESE
SW
SE
SSW
SSE
S
(b)平均風速(m/s)
図3 ナセルに搭載された
プロペラ型風向・風速計(図中のA)
図5 野間ウィンドパークの風況特性,4号基,
2004年4月から2005年3月までの1年間
3. 鹿児島県野間ウィンドパークを対象とした
風洞実験
3.1 風洞実験の概要
本研究の風洞実験は,九州大学応用力学研究
所の温度成層風洞を用いて行った.但し,気流の
安 定 度 は中 立 状 態 に設 定 した.この風 洞 は開 放
型 の 吸 い 込 み 式 で 長 さ 13.5m × 幅 1.5m × 高 さ
1.2mの測定胴を有する.風速の設定範囲は0.5~
2.0m/sであり,主流風速を1.0m/sに設定した際の
主流 方向の乱れ強さの分布は0.4%程度である.
模型への近寄り流れとして一様流入条件を課すた
め,以下に示す二つの工夫を施した.一つは,風
洞の上流側床面に高さ11.5cmの台座を置き,この
上に縮尺模型を設置した.これは風洞床面に発達
する地面境界層の影響を受けないようにするため
である.もう一つは,先端に僅かな傾斜を付けたア
ルミ板を模型前縁から設置し,そこからの流れの剥
離を抑制した.
風車ハブ高さの気流計測は,I型熱線プローブ
(日本カノマックス(株)0251R-T5)と熱線流速計(日
本カノマックス(株)System7000:1011CTAユニット,
1013リニアライザ)を使用した.この熱線プローブは
定温度方式であり,測定原理は以下に示す通りで
ある.流体中の加熱された熱線を一辺にもつブリッ
ジ回路を組み,風により奪われた熱エネルギー(不
平 衡 出 力 電 圧 )から風 速 を検 出 する.センサー部
には,直径5μmのタングステンワイヤーが張られて
いる.
データ取得に関しては,電圧値の時系列データ
はオフセット電 圧 (シフト電 圧 )1.75V,アンプ(ゲイ
ン)2倍,カットオフ周波数200Hzのローパスフィルタ
ーの処理を行い,A/D変換ボードを介してサンプリ
ング周波数500Hzでパーソナルコンピュータに取り
込んだ.
データ収 集 のソフトには,カノープス(株 )のDSS
for Windowsを用 いた.本 研 究 では,電 圧 値 E(V)
の平均値からスカラー平均風速U(m/s)のみを求め
た.各 測 定 点 におけるデータ数 は30,000個 で60s
のサンプリング時間(平均時間)である.プローブの
校正時は30sのサンプリング時間とした.
一様流入風速はU=1.5m/sである.模型の最大
高さ約h=6cmに基づいたレイノルズ数 Re(=Uh/ν)
は約6×10 3 である.ここで,気流のモニターや熱線
プローブの校正に必要な風速の基準値の測定に
は,超 音 波 流 速 計 (カイジョーDA-600,TR-90AH
型プローブ)を使用した.
3.2 縮尺模型について
本研究では,風車ハブ高さの気流に対する地形
表面の凹凸の影響を調査するため,二種類の縮尺
模型を作成した.ここでは,それらについて記述す
る.一つは1mm厚のアクリル板をレーザで切り出し,
それらを階段状に積み上げて作成したものである.
この階段状の縮尺模型は,森林などの粗度が地形
表 面 を一 様 に覆 う状 況 を模 擬 したものである.もう
一つは,ポリカーボネートを材料とした表面に凹凸
が無 い滑 らかな形 状 を有 する縮 尺 模 型 である.本
研究では,便宜上,前者の模型を“凹凸あり縮尺模
(a)凹凸あり縮尺模型,
1mm厚のアクリル板を積み上げて作成
(b)凹凸なし縮尺模型,
ポリカーボネートより作成
図6 縮尺模型の比較,拡大図
型”と呼び,後者を“凹凸なし縮尺模型”と呼ぶこと
とする.図 6に両 者 の縮 尺 模 型 を拡 大 した様 子 を
示す.ポリカーボネートを材料とした縮尺模型の作
成手順の概要などを以下に示す.
ポリカーボネートを材料とした縮尺模型は,ラピ
ッドプロトタイピング(Rapid Prototyping,以下RP)
装 置 を 用 い て 作 成 さ れ る . RP 装 置 と は , 3 次 元
CADで作成した形状データから,立体モデルを直
接造形(3次元積層造形)することができる装置で
ある.従来の切削加工や試作金型などによる方法
に比べて,はるかに短時間に試作が行え,製品の
開発期間を大幅に短縮することが可能である.RP
装置には様々な方式があり,それぞれに特長があ
るが,本 研 究 では米 Stratasys社 のFDM-TITANと
呼ばれる「熱 溶解 積 層方 式」の機 種を用いた.積
層厚 は0.25mmである.RP装置の外 形 寸法 は,幅
1400mm × 奥 行 き 876mm × 高 さ 1830mm , 質 量 は
726kgである.電源は230Vである.
本研 究で作 成した二種 類の模型の縮尺は,約
1/2,800である.ゆえに,両 者 の模 型 ともに,風 車
の ハ ブ 高 さ 30m お よ び 45m は , 風 洞 実 験 で は 約
10mm,15mmの高さとなる.なお,16風向毎の10基
の風車ハブ高さの平均風速を評価するにあたり,
ステッピングモーターによって縮 尺 模 型 の回 転 を
PCにより自動制御可能とした.
4. 鹿児島県野間ウィンドパークを対象とした
数値シミュレーション
4.1 数値計算手法の概要
数値不安定を回避し,複雑地形上の風の流れ
を詳 細 に数 値 計 算 するため,一 般 曲 線 座 標 系 の
コロケート格子に基づいたリアムコンパクトを用いた.
コロケート格 子とは,計 算 格子のセル中心に物 理
速 度 成 分 と圧 力 を定 義 し,セル界 面 に反 変 速 度
成分にヤコビアンを乗じた変数を定義する格子系
である.数値計算法は差分法(FDM)に基づき,乱
流モデルとしてLESを採用する.LESでは流れ場に
空 間 フィルタを施 し,大 小 様 々なスケールの乱 流
渦を計算格子よりも大きなGS成分の渦と,それより
も小さなSGS成分の渦に分離する.GS成分の大規
模渦はモデルに頼らず直接数値シミュレーションを
行う.一方で,SGS成分の小規模渦が担う,主とし
てエネルギー消 散 作用 はSGS応力 を物 理 的 考察
に基づいてモデル化される.流れの支配方程式は,
フィルタ操 作 を施 された非 圧 縮 流 体 の連 続 の式
(式(1))とナビエ・ストークス方程式(式(2))である.本
研究では,平均風速6m/s以上の強風を対象にし
ているので,大 気 の温 度 成 層 の効 果 は省 略 した
(中立成層状態を仮定).
u i
0
xi
-(1)
 ij
u i
u i
 p 1  2 ui
uj



t
x j
xi Re x j x j x j
1
3
 ij  u'i u' j  u'k u'k  ij  2 SGS S ij
 SGS   Cs f s   S
2

S  2Sij Sij
Sij 
1/ 2

-(5)




f s  1  exp  z  / 25
   hx hy hz 
1/ 3
-(3)
-(4)

1  ui u j


2  x j xi
-(2)
-(6)

-(7)
-(8)
計算アルゴリズムは部分段階法(F-S法) 8) に準じ,
時間進行法はオイラー陽解法に基づく.圧力に関
するポアッソン方程式は逐次過緩和法(SOR法)に
より解く.空間項の離散化は式(2)の対流項を除い
て全 て2次 精 度 中 心 差 分 とし,対 流 項 は3次 精 度
風上差分とする.ここで,対流項を構成する4次精
度中心差分は梶島による4点差分と4点補間に基
づいた補 間 法 9) を用 いる.3次 精 度風 上 差分の数
値拡散項の重みは通常使用される河村-桑原スキ
ーム 10) タイプのα=3に対して,α=0.5としその影響
は十分に小さくする.LESのサブグリッドスケールモ
デルには標 準 スマゴリンスキーモデル 11) を用 いる
(式(3)-式(8)).壁面減衰関数を併用し,モデル係
数は0.1とした.
4.2 高解像度標高データの構築と利用
最近では,国土地理院の50m標高データ(以下
では,50m標高データと称する)では再現できない
風車近傍のわずかな地形起伏の凹凸が原因で,
風の乱れ(地形乱流)が発生し,これが発電出力に
重大な影響を与えているとの懸念が報告されてい
る 12) .50m標 高データに基づいて10m以 下の標高
データを内挿して作成することも考えられるが,
50m標高データの元データが1/25,000の地形図で
あるため,この方 法 で得 られたデータは実 際 の地
形形状とはかなり異なる.
上記のような空間解像度の問題を解決するため,
我々は地理情報システム(GIS)と連携し,1/2,500
~1/10,000程 度 の紙 地 図 ,あるいはDXF形 式 の
CADデータから空間解像度10m以下の2~5mの詳
細 地 形 を構 築 する方 法 を提 案 している 1 3 ) .図 7に
1/2,500の紙図面(2D)を大型スキャナで読み込み,
3次元化した様子を示す.標高データの作成期間
は図面1枚あたり数日程度である.図8に同 一 地 形
(鹿 児 島 県 野 間 岬 ,最 大 標 高 143m)を対 象 に空
間 解 像 度 を変 化 させた場 合 の比 較 を示 す.図
8(a)はNEDOの風 況 マップで利 用 される500m解
像 度 である.図 8(b)は風 力 発 電 の適 地 選 定 で一
般 的 に利 用 される50m解 像 度 である.図 8(c)は本
研究で提案する手法で構築した5m解像度である.
地形形状の再現性の違いは歴然である.図 8(a)で
は,地 形 の輪 郭 すらほとんど再 現 されていない.
これに対 し,図 8(c)では,より実 在 地 形 に近 い数
自動
変換
値 地 形 が 再 現 されてい る.風 力 発 電 の適 地 をピ
ンポイントに選 定 するには,実 際 の複 雑 地 形 をど
れだけ忠実にコンピュータ内に再現することができ
るか,すなわち,地面境界条件としてどれだけ精緻
に設定できるかに依るところが大きい.この条件が
満足されれば,リアムコンパクトにより,わずかな地
形起伏を考慮した風況場がより高解像度で再現で
きる.
4.3 計算条件など
本研究の計算領域は,図2に示す4号基の風車
を中 心 として5km四 方 とした.上 空 の計 算 領 域 は
700mとした.標高データは,先に記述した空間解
像 度 5mの高 解 像 度 データを利 用 した.各 方 向 の
格子点数は主流方向(x),主流直交方向(y),鉛直
方向(z)方向に51×51×41点である.x方向および
y方向の格子幅は計算領域の中心で密になるよう
に 不 等 間 隔 ( 最 小 格 子 幅 25m ~ 最 大 格 子 幅
1000m)とした.z方向の格子幅も不等間隔(最小格
子幅0.4m~最大 格 子 幅44m)とし,地 表面 付 近に
滑らかに引き寄せた.流入境界面は1/7乗のベキ
法則に従う速度プロファイルを与え,側方境界面と
上部境界面は滑り条件,流出境界面は対流型流
出条件とした.地面には粘着条件を課した.式(2)
に 示 さ れ る 無 次 元 パ ラ メ ー タ Re は レ イ ノ ル ズ 数
(=Uin h/ν)であり,Re(=U in h/ν)=10 4 とした 14) .ここ
で,本計算における代表スケールの取扱いは図9
に示す通りである.hは計算領域の標高差
(h=143m),U in は流入 境 界 面の最 大標 高における
風速,νは動粘性係数である.時間刻 みはΔt=2
×10 -3h/U in とした.
図7 紙図面(2D)のデジタル化(3D)
(a)
z
(b)
風速の代表スケールU in (m/s)
流
長さの代表スケールh(m)
入
(=標高差=z max- z min )
境
(c)
(a):500m
(b):50m
(c):5m
図8 野間岬における空間解像度の比較
界
最小標高z min (m) 最大標高z max (m)
図9 本計算における代表スケールの取扱い
4.4 風車ハブ高さにおける風速比の比較と考察
図10には,北風に関して,1号基と4号基の風車
を通 る鉛 直 断 面 内の速 度ベクトル図 を示 す.この
図から,風車ハブ高さでは気流が局所的に増速し
ている様子が見て取れる.
No.4
No.1
図10 1号基と4号基の風車を通る
鉛直断面内の速度ベクトル図
(a)北風の場合
16風向毎の10基の風車ハブ高さ風速比の中か
ら,図11には代表して北の場合と,西北西の場合
の結果を示 す.ここで,風洞 実験における風 車ハ
ブ高さ風速比は次のように定義した.(風速比)=(各
風車 ハブ高 さの平均 風 速)/(ターンテーブル中心
位 置 のz=50(mm)での流 入 気 流 風 速 ).数 値 シミュ
レーションにおいては,風洞実験と同一条件で計
算を行 い,風 洞 実 験に対 応する各 位 置 での風速
値から風速比を算出した.縦軸が風速比,横軸は
各 風 車 を表 す.赤 色 のシンボルが“凹 凸 あり縮 尺
模型”の風洞実験結果,青色のシンボルが“凹凸
なし縮尺模型”の風洞実験結果,緑色がリアムコン
パクトによる数値シミュレーションの結果である.図
11(b)では,同 じ風 向 においても風 車 位 置 で風 速
比が大きく変化している場合がある.北,西北西の
両 者 ともに,風 洞 実 験 の結 果 とリアムコンパクトを
用いた数値シミュレーションの結果は,図に示され
る程度の一致を得た.北,西北西以外の風向にお
いても,風 洞 実 験 の結 果 とリアムコンパクトを用 い
た数値シミュレーションの結果は,類似な傾向を示
すことが確認された.この結果は,風洞実験および
リアムコンパクトを用いた数値シミュレーションの両
者が同じ程度の誤差範囲で実施されていることを
示すものである.同時に,リアムコンパクトを用いた
数値シミュレーションが風洞実験の代替ツールとし
て有 効 であることを示 唆 するものである.なお,約
1/2,800の縮尺模型を使用した今回の風洞実験で
は,風車のハブ高さの気流の推定に関しては,地
形表面が有 する凹凸の影響はそれほど顕著には
現れないことも示された.
5. 鹿児島県野間ウィンドパークを対象とした
実風速推定法
5.1 手順の概要
(b)西北西の場合
図11 風車のハブ高さにおける風速比の比較,赤
色のシンボル:“凹凸あり縮尺模型”の風洞実験
結果,青色のシンボル:“凹凸なし縮尺模型”の風
洞実験結果,緑色:リアムコンパクトによる数値シ
ミュレーションの結果
風況観測で取得された時系列風況データと
CFDの出 力 結 果 (時 間 平 均 風 況 場 )を用 いて,複
雑地形上の任意地点における実風速の時系列デ
ータ(スカラー実風速値の時系列データ)を推定す
る手順は以下の通りである.
手順1.
図 12に示 すように,リアムコンパクトを用 いて対
象サイトに対して16風向別の風況シミュレーション
を実施する.十分に流れ場を発達させた後,引き
続き計算を行い,時間平均風況場を取得する.
に適用し,統計処理を施せば任意評価点の月別
平均風速や年間平均風速が取得できる.
順次,計算を実行
1
16
5.2 計算結果と考察
2
15
3
14
4
No.4
(計算領域の中心)
13
5
6
12
11
7
10
8
9
図12 野間ウィンドパークの16風向別の
風況シミュレーションのイメージ
手順2.
図12に示すように,それぞれの流入風向毎に参
照点,すなわち,観測ポール高さにおける風速値
と評価点位置におけるハブ高さ風速値との比を16
セット求める.参照点の風速値は“1”と正規化して
おく.ここで,流入境界面で設定した風向と参照点
における風向は一致するということを仮定している.
本研究では,参照点として4号基および6号基を想
定した.よって,1号基/4号基,2号基/4号基,3号
基/4号基,5号基/4号基・・・10号基/4号基の風速
比と,1号基/6号基,2号基/6号基,3号基/6号基,
4号基/6号基,5号基/6号基,7号基/6号基・・・10
号基/6号基の風速比をそれぞれ求めることになる.
なお,スカラー風速値VELはx方向,y方向の時間
平 均 された風 速 成 分 を用 いて以 下 の式 で算 出 し
た.
VEL 
U
2
V
2

-(9)
手順3.
参照点において,観測データの各時刻における
風向に従い,それに対応した(事前に求めていた)
風速比を時系列風況データに乗じる.こうして,参
照点の時系列風況データが,評価点での時系列
風況データ(スカラー風速値)に変換される.この操
作 を1年 間 ないし,ある期 間 の時 系 列 風 況 データ
16方 向 別 の風 況 シミュレーションを行 い,月 別
平均風速および年平均風速の検証を行った.
検証は4号基(標高122m,ハブ高さ45m)のナセル
風 向 ・風 速 データを参 照 点 として1~10号 基 の風
速値を推定した場合と,6号基(標高117m,ハブ高
さ45m)のナセル風向・風速データを参照点として1
~10号機の風速値を推定した2ケースを実施した.
それらの結 果 を表 3に示す.ここで,表3に示 す最
下 段の値 は,各 風 車の値 を野 間ウィンドパーク全
体の値として集計した結果である.なお,本研究で
は,参照風速および検証用の風速としてナセル風
向・風速データを使用した.これらのデータは,風
車 回 転 の影 響 を受 けていると考 えられるが,平 均
風速の評価には有効であると考えられる 15) .また,
参照点とした風車の観測データ(風速,風向,発電
出 力 )が欠 測 している場 合 には,評 価 点 における
風車の風速,発電出力の推定は行っていない.同
様に,評価点の風車の観測データが欠測している
場合についても,参照点から対応する部分を省略
した.すなわち,参照点および評価点の風車の観
測 データは 欠 測 なく 共 通 する期 間 のみを利 用 し
た.
観測 風速 値 と推 定風 速 値の比較による検 証の
結果,参照点(4号基・6号基)の取り方による結果
の相違はほとんど見られず,水平 距離 が約1㎞以
内で,高度差が50m以内の今回のケースであれば,
推定精度の平均誤差は月別平均風速で概ね
10%以内,年平均風速で5%以内に収まる結果が
得られた.
加えて,年間発電電力量の検証も行った.これ
は,風車性能曲線(パワーカーブ)を参照し,リアム
コンパクトで推 定 された風 車 ハブ高 さ風 速 値 を発
電量に変換して積算したものである.なお,本研究
で対象とした野間ウィンドパークの場合には,風車
が相 互 干 渉 する風 向 の発 生 頻 度 が少 なかったた
め,風車ウエイクの影響は考慮しなかった.これら
の結果も表3に示す.観測された発電電力量の値
とリアムコンパクトで推定された発電電力量の値を
比 較 す ると, 年 間 平 均 風 速 と同 様 , 参 照 点 ( 4 号
基 ・6号 基 )の取 り方 による相 違 は見 られず,両 者
表3 年間平均風速および年間発電電力量の推定結果,表の最下層の値は
野間ウィンドパーク全体の値を示す,
2004年4月から2005年3月までの1年間
は概ね10%以内に収まる結果を得た.本研究では,
月別,年間平均風速値の平均誤差は観測値に比
べて,推定値の方が概ね高い,つまり,正のバイア
を示した.これに対して,月別,年間総発電量は観
測値の方が,推定値に比べ低い値を示した.これ
は風車発電 量の観測データに,定格出力を上 回
るデータが数多く記録されていたことが主な原因と
考えられる.
文献 6) で既に議論しているように,我々の提案す
る実 風 速 推 定 法 の裏 づけとなる複 雑 地 形 上 の気
流 特 性 について再 掲 する.2003年 2月 の1号 基 と
10号基の時系列風況データ(1分平均値)を比較し
た 結 果 , 1 号 基 と 10 号 基 は 水 平 距 離 に し て 約
1.2kmも離 れており,高 度 距 離 では9mの差 がある
にも関わらず(図2および表2を参照),1ヶ月間の風
速値の時間的変化は極めて類似していた.1分平
均 値 に基 づいた風 速 値 の散 布 図 では,両 ケース
の相関係数は0.84であった.同様の傾向が今回の
1年間の風況観測データにも見られた.また,CFD
から求 めた風 向 別 のハブ高 さ風 速 比 と風 況 観 測
データから求めた風速比の値も,CFDでは風車の
ウエイクロスの影響は省略したが,両者は年間を通
じて概 ね一致 していた.これらの結 果から,表 3に
示した結果が得られたものと考えられる.
6. おわりに
本 研 究 では,鹿 児 島 県 の野 間 ウィンドパークを
対象にして,一般曲線座標系のコロケート格子に
基づいた非定常・非線形風況シミュレータリアムコ
ンパクトを用い,16風向別の各風車ハブ高さ風速
比を風洞実験の結果を用いて検証した.本研究で
は,風 車 ハブ高 さの気 流 に対 する地 形 表 面 の凹
凸 の影 響 を調 査 するため,二 種 類 の縮 尺 模 型 を
作成した.
風洞実験の結果とリアムコンパクトを用いた数値
シミュレーションの結果は,概ね良好な一致が得ら
れた.また,同 一 風 向 においても,風車 位 置 で風
速比が大きく変化している場合があることが示され
た.約1/2,800の縮尺模型を使用した今回の風洞
実験では,風車のハブ高さの気流に対して,地形
表面が有する凹凸の影 響はそれほど顕著には現
れなかった.
2004年 4月 から2005年 3月 までの1年 間 の風 況
観測データ(ナセル風速)を用いて,提案する実風
速推定法の妥当性を検証した.その結果,各風車
で得られた値を野間ウィンドパーク全体の値として
集計した場合,参照点(4号基・6号基)の取り方に
よる結果の相違はほとんど見られず,水平距離が
約1㎞以内で,高度差が50m以内の今回のケース
であれば,推定精度の平均誤差は月別平均風速
で概ね10%以内,年平均風速で5%以内に収まる
結果が得られた.
年間発電電力量に関しても,年間平均風速と同
様,参照点(4号基・6号基)の取り方による相違は
見られず,両者は概ね10%以内に収まる結果を得
た.なお,本 研究で対象 とした野 間ウィンドパーク
の場合には,風車が相互干渉する風向の発生頻
度が少なかったため,風 車 ウエイクの影響は考慮
しなかった.
今 後 はさらに種 々のサイトへの適 用 を行 い,本
提 案 手 法 の有 効 性 や誤 差 範 囲 を把 握 することが
課題である.
謝辞
本研究を遂行するにあたり,独立行政法人新エ
ネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の平成
17年度産業技術研究助成事業(2006年1月-2008
年12月),「空間解像度10m以下の詳細地形構築
技術の開発とそれを用いた風力タービンハブ高さ
周辺の風の乱れの視覚的評価」プロジェクト(研究
代表 者:内田 孝紀)の援 助 を受けました.また,九
州電力(株)と西日本技術開発(株)には野間ウィン
ドパークの観測データを提供していただきました.
ここに記して感謝の意を表します.
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