風レンズ（風の局所集中効果）による風力発電の高出力化大屋裕二、烏谷隆、深町信尊、渡辺公彦（九州大学応用力学研究所）茶木田浩（九大院航空宇宙）内容 • なぜ風力エネルギー、背景と現状 • 風力発電と風レンズ効果 • 集風加速装置の開発 • まとめと今後の課題社会的背景近年、化石燃料の大量消費による地球環境の悪化（地球クライシス）温暖化現象、酸性雨、森林破壊、砂漠化、異常気象、などが深刻な社会問題となっている ☆ COP3：地球温暖化防止京都会議 •温室効果ガス排出量（1997年12月） 2008年～2012年 1990年レベルから 6%削減 ☆ 長期エネルギー需給見通し •化石燃料の割合 •石油の割合 1996年 83％（1998年6月） 2010年 75％まで削減 55％ 50％程度まで削減新エネルギーの比率 1996年化石燃料 83.0% 新エネルギー 1.1% 地熱 0.2% 水力 3.4% 1.1％ 3.1％へ増加風力発電に関する 2010年の目標見直し化石燃料 75.1% 地熱 0.6% 2010年原子力 12.3% 2010年新エネルギー 3.1% 1996年水力 3.8% 原子力 17.4% 1998.6 30万ｋW 2000.3 300万ｋWへ増加日本の風力開発の推移 2010年目標 30万 ⇒ 300万 kW 日本の風力設備容量(MW) 160 150 140 120 100 75.063 80 60 40 31.568 20 0 0.358 0.891 0.991 2.899 1989 1990 1991 1992 4.982 5.856 1993 1994 9.496 1995 13.495 1996 17.198 1997 1998 西暦年 Wind Turbine Capacity in Japan 1999 2000 世界の風力開発の推移 20000 17706 世界の風力設備容量(MW) 18000 16000 14000 12000 11285 9841 10000 7684 8000 6172 6000 4905 3594 4000 2000 1097 1318 1492 1588 1731 2002 2287 2539 2876 0 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 西暦年 Wind Turbine Capacity in the world 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。発電効率風車の運転モードの例風況マップ ◎ 灰色 --- 年間平均風速が６m/s以上の地点を多く含む地域 ◎ 黒色 --- ８m/s以上の地点を多く含む地域毎秒４メートル程度以上の風が吹かないと発電できないため、適地が少ない。低風速でも十分な発電ができないか？風力発電と風レンズ効果発電量 P は風車に流入する V 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たり、地形効果をうまく利用できれば（風エネルギーの集中）、発電能力は大きく向上する。風レンズ効果風レンズ研究の目指すもの・何らかのしかけで風を集めて速くする : 集風装置の開発・地形の増速効果を予測し利用する : 局地的風況予測法・他の原理による風エネルギーの変換 : フラッタ発電など・熱による風の発生を利用したハイブリッド風力発電：太陽熱による上昇風の生成利用など・風車騒音の軽減による設置可能地域の拡大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風の集中の様子 L/D=7.7 φ D 風速分布 x 0 2 1.8 1.6 U/U ∞ y L 拡大型縮小型 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.5 0 0.5 1 X/L 1.5 2 2.5 3 流れの可視化 Flow 縮小型の流れの様子 Flow 拡大型の流れの様子横断方向の速度分布（集風体入口） y 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.55[cm] -1.5 -1.0 -0.5 U/U∞ 0.0 Y/D φ D 0 0.5 1.0 x L 1.5 開き角度による最大風速の違い拡大型 U max /U ∞ 1.5 y 1.4 φ D 0 1.3 x L L/D=1.5 1.2 1.1 1 0 2 4 6 開き角φ［度］ 8 10 長さに対する最大風速の変化 2 Umax/U∞ 1.5 1 1 4.6 1 1 2 1 φ D 0.5 Φ= 4° L 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 L/D 3 3.5 4 4.5 5 コンパクトタイプに対する周辺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）周辺付加要素による最大風速の増加 2.5 U max/U ∞ 2.0 1.5 1.0 基本形インレットのみ 0.5 つば10cm のみインレット＋つば10cm 0.0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 L/D 3.5 4 4.5 5 つばの効果基本形基本形+つば集風体の内部・外部の流れ（2次元DNS、等渦度線図) 風速増加のメカニズム風の流れ風車集風加速装置発電性能の実証実験平板翼タイプの出力特性羽子板6枚翼のみつば30,羽子板6枚翼先細捻り4枚翼のみつば30,先細捻り4枚翼 40 [W ] 35 30 25 20 15 10 5 0 0 500 1000 1500 [rpm ] 2000 SWWP翼の出力特性 60 [W ] 風車のみ基本形基本形＋つば30 50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 [rpm ] 発電性能の比較（風速8m/s、同じ負荷）風車のみ同じ風車に集風体を用いた場合まとめ • 風エネルギーの集中化を図り、風速を局所的に増大させて風車にあてる集風加速装置の開発を行った。 • つば付きディフューザー体が大きな集風加速を示し、1.6倍-2.4倍の増速が達成できた。 • コンパクトな装置を用いて実証実験を行った結果、風車のみの場合と比べて2倍-3倍の発電量増加が達成できた。今後の研究課題 • コンパクトタイプ集風装置で更なる加速を達成するために、下流端での渦形成用つばに関し、最大効果を引き出すタイプを検討する必要がある。 • 今後、より大型のプロトタイプモデルを製作し、フィールド試験を適当な場所で実施し、実用試験にはいる必要がある。 • 集風装置による風車騒音低減の可能性の追求。 • 以上、今後の実用化に関しては小型・中型風車を対象とした集風構造体の製作、および集風構造体に適した風車の開発など各方面と連携して開発を進める必要が出てくると予想される。