風レンズ（風の局所集中効果）による 風力発電の高出力化

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1 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）

2 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

3 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

4 ☆ COP3：地球温暖化防止京都会議 ☆ 長期エネルギー需給見通し （1997年12月） 2008年～2012年 温室効果ガス排出量
1990年レベルから 6%削減 ☆　長期エネルギー需給見通し （1998年6月） 1996年　　　　2010年 　83％　　　75％まで削減 化石燃料の割合 50％程度まで削減 石油の割合 　55％　

5 新エネルギーの比率 1996年 2010年 3.1％へ 1.1％ 増加 風力発電に関する2010年の目標見直し 1998.6 2000.3
1998.6　　　　2000.3 300万ｋWへ 増加 30万ｋW

6 Wind Turbine Capacity in Japan
日本の風力開発の推移 2010年目標 30万 ⇒ 300万 kW Wind Turbine Capacity in Japan

7 Wind Turbine Capacity in the world
世界の風力開発の推移 Wind Turbine Capacity in the world

8 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

9 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。

10 発電効率 風車の運転モードの例

11 風況マップ 低風速でも十分な発電ができないか？ ◎ 灰色 --- 年間平均風速が６m/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？

12 風力発電と風レンズ効果 風レンズ効果 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。
発電量 P は風車に流入する　風速 V の３乗に比例　P∝V3 V 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

13 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
・ 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

14 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 風 拡大型

15 風の集中の様子 D L φ x y L/D=7.7 風速分布

16 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

17 横断方向の速度分布（集風体入口） D L φ x y

18 開き角度による最大風速の違い 拡大型 D L φ x y L/D=1.5

19 長さに対する最大風速の変化 Φ= 4°

20 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）

21 周辺付加要素による最大風速の増加

22 つばの効果 基本形 基本形+つば

23 集風体の内部・外部の流れ （2次元DNS、等渦度線図)

24 風速増加のメカニズム 風の流れ 風車 集風加速装置

25 発電性能の実証実験

26 平板翼タイプの出力特性

27 SWWP翼の出力特性

28 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

29 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。

30 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。