成果報告書詳細
管理番号20150000000666
タイトル平成23年度‐平成26年度成果報告書 風力等自然エネルギー技術開発 海洋エネルギー技術研究開発 次世代エネルギー技術開発 (水中浮遊式海流発電)
公開日2015/11/21
報告書年度2011 - 2014
委託先名国立大学法人東京大学 株式会社IHI 株式会社東芝 株式会社三井物産戦略研究所
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成23年度‐平成26年度成果報告書 「風力等自然エネルギー技術開発 海洋エネルギー技術研究開発次世代エネルギー技術開発 (水中浮遊式海流発電)」

日本の南岸を流れる黒潮に代表される海流エネルギーを有効かつ経済的に利用するべく、水中浮遊方式の海流発電システムの実現を目指して、要素技術を開発することを目標として、4社による共同研究コンソーシアムを組んで研究開発を実施した。
タービンの開発では、ゆったりとした速さの海流中において高効率なタービン翼をCFD解析に基づき開発、水槽試験を実施してその性能を定量的に評価し、パワー係数が0.4を上回ることを確認した。
上記タービン形状に対して、実機想定の構造・材料を用いて設計・製作したタービン翼のモックアップモデルを用いた破壊試験によって、剛性と破壊モードを評価して設計と製造が妥当であることを確認した。また、タービン翼、軸、ポッド等に用いる材料を海水中に浸漬し、海生生物付着・腐食評価試験を実施し、その影響を把握した。
浮体・係留システムの開発では、水中浮遊式浮体を安定・安全に運用するために必要な機能および構成機器を検討し、浮体の安定性を実験的に検証するために浮体実験機による水中浮遊実験を行い、水中浮遊式浮体が安定して浮遊することを確認した。また、定格運転時や設置時などの流体力から係留系に加わる張力等を推定し、それに基づいて適用可能な高強度繊維ロープや、海底の土質に応じた各種大型アンカーの適用性を把握した。
発電機・送変電システムの開発では、海流に対応した低回転数型ダイレクトドライブ永久磁石発電機の基本設計を実施し、その発電機特性を把握するため、100kW級発電検証機を製作して基本特性を確認した。また、海流発電システムの軸受について、海水潤滑樹脂軸受方式について試作軸受評価装置の製作及び評価を実施し、軸受損失を評価可能なデータを取得した。
海流発電の送変電システムを検討し、損失の面では、送電距離が50km程度までであれば交流で、100km程度を超えるようであれば直流で送電する方が有利であること示した。また、中間変電所を海底に設置する変電機器の構成を検討した。
シミュレーション技術の開発では、実際の海流流況の評価のために三宅島近海において黒潮流況計測用のブイを設置し、ADCPによる長期間の黒潮計測を実施し、これまで実測データの少なかった長期の黒潮流速・流向分布特性を得た。また、JCOPE-Tによる黒潮流域周辺の詳細解析を実施し、発電装置設計に必要な諸情報を得た。
双発形式の浮遊式海流発電装置の姿勢推定シミュレーションプログラムの開発、および浮遊式海流発電装置の電力ケーブルの挙動シミュレーションを実施し、定常状態だけでなく、起動時と事故時のシミュレーションが可能となった。さらに、浮体模型による水槽試験や電力ケーブルの挙動実験を実施してシミュレーションプログラムの精度確認を行い、シミュレーション結果が妥当であることを確認した。
これらの要素技術開発の結果を踏まえ、海流発電システムの基本設計を行うとともに、実現可能性検討事業性評価手法として、海洋エネルギー産業や海底石油ガス田開発用に開発された大型の海洋建設機器類の実用化で先行する欧州での調査結果を活用して発電コスト試算を実施し、本システムが将来の目標発電コストである、\20/kWhを実現可能である見通しを得た。
英文要約Title: Research and Technical Developments on next generation Ocean Energy Generator (Subsea floating Type Ocean Current Generator) (FY2011 - FY2014) Final Report

This research program has been conducted to develop important elemental components in order to realize the subsea floating generator suitable for the ocean current of Kuroshio of Japan.
The turbine blade for the ocean current has been optimized using CFD analysis. The hydrodynamic performance of turbine blade has been tested in a towing tank and it is confirmed that the power efficiency of the turbine surpass 0.4. We have verified that the prototype design of structure and materials satisfies the required stiffness and breaking mode for the turbine blade by means of experimental test using small scale mockups. We have also obtained characteristics of marine bio-fouling and marine corrosion behavior for turbine blade, rotor and main body material by subsea material test.
It has been verified that the present floating type generator is able to float stably under the water by means of an experimental test model of floating body which equips twin turbines and control functions corresponding to the actual floating body. Suitable configuration of the mooring line, anchor/sinker and cable for electric transmission has been investigated with the estimation of drag and tension for the present floating type system.
The electromagnetic characteristics of a direct-drive permanent magnet generator corresponding to the low rotating speed were confirmed by means of a prototype 100kW class generator. The seawater plastic bearing, which uses seawater as a lubricant and plastic material as a slide member, is studied. With respect to power transmission system, AC transmission is suitable for below about 50km and DC transmission is suitable beyond about 100km. We also investigated the structure of substation equipment which is installed on the seabed as an intermediate substation.
A long term measurement of Kuroshio off Miyake Island by ADCP has been carried out. A precise numerical simulation at Tokara area by JCOPE-T has been done. A simulation code for estimating the twin type current turbine motion has been improved to simulate the startup and accidental scenario. Several types of power cable fixation have been evaluated by a commercial code. All numerical results have been validated by tank experiments.
We have carried out preliminary estimation on Cost of Energy (CoE) in several different cases. Assumptions were based on cost of generator in this R&D with CAPEX and O&M mainly based on proven technology in offshore oil and gas market in Europe. We have obtained good prospect that preliminary estimation of CoE can be satisfied with future target in some cases.
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