成果報告書詳細
管理番号20150000000710
タイトル平成25年度-平成26年度成果報告書 風力等自然エネルギー技術研究開発 風力発電高度実用化研究開発 10MW超級風車の調査研究 (要素技術)
公開日2015/12/4
報告書年度2013 - 2014
委託先名国立研究開発法人産業技術総合研究所 国立大学法人東京大学 国立大学法人三重大学 株式会社風力エネルギー研究所
プロジェクト番号P13010
部署名新エネルギー部
和文要約本調査研究では、10MW超級の超大型風車について、現状の3枚翼風車をベースとした超大型化に加え、更なる発電コストの削減のために必要であると考えられる2枚翼高速風車等の新技術に関するフィージビリティスタディを実施した。まずは、10MW超級風車のロータ技術、コストモデル、ロジスティクス、O&Mに加え、2枚翼風車等の新技術に関して、研究論文、技術資料等の文献を広く収集・整理し、本格的な調査研究のための情報整理を行った。更に、国際学会・展示会に参加するとともに、海外の研究機関、企業を訪問し、この分野で先行するヨーロッパにおける最新の研究開発動向について情報を入手し調査した。得られた情報により、3枚翼をベースとした10MW超級風車の開発動向に加え、2枚翼風車、ナセル搭載LIDAR、高性能厚翼技術、エアボーン風力といった新技術に関する開発動向と現状課題を明らかにした。10MW超級風車の更なるフィージビリティ検討として、欧米における10MW級風車に関する先行研究を参考としつつも、国内環境条件を想定したNEDO10MW参照風車の概念設計を実施し、特にロータの高周速化による荷重低減に関する検討を実施した。また、着床式洋上風力発電のコストモデルに関する調査に基づいた修正モデルを検討し、国内のウィンドファームにおけるLCOE(Levelized Cost of Energy)を試算した。その結果、定格出力を大きくすることで全体としてLCOEが低減される傾向であること、特に国内の場合、国内事情の特殊性により10MW超級風車の必要性が特に顕著であること、更なるLCOE削減に向けては、高周速化が有望であることを明らかにした。10MW超級風車の更なる低コスト化に向けた新技術として、特に2枚翼風車については、空力特性解析のための風洞模型試験と挙動・構造解析のための風洞模型試験とを実施した。その結果、風向急変時に生じる負荷変動の振幅は、3枚翼風車と比べて2枚翼風車では大きくなるものの、2枚翼風車における大きな技術課題であった疲労荷重の増大とその克服のためのティータードハブ採用に伴う挙動の不安定性については、ティータードハブに最新の制御システムを導入することが有効であることを明らかにした。更に、風洞模型試験スケールと実機スケールとの両スケールにおけるCFD(数値流体力学)シミュレーションを実施した結果、CFDシミュレーションにおける更なる精度向上の課題が残ったが、スケール間補正係数の評価や鉛直方向速度分布による荷重への影響等、模型試験では評価が難しい課題に対する評価ツールとしての有用性を確認した。以上、本調査研究で得られた全体の成果と明らかとなった課題をまとめると、以下の通りである。【1】3枚翼をベースとした現状技術の延長で、10MW超級の超大型化における発電コスト削減効果の可能性を見出した。【2】更にCOEの低減を図るためには、高周速化、高設計周速比が有望と考えられ、NEDO10MW参照風車を提案し、その効果を確認した。【3】低コスト化に向け設計周速比を更に増加させるためには、翼のソリディティを減少させる必要があるが、この点が技術的に困難になる可能性がある。【4】この課題克服の観点から、2枚翼化が一つの方策であるが、これまで技術的に難易度が高く成功していなかった2枚翼化の課題については、ティータリングハブと先進的な制御技術を適用する、等により、更にCOE低減できる可能性がある。
英文要約In this research, the feasibility study on very large wind turbines with rated power of more than 10 MW and new technologies such as two bladed wind turbines that would be need to further reduction of generation cost was conducted.Firstly, research papers and technical materials on over 10 MW class wind turbines, cost models, logistics, O&M and new technologies such as two bladed wind turbines were collected. In addition to the trend of R&D on over 10 MW class three bladed wind turbines, the trend and the current issues of new technologies such as two bladed wind turbine, nacelle mounted LIDAR, high performance thick airfoil and airborne wind energy were clarified based on the obtained information. As a further study of feasibility of over 10 MW class wind turbines, conceptual designs of "NEDO 10 MW reference wind turbines" that are intended to be installed in domestic environment conditions were conducted while referring to the prior research works on 10 MW class wind turbines in Europe and USA. In particular, the reduction of turbine loads by speed-up of rational speed was examined. The modified cost models were examined based on the existing cost models for bottom fixed offshore wind turbine generation and LCOE (Levelized Cost of Energy) was estimated assuming domestic offshore wind farms. As a result, the following findings were obtained; larger rated power of wind turbines become, the more LCOE of the whole wind farms was reduced; the necessity of over 10 MW class wind turbine become evident in Japan because of the particularity of domestic circumstances; it was clarified that toward further reduction of LCOE, an increase of tip speed is promising. Among the new technologies toward further reduction of cost of energy, in particular for the two bladed wind turbines, wind tunnel experiments for the analysis of aerodynamic characteristics and for the analysis of behavior and structural characteristics were conducted separately using scaled wind turbine models. As a result, while the amplitude of the load fluctuation for two bladed wind turbine becomes larger compared with that for three bladed wind turbine, it was clarified that an introduction of advanced control system to teetered hub would be effective to overcome the instable behavior of teetered rotor that was adopted to alleviate increased fatigue loads for two bladed wind turbines. Furthermore, CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations were conducted for both model scale in wind tunnel experiments and scale of the actual 10 MW reference wind turbines. As a result, it was confirmed that the CFD simulations are effective to assess the issues that can not be easily evaluated by the model experiments such as evaluation of the scale factors between model scale and actual 10 MW wind turbine scale and estimation of the influence of wind shear on wind turbine loads, although some challenges of accuracy improvement remain.
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