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成果報告書詳細
管理番号20160000000901
タイトル平成27年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(風力発電その他未利用エネルギー) 新形式浮体式垂直軸型風車の小型模型試験
公開日2017/6/7
報告書年度2015 - 2015
委託先名合同会社アルバトロス・テクノロジー 学校法人金沢工業大学 国立大学法人大阪大学
プロジェクト番号P10020
部署名イノベーション推進部
和文要約本プロジェクトのターゲットは、次世代の浮体式洋上風車コンセプトである浮遊軸型風車(Floating Axis Wind Turbine; FAWT)の研究開発である。FAWTの基本的な概念は、回転する円筒浮体(スパーブイ)に取り付けられた垂直軸型風車(Vertical Axis Wind Turbine; VAWT)である。風車ローターが浮体と一緒に回転するため、ローターの大重量は、海水によって直接支えられる。回転するスパーブイからの出力取り出し(Power Take-Off; PTO)は、スパーブイの円筒面に押し付けられた複数のローラーユニットによる。この仕組みは、電気自動車の回生ブレーキと同じである。これらのPTOユニットは、ローター浮体から分離された浮体(PTO浮体)に搭載される。PTOユニットの浮体への取り付けは、フレキシブルになっており、ローター浮体とPTO浮体の間の相対的なヒーブ、ピッチ動揺を許容する。この柔軟性は、風車システムの構造重量とコストを削減する事となる。この設計による低重心化と、個々のPTOユニットが小型である事も、組立て、輸送、保守の各段階でコスト削減に貢献する。本事業のフェーズAで検討した内容は、(1) PTO機構の試作、(2) 複合材の適用を検討するための初期の構造解析、(3) 試作したPTOモデルの動作試験、(4) FAWT模型の水槽試験による波浪中動揺特性の把握である。また(5)FAWTを事業化するためのビジネスプランを検討した。 (1)および(3)によるPTO機構の検討では、各車輪に発電機を搭載する4輪PTOユニットを3基製作し、動揺試験台による動作試験を行った。これにより、PTO機構は、ローターがPTO浮体に対してヒーブ・ピッチ動揺を行っている時も安定して発電を継続する事を確認した。 (2)複合材料使用の検討の結果,全長100mのCFRP製のブレードは、アルミニウム製ブレードと比較し,約40%の重量を削減できることがわかった。また、シャフト分を含むローター全体として,CFRP製はアルミニウム製と比較し約30%の軽量化が期待できる。さらに,CFRP構造を用いたローターのコストは,アルミニウム構造のものと比較し16%の増加で抑えられる.したがって,風車全体としてはCFRP構造のローターの軽量化による浮体構造の小型化から,より安価にすることが可能である.
(3)の水槽模型試験では、ローター浮体の回転/非回転が、全体の動揺周期や減衰特性に影響を与えないことが判った。水槽実験での風車回転数は、5MW風車実機換算で7rpmに相当し、ローター浮体は16度傾斜していた。水槽実験のPTOは、発電機を省略したローラーであるが、ローター浮体と発電機浮体の動揺がコンセプト通りに分離されていることが確認できた。波浪中応答自体は概ね小さな範囲であった。ただし風・波共存場では、波浪中応答に回転運動と歳差運動が重畳するため、波だけの場合と特性が異なっている。今回の実験では回転運動と波浪中運動の周期が近接していたため、これらを厳密に分離することが困難であった。波荷重に対する応答特性を評価するという点でさらに工夫を要する。(5)のビジネスモデルは、製造会社との連携がまだ検討中である。フェーズA段階での評価は限定的であるが、FAWTの発電コストは、既存の浮体式風車プロジェクトが示す経済性の平均から43%の削減が期待できる事が判った。これは、提案コンセプトのコスト競争力が潜在的に高い事を示している。
英文要約Title: New Energy Venture Business Technology Innovation Program/New Energy Venture Business Technology Innovation Program (Wind power generation and other unused energy). Model experiments of the new type floating vertical axis wind turbine(FY2015) Final Report

The target of this project is the research and development of a next generation floating offshore wind turbine named Floating Axis Wind Turbine (FAWT). The basic concept of FAWT is the Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) mounted on a rotating cylindrical float (spar buoy). Since the turbine rotates with the floater part, the heavy weight of rotor is directly supported by sea water. The power take-off (PTO) from the rotating spar buoy is by multiple roller units pressed on the cylindrical surface of the spar. The mechanism is similar to that of the regenerating brake system of electric vehicles.PTO units are installed on the secondary float (PTO float). The mount of PTO units to the float is flexible so that it allows relative heaving and pitching motion of the floating rotor to the PTO float. This flexibility reduces the structural weight and cost of turbine system. The low center of gravity and the small size of each PTO unit also reduce the cost of assembly, transportation and maintenance.In the Phase A of this project, the team conducted (1) prototype design of PTO mechanism, (2) basic structural analysis of the FAWT rotor for applying composite materials, (3) model experiments of the PTO model, and (4) water tank experiments of model FAWT for obtaining wave motion characteristics. Also, the team discussed (5) the business plan for the commercialization of FAWT.In the model development of the PTO unit related to (1) and (3), three PTO units equipped with four-wheel electric generators were checked on a heave & pitch test bed. It showed that the PTO units provide stable output even when the rotor and PTO float are in heave and pitch combined motion which will occur in ocean waves.The study of the applicability of composite materials (2) revealed that the selection of CFRP reduces the weight of 100m-length VAWT blades by 40% from the conservative aluminum based blade design. The weight of rotor including the shaft can be reduced by 30% from the aluminum based one while the cost increase by the CFRP material is 16%. Therefore, the CFRP based design can reduce the total cost of wind turbine system because the light rotor weight reduces the size floater.The water tank model experiment (3) showed the following items. The rotation of the rotor float does not affect to the natural period and damping characteristics of the floater motion. In the experiment, the rotational speed of model rotor was equivalent to 7rpm rotation of the 5MW real turbine and the tilt angle was 16 degree. Although PTO units of the water tank model are dummy rollers without electric generators, they successfully decoupled the pitching and heaving motions between the rotor float and the PTO float. The measured floater motions were generally small in the experiment. However, separation of the wave response was not successful in the analysis because the frequency of wave was very close to the turbine rotation. The method should be improved in the future research for obtaining the response amplitude clearly. The business model of FAW (5) requires the collaboration with heavy industry companies, though the discussion has not been finished yet. Although the reliability of the analysis in the present stage is limited, the predicted cost of energy produced by the FAWT can be 43% less than the average of existing floating offshore wind turbine projects. It indicates the high competitiveness of the proposed concept in the future market.
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