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成果報告書詳細
管理番号20180000000044
タイトル平成24年度ー平成27年度成果報告書 風力等自然エネルギー技術研究開発 海洋エネルギー技術研究開発 次世代海洋エネルギー発電技術研究開発(油圧式潮流発電)
公開日2018/6/2
報告書年度2012 - 2015
委託先名国立大学法人東京大学生産技術研究所 国立大学法人九州大学 佐世保重工業株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約「風力等自然エネルギー技術研究開発/海洋エネルギー技術研究開発/次世代海洋エネルギー発電技術研究開発(油圧式潮流発電)」要約書(平成24年度ー27年度)

1. 全体システムの考案とロータ開発
【全体システム】 
 潮流の流速が欧米に比較して遅く、地形も狭小な我が国の自然条件に適し、かつ現行の電気事業法を遵守した油圧式潮流発電装置の基本コンセプトを考案した。基本コンセプトには、低コストの発送電設備(架空送電線)、海上工事を検討し、電気事業法の定める使用前検査、保安規程(定期点検)に適合させるため、海中部のナセルには発電機等の電気機器を配置せず、また、電気部品を必要とするナセルのヨー制御、ロータブレードのピッチ制御を行わないシンプルな形式を考案した。
【ロータ開発】 
 低速回転で変換効率の高い、ヨー制御をしない水平軸潮流発電用ロータを開発した。ロータブレードは固定ピッチの逆テーパ型であり、3枚ブレードロータの最大パワー係数は周速比3.1において0.43である。欧米の潮流発電に採用例が多い順テーパ型ロータと同程度の変換効率であるが、周速比は半分程度と低速型で、1m/s程度の流速から起動・発電ができ、システムのエネルギー変換ロスが比較的少なく、総合効率を高められる。また、ロータ先端の相対流入速度が低く、流速3m/s程度までキャビテーションの発生を回避できる利点がある。実海域での21ヶ月間の実験により、シリコン系塗料に高い防汚効果があることを確認した。
発電機の制御方法は、MPPT(Maximum Power Point Tracking)方式を採用し、流速変動にも有効な周速比を評価指標とする方法を考案した。また、流速変動時の出力は一定時間の平均流速における出力により評価可能であることを確認した。油圧式潮流発電装置のシステム全体効率(一次、二次変換)は最大0.355程度であり、潮流の流速が最大流速2.5m/sの正弦波的に変化すると仮定した場合の発電装置(ロータ直径6m、発電機定格出力110kW)の利用率は約50.6%、予測される年間の発電電力量は約487,000kWhと推定された。

2. 潮流・海底地形調査とシミュレーション
五島列島の奈留瀬戸、滝ケ原瀬戸および神部瀬戸における環境計測を実施した。マルチナロービームソナー、サイドスキャンソナーを用いて水深、地形および海底地質の計測を行った。潮流観測については、海底に超音波式多層流速計(ADCP)を設置して30日間の定点観測を行うとともに大潮時の潮流最強時に船舶搭載型のADCPを用いて潮流の空間分布の計測を行った。また、数値モデルによる潮流シミュレーションを実施し、観測値と比較することによってシミュレーション結果の妥当性を検証した。奈留瀬戸および滝ケ原瀬戸において平均パワーポテンシャルおよび変動パワーポテンシャルを計算した。加えて、五島全域における風と波浪の推算、モデル台風による試算によって20年および50年確率最大値を求めた。その結果、奈留瀬戸あるいは滝ケ原瀬戸は波浪条件が厳しく適地とは言えないが、神部瀬戸では潮流速は最大約2.0m/sと比較的小さいが波浪はほとんどなく静穏であり、潮流発電装置の設置海域には適していると結論した。また、潮流の乱流強度の観測を神部瀬戸で実施した。

3. 潮流発電装置の油圧発電システムのベンチ試験と詳細設計
 高効率の油圧発電システムを開発するため、東京大学と協力して小型試験用である20kW油圧発電システムベンチ試験装置、その結果を踏まえ100kWのフルスケールベンチ試験装置を設計・製作して発電試験や、停電を模擬した最大負荷遮断実験を実施した。さらに、油圧部品、電気部品を配置した海洋構造物の概略設計を行い、構造解析、振動解析、疲労解析を行い、それらの結果を詳細設計図に取りまとめた。最後に、潮流速の変化に合わせて発電量を最大化する制御方法により推定された発電量、海洋構造物の製作費、クレーン船を用いた海上設置工事、架空送電線の設置コストから、kWh当たりの発電コスト(送電端)を試算し、NEDOの次世代海洋エネルギー発電技術研究開発の発電コスト目標(事業化時に20円/kWh)と比較した。
英文要約Title: Wind and Other Renewable Energy Technology Development/Marine Renewable Energy Development/Next Generation Technology Development: Hydraulic Tidal Energy Convertor (FY2012-FY2015)

Summary
1. Overall System Design and Rotor Development
The design was developed for a hydraulic tidal energy convertor (TEC) for lower tidal velocity and shallow water depth as well as meeting the requirements of the Electric Utility Industry Law (EUL) in Japan. The design takes into account factors including lower costs of overhead transmission lines and marine structure installation as well as meeting EUL requirements such as pre-use inspection tests and periodic inspections by humans. A horizontal axis rotor with high performance at low rotation speed was developed. The rotor blades are fixed pitch with reverse taper shape and the three bladed rotors have a maximum power coefficient Cp of 0.43 with a tip speed ratio of 3.1, which is half that of popular rotors in the EU. The cavitation is avoided until current flow reaches about 3 m/s. The field tests over 21 months confirmed that a silicon based paint was highly effective for preventing biofouling. The MPPT (Maximum Power Point Tracking) method was newly developed. The overall system efficiency of the hydraulic TEC was a maximum of about 0.355. For a maximum current velocity of 2.5 m/s, the generator capacity factor would be about 50.6% and the predicted annual power generation would be 490 MWh with 6m diameter and 110 kW output.

2. Tidal Current Observations and Simulation
In the Naru, Takigahara and Kobe Straits in the Goto Islands, Nagasaki Prefecture, tidal current measurements including the bathymetry were conducted by using multi-narrow beam sonar and side scanning sonar. The tidal current velocities were measured by using bottom mounted acoustic Doppler current profiler (ADCP) at a point in each strait for 30 days, and the spatial variation of the tidal current was measured by using shipboard ADCP during spring tide. These data were used for validation of a numerical tidal simulation model. Using the model, the values of time-average and variation of tidal power potential were calculated for several control sections in the straits. The maximum values for wind and waves of 20 year and 50 year probability in the Goto Islands was estimated using two methods based on the statistical analysis of the meteorological data and the direct simulation of a model typhoon. We concluded that the Kobe Strait was preferable as a site for demonstration of the hydraulic TEC.

3. Hydraulic Bench Test and Detailed Design
A 20 kW hydraulic generation system bench test unit based on the conceptual design was developed for small scale testing. Based on these good results, a 100 kW full-scale bench test unit was designed and built. Generation tests using the field-measured data for tidal currents were conducted and the system efficiency was improved. Moreover, maximum load cutoff tests required by the EUL assuming electric outage due to accidents of a grid were conducted. In addition, the detailed design of the marine steel structure with hydraulic and electrical components was conducted. The analysis of structure and vibration analysis due to rotation of blades using computer models were conducted and the results were incorporated in the detailed design. The production cost for the marine structure, marine installation cost using a crane ship, cost of installing overhead transmission lines were estimated. Finally, the per kWh generation cost was estimated based on these cost and the amount of annual power generation.
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