成果報告書 2019年3月

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成果報告書詳細
管理番号20180000000866
タイトル平成26年度―平成29年度成果報告書 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開発 リニア式波力発電
公開日2019/3/7
報告書年度2014 - 2017
委託先名公益財団法人釜石・大槌地域産業育成センター 国立大学法人東京大学 国立大学法人宇都宮大学 国立大学法人横浜国立大学 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所海上技術安全研究所
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約波力エネルギーは賦存量が大きく、波力発電はCO2排出削減の有力なツールとして期待されているが、現状ではコストが高く実用化に時間がかかると見られてきた。本技術研究開発では、近年世界的に期待が高まっている直動式のリニア発電機をモデル予測同調制御で運転するシステムを開発し、発電量の画期的な増収を計れることを示すとともに、実用化時の発電事業について経済試算を行い、発電コストが20円/kWh以下を目指す目標設定が可能であることを示した。
詳細は次の通りである。

(1)次世代PTOシステムの開発
波力発電システムとしての出力最大を得るには、波と同調させた機械的出力と、発電機内部での電気的損失(銅損)を考慮した正味の発電量で評価しながらの最適制御が必須である。これを、不規則な波を受ける実海域で行うため、波予測理論に基づくフィード・フォワード制御のアルゴリズムを開発した。数値シミュレーションでは、リニア発電機に本システムを適用することにより、従来の2倍以上の年間発電量が得られることを示した。
また、小型リニア発電機の運転に必要な周辺装置、電源管理システム、発電制御装置を開発し、制御システムを実装して、次世代同調制御の理論を水槽実験により検証した。
リニア発電機については、0.1Hzから1kHzまで掃引(掃引時間0.1sec)し、周波数特性からカットオフ周波数を読取ることで、2桁の有効数字でインダクタンス同定可能なことを確認するなど、将来の実用化に必要な性能認証技術を開発した。
将来の実海域実験に必要な波浪計測技術の開発も行った。GPS波浪計についてNOWPHASとの比較による精度確認を行うとともに、レーダーによる波浪観測技術も開発した。

(2)波力発電アレイの制御技術の開発
波力発電アレイでは発電機単独の場合に比べ発電量が増加することを数値シミュレーションにより確認した。また、発電機3台のアレイについてフィード・フォワード制御を開発し、水槽実験により検証した。

(3)水槽実験
制御アルゴリズムの検証のため直径1m の大型模型を製作し、リニア波力発電機の基礎的動特性、同調制御特性、1方向規則波・不規則波及び多方向不規則波に対する各種制御方式の比較実験を行った。さらに、係留を含む波力発電装置全体の水槽実験も行い、構造強度や係留設計に資する知見を得た。

(4)次世代波力発電システムのコンセプトに関する研究
商業規模のスループットを考慮した装置コンセプトと工法を検討した。海外実証実験機をベンチマークとしてコスト分析を行い、次世代コンセプトに焼き直すことにより、国内50MW級及び500MW級波力発電ファームの CAPEX及びOPEXの評価を行った。50MW級では1kW当り30円台、500MW級発電所では20円以下の目標設定が可能であることを示した。
英文要約Project outcomes (Abstract)
(1)Development of a next-generation PTO system
We have developed a feedforward algorithm based on a wave prediction theory to realize these operations in real sea environments, where the energy conversion device receives irregular waves. Numerical simulations demonstrated that when our newly developed control system is mounted to a linear energy converter, the annual yield of power generation is more than twice that of conventional approaches.
For the linear energy conversion device, a performance assessment method, which is necessary for future practical use, has been developed. We confirmed that the inductance of the converter can be identified with two significant digits by deriving the cut-off frequency from the frequency characteristics obtained by sweeping the frequency from 0.1 Hz to 1 kHz (sweeping time: 0.1 sec).
Additionally, wave measurement technologies necessary for future device tests in real sea environments have been developed. We evaluated the accuracy of a GPS-based wave measuring device by comparing it with that of NOWPHAS (Nationwide Ocean Wave information network for Ports and HArbourS), which is a national wave information network in Japan. We have also developed a new radar-based wave measuring method.
(2)Development of control techniques for wave energy conversion arrays
Numerical simulations confirmed that creating an array of wave energy converters increases the electric power output compared to the same number of independently operated converters. In addition, we have developed a feedforward control method for an array composed of three converters and validated its performance via a water tank experiment.
(3)Water tank experiments
To validate the efficacy of the developed control algorithm, we have crafted a large model with a 1-m diameter and conducted water tank experiments to identify the fundamental dynamic characteristics of the linear wave energy converter and the resulting characteristics of synchronized control. In one experiment, the performances of different control methods were compared against single-direction and regular waves as well as against multi-direction and irregular waves. In another water tank experiment, the whole wave energy converter (including mooring equipment) was assessed to obtain insights, which should contribute to strengthening the structures and design of the mooring system.
(4)Study of different concepts for next-generation wave energy conversion systems
Specifically, we conducted a cost analysis using an overseas demonstrative device as a benchmark. Based on the analysis, we evaluated the costs of new generation concepts for wave energy conversion, namely the capital expenditure (CAPEX) and operating expenditure (OPEX) of domestic 50-MW class and 500-MW class wave energy farms. The evaluation results demonstrated that the target costs for the 50-MW class and 500-MW class farms are 30–39 yen/kWh and –20 yen/kWh, respectively.
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