浮体式ドッブラーうイダーの動揺補正に関する萌究*
Astudyofmotioneffectsandtheircorrectionwithf
loatinglidars

若林麗***
石原孟**
TatsunoriK
AWAHIGASHI TakeshiISHlHARA RanWAKABAYASHI
川東龍期**

本ライダーはパノレス式と呼ばれるタイプのものであ

1.はじめに0

我が国では、本年度から福島沖に浮体式ウインドフり、約 1秒間踊で東西南北 4方向に 28 の角度をもァームを建設するフ。ロジェクトが進行中である。一般って頗次レーザを照射し、最後に鉛直方向に照射する。に風力発電の計画や運用にあたっては風況観測が欠かa)にレーザー照射の方向と順序を示す。出力とし
図 1(せないが、洋上の大水深域に風況マストを建設するにて、各照射方向の風速ベクトル(以下、視線風速)がは多額の費用が必要となり、その解決策として浮体に予め設定した高度別に得られ、これらの値を組み合わ搭載したドッブ ラーライダー(以下、ライダー)の適用せることにより風速の 3軸成分を算出する。

ρが検討されている1)、 2)。ライダーを動揺する浮体に設置する場合、浮体動揺による計測結果への影響が懸念時(0")される。動揺によるライダー計測への影響は、動揺の理類により傾向が異なること、また傾斜角による影響が顕著であることが既往の研究勺こより、明らかにされている。
そこで本研究では、静的傾斜および水平移動速度にS(180")対する補正方法を提案し、検証試験を実施して補正効.
V(レ ー ザ 殺 対 照 序 )j果の確認を行った。
(a)平面図(b)
側面国

図 1 静止状態のレーザー照射状況

2. ライダーの計測原理と補正方法

図 1(b)に静止盟定状態における N‑S面内の視線風2. 1 ライダーの計淵原理
ライダーは上空に向けてレーザー光を照射し、、速、水平と鉛亘風速成分を示す。視線風速 V 1、V 3は中のエアロゾノレに反射して返ってくる光のドップラー

水平風速成分 U]、U3と，鉛直風速成分 W]、W3および照シフト成分から風速を計測する装置である。本研究で射角1 使用したライダーの主要な性能

40"
‑'
200m

風速範関

O"‑
'
55m/s

嵐速精度

O.lm/s

測定間隔1秒以内(2b)。

ここで、各レーザー照射時間内における風速は定常であると仮定している。また、各ビームの参照点は実際には数 10m離れているが、空間的な差異が無いものと仮定している。表 2に各照射方向の視線風速と算出される風速成分 u、w との関係を示す。賦速は過去約5秒間の視線風速を用いて算出したものである。従つ東京大学大学院工学系研究科〒1138656東京都文京区本郷 7す 1・州会非会員東京大学大学院工学系研究科

w‑=ヱ己主2cos
925年 1
1月 13日第 35回嵐カエネルギー利用シンポジウムにて講演
制会員

V一aw

測定高度u

非駆動

け一泊円︑
V一一一2

光学系駆動

(2a)

u5wが次式のように求まる。
⁝⁝

ビーム数(1a)(1b)

ここで、 Ulロ ロ3口 u、W l= W 3ロ W と仮定すると u、Windcu
beV2Offshore
パノレス式

0V1=ー・ Ulsin90十 Wlcos90
V3ロ U3sin90十 W 3cos90

使用したライダーの主要な性能を表 1に示す。

照射方式

e0 =28 から式(1)により表わされる。

向上て、ライダーの計測結果は時間と空間において平均的な{直となる。

355‑

鉛直似合成分) (立羽目立分)

図 2中に示す V 1とV 3の 2本の視線風速が、水平および鉛直風速からの寄与の割合が異なることを考慮、し視線風速 V 1とV3 の代わりに、鉛直風速への寄与が大きいと考えられる 2本の視線風速 V 1とV 5(鉛直方向)

4ノ、u uノ、から鉛直風速成分を求める。 V5は次式により表わせる。
Vs=Us・sin8+Ws・cos8

O5
/¥

UUU!¥
ラ診

A

(6)

no‑+一十o一o一tn
Jd‑nou一m‑v‑s世1'， 6 6

QU一rtn一so・1一W

ム+ハAh一州

直成分が式(6)により求まる。

ム9(5)

ここで、 U1=Us=U、w1=Ws=w と仮定すると、鉛一一8ハりv成分。十く〉

7on一u成分O

6+一+V5O

303
計一∞
一.
一3nv一.RE(90' ) 5(180' ) 官 (270" )

2一V1。

I(4b)

主主的攻悶

水平鼠速む
文(0")

no nu

V3

計一∞

V2n一s

Vl一n

時期j

W

視線風速計部lV一6

一一

表 2 視線風速と算出される水平風速A

10

式 (6)から求めた鉛直風速成分 w を視線風速 V ぃ
V3の式(3a)、式(3b)に代入すると、水平風速成分 Uj

2. 2 静的傾斜と移動速度に対する補正式 (2)の導出から分かるように、ライダー傾斜時に各と U3は以下のように求まる。

ビームの計測高度が目標高度からずれることにより、誤差が生じる。本研究ではその補正方法を提案する。

=U3= 二ぃ‑‑‑(7a)v，， ‑w'cos8，.

図 2に静的傾斜時における計測高度を示し、図 2中のO印は傾斜後の計測高度を示す。本研究では、目標高度を挟む 2点の計測高度から、線形内挿により目標高‑V寸十 w'cos8寸
sin81

Ul

(7b)

"'111 V3

最終的に水平風速成分 u~士、 U j と U 3 に傾斜角に対す

る重み γ を付けて、式(8)により求まる。

度の視線風速を求めた。

u= y.
U1 +(1‑y).
U3(8)重み γ は傾斜角。の関数とし、式(9)により表す。

Y=05(:::;;:;:;)(9)

本研究では移動物体上に設置したライダーにより求
この水平移動速度を差し引き、式(10)により水平風速
gomgO
∞∞εO

めた風速には水平移動速度成分が含まれているため、

x 慨:揃の計測高度成分を求めた 3)。
U0:lf
殿ヰ後の計測高度=u'‑uv(10)

ここで、 U は水平風速成分、 u'は水平移動時のライダー。:傾斜角の計測値、 uvは水平移動速度で、ある
図 2 静的傾斜時における計測高度O

3. 検証試験と結果

静的傾斜時におけるレーザー照射角は傾斜角。を考慮、し、それぞれ e0 ‑eとe0 +eとなる。ここで、

3. 1 試験方法

e0

試験は図 3に示す茨城県神栖市波崎町の海岸におい。= e1、 e0 +e=e3とした。呂標高度に内挿されて、 2 0 13年 2月 25 日"""‑'
3月 8 日に行った。ここた視線風速と、そこでの風速成分の関係は、式(3a)には東京大学の風況観測マストがあり、補正方法の検と式(3b)により表わせる。

証に必要なデータが得られる。ライダーは風況観測マ

V1= ‑u1sin81十 w1cos81(3a)

ストの南東約 60mの位置に設置した。風況観測マス

V3= u3sin83+w3cos83(3b)

トには、 6 0 m高度に 3軸超音波式風速計が設置されここで式(2)と同様に、 U1=U3=U、w1=w3=W とており 1秒間隔で連続的にデータ収集が行われている。

仮定すると u、wが次式のように求まる。

ただし、鉛直速度成分のデータは機器の故障により得・u V
cos83+V
cos81
31・・・
cos83+sin83
cos81
sin81

(4a)

られていなし¥。

‑356‑

12108843¥E)烈随101
52025302530

時間 (10min)(a)水平風速の 10分間平均値
003000250020

図 3 試験実施場所と観測機器配置

三001500100005

静的傾斜に対する補正の効果を検証するために、静止固定状態(傾斜 0 )および、静的傾斜時(傾斜角 10101520

終間 (10min)50 )のライダーの計測データと風況観測マストの観測データを収集した。また、移動速度の影響に対する(b)水平風速の乱流強度補正を検証するため、ライダーをトラックに設置して、

関 4 静的傾斜に対する水平風速の補正結果の時系列データ水平移動時の計測データも収集した。水平移動速度は。25

G P S装寵 3台により計測した。走行は図 3中に示す
0'""
‑'
3
南南東に向かう約 3 0 0 mの直線道路を時速 2O k mで、数回往復した。走行路はマストから約 200m離れた一般舗装道路で、あり、マストと道路の間には

0020s
嫡 400

三0015

喜3000010

長 2000005

防砂林と砂山が存在する。
3. 2 試験結果

静的傾斜時の水平風速の試験結果は、水平愚速の 1O分間平均値および乱流強度の時系列データを閤 4に0.00(a)
水平風速の 10分間平均値(b)
水平風速の苦し流強度

図 5 風況観測マストの結果と各種補正結果の比較(水平風速)示し、また風況観測マストの結果と各種補正結果の比3¥E)憎 暖BnU41

宅較を図 5に示す。水平風速の 10分間平均値は、改良した傾斜捕正の結果が最もマストデータに近い。また、水平風速の苦し流強度は、補正の有無によらず、マスト‑2データと若干の違いがみられた。水平嵐速の乱流強度‑30は、傾斜がない場合にも違いがみられており、傾斜に15よる影響よりもライダーとマストの設置位置の違いに25302530(a)10分間平均値よる影響が大きいと考えられる。
図 6には、鉛直風速の 10分間平均値および鉛直風

0.
30速の乱流強度の時系列データを示す。また、静止固定

0.
25Be
宅喜一ト

︽U F h J Wηζnυnu

時の結果と各種補正結果の比較を図 7に示す。鉛直風速の 10分間平均値は、補正の有無で傾向が大きく20時間 (10min)なる。傾斜のない状態における鉛直風速がほぼ O. 20.
10m/sであることから、鉛直風速に対する補正は不可マ。050.
00欠であることが分かる。

0101520時間(10min)(b)乱流強度
罰 6 静的傾斜に対する鉛直風速の補正結果の時系列データ357

4. まとめ
1.60.
301.
4

浮体上に設置したライダーの動揺補正方法の開発を

0.
25三日ト

Enζ4inunu

ぞ1.0

制 0.
8

目指し、静的傾斜および、水平移動速度に対する補正方

05

1.
2506~ロ
制0.
40.
100.
20.
05法を提案し、風況観測マストの観測データを用いて検証を行い、以下の知見が得られた。

1)静的傾斜に対しては傾斜角度の重み関数を用いる

0.
0
静止固定 補正(非同時刻}なし

ことにより、水平風速の平均値の測定精度が向上(a)10分間平均値した。また、静的傾斜は鉛直風速に与える影響が(b)古し流強度

水平嵐速より大きく、静的傾斜に対する補正が必

図 7 静止固定時と各種補正の結果の比較(鉛直風速)要であることがわかった。
水平移動時の水平風速の瞬時値の時系列デ、ータを図

2) 水平移動速度に対しては、移動速度を差し引くこ8に示す。補正なしのデータは水平移動速度の影響にとにより、風況観測マストデータとよい一致を示よる大きなピークが現れているが、水平速度に対するした。

補正結果はマストデータの計測結果と良い一致を示した。また、走行試験路はマストから約 200m離れて本研究では、静的傾斜および水平移動速度に対するおり、走行路とマストで、は風速が異なっているため、補正方法を提案し、風況観測マストの観測データと比直接マストデータと補正結果を比較するのではなく、較して有用性を確認した。今後浮体動揺の特性(振幡、マストデータとの比による比較を行った。水平風速の周期、自由度)を考慮した 3次元風速場を用いて、数5分間平均値と乱流強度のマストデータと補正結果の値解析により補正方法の有効性を検証する。

比の平均値を関 9に示す。補正結果とマストデータの
詑は、静止固定時の計測結果とマストデータの比と良語1 卒:!
本研究は、経済産業省の浮体式洋上ウインドファーい一致を示した。

ム実証研究事業の一環として実施された。また、試験
22実施に際して、東京大学大学院工学系研究科の荒川忠

2018

一教授、飯田誠特任准教授、波崎ウインドファーム(株)16矧函(的¥E)

14

安武国昭所長にはご協力をいただきました。ここに記12

して関係者の皆様に感謝の意を表します。

10864

参考文献

2010:
40

10:
45

10:
50
時刻

10:
5511:
00GerritWolken‑Mりhlmann:
Simulationof

11:
oemotioni
ndu
cedmeasuremente
rror
sforwindmeasurementsu
sin
gLIDARonf
loating

図 8 風況マストとライダーによる水平風速の時系列

platforms，
FraunhoferIWES，
AmSeedeich45，

データの比較
1.3

4.
0

1.2

3.
51.
13.
0

定1.0

古 2.5

27572Bremerhaven，Germany，
20112) JHristoLilov，GerrituliaGottschall，

Wolken‑Mohlmann，BernhardLange:
Lidar
son

ぞ 0.9:
12.0

floatin
gof
f
shor
ep
latfor
ms/
Abou
tt
hecor
r
ection

0.
8

除、 1.
5

ofmotioni
ndu
cedl
idarmeasuremente
rror
s

泳、
γ

ヤ

1
1'0.
7

11'

珊

1.
00.
60.
50.
5o.

(simulation
sandfrrstexperiments)，EWEA，。

2012.
4日dsonJ.B.et.al.:
DirectCovarianceFlu
xi'litJ'LlJ寺 f~nu立し，(a)水平風速の 5分間平均値(b)水平風速の乱流強度

図 9 風況マストの観測結果とライダーの観測結果の比較‑358‑

Estimate
sfromMobileP
latfor
msatSea，
JournalofAtmosphericandOceanicTechnology，
15，pp.5
47‑562，1998