風車の安全運転に資する数値風況診断技術の確立へ向けて―太鼓山風力発電所(京都府伊根町)で発生した風車落下事故に対する風況面からの一考察―

九州大学応用力学研究所
新エネルギー力学部門 風工学分野
内田 孝紀
連絡先：takanori@riam.kyushu-u.ac.jp，092-583-7776

風車の安全運転に資する数値風況診断技術の確立へ向けて―太鼓山風力発電所
太鼓山風力発電所(太鼓山風力発電所(京都府伊根町)京都府伊根町)で発生した発生した風車落下事故した風車落下事故に風車落下事故に対する風況面
する風況面からの風況面からの一考察からの一考察―一考察

九州大学応用力学研究所
新エネルギー力学部門 風工学分野
内田 孝紀
連絡先：takanori@riam.kyushu-u.ac.jp，092-583-7776
可能であると考える．著者自身，ウインドファームの運転最近，風力事業者や自治体関係者から，「既存風車 開始後に問題が生じた際，「風力事業者」と「風車メーカにおける風車内外の故障の原因」や，「ウインドファーム ー」の「温度差」を感じるケースが非常に多い(特に，風の発電電力量が期待通りに出ていない原因」に関する 車メーカーの保証期間が切れた後)．15年～20年の風相談を良く受ける．(風力事業者も例外ではないが)特に， 車寿命を全うするためには，共通的な問題認識の下，地方自治体が所有する風車において，風車の故障や 上記関係者による継続的な協議は是非とも必要であ事故などは致命的である．一度，風車が故障すると，部 る．
品や修理費用の調達のため，風車を長期間停止せざるを得ない状況に陥る．結果，当初見込みの発電電力量「風況(サイト)」のを大幅に下回る結果になり，赤字に転落する．さらに，問題なのか？
卓越風向，すなわち，風車が年間を通じて最も発電しなければならない風向において故障が発生し，発電電力あるいは，「発電量量が低下する場合も，風力ビジネスの観点からは命取りの低下」である．これらの話を突き詰めていくと，問題の原因は「風車の性能」の「風況(サイト)」なのか？あるいは，「風車性能」なのか？
「風力事業者」問題なのか？と言うところに行き着く．発電電力量に関して，国内某所「風車メーカー」の実例を図1に示す．問題は図中の点線部分である．
「電力会社」
風力事業者側に立つと，「本来，発電量を稼がなくて「大学等の研究機関」はならない風向と風速帯において期待通りの発電電力の密な連携が必要！
量が出ていなければ，風力事業そのものが成り立たない．」との意見が出てくる．一方，風車メーカー側に立つと，「発電電力量が出ていないのは，風況に問題があるからである．風車の故障を未然に防ぐために，風車を制図1 風車のパワーカーブ(理論値，実線)と御している．」と言った意見が出てくる．これらの問題は，実測値(シンボル)の関係日本国内の風力業界が抱える「共通の」大きな問題である．同時に，これは解決が非常に難しい問題でもある． ２．実地形版RIAM
実地形版RIAMRIAM-COMPACT®
COMPACT®ソフトウエアのソフトウエアの概要
著者がこれまで関わってきた経験から，「風況(サイト)」
RIAM-COMPACT®(ResearchInstitute for Applied
が風車にとって過酷な状況にあり，それが主たる原因で Mechanics, Kyushu University,
COMputational
ある場合もあれば，「風況(サイト)」と「風車性能」の両者 Prediction of Airflow over Complex Terrain；リアム・コンに問題がある場合もあるように感じる．それでは，これら パクト)のコア技術は，九州大学応用力学研究所で開発を解決するためにはどうすれば良いのだろうか？
風況面に関しては，著者が開発を進めている純国産 が続けられており，2006年に著者らが起業した九州大発ベンチャー企業の(株)リアムコンパクトの数値風況診断技術「実地形版RIAM-COMPACT®(リ 学(http://www.riam-compact.com/)が(株)産学連携機構アム・コンパクト)ソフトウエア」を個々のサイトに適用すれ 九州(九大TLO)から独占的ライセンス使用許諾を受けば，地形乱流の影響が視覚的にかつ定量的に明らか ている(2006年にRIAM-COMPACT®の商標と実用新案になる ．得られた結果を活かし，「風力事業者」，「風 を取得)．現在では，九州電力グループの西日本技術車メーカー」，(可能ならば)「大学等の研究機関」による 開発(株)，(株)環境GIS研究所と開発コンソーシアムを作協議を行うことで，苦戦が続く風車も息を吹き返すことが り，「実地形版RIAM-COMPACT®ソフトウエア」と名付
１. はじめに1-3)

「風況診断の風況診断の実施」
実施」→「最適な最適な風車位置および風車位置および風車および風車ハブ
風車ハブ高ハブ高さの決定さの決定」
決定」→「複雑地形における複雑地形における風車における風車サイト
風車サイトのサイトの拡大」
拡大」
風車ハブ
風車ハブ高
ハブ高さの変更
さの変更
流れの逆流域

流れの剥離

流れの逆流域

流れの剥離

「30m」
30m」

風車ハブ高さ「80m」
80m」

風車ハブ高さ

図2 複雑地形上の風車サイトにおける「数値風況診断」の活用事例
け，業界標準モデルの一つとして広く普及に努めてい 要不可欠であり，そのサイト特有の気流性状を十分にる．現在では，国内の風力事業者最大手の(株)ユーラ 把握することが最も重要であることを共通認識として持スエナジーホールディングス，電源開発(株)，日本風力 つべきである．「風況診断」から得られた知見は，風車の開発(株)，エコ・パワー(株)を含め，多数の導入実績を 「維持・管理」にも極めて有用なものになる．例えば，有する．
RIAM-COMPACT®によるアニメーションを実際の作業
非定常な乱流シミュレーションに主眼を置いた 者に見てもらい，重点的にケアする風車を確認してもら
RIAM-COMPACT®では，Intel Core i7などのマルチコ う．あるいは，社内研修の素材に活用してもらう．など．
アCPU(Central Processing Unit)に対応しており，計算
今後，風力発電をこれまで以上に飛躍的に導入し，時間は劇的に短縮された ．現在では，GPGPUコンピュ 安定した電力として供給するために必要なことは何であーティングへの対応にも成功した ．GPGPU(General ろうか？「洋上風力発電」の研究開発が進む一方，「陸Purpose computing on GPU：GPUによる汎用計算)のコ 上風力発電」の適地はどこにあるのだろうか？もう無い
ンセプトは，グラフィック・レンダリングのみならず，GPU のであろうか？図2に注目して頂きたい．
(Graphics Processing Unit)が有する浮動小数点演算能
図2は典型的な複雑地形における風車サイトの「風況力を，他の数値演算にも幅広く利用することである．
診断」の例である．図2(a)および図2(b)の違いは「風車RIAM-COMPACT®では，乱流モデルにLES(Large- ハブ高さ」のみである．図2(a)は，風車ハブ高さ30mの例
Eddy Simulation)を採用している．LESでは流れ場に空 である．この場合には，風車は図中の点線で示す地形間フィルタを施し，大小様々なスケールの乱流渦を，計 起因の逆流域(地形乱流)に完全に埋没している．これ
算格子よりも大きなGS(Grid Scale)成分の渦と，それより に対し，図2(b)は風車ハブ高さを80mに変更した結果でも小さなSGS(Sub-Grid Scale)成分の渦に分離する．GS ある．この場合には，風車は逆流域の影響を全く受けな成分の大規模渦はモデルに頼らず直接数値シミュレー い．それどころか，風車は地形効果に伴い局所的に増ションを行う．一方で，SGS成分の小規模渦が担う，主と 速された乱れの少ない風を捉えることになる．結果とししてエネルギー消散作用は，SGS応力を物理的考察に て，風車の故障は減り(風車稼働率の向上に繋がる)，か基づいてモデル化される．RIAM-COMPACT®の数値 つ，平坦地形に設置した場合よりも発電量が大幅に上計算手法の詳細と予測精度は，文献 を参照して頂き 昇することが期待される．
たい．
大きな「ジレンマ」も存在する．平成19年6月20日の建築基準法の改正以降，風力発電設備支持物も審査委
３．数値風況診断の数値風況診断の活用事例―風車ハブ
風車ハブ高
ハブ高さの検討
さの検討―
検討― 員会等を経て，性能評価書を取得し，国土交通大臣のこれまでの風力事業は，場所ありきの計画が非常に 認定を受けることが義務付けられた．風車ハブ高さを高多く，厳密な「風況診断」はあまり実施されてこなかった くした場合には，設計風速が必然的に大きくなり，風車ように感じる．今後，単なるシンボルとしてではなく，国 購入のコストが増大する．つまり，ハブ高さを高く出来れ民生活に「真に」寄与し，風力発電を「適切に普及・拡 ば，複雑地形上の風車適地はさらに拡大する一方，風大」させるためには，「風車を立てれば必ず儲かる」は間 車購入コストが増大し，プロジェクトとして成立しにくくな違いであると言うことを最初に認識すべきである．そして， る．これは，風力ビジネスに新規参入しようとする中小企
今後の風力事業では，厳密な「風況診断」の実施は必 業のみならず，大手事業者にも悩ましい問題である．
4)

5, 6)

7)

6号機
5号機
3号機
4号機

1号機
2号機

図4 風車事故の様子，福岡県のTBS系列局RKB毎日放送(株)，今日感ＮＥＷＳ「巨大風車で事故相次ぐ原因は」より引用

図5 風車事故の様子，毎日jpのWEBサイトから引用４．太鼓山風力発電所
太鼓山風力発電所(京都府伊根町)で発生した発生した山風力発電所(京都府伊根町)
風車落下事故に風車落下事故に対する風況面
する風況面からの風況面からの一考察からの一考察

太鼓山風力発電所において，2013年3月12日19時30分頃，3号機の発電機付きプロペラ部分（高さ約50m，重さ約45t）が地上に落下する事故が発生した．破断したのは支柱とプロペラを結合する根元の部分で，事故当時は風速15m/s程度と設計基準内に収まっており，「金属疲労」が事故の原因との見方で調査が進められている(図3～図5を参照)．施設の概要は下記の通りである．
「施設の施設の概要」
概要」

住所：京都府与謝郡伊根町字野村小字太鼓山地内
運用開始年月：平成13年11月
設置台数：6基 (オランダのLAGERWAY製)
最大出力：4,500kW （750kW×6基）
年間発電量：8,549MWh （計画）
総事業費：約15億円
運営：京都府の公益外郭団体

図3 太鼓山風力発電所の位置，図中の実線部分
ここでは，RIAM-COMPACT®の風況診断結果に基づき，風車周辺に発生している地形乱流の影響に関して一考察を行いたい．ここで，「地形乱流とは地形の凹凸により発生する乱流である」，とあらためて定義する．
今回の事故を受け，「複数ある風車の中でどうして3号機のみが故障したのか？(同じ規格，同じ品質の風車であるならば，当然，全機とも故障してもおかしくないのでは？)」と言う疑問が沸く．同じ発電所でも，各々の風車周辺に発生している風況(地形乱流を含めた気流の様子)は全く異なる．さらに，特定の風車に関しても，当然ながら日々風況は異なる．風は気まぐれと一般的に表現されるが，物理法則に基づいて吹いている．風は空間的に，かつ時間的に「変動」しているので，年平均値や月平均値のみの議論では不十分であり，平均値からのずれ，つまり，風の乱れ(地形乱流)についても議論すべきである．地形乱流の発生頻度やその強度(乱流強度と称される)が風車の各部位に対してどのような影響を与えるのかを，これまで以上に議論する必要がある．

我々の最近の研究から，地形の起伏に起因して発生する地形乱流は，その個性を強く持っており，風車に対して干渉することが分かってきている．厳密6号機に言うと，乱流の積分スケールのオー
極端な速度シアー
ダーが風車スケールに近い場合には，1号機乱流の影響が風車に対して明確に現れる．一般に「風の息」と言われるように，2号機自然の風自体も変動している．但し，こ3号機の風の息による変化は比較的ゆったり4号機しているので，風車はこの変化に追従する(そのように設計されている)．しかし，5号機
風車の近傍から発生する地形起因の乱流による風の変化は，設計の想定範囲を越えて，急激に変化する場合があWSWる．このような状況では，風車はその変化に追従できず，風車内部やブレード
図6 風車立地点の速度ベクトル図(左)とその風速分布グラフ(右)に歪を生じる．よって，とにもかくにも，「風力発電の成功」には「風車の立地場所」が極めて重要である．
図6および図７には，太鼓山風力発電所を対象に実施したRIAM-COMPACT®
5号機の風況診断結果を示す．最新版では，流風車のヨー方向へのれの可視化図と種々のグラフを同じ画面大きな角度変化4号機に表示させ，これらを同時にアニメーショ WSWンとして見ることが可能である．これにより，3号機
風車周辺の気流特性をより簡単に，かつ2号機正確に把握できるようになった．今回事6号機
故の起きた3号機周辺では，極端な速度
1号機
シアーや風車のヨー方向に大きな角度が発生しているのが見て取れる．以上より，「地形乱流の影響により，支柱とプロペラを結合する根元付近に極度に大きな荷重がかかり，結果として金属疲労をより進行させた」と推測できる．
図7 風車ハブ高さの速度ベクトル図(左)と風車に対する気流の進入角度のグラフ(右)で，厳密な風況診断を行えば，そのような風車でも息を５．おわりに風力発電の事業性評価では，これまでは主に年間平 吹き返し，風車の寿命を全うすることが可能になることを均風速のみが議論されてきた．なぜなら，それさえ分か 示すべきである．そうした純国産の風況診断技術が日れば「年間発電量(kWh) 」や「設備利用率(％) 」の算出 本にはあり，一連のノウハウを海外へも展開する必要がが可能であるからである．しかし，風車は建設後が最も ある．
参考文献
重要である．すなわち，10年～15年はその寿命を全うし， 1) 内田 孝紀，その他4名，日本風力エネルギー学会論文
故障無く健全に運転しなければといけない．その意味で，「稼動率(％)」がより重要な指標になる．年間発電量 2) 集，Vol.35，通巻99，pp.14-23，2011
内田 孝紀，大屋 裕二，土木学会論文集A2（応用力学 ） ， Vol.67 ， No.2 ， ( 応 用 力 学 論 文 集 Vol.14) ，(kWh)や設備利用率(％)はサイト固有の数値で，これを制御することは不可能である．しかしながら，稼動率(％) 3) I_757-I_764，2011
内田 孝紀，その他4名，風力エネルギー協会誌，Vol.34，
はメンテナンスや風車制御の方法次第では，100(％)に 4) 通巻96，pp.77-84，2011
内田孝紀，日本風力エネルギー学会論文集，Vol.36，通近い数字を維持することが可能である．現に，成功して巻101，pp.82-85，2012
いる発電所の稼動率は95(％)以上の水準にある．
5) 内田孝紀，風力エネルギー協会誌，Vol.35，通巻98，
産官学で，風力発電における「局所風況」の重要性 6) pp.78-84，2011を，今一度，共通の認識として持つべきである．そのた 7) 内田孝紀，日本風力エネルギー学会誌，通巻103，2012
Uchida, T. and Ohya, Y., Journal of Wind Engineering &Industrial Aerodynamics, Vol.96, pp.2121-2138, 2008
めには，学会が中心になり，過去の失敗例を示した上