Task54

寒冷地における風⼒発電
2023年度 第12回 IEA Wind セミナー
プログラム No.8

TASK54の動向
エネルギーシステムとして風⼒発電量の割合が増えるにつれて、着氷による不確実性がエネルギーバランスを損なう要因となる寒冷地において安定した電⼒供給のために・着氷気象の予測・着氷時の電⼒損失計算の精度向上と・着氷を回避／除去する技術の開発を目指す
IEA Wind Task54会議は、2023年10月26⽇〜27⽇にカルガリー大学にて開催

＃
１

参加国

機関

オーストリア Energieverkstatt Verein

２

カナダ

３

デンマーク

４

フィンランド VTT
Frauenhofer IFAM（生産・材料）
ドイツ
Frauenhofer IEE（エネルギー）
ノルウェー Kjeller Vindteknikk
WindREN
スウェーデン
Vattenfall
Meteotest
スイス

５６
７
８９

イギリス

１０

日本

１１

アメリカ

Nergica
DTU Wind Energy

DNV
NEDO、駒井ハルテック
コロラド大学2Task54のスケジュール
プロジェクト月->
プロジェクト・サブタスク

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内容
IEA Exco への報告

進捗管理

6

プロジェクト会議

xxxxxxxxxxx

定例進捗会議不確実性の定量化

着氷した風⾞の制御

風⾞建設前の着氷気象測定の定量化
および 着氷の測定の⻑期補正
運転中の着氷による電⼒損失の定量化
ブレード加熱システムの性能範囲の測定
寒冷地風⾞の制御戦略
シンプルなアイススロー参照ツール

安全性と許容性

分散型風⾞の着氷対策
着氷による風⾞騒⾳の影響評価

モデリングとテスト

着氷風洞ラウンドロビンベンチマークテスト
CFDコードの最適解
CFD内部コード比較

市場やエネルギーシステムへの影響

着氷が市場やシステムに与えるレベルを定義

寒冷地風⾞に求められる推奨事項

関連する出版物とソフトウェアの収集

3

サブタスクの進捗状況（不確実性の定量化）
不確実性の定量化

電⼒損失の定量化

デンマーク（DTU）とフィンランド（VTT）が協⼒して、不確かな事象を定量化するための研究を継続

iceBlade（DTU）は、メソスケールの数値気象予測
モデル内で、風⼒タービンブレード上の氷の付着 (成⻑) と除去 (損失) をシミュレート

 着氷の発生条件
 ブレード上への着氷形成

WRF、MPAS、Harmonie-Arome気象モデルにおけるiceBladeのシミュレーション結果を比較

 着氷が与える発電ロス、風⾞への荷重
 アイススローの発生条件
着氷時間には多くの不確実性があり、⽅法の設定が非常に重要であり、⽅法について検証中
着氷による生産損失を推定するため
IceLossMethod（VTT）の感度分析を実施

フィンランドは、推定総発電量を提供する風⼒発電予測システムを開発中
個別には、風⾞建設前の風況観測で着氷の可能性を調査し、⻑期に渡る着氷の可能性を予測し、より精度の⾼い事業性を算出
4

サブタスクの進捗状況（着氷した風⾞の制御）
ブレード加熱システム

寒冷地風⾞の制御戦略

IPS（Ice Protection System）はブレードをヒーターで加熱することにより着氷を防ぐシステム

着氷した風⾞を制御する⽅法に関するさまざまなオプションについてレビュー (ファクトシート、小レポート) を⾏う

ここでは性能評価の概念と⽅法論について議論される検証のための⽅法は今後の研究によって、技術的検証や熱画像処理による比較⼿法を確⽴させていく必要がある
右図はスイスの検証報告より抜粋

利⽤可能なさまざまなオプション、⻑所と短所、およびそれらをどのように実装できるかについての概要を作成する
⽇本とカナダが対応中、スイスとスウェーデンが興味を示している
⽇本は、カムチャツカとティクシで実証したNEDO事業の寒冷地風⾞制御について、とりまとめて提出する予定

5

サブタスクの進捗状況（ブレード着氷の低減）
ブレード表面加工

疎水性コーティング

オーストリアデンマーク

NICE - 超短パルスレーザーによる表面のナノ構造化による氷形成の低減

ブレードへの氷の蓄積を避けるためのナノコーティング材料を開発

カナダでも事業者による改造氷保護システムと疎氷性コーティングのテストを実施
6

サブタスクの進捗状況（寒冷地風⾞の制御戦略）
ブレード加熱システム制御（スイス）

着氷予測と着氷検知（カナダ）スイス 着氷予測と着氷検知を活⽤した防氷システムを搭載した風⾞の最適制御

 IPSリアルタイム制御

 氷検知システム性能評価

7

サブタスクの進捗状況（安全性と許容性）
アイススローツール（DTU）

各国による検証
ノルウェーは、フィールド測定デー
タを使⽤してコードを検証
スイスは、元々ブレードスロー⽤に開発された、より複雑な空⼒コード、詳細な空⼒モデルを使⽤して検証
フィンランドは、氷の成⻑速度を風洞で測定し、物体の氷が危険なレベルに達するまでにかかる時間を把握
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サブタスクの進捗状況（安全性と許容性）
安全性と許容性IEC 61400-31 ed.1

ノルウェー

2023年11月にed.1として発⾏されました
風⼒発電サイトのリスク評価ガイドラインを示します

研究プロジェクトSVIV（2023年秋＋3年間）
冬季気候における風⼒発電所の安全な運転
H1 リスクの監視 (例: ナセル屋根上のカメラ)

この文書は、技術的故障、人的ミス、極端な風況、着氷、落雷、地震、洪⽔、地滑り、⽕災などの内部または外部の原因によるリスクをカバーしていますが、⽔平軸と垂直軸を備えた陸上風⼒タービンのみが対象

H2 リスク軽減策
H3 着氷予報H4 サービス担当者のリスク評価のモデリングH5 コミュニケーションとリスク管理
H6 国際連携タスク54参加

9

サブタスクの進捗状況（モデリングとテスト）
着氷風洞ラウンドロビンベンチマークテスト
測定⽅法や測定装置の信頼性を検証するために、複数の試験機関に同⼀試料を回して測定を⾏う。

ドイツの着氷風洞施設→試験計画についてはDTUを中心に調整中→将来的には、大規模な実験的検証キャンペーンを実施する可能性あり

デンマークの着氷風洞施設

10サブタスクの進捗状況（モデリングとテスト）
CFDツールにはほぼすべての側面で違いがあるため、実際の測定結果との比較を⾏う
CFD比較

CFD比較

→結果は次期に続く予定

WISE (性能評価付き風⾞着氷シミュレーション コード)- オープンソース CFD コードベース(OpenFOAM)、氷の形状およびパフォーマンス予測コード- 着氷コードの⼀般的な構成に従います: (1) 空気⼒学、(2) 液滴場、(3) 熱⼒学、(4) 氷の成⻑
- 進⾏中の研究: 着氷の粗さ等

11

サブタスクの進捗状況（市場への影響）
着氷が市場に与える影響

着氷がシステムに与える影響

着氷対策費⽤と着氷による損失は相反するので、バランス調整が必要

着氷が影響を与える事象ごとにさまざまなレベルを定義を⾏う

予測に重点を置き、解決策を提案

 風⼒資源、着氷イベントによる着氷予測· ICEクラスに名前を追加

 予測の不確実性

IEA Ice
Class

着氷気候
名称

年間の気象学的着氷率[%]

着氷による年間発電量損失[%]

54321Severe
Heavy
Moderate
Light
Minor

>105-103-50.5-30-0.5

>20
10-25
3-120.5-50-0.5

 リアルタイムの風⾞応答の複雑さ
 風⾞制御戦略 ブレード加熱システム性能
 運転可能条件の範囲
 風⼒発電所が与える地域への影響レベル
12

日本の取り組み（寒冷地風⾞の制御戦略）
寒冷地風⾞開発の経緯
2011年

インフラ・システム輸出促進調査等委託事業として、独⽴系統地域における風⼒発電を利用したスマートマイクログリッドシステムの導入可能性を調査

2016年

国際エネルギー消費効率化等技術・システム実証事業として、独⽴電⼒系統地域における寒冷地気候に対応した風⼒発電システムを実証

2017年

エネルギーの消費効率化等に資する我が国技術の国際実証事業として、風⼒発電システムを含むエネルギーインフラ実証事業可能性を調査

2021年

エネルギー消費の効率化等に資する我が国技術の国際実証事業として、風⼒発電システムを含むエネルギーインフラ実証事業を実施

2022年

IEA Wind Task54開始
寒冷地仕様風⾞の設計は、IEC61400-1第 4 版附属書 L (委員会草案: 2014 年) およびGL テクニカル ノート「寒冷地における極度の温度に対する風⼒タービンの認証 Rev.4(2013 年) 」を参照して開発された

13

日本の取り組み（寒冷地風⾞の仕様比較）
項目

標準仕様

設計条件（外気温）
カットイン
カットアウト
停止時ピッチ角
運転温度
温度仕様停止温度
低温時出⼒制御

15℃

風速条件

センサー

風向風速計
気象センサー
着氷センサー
タワー

材料

ブレード

-15℃〜+45℃-20℃〜+55℃
なし
風速計︓カップ式×2
風向計︓⽮⽻根式×2
なし
なし
-20℃
(Charpy=27J)
普通コーティング

寒冷地仕様

25m/s
88°

極寒冷地仕様0℃

3.0m/s-30℃〜+30℃-40℃〜+40℃-15℃以下22m/s
85°-35℃〜+30℃-50℃〜+40℃-30℃以下超⾳波風向風速計の併用
温湿度計、感⾬計
温湿度計、感⾬計あり(着氷予測）あり（着氷検出）-40℃-50℃(Charpy=27J)(Charpy=27J)
着氷防止コーティング

ヒーティングなし

FANヒータ
低温停止時のヒータON/OFFの切替え可能

断熱材（ナセルカバー）

なし

5cm

8cm

---

非常用発電機(電源喪失時対策)

その他

---

FANヒータ
低温時は常にON14日本の取り組み（寒冷地風⾞の設計）
風⾞設計要件（荷重）風⾞設計要件（温度）• 風⾞に作⽤する風荷重は、温度で変化する空気密度に依存する• 風⾞に使⽤する機械部品のほとんどの温度保証は-30℃であるため、機器の保護のため室内にヒーターや断熱材を設置（図は冷凍庫試験の様⼦）

15

日本の取り組み（寒冷地風⾞の気象観測）
気象観測機器

着氷検出機器• カップ式や矢羽根式の風況観測機器は凍結する可能性があるため、超音波風速計を使⽤• 着氷の可能性を判断するための気象観測機器として、温湿度計や感⾬計を追加• 積雪と風速の関係を確認した• 着氷センサーを追加し、着氷環境を判断（図は着氷風洞試験の様⼦）（図は着氷風洞試験の様⼦）

16日本の取り組み（寒冷地風⾞の運転制御）
風⾞の荷重設計計算は、気温0℃を基準として計算されているが、0℃以下で風⾞を運転する場合、カットアウト風速の判定基
準を下げることで、風⾞にかかる荷重を低減する。また、-30℃を下回る環境では、定格出⼒を下げることで風⾞荷重を低減する

17

日本の取り組み（ブレード塗料試験）
親水性試験

撥水性試験

• 予め選定した4種の塗料より、親⽔性および撥⽔性の試験を実施• 縦軸は試験体に付着した氷の質量。着氷質量は、塗料3が最も小さい• 凍着⼒は、付着⼒試験装置
で計測した
せん断応⼒
• 塗料3、４が塗料1、2に比して20%低い

18日本の取り組み（寒冷地風⾞の着氷対策）
着氷予測

着氷検出

• 温湿度計と感⾬計を⽤いて、着氷環境を判断し、運転を停止する• 着氷センサーと風速に対する発電出⼒値およびナセル内の加速度計で運転状況を判断する

着氷条件

雨量強度

気温

湿度

着氷条件
着氷セン
サー

適正出力
でない

ブレード振動を検知

19

今後の予定
 Winterwind 2024.3 Sweden
 WindEurope 2024.3 Spain IWAIS 2024.6 Norway
より⼀般的な会議で寒冷気候に関する⼀般的なプレゼンテーションを計画
 Wesc in 2025 France
 WindEurope 2025 Denmark
2024年6月の総会で、成果物を共有する⽅法についての計画を発表
20

ありがとうございました
株式会社駒井ハルテック