九州大学応用力学研究所所報 第 139 号 (131-139) 2010 年 9 月

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九州大学伊都キャンパスにおける流体工学モデルRIAM-COMPACT®を用いた
100kW級風レンズ風車のマイクロサイティング-第2報 土地造成を考慮した場合内田 孝紀* 烏谷 隆* 大屋 裕二*(2010年7月30日受理)
HIGH RESOLUTION MICRO-SITING OF 100KW WIND-LENS TURBINE
AT THE NEW CAMPUS OF KYUSHU UNIVERSITYBY USING THE RIAM-COMPACT® CFD MODEL-2nd Report : THE CASE CONSIDERING LAND PREPARATIONTakanori UCHIDA, Takashi KARASUDANI and Yuji OHYA
E-mail of corresponding author: takanori@riam.kyushu-u.ac.jp
Abstract
As a countermeasure against global warming, a substantial reduction in CO2 emissions has become an urgentissue. Accordingly, the effective use of wind power energy is attracting attention as a clean and environmentallyfriendly solution. Given this background, we have developed RIAM-COMPACT® (Research Institute for Applied
Mechanics, Kyushu University, COMputational Prediction of Airflow over Complex Terrain, a non-stationary,
non-linear wind synopsis simulator that is capable of predicting the optimum sites for wind turbine construction tothe pin-point level within a target area of a few km or less. In this study, a high resolution micro-siting of 100kW
wind-lens turbines, considering the land preparation, was performed in the new campus of Kyushu University.
Key words : Ito campus, Kyushu University, Wind-Lens Turbine, RIAM-COMPACT®, Micro-Siting, Land
Preparation

1.

緒 言
再生可能でクリーンな風力エネルギーは，地球温暖化やエネルギー問題を背景として，現在飛躍的な発展を遂げ，新エネルギー分野の大きな役割を担おうとしている．
「九州大学風レンズ研究グループ」では，年間平均風速が4m/s程度の低風速地域でも十分な発電を可能にし，適度な風が吹く地域ではさらに大きな発電を可能とする新しい(a)2009年10月，福岡市百道浜に設置した5kW風レンズ風車3台風力発電システム「つば付きディフューザ風車」を開発してつばきた1)．この風車は，風レンズ風車（Wind-Lens Turbine）と呼ばれる．風力による発電量が風速の3乗に比例することに着風の流れ目し，つばの付いた簡単な集風体を風車の周りに取り付けることによって風車に当たる風を増速させ，大幅な出力増加を達成した．実際の様子と，その風速の集風および増加のメ強い渦(低圧部)が流れを引き込むカニズムをFig.1に示す．「つば（brim）」という渦形成板は，その強い渦形成により，ディフューザ出口付近に低圧部を生成し，風はその低圧部をめがけて流れ込んでくる．そのため

風車* 九州大学応用力学研究所

風レンズ体(b)風速の集風および増加のメカニズム
Fig.1 風レンズ風車

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内田・烏谷･大屋：九州大学伊都キャンパスにおける風レンズ風車のマイクロサイティング 第2報にディフューザ入口付近では大きな増速効果が得られる．

捉えることが出来れば，多額の費用を要する風洞実験の代2-5倍の高出力を達成（風エネルギーの集中替ツールになるとともに，ウィンドファームの事前検討の一「風レンズ効果」を利用）．
く，汎用性に優れた手法である．非定常な風況特性を簡単に数値予測し，その結果をアニメーションなどで視覚的に風レンズ風車の長所を下記に整理しておく．

「つば」によるヨー制御（出口端の「つば」は，風見鳥助になることが大いに期待される．
RIAM-COMPACT®の長所を下記に整理しておく．のように風向きの変動に応じて風レンズ風車を回転させ，常に風車が風向きに正対する配置に制御する）．



非定常・非線形の流体工学(CFD)モデル．

つまり，風向変動に強い．

RANS系モデルよりも有望視されているLES乱流モデ

風車騒音の大幅低減（基本的には低周速比翼の採用，周速比λ＝4前後が最適周速比，および翼先端ルを採用．
からの渦がディフューザ内部境界層と干渉し，抑制されるという流体力学的メカニズムで空力音が大幅にのあらゆる平坦地形と複雑地形に適用可能．
低減して，騒音はほとんど気になることはない）．


安全性の向上（高速で回転する風車ブレードが構造

地理情報システム(GIS)との相互連携により，世界中風速分布のみならず，乱流強度分布などの3次元アニメーション表示が可能．

体で覆われている）．

野外風況データに基づいて，任意地点の年間発電電力量や設備利用率が評価可能．

先に記述したように，風車の発電出力は風速の三乗に比例するため，風車の立地に関しては，風況の良好な地点を的確に，かつピンポイントに選定することが重要である(これを「マイクロサイティング」と呼ぶ)．特に日本の地勢は欧米とは著しく異なり，平坦な地形は少なく，多様性に富む複雑地形がほとんどである．こうした状況では，流れの衝突，



風車に対する風荷重を評価するための，風の時系列データの出力が可能．



風車立地点における風速分布や乱流強度の鉛直プロファイルを表示可能．



風車受風面内の風の吹き上げ角度や吹き下げ角度などを出力可能．

剥離，再付着，逆流などの風に対する地形効果を考慮する

以上のように，我々の研究グループでは，風力エネルギことが極めて重要である．最近では，風車の適地が山間部ーの有効利用に関して，ハードウエアとしての風車(風レンに移り，これに伴い風車近傍の地形起伏や地表面粗度のズ風車)と，その立地点を高精度に予測するソフトウエアとし急変に起因した風の乱れ(地形乱流)が，風車の発電出力ての局地的風況予測モデル(RIAM-COMPACT®)の双方に影響を与え，風車の故障が多発しているとの報告がなさを開発・製作している．

れつつあり，社会問題になっている2)．

現在，九州大学伊都キャンパスにおいて，水素生成のたこうした風車立地の諸問題を解決するため，我々の研究めのクリーンエネルギー源として風レンズ風車の有効利用

グループでは，数(十)km以下の狭域空間に的を絞り，プロジェクトが進んでいる．具体的には，風レンズ風車によRIAM-COMPACT®(Research

Appliedる電気自動車運用プロジェクトや，次世代エネルギー実証

Mechanics, Kyushu University, COMputational Prediction

施設としての100kW級風レンズ風車の開発(2010年設置予of Airflow over Complex Terrain：リアムコンパクト)と称する定)である．近い将来，水素社会が到来すると期待されるが，非定常・非線形風況シミュレータ(流体工学モデル)を開発

水素は2次のキャリアである．この水素を風力や太陽光などしている 3) ．RIAM-COMPACT®では，乱流 モデルとしてのクリーンエネルギーで生成し，エネルギー生成から消費InstituteforLES(Large-Eddy Simulation)を採用している．LESとは，比までの全体システムにおいて，CO2および温暖化ガスをな較的大きな渦構造を直接計算し，それより小さい渦構造のるべく排出しないエネルギー循環システムを構築することがみをモデル化する手法である．現在，国内で開発されてい主たる目的である．

る風況予測ソフトは，計算時間の問題からRANS(Reynolds

風レンズ風車は数々の長所を有しているが，さらに大型Averaged Navier-Stokes equation)と呼ばれるレイノルズ平化が可能になれば，その有用性が増してくると期待される．

均型乱流モデルを採用している4, 5)．RANSでは，時間的に100kW級風レンズ風車の開発(2010年設置予定)では，耐変化しない定常的な流れ場を対象としている．しかしながら，風速60m/s，構造重量，コストなどを考慮し，できるだけコン近年のコンピュータ性能の向上は著しく，計算時間の問題パクトな風レンズ集風体を選択した．5kW機とほぼ相似にも劇的に解消されつつある．空間平均型の乱流モデルで製作し，定格風速12m/sで出力100kWが可能な中型風レン

あるLESは，時々刻々と変化する非定常な風況場をシミュレ

ズ風車の第1号機を実現する．ダウンウィンド型でロータ直ーションすることが可能である．ここが時間平均型の乱流モ

径12.8m，風レンズ外径15.4m，ハブ高さは25mである．

デルであるRANSと大きく異なる．また，モデルパラメータの100kW級風レンズ風車の特徴を以下に示す．立地候補

チューニングにおいても，LESはRANSに比べて極めて少な九州大学応用力学研究所所報 第 139 号 2010 年 9 月

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100kW級風レンズ風車の建設予定地

Fig.2 100kW級風レンズ風車の建設予定地，次世代エネルギー実証施設，九州大学伊都キャンパス，2010年竣工予定
地をFig.2に，5kW機と比較した場合の大きさをFig.3に，Flow

建設後のイメージ図(CG)をFig.4にそれぞれ示す．
従来風車と比べ，発電出力が2倍．



同じ発電規模の風車に比べ，ロータ直径が3分の2．



従って，騒音源強さは半分 以下になる．加えて，
風レンズ集風体によるブレード先端渦の抑制で大5kW級
100kW級
ロータ直径13m
ハブ高さ

ロータ直径

幅な騒音低下が期待される．
2.5m
ハブ高さ

随性が良い．
風 レンズ集 風 体 の頭 頂 部 に避 雷 針 を付 けて，雷を回避可能．

11.5m

25m

パッシブなヨー制御が可能．乱れた風に対する追

必要であればバードストライクも回避可能．

前報 6 ) では，風車周 辺の風 況特性 を詳 細 に調査 するため，卓 越 風 向 である 西 風 を対 象 に流 体 工 学 モデル
RIAM-COMPACT®を用 いて高 解 像 度 の風 況 シミュレ
Fig.3 5kW機および100kW機の寸法の比較ーションを実 施 した．その際 ，風 車 立 地 周 辺 の土 地 造

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内田・烏谷･大屋：九州大学伊都キャンパスにおける風レンズ風車のマイクロサイティング 第2報

Fig.4 5kW級および100kW級の風レンズ風車の建設イメージ(CG)，注意：樹木の高さは考慮していない．
日本スペースイメージング(株)提供のIKONOS(イコノス)衛星画像(2009年5月9日撮影)を利用した．

成 状 況 は考 慮していなかった．そこで本 研 究 では，分 の渦 と，それよりも小 さなSGS成 分 の渦 に分 離 する．

Fig.4に示す実 際の土 地 造成 状 況 を反映した計 算を行

GS成分の大規模渦はモデルに頼らず直接数値シミュレったので，その結果を報告する．

ーションを行う．一方で，SGS成分の小規模渦が担う，主としてエネルギー消散作用はSGS応力を物理的考察に

2.

RIAM-COMPACT®による基づいてモデル化される．流れの支配方程式は，フィル風車立地点のマイクロサイティング

タ操作を施された非圧縮流体の連続の式(式(2))とナビ（風車近傍の風況特性の評価）
2.1

速6m/s以上の強風を対象にしているので，大気の温度成層の効果は省略した．また，地表面粗度の影響は地数値計算手法など

数 値 不 安 定 を回 避 し，複 雑 地 形 上 の風 の流 れを高精度に数値予測するため，一般曲線座標系のコロケート格子に基づいたRIAM-COMPACT®を用いたエ・ストークス方程式(式(3))である．本研究では，平均風2, 3)形表面の凹凸を高解像度に再現することで取り入れた(水平解像度は数mオーダー)．

．ここでコロケート格 子 とは，計 算 格 子 のセル中 心 に物 理 速度成分と圧力を定義し，セル界面に反変速度成分にヤコビアンを乗じた変数を定義する格子系である．数値計算法は差分法(FDM)に基づき，乱流モデルとしてLESを採 用する．LESでは流れ場に空 間フィルタを施し，大小様 々なスケールの乱 流 渦 を計 算 格 子 よりも大 きなGS成u i
0xi-(2)

 ij
u i
u i
 p 1 2 uiuj

t
x j
xi Re x j x j x j-(3)九州大学応用力学研究所所報 第 139 号 2010 年 9 月

13 ij  u'i u' j  u'k u'k  ij  2 SGS S ij

 SGS   Cs f s   S
2-(4)

-(5)

流z

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風速の代表スケールU in (m/s)

入長さの代表スケールh(m)

境(=標高差=z max - z min )界S  2Sij Sij

Sij 

1/ 2

最小標高z min (m)1  ui u j 
2  x j xi f s  1  exp  z  / 25

面-(6)最大標高z max (m)-(7)
Fig.5 本研究における風速および長さの代表スケールの取扱い

-(8)伊都キャンパス全体図   hx hy hz 1/ 3-(9)計算アルゴリズムは部分段階法(F-S法)に準じ，時間進行法はオイラー陽解法に基づく．圧力に関するポアッソン方程式は逐次過緩和法(SOR法)により解く．空間項の離 散 化 は式 (3)の対 流 項 を除 いて全 て2次 精 度 中 心差分とし，対流項は3次精度風上差分とする．ここで，対流 項 を構 成 する4次 精 度 中 心 差 分 は梶 島 による4点 差分と4点補間に基づいた補間法を用いる．3次精度風上差分の数値拡散項の重みは，通常使用される河村-桑原 スキームタイプのα=3に対 して，α=0.5としその影 響は十分に小さくする．LESのサブグリッドスケールモデル(a)全体図，図中の赤線部分が本研究で入手した
CADデータの範囲には標準スマゴリンスキーモデルを用いる(式(4)-式(9))．
壁面減衰関数を併用し，モデル係数は0.1とした．
境界条件の設定は下記の通りである．流入境界面は1/7乗 のベキ法 則に従う速 度プロファイルを与 え，側 方
境 界 面 と上 部 境 界 面 は滑 り条 件 ，流 出 境 界 面 は対 流型 流 出 条 件 とした．地面 には粘着 条 件を課 した．式 (3)の無次元パラメータReはレイノルズ数(=U in h/ν)であり，Re(=U in h/ν)=10 4 とした．ここで，本計算における代表スケールの取 扱 いはFig.5に示 す通 りである．hは計 算 領

No.2
No.1

域の標高差，U in は流入境界面の最大標高地点における風 速 ，νは動 粘 性 係 数 である．時 間 刻 みはΔt=2×

搬入道路

10 -3 h/U in とした．本研究では，西風を対象とした．

2.2

標高データおよび計算格子など

本 研 究 では，Fig.6(a)に示 す赤 線 で囲 む風 レンズ風車の建設予定地の高解像度 CADデータを入手し，これを国土地理院の基盤地図情報(縮尺レベル25000)の等値線と接続させて空間解像度1mの標高データを1km四方構築した(Fig.7も参照)．計算領域は100kW級風レン
ズ風 車 のNo.2を中 心 として主 流 方 向 (x)に750m，主 流(b)上図の赤線部分の拡大図，赤丸：100kW機の立地点
Fig.6 100kW級風レンズ風車の建設予定地
直 交 方 向 (y)に300mとした．計 算 領 域 中 の標 高 差 は58m(最大標高：120m, 最小標高62m)であり，計算領域の上端は標高340mである．格子点数は，x方向，y方向，z方向(鉛直 方 向)に251×101×51点である．水平断 面

136

内田・烏谷･大屋：九州大学伊都キャンパスにおける風レンズ風車のマイクロサイティング 第2報
1km
100kW機1km

高(121m)
5kW機
標高低(63m)

Fig.7 詳細計算用の地形構築範囲，紫色の線，赤線で示す部分はCADデータの範囲，(a)土地造成前

1km四方を空間解像度1mで再現した．
100kW機
No.3
No.2

No.4
No.2
No.5

No.1

高(121m)No.1

5kW機
標高低(63m)

Fig.8 5kW級および100kW級の風レンズ風車の配置計画，(b)土地造成後

赤丸：100kW機の立地点，黒丸：5kW機の立地点

Fig.9 風レンズ風車近傍の地形の様子，最下層の計算格子も表示している．

内 の格 子 幅 は不 等 間 隔 で1.2～12.6mとした．z方 向 の格子幅は不等間隔とし，地表面付近に滑らかに引き寄

土地造成前

土地造成後標高差(m)せた．地 表 第 一 セル，すなわち，最 小 メッシュ幅 は約の標高(m)の標高(m)(前-後)0.175mである．Fig.8に風レンズ風車の配置計画を示す．

No.1

Fig.9に土地造成前後の様子を比較して示す．表1には，100kW

土 地 造 成 前 後 の各 風 車 建 設 位 置 における標 高およびNo.2

標高差を示す．

100kW

111.4+1.4

111.3+1.3

No.1_5kW

110.0

No.2_5kW

113.0+3.0

Fig.10およびFig.11には，土地造成前後の100kW機

No.3_5kW

112.7+2.7を通る主流方向速度成分の鉛直分布(瞬間場)を示す．

No.4_5kW

109.8-0.2

両ケースともに，風車 ハブ高 さ付近 に注目 すると，土地No.5_5kW

110.1+0.12.3

計算結果および考察

造 成 前 後 で気 流 の劇 的 な変 化 は観 察 されず，地 形 効な風速増速の程度は，近寄り流れU in に対して最大で約+0.0

Table.1 各風車建設位置の標高および標高差果によって局所的に増速された風が風車受風面を通過している様子が見て取れる．この地形効果による局所的110.01.4倍になることが示された．

九州大学応用力学研究所所報 第 139 号 2010 年 9 月

100kW機 No.1

137100kW機 No.1

西風西風(a)No.1を通る場合(a)No.1を通る場合
100kW機 No.2

100kW機 No.2

1.41.4

主流風速

主流風速-0.4-0.4(b)No.2を通る場合(b)No.2を通る場合

Fig.10 100kW機を通る主流方向速度成分の鉛直

Fig.11 100kW機を通る主流方向速度成分の鉛直

断面内の分布，瞬間場，土地造成前の場合，西風断面内の分布，瞬間場，土地造成後の場合，西風Fig.12およびFig.13には，土地造成前後の各風車立下や風車故障の原因になることが報告されている．

地 点 における速度 ベクトルの鉛 直 分 布(時 間 平 均場)をFig.12およびFig.13を吟味すると，風車上流の地形か示 す．本 研 究 の場 合 のように，複 雑 地 形 上 に風 車を建らの境界層の影響，地形の凹凸に伴う地形乱流の影響，設する場合には，風車の上流側に位置する地形からの土地造成に伴う気流の劇的な変化などは観察されず，剥 離 流 の影 響 を風 車 が受 けないかどうかを調 査する必土地造成後においても各風車ともに概ね適切な地点で要がある．すなわち，風車上流の地形から形成される境あることが示された．

界 層 に風 車 の受 風 部 分 が埋 没しないようにしなければならない．風車立地点 が最高 標高では無い場合には，大きな風速が期待できるわけではなく，周辺地形との干

3.

結 言

渉によって風車立地点が境界層に埋没している可能性

本 研 究 では，土 地 造 成 の状 況 を考 慮 した詳 細 地 形もあるため，その適地選定は十分な注意を要する．加え

データを用い，卓越風向(西 風)を対象にした数値風況て，実 際 の風 車 立 地 では，山 の斜 面 を削 り取 ったり(切シミュレーションを行 った．その結 果 ，風 車 上 流 の地 形

土：きりど），土を新たに盛ったり（盛土：もりど）という土地からの境界層の影響，地形の凹凸に伴う地形乱流の影造 成 の影 響 を考 慮したマイクロサイティングが重要にな

響，土地造成に伴う気流の劇的な変化などは観察され

2)

る．最 近の著者らの研 究 によると，風車 直 近の地形のず，土地造成後においても各風車ともに概ね適切な地凹凸から形成される地形乱流が，風車の発電成績の低点であることが示された．

138

内田・烏谷･大屋：九州大学伊都キャンパスにおける風レンズ風車のマイクロサイティング 第2報

西風

No.2

No.3

No.2
No.4

No.1
No.5
No.1
高(121m)標高低(63m)
Fig.12 各風車の立地点における速度ベクトルの鉛直分布，時間平均場，土地造成前の場合，西風
西風

No.2

No.3

No.2
No.4

No.1
No.5
No.1
高(121m)標高低(63m)
Fig.13 各風車の立地点における速度ベクトルの鉛直分布，時間平均場，土地造成後の場合，西風九州大学応用力学研究所所報 第 139 号 2010 年 9 月

謝 辞
本 研 究 の一 部 は，2009年 度 ～2011年 度 ，科 学 研 究

参 考 文 献[1]費補助金・基盤研究(A) ，｢超高効率風レンズ風車と新大屋裕二，風レンズ風車から見た世界の風力･水力利用，日本風力エネルギー協会誌，Vol.33，通炭繊維材料の革新的技 術を融合した洋上風力発電の開 発 研 究 ｣(研 究 代 表 者 ：大 屋 裕 二 ），科 学 研 究 補 助

139巻91，pp.39-44，2009[2]

内 田 孝 紀 ，大 屋 裕 二 ，李 貫 行 ，風 車 立 地 点

金 ・若 手 研 究 (A)，｢アジア巨大都 市の大 気 環境 改 善 と近 傍 に発 生 する地 形 乱 流 の高 解 像 度 LES，日 本

風 力エネルギー有 効 利 用 のための局 所 風 況 予 測技術

風 力 エ ネ ル ギ ー 協 会 誌 ， Vol.34 ， 通 巻 93,

開 発 ｣(研 究 代 表 者 ：内 田 孝 紀 )，2010年 度 (財 )中 部 電力基礎技術研究所 第21期研究助成，｢風力発電普及pp.121-126，2010[3]T.Uchida and Y.Ohya, Micro-siting Techniqueのための高精度マイクロサイティング手法の開発｣(研究for

代 表 者 ：内 田 孝 紀 )，2010年 度 (財 )畠 山 文 化 財 団 研 究

Large-Eddy

助成，｢風力発電の適切な導入に資する風車マイクロサ

Engineering & Industrial Aerodynamics, Vol.96,イティング手法の開発｣(研究代表者：内田孝紀)の援助

pp.2121-2138, 2008を受けました．また本研究を行うに際し，九 州大学応用

[4]

Wind

TurbineGeneratorsSimulation,JournalbyUsingofWind

村上周三，持田灯，加藤信介，木村敦子，局所風力学研究所技術室の渡辺公彦氏，杉谷賢一郎氏には

況 予 測 システムLAWEPSの開 発 と検 証 ，日 本 流 体

多 大な協 力を頂いた．(株)環 境GIS研 究 所 の荒 屋 亮氏

力 学 会 誌 ｢ な が れ ｣ ， Vol.22 ， No.5 ， pp.375-386 ，には，数 値 シミュレーション用 の地 形 データ作 成 やCG

2003

作成に関して多大な協力を頂いた．ここに記して感謝の[5]

意を表します.

石 原 孟 ，非 線 形 風 況 予 測 モデルMASCOTの開 発とその実用化，日本流体力学会誌｢ながれ｣，
Vol.22，No.5，pp.387-396，2003[6]内田孝紀，烏谷隆，大屋裕二，九州大学伊都キャン パ ス に お け る 流 体 工 学 モ デ ル RIAMCOMPACT®を用いた100kW級風レンズ風 車のマ
イクロサイティング，九 州 大 学 応 用 力 学 研 究 所 所報，第138号，pp.41-54，2010