リアムコンパクトが解決する
風力発電分野における諸問題
九州大学・応用力学研究所
准教授
内田 孝紀
(九州大学発ベンチャー(株)リアムコンパクト取締役兼務)
takanori@riam.kyushu-u.ac.jp
092-583-7776

RIAM-COMPACT®とは？

非定常・非線形風況シミュレータ
RIAM-COMPACT®（リアムコンパクト）
九州大学応用力学研究所発の流体工学CFDモデル)
Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University,
COMputational Prediction of Airflow over Complex Terrain◆乱流モデル：次世代乱流モデルとして期待されているLES(Large-Eddy Simulation)の採用！
◆対象スケール：数(十)km以下の局所域スケールに的を絞る！
◆特長①：風に対する地形・建物の効果を高精度に予測！
◆特長②：安定成層，不安定成層など種々の大気安定度を考慮！
流れの局所的な増速

Flow

逆流域の形成(渦放出)

流れの衝突
流れの剥離

流れの再付着【風に対する地形効果】

RIAM-COMPACT®(リアムコンパクト)の着眼点
流体(風況)のコンピュータシミュレーションにおけるスケールによる分類＜＜
地上10mにおける水平風速
地上10mにおける水平風速と風速ベクトル，0418
台風と風速ベクトル，0418台風(a)工学分野では数m以内の物体スケール(b)数m～数十kmの局所域スケール(c)気象分野では数十km以上の広域空間スケール

工学分野では数m以内の物体スケール、気象分野では数十km以上の広域空間スケールが主な研究対象であった。
一方、その中間の数m～数十kmは私達の実生活に関連したごく身近な風環境にも関わらず、地物・地形による影響と時間変化の両者を忠実に再現可能な風況予測モデルの重要性は、未だ十分に認識されてなかった。
我々は、このスケールギャップに着目し、世界最先端の流体計算技術に基づいた斬新で汎用的な風況予測システム(RIAM-COMPACT®：リアムコンパクト)の開発に成功し、この分野の新たな道を拓いた。

RIAM-COMPACT®の応用分野【風工学分野】
・山岳地形・市街地における自然エネルギーの有効利用(風力発電)
・巨大都市域(市街地)の大気環境予測と改善
・山間部の地形性局地強風の発生メカニズム解明
・山間部の送電鉄塔周辺の風害対策
・台風に伴う歴史的建造物の風害対策
・竜巻に伴う風害対策

特に重点を置いているテーマ【鉄道分野】
・突風・強風時における鉄道の安全運行支援システム構築
・線路周辺の風害対策，風況マップ作成【航空・船舶分野】

竜巻シミュレータの開発

・離島空港建設のための風況アセスメント
・大型タンカー接岸ルート支援システムのための風況予測【森林分野】
・台風に伴う風害対策のためのハザードマップ作成(強風域特定)・山火事の延焼域の予測
・山火事の煙，火山ガス，大気汚染物質，花粉などの移流・拡散予測

風向変動を考慮した
ガス拡散予測【レジャー分野】
・ヨットレース，フィッシング，ゴルフ，バルーンなどを対象にした風情報配信サービス

線形(モデル)と非線形(モデル)の違い◎線形(モデル)．．．地形を微小擾乱として取り扱う§線形理論（ポテンシャル理論）がベース⇒線形化された基礎式を解く！
流れの剥離は生じない§風に対する地形の影響は極めて小さいことが前提⇒風の増速・減速は再現可能⇒風の剥離(乱れ)は再現不可能§(欧米の)平坦地のみに適用可能◎非線形(モデル)．．．急峻な傾斜角度を有する複雑地形が対象§Navier-Stokes方程式がベース⇒方程式を線形化せず，非線形項を含む基礎式を解く！
§風に対する地形効果を再現可能(流れの衝突，剥離，再付着など)§急峻な複雑地形に適用可能

RIAM-COMPACT®
および，その他の国内のモデル

定常(モデル)と非定常(モデル)の違い①◎非定常(モデル)．．．風の流れの時間変化を忠実に再現可能な基礎式に基づいたモデル⇒RIAM-COMPACT®が唯一◎定常(モデル)．．．時間的に平均された基礎式に基づくモデル⇒風の平均値を出力するのが目的⇒国内の非線形モデル(LAWEPS, MASCOT)⇒モデルの性質上，時間とともに変動する風の乱れを再現するのは不可能
日常，我々が目にする風の流れは非定常である！

定常モデルとは，時間平均された風の場を出力するものである．
得られた結果は，日常の風の流れとの対応(イメージ)がつきにくい！
非定常モデル定常モデル
風速
風の乱れ

時間

定常(モデル)と非定常(モデル)の違い②◎非定常モデルの出力：日常我々が目にする風の流れ

風の流れは時間とともに変化している！⇒ RIAM-COMPACT®が唯一，再現可能！
◎定常モデルの出力：非定常モデルの結果を時間的に平均したイメージ⇒非定常モデルで見られる風の時間的な変動(乱れ)は表現されない！

マクロサイティングとマイクロサイティングマクロサイティング
マクロサイティング(Macro-siting)⇒広域風況マップ◆再解析データ◆地形因子法◆気象モデル⇒気象的要素が支配的⇒水平解像度500m以上の粗い分解能⇒地理情報システム(GIS)の利用地理情報システム(GIS)によりNEDO風況マップを表示した例（九州全域）

NEDOの風況マップとRIAM-COMPACT®の計算結果の比較

NEDOの風況マップと明らかに異なる！

NEDOの風況マップ(500m解像度)

RIAM-COMPACT®の計算結果(合成風況図，50m解像度)

マイクロサイティングの重要性①
風力発電：再生可能な自然エネルギーの1つ(風力⇒電気)で，現在最も注目されている！

風のエネルギーは，風速の3乗と受風面積Aに比例．
風速が2倍になると．．．
ローター直径D発電出力は8倍！

できるだけ風況が良い地点に風力タービンを建設するのが望ましい！

風力タービンの適地を探す
受風面積A

マイクロサイティング技術
マイクロサイティング技術

マイクロサイティングの重要性②マイクロサイティング(Micro-siting)⇒最終的な風力タービンのサイト選定⇒力学的な要素が支配的⇒風に対する地形効果(風の変化や風の乱れ)を考慮する必要あり⇒RIAM-COMPACT®(CFD技術)の利用

Local Speed-Up, Vortex Shedding, Reattachment …
This figure shows the airflow over 2-D escarpment.

乱流診断（数値風況診断）の紹介①
ー大型風車の例ー

WTG立地危険度調査(ウィンドリスクマネジメント：WF建設を避ける地点の選定)

WTGの大型化に伴い．．．
速度プロファイル，乱流強度の鉛直プロファイルを含む
3D表示の重要性．時系列データ解析の重要性．
非定常・非線形風況シミュレータ
RIAM-COMPACT®
Key Words•風の乱れ(地形起伏に起因した乱流)•非定常モデル(アニメーションによる視覚化)•最新の土地造成を反映した
10m以下の高解像度標高データ

WF風況診断WTG適地選定(マイクロサイティング)

既に稼動しているWFに対して，
風況シミュレーションを実施．

現状維持？ or 移動, 再配置,再建設(Re-powering)？, 稼動停止？

GISよるマクロサイティングを受けて，観測ポール位置の選定，WTG配置，年間発電量の評価．
＊観測データの精度が発電量に影響する！

WF風況診断の実例
ー風車立地点のウィンドリスク評価ー◆発電量の低下◆風車の故障国土地理院の50m標高データでは再現できない！
↓
2～5m解像度のデータが必要！
↓
紙地図に基づいた
地形データ構築

わずかな地形起伏に起因した風の乱れ(地形乱流)の影響

計算結果①
ローター直径96m

ローター直径52m

ハブ高さの変更

風車ハブ高さ44m

風車ハブ高さ96m「風況診断の実施」→「最適な風車位置および風車ハブ高さの決定」→「複雑地形における風車サイトの拡大」
1.5
u-1

風車を通る鉛直断面内の主流方向風速の分布

計算結果②
ローター直径96m

ローター直径52m

ハブ高さの変更

風車ハブ高さ44m

風車ハブ高さ96m「風況診断の実施」→「最適な風車位置および風車ハブ高さの決定」→「複雑地形における風車サイトの拡大」
1.5
u-1

風車位置での速度ベクトルの鉛直分布

計算結果③
乱流強度=標準偏差÷平均風速

計算結果
計算結果
流入条件

大きな
速度シアー
無し
122m

122m

96m

96m

70m

70m

44m

44m

18m

18m

52m

大きな
速度シアー
有り

平均風速

乱流強度
は小さい

52m

乱流強度が大きい

乱流強度

WTG位置における乱流諸量の鉛直プロファイル

世界最大高さの風車：ドイツ

138m

http://www.ostwind.de/

Enercon E-82 E2
出力2.3MWハブ高さ138 m
ローター直径82 m

連続的な風向変化を考慮したより現実的な風況シミュレーション法の確立

360°連続的に風向が変化！

地形
乱流の程度

イメージ図

乱れ大0°

90°

180°

270°

360°
風向0

計算ステップ数

NSTEP

最近の風車事故調査から．．．
①台風通過などに伴い，卓越風向ではない，つまり，発生頻度は少ない風向において，風車事故が多発している．
②RIAM-COMPACTによる360°連続風向気流解析により，風車に対して影響の大きい地形乱流が発生する風向を特定する．

鹿児島県野間ウィンドパークを例として③該当風向の詳細風況解析を実施し，ウィンドファームの日々の運転・制御に活用する！

レンズ風車の建設支援
ーRKB毎日放送の例ー

計算領域①
1億400万点の大規模計算を実施

計算領域②

1億400万点の大規模計算を実施

北西

計算結果：北西①

風車および観測マストの建設候補地！

主流方向速度成分の分布
高層マンションを迂回する
3kWのレンズ風車のハブ高さ(6m)の増速域が形成されている．
位置での風速分布図

1億400万点の大規模計算を実施

北西

計算結果：北西②
3kWレンズ風車(ハブ高さ6m)

高層マンションを迂回する増速域が形成されている．

3kWのレンズ風車のハブ高さ(6m)の位置での風速分布図

完成写真
6m

3kWレンズ風車

2013年6月5日撮影

風車ウエイク内の気流性状の把握に向けて

本研究の背景
ウインドファーム建設における風車配置問題●風車後流（ウエイク）の影響非一様な分布

平坦地が少ない日本で，大型風車を集中的に建設する場合，風車相互の干渉で各風車の出力が低下しないように風車間隔を決めることが重要．
現在，風車間隔を適切に評価できる風況予測モデル(ウエイクモデル)の開発が急務．

●風車の経験的な配置

D ： ロータ直径

10D
10

主風向

実際の配置とは大きく異なる！

3D
3平坦地の場合①

圧力のラプラシンアンによるTip Vortexの可視化，鳥瞰図平坦地の場合②1号機地点における風速の鉛直分布の時間履歴ロータ直径に基づいたレイノルズ数

k=110番目
k=110番目
k=135番目
k=135番目
k=160番目
k=160番目
k=185番目
k=185番目

ロータ直径
ロータ直径
D=50mの風車を想定．

複雑地形の場合①Re(=UrefD/ν)=2×104

風車ハブ高さの水平断面

基準風速

D=50m

風車設置点の標高境界層流(1/7べき乗則)

風車中心の鉛直断面

2.3u/Uref-0.8
主流方向速度成分＋圧力のラプラシアン

複雑地形の場合②2.3u/Uref-0.8
圧力のラプラシアン
風車中心の鉛直断面境界層流(1/7べき乗則)

ロータ直径に基づいたレイノルズ数

Re(=UrefD/ν)=2×104

主流方向速度成分

RIAM-COMPACT®に関する問い合わせ先
九州大学応用力学研究所
准教授 内田 孝紀
E-mail : takanori@riam.kyushu-u.ac.jp
Tel : 092-583-7776
FAX : 092-583-7779
http://www.riam.kyushu-u.ac.jp/windeng/
http://www.riam-compact.com/