計測自動制御学会東北支部 第 281 回研究集会(2013.6.21)
資料番号 281-2

青森県における洋上風力発電の可能性に関する調査
Investigation on Possibility of Offshore Wind Farm in Aomori Prefecture○横浜 和也*, 小玉 成人*○YOKOHAMA Kazuya*, KODAMA Naruhito**八戸工業大学*Hachinohe Institute of Technology
キーワード：

洋上風力発電(Offshore wind farm) ,風況精査(Wind field assessment)

連絡先：〒031-8501 八戸市妙字大開 88-1 八戸工業大学 工学部 システム情報工学科
小玉成人, Tel.: (0178)25-8099, Fax.: (0178)25-1691, E-mail: naru@hi-tech.ac.jp

1. まえがき題も少ない洋上風力発電が注目を集めている。青エネルギー資源量や環境破壊などの問題のため、

森県においても、むつ小川原港洋上風力開発株式

近年自然エネルギーに対する関心が高まり、世界会社が六ケ所村のむつ小川原港沿岸において洋上各国で開発や導入が進められている。特に風力エ風力発電所建設を目指しており、むつ小川原港のネルギーは、他の自然エネルギーと比較して発電南側に風況精査のための風況観測ポールを建設しコストが相対的に低いこと、比較的発電容量が大た。そこで、本研究では青森県における洋上風力きいことなどのため実用化が進んでいる。しかし発電の可能性を検討するため、ここで測定されたながら、風力発電の出力は風速の 3 乗に比例する

風況データを用いて風況精査を開始したのでそのため、風況が良好な地点に建設することが重要で中間結果を報告する。

あるが、陸上での風力発電では、風況の良好な建2. 風況精査設候補地が減少してきている。また、これによって市街地や希少な自然環境に近い場所に計画・建風況精査とは、候補地点の風力発電導入の可能設されることもあり、地元住民や自然保護団体な性、並びに導入規模の評価を行うため、観測したどとの間に問題も起こっている。そこで、安定しデータをもとに、解析項目として表 1 に示す風況た強い風を得ることができ、民家等との距離も確に関するものとエネルギーに関するものについて保できるため騒音やシャドーフリッカーなどの問解析するものである。解析項目の中でも、風況特1

性の「平均風速」と風力エネルギーの「風車の設3. 風況観測ポールの設置備利用率」は風力開発の可否を判断する項目であ

3.1 風況観測地点

り、最も重要となる。これらの基準は、平均風速

洋上風力発電所建設予定地には、図 1 に示すよが地上高 30m で 6.0m/s 以上、設備利用率が 20%以

うに青森県六ケ所村むつ小川原港南東の地点を予1）上であることが望ましいといわれている 。ただ定している。そのため、風況観測地点には、むつし、洋上風力発電の場合には送電のための海底ケ小川原港の南側の地点を選択した。本来は洋上風ーブルや基礎工事などに費用がかかるため、設備力発電所建設予定地に風況観測ポールを建設する利用率は 30%以上必要と考えられている。なお、ことが望ましいが、コスト等の問題により隣接す

このとき利用するデータは、40m または 50m のポる海岸に風況観測ポールを建設している。なお、ールを建設し、地上高 10m 毎に風速計および風向海上では風の乱れがほとんど発生しないためこの計を設置して計測する。観測項目は、主に以下の地点で測定した風況データで推定できるものと思3 点であり、センサーのサンプリング時間は 1～3われる。この地点は NEDO の風況マップ 4)による秒以下、観測期間は最低 1 年間とすることとなっと、年間平均風速が地上高 30m で 6.3m/s、地上高ている 2,3）。

70m において 7.4m/s であり、上述の事業を検討す

・10 分平均の平均風速・風向る目安といわれている地上高30mで6.0m/sを超え・月および年間の最大瞬間風速ている。また、漁業区域や航路、自衛隊の演習地・10 分間風速の標準偏差（天ヶ森射爆撃場）からも外れており、近くに民計測されたデータは、欠測や異常値の有無によ家等も無いため騒音やシャドーフリッカーなどのって修正し、10 分間データから 1 時間データへ変影響も無いと思われる。しかしながら、卓越風の換する前処理を行う。

吹く西側には高さ 20～30m の林があり、これによる影響が懸念されるため、風況精査により確認す

表１ 解析項目
解析項目
観測期間中の気象概況
平均風速
風速の時間変動
風向別平均風速風況特性

年間の風向出現率
風速の出現率
風向別風速出現率
ワイブルパラメータ
鉛直分布
乱れ強度
最大風速・最大瞬間風速

風力
エネ
ル
ギー

風力エネルギー密度
風力エネルギー取得量
風車の設備利用率
稼働率

る必要がある。

目的
期間中の気象状況が特異かどうか評価
風力開発の可否を概略的に評価
風車の運転計画を検討
風力エネルギーの主風向を把握
風の卓越方向を把握
風速の出現特性を評価
風力エネルギーの風向別の出現特性を評価
風況特性を把握ある高度の風速を推定する
ため、鉛直分布を把握
風速の瞬時特性を把握

3.2 風況観測ポールの概要

風車の耐風速を評価て基部に接地されている。さらに、風況観測ポー

風力エネルギーの潜在量を評価取得できる風力エネルギー量を評価
風力開発の可否の判断
風車の稼働状況を判断

ルおよび支線ワイヤ全体はフェンスで囲み、地域上述の風況精査を行うために設置する風況観測ポールの概要を図 2 に示す。図に示すように、風況観測ポールは、高さ 50m で、地上高 30、40、50mに風速計、風向計を取り付けている。
風速計、風向計には、近年レーザーや超音波を用いた観測機も開発されているが、風況観測に利用されている実績が少ないため、一般的に利用されているカップ式風速計と矢羽根式風向計を用いた。
また、ポールの設置には避雷針の取り付けが義務付けられており、塩ビパイプ等の絶縁物を通っ住民等へ危険が及ばないようにしている。

2

むつ小川原港

風況観測ポール設置地点（六ヶ所村むつ小川原港南）洋上風力発電所建設予定地

図 1 建設地点
3.3 風況観測ポールの設置

避雷針

風況観測ポールの設置は、平成 25 年 4 月 15 日

ー 50m
矢羽根式風向計（月）～4 月 17 日（水）に行われた。初日は、資カップ式風速計材の運搬と風況ポールの組み立て、二日目は組みー 40m

立てた風況ポールとデータロガーの設置、三日目に安全柵の設置等を行った。風況ポール建設中の写真を図 3 に、設置後のポールおよび風況データ

ー 30mを記録するデータロガーの写真を図 4,5 に示す。
ポールは、図 3 のように組み上げられたポールをウィンチで引き上げて設置している。また、図 5のデータロガーには、米 NRG 社の Symphonie
PLUS3 を利用している。このデータロガーは、15チャンネルの入力を備えており、パスワードによるアクセス制限も行うことができる 5)。今回の計測ではこのデータロガーを用いて、風速 3 チャンネル、風向 3 チャンネルの計測を 365 日 24 時間行

データロガーい、付属の SD カードに風況データを保存する。

接地

図 2 風況観測ポール

34. 観測結果
4.1 観測データとその前処理
観測期間は、4 月 16 日 14:40～5 月 7 日 9:50 であり、データ数は 2,996 点である。観測されたデータは、10 分平均の風速・風向データとして保存されており、これを 1 時間平均の風速・風向データへ変換する。風速は（1）式を利用して計算している。
𝑉ℎ𝑜𝑢𝑟 = (𝑉1 + 𝑉2 + ⋯ + 𝑉𝑛 )⁄𝑁
図 3 風況観測ポールの建柱・・・（1）

ここで、𝑉ℎ𝑜𝑢𝑟 ：1 時間平均風速
𝑉1 , 𝑉2 ⋯,𝑉𝑛 ：各 10 分平均風速
𝑁：1 時間のデータ数
また、風向は（2）（3）, 式を用いて𝑋ℎ𝑜𝑢𝑟 と𝑌ℎ𝑜𝑢𝑟 を計算し、これらの合成ベクトルを算出して、その方角を 1 時間平均風向としている。
𝑋ℎ𝑜𝑢𝑟 = (𝑋1 + 𝑋2 + ⋯ + 𝑋𝑛 )⁄𝑁 ・・・（2）
𝑌ℎ𝑜𝑢𝑟 = (𝑌1 + 𝑌2 + ⋯ + 𝑌𝑛 )⁄𝑁・・・（3）

ここで、𝑋ℎ𝑜𝑢𝑟 ：1 時間平均風向の x 成分
𝑌ℎ𝑜𝑢𝑟 ：1 時間平均風向の y 成分
𝑋1 , 𝑋2 ⋯,𝑋𝑛 ：各 10 分平均風向
𝑌1 , 𝑌2 ⋯,𝑌𝑛 ：各 10 分平均風向
𝑁：1 時間のデータ数
変換後の 1 時間平均データのデータ点数は 500点である。
4.2 観測された風況データ
建設された風況観測ポールを用いて測定した結果を表 2、図 6 に示す。表 2 は各月および期間中の全データの平均風速、図 6 は方角ごとの風向の図 4 建設した風況観測ポール出現率を示した風配図である。表 2 より、4 月から 5 月と低下傾向にあることが分かる。これは、一般的に風速は夏季に最も低くなるためと思われ、アメダスの六ヶ所測候所のデータからも示されている。また、地表との摩擦があるため、5.2 節で述べる風速の鉛直分布の影響によって、地上高が高いほど風速は高くなっている。つぎに、風向については図 6 に示されているように、西北西および西の風向が最も多いことが分かる。図 6（c）から卓越風は、陸地から吹く西北西および東南東の図 5 データロガー風であり、西北西の風が全体の 26.0%、東南東の4風が全体の 9.4%を締めている。また、風軸（卓越5. 設備利用率等の算出

風の方角を中心とした 6 方位）の出現率が 72.0%

5.1 模擬風車の仕様となり、安定した風が吹いていることから風力発観測されたデータを基に稼働率や設備利用率な電に適していることが分かる。

どを求めるため、NEDO の風力発電フィールドテスト事業(高所風況精査)マニュアルなどに示されて

表 2 観測された風況データ（風速）
地上高50m
40m
30m

4月
6.60
6.15
5.66

平均風速（m/s）
5月
6.38
5.95
5.51

いる表 3 および図 7 の模擬風車を想定した。表 3および図 7 に示すように、近年利用されるように全データ6.546.095.61なってきた 3MW 規模の風車および導入が検討されている 7MW 規模の風車も検討対象とした。
表 3 模擬風車の仕様（a）4 月の風向

1MW
風車

1.5MW
風車

2MW
風車

3MW
風車

7MW
風車

発電出力
（kW）

1,000

1,500

2,000

3,000

7,000

ハブ高さ
（m）

60

60

65

105

105

カットイン
風速（m/s）

3.0

3.5

4.0

4.0

4.0

カットアウト
風速（m/s）

24.0

25.0

25.0

25.0

25.0

（b）5 月の風向

図 7 模擬風車の出力曲線
5.2 風速の鉛直分布と推定
地表付近の風速は、図 8 に示されるように建物や森林などの地表との摩擦等に左右され、高度が（c）全データの風向（4，5 月）上がるほど風速が高くなる。この風速の高度分布

図 6 観測された風況データ（風向）については、経験的に（4）式が成り立つことが知5られている。なお、（4）式におけるべき指数（n表 4 主な地表租度値）は表 4 のようになると言われている。

地表状態

n1/n

海岸地方

7 ～100.10～0.14

草原

7 ～100.10～0.14

𝑉1 ：地上高𝑧1における風速

田園

4～60.17～0.25

𝑛：指数法則のべき指数（n 値）

市街地

2～40.25～0.50

𝑉 = 𝑉1 (𝑧⁄𝑧1)1⁄𝑛・・・（4）

ここで、𝑉：地上高𝑧における風速

表 3 に示すように、想定している風車のハブ高さは観測地点の高さと異なるため、ハブ高さでの表 5 観測地点での n 値風速を推定する。
（4）式と実測データを用いて n方角n値値を最小二乗法により算出した結果を表 5 に示す。

西北西2.657

なお、観測データが少ないため、卓越風（西北西東南東

14.474と東南東）の風向においてのみ n 値を算出してい平均8.565

る。この結果から、西北西は風上が図 9 に示すような林のため、2.657 と n 値が小さくなり、鉛直方向の差が大きくなっていることが分かる。このことから最も出現率が大きい西北西～西の風が高さによる影響を大きく受けることになり、建設する風車のハブ高さは高い方が有利と思われる。また、高度による風速の差が大きい場合にはブレードにかかる力が一定とならないため寿命を早める可能性があり、この影響を検討する必要がある。
東南東は図 10 に示すように風上が砂浜および海図 9 陸側の地形（西側）のため n 値は 14.474 となってかなり大きく、高度による差がほとんど見られないことが示された。
以上の結果を基に算出した n 値の平均値を用いて模擬風車のハブ高さでの風速を推定した結果を表6 に示す。

自由大気
約1,000m

風速の鉛直分布

図 10 海側の地形（東側）

上部摩擦層
大気境界層

表 6 ハブ高さでの風速の推定約100m
地表境界層底層

図 8 風速の鉛直分布

6地上高（m）

平均風速（m/s）

備考

105

7.133,000、7,000kW 風車対応推定値

656.742,000kW 風車対応推定値

606.681,000、1,500kW 風車対応推定値

506.54元データ

2. おわりに

5.3 稼働率
推定した風速と模擬風車のパラメータより、稼青森県における洋上風力発電の可能性を検証す働率を計算した結果を表 7 に示す。NEDO の風況精るため、青森県六ケ所村のむつ小川原港の南に建査マニュアルによると 45%以上が望ましいと言わ設された風況観測ポールを用いて風況観測を開始れており、いずれの風車においても大きく上回っし、現在までに測定されたデータ（4～5 月）を解ていることが分かる。なお、稼働率はカットイン

析した。解析結果から、風向は風軸上の風が 72.0%

風速の影響を大きく受けるため、1,000kW 風車がと非常に安定しており、設備利用率も 2,000kW で最も高くなっている。

30.4%、3,000kW で 30.0%、7,000kW で 34.9%と基準とされる値を超えたため洋上風力発電導入の可表 7 稼働率能性があると思われる。今後は、1 年間の詳細な

1,000kW 風車

1,500kW 風車

2,000kW 風車
3,000kW 風車
7,000kW 風車

87.0

82.876.6

稼働率（%）

風況観測を行い、さらに詳細な洋上風力発電所建設の可能性を調査する。
最後に、風況データを提供して下さったむつ小川原港洋上風力開発株式会社のご支援に深く感謝の意を表します。特に、むつ小川原港洋上風力開5.4 エネルギー取得量と設備利用率

発株式会社 附田匡善氏には本稿を纏めるにあた

推定した風速と模擬風車の出力曲線より、エネり、様々な情報を提供して頂きました。ここに感ルギー取得量と設備利用率を計算した結果を表 8

謝致します。に示す。内閣府のコスト等検証委員会によると、陸上風力発電の設備利用率は 20%、洋上風力発電

参考文献の設備利用率は 30%とされている。表 8 の結果と(1) NEDO，「風力発電導入ガイドブック（2008

比較してみると、2,000kW 規模以上の風車ではこ年 2 月改訂第 9 版）」
，2008の値を超えているため、洋上風力発電の可能性が(2) NEDO，「風況精査マニュアル（概要版）」，1997示された。特に、7,000kW は 34.9%と高い設備利用(3) NEDO，「風力発電フィールドテスト事業(高率を示しており、発電容量が大きい風車が適当と所風況精査)」
，2008

思われる。

(4) NEDO 局所風況マップ
http://app8.infoc.nedo.go.jp/nedo/index.html

表 8 エネルギー取得量と設備利用率
エネルギー取得量（kwh）

設備利用率（%）

1MW
風車

132,605

26.5

1.5MW
風車

218,915

29.2

2MW
風車

304,440

30.4

3MW
風車

450,563

30.0

7MW
風車

1220,926

34.9(5) NRG 社，「NRG SymphoniePLUS3 Data Logger
Manual - Rev. 5.0」
，2012(6) 松坂知行，鈴木和夫，土谷安吉，石岡省蔵，「八戸港湾における沿岸と洋上の風況観測」，
第 27 回風力エネルギー利用シンポジウム，
2005(7) 松坂知行，「八戸港湾における陸上と洋上の風況の同時観測」，八戸工業大学異分野融合科学研究所紀要 4，83-87，2006(8) 松坂知行，星文伸，「青森県・八戸港湾における風力エネルギー賦存量の推定に関する研究」，八戸工業大学異分野融合科学研究所紀要
7

3， 41-48，2005(9) 小玉成人，「階上岳における風力開発フィールドテスト事業（風況精査）」， 20028