第45回 風力エネルギー利用シンポジウム, 2023年11月30日（木）, 16:35 〜 16:50 (15分)

風車ウェイク研究会の最終報告
うちだたかのり内田 孝紀
応用力学研究所/再生可能流体エネルギー研究センター
兼務 ： 洋上風力研究教育センター/マルチスケール洋上風況研究部門長

1

風車ウエイク研究会： 2021.4～2023.3
主査 ： 内田 孝紀 (九州大学応用力学研究所)
体 制 な ど活動内容(2か月に1度をめどに開催) :■海外の動向調査■国内の情報共有 / 情報発信

委員登録数：30名以上
途中登録◆一般財団法人 日本気象協会◆株式会社 構造計画研究所

2これまでの活動内容◆ 2021/06/01：キックオフミーティング，Zoom，35名参加◆ 2021/08/20：第2回会議，Zoom，29名参加
・銭 国偉 先生(東京大学)
・ジェイ プラカス ゴイト 先生(近畿大学)◆ 2021/10/27：第3回会議，Zoom，26名参加
・鎌田 泰成 先生（三重大学）
・川島 泰史 氏（九州電力グループ 西日本技術開発株式会社）◆ 2022/03/25：第4回会議，Zoom，27名参加
・本田 明弘 先生（弘前大学）
・中尾 圭佑 氏（電力中央研究所）◆ 2022/06/15：第5回会議，Zoom，26名参加
・内田 孝紀 先生（九州大学）
・澁谷 光一郎 氏（日立造船株式会社）◆ 2022/08/26：第6回会議，Zoom，21名参加
・村上 礼雄 氏（東京ガス株式会社）・深谷 侑輝 氏（東芝エネルギーシステムズ株式会社）◆ 2022/12/22：第7回会議(最終)，Zoom
・内田 孝紀 先生（九州大学）
・髙桑 晋 氏（ジャパン・リニューアブル・エナジー株式会社）

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風車後流モデルの開発とヨー制御を利用した風力発電所出力の最大化
東京大学 銭 国偉

 多重ウェイクモデルの開発と検証

 ウェイクステアリング制御の提案

大規模風力発電所に適用できる多重ウェイク下の乱流強度の予測モデルを開発し、数値流体解析と観測データにより、提案したモデルが高い予測精度を有することを示した。

勾配法を用いたウィンドファームの発電量を最大化するアルゴリズムを開発し、風速・風向の分解能がウェイクステアリング制御の予測精度に与える影響を評価した。発電量の最大化と風車の安全基準を同時に満足できる最適ヨーオフセット範囲（±15°）を示した。

4大型洋上ウィンドファームの数値流体シミュレーション
沿岸地形及び風車配置の影響 近畿大学 Jay Prakash Goit
 ラージエディシミュレーション(LES)を用いて大気境界層の陸から海への遷移が沿岸近傍の洋上ウィンドファームの総発電量へ及ぼす影響の評価
 陸の影響を考慮した場合，総発電出力量が約10%高い

 ウィンドファーム内の風車配置が総発電量へ及ぼす影響について解析 3つのウィンドファーム配置を定義…整列1つとスタッガード2つ
 全ケースでウィンドファーム面積を固定

陸から海への遷移を考慮

洋上のみ
ウィンドファーム内における瞬間風速場

総発電出力量はスタッガード配置の場合，整列配置と比べて約30 % 高い

整列スタッガード

発電出力量5

三重大学での風車後流研究 乱れを考慮した後流の風洞実験
三重大学 前田 太佳夫 / 鎌田 泰成
流入風乱流強度を変化させた場合の風車後流，風車出力を実験的に調べた．

TI=1.5[%]●乱流強度の増加にしたがい，風車後流と自由流れとの混合が促進され，風車後流の風速は早く回復する．
●乱流強度の増加にしたがい，後流内で運転される風車の出力は回復する.
UN 0x/D=5x/D=7x/D=10

乱流格子を備えた風洞

後流内風速分布に対する流入風乱流強度の影響

1TI=11.8[%]

10‐1‐2D

Lateral Coordinate y/D

2x/D=3

TI=1.5[%]
TI=8.3[%]
TI=11.8[%]
00.5

123

Longitudinal Coordinate x/D

風速分布

57x/D=3x/D=5x/D=7x/D=1010

風車出力比

6ドップラーソーダを用いた風車ウェイク計測 西日本技術開発株式会社 川島 泰史

計測位置

図1 ウエイク計測位置

図3 風速鉛直プロファイル

図2 小型ドップラーソーダ(KPA-300)の設置状況

図4 風向鉛直プロファイル

7

実風車後流の可視化の試み 弘前大学 本田 明弘
可視化（ｽﾓｰｸﾜｲﾔ）

対象：風洞模型風車
D=0.442m

対象：5ｋW風車
D=5.5m

PIV処理（軸流速）対象：20ｋW風車
D=15.6m

可視化
（降雪）

可視化
（降雪）

8

数値気象モデルWRFを用いた風車ウェイク計算 電力中央研究所 中尾 圭佑
1. WRFへのウェイクモデルの導入

2. ウィンドファームと内部境界層の影響○検証計算により正常な機能を確認した。

○地表面温度の非一様性下にあるウィンドファームにおいて、風車が受ける気流がどのように変化するかを数値再現。
○ウェイク、環境風いずれもに大気安定度の影響が現れることを検証した。

○まとめ
日本の洋上風力に多く見られる離岸距離の短さに対応するウィンドファームの風速特性を把握するため、非一様な熱成層条件におけるウィンドファーム、ウェイク計算を実施。熱対流の影響する高さ（内部境界層高さ）の推定を試みる研究成果について報告を行った。（Nakao and Hattori, 2022, Wind Energy）

9ドローンによる風車ウェイク領域内の気流計測の試み 九州大学 内田 孝紀'-,0 DYLF0 LQL※計測センサーの塊！

大型風洞設備＋風車模型

大型風洞設備を用いた気流計測センサーとしてのドローン校正手法の確立↓
風洞実験スケール風車模型・実機スケール
大型風車のウエイク計測への試み

10秋田県雄物川風力発電所における実機風車のウェイク測定と風向変動の影響
日立造船 澁谷 光一郎
3D

3D

風向変動なし鉛直ライダーZX300を用いて風車のウェイクを観測．
風車のパワー係数 (Cp) およびスラスト係数(Ct) が大きい6.0～10.0 m/sにおいて，大きな風速欠損を確認した．
風向の標準偏差10°をしきい値としてSCADAデータを分割し，k=0.05としたPark modelの予測値と比較．
風向変動によって速度欠損が大きく異なることを確認した．

風向変動あり風向変動によるウェイク拡散のイメージ

11東京ガス株式会社における風況評価技術開発の取り組み 東京ガス 村上 礼雄
洋上風力発電の風車ウエイク現象を高精度に再現・マネージメントし、設備利用率向上と故障率低減を図ることを目的に、九州大学、ジャパン・リニューアブル・エナジー（株）、東京ガス（株）の3者で国立研究開発法人科学技術振興機構の支援を受けた共同研究※を開始※JST 研究成果展開事業研究成果最適展開支援プログラムA-STEP産学共同JPMJTR211CおよびJPMJTR221C の支援を受け実施しているものです

当社では、風況（風速、風向、乱流強度等）や風車情報（回転数、ピッチ角、トルク等）のビックデータに機械学習を適用させることで、ウエイクを高精度に予測するモデルの開発に挑戦
機械学習適用のモチベーション
モデルパラメータや現象をデータから発見できないか
風況や風車情報を入力すれば、最適なパラメータが選択され、誰でも簡単に精度良く解析できるようにしたい

風洞試験、実機計測、CFD解析の多面的な評価と高精度なウエイクモデル開発を産学連携で実施

既存モデルとの精度の検証結果（洋上型単基風車）
JensenPark modelよりも高い精度で風車ウエイクを予測

ウエイク干渉を考慮した大規模洋上発電所の解析例

プロジェクトの最終目標：
発電量を精緻に予測するツールの社会実装

12

実サイトにおける風車後流の影響評価 東芝ESS 深谷 侑輝• 沿岸部の風力サイトにおいて、複数の鉛直LiDARで流入風とウェイクを同時観測
ウエイク
風向332deg

2号機風車

x=3D

VL1

x=5D120m

Hhub=78m, D=86m

VL21

VL22

3D（260m）

VL2
5D（430m）

VL3N

 観測データは工学モデルと比較して、ウエイクを過小に評価「地理院地図データ」 (国土地理院 : https://maps.gsi.go.jp)をもとに作成

13スパコンを用いた風車ウエイクシミュレーション 九州大学 内田 孝紀

瞬間場Alpha Ventus Offshore
Wind Farm (Germany)

7号機風車のハブ高さ(91.5m)におけるスカラー平均風速の比較

14鉛直ライダーと SCADA データによるウエイク分析
ジャパン・リニューアブル・エナジー 髙桑 晋

1号機がウエイク領域に入る
2号機がウエイク領域に入る

約4D

16方位毎の平均風速・発電量の比較（1年間実績値）
12

8

2号機がウエイク領域に入る（風速低下率18.2％）

1号機がウエイク領域に入る（風速低下率9.8％）64022.5

4567.590 112.5 135 157.5 180 202.5 225 247.5 270 292.5 315 337.5

2500
1号機
WT
No.1
2号機
WT No.2

2000
1500

２号機がウエイク領域に入る（発電量低下率37.6％※2）

１号機がウエイク領域に入る（発電量低下率16.1％※1）

1000
500
00

1号機

WT
No.1
1号機
2号機
WT
No.2

10Wind direction [°]Average output [kWh]2号機

Average wind speed [m/s]

海側

22.5

4567.590 112.5 135 157.5 180 202.5 225 247.5 270 292.5 315 337.5
Wind direction [°]陸側

風速低下割合からの理論上（発電量∝風速3乗）発電量低下率※1 26.7％
15※2 45.2％

風車ウエイク研究会： 2021.4～2023.3
IEA Wind TCP Task44 との連携

ウィンドファームの流れ場制御研究会： 2023.4～2025.3

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活動内容(2か月に1度をめどに開催) : ■海外の動向調査■国内の情報共有 / 情報発信17

体 制18