研究内容
HOME | 研究内容 | 研究組織 | 海洋利用水中技術系 | 海洋エネルギー研究グループ

海洋エネルギー研究グループ

 


 

日本は周囲を海に囲まれた海洋国家であり、海の恵みを持続可能な範囲で有効利用することが将来の発展に不可欠です。
海洋エネルギー研究グループでは、海洋に賦存する再生可能エネルギーの利用実現に向け、浮体式波力発電に関する技術開発を行っています。また、波浪推算データや海流推算データ等を用いた設計条件の検討や海洋エネルギーの賦存量調査等を行っています。

 

 

メンバー 

(◎はグループ長)

 

藤原 敏文
谷口 友基
 

國分 健太郎
梅田 隼
 


  

主な研究課題  

 

1.浮体式波力発電施設の水槽試験

浮体式波力発電施設の開発は、通常、小規模試験から大規模試験、最終的には実海域試験という各段階を経て行われ、その過程で発電性能、構造安全性等の検証精度を高めて行きます。その中で、水槽試験はパラメトリックな条件設定が可能なことから、研究開発の中で重要な位置付けにあります。
海上技術安全研究所では、浮体式波力発電施設に関しても種々の水槽試験を実施していますが、ここでは安全性評価に着目した試験を紹介します。実海域での設置に向けては、最低限の安全性が確保される必要がありますので、その前段階の水槽試験としても安全性評価の視点は重要です。浮体式波力発電施設は、波エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構を持つため、発電施設に働く荷重は、入射する波の条件のみならず、発電機構の運転状態や係留状態により異なります。これらの荷重を正しく評価し、構造や係留が破壊しないような設計を実現するため、ここで紹介するような水槽試験が行われます。浮体式波力発電施設の1形態である可動物体型波力発電装置を例に、並進動揺型と屈曲動揺型の水槽試験について紹介します。
 
[並進動揺型]
図1に示す施設の基部となる動揺し難い浮力体(例えばスパー)と、水面近くに位置し、波に対して上下動しやすいフロートの相対運動を利用して発電機構を駆動させ発電します。フロートを広範囲の波に共振させることを可能とする機能(同調制御:例えば、負の復元力発生機構)も備えています。
以下の3つの発電機構の制御状態を想定し、規則波の中での応答(相対運動と係留張力)を比較しました。
・フロート自由:機構及びブレーキ機構が故障した状態を想定
・発電時制御 :同調制御を行い、発電を行っている状況を想定
・フロート固定:通常の停止状態(荒天時やメンテナンス時)を想定
 

 

図1 並進動揺型の模型概要

 

試験結果の例を図2に示します。図2の横軸は、規則波の波周期を示します。相対位置(Δz/ζ:波振幅に対する無次元量)はフロート自由状態に比べると同調制御により相対運動が大きくなっていることがわかります。係留張力(Fm/(ρg∇f+sζ/l):重量及び波振幅に対する無次元化量)は短周期の範囲では差が少ないですが、フロートの運動が大きい長周期では係留張力に発電機構の制御状態差が現れます。
発電機停止時(フロート自由、フロート固定)に比べて発電時の方が、係留張力変動が大きいことを設計時には留意すべきということがわかりました。
 

図2 規則波中の振幅(並進動揺型)

 
[屈曲動揺型]
複数の浮体をヒンジ接合し、波によるヒンジ部の回転運動で発電機構を駆動させ発電します。この試験では、発電機構をバネと減衰の力学的素子として模擬しています。また、浮体数は1から3浮体まで変化させています。
発電機構を模擬した力学的素子を5つの状態(自由、ダンパーA、ダンパーB、バネ、固定)に変化させ、規則的な波の中での荷重を比較しました。
・自由:ヒンジ部が故障した状態を想定
・ダンパー
   :発電を行っている状態を想定。強さが異なる2種類を用意
・バネ:ヒンジ部が故障により半固着状態となっている状態を想定
・固定:ヒンジ部が故障により動かない状態を想定
 ※臨界減衰係数をNcとし、ダンパーA(0.3Nc)、ダンパーB(Nc)の2種類を試行
 

図3 屈曲動揺型の模型概要

 
 

図4より前接合部の前後荷重の振幅量は、「自由>ダンパーA(0.3Nc)>バネ>ダンパーB(Nc)>固定」となり、自由で最大値をとることがわかります。このことから、接合部では、故障等の異常状態を想定した自由状態での荷重を適切に評価する必要があることがわかりました。
 

 

図4 規則波中の振幅(屈曲動揺型)

謝辞
本研究は、平成26年度国土交通省海事局受託研究「波力等海洋エネルギー発電施設の安全対策のための調査研究」の一部として実施いたしました。関係各位に感謝申し上げます。
 


 

 

2.洋上再生可能エネルギー評価への気海象データベースの活用
 
洋上に存在する風力、波力、海流・潮流、海洋温度差等の洋上再生可能エネルギーの利活用の実現に向けた研究開発が各方面で積極的に展開されています。
海上技術安全研究所では、洋上再生可能エネルギーに係る研究開発支援を目的に、気象・海象データベース(主に、波浪、海上風、海流)を用いて洋上再生可能エネルギーのポテンシャル評価、発電デバイス設計時に参考となる極値海象条件、海象の発現頻度表の構築等に取り組んでいます。ここでは、ポテンシャル評価と設計用の極値海象条件に関する研究をご紹介します。
 
[洋上再生可能エネルギーのポテンシャル評価]
海上技術安全研究所は、船舶の安全な航行を支援する目的で、過去の気象・海象データ(海上風、波浪)を収集、独自に統計処理を行い日本近海の波と風データベースとして発信して参りました 1)。このデータを拡充し、データ収集期間を20年間とし(1994-2014)、新たに海流データも加えて統計処理を行うことで、日本の沿岸域における洋上風力、波エネルギーのポテンシャル評価を行っています(図1)。
図1で紹介したエネルギーポテンシャルは、海域毎にポテンシャルの多寡を評価することはできますが、エネルギーポテンシャルの高い海域でも実際には全てのエネルギーを回収することは出来ません。そこで、発電デバイスの出力特性や稼働条件を仮定することで、理想的にはどの程度の設備利用率(以下、理論設備利用率)2)-4)が得られるか評価を行いました(図2)。また、日本沿岸の気海象条件は、季節毎に変化するので、月毎に理論設備利用率を算出し、海域毎にどの程度の変動量が見込まれるかも評価をしています。
 

図1 風力と波力エネルギーポテンシャルマップ(左:風力、右:波力)

 

図2 理論設備利用率マップ(左:風力、右:波力、下:海流

 

図3 房総半島沖での理論設備利用率の月別変化

 

[発電デバイス設計用の極値海象条件]
洋上再生可能エネルギーを利用する発電デバイスは、特定の海域で設置・運用されるため、発電デバイスの安全性評価に用いる気海象条件は、設置場所毎に設定されるべきものです。ところが、発電デバイスの開発段階では設置場所の選定に至っていない場合もあります。この様な場合にも、例えば製品としての型式認証等のため安全性照査等を受ける必要があり、何らかの形で設計用の気海象条件を設定する必要があります。
海上技術安全研究所では、この様な目的に対して、日本沿岸域を代表し且つ十分に安全側の検討が行える気海象条件を設定するための参考情報として、極値海象条件の検討 5)を進めています(図4)。
 

図4 30km外周ライン上での有義波高の50年再現期待値と平均値の分布
(上:太平洋側、下:日本海側)

 
 
[参考文献]
1)辻本勝, 石田茂資:日本近海の波と風の統計的性質, 日本船舶海洋工学会論文集, 2, 2005, pp.19-27.
2)谷口友基, 石田茂資, 井上俊司, 高田篤志:海洋エネルギーポテンシャルの新しい評価法, 24回海洋工学シンポジウム, 2014.
3)Taniguchi T., Ishida S., Inoue S. and Takada A., "EVALUATIONS OF OCEAN RENEWABLE ENERGY POTENTIAL BY THE THEORETICAL CAPACITY FACTOR AROUND JAPAN", Grand RENEWABLE ENERGY 2014.
4)谷口友基, 石田茂資, 藤原敏文, 井上俊司:”20年間の気海象データによる海洋再生可能エネルギーポテンシャルの評価”, 日本船舶海洋工学会講演会論文集, 19, 2014.
5)谷口友基, 石田茂資, 藤原敏文, 井上俊司:”海洋再生可能エネルギー発電装置の安全性・性能評価に用いる標準海象の検討”, 日本船舶海洋工学会講演会論文集, 19, 2014.