KODAMA Naruhito

YOKOHAMA Kazuya

小玉 成人

横浜 和也

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KODAMA, Naruhito

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小玉, 成人

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コダマ, ナルヒト

YOKOHAMA, Kazuya

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横浜, 和也

ヨコハマ, カズヤ

Hachinohe Institute of Technology Repository / 八戸工業大学学術リポジトリ

鉛直方向の変化に対する風速推定方法の検討著者 小玉 成人, 横浜 和也著者別名 KODAMA Naruhito, YOKOHAMA Kazuya雑誌名 八戸工業大学エネルギー環境システム研究所紀要巻 12ページ 15-20発行年 2014-03-28URL http://id.nii.ac.jp/1078/00003507/Creative Commons : 表示 - 非営利 - 改変禁止http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.ja— 15 —要　　約　風力発電所を建設するには、風況精査を行い事業の可能性があるか調査を行うが、近年の大規模なウィンドファームは比較的導入コストが高く、厳密な発電量を予測することは重要である。この発電量の算出には風車高さでの風速の推定が必要であるが、風速は地表との摩擦により、地上高によって変化することが経験的に知られており、観測点の地形によっては大きな誤差を生じ、風力発電事業に影響を与えてしまう可能性がある。そこで、本研究では従来の方法と風向ごとの鉛直方向の変化を考慮した方法を比較し、その影響について考察する。キーワード：風力発電、風況精査、風速推定ABSTRACT　　The entrepreneur investigates whether the wind field assessment is executed when the wind plant is constructed and there is a possibility of the business. In this wind field assessment, it is necessary to presume the wind speed by the height of the pinwheel for the calculation of the amount of power generation. However, the wind speed changes by the ground amount by friction with surface of the earth. A big error margin is caused according to the geographical features of the observation point, and there is a possibility of influencing the wind power generation business. Then, earlier methods are compared in this research with the method of considering the change in a perpendicular direction of each wind direction, and the influence is considered.Keywords : wind power generation, wind field assessment, wind speed presumption鉛直方向の変化に対する風速推定方法の検討小玉成人 *・横浜和也 **Examination of Presumption Method of Wind Speed to Change in Perpendicular DirectionNaruhito Kodama* and Kazuya YoKohama**平成 26 年 2 月 20 日受理 * システム情報工学科・准教授 ** システム情報工学科・学部生— 16 —八戸工業大学エネルギー環境システム研究所紀要　第 12 巻1???　エネルギー資源量や環境破壊などの問題のため、近年自然エネルギーに対する関心が高まり、世界各国で開発や導入が進められている。特に風力エネルギーは、他の自然エネルギーと比較して発電コストが相対的に低いこと、比較的発電容量が大きいことなどのため実用化が進んでいる。風力発電所を建設するには、風況精査を行い、事業の可能性があるか調査を行うが、近年の大規模なウィンドファームは比較的導入コストが高く、詳細な事業計画を作成する上でも、厳密な発電量を予測することは重要である。この発電量の算出には風車高さでの風速の推定が必要であるが、風速は地表との摩擦により、地上高によって変化することが経験的に知られており、指数関数を用いる方法と対数関数を用いる方法がある１）。一般的には地表租度 n 値と呼ばれる値を利用した指数関数を用いる方法が使われているが、観測点の地形によっては大きな誤差を生じ、風力発電事業に影響を与えてしまう可能性がある。そこで、本研究では指数関数を用いた風速の推定方法として、従来の n 値を一定として計算する方法と、風向ごとに異なる n 値を用いる方法を比較し、その影響について検討する。2????????2.1???????　風況精査とは、候補地点の風力発電導入の可能性、並びに導入規模の評価を行うため、観測したデータをもとに、風況とエネルギーに関する項目について解析するものである。解析項目の中でも、風の強さを示す「平均風速」と模擬した風車でどの程度発電できるかを表す「設備利用率」は風力開発の可否を判断する最も重要な項目となっている。これらの基準は、平均風速が地上高 30mで 6.0m/s 以上、設備利用率が地上では 20% 以上２）、洋上では 30% 以上であることが望ましいといわれている。なお、このとき利用するデータは、40m または 50m のポールを建設し、地上高 10m 毎に風速計および風向計を設置して計測する。観測項目は、主に以下の 3 点であり、センサーのサンプリング時間は 1 ～ 3 秒以下、観測期間は最低 1 年間とすることとなっている３, ４）。　・10 分平均の平均風速・風向　・月および年間の最大瞬間風速　・10 分間風速の標準偏差　計測されたデータは、欠測や異常値の有無によって修正し、10 分間データから 1 時間データへ変換する前処理を行う。2.2???????????????????　風況の観測地点は、図 1 に示す青森県六ケ所村むつ小川原港の北側の尾駮地先および南側の新納屋地先の 2 点である。両地点共に東側は海に面しているため、地上高による変化は少ないと思われるが、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。　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て基部に接地されている。さらに、風況観測ポールおよび支線ワイヤ全体はフェンスで囲み、地域住民等へ危険が及ばないようにしている。3????????　つぎに、得られた風況データについて述べる。図 1　風況観測ポール設置場所— 17 —鉛直方向の変化に対する風速推定方法の検討（小玉・横浜）3.1?????　それぞれの地点での各地上高における月別の平均風速を表 1 に示す。表 1 から両地点共に 6 ～ 8 月の風速が低く、10 ～ 12 月の風速が高くなっていることが分かる。なお、NEDO の風況マップ５）（年平均風速 7.4m/s（地上高 70m））および国土交通省の全国港湾風況マップ６）（年平均風速 7.1m/s（地上高 50m））の年間平均風速は高いため、未測定の 1 ～ 3 月の風は強くなるものと思われる。3.2?????　新納屋地先、尾駮地先の期間全体における風配図を図3、図 4 に示す。図 3 の（a）期間全体の風配図より、新納屋地先の最多風向は西（出現率 14.2%）であり、次いで西北西（13.5%）、東南東（8.8%）、南東（8.7%）の順である。風軸を西 - 東方向にとると風軸上の風の占める割合は 51.9% となり、NEDO の風況精査マニュアル 3）によると、風軸上の風向出現率は 60% 以上の場合安定とあるが、当該地点の場合風向は不安定であると言える。また、図 4 の（a）から、尾駮地先の最多風向は西北西（16.4%）であり、次いで西（14.4%）、南東（8.2%）、東南東（6.9%）の順になっている。風軸を西北西 - 東南東方向にとると風軸上の風の占める割合は 56.2% となり、こちらも不安定であると言える。しかし、図 3、4 の（b）夏季（7 月）と（c）冬季（12 月）から、夏季は海からの東寄りの風が、冬季は陸からの西寄りの風が吹き、それぞれの季節では比較的安定した風が吹いていることが分かる。4????????????　つぎに、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、ハブ高さでの風速を推定する。これは、地表付近の風速が建物や森林などの地表との摩擦に左右され、高度が高くなるほど風速が高くなるために必要となる。4.1?????????　模擬風車として、以下の二つの風車を想定した。①発電出力：2,500kW、地上高：80m②発電出力：5,000kW、地上高：90mなお、実際にはそれぞれに基礎の天端高さ 8m を加算し、88m、98m を地上高として計算する。4.2????????　風速の鉛直分布については、上述したように（1）式の指数法則が成り立つことが知られている。　V=V1(z/z1)1/n …………………………………………（1）ここで、V ：地上高 z における風速　　　　V1：地上高 z1 における風速　　　　 n ：指数法則のべき指数（n 値）??????????????????????? ?????????????????図 2　風況観測ポール表 1　各地上高における平均風速（a）新納屋地先月風速（m/s）30m 40m 50m４月 5.7 6.2 6.6５月 4.8 5.1 5.4６月 3.8 3.9 4.1７月 4.2 4.3 4.6８月 3.7 4.0 4.3９月 4.8 5.1 5.410月 6.4 6.8 7.311月 4.8 5.2 5.812月 5.8 6.3 7.0平均 4.9 5.2 5.6（b）尾駮地先月風速（m/s）30m 40m 50m７月 3.9 4.1 4.4８月 3.4 3.8 4.1９月 4.5 4.7 5.210月 6.3 6.5 7.211月 4.6 5.0 5.612月 6.0 6.5 7.2平均 4.8 5.1 5.6— 18 —八戸工業大学エネルギー環境システム研究所紀要　第 12 巻（a）期間全体 （a）期間全体（b）夏季（7 月） （b）夏季（7 月）（c）冬季（12 月）図 3　風配図（新納屋地先） 図 4　風配図（尾駮地先）（c）冬季（12 月）— 19 —鉛直方向の変化に対する風速推定方法の検討（小玉・横浜）4.3??????　この地表租度を表している指数法則のべき指数（n 値）は、これまで一定（n ＝ 5）にして算出されることが多かった。しかし、本研究で観測している地点は図 6、図 7 のように風向によって大きく地形が異なるため、風向による n 値の変化が大きく、推定する風速の誤差も大きくなると思われる。また、この地点の風向は、3.2 節で述べたように夏季は東側から、冬季は西側からと月ごとに風向が大きく変化する。そのため、（1）式と実測データを用いて最小二乗法により n 値を算出し、月ごとの風向出現率を考慮して風速を推定した結果を表 2 に示す。表から、海および砂浜がある東からの風が吹く夏季にはn 値が高いため高度による影響が少なく、林がある西から風が吹く冬季には n 値が低く高度に影響されやすいことが分かる。以上の結果を基に月ごとの n 値を用いて模擬風車のハブ高さ（88m、98m）での風速を推定した結果を表 3 に示す。基準となる地上高 50m での実測値と比較すると、夏季は 0.3 ～ 0.7m/s、冬季は 1.0 ～ 1.7m/s 程度風速が高くなっていることが分かる。　つぎに、従来の n 値を一定とした方法でハブ高さでの風速を推定して、月ごとの n 値を用いた場合と比較する。一般的に用いられている n=5 一定として推定した新納屋地先と尾駮地先のそれぞれの地上高における風速を表4 に示す。表から、地上高 50m での実測値と比較すると、夏季は 0.5 ～ 0.6m/s、冬季は 0.7 ～ 1.1m/s 程度風速が高くなっていることが分かる。それぞれの方法における推定風速の比較を図 8 に示す。図から夏季は大きな変化が見られないが、冬季は平均風速が 0.2 ～ 0.8m/s 程度変わっていることが示された。このことから、このような観測地点の場合には n 値を一定とせずに風速を推定することが必要と考えられる。なお、風速の差は小さいように思われるが、風から得られるエネルギーは風速の 3乗に比例するため、その影響は無視できないものとなる。図 6　陸側の地形（西側）図 7　海側の地形（東側）表 2　月ごとの n 値月ｎ値新納屋地先 尾駮地先４月 5.245 −５月 5.150 −６月 8.799 −７月 4.680 3.660８月 4.493 4.097９月 4.016 4.49710月 4.272 5.66711月 2.642 3.21912月 3.104 3.342表 3　月ごとに異なる n 値を利用した場合の推定風速（a）新納屋地先月 実測値（m/s）推定風速（m/s）地上高88m 地上高98m４月 6.6 7.4 7.5５月 5.4 6.1 6.2６月 4.1 4.4 4.4７月 4.6 5.2 5.3８月 4.3 4.9 5.0９月 5.4 6.2 6.410月 7.3 8.3 8.511月 5.8 7.2 7.512月 7.0 8.5 8.7平均 5.6 6.5 6.6（b）尾駮地先月 実測値（m/s）推定風速（m/s）地上高88m 地上高98m７月 3.9 4.1 4.4８月 3.4 3.8 4.1９月 4.5 4.7 5.210月 6.3 6.5 7.211月 4.6 5.0 5.612月 6.0 6.5 7.2平均 4.8 5.1 5.6— 20 —八戸工業大学エネルギー環境システム研究所紀要　第 12 巻5???　風況精査におけるハブ高さでの風速の推定において、従来の n 値を一定（n ＝ 5）として計算する方法と、月ごとに異なる n 値を用いる方法を比較し、その影響について検討した。その結果、今回のように風向によってn 値が大きく変わる地形では、推定される風速に 0.2 ～0.8m/s 程度の差が生じてしまうことが示された。今後は、設備利用率などの他の項目での比較や風向ごとの n値を利用した推定などを行う予定である。　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発株式会社 附田匡善氏には本稿を纏めるにあたり、様々な情報を提供して頂きました。ここに感謝致します。???????１）竹中翔，葛西真寿，南條宏肇，「風況精査における「べき法則」型風速予測式の有効性」，風力エネルギー，Vol.30，No.1，pp.86-91，2006２）独立行政法人 新エネルギ ・ー産業技術総合開発機構，「風力発電導入ガイドブック（2008 年 2 月改訂第 9版）」，2008３）独立行政法人 新エネルギ ・ー産業技術総合開発機構，「風況精査マニュアル（概要版）」，1997４）独立行政法人 新エネルギ ・ー産業技術総合開発機構，「風力発電フィールドテスト事業 ( 高所風況精査 )」，2008５）独立行政法人 新エネルギ ・ー産業技術総合開発機構，NEDO 局所風況マップ　　http://app8.infoc.nedo.go.jp/nedo/index.html６）国土交通省 全国港湾風況マップ　　http://www.mlit.go.jp/kowan/kaihatuka/wind_hp/huukyo-map/wmap_top.html７）環境省 風況マップ（東北地方）　　http://www.env.go.jp/earth/ondanka/windmap/index.html８）小玉成人，横浜和也，附田匡善，「むつ小川原港における洋上風力発電の可能性調査」，第 35 回風力エネルギー利用シンポジウム，pp.499-502，2013９）青木功，吉村豊，「北九州市沖洋上風況観測システム実証研究による洋上風況特性解析」，第 35 回風力エネルギー利用シンポジウム，pp.482-485，201310）丸山勇祐，三輪俊彦，三輪享，岡田直仁，和田麻美，「洋上風力発電のための実測データに基づく風況に関する検討」，第 35 回風力エネルギー利用シンポジウム，pp.486-489，2013表 4　一定の n 値を利用した場合の推定風速（a）新納屋地先月 実測値（m/s）推定風速（m/s）地上高88m 地上高98m４月 6.6 7.4 7.6５月 5.4 6.1 6.2６月 4.1 4.6 4.7７月 4.6 5.2 5.3８月 4.3 4.8 4.9９月 5.4 6.1 6.210月 7.3 8.1 8.311月 5.8 6.5 6.712月 7.0 7.9 8.1平均 5.6 6.3 6.4（b）尾駮地先月 実測値（m/s）推定風速（m/s）地上高88m 地上高98m７月 4.4 4.9 5.1８月 4.1 4.6 4.7９月 5.2 5.8 5.910月 7.2 8.0 8.211月 5.6 6.3 6.412月 7.2 8.0 8.2平均 5.6 6.3 6.4（a）新納屋地先（b）尾駮地先図 8　推定された風速の比較

Examination of Presumption Method of Wind Speed to Change in Perpendicular Direction

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鉛直方向の変化に対する風速推定方法の検討

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