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海洋流体エネルギー分野の現在の研究

現在、海洋流体エネルギー分野で行われている研究について紹介します。

 

佐賀大学における波力発電装置および潮流発電装置の研究開発

後ろ曲げダクトブイ、浮体型振り子式波力発電装置および潮流発電装置の実用化を目指し、各装置の高効率化および設計手法の確立を目的として、模型を用いた水槽実験、数値解析コードの開発を行っている。

 

 

1. 後ろ曲げダクトブイ(Backward Bent Duct Buoy : BBDB)の開発
2. 浮体型振り子式波力発電装置(Floating Type Pendulum Wave Energy Converter : FPWEC
3. 潮流発電装置の開発

 

1. 後ろ曲げダクトブイ(Backward Bent Duct Buoy : BBDB)の開発

BBDBは浮体式振動水柱型の波力発電装置で、L字型の水柱ダクト、浮力体、タービン、発電機で構成されている。

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   後ろ曲げダクトブイ(BBDB)

 

1.1 発電性能に関する研究

(1) 実験的研究

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小型BBDB模型

佐賀大学所有の海洋流体エネルギー実証試験水槽(2次元造波水槽、長さ18m、幅0.8m、水深1m)を用いた2次元実験では、全長0.85 mのアクリル製小型BBDB模型の空気室上部に設けたオリフィスによって発電タービン負荷を模擬し、波高0.03m~0.05mの規則波中における一次変換効率η(波パワーから空気パワーへの変換効率)を求めた。また、同じ模型に関して、九州大学応用力学研究所所有の大型水槽(長さ65m、幅5m、水深7m)での3次元実験も行っている。2次元実験では、一次変換効率の最大値として約70%が得られた。3次元実験結果では、浮体からの波の回折影響で多方向から波が入射していることに対応して、一次変換効率が100%に達している周波数もある。

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BBDBの一次変換性能に関する2次元、3次元実験結果

 

また、空気タービンと発電機を搭載したBBDBの中型模型(長さ:2.5m, 幅:2.3m, 高さ:1.8m, 喫水:0.5m)に関する発電実験を大型水槽で行った。実験には、佐賀大学で開発した固定案内羽根付の衝動タービンを用いている。波浪中発電実験の結果、発電効率ηの最大値として約32%が得られた。

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空気タービンを搭載した中型BBDB模型
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佐賀大学で開発した衝動タービン

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また、平成23年福岡県能古島沖の海域において、この中型BBDB模型を用いた発電実験を行った。

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BBDBの実海域実験の様子

 

(2) 数値計算

BBDBの規則波中における一次変換性能を評価するため、2次元数値計算法を開発した。BBDBは線形バネで係留されているものとして、規則波が入射したときのBBDBの運動、空気室圧力、空気室内水面の変動、一次変換効率を求める。水に関する流体部には、速度ポテンシャルの存在を仮定し、境界要素法を用いる。空気室内の空気は圧縮性流体として、状態方程式、質量保存則、エネルギー方程式を基礎式として用いている。

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BBDBの計算モデル 一次変換性能に関する実験値と計算値の比較
(L:BBDBの長さ、λ:波の波長)

 

また、BBDBの発電性能計算に必要となる周波数領域でのBBDBに働く流体力計算についても3次元境界要素法に基づいた計算を実施して、実験結果と比較することにより計算法の有効性を示している。下図に、固定されたBBDBに働く鉛直方向の波強制力と、静水中におかれたBBDBを鉛直方向に強制動揺させた時に、BBDBに鉛直方向に働く力を示す(白丸は実験値、各線は空気室内の水面の摩擦の程度を変化させた時の計算値)。

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  BBDBに働く鉛直方向の波強制力   付加質量係数

 

1.2 漂流力に関する研究

(1) 実験的研究

通常の浮体構造物は波下側へ漂流するが、BBDBは、特定の周波数帯を持つ入射波の下で、波上側へ微速前進する特性を持つ。この特性は係留力を緩和させるので、係留コストを削減させることができる。この特性を明らかにするために、2次元水槽で、小型模型を用いて、模型に働く漂流力(水平方向に働く定常力)実験を行った。図では、λ/L=5~6.5程度の領域で、波上側方向へ働く漂流力(負の漂流力)が発生している。(λ:波の波長、L:BBDBの長さ)

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   BBDBに働く漂流力

 

(2) 数値計算

MPS法を用いて、無係留状態のBBDBの波浪中運動計算を行い、BBDBに負の漂流力が働くことを示した。

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    MPS法によるBBDBの波浪中運動計算結果

 

 

2. 浮体型振り子式波力発電装置(Floating Type Pendulum Wave Energy Converter : FPWEC)

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渡部によって提案された浮体型振り子式波力発電装置

 

渡部によって提案された浮体型の振り子式波力発電装置の実用化研究を行っている。この装置は、浮体、振り子、振り子の回転トルクを油圧に変換する油圧ポンプ、油圧を電力に変換する油圧発電機で構成される。

(1) 実験的研究

まず、動力取り出し装置の負荷特性を模擬することができるサーボモータを装備した浮体型振り子式波力発電装置模型を製作し、一次変換性能(波パワーから振り子のパワーへの変換)に関する水槽実験を行った。実験では、減衰係数CPが、一次変換効率および浮体の運動に及ぼす影響を明らかにした。実験の結果、一次変換効率の最大値として98%が得られた。

 

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  サーボモータを装備した浮体型振り子式波力発電装置模型

 

次に、動力取り出し装置をベルトとプーリによる増速機構で模擬し、この装置を浮体に搭載した発電実験を行った。実験の結果、発電効率の最大値は22%で、装置の改良が必要である。

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FPWEC模型 動力取り出し装置模型
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サーボモータの負荷特性を変化させた時の一次変換効率の周波数特性 発電機の電気抵抗を変化させた時の発電効率の周波数特性
(λ:波の波長、L:装置の代表長さ)

 

(2) 数値計算

FPWECの規則波中における一次変換性能を評価するため、2次元数値計算法を開発した。FPWECが線形バネで係留されているものとして、規則波が入射したときのFPWEC全体の運動、振り子の運動、一次変換効率を求める。水に関する流体部には、速度ポテンシャルの存在を仮定し、境界要素法を用いる。

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境界要素法の計算モデル

 

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浮体全体の水平運動X, 鉛直運動Z, 回転運動Θ、一次変換効率η1, 振り子の回転角Ψの周波数特性に関する計算値と実験値の比較

 

 

3.潮流発電装置の開発

2インペラ方式垂直循環型回流水槽(流速0.0~1.5m/s、観測部寸法:長さ2.5m×幅1.0m×深さ0.9m、水深0.7m)で潮流発電装置模型の性能実験を行っている。ここで開発する発電装置は、1日に2回あるいは4回流れ方向が変化する水平方向の流れに対応したものとなる。

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