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解析事例・インタビュー

東北工業大学 様
暴風をそよ風に変える
―― 減風・発電風車とCFDの関わり

[前編] 東日本大震災の大津波で失われた防風林の代替ともなる「減風・発電風車」を研究開発する東北工業大学 環境エネルギー学科 助教 野澤壽一氏(写真1)が、その研究開発に込めた思いや、CFD(Computational Fluid Dynamics)との関わりを語った。

写真1 東北工業大学 環境エネルギー学科 助教
野澤 壽一 氏

 2011年3月11日に発生した東日本大震災の大津波で、東北沿岸部にあった防風林の多くが失われた。現在、防風林を復元しようと少しずつ植林を試みているが、その苗木が成木になり、防風林として機能するには何十年もかかるといわれる。その間、沿岸部に住む人々は、海から吹きつける強風にさらされて生活しなければならない。強風は建物の破損の原因にもなり、事故も引き起こす恐れもあり、農作物へ被害も及ぼす。

 失われた防風林の代わりとなるユニークな風車を研究・開発するのが東北工業大学 環境エネルギー学科 助教 野澤壽一氏だ。この風車は、風速を約10分の1、風圧力換算で約100分の1まで減らすことが可能だ。減風するだけではなく発電もできる。現在、野澤氏の地元である仙台市の荒浜の防風林を復活させるべく、減風・発電風車の試作機を設置し、地元企業とともに実証実験を行っている。

図1 東京エレクトロン宮城事業所内における
強風領域の予測(風洞実験)※クリックで拡大

 

図2 東京エレクトロン宮城事業所内における
強風領域の予測(風洞実験)※クリックで拡大

 東京エレクトロン宮城では現在10台の減風・発電風車が稼働している。同社は付近の山からやってくる強風に悩んでいた。時に風速10メートルにも及ぶという強風で、門扉が吹き飛ばされる、風にあおられた従業員が転倒するなどの実害が出ていた。荒浜での実証実験の話を耳にしたことがきっかけで、同社は減風・発電風車の設置を検討したという(図1 ~図3)。

 もちろんこの減風・発電風車は被災地や山間だけではなく、都会のビル風の軽減にも応用可能だ。「強風で困っている」ところでの活躍が期待できる。
 

風車を「風を弱めるため」に使うということ

 風車といえば、まず「風力発電」をイメージするもので、「風を弱める」ために使おうとは思いつかないものだ。風車を介すると風速が弱くなることは、その研究に携わる人なら誰もが知っている現象だというが、その性質を積極的に利用しようと考える研究者は野澤氏以前にはいなかった。

そもそも野澤氏がこのような研究をしようと思い立ったのには、同氏の過去の経歴が関係する。同氏のもともとの専門は機械工学や流体工学ではなく建築構造で、若かりし頃は台風や竜巻などの強風による建物被害調査に携わっていた。毎年、被害報告書を作成する中で、建物の強風被害を受ける場所には共通点があることに気が付いたという。

図3 敷地内の冬期における強風領域推定を
目的とした風洞実験 ※クリックで拡大
実験の結果、南側のメインエントランス周辺に冬期強風領域が発生するのがわかった。
強風領域形成の原因としては、南側法面により増速された風が事務棟西隅角部に当ったことによるものと考えることができる(青丸が強風領域)

 

 「強風被害を特に受けやすいのは、風速(風圧力)が強くなるところ。その風が強くなる部分に風を弱めるような装置を取り付けたら、強風被害は減るのでは? と考えたのです。当時(2000年ごろ)、小型風力発電がブームになりつつありました。そこで、『風車を付ければ風も弱くなるし、発電機を付ければ電気も起きて一石二鳥』と考えたわけです」(野澤氏)。

 しかし当時の小型風車はプロペラ式風車が主流。プロペラから発する騒音や、建物に設置するにはデザインが合わないなど問題もあった。そこでダリウス型縦軸風車を改良した、建物専用の「直線翼水平軸風車風力発電装置」の開発をスタート。当時の実験では、発電効率が20%程度にしか満たなかったものの、減風効率が著しく良いことが判明した。「発電のことは少し置いておいて、減風性能を高めれば、世界中の強風で困っている人々の役に立つのでは? と考えました」(野澤氏)。

写真2 減風装置のデモ風車が回り始め
風車が回り始めると強風がそよ風程度に弱まる

 「風を弱める」ニーズは本当にあるのかと、野澤氏が小型風力発電装置のユーザーを対象に市場調査を繰り返したところ、実はその多くの人が「実は、強い風(の害)で困っていた」ことが明らかになったという。その結果に背中を押される形で、減風・発電風車の本格的な研究開発が始まったのだった。

 「風速を弱める、つまり外力を弱めると言う考え方は、なかなか受け入れられません。当時も今でも、強風に対しては、耐力(強度)を上げると言う考え方が一般的な常識なんです」(野澤氏)。耐力を上げることが一般常識だとしても、古い建物や、被災地の傷んだ建物にはそれが適用できない。野澤氏は、被災地における減風・発電風車活用のニーズを見出し、荒浜での実証実験をするに至った。

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