Energy Machines™社は、ビル用発電システムの設計、導入、運用における業界のリーダーです。 ビルは、世界のCO₂排出量の28％以上を占め、気候問題要因の一つになっています。 Energy Machines社は、すべてのビルを高性能なZEB (ネット・ゼロ・エネルギー・ビル)にすることで、持続可能な世界を実現しようとしています。 このようなビルは、太陽光発電や風力発電のような再生可能エネルギーでエネルギーを作る創エネと消費する電力を小さくする省エネが必要になります。 同社は、暖房、冷房、換気、太陽光発電、風力発電を、統合するユニークな専門知識を武器としています。 外部から電力を供給し、同じ建物内で別々に作動する従来のHVAC設備とは異なり、同社の革新的なシステムは、すべてのビルサービスとユーティリティを同期させ、最適なパフォーマンスを実現します。
風力タービンによる持続可能なエネルギーへの移行
Energy Machines社は、風力タービンを含む代替エネルギー源、持続可能な設計サービス、クラウド対応の監視・検証 (M&V) ソフトウェアを組み合わせたソリューションを建築・エンジニアリング・建設(AEC)市場に提供しています。 複数の技術をリアルタイムで最適化するためには、建物内の各コンポーネントの設計と性能に慎重な配慮が必要です。 このシステムの中核となるのは、ビルやサイト全体のデータをリアルタイムで収集し、設備の運用に役立つ情報を提供するクラウドプラットフォームです。 リモート・アクセス・アプリにより、ユーザーはどこからでもパフォーマンスを監視できる。 同時に、ビジュアル・ダッシュボードは、建物の気候性能をリアルタイムで表示するために使用される完全なシステム概要を提供します。
Energy Machines社は、創エネのために子会社のEM Wind社を通じて、屋上や地上用に設計された専用の風力発電機と、太陽光パネルおよび太陽熱温水器を組み合わせて使用しています。そのとき使わない電力はバッテリーに蓄電したり、送電網を通じて売電することができる。 風力発電や太陽光発電の他には、ヒートポンプ、熱回収機能付き換気装置、地下熱エネルギー貯蔵などがあります。 垂直軸型風力発電機は、Energy Machines社の強みの一つです。このほかに、 建物のタイプ、立地、地形、気候に応じて、ドラッグ式風力発電機やリフト式風力発電機なども扱っています。
EM Wind社は、SimScaleプラットフォームに統合されたCFD(流体解析)およびFEM(構造解析)を使用して、風力タービンの空力、電力出力、構造性能の試験と検証を行ってきました。 EM Wind社では、10名の設計チームが風力タービンの開発とテストに携わっています。 シミュレーションの専門知識を持つエンジニアは、SimScaleを使用して、風速と風向が変化する状況下で風車設計のさまざまな側面に関するパラメトリックスタディを行っています。 彼らが好むシミュレーションのワークフローは、Creo® (CADソフト) からSimScaleへ移行し、SimScaleのCADモードを使用して流体領域を抽出し、ジオメトリを微調整することです。 CADモードは、基本的なCAD操作のための機能で、エンジニアは小さな変更が必要なたびに修正したCADファイルを再インポートすることなく、簡単な編集を行うことができます。
風力タービンにかかる風荷重の解析
抗力(サボニウス型)タービンは、密集した都市部の屋上など、乱流や非定常流の多い場所に設置することができます。 風の強い場所にある商業ビルや住宅の電力を補うために使用され、抗力によって回転するため風向きに左右されにくい特徴があります。 出力は100Wと250Wがあり、荒天にも耐えられるように設計されています。 タービンのローターには、紫外線に強いプラスチック製のブレードがステンレス製のサポート・ブラケットで回転シャフトに取り付けられています。
揚力ベースのタービンは、高度に最適化された対称NACA翼型に発生する空力揚力を利用して回転運動を誘発します。 これらのタービンは非常に効率的で、大型化も容易です。効率的に稼働させるため、 卓越風向に対してより風速の大きな高い位置に設置するため、高いマスト(タワー)が必要になることが多いです。 それぞれ8.4m、12m、15mのタワーの上に設置され、出力は2KW、10KW、25KWのサイズがあります。 リフト・タービンのローターには、主にアルミニウム製のブレードと支柱で構成されます。
EM Wind社は、さまざまな設計解析にシミュレーションを採用している。抗力タービンでは、SimScaleを使用してタービンブレードの設計と最適化を行い、ローターサイズの評価、複数の風速と先端速度比での性能シミュレーション、建物の3Dモデル上でのシミュレーションを行っています。 EM Wind社は、CFDを使用して、建物上やその周辺の風速が高いエリアを特定することができ、タービンから可能な限り多くの電力を引き出すことができます。 また、暴風や突風といった危険度の高い状況下でのタービン性能を理解する上でも重要です。 EM Wind社では、住宅、工業用倉庫、商業用温室など、さまざまな建物タイプをモデル化してきました。 SimScaleを使用したモーメントと荷重の出力 (ポスト処理での荷重プロット)は、慣性を克服して静止状態からタービンを回転させるために必要な、ローターの適切なカットイン風速の目標設定にも役立ちます。 これらのシミュレーションの結果、ターゲット市場で想定される年間平均風速に適合する3～4m/sのカットイン風速が得られました。
Julia Aranrdottir
Mechanical Engineer and Simulation Expert at EM Wind
Being able to run many simulations in parallel on the cloud has been very useful and saved us a lot of time. Using SimScale has reduced our wind turbine testing by weeks. By simulating on the cloud with more cores than on a personal computer, we have been getting results about 3x quicker than if we run it locally, as before. We also save time on how quick it is to set up many similar simulations by duplicating and changing geometry or other input parameters.
クラウド上で多数のシミュレーションを同時に実行できることは非常に便利で、時間を大幅に節約できました。 SimScaleを使用することで、風力タービンの試験を数週間短縮することができました。 クラウド上でPCよりも多くのコアを使ってシミュレーションすることで、以前のようにローカルで実行するよりも約3倍早く結果を得ることができました。 また、ジオメトリやその他の入力パラメータを複製したり変更したりすることで、同じようなシミュレーションを数多くセットアップする時間を短縮することができます。
風力タービンの周波数応答解析
EM Wind社では様々なサイズの垂直軸風力タービンを取り扱っており、中にはより安定した流れでより高い風速を捕捉するために、高所にマストを必要とするものもあります。 マストやタワーは風力タービンを構成する重要な部品であり、正しく設計され、サイズが決められていなければなりません。 耐荷重特性は、必要な安全率をもって慎重に選択されなければならず、風やタービンの回転による加振に対する周波数応答も同様です。 安全限界を超えた加振は、変形や損傷を引き起こす可能性があります。 モーダル (周波数)解析は、振動による構造物の固有振動数(固有値)と固有モード(モード形状)を決定するのに役立ちます。 この結果は、非定常条件にさらされる構造や製品を理解するために不可欠なパラメータとなります。 結果として得られる周波数と変形モードは、構造物の形状と材料分布に依存します。
EM Wind社は、持続可能性の観点から、低体積炭素の木製マストを使用しています。 木製のマストは優れた構造特性を備えていますが、タワーの固有モードが励起されると垂直軸風力タービンで破損することが知られています。 そこでEM Wind社では、ローター直径7.6m、マスト高さ12m、最大回転数100rpmの10kW垂直軸風力タービンのタワーの振動解析など、SimScaleで様々なシミュレーションや構造解析を慎重に行い、同様の破損を防いでいます。
振動解析から固有振動数を決定することは、風力タービンタワーの構造設計に不可欠な要素です。 固有振動数とは、構造物が励起され、共振する可能性のある特定の周波数のことです。 共振が発生すると、構造物は固有モードと呼ばれるその周波数に対応する形状に変形し、損傷を引き起こしたり、騒音などの意図しない結果をもたらす可能性があります。 SimScaleを使用した包括的な研究により、5つのタワー (マスト)コンセプト設計が開発され、多くの構造条件下で評価されました。 下の表は、オリジナルのタワー設計と新しい鋼鉄製代替案を示しています。 タワーコンセプト6の変形と固有振動数プロットの結果が示されています。
風力発電設置場所最適化の解析
EM Wind社とEnergy Machines社は、建築、エンジニアリング、建設業界におけるシミュレーションの用途を拡大する予定です。 EMウインド社は、SimScaleのアドオンで提供している風環境 (PWC)ツールで格子ボルツマン(LBM)ソルバー(Pacefish©)を使用し、SimScale内から直接アクセスできるMeteoblueの気象データベースを使用して、事業性調査(設計風速の評価、発電量の予測)を実施できるようになりました。 PWCは、建築家やエンジニアが同様に使用できる、初期段階の設計研究を目的とした高速かつ正確なツールです。 このツールは、都市規模のモデルで非定常風力解析を実行し、従来の有限体積法のCFDソルバーよりも桁違いに高速です。 詳しくは以下のページをご覧ください。
中野坂上はビル風が強い?!真相をシミュレーションで確認！
1. はじめに この記事について この記事ではSimScaleを用いた風環境シミュレーションを行った事例を紹介します。対象とする地域は、ビル風が強いと噂される中野坂上です。…
SimScale 
また、EM Wind社は、屋根や野原に設置された単一の風力タービンではなく、アレイ状に設置された多数の風力タービンの風車ウェイクを考慮してクラスター性能を評価することができます。
SimScaleのクラウドネイティブな性質は、SimScale APIを使用して建物の最適化とモニタリングのためのEnergy Machines社のクラウドツールにリンクできることを意味します。 さらに、Energy Machines社の革新的なHVACソリューションでは、SimScaleを使用して、室内の熱的快適性と空気品質、外皮の熱損失、CO2濃度など他の多くの内部環境変数を計算することができます。
以下のページでは、風力発電の効率に影響する風車ウェイクの解析事例をご紹介しています。
風力発電の効率に影響する風車ウェイクの解析
SimScaleで流体解析を行います。SimScaleについて詳しくはこちらをご覧ください。今回計算に用いるモデルの画像を以下に示します。ブレード直径が約55mの大型の風車を想定…
本記事は、https://www.simscale.com/customers/energy-machines-simulating-wind-turbines/ の抄訳です。