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風車を壊す風をドローンとコンピューターで再現する

掲載日:2017年12月7日

便利な道具は、あっという間に広まるものだ。ドローンをあちこちで飛ばすなんて、そんな危ないことをしていいのだろうかと思っているうちに、いまではテレビでもドローンの空撮映像を当たり前に見るようになった。

科学者たちは、限られた予算をやりくりして研究を進めているので、自分の目的を安く簡単に達成できるなら、その方法を使わない手はない。たとえば地形の計測。小型飛行機からレーザーで測る方法が一般的だが、もしこれにドローンを使うことができれば、費用を大幅に節約できる。こうして開発した技術を社会に出せば、利用者も安く使えるわけだ。

九州大学応用力学研究所の内田孝紀(うちだ たかのり)准教授らの研究グループは、ドローンの空撮写真を使って、風車に被害をもたらす風の乱れをコンピューター・シミュレーションで再現することに成功した。この計算では詳細な地形の高低データが必要だが、小型飛行機を使う場合にくらべて10分の1以下の費用ですんだという。

シミュレーションによる検討の対象にしたのは、愛知県田原市にある民間企業の風車。東南東から風が吹くとき、故障が多かった。風に何かが起きているらしいのだが、風は目に見えない。その具体像を探るには、コンピューターでシミュレーションして、風の流れを再現することが有効だ。

実況を模擬した計算を行うには、地形や土地の状態が分かるデータが必要だ。そこにドローンを利用した。このドローンには、ふつうの可視光で撮影できるカメラが積まれている。狙った地点の写真を、高度75メートルを自動プログラムで縦横に飛びながら、このカメラで連続撮影した。そうして得られた約570枚の写真と、国土地理院が公表している標高データを組み合わせて、風車周辺の詳細な地形を再現した。内田さんによると、小さな風車に悪影響を与える風まで再現するには、地形のデータは数十センチメートルの解像度が望ましい。今回の対象は大型風車だったが、解像度が5メートルの国土地理院のデータにドローンの写真を組み合わせ、解像度を1メートルに高めて利用した。

こうして作った地形や樹木の影響などを表すデータをもとに、風の流れをシミュレーションした。その結果、風が東南東から吹いてくるとき、風車の風上にある標高125メートルの小さな山に風が当たり、風が不規則に乱れて「乱流」の状態になっていることが分かった。この乱流が風車の首を不規則に揺らし、それが故障につながっている可能性を示している。これらの結果をもとに、内田さんらは、どのような風のときに風車を停止させておけば故障を防げるのかといった点について、さらに検討を重ねていきたいという。

図1 4基の風車がある風力発電所。検討対象の風車(No.2)の背後に、標高125メートルの小さな山がある。(写真と図は、いずれも内田さんら研究グループ提供)
図1 4基の風車がある風力発電所。検討対象の風車(No.2)の背後に、標高125メートルの小さな山がある。(写真と図は、いずれも内田さんら研究グループ提供)
図2 研究に使用したドローン。
図2 研究に使用したドローン。

図3 ドローンで撮影した写真から復元した地形。
図4 風の流れのシミュレーション結果。東南東から風が吹くと、「標高約125mの小地形」の風下に、青や緑の乱れた流れが現われている。「2」とあるのが、検討対象の風車。乱れた流れの渦中にあることが分かる。
図4 風の流れのシミュレーション結果。東南東から風が吹くと、「標高約125mの小地形」の風下に、青や緑の乱れた流れが現われている。「2」とあるのが、検討対象の風車。乱れた流れの渦中にあることが分かる。
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