スキャニングライダー風計測で海岸線付近の洋上風況調査を効率的に

国立研究開発法人 産業技術総合研究所（以下「産総研」という）再生可能エネルギー研究センター 嶋田 進 主任研究員、小垣 哲也 研究チーム長は、レラテック株式会社、イー・アンド・イー ソリューションズ株式会社、日本気象株式会社、株式会社ウインドエナジーコンサルティング、国立大学法人 神戸大学と共同で、スキャニングライダー風計測の測定精度や特性を評価するため、むつ小川原洋上風況観測試験サイトにおいて実証試験を実施しました。

長期間にわたるフィールド実験の結果、スキャニングライダーを1台用いるシングル観測方式では、洋上風力資源量を正確に調査でき、2台を用いるデュアル観測方式では風の変動成分まで正確に測定できることが明らかとなりました。また、スキャニングライダーによる海上風観測は、従来の気象観測マストを用いた手法と比較して観測コストを最大で10分の1に削減できる可能性があることから、コスト削減を通じて、洋上風力発電の導入促進に貢献することが期待されます。

なお、この技術の詳細は、2025年3月11日（グリニッジ標準時）に「Wind Energy」に掲載されます。

洋上風力発電は世界的に注目され、近年、特に欧州北部を中心に広く普及が進んでいます。カーボンニュートラル社会の実現が重要視される中、政府の施策においても洋上風力発電の導入がその鍵を握るとされています。洋上風力発電は発電量が風の強弱にのみ依存するため、導入にあたっては事前の風況調査が採算性を判断する上で不可欠です。しかし、従来の気象観測マストを用いた風況調査手法には、建設にかかる高額なコストや長期間にわたる事前準備といった問題が存在しています。こうした問題を解決するために、光のドップラー効果を利用したライダー技術、とりわけレーザーを水平方向に照射するスキャニングライダー技術が近年注目を集めています。

産総研では、2010年代以降、ドップラー・ライダーを用いた風計測の研究開発に取り組み、風力発電のコスト低減や高性能化を目指しています。これまで、鉛直ライダーを用いた山岳での実証研究や、風車に搭載されたナセル型ライダーの実証研究を福島再生可能エネルギー研究所において実施してきました。今回、これまでの知見を活用し、レーザーを水平方向に照射するスキャニングライダーを用いた洋上風況観測技術のフィールド実証を実施しました。

なお、本研究開発は、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託事業「着床式洋上ウィンドファーム開発支援事業（洋上風況調査手法の確立）（2019～2022年度）」による支援を受けています。

スキャニングライダーによる風計測技術には、主に二つの方式が使用されています。一つはスキャニングライダー1台を使用するシングル観測方式、もう一つは2台を使用するデュアル観測方式です（図1）。産総研では、2017年よりこれらの計測技術について、フィールド実証および解析手法の研究開発を本格的に進めてきました。今回、共同研究機関であるレラテック株式会社、イー・アンド・イー ソリューションズ株式会社、および国立大学法人 神戸大学らにより整備されたむつ小川原洋上風況観測試験サイト（青森県六ヶ所村）において、海岸線から約1.5 km沖合の防波堤上に設置した気象観測マストを検証用データとして、約1年間にわたってスキャニングライダーのシングル観測方式およびデュアル観測方式の同時観測を実施しました。

今回の実証試験により、デュアル観測方式およびシングル観測方式のいずれでも、従来の気象観測マストに取り付けられたカップ式風速計を用いる手法と同等に、期待発電量を示す設備利用率を正確に評価できることが明らかになりました（図2左）。設備利用率は、洋上風力発電の事業性を検討する上で重要な指標として活用されます。さらに、スキャニングライダーを2台使用するデュアル観測方式においては、より高度な指標である「乱流強度」（風の変動成分）についても、従来の気象観測マストを用いた手法と同等の精度で計測可能であることが確認されました（図2右）。乱流強度は、期待発電量と同様に、風車の設計において重要な指標の一つです。

本研究では、1年間にわたるフィールド実証を通じて、スキャニングライダーを用いた2つの観測方式の特性を明らかにしました。スキャニングライダーを活用することで、従来の気象観測マストを用いた手法と比較して、導入コストの削減に加え、装置の設置や撤収ならびに許認可申請に要する期間を大幅に短縮する効果についても期待されます。これらの要素技術の開発は、国が推進する洋上風力発電の導入拡大に寄与することが期待されます。

洋上風力発電に関しては、国の方針においても排他的経済水域（EEZ）への展開が期待されており、開発対象となる海域はより沖合へと拡大しつつあります。今回の研究成果では、着床式洋上風力発電の設置が想定される海岸線から数キロメートルの範囲における遠隔風計測の有効性が示されました。今後は計測手法のさらなる改良を進め、沖合での計測技術の確立を目指します。スキャニングライダーによる風計測の適用範囲を拡大することで、浮体式洋上風力発電を含む開発海域への技術の広範な展開が期待されます。将来的には、今回のような実証データの蓄積を通じて、国際標準化の策定に貢献することを目指します。

掲載誌：Wind Energy
論文タイトル：Mutsu 2020 scanning LiDAR experiment: Comparison of dual and single scanning LiDAR systems for near-shore wind measurement
著者：Susumu Shimada, Tetsuya Kogaki, Mizuki Konagaya, Toshinari Mito, Takeshi Misaki, Kohei Hamada, Ryuzou Araki, Shizuka Ohhata, Yuko Ueda, and Teruo Ohsawa
DOI：10.1002/we.70003

スキャニングライダー

レーザーの照射方向を自由に調整可能な遠隔風計測装置。照射した近赤外線光の周波数変化を測定することで、数キロメートル先の視線方向の風速を、数十から数百メートル間隔で高精度に計測することができる。[参照元へ戻る]

むつ小川原洋上風況観測試験サイト

青森県六ヶ所村に設置されたリモートセンシング機器（スキャニングライダーなど）の専用検証サイト。海岸線から約1.5 km沖合の防波堤上に気象観測マストが設置されており、このマストで得られるデータを参照値として活用することで、機器の精度検証が可能な試験施設。日本国内で唯一の公開試験サイトとして運用されている。[参照元へ戻る]

シングル観測方式

スキャニングライダーの観測方式の一つ。1台のスキャニングライダーを用いて、高さを固定した状態でスキャナヘッドを水平方向にスイープ動作させることで、複数の方位角における視線方向の風速データを取得する。風速分布が水平方向に一様であるという仮定のもと、最小二乗法を用いることで、風速および風向を推定する方式。[参照元へ戻る]

デュアル観測方式

スキャニングライダーの観測方式の一つ。2台のスキャニングライダーを用い、それぞれのレーザーを特定のポイントで交差させることで、風速および風向を計測する方式。2台の装置が必要になるという点が課題ではあるものの、シングル観測方式と比べて前提となる仮定が少ないため、風速の平均値だけでなく、変動成分も高精度に計測できる。[参照元へ戻る]

気象観測マスト

風速、風向に加え、温度、湿度および気圧などの各種気象センサーを搭載した観測用鉄塔。日本国内では、許認可申請の制約により、高さ60 m以下のものが一般的とされている。[参照元へ戻る]

ドップラー・ライダー

光のドップラー効果を利用して風を計測する装置の総称。空気中の微粒子に反射するレーザーの周波数変化を測定することで視線方向の風速を高精度に計測することができる。人体に影響を及ぼさないアイ・セーフ仕様の近赤外レーザー光を使用しており、光源の種類に応じてパルス式や連続波式の装置が製品化されている。用途に応じて、スキャニングライダー、鉛直ライダー、ナセル型ライダー等が使用される。[参照元へ戻る]

鉛直ライダー

レーザーを上空に照射し、高度数十メートルから数百メートルでの風速および風向を計測するタイプのライダー装置。日本国内では、気象観測マストでは観測が難しい上空の風速情報を取得する手段として主に利用されている。[参照元へ戻る]

ナセル型ライダー

風車の上部にあるナセルに搭載するタイプのライダー装置。風車に流入する風の情報を正確に計測し、発電量の向上や疲労荷重の低減を目的とした制御情報の取得に利用する。[参照元へ戻る]

設備利用率

風車から得られる年間発電量を年間時間（8760時間）と設備の最大出力の積で割った値。風力発電施設の期待発電量を評価するための指標として使用される。[参照元へ戻る]

乱流強度

10分間の風速標準偏差をその平均風速で割った値。風の乱れの大きな山岳地帯などではこの値が大きくなる傾向があり、逆に洋上では小さくなる傾向が見られる。風車の仕様を設計する際の指標として活用される。[参照元へ戻る]

着床式洋上風力発電

海底に杭などの基礎構造物を設置し、その上に風車を載せる洋上風力発電の方式。主に水深約50 mより浅い海域で利用される。[参照元へ戻る]

浮体式洋上風力発電

海底にアンカーで固定した浮体の上に風車を設置する洋上風力発電の方式。着床式洋上風力の設置が難しい深い海域で主に利用される。[参照元へ戻る]