大成建設技術センター報第45号(2012) LES による地上設置型太陽電池アレイの風荷重評価吉川優＊１・相原知子＊１ Keywords : CFD, LES, photovoltaic array, wind load CFD，LES，太陽電池アレイ，風荷重はじめに 1. 荷重評価に関しては一般に風洞実験が行われる。近年，環境負荷低減を目的として太陽電池アレイが風洞実験は現在最も信頼性の高い風荷重評価技術と積極的に導入されている。特に，広大な敷地を利用しして確立されているが，対象によっては精度の確保がたメガソーラーの計画・施工事例は増加傾向にあり，困難な場合がある。例えば，試験体（構造物の模型）地上設置型太陽電池アレイの社会的ニーズが向上して製作において，細部の形状再現精度，センサー等の測いる。代表的な太陽電池アレイの設計基準に JIS 定機器の干渉，風洞規模に応じた再現範囲の限界，と C8955:2004 があるが，その適用範囲には制約があり，いった制約を受ける場合，スケール効果等について最設計用風荷重に関する汎用性および精度の向上を目的適な実験条件が確保できないことがある。一方，流体 1),2) 。当計算では上記のような実験上の制約を受けないため，社においてもこれまでに多様なケースに対して風洞実細かい形状や広範囲を対象とする風の現象に対して有験を実施しており，設計用風荷重データとして活用さ効であり，特にメガソーラーのような構造物に対してれている。将来的に有効な技術となりうる。として多くの風洞実験結果が報告されている一方，構造物の耐風設計における風荷重評価技術と風荷重評価を目的として流体計算を実施する場合，して，流体計算（Computational Fluid Dynamics, CFD）乱流境界層中における物体まわりの非定常（時刻歴変の適用が期待されている。CFD は，近年の計算機能力動）流れ場を求める必要がある。特に，自然風を模擬の向上に伴って多くの分野に普及した計算工学技術でした接近流や，構造物近傍の剥離・再付着流れを形成あり，現在では研究や実務に積極的に利用されている。する様々なスケールの渦構造を再現する必要があり，建築工学分野においては，k-ε系モデルをはじめとす工学的利用においては Large Eddy Simulation (LES) がるレイノルズ平均型乱流モデル（RANS モデル）を用有効である。LES では高い時空間分解能が必要なこといた流体計算が環境分野を中心として広く活用されてから RANS モデルに比べて計算負荷が大きく，過去にいる。RANS モデルは比較的計算負荷が小さく，流れおいては基礎研究に用いられることが主であったが，場の定常解を効率よく求めることができるため，流速近年の計算機速度の飛躍的な向上によって，３次元物や圧力の時間平均値が要求される場合にはきわめて有体や実市街地のような複雑形状に対しても適用が進み，効な解析技術である。しかしながら，構造物の耐風設今後の耐風設計技術のひとつとしてその応用が期待さ計において設計用風荷重を評価する際には，構造物にれている。作用する風力あるいは風圧力の時刻歴変動データが要ここでは，地上設置型太陽電池アレイの風荷重評価求される（周波数特性や瞬間最大値）。RANS モデルにに CFD を適用することを目的とし，LES の妥当性を検よる定常計算では，剥離流れ等の非定常現象を精度よ討する。基本的な計算精度の検証のため，地上設置型く捉えることが不可能であるため，平均風圧場に限定太陽電池アレイ単体について風洞実験結果と比較し，しても負圧領域の再現が困難である。したがって，風その結果を報告する。＊１技術センター建築技術研究所防災研究室 39-1 大成建設技術センター報第45号(2012) 2. 計算手法支配方程式は非圧縮性の Navier-Stokes 方程式および主計算の流入境界条件として利用連続の式であり，LES の乱流モデルは標準 Smagorinsky モデルを使用した（Cs=0.15）。離散化手法は有限体積乱流境界層を発達させ，市街地風を模擬したプロファイルを作成する法（FVM）であり，空間の離散化精度は移流項・拡散項ともに２次精度中心差分を，時間項については２次時刻歴風速ﾃﾞｰﾀをﾌｧｲﾙに保存する精度陰解法を採用した。計算格子は，オートメッシャ（アドバンシングフロント法）により自動生成されたテトラ要素を主とする非構造格子とし，固体境界には境界層要素（プリズム要素）を挿入した。本計算モデルにおける流速・圧力の各物理量はテトラ節点に配置される．したがって，FVM で定義されるコントロールヴォリュームは節点まわりに多面体として形成される図-1 変動流入風作成モデル Computational model for inflow turbulence Fig.1 ことから，コントロールヴォリュームをテトラとする手法に比べて速度・精度ともに有利である。 3. 変動流入風屋外気流を対象とする LES では，流入境界条件として自然風を模擬した変動流入風データが必要となる。すなわち，境界層乱流場を形成する時刻歴変動風速デ図-2 変動流入風作成モデルの計算メッシュ Fig.2 Grid system for inflow turbulence ータを，流入境界面の各節点に時間ステップごとに与えるものである。変動流入風は，太陽電池アレイを対象とする主計算入とし，スパイヤ，バリヤおよびラフネスブロック群 0.4 風洞床からの高さ[m] デルを図-1 に示す。本モデルは，流入境界面を一様流風洞床からの高さ[m] とは別のモデルを用いて作成した。変動流入風作成モ 0.4 実験値 0.3 指針値計算値 0.2 0.3 0.2 を通過させて境界層乱流を作成するものである。流出実験値境界の手前で主流直角断面を仮想的に設け，同断面内 0.1 0.1 指針値計算値の全節点における風速（３成分）の時刻歴を別途ファ 0 0 イルに保存する。主計算ではこのファイルから時刻歴境界面の全節点に与える。本モデルの計算メッシュ（鉛直断面）の一部を図-2 に示す（節点数約 44 万，要 0.8 1 1.2 平均風速比 0 5 10 実験値指針値 0.3 計算値 0.2 ない計算モデル（滑面床のみ）で 75cm 吹走させた位置のプロファイルであり，アレイ位置相当の実験気流と比較したものである。両図より，滑面吹走による速度回復や乱れ低下を含めて，計算で得られた変動流入風は実験気流を概ね再現できていることがわかる。 39-2 25 30 35 乱れの強さ[%] 0.2 実験値 0.1 0.1 指針値計算値イ位置から風上側 75cm における実験気流と比較したものである。図-4 は，保存した変動流入風をアレイの 20 0.3 入変動風を保存した仮想断面におけるプロファイルであり，これは主計算の流入境界条件となるため，アレ 15 0.4 風洞床からの高さ[m] 流と比較した結果を図-3 および図-4 に示す。図-3 は流 0.6 0.4 風洞床からの高さ[m] 計算で作成した変動流入風のプロファイルを実験気 0.4 図-3 プロファイル比較（風上位置） Fig.3 Generated velocity profiles on the windward 変動風速データを時間ステップごとに読み込み，流入素数約 202 万）。 0.2 0 00 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 平均風速比 00 5 10 15 20 25 30 35 乱れの強さ[%] 図-4 プロファイル比較（アレイ位置） Fig.4 Generated velocity profiles on the position of a photovoltaic array 大成建設技術センター報第45号(2012) 4. 風洞実験概要比較対象とした風洞実験は，地上設置型太陽電池アレイ単体の多点風圧実験であり，模型縮尺率は 1/35，風洞気流は地表面粗度区分Ⅱである。風圧測定点配置，模型寸法および風向角を図-5，図-6 に，模型写真を図7 に示す。 5. 各位置において，上面・下面にそれぞれ測定点を設ける計算モデル本研究では，実験との比較による計算精度の検証が図-5 風圧測定点 Fig.5 Measurement points 目的であるため，計算モデルにおけるアレイの形状は導圧チューブ格納部（アレイ面から床面に接地する脚部×８点）を含めて実験模型を完全に再現した（図-8）。 D=114mm, t=7mm H=57mm, θ=10° アレイ近傍における計算格子（中心鉛直断面）を図9 に示す．アレイを含む主計算で用いたモデルは，領域内においてアレイ遠方（上空）からアレイ表面に向 D t 離点近傍を最も高解像度となるよう作成した。節点数 H は約 31 万，要素数は約 151 万である。 6. 下面平均高さけて連続的に空間解像度を上げ，さらに風上端部の剥 θ 計算結果図-6 アレイ模型仕様 Fig.6 Experimental model 計算による瞬間流れ場の可視化結果を図-10 および図 -11 に示す。同図より，アレイ上面の風上端部において剥離による渦構造が形成されていることがわかる。同断面内のアレイ上面および下面の風圧係数分布について実験結果と比較した結果を図-12 に示す。風圧係数は，実験・計算ともに実大 0.26 秒相当の移動平均を行い，10 分相当の統計量に基づいてアンサンブル平均を行ったものである。アンサンブル平均回数は，実験は５回，計算は３回である。同図より，上面のピーク風圧係数（負圧側）について計算値は実験値より絶対値がわずかに小さい結果となったものの，分布形状を含め全体的によく対応しており，本計算は精度よく変 Fig.7 図-7 模型写真 Experimental model 図-8 計算モデル Fig.8 Calculational model 動圧力場を再現できていることが示された。実験で計測した全測定点（計 42 点）について，実験値と計算値の相関図を図-13 に示す。図中，左列は風圧係数，右列は対応する上面と下面との差圧に基づく風力係数（下向＋）であり，上段から平均値，変動値（標準偏差），ピーク値（正側・負側含む）である。風圧係数・風力係数ともに，計算値と実験値の対応は概ね良好であるが，図中で示した２点は風上側両端部（風圧係数については上面）のものであり，計算値と実験値に差がみられる。これは，局所的な空間解像度による影響と考えられる。すなわち，計算格子生成において，流れの剥離を考慮してアレイ風上端部近傍の解像度を上げる一方，側面近傍の解像度が不足して 39-3 図-9 中心鉛直断面におけるアレイ近傍の計算格子 Fig.9 Grid system for a photovoltaic array 大成建設技術センター報第45号(2012) いた可能性があり，アレイ面上における３次元的な渦計算[平均] 計算[変動] 構造が十分に捉えられていなかったためであると思わ計算[正側ﾋﾟｰｸ] 計算[負側ﾋﾟｰｸ] Cp Cp 1 れる。実験[平均] 実験[変動] 実験[正側ﾋﾟｰｸ] 実験[負側ﾋﾟｰｸ] 2 1.5 0 1 -1 0.5 まとめ -2 る変動風圧力の計算を行い，風圧実験結果と比較することにより計算精度を検証した。計算結果は，一部で 0 -3 計算値ており，当該構造物の風荷重評価に関する LES の有効今後は，更なる精度改善の他，風向変化やアレイ複 0.25 0.75 x/D -1 0 1 1 0.5 数設置といったケースに対して同様の精度検証を実施 0 し，さらに実験における模型化の制約を超えたアレイ -0.5 実形状の再現，あるいは広域なメガソーラーモデル等 -1 に応用してゆく予定である。 0.5 0.25 x/D 1 0 -1 -1.5 0.5 -2 -2 1 実験値 0.6 0.2 0.2 0.4 0.6 0 0 0.8 実験値 0.2 [ 変動風圧係数 ] 計算値 0 -4 -4 0 0.6 0.8 実験値 0 -2 -2 0.4 2 -2 -4 0 実験値 [ 変動風力係数 ] 2 -6 -6 -0.5 0.6 0.4 0.2 -1 0.8 0.4 0 0 -1.5 [ 平均風力係数 ] 0.8 計算値計算値 [ 平均風圧係数 ] 2 実験値 [ ピーク風圧係数 ] 負圧等値面 0.75 -0.5 -1.5 -1.5 -1 -0.5 0 図-10 計算結果（瞬間流れ場） Fig.10 Computed result (momentary flow) 0.5 図-12 アレイ中心線上の風圧係数分布 Fig.12 Distributions of surface pressure coefficients 実験結果と差がみられたものの全体的にはよく対応し性が示された。 -0.5 -4 0 計算値地上設置型太陽電池アレイ単体について，LES によ計算値 7. -6 -6 -4 -2 0 2 実験値 [ ピーク風力係数 ] 図-13 風圧係数・風力係数の相関図 Fig.13 Correlations of wind pressure coefficients and wind force coefficients 参考文献表面圧力 1) 中村，相原，傾斜角度の小さい地上設置型太陽電池アレイに作用する風力特性，日本建築学会大会学術講演梗概集 B-1，pp173-174,2010.09. 2) 山本，近藤，複数配置に伴う地上設置形太陽電池アレイの風力低減効果，日本風工学会誌第 36 巻第 2 号（通号第 127 号），2011.04. 3) 伊藤，野澤，地上設置型太陽電池アレイの空力特性に対する風向角の影響，第 24 回数値流体力ｼﾝﾎﾟｼﾞｳﾑ,2010 流速ベクトル図-11 計算結果（瞬間流れ場） Fig.11 Computed result (momentary flow) 39-4