防災と電源
| 防災と電源 |
防災装置の関連企業の皆様にお会いして「電源問題」を指摘されることだ。防災装置の設置場所の多くは屋外でありインフラ未整備地区が多い。最近では太陽電池などを独立電源として使い出しているが昼間の数時間稼動するだけで天候に左右され不安定な電源である。冬の積雪や長期の曇天・雨天により蓄電池の完全放電から欠測(データ不通)を招来することもある。
阪神淡路大震災以降、地震計は大地震予測エリア中心の設置から全国広範囲に敷設されるようになり、地震計は急速に増やされているが、その敷設状況をのぞいて見ればお寒い。地震計は、県が中心となり市町村がその指示に従い設置場所を確定されるが、今回「震度７」を計測しながら停電や電話回線不通のため、肝心のデータが送信されなかった失態を演じた新潟県川口町役場の地震計は当直室の一隅に設置されていた訳で、これでは「昼あんどん」もいいところで肝心な時に用をたさない。
防災を考える際は、「電源」確保を一考すべきだ。非常事態の停電・電話不通は必然と考え、「危険分散」の観点から「地震計」も複数台・電源も商用電源一本では落第であり蓄電池や独立電源との多系統予備電源を備えるべきだ。データ通信回路も電話線不通を見越して衛星通信・無線・携帯通信など地域の特性に見合った呼び通信回線は絶対に必要と思われる。
さて、予備電源や無線装置があっても「防災無線」が使えなかったと言う笑えぬ失態が今回の地震で発生しており町全体の情報空白の主因となり、全住民の安否や被災状況が外部に伝えられず混迷に拍車をかけた一件である。原因は簡単なことであり、防災無線機が地震により落下して損壊し使えなくなったというお粗末なものだった。防災従事者ともあろうものが、落下防止の処置すらしなかったとは弁解の余地はあるまい。
携帯電話も非常につながらなかった。→電話
その原因は様々報道されているが、地上局の電源や通信回線がどうなっていたか？はなはだ疑問視している。中々こうした内部情報は外部に漏れることはないが、今後の地震に強い通信網の構築には是非押さえておく必要がある。詳しい情報をお持ちの方は是非ご一報いただきたい。→hasegawa@kk-kk.net
総じて、防災関連装置さえ上記の如くの問題を露呈している訳であり、今回被災された住民の方々も思わぬところで電源がないばかりに装置が動かず困惑された一件は枚挙に暇がない筈である。
一例を上げれば「米があるけどお米を送ってくれ」というお年寄りの言葉に接した。原因は停電で精米機が動かないと言う。「井戸があるけど」と給水車を待つご婦人。ポンプが電動式だからである。こうした場面に接するにつけ古い技術と新しい技術の融合の必要性だ。手動式ポンプや精米機があれば問題は無かった。ランプや手回しラジオがあったら不安の夜も少しは癒されたに違いない。 |
地域安全学会 提出済み一般論文
防災装置のための自然エネルギー独立電源に関する一考察
An inquiry into naturally energized standalone power supplies for disaster-prevention equipment.
長谷川 謙
Ken HASEGAWA
株式会社コーケン 代表取締役
President, KOHKEN Co., Ltd
In case of the lifeline breakdown and a paralysis of rescue functions due to a large-scale earthquake, thesuccessful evacuation of the local residents to minimize the secondary damages depends on the unerringjudgment on the situation by the victims themselves for quicker rescue activities．
The most critical requirement for the victim residents who have been closed down to the traffics,telecommunications, and commercial power supplies is the earliest possible grasp of the sign of the ever-changingcrises that are specific to their own localities. Especially, those who reside in the regions that are designated as acaution-needed area in the hazard map for their regions should prepare a means for receiving and transmitting thewarning signs that is always ready to operate.
When an organism is stimulated externally, it attempts to minimize the damage from the stimulation by theautonomic response locally, without intervention of the brain. I believe that it is a pressing need for us to establishactive autonomic operation of geographically-distributed risk reduction systems analogous to the reflex nervesdistributed allover the body, including observations, communications, information receiving and escape-guiding.
These systems should be designed to be operated by multistoried and supplementary standalone power supplies inpreparation for the power failure due to emergency breakdown of the commercial power supply.
These standalone power supplies should be characterized that they are operated with natural energies routinelyto power low-consumption devices and equipment (sensors, GPS, telecommunication equipment, LED light, etc.)for the security of local residents, which make a clear distinction from the emergency engine-operatedgenerators with low operating rate and requiring refueling.
They should also be characterized that are portable requiring no work for electrical power transmission.
This paper verifies the issued of various power supplies to be overcome with a concept of the risk spreading, anddiscusses the next generation of distributed standalone power supplies based on the knowledge obtained principallyfrom the technological research and development of wind and solar light power generators.
Key Words: An emergency device, a commercial power supply, Cross-Flow Wind Turbine. Capacitor
１．はじめに
大規模地震によりライフラインが破壊され住民救援機
能がマヒした場合，地域住民の早期避難を実現し，二次
的被害を最小限にとどめる為には，被災住民自身が的
確な判断を下し迅速な救援活動をなし得るか否かにか
かっている．交通・通信・電源が遮断された被災住民に
最も必要となるのは，刻々と変わる地域固有の危険シ
グナルの早期把握であり，特にハザードマップ要注意地
区には危険信号をリアルタイムに受発信可能な手段を
平常時に準備しておく必要がある．
さて，生物が外部から刺激を受けると，大脳を介さず局 |
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部ごとに自律反応し負傷を最小化する．この体全体に分布する反射神経中枢に似た観測・通報・受信・避難誘導など一連した地域分散型リスク削減システムの能動的自律運用の確立が急務と考える．
それらに使用される電源は，仮に商用電源のインフラが被災し停電しても他の独立電源にて重層的補完運用が可能とすべきである．また，それら独立電源は，稼働率が極めて低く燃料補給を要する非常用石油燃料系電源とは一線を画し，地域住民安全のため低消費電力稼動装置(センサ・GPS・通信機・LED等)の電源として日常的に自然エネルギーにて無人稼動し，送電線工事を要さず可搬性を有することを特長とする． |
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危険分散化という概念に立ち各種電源ごとの克服す
べき課題を検証し，風力太陽光発電機における技術研
究開発などから得られた知見に基づき次世代の分散型
独立電源のスタイルを一考察する．
２．防災装置用電源の現況と課題
防災上の観点からシステムの形態が異なる従来の電
源ごとに現状を再調査し，解決すべき課題を検証する．
1)商用電源
商用電源は，山岳・沿岸・河川・過疎地において多くの
インフラ未整備地区を有している．今後，未整備地区に
おける移設自在性(モバイル性)を有し簡易に設置できる
分散型独立電源(多系統化)への研究強化を望みたい．
また，台風・地震・落雷が多発する日本国内において
インフラの被災による停電が恒常的に発生する．したが
って，地域安全対策を念頭に置きインフラ被災時におけ
る地域に密着した補完的電源確保(バックアップ)を目的
とする商用電源蓄電システムの構築が急務とされる．
2) 蓄電池
大手電力会社においてNAS電池(電力貯蔵用二次電
池)の研究開発が進んでいる．しかし，夜間電気を貯蔵し
て昼間の消費電力に回すという設備運用効率向上を目
的とする経済的色彩が濃い．大規模電力貯蔵施設が遠
隔地に設置されインフラを介して送電する方式ならば，イ
ンフラ被災時における被災現場への電力供給は停止さ
れ，自動制御装置などへ二次～三次被害を生起せしめ
る可能性は高い．
小型鉛蓄電池の長寿命化に向け新製品開発が進めら
れているが格段に価格が高い．一方，市中に出回る鉛
蓄電池の多くは短命であり，公害因子を抱えている．
無公害と長寿命という観点から，道路標識業界や自動
車業界において電気二重層コンデンサー(Capacitor)が
採用され実用化が進められている．鉛蓄電池より価格
は高くなるが，無公害にて長寿命であり完全放電しても
問題は無い．
したがって交換費用がかさむ海洋・離島・山岳などの無
人観測装置向けには十分採算性が取れるものと思われ
る．
3) 石油系エンジン発電機
防災倉庫に必ず備えられるほど緊急手段として必要不
可欠な存在であり，その有効性は高い．しかし，日常的
に長期に亘って使用する場合は，騒音・燃料補給・費用
対効効果・メンテナンス費用などの面から不向きであ
る． |
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4) 太陽光発電機
自然エネルギー独立電源として早くから観測装置や道路標識などへの応用実用化が進み，特に長寿命でメンテナンスも少なく灯台などにて稼動実績を積んでいる．
しかし，太陽電池パネルの面積が小型化されるに伴い，寒冷地の日照不足や長期積雪により蓄電池の完全放電を招来し，また塩害・自動車排気ガス・鳥の糞などによるパネル表面の積塵により起電力減衰を招いている．
加えて，気候変動に大きく左右されるなど発電出力に不安定要素も多く，今後，発電効率の向上研究にあいまって他の自然エネルギー電源とのハイブリッド化を推進し全天候型発電システムの構築が必要とされる．
図1 積雪・積塵対策された太陽電池パネル
5)風力発電機
NEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)により，主として大型プロペラ型風力発電機の普及が促進されつつある．
プロペラ風車の大型化と高速化は，風速12m/s前後を定格風速とした高効率発電を目的として開発される．この為，年間平均風速5m/s以上の立地条件を採算ラインとして建設されるが，実機の年間稼働率は15~35%と低い数値を示している．
したがって，無稼働日の多さにより大容量蓄電装置が必要不可欠となり，その初期投資と交換費用が採算性悪化に拍車をかけている．加えて強風落雷対策費やメンテナンスコストや運営管理費の圧迫により赤字運営を余儀なくされる場合もある．一方，送電線を敷設し配電するシステムは旧態依然とした形態を脱しておらず，大型風力発電機に関して解決すべき課題が多い．
さて，風力発電機の抱える諸問題の解決には，水平軸型・垂直軸型風車を横断的に調査し，防災上の見地に立って客観的多角的に考察する必要がある．今回，対象とするのは①プロペラ型風車 ②垂直翼型風車(ジャイロミル型・ダリウス型) ③ガイドベーン付クロスフロー風車の三種に絞り込み，赤羽ら(1)(3)牛山ら(2)の諸資料を参照し比較検討した．(表1)
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表1 防災上の見地による風車評価(公害・対候・耐久・安全)
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プロペラ |
垂直翼 |
クロスフロー |
| 発電効率 |
◎ |
◎ |
○ |
| 静音性 |
× |
○ |
◎ |
| 安全性 |
× |
△ |
◎ |
| 周速比 |
◎ |
◎ |
× |
| 起動トルク |
× |
△ |
◎ |
| 強風対策 |
× |
× |
◎ |
| 落雷対策 |
× |
△ |
◎ |
| 無首振駆動 |
× |
◎ |
◎ |
| 低重心 |
× |
◎ |
◎ |
評価 ◎優，○良，△可，×劣，
以上，比較検討するにプロペラ型と垂直翼型風車は揚
力を利用した高速回転する発電機である．一方，ガイド
ベーン付クロスフロー風車は揚力を利用せず周速比が1
以下の低速回転型の発電機である．
例えば同じ受風面積の場合，同じ風速15m/sにおいて
前者揚力型が12000回転する場合，後者はMAX3000回
転に到達しない．約1/4の回転数に収まる．更にプロペ
ラ型はベアリング軸受一箇所で首振り駆動するに対しク
ロスフロー型はベアリング軸受上下二箇所で支え首振り
駆動しない．周速比においてクロスフローに対し「×劣」
と記したが，工学的耐久性から見れば「×劣」が「◎優」
に立場を変えることに注目したい(表1)．
尚，赤羽正彦論文(1)によればプロペラ型並のエネルギ
ー変換効率に達したとある．筆者らは日本平均風速3.
2m/s付近での稼動こそ小型風力発電機にとって大切な
要素と考え，起動トルクの大きさを利用し風速3m/s前後
の微風域での稼働率を高めることにより，小さな蓄電容
量での充放電サイクルを可能にした．加えて低速回転用
の発電機(Generator)の最適化を推進している(図2)．
図2 ガイドベーン付クロスフロー型発電機斜視図
6)波力発電機
現行国内において振動水柱型洋上ブイとウェルズタービ
ン方式の組合せが実用化されている．しかし，ウェルズ
タービンウェルズタービンの特性として起動トルクが極め
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て小さく，いったん回転が停止すると自律的起動は不能となり，起動用補助装置を必要とする短所を有している．加えて回転中における乱流はく離現象に起因する失速問題など発電効率や安定性において多くの課題を抱えている(4)．
筆者らは，ウェルズタービン型波力発電機の性能を上回ることを目指し同機の抱える諸問題を解消すべく，クロスフロータービン型波力発電機を研究開発している．起動トルクや回転トルクが大きいことから，波力発電機の小型化と稼働率の向上を目指し商業ベースに立脚した海洋地震・津波・気象観測装置用の電源を目指しており，目下数値流体解析や試作機実験を推進している(図3)．
図3 クロスフロータービン型波力発電機原理
7)1)~6)の各種電源の組合せ
既述の如く各種電源は様々な問題点や課題を抱えている．しかし，様々な電源がそれぞれの課題を克服しつつ組み合わされ相互補完しあう方向は，地域安全を構築する上で重要なファクターになるに違いない．
３．防災装置用独立電源の具現化を考える
交通・通信・電源が遮断された被災住民が最も必要となるのは，刻々と変わる地域固有の危険シグナルの早期把握であり，特にハザードマップ要注意地区には危険信号をリアルタイムに受発信可能な手段を平常時に準備しておく必要がある．
観測・送信・受信・解析・避難誘導など一連した地域分散型リスク削減システムの能動的自律運用の確立が急務と考える．防災無線・警察無線・マスメディアの交信や報道の内容追求は割愛するが，その多くは被災結果報告や警戒通報や救援交信である．
そこには忍び寄る地域特有の異常情報(前兆)を住民が早期に把握しえる手段が介在せず，災害弱者など早期非難のチャンスを逃すことが多い．
静岡新聞防災ゼミナール(2004/08/30)の記事に「自衛隊や消防，警察などの救援隊によって救出された人は2%に過ぎず，98%は被災者が自ら助け出していた」との記事を重く受け止め，自主防災活動を助長する地域安全システムの構築の早期実現を提案する．
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同じく重要なのは通信用電源の確保であり，防災無線の送
受信が停電により使用不能とならないように防災関連装置に
は二段三段構えの電源確保の早期実現が望まれる．
筆者らは防災装置用独立電源の一考察として，赤羽ら(1)(3)
が提案したガイドベーン付きクロスフロー型発電機をベースに
太陽光発電機を積層させた全天候型独立電源の実用化に向
け試作機の風洞実験や屋外実証実験を重ね，(グラフ1)のご
とき出力性能を確認した．
更に長期無人運用を念頭に置き，数値強度解析も行いつつ
最大瞬間風速60m/sに十分耐えられる機構設計を行ってい
る．また危険回転数に達した場合は，モータ回路を短絡させ
回転数を落とすことが可能であることを確認した．
クロスフロー風車の性能向上を目的に赤羽ら(1)(3)牛山ら(2)
により調査研究され出力係数の改善が進められており着実
に成果を上げている．
しかし，現実的実用化において，早急に克服すべき課題は，
現在エネルギー損失(約７割減)となる発電機(Generator)の
開発と思われる．
遅れの主因として①流体工学専門家が必ずしも発電機
(Generator)の専門家では無い．②風力発電機用発電機
(Generator)研究開発と本格的実用化が行われていない．が
上げられるが，発電機の改良は特に低回転型風力発電機の
発電出力アップの効果は高いものと考えられる．
グラフ1 発電機の磁極数相違による発電出力変化
筆者らは，大学や専門企業とのネットワーク作業を進め低速
回転用のブラシレス多極発電機(Generator)の最適化や研究 |
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開発を推進．既に風洞実験による出力比較試験を重
ねた結果，初期試供発電機との出力比較では8%以上
の発電効率の向上を確認している(グラフ1)．非常に未
開拓な研究分野だけに今後の開発如何により電気変
換効率の大幅な改善が期待されるところとなってい
る．
５．まとめ
本考察では，防災装置用各種電源の現況把握と解決
すべき課題を系統的に網羅し，課題克服の手法を提
示し，危険分散の見地から重層的電源の確立を目標
とした防災装置用独立電源の必要性を提案した．
独立電源候補として自然エネルギーを活用した全天
候型風力太陽光独立電源確立を一考察し，ガイドベー
ン付クロスフロー型発電機・太陽光発電機・波力発電
機などの研究開発の現況と，市場調査並びに風洞実
験及び数値解析調査した結果，次のような結論を得
た．
①小型風力発電機は，地域社会安全の見地から勘案
するに単に変換効率一辺倒の選択は問題点が多く，
また低風速での稼働率重視の優位性を提示した．
②防災上の観点から見るに，ガイドベーン付クロスフロ
ー型風力発電機の特性が小型風力発電機の抱える
多くの課題を解決する要素を有すことが判明した．
③LED,GPS,LSI,通信機器,監視センサなど低消費電力
電子部品の実用化が進み，自然エネルギー発電機の
相対的蓄電容量の小型化が進むものと期待される．
④発電機(Generator)開発に関し最適化数値解析や
試作試験が非常に遅れており，当該機の改良努力に
より大幅な発電出力改善の可能性が高いものと推察
され，今後に残された課題であることが判明した．
<参考文献>
(1)赤羽正彦，貫流風車に及ぼすガイドベーンの影響
について，風力エネルギー，16-1(1992)，11-15．
(2)牛山泉・一色尚次・柴国鐘，クロスフロー形風車の
設計形状とその評価，太陽エネルギー，20-4(1994)，
36-41．
(3)赤羽正彦・石津大士・市田隆行，ガイドベーン付ク
ロスフロー風車の性能に及ぼす諸因子について，第
22回風力エネルギー，(1999-11)，146-149．
(4)鈴木正巳，波力発電用ウェルズタービン形状の選
定方法，日本機械学会論文集， 69-683(2003), B,
pp．1621-1627
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