風力発電システムの制御方法
【課題】風の変動に対応した制御が可能であり、高効率化および低騒音化を実現することができる風力発電システムの制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】実施形態の風力発電システムの制御方法は、少なくとも風車翼４０に流入する風の風速および風向の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、計測情報入力ステップで入力された計測情報を用いて、風車翼４０の翼上面５０ａに配設され気流を発生させる気流発生装置６０、風車翼４０の角度を変更するピッチ角度駆動機構１３０、風車翼４０が取り付けられたナセルを回転するヨー角度駆動機構１４０を制御する制御ステップとを具備する。
【解決手段】実施形態の風力発電システムの制御方法は、少なくとも風車翼４０に流入する風の風速および風向の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、計測情報入力ステップで入力された計測情報を用いて、風車翼４０の翼上面５０ａに配設され気流を発生させる気流発生装置６０、風車翼４０の角度を変更するピッチ角度駆動機構１３０、風車翼４０が取り付けられたナセルを回転するヨー角度駆動機構１４０を制御する制御ステップとを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電プラズマの作用により気流を発生させる気流発生装置を備えた風力発電システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、欧米では風力発電の建設ラッシュであり、デンマークやドイツなどでは、全発電量に占める風力発電の割合は１０％に達し、ＥＵの目標値（２０１０年に１２％）に向けて大規模な開発が進められている。このような諸外国に対し、日本においては、ＮＥＤＯ（新エネルギー・産業技術総合開発機構）による開発や助成が進められているが、全発電量に占める風力発電の割合はまだ１％に満たない。
【０００３】
日本における風力発電の普及の困難さは、その地理的制約に帰するところが大きい。第１に、山岳性気象であるため風力および風向がめまぐるしく変わり、安定した出力を維持することが困難である。このことが風車１台あたりの発電効率を低下させ、結果的に風力発電システムの導入コストを押し上げている。第２に、国土の狭隘な日本にあっては、風力発電の普及につれて、立地環境に対する問題が顕在化してきており、特に民家や集落の近くに立地しなければならない場合においては、騒音に関する各種トラブルが発生する。
【０００４】
そのため、日本で欧米なみの導入目標を実現するためには、これらの問題を克服した日本特有の風車開発が必須である。これまで、風力発電システムに関して、翼形状の最適化による揚力向上、風速によって翼の迎角を変動させるピッチ制御による変動対応、可変速ロータによる風きり音の低減などの技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１９３６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の風力発電システムにおいては、風の短時間の変動にピッチ制御が対応できないという問題があった。また、日本の風環境下では、低効率での風力発電システムの運転を余儀なくされているのが現状であり、耐変動、高効率、低騒音に関して革新的な日本型風車技術の開発が望まれている。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、風の変動に対応した制御が可能であり、高効率化および低騒音化を実現することができる風力発電システムの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の風力発電システムの制御方法は、少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、前記計測情報入力ステップで入力された計測情報を用いて、前記風車翼の翼上面に配設され気流を発生させる気流発生装置、前記風車翼の角度を変更するピッチ角度駆動機構、前記風車翼が取り付けられたナセルを回転するヨー角度駆動機構を制御する制御ステップとを具備することを特徴とする。
【０００９】
この風力発電システムの制御方法によれば、計測情報入力ステップにおいて、少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向の計測情報を入力し、その情報に基づいて、気流発生装置、ピッチ角度駆動機構、ヨー角度駆動機構の特長に対応してそれぞれを個々に制御することができる。これによって、風力発電システムの効率の向上を図ることができる。
【００１０】
また、本発明の風力発電システムの制御方法は、少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、前記計測情報入力ステップで入力された計測情報およびトルクを算出するための予め記憶されたデータに基づいて、各翼素に実際に発生している発生トルクおよび各翼素において想定される最適トルクを算出するトルク算出ステップと、前記トルク算出ステップにおいて算出された発生トルクと最適トルクとを比較するトルク比較ステップと、前記トルク比較ステップで比較された結果に基づいて、発生トルクと最適トルクの差を小さくするように、前記風車翼の翼上面に配設され気流を発生させる気流発生装置、前記風車翼の角度を変更するピッチ角度駆動機構、前記風車翼が取り付けられたナセルを回転するヨー角度駆動機構を制御する制御ステップとを具備することを特徴とする。
【００１１】
この風力発電システムの制御方法によれば、トルク比較ステップにおいて、トルク算出ステップにおいて算出された発生トルクと最適トルクとを比較し、制御ステップにおいて、比較された結果に基づいて、発生トルクと最適トルクの差を小さくするように、気流発生装置、ピッチ角度駆動機構、ヨー角度駆動機構の特長に対応してそれぞれを個々に制御することができる。これによって、風力発電システムの効率の向上を図ることができる。
【００１２】
また、本発明の風力発電システムの制御方法は、少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向、前記風車翼の翼上面における表面圧力の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、前記計測情報入力ステップで入力された計測情報および翼上面における表面圧力を算出するための予め記憶されたデータに基づいて、実際に計測された翼上面における表面圧力と、想定される翼上面における表面圧力を算出する表面圧力算出ステップと、前記実際に計測された翼上面における表面圧力と前記想定される翼上面における表面圧力とを比較し、前記翼上面において流れが剥離しているか否かを判定する剥離判定ステップと、前記剥離判定ステップにおいて、前記翼上面において流れが剥離していると判定した場合に、流れが剥離している前記翼上面に配設された気流発生装置に電圧を印加して気流を発生させ、流れの剥離を抑える気流発生ステップとを具備することを特徴とする。
【００１３】
この風力発電システムの制御方法によれば、剥離判定ステップにおいて、翼上面において流れが剥離していると判定した場合に、流れが剥離している翼上面に配設された気流発生装置に電圧を印加して気流を発生させることで、流れの剥離を抑えることができる。これによって、風力発電システムの効率の向上および低騒音化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の風力発電システムの制御方法によれば、風の変動に対応した制御が可能であり、高効率化および低騒音化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施の形態の風力発電システムを示す斜視図である。
【図２】風車翼の一例を模式的に示す斜視図である。
【図３】風車翼の断面の一例を模式的に示す図。
【図４Ａ】翼上面の気流の流れを説明するための風車翼の断面を模式的に示す図である。
【図４Ｂ】翼上面の気流の流れを説明するための風車翼の断面を模式的に示す図である。
【図４Ｃ】翼上面の気流の流れを説明するための風車翼の断面を模式的に示す図である。
【図４Ｄ】翼上面の気流の流れを説明するための風車翼の断面を模式的に示す図である。
【図５】翼上面の前縁から後縁に沿う方向に気流発生装置を配設したときの風車翼の斜視図である。
【図６】翼上面の翼根から翼端に沿う方向に気流発生装置を配設したときの風車翼の斜視図である。
【図７】風力発電システムにおける風車翼の翼素の駆動力と突風の関係を説明するための風車翼本体の断面図である。
【図８】風車翼に気流発生装置を備えた場合と、気流発生装置を備えない場合における迎角と揚力係数との関係を示す図である。
【図９】風力発電システムの制御構成を模式的に示した図である。
【図１０】風力発電システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】風力発電システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
本発明に係る一実施の形態の風力発電システム１０について、図１〜図６を参照して説明する。
【００１８】
図１は、一実施の形態の風力発電システム１０を示す斜視図である。図２は、風車翼４０の一例を模式的に示す斜視図である。図３は、風車翼４０の断面の一例を模式的に示す図である。図４Ａ〜図４Ｄは、翼上面５０ａの気流の流れを説明するための風車翼４０の断面を模式的に示す図である。図５は、翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向に気流発生装置６０を配設したときの風車翼４０の斜視図である。図６は、翼上面５０ａの翼根から翼端に沿う方向に気流発生装置６０を配設したときの風車翼４０の斜視図である。なお、ここでは、横軸風車を備えた風力発電システム１０の一例を示している。
【００１９】
図１に示すように、風力発電システム１０において、地面２０に設置されたタワー３０の頂部に発電機（図示しない）などを収容したナセル３５が取付けられている。また、ナセル３５から突出した発電機の回転軸に風車翼４０が取り付けられている。さらに、ナセル３５の上面には、風の風向や速度を計測する風向風速計３６が設けられている。
【００２０】
次に、風車翼４０の構造について説明する。
【００２１】
図１〜図３に示すように、風車翼４０は、３本の風車翼本体５０と、各風車翼本体５０に配設された気流発生装置６０とで主に構成されている。ここで、風車翼は、一般的に３本の翼で構成されるが、ここでは本数を限定するものではない。
【００２２】
風車翼本体５０は、風車翼本体５０の外形形状をなす誘電材料で構成されている。この誘電材料として、例えば、グラスファイバを合成樹脂により固形化したＧＦＲＰ（グラスファイバ強化樹脂）などが挙げられるが、これに限られるものではなく、公知な風車翼本体を構成する誘電材料であればよい。なお、風車翼本体５０全体が誘電材料で構成されている必要はなく、少なくとも気流発生装置６０を配設する部分が誘電材料で構成されていればよい。すなわち、気流発生装置６０の電極どうし、および気流発生装置６０の電極と風車翼本体５０との間が導通しないように構成されていればよい。
【００２３】
気流発生装置６０は、第１の電極６１と、この第１の電極６１と離間して配設された第２の電極６２と、ケーブル配線６４を介して第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧を印加する放電用電源６３とから構成されている。
【００２４】
第１の電極６１は、板状の平板電極からなり、風車翼本体５０内に埋設されている。なお、第１の電極６１は、その一主面が風車翼本体５０の翼上面５０ａ、すなわち風車翼本体５０の腹側の表面と同一面に露出されるように設けられてもよい。また、第１の電極６１の形状は、板状に限らず、例えば、断面が円、矩形などの棒状などであってもよい。
【００２５】
第２の電極６２は、板状の平板電極からなり、図３に示すように、第１の電極６１よりも風車翼本体５０の表面から深い位置、第１の電極６１よりも気流の流れる方向にずらした位置に、第１の電極６１と離間して配置されている。なお、この場合、第１の電極６１よりも気流の流れる方向とは逆方向にずらした位置に第２の電極６２を配置してもよい。また、第１の電極６１の一主面が風車翼本体５０の翼上面５０ａと同一面に露出されるように設けられる場合には、第２の電極６２は、その一主面が風車翼本体５０の翼上面５０ａと同一面に露出され、かつ第１の電極６１よりも気流の流れる方向またはその逆方向にずらした位置に、第１の電極６１と離間して配置されてもよい。また、第２の電極６２の形状は、板状の限らず、例えば、断面が円、矩形などの棒状などであってもよい。なお、第２の電極６２は、第１の電極６１と同じ形状であってもよい。
【００２６】
放電用電源６３は、電圧印加機構として機能し、第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧を印加するものである。この放電用電源６３は、例えば、パルス状（正極性、負極性、正負の両極性（交番電圧））や交流状（正弦波、断続正弦波）の波形を有する電圧を出力する。
【００２７】
ここで、風車翼４０は、例えば次のように製作される。例えば、風車翼本体５０を、プリプレグやレジントランスファ等の製法により、ガラス繊維を積層したものに樹脂を含浸して作製する際、繊維の間に金属箔帯や金属板を積層して、気流発生装置６０の第１の電極６１および第２の電極６２を形成し、風車翼４０が製造される。なお、風車翼４０の製造方法は、これに限られるものではない。
【００２８】
次に、気流発生装置６０によって気流ＡＦが発生する現象について説明する。
【００２９】
放電用電源６３から第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧が印加され、一定の閾値以上の電位差となると、第１の電極６１と第２の電極６２との間に放電が誘起される。この放電は、両電極が風車翼本体５０の翼上面５０ａに露出している場合にはコロナ放電、一方、少なくとも一方の電極が風車翼本体５０に埋設されている場合にはバリア放電とよばれ、低温プラズマが生成される。これらの放電においては、気体中の電子のみにエネルギを与えることができるため、気体をほとんど加熱せずに気体を電離して電子およびイオンを生成することができる。生成された電子やイオンは、電界によって駆動され、それらが気体分子と衝突することで運動量が気体分子に移行する。すなわち、放電を印加することで電極付近に気流ＡＦを発生することができる。この気流ＡＦの大きさや向きは、電極に印加する電圧、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性を変化させることで制御可能である。なお、ここでは、風車翼本体５０の翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向に気流ＡＦを発生させるように、気流発生装置６０が配設されているが、電極の設置方法によって気流ＡＦの向きを変えることもできる。
【００３０】
次に、気流発生装置６０によって発生した気流が風車翼本体５０の周りの流れに及ぼす効果について説明する。
【００３１】
図４Ａに示すように、翼周りに流れが付着しているとき、翼上面５０ａの流速と翼下面の流速の差から風車翼本体５０には揚力が発生する。風車翼本体５０の迎角αを大きくすると揚力は増大するが、ある迎角以上では、図４Ｂに示すように、翼上面５０ａから流れが剥離して揚力が低下する。そこで、図４Ｃに示すように、翼上面５０ａにおける流れの剥離を生じる部分に、気流発生装置６０を備えて気流を発生させると、翼境界層における流速分布が変化し、流れの剥離の発生を抑えることができる。また、図４Ｄに示すように、翼の後縁付近で流れの剥離が生じる場合には、その流れの剥離を生じる部分の翼上面５０ａに気流発生装置６０を備えて気流を発生させることで、流れの剥離の発生を抑えることができる。
【００３２】
上記した風車翼本体５０の翼上面５０ａにおける流れの剥離の発生を抑えるために、図５および図６に示すように、翼上面５０ａに気流発生装置６０を配設してもよい。
【００３３】
図５に示す配設例では、翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向に、所定の間隔をあけて複数の気流発生装置６０が配設されている。これらの気流発生装置６０は、翼上面５０ａにおける流れの剥離を生じる部分、特に、流れの剥離を発生しやすい、翼上面５０ａの前縁部付近や、翼上面５０ａの後縁部付近に配設されている。
【００３４】
図６に示す配設例では、翼上面５０ａの翼根から翼端に沿う方向に、所定の間隔をあけて複数の気流発生装置６０が配設されている。これらの気流発生装置６０は、翼上面５０ａにおける流れの剥離を生じる部分、特に、流れの剥離を発生しやすい、翼上面５０ａの前縁部付近に配設されている。
【００３５】
なお、図５および図６に示す配設例では、翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向に気流が発生するように気流発生装置６０が配設されている。また、各気流発生装置６０は、それぞれ個々に制御することができ、風車翼本体５０の周りにおける流れの状態に応じてそれぞれの電極に印加する電流電圧特性を変化させることができる。特に、横軸風車では翼端と翼根で周速が異なるが、各気流発生装置６０を個々に制御することができるので、翼端と翼根の流れに対して最適な気流発生装置６０の制御が可能となる。また、図５に示す配設例と図６に示す配設例とを組み合わせて、複数の気流発生装置６０を翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向、かつ翼上面５０ａの翼根から翼端に沿う方向に配設してもよい。なお、気流発生装置６０は、流れの剥離が発生する部分の翼上面５０ａに配設されればよく、気流発生装置６０が配設されるのは前縁部や後縁部に限られるものではない。
【００３６】
また、特に翼端部においては、流れの剥離やその他の空力現象に起因する騒音が発生する。しかしながら、上記したように、翼上面５０ａに気流発生装置６０を配設して、流れの剥離を防止したり、翼面境界層内部の流速分布などを変化させることで、流れの剥離やその他の空力現象に起因する騒音を低減することが可能となる。
【００３７】
次に、風力発電システム１０について、図７〜図１１を参照して詳しく説明する。
【００３８】
図７は、風力発電システム１０における風車翼４０の翼素の駆動力と突風の関係を説明するための風車翼本体５０の断面図である。図８は、風車翼４０に気流発生装置６０を備えた場合と、気流発生装置６０を備えない場合における迎角と揚力係数との関係を示す図である。図９は、風力発電システム１０の制御構成を模式的に示した図である。図１０および図１１は、風力発電システム１０の動作を説明するためのフローチャートである。
【００３９】
図７に示すように、風車翼４０は、風車翼４０の回転による周速Ｕと風速Ｖの合成された相対速度Ｗを各翼素において受けることで回転する。このとき翼素とＷのなす角が翼素の迎角αとなる。突風等により風速がＵ＋ΔＵに変化すると、相対速度がＷ’となり、迎角はα＋Δαに変化する。そのため風車翼４０の揚力も変化する。特に迎角αが失速迎角を超えると失速し、効率が低下する。ここで、翼素とは、風車翼本体５０の翼根から翼端に沿う方向、すなわち風車翼本体５０の長手方向に対して垂直な風車翼本体５０の断面を意味する。
【００４０】
そこで、本発明の風力発電システム１０では、迎角変化が失速迎角を超えるような突風を風向風速計３６で検知した場合に、気流発生装置６０の電極に電圧を印加して風車翼４０の空力特性を変化させる。これによって、流れの剥離を抑え、失速を回避することができる。また、翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向に気流が発生するように気流発生装置６０を備えた風車翼４０を用いる場合は、風速風向に応じて最適な電流電圧特性を、それぞれの気流発生装置６０の電極に印加することで、より最適な空力特性を得ることができる。また、横軸風車の場合、周速Ｕは翼端に比べて翼根付近が遅いため、突風による迎角変化の影響は翼根付近ほど大きい。そこで、翼上面５０ａの翼根から翼端に沿う方向に複数の気流発生装置６０を備えた風車翼を使用し、風速風向に応じて最適な電流電圧特性を、それぞれの気流発生装置６０の電極に印加することで、より最適な空力特性を得ることができる。
【００４１】
ここで、風車翼４０に気流発生装置６０を備えた場合と、気流発生装置６０を備えない場合における迎角と揚力係数との関係を説明する。
【００４２】
図８に示すように、気流発生装置６０を備え放電により気流を発生させることで、失速迎角は、α０からα１に増加する。また、気流発生装置６０を備え放電により気流を発生させることで、失速状態での迎角α２における揚力が改善する。すなわち、気流発生装置６０を備え放電により気流を発生させることで、失速迎角を超えても、急激な揚力の低下を防止することができる。
【００４３】
このように、風車翼４０に気流発生装置６０を備え、風向風速計３６で検知した情報に基づいて気流発生装置６０を制御することで、風車翼４０において失速しにくくなるだけでなく、万一失速しても高い揚力係数を維持することができ、効率的な運転が可能となる。特に、風向風速の変化が激しく、頻繁に失速状態に陥る日本の風力発電システムにおいては、本発明の風力発電システム１０を備えることが有効である。
【００４４】
さらに、気流発生装置６０によって、短時間の風速風向変動に追従した風車翼４０の周りの流れの制御を行うとともに、翼の迎角やロータの向きを機械的に制御してもよい。これによって、より最適な風車翼４０の空力特性を得ることができる。
【００４５】
次に、風力発電システム１０における具体的な制御例を説明する。
【００４６】
図９に示すように、風力発電システム１０は、風速センサ１００と、風向センサ１０１と、回転数センサ１０２と、表面圧力センサ１０３と、制御部１１０と、制御データベース１２０と、気流発生装置６０と、ピッチ角度駆動機構１３０と、ヨー角度駆動機構１４０とから構成されている。
【００４７】
風速センサ１００は、風車翼４０に流入する風の速度を計測するセンサである。風向センサ１０１は、風車翼４０に流入する風の風向を計測するセンサである。これらの風速センサ１００や風向センサ１０１は、例えば、図１に示すように、ナセル３５の上側面に設けられた風向風速計３６などで構成される。
【００４８】
回転数センサ１０２は、風車翼４０の回転数を計測するセンサであり、例えばナセル３５内に設けられる。
【００４９】
表面圧力センサ１０３は、風車翼４０の風車翼本体５０における翼上面５０ａの圧力を計測するもので、例えば、翼上面５０ａに複数の半導体圧力センサを設けることで構成される。なお、この表面圧力センサ１０３を備えずに、風力発電システム１０を構成することもできる。
【００５０】
制御データベース１２０は、風速、風向、回転数、表面圧力などの計測値に基づく、迎角、レイノルズ数、トルク、ヨー角度、ピッチ角度、表面圧力などのデータを記憶している。この制御データベース１２０は、メモリ、ハードディスク装置などで構成される。また、制御データベース１２０には、図示しない、キーボード、マウス、外部入力インターフェースなどを介して、データの入力などが可能である。
【００５１】
制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１、回転数センサ１０２、表面圧力センサ１０３などの各センサから出力された情報および制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、迎角、レイノルズ数、トルク、ヨー角度、ピッチ角度、表面圧力などを算出する。また、制御部１１０は、上記算出結果に基づいて、気流発生装置６０、ピッチ角度駆動機構１３０、ヨー角度駆動機構１４０を制御する。この制御部１１０は、例えば、演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などから主に構成され、ＣＰＵでは、ＲＯＭやＲＡＭに格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。この制御部１１０が実行する処理は、例えばコンピュータ装置などで実現される。また、制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１、回転数センサ１０２、表面圧力センサ１０３、制御データベース１２０、気流発生装置６０、ピッチ角度駆動機構１３０、ヨー角度駆動機構１４０の各機器と電気信号の出入力が可能に接続されている。
【００５２】
気流発生装置６０は、前述したように、放電用電源６３から第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧を印加し、翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向に気流を発生させるものである。この気流発生装置６０は、制御部１１０によって、例えば、各気流発生装置６０ごとに、電極に印加する電圧、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性などが制御される。
【００５３】
ピッチ角度駆動機構１３０は、制御部１１０からの情報に基づいて、風車翼４０の回転数に応じて、風車翼４０の風車翼本体５０の角度を制御するものである。
【００５４】
ヨー角度駆動機構１４０は、制御部１１０からの情報に基づいて、風車ロータを風向に合わせるために、ナセル３５を旋回（回転）させるものである。
【００５５】
次に、風力発電システム１０の動作について説明する。なお、ここでは、図６に示すように、風車翼本体５０の翼根から翼端に沿う方向、すなわち風車翼本体５０の長手方向に複数の気流発生装置６０を配設した風車翼４０を想定している。また、この気流発生装置６０が配設されている翼素において、気流発生装置６０によって気流を発生させ、翼上面５０ａの流れの制御を行う。
【００５６】
図１０に示すように、まず、制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１、回転数センサ１０２によって計測された、風速、風向、回転数などの計測情報をそれぞれのセンサから入力する（ステップＳ２００）。
【００５７】
続いて、制御部１１０は、入力した計測情報および制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、各翼素における迎角、レイノルズ数を算出する（ステップＳ２０１）。なお、風車翼４０が一定の回転数で回転する風力発電システムにおいては、回転数センサ１０２を設けずに、設定回転数を制御データベース１２０から読み出し、各翼素における迎角、レイノルズ数の算出に利用する。
【００５８】
続いて、制御部１１０は、算出した迎角、レイノルズ数に基づいて、各翼素に実際に発生している発生トルクを算出する（ステップＳ２０２）。また、風車翼４０全体は一定の角速度で回転するため、各翼素の重量と角速度から、各翼素における最適トルクを算出することができ、制御部１１０は、計測情報および制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、各翼素において想定される最適トルクを算出する（ステップＳ２０２）。
【００５９】
続いて、制御部１１０は、各翼素における発生トルクと最適トルクとを比較する（ステップＳ２０３）。ここで、発生トルクと最適トルクとがほぼ等しい状態で、風車翼４０が回転しているときが最も効率の高いときである。
【００６０】
続いて、制御部１１０は、その比較した結果に基づいて、各翼素における発生トルクと最適トルクの差を小さくするように、制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、気流発生装置６０、ピッチ角度駆動機構１３０、ヨー角度駆動機構１４０を現状の制御から最適な制御に変更する（ステップＳ２０４）。なお、この際、気流発生装置６０、ピッチ角度駆動機構１３０、ヨー角度駆動機構１４０のすべてを作動させる必要はなく、各翼素における発生トルクと最適トルクの差を小さくするために、適宜に必要な装置、機構が作動される。そして、ステップＳ２０４の処理を実行した後、再びステップＳ２００からの処理を実行する。
【００６１】
ここで、ヨー角度駆動機構１４０によるヨー角度制御は、ロータ全体（ナセル３５全体）、ピッチ角度駆動機構１３０によるピッチ角度制御は、各風車翼本体５０を駆動する必要がある。一方、気流発生装置６０においては、駆動部がなく、機械的に構成部位を駆動して動作させるという工程はない。また、ヨー角度制御およびピッチ角度制御において、駆動させる対象部位は、ヨー角度制御におけるロータ全体（ナセル３５全体）の方が、ピッチ角度制御における各風車翼本体５０よりも大きく、ヨー角度制御にかかる時間は、ピッチ角度制御にかかる時間よりも長くなる。一方、気流発生装置６０の制御にかかる時間は、これらのヨー角度およびピッチ角度の制御にかかる時間に比べて非常に短い。そのため、風向や風速に関し、時定数の大きな変化に対しては、ヨー角度の制御やピッチ角度の制御で対応し、突風等の時定数の小さな変化に対しては、気流発生装置６０の制御で対応することが好ましい。
【００６２】
次に、風力発電システム１０の他の動作について説明する。
【００６３】
図１１に示すように、まず、制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１、回転数センサ１０２、表面圧力センサ１０３によって計測された、風速、風向、回転数、翼上面５０ａの表面圧力などの計測情報をそれぞれのセンサから入力する（ステップＳ３００）。
【００６４】
続いて、制御部１１０は、入力した計測情報および制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、予め記憶された想定される翼上面５０ａの表面圧力の情報を読み出す（ステップＳ３０１）。なお、風車翼４０が一定の回転数で回転する風力発電システムにおいては、回転数センサ１０２を設けずに、設定回転数を制御データベース１２０から読み出し、翼上面５０ａの表面圧力の情報を読み出す際に利用する。
【００６５】
続いて、制御部１１０は、想定される翼上面５０ａの表面圧力と、表面圧力センサ１０３によって実際に計測された表面圧力とを比較する（ステップＳ３０２）。
【００６６】
続いて、制御部１１０は、想定される翼上面５０ａの表面圧力と、実際に計測された表面圧力との比較結果から、翼上面５０ａにおいて流れの剥離が発生しているか否かを判定するとともに、流れの剥離が発生している翼上面５０ａの部位を判定する（ステップＳ３０３）。
【００６７】
ステップＳ３０３の判定で、翼上面５０ａにおいて流れの剥離が発生していると判定した場合（ステップＳ３０３のＹｅｓ）には、制御部１１０は、流れの剥離が発生していると判定された部位の気流発生装置６０を制御し、その部位に気流を発生させる（ステップＳ３０４）。これによって、この部位における流れが変化し、流れの剥離の発生が抑えられる。
【００６８】
一方、ステップＳ３０３の判定で、翼上面５０ａにおいて流れの剥離が発生していないと判定した場合（ステップＳ３０３のＮｏ）には、ステップＳ３００からの処理を再び実行する。
【００６９】
以上、本発明の風力発電システム１０および風車翼４０によれば、風車翼４０の翼上面５０ａの、例えば、流れの剥離を生じやすい翼の前縁付近や後縁付近に気流発生装置６０を配設して気流を発生させ、流れの剥離を抑えることができる。これによって、迎角を大きく設定することができ、高揚力が得られ、高効率の風力発電システム１０および風車翼４０を実現することができる。さらに、流れの剥離を抑えることができるので、空力騒音の小さい風力発電システム１０および風車翼４０を実現することができる。
【００７０】
さらに、風車翼４０の翼上面に設けられた複数の気流発生装置６０を個々に制御することができるとともに、従来行われているヨー角度駆動機構１４０によるヨー角度の制御およびピッチ角度駆動機構１３０によるピッチ角度の制御を併用することで、それぞれの特性を生かした風力発電システム１０の制御が可能となり、高効率の風力発電システム１０が実現できる。
【００７１】
以上、本発明を実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０…風力発電システム、２０…地面、３０…タワー、３５…ナセル、３６…風向風速計、４０…風車翼、５０…風車翼本体、５０ａ…翼上面、６０…気流発生装置、６１…第１の電極、６２…第２の電極、６３…放電用電源、６４…ケーブル配線、ＡＦ…気流。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電プラズマの作用により気流を発生させる気流発生装置を備えた風力発電システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、欧米では風力発電の建設ラッシュであり、デンマークやドイツなどでは、全発電量に占める風力発電の割合は１０％に達し、ＥＵの目標値（２０１０年に１２％）に向けて大規模な開発が進められている。このような諸外国に対し、日本においては、ＮＥＤＯ（新エネルギー・産業技術総合開発機構）による開発や助成が進められているが、全発電量に占める風力発電の割合はまだ１％に満たない。
【０００３】
日本における風力発電の普及の困難さは、その地理的制約に帰するところが大きい。第１に、山岳性気象であるため風力および風向がめまぐるしく変わり、安定した出力を維持することが困難である。このことが風車１台あたりの発電効率を低下させ、結果的に風力発電システムの導入コストを押し上げている。第２に、国土の狭隘な日本にあっては、風力発電の普及につれて、立地環境に対する問題が顕在化してきており、特に民家や集落の近くに立地しなければならない場合においては、騒音に関する各種トラブルが発生する。
【０００４】
そのため、日本で欧米なみの導入目標を実現するためには、これらの問題を克服した日本特有の風車開発が必須である。これまで、風力発電システムに関して、翼形状の最適化による揚力向上、風速によって翼の迎角を変動させるピッチ制御による変動対応、可変速ロータによる風きり音の低減などの技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１９３６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の風力発電システムにおいては、風の短時間の変動にピッチ制御が対応できないという問題があった。また、日本の風環境下では、低効率での風力発電システムの運転を余儀なくされているのが現状であり、耐変動、高効率、低騒音に関して革新的な日本型風車技術の開発が望まれている。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、風の変動に対応した制御が可能であり、高効率化および低騒音化を実現することができる風力発電システムの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の風力発電システムの制御方法は、少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、前記計測情報入力ステップで入力された計測情報を用いて、前記風車翼の翼上面に配設され気流を発生させる気流発生装置、前記風車翼の角度を変更するピッチ角度駆動機構、前記風車翼が取り付けられたナセルを回転するヨー角度駆動機構を制御する制御ステップとを具備することを特徴とする。
【０００９】
この風力発電システムの制御方法によれば、計測情報入力ステップにおいて、少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向の計測情報を入力し、その情報に基づいて、気流発生装置、ピッチ角度駆動機構、ヨー角度駆動機構の特長に対応してそれぞれを個々に制御することができる。これによって、風力発電システムの効率の向上を図ることができる。
【００１０】
また、本発明の風力発電システムの制御方法は、少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、前記計測情報入力ステップで入力された計測情報およびトルクを算出するための予め記憶されたデータに基づいて、各翼素に実際に発生している発生トルクおよび各翼素において想定される最適トルクを算出するトルク算出ステップと、前記トルク算出ステップにおいて算出された発生トルクと最適トルクとを比較するトルク比較ステップと、前記トルク比較ステップで比較された結果に基づいて、発生トルクと最適トルクの差を小さくするように、前記風車翼の翼上面に配設され気流を発生させる気流発生装置、前記風車翼の角度を変更するピッチ角度駆動機構、前記風車翼が取り付けられたナセルを回転するヨー角度駆動機構を制御する制御ステップとを具備することを特徴とする。
【００１１】
この風力発電システムの制御方法によれば、トルク比較ステップにおいて、トルク算出ステップにおいて算出された発生トルクと最適トルクとを比較し、制御ステップにおいて、比較された結果に基づいて、発生トルクと最適トルクの差を小さくするように、気流発生装置、ピッチ角度駆動機構、ヨー角度駆動機構の特長に対応してそれぞれを個々に制御することができる。これによって、風力発電システムの効率の向上を図ることができる。
【００１２】
また、本発明の風力発電システムの制御方法は、少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向、前記風車翼の翼上面における表面圧力の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、前記計測情報入力ステップで入力された計測情報および翼上面における表面圧力を算出するための予め記憶されたデータに基づいて、実際に計測された翼上面における表面圧力と、想定される翼上面における表面圧力を算出する表面圧力算出ステップと、前記実際に計測された翼上面における表面圧力と前記想定される翼上面における表面圧力とを比較し、前記翼上面において流れが剥離しているか否かを判定する剥離判定ステップと、前記剥離判定ステップにおいて、前記翼上面において流れが剥離していると判定した場合に、流れが剥離している前記翼上面に配設された気流発生装置に電圧を印加して気流を発生させ、流れの剥離を抑える気流発生ステップとを具備することを特徴とする。
【００１３】
この風力発電システムの制御方法によれば、剥離判定ステップにおいて、翼上面において流れが剥離していると判定した場合に、流れが剥離している翼上面に配設された気流発生装置に電圧を印加して気流を発生させることで、流れの剥離を抑えることができる。これによって、風力発電システムの効率の向上および低騒音化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の風力発電システムの制御方法によれば、風の変動に対応した制御が可能であり、高効率化および低騒音化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施の形態の風力発電システムを示す斜視図である。
【図２】風車翼の一例を模式的に示す斜視図である。
【図３】風車翼の断面の一例を模式的に示す図。
【図４Ａ】翼上面の気流の流れを説明するための風車翼の断面を模式的に示す図である。
【図４Ｂ】翼上面の気流の流れを説明するための風車翼の断面を模式的に示す図である。
【図４Ｃ】翼上面の気流の流れを説明するための風車翼の断面を模式的に示す図である。
【図４Ｄ】翼上面の気流の流れを説明するための風車翼の断面を模式的に示す図である。
【図５】翼上面の前縁から後縁に沿う方向に気流発生装置を配設したときの風車翼の斜視図である。
【図６】翼上面の翼根から翼端に沿う方向に気流発生装置を配設したときの風車翼の斜視図である。
【図７】風力発電システムにおける風車翼の翼素の駆動力と突風の関係を説明するための風車翼本体の断面図である。
【図８】風車翼に気流発生装置を備えた場合と、気流発生装置を備えない場合における迎角と揚力係数との関係を示す図である。
【図９】風力発電システムの制御構成を模式的に示した図である。
【図１０】風力発電システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】風力発電システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
本発明に係る一実施の形態の風力発電システム１０について、図１〜図６を参照して説明する。
【００１８】
図１は、一実施の形態の風力発電システム１０を示す斜視図である。図２は、風車翼４０の一例を模式的に示す斜視図である。図３は、風車翼４０の断面の一例を模式的に示す図である。図４Ａ〜図４Ｄは、翼上面５０ａの気流の流れを説明するための風車翼４０の断面を模式的に示す図である。図５は、翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向に気流発生装置６０を配設したときの風車翼４０の斜視図である。図６は、翼上面５０ａの翼根から翼端に沿う方向に気流発生装置６０を配設したときの風車翼４０の斜視図である。なお、ここでは、横軸風車を備えた風力発電システム１０の一例を示している。
【００１９】
図１に示すように、風力発電システム１０において、地面２０に設置されたタワー３０の頂部に発電機（図示しない）などを収容したナセル３５が取付けられている。また、ナセル３５から突出した発電機の回転軸に風車翼４０が取り付けられている。さらに、ナセル３５の上面には、風の風向や速度を計測する風向風速計３６が設けられている。
【００２０】
次に、風車翼４０の構造について説明する。
【００２１】
図１〜図３に示すように、風車翼４０は、３本の風車翼本体５０と、各風車翼本体５０に配設された気流発生装置６０とで主に構成されている。ここで、風車翼は、一般的に３本の翼で構成されるが、ここでは本数を限定するものではない。
【００２２】
風車翼本体５０は、風車翼本体５０の外形形状をなす誘電材料で構成されている。この誘電材料として、例えば、グラスファイバを合成樹脂により固形化したＧＦＲＰ（グラスファイバ強化樹脂）などが挙げられるが、これに限られるものではなく、公知な風車翼本体を構成する誘電材料であればよい。なお、風車翼本体５０全体が誘電材料で構成されている必要はなく、少なくとも気流発生装置６０を配設する部分が誘電材料で構成されていればよい。すなわち、気流発生装置６０の電極どうし、および気流発生装置６０の電極と風車翼本体５０との間が導通しないように構成されていればよい。
【００２３】
気流発生装置６０は、第１の電極６１と、この第１の電極６１と離間して配設された第２の電極６２と、ケーブル配線６４を介して第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧を印加する放電用電源６３とから構成されている。
【００２４】
第１の電極６１は、板状の平板電極からなり、風車翼本体５０内に埋設されている。なお、第１の電極６１は、その一主面が風車翼本体５０の翼上面５０ａ、すなわち風車翼本体５０の腹側の表面と同一面に露出されるように設けられてもよい。また、第１の電極６１の形状は、板状に限らず、例えば、断面が円、矩形などの棒状などであってもよい。
【００２５】
第２の電極６２は、板状の平板電極からなり、図３に示すように、第１の電極６１よりも風車翼本体５０の表面から深い位置、第１の電極６１よりも気流の流れる方向にずらした位置に、第１の電極６１と離間して配置されている。なお、この場合、第１の電極６１よりも気流の流れる方向とは逆方向にずらした位置に第２の電極６２を配置してもよい。また、第１の電極６１の一主面が風車翼本体５０の翼上面５０ａと同一面に露出されるように設けられる場合には、第２の電極６２は、その一主面が風車翼本体５０の翼上面５０ａと同一面に露出され、かつ第１の電極６１よりも気流の流れる方向またはその逆方向にずらした位置に、第１の電極６１と離間して配置されてもよい。また、第２の電極６２の形状は、板状の限らず、例えば、断面が円、矩形などの棒状などであってもよい。なお、第２の電極６２は、第１の電極６１と同じ形状であってもよい。
【００２６】
放電用電源６３は、電圧印加機構として機能し、第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧を印加するものである。この放電用電源６３は、例えば、パルス状（正極性、負極性、正負の両極性（交番電圧））や交流状（正弦波、断続正弦波）の波形を有する電圧を出力する。
【００２７】
ここで、風車翼４０は、例えば次のように製作される。例えば、風車翼本体５０を、プリプレグやレジントランスファ等の製法により、ガラス繊維を積層したものに樹脂を含浸して作製する際、繊維の間に金属箔帯や金属板を積層して、気流発生装置６０の第１の電極６１および第２の電極６２を形成し、風車翼４０が製造される。なお、風車翼４０の製造方法は、これに限られるものではない。
【００２８】
次に、気流発生装置６０によって気流ＡＦが発生する現象について説明する。
【００２９】
放電用電源６３から第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧が印加され、一定の閾値以上の電位差となると、第１の電極６１と第２の電極６２との間に放電が誘起される。この放電は、両電極が風車翼本体５０の翼上面５０ａに露出している場合にはコロナ放電、一方、少なくとも一方の電極が風車翼本体５０に埋設されている場合にはバリア放電とよばれ、低温プラズマが生成される。これらの放電においては、気体中の電子のみにエネルギを与えることができるため、気体をほとんど加熱せずに気体を電離して電子およびイオンを生成することができる。生成された電子やイオンは、電界によって駆動され、それらが気体分子と衝突することで運動量が気体分子に移行する。すなわち、放電を印加することで電極付近に気流ＡＦを発生することができる。この気流ＡＦの大きさや向きは、電極に印加する電圧、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性を変化させることで制御可能である。なお、ここでは、風車翼本体５０の翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向に気流ＡＦを発生させるように、気流発生装置６０が配設されているが、電極の設置方法によって気流ＡＦの向きを変えることもできる。
【００３０】
次に、気流発生装置６０によって発生した気流が風車翼本体５０の周りの流れに及ぼす効果について説明する。
【００３１】
図４Ａに示すように、翼周りに流れが付着しているとき、翼上面５０ａの流速と翼下面の流速の差から風車翼本体５０には揚力が発生する。風車翼本体５０の迎角αを大きくすると揚力は増大するが、ある迎角以上では、図４Ｂに示すように、翼上面５０ａから流れが剥離して揚力が低下する。そこで、図４Ｃに示すように、翼上面５０ａにおける流れの剥離を生じる部分に、気流発生装置６０を備えて気流を発生させると、翼境界層における流速分布が変化し、流れの剥離の発生を抑えることができる。また、図４Ｄに示すように、翼の後縁付近で流れの剥離が生じる場合には、その流れの剥離を生じる部分の翼上面５０ａに気流発生装置６０を備えて気流を発生させることで、流れの剥離の発生を抑えることができる。
【００３２】
上記した風車翼本体５０の翼上面５０ａにおける流れの剥離の発生を抑えるために、図５および図６に示すように、翼上面５０ａに気流発生装置６０を配設してもよい。
【００３３】
図５に示す配設例では、翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向に、所定の間隔をあけて複数の気流発生装置６０が配設されている。これらの気流発生装置６０は、翼上面５０ａにおける流れの剥離を生じる部分、特に、流れの剥離を発生しやすい、翼上面５０ａの前縁部付近や、翼上面５０ａの後縁部付近に配設されている。
【００３４】
図６に示す配設例では、翼上面５０ａの翼根から翼端に沿う方向に、所定の間隔をあけて複数の気流発生装置６０が配設されている。これらの気流発生装置６０は、翼上面５０ａにおける流れの剥離を生じる部分、特に、流れの剥離を発生しやすい、翼上面５０ａの前縁部付近に配設されている。
【００３５】
なお、図５および図６に示す配設例では、翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向に気流が発生するように気流発生装置６０が配設されている。また、各気流発生装置６０は、それぞれ個々に制御することができ、風車翼本体５０の周りにおける流れの状態に応じてそれぞれの電極に印加する電流電圧特性を変化させることができる。特に、横軸風車では翼端と翼根で周速が異なるが、各気流発生装置６０を個々に制御することができるので、翼端と翼根の流れに対して最適な気流発生装置６０の制御が可能となる。また、図５に示す配設例と図６に示す配設例とを組み合わせて、複数の気流発生装置６０を翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向、かつ翼上面５０ａの翼根から翼端に沿う方向に配設してもよい。なお、気流発生装置６０は、流れの剥離が発生する部分の翼上面５０ａに配設されればよく、気流発生装置６０が配設されるのは前縁部や後縁部に限られるものではない。
【００３６】
また、特に翼端部においては、流れの剥離やその他の空力現象に起因する騒音が発生する。しかしながら、上記したように、翼上面５０ａに気流発生装置６０を配設して、流れの剥離を防止したり、翼面境界層内部の流速分布などを変化させることで、流れの剥離やその他の空力現象に起因する騒音を低減することが可能となる。
【００３７】
次に、風力発電システム１０について、図７〜図１１を参照して詳しく説明する。
【００３８】
図７は、風力発電システム１０における風車翼４０の翼素の駆動力と突風の関係を説明するための風車翼本体５０の断面図である。図８は、風車翼４０に気流発生装置６０を備えた場合と、気流発生装置６０を備えない場合における迎角と揚力係数との関係を示す図である。図９は、風力発電システム１０の制御構成を模式的に示した図である。図１０および図１１は、風力発電システム１０の動作を説明するためのフローチャートである。
【００３９】
図７に示すように、風車翼４０は、風車翼４０の回転による周速Ｕと風速Ｖの合成された相対速度Ｗを各翼素において受けることで回転する。このとき翼素とＷのなす角が翼素の迎角αとなる。突風等により風速がＵ＋ΔＵに変化すると、相対速度がＷ’となり、迎角はα＋Δαに変化する。そのため風車翼４０の揚力も変化する。特に迎角αが失速迎角を超えると失速し、効率が低下する。ここで、翼素とは、風車翼本体５０の翼根から翼端に沿う方向、すなわち風車翼本体５０の長手方向に対して垂直な風車翼本体５０の断面を意味する。
【００４０】
そこで、本発明の風力発電システム１０では、迎角変化が失速迎角を超えるような突風を風向風速計３６で検知した場合に、気流発生装置６０の電極に電圧を印加して風車翼４０の空力特性を変化させる。これによって、流れの剥離を抑え、失速を回避することができる。また、翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向に気流が発生するように気流発生装置６０を備えた風車翼４０を用いる場合は、風速風向に応じて最適な電流電圧特性を、それぞれの気流発生装置６０の電極に印加することで、より最適な空力特性を得ることができる。また、横軸風車の場合、周速Ｕは翼端に比べて翼根付近が遅いため、突風による迎角変化の影響は翼根付近ほど大きい。そこで、翼上面５０ａの翼根から翼端に沿う方向に複数の気流発生装置６０を備えた風車翼を使用し、風速風向に応じて最適な電流電圧特性を、それぞれの気流発生装置６０の電極に印加することで、より最適な空力特性を得ることができる。
【００４１】
ここで、風車翼４０に気流発生装置６０を備えた場合と、気流発生装置６０を備えない場合における迎角と揚力係数との関係を説明する。
【００４２】
図８に示すように、気流発生装置６０を備え放電により気流を発生させることで、失速迎角は、α０からα１に増加する。また、気流発生装置６０を備え放電により気流を発生させることで、失速状態での迎角α２における揚力が改善する。すなわち、気流発生装置６０を備え放電により気流を発生させることで、失速迎角を超えても、急激な揚力の低下を防止することができる。
【００４３】
このように、風車翼４０に気流発生装置６０を備え、風向風速計３６で検知した情報に基づいて気流発生装置６０を制御することで、風車翼４０において失速しにくくなるだけでなく、万一失速しても高い揚力係数を維持することができ、効率的な運転が可能となる。特に、風向風速の変化が激しく、頻繁に失速状態に陥る日本の風力発電システムにおいては、本発明の風力発電システム１０を備えることが有効である。
【００４４】
さらに、気流発生装置６０によって、短時間の風速風向変動に追従した風車翼４０の周りの流れの制御を行うとともに、翼の迎角やロータの向きを機械的に制御してもよい。これによって、より最適な風車翼４０の空力特性を得ることができる。
【００４５】
次に、風力発電システム１０における具体的な制御例を説明する。
【００４６】
図９に示すように、風力発電システム１０は、風速センサ１００と、風向センサ１０１と、回転数センサ１０２と、表面圧力センサ１０３と、制御部１１０と、制御データベース１２０と、気流発生装置６０と、ピッチ角度駆動機構１３０と、ヨー角度駆動機構１４０とから構成されている。
【００４７】
風速センサ１００は、風車翼４０に流入する風の速度を計測するセンサである。風向センサ１０１は、風車翼４０に流入する風の風向を計測するセンサである。これらの風速センサ１００や風向センサ１０１は、例えば、図１に示すように、ナセル３５の上側面に設けられた風向風速計３６などで構成される。
【００４８】
回転数センサ１０２は、風車翼４０の回転数を計測するセンサであり、例えばナセル３５内に設けられる。
【００４９】
表面圧力センサ１０３は、風車翼４０の風車翼本体５０における翼上面５０ａの圧力を計測するもので、例えば、翼上面５０ａに複数の半導体圧力センサを設けることで構成される。なお、この表面圧力センサ１０３を備えずに、風力発電システム１０を構成することもできる。
【００５０】
制御データベース１２０は、風速、風向、回転数、表面圧力などの計測値に基づく、迎角、レイノルズ数、トルク、ヨー角度、ピッチ角度、表面圧力などのデータを記憶している。この制御データベース１２０は、メモリ、ハードディスク装置などで構成される。また、制御データベース１２０には、図示しない、キーボード、マウス、外部入力インターフェースなどを介して、データの入力などが可能である。
【００５１】
制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１、回転数センサ１０２、表面圧力センサ１０３などの各センサから出力された情報および制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、迎角、レイノルズ数、トルク、ヨー角度、ピッチ角度、表面圧力などを算出する。また、制御部１１０は、上記算出結果に基づいて、気流発生装置６０、ピッチ角度駆動機構１３０、ヨー角度駆動機構１４０を制御する。この制御部１１０は、例えば、演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などから主に構成され、ＣＰＵでは、ＲＯＭやＲＡＭに格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。この制御部１１０が実行する処理は、例えばコンピュータ装置などで実現される。また、制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１、回転数センサ１０２、表面圧力センサ１０３、制御データベース１２０、気流発生装置６０、ピッチ角度駆動機構１３０、ヨー角度駆動機構１４０の各機器と電気信号の出入力が可能に接続されている。
【００５２】
気流発生装置６０は、前述したように、放電用電源６３から第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧を印加し、翼上面５０ａの前縁から後縁に沿う方向に気流を発生させるものである。この気流発生装置６０は、制御部１１０によって、例えば、各気流発生装置６０ごとに、電極に印加する電圧、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性などが制御される。
【００５３】
ピッチ角度駆動機構１３０は、制御部１１０からの情報に基づいて、風車翼４０の回転数に応じて、風車翼４０の風車翼本体５０の角度を制御するものである。
【００５４】
ヨー角度駆動機構１４０は、制御部１１０からの情報に基づいて、風車ロータを風向に合わせるために、ナセル３５を旋回（回転）させるものである。
【００５５】
次に、風力発電システム１０の動作について説明する。なお、ここでは、図６に示すように、風車翼本体５０の翼根から翼端に沿う方向、すなわち風車翼本体５０の長手方向に複数の気流発生装置６０を配設した風車翼４０を想定している。また、この気流発生装置６０が配設されている翼素において、気流発生装置６０によって気流を発生させ、翼上面５０ａの流れの制御を行う。
【００５６】
図１０に示すように、まず、制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１、回転数センサ１０２によって計測された、風速、風向、回転数などの計測情報をそれぞれのセンサから入力する（ステップＳ２００）。
【００５７】
続いて、制御部１１０は、入力した計測情報および制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、各翼素における迎角、レイノルズ数を算出する（ステップＳ２０１）。なお、風車翼４０が一定の回転数で回転する風力発電システムにおいては、回転数センサ１０２を設けずに、設定回転数を制御データベース１２０から読み出し、各翼素における迎角、レイノルズ数の算出に利用する。
【００５８】
続いて、制御部１１０は、算出した迎角、レイノルズ数に基づいて、各翼素に実際に発生している発生トルクを算出する（ステップＳ２０２）。また、風車翼４０全体は一定の角速度で回転するため、各翼素の重量と角速度から、各翼素における最適トルクを算出することができ、制御部１１０は、計測情報および制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、各翼素において想定される最適トルクを算出する（ステップＳ２０２）。
【００５９】
続いて、制御部１１０は、各翼素における発生トルクと最適トルクとを比較する（ステップＳ２０３）。ここで、発生トルクと最適トルクとがほぼ等しい状態で、風車翼４０が回転しているときが最も効率の高いときである。
【００６０】
続いて、制御部１１０は、その比較した結果に基づいて、各翼素における発生トルクと最適トルクの差を小さくするように、制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、気流発生装置６０、ピッチ角度駆動機構１３０、ヨー角度駆動機構１４０を現状の制御から最適な制御に変更する（ステップＳ２０４）。なお、この際、気流発生装置６０、ピッチ角度駆動機構１３０、ヨー角度駆動機構１４０のすべてを作動させる必要はなく、各翼素における発生トルクと最適トルクの差を小さくするために、適宜に必要な装置、機構が作動される。そして、ステップＳ２０４の処理を実行した後、再びステップＳ２００からの処理を実行する。
【００６１】
ここで、ヨー角度駆動機構１４０によるヨー角度制御は、ロータ全体（ナセル３５全体）、ピッチ角度駆動機構１３０によるピッチ角度制御は、各風車翼本体５０を駆動する必要がある。一方、気流発生装置６０においては、駆動部がなく、機械的に構成部位を駆動して動作させるという工程はない。また、ヨー角度制御およびピッチ角度制御において、駆動させる対象部位は、ヨー角度制御におけるロータ全体（ナセル３５全体）の方が、ピッチ角度制御における各風車翼本体５０よりも大きく、ヨー角度制御にかかる時間は、ピッチ角度制御にかかる時間よりも長くなる。一方、気流発生装置６０の制御にかかる時間は、これらのヨー角度およびピッチ角度の制御にかかる時間に比べて非常に短い。そのため、風向や風速に関し、時定数の大きな変化に対しては、ヨー角度の制御やピッチ角度の制御で対応し、突風等の時定数の小さな変化に対しては、気流発生装置６０の制御で対応することが好ましい。
【００６２】
次に、風力発電システム１０の他の動作について説明する。
【００６３】
図１１に示すように、まず、制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１、回転数センサ１０２、表面圧力センサ１０３によって計測された、風速、風向、回転数、翼上面５０ａの表面圧力などの計測情報をそれぞれのセンサから入力する（ステップＳ３００）。
【００６４】
続いて、制御部１１０は、入力した計測情報および制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、予め記憶された想定される翼上面５０ａの表面圧力の情報を読み出す（ステップＳ３０１）。なお、風車翼４０が一定の回転数で回転する風力発電システムにおいては、回転数センサ１０２を設けずに、設定回転数を制御データベース１２０から読み出し、翼上面５０ａの表面圧力の情報を読み出す際に利用する。
【００６５】
続いて、制御部１１０は、想定される翼上面５０ａの表面圧力と、表面圧力センサ１０３によって実際に計測された表面圧力とを比較する（ステップＳ３０２）。
【００６６】
続いて、制御部１１０は、想定される翼上面５０ａの表面圧力と、実際に計測された表面圧力との比較結果から、翼上面５０ａにおいて流れの剥離が発生しているか否かを判定するとともに、流れの剥離が発生している翼上面５０ａの部位を判定する（ステップＳ３０３）。
【００６７】
ステップＳ３０３の判定で、翼上面５０ａにおいて流れの剥離が発生していると判定した場合（ステップＳ３０３のＹｅｓ）には、制御部１１０は、流れの剥離が発生していると判定された部位の気流発生装置６０を制御し、その部位に気流を発生させる（ステップＳ３０４）。これによって、この部位における流れが変化し、流れの剥離の発生が抑えられる。
【００６８】
一方、ステップＳ３０３の判定で、翼上面５０ａにおいて流れの剥離が発生していないと判定した場合（ステップＳ３０３のＮｏ）には、ステップＳ３００からの処理を再び実行する。
【００６９】
以上、本発明の風力発電システム１０および風車翼４０によれば、風車翼４０の翼上面５０ａの、例えば、流れの剥離を生じやすい翼の前縁付近や後縁付近に気流発生装置６０を配設して気流を発生させ、流れの剥離を抑えることができる。これによって、迎角を大きく設定することができ、高揚力が得られ、高効率の風力発電システム１０および風車翼４０を実現することができる。さらに、流れの剥離を抑えることができるので、空力騒音の小さい風力発電システム１０および風車翼４０を実現することができる。
【００７０】
さらに、風車翼４０の翼上面に設けられた複数の気流発生装置６０を個々に制御することができるとともに、従来行われているヨー角度駆動機構１４０によるヨー角度の制御およびピッチ角度駆動機構１３０によるピッチ角度の制御を併用することで、それぞれの特性を生かした風力発電システム１０の制御が可能となり、高効率の風力発電システム１０が実現できる。
【００７１】
以上、本発明を実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０…風力発電システム、２０…地面、３０…タワー、３５…ナセル、３６…風向風速計、４０…風車翼、５０…風車翼本体、５０ａ…翼上面、６０…気流発生装置、６１…第１の電極、６２…第２の電極、６３…放電用電源、６４…ケーブル配線、ＡＦ…気流。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、
前記計測情報入力ステップで入力された計測情報を用いて、前記風車翼の翼上面に配設され気流を発生させる気流発生装置、前記風車翼の角度を変更するピッチ角度駆動機構、前記風車翼が取り付けられたナセルを回転するヨー角度駆動機構を制御する制御ステップと
を具備することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
【請求項２】
少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、
前記計測情報入力ステップで入力された計測情報およびトルクを算出するための予め記憶されたデータに基づいて、各翼素に実際に発生している発生トルクおよび各翼素において想定される最適トルクを算出するトルク算出ステップと、
前記トルク算出ステップにおいて算出された発生トルクと最適トルクとを比較するトルク比較ステップと、
前記トルク比較ステップで比較された結果に基づいて、発生トルクと最適トルクの差を小さくするように、前記風車翼の翼上面に配設され気流を発生させる気流発生装置、前記風車翼の角度を変更するピッチ角度駆動機構、前記風車翼が取り付けられたナセルを回転するヨー角度駆動機構を制御する制御ステップと
を具備することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
【請求項３】
少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向、前記風車翼の翼上面における表面圧力の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、
前記計測情報入力ステップで入力された計測情報および翼上面における表面圧力を算出するための予め記憶されたデータに基づいて、実際に計測された翼上面における表面圧力と、想定される翼上面における表面圧力を算出する表面圧力算出ステップと、
前記実際に計測された翼上面における表面圧力と前記想定される翼上面における表面圧力とを比較し、前記翼上面において流れが剥離しているか否かを判定する剥離判定ステップと、
前記剥離判定ステップにおいて、前記翼上面において流れが剥離していると判定した場合に、流れが剥離している前記翼上面に配設された気流発生装置に電圧を印加して気流を発生させ、流れの剥離を抑える気流発生ステップと
を具備することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
【請求項１】
少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、
前記計測情報入力ステップで入力された計測情報を用いて、前記風車翼の翼上面に配設され気流を発生させる気流発生装置、前記風車翼の角度を変更するピッチ角度駆動機構、前記風車翼が取り付けられたナセルを回転するヨー角度駆動機構を制御する制御ステップと
を具備することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
【請求項２】
少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、
前記計測情報入力ステップで入力された計測情報およびトルクを算出するための予め記憶されたデータに基づいて、各翼素に実際に発生している発生トルクおよび各翼素において想定される最適トルクを算出するトルク算出ステップと、
前記トルク算出ステップにおいて算出された発生トルクと最適トルクとを比較するトルク比較ステップと、
前記トルク比較ステップで比較された結果に基づいて、発生トルクと最適トルクの差を小さくするように、前記風車翼の翼上面に配設され気流を発生させる気流発生装置、前記風車翼の角度を変更するピッチ角度駆動機構、前記風車翼が取り付けられたナセルを回転するヨー角度駆動機構を制御する制御ステップと
を具備することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
【請求項３】
少なくとも風車翼に流入する風の風速および風向、前記風車翼の翼上面における表面圧力の計測情報を入力する計測情報入力ステップと、
前記計測情報入力ステップで入力された計測情報および翼上面における表面圧力を算出するための予め記憶されたデータに基づいて、実際に計測された翼上面における表面圧力と、想定される翼上面における表面圧力を算出する表面圧力算出ステップと、
前記実際に計測された翼上面における表面圧力と前記想定される翼上面における表面圧力とを比較し、前記翼上面において流れが剥離しているか否かを判定する剥離判定ステップと、
前記剥離判定ステップにおいて、前記翼上面において流れが剥離していると判定した場合に、流れが剥離している前記翼上面に配設された気流発生装置に電圧を印加して気流を発生させ、流れの剥離を抑える気流発生ステップと
を具備することを特徴とする風力発電システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１６３３５２（Ｐ２０１１−１６３３５２Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２５３００（Ｐ２０１１−１２５３００）
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【分割の表示】特願２００６−１９７９８６（Ｐ２００６−１９７９８６）の分割
【原出願日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【分割の表示】特願２００６−１９７９８６（Ｐ２００６−１９７９８６）の分割
【原出願日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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