JP2004285858A - 風力発電システムおよび風力発電機の制御方法 - Google Patents
風力発電システムおよび風力発電機の制御方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004285858A JP2004285858A JP2003076299A JP2003076299A JP2004285858A JP 2004285858 A JP2004285858 A JP 2004285858A JP 2003076299 A JP2003076299 A JP 2003076299A JP 2003076299 A JP2003076299 A JP 2003076299A JP 2004285858 A JP2004285858 A JP 2004285858A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wind
- wind power
- power generator
- laser
- yaw angle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
Landscapes
- Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
- Wind Motors (AREA)
- Lasers (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
Abstract
【課題】高効率な発電が可能な風力発電システムおよび風力発電機の制御方法を得る。
【解決手段】レーザ式風向風速計を用い、風力発電機前方のエアロゾル１５０に、レーザ光２１０を射出し、反射光２１５を検出することにより、任意距離だけ離れた位置の風向風速データを得、このデータを基に、近未来に風力発電機に吹く風の風向風速および到達時間を予測する。この予測データをコントローラ４０に送り、コントローラ４０において最適ヨー角を算出し、その制御信号をヨー角制御駆動装置５０に送って、風力発電機のプロペラ回転面を、予測した風向にあわせるようにヨー角を制御する。
【選択図】 図１
【解決手段】レーザ式風向風速計を用い、風力発電機前方のエアロゾル１５０に、レーザ光２１０を射出し、反射光２１５を検出することにより、任意距離だけ離れた位置の風向風速データを得、このデータを基に、近未来に風力発電機に吹く風の風向風速および到達時間を予測する。この予測データをコントローラ４０に送り、コントローラ４０において最適ヨー角を算出し、その制御信号をヨー角制御駆動装置５０に送って、風力発電機のプロペラ回転面を、予測した風向にあわせるようにヨー角を制御する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、風力発電機前方の風況を予測して風力発電機を高効率で運転する風力発電システム、および風力発電機の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、風況を予測する風力発電システムは、電波を利用したドップラーレーダを用いて風力発電機前方の風ベクトルを測定し、その風ベクトルから風力発電機の出力値を予測し、予測出力値に基づいて、電力系統側発電機の出力制御を行うものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、別の風力発電システムは、複数台の風力発電装置が、各々、風向、風力等を測定し、各風力発電装置間で、測定結果を相互にやり取りしながら、風の変化タイミングを予測し、風力発電装置の姿勢、プロペラ角度等を最適化させるものである（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１５２９７５号公報
【特許文献２】
特開２０００−８７８４１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の、特許文献１の風力発電システムでは、風況予測情報を他発電機の出力抑制制御で吸収するのみであり、風力発電機自体の性能向上やシステム全体の効率向上をはかることができないという問題があった。
【０００６】
また、特許文献２の風力発電システムでは、風力発電機を相当数設置しなければ成果が見込めない上、風況の観測位置がナセル上部であり、風車ブレードを通った後の風を観測して風況予測を行うため、その精度が極端に悪くなっていた。従って、個々の風力発電装置の性能向上は非常に達成し難いという問題があった。
【０００７】
風力は環境に最もやさしい自然エネルギーの一つであり、その高効率利用は社会的に非常に望まれている。しかし、風力発電機の構造が単純なために、機械的な技術革新が非常に困難であるという問題もあった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、風況を予測して風力発電機を制御することにより、クリーンなエネルギーである風力を、従来と比べて飛躍的に高効率で利用することが可能な風力発電システム、および風力発電機の制御方法を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる風力発電システムは、風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計から得られたデータに基づいて、上記風力発電機の制御を行うものである。
【００１０】
また、この発明に係わる風力発電機の制御方法は、プロペラ型である風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を用い、上記風力発電機から任意距離だけ離れた位置における風向風速データを検出するステップ、上記風向風速データに基づいて、上記風力発電機が受ける風の風向風速および到達時間を予測するステップ、上記予測の到達時間に、予測した風向に上記風力発電機のプロペラ回転面をあわせるようにヨー角を制御するステップを含むものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１ないし図５を用いて説明する。
図１は風力発電機（風車）を側方から観察した断面図である。図１に示すように、台座１上にタワー部２が築かれ、タワー部２の上部にはヨー角制御駆動装置５０が設けられている。さらにその上部には、ヨー角制御駆動装置５０の駆動によって水平面内に回転制御されるナセル２０が配置される。プロペラ型風車の羽根部分であるブレード１０が、ハブ（ブレード１０の取り付け部分。）１１を介して回転軸１２に取り付けられ、回転軸１２に繋がれる発電機３０はナセル２０内に収納されている。プロペラ回転面は、ブレード１０が配置された、回転軸１２に対して垂直な面である。
【００１２】
ナセル２０上部には、レーザ光２１０を射出して、風力発電機前方（任意距離だけ離れた位置。）のエアロゾル１５０に照射し、その反射光２１５を検出する風速検出用光学系部（以下、光学系部とする。）２００が配置される。エアロゾル１５０とは、風に乗って風と同速度同方向に動く空気中の塵であり、このエアロゾル１５０の移動状態を把握することで、同位置における風向風速を観測できる。反射光２１５から得られた情報（エアロゾル１５０の風向風速データ。）は、光ファイバー１３０を介して風向風速計本体部（以下、本体部とする。）１００に送られる。本体部１００において、反射光２１５から、エアロゾル１５０の風向風速を算出するためのデータを取り出して加工し、得られた風向風速データは、通信系部１３１を介して風向風速計信号処理部（以下、信号処理部とする。）３００に送られる。信号処理部３００において、エアロゾル１５０の風向風速データに基づいて、風力発電機が近未来（数秒から数十秒後。）に発電に利用する風の風況（風向風速および風の到達時間など。）を予測し、その風況予測情報を、風力発電機のコントローラ４０に通信系部１３２を介して送る。
【００１３】
コントローラ４０では、近未来に風力発電機が受ける風の向きに、プロペラ回転面を合わせるように、制御信号を、通信系部７０を介して、ヨー角制御駆動装置５０に送り、これを受けてヨー角制御駆動装置５０は、タワー部２を回転軸として、ナセル２０の向き、つまりヨー角を制御し、プロペラ回転面を風向きに合わせる。プロペラ型の風車においては、プロペラ回転面を風向きに合わせ、風向に相対するように、プロペラ回転面を向けるように制御することで、発電効率を高めることができるのは言うまでもない。そのため、風車の制御においては、風の向きが変わった場合、風車のプロペラ回転面が常に風を真正面に受けるように制御することが望ましく、この時に変化させるのがヨー角であり、ヨー角の制御をヨー制御という。
【００１４】
なお、ブレード１０は風を受け風力エネルギを回転力に変換するもので、このブレード１０の回転エネルギを電力に変換するのが発電機３０である。
また、コントローラ４０では、ヨー角、風車回転数や現在の風向風速等の風力発電機制御に必要な諸量を取り込んで解析し、ヨー角制御駆動装置５０だけでなく、ブレーキ設備等の風力発電機の各制御駆動装置にも制御指令を出している。
【００１５】
このように、本発明による風力発電システムは、レーザ式風向風速計を構成する本体部１００、光学系部２００、信号処理部３００を備えている。なお、図１には、ナセル２０上部に、光学系部２００を取り付け、タワー部２内部に本体部１００と信号処理部３００を設置した、風力発電機にレーザ式風向風速計を取り付けた例を示しているが、別途レーザ式風向風速計用のタワーを建てるなどして、風力発電機の近傍に配置しても良く、また、周囲に遮る物がない場所においては、地上に配置することも可能である。
【００１６】
次に、本発明にかかるレーザ式風向風速計の構成および原理の一例について、図２を用いて説明する。レーザ式風向風速計は、上述したように、主に、本体部１００と、光学系部２００と、信号処理部３００から構成されている。本体部１００のレーザ光源１０１（例えば半導体レーザ。）から出たレーザ光は、その一部が光ファイバ１０２によって光受信機１０５に送られ、その他の光はサーキュレータ１０４を通って光スイッチ１０３に送られる。光スイッチ１０３は、入力した光の一部をトリガ１０６としてＡＤ変換器３１０に送り、それ以外の光を光学系部２００に送る。光学系部２００は、例えば、水平風速検出用光学系部２００ａおよび垂直風速検出用光学系部２００ｂの二つによって構成され、送られた光は、水平、垂直風速検出用光学系部２００ａ、２００ｂにそれぞれ分割して送られる。
【００１７】
光スイッチ１０３から、水平風速検出用光学系部２００ａに送られてきた光は、１／２波長板２０１を通って望遠鏡２０２に送られる。望遠鏡２０２を出た光は偏向ビームスプリッタ２０３を通過するＰ偏光２０５と、これに反射されるＳ偏光２０６に分けられ、Ｐ偏光２０５はそのまま外部に射出され、Ｓ偏光２０６は全反射鏡２０４に反射され、外部に射出される。垂直風速検出用光学系部２００ｂについても、水平風速検出用光学系部２００ａと同様の構成であり、Ｐ偏光２０７、Ｓ偏光２０８が外部に射出される構成となっている。
【００１８】
なお、水平風速検出用光学系部２００ａから射出されるＰ偏光２０５、Ｓ偏光２０６は、水平面内の異なる２方向にそれぞれ射出され、垂直風速検出用光学系部２００ｂから射出されるＰ偏光２０７、Ｓ偏光２０８は、垂直面内の異なる２方向にそれぞれ射出される。
Ｐ偏光２０５、２０７、Ｓ偏光２０６、２０８は、図１に示すレーザ光２１０に相当している。
【００１９】
光学系部２００から射出されたレーザ光であるＰ偏光２０５は、エアロゾル１５０に当たって反射し、反射光（例えば図１で示す反射光２１５に相当する。）となって光学系部２００に戻ってくる。この様子は後述する。この反射光２１５は射出経路と逆の経路を辿って、光学系部２００から本体部１００に送られる。反射光２１５（必要となるデータ以外に、ノイズを含んでいる。）は、光スイッチ１０３を経てサーキュレータ１０４に送られ、サーキュレータ１０４は必要となる反射光２１５のみを選択して光受信機１０５に送る。光受信機１０５は、レーザ光源１０１より直接送られてきた光と反射光２１５を検出信号１０７とし、ＡＤ変換器３１０に送る。ＡＤ変換器３１０はアナログの光信号であるトリガ１０６と検出信号１０７をデジタル信号に変換し、受信信号３１１として信号処理部３００に通信系部１３１を介して送る。受信信号３１１を受け、信号処理部３００は、後述する所定の計算を行い、レーザ光２１０の焦点（焦点の位置はエアロゾル１５０の位置に相当する。）での風向風速を算出する。さらに、その風向風速データに基づいて、風況を予測し、必要な制御情報をコントローラ４０に通信系部１３２を介して送る。
【００２０】
なお、レーザ光２１０は、連続波のものを用い、特に波長１５００ｎｍ程度のものを用いると、最もエアロゾル１５０からの反射光が強く、風況の検出精度が良い。同時に、１５００ｎｍ程度の波長のレーザ光は人間の目にも最もやさしいという性質があり、安全性に優れている。
また、レーザ光２１０は、本例のような連続波を利用するものの他に、パルス波を利用する方式のものもあり、いずれを用いても良い。
ドップラー効果を利用した風向風速の検出の場合、用いるレーザ光、音波などの波長に反比例して、検出精度が良くなることが知られており、例えば音波とレーザ光では、より波長の短いレーザ光を用いる場合の方が、風況を精度良く検出することができる。
【００２１】
次に、水平風速検出用光学系部２００ａから射出されたＰ偏光２０５、Ｓ偏光２０６ついて、図３をもとに説明する。光学系部２００からＰ偏光２０５とＳ偏光２０６が、それぞれ水平面内に、任意の方向を基準として、角度＋θと−θ方向に射出され、望遠鏡２０２のレンズによって焦点距離Ｒ（任意距離に相当する。）だけ離れた位置で集光する。集光点近くにあるエアロゾル１５０で光が反射され、反射光（Ｐ偏光反射光。）２１５と反射光（Ｓ偏光反射光。）２１６がそれぞれ発生する。エアロゾル１５０は空気中に相当数含まれているため、集光点以外からもこのような反射波が発生するが、集光点付近からの反射エネルギーが最も大きくなる。この反射波（反射光２１５、２１６。）は速度を持つエアロゾル１５０から反射されたものであるため、ドップラー効果により周波数がＦＤだけシフトする（ドップラーシフト）。この周波数のずれを測定し、エアロゾル１５０の速度を算出する。
【００２２】
また、同様に垂直風速検出用光学系部２００ｂから射出されるＰ偏光２０７、Ｓ偏光２０８は、それぞれ垂直面内で、任意の方向を基準として、角度＋θと−θ方向に射出される。このように、レーザ光２１０を、少なくとも３方向若しくは４方向に射出し、それぞれのデータを得ることで、風力発電機の前方におけるエアロゾル１５０の３次元での風速ベクトルを検出することができる。また、２方向のみにレーザ光を射出した場合では、２次元での風速ベクトルを検出可能である。
なお、レーザ光２１０の射出角度は、観測対象となるエアロゾル１５０までの距離等の条件によっても変化するが、およそθ＝５°程度とすると良い。
【００２３】
次に、信号処理部３００が風速を算出する手法例について説明する。反射光２１５、２１６の情報は、レーザ光源１０１から直接得た情報とあわせて検出信号１０７とし、トリガ１０６と共に、受信信号３１１として受信し、レーザ光源１０１の周波数と反射光２１５、２１６とのドップラーシフトＦＤを算出する。ＦＤとレーザの波長λ、エアロゾルの速度Ｖｍの間には、次に数式１のような関係がある。
【数１】
これにより、±θ方向の風速Ｖｍ（＋θ）とＶｍ（−θ）が算出される。また、風速Ｖｒ（ｒ方向とは、水平面内でのθ＝０に沿う方向。）とＶｘ（ｘ方向とは、水平面内での、θ＝０に対して垂直な方向。）が、次に示す数式２、数式３を用いて算出できる。
【数２】
【数３】
このような計算を、垂直風速検出用光学系部２００ｂで得られるデータに対しても行い、水平風速検出用光学系部２００ａで得られるデータとあわせて、３次元での風速ベクトルが算出でき、高精度でエアロゾル１５０の風向風速を測定できる。
【００２４】
本発明にかかるヨー角制御ロジック例を、図４のフロー図を用いて説明する。まず、レーザ式風向風速計により、現在時刻τにおけるＸ［ｍ］先（風力発電機から任意距離だけ離れた位置）の風向風速を測定する（符号４０１で示すステップに相当する。）。得られた風向風速データを基に、ｔ秒後に風力発電機が受ける風の風向ψ（τ＋ｔ）を算出する（４０２に相当。）。例えば、４００ｍ先の風向風速を測定した場合、風速１０ｍの風が、風力発電機に向って吹いていれば、その風が４０秒後に風力発電機に到達すると予測でき、４０秒後に風力発電機が発電に利用する風の風向風速変化を高精度で予測することができる。エアロゾル１５０の風向風速データから、近未来に風力発電機に吹く風を予測するには、計測したエアロゾル１５０の風向風速と、実際に到達する風の風向風速のデータベースを作成しておき、これを基に、演算を行うという方法がある。ここまでの処理は、レーザ式風向風速計により行い、予測した風向風速および到達時間などのデータは、通信系部１３２を介してコントローラ４０に送られる。
【００２５】
コントローラ４０から、通信系部７０を介して、ヨー角制御駆動装置５０に送られるヨー角制御信号の送信間隔を△ｔ（例えば１秒。）とすると、時刻τ現在に予測できている風向、即ち最適ヨー角は、次の数式４のように示される。
【数４】
そして、現在のヨー角をφ（τ）とすると、予測制御可能な未来のヨー角は、次の数式５のように示される。
【数５】
このとき、ヨー角の最大回転角速度をω（例えば０．７度／秒。）とし、次の数式６の条件を満たし、さらに次の数式７を最小とするようにヨー角を決めることで、ヨー角を最適化する（４０３に相当。）。
【数６】
【数７】
時刻τ＋△ｔでのヨー角制御信号を、コントローラ４０からヨー角制御駆動装置５０に送信する（４０４に相当。）。この信号を受け、ヨー角制御駆動装置５０がナセル２０を回転させてヨー角を変化させる（４０５に相当）。これを繰り返すことにより、ヨー角を最適に制御することができる。また、当然のことながら、レーザ式風向風速計から得られた風向風速データを基にして、これ以外の手法でヨー角を予測制御しても良い。
【００２６】
次に、図５を用いて、この実施の形態１の効果を説明する。図５に、風力発電機が実際に受ける風の変化を太線５０１（実際の風向変化。）で示す。このように時刻ｔａからｔｂにかけて（例えば、ｔｂ−ｔａ＝１５秒とする。）、風向がΦ（例えばΦ＝２１度とする。）だけ変化した場合を考える。
【００２７】
従来のヨー角制御手法では、風向が時刻ｔａで変化し始めることは感知できるが、風向がΦ０（例えばΦ０＝１５度。）以上変化したのを確認してからさらにその状態が一定時間（例えば１５秒。図５中のｔ２−ｔ３間。）以上続いて、初めてヨー角を変化させ始めるという破線５０２（従来の制御によるヨー角変化。）のような受動制御をしていた。これは、ヨー角を変化させるにはかなりの重量物であるナセル部を回転させなけれならず、例えば、図１のヨー角制御駆動装置６０がナセルを１秒あたり０．７度程度しか旋回させることができない場合、２１度旋回させるには３０秒間必要であり、その間に風向が変化してしまうかもしれないためである。このため、例えば風速１０ｍ程度の発電に適した風が吹いていたとしても、ヨー角制御遅れによる損失が大きかった。
【００２８】
本発明によれば、太一点鎖線５０３（発明の制御によるヨー角変化。）のような能動制御が可能となる。本例では風向変化角速度（Φ／（ｔｂ−ｔａ））が最大ヨー角回転角速度（Φ／（ｔ１−ｔ０）＝０．７度／秒。）以上であるため、完全に風を追従することはできない。しかし、レーザ式風向風速計によって得られた風向風速データから、風力発電機が受ける風の風向風速および風の到達時間などを予測し、予測の到達時間に、予測した風向にプロペラ回転面を合わせる。すなわち、風の向きに対してプロペラ回転面がほぼ垂直となるように、ヨー角を制御するため、図５を見れば明らかように、ほぼ風を真正面に受けつづけることができる。従って、従来の受動制御に比べ、常に高効率で風力エネルギーを利用できるようになる。風向変化角速度がヨー回転角速度以下であれば、完全に風向変化を追従することができ、従来の受動制御と比べ、さらに高効率での風力エネルギー利用が可能となる。
【００２９】
また本発明によれば、レーザ式風向風速計の本体部１００がナセル２０とともに風を真正面に受け続けるように動作するため、ドップラーシフトＦＤの値を、より大きな値で得ることができ。従って、風向および風速の検出精度を一層高めることができるという効果がある。
なお、レーザ式風向風速計の光学系部２００は、ナセル２０上に配置されることについて述べたが、ナセル２０に固定して用いる他、ナセル２０上に光学系部２００を回転駆動させるための制御駆動装置を設け、ナセル２０の回転のみによらず、専用の制御駆動装置によって回転する構造とすることもできる。
また、本体部１００及び信号処理部３００は、タワー部２内に配置される例を示したが、これらの配置についても、他の構成部との通信状態を良好に保つことができれば、タワー部２外部に配置しても問題ない。
【００３０】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について、図６を用いて説明する。図６は、複数台の風力発電機６１０ａ〜６１０ｃが設置されたウィンドファームの構成図であり、ウィンドファームの中心付近にレーザ式風向風速計の光学系部２００を設置した状態を示している。複数台の風力発電機６１０ａ〜６１０ｃの中心付近にタワー部（またはポール。）６０１を立て、この上に光学系部用ヨー角制御駆動装置（以下、駆動装置とする。）６０２を介して光学系部２００を載置する。光学系部２００を本体部１００と光ファイバ１３０ａで繋ぎ、本体部１００と信号処理部３００を通信系部１３１ａで繋ぎ、信号処理部３００とそれぞれの風力発電機のコントローラ４０ａ〜４０ｃを通信系部１３２ａ〜１３２ｃで繋ぐ。信号処理部３００と駆動装置６０２は通信系部６０２ａで繋いでいる。また、コントローラ４０ａ〜４０ｃは、通信系部７０ａ〜７０ｃによってそれぞれ風力発電機６１０ａ〜６１０ｃに繋げられている。
【００３１】
なお、駆動装置６０２は、信号処理部３００からの出力をもとに光学系部２００の向きを変化させ、プロペラの回転面を常に風の真正面に向くようにするか、または一定速度で回転させることにより全周方向にわたっての風向風速計測を可能とする駆動装置である。周りに遮るものが殆どない場合、光学系部２００および駆動装置６０２を地上に設置しても良い。レーザ式風向風速計は、集光点を風力発電機のタワーから最も遠い風力発電機（図６ならば６１０ａに相当する。）の前方Ｘ［ｍ］（例えば４００ｍ先。）として、この点の風向風速を計測可能なものとするか、またはパルス型のレーザを用いてこの距離の風向風速を検出できるものにする。さらに、信号処理部３００には、実施の形態１で述べた風向風速信号処理機能以外に、光学系部用ヨー角制御に用いる計算機能、および各風力発電機のヨー角制御に用いる計算機能を持たせる。
【００３２】
次に、この実施の形態２にかかる運転ロジック例を、図７のフロー図を用いて説明する。レーザ式風向風速計は現在時刻τにおけるＸ［ｍ］先の風向風速を計測する（符号７０１で示すステップに相当する。）。
まず、動作１として、図７中のステップ７１１〜７１４までを行う。光学系部２００がｔ秒後に最適なヨー角となるようにヨー角を計算して制御信号を駆動装置６０２に送信し、その信号をもとに駆動装置６０２はヨー角を変化させる。その計算要領は、先述の実施の形態１において図４に示した手法と同様であり、詳細な説明は省略する。ただし、一定速度で回転することにより全周方向にわたっての風向風速計測を行う場合は、この動作を行う必要はない。
【００３３】
次に動作２ａとして、図７中のステップ７２１ａ〜７２４ａまでを行う。信号処理部３００に内蔵される記憶装置は、レーザ式風向風速計から各風力発電機までの距離をベクトルで記憶しており、このデータを基に風力発電機６１０ａがｔａ秒後に受けるであろう風向風速を計算（予測）する。その風向風速と風力発電機６１０ａのヨー角の最大回転角速度ωａをもとに、実施の形態１と同じ手法でヨー角最適化を行い、計算された△ｔａ秒間のヨー角制御信号を風力発電機６１０ａのコントローラ４０ａに送信する。風力発電機６１０ａのコントローラ４０ａはこの信号を風力発電機６１０ａのヨー角制御駆動装置（図示せず。）に送信し、このヨー角制御駆動装置が風力発電機６１０ａのヨー角を変化させる。動作２ａと同様の動作２ｂを風力発電機６１０ｂに行い、同様の動作２ｃ（ステップ７２１ｃ〜７２４ｃに相当。）を風力発電機６１０ｃに対しても行う。
【００３４】
以上のように動作１、動作２ａ〜動作２ｃを同時に行うことによって、風向風速を最適な状態で計測しながら、各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃが風力エネルギを高効率で利用することが可能となる。
【００３５】
風力発電機が多数ある場合や、かなり広範囲に広がって設置されている場合は、レーザ風向風速計を複数台設置し、それぞれに制御する風力発電機を割り当てれば良い。
また、ここでは信号処理部３００に光学系部用ヨー角制御に用いる計算機能および各風力発電機のヨー角制御に用いる計算機能を持たせる例を示した。しかし、この計算機能を持つ計算機を、光学系部２００の外部に別途設置し、通信可能に接続すること、各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃ側に計算機部を設置すること、またはコントローラ４０ａ〜４０ｃに、この計算機能を持たせることで、同様の制御が可能となる。
【００３６】
なお、このようなウィンドファームにおいても、実施の形態１で示した場合と同様に、風力発電機６１０ａ〜６１０ｃに、レーザ風向風速計をそれぞれ取り付け、またはその近傍に配置し、得られたデータを基に、ヨー角を制御することが可能であることは言うまでもない。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、この発明の風力発電システムによれば、風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計から得られたデータに基づいて、上記風力発電機の制御を行うため、高効率な発電を行うことが可能である。
【００３８】
また、この発明の風力発電機の制御方法によれば、プロペラ型である風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を用い、上記風力発電機から任意距離だけ離れた位置における風向風速データを検出するステップ、上記風向風速データに基づいて、上記風力発電機が受ける風の風向風速および到達時間を予測するステップ、上記予測の到達時間に、予測した風向に上記風力発電機のプロペラ回転面をあわせるようにヨー角を制御するステップを含むため、ヨー角の制御を最適に行うことができ、高効率な発電を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による風力発電機を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるレーザ式風向風速計を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるＳ偏光、Ｐ偏光を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるヨー角制御駆動装置の制御ロジックを示すフロー図である。
【図５】この発明の実施の形態１による、時刻に依存するヨー角変化を示した図である。
【図６】この発明の実施の形態２によるウインドファームの構成図である。
【図７】この発明の実施の形態２によるヨー角制御駆動装置の制御ロジックを示すフロー図である。
【符号の説明】
１ 台座 ２、６０１ タワー部
１０ ブレード １１ ハブ
１２ 回転軸 ２０ ナセル
３０ 発電機 ４０、４０ａ〜４０ｃ コントローラ
５０ ヨー角制御駆動装置
７０、７０ａ〜７０ｃ、１３１、１３１ａ、１３２、１３２ａ〜１３２ｃ、６０２ａ 通信系部
１００ 風向風速計本体部 １０１ レーザ光源
１０２、１３０、１３０ａ 光ファイバー
１０３ 光スイッチ １０４ サーキュレータ
１０５ 光受信機 １０６ トリガ
１０７ 検出信号 １５０ エアロゾル
２００ 風速検出用光学系部 ２００ａ 水平風速検出用光学系部
２００ｂ 垂直風速検出用光学系部
２０１ １／２波長板 ２０２ 望遠鏡
２０３ 偏光ビームスプリッタ ２０４ 全反射鏡
２０５、２０７ Ｐ偏光 ２０６、２０８ Ｓ偏光
２１０ レーザ光 ２１５、２１６ 反射光
３００ 風向風速計信号処理部 ３１０ ＡＤ変換器
３１１ 受信信号 ５０１ 実際の風向変化
５０２ 従来の制御によるヨー角変化
５０３ 発明の制御によるヨー角変化
６０２ 光学系部用ヨー角制御駆動装置
６１０ａ〜６１０ｃ 風力発電機。
【発明の属する技術分野】
この発明は、風力発電機前方の風況を予測して風力発電機を高効率で運転する風力発電システム、および風力発電機の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、風況を予測する風力発電システムは、電波を利用したドップラーレーダを用いて風力発電機前方の風ベクトルを測定し、その風ベクトルから風力発電機の出力値を予測し、予測出力値に基づいて、電力系統側発電機の出力制御を行うものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、別の風力発電システムは、複数台の風力発電装置が、各々、風向、風力等を測定し、各風力発電装置間で、測定結果を相互にやり取りしながら、風の変化タイミングを予測し、風力発電装置の姿勢、プロペラ角度等を最適化させるものである（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１５２９７５号公報
【特許文献２】
特開２０００−８７８４１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の、特許文献１の風力発電システムでは、風況予測情報を他発電機の出力抑制制御で吸収するのみであり、風力発電機自体の性能向上やシステム全体の効率向上をはかることができないという問題があった。
【０００６】
また、特許文献２の風力発電システムでは、風力発電機を相当数設置しなければ成果が見込めない上、風況の観測位置がナセル上部であり、風車ブレードを通った後の風を観測して風況予測を行うため、その精度が極端に悪くなっていた。従って、個々の風力発電装置の性能向上は非常に達成し難いという問題があった。
【０００７】
風力は環境に最もやさしい自然エネルギーの一つであり、その高効率利用は社会的に非常に望まれている。しかし、風力発電機の構造が単純なために、機械的な技術革新が非常に困難であるという問題もあった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、風況を予測して風力発電機を制御することにより、クリーンなエネルギーである風力を、従来と比べて飛躍的に高効率で利用することが可能な風力発電システム、および風力発電機の制御方法を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる風力発電システムは、風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計から得られたデータに基づいて、上記風力発電機の制御を行うものである。
【００１０】
また、この発明に係わる風力発電機の制御方法は、プロペラ型である風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を用い、上記風力発電機から任意距離だけ離れた位置における風向風速データを検出するステップ、上記風向風速データに基づいて、上記風力発電機が受ける風の風向風速および到達時間を予測するステップ、上記予測の到達時間に、予測した風向に上記風力発電機のプロペラ回転面をあわせるようにヨー角を制御するステップを含むものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１ないし図５を用いて説明する。
図１は風力発電機（風車）を側方から観察した断面図である。図１に示すように、台座１上にタワー部２が築かれ、タワー部２の上部にはヨー角制御駆動装置５０が設けられている。さらにその上部には、ヨー角制御駆動装置５０の駆動によって水平面内に回転制御されるナセル２０が配置される。プロペラ型風車の羽根部分であるブレード１０が、ハブ（ブレード１０の取り付け部分。）１１を介して回転軸１２に取り付けられ、回転軸１２に繋がれる発電機３０はナセル２０内に収納されている。プロペラ回転面は、ブレード１０が配置された、回転軸１２に対して垂直な面である。
【００１２】
ナセル２０上部には、レーザ光２１０を射出して、風力発電機前方（任意距離だけ離れた位置。）のエアロゾル１５０に照射し、その反射光２１５を検出する風速検出用光学系部（以下、光学系部とする。）２００が配置される。エアロゾル１５０とは、風に乗って風と同速度同方向に動く空気中の塵であり、このエアロゾル１５０の移動状態を把握することで、同位置における風向風速を観測できる。反射光２１５から得られた情報（エアロゾル１５０の風向風速データ。）は、光ファイバー１３０を介して風向風速計本体部（以下、本体部とする。）１００に送られる。本体部１００において、反射光２１５から、エアロゾル１５０の風向風速を算出するためのデータを取り出して加工し、得られた風向風速データは、通信系部１３１を介して風向風速計信号処理部（以下、信号処理部とする。）３００に送られる。信号処理部３００において、エアロゾル１５０の風向風速データに基づいて、風力発電機が近未来（数秒から数十秒後。）に発電に利用する風の風況（風向風速および風の到達時間など。）を予測し、その風況予測情報を、風力発電機のコントローラ４０に通信系部１３２を介して送る。
【００１３】
コントローラ４０では、近未来に風力発電機が受ける風の向きに、プロペラ回転面を合わせるように、制御信号を、通信系部７０を介して、ヨー角制御駆動装置５０に送り、これを受けてヨー角制御駆動装置５０は、タワー部２を回転軸として、ナセル２０の向き、つまりヨー角を制御し、プロペラ回転面を風向きに合わせる。プロペラ型の風車においては、プロペラ回転面を風向きに合わせ、風向に相対するように、プロペラ回転面を向けるように制御することで、発電効率を高めることができるのは言うまでもない。そのため、風車の制御においては、風の向きが変わった場合、風車のプロペラ回転面が常に風を真正面に受けるように制御することが望ましく、この時に変化させるのがヨー角であり、ヨー角の制御をヨー制御という。
【００１４】
なお、ブレード１０は風を受け風力エネルギを回転力に変換するもので、このブレード１０の回転エネルギを電力に変換するのが発電機３０である。
また、コントローラ４０では、ヨー角、風車回転数や現在の風向風速等の風力発電機制御に必要な諸量を取り込んで解析し、ヨー角制御駆動装置５０だけでなく、ブレーキ設備等の風力発電機の各制御駆動装置にも制御指令を出している。
【００１５】
このように、本発明による風力発電システムは、レーザ式風向風速計を構成する本体部１００、光学系部２００、信号処理部３００を備えている。なお、図１には、ナセル２０上部に、光学系部２００を取り付け、タワー部２内部に本体部１００と信号処理部３００を設置した、風力発電機にレーザ式風向風速計を取り付けた例を示しているが、別途レーザ式風向風速計用のタワーを建てるなどして、風力発電機の近傍に配置しても良く、また、周囲に遮る物がない場所においては、地上に配置することも可能である。
【００１６】
次に、本発明にかかるレーザ式風向風速計の構成および原理の一例について、図２を用いて説明する。レーザ式風向風速計は、上述したように、主に、本体部１００と、光学系部２００と、信号処理部３００から構成されている。本体部１００のレーザ光源１０１（例えば半導体レーザ。）から出たレーザ光は、その一部が光ファイバ１０２によって光受信機１０５に送られ、その他の光はサーキュレータ１０４を通って光スイッチ１０３に送られる。光スイッチ１０３は、入力した光の一部をトリガ１０６としてＡＤ変換器３１０に送り、それ以外の光を光学系部２００に送る。光学系部２００は、例えば、水平風速検出用光学系部２００ａおよび垂直風速検出用光学系部２００ｂの二つによって構成され、送られた光は、水平、垂直風速検出用光学系部２００ａ、２００ｂにそれぞれ分割して送られる。
【００１７】
光スイッチ１０３から、水平風速検出用光学系部２００ａに送られてきた光は、１／２波長板２０１を通って望遠鏡２０２に送られる。望遠鏡２０２を出た光は偏向ビームスプリッタ２０３を通過するＰ偏光２０５と、これに反射されるＳ偏光２０６に分けられ、Ｐ偏光２０５はそのまま外部に射出され、Ｓ偏光２０６は全反射鏡２０４に反射され、外部に射出される。垂直風速検出用光学系部２００ｂについても、水平風速検出用光学系部２００ａと同様の構成であり、Ｐ偏光２０７、Ｓ偏光２０８が外部に射出される構成となっている。
【００１８】
なお、水平風速検出用光学系部２００ａから射出されるＰ偏光２０５、Ｓ偏光２０６は、水平面内の異なる２方向にそれぞれ射出され、垂直風速検出用光学系部２００ｂから射出されるＰ偏光２０７、Ｓ偏光２０８は、垂直面内の異なる２方向にそれぞれ射出される。
Ｐ偏光２０５、２０７、Ｓ偏光２０６、２０８は、図１に示すレーザ光２１０に相当している。
【００１９】
光学系部２００から射出されたレーザ光であるＰ偏光２０５は、エアロゾル１５０に当たって反射し、反射光（例えば図１で示す反射光２１５に相当する。）となって光学系部２００に戻ってくる。この様子は後述する。この反射光２１５は射出経路と逆の経路を辿って、光学系部２００から本体部１００に送られる。反射光２１５（必要となるデータ以外に、ノイズを含んでいる。）は、光スイッチ１０３を経てサーキュレータ１０４に送られ、サーキュレータ１０４は必要となる反射光２１５のみを選択して光受信機１０５に送る。光受信機１０５は、レーザ光源１０１より直接送られてきた光と反射光２１５を検出信号１０７とし、ＡＤ変換器３１０に送る。ＡＤ変換器３１０はアナログの光信号であるトリガ１０６と検出信号１０７をデジタル信号に変換し、受信信号３１１として信号処理部３００に通信系部１３１を介して送る。受信信号３１１を受け、信号処理部３００は、後述する所定の計算を行い、レーザ光２１０の焦点（焦点の位置はエアロゾル１５０の位置に相当する。）での風向風速を算出する。さらに、その風向風速データに基づいて、風況を予測し、必要な制御情報をコントローラ４０に通信系部１３２を介して送る。
【００２０】
なお、レーザ光２１０は、連続波のものを用い、特に波長１５００ｎｍ程度のものを用いると、最もエアロゾル１５０からの反射光が強く、風況の検出精度が良い。同時に、１５００ｎｍ程度の波長のレーザ光は人間の目にも最もやさしいという性質があり、安全性に優れている。
また、レーザ光２１０は、本例のような連続波を利用するものの他に、パルス波を利用する方式のものもあり、いずれを用いても良い。
ドップラー効果を利用した風向風速の検出の場合、用いるレーザ光、音波などの波長に反比例して、検出精度が良くなることが知られており、例えば音波とレーザ光では、より波長の短いレーザ光を用いる場合の方が、風況を精度良く検出することができる。
【００２１】
次に、水平風速検出用光学系部２００ａから射出されたＰ偏光２０５、Ｓ偏光２０６ついて、図３をもとに説明する。光学系部２００からＰ偏光２０５とＳ偏光２０６が、それぞれ水平面内に、任意の方向を基準として、角度＋θと−θ方向に射出され、望遠鏡２０２のレンズによって焦点距離Ｒ（任意距離に相当する。）だけ離れた位置で集光する。集光点近くにあるエアロゾル１５０で光が反射され、反射光（Ｐ偏光反射光。）２１５と反射光（Ｓ偏光反射光。）２１６がそれぞれ発生する。エアロゾル１５０は空気中に相当数含まれているため、集光点以外からもこのような反射波が発生するが、集光点付近からの反射エネルギーが最も大きくなる。この反射波（反射光２１５、２１６。）は速度を持つエアロゾル１５０から反射されたものであるため、ドップラー効果により周波数がＦＤだけシフトする（ドップラーシフト）。この周波数のずれを測定し、エアロゾル１５０の速度を算出する。
【００２２】
また、同様に垂直風速検出用光学系部２００ｂから射出されるＰ偏光２０７、Ｓ偏光２０８は、それぞれ垂直面内で、任意の方向を基準として、角度＋θと−θ方向に射出される。このように、レーザ光２１０を、少なくとも３方向若しくは４方向に射出し、それぞれのデータを得ることで、風力発電機の前方におけるエアロゾル１５０の３次元での風速ベクトルを検出することができる。また、２方向のみにレーザ光を射出した場合では、２次元での風速ベクトルを検出可能である。
なお、レーザ光２１０の射出角度は、観測対象となるエアロゾル１５０までの距離等の条件によっても変化するが、およそθ＝５°程度とすると良い。
【００２３】
次に、信号処理部３００が風速を算出する手法例について説明する。反射光２１５、２１６の情報は、レーザ光源１０１から直接得た情報とあわせて検出信号１０７とし、トリガ１０６と共に、受信信号３１１として受信し、レーザ光源１０１の周波数と反射光２１５、２１６とのドップラーシフトＦＤを算出する。ＦＤとレーザの波長λ、エアロゾルの速度Ｖｍの間には、次に数式１のような関係がある。
【数１】
【数２】
【００２４】
本発明にかかるヨー角制御ロジック例を、図４のフロー図を用いて説明する。まず、レーザ式風向風速計により、現在時刻τにおけるＸ［ｍ］先（風力発電機から任意距離だけ離れた位置）の風向風速を測定する（符号４０１で示すステップに相当する。）。得られた風向風速データを基に、ｔ秒後に風力発電機が受ける風の風向ψ（τ＋ｔ）を算出する（４０２に相当。）。例えば、４００ｍ先の風向風速を測定した場合、風速１０ｍの風が、風力発電機に向って吹いていれば、その風が４０秒後に風力発電機に到達すると予測でき、４０秒後に風力発電機が発電に利用する風の風向風速変化を高精度で予測することができる。エアロゾル１５０の風向風速データから、近未来に風力発電機に吹く風を予測するには、計測したエアロゾル１５０の風向風速と、実際に到達する風の風向風速のデータベースを作成しておき、これを基に、演算を行うという方法がある。ここまでの処理は、レーザ式風向風速計により行い、予測した風向風速および到達時間などのデータは、通信系部１３２を介してコントローラ４０に送られる。
【００２５】
コントローラ４０から、通信系部７０を介して、ヨー角制御駆動装置５０に送られるヨー角制御信号の送信間隔を△ｔ（例えば１秒。）とすると、時刻τ現在に予測できている風向、即ち最適ヨー角は、次の数式４のように示される。
【数４】
【数５】
【数６】
【００２６】
次に、図５を用いて、この実施の形態１の効果を説明する。図５に、風力発電機が実際に受ける風の変化を太線５０１（実際の風向変化。）で示す。このように時刻ｔａからｔｂにかけて（例えば、ｔｂ−ｔａ＝１５秒とする。）、風向がΦ（例えばΦ＝２１度とする。）だけ変化した場合を考える。
【００２７】
従来のヨー角制御手法では、風向が時刻ｔａで変化し始めることは感知できるが、風向がΦ０（例えばΦ０＝１５度。）以上変化したのを確認してからさらにその状態が一定時間（例えば１５秒。図５中のｔ２−ｔ３間。）以上続いて、初めてヨー角を変化させ始めるという破線５０２（従来の制御によるヨー角変化。）のような受動制御をしていた。これは、ヨー角を変化させるにはかなりの重量物であるナセル部を回転させなけれならず、例えば、図１のヨー角制御駆動装置６０がナセルを１秒あたり０．７度程度しか旋回させることができない場合、２１度旋回させるには３０秒間必要であり、その間に風向が変化してしまうかもしれないためである。このため、例えば風速１０ｍ程度の発電に適した風が吹いていたとしても、ヨー角制御遅れによる損失が大きかった。
【００２８】
本発明によれば、太一点鎖線５０３（発明の制御によるヨー角変化。）のような能動制御が可能となる。本例では風向変化角速度（Φ／（ｔｂ−ｔａ））が最大ヨー角回転角速度（Φ／（ｔ１−ｔ０）＝０．７度／秒。）以上であるため、完全に風を追従することはできない。しかし、レーザ式風向風速計によって得られた風向風速データから、風力発電機が受ける風の風向風速および風の到達時間などを予測し、予測の到達時間に、予測した風向にプロペラ回転面を合わせる。すなわち、風の向きに対してプロペラ回転面がほぼ垂直となるように、ヨー角を制御するため、図５を見れば明らかように、ほぼ風を真正面に受けつづけることができる。従って、従来の受動制御に比べ、常に高効率で風力エネルギーを利用できるようになる。風向変化角速度がヨー回転角速度以下であれば、完全に風向変化を追従することができ、従来の受動制御と比べ、さらに高効率での風力エネルギー利用が可能となる。
【００２９】
また本発明によれば、レーザ式風向風速計の本体部１００がナセル２０とともに風を真正面に受け続けるように動作するため、ドップラーシフトＦＤの値を、より大きな値で得ることができ。従って、風向および風速の検出精度を一層高めることができるという効果がある。
なお、レーザ式風向風速計の光学系部２００は、ナセル２０上に配置されることについて述べたが、ナセル２０に固定して用いる他、ナセル２０上に光学系部２００を回転駆動させるための制御駆動装置を設け、ナセル２０の回転のみによらず、専用の制御駆動装置によって回転する構造とすることもできる。
また、本体部１００及び信号処理部３００は、タワー部２内に配置される例を示したが、これらの配置についても、他の構成部との通信状態を良好に保つことができれば、タワー部２外部に配置しても問題ない。
【００３０】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について、図６を用いて説明する。図６は、複数台の風力発電機６１０ａ〜６１０ｃが設置されたウィンドファームの構成図であり、ウィンドファームの中心付近にレーザ式風向風速計の光学系部２００を設置した状態を示している。複数台の風力発電機６１０ａ〜６１０ｃの中心付近にタワー部（またはポール。）６０１を立て、この上に光学系部用ヨー角制御駆動装置（以下、駆動装置とする。）６０２を介して光学系部２００を載置する。光学系部２００を本体部１００と光ファイバ１３０ａで繋ぎ、本体部１００と信号処理部３００を通信系部１３１ａで繋ぎ、信号処理部３００とそれぞれの風力発電機のコントローラ４０ａ〜４０ｃを通信系部１３２ａ〜１３２ｃで繋ぐ。信号処理部３００と駆動装置６０２は通信系部６０２ａで繋いでいる。また、コントローラ４０ａ〜４０ｃは、通信系部７０ａ〜７０ｃによってそれぞれ風力発電機６１０ａ〜６１０ｃに繋げられている。
【００３１】
なお、駆動装置６０２は、信号処理部３００からの出力をもとに光学系部２００の向きを変化させ、プロペラの回転面を常に風の真正面に向くようにするか、または一定速度で回転させることにより全周方向にわたっての風向風速計測を可能とする駆動装置である。周りに遮るものが殆どない場合、光学系部２００および駆動装置６０２を地上に設置しても良い。レーザ式風向風速計は、集光点を風力発電機のタワーから最も遠い風力発電機（図６ならば６１０ａに相当する。）の前方Ｘ［ｍ］（例えば４００ｍ先。）として、この点の風向風速を計測可能なものとするか、またはパルス型のレーザを用いてこの距離の風向風速を検出できるものにする。さらに、信号処理部３００には、実施の形態１で述べた風向風速信号処理機能以外に、光学系部用ヨー角制御に用いる計算機能、および各風力発電機のヨー角制御に用いる計算機能を持たせる。
【００３２】
次に、この実施の形態２にかかる運転ロジック例を、図７のフロー図を用いて説明する。レーザ式風向風速計は現在時刻τにおけるＸ［ｍ］先の風向風速を計測する（符号７０１で示すステップに相当する。）。
まず、動作１として、図７中のステップ７１１〜７１４までを行う。光学系部２００がｔ秒後に最適なヨー角となるようにヨー角を計算して制御信号を駆動装置６０２に送信し、その信号をもとに駆動装置６０２はヨー角を変化させる。その計算要領は、先述の実施の形態１において図４に示した手法と同様であり、詳細な説明は省略する。ただし、一定速度で回転することにより全周方向にわたっての風向風速計測を行う場合は、この動作を行う必要はない。
【００３３】
次に動作２ａとして、図７中のステップ７２１ａ〜７２４ａまでを行う。信号処理部３００に内蔵される記憶装置は、レーザ式風向風速計から各風力発電機までの距離をベクトルで記憶しており、このデータを基に風力発電機６１０ａがｔａ秒後に受けるであろう風向風速を計算（予測）する。その風向風速と風力発電機６１０ａのヨー角の最大回転角速度ωａをもとに、実施の形態１と同じ手法でヨー角最適化を行い、計算された△ｔａ秒間のヨー角制御信号を風力発電機６１０ａのコントローラ４０ａに送信する。風力発電機６１０ａのコントローラ４０ａはこの信号を風力発電機６１０ａのヨー角制御駆動装置（図示せず。）に送信し、このヨー角制御駆動装置が風力発電機６１０ａのヨー角を変化させる。動作２ａと同様の動作２ｂを風力発電機６１０ｂに行い、同様の動作２ｃ（ステップ７２１ｃ〜７２４ｃに相当。）を風力発電機６１０ｃに対しても行う。
【００３４】
以上のように動作１、動作２ａ〜動作２ｃを同時に行うことによって、風向風速を最適な状態で計測しながら、各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃが風力エネルギを高効率で利用することが可能となる。
【００３５】
風力発電機が多数ある場合や、かなり広範囲に広がって設置されている場合は、レーザ風向風速計を複数台設置し、それぞれに制御する風力発電機を割り当てれば良い。
また、ここでは信号処理部３００に光学系部用ヨー角制御に用いる計算機能および各風力発電機のヨー角制御に用いる計算機能を持たせる例を示した。しかし、この計算機能を持つ計算機を、光学系部２００の外部に別途設置し、通信可能に接続すること、各風力発電機６１０ａ〜６１０ｃ側に計算機部を設置すること、またはコントローラ４０ａ〜４０ｃに、この計算機能を持たせることで、同様の制御が可能となる。
【００３６】
なお、このようなウィンドファームにおいても、実施の形態１で示した場合と同様に、風力発電機６１０ａ〜６１０ｃに、レーザ風向風速計をそれぞれ取り付け、またはその近傍に配置し、得られたデータを基に、ヨー角を制御することが可能であることは言うまでもない。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、この発明の風力発電システムによれば、風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計から得られたデータに基づいて、上記風力発電機の制御を行うため、高効率な発電を行うことが可能である。
【００３８】
また、この発明の風力発電機の制御方法によれば、プロペラ型である風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を用い、上記風力発電機から任意距離だけ離れた位置における風向風速データを検出するステップ、上記風向風速データに基づいて、上記風力発電機が受ける風の風向風速および到達時間を予測するステップ、上記予測の到達時間に、予測した風向に上記風力発電機のプロペラ回転面をあわせるようにヨー角を制御するステップを含むため、ヨー角の制御を最適に行うことができ、高効率な発電を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による風力発電機を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるレーザ式風向風速計を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるＳ偏光、Ｐ偏光を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるヨー角制御駆動装置の制御ロジックを示すフロー図である。
【図５】この発明の実施の形態１による、時刻に依存するヨー角変化を示した図である。
【図６】この発明の実施の形態２によるウインドファームの構成図である。
【図７】この発明の実施の形態２によるヨー角制御駆動装置の制御ロジックを示すフロー図である。
【符号の説明】
１ 台座 ２、６０１ タワー部
１０ ブレード １１ ハブ
１２ 回転軸 ２０ ナセル
３０ 発電機 ４０、４０ａ〜４０ｃ コントローラ
５０ ヨー角制御駆動装置
７０、７０ａ〜７０ｃ、１３１、１３１ａ、１３２、１３２ａ〜１３２ｃ、６０２ａ 通信系部
１００ 風向風速計本体部 １０１ レーザ光源
１０２、１３０、１３０ａ 光ファイバー
１０３ 光スイッチ １０４ サーキュレータ
１０５ 光受信機 １０６ トリガ
１０７ 検出信号 １５０ エアロゾル
２００ 風速検出用光学系部 ２００ａ 水平風速検出用光学系部
２００ｂ 垂直風速検出用光学系部
２０１ １／２波長板 ２０２ 望遠鏡
２０３ 偏光ビームスプリッタ ２０４ 全反射鏡
２０５、２０７ Ｐ偏光 ２０６、２０８ Ｓ偏光
２１０ レーザ光 ２１５、２１６ 反射光
３００ 風向風速計信号処理部 ３１０ ＡＤ変換器
３１１ 受信信号 ５０１ 実際の風向変化
５０２ 従来の制御によるヨー角変化
５０３ 発明の制御によるヨー角変化
６０２ 光学系部用ヨー角制御駆動装置
６１０ａ〜６１０ｃ 風力発電機。
Claims (4)
- 風力発電機、上記風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を備え、上記レーザ式風向風速計から得られたデータに基づいて、上記風力発電機の制御を行うことを特徴とする風力発電システム。
- 上記レーザ式風向風速計は、レーザ光を用いて、上記風力発電機の位置から任意距離だけ離れた位置における風向風速データを検出するとともに、上記風向風速データに基づいて上記風力発電機が受ける風の風向風速を予測し、プロペラ型である上記風力発電機は、上記レーザ式風向風速計が予測した風向に、プロペラ回転面をあわせるようにヨー角を制御することを特徴とする請求項１記載の風力発電システム。
- 上記風力発電機は、複数台配置され、１機または数機の上記レーザ式風向風速計から得られたデータに基づいて、上記複数台の風力発電機のヨー角を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電システム。
- プロペラ型である風力発電機に取り付けられるか、またはその近傍に配置されるレーザ式風向風速計を用い、上記風力発電機から任意距離だけ離れた位置における風向風速データを検出するステップ、上記風向風速データに基づいて、上記風力発電機が受ける風の風向風速および到達時間を予測するステップ、上記予測の到達時間に、予測した風向に上記風力発電機のプロペラ回転面をあわせるようにヨー角を制御するステップを含む風力発電機の制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003076299A JP2004285858A (ja) | 2003-03-19 | 2003-03-19 | 風力発電システムおよび風力発電機の制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003076299A JP2004285858A (ja) | 2003-03-19 | 2003-03-19 | 風力発電システムおよび風力発電機の制御方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004285858A true JP2004285858A (ja) | 2004-10-14 |
Family
ID=33291390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003076299A Pending JP2004285858A (ja) | 2003-03-19 | 2003-03-19 | 風力発電システムおよび風力発電機の制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004285858A (ja) |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007033034A (ja) * | 2005-07-22 | 2007-02-08 | Kansai Electric Power Co Inc:The | 風速計測方法及び装置 |
| WO2007129378A1 (ja) * | 2006-04-27 | 2007-11-15 | The Tokyo Electric Power Company, Incorporated | 風力発電装置、風力発電装置の制御方法およびコンピュータプログラム |
| WO2008126659A1 (ja) | 2007-04-10 | 2008-10-23 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | 風力発電装置及びその制御方法 |
| JP2010500086A (ja) * | 2006-08-09 | 2010-01-07 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | 特に流れの測定のための発光装置 |
| WO2010050260A1 (ja) | 2008-10-29 | 2010-05-06 | 三菱重工業株式会社 | 風力発電装置及びその制御方法 |
| CN101994650A (zh) * | 2009-08-14 | 2011-03-30 | Ssb风系统两合公司 | 风力发电设备及其控制方法 |
| KR101093003B1 (ko) | 2011-02-09 | 2011-12-12 | 전북대학교산학협력단 | 급격한 풍속 변화시 풍력발전단지 제어 방법 및 시스템 |
| WO2013003792A2 (en) * | 2011-06-30 | 2013-01-03 | Catch the Wind, Inc. | System and method of in sity wind turbine blade monitoring |
| KR101411420B1 (ko) | 2013-06-14 | 2014-06-25 | 삼성중공업 주식회사 | 시뮬레이션 기법을 이용한 풍력 발전 단지의 풍력 발전기 제어 시스템 및 방법 |
| JP2015506444A (ja) * | 2012-02-08 | 2015-03-02 | ロモ ウインド アーゲー | 風力タービンのヨーを調節するための装置 |
| JP2015517094A (ja) * | 2012-03-23 | 2015-06-18 | ウインダー フォトニクス エー／エスＷｉｎｄａｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ａ／Ｓ | 複数方向のｌｉｄａｒシステム |
| JP2017003490A (ja) * | 2015-06-12 | 2017-01-05 | 三菱電機株式会社 | レーザレーダ装置 |
| JP2017111074A (ja) * | 2015-12-18 | 2017-06-22 | 三菱重工業株式会社 | 気象データ同化方法、気象予測方法および気象予測システム |
| WO2017130315A1 (ja) * | 2016-01-27 | 2017-08-03 | 三菱電機株式会社 | コヒーレントライダー装置 |
| WO2019021735A1 (ja) * | 2017-07-28 | 2019-01-31 | 株式会社日立製作所 | 風力発電装置とその制御方法並びに改修方法 |
| US10353054B2 (en) | 2014-08-12 | 2019-07-16 | Mitsubishi Electric Corporation | Laser radar device |
| JPWO2021079513A1 (ja) * | 2019-10-25 | 2021-04-29 | ||
| CN114048930A (zh) * | 2022-01-13 | 2022-02-15 | 广东电网有限责任公司揭阳供电局 | 一种超短期风电功率预测方法和装置 |
| CN114876730A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-08-09 | 四川建筑职业技术学院 | 一种风力发电机阵风降载运行控制方法 |
-
2003
- 2003-03-19 JP JP2003076299A patent/JP2004285858A/ja active Pending
Cited By (30)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007033034A (ja) * | 2005-07-22 | 2007-02-08 | Kansai Electric Power Co Inc:The | 風速計測方法及び装置 |
| JP4649284B2 (ja) * | 2005-07-22 | 2011-03-09 | 関西電力株式会社 | 風速計測方法及び装置 |
| WO2007129378A1 (ja) * | 2006-04-27 | 2007-11-15 | The Tokyo Electric Power Company, Incorporated | 風力発電装置、風力発電装置の制御方法およびコンピュータプログラム |
| JP2010500086A (ja) * | 2006-08-09 | 2010-01-07 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | 特に流れの測定のための発光装置 |
| US8043055B2 (en) | 2007-04-10 | 2011-10-25 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Wind turbine generator system |
| WO2008126659A1 (ja) | 2007-04-10 | 2008-10-23 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | 風力発電装置及びその制御方法 |
| US8450867B2 (en) | 2008-10-29 | 2013-05-28 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Wind turbine generator and its control method |
| WO2010050260A1 (ja) | 2008-10-29 | 2010-05-06 | 三菱重工業株式会社 | 風力発電装置及びその制御方法 |
| CN101994650A (zh) * | 2009-08-14 | 2011-03-30 | Ssb风系统两合公司 | 风力发电设备及其控制方法 |
| KR101093003B1 (ko) | 2011-02-09 | 2011-12-12 | 전북대학교산학협력단 | 급격한 풍속 변화시 풍력발전단지 제어 방법 및 시스템 |
| WO2012108594A1 (ko) * | 2011-02-09 | 2012-08-16 | 전북대학교산학협력단 | 급격한 풍속 변화시 풍력발전단지 제어 방법 및 시스템 |
| US8587142B2 (en) | 2011-02-09 | 2013-11-19 | Industrial Cooperation Foundation Chonbuk National University | Method and system for controlling wind farm when wind speed varies abruptly |
| WO2013003792A2 (en) * | 2011-06-30 | 2013-01-03 | Catch the Wind, Inc. | System and method of in sity wind turbine blade monitoring |
| WO2013003792A3 (en) * | 2011-06-30 | 2013-02-14 | Bluescout Technologies, Inc. | System and method of in sity wind turbine blade monitoring |
| JP2015506444A (ja) * | 2012-02-08 | 2015-03-02 | ロモ ウインド アーゲー | 風力タービンのヨーを調節するための装置 |
| JP2015517094A (ja) * | 2012-03-23 | 2015-06-18 | ウインダー フォトニクス エー／エスＷｉｎｄａｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ａ／Ｓ | 複数方向のｌｉｄａｒシステム |
| KR101411420B1 (ko) | 2013-06-14 | 2014-06-25 | 삼성중공업 주식회사 | 시뮬레이션 기법을 이용한 풍력 발전 단지의 풍력 발전기 제어 시스템 및 방법 |
| US10353054B2 (en) | 2014-08-12 | 2019-07-16 | Mitsubishi Electric Corporation | Laser radar device |
| JP2017003490A (ja) * | 2015-06-12 | 2017-01-05 | 三菱電機株式会社 | レーザレーダ装置 |
| JP2017111074A (ja) * | 2015-12-18 | 2017-06-22 | 三菱重工業株式会社 | 気象データ同化方法、気象予測方法および気象予測システム |
| JPWO2017130315A1 (ja) * | 2016-01-27 | 2018-05-24 | 三菱電機株式会社 | コヒーレントライダー装置 |
| WO2017130315A1 (ja) * | 2016-01-27 | 2017-08-03 | 三菱電機株式会社 | コヒーレントライダー装置 |
| WO2019021735A1 (ja) * | 2017-07-28 | 2019-01-31 | 株式会社日立製作所 | 風力発電装置とその制御方法並びに改修方法 |
| JP2019027345A (ja) * | 2017-07-28 | 2019-02-21 | 株式会社日立製作所 | 風力発電装置とその制御方法並びに改修方法 |
| JPWO2021079513A1 (ja) * | 2019-10-25 | 2021-04-29 | ||
| WO2021079513A1 (ja) * | 2019-10-25 | 2021-04-29 | 三菱電機株式会社 | 信号処理器、レーザレーダ装置及び風力タービン |
| JP6995256B2 (ja) | 2019-10-25 | 2022-01-14 | 三菱電機株式会社 | 信号処理器、レーザレーダ装置及び風力タービン |
| CN114048930A (zh) * | 2022-01-13 | 2022-02-15 | 广东电网有限责任公司揭阳供电局 | 一种超短期风电功率预测方法和装置 |
| CN114876730A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-08-09 | 四川建筑职业技术学院 | 一种风力发电机阵风降载运行控制方法 |
| CN114876730B (zh) * | 2022-05-09 | 2023-09-05 | 四川建筑职业技术学院 | 一种风力发电机阵风降载运行控制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2004285858A (ja) | 風力発電システムおよび風力発電機の制御方法 | |
| JP4102278B2 (ja) | 風力発電システム | |
| EP1597592B1 (en) | Wind turbine control having a lidar wind speed measurement apparatus | |
| US20230341523A1 (en) | Scanner control for lidar systems | |
| JP2004285857A (ja) | 風力発電システム | |
| KR102220996B1 (ko) | 터빈 유체 속도 장 측정 | |
| CN107533127A (zh) | 改善的激光扫描的装置和方法 | |
| JP4626265B2 (ja) | 風力発電装置、風力発電装置の制御方法およびコンピュータプログラム | |
| EP1744058A1 (en) | Wind power generation evaluation system and prediction control service system for wind power generator | |
| EP2702393A1 (en) | Method and appartaus for protecting wind turbines from extreme events | |
| JP2002071807A (ja) | 後方乱気流検出システム | |
| WO2007129378A1 (ja) | 風力発電装置、風力発電装置の制御方法およびコンピュータプログラム | |
| JPH0587823A (ja) | 風向を検出する装置および方法 | |
| CN107176311B (zh) | 一种用于空间碎片的自适应激光消旋系统 | |
| JP4626266B2 (ja) | 風力発電装置、風力発電装置の制御方法およびコンピュータプログラム | |
| EP0947834A2 (en) | Detection of air flow speed and flow direction | |
| JP5225203B2 (ja) | レーダ装置及びレーダ信号処理方法 | |
| JP5000082B2 (ja) | 光波レーダ装置 | |
| WO2011150927A1 (en) | Improved method and apparatus for measuring wind velocity | |
| JP2004289896A (ja) | 風力発電システム | |
| JP7193347B2 (ja) | リモートセンシング用の方法及びシステム | |
| JP2009244194A (ja) | レーダ装置 | |
| JP2019519777A5 (ja) | ||
| JP2001264440A (ja) | ヘリコプタ検出装置とこの装置を用いた誘導飛翔体 | |
| JP3201898B2 (ja) | 障害物検出装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050111 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070518 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070529 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20071016 |