JP2006125265A - 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 - Google Patents

Abstract

【目的】 観測タワーを必要とせず、突風を事前に検知してブレードの角度変更などの突風対策をとることができる技術を提供する。
【構成】 地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードとを備えた風力発電装置において、ナセルまたはハブには、前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計と、フェザリングを含めたブレードの角度変更を制御するブレード角度制御手段とを備え、 前記ドップラ風速計が所定以上の風速を検知した場合には、ブレード角度制御手段がブレードの角度を変更することとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風力発電装置を突風による破損などから護るための制御技術、およびそれに関連する技術に関する。

建造物を設置する前には、地図などを用いたいわゆるバーチャルな検証が行われるが、当該建造物が風の影響を大きく受けるものである場合には、実際の現場に当該建造物を設置する前に、その現場において発生すると考えられる風況を正確に把握する（以下、「事前風況検証」という）必要がある。また、当該建造物が建造された後に、当該現場における風況がどのようになるかについて、事後検証する（以下、「事後風況検証」という）必要がある場合も少なくない。

前述のような事前風況検証または事後風況検証に用いられる技術には、以下のようなものがある。
第一の方法は、現場における任意の地点に観測用のタワーを設置し、そのタワーの先端や中央付近に風向計や風速計を固定して風況を検証する方法である。
第二の方法は、現場における任意の地点にドップラソーダまたはレーザードップラを設置して風況を検証する方法である。
第三の方法は、現場地形を模擬した模型を作成し、風洞実験設備において風を流入させ、計測する方法である。
第四の方法は、コンピュータ内で現場地形を模擬した地形データを作成し、シミュレーションソフトを用いた数値解析を行う方法である。
第三および第四の方法では現実の値からは誤差が生じること、第一の方法では観測用のタワーが必要となるがタワーを設置することができないような場合も多い。例えば、第二の方法が採用されるとして、第二の方法について、更に詳しく説明する。

ドップラソーダ（ドップラ音波レーダー）は、現場における任意地点から上空に向けて、数千Ｈｚの一定周波数の音波を、数秒間隔で発振する。音波は、大気中の風に含まれる水蒸気や塵などの粒子に衝突し、反射する。その反射波を大型の筒状体にてキャッチし、ドップラ効果で変調した反射波に基づいて風速を算出する。
超音波の受発信用の筒状体を三本程度とし、それぞれの傾き角度や方向を異ならせることによって風向きを算出することも可能である。

レーザードップラ（光波レーダー）は、レーザー光を放射し、大気中に浮遊する塵からの散乱光を受信する。受信した光は、風の影響によるドップラ効果を受けているので、その光の周波数変移量を分析し、風速や風向きを求める技術である。
例えば、風力発電用風車の建設予定地について風向風速を計測する技術として、特許文献１に開示される技術がある。

特開２００４−１０１２６５号公報

風力発電装置は、設置場所の風況に合わせて設計されるが、いずれの風力発電装置であっても、風力に伴う外力への耐久性能には限界がある。したがって、風力に伴う限界以上の外力から保護するため、以下のような「限度調整機構」を備えている。すなわち、風速を計測したり、天候の予報情報を得るなどによって所定以上の風速が予想されたり検知された場合には、その風に対する回転効率を下げるようなブレード角度を選択したり、風を逃がすようなブレード角度を選択したりする機構（以下、「限度調整機構」と記す）を備えている。

さて、風速の計測は、図７に示すように、ナセルに取り付けた風向風速計による第一の計測方法、図８に示すように、観測タワーに設けた風向風速計による第二の計測方法が代表的である。
第一の計測方法は、風力発電装置が風上を常に向いている必要性から風向計が必須であることとの関係で、その役割を兼ねることができるという利点の他、観測タワーの設置が不要であるという利点がある。
第二の計測方法は、風速を事前に、すなわち風力発電装置に達する前の風の風速を把握できるという利点がある。

前述した従来の「限度調整機構」の技術では、風速の計測に伴って、以下のような問題点がある。
第一の計測方法では、大きな速度で突然吹いてくる突風への対策が不十分であった。周りが平地であるような場合には、風況が安定していることが多いので突風が吹くことは稀であり、強風が発生していることを検知すればたいてい足りる。
しかし、複雑な地形に立地した場合には、風況が安定しておらず、突風も生じやすい。ブレード角度を変更するには数秒を要するので、突風は検知してからでは手遅れの場合もある。

第二の計測方法では、突風が風力発電装置に達する前に把握することが可能であり、第一の計測方法の欠点は補える。しかし、図９に示すように、観測タワーが風力発電装置の周囲に数カ所（６カ所程度）が必要となる。その設置に手間とコストがかかるだけでなく、地形などの制限から観測タワーの設置そのものが不可能な場合もある。

以上説明したように、第一の計測方法および第二の計測方法における欠点を同時に克服し、風速を事前に把握する手段が存在しない。
加えて、風向の変化を素早く把握できれば、前もってナセルの向きを風向に正対させることができ、発電量増加に寄与させることが可能であるが、風向を事前に把握する手段も存在しない。

本発明が解決しようとする課題は、観測タワーを必要とせず、突風を事前に検知してブレードの角度変更などの突風対策をとることができる技術を提供することである。
ここで、請求項１および請求項２に記載の発明の目的は、観測タワーを必要とせず、突風を事前に検知してブレードの角度変更などの突風対策をとることができる風力発電装置を提供することにある。
また、請求項４および請求項５に記載の発明の目的は、観測タワーを必要とせず、突風を事前に検知してブレードの角度変更などの突風対策をとることができる風力発電装置の制御方法を提供することにある。
また、請求項７および請求項８に記載の発明の目的は、観測タワーを必要とせず、突風を事前に検知してブレードの角度変更などの突風対策をとることができる風力発電装置の制御プログラムを提供することにある。

更に、請求項３、請求項６および請求項９に記載の発明の目的は、風向の変化を素早く把握してナセルの向きを風向に正対させることができる風力発電装置関連技術を提供することにある。
更に、請求項１０から請求項１２に記載の発明の目的は、前述の発明の目的に加え、鳥類などの飛来物によるブレードの破損やバードストライクを減らすことが可能な風力発電装置関連技術を提供することにある。

（請求項１）
請求項１記載の発明は、 地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードとを備えた風力発電装置に係る。
そして、ナセルまたはハブには、前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計と、 フェザリングを含めたブレードの角度変更を制御するブレード角度制御手段とを備え、 前記ドップラ風速計が所定以上の風速を検知した場合には、ブレード角度制御手段がブレードの角度を変更することとしたことを特徴とする。

（用語説明）
「ドップラ風速計」とは、音波または電磁波を発振し、風に含まれた塵などの反射体へ衝突して反射してくる音波または電磁波のドップラ効果に基づく速度差を計測することによって風速を算出する風速計である。取り付け位置はハブの内部、ナセルの上部または左右などがある。

「フェザリング」とは、ブレードが風を受けても回転しないポジションをいうが、充分に減速するポジションや、ブレード回転を停止させるためのブレーキを補助的に用いる場合も含むこととする。回転の減速制御手段としては、ブレード全体のピッチ角を変更するピッチ制御機と、揚力を失うようなブレード形状とピッチ角とを選択させるとともに停止時にはブレード先端が９０度向きを変えてブレーキとするストール制御機とがある。
なお、風力発電装置はフェザリングポジション以外にも、強風に応じて回転効率を落とすようなポジションを選択可能に形成されていることが多い。回転を完全に停止してしまうと運転再開に時間が掛かるが、十分な減速の場合には運転再開が容易であるので発電ロスを減らすことができるからである。

（作用）
音波または電磁波の受発振によるドップラ効果を用いたドップラ風速計により、風力発電装置の風上における風速を測定する。そして、ドップラ風速計が所定以上の風速を検知した場合には、ブレード角度制御手段がブレードの角度を変更する。たとえば、限度以上の風速を検知した場合には、フェザリングとすることによって風を逃がし、ブレードやタワーへのダメージを軽減する。
以上のような作動により、観測タワーを必要とせず、突風を事前に検知してブレードの角度変更などの突風対策をとることができる。

（請求項２）
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の風力発電装置を限定したものである。
すなわち、前記ドップラ風速計が検知した風速による風の予想到達時間を算出する到達時間算出手段を備え、 前記ブレード角度制御手段は、その予想到達時間に達する前にブレードの角度を回転停止ポジションに変更するように制御することとした風力発電装置に係る。

（予想到達時間等）
予想到達時間は、たとえば、風速とその風速の観測対象となる反射波の発生地点からの距離とから割り出される。換言すれば、ドップラ風速計は、回転停止ポジションへの変更時間が確保できる距離の風速を測定できるように調整される。

（作用）
到達時間算出手段は、前記ドップラ風速計が検知した風速による風の予想到達時間を算出する。
所定以上の風速を検知した場合には、ブレード角度制御手段は、その予想到達時間に達する前にブレードの角度を回転停止ポジションに変更するように制御する。突風がブレードに達する前にブレードの角度変更が行えることとなり、ブレードやタワーへのダメージを軽減する。

（請求項４）
請求項４記載の発明は、 地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードと、ナセルまたはハブに備えた前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計とを備えた風力発電装置の制御方法に係る。
すなわち、ドップラ風速計によって前方の風速を計測する風速計測手順と、 その風速計測手順によって計測された風速が所定以上である場合に、ブレードをフェザリングポジションに変更するブレード角度変更手順とを備えたことを特徴とする。

（請求項５）
請求項５記載の発明は、地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードと、ナセルまたはハブに備えた前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計とを備えた風力発電装置の制御方法に係る。
すなわち、ドップラ風速計によって前方の風速を計測する風速計測手順と、 その風速計測手順によって計測された風速が所定以上である場合に当該風速による風の予想到達時間を算出する到達時間算出手順と、 その予想到達時間に達する前にブレードをフェザリングポジションに変更するブレード角度変更手順とを備えたことを特徴とする。

（請求項７）
請求項７記載の発明は、地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードとを備えた風力発電装置の制御プログラムに係る。
その制御プログラムは、ドップラ風速計によって前方の風速を計測する風速計測手順と、 その風速計測手順によって計測された風速が所定以上である場合に、ブレードをフェザリングポジションに変更するブレード角度変更手順とを風力発電装置の制御コンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラムである。

（請求項８）
請求項８記載の発明は、地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードとを備えた風力発電装置の制御プログラムに係る。
その制御プログラムは、ドップラ風速計によって前方の風速を計測する風速計測手順と、 その風速計測手順によって計測された風速が所定以上である場合に当該風速による風の予想到達時間を算出する到達時間算出手順と、 その予想到達時間に達する前にブレードをフェザリングポジションに変更するブレード角度変更手順とを風力発電装置の制御コンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラムである。

（請求項３）
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の風力発電装置を限定したものである。
すなわち、タワーに対するナセルの平面の向きを変更可能なナセル角度変更手段を備えるとともに、 ナセルまたはハブに備えるドップラ風速計を複数とし、 その複数のドップラ風速計のうちの少なくともひとつは、その平面方向においてナセルまたはハブの真正面方向とは音波または電磁波の受発振の角度を異ならせて固定し、 複数のドップラ風速計による風速の計測によって風向を算出する風向算出手段を備え、 前記ナセル角度変更手段は、その風向算出手段が算出した風向に合わせてタワーに対するナセルの平面の向きを変更することとした風力発電装置に係る。

（用語説明）
ナセルまたはハブに備える複数のドップラ風速計が３つであれば、そのひとつを平面方向においてナセルまたはハブの真正面方向に音波または電磁波の受発振の方向を一致させる。そして残るふたつは、真正面方向から所定角度をずらして固定する。
ナセルまたはハブに備える複数のドップラ風速計が２つであれば、２つとも、平面方向においてナセルまたはハブの真正面方向に音波または電磁波の受発振の方向を一致させず、真正面方向から所定角度ずつずらして固定する。

ドップラ風速計が複数備えられ、それぞれがどのような角度で固定されているかを把握していれば、それぞれが計測するによって風向を算出することができる。すなわち、「風向算出手段」とは、複数のドップラ風速計によって算出される風速を入力し、その入力結果から風向を演算して出力する手段である。

（作用）
複数のドップラ風速計による風速の計測結果を用いて、風向算出手段が風向を算出する。そして、ナセル角度変更手段は、その風向算出手段が算出した風向に合わせてタワーに対するナセルの平面の向きを変更する。すると、風向の変化を素早く把握してナセルの向きを風向に正対させることができ、発電量増加に寄与する。

（請求項６）
請求項６記載の発明は、地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードと、ナセルまたはハブに備えた前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計と、タワーに対するナセルの平面の向きを変更可能なナセル角度変更手段とを備えるとともに、 ナセルまたはハブに備えるドップラ風速計を複数とし、その複数のドップラ風速計のうちの少なくともひとつは、その平面方向においてナセルまたはハブの真正面方向とは音波または電磁波の受発振の角度を異ならせて固定して形成した風力発電装置の制御方法に係る。
すなわち、複数のドップラ風速計による風速の計測によって風向を算出する風向算出手順と、 ナセル角度変更手段を用いてその風向算出手順にて算出した風向に合わせてタワーに対するナセルの平面の向きを変更するナセル角度変更手順とを備えた風力発電装置の制御方法である。

（請求項９）
請求項９記載の発明は、 地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードと、ナセルまたはハブに備えた前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計と、タワーに対するナセルの平面の向きを変更可能なナセル角度変更手段とを備えるとともに、 ナセルまたはハブに備えるドップラ風速計を複数とし、その複数のドップラ風速計のうちの少なくともひとつは、その平面方向においてナセルまたはハブの真正面方向とは音波または電磁波の受発振の角度を異ならせて固定して形成した風力発電装置の制御プログラムに係る。
その制御プログラムは、複数のドップラ風速計による風速の計測によって風向を算出する風向算出手順と、 ナセル角度変更手段を用いてその風向算出手順にて算出した風向に合わせてタワーに対するナセルの平面の向きを変更するナセル角度変更手順とを風力発電装置の制御コンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラムである。

（請求項１０）
請求項１０記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載した風力発電装置を限定したものである。
すなわち、風上前方の飛来物を検知可能な障害物探査装置を備え、 その障害物探査装置が飛来物を検知した場合に、前記ブレード角度制御手段がブレードを回転停止ポジションに変更するように制御することとした風力発電装置に係る。

（用語説明）
「飛来物」とは、鳥類などの生き物の他、風に飛ばされくる物体を含む。
「障害物探査装置」とは、音波または電磁波を発振し、その反射波を捉えることによって飛来物の存在を確認する装置、または撮像および画像解析に基づいて飛来物の存在を確認する装置、熱感知により鳥類などの生き物を感知する装置などである。風上前方における飛来物を捉えるため、風向計と組み合わせて用いられる。なお、風力発電装置が風上を向くようにしているので、風力発電装置のハブ内に設置するなど、風力発電装置と同期して動くこととしているとよい。

（作用）
本請求項に係る風力発電装置が、風を受けてブレードが回転することによって発電する。ここで、障害物探査装置が風上に飛来物を検知したとする。すると、ブレード角度制御手段がブレードを回転停止ポジションに変更するように制御する。その結果、ブレードの回転は停止または十分な減速をする。
停止または十分な減速をしているブレードであれば、飛来する鳥が視認しやすいため、自ら回避する可能性が高まる。また、ブレードはハブから放射状に３枚程度固定された細身の形状をなすものが多いので、飛来物が鳥以外の単なる物体である場合でも、ブレードに衝突する確率を低めることができる。
なお、突風を検知しても、ブレードは停止または十分な減速をする。

（請求項１１）
請求項１１記載の発明は、地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードと、ナセルまたはハブに備えた前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計と、風上前方の飛来物を検知可能な障害物探査装置とを備えた風力発電装置の制御方法に係る。
すなわち、ドップラ風速計によって前方の風速を計測する風速計測手順と、 その風速計測手順によって計測された風速が所定以上である場合に、ブレードをフェザリングポジションに変更するブレード角度変更手順と、 風上前方の飛来物を検知する飛来物検知手順と、 その飛来物検知手順にて飛来物を検知した場合には、前記ブレードを回転停止ポジションに変更するように制御する回転停止手順とを備えた風力発電装置の制御方法である。

（請求項１２）
請求項１２記載の発明は、地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードと、ナセルまたはハブに備えた前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計と、風上前方の飛来物を検知可能な障害物探査装置とを備えた風力発電装置の制御プログラムに係る。
その制御プログラムは、ドップラ風速計によって前方の風速を計測する風速計測手順と、 その風速計測手順によって計測された風速が所定以上である場合に、ブレードをフェザリングポジションに変更するブレード角度変更手順と、 風上前方の飛来物を検知する飛来物検知手順と、 その飛来物検知手順にて飛来物を検知した場合には、前記ブレードを回転停止ポジションに変更するように制御する回転停止手順とを風力発電装置の制御コンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラムである。

請求項７から請求項９および請求項１２に係るコンピュータプログラムを、チップ化して風力発電装置のブレード制御装置とすることもできる。また、記録媒体へ記憶させて提供することもできる。ここで、「記録媒体」とは、それ自身では空間を占有し得ないプログラムを担持することができる媒体であり、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−Ｒ、ＭＯ（光磁気ディスク）、ＤＶＤ−Ｒなどである。

請求項１、請求項２、請求項４、請求項５、請求項７および請求項８に記載の発明によれば、観測タワーを必要とせず、突風を事前に検知してブレードの角度変更などの突風対策をとることができる技術（風力発電装置、風力発電装置の制御方法および制御プログラム）を提供することができた。
また、請求項３、請求項６および請求項９に記載の発明によれば、風向の変化を素早く把握してナセルの向きを風向に正対させることができる風力発電装置関連技術を提供することができた。

請求項１０、請求項１１および請求項１２に記載の発明によれば、突風対策のみならず飛来物の接近に対しても、それを事前に検知してブレードの角度変更などの突風対策をとることができる技術（風力発電装置、風力発電装置の制御方法および制御プログラム）を提供することができた。

本発明の実施の形態について、添付図面を参照させながら説明する。ここで使用する図面は、図１から図６である。図１は第一の実施形態を示す概念図であり、図４は第二の実施形態を示す概念図であり、図５は第三の実施形態を示す平面概念図であり、図６は第四の実施形態を示す概念図である。また図２は、フローチャートであり、図３は、風速と発電量とを示すグラフである。

（第一の実施形態）
図１に示す第一の実施形態は、地上に立設させたタワーと、 そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードと、 前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計と、 フェザリングを含めたブレードの角度変更を制御するブレード角度制御手段と、前記ドップラ風速計が所定以上の風速を検知した場合には、ブレード角度制御手段がブレードの角度を変更することとした風力発電装置に係る。

ドップラ風速計は、超音波（発射波ｆ１）を発振し、風に含まれた塵などの反射体へ衝突して反射してくる超音波（反射波ｆ２）のドップラ効果に基づく速度差を計測することによって風速を算出する風速計である。発射波ｆ１と反射波ｆ２とのイメージを図１中の右上に図示している。
風力発電装置に設けられた風向計に基づいて、ブレードが風上を向くようにしているので、風力発電装置のハブ内に設置しており、風力発電装置と同期して動く。
このドップラ風速計が所定以上の風速を検知した場合には、図２に示すフローチャートのように制御される。

図２に基づいて、制御手順を説明する。
定格運転をしている場合に、ドップラ風速計が風速を連続的に測定している。そして、所定以上の風速を検知した場合には、ブレード角度制御手段がフェザリング角への変更を命令し、ブレードがフェザリング状態となる。
風速が所定以上ではないものの強いと判断された場合には、ブレード角度制御手段がブレードピッチ角を増加させるように制御し、発電出力を減少させる。
風速が所定以上ではなく弱いと判断された場合には、ブレード角度制御手段がブレードピッチ角を減少させるように制御し、発電出力を増加させる。

図３は、風速と発電量との関係を示している。定格風速にて運転できるようにブレードを調整し、所定以上の風速（カットアウト風速）になったら、フェザリングによって発電を停止する。一般には１０分間の平均にて平均風速２５ｍ／ｓおよび瞬間風速が３０ｍ／ｓを越えることをような場合にはフェザリングまたは出力低下の制御を行うが、本実施形態では、突風を事前に検知した場合にもフェザリングへの変更を実行するのである。

図４は、第二の実施形態を示したものである。図１に示す実施形態と異なり、ドップラ風速計をハブに内蔵させるのではなく、ナセルの上に固定している。図示は省略するがドップラ風速計をナセルの横に固定しても良い。
ブレードが回転していればドップラ風速計にとって邪魔になるが、回転するブレードを避けるように超音波の発振タイミングを制御すればよい。

以上説明した実施形態に係る風力発電装置によれば、突風に伴うブレードの破損事故を減らすことが可能な風力発電装置を提供することができた。
また、突風が予測されると発電を暫く停止していたが、上記の実施形態によれば、停止時間を短縮することにもなるため、全体として発電量を増やすことができる。
また、数秒後の風速に適したブレード角度を選択できるので、発電効率を高めることに寄与できる。

以上説明した風力発電装置をウィンドファームに設置する場合においては、全ての風力発電装置にドップラ風速計を備えることが理想的である。しかし、全てには備えられない場合においては、そのウィンドファーム端部に設置された風力発電装置にドップラ風速計を備えた風力発電装置を採用する。そして、そのドップラ風速計が所定以上の風速を検知した場合には、備えていない風力発電装置におけるブレード角度制御も行えるようにする。それによって、ウィンドファーム全体の風力発電装置を、突風に伴うブレードの破損事故、タワーの倒壊事故から護ることに寄与する。

（図５）
図５は、第三の実施形態を概念的に示す、主要部の平面図である。
図示は省略するが、タワーに対するナセルの平面の向きを変更可能なナセル角度変更手段を備える。 また、ナセル内に備えるドップラ風速計を３つとし、そのひとつを平面方向においてナセルまたはハブの真正面方向に音波または電磁波の受発振の方向を一致させる。そして残るふたつは、真正面方向から所定角度をずらして固定している。

また、複数のドップラ風速計による風速の計測によって風向を算出する風向算出手段を備えている。風向算出手段とは、複数のドップラ風速計によって算出される風速を入力し、その入力結果から風向を演算して出力する手段である。そして、ナセル角度変更手段は、その風向算出手段が算出した風向に合わせてタワーに対するナセルの平面の向きを変更する。すると、風向の変化を素早く把握してナセルの向きを風向に正対させることができ、発電量増加に寄与する。

（図６）
図６は、ドップラ風速計に代わって、いわゆるＰＩＶを採用したものである。すなわち、流体内に混入した微少な粒子（トレーサ）にレーザ光などを照射してそれらの散乱光を画像として連続して取得し、粒子群の移動距離を求めて二次元平面内の流体速度を計測する粒子画像流速測定法である。

このＰＩＶは、ハブに内蔵したレーザ発振装置と、タワーにおける地上付近においてタワーを周回して固定されたリング状のカメラ移動体と、そのカメラ移動体の上面周囲においてタワーを周回可能に固定されたカメラとを備えて構成されている。
カメラは、ＣＣＤまたはＣ−ＭＯＳセンサであり、レーザ発振装置が発振したシート状のレーザ光を下方から撮影する。また、風向風速計が検知する風向に基づき、ナセルとともに同期して風上を向くようにカメラ移動体の上を移動できるように形成されている。

まず、レーザ発振装置がシート状のレーザ光を風力発電装置の風上に向かって照射する。続いて、流動場に照射されたレーザ光が捉えるトレーサを、カメラが撮影画像データとして連続して取得する。このとき、カメラによる撮影のタイミングは、制御手段がレーザ光に同期させる。
連続して得られた撮影画像データは、コンピュータによる画像処理手段にて風況解析用に処理する。すなわち、取得した複数の撮影画像データを用いて風上における風速や風向を取得する。その風速が所定以上である場合には、ブレードの角度などを制御して突風に伴うブレードの破損事故を未然に防止する。

上述してきた実施形態は、ドップラ風速計やＰＩＶを用いて風力発電装置の風上における突風を検知することによって、突風に伴うブレードの破損事故を未然に防止するとしたが、飛来物の接近を検知にも用いることができる。すなわち、ドップラ風速計やＰＩＶにて飛来物の接近を検知した場合にはブレードの角度などを制御して回転中止または十分な減速を行い、飛来物によるブレードの破損防止や、バードストライクの未然防止に寄与することとする。

第一の実施形態を示す概念図である。 制御の一例を示すフローチャートである。 風速と発電量とを示すグラフである。 第二の実施形態を示す概念図である。 第三の実施形態を示す平面概念図である。 第四の実施形態を示す概念図である。 従来の風力発電装置を示す概念図である。 従来の風力発電装置を示す概念図である。 従来の風力発電装置を示す概念図である。

Claims (12)

1. 地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードとを備えた風力発電装置であって、
   ナセルまたはハブには、前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計と、
   フェザリングを含めたブレードの角度変更を制御するブレード角度制御手段とを備え、
   前記ドップラ風速計が所定以上の風速を検知した場合には、ブレード角度制御手段がブレードの角度を変更することとした風力発電装置。
   
2. 前記ドップラ風速計が検知した風速による風の予想到達時間を算出する到達時間算出手段を備え、
   前記ブレード角度制御手段は、その予想到達時間に達する前にブレードの角度を回転停止ポジションに変更するように制御することとした請求項１に記載の風力発電装置。
3. タワーに対するナセルの平面の向きを変更可能なナセル角度変更手段を備えるとともに、
   ナセルまたはハブに備えるドップラ風速計を複数とし、
   その複数のドップラ風速計のうちの少なくともひとつは、その平面方向においてナセルまたはハブの真正面方向とは音波または電磁波の受発振の角度を異ならせて固定し、
   複数のドップラ風速計による風速の計測によって風向を算出する風向算出手段を備え、
   前記ナセル角度変更手段は、その風向算出手段が算出した風向に合わせてタワーに対するナセルの平面の向きを変更することとした請求項１または請求項２のいずれかに記載の風力発電装置。
4. 地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードと、ナセルまたはハブに備えた前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計とを備えた風力発電装置の制御方法であって、
   ドップラ風速計によって前方の風速を計測する風速計測手順と、
   その風速計測手順によって計測された風速が所定以上である場合に、ブレードをフェザリングポジションに変更するブレード角度変更手順とを備えた風力発電装置の制御方法。
5. 地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードと、ナセルまたはハブに備えた前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計とを備えた風力発電装置の制御方法であって、
   ドップラ風速計によって前方の風速を計測する風速計測手順と、
   その風速計測手順によって計測された風速が所定以上である場合に当該風速による風の予想到達時間を算出する到達時間算出手順と、
   その予想到達時間に達する前にブレードをフェザリングポジションに変更するブレード角度変更手順とを備えたことを特徴とする風力発電装置の制御方法。
6. 地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードと、ナセルまたはハブに備えた前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計と、タワーに対するナセルの平面の向きを変更可能なナセル角度変更手段とを備えるとともに、 ナセルまたはハブに備えるドップラ風速計を複数とし、その複数のドップラ風速計のうちの少なくともひとつは、その平面方向においてナセルまたはハブの真正面方向とは音波または電磁波の受発振の角度を異ならせて固定して形成した風力発電装置の制御方法であって、
   複数のドップラ風速計による風速の計測によって風向を算出する風向算出手順と、
   ナセル角度変更手段を用いてその風向算出手順にて算出した風向に合わせてタワーに対するナセルの平面の向きを変更するナセル角度変更手順とを備えた風力発電装置の制御方法。
7. 地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードとを備えた風力発電装置の制御プログラムであって、
   その制御プログラムは、 ドップラ風速計によって前方の風速を計測する風速計測手順と、
   その風速計測手順によって計測された風速が所定以上である場合に、ブレードをフェザリングポジションに変更するブレード角度変更手順とを風力発電装置の制御コンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラム。
8. 地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードとを備えた風力発電装置の制御プログラムであって、
   その制御プログラムは、 ドップラ風速計によって前方の風速を計測する風速計測手順と、
   その風速計測手順によって計測された風速が所定以上である場合に当該風速による風の予想到達時間を算出する到達時間算出手順と、
   その予想到達時間に達する前にブレードをフェザリングポジションに変更するブレード角度変更手順とを風力発電装置の制御コンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラム。
9. 地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードと、ナセルまたはハブに備えた前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計と、タワーに対するナセルの平面の向きを変更可能なナセル角度変更手段とを備えるとともに、 ナセルまたはハブに備えるドップラ風速計を複数とし、その複数のドップラ風速計のうちの少なくともひとつは、その平面方向においてナセルまたはハブの真正面方向とは音波または電磁波の受発振の角度を異ならせて固定して形成した風力発電装置の制御プログラムであって、
   その制御プログラムは、複数のドップラ風速計による風速の計測によって風向を算出する風向算出手順と、
   ナセル角度変更手段を用いてその風向算出手順にて算出した風向に合わせてタワーに対するナセルの平面の向きを変更するナセル角度変更手順とを風力発電装置の制御コンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラム。
10. 風上前方の飛来物を検知可能な障害物探査装置を備え、 その障害物探査装置が飛来物を検知した場合に、前記ブレード角度制御手段がブレードを回転停止ポジションに変更するように制御することとした請求項１から請求項３のいずれかに記載した風力発電装置。
    
11. 地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードと、ナセルまたはハブに備えた前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計と、風上前方の飛来物を検知可能な障害物探査装置とを備えた風力発電装置の制御方法であって、
    ドップラ風速計によって前方の風速を計測する風速計測手順と、
    その風速計測手順によって計測された風速が所定以上である場合に、ブレードをフェザリングポジションに変更するブレード角度変更手順と、
    風上前方の飛来物を検知する飛来物検知手順と、
    その飛来物検知手順にて飛来物を検知した場合には、前記ブレードを回転停止ポジションに変更するように制御する回転停止手順とを備えた風力発電装置の制御方法。
12. 地上に立設させたタワーと、そのタワーに固定されたナセルと、そのナセルに対してハブを介して回転自在に固定された複数のブレードと、ナセルまたはハブに備えた前方の風速を音波または電磁波の受発振によって計測可能なドップラ風速計と、風上前方の飛来物を検知可能な障害物探査装置とを備えた風力発電装置の制御プログラムであって、
    その制御プログラムは、ドップラ風速計によって前方の風速を計測する風速計測手順と、
    その風速計測手順によって計測された風速が所定以上である場合に、ブレードをフェザリングポジションに変更するブレード角度変更手順と、
    風上前方の飛来物を検知する飛来物検知手順と、
    その飛来物検知手順にて飛来物を検知した場合には、前記ブレードを回転停止ポジションに変更するように制御する回転停止手順とを風力発電装置の制御コンピュータに実行させることとしたコンピュータプログラム。
    

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