JP2007530926A - 風力タービンによって体験される風速および風向を決定する装置および方法 - Google Patents

Abstract

風力タービンによって体験される風速および風向を決定するために使用される装置および方法。該装置は、該風力タービンのロータに固定された少なくとも１つのセンサと、該風力タービンのロータの角度位置を測定する角度センサと、該少なくとも１つのセンサの出力と、角度センサの出力との関係を、該風力タービンによって体験された風速および風向に変換する回路とを備える。本発明に従うと、感知装置は、三次元の風速および風向を測定し得る。加えて、風力タービンのロータに直接センサを装着するので、結果として、非常にシンプルで、堅固な挿入ができる。ロータに直接センサを装着すると、また、風力タービンのロータおよびナセルからの乱流が、センサに影響を及ぼすのを除去できる。

Description

（本発明の分野）
本発明は、風力タービンによって体験される（ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｄ）風速および風向を決定するために使用される装置および方法に関する。

（本発明の背景）
風力タービンの電力出力および風によって風力タービンに掛かる荷重は、風に対する風力タービンの向きにその多くは依存する。それゆえ、ほとんどの風力タービンは、風力タービンの方向を調整して、最適の向きを達成できるような手段を利用可能である。さらに、ほとんどの風力タービンにおいて、例えば、風速に依存するブレードの迎え角を変更することによって、風力タービンを調整できる手段を利用可能である。

風力タービンを最適に調整するためには、風速と風向を知る必要がある。風力タービンをより最適に調整すると、風力タービンの電力出力は増加し、風力タービンの荷重は減少する。

さらに、風速および風向を正確に測定すると、風力タービンの発電性能を正確に決定できる。風力タービンに対する正確な発電性能データは、風力タービンの適切な調整とモニタリングのために、非常に重要である。

（先行技術の記述）
先行技術において、風速および風向を測定する最も一般的な手段は、風力タービンのナセル（ｎａｃｅｌｌｅ）の屋根にカップ風力計および風向計を設置することである。このアプローチにおける問題は、風の測定が、ロータの後ろに設置されることである。ロータは、乱流を引き起こすがために、風センサによって測定される風は、ロータの前における風とは異なる。さらに、水平あるいは垂直な角度で風が入ってくると、風力タービンのナセルは渦巻きを導き入れ、境界層は、風センサに大きな影響を与え得る。

発電性能確認の目的に対する解決法の一つは、風力タービンから離れた位置に風速・風向センサ付きのマストを置くことである。典型的には、このようなマストは、風力タービンからロータ直径の２〜３倍の距離を離して置かれる。マストの位置と風力タービンの位置とでの風が比較的同じである地域においては、これは適切に機能する。平坦な陸地および沖合いの風力発電地帯は、その好例である。しかしながら、このようなケースが当てはまらない場所は多い。一例として、山がちな場所に設置された風力タービンが挙げられる。このような状況において、風は、風センサにおいてと、風力タービンにおいてとでは異なるので、双方の位置での相関を見出すことが必要となる。これは、風力タービンの位置に、別個のマストを建てる必要があるために、コストは非常に高くなる。

他の一般的なオプションは、ロータの回転軸と同軸で風力タービンの前に伸びるシャフトに風センサを設置することである。これは、ロータまたは風力タービン本体によって引き起こされる乱流から離れて、風力タービンの前に風センサを置くことである。しかしながら、ロータは回転していても、風センサは静止して保たれる必要があるから、ロータが風センサを支える静止シャフトの周りを回転できるようにするためには、複雑な機械的システムが、ロータ内に構築される必要がある。

また、さらに高度な他のセンサシステムは、各ブレードを通過する風速を直接測定できるシステムも利用可能である。このようなシステムの一つは、特許文献１に記載されている。このシステムにおいて、風力計は、各ブレードに装着されている。ロータの回転速度とブレードの迎え角が既知であれば、ブレードにおける実際の風速が決定され得る。

また別の高度なセンサシステムは、特許文献２に紹介されている。この発明によって提供されるシステムは、ブレードプロファイルの先端近くに位置する２つの圧力センサを備える。ロータの回転速度およびブレードの迎え角が既知であれば、圧力の読みに基づいて、ブレードにおける風速が決定され得る。さらに、このシステムは、風力タービンが風に直接向かい合うまで、風力タービンを正しい方向に向ける方法を記載している。これは、ロータが９０°および２７０°におけるときの圧力の読みを比較して、実行される。両圧力が等しい場合、ロータは風に直接向かい合う。両圧力に差がある場合、ロータ位置は、その差がゼロになるまで調整される。

他の資料である特許文献３は、互いに、ある角度をなして平面に装着された２つのピトー管を有する平面的な風速・風向センサを開示している。これによって、センサは、単一の平面で風速および風向を決定できる。特許文献３は、また、センサを風力タービンのロータに装着できること、および、ピトー管の正弦波出力が風力タービンを正しい方向に向けるために使用され得ることについて、述べている。しかしながら、どのようにして正弦波出力が風力タービンを正しい方向に向けるかについては、詳細は提供されていない。特許文献２に記載された方法と同様の方法が使用されているものと、推定される。

しかしながら、上述の３つのシステムは、風力タービンのロータの中心によって体験された平均風速および風向を測定する直接の方法を提供していない。ロータの中心は、典型的にはパワーカーブの風速に対する基準位置として使用される。加えて、上記で紹介した３つのシステムの２つは、ブレード中あるいはブレード上に装着したセンサに依存している。ブレード中あるいはブレード上に装着したセンサは、双方とも挿入が難しく、そのセンサ位置のために維持管理も難しい。また、ブレード上に装着したセンサは、ブレード全体にわたるエア速度が、大部分において、ブレード速度の関数になるという問題も経験する。典型的には、ブレード速度によるエア速度は、風によるエア速度より、かなり速い。

さらに、上述の３つのシステムは、風のフロー傾き角に対する情報を何ら与えていない。フロー傾き角は、垂直平面にある風力タービンの回転軸と、風がなす角度である。フロー傾き角を知ることによって、風力タービンに掛かる加重がより正確に決定され得る。
米国特許第６，３６１，２７５号明細書 英国特許第２，０６７，２４７号明細書 欧州特許第１，２８８，４９４号明細書

（本発明の概要）
本発明の第一の局面は、風力タービン用の風速および風向を感知する装置を提供することである。この装置は、ロータの前に設置され得て、ロータに堅固に装着され得る。

本発明の第二の局面は、風力タービン用の風速および風向を感知する装置および方法を提供することである。この装置および方法は、三次元空間における風速および風向を測定し得る。

本発明の第三の局面は、風力タービン用の風速および風向を感知する方法を提供することである。この方法は、シンプルで、堅固で、低コストな装置を用いて、風速および風向の双方を測定し得る。

本発明の第四の局面は、風力タービン用の風速および風向を感知する装置を提供することである。この装置は、可動パーツを用いずに製造され得る。

本発明の第五の局面は、風力タービン用の風速および風向を感知する方法を提供することである。この方法は、特定の実施形態において、要求される計算機能力は低い。

以上に述べた局面を満たす新たな独特な方法は、冒頭の段落で述べられる装置によって、紹介される。この装置は、風力タービンのロータに固定された少なくとも１つのセンサと、該風力タービンのロータの角度位置を測定する角度センサと、該少なくとも１つのセンサの出力と、角度センサの出力との関係を該風力タービンによって体験された風速および風向に変換する回路とを備える。

このようにして、センサをロータの前に設置でき、それゆえ、ロータおよびナセルによって生成される乱気流によるセンサ出力への影響を防止できる感知装置が提供される。加えて、センサはロータに直接固定されるので、センサの装着は非常にシンプルである。この結果、コストも抑えて、維持管理も少ない感知装置が得られる。

使用されるセンサのタイプに応じて、感知装置の多数の可能な実施形態は、可動パーツなしで製造され得る。加えて、センサの特定のタイプは、過酷な温度および気候にも、特に良好に対応する。このようにして、感知システムは、非常に堅固に製造され得る。

センサは、ロータと一緒に回転するので、ロータが回転すると、センサは風を走査し、それゆえ、三次元空間における風速および風向を決定できる。

好ましい実施形態において、少なくとも１つのセンサは、風力タービンのスピナまたはハブに装着され得るか、あるいは、風力タービンのロータに固定された本体に装着され得る。このようにして、スピナまたは本体周りのエアフローの特性が既知であれば、これらの特性は、風速および風向の決定に役立つように使用され得る。

センサに対する好ましい選択の一つは、エア速度センサである。音響センサ、カップ風速計などのような多数の異なるタイプのエア速度センサが利用可能である。これらセンサは、堅固で、低コストである。別の選択は、圧力センサである。この圧力センサの出力は、スピナまたは本体上の点における表面圧力を示す。表面圧力は、表面全体のエア流れの速度と関係しており、それゆえ、風速および風向を決定するために使用され得る。
計算をよりシンプルにするため、２つのセンサが、ロータに固定される。これら２つのセンサは、ロータの回転軸の周りに対称的に設置され、回転軸を取り囲む平面に装着される。このようにして、このシステムは、ロータの任意の回転角度で、風がその平面における回転軸に作る角度を求めることができる。２つの異なる角度位置（これら２つの角度は互いに９０°である）における２つのセンサの出力を記録することで、風向は三次元で特定され得る。

さらに、ロータに３つ以上のセンサ（これら３つ以上のセンサはロータの回転軸の周りで等距離にある（ｅｑｕｉｄｉｓｔａｎｔ）角に設置される）を固定することによって、三次元における風速および風向は、ロータの任意の角度位置で、その位置における単一の記録から決定され得る。

本発明は、冒頭段落に従う方法を提供する。その方法は、風力タービンのロータの回転軸の周りで、少なくとも１つのセンサを回転するステップと、少なくとも１つの角度位置で、該少なくとも１つのセンサの出力を記録するステップと、風速および風向を計算するために、該少なくとも１つの記録と、該記録の採取された少なくとも１つの角度位置との間の関係を使用するステップとを包含する。このようにして、シンプルで、計算機能力を低くできる方法が提供される。

多数の異なる感知装置があり、これら装置は上述の方法に使用され得る。本方法は、本明細書に記載される装置に限定されないことは、理解されるべきである。多数のセンサ、および、記録が採取される多数の角度位置は、変動し得ることも、また、理解されるべきである。例えば、スピナの表面に等間隔で置かれた３つのセンサの場合、風速および風向は、１つの読みで特定され得る。スピナの表面に１つのセンサのみが装着されている場合に、風速および風向を三次元的空間で完全に明確にするためには、多数の読みが使用され得る。

特定の場合、少なくとも１つのセンサは、風力タービンのロータに固定された本体に装着され得て、その本体周りのエアフローの特性は、風速および風向の計算に使用され得る。本体は、例えば、ロータのスピナであり得る。このような本体周りのエアフローのフロー特性を用いると、本体周りの非線形効果の影響が考慮されるので、センサは本体の非常に近くに装着できる。

別の実施形態において、少なくとも１つのセンサの出力は、ロータの回転中に多数の点で記録され、該記録と、該記録が採取された角度位置との正弦波関係は、風速および風向を決定するために使用される。統計学を用いると、風速および風向の揺らぎはフィルタ除去され得て、平均風速および風向が求められ得る。

さらに別の実施形態において、上述した正弦波関係の位相および極値は、風速および風向を決定するために使用され得る。正弦波関係の位相および極値を使用すると、結果として、計算機能力の低いシンプルな方法が得られる。

上述の実施形態は、本発明の範囲で実施可能な多数ある装置および方法の中で、ほんの少数に過ぎないことは、当業者にとって明らかである。

本発明は、以下に、より詳細に説明される。さらに有利な特性および例となる実施形態は、添付図面を参照しながら、記載される。

（本発明の好ましい実施形態の説明）
本発明に従う装置の第一の例示的実施形態１を図１〜図４に示す。この例において、２つの一次元（１Ｄ）エア速度センサ２が、スピナの回転軸５を含む平面内で、風力タービン４のスピナ３に装着されている。当業者には周知のように、ロータ６は、典型的には、ハブによって一緒に結合された２つ以上のブレード７を備える。スピナ３は、ハブ周りのフローを流線型にするために、ロータの中心に取り付けられる。ハブは、スピナの内側に位置するので、図１〜図４には示され得ない。

スピナの前半分は、スピナ周りのフローが良好に描かれ、平滑になることを確保するために、球形である。２つの一次元センサ２は、センサが置かれ、かつ、センサが装着された点で球形スピナの表面に接する方向における平面で、スピナの境界層上のエア速度のコンポーネントを測定する。

本例において、一次元音響センサが使用される。各音響センサは、２つのセンサヘッド８ａ、８ｂを備える。音響センサの動作原理は、音波が２つのセンサヘッド８ａ、８ｂの間を移動するのに要する時間を測定することである。音波は、第一のセンサヘッド８ａから第二のセンサヘッド８ｂに送られる。第二のセンサヘッド８ｂは、音波を受信し、第二の音波は第二のセンサヘッド８ｂから第一のセンサヘッド８ａに送られる。チップ間の方向におけるエア速度は、２つの音波が２つのセンサチップ間の距離を移動するのに要する時間差によって決定され得る。これらセンサは、可動パーツがないので、非常にしっかりとしている。また、これらセンサは、寒い気候での氷の張り付き防止のため、熱せられ得る。

しかしながら、単に一次元音響センサだけでなく、数多くの他のタイプのセンサもこのアプリケーションにおいて使用され得る。一部の例（図示せず）として、ピトー管、 サボニウス（Ｓａｖｏｎｉｏｕｓ）ロータ、プロペラ風力計、カップ風力計などが挙げられる。一次元音響センサのように、スピナの回転を自動的に補償するセンサもあれば、カップ風力計のように、スピナ回転によっても影響を受けるセンサもある。こうした場合には、スピナ回転は、時間経過にともなうロータ位置の測定からスピナの回転速度を決定することで、補償することができる。
本例においては、センサがスピナに直接装着されるので、センサは、センサがスピナ内部からアクセス可能なように、装着され得る。多くの風力タービンのスピナは、非常に大きいので、維持管理担当者は、スピナの中に這っていくことができる。それゆえ、センサは、センサの本体（ｂｏｄｙ）がスピナの内側になり、感知コンポーネントがスピナの表面にある１つ以上の小さな穴を介して突き出るように、スピナの内部から装着され得る。一次元音響センサの例では、２つの小さな穴が、スピナの表面に空けられ、その穴を介して音波プローブが突き出る。信号調節器と電子機器を備えた音響センサの本体は、スピナの内部にボルト止めされる。多くの他のセンサ（例えば、サボニウスロータ、二翼プロペラ（ｔｗｏ ｂｌａｄｅｄ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ）、ピトー管など）も、このようにして装着され得る。

本例では、風速および風向は、エアフロー速度が、球体物質の周りの２つの対向する方向で、どのように変化するかという情報を、地平線に対するロータ位置の情報と組み合わせて使用して、２つの一次元センサから決定され得る。図５は、球体９の周りを流れる理論的フローの模式図を示す。無回転フロー理論（ｉｒｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ ｔｈｅｏｒｙ）によれば、特定点１０における球体周りのエアフローの接線エア速度は、以下の式：

で表される。ここで、ｖ_∞はスピナによる影響を受けないほど、スピナから十分離れた距離における風速、φは球の中心から所定の点１０へのベクトルと、風向ベクトルとの間に形成される角度、Ｒは球の半径、および、ｒは球の中心から所定の点までの距離である。図６は、風速１０ｍ／ｓで、ｒ／Ｒ比が１．１の場合、異なる角度値での接線エア速度を示す。

風向を決定するため、図７に示すように、２つの角度α_ｈおよびα_ｖが使用される。第一の角度α_ｈは、ＸＺ平面における風ベクトルＷの投影角を定義する。この平面は、典型的には、水平な面である。角度は、ｙ軸周りに反時計回りで正になるように定義される。第二の角度α_ｖは、ＸＹ平面における風ベクトルＷの投影角を定義する。この平面は、典型的には、垂直な面である。正となる角度は、ｚ軸周りに反時計回りとなるように定義される。

第一の角度α_ｈは、２つの一次元センサ２がＸＺ平面にあるときに、２つの一次元センサ２によって測定された風速の比率を使用して求められる。第二の角度α_ｖは、２つの一次元センサ２がＸＹ平面にあるときに、２つの一次元センサによって測定される風速の比率を使用して求められる。一例としてα_ｖと、上記に示したように接線風速に対する式（１）とを用い、この比率：

を計算できる。

角度θは、スピナ３の回転軸５に対してセンサが設置される角度である（図４参照）。本例において、θは３０°で一定である。察しての通り、式（２）で示される比率Ｆは、α_ｖのみの関数であって、風速の関数ではない。それゆえ、この比率を測定すること、および、上記関係の逆を使用することで、角度α_ｖは求められ得る。図８は、上記関係の逆を示す。本例において、上記関係に近い形式の解も、また求められる（式（３）参照）が、さらに複雑なスピナの幾何学に対しては、近い形式の解を求めることが可能でないこともある。

実際の風速は、例えば、第一の測定エア速度ｖ_１と、計算された角度α_ｖとを式（１）に入れ、ｖ_∞を得て、求められ得る。式（４）：

は、式（１）から得られたｖ_∞を示す。

上記に示された計算は、ある種の電子回路で実行され得る。この回路は、例えば、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサ（図示せず）であり得る。別の実施形態において、風速および風向に比例するアナログ信号を出力する回路はアナログ回路であり得る。回路は、スピナ自身に設置されることも、ナセル１１の中に設置されることもあり得る。信号は、既知のデータ送信の多数の形式の一つを介して、スピナからナセルに伝送され得る。現代の風力タービンにおいては、既に数多くの信号があり、これら信号は、スピナからナセルに伝送される。

上述の例において、２つのエア速度センサは、２つの角度位置で記録される。第一の角度位置は、エア速度センサが水平面にあるときで、第二の角度位置は、エア速度センサが垂直面にあるときである。エア速度センサの角度位置は、多数の異なる方法で検出され得る。一つの例は、角度センサ（図示せず）を使用することである。角度センサは、ロータ６の角度位置を連続的に測定する。エア速度センサ２は、ロータに固定されるので、ロータの角度位置およびエア速度センサの角度位置は、互いに相対的に固定される。それゆえ、角度センサがロータの所望の角度位置を検出するとき、エア速度センサの出力は記録される。特定の場合において、多数の角度センサが使用され得る。それは、多数の角度センサにおける１つ以上が機能しなかった場合に、冗長性を提供するためである。

他の例（図示せず）は、風力タービンのロータに装着されたある種のトリガを有することである。このトリガは、ロータが特定位置に到達するごとに、風速センサによって、測定をトリガする。このトリガは、例えば、ロータ上に装着されたホール効果センサであり得る。このロータは、ホール効果センサが風力タービンのナセル上に設置された磁石を通過するごとに、パルスを付与する。４つの磁石は、互いに９０°離れてナセルに埋め込まれ得る。このシステムは、また、一種の角度センサとしても記載され得る。なぜなら、このシステムは、特定の角度位置でトリガするからである。

図９〜図１０は、本発明に従う装置の第二の実施形態１２を示す。本実施形態において、風力タービン４のスピナ３の表面に装着された圧力センサ１３からの圧力の読みは、風力タービンによって体験された風速および風向を決定するために使用される。本実施形態においては、１つのみの差圧センサ１３が使用される。しかしながら、システムの性能を向上させるために、追加の圧力センサが使用され得ることは、当業者には明らかである。一例として、センサの数を増やすと、測定の分解能および帯域幅の双方が増加する。

先の例と同じように、図９〜図１０に示す風力タービンは、スピナの球の前面表面を有する。圧力分布を求めるために、無回転フロー理論によって与えられるような球形周りの境界層に流体の理論的圧力分布を用いる。圧力分布は：

で、与えられる。φは、自由ストリームにおける流体の方向を記述するベクトルと、球の中心と表面上の所定の点との間のベクトルとの間の角度である。これは、図５において定義される角度と同じである。Ｃ_ｐは圧力係数で：

で定義される。ここで、ρは流体密度、ｐは球の表面上の所定の点での圧力、ｐ_∞およびｖ_∞は、それぞれスピナの影響の外側に位置する点における圧力およびエア速度である。例えば、スピナの前面に装着されたロッド１４上である。流体の圧力および温度が既知であれば、流体密度ρはルックアップテーブルから決定され得る。図１１は、理論的圧力差（ｐ−ｐ_∞）を、風速１０ｍ／ｓにおけるφの関数として示す。

図９および図１０で示す実施形態の例において、第一の圧力センサ１３は、スピナの回転軸に３０°の角度で、スピナの球形表面に装着される。第二の圧力センサ１５は、ロータ５の軸上のスピナから伸びるロッド１４上に装着される。ロッド内の穴１５を介して測定された平均圧力は、大気圧ｐ_∞と、スピナ上の圧力センサとの圧力差ｐ−ｐ_∞とを与える。ロッドは、ロッドのベース部に温度センサ（図示せず）を有する。温度センサは、太陽から遮断するために、リング１６に囲まれている。スピナが回転すると、圧力センサ１３、１５は、スピナとともに回転する。その結果、第一の圧力センサ１３は、スピナの表面上の圧力を「走査」する。風とスピナの回転軸との間の角度に応じて、圧力の読みは変化する。風向と回転軸とが同じである特別な場合、圧力の読みは一定となる。しかしながら、風向と回転軸とが少しでも異なるとすぐに、圧力センサからの出力は、平均的に、正弦波形状を有する。この正弦波の関係は、風速および風向を求めるために使用され得る。風の揺らぎによって、センサ１３の実際の出力は、完全には正弦波にならないことは、読者には明らかである。しかしながら、統計的ツールを使用して、および／または、時間をかけて多数の測定を行うことで、センサの出力は、正弦波関係に合わせ得る。加えて、異なる形状を有するスピナに対しては、センサの出力は、完全な正弦波でないことは推測され得る。

この第二の例において、異なる座標システムが、風向を定義するために使用され得る。この座標システムを図１２に示す。第一の角度βは、スピナの回転軸周りを回転する平面Ａの角度を定義する。平面Ａは、風向ベクトルが置かれる面である。この平面は、風向が変化すると、スピナの回転軸周りに回転する。第二の角度αは、平面Ａ内で、風向ベクトルとスピナの回転軸との間の角度を定義する。

角度βは、最大エア圧力が圧力センサによって測定される角度を求めることによって、求められ得る。最大エア圧力は、センサが風向ベクトルと同じ平面に、つまり、図１２に記載されているような平面Ａ上に、置かれているときに求められる。それゆえ、角度βは、スピナの角度を測定し、最大圧力が生じる角度を記録することで、簡単に求められ得る。

先の例と同様に、２つのセンサの読みの間の比率は、αを求めるために使用され得る。本例においては、最小圧力の読みと最大圧力の読みとの比率が使用される。本例におけるスピナに対して、最小圧力の読みは、最大圧力の読みから１８０°で生じる。先の例と同様に、２つのセンサは、互いに１８０°離れてスピナに装着され得て、単一の位置で、双方のセンサからの読みは記録される。しかしながら、本例においては、１つのセンサのみが使用される。それゆえ、最大圧力の読みが採取されたら、センサはさらに１８０°回転され、この第二の位置で最小圧力の読みは記録される。風の揺らぎによって、風速および風向は、２つの圧力を読む時間で、異なることを考慮すると、圧力の読みは、風の揺らぎを平均化するために、多数の回転にわたって採取されるべきである。

Ｐｍｉｎ／Ｐｍａｘの比率を計算することで、αは決定され得る。図１３は、この比率と、本例および３０°に位置された圧力センサで使用される理論的圧力分布に対するαとの関係を示す。この関係は、異なるタイプのスピナが使用された場合、あるいは、異なる圧力センサ位置が使用された場合、理論的あるいは実験的に決定される必要がある。

一度、αが既知となれば、αは圧力分布式に代入され得て、風速を求めるために使用され得る。式（７）：

は、この関係を示す。

この第二の例に従う手順は、第一の例で示されたセンサも、また使用され得る。

２つ以上のセンサが使用された場合、センサは統計的ツールを用いて、キャリブレーションされ得る。例えば、２つのセンサＳ１およびＳ２が、スピナの回転軸の周りに対称的に、平面に装着されている場合を考える。これは、第一の例と同じである。この配置のために、半回転ごと、すなわち、１８０°ごとに、スピナは、２つのセンサＳ１およびＳ２を位置を交換させる。このことは、風速および風向が一定であれば、スピナが０°のときのＳ１からの読みと、スピナが１８０°のときのＳ２からの読みとは、同じはずであることを意味する。上述したようなこの２つの読みが異なる場合、センサは、これらの読みが同じになるようにキャリブレーションされ得る。統計的ツールを使用することで、風速および風向が一定でなくとも、センサからの読みを使用することが可能になる。

上記に示した２つの例において、センサは球形のスピナに直接装着され得る。しかしながら、スピナは、必ずしも球形の形状である必要はない。楕円、放物線などのような他の形状も許容可能である。本実施形態が機能するように示した方法において、スピナの表面の周りのエアフローが比較的はっきりと明確で平滑になり得るように、スピナの表面は成形される必要がある。

スピナ周りのエアフロー分布が、あまり明確でないか、または、あまり知られていない場合、あるいは、スピナが平滑に形成されていない場合、明確にされたボディが、ロータに堅固に装着され得る。その一例が、図１４〜図１５に示されている。これらの図は、本発明に従う装置の第三の実施形態１７を示す。図１４〜図１５において、球体１８がシャフト２０を介して、ロータのハブ１９に直接付着されている。次いで、１つ以上の圧力センサ２１またはエア速度センサが、この明確な球体上に設置される。この明確な球体にわたるエアフローの分布は、風速および風向を決定するために使用される。

説明の目的で、示された例は、球周りの理論的エアフローを利用している。これらの例で使用された理論的エアフローは、無回転フロー理論から派生した。実際のスピナ上のエアフローは、理論とは異なり得るので、より高い精度が要求される場合、実験的に測定されたエアフローが使用され得る。より正確なエアフローは、また、より進化した理論あるいはコンピュータ流体動力学（ＣＦＤ）ソフトウェアによっても決定され得る。この場合においても、また、ブレードの根元、ナセルおよびタワーの小さな影響は考慮され得る。

示された例では、スピナの回転軸に対し３０°で設置されたセンサを使用していた。センサが設置される角度は、感知装置の分解能にも、感知装置が測定できる風向の範囲にも影響を与える。分解能は、エアフローの非線形的性質によって影響される。圧力ベースの解決法の場合を考えると、最大の分解能は、圧力分布の傾きが高いときに達成されると言われ得る。球周りの圧力分布は、図１１に示すように、勾配が約４５°の角度で最大となる。それゆえ、最高分解能を有するため、センサは、４５°に近い角度φにセンサを保つ角度に設置されるべきである。

風感知装置によって測定可能な風向の範囲は、センサの位置にも、また、依存する。φが約８０°を超える角度では、風の速度および他の特性にも依存するが、フローはスピナの表面から離れ得るので、センサによる測定は信頼できなくなる。センサを３０°に設置することによって、φの角度が８０°を超えることなく、風はスピナの回転軸に±５０°の角度で入り得る。センサを３０°〜５０°の範囲に設置することは、良好な折衷案である。しかしながら、他の角度も、また可能である。

図１６および図１７は、本発明に従う装置の第四の実施形態２２を示す。この場合、２つのプロペラ風力計２３が、スピナ３の前面にしっかりと接続されたポール２４上に設置される。２つのセンサは、ポールの軸から３０°の角度にされる。このポールは、スピナの形状によって影響を受けるエアフローの外にセンサを設置する。スピナが回転すると、ポールおよびプロペラは、スピナとともに回転する。それゆえ、プロペラ風力計は、ほぼ正弦波信号を出力する。それは、回転とともに、センサの回転軸と風ベクトルとの間の角度が変化するからである。プロペラからの測定は、ロータ位置からの測定とともに、風速および風向を求めるために使用され得る。本例において、スピナ周りのエアフローの圧力または速度分布の特性を知ることは重要ではない。なぜなら、センサは、スピナからの影響がさほどない場所で、風にさらされるからである。

プロペラ風力計の代わりに、音響または他のタイプの風速センサも、センサに対する角度の変動で自身の出力を変化するセンサであれば、これらも、また、ロータ位置測定とともに使用され得る。

この第四の実施形態において、センサは、回転中に、流入角の変化とともに、センサ出力が変化するのを利用するために、回転軸に対する角度で設置される。これは、風向を決定するためである。この原理は、先に述べた原理と同様であるが、回転中の流入角の変化ともに、センサ出力が変化するのは、スピナにわたるエア速度の変化によるものではなく、風に対してセンサが方向を変化するためである。

図１８および図１９は、本発明に従う第五の実施形態２５を示す。本実施形態が開発されてきたのは、接線エアフローへの角度で、スピナにわたるエア速度を測定することによって、センサの出力は、センサ装着誤差およびスピナ上への氷の張り付きの影響を受けにくくできることを示した実験によってである。図１〜図８に示す実施形態において、センサは、スピナにわたるエアフローの接線エア速度を測定するように、アレンジされてきた。スピナへの氷の張り付きの影響をシミュレーションすると、氷の張り付きは、接線エア速度測定において、むしろ、大きな影響を及ぼす。しかしながら、同じシミュレーションを使用して、センサ位置でのスピナの接線ベクトルに対する角度で、エア速度を測定すると、特定の角度および特定の角度は、氷の張り付きや装着誤差の影響に対する感度が鈍いことが分かり得る。

図１８は、ロータの回転軸５に対する角度θ＝±４５°で、スピナ３に装着された２つのセンサ２６を示す。図１９は、センサ２６の一方の詳細図を示す。センサ２６は、センサの位置で、スピナにわたって流れる接線エアフローに対する角度β＝２６．３°でエア速度を測定するようにアレンジされている。図１９において、接線ベクトルは文字Ｔで示され、ラジアルベクトルは文字Ｒで示され、測定ベクトルは文字Ｍで示されている。本例で使用された角度は、例としてのみ使用されており、これら特定値に本発明を限定するべきではない。

本実施形態のセンサ２６は、電子機器と信号処理手段を内蔵するセンサ本体２７、湾曲ロッド２８、および、湾曲ロッド２８に付着された２つの音響センサヘッド２９、３０を備える。図１９に示すように、湾曲ロッド２８は、音響センサヘッドがベクトルＭ上に設置されるようにアレンジされている。センサ本体２７は、スピナ３の内部に装着され、湾曲ロッド２８および音響センサヘッド２９、３０は、スピナ３の穴３１を介して突き出ている。このようにして、スピナからセンサ本体２７を取り外し、湾曲ロッド２８および音響センサヘッド２９、３０を、スピナ３にある穴３１を介して引っ込めることによって、センサユニットは、スピナの内部から容易に交換され得る。

本実施形態において、スピナ３は、装着パーツ３２およびセンサパーツ３３の２つのパーツに分割されてきた。装着パーツ３２は風力タービンのロータ６に、堅固に接続される。センサ２６は、センサパーツ３２に付着される。センサパーツ３３は、装着パーツ３２から切り離され、キャリブレーションおよびテストのための風洞内に装着され得る。センサパーツ３３が、キャリブレーションされたとき、センサパーツ３３は、装着パーツ３２の背部に装着され得るからである。この解決策は、スピナの内部へのアクセスが不可能な小型の風力タービンには、特に有効である。なぜなら、センサパーツの交換は、個々のセンサを交換するより早く、簡単だからである。

図１９に示すようなセンサ２６の配置は、上流の音響センサ３０がセンサを介したエアフローを途絶させないという追加の利点も有する。この結果、スピナ表面にわたるエアフローのより正確な読みができる。

読者には明らかなように、本発明に従う方法は、風が風力タービンの後ろから来る場合は機能しない。この状況において、風力タービンを一般的な風向きに向けさせるために、伝統的な風向計が有効である。一旦、風力タービンが風に比較的向くようになり、ロータが回転し始めると、本発明に従う風向および風速を決定する装置は、風力計から引き継ぎを行い得て、より高い精度で風向および風速を測定する。

本発明の全ての実施形態に対して、スピナまたはハブで測定された風速は、風力タービンのロータによって影響を受けていないフリーな風と相関付けされ得る。これは、風力タービンから十分な距離に置かれたマストの使用と、ハブ高さに装着された風速センサとによってなされる。その関係は、風速範囲全体に対しても、最終的な異なるブレード調節制御戦略に対しても、決定され得る。

加えて、当業者には明らかなように、上述の例は、全てを挙げ尽くしたわけではない。上述の例に採用された技術を使用する風力タービンのロータまたはスピナにセンサを設置する数多くの異なる方法がある。また、風力タービンのロータまたはスピナに装着されたセンサによって採取された測定結果を風速および風向に変換する数多くの異なる数学的方法もある。

図１は、本発明に従う感知システムの第一の実施形態を備えた風力タービンを遠近法で見た模式図である。 図２は、図１の遠近法で見た模式図の詳細図を示す。 図３は、図１の側面図を示す。 図４は、図１の側面詳細図を示す。 図５は、球の周りを流れるエアの理論的流線を示す。 図６は、図５で定義された異なる角度φで測定された球の周りを流れるエアフローの理論的接線速度を示す。 図７は、本発明に従う第一の方法における風向を記述するために使用される角度の定義を示し、ａ）は典型的に上から見たスピナを示し、ｂ）は典型的に前面から見たスピナを示し、ｃ）は典型的に側面から見たスピナを示す。 図８は、風の角度と、風力タービンのスピナの対向する側面に装着されたエア速度センサによって測定されたエア速度比との関係を示す。 図９は、本発明に従う感知システムの第二の実施形態を備える風力タービンを遠近法によって見た模式図を示す。 図１０は、図９の詳細図を示す。 図１１は、球の表面上の異なる点におけるエア圧力と、球からの遠く離れた距離でのエア圧力との理論的圧力差を示す。 図１２は、本発明に従う第二の方法において、風向を定義するために使用される角度を示す。 図１３は、風の角度と、風力タービンのスピナの対向する側面に装着された圧力センサの読みによって測定されたエア圧力差比との関係を示す。 図１４は、本発明に従う感知装置の第三の実施形態を備える風力タービンを遠近法によって見た模式図を示す。 図１５は、図１４の詳細図を示す。 図１６は、本発明に従う感知装置の第四の実施形態を備える風力タービンを遠近法によって見た模式図を示す。 図１７は、図１６の詳細図を示す。 図１８は、本発明に従う感知システムの第五の実施形態の側面図を示す。 図１９は、図１８の詳細図を示す。

Claims (13)

1. 風力タービン（４）によって体験される風速および風向を決定するために使用される装置（１；１２；１７；２２；２５）であって、
   該風力タービン（４）のロータ（６；１９）に固定された少なくとも１つのセンサ（２；１３、１５；２１；２３；２６）と、
   該風力タービン（４）のロータの角度位置を測定する角度センサと、
   該少なくとも１つのセンサ（２；１３、１５；２１；２３；２６）の出力と、角度センサの出力との関係を、該風力タービン（４）によって体験された風速および風向に変換する回路と
   を備える、装置。
2. 前記少なくとも１つのセンサ（２；１３、１５；２１；２３；２６）は、前記風力タービン（４）のスピナ（３）またはハブ（１９）に装着されるか、あるいは、前記風力タービン（４）のロータ（３；１９）に固定された本体（１８）に装着されることを特徴とする、請求項１に記載の装置（１；１２；２２；２５）。
3. 前記少なくとも１つのセンサは、エア速度センサ（２）であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の装置（１）。
4. 前記少なくとも１つのセンサは、圧力センサ（１３、１５；２１；２３）であり、該圧力センサ（１３、１５；２１；２３）の出力は、前記スピナ（３）または前記本体（１８）上の点における表面圧力を示すことを特徴とする、請求項２に記載の装置（１２；１７；２２）。
5. ２つのセンサ（１３、１５）は、前記ロータ（６）に固定され、該２つのセンサ（１３、１５）は、該ロータ（６）の回転軸（５）の周りに対称的に設置され、該回転軸（５）を取り囲む平面に装着されることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の装置（１２）。
6. 少なくとも３つのセンサは、前記ロータに固定され、該ロータ（６）の回転軸（５）の周りで等距離にある角に設置されることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の装置。
7. 風力タービン（４）によって体験される風速および風向を決定するために使用される方法であって、
   該風力タービン（４）のロータ（６）の回転軸（５）の周りで、少なくとも１つのセンサ（２；１３、１５；２１；２３；２６）を回転するステップと、
   少なくとも１つの角度位置で、該少なくとも１つのセンサ（２；１３、１５；２１；２３；２６）の出力を記録するステップと、
   風速および風向を計算するために、該少なくとも１つの記録と、該記録の採取された少なくとも１つの角度位置との間の関係を使用するステップと
   を包含する、方法。
8. 前記少なくとも１つのセンサ（２；１３、１５；２１；２３；２６）は、前記風力タービンのロータ（６；１９）に固定された本体（３；１８）に装着されることと、
   該本体（３；１８）の周りのエアフローのフロー特性は、風速および風向の計算に使用されることと
   を特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つのセンサ（２；１３、１５；２１；２３；２６）の出力は、前記ロータ（６；１９）の回転中に多数の点で記録されることと、
   該記録と、該記録が採取された角度位置との関係は、風速および風向を決定するために使用されることと
   を特徴とする、請求項７または請求項８に記載の方法。
10. 前記関係の位相および極値は、風速および風向を決定するために使用されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つのセンサは、前記風力タービン（４）のロータ（６）に固定された少なくとも１つのエア速度センサ（２）であることを特徴とする、請求項７〜請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記少なくとも１つのセンサは、前記風力タービン（４）のロータ（６；１９）に固定された回転本体（３；１８）に装着された少なくとも１つの圧力センサ（１３、１５；２１；２３）であることを特徴とする、請求項７〜請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
13. 風力タービン（４）によって体験された風速および風向を決定する目的のための、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の装置の使用。

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