JP2019015236A - ウィンドファーム、及び配置決定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】効果的に発電できるようにする。【解決手段】風を受けて回転するブレードを有する風車1を複数備えるウィンドファーム10において、少なくとも一つの風車1は、稜線の主風向300の風下側の稜線よりも低い領域において、ブレード23の最低到達点Lが稜線の標高以上となるように配置されている。また、ウィンドファームにおいて、複数の風車1は、第1の風車と、第1の風車よりも主風向300の風下側に配置される第2の風車とを含み、第2の風車は、主風向300を含む所定の範囲の風向に対して第1の風車の風下方向となる範囲を避けて配置されてもよい。【選択図】図3
Description
本発明は、風を受けて回転するブレードを有する風力発電装置を複数備えるウィンドファーム及び風力発電装置の配置を決定する配置決定装置に関する。
近年、複数の風力発電装置(風車)を備えたウィンドファームが建設されている。ウィンドファームを建設できる場所としては、強い風が吹いている場所である必要があり、例えば、山岳部などに建設されている。
例えば、山岳部にウィンドファームを建設する際には、風を有効に得るために、稜線の近傍や、稜線よりも主風向(年間を通じて最も頻度が高い風向)の風上側の領域に風力発電装置を設置するようにしている。
ウィンドファームを建設する場合には、どのように風車を配置するかが重要であり、他の風車との位置関係をどのように決定すればよいかを決定することは非常に困難である。
これに対して、建設地内の各地点の風速値を各風況ごとにまとめた風速データを用いて、発電量の観点からみて最適な風車の配置を決定する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
山岳部等に建設されるウィンドファームにおいては、地形によって発生する地形乱流や、風上側に位置する風車を通過した風車後流(後流ともいう)の影響を考慮した風車配置を検討することが必要である。地形乱流中や風車後流中においては、風車の発電量が減少したり、風車に損傷が発生したりする問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、その目的は、効果的に発電できるようにするための技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、一観点に係るウィンドファームは、風を受けて回転するブレードを有する風力発電装置を複数備えるウィンドファームであって、少なくとも一つの風力発電装置は、稜線の主風向の風下側の稜線よりも低い領域において、ブレードの最低到達点が稜線の標高以上となるように配置されている。
本発明によれば、効果的に発電できるようにすることができる。
いくつかの実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
まず、第1実施形態に係るウィンドファームについて説明する。
ウィンドファームは、少なくとも2基以上の風車(風力発電装置)1を含む集合型風力発電所や風車群である。
図1は、第1実施形態に係る風車の全体概略構成図である。
風車1は、風を受けて回転するブレード23及びブレード23を支持するハブ22を備えるロータ24と、ロータ24を回転可能に支持するナセル21と、ナセル21を回動可能に支持するタワー20と、を備える。
ナセル21内には、ハブ22に回転可能に接続された主軸25と、主軸25に接続され、回転速度を増速する増速機27と、増速機27により増速された回転速度で回転子を回転させて発電する発電機28とが備えられている。増速機27及び発電機28は、メインフレーム29上に保持されている。ナセル21の上面には、風向データ及び風速データを計測するための風向風速計32が設置されている。
また、風車1は、ナセル21の向き(ヨー角と称される)、すなわち、ロータ24の回転面の向きを駆動するヨー角駆動装置33を備える。ヨー角駆動装置33は、ナセル21の底面と、タワー20の先端部との間に配されている。ヨー角駆動装置33は、アクチュエータ及びアクチュエータを駆動するモータを含む。また、風車1は、ナセル21内に、ブレード23の傾斜角(ピッチ角)を駆動する図示しないピッチ角駆動装置を備える。ピッチ角駆動装置は、ブレード23の傾斜角を調整するアクチュエータ及びアクチュエータを駆動するモータを含む。
タワー20の内部には、発電機28により発電された電力の周波数を変換する電力変換器30と、制御装置31と、図示しない、電流の開閉を行うスイッチング用の開閉器、変圧器等が配されている。なお、図1においては、電力変換器30及び制御装置31をタワー20の底部に設置した例を示しているが、これらの機器は、タワー20の底部に限られず、風車2の内部の他の場所に設置するようにしてもよい。
制御装置31としては、例えば、制御盤又はSCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)を用いてもよい。制御装置31は、風車1の動作を統括制御する。例えば、制御装置31は、信号線を介してヨー角駆動装置33に接続されており、ヨー角制御指令を出力して、ヨー角駆動装置33のモータを回転させて、アクチュエータを所望量変位させることで、ナセル21を所望のヨー角となるように回動制御する。また、制御装置31は、図示しないピッチ角駆動装置に対して、ピッチ角制御指令を出力して、ブレード23のピッチ角を所望の角度となるように制御する。
山岳部におけるウィンドファームにおいては、標高が高くなるほど平均風速が高くなる傾向にあることから、稜線に沿って風車を設置することが一般的である。しかしながら、騒音や周辺民家に対する問題などから、必ずしも稜線上に設置できるわけではないため、稜線上以外の設置場所を検討する必要が生じる場合がある。
ここで、稜線を通過する風況について説明する。
図2は、稜線を通過する風況を説明する図である。
山岳部を通過する風の特徴の一つに、流れの剥離が挙げられる。流れの剥離は、図2に示すように、斜面に沿って上昇してきた風310は、風311として山頂(稜線)を通過後、地面に沿って下降せずに、上空を流れる風312に示すように流れる現象のことをいう。ここで、山の稜線に対して風下側となる領域350を剥離領域と呼ぶ。
剥離領域350においては、風速が急激に低下するため、この領域に風車を配置しても発電効率が悪い。また、剥離領域350においては、局所的に風向が変化するなど大きな風の乱れが発生するため、風車にかかる荷重変動が大きくなる虞がある。
そこで、本実施形態におけるウィンドファームにおいては、少なくとも一つの風車1のブレード23が剥離領域350を通過することがないように、風車を配置するようにしている。
図3は、第1実施形態に係るウィンドファームの一つの風車の配置図である。
本実施形態においては、主風向(年間を通じて最も頻度が高い風向)300に対して稜線よりも風下側の稜線よりも低い位置に配置される風車1(ここでは、風車211とする)において、風車211のブレード23の最低到達点が、風上側に位置する稜線の標高H以上となるように風車211を配置する。なお、ここでの稜線と、風車1の配置位置とは、例えば、同一の山岳部に属し、稜線は、風車1の配置位置に対して直近の稜線である。このように風車211を配置することにより、図2に示す剥離領域350を風車211のブレード23が通過することがなくなり、風車211による発電が流れの剥離の影響を受けてしまうことを適切に回避することができる。
なお、稜線とは、自然界において形成されているものに限定されず、例えば、人工的に造成されたものでもよい。例えば、風車211のブレード23の最低到達点が、風上側に位置する稜線の標高よりも高くなるように風車211を配置するために、例えば、稜線を人工的に造成して稜線の標高を低くするようにしてもよい。
また、ウィンドファームにおいて、稜線よりも風下側に配置される風車1が複数ある場合には、そのうちの1以上の風車1について、風車1のブレード23の最低到達点が、風上側に位置する稜線の標高よりも高くなるように配置するようにすればよく、すべての風車1について、風車1のブレード23の最低到達点が、風上側に位置する稜線の標高よりも高くなるように配置するようにしてもよい。
本実施形態によれば、山岳部において、稜線の主風向の風下側の領域にも風車を設置することができ、稜線上に限定して風車を配置する場合に比べて、多くの風車を設置することができる。また、風車1のブレード23が剥離領域350を通過しないで発電を行うことができるので、風車1による発電効率を高くすることができる。
次に、第2実施形態に係るウィンドファームについて説明する。
第2実施形態に係るウィンドファームは、複数の風車を相互の位置関係を考慮して配置するようにしたものである。なお、第1実施形態と共通する点についての詳細な説明は省略する。
まず、風上側に位置する風車による風下側に位置する風車への影響について説明する。
図4は、風上側の風車による風下側の風車への影響を説明する図である。
風上側に位置する風車100を通過した風は、風車後流(単に、後流とも称される)と呼ばれる。この風車後流は、風上側に位置する風車100に流入する前の風と比較した場合には、風向、風速などの風の特性が変化したものとなる。風車後流の特性の変化は、風上側に位置する風車100の運転状態に依存する。ここで、運転状態とは、風車100のブレード23の傾斜角(ピッチ角)や、ロータ24の回転面の向き等の状態も含む。
図5は、小規模なウィンドファームにおける風上側の風車による風下側の風車への影響を説明する図である。図6は、大規模なウィンドファームにおける風上側の風車による風下側の風車への影響を説明する図である。
図5に示すように、2基の風車から構成されるウィンドファーム12においては、風向によっては、風上側に位置する風車100の風車後流の領域(風車後流領域)の中に、風下側に位置する風車200が入ってしまう可能性がある。
また、4基の風車から構成されるウィンドファーム13においては、図6に示すような風向の場合には、風上側に位置する1基の風車100aに対して、風下方向の風車100の風車後流領域の中に、1基の風車200bが位置し、それ以外の場所に2基の風車200が位置する場合がある。風向が変化した場合には、各風車の関係が変化する。例えば、風向によっては、風下側に位置する風車200b、風車200dのいずれかが風上側に位置する風車となり、風上側に位置する風車100a、風車200dのいずれかが風下側に位置する風車となる場合がある。
ここで、風車後流(後流)について説明する。図6に示すウィンドファームにおいて、風上側に位置する風車100aを通過する風は、風上側に位置する風車100aのロータ24の回転の影響により、風向、風速といった風況が変化する。この時には、風向、風速だけでなく、風の乱れ方である乱流特性や渦の形状などが変化することが考えられる。
風車後流は、図6に示すように、風上側に位置する風車100aを通過した後には、拡がりながら風下側へと流れる。すなわち、風車後流は、拡散しつつ渦流(乱流)を生じさせながら風下側へと伝搬する。ここで、拡散しつつ渦流(乱流)を生じさせながら風下側へと風車後流が伝搬する領域を、風車後流領域(後流領域とも称される)と呼ぶ。図6に示す状況においては、風下側に位置する風車200bでは、風車後流領域の外側に位置する風車200dに比べて、発電量が低下するとともに、蓄積される損傷度が増加する。
図7は、第2実施形態に係るウィンドファームの構成を示す側面図である。図7は、ウィンドファームを、稜線の延びる方向(図面奥行き方向)に見た図を示している。
ウィンドファームにおいて、平均風速は標高に応じて高くなる傾向にあることから、風車1(風車101)のように稜線上に設置される場合が一般的である。しかしながら、稜線上の土地は限られていることから、さらに風車を設置することを考えた場合、例えば、稜線よりも標高が低い位置に風車1(風車201)を設置する必要がある。山岳部において、風向の出現頻度に着目した場合には、図7における風向300のように、稜線を横切る風の出現頻度が高くなることから、風車201は、風向300において、他の風車の後流の影響を受けないように配置することが重要となる。なお、風車201は、ブレード23の最低到達点が、風上側に位置する稜線の標高Hよりも高くなるように配置されている。
図8は、第2実施形態に係るウィンドファームの構成を示す上面図である。
風車101(第1の風車)と、風車102(第1の風車)とは、同一の稜線上に設置されている。稜線は、例えば、主風向と垂直方向になる可能性が高く、ここでは、稜線が主風向と垂直である場合を例に説明する。風車101と風車102との間の風車間距離401は、主風向と垂直の方向に延びているので、例えば、風車101,102のロータ24の直径の3倍以上とすることが好ましい。ここで、主風向の風が吹いた場合に、風車201(第2の風車)は稜線上の風車101,102の風車後流の影響を回避できるように配置することが好ましいので、各風車101,102の主風向の風下方向を避けて配置することが好ましい。例えば、図6に示す風車100aと風車200dとの位置関係となるように配置するのが望ましい。
また、主風向から所定角度(場所に応じて異なるが、例えば、45度)以上傾いた風の出現確率は大きく低下するので、風車201を、風車101及び風車102のそれぞれに対して、主風向の風下方向を中心に両側に所定角度を取った角度幅範囲(この例では、例えば90度の範囲)に入らないようにすることが好ましい。例えば、所定角度が45度の場合には、風車201を、風車101及び風車102の略中間位置との距離410を、風車間距離401の半分以下とするようにすればよい。このような配置にすることにより、主風向に対して、風向の変化が45度以内である限り、風車201は、風車101及び風車102による風車後流の影響を回避することができる。なお、角度幅範囲は、出現確率が所定以上(例えば90%)となる風向の範囲としてもよい。
図8においては、稜線が直線であり、かつ稜線上に2つの風車を配置した例を示していたが、本発明はこれに限られず、例えば稜線上に3基以上の風車を配置するようにしてもよく、この場合でも、それぞれの隣り合う2つの風車に対して、主風向の風下側の1つの風車の配置を、図8と同様な位置関係にするようにすればよい。また、稜線が直線ではなく、曲線であった場合においても、風車同士が同様の位置関係となるようにすることにより、風車後流の影響が少ない位置に風下側の風車を配置することができる。
また、図8においては、稜線に配置される風車と、それよりも主風向の風下側に配置される風車との配置関係を説明していたが、例えば、主風向の風上側に配置された複数の風車と、それよりも主風向の風下側に配置される風車との配置関係についても、上記同様の配置関係とすることにより、風上側の直前の風車の風車後流の影響を適切に回避することができる。
本実施形態によれば、山岳部において稜線及び稜線の主風向の風上側及び風下側の領域にも風車を設置することが可能となり、稜線上に限定して風車を配置する場合に比して、より多くの風車を設置することができる。また、主風向の方向に風車が並んで配置されないようにしているので、風車が主風向の風上側の風車の風車後流の影響を受けることが少なく、発電効率を高くすることができる。
次に、第3実施形態に係るウィンドファームについて説明する。
第3実施形態に係るウィンドファームは、複数の風車を配置したウィンドファームにおいて、他の風車の風下側に位置する風車の動作状態を制御するようにしたものである。なお、ウィンドファームにおける風車の配置は、第2実施形態に示した風車の配置であってもよく、他の風車の配置であってもよいが、ここでは、第2実施形態に示した風車の配置である場合を例に説明する。
例えば、図8に示すウィンドファームにおいて、風車間距離401が、推奨される最小距離である風車1のロータ24の直径の3倍であった場合には、風車201と風車101との間の風車間距離421及び風車201と風車102との間の風車間距離422は、風車1のロータ24の直径の約2.1倍となり、風車間隔401に比べて小さい。このため、風車201が風車102の風車後流領域に位置するような風向の風、すなわち、風車201が風車102の風下方向の位置となる風(図6における風車100aに対する風車200bの位置関係となる風向の風)が発生した場合には、風車201に発生する荷重振幅が大きくなり、疲労損傷が蓄積しやすくなる。
そこで、本実施形態では、このような風向の風が出現した場合において、風車201における風車制御を変更することにより、荷重振幅の影響を低減させるようにする。より具体的には、風車201の制御装置31は、風向風速計32による風向データに基づいて、風車201が風車101又は102の風下方向となる風向の風が検出された場合には、風車201の停止又は縮退運転となるように制御する。縮退運転の制御方法としては、例えば、ブレード23のピッチ角を変更して、ブレード23の向きが風向に対して略平行となるように制御して、ロータ24の回転数を減少させる方法がある。これにより、風車2101が風の乱れが大きい後流領域に位置している場合において、回転による荷重振幅を低減することができ、風車201に与える損傷度の増加を抑制することができる。
本実施形態に係るウィンドファームによれば、高密度に風車を配置することができるとともに、風下側となる風車201の損傷度の増加を抑制することができる。
次に、第4実施形態に係るウィンドファームについて説明する。
第4実施形態に係るウィンドファームは、複数の風車を配置したウィンドファームにおいて、他の風車の風上側に位置する風車の動作状態を制御するようにしたものである。なお、ウィンドファームにおける風車の配置は、第2実施形態に示した風車の配置であってもよく、他の風車の配置であってもよいが、ここでは、第2実施形態に示した風車の配置である場合を例に説明する。
第3実施形態で説明した通り、図8に示すウィンドファームにおいては、風車201が風車102の風車後流領域に位置するような風向の風、すなわち、風車201が風車102の風下方向の位置となる風(図6における風車100aに対する風車200bの位置関係となる風向の風)が発生した場合には、風車201に発生する荷重振幅が大きくなり、疲労損傷が蓄積しやすくなる。
そこで、本実施形態においては、このような風向の風が出現した場合において、風上側の風車101(102)の制御を変更することにより、風車201における風車後流の影響を低減する。
ここで、風車を構成するロータの回転面の向きと風向との関係により生ずる風車後流の伝搬方向を説明する。
図9は、第4実施形態に係る風車を構成するロータの回転面の向きと風向との関係により生ずる風車後流の伝搬方向を示す図である。図9(A)は、風車1のロータ24の回転面が風向に対して正対している場合における風車後流領域を示し、図9(B)は、風車1のロータ24の回転面が風向に対して斜めに向くように制御した場合における風車後流領域を示している。
風車1のロータ24の回転面が風向に対して正対している場合には、図9(A)に示すように、風車後流は風向と同じ方向に伝搬し、風車後流領域は、風向に対して左右対称に形成される。一方、風車1のロータ24の回転面を風向に対して斜めに向けるように制御した場合には、図9(B)に示すように、風車1へ流入した風が、ロータ24の回転面から受ける横方向の力により、風車後流は風向に対して斜めに伝搬し、風向に対して傾いた風車後流領域が形成される。
そこで、本実施形態では、風車101(102)が風車201の風上方向となるような風向が出現した場合において、風車101(102)における風車制御を変更して、風車後流領域が形成される領域を変更することにより、風車201が風車後流領域から外れるようにし、風車201における発電量の低下及び損傷度の増加を低減するようにする。より具体的には、風車101(102)の制御装置31は、風向風速計32による風向データに基づいて、風車101(102)が風車201の風上方向となる風向の風が検出された場合には、風車101(102)のヨー角駆動装置33によりヨー角を制御することによって、ロータ24の回転面の向きを変更する。これにより、風車101(102)による風車後流の伝搬方向が変更され、風車201が風車101(102)の風車後流領域から外れるようになり、風車201における発電量の低下及び損傷度の増加を低減することができる。
上記実施形態において、風上側に位置する風車101(102)の制御変更として、ヨー角を変更させるようにしていたが、本発明はこれに限られず、併せて、ブレード23のピッチ角を変更するようにしてもよい。例えば、制御装置31は、風車101(102)が風車201の風上方向となる風向の風が検出された場合には、ヨー角を変更するとともに、ブレード23のピッチ角を変更し、ブレード23の向きが風向に対して略平行となるように変更するようにしてもよい。このように変更すると、風車101(102)がロータ24を回転させて回収するエネルギが低下する。これにより、後流領域中における風速を高くすることができるとともに、風の乱れの強さ(乱流強度)を小さくすることができ、後流領域中に位置する風車201の発電効率を高くすることができると共に、風車201に対する損傷度の増加を抑制することができる。
次に、第5実施形態に係る風車配置決定装置について説明する。
第5実施形態に係る風車配置決定装置は、第1実施形態から第4実施形態に示したウィンドファームにおける複数の風車の配置案及び風車の制御案を決定することができる。
図10は、第5実施形態に係る風車配置決定装置の構成図である。
配置決定装置の一例としての風車配置決定装置50は、例えば、一般的なPC(Personal Computer)により構成され、プロセッサ部の一例としてのCPU51と、メモリ52と、記憶部の一例としての補助記憶装置53と、表示装置54と、入力装置55と、各構成を相互に接続するバス56とを備えている。
CPU51は、メモリ52及び/又は補助記憶装置53に格納されているプログラムに従って各種処理を実行する。CPU51は、回転数制御部、後流制御部、及び回収エネルギ制御部の一例である。
メモリ52は、例えば、RAM(RANDOM ACCESS MEMORY)であり、CPU51で実行されるプログラムや、必要な情報を記憶する。
補助記憶装置53は、例えば、バードディスクやフラッシュメモリなどであり、CPU51で実行されるプログラムや、CPU51に利用されるデータを記憶する。本実施形態では、補助記憶装置53は、風車の配置案と制御案とを決定するプログラムや、ウィンドファームの建設地における風向、風速等の情報や、風車における風車後流を求めるためのモデルのデータ等を記憶する。
表示装置54は、例えば、液晶ディスプレイ等の表示装置であり、各種情報(例えば、配置案や制御案)を表示する。入力装置55は、例えば、マウス、キーボード等の入力装置であり、ユーザによる入力操作を受け付ける。
次に、風車配置決定装置50による風車配置決定処理について説明する。
図11は、第5実施形態に係る風車配置決定処理のフローチャートである。図12は、第5実施形態に係るウィンドファームにおける風況データを示す図である。図13は、第5実施形態に係るウィンドファームにおける後流を考慮した風況データを示す図である。図14は、第5実施形態に係る最適案決定方法の一例を説明する図である。
風車配置決定処理において、CPU51は、補助記憶装置53に格納された、風向、風力等の情報に基づいて、ウィンドファームの建設地における風況を計算する(ステップS11)。このステップでは、風車の配置案は未決定であるため、CPU51は、風車の後流の影響は考慮せず、地形の影響のみを考慮した風況を計算する。計算する風況としては、例えば、風向、風速だけでなく、鉛直方向の風速の勾配を表すシアや、風の乱れの強さを表す乱流強度などがある。
次に、CPU51は、ウィンドファーム10における風車の配置案を策定し、各風車の位置における風況の情報をステップS11で得た風況から抽出する(ステップS12)。このステップでは、例えば、図12に示すように、風況の情報として、各風車の配置位置での各風速の出現確率810、風速毎の乱流強度820、ウィンドシア830等を抽出する。なお、配置案としては、少なくとも一つの風車を、稜線の主風向の風下側の稜線よりも低い領域において、風車1のブレード23の最低到達点が稜線の標高以上となるように配置する配置案を策定してもよく、また、第1の風車よりも主風向の風下側に配置される第2の風車について、第2の風車が、出現確率が所定以上となる風向の範囲に対して第1の風車の風下方向となる範囲を避けて配置する配置案を策定してもよい。
次に、CPU51は、制御対象とする風車(以下、処理の説明において対象風車という)を決定するとともに、対象風車の制御案(例えば、ヨーの制御量、ピッチの制御量等の制御パラメータ)を決定する(ステップS13)。制御案としては、上記した第3実施形態及び第4実施形態で示した制御案を含んでもよい。ここで、対象風車に対して制御を行うと、対象風車が生成する風車後流は、制御案の内容(制御パラメータ)によって、伝搬方向、風速の低下率、乱流強度の増加率等といった特性が変化する。そこで、各種制御パラメータに応じた風車後流の風況を計算するために、予め用意している後流のモデルを、制御案の制御パラメータに基づいて更新する(ステップS14)。
次に、CPU51は、図13に示すように、後流のモデルを用いて各風車位置における風況(各風速の出現確率811、風速毎の乱流強度821、ウィンドシア831)を計算する(ステップS15)。これにより得られる風況は、後流の影響により、ステップS12で得た風況から変化している。
次に、CPU51は、ステップS15で得られた、各風速の出現確率811、風速毎の乱流強度821、ウィンドシア831を用いて、ウィンドファーム全体の総発電量及び各風車の損傷度を計算する(ステップS16)。
次いで、CPU51は、最適制御案が決定されたか否かを判定し(ステップS17)、最適制御案が決定されていない場合(ステップS17:NO)には、ステップS13〜ステップS16の処理を再び行う。これにより、同一配置案に対して、制御案を変えて、ステップS13〜ステップS16を繰り返し実行されることとなり、最適な制御案が探索されることとなる。ここで、最適な制御案としては、損傷度が設計許容値(所定値)を下回り、且つ、ウィンドファームの総発電量が最大となる(最大と推定される)制御案としてもよい。
ここで、ステップS17において、最適制御案を決定する具体的な方法としては、例えば、図14に示すような方法、すなわち、損傷度を制約関数とし、総発電量を目的関数とした方法が考えられる。具体的には、制約関数を満たす中で、制御パラメータを変更しながら総発電量を計算し、得られた総発電量の最大値(N回目取得)を保存しておき、その最大値を得た後、所定の閾値M回だけ(合計N+M回)計算を行っても、総発電量の最大値の更新がなかった場合に、その時点での最大値の総発電量(N回目の値)を最大値と推定し、その際の制御パラメータを最適制御案に決定する方法が考えられる。なお、繰返し計算を行って最適な案を決定する方法としては、上記方法に限定されるものではなく、遺伝的アルゴリズムを用いた手法など、他の最適化アルゴリズムを用いるようにしてもよい。
一方、最適制御案が決定された場合(ステップS17:YES)には、CPU51は、処理をステップS18に進める。
ステップS18では、CPU51は、最適配置案が決定されたか否かを判定し、最適配置案が決定されていない場合(ステップS18:NO)には、ステップS12〜ステップS17の処理を再び行う。これにより、配置案を変えて、その配置案に最適な制御案を決定する処理が繰り返し実行されることとなり、最適な配置案が探索されることとなる。ここで、最適な配置案としては、損傷度が所定の設計許容値を下回り、且つ、ウィンドファームの総発電量が最大となる(最大と推定される)配置案としてもよい。
ここで、ステップS18において、最適配置案を決定する具体的な方法としては、上記したステップS17と同様な方法を用いてもよいし、ステップS17と異なる方法を用いてもよい。
一方、最適配置案が決定された場合(ステップS18:YES)には、CPU51は、ステップS18で決定された最適配置案と、その配置案に対してステップS17で最適制御案として決定された最適制御案とを、表示装置54に表示出力する。
この処理によると、高密度な風車配置を実現しつつ、後流領域に位置する風車の損傷度の増加を低減できるとともに、総発電量を最大にすることのできる、風車の配置案と、制御案とを適切に決定することができる。
次に、第6実施形態に係る風車配置決定装置について説明する。
ウィンドファームの建設地において実際に風車設置可能な領域としては、地形や風況に関する条件に加えて、機器運搬用の道路の有無や、土地権利者の対応、周辺住民の有無などを考慮しなければならない場合が考えられる。すなわち、風況の観点から最適な風車の配置が決定できた場合であっても、風況以外の要因から設置が困難となる場合が考えられる。また、ウィンドファームに配置する風車の基数をユーザが自由に設定できることが好ましく、例えば、より多くの基数を指定して、高密度な風車配置の最適な配置案を決定することも必要とされることが考えられる。例えば、基数を増やすことによると、出現頻度が高い定格以下の風速における発電量を増加させることができるとともに、出力の平滑化の効果を向上することもできる。
そこで、第6実施形態に係る風車配置決定装置では、風車を設置可能な周辺住民の住居からの距離や、風車を設置可能な運搬道路からの距離等の風車の設置可能領域に関する要件、設置する風車の基数に関する要件等の風車の設置要件をも考慮して配置案を決定するようにしている。風車を設置可能な運搬道路からの距離は、例えば、風車設置時の運搬コストや、建設工期等を抑制する要件と考えることができる。
次に、風車配置決定装置50による風車配置決定処理について説明する。
図15は、第6実施形態に係る風車配置決定処理のフローチャートである。なお、図11に示す第5実施形態に係る風車配置決定処理のフローチャートと同様な部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
CPU51は、ステップS21において、入力装置55を介して、ユーザによる設置要件の入力を受け付ける。設置要件としては、風車を設置可能な周辺住民の住居からの距離や、風車を設置可能な運搬道路からの距離等の風車の設置可能領域に関する要件と、設置する風車の基数に関する要件との少なくとも一方であってよい。
次いで、CPU51は、ステップS21で入力された設置要件に適合する風車配置案を策定する(ステップS22)。ここで、ステップS21において、設置要件として、設置可能な周辺住民の住居からの距離や、設置可能な運搬道路からの距離等を受け付けている場合には、この要件を満たさない建設地の領域は、配置案を策定する際に風車を配置する位置から除外されるので、処理において検討すべき配置範囲を抑えることができ、処理量を低減することができる。また、風車の基数の指定がある場合には、処理において検討すべき風車の基数が制限されることとなるので、処理量を低減することができる。
上記説明したように、本実施形態に係る風車配置決定装置によると、設置可能領域に関する要件に基づいて、最適配置案を決定するようにしているので、コストや工期等を縮減した風車配置の配置案を得ることができる。また、高密度な風車配置の配置案を適切に決定でき、様々な地理的要因等に対応した風車配置を考慮した配置案を決定することができる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、上記実施形態では、風力発電装置(風車)として、ダウンウィンド型の風車を例に説明していたが、本発明はこれに限られず、アップウィンド型の風車としてもよい。また、3枚のブレードとハブとによりロータを構成する風車を例に示していたが、本発明はこれに限られず、ロータは、ハブと、少なくとも1枚のブレードとにより構成されていればよい。
また、上記実施形態において、各風車1がそれぞれ制御装置31を備え、風車1に備えられた制御装置31がそれぞれの風車1を制御するようにしていたが、本発明はこれに限られず、ウィンドファーム10の複数の風車1を集中して制御する制御装置を備えるようにし、この制御装置が複数の風車1を制御するようにしてもよい。
1…風車、10…ウィンドファーム、23…ブレード、24…ロータ、31…制御装置、33…ヨー角駆動装置
Claims (11)
- 風を受けて回転するブレードを有する風力発電装置を複数備えるウィンドファームであって、
少なくとも一つの前記風力発電装置は、稜線の主風向の風下側の前記稜線よりも低い領域において、前記ブレードの最低到達点が前記稜線の標高以上となるように配置されているウィンドファーム。 - 前記複数の風力発電装置は、第1の風力発電装置と、前記第1の風力発電装置よりも主風向の風下側に配置される第2の風力発電装置とを含み、
前記第2の風力発電装置は、前記主風向を含む所定の範囲の風向に対して前記第1の風力発電装置の風下方向となる範囲を避けて配置されている
請求項1に記載のウィンドファーム。 - 前記主風向を含む所定の範囲の風向とは、出現確率が所定以上となる範囲の風向である
請求項2に記載のウィンドファーム。 - 前記風下方向となる範囲は、前記第1の風力発電装置の主風向の風下方向を中心とする所定の角度幅の範囲である
請求項2又は請求項3に記載のウィンドファーム。 - 前記複数の風力発電装置は、第1の風力発電装置と、前記第1の風力発電装置よりも主風向の風下側に配置される第2の風力発電装置とを含み、
風向を検出する風向検出部と、
前記風向が、前記第1の風力発電装置を通過した風が流れる後流領域に前記第2の風力発電装置が属することとなる風向である場合に、前記第2の風力発電装置の前記ブレードを調整することにより、前記ブレードの回転数を減少させるように制御する回転数制御部と、
をさらに備える
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のウィンドファーム。 - 前記複数の風力発電装置は、第1の風力発電装置と、前記第1の風力発電装置よりも主風向の風下側に配置される第2の風力発電装置とを含み、
風向を検出する風向検出部と、
前記風向が、前記第1の風力発電装置を通過した風が流れる後流領域に前記第2の風力発電装置が属することとなる風向である場合に、前記第1の風力発電装置の前記ブレードの回転面を調整することにより、前記第1の風力発電装置を通過した風が流れる後流領域から前記第2の風力発電装置が外れるように制御する後流制御部と、
をさらに備える
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のウィンドファーム。 - 前記複数の風力発電装置は、第1の風力発電装置と、前記第1の風力発電装置よりも主風向の風下側に配置される第2の風力発電装置とを含み、
風向を検出する風向検出部と、
前記風向が、前記第1の風力発電装置を通過した風が流れる後流領域に前記第2の風力発電装置が属することとなる風向である場合に、前記第1の風力発電装置の前記ブレードのピッチ角を調整することにより、第1の風力発電装置により回収するエネルギを低下させるように制御する回収エネルギ制御部と、
をさらに備える
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のウィンドファーム。 - 風を受けて回転するブレードを有する風力発電装置を複数備えるウィンドファームにおける複数の風力発電装置の配置を決定する配置決定装置であって、
前記ウィンドファームの建設地における風向情報を記憶する記憶部と、
処理を実行するプロセッサ部と、を備え、
前記プロセッサ部は、
(a)前記ウィンドファームの建設地における複数の風力発電装置の配置案と、運転を制御する対象となる風力発電装置と前記風力発電装置に対する制御内容とを含む制御案とを策定し、
(b)前記配置案及び前記制御案に従う前記ウィンドファームにおける各風力発電装置の位置における風況を算出し、
(c)算出された前記風況に基づいて、前記ウィンドファームにおける総発電量及び損傷度を算出し、
(d)前記(a)〜(c)を繰り返し実行することにより、前記ウィンドファームにおける前記損傷度が所定値を下回る場合において、前記総発電量が最大となる配置案及び制御案を探索し、
(e)探索した配置案を表示装置に出力する
配置決定装置。 - 前記プロセッサ部は、
前記(a)において、前記ウィンドファームを構成する少なくとも一つの前記風力発電装置が、稜線の主風向の風下側の前記稜線よりも低い領域において、前記ブレードの最低到達点が前記稜線の標高以上となるように配置する配置案を策定する
請求項8に記載の配置決定装置。 - 前記プロセッサ部は、
前記(a)において、第1の風力発電装置と、前記第1の風力発電装置よりも主風向の風下側に配置される第2の風力発電装置とについて、前記第2の風力発電装置が、出現確率が所定以上となる風向の範囲に対して前記第1の風力発電装置の風下方向となる範囲を避けて配置する配置案を作成する
請求項9に記載の配置決定装置。 - 前記プロセッサ部は、
前記ウィンドファームにおいて設置する風力発電装置の個数、又はウィンドファーム内における風力発電装置の設置可能領域の少なくとも一方に関する設置要件の指定を受け付け、
前記プロセッサ部は、
前記(a)において、前記設置要件に適合する配置案を作成する
請求項8から請求項10のいずれか一項に記載の配置決定装置。
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