JP2019015236A - ウィンドファーム、及び配置決定装置 - Google Patents

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）。

特開２０１０−１２７２３５号公報

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。

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。 図２は、稜線を通過する風況を説明する図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。