JP2021088974A - 風車後流演算装置、及び風車後流演算方法 - Google Patents

Abstract

【課題】風車における後流の状態をより少ない演算回数でより高精度に演算可能な風車後流演算装置、及び風車後流演算方法を提供する。【解決手段】本実施形態に係る風車後流演算装置は、複数の計算格子で構成されるメッシュモデルを生成する計算格子生成部と、ブレードの回転中心から第１径までの範囲の少なくとも一部に対応する計算格子の範囲に、風車ロータの受風面を固定された抵抗体としてモデル化したアクチュエータディスク部を生成する第１モデル生成部と、第１径からロータ径までの範囲の少なくとも一部に対応する計算格子の範囲に、風車ロータの受風面を遮蔽部としてモデル化したアクチュエータライン部を生成する第２モデル生成部と、支配方程式に基づき、アクチュエータディスク部及びアクチュエータライン部を用いて計算格子毎の風速及び風向を演算する演算制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、風車後流演算装置、及び風車後流演算方法に関する。

風車を用いた風力発電機（ＷＴＧ：Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）は、脱化石燃料、ＣＯ_２削減に対してコストパフォーマンスが高いことが一般に知られている。このため、数基の風力発電機から数十基以上の風力発電機から構成される大型のウィンドファーム（ＷＦ：Ｗｉｎｄ Ｆａｒｍ）に至るまで、風力発電施設は急速に増加している。

日本の陸上風力発電では、山岳地域に大型の風車を複数基集中的に建設せざるを得ない状況になりつつある。このため、風車相互の干渉により全体の発電電力量が低下しないように、その離隔距離を決める後流の状態を評価する後流解析モデル（ウエイクモデル）の開発が重要視されている。さらに、風車の大型化などにともない、風車における後流の状態を現実的な演算回数で演算可能な後流解析モデルの開発が望まれている。また、洋上風力発電においても、後流の状態評価の重要性は同等である。

このような後流解析モデルとして、固体円板やアクチュエータディスクを用いたモデルなどが知られている。ところが、固体円板モデルでは風車後流の速度欠損の状態、及びアクチュエータディスクモデルでは風車後流と外部流の運動量の交換の状態それぞれ再現性が低くなる傾向が一般的に知られている。

特開２０１０−１２７２３５号公報

本発明が解決しようとする課題は、風車における後流の状態をより少ない演算回数で演算可能な風車後流演算装置、及び風車後流演算方法を提供することである。

本実施形態に係る風車後流演算装置は、複数の計算格子で構成される計算格子を生成する計算格子生成部と、ブレードの回転中心から第１径までの範囲の少なくとも一部に対応する計算格子の範囲に、風車ロータの受風面を固定された抵抗体としてモデル化したアクチュエータディスク部を生成する第１モデル生成部と、第１径からロータ径までの範囲の少なくとも一部に対応する計算格子の範囲に、前記風車ロータの受風面を回転体としてモデル化したアクチュエータライン部を生成する第２モデル生成部と、支配方程式に基づき、アクチュエータディスク部及びアクチュエータライン部を用いて計算格子における計算格子毎の風速および風向を演算する演算制御部と、を備える。

本実施形態によれば、風車における後流の状態をより少ない演算回数でより高精度に再現することができる。

本実施形態に係る風車後流演算装置の構成を示すブロック図。 複数の計算格子で構成されるメッシュモデルを示す図。 ナビエ・ストークス方程式を示す図。 アクチュエータディスク部とアクチュエータライン部の設定範囲を模式的に示す図。 第１径を示す図。 風車モデルのロータ部を正面から見た図。 風車モデルを側面から見た図。 外力項を計算するための各変数の関係を示す図。 風車の正、側面図。 風車の側面図。 風車後流の演算結果例を示す図。 風車後流演算装置における演算処理の流れを示すフローチャート。 ピッチ角を変更する場合の演算処理の流れを示すフローチャート。 第２実施形態に係る風車後流演算装置の構成を示すブロック図。 風車の後流状態の演算を実際の気象データを用いて行った例を示す図。

以下、本発明の実施形態に係る風車後流演算装置、及び風車後流演算方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。

（第１実施形態）

図１は、本実施形態に係る風車後流演算装置１の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る風車後流演算装置１は、風車における後流の状態を演算し、解析する装置であり、風車後流演算部１０と、入力部２０と、表示部３０とを備えて構成されている。

風車後流演算部１０は、風車における後流の状態を演算する。風車後流演算部１０の詳細な構成は、後述する。

入力部２０は、操作者からの各種の入力操作を受け付け、受け付けた入力情報を風車後流演算部１０に出力する。例えば、入力部２０は、地形データや複数の風車の配置位置の情報を含む配置条件と、風向、風速、および乱流強度などの風の流入条件と、風車形状などの風車に関する情報等を操作者から受け付ける。例えば、入力部２０は、マウスやキーボード、トラックボール、スイッチ、ボタン、ジョイスティック等により実現される。

表示部３０は、各種の情報を表示する。例えば、表示部３０は、風車後流演算部１０によって解析された風車後流の状態を示す画像を表示する。例えば、表示部３０は、液晶ディスプレイやＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）ディスプレイ等によって構成される。

ここで、風車後流演算部１０の詳細な構成を説明する。風車後流演算部１０は、入力部２０から入力される入力情報から風車後流の状態を演算する。本実施形態においては、風車後流演算部１０は、演算部１０２と、記憶部１０４とを有する。この演算部１０２は、モデル生成部１０６と、表示制御部１０８と、演算制御部１１０と、を有する。演算部１０２の詳細は後述する。

記憶部１０４は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、ハードディスク、光ディスク等により実現される。記憶部１０４は、例えば、風速データ、地形データ、及び風車形状に関するデータ、演算結果などを格納する。また、記憶部１０４は、各種のプログラムを格納する。

ここで、演算部１０２の詳細な構成を説明する。図１における実施形態では、モデル生成部１０６、表示制御部１０８、演算制御部１１０にて行われる各処理機能は、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態で記憶部１０４に格納されている。演算部１０２はプログラムを記憶部１０４から読み出し、実行することで、各プログラムに対応する機能を実現するプロセッサである。換言すると、各プログラムを読み出した状態の処理回路は、図１の演算部１０２内に示された各機能を有することとなる。ここで、プロセッサという文言は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、或いは、特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ： ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ： ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ： ＣＰＬＤ）、及び、フィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ： ＦＰＧＡ）等の回路を意味する。

モデル生成部１０６は、風車の後流解析モデルを生成する。このモデル生成部１０６は、計算格子生成部１０６ａと、第１モデル生成部１０６ｂと、第２モデル生成部１０６ｃとを有する。

図２は、複数の計算格子４０ａで構成されるメッシュモデル４０を示す図である。主流方向をｘで示し、水平方向をｙで示し、鉛直方向をｚで示している。図２中には、風車に対応する領域４２が示されている。図２に示すように、計算格子生成部１０６ａは、複数の計算格子４０ａで構成されるメッシュモデル４０を生成する。より詳細には、計算格子生成部１０６ａは、本実施形態に係る支配方程式であるナビエ・ストークス（Ｎａｖｉｅｒ−Ｓｔｏｋｅｓ）方程式に基づき物理量を算出するためのメッシュモデル４０を生成する。また、ここで、支配方程式とは、メッシュモデル内の物理法則を数学的な方程式で表したものである。

図３は、支配方程式の例を示す図である。図３に示すように、支配方程式は、ナビエ・ストークス方程式であり、ρは流体の密度、νは流体の動粘性係数を示す。また、ナビエ・ストークス方程式には、後述する風車ロータから受ける力の外力項Ｆが加えられている。（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）は外力項Ｆのｘ、ｙ、ｚ方向の外力を示す。このように、本実施形態に係る演算では計算格子４０ａ毎にナビエ・ストークス方程式が演算される。より詳細には計算格子４０ａの座標中心４０ｂ毎にナビエ・ストークス方程式が演算される。

図４乃至図７に基づき、風車２のモデルについて説明する。
図４は、風車２の後流解析モデル５０におけるアクチュエータディスク部５２とアクチュエータライン部５４の設定範囲を模式的に示す図である。図４では流入風４と、風車後流と外部流の境界８を更に示している。

図５は、風車２のブレード２ａを示す図である。図５に示すように、第１径４６は、ブレードの翼弦長が最大となる位置からロータ径までの間の任意の径とする。

図６は、風車２のモデルにおけるロータ部を正面から見た図であり、後流解析モデル５０におけるアクチュエータディスク部５２とアクチュエータライン部５４の範囲を模式的に示す図である。後流解析モデル５０は、風車２の受風面をモデル化する。すなわち、後流解析モデル５０の外側の円内の領域が受風面を示している。図７は、風車２のモデルを側面から見た図であり、風車２のナセル２ｂと、タワー２ｃと、アクチュエータディスク部５２と、アクチュエータライン部５４とを模式的に示す図である。

図４乃至図７に示すように、ブレードの回転中心から第１径４６（図５）までの範囲に対応するメッシュモデル４０（図２）の範囲にアクチュエータディスク部５２が配置される。また、第１径４６からロータ径までの範囲に対応するメッシュモデル４０（図２）の範囲に、アクチュエータライン部５４が配置される。

このように、本実施形態に係る第１モデル生成部１０６ｂ（図１）は、例えばブレードの回転中心から第１径４６までの範囲の少なくとも一部に対応するメッシュモデル４０（図２）の範囲に、アクチュエータディスク部５２を生成する。

本実施形態に係る第２モデル生成部１０６ｃは、例えば第１径４６からロータ径までの範囲に対応するメッシュモデル４０（図２）の範囲を固体の同心円板としてアクチュエータライン部５４を生成する。そして、アクチュエータライン部５４に含まれる計算格子４０ａ（図２）には流速ゼロの条件を与える。第１モデル生成部１０６ｂ及び第２モデル生成部１０６ｃの詳細は後述する。なお、本実施形態に係る第２モデル生成部１０６ｃは、固体の同心円板としてアクチュエータライン部５４を生成するが、この形状に限定されない。

なお、本実施形態では、ブレードの回転中心から第１径４６までの範囲にアクチュエータディスク部５２を生成するが、これに限定されない。例えば、ナセル前方のハブに対応する領域を固体にするなど、ブレードの回転中心から第１径４６までの範囲の一部の範囲に他のモデルを配置してもよい。このように、ブレードの揚力係数Ｃ_Ｌが比較的低い範囲にアクチュエータディスク部５２を配置することで、風車後流の速度欠損をより正確に再現できる。

一方で、ブレードの揚力係数Ｃ_Ｌが比較的高い範囲にアクチュエータライン部５４を配置することで、風車背後の後流と外部流の運動量の交換をより高精度にモデル化できる。これにより、風車背後の後流と外部流の境界の広がり（図４）を高精度に再現できる。

ここで、第１モデル生成部１０６ｂの詳細な構成例を説明する。図８は、外力項（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）を計算するための各変数の関係を示す図である。図８に示すように、第１モデル生成部１０６ｂは、アクチュエータディスク近似を用いてアクチュエータディスク部５２を生成する。より具体的には、第１モデル生成部１０６ｂは、ブレードの回転中心から第１径４６（図５）までの範囲に対応する計算格子４０ａ（図２）毎の外力項（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）（図３）を任意の半径位置ｒ、すなわち回転中心から距離ｒにおける翼弦長ｃ、抗力係数Ｃ_Ｄ、揚力係数Ｃ_Ｌ、ブレードへの流入迎角α、ピッチ角γの関数として生成する。これらの第１径４６、距離ｒにおける翼弦長ｃ、抗力係数Ｃ_Ｄ、揚力係数Ｃ_Ｌ、ブレードへの流入迎角α、ピッチ角γは、予め風車のタイプ別に記憶部１０４に格納されている。これにより、第１モデル生成部１０６ｂは、アクチュエータディスク部５２内の計算格子４０ａ毎に、ブレードが回転することで発生する接線力とスラスト力を、流体が受ける主流方向および回転方向の反力として、ナビエ・ストークス方程式の外力項（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）（図３）に付加する。抗力係数Ｃ_Ｄ、揚力係数Ｃ_Ｌは、風車の設計データを用いて演算してもよい。なお、本実施形態に係る外力項（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）（図３）が、受風面における流体抵抗に対応する。

より詳細には、第１モデル生成部１０６ｂは、まず、数式１、及び数式２に示すように、ロータ平面が主流方向Ｘと正対する風車（図２）における、回転中心からブレードの半径方向に距離ｒの位置の翼素ｄｒに作用する揚力ｄＦＬおよび抗力ｄＦＤと相対風速Ｖとの関係を演算する。

ここで、ｃは翼弦長、Ｖは相対風速である。

次に、第１モデル生成部１０６ｂは、数式３、及び数式４に示すように、推力ｄＦｘおよび接線力ｄＦθを演算する。

次に、第１モデル生成部１０６ｂは、数式５、及び数式６に示すように、原点に位置する回転中心から半径方向にｒのポイントにおける流体がロータから受ける体積力のＸ方向成分ｆｘおよびθ方向成分ｆθを演算する。ここで、ブレード枚数はＢであり、Ｒは第１径４６に対応する。そして、第１モデル生成部１０６ｂは、ｆｘを外力項Ｆ（図３）のＦｘ成分として出力し、ｆθをそれぞれの方向に分解して、Ｆｙ、Ｆｚ成分として出力する。Δｘはアクチュエータディスク部５２の厚みを示している。

図９は、風車２の正、側面図である。図９に示すように、風車２の後流解析モデル５０の範囲は、上述のように正面から見ると円２ｄの範囲内であり、側面から見ると例えばブレードを囲む２ｄの範囲である。すなわち、アクチュエータディスク部５２の厚みΔｘを２ｄの範囲に設定する。ブレードを囲む２ｄの範囲は、例えばブレードに外接する円柱体である。

図１０は、風車２の側面図である。図１０に示すように、風車２の受風面が地表面に対して任意のチルト角度を持って傾くと、アクチュエータディスク部５２の厚みΔｘの範囲もチルト角度の傾きに応じて変更される。これにより、風車２の受風面の傾きに応じた風車２の後流の状態を演算可能となる。

また、第１モデル生成部１０６ｂは、アクチュエータディスク部５２の計算格子４０ａの流れ方向の少なくとも一つ上流側の格子における水平方向流速ベクトル、すなわち２次元の流速ベクトル（図２のｘ、ｙ）に基づき、アクチュエータディスク部５２の外力項を与える。これにより、流入風４（図４）の後流をより効率的に演算可能である。

また、本実施形態に係る第１モデル生成部１０６ｂは、アクチュエータディスク部５２の計算格子４０ａの流れ方向の少なくとも一つ上流側の格子における流速ベクトル、すなわち３次元の流速ベクトルに基づき、アクチュエータディスク部５２の外力項を与えてもよい。これにより、全方向の流入風４（図４）に対する風車２の後流をより高精度に演算可能となる。このように、アクチュエータディスク部５２の外力項の計算はアクチュエータディスク部５２の計算格子４０ａの流れ方向の少なくとも一つ上流側の格子情報に基づき計算可能である。

さらにまた、第１モデル生成部１０６ｂは、アクチュエータディスク部５２の計算格子４０ａの流れ方向の少なくとも一つ上流側の格子におけるにおける水平方向（図２のｘ、ｙ方向）絶対流速と鉛直方向絶対流速（図２のｚ方向）との比に基づき、ディスク部の外力項を与えてもよい。これにより、流入風４（図４）の向きが鉛直方向の流速成分を有する場合の風車における後流の状態をより高精度に演算可能となる。

また、第１モデル生成部１０６ｂは、アクチュエータディスク部５２の計算格子４０ａの流れ方向一つ上流側の格子における鉛直方向絶対流速（図２のｚ方向）と、さらに一つ上流側の格子における鉛直方向絶対流速（図２のｚ方向）との比に基づき、ディスク部の外力項を与えてもよい。これにより、流入風４（図４）の向きが鉛直方向の流速成分を有する場合の、風速の変化の程度を反映可能となり、風車における後流の状態をさらに高精度に演算可能となる。

このように、アクチュエータディスク近似を用いたアクチュエータディスク部５２では、ブレード２ａが回転することで発生する接線力とスラスト力を、流体が受ける主流方向および回転方向の反力として、ナビエ・ストークス方程式に外力項として付加することが可能となる。これにより、物体としての壁面境界条件を無くすことができ、抵抗体としての減速効果を考慮できる。

ここで、第２生成モデル部１０６ｃの詳細な構成を説明する。上述のように、第２生成モデル部１０６ｃは、第１径４６からロータ径までの範囲に対応するメッシュモデル４０（図２）の範囲に風車ロータにより生じる後流の速度欠損および翼端渦の生成をモデル化したアクチュエータライン部を生成する。より詳細には、第２生成モデル部１０６ｃは、第１径４６からロータ径に対応するメッシュモデル４０の範囲内の各計算格子４０ａに圧力項、粘性項、外力項の値（図３）を設定し、アクチュエータライン部５４を生成する。

すなわち、この第２生成モデル部１０６ｃが生成するアクチュエータライン部５４では、ブレードが回転することで発生する接線力とスラスト力を、流体が受ける主流方向および回転方向の反力として、ナビエ・ストークス方程式に外力項（図３）を付加する。つまり、物体としての壁面境界条件は無くなる。このアクチュエータライン部５４では、風車２が存在することによる単なる抵抗体としての減速効果だけではなく、ブレードの回転に起因した旋回効果を考慮することも可能となる。これにより、風車２の速度欠損の再現性を維持しつつ、乱流を含む風に対してもより高精度に翼端渦６（図４）の再現が可能となる。また、ブレードの回転中心から距離ｒ、すなわちブレードの半径位置ｒでの翼弦長ｃ、揚力係数Ｃ_Ｄ、抗力係数Ｃ_Ｌ、迎角αのデータさえ入力すれば、任意の風車２の第１径４６からロータ径までの範囲に対応する形状に対応するアクチュエータライン部５４を生成できる。

また、本実施形態に係る第２生成モデル部１０６ｃは、アクチュエータライン部５４の計算格子４０ａの流れ方向の一つ上流側のメッシュにおけるにおける流速ベクトル、すなわち３次元の流速ベクトルに基づき、アクチュエータライン部５４の生成に用いるポーラス係数を与えてもよい。これにより、全方向の風４（図４）に対する風車２の後流をより高精度に演算可能となる。このように、アクチュエータライン部５４の生成に用いるポーラス係数の計算はアクチュエータライン部５４の計算格子４０ａの流れ方向の一つ上流側のメッシュ情報に基づき計算可能である。これにより、全メッシュを計算する場合と比較して演算回数を大幅に減少可能となる。

さらにまた、第２生成モデル部１０６ｃは、アクチュエータライン部５４の計算格子４０ａの流れ方向の一つ上流側のメッシュにおけるにおける水平方向（図２のＸ、Ｙ方向）絶対流速と鉛直方向絶対流速（図２のＺ方向）との比に基づき、アクチュエータライン部５４の生成に用いるポーラス係数の値を与えてもよい。これにより、風４（図４）の向きが鉛直方向の流速成分を有する場合の風車における後流の気流性状をより高精度に演算可能となる。

また、第２生成モデル部１０６ｃは、アクチュエータライン部５４の計算格子４０ａの流れ方向一つ上流側のメッシュにおける鉛直方向絶対流速（図２のＺ方向）と、さらに一つ上流側のメッシュにおける鉛直方向絶対流速（図２のＺ方向）との比に基づき、アクチュエータライン部５４の生成に用いるポーラス係数の値を与えてもよい。これにより、風４（図４）の向きが鉛直方向の流速成分を有する場合の、風速の変化の程度を反映可能となり、風車における後流の気流性状をさらに高精度に演算可能となる。

また、第２モデル生成部１０６ｃは、ナセル２ｂ、タワー２ｃ（図７）の形状をモデル化し、ナセル２ｂ、タワー２ｃに含まれる計算格子４０ａ（図２）には流速ゼロの条件を与える。なお、ナセル２ｂ、タワー２ｃに関してはモデル化してもよいし、或いは、モデル化しなくてもよい。

表示制御部１０８は、演算部での演算結果を図示して表示部３０に表示させる。例えば、風速に応じた濃淡処理、色処理などを行うことにより、風車後流状態の視認性をより向上させる処理を行う。

演算制御部１１０は、入力部２０から指示された演算条件にしたがい、モデル生成部１０６でのモデル生成を含め演算部１０２全体の制御を行う。より具体的には、計算格子生成部１０６ａに対して計算格子４０ａの数、大きさ、形状などを指示して計算格子を生成させる。第１モデル生成部１０６ｂに対しては演算毎に外力項の値を生成させる。そして、支配方程式に従い、計算格子生成部１０６ａが生成したメッシュモデル４０の計算格子４０ａ毎の風向ベクトル、すなわち風速及び風向の演算を演算毎に実施する。

図１１は、演算制御部１１０の制御により演算された風車後流の演算結果例を示す水平断面図である。主流方向をｘで示し、水平方向をｙで示している。

上側の図は、ブレードの回転中心からロータ径までの全範囲をアクチュエータディスク部５２とした例である。上側の図は、所謂アクチュエータディスクモデルによる風車後流の演算結果に相当する。

風車２の後流解析モデル５０におけるアクチュエータディスク部５２だけで後流の状態を生成すると、風車背後の後流と外部流の運動量の交換（図４）が再現されないことがわかる。

下側の図は、ブレードの回転中心から第１径４６（図５）までの範囲をアクチュエータディスク部５２とし、第１径４６からロータ径までの範囲をアクチュエータライン部５４とした例である。計算格子４０ａ毎の速度を濃淡で示している。

これらから分かるように、下側の図ではアクチュエータライン部５４により図４で示した風車背後の後流と外部流の運動量の交換の再現性が向上している。一方で、ブレードの回転中心から第１径４６（図５）までの範囲では、風車の速度欠損を再現する必要がある。下側の図ではアクチュエータディスク部５２を配置することで風車の速度欠損の再現性が維持されている。また、アクチュエータライン部５４内では格子内の計算が不要であるので、上側の図よりも演算回数を低減できる。

このように、ブレードの回転中心から第１径４６（図５）までの範囲をアクチュエータディスク部５２とし、第１径４６からロータ径までの範囲をアクチュエータライン部５４とすることで、風車２の速度欠損の再現性を維持しつつ、風車背後の後流と外部流の境界の広がり（図４の線８）の再現性を向上させることができる。さらに、モデル全体をアクチュエータディスク部５２とする場合よりも演算回数の低減が計れ、大規模な演算にもより適している。

図１２は、風車後流演算装置１における演算処理の流れを示すフローチャートの一例である。
図１２に示すように、操作者は、入力部２０により演算に用いる風車２の受風面の情報を入力する（ステップＳ１００）。操作者は、例えば表示部３０に表示される風車形式の一覧の中から風車形式を選択する。続けて、演算制御部１１０は、選択された風車形式の受風面の情報を記憶部１０４から読み込み、第１モデル生成部１０６ｂ及ぶ第２モデル生成部１０６ｃに供給する。また、演算制御部１１０は、選択された風車形式に従い、回転中心から距離ｒにおける翼弦長ｃ、抗力係数Ｃ_Ｄ、揚力係数Ｃ_Ｌ、ブレードへの流入迎角αの情報を記憶部１０４から読み込み、第１モデル生成部１０６ｂ及ぶ第２モデル生成部１０６ｃに供給する。

次に、操作者は、入力部２０により計算格子の生成条件、例えば風速、風向、乱流強度を含む流入風条件を計算条件として入力する（ステップＳ１０２）。演算制御部１１０は、入力された計算条件に従い、計算格子生成部１０６ａに対して計算格子の数、大きさ、形状などを指示して計算格子を生成させる。

次に、演算制御部１１０は、計算格子生成部１０６ａが生成した各計算格子４０ａに初期値を設定する（ステップＳ１０４）。

次に、演算制御部１１０は、時間ｔ＝０として、演算を開始する。
次に、第１モデル生成部１０６ｂは、各計算格子４０ａに設定された設定値（ｔ＝０の時は初期値）に基づきブレードの回転中心から第１径４６に対応するメッシュモデル４０の範囲内の各計算格子４０ａに外力項の値（図３）を設定し、アクチュエータディスク部５２を生成する（ステップＳ１０８）。

次に、第２生成モデル部１０６ｃは、初期値に基づきブレードの第１径４６からロータ径に対応するメッシュモデル４０の範囲内の各計算格子４０ａに圧力項、粘性項、外力項の値（図３）を設定し、アクチュエータライン部５４を生成する（ステップＳ１１０）。

次に、演算制御部１１０は、各計算格子４０ａに設定された設定値（ｔ＝０の時は初期値）およびポーラス係数に基づき、アクチュエータディスク部５２内の各計算格子４０ａに対応する外力項の値（図３）と、アクチュエータライン部５４内の各計算格子４０ａに対応する外力項の値（図３）とを演算する（ステップＳ１１２）。続けて、演算制御部１１０は、各計算格子４０ａに対応するナビエ・ストークス方程式を演算し（ステップＳ１１４）、各物理量を演算する（ステップＳ１１６）。演算制御部１１０は、各物理量を記憶部１０４に格納すると共に、表示制御部１０８に各物理量の情報を含む信号を出力する。表示制御部１０８は、表示部３０に風車２の後流の情報を示す画像を表示する。

次に、演算制御部１１０は、演算時間ｔがｔｍａｘ未満か否かを判定し（ステップＳ１１６）、ｔがｔｍａｘ未満であれば（ステップＳ１１８のＮＯ）、各計算格子４０ａに新たな設定値を設定し、ステップＳ１０８からの演算を繰り返す。一方で、ｔがｔｍａｘ以上であれば（ステップＳ１１８のＹＥＳ）、全体の処理を終了する。

図１３は、ブレードの回転軸に対してブレードのピッチ角を変更する場合の演算処理の流れを示すフローチャートの一例である。図１２と同等の処理には同一の番号を付して説明を省略する。

図１３に示すように、演算制御部１１０は、ピッチ角を変更する際に抗力係数Ｃ_Ｄ、及び揚力係数Ｃ_Ｌを変更する（ステップＳ１２０）。このように、抗力係数Ｃ_Ｄ、及び揚力係数Ｃ_Ｌを変更することによりピッチ角の変更による風車２の後流の状態も演算可能である。

以上のように、本実施形態によれば、第１モデル生成部１０６ｂがブレードの回転中心から第１径４６に対応するメッシュモデル４０の範囲に、アクチュエータディスク部５２を生成し、第２モデル生成部１０６ｃがブレードの第１径４６からロータ径に対応するメッシュモデル４０の範囲に、アクチュエータライン部５４を生成することとした。これにより、風車２の速度欠損の再現性を維持しつつ、風車２の後流と外部流の境界の広がり８（図４）の再現性を向上させることができる。さらに、モデル全体をアクチュエータライン部５４とする場合よりも演算回数の低減を計ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る風車後流演算装置１は、気象データや土地の形状データを反映した風車２の後流の状態を演算できる点で第１実施形態に係る風車後流演算装置１と相違する。以下では、第１実施形態と相違する点に関して説明する。

図１４は、第２実施形態に係る風車後流演算装置１の構成を示すブロック図である。図１４に示すように、本実施形態に係る風車後流演算装置１は、風速データ生成部１１２と、土地データ生成部１１４と、評価部１１６とを更に備え点で第１実施形態に係る風車後流演算装置１と相違する。

風速データ生成部１１２は、流入風４の値を生成する。その値は、評価対象の土地における実際の気象データに基づき生成しても良い。より具体的には、気象庁などのデータベースに記録される評価対象の土地における風速及び風向などのデータを反映した風速データを生成する。例えば、１年分の各日ごとの平均風速及び平均風向から風速データを生成する。

演算制御部１１０は、風速データ生成部１１２が生成した風速データに基づき、メッシュモデル４０（図２）の計算格子４０に流入風４の値を設定する。これにより、評価対象の土地における実際の気象データを反映した風車２の後流が演算可能となる。

土地データ生成部１１４は、評価対象の土地における３次元の地形データを生成する。これにより、計算格子生成部１０６ａは、メッシュモデル４０を生成する場合に底面部の形状を土地データ生成部１１４が生成した３次元の地形データの情報に基づき設定する。これにより、評価対象の土地の地形を反映した風車２の後流を演算可能となる。

また、演算制御部１１０は、地形データに基づいて、第１モデル生成部１０６ｂ及び第２モデル生成部１０６ｃにおける第１径４６の長さを変更してもよい。これにより、地形により変わる風車の後流の特性を風車の後流解析モデル５０に反映することが可能となる。

評価部１１６は、複数の風車２の配置位置の少なくとも一つに配置される風車２に対して、複数の風車２の中の他の風車２の影響を評価する。例えば、評価部１１６は、他の風車がない場合の発電出力と、他の風車がある場合の発電出力との比率を評価値とする。

本実施形態に係る第１モデル生成部１０６ｂは、複数の風車２の配置位置に基づき、計算格子内４０の複数の位置に対応させて複数のアクチュエータディスク部５２を生成する。同様に、本実施形態に係る第２モデル生成部１０６ｃは、複数の風車２の配置位置に基づき、計算格子内４０の複数の位置に対応させて複数のアクチュエータライン部５４を生成する。演算制御部１１０は、複数のアクチュエータディスク部５２及び複数のアクチュエータライン部５４を用いてメッシュモデル４０の計算格子毎の風速の時間変化を演算する。

図１５は、複数の風車２の後流の演算を例えば実際のウインドファームにおける風車配置を用いて行った例を模式的に示す図である。

図１５に示すように、点線は風車２の後流の範囲を模式的に示している。このように、実際に吹いた風向及び風速の風では、点線で示す風車２の後流の範囲に後流側の風車２が入っており、前方の風車２の後流の影響を受けている様子を容易に確認することが可能である。また、評価部１１６が生成する評価値により、風車２の配置による発電効率への影響を評価可能である。このように、実際の風車配置を反映した演算が可能である。

以上のように、本実施形態によれば、メッシュモデル４０を生成する場合に底面部の形状を土地データ生成部が生成した３次元の地形データの情報に基づき設定するので、評価対象の土地の地形を反映した風車２の後流を演算可能となる。また、風速データ生成部１１２は、評価対象の土地における実際の気象データに基づく風速データを生成するので、評価対象の土地の実施の気象データを反映した風車２の後流を演算可能となる。

本実施形態による風車後流演算装置１におけるデータ処理方法の少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、データ処理方法の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。また、データ処理方法の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置、方法及びプログラムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置、方法及びプログラムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。

１：風車後流演算装置、２：風車、２ａ：ブレード、４０：メッシュモデル、４０ａ：計算格子、４６：第１径、５２：アクチュエータディスク部、５４：アクチュエータライン部、１０６ａ：計算格子生成部、１０６ｂ：第１モデル生成部、１０６ｃ：第２モデル生成部、１１０：演算制御部、１１２：風速データ生成部、１１４：土地データ生成部、１１６：評価部

Claims (15)

1. 複数の計算格子で構成されるメッシュモデルを生成する計算格子生成部と、
   ブレードの回転中心から第１径までの範囲の少なくとも一部に対応する前記計算格子の範囲に、風車ロータの受風面を固定された抵抗体としてモデル化したアクチュエータディスク部を生成する第１モデル生成部と、
   前記第１径からロータ径までの範囲の少なくとも一部に対応する前記計算格子の範囲に、前記風車ロータの受風面を回転体としてモデル化したアクチュエータライン部を生成する第２モデル生成部と、
   支配方程式に基づき、前記アクチュエータディスク部及び前記アクチュエータライン部を用いて前記計算格子毎の風速及び風向を演算する演算制御部と、
   を備える、風車後流演算装置。
2. 前記第１径は、前記ブレードの翼弦長が最大となる半径位置からロータ径までの間の任意の径に対応する、請求項１に記載の風車後流演算装置。
3. 前記第１モデル生成部は、前記アクチュエータディスク部の計算格子の流れ方向の少なくとも一つ上流側の格子における水平方向流速ベクトルに基づき、前記アクチュエータディスク部の外力項を与える、請求項１又は２に記載の風車後流演算装置。
4. 前記第１モデル生成部は、アクチュエータディスク部の計算格子の流れ方向の少なくとも一つ上流側の格子における流速ベクトルに基づき、前記アクチュエータディスク部の外力項を与える、請求項１又は２に記載の風車後流演算装置。
5. 前記第１モデル生成部は、前記アクチュエータディスク部の計算格子の流れ方向の少なくとも一つ上流側の格子における水平方向絶対流速と鉛直方向絶対流速との比に基づき、ディスク部の外力項を与える、請求項１又は２に記載の風車後流演算装置。
6. 前記第１モデル生成部は、アクチュエータディスク部の計算格子の流れ方向の少なくとも一つ上流側の格子における鉛直方向絶対流速と、さらに少なくとも一つ上流側の格子における鉛直方向絶対流速の比に基づき、ディスク部の外力項を与える、請求項１又は２に記載の風車後流演算装置。
7. 前記第２モデル生成部は、前記アクチュエータライン部の計算格子の流れ方向の一つ上流側のメッシュにおける水平方向流速ベクトルに基づき、前記アクチュエータライン部の生成に用いるポーラス係数を変更する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の風車後流演算装置。
8. 前記第２モデル生成部は、前記アクチュエータライン部の計算格子の流れ方向一つ上流側のメッシュにおける流速ベクトルに基づき、前記アクチュエータライン部の生成に用いるポーラス係数を変更する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の風車後流演算装置。
9. 前記第２モデル生成部は、前記アクチュエータライン部の計算格子の流れ方向一つ上流側のメッシュにおける水平方向絶対流速と鉛直方向絶対流速との比に基づき、前記アクチュエータライン部の生成に用いるポーラス係数を変更する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の風車後流演算装置。
10. 前記第２モデル生成部は、アクチュエータディスク部の計算格子の流れ方向一つ上流側のメッシュにおける鉛直方向絶対流速と、さらに一つ上流側のメッシュにおける鉛直方向絶対流速の比に基づき、前記アクチュエータライン部の生成に用いるポーラス係数を変更する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の風車後流演算装置。
11. 前記第１モデル生成部は、複数の風車の配置位置に基づき、前記計算格子内の複数の位置に対応させて複数の前記アクチュエータディスク部を生成し、
    前記第２モデル生成部は、前記複数の風車の配置位置に基づき、前記計算格子内の複数の位置に対応させて複数の前記アクチュエータライン部を生成し、
    前記演算制御部は、前記複数のアクチュエータディスク部及び前記複数のアクチュエータライン部を用いて前記計算格子の計算格子毎の風速の時間変化を演算し、
    前記複数の風車の配置位置の少なくとも一つに配置される風車に対して、前記複数の風車の中の他の風車の影響を評価する評価部を更に備える、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の風車後流演算装置。
12. 地図情報から評価対象の土地における３次元の地形データを生成する土地データ生成部と、を更に備え、
    前記計算格子生成部は、前記計算格子を生成する場合に底面部の形状を前記土地データ生成部が生成した３次元の地形データの情報に基づき設定する、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の風車後流演算装置。
13. 地図情報から評価対象の土地における３次元の地形データを生成する土地データ生成部と、を更に備え、
    前記第１モデル生成部及び前記第２モデル生成部は、地形データに基づいて、第１径の長さを変更する、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の風車後流演算装置。
14. 評価対象の土地における気象データに基づく風速データを生成する風速データ生成部を更に備え、
    前記演算制御部は、前記風速データ生成部が生成した風速データに基づき、前記計算格子に風速データを設定する、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の風車後流演算装置。
15. 複数の計算格子で構成されるメッシュモデルを生成する計算格子生成工程と、
    ブレードの回転中心から第１径までの範囲の少なくとも一部に対応する前記計算格子の範囲に、風車ロータの受風面を固定された抵抗体としてモデル化したアクチュエータディスク部を生成する第１モデル生成工程と、
    前記第１径からロータ径までの範囲の少なくとも一部に対応する前記計算格子の範囲に、前記風車ロータの受風面を回転体としてモデル化したアクチュエータライン部を生成する第２モデル生成工程と、
    支配方程式に基づき、前記アクチュエータディスク部及び前記アクチュエータライン部を用いて前記計算格子毎の風速及び風向を演算する風速演算工程と、
    を備える、風車後流演算方法。

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