JP4822742B2 - 吹上角計測方法及び水平軸風車 - Google Patents

Description

本発明は、２つの風速計を利用した吹上角計測方法及び水平軸風車に関する。

自然風から電力を得る目的で水平軸風車が実用化され事業化が進んでいる。風力発電事業を成功、発展させるには、風車設置前に発電量の予測計算を正確に行うことが重要である。その予測計算が不正確であると、発電事業を開始した後に期待に反して発電量が低迷し損害を受ける例が増加するし、その不正確さを事前に知った場合は予測すべき将来の損害が大きくならざるを得ず、事業展開を躊躇する要因となるからである。

一般に、水平軸風車の性能は、ハブ風速[m/sec]に対する出力[W]で示される出力曲線で示され、発電量の予測は、この出力曲線と、風車設置予定地点における風速の計測値又は予測値とに基づいて行う。
ところが、国内の風力発電システムは地形が複雑な地点に設置される場合が多く、かかる地形においては、吹上風が多発し、風速の計測値が一定でも吹上角の変化により発電量が変動してしまい、発電量の予測を正確に行うことができない。風速の計測は風の水平方向の速度を計測するが、ロータが風から受けるエネルギーは、風の水平成分ではなくロータ面に垂直な成分に依存するため、風の水平方向の速度値、すなわち、風速の計測値が一定でも吹上角の変化によりロータ面に垂直な速度成分が変化し発電量が変動してしまうからである。

したがって、吹上角を含めて風を計測する必要がある。発電量予測計算の基礎データの質を向上させるため、吹上角、風速、発電量等を含めたデータは、実稼動する風車から採取すること、多くの風車から収集することが好ましい。そのため、吹上角を含めて風を計測できる装置を備えた水平軸風車が多数必要となり、風力発電の採算性を圧迫しないため安価で耐久性に富む計測器が好ましい。

発電量の予測を正確に行うこともさることながら、風車において実際に得られた発電量が予測した発電量に満たない場合等に、発電量の低迷原因が風況（風速を含む風の状況）と風車のどちらにあるかを特定することもまた重要である。
多くの風車に吹上角を含めて風を計測できる装置を備え付けることができれば、吹上角の変化を含めた結果の分析を行い、原因究明が容易になる。そのためにも、吹上角を含めて風を計測できる装置を備えた水平軸風車が多数必要となり、風力発電の採算性を圧迫しないため安価で耐久性に富む計測器が好ましい。

すでに市販されている３次元超音波風速計（例えば、非特許文献１参照。）や上中下３孔以上を持ったピトー管（例えば、IXIST社よりロータ前方に設置するタイプの４孔ピトー管、非特許文献２参照）であれば、吹上角を計測できる。
株式会社カイジョー、"計測制御システム事業−気象計測機器"、［online］、１９９７年、株式会社カイジョー、［平成１５年７月３日検索］インターネット＜ＵＲＬ：http://www.kaijo.co.jp/keisi/int/inta0100.html＞ IXIST社 ［平成１６年４月２６日検索］インターネット＜ＵＲＬ：http://www.ixist.de/presse/Ixist-Flyer2.pdf＞

しかし、非特許文献１に記載された３次元超音波風速計は高価でしかも大型であるという問題がある。また、水平軸風車のハブ風速を計測するための風速計には、比較的過酷な環境下でも長期間メンテナンスなしで耐え得る耐久性が必要であるところ、３次元超音波風速計やピトー管はそのような使用環境を想定して製作したものではないので耐久性に疑問があり、信頼性に欠けるという問題があった。
風向計に用いられているベーンを横置きにして吹上角を測定する方法が考えられるが、この方法では、降雨、降雪時に実際の吹上角と異なる値を示すし、霜も特性に影響を与えることが予測される。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、水平軸風車のロータに吹き付ける風の吹上角の計測を、低コストで高い信頼性をもって実現できる吹上角計測方法及び水平軸風車を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１に記載の発明は、水平軸風車のロータの回転軸を支持するナセルの上方に一の風速計を配置し、前記回転軸方向又は／及び上下方向について前記一の風速計と異なる位置に他の一の風速計を配置し、前記両風速計がそれぞれ計測した風速に基づいて吹上角を計算する吹上角計測方法である。

請求項２に記載の発明は、水平軸風車のロータの回転軸を支持するナセルの上方に一の風速計を配置し、前記回転軸方向又は／及び上下方向について前記一の風速計と異なる位置に他の一の風速計を配置し、前記両風速計がそれぞれ計測した風速の比に基づいて吹上角を計算する吹上角計測方法である。
請求項３に記載の発明は、前記両風速計を前記ナセルの上方に配置して前記両風速計により風速を計測することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の吹上角計測方法である。
請求項４に記載の発明は、前記他の一の風速計を前記ナセルの上方から外して配置して前記両風速計により風速を計測することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の吹上角計測方法である。
請求項５に記載の発明は、前記他の一の風速計を前記ナセルの先端から風上側に配置して前記両風速計により風速を計測することを特徴とする請求項４に記載の吹上角計測方法である。

請求項６に記載の発明は、ロータの回転軸を支持するナセルと、
前記ナセルの上方の該ナセルに対する定位置に固定された一の風速計と、
前記回転軸方向又は／及び上下方向について前記一の風速計と異なる前記ナセルに対する定位置に固定された他の一の風速計と、
前記両風速計がそれぞれ計測した風速に基づいて吹上角を計測する吹上角計測手段とを備えることを特徴とする水平軸風車である。

請求項７に記載の発明は、前記吹上角計測手段は、
前記両風速計がそれぞれ計測した風速の風速比を算出する風速比算出手段と、
風速比と吹上角との相関関係を示すデータが記録された記録手段と、
前記記録手段に記録された前記風速比相関データ上で、前記風速比算出手段により算出した風速比に対応する吹上角を算出する吹上角算出手段と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の水平軸風車である。
請求項８に記載の発明は、前記吹上角計測手段は、
前記両風速計がそれぞれ計測した風速の組合せと吹上角との対応を記述したデータテーブルが記録された記録手段と、
前記両風速計の計測値が入力され、前記記録手段に記録された前記データテーブル上で入力された前記両風速計の計測値に対応する吹上角を算出する吹上角算出手段と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の水平軸風車である。

請求項９に記載の発明は、前記両風速計が前記ナセルの上方に配置されていることを特徴とする請求項６、請求項７又は請求項８に記載の水平軸風車である。
請求項１０に記載の発明は、前記他の一の風速計が前記ナセルの上方から外れて配置されていることを特徴とする請求項６、請求項７又は請求項８に記載の水平軸風車である。
請求項１１に記載の発明は、前記他の一の風速計が前記ナセルの先端から風上側に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の水平軸風車である。

請求項１２に記載の発明は、前記両風速計が前記ナセルに支持されていることを特徴とする請求項６から請求項１１のうちいずれか一に記載の水平軸風車である。

請求項１３に記載の発明は、前記ナセルの幅を１として前記ナセルの上面の両側１／４ずつの両側縁部を除く中央部の上方に前記一の風速計が配置されていることを特徴とする請求項６から請求項１２のうちいずれか一に記載の水平軸風車である。

本発明によれば、水平軸風車のロータの回転軸を支持するナセルの上方に配置された一の風速計は、吹上角によってナセルの影響度が異なるために吹上角によって計測値が変化する。一方、回転軸方向又は／及び上下方向について前記一の風速計と異なる位置に配置された他の一の風速計は、ナセルの影響を受けないか又は吹上角の変化に対する計測値の変化の関係が前記一の風速計のそれと異なるという現象が生じる。１つの風速計では単なる風速の変化か吹上角の変化かを判別できないが、以上の両風速計がそれぞれ計測した風速から吹上角の変化のみに依存する変化を抽出し一定の信頼性を持って吹上角を計算することができる。
現実的な必要に応えられる吹上角範囲（例えば、−１０〜＋３０deg）において、例えば、両風速計の風速比の一の値から必ず吹上角の一の値が定まるように、両風速計の配置を選択することが可能であり、高い信頼性をもって実用化可能である。本発明は風速計を選ばず、風速計として安価で耐久性に富む風速計を適用できる。
したがって、本発明によれば、水平軸風車のロータに吹き付ける風の吹上角の計測を、低コストで高い信頼性をもって実現することができる。

以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。本実施形態においては、水平軸風車の例として、図１に示したダウンウィンド型の水平軸風車１を採用する。図１及び図２において、Ａは回転軸、Ｂはナセル先端、Ｃは風向を示す。

まず、本実施の形態に係る水平軸風車１の構成について説明する。水平軸風車１は、図１に示すように、タワー２、このタワー２の頂部に取り付けられたナセル３、このナセル３に回転軸Ａに沿って延在して軸支された図示されていない主軸、この主軸に取り付けられたロータ４、ナセル３に取り付けられた第１風速計５及び第２風速計６、水平軸風車１全体を統合制御する図示されていない制御装置を備えて構成されている。

第１風速計５及び第２風速計６は、複数のカップに風を受けて水平回転し、その回転速度から風速を計測する回転型風速計である。第１風速計５及び第２風速計６の型式は特に限定されるものではなく、従来から用いられているもの（例えば、Vaisala社製の型式やThies社製の型式）を際限なく採用することができるが、安価で耐久性に富むものが好ましい。

制御装置は、所定のプログラムを実行することにより、第１風速計５で計測された風速と第２風速計６で計測された風速との比（「風速比」という）の算出処理、算出処理により算出された風速比と、風速比と吹上角との相関関係を示すデータ（以下「風速比相関データ」という。）とを用いた吹上角算出処理等を行う。

制御装置は、記録手段としての図示されていないメモリを備えている。メモリには、風速比相関データが記録されている。制御装置は、本発明における風速比算出手段、記録手段及び吹上角算出手段を有する吹上角計測手段として機能する。

図１に示すように、第１風速計５及び第２風速計６はナセル３の上方に配置される。図２に示すように、一方の第２風速計６をナセル先端Ｂより風上側に配置するなどして、ナセル３の上方からはずしても良い。その場合でも、少なくとも一つの第１風速計５をナセル３の上方に配置する。両風速計５，６をともにナセル３の上方からはずして配置すると、吹上角による風速の変化をいずれの風速計からも検知することができなくなり、吹上角を計測できないからである。

通常、本実施形態のように第１風速計５及び第２風速計６をナセル３に支持させれば足りる。これにより簡素な構成で第１風速計５及び第２風速計６をナセル３に対する定位置に固定できる。第１風速計５及び第２風速計６はナセル３に対する定位置に固定されていなければならない。風速計のナセル３に対する位置が変化すると、吹上角が一定でもナセル３の影響が変化し吹上角を計測できなくなるからである。
図２に示すように、一方の第２風速計６をナセル３の上方からはずして配置すると、ナセル３から離れるに従って第２風速計６を支持する支持部品が長大化するとともに、第２風速計６がナセル３及びタワー２から遠退き第２風速計６の点検・整備が難しくなる。図１に示すように、第１風速計５及び第２風速計６をナセル３の上方に配置する方が、第１風速計５及び第２風速計６の取付構造が簡素化、短小化し、点検・整備にも難が少ない。

ナセルをモデル化したナセルモデル７を作成し、風洞試験を行い風速比の相関を求めた。
図３は、ナセルモデル７に対し、吹上角０[deg]の一様流８が吹き付けられた場合の風速分布をで示した図であり、風速は、一様流８の風速を１．０として相対的に示している。ナセルモデル７は、直方体で、高さが１、長さが４、幅が３である。幅は図面に垂直な方向である。吹上角を１５[deg]とし、その他を同一条件として計算した図を図４に示す。なお、図３において下半分の風速分布は上半分の等高線と対称に現れるため省略している。

図３及び図４において、ナセルモデル７の上方の点Ｐ，Ｑ，Ｒに注目する。図３及び図４における矢印Ｄ方向から見たナセルモデル７の上面図を図５に示す。
図５に示すように本試験では、点Ｐ，Ｑ，Ｒを中心線Ｅ上に配置した。なお、図５に示すように、ナセルの上面の両側１／４ずつの両側縁部（９及び１０）を除く中央部１１の上方に第１風速計５を配置することが好ましい。両風速計ともに中央部１１の上方から外れてしまうと、吹上角による風速の変化がいずれの風速計においても感度良く安定して得られず、吹上角の計測精度が落ちるからである。

図３に示すように、吹上角０[deg]時、点Ｐ，Ｑでは１．０を超え、点Ｒでは１．1を超えている。点Ｐ，Ｑ，Ｒのうちいずれの点においても、ナセルの影響をうけて風速が上流の一様流８の風速に対して変化していることがわかる。

図４から、吹上角１５[deg]時、点Ｐは０．５、Ｑは１．３を超え、点Ｒは約１．２と読み取れる。吹上角０[deg]時と比較すると、点Ｐにおける風速が著しく低下するのに対し、点Ｑ，Ｒは低下せずやや上昇しており、吹上角の変化に対する風速の変化の関係がナセルに対する位置により異なることがわかる。

点Ｐ，Ｑ，Ｒ、吹上角０〜１４[deg]について、点Ｐの風速に対する点Ｑの風速（風速比Ｑ/Ｐ）と、点Ｐの風速に対する点Ｒの風速（風速比Ｒ/Ｐ）を計算し、吹上角の変化に対する風速比Ｑ/Ｐ、風速比Ｒ/Ｐの変化を表すグラフを図６に示す。いずれのグラフも、一の風速比に対し一の吹上角が対応するグラフとなった。

風速比相関データは、以上のような風洞試験によりデータを取得して作成しても良いし、風洞シミュレーションに加えて風洞試験を行ってデータを取得して作成しても良い。

風速比Ｑ/Ｐのデータを利用する場合、風速比Ｑ/Ｐのデータを風速比相関データとして制御装置のメモリに記憶させておく。第１風速計５を点Ｐの位置に配置し、第２風速計６を点Ｑの位置に配置する。
風速比Ｒ/Ｐのデータを利用する場合、風速比Ｒ/Ｐのデータを風速比相関データとして制御装置のメモリに記憶させておく。第１風速計５を点Ｐの位置に配置し、第２風速計６を点Ｒの位置に配置する。
水平軸風車１の実稼動時、両風速計５，６がそれぞれ風速を計測し、計測値を制御装置に出力する。制御装置の風速比算出手段は、第１風速計５から受けた計測値に対する第２風速計６から受けた計測値の比を算出する。なお、この計算に用いる両風速計５，６の計測値は同時に計測されたものである。
次に、制御装置の吹上角算出手段は、メモリから風速比相関データを読み出し、当該風速比相関データ上で、風速比算出手段により算出した風速比に対応する吹上角を算出する。例えば、風速比Ｑ/Ｐのデータを利用する場合、図６に示すように、算出した風速比が２．０であれば、吹上角８．２［deg]と算出する。

以上の実施形態に拘らず、ダウンウィンド型の水平軸風車をアップウィンド型の水平軸に置き換えて実施することもできる。その場合、シミュレーション、実験等を行って、所望の吹上角範囲において両風速計の風速比の一の値から必ず吹上角の一の値が定まるように、両風速計の配置を選択する。

また、風速比という形態に拘らず、両風速計がそれぞれ計測した風速に基づいて吹上角を計算すればよい。例えば、両風速計の風速の組合せと吹上角との対応を記述したデータテーブルを作成してメモリに記憶しておき、このデータテーブルを参照する演算において両風速計の計測値を入力し、出力として吹上角を得ても良い。

本発明の一実施形態に係る水平軸風車の概略図である。 本発明の他の一実施形態に係る水平軸風車の概略図である。 本発明の一実施形態に係る吹上角０[deg]時の風速コンタ図である。 本発明の一実施形態に係る吹上角１５[deg]時の風速コンタ図である。 図３及び図４における矢印Ｄ方向から見たナセルモデルの上面図である。 本発明の一実施形態に係る吹上角の変化に対する風速比の変化を表すグラフである。

符号の説明

１ 水平軸風車
２ タワー
３ ナセル
４ ロータ
５ 第１風速計
６ 第２風速計
７ ナセルモデル
８ 風速１．０の一様流

Claims (13)

1. 水平軸風車のロータの回転軸を支持するナセルの上方に一の風速計を配置し、前記回転軸方向又は／及び上下方向について前記一の風速計と異なる位置に他の一の風速計を配置し、前記両風速計がそれぞれ計測した風速に基づいて吹上角を計算する吹上角計測方法。
2. 水平軸風車のロータの回転軸を支持するナセルの上方に一の風速計を配置し、前記回転軸方向又は／及び上下方向について前記一の風速計と異なる位置に他の一の風速計を配置し、前記両風速計がそれぞれ計測した風速の比に基づいて吹上角を計算する吹上角計測方法。
3. 前記両風速計を前記ナセルの上方に配置して前記両風速計により風速を計測することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の吹上角計測方法。
4. 前記他の一の風速計を前記ナセルの上方から外して配置して前記両風速計により風速を計測することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の吹上角計測方法。
5. 前記他の一の風速計を前記ナセルの先端から風上側に配置して前記両風速計により風速を計測することを特徴とする請求項４に記載の吹上角計測方法。
6. ロータの回転軸を支持するナセルと、
   前記ナセルの上方の該ナセルに対する定位置に固定された一の風速計と、
   前記回転軸方向又は／及び上下方向について前記一の風速計と異なる前記ナセルに対する定位置に固定された他の一の風速計と、
   前記両風速計がそれぞれ計測した風速に基づいて吹上角を計測する吹上角計測手段とを備えることを特徴とする水平軸風車。
7. 前記吹上角計測手段は、
   前記両風速計がそれぞれ計測した風速の風速比を算出する風速比算出手段と、
   風速比と吹上角との相関関係を示すデータが記録された記録手段と、
   前記記録手段に記録された前記風速比相関データ上で、前記風速比算出手段により算出した風速比に対応する吹上角を算出する吹上角算出手段と、
   を有することを特徴とする請求項６に記載の水平軸風車。
8. 前記吹上角計測手段は、
   前記両風速計がそれぞれ計測した風速の組合せと吹上角との対応を記述したデータテーブルが記録された記録手段と、
   前記両風速計の計測値が入力され、前記記録手段に記録された前記データテーブル上で入力された前記両風速計の計測値に対応する吹上角を算出する吹上角算出手段と、
   を有することを特徴とする請求項６に記載の水平軸風車。
9. 前記両風速計が前記ナセルの上方に配置されていることを特徴とする請求項６、請求項７又は請求項８に記載の水平軸風車。
10. 前記他の一の風速計が前記ナセルの上方から外れて配置されていることを特徴とする請求項６、請求項７又は請求項８に記載の水平軸風車。
11. 前記他の一の風速計が前記ナセルの先端から風上側に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の水平軸風車。
12. 前記両風速計が前記ナセルに支持されていることを特徴とする請求項６から請求項１１のうちいずれか一に記載の水平軸風車。
13. 前記ナセルの幅を１として前記ナセルの上面の両側１／４ずつの両側縁部を除く中央部の上方に前記一の風速計が配置されていることを特徴とする請求項６から請求項１２のうちいずれか一に記載の水平軸風車。

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