JP6370638B2

JP6370638B2 - ウィンドファーム及びその配置構造

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Publication number: JP6370638B2
Application number: JP2014167729A
Authority: JP
Inventors: ヒョン李，イク
Original assignee: 斗山重工業株式会社
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2018-08-08
Anticipated expiration: 2034-08-20
Also published as: US9429143B2; EP2910780A1; EP2910780B1; JP2015155690A; KR101458786B1; US20150233356A1

Description

本発明は、ウィンドファーム、その配置構造、及び風力発電ユニットに係り、より詳しくは、風力発電ユニットの相互間の渦干渉を最小化して同一面積により多い風力発電ユニットを配置して風力発電ユニットの集積度を向上させたウィンドファーム、その配置構造、及び風力発電ユニットに関する。

風力発電は、風の運動エネルギーをブレードの回転エネルギーに転換し、最終的にナセル（ｎａｃｅｌｌｅ、発電機室）内部の発電機を駆動して電力を生産する発電である。
一般的に、ウィンドファーム（ｗｉｎｄ＿ｆａｒｍ、集合型風力発電所）の場合、図１に示したように、そのブレードが時計方向に回転する複数個の風力発電ユニットＡ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３、Ｃ１〜Ｃ３を含み、該風力発電ユニットは相互間の干渉を回避するために相互間に十分な縦（前後）方向の間隔と横（左右）方向の間隔を確保して配置される。従って、数個、数十個、数百個の風力発電ユニットを含むウィンドファームの造成において最優先の課題は、十分な土地を確保することである。

一方、単位土地面積当たりの発電容量を高めるためには、風力発電ユニット間の間隔を狭めることが望ましいが、この場合、各風力発電ユニットのブレード回転によって発生する渦干渉によりブレードに振動が発生する。このような振動の影響で風力発電ユニットの寿命が短縮される場合があるので、現実的に風力発電ユニット間の間隔を狭めることには限界が存在する。

より具体的には、図２（ａ）に示したように、縦（前後）方向に隣接する発電ユニットの間では、前方の発電ユニットのブレードを通過した風はブレードと衝突しながらブレードの回転方向とは反対方向に進行する後方渦流（以下、後流ともいう）を発生する。即ち、図２（ａ）を参照すれば、例えば発電ユニットＡ１の場合、そのブレードが時計方向に回転すると反時計方向への後方渦流が発生して発電ユニットＢ２に伝達される。

図３は、このような後方渦流の影響をより具体的に示した図である。図３に示したように、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１の風力発電ユニットは、全て縦（前後）方向に配置され、ブレードは全て同一の時計方向に回転している。この場合、縦（前後）方向の全ての風力発電ユニットには、反時計方向に回転する後方渦流が発生し、Ａ１からＢ１、Ｃ１側に行くほど後方渦流が重畳されて漸進的に増幅されることが確認できる。このように、従来のウィンドファームでは、前記縦（前後）方向の後方渦流の影響を回避するために上述のように十分な距離を置いて風力発電ユニットを縦（前後）方向で配置する必要がある。

一方、横（左右）方向に隣接する発電ユニットの間では、各風力発電ユニットのブレードを通過した風は、ブレードと衝突しながらブレードの回転方向とは反対方向に回転する渦流を発生させる。即ち、図８を参照すれば、Ａ１の場合、反時計方向に回転する渦流が発生し、同様にＡ２の場合も反時計方向に回転する渦流が発生する。このような渦流は回転境界面で相互に衝突しながら各ブレードの振動を発生させる。

より具体的には、従来の場合、複数の風力発電ユニットを設置する場合、前方に設置された風力発電ユニットが発生させた後流による、その後方に設置された風力発電ユニットの効率減少を最小化するためには、ローター（Ｒｏｔｏｒ）直径の約７倍相当の縦（前後）方向間隔を維持する必要があり、左右に設置された風力発電ユニットが発生させた渦流の干渉による風力発電ユニットの効率減少と振動防止のためには、ローター直径の約４倍相当の横（左右）方向間隔を維持する必要があったので、ウィンドファームでの風力発電ユニットの集積度を高めることに限界が存在した。

従って、本発明は上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、ウィンドファームにおける風力発電ユニットの設置間隔を狭めて単位面積当たり風力発電ユニットの設置台数を増加して土地の利用率を高めると同時に、相互渦流による影響を減少することにより風力発電ユニットの寿命を向上するウィンドファーム、ウィンドファームの配置構造を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明によるウィンドファームは、水平に回転する回転軸と、前記回転軸の前方端部に位置されたハブと、前記ハブに対して放射状に固設される２個以上のエアフォイル形態のブレードと、前記ハブに設置された前記ブレードのピッチ角を調節するピッチ制御システムと、前記回転軸の方向を風向に対応するようにナセルを含んだ回転軸を、タワー（支柱）を基準として水平回転させるヨー制御システムと、を含む複数個の風力発電ユニットから構成されたウィンドファームであって、前記複数個の風力発電ユニットは、相互間の渦干渉を避けるために一定距離だけ離隔して配置され、前記ブレードが同一の第１の回転方向に回転する１個以上の風力発電ユニットと、前記第１の回転方向に回転するブレードを有する風力発電ユニットに対して前後又は左右に隣接した位置に配置され、前記ブレードが前記第１の回転方向とは反対の第２の回転方向に回転する少なくても１個以上の風力発電ユニットと、を含み、前記第１の回転方向に回転するブレードを有する風力発電ユニットと前記第２の回転方向に回転するブレードを有する風力発電ユニットとは、相互に隣接した位置に交互に配置され、相互に反対方向にブレードが回転することにより、各々のブレードにより発生する渦流による空力効率減少と空力振動発生を防止し、前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットが各１個以上配置され、縦（前後）方向及び／又は横（左右）方向に隣接した位置に交互に配置され、前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットの中で１個以上の風力発電ユニットは、回転軸の水平方向が縦（前後）方向又は横（左右）方向に隣接した位置に配置された他の風力発電ユニットの回転軸の水平方向と相異なるようにヨー制御することを特徴とする。

本発明によれば、隣接する風力発電ユニットの間の縦方向及び横方向渦流の影響が減少するので、一層近接した配置が可能である。従って、渦流の影響により発生する振動による製品寿命短縮の問題点を解消すると共に土地利用率を大きく向上できる。

また、渦流の影響を減少することに伴い、なお発生する渦流は、その程度によってピッチ制御とヨー制御を通じて過度な振動から製品寿命短縮を予防できる。
より具体的には、前方と後方に設置された風力発電ユニットのブレードの回転方向を互いに反対に設定し、前方の風力発電ユニットとの縦（前後）方向間隔によって変化する流入渦流のベクトル（Ｖｅｃｔｏｒ）成分に適合するようにピッチ制御とヨー制御を実行すれば、約２〜７倍以下のローター直径相当の縦（前後）方向間隔のみで前方に設置された前方の風力発電ユニットが発生した後流による効率減少と振動発生を最小化できる。

また、左、右に設置された風力発電ユニットのブレードの回転方向を互いに反対に設定し、右、左に設置された風力発電ユニットからの横（左右）方向間隔によって変化する回転流動干渉の範囲をピッチ制御とヨー制御を利用して最小化できるので、約２〜４倍以下のローター直径相当の横（左右）方向間隔のみで左右に設置された風力発電ユニットが発生した回転流動を効率的に利用し且つ回転流動干渉による効率減少と振動発生を最小化できるので、制限された面積のウィンドファームで電気出力を極大化できる利点がある。

即ち、２個以上の水平軸の風力発電ユニットが設置されたウィンドファームにおいて、ブレードの回転方向の選定、ブレードの角度を調節するピッチ制御（Ｐｉｔｃｈｃｏｎｔｒｏｌ）、風向の変化に従ってローターの左右角度を調節するヨー制御（ＹａｗＣｏｎｔｒｏｌ）を通じて各風力発電ユニット間の回転流動干渉を最小化し、周辺の風力発電機が発生した回転流動をむしろ逆に利用して特別な追加的な設備や装置なしに、制限されたウィンドファーム面積において風力発電ユニットの設置数量を極大化できる利点がある。

は、従来のウィンドファームを示した風力発電ユニットの配置図である。（ａ）及び（ｂ）は、従来のウィンドファームにおいて、縦方向に隣接する風力発電ユニットを示した図である。は、図２の縦方向渦流の後流干渉を示した図である。は、従来のウィンドファームにおいて、縦方向に隣接する風力発電ユニットの受ける風速と回転力を示した図である。は、図４のＡ１−１を示した拡大図である。は、図４のＢ１−１を示した拡大図である。は、図４のＢ１−２を示した拡大図である。は、従来のウィンドファームにおいて、横方向に隣接する風力発電ユニットを示した図である。は、従来のウィンドファームにおいて、横方向に隣接する風力発電ユニットを示した図である。は、図９の縦方向渦流の左右干渉を示した図である。（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施例によるウィンドファームの縦方向の風力発電ユニットの配置を示した配置図である。は、本発明の一実施例による縦方向渦流の後流干渉を示した図である。は、本発明の一実施例による縦方向に隣接する風力発電ユニットの速度と強度を示した図である。は、図１３のＡ１−１を示した拡大図である。は、図１３のＢ１’−１を示した拡大図である。は、図１３のＢ１’−２を示した拡大図である。は、図１３のＣ１−１を示した拡大図である。は、本発明の一実施例によるウィンドファームの横方向の風力発電ユニットの配置を示した図である。は、本発明の一実施例によるウィンドファームの横方向の風力発電ユニットの配置を示した図である。は、本発明の一実施例による横方向渦流の後流干渉程度を示した図である。は、本発明の一実施例によるウィンドファームを示した配置図である。は、本発明の一実施例によるウィンドファームの各ユニット間の縦方向配置角度（θ_Ｔ）、横方向配置角度（θ_Ｓ）、縦方向配置間隔（Ｔ）、横方向配置間隔（Ｓ）、ローター（Ｒｏｔｏｒ）直径（Ｄ）、及び風力発電ユニットの回転軸の高さ（Ｈ）を示した図である。は、本発明の一実施例による風力発電ユニットの配置方法を示した図である。は、本発明の一実施例による風力発電ユニットの配置方法を示した図である。は、本発明の一実施例による風力発電ユニットの配置方法を示した図である。は、本発明の一実施例による風力発電ユニットの配置方法を示した図である。は、本発明の一実施例による風力発電ユニットの配置方法を示した図である。は、本発明の一実施例による風力発電ユニットの配置方法を示した図である。は、本発明の一実施例によるヨー制御を示した図である。

以下、添付図面を参照して本発明の具体的な実施例を詳しく説明する。
図１１（ａ）、図１１（ｂ）以後の図面は、本発明によるウィンドファームの行・列配置をなす風力発電ユニットに関する配置構造を示す。添付図面において、Ａ〜Ｅなどのアルファベットは、列を示し、１〜５などの数字は、行を示す。

一方、上添字「’」は、基準になる風力発電ユニットのブレード回転方向（例えば、時計方向）と反対方向（例えば、反時計方向）に回転するブレードを有する風力発電ユニットを示す。

即ち、風力発電ユニットＡ１を基準とする場合、Ｂ１’は、縦（前後）方向に隣接して、そのブレードが反対方向に回転する風力発電ユニットを示し、Ａ２’は、横（左右）方向に隣接して、そのブレードが反対方向に回転する風力発電ユニットを示す。

本発明によるウィンドファームは、基本的に風力発電ユニットが縦方向及び横方向に一定距離だけ離隔して配置され、１個以上の第１の回転方向を有する風力発電ユニットと、１個以上の第２の回転方向を有する風力発電ユニットと、を含む。
ここで、「１個以上」は、回転方向の個数ではなく風力発電ユニットの個数を意味する。

また、「第１の回転方向を有する風力発電ユニット」と「第２の回転方向を有する風力発電ユニット」は、相互に反対方向に回転するブレードを有する風力発電ユニットの各々を指称する意味で使われる。例えば、「第１の回転方向を有する風力発電ユニット」が時計方向に回転するブレードを有する風力発電ユニットである場合、「第２の回転方向を有する風力発電ユニット」は、反時計方向に回転するブレードを有する風力発電ユニットを意味する。もちろん、その反対も成立し得る。

また、空間効率を高めると同時に相互間の渦流の重畳及び干渉を最小化するために、前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと相互に隣接した位置に、前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットの回転方向と反対の第２の回転方向を有する風力発電ユニットを交互に配置する。

ブレードが同一の方向に回転する風力発電ユニットを隣接して配置する場合、渦流の重畳と干渉により過度な振動が発生して風力発電ユニットの寿命を大きく短縮する恐れがあるが、本発明による実施例では、ブレードが反対方向に回転する風力発電ユニットを隣接する位置に交互に配置されるので、このような渦流の重畳を相殺し、干渉を最小化させて、空間活用の効率を高めると同時に振動による風力発電ユニットの寿命短縮問題を解消できる。

即ち、第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットを、縦方向及び／又は横方向に相互に隣接した位置に設置すれば、相互に反対方向にブレードが回転するので、各々のブレードから発生する渦流の影響を相互に減少できる。

以下、各々の場合に対してより詳しく説明する。
図２（ａ）、図２（ｂ）、図３、図４〜図７は、ブレードが同一の回転方向を有する風力発電ユニットを縦（前後）方向に配置する従来技術の場合の問題点を示す。

図２（ｂ）は、従来のウィンドファームにおいて、縦（前後）方向に隣接する風力発電ユニットを示す図として、縦（前後）方向にＡ１、Ｂ１、Ｃ１の、同一の第１の回転方向を有する風力発電ユニットが配置される。

図３において、主風方向（Ｐｒｅｖａｉｌｉｎｇｅｎｅｒｇｙｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）（図中の矢印「風」）に対して１番目の列に設置された風力発電ユニットＡ１は、前方に設置された風力発電ユニットがないので強い後流はないが、亜音速流動場で現われる前方流動は、風力発電ユニットの回転方向（時計方向）と反対の方向（反時計方向）の弱い渦干渉を発生し、この流動は、１番目の列に設置された風力発電ユニットＡ１を通過しながら該風力発電ユニットの回転方向とは反対方向に回転する強い渦流に変わり、この強い渦流は、風力発電ユニット間の縦（前後）方向の間隔が狭いほど２番目の列に設置された風力発電ユニットＢ１に一層強く流入し、２番目の列に設置された同一の方向に回転する風力発電ユニットＢ１を通過することによって回転力が更に一層発達して、３番目の列に設置された風力発電ユニットＣ１に流入する。

最初に図４〜図７を参照して、同一の回転方向を有する風力発電ユニットを縦（前後）方向に配置する従来技術による場合の問題点を説明する。
図４〜図７に示したように、２番目の列に設置された風力発電ユニットＢ１のブレードに到逹した、ブレードの回転方向と反対方向に回転する強い渦流は、風力発電ユニットの水平軸と垂直な流動成分を含んでいるので、ブレードの回転によって発生する相対速度を増加させる一方、風力発電ユニットの水平軸と平行な流動成分（風速）は、相対的に減少して、図５及び図６に示すように、θ_ｗ２がθ_ｗ１より増加してエアフォイル（ＡｉｒＦｏｉｌ）型のブレードピッチ角（Ｐｉｔｃｈａｎｇｌｅ）を、図７に示したように、風力発電ユニットの後方に調整すれば効率的な流動入射角を維持できる。

このような現象は、３番目の列に設置された風力発電ユニットＣ１の場合には、２番目の列に設置された風力発電ユニットＢ１の通過によって回転力が更に一層発達した、風力発電ユニットの回転方向と反対方向に回転する渦流により一層深化する。

従って、図７に示したように、ブレード断面を基準として効率的な流動入射角を維持するためには、ブレードピッチ角を風力発電ユニットの後方に（ピッチ角の値が負数、即ち、−α値になるように）調整する必要があり、このようにすれば、ブレードの揚力が反対に作用する効果が発生して、結果的に、空力効率が顕著に低下するか又は甚だしい場合には期待した回転方向とは反対方向に回転力が発生して逆回転現象が発生する。

このような逆回転現象を防止するためには、流動入射角が非効率的であっても既存の流動入射角を維持するしかないが、この場合にも空力効率の低下とエアフォイル型のブレード断面で最適流動の入射角と実際流動の入射角の不一致により空力振動を発生する。

以上に対して、図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１２、図１３〜図１７は、本発明による配置構造であって、ブレード回転方向が相互に反対である風力発電ユニットを縦（前後）方向に一定距離だけ離隔して交互に配置された構造を示す。

図１１（ｂ）は、本発明の一実施例によるウィンドファームの縦（前後）方向の風力発電ユニットの配置を示した配置図であって、第１の回転方向を有する風力発電ユニットＡ１の後方に第２の回転方向を有する風力発電ユニットＢ１が配置され、第２の回転方向を有する風力発電ユニットＢ１’の後方に第１の回転方向を有する風力発電ユニットＣ１が配置される、即ち、回転方向が相互に反対である風力発電ユニットが縦（前後）方向に隣接して交互に配置される。

図１２に示したように、主風方向（図中の矢印「主風方向」）に対して１番目の列に設置された風力発電ユニットＡ１は、前方に設置された風力発電ユニットがないので強い後流はないが、亜音速流動場で現われる前方流動は、風力発電ユニットの回転方向とは反対の方向の弱い渦干渉を発生し、この流動は、１番目の列に設置された風力発電ユニットＡ１を通過しながら該風力発電ユニットの回転方向とは反対方向に回転する強い渦流に変わり、この強い渦流は、風力発電ユニット間の縦（前後）方向が狭いほど２番目の列に設置された風力発電ユニットＢ１’に一層強く流入し、２番目の列に設置された反対方向に回転する風力発電ユニットＢ１’を通過することによって流動の回転方向が反対に変わり、回転方向が反対である入口流動の影響により出口流動の回転力が弱化した状態で（水平方向流動成分が回復された状態で）３番目の列に設置された風力発電ユニットＣ１に流入する。

２番目の列に設置された風力発電ユニットＢ１’のブレードは、前方の風力発電ユニットとは反対方向に回転するので、図１３に示したように、２番目の列に設置された風力発電ユニットＢ１’に到達した後流は、Ｂ１’ブレードの回転方向と同一の回転方向を有するようになり、この渦流が含んでいる風力発電ユニットの水平軸と垂直な流動成分は、ブレードの回転によって発生する相対速度を減少させるが、風力発電ユニットの水平軸と平行な流動成分（風速）は、相対的に減少して、結局、図１４及び図１５に示すように、θ_ｗ２０がθ_ｗ１０より減少してエアフォイル型のブレードピッチ角を、図１６に示したように、風力発電ユニットの前方に調整すれば効率的な流動入射角を維持できる。

このような現象は、３番目の列に設置された風力発電ユニットＣ１の場合には、２番目の列に設置された風力発電ユニットＢ１’の通過によって回転力が低下された２番目の列に設置された風力発電ユニットＢ１’の回転方向とは反対方向に回転する渦流により一層緩和されて、１番目の列に設置された風力発電ユニットＡ１の入射流動と類似した状態になり、３番目の列に設置された風力発電ユニットＣ１の以後にもこのような渦流の強度は緩和された状態を維持する。

従って、図１６に示したように、ブレード断面を基準で効率的な流動入射角を維持するためには、ブレードピッチ角を風力発電ユニットの前方に（ピッチ角の値が陽数、即ち、＋値になるように）調整する必要があり、このようにすれば、ブレードの揚力が正方向に作用して、結局、ブレードは期待した回転方向と同一な方向に回転力が発生して、エアフォイル型のブレード断面の正回転により空力効率の一部分を正常化できる。

この場合には、エアフォイル型のブレード断面で最適流動の入射角と実際流動の入射角が一致するようにピッチ制御を通じて達成できるので、空力効率の低下を部分的に改善でき且つ空力振動を防止できる。

また、３番目の列と３番目の列の以後に設置された風力発電ユニットの場合、即ち、Ｃ１以後には、２番目の列に設置された風力発電ユニットＢ１’とは異なり、入口流動の螺旋形回転強度が緩和されて前方に設置された風力発電ユニットの後流影響を最小化できるので、１番目の列に設置された風力発電ユニットＡ１と類似の空力効率を期待できる。

結論的に、前方の風力発電ユニットと同一の方向に回転する風力発電ユニットの縦（前後）方向配列では、上のような理由により前方に設置された風力発電ユニットと十分な縦（前後）方向間隔を維持する必要があったが、前方の風力発電ユニットと反対方向に回転する風力発電ユニットの縦（前後）方向配列では、このような縦（前後）方向の間隔を最小化できるので、制限されたウィンドファーム面積で風力発電ユニットの設置数量を極大化できる利点がある。

このように、縦（前後）方向に相互隣接する位置にブレードの回転方向が相互に反対である風力発電ユニットを交互に配置することにより、隣接する風力発電ユニットの縦方向間隔を最小化すると同時に相互に隣接する風力発電ユニット間の縦方向渦流の影響を低減できるので、結果的には、各風力発電ユニット間の縦方向の間隔を狭くして空間活用度を増加できる。

一方、以下では横（左右）方向渦流の影響を示した図８、図９、及び図１０、並びに、図１８、図１９、及び図２０を参照して本発明の一側面を説明する。
最初に図８、図９、及び図１０を参照して、同一の回転方向を有する風力発電ユニットを横（左右）方向に配置する従来技術による場合の問題点を説明する。

図９は、従来のウィンドファームにおいて、横（左右）方向に隣接する風力発電ユニットを示した図であって、横（左右）方向にＡ１とＡ２、Ｂ１とＢ２、Ｃ１とＣ２のように第１の回転方向を有する風力発電ユニットが配置される。

図１０において、ブレードが同一な方向に回転する風力発電ユニットを横（左右）方向に配列すれば、各風力発電ユニットの回転方向とは反対の回転方向を有する渦流が風力発電ユニットの後方に発生し、風力発電ユニットの横（左右）方向の間隔が狭い場合、この渦流はお互いに衝突し、また回転方向が同一であるので衝突面で予測しにくい乱流に変わり流動干渉が深くなるだけではなく、このような現象は、後側列に配置された風力発電ユニットにおいてはこのような後流影響が漸次的に拡大されて流動干渉が一層激化する。

従って、風力発電ユニット自体の空力効率と空力振動の発生に悪影響を及ぼすので、期待する空力効率の達成と振動防止のためには、十分な横（左右）方向の間隔を維持するしかない。

一方、図１８、図１９、及び図２０は、本発明による配置構造として、横（左右）方向に隣接する風力発電ユニットが相互に反対方向に回転するように配置された場合を示す。
図１９は、本発明の一実施例によるウィンドファームの横（左右）方向の風力発電ユニットの配置を示した配置図であって、第１の回転方向を有する風力発電ユニットであるＡ１の右側に、第２の回転方向を有する風力発電ユニットであるＡ２’が配置され、第２の回転方向を有する風力発電ユニットであるＢ１’の右側に、第１の回転方向を有する風力発電ユニットであるＢ２が配置されており、このように回転方向が相互に反対の風力発電ユニットが横（左右）方向に隣接して交互に配置される。

図２０において、ブレードが反対方向に回転する風力発電ユニットを横（左右）方向に配置すれば、各風力発電ユニットの回転方向とは反対の回転方向を有する過流が風力発電ユニットの後方に発生し、風力発電ユニットの横（左右）方向の間隔が狭い場合、この過流はお互いに衝突するが、回転方向が反対であるので、衝突面散乱されることなく各流動の回転方向が維持され、流動干渉が低減されて流動干渉が緩和されるだけではなく、このような現象は、後側列に配置された風力発電ユニットにはこのような後流影響が緩和された状態で維持されて流動干渉が減少する。

従って、風力発電ユニット自体の空力効率と空力振動発生に及ぶ悪影響を最小化できるので、ブレードが同一方向に回転する風力発電ユニットの横（左右）方向の配列より狭い横（左右）方向の間隔でも期待する空力効率を達成できる。
また、設定された横（左右）方向の間隔によって渦干渉を最小化して空力効率を極大化できるようにピッチ制御を実行すれば、ブレードの回転によって発生する渦流の大きさと回転強度を効率的に制御できるので、設定された横（左右）方向の間隔で空力効率を極大化できる。

また、図２９に示したように、ヨー制御を通じて風力発電ユニットの回転軸の方向を個別的に適切に制御すれば、渦流の干渉範囲を制御できるので、設定された縦（前後）方向の間隔と横（左右）方向の間隔において振動を防止すると共に空力効率を最適化できる。

結論的に、従来技術によるブレードが同一な方向に回転する風力発電ユニットの横（左右）方向の配列では、上述の理由により左右に配置された風力発電ユニットと十分な横（左右）方向に間隔を維持する必要があったが、本発明によれば、」隣接した左右の風力発電ユニットとは反対方向に回転方向を設定し、ピッチ制御とヨー制御を通じて渦流の干渉範囲を制御できるので、横（左右）方向配列に配置された風力発電ユニットで横（左右）方向の間隔を最小化でき、制限されたウィンドファーム面積において風力発電ユニットの設置数量を極大化できる利点がある。

図２１は、上述した図１１（ａ）、図１１（ｂ）の縦（前後）方向の配置が複数列に対して適用された配列と、図１８、図１９の横（左右）方向の配置が複数行に対して適用された配列を総合した図である。
即ち、図１１（ａ）、図１１（ｂ）と図１８、図１９を基準にすると、各風力発電ユニットは、何れの風力発電ユニットを中心にとっても、前／後／左／右の風力発電ユニットとは反対方向に回転するように配置されているので、相互間の縦（先後）方向及び横（左右）方向の渦干渉を同時に減少するという特徴を有する。

例えば、図面の中心に位置する風力発電ユニットＣ３に着目すると、前方に位置するＢ３’、後方に位置するＤ３’、左側に位置するＣ２’、及び右側に位置するＣ４’は、全てそのブレードが反対方向に回転する。

これは、Ｃ３だけではなく、図２１に示した全ての風力発電ユニットに共通に適用可能である。
図２１において、第１の回転方向を有する風力発電ユニットＡ１の後方と右側には、第２の回転方向を有する風力発電ユニットＢ１’とＡ２’が各々配置され、第２の回転方向を有する風力発電ユニットＢ１’の後方と右側には、第１の回転方向を有する風力発電ユニットＣ１とＢ２が各々配置され、第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットが相互に隣接して交互に配置される。

ここで、風力発電ユニットＡ１、Ａ２’、Ａ３、Ａ４’、Ａ５は、例示的に一部のみを示しており、Ａ６’、Ａ７、…など横方向への拡張が容易に考慮できる。同様に、Ａ１、Ｂ１’、Ｃ１、Ｄ１’、Ｅ１も例示的に一部のみを示したもので、Ｆ１’、Ｇ１、…など縦（前後）方向への拡張が容易に考慮できる。

従って、図１に示した従来技術に係わる、第２の回転方向を有する風力発電ユニットが含まれないＡ１、Ｂ１、Ｃ１の縦（前後）方向の間隔、及びＡ１、Ａ２、Ａ３の横（左右）方向の間隔は、図２１で示した本発明に係わり、第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットを隣接した位置に交互に配置する場合には、より密集しても流動干渉の恐れが無いことは自明であろう。

一方、図２２では、本発明のウィンドファームに配置される各風力発電ユニットの回転軸をＲ．Ａ．（ＲｏｔａｔｉｏｎａｌＡｘｉｓ）で示し、前記回転軸を平面上に投影した線及び主風方向を、縦（前後）方向及び横（左右）方向に配置された風力発電ユニットに対して示したものである。

ここで、θ_Ｔは、隣接した風力発電ユニット間の縦（前後）方向の配置の主風方向に対する角度を示し、θ_Ｓは、横（左右）方向の配置の主風方向に対する角度を示し、Ｔは、縦（前後）方向の間隔を示し、Ｓは、横（左右）方向の間隔を示し、Ｄは、ローター（Ｒｏｔｏｒ）直径を示し、Ｈは、回転軸の高さを示す。

図２３と図２４は、ウィンドファームにおける風力発電ユニットの配置は一般に、地形的、気候的又は環境的な影響により主風方向を基準として正確に垂直線上又は水平線上に配置できないので、縦（前後）方向の配置角度θ_Ｔは、主風方向に平行な垂直線を基準にして左右各４５゜以下の範囲に風力発電ユニットを配置されることを示し、横（左右）方向の配置角度θ_Ｓは、主風方向に直角な水平線を基準にして左右各４５゜以下の範囲に風力発電ユニットを配置されることを示す。

図２５と図２６は、本発明のウィンドファームに配置される多様なローター（Ｒｏｔｏｒ）直径を有する風力発電ユニットを配置する方法を示す。ここで、Ａ１、Ｂ１’とＡ１、Ａ２’は、例示的に一部のみを示しており、前後又は左右に位置を変えて配置するか、前後又は左右方向に拡張することが容易に考慮できる。

図２７と図２８は、本発明のウィンドファームに配置される多様な回転軸の高さを有する風力発電ユニットを配置する方法を示す。ここで、Ａ１、Ｂ１’とＡ１、Ａ２’は、例示的に一部のみを示しており、前後又は左右に位置を変えて配置するか、前後又は左右方向に拡張することが容易に考慮できる。

図２９は、本発明のウィンドファームで隣接した前後又は左右の風力発電ユニットによって発生した渦流による渦干渉を、風力発電ユニットの回転軸の方向を個別的に適切に左右方向に回転させるヨー制御を通じて最小化するための方法を例示的に一部のみを示しており、前後列又は左右行への拡張が容易に考慮できる。

添付図面は、本発明の好ましい実施例を説明するために例示的に風力発電ユニットの配置関係を一部のみを示しており、実施風力発電ユニットの構造的仕様と設置敷地の地理的、気候的及び環境的条件によってその配置関係は変更できる。

また、特定しない限り、技術的や科学的な用語を含んで本発明で使用する全ての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者であれば理解できるであろう。また、本発明で明白に定義しない限り、理想的や過度に形式的な意味で解釈してはならない。

以上、本発明の実施例を部分的に記述したが、これはあくまでも例示に過ぎず、本発明の思想から逸脱しない範囲で様々な変形と変更が可能であるという事実は当業者には明らかであろう。また、そのような変形と変更が全部本発明の権利範囲に属することは、添付した請求の範囲でより明らかになる。

Claims

水平に回転する回転軸と、
前記回転軸の前方端部に位置されたハブと、
前記ハブに対して放射状に固設される２個以上のエアフォイル形態のブレードと、
前記ハブに設置された前記ブレードのピッチ角を調節するピッチ制御システムと、
前記回転軸の方向を風向に対応するようにナセルを含んだ回転軸を、タワー（支柱）を基準として水平回転させるヨー制御システムと、を含む複数個の風力発電ユニットから構成されたウィンドファームであって、
前記複数個の風力発電ユニットは、相互間の渦干渉を避けるために一定距離だけ離隔して配置され、前記ブレードが同一の第１の回転方向に回転する１個以上の風力発電ユニットと、
前記第１の回転方向に回転するブレードを有する風力発電ユニットに対して前後又は左右に隣接した位置に配置され、前記ブレードが前記第１の回転方向とは反対の第２の回転方向に回転する少なくても１個以上の風力発電ユニットと、を含み、
前記第１の回転方向に回転するブレードを有する風力発電ユニットと前記第２の回転方向に回転するブレードを有する風力発電ユニットとは、相互に隣接した位置に交互に配置され、相互に反対方向にブレードが回転することにより、各々のブレードにより発生する渦流による空力効率減少と空力振動発生を防止し、
前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットが各１個以上配置され、縦（前後）方向及び／又は横（左右）方向に隣接した位置に交互に配置され、前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットの中で１個以上の風力発電ユニットは、回転軸の水平方向が縦（前後）方向又は横（左右）方向に隣接した位置に配置された他の風力発電ユニットの回転軸の水平方向と相異なるようにヨー制御することを特徴とするウィンドファーム。
前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットは、相互に隣接した位置に交互に配置され、
後方に配置される風力発電ユニットは、前方に配置される風力発電ユニットからの縦（前後）方向の配置角度（θ_Ｔ）が平面上に表した主風方向の線を基準にして左右各０゜以上、４５゜以下の範囲に配置されることを特徴とする請求項１に記載のウィンドファーム。
前記風力発電ユニットの縦（前後）方向の間隔は、前方に配置された風力発電ユニットのローター直径（Ｄ）の２倍以上７倍以下であることを特徴とする請求項２に記載のウィンドファーム。
前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットは、相互に隣接した位置に交互に配置され、
左側又は右側に配置される風力発電ユニットは、基準点に配置される風力発電ユニットからの横（左右）方向の配置角度（θ_Ｓ）が平面上に表した主風方向の線に対して直角な線を基準にして左右各０゜以上、４５゜以下の範囲に配置されることを特徴とする請求項１に記載のウィンドファーム。
前記風力発電ユニットの横（左右）方向の間隔は、左側又は右側に配置された風力発電ユニットの中で一番小さいローター直径（Ｄ）の２倍以上４倍以下であることを特徴とする請求項４に記載のウィンドファーム。
前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットが各１個以上配置され、縦（前後）方向及び／又は横（左右）方向に隣接した位置に交互に配置され、
前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットの中で１個以上の風力発電ユニットは、ローター直径（Ｄ）が他のユニットと異なることを特徴とする請求項１に記載のウィンドファーム。
前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットが各１個以上配置され、縦（前後）方向及び／又は横（左右）方向に隣接した位置に交互に配置され、
前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットの中で１個以上の風力発電ユニットは、回転軸の高さ（Ｈ）が他のユニットと異なることを特徴とする請求項１に記載のウィンドファーム。
水平に回転する回転軸と、
前記回転軸の前方端部に位置されたハブと、
前記ハブに対して放射状に固設される２個以上のエアフォイル形態のブレードと、
前記ハブに設置された前記ブレードのピッチ角度を調節するピッチ制御システムと、
前記回転軸の方向を風向に対応するようにナセルを含んだ回転軸を、タワー（支柱）を基準として水平回転させるヨー制御システムと、を含む複数個の風力発電ユニットを配置するウィンドファームの配置構造であって、
ブレードが相互に同一方向に回転する２個以上の第１の回転方向を有する風力発電ユニットが、相互間の渦干渉を避けるために一定距離だけ離隔して設置され、
前記第１の回転方向に回転するブレードを有する風力発電ユニットに対して前後又は左右に隣接した位置に配置され、前記ブレードが前記第１の回転方向とは反対の第２の回転方向に回転する少なくても１個以上の風力発電ユニットと、を含み、
前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットは、相互に隣接した位置に交互に配置され、相互に反対方向にブレードが回転することにより各々のブレード回転により発生する渦流の影響を相互に減少し、
前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットの中で１個以上の風力発電ユニットは、回転軸の水平方向が縦（前後）方向及び／又は横（左右）方向に隣接した位置に配置された他の風力発電ユニットの回転軸の水平方向と相異なるようにヨー制御することを特徴とするウィンドファームの配置構造。
前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットは、相互に隣接した位置に交互に配置され、
後方に配置される風力発電ユニットは、前方に配置される風力発電ユニットからの縦（前後）方向の配置角度（θ_Ｔ）が平面上に表した主風方向の線を基準にして左右各０゜以上、４５゜以下の範囲に配置されることを特徴とする請求項８に記載のウィンドファームの配置構造。
前記風力発電ユニットの縦（前後）方向の間隔は、前方に配置された風力発電ユニットのローター直径（Ｄ）の２倍以上７倍以下であることを特徴とする請求項９に記載のウィンドファームの配置構造。
前記第１の回転方向を有する風力発電ユニットと第２の回転方向を有する風力発電ユニットは、相互に隣接した位置に交互に配置され、
左側又は右側に配置される風力発電ユニットは、基準点に配置される風力発電ユニットからの横（左右）方向の配置角度（θ_Ｓ）が平面上に表した主風方向の線に対して直角な線を基準にして左右各０゜以上、４５゜以下の範囲に配置されることを特徴とする請求項８に記載のウィンドファームの配置構造。
前記風力発電ユニットの横（左右）方向の間隔は、左側又は右側に配置された風力発電ユニットの中で一番小さいローター直径（Ｄ）の２倍以上４倍以下であることを特徴とする請求項１１に記載のウィンドファームの配置構造。
前記第１の回転方向を有する隣接する２個の風力発電ユニットの間に、前と後、又は右側と左側に、第２の回転方向を有する風力発電ユニットが各１個配置され、縦（前後）方向及び／又は横（左右）方向に隣接した位置に交互に配置され、
前記第２の回転方向を有する風力発電ユニットの中で１個以上の風力発電ユニットは、ローター直径（Ｄ）が第１の回転方向を有する風力発電ユニットと相異なることを特徴とする請求項８に記載のウィンドファームの配置構造。
前記第１の回転方向を有する隣接する２個の風力発電ユニットの間に、前と後又は右側と左側に、第２の回転方向を有する風力発電ユニットが各１個以上配置され、縦（前後）方向及び／又は横（左右）方向に隣接した位置に交互に配置され、
前記第２の回転方向を有する風力発電ユニットの中で１個以上の風力発電ユニットは、回転軸の高さ（Ｈ）が第１の回転方向を有する風力発電ユニットと相異なることを特徴とする請求項８に記載のウィンドファームの配置構造。