JP7390616B2

JP7390616B2 - 風車後流演算装置、及び風車後流演算方法

Info

Publication number: JP7390616B2
Application number: JP2020001603A
Authority: JP
Inventors: 賀浩谷山; 侑輝深谷; 慎次谷川; 孝紀内田; 真規乾; 忠相吉田; 芙有子野呂; 三知子中野
Original assignee: Kyushu University NUC; Hitachi Zosen Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Kyushu University NUC; Hitachi Zosen Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2023-12-04
Anticipated expiration: 2040-01-08
Also published as: JP2021110271A

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：ＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅＧｅｎｅｒａｔｏｒ）は、脱化石燃料、二酸化炭素の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：ＷｉｎｄＦａｒｍ）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、同様の状況である。

このような後流解析モデルとして、Ｊｅｎｓｅｎモデルなどの工学モデルや、固体円板、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再現性が低くなってしまい、アクチュエータディスクモデルでは風車背後の後流と外部流の運動量の交換の再現性が低くなってしまう恐れがある。

特開２０１０－１２７２３５号公報

Ｋａｔｉｃ，Ｉ．，Ｈｏｊｓｔｒｕｐ，Ｊ．，Ｊｅｎｓｅｎ，Ｎ．Ｏ．：Ａｓｉｍｐｌｅｍｏｄｅｌｆｏｒｃｌｕｓｔｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ＥＷＥＣ’８６．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１（１９８６）

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より高精度に再現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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、支配方程式に基づき、前記抵抗体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。

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。風車の正面図、及び側面図。風車の抵抗体部の設定範囲と風車後流とを模式的に示す図。抵抗体部と受風面との範囲を異ならせた例を示す図。抵抗体部の正面図であり、抵抗体部の抗力係数の一例を示す図。区分けされた範囲に付与する抗力係数を模式的に示した図。区分けされた範囲に抗力係数を離散的に変化させた例を示す図。ハブ中心から所定の半径を有する円周上の抗力係数を示す図。円周上の抗力係数を離散的に変更した例を示す図。風車の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。風車の側面図。複数の風車間の離隔距離を示す図。複数の風車間の角度を示す図。風速階級と抗力係数との関係を示す図。風速階級及び複数の風車間の角度と抗力係数との関係を示す図。抵抗体部の位置における抗力係数と風速階級との関係を示す図。乱流強度と抗力係数との関係を示す図。異なる形状を有する風車ごと円周上の抗力係数を示す図。抗力係数の別の一例を示す抵抗体部の正面図。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。

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（ＣａｔｈｏｄｅＲａｙＴｕｂｅ）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、診断評価部１１２と、を有する。演算部１０２の構成の詳細は後述する。

記憶部１０４は、例えば、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、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、診断評価部１１２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（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＧＰＵ（ＧｒａｐｈｉｃｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、或いは、特定用途向け集積回路（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ：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（ＳｉｍｐｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅ：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（ＣｏｍｐｌｅｘＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅ：ＣＰＬＤ）、及び、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ：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、モデル生成部１０６ｂ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、主流に直交する方向をｙで示し、鉛直方向をｚで示している。すなわち、ｘｙ面は水平面に対応する。

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、例えばナビエ・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。

ここで、図４乃至図９Ｂに基づき、モデル生成部１０６ｂが生成するモデルである抵抗体部５２について説明する。抵抗体部５２は、流入風４に対する抵抗となる領域を風車のモデルとしてモデル化したものである。例えば、抵抗体部５２は、ロータの回転範囲の一部を少なくとも含む領域をモデル化している。

図４は、風車２の正面図、及び側面図である。図４に示すように、一般に風車２は、ブレード２ａ、ハブ２ｂ、ナセル２ｃ、タワー２ｄを有する。ブレード２ａは、風を受け回転する。ハブ２ｂは、ブレード２ａの付け根をロータ軸に連結する。ナセル２ｃは、ハブ２ｂからロータ軸を通じて連結された増速機、及び発電機などを収納する。タワー２ｄは、ブレード２ａ、ハブ２ｂ、ナセル２ｃを支え、各種のケーブルの経路となる。地上からハブ中心ｈｍまでの高さはハブ高さと言われる。ハブ中心ｈｍは、ブレード２ａの回転中心に対応している。このため、本実施形態では、ハブ中心ｈｍをブレード２ａの回転中心ｈｍ又はロータの回転中心ｈｍと呼ぶ場合がある。

受風面５４は、風車ロータの回転受風面である。この受風面５４は、ブレード２ａの回転中心ｈｍからロータ外径までの範囲に対応している。すなわち、受風面５４の面積はブレードが回転により空間を横切る領域とハブ２ｂの領域をロータ軸に直交する面に投影した領域である。抵抗体部５２の範囲は、例えば正面から見ると受風面５４の範囲であり、側面から見ると例えばブレードを囲む２ｆの範囲である。本実施形態に係る抵抗体部５２は、例えばブレードを囲む２ｆの範囲に対応する円柱状の領域である。この抵抗体部５２は、例えばハブ２ｂのハブ中心ｈｍからの距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与したモデルである。

図５は、風車２の抵抗体部５２の設定範囲と風車後流とを模式的に示す図である。図５では流入風４と、翼端渦６と、風車後流と外部流の境界８と、ハブ中心ｈｍとを更に図示している。翼端渦６は、ブレードの翼端で発生する渦である。後ろ側の風車２の流入風４が前側の風車２の影響を受けている例を示している。

上述のように、受風面５４は、ブレードの回転中心ｈｍからロータ外径までの範囲に対応している。図５は、抵抗体部５２の範囲と受風面５４の範囲を一致させた例である。なお、本実施形態に係る抵抗体部５２の受風面５４側の面及び対向する面を平面として扱うが、これに限定されず、例えば曲面や円錐面でもよい。

図６は、抵抗体部５２と受風面５４との範囲を異ならせた例を示す図である。例えば、前側の風車２（図５）の影響を受ける場合などに、抵抗体部５２の範囲を受風面５４の範囲より広く設定してもよい。これにより、実環境に近い流入風４に対する抵抗範囲を設定可能となる。逆に、抵抗体部５２の範囲を受風面５４の範囲よりも狭く設定しても良い。

図７は、抵抗体部５２の正面図であり、抵抗体部５２の抗力係数の一例を示す図である。上述のように、抵抗体部５２の範囲は風車ロータの受風面５４に対応する。ラインＬは、ハブ中心ｈｍを横切る水平線である。角度θは、ハブ中心ｈｍを横切る線のラインＬに対する角度θを示している。なお、このθは後述する図９Ａ、Ｂの説明などに用いる。

図７に示すように、例えば抵抗体部５２は、５つの範囲に区分けされ、ハブ中心ｈｍからの距離が大きくなるに従い大きくなる抗力係数１、２、４、７、１０が割振られている。このように、抵抗体部５２はハブ中心ｈｍからロータ外径、もしくはその近傍までの範囲で所定の間隔で、少なくとも一箇所以上の範囲に区分けされ、範囲毎に抗力係数が割振られている。例えば、ブレードの回転中心ｈｍから外径までの範囲に均等な幅で区分けされている。

図８Ａは、抵抗体部５２の区分けされた範囲に付与する抗力係数を模式的に示した図である。図８Ａは、抗力係数を連続的に変化させた例である。横軸は、図７のラインＬ上の位置、すなわちハブ中心ｈｍからロータ外径方向までの半径を示し、縦軸は、抗力係数を示している。図８Ａに示すように、抵抗体部５２には、ハブ中心ｈｍからの距離が大きくなるに従いより大きくなる抗力係数が付与されている。すなわち、抵抗体部５２には、回転中心ｈｍからの半径に応じた抗力係数が付与されている。

図８Ｂは抗力係数を離散的に変化させた例を示す図である。横軸は、図７のラインＬ上の位置、すなわちハブ中心ｈｍからロータ外径方向までの半径を示し、縦軸は、抗力係数を示している。図８Ｂに示すように、抵抗体部５２には、ハブ中心ｈｍからの距離が大きくなるに従いより大きくなる抗力係数が離散的に付与されている。

このように、抵抗体部５２には、ブレードの回転中心ｈｍからの距離に応じて異なる抗力係数を連続的に変えて付与しても良い。或いは、抵抗体部５２には、ブレードの回転中心ｈｍからの距離に応じて異なる抗力係数を離散的に変えて付与しても良い。

図９Ａは、抵抗体部５２のハブ中心ｈｍ（図７）から所定の半径を有する円周上の抗力係数を示す図である。横軸は、直線Ｌが回転中心ｈｍを中心として回転する角度θ（図７）を示す。縦軸は、抗力係数を示している。図９Ａは、円周上の抗力係数を連続的に変化させた例である。

図９Ｂは、抵抗体部５２のハブ中心ｈｍ（図７）から所定の半径を有する円周上の抗力係数を離散的に変更した例を示す図である。横軸は、直線Ｌが回転中心ｈｍを中心として回転する角度θ（図７）を示す。縦軸は、抗力係数を示している。このように、円周の周方向に応じて、抗力係数を変更しても良い。例えば、地面などの影響により、流入風４（図５）は、不均一に抵抗体部５２に流入する。円周の周方向に応じて、抗力係数を変更することにより、不均一に抵抗体部５２に流入する流入風４などを再現可能となる。

図１０は、風車２のモデルを側面から見た図である。風車２のモデルには、抵抗体部５２に加えてナセル部２ｃ、及びタワー部２ｄを加えてもよい。モデル生成部１０６ｂは、風車２のモデルとして、風車のナセル部２ｃとタワー部２ｄの少なくとも一部を固体モデル部として生成する。固体モデル部は、風速が０の領域として演算される。

このように、本実施形態に係るモデル生成部１０６ｂ（図１）は、例えばブレードの回転中心から風車ロータの回転受風面、およびその外径側近傍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、固体モデル部を生成する。これにより、タワーシェイドなど、流体が通過できないことに伴う流体現象の再現と、風車後流との相互干渉が評価でき、より実際に即した後流の演算が可能となる。

なお、本実施形態では、ブレードの回転中心ｈｍから風車ロータの受風面５４、およびその外径側近傍までの範囲に抵抗体部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モデル部にするなど、ブレードの回転中心からロータ径までの風車ロータの回転受風面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２ａの揚力係数Ｃ_Ｌ（後述する（１）式）が比較的低い範囲に固体モデル部を配置することで、風車後流の速度欠損の再現が可能となる。

表示制御部１０８は、演算部１０２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。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。

診断評価部１１２は、演算部１０２で得られた結果と、風車観測値及び外部シミュレーション結果との比較を行うことで、発電量や設備利用率を評価する。

ここで、モデル生成部１０６ｂのより詳細な構成例を説明する。図１１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１１に示すように、モデル生成部１０６ｂは、各計算格子に抗力係数（抵抗係数）を付与した抵抗体部５２を生成する。より具体的には、モデル生成部１０６ｂは、ブレードの回転中心から風車ロータの回転受風面、およびその外径側近傍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２）を任意のブレードの半径位置ｒや周方向位置θ、すなわち回転中心から距離ｒとのアジマス角θ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。これら回転中心から距離ｒとのアジマス角θ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。これら抗力係数は、ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）による計算結果や風洞での模型試験結果、風車実機での実測データから分析・評価された値である。これにより、モデル生成部１０６ｂは、抵抗体部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、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ｄＦ_Ｌおよび抗力ｄＦ_Ｄ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、モデル生成部１０６ｂは、数式３、及び数式４に示すように、推力ｄＦ_ｘおよび接線力ｄＦ_θを演算する。

次に、モデル生成部１０６ｂは、数式５、及び数式６に示すように、原点に位置するブレードの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ｆ_ｘおよびθ方向成分ｆ_θを演算する。ここで、ブレード枚数はＢであり、Ｒは抗力係数を付与する抵抗体部の最外径に対応する。そして、モデル生成部１０６ｂは、ｆ_ｘを外力項Ｆ（図３）のＦ_ｘ成分として出力し、ｆ_θをそれぞれの方向に分解して、Ｆ_ｙ、Ｆ_ｚ成分として出力する。Δｘは抵抗体部５２の主流方向の厚みを示している。

図１２は、風車２の側面図である。図１２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いている場合、抵抗体部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。

このように、各計算格子に抗力係数を付与した抵抗体部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。

次に、風車２の外部環境の影響をも考慮した抵抗体部５２を生成する例について説明する。
図１３は、複数の風車２間の離隔距離Ｌを示す図である。離隔距離Ｌは、風車２間のタワー中心Ｔｍ間の距離を意味する。モデル生成部１０６ｂは、風車２の上流に位置する風車との離隔距離に基づく関数として、抵抗体部５２の外力項（図３）を与えてもよい。すなわち、抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）は、風向に対して風車２の上流に位置する風車との離隔距離に応じて変更される。これにより、上流に位置する風車の後流の影響を考慮して、後流をより効率的にかつ精度良く演算可能となる。

図１４は、複数の風車２間の角度（偏角）αを示す図である。図１４に示すように、モデル生成部１０６ｂは、風車２の上流に位置する風車との離隔距離Ｌと、風車２と風車２の上流に位置する風車とを結ぶ直線と風向との成す角度αの関数として、抵抗体部５２の外力項を与えてもよい。すなわち、抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）は、風向に対して上流に位置する風車との離隔距離Ｌと、上流側に位置する風車と下流側に位置する風車とを結ぶ直線と風向とのなす角度αに応じて変更される。これにより、さらに風車２の後流を精度良く演算可能となる。

図１５は、風速階級と抗力係数との関係を示す図である。横軸は、風速階級を示し、縦軸は抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）を示す。図１５に示すようにモデル生成部１０６ｂは、風車ハブ高さにおける流入風速の風速階級に応じて抵抗体部５２の外力項を与えてもよい。すなわち、抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）は、風車のハブ高さ（図４）における風速の風速階級に応じて変更される。例えば、抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）は、風速階級が大きくなるにしたがいより小さく設定される。これにより、風車ブレードの回転数に応じて変更されるブレードの迎え角による風力抵抗の変化を抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）に反映可能となる。このため、抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）を風速階級に応じて変更することにより、ブレードの迎え角を制御するピッチ制御の効果を得ることが可能となり、後流をより精度良く演算できる。

図１６は、風速階級及び複数の風車２間の角度αと抗力係数との関係を示す図である。横軸は、風速階級を示し、縦軸は抗力係数を示す。曲線は角度α＝０、Ａ、Ｂの場合を示す。０＜Ａ＜Ｂの関係がある。図１６に示すように風速階級が同じ場合には、角度αが大きくなるに従い抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）が小さくなる。このように、モデル生成部１０６ｂは、風車ハブ高さにおける風速の風速階級と風向との関数となる抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）を生成する。

すなわち、モデル生成部１０６ｂは、風車ハブ高さにおける流入風速の風速階級と、風車２と風車２の上流に位置する風車とを結ぶ直線と風向との成す角に基づき、抵抗体部５２の外力項を与える。これにより、風車ブレードの回転数に応じてブレードの迎え角を制御するピッチ制御の効果と風向による迎え角の変化を抵抗体部５２の外力項に反映可能となり、風車２の後流をより精度良く表現できる。

図１７は、ブレードの回転中心ｈｍからの半径ｒの円の周方向θの位置（図７）における抗力係数Ｃ_Ｄ（ｒ、θ）と風速の風速階級との関係を示す図である。横軸は風速階級を示し、縦軸は抗力係数Ｃ_Ｄ（ｒ、θ）（式２）を示す。

ここで、Ｃ_Ｄ（ｒ、θ）＝ｆ（α、Ｌ、ＷＳ）なる関係がある。すなわち、Ｃ_Ｄ（ｒ、θ）は、風車２と風車２の上流に位置する風車とを結ぶ直線と風向との成す角α、風車２と風車２の上流に位置する風車との離隔距離Ｌ、ブレードの回転中心ｈｍから半径ｒの円の周方向θの位置（図７）における流入風速の風速階級ＷＳの関数である。図１７に示すように、α、Ｌが固定値である場合には、抗力係数Ｃ_Ｄ（ｒ、θ）は、風速階級が大きくなるにしたがいより小さくなる。

すなわち、モデル生成部１０６ｂは、ブレードの回転中心ｈｍからの半径ｒの円の周方向θの位置における抵抗体部５２の外力項（図３）を、風車２と風車２の上流に位置する風車とを結ぶ直線と風向との成す角α、風車２と風車２の上流に位置する風車との離隔距離Ｌ、およびブレードの回転中心ｈｍから半径ｒの円の周方向θの位置（図７）における流入風速の風速階級ＷＳに基づき生成する。これにより、上流に位置する風車の後流の影響をより正確に反映した後流影響を演算可能となる。

図１８は、乱流強度と抗力係数との関係を示す図である。横軸は、乱流強度を示し、縦軸は抗力係数を示す。図１８に示すように、モデル生成部１０６ｂは、風車ハブ高さにおける流入風の乱流強度の関数として、抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）を生成する。すなわち、風車ハブ高さにおける流入風の乱流強度に応じて抵抗体部５２の外力項（図３）を与えることでもよい。例えば、乱流強度が大きくなるに従い、抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）は小さくなる。これにより、上流に位置する風車の後流による乱流の影響や、セクターマネジメントなどの運用制御を模擬した後流影響も表現可能となる。

また、抵抗体部５２の外力項（図３）を風車ハブ高さ（図４）における流入風の温度、湿度、気圧の少なくとも１つ以上の関数として与えることも有効である。モデル生成部１０６ｂは、例えば、風気象庁などのデータベースに記録される解析対象地域における風速及び風向などのデータに基づき、抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）を生成する。これにより、ウィンドファーム（ＷＦ）サイトごとの風の状態に即した後流の再現が可能となる。

さらにまた、モデル生成部１０６ｂは、解析対象地域における大気安定度の関数として抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）を生成してもよい。これにより、解析対象地域における大気安定度に応じた抵抗体部５２の外力項を与えることが可能となり、天候や昼夜の違いによる影響を把握することができる。以上が風車２の外部環境の影響をも考慮した抵抗体部５２の抗力係数の説明である。

図１９は、抵抗体部５２のハブ中心ｈｍ（図７）から所定の半径を有する円周上の抗力係数を示す図である。横軸は、直線Ｌが回転中心ｈｍを中心として回転する角度θ（図７）を示す。縦軸は、抗力係数を示している。第１形状の風車の抗力係数１９ａと、第１形状と異なる第２形状の風車の抗力係数１９ｂと示す。このように、風車の形状に応じて抗力係数を変更しても良い。これにより、解析対象地域内にハブ高さやブレード形状が異なる風車機種が複数設置されている場合に、風車ごとの形状に応じた後流が演算可能となる。

図２０は、抵抗体部５２の抗力係数の別の一例を示す抵抗体部５２の正面図である。上述のように、抵抗体部５２の範囲は風車ロータの受風面５４に対応する。図２０に示すように、モデル生成部１０６ｂは、抵抗体部５２は、３箇所の半径方向の領域５２ａ、ｂ、ｃに抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）を生成する。領域５２ａ、ｂ、ｃのそれぞれは、ハブ中心ｈｍに対する回転角が１２０度ごと異なる同等な形状を有する領域である。また、領域５２ａ、ｂ、ｃは、４つの範囲に区分けされ、ハブ中心ｈｍからの距離が大きくなるに従い小さくなる抗力係数１０、７、５、３が割振られている。

このように、モデル生成部１０６ｂは、受風面５４に対応する範囲の一部の領域に抗力係数Ｃ_Ｄ（式２）を生成する。より具体的には、モデル生成部１０６ｂは、抵抗体部５２内の周方向に、等間隔に配置された３つの領域５２ａ、ｂ、ｃ内の半径方向に沿って異なる抗力係数を与えた抵抗体部５２を生成するまた、この抵抗体部５２をハブ中心ｈｍに対して回転させてもよい。これにより、風車ブレードの回転を模擬した解析手法を適用することにより、後流影響の時間変化についても評価も可能となる。

以上が本実施形態に係る構成の説明であるが、以下に本実施形態に係る風車後流演算装置１における演算処理の動作例を説明する。

図２１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である。図１１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、モデル生成部１０６ｂ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、モデル生成部１０６ｂ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、大気安定度など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）。続けて、演算制御部１１０は、時間ｔ＝０として、演算を開始する（ステップＳ１０６）。

次に、モデル生成部１０６ｂは、初期値に基づきブレードの回転中心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に外力項の値（図３）を設定し、抵抗体部５２を生成する（ステップＳ１０８）。続けて、演算制御部１１０は、各計算格子４０ａに設定された初期値に基づき、抵抗体部５２内の各計算格子４０ａに対応する外力項の値（図３）を演算する（ステップＳ１１０）。

次に、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Ｓ１１２）、各物理量を演算する（ステップＳ１１４）。続けて、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Ｓ１１６がＮＯの場合）、抵抗体部に付与する抗力係数を条件によって変更し（ステップＳ１１８）、各計算格子４０ａの情報を更新し、ステップＳ１１０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Ｓ１１６がＹＥＳの場合）、全体の処理を終了する。

以上のように、本実施形態によれば、モデル生成部１０６ｂがブレードの回転中心ｈｍからロータ径に対応するメッシュモデル４０の範囲に、ブレード２ａの回転中心ｈｍからの距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部５２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８の広がり（図４）の再現性を向上させることができる。

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、５２：抵抗体部、１０６ａ：計算格子生成部、１０６ｂ：モデル生成部、１１０：演算制御部、１１２：診断評価部。

Claims

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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子ごとの風速及び風向を演算する演算制御部と、
を備え、
前記抗力係数は、前記抵抗体部において前記ブレードの回転中心からの距離に応じて小さくなる又は大きくなる、風車後流演算装置。
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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子ごとの風速及び風向を演算する演算制御部と、
を備え、
前記抗力係数は、前記回転中心からの所定半径における円周上の位置に応じて変更される、風車後流演算装置。
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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子ごとの風速及び風向を演算する演算制御部と、
を備え、
前記抗力係数は、風向に対して上流に位置する風車との離隔距離に応じて変更される、風車後流演算装置。
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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子ごとの風速及び風向を演算する演算制御部と、
を備え、
前記抗力係数は、風向に対して上流に位置する風車との離隔距離と、上流側に位置する風車と下流側に位置する風車とを結ぶ直線と風向とのなす角度とに応じて変更される、風車後流演算装置。
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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子ごとの風速及び風向を演算する演算制御部と、
を備え、
前記抗力係数は、前記風車のハブ高さにおける風速の風速階級に応じて変更される、風車後流演算装置。
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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子ごとの風速及び風向を演算する演算制御部と、
を備え、
前記モデル生成部は、風車ハブ高さにおける風速の風速階級と風向との関数となる前記抗力係数を付与する、風車後流演算装置。
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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子ごとの風速及び風向を演算する演算制御部と、
を備え、
前記モデル生成部は、ブレードの回転中心を中心とする所定半径の円上の位置における風速の風速階級と風向との関数となる前記抗力係数を生成する、風車後流演算装置。
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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子ごとの風速及び風向を演算する演算制御部と、
を備え、
前記抗力係数は、風車ハブ高さにおける流入風の乱流強度に応じて変更される、風車後流演算装置。
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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子ごとの風速及び風向を演算する演算制御部と、
を備え、
前記モデル生成部は、風車ハブ高さにおける流入風の温度、湿度、気圧の少なくともいずれかに応じて抗力係数を生成する、風車後流演算装置。
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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子ごとの風速及び風向を演算する演算制御部と、
を備え、
前記抗力係数は、前記風車の所定位置における大気安定度に応じて変更される、風車後流演算装置。
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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子ごとの風速及び風向を演算する演算制御部と、
を備え、
前記モデル生成部は、風車形状に応じた抗力係数を生成する、風車後流演算装置。
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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子ごとの風速及び風向を演算する演算制御部と、
を備え、
前記モデル生成部は、前記風車のナセル部とタワー部の少なくとも一部を固体モデル部として生成する、風車後流演算装置。
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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成部と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子ごとの風速及び風向を演算する演算制御部と、
を備え、
前記モデル生成部は、前記抵抗体部内の周方向に、等間隔に配置された少なくとも２つ以上の複数の領域内の半径方向に沿って異なる抗力係数を生成する、風車後流演算装置。
複数の計算メッシュで構成される計算格子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の距離に応じて風流に対する抵抗の度合いを示す抗力係数を付与した抵抗体部を風車のモデルとして生成するモデル生成工程と、
支配方程式に基づき、前記抵抗体部を用いて前記計算格子の計算メッシュ毎の風速及び風向を演算する風速演算工程と、
を備え、
前記抗力係数は、前記抵抗体部において前記ブレードの回転中心からの距離に応じて小さくなる又は大きくなる、風車後流演算方法。