JPWO2017141302A1 - 風の速度計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】風の速度を正確に測定し、風の変動を把握できる風の速度計測システムを提供する。
【解決手段】出射装置１０が出射方向の異なる複数のレーザー光を出射する際に、個別制御部１２が、統合制御部１４からの指示情報に基づき、出射装置１０が出射する複数のレーザー光の出射時刻を制御する。出射時刻は同期が取られたクロックを使用して実施するので、正確なタイミングでレーザー光を出射できる。また、統合制御部１４は、出射装置１０が計測した、正確なタイミングで出射されたレーザー光の後方散乱光から計測したドップラーシフトに基づき、風の速度を正確に演算できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、風の速度計測システムに関する。

従来、レーザー光を大気中に照射し、大気中の粒子、例えば、エアロゾル、水滴、粉塵等から後方散乱された光のドップラーシフトを測定して空間の風分布を計測するライダー（ＬＩＤＡＲ： Laser Imaging Detection and Ranging）が使用されている。例えば、下記特許文献１には、複数方向にレーザー光を照射するライダーの例が記載されている。

また、ライダーは、その視線方向が２次元的にまたは３次元的に交差するよう、例えば２台または３台配置することにより、２次元的または３次元的な風向及び風速データを入手することが可能である。例えば、下記特許文献２には、複数のライダーを使用して３次元風速ベクトルを計測する例が記載されている。

特表２０１５−５１７０９４号公報 米国特許第８，７０１，４８２号公報

しかし、ライダーからのレーザー照射により３次元の風向及び風速を正確に把握するためには、３軸以上のレーザー計測情報が必要であり、しかも複数のレーザー照射を行う時間の同時性や正確性が要求される。このため、従来は、複数レーザーにより比較的長い時間の計測を行い、空間風分布の平均的な特性を統計的に把握する方法が使用されていた。すなわち、従来の方法では、平均の風の速度を把握することはできるが、「風の変動」については、正しく計測ができていなかった。

本発明の目的は、風の速度を正確に測定し、風の変動を把握できる風の速度計測システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、風の速度計測システムであって、出射方向の異なる複数のレーザー光を出射する出射手段と、前記出射手段が出射する複数のレーザー光の出射時刻を制御する出射時刻制御手段と、前記出射されたレーザー光の後方散乱光を検出し、レーザー光のドップラーシフトを計測するドップラーシフト計測手段と、前記ドップラーシフト計測手段の出力に基づき風の速度を演算する演算手段と、を備えることを特徴とする。

上記出射手段は出射するレーザー光の数が３本以上であるのが好適である。

また、上記出射時刻制御手段は、前記複数のレーザー光を同時または一定の時間間隔ごとに出射させるのが好適である。

また、上記出射手段が出射する複数のレーザー光は、風の速度を計測する大気中の点から一定の範囲内を通過するのが好適である。

また、上記演算手段は、演算した風の速度により風分布を求めるのが好適である。

また、上記演算手段が演算した風の速度は、風力発電装置の運転管理に使用されるのが好適である。

本発明によれば、風の速度を正確に測定し、風の変動を把握することができる。

実施形態にかかる風の速度計測システムの構成例を示す図である。 実施形態にかかる風の速度計測システムにより風の速度を計測する際の、レーザー光の出射方法の説明図である。 実施形態にかかる風の速度計測システムの動作例のフロー図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、実施形態にかかる風の速度計測システムの構成例が示される。図１において、風の速度計測システムは、出射装置１０、個別制御部１２、統合制御部１４を含んで構成されている。

出射装置１０は、例えばライダーとして構成することができ、大気中にレーザー光を出射する装置である。なお、出射装置１０のレーザー出射口の近傍には、出射するレーザー光の出射時刻を検出する観測部１６を配置するのが好適である。図１の例では、３台の出射装置１０が使用されているが、これには限定されない。異なる方向にレーザー光を出射するために、２台以上であればよい。ただし、出射されるレーザー光の数（レーザー光の出射方向）が多いほど観測精度が向上するので、出射装置１０の数を３台以上とするのが好適である。また、出射装置１０の数を３台以上とし、出射するレーザー光の数を３本以上とすることにより、３次元で風の速度を計測することが可能となる。なお、図１の例では、出射装置１０が複数（３台）描かれているが、一つのライダーから異なる方向に複数のレーザー光を出射する構成としてもよい。

図１の例では、出射装置１０から出射されるレーザー光がＬ１、Ｌ２、Ｌ３で表されており、それぞれ異なる方向に出射される。なお、出射されるレーザー光の数は３本に限定されるものではない。出射装置１０から出射される複数のレーザー光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、風の速度を計測する大気中の点から一定の範囲内を通過するように出射される。ここで、一定の範囲を明確に決定することは難しいが、レーザー光が上記風の速度を計測する大気中の点の近くを通過する（当該点に収束させる）程観測精度が向上する。従って、風が弱く風の変動が小さい場合には、上記一定の範囲を広く設定しても観測精度を高く維持できる。これに対して、風が強く風の変動が大きい場合には、観測精度を高く維持するために上記一定の範囲を狭く設定する必要がある。

また、出射装置１０から出射される複数のレーザー光の方向を制御するために、上記観測部１６にレーザー光の出射角度の計測機能を持たせることが好適である。この場合、後述する個別制御部１２によりレーザー光の出射角度を制御する構成とするのが好適である。なお、レーザー光の出射角度の変更は、例えばライダーの光学系の構成や外部に設置したセンサー等を使用して実現することができる。

個別制御部１２は、各出射装置１０に対応して設けられ、統合制御部１４からの指示に基づき、出射装置１０からレーザー光を出射する時刻を制御する（本発明の出射時刻制御手段に相当）。各個別制御部１２は、それぞれ時刻制御用のクロックを有しており、例えばＧＰＳ衛星その他のデータ通信衛星等から時刻信号を取得して複数の個別制御部１２間で同期を取る、すなわち上記クロックを同期させる構成とする。なお、出射装置１０を、一つのライダーから異なる方向に複数のレーザー光を出射する構成とする場合、個別制御部１２も一つとして、複数のレーザー光の出射を制御する構成としてもよい。

統合制御部１４は、個別制御部１２に対して各出射装置１０からのレーザー光の出射タイミングを指示する指示情報を出力する。ここで、出射タイミングとしては、同時出射、出射装置１０の間で一定時間間隔ずれた出射等があるが、これには限定されず、出射装置１０の間の出射間隔を適宜変更しながら出射してもよい。レーザー光の出射時間長、または出射装置１０の間で一定時間間隔ずれた出射とする場合のずれの長さ等は、例えば数十ミリ秒（ｍｓ）〜数秒（ｓ）で制御することができる。これにより、後述するドップラーシフトの高速計測が可能となる。従来は、ドップラーシフトが１秒間データとして出力され、保障されるのは１０分間の平均値とされていたが、本実施形態のように高速計測することにより、時間的に解像度の高い（短い時間間隔での平均値として）ドップラーシフトの計測が可能となる。

なお、レーザー光の出射タイミングをどのようにするかは、風の速度を計測する地域の風の速度の変化（風の変動）の大きさ等によって使用者が決定する。なお、統合制御部１４と個別制御部１２との間の通信は、インターネット回線等の適宜な回線を使用して行うことができる。

本実施形態では、上述したように、各個別制御部１２のクロックが正確に同期されているので、統合制御部１４からの指示情報に基づき、正確な出射時刻（タイミング）でレーザー光を出射することができる。また、レーザー光の出射時刻を検出する観測部１６を出射装置１０のレーザー出射口の近傍に配置することにより、レーザー光の出射時刻の把握が可能である。従って、レーザー光の同時出射の場合の時間の同時性、出射時刻をずらす場合の時刻（タイミング）の正確性を確保することができる。これにより、風の速度の計測を高解像度で実施することができる。

また、出射装置１０を構成するライダーには、受光部が設けられており、大気中のエアロゾルにより後方散乱されたレーザー光のドップラーシフトを計測する構成となっている。この場合、出射装置１０は、レーザー光を大気中でフォーカス（焦点合わせ）し、その焦点からの散乱光を観測する。この際、出射装置１０から焦点までの距離も従来公知の方法により取得することができる。

ドップラーシフトの計測データは、個別制御部１２を介して統合制御部１４が受け取る。このドップラーシフトの計測データには、ライダーが取得した観測位置の情報も含まれている。この観測位置の情報は、レーザー光の出射方向において上記ドップラーシフトを計測した位置、すなわち上記出射装置１０から焦点までの距離の情報である。観測位置の情報により、出射装置１０から出射された各レーザー光が、上述した風の速度を計測する大気中の点からどの程度離れた位置を通過しているかを把握することができる。

統合制御部１４は、ドップラーシフトの計測データに基づき、風の速度を計測する大気中の点における風の速度（風速及び風向）を演算する（本発明の演算手段に相当）。上述したように、ドップラーシフトの計測データには、ライダーが取得した観測位置の情報が含まれているので、統合制御部１４は、上記風の速度の演算結果と統合して風分布、すなわち各観測位置における風の速度の分布を求めることができる。

統合制御部１４が演算した風の速度及び／または風分布は、例えば風力発電装置の運転管理や風力発電の適地選定等に使用することができる。通常、風力発電装置は、山間部、海岸付近その他風の変動の大きな地域に設置されることが多いので、風の変動を正確に把握しながら設置場所の選定及び運転を行う必要がある。本実施形態にかかる風の速度計測システムは、正確なタイミングでレーザー光を出射しながら風の速度を高速計測するので、風の３次元的な変動や風分布を正確に把握することが可能である。このため、風力発電装置の運転管理や風力発電の適地選定に好適に使用することができる。

図２（ａ）、（ｂ）には、実施形態にかかる風の速度計測システムにより風の速度を計測する際の、レーザー光の出射方法の説明図が示される。図２（ａ）、（ｂ）において、縦軸が風速または風向を表し、横軸が時間の経過Ｔまたは適宜な基準地点からの距離Ｄを表している。図２（ａ）は、時間的及び／または空間的に風の変化が小さい（風速または風向の変化が小さい）場合の例であり、図２（ｂ）は、時間的及び／または空間的に風の変化が大きい（風速または風向の変化が大きい）場合の例である。また、図２（ａ）、（ｂ）において、出射装置１０から出射されるレーザー光がＬ１、Ｌ２、Ｌ３で表されており、風の速度を３次元的に計測している。

図２（ａ）の場合には風の変化が小さいので、大気中のいずれの位置を、どのタイミングで測定しても、計測結果の差が小さい。このため、レーザー光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の出射時刻及び／または出射方向のずれが大きくても、風の速度の計測結果の精度を高く維持できる。図２（ａ）において、レーザー光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が、時間的及び／または距離的に離れて記載されているのは、レーザー光の出射時刻及び／または出射方向のずれが大きくても、これらのレーザー光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３によって得られるドップラーシフトの計測データから統合制御部１４が風の速度を３次元的に正確に演算できることを意味している。なお、レーザー光の出射方向のずれが大きいとは、風の速度を計測する大気中の点に収束するレーザー光の収束の程度が小さい、すなわち当該点とレーザー光の通過経路との最短距離が大きいレーザー光により測定が行われることを意味する。

これに対して、図２（ｂ）の場合には風の変化が大きいので、レーザー光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の出射時刻及び／または出射方向のずれが大きくなると、風の速度の計測結果の精度を高く維持することができない。このため、図２（ｂ）の例では、レーザー光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を、時間的及び／または距離的に近接して（出射時刻及び／または出射方向を小さなずれで）照射することにより、これらのレーザー光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３によって得られるドップラーシフトの計測データから統合制御部１４が風の速度を３次元的に正確に演算できるようにしている。レーザー光の出射方向のずれが小さいとは、風の速度を計測する大気中の点に収束するレーザー光の収束の程度が大きい、すなわち当該点とレーザー光の通過経路との最短距離が小さいレーザー光（例えば、１００ｍ高さで５０ｃｍから１ｍの誤差）のみにより計測することを意味する。

図３には、実施形態にかかる風の速度計測システムの動作例のフロー図が示される。図３の例は、３本以上のレーザー光を使用して、風の速度を３次元で求めるものである。

図３において、個別制御部１２は、予めデータ通信衛星等から時刻信号を取得して複数の個別制御部１２間でクロックの同期を取る（Ｓ１）。

また、統合制御部１４は、使用者が入力するタイミング情報等に基づき、出射装置１０から出射されるレーザー光の出射タイミングを決定する（Ｓ２）。出射タイミングとしては、各出射装置１０における出射時刻の組としてもよいし、各出射装置１０の出射の順番と出射装置１０間の出射の時間差（出射間隔）としてもよいが、これらには限定されず、どの出射装置１０がいつレーザー光を出射するかを決定できる情報であればよい。

次に、統合制御部１４は、Ｓ２で決した出射タイミングを指示する指示情報を、各出射装置１０を制御する個別制御部１２に出力する（Ｓ３）。

個別制御部１２は、Ｓ３で受け取った指示情報に基づき、出射装置１０からレーザー光を出射する時刻を決定する（Ｓ４）。各個別制御部１２は、Ｓ４で決定した時刻に基づき、自身が制御する出射装置１０からレーザー光を出射させる（Ｓ５）。なお、レーザー光を出射する時刻としては、個別制御部１２が有する時刻制御用のクロックが刻む時刻を使用することができる。上述したように、時刻制御用のクロックは個別制御部１２間で同期が取られており、各出射装置１０からレーザー光を出射する時刻を正確に制御することができる。

個別制御部１２は、自身が制御する出射装置１０について観測部１６が検出したレーザー光の出射時刻を統合制御部１４に通知する（Ｓ６）。統合制御部１４は、個別制御部１２から通知されたレーザー光の出射時刻に基づき、出射タイミングを調整することができる（Ｓ７）。なお、観測部１６が上記レーザー光の出射時刻とともに出射角度も計測している場合には、個別制御部１２が統合制御部１４に出射角度のデータも通知するのが好適である。統合制御部１４は、個別制御部１２を介して受け取るドップラーシフトの計測データに含まれる、レーザー光の出射方向において出射装置１０から焦点までの距離の情報と上記出射角度とに基づいて、風の速度を計測する大気中の点からどの程度離れた位置をレーザー光が通過しているかを演算できる。

また、個別制御部１２は、出射装置１０が計測したドップラーシフトの計測データを統合制御部１４に送信する（Ｓ８）。統合制御部１４は、各個別制御部１２から取得したドップラーシフトの計測データ、レーザー光の出射方向及びレーザー光の出射方向において出射装置１０から焦点までの距離に基づいて風の速度を計測する大気中の点の風の速度を３次元で演算する（Ｓ９）。

１０ 出射装置、１２ 個別制御部、１４ 統合制御部、１６観測部。

Claims (6)

1. 出射方向の異なる複数のレーザー光を出射する出射手段と、
   前記出射手段が出射する複数のレーザー光の出射時刻を制御する出射時刻制御手段と、
   前記出射されたレーザー光の後方散乱光を検出し、レーザー光のドップラーシフトを計測するドップラーシフト計測手段と、
   前記ドップラーシフト計測手段の出力に基づき風の速度を演算する演算手段と、
   を備える、風の速度計測システム。
2. 前記出射手段が出射するレーザー光の数が３本以上である、請求項１に記載の風の速度計測システム。
3. 前記出射時刻制御手段は、前記複数のレーザー光を同時または一定の時間間隔ごとに出射させる、請求項１または２に記載の風の速度計測システム。
4. 前記出射手段が出射する複数のレーザー光は、風の速度を計測する大気中の点から一定の範囲内を通過する、請求項１から３のいずれか一項に記載の風の速度計測システム。
5. 前記演算手段は、演算した風の速度により風分布を求める、請求項１から４のいずれか一項に記載の風の速度計測システム。
6. 前記演算手段が演算した風の速度が、風力発電装置の運転管理に使用される、請求項１から５のいずれか一項に記載の風の速度計測システム。

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