(57)【要約】 【課題】ヨーエラー、吹上、ウィンドシアといった山岳的な風況に対応して、風車を効率よく回転させて発電量を増大させる。【解決手段】実施形態の風力発電システムは、ナセル部、発電部、気流発生部、対称性パラメータを演算部、制御部を備える。ナセル部はタワー部の上部で複数の翼を有する風車を回転自在に支持する。発電部は風車の回転力により発電する。気流発生部は翼の面に気流を発生する。対称性パラメータ演算部は風況、発電部の発電状態、風車の方角のうち少なくとも一つの情報から、風車回転面内の風速分布が、回転軸に対して軸対称になっていない度合いを示す対称性パラメータを演算する。制御部は対称性パラメータの値が予め設定した閾値を超えた場合と閾値を超えない場合とで気流発生部の動作を変える制御を行う。【選択図】図４
2018115635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の翼を有し、地表から上方に向けて設置されたタワー部の上部に水平方向に伸びる回転軸で回転自在に支持された風車と、
前記翼の面に気流を発生する気流発生部と、
前記翼の回転角度に応じて前記気流発生部を作動または停止させる制御を行う制御部と
を具備する風力発電システム。
【請求項２】
地表から上方に向けて設置されたタワー部の上部に、複数の翼を有する風車を水平方向に伸びる回転軸で回転自在に支持し、前記風車を向ける方角を可変可能なナセル部と、
前記ナセル部に収容され、前記回転軸を介して伝達される前記風車の回転力により発電する発電部と、
前記翼の面に気流を発生する気流発生部と、
前記風車の設置環境における風況、前記発電部の発電状態、前記風車の回転軸が向けられている方角のうち少なくとも一つの情報から、風車回転面内の風速分布が、前記回転軸に対して軸対称になっていない度合いを示す対称性パラメータを演算する対称性パラメータ演算部と、
前記対称性パラメータの値が予め設定した閾値を超えた場合と前記閾値を超えない場合とで前記気流発生部の動作を変える制御を行う制御部と
を具備する風力発電システム。
【請求項３】
前記制御部は、
前記翼の回転方向への回転角度をアジマス角としたとき、前記対称性パラメータに応じて予め設定した前記気流発生部が効かない前記アジマス角の範囲に前記翼があるときに、当該翼に設置されている前記気流発生部への電圧の印加を停止する第１の制御、前記電圧を減圧する第２の制御、および前記電圧のスイッチング周波数を低下させる第３の制御のうちいずれか一つの制御を行う請求項１または請求項２に記載の風力発電システム。
【請求項４】
前記制御部は、
前記翼のアジマス角が９０°〜２７０°の範囲で、前記第２の制御および前記第３の制御のうちいずれか一つの制御を行う請求項３に記載の風力発電システム。
【請求項５】
前記制御部は、
前記対称性パラメータが前記回転軸に対する鉛直方向の風の角度を示す吹上角であり、前記吹上角が所定の閾値を超えた場合に、前記アジマス角が９０°から１８０°のうちの少なくとも一部の角度の範囲で前記制御を行う請求項３に記載の風力発電システム。
【請求項６】
前記制御部は、
前記対称性パラメータが高度に応じた風速の差を示すウィンドシアであり、前記ウィンドシアが所定の閾値を超えた場合に前記アジマス角が１８０°から２７０°のうちの少なくとも一部の角度の範囲で前記制御を行う請求項３に記載の風力発電システム。
【請求項７】
前記制御部は、
前記対称性パラメータが前記回転軸に対する水平方向の風の角度のずれを示すヨーエラーであり、前記回転軸に対して前記風がアジマス角２７０°側から流入するようにヨーエラーが発生し、角度のずれが所定の閾値を超えた場合に前記アジマス角が１８０°から２７０°のうちの少なくとも一部の角度の範囲で前記制御を行う請求項３に記載の風力発電システム。
【請求項８】
前記制御部は、
前記対称性パラメータが前記回転軸に対する水平方向の風の角度のずれを示すヨーエラーであり、前記回転軸に対して前記風がアジマス角９０°側から流入するようにヨーエラーが発生し、角度のずれが所定の閾値を超えた場合に前記アジマス角が０°から９０°のうちの少なくとも一部の角度の範囲で前記制御を行う請求項３に記載の風力発電システム。
【請求項９】
前記風況、前記発電部の発電状態、前記風車の回転軸が向けられている方角のうち少なくとも一つの情報を計測する計測部を備え、
前記制御部は、
前記対称性パラメータ演算部を含むことを特徴とする請求項３に記載の風力発電システム。
【請求項１０】
前記風況に含まれる風向が予め設定された風向の場合に、前記制御を行う請求項３に記載の風力発電システム。
【請求項１１】
前記回転軸のアジマス角２７０°側から風が流入するように前記ナセル部を回転させて前記風車の方向を調整し、かつ前記回転角度が９０°から２７０°の範囲のうちの少なくとも一部の角度範囲で前記制御を行う請求項３に記載の風力発電システム。
【請求項１２】
前記翼毎に設けられている前記気流発生部を個々に制御する請求項１乃至１１いずれか１項に記載の風力発電システム。
【請求項１３】
地表から上方に向けて設置されたタワー部の上部に、複数の翼を有する風車を水平方向に伸びる回転軸で回転自在に支持し、前記風車を向ける方角を可変可能なナセル部と、前記ナセル部に収容され、前記回転軸を介して伝達される前記風車の回転力により発電する発電部と、前記翼の面に気流を発生する気流発生部とを有する風力発電システムにおける風力発電方法において、
前記風車の設置環境における風況、前記発電部の発電状態、前記風車の回転軸が向けられている方角のうち少なくとも一つの情報から、風車回転面内の風速分布が、回転軸に対して軸対称になっていない度合いを示す対称性パラメータを演算し、
前記対称性パラメータの値が予め設定した閾値を超えた場合と前記閾値を超えない場合とで前記気流発生部の動作を変える制御を行う風力発電方法。
【請求項１４】
地表から上方に向けて設置されたタワー部の上部に、複数の翼を有する風車を水平方向に伸びる回転軸で回転自在に支持し、前記風車を向ける方角を可変可能なナセル部と、前記ナセル部に収容され、前記回転軸を介して伝達される前記風車の回転力により発電する発電部と、前記翼の面に気流を発生する気流発生部と前記気流発生部を制御する制御部とを有する風力発電システムにおける前記制御部のプログラムであって、
前記制御部に、
前記風車の設置環境における風況、前記発電部の発電状態、前記風車の回転軸が向けられている方角のうち少なくとも一つの情報から風車回転面内の風速分布が、回転軸に対して軸対称になっていない度合いを示す対称性パラメータを演算させ、
前記対称性パラメータの値が予め設定した閾値を超えた場合と前記閾値を超えない場合とで前記気流発生部の動作を変える制御を行わせるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、風力発電システムおよび風力発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、世界的に風力発電の導入が進められているが、例えば日本などでは地理的制約が、風力発電が普及しない要因の一つになっている。
【０００３】
地理的制約の一つとして、日本は山岳性気象であるため風速および風向の変動が激しく、風力発電システムの出力を安定して維持することが困難なことがあげられる。
【０００４】
また、風速および風向の変動が激しい状況では、風力発電に用いる風車の翼に気流の剥離が生じて翼の揚力低下や抗力増大が発生し、ロータの回転トルクが低下し発電効率が低下したり、変動荷重り風車各部への疲労が蓄積してメンテナンス頻度が上がったりすることで、結果的に風力発電システムの導入コストを押し上げている。
【０００５】
この他、国土の狭隘な日本にあっては、風力発電の普及につれて、立地環境に対する問題が顕在化してきており、特に民家や集落の近くに風車設備を設置しなければならない場合は、騒音に関する各種トラブルが発生し易い。
【０００６】
以上のような出力の安定化、効率の低下、疲労荷重の増大、騒音問題の解決策として、翼の近傍の気流を制御して翼の空力特性を改善する空力改善装置を備えた風力発電システムが提案されている。
【０００７】
空力改善装置の中でも、風車翼に電極を搭載しプラズマを発生させることにより翼の揚力を増大させる気流発生装置は、ロバスト性、制御性、施工容易性等から、もっとも有力な技術と考えられており、これを備えた風力発電システムが提案されている。
【０００８】
この気流発生装置を用いた実際の風車制御の方法については、翼表面で発生する気流の剥離を翼表面に設置した表面圧力センサでダイレクトに計測することで検出し、それに対応して気流発生装置の状態を制御する技術が提案された。
【０００９】
しかし、昨今主流となっているメガワットクラスの大型商用の翼面に表面圧力センサを配置することは耐久性の観点から現実的ではないため、翼表面のダイレクトな計測によらず、他の観測量や解析から翼における剥離状態を推定する方法が必要となった。
【００１０】
例えば、構造設計上のメリットから大型風車で主に採用されている水平軸型風車において、ロータに対する軸方向風速が急増大した場合に発生する完全失速を、出力、トルク、回転数の計測値から検出したりして、それらに対応して気流発生装置の状態を制御する方法が提案されている。
【００１１】
水平軸風車の翼において気流の剥離が発生する現象として、軸方向風速が急増大する場合のほかに、風車回転面内の風速分布が、回転軸に対して軸対称になっていない場合に、ロータの回転に伴って周期的に剥離が発生する周期的剥離現象がある。
【００１２】
例えば、風向に対して風車回転面が正対していない、ななめ流入風の場合や、高さ方向に風速の分布が生じるウィンドシアが大きい場合などがある。
【００１３】
斜め流入風の典型的な例としてはヨーエラー状態がある。水平軸型の風車においては、風車軸の方向、つまり正面から風を受けた方が効率がよいため、風車の回転軸を支えるナセルの方位角（ヨー角）を風向に自動的に追随させる技術（オートヨー制御）が一般的に採用されている。ロータ面内に一様な風を正面から受けている場合には、ロータが回転しても翼断面における相対気流の流入角は時間的に一定となり、周期的な剥離は生じない。
【００１４】
しかし、風向の変動が激しい山岳部などでは、オートヨー制御が風向変動に追随しきれず、ヨー角が風向からずれる（ヨーエラー）場合がある。ヨーエラーが発生すると、風は風車の回転軸からずれた方向から斜めに回転面に吹き込み、風車の翼断面に対する相対気流の流入角（迎角）が、翼の回転にともなって周期的に増減し、迎角が大きい時間帯に気流の剥離が生じる場合がある。翼に気流の剥離が生じると、上記したのと同様に効率の低下、疲労荷重の増大、騒音の増大等の問題が発生する。
【００１５】
斜め流入風の別の例としては、山岳部の尾根などに風車を設置する場合などに風車の回転面に対して風が下方から吹き上げる現象（以下「吹上」と称す）が存在する。この場合も、迎角の周期的な変動により周期的な気流の剥離が発生する。
【００１６】
また、地表の粗度の影響を受けて、高高度と低高度では風速が異なる、いわゆるウィンドシアという現象によっても、周期的な迎角の変動が生じる可能性がある。
【００１７】
これらの吹上やウィンドシアに対しては、上記したオートヨー制御では追随できないため、風車のピッチを時間的に変化させる、独立ピッチ制御という技術が実用化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００８−０２５４３４号公報
【特許文献２】特開２０１６−１５８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、これらオートヨー制御や独立ピッチ制御などの技術は、機械的な機構を駆動する技術であるため、山岳的な風況の短時間の変化や急激な変化には追従できないのが現状である。また機械的な機構を頻繁に使用すると、モータやベアリング等の磨耗を引き起こすという問題も生じる。このため、ヨーエラー、吹上、ウィンドシアといった短期的または突発的な山岳的な風況変化に対してヨー制御やピッチ制御だけで対処するには限界がある。
【００２０】
これを解決するために、翼における気流発生装置を適用することが考えられるが、気流発生装置は、その耐久性や消費電力を考慮すると、むやみやたらに駆動させることは望ましくなく、翼の空力特性を改善する必要がある場合に限って駆動させたり、剥離の状態に応じて気流発生装置の特性を調整することが望ましい。
山岳的な風況に気流発生装置を適用する場合は、気流発生装置の耐久性向上や消費電力低減を図る技術の導入が必要である。
【００２１】
本発明が解決しようとする課題は、翼における周期的剥離現象をひきおこす、ヨーエラー、吹上、ウィンドシアといった山岳的な風況に対応して、翼面における気流発生装置を効率よく制御しつつ風車を効率よく回転させて発電量を増大させることができる風力発電装置および風力発電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
実施形態の風力発電システムは、ナセル部、発電部、気流発生部、対称性パラメータ演算部、制御部を備える。ナセル部は地表から上方に向けて設置されたタワー部の上部に、複数の翼を有する風車を水平方向に伸びる回転軸で回転自在に支持し、風車を向ける方角を可変可能である。発電部はナセル部に収容されており、回転軸を介して伝達される風車の回転力により発電する。気流発生部は翼の面に気流を発生する。対称性パラメータ演算部は風況、発電部の発電状態、風車の方角のうち少なくとも一つの情報から、風車回転面内の風速分布が、回転軸に対して軸対称になっていない度合いを示す対称性パラメータを演算する。制御部は対称性パラメータの値が予め設定した閾値を超えた場合と閾値を超えない場合とで気流発生部の動作を変える制御を行う。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】風力発電システムの概要構成を示す図である。
【図２】風力発電システムに用いられる気流発生装置の構成例を示す図である。
【図３】気流発生装置に印加される電圧波形の例を示す図である。
【図４】風力発電システムの制御系の構成を示す図である。
【図５】吹上角で風を受けた風車の状態を示す正面図である。
【図６】図５の側面図である。
【図７】吹上角で風を受けた場合の気流発生装置のオンとオフでのプラズマ効果の違いを示す図である。
【図８】ウィンドシアを受けた風車の状態を示す正面図である。
【図９】図８の側面図である。
【図１０】ウィンドシアを受けた場合の気流発生装置のオンとオフでのプラズマ効果の違いを示す図である。
【図１１】右舷前方から風が流入することでヨーエラーがある場合の風車の状態を示す正面図である。
【図１２】図１１の側面図である。
【図１３】図１１のヨーエラーがある場合の気流発生装置のオンとオフでのプラズマ効果の違いを示す図である。
【図１４】左舷前方から風が流入することでヨーエラーがある場合の風車の状態を示す正面図である。
【図１５】図１４の側面図である。
【図１６】図１４のヨーエラーがある場合の気流発生装置のオンとオフでのプラズマ効果の違いを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は風力発電システムの構成を示す図、図２は図１の風車発電システムの気流発生装置の構成を示す図である。
【００２５】
図１に示すように、この実施形態の風力発電システム１０は、地面２０（地表）に上方に向けて設置されたタワー３０、このタワー３０の頂部（上部）に取り付けられた水平軸型の風車として風車部４０を備える。風車部４０は、ナセル３１と、このナセル３１の上面に取り付けられた風向風速計５０と、前方からの風を受けて回転する複数翼構成の翼としての風車翼４２とを備える。複数翼構成全体を総称してロータまたは風車と呼ぶ。
【００２６】
ナセル３１には発電機１５０などが収容されている。ナセル３１は回転軸としてのロータ軸の端部に風車部４０を回転自在に支持する支持部としてのハブ４１を有する。ナセル３１全体としては、タワー３０の軸に、鉛直方向に回動可能に支持されており、機械的な駆動機構により風車部４０の風車翼４２のロータ軸（図５の回転面Ｓの中央を通る軸）を向ける方向（方角、方位）を可変可能である。ハブ４１は風車翼４２の付け根を発電機１５０のロータ軸に連結する。換言すると、風車翼４２はナセル３１から突出したロータ軸の一端に支持されている。
【００２７】
すなわちナセル３１は地表から上方に向けて設置されたタワー３０の上部に、複数の風車翼４２を有する風車部４０を水平方向に伸びるロータ軸で回転自在に支持し、風車部４０を向ける方角を可変可能である。
【００２８】
発電機１５０にはロータ軸の周囲に対向するようにステータが設けられており、これらの相互作用により発電する。ただし、この構成は風車が増速機を備えない場合の構成であり、ナセル３１に増速機を設ける場合は、風車翼４２は増速機軸に支持される。すなわち風車部４０は風車翼４２が風を受けて回転しその回転によるトルク（回転力）をロータ軸を介して発電機１５０に伝達して発電させるものである。
【００２９】
風向風速計５０は風の風向や速度を計測しそれぞれの計測データを風車制御部（図４参照）へ伝達する。風車翼４２はハブ４１を中心として３枚が放射状に１２０°の間隔で取付け角（ピッチ角）を駆動機構により可変可能に支持されている。風車翼４２は、前方（風上）からの風（気流）を受けてハブ４１を中心に回転する。
【００３０】
風車翼４２は、主に３本の翼にそれぞれ配設された空力改善装置または気流発生部としての気流発生装置６０を備える。風車翼４２は、各翼に前方からの風を受けて回転するようタワー３０の上部に回転自在に支持されている。この例では風車翼４２を３本の翼で構成した例について説明するが、翼の数は２本でも４本でも５本以上でもよく、その数は限定されるものではない。
【００３１】
風車翼４２の本体は、樹脂で構成されている。この樹脂として、例えば、グラスファイバを合成樹脂により固形化したＧＦＲＰ（グラスファイバ強化樹脂）などが挙げられるが、これに限られるものではなく、公知な風車翼本体を構成する誘電材料であればよい。
【００３２】
気流発生装置６０は、それぞれの風車翼４２の面に気流を発生する気流発生部として機能する。気流発生装置６０は、オペレータによるスイッチ（図示せず）のオン・オフ操作により運転・停止する。また気流発生装置６０は近接または遠隔からの調整機構により電圧、基本波の周波数、デューティ比等を変化させることにより気流発生機能を調整可能である（図３参照）。気流発生装置６０は、運転時には風車翼４２に気流を定常的または非定常に発生させて風車翼４２に対して揚力を増大したり、抗力を低減する等、空力特性を改善する。
【００３３】
なお、気流発生装置６０の運転（作動）・停止の切り替えや調整の操作については発電機１５０の回転数の計測値が所定の回転数になったら切り替えてもよく、またタイマー制御や風向風速計５０による検知など、人手によらず自動で切り替えてもよい。
【００３４】
図２に示すように、気流発生装置６０は、風車翼４２の前縁部に設けられている。気流発生装置６０は、第１の電極６１と、この第１の電極６１と誘電体６３を介して離間して配設された第２の電極６２とを備える。ここでは、第１の電極６１を誘電体６３の表面に設け、第２の電極６２を誘電体６３内に埋設した構成を有する気流発生装置６０を示している。なお、誘電体６３を構成する誘電材料については、特に限定されず、使用される用途や環境に応じて、公知な固体からなる誘電材料から適宜選択することができる。
【００３５】
気流発生装置６０を風車翼４２の表面に設置する場合には接着などの既知の方法によって設置することができる。
なお、気流発生装置６０の誘電体として風車翼４２を構成する樹脂と同じものを利用し、風車翼４２を構成する樹脂と気流発生装置を構成する樹脂が一体となるように構成することもできる。
この場合、風車翼４２は、例えば次のように製作される。例えば、風車翼本体を、プリプレグやレジントランスファ等の製法により、ガラス繊維を積層したものに樹脂を含浸して作製する際、繊維の間に金属箔帯や金属板を積層して、気流発生装置６０の第１の電極６１および第２の電極６２を形成し、風車翼４２が製造される。風車翼４２の製造方法は、これに限られるものではない。
【００３６】
なお、気流発生装置６０の構成は、これに限られるものではない。例えば、風車翼４２に溝部を構成し、この溝部に、第１の電極６１、第２の電極６２および誘電体６３からなる構成を嵌め込むように設置し、気流発生装置６０が風車翼４２の表面から突出しないように構成してもよい。
【００３７】
ここで、例えば、第１の電極６１の第２の電極６２側の端縁が、風車翼４２の前縁上となるように第１の電極６１を配置し、第１の電極６１よりも風車翼４２の背側の翼上面４２ａとなる位置に第２の電極６２を配置することができる。
【００３８】
ここでは気流発生装置６０では、発生するプラズマ誘起流が第１の電極６１側から第２の電極６２側に向かって流れるように、第１の電極６１および第２の電極６２が配置されている。例えば、図２に示した気流発生装置６０においては、プラズマ誘起流は、風車翼４２の前縁から翼面の背側４２ａに向かって流れる。
なお、気流発生装置６０の配置位置やプラズマ誘起流の方向は、翼面に発生する剥離などを制御できる位置であればよく、特に限定されるものではないが、的確に流れを制御するためには、設置位置を風車翼４２の前縁部、誘起流の方向を前縁から翼面の背側に向かう向きとすることが好ましい。
【００３９】
気流発生装置６０は、例えば、図１に示したように、風車翼４２の翼根部から翼端部に向かう翼幅方向に、複数個独立して配置される。この場合、各気流発生装置６０は、それぞれ単独で制御され、例えば、第１の電極６１と第２の電極６２との間に印加される電圧を、各気流発生装置６０毎に制御する。なお、翼幅が小さい場合には、例えば、１つの気流発生装置６０を、風車翼４２の前縁部に翼幅方向に配置する。
【００４０】
第１の電極６１および第２の電極６２は、図２に示すように、それぞれケーブル配線６４を介して、気流発生装置制御部１７０の電圧印加機構として機能する放電用電源１７２に電気的に接続されている。この放電用電源１７２を起動することで、第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧が印加される。
【００４１】
放電用電源１７２は、第１の電極６１と第２の電極６２との間に、例えば、両極性パルス電圧や、交流状（正弦波、断続正弦波）の波形を有する電圧などを印加する。このように、放電用電源１７２は、電圧値、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性などを変化させて、第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧を印加する。
【００４２】
これらの電流電圧特性の調整は、放電用電源１７２の外部からの信号を受けて行ってもよく、また放電用電源１７２自身が、放電用電源１７２内部に設けたセンサ等の計測値から現在の状態を判定して、自身の発生する電流電圧特性を調整してもよい。
【００４３】
例えば放電用電源１７２の内部に、加速度センサを内蔵し、外部から信号を与えることなく、風車部４０の回転数や風車翼４２のアジマス角（回転角度）を放電用電源１７２の内部で検出して、それに応じて電流電圧特性を変化させる。
【００４４】
また、放電用電源１７２の内部に、気流発生装置の静電容量を計測するセンサを内蔵し、外部から信号を与えることなく、気流発生装置の静電容量を計測して、計測した容量に応じて電流電圧特性を変化させてもよい。
【００４５】
例えば、複数の気流発生装置６０を備える場合、放電用電源１７２は、各気流発生装置６０毎に備えてもよく、また各気流発生装置６０を独立して電圧制御する機能を備える１つの電源装置で構成してもよい。
【００４６】
ここで、図３を参照して一般的な風力発電システムにおけるパルス変調制御の概要を説明する。図３に示すように、放電用電源１７２からの印加電圧を所定時間オン（ＯＮ）、所定時間オフ（ＯＦＦ）とする制御方法をパルス変調制御といい、その周波数をパルス変調周波数ｆという。また、図３に示す印加電圧の基本波の周波数を基本周波数という。
【００４７】
例えば、電圧をパルス変調制御した際、次の式（１）の関係式を満たすように、パルス変調周波数ｆを設定することが好ましい。
【００４８】
０．１≦ｆＣ／Ｕ≦９  …式（１）
【００４９】
但し上記の式（１）における記号Ｃは気流発生装置６０が設けられた翼部における風車翼４２の翼弦長を示す。Ｕは気流発生装置６０が備えられた翼部における、翼の周速度と風速とを合成した相対速度である。風速を精度よく計測することが困難な場合には、Ｕとして翼の周速度を採用することもできる。
【００５０】
なお、図１に示したように、気流発生装置６０を翼幅方向に複数備えるケースにおいても、１つの気流発生装置６０は、翼幅方向に所定の幅を有している。このため、１つの気流発生装置６０においても、翼弦長Ｃや相対速度Ｕは、この気流発生装置６０の幅方向に変化する。そこで、翼弦長Ｃや相対速度Ｕとして、各気流発生装置６０が備えられた翼部における翼幅方向の平均値を使用することが好ましい。
【００５１】
ここで、気流発生装置６０によって気流が発生する原理について説明する。
放電用電源６３から第１の電極６１と第２の電極６２との間に電圧が印加され、一定の閾値以上の電位差となると、第１の電極６１と第２の電極６２との間に放電が誘起される。
【００５２】
この放電は、両電極が風車翼本体の翼上面４２ａに露出している場合にはコロナ放電、一方、少なくとも一方の電極が風車翼本体に埋設されている場合にはバリア放電とよばれ、低温プラズマが生成される。
【００５３】
これらの放電プラズマにおいては、気体中の電子のみにエネルギーを与えることができるため、気体をほとんど加熱せずに気体を電離して電子およびイオンを生成することができる。生成された電子やイオンは、電界によって駆動され、それらが気体分子と衝突することで運動量が気体分子に移行する。
【００５４】
すなわち、放電を印加することで電極付近に気流ＡＦを発生することができる。この気流ＡＦの大きさや向きは、電極に印加する電圧、周波数、電流波形、デューティ比などの電流電圧特性を変化させることで制御可能である。
【００５５】
なお、ここでは、風車翼本体の翼上面４２ａの前縁から後縁に沿う方向に気流ＡＦを発生させるように、気流発生装置６０が配設されているが、電極の設置方法によって気流の向きを変えることもできる。
【００５６】
図４は風力発電システムにおけるシステム構成の第１実施形態を示すブロック図である。図４に示すように、この風力発電システムは、風況計測部１００、発電状態計測部１１０、風車状態計測部１２０などの計測部９０、ピッチ駆動機構１３０、ヨー駆動機構１４０、発電機１５０、気流発生装置６０、気流発生装置制御部１７０、風車制御部１９０などを備える。さらに風力発電システムは気流発生装置６０を駆動する放電用電源１７２などを備える。発電機１５０は、気流を受けて回転する風車の回転により発電する。
【００５７】
風車制御部１９０は、風況計測部１００、発電状態計測部１１０、風車状態計測部１２０により計測された、風況（風速、風向などの風の状態）、発電機１５０の出力状態（トルクなど）、風車の状態（風車部４０のロータ軸（回転面Ｓ）が向いている方角（方向、方位ともいう）を基に、風車部４０のピッチ、ヨー、発電機１５０の負荷状態を制御する。
【００５８】
発電機１５０は、風車翼４２の回転により発電し、風車翼４２の回転を抑える方向にトルクを発生する。
【００５９】
風況計測部１００としては、例えば風向風速計５０が用いられる。風向風速計５０は、風車翼４２に流入する風の速度、風車翼４２に流入する風の風向を計測するセンサである。風向風速計５０は、例えば図１に示したナセル３１の上側の面に設けられている。
【００６０】
風況計測部１００は、必ずしもタワー３０（ナセル３１）の上部に設置しなくでもよく、例えば風車部４０の前方等に設置された風況観測塔に設置してもよい。また、風車のタワーの高度方向に複数の風況計測部を設けることで、ウィンドシアに関する情報を計測するようにしてもよい。
また、風況計測部１００は、これらに代えて、レーザや超音波を利用して、計測部９０から離れた場所の風速および風向を計測する、ライダーやソーダ等を利用してもよい。
また、風況をすべて実測するのではなく、気象台等のデータから、解析やデータベースなどを用いて風車ロータにおける風況を予測する方法を採用してもよい。
【００６１】
発電状態計測部１１０は、発電機１５０に設けられた例えばトルクセンサである。トルクセンサは、回転軸（風車翼４２）の回転を抑制するための負荷となるトルクを計測する。このトルクは風車側の回転トルクと異なるため、以下では「発電機トルク」称す。
【００６２】
トルクセンサとしては、発電機トルクを直接的に計測するものでなくても、発電出力を角速度で割って算出する方式のものであってもよい。この場合は、発電機出力を計測するために、電圧計、電流計、電力計等を、発電機１５０または発電機１５０から電力変換装置までの間などに備える必要がある。
【００６３】
風車状態計測部１２０は、回転数センサ１２１、ヨー角検出センサ１２２、ピッチ角検出センサ１２３、アジマス角検出センサ１２４などを含み、風車翼４２の回転軸（ロータ軸）の回転数または発電機１５０の回転数、風車翼４２のピッチ角度、ヨー角度、アジマス角などの現在値を計測するものである。
【００６４】
アジマス角度検出センサ１２４は、天頂の方向を０°として、風車翼４２が回転する翼一枚毎の位置を回転方向への回転角度（０°から９０°、１８０°、２７０°…など）で検出するものであり、例えば発電機１５０のロータ軸などに設けられている。この例では、回転角度の検出間隔は一例として４５°間隔としたが、１°や２°、５°、１０°間隔でもよく、回転角度の検出間隔は所望に応じて設定できるものとする。
【００６５】
計測部９０としては、上記の他、例えば振動計、表面圧力計、ひずみ計などのように、風車の振動、流体状態、荷重状態等を計測するセンサを利用してもよい。
すなわち、計測部９０は、風車部４０の設置環境における風の状況である風況（ヨーエラー（ヨー角のずれ）、吹上角、ウィンドシアの値など）、発電機１５０の発電状態（トルク、発電出力など）、風車部４０の風車翼４２のロータ軸が向けられている方角（方位、方向など）のうちの少なくとも一つの情報を計測する。この情報は時間に対応付けて固定値でメモリなどの記憶部に予め記憶しておいてもよい。
【００６６】
なお、計測部９０の機能は、前述したように、放電用電源１７２自身の機能の一部として組み込んでもよい。
【００６７】
風車制御部１９０は、風況計測部１００、発電機計測部１１０、風車状態計測部１２０などの計測部９０により計測された、風況、発電機出力状態、風車の向きなどを基に、予め内蔵される風車制御データベース１９１（以下「ＤＢ１９１」と称す）を参照して風車翼４２のピッチ角、風車部４０のヨー角、発電機１５０の負荷状態を制御する。
【００６８】
この風車制御部１９０は、例えば、演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などから主に構成されている。
【００６９】
ＣＰＵでは、ＲＯＭやＲＡＭに格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。この風車制御部１９０が実行する処理は、例えばコンピュータ装置などで実現される。
【００７０】
ＤＢ１９１は、メモリ、ハードディスク装置などで構成される。また、このＤＢ１９１には、図示しないキーボード、マウス、外部入力インターフェースなどを介して、データの入力などが可能である。
【００７１】
ＤＢ１９１は、風速、風向、風車翼４２の回転数、風車翼４２のアジマス角などの計測値と、風車トルク、ヨー角度、ピッチ角度等の制御対象値とを紐付ける複数の制御マップ（図７のトルクとアジマス角との関係を示す情報）を記憶している。
【００７２】
ピッチ駆動機構１３０は、風車制御部１９０により制御されて風車翼４２のピッチ角度（取付け角度）を調整する。具体的な制御動作としては、風車制御部１９０は、回転数センサ１２１により検知された風車翼４２の回転数、発電機状態計測部１１０により検知された発電機１５０の出力、アジマス角度センサ１２４により計測されたアジマス角などに応じて、風車翼４２の取付け角度（ピッチ角度）を制御するようピッチ駆動機構１３０に制御信号（情報）を送り、ピッチ駆動機構１３０を動作させてピッチ角度を調整する。
【００７３】
ヨー駆動機構１４０は、ナセル３１を旋回（回動）させてロータ軸を風向に合わせるための機構である。具体的な制御としては、風車制御部１９０は、検知された風況情報（風速、風向など）に基づいて、ロータ軸を風向に合わせるためにヨー駆動機構１４０に制御信号を送り、ヨー駆動機構１４０を動作させてナセル３１を旋回（回動）させる。
【００７４】
気流発生装置６０は、運転・停止可能に、またはその能力を調整可能に設けられており、運転時には風車翼４２に対して揚力を増大、抗力の低減などの空力特性の改善する機能を有する。
【００７５】
気流発生装置制御部１７０は、気流発生装置制御データベース１７１（以下「ＤＢ１７１」と称す）、放電用電源１７２、対称性パラメータ演算部１７３を備える。
気流発生装置制御部１７０は、風況計測部１００、発電状態計測部１１０、風車状態計測部１２０などを含む計測部９０により計測された風況、発電機出力状態、風車状態を基に、対称性パラメータ演算部１７３から出力された対称性パラメータに応じて、予め内蔵されているＤＢ１７１を参照して気流発生装置６０の動作（駆動または停止など）を制御する。具体的には放電用電源１７２から気流発生装置６０へ供給する電力を制御する。なお、回転数、アジマス角については、風車状態計測部１２０によらずとも、気流発生装置制御部１７０自身が判別するようにしてもよい。
【００７６】
対称性パラメータ演算部１７３は、風車の設置環境における風況、発電機１５０の発電状態、風車の回転軸が向けられている方角のうち少なくとも一つの情報から、風車回転面内の風速分布が、ロータ軸に対して軸対称になっていない度合いを示す対称性パラメータを演算し出力する。
【００７７】
すなわち、対称性パラメータ演算部１７３は、風況計測部１００からの情報に基づいて対称性パラメータを出力する。ここで、対称性パラメータとは、風車回転面内の風速分布が、回転軸に対して軸対称になっていない度合いを示すものであり、対称性を示す風況指標（ヨーエラー、吹上角、ウィンドシア）の種別と種別毎の風況値（角度や風速など）をいう。
【００７８】
つまり、対称性パラメータ演算部１７３は、例えばナセル３１上の風向風速計５０の計測値から「ヨーエラー＝１０°、吹上＝５°、ウィンドシア指数＝０．２」という３組の変数を返す。
【００７９】
ウィンドシア指数とは、高度Ｚ１での風速をＶ１、高度Ｚ２での風速をＶ２としたとき、
Ａ＝ Ｌｏｇ１０［Ｖ２／Ｖ１］／Ｌｏｇ１０［Ｚ２／Ｚ１］
で表される指数であり、指数が大きいほど非対称性が大きくなる。
【００８０】
図４の例では、気流発生装置制御部１７０が、各種計測部からの信号を受ける形であらわされているが、各種計測部からの信号を風車制御部１９０内で処理し、風車制御部１９０内に設けて、気流発生装置駆動信号のみを風車制御部１９０から気流発生装置制御部１７０に送る構成であってもよい。
【００８１】
また、気流発生装置制御部１７０が放電用電源１７２を含む形で表されているが、気流発生装置制御部１７０は、放電用電源１７２を別体で設けてもよく、気流発生装置制御部１７０が放電用電源１７２そのものであってもよい。
【００８２】
気流発生装置制御部１７０は、例えば、制御部としてのＣＰＵ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などから主に構成され、ＤＢ１７１および放電用電源１７２などを有する。放電用電源１７２については、図２の気流発生装置６０の説明で記載したためここでの説明は省略する。
【００８３】
ＣＰＵは、ＲＯＭやＲＡＭに格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。この気流発生装置制御部１７０が実行する処理は、例えばコンピュータ装置などで実現される。ＣＰＵは、風車翼４２毎に設けられている気流発生装置６０を個々に制御する。ここではＣＰＵと別に対称性パラメータ演算部１７３が存在する記載とするが、対称性パラメータ演算部１７３がＣＰＵ内のプログラムとして組み込まれていてもよい。
【００８４】
回転軸に対する風の非対称性に起因する周期的剥離現象に対処するために、ＣＰＵは、ロータの回転の周期性情報を基に、気流発生装置６０を周期的に制御する。ロータ回転の周期性情報としてはロータのアジマス角の情報を用いるのが望ましい。
【００８５】
ＣＰＵは、風車翼４２が風上側から見て時計周りに回転する際に天頂の方向をアジマス角０°とした場合に、対称性パラメータ演算部１７３の演算結果に応じて予め設定した気流発生装置６０が効かないアジマス角の範囲を抽出し、気流発生装置６０への電圧の印加を停止、電圧を減圧および電圧のスイッチング周波数を低下させる制御のうちいずれか一つを行う。
【００８６】
ＣＰＵは、対称性パラメータ演算部１７３の演算結果である対称性パラメータに応じてＤＢ１７１から読み出した風車翼４２のアジマス角に応じて気流発生装置６０を作動または停止させる制御を行う。
【００８７】
より詳細には、ＣＰＵは、対称性パラメータをキーにしてＤＢ１７１を参照し、対称性パラメータに応じて予め設定した気流発生装置６０が効かないアジマス角（回転角度）の範囲を読み出し、以下のような制御を行う。
【００８８】
ＣＰＵは、対称性パラメータがロータ軸に対する鉛直方向の風の角度を示す吹上角であれば、吹上角が所定の閾値を超えた場合に、アジマス角が９０°から１８０°の範囲で気流発生装置６０への電圧の印加を停止する第１の制御、電圧を減圧する第２の制御および電圧のスイッチング周波数を低下させる第３の制御のうちいずれか一つの制御を行う。
【００８９】
なお、アジマス角が９０°から１８０°のうちのさらに小さい角度範囲で上記制御を行ってもよい。つまりＣＰＵはＤＢ１７１から読み出したアジマス角の範囲のうちの少なくとも一部の角度範囲で上記制御を行うものとする。
【００９０】
またＣＰＵは、対称性パラメータが高度に応じた風速の差を示すウィンドシアであれば、ウィンドシアが所定の閾値を超えた場合にアジマス角が１８０°から２７０°のうちの少なくとも一部の角度範囲で上記制御を行う。
【００９１】
ＣＰＵは、対称性パラメータがロータ軸に対する水平方向の風の角度を示すヨー角であれば、ロータ軸に対して風が右舷側から流入するようにヨーエラーが発生し、ヨー角のずれが所定の閾値を超えた場合にアジマス角が１８０°から２７０°のうちの少なくとも一部の角度範囲で上記制御を行う。
【００９２】
またＣＰＵは、対称性パラメータがヨー角であり、ロータ軸に対して風が左舷側から流入するようにヨーエラーが発生し、ヨー角のずれが所定の閾値を超えた場合にアジマス角が０°から９０°のうちの少なくとも一部の角度範囲で上記制御を行う。
【００９３】
すなわち、ＣＰＵは、風車部４０の設置環境における風況、発電機１５０の発電状態、風車部４０のロータ軸が向けられている方角のうち少なくとも一つの情報から、対称性パラメータの値が予めＤＢ１７１に設定した閾値を超えた場合と閾値を超えない場合とで気流発生部６０の動作を変える制御を行う。ＣＰＵは、気流発生装置６０が効かない翼のアジマス角が９０°〜２７０°の範囲では、上記第２の制御および上記第３の制御のうちいずれか一つの制御を行う。
【００９４】
ＤＢ１７１は、メモリ、ハードディスク装置などで構成される。このＤＢ１７１には、図示しない、キーボード、マウス、外部入力インターフェースなどを介して、データの入力などが可能である。
【００９５】
ＤＢ１７１は、風速、風向、風車翼４２の回転数などの計測値と、空力改善装置である気流発生装置６０の運転パラメータとを結び付ける制御情報である複数の制御マップを記憶している。制御マップは曲線、関数、制御特性などと表現してもよい。
【００９６】
またＤＢ１７１には、対称性パラメータに応じて予め設定した気流発生装置６０が効かないアジマス角の範囲が記憶されている。
さらにＤＢ１７１には、風車翼４２のロータ軸に対する対称性パラメータ（吹上角、ウィンドシア、ヨー角）の閾値が記憶されており、トルク低下を招く吹上、ウィンドシア、ヨーエラーなどの判定のための情報として利用される。この他、ＤＢ１７１には、トルクとアジマス角とを組み合わせるための演算式が記憶されている。
【００９７】
気流発生装置６０の運転パラメータとは、例えば、各気流発生装置６０毎に、電極に印加する電圧、周波数、電流波形、変調周波数、デューティ比などの電流電圧特性などである。
【００９８】
気流発生装置６０は、気流発生装置制御部１７０からの信号により、電極に印加する電圧、周波数、電流波形、変調周波数、デューティ比が最適に調整されることで、翼上面４２ａの前縁から後縁に沿う方向に向かう気流の強さを最適に調整し、最適な空力改善効果が得られるようにする。
【００９９】
図５は、風車部４０を風上側正面から見た図であり、風車翼４２の回転面Ｓ（図の破線）の最上部の点Ａをアジマス角０°とし、風車翼４２が風上からの風をうけて、風上からみて右回り（時計回り）に回転する場合の９０°毎の位置を示す図である。
【０１００】
図５において、風車翼４２が点Ａから９０°回転した位置を点Ｂ、点Ａから１８０°回転した位置を点Ｃ、点Ａから２７０°回転した位置を点Ｄとする。
【０１０１】
図６は、図５の側面図である。符号Ｕｙは風車翼４２の回転面Ｓ（図の破線）に対して垂直な方向、符号Ｕｚは風車翼４２の回転面Ｓ（図の破線）に対して平行な方向を示しており、風が下方から斜め上の方向８１に吹き上げている状態を示している。このような場合を、吹上角が正の状態という。
【０１０２】
また、風車翼４２は固定ピッチで回っており、その発電状態は、定格出力以下の部分負荷帯などであるものとする。
【０１０３】
この例のように吹上角が正の場合、風車翼４２は、迎角の動的変動を受ける。具体的には、図５の点Ｂの位置（アジマス角９０°）で迎角が最小、点Ｄ（同２７０°）の位置で迎角が最大となる。
吹上角がある所定の値を超えると、風車翼４２の翼面の一部において、気流が翼面から離れる現象である「剥離」を生じ、風車翼４２に発生するトルクが減少する。
【０１０４】
図７は、図５、図６の風車部４０の状態における風車翼４２のうちの１枚の風車翼４２に発生するトルクを縦軸に示し、風車翼４２のアジマス角を横軸に示したものである。
特性７１（実線）は、気流発生装置６０をＯＮにした場合、特性７２（破線）は気流発生装置６０をＯＦＦにした場合である。
【０１０５】
ここで、気流発生装置６０をＯＮにした場合とは、放電用電源１７２から気流発生装置６０に、図３で示すような電圧を印加した状態をいい、気流発生装置６０をＯＦＦにした場合とは放電用電源１７２から気流発生装置６０への電源供給を停止した場合をいう。
【０１０６】
図７は気流発生装置６０をオンした場合とオフした場合でのプラズマ効果の違いを示すイメージ図であるが、この特性は、発明者らが実際に、小型風車およびフィールド風車に気流発生装置６０を搭載して実証試験を行って得た特性であり、風車部４０がピッチ固定で回転する場合に共通して得られる特性である。
【０１０７】
図７において、実線で示す特性７１では、気流発生装置６０の駆動によって、気流の流れの剥離が抑制され、風車翼４２のトルクが増大する効果が現れる。
したがって、このような吹上角が所定の閾値を超えた場合に、気流発生装置６０を駆動することで、風車部４０が風から得るエネルギーを増大させ、発電量を増加させることができる。
【０１０８】
一方、アジマス角が９０°から１８０°の間では、気流発生装置６０を作動させた状態と停止させた状態とで変化が生じない領域、つまり気流発生装置６０の効果がない領域Ｘが存在する。
【０１０９】
このように気流発生装置６０の効果がない領域Ｘでは、放電用電源１７２から気流発生装置６０への電圧の印加を停止（ＯＦＦ）にするか、または電圧を印加するにしても（ＯＮのままでも）電圧や基本周波数を低下させることで、風車翼４２の回転トルクを低下させずに、消費電力の低減や気流発生装置６０の寿命延長を図ることができる。
【０１１０】
水平軸風車には風車を風上にむけるアップウィンド風車と風下に向けるダウンウィンド風車があり、また、風車の回転方向は風上側から見て時計回りのものと反時計回りのものがある。図５〜７は、アップウィンド風車、時計回りの場合を想定して書いてあるが、上記の制御はアジマス角を天頂から回転方向の角度とすれば、いずれの風車でも適用可能である。
【０１１１】
図８はウィンドシアがある場合の風車部４０の状態を示した正面図、図９は図８の側面図である。
【０１１２】
図９に示すように、ウィンドシアとは、風速の高度分布をいい、高高度の風速Ｕｙｈに比べて地上付近の風速Ｕｙｕが低くなる現象をいう。この例では、風車翼４２は、風上から風を受けて、風上からみて右回りに回転するものとする。
【０１１３】
また、風車翼４２は、ピッチ固定で回わっており、その発電状態は、定格出力以下の部分負荷帯などであるものとする。
図９に示すようなウィンドシアがある場合、風車翼４２は、迎角の動的変動を受ける。具体的には、図８の点Ａの位置で迎角が最大、点Ｃの位置で迎角が最小となる。
吹上角がある所定の値を超えると、風車翼４２の一部において、気流が剥離を生じ、風車翼４２に発生するトルクが減少する。
【０１１４】
図１０は図８の風車部４０の状態における風車翼４２のうちの１枚の風車翼４２に発生するトルクを縦軸にとり、その風車翼４２のアジマス角を横軸にとってトルクとアジマス角との関係を示した特性図である。
【０１１５】
実線で示す特性７３は気流発生装置６０をＯＮにした場合の特性であり、破線で示す特性７４は気流発生装置６０をＯＦＦにした場合の特性である。ここで、気流発生装置６０をＯＮにした場合とは、放電用電源１７２から気流発生装置６０に、図３で示すような電圧を印加した状態をいい、気流発生装置６０をＯＦＦにした場合とは放電用電源１７２から気流発生装置６０への電源供給を停止した場合をいう。
【０１１６】
図１０はイメージ図であるが、この図１０の特性は、発明者らが実際に小型風車およびフィールド風車に気流発生装置６０を搭載した実証試験を行って得た特性であり、風車翼４２がピッチ固定で回っている場合に共通して得られる特性である。
【０１１７】
図１０において、気流発生装置６０を作動させた特性７３（実線）では、気流発生装置６０の駆動によってアジマス角が少なくとも０°から９０°の範囲では、気流の剥離が抑制され、気流発生装置６０を作動させない特性７４（破線）よりも風車翼４２の回転トルクが増大する効果が現れることがわかる。
【０１１８】
したがって、このようなウィンドシアがある所定の値を超えた場合に、気流発生装置６０を駆動することで、風車翼４２が風から得るエネルギーを増大させ、発電量を増加させることができる。
【０１１９】
一方、アジマス角が１８０°から２７０°の間で、気流発生装置６０の効果がない領域Ｘが存在する。このように気流発生装置６０の効果がない領域Ｘでは、放電用電源１７２から気流発生装置６０への電圧の印加を停止（ＯＦＦ）にするか、または電圧を印加するにしても（ＯＮのままでも）電圧や基本周波数を低下させることで、風車翼４２の回転トルクを低下させずに、消費電力の低減や、気流発生装置６０の寿命延長を図ることができる。
【０１２０】
水平軸風車には風車を風上にむけるアップウィンド風車と風下に向けるダウンウィンド風車があり、また、風車の回転方向は風上側から見て時計回りのものと反時計回りのものがある。図８〜１０は、アップウィンド風車、時計回りの場合を想定して書いてあるが、上記の制御はアジマス角を天頂から回転方向の角度とすれば、いずれの風車でも適用可能である。
【０１２１】
図１１はヨーエラーが生じた場合の風車部４０の状態を示す正面図、図１２は図１１の風車部４０の側面図である。符号Ｕｙは風車翼４２の回転面Ｓ（図の破線）に対して垂直な方向、符号Ｕxは風車翼４２の回転面Ｓ（図の破線）に対して平行な方向を示しており、風上から見てロータ軸に対して風が左側（アジマス角で９０°側ではなく２７０°側）から斜めの方向８２で回転面Ｓに流入、つまり吹き込んでいる状態を示している。このような場合を、ヨーエラーがある状態という。
【０１２２】
風車翼４２は正面から風をとらえるため、時々刻々変化する風向を、風向風速計５０でとらえ、風車翼４２の回転面Ｓが、風向の正面を向くように、ナセル３１の方位を調整する。ナセル３１の方位と風向に一定以上のずれが生じている状態をヨーエラーがある状態という。
【０１２３】
図１１で、風車翼４２は風上から風を受けて、風上からみて右回りに回転するものとする。また、風車翼４２はピッチ固定で回っており、その発電状態は定格出力以下の部分負荷帯などであるものとする。
【０１２４】
図１２に示すように、ナセル３１から見て右舷側（アジマス角で９０°側ではなく２７０°側）から風が流入するようにヨーエラーがある場合、風車翼４２は、迎角の動的変動を受ける。具体的には、図１１の点Ａの位置で迎角が最大、点Ｃの位置で迎角が最小となる。
【０１２５】
ヨーエラーが、所定の値を超えると、風車翼４２の一部において、気流が剥離を生じ、風車翼４２に発生する回転トルクが減少する。
【０１２６】
図１３は、図１１の風車部４０の状態における風車翼４２のうちの１枚の風車翼４２に発生するトルクを縦軸にとり、その風車翼４２のアジマス角を横軸にとってトルクとアジマス角との関係を示した特性図である。
【０１２７】
図１３はイメージ図であるが、この特性は、実際に、発明者らが小型風車およびフィールド風車に気流発生装置６０を搭載した実証試験を行って得た特性であり、風車翼４２がピッチ固定で回っている場合に共通して得られる特性である。
【０１２８】
図１３において、実線で示す特性７５は気流発生装置６０をＯＮにした場合の特性、破線で示す特性７６は気流発生装置６０をＯＦＦにした場合の特性である。ここで、気流発生装置をＯＮにした場合とは、放電用電源１７２から気流発生装置６０に、図３で示すような電圧を印加した状態をいい、気流発生装置６０をＯＦＦにした場合とは放電用電源１７２から気流発生装置６０への電源供給を停止した場合をいう。
【０１２９】
図１３の特性では、気流発生装置６０の駆動によって、気流の剥離が抑制され、アジマス角が少なくとも０°から９０°の間では、風車翼４２の回転トルクが増大する効果が現れることがわかる。
【０１３０】
したがって、このようなヨーエラーがある所定の値を超えた場合に、気流発生装置６０を駆動することで、風車翼４２が風から得るエネルギーを増大させ、発電量を増加させることができる。
【０１３１】
一方、アジマス角が１８０°から２７０°の間では、気流発生装置６０の効果がない領域Ｘが存在する。このように気流発生装置６０の効果がない領域Ｘでは、放電用電源１７２から気流発生装置６０への電圧の印加を停止（ＯＦＦ）にするか、または電圧を印加するにしても（ＯＮのままでも）電圧や基本周波数を低下させることで、風車翼４２の回転トルクを低下させずに、消費電力の低減や、気流発生装置６０の寿命延長を図ることができる。
【０１３２】
水平軸風車には風車を風上にむけるアップウィンド風車と風下に向けるダウンウィンド風車があり、また、風車の回転方向は風上側から見て時計回りのものと反時計回りのものがある。図１１〜１３は、アップウィンド風車、時計回りの場合を想定して書いてあるが、上記の制御はアジマス角を天頂から回転方向の角度とし、風の流入方向がアジマス角で９０°側ではなく２７０°側からの流入とすれば、いずれの風車でも適用可能である。
【０１３３】
図１４は図１１、図１２の例とは異なる方向からの風のためヨーエラーが生じる例を示した正面図、図１５は図１４の側面図である。符号Ｕｙは風車翼４２の回転面Ｓ（図の破線）に対して垂直な方向、符号Ｕxは風車翼４２の回転面Ｓ（図の破線）に対して平行な方向を示しており、風上から見てロータ軸に対して風が右側（アジマス角で２７０°側ではなく９０°側）から斜めの方向８３で回転面Ｓに流入、つまり吹き込んでいる状態を示している。このような場合を、ヨーエラーがある状態という。
【０１３４】
図１５に示すように、ナセル３１から見て左舷側（アジマス角で２７０°側ではなく９０°側）から風が流入するようにヨーエラーがある場合、風車翼４２は、迎角の動的変動を受ける。具体的には、図１４の点Ｃの位置で迎角が最大、点Ａの位置で迎角が最小となる。
【０１３５】
ヨーエラーが、ある所定の値を超えると、風車翼４２の翼面の一部において、気流が剥離を生じ、風車翼４２に発生するトルクが減少する。
【０１３６】
図１６は図１４、図１５の風車部４０の状態における風車翼４２のうちの１枚に発生するトルクを縦軸にとり、その風車翼４２のアジマス角を横軸とってトルクとアジマス角との関係を示した特性図である。
【０１３７】
図１６はイメージ図であるが、ここで示している特性は、発明者らが実際に小型風車およびフィールド風車に気流発生装置を搭載した実証試験を行って得た特性であり、風車部４０がピッチ固定で回っている場合に共通して得られる特性である。
【０１３８】
実線で示す特性７７は、気流発生装置６０をＯＮにした場合の特性を示し、破線で示す特性７８は気流発生装置６０をＯＦＦにした場合の特性を示す。ここで、気流発生装置６０をＯＮにした場合とは、放電用電源１７２から気流発生装置６０に、図３で示すような電圧を印加した状態をいい、気流発生装置６０をＯＦＦにした場合とは放電用電源１７２から気流発生装置６０への電源供給を停止した場合をいう。
【０１３９】
図１６の特性７７（実線）では、気流発生装置６０の駆動によって、気流の剥離が抑制され、風車翼４２の回転トルクが増大する効果が現れることが判る。
【０１４０】
一方、アジマス角が０°から９０°の間では、気流発生装置６０の効果がない領域Ｘが存在する。このように気流発生装置６０の効果がない領域Ｘでは、放電用電源１７２から気流発生装置６０に印加する電圧をＯＦＦにするか、ＯＮのままであっても電圧や基本周波数を低下させることで、風車翼４２の回転トルクを低下させずに、消費電力の低減や、気流発生装置の寿命延長を図ることができる。
【０１４１】
水平軸風車には風車を風上にむけるアップウィンド風車と風下に向けるダウンウィンド風車があり、また、風車の回転方向は風上側から見て時計回りのものと反時計回りのものがある。
【０１４２】
図１４〜１６は、アップウィンド風車、時計回りの場合を想定して書いてあるが、上記の制御はアジマス角を天頂から回転方向の角度とし、風の流入方向がアジマス角で２７０°側ではなく９０°側からの流入とすれば、いずれの風車でも適用可能である。
【０１４３】
図５から図１６においては、吹上角、ウィンドシア、ヨーエラーが所定の値を超えた場合に、風車翼４２の一部において、気流が剥離を生じ、風車翼４２に発生するトルクが減少する。したがって、吹上角、ウィンドシア、ヨーエラーが所定の閾値未満では放電用電源１７２から気流発生装置６０への印加電圧をＯＦＦにし、所定の閾値を超えたときに、印加電圧をＯＮにすることが望ましい。
【０１４４】
吹上角、ウィンドシア、ヨーエラーの判定は、以下のようして行うものとする。
ナセル３１上の風速風向計５０として、３成分計測可能な超音波風速計等を用いることで、風速の鉛直成分を計測し、吹上角を判定する。
【０１４５】
このとき、ナセルの存在が計測上の誤差に影響してくる場合は、風向風速計の取付アングルをナセル３１の上方、側方等に張り出す形で設置することが望ましい。
【０１４６】
また、風速風向計５０をタワーの中腹部等、ナセル３１より低い高度位置に設置して、ナセル３１上の風速風向計５０と比較することで、ウィンドシアを計測することもできる。
【０１４７】
また、ナセル３１上の風速風向計５０で計測した風向を用いて、ヨーエラーを算出することができる。また、これらの値は、計測ポイントをスキャンすることができるライダーなどを用いても計測できる。
【０１４８】
また、風況は、風力発電設備の設置環境（地形など）で決ることが多いため、計測値を用いて判定するのではなく、予めそのサイトの風向毎の吹上角、ウィンドシアの値を測定してマップ化し固定値でメモリなどに記憶しておき、ナセル３１上の風速風向計５０で測定した風向が特定の値と一致した場合（メモリの風向毎の吹付けパラメータの値と一致した場合）に、吹上角、ウィンドシアが大きいものと判定してもよい。
【０１４９】
既設の風車設備に後付で気流発生装置６０を設置する場合には、吹上角、ウィンドシア、ヨーエラーの算出にあたり、既設の風速風向計５０が使用できない場合がある。このような場合には、計測値を用いずに、対称性パラメータ演算部１７３自身で疑似的な対称性パラメータを生成して、結果的にアジマス角が９０°から２７０°の範囲で、放電用電源１７２から気流発生装置６０への電圧の印加を停止（ＯＦＦ）するか、電圧を印加する場合（ＯＮ）であっても電圧や基本周波数を低下させるような制御を行ってもよい。
【０１５０】
一般に、風車にはオートヨー機能が設置されており、ヨーエラーは小さく抑えられているが、吹上角、ウィンドシアについては、風車側で対処する機能をもたない場合が多い。そこで、このような場合、吹上角、ウィンドシアについては常に発生しているものと考えると、気流発生装置６０の効果がない領域Ｘ、つまりアジマス角が９０°から２７０°の間の領域Ｘで電圧をＯＦＦにして、気流発生装置６０の寿命の延伸を図る。
【０１５１】
また、ヨーエラーの中でも、風車翼４２の回転面Ｓに対して、風が右舷側から入ってくる場合には、気流発生装置６０の効果がない領域Ｘは、アジマス角が９０°から２７０°の間にある。
【０１５２】
このように、正確に対称性パラメータを演算できない場合には、オートヨー機能に変更を加えて、風車翼４２の回転面Ｓに対し、右舷側から風が流入するように、風車部４０のロータ軸の向きを調整した上で、気流発生装置６０の効果がない領域であるアジマス角が９０°から２７０°（回転円の下側半分）の間に電圧をＯＦＦにして、気流発生装置６０の寿命の延伸を図ることもできる。
【０１５３】
対称性パラメータ演算部１７３の出力において、ヨーエラー、吹上、ウィンドシアのうちの二つ以上のパラメータが閾値を超える場合には、各パラメータの組合せによる複雑な迎角の演算を行って、気流発生装置の効果がないアジマス角範囲を求めることも可能であるが、より高速で単純な制御を行いたい場合には、９０°から２７０°（回転円の下半分）の間の電圧をＯＦＦにする制御にすればよい。
【０１５４】
本実施形態によれば、風車翼４２のアジマス角に応じて、放電用電源１７２から気流発生装置６０に印加する電圧または基本周波数を制御（調整または変更）することにより、風車部４０のピッチやヨーなどの駆動機構をアシストでき、かつ空力特性を改善する必要のない場合に気流発生装置６０を停止させることで、発電効率の向上と気流発生装置６０の寿命の延伸とを同時に実現することができる。
【０１５５】
上記実施形態では、空力改善装置または高揚力装置として、放電プラズマの作用により気流を発生させる気流発生装置６０を設けた例について説明したが、この他、例えばＭＥＭＳ素子を用いたシンセティックジェットを用いてもよく、またフラップなどを用いてもよい。ＭＥＭＳ素子を用いたシンセティックジェットとは、翼に孔を設け、孔の中に設置したＭＥＭＳ素子を駆動することで、孔から空気を噴出、吸入することのできるものである。
【０１５６】
また上記実施形態に示した制御系（気流発生装置制御部１７０）の構成要素の一部（気流発生装置制御部１７０のＣＰＵ）の機能を、コンピュータのハードディスク装置などのストレージにインストールしたプログラムで実現してもよく、また上記プログラムを、コンピュータ読取可能な電子媒体：electronic mediaに記憶しておき、プログラムを電子媒体からコンピュータに読み取らせることで本発明の機能をコンピュータが実現するようにしてもよい。
【０１５７】
電子媒体としては、例えばＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体やフラッシュメモリ、リムーバブルメディア：Removable media等が含まれる。さらに、ネットワークを介して接続した異なるコンピュータに構成要素を分散して記憶し、各構成要素を機能させたコンピュータ間で通信することで実現してもよい。
【０１５８】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、翼における周期的剥離現象をひきおこす、ヨーエラー、吹上、ウィンドシアといった山岳的な風況に対応して、翼面における気流発生装置を効率よく制御しつつ風車を効率よく回転させて発電量を増大させることができる。
【０１５９】
以上のように本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１６０】
１０…風力発電システム、２０…地面、３０…タワー、３１…ナセル、４０…風車部、４１…ハブ、４２…風車翼、４２ａ…風車翼の翼上面、５０…風向風速計、６０…気流発生装置、６１…第１の電極、６２…第２の電極、６３…誘電体、６４…ケーブル配線、６５…放電用電源、１００…風況計測部、１１０…発電状態計測部、１２０…風車状態計測部、１３０…ピッチ駆動機構、１４０…ヨー駆動機構、１５０…発電機、１７０…気流発生装置制御部、１７１…データベース（ＤＢ）、１７２…放電用電源、１７３…対称性パラメータ演算部、１９０…風車制御部、１９１…データベース（ＤＢ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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