(57)【要約】【課題】  従来の風力発電機は、風速計測器から発せられるレーザがブレードによって遮られずに計測エリアを計測することについては考慮されていない。【解決手段】  本発明の風力発電機の一例を挙げるならば、タワーと、タワーに接続されたナセルと、ナセルの第一の端部に接続されたブレードを有する風力発電機であって、光または電磁波を検出対象物に照射または出射し、前記検出対象物から反射される光または電磁波を用いて風を検出する風検出手段が、前記照射または出射する方向が前記第一の端部の方向とは異なる方向に向けられて前記ナセルに設けられていることを特徴とする。【選択図】  図１
2019073974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワーと、前記タワーに接続されたナセルと、前記ナセルの第一の端部に接続されたブレードを有する風力発電機であって、
光または電磁波を検出対象物に照射または出射し、前記検出対象物から反射される光または電磁波を用いて風を検出する風検出手段が、前記照射または出射する方向が前記第一の端部の方向とは異なる方向に向けられて前記ナセルに設けられていること
を特徴とする風力発電機。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電機であって、
前記風検出手段は、照射または出射される前記光または電磁波が前記ブレードとは干渉しない角度または位置に設けられていること
を特徴とする風力発電機。
【請求項３】
請求項１に記載の風力発電機であって、
前記異なる方向は、前記ブレードと対向する方向であること
を特徴とする風力発電機。
【請求項４】
請求項１に記載の風力発電機であって、
前記異なる方向は、前記ブレードに対する風上の方向であること
を特徴とする風力発電機。
【請求項５】
請求項１に記載の風力発電機であって、
前記ブレードは、ダウンウィンド型であること
を特徴とする風力発電機。
【請求項６】
請求項１に記載の風力発電機であって、
前記ブレードは、風を前記風検出手段から前記第一の端部へ向かう風を受けることにより回転すること
を特徴とする風力発電機。
【請求項７】
請求項１に記載の風力発電機であって、
前記風検出手段は、前記ナセルのうち上面に設けられたこと
を特徴とする風力発電機。
【請求項８】
請求項１に記載の風力発電機であって、
前記風検出手段は、前記ナセルのうち下面に設けられたこと
を特徴とする風力発電機。
【請求項９】
請求項８に記載の風力発電機であって、
前記風検出手段は、前記ナセルのうち前記第一の端部と対向する端部の中央部に設けられていること
を特徴とする風力発電機。
【請求項１０】
請求項７に記載の風力発電機であって、
前記風検出手段の側面部は、前記ナセルの筐体に覆われていること
を特徴とする風力発電機。
【請求項１１】
請求項１に記載の風力発電機であって、
前記風検出手段は、前記ナセルのうち側面または側面部に設けられたこと
を特徴とする風力発電機。
【請求項１２】
請求項１に記載の風力発電機であって、
前記風検出手段の上面は、前記ナセルの上面よりも低い位置に配置されること
を特徴とする風力発電機。
【請求項１３】
請求項１に記載の風力発電機であって、
前記風検出手段は、前記ナセルの長辺方向の延長線よりも下方に向けられたこと
を特徴とする風力発電機。
【請求項１４】
請求項１に記載の風力発電機であって、
前記風検出手段は、複数の方位へ前記光または電磁波を照射または出射する手段を有し、
前記照射または出射手段の出射角度が前記ナセルと干渉しない角度または位置に前記照射または出射する手段が設けられていること
を特徴とする風力発電機。
【請求項１５】
請求項１に記載の風力発電機であって、
前記風検出手段から照射される前記光または電磁波を照射または出射する角度は、前記ブレードの回転を前記ナセル内の発電機に伝達するロータ軸から４５度以内の範囲にあること
を特徴とする風力発電機。
【請求項１６】
請求項１に記載の風力発電機であって、
前記風検出手段が検出した前記風の時系列データに基づいて該風力発電機の周囲の風速を予測し、予測した前記周囲の風速に基づいて前記ブレードのピッチ角、ヨー角、トルクを制御すること
を特徴とする風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電において風車周辺の風況を把握することにより風車の効率向上と信頼性向上を図るための技術開発が活発である。風車周辺の風況を計測する新技術としてナセル搭載型ライダー（ＬＩＤＡＲ：Ｌｉｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）が注目されている。風車風上の風況を風車に設置されたライダーで計測することにより、個別の風車位置における風況を把握して風車特性を正確に評価し、さらにこの風況情報をもとに風車のヨー制御、ピッチ制御、トルク制御を実施して、風車効率を向上し、風車ブレードの疲労を減少して風車の信頼性・寿命を改善することが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2013-177885号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１（特開2013-177885号公報）には、「風力発電装置１は、風力発電装置１に作用する現在の風速を取得するための現在風速取得部２４と、風車前方の計測位置で風速計測を行って、現在から所定時間経過後にブレード２に作用する将来の風速を計測するための風速計測器２０と、少なくとも前記現在の風速および前記将来の風速に基づいて、現在から前記所定時間経過するまでの間の風速を予測するための風速予測部（３６，５６）と、予測された風速に基づいて風力発電装置１の運転制御を行うための運転制御部（３８，５８）とを備える。」ことが開示されている（解決手段参照）。
【０００５】
特許文献１の風力発電装置はいわゆるアップウィンド型の風力発電装置であるため、風上からブレード２、ブレード２に接続されるナセル１２の順に配置されている。
【０００６】
そのため、ナセル１２に搭載される前方風速計測器２０が計測する計測エリア２２は、ブレード２によって遮られる領域２２Ａから２２Ｃを予測することを前提とするものである。すなわち、風速計測器から発せられるレーザがブレードによって遮られずに計測エリアを計測することについては考慮されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の風力発電機の一例を挙げるならば、タワーと、タワーに接続されたナセルと、ナセルの第一の端部に接続されたブレードを有する風力発電機であって、光または電磁波を検出対象物に照射または出射し、前記検出対象物から反射される光または電磁波を用いて風を検出する風検出手段が、前記照射または出射する方向が前記第一の端部の方向とは異なる方向に向けられて前記ナセルに設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、風況計測手段の信号がブレードによって遮断されず、より正確な風況が取得できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の風力発電機の実施例を示す図である。
【図２】本発明の風力発電機の実施例を示す図である。
【図３】本発明の風力発電機の実施例を示す図である。
【図４】従来の洋上向け風力発電機と本発明の洋上向け風力発電機の実施例を比較して示す図である。
【図５】従来の複雑地形向け風力発電機と本発明の複雑地形向け風力発電機の実施例を比較して示す図である。
【図６】本発明の風力発電機のライダーによる計測結果から風車近傍のの風況を予測する例を示す図である。
【図７】本発明のライダー計測とライダー計測値を使った風車近傍の風況の予測方法の実施例を示す図である。
【図８】風車の傾斜による計測領域のずれを補正する手段を示す図である。
【図９】風車の傾斜による計測領域のずれを補正する手段を示す図である。
【図１０】本発明の風力発電機の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００１１】
さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。
【００１２】
また、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。
【００１３】
また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００１４】
また、以下の実施の形態において、垂直、水平、鉛直は厳密な角度を示す９０度や１８０度といった値を意味するものではなく、略垂直、略水平、略鉛直または垂直方向、水平方向、鉛直方向といった方向を示す意味で説明するため、具体的な値に限定されるものではない。
【００１５】
また、以下の実施の形態において、構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲等についても同様である。
【００１６】
風況計測装置としてライダーを具備するいわゆるダウンウィンド型風車で構成される風力発電機であって、ライダーは前記ダウンウィンド型風車のナセルに設置された例について各実施例で説明する。
【００１７】
また、風況計測装置の一例として、ドップラーライダー（ＬＩＤＡＲ：Ｌｉｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）である場合について中心に説明する。風況計測装置から放射される計測用ビームの形態はレーザー光、マイクロ波、超音波、電磁波のいずれでもよい。以下の説明ではレーザー光によるドップラーライダー（単にライダーと略す）を例にして説明する。
【００１８】
風力発電装置は、発電効率の向上や疲労荷重の低減のために風況と風車の状況にもとづいて風車のピッチ角、ヨー角、発電機トルクなどが制御される。風況は風車位置におけるセンサによって計測されるが、風況は常に変化しているため風車位置の計測では風況の変化に追従できない場合がある。
【００１９】
例えば，ガスト（風速が短時間に不規則に急変する現象）は風車に大きな疲労荷重を与えるが，ガストの影響が風車に現れてから制御するのでは想定を超える疲労荷重を避けられない場合があり，ガストが風車に到達する前にこれを検出してピッチ角の調整など風車の準備が必要になる。
【００２０】
また、従来の風力発電装置は、発電時のブレード位置がナセルの風上側になるように設計されたアップウィンド型であった。アップウィンド型風車のナセルにライダーを取り付けた場合、ライダーから照射されるレーザービームと観測対象領域で反射されてライダーに戻ってきたレーザー光が、回転するブレードによる遮蔽の影響を避けることができなかった。
【００２１】
ライダーによる風況計測では、ライダーから照射されるレーザー光は、ライダーから角度を変えて照射することによって風車風上の観測対象領域の風向、風速などの風況の空間的分布を得ている。
【００２２】
また、時系列的に連続して計測することにより、風況の時間的変化も得ることができる。ここで、上記の様なブレードによる遮蔽の影響があると空間的、時間的変化のデータに欠損が生じることになる。
【００２３】
風車風上における風況のデータ欠損が生ずることで、ライダー計測精度の低下、ひいては風車位置における風況の予測精度が低下することが課題であった。
【００２４】
上記事情を鑑み、本発明について以下詳細に説明する。
【実施例１】
【００２５】
本発明による風況計測装置を採用したシステムの一実施例を図１に示す。図１(ａ)は風力発電システムの平面図、図１(ｂ)は側面図である。
【００２６】
本発明の風力発電機１０００（風力発電機１０００または風力発電装置１０００とも呼ぶ）は、地上または洋上に設置され発電機を支持するタワー５０と、タワー５０上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセル３０と、ナセル３０の一端面に設けられたハブ２０およびブレード１０（単に風車とも呼ぶ。）を有するロータと、ナセル３０の上面の設置された風強計測装置であるライダー４０を含む。タワー５０は地表面１００に設置されている。
【００２７】
ナセル３０は風上の端面側にライダー４０が設けられ、風上の端面側と対向する端面、つまり風下の端面にはハブ２０やブレード１０が設けられる。ナセル３０のうち風下の端面を第一の端面または端部、風上の端面を第一の端面または端部と呼ぶ。
【００２８】
ナセル３０とタワー３０は、タワー中心軸を回転軸とするヨー旋回機構によって接続され、風車運転時には、ロータ回転軸が風向１１０と平行になるようにヨー角が制御される。平行とは厳密に平行状態を指すものではなく、略平行も含む。つまり、ブレード１０が効率よく風を受けられる角度であればよい。
【００２９】
ここで、本発明の風車はいわゆるダウンウィンド型を採用する。ダウンウィンド型とは、風上から順に、ブレード１０、ナセル３０とナセル３０に接続されたタワー５０の順に配置されるものをいう。
【００３０】
つまり、風上にブレード１０、ブレード１０よりも風下にナセル３０とタワー５０が配置されるということである。また、ブレード１０は回転軸に対して空側が風上寄りに、地面側が風下寄りになるよう傾斜がつけられている。
【００３１】
すなわち、ハブ２０は風車運転時において風向１１０に対してナセル３０の風下側になるようにナセル３０の第一の端部に取付けた形式である。ライダー４０は、ハブ２０の風上側に位置するようにナセルの上部に取付ける。
【００３２】
ブレード１０は、風上、ライダー４０、ハブ２０の方向、つまり、風上、ライダー４０、第一の端部へ向かう風を受ける。
【００３３】
従来のアップウィンド型風車のナセルにライダーが取り付けられた構成では、ライダーからのレーザービームは回転するブレードによって断続的に遮蔽されてしまう。
【００３４】
本実施例のライダー４０は、第一の端部とは異なる方向に向かってレーザービーム６０を放射する。すなわち、この異なる方向とは、ライダー４０を基準としてブレード２０とは異なる方向であって、ブレード２０にレーザービーム６０が干渉しない方向であればよく、風力発電機１０００が配置される環境に応じて調整してもよい。
【００３５】
さらに、望ましくは、第一の端部とは異なる方向は、ブレード２０に対して風上方向であるとなおよい。また、レーザービーム６０の放射中心角がナセル３０の長辺方向と略平行となる方向であるとよい。
【００３６】
ナセル３０はブレード２０の中心部に配置されるため、ナセル３０に設置されたライダー４０から風上方向に向かってレーザービーム６０を放射することで、ブレード２０の中心部を基準とする風況を計測することができるからである。
【００３７】
本実施例の構成によれば、ライダー４０から照射されるレーザービームは風車運転時においてブレードと干渉することなく照射され、計測領域からの反射光もまたブレード１０によって遮られることなくライダー４０によってより正確な風況を計測することができる。
【００３８】
したがって本実施例の構成によれば、遮蔽による欠損のない風況の時系列データを取得することができ、風車位置風況の正確な予測に基づく風車の制御によって発電効率の向上や負荷荷重の低減が可能になる。
【００３９】
図１に示すライダー４０をナセル３０のうち風上の端部側に取付けることにより、レーザービーム６０とナセル３０との干渉を回避でき、風車の風上の広範囲の領域を計測することが可能になる。
【００４０】
また、ライダー４０をナセル３０の風上の端部、つまり、第二の端部の中央部に設けた場合、ライダー４０の側面部をナセル３０の筐体で覆うことができ、外気に触れる面積が減少するため、ライダー４０の長寿命化を図ることができる。また、ナセル３０内部からライダー４０のうちナセル３０の筐体に覆われた部分をメンテンナンス可能である。
【００４１】
ライダー４０の配置は、ナセル３０の端部側でなくともレーザービーム６０の下方へ向かう照射角度がナセル３０に干渉しない位置に配置してもよい。この場合は、ライダー４０がタワー５０側に近づくため、ナセル３０の端部にかかるモーメントを小さくすることができる。また、ライダー４０のメンテンナンスの際に、タワー５０の近くに配置できるため、メンテナンス性が向上する。
【００４２】
上記の例により、ライダー４０がブレード２０よりも風上に配置されるため、従来例の風下で風況計測を行うよりも、従来よりも風況計測が風上側でより早く風況が取得できる。これにより、計測された風況をより早くブレード２０の制御に使用できるため、ブレード２０は従来よりも適切な角度に制御できる。ブレード２０を適切な角度とすることで、発電効率が上昇する。また、ブレード２０を適切な角度に設定できるため、ブレード２０の負荷が小さくなり長寿命化に寄与することができる。ひいては風力発電装置１００の寿命を向上させることができる。
【００４３】
また、風力発電機１０００に対する風が強く、発電機能をカットアウトした場合のナセル３０について説明する。アップウィンド型風力発電機では、ロータを保護するため、ナセル方位を固定することとなる。つまり、ナセル方向が固定されてしまうため、風上の風況を測定できない場合がある。そのため、ロータを再起動させる場合に、風が弱い状態を別途確認しなければならなかった。
【００４４】
一方、いわゆるダウンウィンド型である風力発電機１０００がフリーヨー機能を有する場合、風を受けたブレード２０が風見鶏のように自然と風下にロータを向けることとなる。
【００４５】
つまり、風上に向かってナセル３０の第二の端部が対向する状態となる。そのため、ライダー４０もナセル３０と同様に風上を向くことになるため、フリーヨー状態であっても、風上の風況を計測できる。暴風またはカットアウト状態であっても、風上の風況を計測できるため、ロータの再起動までの時間が短縮でき、発電効率の向上に寄与することができる。
【実施例２】
【００４６】
実施例１で説明したライダー４０の取付け位置が異なる実施例を図２に示す。ここではライダー４０ａをナセル３０風上側の下部に取付ける。
【００４７】
ライダー４０から照射されるレーザービーム６０ａの照射角度がハブ２０の水平方向よりも下側の領域を計測する場合においてナセル４０と干渉するおそれがなくなり、ブレード１０にレーザービーム６が遮蔽されず、より正確な風況を計測できる。
【００４８】
さらに、この構成では、実施例１のライダー４０をナセル３０の上部に設置した場合に比べて、地上からライダー４０ａを観察することができる。また、落雷が生じた場合によるライダー４０ａが損傷する可能性を低減することができる。
【００４９】
また、ナセル３０の上部側に避雷針を設けることもでき、避雷針の設置空間を確保することができるため、設計自由度が向上する。
【実施例３】
【００５０】
実施例１で説明したライダー４０の取付け位置が異なる実施例を図３に示す。ここではライダー３０ｂをナセル３０のハブ２０取付け端部とは反対側の風上側の端部に取付ける。
【００５１】
つまり、ライダー４０ｂをナセル３０のうちハブ２０が接続される面と対向する面にライダー４０ｂを接続する。言い換えると、ナセル３０のうち風下の面にハブ２０、風上の面にライダー４０ｂが配置される関係である。また、ライダー４０ｂは、ダウンウィンド型の風力発電機のナセル３０の風上側の中央部に配置されている。つまり、ライダー４０は、第二の端部の中央部に配置されている。
【００５２】
この構成によれば実施例１のナセル３０上部に、実施例２のナセル３０下部にライダー４０または４０ａを設置する場合に比べて、風車前方の全領域に対してレーザービーム６０ｂがナセル３０と干渉するおそれがなく、ブレード１０にレーザービーム６が遮蔽されず、より正確な風況を計測できる。
【００５３】
この構成においても、実施例２同様にナセル３０からライダー４０ｂが地上からライダーの状態を確認することが容易になる。
また、この実施例３のライダー４０ｂの取付け方法によれば、必要に応じて高い自由度でライダー４０ｂのレーザービーム６０の方向を設定することが可能になる。つまり、上下方向のみならず左右方向に対しても風況を測定可能となる。
【００５４】
ライダー４０ｂの全体または一部を、ナセル３０に内蔵または外気に直接触れないようにナセル３０の内部に配置できるため、ナセル３０の内部からライダー４０ｂをメンテナンスすることができる。また、外気に触れない部分をナセル３０で覆うことができるため、ライダー４０ｂの長寿命化が期待できる。
【００５５】
また、積雪があった場合にライダー４０ｂはナセル３０の下部に配置されるため、ライダー４０ｂに雪が積もる可能性を低くできる。そのため、ライダー４０ｂへの積雪の影響が小さくなる。つまり、ライダー４０ｂのレーザービーム６０ｂの出射または照射口が雪で覆われにくくなるということである。
【実施例４】
【００５６】
本発明による風力発電機を洋上に設置する場合について従来例と比較しながら説明する。
【００５７】
風車が洋上に設置された風車では、風からのスラスト力による風車の傾斜の影響も考慮する必要がある。傾斜は特に風車が浮体式の場合に顕著となる。水深が浅い場合は着床式が、水深が深い場合は浮体式がコスト的に優れており、近海の水深が深い日本では浮体式が注目されている。
【００５８】
洋上では波あるいは風の影響によって風車は傾斜するが、下記について考慮されていなかった。
【００５９】
スラスト力による傾斜では、タワーは風下に向かって傾斜することになり、アップウィンド型風車のナセルに設置されたライダーの照射ビームは水平面から上方に離れる方向に振れることになる。
【００６０】
このようにタワーが傾斜した状態で風車の風上方向の風況を計測するには照射ビームを水平面に近づける方向に変える必要があるが、照射ビームがナセルやブレード、ハブとの干渉する場合が生じていた。
【００６１】
スラスト力によりタワーが風下方向に傾斜した状態で、風車風上方向風況を計測するためにビーム出射方向を水平面に近づけるとビームがナセルやブレード、ハブと干渉して風況データの一部に欠損が生じると、風況予測の精度が損なわれ、発電効率の低下、疲労荷重の増大が発生することになる。
【００６２】
このような事情に鑑み、従来のアップウィンド型風力発電機１０００ａと本発明のダウンウィンド型風力発電機１０００を比較して説明する。
【００６３】
図４(ａ−１)、(ａ−２)、(ａ−３)はアップウィンド型風車にライダーが搭載された従来例の風力発電装置１０００ａである。図４（ａ−２）、（ａ−３）、（ｂ−２）、（ｂ−３）は波浪１２０によって風力発電機１０００と１０００ａが傾斜する様子が示されている。
【００６４】
また、図４(ｂ−１)、(ｂ−２)、(ｂ−３)は本発明によるダウンウィンド型風車にライダーが搭載された実施例の風力発電装置１０００である。代表してライダー４０は実施例１で説明したナセル３０上部に配置する例について説明するが、実施例４においても、実施例２のナセル３０の下部や、実施例３のナセル３０の風上側中央部へ設置する場合でもあっても実施できる。
【００６５】
ここでライダー４０がレーザービーム６０の方位を風車の傾きに応じて変える機能がある場合とない場合について説明する。レーザービーム６０の出射方位の変化はライダー４０内部に組み込まれたミラーの調整によってもよいし、ライダー４０をナセル３０に取付ける支持台の機構によるものであってもよい。
【００６６】
図４(ａ−２)と図４(ｂ−２)はレーザービームの方位を変える機能がない場合を示す。図４（ａ−２）は、レーザービーム６０がブレード２０に干渉し、また、出射方位を下方に向けた場合には、ハブ２０やナセル３０に干渉するため、下方の測定が困難である。
【００６７】
一方、図４（ｂ−２）に示す実施例では、実施例１同様にライダー４０をナセル３０の風上側の端部方向に配置し、レーザービーム６０の出射方位を下方に向けた場合であっても、ナセル３０やハブ２０に干渉せず、風況の測定ができる。
【００６８】
また、本実施例では、このように風力発電機が上方を向くことを考慮して、予めレーザービーム６０を下方に向けてライダー４０を配置することができる。
【００６９】
ビーム６０だけでなく、ライダー４０をナセル３０の上面の延長線よりも下方を向けることも可能である。この場合は、特にビーム６０の放射角が調整できないライダー４０であり、波浪１２０によって風力発電機１０００が傾斜する場合に有効である。
【００７０】
次に、図４(ａ−３)と図４(ｂ−３)はレーザービームの方位を変える機能がある場合を示している。レーザービーム６０の方位を変える機構がないと、波浪１２０によって風車の傾斜によりライダー４０の計測領域は本来の計測領域からはずれ、やがて風車に流れてくる風況を計測できない場合が出てくる。
【００７１】
レーザービーム６０の方位を変える機能があれば、風車が傾斜しても計測領域の位置を風車に対して一定に保つことができる。本発明は図４(ａ−３)と比較した場合に、図４(ｂ−３)に示すようにレーザービームの方位を変える機能がある場合に顕著になる。
すなわち、図４（ａ−２）に示す例では、ライダー４０がハブ２０よりも風下側にある場合、傾斜が大きくなるとレーザービーム６０はナセル３０やハブ２０にも干渉する。
【００７２】
一方、図４（ｂ−２）に示す本発明により、ライダー４０がハブ２０よりも風上側にある場合は、風車の傾斜に応じてレーザービーム６０の照射方向が変わってもナセル３０やハブ２０とは干渉しない。
【００７３】
これにより風車の傾斜が頻繁に起こる洋上風車においてブレード１０はもちろんナセル３０やハブ２０によるレーザービーム６０の遮蔽が生じず風況計測を従来よりも正確に行うことができる。
【実施例５】
【００７４】
本発明による風力発電機を山岳、丘陵など複雑地形に設置する場合について従来例と比較しながら説明する。複雑地形上では風車位置の風況を知るためにライダーが計測すべき領域は平坦地とは異なる場合がある。
【００７５】
図５(ａ)は従来例としてアップウィンド型風車にライダーが搭載された実施例、図５(ｂ)は本発明によるダウンウィンド型風車にライダーが搭載された実施例である。
地形の効果によって風車位置では吹上げ風の影響があり、この場合、ライダー４０のレーザービーム６０の照射方向を、地形の変化に応じた方位に設定することが望ましい。
【００７６】
図５では、風上に向かい地形の傾斜にそってレーザービーム６０の方位を定めている。こうすることで、風車位置の風況を吹上風の効果を含めて風況の計測または予測をすることができる。
【００７７】
図５(ａ)に示す様に従来のアップウィンド型では、レーザービーム６０を水平方向から下方に変化させるとナセル３０やハブ２０にも干渉する場合がある。そのため、レーザービーム６０のうち、遮蔽領域７０が生じてしまい、遮蔽領域７０の風況を計測または予測は困難となる。なお、レーザービーム６０がナセル３０やハブ２０に干渉する場合に、出射したレーザービーム６０のうち遮蔽領域７０が２５％以下であれば干渉しないといえる。
【００７８】
本発明により図５（ｂ）に示すライダー４０がハブ２０よりも風上側にあれば、レーザービーム６０の方向を変えてもナセル３０やハブ２０とは干渉しない。これにより複雑な地形に応じてレーザービーム６０を照射する場合でもブレード１０はもちろんナセル３０やハブ２０にも干渉することなくレーザービーム６０の遮蔽を生じさせず従来よりも正確に風況を計測できる。
【００７９】
また、実施例２のライダー４０ｂをナセル３０の下部に配置した場合には、下方をより計測しやすくなる。さらに、積雪の影響も受けにくくなる。
【実施例６】
【００８０】
図６と図７を用いて、ライダー４０による風況の計測方法と風況予測における従来例の課題とこれを解決するための実施例を説明する。図６は従来例としてアップウィンド型風車にライダーが搭載された構成において得られるデータを示す。
【００８１】
ライダー４０より時系列的に計測点８０の位置を変えながら風況が計測される。図６(ａ)に示すように、風況解析領域９０の平均風況は計測点８０を用いて特定する。
【００８２】
計測領域の形状、領域周辺の計測点数や計測の順序はライダーの構成によって決まるが、ここでは図に示すような計測ができる方法ならば、任意の手法を選択できる。
【００８３】
この例では、風況解析領域９０は風上から風下方向に対してライダー４０からほぼ同一距離の４点を測定し、面として測定する方法を示す。これを複数回繰り返し、風上から風下の風況を特定する。方向は風下から風上に行ってもよい。
【００８４】
アップウィンド型風車では、ブレード１０による遮蔽により図６(ｂ−１)に示すように計測データに欠損が生ずる。そのため、図左側の風上から数えて第二面、第三面、第五面が三角形で示される。一方、欠損がない面である第一面、第四面は長方形で示される。
【００８５】
図６（ｂ−２）は取得予定であった欠損データ１３０を示す。第二面、第四面、第五面にそれぞれ配置される。
【００８６】
これは、洋上に配置された風力発電装置１００が傾斜している場合や、複雑地形上でレーザービーム６０の方位が調整されているときには、レーザービーム６０がブレード１０やナセル３０に干渉することで、ライダー４０が取得するデータに欠損データ１３０が生じるためである。
【００８７】
図６（ｂ−１）、（ｂ−２）に示す例では、ブレード１０による遮蔽だけを想定して説明する。以下の議論では遮蔽の原因がブレード１０、ハブ２０、ナセル３０のいずれであるかを問わない。
【００８８】
従来の欠損データ１３０の扱い方について説明する。図６(ｂ−２)に示すようにブレード１０の遮蔽によるデータの欠損箇所であるデータ１３０を探し、周辺のデータから欠損箇所のデータを外挿や内挿によって推定して補完する必要がある。例えば、欠損データ１３０を有する風上から第二面であれば、第二面の欠損データ１３０の点に対応する第一面の点と第三面の点の平均値を用いて第二面の欠損データ１３０の点の風況の値を推定する。
【００８９】
しかし、このような欠損データ１３０の補完や推定を行った場合には、実際に測定したデータとは異なる値となるため、正確性が下がる。また、風況はリアルタイムでブレード２０の角度調整に使用されるため、補完や推定に計算コストが生じるため、できるだけ少ない時間で処理することが望ましい。アップウィンド型では、物理的にブレード１０がライダー４０のレーザービーム６０を遮蔽するため、このような処理が必須となり、計算時間が生じる。
【００９０】
一方、図７はダウンウィンド型の風力発電装置１０００に本発明を適用した場合のライダー計測とライダー計測値を使った風車の風況の予測の実施例を説明するものである。
【００９１】
図７（ａ）は、本発明の風力発電装置１０００におけるライダー４０の配置方法によれば、ブレード１０、ハブ２０、ナセル３０による遮蔽効果がないため、欠損データ１３０の数は図６に示すアップウィンド型に比べて減少する。
【００９２】
これにより欠損データ１３０の補完または推定の必要性が減少し、データの精度、補完に要する計算負担が大幅に減少する。そのため、風況の計測からブレード１０の角度制御が従来に比べてより正確となる。
【００９３】
ブレード１０やナセル３０によるレーザービーム６０の遮蔽が生じないため、これらに起因する欠損データ１３０の補完または推定が生じないため、風況測定からブレード２０の制御までの時間を従来例よりも多く取ることができ、ブレード２０が効率よく風を受けることができるため、発電効率を上昇させることができる。
【００９４】
また、欠損データ１３０の補完または推定に使用する時間をブレード２０の制御時間が増加するため、ブレード２０が適切な角度に制御できるためブレード２０の負荷が小さくなる。
【００９５】
他に、突風やブレード２０が受けられる風速を超える風を検出した場合に迅速にブレード１０のピッチ角、ヨー角またはトルクの制御ができるため、ブレード１０やブレード１０を操作するアクチュエータの負荷を低減させることができる。ブレード２０の長寿命化、ひいては風力発電機１００全体の長寿命化を実現できる。
【実施例７】
【００９６】
図８、図９は本発明による風力発電機における風況計測の解析の実施例を示す。本実施例は、レーザービーム６０の方位を変える機能がない場合について説明する。
【００９７】
図８は風力発電機１０００の側面図であり、風向に沿って風車が傾斜するときの状況を示している。図８(ａ)には風車が傾斜していない場合、図８(ｂ)、図８(ｃ)は風車が風向に沿って傾斜しているときの風車と風況解析領域９０を示している。風車の傾斜がないときの計測領域の中心高さを示す直線１５０は風車の傾斜がないときの計測領域の中心高さを示す。
【００９８】
図８(ｂ)は風車が風下方向に傾いる場合、図８(ｃ)は風車が風上方向に傾斜している場合である。図８(ｂ)、図８(ｃ)では計測領域の中心高さを示す直線１６０を示す。
【００９９】
風車に流れ込む風を正しく計測、予測するためには、風車の傾斜がないときの計測領域の位置の風況情報を得る必要がある。
【０１００】
図８(ｂ)、図８(ｃ)に示す計測点８０の情報を使って外挿、内挿によって風車の傾斜がないときの計測領域の位置の風況情報に補正し、この情報を使って風況予測、風車特性評価をすることで予測、評価の精度を向上することができる。
【０１０１】
本発明によるダウンウィンド型風車にライダーを取付ける構成により欠損データ１３０の数を大幅に抑制でき、上記補正を高精度で実施することが可能になる。
【０１０２】
図９は風車の正面図であり、風向に対して垂直な面内に沿って風車が傾斜するときの状況を示している。図９(ａ)には風車が傾斜していない場合、図９(ｂ)、図９(ｃ)は風車が風向に対して垂直な面内に沿って傾斜しているときの風車と風況解析領域９０を示している。
【０１０３】
鉛直方向を示す直線１７０は傾斜がないときの風況解析領域９０の縦方向の中心線、傾斜した風車タワーの中心軸を示す直線１８０は風車が傾斜したときの風況解析領域９０の縦方向の中心線である。
【０１０４】
この方向の傾斜の場合も図８の場合と同様に回転補正をしたうえで風況予測、風車特性評価をすることで予測、評価の精度を向上することができる。
【実施例８】
【０１０５】
実施例１の変形例について図１０（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１０（ａ）には、風力発電機１０００ｃの平面図が示され、図１０（ｂ）には、風力発電機１０００ｃの側面図が示される。
【０１０６】
実施例１との差異は、ライダー４０ｃがナセル３０の側面部に設けられている。平面図では、ナセル３０の手前側であるナセル３０の側面部または側面にライダー４０ｃが配置されている。ナセル３０が直方体形状である場合には側面に設けるとよい。また、ナセル３０が曲面形状である場合には、側面部に設けるとよい。側面または側面部とは、ナセル３０の上面よりも低い位置を有する面または部位である。
【０１０７】
ライダー４０ｃをナセル３０の側面または側面部に設ける場合には、ライダー４０ｃから放射されるレーザービーム６０ｃの上下方向の放射角に対しては、ナセル３０が遮蔽物とならないため有効である。
【０１０８】
また、ライダー４０ｃの上面よりもナセル３０の上面が高い位置となるように配置する場合、すなわち、ライダー４０ｃの上面が、ナセル３０の上面よりも低い位置に配置される場合には、落雷がライダー４０ｃの上面よりもナセル３０の上面に向かって生じる可能性が高くなり、ライダー４０ｃに直接落雷が生ずる可能性を小さくできる。
【０１０９】
これにより、側面部であれば、ナセル３０の風下側、つまりタワー５０よりもハブ２０に近い風下側に配置することが可能となる。ライダー４０ｃがタワー５０に近い位置であれば、メンテナンスの作業者がタワー５０を登ってメンテナンスを行うため、作業性が向上する。
【０１１０】
本発明によるダウンウィンド型へのライダー４０の配置により欠損データの数を大幅に抑制でき、上記補正を高精度で実施することが可能になる。
【０１１１】
上記した各実施例によれば、ライダーから照射されるビームが風車のブレードによって遮蔽されることを低減させることができる。また、空間的、時間的に計測される風車風上において計測データの欠損が大幅に低減される。
【０１１２】
これにより、風車位置における風況の測定精度、さらには風況の予測精度を向上でき、風車のピッチ角、ヨー角、トルクの制御の精度を向上させることできる。そのため風車の発電効率の向上が実現できる。また、疲労荷重の低減を実現することができる。
【符号の説明】
【０１１３】
１０：ブレード、２０：ハブ、３０：ナセル、４０：タワー、５０：風況計測装置（ライダー）、６０：レーザービーム、７０：風車本体によるビーム遮蔽、８０：ライダーによる測定点、９０：風況解析領域、１００：地表面、１１０：風向、１２０：波浪、１３：欠損データ、１５０：風車の傾斜がないときの計測領域の中心高さ、１６０：傾斜した風車における計測領域の中心高さ、１７０：鉛直方向、１８０：傾斜した風車タワーの中心軸、１０００：風力発電機
【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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