(57)【要約】流れる流体からエネルギを引き出すことのできる少なくとも第１のタービン１と少なくとも第２のタービン２とを備えた風力発電所であって、第２のタービンが第１のタービンの風下側にあるときに、基準出力下において、主に少なくとも第２のタービンの場所において乱流を低減させるように、第１のタービンの軸方向誘導は前記第２のタービンに対して低くされることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れる流体（５）からエネルギを引き出すことのできる少なくとも第１のタービン（１）と少なくとも第２のタービン（２）とを備えたタービン型発電所であって、前記第２のタービン（２）が前記第１のタービン（１）の風下側にあるときに、基準出力下において、主に前記少なくとも第２のタービンの場所において乱流を低減させるように、前記第１のタービン（１）の軸方向誘導（ａ）は前記第２のタービン（２）に対して低くされることを特徴とするタービン型発電所。
【請求項２】
前記発電所の出力は全体として低下しないことを特徴とする請求項１に記載のタービン型発電所。
【請求項３】
前記第１のタービン（１）の軸方向誘導（ａ）は、０．２５以下に低減されることを特徴とする前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項４】
前記軸方向誘導を低下させることは、前記ロータの回転速度を減速すること及び／又は前記ロータのブレード角を変えることによってもたらされることを特徴とする前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項５】
前記軸方向誘導の低減は前記ブレードの弦を低減することによってもたらされることを特徴とする前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項６】
少なくとも前記第１のタービンは、各々３．７５未満の弦特性
【数１】
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を有するロータを有し、ｒは０．５Ｒ〜０．８Ｒの半径距離であり、Ｒは前記ロータの半径であることを特徴とする請求項５に記載のタービン型発電所。
【請求項７】
制御システムを備え、この制御システムは前記発電所の少なくとも１つの第１のタービンの軸方向誘導を風向の関数として設定することを特徴とする前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項８】
前記制御システムは前記少なくとも１つのタービンを前記風の乱流の関数として設定することを特徴とする請求項７に記載のタービン型発電所。
【請求項９】
前記制御システムは、前記第１のタービン（１）の風下側に基本的に位置する前記第２のタービン（２）において決定される乱流に対する測定値を基準にして、前記第１のタービン（１）の軸方向誘導を設定することを特徴とする請求項８に記載のタービン型発電所。
【請求項１０】
前記制御システムは、少なくとも１つの第１のタービンの軸方向誘導を、風下に位置する少なくとも１つの第２のタービンまでの距離の関数として設定することを特徴とする請求項７、８、又は９に記載のタービン型発電所。
【請求項１１】
この制御システムは、前記発電所の全風力タービンの少なくとも半分の軸方向誘導を風向の関数として設定することができることを特徴とする請求項７、８、９、又は１０に記載のタービン型発電所。
【請求項１２】
前記制御システムは、特に前記後流にある他のタービンからの距離を基準にしてかつ／又は前記後流にあるタービンの数を基準にして、少なくとも１つのタービンの軸方向誘導を設定することを特徴とする請求項７から１１までの一項に記載のタービン型発電所。
【請求項１３】
前記制御システムは、個々のタービンの軸方向誘導を調整することによって、最大発電量及び／又は最小負荷の点で測定された前記発電所のパフォーマンスを最適化することを特徴とする請求項７から１２までの一項に記載のタービン型発電所。
【請求項１４】
前記制御システムは、自己学習型であることを特徴とする請求項１３に記載のタービン型発電所。
【請求項１５】
少なくとも１つの風速において、前記優性の風向に基づいて前記発電所の風上に実質的に設置された少なくとも１つの第１のタービンは、軸方向誘導の点で、前記発電所の風下側に実質的に設置された少なくとも１つの第２のタービンとは平均で０．０５を超えて異なっている前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項１６】
前記タービン型発電所は、少なくとも５０機のタービンを備え、前記タービンが占める表面積は前記発電所の表面積の少なくとも３％よりも大きいことを特徴とする前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項１７】
前記発電所全体の軸方向誘導は、風下側に位置する別の発電所の出力が増大されるように低減されることを特徴とする前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項１８】
前記流体は水であり、前記タービンは水の流れからエネルギを引き出す水力タービンであることを特徴とする前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項１９】
流れる流体（５）からエネルギを引き出すことのできる少なくとも第１のタービン（１）と少なくとも第２のタービン（２）とを備えたタービン型発電所のための方法であって、
前記第２のタービン（２）が前記第１のタービン（１）の風下側にあるときに、基準出力下において、主に前記少なくとも第２のタービンの場所において乱流を低減させるように、前記第２のタービン（２）に対して前記第１のタービン（１）の軸方向誘導（ａ）を低下させることを特徴とする方法。
【請求項２０】
流れる流体（５）からエネルギを引き出すことのできる少なくとも第１のタービン（１）と少なくとも第２のタービン（２）とを備えたタービン型発電所のための設計ソフトウェアであって、
前記ソフトウェアは好ましい設備及び前記タービン型発電所用の好ましい方法を算出することができ、前記ソフトウェアは、タービンがガイド機能を有する場合に前記設備にガイド要素を加えることができること、
前記第２のタービン（２）が前記第１のタービン（１）の風下側にあるときに、基準出力下で、前記タービン型発電所への軸方向誘導の影響を算出するために主に少なくとも第２のタービンの場所において乱流を低減させるように、前記第１のタービン（１）の軸方向誘導（ａ）は第２のタービンに対して低くされることを特徴とする設計ソフトウェア。
【請求項２１】
流れる流体（５）からエネルギを引き出すことのできる少なくとも第１のタービン（１）と少なくとも第２のタービン（２）とを備え、
風速及び風向、温度分布及び大気の安定性を含む気象パラメータのうちの少なくとも１つを決定することができ、
かつ軸方向誘導、回転速度、ロータ・ブレード角、傾斜角、循環規模及び前記タービンの位置を含む設定できるパラメータのうちの少なくとも１つの関数としてタービン型発電所の出力を決定及び設定することができるタービン型発電所のための制御ソフトウェアであって、
前記制御ソフトウェアは、
前記第２のタービン（２）が前記第１のタービン（１）の風下側にあるときに、基準出力下において、主に前記少なくとも第２のタービンの場所において乱流を低減させるように、前記設定できるパラメータのうちの少なくとも１つを設定することによって、前記第２のタービン（２）に対して前記第１のタービン（１）の軸方向誘導（ａ）を低下させることができることを特徴とする制御ソフトウェア。
【請求項２２】
前記ソフトウェアは、前記設定できるパラメータを設定することによって前記タービン型発電所の出力に対する最適条件を見つけることができることを特徴とする請求項２１に記載のタービン型発電所用の制御ソフトウェア。
【請求項２３】
流れる流体（５）からエネルギを引き出すことのできる少なくとも第１のタービン（１）と少なくとも第２のタービン（２）とを備えたタービン型発電所のための制御システムであって、前記制御システムは、前記第２のタービン（２）が前記第１のタービン（１）の風下側にあるときに、基準出力下において、主に前記少なくとも第２のタービンの場所において乱流を低減させるように、前記第２のタービン（２）に対して前記第１のタービン（１）の軸方向誘導（ａ）を低下させることができることを特徴とする制御システム。
【請求項２４】
前記制御システムは、前記発電所の少なくとも１つの第１のタービンの軸方向誘導を風向の関数として設定することを特徴とする請求項２３に記載の制御システム。
【請求項２５】
前記制御システムは、前記発電所の全風力タービンの少なくとも半分の軸方向誘導を風向の関数として設定することを特徴とする請求項２３又は２４に記載の制御システム。
【請求項２６】
請求項２１に記載の制御ソフトウェアを備えた請求項２３から２５までの一項に記載の制御システム。
【請求項２７】
中央制御システムを備えた請求項２３から２６までの一項に記載の制御システム。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの第１のタービン用の個別の制御システムとして設けられた請求項２３から２６までの一項に記載の制御システム。
【請求項２９】
請求項２３の制御システムを備えたタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の特徴部に記載のタービン型発電所（ｔｕｒｂｉｎｅ  ｆａｒｍ）に関する。本発明はタービン型発電所のための方法にさらに関する。また、本発明は前記方法を実施するための制御システム及び制御システムプログラムに関する。
【０００２】
さらに一般的には、本発明は流れる流体からエネルギを引き出すことのできる方法及び／又は設備に関する。流れる流体という用語は、風及び流れる（海）水の両方を指すために用いている。設備とは、制御システムを備えたタービンのシステム（特に風力発電所）であると理解されたい。
【背景技術】
【０００３】
風力タービンを用いて風からエネルギを取り出すことができることが一般に知られている。近年、風力タービンの大きさ及び風力タービンの数はともに急速に増大しつつある。いわゆる風力発電所においては、いくつかのタービンが互いに並んで設置されることがますます増えている。（特に欧州では）陸地上の場所が少ないので、タービンも沖合に設置されることが多い。数十のタービン又はそれ以上から構成されるオフショア風力発電所が現在計画されている。この点では専門家の見識は一致していないが、風力エネルギは将来の主要エネルギ源の１つであるとみなされる。これが実現すれば、数百のタービンから成る多くの発電所が必要となろう。このようなタイプの発電所は高価であるため、発電所の製造は高額であり、すなわちそのコストを正当化することは非常に重要である。
【０００４】
風力タービンは風から運動エネルギを引き出すので、風速はタービンの後ろで低下する。この効果は後流効果又は影効果という用語そして干渉という用語によっても言及される。タービンが風下で受ける損失は影損失又は後流損失と呼ばれる。風力発電所における後流損失は発電所の効率図を導入することによって考慮されることが多い。この図は後流損のない場合の出力と比較した後流損のある場合の出力の比を提供する。典型的な値は０．７０〜０．９９である。
【０００５】
世界の実質的にすべての場所では、他の風向よりも特定の風向が発生することが多い。これはまた卓越風向であると言われ、ここでは年間生産量の大部分が部分負荷操作で得られる風向であると定義する。不かく乱風向は、タービン又は発電所の場所においてそのタービン又はその発電所の影響がない風向であると定義する。なお、風向は実質的には短い時間尺度（数秒から数分）で変動する。したがって、風向という用語は、瞬間的な値ではなく、例えば、１０分間にわたって平均化した値を指すために用いる。
【０００６】
今日の理論によれば、流体がタービンの場所で元の速度の約２／３まで、かつ約１直径分タービンの後ろで１／３まで減速される場合に、タービンは流体から最大量のエネルギを引き出す。ロータの場所において元の速度の１／３の速度に分数的に減速されることは軸方向誘導と呼ばれ、文字ａで表される。エネルギ抽出が最大の場合、ａは１／３に等しい。１／３未満になるように軸方向誘導を選択すれば、タービンはより低い程度で風を減速させ、対象のタービンが風から引き出すエネルギはより少なくなり、これは先行技術によればそのタービンの後ろのタービンで有利になり得る。
【０００７】
今日、風力タービンは約０．２８の軸方向誘導について設計されることが多い。実質的な負荷低減はこの手段によって達成されるので、この値は最適な値よりも低いが、エネルギ生産の低減は比較的僅かである。風力タービンが基準の風速においてその最大又は最小の出力に達する場合、何らかの方法で、（基準の風速を超えて）風速が上昇するにつれて出力が増大しないという対策が行われる。制御は受動又は能動のいずれかあってよく、いずれの場合も軸方向誘導が風速の上昇とともに低下するという結果になる。２０ｍ／秒〜２５ｍ／秒の風速では、軸方向誘導は０．１未満に低下し得る。
【０００８】
軸方向誘導に続き、軸方向力は風がタービンに及ぼすロータ軸方向の力であると定義する。軸方向力（Ｆａｘ）は関係Ｆａｘ＝４ａ（１−ａ）Ｆｎｏｒｍを用いて軸方向誘導と関連付けられる。この式で、Ｆｎｏｒｍは標準化のために用いる力である。この力は１／２ρＶ２Ａに等しく、ρは流体の密度、Ｖは流体速度、Ａは横断されるロータ表面積である。ロータ表面積及び密度がわかれば、軸方向力及び流体速度の測定から軸方向誘導を決定することができる。
【０００９】
第１の風力タービンが風から最大量のエネルギを引き出す場合、その風速はタービンの後ろの少し離れたところ（例えば、１直径分）で元の速度の５０％未満まで低下することが一般的である。風から得ることのできる出力は風速の第３の力に比例するので、風速の低下は、第１の風力タービンの後ろの位置に設置されるであろう第２のタービンが達成することができるのは、風上側の第１のタービンと比較して、せいぜい電力の１／８だけであろうことを意味する。
【００１０】
風力タービンはかなり離れて設置されるので、実際、そのような出力の低下が起こるのはまれである。タービン間の距離は通常タービンの直径の３〜１０倍である。この距離にわたって、後流の遅い風がその回りの速い風と混ざり合い、その結果、次のタービンの場所の風速は元の風速と比べて著しくは低下しない。つまり、影効果はタービン間の距離を短縮することによって小さくなる。
【００１１】
後流の問題は風向に順に設置した２つの風力タービン間の有害な相互作用だけに限定されないが、特に風力発電所ではさらに大きい範囲で発生する。風力発電所において風上側の風力タービンによって引き出されるエネルギは、混ざり合い（この概念は後に説明する）の結果として生じる運動エネルギの損失とともに、風力発電所の残りの部分が位置する大気境界層において速度の低下に至ることは避けられない。大気境界層ではエネルギの消耗があると言われている。広い意味では、異なる風力発電所間には影効果があると言うこともできる。別の風力発電所に対して風下に位置する発電所全体は、生産の実質的な低減を被り得る。前述の出力の低減とは別に、後流における操業もさらに風力タービンへの疲労損傷を及ぼし得る。
【００１２】
順に設置するタービンの数が増えると、後流損失を受容可能なものに維持するために、タービン間の距離を一層大きくすることが必要となる。このことは大きな表面積を必要とすることそしてタービン間のケーブル長が長くなり、故にコストが増大することを意味する。陸地に設置する場合、タービン間の距離がより大きくなることは、より長い道路を建設しなければならないことも意味し、これはコストがさらに増大することを意味する。さらに間隔を開けてタービンを設置することは影損失に対して役立つが、大型の発電所の風下側のタービンによる発電量が相当低下することは避けられないであろう。この低下は非常に大きいので、結果として発電所は不経済なものになる。３０％以上の損失になることが一般に文献から知られている。
【００１３】
現状の技術では、風力発電所は卓越風向に対して主に直角に延在するように設計されることが多く、その結果、影効果が低減され得る。しかし、実際、この風力タービンの配置はまた、どんな土地又は海面領域が風力タービンの運営者に割り当てられたか、その領域の他の機能は何か、タービンによってどんな迷惑が生じるか、既存の送電線はどのように働いているか等の他の多数の関心事によって決定される。したがって、この選択肢も、上記の問題に対して限られた解決策を提供することができるに過ぎない。
【００１４】
Ｓｔｅｉｎｂｕｃｈ，Ｍ．，Ｂｏｅｒ，ｄｅ．Ｗ．Ｗ．らによるＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｗｉｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ（２７）アムステルダム、１９８８年、「Ｏｐｔｉｍａｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｗｉｎｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｌａｎｔｓ’」と題する刊行物は、最大量のエネルギを引き出すことのできる速度よりも低い羽根先端の速度で発電所の風上側の風力タービンを操作すると、総発電量は増大し得ること記載している。シミュレーションによって裏付けられた結果に対して物理的説明はなされていない。
【００１５】
Ｃｏｒｔｅｎ，Ｇ．Ｐ．によるＩＳＢＮ９０−３９３−２５９２−０、２００１年１月８日「Ｆｌｏｗ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｗｉｎｄ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｂｌａｄｅｓ」と題する論文では、後流の遅い空気と後流外側の速い空気が混ざり合う間、この２つの塊が一緒になった流れの衝撃は維持されるが、運動エネルギの一部は熱として失われると書いている。最適な操作で動作している単一の風力タービンの場合、混合損失がタービンによって発生される出力の約５０％であるので、風力タービンが流れから引き出す運動エネルギは発生したエネルギに等しくはないが、１．５倍多い。この刊行物では、発電所全体の生産が増大するように、０．３３（すなわち、ａ＝０．３０）の最適な値よりも１０％未満になるようにタービン型発電所の風上側にタービンの軸方向誘導を選択することが提唱されている。
【００１６】
上記文献に関わらず、有力な意見は、後流効果をモデル化することはできるが、低減することはできないということである。このことは、例えば、Ｈｕｔｔｉｎｇ，Ｈ．の「Ｓａｍｅｎｖａｔｔｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｉｓｃｈ  ｏｎｄｅｒｚｏｅｋ  ＳＥＰ−Ｐｒｏｅｆｗｉｎｄｃｅｎｔｒａｌｅ」（「Ｓｕｍｍａｒｙ  ｏｆ  ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｓｔｕｄｙ  ｏｎ  ＳＥＰ  ｔｅｓｔ  ｗｉｎｄ  ｐｏｗｅｒ  ｓｔａｔｉｏｎ」），Ｋｅｍａ−Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｌｅ  ｅｎｅｒｇｉｅ  ｓｙｓｔｅｍｅｎ、Ａｒｎｈｅｍ、１９９４年１１月からわかるが、「後流相互作用を考慮することによって風力発電制御システムを用いて発電量を増大させることは実現可能であるようには思われない」という結論が導かれる。
【００１７】
この観点がさらに最近立証されたことは、デンマークの２００２年５月２３日Ｒｉｓｏ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙで開催された会議の議事録からわかる。２０名の専門家がこの会議に出席し、そのうち何名かが１９８０年以来この話題に取り組んできたが、全員の注目は後流損失のモデル化に集まった。この議事録によれば、後流効果は大きいが、大きさの程度及び何がその効果を正確に決定するかは依然としてわかっていない。モデル化を改善することによって、大型のタービン型発電所が特定の位置でどの程度発電するであろうかを事前により正確に推定することができる。当然、この情報は投資家らに非常に関連する。この会議中、タービンを異なった方法で操作することによって後流効果を低減させるという選択肢は注目されなかった。
【００１８】
まとめると、現行の考え方は、影効果が発電量の実質的な低下を生じ、タービンをより間隔を開けて設置することは、コストが高くなる（ケーブル長が長くなり、陸上では長い道路になる）とともに単位表面積当たりの出力が低くなるという改善策であるということである。スペースが十分ではないので、このことは大きな不利である。所与の表面積当たりの発電量が少なくなるだけでなく、単に低い発電量を想定する場合、多数のエリア（すなわち、場所）も他の目的と競合して損なわれるであろう。一般的な見解は、この問題をより上手くモデル化することができるが、解決することはできない。
【００１９】
現状の技術の別の問題は次のようなものである。タービンの軸方向誘導が増大するにつれて、後流の乱流も増大する。他のタービンの後流に存在するタービンは（例えば、風速計の測定値から、又はブレード上の変動する負荷から）この増大を記録することができる。乱流が増大するにつれて、タービンへの負荷も一層増大し、これは不利である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の目的は、乱流の発生に対抗しかつタービンの疲労負荷の問題を解決するのにいくらか役立つタービン型発電所を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この目的のために、本発明は請求項１の特徴部によるタービン型発電所を提供し、第２のタービンが第１のタービンの風下側にあるとき、基準出力下において、主に少なくとも第２のタービンの場所において乱流を低減させるように、第１のタービンの軸方向誘導は第２のタービンに対して低減されることを特徴とする。
【００２２】
予想外なことに、それにもかかわらず本発明を用いることによってある解決策が進められる。本発明によれば、この問題は解決される。乱流が（風速計の測定値又はブレード上の変動する負荷の記録からわかる）望ましくない負荷を生じると、乱流を発生するタービンをより低い軸方向誘導に設定することができる。本発明のタービンのシステムはこのように制御され得ることが有利である。
【００２３】
タービン型発電所の１つ又は複数のタービンの軸方向誘導を０．２５未満の値、例えば０．２、又はさらに０．１５まで下げることを提唱している。軸方向誘導のこのような値は、タービンが横断する表面積に対する平均である。水平軸タービンの場合、水平軸タービンの中央の及び先端の平均からの実質的なずれが除外されるように、この値はロータが占める４０％Ｒ〜９５％Ｒの表面の部分に対する平均である。Ｒはロータの半径である。この低い値はタービンを流体に対してより透過的なものにすることと比較できるので、タービンの後ろの流体の速度の低下の範囲は小さくなり、したがって、補助的な態様としては、風下のタービンへのエネルギの供給は上昇する。
【００２４】
数値から、本方策は上記論文に提唱された低減法よりもさらに進んだものであることがわかる。また、誘導の低下を如何に達成できるかが示されている。
【００２５】
現行の風力タービンと共に使用することのできる有利な実施例は、回転速度の低減及び／又はブレード角をフェザリング位置に向けることである。このような方策をブレードの弦の低減と組み合わせることもできる。本発明に従って弦を低減できる範囲を示すために、われわれは弦の特性をＮｃｒλｒ２／ｒと定める。
【００２６】
この式では、Ｎはブレード数、ｃｒはある特定の半径方向の位置ｒの弦、λｒは局所的な高速の尺度であり、これは次に局所的なブレード速度と乱されていない風速との比として定められる。（発電所の損を考慮せずに）風から最適な出力を引き出す（半径Ｒを有する）タービンの場合、０．５Ｒ〜０．８Ｒの弦の特性は４．０以下の任意の値に達しない。ロータ径が５０ｍを超えるタービンの場合、正常な値は４．２〜５．０である。
【００２７】
より小さなタービンの場合、弦の特性はさらに増大する。種々の利点は弦特性が小さくなるようにタービンを設計することによって達成される。本発明の一実施例によれば、この弦特性は３．７５以下、例えば、３．５よりも低い又はさらに３．０よりも低い値に達する。
【００２８】
本発明のタービンの一実施例によれば、０．５Ｒ〜０．８ＲのＮｃｒ／（０．３ｒＲ）の積分は、０．０４未満、例えば、０．０３６未満、及びさらに０．０３未満である。公式にすると、この積分は以下のようになる。
【００２９】
【数１】
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【００３０】
そのようなタービンを用いて達成される利点は、軸方向誘導は低く、その結果後流損失が減少すること及びブレードの弦が比較的小さいので、ブレードの負荷が小さいことである。後者は、残っている風速、すなわちタービンが耐えることのできる最大の風速で負荷上の利点を生じる。
【００３１】
さらに、本発明はタービン型発電所を操作する方法を提供し、この方法は、第２のタービンが第１のタービンの風下側にあるとき、基準出力下において、主に少なくとも第２のタービンの場所において乱流を低減させるように、第２のタービンに対して第１のタービンの軸方向誘導が低くされることを特徴とする。
【００３２】
また、本発明は上記のようにタービン型発電所を操作する制御システムを提供し、第２のタービンが風下側にあるときに、本制御システムは、基準出力下で、主に少なくとも第２のタービンの場所において乱流を低減させるように、第２のタービンに対して第１のタービンの軸方向誘導を下げることができることを特徴とする。
【００３３】
本発明は上記のようなタービン型発電所用の設計ソフトウェアも提供し、本ソフトウェアは、
タービンがガイド機能を有する場合に本設備にガイド要素を加えることができること、及び第２のタービンが第１のタービンの風下側にあるときに、基準出力下で、タービン型発電所への軸方向誘導の影響を算出するために主に少なくとも第２のタービンの場所において乱流を低減させるように、第１のタービンの軸方向誘導は第２のタービンに対して低くされることを特徴とする。
【００３４】
さらに、本発明は上記のようなタービン型発電所用の制御ソフトウェアを提供し、本制御ソフトウェアは、第２のタービンが第１のタービンの風下側にあるときに、基準出力下で、主に少なくとも第２のタービンの場所において乱流を低減させるように、第２のタービンに対して第１のタービンの軸方向誘導を下げることができることを特徴とする。
【００３５】
最後に、本発明は上記のような制御システムを備えたタービンを提供する。
【００３６】
タービンの軸方向誘導を風向の関数として制御する制御システムをタービン型発電所に備えることによって、ある利点を達成することができる。一般に、さらなる発電所の損（風上側のタービン）を生じるタービンは軸方向誘導の値を下げるように設定される。
【００３７】
望ましくない風の乱流が激しい場合に、少なくとも１つのタービンの軸方向誘導を低減させる制御システムを備えたタービン型発電所を作ることもできる。このようにして達成される利点は、タービンが比較的実質的に変動する負荷を受け易い状況において、タービンによって加えられる乱流は小さくなるので、それに関連して変動する負荷も低下する。
【００３８】
特に後流にある他のタービンからの距離を基準にしてかつ／又は後流にあるタービンの数を基準にして、少なくとも１つのタービンの軸方向誘導を設定する制御システムを備えたタービン型発電所を作ることができる。
【００３９】
本発明の一実施例によれば、タービン型発電所は卓越風向に基づいて発電所の風下側の軸方向誘導が低いタービンを備えることができる。また、この軸方向誘導の設定は風向と独立したものであり得る。
【００４０】
本発明のタービン型発電所は幅及び長さを有する。幅は流体の流れの優勢な方向に対して直角に測定され、長さは流れの優勢な方向に測定される。幅は２つのタービン間で最大幅の間隔であり、長さはタービン型発電所の２つのタービン間で最大の長さの間隔である。間の距離が測定されるタービンは、基本的に規則的なパターンがタービン位置に存在するタービンのその部分内になければならない。次に、タービン型発電所の表面積が長さと幅の積から得られる。発電所のタービンによって横断される全表面積を加えることによって（直径が１００ｍの２つの水平軸タービンの場合、占められる表面積は２・π／４・１００２ｍ２である）、タービン型発電所が占める全表面積が得られる。水平軸タービンが距離８Ｄ（８直径分）離れているタービン型発電所では、占められる表面積はその発電所の表面積の約１．２％である。本発明を用いることによって、タービン型発電所をより小型に作製することができる。５０を超えるタービンを備えるタービン型発電所では、本発明の一実施例によれば、占められる表面積の割合は３％よりも高く、特に５％よりも高く、さらには１０％よりも高くまで増大し得る。
【００４１】
本発明の好適な実施例は、付加的な制御システムを必要としないが、風上側のタービンが風下側のタービンよりも低い軸方向誘導に設定される場合、想定される利点の一部は既に達成されている。これは特に強力に優勢な風向がある場合に、良い実施例である。
【００４２】
本発明に従って操作されるタービン型発電所は、現状の技術の設備よりも後流損失を受け難くなる。後流損失を制限する従来の方法はエネルギ抽出要素（特に風力タービン）間の距離を大きくすることにあるため、タービン型発電所は高価になり、表面積があまり効果的に利用されない。本発明を用いることによって、後流損失を受容可能なものにした状態で、より小型の設計のタービン型発電所を作ることができる。
【００４３】
当業者にはわかるように、水平軸タービン及び垂直軸タービンに加えて、梯子型タービンであってよいほか、例えば、飛行型タービン、平行移動型タービン（ｔｒａｎｓｌａｔｉｎｇ  ｔｕｒｂｉｎｅ）、チップ・ベーン又はディフューザなどのコンセントレータと組み合わせたタービン、静電タービン（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｔｕｒｂｉｎｅ）、航空機よりも軽量のタービン、タワー上のマルチロータ・タービン及びタービンの集まりであってもよい。
【００４４】
上記のように、有利な設備及びそれに関連する流れからエネルギを引き出す方法は多数の要因に左右される。そのような設備を設計する場合、種々の要素を選択しかつそれらを有利な場所に位置決めするために、計算を行わなければならない。当然、これは受動的又は能動的要素、それらの相互の位置、地形、気象パラメータ、及び財政的側面及び保険的側面などの多様な他の側面の関数である。可能性のある解決策が複雑で数が多いことが、設計ソフトウェアを用いたこの設計プロセスを支持する誘引となっている。ガイド要素を本設備に加えることができること及び／又はタービンがガイド機能を有することができること、及びこのような要素の発電所への影響を予測することができるという特別な特徴を有する設計ソフトウェアは、本発明の一部を成すことができる。
【００４５】
一旦、エネルギ抽出設備（すなわち、タービン型発電所）が設計されると、軸方向誘導、回転速度、ブレード角、傾斜角、循環規模及びタービンの位置などの選択すべき多数の関連する変数が存在する。このような変数をすべて事前に最適にマッチングさせることは難しい。したがって、任意には特定の物理的洞察に基づいて設定の多数の組み合わせを試験する制御システムが必要とされる。このソフトウェアの一実施例によれば、このような変数に対するパラメータは特定の戦略に従って変えられる。タービン型発電所のパフォーマンスは設定することのできるパラメータの関数として格納され、風速及び風向の各々について最適な条件が求められる。
【００４６】
温度分布又は大気の安定性などの他の気象データもここでは可能性のあるパラメータとして生じる。発見した局所的な最適条件から始めて、よりよい最適条件を見つけるためにパラメータを変更することができる。
【００４７】
本プログラムは自己学習型であり得るので、設備をさらに良く制御することができる。このようにして、制御戦略の良い図面が経時的に得られ、次にタービン型発電所などの他のエネルギ抽出設備の調節のために機能的になり得るデータベースが蓄積される。
【００４８】
このような知識を用いれば、新しいタービン型発電所のための設計プロセスを改善することも可能である。
【００４９】
２つの図面を参照して特徴及び特性をさらに説明する。
【実施例】
【００５０】
図１は単に２つの風力タービン、すなわち第１のタービン１及び第２のタービン２の小型の風力発電所の平面図である。
【００５１】
風５は矢印５で示した所与の長さ及び方向を有する。この特定の例では、方向は前方タービン１から後方タービン２までの線に対して平行である。
【００５２】
図１では、第１のタービン１が最大量のエネルギを風から、すなわち理論的には１／３（実際は約０．２８）の軸方向誘導で引き出す状況の略図である。
【００５３】
風５は第１のタービン１を通過する前に均一な風速分布（６）を有する。第１のタービン１を過ぎると、タービンを吹き抜ける風５の速度は実質的に速度が低減する。このことはタービン１を通過後に風速鉛直分布７、８に変化する均一な速度分布６からわかり、この分布の中央部分８は輪郭３内の第１のタービン１から風向に延びる実質的に減速された後流を表しており、この分布の外側部分７は第１のタービンによって実質的に影響を受けていない流れを示している。
【００５４】
風速鉛直分布の部分７と８との間の速度の差は大きく、この結果、かなりの乱流が生まれる。この乱流は第２のタービン２により高い変動負荷を発生し、かつ風の運動エネルギが熱としてさらに失われるために、このことは不利である。風速鉛直分布の中央部分８の気流は風からエネルギを最大に引き出すようにも設定された風下側の第２のタービン２へ供給されるものとして働く。しかし、中央部分８の風速が元の均一な風速鉛直分布６よりも著しく遅いので、このエネルギは非常に少ない。第２のタービン２の後ろでは、さらなる風速鉛直分布（９−１０−１１）が発生し、外側部分９は最小の速度損を示し、中間部分１０は幾らかの速度損があることを示し、さらなる中央部分１１は風速が実質的に低下している。この風速鉛直分布のさらなる中央部分１１は、輪郭４内の第２のタービン２から風向に延びる実質的に減速された後流を示している。
【００５５】
図２は本発明の小型の風力発電所の平面図を示している。図１及び２ではともに、単に２つの風力タービンから成る小型の風力発電所を見ることができる。図２では、図１の要素と同一の要素を同じ参照番号で示している。
【００５６】
図１と同じ状況を図２に示すが、ここでは第１のタービン１の軸方向誘導は本発明の例示的実施例に従って低減されている。
【００５７】
風５は第１のタービン１を通過する前に均一な風速鉛直分布（６）を有する。第１のタービン１を通過後、タービンを吹き抜ける風５の風速は実質的に速度が低下し、このことはタービン１を通過後に風速鉛直分布７’、８’に変化する均一な風速鉛直分布６からわかり、この分布の中央部分８’は輪郭３’内の第１のタービン１から風向に延びる減速された後流を表しており、この分布の外側部分７’は第１のタービンによって実質的に影響を受けていない流れを示している。
【００５８】
減速された軸方向誘導の結果は、図２の中央部分８’速度が図１の中央部分８の速度よりも高いということである。
【００５９】
部分７’と中央部分８’との速度差も小さくなっており、その結果、乱流も小さくなる。風速は高く、乱流は低いので、このように第２のタービン２への供給はさらに有利になる。このことは発電量と負荷との間により良い関係があることを意味する。
【００６０】
また、風から熱として失われた運動エネルギも小さくなっており、これはタービン型発電所の発電量に有利である。図２の第２のタービン２は、第２のタービンの後ろには他のタービンが一切ないので、最大量のエネルギが風から引き出されるように設定されている。さらなる風速鉛直分布９’、１０’、及び１１’はこのように第２のタービン２の後ろで生成される。この分布を均一な風速鉛直分布６の乱れていない供給と比較すると、（これは図からわからないが）図１の状況と比較すると、より有用なエネルギを流れ５から引き出すことができかつ／又は風から失われた運動エネルギは少なかったことがわかる。
【００６１】
実施例を参照して本発明を上に説明したが、当業者であればこの利点は添付の特許請求の範囲にある他の方法で達成することもできることは容易に理解できよう。
【００６２】
さらに、当業者であれば記載した発明は、水の流れからエネルギを引き出す水中タービンを備えたタービン型発電所などの他の設備に拡大されることを理解するであろう。そのような水の流れは、流れる川、潮流、及びエネルギを引き出すことのできる地球上の水の他の任意の流れであってよい。さらに、オランダ国特許出願第ＮＬ１０２１０７８号に記載された技術と共に本発明を利用することもできることが理解されなければならない。その場合、本発明の有利な実施例では、速い空気が発電所を介して誘導されるように、軸方向誘導の低減を横方向の力を流れに及ぼすことと組み合わせることができる。横方向の力は、例えば、ある角度で位置決めされ、例えば風力タービンを用いて発生される。別の明らかな組み合わせは周期的なブレード角調整との組み合わせである。結果的に軸方向誘導が底部よりもロータ上部で大きくなる調整（より有利な後流）及び逆の周期的調整（より低い負荷）はともに有利であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】風力タービンが２つだけの小型風力発電所を示す概略平面図である。
【図２】本発明の小型風力発電所を示す概略平面図である。
【図１】
2006527334.tif 000005
【図２】
2006527334.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月14日(2005.4.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れる流体（５）からエネルギを引き出すことのできる少なくとも第１のタービン（１）と少なくとも第２のタービン（２）とを備えたタービン型発電所であって、前記第２のタービン（２）が前記第１のタービン（１）の風下側にあるときに、基準出力下において、前記第１のタービン（１）の軸方向誘導（ａ）は、該第１のタービン（１）のロータのブレード角をフェザリング位置へ向けて変えることによって、前記第２のタービン（２）に対して低くされることを特徴とするタービン型発電所。
【請求項２】
前記第１のタービン（１）の軸方向誘導（ａ）は、０．２５以下に低減されることを特徴とする前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項３】
前記軸方向誘導を低下させることは、更に、前記ロータの回転速度を減速することによってもたらされることを特徴とする前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項４】
前記軸方向誘導（ａ）の低減は前記ブレードの弦を低減することによってもたらされることを特徴とする前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項５】
少なくとも前記第１のタービンは、各々３．７５未満の弦特性
【数１】
2006527334.tif 000007
を有するフレードを有し、ｒは０．５Ｒ〜０．８Ｒの半径距離であり、Ｒは前記ロータの半径であることを特徴とする請求項４に記載のタービン型発電所。
【請求項６】
制御システムを備え、この制御システムは前記発電所の少なくとも１つの第１のタービン（１）の軸方向誘導（ａ）を風向の関数として設定することを特徴とする前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項７】
前記制御システムは、前記第１のタービン（１）の風下側に基本的に位置する前記第２のタービン（２）において決定される乱流に対する測定値を基準にして、前記第１のタービン（１）の軸方向誘導を設定することを特徴とする請求項６に記載のタービン型発電所。
【請求項８】
前記制御システムは、少なくとも１つの第１のタービンの軸方向誘導（ａ）を、風下に位置する少なくとも１つの第２のタービンまでの距離の関数として設定することを特徴とする請求項６または７に記載のタービン型発電所。
【請求項９】
前記制御システムは、個々のタービンの軸方向誘導（ａ）を調整することによって、最大発電量及び／又は最小負荷の点で測定された前記発電所のパフォーマンスを最適化することを特徴とする請求項７または８に記載のタービン型発電所。
【請求項１０】
前記制御システムは、自己学習型であることを特徴とする請求項９に記載のタービン型発電所。
【請求項１１】
少なくとも１つの風速において、前記優性の風向に基づいて前記発電所の風上に実質的に設置された少なくとも１つの第１のタービンは、軸方向誘導の点で、前記発電所の風下側に実質的に設置された少なくとも１つの第２のタービンとは平均で０．０５を超えて異なっている前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項１２】
前記発電所全体の軸方向誘導は、風下側に位置する別の発電所の出力が増大されるように低減されることを特徴とする前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項１３】
前記流体は水であり、前記タービンは水の流れからエネルギを引き出す水力タービンであることを特徴とする前記請求項の一項に記載のタービン型発電所。
【請求項１４】
流れる流体（５）からエネルギを引き出すことのできる少なくとも第１のタービン（１）と少なくとも第２のタービン（２）とを備えたタービン型発電所のための方法であって、
前記第２のタービン（２）が前記第１のタービン（１）の風下側にあるときに、基準出力下において、該第１のタービン（１）のロータのブレード角をフェザリング位置へ向けて変えることによって、前記第２のタービン（２）に対して前記第１のタービン（１）の軸方向誘導（ａ）を低下させることを特徴とする方法。
【請求項１５】
流れる流体（５）からエネルギを引き出すことのできる少なくとも第１のタービン（１）と少なくとも第２のタービン（２）とを備えたタービン型発電所のための設計ソフトウェアであって、
前記ソフトウェアは好ましい設備及び前記タービン型発電所用の好ましい方法を算出することができ、前記ソフトウェアは、タービンがガイド機能を有する場合および／または前記設備にガイド要素を加えることができること、
前記第２のタービン（２）が前記第１のタービン（１）の風下側にあるときに、基準出力下で、前記タービン型発電所への軸方向誘導の影響を算出するために、該第１のタービン（１）のロータのブレード角をフェザリング位置へ向けて変えることによって、前記第１のタービン（１）の軸方向誘導（ａ）は第２のタービンに対して低くされることを特徴とする設計ソフトウェア。
【請求項１６】
流れる流体（５）からエネルギを引き出すことのできる少なくとも第１のタービン（１）と少なくとも第２のタービン（２）とを備え、
風速及び風向、温度分布及び大気の安定性を含む気象パラメータのうちの少なくとも１つを決定することができ、
かつ軸方向誘導、回転速度、ロータ・ブレード角、傾斜角、循環規模及び前記タービンの位置を含む設定できるパラメータのうちの少なくとも１つの関数としてタービン型発電所の出力を決定及び設定することができるタービン型発電所のための制御ソフトウェアであって、
前記制御ソフトウェアは、
前記第２のタービン（２）が前記第１のタービン（１）の風下側にあるときに、基準出力下において、該第１のタービン（１）のロータのブレード角をフェザリング位置へ向けて変えることによって、前記第２のタービン（２）に対して前記第１のタービン（１）の軸方向誘導（ａ）を低下させることができることを特徴とする制御ソフトウェア。
【請求項１７】
流れる流体（５）からエネルギを引き出すことのできる少なくとも第１のタービン（１）と少なくとも第２のタービン（２）とを備えたタービン型発電所のための制御システムであって、前記制御システムは、前記第２のタービン（２）が前記第１のタービン（１）の風下側にあるときに、基準出力下において、該第１のタービン（１）のロータのブレード角をフェザリング位置へ向けて変えることによって、前記第２のタービン（２）に対して前記第１のタービン（１）の軸方向誘導（ａ）を低下させることができることを特徴とする制御システム。
【請求項１８】
前記制御システムは、前記発電所の少なくとも１つの第１のタービンの軸方向誘導を風向の関数として設定することを特徴とする請求項１７に記載の制御システム。
【請求項１９】
請求項１６に記載の制御ソフトウェアを備えた請求項１７または１８に記載の制御システム。
【請求項２０】
請求項１７の制御システムを備えたタービン。
【国際調査報告】
2006527334.tif 000008
2006527334.tif 000009
2006527334.tif 000010