(57)【要約】      （修正有）【課題】空力改善装置を搭載する風車発電システムの効率を向上する。【解決手段】風力発電システムは、風車部、発電機、空力改善装置、計測部９０、風車制御部１９０、変換機１８０、空力改善装置制御部１７０を備える。空力改善装置は風車部の翼に配置され、運転または停止可能であり運転することで翼に対して揚力を増大、抗力の低減を含む空力特性を改善する。変換機は計測部から風車制御部へ送られる状態信号、または風車制御部から風車部および発電機へ送られる制御信号を変換または中継する。空力改善装置制御部は空力改善装置が運転状態であれば、状態信号または制御信号を元の信号とは異なるように変換し、空力改善装置が運転停止状態であれば、状態信号または制御信号を中継するよう変換機を制御する。【選択図】図４
2016194280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼に風を受けて回転する風車部と、
前記風車部の回転により発電し前記風車部の回転を抑える方向にトルクを発生する発電機と、
前記風車部の前記翼に配置され、運転または停止可能であり運転することで前記翼に対して揚力を増大、抗力の低減を含む空力特性を改善する空力改善装置と、
風況状態、前記発電機の発電状態、前記風車の状態のうちの少なくとも一つの状態を計測する計測部と、
前記計測部により計測された少なくとも一つの状態に基づいて前記風車部および前記発電機の動作を制御する風車制御部と、
前記計測部から前記風車制御部へ送られる状態信号、または前記風車制御部から前記風車部および前記発電機へ送られる制御信号を変換または中継する変換機と、
前記空力改善装置が運転状態であれば、前記状態信号または制御信号を元の信号とは異なるように変換し、前記空力改善装置が運転停止状態であれば、前記状態信号または制御信号を中継するよう前記変換機を制御する空力改善装置制御部と
を具備する風力発電システム。
【請求項２】
前記制御信号が、
前記風車部の翼のピッチ角を調整する機構および／または前記翼のヨー角を調整する機構を制御する制御信号または前記発電機の負荷を制御する制御信号である請求項１記載の風力発電システム。
【請求項３】
翼に風を受けて回転する風車部と、前記風車部の回転により発電し前記風車の回転を抑える方向にトルクを発生する発電機と、前記風車部の前記翼に配置され、運転または停止可能であり運転することで前記翼に対して揚力を増大、抗力の低減を含む空力特性を改善する空力改善装置と、風況状態、前記発電機の発電状態、前記風車部の状態のうちの少なくとも一つの状態を計測する計測部と、前記計測部により計測された少なくとも一つの状態に基づいて前記風車部および前記発電機の動作を制御する風車制御部とを備えた風力発電システムの制御方法において、
前記空力改善装置が運転状態であれば、前記計測部から前記風車制御部へ送られる状態信号、または前記風車制御部から前記風車部および前記発電機へ送られる制御信号を元の信号とは異なるように変換し、
前記空力改善装置が運転停止状態であれば、前記状態信号または制御信号を中継する風力発電システムの制御方法。
【請求項４】
前記制御信号が、
前記風車部の翼のピッチ角を調整する機構および／または前記翼のヨー角を調整する機構、または前記発電機の負荷を制御する制御信号を制御する制御信号である請求項３記載の風力発電システムの制御方法。
【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の激しい状況では、風力発電に用いる風車の翼に剥離が生じ、翼の効率が低下して発電効率が低下したり、変動荷重による風車各部への疲労が蓄積してメンテナンス頻度があがることで、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立地しなければならない場合においては、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、翼の近隣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が既にあり、例えば、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として実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特願２００６−１９７９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したような空力改善装置は、その寿命や消費電力を考慮すると、風況がよく、翼の空力特性を改善する必要がない時間帯には停止させておくことが望ましい。また、空力制御装置の特性を変化させられる場合には、風況に応じて、空力改善装置の特性を調整することが望ましい。
【０００９】
一方、風車は、出力の安定化、効率の最大化、疲労荷重の最小化、騒音の低減等を図るために、風況の変動に応じて、翼の空力特性を考慮して、ピッチ角、ヨー角、回転数、発電機トルク等が所定の制御パラメータにより制御される。
【００１０】
空力改善装置を稼動したり、空力改善装置の特性を調整する場合、空力改善装置の稼働状態（運転状態または運転停止状態）によって翼の空力特性が異なるため、前述した風車の制御パラメータの値も空力改善装置の動作状態に応じた最適な値を設定すべきである。
【００１１】
風車の制御パラメータは、一般的に、風車の制御部内の制御データベースとして記憶されているが、その制御データベースは、通常、メーカのノウハウとして秘匿されており、ユーザ側である事業者やメンテナンス会社等には通常は開示されない。
【００１２】
このため、既設の風車に空力改善装置を後付するような場合に、風車の制御パラメータを空力改善装置の状態に応じて最適化するための手段として、風車制御データベースを変更することは困難である。
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、既設の風車に対して空力改善装置を搭載する場合に、風車制御データベースを変更することなしに、風車の制御パラメータを、空力改善装置の状態に応じて最適な値にすることで、空力改善装置を搭載する風車発電システムの効率を向上し、さらには効率を最大化することができる風力発電システム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】
【００１４】
実施形態の風力発電システムは、風車部、空力改善装置、計測部、風車制御部、変換機、気流発生装置制御部を備える。風車部は翼に風を受けて回転する。発電機は風車部の回転により発電し風車部の回転を抑える方向にトルクを発生する。空力改善装置は風車部の翼に配置され、運転または停止可能であり運転することで翼に対して揚力を増大、抗力の低減を含む空力特性を改善する。計測部は風況状態、発電機の発電状態、風車の状態のうちの少なくとも一つの状態を計測する。風車制御部は計測部により計測された少なくとも一つの状態に基づいて風車部および発電機の動作を制御する。変換機は計測部から風車制御部へ送られる状態信号、または風車制御部から風車部および発電機へ送られる制御信号を変換または中継する。気流発生装置制御部は空力改善装置が運転状態であれば、状態信号または制御信号を元の信号とは異なるように変換し、空力改善装置が運転停止状態であれば、状態信号または制御信号を中継するよう変換機を制御する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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】風力発電システム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の第１実施形態を示す図である。
【図５】風車（発電機）の回転数と発電機のトルクの関係を示す制御マップである。
【図６】第１実施形態における信号変換機の入出力特性を示す図である。
【図７】風力発電システムの制御系の構成の第２実施形態を示す図である。
【図８】第２実施形態における信号変換機の入出力特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。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空力改善装置としての気流発生装置の構成を示す図である。
【００１７】
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に設置されたタワー３０、タワー３０の頂部に取り付けられた風車として風車部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３翼構成の翼としての風車翼４２とを備える。
【００１８】
ナセル３１には発電機１５０などが収容されている。発電機１５０にはナセル３１から突出した回転軸が設けられており、この回転軸に風車翼４２が支持されている。つまり風車翼４２はナセル３１から突出した発電機１５０（図４参照）の回転軸に支持されている。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、風車が増速機を備える場合は、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に風を受けて回転しその回転によるトルクを発電機１５０に与えて発電させるものである。
【００１９】
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、回転自在に支持されている。風車翼４２は、気流を受けて回転する。
【００２０】
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。
【００２１】
風車翼４２の本体は、本体の外形形状をなす部分が誘電材料で構成されている。この誘電材料として、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。
【００２２】
なお、風車翼全体が誘電材料で構成されている必要はなく、少なくとも気流発生装置６０を配設する部分が誘電材料で構成されていればよい。すなわち、気流発生装置６０の電極どうし、および気流発生装置６０の電極と風車翼本体との間が導通しないように構成されていればよい。
【００２３】
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、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。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。
【００２４】
なお、気流発生装置６０の運転・停止の切り替え操作については発電機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力センサによる検知など、人手によらず自動で切り替えてもよい。
【００２５】
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。
【００２６】
ここで、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。また、整形された風車翼の表面に、別途製作した気流発生装置を接着する方法によっても製造が可能である。なお、風車翼４２の製造方法は、これに限られるものではない。
【００２７】
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。この場合、風車翼４２が、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）などの誘電材料で構成されているときには、誘電体６３として風車翼４２自体を機能させることができる。すなわち、風車翼４２の表面に直接第１の電極６１を配設し、この第１の電極６１と離間して風車翼４２に第２の電極６２を直接埋設することができる。
【００２８】
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。なお、気流発生装置６０の配置位置は、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、風車翼４２の前縁部とすることが好ましい。
【００２９】
このように気流発生装置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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、電圧印加機構として機能する放電用電源６５に電気的に接続されている。この放電用電源６５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。
【００３２】
放電用電源は、第１の電極６１と第２の電極６２との間に、例えば、パルス状（正極性、負極性、正負の両極性（交番電圧））のパルス変調制御された電圧や、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とができる。このように、放電用電源６５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ことができる。
【００３３】
例えば、複数の気流発生装置６０を備える場合、放電用電源６５は、各気流発生装置６０毎に備えられてもよいし、各気流発生装置６０を独立して電圧制御できる機能を備える１つの電源で構成されてもよい。
【００３４】
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６５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に示す基本周波数とは、印加電圧の周波数である。
【００３５】
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。
【００３６】
０．１≦ｆＣ／Ｕ≦９  …式（１）
【００３７】
但し上式（１）における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の翼弦長である。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。
【００３８】
なお、図３に示すように、気流発生装置６０を翼幅方向に複数備えた場合においても、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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、信号変換機１８０、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（図示せず）などを備える。
【００４５】
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。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、風車の状態を基に、風車のピッチ、ヨー、発電機１５０の負荷状態を制御する。
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、運転時には風車の翼に対して揚力を増大、抗力の低減などの空力特性の改善機能を有する。
【００４６】
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により計測された状態情報に基づいて、気流発生装置６０を駆動すると共に、気流発生装置６０の状態に応じて信号変換機１８０を機能させ、各種計測部から風車制御部１９０に送られる信号を元の信号と異なる値または信号レベルに変換することで、風車のピッチ、ヨー、発電機負荷を、気流発生装置６０の状態に応じた最適な状態に調整する。
【００４７】
すなわち、気流発生装置制御部１７０は、気流発生装置６０が運転状態であれば、状態信号を元の信号とは異なるように変換し、気流発生装置６０が運転停止状態であれば、状態信号を中継するよう信号変換機１８０を制御する。
【００４８】
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。
【００４９】
風況計測部１００として、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３５の上側の面に設けられている。
【００５０】
風況計測部１００は、必ずしもナセル３５の上部に設置されなくとも、風車の前方等に設置された風況観測塔に設置されてもよい。
また、風況計測部１００は、これらにかえて、レーザや超音波を利用して、計測部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することもできる。
【００５１】
発電状態計測部１１０は、発電機に設けられており、回転軸（風車翼４２）２回転を抑制するための負荷となるトルク（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）を計測する。
【００５２】
トルクセンサは、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でもよい。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、発電機または発電機から電力変換装置までの間などに備える必要がある。
【００５３】
風車状態計測部１２０は、回転数センサ、ピッチ角検出センサ、ヨー角検出センサなどを含み、風車翼４２の回転軸であるロータ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、ヨー角度などの現在値を計測するものである。
【００５４】
計測部９０としては、この他、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することもできる。すなわち、計測部９０は、風況状態、発電機１５０の発電状態、風車部４０の状態のうちの少なくとも一つの状態を計測する。
【００５５】
信号変換機１８０は、計測部９０から風車制御部１９０へ送られる状態信号を変換または中継する。
【００５６】
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、風車状態を基に、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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
ＤＢ１９１は、メモリ、ハードディスク装置などで構成される。また、風車制御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。
【００６０】
ＤＢ１９１は、風速、風向、回転数、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をむすびつける、複数の制御マップ（たとえば図５の曲線５１，５２）を記憶している。
【００６１】
例えば、ＤＢ１９１には、発電機の回転数に対して発電機に発生させるトルクの特性を示す図５の「停止の曲線５１」に示すような制御マップが記憶されている。
【００６２】
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のピッチ角度を調整する。具体的な制御としては、風車制御部１９０は、回転数センサにより検知された風車翼４２の回転数に応じて風車翼４２の翼の角度（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。
【００６３】
また、別の具体的な制御としては、風車制御部１９０は、発電機状態計測部の電圧計・電流計の値からもとめた風車出力に応じて風車翼４２の翼の角度（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。
【００６４】
ヨー駆動機構１４０は、ナセル３１を旋回（回転）させて風車ロータ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、風車ロータ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（回転）させる。
【００６５】
気流発生装置制御部１７０は、風況計測部１００、発電機計測部１１０、風車状態計測部１２０により計測された、風況、発電機出力状態、風車状態を基に予め内蔵されている気流発生装置制御データベース１７１（以下「ＤＢ１７１」と称す）を参照して気流発生装置６０の動作を制御する。
【００６６】
この気流発生装置制御部１７０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。
【００６７】
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。この気流発生装置制御部が実行する処理は、例えばコンピュータ装置などで実現される。
【００６８】
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。
【００６９】
ＤＢ１７１は、風速、風向、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の運転パラメータをむすびつける、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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
信号変換機１８０は、計測部９０と風車制御部１９０との間に配置および接続されている。信号変換機１８０は、計測部９０から風車制御部１９０に送られる信号を変換または中継するものである。気流発生装置制御部１７０は、気流発生装置６０の稼働状態（運転状態か運転停止状態か）に応じて異なる関数（図６参照）で信号変換機１８０に信号の変換を行わせる。信号変換機１８０は、計測部９０から風車制御部１９０に送られる信号を変換することで、風車のピッチ角、ヨー角、発電機１５０の負荷を、気流発生装置６０の状態に応じた最適な状態に調整する。
【００７３】
以下、図５、図６を参照してこの第１実施形態の風車発電システムの動作を説明する。図５はこの風車発電システムの発電機の回転数−トルク曲線を示す図である。
【００７４】
通常、風力発電システムは、摩擦等を無視すれば、次の（式１）で決まる角速度とトルクで運転される。  
Ｉ（dω／dｔ）=ＴW−ＴM ・・・（式１）
【００７５】
ここで、Ｉは風車の慣性モーメント、ωは風車の角速度、ＴWは風車のトルク、ＴMは発電機１５０のトルク（以下「発電機トルク」という）である。風車トルクに関しては、風と翼の性能で決定され、その時の風況によって決まる量である。
【００７６】
発電機トルクＴMは、発電機１５０の発電量と関係するので、発電機の、たとえば励磁電流をコントロールすることにより発電機トルクＴMを自由にコントロールすることができる。例えばまったく発電をしない、すなわち発電機１５０の出力端を開放にしておけば、摩擦を無視すれば、理論上、発電機トルクＴMは０となり、風が吹けば風車の回転数は際限なく増加していく。
【００７７】
また、発電機が永久磁石型同期発電機の場合には、発電機の出力を系統に接続するためのコンバータにて、系統への出力電圧と位相を調整して、系統への発電出力をコントロールすることにより、発電機トルクＴMを自由にコントロールすることができる。
【００７８】
換言すると、発電機１５０の出力インピーダンスを調整すれば、すなわちどれくらい発電するかを調整することで発電機トルクＴMは制御可能である。
【００７９】
気流発生装置６０を備えていない一般的な風車発電システムの、風車制御部１９０は、例えば図５の「停止時の曲線５１」に示すような、回転数とトルクの関係を示す制御マップを予め備えており、回転数に応じてこの制御マップを参照して発生トルク、すなわち発電機の発電量を制御している。
【００８０】
この回転数−トルクの制御マップは、風力エネルギーを最大限に取り出せるようにするため、通常、風車の周速比が最適値をとるように設定されている。
【００８１】
ここで、周速比λはλ＝ｒω／Uであり、ｒはロータの回転半径、ωはロータの各速度、Uは風速を示す。周速比の値は例えば「５」〜「７」、好ましくは「６」になるように設定されている。
【００８２】
このような制御になっている理由は、翼が、その周速比において、風からもっとも効率的にエネルギーを取り出せるように、設計されているためである。
【００８３】
しかし、最適に設計された風車に後付で気流発生装置６０などの空力改善装置を設置した場合、例えば図１、２の気流発生装置６０が働いて翼の揚力が増大した場合、ある風速における風車トルクＴWが、気流発生装置６０が働いていないときに比べて大きくなる。
【００８４】
このため、従来の回転数−発電機のトルク特性、つまり制御マップをそのまま用いると、風車トルクＴWが発電機トルクＴMに比べて大きくなるため、回転数が増加傾向となり、結果として風車の周速比が最適値より高い側にずれ、翼が風からエネルギーを取り出す効率が悪化する。
【００８５】
そこで、この実施形態の風車発電システムでは、図４に示すように、風車状態計測部１２０の回転数センサと風車制御部１９０との間に信号変換機１８０を設け、気流発生装置６０の稼働状態（運転状態か運転停止状態か）に応じて、図６に示すように、信号変換機１８０により回転数の信号を変換する。
【００８６】
この例では、気流発生装置６０が運転を停止しているときと運転しているときとで、異なる変換曲線（停止時の関数６１、運転時の関数６２）を用いている。図６の横軸であるＲｘ軸を、入力される回転数信号（回転数入力）とし、縦軸であるＲｙ軸を出力される回転数信号（回転数出力）とすると、気流発生装置６０が停止しているときの変換曲線（停止時の関数６１）は、Ｒｙ＝Ｒｘ（傾き１の直線）であり、信号変換機１８０に入力された回転数は、信号変換機１８０からそのまま出力され、風車制御部１９０に送られる。
【００８７】
一方、空力改善装置が運転している場合、信号変換機１８０に入力された回転数入力は、図６の「運転時の関数６２」により変換されて風車制御部１９０に送られる。この変換の結果、信号変換機１９１から風車制御部１９０へ、実際の回転数とは異なる見かけの回転数信号（回転数を示す情報）が送られる。
この結果、実際の回転数とトルクの関係は、図５に示すように、気流発生装置６０が運転を停止しているときは「停止の曲線５１」であったものが、気流発生装置６０が運転すると、「運転時の曲線５２」のように変化する。
【００８８】
図５は信号変換機１８０を用いた場合の制御状態の一例を示す図である。上記した信号変換機の作用によって、符号ａ，ｂの範囲での発電機の回転数を低回転領域（以下「低回転域」と称す）、中回転領域（以下「中回転域」と称す）、高回転領域（以下「高回転域」と称す）に分けた場合、例えば気流発生装置６０が運転する状態では、風車は、気流発生装置６０が停止した状態よりも中回転域のトルクを増加させる特性（曲線５２）で使用されることになる。
【００８９】
停止時の曲線５１では、一定回転数以下ではトルクを発生しないようにし、定格回転数以上では、それ以上回転数が増加し破損するのを防ぐために、トルクを極端に大きくするようになっている。中回転域では、トルクと回転数がほぼ一次関数のような形状（直線的な形状）で前２者とつながっている。
【００９０】
これに対して、気流発生装置６０を働かせた場合（運転時）の曲線５２では、一定回転数以下、定格回転数以上では、曲線５１と同じであるものの、中回転域では、低回転域側でのトルクを大きくし、回転数が変化してもほぼ一定の（同じ）トルクをかけて徐々に曲線５１に漸近するような曲線となる。
【００９１】
特に低回転域で発電機トルクを大きくする理由は、低回転側ほど気流発生装置６０によって風車トルクの増大率が大きいため、曲線５１では気流発生装置６０がない場合よりも回転数が早くなる。
【００９２】
これは周速比が設計値より大きくなることに対応するので、風車の発電効率が悪くなることになる。風車翼４２の回転数が高回転になると、気流発生装置６０による風車翼４２のトルク増大率は小さくなり、もとの気流発生装置６０がない場合の特性と変わらなくなってくるので、曲線５２を曲線５１に漸近させている。
【００９３】
このようにこの第１実施形態によれば、計測部９０と風車制御部１９０との間に信号変換機１８０を設け、気流発生装置制御部１７０が信号変換機１８０を制御することで、例えば既設風車のように、風車制御部１９０のＤＢ１９１に変更を加えることが困難な場合に、気流発生装置制御部１７０におけるＤＢ１７１の制御マップを、気流発生装置６０の動作状態に応じて使い分けることができる。
【００９４】
これにより、信号変換機１８０の変換関数を、気流発生装置６０の状態に応じて最適化し、気流発生装置６０を働かせる必要のないような風況の良い場合と、気流発生装置６０を働かせる必要のある風況の悪い場合との両者について周速比を最適値付近に保つ運転ができるようになり、風車発電システム１０の発電効率を向上し、さらには発電効率を最大化することができ、この結果、発電量を増大させることができる。
【００９５】
（第２実施形態）  
次に、図７、図８を参照して第２実施形態を説明する。図７は第２実施形態のシステム構成を示すブロック図、図８は信号変換機１８１による制御信号の変換特性を示す図である。
【００９６】
図７に示すように、信号変換機１８１は、風車制御部１９０から発電機１５０に送られる制御信号（トルク制御指令など）を変換または中継する。この他、信号変換機１８１は、風車制御部１９０からピッチ駆動機構１３０、ヨー駆動機構１４０に送られる制御信号を変換または中継する。つまり信号変換機１８１は、風車制御部１９０から風車部４０および発電機１５０へ送られる制御信号を変換または中継する。
【００９７】
気流発生装置制御部１７０は、気流発生装置６０の稼働状態に応じて信号変換機１８１を機能させ、風車制御部１９０から、ピッチ駆動機構１３０、ヨー駆動機構１４０、発電機１５０に送られる少なくとも一つの制御信号を変換することで、風車のピッチ、ヨー、発電機負荷を、気流発生装置６０の稼働状態（運転状態か運転停止状態か）に応じた最適な状態に調整する。
【００９８】
すなわち、気流発生装置制御部１７０は、気流発生装置６０が運転状態であれば、制御信号を元の信号とは異なるように変換し、気流発生装置６０が運転停止状態であれば、制御信号を中継するよう信号変換機１８１を制御する。
【００９９】
図７に示すように、この第２実施形態では、風車制御部１９０と風車駆動部（ピッチ駆動機構１３０、ヨー駆動機構１４０）および発電機１５０との間に信号変換機１８１を設け、図８に示すように、気流発生装置６０の稼働状態（運転状態か運転停止状態か）に応じて、信号変換機１８１により例えば発電機１５０への制御信号（トルク指令など）を変換する。この他、信号変換機１８１は、ピッチ駆動機構１３０、ヨー駆動機構１４０への制御信号を変換してもよい。
【０１００】
この例では、気流発生装置６０が運転を停止しているときと、運転しているときとで異なる変換関数を用いる。図８の横軸であるＴｘ軸を信号変換機１８１に入力されるトルク制御信号（入力トルク制御信号）、縦軸であるＴｙ軸を信号変換機１８１から出力されるトルク制御信号（出力トルク制御信号）とすると、気流発生装置６０が運転を停止しているときの変換関数はＴｙ＝Ｔｘ（傾き１の直線）である「停止時の関数８１」であり、信号変換機１８１に入力された発電機１５０への指令信号は、信号変換機１８１からそのまま出力（単に中継）され、発電機１５０に送られる。
【０１０１】
一方、気流発生装置６０が運転している場合は、信号変換機１８１に入力された発電機１５０への指令信号は、図８に示す「運転時の関数８２」により変換されて発電機１５０に送られる。
【０１０２】
「運転時の関数８２」は中回転域の発電機トルクを通常よりも増強させるように発電機１５０を制御する制御信号である。この変換の結果、信号変換機１８１から発電機１５０へは、実際の風車制御部１９０からの指令信号とは異なる見かけの制御信号が送られる。
【０１０３】
この結果、実際の回転数とトルクの関係は、図５に示したように、気流発生装置６０が停止しているときは「停止時の曲線５１」であったものが、気流発生装置６０が運転すると、「運転時の曲線５２」のように変化する。これにより、第１実施形態で説明したのと同じ効果を得ることができる。
【０１０４】
このようにこの第２実施形態によれば、風車制御部１９０と風車駆動部（ピッチ駆動機構１３０、ヨー駆動機構１４０）および発電機１５０との間に信号変換機１８１を設け、気流発生装置制御部１７０が信号変換機１８１を制御することで、例えば既設風車のように、風車制御部１９０のＤＢ１９１に変更を加えることが困難な場合に、気流発生装置制御部１７０におけるＤＢ１７１の制御マップを、気流発生装置６０の動作状態に応じて使い分けることができる。この結果、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０５】
ここで、風車制御部１９０と風車駆動部および発電機１５０との間の信号は、アナログ通信ではなく、CAN OPEN等のプロトコル通信による場合が多い。このような場合は、信号変換機１８１は、単なるアナログ信号変換機ではなく、送信側からプロトコル通信を受信して、その内容に一定の処理をほどこして受信側に送信する、仮想デバイスとしてもよい。この場合、通信の伝送による位相遅れが発生するため、位相遅れを補償する制御ロジックを追加することで、制御応答が不安定にならないようにすることが望ましい。
【０１０６】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、風車制御部１９０の入出力信号に対する信号変換機１８０、１８１を設け、それぞれの変換器を気流発生装置制御部１７０が制御するよう構成することで、既設の風車に対して気流発生装置６０を搭載する場合に、風車制御用のデータベースであるＤＢ１９１を変更することなしに、風車の制御パラメータを、気流発生装置６０の状態に応じて最適な値にし、気流発生装置６０を搭載する風車発電システムの効率を向上し、さらには効率を最大化することができる。
【０１０７】
以上、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。
【０１０８】
図８では、縦軸と横軸の信号としてアナログの制御信号を想定したが、アナログ信号だけでなく、デジタル信号、パルス信号等、あらゆる形態の信号であってよく、信号変換機１８１に受信される信号を、信号変換機１８１が、受信側が認識できる信号に変換して送ることで対処できる。
【０１０９】
上記実施形態では、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。
【０１１０】
また上記実施形態では、中回転域において回転数が変化してもほぼ一定の（同じ）トルクをかけて徐々に曲線５１に漸近するような曲線５２としたが、この他、図５に示すように、曲線５１をそのまま上へ移動した曲線（発電機トルクを停止時の曲線５１よりも全体的に高めた特性マップ）としてもよい。
【０１１１】
また上記実施形態に示した制御系の各構成要素の一部を、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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
ここでは、空力改善装置として、風車翼まわりの空力特性を改善する装置を想定したが、風車翼まわりに限らず、ナセルまわり、ハブまわり、タワーまわりの流れも風車の効率に影響するため、これらの風車機器まわりの流れを改善するための装置に対しても、同様の適用が可能である。
【符号の説明】
【０１１４】
１０…風力発電システム、２０…地面、３０…タワー、３１…ナセル、４０…風車部、５０…風向風速計、４２…風車翼、４２ａ…風車翼の翼上面、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）、１８０，１８１…信号変換機、１９０…風車制御部、１９１…データベース（ＤＢ）。
【図１】
2016194280.tif 000003
【図２】
2016194280.tif 000004
【図３】
2016194280.tif 000005
【図４】
2016194280.tif 000006
【図５】
2016194280.tif 000007
【図６】
2016194280.tif 000008
【図７】
2016194280.tif 000009
【図８】
2016194280.tif 000010