Turbulence intensity measurement method of horizontal axis wind turbine

本発明は、水平軸風車の乱流強度計測方法に関する。

周知のように、いわゆる水平軸風車が風力発電等の商業用に広く実用化されている。 一般的な水平軸風車は、少なくとも２枚以上のブレードがハブから放射状に取付けられてなるロータと、ハブに接続されるとともに略水平方向に延在された主軸を介してこのロータを軸支するナセルと、略鉛直方向に設置されるとともにナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを有して構成される。

加えて、ナセルのヨー回転を自在に駆動制御可能なヨー駆動手段、ヨー回転を制動するヨーブレーキ、ロータの回転を制動する主軸ブレーキ等の制御手段を水平軸風車に設けることも従来行われている。 また、ブレードのピッチ角を制御する手段を有した水平軸風車も利用されている。

この水平軸風車の一つであるダウンウィンド型の水平軸風車は、ブレードに受ける風力によってロータを回転させるとき、タワーよりも風下側にロータを配置する形態をとる。 逆に、アップウィンド型の水平軸風車は、ブレードに受ける風力によってロータを回転させるとき、タワーよりも風上側にロータを配置する形態をとる。 特許文献１、２には、ダウンウィンド型でナセルに風速計を設置した水平軸風車が記載されている。

風力発電の発電量ならびにコストは規模と風速に強く依存するため、風車は年々大型化し、高風速の広大な敷地にウィンドファームとして集合設置される傾向にある。 日本などは山岳性の狭い国土に人口が密集しており、風力発電適地は、丘陵地などの複雑地形に広く分布している。

また、風車の耐久性ならびに性能は乱流強度の影響を強く受ける。 乱流強度が設計以上に高い場合は、疲労荷重が増加し、疲労ダメージを増加させ、耐久性を低下させる傾向がある。
また、性能面では、定格付近の出力を低下させる傾向がある。 上述のウィンドファーム、ならびに、複雑地形という導入環境は、乱流強度を増加させる傾向があるため、風車の耐久性ならびに性能を評価する上で、風車の各導入地点における風速に加えて、風車の各導入地点における乱流強度を把握することが重要である。

通常、ナセル上に設置されたナセル風速計は、風車の制御においては起動・停止に使用するのみであるが、性能評価に使用されることも多い。
しかし、設計上取得すべき風速特性は、ロータへ流入する気流を対象とする必要がある。
そのため従来、風車のロータへ流入する気流の風速値を得るために、当該風車の近傍の当該風車と同風況下である確実性の高い地点にマスト（以下「参照マスト」という。）を立設し、マスト上の当該風車のハブ高さにほぼ等しい高さに風速計を設置して、これを利用する。
ほぼ水平風の場合の平均風速については、運転試験時のナセル上の風速計により計測される風速と、参照マスト上の風速計により計測される風速との相関を取ることにより、ロータへ流入する気流の平均風速相当に補正できる。

特開２００５−６１９６３号公報

特開２００６−３２９１０７号公報

乱流強度についても、運転試験時のナセル上の風速計により計測される風速と、参照マスト上の風速計により計測される風速との相関を取ることにより、ロータへ流入する気流の乱流強度相当に補正することが考えられる。
しかしながら、通常のアップウィンド型の水平軸風車はロータの風下側に風速計を持つため、乱流強度については有効なデータが取得できない。 すなわち、出力や耐久性に対して、乱流強度を考慮した評価ができない。
そこで本願発明者らは、ダウンウィンド型の水平軸風車において、ロータ風上側に位置するナセル上の風速計により、ロータへ流入する気流の乱流強度計測を試みた。
また、風車に受ける風によってナセルは運動する。 ナセルが運動しているときにナセル上の風速計から得られた値は、ナセルが不動の状態で測定される値、すなわち、絶対的な値に対して、ナセルの運動速度分だけずれてしまう。 しかし、測定時にナセルの運動は避けられない。 したがって、絶対的な乱流強度の値を得る際にも、ナセル上の風速計の測定値に対するナセルの運動による影響を考慮する必要がある。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、ロータの影響が少なく、ナセルの運動による影響が考慮されてより正確に絶対的な乱流強度の値を得ることができる水平軸風車の乱流強度計測方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、水平軸風車の乱流強度を計測方法するにあたり、
前記水平軸風車のロータの風上側に風速計を配置した状態で、前記風速計及び前記風速計の運動を計測するセンサから同時にそれぞれ測定値を取得し、
前記風速計による風速の測定値に基づき乱流強度を算出する過程において、前記センサの測定値に基づいて前記風速計の運動に起因する前記風速計による風速の測定値の変化分を除去して乱流強度の値を算出する水平軸風車の乱流強度計測方法である。

請求項２記載の発明は、前記水平軸風車はロータの風上側にナセルを配置したダウンウィンド型風車であり、前記風速計は、前記ナセルに設置されていることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車の乱流強度計測方法である。

請求項３記載の発明は、前記風速計の運動を計測するセンサは、前記ナセルに設置された加速度センサであることを特徴とする請求項２に記載の水平軸風車の乱流強度計測方法である。

請求項４記載の発明は、前記水平軸風車はロータの風下側にナセルを配置したアップウィンド型風車であることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車の乱流強度計測方法である。

請求項５記載の発明は、前記風速計から風速データを、前記加速度センサから加速度データを、同時に所定のサンプリングレートで一定期間分得て、
連続した所定の時間毎の前記風速データの平均値及び標準偏差を算出し、
前記加速度データに基づき、前記所定の時間と同じ時間を対象にして前記風速計の速度の標準偏差を算出し、
次に、前記風速データの標準偏差から前記風速計の速度の標準偏差を引くことで補正を行い、補正標準偏差を得、
次に、前記補正標準偏差を前記風速データの平均値で除して前記乱流強度の値とする請求項３に記載の水平軸風車の乱流強度計測方法である。

本発明によれば、ロータの風上側に配置された風速計により風速値を得るので、ロータの影響が少なく、かかる風速値と同時に測定した加速度センサの値に基づき乱流強度を補正して、ナセルの運動分の影響が加味された絶対的な乱流強度の値を正確に算出することができるという効果がある。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。 以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１は本発明の一実施形態に係る水平軸風車の模式的構成図である。 図１に示すように、本水平軸風車１０は、２枚以上のブレード６，６，・・・がハブ７から放射状に取付けられてなるロータ１と、ハブ７に接続されるとともに略水平方向に延在された主軸（図示せず）を介してこのロータ１を軸支するナセル２と、略鉛直方向に設置されるとともにナセル２をヨー回転自在に支持するタワー３とを有して構成される。
本水平軸風車１０は、風８をナセル２側から受け、ロータ１をナセル２の風下側に配置するように制御される。
また、ナセル２上に風速計４が設置され、ロータ１の風上側にナセル２を配置した状態での風速が風速計４により測定される。 また、ナセル２には加速度センサ５が固定されている。 加速度センサ５は、ナセル２の主軸方向（ロータ垂直方向）のナセル２の加速度を検出している。

図２は、本実施形態に係る乱流強度計測方法のフローチャートである。 このフローチャートを参照して本方法の流れを概して示すと以下のようになる。
まず、一定期間の測定を実施して、風速計４及び加速度センサ５から同時に測定値を所定のサンプリングレート（例えば2Hz）で得てデータベースとして蓄積する（ステップＳ１、Ｓ２）。
風速計４から得られたデータに基づき、連続した所定の時間（例えば１０分）に含まれるデータの平均値を算出する（ステップＳ３）とともに、標準偏差を算出する（ステップＳ４）。
一方、ステップ２で取得した加速度データに基づき、前記所定の時間と同じ時間を対象にしてナセル２の速度の標準偏差を求める（ステップ５）。
次に、ステップＳ４で算出した標準偏差をステップＳ５で算出した標準偏差により補正し、補正標準偏差を得る（ステップＳ６）。
次に、ステップＳ６で算出した補正標準偏差をステップＳ３で算出した平均値で除して乱流強度とする（ステップＳ７）。 このステップＳ７で算出した乱流強度は、ナセルの運動分の影響が加味された絶対的な乱流強度の値となる。

以下に、本方法の試験的実施を開示する。 以下においては、参照マストを利用した変換、及び加速度センサ５を利用した補正を行って、ロータへ流入する気流の絶対的な乱流強度の値を算出する。

陸地も起伏は少なく、大きな障害物もない海岸にロータ径８０ｍの本水平軸風車１０を設置するとともに、本水平軸風車１０から海岸線に沿って１７４ｍ離れた地点に参照マスト（図示せず）を設置した。 参照マストでは、本水平軸風車１０のハブ７の高さにほぼ等しい、地上６０ｍで風向・風速を計測する。
参照マストと本水平軸風車１０の相対位置や、周辺の風車との干渉を考慮し、データ処理上、本水平軸風車１０の海側の中心角６０度範囲に入る風を海風、陸側の中心角６０度範囲に入る風を陸風とした。 風車の性能計測に関する国際基準であるIEC61400-12と照合しても、サイトカリブレーションが不要、すなわち、適切な風向については、マスト風速がハブ風速とみなせるサイトである。

本試験で使用したデータは、本風車１０のナセル風速、ヨー角、ナセル方位角、出力、参照マストの６０ｍにおける風向・風速で、サンプリング周期は2Hzである。

次に、計測結果を示す。
〔参照マストとの相関の計測〕
海風と陸風における参照マストとナセル風速計４の１０分平均風速の相関をbin平均で図３と図４に示す。 一般に、ナセル風速計は、ロータスラストの影響で減少し、ロータ中心部の低スラスト域とナセルの影響で増加する傾向があり、本計測結果では、定格風速よりも低い風速域で、ナセル風速計が参照マストよりも1m/s程度低めの値を示す。 この領域は、本機が最高効率、すなわち、比較的大きなスラスト係数で運転する領域に対応する。 また、風速16〜20m/sで両者はほぼ一致するが、この領域で風車は定格出力に達し、効率ならびにスラスト係数を低下させて運転している領域に対応する。 この相関は平均吹上角によって変動することが予想されるが、本サイトの場合には、三次元風況計測結果から、水平風とみなせた。
なお、ある一定区間（bin）のデータを集めた場合の、その平均値がbin平均、小さい方から90%目の値をbin90%度数値と呼ぶ。 仮に1m/s幅の風速binに対する乱流強度を求める場合、例えば風速5.5〜6.5m/sのデータを集めて、そのデータの乱流強度の平均値がbin平均になり、乱流強度について小さい方から並べて90%目の値がbin90%度数値になる。

〔乱流強度の計測〕
図５にナセル及び参照マストにおける海風・陸風の風速に対する乱流強度（bin90%度数値）を示す。 本計測は、ステップＳ３，Ｓ４の平均値と標準偏差を10分間の平均値と標準偏差とした。 横軸の1m/sごとの範囲に入る多数の１０分平均値を小さい順に並べて９０％に相当する値（bin90%度数値）を算出し、これを図５において○印で示している。 これはナセル基準の乱流強度に相当する。
併記したIEC61400-1, ed.3の風速クラス1（Ａ）〜3（Ｃ）に対応する乱流強度と比較して低い値を示している。 海風がIECの乱流強度と同様の傾向を示しているのに対して、陸風では風速が増加するのに伴い乱流強度が増加する傾向がある。 なお、陸風と比較して、海風の乱流強度が著しく低い。

図５においては、ナセル風速計４による風速に対する乱流強度を、マスト計測値のbin90%度数値と併せて示している。 横軸は図３，図４の相関よりマスト風速に変換している。 海風、陸風ともに、両者は概ね一致しているが、ナセル基準の乱流強度の値が若干高めの値を示している。

次に、ナセル風速計４による乱流強度をナセル振動により補正した。 ナセル２の加速度センサ５によって計測された加速度データを周波数分解し、乱れに影響が少ないと思われる1分以上の長周波成分を除去した。 そして、周波数成分毎に加速度から速度を導出し、速度のパワースペクトル密度を全周波数領域にわたって積分することでナセル速度の標準偏差を求めた。 ナセルの乱流強度を求める際に、ナセル風速の標準偏差をナセル速度の標準偏差により補正を行った。 解析結果を図６に、解析のフローを図２に従うものである。 図６の横軸は図３、図４の相関よりマスト風速に変換している。 ナセル振動の影響を除去したことにより、マスト計測値により近い値となった。

以上の処理により、ナセル風速計４と加速度センサ５とによって乱流強度が計測可能であることが示された。 なお、図３，図４の相関はほぼ水平風とみなせる地点では有効である。 しかし。 風の三次元性が顕著な場合には、特にナセルとの干渉が変化することが予想されるため、上記相関をそのまま適用することはできない点に注意を要する。

次に、以上の試験的実施に適用した一例の計算過程につき、数式を用いて説明する。
まず、ナセル速度の標準偏差σ _ｖの算出過程を説明する。 上述のようにして１０分単位に分割したナセル加速度の時暦データａ（ｔ）を数１に示すように、フーリエ変換する。 Ａ（ω）は、ナセル加速度のパワースペクトル密度に相当するものとなる。 ωは角速度である。

次に、ナセル速度の周波数（ωｉ）成分の振幅Ｃｖｉを数３により求める。

次に、ナセル速度のパワースペクトル密度Ｖ（ω）を数４により求める。

次に、ナセル速度の標準偏差σ

_ｖを数５により求める。

以上のようにして得られたナセル速度の標準偏差σ _ｖを図７に示すように適用する。
すなわち、風速計から得られた風速データに基づき、上述のようにして１０分単位に統計処理して得た風速の平均値（ｖ _Ｎバー）及び標準偏差σ _Ｎを得て、風速の標準偏差σ _Ｎとナセル速度の標準偏差σ _ｖとの絶対値差分をとって補正後の標準偏差σｃとし、この補正後の標準偏差σｃと、風速の平均値（ｖ _Ｎバー）とをそれぞれナセル風速と参照マストとの相関関数Φにより変換して、補正及び変換後の標準偏差σ _Ｈと、変換後の風速の平均値（ｖ _Ｈバー）とする。 補正及び変換後の標準偏差σ _Ｈを変換後の風速の平均値（ｖ _Ｈバー）で除して乱流強度Ｉ _Ｈとする。
したがって、図２及び図７のチャートよって示した過程をまとめて示すと図９に示すチャートとなる。

なお、加速度センサを利用した補正を行わず、参照マストを利用した変換を行う乱流強度の計算フロー例を図８に示す。

以上のように本発明を適用することにより、ロータの影響が少なく、ナセルの運動による影響が考慮されて、より正確に乱流強度を得ることができる。
正確に乱流強度が得られることにより、疲労ダメージをより正確に見積もれるので、耐用年数の間の風車の耐久性をより正確に評価できる。 耐久性不足の場合には、予め対策を立てることができる。 すなわち、乱流強度が設計値よりも大きい場合には、本発明を実施して正確な乱流強度に基づき、耐用期間における疲労ダメージを正確に把握する。 これが設計値を上回っていた場合には、運転制限などの対策を実施し設計値以下とすることで、未然に倒壊等を防ぐことができる。
各地点でのナセル上の風速計による風速データ及びナセルの加速度データを蓄積し、本発明により正確に乱流強度を特定することで、乱流強度に対する性能を正確に把握することでき、建設前の発電量予測の精度が向上する。
なお、本実施形態ではナセル２に加速度センサ５を固定している。 しかし、風速計の加速度を知ることができれば、加速度センサはタワー３に固定しても良い。
また、本実施形態では加速度センサ５を利用しているが、加速度センサでなくとも、補正に必要な風速計の速度が得られるものであれば、速度センサ、位置センサ等が利用可能である。
なお、本実施形態ではダウンウィンド型風車について述べたが、アップウィンド型風車にも適用可能である。 その場合、風速計はハブの先端から風上側にアームを出して風速を計測する、あるいはハブにピトー管を設置する、等の手段により、ハブ風速を計測する。

本発明の一実施形態に係る水平軸風車の模式的構成図である。

本発明の一実施形態に係る乱流強度計測方法のフローチャートである。

本発明の一実施形態に係り、海風における参照マストとナセル風速計の１０分平均風速の相関をbin90%度数値で示したグラフである。

本発明の一実施形態に係り、陸風における参照マストとナセル風速計の１０分平均風速の相関をbin90%度数値で示したグラフである。

本発明の一実施形態に係り、ナセル及び参照マストにおける海風・陸風の風速に対する乱流強度（bin90%度数値）を示したグラフである。

本発明の一実施形態に係り、補正後の及び参照マストにおける海風・陸風の風速に対する乱流強度（bin90%度数値）を示したグラフである。

本発明の試験的実施に適用した計算過程を示すフローチャートである。

加速度センサを利用した補正を行わない比較例の計算過程を示すフローチャートである。

本発明の試験的実施に係る乱流強度計測方法のフローチャートである。

符号の説明

１ ロータ２ ナセル３ タワー４ 風速計５ 加速度センサ６ ブレード７ ハブ８ 風１０ 水平軸風車