JP2009236025A - 水平軸風車の乱流強度計測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水平軸風車10の乱流強度を計測方法するにあたり、水平軸風車のロータ1の風上側にナセル2を配置した状態で、ナセル上に設置された風速計4及びナセルに固定された加速度センサ5から同時にそれぞれ測定値を取得し、風速計の測定値と、加速度センサの測定値とに基づいて絶対的な乱流強度の値を算出する。
【効果】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。
【選択図】図1
Description
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。
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。
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。
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。
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1に記載の水平軸風車の乱流強度計測方法である。
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。
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。
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。
〔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。
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。
まず、ナセル速度の標準偏差σv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。
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(vNバー)及び標準偏差σNを得て、風速の標準偏差σNとナセル速度の標準偏差σv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(vN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σHと、変換後の風速の平均値(vHバー)とする。補正及び変換後の標準偏差σHを変換後の風速の平均値(vHバー)で除して乱流強度IH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。
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。
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
Claims (5)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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1に記載の水平軸風車の乱流強度計測方法。
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