JP2023072589A - Aerial drone for wind observation, wind observation method, wind power generation system and wind power generation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、風況観測技術に関する。 TECHNICAL FIELD Embodiments of the present invention relate to wind condition observation technology.
従来、空中でホバリングが可能な無人航空機において、回転翼よりも高い位置に、風向と風速を計測する気象観測部を配置し、この無人航空機を飛ばした上空で、風向と風速を計測する技術が知られている。しかし、この無人航空機では、水平方向に吹く風の風向と風速を計測することはできるが、垂直方向に吹く風の流れを把握することができない。ホバリング中は、垂直方向に吹く風の流れに応じて回転翼の推力が制御されるため、搭載した気象観測部では、正確に垂直方向の空気の流れを計測できないからである。このような無人航空機を用いて気象観測を行う場合に、垂直方向に吹く風の状態を観測したいという要望がある。特に、高高度の風、または高層ビルの間に吹くビル風などは、３次元的な流れとなるため、このような複雑な風の流れを観測したいという要望がある。さらに、複雑な風の流れを観測し、この風況に合わせて風力発電装置を適切に制御したいという要望がある。 Conventionally, in an unmanned aerial vehicle that can hover in the air, a weather observation unit that measures the wind direction and wind speed is placed at a position higher than the rotor blades, and the technology measures the wind direction and wind speed in the sky above the unmanned aerial vehicle. Are known. However, although this unmanned aerial vehicle can measure the direction and speed of the wind blowing in the horizontal direction, it cannot grasp the flow of the wind blowing in the vertical direction. During hovering, the thrust of the rotor blades is controlled according to the flow of wind blowing in the vertical direction, so the on-board weather station cannot accurately measure the flow of air in the vertical direction. When performing weather observation using such an unmanned aerial vehicle, there is a demand to observe the state of the wind blowing in the vertical direction. In particular, high-altitude winds or building winds blowing between tall buildings become three-dimensional flows, so there is a demand to observe such complicated wind flows. Furthermore, there is a demand to observe complicated wind flows and appropriately control the wind power generator according to the wind conditions.
本発明が解決しようとする課題は、３次元的な風の流れを観測することができる風況観測技術を提供することである。 A problem to be solved by the present invention is to provide a wind condition observation technique capable of observing three-dimensional wind flow.
本発明の実施形態に係る風況観測用空中ドローンは、自律制御または遠隔操作により無人で飛行が可能であり、かつメインロータを回転させたときに発生する推力でホバリングが可能な機体と、前記機体の飛行を制御する飛行制御部と、前記機体に搭載され、水平方向の風向を計測する風向計と、前記機体に搭載され、水平方向の風速を計測する風速計と、前記機体がホバリングをしているときに前記メインロータで発生させている推力に基づいて垂直方向の風速を計測する垂直風速計測部と、を備える。 An aerial drone for wind condition observation according to an embodiment of the present invention is capable of unmanned flight by autonomous control or remote control, and is capable of hovering by thrust generated when a main rotor is rotated; A flight control unit that controls the flight of the airframe, a wind vane mounted on the airframe that measures horizontal wind direction, an anemometer mounted on the airframe that measures horizontal wind speed, and the airframe hovering. and a vertical wind speed measuring unit that measures a wind speed in a vertical direction based on the thrust generated by the main rotor when the main rotor is operating.
本発明の実施形態により、３次元的な風の流れを観測することができる風況観測技術が提供される。 An embodiment of the present invention provides a wind condition observation technique capable of observing three-dimensional wind flow.
以下、図面を参照しながら、風況観測用空中ドローン、風況観測方法、風力発電システムおよび風力発電方法の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of an aerial drone for wind condition observation, a wind condition observation method, a wind power generation system, and a wind power generation method will be described in detail with reference to the drawings.
図１の符号１は、本実施形態の風力発電システムである。この風力発電システム１は、沖合の海洋３上に浮かべられた複数の水上風力発電装置２を備える。水上風力発電装置２とは、風Ｗの力を利用して風車を回し、その回転運動により発電を行うものである。多数の水上風力発電装置２が林立して設けられることで、洋上ウインドファームが構築されている。例えば、それぞれの水上風力発電装置２の間の距離が、等間隔になるように平面視で格子状に配置されている。
Reference numeral 1 in FIG. 1 denotes the wind power generation system of this embodiment. This wind power generation system 1 comprises a plurality of waterborne wind
また、風力発電システム１は、海洋３上を飛行する複数の風況観測用空中ドローン５０を備える。これらの風況観測用空中ドローン５０は、海洋３上を縦横無尽に飛び回り、風向と風速を観測するために設けられている。この風況観測用空中ドローン５０を用いることで、洋上ウインドファームの省力化が図れる。特に、風況観測用空中ドローン５０は、水上風力発電装置２の周辺、水上風力発電装置２同士の間、水上風力発電装置２から離れた場所の風向と風速を観測する。
The wind power generation system 1 also includes a plurality of wind condition observation
また、風況観測用空中ドローン５０は、任意の場所まで飛んで行くことができるため、固定的な風況観測装置（図示略）を多数の場所に設ける場合と比較して、少ない台数の風況観測用空中ドローン５０で風況の観測が行える。そのため、システムの構築と維持のためのコストを低減することができる。
In addition, since the
本実施形態では、風況観測用空中ドローン５０の観測結果に基づいて、洋上ウインドファームの風況解析が行われ、風況マップが作成される。この風況マップに基づいて、それぞれの水上風力発電装置２が制御される。このようにすれば、風況観測用空中ドローン５０により３次元的な風Ｗの流れを観測することができ、かつ水上風力発電装置２が風況に応じて最適な発電を行うことができる。
In this embodiment, based on the observation result of the wind condition observation
図２に示すように、水上風力発電装置２は、水上設備として、ハブ４を中心軸として回転する複数枚のブレード５を備える。これらのブレード５に風Ｗが当たることでハブ４を中心軸として回転し、ナセル６の内部に設けられた発電機（図示略）が発電を行う。本実施形態では、揚力型風車であり、かつ水平軸風車であるアップウインド型のプロペラ型風車を例示する。
As shown in FIG. 2, the waterborne
なお、ハブ４の内部には、ブレード５のピッチ角を変更する可変ピッチ機構（図示略）が設けられている。また、ナセル６の内部には、ブレーキ装置（図示略）などが設けられている。さらに、ナセル６の方位を変更する方位変更機構（図示略）なども設けられている。また、増速機（図示略）が設けられる場合もある。このナセル６は、海洋３上に立つタワー７の上部に設けられている。
A variable pitch mechanism (not shown) for changing the pitch angle of the
また、水上風力発電装置２は、水中設備として、タワー７を海洋３上に浮かべるための浮体８と、浮体８を係留する係留索９と、発電した電力を陸地まで送るための送電ケーブル１０とを備える。
The water-based
なお、係留索９は、浮体８を海底に繋ぎとめる巨大な金属製のチェーンである。１つの浮体８に対して複数本の係留索９が設けられている。これらの係留索９の下端は、海底に固定されており、水上風力発電装置２が、浮体８により浮かんでいる状態であっても海流で流されずに済む。
The
また、水上風力発電装置２は、係留索９で定位置に完全に固定されているものではなく、所定の範囲内であれば水平方向に移動が可能である。つまり、係留索９は、水上風力発電装置２の移動が可能な程度の長さに調整されている。なお、水上風力発電装置２は、係留索９の巻き取りと送り出しを行う捲揚機（図示略）を備えても良い。
Moreover, the water-based
ここで、上流側（風上側）の水上風力発電装置２の影響で下流側（風下側）の水上風力発電装置２の発電出力が低下する風車ウエイクという現象がある。洋上ウインドファームでは、風車ウエイクによる発電損失の影響が大きく、発電出力が低下してしまう。特に、日本国内で計画されている洋上ウインドファームでは、欧州の洋上ウインドファームと比較して、水上風力発電装置２同士の間の距離が短く、風車ウエイクのリスクが高い。
Here, there is a phenomenon called a wind turbine wake in which the power output of the downstream (leeward) surface
本実施形態の風力発電システム１では、少なくとも一部の水上風力発電装置２が移動し、水上風力発電装置２の平面視のレイアウト（図３）が適宜変更可能となっている。風況に応じて最適なレイアウトとすることで、風車ウエイクの影響で生じる発電出力の低下を抑制することができる。また、発電計画に沿った発電出力が得られるようになる。
In the wind power generation system 1 of this embodiment, at least a portion of the waterborne wind
また、水上風力発電装置２は、水上風力発電装置２を水平方向に移動させる移動装置１１を備える。この移動装置１１は、浮体８の下部に取り付けられている。なお、移動装置１１は、浮体８の側部に取り付けられても良い。さらに、複数の移動装置１１が、浮体８に取り付けられても良い。
In addition, the water
移動装置１１は、例えば、水中で推進力を得るためのスクリュー１２と、このスクリュー１２を駆動させるモータ（図示略）と、スクリュー１２の向きを変更する推力変更機構（図示略）などで構成されている。なお、移動装置１１は、スクリュー１２以外の他の機構を用いて水上風力発電装置２を移動させるものでも良い。例えば、浮体８の上部または側部に、風Ｗを受けて浮体８を移動させるための帆または翼のような移動装置１１が取り付けられても良い。
The
また、移動装置１１は、水上風力発電装置２を水平方向に移動させるのみならず、水上風力発電装置２をヨー回転させても良い。
Further, the moving
また、１つの浮体８が１つの水上風力発電装置２に対応して設けられているが、１つの浮体８で複数の水上風力発電装置２を浮かべるものでも良い。
Also, although one floating
また、水上風力発電装置２は、現在の位置を計測する位置計測機器１３を備える。例えば、位置計測機器１３は、ナセル６の上部に設けられており、衛星測位システムから受信した電波に基づいて、水上風力発電装置２の現在の位置を計測する。
In addition, the water
なお、風向計（図示略）と風速計（図示略）が水上風力発電装置２に設けられていても良く、この水上風力発電装置２が風向と風速を観測して風況マップを生成しても良い。
An anemoscope (not shown) and an anemometer (not shown) may be provided in the waterborne
また、水上風力発電装置２は、風車制御装置１４を備える。この風車制御装置１４は、例えば、ナセル６の方位の制御、ブレード５のピッチ角の制御、移動装置１１の制御を行うために設けられている。さらに、風車制御装置１４は、通信機器（図示略）を備えている。そして、風車制御装置１４は、位置計測機器１３で計測した水上風力発電装置２の現在の位置を示す位置情報を遠隔地（地上局）の本部にある管理コンピュータ（図示略）に送信する。
In addition, the water
さらに、風車制御装置１４は、風況観測用空中ドローン５０または管理コンピュータ（図示略）から風況を示す風況情報を受信する。風車制御装置１４は、風況観測用空中ドローン５０の観測結果に基づいて、ナセル６の方位の制御、ブレード５のピッチ角の制御、水上風力発電装置２の位置の制御のうち少なくともいずれかの制御を行う。このようにすれば、水上風力発電装置２の故障リスクを低減させることができる。
Further, the wind
なお、本実施形態では、風車制御装置１４が自動的に水上風力発電装置２を制御する態様を例示するが、その他の態様であっても良い。例えば、風車制御装置１４は、風力発電システム１の管理者（ユーザ）の入力操作を受け付けて水上風力発電装置２を制御するようにしても良い。つまり、風車制御装置１４は、管理者の手動操作により水上風力発電装置２を制御するための遠隔操作装置でも良い。
In addition, in this embodiment, the mode in which the wind
本実施形態の風力発電システム１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤなどのハードウェア資源を有し、ＣＰＵが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。さらに、本実施形態の水上風力発電方法は、各種プログラムをコンピュータに実行させることで実現される。 The wind power generation system 1 of the present embodiment has hardware resources such as a CPU, a ROM, a RAM, and an HDD, and the CPU executes various programs to implement software-based information processing using the hardware resources. It consists of computers. Furthermore, the method for generating water wind power according to this embodiment is realized by causing a computer to execute various programs.
次に、水上風力発電装置２のレイアウトの変更と風車ウエイクについて図３から図４を参照して説明する。
Next, changes in the layout of the waterborne
図３に示すように、まず、それぞれの水上風力発電装置２の基準位置２Ａがあるものとする。ここで、所定の方向から風Ｗが吹いているものとし、この風況を風況観測用空中ドローン５０（図１）が観測する。これに基づいて、管理コンピュータ（図示略）は、風車ウエイクの影響で生じる発電出力の低下を抑制するための最適な位置２Ｂを解析する。
As shown in FIG. 3, first, it is assumed that there is a
例えば、管理コンピュータ（図示略）は、風車ウエイクの影響および風車ウエイクの相互作用を計算する。なお、この計算のために所定の工学モデル（モデルの数式）を予め設定しておき、風向と風速に応じて所定の解析結果が出力されるものでも良い。さらに、大気安定度と風向の変動が解析されても良い。 For example, a management computer (not shown) calculates wind turbine wake effects and wind turbine wake interactions. A predetermined engineering model (formula of the model) may be set in advance for this calculation, and a predetermined analysis result may be output according to the wind direction and wind speed. Additionally, variations in atmospheric stability and wind direction may be analyzed.
また、基準となる水上風力発電装置２に与える風車ウエイクの影響を解析するときに、基準となる水上風力発電装置２の上流側の水上風力発電装置２から受ける風車ウエイクの影響のみならず、基準となる水上風力発電装置２の下流側の水上風力発電装置２に与える風車ウエイクの影響も解析される。そして、基準となる水上風力発電装置２の最適な位置２Ｂが解析される。なお、基準となる水上風力発電装置２は、基準位置２Ａに固定しつつ、その周囲の水上風力発電装置２を最適な位置２Ｂに移動させるものでも良い。
Further, when analyzing the influence of the wind turbine wake on the reference waterborne
そして、管理コンピュータ（図示略）は、それぞれの水上風力発電装置２の最適な位置２Ｂを示すレイアウト情報を出力する。それぞれの水上風力発電装置２は、レイアウト情報に基づいて移動装置１１（図２）を制御して最適な位置２Ｂまで移動する。
A management computer (not shown) then outputs layout information indicating the
図４に示すように、管理コンピュータ（図示略）は、水平方向の風Ｗの流動のみならず、垂直方向（上下方向）の風Ｗの流動についても解析する。例えば、所定の水上風力発電装置２の後方側には、風車ウエイクの原因となる乱流領域Ｔが形成される。
As shown in FIG. 4, the management computer (not shown) analyzes not only the flow of the wind W in the horizontal direction but also the flow of the wind W in the vertical direction (vertical direction). For example, a turbulent region T that causes a wind turbine wake is formed on the rear side of a predetermined waterborne
ここで、上流側の水上風力発電装置２により生じる乱流領域Ｔの上方の層Ｌから下方に向かって流れ込む気流Ｆが生じる場合がある。管理コンピュータ（図示略）は、この気流Ｆが有する運動エネルギーが下流側の水上風力発電装置２に与える影響も解析する。例えば、この気流Ｆの乱流強度が高い領域を利用することができれば、風車ウエイクの影響が低減されるばかりか、下流側の水上風力発電装置２の発電出力を高められる場合がある。
Here, an airflow F may be generated that flows downward from the upper layer L of the turbulent region T generated by the upstream water
本実施形態の風車制御装置１４は、風況観測用空中ドローン５０が観測した風況に基づいて風車ウエイクに関する影響が評価されたときに、風車ウエイクの影響を低減させるように水上風力発電装置２を制御するように構成されている。このようにすれば、風車ウエイクの影響を低減させることができる。例えば、風車ウエイクに応じて水上風力発電装置２のブレード５のピッチ角の制御を適切に行うことができる。
The wind
次に、風況観測用空中ドローン５０の構成について図５から図６を参照して説明する。
Next, the configuration of the wind condition observation
図５に示すように、風況観測用空中ドローン５０は、垂直に離着陸が可能な機体５１と、この機体５１を飛行させる推力を発生させる複数（例えば、４つ）のメインロータ５２と、それぞれのメインロータ５２を回転させるためのモータ５３とを備える。なお、風況観測用空中ドローン５０は、メインロータ５２の他にも、補助ロータまたは安定翼を備えていても良い。
As shown in FIG. 5, a wind condition observation
この風況観測用空中ドローン５０は、いわゆる電動垂直離着陸機（ｅＶＴＯＬ）である。この風況観測用空中ドローン５０は、例えば、海洋３上を航行する無人母船（図示略）に設けられた離発着ポートを用いて離着陸が可能になっている。
This wind condition observation
風況観測用空中ドローン５０は、自律制御または遠隔操作により無人で飛行が可能であり、かつメインロータ５２を回転させたときに発生する推力でホバリングが可能である。なお、ホバリングとは、空中の所定の位置で停止した飛行状態であり、水平方向および垂直方向の一定の位置で機体５１が止まっている状態を示す。また、風況観測用空中ドローン５０は、それぞれのメインロータ５２の回転数を個別に制御することで、姿勢の制御が可能になっている。
The wind observation
本実施形態の風況観測用空中ドローン５０は、点検対象物としての水上風力発電装置２を点検するための点検用空中ドローンとして用いることができる。例えば、風況観測用空中ドローン５０は、機体５１の下部に搭載されたカメラ５４を備える。このカメラ５４が水上風力発電装置２の外観を撮影することで点検を行うことができる。このカメラ５４は、パン・チルト・ズームが行えるものであり、撮影方向を自由自在に動かして広範囲の撮影が可能なものとなっている。このカメラ５４を用いて動画または静止画のいずれか一方、またはその両方の撮影が可能である。なお、カメラ５４は、パン・チルトのみが行えるものでも良いし、チルトのみが行えるものでも良い。
The wind condition observation
なお、風況観測用空中ドローン５０は、カメラ５４を用いて水上風力発電装置２を撮影する態様のみならず、カメラ５４を用いて水平線を撮影することで、機体５１の姿勢を把握することも可能である。また、風況観測用空中ドローン５０は、カメラ５４で撮影した水上風力発電装置２の位置に基づいて、自己位置を把握することも可能である。
Note that the
さらに、風況観測用空中ドローン５０は、機体５１の上部に立てられた支持棒５５と、この支持棒５５に取り付けられた風向計５６および風速計５７とを備える。ここで、風向計５６および風速計５７は、水平方向の風向および風速を計測する。例えば、ホバリング中に風況観測用空中ドローン５０は、機体５１に搭載された風向計５６および風速計５７を用いて、水平方向の風向および風速を計測する。
Further, the aerial drone for
なお、風況観測用空中ドローン５０は、機体５１が水平方向に移動中であるときに、風向計５６および風速計５７を用いて、機体５１と周囲の気流との関係を示す、相対的な移動方向および相対速度を計測しても良い。この計測に基づいて飛行の制御が行われても良い。
Note that the aerial drone for
図６に示すように、風況観測用空中ドローン５０は、カメラ５４と風向計５６と風速計５７とモータ５３とに加えて、通信部５８と記憶部５９と位置計測器６０と姿勢計測器６１とモータ制御部６２と飛行制御部６３とメイン制御部６４とを備える。
As shown in FIG. 6, the wind condition observation
本実施形態のモータ制御部６２と飛行制御部６３とメイン制御部６４は、プロセッサおよびメモリなどのハードウェア資源を有し、ＣＰＵが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。さらに、本実施形態の風況観測方法は、各種プログラムをコンピュータに実行させることで実現される。
The
また、メイン制御部６４は、垂直風速計測部６５と風況マップ生成部６６とを備える。これらは、メモリまたはＨＤＤに記憶されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで実現される。
The
メイン制御部６４の各構成は、必ずしも１つのコンピュータに設ける必要はない。例えば、１つのメイン制御部６４が、ネットワークで互いに接続された複数のコンピュータで実現されても良い。例えば、垂直風速計測部６５と風況マップ生成部６６の構成が、水上風力発電装置２の風車制御装置１４、または、遠隔地にある管理コンピュータ（図示略）に設けられても良い。
Each component of the
位置計測器６０（位置推定部）は、風況観測用空中ドローン５０の現在の自己位置を計測（推定）する。この位置計測器６０は、例えば、衛星測位システムから受信した電波に基づいて、風況観測用空中ドローン５０の現在の自己位置を計測する。なお、位置計測器６０は、水上風力発電装置２または所定の装置から発せられるビーコン信号を受信し、このビーコン信号に基づいて、風況観測用空中ドローン５０の現在の自己位置を計測しても良い。位置計測器６０で計測された自己位置は、メイン制御部６４に入力される。なお、本実施形態の「計測」という用語は、所定の機器を用いて直接的に所定の値を取得する意味のみならず、得られた所定の情報に基づいて所定の値を推定する意味を含む。
The position measuring device 60 (position estimating unit) measures (estimates) the current self-position of the wind condition observation
姿勢計測器６１（姿勢推定部）は、風況観測用空中ドローン５０の現在の自己姿勢を計測（推定）する。例えば、姿勢計測器６１は、モーションセンサを有する。モーションセンサは、慣性センサ（３軸加速度センサと３軸角速度センサ）と３軸地磁気センサを組み合わせた９軸センサである。このモーションセンサが自己姿勢を計測する。姿勢計測器６１で計測された自己姿勢は、飛行制御部６３に入力される。なお、モーションセンサは、重力加速度の計測と、重力が働いている方向、つまり垂直方向（鉛直方向）の検出が行える。また、重力加速度の変化により、機体５１が上昇中であるか、降下中であるか、ホバリング中であるかの判定が可能である。
The attitude measuring device 61 (orientation estimating unit) measures (estimates) the current self-orientation of the wind condition observation
また、風向計５６および風速計５７で計測した水平方向の風向および風速は、メイン制御部６４および飛行制御部６３に入力される。
Further, the horizontal wind direction and wind speed measured by the
通信部５８は、無線通信により他のコンピュータと通信を行う。例えば、通信部５８は、他の風況観測用空中ドローン５０、水上風力発電装置２または管理コンピュータ（図示略）と通信を行う。なお、通信部５８は、インターネット、ＷＡＮ（Wide Area Network）または携帯通信網などの所定の通信回線を介して通信を行っても良い。
The
風況観測用空中ドローン５０は、この通信部５８を用いて、海洋３上の風況を示す情報を遠隔地（地上局）の本部にある管理コンピュータ（図示略）に送信する。また、風況観測用空中ドローン５０は、この通信部５８を用いて、管理コンピュータから所定の情報を受信する。
The wind condition observation
記憶部５９は、風況観測用空中ドローン５０の制御に必要な各種情報を記憶する。例えば、記憶部５９には、風況観測用空中ドローン５０で観測した風況を示す風況マップなどが記憶される。なお、記憶部５９は、他の風況観測用空中ドローン５０で生成した風況マップ、または、管理コンピュータ（図示略）で生成した風況マップを記憶しても良い。
The
メイン制御部６４は、風況観測用空中ドローン５０を統括的に制御する。メイン制御部６４は、例えば、管理コンピュータ（図示略）から風況観測用空中ドローン５０の目標位置または飛行経路を指示する情報を受信する。メイン制御部６４は、この目標位置または飛行経路に基づいて、飛行制御部６３に飛行速度などの指示を行い、風況観測用空中ドローン５０の制御を行う。
The
垂直風速計測部６５は、機体５１がホバリングをしているときにメインロータ５２で発生させている推力に基づいて垂直方向（上下方向）の風速を計測する。なお、本実施形態では、メインロータ５２で発生させている推力が、モータ５３の回転数から推定される。このようにすれば、風速計５７では直接測定することができない垂直方向の風速も計測することができる。この垂直風速計測部６５で計測した垂直方向の風速は、飛行制御部６３に入力される。
The vertical wind
本実施形態では、風向計５６および風速計５７を用いた水平方向の風向および風速の計測のみならず、垂直方向の風速の計測も行うことができる。そのため、機体５１の周囲の３次元的な風Ｗの流れを観測することができる。なお、垂直方向の風速の計測には、垂直方向の風向、つまり上昇気流または下降気流の計測が含まれる。また、上昇気流をプラスの値として記録し、下降気流をマイナスの値として記録しても良い。例えば、風速「５ｍ／ｓ」の下降気流を、風速「－５ｍ／ｓ」の上昇気流として記録しても良い。
In this embodiment, not only horizontal wind direction and wind speed measurement using the
例えば、無風状態のときに一定の高度に機体５１をホバリングさせるときのモータ５３の回転数を示す基準値があるとする。ここで、機体５１のホバリング中において、モータ５３の回転数が基準値よりも高い場合は、機体５１の周囲に下降気流が生じていると推定する。一方、モータ５３の回転数が基準値よりも低い場合は、機体５１の周囲に上昇気流が生じていると推定する。
For example, assume that there is a reference value indicating the number of revolutions of the
特に、風況観測用空中ドローン５０が垂直方向の風速を計測することで、風車ウエイクにより発生する乱流領域Ｔの上方の層Ｌから下方に向かって流れ込む気流Ｆ（図４）を観測することができる。このようにすれば、風況に応じて水上風力発電装置２を最適に制御し、風車ウエイクの影響で生じる発電出力の低下を抑制することができる。
In particular, the
風況マップ生成部６６は、計測した風向と風速に基づいて、風況マップを生成する。ここで、風況マップは、風況観測用空中ドローン５０で計測した風向と風速に基づいて、３次元空間における座標ごとに風況を記録したものである。
The wind
なお、風況マップ生成部６６が風況マップを生成する態様には、他の風況観測用空中ドローン５０で観測した風況、水上風力発電装置２で観測した風況、または、管理コンピュータ（図示略）で取得した風況に基づいて、風況マップを生成する態様を含む。
It should be noted that the manner in which the wind condition
飛行制御部６３は、機体５１の飛行を制御する。この飛行制御部６３は、メイン制御部６４から入力される飛行速度などの指示に基づいて機体５１の飛行の制御を行う。ここで、メインロータ５２を回転させたときに発生する推力と反力によって、機体５１の移動方向または位置が制御される。また、飛行制御部６３は、例えば、位置計測器６０で計測した自己位置と姿勢計測器６１で計測した自己姿勢に基づいて、飛行中に機体５１が安定するように制御を行う。また、飛行制御部６３は、モータ制御部６２に対して、モータ５３の回転数を指示する。
The
モータ制御部６２は、モータ５３を制御する。モータ５３の回転数、つまりメインロータ５２の回転数がモータ制御部６２により制御される。モータ５３の回転数は、現状の機体５１と周囲の気流に応じて適宜調整される。なお、現状のモータ５３の回転数は、モータ制御部６２からメイン制御部６４に入力される。
The
飛行制御部６３は、風況マップに基づいて機体５１の飛行を制御する。このようにすれば、風向と風速が変化する環境においても、風況観測用空中ドローン５０が安定した飛行を行うことができる。また、風向と風速の計測結果を飛行制御に反映することで、強風またはランダムに変化する風況の下でも安定して飛行を行うことができる。
The
カメラ５４は、メイン制御部６４により制御される。このカメラ５４による撮影は、自律制御また遠隔制御により行われる。カメラ５４で撮影された画像は、メイン制御部６４に入力される。なお、メイン制御部６４は、取得した画像を記憶部５９に記憶する。また、メイン制御部６４は、取得した画像を管理コンピュータ（図示略）に送る。風力発電システム１の管理者（ユーザ）は、風況観測用空中ドローン５０から送られた画像を用いて、水上風力発電装置２を点検することができる。
なお、本実施形態では、メイン制御部６４が自動的に風況観測用空中ドローン５０を制御する態様を例示するが、その他の態様であっても良い。例えば、メイン制御部６４は、風力発電システム１の管理者（ユーザ）の入力操作を受け付けて風況観測用空中ドローン５０を制御するようにしても良い。つまり、メイン制御部６４は、管理者の手動操作により風況観測用空中ドローン５０を制御するための遠隔操作部でも良い。
In this embodiment, the
次に、風況観測用空中ドローン５０が実行する風況観測処理について図７のフローチャートを用いて説明する。なお、前述の図面を適宜参照する。以下のステップは、風況観測処理に含まれる少なくとも一部の処理であり、他のステップが風況観測処理に含まれていても良い。
Next, the wind condition observation processing executed by the wind condition observation
まず、ステップＳ１において、位置計測器６０は、風況観測用空中ドローン５０の現在の自己位置を計測する。
First, in step S<b>1 , the
次のステップＳ２において、姿勢計測器６１は、風況観測用空中ドローン５０の現在の自己姿勢を計測する。
In the next step S<b>2 , the
次のステップＳ３において、飛行制御部６３は、機体５１の飛行を制御する飛行制御処理を実行する。
In the next step S<b>3 , the
次のステップＳ４において、メイン制御部６４は、機体５１がホバリング中であるか否かを判定する。ここで、機体５１がホバリング中でない場合（ステップＳ４でＮＯの場合）は、風況観測処理を終了する。一方、機体５１がホバリング中である場合（ステップＳ４でＹＥＳの場合）は、ステップＳ５に進む。なお、機体５１がホバリング中であるか否かの判定は、位置計測器６０が計測した自己位置に基づいて行っても良いし、姿勢計測器６１のモーションセンサが計測した重力加速度に基づいて行っても良い。
In the next step S4, the
ステップＳ５において、風向計５６は、水平方向の風向を計測する。ここで、メイン制御部６４は、風向計５６で計測された水平方向の風向を取得する。
In step S5, the
次のステップＳ６において、風速計５７は、水平方向の風速を計測する。ここで、メイン制御部６４は、風速計で計測された水平方向の風速を取得する。
In the next step S6, the
次のステップＳ７において、メイン制御部６４は、モータ制御部６２から現在のモータ５３の回転数を取得する。
In the next step S<b>7 , the
次のステップＳ８において、垂直風速計測部６５は、モータ５３の回転数に基づいて、垂直方向の風速を計測する。ここで、メイン制御部６４は、計測された垂直方向の風速を取得するとともに、垂直方向の風速も取得する。
In the next step S<b>8 , the vertical wind
次のステップＳ９において、風況マップ生成部６６は、計測した風向と風速に基づいて、風況マップを生成する。なお、既に風況マップが生成されている場合には、最新の風向と風速に基づいて、風況マップを更新する。
In the next step S9, the wind
そして、風況観測処理を終了する。なお、この風況観測処理は、一定時間毎に繰り返される処理である。この風況観測処理が繰り返されることで、本実施形態の風況観測方法が実行される。なお、他のメイン処理を実行中に、この風況観測処理を割り込ませて実行しても良い。 Then, the wind condition observation processing ends. Note that this wind condition observation process is a process that is repeated at regular time intervals. By repeating this wind condition observation process, the wind condition observation method of the present embodiment is executed. It should be noted that this wind condition observation processing may be interrupted and executed while other main processing is being executed.
なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。 In the flowchart of the present embodiment, each step is executed in series. good. Also, some steps may be executed in parallel with other steps.
なお、本実施形態では、水上風力発電装置２が海洋３上に設けられる態様を例示しているが、その他の態様であっても良い。例えば、水上風力発電装置２が湖上に設けられて良い。つまり「水上」という用語は、海上と湖上の意味を含む。
In addition, although the aspect in which the water-based
なお、本実施形態では、水上に設けられる水上風力発電装置２を例示しているが、その他の態様であっても良い。例えば、本実施形態が、陸上に設けられる風力発電装置に適用されても良い。つまり風況観測用空中ドローン５０が陸上の風況を観測するものでも良く、この風況観測用空中ドローン５０の観測結果に基づいて、陸上に設けられる風力発電装置が制御されても良い。
In addition, in this embodiment, although the water-based
なお、本実施形態では、水上風力発電装置２として、揚力型風車であり、かつ水平軸風車であるアップウインド型のプロペラ型風車を例示しているが、その他の態様であっても良い。例えば、水上風力発電装置２が、ダウンウインド型のプロペラ型風車であっても良い。また、水上風力発電装置２が、揚力型風車であり、かつ垂直軸風車であるダリウス型風車、ジャイロミル型風車、垂直翼型風車であっても良い。また、水上風力発電装置２が、抗力型風車であり、かつ垂直軸風車であるサボニウス型風車、パドル型風車、クロスフロー型風車、Ｓ字ロータ型風車であっても良い。また、水上風力発電装置２が、揚力型風車であり、かつ水平軸風車または垂直軸風車であるマグナス型風車であっても良い。
In the present embodiment, an upwind propeller type wind turbine, which is a lift type wind turbine and a horizontal axis wind turbine, is exemplified as the
なお、本実施形態では、風況観測用空中ドローン５０を用いて、洋上ウインドファームの風況を観測しているが、その他の態様であっても良い。例えば、風況観測用空中ドローン５０を用いて、高層ビルの間に吹くビル風の観測を行っても良い。このようにすれば、例えば、工事現場などで風況観測用空中ドローン５０を用いて、ビル風を観測することで、適切な対策を行うことができる。
In this embodiment, the wind condition observation
本実施形態のシステム、例えば、管理コンピュータ（図示略）は、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、またはＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）またはＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスまたはキーボードなどの入力装置と、通信インターフェースとを備える。このシステムは、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。 The system of the present embodiment, for example, a management computer (not shown) has a highly integrated processor such as a dedicated chip, FPGA (Field Programmable Gate Array), GPU (Graphics Processing Unit), or CPU (Central Processing Unit). a control device, a storage device such as ROM (Read Only Memory) or RAM (Random Access Memory), an external storage device such as HDD (Hard Disk Drive) or SSD (Solid State Drive), and a display device such as a display , an input device such as a mouse or keyboard, and a communication interface. This system can be realized with a hardware configuration using a normal computer.
なお、本実施形態のシステム、例えば、風車制御装置１４、メイン制御部６４および管理コンピュータ（図示略）で実行されるプログラムは、ＲＯＭなどに予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）などのコンピュータで読み取り可能な非一過性の記憶媒体に記憶されて提供するようにしても良い。
The system of the present embodiment, for example, programs executed by the wind
また、このシステムで実行されるプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしても良い。また、このシステムは、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワークまたは専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。 Also, the program executed by this system may be stored on a computer connected to a network such as the Internet, downloaded via the network, and provided. In addition, this system can also be configured by combining separate modules that independently perform each function of the constituent elements and are interconnected by a network or a dedicated line.
以上説明した実施形態によれば、機体がホバリングをしているときにメインロータで発生させている推力に基づいて垂直方向の風速を計測する垂直風速計測部を備えることにより、３次元的な風の流れを観測することができる。 According to the above-described embodiments, the vertical wind speed measurement unit measures the wind speed in the vertical direction based on the thrust generated by the main rotor while the aircraft is hovering. can be observed.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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、組み合わせを行うことができる。これら実施形態またはその変形は、発明の範囲と要旨に含まれると同様に、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ものである。 While several embodiments of the invention have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and spirit of the invention, as well as the invention described in the claims and equivalents thereof.
１…風力発電システム、２…水上風力発電装置、３…海洋、４…ハブ、５…ブレード、６…ナセル、７…タワー、８…浮体、９…係留索、１０…送電ケーブル、１１…移動装置、１２…スクリュー、１３…位置計測機器、１４…風車制御装置、５０…風況観測用空中ドローン、５１…機体、５２…メインロータ、５３…モータ、５４…カメラ、５５…支持棒、５６…風向計、５７…風速計、５８…通信部、５９…記憶部、６０…位置計測器、６１…姿勢計測器、６２…モータ制御部、６３…飛行制御部、６４…メイン制御部、６５…垂直風速計測部、６６…風況マップ生成部、Ｆ…気流、Ｌ…層、Ｔ…乱流領域、Ｗ…風。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Wind power generation system, 2... Water wind power generator, 3... Ocean, 4... Hub, 5... Blade, 6... Nacelle, 7... Tower, 8... Floating body, 9... Mooring cable, 10... Power transmission cable, 11...
Claims (6)
前記機体の飛行を制御する飛行制御部と、
前記機体に搭載され、水平方向の風向を計測する風向計と、
前記機体に搭載され、水平方向の風速を計測する風速計と、
前記機体がホバリングをしているときに前記メインロータで発生させている推力に基づいて垂直方向の風速を計測する垂直風速計測部と、
を備える、
風況観測用空中ドローン。 A body that can fly unmanned by autonomous control or remote control and that can hover with the thrust generated when the main rotor is rotated;
a flight control unit that controls the flight of the aircraft;
a wind vane mounted on the airframe for measuring a horizontal wind direction;
An anemometer mounted on the airframe for measuring horizontal wind speed;
a vertical anemometer that measures the wind velocity in the vertical direction based on the thrust generated by the main rotor when the aircraft is hovering;
comprising
An aerial drone for wind observation.
前記飛行制御部は、前記風況マップに基づいて前記機体の飛行を制御するように構成されている、
請求項１に記載の風況観測用空中ドローン。 a wind map generation unit that generates a wind map that records wind conditions for each coordinate in a three-dimensional space based on the measured wind direction and wind speed;
The flight control unit is configured to control the flight of the aircraft based on the wind map.
The aerial drone for wind condition observation according to claim 1.
飛行制御部が、メインロータを回転させたときに発生する推力でホバリングが可能な機体の飛行を制御し、
前記機体に搭載された風向計が、水平方向の風向を計測し、
前記機体に搭載された風速計が、水平方向の風速を計測し、
垂直風速計測部が、前記機体がホバリングをしているときに前記メインロータで発生させている推力に基づいて垂直方向の風速を計測する、
風況観測方法。 A method using an aerial drone for wind observation that can fly unmanned by autonomous control or remote control,
The flight control unit controls the flight of the aircraft capable of hovering with the thrust generated when the main rotor rotates.
A wind vane mounted on the fuselage measures the horizontal wind direction,
The anemometer mounted on the aircraft measures the horizontal wind speed,
a vertical anemometer measuring the vertical wind velocity based on the thrust generated by the main rotor while the aircraft is hovering;
Wind condition observation method.
前記風況観測用空中ドローンは、
自律制御または遠隔操作により無人で飛行が可能であり、かつメインロータを回転させたときに発生する推力でホバリングが可能な機体と、
前記機体の飛行を制御する飛行制御部と、
前記機体に搭載され、水平方向の風向を計測する風向計と、
前記機体に搭載され、水平方向の風速を計測する風速計と、
前記機体がホバリングをしているときに前記メインロータで発生させている推力に基づいて垂直方向の風速を計測する垂直風速計測部と、
を備え、
前記風力発電装置は、前記風況観測用空中ドローンが観測した風況に基づいて前記風力発電装置を制御する風車制御装置を備える、
風力発電システム。 It comprises a wind power generator and an aerial drone for wind condition observation,
The aerial drone for wind observation,
A body that can fly unmanned by autonomous control or remote control and that can hover with the thrust generated when the main rotor is rotated;
a flight control unit that controls the flight of the aircraft;
a wind vane mounted on the airframe for measuring a horizontal wind direction;
An anemometer mounted on the airframe for measuring horizontal wind speed;
a vertical anemometer that measures the wind velocity in the vertical direction based on the thrust generated by the main rotor when the aircraft is hovering;
with
The wind power generator includes a wind turbine control device that controls the wind power generator based on the wind conditions observed by the wind condition observation aerial drone.
wind power system.
前記風車制御装置は、前記風況観測用空中ドローンが観測した風況に基づいて風車ウエイクに関する影響が評価されたときに、前記風車ウエイクの影響を低減させるように前記風力発電装置を制御するように構成されている、
請求項４に記載の風力発電システム。 comprising a plurality of the wind turbine generators,
The wind turbine control device controls the wind turbine generator so as to reduce the influence of the wind turbine wake when the influence of the wind turbine wake is evaluated based on the wind conditions observed by the aerial drone for wind condition observation. configured to
The wind power generation system according to claim 4.
前記風況観測用空中ドローンの飛行制御部が、メインロータを回転させたときに発生する推力でホバリングが可能な機体の飛行を制御し、
前記機体に搭載された風向計が、水平方向の風向を計測し、
前記機体に搭載された風速計が、水平方向の風速を計測し、
前記風況観測用空中ドローンの垂直風速計測部が、前記機体がホバリングをしているときに前記メインロータで発生させている推力に基づいて垂直方向の風速を計測し、
前記風力発電装置の風車制御装置が、前記風況観測用空中ドローンが観測した風況に基づいて前記風力発電装置を制御する、
風力発電方法。 A method using a wind power generator and an aerial drone for wind condition observation that can fly unmanned by autonomous control or remote control,
The flight control unit of the aerial drone for wind observation controls the flight of the aircraft capable of hovering with the thrust generated when the main rotor is rotated,
A wind vane mounted on the fuselage measures the horizontal wind direction,
The anemometer mounted on the aircraft measures the horizontal wind speed,
The vertical anemometer of the aerial drone for wind condition observation measures the wind velocity in the vertical direction based on the thrust generated by the main rotor while the aircraft is hovering,
The wind turbine control device of the wind turbine generator controls the wind turbine generator based on the wind conditions observed by the aerial drone for wind condition observation.
Wind power method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021185258A JP2023072589A (en) | 2021-11-12 | 2021-11-12 | Aerial drone for wind observation, wind observation method, wind power generation system and wind power generation method |
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