JP2012249510A - 風力発電システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】翼面上の流れを最適化および発電出力を向上させることができる風力発電システムおよびその制御方法を提供する。
【解決手段】実施形態の風力発電システム１０は、ハブ４１および翼４２を備えるロータ４０と、ロータ４０を軸支するナセル３１と、ナセル３１を支持するタワー３０と、翼４２の前縁部に設けられ、第１の電極と第２の電極とを誘電体を介して離間して備えた気流発生装置６０と、気流発生装置６０の電極間に電圧を印加可能な放電用電源とを備える。さらに、風力発電システム１０における出力、ロータ４０におけるトルクおよび翼４２の回転数のうち少なくとも１つに係る情報を検知する計測装置と、計測装置からの出力に基づいて放電用電源を制御する制御部を備える。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、風力発電システムおよびその制御方法に関する。

現在、地球温暖化防止の観点から、全地球規模で再生エネルギ発電システムの導入が進められており、そのような状況中、風力発電は普及が進められている発電方式の一つである。しかしながら、日本においては、風力発電の普及率は、欧州などに比べて低い。

日本において風力発電が普及し難いのは、その地理的制約によるところが大きい。特に、日本においては山岳性気象であるため、風力および風向がめまぐるしく変化し、風力発電において安定した出力を維持することが困難となる。このようなことが原因となり、風車１台あたりの発電効率を低下させ、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。

日本のような風速風向変動の激しい地域で大規模な風力発電を導入するためには、これらの問題を克服した耐変動型の風車開発が必須となる。そこで、誘電体を介して対向配置された電極間に電圧を印加して発生したプラズマによってプラズマ誘起流を発生させる気流発生装置を、風車の翼面に配設することで、風の変動に対応した制御が可能な風力発電システムが提案されている。

特開２００８−２５４３４号公報

しかしながら、これまで、実際の回転場で気流発生装置を作動させ、風車効率に対する効果を確認した事例は示されていない。そのため、実際の風車において、最適な気流発生装置における電圧印加方法や、翼における失速状態を制御して効率の向上を図る運用方法などが確立が必要となる。

本発明が解決しようとする課題は、翼面上の流れを最適化することができるとともに、発電出力を向上させることができる風力発電システムおよびその制御方法を提供するものである。

実施形態の風力発電システムは、ハブおよび前記ハブに取り付けられた少なくとも２枚以上の翼を備えるロータと、前記ハブに接続された回転軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、前記ナセルを支持するタワーとを備える。

さらに、風力発電システムは、前記翼の前縁部に設けられ、第１の電極と第２の電極とを誘電体を介して離間して備え、プラズマ誘起流を発生可能な気流発生装置と、前記気流発生装置の前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加可能な電圧印加機構と、風力発電システムにおける出力、前記ロータにおけるトルクおよび前記翼の回転数のうち少なくとも１つに係る情報を検知する計測装置と、前記計測装置からの出力に基づいて、前記電圧印加機構を制御する制御手段とを備える。

一般的なの風車における軸方向風速と風車の出力（発電量）との関係を示す図である。 一般的な風車における軸方向風速の変化を示した図である。 実施の形態の風力発電システムを示す斜視図である。 実施の形態の風力発電システムに設けられた気流発生装置を説明するための、翼の前縁部の断面を示した図である。 実施の形態の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ための図である。 実施の形態の風力発電システムの制御構成を模式的に示した図である。 実施の形態の風力発電システムの動作（制御例１）を説明するためのフローチャートである。 実施の形態の風力発電システムの動作（制御例２）を説明するためのフローチャートである。 前縁剥離型の単独翼の揚力係数Ｃと迎角αの関係を示す図である。 翼の前縁において流れが失速した際、気流発生装置を作動させない場合（ＯＦＦ）の翼に沿う流れを模式的に示す図である。 翼の前縁において流れが失速した際、気流発生装置に連続的に電圧を印加した場合（連続）の翼に沿う流れを模式的に示す図である。 翼の前縁において流れが失速した際、気流発生装置にパルス変調制御された電圧を印加した場合（パルス）の翼に沿う流れを模式的に示す図である。 気流発生装置に連続的に電圧を印加した場合（連続）における出力と時間との関係を示す図である。 気流発生装置に連続的に電圧を印加した場合（連続）における出力と軸方向風速との関係を示す図である。 気流発生装置にパルス変調制御された電圧を印加した場合（パルス）における出力と時間との関係を示す図である。 気流発生装置にパルス変調制御された電圧を印加した場合（パルス）における出力と軸方向風速との関係を示す図である。 気流発生装置にパルス変調制御された電圧を印加した場合（パルス）におけるｆＣ／Ｕと出力との関係を示す図である。 実施の形態の風力発電システムにおける他の制御構成を模式的に示した図である。 発電機トルク目標値と、目標回転数と現状回転数の差との関係を示す図である。 流れの剥離状態の検出用動作時のロータトルクの時間変化を示す図である。 検出用動作および制御動作時における放電用電源の動作を説明するための図である。 検出用動作時およびその後のロータトルクの時間変化を示す図である。 検出用動作時および制御動作時における放電用電源の動作を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

まず、一般的な風車における風速と風車の出力（発電量）との関係について説明する。図１は、一般的なの風車における軸方向風速と風車の出力（発電量）との関係を示す図である。

軸方向風速と風車の出力（発電量）との関係を示す図をパワーカーブと呼ぶ。図１の横軸に示された、Ｖｉはカットイン軸方向風速、Ｖｒは定格軸方向風速、Ｖｏはカットアウト軸方向風速である。カットイン軸方向風速Ｖｉは、風車が利用可能な動力を発生させる最小の軸方向風速であり、カットアウト軸方向風速Ｖｏは、風車が利用可能な動力を発生させる最大の軸方向風速である。なお、軸方向風速とは、風車の回転軸方向の風の速度成分である。

風車は、軸方向風速がカットイン軸方向風速Ｖｉ以上で発電機の起動トルクに打ち勝って、回転を始め、図１に示すように、軸方向風速の増加とともに出力が増大する。出力が発電機の定格に達すると、それ以上の軸方向風速を受けても出力が増大しないように、翼のピッチを制御して出力を一定に抑えている。カットアウト軸方向風速Ｖｏを超え、翼やタワーを損傷するリスクが懸念される軸方向風速に達すると、翼が風から力を受けないようにピッチやヨーを制御して回転を止める。

カットイン軸方向風速Ｖｉから定格軸方向風速Ｖｒまでの領域を部分負荷領域、定格軸方向風速Ｖｒを超え、カットアウト軸方向風速Ｖｏまでの領域を定格領域と呼ぶ。実際の風況では、部分負荷領域となる軸方向風速の出現確率が高いことや、部分負荷領域では、風のエネルギがそのまま出力に反映されることなどから、この部分負荷領域での翼の受風効率を向上させることが求められている。

なお、パワーカーブには種々の定義があるが、以下の説明で用いるパワーカーブとは、定常風において設計周速比で運転した場合の出力を、各風速で理論的に求めた曲線のことをいい、設計上の理論最大出力を示すものである。また、風車の部分負荷領域においては、ある設計周速比を定め、その周速比において、各翼素が最大の揚抗比をもって運転されるように、翼のひねり、および翼のハブへの取付角が設計される。そして、常に設計周速度比で回転するように、発電機トルクが制御される。

ここで、発明者らは、軸方向風速の変動がある場合に、図１に示されたパワーカーブによっては示せない事象が存在することを見出した。すなわち、図１における点Ａで運転している状態において軸方向風速が増大したとき、パワーカーブ上の点Ｃではなく、それより出力の小さい点Ｂに移行することを見出した。そして、その後、同じ軸方向風速に長時間維持しても、点Ｂで安定することを見出した。

また、軸方向風速の増大率を変えて試験を繰り返した。図２は、一般的な風車における軸方向風速の変化を示した図である。図２に示したＶ１のように軸方向風速が緩やかに増加する場合には、出力は、図１に示した点Ｃに移行するときのように、パワーカーブに沿って増加した。一方、図２に示したＶ２のように軸方向風速が急激に増加する場合には、出力は、図１に示した点Ｂに移行するときのように、パワーカーブから外れ、出力が増加しない状態となった。以下この状態を完全失速状態という。風速風向変動の激しい自然風下では、常にこのような様々な時定数の風速増大が起こっている。

また、地面からの高さ方向に速度分布がある場合や、風向に対して風車回転面が正対していない場合においても、同様の現象が起こることを見出した。

発明者らは、上記したような完全失速状態となるような現象を捉え、この完全失速状態となった場合においても、早急にその状態を解消して、パワーカーブに沿った出力が得られる制御が可能となる新しい知見を見出した。

以下に、実施の形態の風力発電システム１０について説明する。

図３は、実施の形態の風力発電システム１０を示す斜視図である。図４は、実施の形態の風力発電システム１０に設けられた気流発生装置６０を説明するための、翼４２の前縁部の断面を示した図である。なお、以下において、同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

図３に示すように、風力発電システム１０において、地面２０に設置されたタワー３０の頂部には、発電機（図示しない）などを収容したナセル３１が取付けられている。また、ナセル３１から突出した発電機の回転軸にロータ４０が軸支されている。

ロータ４０は、ハブ４１、およびこのハブ４１に取り付けられた翼４２を備えている。また、翼４２は、ピッチ角が変更可能に備えられている。なお、ここでは、３枚の翼４２を備える一例を示しているが、翼４２は、少なくとも２枚以上備えられていればよい。ナセル３１の上面には、図３に示すように、風の風向や速度を計測する風向風速計５０が設けられている。また、ここでは、翼４２がピッチ角を変更可能に備えられた一例を示したが、ピッチ角を制御できない翼であってもよい。

翼４２の前縁部には、図４に示すように、気流発生装置６０が設けられている。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。

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、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、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として翼４２自体を機能させることができる。すなわち、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と離間して翼４２に第２の電極６２を直接埋設することができる。

ここで、例えば、第１の電極６１の第２の電極６２側の端縁が、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よりも翼４２の背側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、翼４２の前縁部とすることが好ましい。

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４に示した気流発生装置６０においては、プラズマ誘起流は、翼４２の前縁から翼面の背側４２ａに向かって流れる。

気流発生装置６０は、例えば、図３に示すように、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ごとに制御することができる。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、翼４２の前縁部に翼幅方向に配置することもできる。

第１の電極６１および第２の電極６２は、図４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。

放電用電源６５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。

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ごと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。

ここで、図５は、実施の形態の風力発電システム１０におけるパルス変調制御の概要を説明するための図である。図５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５に示された基本周波数とは、印加電圧の周波数である。

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。

０．１≦ｆＣ／Ｕ≦９ …式（１）

ここで、Ｃは、気流発生装置６０が備えられた翼部における翼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。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。そのため、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。

ここで、上記関係式を満たすようにパルス変調周波数ｆを設定することで、前述した図１に示した点Ｂの完全失速状態となったときでも、パワーカーブに沿った定常の状態（例えば、図１の点Ｃ）に確実に移行することができる。

次に、風力発電システム１０の制御方法について説明する。

（制御例１）
図６は、実施の形態の風力発電システム１０の制御構成を模式的に示した図である。

図６に示すように、風力発電システム１０は、風速センサ１００と、風向センサ１０１と、回転数センサ１０２と、制御部１１０と、制御データベース１２０と、放電用電源６５と、ピッチ角度駆動機構１３０とを備えている。

風速センサ１００は、翼４２に流入する風の速度を計測するセンサである。風向センサ１０１は、翼４２に流入する風の風向を計測するセンサである。これらの風速センサ１００や風向センサ１０１は、例えば、図３に示すように、ナセル３１の上側面に設けられた風向風速計５０などで構成される。

回転数センサ１０２は、翼４２（ロータ４０）の回転数を計測するセンサであり、例えばナセル３１内に設けられる。

制御データベース１２０は、風速、風向、回転数などの計測値に基づいて特定するための、実出力（測定データに基づいて算出された出力または発電機における出力の計測値）、設定出力、設定迎角、ピッチ角度などのデータを記憶している。例えば、設定出力は、風車における出力と軸方向風速の関係を示すパワーカーブに係る情報として記憶させることができる。

また、制御データベース１２０は、各気流発生装置６０が備えられた翼部における、翼４２の翼弦長（例えば、上記したように平均的な翼弦長）や翼４２の翼根部から翼幅方向の距離（例えば、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）などのデータを記憶している。また、制御データベース１２０には、前述した式（１）の関係式およびこの関係式が満たす範囲が記憶され、パルス変調周波数ｆを算出する際に利用される。

この制御データベース１２０は、メモリ、ハードディスク装置などで構成される。また、制御データベース１２０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。

制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１、回転数センサ１０２などの各センサから出力された情報および制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、回転速度、相対速度、迎角、ピッチ角度、風力発電システム１０における出力などを算出する。なお、風力発電システム１０における出力は、発電機の出力の計測値を使用してもよい。また、風速センサ１００から出力された情報、および制御データベース１２０に記憶されたパワーカーブに係る情報などに基づいて、予め設定された、風力発電システム１０における設定出力などを特定する。

また、制御部１１０は、上記算出結果に基づいて、放電用電源６５、ピッチ角度駆動機構１３０などを制御する。この制御部１１０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、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。この制御部１１０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。また、制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１、回転数センサ１０２、制御データベース１２０、放電用電源６５、ピッチ角度駆動機構１３０、発電機などの各機器と電気信号の出入力が可能に接続されている。

放電用電源６５は、制御部１１０からの情報に基づいて、前述したように、第１の電極６１と第２の電極６２との間に、パルス変調制御された電圧などを印加する。

ピッチ角度駆動機構１３０は、制御部１１０からの情報に基づいて、翼４２の回転数に応じて、翼４２の角度を駆動制御する。なお、ピッチ角を制御できない翼を使用する場合には、ピッチ角度駆動機構１３０は不要となる。

次に、風力発電システム１０の動作（制御例１）について説明する。

図７は、実施の形態の風力発電システム１０の動作（制御例１）を説明するためのフローチャートである。なお、ここでは、図３に示すように、翼４２の翼根部から翼端部に向かう翼幅方向に、気流発生装置６０を複数個独立して配置した場合を例示して説明する。

まず、制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１によって計測された、風速、風向などの計測情報、回転数センサ１０２から入力した回転数、制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、風力発電システム１０の実出力および軸方向風速を算出する（ステップＳ１５０）。

なお、実出力として、発電機の出力の計測値を使用してもよい。軸方向風速は、風速、風向などの計測情報に基づいて算出される。

続いて、制御部１１０は、この実出力が得られたときの軸方向風速における、予め設定された風力発電システム１０における設定出力を制御データベース１２０に記憶されたデータから読み出して実出力と比較し、実出力が設定出力よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１５１）。

ここで、実出力が設定出力よりも低いとは、実出力が設定出力の、例えば８０％を下回った場合をいう。

ステップＳ１５１において、実出力が設定出力よりも低くないと判定した場合（ステップＳ１５１のＮｏ）には、ステップＳ１５０の処理を再度実行する。

一方、ステップＳ１５１において、実出力が設定出力よりも低いと判定した場合（ステップＳ１５１のＹｅｓ）には、制御部１１０は、実出力が設定出力よりも低い状態となってから所定時間を超えているか否かを判定する（ステップＳ１５２）。

ここで、所定時間は、５〜１０秒程度に設定される。この所定時間を設定することで、ロータの慣性による出力応答遅延と、剥離失速による出力低下を見分けることができる。また、持続的ではなく、瞬間的に実出力が設定出力よりも低い状態となる場合を除外することができる。

ステップＳ１５２において、実出力が設定出力よりも低い状態となってから所定時間を超えていないと判定した場合（ステップＳ１５２のＮｏ）には、ステップＳ１５０の処理を再度実行する。

一方、ステップＳ１５２において、実出力が設定出力よりも低い状態となってから所定時間を超えていると判定した場合（ステップＳ１５２のＹｅｓ）には、制御部１１０は、放電用電源６５を作動させ、気流発生装置６０の第１の電極６１と第２の電極６２との間に、パルス変調制御された電圧を印加し、プラズマ誘起流を発生させる（ステップＳ１５３）。

なお、この際、前述した式（１）の関係式を満たすように、制御部１１０は、パルス変調周波数ｆを設定する。第１の電極６１と第２の電極６２との間が一定の閾値以上の電位差となると、第１の電極６１の近傍に放電が誘起される。このとき生成した電子やイオンは、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。これによって、第１の電極６１付近にプラズマ誘起流が発生する。

続いて、制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１によって計測された、風速、風向などの計測情報、回転数センサ１０２から入力した回転数、制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、気流発生装置６０を作動した状態における風力発電システム１０の、第２の実出力として機能する実出力および軸方向風速を算出する（ステップＳ１５４）。なお、実出力として、発電機の出力の計測値を使用してもよい。

続いて、制御部１１０は、この実出力（第２の実出力）が得られたときの軸方向風速における、予め設定された風力発電システム１０における、第２の設定出力として機能する設定出力を制御データベース１２０に記憶されたデータから読み出して実出力（第２の実出力）と比較し、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１５５）。

ここで、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低いとは、前述した場合と同様に、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）の、例えば８０％を下回った場合をいう。なお、制御部１１０は、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低いか否かを判定する代わりに、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）の、例えば８０％以上に達したか否かを判定してもよい。

ステップＳ１５５において、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低いと判定した場合（ステップＳ１５５のＹｅｓ）には、ステップＳ１５３からの処理を再度実行する。すなわち、気流発生装置６０が作動されている状態が維持される。

一方、ステップＳ１５５において、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低くないと判定した場合（ステップＳ１５５のＮｏ）には、制御部１１０は、放電用電源６５の作動を停止し、気流発生装置６０の第１の電極６１と第２の電極６２との間への電圧の印加を停止する（ステップＳ１５６）。

ここで、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低くない状態に移行した後に、気流発生装置６０を停止させても、その状態を維持することができ、再度、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低い状態に移行することはない。そのため、気流発生装置６０において消費されるエネルギを最小限に抑えることができる。

なお、上記した風力発電システム１０の動作（制御例１）では、複数備えられた気流発生装置６０のいずれに対しても同じ制御がなされる一例を示している。

このように、風力発電システム１０を動作させることで、翼４２の前縁の下流において流れが剥離して、前述した図１に示した点Ｂの完全失速状態となったときでも、パワーカーブに沿った定常の状態（例えば、図１の点Ｃ）に確実に移行することができる。

なお、ここでは、実出力と、理論パワーカーブ上の設定出力を比較して制御する例を示したが、これに限られるもではない。上記した制御は、例えば、実トルクと理論設定トルクとの比較、あるいは実回転数と理論設定回転数との比較することによっても実現できる。気流発生装置６０が作動しているときの、実トルクは第２の実トルクとして、実回転数は第２の実回転数としてそれぞれ機能する。また、気流発生装置６０が作動しているときの、設定トルクは第２の設定トルクとして、設定回転数は第２の設定回転数としてそれぞれ機能する。

ここで、実トルクとは、ロータトルクを意味している。ロータトルクは、トルク計によって計測されてもよいし、下に示す関係式（２）、（３）を用いて実出力から算出されてもよい。

Ｔｒｏｔ＝Ｉ×ｄω／ｄｔ＋Ｔｇｅｎ …式（２）
Ｔｇｅｎ＝Ｐ／（２πω／６０） …式（３）

ここで、Ｔｒｏｔはロータトルク、Ｔｇｅｎは発電機トルク、Ｉは慣性モーメント、ωは翼４２（ロータ４０）の回転数（ｒｐｍ）、Ｐは実出力を示す。

（制御例２）
ここでは、前述した制御例１の制御に加えて、翼４２の前縁における迎角に基づく制御を加え、気流発生装置６０を個々に制御する構成としている。なお、風力発電システム１０の制御構成は、図６に示した構成と同じである。

風力発電システム１０の動作（制御例２）について説明する。

図８は、実施の形態の風力発電システム１０の動作（制御例２）を説明するためのフローチャートである。なお、ここでは、図３に示すように、翼４２の翼根部から翼端部に向かう翼幅方向に、気流発生装置６０を複数個独立して配置した場合を例示して説明する。

まず、制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１によって計測された、風速、風向などの計測情報、回転数センサ１０２から入力した回転数、制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、風力発電システム１０の実出力および軸方向風速を算出する（ステップＳ１６０）。

なお、実出力として、発電機の出力の計測値を使用してもよい。軸方向風速は、風速、風向などの計測情報に基づいて算出される。

続いて、制御部１１０は、この実出力が得られたときの軸方向風速における、予め設定された風力発電システム１０における設定出力を制御データベース１２０に記憶されたデータから読み出して実出力と比較し、実出力が設定出力よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１６１）。

ここで、実出力が設定出力よりも低いとは、実出力が設定出力の、例えば８０％を下回った場合をいう。

ステップＳ１６１において、実出力が設定出力よりも低くないと判定した場合（ステップＳ１６１のＮｏ）には、ステップＳ１６０の処理を再度実行する。

一方、ステップＳ１６１において、実出力が設定出力よりも低いと判定した場合（ステップＳ１６１のＹｅｓ）には、制御部１１０は、実出力が設定出力よりも低い状態となってから所定時間を超えているか否かを判定する（ステップＳ１６２）。

ここで、所定時間は、５〜１０秒程度に設定される。この所定時間を設定することで、ロータの慣性による出力応答遅延と、剥離失速による出力低下を見分けることができる。また、持続的ではなく、瞬間的に実出力が設定出力よりも低い状態となる場合を除外することができる。

ステップＳ１６２において、実出力が設定出力よりも低い状態となってから所定時間を超えていないと判定した場合（ステップＳ１６２のＮｏ）には、ステップＳ１６０の処理を再度実行する。

一方、ステップＳ１６２において、実出力が設定出力よりも低い状態となってから所定時間を超えていると判定した場合（ステップＳ１６２のＹｅｓ）には、制御部１１０は、入力された計測情報および制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、迎角を算出する（ステップＳ１６３）。

ここで、迎角は、各気流発生装置６０が設けられた翼幅方向の各位置における翼素に対して算出される。例えば、翼４２の前縁の翼幅方向に５個の気流発生装置６０が独立して設けられている場合には、各気流発生装置６０が設けられた翼幅方向の５箇所における翼素に対して迎角が算出される。なお、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ため、迎角として、例えば、１つの気流発生装置６０が備えられた翼部における翼幅方向の迎角の平均値を、その１つの気流発生装置６０が設けられた部分の迎角として使用することが好ましい。なお、翼素とは、翼４２の翼幅方向に対して垂直な翼４２の断面を意味する。

続いて、制御部１１０は、この迎角が算出されたときの風速および翼４２の回転数における、予め設定されたそれぞれの翼前縁における迎角を制御データベース１２０に記憶されたデータから読み出して算出された迎角と比較する。予め設定されたそれぞれの翼前縁における迎角として、例えば、前縁形状、翼型、翼弦長、レイノルズ数などに基づいて決まる、失速が生じる角度（失速迎角）を使用する。そして、算出された迎角が設定された迎角よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１６４）。

ここで、前述したように、迎角は、各気流発生装置６０が設けられた部分のそれぞれの翼素に対して算出されるため、設定された迎角も、その各翼素に対応する迎角を使用する。すなわち、ステップＳ１６４の判定は、各翼素ごとに行われる。そのため、算出された迎角が設定された迎角よりも大きいと判定される翼素や、算出された迎角が設定された迎角以下であると判定される翼素が存在する。

ステップＳ１６４において、算出された迎角が設定された迎角以下であると判定された場合（ステップＳ１６４のＮｏ）には、その翼素に対しては、ステップＳ１６０からの処理を再度実行する。

一方、ステップＳ１６４において、算出された迎角が設定された迎角よりも大きいと判定された場合（ステップＳ１６４のＹｅｓ）には、制御部１１０は、その翼素に対する放電用電源６５を作動させ、気流発生装置６０の第１の電極６１と第２の電極６２との間に、パルス変調制御された電圧を印加し、プラズマ誘起流を発生させる（ステップＳ１６５）。すなわち、算出された迎角が設定された迎角よりも大きいと判定された翼素の部分に設置されている気流発生装置６０のみが選択的に作動される。

なお、この際、前述した式（１）の関係式を満たすように、制御部１１０は、各気流発生装置のパルス変調周波数ｆを設定する。

続いて、制御部１１０は、風速センサ１００、風向センサ１０１によって計測された、風速、風向などの計測情報、回転数センサ１０２から入力した回転数および制御データベース１２０に記憶されたデータに基づいて、気流発生装置６０を作動した状態における風力発電システム１０の、第２の実出力として機能する実出力および軸方向風速を算出する（ステップＳ１６６）。なお、実出力として、発電機の出力の計測値を使用してもよい。

なお、迎角は、各気流発生装置６０が設けられた部分のそれぞれの翼素に対して算出されるが、風力発電システム１０の出力は、風力発電システム１０全体として得られる１つの値である。

続いて、制御部１１０は、この実出力（第２の実出力）が得られたときの軸方向風速における、予め設定された風力発電システム１０における、第２の設定出力として機能する設定出力を制御データベース１２０に記憶されたデータから読み出して実出力（第２の実出力）と比較し、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１６７）。

ここで、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低いとは、前述した場合と同様に、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）の、例えば８０％を下回った場合をいう。なお、制御部１１０は、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低いか否かを判定する代わりに、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）の、例えば８０％以上に達したか否かを判定してもよい。

ステップＳ１６７において、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低いと判定した場合（ステップＳ１６７のＹｅｓ）には、ステップＳ１６５からの処理を再度実行する。すなわち、算出された迎角が設定された迎角よりも大きいと判定された翼素の部分に設置されている気流発生装置６０のみが選択的に作動されている状態が維持される。

一方、ステップＳ１６７において、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低くないと判定した場合（ステップＳ１６７のＮｏ）には、制御部１１０は、放電用電源６５の作動を停止し、気流発生装置６０の第１の電極６１と第２の電極６２との間への電圧の印加を停止する（ステップＳ１６８）。すなわち、算出された迎角が設定された迎角よりも大きいと判定された翼素の部分に設置されている気流発生装置６０の作動が停止される。

ここで、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低くない状態に移行した後に、気流発生装置６０を停止させても、その状態を維持することができ、再度、実出力（第２の実出力）が設定出力（第２の設定出力）よりも低い状態に移行することはない。そのため、気流発生装置６０において消費されるエネルギを最小限に抑えることができる。

上記した風力発電システム１０の動作（制御例２）では、条件に応じて、複数備えられた気流発生装置６０を個々に独立して選択的に制御することができる。このように、風力発電システム１０を動作させることで、翼４２の前縁の下流において流れが剥離して、前述した図１に示した点Ｂの完全失速状態となったときでも、パワーカーブに沿った定常の状態（例えば、図１の点Ｃ）に確実に移行することができる。

（その他の制御例）
図１８は、実施の形態の風力発電システム１０における他の制御構成を模式的に示した図である。図１８に示すように、制御構成は、計測部１８０、制御部１８１、制御データベース１８２から構成される。

計測部１８０には、翼素状態計測部、環境情報計測部、風車状態計測部、発電機状態計測部が含まれる。翼素状態計測部では、対称とする翼素のアジマス角が計測される。環境情報計測部では、気圧、気温、風速、風向、乱流強度が計測される。風車状態計測部では、ロータトルク、回転数、ヨー角が計測される。発電機状態計測部では、電圧、電流、出力、発電機トルクが計測される。

制御データベース１８２には、対象翼素ごとの半径位置、翼型、翼弦長、ひねり、翼の設定角、ハブ高さ、各翼型の失速角（失速迎角を含む）などの風車形状のパラメータが格納されている。

制御部１８１は、上記した計測情報およびパラメータを用いて、動粘度、流入速度、レイノルズ数、マッハ数、迎角などの各種物理量を演算する。そして、制御部１８１は、演算した結果に基づいて、放電用電源、ピッチ角度駆動機構、ヨー角度駆動機構、発電機制御機構、系統連携制御機構を制御する制御信号を出力する。

ここで、放電用電源、ピッチ角度駆動機構は、前述した放電用電源６５、ピッチ角度駆動機構１３０と同様の機能を有する。また、制御部１８１は、前述した制御部１１０と同様の構成を備える。ヨー角度駆動機構は、計測部１８０からの制御信号に基づいて、ヨオー駆動モータを制御して、タワー３０に対するナセル３１の水平方向の首ふり角度を設定する。発電機制御機構は、計測部１８０からの制御信号に基づいて、発電機の巻き線電流を、それに接続されたインバータ、コンバータの設定値を調整することなどで調整し、発電機のトルクを制御する。系統連携制御機構は、計測部１８０からの制御信号に基づいて、所外の系統へ接続されている端子の電圧を制御することにより、系統への通電量を制御する。

この制御構成を用いた制御例として、所定の翼素の、現状の迎角と、失速が生じる迎角（失速迎角）が決定され、それらの比較結果に基づいて、放電用電源が制御される手順を次に示す。

まず、制御部１８１は、翼素の半径位置とアジマス角の計測値、ハブ高さの情報に基づいて、翼素の高度を算出し、風速および風向の計測値とヨー角の計測値を合わせて、翼素位置における自然風の風速および風向を算出する。

制御部１８１は、翼素の半径位置と回転数から回転による相対風の風速および風向を算出する。制御部１８１は、これらと、翼の取付角、ひねりの情報を合わせて、翼素に対する相対風の、その瞬間における流入速度と迎角を算出する。

また、制御部１８１は、気温と気圧の計測情報から動粘度を算出し、翼素の翼弦長と、上記算出された翼素に対する相対風の流入速度から、レイノルズ数とマッハ数を算出する。制御部１８１は、これらと、乱流強度の計測値、翼素の翼型の情報をもとに、この翼素における失速を生じる迎角を参照し、設定された迎角として採用する。

制御部１８１は、算出された迎え角と設定された迎角とを比較し、算出した迎え角が、設定された迎角より大きいと判定された場合、翼面での剥離が生じていると判定し、この翼素に放電を生じるように、放電用電源を動作させる。このとき、放電用電源のパルス変調周波数ｆは、後述するように、前述した流入速度をＵ、翼弦長をＣとして、ｆＣ／Ｕが所定の範囲になるように設定される。

このように、この制御構成を用いることにより、翼面に剥離を検出するセンサを備えることなく、各翼素における剥離の有無を判定し、それによって放電用電源の駆動を制御することが可能となり、システムの信頼性の向上やシステムの低コスト化を図ることができる。

（回転数に基づく制御）
上記した制御構成を用いた別の制御例として、回転数の計測値を用いた気流発生装置の制御方法の例を示す。図１９は、発電機トルク目標値と、目標回転数と現状回転数の差との関係を示す図である。

まず、周速比一定制御での発電機の制御の例を示す。周速比一定制御とは、前述したように、部分負荷領域において、風速風向の変動があっても、常に設計周速比で運転されるように、発電機トルクを制御することをいう。

制御部１８１は、所定の時間間隔の間の風速の平均値から、目標周速比を達成するための回転数を算出し、算出された回転数を目標回転数とする。

続いて、制御部１８１は、図１９に示すように、発電機トルク目標値を縦軸、現状回転数から目標回転数を引いた回転数差（Δω）を横軸とする、制御曲線を設定する。ここで、回転数差（Δω）に応じて、縦軸の発電機トルク目標値に設定される。

図１９に示された制御曲線は、例えば、シグモイド関数に基づいて設定することができる。このシグモイド関数に基づく制御曲線の一方は、発電機トルク目標値の上限値に漸近し、制御曲線の他方は、発電機トルク目標値の下限値に漸近している。

現状回転数が目標回転数よりも大きいとき（回転数差（Δω）が０より大きいとき）には、制御部１８１は、制御曲線に基づいて発電機トルク目標値を増加させ、現状回転数を減少させ、目標回転数に近づけるための制御を行う。

一方、現状回転数が目標回転数よりも小さいとき（回転数差（Δω）が０より小さいとき）には、制御部１８１は、制御曲線に基づいて発電機トルク目標値を減少させ、現状回転数を増加させ、目標回転数に近づけるための制御を行う。

ここで、現状回転数が目標回転数と等しいとき（回転数差（Δω）が０のとき）には、発電機トルク目標値が、目標回転数でのロータトルクの理論値と一致する。

上記したように、制御部１８１は、風速と現状回転数の計測値から、発電機トルク目標値を算出し、この発電機トルク目標値を発生させるように、発電機または負荷を制御する。

このような発電機の制御をする際、制御部１８１は、現状回転数が目標回転数よりも小さい領域にあるときに、放電用電源を作動（ＯＮ）させる。翼面で剥離が生じている場合は、剥離が抑制され、翼素の揚力が増加し、ロータトルクが増加し、より早く目標回転数に到達することが可能になる。また、制御部１８１は、現状回転数が目標回転数よりも大きい場合は、放電用電源は作動されない（ＯＦＦ）。これによって、ロータトルクが減少し、より早く目標回転数に到達することが可能になる。

ここで、放電用電源を作動させるとは、気流発生装置６０において、連続またはパルス変調制御でプラズマ誘起流を発生させることを意味し、放電用電源を作動させないとは、気流発生装置６０において、連続またはパルス変調制御においてもプラズマ誘起流を発生させないことを意味する。

（ロータトルクに基づく制御）
次に、前述した制御構成を用いた別の制御例として、ロータトルクの計測値を用いた気流発生装置の制御の例を示す。ここでは、ロータトルクは、トルク計を用いて計測されてもよいし、前述した式（２）から算出された値を用いてもよい。

制御部１８１は、回転数、発電機トルクの計測値を用いて、ロータトルクを算出する。ここで、発電機トルクは、トルク計を用いて計測されてもよいし、前述した式（３）から算出された値を用いてもよい。なお、出力Ｐは、電力計を用いて計測されたものでもよいし、電圧、電流の計測値の積を用いてもよい。

ここでは、後に説明するが、放電用電源の動作は、剥離状態の検出用動作および流れ制御用動作の双方の機能を備えている。

図２０は、本制御例における、流れの剥離状態の検出用動作時のロータトルクの時間変化を示す図である。図２１は、検出用動作および制御動作時における放電用電源の動作を説明するための図である。

まず、自然風の変動により、ロータトルクが変動しながら推移している状態での検出用動作を説明する。図２０に示すように、制御部１８１は、時刻ｔ０において、放電用電源を時間Ｔｅｘａｍの間作動（ＯＮ）する。この際、翼面で流れの剥離が発生している場合には、放電用電源が作動することで翼の揚力が向上するため、ロータトルクが増大する。なお、ロータトルクが増大しない場合には、翼面での流れの剥離は発生していないこととなる。

そこで、制御部１８１は、図２０の（ａ）、（ｂ）に示すように、放電用電源を作動するタイミング（時刻ｔ０）の前の時間Δｔ１間、および放電用電源を作動するタイミングの後の時間Δｔ２間のそれぞれにおけるロータトルクの平均値を算出する。そして、制御部１８１は、時間Δｔ１間と時間Δｔ２間におけるロータトルクの平均値を比較する。

ロータトルクの平均値の差（ΔＴｒ１）が所定の閾値以上となる場合（図２０の（ａ））、放電用電源を作動させることによる効果が得られていることとなる。すなわち、図２０の（ａ）に示すように、ロータトルクの平均値の差（ΔＴｒ１）が所定の閾値以上となる場合、放電用電源を作動させる前において、流れの剥離が発生していたと判定する。

一方、ロータトルクの平均値の差（ΔＴｒ１）が所定の閾値を超えない場合（図２０の（ｂ））、放電用電源を作動させることによる効果が得られない状態、すなわち放電用電源を作動させる前において、流れの剥離が発生してない状態であると判定する。
なお、放電用電源を時間Ｔｅｘａｍの間作動する状態が、図２１では、検出用動作がＯＮの状態である。

制御部１８１は、ロータトルクの平均値の差（ΔＴｒ１）に基づいて、流れの剥離が発生していると判定した場合、図２１の制御用動作Ｂに示すように、検出用動作後においても所定時間連続して、放電用電源を作動させる。そして、制御部１８１は、所定時間経過後、放電用電源を時間Ｔｅｘａｍの間作動させ、再び検出用動作を行う。

一方、制御部１８１は、ロータトルクの平均値の差（ΔＴｒ１）に基づいて、流れの剥離が発生していないと判定した場合、図２１の制御用動作Ａに示すように、所定時間、放電用電源を作動させない。そして、制御部１８１は、所定時間経過後、放電用電源を時間Ｔｅｘａｍの間作動させ、再び検出用動作を行う。

このように、検出用動作時のロータトルクの時間変化を検知することで、流れの剥離の有無を検知することができる。さらに、この検知結果に基づき、気流発生装置６０を動作させることで、流れを制御して流れの剥離を消滅させることができる。

次に、検出用動作によって流れの剥離状態を検知した後、流れが剥離したままの状態であるのか、付着した状態となっているのかを判定する動作を備えた制御例について説明する。図２２は、本制御例における、検出用動作時およびその後のロータトルクの時間変化を示す図である。図２３は、検出用動作時および制御動作時における放電用電源の動作を説明するための図である。

ここでは、検出用動作において、流れの剥離が発生していると判定された場合の動作について説明するが、図２３には、検出用動作において、流れの剥離が発生していないと判定した場合における制御用動作Ａも示している。

制御部１８１は、ロータトルクの平均値の差（ΔＴｒ１）に基づいて、流れの剥離が発生していると判定した場合、図２３の制御用動作Ｃに示すように、放電用電源を時間Ｔｅｘａｍの間作動後、一旦、放電用電源の作動を停止する。

ここで、翼面で流れの剥離が発生している場合には、放電用電源を停止することで翼の揚力が低下し、ロータトルクが減少する。なお、ロータトルクが減少しない場合には、翼面での流れの剥離は消滅していることとなる。

そこで、制御部１８１は、図２２の（ａ）、（ｂ）に示すように、放電用電源を停止する（時刻ｔ０からＴｅｘａｍ後）の前の時間Δｔ３間、および放電用電源を停止した後の時間Δｔ４間のそれぞれにおけるロータトルクの平均値を算出する。そして、制御部１８１は、時間Δｔ３間と時間Δｔ４間におけるロータトルクの平均値を比較する。

ロータトルクの平均値の差（ΔＴｒ２）が所定の閾値以上となる場合（図２２の（ａ））、流れの剥離が発生していると判定する。

一方、ロータトルクの平均値の差（ΔＴｒ２）が所定の閾値を超えない場合（図２２の（ｂ））、流れは翼面に付着した流れとなり、流れの剥離は消滅したと判定する。

制御部１８１は、ロータトルクの平均値の差（ΔＴｒ２）に基づいて、流れの剥離が発生していると判定した場合、図２３の制御用動作Ｃに示すように、所定時間、放電用電源を作動させる。そして、所定時間経過後に放電用電源を停止し、その後、放電用電源を時間Ｔｅｘａｍの間作動させ、再び検出用動作を行う。

なお、ロータトルクの平均値の差（ΔＴｒ２）が所定の閾値以上となる場合、制御部１８１は、図２３の制御用動作Ｄに示すように、検出用動作を繰り返し行うように、放電用電源を作動させてもよい。この場合には、例えば、毎回の検出用動作に対して、上記したロータトルクの平均値の差（ΔＴｒ２）を検出して、流れの剥離の有無を検知してもよい。また、検出用動作を所定の回数行った後に、上記したロータトルクの平均値の差（ΔＴｒ２）を検出して、流れの剥離の有無を検知してもよい。

このように、検出用動作時のロータトルクの時間変化を検知することで、検出用動作の前後における流れの剥離の有無を検知することができる。さらに、検出用動作後における流れの剥離の有無を検知することができるので、検出用動作後においても流れの剥離が生じているときに限って、放電用電源、すなわち気流発生装置６０を効果的に作動させることができる。そして、気流発生装置６０を動作させることで、流れを制御して流れの剥離を消滅させることができる。

ここで、翼上に気流発生装置６０が複数設置されている場合、所定の気流発生装置６０において、検出用動作と制御用動作の双方を行ってもよい。また、検出用動作を行う気流発生装置６０と、制御用動作を行う気流発生装置６０とを異なるものとしてもよい。検出用動作を行う気流発生装置６０の個数を削減することで、消費電力の低減を図ることができる。

なお、上記した、制御例では、検出用動作によって剥離状態を検出する場合の計測値としてロータトルクを用いているが、出力や回転数を計測値として用いても、同様の制御が可能である。

（気流発生装置６０に印加する電圧の影響）
（１）揚力係数Ｃと迎角αの関係
図９は、前縁剥離型の単独翼の揚力係数Ｃと迎角αの関係を示す図である。図９に示した結果は、２次元翼の風洞試験により得られた結果である。

ここで、単独翼の前縁には、図４に示した構成と同様に、気流発生装置６０が備えられている。図９には、失速した際に、気流発生装置６０を作動させない場合（ＯＦＦ）、気流発生装置６０の第１の電極６１と第２の電極６２との間にパルス変調制御された電圧を印加した場合（パルス）、気流発生装置６０の第１の電極６１と第２の電極６２との間に、パルス変調制御を行わずに、連続的に電圧を印加した場合（連続）が示されている。

前縁剥離型の翼における揚力特性では、迎角αが閾値を越えると揚力係数Ｃが大幅に低下する失速現象が生じる。失速現象が生じた、翼の背側（負圧側）の翼面では、後述するが大規模な剥離が生じている。

気流発生装置６０を作動させると、連続およびパルスのいずれも場合おいても、失速が生じる迎角αが大きくなる。しかしながら、連続の場合とパルスの場合とで、揚力係数Ｃに対する迎角αが異なっている。連続の場合、失速が生じる迎角αが大きくなり、最大の揚力係数Ｃが増加するが、さらに迎角αを増加させるといずれ失速を生じ、揚力係数Ｃが急激に低下している。

一方、パルスの場合は、ＯＦＦの場合において失速する迎角αよりも大きい側の領域において、迎角αの増加に伴う揚力係数Ｃの減少率が、ＯＦＦの場合における迎角αの増加に伴う揚力係数Ｃの減少率よりも小さくなっている。すなわち、揚力係数Ｃの減少率が小さいことがわかる。

図１０は、翼の前縁において流れが失速した際、気流発生装置６０を作動させない場合（ＯＦＦ）の翼に沿う流れを模式的に示す図である。図１１は、翼の前縁において流れが失速した際、気流発生装置６０に連続的に電圧を印加した場合（連続）の翼に沿う流れを模式的に示す図である。図１２は、翼の前縁において流れが失速した際、気流発生装置６０にパルス変調制御された電圧を印加した場合（パルス）の翼に沿う流れを模式的に示す図である。

図１０〜図１２に示された流れは、ＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）を使用して計測した結果である。

ＯＦＦの場合には、翼の前縁下流の背側（負圧側）で、大規模な剥離が生じていることがわかる。連続の場合、図１１に示すように、完全に流れが付着していることがわかる。パルスの場合には、図１２に示すように、完全な付着ではないが、流れを引き寄せる効果があることがわかる。このように、連続の場合とパルスの場合とでは、気流制御効果として大きく異なる現象が生じているがわかる。

（２）実機による検証
ここでは、実機である小型風車の翼に気流発生装置６０を配置して風洞試験を行い、気流発生装置６０に印加する電圧の影響を調べた。

風洞として、定格風量が１２００ｍ^３／ｍｉｎ、定格圧力が１１．８ｋＰａの吹き出し型風洞を使用した。風洞の出口に縮流部を設け、速度が１０ｍ／ｓのまでの通風を可能とした。

小型風車として、市販の小型風車を改造した小型風車モデルを使用した。小型風車として、風洞の出口のサイズに対応させて、木製の３枚の翼を有し、風車直径が１．６ｍ、出力が３００Ｗ用の風車を採用した。小型風車を、ヨー角が０度で、風洞の出口から７７０ｍｍの位置に配置した。この小型風車の定格は、風速が１２．５ｍ/ｓにおいて発電量が３００Ｗである。なお、主流速度は、ピトー管および熱電対を用いて計測した。

各翼の前縁部に、それぞれ１つの気流発生装置６０を翼幅方向に配置した。この際、図４に示すように、第１の電極６１の第２の電極６２側の端縁が、翼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よりも翼の背側４２ａとなる位置に第２の電極６２を配置した。誘電体である、厚さが２５０μｍのポリイミド樹脂上に、長さが６１０ｍｍの第１の電極６１を配置した。プラズマ誘起流が翼の背面側に向けて生じるように、第２の電極６２をポリイミド樹脂内に配置した。

ハブと発電機との間の回転軸上に、放電用電源６５、スリップリングを配置した。回転数を計測するためのエンコーダを配置した。外部から、入力が０〜１００ＶＡＣ、変調信号が５ＶＤＣをスリップリングを介して放電用電源６５に入力した。電源トランスからの高電圧出力は、２０ｋＶ耐圧の高電圧用のケーブル配線６４を用い、ノーズコーン内に配線した。放電用電源６５における高電圧振幅は、入力電圧をスライダックで変化させることによって調整した。

パルス変調制御を行う場合、パルス変調時のデューティ比を１０％に固定し、パルス変調周波数ｆを１〜９００Ｈｚの範囲で変化させた。

発電機の発電電圧は、風車のタワー軸内を通して外部に導出されている配線の両端に負荷としてエレマ抵抗Ｒを接続し、この抵抗の両端電圧で発電機出力を評価した。

試験では、まず、風車が低速で回転している状態から風速を増加させ、前述した図１に示した点Ｂの完全失速状態となるように、軸方向風速の増加率を調整した。この完全失速状態において、気流発生装置６０を作動させた。試験結果を図１３〜図１６に示す。

図１３は、気流発生装置６０に連続的に電圧を印加した場合（連続）における出力と時間との関係を示す図である。図１４は、気流発生装置６０に連続的に電圧を印加した場合（連続）における出力と軸方向風速との関係を示す図である。図１５は、気流発生装置６０にパルス変調制御された電圧を印加した場合（パルス）における出力と時間との関係を示す図である。図１６は、気流発生装置６０にパルス変調制御された電圧を印加した場合（パルス）における出力と軸方向風速との関係を示す図である。

なお、図１３および図１５の横軸のｔ０は、気流発生装置６０を作動させたときを示している。また、図１５および図１６では、前述した式（１）で示されるｆＣ／Ｕが１となるように、パルス変調周波数ｆを調整したときの結果を示している。

図１３に示すように、連続の場合、ｔ０において出力が１０％程度増加した。この効果をパワーカーブ上にプロットすると、図１４に示すようになり、完全失速状態の点Ｂから点Ｂ１に移行したが、出力の向上はわずかであることがわかった。

図１５に示すように、パルスの場合、ｔ０において出力がわずかに増加した後、数分間の間に出力が徐々に増加し、もとの出力の８倍程度まで増加し、その後飽和した。このときの効果をパワーカーブ上にプロットすると、図１６に示すようになり、完全失速状態の点Ｂからパワーカーブ上の点Ｃに移行することがわかった。また、点Ｃの状態に移行した後に、気流発生装置６０を停止させても、状態は点Ｃにとどまり、再度点Ｂに移行することはなかった。

次に、気流発生装置６０にパルス変調制御された電圧を印加した場合（パルス）において、パルス変調周波数ｆを変化させて、前述した式（１）のｆＣ／Ｕと出力との関係を調べた。

この試験においても、まず、風車が低速で回転している状態から風速を増加させ、前述した図１に示した点Ｂの完全失速状態となるように、軸方向風速の増加率を調整した。この完全失速状態において、気流発生装置６０を作動させた。図１７は、気流発生装置６０にパルス変調制御された電圧を印加した場合（パルス）におけるｆＣ／Ｕと出力との関係を示す図である。

図１７に示すように、ｆＣ／Ｕの値が０．１〜９の範囲では、完全失速状態の点Ｂからパワーカーブ上の点Ｃに移行する現象が生じ、高い出力が得られることがわかった。また、点Ｃの状態に移行した後に、気流発生装置６０を停止させても、状態は点Ｃにとどまり、再度点Ｂに移行することはなかった。

以上説明した実施形態によれば、翼面上の流れを最適化することができるとともに、発電出力を向上させることが可能となる。本実施の形態では、翼のピッチ角を制御可能な風力発電システムに一例を示したが、式（１）のｆＣ／Ｕの関係は、ピッチ角を制御の有無に関係なく成立する。そのため、式（１）のｆＣ／Ｕの関係は、翼のピッチ角の制御機構を有さない風力発電システムにおいても適用することができる。

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。

１０…風力発電システム、２０…地面、３０…タワー、３１…ナセル、４０…ロータ、４１…ハブ、４２…翼、４２ａ…背側、５０…風向風速計、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…風速センサ、１０１…風向センサ、１０２…回転数センサ、１１０，１８１…制御部、１２０…制御データベース、１３０…ピッチ角度駆動機構、１８０…計測部、１８２…制御データベース。

Claims (17)

1. ハブおよび前記ハブに取り付けられた少なくとも２枚以上の翼を備えるロータと、
   前記ハブに接続された回転軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、
   前記ナセルを支持するタワーと、
   前記翼の前縁部に設けられ、第１の電極と第２の電極とを誘電体を介して離間して備え、プラズマ誘起流を発生可能な気流発生装置と、
   前記気流発生装置の前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加可能な電圧印加機構と、
   風力発電システムにおける出力、前記ロータにおけるトルクおよび前記翼の回転数のうち少なくとも１つに係る情報を検知する計測装置と、
   前記計測装置からの出力に基づいて、前記電圧印加機構を制御する制御手段と
   を具備することを特徴とする風力発電システム。
2. 前記制御手段が、
   前記風力発電システムにおける実出力、前記ロータにおける実トルクまたは前記翼の実回転数が、前記実出力、前記実トルクまたは前記実回転数が得られたときの軸方向風速における、予め設定された、前記風力発電システムにおける設定出力、前記ロータにおける設定トルクまたは前記翼の設定回転数よりも、所定時間に亘って低いと判定したときに、前記電圧印加機構を制御して、前記気流発生装置に電圧を印加し、プラズマ誘起流を発生させることを特徴とする請求項１記載の風力発電システム。
3. 前記制御手段が、
   プラズマ誘起流が発生している際に得られた、前記風力発電システムにおける第２の実出力、前記ロータにおける第２の実トルクまたは前記翼の第２の実回転数が、前記第２の実出力、前記第２の実トルクまたは前記第２の実回転数が得られたときの軸方向風速における、予め設定された、前記風力発電システムにおける第２の設定出力、前記ロータにおける第２の設定トルクまたは前記翼の第２の設定回転数に所定時間に亘って達していると判定したときに、前記電圧印加機構を制御して、前記気流発生装置への電圧の印加を停止することを特徴とする請求項２記載の風力発電システム。
4. 前記制御手段が、
   所定の時間に亘って前記電圧印加機構から前記気流発生装置に電圧を印加し、電圧を印加する前後の、前記風力発電システムにおける実出力、前記ロータにおける実トルクまたは前記翼の実回転数を比較し、
   前記実出力、前記実トルクまたは前記実回転数が、電圧を印加したことによって増加したと判定した場合には、さらに所定の時間、前記電圧印加機構を制御して、前記気流発生装置に電圧を印加し、プラズマ誘起流を発生させることを特徴とする請求項１記載の風力発電システム。
5. 前記翼の前縁部に翼幅方向に、複数の前記気流発生装置が設けられ、複数の前記気流発生装置を独立して制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の風力発電システム。
6. 前記翼の前縁部に翼幅方向に、複数の前記気流発生装置が設けられ、複数の前記気流発生装置を独立して制御する場合において、
   前記制御手段が、
   前記風力発電システムにおける実出力、前記ロータにおける実トルクまたは前記翼の実回転数が、前記実出力、前記実トルクまたは前記実回転数が得られたときの軸方向風速における、予め設定された、前記風力発電システムにおける設定出力、前記ロータにおける設定トルクまたは前記翼の設定回転数よりも、所定時間に亘って低いと判定した際に、風速および前記翼の実回転数に基づいて、各前記気流発生装置が備えられたそれぞれの翼前縁における迎角を算出し、
   算出された迎角が、この迎角が算出されたときの風速および前記翼の実回転数における、予め設定されたそれぞれの翼前縁における迎角よりも大きいと判定したときに、前記電圧印加機構を制御して、予め設定された迎角よりも大きいと判定された翼前縁に備えられた前記気流発生装置に選択的に電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の風力発電システム。
7. 前記翼の前縁部に翼幅方向に、複数の前記気流発生装置が設けられ、複数の前記気流発生装置を独立して制御する場合において、
   前記制御手段が、
   所定の時間に亘って前記電圧印加機構から前記気流発生装置に電圧を印加し、電圧を印加する前後の、前記風力発電システムにおける実出力、前記ロータにおける実トルクまたは前記翼の実回転数を比較し、前記実出力、前記実トルクまたは前記実回転数が、電圧を印加したことによって増加したと判定した場合には、風速および前記翼の実回転数に基づいて、各前記気流発生装置が備えられたそれぞれの翼前縁における迎角を算出し、
   算出された迎角が、この迎角が算出されたときの風速および前記翼の実回転数における、予め設定されたそれぞれの翼前縁における迎角よりも大きいと判定したときに、前記電圧印加機構を制御して、予め設定された迎角よりも大きいと判定された翼前縁に備えられた前記気流発生装置に選択的に電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の風力発電システム。
8. 前記電圧印加機構によって印加される電圧が、パルス変調制御されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の風力発電システム。
9. 電圧の前記パルス変調制御におけるパルス変調周波数をｆと、前記翼の翼弦長をＣと、前記翼の周速度と風速とを合成した相対速度をＵとしたときに、関係式ｆＣ／Ｕの値が０．１以上９以下となることを特徴とする請求項８記載の風力発電システム。
10. ハブおよび前記ハブに取り付けられた少なくとも２枚以上の翼を備えるロータと、
    前記ハブに接続された回転軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、
    前記ナセルを支持するタワーと、
    前記翼の前縁部に設けられ、第１の電極と第２の電極とを誘電体を介して離間して備えた気流発生装置と、
    前記気流発生装置の前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加可能な電圧印加機構と、
    風力発電システムにおける出力、前記ロータにおけるトルクおよび前記翼の回転数のうち少なくとも１つに係る情報を検知する計測装置と、
    前記電圧印加機構を制御する制御手段と
    を備える風力発電システムの制御方法であって、
    前記制御手段が、前記計測装置からの出力に基づいて前記電圧印加機構を制御して、前記気流発生装置に電圧を印加し、プラズマ誘起流を発生させることを特徴とする風力発電システムの制御方法。
11. 前記制御手段が、前記風力発電システムにおける実出力、前記ロータにおける実トルクまたは前記翼の実回転数と、前記実出力、前記実トルクまたは前記実回転数が得られたときの軸方向風速における、予め設定された前記風力発電システムにおける設定出力、前記ロータにおける設定トルクまたは前記翼の設定回転数とを比較するステップと、
    前記実出力、前記実トルクまたは前記実回転数が、所定時間に亘って、前記設定出力、前記設定トルクまたは前記実回転数よりも低いと判定した場合、前記制御手段が、前記電圧印加機構を制御して、前記気流発生装置に電圧を印加し、プラズマ誘起流を発生させるステップと
    を具備することを特徴とする請求項１０記載の風力発電システムの制御方法。
12. 前記制御手段が、プラズマ誘起流を発生させた後に得られた、前記風力発電システムにおける第２の実出力、前記ロータにおける第２の実トルクまたは前記翼の第２の実回転数と、前記第２の実出力、前記第２の実トルクまたは前記第２の実回転数が得られたときの軸方向風速における、予め設定された、前記風力発電システムにおける第２の設定出力、前記ロータにおける第２の設定トルクまたは前記翼の第２の設定回転数とを比較するステップと、
    前記第２の実出力、前記第２の実トルクまたは前記第２の実回転数が、第２の設定出力、前記第２の設定トルクまたは前記第２の設定回転数に所定時間に亘って達していると判定した場合、前記制御手段が、前記電圧印加機構を制御して、前記気流発生装置への電圧の印加を停止するステップと
    をさらに具備することを特徴とする請求項１１記載の風力発電システムの制御方法。
13. 前記制御手段が、所定の時間に亘って電圧印加機構から前記気流発生装置に電圧を印加し、電圧を印加する前後の、前記風力発電システムにおける実出力、前記ロータにおける実トルクまたは前記翼の実回転数を比較するステップと、
    前記実出力、前記実トルクまたは前記実回転数が、電圧を印加したことによって増加したと判定した場合、前記制御手段が、さらに所定の時間、前記電圧印加機構を制御して、前記気流発生装置に電圧を印加し、プラズマ誘起流を発生させるステップと
    を具備することを特徴とする請求項１０記載の風力発電システムの制御方法。
14. 前記翼の前縁部に翼幅方向に、複数の前記気流発生装置が設けられ、複数の前記気流発生装置を独立して制御する場合において、
    前記制御手段が、前記風力発電システムにおける実出力と、前記ロータにおける実トルクまたは前記翼の実回転数が、前記実出力、前記実トルクまたは前記実回転数が得られたときの軸方向風速における、予め設定された、前記風力発電システムにおける設定出力、前記ロータにおける設定トルクまたは前記翼の設定回転数とを比較するステップと、
    前記実出力、前記実トルクまたは前記実回転数が、所定時間に亘って、前記設定出力、前記設定トルクまたは前記設定回転数よりも低いと判定した場合、前記制御手段が、風速および前記翼の実回転数に基づいて、各前記気流発生装置が備えられたそれぞれの翼前縁における迎角を算出するステップと、
    算出された迎角が、この迎角が算出されたときの風速および前記翼の実回転数における、予め設定されたそれぞれの翼前縁における迎角よりも大きいと判定したときに、前記制御手段が、前記電圧印加機構を制御して、予め設定された迎角よりも大きいと判定された翼前縁に備えられた前記気流発生装置に選択的に電圧を印加し、プラズマ誘起流を発生させるステップと
    を具備することを特徴とする請求項１０記載の風力発電システムの制御方法。
15. 前記翼の前縁部に翼幅方向に、複数の前記気流発生装置が設けられ、複数の前記気流発生装置を独立して制御する場合において、
    前記制御手段が、所定の時間に亘って前記電圧印加機構から前記気流発生装置に電圧を印加し、電圧を印加する前後の、前記風力発電システムにおける実出力、前記ロータにおける実トルクまたは前記翼の実回転数を比較するステップと、
    前記実出力、前記実トルクまたは前記実回転数が、電圧を印加したことによって増加したと判定した場合、前記制御手段が、風速および前記翼の実回転数に基づいて、各前記気流発生装置が備えられたそれぞれの翼前縁における迎角を算出するステップと、
    算出された迎角が、この迎角が算出されたときの風速および前記翼の実回転数における、予め設定されたそれぞれの翼前縁における迎角よりも大きいと判定したときに、前記制御手段が、前記電圧印加機構を制御して、予め設定された迎角よりも大きいと判定された翼前縁に備えられた前記気流発生装置に選択的に電圧を印加し、プラズマ誘起流を発生させるステップと
    を具備することを特徴とする請求項１０記載の風力発電システムの制御方法。
16. 前記電圧印加機構によって印加される電圧が、パルス変調制御されていることを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項記載の風力発電システムの制御方法。
17. 電圧の前記パルス変調制御におけるパルス変調周波数をｆと、前記翼の翼弦長をＣと、前記翼の周速度と風速とを合成した相対速度をＵとしたときに、関係式ｆＣ／Ｕの値が０．１以上９以下となることを特徴とする請求項１６記載の風力発電システムの制御方法。

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