CN104100460A - 风力发电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种难以因风向而导致冷却性能发生变化的风力发电设备。为了解决上述的课题，本发明所涉及的风力发电设备的特征在于，具备：受风旋转的叶片；使旋转体伴随着该叶片的旋转而旋转以进行发电运转的发电机；借助主轴来支承所述叶片的机舱；将该机舱支承为能够旋转的塔架；收纳在所述塔架内的功率转换器或变压器；配置在所述塔架的外周侧且对所述功率转换器或所述变压器进行冷却的多个散热器，配置在大致同等程度的高度的多个所述散热器在所述塔架的周向上以大致均等的间隔配置。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用自然风进行内部设备的冷却的风力发电设备。
背景技术
通常风力发电设备采用在塔架上部具备机舱的结构，该机舱借助主轴来支承利用叶片而旋转的旋翼。在该机舱的内部大多具备借助叶片的主轴的旋转而旋转的发电机，然而为了得到发电机优选的转速，有时采用在旋翼与发电机之间配置增速机以增加转速的结构。由发电机发出的电能经由功率转换器、变压器而转换成能够供给至电力系统的电力。
发电机、增速机、功率转换器、变压器等设备内置在风力发电设备中，从而以热的形式产生设备损失。因此，需要使产生的热发散而使设备能够以适当的温度运转的冷却系统。结果大多使用如下的系统，即应向风力发电设备外部的大气或水中发散热量的具有放热器(散热器)、风扇的系统。此处，作为不具有可动部即风扇的冷却系统，而存在例如专利文献1所记载的冷却系统。在该公报中记载有“将放出变压器的热量的自冷式放热器设置在风力发电设备的外部，而通过使外部的空气与自冷式放热器接触以进行冷却”的意思。而且，在上述公报中考虑到风向的变化，还记载了“将放热器配置在风力发电设备的外部的多个方向上”这一方面。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-102692号公报
发明内容
发明要解决的课题
如上所述，专利文献1是在由自然风对变压器进行冷却这方面的发明，然而在配置的方法等方面还有进一步研究的余地。即，不考虑配置的方法，而单纯设置多个散热器，可能因风向而导致冷却性能发生变化。对此，本发明的目的在于提供一种难以因风向而导致冷却性能发生变化的风力发电设备。
解决方案
为了解决上述的课题，本发明所涉及的风力发电设备的特征在于，所述风力发电设备具备：受风旋转的叶片；使旋转体伴随着该叶片的旋转而旋转以进行发电运转的发电机；借助主轴来支承所述叶片的机舱；将该机舱支承为能够旋转的塔架；收纳在所述塔架内的功率转换器或变压器；配置在所述塔架的外周侧且对所述功率转换器或所述变压器进行冷却的多个散热器，配置在大致同等程度的高度的多个所述散热器在所述塔架的周向上以大致均等的间隔配置。
发明效果
根据本发明，能够提供一种难以因风向而导致冷却性能发生变化的风力发电设备。
附图说明
图1是表示实施例1所涉及的海洋上设置的风力发电设备的简要图。
图2是实施例1的风力发电设备的散热器设置部的简要立体图。
图3是说明发明的散热器配置的效果的塔架、散热器的水平剖视图。
图4是对风的流速向量的相对于散热器面的法线方向成分的平均值进行了比较的图。
图5是实施例1的风力发电设备的散热器的冷却水流路的结构图。
图6是实施例2的风力发电设备的散热器设置部的简要立体图。
图7是实施例3的风力发电设备的散热器的冷却水流路的结构图。
附图标记说明如下：
1 叶片
2 旋翼
3 主轴
4 增速机
5 发电机
6 机舱
7 塔架
8 功率转换器
9 变压器
10 基部
12 海面
13 散热器
13a 散热器(有效部分)
13b 散热器(无效部分)
14 冷却水泵
15a 阀(开)
15b 阀(闭)
W 自然风的方向
F 空气的流动
具体实施方式
以下，结合附图对本发明的实施例进行说明。
实施例1
采用图1至图5对实施例1进行说明。图1表示实施例1的海洋上设置的风力发电设备的简要图。该风力发电设备在以从水面下向海洋上突出的方式设置的塔架7的顶部配置有机舱6，该机舱6对具有叶片1与轮毂(未图示)的旋翼2进行枢轴支承。旋翼2经由主轴3进而经由增速机4而与发电机5连接。发电机5通过电缆(未图示)而与内置在塔架7的下部的功率转换器8、变压器9等电气部件相连。
而且，该风力发电设备为了冷却功率转换器8而采用混合了防冻剂的冷却水作为冷却介质，并由塔架7在比旋转时的风车叶片1的最下端低的位置处支承用于引导该冷却水的多个散热器13。图2表示本实施例的风力发电设备的散热器13设置部的简要立体图。如图2所示，散热器13a、13b在塔架7的周向上每隔大致120°而在三个方向上分散配置，在一个周向上沿着纵向配置有三个。需要说明的是，散热器13a是偏离了风向方向的对冷却有效的部分，散热器13b与风向方向一致，是难以对冷却有帮助(并非完全没有帮助)的部分(作为无效部分)。
而且，散热器13a、13b的冷却水流路混合有串联地连接散热器13a、13b的部分与并列地连接散热器13a、13b的部分，其中使串联地连接的散热器组成为在该塔架7的周向上分散的配置。这一点采用图5后述。
接下来，对本风力发电设备的动作进行说明。风力发电设备中，机舱6以使旋翼3的旋转面朝向风向W的方式旋转(横摆控制)，因风能而使叶片1受力，从而使旋翼3旋转。需要说明的是，图1所示的风力发电设备是在旋翼3处于塔架7的下游侧的状态下运转的下风向型风力发电设备。旋翼3的旋转借助增速机4而被提高至适合发电机5的转速并传递至发电机5。发电机5旋转，由此发出的电能被功率转换器8整流，进而被变压器9调节电压而输送至电力系统。此时，发电机5、功率转换器8、变压器9等因电流流动时的损失而产生热量。而且，增速机4也因损失形成并产生热量。
在本实施例的风力发电设备中，功率转换器8的冷却采用应用了本发明的水冷方式。即，通过泵使冷却水在功率转换器8与散热器13之间循环，而将在功率转换器8获取了的热量向塔架7的外部运送而向外部空气放热，由此进行冷却。但是，本发明的应用范围并非限定于水冷方式。
散热器13设置在比旋转时的叶片1的最下端均低的位置，因此能够避免对风力发电设备的发电能力、因风的流动而施加于叶片1的载荷变动的影响。另一方面，由于风速在比旋翼3中心、配置有机舱6的上空低的位置处下降，因此为了得到所期望的冷却性能，如何将冷却所需的风高效地向散热器13供给变得尤为重要。
散热器13被在外部流动的自然风冷却，然而自然风W的风向不固定，因此仅将散热器13设置在一个方向会因风向W而导致难以供给散热器13所需的空气(风)。因此可能无法获得所期望的冷却性能。此外与机舱6不同，散热器13通常固定在塔架7且不进行配合风向W的横摆控制，因而容易因风向W而导致冷却性能发生变化。为了处理该问题，需要使散热器13朝向多个方向设置。
对此，在本实施例中，为了获得相对于任意的风向都稳定的冷却性能，而在大致圆柱形的塔架7的周向上隔开大致均等的间隔地配置有散热器13。此外，其中也考虑到为了抑制成本的上升所需的最小限度的散热器13的配置，其结果是得到如下的结论，即尤为优选每隔大致120°而在三个方向上配置。
图3是表示说明本发明的散热器13的配置的效果的塔架7、散热器13a和13b的水平剖视图。如图3(a)所示，例如若每隔大致180°而在两个方向上配置，则无法与平行于散热器13b的面的方向的风向对应。需要说明的是，可以说，即使在两个方向上的大致均等配置的情况，与仅在一个方向上配置散热器的情况相比，相对于风向的冷却性能的变化小，冷却性能难以变化。但是，若考虑到平行于散热器13b的面的方向的风向，则更优选在周向上沿着三个以上的方向配置散热器。
如图3(c)所示，就每隔大致90°而在四个方向上配置而言，虽然与风向对置的两个方向的散热器13a能够接受足够的风而发挥良好的冷却性能，但剩余的两个方向的散热器13b几乎无法期待冷却效果。与此相比，就在图3(b)的每隔120°而在三个方向上配置而言，相对于任意的风向都能够期待一定的冷却性能的散热器13b在两个方向上存在，从而能够在最小限度内一直在最差的状态下无助于冷却的散热器13a。
图4表示对风的流速向量的相对于散热器面的法线方向成分的平均值进行了比较的图。在该图中，对于每隔120°而在三个方向上配置的情况和每隔90°而在四个方向上配置的情况，对在风向发生了变化的情况下风的流速向量的相对于散热器面的法线方向成分的平均值如何变化进行了比较，曲线图的值数通过下述两个值的比值来表示，其一是：在风向发生了变化的情况下，风的流速向量的相对于散热器面的法线方向成分的平均值；其二是：在风的流速向量与散热器面的法线向量一致(即散热器面与风向一致)的情况下，风的流速向量的相对于散热器面的法线方向成分的平均值。简而言之，该值(若不考虑塔架的形态、流动的剥离等影响)与通过散热器的风量的大小相关，并且也显示出设置的散热器是否被有效利用的情况。由图4可知，对于大致同等程度的高度，相比每隔90°而在四个方向上配置的情况，每隔120°而在三个方向上配置的情况相对于风向变动较小，因此基于不依赖风向的稳定的冷却的角度出发是有利的。而且，由于减少散热器的设置数量，因此性价比良好。
图5表示本实施例的风力发电设备的散热器13a、13b的冷却水流路的结构(阀、传感器等省略图示)。在该冷却水流路中，采取将三个散热器13a、13b串联地连接的流路并列排列有三条的结构。此外，各个串联的散热器使串联连接的散热器的方向在三个方向上分散，并使冷却水通过任意方向的散热器。即，在三个串联的散热器中流动的冷却水(至少)一个接一个地通过配置在不同方向(不同的各个方向，尤其是在该情况下为三个方向)的散热器。由此在因风向而只能对两个方向的散热器13a期待冷却性能的情况下，三条并列的所有的冷却水的流动通过两个能够期待冷却性能的散热器13a、和一个风不能充分进入而无法期待冷却性能的散热器13b。由此，从三条并列的流路的任意的冷却水都可以均衡地进行放热，从而能够不受风向影响地得到冷却效果。需要说明的是，若以至少一个接一个地通过配置在不同的各个方向的散热器的方式形成各个串联流路，则与风向无关而能够期待冷却性高的稳定性，而即使不至少一个接一个地通过配置在不同的各个方向的散热器，只要与在塔架的周向上的不同方向的制冷剂流路串联连接，也能够期待使因风向变动而导致的冷却性能的变化平均化的效果。
此外，在以串联连接散热器而使冷却水流动的情况下，越靠下游侧、冷却水越被冷却而使得温度下降，因此与外部空气之间的温度差变小，放热性能降低。在串联连接的散热器在塔架的周向上设置在相同方向上的情况下，设置在某个方向的散热器供给有足够的风因此发挥高放热性能，而正因为该高放热性能，在冷却水的流动中，冷却水的温度在最下游的散热器处大幅度降低，而几乎无法获取与外部空气之间的温度差，由此导致该散热器自身放出的热量显著降低。与此相对地，在本实施例中，即使在完全无法期待一个方向的散热器的冷却性能那样的风向的情况下，通过三条并列的冷却水流路而均衡地进行冷却，因此能够避免因在任意的流路中与外部空气之间的温度差显著降低而得不到放热性能的现象。
另外，在本实施例中，尤其是对在高度方向上配置三个散热器、在周向配置三个方向的散热器的情况进行了说明，然而只要是配置在大致同等程度的高度的多个散热器在塔架7的周向上以大致均等的间隔配置，则能够期待冷却性能难以因风向而发生变化的效果，并不局限于在高度方向上配置三个、并且在周向上配置三个方向的情况。
实施例2
结合图6对本发明的实施例2进行说明。需要说明的是，对于与实施例1重复的部分，省略其说明。图6是本实施例的风力发电设备的散热器13的设置部的简要立体图。在本实施例的风力发电设备中，与第一实施例相同地，每隔120°而在三个方向上配置的散热器13沿着纵向使用三个，而总计使用九个，但成为按照纵向的设置位置而使周向的设置角度各错开大致40°的交错配置。此处，各错开40°地设置的原因在于，当将周向上的散热器的个数设为a、将高度方向上的散热器的个数设为b时，只要在周向上各错开大致360°／(a×b)的间隔，则包括高度方向在内使各个散热器在周向上大致均等地配置，从而难以受到因风向的变化造成的冷却性能的变化。40°为a=3、b=3的情况导出的角度。
这种散热器配置的情况下，各散热器13的朝向均不相同，因此相对于风向的冷却性能的稳健性进一步提高。此外，以纵向的各层即上层、中层、下层的散热器组各自每隔120°而在三个方向上配置，因此如上所述也能够实现各层的散热器组的有效利用。
在本实施例中，不只是大致同等程度的高度，也包含了不同高度的散热器在内，在周向上成为大致均等的间隔地进行了设置，然而在各高度在塔架的周向上以大致均等的间隔配置的情况下，只要在高度方向配置有多层、并且任一个散热器彼此在塔架的周向上均不重叠，则难以发生因风向造成的冷却性能的变化。当然，如本实施例那样，在周向以大致360°／(a×b)的间隔各自错开，则对称性更高，更难以发生因风向造成的冷却性能的变化。
实施例3
结合图7对本发明的实施例3进行说明。图7是本实施例的风力发电设备的散热器13a、13b的冷却水流路的结构图。设备结构与第一实施例大致相同，就散热器13a、13b向塔架的配置而言，使三个串联的散热器在塔架的周向上配置相同，但具有用于调节在各散热器组流动的冷却水量的阀15a、15b。对于与实施例1重复的部分，省略其说明。
在使串联连接的制冷剂流路在塔架周向上配置相同的情况下，外部空气与冷却水的温度差在最下游变小而可能导致冷却性能降低，而还具有能够缩短冷却水配管长的优点。在本实施例中，作为确保此时的冷却性能的方法，搭载风向计等的风向检测功能，并根据检测到的风向以如下方式进行控制，即，对于设置在难以供给有风的方向的散热器13b，关闭阀15b而切断冷却水的流入，对于设置在容易供给有风的方向的散热器13a，打开阀15a以输送更多的冷却水。
若向被有效冷却的散热器13a输送更多的冷却水，则散热器13a内的冷却水流速提高，因此实现了放热性能的进一步提高。而且，单位时间内流动的冷却水的热容量也变大，因此即使放出相同的热量也抑制冷却水温度的降低，确保了与外部空气之间的温度差，从而容易维持最下游的散热器13a的放热性能。
需要说明的是，上述的实施例仅为示例，而并非对发明内容进行限定。例如，在被冷却对象为功率转换器8以外的设备或冷却介质为油那样的物质的情况下，只要使进行放热的散热器13的结构、流量调节相同，即可得到所期望的效果，属于本发明的意图的范围内。此外，上述各实施例中，对在旋翼3处于塔架7的下游侧的状态下运转的下风向型的风力发电设备进行了说明，然而也能够应用于在旋翼处于塔架的上游侧的状态下运转的上风向型的风力发电设备。
根据本发明，能够提供具有低成本且高效的冷却系统的风力发电设备，该冷却系统在风力发电设备的设备冷却中，通过采取由自然风进行的散热器冷却的情况下的、所需最小限度的散热器配置来进一步提高相对于风向的稳健性。不在塔架外部使用可动的风扇而由自然风进行冷却的本系统，不仅消除了风扇的消耗电力而提高了节能性，而且在风扇故障时也能够得到所需的冷却性能，从而能够减小风力发电设备的意外停止、输出限制运转的风险。
Claims (11)
1.一种风力发电设备，其特征在于，
所述风力发电设备具备：受风旋转的叶片；使旋转体伴随着该叶片的旋转而旋转以进行发电运转的发电机；借助主轴来支承所述叶片的机舱；将该机舱支承为能够旋转的塔架；收纳在所述塔架内的功率转换器或变压器；配置在所述塔架的外周侧且对所述功率转换器或所述变压器进行冷却的多个散热器，
配置在大致同等程度的高度的多个所述散热器在所述塔架的周向上以大致均等的间隔配置。
2.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，
所述散热器在所述塔架的周向上以大致均等的间隔配置在三个以上的方向上。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，
任一个所述散热器均配置在比旋转时的所述叶片的最下端靠下方的位置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的风力发电设备，其特征在于，
多个所述散热器在大致同等程度的高度处配置在三个方向上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的风力发电设备，其特征在于，
所述散热器在高度方向上配置有多个，
在所述散热器形成的制冷剂流路与在所述塔架的周向上的不同方向的所述散热器形成的制冷剂流路串联连接。
6.根据权利要求5所述的风力发电设备，其特征在于，
串联连接的所述制冷剂流路至少通过一次配置在周向上的任一方向上的所述散热器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的风力发电设备，其特征在于，
所述散热器在高度方向上配置有多个，
所述散热器彼此均不在所述塔架的周向上重叠。
8.根据权利要求7所述的风力发电设备，其特征在于，
当将周向上的所述散热器的个数设为a、将高度方向上的所述散热器的个数设为b时，
所述散热器在周向上按照大致360°／(a×b)的间隔配置。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的风力发电设备，其特征在于，
所述风力发电设备能够根据风向而调节在所述散热器中流动的制冷剂的流量。
10.根据权利要求9所述的风力发电设备，其特征在于，
所述风力发电设备以在配置于上风侧的所述散热器中流动的制冷剂的流量比在配置于下风侧的所述散热器中流动的制冷剂的流量多的方式进行调节。
11.根据权利要求10所述的风力发电设备，其特征在于，
所述风力发电设备还具备风向计，
所述散热器在高度方向上配置有多个，
在所述散热器形成的制冷剂流路与在所述塔架的周向上的大致相同方向的所述散热器形成的制冷剂流路串联连接，
在串联连接的各个所述制冷剂流路内具备能够调节在流路内流动的制冷剂的流量的阀，
根据所述风向计的检测结果来调节所述阀，以使在配置于上风侧的所述散热器中流动的制冷剂的流量比在配置于下风侧的所述散热器中流动的制冷剂的流量多。
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