JP2005069082A - 風車の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 「ブレードの加温」及び「発電機の冷却」の双方をきわめて簡単な構成で実現することができるとともに、故障の蓋然性が少なくきわめて信頼性に優れる風車の温度制御装置を提供する。
【解決手段】 ブレード４２と、この回転力を伝達するとともに中空部３１を有する主軸３０と、発電機５０と、を備える風車１の温度制御装置において、ブレード４２内に翼根部から前縁部を経て翼端部に至り後縁部を経て翼根部に戻るブレード内流路が設けられ、発電機５０内に外部の空気を流入させる吸気口５１ａと、発電機５０内の空気を主軸３０の中空部３１へと導く通気口３２と、主軸３０の中空部３１内の空気をブレード内流路へと導く空気流入口４３ａと、ブレード４２の翼根近傍部分に設けられブレード内流路に連通する排気口４３ｂと、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風力を電力に変換する風車の温度制御装置に関する。

近年、自然風から安定した電力を得る目的で、風車が実用化されている。かかる風車は、風のエネルギを回転運動に変換するブレードを有するロータと、このロータの回転運動のエネルギを電力に変換する発電機と、を備えている。

風車を寒冷地で使用する場合には、ブレードに着氷や着雪が生じ、ブレード間の重量や空力特性に不均衡が生じることがある。そして、かかる不均衡に起因して風車全体に振動が発生することがあり、過振動状態に達した場合には、荷重軽減のために、運転を停止させる必要がある。また、風車のブレードは複合材で製作されるため、風車を極寒条件下で使用すると脆性破壊が生じ易くなる。

このようなブレードに生じる着氷や着雪を防止するとともに、極寒条件下での使用によるブレードの破損を防止する目的でブレードにヒータを内蔵させる技術が提案されていた（例えば、非特許文献１参照）。
Melanie Koenig "Arctic Wind Power"、［online］、1999年7月2日、The ISES International Consultants Network、［平成15年6月30日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://wire0.ises.org/wire/exchanges/Projects.nsf/0/9b92134bb5769feec12567a20034d56f?OpenDocument＞

しかし、非特許文献１に記載されたような技術を採用すると、ブレード内のヒータを駆動させるための電力や制御装置のほか、スリップリング等の部品が必要となるため、コストが増加する上に信頼性・耐久性に問題がある。また、ブレード内のヒータは修理が困難であるため、故障が発生した場合には長期にわたって風車の運転を停止させることとなっていた。

一方、ロータを回転させて発電機を高出力で連続運転させると、発電機の温度が上昇して破損にいたる場合がある。このような発電機の温度上昇を防止する目的で、何らかの手段で発電機を冷却している。現段階で一般的に採用されている「空冷」によって充分な冷却効果を得るためには、ナセルに収納された発電機の近傍にブロワを設けたり、ナセルに排出用ダクトを設けたりする等、所定の冷却装置を装備する必要がある。

従来は、発電機の冷却のためにこのような冷却装置を要していたので、冷却装置を駆動するための電力や制御装置が必要であり、風車本体のコストの増加をもたらすことに加え、冷却装置の点検や整備のための手間やコストがかかっていた。また、冷却装置が故障した場合には風車の運転を停止させなければならず、信頼性の観点からも問題があった。

特に、風車を寒冷地で冬季に使用する場合には、積雪でアクセスが困難となるなどメンテナンスがきわめて困難であるため、これら冷却装置やヒータが故障すると長期にわたって風車の運転が停止してしまうこととなる。一般に、冬季の風力エネルギはきわめて大きいため、これら冷却装置やヒータの故障により風車が長期にわたって運転を停止すると、この大きい風力エネルギを得ることができず、損失は大きかった。

本発明の課題は、「ブレードの加温」及び「発電機の冷却」の双方をきわめて簡単な構成で実現することができるとともに、故障の蓋然性が少なくきわめて信頼性に優れる風車の温度制御装置を提供することである。

以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、風力を回転力に変換するブレードと、前記ブレードを固定して回転するとともに中空部を有する主軸と、前記主軸に連結され回転力を電力に変換する発電機と、を備える風車の温度制御装置において、前記発電機内に外部の空気を流入させる吸気口と、前記発電機内の空気を前記主軸の前記中空部へと導く通気口と、前記ブレード内に、翼根部から前縁部を経て翼端部に至り後縁部を経て翼根部に戻るように形成されたブレード内流路と、前記主軸の前記中空部内の空気を前記ブレード内流路へと導く空気流入口と、前記ブレードの翼根部に設けられ前記ブレード内流路に連通する排気口と、を備えることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、発電機内に外部の空気を流入させる吸気口と、発電機内の空気を主軸の中空部へと導く通気口と、主軸の中空部内の空気をブレード内へと導く空気流入口と、ブレード内流路と、このブレード内流路に連通する排気口と、から、空気の流入・流出経路が形成される。このため、外部から吸気口を介して発電機内部に空気を流入させ、この空気に発電機の排熱を吸収させて発電機を冷却することができる。また、発電機の排熱を吸収して加温された空気を、主軸の中空部を介してブレード内流路へと導き、ブレード（特に前縁部）を加温することができる。

従って、発電機の冷却に従来要していた冷却装置を設ける必要がなく、かつ、ブレード内部にヒータを設ける必要もない。このため、冷却装置やヒータを駆動するための電力や制御装置等が不要となる。この結果、風車本体のコストを格段に低減させることができる。また、冷却装置やヒータの点検や整備に要する手間やコストも不要となる。

また、冷却装置やヒータの故障を憂慮する必要がないので、きわめて信頼性に優れる。従って、風車を寒冷地において冬季に連続的に運転させた場合でも、故障によって運転を長期的に停止させることが少なくなる。この結果、冬季の大きい風力エネルギを効率よく取得することが可能となる。

本発明によれば、外部空気の流入による「発電機の冷却」と、発電機の排熱を利用した「ブレードの加温」と、をきわめて簡単な構成で実現することができるので、冷却装置やヒータの点検・整備に要する手間やコストが不要となるとともに、風車の信頼性を格段に向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。なお、本実施の形態においては、定格出力が１００ｋＷの水平軸型風車１の温度制御装置について説明することとする。

まず、図１〜図３を用いて、水平軸型風車１の構成について説明する。

水平軸型風車１は、タワー１０と、このタワー１０の頂部に取り付けられたナセル２０と、このナセル２０に略水平方向に延在して軸支された主軸３０と、この主軸３０に取り付けられたロータ４０と、を備えている（図１参照）。そして、温度制御装置は、ナセル２０内の発電機５０のケーシング５１に設けられた吸気口５１ａ、主軸３０に設けられた中空部３１及び通気口３２、ロータ４０のブレード４２内に設けられたブレード内流路、ロータ４０に設けられた空気流入口４３ａ及び排気口４３ｂ、等を備えて構成されている（図２及び図３参照）。

ナセル２０は、タワー１０の頂部に回動自在に取り付けられており、その内部には、発電機５０や（図示されていない）ギアボックス、コントローラ等の各種機器が搭載される。なお、図１には、ナセル２０を構成する下部カバーの一部分のみを示しており、図示されていないナセル２０の上部カバーには、外部の空気を流入させる通気口が設けられている。

発電機５０は、ケーシング５１と、ケーシング５１の内部に固定された発電用固定子である巻線５２と、主軸３０の周面に固定された発電用回転子である永久磁石５３と、を備えた巻線型誘導発電機である（図２参照）。風力によってロータ４０が回転すると、このロータ４０に取り付けられた主軸３０とともに永久磁石５３が回転して巻線５２に誘導起電力を発生させる。なお、本実施の形態における発電機５０の効率は９０％とされている。

発電機５０のケーシング５１には、外部の空気をケーシング５１内に流入させるための吸気口５１ａが設けられている（図２参照）。ナセル２０の内部に流入した外部の空気を、この吸気口５１ａから発電機５０のケーシング５１内に流入させることができる。

主軸３０は、空気を流通させる中空部３１を有するとともに、発電機５０のケーシング５１内に収納された周面に、ケーシング５１内の空気を中空部３１内へ流入させるための通気口３２を複数設けている（図２参照）。ナセル２０の内部に流入した外部の空気を、発電機５０のケーシング５１の吸気口５１ａ及び主軸３０の通気口３２を介して、主軸３０の中空部３１内に流入させることができる。

なお、発電機５０のケーシング５１内の空気を、主軸３０の通気口３２を介して中空部３１内に効率よく流入させるために、ケーシング５１の吸気口５１ａ以外の部分における気密性を確保するようにする。

ロータ４０は、ハブ４１および２枚のブレード４２を備えている。ハブ４１は、主軸３０の端部に固定されるとともに、主軸３０の中空部３１に連通するハブ内流路４１ａを有している（図３（ａ）参照）。ブレード４２は、円筒型の翼根軸部４３を有しており、この翼根軸部４３を介してハブ４１に接続されている。ブレード４２の内部には、ハブ４１と翼根軸部４３との接続部分からブレード４２の翼端側へと延在する桁部材４４が設けられている。桁部材４４により、ブレード４２の前縁部側空間４２ｆと後縁部側空間４２ｒとが仕切られている（図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）参照）。

また、ハブ４１と翼根軸部４３との接続部分には、ハブ４１のハブ内流路４１ａ内の空気をブレード４２内に流入させる空気流入口４３ａが設けられている（図３（ａ）参照）。また、翼根軸部４３の後縁部側周面には、ブレード４２内の空気を外部に排出するための排気口４３ｂが複数設けられている（図３（ａ）、（ｃ）参照）。

空気流入口４３ａからブレード４２内に流入した空気は、桁部材４４で仕切られた前縁部側空間４２ｆを通り、ブレード２２の翼端近傍空間４２ｅを経由して、ブレード４２の後縁部側空間４２ｒへと流れ、排気口４３ｂから排出されることとなる（図３（ａ）参照）。すなわち、ブレード４２の前縁部側空間４２ｆ、翼端近傍空間４２ｅ及び後縁部側空間４２ｒは、本発明におけるブレード内流路を構成している。

以上の構成により、ナセル２０の内部に流入した外部の空気は、発電機５０のケーシング５１の吸気口５１ａ、主軸３０の通気口３２、主軸３０の中空部３１、ハブ内流路４１ａ、空気流入口４３ａ、ブレード内流路（前縁部側空間４２ｆ、翼端近傍空間４２ｅ及び後縁部側空間４２ｒ）を経由して、ブレード４２の翼根軸部に設けられた排気口４３ｂから外部へと排出されることとなる。

なお、主軸３０の中空部３１内の空気を、ハブ内流路４１ａ及びブレード内流路を経由して、排気口４３ｂから効率よく排出させるために、ハブ４１の気密性と、ブレード４２の排気口４３ｂを除く部分における気密性と、を確保するようにする。

次いで、本実施の形態に係る水平軸型風車１の定格運転時における発電機５０の冷却作用およびブレード４２の加温作用について説明する。

水平軸型風車１は、定格風速に達した風を受けて定格運転を行う。この定格運転時において、ナセル２０内に外部の空気を流入させ、この空気を、吸気口５１ａを介して発電機５０のケーシング５１内に流入させる。ここで、水平軸型風車１の定格運転時においては１００ｋＷの出力が可能であるが、発電機５０の効率を９０％と想定すると、発電機５０は１０ｋＷ分の排熱を放出する。この排熱は、発電機５０のケーシング５１内に流入した空気によって吸収されるため、発電機５０が冷却される（発電機５０の冷却作用）。

一方、発電機５０のケーシング５１内に流入した空気は、発電機５０から放出された排熱によって加温される。この加温された空気は、主軸３０の通気口３２、主軸３０の中空部３１、ハブ内流路４１ａ、空気流入口４３ａ及びブレード内流路を経由して、ブレード４２の翼根軸部４３に設けられた排気口４３ｂから、空気剥れにより吸い出されて外部へと流出する。この際、加温された空気によってブレード４２が加温される（ブレード４２の加温作用）。

以上説明した実施の形態に係る水平軸型風車１の温度制御装置においては、発電機５０内に外部の空気を流入させる吸気口５１ａと、発電機５０内の空気を主軸３０の中空部３１へと導く通気口３２と、主軸３０の中空部３１内の空気をブレード５０内へと導く空気流入口４３ａと、ブレード内流路と、このブレード内流路に連通する排気口４３ｂと、から、空気の流入・流出経路が形成される。

このため、外部から吸気口を介して発電機５０内部に空気を流入させ、この空気に発電機５０の排熱を吸収させて発電機を冷却することができる。また、発電機５０の排熱を吸収して加温された空気を、主軸３０の中空部３１を介してブレード内流路へと導き、ブレード４２全体（翼端部分〜翼根部分）を加温することができる。

本実施の形態においては、発電機５０より放出された１０ｋＷ分の放熱の熱伝達効率（発電機５０から放出されてからブレード４２の空気流入口４３ａにいたるまでの熱伝達効率）を１０％と想定すると、かかる熱伝達効率で伝達された熱量は、ブレード４２の前縁部分（全質量の１０％に相当する部分）を、１分間で１℃上昇させる程度の熱量に相当する。従って、ブレード４２への着氷や着雪を効果的に防止することができる。

従って、発電機５０の冷却に従来要していた冷却装置を設ける必要がなく、かつ、ブレード４２内部にヒータを設ける必要もない。このため、冷却装置やヒータを駆動するための電力や制御装置等が不要となる。この結果、水平軸型風車１本体のコストを格段に低減させることができる。また、冷却装置やヒータの点検や整備に要する手間やコストも不要となる。

また、本実施の形態に係る水平軸型風車１の温度制御装置においては、冷却装置やヒータの故障を憂慮する必要がないので、きわめて信頼性に優れる。従って、水平軸型風車１を寒冷地において冬季に連続的に運転させた場合でも、故障によって運転を長期的に停止させることが少なくなる。この結果、冬季の大きい風力エネルギを効率よく取得することが可能となる。

なお、以上の実施の形態においては、ブレード４２の翼根軸部４３の後縁側周面に、複数の排気口４３ｂを設けた例を示したが（図３（ａ）、（ｃ）参照）、ハブ４１と翼根軸部４３との接続部分に排気口４３ｃを設けることもできる（図４参照）。かかる場合には、排気口４３ｃとナセル２０とを接続する排気管４５を取り付け、排気口４３ｃから排出された空気をナセル２０内に流入させた上で、外部に排出することができる。

なお、排気口４３ｃから排出された空気は、ブレード４２内を循環する過程で冷却されているため、この冷却された空気を、排気管４５を介してナセル２０内に導き、吸気口５１ａから発電機５０内部に流入させて、発電機５０の冷却に再利用することもできる。そして、冷却された空気の流れは、外部の空気流れによる吸い出しのほか、ナセル２０後方に吸い出し用のファンを設けて発生させることもできる。

本発明の実施の形態に係る温度制御装置が設けられた水平軸型風車の発電機からブレードにいたる構成を説明するための説明図である。 図１のII部分の拡大図である。 （ａ）は図１のIII部分の拡大図であり、（ｂ）は（ａ）のB−B部分の断面図であり、（ｃ）は（ａ）のC−C部分の断面図である。 図１の水平軸型風車のブレードに設けられる排気口の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 水平軸型風車
３０ 主軸
３１ 中空部
３２ 通気口
４２ ブレード
４２ｅ 翼端近傍空間（ブレード内流路）
４２ｆ 前縁部側空間（ブレード内流路）
４２ｒ 後縁部側空間（ブレード内流路）
４３ａ 空気流入口
４３ｂ 排気口
４３ｃ 排気口
５０ 発電機
５１ａ 吸気口

Claims (1)

1. 風力を回転力に変換するブレードと、前記ブレードを固定して回転するとともに中空部を有する主軸と、前記主軸に連結され回転力を電力に変換する発電機と、を備える風車の温度制御装置において、
   前記発電機内に外部の空気を流入させる吸気口と、
   前記発電機内の空気を前記主軸の前記中空部へと導く通気口と、
   前記ブレード内に、翼根部から前縁部を経て翼端部に至り後縁部を経て翼根部に戻るように形成されたブレード内流路と、
   前記主軸の前記中空部内の空気を前記ブレード内流路へと導く空気流入口と、
   前記ブレードの翼根部に設けられ前記ブレード内流路に連通する排気口と、
   を備えることを特徴とする風車の温度制御装置。

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