JP2009531579A - 風力タービンのための熱管理システム - Google Patents

Abstract

風力タワー内に収容された電子装置において発生した熱を、冷却目的でタワーをヒートシンクとして使用することによって伝導するための方法。熱の伝達は、電子装置の液体冷却及び、タワーに熱的に取り付けられた熱交換器の中に液体を循環させることによって生じる。そして、高い風速及びパワーレベルでタワーに吹きつける風がタワーを冷却する。１つの方法は、タワーと熱的接触している銅管を使用する。第２の方法は、熱を発生する構成要素をタワーに直接取り付ける。第３の方法は、タワーの外周上に間隔をおいて配置された液体−気体熱交換器を使用する。３つの全部の場合において、風に立っているタワーが制御システムから熱を除去するために使用される。

Description

本発明は、高いタワーの頂部のナセルに収容された風力タービン、より詳しくは風力タービンタワーの内部から熱を除去するための装置に関する。

風力で発電された電気は世界中の多くの場所で普通になっているので、風力タービン施設をより美観にしたいという願望が起きている。１つの具体的な懸念は、それらが隠されることなく見えるようにタービンタワーの外に配置される制御キャビネットの場所である。この懸念に対処するために、近年、風力タービンタワーの内部に制御システムキャビネットを配置することが一般的になっている。一般に、そのようなキャビネットを収容するために十分な空間は存在するが、重大な熱管理の問題が存在する。例えば、パワー電子コンバータ制御システムが一般に使用される可変速風力タービンでは、コンバータ制御システムによる相当の熱の発生が存在する。例えば、１．５ＭＷタービンにおける９６％効率でのフルコンバータシステムを検討しよう。これは、１．５ＭＷの４％、つまり６０ｋＷがコンバータによって消散されることを意味する。コンバータが適切な通風を伴わずにタワーに配置された場合、タワー内で大きな温度上昇が起こるだろう。この高温度は、コンバータ制御システムやタワー内の他の必須構成要素の寿命に害となる。この温度上昇に対処するために、大型の通風ファンが熱気を排出するためにタワーに配置されてきたが、タワーに穴を切ることによって材料を取り除くことは後述の理由で望ましくない。タワーの内部から熱を除去する代替方法を見つけることが最善であろう。

従来技術において、風力タービンタワー構造はタービンを持ち上げるように使用されている。タワーは、タワー上部構造が受ける機械的荷重に対して静的かつ動的に支持しなければならない。タワーはタワーの基部に入口ドアを有することが通例である。このドアは、タワーへの外部空気の通過を可能にするために開けられている。入口ドアに加えて、付加的な空気がドアの反対側でタワーに進入するのを可能にするためにドアの正反対に開口部が配置される。付加的なタワー切抜き部はタワー構造を弱めるので望ましくないが、やはりタワーへの十分な空気の進入を可能にするために要求される。

可変速風力タービンの場合、発電機は電気ペンダントケーブルによってタワー基部内のパワー電子制御システムと電気的に接続されている。同じことは、タワーの底部の制御システムが可変速コンバータではなく、より従来型の電気機械式又はパワー電子スイッチギヤであること以外、定速風力タービンにも当てはまる。制御システムは台に据えられている。制御システムからの熱除去は、制御システムキャビネットの頂部のヒートシンクによって実現される。制御システムによって発生した熱はヒートシンクに移され、そこでファンがヒートシンクの上に空気を吹きつけて熱を除去する。しかしなお熱はタワーに残り、これはもしタワーの頂部における排気切抜き部の設置がなければタワー温度の上昇を引き起こすであろう。アクティブファンが上昇する熱気をタワーの頂部の真下でタワーの外側に強制させる。

タワーの内部から熱を除去するこの方式の多くの望ましくない結果が存在する。第一に、この方式は冷気を引き込み熱気を排出する目的でメンテナンス用ドアの上に３つの付加的な切抜き部を必要とする。これらの付加的な切抜き部はタワーを構造的に弱め、そしてそれは鋼を追加する必要をもたらし、それはタワー構造にコストを追加する。第二に、その方式はタワー内に汚染物質を引き入れ、それは環境に応じて、制御システム、ペンダントケーブル、その他のタワー内構成要素にとって腐食性かつ有害となる。最後に、タワーの頂部の排気ファンはタービンの周りの区域への相当の可聴雑音の一因となる。

本発明の目的は、タワーの内部で制御システムによって発生した熱をタワーの外に移す改善された方法及び装置を見つけることである。

本発明の目的は、卓越風にさらされる当該タワーがヒートシンクの働きをするように、電子制御システムによって発生した熱損失を当該タワーの表面に伝導するための伝熱手段を備える、風力タービンタワーにおける装置によって解決される。本発明は、可変速風力タービンにおいてパワー電子コンバータを、又は代替的に定速風力タービンにおいてスイッチギヤを含む風力タービンタワーの内部から熱を除去するための新規な装置及び方法を提供する。どちらの場合も、本発明はどちらかの制御システムから損失を除去するための独自の方式を提供する。従って、本発明はタワーをヒートシンクとして使用するという着想に基づいている。

１実施態様において、伝熱手段は、前記タワー及び前記電子制御システムと熱的接触している銅管により構成される。銅管を使用することにより、関連する管の設置が極めて容易であり、そして伝熱手段を動作させるためにいかなる追加の電子装置も使用する必要がないという利点を有する。

別の実施態様において、伝熱手段は、熱を前記タワーに直接放散するために前記電子制御システムの構成要素が取り付けられる前記タワーの平担な内面を含む。この実施態様において、タワーは構成要素を収容するために機械加工された表面を備える。構成要素は通常、平担面よりなるが、また、構成要素をタワーの内面に適応させるために曲面からなるようにしてもよい。

別の実施態様において、液体−気体熱交換器が前記タワーの外面上に間隔をおいて配置され、前記熱交換器は風にさらされており、それにより、前記タワーに熱的に取り付けられている前記１つ以上の液体−気体熱交換器の中に液体を循環させることにより前記電子制御システム構成要素を液体冷却することによって熱の伝達が起こる。伝熱手段への銅管の使用に比べ、この実施形態に従った装置は、より大きい熱量を伝達することができる。従って、この実施態様に従った装置は、大きいエネルギー量を除去することができるので、大型の風力タービンタワーに適する。

本発明に従った装置の１つの大きな利点は、種々の伝熱手段により伝導される種々の熱量のために、それが広範囲のタービンに個別化できることである。

本発明の目的はさらに、風力タービンタワーの内部から熱を除去するための方法によって解決され、風力タービンタワーは熱を発生する電子制御システムを備えており、方法は、熱をタワーの表面に伝達するステップと、熱の少なくとも一部をタワーに放散するステップとを含む。

言い換えれば、本発明は、コンバータ又はスイッチギヤにおいて発生した損失をタワーに伝導し、冷却目的でタワーをヒートシンクとして使用するための方法を提供する。

１実施態様において、電子制御システムによって発生した熱は、流体によって吸収され、流体は熱をタワーの表面に伝達し、吸収した熱の少なくとも一部をタワーに放散する。熱をタワーの表面に伝達するために流体を使用することにより、大きい熱量をタワーに伝達するという利点を提供する。従って、この実施形態に従った方法は、大きい熱量を発生する電子システムを使用する場合に好ましい。

流体によって吸収された熱を放散するために、流体は、タワーの表面に熱的に取り付けられた１つ以上の熱交換器の中を循環させられることが好ましい。１つ以上の熱交換器の使用は、より大きい熱量をタワーに放散するだけでなく、熱をより速く放散することも可能にする。

好ましい実施態様において、熱交換器はタワーの外面に取り付けられる。当然、少なくとも１つの熱交換器をタワーの内面に取り付けることもできるが、タワーの外面への取付は、熱交換器が熱をタワーだけでなくタワーがさらされる風にも放散することができるという利点を有する。

熱交換器は、タワーの外周上に間隔をおいて配置することができる。この場合、最大のパワーの消散は、熱除去が最大である最高風速で起こる。

熱を伝達することができるすべての流体が本発明とともに使用できることを認識しなければならない。しかし、大きい熱容量を備える流体を使用することが好ましい。

熱の伝達は、コンバータ又はスイッチギヤを液体冷却し、そしてタワーに熱的に取り付けられた熱交換器の中に液体を循環させることによって行うことができる。そして、高い風速とパワーレベルでタワーに吹きつける風がタワーを冷却する。

損失をタワーに移す１つの単純な方式は、タワー及びコンバータと熱的接触している金属管を使用することを含む。銅管を使用することが好ましい。しかし、大きい熱容量を備えるあらゆる材料を使用することができる。管に使用される材料の選択は、伝達しなければならない熱量を考慮に入れながら行われる。

別の方式は、熱をタワーに直接放散する構成要素を熱的に取り付ける方法を使用する。好ましい実施態様において、電子制御システムは熱を発生するフラット構成要素よりなり、熱は構成要素の平担面を通じてタワーの内壁に伝達される。

しかし全部の実施態様において、風に立っているタワーが、制御システムから熱を除去するための主要な方法として使用される。

本発明を図面に関して詳述する。

図１は、風力タービンタワーの内部で発生した熱を除去するために使用される現行技術の１例である。この図では、風力タービンが到来する風８に対面して図示されている。この風は風力タービンブレード６で揚力を生み出し、ロータ７全体の回転を生じる。ロータの回転は、増速装置３への機械的入力である低速メインシャフト５の回転を与える。増速装置の機械的出力は高速シャフト４であり、それは高速発電機２に接続されている。ギヤボックス３のギヤ比は、低速シャフト５の所要の速度を高速発電機２とシャフト４の速度に適合させるように選択される。風力タービンタワー構造は図において１と識別されている。この構造は、タービンを高架にするために使用されており、タワー上部構造が受ける機械的荷重に対する静的かつ動的に支持している。タワーは９で示されたように入口ドアを有することが通例であり、このドアはタワーへの外部空気の通過を可能にするために開けられている。ドアに加えて、付加的な空気が１３でタワーに進入するのを可能にするためにドアの正反対に開口部が配置される。付加的なタワー切抜き部はタワー構造を弱めるので望ましくないが、やはりタワー１への十分な空気の進入を可能にするために要求される。

さらに図１において、可変速風力タービンの場合、発電機は電気ペンダントケーブル１５によってパワー電子制御システム１１と電気的に接続されている。同じことは、タワーの底部の制御システム１１が可変速コンバータではなくより従来型の電気機械式又はパワー電子スイッチギヤであること以外、定速風力タービンにも当てはまる。制御システム１１は台１０に据えられている。制御システム１１からの熱除去は、制御システムキャビネット１１の頂部に図示されたヒートシンク１９によって実現される。制御システムによって発生した熱はヒートシンク１９に移され、そこでファン２０がヒートシンクの上に空気を吹きつけて熱を除去する。しかしなお熱はタワーに残り、これはもしタワーの頂部における排気タワー切抜き部１８の設置がなければタワー温度の上昇を引き起こすであろう。アクティブファン１７が、上昇する熱気をタワーの頂部の真下でタワーの外側に強制させる。

タワーの内部から熱を除去するこの方式の多くの望ましくない結果が存在する。第一に、この方式は冷気を引き込み熱気を排出する目的でメンテナンス用ドアの上に３つの付加的な切抜き部を必要とする。これらの付加的な切抜き部はタワーを構造的に弱め、そしてそれらは追加の鋼やコストをタワー構造に追加する結果となる。第二に、その方式はタワーに汚染物質を引き入れ、それは環境に応じて、制御システム、ペンダントケーブル、その他のタワー内構成要素にとって腐食性かつ有害となり得る。最後に、タワーの頂部の排気ファンはタービンの周りの区域への相当の可聴雑音の一因となる。これらの理由で、タワーの内部で制御システムによって発生した熱をタワーの外に移す改善された方法及び装置を見つけることが望ましいであろう。

図２、図３は、本発明の異なる態様を開示している。当業者は、ここに例示された構造及び方法の代替的な実施形態が本発明の原理を逸脱することなく援用できることを以下の検討から容易に認識するであろう。

本発明の概要を提示する図２に言及する。風力タービンが到来する風８に対面して図示されている。この風は風力タービンブレード６で揚力を生み出し、ロータ７全体の回転を生じる。ロータの回転は、増速装置３への機械的入力である低速メインシャフト５に回転を与える。増速装置の機械的出力は高速シャフト４であり、それは高速発電機２に接続されている。ギヤボックス３のギヤ比は、低速シャフト５の所要の速度を高速発電機２とシャフト４の速度に適合させるように選択される。風力タービンタワー構造は図において１と表示されている。この構造は、タービンを高架にするために使用されており、タワー上部構造への機械的荷重に対して静的かつ動的に支持する。タワーは９で示されたように入口ドアを有することが通例である。タワーは荷重保持構造であるので、熱の除去を可能にするために穴を切ることは極めて望ましくない。

さらに図２において、可変速風力タービンの場合、発電機は電気ペンダントケーブル１５によってパワー電子制御システム１１と電気的に接続されている。同じことは、タワーの底部の制御システム１１が可変速コンバータではなくより従来型の電気機械式又はパワー電子スイッチギヤであること以外、定速風力タービンにも当てはまる。制御システムは台１０に据えられており、管１３と循環ポンプ１２で構成される液体冷却装置を含む。制御システムへの電気的入力は発電機ペンダントケーブル１５からのものであり、制御システム出力電気パワーはタワーの基部から出て図示された地下導体１４を通じてタービンのパッドマウント変圧器と接続されている。循環ポンプによって、液体が制御システムの熱を発生する部分の間を流動する。この液体は、制御システムによって加熱され、高温で出る。液体は、１３で図示の通り管螺旋を通じてタワーに熱伝導させられる。液体は管１３の中を通過する際に、その熱をタワー１に譲り渡す。タワー１に吹きつける風８が、タワーに供給された熱を風に放散する。熱が風によって最終的に持ち去られるので、タワー内での著しい熱はまったく生じない。管螺旋の他方端での低温液体はその後、管１３によって制御システムの入口に循環して戻る。管を風力タービンタワーに取り付けるための多数の方法が存在する。例えば、溶接、ろう付け、又は熱接合（thermal bonding）はすべて許容できる方法である。管螺旋の巻き数や高さは、制御システムから除去されるｋＷに基づいて大きさを設定することができ、所望の温度上昇についてより多くのｋＷの放散のためにより大きな高さが可能であろう。１０〜８０℃の温度上昇を維持しながら、５〜数百ｋＷを除去することが通例である。

熱を制御システムからタワーの外に移動させる第２の方式が図３に図示されている。この方式は、既述のそれに類似のタワー構造１を使用する。タワーの切抜き部が図に示されており、タワーの内部に本発明を開示している。機械加工された平坦面６がタワー１の一方側に設けられている。表面６は、それに取り付けられるフラット構成要素４を受け入れるように機械加工され、タワー１全体への良好な熱伝導経路を付与する。制御システムにおいて使用される一般的な構成要素４は、ＩＧＢＴ、ＳＣＲ、ダイオードを含む電子モジュールである。そのようなモジュールは、平担面に取り付けられるように設計されている。これらの構成要素４によって発生した熱はその後、平担面を通じて、タワー１の内壁に伝達される。要素５は、熱流束を構成要素４からタワーのより大きい表面へより良好に伝達するために使用されるヒートパイプである。ヒートパイプの大きさは移される熱流束の量によって決定される。熱流束がより大きくなればなるほど、ヒートパイプはより長くなる。ヒートパイプは、溶接、ろう付け、又は熱接合によってタワーに熱的に接続され、構成要素４の熱をタワーのより大きい表面に伝達させる働きをする。一部の用途では、ヒートパイプを使用することは必要ではない。

この明細書に記載された特徴及び利点は、必ずしも全部が含まれるわけではなく、詳細には、多くの付加的な特徴及び利点が、図、明細書及びこのクレームに鑑みて当業者には明白であろう。さらに、明細書において使用された用語は主に読みやすさ及び指示の目的で選択されている点に留意しなければならず、従って本発明の内容を決定するためには必要に応じてクレームに依拠しなければならない。

空冷換気装置を備える従来技術の風力タービンタワーの斜視図である。 本発明に従ったタービンタワー内の熱管理システムの斜視図である。 図２に図示された熱管理システムのさらなる詳細図である。

Claims (12)

1. 風力タービンタワー（１）における装置であって、
   電子制御システム（１１、４）によって発生した熱損失を、卓越風にさらされる前記タワーがヒートシンクの働きをするように前記タワーの表面に伝導するための伝熱手段（６、１３）を備える、装置。
2. 前記伝熱手段は前記タワーと前記電子制御システムとに熱的接触している銅管（１３）を含む請求項１に記載の装置。
3. 前記伝熱手段は熱を直接前記タワーに放散するために前記電子制御システムの構成要素（４）が取り付けられる前記タワーの平担な内面を含む請求項１に記載の装置。
4. １つ以上の液体−気体熱交換器が前記タワー（１）の外面上に間隔をおいて配置されており、前記熱交換器は風にさらされており、それにより、前記タワーに熱的に取り付けられている前記１つ以上の液体−気体熱交換器の中に液体を循環させることにより前記電子制御システム構成要素（４）を液体冷却することによって熱の伝達が起こるようにする請求項１に記載の装置。
5. 風力タービンタワーの内部から熱を除去する方法であって、風力タービンタワーは熱を発生する電子制御システム（１１、４）を備えており、方法は、
   ａ）熱をタワーの表面に伝達するステップと、
   ｂ）熱の少なくとも一部を前記タワーに放散するステップとを含む、方法。
6. 熱は、タワーと電子制御システム（１１、４）とに熱的接触している金属管によって電子制御システム（１１、４）からタワーに伝達される請求項５に記載の方法。
7. 熱は銅管（１３）によってタワーに伝達される請求項６に記載の方法。
8. 電子制御システム（１１、４）によって発生した熱は流体によって吸収され、流体は熱をタワーの表面に伝達し、吸収した熱の少なくとも一部をタワーに放散する請求項５に記載の方法。
9. 流体はタワーの表面に熱的に取り付けられた１つ以上の熱交換器によって循環させられる請求項８に記載の方法。
10. 熱交換器はタワーの外面に取り付けられる請求項８に記載の方法。
11. 電子制御システム（１１、４）は熱を発生する構成要素（４）を含んでおり、熱は前記構成要素の表面を通じてタワーの内壁に伝達される請求項５に記載の方法。
12. 流体は大きい熱容量を備える請求項８〜１０のうちのいずれかの方法。

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