JP2010007649A

JP2010007649A - 風力発電装置

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Publication number: JP2010007649A
Application number: JP2008171500A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Sato; 慎輔佐藤; Tatsuya Shiraishi; 達弥白石
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP4848398B2

Abstract

【課題】広範囲の外気温度条件下において、ファンクーラによるナセル内部の機器類冷却を効率よく実施できる風力発電装置を提供する。
【解決手段】ナセル３の内部に配設された機器類を冷却する風力発電装置のファンクーラが、ナセル外殻１０に開口してナセル内部に外気を導入する吸気口１１と、ナセル外殻１０に設けられてナセル内部の空気を排出する出口開口１２と、出口開口１２に連結されるダクト１３の出口に形成されてナセル内部の空気を大気に排出する排気口１４と、ナセル内部の出口開口１２付近に設置され、吸気口１１から外気を吸引するとともに排気口１４からナセル内部の空気を排出させる換気ファン１５とを備え、この換気ファン１５の下流側に、排気口１４から排出させる空気の一部をナセル内部へ戻すバイパス流路１６を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファンクーラを用いてナセル内部に配設された機器類等の冷却を行う風力発電装置に関する。

風力発電装置が設置される環境の外温域は−３０℃〜＋４０℃程度と広範囲であり、主に主軸受、増速機、発電機、トランス及びインバータ等の内部機器については、温度を基準値の範囲内に制御する必要がある。
具体的な温度制御システムとしては、風車翼の翼ピッチシステムを構成する油圧制御や増速機及び主軸受に潤滑油を供給するオイル配管系や、インバータを空冷する冷却配管系に対し、それぞれヒータ及びファンクーラが設けられている。各ヒータ及びファンクーラは、設定温度に基づいてＯＮ／ＯＦＦ制御される。なお、給排気口は、ナセル外殻に設けられている。

図６は、風力発電装置のナセル３０内を換気して冷却するファンクーラについて、概略構成を示す断面図である。なお、ファンクーラの冷媒はナセル３０内の空気であり、この空気との温度差により内部機器類を冷却する。
ナセル３０は、ナセル外殻の前端部下方に設けた吸気口３１と、上部に設けたダクト３２の出口である排気口３３とを備えている。ダクト３２は、上流側から順に熱交換器３４及び換気ファン３５を配設したナセル３０の出口開口３４に連結されている。従って、換気ファン３５を運転することにより、ナセル３０の内部には、換気空気となる外気が吸気口３１から吸引される。そして、この換気空気は、ナセル３０の内部を循環して高温の空気を換気し、内部の空気温度を低下させるとともに、熱交換器３４、換気ファン３５及びダクト３２を通って排気口３３から流出する。このとき、熱交換器３４においては、換気空気が熱交換器３４を循環して流れる冷却媒体（温度上昇した潤滑油等）と熱交換して冷却する。

また、従来の軸流ファンにおいては、動翼に失速が発生することを防止するとともに、大流量の時も効率低下がないようにするため、流量の大小に対応する入口案内翼の角度変更手段に連動する小歯車及びラックによって駆動される開閉板を設けることが提案されている。この開閉板は、循環流路の動翼前端部において、入口を閉じたり開いたりするものである。（たとえば、特許文献１参照）
特開平７−２７９８９６号公報

ところで、上述した従来の風力発電装置においては、外気温度の高温時／低温時に同様の換気ファン３５を使用し、この換気ファン３５をＯＮ／ＯＦＦすることによりナセル３０内に設置された機器温度制御を実施している。
しかしながら、上述したファンクーラは、外気温度の高温時、ファンクーラの冷媒であるナセル３０内の空気温度も高いため、換気ファン３５による内部の冷却効果が小さくなる。
一方、外気温度の低温時には、ファンクーラの冷媒であるナセル３０内の空気温度も低いため、換気ファン３５による冷却効果が大きい。

従って、風力発電装置の設置環境が広範囲になる外気温度条件下においては、上述した換気ファン３５の稼働制御が必ずしも最適ではない。すなわち、従来のファンクーラは、広範囲の外気温度条件下をカバーし、ナセル３０の内部に配設された機器類等を効率よく冷却することは困難であった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、広範囲の外気温度条件下において、ファンクーラによるナセル内部の機器類冷却を効率よく実施できる風力発電装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る風力発電装置は、ナセルの内部に配設された機器類を冷却するファンクーラが設けられている風力発電装置において、前記ファンクーラが、ナセル外殻に開口してナセル内部に外気を導入する吸気口と、ナセル外殻に設けられてナセル内部の空気を排出する出口開口と、該出口開口に連結されるダクトの出口に形成されて前記ナセル内部の空気を大気に排出する排気口と、前記ナセル内部の前記出口開口付近に設置され、前記吸気口から外気を吸引するとともに前記排気口から前記ナセル内部の空気を排出させる換気ファンとを備え、前記換気ファンの下流側に、前記排気口から排出させる空気の一部を前記ナセル内部へ戻すバイパス流路を設けたことを特徴とするものである。

このような風力発電装置によれば、ファンクーラが、ナセル外殻に開口してナセル内部に外気を導入する吸気口と、ナセル外殻に設けられてナセル内部の空気を排出する出口開口と、該出口開口に連結されるダクトの出口に形成されてナセル内部の空気を大気に排出する排気口と、ナセル内部の出口開口付近に設置され、吸気口から外気を吸引するとともに排気口からナセル内部の空気を排出させる換気ファンとを備え、換気ファンの下流側に、排気口から排出させる空気の一部をナセル内部へ戻すバイパス流路を設けたので、ナセル内部へ逆流するようにして戻る空気の流れを生じることとなる。この結果、排気口から大気に排出されるナセル内部の空気量が減少するとともに、吸気口における外気の導入量も減少するので、換気ファンの抵抗となるナセル内部の負圧が減少してファン風量は増加する。

上記の風力発電装置において、前記バイパス流路の流路断面積は可変であることが好ましく、これにより、季節や設置環境によって流路断面積を調整し、ファン風量を最適化することができる。
上記の風力発電装置において、前記バイパス流路は、前記換気ファンの出口と前記ダクトとの間に形成された隙間であることが好ましく、これにより、バイパス流路を容易に形成することができる。なお、バイパス流路となる隙間の流路断面積は、隙間を埋める部材の着脱、隙間を埋める部材の設置位置をスライドさせる、換気ファン自体の設置位置をスライドさせるなどして、調整可能となる。

上述した本発明の風力発電装置によれば、排気口から排出させる空気の一部をナセル内部へ戻すバイパス流路を設けたので、ナセル内部へ逆流するようにして戻る空気の流れを生じ、この結果、排気口から大気に排出されるナセル内部の空気量が減少するとともに、吸気口における外気の導入量も減少する。従って、換気ファンの抵抗となるナセル内部の負圧が減少してファン風量は増加する。
このため、外気温度の高い設置環境では、ファン風量の増加によりナセル内部の冷却能力が増し、外気温度の低い寒冷地等の設置環境では、もともと内部の空気温度が低いためにナセル内へ逆流した空気が冷却能力に影響を及ぼすことはない。従って、広範囲の外気温度条件下に設置された風力発電装置において、ファンクーラによるナセル内部の機器類冷却を効率よく実施することができる。
また、ナセル内部の負圧低下によりファン風量が増加すると、換気ファンの稼働時間短縮が可能になるので、ファン駆動に要していた電力消費を低減できる分だけ風力発電装置の発電量が増加して効率向上を達成できる。

以下、本発明に係る風力発電装置の一実施形態を図１から図３を参照して説明する。
図２に示す風力発電装置１は、基礎６上に立設される支柱（「タワー」ともいう。）２と、支柱２の上端に設置されているナセル３と、略水平な回転軸線周りに回転可能に支持されてナセル３に設けられるローターヘッド４とを有している。
ローターヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚（たとえば３枚）の風車回転翼５が取り付けられている。これにより、ローターヘッド４の回転軸線方向から風車回転翼５に当たった風の力が、ローターヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。

このような風力発電装置１には、ナセル３の内部に配設された機器類を冷却するファンクーラが設けられている。
図１に示すファンクーラは、ナセル外殻１０に開口してナセル内部に外気を導入する吸気口１１と、ナセル外殻１０に設けられてナセル内部の空気を排出する出口開口１２と、出口開口１２に連結されるダクト１３の出口に形成されてナセル内部の空気を大気に排出する排気口１４と、ナセル内部となる出口開口１２の付近に設置され、吸気口１１から外気を吸引するとともに排気口１４からナセル内部の空気を排出させる換気ファン１５とを備えている。
そして、本発明では、換気ファン１５の下流側に、排気口１４から排出させる空気の一部をナセル内部へ戻すために、隙間や開口部等のバイパス流路１６が設けられている。

上述した構成のファンクーラは、換気ファン１５を運転することにより、吸気口１１からナセル内部の空気より温度の低い外気を吸引する。この外気は、ナセル３の内部を循環し、ナセル内部の機器類を空冷により冷却する換気空気として機能する。図１に示す構成例では、換気ファン１５の上流側に潤滑油系統の熱交換器１７が設置されているので、排気口１４から大気へ排出される換気空気が熱交換器１７を通過し、熱交換器１７の内部を流れる高温の潤滑油と熱交換して冷却する。

上述したファンクーラには、ナセル内部を循環して温度上昇した換気空気の一部をナセル３の内部へ戻すためのバイパス流路１６が設けられている。このため、ナセル３の内部には、換気空気の一部がナセル内部へ逆流するようにして戻る空気の流れを生じることとなる。
この結果、排気口１４から大気に排出されるナセル内部の換気空気量が減少するとともに、吸気口１１における外気の導入量も減少するので、換気ファン１５の抵抗となるナセル内部の負圧が減少してファン風量は増加する。このようなファン風量の増加は、ナセル３の内部を換気して冷却能力を増すことになる。このようなファン風量の増加による冷却能力の向上は、換気ファン１５の運転時間を低減できるので、換気ファン１５の運転に消費されていた電力分だけ発電量が増加することになるので、風力発電装置１の発電効率向上にも有効である。

従って、外気温度の高い設置環境では、ファン風量の増加によりナセル内部の冷却能力が増加する。一方、外気温度の低い寒冷地等の設置環境では、もともとナセル内部の空気温度が低いため、ナセル内へ逆流した空気が冷却能力に影響を及ぼすことはない。
すなわち、上述したファン風量の増加は、図４に示すファン性能曲線（圧力Ｐと流量Ｑの関係を示す曲線）により説明することができる。この図において、ナセル圧損特性が破線で示す状態（Ｐo −Ｐｎ）から実線で示す状態（Ｐo −Ｐ′ｎ）に変化すると、換気ファン１５は、圧力ＰがΔＰだけ低下するとともに、流量ＱがΔＱだけ増加している。

ここで、図４に破線で示すナセル圧損特性（Ｐo −Ｐｎ）は、従来技術として示した図６の構成において、吸気口３１から吸引されて排気口３３から排出されるファン合計風量をＱ、ナセル３０の外側圧力（大気圧力）をＰo、ナセル３０の内側圧力をＰｎ、Ａinを吸気口３１の入口面積、ζinを吸気口３１における入口の抵抗係数とし、〔数１〕に示す圧力のバランス式により求められる。

また、図４に実線で示すナセル圧損特性（Ｐo −Ｐ′ｎ）は、数２に示す圧力のバランス式から求められる。このバランス式は、本発明の実施形態として示した図１の構成において、吸気口１１から吸引される風量をＱ′、バイパス流路１６からナセル内部に戻されるバイパス風量をｑとすれば、排気口１４から排出されるファン合計風量は（Ｑ−ｑ）と表すことができるので、ナセル３の外側圧力（大気圧力）をＰo、ナセル３の内側圧力をＰ′ｎ、Ａinを吸気口１１の入口面積、ζinを吸気口１１における入口の抵抗係数とすれば、下記に示す〔数２〕のようになる。

図３に示す断面図は、ナセル３の内部に配設された主要な機器類について、具体的な配置及び冷却系統の一例を示す構成図である。
ナセル３は、ナセル外殻１０の前端部下方に開口する吸気口１１と、ナセル外殻１０の上部に開口する出口開口１２とを備えている。この出口開口１２にはダクト１３が連結され、ダクト１３の出口がナセル内部の空気を大気に排出する排気口１４となる。また、換気ファン１５の下流側には、排気口１４から排出させる空気の一部をナセル内部へ戻すバイパス流路１６が設けられている。

ナセル３の内部には、ローターヘッド４と一体に回転する主軸２０を支持する主軸受２１が設置されている。主軸２０の回転は、増速機２２の出力軸２３を介して発電機２４を駆動する。このような主軸受２１、増速機２２及び発電機２４は、回転部分の摺動部等に生じる摩擦熱によって温度上昇するので、潤滑油や空冷による冷却が必要となる。
また、ナセル３の内部には、制御パネル２５やインバータ２６等の発熱機器が設置されている。このような発熱機器類は、空冷等による冷却が必要となる。

ナセル３の内部に設置された機器類の冷却には、吸気口１１から導入されて排気口１４から排出される外気がナセル内部を循環する換気空気を使用している。この換気空気は、ナセル内部の出口開口１２付近に設置されている換気ファン１５を運転することにより、吸気口１１から吸引した外気が排気口１４から排出されるまでの間、ナセル３の内部を循環して空冷により機器類を冷却する。
具体的に説明すると、吸気口１１から導入された外気は、ナセル３の内部を循環して排気口１４から排出される換気空気となる。この換気空気は、主軸受２１や増速機２２に潤滑油を供給する潤滑油系統に設置された熱交換器（潤滑油冷却用ラジエータ）１７を通過することにより、潤滑油と熱交換して高温の潤滑油を冷却する。なお、図中の符号１７ａ及び１７ｂは、熱交換器１７と主軸受２１及び増速機２２との間を接続する潤滑油系統の潤滑油流路である。

発電機２４の冷却は、ナセル３内の換気空気を利用して空冷により冷却される。図示の構成例では、発電機２４が発電機クーラ２４ａを備えている。発電機クーラ２４ａは、クーラファン２４ｂを運転してナセル３内の換気空気を導入する。この換気空気は、発電機２４の必要箇所を冷却した後、ダクト２４ｃを通ってナセル３の外部へ直接排気される。このような発電機２４の空冷系統においても、ダクト２４ｃの適所に隙間や開口部等を形成することにより、冷却後の温度上昇した換気空気について、一部をナセル３側に逆流させて戻すバイパス流路２４ｄを設けてもよい。

インバータ２６の冷却は、インバータクーラ２７により行われる。このインバータクーラ２７は、クーラファン２７ａを駆動してナセル３内の換気空気を導入し、インバータクーラ２７を通って循環するインバータ冷却系統の冷媒と熱交換させる。この結果、インバータ２７を冷却して高温となった冷媒が換気空気により冷却され、ダクト２７ｂを通ってナセル３の外部へ直接排気される。このようなインバータ２６の冷媒冷却においても、ダクト２７ｂの適所に隙間や開口部等を形成することにより、冷却後の温度上昇した換気空気について、一部をナセル３側に逆流させて戻すバイパス流路２７ｃを設けてもよい。
また、制御パネル２５の冷却についても、パネル内部の必要箇所に換気空気を供給するなどして冷却すればよい。

このように、本発明の風力発電装置１では、換気ファン１５の排気がダクト１３を通って外気に向かう流れと、ナセル３の内部へ逆流するように向かう流れとが生じるように、バイパス流路１６を形成する隙間や開口部を設けてあるので、吸気口１１から導入された外気は、ナセル３の内部を通って流れる換気空気となり、さらに、熱交換器１７及び換気ファン１５を通過して温度上昇する。こうして温度上昇した換気空気は、一部がナセル３の内部空間に戻されて再循環する。
このように構成された風力発電装置１が寒冷地に設置された場合、換気ファン１５を通過して暖められたナセル３内の換気空気が再びナセル３の内部に逆流しても、もともとの冷媒であるナセル内空気温度が低い状態にあるため、実用上換気ファン１５の冷却能力に問題はない。また、温度上昇した空気をナセル３の内部に再循環させることで、低温で粘度が上昇する潤滑油等の油類を温めることもできる。

ところで、上述した実施形態のバイパス流路１６は、隙間や開口部により定まる流路断面積を一定としたが、図５に示す他の実施形態では、流路断面積が可変のバイパス流路１６Ａを採用している。
すなわち、バイパス流路１６Ａの流路断面積を可変にすれば、季節や設置環境によって適宜流路断面積を調整し、換気ファン１５のファン風量を最適化することができる。

外気温度の高い夏場においては、たとえば図５（ａ）に示すように、バイパス流路１６Ａを閉じて流路断面積を全閉の０にする。この結果、温度の高い換気空気がナセル３の内部へ逆流することはなく、従って、比較的温度の低い外気及び換気空気により機器類を効率よく冷却することができる。
一方、外気温度の低い冬場においては、たとえば図５（ｂ）に示すように、バイパス流路１６Ａを全開にする。この結果、温度上昇した換気空気の一部がナセル３の内部へ逆流して再循環するようになるので、換気ファン１５のファン風量増加や、低温で粘度の高い潤滑油を暖めることができる。

上述したバイパス流路１６，１６Ａは、換気ファン１５の出口とダクト１３との間に形成されてナセル３の内部と連通する隙間であることが好ましい。このような隙間のバイパス流路１６，１６Ａは、たとえばダクト１３の下端部を部分的に切り欠くことで容易に形成することができる。
そして、流路断面積可変のバイパス流路１６Ａは、たとえば図５（ａ）に示す蓋部材１６ａのように、隙間を埋める部材をボルト等で固定する着脱式が可能である。この場合、蓋部材１６ａを複数に分割し、固定する蓋部材１６ａの数に応じて複数段階の流路断面積を設定することができる。

また、上述した流路断面積可変のバイパス流路１６Ａは、隙間を埋める部材位置をガイド等に沿って移動させ、所定の範囲内で複数段または無段階に流路断面積を調整可能とするスライド式や、あるいは、換気ファン１５の設置位置をレール上等で移動させ、所定の範囲内で複数段または無段階に流路断面積を調整可能とするファンスライド式を採用してもよい。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る風力発電装置の一実施形態として、ナセル内を換気して冷却するファンクーラの構成例を示すナセル内部の断面図である。風力発電装置の概要を示す側面図である。ナセル内に配設された主要機器類の具体的な配置及び冷却系統の概要を示すナセル内部の断面図である。ファン性能（Ｐ−Ｑ）曲線とナセル圧損特性との関係を示す図である。他の実施形態として流路断面積を可変としたバイパス流路の構成例を示す要部断面図であり、（ａ）は流路断面積を全閉の０とした場合、（ｂ）は流路断面積を全開とした場合を示している。風力発電装置のナセル内を換気して冷却するファンクーラの従来構造を示す断面図である。

符号の説明

１風力発電装置
３ナセル
４ローターヘッド
５風車回転翼
１０ナセル外殻
１１吸気口
１２出口開口
１３ダクト
１４排気口
１５換気ファン
１６，１６Ａバイパス流路

Claims

ナセルの内部に配設された機器類を冷却するファンクーラが設けられている風力発電装置において、
前記ファンクーラが、ナセル外殻に開口してナセル内部に外気を導入する吸気口と、ナセル外殻に設けられてナセル内部の空気を排出する出口開口と、該出口開口に連結されるダクトの出口に形成されて前記ナセル内部の空気を大気に排出する排気口と、前記ナセル内部の前記出口開口付近に設置され、前記吸気口から外気を吸引するとともに前記排気口から前記ナセル内部の空気を排出させる換気ファンとを備え、
前記換気ファンの下流側に、前記排気口から排出させる空気の一部を前記ナセル内部へ戻すバイパス流路を設けたことを特徴とする風力発電装置。
前記バイパス流路の流路断面積が可変であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記バイパス流路が、前記換気ファンの出口と前記ダクトとの間に形成された隙間であることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。