JP2011163179A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タワー強度を確保しつつ吸排気用の大きな開口面積を確保し、十分な冷却性能を有する風力発電装置を提供する。
【解決手段】風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドがナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、ナセルが基礎上に立設されたタワー２の上端部に設置されるとともに、タワー２の表面に設けたタワー開口２０からタワー内部に外気を導入して内部空間を冷却する風力発電装置において、タワー開口２０からタワー内側に延在する凹部の筒形状部２１を有し、筒形状部２１を構成する面の一部または全部に設置された圧損要素を介して通気可能に構成されるとともに、圧損要素を設置した有効開口面積をタワー開口２０の実開口面積よりも大きくした。
【選択図】図１

Description

本発明は、運転時の機器損失による発熱を外気の導入により冷却する風力発電装置に係り、特に、外気を導入する開口がタワーに設けられている風力発電装置に関する。

風力発電装置（以下では「風車」とも呼ぶ）は、風車翼を備えたロータヘッドが風力を受けて回転し、この回転を増速機により増速するなどして駆動される発電機により発電する装置である。
上述したロータヘッドは、風車用タワー（以下、「タワー」と呼ぶ）上に設置されてヨー旋回可能なナセルの端部に取り付けられ、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能となるように支持されている。

一般的に、上述した風車用のタワーは、円筒形状のシェルを用いた鋼製モノポール式を採用する場合が多く、タワーシェルの下端部に設けたベースプレートを鉄筋コンクリートの基礎にアンカーボルトで固定する構造となっている。
このような風力発電装置は、コンバータ等の電気機器を備えているので、安定した運転を継続するためには、発熱体である電気機器等を冷却する必要がある。すなわち、風力発電装置は、運転に伴う機器損失の発熱が生じるので、機器類の温度上昇を所定値以内に抑えるためには適切な冷却が必要となる。

図１８に示す従来例は、タワー開口部から外気を導入し、この外気により風力発電装置の機器損失に伴う発熱を冷却する冷却構造の概念図である。図において、符号の１は風力発電装置、２はタワー、３はナセル、４はロータヘッド、１０はドア用開口部であり、図中の矢印は外気の流れを示している。
この場合、電気機器等の冷却対象はナセル３内に設置されたナセル内機器３ａであり、換気ファン３ｂを運転してドア用開口部１０の適所に設けた吸気口（不図示）からタワー２の内部に外気を導入し、この外気がナセル３の内部を通過して換気及び冷却をする。なお、ナセル内機器３ａを冷却した外気は、換気ファン３ｂより大気へ排出される。

また、ナセル内機器３ａの冷却構造としては、ナセル３内を循環する外気により直接冷却する構造の他、ナセル内機器３ａ及び冷却用熱交換器を循環する冷媒（水やオイル等）を用い、冷媒用熱交換器で外気に吸熱された冷媒により間接的に冷却する構造、そして、直接及び間接の冷却を併用して冷却する構造がある。

この他にも、従来の風力発電装置においては、電気機器等の発熱体を冷却するため、たとえば冷却媒体を循環させて冷却する冷却装置として、タワーの外部に設置した熱交換器を備えたものがある。この場合、タワー外部の熱交換器に導入した冷却媒体は、熱交換器を通過する外気との熱交換により冷却される。（たとえば、特許文献１参照）

米国特許第７１６８２５１号明細書

ところで、風力発電装置のタワー内に外気を導入して冷却する場合、タワー内に外気を導入するためには、タワーの表面に吸排気口となる開口部を設けることが必要となる。このような吸排気口には、空気中の液滴、塵及び塩分等を取り払うため、ガラリ、フィルタ、除塩フィルタ等の圧損要素が設置されている。

このため、タワー強度を確保するために開口を小さく設定すると、開口を通過する際の流速が増加するので、圧損要素における圧力損失（流速の二乗に比例）が大きくなる。従って、自然換気する場合には、十分な換気風量の確保が困難になり、結果的にはタワー内部の温度が上昇するという問題を有している。
また、換気ファンにより強制換気する場合には、圧力損失が大きいために使用するファンの動力も大きくなり、結果として所内動力を消費することになって好ましくない。

しかも、タワーの開口面積に対し、冷却及びタワー強度はトレードオフの関係になっているが、風車出力の増加量に対してタワー径の増加量は極めて小さなものとなる。すなわち、近年の風車大型化（出力増加）に伴い、機器損失（発熱量）が増加して必要となる冷却空気流量も増大しているので、それほど大きな増加を望めないタワー径に対して、タワー強度を確保しつつ吸排気口に大きな開口面積を確保することは困難になる。従って、上述した冷却及びタワー強度におけるトレードオフの関係は、風力発電装置が大型化するほどシビアになってくる。

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、タワー強度を確保しつつ吸排気用の大きな開口面積を確保し、十分な冷却性能を有す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、下記の手段を採用した。
本発明に係る風力発電装置は、風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドがナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルが基礎上に立設されたタワーの上端部に設置されるとともに、前記タワーの表面に設けたタワー開口からタワー内部に外気を導入して内部空間を冷却する風力発電装置において、前記タワー開口からタワー内側に延在する凹部または前記タワー開口からタワー外側に延在する凸部を有し、前記凹部または前記凸部を構成する面の一部または全部に設置された圧損要素を介して通気可能に構成されるとともに、前記圧損要素を設置した有効開口面積が前記タワー開口の実開口面積よりも大きい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、タワー開口からタワー内側に延在する凹部またはタワー開口からタワー外側に延在する凸部を有し、凹部または凸部を構成する面の一部または全部に設置された圧損要素を介して通気可能に構成されるとともに、圧損要素を設置した有効開口面積がタワー開口の実開口面積よりも大きいので、タワー開口を最小限に抑えてタワー強度を確保するとともに、大きな有効開口面積に設置した圧損要素を通過する外気の流速を小さくすることができる。特に、タワー開口からからタワー内側に延在する凹部は、圧損要素を設置する場所がタワー外面より奥まった位置となるため、粉塵や雨水等の異物は圧損要素まで到達しにくい構造となる。
なお、本発明における凹部または凸部は、円形断面や矩形断面の筒状形や、内部が中空の箱形や階段状箱形等を包含する。

上記の発明において。前記タワー開口は、タワー内部に出入りするためのドアを設置するドア用開口部の少なくとも一部が利用されることが好ましく、これにより、タワーに必ず必要となるドア用開口部を有効に利用し、タワー開口の実開口面積より大きな有効開口面積を容易に形成することができる。
上記の発明において、前記凹部または前記凸部は、その構成面の何れかの位置に開閉可能な出入り口を備えたものが望ましい

上記の発明において、前記凹部または前記凸部は、前記タワー開口から末広がりに形成されていることが好ましく、これにより、大きな有効開口面積の確保が容易になる。

前記凹部は、前記タワー開口からタワー軸中心方向へ上向きに傾斜していることが好ましく、これにより、異物（粉塵や雨水等）は圧損要素まで到達しにくくなる。

上記の発明において、前記凹部または前記凸部の断面形状が直線部を含んでいることが好ましく、これにより、ダクト等の接続及び設置が容易になる。この場合、直線部を含む好適な形状としては、正方形、長方形及び略楕円形等があり、特に、開口部を縦長の形状にすれば、円形や正方形の角形状と比較してタワー強度の確保が容易になる。

上記の発明において、前記凸部が前記ドア用開口部の周囲から突出する外箱とされ、該外箱の露出面に前記有効開口面積を確保することが好ましく、これにより、大きな有効開口面積を容易に確保することができる。また、外箱の中には、タワー入口となるドア用開口部まで昇る階段を形成することも可能である。

また、上記の発明において、前記凹部または凸部が、前記ドア用開口部の下端部側から突出する階段状外箱であり、前記ドア用開口部の下端部側を前記実開口面積とし、かつ、前記階段状外箱の構成面の全部または一部に前記有効開口面積を確保してもよい。

そして、前記外箱または前記階段状外箱の底面と地面との間に空間を形成し、前記底面に前記有効開口面積を確保すれば、粉塵や雨水等の異物侵入を抑制できる。
また、前記外箱または前記階段状外箱の内部に独立した外気循環流路を備えた機器設置空間を形成してもよい。

上記の発明において、大きな面積を確保した前記有効開口面積には、低圧力損失のフィルタを取り付けることが望ましい。
また、上記の発明において、前記有効開口面積より下流側となる前記タワー内に仕切りを設けて外気吸引用のファンを設置すれば、ファン出入口のショートサーキットを防止して外気を取り込むことができる。
また、上記の発明において、前記有効開口面積を形成する面の内側に外気吸引用のファンを設置すれば、積極的に外気を取り込むことができる。

上記の発明において、前記有効開口面積の面から分岐して大気に連通する外気のバイパス流路を設け、該バイパス流路内に外気との熱交換により冷却媒体を冷却する熱交換器を設置すれば、熱交換器の排熱がタワー内へショートサーキットすることなく外気を導入できる。
この場合、前記バイパス流路内に吸音材を取り付けることが好ましく、これにより、熱交換器の稼働時に発生する熱交換器ファンの運転騒音を低減できる。
さらに、前記バイパス流路の出口側を延長して地面に向けて開口させれば、熱交換器の稼働時に発生する熱交換器ファンの運転騒音が周囲に広がることを抑制できる。

上述した本発明の風力発電装置によれば、タワーの表面に空けたタワー開口の実開港面積に対して大きな面積比を有する有効開口面積を確保できるようになるので、タワー強度を確保しつつ吸排気用の大きな開口面積を確保することが可能になる。

本発明の風力発電装置に係る第１の実施形態を示す図であり、（ａ）はタワー表面に設けたタワー開口の実開口面積及び有効開口面積を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 風力発電装置の概要を示す側面図である。 タワー開口の設置例を示す図２のＢ部拡大図である。 図１に示す実開口面積及び有効開口面積の変形例を示す図であり、（ａ）は第１変形例を示す縦断面図、（ｂ）は第２変形例を示す水平断面図である。 タワー表面に設けるタワー開口の実開口面積の形状例を示す正面図であり、（ａ）は正方形、（ｂ）は縦長の長方形、（ｃ）は略楕円形状である。 本発明の風力発電装置に係る第２の実施形態として、換気ファンを備えた実開口面積及び有効開口面積の構成例を示す縦断面図である。 図６に示した構成例の第１変形例を示す縦断面図である。 本発明の風力発電装置に係る第３の実施形態として、熱交換器を備えた構成例を示す縦断面図である。 図８に示した構成例の第１変形例を示す縦断面図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 図８に示した構成例の第２変形例を示す縦断面図である。 本発明の風力発電装置に係る第４の実施形態を示す図であり、（ａ）はタワー表面に設けたタワー開口の実開口面積及び有効開口面積を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。 図１１に示した第４の実施形態に係る第１変形例を示す図であり、（ａ）は実開口面積及び有効開口面積を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。 図１１に示した第４の実施形態に係る第２変形例を示す図であり、（ａ）は実開口面積及び有効開口面積を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。 図１１に示した第４の実施形態に係る第３変形例を示す図であり、（ａ）は実開口面積及び有効開口面積を示す側面図、（ｂ）は（ａ）の斜視図である。 図１１に示した第４の実施形態に係る第４変形例を示す図であり、（ａ）は実開口面積及び有効開口面積を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。 図１１に示した第４の実施形態に係る第５変形例を示す側面図である。 図１１に示した第４の実施形態に係る第６変形例を示す側面図である。 従来の風力発電装置において、機器損失をタワー開口部から導入した外気の循環により冷却する概念図である。

以下、本発明に係る風力発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図２に示す風力発電装置１は、基礎Ｂ上に立設される風車用タワー（以下では「タワー」と呼ぶ）２と、タワー２の上端に設置されるナセル３と、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能に支持されてナセル３の前端部側に設けられるロータヘッド４とを有している。

ロータヘッド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）の風車翼５が取り付けられている。これにより、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車翼５に当たった風の力が、ロータヘッド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。
タワー２の下端部付近には、タワー内へ出入りするためのドア６が設けられている。
ナセル３の外周面適所（たとえば上部等）には、周辺の風速値を測定する風速計７や、風向を測定する風向計８等が設置されている。

すなわち、風力発電装置１は、風車翼５に風力を受けて略水平な回転軸線周りに回転するロータヘッド４がナセル３の内部に設置された発電機（不図示）を駆動して発電するとともに、ナセル３が鉄筋コンクリート製の基礎Ｂ上に立設されたタワー２の上端部に設置されてヨー旋回可能とされる。
なお、図示のタワー２は鋼製のモノポール式とされ、複数に分割したタワーセクションのフランジ（不図示）を接続することにより、必要な長さ（高さ）を確保した円筒タワーとなる。

＜第１の実施形態＞
上述した風力発電装置１は、たとえば図１に示すように、タワー２の表面に設けたタワー開口２０からタワー内部に外気を導入し、機器損失に伴う発熱により温度上昇した内部空気を冷却するようになっている。この場合の機器損失に伴う発熱としては、たとえばコンバータ等の電気機器類や増速機等の回転機器類による運転時の発熱があり、これらの発熱機器類は一般的にタワー２やナセル３の内部に配設されている。

本実施形態では、上述した機器損失の冷却を行うため、タワー開口２０からタワー内側に延在する凹部となる筒形状部２１を形成し、筒形状部２１を構成する面の一部または全部を圧損要素設置用の有効開口面積Ｓｅとして確保する。この有効開口面積Ｓｅは、設置された圧損要素を介して通気可能に構成され、圧損要素を設置した有効開口面積Ｓｅがタワー開口２０の実開口面積Ｓよりも大（Ｓｅ＞Ｓ）となっている。すなわち、本実施形態では、有効開口面積Ｓｅとなる周面積が実開口面積Ｓより大（Ｓｅ＞Ｓ）となるように、タワー開口２０からタワー内部へ引っ込むようにして入り込んでいる（凹んでいる）筒形状部２１を形成し、この筒形状部２１を構成する周面２１ａ及びタワー内端面２１ｂの全部または一部が有効開口面積Ｓｅとして使用される。なお、図中の筒形状部２１で破線表示した部分は、圧損要素の設置により外気の流通が可能となる領域である。

具体的に説明すると、図１に示す筒形状部２１は、タワー２のタワー外表面に開口するタワー開口２０からタワー内部へ向けて延在する円筒形状とされる。図示の構成例では、筒形状部２１をタワー２の軸中心方向へ向けた円筒形状としているが、筒断面形状や延在方向がこれに限定されることはない。
また、上述した筒形状部２１は、たとえば骨格部材（不図示）を格子状に組み合わせて筒形状を形成し、その周面及び両端面を開口させている。こうして形成された筒形状部２１の開口は、タワー開口２０となるタワー外の円筒端面（タワー外端面）を除いて、周面２１ａ及びタワー内端面２１ｂの全部または一部を実開口面積Ｓｅとして使用することが可能であり、圧損要素となるガラリ、フィルタ及び除塩フィルタ等の設置に利用される。なお、圧損要素の固定支持は、たとえば上述した骨格部材を使用して容易に実施可能である。

この結果、タワー開口２０の開口面積と略一致する筒形状部２１のタワー外端面の面積が実開口面積Ｓとなり、従って、この場合の有効開口面積Ｓｅは、略周面２１ａの面積分だけ実開口面積Ｓより大となる。図示の構成例では、タワー内端面２１ｂの面積も実開口面積Ｓｅとなるが、タワー内端面２１ｂの面積を実開口面積Ｓｅとして使用できない場合には、周面２１ａの面積から実開口面積Ｓを差し引いた面積が有効開口面積Ｓｅとなる。このような筒形状部２１の周面２１ａは、軸方向長さや径を変更して適宜面積を調整することが可能である。
なお、筒形状部２１の有効開口面積Ｓｅは、厳密には骨格部材の分だけ小さくなるが、骨格部材により塞がれる面積は、通常は周面２１ａの面積と比較して十分に小さいものとなる。

このようなタワー開口２０及び筒形状部２１は、タワー２の適所に設ければよいが、たとえば図３に示すように、ドア６を設置するためのドア用開口部１０を利用して設けてもよい。このドア用開口部１０は、メンテナンス作業等の目的でタワー２の内部に出入りするドア６が必要になるため、通常はタワー２に必ず設けられている開口部である。このため、ドア用開口部１０を少なくとも一部を有効に利用し、タワー開口２０の実開口面積Ｓより大きな有効開口面積Ｓｅを容易に形成することができる。図示の構成例では、ドア用開口部１０が縦長の略楕円形状とされ、ドア６の上部に残る略半楕円形状のスペースを利用してタワー開口２０を配置している。
また、タワー２内への出入り口となるドア６については、タワー開口２０からタワー内側に延在する凹部となる筒形状部２１の構成面を利用して設置可能であり、構成面の何れかに開閉可能なドア６を取り付ければよい。

上述したように、本実施形態の風力発電装置１は、タワー開口２０からタワー内側に延在する凹部となる筒形状部２１を形成し、筒形状部２１の構成面を使用してタワー開口２０の実開口面積Ｓより大きな圧損要素設置用の有効開口面積Ｓｅを確保したので、タワー開口２０の面積を最小限に抑えてタワー強度を確保するとともに、大きな有効開口面積Ｓｅに設置した圧損要素を通過して流れる外気の流速を小さくすることができる。このように、タワー開口２０から凹となる筒形状部２１は、圧損要素を設置する場所がタワー２の外面より内側に奥まった位置となるため、粉塵や雨水等の異物が圧損要素まで到達しにくい構造となる。

ところで、上述した実施形態の実開口面積Ｓ及び有効開口面積Ｓｅは、図４（ａ）に示す第１変形例及び図４（ｂ）に示す第２変形例のような筒形状部２１Ａ，２１Ｂとしてもよい。
図４（ａ）に示す第１変形例の筒形状部２１Ａは、タワー２の開口からタワー軸中心方向へ上向きに傾斜する凹部となるように形成されている。すなわち、第１変形例の筒形状部２１Ａは、タワー２の外表面に開口するタワー開口２０からタワー２の内部へ向けて、斜め上向きに傾斜しながら引っ込む（凹む）ように形成された円筒形状となっている。

このような筒型形状部２１Ａは、圧損要素を設置する場所がタワー２の外面より内側に奥まった位置となることに加えて、タワー開口２０から上向きの傾斜面が形成されているので、異物が圧損要素まで到達しにくい構造となる。

また、図４（ｂ）に示す第２変形例の筒形状部２１Ｂは、タワー２のタワー開口２０からタワー軸中心方向へ末広がりの凹部となるように形成されている。このようにすれば、円筒形状と比較してタワー２の内部に大きな周面積を確保できるため、大きな有効開口面積Ｓｅの確保が容易になる。
なお、この場合の末広がりは、好適にはタワー内側へ拡径する円錐台形状となるが、水平方向または鉛直方向のいずれか一方のみに末広がりとしてもよい。

また、上述した筒形状部２１は、断面形状に直線部を含んでいるものが望ましい。すなわち、タワー開口２０は、円筒形状の筒形状部２１に対応する円形としてもよいが、直線部を含んだ形状とすることが好ましい。実開口面積となるタワー開口２０の具体的な形状例は、たとえば図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、正方形２０Ａ、長方形２０Ｂ及び略楕円形状２０Ｃ等がある。これらのタワー開口を備えた筒形状部は、各タワー開口と同じ断面形状のまま凹部を形成するとよい。
また、実開口面積となるタワー開口に直線部を含んでいると、筒形状部を形成する一般的なダクト等の設置が容易になる。特に、長方形２０Ｂや略楕円形状２０Ｃ等のように、タワー開口２０に縦長の形状を採用すれば、同面積の円形や正方形の角形状が開口している場合と比較して、縦長比の調整により、タワー径に対する開口径の割合が小さくなるため、タワー強度を低下させる要因が小さくなるので、タワー強度の確保に有効である。

＜第２の実施形態＞
以下では、本発明に係る風力発電装置１について、第２の実施形態を図６に示して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、有効開口面積Ｓｅより下流側となるタワー２の内部に仕切部材２ａを設けて上下に仕切り、仕切部材２ａに外気吸引用のファン３０を設置している。このファン３０が運転されると、タワー開口２０から外気が吸引されて筒形状部２１の圧損部材を通過する。この外気は、さらにファン３０及びタワー２の内部を通過してナセル３の内部へ供給される。

このように構成すれば、仕切部材２ａによりタワー２内を通ってナセル３に至る外気流路がファン３０に限定されるので、ファン３０の出入口において、外気の流れにショートサーキットが生じることを防止できる。従って、タワー開口２０から効果的に外気を取り込むことが可能になり、外気による冷却及び換気を確実に行うことができる。

また、たとえば図７に示す第１変形例のように、有効開口面積Ｓｅを形成する面の内側（タワー２の空間側）に外気吸引用のファン３０を設置し、外気を積極的に取り込むようにしてもよい。すなわち、筒形状部２１の周面２１ａに対し、タワー２の内側（ナセル３側）となる位置に直接ファン３０を設置したので、新たに仕切部材２ａを設ける必要がない。

＜第３の実施形態＞
以下では、本発明に係る風力発電装置１について、第３の実施形態を図８に示して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、有効開口面積Ｓｅの面から分岐して大気に連通する外気のバイパス流路４０を設け、このバイパス流路４０内に外気との熱交換により冷却媒体を冷却する熱交換器５０を設置している。すなわち、筒形状部２１の周面２１ａから分岐して外気に連通するバイパス流路４０を形成し、このバイパス流路４０内に冷却媒体から吸熱して冷却する熱交換器５０が設置されている。なお、筒形状部２１の周面２１ａから分岐して外気に連通するバイパス流路４０の入口は、圧損要素がなくてもよい。

上述した熱交換器５０は、冷却対象機器を循環するオイルや水等の冷却媒体を外気により冷却するものである。すなわち、タワー開口２０から筒形状部２１内に導入した低温の外気は、一部がバイパス流路４０に分岐して流れ、熱交換器５０を通過する際に冷却媒体から吸熱する。この結果、冷却対象機器を冷却して温度上昇した冷却媒体は外気に放熱して温度低下するので、冷却対象機器に対して常に低温の冷却媒体を供給しての冷却が可能となる。
また、この熱交換器５０をバイパス流路４０に設置したので、熱交換器５０で吸熱した高温の外気はバイパス出口４１から大気へ流出する。このため、熱交換器５０の排熱がタワー２の内部へショートサーキットすることはなく、従って、タワー開口２０から筒形状部２１内に導入した低温の外気は、バイパス流路４０へ流出した一部を除いて、圧損要素を通過してナセル３まで導入される。

このように、塵や雨水等の異物侵入防止が不要のため、圧損要素を通過させる必要のない外気については、ナセル３に向かう外気の流れから分岐する別系統のバイパス流路４０を設けて熱交換器５０に導くので、冷却用として導入する外気全体の圧力損失を低減することができる。

この場合、バイパス流路４０の内部には、たとえば図９に示す第１変形例のように、吸音材４２を取り付けることが好ましい。このような吸音材４２は、熱交換器５０の稼働時に発生する熱交換器ファン５１の運転騒音を低減するのに有効である。なお、熱交換器ファン５１ａは、筒形状部２１からバイパス流路４０内に外気の一部を導入して熱交換器５１を通過させるためのファンであり、熱交換器５１の上流側または下流側に隣接して設置されている。
また、図１０に示す第２変形例のように、バイパス流路４０の出口側を下向きに延長して、バイパス出口４１を地面に向けて開口させれば、熱交換器５０の稼働時に発生する熱交換器ファン５１の運転騒音が周囲に広がることを抑制できる。

＜第４の実施形態＞
以下では、本発明に係る風力発電装置１について、第４の実施形態を図１１に示して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、タワー開口２０からタワー外側に延在する凸部の筒形状部２１Ａを形成し、筒形状部２１Ａを構成する周面２１ａ及びタワー外端面２１ｃの一部または全部を使用してタワー開口２０の実開口面積Ｓより大きな圧損要素設置用の有効開口面積Ｓｅとして確保している。すなわち、本実施形態では、有効開口面積Ｓｅとなる凸部構成面が実開口面積Ｓより大（Ｓｅ＞Ｓ）となるように、タワー開口２０からタワー外部へ飛び出すようにして突出した凸状の筒形状部２１Ａを形成している。

具体的に説明すると、図１１に示す筒形状部２１Ａは、タワー２のタワー外表面に開口しているタワー開口２０からタワー外部へ向けて突出した円筒形状である。なお、筒形状部２１Ａの筒断面形状や突出方向については、特に限定されることはない。
また、上述した筒形状部２１Ａは、たとえば骨格部材（不図示）を格子状に組み合わせて筒形状を形成し、その周面及び両端面を開口させている。こうして形成された筒形状部２１Ａの開口は、タワー開口２０となるタワー側の円筒端面（タワー側端面）を除いて、周面２１ａ及びタワー外端面２１ｃが実開口面積Ｓｅとして使用可能となり、圧損要素の設置に利用される。

この結果、タワー開口２０の開口面積と略一致する筒形状部２１Ａのタワー側端面の面積が実開口面積Ｓとなり、従って、この場合の有効開口面積Ｓｅは、略周面２１ａの面積分だけ実開口面積Ｓより大となる。図示の構成例では、タワー外端面２１ｃの面積が実開口面積Ｓｅから除外されているが、タワー外端面２１ｃの面積を実開口面積Ｓｅとして使用できる場合には、上述した実施形態と同様に、周面２１ａの面積が有効開口面積Ｓｅとなる。このような筒形状部２１Ａの周面２１ａは、軸方向長さや径を変更して適宜面積を調整することが可能である。
このようなタワー開口２０及び筒形状部２１Ａは、タワー２の適所に設ければよいが、たとえば図３に示すように、ドア６を設置するためのドア用開口部１０を利用して設けてもよい。

上述したように、本実施形態の風力発電装置１は、タワー開口２０からタワー外側に延在する凸部となる筒形状部２１Ａを形成し、筒形状部２１Ａを構成する面の一部または全部をタワー開口２０の実開口面積Ｓより大きな圧損要素設置用の有効開口面積Ｓｅとして確保したので、タワー開口２０を最小限に抑えてタワー強度を確保するとともに、大きな有効開口面積Ｓｅに設置した圧損要素を通過して流れる外気の流速を小さくすることができる。

また、図１２に示す本実施形態の第１変形例において、上述した筒形状部２１Ａは、ドア用開口部１０の周囲から外向きに突出する外箱２２とされ、外箱２２の露出面に有効開口面積Ｓｅを確保している。すなわち、外箱２２は、ドア用開口部１０を取り囲むようにして、タワー外側へ延在している。この場合の露出面は、外箱２２を略角柱形状とし、地面からドア用開口部１０へ向けて直線的に傾斜する配置にしたので、底面を含む周囲の４面を有効開口面積Ｓｅとして利用できる。従って、ドア用開口部１０が規定する実開口面積Ｓと比較して、より大きな有効開口面積Ｓｅを容易に確保することができる。
なお、外箱２２の傾斜配置は、図示した直線的な傾斜に限定されることはなく、たとえば途中に水平部を有する複数段階の傾斜としてもよい。

この場合、外箱２２の地面設置側となる端面２２ａにドア（不図示）が取り付けられ、ドア用開口部１０は外気通路として常時開放されている。そして、外箱２２の中には、すなわち外箱２２の空間内には、タワー入口となるドア用開口部１０まで昇る階段を形成することも可能である。
なお、外箱２２の形状は略角柱形状に限定されることはなく、たとえばドア用開口部１０と同じ断面形状を有する筒形状としてもよい。

また、図１３に示す本実施形態の第２変形例において、上述した筒形状部２１Ａは、ドア用開口部１０の下端部側から突出する階段状外箱２３とされ、ドア用開口部１０の下端部側を実開口面積Ｓとし、かつ、階段状外箱２３の両側面に有効開口面積Ｓｅを確保している。すなわち、階段状外箱２３は、上面に階段（タラップ）２３ａが形成された中空の箱状部材であり、両側面２３ｂが圧損要素の設置面となる。
この場合、ドア用開口部１０の上部領域１０ａをドア設置面として閉じ、階段２３ａより下方の下部領域１０ｂが外気を通す流路として常時開口されている。

また、図１４に示す本実施形態の第３変形例においては、外箱２２Ａの底面２２ｂと地面との間に外気が流通可能な空間を形成し、底面２２ｂに有効開口面積Ｓｅを確保して圧損要素２４を設置してもよい。
同様に、図１５に示す本実施形態の第４変形例では、階段状外箱２３Ａの底面２３ｃと地面との間に外気が流通可能な空間を形成し、底面２３ｃに有効開口面積Ｓｅを確保して圧損要素２４を設置してもよい。
このように、外箱２２Ａの底面２２ｂや階段状外箱２３Ａの底面２３ｃに有効開口面積Ｓｅを確保して圧損要素２４を設置すれば、粉塵や雨水等の異物が圧損要素２４まで到達しにくい構造となる。

また、図１６に示す第５変形例及び図１７に示す第６変形例のように、外箱２２Ｂまたは階段状外箱２３Ｂの内部に、図中に矢印で示す独立した外気循環流路２５を形成する機器設置空間２６を備えた構造とし、たとえば機器設置空間２６内に熱交換器５０を設置してもよい。この場合、機器設置空間２６は仕切部材２７によりタワー２のドア用開口部１０へ外気を導く空間から分離され、地面設置側端面の適所や階段２３ａの適所等に熱交換器５０との熱交換で温度上昇した外気の出口が設けられている。
このような構成にすれば、熱交換器５０の排熱がタワー２内へショートサーキットして流入することを防止できる。

また、上記の各実施形態及びその変形例においては、大きな有効開口面積Ｓｅを確保することができるので、圧損要素として低圧力損失のフィルタを取り付けても十分なフィルタ能力を得ることができる。

このように、上述した各実施形態及びその変形例によれば、タワー２の表面に空けたタワー開口２０の実開口面積Ｓに対して大きな面積比を有する有効開口面積Ｓｅを確保できるようになるので、タワー強度を確保しつつ吸排気用の大きな開口面積を確保することが可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば凹の筒形状で説明した実施形態や変形例を凸の筒形状に適用するなど、そ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。

１ 風力発電装置
２ 風車用タワー
２ａ 仕切部材
３ ナセル
４ ロータヘッド
５ 風車翼
６ ドア
１０ ドア用開口部
２０，２０Ａ〜２０Ｃ タワー開口
２１，２１′，２１Ａ，２１Ｂ 筒形状部
２２，２２Ａ，２２Ｂ 外箱
２３，２３Ａ，２３Ｂ 階段状外箱
３０ ファン
４０ バイパス流路
４１ バイパス出口
４２ 吸音材
５０ 熱交換器

Claims (16)

1. 風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドがナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルが基礎上に立設されたタワーの上端部に設置されるとともに、前記タワーの表面に設けたタワー開口からタワー内部に外気を導入して内部空間を冷却する風力発電装置において、
   前記タワー開口からタワー内側に延在する凹部または前記タワー開口からタワー外側に延在する凸部を有し、
   前記凹部または前記凸部を構成する面の一部または全部に設置された圧損要素を介して通気可能に構成されるとともに、前記圧損要素を設置した有効開口面積が前記タワー開口の実開口面積よりも大きいことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記タワー開口は、タワー内部に出入りするためのドアを設置するドア用開口部の少なくとも一部が利用されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記凹部または前記凸部は、その構成面の何れかの位置に開閉可能な出入り口を備えてい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。
4. 前記凹部または前記凸部は、前記タワー開口から末広がりに形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の風力発電装置。
5. 前記凹部は、前記タワー開口からタワー軸中心方向へ上向きに傾斜していることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の風力発電装置。
6. 前記凹部または前記凸部の断面形状が直線部を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
7. 前記凸部が前記ドア用開口部の周囲から突出する外箱とされ、該外箱の露出面に前記有効開口面積を確保したことを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
8. 前記凹部または凸部が、前記ドア用開口部の下端部側から突出する階段状外箱であり、前記ドア用開口部の下端部側を前記実開口面積とし、かつ、前記階段状外箱の構成面の全部または一部に前記有効開口面積を確保したことを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
9. 前記外箱または前記階段状外箱の底面と地面との間に空間を形成し、前記底面に前記有効開口面積を確保したことを特徴とする請求項７または８に記載の風力発電装置。
10. 前記外箱または前記階段状外箱の内部に独立した外気循環流路を備えた機器設置空間を形成したことを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の風力発電装置。
11. 前記有効開口面積に低圧力損失のフィルタが取り付けられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の風力発電装置。
12. 前記有効開口面積より下流側となる前記タワー内に仕切りを設けて外気吸引用のファンを設置したことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の風力発電装置。
13. 前記有効開口面積を形成する面の内側に外気吸引用のファンが設置されていることを特徴とする１から１１のいずれかに記載の風力発電装置。
14. 前記有効開口面積の面から分岐して大気に連通する外気のバイパス流路を設け、該バイパス流路内に外気との熱交換により冷却媒体を冷却する熱交換器を設置したことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の風力発電装置。
15. 前記バイパス流路内に吸音材を取り付けたことを特徴とする請求項１４に記載の風力発電装置。
16. 前記バイパス流路の出口側を延長して地面に向けて開口させたことを特徴とする請求項１４または１５に記載の風力発電装置。
    

Images