JP2012012978A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ナセル内部に設置される機器類について、特に、主軸受の局所的な高温化を抑制できる風力発電装置を提供する。
【解決手段】風車翼を取り付けたロータヘッド４に連結されている駆動・発電機構がナセル内に収納設置され、ロータヘッド４と共に回転する主軸を支持する主軸受８が主軸受サポート１１を介してナセルに固定支持されている風力発電装置において、主軸受８と主軸受サポート１１との間を連結する熱輸送部材２０を設置して伝熱路を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風車翼に風力を受けて発電する風力発電装置に係り、特に、風力発電装置のナセル内に設置される機器類の局所的な高温化を抑制する冷却構造に関する。

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、一般的に風車用タワー（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。

風力発電装置のナセル内には、一般的な装置構成として、風車翼から受けた機械的な回転力の伝達装置や発電装置が設置されている。このうち、回転力の伝達装置は、主軸受け及び増速機を備え、発電装置は、発電機、トランス、インバータ及び制御盤、もしくは、発電機及び制御盤を備えている。
このようなナセル内機器は、ナセル吸気口から吸気される外気を用い、熱源となる機器毎に設置された個別の熱交換器により外気と冷却媒体とを熱交換させ、外気に吸熱された冷却媒体を冷却対象機器に供給して冷却することが行われている。この場合、ナセル内に吸気される外気は、一般的にはフィルタを介して除塩及び除塵の処理が施されている。

ここで、外気と熱交換する冷却媒体の従来例について、発熱機器毎の具体例を図４に例示する。図４において、図中の符号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、５は風車翼、６はナセル吸気口、７は排気口である。
このような風力発電装置１において、機械的な伝達装置を構成する主軸受８及び増速機９の冷却には、外気と熱交換する冷却媒体として潤滑油循環系統を循環する潤滑油が用いられている。この場合、オイルクーラ１０で潤滑油と外気とを熱交換させ、外気に吸熱されて温度低下した潤滑油を回転部に供給して潤滑及び摩擦熱の冷却を行っている。なお、図中の符号１１は主軸受サポートであり、主軸受８をナセル３の強度部材に固定支持するための部材である。

一方、発熱源となる電気機器類の冷却には、たとえばインバータ制御盤１２の場合、外気と熱交換する冷却媒体として不凍液が用いられ、発電機１３の場合、外気と熱交換する冷却媒体には一次系空気が用いられている。いずれの場合においても、外気に吸気された不凍液または一次系空気を冷却対象となる発熱源の電気器類に供給して循環させることにより、継続した冷却が行われている。なお、図中の符号１４はトランスである。

上述した外気は、ファン１５を運転することにより、ナセル吸気口６からナセル３の内部に流入する。この外気は、ナセル３の内部を流れて各種冷却媒体との熱交換やナセル内部を換気冷却した後、排気口７から外部へ流出する。
また、下記の特許文献１には、軸受の放熱性を確保するため、熱伝導体からなる軸受ホルダを介して、軸受をハウジングに保持することが開示されている。

特開２００６−２２６２６７号公報

近年の風力発電装置１は、大型化により発電出力が大出力化する傾向にある。たとえば陸上に設置する風力発電装置１は、その発電出力は１機当たり２〜３ＭＷになり、洋上に設置する風力発電装置１は、その発電出力は１機当たり５〜６ＭＷに達している。このような風力発電装置１の大出力化は、ナセル３の内部に設置される機器類の冷却負荷を増大させる要因となっている。
一方、タワー２側においては、タワートップの重量軽減という要請もあるが、主軸受８及びサポート部材１１を軽量化（薄肉・細肉化）すると、構造部材の熱抵抗が増大し、局所的な過熱を生じてしまう。

このような構造部材の過熱は、たとえ局所的であってもナセル内機器類が損傷する原因となるため、風力発電装置１の安定した運転継続にとって好ましいことではない。このため、従来の風力発電装置１では、過熱を生じるのが局所的であっても、これを解消するため、過熱部を含む広い領域に対して更なる冷却が必要となっていた。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ナセル内部に設置される機器類について、特に、主軸受の局所的な過熱を防止または抑制できる風力発電装置の提供を目的とする。

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、風車翼を取り付けたロータヘッドに連結されている駆動・発電機構がナセル内に収納設置され、前記ロータヘッドと共に回転する主軸を支持する主軸受がサポート部材を介して前記ナセルに固定支持されている風力発電装置において、前記サポート部材に熱輸送部材を設置して伝熱路を形成し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、サポート部材に熱輸送部材を設置して伝熱路を形成したので、主軸受で発生した局所的な発熱は、熱輸送部材を通ってサポート部材側へ効率よく移動する。

上記の発明において、前記熱輸送部材は、鋳物とした前記サポート部材の内部に設置されていることが好ましく、これにより、鋳鉄等の鋳物であるサポート部材を熱的なバッファとして機能させることができる。
上記の発明において、前記熱輸送部材は、鋳物とした前記サポート部材の表面もしくはその近傍に設置されていることが好ましい。
上記の発明において、前記熱輸送部材は、その一端が前記主軸受に接していることが好ましい。
上記の発明において、前記熱輸送部材は、ヒートパイプまたは高熱伝導率部材であることが好ましい。

上述した本発明によれば、主軸受とサポート部材との間を連結する熱輸送部材を設置して伝熱路を形成するので、主軸受の摺動部に生じる発熱は、熱輸送部材を通ってサポート部材側へ速やかに移動するようになり、主軸受けの発熱による局所的な高温化を抑制できる。この結果、主軸受の高温化に起因する破損を防止し、風力発電装置の耐久性や信頼性を向上することができる。

そして、主軸受の潤滑を行う潤滑油冷却用のオイルクーラは、サポート部材側への熱移動によって冷却負荷が低減するので、オイルクーラ自体の小容量化が可能になる。
また、サポート部材側への熱移動は、主軸受からロータヘッド側への伝熱量やナセル内への放熱量を低減するので、ロータヘッドの高温化やナセル内部空気の温度上昇を抑制することができる。

本発明に係る風力発電装置の一実施形態として、主軸受及び主軸受のサポート部材周辺構造を示す断面図である。 図１のＡ矢視図である。 熱輸送部材の一例として、ヒートパイプの熱移動説明図である。 風力発電装置の一例として、ナセル内部の概略構成例を示す要部の断面図である。

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４において、風力発電装置１は、基礎上に立設されるタワー２と、タワー２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられるロータヘッド４とを備えている。
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。なお、図示の風力発電装置１は、ナセル３の前方で風車翼５が回転するアップウインド型と呼ばれるものであるが、以下に説明する本発明は、たとえばダウンウインド型にも適用可能であり、これに限定されることはない。

ナセル３の内部には、ロータヘッド４の回転を発電機１３に伝達する機械的な駆動力伝達機構として、主軸受８及び増速機９が設けられている。主軸受８は、ロータヘッド４と共に回転する主軸（不図示）を支持する軸受である。なお、主軸受８に回転可能に支持された主軸は、前端部側がロータヘッド４に連結され、後端部側が増速機９の入力軸に連結されている。
上述した主軸受８は、たとえば鋳鉄製の鋳物である主軸受サポート１１によりナセル３の強度部材に固定支持されている。

さらに、ナセル３の内部には、発電機１３による発電機構を構成する各種電気機器類として、インバータ制御盤１２や発電機１３で発電された電力を変圧するトランス１４等が設置されている。
このように、風力発電装置１においては、風車翼５を取り付けたロータヘッド４に連結されている駆動・発電機構が、ナセル３の内部に収納設置されている。このような駆動・発電機構は、運転により発熱する機器類として、主軸受８を備えている。

このように、風車翼５を取り付けたロータヘッド４に連結されている駆動・発電機構がナセル３内に収納設置され、ロータヘッド４と共に回転する主軸を支持する主軸受８がサポート部材１１を介してナセル３に固定支持されている風力発電装置１では、主軸受８とサポート部材１１との間を連結する熱輸送部材２０を設置することにより、発熱側の主軸受８からサポート部材１１側への伝熱量を増す伝熱路が形成される。

熱輸送部材２０は、たとえば鋳鉄等の鋳物で製造されたサポート部材１１の壁面内部に設置されている。このサポート部材１１は、小径部１１ａ及び大径部１１ｂとの間を略円錐台形状部１１ｃにより連結された部材であり、小径部１１ａに主軸受８が嵌合している。なお、鋳物のサポート部材１１は、軽量化するため、強度を考慮した最低限の厚みに設定されることが多い。
主軸受８は、固定側の外輪８ａがサポート部材１１に固定支持され、回転側の内輪８ｂがロータヘッド４と連結されている。なお、図中の符号８ｃは、外輪８ａと内輪８ｂとの間に介在させた転動体である。
主軸受８においては、この転動体８ｃと外輪８ａ及び内輪８ｂとの接触面から発熱し、転動体８ｃは、オイルやグリスにより潤滑や冷却される。

上述したサポート部材１１には、略円錐台形状部１１ｃに対して、たとえば図２に示すように、多数の熱輸送部材２０が埋め込まれて放射状に設置されている。なお、図示の構成例では、熱輸送部材２０の一端が主軸受８の外輪８ａ側に若干入り込んでいるが、これに限定されることはなく、たとえば外輪８ａの外周面に密着しているだけでもよい。
サポート部材１１に熱輸送部材２０を設置する際には、たとえば細長い円柱形状の熱輸送部材１１を挿入する孔１１ｄを壁面内部に形成することが望ましい。このような構成とすることにより、熱輸送部材２０を設置したサポート部材１１が全体としてコンパクトな形状となる。また、熱輸送部材２０を熱源と圧着させることにより、熱抵抗を低減することも可能になる。しかし、加工工数の増大を避けるために、サポート部材１１の表面もしくはその近傍に熱輸送部材２０を設置してもよい。この際に、熱輸送部材２０は、必ずしもサポート部材１１の表面に連続的に接する必要はなく、途中の一部がサポート部材１１の表面から離間するように設置されても構わない。

この場合に好適な熱輸送部材２０としては、たとえばヒートパイプや高熱伝導部材がある。
図３は、熱輸送部材２０の一例としてヒートパイプ２１を示している。このヒートパイプ２１は、高熱（発熱）源である主軸受８側が蒸発側となり、かつ、低温源であるサポート部材１１側が凝縮部となるように、設置されている。なお、ヒートパイプ２１は、熱伝導性が高い材質からなるパイプ中に作動温度より相変化する液体を作動液として封入したものである。

このようなヒートパイプ２１は、パイプの一方を加熱して他方を冷却することにより、パイプ中の作動液が蒸発−蒸気移動−凝縮−液還流のサイクルを形成し、蒸発時に潜熱を吸収するとともに凝縮時に潜熱を放出して熱移動を行うものである。
このようなヒートパイプ２１は、凝縮部２１ａを蒸発部２１ｂより高い位置に設定することにより、凝縮後の作動液を重力で加熱部に戻す重力式が一般的であるが低コストである。

しかし、たとえばウイック式と呼ばれる方式のヒートパイプ２１は、パイプ内部を毛細管構造にして高低差がない場合でも作動液の移動を可能にするので、重力方式のような設置方向の制限を受けることなく利用可能になるが高コストである。
たとえば水平面より上側に低コストの重力式を、水平面より下側に方向性に依存しないウイック式を適用することが望ましい。もしくは、水平面より上側のみ安価な重力式のみ適用してもよいし、水平面の上側と下側の全てに方向性に依存しないウイック式を適用してもよい。
なお、ヒートパイプ２１の凝縮部２１ａ及び蒸発部２１ｂは、接触部の熱抵抗が小さくなるように、高熱源及び低熱源と圧着等により接続することが望ましい。

このような風力発電装置１によれば、主軸受８とサポート部材１１との間を連結するヒートパイプ２１のような熱輸送部材２０を設置して伝熱路を形成したので、主軸受８で発生した局所的な発熱は、熱輸送部材２０を通ってサポート部材１１側へ効率よく移動するようになる。この結果、主軸受８の摺動部に生じる発熱は、熱輸送部材２０を通ってサポート部材１１側へ速やかに移動するので、主軸受８の発熱による局所的な高温化を抑制できる。
すなわち、主軸受８の摺動部に生じる発熱は、熱輸送部材２０を通ってサポート部材１１側へ速やかに移動するようになるため、主軸受８の発熱による局所的な高温化を抑制でき、従って、主軸受８の高温化に起因する破損を防止し、風力発電装置１の耐久性や信頼性を向上させることができる。

さらに、上述した熱輸送部材２０は、主軸受８の潤滑を行っている潤滑油冷却用のオイルクーラ１０において、潤滑油の冷却負荷を低減することができる。このような熱負荷の低減は、摺動部の発熱をサポート部材１１側へ導くことにより、主軸受８の温度が低下するためである。
従って、主軸受８の潤滑を行う潤滑油冷却用のオイルクーラ１０では、サポート部材１１側への熱移動によって冷却負荷が低減することとなり、オイルクーラ１０の容量を小型化することが可能になる。

また、熱輸送部材２０を鋳鉄等の鋳物で製造されるサポート部材１１の内部に設置することにより、熱容量の大きいサポート部材１１を熱的なバッファとして機能させることも可能になる。
また、サポート部材１１側への速やかな熱移動は、主軸受８からロータヘッド４側への伝熱量やナセル３内への放熱量を低減することになるので、ロータヘッド４の高温化やナセル３の内部空気が温度上昇することも抑制できる。

ところで、上述した熱輸送部材２０は、ヒートパイプ２１に限定されることはなく、たとえば銅やアルミニウム等のように、熱伝導率の高い素材を用いた高熱伝導率部材であってもよい。なお、高熱伝導部材の形状は、上述したヒートパイプ２１と同様の円筒形状にして同様に設置してもよいが、これに限定されることはない。
このような高熱伝導率部材に銅やアルミニウム等の金属を採用すると、ヒートパイプ２１とは異なり、熱輸送部材２０の設置部分もサポート部材１１の強度部材として用いるため、サポート部材１１の強度に関する信頼性の向上に有効である。

また、熱輸送部材２０に高熱伝導率部材を採用すると、メンテナンスの問題がほとんど発生しない。すなわち、上述したヒートパイプ２１は、パイプ内に作動液を封入する構造であるから、パイプ内の内部圧力が低下すると熱輸送性能に影響するので、ヒートパイプ２１には寿命が存在し、定期的に交換する必要がある。しかし、高熱伝導率部材は、単純な棒材でよいから、メンテナンスなしでも当初の高い熱輸送性能を略維持することができる。
このような高熱伝導率部材の熱輸送部材２０は、主軸受８からサポート部材１１への熱抵抗を小さくするため、主軸受８に近い高熱源側を肉厚にすることが望ましい。

このように、上述した実施形態の風力発電装置１によれば、ナセル３の内部に設置される主軸受８等の機器類について、特に、主軸受８の局所的な高温化を抑制することができ、安定した運転継続が可能になる。また、ナセル３の内部に設置された他の機器類が受ける熱影響低減にも有効である。このような熱負荷の低減は、たとえばオイルクーラ１０やファン１５の小型化を可能にし、ファン１５の消費電力低減にも有効である。
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、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
３ ナセル
４ ロータヘッド
５ 風車翼
８ 主軸受
９ 増速機
１０ オイルクーラ
１１ 主軸受サポート
１２ インバータ制御盤
１３ 発電機
１４ トランス
１５ ファン
２０ 熱輸送部材
２１ ヒートパイプ

Claims (6)

1. 風車翼を取り付けたロータヘッドに連結されている駆動・発電機構がナセル内に収納設置され、前記ロータヘッドと共に回転する主軸を支持する主軸受がサポート部材を介して前記ナセルに固定支持されている風力発電装置において、
   前記サポート部材に熱輸送部材を設置して伝熱路を形成したことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記熱輸送部材は、鋳物とした前記サポート部材の内部に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記熱輸送部材は、鋳物とした前記サポート部材の表面もしくはその近傍に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
4. 前記熱輸送部材は、その一端が前記主軸受に接し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. 前記熱輸送部材は、ヒートパイプであ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. 前記熱輸送部材は、高熱伝導率部材であ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。
   

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