JP2012072684A

JP2012072684A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2012072684A
Application number: JP2010217001A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Yoshida; 茂雄吉田
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-09-28
Also published as: EP2434151A2; JP5550508B2; US20120074710A1

Abstract

【課題】簡素な構造によりナセル内に収容された変圧器を良好に冷却可能な風力発電装置を提供する。
【解決手段】風力により回転駆動されるロータ１０と、ロータにより回転駆動される発電機２０と、発電機の出力電圧を昇圧する変圧器３０と、タワー５０の上部に設けられ発電機及び変圧器を収容するナセル４０とを備える風力発電装置１を、ナセルは、変圧器を冷却する空気を導入する吸気口、及び、吸気口から導入された空気が変圧器を冷却した後に外部へ排出される排気口を有し、発電機は、吸気口から排気口までの空気流路の外部に配置される構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、風車タワー上部のナセル内にロータにより駆動される発電機及び変圧器を収容した風力発電装置に関し、特に簡素な構造により変圧器を良好に冷却可能なものに関する。

風力発電装置は、風車タワーの上部に設けられたナセル内に収容された発電機を、ロータ（風車）によって駆動し発電するものである。発電機が発電した出力は、変圧器によって昇圧した後に電力として送電される。
一般に、変圧器は風車タワーに隣接して地上に設けられた建屋等に収容される場合が多い。
しかし、例えば山岳地帯や洋上などのように、設置スペースが限られた領域に風車を設置する際には、変圧器を収容する建屋の設置スペースを確保することが困難である。

このような問題を解決するため、変圧器をタワー内あるいはナセル内に設置する技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、風車タワーの基部であるタワーベースの内部に変圧器を収容した風力発電装置が記載されている。
また、特許文献２には、変圧器を含む電力モジュールを、タワーの内部に配置されたコンテナ内に収容した風力発電設備が記載されている。
また、特許文献３の図４等には、ナセルの内部に変圧器を収容した風力発電装置が記載されている。

ここで、特許文献３のようにナセル内に変圧器を収容できれば、風車タワーの設置スペースを低減することができるが、この場合、ナセル内の各装置を適切に冷却することが重要となる。
ナセル内の冷却に関する従来技術として、例えば特許文献４には、吸気口から取り入れた空気を、ナセル内に収容したファンによって強制的に循環させ、ナセル内の温度上昇を抑制する風力発電装置の冷却機構が記載されている。

特開２００６−９５９６号公報特表２００６−５１５４００号公報特開２００４−２１８４３６号公報特開昭５８−６５９７７号公報

しかし、特許文献４に記載されたようにナセル内の全体を空冷とした場合、吸気口から外気とともに侵入する雨、雪、埃、さらには洋上風車等の場合には塩分により、発電機周辺部品や配線等の汚れ、腐食、錆等が発生するという問題が生ずる。
これに対し、ナセル内の全体をラジエータを用いた水冷とすれば、発電機周辺部品等を異物や塩害等から保護することは可能であるが、ナセル内の構造が複雑化するとともに重量が増加し、メンテナンスや性能面での問題が生ずるおそれがある。
本発明の課題は、簡素な構造によりナセル内に収容された変圧器を良好に冷却可能な風力発電装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、風力により回転駆動されるロータと、前記ロータにより回転駆動される発電機と、前記発電機の出力電圧を昇圧する変圧器と、タワーの上部に設けられ前記発電機及び前記変圧器を収容するナセルとを備える風力発電装置であって、前記ナセルは、前記変圧器を冷却する空気を導入する吸気口、及び、前記吸気口から導入された空気が前記変圧器を冷却した後に外部へ排出される排気口を有し、前記発電機は、前記吸気口から前記排気口までの空気流路の外部に配置されることを特徴とする風力発電装置である。
これによれば、外気を導入して変圧器を空冷し、発電機を例えば水冷等の他の冷却手段によって冷却することによって、簡単な構造によって変圧器を冷却するとともに発電機及びその周辺部品が外気とともに侵入する雨、雪、埃、塩分等に曝されることを防止できる。

請求項２の発明は、前記変圧器は前記発電機に対して風上側に配置され、前記ナセルは、前記変圧器と前記発電機との間に設けられた隔壁を有し、前記吸気口及び前記排気口は前記隔壁よりも風上側に配置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である。
これによれば、隔壁によって外気から発電機等を保護しつつ、隔壁よりも風上側で変圧器を空冷することができる。

請求項３の発明は、前記ロータは、前記ナセルに対して風下側に配置され、前記吸気口は、前記ナセルの風上側の端部に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電装置である。
これによれば、ダウンウインド型の風力発電装置において、気流に対向するナセルの前面部に吸気口を設けることによって、ナセル内に外気を効率よく導入し、変圧器を良好に冷却することができる。

請求項４の発明は、前記発電機に冷却液を循環させる液冷式冷却装置を備えることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の風力発電装置である。
これによれば、発電機を液冷することによって、外気による空冷を行わない発電機を良好に冷却することができる。

以上説明したように、本発明によれば、簡素な構造によりナセル内に収容された変圧器を良好に冷却可能な風力発電装置を提供することができる。

本発明を適用した風力発電装置の実施例１の構成を示す模式図であって、図１（ａ）は側面視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ部矢視図である（図３において同様）。実施例１の風力発電装置におけるナセルの模式的外観斜視図であって、風上側の斜め上方側から見た図である。本発明を適用した風力発電装置の実施例２の構成を示す模式図である。実施例２の風力発電装置におけるナセルの模式的外観斜視図であって、風上側の斜め上方側から見た図である。

本発明は、簡素な構造によりナセル内に収容された変圧器を良好に冷却可能な風力発電装置を提供する課題を、ロータがナセルの風下側に配置されたダウンウインド型の風力発電装置において、ナセルの風上側にトランスを配置し、ナセルの風上側から導入した空気によってトランスを冷却するとともに、トランスと発電機との間の隔壁よりも風上側に設けられた排気口から排気することによって解決した。

以下、本発明を適用した風力発電装置の実施例１について説明する。
図１に示すように、風力発電装置１は、ロータ１０、発電機２０、トランス３０、ナセル４０、タワー５０等を備えて構成されている。
実施例１の風力発電装置１は、ロータ１０が通常運転時におけるナセル４０の風下側に配置されたいわゆるダウンウインド型のものである。

ロータ１０は、ナセル４０の風下側端部に回転可能に支持されたハブに、複数のブレードを放射状に取り付けて構成されている。
ロータ１０は、ブレードが気流を受け発生する揚力によって回転駆動される。

発電機２０は、図示しない増速機構を介してロータ１０によって駆動され、電力を発生するものである。発電機２０は、ナセル４０内の風下側の領域に配置されている。
発電機２０は、図示しないラジエータによって冷却された冷却水を循環させる図示しない水冷式の冷却装置を備えている。また、この冷却装置は、図示しない制御盤等の周辺機器の冷却にも用いられる。

トランス３０は、発電機２０が発電した出力を昇圧して電力として出力する変圧器である。
トランス３０は、発電機２０に対して風上側に配置されている。
トランス３０は、後述するように、ナセル４０内に導入される空気によって冷却される。

ナセル４０は、発電機２０及びトランス３０を収容する部分である。
ナセル４０は、隔壁４１、吸気口４２、排気口４３等を備えて構成されている。
隔壁４１は、ナセル４０の中央部付近に配置され、ナセル４０の内部空間を風上側及び風下側に区画するものである。
発電機２０は隔壁４１よりも風下側に配置され、トランス３０は隔壁４１よりも風上側に配置されている。

吸気口４２は、トランス３０を冷却するための空気（外気）を導入するものである。
吸気口４２は、ナセル４０の風上側の端部（風上側から見た正面部）に開口して設けられている。
一例として、吸気口４２は、図２に示すように、ナセル４０の正面部に、上下方向に沿った長手方向を有する矩形の開口として形成され、例えば２つが水平方向に並べて配置されるが、位置や形状はこれに限定されない。

排気口４３は、吸気口４２から導入されトランス３０を冷却した後の空気を、ナセル４０の外部に排出するものである。
排気口４３は、隔壁４１よりも風上側におけるナセル４０の上面部、下面部、側面部等の少なくとも一部に形成されている。
一例として、排気口４３は、図２に示すように、ナセル４０の側面部における隔壁４１の風上側に、上下方向に沿った長手方向を有する矩形の開口として形成されるが、位置や形状はこれに限定されない。

タワー５０は、ナセル４０を支持する支柱である。
タワー５０の上端部は、ナセル４０の下部に接続され、下端部は地上、洋上等に設けられる基部に固定されている。

実施例１において、ナセル４０に図１（ａ）の左側から気流（風）が当たると、外気の一部は吸気口４２からナセル４０内に導入され、トランス３０を空冷した後に、排気口４３からナセル４０の外部へ排出される。
このとき、ナセル４０内に隔壁４１を設けたことによって、ナセル４０内で外気が隔壁４１よりも風下側に流入することは実質的に防止される。すなわち、発電機２０及びその周辺機器類は、吸気口４２からトランス３０を経て排気口４３へ至る空気流路の外部に配置される。

以上説明した実施例１によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）外気を導入してトランス３０を空冷し、発電機２０を水冷式の冷却装置によって冷却することによって、簡単な構造によってトランス３０を冷却するとともに発電機２０及びその周辺部品が外気とともに侵入する雨、雪、埃、塩分等に曝されることを防止することができる。
（２）ナセル４０内に隔壁４１を設けたことによって、隔壁４１によって外気から発電機２０等を保護しつつ、隔壁よりも風上側でトランス３０を空冷することができる。
（３）ダウンウインド型の風力発電装置１において、ナセル４０の風上側の端部に吸気口４２を設けることによって、ナセル４０内に外気を効率よく導入し、トランス３０を良好に冷却することができる。

次に、本発明を適用した風力発電装置の実施例２について説明する。
なお、上述した実施例１と実質的に同様の箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図３に示すように、実施例２の風力発電装置１０１は、ロータ１０が通常運転時におけるナセル１４０の風上側に配置されたいわゆるアップウインド型のものである。

ナセル１４０は、隔壁１４１、吸気口１４２、排気口１４３等を備えて構成されている。
隔壁１４１は、ナセル１４０の中央部付近に配置され、ナセル１４０の内部空間を風上側及び風下側に区画するものである。
発電機２０は、隔壁１４１よりも風下側に配置されている。
発電機２０の主軸は、隔壁１４１を貫通して風上側に伸びた図示しない回転軸に接続されている。
トランス１３０は、図３（ａ）に示すように、隔壁１４１よりも風上側に配置される。また、トランス１３０は、図３（ｂ）に示すように、上述した回転軸及びロータ１０の主軸を支持するベアリングが収容されるベアリングハウジングＨを避けて、風上側から見てその左右に振り分けて配置されている。

吸気口１４２は、トランス１３０を冷却するための空気（外気）を、ロータ１０の後流から導入するものである。
吸気口１４２は、ナセル１４０の風上側の端部（風上側から見た正面部）に開口して設けられている。
一例として、吸気口１４２は、図４に示すように、ナセル１４０の正面部における上部に、矩形の開口として形成され、例えば２つがロータ１０のハブ１１１を水平方向に避けた両側に配置されるが、位置や形状はこれに限定されない。

排気口１４３は、吸気口１４２から導入されトランス１３０を冷却した後の空気を、ナセル１４０の外部に排出するものである。
排気口１４３は、隔壁１４１よりも風上側におけるナセル１４０の上面部、下面部、側面部等の少なくとも一部に形成されている。
一例として、排気口１４３は、図４に示すように、ナセル１４０の側面部における隔壁１４１の風上側に、上下方向に沿った長手方向を有する矩形の開口として形成されるが、位置や形状はこれに限定されない。
以上説明した実施例２によれば、ロータ１０がナセル１４０の風上側に配置されるアップウインド型の風力発電装置１０１においても、上述した実施例１の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した各実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
例えば、風力発電装置の構成は、上述した実施例に限定されず、適宜変更することができる。例えば、ナセルに設けられる吸気口、排気口の配置、個数や、空気流路と発電機とを隔てる隔壁の形状、構造等、適宜変更することができる。

１風力発電装置（実施例１）１０ロータ
２０発電機３０トランス
４０ナセル４１隔壁
４２吸気口４３排気口
５０タワー
１０１風力発電装置（実施例２）１１１ハブ
１３０トランス
１４０ナセル１４１隔壁
１４２吸気口１４３排気口
Ｈベアリングハウジング

Claims

風力により回転駆動されるロータと、
前記ロータにより回転駆動される発電機と、
前記発電機の出力電圧を昇圧する変圧器と、
タワーの上部に設けられ前記発電機及び前記変圧器を収容するナセルと
を備える風力発電装置であって、
前記ナセルは、前記変圧器を冷却する空気を導入する吸気口、及び、前記吸気口から導入された空気が前記変圧器を冷却した後に外部へ排出される排気口を有し、
前記発電機は、前記吸気口から前記排気口までの空気流路の外部に配置されること
を特徴とする風力発電装置。
前記変圧器は前記発電機に対して風上側に配置され、
前記ナセルは、前記変圧器と前記発電機との間に設けられた隔壁を有し、
前記吸気口及び前記排気口は前記隔壁よりも風上側に配置されること
を特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記ロータは、前記ナセルに対して風下側に配置され、
前記吸気口は、前記ナセルの風上側の端部に配置されること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電装置。
前記発電機に冷却液を循環させる液冷式冷却装置を備えること
を特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の風力発電装置。