JP2012172564A - 風力発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、変圧器を塔内部に収容したものであっても、塔内部に換気空調設備を設置することなく、塔内部の変圧器周辺の空気温度を低減することが可能な風力発電設備を提供する。
【解決手段】
本発明では、塔の内部の基礎上に設置され、発電機で発生した電力を変圧する変圧器の波形リブタンクの上に、該波形リブタンクから放出された熱を奪った空気が流れ込むフードを設置し、該フードには、前記塔の上方まで伸び、該フードに流れ込んだ前記波形リブタンクから放出された熱を奪った空気を前記塔内に排気する排気ダクトが接続されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は風力発電設備に係り、特に、頂部に発電装置が設置されている塔の内部に変圧器を備えているものに好適な風力発電設備に関する。

一般に、風力発電設備は、基礎の上に塔を建て、その塔の頂部にナセルが設置され、ブレードを備えたロータがナセル内の発電機と連結され、ブレードが風で回転することにより発電機で電力を発生させている。更に、発電機で発生した電力を電力系統に供給できるように変圧する変圧器、電力を直流又は交流に変換する変換器等の電力機器を備えている。

これらの機器は、従来から塔とは別の建物内に据え付けられていたが、近年、塔の内部に変圧器等の電力機器を収容し、別の建物を建築する必要をなくした風力発電設備とする傾向にあり、この塔の内部に変圧器等を収容した例が特許文献１に開示されている。

この特許文献１には、含塩空気や湿気などが発電機や整流器、変圧器等の壊れやすい部品に接触することのないように、変圧器等の発熱体を途中に配置した閉回路からなる冷却回路を塔の内部に設けたものが記載されている。即ち、塔の内部に変圧器等の発熱体が設置され、この変圧器等の発熱体を途中に位置させた閉回路からなる冷却回路を設け、変圧器等の発熱体から発生する加熱空気を、冷却回路中に設けられている換気装置等で強制的に上記冷却回路を循環させる過程で、塔の外壁を介して外気と熱交換させて冷却し、この冷却された空気を再度発熱体の冷却に利用することが記載されている。

ところで、変圧器は、通常、運転時に主に鉄心と巻線で発熱し、タンク内の冷却媒体は、鉄心や巻線で発生した熱を奪い、温度上昇する。高温になった冷却媒体は、複数の放熱リブを外面に形成した波形リブタンク、或いはタンクと上下の配管で接続された自冷式放熱器を介して変圧器周囲の空気に熱を放出するが、特許文献１には、このような点については、全く触れられていない。

特表２００３-５０４５６２号公報

風力発電設備の塔の内部に変圧器を収容した場合、波形リブタンクを形成する複数の放熱リブ、或いは自冷式放熱器から熱を奪って温度上昇した空気は、密度が小さく、軽くなり、波形リブタンクの放熱リブや自冷式放熱器から上へ向かって流出する。流出した空気は、流出直後から拡散して塔内の温度の低い空気と混合し、混合が進むにつれて温度は低下し、流速も遅くなる。つまり、流出した空気が高い温度を保ったまま、上へ向かってどこまでも上がって行くわけではなく、上昇する範囲は、波形リブタンクの放熱リブや自冷式放熱器の高さの数倍と考えられる。

他方、塔の外壁は、外を吹く風の強制対流及び大気の自然対流によって冷却されるため、外壁近傍の塔内部の空気は、外壁を介して大気に熱を奪われて温度が低くなる。熱を奪われて温度が下がり、重くなった空気は、外壁に沿って下降する。

前述した波形リブタンクの複数の放熱リブ、或いは自冷式放熱器からの上昇流と塔の外壁に沿う下降流は、つながって一体となり、自然対流による循環流を形成する。変圧器で発生した熱は、この循環流によって塔の外壁に伝わり、更に、大気に放出される。

そのため、変圧器で発生した熱を塔内の空気から大気に放熱するのに寄与する塔の外壁は、循環流の高さの範囲であり、波形リブタンクの放熱リブや自冷式放熱器の高さの数倍と考えられる。この高さは、数十ｍ以上ある風力発電設備の塔のごく一部であり、変圧器の発熱量を放出する伝熱面積としては不十分で、変圧器周辺の塔内部の空気温度は、ビルに設置した変圧器の電気室と同様に上昇し、所謂熱がこもった状態になる。

これは、風力発電設備の塔の内部に配置された変圧器特有の課題であり、これを解決しないと、塔内部の変圧器周辺の空気温度を低減することは難しい。

しかしながら、特許文献１には、変圧器の構造については全く触れられておらず、上記した課題について認識していないことは明らかである。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、波形リブタンク、或いは放熱器を介して周囲の空気に熱を放出する変圧器を塔内部に収容したものであっても、塔内部に換気空調設備を設置することなく、塔内部の変圧器周辺の空気温度を低減することが可能な風力発電設備を提供することである。

本発明の風力発電設備は、上記目的を達成するために、基礎上に建てられた塔と、該塔の頂部に設置されたナセルと、該ナセル内に設置された発電機と、該発電機と連結され、該発電機を回転させることで電力を発生させるブレードと、前記塔の内部の基礎上に設置され、前記発電機で発生した電力を変圧する変圧器とを備え、前記変圧器は、鉄心と該鉄心に装着された巻線とが波形リブタンクに収容され、該波形リブタンク内に冷却媒体が充填されて形成され、前記鉄心と巻線で発生した熱を、前記冷却媒体で奪い前記波形リブタンクを介して放出する風力発電設備において、前記変圧器の波形リブタンクの上に、該波形リブタンクから放出された熱を奪った空気が流れ込むフードを設置し、該フードには、前記塔の上方まで伸び、該フードに流れ込んだ前記波形リブタンクから放出された熱を奪った空気を前記塔内に排気する排気ダクトが接続されているか、
或いは、前記変圧器は、鉄心と該鉄心に装着された巻線とがタンクに収容され、該タンク内に冷却媒体が充填されている変圧器本体と、該変圧器本体の前記タンクと配管で接続されている放熱器とから成り、前記鉄心と巻線で発生した熱を、前記冷却媒体で奪い前記配管を介して前記放熱器から放出する風力発電設備において、前記変圧器の放熱器の上に、該放熱器から放出された熱を奪った空気が流れ込むフードを設置し、該フードには、前記塔の上方まで伸び、該フードに流れ込んだ前記放熱器から放出された熱を奪った空気を前記塔内に排気する排気ダクトが接続されていることを特徴とする。

上記構成とすることで、波形リブタンクの複数の放熱リブ、或いは放熱器から熱を奪って温度上昇した空気は、密度が小さく軽くなり、波形リブタンクの放熱リブや放熱器から上へ向かって流出する。流出した空気は、フードによって集められ、該フードの上に続く排気ダクトに流れ込む。温度上昇し、軽くなって排気ダクトに流れ込んだ空気と排気ダクトの外側の温度の低い空気は、排気ダクトによって仕切られているので、これらの空気が混合することはなく、排気ダクト内の空気は高い温度を保ったままになり、密度が小さい状態を維持できる。

このため、排気ダクトに流入した空気は、煙突の中を煙が上がって行くのと同様に、排気ダクトの上端まで上昇し、そこから塔内へ流出する。塔内へ流出した空気は、塔の外壁を介して外を吹く風の強制対流および大気の自然対流によって冷却されるため、温度が低下し、密度が大きくなって外壁に沿って下降する。下降した空気は、再び、波形リブタンクの複数の放熱リブ、或いは放熱器を冷却することになり、塔内には、数十ｍ以上の塔の高さの大部分に及ぶ大きな自然対流の循環流が形成される。変圧器で発生した熱は、この循環流によって塔の外壁に伝わり、更に大気に放出される。

そのため、排気ダクトの上端から変圧器の基礎の間の外壁が、変圧器で発生した熱を塔内の空気から大気に放出する伝熱面になり、塔の外壁の大部分を冷却に有効に利用することができる。

その結果、変圧器を収容する風力発電設備の塔内部の空気の大気に対する温度上昇を小さく抑えることが可能になり、塔内部に換気空調設備を設置しなくても、塔内部の変圧器周辺の空気温度を低減することが可能になる。

また、本発明では、塔の外壁の内側に外壁と二重構造になる案内板を配置し、外壁と案内板で上下に通じる流路を形成し、該流路の上端と下端を塔の内部と連通するように開放すると共に、風力発電設備の塔の内部に収容した変圧器の波形リブタンク、或いは放熱器の上にそれらの上部を覆うフードを設置し、更に、該フードの上に塔の上部まで伸びる排気ダクトを接続している。

上記構成とすることで、外壁と案内板で形成された流路内の空気は、常に、塔の外壁を介して外を吹く風の強制対流、及び大気の自然対流によって熱を奪われる。また、案内板によって、該案内板の内側の塔内の空気と仕切られているので、案内板の内側の塔内の空気と混合することがなく、流路内を下降する間に効率よく冷却される。

その結果、変圧器を収容する風力発電設備の塔内部の空気の大気に対する温度上昇を、更に小さく抑えることが可能になり、塔内部に換気空調設備を設置しなくても、塔内部の変圧器周辺の空気温度を低減することが可能になる。

また、本発明では、塔の外壁の内側にフィンを取り付けると共に、風力発電設備の塔の内部に収容した変圧器の波形リブタンク、或いは放熱器の上に、それらの上部を覆うフードを設置し、更に、該フードの上に塔の上部まで伸びる排気ダクトを接続している。

上記構成とすることで、塔の内部を循環する空気が、変圧器から奪った熱を塔の外壁に伝える伝熱面積が拡大するので、塔内の空気と外壁の温度差、ひいては塔内の空気と大気の温度差が小さくなる。塔の外壁の外側にフィンを取り付ける構造も考えられるが、塔の外壁から大気への伝熱は、塔の外を吹く風の強制対流及び大気の自然対流によって行われるのに対して、塔内の空気から塔の外壁への伝熱は、循環流の自然対流のみによって行われるので、熱伝達率は、塔の外壁の外側に比べて外壁の内側の方が小さい。

このため、外壁の内側の伝熱面積を拡大する方が、外側の伝熱面積を拡大するよりも効果が大きい。

その結果、変圧器を収容する風力発電設備の塔内部の空気の大気に対する温度上昇を、更に小さく抑えることが可能になり、塔内部に換気空調設備を設置しなくても、塔内部の変圧器周辺の空気温度を低減することが可能になる。

また、本発明は、風力発電設備の塔内部に収容した変圧器の波形リブタンク、或いは、放熱器の上にそれらの上部を覆うフードを設置し、該フードの上に、該フード内と通じるファンを取り付け、更に、該ファンに塔の上部まで伸びる排気ダクトを接続している。

上記構成とすることで、自然対流による循環流を生じさせる温度が低く、密度が大きい排気ダクト外側の塔内の空気と温度が高く、密度が小さい排気ダクト内の空気との圧力差に、ファンによって発生する圧力差が加わり、この駆動力をもとに塔内の空気が循環することになるので、ファンで発生した圧力差の分だけ循環する空気流量が増加する。

このため、塔の外壁近傍を流れる循環流の流速が増大し、循環流から塔の外壁に熱が伝わる熱伝達率が大きくなるので、塔内の空気と外壁の温度差、更に、塔内の空気と大気の温度差が小さくなる。

その結果、変圧器を収容する風力発電設備の塔内部の空気の大気に対する温度上昇を、更に小さく抑えることが可能になり、塔内部に換気空調設備を設置しなくても、塔内部の変圧器周辺の空気温度を低減することが可能になる。更に、循環流はファンの圧力差だけで駆動するわけではなく、密度差に起因する自然対流の圧力差も利用できるので、ファン単体で空気を流すときに比べて低出力、小型化が可能になる。

また、本発明では、風力発電設備の塔の内部に収容した変圧器の波形リブタンク、或いは放熱器の上にそれらの上部を覆うフードを設置し、更に、該フードの上に塔の上部まで伸びる排気ダクトを接続し、その排気ダクトを塔の内部の他の発熱機器につながる排気ダクトと別配置にしている。

風力発電設備の塔内に設置される代表的な発熱機器としてパワーコンディショナがあるが、ファンの強制対流によって冷却されるのが一般的である。

変圧器の波形リブタンクの放熱リブや放熱器で生じる自然対流は、ファンの強制対流に比べて流れが弱いため、両方を同一の排気ダクトに流そうとすると、合流する領域で自然対流の流れが阻害される。更に、排気ダクトが数十ｍにも及ぶ長さを有する場合には、ファンによる強制対流が自然対流に打ち勝って逆流することも生じ得る。

このため、変圧器からの排気ダクトと他の発熱機器からの排気ダクトを途中で合わせて一本の排気ダクトにすると、変圧器で発生した熱を大気へ放出する塔の外壁まで運ぶ循環流が弱くなり、変圧器周辺の塔内部の空気温度は上昇することになる。

ところが、上記構成にすると、他の発熱機器で温度上昇して上昇する空気と波形リブタンクの複数の放熱リブ、或いは放熱器から熱を奪って高い温度になって上昇する空気が、同じ排気ダクト内を流れることはないので、変圧器で発生した熱が循環流によって塔の外壁に伝えられ、外壁から大気へ放出されるという伝熱経路は、なんら影響を受けることはない。

その結果、変圧器を収容する風力発電設備の塔内部の空気の大気に対する温度上昇を小さく抑えることが可能になり、塔内部に換気空調設備を設置しなくても、塔内部の変圧器周辺の空気温度を低減することが可能になる。

また、本発明では、塔の下方に空気を内部に吸気する吸気口を、塔の上方に内部の空気を大気に放出する排気口を設けると共に、変圧器の波形リブタンクの上に、前記吸気口から吸気されて前記波形リブタンクから放出された熱を奪った空気が流れ込むフードを設置し、該フードには、前記塔の上方まで伸び、該フードに流れ込んだ前記波形リブタンクから放出された熱を奪った空気を前記塔内に排気する排気ダクトが接続され、かつ、該排気ダクトで前記塔内に排気された空気は、前記排気口を介して大気に放出されるか、
或いは、塔の下方に空気を内部に吸気する吸気口を、塔の上方に内部の空気を大気に放出する排気口を設けると共に、変圧器の放熱器の上に、前記吸気口から吸気されて前記放熱器から放出された熱を奪った空気が流れ込むフードを設置し、該フードには、前記塔の上方まで伸び、該フードに流れ込んだ前記放熱器から放出された熱を奪った空気を前記塔内に排気する排気ダクトが接続され、かつ、該排気ダクトで前記塔内に排気された空気は、前記排気口を介して大気に放出されることを特徴とする。

上記構成とすることで、吸気口から塔内部へ流入した空気は、変圧器から熱を奪って軽くなり、フードで集められ、排気ダクトを通って排気ダクトの上部開口（排出口）から塔内の上部に流出し、塔の上部からは、塔に開けられた排気口を通って塔外部の大気に放出される。

従って、波形リブタンク、或いは放熱器を介して周囲の空気に熱を放出する変圧器を塔内部に収容したものであっても、塔内部に換気空調設備を設置することなく、塔内部の変圧器周辺の空気温度を低減することが可能となることは勿論、塔吸気口から塔内部へ流入し、変圧器を冷却する空気は、常に、温度の低い大気が供給されるため、変圧器の冷却性能は更に向上する。

本発明によれば、波形リブタンク、或いは放熱器を介して周囲の空気に熱を放出する変圧器を塔内部に収容したものであっても、塔内部に換気空調設備を設置することなく、塔内部の変圧器周辺の空気温度を低減することが可能な風力発電用変圧器を得ることができる。

本発明の風力発電設備の第１の実施の形態を示す縦断側面図である。 図１の風力発電設備に採用される波形リブタンク方式の変圧器を示す縦断側面図である。 図２の横断平面図である。 図１の風力発電設備に採用される放熱器方式の変圧器を示す縦断側面図である。 図４の横断平面図である。 本発明の風力発電設備の第２の実施の形態を示す縦断側面図である。 本発明の風力発電設備の第３の実施の形態を示す縦断側面図である。 図７のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の風力発電設備の第４の実施の形態を示す縦断側面図である。 本発明の風力発電設備の第５の実施の形態を示す縦断側面図である。 本発明の風力発電設備の第６の実施の形態を示す縦断側面図である。 本発明の風力発電設備の第７の実施の形態を示す縦断側面図である。 本発明の風力発電設備の第８の実施の形態を示す縦断側面図である。 本発明の風力発電設備の第９の実施の形態を示す縦断側面図である。 本発明の風力発電設備の第１０の実施の形態を示す縦断側面図である。

以下、本発明の風力発電設備の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

本発明の風力発電設備の第１の実施の形態を、図１、図２及び図３に示す。該図に示す如く、本実施の形態の風力発電設備は、基礎上に建てられた塔３と、この塔３の頂部に設置されたナセル２５と、ナセル２５内に設置された発電機（図示せず）と、この発電機と連結され、該発電機を回転させることで電力を発生させるブレード２６と、塔３の内部の基礎上に設置され、発電機で発生した電力を変圧する変圧器１とから概略構成されている。

上記塔３の内部の基礎上に設置されている変圧器１は、図２及び３に示す如く、鉄心（図示せず）と該鉄心に装着された励磁用の巻線（図示せず）とが波形リブタンク２に収容され、この波形リブタンク２内に鉱油等の絶縁性の冷却媒体（図示せず）が充填されて形成され、鉄心と巻線で発生した熱を、冷却媒体で奪い波形リブタンク２を介して塔３内に放出している。尚、符号１３は、ブッシングである。

そして、本実施の形態では、変圧器１の波形リブタンク２の上に、その波形リブタンク２の上部を覆い、波形リブタンク２から放出された熱を奪った空気が流れ込むフード４を設置し、更に、このフード４に開けた排気口５に塔３の上方まで伸び、フード４に流れ込んだ波形リブタンク２から放出された熱を奪った空気を塔３内に排気する円筒状に形成された排気ダクト６が接続されている。

このような本実施の形態によれば、波形リブタンク２の複数の放熱リブ７から熱を奪って温度上昇した空気８Ａは、密度が小さく軽くなり、波形リブタンク２の放熱リブ７から上へ向かって流出する。流出した空気８Ａは、フード４によって集められ、フード４の上に続く排気ダクト６に流れ込む。温度上昇し、軽くなって排気ダクト６に流れ込んだ空気８Ａと排気ダクト６の外側の温度の低い空気８Ｂは、排気ダクト６によって仕切られているので、これらの空気８Ａと８Ｂは混合することはなく、排気ダクト６内の空気８Ａは高い温度を保ったままになり、密度が小さい状態を維持できる。

このため、排気ダクト６に流入した空気８Ａは、煙突の中を煙が上がって行くように、排気ダクト６の上端まで上昇し、そこから塔３内へ流出する。塔３内へ流出した空気８Ｂは、塔３の外壁を介して外を吹く風の強制対流及び大気の自然対流によって冷却されるため、温度が低下し、密度が大きくなって外壁に沿って下降する。下降した空気８Ｂは、再び、波形リブタンク２の複数の放熱リブ７を冷却することになり、塔３内には、数十ｍ以上の塔３の高さの大部分に及ぶ大きな自然対流の循環流が形成される。

変圧器１で発生した熱は、この循環流によって塔３の外壁に伝わり、更に、大気に放出される。そのため、排気ダクト６の上端から変圧器１の基礎の間の外壁が、変圧器１で発生した熱を塔３内の空気から大気に放熱する伝熱面になり、塔３の外壁の大部分を冷却に有効に利用することができる。

この結果、変圧器１を収容する風力発電設備の塔３の内部の空気の大気に対する温度上昇を小さく抑えることができる。

尚、本実施の形態では、排気ダクト６の流路断面形状が円形になっているが、必ずしも円形である必要はなく、楕円形や長方形といった塔内の空間を有効に活用できる形状を選ぶことができる。また、排気ダクト６内の空気８Ａの温度をできるだけ高く保つことで循環流量を多くすることができるので、排気ダクト６の材質は熱伝導率の小さいものが好ましく、金属よりもプラスチックや布が良く、更にそれ以上に断熱材が望ましい。

更に、塔３内の空気を介さないで、変圧器１から直接、塔３の外壁に熱を伝える形態として輻射がある。この輻射による伝熱量を増やすことができれば、塔３内の空気の温度を低く抑えることができるので、変圧器１の外面と塔３外壁の内面の輻射率を大きくすることは有効な手段であり、それらの対向する面を輻射率の高い塗料、例えば黒体塗料で塗装することで簡単に達成できる。

次に、上述した波形リブタンク方式の変圧器に代えて、放熱器方式の変圧器を採用した場合の例を図４及び図５に基づいて説明する。

図４及び５に示す放熱器方式の変圧器１Ａは、鉄心（図示せず）と当該鉄心に装着された励磁用の巻線（図示せず）を密閉容器であるタンク２Ａに収容し、タンク２Ａ内に鉱油等の絶縁性の冷却媒体を充填している変圧器本体９と、この変圧器本体９のタンク２Ａと上部配管１０及び下部配管１１で接続された自冷式放熱器１２から構成されている。この変圧器１Ａを風力発電設備の塔３の内部に据え付け、自冷式放熱器１２の上にその上部を覆うフード４を設置し、更に、フード４にあけた排気口５に塔３の上部まで伸びる円筒状の排気ダクト６を接続している。

このような放熱器方式の変圧器１Ａを採用しても、前述した波形リブタンク方式の変圧器と同じ現象が生じるため、同様な効果が得られる。また、フード４や排気ダクト６が、ブッシング１３等の部品が取り付けられていない自冷式放熱器１２の上だけに配置されるので、構造を単純化できる。更に、自冷式放熱器１２は高電圧部を有しないことから、保守、点検等の作業時の高い安全性が保証される効果もある。

図６は、本発明における風力発電設備の第２の実施の形態を示すものである。尚、図１と同一符号は、同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

該図に示す本実施の形態において、第１の実施の形態（図１）と異なる構成は、塔３の外壁の内側に、外壁と二重構造になる案内板１４を配置し、外壁と案内板１４で上下に通じる流路を形成した点である。そして、流路の上端は、排気ダクト６の上端とほぼ同じ高さで、また、流路の下端は、変圧器１の高さで塔３の内部と連通するように開放してある。

このような本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な効果を奏するほか、塔３の外壁と案内板１４で形成された流路内を下降する空気８Ｂは、常に、塔３の外壁を介して外を吹く風の強制対流及び大気の自然対流によって熱を奪われると共に、案内板１４によって、該案内板１４の内側の塔３内の空気と仕切られているので、案内板１４の内側の塔３内の空気と混合することがなく、効率よく冷却され、塔３内部の変圧器１の周辺の空気の温度をさらに低減することができる。

図７は、本発明による風力発電設備の第３の実施の形態を示すものである。尚、図１と同一符号は、同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

該図に示す本実施の形態において、第１の実施の形態（図１）と異なる構成は、塔３の外壁の内側に変圧器１の高さからほぼ排気ダクト６の上端に至るフィン１５を付けた点である。

このような本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な効果を奏するほか、塔３の内部を循環する空気が、変圧器１から奪った熱を塔３の外壁に伝える伝熱面積が拡大するので、塔３内の空気と外壁の温度差、ひいては塔３内の空気と大気の温度差が小さくなり、塔３内部の空気の温度をさらに低減することができる。

塔３の外壁の外側にフィンを取り付ける構造も考えられるが、塔３の外壁から大気への伝熱は、塔３の外を吹く風の強制対流及び大気の自然対流によって行われるのに対して、塔３内の空気から塔３の外壁への伝熱は、循環流の自然対流のみによって行われるので、熱伝達率は、塔３の外壁の外側に比べて外壁の内側の方が小さい。このため、外壁の内側の伝熱面積を拡大する方が、外側の伝熱面積を拡大するよりも効果が大きい。

図８は、図７のフィン１５の一例を示すものである。伝熱面積を拡大するフィン１５としては、直線フィンがよく用いられており、本実施の形態においても適用できるが、図８に示す例は、案内板１４を兼ねることができるフィン１５として、薄板を波状に折り曲げて谷を塔３の外壁に溶接した構造である。

このような本実施の形態によれば、フィン１５としての伝熱面積の拡大は勿論、塔３の外壁とフィン１５の間が塔３内と連通する上下方向の流路になるので、案内板１４の役目も果たすことができる。このため、直線フィンに比べて冷却性能を向上させることができ、塔３内部の変圧器１周辺の空気の温度をさらに低減することができる。

図９は、本発明による風力発電設備の第４の実施の形態を示すものである。尚、図１と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

該図に示す本実施の形態において、第１の実施の形態（図１）と異なる構成は、フード４と排気ダクト６の間にファン１６を取り付けた点である。

このような本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な効果が得られるほか、自然対流による循環流を生じさせる温度が低く、密度が大きい排気ダクト６の外側の塔３内の空気８Ｂと温度が高く、密度が小さい排気ダクト６内の空気８Ａとの圧力差に、ファン１６によって発生する圧力差が加わり、この駆動力をもとに塔３内の空気が循環することになるので、ファン１６で発生した圧力差の分だけ循環する空気の量が増加する。

このため、塔３の外壁近傍を流れる循環流の流速が増大し、循環流から塔３の外壁に熱が伝わる熱伝達率が大きくなるので、塔３内の空気と外壁の温度差、更に、塔３内の空気と大気の温度差が小さくなり、塔３内部の空気の温度をさらに低減することができる。また、循環流は、ファン１６の圧力差だけで駆動するわけではなく、密度差に起因する自然対流の圧力差も寄与するので、ファン１６単体で空気を流すときに比べて低出力、小型化が可能になる。

図１０は、本発明による風力発電設備の第５の実施の形態を示すものである。尚、図１と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

該図に示す本実施の形態は、風力発電設備の塔３の内部に収容した変圧器１の波形リブタンク２の上にその上部を覆うフード４を設置し、更に、該フード４の上に塔３の上部まで伸びる排気ダクト６を接続し、その排気ダクト６を塔３の内部の他の発熱機器１７を覆うフード１９につながる排気ダクト１８と別配置にしたものである。

風力発電設備の塔３内に設置される代表的な発熱機器１７として、パワーコンディショナがあるが、ファン２０の強制対流によって冷却されるのが一般的である。変圧器１の放熱リブ７で生じる自然対流は、ファン２０の強制対流に比べて流れが弱いため、両方の流れを合流させて一本の同じ排気ダクトで流そうとすると、両方の流れが合流する領域で自然対流の流れが阻害される。更に、合流後の排気ダクトが数十ｍにも及ぶ長さを有する場合には、ファン２０による強制対流が自然対流に打ち勝って逆流することも生じ得る。このため、変圧器１からの排気ダクト６と他の発熱機器１７からの排気ダクト１８を途中で合わせて一本の排気ダクトにすると、変圧器１で発生した熱を大気へ放出する塔３の外壁まで運ぶ循環流が弱くなり、変圧器１周辺の塔３内部の空気の温度は上昇する。

ところが、上記構成よれば、他の発熱機器１７で高い温度になって上昇する空気８Ａと波形リブタンク２の複数の放熱リブ７から熱を奪って高い温度になって上昇する空気８Ａが別々の排気ダクト６、１８内を流れるので、変圧器１で発生した熱が循環流によって塔３の外壁に伝えられ、外壁から大気へ放出されるという伝熱経路はなんら影響を受けない。このため、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

図１１及び図１２は、本発明による風力発電設備の第６及び第７の実施の形態を示すもので、いずれも図６に示した第２の実施の形態の変形例である。尚、図１と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

図１１及び図１２に示す如く、上述した各実施の形態における塔３は、実際には、高さ方向に複数のブロックに分割され、各ブロックの上端と下端には、内側に突出したフランジ２１が形成されており、この各ブロックの上端と下端のフランジ２１を締め付け固定することで組み立て、高さ数十ｍ以上の塔３を構成している。

このような構成において、塔３の外壁に沿って下降する空気８Ｂの流れは、フランジ２１が内側に突出しているため、ここの締結部分では、塔３の外壁から離れた流れになってしまい、効率よく空気８Ｂが冷却されない恐れがある。

図１１に示す第６の実施の形態は、上記の点を改善して、強制的に塔３の外壁に沿った空気８Ｂに流れにするために、各ブロックのフランジ２１間に案内板１４を設けると共に、フランジ２１の点検用に設けられている踊り場２２で、案内板１４の内側に空気８Ｂが流れないように塞いだ構造にしている。

このように構成することにより、塔３を下降する空気８Ｂは、案内板１４の外側を流れることができ、塔３の外壁に沿った流れが形成され、効率よく空気８Ｂを冷却することが可能となる。

図１２に示す第７の実施の形態は、図１１に示した第６の実施の形態の変形例であり、案内板１４Ａを踊り場２２とフランジ２１の間にのみ設置した例である。

このように構成しても、フランジ２１で下降する空気８Ｂの流れが塔３の外壁から離れたものを強制的に外壁に沿う流れに戻すことができるので、図１１に示した第６の実施の形態より多少効果は落ちるかもしれないが、効率よく空気８Ｂを冷却することが可能となる。

図１３は、本発明による風力発電設備の第８の実施の形態を示すものである。尚、図１と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

該図に示す本実施の形態は、風力発電設備の塔３の下部に、空気を塔３の内部に吸気する塔吸気口２７を設けると共に、排気ダクト６の上部開口（排出口）近くの塔３の上部に、塔３内部の空気を大気に放出する塔排気口２８を設けたものである。

このような本実施の形態とすることにより、塔吸気口２７から塔３内部へ流入した空気は、変圧器１から熱を奪って軽くなり、フード４で集められ、排気ダクト６を通って排気ダクト６の上部開口（排出口）から塔３内の上部に流出する。塔３の上部からは、塔３に開けられた塔排気口２８を通って塔３外部の大気に放出される。

従って、波形リブタンク、或いは放熱器を介して周囲の空気に熱を放出する変圧器１を塔３内部に収容したものであっても、塔３内部に換気空調設備を設置することなく、塔３内部の変圧器１周辺の空気温度を低減することが可能となることは勿論、本実施の形態では、塔吸気口２７から塔３内部へ流入し、変圧器１を冷却する空気は、常に、温度の低い大気が供給されるため、変圧器１の冷却性能は更に向上する。

尚、本実施の形態における塔吸気口２７と塔排気口２８は、風の吹く方向の影響を受けないように、塔３の周方向に複数個設けることが好ましい。

図１４は、本発明による風力発電設備の第９の実施の形態を示すもので、図１３に示した第８の実施の形態の変形例である。尚、図１と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態が、図１３に示した第８の実施の形態と異なる点は、フード４と排気ダクト６の間にファン１６を設けた点である（排気ダクト６内にファン１６を設けても構わない）。

本実施の形態では、図１３に示した第８の実施の形態の自然対流だけによる空気８Ａの流れに、ファン１６によって強制的に流す力が加わるため、変圧器１周辺を流れる空気の量が多くなり、空気の流速も大きくなる。その結果、変圧器１から空気に熱が伝わる熱伝達率が大きくなり、変圧器１の冷却性能が、図１３に示した第８の実施の形態より、更に向上する。

また、本実施の形態では、風の吹く方向の影響を受けないように、塔３の周方向に複数個設けた塔排気口２８の外側に、塔排気口２８に風が吹き込むのを防ぐ防風板２９が取付けられている。

塔吸気口２７は、風が吹き込む作用をするので防風板２９は必要ないが、塔排気口２８は、風が向かい風の場合、塔３内の空気８Ａが大気に放出するのを妨げられるため、風の影響で変圧器１周囲を流れる空気の量が減り、冷却性能が低下することが考えられる。

本実施の形態のように、塔排気口２８の外側に、塔排気口２８に風が吹き込むのを防ぐ防風板２９を取付けることにより、防風板２９が向かい風を遮り、塔３内から空気８Ａが大気に放出するのを助けるので、変圧器１周囲を流れる空気の量が減り、冷却性能が低下する恐れはなくなる。

図１５は、本発明による風力発電設備の第１０の実施の形態を示すもので、図１４に示した第９の実施の形態の変形例である。尚、図１と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

該図に示す本実施の形態は、変圧器１以外の発熱機器１７が塔３内に設置されている場合であり、このような場合には、変圧器１の排気ダクト６と他の発熱機器１７の排気ダクト１８を別設置にしている。他の構成は、図１４に示した第９の実施の形態と同様である。

このような本実施の形態では、他の発熱機器１７で高い温度になって上昇する空気８Ａと波形リブタンク２の複数の放熱リブ７から熱を奪って高い温度になって上昇する空気８Ａが別々の排気ダクト６、１８内を流れるので、変圧器１で発生した熱が塔排気口２８から大気へ放出されるという経路は、なんら影響を受けない。このため、第９の実施の形態と同様の効果が得られる。

以上のように、本発明による風力発電用変圧器では、塔内に、数十ｍ以上の塔の高さの大部分に及ぶ大きな自然対流の循環流が形成され、塔の外壁の大部分を伝熱面として変圧器で発生した熱が塔内の空気から大気に放出されるため、塔内部に換気空調設備を設置しなくても、塔内部の変圧器周辺の空気温度を低減することが可能であり、本発明の利用可能性は高い。

１…波形リブタンク方式の変圧器、１Ａ…放熱器方式の変圧器、２…波形リブタンク、２Ａ…タンク、３…塔、４、１９…フード、５…排気口、６、１８…排気ダクト、７…放熱リブ、８Ａ…温度が上昇した空気、８Ｂ…温度が低下した空気、９…変圧器本体、１０…上部配管、１１…下部配管、１２…自冷式放熱器、１３…ブッシング、１４、１４Ａ…案内板、１５…フィン、１６、２０…ファン、１７…発熱機器、２１…フランジ、２２…踊り場、２５…ナセル、２６…ブレード、２７…塔吸気口、２８…塔排気口、２９…防風板。

Claims (17)

1. 基礎上に建てられた塔と、該塔の頂部に設置されたナセルと、該ナセル内に設置された発電機と、該発電機と連結され、該発電機を回転させることで電力を発生させるブレードと、前記塔の内部の基礎上に設置され、前記発電機で発生した電力を変圧する変圧器とを備え、
   前記変圧器は、鉄心と該鉄心に装着された巻線とが波形リブタンクに収容され、該波形リブタンク内に冷却媒体が充填されて形成され、前記鉄心と巻線で発生した熱を、前記冷却媒体で奪い前記波形リブタンクを介して放出する風力発電設備において、
   前記変圧器の波形リブタンクの上に、該波形リブタンクから放出された熱を奪った空気が流れ込むフードを設置し、該フードには、前記塔の上方まで伸び、該フードに流れ込んだ前記波形リブタンクから放出された熱を奪った空気を前記塔内に排気する排気ダクトが接続されていることを特徴とする風力発電設備。
2. 基礎上に建てられた塔と、該塔の頂部に設置されたナセルと、該ナセル内に設置された発電機と、該発電機と連結され、該発電機を回転させることで電力を発生させるブレードと、前記塔の内部の基礎上に設置され、前記発電機で発生した電力を変圧する変圧器とを備え、
   前記変圧器は、鉄心と該鉄心に装着された巻線とがタンクに収容され、該タンク内に冷却媒体が充填されている変圧器本体と、該変圧器本体の前記タンクと配管で接続されている放熱器とから成り、前記鉄心と巻線で発生した熱を、前記冷却媒体で奪い前記配管を介して前記放熱器から放出する風力発電設備において、
   前記変圧器の放熱器の上に、該放熱器から放出された熱を奪った空気が流れ込むフードを設置し、該フードには、前記塔の上方まで伸び、該フードに流れ込んだ前記放熱器から放出された熱を奪った空気を前記塔内に排気する排気ダクトが接続されていることを特徴とする風力発電設備。
3. 請求項１又は２に記載の風力発電設備において、
   前記フードは、前記波形リブタンク又は放熱器の少なくとも上部を覆っていることを特徴とする風力発電設備。
4. 請求項１又は２に記載の風力発電設備において、
   前記排気ダクトは、前記塔の上方まで伸び、かつ、その断面形状が円形、楕円形、若しくは長方形に形成されていることを特徴とする風力発電設備。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の風力発電設備において、
   前記塔の外壁の内側に、該塔の外壁と二重構造となる案内板を配置して該案内板と前記塔の外壁の間で上下に通じる流路を形成し、該流路の上端と下端を前記塔の内部と連通するように開放されていることを特徴とする風力発電設備。
6. 請求項１又は２に記載の風力発電設備において、
   前記塔と変圧器が対向するそれぞれの面に、輻射率の高い塗料が施されていることを特徴とする風力発電設備。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の風力発電設備において、
   前記塔の外壁の内側にフィンが設けられていることを特徴とする風力発電設備。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の風力発電設備において、
   前記排気ダクト内若しくは排気ダクトと前記フードとの間にファンが設置されていることを特徴とする風力発電設備。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の風力発電設備において、
   前記排気ダクトは、前記塔の内部の他の発熱機器につながる排気ダクトと別配置されていることを特徴とする風力発電設備。
10. 請求項１又は２に記載の風力発電設備において、
    前記塔は、高さ方向に複数のブロックに分割されていると共に、該各ブロックの上端と下端には、内側に突出したフランジが形成され、このフランジを締め付け固定することで組み立て構成され、かつ、前記各ブロックのフランジ間に案内板を設けると共に、前記フランジの点検用に設けられている踊り場で、前記案内板の内側に空気が流れないように塞いだことを特徴とする風力発電設備。
11. 請求項１又は２に記載の風力発電設備において、
    前記塔は、高さ方向に複数のブロックに分割されていると共に、該各ブロックの上端と下端には、内側に突出したフランジが形成され、このフランジを締め付け固定することで組み立て構成され、かつ、前記フランジと該フランジの点検用に設けられている踊り場の間にのみ案内板が設置されていることを特徴とする風力発電設備。
12. 基礎上に建てられた塔と、該塔の頂部に設置されたナセルと、該ナセル内に設置された発電機と、該発電機と連結され、該発電機を回転させることで電力を発生させるブレードと、前記塔の内部の基礎上に設置され、前記発電機で発生した電力を変圧する変圧器とを備え、
    前記変圧器は、鉄心と該鉄心に装着された巻線とが波形リブタンクに収容され、該波形リブタンク内に冷却媒体が充填されて形成され、前記鉄心と巻線で発生した熱を、前記冷却媒体で奪い前記波形リブタンクを介して放出する風力発電設備において、
    前記塔の下方に空気を内部に吸気する吸気口を、前記塔の上方に内部の空気を大気に放出する排気口を設けると共に、前記変圧器の波形リブタンクの上に、前記吸気口から吸気されて前記波形リブタンクから放出された熱を奪った空気が流れ込むフードを設置し、該フードには、前記塔の上方まで伸び、該フードに流れ込んだ前記波形リブタンクから放出された熱を奪った空気を前記塔内に排気する排気ダクトが接続され、かつ、該排気ダクトで前記塔内に排気された空気は、前記排気口を介して大気に放出されることを特徴とする風力発電設備。
13. 基礎上に建てられた塔と、該塔の頂部に設置されたナセルと、該ナセル内に設置された発電機と、該発電機と連結され、該発電機を回転させることで電力を発生させるブレードと、前記塔の内部の基礎上に設置され、前記発電機で発生した電力を変圧する変圧器とを備え、
    前記変圧器は、鉄心と該鉄心に装着された巻線とがタンクに収容され、該タンク内に冷却媒体が充填されている変圧器本体と、該変圧器本体の前記タンクと配管で接続されている放熱器とから成り、前記鉄心と巻線で発生した熱を、前記冷却媒体で奪い前記配管を介して前記放熱器から放出する風力発電設備において、
    前記塔の下方に空気を内部に吸気する吸気口を、前記塔の上方に内部の空気を大気に放出する排気口を設けると共に、前記変圧器の放熱器の上に、前記吸気口から吸気されて前記放熱器から放出された熱を奪った空気が流れ込むフードを設置し、該フードには、前記塔の上方まで伸び、該フードに流れ込んだ前記放熱器から放出された熱を奪った空気を前記塔内に排気する排気ダクトが接続され、かつ、該排気ダクトで前記塔内に排気された空気は、前記排気口を介して大気に放出されることを特徴とする風力発電設備。
14. 請求項１２又は１３に記載の風力発電設備において、
    前記排気口は、前記排気ダクトの上部開口近くの前記塔上部に設けられていることを特徴とする風力発電設備。
15. 請求項１２乃至１４にいずれかに記載の風力発電設備において、
    前記排気ダクトは、前記塔の内部の他の発熱機器につながる排気ダクトと別配置されていることを特徴とする風力発電設備。
16. 請求項１２乃至１５のいずれかに記載の風力発電設備において、
    前記排気ダクト内若しくは排気ダクトと前記フードとの間にファンが設置されていることを特徴とする風力発電設備。
17. 請求項１２乃至１６のいずれかに記載の風力発電設備において、
    前記排気口の塔外側に、該排気口に風の吹き込みを防ぐ防風板が設置されていることを特徴とする風力発電設備。

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