JP2012177326A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータヘッド内機器の排熱対策を施した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４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の上端部に設置されるとともに、ロータヘッド４の内部にハブ制御盤２０Ａが設置されている風力発電装置１Ａにおいて、ハブ制御盤２０Ａの筐体２１に、筐体２１内外に流れを形成する換気ファン３０を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータヘッドの内部に設置される制御盤内の雰囲気を良好に保つ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。

図５に示す従来の風力発電装置１において、図中の符号２はタワー、３はナセル、４はロータヘッドであり、ロータヘッド４に取り付けられる風車翼は省略されている。
風力発電装置１のロータヘッド４は、鋳造部品であるロータヘッド本体４１の周囲を樹脂製のヘッドカバー４２が覆うように構成されており、ロータヘッド本体４１の内部には、ハブ制御盤２０や主軸受け１０等のヘッド内機器が設置されている。このようなヘッド内機器は、風力発電装置１の運転に伴って発熱するので、ロータヘッド４の内部にはヘッド内機器から排熱が発生することとなる。

一方、上述したヘッド内機器は、風力発電装置１の設置環境に応じて湿気や塩分から保護する必要がある。このため、ロータヘッド本体４１の構造は外気に対して密閉されており、ハブ制御盤２０等のヘッド内機器の排熱が内部にこもりやすい構造となっている。

たとえばハブ制御盤２０のような電気制御機器類は、構成する電気部品等に定められた温度条件の上限から、所定値以上の高温雰囲気では安定した動作が保証されず、従って、風力発電装置１の運転継続に支承をきたすことが懸念される。すなわち、ハブ制御盤２０の内部温度が所定位置以上の高温になると、風力発電装置１の安定した運転継続は困難になる。
上述したロータヘッド内の内部機器を冷却する技術としては、たとえばロータヘッドの先端部に空気取入口を設けることが提案されている。（たとえば、特許文献１参照）

米国特許出願公開第２００９／００６０７４８号明細書

上述したように、風力発電装置１のロータヘッド本体４１内を密閉空間とする場合、内部に発熱する機器類（以下、「発熱機器」ともいう）が設置されているため、内部温度の上昇が安定した運転継続の障害となっている。
しかも、風力発電装置１の運転中は、ロータヘッド４の回転により遠心力が作用するので、ロータヘッド本体４１の内部においては、図５に示すように、回転軸に近い中心部の領域（破線で囲まれた高温領域Ｔｈ）に機器排熱がこもって高温となるような温度分布を形成する。すなわち、ロータヘッド本体４１及びヘッドカバー４２の内部には、回転軸に近い中心部からヘッドカバー４２の外周面方向へ温度低下するように温度分布が形成されている。

このため、風力発電装置１の運転中に生じるヘッド内機器の排熱は、ロータヘッド本体４１の外表面温度及びロータヘッドカバー４２の外表面温度と外気温度との温度差が小さいため、ロータヘッド４から外気へ効率よく放熱されにくい状況にある。従って、ロータヘッド本体４１の内部は、排熱が外気へ放熱されずにこもりやすくなり、高温領域Ｔｈの温度はさらに温度上昇して高温となる傾向にある。このような背景から、風力発電装置においては、ロータヘッド内機器の排熱対策が望まれている。
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、ロータヘッド内機器の排熱対策を施した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、前記ロータヘッドの内部に発熱機器が設置されている風力発電装置において、前記発熱機器の筐体に、該筐体の内外に空気の流れを形成する換気ファン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、前記発熱機器の筐体に、該筐体の内外に空気の流れを形成する換気ファンを設けたので、発熱機器の筐体内にこもった排熱を換気して発熱機器内部温度を低く保つことができるとともに、密閉空間であるロータヘッド本体内を攪拌する空気流れが生成されるため、ロータヘッド本体４１内部の空気温度を平準化することができ、さらに、ロータヘッド本体４１内外の熱交換を促進させることができる。それぞれの用途に別個にファンを設置する必要が無く、コスト的にも、配置スペース的にも有利である。

上記の風力発電装置において、前記換気ファンは、前記ロータヘッド本体の中心部を通る空気流を形成するように配置されていることが好ましい。これにより、回転軸心近辺の高温の空気が攪拌されやすくなり、ロータヘッドの内部に形成されていた空気の温度分布を解消して略均一化することができる。
上記の発明において、特に制御盤のような重量のある発熱機器は、前記ロータヘッドの回転軸の偏芯を防ぐために、前記ロータヘッドの軸心近傍に配置されていることが好ましい。

上記の発明において、前記換気ファンは、前記筐体表面のロータヘッドの回転軸方向両面に対し、少なくとも一方の面に設置されていればよい。すなわち、筐体の換気ファン設置面は、回転軸方向のロータヘッド先端側となる一面、回転軸方向の主軸受け側（ナセル側）となる一面、あるいは、回転軸方向のロータヘッド先端側及び主軸受け側となる両面のいずれであってもよい。

また、前記換気ファンには、前記発熱機器の筐体内部空気を前記ロータヘッドの中心部に向けて送風するファン、あるいは、前記発熱機器の筐体内部空気を前記ロータヘッド内本体内壁のナセル側面に向けて送風するファンの使用が可能である。

上記の発明において、前記換気ファンは、前記筐体内部空気を前記筐体外へ流出させる排気ファンとされ、前記筐体の吸気口に圧損要素を取り付けることが好ましく、これにより、発熱機器の内部に雨水等の異物が侵入することを防止または抑制できる。
この場合の圧損要素は、ガラリ、除塵フィルタ及び除塩フィルタ等を意味している。

上述した本発明によれば、制御盤等の発熱機器内にこもった排熱を換気して発熱機器内部温度を低く保つ排熱対策を施し、発熱機器を構成する電気部品等に定められた温度条件の上限を超える高温の雰囲気になることを防止し、安定した動作の継続が保証されるようになる。
また、発熱機器内の排熱を換気して放熱を促進する排熱対策に加えて、ロータヘッド本体内部空気が攪拌され温度分布が解消されるため、ロータヘッド本体内部とロータヘッド本体外との温度差が大きくなり、ロータヘッド本体からの放熱が促進される。すなわち、ロータヘッド本体内の排熱を効率よく外部へ放熱し、ロータヘッド本体内の雰囲気を所定温度以下に維持することで、発熱機器の安定した運転継続が可能になる。

本発明に係る風力発電装置について第１の実施形態を示す図で、（ａ）はロータヘッド内部の概略構成図、（ｂ）は制御盤の外観を示す斜視図である。 風力発電装置の概要を示す側面図である。 本発明に係る風力発電装置について、第２の実施形態を示すロータヘッド内部の概略構成図である。 本発明に係る風力発電装置について、第３の実施形態を示すロータヘッド内部の概略構成図である。 ロータヘッド内部の従来構造を示す概略構成図である。

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に示すように、風力発電装置１Ａ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。
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や、風向を測定する風向計等が設置されている。

すなわち、風力発電装置１Ａ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なっている。
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１Ａのロータヘッド４は、たとえば図１に示すように、ロータヘッド本体４１とヘッドカバー４２とを具備して構成される。通常のロータヘッド本体４１は鋳造部品であり、ロータヘッド本体４１の周囲に空間部４３を形成するようにして、ロータヘッド４１の外周が樹脂製のヘッドカバー４２により覆われている。
ロータヘッド４の内部には、たとえば風車翼５を油圧によりピッチ制御するハブ制御盤２０Ａのように、多数の電気部品により構成される制御盤等の電気機器類や、たとえば主軸受け１０のように、摺動部を有する駆動系部品等のヘッド内機器が設置されている。このようなヘッド内機器は、風力発電装置１Ａの運転に伴って発熱する発熱機器であり、風力発電装置１の設置環境に応じて湿気や塩分から保護する必要がある。このため、ロータヘッド本体４１は外気に対して密閉構造となっている。

このうち、たとえばハブ制御盤２０Ａのようなヘッド内機器の制御盤には、筐体２１の内部空気に流れを形成する換気ファン３０が設けられている。図示の構成例では、直方体形状とした筐体２１の一面に換気ファン３０が取り付けられている。また、換気ファンと同じ筐体面に開口する吸気口２２には、圧損要素２３が取り付けられている。この圧損要素２３は、雨や埃等の異物がハブ制御盤２０Ａ内に侵入することを防止するもので、たとえばガラリや除塵及び除塩用のフィルタが有効である。

換気ファン３０は、筐体２１内の空気を吸い出す排気ファンであり、排熱により温度上昇した筐体内部空気を筐体２１外（ロータヘッド4のロータヘッド本体４１内）へ流出させる。一方、換気ファン３０の動作により、筐体２１の内部には吸気口２２からロータヘッド本体４１のヘッド内部空気が導入されることにより、高温の筐体内部空気は相対的に低温のヘッド内部空気と換気される。
また、この場合の換気ファン３０は、ロータヘッド４の回転軸方向においてロータヘッド先端４ａ側となる筐体２１の面（図１の紙面左側の面）に設置されている。

このような風力発電装置１Ａによれば、ハブ制御盤２０Ａの筐体２１が、筐体内部空気に流れを形成する換気ファン３０を備えているので、制御盤内にこもった排熱を換気して内部温度を低く保つことができる。ハブ制御盤２０Ａの筐体２１内は、電気部品等の構成部品に定められた温度条件の上限を超える高温の雰囲気になることが防止されるので、ハブ制御盤２０Ａは安定した動作を継続できるようになる。
また、筐体２１外に排出された空気流れがロータヘッド本体４１内部を攪拌することとなり、この結果、ロータヘッド本体４１内部の空気温度を平準化することができる。夫々の用途に別個にファンを設置する必要が無くコスト的にも、配置スペース的にも有利である。

上述した風力発電装置１Ａの換気ファン３０は、前記ロータヘッド本体４１の中心部を通る空気流を形成するように配置されていることが好ましい。
また、上記の発明において、特に制御盤のような重量のある発熱機器は、前記ロータヘッドの回転軸の偏芯を防ぐ為に前記ロータヘッド内の軸心近傍に配置されていることが好ましい。たとえば、図１の態様のようにハブ制御盤２０Ａをロータヘッド本体２０Ａのナセル３側に設置し、換気ファン３０の回転軸中心がロータヘッド４の回転軸中心と略一致するように位置決めすれば、筐体２１内から流出する空気の流れは、ロータヘッド本体４１の中心部を通る。

このように設置されている換気ファン３０は、ロータヘッド４のロータヘッド本体４１内に、ヘッド内部空気の循環流（図中の破線矢印Ａｆ）を形成する。この循環流は、最初にロータヘッド４１内の軸中心部をナセル３側からロータヘッド先端４ａ側へ向かう流れとなるが、ロータヘッド本体４１の先端面４１ａに流路を遮られることにより方向転換して、ロータヘッド本体４１の内壁面に沿って折り返すことになる。

この結果、ロータヘッド本体４１内の循環流は、最終的にロータヘッド本体４１の後端側へ戻るので、ロータヘッド本体４１の内部空気は効果的に撹拌され、ロータヘッド本体４１内に形成されていた温度分布が解消されて略均一化する。
また、ロータヘッド本体４１の内部は、ロータヘッド４の回転による遠心力が作用して高温の空気が中心部に集まりやすいことから、ハブ制御盤２０Ａの換気ファン３０により高温空気が集まった部分に排気の空気流（風）を直接当てて撹拌するようにした本実施形態は、さらに高い撹拌効果を得て温度分布を均一化することができる。

このような循環流の形成により、ロータヘッド本体４１内部空気が撹拌されて度分布が解消されると、ロータヘッド本体４１の壁面温度も上昇し、ロータヘッド本体４１の外表面温度と空間部４３内との温度差も大きくなる。
また、空間部４３内の空気温度は、ヘッドカバー４２の外側となる外気の温度と略同じになるため、ヘッド内部空気の温度及びロータヘッド本体４１の外表面温度と外気との温度差も大きくなる。
この結果、高温側のロータヘッド４１から低温側の外気へ向けた放熱が促進されるようになり、ロータヘッド４内の排熱も効率よく外部へ放熱されることで、ロータヘッド４のヘッド内部空気温度が低下する。

すなわち、ロータヘッド４においては、ロータヘッド本体４１の内部空気温度が低下するので、換気ファン３０により換気されるハブ制御盤２０Ａの筐体内部空気温度をより低温の空気で換気できるようになる。従って、筐体内部空気を所定温度以下に維持することが容易になり、ハブ制御盤２０Ａの運転継続はより一層安定したものとなる。
また、ロータヘッド本体４１の内壁面に沿った空気流は、ロータヘッド本体４１の内壁面に沿って流れる空気流の流速（表面流速）を増すので、表面流速の増大に伴う伝熱性能の向上によってもヘッド内部空気の冷却を促進することができる。

このように、上述した本実施形態によれば、ハブ制御盤２０Ａ内の排熱を換気して放熱を促進する排熱対策に加えて、ヘッド内部空気の温度分布を均一化することで、ロータヘッド本体４１の内壁表面と外気との温度差を増し、ロータヘッド本体４１の内外における熱交換量を増加させる排熱対策も得られるので、この結果、筐体内部温度の上昇が防止されて、ロータヘッド４内に設置されたハブ制御盤２０Ａの安定した運転を可能にする。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る風力発電装置の第２の実施形態を図３に基づいて説明する。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。
この実施形態の風力発電装置１Ｂは、ロータヘッド本体４１内のハブ制御盤２０Ｂに設置された換気ファン３０の位置が異なっている。すなわち、換気ファン３０は、ハブ制御盤２０Ｂの筐体２１に対し、回転軸方向の主軸受け１０側（ナセル３側）となる面に設置されている。

また、換気ファン３０の位置は、上述した実施形態と同様に、ロータヘッド本体４１の内部に、回転軸方向の空気流を形成するように配置されていることが好ましい。但し、本実施形態における回転軸方向の空気流は、上述した実施形態とは逆向きとなり、図中に破線矢印Ａｆで示すように、主軸受け１０側に向かう流れが主流となる。なお、この場合の換気ファン３０も、上述した実施形態と同様の排気ファンを採用している。
このように設置されている換気ファン３０からの空気流れは、ロータヘッド４１の主軸受け１０側の内壁に流路を遮られることにより方向転換して、ロータヘッド本体４１の内壁面に沿って折り返し、ロータヘッド本体４１の先端からロータヘッド本体４１中心部を通る循環流となる。

このような構成を採用しても、上述した第１の実施形態と同様に、ハブ制御盤２０Ｂ内の排熱を換気して放熱を促進する排熱対策に加えて、上述した循環流がヘッド内部空気を効率よく撹拌して温度分布を均一化するので、ロータヘッド本体４１の内外における熱交換量を増加させる排熱対策も得られるようになり、この結果、筐体内部温度の上昇が防止されて、ロータヘッド４内に設置されたハブ制御盤２０Ｂの安定した運転を可能にする。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明に係る風力発電装置の第３の実施形態を図４に基づいて説明する。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。
この実施形態の風力発電装置１Ｃは、ロータヘッド本体４１内のハブ制御盤２０Ｃに設置された換気ファン３０の数が異なっている。すなわち、換気ファン３０は、ハブ制御盤２０Ｃの筐体２１に対し、回転軸方向のロータヘッド先端４ａ側となる面及び回転軸方向の主軸受け１０側（ナセル３側）となる面の両方に設置されている。

また、換気ファン３０の位置は、上述した実施形態と同様に、２台ともロータヘッド本体４１の内部に、回転軸方向の空気流を形成するように配置されていることが好ましい。本実施形態における回転軸方向の空気流は、第１の実施形態と同様の向きになり、図中に破線矢印Ａｆで示すように、ロータヘッド先端４ａ側に向かう流れが主流となる。なお、この場合の換気ファン３０も、上述した実施形態と同様の排気ファンを採用している

このような構成を採用しても、上述した実施形態と同様に、ハブ制御盤２０Ｃ内の排熱を換気して放熱を促進する排熱対策に加えて、ヘッド内部空気の循環流がヘッド内部空気の温度分布を均一化するので、ロータヘッド本体４１の内外における熱交換量を増加させる排熱対策も得られるようになり、この結果、筐体内部温度の上昇が防止されて、ロータヘッド４内に設置されたハブ制御盤２０Ｃの安定した運転を可能にする。なお、この場合の吸気口位置は特に限定されることはなく、筐体２１の適所に１または複数設けておけばよい。

上述したように、本実施形態の換気ファン３０は、筐体２１の回転軸方向両面に対し、少なくとも一方の面に設置されていればよい。すなわち、筐体２１における換気ファン３０の設置面は、回転軸方向のロータヘッド先端４ａ側となる一面、回転軸方向の主軸受け１０側となる一面、あるいは、回転軸方向のロータヘッド先端４ａ側及び主軸受け１０側となる両面のいずれでもよい。
また、上述した実施形態の換気ファンは、筐体２１内から筐体内部空気を排出する排気ファンとしたが、筐体２１内にヘッド内部空気を吸い込んで排気口から筐体内部空気を排出させる吸引ファンを採用してもよい。
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。

１Ａ〜１Ｃ 風力発電装置
２ タワー
３ ナセル
４ ロータヘッド
４ａ ロータヘッド先端
５ 風車翼
１０ 主軸受け
２０Ａ〜２０Ｃ ハブ制御盤（制御盤）
２１ 筐体
２２ 吸気口
２３ 圧損要素
３０ 換気ファン
４１ ロータヘッド本体
４２ ヘッドカバー

Claims (7)

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、前記ロータヘッドの内部に発熱機器が設置されている風力発電装置において、
   前記発熱機器の筐体に、該筐体の内外に空気の流れを形成する換気ファンを設けたことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記換気ファンが、前記ロータヘッド内の中心部を通る空気流を形成するように配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. 前記発熱機器が、前記ロータヘッドの軸心近傍に配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. 前記換気ファンが、前記筐体の回転軸方向両面に対し、少なくとも一方の面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。
5. 前記換気ファンが、前記発熱機器の筐体内部空気を前記ロータヘッド内の中心部に向けて送風することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
6. 前記換気ファンが、前記発熱機器の筐体内部空気を前記ロータヘッド内のナセル側壁面に向けて送風することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
7. 前記換気ファンが、前記筐体内部空気を前記筐体外へ流出させる排気ファンとされ、前記筐体の吸気口に圧損要素を取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
   

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