JP2013029099A - 静止機器 - Google Patents

Abstract

【課題】
風車とタワーとナセルと発電機を備えた風力発電装置において用いられる静止機器は、密閉されているため空気の対流が生じ難く、静止機器の冷却効率が良くなかった。また、強制冷却では装置が大型化し設置スペースの確保が困難であった。本発明は、密閉された空間で、かつ省スペースで冷却効率の良い装置を提供することにある。
【解決手段】
本発明の静止機器は、鉄心とコイルと絶縁油を収納した機器本体と、該機器本体に接続し、前記絶縁油を循環する中空のパイプと、該パイプに設けた複数個の中空の波形フィンとで構成し、前記パイプ及び波形フィンをフードで覆い、該フードにダクトを接続し、該ダクトは前記タワーの内壁に垂直方向に設けた細長い筒状部材に接続し、煙突効果により空気の流れを増加させ、風力発電装置内で冷却効率を向上させた。
【選択図】図３

Description

本発明は、自然エネルギーの風を回転力に変換する風車を用いて発電を行う風力発電装置など密閉された空間に設置される静止機器を効率的に冷却する構造に関する。

風力は、現在利用可能な最もクリーンで、かつ環境にやさしいエネルギーの一つであると考えられており、風力発電が益々注目されるようになってきている。
風力発電装置は、一般にタワーのトップに設けた風車を回転させ、回転エネルギーを電気エネルギーに変換して利用するものである。そして、タワー内の下側にはＰＣＳ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）である制御器、変換器及び変圧器を設置している。

また、最近では、風車の性能の向上と大型化により種々の装置の発熱が問題となり、発熱を冷却するために特許文献１（特開２０１１−６９３６３号公報）のように、タワーの下部の壁面に通気孔に設け、通気孔に設けたファンによりタワー内を冷却することが開示されている。

また、風力発電用ではないが、ガス絶縁変圧器において、放熱器の周囲を上方から遮蔽フードで包囲し、ファンを用いて冷却する特許文献２（特開昭５９−１０４１０９号公報）がある。

特開２０１１−６９３６３号公報 特開昭５９−１０４１０９号公報

一般に、変圧器などの静止機器の強制冷却は、静止機器に冷却ファンを取り付ける座を設置する必要があり、外形寸法が大きくなる。また、風力発電など密閉された空間では、スペースがなく、十分な冷却効率を得ていない。
さらに、自然冷却では、温度上昇を抑える必要があり、静止機器本体の損失を低くした設計や冷却ファンを多く取り付ける設計を行っているが、静止機器本体が大型化し、設置スペースへ入らないなどの問題が生じている。

本願発明の目的は、風力発電装置など密閉された空間で用いる静止機器の冷却を省スペースで効率良く行う装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、風車とタワーとナセルと発電機を備えた風力発電装置で用い、該発電機にて発電した直流電源を交流に変換して電圧を昇降圧する静止機器において、前記静止機器は、鉄心とコイルと絶縁油を収納した機器本体と、該機器本体に接続し、前記絶縁油を循環する中空のパイプと、該パイプに設けた複数個の中空の波形フィンとで構成し、前記パイプ及び波形フィンをフードで覆い、該フードにダクトを接続し、該ダクトは前記タワーの内壁に垂直方向に設けた細長い筒状部材に接続したことを特徴とする。

また、上記の静止機器において、前記フードに接続されたダクト内にファンを設けたことを特徴とする。

さらに、上記の静止機器において、前記機器本体に接続した中空のパイプを複数個設置し、該複数個のパイプにはそれぞれ中空の波形フィンを複数個設け、前記フードで前記パイプ及び波形フィン全体、又は個々のパイプ及び波形フィンを覆うことを特徴とする。

本発明によれば、風力発電装置に用いる静止機器において、静止機器の冷却フィンにフードを設けて、フードに接続したダクトをタワー内の内側の壁面に設けた筒状部材に接続し、静止機器の冷却フィンを通過した温かい空気を筒状部材から排気するようにしたため、煙突効果により空気の流れがスムーズになり冷却効果が向上する。また、省スペースで静止機器の冷却構造を形成できる。

風力発電装置の全体を示す概略断面図である。 本発明の風力発電装置のタワー内を示す部分図である。 本発明のタワー内下部の静止機器を設置した図を示す。 本発明のタワー内下部の上面図を示す。 本発明のタワー内下部の側面図を示す。 本発明の静止機器を示す図です。 本発明の別の実施例の静止機器を示す図である。 静止機器の波形フィンの長さを同じにした場合、波形フィンにフードを設けた場合の図を示す。 静止機器の冷却部の構造を示す斜視図である。 静止機器の波形フィン間に板または断熱布を設置した構成を示す図である。 図１０に示した静止機器の冷却部の波形フィンのフード構成を示す図である。 図１０に示した静止機器の冷却部の波形フィンの別のフード構成を示す図である。

本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の風力発電装置の全体を示す図である。
図１において、１は風力発電装置、２は風車、３はプロペラ、４はブレード、５はナセル、６はタワー、７は発電機、８は静止機器である。
一般に、風力発電装置１は、タワー６と風車２と変電開閉設備で構成される。風車２やタワー６などが強風や地震などで倒壊しないように地盤に固定する。タワー６は、ほぼ円筒形状で、先端にいくほど直径が徐々に小さくなっている構造のものが多く、基礎に鉛直に固定されている。
タワー６の先端には、風車２が取り付けられている。風車２は、ナセル５とロータ軸（不図示）とプロペラ３と増速機（不図示）と発電機７より構成される。
ナセル５は、タワー６の先端を軸にして回転可能になっていて、常に風の向きに対して正面に向くように構成されている。
プロペラ３は、３枚のブレード４を等間隔に配置して各ブレード４は正面から風を受けて回転するようにロータ軸に取り付けられている。
ローラ軸には、増速機が接続され、ロータ軸の回転数を所定の回転数に増えるようにギアなどを用いて構成されている。
そして増速機は発電機７に接続され、ロータ軸の回転を増速し、発電機７により回転エネルギーを電気エネルギーに変換している。
また、タワー６内の下側に変電開閉設備を設置しているが、図１にはその代表である変圧器などの静止機器８を記載している。
静止機器８は、発電機７の直流電源（電圧）をインバータ（不図示）を介して交流電源（電圧）に変換して昇降圧して交流電源として外部へ供給する。

ここで、この風力発電装置の大きさについて説明する。
タワー６の高さは６０〜７０ｍ、一つのブレード４の長さは４０ｍで、全体としては１００〜１１０ｍくらいの高さとなる。また、タワー６の下側の直径はおよそ４ｍくらいである。

次に、タワー内の内部を図２により説明する。
図２（ａ）、（ｂ）はタワー６内の空気の流れを示すタワーの模式図である。
この図においては、筒状部材２２を示し、タワー６内の空気の流れを示す。
図２（ａ）はタワー６内の内部の下部分を示す正面図で、図２（ｂ）はその側面図を示す。
図２において、６はタワー、８は静止機器で、２２は静止機器８の冷却用の波形フィンを通過する温かい空気を導き、上昇させる円形の筒状部材である。
この筒状部材２２は、タワー内壁に設け、細長い管形状をしており、タワー６の高さよりやや短くする。例えば、タワーの高さが７０ｍくらいであれば、筒状部材は６０ｍくらいにする。また、筒状部材は図４に示しているが、それぞれ３個ずつ２か所に設置しており、その直径はおよそ３０ｃｍくらいとしている。
円形の筒状部材内を上昇する温かい空気は、次第に冷却され、筒状部材から出た空気は、タワー内を壁面や中央部を下降し、再度、静止機器の下側より取り込まれ、循環する。

次に、本発明の静止機器について説明する。
図３は、本発明の静止機器をタワー６内に設置した部分図を示す。図３（ａ）は、上面図で、図３（ｂ）はその側面図を示す。
図３において、静止機器８は、鉄心、コイル及び絶縁油を収納した本体部と、本体部に接続され絶縁油を冷却する冷却部より構成される。また、静止機器本体８には、一次側端子３０と二次側端子３１を設置している。一次側端子３０は風力発電した直流電源を交流電源に変換するインバータに接続する端子で、二次側端子３１は電源を供給する負荷側に接続する端子である。
絶縁油の冷却部は、図３（ａ）に示すように、静止機器本体８に接続して絶縁油が循環するようにパイプ９，１０，１１（絶縁油の通路でパイプということにする））を設け、このパイプ９，１０，１１に波形フィン１２〜１７をパイプの両側に形成し、絶縁油を波形フィンの中を通過させ、またパイプから変圧器本体８に戻し、絶縁油を循環させる構成で、この波形フィン１２〜１７に空気を流し冷却するものである。

この構造について、図９を用いて説明する。
図９は、静止機器の冷却部の一つを示す概略図である。
図９において、静止機器本体８には、絶縁油を送る孔５６と受ける孔５７を設ける。この２つの孔５６，５７に接続する絶縁油の通路であるパイプ９は、中空の四角柱の胴体５０の上下にＬ字形状の板材を空間５１及び５２が形成されるように構成する。そして、パイプ９の両側の網掛け部５３に波形フィン１２を溶接などにより固定する。波形フィン１２は、矩形の板材を波形形状に折り曲げて形成するもので、その端面５４，５５は溶接等で塞いでパイプ９に両側より固定する。
このような冷却構造において、絶縁油は、静止機器本体の上部の孔５６より流れ、パイプ９の空間５１より複数の波形フィンの中を上方より下方に流れ、パイプ９の下側の空間５２より本体８の下側の孔５７より本体に戻り、循環する。図３（ａ）には、図９の構成を３ヶ所設置している。

また、図３（ａ）において、１８は冷却フィン９の周囲を覆ったフードである。フード１８の下側は、波形フィン１２〜１７の下側とほぼ同じ高さとし、空気を下方より取り込めるように空間を持たせた構造としている。
フード１８の上側は、波形フィン１２の高さを超えた所で絞って四角錐形状とし、ダクト１９に接続する。
そして、ダクト１９にはファン２０を設け、ファンの回転により下方（冷却部側）より上方へ空気が流れるように構成する。
ダクト１９は、タワー６内の壁面に設置した筒状部材２２に接続するために、ダクト２１に接続する。

図３（ａ）において、２２〜２７は筒状部材で、筒状部材２２〜２７は、タワー６内の内壁に沿って垂直方向に配置された細長い管状の部材で、冷却フィンである波形フィンで温められた空気はこの筒状部材の中を上昇する。筒状部材の中の空気は、筒状部材の周囲の空気の温度より高いため煙突効果によりより上昇し易い。従って、波形フィンを通過する空気は流れがスムーズになり、冷却効率は向上する。
また、３２の８角形は、前記しているＰＣＳを載置するベースを示し、ＰＣＳは一般に静止機器等の上側に載置され、筒状部材はこのベースを避けなければならない。

図３（b）は、図３（ａ）の側面図を示す。
図３（ｂ）において、変圧器８に接続された冷却器の波形フィン１２の全体を覆ったフード１８を波形フィンの上部まで伸ばし、さらにフード１８はダクト１９に接続する。ダクト１９の中にはファン２０を設置する。また、ダクト１９は筒状部材２２に接続するためにダクト２１に接続している。

次に、図４及び図５を用いて筒状部材の構成を説明する。
図４及び図５において、筒状部材２２〜２７は、ダクト２１に接続され、ダクト２１は三角柱形状で、ダクト２１の上部の２面の各々３ヶ所より空気を上昇し易いように筒状部材を形成している。筒状部材は、タワー６内の内壁に沿うように折り曲げている。ここで、筒状部材２２〜２７は、円形形状としているが四角形状でも三角形形状でも構わない。
また、実施例では、フード１８よりダクト１９に接続し、三角形状のダクト２１を介して２か所３本の筒状部材に接続しているが、ファン２０を設けたダクト１９から直接、１本の略円形や略楕円形、四角形状の筒状部材に接続する構成でも良い。これらの筒状部材は細長くして煙突効果を持たせる。

次に、フード１８について図６を用いて説明する。
図６は、静止機器本体からのパイプ９，１０，１１及び波形フィン１２〜１７の全体をフード１８で覆った構成を示している。
そして、フード１８の下側は空気４０が取り込まれ易いように開放する構成とする。このような構成でダクト１９内を空気４１は上方へ流れる。
フード１８の上部は、波形フィンと同じ高さのところからテーパを持たせ、絞る構造としてダクト１９に接続する。すなわち、冷却する空気が上昇するにつれて、ダクトの断面積を狭くしていく構造にする。

また、静止機器の配置すなわち作業者や管理者のための空間が必要であるため、静止機器は中央ではなく、図３（ａ）のように端に置くケースが多い。そのため静止機器の波形フィンの長さをタワーの円弧の形状に合わせる必要があり、この構成について説明する。
図６（ａ）において、静止機器の冷却部の中央に配置しているパイプ１０及び波形フィン１４，１５はタワーの内壁の影響を受けないが、両側のパイプ９，１１及び波形フィン１２，１３、１６，１７は影響を受ける。従って、中央のパイプ１０よりパイプ９，１１はタワーの半径方向に短くし、同じように波形フィン１２，１３、１６，１７もタワーの半径方向に短くする。さらに、両側の１２及び１７の波形フィンは、波形フィン１３、１６より短くして、タワーの円弧形状に倣った構成にする。

図７は、フード１８で個々のパイプ及び波形フィンを覆う場合を示す側面図である。
図７において、個々のフード１８−１，１８−２，１８−３は、それぞれ波形フィンの高さの位置からテーパ形状とし、上側のダクト１９−１，１９−２，１９−３にそれぞれ接続され、フード下側から吸い込まれた空気４０は、波形フィンに沿って流れ、上昇していく。
フード１８に接続するダクト１９−１，１９−２，１９−３には、ファン２０−１、２０―２，２０−３を設置し、空気を下方より上方へ強制送風する。
そして、ダクト１９−１，１９−２，１９−３は、筒状部材４１〜４３に接続するために、ダクト２１−１、２１−２，２１−３に接続する。ダクト２１−１、２１−２，２１−３はテーパ形状とし、断面積を小さくして筒状部材４１〜４３に接続する。
筒状部材４１〜４３は、タワー６内の内壁面に長手方向に形成した細長い管状の部材である。
また、図７において、フードの下側がスカートのように拡大する形状とし、空気を取り込み易くしている。

図８は、タワー内に空間的な余裕があるとき、静止機器の波形フィンの長さや形状を変えないで設置し、波形フィンの全体をフード１８で覆った場合の図を示している。
フード１８の上部には図６（ｂ）と同じようにダクト１９を設け、筒状部材に接続して、波形フィンを通過する空気はフード１８で集められ、ダクト１９に設けたファン２０で強制的に筒状部材に送られ、筒状部材では煙突効果により温められた空気は上昇し、静止機器はより冷却する。

次に、図１０において、波形フィン間に板または断熱布を設置した構成について説明する。

図１０（ａ）は，変圧器の冷却部を示す上面図で、図１０（b）はその正面図で、図１０（ｃ）は側面図を示す。

図１０（ａ）において、１２〜１７は波形フィンで、９〜１１は波形フィンを設置、固定するパイプである。パイプ９の両サイドに取り付けられた波形フィン１２と１３、及びパイプ１０の両サイドに取り付けられた波形フィン１４と１５との間に板または断熱布６１を配置し、設置する。
また、パイプ１０の両サイドには波形フィン１４と１５、及びパイプ１１の両サイドに取り付けられた波形フィン１６と１７との間に板または断熱布６０を配置し、設置する。
さらに、板または断熱布を変圧器の冷却器の両側にも配置し、設置する。図１０（c）には変圧器冷却器の一方の側に設置した図を示す。
このように板または断熱布を隣り合う波形フィンの間、及び変圧器の冷却部の両側に配置し設置すると、波形フィンを流れる空気は板または断熱布で仕切られているため、隣の波形フィン側に流れる空気はなく、上昇する空気のみとなるため空気抵抗が小さく温められた空気は上昇し易くなる。
従って、波形フィンの冷却効率が向上する効果がある。
また、この図１０に示した構成のフード１８について、図１１に再掲して説明する。

図１１は、タワー６内の下部に設置した変圧器の冷却器を示す正面図である。
図１１において、波形フィン１２〜１７の上部に設置したフード１８は、テーパ形状として、板または断熱布で仕切られた波形フィンを通過した空気を、波形フィンのすぐ上部で一括して収集し、ダクト１９に接続する。ダクト１９は、フード１８の中央付近ではなく、フードの横方向の位置で接続する。
このような構成においては、タワー内での空気の流れはタワー壁面に沿って下降し、変圧器の下側より再度冷却フィンに入り冷却し、循環する。

また、図１２には、フード１８の変形例を示す変圧器の冷却器を示す正面図である。
図１２は、波形フィン１２〜１７の上部にフード１８を設置しているが、図１１の構成と異なり、フード１８は四角形状の空間を備えた構成で、図１１と同じように波形フィンからの空気を四角形状の空間で収集し、フードの横方向の位置でダクト１９と接続し、空気を筒状部材へ送る構成である。

以上、説明したように、本発明のフードは、細長い筒状部材に接続しているため、煙突効果により波形フィンを通過した温かい空気は筒状内を上昇し易く、密閉された空間内においても冷却効果を向上することができる。

１‥風力発電装置 ２‥風車 ３‥プロペラ
４‥ブレード ５‥ナセル ６‥タワー
７‥発電機 ８‥静止機器 ２０‥基礎
９、１０、１１‥パイプ
１２、１３、１４、１５、１６、１７‥波形フィン
１８‥フード １９‥ダクト ２０‥ファン
２２、２３、２４、２５，２６，２７‥筒状部材
６０，６１‥板または断熱布

Claims (6)

1. 風車とタワーとナセルと発電機を備えた風力発電装置で用い、該発電機にて発電した直流電源を交流に変換して電圧を昇降圧する静止機器において、
   前記静止機器は、
   鉄心とコイルと絶縁油を収納した機器本体と、
   該機器本体に接続し、前記絶縁油を循環する中空のパイプと、
   該パイプに設けた複数個の中空の波形フィンとで構成し、
   前記パイプ及び波形フィンをフードで覆い、
   該フードにダクトを接続し、該ダクトは前記タワーの内壁に垂直方向に設けた筒状部材に接続したことを特徴とする静止機器。
2. 請求項１記載の静止機器において、
   前記フードに接続されたダクト内にファンを設けたことを特徴とする静止機器。
3. 請求項１記載の静止機器において、
   前記機器本体に接続した中空のパイプを複数個設置し、
   該複数個のパイプにはそれぞれ中空の波形フィンを複数個設け、
   前記フードで前記パイプ及び波形フィン全体、又は個々のパイプ及び波形フィンを覆うことを特徴とする静止機器。
4. 風車とタワーとナセルと発電機を備えた風力発電装置で用い、該発電機にて発電した直流電源を交流に変換して電圧を昇降圧する静止機器において、
   前記静止機器は、
   鉄心とコイルと絶縁油を収納した機器本体と、
   該機器本体に接続し、前記絶縁油を循環する中空のパイプと、
   該パイプに設けた複数個の中空の波形フィンとで構成し、
   該パイプに設けた該波形フィンの隣り合う箇所、及び波形フィンの両側に板または断熱布を設置し、
   該波形フィンをフードで覆い、
   該フードにダクトを接続し、該ダクトは前記タワーの内壁に垂直方向に設けた筒状部材に接続した構成であることを特徴とする静止機器。
5. 請求項４記載の静止機器において、
   前記波形フィンを覆うフードは、テーパ形状又は四角形状の空間を有する構成とし、該波形フィンの上部を覆う構成としたことを特徴とする静止機器。
6. 請求項５記載の静止機器において、
   前記波形フィンを覆うフードは、該ダクトと横方向の位置で接続することを特徴とする静止機器。

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