JP2015048714A - 風力発電装置および風力発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピッチシステムに対する効率的な熱交換を行なう。【解決手段】実施形態によれば、風力発電装置は、発電機を含む機器を収納するナセルと、機器との熱交換を行なう熱交換器と、風力により回転する羽根の回転中心となるハブと、ハブ内に設置されて羽根の角度を調整するピッチシステムと、ハブとナセル内の発電機とを連結する軸とを備え、熱交換用の媒体をピッチシステムと熱交換器との間で循環させるための通路を軸の内部に設ける。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、風力発電装置および風力発電方法に関する。

近年、風車を利用した風力発電装置は世界中の広範囲に設置されるようになっている。この結果、風力発電装置は、熱帯地域や極寒地域にも設置されるようになってきた。特に熱帯地域に風力発電装置を設置する場合には、外気をナセル内に直接導入してナセル内の機器を効率的に冷却する方法が用いられていた。

特許第５０７２９９４号公報

しかしながら、上述のとおり広範囲な運転温度環境下で運転を行なう場合には、風車上部に設置される全ての機器、例えばピッチシステム、軸受け、増速機、発電機、コンバータ、制御装置の一式を冷却又は加温する必要がある。
そして、上述したように、外気をナセルに直接導入する方法では、外気温度が高い場合などに電装品の使用条件の問題から運転が行えなくなる可能性がある。

また、このような外気を導入する冷却方式では海上設置の場合に塩害を受ける問題がある。さらに、海上設置でなく陸上設置の場合は、積極的な外気導入による熱交換の場合、近傍の人家に対する騒音の問題もある。

これに対し、塩害や騒音を防止する為に、ヒートポンプを利用してナセル内の熱交換を行なう技術がある。しかし、ピッチシステムは回転しているロータ先端部に設置されているため、ヒートポンプを利用しても、このピッチシステムに熱交換用の媒体を循環させることができなかった。

本発明が解決しようとする課題は、ピッチシステムに対する効率的な熱交換を行なうことが可能な風力発電装置および風力発電方法を提供することにある。

実施形態の風力発電装置は、風力発電装置は、発電機を含む機器を収納するナセルと、機器との熱交換を行なう熱交換器と、風力により回転する羽根の回転中心となるハブと、ハブ内に設置されて羽根の角度を調整するピッチシステムと、ハブとナセル内の発電機とを連結する軸とを備え、熱交換用の媒体をピッチシステムと熱交換器との間で循環させるための通路を軸の内部に設ける。

本発明によれば、ピッチシステムに対する効率的な熱交換を行なうことができる。

第１の実施形態における風力発電装置の構成例を示す図。 第１の実施形態における風力発電装置によりナセル内およびハブ内の機器の冷却について説明する図。 第１の実施形態における風力発電装置のブレード側低速軸の通路について示す図。 第２の実施形態における風力発電装置によりナセル内およびハブ内の機器の加温について説明する図。 第３の実施形態における風力発電装置によるナセル内およびハブ内の機器の冷却または加温について説明する図。

以下、各実施形態について図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
次に、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態における風力発電装置の構成例を示す図である。図２は、第１の実施形態における風力発電装置によりナセル内およびハブ内の機器の冷却について説明する図である。
第１の実施形態では、風力発電装置のナセル内の各機器およびハブ内のピッチシステムを含め、ヒートポンプサイクルを用いてともに冷却するための構成について説明する。
第１の実施形態における風力発電装置は、ナセル１およびハブ２を備える。図１では、ハブ２部分を含むナセル１の断面を示す。
ハブ２は風車の回転中心をなす。このハブ２には風車の羽根（ブレード）３が複数枚取り付けられる。ハブ２内には羽根３の角度を変えるためのピッチシステム４が複数設けられる。図１においては、ピッチシステム４を２個示しているが、一般的には羽根３の枚数は３枚であるのでピッチシステムも３個である。なお、羽根３の枚数やピッチシステム４の数は特に限定されない。

ナセル１内には、増速機６、発電機９、コンバータ制御装置（ＣＯＮＶ）１０が設けられる。ハブ２には、羽根３で受けた風のエネルギーを伝えるためのブレード側低速軸５が接続される。このブレード側低速軸５は増速機６の一端部（ハブ側）から他端部にかけて貫通する。増速機６の他端部には発電機側高速軸８が取り付けられる。発電機側高速軸８は、発電機９に接続される。なお、増速機６は必須の要素ではなく、羽根３で受けた風のエネルギーを軸を介して発電機９に伝達する構成であってもよい。
発電機９にて発電された電力は、コンバータ制御装置１０にて変換されて、図示しないケーブルにて電力系統に発電電力が送られる。

また、ナセル１内には、ヒートポンプコンプレッサ１１、水熱交換器１３、空気熱交換器１４、３つの三方切り替え弁１５、２つの膨張弁１６が設けられる。また、ナセル１には、ナセル１内と外気との間で熱交換を行なうためのナセル外熱交換器１２が取り付けられる。

図１で示した例では、ナセル外熱交換器１２は、ハブ２からみてナセル１の後部に縦置きで設けられる。このナセル外熱交換器１２は、羽根３からの風力を熱交換に活用できるようにナセル１の下部または側部に設けても良い。

ヒートポンプコンプレッサ１１は、各機器との間で熱交換を行なうための媒体を昇圧する圧縮機である。膨張弁１６は、熱交換のための媒体を膨張させる弁である。水熱交換器１３は、水を媒体として、ナセル１内の各機器、例えば増速機６の軸受けなどの潤滑油や発電機９の冷却水との間で熱交換を行なう。空気熱交換器１４は、空気を媒体として、ナセル１内の各機器やハブ２内の機器との間で熱交換を行なう。各種の電気機器に露が付着しないように、空気熱交換器１４は、乾燥剤を導入したり、湿分分離機を設けたりする構成とすることができる。

第１の実施形態では、風力発電装置にヒートポンプサイクルが構成される。このヒートポンプサイクルは、水熱交換器１３から増速機６や発電機９との間で熱交換用の水を循環させるための系統、および、空気熱交換器１４から、コンバータ制御装置１０やハブ２内のピッチシステム４との間で熱交換用の空気を循環させるための系統でなる。

図３は、第１の実施形態における風力発電装置のブレード側低速軸の通路について示す図である。
図３に示すように、ブレード側低速軸５には、供給孔３１が軸方向に沿って設けられる。この供給孔３１は、空気熱交換器１４からハブ２内のピッチシステム４へ熱交換用の空気を供給するための通路である。

また、ブレード側低速軸５には、戻り孔３２が軸方向に沿って設けられる。この戻り孔３２は、ハブ２内のピッチシステム４から熱交換用の空気を空気熱交換器１４へ戻すための通路である。

低速軸端アダプタ７およびブレード側低速軸５には、ねじ穴３４が軸方向に設けられる。このねじ穴３４は、低速軸端アダプタ７の断面をブレード側低速軸５の断面に押し付けるためのバネ３６を固定するための穴である。
バネ３６は、バネホルダ３５にて低速軸端アダプタ７との間に挟み込まれる。

図３に示すように、供給孔３１は、ブレード側低速軸５の断面からみて、軸中心のネジ穴３４を中心とした、このネジ穴３４の周囲の所定の径の円周上に複数設けられる。
また、戻り孔３２は、ブレード側低速軸５の断面からみて、供給孔３１の外側の径の円周上に複数設けられる。ブレード側低速軸５の断面における供給孔３１や戻り孔３２の位置関係は特に限定されない。

図３に示すように、ブレード側低速軸５における空気熱交換器１４側の端部には低速軸端アダプタ７が取り付けられる。この低速軸端アダプタ７は、供給孔３１や戻り孔３２を通る空気をブレード側低速軸５の軸方向と異なる方向で空気熱交換器１４との間でやりとりするためのアダプタである。

これにより、空気熱交換器１４とブレード側低速軸５とが軸方向に沿って配置されていなくても、ブレード側低速軸５と空気熱交換器１４との間で熱交換用の空気のやりとりを行なうことができる。

以上の様に、第１の実施形態では、熱交換のための空気を空気熱交換器１４からブレード側低速軸５内の供給孔３１を介してナセル１外で回転するハブ２内のピッチシステム４に供給する事ができる。これにより、ピッチシステム４の電装機器との冷却または加温を行なうことができる。

また、この供給した空気を、回転するハブ２内のピッチシステム４側からブレード側低速軸５内の戻り孔３２を介して空気熱交換器１４に戻すことができる。これにより、ピッチシステム４の冷却又は加温を繰り返すことができる。

ブレード側低速軸５における低速軸端アダプタ７側の端部の断面は固定側シャフト端となっており、低速軸端アダプタ７側におけるブレード側低速軸５側の端部の断面は回転側シャフト端となっており。それぞれのシャフト端は摺動により取り付けることができる。

また、図３に示すように、低速軸端アダプタ７の摺動部における供給孔３１と戻り孔３２との間の径および戻り孔３２の外側にはシール部材３３が設けられる。このようにシール部材３３を設けることで、供給孔３１と戻り孔３２との間のリークを最小限に低減させることができ、供給側の空気と戻り側の空気とが極力混ざらないようにしている。なお、低速軸端アダプタ７とブレード側低速軸５との間で乾燥した空気の若干のリークが発生してもナセル内の機器に悪影響を与えない。

また、低速軸端アダプタ７とブレード側低速軸５の軸方向断面からみた供給孔３１の戻り孔３２の形状は真円であってもよいし、孔の断面積を大きくする目的で楕円状であっても良い。

また、ナセル１には、ナセル１内の換気を行なうためのファンフィルタ付き換気設備３７が設けられる。このファンフィルタ付き換気設備３７は、ナセル１内に換気用の外気を送り込むように作用する。ナセル１が海上に設置される場合は、ファンフィルタ付き換気設備３７を設けることで、塩害を防止してナセル１内の換気を行なうことができる。なお、以上の系統構成に関する逆止弁などの説明は省略する。

また、増速機６が無く、ハブ２が軸を介して発電機９に直結されている場合は、この発電機９のこの軸に供給孔３１および戻り孔３２を設ければ、空気熱交換器１４とハブ２内のピッチシステム４との間で空気を循環させることが出来る。

次に、ヒートポンプサイクルを用いてナセル１内の各機器やハブ２内のピッチシステム４を冷却するための手順について説明する。なお、図２中の実線および２点鎖線は、冷媒の通路を示す。また、図１中の点線は後述する加温用の媒体の通路を示す。
ナセル１内のヒートポンプコンプレッサ１１にて昇圧された冷媒（空気）は、冷却用に切り替えられた第１の三方切り替え弁１５を経由してナセル外熱交換器１２に送られる。

ナセル外熱交換器１２で外気との熱交換により冷却された冷媒は、冷却用に切り替えられた第２の三方切り替え弁１５、第１の膨張弁１６を経由して、水熱交換器１３および空気熱交換器１４に送られる。

空気熱交換器１４で冷却された空気は、冷却用に切り替えられた第３の三方切り替え弁１５を介してヒートポンプコンプレッサ１１に戻すことができる。また、水熱交換器１３内で冷却された空気は、第３の三方切り替え弁１５を介してヒートポンプコンプレッサ１１に戻すこともできる。

水熱交換器１３に送られた空気により、水熱交換器１３内の水が冷却される。水熱交換器１３に送られて冷却された冷却水は、内部の図示しないポンプなどにより増速機６と発電機９内の図示しない媒体通路に送られる。この送られた冷却水は、増速機６と発電機９から水熱交換器１３に戻される。これにより増速機６や発電機９の水冷を繰り返すことができる。

空気熱交換器１４に送られて冷却された空気は、内部の図示しない電動ファンによりコンバータ制御装置１０に送られる。この送られた空気は、空気熱交換器１４に戻される。これにより、コンバータ制御装置１０の冷却を繰り返すことができる。なお、ナセル１内の構成を、水熱交換器１３からの水でコンバータ制御装置１０を冷却する構成としてもよい。

また、空気熱交換器１４に送られて冷却された空気は、内部の電動ファンにより低速軸端アダプタ７内の供給孔３１およびブレード側低速軸５内の供給孔３１を介して、ハブ２内のピッチシステム４に送られる。これにより、外気をハブ２内に直接導入することなく、ピッチシステム４を冷却する事ができる。

このピッチシステム４で熱交換がなされた空気は、ブレード側低速軸５内の戻り孔３２、低速軸端アダプタ７内の戻り孔３２を介して空気熱交換器１４に戻される。このようにして、ハブ２内のピッチシステム４の冷却を繰り返すことができる。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、ヒートポンプサイクルの作用により、外気温が非常に高い場合でもナセル内の機器を冷却できることに加えて、ナセル外のハブ内の機器を冷却する事ができる。

また、ナセル内の空気熱交換器から冷却用の空気は、ブレード側低速軸内の供給孔および戻り孔を介してハブ内の機器との間で循環させることができるので、ハブ内に外気を食接導入する必要なしにハブ内の機器を冷却することが出来る。

さらに、熱交換のために外気をナセル内に直接導入することがないので、風力発電装置の設置箇所が海上であっても、ナセル内の機器を塩害の危険に晒すことを防止できる。また、風力発電装置の設置箇所が陸上である場合は、熱交換における騒音の発生を防止することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態において、第１の実施形態で説明した部分と同一の部分の詳細な説明は省略する。
第２の実施形態では、極寒冷地においてナセル内の各機器やハブ内のピッチシステムを加温するための構成を説明する。第２の実施形態における風力発電装置の各要素は第１の実施形態と同じであり、３つの三方切り替え弁１５を加温用に切り替えて用いる点が異なる。

図４は、第２の実施形態における風力発電装置によりナセル内およびハブ内の機器の加温について説明する図である。
本実施形態では、ヒートポンプコンプレッサ１１にて昇圧された加温用の媒体は、加温用に切り替えられた第１の三方切り替え弁１５を経由して、水熱交換器１３および空気熱交換器１４に送られる。この送られた媒体は、水熱交換器１３にて水を加温し、空気熱交換器１４にて空気を加温する。

水熱交換器１３、空気熱交換器１４に送られて加温された媒体は、加温用に切り替えられた第３の三方切り替え弁１５および第２の膨張弁１６を経由して、ナセル外熱交換器１２に送られる。この媒体は外気との熱交換により加温された上で加温用に切り替えられた第２の三方切り替え弁１５を介してヒートポンプコンプレッサ１１に戻される。

また、水熱交換器１３にて加温された水は、増速機６と発電機９のそれぞれに送られる。この送られた水は増速機６と発電機９を加温した上で水熱交換器１３に戻される。これにより、増速機６と発電機９の加温が繰り返される。発電機９の潤滑油は低温状態では粘性が高すぎる場合があるので、発電機９の起動条件を満たすためにも加温は有効である。

空気熱交換器１４にて温められた空気は、コンバータ制御装置１０に送られて、このコンバータ制御装置１０を加温して空気熱交換器１４に戻される。これによりコンバータ制御装置１０の加温を繰り返すことができる。

また、空気熱交換器１４にて温められた空気は、空気熱交換器１４内のファンにより低速軸端アダプタ７内の供給孔３１、ブレード側低速軸５内の供給孔３１を介してナセル１からみて前方のハブ２内のピッチシステム４に送られる。

このピッチシステム４に送られた空気は、ピッチシステム４を加温した上で、ブレード側低速軸５内の戻り孔３２、および低速軸端アダプタ７内の戻り孔３２を介して空気熱交換器１４に戻される。これによりピッチシステム４の加温が繰り返される。低温時は、結露による電気機器への悪影響が懸念されるが、乾燥した加温空気をナセル内やハブ内の機器送り込むことにより、起動条件のみならず、電気設備の健全性を維持できる。

以上説明した様に、第２の実施形態によれば、ヒートポンプの作用により、風力発電装置の起動時の外気温が非常に低い場合でも、ナセル内やハブ内の機器を加温できる。よって、スムーズな起動を実現できるのみならず。停止中の結露も防止できる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図５は、第３の実施形態における風力発電装置によるナセル内およびハブ内の電装品などを冷却または加温について説明する図である。
図５に示すように、第３の実施形態では、ナセル１内に第１および第２の実施形態で説明したヒートポンプコンプレッサ１１、ナセル外熱交換器１２、水熱交換器１３、空気熱交換器１４、三方切り替え弁１５、膨張弁１６を設ける代わりに、一般的なエアコン室外機１７、エアコン室外機１８ファン付き水熱交換器１９、ファン付き空気熱交換器２０を設ける。

エアコン室外機１７、エアコン室外機１８は、外気との熱交換によりナセル１内の空気を冷却又は加温する。
ファン付き水熱交換器１９は、ファンによりナセル１内の空気との熱交換を行なえる。

このファン付き水熱交換器１９は、冷却又は加温用の水を増速機６や発電機９に送る。この送られた水は、増速機６や発電機９を冷却又は加温した上で増速機６や発電機９に戻される。

また、ファン付き空気熱交換器２０は、ファンにより冷却又は加温用の空気をコンバータ制御装置１０に送る。この送られた空気は、コンバータ制御装置１０を冷却又は加温した上で増速機６や発電機９に戻される。

また、ファン付き空気熱交換器２０で冷却または加温された空気は、空気熱交換器１４内のファンにより低速軸端アダプタ７内の供給孔３１、ブレード側低速軸５内の供給孔３１を介してナセル１からみて前方のハブ２内のピッチシステム４に送られる。

このピッチシステム４に送られた空気は、ピッチシステム４を冷却又は加温した上で、ブレード側低速軸５内の戻り孔３２、および低速軸端アダプタ７内の戻り孔３２を介して空気熱交換器１４に戻される。これによりピッチシステム４の冷却又は加温が繰り返される。
このように、第３の実施形態では、第１および第２の実施形態で説明したヒートポンプサイクルを簡素な構成で実現する事ができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ナセル、２…ハブ、３…羽根（ブレード）、４…ピッチシステム、５…ブレード側低速軸、６…増速機、７…低速軸端アダプタ、８…発電機側高速軸、９…発電機、１０…コンバータ制御装置、１１…ヒートポンプコンプレッサ、１２…ナセル外熱交換器、１３…水熱交換器、１４…空気熱交換器、１５…三方切り替え弁、１６…膨張弁、１７…エアコン室外機、１８…エアコン室内機、１９…ファン付き水熱交換器、２０…ファン付き空気熱交換器、３１…供給孔、３２…戻り孔。

Claims (7)

1. 発電機を含む機器を収納するナセルと、
   前記機器との熱交換を行なう熱交換器と、
   風力により回転する羽根の回転中心となるハブと、
   前記ハブ内に設置されて、前記羽根の角度を調整するピッチシステムと、
   前記ハブと前記ナセル内の発電機とを連結する軸とを備え、
   熱交換用の媒体を前記ピッチシステムと前記熱交換器との間で循環させるための通路を前記軸の内部に設けた
   ことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記軸における前記熱交換器側の端部から軸方向と異なる方向に沿って前記熱交換器との間で前記媒体を循環させるための、前記軸に設けた通路と連結される通路を設けた連結用部材をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記機器は、前記発電機に連結される増速機を含み、
   前記ハブと前記ナセル内の熱交換器とを連結する軸は、前記ハブと前記増速機とを連結し、
   前記発電機は、前記連結する軸と異なる軸を介して前記増速機と連結される
   ことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
4. 前記軸の軸方向からみた前記連結用部材の断面に前記通路を取り囲むシールリングを備え、
   前記連結用部材の断面を前記軸の断面に押し付けるためのバネを備えた
   ことを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
5. 外気を導入する部分にフィルタを設けて、前記ナセル内の換気を行なうための換気設備をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
6. 前記熱交換器は、
   前記媒体を空気とする空気熱交換器であり、
   前記空気熱交換器は、
   湿分を分離するための手段を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
7. 発電機を含む機器を収納するナセルと、前記機器との熱交換を行なう熱交換器と、風力により回転する羽根の回転中心となるハブと、前記ハブ内に設置されて、前記羽根の角度を調整するピッチシステムと、前記ハブと前記ナセル内の発電機とを連結する軸とを有する風力発電装置に適用される風力発電方法であって、
   前記軸の内部に設けた通路を介して、熱交換用の媒体を前記ピッチシステムと前記熱交換器との間で循環させる
   ことを特徴とする風力発電方法。