JP2016524076A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機により発生された過剰の電力を効果的に熱に変換することのできる風力発電装置を提供する。【解決手段】少なくとも２つのロータブレード（１０８）を備えたロータ（１０６）と、ロータ（１０６）と直接的に又は間接的に結合されており電力を発生させる発電機（２００）と、入力周波数を有する入力電圧を出力周波数を有する出力電圧へ変換するための少なくとも１つのパワーエレクトロニクスユニット（３００、４００）とを有する風力発電装置が設けられる。パワーエレクトロニクスユニット（３００、４００）は、少なくとも１つのバリスタユニット（５００）を有する。バリスタユニット（５００）は、電圧依存抵抗を有する少なくとも１つのバリスタディスク（５３０）と、少なくとも１つのバリスタディスク（５３０）と接続状態にありバリスタディスク（５３０）を冷却するための冷却要素として設けられた少なくとも１つの金属ディスク（５４０）とを有する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

風力発電装置（風力エネルギー設備）は、典型的には３つのロータブレードを備えた空気力学的ロータを有し、風力がある場合にはそれらのロータブレードが空気力学的ロータ（以下、ロータとも称する）を回転運動させることになる。ロータは、直接的に又は間接的に発電機（ジェネレータ）と結合されており、ロータが発電機を作動させることにより、発電機は、電力を発生させる。風力発電装置の所定の運転状態では、発電機出力において電圧スパイクが発生することがある。これらの電圧スパイクの影響を減少するために、過剰の電気エネルギーを熱に変換することが可能である。このことは、例えば負荷抵抗により行うことが可能である。

ドイツ特許商標庁は、本出願の優先権の基礎となるドイツ特許出願について、以下の文献を調査した。

DE 10 2008 049 630 A1 DE 10 2009 004 318 A1 US 2012/0025804 A1

従って本発明の課題は、発電機により発生された過剰の電力を効果的に熱に変換することのできる風力発電装置を提供することである。

前記課題は、請求項１による風力発電装置により解決される。

以下、発明を実施するための形態について説明する。

本発明においては、少なくとも２つのロータブレードを備えたロータと、該ロータと直接的に又は間接的に結合されており電力を発生させる発電機と、入力周波数を有する入力電圧を出力周波数を有する出力電圧へ変換するために設けられた少なくとも１つのパワーエレクトロニクスユニットとを有する風力発電装置が設けられている。パワーエレクトロニクスユニットは、少なくとも１つのバリスタユニット（電圧依存抵抗ユニット）を有する。バリスタユニットは、電圧依存抵抗を有する少なくとも１つのバリスタディスクと、少なくとも１つの金属ディスクとを有し、該金属ディスクは、少なくとも１つのバリスタディスクと接続状態にありバリスタディスクを冷却するための冷却要素として設けられている。バリスタユニットは、電圧依存抵抗を有する。金属ディスクは、良好な熱伝導性を有し、従って金属ディスクは、良好にバリスタディスクを冷却するために使用することが可能である。

本発明の一視点により、少なくとも１つのバリスタユニットは、ハウジングを有し、該ハウジングには、バリスタユニットの熱容量を増加させるために注入充填材料（Vergussmasse）が充填されている。

本発明の更なる一視点により、複数のバリスタユニットが締付要素を介して熱的に結合されている。

本発明の更なる一視点により、３つのバリスタユニットが電気的に三角結線で相互接続され、従ってこれらのバリスタユニットは、１つの三相バリスタユニットを構成する。

本発明の更なる一視点により、バリスタユニット用の接続ケーブルがバリスタユニットの一側面部において外方へ案内される。

本発明は、風力発電装置の所定の運転状態、例えば負荷遮断（部分的送電停止 Lastabwurf）の場合には、発電機において電圧スパイクが発生することがあり、これらの電圧スパイクは、発電機における過電圧避雷器並びに他の構成要素の損傷をもたらすことがあるという思想に関する。発電機におけるこの種の電圧スパイクを減少するために、本発明により、少なくとも１つのバリスタユニットが設けられる。バリスタユニットは、例えばナセル制御キャビネット内に設けることが可能である。

本発明の更なる構成は、下位請求項の対象である。

以下、本発明の利点及び実施例を図面に関連して詳細に説明する。

本発明による一風力発電装置を模式的に示す図である。 第１実施例によるバリスタユニットを模式的に示す図である。 第１実施例によるバリスタユニットを模式的に示す他の図である。 第１実施例によるバリスタユニットを上から見た平面図である。

図１は、本発明による一風力発電装置を模式的に示している。風力発電装置１００は、タワー１０２とナセル１０４を有する。ナセル１０４には、３つのロータブレード１０８と１つのスピナ１１０とを備えたロータ１０６が設けられている。ロータ１０６は、運転時には風力により回転運動を行い、それにより（直接的に又は間接的に）ナセル１０４内の発電機２００の電気的ロータないし回転子を回転させる。ロータブレード１０８のピッチ角は、各々のロータブレード１０８のロータブレード付根部におけるピッチモータにより変更可能である。

ナセル１０４内には、発電機２００が設けられている。更にナセル１０４内に第１パワーエレクトロニクスユニット３００を設け、タワー１０２の下部領域に第２パワーエレクトロニクスユニット４００を設けることが可能である。第１パワーエレクトロニクスユニット３００は、例えば整流器とすることができる。或いはまた選択的に第１パワーエレクトロニクスユニット３００は、ナセル制御キャビネット又はフィルタユニットとすることもできる。

第２パワーエレクトロニクスユニット４００は、例えばインバータ（逆変換器）とすることができる。

第１パワーエレクトロニクスユニット３００及び／又は第２パワーエレクトロニクスユニット４００は、本発明によるバリスタユニットを少なくとも１つ有することが可能である。

図２Ａは、第１実施例によるバリスタユニットの模式的な図を示している。第１実施例によるバリスタユニット５００は、第１パワーエレクトロニクスユニット３００及び／又は第２パワーエレクトロニクスユニット４００内に設けることが可能であり、電力を熱に変換するために用いることが可能である。

バリスタユニット５００は（図２Ａにおいて左側から見て）その最初の側面部において絶縁体５１０と、第１金属ディスク５２０と、第１バリスタディスク５３０と、第２金属ディスク５４０と、第２バリスタディスク５３０と、第３金属ディスク５４０と、第４金属ディスク５５０とを有する。第４金属ディスク５５０は、カバーとしても機能することが可能である。従って第１実施例によると、バリスタディスク５３０は、少なくとも１つの金属ディスク、好ましくは２つの金属ディスクと常に接触状態にあり、電圧依存抵抗を有することが可能である。第２、第３金属ディスク５４０は、バリスタディスク５３０の厚さよりも大きい厚さを有する。第２、第３金属ディスク５４０は、好ましくは良好な熱伝導性を有する金属から製造されている。第２、第３金属ディスク５４０の体積は、好ましくはバリスタディスク５３０の体積よりも遥かに大きい。第１、第２、第３、第４金属ディスク、並びに複数のバリスタディスク５３０は、例えばロッド部材５９０を用いて互いに固定することが可能であり、この際、ロッド部材５９０は、第１金属ディスク５２０及び第４金属ディスク５５０にボルト固定されており、またこの際、複数のバリスタディスク５３０並びに第２、第３金属ディスク５４０は、第１金属ディスク５２０と第４金属ディスク５５０の間において積み重ねられて配設されている。

図２Ｂは、第２実施例のバリスタユニットの他の模式的な図を示している。図２Ａの描写に追加し、ハウジング５０１も少なくとも部分的に図示されている。このハウジング５０１は、例えば円筒状に構成することが可能である。バリスタユニットは、ハウジング５０１内において位置決めされ、ハウジング５０１には、注入充填材料（Vergussmasse）を充填することが可能であり、このことは、熱容量の増加に関して同様に有利である。

図２Ｂでは、同様に接続ケーブル５７０並びにオプションの接続端子（接続ターミナル）５８０を見ることができる。

図２Ｃは、第１実施例によるバリスタユニットを上から見た平面図を示している。この際、特に第４金属ディスク５５０を見ることができる。

例えば発電機２００の接続端子と接続されている第１パワーエレクトロニクスユニット３００内において第１実施例によるバリスタユニットを使用することにより、発電機出力端子における高エネルギーの過電圧を制限することが可能である。特にバリスタユニットのコンパクトな構造形式は有利であり、それは、そのコンパクトな構造形式により既存のパワーキャビネットないしパワーエレクトロニクスユニット内にバリスタユニットを組み込むことができるからである。

上述のバリスタユニットの接続は、配線電流網（Drahtstromnetz）へ直接的に行うことが可能である。

金属ディスク５４０とバリスタディスク５３０の結合により、熱的な結合を達成することが可能であり、それによりバリスタディスク５３０により発生された熱は、金属ディスク５４０へ伝達可能である。従って各々のバリスタユニット５００の熱容量は、多大に増加され、それにより改善された放熱能力も設けられている。

本発明によるバリスタユニットの使用により、風力発電装置は、例えば負荷遮断（部分的送電停止 Lastabwurf）に対して極めて迅速に応答することが可能である。負荷遮断の直後、依然発生される発電機の電力は、バリスタユニットを介して熱に変換可能である。本発明によるバリスタユニットの使用により、ロータブレードのピッチ角が変更されて発電機により発生される電力が減少可能となるまでの時間間隔（ないしこの時間間隔の間に発生された電力）を管理することが可能である。発電機により発生される電力が減少可能となるまでのこの時間間隔において、本発明によるバリスタユニットは、発生された電力を少なくとも短期的に熱に変換するために使用することが可能である。

本発明により、バリスタディスクと接触状態にある金属ディスクは、大きな体積で実施され、それによりこれらの金属ディスクは、大きな熱容量を有し、従ってバリスタディスク内において発生した熱は、迅速に金属ディスクへ伝達可能である。本発明によるバリスタユニットの大きな熱容量により、バリスタユニットは、バリスタディスクが比較的速く冷めるため、比較的速く再び活動化可能でもある。

バリスタディスクは、電圧依存抵抗を有する。

１００ 風力発電装置
１０２ タワー
１０４ ナセル
１０６ ロータ
１０８ ロータブレード
１１０ スピナ
２００ 発電機
３００ 第１パワーエレクトロニクスユニット
４００ 第２パワーエレクトロニクスユニット

５００ バリスタユニット
５０１ ハウジング
５１０ 絶縁体
５２０ 第１金属ディスク
５３０ バリスタディスク
５４０ 第２、第３金属ディスク
５５０ 第４金属ディスク
５７０ 接続ケーブル
５８０ 接続端子
５９０ ロッド部材

前記課題は、請求項１による風力発電装置により解決される。
即ち本発明の第１の視点により、風力発電装置であって、少なくとも２つのロータブレードを備えたロータと、前記ロータと直接的に又は間接的に結合されており電力を発生させる発電機と、入力周波数を有する入力電圧を出力周波数を有する出力電圧へ変換するための少なくとも１つのパワーエレクトロニクスユニットとを有し、前記パワーエレクトロニクスユニットは、少なくとも１つのバリスタユニットを有し、前記バリスタユニットは、電圧依存抵抗を有する少なくとも１つのバリスタディスクと、少なくとも１つの前記バリスタディスクと接続状態にあり前記バリスタディスクを冷却するための冷却要素として設けられた少なくとも１つの金属ディスクとを有することを特徴とする風力発電装置が提供される。
また本発明の第２の視点により、風力発電装置のパワーエレクトロニクスユニットであって、電圧依存抵抗を有する少なくとも１つのバリスタディスクと、少なくとも１つの前記バリスタディスクと直接的な接続状態にあり前記バリスタディスクを冷却するための冷却要素として設けられた少なくとも１つの金属ディスクとを備えた少なくとも１つのバリスタユニットを有することを特徴とする風力発電装置のパワーエレクトロニクスユニットが提供される。
尚、本願の特許請求の範囲において付記された図面参照符号は、専ら本発明の理解の容易化のためのものであり、図示の形態への限定を意図するものではないことを付言する。

本発明において、以下の形態が可能である。
（形態１）風力発電装置であって、少なくとも２つのロータブレードを備えたロータと、前記ロータと直接的に又は間接的に結合されており電力を発生させる発電機と、入力周波数を有する入力電圧を出力周波数を有する出力電圧へ変換するための少なくとも１つのパワーエレクトロニクスユニットとを有し、前記パワーエレクトロニクスユニットは、少なくとも１つのバリスタユニットを有し、前記バリスタユニットは、電圧依存抵抗を有する少なくとも１つのバリスタディスクと、少なくとも１つの前記バリスタディスクと接続状態にあり前記バリスタディスクを冷却するための冷却要素として設けられた少なくとも１つの金属ディスクとを有すること。
（形態２）前記風力発電装置において、前記バリスタユニットは、少なくとも１つの前記バリスタディスク及び少なくとも１つの前記金属ディスクを包囲するハウジングを有し、前記ハウジングには、熱容量を増加させるための注入充填材料が充填されていることが好ましい。
（形態３）前記風力発電装置において、少なくとも１つの前記金属ディスクの厚さは、前記バリスタディスクの厚さよりも大きいことが好ましい。
（形態４）前記風力発電装置において、少なくとも１つの前記金属ディスクの体積は、少なくとも１つの前記バリスタディスクの体積よりも大きいことが好ましい。
（形態５）前記風力発電装置において、３つの前記バリスタユニットが電気的に三角結線で相互接続され、１つの三相バリスタユニットを構成することが好ましい。
（形態６）風力発電装置のパワーエレクトロニクスユニットであって、電圧依存抵抗を有する少なくとも１つのバリスタディスクと、少なくとも１つの前記バリスタディスクと直接的な接続状態にあり前記バリスタディスクを冷却するための冷却要素として設けられた少なくとも１つの金属ディスクとを備えた少なくとも１つのバリスタユニットを有すること。

バリスタユニット５００は（図２Ａにおいて左側から見て）その最初の側面部において絶縁体５１０と、第１金属ディスク５２０と、第１バリスタディスク５３０と、第２金属ディスク５４０と、第２バリスタディスク５３０と、第３金属ディスク５４０と、第３バリスタディスク（図２Ａでは見えない）と、第４金属ディスク５５０とを有する。第４金属ディスク５５０は、カバーとしても機能することが可能である。従って第１実施例によると、バリスタディスク５３０は、少なくとも１つの金属ディスク、好ましくは２つの金属ディスクと常に接触状態にあり、電圧依存抵抗を有することが可能である。第２、第３金属ディスク５４０は、バリスタディスク５３０の厚さよりも大きい厚さを有する。第２、第３金属ディスク５４０は、好ましくは良好な熱伝導性を有する金属から製造されている。第２、第３金属ディスク５４０の体積は、好ましくはバリスタディスク５３０の体積よりも遥かに大きい。第１、第２、第３、第４金属ディスク、並びに複数のバリスタディスク５３０は、例えばロッド部材５９０を用いて互いに固定することが可能であり、この際、ロッド部材５９０は、第１金属ディスク５２０及び第４金属ディスク５５０にボルト固定されており、またこの際、複数のバリスタディスク５３０並びに第２、第３金属ディスク５４０は、第１金属ディスク５２０と第４金属ディスク５５０の間において積み重ねられて配設されている。

図２Ｂは、第１実施例のバリスタユニットの他の模式的な図を示している。図２Ａの描写に追加し、ハウジング５０１も少なくとも部分的に図示されている。このハウジング５０１は、例えば円筒状に構成することが可能である。バリスタユニットは、ハウジング５０１内において位置決めされ、ハウジング５０１には、注入充填材料（Vergussmasse）を充填することが可能であり、このことは、熱容量の増加に関して同様に有利である。

Claims (6)

1. 風力発電装置であって、
   少なくとも２つのロータブレード（１０８）を備えたロータ（１０６）と、
   前記ロータ（１０６）と直接的に又は間接的に結合されており電力を発生させる発電機（２００）と、
   入力周波数を有する入力電圧を出力周波数を有する出力電圧へ変換するための少なくとも１つのパワーエレクトロニクスユニット（３００、４００）とを有し、
   前記パワーエレクトロニクスユニット（３００、４００）は、少なくとも１つのバリスタユニット（５００）を有し、
   前記バリスタユニット（５００）は、
   電圧依存抵抗を有する少なくとも１つのバリスタディスク（５３０）と、
   少なくとも１つの前記バリスタディスク（５３０）と接続状態にあり前記バリスタディスク（５３０）を冷却するための冷却要素として設けられた少なくとも１つの金属ディスク（５４０）とを有すること
   を特徴とする風力発電装置。
2. 前記バリスタユニット（５００）は、少なくとも１つの前記バリスタディスク（５３０）及び少なくとも１つの前記金属ディスク（５４０）を包囲するハウジング（５０１）を有し、
   前記ハウジング（５０１）には、熱容量を増加させるための注入充填材料が充填されていること
   を特徴とする、請求項１に記載の風力発電装置。
3. 少なくとも１つの前記金属ディスク（５４０）の厚さは、前記バリスタディスク（５３０）の厚さよりも大きいこと
   を特徴とする、請求項１又は２に記載の風力発電装置。
4. 少なくとも１つの前記金属ディスク（５４０）の体積は、少なくとも１つの前記バリスタディスク（５３０）の体積よりも大きいこと
   を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の風力発電装置。
5. ３つの前記バリスタユニット（５００）が電気的に三角結線で相互接続され、１つの三相バリスタユニットを構成すること
   を特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の風力発電装置。
6. 風力発電装置のパワーエレクトロニクスユニットであって、
   電圧依存抵抗を有する少なくとも１つのバリスタディスク（５３０）と、少なくとも１つの前記バリスタディスク（５３０）と直接的な接続状態にあり前記バリスタディスク（５３０）を冷却するための冷却要素として設けられた少なくとも１つの金属ディスク（５４０）とを備えた少なくとも１つのバリスタユニット（５００）を有すること
   を特徴とする風力発電装置のパワーエレクトロニクスユニット。

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