JP2017180152A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハブ内に設置した制御機器の冷却性能を高めた風力発電装置を提供する。【解決手段】上記の課題を解決するために、本発明に係る風力発電装置では、制御機器を収納したハブ２０及びハブ２０で支持されるブレード１を備えるロータ２と、ロータ２を回転可能に支持するナセル６と、ハブ内及びナセル内に渡って配置される回転主軸３を備え、ハブ内とナセル内を連通する流路が形成され、流路は回転主軸の径方向外側に配置されると共に、ナセルに対して固定されており、ハブ内における流路には第１の流出孔が設けられることを特徴とする。【選択図】 図２

Description

本発明は、高湿の外気の導入による腐食のリスクを負うことなく、ハブ内に設置した制御機器を冷却して安定した運用を実現する、コンパクトな換気冷却機構を有する、風力発電装置に関するものである。

通常、風力発電装置は、ハブに設置されたブレードにより回転するロータが主軸を介して支持されたナセルを、タワー上部に備えた構成となっている。このナセルの内部には、ブレードの主軸の回転によって回転させられる発電機が備えられることが多いが、発電機の好ましい回転数を得るために、ロータと発電機の間に増速機を配置して、回転数を増加させる構成とする場合もある。発電機によって発電された電気エネルギーは、電力変換器や変圧器を介して電力系統に供しうる電力に変換される。

ナセル内の増速機、発電機等の機器は、それらの稼働に伴う損失によって熱が発生している。増速機、発電機に対しては専用の水冷システムを介して外部に熱を放出することが多いが、それ以外にも増速機、発電機の表面からナセル内に放出される熱によって、さらには日射によって外部から温められることでナセル内の空気が高温になりうるため、外気を導入して換気冷却をすることがある。この場合、特に洋上に設置される風力発電装置の場合などは、外気が水分、塩分を多く含んでいて、そのままナセル内に導入すると、ナセル内の機器の腐食の可能性が生じるために、例えば塩分除去フィルタを介した空気を導入したり、ナセル内に除湿機を設置して湿度管理を行なったりする。

ハブ内には、ブレードのピッチ角（取付角）を調整するためのピッチアクチュエータ、その制御装置、さらにはアクチュエータに繋がれたバッテリーなどの機器が設けられている。このピッチアクチュエータを駆動することで、風速等の状況に応じてブレードのピッチ角を制御し、効率良く風のエネルギーを捉える構成となっている。ハブ内に設けられたこれらの機器は、その稼働時の損失として熱を発生し、発生した熱がハブ内に留まってハブ内の気温が高温になる可能性がある。機器の正常な稼働を維持し、機器の寿命が短くなることを防ぐためには、ハブ内の過度な温度上昇を避ける必要がある。

ハブ内が高温になることを避けるために、例えば特許文献１においては、風車翼を取り付けたロータヘッドに連結されている駆動・発電機構がナセル内に収納設置され、前記ロータヘッドのハブ内に制御機器類が収納設置されている風力発電装置であって、前記ロータヘッドと前記ナセルとの間に形成されている連通路を介して、前記ロータヘッドの内部と前記ナセルの内部との間で空気を循環させる空気流形成手段が設けられ、前記空気流形成手段な、前記連通路に設置された空気循環用ガイドであることを特徴とする風力発電装置が提案されている。

特開２００９−０９１９２９号公報

長大なブレードを支持し回転するハブは、強度とともに軽量化が求められている。また、ブレードのピッチアクチュエータ等の制御機器はブレードの数に応じて複数設置する必要があり、その結果、ハブ内における空間は限られている。加えて、近年の風力発電装置の大型化によって制御機器の容量も大きくなってきており、それらの機器からの発熱量も増加してきている。したがって、ハブ内を冷却する際には、その冷却機構の小型化、さらには効率を高めることが重要となってきている。

以上のような課題を鑑み、本発明では、ハブ内に設置した制御機器の冷却性能を高めた風力発電装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、制御機器を収納したハブ及び前記ハブで支持されるブレードを備えるロータと、前記ロータを回転可能に支持するナセルと、前記ハブ内及び前記ナセル内に渡って配置される回転主軸を備え、前記ハブ内と前記ナセル内を連通する流路が形成され、前記流路は前記回転主軸の径方向外側に配置されると共に、前記ナセルに対して固定されており、前記ハブ内における前記流路には第１の流出孔が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、ハブ内に設置した制御機器の冷却性能を高めた風力発電装置を提供することが可能になる。

実施例１に係る風力発電装置を示す概略図である。 実施例１の風力発電装置のナセル、ハブ部分の概略側面図である。 実施例２の風力発電装置の固定主軸及び回転主軸を直管部分の概略斜視図 実施例３の風力発電装置のナセル、ハブ部分の概略側面図である。 実施例４の風力発電装置のナセル、ハブ、ブレード部分の概略側面図である。 実施例５の風力発電装置の固定主軸及び回転主軸を直管部分の概略断面図 実施例６の風力発電装置の固定主軸及び回転主軸を直管部分の概略断面図

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

実施例１について図１ないし図２を用いて説明する。図１には、実施例１における風力発電装置の概略図を示す。該風力発電装置は、海上に設置されており水面下から洋上に突き出すように設置されたタワー７の頂部にナセル６を配置しており、該ナセル６は、ブレード１とハブ（図１中には図示せず）に接続された回転主軸３を軸支している。回転主軸３は増速機４を介して発電機５に接続されている。発電機５は電力ケーブル（図示せず）によってタワー７の下部に内蔵された電力変換器８、変圧器９等の電気品につながっている。

風力発電装置は風向にブレード１の回転面を向けるようにナセル６が回転（ヨー制御）し、風のエネルギーによってブレード１が力を受け、回転主軸３が回転する。回転主軸３の回転は、増速機４を介して発電機５に好適な回転数まで高めて、発電機５に伝えられる。発電機５が回転することで発電された電気エネルギーは、電力変換器８によって整流され、さらに変圧器９によって電圧を調整し、電力系統に送られる。この際、発電機５、電力変換器８、変圧器９等では、電流が流れる際の損失により、熱が発生する。また、増速機４においても損失が熱となって発生する。

本実施例の風力発電装置では、発電機５、増速機４の冷却に水冷方式を採用している。すなわち、ポンプ（図示せず）によって発電機５、増速機４とラジエータ１３の間に冷却水を循環させ、発電機５、増速機４で奪った熱をナセル６上流部に設置したラジエータ１３で外気に放熱することで、冷却をおこなっている。

図２に本実施例１の風力発電装置のナセル６およびハブ２０部分の概略側面図を示す。風は左側から右側に吹いており、ナセル６はブレード１が設置される側の反対側から風を受けている。すなわち、本風力発電装置はタワー７の下流側にブレード１が位置するダウンウィンド型である。ナセル６の風上側にはラジエータ１３が、その吸込面が風上方向に向くように設置されている。ラジエータ１３には、発電機５または増速機４で発生した熱を冷却して高温となった冷却水が流入し、外気に放熱する構成となっている。ラジエータ１３の風上側には自然風を直接受け入れられるように開口した吸気口１４が設けられている。ラジエータ１３の風下側にはラジエータを通過した空気の流れをナセル６下方に向けて案内するように流路が構成されており、ナセル６下方向にその空気を外部に流出させる流路の出口である排気口１５が設けられている。ラジエータ１３は流入する風に対向するように設置され、ラジエータ１３のフィンの間を通った風は排気口１５へと導かれる。

ナセル６の風上側には外気をナセル６内に導入する吸気口１４、外気から塩分を除去するフィルタ１６、外気導入を促進するためのファン１７が設けられている。吸気口１４を開き、ファン１７を回転させることで、低温の外気をナセル６内に導入、換気することでナセル６内が高温になることを抑制している。導入した外気に含まれる塩分や湿分がナセル６内の機器に腐食を発生させることがないように、該フィルタ１６によって塩分を除去し、ナセル６内の除湿機１８によって湿度管理をしている。

前述のように、ハブ２０は回転主軸３に連結しており、ブレード１が捉えた風のエネルギーは回転主軸３を介して増速機４に伝えられる。本風力発電装置においては、回転主軸３の周囲に該回転主軸３を内包するように固定主軸２１が設けられており、該固定主軸２１は、架構１９を介して、ナセル６に対して静止・固定されている。さらには、固定主軸２１はハブ２０内部に突き刺さるように設置されている。そして、固定主軸２１とハブ２０の間に設置された軸受２２によって、ハブ２０は回転可能な状態で固定主軸２１によって支持されている。本構成とすることにより、ブレード１やハブ２０の重量や風速分布によっては回転主軸３に対して曲げるように作用する荷重が発生するが、それについては固定主軸２１が担い、発電に寄与する回転トルクについては回転主軸３が担うという荷重の分散支持が可能となり、風力発電装置の主軸部分の高信頼化を図っている。その一方で、ハブ内の空間という点では固定主軸２１を備えない場合と比較して狭くなっている。

ハブ２０の中には、ブレード１のピッチ角を制御するためのピッチアクチュエータ２５、そのための制御装置（図示せず）、さらにはバッテリー（図示せず）などが内蔵されている。風速などの環境条件に応じてブレード１のピッチ角を制御し、風のエネルギーの効率的な回収、あるいは高風速時にブレード１をフェザー（風を逃がすようなピッチ角の状態）にして風荷重を軽減するなどのピッチ制御を行なう。

本実施例の風力発電装置では、該回転主軸３と該固定主軸２１の間の隙間に複数本のダクト２３をナセル６からハブ２０に渡って固定主軸２１に固定して配置し、ダクト２３のナセル側端部には押し込み、あるいは吸い込みのファン２４を、ハブ側の端部は、固定主軸２１の途中に設けられた開口を通じて固定主軸２１の径方向外側に向かってその開口を向けている。押し込みファン２４でダクト２３内に流入したナセル６内の空気は、ハブ２０内において固定主軸２１の径方向外側に噴出する。風力発電装置が発電しているときにはハブ２０が回転しているため、固定主軸２１、ひいてはナセル６側に固定されたダクト２３から、ナセル６に対して相対的に回転しているハブ２０内に空気は噴出される。したがって、ハブ２０内に設置されたピッチアクチュエータ２５やその制御機器、バッテリーなどは、ダクト２３から噴出した空気の流れの中に回転移動して入ってくる。このため、排気箇所が限られたダクト２３であっても、冷却対象であるピッチアクチュエータ２５やその制御機器、バッテリーに直接、ナセル６から導入した空気を当てることが可能となる。尚、仮に直接的に空気が当たらない機器の場合でも、ハブ２０が回転することによって内部の空気の循環が促進されるため、ハブ２０内全体の気温が均一に保ちやすく、冷却効果の向上が期待できる。もちろん、前述のようにナセル６内の空気はフィルタ１６や除湿機１８の効果によって塩分、湿分を抑制されているため、ハブ２０内に導入しても、そこに設置された機器の腐食のリスクを増大させることはない。ハブ２０内の機器を冷却した後の空気は、吸い込みファン２４と接続された別のダクト２３から吸引され、ナセル６内へと戻る。本実施例では、ダクト２３をナセルに対して固定しており、例えば、ロータとナセルの相対的な移動(回転)によって発生する送風効果等を用いていない。よって、ハブとナセルの間で連通する流路面積を少なくでき、高湿の外気の浸入を防止し易くなる。

以上のように構成したハブ２０内の換気冷却は、ハブ２０内の機器の高信頼で安定した運用を実現するだけでなく、ハブ２０内に突出した固定主軸３と、回転主軸２１の間に構成される間隙を換気流路として活用しているため、新たにハブ２０内の空間を狭くすることもない。押し込み、あるいは吸い込みファン２４をナセル６側に設けたのは、狭いハブ２０内の空間に配慮したものであるが、これは、ハブ２０と比較して相対的に空間があり、ハブ２０のように回転しないナセル５側に設けることがファン２４の保守のしやすさという観点でもメリットがあるためである。

さらには、図２におけるダクト２３のうち、ハブ側に空気を送るダクトをナセル換気用のファン１７の近傍まで延設することによって、ナセル内の発熱体（発電機５、増速機４など）による温度上昇を受けない低温の空気を直接ハブ側に送ることも可能であり、その場合は、該ダクトにハブ内を換気するためのファン２４を新たに設ける必要もなくなる。

次に、図３を用いて、本発明の第２の実施例について説明する。なお、風力発電装置全体の構成自体は第１の実施例と同じであり、重複説明は省略する。

図３は本発明の第２の実施例における回転主軸３及び固定主軸２１を直管部分を示した概略斜視図である。第１の実施例との違いは、前記固定主軸２１の内壁面から前記回転主軸３に向かって、回転軸に沿う方に延伸設置された複数のベーン２７によって、前記流路を分割していることである。分割された流路の一部（図３においては上半分）をナセル６からハブ２０へと空気を送る流路として用い、残る流路（図３においては下半分）をハブ２０からナセル６へと戻る流路として用いることで、第１の実施例において必要であったダクト２３が不要となっている。回転主軸３と固定主軸２１の間には、回転主軸の回転運動を許容するための隙間が必要であるために、その隙間においてハブ２０に送られる空気と、ハブ２０から戻る空気の混合は避けられず、ハブ２０の換気冷却の効率は低下するが、回転主軸３に近接してダクト２３を設ける必要がないために、ダクト２３の固定が外れて回転主軸３と接触するといったリスクを回避することが可能となる。

次に、図４を用いて、本発明の第３の実施例について説明する。なお、風力発電装置全体の構成自体は第２の実施例と同じであり、重複説明は省略する。

図４は本発明の第３の実施例におけるナセル６およびハブ２０部分の概略側面図を示したものである。第１の実施例との違いは、ハブ２０側からナセル６側に空気を戻すダクトや流路を設けておらず、ナセル６側からハブ２０内に流入した空気を、ハブに設けた流路２６を介して、そのまま外部に排出していることである。流路２６は、ナセル内部から風下側に向かって配置されている。ブレード１やハブ２０がナセル６の下流側に位置するダウンウィンド型の風力発電システムの場合、ナセル６の上流側に位置する外気の導入口付近は高圧に、ナセル６の下流に位置するハブ２０周囲は負圧になりやすい。さらには、ナセル６に外気を導入するファン１７の駆動により、ナセル６内は正圧になるので、ナセル６上流からの空気導入をスムーズにすると共に、ナセル６内、ハブ２０内、ハブ２０下流という圧力勾配を構成しやすく、換気空気の自然な流れが構成できる。また、ハブ２０からナセル６へと空気が戻る流路が不要なため、ナセル６からハブ２０に空気が流れる流路をより大きく取れ、圧力損失も低減できる。本実施例ではその効果を活用し、第１、第２の実施例においてダクト２３、あるいは流路に接続していたファン２４を無くして、低コスト化することも期待できる。また、仮にファン２４を設置する場合もその容量を抑制でき、低コスト化に寄与することが出来る。特に本実施例では、風下側に向かって流路２６が設けられているため、風上側の吸気口１４から入った風が流路２６を介して風下側に向かって流れやすくなっている。

次に、図５を用いて、本発明の第４の実施例について説明する。なお、風力発電装置全体の構成自体は第３の実施例と同じであり、重複説明は省略する。

図５は本発明の第４の実施例におけるナセル６およびハブ２０・ブレード１を含むロータ部分の概略側面図を示したものである。第３の実施例との違いは、ハブ２０内部とブレード１内部が連通しており、ハブ２０内を換気した空気がブレード１内を通して、ブレードに設けた排気口２７から外部に流出されるようにしている点である。このような構成とすることにより、ブレード１に作用する遠心力を利用して、ブレード１内の空気、ひいてはハブ２０内の空気の換気を誘引することが可能となる。ブレード１に作用する遠心力の効果を生かすためには、排気口２７は回転半径が大きい翼端付近にあることが望ましいが、少なくとも翼長の半分より翼端よりであれば、換気空気を誘引する上で優位な効果が見込めると考えられる。これにより、ハブ２０内、ブレード１内、外部という換気空気の自然な流れが構成できる。第３の実施例同様、ハブ２０からナセル６へと空気が戻る流路が不要なため、ナセル６からハブ２０に空気が流れる流路をより大きく取れ、圧力損失も低減できる。本実施例ではその効果を活用し、第１、第２の実施例においてダクト２３、あるいは流路に接続していたファン２４を無くして、低コスト化することも期待できるし、仮にファン２４を設置する場合もその容量を抑制でき、低コスト化に寄与することが出来る。

また、ブレード１翼端近傍に開口２７はあるものの、ハブ６との距離が離れているため、風力発電装置が停止した状態においてもハブ２０内に設置した機器が、湿分、塩分を多く含む外気が漏れ込みによって腐食が進むという事象を避けることが期待できる。

次に、図６を用いて、本発明の第５の実施例について説明する。なお、風力発電装置全体の構成自体は第３の実施例と同じであり、重複説明は省略する。

図６は本発明の第５の実施例における回転主軸３及び固定主軸２１の直管部分を示した概略断面図である。第３の実施例との違いは、前記回転主軸３にフィン２９が設置されていることである。回転主軸３の回転と共にフィン２９も回転し、それによって、ナセル内の空気をハブ内に送る送風がなされる。固定主軸２１に設けられた排出孔２８は、フィン２９よりも下流側（ハブ側）にあり、そこからハブ内へとナセルからの空気が流入することになる。本構成は、元々存在する回転主軸３の回転を活かすことで、ハブ内換気のために新たに換気用のファンを設けることなく、空気流を形成することが出来るし、仮に換気用のファンを設ける場合においても、その容量を抑制することで、低コスト化に寄与することが出来る。

なお、本実施例で示した構成、具体的にはフィン２９を有する回転主軸３を用いた構成は、前述の他の実施例に対しても適用できるものである。

次に、図７を用いて、本発明の第６の実施例について説明する。なお、風力発電装置全体の構成自体は第２の実施例と同じであり、重複説明は省略する。

図７は本発明の第６の実施例における回転主軸３及び固定主軸２１の直管部分を示した概略断面図である。第２の実施例との違いは、第５の実施例で示したように、前記回転主軸３にフィン２９が設置されていることと、固定主軸２１と回転主軸３の間に構成される隙間をさらに径方向に分割する略円筒形のガイド３１を設置していることである。ガイド３１はフィン２９よりもナセル側に設置されている。フィン２９の回転によって形成された空気流は、ナセルから入って、まずはガイド３１で仕切られた流路のうちの内径側を回転主軸３の外壁面に沿って流れ、フィン２９、流出孔２８を介してハブ内に流入する。ハブ内の機器を冷却した空気は固定主軸２１に設けた流入孔３０から固定主軸２１内に入り、ガイド３１で仕切られた外径側の流路を、固定主軸２１の内壁面に沿って流れ、ナセル内に戻る。

本構成によれば、実施例１ないし実施例２に示したようなハブ内を冷却した空気がナセル内に戻ってくる構成の風力発電装置に対しても、実施例５と同様に、ハブ内換気のために新たに換気用のファンを設けることなく、空気流を形成することが出来、仮に換気用のファンを設ける場合においても、その容量を抑制することで、低コスト化に寄与するという効果を得ることが出来る。

以上、本発明の実施例について説明してきたが、上記に示した実施例はあくまでも例に過ぎず、発明内容を限定するものではない。例えば、陸上に設置された風力発電装置に対しても本発明の適用は可能である。また、第３の実施例に示した構成を除けば、ブレード１やハブ２０がナセル６の上流に配されたアップウィンド型の風力発電装置においても、本発明による効果は期待できる。

１ ブレード
２ ロータ（スピナカバー）
３ 回転主軸
４ 増速機
５ 発電機
６ ナセル
７ タワー
８ 電力変換器
９ 変圧器
１０ 基礎
１２ 海面
１３ ラジエータ
１４ 吸気口
１５ 排気口
１６ フィルタ
１７ ファン
１８ 除湿機
１９ 架構
２０ ハブ
２１ 固定主軸
２２ 軸受
２３ ハブ換気用ダクト
２４ ハブ換気用ファン
２５ ピッチアクチュエータ
２６ ハブからの排気口
２７ 固定主軸内のベーン
２８ 固定主軸の流出孔

Claims (13)

1. 制御機器を収納したハブ及び前記ハブで支持されるブレードを備えるロータと、
   前記ロータを回転可能に支持するナセルと、
   前記ハブ内及び前記ナセル内に渡って配置される回転主軸を備え、
   前記ハブ内と前記ナセル内を連通する流路が形成され、前記流路は前記回転主軸の径方向外側に配置されると共に、前記ナセルに対して固定されており、
   前記ハブ内における前記流路には第１の流出孔が設けられることを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置であって、
   前記流路より径方向外側に配置される固定主軸を備え、
   前記第１の流出孔は前記固定主軸の径方向内側と径方向外側を連通することを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項２に記載の風力発電装置であって、前記固定主軸の内壁と前記回転主軸の外壁の間で、かつ、前記回転主軸の軸方向に伸延するベーンを前記回転主軸の周方向に複数備えることを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記流路は前記ハブ内と前記ナセル内に渡って配置されるダクトで形成されることを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記第１の流出孔は前記ロータの回転軸に対し、径方向外側に向かって配置されることを特徴とする風力発電装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記流路に前記ナセル内の空気を押し込むファン、または前記流路から前記ハブ内の空気を吸い込むファンの少なくともいずれかを前記ナセル内に備えることを特徴とする風力発電装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
   前記ナセルは前記ナセル外の空気を取り込むファンを備えることを特徴とする風力発電装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、前記ロータは前記ナセルよりも風下側に位置して発電するダウンウィンドロータであり、前記ナセルの風上側に開口する吸気口を有していることを特徴とする風力発電装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、前記ロータは前記ナセルよりも風下側に位置して発電するダウンウィンドロータであり、前記ハブに前記ハブ内外を連通する排気口を備えることを特徴とする風力発電装置。
10. 請求項９に記載の風力発電装置であって、前記排気口は風下側に向かって配置されることを特徴とする風力発電装置
11. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
    前記ブレード内と前記ハブ内は連通し、
    前記ブレードの翼端部近傍に前記ブレード内外を連通する排気口を備えることを特徴とする風力発電装置。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
    前記回転主軸に設置されるフィンを備え、
    前記フィンよりも前記ロータ側に、前記第１の流出孔が設けられることを特徴とする風力発電装置。
13. 請求項１２に記載の風力発電装置であって、
    前記フィンよりもナセル側に配置されて、前記フィンに向かう風の流れと、前記フィンから遠ざかる風の流れを分離するガイドと、
    前記ガイドにおける前記フィンから遠ざかる風が連通する流路と前記固定主軸の径方向外側とを連通する第２の流出孔を備えることを特徴とする風力発電装置。

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