JP3715238B2 - 閉冷却回路を有する風力利用設備 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、閉回路型冷却システムを備えた風力利用設備に関する。
【０００２】
（背景技術）
規則的にエネルギーを変換させると、熱の形でエネルギーが失われるものである。このことは、風力利用設備で風による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する場合や、風力利用設備で発電したエネルギーを中庸電圧送電網に供給する場合にもあてはまる。ことに、前者の場合では、風力利用設備での主要駆動系で定常的にエネルギー損失を起している。このことから、例えば整流器や変圧器の何れか、または両方の如くの電子的発電回路からなる調節装置が必要となっている。風力利用設備の格納体に設けられている主要駆動系では、このようなエネルギー損失は、ベアリングにおける歯車系や、回転翼を調節するか、発電機、ないし、風力利用設備を風下に向かわせる油圧システムないし類似の制御調節装置の如くのその他の制御装置において発生するのが殆どである。例えばEnercon社製のE-66型の如くの、歯車を利用しない無歯車型風力利用設備では、エネルギー損失は主として、発電機の主要駆動系、即ち、風力利用設備の格納体(ヘッド)において発生している。
【０００３】
電極供給の場合、斯かる損失は主として電力変圧器で発生するのが殆どであり、必要に応じては、整流器の如くの電子電力回路において発生している。
【０００４】
１.５ＭＷ風力発電所にあっては、損失は６０〜１００ｋＷにも及んでいる。これまで、これらのエネルギー損失はファンにより大気へ放たれていた。このようにして、屋外の冷気をファンを介して取り入れて、例えば発電機の如くの対応する構成部品を冷却する一方、冷却により生じた熱を屋外に排出している。
【０００５】
発電機を水冷して、それにより生じた熱湯を熱交換器で再冷却することも検討されている。これまでの既知の解決策は、屋外から大量の空気を取り入れる必要がある点で共通している。しかし、外気に大量の湿気が含まれていたり、特に海岸線沿いの地域におけるが如く外気に大量の塩分が含まれていて、冷却系の部品が大量の湿気や塩分に曝されるようでは、従来の解決策には依然と問題点がある。このことは、特に海岸沿いに直接建てられるか、或いは沖合施工法で塩水中に直接建てられる風力利用設備の場合では無視できない問題である。
【０００６】
（発明の開示）
（発明が解決しようとする技術的課題）
従って、本発明の目的は、前述した諸問題点を解消することにより、損失を減少することのできる風力利用設備のための冷却装置を提供することにある。このことは、請求項１に記載の特徴を備えた風力利用設備により達成できる。
【０００７】
即ち、本発明の基本的な考えは、風力利用設備用として実質的に閉回路型の冷却回路を提供することで、冷却のために外気を利用しない、或いは実用的に殆ど利用しないところにある。このようにして、冷却空気が風力利用設備の格納体から塔へ、ベースへと風力利用設備内で循環されるようになっており、好ましくは空気からなる冷媒により冷却時に蓄えられたエネルギーは、風力利用設備の塔を介して放出されるようにしている。風力利用設備の塔は常に風に曝されているから、風力利用設備の塔それ自体が冷却機素ないし熱交換体として作用して、蓄えたエネルギーを風に逃がすようになっている。
【０００８】
本発明のもう一つの利点としては、塔は、それ自体の熱交換器として、また、風力利用設備の荷重支承体としての作用により、屋外温度が約−２０〜−３０℃でも内部から加熱されるようになっている点にある。このことから風力利用設備は稼働状態に保つことができる。これまでの従来技術では、例えばスウェーデンやノルウェー、カナダの北方の如くの極寒冷地では耐寒性特殊鋼材を利用する必要があった。
【０００９】
屋外が氷点下の極寒温度であることから、所望によっては、回転翼の加熱と冷却回路とを組み合わせて、回転翼の加熱にそれ自身のエネルギーが使われないようにすることも可能である。
【００１０】
塔それ自体(内側または外側)に少なくとも一つの空気路が形成されていることから、冷媒は塔により冷却されるようになっていると共に、加熱された空気はこの空気路を流れて、少なくとも部分的にも塔の壁部でそのエネルギーを放出するようになっている。
【００１１】
前記した少なくとも一つの空気路は、塔を二重壁構造とし、このうちで塔の荷重支承壁を構成する壁に冷却路の一部分が形成されるように形成されているのが望ましい。
【００１２】
一般に鋼材で構築される風力利用設備の塔を冷却機素ないし熱交換器として利用することにより、既存のその風力利用設備で現に使われているか、必要とされている部品を前述の如くの有利な作用に利用することができる。加熱空気は鋼製塔の外壁を流れる。この外壁の表面積は非常に広く、例えば１.５ＭＷ設備では大凡５００平方メートルにも及び、従って、非常に広い加熱/冷却表面が得られる。この塔を包むようにして流れる風がこの表面を連続冷却するのである。
【００１３】
因みに、風による冷却能は風速の増加に伴って上昇するもので、この両者の関係を図１のグラフに示す。風速の上昇に伴い、発電機の能力も上昇し、パワー損失も増加する。発電機の能力と風速との関係を図２にグラフに示す。従って、パワー損失の増加は、風力利用設備の塔の冷却能力もパワー損失の増加に伴って上昇することから、比較的容易に消散させることができる。
【００１４】
（発明を実施するための最良の形態）
以後、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態を詳述する。発電パワーが１.５ＭＷであるEnercon社製のE-66型風力発電設備に施した本発明の好ましい実施の形態を図３に示す。図３においては、風力利用設備１を断面図で示しているが、格納体２は、ヘッドの一端にあって、塔３により支持されている。図示していないが、塔１は地面に植設係留されている。
【００１５】
格納体には、風力利用設備の主要駆動系が収納されている。この主要駆動系は、回転翼５(一部分のみ図示)を備えたローター４と、該ローター４に駆動連結されている発電機３とからなる。この発電機９には、発電機回転子６と発電機固定子７とが備わっている。ローター、従って、発電機回転子が回転すると、例えば交流電流(直流電流)の如くの電気エネルギーが発生する。
【００１６】
図示の風力利用設備には、この他に変圧器８、整流器９が備わっていて、この整流器９は変圧器８の前段にあって整流器９と直列接続されていて、交流ないし三相電流からなる電気エネルギーを前記変圧器に供給するようになっている。変圧器は風力利用設備から発生したエネルギーを、ネットワーク、好ましくは中庸電圧送電網(図示せず)に給電するようになっている。
【００１７】
塔は、その断面構造が図３に示すように二重壁構造になっていて、この二重壁の部分に冷却路が形成されている。この冷却路に、一つかまたは複数のファン１０が設けられていて、空気をこの冷却路において循環させるようになっている。
【００１８】
図４は、図３における線Ａ−Ａに沿った塔の壁部の横断面図を示している。この図から分かるように、図示の実施の形態では、冷却路は二系統形成されていて、塔は特定の部分だけが二重壁になっている。発電機から奪って加熱された空気は、冷却路１２に沿って機体(格納体)から塔の頂部へと流れ、その後、鋼製塔の内側へと案内される。前述したように、鋼製塔は相当の長さ、例えば約５０〜８０％にわたり二重壁で構成されており、外壁１３と内壁１４とを備え、そこに冷却路１１が形成されている。冷却路における内壁１４は、例えばプラスチックないし帆布の如くの簡便な材料で構成してもよい。発電機３からの加熱空気はこれで鋼製塔１の内側で相当の範囲にわたり流れることになる。このようにして、塔ないしそれを構成する鋼材が広範囲の表面積にわたって加熱される一方、空気が冷却されるのである。塔の下方の部分には整流器９と中庸電圧変圧器８(そして、その他の付加的な電気装置)が設けられている。これらの構成部品も冷却されるべきである。そこで、冷却された発電機からの空気は整流器へと先ず案内され、その後、発電装置類が能動的に冷却される。整流器からでた空気はその後、変圧器へと導かれて当該変圧器を冷却する。しかる後、空気は第２冷却路１２を介して上方へ流れて機体ハウジング、そして発電機へと戻る。
【００１９】
このように冷却回路は閉回路となっていて、外部から冷却空気を導入する必要はないのである。
全ての部品類、特に壊れやすい(empfindlich)部品類を冷却するのに、常に同じ空気が風力利用設備で利用されているのである。
必要に応じては、空気フィルターや付加的な冷却装置(例えば熱交換器)を冷却路に装入できるのも明らかである。
【００２０】
以上のことから、本発明の利点は、含塩空気や湿気などが発電機や整流器、変圧器などの如くの壊れやすい部品類に接触するようなことがないところにある。従って、機体ハウジングや塔の内部での腐食作用のリスクを大幅に減らすことができる。また、風力利用設備、特にその塔において、苔類やカビ類が繁殖するようなこともない。
総じて、(二次)冷却パワーが風により塔の外側から得られることから、風力利用設備全体を冷却するのに従来に比べて著しく少ないエネルギーで充分なのである。
【００２１】
尚、回転翼に冷却路を形成し、これらの冷却路を本発明による冷却回路に接続すれば、寒冷期、特に外気が氷点下になる時期に回転翼の着氷を解氷するのに、発電機により加熱された空気を回転翼内の冷却路に案内して流すことが可能である。回転翼に斯かる冷却路を形成する例は、例えばドイツ特許出願第１９５２８８６２.９号に開示されている。
【００２２】
機体ハウジングに冷却路を設けることは、対応する壁部と空気案内装置類とを空気が例えば発電機の如くの機器類を流れるように構成することで達成できる。 また、例えば非常に暖かい時期での塔の冷却パワーが不充分な場合では、例えば従来公知の対流型熱交換器の如くの付加的な冷却機器類を冷却回路に利用することも考えられる。
【００２３】
図５は、図３に示した冷却回路の別実施の形態を示す。この図５の実施の形態では、風力利用設備には二つの独立した閉冷却回路１５、１６が設けられていて、それぞれが蓄熱を塔に放熱するようになっている。これらの冷却回路１５、１６は互いに独立しており、この点が図３に示した構成とは異なっている。図５においては、各冷却回路１５、１６が折返し点において塔３内に通路ないしクロス路を有しているので、塔に出入りする空気は塔の反対側へ案内されることになり、従って、冷却すべき装置類、例えば発電機ないし発電回路類などが冷却されるように更に冷却される。
【００２４】
本発明による風力利用設備のもう一つの実施の形態を図６に示す。この実施の形態では、例えば排気管１７の如くの空気路を塔の下部の内部に延設している。これも、例えば既存の風力利用設備に対して改装することで塔３に容易に装着(懸設)することができる。例えば６００ｋＷ発電ボックスの如くの発電ボックス１８から発生する加熱空気は、この排気管１７を介して塔の基底から上方に案内され、その後排気管１７から塔へと流入する。加熱空気はそこから塔壁部を冷却した後に下方へと逆流して、空気フード１９を介して発電ボックス１８と接続した換気装置２０(供給空気用)に再び吸入される。排気管１７は、発電ボックス１８の排気口に直接接続してもよいし、または、発電ボックス１８の加熱空気を吸入してそれを排気管１７に吹き込む別の換気装置２１を設けてもよい。排気管は好ましくはプラスチックで形成されているのが望ましく、これにより容易に実現できると共に、軽量化が達成でき、そのために風力利用設備への取付や改装が簡単になる。
【００２５】
格納体２の冷却効果を向上させるには、この格納体の一部分または全体を金属、好ましくはアルミで形成してもよく、これにより常に風に曝されている格納体の冷却効果を良好にすることができ、ひいては発電機の冷却効果を増長することができる。この場合でも、格納体の内側に例えば冷却リブ類の如くの表面積増加構造体を設けるのが有利である。
【００２６】
試験の結果、図６に示した空気路を利用した閉冷却回路の構成が非常に効果的であり、特に費用効果が大きいのが判明している。これは、空気路、特にプラスチック製の排気管を開発するのに必要な投資が、熱交換器を利用し、それに伴って管理維持費のかかる場合に比べて非常に少なく済むからである。また、冷却効果も絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 風による冷却能と風速との関係を示すグラフ。
【図２】 発電機の能力と風速との関係を示すグラフ。
【図３】 本発明の好ましい実施の形態による風力利用設備の断面図。
【図４】 図３における線Ａ−Ａに沿う横断面図。
【図５】 本発明の別の実施の形態による風力利用設備の部分断面図。
【図６】 本発明のまた別の実施の形態による風力利用設備の断面図。
【符号の説明】
１…塔 ２…格納体 ３…発電機
４…ローター ５…回転翼 ６…回転子
７…固定子 ８…変圧器 ９…整流器
１０…ファン １１…冷却路 １２…冷却路
１３…外壁 １４…内壁 １５…冷却路
１６…冷却路 １７…排気管 １８…発電ボックス
１９…空気フード ２０…換気装置

Claims (13)

1. 閉回路となっている冷却回路を備え、風力利用設備の塔が、空気が冷媒として流れる前記冷却回路に含まれていて、該冷却回路から消散すべき熱がこの風力利用設備の塔により消散させていることよりなる風力利用設備。
2. 請求項１に記載のものであって、風力利用設備の駆動系の一部分と、電気エネルギーを変換する電気装置とが冷却回路によって冷却されることを特徴とする風力利用設備。
3. 請求項１又は２に記載のものであって、前記塔におけるその長手軸に沿う少なくとも二つの部分にわたり二つの壁部で構成されており、二重壁構造部が冷却路を形成していて、冷却路に導入された加熱空気が塔の外壁にその蓄熱を消散させることを特徴とする風力利用設備。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載のものであって、主要駆動系と発電電子回路の装置類を冷却するのに、常に同じ空気が利用されていることを特徴とする風力利用設備。
5. 請求項１から４までの何れか一項に記載のものであって、少なくとも一つのファンが前記冷却路に設けられ、前記ファンによって当該冷却路内で空気を循環させることを特徴とする風力利用設備。
6. 請求項１から５までの何れか一項に記載のものであって、外気温度が約−２０〜−４０℃の範囲にある場合には、塔が冷却回路により加熱されることを特徴とする風力利用設備。
7. 請求項１から６までの何れか一項に記載のものであって、風力利用設備が閉回路となっている冷却回路を二つ備えており、一方の冷却回路は風力利用設備の駆動系の冷却に、また、他方の冷却回路は電気エネルギーの変換のための電気装置を冷却することを特徴とする風力利用設備。
8. 請求項１から７までの何れか一項に記載のものであって、加熱空気を搬送するようにした空気路が少なくとも一つあることを特徴とする風力利用設備。
9. 請求項８に記載のものであって、前記空気路が、熱発生器の排気開口に接続した管により形成されていることを特徴とする風力利用設備。
10. 請求項９に記載のものであって、前記管が換気装置の空気取入れ口に接続されていて、これにより加熱空気が管に吹き込まれることを特徴とする風力利用設備。
11. 請求項８または９に記載のものであって、前記管はその長さが１０メートル以上あり、電気エネルギーを変換する電気装置から発生する加熱空気が管を介して吹き出され、管の出口から再び流出して、前記加熱空気が塔で冷却された後に塔の基底へ戻るように、前記管が前記塔の下部に形成されていることを特徴とする風力利用設備。
12. 請求項１から１１までの何れか一項に記載のものであって、前記閉回路となっている冷却回路と前記駆動系と前記電気装置とを格納する格納体を備え、前記格納体が金属で構成されていることを特徴とする風力利用設備。
13. 請求項１２に記載のものであって、前記格納体に格納体の表面積増加のための冷却リブが設けられていることを特徴とする風力利用設備。

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