JP5055155B2 - 風力発電装置 - Google Patents
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Description
例えば、ヒートポンプを駆動する装置として1987年に発表された「風車とヒートポンプを使用した冷房システム」が知られている。このシステムは、風車で風力エネルギを電気エネルギに変換して、蓄電池に充電し、直流発電機で冷凍サイクル(ヒートポンプ)を稼動させるものである。
すなわち、風車が大型化するとタワーも高くなる(例えば50mから70m)ため、その内部を貫通する動力伝達用の回転軸も長く、かつ、重くなり、風力エネルギから変換した機械エネルギの損失が著しくなるという問題があった。
本発明の風力発電装置は、発電設備を内部に収納するナセルと、該ナセル内に収納され、前記発電設備と冷媒との間で熱交換する内部熱交換部と、前記ナセル外に配置され、外気と前記冷媒との間で熱交換する外部熱交換部と、前記ナセル内に配置され、前記冷媒を圧縮するとともに前記内部熱交換部と前記外部熱交換部との間で循環させる圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された前記冷媒の圧力を膨張させる膨張部と、が設けられ、前記圧縮機から、前記外部熱交換部、前記膨張部、前記内部熱交換部、前記圧縮機の順に前記冷媒を循環させる冷凍サイクルと、前記圧縮機から、前記内部熱交換部、前記膨張部、前記外部熱交換部、前記圧縮機の順に前記冷媒を循環させるヒートポンプサイクルとが切り替え可能であることを特徴とする。
例えば、圧縮機に供給される回転駆動力が増大すると、圧縮機において吐出される冷媒の質量流量が増加するため、内部熱交換部における熱交換能力が増大し、発電設備の冷却能力が大きくなるように自動制御される。
例えば、圧縮機に供給される電力が増大すると、圧縮機において吐出される冷媒の質量流量が増加するため、内部熱交換部における熱交換能力が増大し、発電設備の冷却能力が大きくなるように自動制御される。
以下、本発明の第1の実施形態に係る風力発電装置について図1から図3を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る風力発電装置の構成を説明する全体図である。
風力発電装置1は、風力発電を行うものである。
風力発電装置1には、図1に示すように、基礎B上に立設された支柱(タワー)2と、支柱2の上端に設置されたナセル3と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル3に設けられたロータヘッド(風車)4と、ロータヘッド4を覆う頭部カプセル5と、ロータヘッド4の回転軸線周りに放射状に取り付けられる複数枚の風車回転翼(風車)6と、ロータヘッド4の回転により発電を行うナセル内機器(発電設備)7と、が設けられている。
ナセル3には、ナセル3外から外気をナセル3内に導入する通風用の開口部(ガラリ)は設けられておらず、例えば、ロータヘッド4の回転駆動力を伝達する主軸(図示せず)が貫通する開口部や、メンテナンス用の出入り口のみが設けられている。
これにより、風車回転翼6にロータヘッド4の回転軸線方向から風が当たると、風車回転翼6にロータヘッド4を回転軸線周りに回転させる力が発生し、ロータヘッド4が回転駆動される。
ナセル3の内部収納されたナセル内機器7には、図2に示すように、ロータヘッド4の機械的な回転駆動力を発電機14に伝達する主軸(図示せず)を回転可能に支持する主軸受11と、ロータヘッド4の回転を増速して発電機14に伝達する増速機(発電設備)12と、主軸受11および増速機12の潤滑に用いられるオイルを冷却または加熱するオイル熱交換部(内部熱交換部)13と、伝達された機械的な回転駆動力を用いて発電を行う発電機(発電設備)14と、発電機14を冷却または加熱する発電機熱交換部(内部熱交換部)15と、発電された電力の電圧や周波数などを制御するインバータを冷却または加熱するインバータ熱交換部(内部熱交換部)16と、ナセル3外の外気と冷媒との間で熱交換を行う外部熱交換部17と、オイル熱交換部13,発電機熱交換部15,インバータ熱交換部16および外部熱交換部17の間で冷媒を循環させる圧縮機18と、圧縮された冷媒の圧力を膨張する膨張弁(膨張部)19と、が設けられている。
主軸受タンク22には、内部に貯留された潤滑オイルを加熱する主軸受ヒータ(ヒータ)23が設けられている。
増速機タンク32には、内部に貯留された潤滑オイルを加熱する増速機ヒータ(ヒータ)33が設けられている。
潤滑オイルの粘度が十分に低く風力発電装置1が運転されている状態では、オイル熱交換部13は蒸発器として使用され、潤滑オイルは冷媒に対して放熱する。
一方、外気が寒冷で、潤滑オイルの粘性が高い状態で風力発電装置1を起動する場合には、オイル熱交換部13は凝縮器として使用され、冷媒は潤滑オイルに対して放熱する。
発電機熱交換部15は、風力発電装置1が運転されている状態において、発電機熱交換部15から流出した冷媒が圧縮機18、外部熱交換部17、膨張弁19の順に流入するように接続され、膨張弁19を通過した冷媒は、再び発電機熱交換部15に流入する。このように冷媒を循環させることにより、冷凍サイクルが構成される。
インバータ熱交換部16は、風力発電装置1が運転されている状態において、インバータ熱交換部16から流出した冷媒が圧縮機18、外部熱交換部17の順に流入し、膨張弁19を通過した冷媒が再びインバータ熱交換部16に流入するように接続されている。このように冷媒を循環させることにより、冷凍サイクルが構成される。
外部熱交換部17は、風力発電装置1が運転されている状態において、外部熱交換部17から流出した冷媒が膨張弁19、オイル熱交換部13もしくは発電機熱交換部15もしくはインバータ熱交換部16、圧縮機18の順に流入するように接続され、圧縮機18から吐出された冷媒は再び外部熱交換部17に流入する。このように冷媒を循環させることにより、冷凍サイクルが構成される。
圧縮機18には、増速機12を介してロータヘッド4から機械的な回転駆動力が伝達され、圧縮機18は伝達された機械的な回転駆動力により冷媒を圧縮している。本実施形態では、圧縮機18は冷媒の吐出方向を切り替える、つまり、冷凍サイクルの場合には外部熱交換部17を、ヒートポンプサイクルの場合にはオイル熱交換部13、発電機熱交換部15およびインバータ熱交換部16を冷媒の吐出先として選択して冷媒を吐出できる圧縮機に適用して説明する。
風力発電装置1においては、ロータヘッド4の回転軸線方向から風車回転翼6に当たった風力エネルギが、ロータヘッド4を回転軸線周りに回転させる機械的なエネルギに変換される。
ここで、少なくとも発電を行っている間は、風力エネルギを風車回転翼に効果的に作用させるため、適宜ナセル3を水平面上で回転させることにより、ロータヘッド4は風上に向くように制御される。
風力発電装置1において発電が行われている場合には、図2に示すように、冷凍サイクルを構成すべくオイル熱交換部13,発電機熱交換部15およびインバータ熱交換部16がクーラ(蒸発器)として働く。すなわち、オイル熱交換部13等において冷媒が熱を吸収して蒸発する。一方、外部熱交換部17は凝縮器として働き、冷媒は外気に熱を放熱して凝縮する。
例えば外気温度が−30℃ないし−40℃のような環境下で風力発電装置1を起動する場合、つまり、主軸受11や増速機12を潤滑する潤滑オイルの粘性係数が数万センチストークスと高く、潤滑能力を期待できない状態から風力発電装置1を起動する場合には、冷媒の循環方向を図2に示す方向と逆方向すなわち冷凍サイクルでなくヒートポンプサイクルを構成するように流して、潤滑オイルの加熱を行う。
オイル熱交換部13に流入した高温高圧の冷媒は、主軸受11や増速機12を潤滑する潤滑オイルに熱を放出して凝縮する。凝縮した冷媒は、オイル熱交換部13から流出して膨張弁19に流入する。
なお、上述のように冷媒の熱のみを用いて潤滑オイルを暖めてもよいし、軸受ヒータ23をさらに用いて潤滑オイルを温めてもよいし、増速機ヒータ33をさらに用いて潤滑オイルを温めてもよく、潤滑オイルの加熱方法を冷媒からの加熱に特に限定するものではない。
外部熱交換部17本体もしくは外部熱交換部17に接続された配管系統には、外部熱交ヒータ41が設置されており、外部熱交ヒータ41で加熱された冷媒は蒸発し、蒸発した冷媒は圧縮機18に流入し、再び圧縮される。
さらに、発電機14や増速機12のクーラファンなどから発生する騒音がナセル3内に閉じ込められるため、風力発電装置1の外への騒音漏れを防止できる。
例えば、圧縮機18に供給される回転駆動力が増大すると、圧縮機18において吐出される冷媒の質量流量が増加するため、オイル熱交換部13などにおける熱交換能力が増大し、発電機14や増速機12のクーラにおける冷却能力が増大する方向に制御される。
次に、本発明の第2の実施形態について図4を参照して説明する。
本実施形態の風力発電装置の基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、圧縮機の駆動方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図4を用いて圧縮機周辺の構成のみを説明し、その他の構成等の説明を省略する。
図4は、本実施形態の風力発電装置の構成を説明する模式図である。
なお、第1の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
風力発電装置101において発電が行われている場合には、電気モータ118に回転駆動された圧縮機18は、高温高圧に圧縮した冷媒を外部熱交換部17に向けて吐出する。以後の作用については第1の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
例えば、供給される電力が増大すると、圧縮機18において吐出される冷媒の質量流量が増加するため、オイル熱交換部13などにおける熱交換能力が増大し、発電機14や増速機12などのクーラにおける冷却能力が増大する方向に制御される。
3 ナセル
4 ロータヘッド(風車)
6 風車回転翼(風車)
7 ナセル内機器(発電設備)
12 増速機(発電設備)
13 オイル熱交換部(内部熱交換部)
14 発電機(発電設備)
15 発電機熱交換部(内部熱交換部)
16 インバータ熱交換部(内部熱交換部)
17 外部熱交換部
18 圧縮機
19 膨張弁(減圧部)
23 軸受ヒータ(ヒータ)
33 増速機ヒータ(ヒータ)
41 外部熱交ヒータ(ヒータ)
118 モータ
Claims (4)
- 発電設備を内部に収納するナセルと、
該ナセル内に収納され、前記発電設備と冷媒との間で熱交換する内部熱交換部と、
前記ナセル外に配置され、外気と前記冷媒との間で熱交換する外部熱交換部と、
前記ナセル内に配置され、前記冷媒を圧縮するとともに前記内部熱交換部と前記外部熱交換部との間で循環させる圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された前記冷媒を膨張させる膨張部と、
が設けられ、
前記圧縮機から、前記外部熱交換部、前記膨張部、前記内部熱交換部、前記圧縮機の順に前記冷媒を循環させる冷凍サイクルと、前記圧縮機から、前記内部熱交換部、前記膨張部、前記外部熱交換部、前記圧縮機の順に前記冷媒を循環させるヒートポンプサイクルとが切り替え可能である風力発電装置。 - 風力により前記発電設備に回転駆動力を供給する風車が設けられ、
前記圧縮機は、前記風車により供給された回転駆動力により駆動されることを特徴とする請求項1記載の風力発電装置。 - 前記圧縮機を回転駆動するモータが設けられていることを特徴とする請求項1記載の風力発電装置。
- 前記外部熱交換部には、前記冷媒に熱を供給するヒータが設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の風力発電装置。
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