JP5211244B2

JP5211244B2 - 風力発電装置

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Publication number: JP5211244B2
Application number: JP2011517542A
Authority: JP
Inventors: 智裕沼尻
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: CN102753821A; US20110241353A1; US8308434B2; WO2012101817A1; AU2011201772A1; JPWO2012101817A1; KR101280172B1; BRPI1100020A2; KR20120111913A; CA2738004A1

Description

本発明は、ナセル内部の機器を、外気（外風）の導入により冷却する風力発電装置に関するものである。

標準的な風力発電装置は、地表や洋上等に立設された支柱状のタワーの上部にナセルがヨー旋回可能に設けられ、このナセルの前面に軸支されたロータヘッドに風車翼が支持されて風車回転翼が構成されている。各風車翼は風力を受けてロータヘッドを回転させ、その回転が増速機により増速されてナセル内部に設置された発電機を駆動し、発電が行われるようになっている。ナセルは、ロータヘッド（風車回転翼）の回転中心軸線が常に風上方向に指向して効率良く発電できるように旋回駆動制御される。ナセルの内部には発電機を始め、インバータ、トランスといった各種の発熱機器が収容されている。風力発電装置の安定した運転を継続するためには、これらの電気機器を適切に冷却する必要がある。

従来の風力発電装置におけるナセル内部の冷却構造としては、例えば特許文献１に開示されているように、ナセルの内部に電動式の換気ファンを設置し、外部の冷たい空気をナセル内部に強制的に導入して発熱機器の冷却を行うようにしたものがある。また、特許文献２に開示されているように、ナセルの内部に設置された発熱機器をカプセル状に被包し、ファンで上記カプセル内に冷却空気を通気する閉ループ通気路を構成し、この閉ループ通気路の途中に冷却器を介在させ、この冷却器を風車翼の風下側に設置することによって、外気により冷却器を空冷し、冷却器の内部を流れる冷却空気を熱交換させるようにした風力発電装置がある。

なお、特許文献３，４に開示されているように、ロータヘッドの前面に外風を取り入れる外気導入口を設け、ここから取り入れた外気によってロータヘッドの内部機器を冷却するようにした風力発電装置はあるが、これらはいずれもロータヘッド内部に外気を取り入れるだけのものであり、ナセルの内部の冷却を行うものではなかった。

特開２０１０−００７６４９号公報米国特許第７１６１２６０号明細書米国特許第７５９４８００号明細書米国公開特許公報２００９／００６０７４８号

特許文献１の風力発電装置では、電動式の換気ファンによって外気を強制的にナセルの内部に取り入れる構成であるため、ナセル内に換気ファンを設置するスペースが必要になり、設計の自由度に制限が加えられていた。また、発電機で発電された電力の一部が換気ファンによって消費され、無視し難いエネルギロスが発生していた。さらに、換気ファンが発する耳障りな騒音により、風力発電装置の静かで凄然としたイメージが損なわれていた。

また、特許文献２の風力発電装置では、ナセル内部の構造が複雑になることと、空冷式の冷却器がどうしても大型になるためにナセル全体が大型化してしまうという難点がある。その上、常に外気に晒される冷却器の腐食対策を充分に行わなければならず、これらの要因によって風力発電装置の製造コストが高額になるという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、簡素でエネルギロスを伴わない構成により、ナセル内部に設置された発熱機器類を良好に冷却するとともに、雨水の浸入を防いで内部機器類の健全性を保つことのできる風力発電装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための第１の発明は、風車回転翼が風上側を向くように制御されるアップウィンド型の風力発電装置であり、風車翼が装着されて前記風車回転翼を構成するロータヘッドと、前記ロータヘッドの回転軸が軸支されるとともに、前記ロータヘッドの回転により発電を行う発電機が収容されるナセルと、前記ナセルが支持されるタワーと、前記ロータヘッドを覆うロータヘッドカバーと、前記ロータヘッドカバーの先端部に設けられて外風が取り込まれる外気導入口と、前記外気導入口から前記ロータヘッドカバー内に取り込まれた外気を前記ナセルの内部に送り込む外気送気連通部と、前記ナセルの外表面の、外風によって負圧を受ける部位に設けられた冷却空気排出口と、を有し、前記外気送気連通部は、前記ロータヘッドカバーの後面に開口形成された送風口と、前記ナセルの前面に開口形成された受風口と、を有し、前記送風口と前記受風口の形状は、前記ロータヘッドカバーの回転位置に拘わらず、常に前記送風口と前記受風口の少なくとも一部が連通する形状であり、前記外気導入口から前記ロータヘッドと前記ロータヘッドカバーとの間を通って前記送風口に繋がるロータヘッドカバー内部送風路を有し、前記ロータヘッドは前記ロータヘッドカバー内部送風路に対して密閉構造であることを特徴とする。

上記構成によれば、風力により風車回転翼が回転し、発電がなされている時には、ロータヘッドカバーの先端部に設けられて常に風上側に指向している外気導入口から外風が取り込まれ、この空気が冷却空気としてロータヘッドカバーの内部を通過し、さらに外気送気連通部を経てナセル内に流入し、ナセル内部を冷却した後に、冷却空気排出口から外部に排出される。

外気導入口は常に風上側に指向し、冷却空気排出口は外風によって負圧を受ける部位に設けられているため、外気導入口が外気を取り入れる作用と、冷却空気排出口が内気を吸い出す作用とが相まって、多くの外気をナセル内に取り込むことができる。従って、従来のようにナセルの内部に電動式の換気ファンを設置しなくてもよく、簡素でエネルギロスを伴わない構成により、ナセル内部に設置された発熱機器類を良好に冷却することができる。

また、上記構成によれば、外気導入口から導入された外気が、外気送気連通部を構成する送風口と受風口とを経てナセルの内部に流入する。送風口と受風口は、ロータヘッドカバーの回転位置に拘わらず、常に連通している。このため、ロータヘッドカバー内部からナセル内部に向かって安定的に外気を送気することができ、ナセル内部に設置された発熱機器類を良好に冷却することができる。

さらに、上記構成によれば、ロータヘッドがロータヘッドカバー内部送風路に対して密閉構造であることから、外気導入口から導入された外気がロータヘッドカバー内部送風路を通過する際に、ロータヘッドの内部に流れ込んでしまうことがない。このため、外気導入口から導入された外気の流量や流速が損なわれることがなく、導入された外気が効率良くナセル側に送気される。このため、ナセル内部に設置された発熱機器類を良好に冷却することができる。ロータヘッドは密閉構造であるものの、その外表面に沿って外気が流れるため、ロータヘッドの内部機器も冷却される。

また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記外気導入口には、外気に含まれる異物を分離する異物分離部材が設けられている風力発電装置としたことを特徴とする。

上記構成によれば、外気導入口から導入される外気中に含まれる水分や塵埃等の異物が異物分離部材によって分離されるため、ロータヘッドやナセルの内部に設置された機器類が異物による悪影響を受けることを防止することができ、各機器類を良好に冷却することができる。

また、第３の発明は、前記第１の発明において、前記ロータヘッドカバーと前記ナセルとの間に、前記ロータヘッドカバーの内部を流れる外気の流出を防止する外気流出防止構造を有する風力発電装置としたことを特徴とする。

上記構成によれば、外気導入口から導入された外気が、ロータヘッドカバーとナセルとの接続部から外部に流出しようとしても、外気流出防止構造によって阻まれるため、この外気が、その流量を損なわれることなくナセル側に送気され、これによりナセル内部に設置された発熱機器類を良好に冷却することができる。

また、第４の発明は、前記第１の発明において、前記ロータヘッド側から見て、前記ナセルにおける、前記ロータヘッドカバーに重ならない部位に、外風を取り込む前方開口部を有する風力発電装置としたことを特徴とする。

上記構成によれば、ロータヘッドカバーに設けられた外気導入口以外に、ナセルに設けられた前方開口部からも外気がナセル内に導入されるため、ナセル内部に設置された発熱機器類を良好に冷却することができる。

また、第５の発明は、前記第１の発明において、前記ロータヘッドカバーと前記ナセルとの間に、雨水の浸入を防止する雨水侵入防止構造を有することを特徴とする。

上記構成によれば、ロータヘッドカバーとナセルとの間から雨水が浸入することが防止され、内部機器類の健全性が保たれる。

以上のように、本発明に係る風力発電装置によれば、簡素でエネルギロスを伴わない構成により、ナセル内部に設置された発熱機器類を良好に冷却するとともに、雨水の浸入を防いで内部機器類の健全性を保つことができる。

本発明を適用可能な風力発電装置の一例を示す側面図である。本発明の一実施形態を示すナセル、ロータヘッド、ロータヘッドカバー付近の縦断面図である。ロータヘッドカバー先端部と外気導入口と邪魔板（異物分離部材）を示す縦断面図である。ロータヘッドカバーとナセルの前面を示す正面図である。ロータヘッドカバーの後面に開口形成された送風口と、ナセルの前面に開口形成された受風口を示す図である。

以下、本発明に係る風力発電装置の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を適用可能な風力発電装置の一例を示す側面図である。この風力発電装置１は、例えば地中に埋設された鉄筋コンクリート製の基礎３の上面に立設されたタワー４と、このタワー４の上端部に設置されるナセル５と、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能に支持されてナセル５の前端部側に設けられるロータヘッド６とを有している。

ロータヘッド６には、放射方向に延びる複数枚（例えば３枚）の風車翼８が取り付けられて風車回転翼９が構成されており、ナセル５の内部には発電機１１が収容設置され、ロータヘッド６（風車回転翼９）の回転軸１２が発電機１１の主軸に増速機（非図示）を介して連結されている。このため、風車翼８に当たった外風の風力が、ロータヘッド６と回転軸１２を回転させる回転力に変換され、発電機１１が駆動されて発電が行われる。ロータヘッド６はロータヘッドカバー１４で覆われている。

ナセル５は、風車回転翼９と共に、タワー４の上端において水平方向に旋回することができる。風力発電装置１は、風車回転翼９が風上側を向くように制御されるアップウィンド型であり、図示しない駆動装置と制御装置により、常に風上方向に指向して効率良く発電できるように制御される。なお、本実施形態においては、ナセル５の風上側の面を「前面」と呼び、風下側の面を「後面」呼ぶ。

ナセル５の内部には、発電機１１を始めとし、図示しない主軸受や増速機、インバータ、トランス等、各種の発熱機器が設置されている。また、ロータヘッド６の内部には、風車翼８のピッチ角を風量に見合う最適な角度に調整するための、油圧や電動の公知のピッチ駆動装置（非図示）が設けられている。このピッチ駆動装置も、その作動時に発熱する発熱機器である。

図２、図３、図４に示すように、ロータヘッドカバー１４の先端部には、外風を取り込むための外気導入口１８が設けられている。この外気導入口１８は、ロータヘッドカバー１４の先端部において円孔状に形成されており、鳥や、その他の飛来物等の進入を防止するグリル（ネット）１９が張られている。また、外気導入口１８の内側には、例えば４本の支柱２１を介して邪魔板２２が設けられている。この邪魔板２２は、外気導入口１８に対してロータヘッドカバー１４の内側に離れて位置することにより、外気導入口１８からロータヘッドカバー１４内に取り込まれた外気に含まれる異物、特に雨、雪等の水分を分離する異物分離部材として機能するものである。

さらに、図２、図５に示すように、ロータヘッドカバー１４の後面には送風口２４が開口形成される一方、ナセルの前面には受風口２５が開口形成されており、これらの送風口２４と受風口２５によって外気送気連通部２６が構成されている。この外気送気連通部２６は、外気導入口１８からロータヘッドカバー１４内に取り込まれた外気をナセル５の内部に送り込む通気路となるものである。

送風口２４と受風口２５の形状は、ロータヘッドカバー１４の回転位置に拘わらず、常に送風口２４と受風口２５とが連通する形状である。即ち、本実施形態では、送風口２４と受風口２５が共に、ロータヘッド６の回転軸１２を囲む４つの扇形状の開口部とされている。送風口２４と受風口２５は、その開口面積の方が、各開口部の間に形成されている支柱部２４ａ，２５ｂの面積（幅）よりも大きく形成されているため、ナセル５に対してロータヘッドカバー１４が回転しても、常に送風口２４と受風口２５の大部分が連通するようになっている。なお、送風口２４と受風口２５の形状は、扇形状に限らず、円形等、他の形状であってもよい。

また、図２に示すように、ロータヘッドカバー１４の内部にはロータヘッドカバー内部送風路２８が画成されている。このロータヘッドカバー内部送風路２８は、外気導入口１８からロータヘッド６とロータヘッドカバー１４との間を通って送風口２４に繋がる通路であり、ロータヘッド６の周囲を取り囲むように形成されている。そして、ロータヘッド６は、ロータヘッドカバー内部送風路２８に対して密閉構造となっている。

各風車翼８は、その基部がロータヘッド６に回動自在に嵌合されており、ロータヘッド６に対して回動することによりピッチを変化させる。各風車翼８の基部とロータヘッド６との間は図示しないシール部材により液密にシーリングされている。従って、外気導入口１８から取り込まれた外気がロータヘッドカバー内部送風路２８を流れる際に、ロータヘッド６の内部に流入することはない。各風車翼８とロータヘッドカバー１４との間には、図示しない迷路断面状の雨水浸入防止構造が設けられている。このため、ロータヘッドカバー内部送風路２８を流れる気流が各風車翼８とロータヘッドカバー１４との間から外部に流出しにくくなっている。

一方、ロータヘッドカバー１４とナセル５との接続部には、図２に示すような外気流出防止構造３１が設けられている。この外気流出防止構造３１は、例えばナセル５の前面に形成された環状の内側段差部３２と、ロータヘッドカバー１４の後端における周縁部に形成された外側段差部３３とから構成され、内側段差部３２の外周側に外側段差部３３が重なり、内側段差部３２に触れることなく取り囲む構造となっている。外側段差部３３と内側段差部３２の間隔は狭い程よい。
この外気流出防止構造３１を設けたことにより、ロータヘッドカバー１４の内部に形成されたロータヘッドカバー内部送風路２８を流れてきた気流が、ロータヘッドカバー１４とナセル５との接続部から外部に流出することが防止され、この気流が外気送気連通部２６（送風口２４、受風口２５）を経て効率良くナセル５の内部に送気される。
また、外気流出防止構造３１は、雨水侵入防止構造としても機能する。即ち、内側段差部３２と外側段差部３３とが互いに噛み合う断面形状となっており、その間の間隙が迷路状にされているため、ここから雨水が内部に侵入することが阻まれる。

他方、ナセル５の外表面の、外風によって負圧を受ける部位、例えばナセル５の後面の外縁部付近に、複数の冷却空気排出口３５が設けられている。ナセル５は、ロータヘッド６側が常に風上方向を向くように旋回制御されているため、図２中に示すように、外風の気流はナセル５の表面を前方から後方に向かって流れ、ナセル５の後面側に巻き込まれる流れを形成する。このように気流がナセル５の後面側に巻き込まれる部位、特にナセル５の後面の外縁部側には強い負圧が発生する。このため、ナセル５の後面の外縁部付近に冷却空気排出口３５を設けることにより、上記の負圧によってナセル５の内部の空気が冷却空気排出口３５から吸い出される。

さらに、ロータヘッド６側から見て、ナセル５における、ロータヘッドカバー１４に重ならない部位にも、外風を取り込む開口部が形成されている。本実施形態では、例えばロータヘッド６側から見て正方形をなすナセル５の前面の四隅に、４つの前方開口部３７が形成されている。これらの前方開口部３７からもナセル５の内部に外風が取り込まれる。しかし、この位置に限らず、ナセル５の他の部位に前方開口部を設けてもよい。

以上のように構成された風力発電装置１においては、前方から吹く外風により、風車回転翼９が回転し、この回転が増速されて発電機１１に伝達され、発電機１１が駆動されて発電が行われる。同時に、ロータヘッドカバー１４の先端部に設けられて常に風上側に指向している外気導入口１８から外風が取り込まれる。この空気はロータヘッドカバー１４の内部に形成されたロータヘッドカバー内部送風路２８を流れる。そして、外気送気連通部２６（送風口２４、受風口２５）を経てナセル５の内部に送気され、発電機１１を始めとする各種の発熱機器を冷却した後に、ナセル５の後面に形成された冷却空気排出口３５から外部に排気される。

外気導入口１８が常に風上側に指向している一方で、冷却空気排出口３５はナセル５の風下側の、外風によって最も強い負圧を受ける部位に設けられている。そのため、外気導入口１８から外気が取り入れられる作用と、冷却空気排出口３５から内気が吸い出される作用とが相まって、多くの外気をナセル５の内部に流すことができる。従って、従来のようにナセル５の内部に電動式の換気ファンを設置しなくてもよく、簡素でエネルギロスを伴わない構成により、ナセル５の内部に設置された発電機１１を始めとする発熱機器類を良好に冷却することができる。

外気送気連通部２６は、ロータヘッドカバー１４の後面に開口形成された送風口２４と、ナセル５の前面に開口形成された受風口２５とから構成され、送風口２４と受風口２５の形状は、ロータヘッドカバー１４の回転位置に拘わらず、常に送風口２４と受風口２５の大部分が連通する形状であるため、ロータヘッドカバー１４の内部に形成されたロータヘッドカバー内部送風路２８からナセル５の内部に向かって安定的に外気を送気させ、ナセル５の内部を良好に冷却することができる。

ロータヘッドカバー１４の内部に形成されたロータヘッドカバー内部送風路２８は、外気導入口１８からロータヘッド６とロータヘッドカバー１４との間を通って送風口２４に繋がるように形成されている。ロータヘッド６はロータヘッドカバー内部送風路２８に対して密閉構造であるため、外気導入口１８から導入された外気がロータヘッド６の内部に流れ込むことがない。そのため、外気がその流量や流速を損なわれることなくナセル５側に送気される。従って、ナセル５の内部を良好に冷却することができる。なお、ロータヘッド６は密閉構造であるものの、その外表面に沿って外気が流れるため、ロータヘッド６の内部に設けられた図示しないピッチ駆動装置等も間接的に冷却することができる。

外気導入口１８には、外気に含まれる異物を分離する異物分離部材としての邪魔板２２が設けられているため、外気導入口１８から導入される外気中に含まれる雨や雪等の水分や、塵埃等の異物が邪魔板２２によって分離される。分離された異物は、下方に落ちて図示しないドレン孔から外部に排出される。このため、ロータヘッド６やナセル５の内部に設置された機器類が異物による悪影響を受けることを防止しながら、各機器類を良好に冷却することができる。

ロータヘッドカバー１４とナセル５との接続部には、ロータヘッドカバー内部送風路２８を流れる外気の流出を防止する外気流出防止構造３１が設けられているため、外気導入口１８から導入された外気がロータヘッドカバー１４とナセル５との接続部から外部に流出することが阻まれる。このため、ロータヘッドカバー内部送風路２８を流れる外気が、その流量を損なわれることなくナセル５側に送気され、これによりナセル５の内部を良好に冷却することができる。

さらに、外気導入口１８のみならず、ナセル５の前面に設けられた前方開口部３７からも外風がナセル５の内部に取り込まれるため、ナセル５に導入される外風の量を増大させてナセル５の内部を効率良く冷却することができる。この前方開口部３７は、ロータヘッド６側から見て、ロータヘッドカバー１４に重ならない部位に設けられているため、ナセル５にダクト状の突出部を設けることなく設置することができ、ナセル５の外観性を損なうことがない。

また、外気流出防止構造３１が、雨水侵入防止構造としても機能するため、ロータヘッドカバー１４とナセル５との間から雨水が浸入することが防止され、これにより内部機器類の健全性を良好に保つことができる。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲を逸脱しない程度に変更を加えてもよい。

１風力発電装置
４タワー
５ナセル
６ロータヘッド
８風車翼
９風車回転翼
１１発電機
１２回転軸
１４ロータヘッドカバー
１８外気導入口
２２邪魔板（異物分離部材）
２４送風口
２５受風口
２６外気送気連通部
２８ロータヘッドカバー内部送風路
３１外気流出防止構造（雨水侵入防止構造）
３２内側段差部
３３外側段差部
３５冷却空気排出口
３７前方開口部

Claims

風車回転翼が風上側を向くように制御されるアップウィンド型の風力発電装置であり、
風車翼が装着されて前記風車回転翼を構成するロータヘッドと、
前記ロータヘッドの回転軸が軸支されるとともに、前記ロータヘッドの回転により発電を行う発電機が収容されるナセルと、
前記ナセルが支持されるタワーと、
前記ロータヘッドを覆うロータヘッドカバーと、
前記ロータヘッドカバーの先端部に設けられて外風が取り込まれる外気導入口と、
前記外気導入口から前記ロータヘッドカバー内に取り込まれた外気を前記ナセルの内部に送り込む外気送気連通部と、
前記ナセルの外表面の、外風によって負圧を受ける部位に設けられた冷却空気排出口と、を有し、
前記外気送気連通部は、
前記ロータヘッドカバーの後面に開口形成された送風口と、
前記ナセルの前面に開口形成された受風口と、
を有し、
前記送風口と前記受風口の形状は、前記ロータヘッドカバーの回転位置に拘わらず、常に前記送風口と前記受風口の少なくとも一部が連通する形状であり、
前記外気導入口から前記ロータヘッドと前記ロータヘッドカバーとの間を通って前記送風口に繋がるロータヘッドカバー内部送風路を有し、前記ロータヘッドは前記ロータヘッドカバー内部送風路に対して密閉構造であることを特徴とする風力発電装置。
前記外気導入口には、外気に含まれる異物を分離する異物分離部材が設けら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。
前記ロータヘッドカバーと前記ナセルとの間に、前記ロータヘッドカバーの内部を流れる外気の流出を防止する外気流出防止構造を有することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記ロータヘッド側から見て、前記ナセルにおける、前記ロータヘッドカバーに重ならない部位に、外風を取り込む前方開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記ロータヘッドカバーと前記ナセルとの間に、雨水の浸入を防止する雨水侵入防止構造を有することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。