JP5872316B2 - 密閉型発変電設備 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、冷却性能の向上を図った密閉型発変電設備に関する。
近年、再生可能な自然エネルギーである風力や潮流あるいは海流を利用した発電システムが高い注目を集めている。これらの発電システムは、燃料が不要でありCOを排出しないこと、エネルギーが短期的には変動するがそのポテンシャルが大きいため枯渇することなく将来に渡って安定して利用可能であること、などの利点がある。
上記の発電システムに用いる発変電設備としては、ナセルなどの密閉容器内部に収納した密閉型発変電設備が知られている。こうした密閉型発変電設備では、雨や海水の浸入を防ぐことは勿論のこと、設備の小型軽量化を図ることも重要であり、冷却装置を使用しない自然冷却方式を採用していた。
最近では、再生可能な自然エネルギーを利用した発電システムのニーズが高まり、その大容量化が期待されている。発電システムの大容量化が進むと、設備の構成機器の発熱量は増大するので、自然冷却方式では所望の冷却性能を得ることが困難となる。そこで、密閉容器内に冷却装置を設置して、優れた冷却性能を確保した密閉型発変電設備が提案されている(特許文献1−4など)。
特開2009−185640号公報 特開2009−138555号公報 特開2011−122524号公報 特開2011−117381号公報
冷却装置には冷媒を送り出すためのファンやコンプレッサー、専用の電源などが不可欠であり、装置全体ではかなりの設置スペースを占めることになり、その重量もかなり重たい。したがって、密閉容器内に冷却装置を設置した分だけ、密閉型発変電設備の大形化と重量の増大を招いた。
本実施形態の密閉型発変電設備は上記の課題を解決するために提案されたものである。本実施形態の目的は、密閉容器に収納される密閉型発変電設備において、小型軽量化を維持しつつ冷却性能の向上を図ることにある。
上記目的を達成するために、本実施形態に係る密閉型発変電設備は、次の構成要素(a)〜(g)を備えたことを特徴としている。
(a)内部に少なくとも発電機および前記発電機の周辺機器を収納すると共に冷却ガスを封入した密閉容器。
(b)前記密閉容器の内壁面と所定の間隔を持って配置し、その外表面と前記密閉容器の内壁面との間に前記冷却ガスのガス流通空間を形成させる内殻容器。
(c)前記内殻容器の内部空間を、少なくとも発電機を配置する発電機室と、前記周辺機器を配置する周辺機器室とに2分割する隔壁。
(d)前記発電機室と前記周辺機器室とを連通させるために前記隔壁に設けた連通穴。
(e)前記ガス流通空間と前記発電機室とを連通させるために前記発電機室の上部に設けた上側開口部。
(f)前記ガス流通空間と前記周辺機器室とを連通させるために前記周辺機器室の下部に設けた下側開口部。
(g)前記周辺機器室から前記連通穴を経由して前記発電機室に前記冷却ガスを流すように前記発電機に取り付けたファン。
第1の実施形態の断面図 図1のAA断面図 図1のBB断面図 第1の実施形態の圧力調整装置の構成図 第2の実施形態の断面図 図5のCC断面図 図5のDD断面図 第2の実施形態のガスの流れを説明するための斜視図 第2の実施形態の圧力調整装置の構成図
[第1の実施形態]
図1〜図4を参照して第1の実施形態に係る密閉型発変電設備について説明する。図1は密閉型発変電設備の断面図、図2および図3はそれぞれ図1のAA断面図およびBB断面図、図4は圧力調整装置11の構成図である。
(構成の概要)
第1の実施形態は風力や潮流あるいは海流を利用した発電方式に用いる密閉型発変電設備であり、ナセルなどの密閉容器1を備えている。密閉容器1は外部には突起がないカプセル状の容器であり、陸上または海上に設置する。密閉容器1の内部には増速器2と、発電機3と、変圧器4と、変換装置5、圧力調整装置11とが設置されている。
(密閉容器内の機器)
このうち、増速器2は風力や潮流あるいは海流で得られたブレードの回転を増速させる機器である。発電機3には増速器2に接続される回転軸9が設置されており、回転軸9にはファン10が取り付けられている。変圧器4では発電機3が発電した電力の電圧を変え、変換装置5が交流から直流に変換あるいは周波数を変換する。
また、密閉容器1内には乾燥空気からなる冷却ガスgが封入されている。冷却ガスgによる密閉容器1内部の圧力は、圧力調整装置11によって密閉容器1の外部圧力よりも高く設定されている。具体的には外部圧力に対して密閉容器1内部の圧力を10%程度あるいは1気圧程度高く設定することが好適である。なお、1気圧は密閉容器1を真空状態にした圧力と等価である。
圧力調整装置11は後述する変圧器室13の側面部に配置されている。圧力調整装置11の構成を図4に示す。すなわち、圧力調整装置11は圧力センサー21と、放出バルブ22と、バルブ23aを有するガスボンベ23と、圧力センサー21から測定結果を入力して放出バルブ22とガスボンベ23のバルブ23aに開閉指令を出力する制御部24とを備えている。圧力センサー21は、密閉容器1の内部と外部の圧力を測定するものである。放出バルブ22は開放することで密閉容器1の内部から外部へ冷却ガスgを放出する減圧手段である。ガスボンベ23は内部に充填された冷却ガスgを、バルブ23aの開放により密閉容器1内部へ冷却ガスgを送出する加圧手段である。
(内殻容器)
図1に戻って内殻容器6について説明する。密閉容器1の内部には密閉容器1の内壁面に沿い且つ内壁面と所定の間隔を持つようにして円筒形状の内殻容器6が配置されている。内殻容器6を密閉容器1内部に組み込むことで、内殻容器6の外表面と密閉容器1の内壁面との間に冷却ガスgが流れるガス流通空間14が形成される。
内殻容器6の内側には、内殻容器6の内部空間を、内殻容器6の軸方向に向かって前後方向(図1では左右方向)に2分割する隔壁7が設置されている。隔壁7によって2分割された内殻容器6の内部空間のうち、前方(図1では左方)側には増幅器2および発電機3が配置される。発電機3を含むことから、内殻容器6の内部空間の前方側の空間を発電機室12と呼ぶことにする。
また、内殻容器6の内部空間のうち、後方側には変圧器4、変換装置5および圧力調整装置11が配置される。内殻容器6の後方側の空間に関しては、発電機3の周辺機器である変圧器4や変換装置5が配置されることから、この空間が周辺機器室となる。第1の実施形態では、変圧器4を含むことから周辺機器室を変圧器室13と呼ぶことにする。さらに、発電機室12の上部には上部開口部8aが設けられ、変圧器室13の下部には下側開口部8bが2つ設けられている。これらの開口部8aおよび8bを介して発電機室12および変圧器室13とガス流通空間14とが連通している。
隔壁7の中央部には発電機室12と変圧器室13とを連通させる連通穴15が開口されている。連通穴15に近接して発電機3に取り付けられたファン10が配置されている。ファン10はその回転によって冷却ガスgを、変圧器室13から連通穴15を経由して発電機室12に流すようになっている。
(冷却ガスの流れ)
以上のような構成を有する第1の実施形態では、発電機3のファン10が回転すると、次のようにして冷却ガスgが密閉容器1内を循環する。まず、冷却ガスgは連通穴15を通って変圧器室13から発電機室12内部に流れ込む。そして、冷却ガスgは発電機室12内部を上昇しながら主に発電機3の内部を冷却し、発電機室12上部の上部開口部8aに至る。その後、冷却ガスgは上部開口部8aを通過してガス流通空間14へと抜ける(図2参照)。
さらに、ガス流通空間14では冷却ガスgは上部より下部へと流れていき、変圧器室13下部に位置する下部開口部8bに到達する。続いて冷却ガスgは下部開口部8bを通って変圧器室13の内部に流れ込む(図3参照)。変圧器室13内部に入った冷却ガスgは、変圧器室13内に配置された機器を冷却し、連通穴15を通過して再度、発電機室12側へと流れ込む。このように冷却ガスgはファン10→発電機室12→上部開口部8a→ガス流通空間14→下部開口部8b→変圧器室13→連通穴15→ファン10の順に流れて循環する。
上記のように循環する冷却ガスgは、発電機室12において発電機3を冷却することで温度が上昇する。しかし、冷却ガスgはガス流通空間14を上部から下部に流れる際に密閉容器1の内壁面を介して密閉容器1外部に存在する大気あるいは海水などと熱交換を行う。つまり、冷却ガスgは密閉容器1の内壁面に触れることで冷やされ、下部開口部8bから変圧器室13に入る時点では温度が下がっている。
ガス流通空間14を通過した直後の低温の冷却ガスgが変圧器室13に入り、冷却ガスgは変圧器4などの機器との熱交換により温度が上昇した後、連通穴15を抜けて発電機室12に入る。このとき、発電機室12は一般的に変圧器室13よりも温度が高いため、変圧器室13を通過したことで多少温度が上昇した冷却ガスgであっても、十分に発電機3を冷やすことができる。
(密閉容器内の圧力調整)
さらに、第1の実施形態では、圧力調整装置11が密閉容器1内の圧力を次のように調整する。圧力センサー21が密閉容器1の内部と外部の圧力を測定し、測定結果を制御部24に送る。制御部24は密閉容器1の内部と外部の圧力差から、密閉容器1内の圧力を上げるか、下げるかを判断する。
そして制御部24の判断に基づき、密閉容器1内の圧力を上げる場合には制御部24はガスボンベ23のバルブ23aに開放指令を出力する。開放指令を受けてバルブ23aが開くとガスボンベ23から冷却ガスgを密閉容器1内部へ送り出し、密閉容器1内の圧力が上がる。反対に、密閉容器1内の圧力を下げる場合には制御部24は放出バルブ22に開放指令を出力する。開放指令を受けて放出バルブ22を開くと密閉容器1の内部から外部へ冷却ガスgを放出し、密閉容器1内の圧力が下がる。
(作用効果)
以上のような第1の実施形態の作用効果は次の通りである。すなわち、冷却ガスgは内殻容器6の内部である発電機室12および変圧器室13で加熱されて温度が上がるが、内殻容器6の外部に位置するガス流通空間14で冷却される。したがって、冷却装置を用いることなく、冷却ガスgを低温に維持することができ、発電機3、変圧器4や変換装置5などの機器さらには密閉容器1全体を冷却することが可能である。
このため、発電機3などの機器の大容量化して発熱量が増大したとしても、優れた冷却性能を発揮することができ、信頼性が向上する。しかも、冷却装置が不要であり、密閉容器1の内部に機器冷却用のファンやコンプレッサー、冷却用の電源を用意する必要がない。これにより、構成の簡略化を実現することができ、コンパクトで軽量な密閉型発変電設備を提供することができる。
また、密閉容器1の外部には突起がないため、物理的接触による不慮の事故を防ぐことができ、安全性が高い。さらに、第1の実施形態では、冷却ガスgとしては乾燥空気を採用したので、環境への害がなく、錆びや腐食も起きにくい。しかも、圧力調整装置11によって密閉容器1内部の冷却ガスgの圧力を外部圧力よりも高く調整している。したがって、密閉容器1内部に風雨や海水が侵入することを確実に防ぐことができ、この点からも錆びや腐食が起きにくい。
さらに、第1の実施形態では、圧力調整装置11による圧力調整によって、密閉容器1内部の圧力を外部に対し10%程度あるいは1気圧程度高くした状態を常に維持することができる。このため、密閉容器1および内殻容器6への圧力負荷は少なくて済み、密閉容器1および内殻容器6の構造自体を容易に簡略化することができる。
以上の圧力調整処理は、第1の実施形態を潮流または海流発電システムに適用する場合に特に有効である。すなわち、本実施形態では、密閉容器1を海中深く沈める場合に、密閉容器1外部の圧力上昇に応じてガスボンベ23より冷却ガスgを噴出し、密閉容器1内部の圧力を徐々に上げていき、密閉容器1内部の圧力を外部の圧力よりも常に高く維持できる。密閉容器1内部の圧力を最初から設置深さにおける圧力に設定しておく必要がない。
また、メンテナンスのために海中から密閉容器1を浮上させる場合は放出バルブ22を開き、密閉容器1外部の圧力減少に応じて密閉容器1内部の冷却ガスgを外部に放出することで密閉容器1内部の圧力を徐々に下げていき、外部の圧力よりも常に高い状態に維持できる。これにより海中深く密閉容器1を設置する場合でも、密閉容器1にかかる圧力を抑えることが可能となり、密閉容器1の壁面部の厚さ寸法を薄くしても所望の強度を得ることができる。これにより、コンパクトで軽量な密閉容器1を得ることが可能である。
[第2の実施形態]
図5〜図9を参照して第2の実施形態に係る密閉型発変電設備について説明する。図5は密閉型発変電設備の断面図、図6および図7はそれぞれ図5のCC断面図およびDD断面図、図8は冷却ガスの流れを説明するための斜視図、図9は圧力調整装置の構成図である。なお、上記第1の実施形態と同一の部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。
(構成)
第2の実施形態の構成上の特徴は、次の点にある。すなわち、発電機室12側の上部には上部開口部8cが開口され、変圧器室13側の下部には下部開口部8dが開口されている。また、変圧器室13側の上部には上部開口部8eが開口され、発電機室12側の下部には下部開口部8fが開口されている。
上部開口部8c、8eは内殻容器6の最上部よりも下方にずれた位置に開口されている。このうち、発電機室12側の上部開口部8cは中心よりも左側にずれて開口され(図6参照)、変圧器室13側の上部開口部8eは中心よりも右側にずれて開口されている(図7参照)。また、下部開口部8d、8fは内殻容器6の最下部に形成されている。なお、図5に示すように発電機室12側の下部開口部8fは2つ設けられている。これらの開口部8c、8d、8e、8fはガス流通空間14と連通している。
ガス流通空間14の上部および下部にはガス流通空間14を、内殻容器6の軸方向に向かって左右の空間14L、14Rに分ける第2の隔壁7a、7bが設置されている。上側の第2の隔壁7aは図6、図7に示すように、内殻容器6の真上に配置されている。下側の第2の隔壁7bは図6に示すように、発電機室12の下方では下部開口部8fの左側に配置されている。また、下側の第2の隔壁7bは図7に示すように、変圧器室13の下方では下部開口部8dの右側に配置されている。
左側のガス流通空間14Lは、上部開口部8cおよび下部開口部8dを介して発電機室12の上部と変圧器室13の下部とが繋がるように形成されている(図6〜図8参照)。また、右側のガス流通空間14Rは、上部開口部8eおよび下部開口部8fを介して変圧器室13の上部と発電機室12の下部とが繋がるように形成されている(図6〜図8参照)。さらに、発電機3に取り付けられたファン10は、冷却ガスgを発電機室12下方の開口部8fから発電機室12内を上昇させて発電機室12上方の開口部8cへと流すようになっている。
第2の実施形態における圧力調整装置11aは、前記圧力調整装置11の構成要素と基本的に同一であるが、設置箇所が変圧器室13側の側面部ではなく、発電機室12の下方にあたるガス流通空間14内に設置されている。すなわち、図9に示すように、圧力調整装置11aにおいて、放出バルブ22と密閉容器1外部とをつなぐ配管部25は下向きであり、外部圧力を測定する圧力センサー21もこの配管部25に設置されている。
(冷却ガスの流れ)
以上のような構成を有する第2の実施形態では、発電機3のファン10が回転すると、次のようにして冷却ガスgが密閉容器1内を循環する。まず、冷却ガスgは発電機室12の下方部から下部開口部8fを通って発電機室12内部に流れ込む。冷却ガスgは発電機室12内部では発電機室12内部を上昇しながら主に発電機3の内部を冷却する。そして、冷却ガスgは発電機室12上部の上部開口部8cに至り、上部開口部8cを通過してガス流通空間14Lへと抜ける(図6参照)。
さらに、図8の点線にて示すように、ガス流通空間14Lでは冷却ガスgは上部より下部へと流れていき、変圧器室13下部に位置する下部開口部8fに到達する。続いて冷却ガスgは下部開口部8dを通って変圧器室13の内部に流れ込む(図7参照)。変圧器室13内に入った冷却ガスgは、変圧器室13内部を上昇しながら変圧器室13内に配置された機器を冷却する。
そして、冷却ガスgは変圧器室13上部の上部開口部8eに至り、上部開口部8eを通過してガス流通空間14Rへと抜ける(図7参照)。さらに、図8に実線にて示すように、ガス流通空間14Rでは冷却ガスgは上部より下部へと流れていき、発電機室12下部に位置する下部開口部8fに到達する。
ここでファン10の回転力により冷却ガスgは下部開口部8fを通って変圧器室13の内部に流れ込む(図6参照)。このように冷却ガスgはファン10→発電機室12→上部開口部8c→ガス流通空間14→下部開口部8d→変圧器室13→上部開口部8e→ガス流通空間14→下部開口部8f→ファン10の順に流れて循環する。
上記のように循環する冷却ガスgは、発電機室12において発電機3を冷却することで温度が上昇する。しかし、冷却ガスgは上部開口部8cを抜けて左側のガス流通空間14Lに入り、上部から下部に流れることで密閉容器1の内壁面に触れて冷やされる。冷やされた冷却ガスgは下部開口部8dから変圧器室13に入る時点では温度が下がっている。
ガス流通空間14Lを通過したことで冷やされた冷却ガスgは変圧器室13に入り、変圧器4などの機器との熱交換により温度が上昇する。その後、冷却ガスgは、上部開口部8eが抜けて右側のガス流通空間14Rに入り、密閉容器1の内壁面に触れて冷やされる。そのため、冷却ガスgは下部開口部8fから発電機室12に入る時点では温度が下がり、発電機室12内の発電機3を冷却する。
(作用効果)
以上のような第2の実施形態は、第1の実施形態の作用効果に加えて、次のような作用効果を得ることができる。すなわち、第2の実施形態では冷却ガスgが密閉容器1の内壁面に触れるガス流路が2つあり、冷却ガスgを効果的に冷やすことができる。しかも、高熱になりやすい発電機3に対し、ガス流通空間14Rを流れた直後の低温の冷却ガスgが下部開口部8fから流れ込むので、発電機3を効率よく冷却することが可能である。したがって、極めて優れた冷却性能を発揮することができる。
また、第2の実施形態の圧力調整装置11aでは密閉容器1外部に冷却ガスgを放出する際の配管部25が下向きであるため、第1の実施形態における圧力調整装置11による効果に加えて、次のような効果がある。すなわち、圧力調整装置11aにおいて定期的に冷却ガスgを放出することで、配管部25内に常時、冷却ガスgが溜まっている状態を保持することができる。
このため、第2の実施形態を海上あるいは海中に設置しても、海水が放出バルブ22や、ガスボンベ23のバルブ23aに接触することはなく、これらのバルブ22、23aに錆びや腐食が発生しにくい。したがって、放出バルブ22およびガスボンベ23のバルブ23aに動作不良が起きる心配がなく、信頼性が向上する。さらには、密閉容器1の外部圧力を測定する圧力センサー21も配管部25に取り付けることで、同様な腐食防止と信頼性向上を図ることが可能である。
[他の実施形態]
なお、上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
例えば、密閉容器や内殻容器の形状や寸法などは適宜変更可能である。また、冷却ガスとしては、乾燥空気に限らず、窒素や二酸化炭素であってもよく、その圧力も適宜設定可能である。さらに、発電機室や変圧器室に設けられる開口部の大きさや開口箇所についても、密閉容器内に設置される機器などの設置箇所や設置数などに対応させて適宜選択可能である。
また、上記実施形態では周辺機器室を変圧器室としているが、周辺機器室内に配置される発電機の周辺機器として、変圧器の存在は必須ではなく、変換装置だけを周辺機器室内に配置するようにしてもよい。具体的には風力発電システムの場合、いわゆるタワー部分の下部に変圧器を配置して、密閉容器の軽量化を図るようにしてもよい。
1 密閉容器
2 増速器
3 発電機
4 変圧器
5 変換装置
6 内殻容器
7、7a、7b 隔壁
8a〜8f 開口部
9 回転軸
10 ファン
11、11a 圧力調整装置
12 発電機室
13 変圧器室
14 ガス流通空間
15 連通穴
21 圧力センサー
22 放出バルブ
23 ガスボンベ
23a バルブ
24 制御部
25 配管部
g 冷却ガス

Claims (6)

  1. 内部に少なくとも発電機および前記発電機の周辺機器を収納すると共に冷却ガスを封入した密閉容器と、
    前記密閉容器の内壁面と所定の間隔を持って配置し、その外表面と前記密閉容器の内壁面との間に前記冷却ガスのガス流通空間を形成させる内殻容器と、
    前記内殻容器の内部空間を、少なくとも発電機を配置する発電機室と、前記周辺機器を配置する周辺機器室とに2分割する隔壁と、
    前記発電機室と前記周辺機器室とを連通させるために前記隔壁に設けた連通穴と、
    前記ガス流通空間と前記発電機室とを連通させるために前記発電機室の上部に設けた上側開口部と、
    前記ガス流通空間と前記周辺機器室とを連通させるために前記周辺機器室の下部に設けた下側開口部と、
    前記周辺機器室から前記連通穴を経由して前記発電機室に前記冷却ガスを流すように前記発電機に取り付けたファンと、を備えたことを特徴とする密閉型発変電設備。
  2. 内部に少なくとも発電機および前記発電機の周辺機器を収納すると共に冷却ガスを封入した密閉容器と、
    前記密閉容器の内壁面と所定の間隔を持って配置し、その外表面と前記密閉容器の内壁面との間に前記冷却ガスのガス流通空間を形成させる内殻容器と、
    前記内殻容器の内部空間を、少なくとも発電機を配置する発電機室と、前記周辺機器を配置する周辺機器室とに2分割する隔壁と、
    前記ガス流通空間を、前記発電機室の上部と前記周辺機器室の下部とを連通させる第1の空間と、前記周辺機器室の上部と前記発電機室の下部とを連通させる第2の空間とに2分割する第2の隔壁と、
    前記第2の空間を通過した前記冷却ガスを前記発電機室の下部から取り込むように前記発電機に取り付けたファンと、を備えたことを特徴とする密閉型発変電設備。
  3. 前記冷却ガスは乾燥空気、窒素あるいは二酸化炭素であることを特徴とする請求項1または2に記載の密閉型発変電設備。
  4. 前記冷却ガスのガス圧力は前記密閉容器外部の圧力よりも10%程度あるいは1気圧程度高く設定することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の密閉型発変電設備。
  5. 前記密閉容器内部には圧力調整装置を設け、
    前記圧力調整装置は、
    前記密閉容器の内部と外部の圧力を測定する圧力センサーと、
    前記密閉容器の内部から外部へ前記冷却ガスを放出する放出バルブと、
    前記冷却ガスが充填されたガスボンベと、
    前記ガスボンベに取り付けられ、開放により前記ガスボンベから前記密閉容器内部へ前記冷却ガスを送出するガスボンベ側のバルブと、
    前記圧力センサーの測定結果に基づいて前記放出バルブおよび前記ガスボンベ側のバルブの開閉制御を行う制御部と、を備え、
    前記圧力調整装置は前記密閉容器の内部圧力を前記密閉容器の外部圧力よりも高くするように調整することを特徴とする請求項4に記載の密閉型発変電設備。
  6. 前記放出バルブと前記密閉容器の外部との間に前記冷却ガスを溜める配管部を設けたことを特徴とする請求項5に記載の密閉型発変電設備。
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