JP6165492B2 - 風力発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、自然風を用いて内部機器の冷却を行う風力発電設備に関するものである。

通常、風力発電設備は、ブレードにより回転するロータを主軸を介して支持する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。

発電機、増速機、電力変換器、変圧器等の機器は、風力発電設備に内蔵されるが、機器の損失を熱として発生させる。そのため、発生する熱を放散させ、機器を適正な温度で運転できるような冷却システムが必要である。最終的には風力発電設備外部の大気、あるいは水に熱を放散するべく、放熱器（ラジエータ）やファンを用いたシステムが用いられることが多い。ここで、可動部であるファンを無くした冷却システムとして、例えば特許文献１に記載されたものがある。この公報には、「変圧器の熱を放熱する自冷式放熱器を風力発電設備の外部に設置し、外部の空気が自冷式放熱器に接触することで冷却する」旨が記載されている。また、同公報には、風向の変化に配慮し、「放熱器を風力発電設備の外部の複数方向に配置する」点も記載されている。

特開２０１２−１０２６９２号公報

上記のように、特許文献１は自然風による変圧器の冷却という点での発明であるが、配置の仕方等については更なる検討の余地がある。即ち、配置の仕方を顧みず、単に複数のラジエータを設けるのみでは、風向きによって冷却性能が変化する可能性がある。そこで、本発明では風向きによって冷却性能が変化しにくい風力発電設備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、本発明に係る風力発電設備では風を受けて回転するブレードと、該ブレードの回転に伴って回転子を回転させて発電運転を行う発電機と、主軸を介して前記ブレードを支持するナセルと、該ナセルを回転可能に支持するタワーと、前記タワー内に収納される電力変換器または変圧器と、前記タワーの外周側に配置されると共に前記電力変換器または前記変圧器を冷却する複数のラジエータを備え、略同程度の高さに配置される複数の前記ラジエータは、前記タワーの周方向に略均等な間隔で配置され、前記ラジエータは前記タワー中心から離れる方向に延びる様に設けられ、前記ラジエータは高さ方向に複数配置されており、前記ラジエータ同士はいずれも前記タワーの周方向に重ならないことを特徴とする。

本発明によれば、風向きによって冷却性能が変化しにくい風力発電設備を提供することが可能になる。

実施例１に係る洋上設置の風力発電設備を示す概略図である。 実施例１の風力発電設備のラジエータ設置部の概略斜視図である。 本発明のラジエータ配置の効果を説明するタワー、ラジエータの水平断面図である。 風の流速ベクトルのラジエータ面に対する法線方向成分の平均値を比較したグラフである。 実施例１の風力発電設備のラジエータの冷却水流路の構成図である。 実施例２の風力発電設備のラジエータ設置部の概略斜視図である。 実施例３の風力発電設備のラジエータの冷却水流路の構成図である。

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５を用いて説明する。図１には、実施例１における洋上設置の風力発電設備の概略図を示す。該風力発電設備は、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（図示せず）を有するロータ２を軸支している。ロータ２は主軸３、さらには増速機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。

そして該風力発電設備は、電力変換器８の冷却のために冷却媒体として不凍液を混合した冷却水を用いており、その冷却水を導く複数のラジエータ１３を、回転時における風車ブレード１の最下端よりも低い位置にてタワー７に支持されている。図２に本実施例の風力発電設備のラジエータ１３設置部の概略斜視図を示す。図２に示すように、ラジエータ１３ａ、１３ｂはタワー７の周方向に略１２０°おきに３方向に分散配置され、１つの周方向には縦に３つ配置されている。尚、ラジエータ１３ａは風向き方向からずれた冷却に有効な部分であり、ラジエータ１３ｂは風向き方向に一致し、（一切寄与しない訳ではないが）冷却には寄与しにくい部分（無効部分とする）である。

また、ラジエータ１３ａ、１３ｂの冷却水流路は、ラジエータ１３ａ、１３ｂを直列に接続する部分と並列に接続する部分が混在しており、そのうち直列に接続したラジエータ群を、該タワー７の周方向に分散させた配置となっている。この点は図５を用いて後述する。

次に、本風力発電設備の動作について説明する。風力発電設備は風向Ｗにロータ３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、ロータ３が回転する。なお、図１に示す風力発電設備はロータ３がタワー７の下流側になった状態で運転するダウンウインド型の風力発電設備である。ロータ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も損失が熱となって発生する。

本実施例の風力発電設備では、電力変換器８の冷却に本発明を適用した水冷方式を採用している。すなわち、ポンプによって電力変換器８とラジエータ１３の間に冷却水を循環させ、電力変換器８で奪った熱をタワー７の外部に運んで外気に放熱することで、冷却をおこなっている。但し、本発明の適用範囲が水冷方式に限られる訳ではない。

ラジエータ１３は回転時におけるブレード１の最下端よりもいずれも低い位置に設置されているため、風力発電設備の発電能力や、風の流れを介したブレード１にかかる荷重変動への影響は回避できる。一方、ロータ３中心やナセル６が配置される上空よりも低い位置では風速が下がるため、所望の冷却性能を得るためには、冷却に必要な風を如何に効率よくラジエータ１３に供給するかが重要となってくる。

ラジエータ１３は外部を流れる自然風によって冷却されるが、自然風Ｗはその風向きが一定ではないために、ラジエータ１３を一方向に設置しただけでは、風向Ｗによってはラジエータ１３に必要な空気（風）が供給されにくい。故に、所望の冷却性能を得られない可能性がある。更にナセル６と違って、ラジエータ１３はタワー７に固定され、風向Ｗに合わせたヨー制御を行わないのが通常であり、風向Ｗによって冷却性能が変化し易い。これに対応するには、ラジエータ１３を複数方向に向けて設置する必要がある。

そこで、本実施例ではいかなる風向に対しても安定した冷却性能を得るべく、略円柱形上のタワー７の周方向において略均等な間隔をおいてラジエータ１３を配置している。更に、その中でもコストの上昇を抑制するために必要最小限のラジエータ１３の配置を考えた結果、略１２０°おき、３方向に配置するのが、特に望ましいという結論に到った。

図３に本発明のラジエータ１３の配置の効果を説明するタワー７、ラジエータ１３ａ、１３ｂの水平断面図を示す。図３（ａ）に示すように、例えば略１８０°おき２方向配置では、ラジエータ１３ｂの面に平行な方向の風向には対応できない。尚、２方向の略均等配置でも１つの方向のみにラジエータが配置される場合と比較すれば、風向きに対する冷却性能の変化は小さく、冷却性能は変化しにくいものと言える。但し、より好ましくは、ラジエータは周方向で３方向以上に配置されている方が、ラジエータ１３ｂの面に平行な方向の風向も考慮すると望ましい。

図３（ｃ）に示すように、略９０°おき４方向配置では、風向に対向する２方向のラジエータ１３ａは十分な風を受けることが出来て良好な冷却性能を発揮するが、残る２方向のラジエータ１３ｂはほとんど冷却効果を期待することができない。これに比べて図３（ｂ）の１２０°おき３方向配置では、いかなる風向に対しても一定の冷却性能が期待できるラジエータ１３ｂが２方向存在し、最悪の状態で冷却に寄与しないラジエータ１３ａを最小限に抑えることが出来る。

図４に風の流速ベクトルのラジエータ面に対する法線方向成分の平均値を比較したグラフを示す。該図は、１２０°おき３方向配置、９０°おき４方向配置に対して、風向が変わった場合に風の流速ベクトルのラジエータ面に対する法線方向成分の平均値がどう変わるかを比較したものであり、グラフの値は、風の流速ベクトルがラジエータ面の法線ベクトルと一致（すなわちラジエータ面が風向に一致）している場合との比で示している。この値は、簡易的には（タワーの影や流れの剥離等の影響を無視すれば）ラジエータを通過する風量の大小につながるものであり、かつ設置したラジエータが有効活用されているかの具合も示すことになる。図４からわかるように、略同程度の高さについて、９０°おき４方向配置と比較して１２０°おき３方向配置の方が風向に対して変動が小さいため、風向に依らない安定した冷却と言う観点では有利であることがわかる。また、ラジエータの設置数を減らせるので、コストパフォーマンスも良い。

図５に本実施例の風力発電設備のラジエータ１３ａ、１３ｂの冷却水流路の構成を示す（バルブやセンサ等は図示を省略している）。この冷却水流路では、３つのラジエータ１３ａ、１３ｂを直列につないだ流路を、３並列とした構成をとっている。さらには、各直列のラジエータは、直列接続されるラジエータの方向を３方向に分散させ、いずれの方向のラジエータも通過するようにしている。すなわち、３直列のラジエータの中を流れる冷却水は、異なる方向に（異なる各々の方向、特にこの場合３方向に）配置されたラジエータを（少なくとも）一つずつ通過することになる。これにより風向によっては２方向のラジエータ１３ａしか冷却性能が期待できないような場合においても、３並列とした全ての冷却水の流れが、冷却性能が期待できるラジエータ１３ａを２つと、風が十分に入らず冷却性能が期待できないラジエータ１３ｂを１つ通過することになる。これにより、３並列の流路のいずれの冷却水からもバランス良く放熱がなされることになり、風向に影響されることなく冷却効果を得ることが出来る。尚、異なる各々の方向に配置されたラジエータを少なくとも一つずつ通過する様に、各直列流路を形成すれば風向によらず冷却性の高い安定性を期待できるが、異なる各々の方向に配置されたラジエータを少なくとも一つずつ通過せずとも、タワーの周方向について異なる方向の冷媒流路と直列に接続されていれば、風向き変動による冷却性能の変化を平準化する効果は期待できる。

さらには、ラジエータを直列につないで冷却水を流した場合、下流側ほど冷却水が冷やされて温度が下がるため、外気との温度差が小さくなり、放熱性能が低下してくる。直列につないだラジエータがタワーの周方向において同方向に設置されていた場合、ある方向に設置されたラジエータは十分な風が供給されるため高い放熱性能を発揮するものの、その高い放熱性能ゆえに、冷却水の流れにおいて最下流のラジエータにおいては冷却水の温度が大きく低下し、外気との温度差がほとんどとれなくなることで、そのラジエータ自体で放熱される熱量は著しく低下してしまう。これに対し、本実施例においては、１方向のラジエータの冷却性能が全く期待できないような風向の場合においても、３並列の冷却水流路によってバランス良く冷却するため、いずれかの流路で外気との温度差が著しく低下することで放熱性能が得られなくなるといった現象を避けることができる。

また本実施例では、特に高さ方向に３つ、周方向に３方向のラジエータを配置する場合について説明したが、略同程度の高さに配置される複数のラジエータが、タワー７の周方向に略均等な間隔で配置されていれば、風向きによって冷却性能が変化しにくい効果は期待でき、高さ方向に３つで、かつ周方向に３方向の場合に限られるものではない。

図６を用いて、本発明の実施例２について説明する。尚、実施例１と重複する箇所についてはその説明を省略する。図６は、本実施例の風力発電設備のラジエータ１３の設置部の概略斜視図である。本実施例の風力発電設備では、第１の実施例と同様、１２０°おき３方向配置のラジエータ１３が縦に３枚、計９枚使用されているが、縦方向の設置位置毎に、周方向の設置角度を略４０°ずつずらした食い違い配置となっている。ここで、４０°ずつずらしたのは、周方向におけるラジエータの個数をａ、高さ方向におけるラジエータの個数をｂとすると、周方向において略３６０°／（ａ×ｂ）の間隔ずつずらしていけば、高さ方向まで含めて各ラジエータが周方向に略均等に配置され、風向きの変化による冷却性能の変化を受けにくいからである。４０°とはａ＝３，ｂ＝３の場合に導かれる角度である。

このようなラジエータ配置の場合、各ラジエータ１３の向きが一つ一つ異なるため、風向に対する冷却性能のロバスト性はさらに高められる。さらには、縦方向の各段、すなわち上段、中段、下段のラジエータ群で各々１２０°おき３方向配置となっているため、前述のように各段のラジエータ群の有効活用も図ることが出来る。

本実施例では、略同程度の高さのみではなく、異なる高さのラジエータまで含めて周方向に略均等の間隔になる様にしたが、各高さでタワーの周方向に略均等な間隔で配置されている場合、高さ方向に複数段配置されており、かついずれのラジエータ同士もタワーの周方向に重ならなければ、風向きによる冷却性能の変化はしにくくなる。無論、本実施例の様に周方向において略３６０°／（ａ×ｂ）の間隔ずつずらしていけば、より対称性が高く、一層風向きによる冷却性能の変化はしにくくなる。

図７を用いて、本発明の実施例３について説明する。図７は、本実施例の風力発電設備のラジエータ１３ａ、１３ｂの冷却水流路の構成図である。機器構成はほとんど第１の実施例と同じだが、ラジエータ１３ａ、１３ｂのタワーへの配置を、３直列のラジエータに関しては、そのタワーの周方向配置を同一とし、各ラジエータ群に流れる冷却水量を調整するバルブ１５ａ、１５ｂを有している。実施例１と重複する箇所については説明を省略する。

直列接続される冷媒流路のタワー周方向配置を同一にした場合、最下流で外気と冷却水の温度差が小さくなって冷却性能が低下する可能性があるが、一方で冷却水配管長を短くできるという利点もある。本実施例では、この際の冷却性能を確保する手段として、風向計等の風向き検知機能を搭載し、検知した風向きに応じて風が供給されにくい方向に設置されたラジエータ１３ｂについては、バルブ１５ｂを閉じて冷却水の流入を遮断し、風が供給されやすい方向のラジエータ１３ａに、より多くの冷却水が送られるようにバルブ１５ａを開くように制御するものである。

有効に冷却がなされるラジエータ１３ａにより多くの冷却水を送れば、ラジエータ１３ａ内の冷却水流速が高まるため、放熱性能のさらなる向上が図れる。また、単位時間に流れる冷却水の熱容量も大きくなるため、同じ熱量を放熱しても冷却水温度の低下が抑えられ、外気との温度差を確保して、最下流のラジエータ１３ａの放熱性能を維持しやすくなる。

なお、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、被冷却対象が電力変換器８以外であっても、あるいは冷却媒体が油のような場合においても、放熱するラジエータ１３の構成や流量調整を同様に行えば、所望の効果が得られるものであり、本発明の意図する範囲内のものである。他に、上記各実施例ではロータ３がタワー７の下流側になった状態で運転するダウンウインド型の風力発電設備について説明したが、ロータがタワーの上流側になった状態で運転するアップウインド型の風力発電設備に適用することも可能である。

本発明によれば、風力発電設備の機器冷却において、自然風によるラジエータ冷却を取り入れる場合の、必要最小限のラジエータ配置でより風向に対するロバスト性を高めた、低コストで効率のよい冷却システムを有する風力発電設備を提供することが出来る。タワー外部で可動するファンを無くして自然風で冷却する本システムは、ファンの消費電力を無くして省エネルギー性を高めるだけでなく、ファン故障時でも必要な冷却性能を得ることが出来、風力発電設備の予期せぬ停止や出力制限運転のリスクを軽減することができる。

１ ブレード
２ ロータ
３ 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
１３ａ ラジエータ（有効部分）
１３ｂ ラジエータ（無効部分）
１４ 冷却水ポンプ
１５ａ バルブ（開）
１５ｂ バルブ（閉）
Ｗ 自然風の方向
Ｆ 空気の流れ

Claims (10)

1. 風を受けて回転するブレードと、該ブレードの回転に伴って回転子を回転させて発電運転を行う発電機と、主軸を介して前記ブレードを支持するナセルと、該ナセルを回転可能に支持するタワーと、前記タワー内に収納される電力変換器または変圧器と、前記タワーの外周側に配置されると共に前記電力変換器または前記変圧器を冷却する複数のラジエータを備え、
   略同程度の高さに配置される複数の前記ラジエータは、前記タワーの周方向に略均等な間隔で配置され、
   前記ラジエータは前記タワー中心から離れる方向に延びる様に設けられ、
   前記ラジエータは高さ方向に複数配置されており、
   前記ラジエータ同士はいずれも前記タワーの周方向に重ならないことを特徴とする風力発電設備。
2. 請求項１に記載の風力発電設備であって、
   前記ラジエータは前記タワーの周方向に略均等な間隔で３方向以上配置されることを特徴とする風力発電設備。
3. 請求項１または２に記載の風力発電設備であって、
   いずれの前記ラジエータも、回転時における前記ブレードの最下端よりも下方に配置されることを特徴とする風力発電設備。
4. 請求項１ないし３のいずれか一つに記載の風力発電設備であって、
   複数の前記ラジエータは、略同程度の高さにおいて３方向に配置されることを特徴とする風力発電設備。
5. 請求項１ないし４のいずれか一つに記載の風力発電設備であって、
   前記ラジエータは高さ方向に複数配置されており、
   前記ラジエータに形成される冷媒流路は、前記タワーの周方向について異なる方向の前記ラジエータに形成される冷媒流路と直列に接続されることを特徴とする風力発電設備。
6. 請求項５に記載の風力発電設備であって、
   直列に接続される前記冷媒流路は、周方向においていずれの方向に配置される前記ラジエータも少なくとも一度通過することを特徴とする風力発電設備。
7. 請求項１ないし６のいずれか一つに記載の風力発電設備であって、
   周方向における前記ラジエータの個数をａ、高さ方向における前記ラジエータの個数をｂとすると、
   周方向において略３６０°／（ａ×ｂ）の間隔毎に前記ラジエータは配置されることを特徴とする風力発電設備。
8. 請求項１ないし４のいずれか一つに記載の風力発電設備であって、
   前記ラジエータを流れる冷媒の流量は、風向きに応じて調整可能とされることを特徴とする風力発電設備。
9. 請求項８に記載の風力発電設備であって、
   風上側に配置される前記ラジエータを流れる冷媒の流量が、風下側に配置される前記ラジエータを流れる冷媒の流量よりも多くなる様に調整されることを特徴とする風力発電設備。
10. 請求項９に記載の風力発電設備であって、
    更に風向計を備え、
    前記ラジエータは高さ方向に複数配置され、
    前記ラジエータに形成される冷媒流路は、前記タワーの周方向について略同じ方向の前記ラジエータに形成される冷媒流路と直列に接続され、
    直列に接続される各々の前記冷媒流路内には、流路内を流れる冷媒の流量を調整可能なバルブが備えられ、
    前記風向計の検知結果に基づき、前記バルブが調整されて風上側に配置される前記ラジエータを流れる冷媒の流量が、風下側に配置される前記ラジエータを流れる冷媒の流量よりも多くなることを特徴とする風力発電設備。