JP6230424B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

一般的に、風力発電装置は、地上または洋上に設置された基礎上に、発電機の支柱となるタワーを設け、タワーの頂部にナセルが設置されている。ナセルの一端にはハブおよび複数のブレードからなるロータが設けられ、ハブおよび複数のブレードからなるロータは風を受けて回転エネルギーに変換し、その回転エネルギーをロータに連結された発電機に伝え電力を発生させている。多くの場合、発電機や増速機、制御装置はナセル内に配置され、電力変換装置（ＰＣＳ：Ｐｏｗｅｒ−Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ−Ｓｙｓｔｅｍ）や変圧器（トランス）は、タワー内や風力発電装置の外部に配置されている。これらの機器類のうち、特にＰＣＳやトランスは発熱量が大きい機器であり、タワー内に配置する場合、タワー内に設置した機器類の効率的な冷却が、機器類の故障や誤動作を防ぐうえで、重要な課題となっている。

本技術分野の背景技術として、特許第５２８４３８６号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、基礎上に建てられた塔と、該塔の頂部に設置されたナセルと、該ナセル内に設置された発電機と、該発電機と連結され、該発電機を回転させることで電力を発生させるブレードと、前記塔の内部の基礎上に設置され、前記発電機で発生した電力を変圧する変圧器と備え、前記変圧器は、鉄心と該鉄心に装着された巻線とが波形リブタンクに収容され、該波形リブタンク内に冷却冷媒が充填されて形成され、前記鉄心と巻線で発生した熱を、前記冷却媒体で奪い前記波形リブタンクを介して放出する風力発電設備において、前記塔の下方に空気を内部に吸気する吸気口を、前記塔の上方に内部の空気を大気に放出する排気口を設けると共に、前記変圧器の波形リブタンクの上に、前記吸気口から吸気されて前記波形リブタンクから放出された熱を奪った空気が流れ込むフードを設置し、該フードには、前記塔の上方まで伸び、該フードに流れ込んだ前記波形リブタンクから放出された熱を奪った空気を前記塔内に排気する排気ダクトが接続され、かつ、該排気ダクトで前記塔内に排気された空気は、前記排気口を介して大気に放出される風力発電設備が開示されている。

上記風力発電設備によれば、波形リブタンク、或いは放熱器を介して周囲の空気に熱を放出する変圧器を塔内部に収容したものであっても、塔内部に換気空調設備を設置することなく、塔内部の変圧器周辺の空気温度を低減することが可能な風力発電用変圧器を得ることができる。

特許第５２８４３８６号公報

従来、風力発電装置の外部に配置されていた変圧器（トランス）は、風力発電装置の設置スペースの効率化やタワーと外部に設置した機器間のケーブル配線が不要になる等の理由から、タワー内に配置される傾向にあり、タワー内に設置した機器類の効率的な冷却が、機器類の故障や誤動作を防ぐうえで、重要な課題となっている。

特許文献１の風力発電設備では、図６に示すように、タワー内に配置された複数の機器に個別にフードおよび排気ダクトを設けているが、数が増加するにつれ排気ダクトの配置が課題となる。

本発明の目的は、風力発電装置において、高額なコストを掛けることなく、タワー内に設置された機器類の冷却効率を高め、信頼性の高い風力発電装置を提供することにある。

本発明は、地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよびブレードからなるロータと、を有する風力発電装置であって、前記タワー内において、第一の床上に設置された第一の発熱機器と、第二の床上に設置された第二の発熱機器と、前記タワーの上方に向かって延伸して設けられ、ファンを有するメインの排気ダクトと、を備え、前記第一の発熱機器から排出される排熱および前記第二の発熱機器から排出される排熱を前記メインの排気ダクトに合流させた後、前記ファンにより前記タワーの上方に押し上げ、前記タワー内に放出し、前記メインの排気ダクトから放出された排熱を、前記第二の床面において前記タワーの内壁近傍に設けられた開口を介して、前記タワー内を回流させることにより冷却することを特徴とする。

また、本発明は、地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよびブレードからなるロータと、を有する風力発電装置であって、前記タワー内において、第一の床上に設置された第一の発熱機器と、第二の床上に設置された第二の発熱機器と、前記タワーの上方に向かって延伸して設けられ、ファンを有するメインの排気ダクトと、を備え、前記ファンは、前記第一の発熱機器から排出される排熱および前記第二の発熱機器から排出される排熱の前記メインの排気ダクトへの合流部よりも下流側に設けられており、前記第一の発熱機器から排出される排熱および前記第二の発熱機器から排出される排熱を前記メインの排気ダクトに合流させた後、前記ファンにより前記タワーの上方に押し上げ、前記タワー内に放出し、前記メインの排気ダクトから放出された排熱を、前記第二の床面において前記タワーの内壁近傍に設けられた開口を介して、前記タワー内を回流させることにより冷却することを特徴とする。

本発明によれば、風力発電装置において、高額なコストを掛けることなく、タワー内に設置された機器類の冷却効率を高め、信頼性の高い風力発電装置を実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置の全体概要を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置のタワー内部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置のタワー内部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置のタワー内部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る風力発電装置のタワー内部を示す図である。 従来の風力発電装置のタワー内部の例を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１に本発明の一実施例である風力発電装置の全体構成を示す。本実施例における風力発電装置は、図１に示すように、地上または洋上に設置された基礎７および発電機の支柱となるタワー６の上に、増速機４や発電機５などが内蔵されたナセル３が設けられている。ナセル３の一端には、ハブ２および複数のブレード１で構成されるロータが備えられ、ロータは風を受けて回転エネルギーに変換し、その回転エネルギーをロータに連結された増速機４を介して発電機５に伝え電力を発生する。図１は、ナセル３の風下側の端部にハブ２および複数のブレード１からなるロータを設けたダウンウィンド型の風力発電装置の例である。

タワー６の内部は、図１のＡ部に示すように、複数の踊り場すなわち床が設けられ、下の階層の踊り場には発電機５で発電された電力の電圧を変圧する変圧器すなわちトランス１１が配置され、上の階層の踊り場には発電機５とトランス１１との間に接続され電力を変換するパワーコンディショナーすなわちＰＣＳ（Ｐｏｗｅｒ−Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ−Ｓｙｓｔｅｍ）１０が配置されている。トランス１１およびＰＣＳ１０は、いずれも風力発電装置を構成する機器類において比較的発熱量の大きい発熱機器である。

下の階層の踊り場に配置されたトランス１１はダクト８に接続され、ダクト８は下の階層の踊り場付近からタワー６の上方に向かって延伸して設けられている。上の階層の踊り場に配置されたＰＣＳ１０は別のダクトに接続され、ＰＣＳ１０に接続された側と反対側のダクトの端部は、タワー６の上方に向かって延伸しているダクト８の途中部分で合流するように接続されている。

また、ＰＣＳ１０に接続されたダクトとダクト８の接続部分より下流側つまりＰＣＳ１０およびトランス１１から放出された排熱の流れの下流側には、ファン９が設けられ、ＰＣＳ１０およびトランス１１から放出された排熱を強制的にダクト８の上方に吹き上げている。ダクト８内において、ファン９によりタワー６の上方に押し上げられた排熱は、タワー６上方のダクト８の開口端からタワー６内に放出される構造となっている。

図２および図３に、実施例１におけるタワー６内部の例を示す。図２および図３は、図１におけるＡ部の拡大図である。また、図３は図２の変形例である。以下、図１で説明した部分と重複する部分については、その詳細な説明を省略して説明する。

本実施例の風力発電装置におけるタワー６の内部は、図２に示すように、タワー６内において、下の階層の踊り場Ａ１４すなわち下層階の床には発電機５で発電された電力の電圧を変圧する変圧器すなわちトランス１１が配置され、トランス１１はトランスの放熱器１９を介して、ダクト８に接続されている。上の階層の踊り場Ｂ１５すなわち上層階の床には発電機５とトランス１１との間に接続され電力を変換するパワーコンディショナーすなわちＰＣＳ１０が配置され、トランス１１とは別のダクトに接続されている。

トランスの放熱器１９を介してトランス１１に接続されたダクト８は、タワー６の上方に向かって延伸して設けられており、上の階層の踊り場Ｂ１５よりも上方で、ＰＣＳ１０に接続された別のダクトと合流するように接続している。トランス１１に接続されたダクト８とＰＣＳ１０に接続された別のダクトとの接続部分よりも上方すなわちダクト内を流れるＰＣＳ１０およびトランス１１の排熱の流れよりも下流側のダクト８にはファン９が設置されている。

また、ＰＣＳ１０に接続されるダクトおよびトランスの放熱器１９を介してトランス１１に接続されるダクトには、流量制御手段であるオリフィスＡ１２、オリフィスＢ１３がそれぞれ設けられており、それぞれのダクト内を流れる排熱の流量を独立して個別に制御することができる。

ダクト８内を流れるＰＣＳ１０およびトランス１１の排熱は、ファン９により強制的にダクト８の上方に吹き上げられ、タワー６上方のダクト８の開口端からタワー６内に放出される。タワー６内に放出されたＰＣＳ１０およびトランス１１の排熱は、踊り場Ｂ１５よりもさらに上の階層に設けられた踊り場Ｃ１６に吹き付けられ、戻り流となってタワー６の内壁面に沿うように、タワー６の下方に向かって流れ、タワー６の壁面を介して外気により冷却される。踊り場Ｃ１６はタワー６において天板としての機能も有している。

本実施例の風力発電装置においては、タワー６は鋼材等の材料を用いて形成されており、熱伝導率が高いため、タワー６の内壁面に沿うように流れるＰＣＳ１０およびトランス１１の排熱を、タワー６の壁面を介して、効率よく外気と熱交換を行うことができる。また、上の階層の踊り場Ｂ１５すなわち上層階の床にはタワー６の内壁面近傍に開口１７および開口１８が設けられており、踊り場Ｂ１５がタワー６の内壁面に沿うように流れるＰＣＳ１０およびトランス１１の排熱の流れを阻害することなく、タワー６の下方まで効率良く流れるような構造となっている。

タワー６の壁面を介して冷却されたＰＣＳ１０およびトランス１１の排熱は、タワー６の下部まで流れた後、トランスの放熱器１９を介してトランス１１に接続されたダクトの開口部からダクト内へ流入し、ＰＣＳ１０やトランス１１等の発熱機器の冷却に再び用いられる。つまり、ＰＣＳ１０およびトランス１１の排熱は、タワー６の上下方向において、タワー６内を回流するように流れる。

ここで、踊り場Ｂ１５に設けられた開口１７および開口１８は、タワー６の内壁面近傍の踊り場Ｂ１５の外周に沿って複数の開口を設けても良く、また、タワー６の内周よりも直径が小さい踊り場Ｂ１５を強固な骨格材などでタワー６から踊り場Ｂ１５を支えるような形で設けることもできる。

図３に、図２におけるダクトの配管方法を変えた変形例を示す。図２では、ＰＣＳ１０に接続されたダクトにファン９を設置し、トランスの放熱器１９を介してトランス１１に接続されたダクトをＰＣＳ１０に接続されたダクトに合流するようにダクトを配管しているのに対し、図３ではトランスの放熱器１９を介してトランス１１に接続されたダクトにファン９を設置し、ＰＣＳ１０に接続されたダクトをトランスの放熱器１９を介してトランス１１に接続されたダクトに合流するようにダクトを配管している。

つまり、図２では、ＰＣＳ１０に接続されるダクトを主流とし、トランスの放熱器１９を介してトランス１１に接続されたダクトを支流となるような形でダクトを配置しているのに対し、図３ではトランスの放熱器１９を介してトランス１１に接続されたダクトを主流とし、ＰＣＳ１０に接続されるダクトを支流となるような形でダクトを配置している。

図３に示す風力発電装置においても、図２と同様に、ＰＣＳ１０に接続されるダクトおよびトランスの放熱器１９を介してトランス１１に接続されるダクトに、流量制御手段であるオリフィスＣ２０、オリフィスＤ２１がそれぞれ設けられており、それぞれのダクト内を流れる排熱の流量を制御することができる。

実施例１の風力発電装置によれば、タワー６内に設置した複数の発熱機器に対し個別に換気空調設備であるファンを設けることなく、複数の発熱機器をより効率的に冷却することができ、タワー６内に設置した機器の熱による故障や誤動作を低減することができる。

実施例１では、トランス１１およびトランスの放熱器１９を下の階層の踊り場すなわち下層階の床に配置し、ＰＣＳ１０を上の階層の踊り場すなわち上層階の床に配置した場合の例を用いて説明したが、トランス１１およびトランスの放熱器１９とＰＣＳ１０を同一の階層の踊り場すなわち同一階の床に配置した場合や、ＰＣＳ１０を下の階層の踊り場すなわち下層階の床に配置し、トランス１１およびトランスの放熱器１９を上の階層の踊り場すなわち上層階の床に配置した場合であっても、同様の効果を得ることができる。

また、図２の変形例として、図３を用いてダクトの配管方法の他の例を説明したが、ダクトの配管方法は図２および図３の配管方法に限定されるものではなく、タワー６内に配置される機器のそれぞれの発熱量に応じたダクトの配管を施工することで、タワー６内に設置した機器類全体の冷却効率を高めることができる。

図４および図５に、実施例２におけるタワー６内部の例を示す。図４および図５は、図１におけるＡ部の拡大図である。また、図５は図４の変形例である。以下、図１から図３で説明した部分と重複する部分については、その詳細な説明を省略して説明する。図５は、図４におけるダクトの配管方法の変形例であり、図２の変形例である図３に対応している。

本実施例の風力発電装置は、実施例１の風力発電装置のタワー６において、タワー６の壁面に開口２２を備えている。図４および図５に示すように、タワー６の一部に外気を取り込む外気取り込み口すなわち開口２２を設け、ＰＣＳ１０およびトランス１１の排熱をタワー６内を回流させる際に、外気取り込み口から取り入れた外気を合流させることで、タワー６内に配置されたＰＣＳ１０やトランス１１等の発熱機器の冷却効率をさらに高めることができる。

実施例２の風力発電装置によれば、実施例１と同様に、タワー６内に設置した複数の発熱機器に対し個別に換気空調設備であるファンを設けることなく、複数の発熱機器をより効率的に冷却することができ、タワー６内に設置した機器の熱による故障や誤動作を低減することができる。

実施例２においても、実施例１と同様に、トランス１１およびトランスの放熱器１９を下の階層の踊り場すなわち下層階の床に配置し、ＰＣＳ１０を上の階層の踊り場すなわち上層階の床に配置した場合であっても、また、トランス１１およびトランスの放熱器１９とＰＣＳ１０を同一の階層の踊り場すなわち同一階の床に配置した場合や、ＰＣＳ１０を下の階層の踊り場すなわち下層階の床に配置し、トランス１１およびトランスの放熱器１９を上の階層の踊り場すなわち上層階の床に配置した場合であっても、同様の効果を得ることができる。

また、実施例１と同様に、タワー６内のダクトの配管方法は図４および図５のダクト配置に限定されるものではなく、タワー６内に配置される機器のそれぞれの発熱量に応じたダクトの配管を施工することで、タワー６内に設置した機器類全体の冷却効率を高めることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ブレード、２…ハブ、３…ナセル、４…増速機、５…発電機、６，２３…タワー、７…基礎、８，２４，２５…排気ダクト、９，２６…ファン、１０…ＰＣＳ、１１，２８…トランス、１２…オリフィスＡ、１３…オリフィスＢ、１４…踊り場Ａ、１５…踊り場Ｂ、１６…踊り場Ｃ（天板）、１７，１８，２２…開口、１９…トランスの放熱器、２０…オリフィスＣ、２１…オリフィスＤ、２７…発熱機器。

Claims (13)

1. 地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、
   前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、
   前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよびブレードからなるロータと、を有する風力発電装置であって、
   前記タワー内において、第一の床上に設置された第一の発熱機器と、
   第二の床上に設置された第二の発熱機器と、
   前記タワーの上方に向かって延伸して設けられ、ファンを有するメインの排気ダクトと、を備え、
   前記第一の発熱機器から排出される排熱および前記第二の発熱機器から排出される排熱を前記メインの排気ダクトに合流させた後、前記ファンにより前記タワーの上方に押し上げ、前記タワー内に放出し、
   前記メインの排気ダクトから放出された排熱を、前記第二の床面において前記タワーの内壁近傍に設けられた開口を介して、前記タワー内を回流させることにより冷却することを特徴とする風力発電装置。
2. 前記第一の床および前記第二の床は、異なる階層に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。
3. 前記第一の発熱機器と前記メインの排気ダクト間のダクト内に、前記第一の発熱機器から排出される排熱の流量を制御する第一のオリフィスと、
   前記第二の発熱機器と前記メインの排気ダクト間のダクト内に、前記第二の発熱機器から排出される排熱の流量を制御する第二のオリフィスと、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。
4. 前記第一の発熱機器は、前記発電機で発電された電力の電圧を変圧する変圧器であって、
   前記第二の発熱機器は、前記発電機で発電された電力を変換するパワーコンディショナーであ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。
5. 前記第一の発熱機器は、前記発電機で発電された電力を変換するパワーコンディショナーであって、
   前記第二の発熱機器は、前記発電機で発電された電力の電圧を変圧する変圧器であ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。
6. 地上または洋上に設置され、発電機の支柱となるタワーと、
   前記タワー上に設けられ、前記発電機を内蔵するナセルと、
   前記ナセルの一端に設けられ、風を受けて回転エネルギーへ変換するハブおよびブレードからなるロータと、を有する風力発電装置であって、
   前記タワー内において、第一の床上に設置された第一の発熱機器と、
   第二の床上に設置された第二の発熱機器と、
   前記タワーの上方に向かって延伸して設けられ、ファンを有するメインの排気ダクトと、を備え、
   前記ファンは、前記第一の発熱機器から排出される排熱および前記第二の発熱機器から排出される排熱の前記メインの排気ダクトへの合流部よりも下流側に設けられており、
   前記第一の発熱機器から排出される排熱および前記第二の発熱機器から排出される排熱を前記メインの排気ダクトに合流させた後、前記ファンにより前記タワーの上方に押し上げ、前記タワー内に放出し、
   前記メインの排気ダクトから放出された排熱を、前記第二の床面において前記タワーの内壁近傍に設けられた開口を介して、前記タワー内を回流させることにより冷却することを特徴とする風力発電装置。
7. 前記第一の床および前記第二の床は、異なる階層に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の風力発電装置。
8. 前記タワー内において、前記第二の床は、前記第一の床よりも高い階層に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の風力発電装置。
9. 前記タワー内において、前記第二の床は、前記第一の床よりも低い階層に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の風力発電装置。
10. 前記第一の発熱機器と前記メインの排気ダクト間のダクト内に、前記第一の発熱機器から排出される排熱の流量を制御する第一のオリフィスと、
    前記第二の発熱機器と前記メインの排気ダクト間のダクト内に、前記第二の発熱機器から排出される排熱の流量を制御する第二のオリフィスと、を備えることを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の風力発電装置。
11. 前記第一の発熱機器は、前記発電機で発電された電力の電圧を変圧する変圧器であって、
    前記第二の発熱機器は、前記発電機と変圧器との間に接続され電力を変換するパワーコンディショナーであることを特徴とする請求項６から１０のいずれかに記載の風力発電装置。
12. 前記第一の発熱機器は、前記発電機と変圧器との間に接続され電力を変換するパワーコンディショナーであって、
    前記第二の発熱機器は、前記発電機で発電された電力の電圧を変圧する変圧器であることを特徴とする請求項６から１０のいずれかに記載の風力発電装置。
13. 前記タワーの一部に外気を取り込む外気取り込み口を有し、
    前記第一の発熱機器から排出される排熱および前記第二の発熱機器から排出される排熱を、前記タワー内を回流させる際に、前記外気取り込み口から取り入れた外気を合流することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の風力発電装置。

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