JP6383562B2 - 風力発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、タワー内部の空気を循環させることで、内蔵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したナセルを、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。

近年、風力発電設備は経済的な理由から大型化や大容量化が進展しており、そのため、電力変換器や変圧器からの発熱量が増加してきている。また、洋上に設置される洋上風力発電も増えてきている。

電力変換器、変圧器等の機器はタワー内部に内蔵される場合があるが、この場合、これら機器の損失が熱として発生するため、その熱を外部に放出し、機器を適正な温度で運転できるようにタワー内部に冷却機構を設ける必要がある。従来では、一例として特許文献１に見られるように、タワーを構成する鋼材の壁を介して、風力発電設備の外部の大気に熱を放出させるためにタワー内の空気を循環させる方式がある。また、特許文献２にあるように、低温の外気をタワー内に導入することで冷却を助ける方式も見られる。

特開２０１１−１１７３８１号公報 特開２０１１−０６９３６３号公報

しかし、上記のいずれの方式においても冷却効率向上には改善の余地がある。本発明では冷却効率を向上可能な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、該ナセルを支持するタワーを有し、タワー内部には電力変換器、変圧器等の発熱源、及び上下方向に配したダクトを有してタワー内の空気を循環させる風力発電設備において、タワー内部に外気を導入する吸気口をタワー内部気温の低い箇所に設置したことを特徴とする。

本発明によれば、冷却効率を向上可能な風力発電設備を提供することができる。

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の風力発電設備のタワー内の主要部分の概略側面図である。 実施例２の風力発電設備のタワー内の主要部分の概略側面図である。 実施例３の風力発電設備のタワー内の主要部分の概略側面図である。 実施例４の風力発電設備のタワー内の主要部分の概略側面図である。

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及び図２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。タワー７は、ナセル６を介してブレード１の荷重を支持する。

図２に本実施例１の風力発電設備のタワー内の主要部分の概略側面図を示す。タワー内には、電力変換器（図２では図示略）、変圧器９、さらには電力ケーブルなどが内蔵されているが、これらは風力発電設備が稼働して発電している際にその損失分を熱として発生させるため、その冷却手段が必要である。ここでは、後の説明を簡潔にするために、電力変換器については別途設けられた水冷式の冷却機構が設けられているものとし、主としてタワー７下部に設けられた変圧器９の冷却のために、タワー７内の空気を循環させるダクト２１及びファン２２が設けられている例を示す。タワー７の上部には風力発電設備外の空気を取り入れる吸気口２３があり、タワー７下部にはタワー７内の空気を外部に放出する排気口２４が設けられている。吸気口は、タワー内部においてタワー内部全体の平均気温よりも低い箇所、或いは相対的に冷媒の気温が低い箇所に備えることが考えられる。具体的には、流路のうちでタワー壁に接することで（タワー壁を介して）タワー外部に放熱される流路部分の半分より下流側とし得る。また、タワー内部において相対的に冷媒の気温が高い箇所に備えることが考えられる。具体的には、流路のうちでタワー壁に接することで（タワー壁を介して）タワー外部に放熱される流路部分の半分より上流側とし得る。ここで言う上流、下流とは高さ方向での上下でなく、冷媒の流れる方向に関しての上流または下流のことである。尚、排気口については省略することも可能であり、例えば部材間の隙間等から排気されることも考え得る。ファン２２は空気がダクト２１内を上方から下方に向かって流れる様にするものである。ファンの配置はダクト内に限定されるものではない。

次に、本実施例における風力発電設備の動作について説明する。風力発電設備は風が吹くと風向と並行な向きにロータ２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２が回転する。ロータ２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、発電機５、増速機４、及び電力変換器８の冷却に対しては、別途設けられた水冷式の冷却機構(図示せず)が設けられている場合を例にして説明している。あくまでもこれらは例示であり、冷媒流路にこれらの機器を設けて冷却を行っても良い。一方で、変圧器９やタワー７内を上下につないだ電力ケーブル(図示せず)における発熱については、本発明を適用したタワー内冷却システムを採用している。

すなわち、タワー７内に設けたダクト２１によって、タワー７内を上方向に向かう空気の流れ（ダクト外）と下方向に向かう空気の流れ（ダクト内）が分離されており、空気の流れを誘起するファン２２によって、タワー７内の空気が循環させられる。タワー壁は、風力発電設備外と接触しており、運転時はタワー内の気温と比較して低温になっている。循環する空気は、タワー７内壁に沿って流れる際にその熱をタワー壁に移送し、タワー壁を介してタワー７外部の空気に熱を放散させる。本実施例では、タワー７内の低部に設置した発熱体である変圧器９や変圧器９の放熱器９ａによって暖められた空気が、比重が小さくなることによりタワー７内壁に沿って上昇する。上昇に伴い、タワー７壁を介して放熱し、空気が冷却される。冷却された空気は、比重が大きくなることにより、ダクト２１内を下降する。ダクト２１内を下降する冷媒は、再びタワー７内の低部に設置した発熱体から熱を奪い、暖められる。即ち、タワー内壁とダクトを用いて冷媒が循環する流路が形成されることになる。

図２に示した構成では、タワー７内壁を下から上に向かう流れの中で、タワー７内部の熱がタワー７外部に移動することになる。タワー７内部の空気は徐々にその温度を下げながら上昇する。よってタワー内壁に接した流路内における空気の温度は、下方よりも上方で温度が低くなる。そして、ダクト２１の最上端付近において、ほぼタワー７内における最も温度が低い状態となる。ここに、フィルタ２３ａを通すことで塩分を十分に除去した、さらに低温の外気を導入することで、タワー７内の空気温度をより低温にして、ダクト２１に導き、発熱源である変圧器９がある下方へと空気を移送する。尚、運転時には、上述の様にタワー７内の温度が上昇するため、風力発電設備外の空気の温度の方が低くなる。下降したダクト２１内の空気は変圧器９の放熱器９ａを通過することで変圧器９の熱を奪い、タワー７内においておよそ最も温度が高くなる。ここにおいて、排気口２４を通じて、その高温の空気の一部をタワー７外に放出させる。残った高温の空気は、前述のようにタワー７内壁に沿って上昇する際にタワー７外部に向けて放熱を行なう。なお、図示していない電力ケーブルからの発熱はタワー７内を流れる空気に適宜移動し、同様にタワー７外に放散される。

本発明の特徴の一つは、前記のように、タワー７内に外気を導入する吸気口２３を、タワー７内気温が低い箇所（この場合、タワー７の上部）に設定し、外部への排気口２４をタワー７内気温が高い箇所(この場合、タワー７の下部)に設定したことである。タワー７壁を介して外部に放熱する上記のような冷却システムの場合、その放熱性能を発揮するためには、タワー７外部の空気とタワー７内部の空気の温度差を確保する必要がある。すなわち、これからタワー７外部と熱交換を行おうとしている高温の空気に対して外部の低温の空気を混入させることは、この温度差を小さくしてしまう。即ち、タワー７壁を介した冷却性能を低下させることになり、換気による冷却効果はあるものの、全体の放熱量を低下させる可能性を有している。換気による冷却効果に加え、タワー７壁を介した熱の放散効果も十分に得るためには、上記のようにタワー７内気が低い状態で外気を混入させ、逆に高温となった空気を外部に排気した方が効果的である。同じ冷却効果を得ようとする際の外気導入量を抑制できる利点もあるため、外気導入部のフィルタ２３ａの寿命の延長にも寄与する。

さらに、本発明のもう一つの特徴は、外気導入部分（本実施例における吸気口２３）をタワー７の上方に設けた構成としていることである。具体的には、外気導入部分は流路の高さ方向で半分より上方に設置される様にしている。洋上の空気に含まれる塩分、湿分は、海面１２に近くて波の砕散するところ、すなわち低い位置の方が多い。タワー７内の機器の腐食のリスクを抑制するためには、タワー７内に導入する空気は、塩分、湿分が極力少ない状態であることが望ましく、そのためには吸気口２３は、海面から遠く離れたタワー７の上部の方が好適である。また、そもそも塩分等の含有量が少ない空気を導入されるので、この場合も外気導入部２３のフィルタ２３ａの寿命を延ばす効果が期待できる。図２に示す本発明の構成では、タワー７上部に吸気口２３を設け、さらに上記のように、その部分はタワー７内気が比較的低温の状態であるという点も両立しているため、信頼性が高く、効率の良いタワー内冷却システムとなっている。

また、本実施例では吸気口２３をダクト２１の上端より上方に配置される様に設けており、低温で比重が大きい冷媒がタワー内に入ってから上昇する必要が無く、ダクト２１内を下降すれば良く、循環を促進できる。

図３を用いて、本発明の実施例２について説明する。なお、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３は、本実施例のタワー７内の主要部分の概略側面図である。本実施例では、下降する空気流を導くダクト２１のうち、発熱源である変圧器９に接続する近傍部分のみ、断熱処理をしている。具体的には断熱材２５を貼付ることで、断熱処理をしている。

ダクト２１内の空気は、タワー７外に熱を放出した後の比較的低温の空気が流れている。一方でダクト２１以外の変圧器９の周辺は、その空気が変圧器９の発生する熱を受けて高温になっている。すなわち、変圧器９近傍のダクトでは、他の位置のダクト２１に比べて、ダクト２１内外の気温差が大きくなっている。そのため、ダクト２１内外の熱の移動により、変圧器９に入る直前の空気が暖められてしまうことになる。発熱体である変圧器９に接続する近傍のダクトのみ断熱材２５を貼付することで、これを避けることができ、変圧器９を良好に冷却することが可能になる。冷却性能を確保するためにはダクト２１内外の温度差は最も大きいこの箇所が効果的であり、断熱材２５貼付場所を限定することで、コスト増加も抑制できる。

別途の断熱材を設けなくとも、例えばダクト自体を少なくとも部分的に断熱材で形成することで代用することは可能である。また、ダクト２１内外の気温差が大きくなる発熱体の直前にのみ設けることが、最小限の断熱部の配置で済むために好ましいが、勿論それ以外のダクトの一部あるいは全体を断熱部とすることも可能である。例えば、冷媒流路において発熱体より遡ってダクト長の（実質的に）半分以下の長さ分のダクトに断熱材を設けることが考えられる。ここで言う、遡ってとは、冷媒の流れとは逆方向を指すものである。少なくとも発熱体の直前における冷媒流路の内外を断熱する断熱部が備えられていることが望ましい。

また本実施例では、変圧器９の通過の前後で流路が折り返し形状になっているため、発熱体である変圧器９の直前の流路と変圧器９の直後の流路が断熱部を介して隣り合う。変圧器９の通過の前後で冷媒の温度差が最も大きくなるが、発熱体の直前の流路と発熱体の直後の流路が隣り合う場合、温度差が大きい両流路の間で相互に熱交換しない様に両者の間に断熱部を設けると、発熱体を冷却する冷媒が（冷却後の冷媒熱によって）暖められることを防止でき、冷却性能を向上できる。直後の流路として、例えば冷媒流路において発熱体の後流側のダクト長の略半分以下の長さ分などが該当し得る。

図４を用いて、本発明の実施例３について説明する。なお上述の実施例と重複する箇所についてはその説明を省略する。図４は本実施例のタワー７内の主要部分の概略側面図である。本実施例では、実施例２の構成に加えて更に変圧器から流出した高温の空気を、タワー７へ出入りするためのドア３１近傍に滞留することを避けるように空気流を上方に向ける案内手段２６を設けている。案内された空気は、比較的高温で軽いため、簡易な構成でも上方に向けさえすれば、スムーズに上方に向かって流れていく。

これによって、保守作業等で人がタワー７に出入りするタワー７下部において高温に曝されることが防止出来るため、作業環境の悪化を抑制することが可能となる。

尚、作業環境の悪化抑制のためには、高温冷媒がドアに向かうことを避ける様な案内手段であれば良く、必ずしも上方に向ける必要はない。しかしながら、高温冷媒は比重が小さくなるので、上方に流れる様にすれば、簡易な構成でも充分に案内することが可能である。

図５を用いて、本発明の実施例４について説明する。なお、上述の実施例と重複する箇所についてはその説明を省略する。図５は、本実施例のタワー７内の主要部分の概略側面図である。本実施例では、実施例３の構成に加えて更に、流路内において上記の空気の案内手段２６の下流側で、高温の空気が衝突するタワー７内壁に、上下方向に伸びた冷却フィン２７を設けている。さらに、タワー７内壁に設けた冷却フィン２７が設置された箇所に相当するタワー７外壁に、水平方向に伸びた放熱フィン２８を設けている。

タワー７壁を介して外部に熱を放散させる、このようなタワー７内冷却システムの場合、タワー７外は風力発電に寄与できるだけの十分な風（気流）が存在しているのに対し、タワー７内の空気の流れは、ファン２２によって循環させているものであり、一般的に外部の風より流速も低い。このため、タワー７内壁とタワー７外壁の熱伝達率は、内壁側の方が小さく、全体の放熱性能を制限する要因となっている。

本実施例の構成では、空気の流れの案内手段２６によって通常よりも高速となった流れがタワー７内壁に衝突する箇所に、流れに沿った方向（上下方向）に伸びた冷却フィン２７を設けることで、タワー７内壁での低い熱伝達率をカバーし、放熱性能を高めることできる。さらに、同じ箇所のタワー７外壁に、外部を流れる風の向きに沿った水平方向に伸びた放熱フィン２８を設ければ、内壁側ほどの寄与はないものの、外壁側でも放熱性能を高めることが期待できる。

尚、本実施例では空気の流れの案内手段２６によって通常よりも高速となった流れがタワー７内壁に衝突する箇所に、流れに沿った方向（上下方向）に伸びた冷却フィンを設けることについて説明したが、必ずしもタワー７内壁に衝突する箇所でなくとも良い。冷却フィンを設けることで一定の冷却効果は期待できる。しかし、特に、案内手段の後流側で、タワー７内壁に衝突する箇所に冷却フィンを設けることで、高速となった流れが生ずるか所に冷却フィンを設けることができ、熱伝達率を特に高めることが可能である。更に、冷却フィンの方向も流れに沿った方向（上下方向）にすることで、冷媒の循環を妨げない様に配置することが可能である。

以上、本発明の実施例について説明してきたが、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、発熱源として変圧器に限定した説明をしてきたが、これは必ずしも変圧器に限定されるものではなく、空冷の電力変換器や、ラジエータのようなものでも同様の効果は期待できる。もちろん、電力変換器と変圧器を同時に冷却するシステムでも構わず、いずれも本発明の意図する範囲内のものである。

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
９ａ 変圧器の放熱器
１０ 基礎
１２ 海面
２１ ダクト
２２ ファン
２３ 吸気口
２３ａ フィルタ
２３ｂ 吸気口ファン
２４ 排気口
２５ 断熱材（断熱手段）
２６ 流体案内部材
２７ 冷却フィン（タワー内壁側）
２８ 放熱フィン（タワー外壁側）
３０ タワー内床面
３１ タワーのドア
Ａ 空気の流れ

Claims (17)

1. 風を受けて回転するブレードと、
   該ブレードの荷重を支持するタワーを備える風力発電設備であって、
   該タワー内部を通過し、冷媒が循環する流路と、
   前記流路に配置されて周囲より高温になる発熱体と、
   前記流路内で冷媒の温度が低い位置であって前記発熱体と前記タワー高さ方向の異なる上方位置に設けられて、前記風力発電設備外から冷媒を導入する吸入口を備えることを特徴とする風力発電設備。
2. 風を受けて回転するブレードと、
   該ブレードの荷重を支持するタワーを備える風力発電設備であって、
   該タワー内部を通過し、冷媒が循環する流路と、
   前記流路に配置されて周囲より高温になる発熱体と、
   前記流路のうちで前記タワー壁に沿って流れる流路部分の半分より下流側であって前記発熱体と前記タワー高さ方向の異なる上方位置に設けられ、前記風力発電設備外から冷媒を導入する吸入口とを備え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、前記流路内で冷媒の温度が高い位置に設けられて、前記風力発電設備外に冷媒を排出する排出口を備えることを特徴とする風力発電設備。
4. 請求項３に記載の風力発電設備であって、前記流路のうちで前記タワー壁に沿って流れる流路部分の半分より上流側に前記排出口は備えら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１項に記載の風力発電設備であって、
   前記タワー内に上下方向に形成されて前記流路の一部を構成するダクトを更に備えることを特徴とする風力発電設備。
6. 請求項４に記載の風力発電設備であって、
   前記冷媒は、前記タワー内壁に沿って下方から上方に向かって流れ、前記タワー内壁に沿った流路内における前記冷媒の温度は、下方よりも上方で温度が低いことを特徴とする風力発電設備。
7. 請求項６に記載の風力発電設備であって、
   前記ダクト内を上方から下方に向かって空気冷媒を流すファンを備えることを特徴とする風力発電設備。
8. 請求項５ないし７のいずれか一つに記載の風力発電設備であって、
   前記吸入口は前記風力発電設備外からの空気が前記流路内に導入される吸気口であり、
   該吸気口は前記流路の高さ方向で半分より上方に設置されてい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、
   前記吸気口から導入される空気が通過するフィルタが備えられることを特徴とする風力発電設備。
10. 請求項５ないし９のいずれか一つに記載の風力発電設備であって、
    前記吸気口は前記ダクトの上端より上方に配置されることを特徴とする風力発電設備。
11. 請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の風力発電設備であって、
    前記発熱体の上流におけるダクト長の半分以下の長さにわたり、前記ダクトには前記流路の内外を断熱する断熱部が備えられることを特徴とする風力発電設備。
12. 請求項１１に記載の風力発電設備であって、
    前記発熱体の直前の流路と前記発熱体の直後の流路が前記断熱部を介して隣り合うことを特徴とする風力発電設備。
13. 請求項１ないし１２のいずれか一つに記載の風力発電設備であって、
    前記タワー内外へ出入り可能なドアと、
    前記発熱体を通過した高温冷媒が、前記ドアに向かうことを避ける案内手段を備えることを特徴とする風力発電設備。
14. 請求項１３に記載の風力発電設備であって、
    前記案内手段は、前記ドアよりも上方に高温空気が流れる様にすることを特徴とする風力発電設備。
15. 請求項１２または１３に記載の風力発電設備であって、
    前記タワー内壁に、前記案内手段により案内された前記冷媒が冷却されるタワー内フィンを更に備えることを特徴とする風力発電設備。
16. 請求項１５に記載の風力発電設備であって、
    前記フィンが設けられるタワー壁部の外壁には、水平方向に延びるタワー外フィンを備えることを特徴とする風力発電設備。
17. 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、
    該ナセルを支持するタワーと、
    前記タワー内部に配置される発熱体と、
    上下方向に配置され、タワー内の空気を循環させるダクトと、
    タワー内部に外気を導入し、タワー内部全体の平均気温よりも低い箇所であって前記発熱体と前記タワー高さ方向の異なる上方位置に備えられる吸気口を備えることを特徴とする風力発電設備。