JP6509754B2

JP6509754B2 - 風力発電装置

Info

Publication number: JP6509754B2
Application number: JP2016027565A
Authority: JP
Inventors: 淳吾下平
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2036-02-17
Also published as: JP2017145734A

Description

本発明は、風力発電装置に係り、特に、タワー内の効率的な機器の配置を実現する風力発電装置に関する。

近年、地球温暖化防止のため、自然エネルギーを利用した発電システムが注目を浴びており、中でも風力発電装置は比較的安定した効率の良い発電システムとして幅広く普及している。

風力発電装置では、発電した電力を電力系統に送電する際、送電ロスを減らすために昇圧用の変圧器を用いる。変圧器を風力発電装置の外部に配置する場合、風雨に曝されるため、屋外用の対策が必要になる。

また、風力発電装置を洋上に設置する場合には、変圧器の設置場所を考慮する必要があり、或いは、塩害対策を検討する必要があることから、風力発電装置の内部に設置することが好ましい。

一方、変圧器はそれなりの幅を有することから、風力発電装置の内部に設置するに当たって、空間上の観点などで種々の検討が必要となる。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、ブレードの回転により発電機で発生した電力が変圧器で変圧された後、系統保護装置から電力系統へと供給される風力発電装置の構成（図１）が開示されている。

また、特許文献２には、ナセル内に三相変圧器が収容され、外部に設置された断路器と遮断器とを有する開閉装置を介して、三相変圧器と送電線とをタワー内を上下に伸びる電力ケーブルで接続する風力発電装置の構成（図１）が開示されている。

特開２０１５−３４４８７号公報特開２０１０−２６８５９５号公報

ところで、風力発電装置では、発電した電力を電力系統に送電する際に、風力発電装置に事故が発生した場合などに電力系統から迅速に切り離しを行えるよう遮断器盤が用いられる。この遮断器盤も変圧器と同様に、屋外や洋上に配置すると防水対策や防錆対策が必要なことから、風力発電装置の内部に設置するのが好ましい。

しかしながら、遮断器盤も変圧器と同様に、それなりの幅を有することから、風力発電装置の内部に設置するに当たって、空間上の観点など種々の検討が必要である。

また、従来は、遮断器盤と共に単独運転検出装置やそれ用の変圧器が一体の高圧盤として構成される場合も多く、このような一体型の高圧盤を狭い風力発電装置内に設置するには、さらに様々な検討が必要となる。

上記特許文献１および特許文献２のいずれにおいても、上述のような課題やその解決方法に関する記載はない。

そこで、本発明の目的は、タワー内の効率的な機器の配置を実現する風力発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、風を受けて回転するロータを備え、該ロータの回転に伴い発電運転する風力発電装置であって、前記ロータの荷重を支持するタワーと、前記タワー内に配置される第１の変圧器と、電気的に前記第１の変圧器及び電力系統の間に配置され、前記第１の変圧器よりも上の階に配置される遮断器盤及び単独運転検出装置と、電気的に前記第１の変圧器及び前記電力系統の間に前記遮断器盤と並列に配置され、前記遮断器盤とは異なる階に配置される第２の変圧器と、電気的に前記単独運転検出装置と直列に接続される抵抗器と、を備え、前記タワー内において、異なる階同士を連通する昇降ラダーまたは昇降機と、前記遮断器盤及び前記第１の変圧器を電気的に接続する電力ケーブルと、を備え、前記電力ケーブルは、前記昇降ラダーまたは前記昇降機における各階の連通スペースを貫通して配置されることを特徴とする。

本発明によれば、風力発電装置の内部、特に、タワー内の効率的な機器の配置が可能となり、タワー内のスペースの一層の有効活用を図ることができる。

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概略全体構成図である。図１におけるタワー下部の内部を示す拡大断面図である。図２における各機器間の電気結線図である。図２におけるタワー最下層フロアの拡大断面図である。図１におけるタワー下部の内部を示す拡大断面図である。図５におけるタワー最下層フロアの平面図である。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１は本実施例の風力発電装置の全体概要を示している。図1に示すように、本実施例における風力発電装置は、風を受けて回転するロータ１と、ロータ１を回転可能に支持するナセル２と、ナセル２を水平面内で回転可能に支持するタワー３を備えている。タワー３内底部には、電気モジュール４が配置されている。電気モジュール４は複数階に分かれて構成され、各階には各種の電気部品や電子機器が配置される。詳細については、以下で説明する。

図２は図１のタワー３下部における電気モジュール４の配置を拡大して示している。図２に示すように、タワー３内で最も下の階に第１の変圧器７が配置されており、更に第１の変圧器７と同じ階に第２の変圧器９が配置されている。第１の変圧器７と第２の変圧器９が最も下の階にある事で、メンテナンス作業の効率化が可能となる利点がある。

また、遮断器盤５には単独運転検出装置６が内蔵されており、遮断器盤５と単独運転検出装置６が一体型の高圧盤を構成している。第２の変圧器９及び抵抗器８は、遮断器盤５及び単独運転検出装置６とは別の階に配置されている。図２では、遮断器盤５及び単独運転検出装置６が最上階（電気モジュール４の上）に設置されているのに対し、第２の変圧器９及び抵抗器８はタワー３の最も下の階（Ｂ１Ｆ）に設置されている。

第２の変圧器９は単独運転検出装置６での風力発電装置の単独運転検出の為に設けられるものであり、発電電力を昇圧する第１の変圧器７よりも小容量である。従来、第２の変圧器９は単独運転検出装置６と一体で高圧盤を構成していたが、本実施例の第２の変圧器９は単独運転検出装置６とは別個に配置されており、小型で小容量の為、一つの階の中で大きな面積を占める第１の変圧器７と同じ階に配置することも可能となる利点がある。

図３は図２における各機器間の電気結線を示している。図３に示すように、単独運転検出装置６は、風力発電装置が接続される電力系統１０に対し、当該風力発電装置が単独運転で電力を送っているか否かを調べるための装置であり、本実施例においては第２の変圧器９と抵抗器８に接続されている。単独運転検出装置６は、後述する様に電気的に第１の変圧器７及び電力系統１０の間に遮断器盤５と並列に配置されている。単独運転検出装置６では発電機側、系統側の電圧、電流を監視する事により、当該風力発電装置が単独運転で電力を送っているか否かを調べる。

なお、単独運転とは、発電設備を連系している電力系統が、事故などで系統電源（電力会社の発電設備）から切り離されている時に、風力発電装置や自家用発電設備などからの電力供給が行われている状態を意味する。例えば、電力系統に事故が発生した場合、安全のために発電設備を電力系統から切り離し、保守員が点検に向かうが、ここに自家用発電設備などから電源が供給されてくると、保守員に対して感電の危険が及ぶ恐れがある。また、事故点に対して電力を供給してしまうことにもつながり、事故が継続してしまう恐れがある。単独運転検出装置６はこれらの危険や事故の継続を防止するために設置される。

第１の変圧器７はタワー３内で最も下の階に配置されている。第１の変圧器７は後述するように油絶縁式の変圧器であり、この第１の変圧器７をタワー３内で最も下の階に配置する事で、後述の油漏れ対策になる利点がある。また、前記第一の変圧器７は床面よりも高く設置するのが好適である。第１の変圧器７をＨ形鋼のような架台を介して床面よりも高く設置することで、湿気からの発錆を抑制する利点がある。

また、本実施例では、第１の変圧器７は図２に示すように、地下（Ｂ１Ｆ）に配置されている。電気モジュール４の中でも最大の重量を有する第１の変圧器７を地下に配置する事で、重量物対策となり構造物の補強を簡易に出来る利点がある。また、重心の低下につながり、タワー３の安定性も高まる。

図４は図２におけるタワー最下層フロアの拡大断面を示している。（タワー３内の容積を考慮して）第１の変圧器７内の油が全てタワー３内に漏れ出した際の油表面よりも高い位置に第１の変圧器７の底面が位置するよう第１の変圧器７が設置される。高い位置にすることで第１の変圧器７が油表面に浸ることはない利点がある。この際、タワー３内の容積と、第１の変圧器７、抵抗器８、第２の変圧器９の体積分を差し引く等、考慮することも可能である。この図において、符号１３は第１の変圧器７から漏れ出した油面を表している。

タワー３内で最も下の階におけるタワー内壁１２は、第１の変圧器７の下端（底面）よりも低い位置に電力ケーブル１７と地面の隙間を埋めるオイルシール１４を有する。オイルシール１４を有する事で変圧器から漏油した際に、油が地中に流れ出ない利点がある。

図５は図１におけるタワー３下部の内部を示す拡大断面図である。また、図６は図５におけるタワー最下層フロアの平面図である。タワー３内の異なる階同士を連通する昇降ラダー１５及び昇降機１６と、遮断器盤５及び第１の変圧器７を電気的に接続する電力ケーブル１７を備え、電力ケーブル１７は、昇降ラダー１５または前記昇降機１６における連通スペースを貫通して配置される。この連通スペースを作業者が触れられない場所、例えば、昇降ラダー１５の裏側等に配置される事で、適切な離隔を確保することができ、新たなケーブルルートも不要な利点がある。

第１の変圧器７が設置される階には、複数の階に跨って延伸するダクト（排熱ダクト）１９が部分的に配置される。ダクト１９が配置されることにより、第１の変圧器７による放熱で熱がこもる事が無くなる利点がある。

以上説明した内容によれば、電気的に第１の変圧器７及び単独運転検出装置６用の第２の変圧器９を、遮断器盤５とは異なる階に配置される様にしており、効率的な機器の配置を実現する風力発電装置を提供することが可能になる。

具体的には、単独運転検出装置６用の第２の変圧器９は、従来は別の機器と共に高圧盤として構成される（たとえば遮断器盤５と共に構成）ことが多く、その様な場合、当該高圧盤は単独でタワー３内部のフロア面積と比較して大きな面積を占めていた。係る状況では、タワー３の内部に電気モジュール４を配置することが容易ではなく、スペースの一層の有効活用を行うことが望まれていた。そこで、本実施例では、従来は別の機器と共に一体の高圧盤として構成されていた単独運転検出装置６用の第２の変圧器９を、高圧盤から切り離して独立に設け、更に当該高圧盤とは異なる階に配置するようにしたので、大きな面積を占めていた遮断器盤５単体の大きさを減ずることが出来るようになった。

また、本実施例では、単独運転検出装置６用の第２の変圧器９は第１の変圧器７と同じ階に配置されている。これは、第１の変圧器７や第２の変圧器９が電気モジュール４の中でも比較的メンテナンスを行う必要性が少ない機器であるため、その様な機器を一つの階に集約させることでメンテナンス作業の効率化を図ることができる。また、第１の変圧器７には高電圧が生じているため、好ましくは、作業者にとって近くに行く機会が少なくなるほうが良い。本実施例のように、第１の変圧器７の階に同様にメンテナンスの必要性が低い機器を配置することで作業者の安全性にも寄与する。

尚、単独運転検出装置６で使用する第２の変圧器９については、あくまでも電力系統に発電電力を送っているか否かを確認する機能を備えるものであり、発電電力を電力系統に送電する経路に設けられる第１の変圧器７と比較して小容量のもので足りる。従って、図６に示すように、一つの階の中で大きな面積を占める第１の変圧器７と同じ階に、抵抗器８などと共に配置することも可能である。

更に、本実施例では、第１の変圧器７はタワー３内で最も下の階に配置されている。第１の変圧器７が電気モジュール４の中で最も重量が大きいため、安定性を考慮するとなるべく下に配置されることが好ましい。一方で、第１の変圧器７は本実施例では油絶縁をしているため、第１の変圧器７内には油が封入されている。万が一、この油が漏れてしまった場合であっても、第１の変圧器７がタワー３内で最も下の階に配置されていることで、他の階に油が流れて影響が波及することを防止する狙いもある。

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…ロータ、２…ナセル、３…タワー、４…電気モジュール、５…遮断器盤、６…単独運転検出装置、７…第１の変圧器、８…抵抗器、９…第２の変圧器、１０…電力系統、１１…発電機、１２…タワー内壁、１３…油表面、１４…オイルシール、１５…昇降ラダー、１６…昇降機、１７…電力ケーブル、１８…架台（Ｈ形鋼）、１９…ダクト（排熱ダクト）。

Claims

風を受けて回転するロータを備え、該ロータの回転に伴い発電運転する風力発電装置であって、
前記ロータの荷重を支持するタワーと、
前記タワー内に配置される第１の変圧器と、
電気的に前記第１の変圧器及び電力系統の間に配置され、前記第１の変圧器よりも上の階に配置される遮断器盤及び単独運転検出装置と、
電気的に前記第１の変圧器及び前記電力系統の間に前記遮断器盤と並列に配置され、前記遮断器盤とは異なる階に配置される第２の変圧器と、
電気的に前記単独運転検出装置と直列に接続される抵抗器と、
を備え、
前記タワー内において、異なる階同士を連通する昇降ラダーまたは昇降機と、
前記遮断器盤及び前記第１の変圧器を電気的に接続する電力ケーブルと、を備え、
前記電力ケーブルは、前記昇降ラダーまたは前記昇降機における各階の連通スペースを貫通して配置されることを特徴とする風力発電装置。
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記第２の変圧器は、前記第１の変圧器と同じ階に配置されることを特徴とする風力発電装置。
請求項１または２に記載の風力発電装置であって、
前記第２の変圧器は、前記第１の変圧器よりも小容量であることを特徴とする風力発電装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
前記第１の変圧器は、前記タワー内において最も下の階に配置されることを特徴とする風力発電装置。
請求項４に記載の風力発電装置であって、
前記第１の変圧器は、地下の階に配置されることを特徴とする風力発電装置。
請求項４または５に記載の風力発電装置であって、
前記第１の変圧器は油絶縁式の変圧器であり、かつ、架台を介して設置することで前記第１の変圧器の底面が床面よりも高い位置に配置されることを特徴とする風力発電装置。
請求項６に記載の風力発電装置であって、
前記第１の変圧器は、前記第１の変圧器内の油が前記タワー内に漏出した際の当該漏出した油表面よりも高い位置に配置されることを特徴とする風力発電装置。
請求項６または７に記載の風力発電装置であって、
前記タワー内の最も下の階におけるタワー内壁が、前記第１の変圧器の底面よりも低い位置にオイルシールを有することを特徴とする風力発電装置。
請求項１から８のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
前記第１の変圧器が設置される階に、複数の階に跨って延伸するダクトの一部が配置されることを特徴とする風力発電装置。