JP6648174B2 - 風力発電設備 - Google Patents

Description

本発明は風力発電設備に関するものであり、ダウンウィンド型風車において主に自然風による風車内部の機器の冷却に関するものである。

風車が発電する過程において、風車内部の増速機、発電機などの機器の損失は最終的に熱として放出され、正常に運転を続けるためには適切に機器を冷却しなければならない。

本技術分野の従来技術として、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には、ダウンウィンド型風車のナセルの風上側にある吸気口から空気をナセル内部へ導入し、機器を冷却した後に排気口からナセル外部へ排出させており、簡素な構造によりナセル内に収容された機器を自然風で良好に冷却可能な風力発電装置について記載されている。別の例として、特許文献２には、ナセルにおける風上側の壁面に通風口部を有し、この通風口部に熱交換部を設置するアップウィンド型風車の例が示されている。

特開２０１２−０７２６８４号公報 特開２００９−１８５６４１号公報

ブレードを備えて回転するロータが風上側に位置するアップウィンド型風車と違い、ロータが風下側に位置するダウンウィンド型風車では、ロータに遮られることなくナセルへ風を送ることができる。故に、ダウンウィンド型風車では主に自然風による機器の冷却を行ないやすいが、より効果的に冷却するためには、自然風を取り込みやすいナセル構造とする必要がある。

また特許文献２の例のようにナセルの壁面に設けた通風口からナセル内部に風を取り込むようにすると、ナセル内部に設けられた機器の腐食と劣化が早まることによる信頼性の低下が懸念される。

本発明では、ダウンウィンド型風車において、主に自然風により効率的に機器を冷却でき信頼性の高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装置は、タワーと、該タワー上部に回転可能に支持されるナセルと、該ナセルに回転可能に支持されハブとブレードを有するロータと、前記ナセル内の機器を冷却するラジエータを備え、前記タワーと前記ナセルの風下で前記ロータが回転する風力発電設備において、前記ラジエータは前記ナセルの外部かつ風上側に配置され、前記ラジエータの風上側には壁面に囲われた吸気口と吸気流路が形成されており、前記吸気流路は前記吸気口から流入する風に前記ラジエータを通過させて外部へ排出させることを特徴とする。

本発明によれば、ダウンウィンド型風車において、主に自然風により効率的に機器を冷却でき信頼性の高い風力発電設備を提供することが可能になる。

本発明の実施例に関するダウンウィンド型風車の側面概略図。 本発明の実施例に関するナセル周りの概略図。 本発明の実施例に関するナセル周りの上面断面図。 本発明の実施例に関するナセル周りの側面断面図。 本発明の実施例に関するナセル周りの上面断面図。 本発明の実施例に関するナセル周りの上面断面図。 本発明の実施例に関するナセル周りの上面断面図。 本発明の実施例に関する吸気口側壁の拡大図。 本発明の実施例に関するナセル周りの概略図。

以下に本発明を実施する上で好適となる実施例について図面を参照して説明する。尚、下記はあくまでも実施例であり、本発明の実施態様を限定することを意図する趣旨ではない。本発明は下記実施例以外にも種々の変更等が可能である。

図１は、本実施例に係るダウンウィンド型風車を側面から見た概略構造を示している。

風車は、ほぼ鉛直方向にタワー１が伸びている。タワー１の下方側の根元は、陸上であれば基礎に設置され、洋上であれば海底から設置されている基礎に接合、或いは海面付近に浮かんだ浮体基礎等に接合される。タワー１の頭頂部にはナセル２が設置されており、ナセル２の風下側には主軸を介してロータ５が繋がっている。ナセル２とロータ５は、タワー１の中心を軸として回転することでヨー角を調整している。ナセル２には、発電機、電力調整装置、動力伝達機構、冷却装置、風速や風向を測定するセンサの全部または一部が備えられる。ロータ５は、ハブ３と各ブレード４で主に構成される。

図２は、発電運転時にナセル２の周辺を風上側の下方から見た概略構造を示している。

本実施例における風車では発電中、主にハブ３と各ブレード４で構成されるロータ５は、風上側から見て時計回りに回転する。無論、風車の回転方向は時計回りに限定されるものではない。ナセル２の外部で最も風上側にあたるところには、ラジエータ６の冷却空気を取り込む吸気口７が形成されている。ラジエータ６は、吸気口７の風下に位置し、吸気口７とともにナセル２の外部に設置されており、ナセル２の内部にある発電機、電力調整装置、動力伝達機構などと冷却用の配管により繋がっている。また、ラジエータ６と吸気口７は、ナセル２に接続される支持構造、および吸気口７を形成する内壁と外壁をナセル２まで延長して接合し支えられている。ラジエータ６の風下には、冷却空気を吐き出すための側面排気口８ｓが左右側面に、下面排気口８ｆが下面に設けられている。

図３は上面から見たナセル２、ラジエータ６、吸気口７の断面を示しており、図４は側面から見たナセル２、ラジエータ６、吸気口７の断面を示している。図中の矢印は各断面における風の流れを簡易的に表している。

吸気口７の上側には吸気口上壁９ｃ、左右両側には吸気口側壁９ｓ、下側には吸気口下壁９ｆが設けられており、ラジエータ６の周りの風上側は、吸気口７の壁面により囲われている。吸気口７（に相当する面）は、風向に対して垂直となっている。吸気口上壁９ｃ、吸気口側壁９ｓ、吸気口下壁９ｆにより覆われることで、吸気口７とラジエータ６の間には流路が形成される。吸気口７とラジエータ６の間の流路面積は、ラジエータ６の通風面積よりも広くなっている。ラジエータを通過した風を排出する側面排気口８ｓを境として、風上側の吸気口７の外壁側面で最も幅が広い部分の幅を吸気口外壁幅Ｗｕ、風下側のナセル２の幅をナセル外壁幅Ｗｄとした場合、ナセル外壁幅Ｗｄは、側面排気口８ｓ側の少なくとも一部が吸気口外壁幅Ｗｕより小さくなっている。尚、吸気口外壁幅Ｗｕとナセル外壁幅Ｗｄは、図５または図６に示すようになってもよい。図５では、側面排気口８ｓの風下側のナセル外壁幅Ｗｄは、ほぼ全体的に吸気口外壁幅Ｗｕより小さくなっている。
図６では、吸気口外壁が風下側へ向かって徐々に外へ拡がることで、ナセル外壁幅Ｗｄは、全体的に吸気口外壁幅Ｗｕより小さくなっている。ラジエータ６の風下の下面排気口８ｆ側には、グレーチング１０が設けられており、状況に応じて取外しできるようにしてもよい。

以上の構成による本実施例に係るダウンウィンド型風車の機能及び動作について、発電状態を想定して説明する。

ロータ５は、所定の風速以上で回転を開始し、風速の上昇に伴って回転数も上がっていく。また、ナセル２とロータ５は、タワー１の中心を軸として、ナセル２に備わっている風向センサにより、風向の変化に合わせてヨー角を調整する。ピッチ角制御機構により、各ブレード４のピッチ角は設定されるようになっており、各ブレード４への風の流入角度が調整され、ロータ５の回転数が上がることで発電量も増加する。発電量の増加に伴い、ナセル２に備わっている発電機、電力調整装置、動力伝達機構などの損失および発熱量も増加する。発電機、電力調整装置、動力伝達機構などから発生した熱は、冷却装置により冷却用の配管内を流れる流体を介してナセル２の外部かつ風上側に設置されているラジエータ６へ運ばれる。ダウンウィンド型風車が定格風速で定格出力に到達している場合、発電量が最大（定格出力）の運転範囲内では風速が最小（定格風速）となるため、主に自然風を用いた冷却システムでは最も厳しい状態となり、効果的に冷却できる構造が必要である。

ナセル２の風上から流れてくる風の一部は、吸気口７から取り込まれ、冷却空気としてナセル２の外部かつ風上側に配置されたラジエータ６へ流れ込んでいく。吸気口７とラジエータ６の間は、吸気口上壁９ｃ、吸気口側壁９ｓ、吸気口下壁９ｆにより覆われ、ラジエータ６の風上側には壁面に囲われた吸気流路が形成されている。また、吸気口７（に相当する面）が風向に対して垂直になっている。そのため、吸気口７を避けてナセル２の外側へ逃げる流れを低減し、吸気口７に取り込まれた流れは空気を漏らすことがないことから、より多くの冷却風量を保つことができ、より効果的に冷却することができる。更には、壁面に囲われた吸気流路の流路面積がラジエータ６の通風面積より広く確保されているため、小さな通風抵抗によって、より多くの冷却風量を保つことができ、より効果的に冷却することができる。加えて、ナセル２の外部に設けられたラジエータ６へ風を供給するため、ナセル２の内部にある各機器に外部の風が直接当たらない構造とすることができ、機器の腐食や劣化を避けた信頼性の高い設備とすることができる。

ラジエータ６を冷却した冷却空気の一部は、側面排気口８ｓより吐き出され、ナセル２の外壁側面付近に沿ってロータ５側へ流れていく。一方で、ナセル２の風上から流れてくる風の一部は、吸気口７から取り込まれることなく、そのまま吸気口７の外壁側面付近を通過し、側面排気口８ｓより吐き出された冷却空気の流れに近接して、同様にロータ５側へ流れていく。ナセル外壁幅Ｗｄの側面排気口８ｓ側の少なくとも一部を吸気口外壁幅Ｗｕより小さくすることで、側面排気口８ｓより吐き出された冷却空気の流れる領域が確保されている。そのため、冷却空気の排気が促されることによって、より多くの冷却風量を保つことができ、より効果的に冷却することができる。

ラジエータ６を冷却した冷却空気の残りは、下面排気口８ｆより吐き出される。一方で、据付け、取外し、または点検などにおいて、ラジエータ６の近傍に人が入ることがあり、部品および機材なども置くことができる作業領域が必要となる。下面排気口８ｆ側にグレーチング１０を設けることで、下面排気口８ｆからの冷却空気の排気を維持できるとともに、人が入り、部品や機材などを載せる作業領域を確保することができる。また、グレーチング１０を着脱可能にしておけば、発電運転時にグレーチング１０を取外しておくことで下面排気口８ｆでの通風抵抗が低減され、より多くの冷却風量を保つことができ、より効果的に冷却することができる。尚、ラジエータ６の近傍で作業するときに、下面排気口８ｆ側に設けるものは、グレーチング１０でなくとも、板材など作業領域を確保できるものであればよい。

図７および図８において、吸気口側壁９ｓの別形態について説明する。図７では、上面から見たナセル２の断面を示しており、図中の矢印は各断面における風の流れを簡易的に表している。図８では、吸気口側壁９ｓの周りの構造を示している。

吸気口７とラジエータ６との間で壁面に囲われる形で形成されている流路には、側壁の風上側端部から外面と内面に向かってそれぞれＲが設けられており、前記外面のＲは、前記内面のＲより小さい。すなわち、吸気口側壁９ｓの内面はＲｉ、吸気口側壁９ｓにおいて最も風上側に位置する端部の外面はＲｏであり、ＲｏはＲｉより小さくなっている。

ラジエータ６を冷却した冷却空気の一部は、側面排気口８ｓより吐き出され、ナセル２の外壁側面付近に沿ってロータ５側へ流れていく。一方で、ナセル２の風上から流れてくる風の一部は、吸気口７から取り込まれることなく、そのまま吸気口７の外壁側面付近を通過し、側面排気口８ｓより吐き出された冷却空気の流れに近接して、同様にロータ５側へ流れていく。吸気口側壁９ｓにおいて、端部の外面のＲｏを内面のＲｉより小さくすることで、風の主流は外壁側面から離れる傾向にあり、側面排気口８ｓから吐き出された冷却空気の流れる領域が更に拡がる。故に、冷却空気の排気がより促進されることによって、より多くの冷却風量を保つことができ、より効果的に冷却することができる。

図９において、吸気口下壁９ｆの別形態について説明する。図９では、ナセル２の周辺を風上側の下方から見た概略構造を示している。

本実施例では、吸気流路を構成する前記壁面のうちの底面が着脱可能な構造をしている。すなわち、吸気口下壁９ｆは状況に応じて取外しできるようになっている。据付け、取外し、または点検などにおいて、ラジエータ６を動かすことがあり、ナセル２の内部にあるその他の機器や部品も搬入および搬出することがありえる。吸気口下壁９ｆを着脱可能にしておけば、吸気口下壁９ｆが妨げになることなく、ラジエータ６の設置位置付近において機器や部品の移動に関わる作業性を向上することができる。

実施例１乃至３では、主に自然風によりラジエータ６を冷却するための構造を示しているが、ラジエータ６の風上または風下に、ラジエータ６の冷却を促すために補助的に送風機を設置してもよい。

１ タワー
２ ナセル
３ ハブ
４ ブレード
５ ロータ
６ ラジエータ
７ 吸気口
８ｆ 下面排気口
８ｓ 側面排気口
９ｃ 吸気口上壁
９ｆ 吸気口下壁
９ｓ 吸気口側壁
１０ グレーチング
Ｒｉ 吸気口側壁の内面Ｒ
Ｒｏ 吸気口側壁の端部外面Ｒ
Ｗｄ ナセル外壁幅
Ｗｕ 吸気口外壁幅

Claims (4)

1. タワーと、該タワー上部に回転可能に支持されるナセルと、該ナセルに回転可能に支持されハブとブレードを有するロータと、前記ナセル内の機器を冷却するラジエータを備え、前記タワーと前記ナセルの風下で前記ロータが回転する風力発電設備において、
   前記ラジエータは前記ナセルの外部かつ風上側に配置され、前記ラジエータの風上側には壁面に囲われた吸気口と、前記ラジエータと前記吸気口の間を壁面で覆うように吸気流路とが形成されており、
   前記吸気流路は前記吸気口から流入する風に前記ラジエータを通過させて外部へ排出させることを特徴とする風力発電設備。
2. 請求項１の風力発電設備において、
   前記ラジエータを通過した風を外部に排出する側面排気口を左右両側に有することを特徴とする風力発電設備。
3. タワーと、該タワー上部に回転可能に支持されるナセルと、該ナセルに回転可能に支持されハブとブレードを有するロータと、前記ナセル内の機器を冷却するラジエータを備え、前記タワーと前記ナセルの風下で前記ロータが回転する風力発電設備において、
   前記ラジエータは、前記ラジエータの少なくとも一部が前記ナセルの外部に露出するように前記ナセルの風上側に配置され、前記ラジエータの風上側には壁面に囲われた吸気口と、前記ラジエータと前記吸気口の間を壁面で覆うように吸気流路とが形成されており、
   前記吸気流路は前記吸気口から流入する風に前記ラジエータを通過させて外部へ排出させることを特徴とする風力発電設備。
4. タワーと、該タワー上部に回転可能に支持されるナセルと、該ナセルに回転可能に支持されハブとブレードを有するロータと、前記ナセル内の機器を冷却するラジエータを備えたダウンウィンド型の風力発電設備において、
   前記ラジエータは前記ナセルの外部、かつ前記ナセルに対して前記ハブと反対側に配置され、前記ラジエータに対して前記ナセルと反対側に配置された壁面に囲われた吸気口と、前記ラジエータと前記吸気口の間を壁面で覆うように吸気流路とが形成されており、
   前記吸気流路は前記吸気口から流入する風に前記ラジエータを通過させて外部へ排出させることを特徴とする風力発電設備。

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