TWI485324B - 下風型風車 - Google Patents

Description

下風型風車

本發明係關於將轉子配置在下風的狀態下來進行發電運轉的下風型風車，尤其是改良了構成變電設備的變壓器的配置之下風型風車。

風力發電與太陽光發電都是已知的可再生的能源，基於削減CO₂ 的觀點，對於風力發電的需求愈來愈高，風車的設置急速地進展中。在水平軸風車之中，將風車以相對於風向之轉子的配置方式來做區別的話，可大致上區分成：將轉子配置在上風的上風型風車、以及將轉子配置於下風的下風型風車。目前，風力發電用所設置的風車的大半都是上風型風車。

如上所述，現在係以上風型風車為主流，但是，如果是在從風車的下側往上吹的風較多的山岳地帶和海洋上的話，在上風型風車的情況下，若想要將轉子的旋轉面相對於往上吹的風呈垂直地配置的話，在其形狀上，轉子將會與用來支承風車的支柱互相碰撞，因此，並無法將轉子的旋轉面相對於往上吹的風呈垂直地配置，結果，無法將風的能量有效率地用來讓轉子旋轉，發電效率會降低。

另一方面，在下風型風車的情況下，是將轉子配置在下風的狀態下來進行發電運轉，所以即使將轉子的旋轉面相對於往上吹的風呈垂直地配置，也不會與支柱互相碰撞，與上風型風車相比較，係可將風的能量更有效率地使用於發電運轉，較具有優越性。因此，在海洋上和往上吹的風較有優勢的例如：在山岳地帶中，下風型風車的設置是被期待的。

然而，上述的山岳地帶和海洋上，原本風車的設置空間就受到限制，因此想要設置的話，必須是即使在小空間也能夠設置的風車才可。具體而言，想要達成節省空間(小空間)的手段，係可以考慮將一般是被個別地設在風車的外側之用來收納變壓器的變壓器專用房舍予以取消。

此處，一般而言，將變壓器收納於風車的內部以謀求省空間化的習知技術係有例如：專利文獻1所揭示的風車。該專利文獻1所揭示的風車係在支柱內具有收納室，在該收納室的內部具備：由變壓器與開閉裝置所構成的變電開閉設備。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]　日本特開2006-9596號公報

然而，以專利文獻1所揭示的風車為首，一般而言，將變壓器收納在支柱內部或機艙內部的技術本身雖然是屬習知，但是針對於特別適合設置在設置空間非常受到限制的例如：山岳地帶和海洋上的下風型風車而言，尚未發現有任何提及到將變壓器收納在支柱、發電機等的承載室也就是機艙內的技術。這種說法的根據：是因為目前的風車的主流都是上風型風車，所以對於下風型風車所特有的技術課題的認識並不夠充分的緣故。

又，在上風型風車的情況下，因為轉子係位於較之機艙和支柱更上風的位置的狀態下來進行發電，所以支柱和機艙的大小對於發電效率造成的影響很少，但是，在下風型風車的情況下，因為轉子是在位於較之機艙和支柱更下風的狀態下來進行發電運轉，所以想要提高發電效率的話，最好是極力地將機艙和支柱的面積予以縮小，在機艙或支柱內收納大型的變壓器的作法，一般都會導致機艙或支柱的面積的大型化，進而會導致發電效率的降低。因此，在下風型風車中，都不會去想到要將變壓器收納在機艙或支柱內，而且也無法與上風型風車相同並論。因此，在下風型風車之中，並未曾有將變壓器收納在機艙或支柱內的技術思想，而且要以受限的設置空間來設置下風型風車的作法也是很困難的。

本發明係著眼於這種新穎的技術課題而進行開發完成的，其目的是提供一種可設置於受限的設置空間內的下風型風車。

本發明的下風型風車的特徵為：該下風型風車係具備：用來支承轉子且在內部收納著發電機之承載室、用來支承該承載室之支柱、配置在前述發電機與電力系統之間的主變壓器，前述主變壓器係被收納在前述承載室或前述支柱內。

根據本發明，係可提供：能夠設置在受限的設置空間內的下風型風車。

以下將說明本發明的實施例。

[實施例1]

茲使用第1圖～第3圖來說明實施例1。如第1圖所示，本實施例的下風型風車大致上係由：轉子1，該轉子1是由因受風而旋轉的三片風車翼片7與輪轂(未圖示)所組成的、用來支承轉子1且收納後述的發電機9、控制機器等之承載室(以下，稱為機艙)3、以及用來支承機艙3的支柱4所構成的。

如第3圖所示，在機艙3內是收納著：與轉子1相連接且因轉子1的旋轉而驅動發電轉子進行發電的發電機9、被連接到支柱4的齒輪14、與該齒輪14互相嚙合而將轉子1相對於支柱4呈垂直地轉向驅動的轉向驅動裝置13、用來控制該轉向驅動裝置13的驅動之轉向控制盤12、進行量測風向及風速，並將測得的數據資料送往轉向控制盤12之風向風速計11。

如第1圖及第2圖所示，在支柱4內，係在支柱4之下部收納著：主變壓器5以及輔助用機器變壓器6，該主變壓器5係位於發電機9及風車外部的電力系統8之間的位置，可將中電壓(也就是發電電力的電壓)予以昇壓而轉變成高電壓(也就是系統電壓)；該輔助用機器變壓器6係接受來自發電機9的一部分發電電力，被降壓成低電壓之後，將電力供給到機艙3內的上述風向風速計11和轉向控制盤12等的輔助用機器10。此外，此處所稱的「輔助用機器10」係指：以執行因應風向及風速來控制翼片的側傾角或翼片的水平方向旋轉角等的控制為主之風車的控制之控制裝置。

從發電機9朝向電力系統8側的電力輸送係使用電源纜線，在這個電源纜線的周圍係配置著磁場阻絕層，以資防止電源雜訊洩漏到周圍。又，輔助用機器10內的控制訊號的傳送係使用光纜線(未圖示)，可藉以防止因電源雜訊的混入而導致轉子1發生誤作動。再者，基於提高冷卻性能的觀點，主變壓器5及輔助用機器變壓器6係使用非晶質變壓器。主變壓器5與輔助用機器變壓器6係具有很大的重量，因此將其配置在支柱的下部以謀求提昇風車的穩定性。

第2圖係顯示出本實施例的單線結線圖。在本實施例中，發電機9所發電的電力係受到被設置在支柱4內的主變壓器5進行昇壓而朝向風車外部的電力系統8側進行輸送。

茲使用第3圖來說明機艙的轉向控制及風車翼片7的側傾角的控制方法。在正常地進行發電運轉時，轉向控制盤12係接受來自輔助用機器變壓器6側所供給的電力，來控制轉向驅動裝置13，以使得轉子1的旋轉面2在下風側，相對於風向風速計11所測得的風向形成垂直。藉由以這種方式來相對於所測得的風向，進行控制轉子1的旋轉面2，可充分地獲得風的動能。

另一方面，如果發生例如：機艙3的振動過大的情況、風速顯示出既定值以上的數值的情況、風速計故障的情況、發電機9處於過旋轉狀態的情況之類的異常時，為了風車的安全性著想，必須要停止轉子1的旋轉。這種情況下，必須調整構成轉子1的一片一片的風車翼片7的側傾角，將各風車翼片7控制成與風向保持平行。這種控制也是利用輔助用機器10來執行的，至於所使用的電力也是從輔助用機器變壓器6側來供給的。藉由執行這種控制，各風車翼片7就不會再受到風的揚力，轉子1將停止旋轉。

當上述的異常狀態解除，而轉子1再度開始旋轉時，則必須再調整風車翼片7的側傾角，以輔助用機器10來執行控制成能夠接受到風的揚力，但是因為發電機9並未運轉中，所以無法從發電機9側接收到用來使輔助用機器10進行作動的電力。

因此，在再度開始旋轉的時候，係經由主變壓器5從電力系統8側供給使輔助用機器10進行作動的電力。接收到來自電力系統8側的電力供給之後，就進行調整風車翼片7的側傾角，而得以承受到來自風的揚力，因此轉子1會再開始旋轉而再度開始進行發電運轉。

此處，在本實施例的運轉模式中，係將發電機9所發電的電力直接加諸到輔助用機器變壓器6，輔助用機器變壓器6將其降電壓之後，將電力供給到風向風速計11、轉向控制盤12等的輔助用機器10。以這種方式，將施加於輔助用機器變壓器6之後才供給到輔助用機器10的電力，並不是從高電壓的電力系統側來取得，而是從發電機9側直接地取得，如此一來，係可減少支柱內的高電壓的地方，可將用來確保高電壓處與支柱壁之間的絕緣之電源纜線或輔助用機器10與支柱壁之間的距離予以縮短。在下風型風車的情況下，支柱的直徑愈大的話，吹抵轉子1的風量愈減少，而會導致發電效率降低，因此基於不要導致發電效率降低的觀點，對於下風型風車而言，要將支柱的直徑儘可能地不必大型化就可以收納變壓器的作法，是特別地有助益的。

然而，在上風型風車的情況下，如果是從發電機9來對於輔助用機器10供電的話，當發電機9與電力系統8因某種原因而導致同時地停止之停電時，對於輔助用機器10的供電將會中斷，在這種情況下，即使上述的側傾角控制還可以執行，機艙3的轉向驅動方向的控制就無法再繼續下去。在無法執行轉向驅動機構的控制之狀態下，如果從對於轉子1的轉軸呈直角的方向受風的話，將會受到超過設計值以上的風壓負荷，因此也會有導致轉向機構受到破壞、風車傾倒之類的無法確保風車的安全性之可能性。

因此，基於確保安全性的觀點，必須具備有備份用電源。即使在這種情況下，下風型風車原本就是被設計成：將轉子1位於下風的狀態下來進行發電運轉的，所以即使無法執行轉向驅動的控制，即使無法執行轉向驅動的最佳化，轉子1還是自動地位在下風位置，至少還是可以確保風車整體上的安全性。因此，可以不必具備用來確保安全性的備份用電源，對於省空間化的達成也有幫助。此外，即使與附加了例如：在進行發電運轉時係為上風型風車，只有在發電運轉停止時才切換成下風型風車的功能的情況互相比較之下，本實施例的下風型風車，原本就是全時性的下風型風車，因此並不需要附設用來進行切換用的特別的機構，所以可謀求機構的簡單化、削減成本，進而可以達成：防止因為附加了無謂的機構所導致的發電效率的降低等等的各種效果。

此外，在先前技術中也曾經提及，下風型風車因為是轉子1位於下風的狀態下進行發電運轉，所以即使將轉子1的旋轉面配置成與往上吹的風構成垂直，也不會碰撞到支柱，與上風型風車互相比較之下，可將風的能量更有效率的使用於發電運轉，具有優越性。

本實施例的下風型風車，因為是將主變壓器5及輔助用機器變壓器6收納在支柱4的內部，所以不必在下風型風車的外側設置變壓器用房舍等，在受限的設置空間內也能夠設置下風型風車。

更具體而言，可以減輕下風型風車的用地的造地工程，具有可更容易設置的效果。此外，可以將下風型風車之主變壓器5及輔助用機器變壓器6之與電力系統8相連接的高電壓部分設置在下風型風車內，所以，在下風型風車的外側，不必另外再設置用來防護：主變壓器5及輔助用機器變壓器6之與電力系統8相連接的高電壓部分之防護柵欄，可達成更節省空間化及降低成本，此外還具有因為未使高電壓部分露出而可更為提昇安全性的效果。此外，本實施方式係舉出將主變壓器5及輔助用機器變壓器6的兩者都收納在支柱4的內部的情形為例加以說明，但是，只要將其中任何一方收納於內部的話，就可以減少設置空間。因此從減少設置空間的觀點而言，特別是將主變壓器5收納在下風型風車的內部的這種方式更有效果。

[實施例2]

茲使用第4圖來說明實施例2。在實施例1中，已經說明了將主變壓器5及輔助用機器變壓器6收納在支柱4內的情況，但是，如第4圖所示，係可將主變壓器25及輔助用機器變壓器26予以收納在機艙23的內部。將其顯示於單線結線圖的話，雖然是在於支柱4內或是在於機艙23內的這一點上具有差異，但是仍然是在於風車內的這一點並未改變，因此，將省略此處的單線結線的說明。

本實施例的下風型風車，因為是將主變壓器25及輔助用機器變壓器26收納在機艙23的內部，所以不必在下風型風車的外側設置變壓器用的房舍等，因此，即使在受限的設置空間內，亦可設置下風型風車。更具體地說，係可減輕下風型風車的用地之造地工程，具有可更容易設置之效果。此外，因為可將下風型風車之主變壓器25與輔助用機器變壓器26之與電力系統8相連接的高電壓部分設置在下風型風車內，所以在下風型風車的外側，不必另外再設置用來防護：主變壓器25與輔助用機器變壓器26之與電力系統8相連接的高電壓部分的防護柵欄，可達成更節省空間化及降低成本，此外還具有因為未使高電壓部分露出而可更為提昇安全性的效果。

此外，至於主變壓器25及輔助用機器變壓器26，只要至少將兩者的任何一方收納到內部的話，就可減少設置空間，在設計上的自由度也很大，例如：採取與實施例1合併的方式，將其中一方設置在支柱內，將另一方設置在機艙內。基於減少設置空間的觀點，特別是將較之輔助用機器變壓器26更大型的主變壓器25收納在下風型風車的內部的這種方式更有效果。

[實施例3]

茲使用第5圖來說明實施例3。在上述的各實施例中，雖然是採用將主變壓器與輔助用機器變壓器予以分離的結構，但是，在本實施例中係利用一台變壓器，使其同時具有兩種變壓器的功能。亦即，藉由對於被收納在支柱4內的主變壓器35，追加一組繞線而予以三組繞線化，即可從主變壓器35取得低電壓的電力。藉由製作成這種結構，亦可省略輔助用機器變壓器，而能夠更進一步地減少設置空間。此外，在本實施例中，雖然係就將主變壓器35設置於支柱4內的情況進行說明，但是亦可將其設置於機艙內。

1．．．轉子

2．．．旋轉面

3，23．．．機艙

4．．．支柱

5，25，35．．．主變壓器

6，26．．．輔助用機器變壓器

7．．．風車翼片

8．．．電力系統

9．．．發電機

10．．．輔助用機器

11．．．風向風速計

12．．．轉向控制盤

13．．．轉向驅動裝置

14．．．齒輪

第1圖係將實施例1的下風型風車從上風來觀看時的圖。

第2圖係實施例1的下風型風車及電力系統的單線結線圖。

第3圖係顯示出實施例1的機艙內部的圖。

第4圖係將實施例2的下風型風車從上風來觀看時的圖。

第5圖係實施例3的下風型風車及電力系統的單線結線圖。

1．．．轉子

2．．．旋轉面

3．．．承載室(機艙)

4．．．支柱

5．．．主變壓器

6．．．輔助用機器變壓器

7．．．風車翼片

8．．．電力系統

9．．．發電機

Claims (8)

1. 一種下風型風車，係將轉子配置於下風的狀態下進行發電運轉的下風型風車，其特徵為：該下風型風車係具備：用來支承前述轉子且在內部收納發電機的承載室、用來支承該承載室的支柱、配置在前述發電機與電力系統之間，並且可將中電壓(也就是前述發電機的發電電力的電壓)予以昇壓而轉變成高電壓(也就是前述電力系統的系統電壓)的主變壓器、以及接受來自前述發電機的一部分發電電力，被降壓成低電壓之後，將電力供給到下風型風車的輔助用機器的輔助用機器變壓器，前述主變壓器係被收納在前述支柱內，並且前述輔助用機器變壓器係被收納在前述支柱內。
2. 如申請專利範圍第1項所述之下風型風車，其中，前述輔助用機器變壓器係連接於前述主變壓器之中的前述發電機側。
3. 如申請專利範圍第1項所述之下風型風車，其中，在前述承載室及前述支柱內，係使用光纜線來傳遞計測值及控制訊號，在電氣訊號或電流經過的地方的周圍係配置著磁場阻絕層。
4. 如申請專利範圍第1項至第3項之任一項所述之下風型風車，其中，前述主變壓器及/或前述輔助用機器變壓器係被配置在前述支柱內的底部。
5. 如申請專利範圍第1項至第3項之任一項所述之 下風型風車，其中，前述主變壓器及/或前述輔助用機器變壓器係非晶質變壓器。
6. 如申請專利範圍第1項至第3項之任一項所述之下風型風車，其中，前述輔助用機器變壓器係構成為：藉由對於主變壓器追加一組繞線即可使主變壓器取得輔助用機器變壓器的機能。
7. 一種下風型風車之運轉方法，該下風型風車係轉子配置於下風狀態下進行發電運轉的發電機被收納在構成下風型風車的支柱內，並且具有位在前述下風型風車內的發電機與電力系統之間，可將中電壓(也就是發電電力的電壓)予以昇壓而轉變成高電壓(也就是前述電力系統的系統電壓)的主變壓器、以及收納在前述支柱內，接受來自前述發電機的一部分發電電力，被降壓成低電壓之後，將電力供給到下風型風車的輔助用機器的輔助用機器變壓器，其特徵為：在前述下風型風車的發電運轉中，利用發電機所產生的電力令前述輔助用機器作動來控制前述下風型風車。
8. 如申請專利範圍第7項所述之下風型風車之運轉方法，其中，前述下風型風車發生異常時，將會停止發電運轉，然後當異常解除時，就利用從系統側經由前述主變壓器供給過來的電力，令前述輔助用機器作動來控制前述下風型風車。