TWI541435B - 風力發電設備 - Google Patents
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Description
本發明係關於風力發電設備，特別是關於適用於由輪殼與葉片構成的轉子比起支撐風車本體的塔架更位於風下側的下風方式(down wind type)的風力發電設備。
最近為了謀求自然能源之有效利用，特別是針對風力發電設備之利益性評估，而於世界各國嘗試著進行開發。現在，被建設的風力發電設備，主要以設置於沿岸部之陸上為較多。
但是，就風力發電之原動力之風而言，比起具有障害物之陸上，海上之風速通常較大，風向亦安定，可以獲得大電力。又，海上距離住宅亦較遠不會有噪音公害之問題。基於以上之理由，不在陸上而在海上設置風力發電設備的行動亦加速中。
通常，風力發電設備係具備針對藉由葉片旋轉的轉子予以支持的風車本體，於該風車本體內藏著藉由
葉片之旋轉被驅動的發電機。由風車本體內之發電機會使用熱能之損失，作為減少該熱能的方法有各種被提案。例如，於專利文獻1提出針對產生損失之熱能之冷卻法，而具備發電機被關閉的第1冷卻系，設於風車本體的第2冷卻系，係進行上述第1冷卻系之冷卻的技術。
依據該專利文獻1，除了可以減低所產生之熱能損失以外，海上之含氯空氣不直接接觸發電機，因此可防止氯引起之損傷，可以提升風力發電機之信賴性。
〔專利文獻1〕美國專利第7057305號明細書
但是，專利文獻1之風力發電設備為，輪殼與葉片構成的轉子係比支撐風車本體的塔架更位於風上側的上風方式(up wind type)，第2冷卻系係位於藉由葉片而被旋轉的轉子之風下側。因此，風係接觸轉子或塔架之後導入第2冷卻系，第2冷卻系吸取的空氣流，會因為風之接觸轉子或塔架而變為亂流，和空氣之流動未有亂流之情況比較，冷卻系之冷卻效率會降低。
因此，為了不降低冷卻系之冷卻效率，第2冷卻系需要採用更大寸法之形狀之元件(熱交換器等)，據以增加空氣接觸之表面積。
一般而言，和陸上比較，海上之風力發電設備之基礎之建設成本高，需要增加風力發電機之單機輸出容量。因此，海上風力發電設備，基於發電機產生的損失變大，為了不使冷卻效率降低，會有上述專利文獻1之第2冷卻系之形狀變為大型化，風車本體全體之重量增加的問題。
本發明有鑑於上述之點，目的在於提供不會導致冷卻系之要素元件大型化，可防止冷卻系之冷卻效率之降低的風力發電設備。
為了達成上述目的，本發明之風力發電設備，係具備：由輪殼與葉片構成的轉子；發電機，係經由連接於上述輪殼的主軸而被連接於該轉子；風車本體，係至少收納著該發電機，透過上述主軸而將上述轉子予以軸支撐；及塔架，係將該風車本體支撐於頂部；上述轉子係較上述塔架更位於風下側的下風方式之風力發電設備，其特徵為：比起上述轉子更位於風上側的上述風車本體，係由垂直方向斷面之水平方向直線部，及由該水平方向直線部朝向上述風車本體之垂直方向中心的傾斜部構成，於該風車本體之水平方向直線部與傾斜部之境界部分之外部設置熱交換器，藉由該熱交換器使來自上述發電機之冷卻媒體和外氣進行熱交換而進行冷卻。
或者，於較上述轉子更位於風上側的上述風車本體
內，設置熱交換器用於使來自上述發電機之冷卻媒體與外氣進行熱交換而進行冷卻，該熱交換器，係由熱交換器本體，及連接於該熱交換器本體的吸氣側管路及排氣側管路構成之同時，上述吸氣側管路之吸氣口係位於風上側，上述排氣管路之排氣口係位於風下側為其特徵。
依據本發明，可以獲得不會導致冷卻系之要素元件大型化，可防止冷卻系之冷卻效率之降低，不會導致發電效率降低之風力發電設備。
1‧‧‧發電機
2‧‧‧風車本體
2A‧‧‧風車本體之水平方向直線部
2B‧‧‧風車本體之曲線部
3‧‧‧塔架
4‧‧‧輪殼
5‧‧‧葉片
7a、7b、7c‧‧‧熱交換器
7c1‧‧‧熱交換器本體
7c2‧‧‧吸氣側管路
7c3‧‧‧排氣側管路
8‧‧‧冷卻媒體
9a、9b、9c‧‧‧外部空氣
11a、11b、11c‧‧‧吸氣口
12a、12b、12c‧‧‧排氣口
13‧‧‧主軸
14‧‧‧風車本體之垂直方向中心
〔圖1〕本發明之風力發電設備之實施例1，係表示設置於塔架頂部的風車本體部分之概略構成之側面圖。
〔圖2〕圖1由上方看到的平面圖。
〔圖3〕由本發明之風力發電設備之實施例1之構成將熱交換器拆除時，表示空氣之流動的風車本體部分之平面圖。
〔圖4〕本發明之風力發電設備之實施例2，係表示設置於塔架頂部之風車本體部分之概略構成之側面圖。
以下，依據圖示之實施例說明本發明之風力
發電設備。又，於各實施例針對同一構成元件附加同一符號。
圖1及圖2係表示本發明之風力發電設備之實施例1。
該圖所示的本實施例之風力發電設備，係具備：由輪殼4與葉片5構成的轉子，透過連接於輪殼4的主軸13而被連接於該轉子的發電機1，至少收納著該發電機1，藉由主軸13進行轉子之軸支撐，而且由垂直方向斷面之水平方向直線部2A，及由該水平方向直線部2A朝向垂直方向中心14的傾斜部、亦即曲線部2B構成的風車本體2，及將該風車本體2支撐於頂部的塔架3之同時，輪殼4與葉片5構成的轉子，係比起塔架3更位於風下側的下風方式之風力發電設備，設想為設置於海上之情況。
於本實施例，係於該下風方式之風力發電設備，於風車本體2之水平方向直線部2A與曲線部2B之境界部分之外側，而且，在風車本體2之上面部與兩側面部，在圓周方向隔開特定間隔而設置複數個(本實施例為3個)熱交換器7a、7b。又，熱交換器7a係具備吸氣口11a與排氣口12a，熱交換器7b係具備吸氣口11b與排氣口12b，吸氣口11a及11b係位於風上側而構成。
本實施例之熱交換器7a、7b，係採用例如多
管式熱交換器，係於圓筒胴內配列複數個導熱管(未圖示)，透過吸氣口11a及11b使來自箭頭6之外部空氣9a、9b流入該導熱管，於此而使導熱管內之外部空氣9a、9b與來自發電機1之溫熱的冷卻媒體8進行熱交換，冷卻的冷卻媒體8被導入發電機1內而將發電機冷卻，溫熱的外部空氣9a、9b係由排氣口12a、12b進行排氣。
以下，說明本實施例之發電機1之冷卻方法。
於本實施例，如上述說明，風係以如箭頭6所示風向吹向風力發電設備，而使風力發電設備運轉，亦即，風力發電設備係作為下風方式運轉，輪殼4與葉片5所構成之轉子係較塔架3更位於風下側。如此則，由轉子來看熱交換器7a、7b係位於風上側。
結果，箭頭6所示方向流動的風係直接進入吸氣口11a、11b，不會有專利文獻1所述之上風方式般，風觸及轉子或塔架3之後被導入吸氣口11a、11b，且吸氣口11a、11b吸取的空氣之流動不會紊亂，風可以有效被導入。因此，熱交換器7a、7b之上述熱交換可以有效進行，冷卻效率不會降低。
以下，說明本實施例之熱交換器7a、7b之安裝位置。
如本實施例之下風方式之風車時，係如圖1及圖2所示，為了減少空氣阻力，風車本體2之形狀有可
能如箭頭6所示由風之方向看時成為流線形(曲線部2B)。但是，此情況下，在風車本體2之外面之曲率變化的部分(水平方向直線部2A與曲線部2B之境界部分)，因為空氣之流動被風車本體2之外面切離而產生亂流。該空氣流動之亂流之模式描繪係如圖3(圖3係由圖2之風力發電設備拆除熱交換器7a、7b者)所示。
如圖3所示，來自箭頭6所示風上之空氣之流動，係如箭頭10所示，於風車本體2之前面沿著風車本體2之流線形之形狀而朝兩側分流，和風車本體2之外面曲線部分(傾斜部亦即曲線部2B)成平行流動。但是於圖3之A部(水平方向直線部2A與曲線部2B之境界部分)，當風車本體2之外面形狀彎曲時，箭頭10所示空氣之流動，會被風車本體2之外面大幅切離而產生渦流。結果，該空氣之亂流(渦流)會對位於後流側的葉片5施加機械應力，而成為問題。
因此於本實施例，係在箭頭10所示前述空氣之流動被風車本體2之外面切離的部分，亦即在風車本體2外面之曲率變大的部分(圖3之A部)，設置熱交換器7a、7b。
藉由和飛行機或滑翔機之翼所採用的公知之亂流翼(Vortex Generator)同樣之原理，使通過熱交換器7a、7b而亂流化的空氣之流動，不會被風車本體2之外面分離，使空氣如圖1及圖2所示外部空氣9a、9b般流動。如此則，具有減輕施加於後流側之葉片5的機械應
力之效果。
又，於本實施例說明在風車本體2之上面側設置1個熱交換器7a，在風車本體2之兩側面側設置2個熱交換器7b之例，但熱交換器之個數增減不會導致效果之差異。又，熱交換器安裝於風車本體2之下側亦具有同樣效果。又，風車本體2之垂直方向斷面之傾斜部係以曲線部2B之例作為說明，但傾斜部亦可為直線。
依據該本實施例，可獲得設置於海上時不會受到氯害之影響，設備亦不會大型化，可以對發電機1進行良好冷卻的風力發電設備。又，即使設置冷卻系時，冷卻系之後流之動作亦呈安定化，可以抑制施加於風車葉片之亂流，可獲得不會降低發電效率之風力發電設備。
圖4係表示本發明之風力發電設備之實施例2。又，和實施例1同一構成者附加同一符號，省略其之說明。
圖4所示實施例2之風力發電設備，其和實施例1之差異在於，熱交換器7c並非設於風車本體2之外部，而是設置於風車本體2之內部。
本實施例之熱交換器7c，係由熱交換器本體7c1，連接於該熱交換器本體7c1的吸氣側管路7c2及排氣側管路7c3構成，而且，吸氣側管路7c2之吸氣口11c係位於風上側，排氣管路7c3之排氣口12c係位於風下
側。又，熱交換器本體7c1之構成，係和實施例1之熱交換器7a、7b同一。
以下，說明本實施例之發電機1之冷卻方法。
於本實施例之構成，箭頭6所示方向流動之外部空氣9c，係進入設置於熱交換器本體7c1之吸氣側管路7c2之風上側的吸氣口11c，另外，發電機1所產生的熱，係藉由冷卻媒體8被傳送至熱交換器本體7c1，於該熱交換器本體7c1，發電機1所產生的熱、亦即冷卻媒體8與由吸氣口11c流入的外部空氣9c係進行熱交換，冷卻媒體8被外部空氣9c實施冷卻。冷卻後的冷卻媒體8係被導入發電機1內而將發電機1冷卻，溫熱的外部空氣9c係由排氣口12c排氣。
藉由該本實施例之構成，可以獲得和實施例1同樣效果。
又，海上設置的風力發電設備時，其之動力傳動系之構成，有可能設為不使用故障機率高的增速機(gear)的直接驅動之構成。
此時，發電機1係使用直徑較大的多極機(multipolar machine)，如圖4所示，風車本體2係和實施例1比較成為水平方向較短(箭頭6之方向之深度較短)，朝向垂直方向延伸(和箭頭6垂直的方向變粗)的形狀，於下風方式，形狀較大的風車本體2係位於葉片5之風上側。
但是，依據本實施例，於風車本體2之前面接受的空氣之流動之一部分，可以通過風車本體2之內部而流動，可以減輕沿著風車本體2之外面流動的空氣之亂流，結果，可以達成減輕施加於後流側之葉片5的機械應力之效果。
又，上述各實施例係說明熱交換器使用多管式熱交換器之例，但熱交換器不限定於多管式熱交換器，亦可採用其他之熱交換器，可獲得同樣效果。又，亦有於主軸13之前端安裝增速機(gear)，以高速軸旋轉發電機1之風車，此時亦包含於本發明，可以獲得和上述效果同樣之效果。
1‧‧‧發電機
2‧‧‧風車本體
2A‧‧‧風車本體之水平方向直線部
2B‧‧‧風車本體之曲線部
3‧‧‧塔架
4‧‧‧輪殼
5‧‧‧葉片
6‧‧‧箭頭
7a‧‧‧熱交換器
8‧‧‧冷卻媒體
9a‧‧‧外部空氣
11a‧‧‧吸氣口
12a‧‧‧排氣口
13‧‧‧主軸
14‧‧‧風車本體之垂直方向中心
Claims (5)
- 一種風力發電設備，係具備：由輪殼與葉片構成的轉子；發電機，係經由連接於上述輪殼的主軸而被連接於該轉子；風車本體(nacelle)，係至少收納著該發電機，透過上述主軸而將上述轉子予以軸支撐；及塔架，係將該風車本體支撐於頂部；上述轉子係較上述塔架更位於風下側的下風方式之風力發電設備，其特徵為：比起上述轉子更位於風上側的上述風車本體，係由垂直方向斷面之水平方向直線部，及由該水平方向直線部朝向上述風車本體之垂直方向中心的傾斜部構成，於該風車本體之外面之曲率變化的部分設置熱交換器，藉由該熱交換器使來自上述發電機之冷卻媒體和外氣進行熱交換而進行冷卻。
- 如申請專利範圍第1項之風力發電設備，其中，上述風車本體之傾斜部為曲線部或直線部。
- 如申請專利範圍第1或2項之風力發電設備，其中上述熱交換器，係於上述風車本體之圓周方向隔開特定間隔被設置複數個。
- 如申請專利範圍第3項之風力發電設備，其中，上述熱交換器，係配置於上述風車本體之上面部及側面部。
- 如申請專利範圍第1或2項之風力發電設備，其中， 上述熱交換器，其之外氣之吸氣口係位於風上側。
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