TWI630316B - 風力發電裝置 - Google Patents

Abstract

提供一種風力發電裝置，係用於提高設置在轂內的控制設備的冷卻性能。

為了解決上述的課題，在有關本發明的風力發電裝置中，具備：轉子(2)，係具備收納了控制設備的轂(20)及用轂(20)來支撐的葉片(1)；短艙(6)，係把轉子(2)支撐成可旋轉；以及旋轉主軸(3)，係被配置涵蓋到轂內及短艙內；形成連通轂內與短艙內之流路，流路被配置到旋轉主軸的徑方向外側，並且，相對於短艙而被固定，在轂內中的流路設有第1流出孔。

Description

風力發電裝置

本發明有關一種風力發電裝置，該風力發電裝置具有緊緻的換氣冷卻機構，該換氣冷卻機構係不會承擔有因高濕的外部氣體的導入所致之腐蝕的風險，實現冷卻設置在轂內的控制設備而安定運作。

通常，風力發電裝置係構成為：把透過主軸支撐利用設置在轂的葉片來旋轉的轉子之短艙，具備到塔上部。在該短艙的內部，具備藉由葉片的主軸的旋轉而旋轉的發電機者為多，但為了得到發電機之理想上的轉速，也有在轉子與發電機之間配置增速機構，做成使轉速增加的構成之情況。藉由發電機所發電出的電能，係透過電力變換器或變壓器轉換成供給到電力系統的電力。

短艙內的增速機構、發電機等的機器，係因隨著這些的運作所致損失而產生熱。對增速機構、發電機透過專用的水冷系統把熱放出到外部者為多，但此外也因為從增速機構、發電機的表面放出到短艙內的熱，更進一步因為日照從外部加熱，短艙內的空氣變成高溫的緣故， 是有導入外部氣體進行換氣冷卻的情況。該情況下，特別是在設置在海上的風力發電裝置的情況等，外部氣體多含有水分、鹽分，直接導入到短艙內的話，因為產生有短艙內的機器的腐蝕的可能性，例如導入透過鹽分去除過濾器的空氣，或是在短艙內設置除濕機來進行濕度管理。

在轂內，設有用於調整葉片的槳距角(安裝角)的槳距致動器、其之控制裝置、更進一步連到致動器之電池等的機器。以驅動該槳距致動器的方式，因應風速等的狀況，控制葉片的槳距角，成為效率良好之捕捉風的能量之構成。設在轂內的這些機器，係作為其運作時的損失而產生熱，所產生的熱留在轂內，是有轂內的氣溫變成高溫的可能性。為了維持機器之正常的運作，防止機器的壽命變短，有必要避免轂內之過度的溫度上升。

為了避免轂內變成高溫，例如專利文獻1中，提案有一種風力發電裝置，係與安裝有風車翼片的轉子頭連結之驅動、發電機構被收納設置到短艙內，控制設備類被收納設置到前述轉子頭的轂內；其特徵為：透過在前述轉子頭與前述短艙之間所形成的連通路，在前述轉子頭的內部與前述短艙的內部之間設有使空氣循環的空氣流形成手段，前述空氣流形成手段乃是被設置在前述連通路之空氣循環用導引件。

〔先前技術文獻〕 [專利文獻]

〔專利文獻1〕日本特開2009-091929號專利公報

支撐並旋轉又長又大的葉片的轂，係追求強度及輕量化。而且，葉片的槳距致動器等的控制設備係有必要配合葉片的數目而複數設置，其結果，轂內中的空間被限制。再加上，因為最近幾年的風力發電裝置的大型化，控制設備的容量也變大，來自這些機器的發熱量也增加。因此，在冷卻轂內之際，其冷卻機構的小型化，更進一步提高效率方面，遂為重要。

有鑑於以上的課題，在本發明，其目的在於提供一種風力發電裝置，係用於提高設置在轂內的控制設備的冷卻性能。

為了解決上述的課題，例如採用申請專利範圍所記載的構成。本案係含有多個解決上述課題的手段，舉其中一例，具備：轉子，係具備收納了控制設備的轂及用前述轂來支撐的葉片；短艙，係把前述轉子支撐成可旋轉；以及旋轉主軸，係被配置涵蓋到前述轂內及前述短艙內；形成連通前述轂內與前述短艙內之流路，前述流路被配置到前述旋轉主軸的徑方向外側，並且，相對於前述短艙而被固定，在前述轂內中的前述流路設有第1流出孔；經由導管形成複數個前述流路。

根據本發明，可以提供一種風力發電裝置，係用於提高設置在轂內的控制設備的冷卻性能。

1‧‧‧葉片

2‧‧‧轉子(槳鼻罩罩殼)

3‧‧‧旋轉主軸

4‧‧‧增速機構

5‧‧‧發電機

6‧‧‧短艙

7‧‧‧塔

8‧‧‧電力變換器

9‧‧‧變壓器

10‧‧‧基礎

12‧‧‧海面

13‧‧‧散熱器

14‧‧‧吸氣口

15‧‧‧排氣口

16‧‧‧過濾器

17‧‧‧風扇

18‧‧‧除濕機

19‧‧‧架構

20‧‧‧轂

21‧‧‧固定主軸

22‧‧‧軸承

23‧‧‧轂換氣用導管

24‧‧‧轂換氣用風扇

25‧‧‧槳距致動器

26‧‧‧來自轂的排氣口

27‧‧‧固定主軸內的輪葉

28‧‧‧固定主軸的流出孔

[圖1]表示有關實施例1的風力發電裝置之概略圖。

[圖2]乃是實施例1的風力發電裝置的短艙、轂部分的概略側視圖。

[圖3]為實施例2的風力發電裝置的固定主軸及旋轉主軸之直管部分的概略立體圖。

[圖4]乃是實施例3的風力發電裝置的短艙、轂部分的概略側視圖。

[圖5]乃是實施例4的風力發電裝置的短艙、轂、葉片部分的概略側視圖。

[圖6]為實施例5的風力發電裝置的固定主軸及旋轉主軸之直管部分的概略剖視圖。

[圖7]為實施例6的風力發電裝置的固定主軸及旋轉主軸之直管部分的概略剖視圖。

以下，使用圖面說明本發明的實施例。

〔實施例1〕

關於實施例1，使用圖1至圖2說明之。於圖1，表示實施例1中的風力發電裝置的概略圖。該風力發電裝置被設置在海上，在設置成從水面下突出到海上的塔7的頂部，配置短艙6；該短艙6係把與葉片1及轂(圖1中未圖示)相連接的旋轉主軸3予以軸支承。旋轉主軸3係介隔著增速機構4連接到發電機5。發電機5係藉由電力纜線(未圖示)，與內裝在塔7的下部的電力變換器8、變壓器9等的電器連接。

風力發電裝置係短艙6旋轉(平擺控制)，讓葉片1的旋轉面朝向風向，藉由風的能量，葉片1受力，旋轉主軸3旋轉。旋轉主軸3的旋轉，係透過增速機構4提高到適合發電機5的轉速，傳遞到發電機5。以發電機5旋轉的方式所發電的電能，係藉由電力變換器8被整流，更進一步藉由變壓器9調整電壓，送到電力系統。此時，在發電機5、電力變換器8、變壓器9等，因為電流流動之際的損失，產生熱。而且，也在增速機構4中，產生的損失變成熱。

在本實施例的風力發電裝置中，有關發電機5、增速機構4的冷卻是採用水冷方式。亦即，藉由泵(未圖示)使冷卻水循環在發電機5、增速機構4以及散熱器(radiator)13之間，以把在發電機5、增速機構4所奪取的熱用設置在短艙6上游部之散熱器13散熱到外部氣體的方式，進行冷卻。

於圖2，表示本實施例1的風力發電裝置的短艙6及轂20部分的概略側視圖。風係從左側吹到右側，短艙6係從設置葉片1側的相反側受風。亦即，本風力發電裝置乃是葉片1位置在塔7的下游側之順風型。在短艙6的上風側，散熱器13被設置成，其吸入面朝向上風方向。有關散熱器13，係構成為：冷卻在發電機5或是增速機構4所產生的熱，流入有變成高溫的冷卻水，散熱到外部氣體。在散熱器13的上風側，設有吸氣口14，係開口成直接接納自然風。在散熱器13的下風側構成流路，係把通過散熱器的空氣的流動導引朝向短艙6下方，在短艙6下方向，設有使其空氣流出到外部之流路的出口也就是排氣口15。散熱器13係被設置成與流入的風對向，通過散熱器13的鰭片之間的風，被引導朝向排氣口15。

在短艙6的上風側，設有：把外部氣體導入到短艙6內的吸氣口14、從外部氣體去除鹽分的過濾器16、以及用於促進外部氣體導入的風扇17。藉由打開吸氣口14，使風扇17旋轉的方式，以把低溫的外部氣體導入到短艙6內進行換氣的方式，抑制短艙6內的高溫。為了不讓已導入之被包含在外部氣體的鹽分或濕分(hygroscopic water)對短艙6內的機器產生腐蝕，藉由該過濾器16去除鹽分，藉由短艙6內的除濕機18進行濕度管理。

如前述，轂20連結到旋轉主軸3，葉片1所捕捉到的風的能量係透過旋轉主軸3傳到增速機構4。本 風力發電裝置中，在旋轉主軸3的周圍設有把該旋轉主軸3內包之固定主軸21；該固定主軸21係介隔著架構19，相對於短艙6而靜止、固定。更進一步，固定主軸21被設置成，突出到轂20內部。接著，藉由設置在固定主軸21與轂20之間的軸承22，轂20係在可旋轉的狀態下藉由固定主軸21而被支撐著。經由達成本構成，因為葉片1或轂20的重量或風速分布產生有對旋轉主軸3作用有彎曲之負載；但關於這方面係固定主軸21負擔，有關對發電有貢獻的旋轉力矩係旋轉主軸3負擔，所謂的負載的分散支撐遂為可能，圖求風力發電裝置的主軸部分的高度可靠化。在另一方面，在所謂的轂內的空間這一點，與不具備固定主軸21的情況相比較，是變得比較狹窄。

在轂20中，內裝有：用於控制葉片1的槳距角的槳距致動器25、用於其之控制裝置(未圖示)、甚至於電池(未圖示)等。配合風速等的環境條件控制葉片1的槳距角，進行風的能量之有效率的回收、或者是在高風速時把葉片1設成順槳(讓風逸逃之槳距角的狀態)而減輕風負載等的槳距控制。

在本實施例的風力發電裝置，在該旋轉主軸3與該固定主軸21之間的間隙，把複數根的導管23從短艙6涵蓋到轂20而固定配置到固定主軸21；在導管23的短艙側端部，設有塞入或者是吸入的風扇24，在轂側的端部，通過設在固定主軸21的途中之開口而朝向固定主軸21的徑方向外側，向著該開口。利用塞入風扇24而流入 到導管23內之短艙6內的空氣，係在轂20內往固定主軸21的徑方向外側噴出。在風力發電裝置發電時，轂20正在旋轉的緣故，從被固定在固定主軸21進而短艙6側之導管23，空氣被噴出到相對於短艙6而進行相對的旋轉的轂20內。因此，被設置在轂20內之槳距致動器25或其控制設備、電池等，係旋轉移動進入到從導管23所噴出的空氣的流動之中。為此，即便是排氣處受限的導管23，也可以對冷卻對象也就是槳距致動器25或其控制設備、電池，直接吹到從短艙6所導入的空氣。尚且，假設即便在沒有直接吹到空氣的機器的情況下，但藉由轂20進行旋轉促進內部的空氣的循環的緣故，轂20內整體的氣溫容易保持均一，可以期待冷卻效果的提升。當然，如前述般，短艙6內的空氣係藉由過濾器16或除濕機18的效果而抑制鹽分、濕分的緣故，即便導入到轂20內，也不會增加設置於此的機器的腐蝕的風險。冷卻了轂20內的機器後的空氣，係從與吸入風扇24連接之其他的導管23被吸引，回到短艙6內。在本實施例，相對於短艙固定導管23，例如，尚未用到藉由轉子與短艙的相對的移動(旋轉)所產生的送風效果等。因此，可以減少在轂與短艙之間連通的流路面積，變成容易防止高濕度的外部氣體的浸入。

如以上所構成的轂20內的換氣冷卻，係不僅實現轂20內的機器的高度可靠且安定的運作，且把在突出到轂20內的固定主軸3、與旋轉主軸21之間所構成的 間隙作為換氣流路而靈活運用的緣故，再一次，不會讓轂20內的空間狹窄。把塞入、或者是吸入風扇24設在短艙6側，是考慮到狹小的轂20內的空間，但此乃是與轂20相比較相對上的空間而言，設在不像轂20那般的旋轉之短艙5側這一點從方便進行風扇24的保養的觀點來看也是為優點。

更進一步，藉由圖2中的導管23之中，把送空氣到轂側的導管設成延伸到短艙換氣用的風扇17的附近的方式，也可以把不會受到因短艙內的發熱體(發電機5、增速機構4等)所致之溫度上升之低溫的空氣直接送到轂側，在該情況下，沒有必要在該導管再設有用於把轂內予以換氣的風扇24。

〔實施例2〕

接著，使用圖3，說明有關本發明的第2實施例。尚且，風力發電裝置整體的構成本身係與第1實施例相同，省略重複說明。

圖3乃是把本發明的第2實施例中的旋轉主軸3及固定主軸21表示出直管部分之概略立體圖。與第1實施例不同的是，藉由從前述固定主軸21的內壁面朝向前述旋轉主軸3，並沿旋轉軸的方向延伸設置之複數個輪葉27，分割前述流路。以把已分割的流路的一部分(圖3中的上半部)作為從短艙6朝轂20送空氣之流路來使用，把殘餘的流路(圖3中的下半部)作為從轂20 到短艙6返回的流路來使用的方式，在第1實施例中為必要的導管23變成非必要。在旋轉主軸3與固定主軸21之間，用於容許旋轉主軸的旋轉運動的間隙是為必要的緣故，在其間隙中送到轂20的空氣、與從轂20返回的空氣的混合係無法避免，轂20的換氣冷卻的效率下降；但接近到旋轉主軸3設置導管23這一點是沒有必要的緣故，是可以迴避固定的導管23脫離而與旋轉主軸3接觸之風險。

〔實施例3〕

接著，使用圖4，說明有關本發明的第3實施例。尚且，風力發電裝置整體的構成本身係與第2實施例相同，省略重複說明。

圖4乃是表示本發明的第3實施例中的短艙6及轂20部分的概略側視圖。與第1實施例不同的是，在從轂20側到短艙6側不設有返回空氣的導管或流路，把從短艙6側流入到轂20內的空氣，透過設在轂的流路26，直接排出到外部。流路26，係從短艙內部朝向下風側做配置。在葉片1或轂20位置在短艙6的下游側之順風型的風力發電系統的情況下，位置在短艙6的上游側之外部氣體的導入口附近容易為高壓，位置在短艙6的下游之轂20周圍容易為負壓。更進一步，經由導入外部氣體到短艙6之風扇17的驅動，短艙6內成為正壓的緣故，可以平順地進行來自短艙6上游的空氣導入，並且，容易 構成所謂短艙6內、轂20內、轂20下游之壓力梯度，可以構成換氣空氣之自然的流動。而且，從轂20朝短艙6返回空氣的流路為非必要的緣故，從短艙6流動空氣到轂20的流路可以取的更大，也可以減低壓力損失。在本實施例係活用其效果，不設有第1、第2實施例中的導管23、或者是連接到流路的風扇24，也可以期待低成本化。而且，假設在設置風扇24的情況下也可以抑制其容量，對低成本化是可以有貢獻。特別是在本實施例，朝向下風側設有流路26的緣故，從上風側的吸氣口14進入的風變得容易透過流路26朝向下風側流動。

〔實施例4〕

接著，使用圖5，說明有關本發明的第4實施例。尚且，風力發電裝置整體的構成本身係與第3實施例相同，省略重複說明。

圖5乃是表示包含有本發明的第4實施例中的短艙6及轂20、葉片1的轉子部分的概略側視圖者。與第3實施例不同的是，轂20內部與葉片1內部連通，對轂20內換氣過的空氣通過葉片1內，從設在葉片的排氣口27流出到外部這一點。經由這樣的構成，利用作用在葉片1的離心力，可以引誘葉片1內的空氣、進而轂20內的空氣的換氣。為了讓作用在葉片1的離心力產生效果，排氣口27係考慮到希望位在旋轉半徑大的翼端附近，至少是大於翼長度的一半且靠翼端的話，在引誘換氣 空氣上可以看到優異的效果。經此，可以構成轂20內、葉片1內、外部之換氣空氣自然的流動。第3實施例同樣，從轂20朝向短艙6返回空氣的流路為非必要的緣故，從短艙6流動空氣到轂20的流路可以取的更大，也可以減低壓力損失。在本實施例係活用其效果，不設有第1、第2實施例中的導管23、或者是連接到流路的風扇24，也可以期待低成本化，在假設設置風扇24的情況下也可以抑制其容量，可以對低成本化有貢獻。

而且，在葉片1翼端附近有開口27的緣故，與轂6的距離為遠離的緣故，也在風力發電裝置停止的狀態下設置在轂20內的機器，可以期待避免掉因為多含有濕分、鹽分的外部氣體滲漏進來而促進腐蝕的事態現象。

〔實施例5〕

接著，使用圖6，說明有關本發明的第5實施例。尚且，風力發電裝置整體的構成本身係與第3實施例相同，省略重複說明。

圖6乃是表示本發明的第5實施例中的旋轉主軸3及固定主軸21的直管部分之概略剖視圖。與第3實施例不同的是，在前述旋轉主軸3設置鰭片29這一點。與旋轉主軸3的旋轉一起，鰭片29也旋轉，藉此，造成把短艙內的空氣送到轂內之送風。設在固定主軸21之流出孔28，係比鰭片29更位在下游側(轂側)，從此朝向轂內流入有來自短艙的空氣。本構成係以活用原本存 在之旋轉主軸3的旋轉的方式，不用為了轂內換氣再設置換氣用的風扇，是可以形成空氣流，假設即便在設有換氣用的風扇的情況下，也是可以抑制其容量，對低成本化可以有貢獻。

尚且，本實施例所示之構成，具體方面是使用具有鰭片29的旋轉主軸3之構成，也可以對前述其他的實施例適用。

〔實施例6〕

接著，使用圖7，說明有關本發明的第6實施例。尚且，風力發電裝置整體的構成本身係與第2實施例相同，省略重複說明。

圖7乃是表示本發明的第6實施例中的旋轉主軸3及固定主軸21的直管部分之概略剖視圖。與第2實施例不同的是，乃是如第5實施例所示，在前述旋轉主軸3設置鰭片29這一點，以及設置有把在固定主軸21與旋轉主軸3之間所構成的間隙更進一步分割在徑方向之略圓筒形的導引件31這一點。導引件31係被設置在比鰭片29更靠短艙側。藉由鰭片29的旋轉所形成的空氣流，係從短艙進入，首先沿旋轉主軸3的外壁面流動在被導引件31分隔的流路中的內徑側，通過鰭片29、流出孔28流入到轂內。冷卻過轂內的機器的空氣，係從被設在固定主軸21的流入孔30進入到固定主軸21內，沿固定主軸21的內壁面流動在被導引件31分隔的外徑側的流路，回到短 艙內。

根據本構成，對於把如實施例1乃至實施例2所示般的轂內予以冷卻過的空氣回到短艙內的構成的風力發電裝置，也與實施例5同樣，不用為了轂內換氣而再設置換氣用的風扇，是可以形成空氣流，假設即便在設有換氣用的風扇的情況下，也是可以抑制其容量，可以得到對低成本化有貢獻之效果。

以上，說明完了有關本發明的實施例，但上述所示的實施例終歸到底不過是個例子，並非用來限定發明內容。例如，對設置在陸上的風力發電裝置也可以適用本發明。而且，除了第3實施例所示之構成，也對葉片1或轂20配設在短艙6的上游之逆風型的風力發電裝置，是可以期待本發明所致之效果。

Claims (13)

1. 一種風力發電裝置，具備：轉子，係具備收納了控制設備的轂及用前述轂來支撐的葉片；短艙，係把前述轉子支撐成可旋轉；以及旋轉主軸，係被配置涵蓋到前述轂內及前述短艙內；形成連通前述轂內與前述短艙內之流路，前述流路被配置到前述旋轉主軸的徑方向外側，並且，相對於前述短艙而被固定；在前述轂內中的前述流路設有第1流出孔；經由導管形成複數個前述流路。
2. 如請求項1之風力發電裝置，其中，具備被配置在比前述流路更靠徑方向外側之固定主軸；前述第1流出孔係連通前述固定主軸的徑方向內側與徑方向外側。
3. 如請求項2之風力發電裝置，其中，把在前述固定主軸的內壁與前述旋轉主軸的外壁之間、而且延伸在前述旋轉主軸的軸方向的輪葉，具備複數個在前述旋轉主軸的圓周方向。
4. 如請求項1至3中任1項之風力發電裝置，其中，前述流路，係以涵蓋到前述轂內與前述短艙內做配置之導管所形成。
5. 如請求項1之風力發電裝置，其中，前述第1流出孔係被配置成，相對於前述轉子的旋轉軸，而朝向徑方向外側。
6. 如請求項1之風力發電裝置，其中，把塞入前述短艙內的空氣到前述流路之風扇、或是從前述流路吸入前述轂內的空氣之風扇之至少其中任何一個，具備在前述短艙內。
7. 如請求項1之風力發電裝置，其中，前述短艙具備取入前述短艙外的空氣之風扇。
8. 如請求項1之風力發電裝置，其中，前述轉子乃是位置在比前述短艙更靠下風側而進行發電的順風轉子，具有前述短艙的上風側開口之吸氣口。
9. 如請求項1之風力發電裝置，其中，前述轉子乃是位置在比前述短艙更靠下風側而進行發電的順風轉子，在前述轂具備連通前述轂內外之排氣口。
10. 如請求項9之風力發電裝置，其中，前述排氣口被配置成朝向下風側。
11. 如請求項1之風力發電裝置，其中，前述葉片內與前述轂內連通；在前述葉片的翼端部附近具備連通前述葉片內外之排氣口。
12. 如請求項1之風力發電裝置，其中，具備被設置在前述旋轉主軸之鰭片；在比前述鰭片更靠前述轉子側，設有前述第1流出孔。
13. 如請求項12之風力發電裝置，其中具備：導引件，係被配置在比前述鰭片更靠短艙側，把朝向前述鰭片之風的流動、與從前述鰭片遠離之風的流動，予以分離；以及第2流出孔，係連通：前述導引件中從前述鰭片遠離的風所連通的流路、與前述固定主軸的徑方向外側。