WO2011096080A1 - 風力発電装置 - Google Patents

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outside air
opening
tower
wind power
door
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一 村田
慎輔 佐藤
Original Assignee
三菱重工業株式会社
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/728—Onshore wind turbines

Definitions

  • the present invention relates to a wind power generator in which a cooling medium that cools a heating element inside a tower circulates through a cooling heat exchanger and absorbs heat by heat exchange with outside air.
  • a wind turbine generator is a device that generates power by a generator that is driven by rotating a rotor head provided with wind turbine blades by receiving wind force and increasing the speed of the rotation by a gearbox.
  • the rotor head described above is installed on a wind turbine tower (hereinafter referred to as “tower”) and attached to the end of a nacelle that can be yaw-turned so that it can rotate about a substantially horizontal lateral rotation axis. It is supported by.
  • the tower for wind turbines described above often adopts a steel monopole type using a cylindrical shell, and the base plate provided at the lower end of the shell plate is fixed to the reinforced concrete foundation with anchor bolts. It has a structure. Since such a wind power generator includes an electrical device such as a converter, it is necessary to cool the electrical device that is a heating element in order to continue stable operation.
  • Some conventional wind power generators include a cooling device that cools a heating medium such as an electric device by circulating a cooling medium, for example.
  • the cooling device described above includes, for example, a heat exchanger installed outside the tower as disclosed in Patent Document 1, and cools the cooling medium introduced into the heat exchanger by heat exchange with the outside air. It is configured as follows.
  • a cooling heat exchanger for exchanging heat between the cooling medium and the outside air in order to cool the electric device serving as a heating element and the cooling device. It is necessary to install an outside air circulation pipe for introducing outside air into the heat exchanger in the tower. And in order to install outside air circulation piping in a tower, it is necessary to provide an opening part in the shell plate which is a structural member of a tower. In addition, as the size of the wind power generator increases, the size of the electrical equipment increases and the amount of heat generation also increases, so the size of the heat exchanger for cooling and the piping for circulating outside air also increases.
  • the shell plate opening and shell plate provided for doors entering and exiting the tower are effectively used to form an outside air circulation space for introducing outside air to the cooling heat exchanger in the tower.
  • a wind turbine generator is desired.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to effectively use a shell plate opening and a shell plate provided for a door, and to cool a heat exchanger in a tower.
  • An object of the present invention is to provide a wind turbine generator having an outside air circulation space for introducing outside air.
  • a wind power generator according to the present invention is a monopole type in which a rotor head that receives wind power from a wind turbine blade rotates a generator installed inside a nacelle to generate power, and the nacelle is erected on a foundation.
  • the cooling medium that cools the heating element installed inside the tower circulates through the heat exchanger for cooling and absorbs heat by exchanging heat with the outside air.
  • the outside air circulation channel of the closed space provided with the outside air inflow opening and the outside air outflow opening communicating with the opening of the tower is formed in the tower inner space, and the cooling heat exchanger is installed inside the outside air circulation channel. It is a feature.
  • the outside air circulation channel of the closed space having the outside air inflow opening and the outside air outflow opening communicating with the opening of the shell plate is formed in the tower internal space, and the cooling heat exchanger is provided. Since it is installed inside the outside air circulation channel, the outside air circulation channel used for heat exchange of the cooling heat exchanger can be easily formed using the shell plate opening and the shell plate. And since the heat exchanger for cooling was installed in the inside of an outside air circulation channel, it becomes possible to cool a heating element efficiently using the low-temperature cooling medium absorbed by outside air.
  • the opening for circulating the outside air provided in the shell plate which is a strength member, can also be used as an opening such as a door opening. Therefore, the number of openings in the shell plate is minimized, and the opening is reinforced. The number of members can also be minimized.
  • the outside air circulation flow path is provided with a partition wall around the opening of the shell plate inside the tower, or created by the partition wall and the tower shell, or inside the tower It is preferable to provide a partition wall around the door opening of the shell plate, and to be created by the partition wall, the shell plate, and the tower inner floor plate.
  • the outside air inflow opening and the outside air outflow opening are formed on the partition wall of the recessed space that is formed so as to enter the inside from the opening and separates the tower internal space from the outside air.
  • the outside air inflow opening and the outside air outflow opening are opened inward from the wall surface of the tower, so that intrusion of rainwater or the like into the tower interior can be suppressed.
  • the floor surface forming member is used as a part of the outside air circulation channel, the member can be effectively used.
  • the door when a partition wall is provided around the door opening of the shell plate to create an outside air circulation channel, the door is attached to a position different from the outside air inflow opening or the outside air outflow opening of the partition wall. It is preferable that the degree of freedom for securing the required opening area can be increased.
  • the outside air inflow opening and the outside air outflow opening may be provided above and below a door attached to the door opening.
  • the shell plate opening and the shell plate for doors entering and exiting the tower are effectively used, and the outside air circulation for introducing the outside air to the cooling heat exchanger in the tower is used. Since a space can be formed, a heat exchanger for cooling is installed inside the outside air circulation flow path that becomes a closed space, and heat is absorbed from the cooling medium by heat exchange with the outside air circulating through the outside air circulation flow path to cool it. be able to. Therefore, it is possible to efficiently utilize the limited space in the tower and efficiently cool the heating element using the cooled low-temperature cooling medium.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view (a DD sectional view of FIG. 2) showing a peripheral structure of a door opening of a tower as a first embodiment of a wind turbine generator according to the present invention. It is AA sectional drawing of the wind power generator shown in FIG.
  • FIG. 2 is a BB cross-sectional view of the wind power generator shown in FIG. It is CC sectional drawing of the wind power generator shown in FIG.
  • FIG. 3 is an EE cross-sectional view of the wind turbine generator shown in FIG. 2.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the wind turbine generator shown in FIG.
  • FIG. 2 is a GG sectional view of the wind power generator shown in FIG. 2. It is a side view which shows the outline
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional view (a JJ sectional view of FIG. 10) showing a peripheral structure of a door opening of a tower as a second embodiment of the wind turbine generator according to the present invention.
  • FIG. 10 is an HH sectional view of the wind power generator shown in FIG. 9.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line II of the wind turbine generator illustrated in FIG. 9. It is KK sectional drawing of the wind power generator shown in FIG. It is LL sectional drawing of the wind power generator shown in FIG. It is MM sectional drawing of the wind power generator shown in FIG.
  • a wind turbine generator 1 shown in FIG. 8 includes a wind turbine tower (hereinafter referred to as “tower”) 2 erected on the foundation B, a nacelle 3 installed at the upper end of the tower 2, and a substantially horizontal lateral direction. And a rotor head 4 provided on the front end side of the nacelle 3 so as to be rotatable around the rotation axis of the nacelle 3.
  • tower wind turbine tower
  • nacelle 3 installed at the upper end of the tower 2
  • a substantially horizontal lateral direction and a rotor head 4 provided on the front end side of the nacelle 3 so as to be rotatable around the rotation axis of the nacelle 3.
  • a plurality of (for example, three) wind turbine blades 5 are attached to the rotor head 4 in a radial pattern around its rotational axis.
  • the force of the wind striking the wind turbine blade 5 from the direction of the rotation axis of the rotor head 4 is converted into power for rotating the rotor head 4 around the rotation axis.
  • a door 6 for entering and exiting the tower is provided.
  • An anemometer 7 for measuring the peripheral wind speed value, an anemometer 8 for measuring the wind direction, and the like are installed at appropriate positions (for example, the upper part) of the outer surface of the nacelle 3.
  • the rotor head 4 that receives wind power from the wind turbine blades 5 and rotates around a substantially horizontal rotation axis drives a generator (not shown) installed in the nacelle 3 to generate power.
  • the nacelle 3 is installed at the upper end of the tower 2 erected on the reinforced concrete foundation B so that the yaw can be turned.
  • the tower 2 shown in the figure is a steel monopole type, and a cylindrical tower having a required length (height) is secured by connecting a plurality of tower section flanges (not shown).
  • a heating element 30 such as an electric device (converter or the like) is installed inside the tower 2 as shown in FIGS.
  • the heating element 30 is installed on the floor plate 9 in the tower 2 provided continuously from the vicinity of the lower end of the door 6.
  • a cooling heat exchanger 40 is provided inside the tower 2 in order to cool the heating element 30 described above.
  • the cooling heat exchanger 40 is a heat exchanger that exchanges heat between a cooling medium (water, oil, or the like) that circulates through the heating element 30 and the outside air. That is, the cooling heat exchanger 40 is a heat exchanger that cools the low-temperature outside air introduced from the outside of the tower 2 by absorbing heat from the cooling medium whose temperature has been increased by cooling the heating element 30.
  • Reference numeral 41 in the drawing indicates forward and return refrigerant pipes through which the cooling medium circulates between the heating element 30 and the cooling heat exchanger 40.
  • the outside air circulation flow path 13 of the closed space provided with the outside air inflow opening 11 and the outside air outflow opening 12 communicating with the door opening 10 of the shell plate 2a which is a component of the tower 2 is provided in the tower 2.
  • the cooling heat exchanger 40 which is formed in the internal space, is installed in the outside air circulation channel 13.
  • symbol 2b in a figure is the reinforcing material provided in the circumference
  • the partition wall 14 is attached using the door opening 10 to form the recessed space 15 so as to enter the inside of the tower 2 from the door opening 10. That is, the door opening 10 has a vertically long rectangular shape (see FIG. 7) connected to the top and bottom of the rectangle (see FIG. 7), and enters the inside of the tower 2 from the door opening 10. Thus, a recessed space 15 is formed in which the surface of the shell plate 2a is opened.
  • the recessed space 15 is surrounded by a partition wall 14 having upper, lower, left and right side walls 14 a installed around the door opening 10 and a front (front surface) vertical wall 14 b facing the door opening 10.
  • the partition wall 14 of the door opening 10 includes a side wall 14a extending around the interior of the tower 2 so as to surround the door opening 10 and a side wall like the bottom plate. It is comprised with the vertical wall 14b of the tower inside front connected to the tower inside side edge part of 14a. Further, in this case, the vertical wall 14b is extended to the shell plate 2a at one end side (in the illustrated example, the right side when viewed from the front of the door opening 10), and the above-described closed space of the outside air circulation channel 13 is closed. It is used for formation.
  • the floor plate 9 is disposed below the center position in the vertical direction of the door opening 10. Therefore, in the following description, the upper part of the floor plate 9 of the door opening 10 is referred to as a door opening 10a as necessary.
  • the lower part of the floor plate 9 of the door opening 10 is an outside air inflow opening 11.
  • the door 6 is attached upward from the floor plate 9 of the vertical wall 14b of the partition plate 14 provided on the front surface (front surface) of the recessed space 15. That is, the door 6 is provided on the vertical wall 14 b of the partition plate 14.
  • Reference numeral 16 in the figure is a stair for moving up and down between the ground and the door 6, and a landing 16 a is provided at substantially the same height as the floor plate 9.
  • symbol 17 shown in FIG. 2 is the ladder for raising / lowering provided in the inside of the tower 2. As shown in FIG.
  • the above-described outside air circulation flow path 13 is formed so as to enter the outside air inflow opening 11 that opens to the lower side of the floor plate 9 of the door opening 10 and the door opening 10 so that the outside air can be passed through the tower interior space.
  • an outside air outflow opening 12 which opens to the partition wall 14 of the recessed space 15 separated from the outside.
  • the outside air outflow opening 12 opens at an upper portion of the side wall portion 14a on the right side when the door opening portion 10 is viewed from the front.
  • the outside air circulation channel 13 includes an outside air channel 13a which is a vertically closed space formed adjacent to the right side of the recessed space 15 when the door opening 10 is viewed from the front side.
  • An open air circulation opening 18 is formed at the lower end of the open air flow path 13a, and an open air outflow opening 12 is formed at the upper end.
  • the cooling heat exchanger 40 is installed on the bottom surface of the recessed space 15 below the floor plate 9. As a result, the cooling outside air is introduced into the recessed space 15 from the outside air inflow opening 11 of the door opening 10 partitioned by the floor plate 9, and the temperature of the outside air rises through the cooling heat exchanger 40. Thereafter, the air flows into the outside air flow path 13a from the outside air circulation opening 18, flows out from the outside air outflow opening 12 to the upper portion of the floor plate 9 in the recessed space 15, and is finally discharged from the door portion opening 10a to the atmosphere.
  • the outside air circulation channel 13 in this case includes a recessed space 15 below the floor plate 9, an outside air channel 13 a provided with the outside air circulation opening 18 and the outside air outflow opening 12, and a recessed space 15 above the floor plate 9. It is set as the structure which communicated. Therefore, the low-temperature outside air that has flowed from the outside air inflow opening 11 that communicates with the atmosphere passes through the cooling heat exchanger 40 installed on the bottom surface of the recessed section 15 and rises in temperature, and then the outside air flow from the outside air circulation opening 18. The air flows into the passage 13a, is added with the chimney effect, rises in the outside air passage 13a, and flows out from the outside air outflow opening 12 to the recessed space 15. Since the recessed space 15 in which the outside air outflow opening 12 opens communicates with the atmosphere through the door portion opening 10a, the outside air whose temperature has risen is naturally circulated through the outside air circulation passage 13 and discharged to the atmosphere. .
  • the outside air outflow opening 12 when the outside air outflow opening 12 is opened in the recessed space 15, it opens at a position retracted inward from the outer wall surface of the tower 2 formed by the shell plate 2 a, so Intrusion can be suppressed. Moreover, if the outside air inflow opening 11 is provided below the landing 16a at the entrance inside the tower, it is possible to suppress the intrusion of rainwater or the like into the inside of the tower 2. In addition, it is desirable to attach a louver or the like to the outside air inflow opening 11 and the outside air outflow opening 12.
  • the opening area of the outside air circulation opening 18 and the outside air outflow opening 12 to be opened in the side wall portion 14a can be freely set. That is, by attaching the door 6 to the partition wall 14 at a position different from the outside air circulation opening 18 and the outside air outflow opening 12, the degree of freedom for securing the opening area required on the outside air circulation flow path 13 side can be increased.
  • the outside air circulation channel 13 of the closed space including the outside air circulation opening 18 and the outside air outflow opening 12 communicating with the door opening 10 of the shell plate 2 a is used as the internal space of the tower 2. Since the cooling heat exchanger 40 is installed in the outside air circulation passage 13, the door opening 10 and the shell plate 2a provided in the shell plate 2a for entering and exiting the tower 2 are provided. It is possible to easily form the outdoor air circulation channel 13 that is used effectively and used for heat exchange of the cooling heat exchanger 40. In the above-described embodiment, the cooling heat exchanger 40 is disposed on the bottom surface of the recessed space 15, but is not particularly limited as long as it is a position where low-temperature outside air circulates. In addition, the functions (inflow and outflow of outside air) of the outside air flow inlet 11 and the outside air outflow opening 12 can be reversed.
  • the heat exchanger 40 for cooling was installed in the suitable place inside the external air circulation flow path 13, the heat generating body 30 can be efficiently cooled using the low-temperature cooling medium absorbed by the external air. Further, since the opening for circulating the outside air provided in the shell plate 2a, which is a strength member, is also used as the door opening 10, the number of openings of the shell plate 2a and the number of reinforcing members of the openings can be minimized. Further, since the floor plate 9 is used as a part of the outside air circulation channel 13, that is, the outside air inflow opening 11 is separated from the outside air outflow opening 12 side by the floor plate 9 and the landing 16a, so that the members can be used effectively. It is possible to prevent high-temperature outside air from being introduced from the outside air inflow opening 11 again.
  • positioning of the external air flow path 13a is not limited to the example of illustration, For example, you may arrange
  • arrangement of the outside air circulation opening 18 and the outside air outflow opening 12 is not limited to the configuration example shown in the figure, and can be optimized, for example, in the positional relationship with the outside air flow path 13a and the cooling heat exchanger 40. Good.
  • the outside air inflow opening 11 and the outside air outflow opening 12 are provided above and below the door 6 attached to the door opening 10. That is, the door 6 is attached to the door opening 10 a above the floor plate 9 of the door opening 10, and the outside air outflow opening 12 is formed in a substantially semi-elliptical portion remaining on the top of the door 6. Further, an outside air inflow opening 11 is formed by using a lower opening below the floor plate 9.
  • the outside air circulation passage 13 ⁇ / b> A has passage spaces 13 b formed behind the outside air inflow opening 11 and the outside air outflow opening 12 that open above and below the door 6.
  • the space 13b communicates with the outdoor air flow path 13a in the vertical direction, a substantially U-shaped cross-sectional shape is obtained when viewed from the front side of the door opening 10.
  • the cooling heat exchanger 40 in this case is installed in the flow path space 13 b below the floor plate 9 and behind the outside air inflow opening 11.
  • the above-described outside air circulation channel 13A is a closed space formed by the partition wall 14A.
  • the partition wall 14A in this case includes a side wall portion 14a attached to the upper and lower sides and the left and right sides (excluding the left middle portion in the illustrated example) so as to enter the inside from the door opening 10, and an end portion of the side wall portion 14a.
  • a ceiling plate 14c that separates the upper flow path space 13b from the space for entering and exiting through the door 6.
  • the floor plate 9 is used as the wall surface member separated from the space for entering and exiting through the door 6 in the lower flow path space 13b.
  • the side wall 14a attached to the door opening 10 on the left side when viewed from the front is removed by the height of the passage space formed by installing the door 6, and vertically
  • the remaining end portions are used as wall surface members that block the side surfaces of the flow path space 13b.
  • the cooling outside air is introduced into the flow path space 13b from the outside air inflow opening 11 that opens below the floor plate 9, and the outside air passes through the cooling heat exchanger 40 and rises in temperature. It flows into the outside air flow path 13a from the road space 13b. Further, the air flows from the outside air passage 13a into the upper passage space 13b, and is finally discharged to the atmosphere from the outside air outflow opening 12 of the door portion opening 10a.
  • the outside air circulation passage 13A in this case includes a passage space 13b having an outside air inflow opening 11 below the floor plate 9, an outside air passage 13a in the vertical direction, and an outside air outflow opening 12 above the floor plate 9.
  • the flow path space 13b communicates with each other.
  • the low-temperature outside air that has flowed from the outside air inflow opening 11 that communicates with the atmosphere passes through the cooling heat exchanger 40 installed in the lower passage space 13b, rises in temperature, and then flows into the outside air passage 13a. Then, the chimney effect is also added, the inside of the outside air flow path 13a is raised, and the air flows out to the atmosphere from the outside air outflow opening 12 opened in the upper flow path space 13b. That is, the low temperature outside air introduced from the outside air inflow opening 11 naturally circulates through the outside air circulation passage 13A, absorbs heat by the cooling heat exchanger 40, and is discharged to the atmosphere.
  • a closed space outside air circulation channel 13 ⁇ / b> A having an outside air inflow opening 11 and an outside air outflow opening 12 communicating with the door opening 10 of the shell plate 2 a is formed in the internal space of the tower 2. Since the cooling heat exchanger 40 is installed inside the outside air circulation channel 13A, the door opening 10 and the shell plate 2a provided in the shell plate 2a are effectively used to enter and exit the tower 2. It is possible to easily form the outdoor air circulation passage 13A used for heat exchange of the cooling heat exchanger 40. In the above-described embodiment, the cooling heat exchanger 40 is disposed in the lower flow path space 13b, but there is no particular limitation as long as the low-temperature outside air circulates. Moreover, the outside air inflow opening 11 and the outside air outflow opening 12 can also reverse their functions (outside air inflow and outflow).
  • the heat exchanger 40 for cooling was installed in the suitable place inside 13A of external air circulation flow paths, the heat generating body 30 can be efficiently cooled using the low-temperature cooling medium absorbed by external air. Further, since the opening for circulating the outside air provided in the shell plate 2a, which is a strength member, is also used as the door opening 10, the number of openings of the shell plate 2a and the number of reinforcing members of the openings can be minimized.
  • the floor plate 9 is used as a part of the outside air circulation flow path 13A, the members can be effectively used. Moreover, since the outside air inflow opening 11 for introducing the low temperature outside air and the outside air outflow opening 12 for discharging the outside air whose temperature has risen are separated by the floor plate 9 and the landing 16a, the high temperature outside air discharged from the outside air outflow opening 12 is separated. Can be prevented from being introduced again from the outside air inflow opening 11.
  • the cooling plate heat exchanger 40 in the tower 2 can be used effectively by utilizing the opening of the shell plate 2 a and the shell plate provided as the door opening 10.
  • the external air circulation channels 13 and 13A for introducing the external air into the air can be formed, and the cooling medium can be reliably cooled.
  • the limited space in the tower 2 can be effectively utilized.
  • a suction fan or an extrusion fan may be appropriately installed at appropriate positions of the above-described outside air circulation channels 13 and 13A.
  • this invention is not limited to embodiment mentioned above, In the range which does not deviate from the summary, it can change suitably.

Abstract

　ドア用開口部の開口及びシェルプレートを有効利用し、タワー２内の冷却用熱交換器４０に外気を導入するための外気循環流路１３を形成した風力発電装置を提供する。タワー２の内部に設置されている発熱体３０を冷却する冷却媒体が冷却用熱交換器４０を循環して外気との熱交換により吸熱される風力発電装置において、シェルプレート２ａのドア用開口部１０に連通する外気流入開口１１及び外気流出開口１２を備えた閉鎖空間の外気循環流路１３をタワー２の内部空間に形成し、冷却用熱交換器４０を外気循環流路１３の内部に設置した。

Description

風力発電装置
　本発明は、タワー内部の発熱体を冷却する冷却媒体が冷却用熱交換器を循環して外気との熱交換により吸熱される風力発電装置に関する。
　風力発電装置は、風車翼を備えたロータヘッドが風力を受けて回転し、この回転を増速機により増速するなどして駆動される発電機により発電する装置である。
　上述したロータヘッドは、風車用タワー（以下、「タワー」と呼ぶ）上に設置されてヨー旋回可能なナセルの端部に取り付けられ、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能となるように支持されている。
　一般的に、上述した風車用のタワーは、円筒形状のシェルを用いた鋼製モノポール式を採用する場合が多く、シェルプレートの下端部に設けたベースプレートを鉄筋コンクリートの基礎にアンカーボルトで固定する構造となっている。
　このような風力発電装置は、コンバータ等の電気機器を備えているので、安定した運転を継続するためには、発熱体である電気機器等を冷却する必要がある。
　従来の風力発電装置においては、電気機器等の発熱体を冷却するため、たとえば冷却媒体を循環させて冷却する冷却装置を備えたものがある。
　上述した冷却装置は、たとえば特許文献１に開示されているように、タワーの外部に設置した熱交換器を備えており、この熱交換器に導入した冷却媒体を外気との熱交換により冷却するように構成されている。
米国特許第７，１６８，２５１号明細書
　ところで、コンバータ等の電気機器を風力発電装置のタワー内に設置する場合には、発熱体となる電気機器を冷却するため、冷却媒体と外気とを熱交換させる冷却用熱交換器及びこの冷却用熱交換器に外気を導入する外気循環用配管をタワー内に設置することが必要となる。そして、外気循環用配管をタワー内に設置するためには、タワーの構造部材であるシェルプレートに開口部を設けることが必要となる。
　また、風力発電装置の大型化に伴い、電気機器類のサイズが大きくなって発熱量も増加するので、冷却用熱交換器及び外気循環用配管のサイズも大きくなる。
　一方、輸送等の制約条件があるためタワーの断面寸法には制限があり、従って、タワー内に占める冷却用設備の割合も風力発電装置の大型化とともに大きくなるので、タワー内にこれらの設備を収納することは困難な状況となっている。
　さらに、風力発電装置のタワーは、円筒形状のシェルを用いた鋼製モノポール式を採用することが多い。このような円形断面形状のタワーは、配管等をタワー内に配置する場合、タワー断面を有効に活用して配置することが難しくなる。
　このような背景から、タワー内へ出入りするドア用として設けられているシェルプレート開口及びシェルプレートを有効利用し、タワー内の冷却用熱交換器に外気を導入するための外気循環用空間を形成した風力発電装置が望まれている。
　本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ドア用として設けられているシェルプレート開口及びシェルプレートを有効利用し、タワー内の冷却用熱交換器に外気を導入するための外気循環用空間を形成した風力発電装置を提供することにある。
　本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
　本発明に係る風力発電装置は、風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドがナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルが基礎上に立設されたモノポール式タワーの上端部に設置されるとともに、タワー内部に設置されている発熱体を冷却する冷却媒体が冷却用熱交換器を循環して外気との熱交換により吸熱される風力発電装置において、シェルプレートの開口部に連通する外気流入開口及び外気流出開口を備えた閉鎖空間の外気循環流路をタワー内部空間に形成し、前記冷却用熱交換器を前記外気循環流路の内部に設置したことを特徴とするものである。
　このような風力発電装置によれば、シェルプレートの開口部に連通する外気流入開口及び外気流出開口を備えた閉鎖空間の外気循環流路をタワー内部空間に形成し、前記冷却用熱交換器を前記外気循環流路の内部に設置したので、シェルプレート開口及びシェルプレートを利用し、冷却用熱交換器の熱交換に使用する外気循環用流路を容易に形成することができる。そして、外気循環流路の内部に冷却用熱交換器を設置したので、外気により吸熱された低温の冷却媒体を用いて、発熱体を効率よく冷却することが可能となる。
　また、強度部材であるシェルプレートに設ける外気循環用の開口をドア用開口部等の開口部と兼用することが可能となり、従って、シェルプレートの開口数を最小限とし、さらに、開口部の補強部材数も最小限とすることができる。
　上記の発明において、前記外気循環流路は、タワー内部において前記シェルプレートの前記開口部の周囲に仕切壁を設け、該仕切壁及び前記タワーシェルにより創出されたものや、あるいは、タワー内部において前記シェルプレートのドア用開口部の周囲に仕切壁を設け、該仕切壁、前記シェルプレート及びタワー内床板により創出されたものが好ましい。
　このような外気循環流路とすれば、外気流入開口及び外気流出開口は、開口部から内側へ入り込むように形成されてタワー内部空間を外気から分離している凹部空間の仕切壁に設けられるため、外気流入開口及び外気流出開口がタワー壁面より内側に開口してタワー内部に対する雨水等の侵入を抑制できる。
　また、外気循環流路の一部に床面形成部材を用いたことにより、部材の有効利用が可能となる。
　上記の発明において、シェルプレートのドア用開口部の周囲に仕切壁を設けて外気循環流路を創出する場合、前記仕切壁の前記外気流入開口または外気流出開口と異なる位置にドアが取り付けられていることが好ましく、これにより、必要な開口面積確保の自由度を増すことができる。
　上記の発明において、前記外気流入開口及び前記外気流出開口は、前記ドア用開口部に取り付けたドアの上下に設けられたものでもよい。
　このような本発明の風力発電装置によれば、タワー内へ出入りするドア用のシェルプレート開口及びシェルプレートを有効利用し、タワー内の冷却用熱交換器に外気を導入するための外気循環用空間を形成することができるので、閉鎖空間となる外気循環流路の内部に冷却用熱交換器を設置し、外気循環流路を循環する外気との熱交換により冷却媒体から吸熱して冷却することができる。従って、タワー内の限られたスペースを有効活用し、冷却された低温の冷却媒体を用いて、発熱体を効率よく冷却することが可能になる。
本発明に係る風力発電装置の第１の実施形態として、タワーのドア開口部周辺構造を示す縦断面図（図２のＤ－Ｄ断面図）である。 図１に示した風力発電装置のＡ－Ａ断面図である。 図１に示した風力発電装置のＢ－Ｂ断面図である。 図１に示した風力発電装置のＣ－Ｃ断面図である。 図２に示した風力発電装置のＥ－Ｅ断面図である。 図２に示した風力発電装置のＦ－Ｆ断面図である。 図２に示した風力発電装置のＧ－Ｇ断面図である。 風力発電装置の概要を示す側面図である。 本発明に係る風力発電装置の第２の実施形態として、タワーのドア開口部周辺構造を示す縦断面図（図１０のＪ－Ｊ断面図）である。 図９に示した風力発電装置のＨ－Ｈ断面図である。 図９に示した風力発電装置のＩ－Ｉ断面図である。 図１０に示した風力発電装置のＫ－Ｋ断面図である。 図１０に示した風力発電装置のＬ－Ｌ断面図である。 図１０に示した風力発電装置のＭ－Ｍ断面図である。
　以下、本発明に係る風力発電装置のタワー内外気循環用の流路（管路）構造について、その一実施形態を図面に基づいて説明する。
　図８に示す風力発電装置１は、基礎Ｂ上に立設される風車用タワー（以下では「タワー」と呼ぶ）２と、タワー２の上端に設置されるナセル３と、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能に支持されてナセル３の前端部側に設けられるロータヘッド４とを有している。
　ロータヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚（たとえば３枚）の風車翼５が取り付けられている。これにより、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車翼５に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。
　タワー２の下端部付近には、タワー内へ出入りするためのドア６が設けられている。
　ナセル３の外周面適所（たとえば上部等）には、周辺の風速値を測定する風速計７や、風向を測定する風向計８等が設置されている。
　すなわち、風力発電装置１は、風車翼５に風力を受けて略水平な回転軸線周りに回転するロータヘッド４がナセル３の内部に設置された発電機（不図示）を駆動して発電するとともに、ナセル３が鉄筋コンクリート製の基礎Ｂ上に立設されたタワー２の上端部に設置されて、ヨー旋回可能とされる。
　なお、図示のタワー２は鋼製のモノポール式とされ、複数に分割したタワーセクションのフランジ（不図示）を接続することにより、必要な長さ（高さ）を確保した円筒タワーとなる。
＜第１の実施形態＞
　上述した風力発電装置１において、タワー２の内部には、図１から図７に示すように、たとえば電気機器類（コンバータ等）のような発熱体３０が設置されている。この発熱体３０は、ドア６の下端部付近から連続して設けられたタワー２内の床板９上に設置されている。
　また、上述した発熱体３０を冷却するため、タワー２の内部には冷却用熱交換器４０が設けられている。この冷却用熱交換器４０は、発熱体３０を通って循環する冷却媒体（水やオイル等）と外気とを熱交換させる熱交換器である。すなわち、冷却用熱交換器４０は、タワー２の外部から導入した低温の外気が、発熱体３０を冷却して温度上昇した冷却媒体から吸熱して冷却する熱交換器である。
　なお、図中の符号４１は、冷却媒体が発熱体３０と冷却用熱交換器４０との間を循環して流れる往路及び復路の冷媒配管を示している。
　さて、本実施形態では、タワー２の構成部材であるシェルプレート２ａのドア用開口部１０に連通する外気流入開口１１及び外気流出開口１２を備えた閉鎖空間の外気循環流路１３をタワー２の内部空間に形成し、上述した冷却用熱交換器４０を外気循環流路１３の内部に設置している。
　なお、図中の符号２ｂは、シェルプレート２ａに開口するドア開口部１０の周囲に設けた補強材である。
　図示の構成例では、ドア用開口部１０を利用して仕切壁１４を取り付けることにより、ドア用開口部１０からタワー２の内側へ入り込むようにして凹部空間１５が形成されている。すなわち、ドア用開口部１０は、外部正面から見て縦長となる長方形の上下に略半楕円形状を繋げた形状（図７参照）とされ、ドア用開口部１０からタワー２の内部へ入り込むようにして、シェルプレート２ａの面を開口させた凹部空間１５が形成されている。
　この凹部空間１５は、ドア開口部１０の周囲に設置した上下左右の側壁部１４ａと、ドア開口部１０に対向する正面（前方面）の縦壁部１４ｂとを備えた仕切壁１４によって囲まれた空間である。換言すれば、ドア用開口部１０の仕切壁１４は、ドア用開口部１０の周囲を取り囲むようにしてタワー２の内部空間へ向けて延在する側壁部１４ａと、底板のようにして側壁部１４ａのタワー内部側端部に接続されたタワー内部正面の縦壁１４ｂとにより構成されている。
　また、この場合の縦壁１４ｂは、一端部側（図示の例では、ドア開口部１０の正面から見て右側）がシェルプレート２ａまで延長されており、上述した外気循環流路１３の閉空間形成に利用されている。
　床板９は、ドア用開口部１０の上下方向中心位置より下方に配置されている。従って、以下の説明では、必要に応じてドア用開口部１０の床板９の上部をドア部開口１０ａと呼ぶ。また、ドア用開口部１０の床板９の下部は、外気流入開口１１となる。
　また、ドア６は、凹部空間１５の前面（正面）に設けられた仕切板１４の縦壁１４ｂの床板９から上方に取り付けられている。すなわち、ドア６は、仕切板１４の縦壁１４ｂに設けられている。
　図中の符号１６は、地面とドア６との間を昇降するための階段であり、床板９と略同一高さに踊り場１６ａが設けられている。
　また、図２に示す符号１７は、タワー２の内部に設けられた昇降用のラダーである。
　さて、上述した外気循環流路１３は、ドア開口部１０の床板９の下側に開口する外気流入開口１１と、ドア用開口部１０から内側へ入り込むように形成されて、タワー内部空間を外気から分離している凹部空間１５の仕切壁１４に開口する外気流出開口１２とを備えている。図示の構成例において、外気流出開口１２は、ドア用開口部１０を正面から見て右側となる側壁部１４ａの上部に開口している。
　また、外気循環流路１３は、ドア用開口部１０を正面側から見て、凹部空間１５の右側に隣接して形成された上下方向の閉鎖空間である外気流路１３ａを備えており、この外気流路１３ａの下端部に外気循環用開口１８が形成され、上端部に外気流出開口１２が形成されている。そして、冷却用熱交換器４０は、床板９より下方となる凹部空間１５の底面に設置されている。
　この結果、冷却用の外気は、床板９で仕切られたドア用開口部１０の外気流入開口１１から凹部空間１５内へ導入され、この外気が冷却用熱交換器４０を通過して温度上昇した後、外気循環用開口１８から外気流路１３ａに流入して外気流出開口１２から凹部空間１５内の床板９より上部へ流出し、最終的にはドア部開口１０ａから大気へ排出される。
　すなわち、この場合の外気循環流路１３は、床板９より下方の凹部空間１５と、外気循環用開口１８及び外気流出開口１２を備えた外気流路１３ａと、床板９より上方の凹部空間１５とが連通した構成とされる。
　従って、大気と連通する外気流入開口１１から流入した低温の外気は、凹部区間１５の底面に設置された冷却用熱交換器４０を通過して温度上昇した後、外気循環用開口１８から外気流路１３ａに流入し、煙突効果も加わり外気流路１３ａ内を上昇して外気流出開口１２から凹部空間１５へ流出する。そして、外気流出開口１２が開口する凹部空間１５は、ドア部開口１０ａを介して大気と連通しているので、温度上昇した外気は、外気循環流路１３を自然循環して大気へ排出される。
　このように、外気流出開口１２が凹部空間１５に開口していると、シェルプレート２ａにより形成されるタワー２の外壁面よりも内側に引っ込んだ位置に開口するので、タワー２の内部に対する雨水等の侵入を抑制することができる。また、外気流入開口１１をタワー内入口部の踊り場１６ａの下側とすれば、タワー２の内部への雨水等の侵入を抑制することができる。なお、外気流入開口１１及び外気流出開口１２には、ガラリ等を取り付けておくことが望ましい。
　また、図示の構成例では、ドア６を縦壁１４ｂに取り付けているので、側壁部１４ａに開口させる外気循環用開口１８及び外気流出開口１２の開口面積を自由に設定することができる。すなわち、仕切り壁１４に対し、外気循環用開口１８及び外気流出開口１２と異なる位置にドア６を取り付けることにより、外気循環流路１３側に必要な開口面積確保の自由度を増すことができる。
　このような風力発電装置１によれば、シェルプレート２ａのドア用開口部１０に連通する外気循環用開口１８及び外気流出開口１２を備えた閉鎖空間の外気循環流路１３をタワー２の内部空間に形成し、冷却用熱交換器４０を外気循環流路１３の内部に設置したので、タワー２の内部へ出入りするためにシェルプレート２ａに設けられているドア用開口部１０及びシェルプレート２ａを有効に利用し、冷却用熱交換器４０の熱交換に使用する外気循環用流路１３を容易に形成することができる。
　なお、上述した実施形態では、冷却用熱交換器４０を凹部空間１５の底面に配置しているが、低温の外気が循環する位置であれば特に限定されることはない。また、外気流入口１１と外気流出開口１２は、その機能（外気の流入及び流出）を逆とすることも可能である。
　そして、外気循環流路１３の内部適所に冷却用熱交換器４０を設置したので、外気により吸熱された低温の冷却媒体を用いて、発熱体３０を効率よく冷却することができる。
　また、強度部材であるシェルプレート２ａに設ける外気循環用の開口をドア用開口部１０と兼用するため、シェルプレート２ａの開口数及び開口部の補強部材数を最小限に抑えることができる。
　また、外気循環流路１３の一部に床板９を用いているので、すなわち、外気流入開口１１が床板９や踊り場１６ａにより外気流出開口１２側から分離されているので、部材を有効利用して高温の外気が再度外気流入開口１１から導入されることを防止できる。
　ところで、外気流路１３ａの配置は図示の例に限定されることはなく、たとえばドア用開口部の正面から見て左側に配置してもよい。
　また、外気循環用開口１８及び外気流出開口１２の配置についても、図示の構成例に限定されることはなく、たとえば外気流路１３ａや冷却用熱交換器４０との位置関係において最適化すればよい。
＜第２の実施形態＞
　続いて、本発明に係る風力発電装置について、第２の実施形態を図９から図１４に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　この実施形態では、外気流入開口１１及び外気流出開口１２がドア用開口部１０に取り付けたドア６の上下に設けられている。すなわち、ドア用開口部１０の床板９より上方のドア部開口１０ａにドア６を取り付け、ドア６の上部に残る略半楕円形状部分に外気流出開口１２を形成している。また、床板９の下方となる下部開口を利用して、外気流入開口１１を形成している。
　この場合の外気循環流路１３Ａは、たとえば図１３に示すように、ドア６の上下に開口する外気流入開口１１及び外気流出開口１２の後方に各々流路空間１３ｂが形成され、これらの流路空間１３ｂが鉛直方向の外気流路１３ａに連通することにより、ドア用開口部１０の正面側から見て略コ字状の断面形状となる。
　また、この場合の冷却用熱交換器４０は、床板９の下方でかつ外気流入開口１１の後方となる流路空間１３ｂ内に設置されている。
　上述した外気循環流路１３Ａは、仕切壁１４Ａにより形成された閉鎖空間である。この場合の仕切壁１４Ａは、ドア用開口部１０から内側へ入り込むようにして上下及び左右（図示の例では左側の中間部を除く）に取り付けられた側壁部１４ａと、側壁部１４ａの端部に接続された縦壁１４ｂと、ドア６を通って出入りするための空間から上部の流路空間１３ｂを分離する天井板１４ｃとにより構成されている。また、下部の流路空間１３ｂは、ドア６を通って出入りするための空間から分離する壁面部材として、床板９が用いられている。
　なお、図示の例において、正面から見て左側のドア用開口部１０に取り付けられる側壁部１４ａは、ドア６を設置して形成される通路用空間の高さ分だけ除去されており、上下に残る両端部側の部分が流路空間１３ｂの側面を塞ぐ壁面部材として利用されている。
　この結果、冷却用の外気は、床板９の下方に開口する外気流入開口１１から流路空間１３ｂの内部へ導入され、この外気が冷却用熱交換器４０を通過して温度上昇した後、流路空間１３ｂから外気流路１３ａに流入する。さらに、外気流路１３ａから上部の流路空間１３ｂに流入し、最終的にはドア部開口１０ａの外気流出開口１２から大気へ排出される。
　すなわち、この場合の外気循環流路１３Ａは、床板９より下方の外気流入開口１１を備えた流路空間１３ｂと、上下方向の外気流路１３ａと、床板９より上方の外気流出開口１２を備えた流路空間１３ｂとが連通した構成とされる。
　従って、大気と連通する外気流入開口１１から流入した低温の外気は、下部の流路空間１３ｂ内に設置された冷却用熱交換器４０を通過して温度上昇した後、外気流路１３ａに流入して煙突効果も加わり外気流路１３ａ内を上昇し、上部の流路空間１３ｂに開口する外気流出開口１２から大気へ流出する。すなわち、外気流入開口１１から導入される低温の外気は、外気循環流路１３Ａを通って自然循環し、冷却用熱交換器４０で吸熱してから大気へ排出される。
　このような風力発電装置１としても、シェルプレート２ａのドア用開口部１０に連通する外気流入開口１１及び外気流出開口１２を備えた閉鎖空間の外気循環流路１３Ａをタワー２の内部空間に形成し、冷却用熱交換器４０を外気循環流路１３Ａの内部に設置したので、タワー２の内部へ出入りするためにシェルプレート２ａに設けられているドア用開口部１０及びシェルプレート２ａを有効に利用し、冷却用熱交換器４０の熱交換に使用する外気循環用流路１３Ａを容易に形成することができる。
　なお、上述した実施形態では、冷却用熱交換器４０を下部の流路空間１３ｂ内に配置しているが、低温の外気が循環する位置であれば特に限定されることはない。また、外気流入開口１１と外気流出開口１２は、その機能（外気の流入及び流出）を逆にすることも可能である。
　そして、外気循環流路１３Ａの内部適所に冷却用熱交換器４０を設置したので、外気により吸熱された低温の冷却媒体を用いて、発熱体３０を効率よく冷却することができる。
　また、強度部材であるシェルプレート２ａに設ける外気循環用の開口をドア用開口部１０と兼用するため、シェルプレート２ａの開口数及び開口部の補強部材数を最小限に抑えることができる。
　また、外気循環流路１３Ａの一部に床板９を用いているので、部材の有効利用が可能となる。しかも、低温の外気を導入する外気流入開口１１と、温度上昇した外気を排出する外気流出開口１２とが床板９及び踊り場１６ａにより分離されているので、外気流出開口１２から排出された高温の外気が再度外気流入開口１１から導入されることを防止できる。
　このように、上述した本発明の風力発電装置１によれば、ドア用開口部１０として設けられているシェルプレート２ａの開口及びシェルプレートを有効利用し、タワー２内の冷却用熱交換器４０に外気を導入するための外気循環流路１３，１３Ａを形成し、冷却媒体の冷却を確実に行うことができる。
　また、シェルプレート２ａを利用してタワー２内の外気循環用空間を創出するため、タワー２内の限られたスペースを有効活用することができる。
　また、上述した外気循環流路１３，１３Ａの適所には、換気及び冷却を促進するため、吸引ファンや押出ファンを適宜設置してもよい。
　なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
　　１　　風力発電装置
　　２　　風車用タワー
　　２ａ　　シェルプレート
　　２ｂ　　シェルプレートの開口補強材
　　３　　ナセル
　　４　　ロータヘッド
　　５　　風車翼
　　６　　ドア
　　９　　床板
　１０　　ドア用開口部
　１０ａ　　ドア部開口
　１１　　外気流入開口
　１２　　外気流出開口
　１３，１３Ａ　　外気循環流路
　１３ａ　　外気流路
　１３ｂ　　流路空間
　１４，１４Ａ　　仕切壁
　１４ａ　　側壁部
　１４ｂ　　縦壁
　１４ｃ　　天井板
　１５　　凹部空間
　１６　　階段
　１６ａ　　タワー内入口部の踊り場
　１７　　タワー内昇降用梯子
　１８　　外気循環用開口
　３０　　発熱体
　４０　　冷却用熱交換器
　４１　　冷媒配管
　　Ｂ　　基礎
 

Claims (5)

  1. 　風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドがナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルが基礎上に立設されたモノポール式タワーの上端部に設置されるとともに、タワー内部に設置されている発熱体を冷却する冷却媒体が冷却用熱交換器を循環して外気との熱交換により吸熱される風力発電装置において、
    　シェルプレートの開口部に連通する外気流入開口及び外気流出開口を備えた閉鎖空間の外気循環流路をタワー内部空間に形成し、前記冷却用熱交換器を前記外気循環流路の内部に設置したことを特徴とする風力発電装置。
  2. 　前記外気循環流路は、タワー内部において前記シェルプレートの前記開口部の周囲に仕切壁を設け、該仕切壁及び前記シェルプレートにより創出されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
  3. 　前記外気循環流路は、タワー内部において前記シェルプレートのドア用開口部の周囲に仕切壁を設け、該仕切壁、前記シェルプレート及びタワー内床板により創出されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
  4. 　前記仕切壁の前記外気流入開口または外気流出開口と異なる位置にドアが取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置。
  5. 　前記外気流入開口及び前記外気流出開口が前記ドア用開口部に取り付けたドアの上下に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置。
     
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