WO2013021487A1

WO2013021487A1 - 風力発電装置

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Publication number: WO2013021487A1
Application number: PCT/JP2011/068283
Authority: WO
Inventors: 悠明石; 松尾　毅; 慎輔佐藤; 拓郎亀田
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2013-02-14
Also published as: JP5449523B2; US8632303B2; JPWO2013021487A1; US20120148407A1; EP2584195A1; EP2584195A4; KR20130040947A; EP2584195B1; CN103052797A

Abstract

タワーやナセル内の熱発生源をより効果的に冷却しうる風力発電装置を提供することを目的とする。風力発電装置１は、タワー２と、少なくとも一枚のブレード６Ａと、ブレード６Ａを支持するハブ６Ｂと、タワー２によって支持されるナセル４とを備える。ナセル４の壁面には、吸気口４２および排気口４４を有するダクト部４０が一体的に形成される。ダクト部４０内には熱交換器５０が設けられ、該熱交換器５０では、吸気口４２からダクト部４０内に取り込まれた外気との熱交換によって、タワー２及びナセル４の少なくとも一方の内部における熱発生源を冷却媒体で冷却した後の冷却媒体を冷却する。ナセル４の壁面は、ダクト部４０が設けられた領域において、内側壁面４６と外側壁面４８とからなる二重構造になっている。また、ダクト部４０の底面を構成するナセル４の内側壁面４６は、ハブ６Ｂから遠くなるにつれてナセル４の中心線に向かって内側に湾曲する湾曲部４７を有する。そして、ダクト部４０は、少なくとも湾曲部４７が設けられた範囲において、吸気口４２側から排気口４４側に向かって断面積が増大するように形成されている。

Description

風力発電装置

　本発明は、タワーやナセル内における熱発生源（例えば、発電機、油圧トランスミッション、変圧器、コンバータ、制御盤等）の冷却機能を備えた風力発電装置に関する。

　近年、地球環境の保全の観点から、再生可能エネルギーの一つである風力を利用した風力発電装置の普及が進んでいる。風力発電装置は、発電効率を向上させるために大型化が進められている。特に、洋上に設置される風力発電装置は、陸上に設置される風力発電装置に比べて建設コストが高くなりがちであるから、大型化によって発電効率を向上させて、採算性を改善することが求められる。

　ところが、風力発電装置の大型化により発電機の出力が増加すると、発電機からの熱損失も大きくなる。また、油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションによってロータの回転を発電機に伝達するようにした風力発電装置では、発電機の熱損失に加えて、油圧トランスミッションからの熱損失も考慮しなければならない。そのため、発電機や油圧トランスミッション等の熱発生源の冷却機能を備えた風力発電装置の開発が望まれる。

　この点、特許文献１には、コンバータや、変圧器や、制御装置を冷却するための冷却システムを備えた風力発電装置が記載されている。この冷却システムは、タワー外周面に取り付けられた複数の熱交換器を有し、該熱交換器において、コンバータや、変圧器や、制御装置を冷却した後の冷却媒体を大気と熱交換させるようになっている。

　また、特許文献２には、複数のデバイス（コンバータ、変圧器、軸受箱、発電機等）を冷却するための風力発電装置用の冷却装置が記載されている。この冷却装置は、複数のデバイスを冷却した後の冷却水を、タワーやナセルの外壁に取り付けられた熱交換器によって冷却するようになっている。

　また、特許文献３及び４には、増速機や発電機等の熱発生源を収納したナセル内を換気するための吸気口及び排気口をナセルに設けた風力発電装置が記載されている。これらの風力発電装置では、吸気口から外気を取り入れ、この外気を排気口から排出することで、ナセル内が換気され、ナセル内の温度上昇を防止するようになっている。

欧州特許出願公開第１７９８４１４号明細書欧州特許出願公開第２００７１８４号明細書特開２００８－２８６１１５号公報特開２０１０－３１７２２号公報

　しかしながら、風力発電装置の大型化に伴い、熱発生源からの放熱量はますます増加する傾向にある。そのため、特許文献１～４に記載の風力発電装置では、冷却能力が十分に得られないことがある。

　本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、タワーやナセル内の熱発生源をより効果的に冷却しうる風力発電装置を提供することを目的とする。

　本発明に係る風力発電装置は、タワーと、少なくとも一枚のブレードと、前記ブレードを支持するハブと、前記タワーによって支持され、吸気口および排気口を有するダクト部が壁面に一体的に形成されたナセルと、前記ダクト部内に設けられて、前記吸気口から前記ダクト部内に取り込まれた外気との熱交換によって、前記タワー及び前記ナセルの少なくとも一方の内部における熱発生源を冷却した後の冷却媒体を冷却する熱交換器とを備える。前記ナセルの壁面は、前記ダクト部が設けられた領域において、内側壁面と外側壁面とからなる二重構造になっている。また、前記ダクト部の底面を構成する前記ナセルの内側壁面は、前記ハブから遠くなるにつれて前記ナセルの中心線に向かって内側に湾曲する湾曲部を有する。そして、前記ダクト部は、少なくとも前記湾曲部が設けられた範囲において、前記吸気口側から前記排気口側に向かって断面積が増大するように形成されている。
　なお、冷却媒体が「熱発生源を冷却」するとは、熱発生源を冷却媒体で直接又は間接的に冷却することを意味し、熱発生源と冷却媒体とを直接的に熱交換させる場合だけでなく、熱発生源と冷却媒体との間に他の冷媒を介在させて熱発生源を冷却媒体で間接的に冷却する場合も含む。
　また、「ナセルの中心線」とは、ハブ側からナセル後端側に向かう方向に沿った略水平な直線であり、ナセルの高さ方向及び幅方向の略中央の位置を通る直線をいう。

　上記風力発電装置によれば、ダクト部の底面を構成するナセル内側壁面に、ハブから遠くなるにつれてナセルの中心線に向かって内側に湾曲した湾曲部を設けたので、ダクト部の外側への張り出しを抑制しながら、ダクト部の断面積を吸気口側から排気口側に向かって増大させることができる。このようにダクト部の外側への張り出しが抑制されるため、ダクト部が風（外気の流れ）から受ける力が小さくなり、ダクト部の補強を簡素化できる。また、ダクト部の断面積が吸気口から排気口に向かって増大するので、ディフューザ効果によって、より多くの外気がダクト部に取り込まれるようになる。よって、熱交換器において冷却媒体から外気に移動する熱量が増えて、熱発生源の冷却を効果的に行うことができる。
　なお、ディフューザ効果によってダクト部への吸気量が増大する理由は以下のとおりである。すなわち、ダクト部を流れる外気は、ダクト部の断面積が増大する部分（ディフューザ部）において、速度が十分に低減された後に排気口から排出される。そのため、排気口周辺における外気の流れの乱れが抑制されてスムーズな流れになり、ダクト部内における空気流量を向上させることができる。

　上記風力発電装置において、前記熱交換器は、前記ナセルの上面および側面に一体的に形成された前記ダクト部内に複数設けられていてもよい。
　このように、ナセルの上面および側面に一体的に形成されたダクト部内に熱交換器を複数設けることで、ナセルの上面および側面の表面積を有効活用し、熱発生源から発熱した大量の熱を大気側に効果的に放出することができる。また、単一の熱交換器だけで冷却媒体の冷却を行うのではなく、複数の熱交換器に分割して設けることで、各熱交換器をコンパクトに構成することができる。そのため、各熱交換器をナセル中心軸に近い位置でダクト内に保持することが可能になり、構造強度上も有利になり、補強を最小限にできる。

　上記風力発電装置において、前記ダクト部の前記吸気口側の端部は、前記ナセルの中心線に沿って設けられていることが好ましい。
　ハブ側からナセル後端側に向かう外気の流れは、基本的にナセル中心線に沿っているため、ダクト部の吸気側の端部をナセル中心線に沿わせることで、ダクト部内への外気の取り込みが促進される。よって、熱交換器における熱交換量がさらに増加し、熱発生源の冷却をより効果的に行うことができる。

　上記風力発電装置は、前記ダクト部内への外気の取り込み量を増大させるファンと、前記ファンおよび前記熱交換器の両方を収納するケーシングとをさらに備え、少なくとも前記熱交換器、前記ファンおよび前記ケーシングからなるモジュールが複数設けられていてもよい。
　このように、ダクト部内への外気の取り込み量を増大させるファンを設けることで、熱交換器における熱交換量がさらに増加し、熱発生源の冷却をより効果的に行うことができる。
　また、少なくとも、ファン及び熱交換器と、該ファン及び熱交換器を収納するケーシングとを構成要素とした複数のモジュールを用いることで、風力発電装置（特に、熱発生源の冷却システム）の生産性及びメンテナンス性を向上させることができる。すなわち、モジュール化によって風力発電装置の組み立てが容易となり、生産性が向上する。しかも、万が一、熱交換器やファンが故障しても、故障部分を含むモジュールごと交換することで、メンテナンスを容易に行うことができる。さらに、想定される熱発生源からの発熱量に応じてモジュールの個数を変更すれば、熱発生源からの発熱量が異なる複数機種の風力発電装置の生産を効率的に行うことができる。
　なお、「モジュール」とは共通化された部品単位を意味し、モジュール同士は基本的に同一の形状及び構造を有するが、製作上の誤差を含めて多少の差異があってもよい。

　上記モジュール化を行う場合、複数の前記モジュールは、前記ナセルの上面および側面に一体的に形成された前記ダクト部内に設けられていてもよい。
　このように、ナセルの上面および側面に一体的に形成されたダクト部内に前記モジュールを複数設けることで、各モジュールをナセル中心軸に近い位置で保持して構造強度上のメリットを享受しつつ、熱発生源から発熱した大量の熱を大気側に効果的に放出することができる。

　また、上記モジュール化を行う場合、上記風力発電装置は、作動状態の前記ファンの個数を変化させて、各モジュールの前記熱交換器において外気が前記冷却媒体から奪う熱量を調節するコントローラをさらに備えていてもよい。
　あるいは、上記風力発電装置は、前記ダクト部に設けられたシャッターと、前記シャッターの開閉により、各モジュールの前記熱交換器において外気が前記冷却媒体から奪う熱量を調節するコントローラとをさらに備えていてもよい。
　あるいは、上記風力発電装置は、前記ファンの回転数を変化させて、各モジュールの前記熱交換器において外気が前記冷却媒体から奪う熱量を調節するコントローラをさらに備えていてもよい。
　このように、作動状態のファンの個数、シャッターの開閉状態、又はファンの回転数をコントローラにより変化させて、熱交換器における熱交換量を調節することで、熱交換器を出て熱発生源の冷却に再び用いられる冷却媒体の温度を適切な範囲に維持して、熱発生源の冷却を適度に行うことができる。
　特に、油圧トランスミッションを用いた風力発電装置において、油圧トランスミッションの作動油を冷却媒体で冷却する場合、冷却媒体の温度が低すぎると、作動油の冷却が過剰になって、作動油の粘度が上限値を超えてしまう。そして、作動油の粘度が上限値を超えると、油圧トランスミッションにおける損失が大きくなり、発電効率が著しく低下する。そのため、上述した手法のいずれかによって熱交換器における熱交換量を調節して、冷却媒体の温度を適切な範囲に維持すれば、作動油の粘度上昇による油圧トランスミッションの損失を抑制できる。

　また上記風力発電装置において、前記ダクト部の上面を構成する前記ナセルの外側壁面は、前記ダクト部の底面に沿って湾曲していてもよい。
　このように、ダクト部の上面を構成するナセル壁面（ナセル外側壁面）を、ダクト部の底面に沿わせることで、断面積拡大は維持してディフューザ効果を保ちながらナセル外部流れにおける渦を防ぐ事ができる。

　上記風力発電装置は、前記ハブに連結された主軸と、前記主軸によって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される高圧の作動油によって駆動される油圧モータと、前記油圧モータに連結される発電機と、前記油圧ポンプおよび前記油圧モータに接続され、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの間で前記作動油を循環させるオイルラインと、前記オイルラインを流れる前記作動油を冷却するオイルクーラと、前記発電機を冷却する発電機クーラとを備え、前記オイルクーラおよび前記発電機クーラに、前記熱交換器で冷却された前記冷却媒体を供給するようになっていてもよい。
　油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションを備えた風力発電装置の場合、主な熱発生源は油圧トランスミッション（オイルラインを循環する作動油）および発電機である。そこで、上述の熱交換器で冷却された冷却媒体をオイルクーラ及び発電機クーラに供給することで、これらの熱発生源から発生した熱を効果的に除去できる。

　このように、油圧トランスミッションを備えた風力発電装置においてオイルクーラ及び発電機クーラに冷却媒体を供給する場合、上記風力発電装置は、前記ナセル内に設けられ、前記ナセル内の空気を冷却するナセル冷却器をさらに備え、前記ナセル冷却器に、前記熱交換器で冷却された前記冷却媒体を供給するようになっていてもよい。
　これにより、オイルラインを循環する作動油および発電機から発生した熱を除去することに加えて、ナセル内の空気を効果的に冷却できる。

　さらに、油圧トランスミッションを備えた風力発電装置においてオイルクーラ、発電機クーラ及びナセル冷却器に冷却媒体を供給する場合、この風力発電装置は、前記オイルラインにおける前記作動油の温度、前記発電機の温度、前記ナセル内における空気温度および前記冷却媒体の温度の少なくとも一つに基づいて、前記オイルクーラ、前記発電機クーラ、前記ナセル冷却器および前記熱交換器の少なくとも一つにおける熱交換量を調節するコントローラをさらに備えていてもよい。
　これにより、オイルクーラ、発電機クーラ、ナセル冷却器、熱交換器等における熱交換量の調節によって、作動油の温度、発電機温度、ナセル内空気温度、冷却媒体温度等を制御することができる。

　あるいは、油圧トランスミッションを備えた風力発電装置においてオイルクーラ、発電機クーラ及びナセル冷却器に冷却媒体を供給する場合、この風力発電装置は、前記ダクト部内への外気の取り込み量を増大させるファンと、前記ファンおよび前記熱交換器の両方を収納するケーシングとをさらに備え、少なくとも前記熱交換器、前記ファンおよび前記ケーシングからなるモジュールが複数設けられており、前記オイルラインにおける前記作動油の温度、前記発電機の温度、前記ナセル内における空気温度および前記冷却媒体の温度の少なくとも一つに基づいて、各モジュールの前記ファン及び前記熱交換器を制御するコントローラをさらに備えていてもよい。
　これにより、各モジュールのファン及び熱交換器の制御（例えば、ファンの作動台数制御、ファンの回転数制御、熱交換器における冷却媒体の流量制御）によって、作動油の温度、発電機温度、ナセル内空気温度、冷却媒体温度等を調節することができる。

　上記風力発電装置において、前記冷却媒体は、不凍液が添加された水または空気であってもよい。
　冷却媒体として一般的な気体（空気など）よりも比熱の大きい水を用いることで、冷却媒体の必要循環量を少なくし、冷却システムのコンパクト化を図ることができる。また、不凍液の添加により、外気温が氷点下になっても、冷却媒体（水）の凍結による冷却システムの故障を防止できる。
　一方、冷却媒体として空気を用いることで、扱いが楽になり通常の環境で容易得る事ができる。

　また上記風力発電装置において、前記ダクト部の上面を構成する前記ナセルの外側壁面は、前記排気口側において、前記ナセルの中心線から遠ざかる方向に外側に屈曲または湾曲していることが好ましい。
　このように、ダクト部の上面を構成するナセルの外側壁面の吸気口側を外側に屈曲または湾曲させることで、上述のディフューザ効果に加えて、次の理由からダクト部への外気の取り込み量が増大する。
　すなわち、ナセルの外側壁面に沿ってダクト部の外側を流れる空気は、ナセル外側壁面の外側に屈曲または湾曲した部分において流路面積が縮小するために加速されて動圧が上昇し、その分だけ静圧が低下する。そのため、ナセル外側壁面の屈曲または湾曲した部分の後流側における圧力（静圧）は低くなる。しかも、上記屈曲または湾曲した部分においてナセル外側壁面が不連続に外側に拡大している場合、この部分の後流側に渦が発生するため、このことによってもその領域における圧力が低下する。したがって、上述のディフューザ効果に加えて、ナセル外側壁面の外側に屈曲または湾曲した部分の後流側の低い圧力によってより多くの外気をダクト部内に引き込むことができる。

　本発明では、ダクト部の底面を構成するナセル内側壁面に、ハブから遠くなるにつれてナセルの中心線に向かって内側に湾曲した湾曲部を設けたので、ダクト部の外側への張り出しを抑制しながら、ダクト部の断面積を吸気口から排気口に向かって増大させることができる。このようにダクト部の外側への張り出しが抑制されることから、風（外気の流れ）からダクト部が受ける力が小さくなり、ダクト部の補強を簡素化できる。また、ダクト部の断面積が吸気口から排気口に向かって増大するので、ディフューザ効果によって、ダクト部により多くの外気が取り込まれるようになる。よって、熱交換器において冷却媒体から外気が奪う熱量が増えて、熱発生源の冷却を効果的に行うことができる。

第１実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示す図である。冷却媒体を冷却するための熱交換器が複数設けられた冷却媒体循環路の構成例を示す図である。冷却媒体を冷却するための熱交換器が複数設けられた冷却媒体循環路の他の構成例を示す図である。ナセルのダクト部の詳細構造の一例を示す図であり、（Ａ）はナセルの構成例を示す一部断面斜視図であり、（Ｂ）は図４（Ａ）におけるＹＺ平面に沿ったナセルの断面図である。第２実施形態に係る風力発電装置のダクト部周辺の構成を示す図である。コントローラによりファンの回転数制御を行う様子を示す図である。コントローラによりファンの稼働状態制御を行う様子を示す図である。熱交換器、ファン及びケーシングの組み合わせからなるモジュールを示す一部断面斜視図である。第３実施形態に係る風力発電装置のダクト部周辺の構成を示す図である。コントローラによりシャッターの開閉制御を行う様子を示す図である。第４実施形態に係る風力発電装置のダクト部周辺の構成を示す図である。

　以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示す図である。同図に示す風力発電装置１は、主として、タワー２と、タワー２に支持されるナセル４と、風のエネルギーによって回転するロータ６とを備える。
　なお、図１には、風力発電装置１として海面ＳＬ上に設置される洋上風力発電装置を例示しているが、風力発電装置１は陸上に設置されていてもよい。

　ロータ６は、少なくとも一枚（例えば３枚）のブレード６Ａと、該ブレード６Ａを支持するハブ６Ｂとで構成される。ハブ６Ｂは、ナセル４内に収納された主軸５に連結されている。これにより、ブレード６Ａが風を受けてロータ６が回転すると、ハブ６Ｂに連結された主軸５も回転するようになっている。

　ナセル４内には油圧トランスミッション１０及び発電機２０が収納されている。油圧トランスミッション１０は、主軸５に連結された油圧ポンプ１２と、発電機２０に連結された油圧モータ１４と、油圧ポンプ１２及び油圧モータ１４間に設けられるオイルライン１６とを有する。オイルライン１６は、油圧ポンプ１２の吐出側と油圧モータ１４の吸込側とを接続する高圧油ライン１６Ａ、および、油圧ポンプ１２の吸込側と油圧モータ１４の吐出側とを接続する低圧油ライン１６Ｂにより構成されている。

　油圧ポンプ１２は、主軸５によって駆動されて高圧の作動油を生成する。この高圧の作動油は、高圧油ライン１６Ａを介して油圧モータ１４に供給され、該高圧の作動油によって油圧モータ１４が駆動される。このとき、油圧モータ１４に連結された発電機２０が駆動され、発電機２０において電力が生成される。油圧モータ１４から吐出された作動油は、低圧油ライン１６Ｂを介して油圧ポンプ１２に供給され、油圧ポンプ１２において再び昇圧されて油圧モータ１４に送られる。

　低圧油ライン１６Ｂには、作動油を冷却するためのオイルクーラ１８が低圧油ライン１６Ｂと並列に接続されている。すなわち、低圧油ライン１６Ｂから分岐し、再び低圧油ライン１６Ｂに合流する並列ライン１７にオイルクーラ１８が設けられている。オイルクーラ１８では、並列ライン１７を流れる作動油が、後述の冷却媒体循環路３０を流れる冷却媒体と熱交換されて冷却されるようになっている。なお、並列ライン１７における作動油の流量は、作動油の温度を適切な範囲に維持するためにバルブ１９の開度によって調節可能である。

　また、発電機２０には、発電機２０を冷却するための発電機クーラ２２が設けられている。発電機クーラ２２は、例えば発電機２０の周囲に設けられた冷却ジャケットとして構成される。発電機クーラ２２では、後述の冷却媒体循環路３０から供給される冷却媒体との熱交換によって発電機２０を冷却するようになっている。

　冷却媒体循環路３０は、風力発電装置１の熱発生源の冷却を行うための冷却媒体を循環させる流路である。本実施形態では、風力発電装置１の熱発生源として、ナセル４内に収納された油圧トランスミッション１０及び発電機２０を例に挙げて説明する。
　冷却媒体循環路３０を循環する冷却媒体には、任意の液体又は気体からなる冷媒を用いることができ、例えば不凍液を添加した水や空気を用いてもよい。中でも、冷却媒体として一般的な気体（空気など）に比べて比熱の大きい水を用いることで、冷却媒体の必要循環量を少なくできる。また、不凍液の添加により、外気温が氷点下になっても、冷却媒体（水）の凍結による冷却システムの故障を防止できる。

　オイルクーラ１８及び発電機クーラ２２に冷却媒体を供給する冷却媒体循環路３０は、閉ループの冷媒回路として構成され、ナセル４内に収納されている。冷却媒体循環路３０には、オイルクーラ１８及び発電機クーラ２２以外にも、ナセル４内の空気を冷却するためのナセル冷却器３２が設けられている。

　ナセル冷却器３２は、ファン及び伝熱管群を備えたファン付き熱交換器として構成される。ナセル冷却器３２では、ファンにより吸い込んだ（あるいは押し込んだ）ナセル４内の空気が、冷却媒体循環路３０から伝熱管群に供給された冷却媒体と熱交換されて冷却されるようになっている。これにより、風力発電装置１の熱発生源からの放熱によって昇温されたナセル４内の空気を効果的に冷却できる。

　冷却媒体循環路３０のオイルクーラ１８及び発電機クーラ２２の下流側には、伝熱管群からなる熱交換器５０が設けられている。この熱交換器５０は、ナセル４のダクト部４０内に配置されている。熱交換器５０では、ナセル４のダクト部４０内を流れる外気との熱交換により、オイルクーラ１８及び発電機クーラ２２を通過した後の冷却媒体が冷却される。

　なお、図１には、一組のダクト部４０及び熱交換器５０のみを示しているが、想定される風力発電装置１の熱発生源からの発熱量に応じて、ダクト部４０及び熱交換器５０を複数組設けてもよい。例えば、後で説明する図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ナセル４の上面４Ａ及び側面４Ｂに設けたダクト部４０Ａ，４０Ｂのそれぞれに熱交換器５０を設けてもよい。さらに、一のダクト部４０に対して設ける熱交換器５０の個数も特に限定されず、各ダクト部４０に複数の熱交換器５０を設けてもよい。

　図２及び３は、複数の熱交換器５０が設けられた冷却媒体循環路３０の構成例を示す図である。
　複数の熱交換器５０を設ける際、図２に示すようにヘッダ（５１Ａ，５１Ｂ）を介して複数の熱交換器５０を冷却媒体循環路３０に接続してもよいし、図３に示すように複数の熱交換器５０を直列的に冷却媒体循環路３０に接続してもよい。前者の場合（図２参照）、冷却媒体循環路３０から入口側ヘッダ５１Ａに流入した冷却媒体が、各熱交換器５０に供給されて冷却された後、出口側ヘッダ５１Ｂを介して冷却媒体循環路３０に戻される。後者の場合（図３参照）、冷却媒体循環路３０を流れる冷却媒体は、直列に配置された複数の熱交換器５０を順に通過しながら冷却される。

　次に、図４を用いて、ナセル４のダクト部４０の構造について詳細に説明する。図４はナセル４のダクト部４０の詳細構造の一例を示す図であり、図４（Ａ）はナセル４の構成例を示す一部断面斜視図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）におけるＹＺ平面に沿ったナセル４の断面図である。
　なお、図４（Ａ）及び（Ｂ）では、ダクト部４０の詳細構造を説明する便宜上、熱交換器５０を取り外した状態を示している。

　図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ナセル４の上面４Ａ及び側面４Ｂには、それぞれ、ダクト部４０Ａ，４０Ｂが設けられている。なお、図４（Ａ）にはナセル４の片方の側面４Ｂのみにダクト部４０Ｂを設けた例を示したが、ナセル４の両方の側面４Ｂにダクト部４０Ｂを設けてもよい。

　各ダクト部４０は、吸気口４２及び排気口４４を有し、ナセル４の壁面に一体的に形成されている。すなわち、ナセル４の壁面は、ダクト部４０が設けられた領域において、内側壁面４６と外側壁面４８との二重構造になっている。そして、ナセル４の内側壁面４６によってダクト部４０の底面が構成され、ナセル４の外側壁面４８によってダクト部４０の上面が構成されている。ここで、ダクト部４０の底面とは、ダクト部４０を構成するナセル４の壁面（４６，４８）のうちナセル４の中心軸Ｃに近いほうを意味し、ダクト部４０の上面とは、ダクト部４０を構成するナセル４の壁面（４６，４８）のうちナセル４の中心軸Ｃから遠いほうを意味する。
　以下、ナセル４の内側壁面およびダクト部４０の底面の両方を指すものとして符号４６を用い、ナセル４の外側壁面およびダクト部４０の上面の両方を指すものとして符号４８を用いる。

　各ダクト部４０の底面４６（ナセル４の内側壁面４６）は、ハブ６Ｂから遠くなるにつれてナセル中心軸Ｃに向かって内側に湾曲する湾曲部４７を有している。ダクト部４０の高さＨ（ダクト部４０の底面４６と上面４８との距離）は、湾曲部４７が設けられた範囲において、吸気口４２側から排気口４４側に向かって徐々に大きくなっている。これにより、ダクト部４０の上面４８の外側への張り出しが抑制されつつ（ダクト部４０の上面４８のナセル中心軸Ｃから遠ざかる方向への突出が抑制されつつ）、ダクト部４０の断面積は吸気口４２側から排気口４４側に向かって増加している。したがって、ダクト部４０が風から受ける力を低減してダクト部４０の補強を簡素化するとともに、ダクト部４０への外気の取り込み量をディフューザ効果により増大させて熱交換器５０における熱交換量を増加させることができる。
　なお、ダクト部４０の高さＨは、ダクト部４０の底面４６と上面４８との距離を意味する。具体的には、ナセル４の上面４Ａに設けられたダクト部４０Ａの場合、図４（Ａ）中のＺ方向におけるダクト部４０Ａの寸法を指し、ナセル４の側面４Ｂに設けられたダクト部４０Ｂの場合、図４（Ａ）中のＸ方向におけるダクト部４０Ｂの寸法を指す。

　また、ダクト部４０の高さＨに加えて、ダクト部４０の幅Ｗを、吸気口４２側から排気口４４側に向かって徐々に大きくしてもよい。これにより、ダクト部４０の断面積をより一層増大させることができる。なお、図４（Ａ）及び（Ｂ）には、ナセル４の側面４Ｂに設けたダクト部４０Ｂの幅Ｗを吸気口４２側から排気口４４側に向かって徐々に大きくする様子を示した。
　なお、ダクト部４０の幅Ｗは、ダクト部４０の高さ方向に直交する方向における寸法を意味する。具体的には、ナセル４の上面４Ａに設けられたダクト部４０Ａの場合、図４（Ａ）中のＸ方向におけるダクト部４０Ａの寸法を指し、ナセル４の側面４Ｂに設けられたダクト部４０Ｂの場合、図４（Ａ）中のＺ方向におけるダクト部４０Ｂの寸法を指す。

　また、ダクト部４０の吸気口４２は、ナセル４の長手方向（ナセル中心軸Ｃの方向）における中央位置よりも後端側（ハブ６Ｂから遠い側）に配置することが好ましい。これにより、ブレード６Ａを通過する際に発生した空気流（外気の流れ）の乱れの影響を受けずに、ダクト部４０内に外気を安定的に取り込むことができる。なお、図４（Ａ）及び（Ｂ）には、ナセル４の上面４Ａに設けたダクト部４０Ａの吸気口４２を、ナセル４の長手方向における中央位置よりも後端側（ハブ６Ｂから遠い側）に配置した例を示した。

　さらに、各ダクト部４０の吸気口４２側の端部は、ナセル中心軸Ｃに沿って設けられていることが好ましい。具体的には、ナセル４の上面４Ａに設けたダクト部４０Ａの場合、ダクト部４０Ａの吸気口４２側の端部をナセル中心軸Ｃに沿ってＸＹ平面と略平行に形成する。一方、ナセル４の側面４Ｂに設けたダクト部４０Ｂの場合、ダクト部４０Ｂの吸気口４２側の端部をナセル中心軸Ｃに沿ってＹＺ平面と略平行に形成する。ハブ６Ｂ側からナセル４の後端側に向かう外気の流れは、基本的にナセル中心線Ｃに沿っているため、上述のようにダクト部４０の吸気口４２側の端部をナセル中心線Ｃに沿わせることで、ダクト部４０内への外気の取り込みが促進される。

　また、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ダクト部４０の上面４８（ナセル４の外側壁面４８）は、ダクト部４０の底面４６に沿って湾曲していてもよい。このように、ダクト部４０の上面４８を、ダクト部４０の底面４６に沿わせることで、断面積拡大は維持してディフューザ効果を保ちながらナセル外部流れにおける渦を防ぐ事ができる。

　以上説明したように、本実施形態では、ダクト部４０Ａ，４０Ｂの底面４６（ナセル４の内側壁面４６）に、ハブ６Ｂから遠くなるにつれてナセル４の中心線Ｃに向かって内側に湾曲した湾曲部４７を設けたので、ダクト部４０Ａ，４０Ｂの外側への張り出しを抑制しながら、ダクト部４０Ａ，４０Ｂの断面積を吸気口４２側から排気口４４側に向かって増大させることができる。したがって、ダクト部４０Ａ，４０Ｂの外側への張り出しが抑制されることから、ダクト部４０Ａ，４０Ｂが風（外気の流れ）から受ける力が小さくなり、ダクト部４０Ａ，４０Ｂの補強を簡素化できる。また、ダクト部４０Ａ，４０Ｂの断面積が吸気口４２側から排気口４４側に向かって増大するので、ディフューザ効果によって、より多くの外気がダクト部４０Ａ，４０Ｂに取り込まれるようになる。よって、熱交換器５０において冷却媒体から外気が奪う熱量が増えて、熱発生源（油圧トランスミッション１０及び発電機２０）の冷却を効果的に行うことができる。

　なお、上述の第１実施形態では、冷却媒体循環路３０を流れる冷却媒体の冷却対象である油圧トランスミッション１０及び発電機２０がナセル４内に収納されている例について説明したが、油圧トランスミッション１０の少なくとも一部及び発電機２０はタワー２内に収納されていてもよい。例えば、油圧ポンプ１２をナセル４に収納する一方、油圧モータ１４及びこれに連結される発電機２０をタワー２内に収納し、タワー２内まで延設した冷却媒体循環路３０を流れる冷却媒体によってオイルライン１６を流れる作動油および発電機２０を冷却してもよい。
　また、冷却媒体循環路３０を流れる冷却媒体によって冷却されるべき熱発生源は、油圧トランスミッション１０及び発電機２０だけでなく、主軸５を回転自在にナセル４側に支持する主軸受の潤滑油、発電機２０と電力系統との間に設けられる変圧器およびコンバータ、風力発電装置１の各部を制御する各種機器で構成された制御盤等の任意の発熱源であってもよい。また、油圧トランスミッション１０に替えて、増速機を介して主軸５の回転を発電機２０に伝える風力発電装置の場合、冷却媒体循環路３０を流れる冷却媒体によって増速機の潤滑油を冷却してもよい。

［第２実施形態］
　次に第２実施形態に係る風力発電装置について説明する。本実施形態の風力発電装置は、ナセル４のダクト部４０内にファンを追設したことを除けば、既に説明した第１実施形態の風力発電装置１と同様の構成である。したがって、ここでは、第１実施形態と共通する部材には同一の符号を付してその説明を省略し、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

　図５は本実施形態に係る風力発電装置のダクト部４０周辺の構成を示す図である。同図に示すように、ナセル４のダクト部４０内には、熱交換器５０に加えて、ファン５２が設けられている。ファン５２を設けることで、ダクト部４０内への外気の取り込み量を増大させて、熱交換器５０における外気と冷却媒体との熱交換量を増加させることができる。これにより、低風速時においてもダクト部４０内への外気の取り込み量を確保できる。
　なお、ファン５２は熱交換器５０の上流側および下流側のいずれに配置してもよいが、図５に示すように熱交換器５０の上流側にファン５２を配置した構造（押込通風型：Ｆｏｒｃｅｄ　Ｄｒｉｖｅ　Ｔｙｐｅ）とすることで、ファン５２によって雨や雪等から熱交換器５０をある程度保護することができる。

　さらに、ファン５２の回転数又は稼働状態を制御して、熱交換器５０における外気と冷却媒体との熱交換量を調節するコントローラを設けてもよい。
　図６は、コントローラによりファン５２の回転数制御を行う様子を示す図である。図７は、コントローラによりファン５２の稼働状態制御を行う様子を示す図である。

　図６に示すように、コントローラ６０は、オイルライン１６における作動油の温度、発電機２０の温度、ナセル４内における空気温度および冷却媒体の温度の少なくとも一つに基づいて、ファン５２の回転数を制御して、熱交換器５０における熱交換量を調節する。
　図６に示す例では、並列ライン１７の下流側の低圧油ライン１６Ｂに設けた温度センサＴ１によって作動油の温度を計測し、発電機２０に取り付けた温度センサＴ２によって発電機２０の温度を計測し、熱交換器５０の下流側の冷却媒体循環路３０に設けた温度センサＴ３によって冷却媒体の温度を計測するようになっている。なお、ナセル４内における空気温度は、ナセル４に設置した温度センサ（不図示）にて計測される。
　コントローラ６０は、例えば、温度センサＴ１で計測された低圧油ライン１６Ｂの作動油温度が閾値以下になった場合、ファン５２の回転数を低減し（回転数をゼロにすることも含む）、作動油の過冷却を防止する。このとき、並列ライン１７に設けられたバルブ１９の開度調整も併せて行って、オイルクーラ１８における作動油の流量を減らして、作動油の過冷却をより確実に防止してもよい。
　同様に、温度センサＴ２で計測した発電機２０の温度や、温度センサＴ３で計測した冷却媒体の温度や、不図示の温度センサで計測したナセル４内の空気温度等が所望の範囲内に収まるように、コントローラ６０によるファン５２の回転数制御を行ってもよい。

　あるいは、図７に示すように、オイルライン１６における作動油の温度、発電機２０の温度、ナセル４内における空気温度および冷却媒体の温度の少なくとも一つに基づいて、ファン５２の稼働台数を制御するコントローラ６２を設けてもよい。
　コントローラ６２は、例えば、温度センサＴ１で計測された低圧油ライン１６Ｂの作動油温度が閾値以下になった場合、ファン５２の稼働台数を減らして、作動油の過冷却を防止する。このとき、並列ライン１７に設けられたバルブ１９の開度調整も併せて行って、オイルクーラ１８における作動油の流量を減らして、作動油の過冷却をより確実に防止してもよい。
　同様に、温度センサＴ２で計測した発電機２０の温度や、温度センサＴ３で計測した冷却媒体の温度や、不図示の温度センサで計測したナセル４内の空気温度等が所望の範囲内に収まるように、コントローラ６２によるファン５２の稼働台数制御を行ってもよい。

　また、熱交換器５０、ファン５２及びこれらを保持するケーシングの組み合わせてなるモジュールを用いて、風力発電装置の組み立てを行ってもよい。
　図８は、熱交換器５０、ファン５２及びケーシングの組み合わせからなるモジュールを示す一部断面斜視図である。同図に示すように、モジュールＭは、熱交換器５０と、ファン５２と、熱交換器５０及びファン５２の両方を保持するケーシング５３とで構成される。そして、任意の個数のモジュールＭをナセル４に組み付けることで、風力発電装置の生産性及びメンテナンス性を向上させることができる。すなわち、モジュール化によって風力発電装置の組み立てが容易となり、生産性が向上する。しかも、万が一、熱交換器５０やファン５２が一部故障しても、故障原因である箇所をモジュールＭごと交換することで、メンテナンスを容易に行うことができる。さらに、熱発生源からの発熱量に応じてモジュールＭの個数を変更すれば、熱発生源からの発熱量が異なる複数機種の風力発電装置の生産を効率的に行うことができる。
　なお、各ダクト部４０（４０Ａ，４０Ｂ）に対して、任意の個数のモジュールＭを設置してもよい。例えば、各ダクト部４０（４０Ａ，４０Ｂ）にモジュールＭを一つずつ設置してもよいし、各ダクト部４０（４０Ａ，４０Ｂ）に複数のモジュールＭを設置してもよい。

［第３実施形態］
　次に第３実施形態に係る風力発電装置について説明する。本実施形態の風力発電装置は、ナセル４のダクト部４０内にシャッターを追設したことを除けば、既に説明した第１実施形態の風力発電装置１と同様の構成である。したがって、ここでは、第１実施形態と共通する部材には同一の符号を付してその説明を省略し、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

　図９は本実施形態に係る風力発電装置のダクト部４０周辺の構成を示す図である。同図に示すように、ナセル４のダクト部４０内には、熱交換器５０に加えて、シャッター５４が設けられている。シャッター５４は、図９に示すように、互いに略平行に配置された複数の羽板５５及び複数の羽板５５を支持する枠体で構成してもよく、またこの例以外の種々の構成のダンパを使用することもできる。シャッター５４を開閉すると、ダクト部４０内における外気の流れを遮断したり、通過させたりすることができる。これにより、熱交換器５０における冷却媒体と外気との熱交換量を調節することができる。
　なお、シャッター５４は、熱交換器５０の上流側及び下流側のいずれに設けてもよいが、図９に示すように熱交換器５０の上流側にシャッター５４を設けることで、シャッター５４によって雨や雪等から熱交換器５０を保護することができる。

　また、シャッター５４の開閉を制御して、熱交換器５０における外気と冷却媒体との熱交換量を調節するコントローラを設けてもよい。
　図１０は、コントローラによりシャッター５４の開閉制御を行う様子を示す図である。同図に示すように、コントローラ６４は、オイルライン１６における作動油の温度、発電機２０の温度、ナセル４内における空気温度および冷却媒体の温度の少なくとも一つに基づいて、各シャッター５４の開閉を個別に制御して、各熱交換器５０における熱交換量を調節する。
　例えば、温度センサＴ１で計測された低圧油ライン１６Ｂの作動油温度が閾値以下になった場合、コントローラ６４は閉状態のシャッター５４を増やし、作動油の過冷却を防止する。このとき、並列ライン１７に設けられたバルブ１９の開度調整も併せて行って、オイルクーラ１８における作動油の流量を減らして、作動油の過冷却をより確実に防止してもよい。
　同様に、温度センサＴ２で計測した発電機２０の温度や、温度センサＴ３で計測した冷却媒体の温度や、不図示の温度センサで計測したナセル４内の空気温度等が所望の範囲内に収まるように、コントローラ６４によるシャッター５４の開閉制御を行ってもよい。
　なお、コントローラ６４によって各シャッター５４の開度を制御して、熱交換器５０における熱交換量を微調節してもよい。

［第４実施形態］
　次に第４実施形態に係る風力発電装置について説明する。本実施形態の風力発電装置は、ダクト部４０の上面４８の形状を除けば、既に説明した第１実施形態の風力発電装置１と同様の構成である。したがって、ここでは、第１実施形態と共通する部材には同一の符号を付してその説明を省略し、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

　図１１は本実施形態に係る風力発電装置のダクト部４０周辺の構成を示す図である。同図に示すように、ダクト部４０の底面を構成するナセル４の内側壁面４６が内側に湾曲している。一方、ダクト部４０の上面を構成するナセル４の外側壁面４８には、排気口４４側の端部につば部４９Ａが設けられており、該つば部４９Ａにおいてナセル中心軸から離れる方向に外側に屈曲している。また、ナセル４の外側壁面４８は、つば部４９Ａの上流側には湾曲部４９Ｂが設けられており、該湾曲部４９Ｂにおいてナセル中心軸から離れる方向に外側に湾曲している。なお、湾曲部４９Ｂとつば部４９Ａとの境目は、不連続になっており、滑らかに湾曲する湾曲部Ｂから、外側に屈曲する直線状のつば部４９Ａに急激に移行している。
　図中の矢印で示すようにナセル４の外側壁面４８に沿ってダクト部４０の外部を流れる空気は、つば部４９Ａ及び湾曲部４９Ｂ周辺の領域Ａにおいて流路面積が縮小するために加速されて動圧が上昇し、その分だけ静圧が低下する。そのため、つば部４９Ａの後流側に位置する領域Ｂにおける圧力（静圧）は低くなる。また、つば部４９Ａの後流側の領域Ｂでは渦が発生するため、このことによっても領域Ｂの圧力が低下する。したがって、上述したダクト部４０の断面積増大によるディフューザ効果に加えて、つば部４９Ａの後流側の領域Ｂにおける低い圧力によってより多くの外気を吸気口４２からダクト部４０内に引き込むことができる。したがって、熱交換器５０において冷却媒体から外気が奪う熱量が増えて、風力発電装置１の熱発生源の冷却を効果的に行うことができる。

　なお、図１１にはナセル４の外側壁面４８に屈曲部４９Ａ及び湾曲部４９Ｂの両方を設けた例を示したが、屈曲部４９Ａ及び湾曲部４９Ｂのいずれかのみを設けても同様な効果を得ることができる。

　以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、上述の第１実施形態～第４実施形態を適宜組み合わせてもよいし、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
　例えば、第２実施形態（図５参照）に係る風力発電装置のダクト部４０内に、第３実施形態で説明したシャッター５４を追加してもよい。すなわち、ダクト部４０内にファン５２及びシャッター５４の両方を設けてもよい。あるいは、第４実施形態（図１１参照）に係る風力発電装置のダクト部４０内に、第２実施形態で説明したファン５２および第３実施形態で説明したシャッター５４の少なくとも一方を追設してもよい。

　１　風力発電装置
　２　タワー
　４　ナセル
　５　主軸
　６　ロータ
　６Ａ　ブレード
　６Ｂ　ハブ
　１０　油圧トランスミッション
　１２　油圧ポンプ
　１４　油圧モータ
　１６　オイルライン
　１６Ａ　高圧油ライン
　１６Ｂ　低圧油ライン
　１７　並列ライン
　１８　オイルクーラ
　１９　バルブ
　２０　発電機
　２２　発電機クーラ
　３０　冷却媒体循環路
　３２　ナセル冷却器
　４０　ダクト部
　４２　吸気口
　４４　排気口
　４６　ナセル内側壁面（ダクト部底面）
　４７　湾曲部
　４８　ナセル外側壁面（ダクト部上面）
　４９Ａ　つば部
　４９Ｂ　湾曲部
　５０　熱交換器
　５２　ファン
　５４　シャッター

Claims

　タワーと、
　少なくとも一枚のブレードと、
　前記ブレードを支持するハブと、
　前記タワーによって支持され、吸気口および排気口を有するダクト部が壁面に一体的に形成されたナセルと、
　前記ダクト部内に設けられて、前記吸気口から前記ダクト部内に取り込まれた外気との熱交換によって、前記タワー及び前記ナセルの少なくとも一方の内部における熱発生源を冷却した後の冷却媒体を冷却する熱交換器とを備え、
　前記ナセルの壁面は、前記ダクト部が設けられた領域において、内側壁面と外側壁面とからなる二重構造になっており、
　前記ダクト部の底面を構成する前記ナセルの内側壁面は、前記ハブから遠くなるにつれて前記ナセルの中心線に向かって内側に湾曲する湾曲部を有しており、
　前記ダクト部は、少なくとも前記湾曲部が設けられた範囲において、前記吸気口側から前記排気口側に向かって断面積が増大するように形成されていることを特徴とする風力発電装置。
　前記熱交換器は、前記ナセルの上面および側面に一体的に形成された前記ダクト部内に複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
　前記ダクト部の前記吸気口側の端部は、前記ナセルの中心線に沿って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
　前記ダクト部内への外気の取り込み量を増大させるファンと、
　前記ファンおよび前記熱交換器の両方を収納するケーシングとをさらに備え、
　少なくとも前記熱交換器、前記ファンおよび前記ケーシングからなるモジュールが複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
　複数の前記モジュールは、前記ナセルの上面および側面に一体的に形成された前記ダクト部内に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の風力発電装置。
　作動状態の前記ファンの個数を変化させて、各モジュールの前記熱交換器において外気が前記冷却媒体から奪う熱量を調節するコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の風力発電装置。
　前記ダクト部に設けられたシャッターと、
　前記シャッターの開閉により、各モジュールの前記熱交換器において外気が前記冷却媒体から奪う熱量を調節するコントローラとをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の風力発電装置。
　前記ファンの回転数を変化させて、各モジュールの前記熱交換器において外気が前記冷却媒体から奪う熱量を調節するコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の風力発電装置。
　前記ダクト部の上面を構成する前記ナセルの外側壁面は、前記ダクト部の底面に沿って湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
　前記ハブに連結された主軸と、
　前記主軸によって駆動される油圧ポンプと、
　前記油圧ポンプから供給される高圧の作動油によって駆動される油圧モータと、
　前記油圧モータに連結される発電機と、
　前記油圧ポンプおよび前記油圧モータに接続され、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの間で前記作動油を循環させるオイルラインと、
　前記オイルラインを流れる前記作動油を冷却するオイルクーラと、
　前記発電機を冷却する発電機クーラとを備え、
　前記オイルクーラおよび前記発電機クーラに、前記熱交換器で冷却された前記冷却媒体を供給するようにした請求項１に記載の風力発電装置。
　前記ナセル内に設けられ、前記ナセル内の空気を冷却するナセル冷却器をさらに備え、
　前記ナセル冷却器に、前記熱交換器で冷却された前記冷却媒体を供給するようにしたことを特徴とする請求項１０に記載の風力発電装置。
　前記オイルラインにおける前記作動油の温度、前記発電機の温度、前記ナセル内における空気温度および前記冷却媒体の温度の少なくとも一つに基づいて、前記オイルクーラ、前記発電機クーラ、前記ナセル冷却器および前記熱交換器の少なくとも一つにおける熱交換量を調節するコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の風力発電装置。
　前記ダクト部内への外気の取り込み量を増大させるファンと、
　前記ファンおよび前記熱交換器の両方を収納するケーシングとをさらに備え、
　少なくとも前記熱交換器、前記ファンおよび前記ケーシングからなるモジュールが複数設けられており、
　前記オイルラインにおける前記作動油の温度、前記発電機の温度、前記ナセル内における空気温度および前記冷却媒体の温度の少なくとも一つに基づいて、各モジュールの前記ファン及び前記熱交換器を制御するコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の風力発電装置。
　前記冷却媒体は、不凍液が添加された水または空気であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
　前記ダクト部の上面を構成する前記ナセルの外側壁面は、前記排気口側において、前記ナセルの中心線から遠ざかる方向に外側に屈曲または湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。