WO2014192112A1 - 風力発電設備 - Google Patents

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cooler
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wind
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慎吾 稲村
織田　勝
満 佐伯
茂久 舩橋
貴彦 佐野
育男 飛永
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株式会社日立製作所
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/60—Cooling or heating of wind motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • F05B2240/10—Stators
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2260/00—Function
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    • F05B2260/64—Aeration, ventilation, dehumidification or moisture removal of closed spaces
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a horizontal axis type wind power generation facility, and particularly to a wind power generation facility having a function of cooling a device in a nacelle in a downwind type wind power generation facility.
  • Horizontal axis wind power generation equipment has generators, gearboxes, and other equipment inside the nacelle at the top. Since these devices generate heat during power generation, the wind power generation equipment includes a cooling system for cooling the generated heat.
  • a general cooling system is composed of a cooler that takes in the wind of outside air and exchanges heat, and the cooler is installed outside the wind power generation facility in order to take in the wind of outside air.
  • Patent Document 1 is known as a wind power generation facility equipped with a cooler.
  • the nacelle In order to efficiently cool with these coolers in these wind power generation facilities, it is necessary to efficiently take in external wind.
  • the nacelle In particular, in the case of an upwind type windmill having a rotor rotating surface on the windward side, the nacelle is located in the leeward direction and is installed in a direction that obstructs the flow of the wind, so the cooler is installed so as to protrude from the nacelle.
  • the upwind type has a rotor rotating surface on the windward side.
  • the nacelle is located on the leeward side, and the cooler is installed so as to protrude from the nacelle so that the wind can be received effectively.
  • the cooler is installed so as to protrude from the nacelle, it is necessary to provide an additional support structure. Further, the wind receiving area of the nacelle with respect to the wind increases, and the wind load acting on the nacelle increases accordingly. Therefore, it is necessary to add structural reinforcement to withstand the wind load.
  • an object of the present invention is to provide a wind power generation facility that can be efficiently cooled with a simple configuration.
  • the wind power generation facility of the present invention is a downwind type including a nacelle that is connected to a rotor composed of a hub and a blade on one side, receives wind on the other side, and is supported by a tower.
  • FIG. 1 The figure which shows the external appearance of the downwind type wind power generation equipment which concerns on this invention.
  • the present invention is a downwind type wind power generation facility as shown in FIG.
  • the rotor 3 composed of the hub 2 and the blade 1 is located on the leeward side of the tower 5 that supports the nacelle 4.
  • the portion receiving the wind at the tip of the nacelle 4 is composed of a flange portion 14, a side surface support portion 20, and a side surface ventilation hole 13, and the interior covered with the flange portion 14 and the side surface support portion 20 is basically a cavity.
  • the inflow air W1 from the windward flows from the front end of the nacelle 4 and is discharged downward as exhaust air W2, or flows in from the front end of the nacelle 4 and is discharged from the side vent hole 13 as exhaust air W3. .
  • the cooler 7 is installed in a space surrounded by the flange 14 and the side support 20.
  • the cooler 7 installed in the depth direction is illustrated by a dotted line.
  • a lower part of the cooler 7 is provided with a blade-like support member 10 (dotted line). Therefore, the upper surface of the cooler 7 is supported by the flange portion 14, both side surfaces are supported by the left and right side surface support portions 20, and the lower surface is supported by the blade-like support member 10.
  • the blade-like support member 10 also functions as a rectifying plate for smoothly guiding the exhaust air W2 and W3 to the outside.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the front surface of the nacelle.
  • the inside is a cavity
  • the shape when the cooler 7 is removed is shown.
  • the internal cavity forms an exhaust duct 9.
  • each part forming the exhaust duct 9 has an R surface as appropriate in order to improve the air flow.
  • the lower surface of the nacelle is an R surface 8 and is continuously connected from the nacelle inclined surface 11.
  • FIG. 3 shows a perspective view of the front surface of the nacelle with the cooler 7 attached.
  • the cooler 7 is a water-cooled radiator, for example, and the liquid (water) inside is cooled by the wind passing through the radiator surface.
  • the cooler 7 is formed inside the flange 14 and receives the wind induced by the flange 14.
  • the cooler 7 for cooling the equipment inside the nacelle is installed on the windward front side of the nacelle, and the R surface on the lower surface of the nacelle A duct 9 that exhausts using 8 and a wing-shaped support 10 under the cooler 7 are installed in the nacelle.
  • the R surface 8 on the lower surface is continuously connected to the inclined surface 11 of the nacelle to form an exhaust duct, and the wind received by the cooler 7 can be efficiently exhausted W2.
  • the exhaust effect can be enhanced by the exhaust W3.
  • the collar portion 14 on the windward side from the cooler 7 the effect of drawing external wind into the cooler can be enhanced.
  • the present invention by making the wind receiving area and the exhaust area approximately the same, deceleration of the flowing wind can be suppressed and exhaust can be effectively performed.
  • the side ventilation holes 13 By installing the side ventilation holes 13 on both side surfaces of the nacelle, the air is exhausted in contrast to the wind from the front surface, so that the wind load acting on both side surfaces of the nacelle is offset and the load is unbalanced. Can be prevented.
  • the cooler 7 can be installed on the front surface of the nacelle, it is possible to reduce the wind receiving area for the nacelle and to reduce the wind load. Further, since the four sides around the cooler 7 can be supported only by the nacelle support structure, the nacelle can be reduced in weight. Accordingly, the weight of the structure that supports the nacelle can be reduced.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the wind power generation facility of the present invention.
  • the ventilation holes 13 on the side surface of the first embodiment are not provided. Since there is no side ventilation hole 13, the inflow air W ⁇ b> 1 from the windward flows from the tip of the nacelle 4 and is discharged as it is as the exhaust air W ⁇ b> 2. Also in this case, all the inflow air W1 passes through the cooler 7. Thus, the effect similar to Example 1 is acquired also in Example 2 by making a wind-receiving area and an exhaust area comparable.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of the wind power generation facility of the present invention.
  • the vertical relationship of Example 1 is reversed.
  • the inflowing wind W1 from the windward with the flange portion 14 as the lower side flows in from the tip of the nacelle 4 and is discharged to the upper side as the exhausted air W2 as it is.
  • efficient ventilation can be achieved, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • the point that the exhaust air W3 is exhausted from the side surface is the same as in the first embodiment.
  • FIG. 6 shows a fourth embodiment of the wind power generation facility of the present invention.
  • the vertical relationship of the second embodiment (FIG. 4) is reversed.
  • the inflowing wind W1 from the windward with the flange portion 14 as the lower side flows in from the tip of the nacelle 4 and is discharged to the upper side as the exhausted air W2 as it is.
  • the same effect as in the second embodiment can be obtained.
  • FIG. 7 shows a fifth embodiment of the wind power generation facility of the present invention.
  • the collar 14 is not provided.
  • the wind that flows in is guided by the flange 14 provided at the top or bottom, and the wind is applied to the cooler 7 located at the back of the nacelle tip.
  • the cooler 7 is arranged at the tip of the nacelle, whereby efficient ventilation can be performed, and the same effect as in the other embodiments can be obtained.
  • FIG. 8 shows a sixth embodiment of the wind power generation facility of the present invention.
  • FIG. 8 is an example in which the side ventilation holes 13 are not provided in the case of the nacelle tip arrangement of the cooler 7 of FIG. In this example, the same effect as in the other embodiments can be obtained.
  • FIG. 9 shows the internal structure of the nacelle.
  • a speed increaser 40 and a generator 50 driven by the rotation of the rotor 3 are installed in the nacelle.
  • the rotor 3, the speed increaser 40, and the generator 50 are coupled by a shaft 55.
  • the gearbox 40 is composed of gears, and the inside is oil-immersed.
  • An oil cooler 41 is installed adjacent to the speed increaser 40, and the cooling water 42 from the cooler 7 is supplied, and the cooling water 43 heated by heat exchange in the oil cooler 41 is discharged.
  • the A heat exchange pipe 44 in the oil cooler 41 performs heat exchange with oil in the oil cooler 41 connected to the speed increaser 40 to cool the speed increaser 40.
  • An air cooler 51 is also installed adjacent to the generator 50.
  • the air cooler 51 installed in the upper part of the generator 50 cools the wind from the fan 52 with the cooling water 53 and supplies it into the generator 50, and cools the inside.
  • the fan 52 sends the air in the generator 50 to the air cooler 51.
  • the cooling waters 53 and 54 heated by the heat exchange in the oil cooler 41 or the air cooler 51 are sent to the cooler 7 such as a radiator, cooled again, and circulated and supplied.
  • the nacelle is installed on the windward side.
  • a cooler in front of the nacelle and installing an exhaust duct in the nacelle that can efficiently exhaust the received wind, it becomes possible to exhaust the air.
  • the wind receiving area with respect to the wind of a nacelle can be made small, and it can be anticipated that a wind load will also be reduced. Accordingly, the weight of the support structure can be reduced.

Abstract

　本発明は、簡便な構成で効率よく冷却することができる風力発電設備を提供することを目的とする。目的を達成するために、その一方側がハブとブレードからなるロータに接続され、その他方側に風を受け、タワーにより支持されているナセルを含むダウンウィンド型の風力発電設備であって、ナセルの他方側先端部分に空洞部を形成し、空洞部先端に冷却器を設け、冷却器を通過した風を空洞部の後流側から排気するための排気口を備えていることを特徴とする。

Description

風力発電設備
　本発明は水平軸型の風力発電設備に係り、特にダウンウィンド型の風力発電設備においてナセル内の機器を冷却する機能を備えた風力発電設備に関する。
　水平軸型の風力発電設備は、その頂部に設置しているナセル内に発電機や増速機などの機器を内装している。これらの機器は発電時に熱を発生するため、風力発電設備は発生した熱を冷却するための冷却システムを備えている。一般的な冷却システムは、外気の風を取込んで熱交換をする冷却器で構成され、冷却器は外気の風を取込むために、風力発電設備の外側に設置される。
　冷却器を備えた風力発電設備として例えば特許文献１が知られている。これらの風力発電設備においてこの冷却器で効率よく冷却するためには、外部の風を効率的に取込む必要がある。特に風上側にロータ回転面があるアップウィンド型の風車の場合、ナセルが風下に位置し、風の流れを妨げる方向に設置されているため、冷却器をナセルから突出させて設置している。
米国特許第７０５７３０３号公報
　現在商用化されている大型の水平型の風力発電設備は、殆どがアップウィンド型である。アップウィンド型は、風上側にロータ回転面がある。アップウィンド型の場合、ナセルが風下に位置し、冷却器はナセルから突出させて設置されて風を効果的に受けられるようにしている。この場合、風を効果的に受けられるようにするためには、冷却器をナセルの上面または側面に、より大きく突出させた形で設置させるのがよい。
　然しながら冷却器をナセルから突出した形で設置すると、その分の支持構造を追加で設ける必要性がある。さらにナセルの風に対する受風面積が大きくなり、作用する風荷重もそれに伴い大きくなるため、その風荷重に耐えるための構造的な補強の追加が必要となる。
　以上のことから本発明においては、簡便な構成で効率よく冷却することができる風力発電設備を提供することを目的とする。
　本発明の風力発電設備は、上記目的を達成するために、その一方側がハブとブレードからなるロータに接続され、その他方側に風を受け、タワーにより支持されているナセルを含むダウンウィンド型の風力発電設備であって、ナセルの他方側先端部分に空洞部を形成し、空洞部先端に冷却器を設け、冷却器を通過した風を空洞部の後流側から排気するための排気口を備えていることを特徴とする。
　本発明によれば、簡便な構成で効率よく冷却することができる風力発電設備を提供することができる。
本発明に係るダウンウィンド型風力発電設備の外観を示す図。 実施例１に係るナセル前面であり、冷却器を取り付けない状態での斜視図。 冷却器を取り付けた状態でのナセル前面の斜視図。 実施例２に係るナセル前面の斜視図。 実施例３に係るナセル前面の斜視図。 実施例４に係るナセル前面の斜視図。 実施例５に係るナセル前面の斜視図。 実施例６に係るナセル前面の斜視図。 本発明に係るナセルの内部構成を示す図。
　以下、図示した実施例に基づき本発明の風力発電設備について説明する。なお、各図において同一部分には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
　本発明は、図１に示す外観のようなダウンウィンド型の風力発電設備である。ダウンウィンド型の風力発電設備では、ハブ２とブレード１からなるロータ３が、ナセル４を支持するタワー５より風下側に位置する。ナセル４先端の風を受ける部分は、庇部１４と側面支持部２０と側面通風孔１３で構成されており、庇部１４と側面支持部２０で覆われた内部は基本的に空洞である。
　このため風上からの流入風Ｗ１は、ナセル４の先端から流入して下側に排出風Ｗ２として排出され、あるいはナセル４の先端から流入して側面通風孔１３から排出風Ｗ３として排出される。
　本発明の実施例１では、庇部１４と側面支持部２０で囲まれた空間に冷却器７を設置する。図１では奥行き方向に設置された冷却器７を点線で図示している。また冷却器７の下部には羽根状の支持部材１０（点線）を備えている。このため、冷却器７は上面を庇部１４により支持され、両側面を左右の側面支持部２０により支持され、下面を羽根状の支持部材１０により支持されることになる。この構造により、風上からの流入風Ｗ１は、全て冷却器７を通過してから排出風Ｗ２、Ｗ３として排出されることになる。なお羽根状の支持部材１０は、排出風Ｗ２、Ｗ３を円滑に外部に導くための整流板としても機能している。
　図２は、ナセル前面の斜視図を示している。但しこの図では内部が空洞であることを明らかにするために、冷却器７を取り外した時の形を示している。この図から明らかなように内部空洞は排気ダクト９を形成している。また排気ダクト９を形成する各部には風の流通を良くするために適宜角部がＲ面にされている。例えばナセルの下面はＲ面８とされており、ナセル傾斜面１１から連続してつながっている。
　図２の構成によれば、外部からの風は、ナセル本体内部には導入されず、ナセル本体内の収納機器は風Ｗから遮蔽されていることが分かる。これにより塩分を含む海風などからナセル本体内の収納機器を保護することが可能である。
　図３は、冷却器７を取り付けた状態でのナセル前面の斜視図を示している。冷却器７は例えば水冷のラジエータであり、ラジエータ面を通過する風によって内部の液体（水）が冷却される。図３によれば冷却器７は庇部１４の内部に形成され、庇部１４により誘導された風を受けている。
　図１、図２、図３で説明した実施例１の構成によれば、ナセル内部の機器を冷却するための冷却器７をナセルの風上前面に設置し、そして、ナセルの下面のＲ面８を利用して排気するダクト９、および冷却器７の下の羽形状の支持１０を、ナセルに設置する。この下面のＲ面８はナセルの傾斜面１１から連続してつながって排気ダクトを形成し、冷却器７に受風した風を効率よく排気Ｗ２することが可能となる。
　また、側面に通風穴１３を設け、排気口を追加することにより、排気Ｗ３により排気効果を高めることができる。加えて冷却器７より風上に庇部１４を設置することにより、外部の風を冷却器に呼び込む効果を高められる。
　本発明では、受風面積と排気面積を同程度にすることにより、流れる風の減速を抑え、効果的に排気が可能となる。側面の通風穴１３は、ナセルの両側面に設置することにより、前面からの風に対して対照的に排気されるため、ナセルの両側面に作用する風荷重を相殺し、荷重のアンバランスを防止することができる。
　本発明により、冷却器７をナセル前面に設置することができるため、ナセルに対する受風面積を小さくすることができ、風荷重も削減することが期待できる。また冷却器７の周囲４辺を、ナセルの支持構造物だけで支持することができるため、ナセルの軽量化が可能となる。これらにより、ナセルを支持する構造物の重量も低減できる。
　図４に、本発明の風力発電設備の実施例２を示す。ここでは、実施例１の側面の通風穴１３を設けていない。側面の通風穴１３が存在しないので風上からの流入風Ｗ１は、ナセル４の先端から流入してそのまま下側に排出風Ｗ２として排出される。この場合にも流入風Ｗ１は全て冷却器７を通過している。このように受風面積と排気面積を同程度とすることにより、実施例２でも、実施例１と同様な効果が得られる。
　図５に、本発明の風力発電設備の実施例３を示す。この例では実施例１の上下関係を逆転配置している。庇部１４を下側として風上からの流入風Ｗ１は、ナセル４の先端から流入してそのまま上側に排出風Ｗ２として排出される。この場合には、上面にＲ面の排気ダクトを設定することによって、効率的な通気ができ、実施例１と同様な効果が得られる。排出風Ｗ３が側面から排気される点は実施例１と同じである。
　なお図５の場合に庇部１４が下にあるために、これを庇と表現するのは適切でないとも思われるが、いずれの場合であっても風の流れを冷却器７に誘導する誘導部として機能しており、この機能をはたすものを本明細書では庇部としている。
　図６に、本発明の風力発電設備の実施例４を示す。この例では実施例２（図４）の上下関係を逆転配置している。庇部１４を下側として風上からの流入風Ｗ１は、ナセル４の先端から流入してそのまま上側に排出風Ｗ２として排出される。この場合にも実施例２と同様な効果が得られる。
　図７に、本発明の風力発電設備の実施例５を示す。この例では庇部１４を備えていない。実施例１から実施例４においては、上あるいは下に設けた庇部１４で流入する風を導いて、ナセル先端から奥まった位置にある冷却器７に風を当てていた。実施例５では、冷却器７をナセル先端に配置することで効率的な通気ができ、他の実施例と同様な効果を得ることができる。
　図８に、本発明の風力発電設備の実施例６を示す。図８は、図７の冷却器７のナセル先端配置の場合に、側面の通風穴１３を設けない事例である。この例でも他の実施例と同様な効果が得られる。
　なお実施例５、実施例６の構成を上下逆転して配置することも可能である。
　図９は、ナセル内部構成を示している。ナセル内にはロータ３の回転によって駆動される増速機４０と発電機５０が設置されている。なおロータ３、増速機４０、発電機５０は軸５５により結合されている。
　このうち増速機４０はギアで構成されており、その内部は油浸されている。増速機４０には隣接して油冷却器４１が設置されており、冷却器７からの冷却水４２が供給され、油冷却器４１内での熱交換により加熱された冷却水４３が排出される。４４は油冷却器４１内の熱交換パイプであり、増速機４０と連結された油冷却器４１内の油と熱交換を行い、増速機４０を冷却する。
　発電機５０に対しても空気冷却器５１が隣接設置されている。例えば発電機５０の上部に設置された空気冷却器５１は、フアン５２からの風を冷却水５３により冷却して発電機５０内に供給し、その内部を冷却する。なおフアン５２は発電機５０内の空気を空気冷却器５１に送り込んでいる。
　以上のようにして、油冷却器４１あるいは空気冷却器５１での熱交換により加熱された冷却水５３、５４はラジエータなどの冷却器７に送られて再度冷却され、循環供給される。
　以上説明した本発明によれば、風車がダウンウィンド型のため、ナセルが風上側に設置される。ナセルの前面に冷却器を設置し、受風した風を効率よく排気できる排気ダクトをナセルに設置することにより排気することが可能となる。このため、冷却器をナセルから突出させた形で設置する必要はなく、ナセルに組み込んだ形で設置することが可能となる。これにより、ナセルの風に対する受風面積を小さくすることができ、風荷重も削減することが期待できる。それに伴い支持構造物の重量も低減できる。
１：ブレード，２：ハブ，３：ロータ，４：ナセル，５：タワー，７：冷却器，８：Ｒ面，９：排気ダクト，１０：羽根状の支持部材，１１：ナセル傾斜面，１３：側面通風孔，１４：庇部，２０：側面支持部，４０：増速機，４１：油冷却器，４２、４３：冷却水，４４：熱交換パイプ，５０：発電機，５１：空気冷却器，５２：フアン，５２、５３：冷却水，５５：軸，Ｗ１：流入風，Ｗ２、Ｗ３：排出風

Claims (7)

  1. 　その一方側がハブとブレードからなるロータに接続され、その他方側に風を受け、タワーにより支持されているナセルを含むダウンウィンド型の風力発電設備であって、
    　前記ナセルの前記他方側先端部分に空洞部を形成し、空洞部先端に冷却器を設け、該冷却器を通過した風を前記空洞部の後流側から排気するための排気口を備えていることを特徴とする風力発電設備。
  2. 　請求項１に記載の風力発電設備であって、
    　前記冷却器の設置位置よりも風の上流側に、風を前記冷却器に誘導するための庇部を備えていることを特徴とする風力発電設備。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の風力発電設備であって、
    　前記空洞部の後流側から排気するための排気口が前記ナセルの上面あるいは下面に形成されていることを特徴とする風力発電設備。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の風力発電設備であって、
    　前記空洞部の後流側から排気するための排気口が前記ナセルの左右側面に形成されていることを特徴とする風力発電設備。
  5. 　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の風力発電設備であって、
    　前記ナセル内には風力発電のための機器と、当該機器を冷却するための第２の冷却器が設置されており、前記冷却器において風により冷却された冷却水が第２の冷却器に供給されて前記風力発電のための機器を冷却していることを特徴とする風力発電設備。
  6. 　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の風力発電設備であって、
    　前記ナセル内には、その前記空洞部を通過した風が流入されないことを特徴とする風力発電設備。
  7. 　請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の風力発電設備であって、
    　前記冷却器は羽根状の支持部により前記ナセルに支持されるとともに、前記羽根状の支持部により前記冷却器を出た風を前記排気口に導く機能を果たしていることを特徴とする風力発電設備。
PCT/JP2013/064986 2013-05-30 2013-05-30 風力発電設備 WO2014192112A1 (ja)

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