JP4981702B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

従来の風力発電装置が適用される外気温度の範囲は、一般的に−１０℃から＋４０℃であったが、近年高地や寒冷地に設置地域が拡大しており、このような場合外気温度の範囲は、−３０℃から＋４０℃と拡大するため、増速機、主軸受、発電機、トランス、および、インバータなどのナセル内部機器の温度制御がより重要となってきた。

翼ピッチシステムや、増速機や、主軸受などに設けられたオイル配管系統や、インバータなどの冷却水配管系統には、このような温度制御システムとして、それぞれヒータおよびクーラを持ち、所定の温度範囲に制御されている（例えば、特許文献１参照。）。

ナセルの外殻には、クーラに通風される外気を取り込み等する給排気口が設置されている。
特開昭５６−１６２６４５号公報

外気が所定温度以下、例えば−３０℃以下になると、風力発電装置の風車は停止される。このような状況で、風車の停止期間が例えば数日に及ぶと、次に風力発電装置を起動するときには、完全な冷体起動となる場合がある。
このような場合には、翼ピッチシステムや、増速機や、主軸受などのオイル系統を再び作動させるため、オイルを約０℃から１０℃まで電気ヒータで加熱していた。

しかしながら、電気ヒータでオイルを加熱しても、配管やクーラにおいてオイルの熱が放熱されるため、オイルを約０℃から１０℃まで加熱するためには大きなヒータ容量（例えば数ｋＷ）が必要となり、初期コストおよびランニングコスト上昇が課題となっていた。

一方で、ヒータの容量を小さくするために、クーラの容量を小さめに設定すると、クーラにおける放熱性能が低下する問題があった。特に、夏季に極端な場合、外気温度が約＋４０℃まで上昇する場合があり、このようなときに冷却不足になる課題があった。

一般にナセル内への外気の開口部には開度調整機構が設けられていないことが多い。このような開口部を持つ風力発電装置を外気温度が厳冬期に−４０℃まで低下する寒冷地に設置する場合、各クーラはファンを停止しても、自然通風が通気するため、ナセル内の雰囲気温度は外気温度近くまで低下する。そのため、オイル加熱ヒータには大きなヒータ容量（例えば数ｋＷ）が必要となり、初期コストおよびランニングコストの上昇が課題となっていた。

加えて、外気温度が厳冬期に−４０℃まで低下しない比較的温暖な地域に設置された風力発電装置でも、外気温度が０℃度弱で高湿度の場合、給排気口に設けられたガラリは、氷結して詰まる課題があった。ガラリが詰まると、クーラへの通風性が低下し、ナセル内雰囲気温度が高温化するため、クーラの冷却能力が不足する課題があった。このようにクーラの冷却能力が不足する場合、ナセル内機器温度を設定範囲内に制御できない課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、寒冷地における風力発電装置の起動性の向上を図るとともに、外気温度に極端な高低差がある場合でも、ナセル内機器の温度制御能力を確保することができる風力発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の風力発電装置は、複数のブレードを備えるロータの回転により発電を行う発電設備が収納されるナセルと、該ナセルの通常運転時に風上側となる壁面に開口する通風口部と、前記通風口部に配置され、前記発電設備の潤滑剤と外気との間で熱交換を行う熱交換部と、が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、風力発電装置は運転中にナセルが風上側を向くように風向により制御される。そのため、外気をナセル内に導く給気口である通風口部をナセル前面、つまり風上側の壁面に設けることにより、ナセル内に外気を誘引する際に風圧（ドラフト）が利用できる。さらに、通風口部に熱交換部を設置することにより、熱交換部を通過する外気が増加し、熱交換性能が向上する。
一方、熱交換部に流入する潤滑剤、例えば潤滑オイルや冷却水などの流体の熱により、熱交換部に付着した氷が溶けるため氷結による通風口部の閉塞が防止される。

上記発明においては、前記通風口部通風路内における前記熱交換部よりも外側にガラリが設けられ、該ガラリと前記熱交換部は熱的に接続されていることが望ましい。

本発明によれば、熱交換部とガラリとを熱的に接続することで、熱交換部に流入する潤滑オイル剤の熱がガラリに伝わり、例えば、外気温度が低い場合であっても、ガラリへの氷の付着が防止される。そのため、通風口部の閉塞が防止される。

上記発明においては、前記通風口部内には、前記通風口部の流路面積を調節する開度調節部が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、例えば、風力発電装置を外気温度が厳冬期に−４０℃まで低下する寒冷地に設置する場合には、開度調節部により通風口部を閉じることにより、ナセル内への外気の流入が防止される。その結果、加熱ヒータから潤滑剤、例えば潤滑オイルや冷却水などの流体に与えられた熱の損失が低減されるため、初期コストおよびランニングコストの低減が可能である。

上記発明においては、前記開度調節部には、略水平方向に延びる回動軸線を中心に回動する遮蔽板が複数設けられていることが望ましい。

本発明によれば、外気が通風口部からナセル内に誘引されていない場合には、遮蔽板は重力により下に向かって垂れ下がり、通風口部を閉じる。一方、外気が通風口部からナセル内に誘引されている場合には、遮蔽板は誘引された外気流れにより開き、通風口部が開かれる。このように風圧により遮断板の開閉を制御することで、遮断板を開閉するための装置を追加する必要がなく、かつ潤滑オイルや冷却水のヒータ容量を小さくできるため、コスト低減が可能となる。

上記発明においては、前記開度調節部には、前記遮蔽板の回動角を制御する駆動部が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、駆動部により通風口部の開閉が強制的に制御されるため、通風口部に吹き込む風等による意図しない通風口部の開閉が防止され、ナセル内機器温度制御の信頼性を向上できる。

上記発明においては、前記熱交換部の後流側に、前記通風口部を介して外気を前記ナセル内に誘引するファンが設けられていることが望ましい。

本発明によれば、ファンによってナセル内に外気が誘引されるため、熱交換部を通過する外気が増加し、熱交換性能が向上する。

本発明の風力発電装置によれば、ナセルにおける風上側の壁面に通風口部を有し、この通風口部に熱交換部を設置することで風圧（ドラフト）を利用できるため、潤滑剤である潤滑オイルや冷却水との熱交換部（クーラなど）における熱交換性能を向上できるという効果を奏する。
また、通風口部にガラリを設け、ガラリと熱交換部を熱的に接続することで、潤滑オイルの熱により熱交換部を閉塞させた氷が溶かされるため、氷結による熱交換部の性能低下を抑制することが可能となり、ナセル内機器温度制御の信頼性を向上できるという効果を奏する。
加えてガラリに風圧によって開閉される遮断板を設置し、ナセル内への寒冷外気の流入を抑制することで、潤滑オイルや冷却水を加熱するヒータの容量を小さくできコスト低減が可能となるという効果を奏する。これと異なり遮断板による開閉を強制的に制御する場合、意図しない風の吹き込みによる遮断板の開閉を防止できるため、ナセル内機器温度制御の信頼を向上できるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置について図１から図４を参照して説明する。図１から図４ではナセル内外から空気を移送するための開口部を、ナセル前面に設け、開口部を給気口として用いる場合について図示している。
図１は、本実施形態に係る風力発電装置の構成を説明する全体図である。
風力発電装置１は、風力発電を行うものである。
風力発電装置１には、図１に示すように、基礎Ｂ上に立設された支柱(タワー)２と、支柱２の上端に設置されたナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられたロータヘッド（ロータ）４と、ロータヘッド４を覆う頭部カプセル５と、ロータヘッド４の回転軸線周りに放射状に取り付けられる複数枚の風車回転翼（ブレード）６と、ロータヘッド４の回転により発電を行うナセル内機器（発電設備）７と、が設けられている。

なお、本実施形態では、３枚の風車回転翼６が設けられた例に適用して説明するが、風車回転翼６の数は３枚に限られることなく、２枚の場合や、３枚より多い場合に適用してもよく、風車回転翼の数について特に限定するものではない。

支柱２は、図１に示すように、基礎Ｂから上方（図１の上方）に延びる柱状の構成とされ、例えば、複数のユニットを上下方向に連結した構成とされている。支柱２の最上部には、ナセル３が設けられている。支柱２が複数のユニットから構成されている場合には、最上部に設けられたユニットの上にナセル３が設置されている。

図２は、図１のナセル内部の構成を説明する模式図である。
ナセル３は、図１および図２に示すように、ロータヘッド４を回転可能に支持するとともに、内部にロータヘッド４の回転により発電を行うナセル内機器７が収納されている。
ナセル３におけるロータヘッド４側の前面の下部には、図２に示すように開口部（通風口部）５１が設けられている。

図３は、図２の通風路近傍の構成を説明する模式図である。
開口部５１は、ナセル３外からナセル３内へ外気を導入する流路であって、ナセル３の外側から内側に向かって順に、ガラリ５２と、後述する熱交換部１３と、開度調節部５３と、ファン５４とが設けられたものである。

図４は、図３のガラリの構成を説明する断面視図である。
ガラリ５２は、開口部５１内における最もナセル３の外側に配置されたものであって、雨などが開口部５１内に侵入することを防止するものである。さらに、ガラリ５２は、熱交換部１３と金属ステイなどにより熱的に接続して配置されている。

ガラリ５２には、図４に示すように、ナセル３の外側（図４の左側）から内側（図４の右側）に向かって、上方（図４の上方）に傾斜する斜面を有する桁材５６が並んで配置されている。
このように構成することで、桁材５６により開口部５１内への雨水や氷雪の侵入が抑制される。

開度調節部５３は、図３に示すように、熱交換部１３の近傍に配置されるものである。
開度調節部５３には、例えば略水平方向（図３の紙面に対する垂直方向）に延びる複数の回動軸６１と、回動軸６１から延び、重力または通風路５１を流れる外気の流れにより回動する遮蔽板６２と、が設けられている。
開度調節部５３を構成する材質としては、例えば、ステンレス鋼や、アルミニウムなどの高温に耐えうる材料が好ましい。

ファン５４は、開口部５１に配置されるものであって、回転することによりナセル３の外側から内部に外気を吸引するものである。

ロータヘッド４には、図１に示すように、その回転軸線周りに放射状に延びる複数枚の風車回転翼６が取り付けられ、その周囲は頭部カプセル５により覆われている。

ロータヘッド４には、風車回転翼６の軸線回りに風車回転翼６を回転させて、風車回転翼６のピッチ角を変更するピッチ制御部（図示せず。）が設けられている。
これにより、風車回転翼６にロータヘッド４の回転軸線方向から風が当たると、風車回転翼６にロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる力が発生し、ロータヘッド４が回転駆動される。

ナセル３の内部に収納されたナセル内機器７には、図２に示すように、ロータヘッド４の回転駆動力を発電機１４に伝達する主軸（図示せず）を回転可能に支持する主軸受１１と、ロータヘッド４の回転を増速して発電機１４に伝達する増速機１２と、主軸受１１および増速機１２の潤滑に用いられるオイルを冷却する熱交換部１３と、伝達された回転駆動力を用いて発電を行う発電機１４と、発電機１４を冷却発電機熱交換部１５と、発電された電力の電圧や周波数などを制御するインバータを冷却するインバータ熱交換部１６と、が設けられている。

主軸受１１には、主軸受１１の内部を潤滑する潤滑オイル（潤滑剤）を圧送する主軸受ポンプ２１および主軸受タンク２２が設けられている。軸受ポンプ２１および主軸受タンク２２は、主軸受１１と熱交換部１３とともに潤滑オイルの循環経路を構成している。
主軸受タンク２２には、内部に貯留された主潤滑オイルを加熱する主軸受ヒータ２３が設けられている。

増速機１２は、ロータヘッド４から伝達された回転駆動力を発電機１４に伝達するものである。

増速機１２には、増速機１２の内部を潤滑する潤滑オイルを圧送する増速機ポンプ３１および増速機タンク３２が設けられている。増速機ポンプ３１および増速機タンク３２は、増速機１２と熱交換部１３とともに潤滑オイルの循環経路を構成している。
増速機タンク３２には、内部に貯留された潤滑オイルを加熱する増速機ヒータ３３が設けられている。

発電機熱交換部１５は発電機１４と隣接して配置された熱交換器であって、発電機１４で発生した熱をナセル３内の空気に放熱するものである。
発電機熱交換部１５は、ナセル３の後方に延びる発電機ダクト１５Ｄと接続されている。発電機熱交換部１５において吸熱した空気は、発電機ダクト１５Ｄを通じてナセル３の後方へ排気される。

インバータ熱交換部１６はナセル３の後方に配置された熱交換器であって、インバータで発生した熱をナセル３内の空気に放熱するものであって、吸熱した空気を、ナセル３の後方へ排気するものである。

次に、上記の構成からなる風力発電装置１における発電方法についてその概略を説明する。
風力発電装置１においては、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車回転翼６に当たった風力エネルギが、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。

このロータヘッド４の回転はナセル内機器７に伝達され、ナセル内機器７において、電力の供給対象に合わせた電力、例えば、周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力が発電される。
ここで、少なくとも発電を行っている間は、風力エネルギを風車回転翼に効果的に作用させるため、適宜ナセル３を水平面上で回転させることにより、ロータヘッド４は風上に向けられている。

次に、本実施形態の特徴である、熱交換部１３における放熱等について説明する。

ファン５４が回転すると、図２および図３に示すように、ナセル３の外側の外気が誘引されて開度調節部５３が開き、ナセル３の内部に外気が導入される。具体的には、開度調節部５３の遮蔽板６２が回動軸６１を中心として、ファン５４側に回動して外気の流路が形成される。

風力発電装置１において発電が行われていると、開口部５１は、ナセル３におけるロータヘッド４側のナセル前壁面に設けられているため、風は開口部５１に直接吹き込む。そのため、開口部５１に流入する外気の流量は、ファンモータで吸引する流量よりも増加する。

外気はガラリ５２の桁材５６の間を流れ、熱交換部１３に流入する。熱交換部１３において外気は、主軸受１１や、増速機１２を潤滑して温度が高くなった潤滑オイルから熱を吸収する。
熱を吸収して温度が上昇した外気は、開度調節部５３を通過してナセル３の内部に流入する。

一方、熱を奪われ冷やされた主軸受用の潤滑オイルは、主軸受タンク２２、主軸受ポンプ２１および主軸受１１の順に循環して、再び熱交換部１３に流入する。増速機用の潤滑オイルは、増速機１２，増速機タンク３２および増速機ポンプ３１の順に循環して、再び熱交換部１３に流入する。

さらに、潤滑オイルの熱は、熱交換部１３からガラリ５２に伝わり、ガラリ５２に氷が付着することを防止している。つまり、外気の状態が高湿度で温度が０℃弱まで低下しても、ガラリ５２の温度は、氷が付着しても溶かすことができる温度（例えば３℃から５℃以上）に保たれる。

ファン５４が停止された場合、つまり、風力発電装置１による発電が停止された場合には、開口部５１内の風圧がなくなるため、開度調節部５３は、開口部５１を閉じる。つまり、開度調節部５３の遮蔽板６２は、重力により下方に垂れ下がり、隣接する遮蔽板６２とともに開口部５１を閉じる。
これにより、ナセル３外側の外気が、開口部５１を介してナセル３の内部に流入することを抑制できる。

上記の構成によれば、開口部５１はナセル３におけるロータヘッド４側、つまり、風上側のナセル前壁面に開口するため、ナセル３内への外気の誘引に風圧が利用できる。そのため、熱交換部１３を通過する外気の流量が増加し、熱交換性能が向上する。

ガラリ５２と熱交換部１３とが熱的に接続されることにより、熱交換部１３に流入する潤滑オイルの熱がガラリ５２に伝わるため、例えば、外気の状態が高湿度で温度が０℃弱まで低下しても、ガラリ５２へ氷が付着しても溶かすことができる。そのため、開口部５１の閉塞が防止されるので、ナセル内機器７の温度制御の信頼性を向上することができる。

外気が寒冷状態の場合には、開度調節部５３により開口部５１を閉じて、ナセル３内への寒冷な外気の流入が抑制できる。そのため、外気が寒冷状態で風力発電装置１を冷体起動する際に、潤滑オイルなどの昇温が行いやすくなり、起動時間が短縮される。

なお、本願の発明は、上述の実施形態のように、開口部５１に開度調節部５３を設けた発明に限定するものではない。
本願の発明は、熱交換部１３で熱交換される流体を潤滑オイルに限定する発明でなく、熱交換部１３で冷却水など他の流体が熱交換される発明でもよい。

本実施形態では、図２と図３に示すように、開口部５１に熱交換部１３とガラリ５２の組み合わせた例に適用して説明しているが、本願の発明は、開口部５１を給気口に限定するものではなく、これを排気口として用いてもよい。
その場合、風圧による熱交換器１３の性能向上の効果は小さくなるが、熱交換器１３に付着した氷を潤滑オイルや冷却水などの顕熱により溶かすことにより、寒冷地域でのナセル内機器温度制御の信頼性を向上する効果は維持される。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図５を参照して説明する。図５はナセル内外から空気を移送するための開口部を、ナセル前面に設け、開口部を給気口として用いる場合について図示している。
本実施形態の風力発電装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、開度調節部の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図５を用いて開度調節部の構成のみを説明し、その他の構成等の説明を省略する。
図５は、本実施形態に係る風力発電装置の開度調節部の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

風力発電装置１０１の通風路５１には、図５に示すように、ナセル３の外側から内側に向かって順に、ガラリ５２と、熱交換部１３と、開度調節部１５３と、ファン５４とが設けられている。

開度調節部１５３は、熱交換部１３とファン５４との間に配置されるものである。
開度調節部１５３には、略水平方向（図５の紙面に対する垂直方向）に延びる回動軸６１と、回動軸６１から延び、回動する遮蔽板６２と、遮蔽板６２の回動角を制御するモータ（駆動部）１６３と、が設けられている。

モータ１６３は、風力発電装置１０１の運転状況に応じて、遮蔽板６２の回動角を制御して、開口部５１における外気が流れる流路断面積を制御するものである。
例えば、風力発電装置１０１における発電量が増加し、増速機１２や主軸受１１などにおける発熱量が増加する場合には、遮蔽板６２をファン５４の起動に連動してモータ１６３により回動させ、熱交換部１３を通過する外気の流量を増加させる。
一方、風力発電装置１０１における発電が停止された場合には、遮蔽板６２を下方にモータ１６３により下ろして開口部５１を閉じる。

上記の構成によれば、モータ１６３により開口部５１の開閉が強制的に制御されるため、開口部５１に吹き込む外風等による意図しない開口部５１の開閉を防止でき、ナセル内機器温度制御の信頼性を向上することができる。

なお本願の発明は、熱交換部１３で熱交換される流体を潤滑オイルに限定するものでなく、熱交換部１３で冷却水など他の流体が熱交換される発明でもよい。

本実施形態では、図５に示すように、開口部５１に熱交換部１３とガラリ５２の組み合わせた例に適用して説明しているが、本願の発明は、開口部５１を給気口に限定するものではなく、これを排気口として用いても良い。
その場合、風圧による熱交換器１３の性能向上の効果は小さくなるが、熱交換器１３に付着した氷を潤滑オイルや冷却水などの顕熱により溶かすことにより、寒冷地域でのナセル内機器温度制御の信頼性を向上する効果は維持される。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図６を参照して説明する。図６ではナセル内外から空気を移送するための開口部を、ナセル前面に設け、開口部を給気口として用いる場合について図示している。
本実施形態の風力発電装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、開口部近傍の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図６を用いて開口部近傍の構成のみを説明し、その他の構成等の説明を省略する。
図６は、本実施形態に係る風力発電装置の風路近傍の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

風力発電装置２０１の開口部（通風口部）２５１には、図６に示すように、ナセル３の外側から内側に向かって順に、熱交換部１３と、開度調節部５３と、ファン５４とが設けられている。

熱交換部１３は開口部２５１における最もナセル３の外側に配置され、潤滑オイルの熱を放熱させる熱交換器であるとともに、ガラリとしての役割も果たすものである。

上記の構成によれば、ガラリとしての機能を熱交換部１３が持つため、より小さな熱抵抗で潤滑オイルの熱を氷に伝達できる。そのため、熱交換部１３に氷が付着しても、熱交換部１３に流入する潤滑オイルの熱により溶かすことができ、氷結による開口部２５１の閉塞をより効果的に防止できる。

なお本願の発明は、熱交換部１３で熱交換される流体を潤滑オイルに限定するものでなく、熱交換部１３で冷却水など他の流体が熱交換される発明でもよい。

本実施形態では、図６に示すように、開口部２５１にガラリの役割を果たす熱交換部１３を配置した例に適用してせつめいしているが、本願の発明は、開口部２５１を給気口に限定するものではなく、これを排気口として用いてもよい。
その場合、風圧による熱交換器１３の性能向上の効果は小さくなるが、熱交換器１３に付着した氷を潤滑オイルや冷却水などの顕熱により溶かすことにより、寒冷地域でのナセル内機器温度制御の信頼性を向上する効果は維持される。

本発明における第１の実施形態に係る風力発電装置の構成を説明する全体図である。 図１のナセル内部の構成を説明する模式図である。 図２の開口部近傍の構成を説明する模式図である。 図３のガラリの構成を説明する断面視図である。 本発明における第２の実施形態に係る風力発電装置の開度調節部の構成を説明する模式図である。 本発明における第３の実施形態に係る風力発電装置の風路近傍の構成を説明する模式図である。

符号の説明

１，１０１，２０１ 風力発電装置
３ ナセル
４ ロータヘッド（ロータ）
６ 風車回転翼（ブレード）
７ ナセル内機器（発電設備）
１３ 熱交換部
５１，２５１ 開口部
５２ ガラリ
５３ 開度調節部
５４ ファン
１６３ モータ（駆動部）

Claims (6)

1. 複数のブレードを備えるロータの回転により発電を行う発電設備が収納されるナセルと、
   該ナセルの通常運転時に風上側となる壁面に開口する通風口部と、
   前記通風口部に配置され、前記発電設備の潤滑剤と外気との間で熱交換を行う熱交換部と、
   が設けられていることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記通風口部内における前記熱交換部よりも外側にガラリが設けられ、
   該ガラリと前記熱交換部は熱的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 前記通風口部内には、前記通風口部の流路面積を調節する開度調節部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。
4. 前記開度調節部には、略水平方向に延びる回動軸線を中心に回動する遮蔽板が複数設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の風力発電装置。
5. 前記開度調節部には、前記複数の遮蔽板の回動角を制御する駆動部が設けられていることを特徴とする請求項４記載の風力発電装置。
6. 前記熱交換部の後流側に、前記通風口部を介して外気を前記ナセル内に誘引するファンが設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の風力発電装置。

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