JP2011117381A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却された空気が再加熱されることを抑制し、冷却効率を向上させ、効果的にナセル内の機器を冷却できる風力発電装置を提供する。
【解決手段】ナセル５内の空気がナセル５からタワー３を通って下降する下降通路１７および下降した空気がタワー３を通ってナセル５内へ上昇する上昇通路１９を有する循環通路と、循環通路の中途に空気と外部空気との間で熱交換するように形成された熱交換部２９と、が備えられている風力発電装置１であって、上昇通路１９は、断熱されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置に関するものである。

自然エネルギーである風力を利用して発電を行う風力発電装置が知られている。この種の風力発電装置は、タワー上に設置されたナセルに風車翼を取り付け、この風車翼の回転力を用いてナセル内に設置された発電機を回転駆動し、発電している。この変換の際、損失となるエネルギー、動作を制御する制御装置の発熱等によってナセル内の温度が上昇することとなる。

従来、ナセル内よりも温度の低い外部の空気を取り入れて直接にあるいは間接にナセル内を冷却し、取り入れた空気をナセル外部に排出することで、ナセル内部に生じた熱を外部に排出している。しかし、外部の空気には、水分や塩分が含まれているため、直截的に外部空気をナセル内に導入することは、ナセル内の機器の腐食を招き、耐久性の面で問題となる恐れがある。

外部からの空気の導入を不要とし、ナセル内の環境劣化を防止するものが、たとえば、特許文献１に示されるように提案されている。
これは、ナセルを支持する塔に二重壁部を設け、ナセル内の空気が塔の二重壁部を通過して戻る循環通路を形成し、ナセル内の空気と塔の外部を流れる空気（風）との間で熱交換を行うものである。

特表２００３−５０４５６２号公報

ところで、特許文献１に示されるものでは、熱交換される場所が塔の側面の略全面に設けられているので、条件によっては冷媒である空気が塔で冷却された後、ナセルに戻る前に外気によって暖められる恐れがあり、冷却効率の向上が求められている。
また、循環通路は流れ方向に略均一な高さ（深さ）で、流れ方向に長く形成されているので、そこを流れる空気は層流となり、熱交換効率の向上が求められている。

本発明は、このような事情に鑑み、冷却された空気が再加温されることを抑制し、冷却効率を向上させ、効果的にナセル内の機器を冷却できる風力発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様は、ナセル内の空気が該ナセルから塔部を通って下降する下降通路および下降した前記空気が前記塔部を通って前記ナセル内へ上昇する上昇通路を有する循環通路と、該循環通路の中途に前記空気と外部流体との間で熱交換するように形成された熱交換部と、が備えられている風車装置であって、前記上昇通路は、断熱されている風力発電装置である。

本態様にかかる風力発電装置では、ナセル内の空気は下降通路を通って下降し、下降した空気は上昇通路を通って上昇し、ナセルに戻って来る。この際、循環通路を通る空気は熱交換部で相対的に温度の低い外部流体と熱交換され、冷却される。
このとき、循環通路には、上昇通路は、断熱されているので、どのような条件であっても一度冷却された空気が上昇通路を通る際に加温されることを抑制することができる。
これにより、ナセル内の空気の冷却効率を向上させることができる。したがって、外部の空気をナセル内に導入することなく上昇通路を通ってナセル内に戻ってくる冷却された空気によってナセル内の機器を十分に冷却できるので、ナセル内の耐食性を向上させることができる。

前記態様では、前記上昇通路は、前記塔部の壁部から離間して配置される構成とするのが好適である。
このようにすると、一度冷却された内部空気が、上昇通路を通って上昇する際、壁部からの入熱で加熱されることがない。

前記構成では、前記下降通路は、前記上昇通路の外周を包囲するように配置され、前記塔部の壁部を外周側通路壁として用いていてもよい。

このように下降通路は、上昇通路の外周を包囲するように配置され、塔部の壁部を外周側通路壁として用いているので、下降通路は塔部の全周に亘り熱交換部を形成することができる。したがって、熱交換部は風の向きによらず熱交換を行うことができる。

前記構成では、前記下降通路および前記上昇通路は、前記塔部の横断面の一部を構成していてもよい。

このようにすると、塔部に別の部材を配置することができるので、塔部の空間を有効に活用することができる。
たとえば、風の向きが比較的変動しないところに設置される風力発電装置に適用すると、特に有効である。

前記態様では、前記循環通路には、前記熱交換部を除く少なくとも一部分に断熱材が装着されていてもよい。

前記態様では、前記熱交換部の上流側部分には、通過する空気の流れを乱す乱流形成部材が備えられている構成とすることが好ましい。

このように、熱交換部には、上流側部分に通過する空気の流れを乱す乱流形成部材が備えられているので、熱交換部の上流側部分を流れる空気は、乱流形成部材によって流れが乱される、言い換えると乱流とされる。これにより、流路内で熱交換によって冷却されていない空気が入れ替わって外部流体により冷却されるので、熱交換の効率を向上させることができる。

前記構成では、前記乱流形成部材は、前記外周側通路壁から内側に向けて断面積が小さくなるように形成されていてもよい。

このようにすると、熱交換に比較的関与しない下降通路の上昇通路側部分、すなわち、内側部分における流路面積を大きくすることができるので、空気の圧力損失をより小さくすることができる。

本発明によると、上昇通路は、断熱されているので、どのような条件であってもナセル内の空気の冷却効率を向上させることができる。

本発明の第一実施形態にかかる風力発電装置の概略構成を示す縦断面図である。 図１のＸ−Ｘ断面図である。 図１のＹ−Ｙ断面図である。 本発明の第一実施形態にかかる乱流形成部材の別の実施形態を示し、図２と同じ部分を示す断面図である。 本発明の第一実施形態にかかる乱流形成部材のさらに別の実施形態を示し、図２と同じ部分を示す断面図である。 本発明の第一実施形態にかかる循環通路の第一変形例の図２と同じ部分を示す断面図である。 本発明の第一実施形態にかかる循環通路の第一変形例の図３と同じ部分を示す断面図である。 第一変形例にかかる循環通路の別の変形例における図２と同じ部分を示す断面図である。 本発明の第一実施形態にかかる循環通路の第二変形例の図２と同じ部分を示す断面図である。 本発明の第一実施形態にかかる循環通路の第二変形例の図３と同じ部分を示す断面図である。 第二変形例にかかる循環通路の別の変形例における図２と同じ部分を示す断面図である。 本発明の第二実施形態にかかる風力発電装置の概略構成を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を、添付図面を用いて詳細に説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態にかかる陸上に設置される風力発電装置１について、図１〜図３を参照して説明する。
図１は、第一実施形態にかかる風力発電装置１の概略構成を示す縦断面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ断面図である。図３は、図１のＹ−Ｙ断面図である。

風力発電装置１には、基礎Ｂ上に立設されたタワー（塔部）３と、タワー３の上端に設置されたナセル５と、略水平な回転軸線回りに回転可能にしてナセル５に取り付けられたロータヘッド７と、ロータヘッド７に放射状に取り付けられている複数枚の風車翼９と、ロータヘッド７の回転により発電を行う発電設備１１と、冷却設備１３と、が備えられている。
タワー３は、金属製またはコンクリート製または金属とコンクリートとの複合製であり、図１に示されように、基礎Ｂから上方（図１の上方）に延びる中空円筒形状をした柱状体である。

タワー３の最上部には、ナセル５がタワー３の軸線中心回りに回転可能に取り付けられている。
ナセル３は、図１に示されるように、ロータヘッド７に固定された主軸１５を回転可能に支持している。
発電設備１１には、たとえば、主軸１５に連結された増速機、増速機によって回転駆動される発電機、発電機で発電された電力を整流する整流器、変圧する変圧器およびこれらを含め風力発電装置の動作を制御する制御装置等が備えられている。

ナセル５の内部は、軸受や増速機、発電機、インバータ等の発熱により内部温度が上昇する。
冷却設備１３は、ナセル５の内部の空気を冷却するものである。
冷却設備１３には、下降通路１７および上昇通路１９を形成する区画部２１と、下降通路１７にナセル５内の空気を供給する複数のファン２３と、下降通路１７の中途に取り付けられた乱流形成部材２５と、が備えられている。

区画部２１は、中空円筒形状をし、タワー３と略同一軸線中心を持ちナセル５の下部からタワー３の下部近傍まで延在するように取り付けられている。
区画部２１は、その外周壁とタワー３の外周壁との間に中空円筒形状の空間である下降通路１７を形成し、その内周部に円筒形状をした上昇通路１９を形成している。
したがって、下降通路１７は、上昇通路１９の外周を包囲するように配置されている。

複数のファン２３は、ナセル５の内部で下降通路１７ファン２３の開口部に対向するように、周状に間隔をあけて配置されている。
ファン２３がナセル５内の空気を下降通路１７に供給する。供給された空気は、下降通路１７を通って下降し、タワー３の略下端部近傍で上昇通路１９に流入する。上昇通路１９に流入した空気は上昇通路１９を通ってナセル５内に戻される。
下降通路１７および上昇通路１９は、本発明の循環通路を構成している。

区画部２１の内周面には、略全面に亘り断熱材が装着された断熱層２７が形成されている。
外部空気（流体）は、一般に基礎Ｂから上空に行くほど、すなわち、高くなるほど温度が低くなる。これを利用するため、ナセル５から下降通路１７の高さの略７０％に亘る部分が熱交換部２９とされている。
タワー３の内周面には、熱交換部２９を除く範囲に断熱材が装着された断熱層３１が形成されている。したがって、循環通路の熱交換部２９を除く範囲に断熱層２７，３１が形成され、言い換えれば、断熱材が装着されている。
断熱層２７，３１の断熱材としては、たとえば、ウレタンが用いられている。断熱材はこれに限らず、発泡スチロール等適宜なものが用いられる。

乱流形成部材２５は、ナセル５から熱交換部２９の高さ方向長さの略三分の一の位置、すなわち、熱交換部２９の上流側部分に取り付けられている。
乱流形成部材２５は、図２に示されるように、周状に間隔をあけて設けられた多数のピン３３によって形成されている。ピン３３は、それぞれタワー３の内周面（外周側通路壁）および区画部２１の外周面から対向するように下降通路１７に向けて略水平に突起して設けられている。

なお、乱流形成部材２５は、下降通路１７を流れる空気の流れに対する障害物で、空気の流れを乱すものであり、ピン３３に限らず、種々の構造をしたものを用いることができる。
乱流形成部材２５は、たとえば、図４に示されるように下降通路１７の通路面に間隔をあけて略並列された棒３５としてもよい。

また、乱流形成部材２５は、図５に示されるように、タワー３の内周面に取り付けられた複数の突起部３７で構成されてもよい。
突起部３７は、略三角錐形状をし、一面が略水平に延在するように設置されている。突起部３７は、タワー３の内周面から内側に向けて断面積が小さくなるように形成され、一頂点が区画部２１から間隔をあけるようにされている。
このようにすると、熱交換に比較的関与しない下降通路１７の上昇通路１９側部分、すなわち、内側部分における空気の流路面積を大きくすることができるので、下降通路１７を流れる空気の圧力損失をより小さくすることができる。

なお、突起部３７は、三角錐形状に限らず、多角錐形状、円錐形状等の任意の錐体あるいは三角錐台等の任意の錐台体が用いられてよい。また、突起部３７は、タワー３の内周面から内側に向けて断面積が小さくなるように形成されている形状であればよく、適宜な形状が用いられる。

以上のように構成された本実施形態にかかる風力発電装置１の動作について説明する。
ロータヘッド７の回転軸線方向から風車翼９に当たった風の力が、風車翼９を移動させ、ロータヘッド７を回転軸線回りに回転させる動力に変換される。
このロータヘッド７の回転は、主軸１５を経由して発電設備１１に伝達される。発電設備１１では、伝達された回転力を用いて発電が行われる。
ここで、少なくとも発電を行っている間は、風の力を風車翼９に効果的に作用させるため、適宜ナセル５を水平面上で回転させることにより、ロータヘッド７は風上に向けられている。

このとき、ナセル５の内部は、増速機や発電機、インバータ等の発熱により内部温度が上昇するので、冷却設備１３によって冷却される。
冷却設備１３では、ファン２３が作動されている。ファン２３が作動されると、ナセル５内の空気が下降通路１７に向けて送られ、下降通路１７を通って下降する。
外部の空気は、一般に基礎Ｂから上空に行くほど温度が低くなる。タワー３の外周面における上部は、この相対的に温度の低い外部空気によって冷やされている。

熱交換部２９では、タワー３が下降通路１７の外周側通路壁を構成しているので、下降通路１７の熱交換部２９を通る空気からタワー３を介して外部空気に熱が排出される。
下降通路１７、すなわち、熱交換部２９はタワー３の全周に亘り形成されているので、熱交換部２９は風の向きによらず熱交換を行うことができる。

下降通路１７を流れる空気は、ファン２３から離れるに連れて整流され層流とされる。この空気が乱流形成部材２５の設置位置に至ると、ピン３３によって流れが乱され、乱流とされる。
これにより、タワー３に接触する空気が入れ替わる、言い換えると、熱交換によって冷却されていない空気が順次入れ替わってタワー３に接触することになるので、熱交換される媒体の温度差が大きくなる。したがって、熱交換部２９における熱交換の効率を向上させることができる。
なお、乱流形成部材２５は省略されることも可能である。

熱交換部２９で冷却された空気は、タワー３の略下端部近傍で上昇通路１９に流入する。上昇通路１９に流入した空気は上昇通路１９を通ってナセル５内に戻され、ナセル５内の機器を冷却する。
このとき、下降通路１７の熱交換部２９を除く部分には断熱層３１が、また上昇通路１９には全面に亘り断熱層２７が備えられているので、どのような条件であっても、一度冷却された空気が加温されることを抑制することができる。
これにより、ナセル内の空気の冷却効率を向上させることができる。
したがって、外部空気をナセル５内に導入することなくナセル内の機器を十分に冷却できるので、ナセル内の耐食性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、下降通路１７および上昇通路１９はタワー３の内部空間の全体を用いるように形成されているが、たとえば、以下に説明する第一変形例および第二変形例のように部分的に活用するようにしてもよい。
また、ファン２３の配置位置はナセル５内としたが、前記循環通路内の適宜箇所に単独で、または追加で配置しても良い。
更にまた、区画部２１に装着する断熱層２７は区画部の内周面としたが、無論、外周面に装着しても同様の効果が得られる。
更にまた、本実施形態では、循環通路をタワー３の下部近傍まで延在させる構成としたが、前述の通り外部空気は上空に行くほど温度が低くなるので、必要とされる冷却能力に合わせ、循環通路をタワーの上部のみ、または中間部のみに延在させるようにしても良い。

［第一変形例］
第一変形例にかかる風力発電装置１について、図６および図７を用いて説明する。図６は、第一実施形態の図２と同様タワー上部の断面図である。図７は、第一実施形態の図３同様、タワー下部での断面図である。
本変形例は、下降通路１７および上昇通路１９の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明する。

本変形例では、中空の略円筒形状をしたチューブ３９がその軸線中心がタワー３の軸線中心と略平行となり、タワー３に接触するように配置されている。チューブ３９は、解放された上面がナセル５に対向し、閉鎖された下面がタワー３の下端部に近接するように上下方向に延在して取り付けられている。チューブ３９の径は、タワー３の径の略４５％とされている。

チューブ３９は、仕切板４１によって横断面を略半分に仕切られ、タワー３の外周側に位置する下降通路１７と内側に位置する上昇通路１９とが形成されている。
下降通路１７および上昇通路１９はチューブ３９の下部で連通されている。
下降通路１７の上部位置には、第一実施形態と略同等の範囲に熱交換部２９が形成されている。チューブ３９の内周面には、下降通路１７の熱交換部２９を除く範囲に断熱材が装着された断熱層４３が形成されている。

仕切板４１の上昇通路１９側の面には、略全面に亘り断熱材が装着された断熱層４５が形成されている。
なお、下降通路１７における熱交換部２９の部分に、上述した乱流形成部材２５を取り付けるようにしてもよい。
また、熱交換部２９の下降通路１７を図８に示すように断面形状が扇形となるようにしてもよい。このようにすると、下降通路１７がタワー３と接触する範囲が拡大できるので、熱交換効率を向上させることができる。

以上のように構成された本実施形態にかかる風力発電装置１の動作については、基本的に第一実施形態と同様であるので、重複した説明を省略する。
本比較例では、下降通路１７および上昇通路１９が形成されるチューブ３９は、タワー３の横断面の一部を構成しているだけであるので、残りの空間は別の用途に有効に活用することができる。
本比較例では、熱交換部２９がタワー３の周方向の一部に限定されるので、風向によっては熱交換効率が変化するので、たとえば、風の向きが比較的変動しないところに設置される風力発電装置１に適用すると、特に有効である。

［第二変形例］
第二変形例にかかる風力発電装置１について、図９および図１０を用いて説明する。図９は、第一実施形態の図２と同様、タワー上部の断面図である。図１０は、第一実施形態の図３と同様、タワー下部の断面図である。
本変形例は、下降通路１７および上昇通路１９の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明する。

本変形例では、中空の略円筒形状をした一対のチューブ４７，４９がその軸線中心がタワー３の軸線中心と略平行となり、チューブ４７はタワー３に接触するように、タワー軸線中心にそれぞれ略対称位置に配置されている。
チューブ４７，４９は、それぞれ解放された上面がナセル５に対向し、解放された下面がタワー３の下端部に近接するように上下方向に延在して取り付けられている。チューブ４７，４９の径は、タワー３の径の略３０％とされている。

チューブ４７は、下降通路１７を構成し、その上面に対向し、空気を送るファン２３が備えられている。
下降通路１７の上部位置でタワー３に接触する側には、第一実施形態と略同等の高さ範囲に熱交換部２９が形成されている。
チューブ４７の内周面には、タワー３側に設けられた熱交換部２９を除く範囲に断熱材が装着された断熱層５１が形成されている。

チューブ４９は、上昇通路１９を構成し、その上面に対向し、空気を吸い込むファン２３が備えられている。
チューブ４７の内周面には、略全面に亘り断熱材が装着された断熱層５３が形成されている。

なお、下降通路１７における熱交換部２９の部分に、上述した乱流形成部材２５を取り付けるようにしてもよい。
また、熱交換部２９の下降通路１７を図１１に示すように断面形状が扇形となるようにしてもよい。このようにすると、下降通路１７がタワー３と接触する範囲が拡大できるので、熱交換効率を向上させることができる。

以上のように構成された本実施形態にかかる風力発電装置１の動作について説明する。
本比較例では、ナセル５内の空気はファン２３によって下降通路１７に送り込まれ、タワー３の下端部に吹き出される。一方、別のファン２３が上昇通路１９の上端で空気をナセル５内に吸い込んでいるので、下降通路１７から吹き出された空気は上昇通路１９の下端に吸い込まれナセル５内に送られる。
これ以外の動作については、基本的に第一実施形態と同様であるので、重複した説明を省略する。

下降通路１７および上昇通路１９が形成されるチューブ４７，４９は、タワー３の横断面の一部を構成しているだけであるので、残りの空間は別の用途に有効に活用することができる。
本比較例では、熱交換部２９がタワー３の周方向の一部に限定されるので、風向によっては熱交換効率が変化するので、たとえば、風の向きが比較的変動しないところに設置される風力発電装置１に適用すると、特に有効である。

なお、チューブ４７，４９の下端部同士を接続し、下降通路１７および上昇通路１９を連通させるようにしてもよい。
このようにすると、下降通路１７の熱交換部２９で冷却された空気を確実に上昇通路１９に導入させることができるし、上昇通路１９に備えたファン２３を省略することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態にかかる風力発電装置１について、図１２を用いて説明する。本実施形態にかかる風力発電装置１は、洋上に設置されるものである。
本実施形態は、熱交換部２９の位置が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。

図１２は、本実施形態にかかる風力発電装置１の概略構成を示す縦断面図である。
洋上に設置される風力発電装置１は、タワー３等の浮力によって所望の海域に浮いた状態とされている。このため、タワー３の下部は海面５５よりも下方に位置している。
海水は、一般に空気よりも温度が低いので、熱交換部２９はタワー３の下部で、海面５５よりも深い位置に形成されている。
乱流形成部材２５は、熱交換部２９の入口部分、すなわち、熱交換部２９の上流側部分に設置されている。

以上のように構成された本実施形態にかかる風力発電装置１の動作については、基本的に第一実施形態と同様であるので、ここでは重複した説明を省略する。
ナセル５が、タワー３に固定して取り付けられている形式の風力発電装置１であれば、風向によってタワー３が自転し、タワー３の周方向で一定の位置に風があたることになる。この場合には、上述の第一変形例および第二変形例を用いても有効な冷却を行うことができる。

なお、本発明は以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。

１ 風力発電装置
３ タワー
５ ナセル
１７ 下降通路
１９ 上昇通路
２５ 乱流形成部材
２７，３１，４１，４３，５１，５３ 断熱層

Claims (7)

1. ナセル内の空気が該ナセルから塔部を通って下降する下降通路および下降した前記空気が前記塔部を通って前記ナセル内へ上昇する上昇通路を有する循環通路と、
   該循環通路の中途に前記空気と外部流体との間で熱交換するように形成された熱交換部と、が備えられている風力発電装置であって、
   前記上昇通路は、断熱されていることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記上昇通路は、前記塔部の壁部から離間して配置されることを特徴する請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記下降通路は、前記上昇通路の外周を包囲するように配置され、前記塔部の壁部を外周側通路壁として用いていることを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
4. 前記下降通路および前記上昇通路は、前記塔部の横断面の一部のみを占めていることを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
5. 前記循環通路には、前記熱交換部を除く少なくとも一部分に断熱材が装着されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の風力発電装置。
6. 前記熱交換部の上流側部分には、通過する空気の流れを乱す乱流形成部材が備えられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の風力発電装置。
7. 前記乱流形成部材は、前記外周側通路壁から内側に向けて断面積が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項６に記載の風力発電装置。
   

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