JP2012012980A - 風力発電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】風車翼5を取り付けたロータヘッド4に連結されている駆動・発電機構がナセル30内に収納設置されている風力発電装置1Aにおいて、ナセル30の外壁面が、太陽光の直射を受けない壁面の少なくとも一部に、周辺壁面部材より高熱伝導率の部材を用いた放熱抵抗低減部50を備えている。
【選択図】図1
Description
上述したロータヘッドは、一般的に風車用タワー(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。
このようなナセル内機器は、ナセル吸気口から吸気される外気を用い、熱源となる機器毎に設置された個別の熱交換器により外気と冷却媒体とを熱交換させ、外気に吸熱された冷却媒体を冷却対象機器に供給して冷却することが行われている。この場合、ナセル内に吸気される外気は、一般的にはフィルタを介して除塩及び除塵の処理が施されている。
また、図6(b)は、ナセル3の壁面構造を示す要部拡大図である。一般的なナセル構造のナセル壁面は、複数に分割した繊維強化プラスチック(以下、「FRP」と呼ぶ)製の壁面部材3aを結合する外壁構造とされ、ナセル内部に設けたフランジ部3bをボルト・ナット8により結合する構造が採用されている。
また、下記の特許文献1には、ロータハブからカバーを貫通して外気に放熱する放熱フィンを備えた風力発電装置が開示されている。
具体的に説明すると、太陽定数(地球大気表面の単位面積に垂直に入射する太陽のエネルギー量)は約1370W/m2であり、従って、ナセル3の天井及び側面の受熱面積を80m2(ナセル高さ4m、ナセル幅4m、ナセル長さ5m)の略直方体と仮定すれば、大気透過率0.7とするとき太陽からナセル3の壁面への入熱量は約77kWとなる。
しかし、ナセル3の壁面熱抵抗が大きいと、ナセル3の壁面を通じての放熱抵抗も低下するので、ナセル3の内部では、内部空気温度と外気との温度差が増大する。特に、太陽熱の影響が大きい夏期日中においては、ナセル3の内部空気温度が電子機器環境温度の上限を超えることが懸念される。このようなナセル3内の温度環境は、ナセル3内に設置されている電子機器類の寿命を低下させる原因となるため好ましくない。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、太陽光の日射によるナセル外側からナセルの内部へ入熱する熱量を抑制するとともに、ナセルの内部から外気へ向かう放熱性能を向上させた風力発電装置の提供を目的とする。
本発明に係る風力発電装置は、風車翼を取り付けたロータヘッドに連結されている駆動・発電機構がナセル内に収納設置されている風力発電装置において、前記ナセルの外壁面が、太陽光の直射を受けない壁面の少なくとも一部に、周辺壁面部材より高熱伝導率の部材を用いた放熱抵抗低減部を備えていることを特徴とするものである。
図1(a)において、風力発電装置1Aは、基礎上に立設されるタワー2と、タワー2の上端に設置されるナセル30と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル30に設けられるロータヘッド4とを備えている。
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。なお、図示の風力発電装置1Aは、ナセル30の前方で風車翼5が回転するアップウインド型と呼ばれるものであるが、以下に説明する本発明は、たとえばダウンウインド型にも適用可能であり、これに限定されることはない。
このように、風力発電装置1Aは、風車翼5を取り付けたロータヘッド4に連結されている駆動・発電機構がナセル30の内部に収納設置されている。このような駆動・発電機構は、運転により発熱する機器類を含んでいる。
ナセル30の前端面下方には、ナセル30の内部に冷却用の外気を導入するため、カバー部材31に開口するナセル吸気口6が設けられている。このナセル吸気口6には、除塩や除塵の機能を備えたフィルタが取り付けられている。また、ナセル30の上面には、ナセル30の内部を循環した冷却用の外気を大気へ流出させるため、カバー部材31の開口に雨よけを取り付けた排気口7が設けられている。
図示の構成例では、主軸受9及び増速機10の潤滑油を冷却媒体とし、潤滑油と外気との熱交換により冷却するオイルクーラ11を示している。しかし、実際のナセル30は、従来技術で説明したように、インバータ制御盤12や発電機13等の冷却に用いられる冷却媒体を外気と熱交換するため、図示しない各種の熱交換器を備えている。
なお、図中の矢印Caは外気主流の一例を示すものであり、実際の外気流れは、ナセル30内に設置された熱交換器の配置等に応じて、ナセル30の内部を循環して流れるようになっている。
図示の実施例では、ナセル30の外壁面を形成するカバー部材31が複数に分割された接合構造となっている。そこで、底面部32に取り付ける底面カバー部材40に対して、高熱伝導部材の放熱抵抗低減部50を設けてある。この放熱抵抗低減部50は、タワー2との取合部を除いた底面部32において、できるだけ広い面積に設けられていることが望ましい。
なお、図示の底面部32は、複数に分割したカバー部材40を接合した構造となっているが、ナセル30の大きさ等によっては1枚のカバー部材40としてもよい。
放熱抵抗低減部50は、直射日光を受けないナセル30の外壁面にFRP等の周辺壁面部材より高熱伝導率の部材を配設したものであり、たとえばFRP製の周囲枠41内に高熱伝導率の金属板51を含浸させて硬化させることにより、周囲枠41内の中央部に金属板51を保持したものがある。
この場合、周辺壁面部材のFRPより高熱伝導率の金属としては、たとえば銅、アルミニウム及びジュラルミン等がある。しかし、周辺壁面部材より熱伝導率が高く軽量であれば、特にその材質について限定されることはない。
換言すれば、放熱抵抗低減部50は、底面部32のように直射日光を受けない位置に設置されているので、熱伝導率の高い部材を使用してもナセル30内へ入熱する太陽熱の熱量が増すことはなく、従って、放熱抵抗低減部50として設置した高熱伝導率の部材を介して、ナセル30の内部から熱を外気へ効率よく放熱することができる。
このようなフィン52は、放熱抵抗低減部50がナセル30の内部空気と接する面及び外気と接する面のいずれか一方にのみ取り付けてもよいが、より望ましい実施形態では、図2に示すように、両面に設けて放熱性能をより一層向上させることが望ましい。
第1変形例の風力発電装置1Bにおいて、放熱抵抗低減部50Aは、ナセル30の内部に設置されている増速機10等の発熱源との間を連結し、高温側から低温側へ熱を導いて移動させる熱輸送部材53を備えている。すなわち、ナセル30の内部に設置された高温の発熱源から、ナセル30の外壁面に設けた放熱抵抗低減部50Aの金属板51まで熱輸送部材53を介して熱を輸送し、金属板51等の高熱伝導率部材表面から低温側の外気に放熱する構成例である。この場合、金属板51等の高熱伝導率部材表面に対し、外気側にのみフィン52を取り付けてあるが、これに限定されることはない。なお、放熱抵抗低減部50Aは、底面部32の全面または少なくとも一部に設けられていればよい。
このような構成を採用すれば、熱輸送部材53は、ナセル30の内部空気を介することなく、ナセル30内の高熱源から低熱源の外気まで直接熱を輸送するので、ナセル30の内部から外気への放熱効率はより一層向上する。
なお、上述した説明では、ナセル30内の発熱源を増速機10としたが、高温の熱源としては、たとえば発電機13の巻線やトランス14のコイル等のように、他の高熱源にも適用可能である。
第2変形例の風力発電装置1Cにおいて、放熱抵抗低減部50Bは、波板状に成形された高熱伝導率の薄板が使用されている。この場合の薄板は、上述した銅、アルミニウム、ジュラルミン及び高熱伝導性樹脂等のように、軽量で熱伝導率の高い素材が好適であり、これを波板状に成形して使用することにより、板厚の薄い板状部材を使用して軽量化しても、必要な剛性を確保できる。
また、波板状に成形した放熱抵抗低減部50Bは表面積が増すので、外気に対して放熱する伝熱面積も増加して放熱性を向上させることができる。
この場合の放熱抵抗低減部50Bは、上述した底板カバー部材40の全体をカバーするように取り付けてもよいし、一部をカバーするようにしてもよい。
従って、ナセル30の内部に設置されている各種の電子機器類は、電子機器類環境温度上限を超えない良好な温度環境下で運転されるため、その信頼性や耐久性が向上する。
このような熱交換器の小型化は、熱交換に必要な外気量の減少にも有効であるため、外気導入用のファン15を駆動するのに必要となる電動機の動力を低減し、風力発電装置全体としての発電効率を向上させることができる。
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。
3,30 ナセル
4 ロータヘッド
5 風車翼
6 ナセル吸気口
7 排気口
9 主軸受
10 増速機
11 オイルクーラ
12 インバータ制御盤
13 発電機
14 トランス
15 ファン
31 カバー部材
32 底面部
40 底面カバー部材
41 周囲枠
42 フランジ部
50,50A,50B 放熱抵抗低減部
51 金属板
52 フィン
53 熱輸送部材
Claims (4)
- 風車翼を取り付けたロータヘッドに連結されている駆動・発電機構がナセル内に収納設置されている風力発電装置において、
前記ナセルの外壁面が、太陽光の直射を受けない壁面の少なくとも一部に、周辺壁面部材より高熱伝導率の部材を用いた放熱抵抗低減部を備えていることを特徴とする風力発電装置。 - 前記放熱抵抗低減部は、少なくとも一方の表面に取り付けたフィンを備え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。
- 前記放熱抵抗低減部は、前記ナセル内に設置されている発熱源との間を連結して熱を移動させる熱輸送手段を備え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。
- 前記放熱抵抗低減部は、波板状に成形さ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。
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