JP2013164031A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タワーの内部に設けられた機器の損傷を防ぎながらタワーの内部の機器と空気の冷却を両立させる方法を提供する。
【解決手段】風力発電装置１が、タワー３と、統合熱交換器２２と、タワー３の内部の機器設置空間に設けられた冷却すべき機器と、該タワー内機器設置空間に設けられたタワー内熱交換部２８とを具備する。統合熱交換部２２は、不凍液とタワー３の外気との間で熱交換を行って不凍液を冷却する。統合熱交換部２２によって冷却された不凍液は、タワー内熱交換部２８及び冷却すべき機器に供給される。タワー内熱交換器２８は、供給された不凍液とタワー３のタワー内機器設置空間の空気との間で熱交換を行ってタワー内機器設置空間の空気を冷却する。
【選択図】図３

Description

本発明は、風力発電装置に関し、特に、洋上に設けられる風力発電装置に好適に使用されるタワー内機器及びタワー内空気の冷却システムに関する。

風力発電装置は、翼を備えた風車ロータによって風力エネルギーを機械的エネルギーに変換し、その機械的エネルギーで発電機を駆動することで風力エネルギーを電気的エネルギーに変換する装置である。一般的には、風力発電装置のナセルには、主軸受、増速機、発電機、及び、制御盤が設置される。主軸受は、風車ロータを回転可能に支持する。増速機は、風車ロータの回転を、回転数を増加させながら発電機のロータに伝える。ロータが回転されると、発電機は電力を発生する。

風力発電装置のタワーにも、様々な機器が設けられる。タワーに設けられる機器の例としては、インバータ、トランス、及び、制御盤が挙げられる。インバータ及びトランスは、発電機によって発生された電力の周波数や電圧を変換するために使用される。

タワーに設けられる機器には、発熱量が大きい機器が含まれる。例えば、発電機に接続されたインバータ、及び、該インバータに接続されたトランスには大電流が流れるので、該インバータ及びトランスの発熱量は大きい。

タワーに設けられた機器を冷却するために、一般的には、タワーに外気が導入され、その外気を用いてタワー内機器が冷却される。図１は、このような構成の風力発電装置１０１の構成を示す概念図である。図１の風力発電装置１０１は、洋上風力発電（offshore wind turbine）を行うように構成されており、海上に設けられたタワー基礎１０２の上にタワー１０３が立てられている。タワー１０３の下部には、作業員がタワー１０３の中に入るために用いられる階段１０４及びタワードア１０５が取り付けられている。タワー１０３の内部には、トランス装置１１１とインバータ１０７とが設けられている。トランス装置１１１にはトランスコイル１０６が設けられ、インバータ１０７にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistors）モジュール１２１が設けられている。

トランス装置１１１のトランスコイル１０６及びインバータ１０７のＩＧＢＴモジュール１２１は、発熱が大きい部品であり、機器周囲を換気して自然冷却するだけでは不十分であり強制冷却される必要がある。図１の風力発電装置１０１では、トランスコイル１０６及びＩＧＢＴモジュール１２１の冷却は、タワー１０３の外から取り入れられた外気を用いて冷却される。

トランス装置１１１のトランスコイル１０６は、タワー１０３の内部に取り入れられた外気を用いて空冷される。詳細には、トランス装置１１１の筺体には吸気口１１２と排気口１１３が設けられ、且つ、該筺体の内部にファン１１４が設けられる。ファン１１４が動作すると、吸気口１１２からタワー１０３の内部の空気が取り入れられてトランスコイル１０６が強制冷却される。

一方、インバータ１０７のＩＧＢＴモジュール１２１は、不凍液を冷媒として用いる不凍液冷却システム１２２によって強制冷却される。不凍液冷却システム１２２は、熱交換器１２３とポンプ１２４とを備えている。熱交換器１２３は、タワー１０３の内部の空気と不凍液との間で熱交換を行って不凍液を冷却する。ポンプ１２４は、冷却された不凍液をＩＧＢＴモジュール１２１に供給する。不凍液がＩＧＢＴモジュール１２１に供給されることでＩＧＢＴモジュール１２１が冷却される。その一方で、不凍液は、ＩＧＢＴモジュール１２１から熱を奪うことで加熱される。加熱された不凍液は、熱交換器１２３に戻されて再び冷却される。

図１に示された冷却技術の課題は、外気が内部機器を損傷させる塩分を含むことである。この問題は、洋上風力発電を行う風力発電装置において特に重大である。洋上風力発電を行う風力発電装置の近傍の外気は塩分を多量に含み、相対湿度は平均６０−８０％、しばしば１００％に近いことも多い。

この問題に対処する従来の手法は、外気を取り入れる吸気口にガラリ１０８とフィルタ１０９とを設け、そのガラリ１０８とフィルタ１０９とを介してタワー１０３の内部に外気を取り入れることである。しかしながら、ガラリ１０８によっては海水飛沫のタワー１０３の内部への侵入を完全に防ぐことはできない。また、除塩のため用いるフィルタ１０９は、適宜の頻度（例えば、１年に１〜２回）で交換する必要がある。これは、定期的な有人のメンテナンスが必要であることを意味し、ランニングコストを増大させる。

加えて、図１の冷却技術では、タワー１０３の内部機器の放熱による高温の排気が、タワー上方に移動し、タワー１０３の上部にあるナセル（図示されない）に到達する。これは、ナセル内空気温度を上昇させるため、ナセルの内部に設けられた機器の温度上昇を招き、ナセル内冷却システムの冷却負荷を増大し、ナセル内の機器寿命を低下させる要因となる。

このような課題を解決するため、タワーの内部に設けられた機器の長寿命化と、タワーの内部の機器と空気の冷却とを両立させる方法が望まれる。

本願発明に関連し得る方法として、国際公開ＷＯ２０１１／０９６０８０Ａ１、米国特許第７，１６８，２５１号、及び、第７，７４８，９４６号は、外気と液体冷媒の間で熱交換を行う熱交換器を備えた風力発電装置を開示している。該液体冷媒により、風力発電装置のタワーの内部に設けられた機器が冷却される。しかしながら、これらの特許文献には、タワーの内部の空気の冷却に関する教示はない。

国際公開ＷＯ２０１１／０９６０８０Ａ１ 米国特許第７，１６８，２５１号 米国特許第７，７４８，９４６号

したがって、本発明の目的は、タワーの内部に設けられた機器の長寿命化と、タワーの内部の機器と空気の冷却を両立させ得る方法を提供することにある。

本発明の実施例で、風力発電装置は、タワーと、第１熱交換部と、タワーの内部の機器設置空間に設けられた機器と、機器設置空間に設けられた第２熱交換部とを具備する。第１熱交換部は、液体冷媒とタワーの外にある流体媒体との間で熱交換を行って液体冷媒を冷却する。第１熱交換部によって冷却された液体冷媒は、第２熱交換部及び機器に供給される。第２熱交換部は、供給された液体冷媒とタワーの機器設置空間の空気との間で熱交換を行って機器設置空間の空気を冷却する。

一実施形態では、タワーに、その上方の空間と下方の空間とを区分する隔壁が設けられ、下方の空間が機器設置空間として使用されることがある。この場合、第２熱交換部は、隔壁に近接して設けられることが好ましい。このような構成は、特に、機器設置空間には空冷の機器が設けられる場合に有効である。

一実施形態では、該液体冷媒と熱交換する流体媒体として、タワーの外にある外気が使用される。この場合、一実施形態では、当該風力発電装置に、タワーの内部を通過するように設けられ、その内部空間が機器設置空間から分離されているダクトが設けられ、第１熱交換部が、ダクトの内部空間に設けられ、ダクトは、外気を取り入れて第１熱交換部に供給する。

他の実施形態では、該液体冷媒と熱交換する流体媒体として、海水、若しくは、湖水、河川水、又は地下水のような淡水が使用される。

また、一実施形態では、当該風力発電装置に、更に、第１熱交換部から第２熱交換部及び機器に液体冷媒を供給するラインが設けられ、第２熱交換部が、ラインに直接に接合された板状フィン部材として構成されてもよい。

本発明によれば、タワーの内部に設けられた機器の長寿命化と、タワーの内部の機器と空気の冷却を両立させ得る技術が提供される。

風力発電装置のタワーの下部の構造の例を示す図である。 本発明の一実施形態の風力発電装置１の構成を示す側面図である。 第１の実施形態におけるタワーの下部の構造の例を示す図である。 第２の実施形態におけるタワーの下部の構造の例を示す図である。 第１の実施形態の変形例におけるタワーの下部の構造の例を示す図である。 第２の実施形態の変形例におけるタワーの下部の構造の例を示す図である。

第１の実施形態：
図２は、本発明の第１の実施形態の風力発電装置１の構成を示す側面図である。風力発電装置１は、タワー基礎２と、タワー３と、ナセル４と、風車ロータ５とを備えている。
本実施形態では、風力発電装置１が洋上風力発電を行うように構成されており、タワー基礎２は、その一部が海中にあるように設けられている。タワー３は、タワー基礎２の上に立てられている。ナセル４は、タワー３の上端に旋回可能に搭載されている。風車ロータ５は、ハブ６と風車翼７とを備えており、ナセル４によって回転可能に保持されている。ナセル４の内部には、風車ロータ５の回転から電力を発生する機器（増速機、発電機等）が設けられている。タワー３の下端の近傍には、階段８とタワードア９とが設けられている。階段８とタワードア９は、作業員がタワー３の内部に入るために使用される。

図３は、タワー３の下部における風力発電装置１の構成を示す概念図である。タワー３の内部には、トランス装置１１とインバータ１２とが設けられている。トランス装置１１とインバータ１２は、ナセル４に搭載された発電機によって発生された電力の周波数や電圧を変換するために使用される。トランス装置１１にはトランスコイル１３が設けられ、トランス装置１１は、トランスコイル１３を用いて電圧変換を行う。インバータ１２には複数のＩＧＢＴが搭載されたＩＧＢＴモジュール１７が設けられており、インバータ１２はＩＧＢＴモジュール１７を用いて周波数変換を行う。

トランス装置１１は、床１８に置かれており、インバータ１２は、床１８の上方に位置する床１９に設けられている。床１９には、多数の開口が設けられており、その上方と下方の間で空気を流動できるように構成されている。床１９の上方には隔壁２０が設けられている。隔壁２０は、タワー３の内部空間を、その上方にある空間とその下方にある空間とに区分するように設けられている。床１８と隔壁２０により、タワー３の内部に機器設置空間が形成され、トランス装置１１とインバータ１２とは、その機器設置空間に設けられている。ただし、隔壁２０は、電力ケーブルや梯子等の貫通する部品があるため、その下方の空間と上方の空間を完全に気密するように構成されない。

上述のように、トランス装置１１のトランスコイル１３及びインバータ１２のＩＧＢＴモジュール１７は、発熱が大きい部品であり、強制冷却される必要がある。本実施形態の風力発電装置１では、タワー３の外部にある外気を、低温の流体媒体として用いてトランス装置１１とインバータ１２を強制冷却する。ただし、本実施形態では、タワー３の外部にある外気をタワー３の内部に取り込まずにトランス装置１１とインバータ１２が強制冷却される。以下では、トランス装置１１とインバータ１２の強制冷却に使用される冷却システムについて説明する。

トランス装置１１は、エポキシ樹脂などを絶縁材として用いるモールドトランスであり、タワー３の内部の空気を用いて空冷される。詳細には、トランス装置１１の筺体には吸気口１４と排気口１５が設けられ、且つ、該筺体の内部にファン１６が設けられる。ファン１６が動作すると、吸気口１４からタワー３の内部の空気が取り入れられてトランスコイル１３が強制冷却される。

加えて、タワー３の内部には外気吸気口２３と外気排気口２４とを連通するダクト２１が設置され、そのダクト２１の内部に統合熱交換器２２が設けられる。このように、統合熱交換器２２はタワー内に設置され、塩分を多量に含んだ外気にさらされないため、熱交換器及びそれに設けられたファンモータなどの腐食が抑制される。そのため、統合熱交換器２２をタワー外に配置する場合より、長寿命化することができる。ダクト２１は、タワー３の内部を通過するように設けられている。ダクト２１は、外気吸気口２３から外気を取り入れて統合熱交換器２２に供給し、統合熱交換器２２から出た空気を外気排気口２４からタワー３の外部から排出する管路である。ここで、ダクト２１の内部空間（統合熱交換器２２が設けられている空間）は、タワー３の内部空間から分離されていることに留意されたい。

統合熱交換器２２には、ＩＧＢＴモジュール１７に不凍液を供給すると共に、ＩＧＢＴモジュール１７から出た不凍液を統合熱交換器２２に戻す管路である不凍液ライン２５が取り付けられている。統合熱交換器２２は、不凍液ライン２５を流れる不凍液と外気との間で熱交換を行って該不凍液を冷却する。不凍液ライン２５を流れる不凍液は、ＩＧＢＴモジュール１７を冷却する液体冷媒として用いられる。

不凍液ライン２５には不凍液ポンプ２７とタワー内熱交換器２８とが設けられている。タワー内空気温度は、電気品周囲にあるため一般的に上限温度が５０〜６０℃であり、ＩＧＢＴよりも低い温度に制御する必要がある。このため、タワー内熱交換器は、ＩＧＢＴモジュールより上流側（統合熱交換器側）に配置し、ＩＧＢＴモジュール１７より低い温度の冷媒を供給することが望ましい。不凍液ポンプ２７は、統合熱交換器２２から出た不凍液をタワー内熱交換器２８に圧送する。図３では不凍液ポンプ２７が統合熱交換器２２とタワー内熱交換器２８の間に設けられているが、不凍液ポンプ２７は、不凍液ライン２５の何れの位置に設けられてもよい。タワー内熱交換器２８は、隔壁２０に近接して隔壁２０の下方に取り付けられている。タワー内熱交換器２８は、それに供給された不凍液とタワー３の内部の空気の間で熱交換を行い、隔壁２０の下方の空間にある空気を冷却する機能を有している。

上記のような構成の冷却システムには、以下に述べられるような利点がある。第１に、外気をタワー３の内部に導入しなくても機器を冷却できる。本実施形態のような洋上風力発電を行う風力発電装置１の外気は、塩分を多量に含み、相対湿度が平均６０〜８０％、ときに１００％近くと陸上より高い。本実施形態では、このような外気をタワー３の内部に導入せずに機器の冷却を実現できるため、タワー３の内部の機器の腐食や損傷を抑制し、機器の長寿命化と信頼性向上のため有効である。

更に、統合熱交換器２２として耐塩仕様の熱交換器を採用すれば、外気に含まれる塩粒子や塩水を除去するためのガラリ及びフィルタをダクト２１の吸気口２３側に配置する必要性が無いので、メンテナンス費の低減に有効である。

加えて、本実施形態の冷却システムの構成では、タワー内熱交換器２８によってタワー３の内部の空気が冷却されるため、タワー３及びナセル４の内部に設けられる空冷システムの冷却負荷を低減することができる。このとき、タワー内熱交換器２８によって隔壁２０下側にある空気が冷却されることで自然対流が発生することは、特に隔壁２０より下方の空間に設けられた空冷機器（本実施形態では、トランス装置１１）の冷却効率を向上させる上で有用である。自然対流は、隔壁２０より下方の空間の空気を流動させ、隔壁２０より下方にある空冷機器に取り込まれる空気の温度を下げる。これは、隔壁２０より下方の機器設置空間に設けられた、図示しない制御盤など空冷機器の冷却効率を向上させるために有益である。

加えて、本実施形態では、隔壁２０が、隔壁２０より下方に位置する機器（本実施形態では、トランス装置１１及びインバータ１２）によって温められた空気がナセル側である上方に移動することで生じる空気顕熱輸送を妨げる。これにより、タワー３の内部の隔壁２０より上方に位置する機器、及び、ナセル４に搭載された機器の冷却効率の低下、及び、ナセル内冷却システムの冷却負荷の増大を抑制することができる。このため、タワー内熱交換器２８は、タワー内機器設置空間の、自然対流による空気の流動を促進するように、上端側に設置することが望ましい。

第２の実施形態：
図４は、本発明の第２の実施形態における、タワー３の下部における風力発電装置１の構成を示す概念図である。図４では図３と同一の構成要素に同一の符号が付せられていることに留意されたい。図４に図示されているように、第２の実施形態では、外気ではなく、海水を用いてタワー３の内部に設けられた機器の冷却が行われる。

より具体的には、風力発電装置１に、海水ライン３１と、統合熱交換器３２と、フィルタ３３と、海水ポンプ３４と、生物付着防止装置３５とが設けられる。海水ライン３１は、海中にある取水口３６から海水を取り入れて統合熱交換器３２に供給し、統合熱交換器３２から出た海水を排出口３７から排出して海に戻す管路である。フィルタ３３と海水ポンプ３４とは、統合熱交換器３２の入口と取水口３６の間に設けられている。フィルタ３３は、海水に含まれる異物を除去することで海水ライン３１、統合熱交換器３２、及び、海水ポンプ３４を保護する。海水ポンプ３４は、取水口３６から取り入れた海水を統合熱交換器３２に圧送する。生物付着防止装置３５は、生物の付着を予防する薬剤（例えば、次亜塩素酸）を海水ライン３１に供給することで、海水ライン３１、統合熱交換器３２、フィルタ３３、及び、海水ポンプ３４への生物の付着を予防する。

本実施形態では、統合熱交換器３２が不凍液ライン２５を流れる不凍液と海水との間で熱交換を行って該不凍液を冷却する。第１の実施形態と同様に、不凍液ライン２５を流れる不凍液は、ＩＧＢＴモジュール１７を冷却する液体冷媒として用いられる。加えて、不凍液ライン２５を流れる不凍液は、タワー内熱交換器２８においてタワー３の内部の空気を冷却するために使用される。第２の実施形態においても、タワー内熱交換器２８は、隔壁２０に近接して隔壁２０の下方に取り付けられている。

第２の実施形態では、低温源として海水が用いられるため、外気をタワー３の内部に導入しなくても機器を冷却できる。外気をタワー３の内部に導入せずに機器を冷却することは、タワー３の内部の機器の腐食や損傷を抑制し、機器の長寿命化と信頼性を向上するために有効である。また、本実施形態の冷却システムの構成においても、タワー内熱交換器２８によってタワー３の内部の空気が冷却されるため、第１の実施形態と同様にタワー３及びナセル４の内部に設けられる空冷機器の冷却効率を向上させることができる。

なお、本実施形態では、海水が低温源として使用されているが、水の種類は限定されず、湖水、河川水、地下水等の淡水を低温源として用いてもよい。

以上には本発明の実施形態の形態が具体的に述べられているが、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形をして実施され得る。例えば、上述の実施形態において、タワー内熱交換器２８としては、熱交換を行う機能を有する様々な装置を用いることができる。より具体的には、図５及び図６に図示されているように、タワー内フィン２８Ａを不凍液ライン２５に取り付けてもよい。例えば、不凍液ライン２５としては、金属の配管（例えば、鋼管）が用いられ、タワー内フィン２８Ａは、その配管に直接に接続された金属の板状フィン部材として形成されることが好ましい。このような構成によれば、タワー内フィン２８Ａから不凍液まで、良熱伝導材である金属部材で連結したヒートパスを形成するので、効果的に不凍液からタワー内フィンまで熱伝達することができ、タワー内空気の冷却効率を向上させることができる。また、タワー内熱交換器を使用しないので、コスト低減も可能である。

また、上述の実施形態では、トランス装置１１及びインバータ１２を冷却する冷却システムについて述べられているが、本発明は、タワー３の内部に設けられた例えば電気制御盤や操作盤など任意の機器の冷却に適用可能である。

また、上述の実施形態では、不凍液が液体冷媒として使用されているが、他の液体冷媒、例えばオイルがタワー３の内部に設けられた機器の冷却に使用されてもよい。

また、上述の実施形態では、洋上風力発電を行う風力発電装置１について述べられているが、本発明は洋上風力発電を行う風力発電装置以外の風力発電装置に適用されてもよい。

１：風力発電装置
２：タワー基礎
３：タワー
４：ナセル
５：風車ロータ
６：ハブ
７：風車翼
８：階段
９：タワードア
１１：トランス装置
１２：インバータ
１３：トランスコイル
１４：吸気口
１５：排気口
１６：ファン
１７：ＩＧＢＴモジュール
１８、１９：床
２０：隔壁
２１：ダクト
２２：統合熱交換器
２３：外気吸気口
２４：外気排気口
２５：不凍液ライン
２７：不凍液ポンプ
２８：タワー内熱交換器
２８Ａ：タワー内フィン
３１：海水ライン
３２：統合熱交換器
３３：フィルタ
３４：海水ポンプ
３５：生物付着防止装置
３６：取入口
３７：排出口
１０１：風力発電装置
１０２：タワー基礎
１０３：タワー
１０４：階段
１０５：タワードア
１０６：トランスコイル
１０７：インバータ
１０８：ガラリ
１０９：フィルタ
１１１：トランス装置
１１２：吸気口
１１３：排気口
１１４：ファン
１２１：ＩＧＢＴモジュール
１２２：不凍液冷却システム
１２３：熱交換器
１２４：ポンプ

Claims (7)

1. タワーと、
   第１熱交換部と、
   タワーの内部の機器設置空間に設けられた機器と、
   前記機器設置空間に設けられた第２熱交換部
   とを具備し、
   前記第１熱交換部は、液体冷媒と前記タワーの外にある流体媒体との間で熱交換を行って前記液体冷媒を冷却し、
   前記第１熱交換部によって冷却された前記液体冷媒は、前記第２熱交換部及び前記機器に供給され、
   前記第２熱交換部は、供給された前記液体冷媒と前記タワーの前記機器設置空間の空気との間で熱交換を行って前記機器設置空間の空気を冷却する
   風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置であって、
   前記タワーには、その上方の空間と下方の空間とを区分する隔壁が設けられ、
   前記下方の空間が前記機器設置空間として使用され、
   前記第２熱交換部は、前記隔壁に近接して設けられた
   風力発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の風力発電装置であって、
   前記機器設置空間には、更に、空冷機器が設けられた
   風力発電装置。
4. 請求項１又は２に記載の風力発電装置であって、
   前記流体媒体が前記タワーの外にある外気である
   風力発電装置。
5. 請求項４に記載の風力発電装置であって、
   更に、
   前記タワーの内部を通過するように設けられたダクトを備えており、
   前記ダクトの内部空間は前記機器設置空間から分離されており、
   前記第１熱交換部は、前記ダクトの内部空間に設けられており、
   前記ダクトは、前記外気を取り入れて前記第１熱交換部に供給する
   風力発電装置。
6. 請求項１又は２に記載の風力発電装置であって、
   前記流体媒体が海水、又は、湖水、河川水、地下水などの淡水である
   風力発電装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の風力発電装置であって、
   更に、
   前記第１熱交換部から前記第２熱交換部及び前記機器に前記液体冷媒を供給するラインを備え、
   前記第２熱交換部は、前記ラインに直接に接合された板状フィン部材として構成された
   風力発電装置。

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