JP5574389B2 - 風力発電装置ナセルおよび風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転翼が回転可能に支持され、前記回転翼の回転によって発電する発電機が設けられた風力発電装置ナセルおよび風力発電装置に関するものである。

風力発電装置は、タワー上部にナセルを設け、このナセルに回転可能に設けられた回転翼が風を受けて回転し、この回転運動によりナセルに設けられた発電機により発電する。発電機から出力される電圧は、商用の電力系統に連系するため、変圧器やコンバータにより昇圧される。この変圧器やコンバータなどは、タワー下の地上などに設置されるほか、地上への設置制約があるなどの事情で風力発電装置ナセル内に設置されるものがある。
また、ナセル内では、回転機構などの機械系装置や電機系装置が動作に伴って発熱するため、これらを冷却するための冷却装置がナセル内部に設けられている（例えば特許文献１、２参照）。

特開２００６−０６８２９４号公報（段落００２５） 特開２０１２−０５７４７号公報

ところで、ナセルでは、ローター側に発電機やヨー軸受け、減速機などが位置するため、変圧器やコンバータを搭載する場合、通常は、図５に示すように発電機の後方側に設置され、その結果、ナセルは後方に長く伸長する。
すなわち、タワー１０にヨー軸受け１１で回転可能に支持されたナセル１００には、前方側に発電機収納部１０１が設けられ、発電機収納部１０１のロータ軸（図示しない）にロータハブ１０２が回転可能に支持されている。ロータハブ１０２には、回転翼１０３が取り付けられている。ナセル１００内では、前方に、減速機などが配置され、その後方に、コンバータ、インバータ、制御装置などの電気系装置１１０が配置され、さらにその後方に電気系装置の１つとして変圧器１１１が配置されている。ナセル１００の上部には、変圧器１１１の直上にフード１２０が設けられ、その前面に空気取り入れ口１２１が形成され、その直後に冷却装置用の熱交換器１２２が設置されている。フード１２０は、ナセル１００内と連通しており、ナセル１００の背面部には排気口１２３が設けられている。空気取り入れ口１２１から取り入れられた空気により熱交換器１２２で熱交換がされて冷媒が冷却され、その後、排気口１２３から排気される。

上記のように従来の構造では、ナセル内の重量分布は後方側に偏った状態になり、例えば、風によるタワーの揺れ、ヨー制御によるナセルの回動、停止があると、ナセルに過度の負荷がかかり、装置の耐久性を損なうという問題がある。この問題を解消するためには設計などによってナセルの強度を向上させる必要があり、コストアップや質量増を招く。
また、スペースの制約により、冷却装置に含まれる熱交換器をナセル上やナセル側壁外に設置する必要があり、重量物がナセル外に位置するという問題や熱交換器のメンテナンスが容易でないという問題が生じる。

本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、電気系装置や冷却装置などをバランスよくナセル内に配置することができるとともに、メンテナンス性に優れる風力発電装置ナセルおよびこれを備える風力発電装置を提供することにある。

すなわち、本発明の風力発電装置のナセルのうち、第１の本発明は、回転翼が回転可能に支持され、前記回転翼の回転運動によって発電する発電機が設けられる風力発電装置ナセルであって、
前記発電機が設けられる室構造の上部ナセル本体と、前記上部ナセル本体の下方側に区切られて位置する室構造の下部ナセル本体とを有し、
前記下部ナセル本体に、電気系装置と冷却装置の少なくとも一部が収容されることを特徴とする。

第２の本発明の風力発電装置のナセルは、前記第１の本発明において、前記下部ナセル本体に収容される前記電気系装置が、変圧器、コンバータおよびインバータのいずれか１以上であることを特徴とする。

第３の本発明の風力発電装置のナセルは、前記第１または第２の本発明において、前記下部ナセル本体に、前記冷却装置の一部として、大気との熱交換によって冷媒を冷却する熱交換部が収容されることを特徴とする。

第４の本発明の風力発電装置のナセルは、前記第３の本発明において、当該ナセル外から前記下部ナセル本体内に空気を取り入れる空気取り入れ部と、前記下部ナセル本体内の空気をナセル外に排気する空気排気部とを有し、前記空気取り入れ部と前記空気排気部とが前記下部ナセル本体内で連通し、前記連通する空間に、少なくとも前記熱交換部が配置されていることを特徴とする。

第５の本発明の風力発電装置のナセルは、前記第４の本発明において、前記連通する空間であって前記熱交換部の後方側に前記電気系装置の少なくとも一部が位置することを特徴とする。

第６の本発明の風力発電装置のナセルは、前記第４または第５の本発明において、前記空気取り入れ部が前記下部ナセル本体の前面に位置していることを特徴とする。

第７の本発明の風力発電装置のナセルは、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、前記下部ナセル本体が、ナセルの設置状態で前記回転翼が取り付けられて前記発電機に回転伝達可能に連結されたローターハブの下方側に位置する構造を有することを特徴とする。

第８の本発明の風力発電装置は、
回転翼と、
前記回転翼が回転可能に支持され、前記回転翼の回転運動によって発電する発電機が設けられる風力発電装置ナセルと、
前記ナセルを支持するタワーとを備え、
前記ナセルは、前記発電機が設けられる室構造の上部ナセル本体と、前記上部ナセル本体の下方側に区切られて位置する室構造の下部ナセル本体とを有し、
前記タワーは、前記ナセルの下部ナセル本体を上下に貫通し、前記ナセルの上部ナセル本体を介して前記ナセルを回動可能に支持することを特徴とする。

第９の本発明の風力発電装置は、前記第８の本発明において、前記下部ナセル本体に、電気系装置と冷却装置の少なくとも一部が収容されることを特徴とする。

第１０の本発明の風力発電装置は、前記第９の本発明において、前記冷却装置が、大気との熱交換によって冷媒を冷却する熱交換部を有し、
前記ナセルが、ナセル外から前記下部ナセル本体内に空気を取り入れる空気取り入れ部と、前記下部ナセル本体内の空気をナセル外に排気する空気排気部とを有し、前記空気取り入れ部と前記空気排気部とが前記下部ナセル本体内で連通し、
前記下部ナセル本体内を貫通するタワーの両側に、前記空気取り入れ部と空気排気部とが連通する空間の一部が位置しており、前記タワーの両側の空間の一方または両方の後方に、前記熱交換部が位置していることを特徴とする。

本発明によれば、電気系装置や冷却装置などをナセル内で偏った位置に設置する制約がなく、下部ナセル本体内の適宜位置に設置することができる。さらには、メンテナンス性を考慮した配置が可能になる。

上部ナセル本体は、上記のように発電機が設けられるほか、風力発電装置の構成に応じて、各種装置、機器などを収納することができる。発電機は、上部ナセル本体内に設置される場合の他、発電機が上部ナセル本体外部に設けられる場合でもよい。
発電機としては、例えば、永久磁石励磁同期発電機、直流励磁同期発電機などの増速機を必要としないものや、かご型誘導発電機、巻線型誘導発電機などの増速機を必要とするものを用いることができ、本発明としては特定のものに限定されない。
上部ナセル本体には、必要に応じて増速機や、ブレーキ装置、ロータ軸などの機械系装置や電気系装置、例えば、コンバータ、インバータ、制御装置などを設置することができる。

下部ナセル本体には、例えば電気系装置と冷却装置の少なくとも一部を収納することができ、電気系統の下流側に位置するものを設置するのが望ましい。下部ナセル本体は、これら電気系装置および冷却装置以外の他の装置や機器を収納することもできる。

また、下部ナセル本体は、上記上部ナセル本体の下側に区切られて位置するものであればよいが、例えば、ナセルの設置状態で前記回転翼が取り付けられて前記発電機に回転伝達可能に連結されたローターハブの下方側に位置する構造を有するものとすることができる。下方側とは、直下であることが必要とされるものではない。

冷却装置は、ナセル内外の機械系装置や電機系装置を冷却することができるものであればよく、種々の構成を有するものを用いることができる。
例えば、冷却装置は、冷却対象を冷媒で冷却する冷却部と、冷却の結果、昇温した冷媒を大気との熱交換により冷却する熱交換部とを有するものとすることができる。冷媒としては、例えば、油、水、有機溶液などの液体や、空気などの気体を用いることができるが、本発明としては特定のものに限定されない。

なお、熱交換部は、下部ナセル本体内に収納することにより、ナセル外に設けられる熱交換部と比較して、強度や耐久性の低いものを使用することが可能である。

また、ナセルは、ナセル外から下部ナセル本体内に空気を取り入れる空気取り入れ部と、下部ナセル本体内の空気をナセル外に排気する空気排気部とを有するものとすることができる。この場合、空気取り入れ部と空気排気部とが下部ナセル本体内で連通する空間に熱交換部を配置して上記連通する空間を流れる空気により効率よく冷媒を冷却することができる。

上記空気取り入れ部は、下部ナセル本体の前面に位置させることができる。下部ナセル本体の前面に空気取り入れ部を位置させることで、風力発電装置の運転時に風上を向く下部ナセル本体の前面側から下部ナセル本体内に効率よく空気を取り込むことができる。
また、熱交換部の後方に電機系装置を配置すれば、上記連通する空間を流れる空気により前記電気系装置を効率よく冷却することができる。

上述したナセルは、タワーにより支持されて設置される。その際、タワーは、上記下部ナセル本体を上下に貫通し、上記上部ナセル本体を介してナセルを回動可能に支持するものとすることができ、正面から見てタワーが囲まれている部分のナセル正面の面積の上昇を抑えることができる。また、ヨー軸受けに対する前後の質量バランスが改善される。

また、タワーが下部ナセル本体を貫通してナセルを支持する場合において、上述のように、冷却装置が冷却部と熱交換部と冷媒循環路とを有し、ナセルが空気取り入れ部と空気排気部とを有するものであるときには、下部ナセル本体内にあるタワーの両側に、ナセルの空気取り入れ部と空気排気部とが連通する空間の一部を位置させ、タワーの両側の空間の一方または両方の後方に、熱交換部が位置させることができる。タワーが下部ナセル本体を貫通する場合であっても、このようにして熱交換部で冷媒と熱交換される空気の流路を確保することができる。

以上のとおり、本発明によれば、質量バランスよくナセル内に機器や装置を配置することができ、メンテナンス性を優れたものとすることができる。

本発明の一実施形態の風力発電装置の一部を示す概略図である。 同じく、ナセルを縦断面した図である。 同じく、ナセルを横断面し、上部ナセル本体内を示す（ａ）図と下部ナセル本体内を示す（ｂ）図である。 同じく、ナセルを前後に縦断面した図である。 従来の風力発電装置でナセルを横断面した概略図である。

本発明の一実施形態の風力発電装置ナセルおよび風力発電装置を添付図面に基づいて説明する。
風力発電装置１は、地上に設置されるタワー１０にナセル２が、ヨー軸受け１１により回転可能に取り付けられており、ナセル２に回転可能に取り付けられたロータハブ３には、回転翼４が取り付けられている。図２中の１２はヨー軸のための減速機である。
ナセル２は、室構造の上部ナセル本体２０と、上部ナセル本体２０の下側に区切り壁２２で区切られて位置する室構造の下部ナセル本体２１とを有する２段構造を有している。
さらに、上部ナセル本体２０の前方側に発電機が収納された発電機収納部５が取り付けられている。すなわち、この形態は、上部ナセル本体２の外側で発電機が設けられている。この際に、発電機収納部５が、一部で下部ナセル本体２１に連なるように取り付けられているものであってもよいがこの場合でも発電機収納部５の取り付けの主体は上部ナセル本体２である。
なお、本発明としては、上部ナセル本体２の内側に発電機が収納されているものであってもよい。

発電機収納部５内ではロータ軸３０が軸受けにより回転可能に保持されており、該ロータ軸３０に連結されたロータハブ３が発電機収納部５の前方に位置している。ロータハブ３には、前記したように複数枚の回転翼４が取り付けられている。発電機収納部５内では、ロータ軸３０に回転子５１が設けられ、発電機収納部５の内周側に固定子５２が設けられて、回転子５１および固定子５２を有する発電機５０が構成されている。
発電機５０は、例えば、永久磁石励磁同期発電機、直流励磁同期発電機などにより構成することができる。ロータ軸３０の後端は上部ナセル本体２０内に伸長し、発電電力の取り出しが可能になっている。

また、上部ナセル本体２０内には、コンバータおよびインバータにより構成され、電気系装置の１つである電力変換装置６０（ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ）が収納、設置されている。電力変換装置６０は、発電機５０の出力を交流から直流に変換し、さらに、直流から交流に再変換して出力する。電力変換装置６０は、ＡＣ−ＡＣコンバータからなるものであってもよい。
上部ナセル本体２０には、そのほか、図示しない制御装置などが収納、設置されている。

下部ナセル本体２１内では、前方側で前記タワー１０が上下に貫通しており、下部ナセル本体２１内でタワー１０の両側には前後に連通する空間２５、２５が確保されている。
下部ナセル本体２１の前面側は、前記発電機５の下方側に位置しており、該前面に空気取り入れ部２３が設けられており、下部ナセル本体２１の背面には空気排気部２４が形成されている。空気取り入れ部２３から空間２５、２５および空気排気部２４に至る空間は前後に連通している。なお、空気取り入れ部２３および空気排気部２４は、空間２５、２５に対応してそれぞれ左右に２つを設けるのが望ましい。

空間２５、２５のそれぞれの後方には、冷却装置の一部を構成する熱交換部７が配置されている。冷却装置は、冷媒によってナセル内の機械系装置や電気系装置を冷却するものであり、図示しない冷媒通路を通して冷媒を冷却対象と熱交換部７との間で環流させる。このため、図示しない環流ポンプを設けることができる。熱交換部７、７は、空間２５を通った大気により冷媒を空冷するものであり、ラジエター構造などとすることができる。
熱交換部７、７の後方側であって、下部ナセル本体２１の後部には電気系装置の１つである変圧器６１が収納、設置されている。変圧器６１は、電力系統に連系するため、電力変換装置６０から出力される電圧を昇圧するものである。
冷却装置は、上記のようにナセル２内の機械系装置や電気系装置である電力変換装置６０や変圧器６１を冷却することができる。

上述のように、ナセル２は上部ナセル本体２０と下部ナセル本体２１とを有しているため、ナセル２の前後方向の長さを短くでき、ナセルの後方の偏った位置に機器類を設置する必要がなく、バランスよくナセル２内に変圧器６１などを配置することができる。
例えば１段構造のナセルではタワーの中心から例えば７ｍの位置に変圧器が配置されるのに対して、ナセル２では、タワー１０の中心から例えば約４ｍの位置に変圧器６１を配置することができる。
また、ナセル２が２段構造を有するため、ナセル２内は空間的に余裕があり、熱交換部７を高い自由度で設置することができる。したがって、ナセル２では、メンテナンス性を考慮して熱交換部７を設置することができる。

次に、上記ナセル２を備える風力発電装置１の動作について説明する。
風力発電装置１が運転されると、ナセル２は、図示しない風向計などにより検知される風向に応じ、ヨー制御されて適宜回動する。これにより、ナセル２は、風上にローターハブ３側を向けることができる。

ローターハブ３は、回転翼４に風を受けることにより回転し、発電機５０で発電が行われる。発電機５０で出力された電力は、電力変換装置６０による電力変換と、変圧器６１による変圧とを順次経た後、タワー１０内に設置されたケーブルなどを通して商用の電力系統に送電される。

この際に下部ナセル本体２１内には、風上を向く空気取り入れ口２３から空気が取り込まれ、空間２５を通って空気排気口２４からナセル外部へと排気される。下部ナセル本体２１内に取り入れられた空気は、熱交換部７で冷媒を冷却するとともに、その後、後方に流れて変圧器６１を冷却することができる。
なお、電動ファンなどを下部ナセル本体２１に設けて、強制的に上記のような空気の流れを形成してもよい。

なお、上記では、下部ナセル本体内に変圧器と熱交換部とが収容されているものとして説明したが、本実施形態としては、下部ナセル本体内に収容される機器類が上記に限定されるものではない。

以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。

１ 風力発電装置
２ ナセル
３ ロータハブ
４ 回転翼
５ 発電機収納部
７ 熱交換部
１０ タワー
２０ 上部ナセル本体
２１ 下部ナセル本体
２２ 区切り壁
２３ 空気取り入れ口
２４ 空気排気口
５０ 発電機
６０ 電力変換装置
６１ 変圧器

Claims (10)

1. 回転翼が回転可能に支持され、前記回転翼の回転運動によって発電する発電機が設けられる風力発電装置ナセルであって、
   前記発電機が設けられる室構造の上部ナセル本体と、前記上部ナセル本体の下方側に区切られて位置する室構造の下部ナセル本体とを有し、
   前記下部ナセル本体に、電気系装置と冷却装置の少なくとも一部が収容されることを特徴とする風力発電装置ナセル。
2. 前記下部ナセル本体に収容される前記電気系装置が、変圧器、コンバータおよびインバータのいずれか１以上であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置のナセル。
3. 前記下部ナセル本体に、前記冷却装置の一部として、大気との熱交換によって冷媒を冷却する熱交換部が収容され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ナセル。
4. 当該ナセル外から前記下部ナセル本体内に空気を取り入れる空気取り入れ部と、前記下部ナセル本体内の空気をナセル外に排気する空気排気部とを有し、前記空気取り入れ部と前記空気排気部とが前記下部ナセル本体内で連通し、前記連通する空間に、少なくとも前記熱交換部が配置されていることを特徴とする請求項３記載の風力発電装置ナセル。
5. 前記連通する空間であって前記熱交換部の後方側に前記電気系装置の少なくとも一部が位置することを特徴とする請求項４記載の風力発電装置ナセル。
6. 前記空気取り入れ部が前記下部ナセル本体の前面に位置していることを特徴とする請求項４または５に記載の風力発電装置ナセル。
7. 前記下部ナセル本体が、ナセルの設置状態で前記回転翼が取り付けられて前記発電機に回転伝達可能に連結されたローターハブの下方側に位置する構造を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の風力発電装置ナセル。
8. 回転翼と、
   前記回転翼が回転可能に支持され、前記回転翼の回転運動によって発電する発電機が設けられる風力発電装置ナセルと、
   前記ナセルを支持するタワーとを備え、
   前記ナセルは、前記発電機が設けられる室構造の上部ナセル本体と、前記上部ナセル本体の下方側に区切られて位置する室構造の下部ナセル本体とを有し、
   前記タワーは、前記ナセルの下部ナセル本体を上下に貫通し、前記ナセルの上部ナセル本体を介して前記ナセルを回動可能に支持することを特徴とする風力発電装置。
9. 前記下部ナセル本体に、電気系装置と冷却装置の少なくとも一部が収容されることを特徴とする請求項８記載の風力発電装置。
10. 前記冷却装置が、大気との熱交換によって冷媒を冷却する熱交換部を有し、
    前記ナセルが、ナセル外から前記下部ナセル本体内に空気を取り入れる空気取り入れ部と、前記下部ナセル本体内の空気をナセル外に排気する空気排気部とを有し、前記空気取り入れ部と前記空気排気部とが前記下部ナセル本体内で連通し、
    前記下部ナセル本体内を貫通するタワーの両側に、前記空気取り入れ部と空気排気部とが連通する空間の一部が位置しており、前記タワーの両側の空間の一方または両方の後方に、前記熱交換部が位置していることを特徴とする請求項９記載の風力発電装置。

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