JP5740254B2 - 水冷式風力発電装置及び風力発電装置の発電機冷却方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、水冷式風力発電装置及び風力発電装置の発電機冷却方法に関する。

世界的に電力需要が高まる一方、地球温暖化抑止の観点から、石炭、石油等の化石燃料に代えて発電運転中に二酸化炭素を発生しない風力発電を始めとするクリーンな再生エネルギーを生成する発電装置の普及が望まれている。

風力発電の形態としては、プロペラ型、ダリウス型、ジャイロミル型など様々な風力発電装置が提案されているが、基本的には、風のエネルギーを回転運動に変換するブレードを備えたロータ部と、このロータ部の回転運動を伝達するギア機構を含む主軸と、この主軸の回転運動のエネルギーを電力に変換する発電機とで構成される。

そのうち、発電機は、発電時に生じる電気的損失が熱に変換されるため、発電機の、特に固定子コイルや回転子コイルの温度が上昇する。その結果、耐温度限界が低いコイル絶縁の破損や温度上昇に伴う回転子軸振動による機械的故障を誘発することから、一般的には発電機への冷却手段が必要となる。

この発電機の冷却手段としては、空冷式（空気冷却方式）や水冷式（水冷却方式）が採用されているが、現段階での空冷式は、補機ブロアファンを用い、発電機内へ空気を強制的に送り込んで循環させる構成であり、一方、水冷式は、鉄心内に冷却水を送り込んで循環させる構成となっている。

特開２００３−３４３４１７号公報 特開２００９−２９９６５６号公報

しかしながら、以上のような風力発電装置は、風のエネルギーを利用して回転運動に変換することから、時間や地形の影響を受けずに定格風速の風が得やすい場所に設置することが望まれている。そのため、風力発電の設置適地場所の減少やオフショア（洋上風力設置）向け需要などへの対応に伴い、発電機の単機容量が増大する傾向にある。

しかしながら、発電機の単機容量の増大に伴って発熱量が増大することから、現状の空冷式や水冷式のものでは、その増大する発熱量を確実に除熱することが難しい。なぜならば、発熱量の増大は、発電機を構成する固定子コイルや回転子コイルの温度上昇が要因となってくるが、コイルを適切に冷却できる構造となっていないためである。

その結果、発電機を構成する各固定子コイルや回転子コイルに通電できる電流密度の上限が制約となる。換言すれば、各コイルの断面積が大きくなれば、電流密度が小さくなるが、コイル断面積の増大に伴って発電機サイズやコイル重量の増大につながり、発電機を収納するナセルなどの構造物やタワーなどの強度維持の構造設計・製造などに大きな影響を及ぼす問題がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、発電機内構造物のうち温度上昇要因となる構造物である固定子コイルに発生する熱を確実に除熱し、発電機サイズやコイル重量の増大を回避することを提供する。

上記課題を解決するために、発明の実施形態によれば、風力エネルギーを回転運動に変換するブレードを有するロータ部と、このロータ部の回転運動エネルギーを電力に変換する発電機とを備えた風力発電装置において、前記発電機の固定子のスロット溝に装着される固定子コイルを構成する下側固定子コイルと上側固定子コイルとの間に配置された水冷却配管と、この水冷却配管内に冷却水を通水して前記固定子コイルに発生する熱を除熱する水冷用冷却器とを備えたことを特徴とする水冷式風力発電装置である。

また、別の実施形態によれば、風力エネルギーを回転運動に変換するブレードを有するロータ部と、このロータ部の回転運動エネルギーを電力に変換する発電機と、発電機の固定子のスロット溝に装着される固定子コイルを構成する下側固定子コイルと上側固定子コイルとの間に配置された水冷却配管と、この水冷却配管内に冷却水を通水して固定子コイルに発生する熱を除熱する水冷用冷却器とを備え、前記発電機の固定子コイルを冷却する水冷式風力発電装置の発電機冷却方法であって、前記発電機の発電量に影響を与える物理変数データを取得する物理変数取得ステップと、この物理変数取得ステップにて取得される物理変数データから、前記発電機の固定子のスロット溝内に装着される固定子コイルに沿って配置される水冷却配管内に通水する前記水冷用冷却器の冷却水必要流量を予測するステップと、このステップで予測された冷却水必要流量に基づき、前記水冷却配管の発電機出口側端部と前記水冷用冷却器との間に介在されるポンプの回転速度を制御し、前記水冷却配管内に通水する冷却水の流量を増減し、前記固定子コイルに生じる熱を除熱するステップとを有する風力発電装置の発電機冷却方法である。

水平軸型風車の基本構成を示す概要図。 同期発電機を用いた水平軸型風車のナセル内の基本的な機器構成例を示す図。 誘導発電機を用いた水平軸型風車のナセル内の基本的な機器構成例を示す図。 各実施形態に係る風力発電装置の要部構成を示す一部断面図。 第1の実施形態に係る冷却式風力発電装置における発電機固定子コイル内の水冷却配管の配置関係を示す横方向断面図。 図５に示すＡ−Ａ´線に沿う上・下固定子コイルと水冷却配管との関係を説明する固定子内径側を示す軸方向断面図。 第２の実施形態に係る冷却式風力発電装置における発電機固定子コイル内の水冷却配管の配置関係を示す横方向断面図。 図７に示すＢ−Ｂ´線に沿う上・下固定子コイルと水冷却配管との関係を説明する固定子内径側を示す軸方向断面図。 第３の実施形態に係る冷却式風力発電装置における発電機固定子コイルと水冷却配管との関係を説明する固定子内径側を示す軸方向断面図。 第３の実施形態に係る冷却式風力発電装置で使用する他の水冷却配管の形態例を説明する図。 第４の実施形態に係る冷却式風力発電装置における通水流量制御系及び発電出力制御系の一例を示す構成図。 発電機トルクと通水する冷却水流量との関係を説明する図。 第４の実施形態に係る冷却式風力発電装置における通水流量制御系及び発電出力制御系の他の例を示す構成図。 発電機回転数と通水する冷却水流量との関係を説明する図。 第４の実施形態に係る冷却式風力発電装置における通水流量制御系及び発電出力制御系のさらに他の例を示す構成図。 風速と通水する冷却水流量との関係を説明する図。 第４の実施形態に係る冷却式風力発電装置における通水流量制御系及び発電出力制御系のさらに他の例を示す構成図。 発電機出口側冷却水温度と通水する冷却水流量との関係を説明する図。

以下、本実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１ないし図３は本実施形態に係る水冷式風力発電装置の概略構成を示す図である。なお、これら図１ないし図３に示す水冷式風力発電装置は、水平軸型風車を用いた例を示しているが、垂直軸型風車を用いた例であってもよい。ここで、水平軸型風車とは、風車の回転軸が設置面に対して水平となるタイプであり、垂直軸型風車とは、風車の回転軸が設置面に対して垂直となるタイプであって、本実施形態の要部となる構成は何れのタイプにも適用可能であることは言うまでもない。

まず、図１、図２に示すように、例えば地上面などの設置面１に設置される基台（ベース）２上に立設されるタワー３と、このタワー３の頂部に取り付けられたナセル４と、このナセル４の内部にほぼ水平となるように軸支される主軸５と、この主軸５の先端部に取り付けられるロータ部６と、前記主軸５の後端部側に配置され、ロータ部６の回転に伴って回転する主軸５の回転運動のエネルギーを電力に変換する発電機７と、水冷用冷却器８とを含む構成である。

ナセル４は、タワー３の頂部に回転可能に軸支され、水平軸型風車を構成するロータ部６の回転面が風向計（図示せず）で測定される風の方向に向きを変更させるための角度変更機構（図示せず）を備えた構成となっている。

ナセル４は、下部カバー及び上部カバー（図示せず）からなり、ナセル４内部には、図３に示すように主軸５、発電機７、水冷用冷却器８の他、ギア部９、コンバータ１０、インバータ１１、コンバータ制御部１２及びインバータ制御部１３などの各種機器が収納されている。

また、図３に示すように、主軸５と発電機７との間にはギア部９が設けられている。ギア部９は、主軸５後端部側に付設される主軸側ギア９ａと、図４に示す発電機７の回転子回転軸に付設される発電機側ギア９ｂとで構成され、これら主軸側ギア９ａ及び発電機側ギア９ｂは所望とするギア比で噛合う構造となっている。主軸側ギア９ａと発電機側ギア９ｂは、一般に１：１００のギア比を有し、回転速度を高める増速機能の役割をもっている。なお、ギア比は、発電機７の設計仕様とロータ部６の後記するブレードの設計仕様とに基づいて適宜変更される。

なお、主軸５にはギア９ａ，９ｂを介在させずに発電機回転子の回転軸に直結する構成であっても構わない。

図１〜図３に示すように、ロータ部６はハブ６ａと複数枚のブレード６ｂを備えている。ハブ６ａは主軸５の先端部に固定され、各ブレード６ｂはハブ６ａの側部に等間隔で取り付けられている。

図４は実施形態に係る水冷式風力発電装置の要部構成を示す図である。

発電機７は発電機フレーム２１内に収納されている。発電機フレーム２１には、回転可能に軸支された回転子２２と、この回転子２２の外周部を囲むように鉄心を積層させた固定子２３と、積層鉄心の固定子２３に形成されるスロット溝２４（図６参照）に装着される固定子コイル２５とが収納される。

なお、巻線型誘導発電機の場合には回転子２２に形成されるスロット溝（図示せず）に回転子コイル（図示せず）が装着され、永久磁石式発電機の場合には永久磁石を用いた回転子２２を組み込む構成である。

さらに、発電機７としては、図４ないし図６に示すような構成を有している。なお、図５は固定子２３の積層方向に断面したときの固定子コイル２５と水冷却配管２７との配置関係を示す図、図６（ａ）は図５に示すＡ−Ａ´矢印方向から見た断面図である。

すなわち、図４〜図６（ａ）に示すように、スロット溝２４には固定子コイル２５を構成する下側固定子コイル２５ａと上側固定子コイル２５ｂとが配置されるが、これら下側固定子コイル２５ａと上側固定子コイル２５ｂとの間に冷却水２６で満たした水冷却配管２７が挿通され、その水冷却配管２７の冷却水供給側端部及び冷却水戻り側端部が発電機フレーム２１を通って水冷用冷却器８に導入される。また、固定子コイル２５の飛び出しを封じる楔２８が上側固定子コイル２５ｂの下側に配置されている。

図６（ｂ）は下側固定子コイル２５ａと上側固定子コイル２５ｂとの間に挿通される水冷却配管２７及び水冷却配管２７に接するコイル２５ａ，２５ｂの一部を示す部分拡大図である。すなわち、下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂは水冷却配管２７の長手方向に沿ってそれぞれ面接触されている。

なお、水冷却配管２７の冷却水供給側端部及び冷却水戻り側端部の何れか一方または両方が、例えば隣接する複数のスロット溝２４に装着される下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂの間を通り、蛇行させた状態で次に隣接する下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂに導入し、水冷却配管２７の最終端部を水冷用冷却器８に導入する構成であってもよい。

また、図４に示すように、水冷却配管２７は、１つまたは任意数のスロット溝２４に装着される下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂの間を通した後、水冷用冷却器８の中を所望形状、例えば蛇行状などをなすように配列される。さらに、水冷却配管２７の途中，例えば水冷却配管２７の冷却水供給側端部には流量調整用ポンプ２９が設置される。

この流量調整用ポンプ２９は、ポンプ用インバータ３０によって回転速度が可変制御され、水冷却配管２７内の冷却水２６の通水流量を調整可能な構成となっている。

なお、水冷用冷却器８の一例としては、自動車のラジエータに相当する放熱機能をもった熱交換器であって、発電機フレーム２１上部に載置され、その冷却器８上部が例えばナセル４の上部カバーから外側に突き出させた状態とし、外部空気と熱交換できる構成となっている。

また、水冷用冷却器８の他の例としては、図４に示すように外部空気を取り込んで水冷却配管２７内の冷却水２６を冷却する構成としてもよい。この例では、例えばナセル４の外部から水冷用冷却器８内部に空冷用配管３１を配置し、外部からファン３２にて空気を取り込んで空冷用配管３１内を循環させ、空冷用配管３１に接触するように配置された水冷却配管２７内の冷却水２６を冷却する構成であってもよい。あるいは、空冷用配管３１内部を液密な状態として水冷却配管２７の一部を通し、該水冷却配管２７内の冷却水２６を冷却する構成であってもよい。

次に、以上のような水冷式風力発電装置の作用について説明する。

風力を受けてロータ部６が回転すると、このロータ部６に取り付けられた主軸５が回転し、この主軸５後端部側に付設された主軸側ギア９ａと発電機側ギア９ｂとのギア比に応じた回転速度で回転子２２が回転される。ここで、回転子２２が回転すると、固定子コイル２５に誘導起電力が発生し、発電が行われる。

この発電機７の発電開始とともに、当該発電機７の構造物が発熱する。この発熱量としては、巻線型誘導発電機の場合には固定子コイル２５と回転子コイル（図示せず）が過半を占め、永久磁石を用いた回転子２２を有する永久磁石式発電機では固定子コイル２５の発熱が過半を占める。

以上のような発電機７の発電中に、発電機７の構造物から発生する熱を除熱する場合、従来は強制循環用ブロアファンなどを設け、発電機７内に空気を送り込んで循環させることによって強制冷却することが行われているが、回転子コイルであれば回転に伴う自己ファン効果で冷却することが可能であるが、固定子コイル２５に生じる熱を簡単に除熱できない。

そこで、本実施の形態においては、図４ないし図６に示すように、下側固定子コイル２５ａと上側固定子コイル２５ｂの間に冷却水２６を満たした水冷却配管２７を挿通させ、熱交換機能を有する水冷用冷却器８を通るように循環経路を形成したので、各コイル２５ａ，２５ｂで温められた水冷却配管２７の冷却水２６は、水冷用冷却器８による熱交換によって冷却されるので、固定子コイル２５に発生する熱を確実に除熱することができる。

また、水冷用冷却器８内に外部から空気を取り込んで水冷用冷却器８内を循環させる空冷用配管３１を配置し、当該空冷用配管３１に接触あるいは当該空冷用配管３１内を通るように水冷却配管２７を配列させることにより、空冷用配管３１を循環する外気によって水冷却配管２７内の温められた水が熱交換によって冷却し、下側固定子コイル２５ａと上側固定子コイル２５ｂの間を通すことにより、固定子コイル２５（２５ａ，２５）に発生する熱を確実に除熱することができる。

（第２の実施形態）
図７及び図８は水冷式風力発電装置の第２の実施形態を説明する図である。なお、本実施の形態では、水冷式風力発電装置の全体構成と、発電機７及び水冷用冷却器８の配置関係は、図３及び図４と略同じであるので、それらの重複説明は省略する。

図７は固定子２３の積層方向に断面したときの固定子コイル２５と水冷却配管２７との配置関係を示す図、図８（ａ）は図７に示すＢ−Ｂ´矢印方向から見た断面図である。

この第２の実施形態は、図７、図８（ａ）に示すように、スロット溝２４に装着される下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂの一側方に沿うようにそれぞれ個別に水冷却配管２７、２７，…を配置し、それら水冷却配管２７，２７，…の冷却水供給側端部及び冷却水戻り側端部が発電機フレーム２１を通って水冷用冷却器８に導入される。

図８（ｂ）は下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂの一側方にそれぞれ個別に沿うように配置された水冷却配管２７を示す断面図であって、水冷却配管２７内には冷却水２６が流通されている。

なお、水冷却配管２７の冷却水供給側端部及び冷却水戻り側端部の何れか一方または両方が、例えば隣接する複数のスロット溝２４に装着される下側固定子コイル２５ａ、上側固定子コイル２５ｂの一側方にそれぞれ個別に沿わせた後、蛇行させた状態で次に隣接する下側固定子コイル２５ａ、上側固定子コイル２５ｂの一側方にそれぞれ個別に沿わせた後、水冷却配管２７の最終端部を水冷用冷却器８に導入する構成であってもよい。

その他の水冷却配管２７の構成及び水冷用冷却器８に関係する構成は、第１の実施形態と同様であるので、ここではその重複する構成の説明は省略する。

なお、下側固定子コイル２５ａと上側固定子コイル２５ｂの間には、通常，絶縁用板材３３が介在されるが、当該絶縁用板材３３に代えて第1の実施形態のように水冷却配管２７を介在させた構成であってもよい。

従って、以上のような構成の実施形態によれば、下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂの一側方に沿うように水冷却配管２７を配置し、図４に示すように水冷用冷却器８に導入し、放熱機能あるいは空冷用配管３１にて熱交換する構成としたので、固定子コイル２５（２５ａ，２５ｂ）に発生する熱を確実に除熱することができる。

なお、上記実施の形態では、下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂの一側方にそれぞれ個別に沿うように水冷却配管２７を配置したが、例えば下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂの両方に跨って、細長い断面形状の水冷却配管２７を配置し、固定子２３の両側から引き出す構成としてもよい。

（第３の実施形態）
図９は水冷式風車発電装置の第３の実施形態を説明する図である。なお、図９（ａ）は図７に示すＢ−Ｂ´矢印方向から見た断面図である。

この第３の実施形態は、図９（ａ）に示すように、下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂの一側方にそれぞれ水冷却配管２７を配置するようにしたが、その水冷却配管２７の配置形態としては、下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂのそれぞれ反対側の側方に配置する構成である。すなわち、例えば下側固定子コイル２５ａの図示左側方に側面側水冷却配管２７Lを配置した場合、上側固定子コイル２５ｂにはそれとは反対に図示右側方に側面側水冷却配管２７Rを配置する構成である。

図９（ｂ）は下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂの反対側方にそれぞれ沿うように配置される水冷却配管２７Ｌ、２７Ｒを示す断面図であって、各水冷却配管２７Ｌ、２７Ｒには冷却水２６が流通されている。

従って、以上のような構成の実施形態によれば、下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂの互い違いとなる側方に沿うように側面側水冷却配管２７L，２７Rを配置し、図４に示すように水冷用冷却器８に導入し、放熱機能あるいは空冷用配管３１にて熱交換する構成としたので、固定子コイル２５（２５ａ，２５ｂ）に発生する熱を確実に除熱することができる。

なお、上記実施形態では、下側固定子コイル２５ａの一側方（図示左側方）に側面側水冷却配管２７L、上側固定子コイル２５ｂの他側方（図示右側方）に側面側水冷却配管２７Rを配置したが、例えば図１０に示すように一側方と他側方とに配置される側面側水冷却配管２７Lと２７R との間に、両コイル２５ａ，２５ｂ間に配置される中間側水冷却配管２７Cを繋いで例えば断面クランク状の水冷却配管２７を配置した構成であってもよい。

さらに、上記各実施形態においては、下側固定子コイル２５ａと上側固定子コイル２５ｂとの間、各固定子コイル２５ａ，２５ｂの側方に水冷却配管２７を配置した構成であるが、それ以外に従来のように強制循環用ブロアフアンなどを設ける構成とすることは一向に構わない。

（第４の実施形態）
次に、水冷却配管２７内に通水する冷却水流量の制御について図面を参照して説明する。

（１） 発電機７の回転速度に基づく冷却水流量の制御について。

図１１は発電機７の検出回転速度などから得られるトルクに従って冷却水流量を制御する通水流量制御系４０及び従来から一般に使用されている発電出力制御系５０と、を示す構成図である。なお、発電出力制御系５０のコンバータ１０、インバータ１１は三相の構成を備える必要があるが、ここでは、三相の構成を省略し、簡略的な構成で表している。

先ず、水冷式風力発電装置の要部となる通水流量制御系４０について説明する。

通水流量制御系４０は、発電機７の回転速度を測定する、例えば回転数計などの回転数センサ４１と、少なくとも回転数センサ４１で測定された回転速度と発電機７の出力電流IGとに用いてトルク指令値を生成し出力するトルク指令生成部４２と、このトルク指令生成部４２から出力されるトルク指令値に応じた冷却水流量を出力するように流量調整用ポンプ２９の回転速度に設定するポンプ用インバータ３０を制御するインバータ制御部４３とが設けられている。

一般に、発電機７の回転速度（Ｖｔ／ｍｉｎ）が大きくなると、図１２（ａ）に示すように発電量が増加していくが、ある回転速度以上になったとき、定格発電量（ＫＷ）で飽和する。一方、発電機７の回転速度（Ｖｔ／ｍｉｎ）が大きくなると、発電機７の出力電流IGが増加し、それに伴ってトルク指令値が増加する関係にある。

従って、図１２（ｂ）に示すように、回転速度が大きく、それに伴ってトルク指令値が大きくなると発電量が増えていくので、冷却水２６の必要流量（ｍ³／ｍｉｎ）が増加させる必要がある。

そこで、トルク指令生成部４２は、発電機７の回転速度と発電機７の出力電流IGとに基づいてトルク指令値を生成した後、インバータ制御部４３に送出する。ここで、インバータ制御部４３は、トルク指令値の増加に伴って流量調整用ポンプ２９の回転速度を増加させるようにポンプ用インバータ３０をオン・オフ制御することにより、流量調整用ポンプ２９の回速度を制御する。

その結果、冷却器８で冷却された冷却水２６の流量がトルク指令値に応じて変化しつつ、固定子コイル２５内に装着された水冷却配管２７内に通水循環させるので、固定子コイル２５に発生する熱を確実に除熱することができる。

次に、発電出力制御系５０について簡単に説明する。

発電出力制御系５０は、発電機７の出力側にコンバータ１０、平滑コンデンサ５１及びインバータ１１を介して三相交流の電力系統５２が接続され、そのうちコンバータ１０はコンバータ制御部１２に制御され、インバータ１１はインバータ制御部１３に制御される。

風力エネルギーによって発電機７が回転すると、当該発電機７の回転速度に応じた該発電機７の内部誘起電圧ＶEが発生する。このとき、コンバータ制御部１２は、予め外部から設定される有効電力指令値ＰG^＊に基づいて発電機７の出力側に設けられた電流検出器５３及び電圧検出器５４で検出される出力電流ＩG及び端子電圧ＶGからなる発電機有効電力ＰGが所望の値となるようにコンバータ１０を構成する半導体スイッチング素子のゲートを制御することで発電機７の端子電圧ＶGを制御し、直流電圧に変換し平滑コンデンサ５１で平滑化する。

一方、インバータ制御部１３は、平滑コンデンサ５１の出力側に設けられた電圧検出器５５で検出される直流電圧ＶDC、インバータ１１の出力側に設けられた電圧検出器５６及び電流検出器５７で検出されるインバータ出力電流ＩO及び出力電圧ＶOを取り込み、直流電圧ＶDCが一定となるようにインバータ１１を制御し、電力系統５２と同等の周波数の交流電力に変換し、発電機７の発電電力として電力系統５２に供給する。

なお、発電出力制御系５０は、図示する構成のものに限定されることなく、従来から知られている種々の構成の発電出力制御系が使用される。

（２） 発電機７の回転数に基づく冷却水流量の制御例について。

図１３は発電機７の回転数に応じて冷却水流量を制御する通水流量制御系４０Ａ及び従来から一般的に使用される発電出力制御系５０とを備えた構成図である。なお、発電出力制御系５０については、図１１と重複する構成であるので、その構成説明は省略する。

通水流量制御系４０Ａは、発電機７の回転数（Ｎ／ｍｉｎ）を検出する回転計４４が設けられ、この回転計４４で検出された回転数（Ｎ／ｍｉｎ）がインバータ制御部４３Ａに送出される。

一般に、発電機７の回転数（Ｎ／ｍｉｎ）が大きくなると、図１４（ａ）に示すように発電量が増加していくが、ある回転数（Ｎ／ｍｉｎ）以上になると、定格発電量（ＫＷ）で飽和する。従って、ある回転数（Ｎ／ｍｉｎ）に達するまでの間、発電機７の回転数（Ｎ／ｍｉｎ）に比例して発電量が大きくなる。

その結果、インバータ制御部４３Ａは、図１４（ａ）に示す発電量特性に基づき、図１４（ｂ）に示すように回転計４４による検出回転数（Ｎ／ｍｉｎ）に応じて冷却必要流量を増加するように、ポンプ用インバータ３０をオン・オフ制御することにより、流量調整用ポンプ２９を回転制御する。

その結果、冷却器８で冷却された冷却水２６の流量が検出回転数（Ｎ／ｍｉｎ）に応じて可変しつつ、固定子コイル２５内に装着された水冷却配管２７内を循環流通するので、
発電機７の発電量に伴って固定子コイル２５に生じる熱量が増加しても、水冷却配管２７内を循環する冷却水２６の通水流量を増やして確実に除熱することができる。

（３） 風速に基づく冷却水流量の制御例について。

図１５は風速に基づいて冷却水流量を制御する通水流量制御系４０Ｂ及び従来から一般的に使用される発電出力制御系５０とを備えた構成図である。なお、発電出力制御系５０については、図１１と重複する構成であるので、その構成説明は省略する。

一般に、風力発電装置では、例えばナセル４の上部などに風向・風速計４５を設置し、この風向・風速計４５で測定される風向データに従って水平軸型風車を構成するロータ部６の回転面の向きを測定風向方向に向ける制御を実施している。

そこで、本実施の形態においては、風向・風速計４５の他、ナセル４内部に風況データ演算制御部４６を設け、風況データ演算制御部４６が風向・風速計４５で測定される風速などの風況データに基づいて、水冷却配管２７内を流通させる冷却水流量を可変制御し、固定子コイル２５に発生する熱を除熱する例である。

発電機７においては、図１６（ａ）に示すように風速の増加に伴って発電量が所定の乗数，例えば３乗にて増加するとともに、ある風速値を超えたときに定格の発電量となるように構成されている。

そこで、風況データ演算制御部４６は、風向・風速計４５の測定出力から例えば１０分毎の風速などの風況データを算出し、図１６（ａ）に示す特性から風況データに応じた発電量を把握し、図１６（ｂ）に示すようにその発電量に見合う冷却必要流量を取得した後、前述のようにポンプ用インバータ３０をオン・オフ制御し、流量調整用ポンプ２９の回転速度を制御する。

その結果、流量調整用ポンプ２９の回転速度制御に伴い、冷却器８で冷却された冷却水２６の流量が変化し、固定子コイル２５内の水冷却配管２７内を循環流通するので、発電機７の発電量に伴って固定子コイル２５に発生する熱量が増加しても、その熱量に応じて水冷却配管２７内に適切な流量の冷却水２６を供給でき、固定子コイル２５に発生する熱量が増加しても、その発生熱量を確実に除熱することができる
なお、この実施形態では、風向・風速計４５から風速などの風況データを得るようにしたが、例えば風況データ演算制御部４６がネットワーク４７に接続される気象情報サービス機関または気象情報蓄積サーバを備えた監視制御システム４８から風力発電装置設置地域の時刻付き風速などの風況データを取り込み、あるいは時刻付き風況データの提供を受け、その時刻付き風況データの時刻から所定時間（３０分または１時間）後の当該風力発電装置設置地域の風況に関する予測データとし、ポンプ用インバータ３０をオン・オフ制御する構成であってもよい。

（４） 発電機出口側の冷却水温度に基づく冷却水流量の制御例について。

図１７は冷却水温度に基づいて冷却水流量を制御する通水流量制御系４０Ｃ及び従来から一般的に使用される発電出力制御系５０とを備えた構成図である。なお、発電出力制御系５０については、図１１と重複する構成であるので、その構成説明は省略する。

この実施の形態においては、発電機７を構成する固定子コイル２５に装着される水冷却配管２７などに温度センサ４９を設置し、水冷却配管２７出側の冷却水２６の温度を測定し、インバータ制御部４３Ｃに送出する。

ここで、図１８（ａ）に示すように一定の条件下，例えば所定の風速毎に対応する冷却水基準温度を境とし、冷却水温度が冷却水基準温度よりも低くなったときに発電量が増え、冷却水基準温度よりも高くなったときに発電量が下がる特性を持っている。

そこで、インバータ制御部４３Ｃとしては、温度センサ４９から水冷却配管２７出側の冷却水温度を受け取り、前述する一定の条件下での冷却水基準温度を境とし、冷却水温度が冷却水基準温度よりも低い状態から高い状態に推移しているとき、その冷却水温度の上昇に伴って、図１８（ｂ）に示すように冷却必要流量が予め定める増加特性に従って増加するようにポンプ用インバータ３０をオン・オフ制御し、流量調整用ポンプ２９の回転速度を制御する。

その結果、流量調整用ポンプ２９の回転速度制御に伴い、出口側冷却水温度に応じて冷却器８で冷却された冷却水２６の流量を可変し、固定子コイル２５内の水冷却配管２７内に供給するので、固定子コイル２５に発生する熱量に応じて水冷却配管２７内に適切な流量の冷却水２６を供給でき、固定子コイル２５に発生する熱量が増加しても、その発生熱量を確実に除熱することができる。

従って、以上のような各実施に形態によれば、下側固定子コイル２５ａ及び上側固定子コイル２５ｂ間に水冷却配管２７を配置し、水冷用冷却器８で冷却された冷却水を水冷却配管２７内に循環通水することにより、固定子コイル２５に生じる熱を確実に徐熱することが可能となる。その結果、例えば外部ブロア等を利用して発電機７内に冷却ガスを循環させる冷却手段に比べ、格段に高い冷却能力を確保することができる。

また、各固定子コイル２５ａ、２５ｂの側方に水冷却配管２７を配置することで、より広い冷却面積を確保できるとともに、コイル高さ方向の温度上昇度の平準化を図ることができる。

さらに、発電機７の運転状況を把握し、水冷却配管２７に通水する冷却水流量を制御することにより、例えば発電機７の低速運転時などの発生熱量の小さい場合に冷却水の通水流量を減じ、発電機７の高速運転時などの発生熱量の大きい場合に冷却水の通水流量を増加させることにより、発電機７のトータル的な運転効率を高めることができる。

発電機７の発生熱量の増加は、発電機トルクの増加、発電機回転数の増加、風速の増加、発電機７の冷却水出口温度の上昇に伴うことから、これら各測定要素の大きさを把握し、固定子コイル２５に対する冷却水の流量増減制御を行うので、発電機７の固定子コイル２５に発生する熱を確実に除熱することができる。これにより、発電機サイズやコイル重量の増大を回避でき、さらには、発電機７を納めるナセル４などの構造物やタワー３などの強度維持に関する設計や製造の影響を軽減することができる。

さらに、以上のような発電機トルクの増加、発電機回転数の増加、風速の増加、発電機７の冷却水出口温度の上昇の状況は、通常、風力発電装置の健全性把握のためにモニタリングする情報であることから、特別な構成を付加することなく発電機７の予防保全を図ることができる。

なお、前述した各実施の形態では、発電機７の固定子コイル２５に生じるを除熱するための風力発電装置の水冷却に関する構成について説明したが、これら水冷却に関する構成を使用して固定子コイル２５に発生する熱を除熱する発電機冷却方法も実現できる。

この発電機冷却方法としては、発電機７の発電量に影響を与える、例えば発電機７の回転トルク、発電機７の回転数、風力発電装置の設置地域に関する風況データ、発電機７の冷却水出口温度の何れか１つのデータを取得する物理変数取得ステップと、このステップで取得される物理変数データから、発電機７の固定子のスロット溝２４内に装着される固定子コイル２５に沿って配置される水冷却配管２７内に通水する水冷用冷却器８に関する冷却水必要流量を予測するステップと、この予測された冷却水必要流量に基づき、水冷却配管２７の発電機出口側端部と水冷用冷却器８との間に介在されるポンプ２９の回転速度を制御し、水冷却配管２７内に通水する冷却水２６の流量を増減制御するステップとを設けることにより、固定子コイル２５に生じる熱を確実に除熱することができる。

さらに、前述する実施形態は、複数の実施の形態例として提示したものであるが、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２…基台（ベース）、３…タワー、４…ナセル、５…主軸、６…ロータ部、６ａ…ハブ、６ｂ…ブレード、７…発電機、８…水冷用冷却器、９…ギア部、１０…コンバータ、１１…インバータ、１２…コンバータ制御部、１３…インバータ制御部、２２…回転子、２３…固定子、２５…固定子コイル、２５ａ…下側固定子コイル、２５ｂ…上側固定子コイル、２６…冷却水、２７…水冷却配管、２９…流量調整用ポンプ、３０…ポンプ用インバータ、３１…空冷用配管、４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ…通水流量制御系、４１…回転数センサ、４２…トルク指令生成部、４３、４３Ａ、４３Ｃ…インバータ制御部、４４…回転計、４５…風速・風向計、４６…風況データ演算制御部、４７…ネットワーク、４８…気象情報サービス機関または気象情報蓄積サーバを備えた監視制御システム、４９…温度センサ、５０…発電出力制御系。

Claims (10)

1. 風力エネルギーを回転運動に変換するブレードを有するロータ部と、このロータ部の回転運動エネルギーを電力に変換する発電機とを備えた風力発電装置において、
   前記発電機の固定子のスロット溝に装着される固定子コイルを構成する下側固定子コイルと上側固定子コイルとの間に配置された水冷却配管と、
   この水冷却配管内に冷却水を通水して前記固定子コイルに発生する熱を除熱する水冷用冷却器とを備えたことを特徴とする水冷式風力発電装置。
2. 風力エネルギーを回転運動に変換するブレードを有するロータ部と、このロータ部の回転運動エネルギーを電力に変換する発電機とを備えた風力発電装置において、
   前記発電機の固定子のスロット溝に装着される固定子コイルを構成する下側固定子コイルと上側固定子コイルとの同一側面側または互いに異なる側面側にそれぞれ配置された水冷却配管と、
   これら水冷却配管内に冷却水を通水して前記固定子コイルに発生する熱を除熱する水冷用冷却器とを備えたことを特徴とする水冷式風力発電装置。
3. 風力エネルギーを回転運動に変換するブレードを有するロータ部と、このロータ部の回転運動エネルギーを電力に変換する発電機とを備えた風力発電装置において、
   前記発電機の固定子のスロット溝に装着される固定子コイルを構成する下側固定子コイルと上側固定子コイルとの互いに異なる側面側にそれぞれ配置される２つの側面側水冷却配管と、前記下側固定子コイルと上側固定子コイルとの間に介在され前記２つの側面側水冷却配管に連通する中間側水冷却配管と、を有する水冷却配管と、
   この水冷却配管内に冷却水を通水して前記固定子コイルに発生する熱を除熱する水冷用冷却器とを備えたことを特徴とする水冷式風力発電装置。
4. 請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の水冷式風力発電装置において、
   スロット溝内に装着される前記下側固定子コイル及び前記上側固定子コイルに沿って配置される前記水冷却配管は、隣接する複数の前記スロット溝へ順次架け渡しつつ蛇行状に配置することを特徴とする水冷式風力発電装置。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の水冷式風力発電装置において、
   前記水冷却配管の発電機出口側端部と前記水冷用冷却器との間に設けられた流量調整用ポンプと、
   前記発電機の回転速度からトルク指令値を生成するトルク指令値生成手段と、
   前記トルク指令値生成手段で生成されたトルク指令値に基づき、前記流量調整用ポンプの回転速度を制御し、前記水冷用冷却器から前記水冷却配管に通水する冷却水の流量を制御する手段とをさらに付加したことを特徴とする水冷式風力発電装置。
6. 請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の水冷式風力発電装置において、
   前記水冷却配管の発電機出口側端部と前記水冷用冷却器との間に設けられた流量調整用ポンプと、
   前記発電機の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記回転数検出手段によって検出された回転数データに基づき、前記流量調整用ポンプの回転速度を制御し、前記水冷用冷却器から前記水冷却配管に通水する冷却水の流量を制御する手段とをさらに付加したことを特徴とする水冷式風力発電装置。
7. 請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の水冷式風力発電装置において、
   前記水冷却配管の発電機出口側端部と前記水冷用冷却器との間に設けられた流量調整用ポンプと、
   前記発電機の設置地域の風況データを取得する風況データ取得手段と、
   前記風況データ取得手段によって取得された風況データに基づき、前記流量調整用ポンプの回転速度を制御し、前記水冷用冷却器から前記水冷却配管に通水する冷却水の流量を制御する手段とをさらに付加したことを特徴とする水冷式風力発電装置。
8. 請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の水冷式風力発電装置において、
   前記水冷却配管の発電機出口側端部と前記水冷用冷却器との間に設けられた流量調整用ポンプと、
   前記水冷却配管を通水する冷却水の発電機出口側の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段によって検出された冷却水の発電機出口側温度データに基づき、前記流量調整用ポンプの回転速度を制御し、前記水冷用冷却器から前記水冷却配管に通水する冷却水の流量を制御する手段とをさらに付加したことを特徴とする水冷式風力発電装置。
9. 風力エネルギーを回転運動に変換するブレードを有するロータ部と、このロータ部の回転運動エネルギーを電力に変換する発電機と、水冷用冷却器とを備え、前記発電機の固定子コイルを冷却する請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の水冷式風力発電装置の発電機冷却方法において、
   前記発電機の発電量に影響を与えるデータを取得するデータ取得ステップと、
   前記データ取得ステップにて取得される前記データから、前記発電機の固定子のスロット溝内に装着される固定子コイルに沿って配置される水冷却配管内に通水する前記水冷用冷却器の冷却水の必要流量を予測するステップと、
   前記予測するステップで予測された冷却水必要流量に基づき、前記水冷却配管の発電機出口側端部と前記水冷用冷却器との間に介在されるポンプの回転速度を制御し、前記水冷却配管内に通水する冷却水の流量を増減し、前記固定子コイルに生じる熱を除熱するステップとを有することを特徴とする風力発電装置の発電機冷却方法。
10. 請求項９に記載の風力発電装置の発電機冷却方法において、
    前記データ取得ステップで取得するデータは、前記発電機の回転トルク、該発電機の回転数、風力発電装置の設置地域に関する風況データ、前記発電機の冷却水出口温度の何れか１つのデータであることを特徴とする風力発電装置の発電機冷却方法。

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