JP6074033B2 - 風力発電設備 - Google Patents

Description

本発明は水平軸型の風力発電設備に係り、特にダウンウィンド型の風力発電設備においてナセル内の機器を冷却する機能を備えた風力発電設備に関する。

水平軸型の風力発電設備は、その頂部に設置しているナセル内に発電機や増速機などの機器を内装している。これらの機器は発電時に熱を発生するため、風力発電設備は発生した熱を冷却するための冷却システムを備えている。一般的な冷却システムは、外気の風を取込んで熱交換をする冷却器で構成され、冷却器は外気の風を取込むために、風力発電設備の外側に設置される。

冷却器を備えた風力発電設備として例えば特許文献１が知られている。これらの風力発電設備においてこの冷却器で効率よく冷却するためには、外部の風を効率的に取込む必要がある。特に風上側にロータ回転面があるアップウィンド型の風車の場合、ナセルが風下に位置し、風の流れを妨げる方向に設置されているため、冷却器をナセルから突出させて設置している。

米国特許第７０５７３０３号公報

現在商用化されている大型の水平型の風力発電設備は、殆どがアップウィンド型である。アップウィンド型は、風上側にロータ回転面がある。アップウィンド型の場合、ナセルが風下に位置し、冷却器はナセルから突出させて設置されて風を効果的に受けられるようにしている。この場合、風を効果的に受けられるようにするためには、冷却器をナセルの上面または側面に、より大きく突出させた形で設置させるのがよい。

然しながら冷却器をナセルから突出した形で設置すると、その分の支持構造を追加で設ける必要性がある。さらにナセルの風に対する受風面積が大きくなり、作用する風荷重もそれに伴い大きくなるため、その風荷重に耐えるための構造的な補強の追加が必要となる。

以上のことから本発明においては、簡便な構成で効率よく冷却することができる風力発電設備を提供することを目的とする。

本発明の風力発電設備は、上記目的を達成するために、その一方側がハブとブレードからなるロータに接続され、その他方側に風を受け、タワーにより支持されているナセルを含むダウンウィンド型の風力発電設備であって、ナセルの他方側先端部分に空洞部を形成し、空洞部先端に冷却器を設け、冷却器を通過した風を空洞部の後流側から排気するための排気口を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、簡便な構成で効率よく冷却することができる風力発電設備を提供することができる。

本発明に係るダウンウィンド型風力発電設備の外観を示す図。 実施例１に係るナセル前面であり、冷却器を取り付けない状態での斜視図。 冷却器を取り付けた状態でのナセル前面の斜視図。 実施例２に係るナセル前面の斜視図。 実施例３に係るナセル前面の斜視図。 実施例４に係るナセル前面の斜視図。 実施例５に係るナセル前面の斜視図。 実施例６に係るナセル前面の斜視図。 本発明に係るナセルの内部構成を示す図。

以下、図示した実施例に基づき本発明の風力発電設備について説明する。なお、各図において同一部分には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

本発明は、図１に示す外観のようなダウンウィンド型の風力発電設備である。ダウンウィンド型の風力発電設備では、ハブ２とブレード１からなるロータ３が、ナセル４を支持するタワー５より風下側に位置する。ナセル４先端の風を受ける部分は、庇部１４と側面支持部２０と側面通風孔１３で構成されており、庇部１４と側面支持部２０で覆われた内部は基本的に空洞である。

このため風上からの流入風Ｗ１は、ナセル４の先端から流入して下側に排出風Ｗ２として排出され、あるいはナセル４の先端から流入して側面通風孔１３から排出風Ｗ３として排出される。

本発明の実施例１では、庇部１４と側面支持部２０で囲まれた空間に冷却器７を設置する。図１では奥行き方向に設置された冷却器７を点線で図示している。また冷却器７の下部には羽根状の支持部材１０（点線）を備えている。このため、冷却器７は上面を庇部１４により支持され、両側面を左右の側面支持部２０により支持され、下面を羽根状の支持部材１０により支持されることになる。この構造により、風上からの流入風Ｗ１は、全て冷却器７を通過してから排出風Ｗ２、Ｗ３として排出されることになる。なお羽根状の支持部材１０は、排出風Ｗ２、Ｗ３を円滑に外部に導くための整流板としても機能している。

図２は、ナセル前面の斜視図を示している。但しこの図では内部が空洞であることを明らかにするために、冷却器７を取り外した時の形を示している。この図から明らかなように内部空洞は排気ダクト９を形成している。また排気ダクト９を形成する各部には風の流通を良くするために適宜角部がＲ面にされている。例えばナセルの下面はＲ面８とされており、ナセル傾斜面１１から連続してつながっている。

図２の構成によれば、外部からの風は、ナセル本体内部には導入されず、ナセル本体内の収納機器は風Ｗから遮蔽されていることが分かる。これにより塩分を含む海風などからナセル本体内の収納機器を保護することが可能である。

図３は、冷却器７を取り付けた状態でのナセル前面の斜視図を示している。冷却器７は例えば水冷のラジエータであり、ラジエータ面を通過する風によって内部の液体（水）が冷却される。図３によれば冷却器７は庇部１４の内部に形成され、庇部１４により誘導された風を受けている。

図１、図２、図３で説明した実施例１の構成によれば、ナセル内部の機器を冷却するための冷却器７をナセルの風上前面に設置し、そして、ナセルの下面のＲ面８を利用して排気するダクト９、および冷却器７の下の羽形状の支持１０を、ナセルに設置する。この下面のＲ面８はナセルの傾斜面１１から連続してつながって排気ダクトを形成し、冷却器７に受風した風を効率よく排気Ｗ２することが可能となる。

また、側面に通風穴１３を設け、排気口を追加することにより、排気Ｗ３により排気効果を高めることができる。加えて冷却器７より風上に庇部１４を設置することにより、外部の風を冷却器に呼び込む効果を高められる。

本発明では、受風面積と排気面積を同程度にすることにより、流れる風の減速を抑え、効果的に排気が可能となる。側面の通風穴１３は、ナセルの両側面に設置することにより、前面からの風に対して対照的に排気されるため、ナセルの両側面に作用する風荷重を相殺し、荷重のアンバランスを防止することができる。

本発明により、冷却器７をナセル前面に設置することができるため、ナセルに対する受風面積を小さくすることができ、風荷重も削減することが期待できる。また冷却器７の周囲４辺を、ナセルの支持構造物だけで支持することができるため、ナセルの軽量化が可能となる。これらにより、ナセルを支持する構造物の重量も低減できる。

図４に、本発明の風力発電設備の実施例２を示す。ここでは、実施例１の側面の通風穴１３を設けていない。側面の通風穴１３が存在しないので風上からの流入風Ｗ１は、ナセル４の先端から流入してそのまま下側に排出風Ｗ２として排出される。この場合にも流入風Ｗ１は全て冷却器７を通過している。このように受風面積と排気面積を同程度とすることにより、実施例２でも、実施例１と同様な効果が得られる。

図５に、本発明の風力発電設備の実施例３を示す。この例では実施例１の上下関係を逆転配置している。庇部１４を下側として風上からの流入風Ｗ１は、ナセル４の先端から流入してそのまま上側に排出風Ｗ２として排出される。この場合には、上面にＲ面の排気ダクトを設定することによって、効率的な通気ができ、実施例１と同様な効果が得られる。排出風Ｗ３が側面から排気される点は実施例１と同じである。

なお図５の場合に庇部１４が下にあるために、これを庇と表現するのは適切でないとも思われるが、いずれの場合であっても風の流れを冷却器７に誘導する誘導部として機能しており、この機能をはたすものを本明細書では庇部としている。

図６に、本発明の風力発電設備の実施例４を示す。この例では実施例２（図４）の上下関係を逆転配置している。庇部１４を下側として風上からの流入風Ｗ１は、ナセル４の先端から流入してそのまま上側に排出風Ｗ２として排出される。この場合にも実施例２と同様な効果が得られる。

図７に、本発明の風力発電設備の実施例５を示す。この例では庇部１４を備えていない。実施例１から実施例４においては、上あるいは下に設けた庇部１４で流入する風を導いて、ナセル先端から奥まった位置にある冷却器７に風を当てていた。実施例５では、冷却器７をナセル先端に配置することで効率的な通気ができ、他の実施例と同様な効果を得ることができる。

図８に、本発明の風力発電設備の実施例６を示す。図８は、図７の冷却器７のナセル先端配置の場合に、側面の通風穴１３を設けない事例である。この例でも他の実施例と同様な効果が得られる。

なお実施例５、実施例６の構成を上下逆転して配置することも可能である。

図９は、ナセル内部構成を示している。ナセル内にはロータ３の回転によって駆動される増速機４０と発電機５０が設置されている。なおロータ３、増速機４０、発電機５０は軸５５により結合されている。

このうち増速機４０はギアで構成されており、その内部は油浸されている。増速機４０には隣接して油冷却器４１が設置されており、冷却器７からの冷却水４２が供給され、油冷却器４１内での熱交換により加熱された冷却水４３が排出される。４４は油冷却器４１内の熱交換パイプであり、増速機４０と連結された油冷却器４１内の油と熱交換を行い、増速機４０を冷却する。

発電機５０に対しても空気冷却器５１が隣接設置されている。例えば発電機５０の上部に設置された空気冷却器５１は、フアン５２からの風を冷却水５３により冷却して発電機５０内に供給し、その内部を冷却する。なおフアン５２は発電機５０内の空気を空気冷却器５１に送り込んでいる。

以上のようにして、油冷却器４１あるいは空気冷却器５１での熱交換により加熱された冷却水５３、５４はラジエータなどの冷却器７に送られて再度冷却され、循環供給される。

以上説明した本発明によれば、風車がダウンウィンド型のため、ナセルが風上側に設置される。ナセルの前面に冷却器を設置し、受風した風を効率よく排気できる排気ダクトをナセルに設置することにより排気することが可能となる。このため、冷却器をナセルから突出させた形で設置する必要はなく、ナセルに組み込んだ形で設置することが可能となる。これにより、ナセルの風に対する受風面積を小さくすることができ、風荷重も削減することが期待できる。それに伴い支持構造物の重量も低減できる。

１：ブレード，２：ハブ，３：ロータ，４：ナセル，５：タワー，７：冷却器，８：Ｒ面，９：排気ダクト，１０：羽根状の支持部材，１１：ナセル傾斜面，１３：側面通風孔，１４：庇部，２０：側面支持部，４０：増速機，４１：油冷却器，４２、４３：冷却水，４４：熱交換パイプ，５０：発電機，５１：空気冷却器，５２：フアン，５２、５３：冷却水，５５：軸，Ｗ１：流入風，Ｗ２、Ｗ３：排出風

Claims (7)

1. その一方側がハブとブレードからなるロータに接続され、その他方側に風を受け、タワーにより支持されているナセルを含むダウンウィンド型の風力発電設備であって、
   前記ナセルの前記他方側先端部分に空洞部を形成し、空洞部先端に冷却器を設け、該冷却器を通過した風を前記空洞部の後流側から排気するための排気口を備えていることを特徴とする風力発電設備。
2. 請求項１に記載の風力発電設備であって、
   前記冷却器の設置位置よりも風の上流側に、風を前記冷却器に誘導するための庇部を備えていることを特徴とする風力発電設備。
3. 請求項１または請求項２に記載の風力発電設備であって、
   前記空洞部の後流側から排気するための排気口が前記ナセルの上面あるいは下面に形成されていることを特徴とする風力発電設備。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の風力発電設備であって、
   前記空洞部の後流側から排気するための排気口が前記ナセルの左右側面に形成されていることを特徴とする風力発電設備。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の風力発電設備であって、
   前記ナセル内には風力発電のための機器と、当該機器を冷却するための第２の冷却器が設置されており、前記冷却器において風により冷却された冷却水が第２の冷却器に供給されて前記風力発電のための機器を冷却していることを特徴とする風力発電設備。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の風力発電設備であって、
   前記ナセル内には、その前記空洞部を通過した風が流入されないことを特徴とする風力発電設備。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の風力発電設備であって、
   前記冷却器は羽根状の支持部により前記ナセルに支持されるとともに、前記羽根状の支持部により前記冷却器を出た風を前記排気口に導く機能を果たしていることを特徴とする風力発電設備。

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