WO2015040730A1 - 洋上風力発電装置およびそれに用いる油入変圧器 - Google Patents

洋上風力発電装置およびそれに用いる油入変圧器 Download PDF

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康 真島
年樹 白畑
淳治 小野
洋悦 椎名
圭亮 久保田
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株式会社日立産機システム
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    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/727Offshore wind turbines

Definitions

  • the present invention relates to improving the cooling performance of an oil-filled transformer used in an offshore wind power generator.
  • Wind power generation using wind power which is a natural energy, has been put to practical use as a utilization method friendly to the global environment.
  • This wind power generation includes those that are located on land such as forests and those that are installed offshore.
  • Patent Document 1 a technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-89468 (Patent Document 1) can be given as a method for cooling a heat source of an offshore wind power generator.
  • Patent Document 1 describes that by disposing a secondary battery below the water line, the heat of the secondary battery accompanying charge / discharge is released into water.
  • Patent Document 1 describes disposing the heat source below the water line so that the heat is released into the water, but there is no description about the cooling performance specific to the oil-filled transformer, and the offshore wind power generator Improvement of cooling performance of oil-filled transformer used for
  • An oil-filled transformer in which an iron core, a coil, and insulating oil that insulates and cools the iron core and the coil are stored in a tank is installed under the sea surface in an offshore wind power generator, and the tank is immersed in a liquid. .
  • Improvement in the cooling performance of the oil-filled transformer used in the offshore wind power generator allows the oil-filled transformer and the offshore wind power generator to be miniaturized.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an offshore wind power generator.
  • 1 is the whole offshore wind power generator
  • 2 is a blade
  • 3 is a nacelle
  • 4 is a generator
  • 5 is a tower
  • 6 is a sea surface
  • 7 is a transformer
  • 8 is a power transmission cable.
  • the tower 5 is a hollow structure
  • the nacelle 3 is attached to the top of the tower 5.
  • the blade 2 is connected to the nacelle 3, and when the blade 2 is rotated by wind power, AC power is generated by the generator 4 arranged in the nacelle 3, and the electric power is boosted by the transformer 7 arranged in the tower 5. Then, power is transmitted by the power transmission cable 8.
  • the reason for boosting with a transformer is that the current can be kept low by increasing the voltage, so that the current can be safely transmitted at a low current, and the loss during power transmission is suppressed by a low current value.
  • FIG. 2 shows an overall schematic diagram of the offshore wind power generator of the present embodiment. Moreover, the detailed schematic diagram of the offshore wind power generator of a present Example is shown in FIG.
  • 9 is seawater
  • the transformer 7 is installed below the sea level in the tower 5 of the offshore wind power generator.
  • reference numeral 7-2 denotes a coil
  • 7-3 denotes an iron core.
  • the iron core and the coil 7 are stored in a tank 7-1 filled with insulating oil for insulation and cooling (not shown).
  • the structure is immersed in the liquid 10. That is, the liquid storage part which stores the liquid comprised using the wall surface of a tower is provided in the tower 5, the transformer which has a tank is installed in the liquid storage part, and it is set as the structure which immerses a tank with a liquid.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view (A) of the transformer portion of FIG. 3 as viewed from the upper side of the side, and a side view (B) thereof.
  • 7-4 is an insulating oil
  • 7-5 is a radiator
  • 7-6 is an oil level line
  • other numbers have the same functions as those in the configuration having the same reference numerals shown in the above-described drawings. Description is omitted.
  • the tank 7-1 is soaked in the liquid 10 to increase the heat transfer coefficient with the seawater 9 on the outer periphery of the tower, thereby increasing the cooling effect.
  • the liquid 10 only needs to transmit heat, and may be pure water, for example.
  • the radiator 7-5 is connected to the inside of the tank through the upper opening and the lower opening of the tank 7-1 so that the insulating oil 7-4 in the tank is in the radiator.
  • the insulating oil heated by the coil 7-2 in the tank is cooled by the radiator and returned to the tank, so that the cooling performance can be further improved.
  • the liquid 10 is immersed in the liquid 7 up to the height of the coil 7-2, which is the primary heat source of the transformer 7, it becomes easy to absorb the heat of the coil.
  • a cooling effect can be obtained by immersing the oil surface wire 7-6 or less up to the height of the coil 7-2 in the liquid 10.
  • a hatched portion illustrated in FIG. 4B may be immersed in the liquid 10.
  • the tank provided as an oil-filled transformer is immersed in a liquid so as to improve the cooling property peculiar to the oil-filled transformer.
  • the cooling capability of the oil-filled transformer used in the offshore wind power generator is improved, so that the cooling equipment for the oil-filled transformer itself can be downsized. Moreover, the facility for cooling as an offshore wind power generator becomes unnecessary, and the offshore wind power generator itself can be downsized. In addition, when a fan is used for cooling, since the wind containing moisture and salt is taken from the cooling fan from the environment where it is installed on the sea, the problem that the transformer becomes easily rusted can be solved.
  • FIG. 5 the schematic diagram of the offshore wind power generator of a present Example is shown.
  • This embodiment has a tankless structure in which the tank of the oil-filled transformer is lost and the wall surface of the tower 5 of the offshore wind power generator is used instead of the tank.
  • the transformer composed of the coil 7-2 and the iron core 7-3 is filled with the insulating oil 11, and the tank is unnecessary by arranging the transformer inside the tower filled with the insulating oil. . That is, the wall surface of the tower 5 of the offshore wind power generator is used as a tank for holding insulating oil.
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of the offshore wind power generator of this embodiment. This embodiment is characterized in that the transformer is arranged in the lowermost layer portion of the tower of the offshore wind power generator.
  • the installation of the offshore wind power generator at the lowest layer of the tower has the effect of lowering the center of gravity of the offshore wind power generator and increasing the stability of the offshore wind power generator.
  • the present Example has shown the example installed in the lowest layer part in addition to the tank-less structure of Example 2, it is not limited to this,
  • the periphery of the tank of Example 1 is liquid. Needless to say, the present invention can also be applied to the case of soaking.
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of the offshore wind power generator of the present embodiment.
  • the thickness of the coil is further increased.
  • 7-21 is a coil
  • 7-31 is an iron core.
  • the thickness of the coil 7-21 which is the horizontal dimension, can be increased. It becomes possible. Thereby, there exists an effect that a large capacity
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications.
  • the floating offshore wind power generator has been described.
  • a landing type offshore wind power generator can also be applied.
  • it is not necessarily limited to what has all the structures demonstrated.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

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Abstract

 洋上風力発電装置において、安全性や送電時のロスを抑える目的で、変圧器を洋上風力発電装置内に設置する要求がある。その際、洋上風力発電装置に用いる油入変圧器の冷却性向上が求められる。 その課題を解決するために、鉄心と、コイルと、該鉄心及びコイルを絶縁及び冷却する絶縁油をタンク内に収納した油入変圧器を、洋上風力発電装置内の海面下に設置し、且つタンクを液体に浸す構造とする。 これにより、洋上風力発電装置に用いる油入変圧器の冷却性が向上することにより、油入変圧器および洋上風力発電装置の小型化が可能となる。

Description

洋上風力発電装置およびそれに用いる油入変圧器
 本発明は、洋上風力発電装置に用いる油入変圧器の冷却性向上に関する。
 自然エネルギーである風力を利用した発電が、地球環境に優しい活用方法として実用化されている。この風力発電は、山林等の陸上に立地するものや、洋上に設置するものがある。特に、風車設置用の適地に制限がなく、陸上に比べて風速が早く、また風の乱れも少ない洋上での風力発電が期待されている。
 また、洋上風力発電装置で発電された電力の送電に際して、安全性や送電時のロスを抑える目的で、発電された電圧を昇圧して送電するニーズがあり、そのために、変圧器を洋上風力発電装置内に設置する要求がある。一方、洋上風力発電装置のタワー内に変圧器を設置すると、熱源が増えタワー内の温度が上昇してしまう。密閉されたタワー内に設置されることにより、冷却条件が屋外設置時より悪化する為、冷却性の向上が必須条件となっている。よって、変圧器の冷却を十分に行なう為にファン等を用いた強制冷却を行なう必要がある。
 一方、洋上風力発電装置の熱源の冷却方法に関して特開2011-89468号公報(特許文献1)に開示されている技術が挙げられる。特許文献1では、二次電池を喫水線よりも下方に配置することで、充放電に伴う二次電池の熱を水中に逃がすことが記載されている。
特開2011-89468号公報
 特許文献1では、熱源を喫水線よりも下方に配置することで、その熱を水中に逃がすことが記載されているが、油入変圧器特有の冷却性向上についての記載がなく、洋上風力発電装置に用いる油入変圧器の冷却性向上が求められる。
 鉄心と、コイルと、該鉄心及びコイルを絶縁及び冷却する絶縁油をタンク内に収納した油入変圧器を、洋上風力発電装置内の海面下に設置し、且つタンクを液体に浸す構造とする。
 洋上風力発電装置に用いる油入変圧器の冷却性が向上することにより、油入変圧器および洋上風力発電装置の小型化が可能となる。
洋上風力発電装置の構成概略図 実施例1の洋上風力発電装置の全体概略図 実施例1の洋上風力発電装置の詳細模式図 実施例1の洋上風力発電装置の断面図及び側面図 実施例2の洋上風力発電装置の模式図 実施例3の洋上風力発電装置の模式図 実施例4の洋上風力発電装置の模式図
 以下、実施例を図面を用いて説明する。
 図1は、洋上風力発電装置の構成概略図である。図1において、1は洋上風力発電装置全体、2はブレード、3はナセル、4は発電機、5はタワー、6は海面、7は変圧器、8は送電ケーブルである。
タワー5は中空の構造体であって、タワー5の上部にナセル3が取り付けられている。ブレード2はナセル3に連結されており、ブレード2が風力により回転すると、ナセル3内に配置した発電機4により交流電力が生成され、その電力をタワー5内に配置した変圧器7で昇圧して、送電ケーブル8で送電する。変圧器で昇圧する理由は、電圧を高くすることで電流が低く抑えられるため、低い電流にして安全に送電するためと、低い電流値により送電時のロスを抑えるためである。
 図2に、本実施例の洋上風力発電装置の全体概略図を示す。また、図3に本実施例の洋上風力発電装置の詳細模式図を示す。図2において、9は海水であり、変圧器7は、洋上風力発電装置のタワー5内の海面下に設置している。また、図3において、7-2はコイル、7-3は鉄心であり、該鉄心及びコイルを、図示しない、絶縁及び冷却する絶縁油で満たしたタンク7-1内に収納した変圧器7を液体10に浸した構造となっている。すなわち、タワー5内に、タワーの壁面を利用して構成される、液体を蓄える液体貯蔵部を設け、その液体貯蔵部にタンクを有する変圧器を設置し、タンクを液体で浸す構造とする。
 図4に、図3の変圧器部分を側面上部から見た断面図4(A)と、その側面図4(B)を示す。図4において、7-4は絶縁油、7-5はラジエータ、7-6は油面線、他の番号は、既に説明した図に示された同一の符号を付された構成と同一の機能を有するので、説明は省略する。
 図4(A)において、タンク7-1を液体10で浸すことでタワーの外周にある海水9との間の熱伝達率を上げ、冷却効果を上げるように構成されている。なお、液体10は、熱を伝達するものであれば良く、例えば純水でよい。
 また、図4(B)において、ラジエータ7-5は、タンク7-1の上部開口及び下部開口を介してタンク内と連通可能に接続されており、タンク内の絶縁油7-4がラジエータ内を循環し、タンク内のコイル7-2で熱せられた絶縁油がラジエータで冷されタンクに戻ることで更なる冷却性の向上が可能となる。
 このように、変圧器の冷却性能が向上することにより変圧器自体の冷却設備を小型化することが可能となる。また、洋上風力発電装置としての冷却のための設備が不要となり、洋上風力発電装置自体の小型化が可能となる。
 また、変圧器7の一番の熱源であるコイル7-2の高さまで液体10を浸すことでコイルの熱を吸収しやすくなるので、タンクを全て液体10で満たす必要はなく、例えば、絶縁油の油面線7-6以下で、かつコイル7-2の高さ以上までを液体10に浸すことで冷却効果が得られる。例えば、図4(B)に示す、ハッチングで示した部分を液体10で浸せば良い。このように、もともと油入変圧器として設けられているタンクを利用して、タンクの周りを液体で浸すことで、冷却効果を上げるように構成されているので、液体に浸すために新たに防水加工を施す必要がないという効果がある。なお、さらにメッキなどの錆対策を施すことで、長期使用が可能になる。
 このように、本実施例は、油入変圧器として設けられているタンクを液体に浸すという、油入変圧器特有の冷却性向上を図ったものである。
 以上説明したように、本実施例によれば、洋上風力発電装置に用いる油入変圧器の冷却性が向上することにより油入変圧器自体の冷却設備の小型化が可能となる。また、洋上風力発電装置としての冷却のための設備が不要となり、洋上風力発電装置自体の小型化が可能となる。また、冷却のためにファンを用いた場合、海上設置という環境から湿気、塩気の含んだ風を冷却ファンから取り込んでくる為、変圧器が錆びやすくなってしまうという問題も解消できる。
 図5に、本実施例の洋上風力発電装置の模式図を示す。本実施例は、油入変圧器のタンクを失くし、洋上風力発電装置のタワー5の壁面をタンクの代わりに使用するタンクレス構造となっている。
図5において、コイル7-2、鉄心7-3からなる変圧器を、絶縁油11で満たした構造であり、絶縁油を満たしたタワー内部に、変圧器を配置することでタンクを不要としている。すなわち、絶縁油を保持するタンクとして、洋上風力発電装置のタワー5の壁面を利用している。
 これにより、タンクが不要となり、スペースが生まれ大型の変圧器にも対応でき、コストも減らすことが可能となる。また、タワー5の壁面から直接絶縁油11を冷却することができ、より冷却効果が向上する。また、タワー内の限られたスペースを有効利用できる。
 図6に、本実施例の洋上風力発電装置の模式図を示す。本実施例は、変圧器の配置を洋上風力発電装置のタワーの最下層部に配置することを特徴とする。
 図6に示すように、洋上風力発電装置のタワー最下層部に設置することで洋上風力発電装置の重心が下がり、洋上風力発電装置の安定度が増すという効果がある。
 なお、本実施例は、実施例2のタンクレス構造に加え、最下層部に設置する例を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、実施例1のタンクの周囲を液体に浸す場合にも適用可能であることは言うまでもない。
 図7に、本実施例の洋上風力発電装置の模式図を示す。本実施例は、実施例2の内容に加え、コイルの厚さをより増やした構造である。
 図7において、7-21はコイル、7-31は鉄心であり、タンクが不要となったスペースを有効活用する為、コイル7-21の横寸法である厚さを増やした構造にすることが可能となる。これにより、同一の洋上風力発電装置内に大容量の変圧器を設置できるという効果がある。
 以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、本実施例では、浮体式の洋上風力発電装置について説明したが、着床式の洋上風力発電装置であっても適用できる。また、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
1 洋上風力発電装置
5 タワー
7 変圧器
7-1 タンク
7-2 コイル
7-3 鉄心
7-4、11 絶縁油
10 液体

Claims (6)

  1. 中空の構造体であるタワーと、該タワーに取り付けられた風力を受けて回転するブレードと、該ブレードの回転を電力に変換する発電機を備える洋上風力発電装置であって、
    前記発電機から得られる電力の電圧を昇圧する変圧器と、
    該昇圧した電力を送電する送電ケーブルを有し、
    前記変圧器は、鉄心及びコイルを備え、該鉄心及びコイルが絶縁及び冷却する絶縁油で満たしたタンク内に収納されており、
    前記洋上風力発電装置の洋上設置時の海面下に前記変圧器を設置するとともに、
    該変圧器設置個所に液体を蓄え、前記タンクを前記液体に浸す構造であることを特徴とする洋上風力発電装置。
  2. 請求項1に記載の洋上風力発電装置であって、
    前記変圧器設置個所は、前記タワー内に設けられた、前記タワーの壁面を利用して構成される液体貯蔵部であって、
    前記タンクを浸す液体は、前記液体貯蔵部に蓄えられている液体であることを特徴とする洋上風力発電装置。
  3. 請求項1または2のいずれか1項に記載の洋上風力発電装置であって、
    前記変圧器は、前記タンクと連通可能に接続され前記絶縁油を冷却するラジエータを有することを特徴とする洋上風力発電装置。
  4. 中空の構造体であるタワーと、該タワーに取り付けられた風力を受けて回転するブレードと、該ブレードの回転を電力に変換する発電機を備える洋上風力発電装置であって、
    前記発電機から得られる電力の電圧を昇圧する変圧器と、
    該昇圧した電力を送電する送電ケーブルを有し、
    前記変圧器は鉄心とコイルを有しており、
    前記変圧器を、前記洋上風力発電装置の洋上設置時の海面下であって、前記鉄心及びコイルを絶縁及び冷却する絶縁油を満たした前記タワー内部に配置する構造であることを特徴とする洋上風力発電装置。
  5. 中空の構造体であるタワーと、該タワーに取り付けられた風力を受けて回転するブレードと、該ブレードの回転を電力に変換する発電機を備える洋上風力発電装置であって、
    前記発電機から得られる電力の電圧を昇圧する変圧器と、
    該昇圧した電力を送電する送電ケーブルを有し、
    前記洋上風力発電装置の洋上設置時の海面下に前記変圧器を設置するとともに、
    前記変圧器は鉄心とコイルを有し、該鉄心及びコイルを絶縁及び冷却する絶縁油を保持するタンクを前記タワーの壁面を利用して構成したことを特徴とする洋上風力発電装置。
  6. 請求項1~5のいずれか1項に記載の洋上風力発電装置であって、
    前記変圧器を前記タワー内部の最下層部に設置することを特徴とする洋上風力発電装置。
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