JP2011069363A - 風車構造を冷却する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】風車のタワー又はナセル等の構造内の部品を冷却する制御方法及び該方法に付随する部品構成を提供する。
【解決手段】内部空気の再循環空気流が構造内において確立される。構造内で必要とされる冷却能力に影響を与える風車１０の所定の動作条件において、再循環空気流に外気が制御可能に補充され、再循環空気流の冷却能力が高められる。構造内に導入される外気の量は、構造内の相対的に高温の内部空気の量とバランスを合わせられ、構造内における温度と相対湿度の所望の平衡を達成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、概して風車の分野に関し、特に、タワー又はナセル等の風車構造を冷却するシステムとこれに付随する制御方法であって、調整された内部及び外部空気流の組合せを用いて構造内の部品を冷却するシステムと方法に関する。

風力は、現在利用可能な最もクリーン且つ環境にやさしいエネルギーの１つであると考えられており、風車は、この点においてますます注目されるようになった。近代的な風車は一般に、タワーと、タワー上で回転可能に支持されるナセルと、ナセル内に収容される発電機及び歯車箱と、１つ以上のロータ翼とを含む。ロータ翼は、周知の翼の原理を用いて風の運動エネルギーを取り込み、この運動エネルギーを回転エネルギーに変えて伝達し、ロータ翼と歯車箱を結合させる軸を回転させるか、或いは歯車箱が用いられていない場合は、ロータ翼と発電機を直接結合させる軸を回転させる。そして、発電機が機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーが電力系統に展開される。風力発電に対する関心が高まり、信頼性のある効率的な風車を開発するために多大な努力が重ねられてきている。

風車は、動作中に熱エネルギー損失を生じる機械部品と電気部品とを含む。これらの部品には、例えば、一般にナセル内に収容される歯車箱（設けられる場合）と発電機とが含まれる。その他の発熱部品は、タワー内に収容される。例えば、変換器と変圧器は、一般にタワー内に配置され、発電機によりロータの機械エネルギーから変換された電気エネルギーを電力系統に送給するために用いられる。また、風車の動作を制御する１つ以上の制御装置は、一般にタワー内に配置される。

最近の風車の性能の向上と大型化により、上記の部品の効率的な冷却は、特にタワー内の発熱部品に関して、ますます困難になっている。例えば、１．５ＭＷのタービンで動作する変換器制御システムの場合は、約６０ｋＷが変換器により熱として放散されると推定されている。適切な冷却を行なわずにタービンのタワー内に変換器を配置することは、タワー内における有意な温度上昇を引き起こし、制御システムとタワー内のその他の部品とに弊害をもたらし得る。

一般に、タワー内の発熱部品は、ファンによって生じる冷却用空気流中に配置される。これらの部品には、発生した熱を回収するヒートシンク等があり、ヒートシンクは直接空気流中に配置される。加熱された空気は、タワー内を上昇して、一般にタワーの最上部付近の通気孔を通って排出される。タワーは、例えばタワー入口ドアに追加の通気孔を含み、タワーの下側部分への外気の通過を可能にする。しかし、この種の構成の場合でも、部品を十分に冷却することができるだけの十分な外気をタワー内に送り込むことは、困難なことが多い。

また、タワー冷却に関する制限は風車の地理的な位置によっても引き起こされる。例えば、沖合い又は沿岸部では、一般に空気の塩分含有率と湿度が高いため、タワー内において腐食環境がもたらされることから、冷却媒体として外気を利用することができない。これらの場所では、熱交換器を有する空気調和システム等の独立型冷却システムが用いられる。また除湿装置も用いられる。湿度及び外部温度は、所定の地理的な位置において利用可能な冷却方法の選択を有意に制限する問題である。

米国特許第７４２７８１４号明細書

従って、風車タワー内の部品を冷却するシステム及び方法において、外気の冷却能力を利用し、更に構造内の湿度を許容可能な限度内に制御できる改良型のシステム及び方法が求められている。

本発明の態様と利点は、下記の説明で部分的に示され、又は下記の説明から明らかになり、又は本発明を実施することによって分かる。

本発明の態様に従って、風車構造内の部品を冷却する方法を提供する。風車構造は、例えばタワー又はナセルである。この方法は、ファン、管路及びダンパ等の何らかの適切な構成の内部空気処理部品を用いて、構造内において内部空気の再循環空気流を確立させるステップを含む。再循環空気流に外気を制御可能に補充し、再循環空気流の冷却能力は、構造内で必要とされる冷却能力に影響を与える風車の所定の動作条件に応じて高められる。構造内に導入される外気の量は、構造内の相対的に高温の内部空気の量とバランスを合わせられ、構造内における温度と相対湿度の所望の平衡を達成する。

本発明のその他の態様に従って、タワーと、タワーの最上部に取り付けられるナセルと、１つ以上のタービン翼を有するロータとを有する風車を提供する。タワー及びナセルの少なくとも一方は、冷却を必要とする風車の構造部品を構成する。この構造部品の空気処理部品、例えば何らかの構成の管路、ダンパ及びファン等は、構造部品において内部空気の再循環空気流を確立させるように構成される。外気流調整器は、構造部品とともに構成され、再循環する内部空気より相対的に低温である外気の構造部品内への取込みを制御する。制御システムは、内部空気処理部品及び外気流調整器と動作可能に連通しており、構造部品内で必要とされる冷却能力に影響を与える風車の所定の動作条件に応じて、制御システムは外気流調整器を介して再循環空気流に外気を補充する。外気は、再循環空気流の冷却能力を高める。制御システムは更に、構造部品内に導入される外気の量と構造部品内のより高温の内部空気の量とのバランスを合わせ、構造部品内における温度と相対湿度の所望の平衡を達成する。

本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、以下の説明と添付の特許請求の範囲を参照することにより、より明確に理解されよう。

本発明の実施を可能にする全開示は、本発明の最良の実施形態を含め、本明細書に添付図面を参照して示される。

風車タワー内に収容される発電部品又は制御部品を示す、従来の風車の斜視図である。 本発明の態様を取り入れた風車構造の実施形態の概略図である。 本発明の態様を取り入れた風車構造の他の実施形態の概略図である。 図３の実施形態に関連する制御手順の流れ図である。

１つ以上の実施形態を図面に示す本発明の実施形態を詳細に参照する。各実施形態は、本発明を説明するために示されており、本発明を限定するものではない。実際に、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、本発明において様々な改変及び変形態様がなされることは、当業者には明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部分として図示又は説明される特徴を他の実施形態と一緒に用いて、更に他の実施形態を生み出すことができる。このため、本発明は、このような改変及び変形態様を添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内に含まれるものとして包含することを意図している。

水平軸風車（以下「風車」）１０を図１に示すが、本発明は、例えば垂直軸風車を含むあらゆる構成の風車に用いられ得る。風車１０は、ナセル１４と翼１９とロータハブ１８との重さを支えるタワー１２を含む。タワー１２は、管状鋼構造として製造されることが多く、多数のタワーセグメントを互いに上下に積み重ねることによって立てられる。タワーは、ラティス（又はトラス）式であり、管状タワーは、他の方法として、コンクリート又はその他の適切な材料によって形成される。ナセル１４は、一般に、駆動系（例えば歯車箱、軸、継手、発電機等）だけではなく、主フレーム（「台板」とも呼ばれる）及びヨー駆動装置も収容する。制御用電子機器等のその他の部品もタワー１２内に収容される。一般に、ナセル１４は、ガラス繊維又はグラファイト複合材料等の軽量材料で構成される外皮を有し、この外皮は、駆動系とその他の部品を自然の力（例えば雨、雹、雪等）から保護する機能を果たす。

様々な制御用又は電力用電子機器１６がタワー１２内において、例えばタワー１２の基礎部に配置される。制御用電子機器は、風車１０の様々な動作モード（例えば翼ピッチ角、起動又は運転停止シーケンス等）を制御する。電力用電子機器は、発電機の電圧出力を電力系統に送るために適切な形態に変換する変圧器及び変換器を含む。

タワー１２内に制御用及び電力用電子機器１６を収容することは一般に行なわれる方法であるが、これが唯一可能な形態ではない。これらの部品１６は、ナセル内にも配置され得る。このため、本発明の冷却システム及び方法は、制御用及び電力用電子機器１６が収容されるナセル１４等のいかなる風車構造にも用いられ得るとともに、タワー１２に限定されるわけではないことを理解されたい。本明細書において、本発明の態様は、部品１６がタワー１２内に収容される特定の実施形態に関して例示する目的で図示され、且つ説明される。

図２に、タワー１２が内部冷却を必要とする構造部品である風車１０の実施形態を示す。図２に示されるように、何らかの構成の発電用又は制御用部品１６がタワー１２内に配置される。上述のように、タワー１２は、積み重ねられた別々のセグメントに分割され、プラットフォーム３２がこれらのそれぞれのセグメントを分けている。プラットフォーム３２は、内部空気２０がプラットフォーム３２を通って再循環内部空気流として移動するように、内部格子３４又はその他の空気流路を含む。

何らかの適切な構成の従来の空気処理部品２４は、タワー１２内に配置され、内部空気２０の再循環空気流を確立させる。図示の実施形態では、空気処理部品２４は、内部ファン２６と供給及び戻り管路２８とを含む。供給管２８は、部品１６が配置されるタワー１２の区分室内に空気２０を供給し、戻り管２８は、再循環空気流を確立させることが望まれるタワーの各々の上部区画内に含まれる。例えば、ある一定の状況では、内部空気２０を最上部のタワー区画から引き込むことが望まれる場合がある。それは、この空気が、下部の区画の内部空気より一般に高温であるためである。以下で詳述するように、より高温の空気は、タワー内の相対湿度を制御するために必要とされる。再循環内部空気流の範囲を画定するために、制御可能なダンパ３０を管２８内に備えることが望まれる。これらのダンパ３０は、部品１６を内蔵するタワー１２の区画内で必要とされる冷却能力又は相対湿度制御によって、タワー１２の様々な部分から引き込まれる内部空気２０を選択的に制御することを可能にする。

外気流調整器３６は、タワー１２とともに構成されて、タワー内への外気２２の取込みを制御する。調整器３６は、様々な組合せの部品を含む。図示の実施形態において、外気流調整器３６は、従来の動力駆動式の制御可能なルーバー通気孔３８を含む。これらのルーバー通気孔は、空気処理システムにおいて、構造内への外気の取込みを制御又は制限するために幅広く用いられる。通気孔３８は、全開位置から全閉位置までの間で可変的に位置決めされる。外気流調整器３６は更に、外気２２をタワー１２の内部に引き込むのを補助するファン４０を含む。ファン４０は、全ての場合に作動する必要はないことを理解されたい。例えば、ファン４０は、ある一定の冷却条件下で、周囲圧力によって維持される流量を超える更に大きい体積流量の外気が必要とされる状況においてのみ作動する。

制御システム４６は、様々な内部空気処理部品２４及び外気流調整器３６の部品と動作可能に連通する。制御システム４６は、外気流調整器３６を制御することによって再循環内部空気流に外気２２を補充し、再循環内部空気流の冷却能力を高め、更に、タワー１２内に導入される外気２２の量と相対的に高温の内部空気の量とのバランスを合わせて、タワー１２内、特に部品１６によって占められる空間内において、所望の温度と相対湿度の平衡を達成する。

ファン２６、ダンパ３０及び管２８等の内部空気処理部品２４の構成は、再循環内部空気流を、本質的にゼロ流量から空気処理部品２４の上限流量までの範囲内で変動させるように制御されることを理解されたい。これにより、内部空気流の体積流量を調節して、構造内の所望の温度と相対湿度を達成する。

制御システム４６は、タワー１２内の内部温度及び相対湿度を、タワー１２内で必要な冷却能力に影響を与える測定又は検出動作条件に応じて確立させる。これらの動作条件は、本発明の範囲及び精神の範囲内で幅広く変動する。例えば、図２の実施形態において、制御システム４６により制御変数として用いられる動作条件又はパラメータは、風車の発電レベルと外部周囲温度である。図２に示すように、周囲温度は、従来の温度検出装置によって測定され、制御回路４７に入力５０として供給される。同様に、風車１０の発電レベルは、制御回路４７に入力４８として供給される。設定点及び制御パラメータ等を含む、いかなる個数又は組合せのその他の入力５２が制御回路４７に供給されても良い。そして制御回路４７は、内部空気処理部品２４と外気流調整器３６の動作を、様々な組合せの入力因子に応じて制御する。下表（表１）は、これに関して用いられる簡単な制御手順の一例である。

表１で扱う第１の動作シナリオは、風車による発電が本質的にゼロであり、周囲温度が低温（Ｌ）又は高温（Ｈ）のいずれかである。低温又は高温の範囲は、２つの範囲を画定する設定点温度間のいかなる温度であっても良いことを理解されたい。他の実施形態では、制御は、周囲温度の一次関数又はその他の比例する関数とされる。この第１のシナリオでは、周囲温度が低温であるか高温であるかに関係なく、風車構造内の部品を冷却するための内部再循環空気流は一般に必要とされない。この場合、内部空気処理部品２４は、内部再循環空気流を停止させるか、又は有意に減少させるように制御される。減少又は停止した内部空気流に外気を補充する必要もない。このため、外気流調整器３６も構造内への外気２２の流れを停止させるか、又は有意に減少させるように構成される。

表１に示された次のシナリオにおいて、風車発電は、ゼロ出力より高く、且つ風車の所定の負荷より低いレベルである部分出力レベルである。制御は、所定の出力範囲内において一次関数とされるか、又は小範囲に基づく段階的制御とされる。周囲温度は低く、内部空気処理部品２４は、出力レベルと温度との関数である所定の設定点流量に内部再循環空気流を維持するように構成される。周囲温度が「低」の設定点温度である限りは、内部再循環空気流に外気を補充する必要はなく、外気流調整部品３６は相応に制御される。

表１で扱う次のシナリオでは、発電はこの場合も部分出力レベルであるが、周囲温度は高い。この一組の因子の場合、内部空気処理部品２４は、周囲温度の上昇により直前のシナリオと比べてより多い流量である内部再循環空気流を維持するように構成される。周囲温度が高いため、再循環内部空気流の冷却能力を高めるために外気が必要とされる。このため、外気流調整部品３６は、開口して外気の補充源となるように構成される。

表１で扱う次のシナリオでは、風車発電は全力レベルであり、周囲温度は低い。内部空気処理部品２４は、風車の全力発電により前のシナリオと比べて高いレベルである内部再循環空気流を発生させ、且つ維持するように構成される。外気流調整部品３６は、この場合も内部再循環空気流に相対的に低温の外気を補充するように構成される。外気は、空気流に有意な冷却能力を提供するが、相対的に湿気を有する。この状況では、主にタワー１２内の相対湿度を制御するために、相対的に高温の内部再循環空気流を維持するか、又は増加させる。

表１で扱う最後のシナリオでは、風車発電は全力レベルであり、周囲温度は高い。この状況では、最大限の冷却能力が必要と考えられ、このため、外気流調整器３６は、外気流が最大限となるように構成される。内部空気処理部品２４は、内部再循環空気流を停止するか、又は有意に減少させて、相対的に高温の内部空気が、冷却を必要とする部品１６を内蔵する区分室内に導入されないように構成される。この状況では、全負荷下において部品１６によって熱が生じるため、タワー１２内の相対湿度が問題になることはない。

更に、表１に示された値は、内部空気処理部品２４が簡潔に「オン」又は「オフ」状態を有し、外気流調整部品３６が同様に開口／オン又は閉鎖／オフ状態を有する構成における設定点値であることを理解されたい。その他の実施形態では、制御は、一次関数又はその他の比例する関数に基づいて可変する。

図３に他の実施形態を示す。この実施形態では、内部空気処理部品２４と外気流調整器３６を制御するために制御システム４６が用いる動作条件が、監視される冷却対象の部品１６の温度と風車構造内の相対湿度である。例えば、図３を参照すると、部品１６は、制御回路４７に入力を供給する部品温度センサ５６と連通する何らかの態様の従来の温度監視装置４２を含む。何らかの態様の従来の相対湿度検出装置４４は、タワー１２の区画室内に含まれ、制御回路４７に入力を供給する相対湿度センサ５４と連通する。

図４は、図３の部品構成に用いられる制御手順の流れ図である。この手順は概して、制御システム４６が、再循環内部空気流を、風車構造内の監視される部品１６の温度の初期関数として制御することを示している。外気は、監視される部品１６の温度が設定点温度に達するまで構造内には導入されない。構造内への外気２２の導入後、制御システム４６は、再循環空気流を構造内の相対湿度に応じて制御する。

図４を参照すると、Ｔは、監視される部品の温度に対応する。Ｔ１、Ｔ２及びＴ３は、設定点温度である。Ｈは、構造の区分室内の相対湿度である。Ｈｃは、腐食が問題となる設定点相対湿度値である。初期ステップ１００において、Ｔが第１の設定点温度Ｔ１と比較される。ＴがＴ１を下回る場合は、内部再循環空気流が１０２において停止するか、或いは減少し、外気流は通常必要とされない。ＴがＴ１を上回る場合は、１０４においてＴが設定点温度Ｔ２と比較される。ＴがＴ２を下回る場合は、内部再循環空気流が１０６において発生し、且つ維持されるが、外気流は依然として必要とされない。ＴがＴ２を上回る場合は、１０８において外気流調整器３６が制御されて、内部再循環空気流に外気が補充される。

一旦外気が１０８において区分室内に導入されると、相対湿度Ｈが制御手順の因子となる。区分室内の監視される相対湿度Ｈは、１１０において設定点湿度値Ｈｃと比較される。区分室内の相対湿度ＨがＨｃを下回る場合は、通常、相対湿度Ｈを低下させるために相対的に高温の内部空気が必要とされることはなく、内部空気処理部品２４は、１１２において再循環内部空気流を停止又は減少させるように構成される。監視される相対湿度Ｈが設定点値Ｈｃを上回る場合は、監視される部品の温度が１１４において第３の温度設定点値Ｔ３と比較される。監視される温度ＴがＴ３を下回る場合は、内部空気処理部品２４は、内部再循環空気流を発生させるように構成され、１１６において、より高温の内部空気を用いて相対湿度Ｈを低下させるようにする。しかし、Ｔが温度設定点Ｔ３を上回る場合は、相対的に高温の内部空気が監視される部品の温度Ｔを上昇させることがないように、内部再循環空気流を１１８において停止させる。

本発明は更に、上記の原理に従って風車構造内の部品を冷却する制御方法の様々な実施形態を包含する。例えば、この方法は、風車構造内において内部空気の再循環空気流を確立させるステップを含む。構造内で必要とされる冷却能力に影響を与える風車の所定の動作条件において、この方法は、再循環空気流に外気を制御可能に補充し、再循環空気流の冷却能力を必要に応じて高める。この方法は、構造内に導入される外気の量と、構造内のより高温の内部空気の量とのバランスを合わせ、構造内における温度と相対湿度の望ましい平衡を達成する。特定の実施形態において、所定の動作条件は、周囲温度と風車の発電レベルであり、所定の発電レベルにおいて、内部再循環空気流と構造内に導入される外気の量との制御は、周囲空気温度に関連する。この実施形態では、周囲温度は、複数の温度範囲に分割され、発電レベルも同様に複数の出力レベル範囲に分割される。出力レベル範囲と温度範囲との各々の組合せに関して制御設定点が確定されて、内部再循環空気流と風車構造内に導入される外気の量とが制御される。制御は、これらの範囲内において線形であるか、又はそれぞれの各範囲において一定の設定点値に維持される。

風車構造内に導入される外気の量の制御は、外気流調整器の本質的にゼロ流量又は最少外気流量から最大空気流量までの範囲にわたる。この制御は、所定の範囲内において線形であるか、又は段階的な態様で制御される。

他の実施形態において、この方法は、風車構造内の監視される部品の温度と構造内の相対湿度とに従った制御を含む。この実施形態において、再循環内部空気流は、初めに構造内の監視される部品の温度に応じて制御され、外気は、監視される部品の温度が設定点温度に達するまで構造内には導入されない。外気が構造内に導入された後、再循環空気流は、構造内の相対湿度に応じて制御される。

本発明を特定の実施形態と方法とに関して詳細に説明したが、当業者は、上記の内容を理解すると、実施形態の改変、変形態様及び均等物を容易に考えられるであろう。従って、本発明の目的は、限定するためではなく例示目的であり、本発明は、当業者には容易に明らかになる本発明の改変、変形及び／又は追加を含むことを排除するものではない。

１０ 風車
１２ タワー
１４ ナセル
１６ 内部部品
１８ ロータ
１９ 翼
２０ 内部空気流
２２ 外気
２４ 内部空気処理部品
２６ ファン
２８ 管
３０ ダンパ
３２ プラットフォーム
３４ 格子
３６ 外気流調整器
３８ 通気孔
４０ ファン
４２ 温度センサ
４４ 湿度検出装置
４６ 制御システム
４７ 制御回路
４８ 電力入力
５０ 周囲温度入力
５２ 入力
５４ 相対湿度入力
５６ 部品温度入力

Claims (8)

1. 風車構造（１２、１４）内の部品を冷却する方法において、
   前記構造（１２、１４）内において内部空気の再循環空気流を確立させるステップと、
   前記構造内で必要とされる冷却能力に影響を与える前記風車の所定の動作条件において、前記再循環空気流に外気を制御可能に補充して、前記再循環空気流の冷却能力を高めるステップと、
   前記構造内に導入される外気の量と前記構造内の相対的に高温の内部空気の量とのバランスを合わせ、前記構造内における温度と相対湿度の所望の平衡を達成するステップと
   を含む方法。
2. 前記所定の動作条件は、周囲空気温度と前記風車の発電レベルであり、所定の発電レベルにおいて、前記再循環空気流と前記構造（１２、１４）内に導入される外気の量との制御は、周囲空気温度の関数とされる、請求項１に記載の方法。
3. 前記周囲空気温度は複数の温度範囲に分割され、発電レベルは複数の出力レベル範囲に分割され、出力レベル範囲と周囲空気温度範囲との様々な組合せに対して、前記再循環空気流と前記構造（１２、１４）内に導入される前記外気の量とを制御するための制御設定点が確定される、請求項２に記載の方法。
4. 前記風車の前記所定の動作条件は、前記構造（１２、１４）内の監視される部品（１６）の温度と前記構造内の相対湿度である、請求項１に記載の方法。
5. 前記再循環空気流は、初めに前記構造（１２、１４）内の前記監視される部品（１６）の温度に応じて制御され、前記監視される部品の温度が設定点温度に達するまで、外気が前記構造内に導入されることはなく、外気が前記構造内に導入された後、前記再循環空気流は、前記構造内の相対湿度に応じて制御される、請求項４に記載の方法。
6. 前記構造（１２、１４）内に導入される外気の量の制御は、前記構造内への外気の取込みを調整する制御可能な外気流調整器（３６）によって、ゼロ取込みから前記外気流調整器の最大取込み能力までの範囲内で行なわれる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記再循環空気流は、前記構造内の制御可能な空気処理部品（２４）によって生じ、前記動作条件に応じて、本質的にゼロ流量から前記空気処理部品の上限流量までの範囲内で変動する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. タワー（１２）と、
   前記タワーの最上部に取り付けられるナセル（１４）と、
   前記ナセルによって回転可能に支持される複数のタービン翼（１９）を有するロータ（１８）と、
   冷却対象の風車構造部品を形成する前記タワー（１２）及び前記ナセル（１４）の少なくとも一方と、
   前記構造部品内において内部空気の再循環空気流を確立させるように構成される、前記構造部品内の空気処理部品（２４）と、
   前記構造部品とともに構成され、前記構造部品内への外気の取込みを制御するように構成される外気流調整器（３６）と、
   前記空気処理部品及び前記外気流調整器と動作可能に連通して、前記タワー（１２）又は前記ナセル（１４）内に収容される部品を冷却するために請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法を実行する制御システム（４６）と
   を含む風車（１０）。