WO2012105032A1

WO2012105032A1 - 風力発電設備

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Publication number: WO2012105032A1
Application number: PCT/JP2011/052327
Authority: WO
Inventors: 卓司柳橋; 隆松信; 長谷川　勉; 坂本　潔; 兼一畔上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2013-08-04
Also published as: EP2672114A4; KR20130109227A; AU2011357986B2; US9458736B2; EP2672114A1; JPWO2012105032A1; AU2011357986A1; CA2826392C; JP5636444B2; KR101571614B1; US20130309093A1; CA2826392A1

Abstract

　本発明は、洋上に設置された場合には塩害の影響を受けないことは勿論、設備が大型化してもタワー内に設置された機器及び発電機の冷却は良好に行え、発電効率の低下の恐れのない風力発電設備を提供する。本発明の風力発電設備は、ハブとブレードから成るロータと、該ロータに前記ハブに接続された主軸を介して接続される発電機と、該発電機を少なくとも収納し、前記主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、該ナセルを頂部に支持し、その頂部とは反対側が基礎に固定されているタワーとを備えた風力発電設備において、前記基礎近傍の前記タワーに熱交換器を設け、該熱交換器に配管を介して冷却媒体を通すことで、該冷却媒体と前記タワー内の空気とが熱交換され、該タワー内の空気が冷却されることを特徴とする。

Description

風力発電設備

　本発明は風力発電設備に係り、特に、洋上に設置されるものに好適な風力発電設備に関する。

　自然エネルギーの効果的利用が図られている昨今、風力発電設備は、特に採算性のある試みであるとして、世界各国で開発が進められているが、現在、建設されている風力発電設備は、主に湾岸部の陸上に設置されているものが多い。

　ところが、風力発電の原動力たる風は、障害物のある陸上に比べて洋上のほうが一般に風速が大きく、風向も安定しているため、大電力を得ることができるばかりか、騒音等の公害の原因にもならないことから、陸上ではなく洋上に風力発電設備を設置することが好ましい。

　通常、風力発電設備は、ブレードにより回転するロータを支持するナセルを備え、このナセルには、ブレードの主軸の回転により回転する発電機等が内蔵されてタワーに支持されて構成されるが、ナセル内の発電機からは、かなりの熱エネルギーが発せられ、しかも、風力発電設備が洋上に配置される場合には、海水の塩害の影響がないように配慮する必要がある。

　このような課題、即ち、ナセル内に設置された発電機を冷却しつつ、海水の塩害の影響がないように配慮したものとして、特許文献１に記載のものが提案されている。

　特許文献１には、洋上に設置された風力発電設備が記載され、タワー及びナセル内に海水を循環させる循環ラインと、海水をナセル内に供給するコンプレッサとを有し、海水がナセルを循環した後、タワー底部又はナセルから排出されること、及び循環ラインが閉鎖系であり、冷媒水がナセルを循環した後、タワー底部で海水と熱交換して冷却されることが開示され、これにより、発電機で発生した熱を、海水の塩分の影響がないように風力発電設備内と外界を遮断して、風力発電設備内で熱交換して冷却することが記載されている。

特開２００９－１３８５５５号公報

　しかしながら、特許文献１では、海水をタワー底部からナセルまで上昇供給させるためにコンプレッサを用いているが、大型の風力発電設備では、タワー底部からナセルまでの高さが５０ｍを超えるため、コンプレッサの動力は大きくなってしまう。よって、損失が生じ、発電機の冷却が良好に行えず、発電効率が低下してしまう恐れがある。

　本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、洋上に設置された場合には塩害の影響を受けないことは勿論、設備が大型化してもタワー内に設置された機器及び発電機の冷却は良好に行え、発電効率の低下の恐れのない風力発電設備を提供することにある。

　本発明の風力発電設備は、上記目的を達成するために、ハブとブレードから成るロータと、該ロータに前記ハブに接続された主軸を介して接続される発電機と、該発電機を少なくとも収納し、前記主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、該ナセルを頂部に支持し、その頂部とは反対側が基礎に固定されているタワーとを備えた風力発電設備において、前記基礎近傍の前記タワーに熱交換器を設け、該熱交換器に配管を介して冷却媒体を通すことで、該冷却媒体と前記タワー内の空気とが熱交換され、該タワー内の空気が冷却されるか、
　若しくは、前記風力発電設備は洋上に設置されていると共に、前記基礎近傍の前記タワー及び海中にそれぞれ熱交換器を設け、かつ、この２つの熱交換器の間に、両者を配管を介して冷媒が循環する第１の冷媒循環ラインを備え、海中の前記熱交換器で海水と熱交換して冷却された前記冷媒が前記第１の冷媒循環ラインを通って前記タワー内の熱交換器に導かれ、このタワー内の熱交換器で前記冷媒とタワー内の空気とが熱交換され、該タワー内の空気が冷却されることを特徴とする。

　本発明によれば、洋上に設置された場合には塩害の影響を受けないことは勿論、設備が大型化してもタワー内に設置された機器及び発電機の冷却は良好に行え、発電効率の低下の恐れがない風力発電設備をえることができる。

本発明の風力発電設備の実施例１を示す全体構成図である。図１におけるタワー底部付近を示す部分断面図である。本発明の風力発電設備の実施例２を示し、図２に相当するタワー底部付近の部分断面図である。本発明の風力発電設備の実施例３を示し、図２に相当するタワー底部付近の部分断面図である。本発明の風力発電設備の実施例４を示し、図２に相当するタワー底部付近の部分断面図である。本発明の風力発電設備の実施例５を示し、図２に相当するタワー底部付近の部分断面図である。本発明の風力発電設備の実施例６を示し、図２に相当するタワー底部付近の部分断面図である。

　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。

　図１及び２に、本発明の風力発電設備の実施例１を示す。図１に示す如く、本実施例の風力発電設備は、ハブ３Ａとブレード３Ｂから成るロータ３と、このロータ３にハブ３Ａに接続された主軸（図示せず）と増速ギア（図示せず）を介して接続される発電機４と、発電機４や他の電気品を収納し、主軸を介してロータ３を軸支するナセル５と、該ナセル５を頂部に支持し、その頂部とは反対側が基礎１に固定されているタワー２とから概略構成され、洋上に設置されている風力発電設備である。

　そして、本実施例では、図２に詳細構成を示すように、海底に固定されている基礎１の海水８から突出している部分に固定されたタワー２内の底部（本発明では、タワー２の高さの半分以下をタワー底部とする）に熱交換器６を設け、この熱交換器６には、海水８を導きタワー２内の空気と熱交換した後、海中に排出する配管１３が設けられ、更に、配管１３のタワー２内の途中には、海水８を海中から吸い上げるポンプ９が設置され、熱交換器６を通る海水８は、配管１３を介してポンプ９で循環されるようになっている。

　また、タワー２内には、冷却されたタワー２内の空気をナセル５に導くダクト７が設置され（図１参照）、冷却されたタワー２内の空気が、熱交換器６の上方に設置されたファン１０によって、前記ダクト７に導かれるようになっている。

　次に、本実施例におけるタワー２内空気の冷却（熱交換）の仕方について説明する。

　本実施例では、海中より配管１３を介してポンプ９により吸い上げられた海水８は、熱交換器６を通って海中に排出されるが、この際に、熱交換器６で海水８とタワー２内の空気とが熱交換され、タワー２内の空気が冷却される。

　冷却されたタワー２内の空気により、タワー内に設置された機器（制御盤、電気機器、変圧器等）１５が冷却されると共に、ダクト７を経由してタワー２の頂部に導くことでナセル５内の発電機４を冷却することができる。また、ファン１０を用いて、冷却されたタワー２内の空気を強制的にダクト７に流すことにより、冷却効率が更に向上する。

　このように、本実施例によれば、風力発電設備が洋上に設置されていても、設備内は外界と遮断されているため、設備内に含塩空気が侵入することがないので塩害の影響を受けないし、タワー底部からナセルまでの高さが５０ｍを超える大型の設備であっても発電機の冷却は良好に行え、発電効率の低下の恐れがなくなる風力発電設備を得ることができる。

　図３に、本発明の風力発電設備の実施例２を示す。尚、実施例１と同一構成のものにつては同符号を使用し、その説明は省略する。

　図３に示す実施例２は、熱交換器６Ａが、タワー２の内部ではなく、タワー２外底部の側壁に設置されている点で実施例１と異なる。

　上記熱交換器６Ａには、海水８を導きタワー２内の空気とタワー２の側壁を介して熱交換した後、海中に排出する配管１４が設けられ、更に、配管１４の途中には、海水８を海中から吸い上げるポンプ９が設置され、タワー２外底部の側壁に設置された熱交換器６Ａを通る海水８は、配管１４を介してポンプ９で循環されるようになっている。他の構成は、実施例と同様である。

　このように構成した実施例２では、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、海水８がタワー２内に入らないため、タワー２内に収納されている機器の腐食の恐れが全くなくなる。

　尚、本実施例では、タワー２と熱交換器６Ａが一体になっても同様な効果を得ることができる。例えば、タワー２の外壁に海水を直接かけたり、或いはタワー２の一部が熱交換器になる構造等が考えられる。

　図４に、本発明の風力発電設備の実施例３を示す。尚、実施例２と同一構成のものにつては同符号を使用し、その説明は省略する。

　図４に示す実施例３は、実施例２の変形例である。該図に示す実施例３は、実施例２の構成に加え、タワー２内底部にも熱交換器６を設置し、このタワー２内底部の熱交換器６とタワー２外底部の側壁に設置された熱交換器６Ａの間に、両者を配管を介して冷媒（例えば、淡水）が循環する冷媒循環ライン１１Ａを備えている点で実施例２と異なる。

　このように構成した実施例３では、熱交換器６Ａで海水８と冷媒循環ライン１１Ａの冷媒とが熱交換されて冷媒が冷却され、この冷媒が冷媒循環ライン１１Ａを介して熱交換器６に導かれ、熱交換器６でタワー２内の空気と熱交換されて、タワー２内の空気が冷却されるので、実施例２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４を示す。尚、実施例１と同一構成のものにつては同符号を使用し、その説明は省略する。

　図５に示す実施例４は、実施例１の変形例である。該図に示す実施例４は、実施例１の構成に加え、タワー２内底部の熱交換器６の上部に、この熱交換器６が収納されているタワー内部２Ａと隔離されたタワー内部２Ｂに別の熱交換器６Ｃを設置し、このタワー２内底部の２つの熱交換器６と６Ｃの間に、両者を配管を介して冷媒（例えば、淡水）が循環する冷媒循環ライン１１Ｂを備えている点で実施例１と異なる。

　このように構成した実施例４では、熱交換器６で海水８と冷媒循環ライン１１Ｂの冷媒とが熱交換されて冷媒が冷却され、この冷媒が冷媒循環ライン１１Ｂを介して熱交換器６Ｃに導かれ、熱交換器６Ｃでタワー２内の空気と熱交換されて、タワー２内の空気が冷却されるので、実施例１と同様な効果が得られる。また、熱交換器６から万が一海水８が漏れても、熱交換器６が設置されている部屋は、他と隔離されているので、タワー２全体に塩分が広がる恐れはない。

　尚、本実施例では、熱交換器６を隔離されたタワー内部２Ａに設置したが、この熱交換器６が隔離された部屋は、タワー外部に設けても構わない。

　図６に、本発明の風力発電設備の実施例５を示す。尚、実施例１と同一構成のものにつては同符号を使用し、その説明は省略する。

　図６に示す実施例５は、海底に固定されている基礎１の海水８から突出している部分に固定されたタワー２内の底部に熱交換器６を、更に、海水８中の基礎１にも熱交換器６Ｄをそれぞれ設け、かつ、この２つの熱交換器６と６Ｄの間に、両者を配管を介して冷媒（例えば、淡水）が循環する第１の冷媒循環ライン１２を備えている。

　そして、海水８中の熱交換器６Ｄで海水８と熱交換して冷却された冷媒が、第１の冷媒循環ライン１２を通ってタワー２内の熱交換器６に導かれ、このタワー２内の熱交換器６で冷媒とタワー２内の空気とが熱交換され、タワー２内の空気が冷却されるものである。尚、第１の冷媒循環ライン１２の冷媒は、その途中に設置されたポンプ９で第１の冷媒循環ライン１２を循環されている。

　このように構成した実施例５では、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、海水８がタワー２内に入らないため、タワー２内に収納されている機器の腐食の恐れが全くなくなる。

　図７に、本発明の風力発電設備の実施例６を示す。尚、実施例５と同一構成のものにつては同符号を使用し、その説明は省略する。

　図７に示す実施例６は、実施例５の変形例である。該図に示す実施例６は、実施例５の構成に加え、タワー２内底部の熱交換器６の上部に、この熱交換器６が収納されているタワー内部２Ａと隔離されたタワー内部２Ｂに別の熱交換器６Ｃを設置し、このタワー２内底部の２つの熱交換器６と６Ｃの間に、両者を配管を介して冷媒（例えば、淡水）が循環する第２の冷媒循環ライン１１Ｂを備えている点で実施例５と異なる。

　このように構成した実施例６では、海水８中の熱交換器６Ｄで海水８と熱交換して冷却された冷媒が、第１の冷媒循環ライン１２を通ってタワー２内の熱交換器６に導かれ、熱交換器６で第１の冷媒循環ライン１２の冷媒と第２の冷媒循環ライン１１Ｂの冷媒とが熱交換されて冷媒が冷却され、この冷媒が第２の冷媒循環ライン１１Ｂを介して熱交換器６Ｃに導かれ、熱交換器６Ｃでタワー２内の空気と熱交換されて、タワー２内の空気が冷却されるので、実施例５と同様な効果が得られる。また、熱交換器６から万が一海水８が漏れても、熱交換器６が設置されている部屋は、他と隔離されているので、タワー２全体に塩分が広がる恐れはない。

　尚、上述した各実施例は、風力発電設備を洋上に配置し、冷却媒体として海水を用いたものについて説明したが、冷却媒体として湖水、河川等の水を用いても同様な効果が得られることは勿論である。

　１…基礎、２…タワー、２Ａ、２Ｂ…タワー内部、３…ロータ、３Ａ…ハブ、３Ｂ…ブレード、４…発電機、５…ナセル、６、６Ａ、６Ｃ、６Ｄ…熱交換器、７…ダクト、８…海水、１０…ファン、１１Ａ、１１Ｂ…冷媒循環ライン、１２…第１の冷媒循環ライン、１３、１４…配管、１５…機器。

Claims

　ハブとブレードから成るロータと、該ロータに前記ハブに接続された主軸を介して接続される発電機と、該発電機を少なくとも収納し、前記主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、該ナセルを頂部に支持し、その頂部とは反対側が基礎に固定されているタワーとを備えた風力発電設備において、
　前記基礎近傍の前記タワーに熱交換器を設け、該熱交換器に配管を介して冷却媒体を通すことで、該冷却媒体と前記タワー内の空気とが熱交換され、該タワー内の空気が冷却されることを特徴とする風力発電設備。
　請求項１に記載の風力発電設備において、
　前記風力発電設備は洋上に設置され、かつ、前記冷却媒体は海水であることを特徴とする風力発電設備。
　請求項２に記載の風力発電設備において、
　前記海水を海中から吸い上げるポンプを前記配管の途中に有し、該ポンプで吸い上げられた海水は、前記配管を介して前記熱交換器を通った後、海中に排出されることを特徴とする風力発電設備。
　請求項３に記載の風力発電設備において、
　前記熱交換器は、前記タワー内底部に設置されていることを特徴とする風力発電設備。
　請求項３に記載の風力発電設備において、
　前記熱交換器は、前記タワー外底部の側壁に設置されていることを特徴とする風力発電設備。
　請求項５に記載の風力発電設備において、
　前記タワー内底部に熱交換器を設置し、このタワー内底部の熱交換器とタワー外底部の熱交換器の間に、両者を配管を介して冷媒が循環する冷媒循環ラインを備えていることを特徴とする風力発電設備。
　請求項４に記載の風力発電設備において、
　前記タワー内底部の熱交換器の上部に、この熱交換器が収納されているタワー内部と隔離されたタワー内部に別の熱交換器を設置し、この隔離されたタワー内に設置された２つの熱交換器の間に、両者を配管を介して冷媒が循環する冷媒循環ラインを備えていることを特徴とする風力発電設備。
　請求項１乃至７のいずれかに記載の風力発電設備において、
　前記タワー内に、冷却された該タワー内の空気を前記ナセルに導くダクトが設置されていることを特徴とする風力発電設備。
　請求項８に記載の風力発電設備において、
　冷却された前記タワー内の空気は、前記熱交換器の近傍に設置されたファンによって前記ダクトに導かれていることを特徴とする風力発電設備。
　ハブとブレードから成るロータと、該ロータに前記ハブに接続された主軸を介して接続される発電機と、該発電機を少なくとも収納し、前記主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、該ナセルを頂部に支持し、その頂部とは反対側が基礎に固定されているタワーとを備えた風力発電設備において、
　前記風力発電設備は洋上に設置されていると共に、前記基礎近傍の前記タワー及び海中にそれぞれ熱交換器を設け、かつ、この２つの熱交換器の間に、両者を配管を介して冷媒が循環する第１の冷媒循環ラインを備え、海中の前記熱交換器で海水と熱交換して冷却された前記冷媒が前記第１の冷媒循環ラインを通って前記タワー内の熱交換器に導かれ、このタワー内の熱交換器で前記冷媒とタワー内の空気とが熱交換され、該タワー内の空気が冷却されることを特徴とする風力発電設備。
　請求項１０に記載の風力発電設備において、
　前記第１の冷媒循環ラインの途中に、前記冷媒を循環させるポンプが設置されていることを特徴とする風力発電設備。
　請求項１０又は１１に記載の風力発電設備において、
　前記タワー内底部の熱交換器の上部に、この熱交換器が収納されているタワー内部と隔離されたタワー内部に別の熱交換器を設置し、この隔離されたタワー内に設置された２つの熱交換器の間に、両者を配管を介して冷媒が循環する第２の冷媒循環ラインを備えていることを特徴とする風力発電設備。
　請求項１０乃至１２のいずれかに記載の風力発電設備において、
　前記タワー内に、冷却された該タワー内の空気を前記ナセルに導くダクトが設置されていることを特徴とする風力発電設備。
　請求項１３に記載の風力発電設備において、
　冷却された前記タワー内の空気は、前記熱交換器の近傍に設置されたファンによって前記ダクトに導かれていることを特徴とする風力発電設備。