JP2012013002A5

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Publication number: JP2012013002A5
Application number: JP2010150473A
Authority: JP
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2030-06-30

Description

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
即ち、本発明に係る風力発電装置は、風車翼に外風を受けて回転するロータヘッドが、ナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルがタワーの上端部に設置された風力発電装置において、前記タワーまたは前記ナセルの外表面の、外風によって正圧を受ける部位に、この外風を風力発電装置の内部空間に取り入れる導入口を設け、前記タワーまたは前記ナセルの外周面の、外風によって負圧を受ける部位に、前記内部空間の冷却空気を外部に排出する排出口を設け、前記導入口に、その外側の気圧が内側の気圧よりも高まった場合に開き、内側の気圧が外側の気圧よりも高まった場合に閉じる導入口開閉手段を設けたことを特徴とする。

このように、導入口と排出口との間に生じる圧力差を利用して外風を風力発電装置の内部に取り入れ、内部に設置された発熱性のある電気機器を冷却することができ、外風を取り入れるために換気ファン等を設ける必要がないため、簡素かつ安価な構成により、電力を消費することなく、ナセルやタワー内部に設置された発熱性のある電気機器を良好に冷却することができる。
しかも、例えば円断面形状を有するタワーの周方向に沿って複数の導入口を設けた場合に、外風に正対している導入口では、その外側の気圧が内側の気圧よりも高まるために導入口開閉手段が開き、他の導入口では、その外側の気圧が内側の気圧よりも低くなるために導入口開閉手段が閉じる。このため、外風が効率良く導入されるとともに、一旦導入された外風が他の導入口から逃げてしまうことが防止される。したがって、導入口と排出口との間における圧力差を大きくし、充分な量の外風を風力発電装置の内部に送り込んで風力発電装置内部の冷却効率を高めることができる。
また、本発明に係る風力発電装置は、風車翼に外風を受けて回転するロータヘッドが、ナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルがタワーの上端部に設置された風力発電装置において、前記タワーまたは前記ナセルの外表面の、外風によって正圧を受ける部位に、この外風を風力発電装置の内部空間に取り入れる導入口を設け、前記タワーまたは前記ナセルの外周面の、外風によって負圧を受ける部位に、前記内部空間の冷却空気を外部に排出する排出口を設け、前記排出口に、その外側の気圧が内側の気圧よりも高まった場合に閉じ、内側の気圧が外側の気圧よりも高まった場合に開く排出口開閉手段を設けたことを特徴とする。
上記構成によれば、例えば円断面形状を有するタワーの周方向に沿って複数の排出口を設けた場合に、外風に正対している排出口では、その外側の気圧が内側の気圧よりも高まるために排出口開閉手段が閉じ、他の排出口では、その外側の気圧が内側の気圧よりも低くなるために排出口開閉手段が開く。このため、内気が効率良く排出され、相対的に多くの外風を導入口から取り入れて、風力発電装置内部の冷却効率を高めることができる。
また、本発明に係る風力発電装置は、風車翼に外風を受けて回転するロータヘッドが、ナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルがタワーの上端部に設置された風力発電装置において、前記タワーの外表面の、外風によって正圧を受ける部位に、この外風を風力発電装置の内部空間に取り入れる導入口を設け、前記タワーの外周面の、外風によって負圧を受ける部位に、前記内部空間の冷却空気を外部に排出する排出口を設けるとともに、前記タワーを二重管構造とし、その外側空間または内側空間のどちらか一方の空間に連通するように前記導入口を設け、他方の空間に連通するように前記排出口を設け、前記外側空間と前記内側空間とを、前記導入口および前記排出口から離れた位置で連通させたことを特徴とする。
本構成によれば、導入口から排出口までの距離が長くなることと、外側空間と内側空間との間で気流の方向が変わることと、円筒形の空間となる外側空間内を周方向に流れる気流に遠心力が働くことから、外風に含まれる水分、塩分、塵埃といった異物を主に外側空間内で自然落下させて気流から分離させることができ、導入口にフィルタ等の圧損部材を設けなくてもよいか、あるいは設けたとしても簡易的なものでよくなるため、導入口から充分な量の外風を取り入れて風力発電装置内部の冷却効率を高めることができる。

本発明の各実施形態を適用可能な風力発電装置の一例を示す側面図である。本発明の第１参考実施形態に係る風力発電装置の概略的な縦断面図である。図２のIII-III線に沿う横断面図である。タワー外周面における圧力分布をグラフで示す図である。本発明の第２参考実施形態に係る風力発電装置の概略的な縦断面図である。本発明の第３参考実施形態に係る風力発電装置の概略的な縦断面図である。図６のVII-VII線に沿う横断面図である。図６のVIII-VIII線に沿う横断面図である。暈部材を補強部材として活用した例を示す縦断面図である。本発明の第４参考実施形態に係る風力発電装置の概略的な縦断面図である。本発明の第１実施形態に係る風力発電装置の概略的な縦断面図である。図１１のXII-XII線に沿う横断面図である。図１１のXIII-XIII線に沿う横断面図である。導入口開閉手段の第１構造例を示し、（ａ）は内側蓋部材が閉塞位置にある状態を示す横断面図、（ｂ）は内側蓋部材が開放位置にある状態を示す横断面図である。排出口開閉手段の第１構造例を示し、（ａ）は外側蓋部材が閉塞位置にある状態を示す横断面図、（ｂ）は外側蓋部材が開放位置にある状態を示す横断面図である。（ａ）は導入口開閉手段の第２構造例を示す横断面図であり、（ｂ）は排出口開閉手段の第２構造例を示す横断面図である。本発明の第２実施形態に係る風力発電装置の概略的な縦断面図である。本発明の第３実施形態に係る風力発電装置の概略的な縦断面図である。図１８のXIX-XIX線に沿う横断面図である。図１８のXX矢視図である。本発明の第４実施形態に係る風力発電装置の概略的な縦断面図である。図２１のXXII-XXII線に沿う横断面図である。図２１のXXIII-XXIII線に沿う横断面図である。本発明の第５参考実施形態に係る風力発電装置の概略的な縦断面図である。図２４のXXV-XXV線に沿う横断面図である。

（第１参考実施形態）
図２は、本発明の第１参考実施形態に係る風力発電装置１Ａの概略的な縦断面図であり、図３は図２のIII-III線に沿う横断面図である。この風力発電装置１Ａは冷却構造Ａを備えている。この冷却構造Ａでは、前述したように略円形の横断面形状を有するタワー４に、導入口２１と排出口２２とが設けられている。導入口２１は、外風を冷却空気としてタワー４の内部空間Ｓに取り入れる開口部であり、タワー４の外表面の、外風によって正圧を受ける部位に設けられている。また、排出口２２は、内部空間Ｓ内の冷却空気を外部に排気する開口部であり、タワー４の外表面の、外風によって負圧を受ける部位に設けられている。

導入口２１および排出口２２の形状は、できるだけタワー４の強度に支障を来さない形状であることが望ましい。例えば、応力が集中しにくい円形、縦長の楕円形、長円形等である。なお、本参考実施形態および後に述べる各実施形態においても、導入口２１および排出口２２をそれぞれ単一の開口部とせずに、複数の小孔やスリット等を近接させて形成することにより構成してもよい。これにより、導入口２１および排出口２２の形成に伴うタワー４の強度低下を最小限に抑えることができる。

（第２参考実施形態）
図５は、本発明の第２参考実施形態に係る風力発電装置１Ｂの概略的な縦断面図である。この風力発電装置１Ｂは冷却構造Ｂを備えている。この冷却構造Ｂにおいて、前述の第１参考実施形態における冷却構造Ａと異なる点は、導入口２１の設置高さがタワー４の中間部付近であることと、排出口２２の設置高さがタワー４の下端部付近であることのみであり、他の構成は冷却構造Ａと同様である。即ち、平面視における導入口２１と排出口２２の位置関係は図３に示す通りであり、それによってもたらされる作用効果も冷却構造Ａと同様である。

（第３参考実施形態）
図６は、本発明の第３参考実施形態に係る風力発電装置１Ｃの概略的な縦断面図であり、図７は図６のVII-VII線に沿う横断面図、図８は図６のVIII-VIII線に沿う横断面図である。この風力発電装置１Ｃは冷却構造Ｃを備えている。この冷却構造Ｃでは、第１参考実施形態における冷却構造Ａと同じく、タワー４の下端部付近に導入口２１が配置され、タワー４の上端付近に排出口２２ａ〜２２ｄが配置されている。

（第４参考実施形態）
図１０は、本発明の第４参考実施形態に係る風力発電装置１Ｄの概略的な縦断面図である。この風力発電装置１Ｄは冷却構造Ｄを備えている。この冷却構造Ｄにおいて、先述の第３参考実施形態における冷却構造Ｃと異なる点は、導入口２１の設置場所がタワー４ではなくナセル５の前面に設けられていることと、４つの排出口２２ａ〜２２ｄの設置高さがタワー４の下端部付近であることのみであり、他の構成は冷却構造Ｃと同様である。排出口２２ａ〜２２ｄの数は必ずしも４箇所でなくてもよい。

（第１実施形態）
図１１は、本発明の第１実施形態に係る風力発電装置１Ｅの概略的な縦断面図であり、図１２は図１１のXII-XII線に沿う横断面図、図１３は図１１のXIII-XIII線に沿う横断面図である。この風力発電装置１Ｅは冷却構造Ｅを備えている。この冷却構造Ｅでは、タワー４の下端部付近に４つの導入口２１ａ〜２１ｄが例えば周方向に９０°間隔で配置され、タワー４の上端付近に４つの排出口２２ａ〜２２ｄが同じく周方向に９０°間隔で配置されている。そして、各導入口２１ａ〜２１ｄに、導入口開閉手段としての内側蓋部材３１が設けられ、各排出口２２ａ〜２２ｄに、排出口開閉手段としての外側蓋部材３２が設けられている。なお、導入口２１ａ〜２１ｄおよび排出口２２ａ〜２２ｄの数は必ずしも４箇所でなくてもよく、例えば１２０°間隔で３箇所に設ける等、数や間隔は任意に設定してよい。

（第２実施形態）
図１７は、本発明の第２実施形態に係る風力発電装置１Ｆの概略的な縦断面図である。この風力発電装置１Ｆは冷却構造Ｆを備えている。この冷却構造Ｆにおいて、先述の第１実施形態における冷却構造Ｅと異なるのは、排出口２２ｅの設置場所がタワー４ではなくナセル５の後面に設けられていることのみであり、導入口２１ａ〜２１ｄを始めとする他の部分の構成は冷却構造Ｅと同様である。なお、二点鎖線で示すようにナセル５の側面に排出口２２ｆを設けてもよい。

（第３実施形態）
図１８は、本発明の第３実施形態に係る風力発電装置１Ｇの概略的な縦断面図であり、図１９は図１８のXIX-XIX線に沿う横断面図である。この風力発電装置１Ｇは冷却構造Ｇを備えている。この冷却構造Ｇでは、タワー４の内部に円筒状の内壁４１が設けられてタワー４が二重管構造とされており、タワー４内部の外周側に外側空間Ｓ１が画成され、外側空間Ｓ１の内周側に内側空間Ｓ２が画成されている。そして、例えば外側空間Ｓ１に連通するように導入口２１が設けられ、内側空間Ｓ２に連通するように排出口２２が設けられている。導入口２１と排出口２２の高さは、共にタワー４の中間部付近に設定されているが、各々の高さを異ならせてもよい。

図１９に、平面視における導入口２１と排出口２２の周方向位置が示されている。導入口２１と排出口２２の周方向位置は、図３に示す第１参考実施形態における冷却構造Ａと同じく、タワー４の外周面の周方向のうち、年間を通して平均的に最も風当たりの良い面、即ち外風による正圧が最も高くなる位置に導入口２１が設けられ、この導入口２１の位置から周方向に直角となる位置に排出口２２が設けられている。排出口２２は導入口２１の両側に２箇所設ける等してもよい。

（第４実施形態）
図２１は、本発明の第４実施形態に係る風力発電装置１Ｈの概略的な縦断面図であり、図２２は図２１のXXII-XXII線に沿う横断面図、図２３は図２１のXXIII-XXIII線に沿う横断面図である。この風力発電装置１Ｈは冷却構造Ｈを備えている。この冷却構造Ｈでは、前述の冷却構造Ｇと同様に、タワー４の内部に円筒状の内壁４１が設けられてタワー４が二重管構造とされており、タワー４の内部に外側空間Ｓ１および内側空間Ｓ２が画成されている。そして、例えばタワー４の中間部よりやや下方の高さに、４つの導入口２１ａ〜２１ｄが周方向に９０°間隔で配置されており、タワー４の中間部よりやや上方の高さに、４つの排出口２２ａ〜２２ｄが同じく周方向に９０°間隔で配置されている。

導入口２１ａ〜２１ｄはタワー４の外壁を貫通して外側空間Ｓ１に連通し、各導入口２１ａ〜２１ｄから導入された外気が外側空間Ｓ１に流入するようになっている。また、排出口２２ａ〜２２ｄは連通パイプ４３を介して内側空間Ｓ２に連通しており、内側空間Ｓ２内の空気が外側空間Ｓ１には入らずに排出口２２ａ〜２２ｄから排出されるようになっている。そして、各導入口２１ａ〜２１ｄに、導入口開閉手段としての内側蓋部材３１が設けられ、排出口２２ａ〜２２ｄに、排出口開閉手段としての外側蓋部材３２が設けられている。内側蓋部材３１と外側蓋部材３２の構成および作用は、第１実施形態に係る冷却構造Ｅのものと同様である。また、各導入口２１ａ〜２１ｄには、第３実施形態に係る冷却構造Ｇと同様なフィルタ部材４５が設けられている。

以上のように構成された冷却構造Ｈは、次のように作用する。
例えば風力発電装置１Ｈに正面から外風が吹き付けた場合には、第１実施形態における冷却構造Ｅと同様に、タワー４の外周面に設けられた４つの導入口２１ａ〜２１ｄのうち、外風に正対する導入口２１ａの内側蓋部材３１のみが開放され（開放位置３１ｂとなる）、他の３つの導入口２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの内側蓋部材３１は閉塞される（閉塞位置３１ａとなる）ため、導入口２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは閉塞される。このため、導入口２１ａのみから外風が外側空間Ｓ１に流入する。流入した外風は、フィルタ部材４５を通過する際に水分、塩分、塵埃等の異物を除去された後、外側空間Ｓ１内を上下方向および周方向に流れる。外側空間Ｓ１内を上方に流れた空気は、一旦ナセル５内に流入し、ナセル５内に設けられた発電機１１等の発熱機材を冷却した後、流れの向きを下向きに変えて内側空間Ｓ２に流れる。

また、外側空間Ｓ１内を下方に流れた空気は、内壁４１の下端部を潜って流れの向きを上向きに変えつつ内側空間Ｓ２内に入り、発熱性のある電気機器１４を冷却した後に上方に流れる。そして、第１実施形態における冷却構造Ｅと同様に、タワー４の外周面に設けられた４つの排出口２２ａ〜２２ｄのうち、外風に正対する排出口２２ａの外側蓋部材３２のみが閉塞され（閉塞位置３２ａとなる）、他の３つの排出口２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの外側蓋部材３２は外風のもたらす負圧により開放される（開放位置３２ｂとなる）ため、内側空間Ｓ２内部の空気が排出口２２ｂ，２２ｃ，２２ｄから排出される。このようにして、内側空間Ｓ２内の空気を無動力で効率良く換気することができる。

この冷却構造Ｈによれば、第３実施形態における冷却構造Ｇと同様に、外風に含まれる水分、塩分、塵埃といった異物を主に外側空間Ｓ１内で自然落下させて気流から分離させ、内部機器類の保護を図ることができる。しかも、冷却構造Ｅと同様に、風向きによって風力発電装置１Ｅの冷却効率が低下するといった不具合を少なくし、年間を通じて安定した冷却作用を得ることができる。

（第５参考実施形態）
図２４は、本発明の第５参考実施形態に係る風力発電装置１Ｊの概略的な縦断面図であり、図２５は図２４のXXV-XXV線に沿う横断面図である。この風力発電装置１Ｊは冷却構造Ｊを備えている。この冷却構造Ｊでは、例えばタワー４の下端部付近に、タワー４の外周面の周方向に沿って例えば３箇所の通気口４８ａ〜４８ｃが１２０°間隔で形成されている。これらの通気口４８ａ〜４８ｃは、風向きに応じて、外風をタワー４の内部空間Ｓに取り入れる導入口となったり、内部空間Ｓ内の空気を外部に排気する排出口となったりする。これらの通気口４８ａ〜４８ｃは、タワー４内の下部に設置された電気機器１４等の発熱機器の周囲を囲むように設けられているが、必ずしも同じ高さに設ける必要はなく、各通気口４８ａ〜４８ｃ間に高低差を付与してもよい。また、各通気口４８ａ〜４８ｃの周方向位置および数量は、必ずしも１２０°間隔で３箇所でなくてもよく、例えば３箇所以上であってもよい。

なお、本発明は、上述した各実施形態の態様のみに限定されないことは言うまでもない。例えば、各実施形態の構成を適宜組み合わせるといった変更を加えることが考えられる。

Claims

風車翼に外風を受けて回転するロータヘッドが、ナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルがタワーの上端部に設置された風力発電装置において、
前記タワーまたは前記ナセルの外表面の、外風によって正圧を受ける部位に、この外風を風力発電装置の内部空間に取り入れる導入口を設け、
前記タワーまたは前記ナセルの外周面の、外風によって負圧を受ける部位に、前記内部空間の冷却空気を外部に排出する排出口を設け、
前記導入口に、その外側の気圧が内側の気圧よりも高まった場合に開き、内側の気圧が外側の気圧よりも高まった場合に閉じる導入口開閉手段を設けたことを特徴とする風力発電装置。
風車翼に外風を受けて回転するロータヘッドが、ナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルがタワーの上端部に設置された風力発電装置において、
前記タワーまたは前記ナセルの外表面の、外風によって正圧を受ける部位に、この外風を風力発電装置の内部空間に取り入れる導入口を設け、
前記タワーまたは前記ナセルの外周面の、外風によって負圧を受ける部位に、前記内部空間の冷却空気を外部に排出する排出口を設け、
前記排出口に、その外側の気圧が内側の気圧よりも高まった場合に閉じ、内側の気圧が外側の気圧よりも高まった場合に開く排出口開閉手段を設けたことを特徴とする風力発電装置。
風車翼に外風を受けて回転するロータヘッドが、ナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルがタワーの上端部に設置された風力発電装置において、
前記タワーの外表面の、外風によって正圧を受ける部位に、この外風を風力発電装置の内部空間に取り入れる導入口を設け、
前記タワーの外周面の、外風によって負圧を受ける部位に、前記内部空間の冷却空気を外部に排出する排出口を設けるとともに、
前記タワーを二重管構造とし、その外側空間または内側空間のどちらか一方の空間に連通するように前記導入口を設け、他方の空間に連通するように前記排出口を設け、前記外側空間と前記内側空間とを、前記導入口および前記排出口から離れた位置で連通させたことを特徴とする風力発電装置。
前記導入口と前記排出口との間に、発熱機器が配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置。
前記導入口と前記排出口を前記タワーに設ける場合に、その外周面の周方向のうち、前記外風による正圧が最も高くなる位置に前記導入口を設け、この導入口の位置から周方向に略直角となる位置に前記排出口を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電装置。
前記導入口の位置と前記排出口の位置との間に高低差を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の風力発電装置。
前記導入口を前記タワーに設ける場合に、その高さを、前記タワーが立設される地表面から前記風車翼先端の回転軌跡の下端までの範囲のうちの最も高い位置付近に設定したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の風力発電装置。
前記排出口に、前記外風によって受ける負圧を増長させる負圧増長手段を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の風力発電装置。
前記負圧増長手段は、前記排出口の開口部を覆い、且つ前記排出口に対して所定の距離だけ離間した暈部材であることを特徴とする請求項８に記載の風力発電装置。
前記導入口の下流側に、前記導入口から導入される外気に含まれる異物を除去する異物除去手段を設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の風力発電装置。
前記導入口と前記排出口を前記タワーに設ける場合に、その外周面の周方向に沿って３箇所以上の通気口を設け、これらの通気口が、風向きに応じて前記導入口または前記排出口になるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置。