(57)【要約】  上方部（４）、中間部（６）、および下方部（８）を有するタワー（１００）であって、タワーの下方部および中間部がタワーのベース（９）を形成するタワー（１００）と、タワーの中間部に配置された廃熱発生装置（１４）と、少なくとも１つの冷却デバイス入口（２２）がタワーの周囲の外部空気（１０）をタワー内に導入するためにタワー中に形成された冷却デバイス（１６）とを備え、冷却デバイス（１６）が、そのまたは各冷却デバイス入口（２２）からの外部空気をタワーの下方部（８）内に案内することにより、外部空気が廃熱発生装置（１４）を冷却しつつタワーの中間部（６）および上方部（４）の方向に上昇し得るように、構成される、風力タービン（１）において、そのまたは各冷却デバイス入口（２２）が、タワー（１００）の上方部（４）に配置されることを特徴とする、風力タービン（１）。
2014526634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  上方部（４）、中間部（６）、および下方部（８）を有するタワー（１００）であって、前記タワーの前記下方部および前記中間部は、前記タワーのベース（９）を形成する、タワー（１００）と、
−  前記タワーの前記中間部に配置された廃熱発生装置（１４）と、
−  前記タワーの周囲の外部空気（１０）を前記タワー内に導入するために前記タワーに形成された少なくとも１つの冷却デバイス入口（２２）を有する冷却デバイス（１６）と、
を備え、
前記冷却デバイス（１６）は、前記または各冷却デバイス入口（２２）からの前記外部空気を前記タワーの前記下方部（８）内に案内することにより、前記外部空気が、前記廃熱発生装置（１４）を冷却しつつ前記タワーの前記中間部および前記上方部の方向に上昇し得るように、構成される、風力タービン（１）において、
前記または各冷却デバイス入口（２２）は、前記タワーの前記上方部（４）に配置されることを特徴とする、風力タービン（１）。
【請求項２】
廃熱放散デバイス（１８）をさらに備え、前記廃熱放散デバイスは、前記廃熱発生装置から廃熱を抽出するようにおよび前記タワーの前記ベース（９）内に前記抽出された廃熱を放出するように調節される、第１の設定を有する、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項３】
前記第１の設定は、前記タワーの前記ベース内に位置する内部空気（６０）が、前記廃熱放散デバイス内に引き込まれ、廃熱が前記引き込まれた空気に対して伝達され、その結果得られた加熱された空気（６０）が前記タワーの前記ベースへと出力されて戻される、循環設定である、請求項２に記載の風力タービン。
【請求項４】
前記廃熱放散デバイス（１８）は、前記廃熱発生装置（１４）から廃熱を抽出するようにおよび前記抽出された廃熱を前記風力タービン（１）の周囲の環境（２）内に放出するように調節される、第２の設定を有する、請求項２または３に記載の風力タービン。
【請求項５】
前記第２の設定は、前記タワーの外部の空気（７０）が前記廃熱放散デバイス内に引き込まれ、廃熱が前記引き込まれた空気に対して伝達され、その結果得られた加熱された空気（７０）が外部へと出力されて戻される、スループット設定である、請求項４に記載の風力タービン。
【請求項６】
前記廃熱放散デバイスは、
−  内部空気入口（３８）および外部空気入口（４２）を有する取込ピース（３６）と、
−  内部空気出口（４６）および外部空気出口（４８）を有する排出ピース（４４）と、
−  前記廃熱放散デバイスを
ｉ）前記内部空気入口（３８）が前記内部空気出口（４６）と流体連通状態にある、循環設定と、
ｉｉ）前記外部空気入口（４２）が前記外部空気出口（４８）と流体連通状態にある、スループット設定と
の間で切り替えるための切替デバイス（５０）と
を備える、請求項２から５のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項７】
前記切替デバイスは、一対のシャッタ（５０）であり、一方のシャッタは、前記内部空気入口（３８）または前記外部空気入口（４２）のいずれかを選択的に遮断するために前記取込ピース（３６）内に配置され、他方のシャッタ（５０）は、前記内部空気出口（４６）または前記外部空気出口（４８）のいずれかを選択的に遮断するために前記排出ピース（４４）内に配置される、請求項６に記載の風力タービン。
【請求項８】
前記廃熱発生装置は、変圧器（１４）を備え、前記廃熱放散デバイス（１８）は、前記変圧器を冷却するように構成される、請求項２から７のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項９】
−  前記風力タービンタワーの内部および／または外部の空気パラメータ、特に空気温度および相対空気湿度をモニタリングするためのセンサアセンブリ（８０、９０）と、
−  前記センサアセンブリからセンサ読取値を受領するように、ならびに前記冷却デバイス（１６）および／または前記廃熱放散デバイス（１８）を制御することにより前記風力タービンタワー内部の空気パラメータを所定範囲内に維持するように構成された、空調コントローラ（２１）と
をさらに備える、請求項２から８のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１０】
前記風力タービン（１）は、洋上風力タービンである、請求項１から９のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１１】
前記タワーの前記上方部（４）は、海水しぶきゾーン（Ｚ）の上方に位置する、請求項１０に記載の風力タービン。
【請求項１２】
前記タワーの前記上方部（４）の下方端部（５）が、海水面または地表面（Ｌ）の少なくとも３０メートル上方に位置する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１３】
前記冷却デバイス（１６）は、前記外部空気を処理するための空気処理ユニット（２０）を有し、前記空気処理ユニットは、前記外部空気用の単一の取込口（２４）と、処理済み外部空気用の２つの出口（２６）とを有し、前記空気処理ユニットの各出口（２６）は、好ましくは可制御ファン（３４）を備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１４】
風力タービン（１）のタワー（１００）内部の空気を調整するための方法であって、
−  前記タワーの上方部（４）の周囲の外部空気（１０）を前記タワー内に導入するステップと、
−  前記導入された外部空気（１０）を前記タワーの下方部（８）内に案内することにより、前記導入された外部空気が前記タワーの内部を上昇するのを可能にするステップと
を含む、方法。
【請求項１５】
前記風力タービン（１）は、そのタワー内部に配置された廃熱発生装置（１４）を有し、前記方法は、前記風力タービンの前記タワー（１００）内部の現在環境に応じて、前記廃熱発生装置（１４）により発生した廃熱を、
ｉ）前記風力タービンの前記タワー内部の前記空気に対して前記廃熱を伝達することか、または
ｉｉ）前記風力タービンの周囲の環境（２）内に前記廃熱を放出すること
のいずれかによって放散させるステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービンに関し、この風力タービンは、上方部、中間部、および下方部を有するタワーであって、タワーの下方部および中間部がタワーのベースを形成する、タワーと、タワーの中間部に配置された廃熱発生装置と、少なくとも１つの冷却デバイス入口がタワーの周囲の外部空気をタワー内に導入するためにタワー中に形成された、冷却デバイスとを備え、冷却デバイスは、そのまたは各冷却デバイス入口からタワーの下方部内に外部空気を案内することにより、外部空気が廃熱発生装置を冷却しつつタワーの中間部および上方部の方向に上昇し得るように、構成される。
【背景技術】
【０００２】
かかる風力タービンは、例えば特許文献１などにより公知である。外部空気を利用することによりタワー内部の廃熱発生装置を冷却するこのタイプの風力タービンは、いくつかの環境、および特に外部空気が海洋環境など非常に多湿および／または塩を多く含む環境に対しては、十分には適合しない。かかる環境においては、外部空気の一部としてタワー内に進入する湿気および塩が、タワー内部の腐食をもたらし、これに応じた風力タービンの倒壊の危険性が生ずる。
【０００３】
この問題を解決するために、特許文献１は、追加のフィルタ、ヒータ、および除湿器等々の使用、またはさらには熱交換器を有する２つの別個の空気回路の使用を教示している。
【０００４】
しかし、特許文献１により教示される解決策は、複雑および高コストであり、エネルギー消費量が多い。
【０００５】
特許文献２は、冷却流を再循環させることを特徴とした風力タービンを開示している。
【０００６】
特許文献３は、タワー壁部を貫通して延在する入口および出口を有する除湿器を備える風力タービンタワーを開示している。これらの入口および出口は、再生空気を再生空気流の形態で除湿器に案内するために使用される。タワー内部の空気は、再生空気流とは別個のプロセス空気流の形態で循環される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０１５６７４号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２０１０／１４２２６３号パンフレット
【特許文献３】欧州特許出願公開第１７３６６６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、上記の観点から、本発明の目的は、特に海洋環境に適合され、また同時に、単純、安価、かつ低エネルギー消費量に留められた、外部空気を利用する冷却デバイスを備えた風力タービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、そのまたは各冷却デバイスの入口がタワーの上方部に配置されることを特徴とする、上記で述べたような風力タービンによって達成される。
【００１０】
タワーの上方部中に外部空気用のそのまたは各入口を配置することにより、冷却デバイスは、冷却用に使用可能となるまで外部空気を複雑な処理にかける必要性が全くない程度に水および塩の含有量が低い、外部空気を引き込む。したがって、本発明の冷却デバイスは、高性能空気処理要素を省くことが可能であり、単純なものに留められる。
【００１１】
特に、本発明は、典型的な海洋環境においては、外部空気の湿度および塩含有量が、一定ではなく、海水面からの距離が大きくなるにつれて著しく低下するという識見に基づく。約１００メートルの典型的なタワー高さを有する洋上風力タービンにおいては、タワーの上方部の周囲の外部空気は、先行技術の巧緻な処理を用いることなく、特にエネルギーコストの高い除湿を伴うことなく、冷却用に使用し得るのに十分な程度に海から隔たっている。
【００１２】
好ましい実施形態によれば、本発明の風力タービンは、以下の特徴の中の１つまたは複数を単独でまたは技術的に可能なあらゆる組合せで有する。
−  廃熱放散デバイス。前記廃熱放散デバイスは、廃熱発生装置から廃熱を抽出するようにおよびタワーのベース内に抽出された廃熱を放出するように調節される、第１の設定を有する。
−  第１の設定が、タワーのベース内に位置する内部空気が廃熱放散デバイス内に引き込まれ、廃熱が引き込まれた空気に対して伝達され、その結果得られた加熱された空気がタワーのベースへと出力されて戻される、循環設定である。
−  廃熱放散デバイスが、廃熱発生装置から廃熱を抽出するようにおよび抽出された廃熱を風力タービンの周囲の環境内に放出するように調節される、第２の設定を有する。
−  第２の設定が、タワーの外部の空気が廃熱放散デバイス内に引き込まれ、廃熱が引き込まれた空気に対して伝達され、結果的に得られた加熱された空気が外部へと出力されて戻される、スループット設定である。
−  廃熱放散デバイスが、
ａ）内部空気入口および外部空気入口を有する取込ピースと、
ｂ）内部空気出口および外部空気出口を有する排出ピースと、
ｃ）廃熱放散デバイスを
ｉ）内部空気入口が内部空気出口と流体連通状態にある、循環設定と、
ｉｉ）外部空気入口が外部空気出口と流体連通状態にある、スループット設定と
の間で切り替えるための切替デバイスと
を備える。
−  切替デバイスが、一対のシャッタであり、一方のシャッタは、内部空気入口または外部空気入口のいずれかを選択的に遮断するために取込ピース内に配置され、他方のシャッタは、内部空気出口または外部空気出口のいずれかを選択的に遮断するために排出ピース内に配置される。
−  廃熱発生装置が、変圧器を備え、前記廃熱放散デバイスが、変圧器を冷却するように構成される。
−  空気パラメータを、特に風力タービンタワーの内部および／または外部の空気温度および相対空気湿度をモニタリングするためのセンサアセンブリ。
−  センサアセンブリからセンサ読取値を受領するように、ならびに冷却デバイスおよび／または廃熱放散デバイスを制御することにより風力タービンタワー内部の空気パラメータを所定範囲内に維持するように構成された、空調コントローラ。
−  風力タービンが、洋上風力タービンである。
−  タワーの上方部が、海水しぶきゾーンの上方に位置する。
−  タワーの上方部の下方端部が、海水面または地表面の上方に少なくとも３０メートルに位置する。
−  冷却デバイスが、外部空気を処理するための空気処理ユニットを有し、前記空気処理ユニットが、外部空気用の単一の取込口と、処理済み外部空気用の２つの出口とを有し、空気処理ユニットの各出口が、好ましくは可制御ファンを備える。
【００１３】
また、本発明は、風力タービンのタワー内部の空気を調整するための方法に関する。前記方法は、以下のステップを、すなわち
−  タワーの上方部の周囲の外部空気をタワー内に導入するステップと、
−  導入された外部空気をタワーの下方部内に案内することにより、導入された外部空気がタワーの内部を上昇するのを可能にするステップとを含む。
【００１４】
好ましくは、風力タービンは、そのタワー内部に配置された廃熱発生装置を有し、この方法は、風力タービンのタワー内部の現在環境に応じて、廃熱発生装置により発生した廃熱を、
ｉ）風力タービンのタワー内部の空気に対して前記廃熱を伝達すること、または
ｉｉ）風力タービンの周囲の環境内に前記廃熱を放出すること
のいずれかによって放散させるステップをさらに含む。
【００１５】
添付の図面を参照として本発明の非限定的な例の以下の説明を読むことにより、本発明がより良く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の動作モードにある、本発明による風力タービンの好ましい一実施形態の部分長手方向断面図である。
【図２】第２の動作モードにある、図１の風力タービンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１を参照すると、風力タービン１の部分長手方向断面図が示される。
【００１８】
風力タービン１は、本実施形態においては海洋環境である環境２に配置される。したがって、これらの図面に示す風力タービン１は、洋上風力タービンである。風力タービン１の周囲の海は、参照符号Ｓで示される。海Ｓは、海水面Ｌを画定する。海水面Ｌの上方には、上方端部３および高さＨを有する海水しぶきゾーンＺが位置する。海水しぶきゾーンＺは、波の打ち上げが予想される水跳ねゾーン（この水跳ねゾーンは典型的には海水面Ｌの上方１０メートルを終端とする）を含むだけでなく、飛び散った水滴が到達し得る高さにまでさらに及ぶ。したがって、海水しぶきゾーンＺは、飛び散った水滴を高い集中度合いで受ける。海水しぶきゾーンＺの典型的な高さＨは、海水面Ｌの上方に約３０メートルとなっている。
【００１９】
風力タービン１は、変圧器などの廃熱発生装置１４を備える。
【００２０】
また、風力タービン１は、タワー１００を有する。このタワーは、下方端部５を有する上方部４と、中間部６と、上方端部７を有する下方部８とを有する。タワーの下方部８および中間部６は、タワーのベース９を形成する。
【００２１】
タワーの上方部４は、海水しぶきゾーンＺの上方に位置するタワーの部分として定義される。したがって、タワー１００の上方部４の下方端部５は、海水しぶきゾーンＺの上方端部３と合致する。
【００２２】
タワーの中間部６は、廃熱発生装置１４を収容するタワーの部分として定義される。
【００２３】
タワーの下方部８は、廃熱発生装置１４の下方のタワーの部分として定義される。
【００２４】
タワーの上方部４の周囲の上方外部空気は、参照番号１０を有する。タワーのベース９の周囲の、また同時に海水しぶきゾーンＺ内の外部空気でもある、下方外部空気は、参照番号１２を有する。
【００２５】
下方外部空気１２は、塩および水の含有量が高いが、海水しぶきゾーンＺの上方の上方外部空気１０の塩および水の含有量は、実質的により低い。
【００２６】
風力タービン１は、タワー環境順化システムを備える。タワー環境順化システムは、冷却デバイス１６、廃熱放散デバイス１８、センサアセンブリ８０、９０、および空調コントローラ２１を備える。
【００２７】
冷却デバイス１６は、
−  タワーの周囲の上方外部空気１０をタワー内に導入するためにタワーの上方部４中に形成された少なくとも１つの冷却デバイス入口２２と、
−  上方外部空気用の取込口２４および処理済み上方外部空気用の少なくとも１つの出口２６を有する、上方外部空気１０を処理するための空気処理ユニット２０と、
−  冷却デバイス入口２２から空気処理ユニット２０を通りタワー１００の下方部８内に上方外部空気１０を案内するための、配管などの空気案内要素２８と
を備える。
【００２８】
好ましくは、空気処理ユニット２０は、１つまたは複数のフィルタ３２と、１つまたは複数の可制御ファン３４とを備える。
【００２９】
一実施形態においては（図示せず）、空気処理ユニット２０は、上方外部空気１０用の単一の取込口２４と、処理済み上方外部空気１０用の２つの出口２６とを有し、空気処理ユニット２０の２つの出口２６がそれぞれ、可制御ファン３４を備える。この実施形態においては、配管２８は、２つの平行なパイプを備え、これらの２つのパイプは、処理済み空気を２つの別個の空気流において空気処理ユニット２０からタワー１００の下方部８へと案内する。
【００３０】
廃熱放散デバイス１８は、変圧器１４を冷却するためにこの変圧器１４に対して取り付けられた冷却装置である。廃熱放散デバイス１８は、
−  内部空気入口３８および外部空気入口４２を有する取込ピース３６と、
−  取込ピース３６に対して連結された熱交換器４０と、
−  熱交換器４０に対して連結されたコンベヤファン４３と、
−  内部空気出口４６および外部空気出口４８を有する排出ピース４４と、
切替デバイス５０と
を備える。
【００３１】
好ましくは、切替デバイスは、一対のシャッタ５０であり、一方のシャッタ５０は、内部空気入口３８または外部空気入口４２のいずれかを選択的に遮断するように取込ピース３６内に配置され、他方のシャッタ５０は、内部空気出口４６または外部空気出口４８のいずれかを選択的に遮断するように排出ピース４４内に配置される。
【００３２】
センサアセンブリは、タワー１００の内部に配置された空気温度および相対空気湿度センサ９０の第１のセットと、タワー１００の外部に配置された空気温度および相対空気湿度センサ８０の第２のセットを、海水しぶきゾーンＺの上方に備える。
【００３３】
空調コントローラ２１は、制御接続Ｃを介して冷却デバイス１６および廃熱放散デバイス１８を制御するように、ならびに読出し接続Ｒを介してセンサアセンブリ８０、９０からセンサ読取値を受領するように、構成される。
【００３４】
より厳密には、制御接続Ｃにより、空調コントローラ２１によるファン３４、４３および切替デバイス５０の制御が可能となる。
【００３５】
次に、タワー環境順化システムの動作を説明する。
【００３６】
タワー環境順化システムは、２つの主要動作モードを、すなわち循環モードおよび強制スループットモードを有する。図１は、循環モードを示し、図２は、スループットモードを示す。空調コントローラ２１は、一方のモードから他方のモードにタワー環境順化システムを切り替え、センサアセンブリ８０、９０から得られるセンサ読取値および／または風力タービンの現在出力に応じて、各モード内でタワー環境順化システムを制御する。好ましくは、空調コントローラ２１は、タワー１００内部の相対湿度が７５％以下に維持されるように、タワー環境順化システムを制御する。これは、腐食が７５％未満の相対湿度では阻止されるが、７５％超の相対湿度では指数関数的に高まるからである。
【００３７】
両モードにおいて、上方外部空気１０は、ファン３４によりタワー１００の上方部４内に吸引される。ファン３４の吸引力は、空調コントローラ２１により、センサアセンブリ８０、９０によって示されるようなタワー内部条件に対して吸引空気量を適合させるように制御される。
【００３８】
次いで、吸引空気は、空気処理ユニット２０においてフィルタリングされ、タワー１００の下方部８内へと吹き込まれる。矢印Ａで示すように、次いで、空気は、廃熱発生装置１４に沿って流れながら、タワーの上方部４の方向に上昇する。この上昇空気は、廃熱発生装置から熱を奪い、これにより、空気の相対湿度が低下し、廃熱発生装置が冷却される。
【００３９】
上方外部空気を利用して廃熱発生装置１４を冷却することにより、空気処理ユニット２０は、単純なものに維持され、好ましくはごく少数の受動フィルタを有することが可能となる。実際に、上方外部空気１０が、比較的「清浄」である、すなわち腐食を誘発する塩および水を比較的含まないことにより、複雑な空気処理は不要となる。
【００４０】
タワー１００内部の温度が低く相対湿度が高い条件および／または風力タービン１からの出力が低い条件の下においては、空調コントローラ２１は、循環モードにてタワー環境順化システムを作動させる。このモードにおいては（図１を参照）、廃熱放散デバイス１８のシャッタ５０は、内部空気入口３８が内部空気出口４６と流体連通状態になるように調節される。その結果、矢印６０により示されるように、タワーベース９内部の空気は、廃熱放散デバイス１８を通り循環する。したがって、変圧器１４からの廃熱は、タワー１００のベース９内に放出される。また、この廃熱は、上昇空気によっても奪われる。換言すれば、循環モードにおいては、廃熱放散デバイス１８は、タワーベース９内に熱緩衝部を発生させ、この熱緩衝部により、タワー内部の空気の相対湿度が許容レベルに維持されるため、腐食の危険性が最小限に抑えられる。
【００４１】
タワー１００内部の温度が高く相対湿度が低い条件および／または風力タービン１の出力が高い条件のもとにおいては、空調コントローラ２１は、スループットモードにてタワー環境順化システムを動作させる。このモードにおいては（図２を参照）、廃熱放散デバイス１８のシャッタ５０は、外部空気入口４２が外部空気出口４８と流体連中状態になるように、調節される。したがって、矢印７０により示されるように、下方外部空気１２は、廃熱放散デバイス１８を通り循環する。したがって、変圧器１４からの廃熱は、タワー１００の環境２内へと放出される。
【００４２】
シャッタ５０は、下方外部空気１２が内部空気出口４６または内部空気入口３８に進入するのを防止するような様式で結合される点に留意されたい。下方外部空気１２は、その塩および水の含有量が高いことにより、タワー１００の内部に自由に吹き込ませてはならない。
【００４３】
上述のようなタワー環境順化システムは、エネルギー消費量が低いというさらなる利点を有する。実際に、エネルギー消費デバイスは、ファン３４、４３、センサアセンブリ８０、９０、および空調コントローラ２１のみとなる。センサアセンブリ８０、９０および空調コントローラ２１のエネルギー消費量は、これらの構成要素が低電圧デバイスであることにより、殆ど無視し得るレベルである点に留意されたい。
【符号の説明】
【００４４】
１  風力タービン
２  環境
３  上方端部
４  上方部
５  下方端部
６  中間部
７  上方端部
８  下方部
９  ベース
１０  上方外部空気
１２  下方外部空気
１４  廃熱発生装置
１６  冷却デバイス
１８  廃熱放散デバイス
２０  空気処理ユニット
２１  空調コントローラ
２２  冷却デバイス入口
２４  取込口
２６  出口
２８  配管
３２  フィルタ
３４  可制御ファン
３６  取込ピース
３８  内部空気入口
４０  熱交換器
４２  外部空気入口
４３  コンベヤファン
４４  排出ピース
４６  内部空気出口
４８  外部空気出口
５０  切替デバイス
８０、９０  センサアセンブリ
１００  タワー
Ｃ  制御接続
Ｌ  海水面
Ｒ  読出し接続
Ｓ  海
Ｚ  海水しぶきゾーン
【図１】
2014526634.tif 000003
【図２】
2014526634.tif 000004
【国際調査報告】
2014526634.tif 000005
2014526634.tif 000006
2014526634.tif 000007