(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風向きに応じて回転するナセルと、
前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、
前記タワーの風上側に配置されて、前記ナセルと前記タワーの間における隙間の風下側を覆わないカバーとを備え、
前記ナセルと前記タワーの間における隙間と、前記ナセルと前記タワーの接続部かつ前記タワーの風上側に生じる高圧領域とが前記カバーにより離れていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記カバーは前記ナセルと別体に構成され、
前記カバーは前記ナセルと共に回転することを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の風力発電装置であって、
前記タワーは円筒形状であり、
前記カバーは、前記タワーの円筒中心軸から風上の方向を０°とした際に、±４０°以上風下位置までを覆うことを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
前記タワーよりも風上側に前記カバーの最下端が位置することを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の風力発電装置であって、
前記カバーは、前記最下端の位置よりも風下側にいくにつれてせり上がることを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
風向きに応じて回転するナセルと、
前記ナセルを回転可能に支持するタワーとを備え、
前記タワーの頂には、外径が、前記頂よりも下に位置する前記タワーの外径よりも大きい大径部が備えられ、
前記ナセルの下端は、前記大径部の径方向外側を覆う様に配置されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の風力発電装置であって、
前記ナセルの下端の高さと前記大径部の下端高さは一致することを特徴とする風力発電装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の風力発電装置であって、
前記タワーは円筒形状であり、
前記大径部は円板形状であり、
前記大径部は前記タワーと同心円状に配置されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
前記大径部は前記ナセルと前記タワーに連通する開口部を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、
前記ナセルの内部に外気を導入する外気導入手段を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の風力発電装置であって、
前記外気導入手段は、前記ナセルにおける風上側に設けられて前記ナセル内外と連通する導入口であることを特徴とする風力発電装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の風力発電装置であって、
更に前記導入口の風下側には塩分を除去するフィルタを備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の風力発電装置であって、
更に前記導入口の風下側にはファンを備えることを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に関するものであり、特に装置内部の腐食を防止する風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、風力発電装置は、ブレードにより回転するロータを主軸を介して支持したナセルを、タワー上部に備えた構成となっている。このナセルの内部には、ブレードの主軸の回転によって回転させられる発電機が備えられることが多いが、発電機の好ましい回転数を得るために、ロータと発電機の間に増速機を配置して、回転数を増加させる構成とする場合もある。発電機によって発電された電気エネルギーは、電力変換器や変圧器を介して電力系統に供しうる電力に変換される。
【０００３】
発電機、増速機、制御機器、電力変換器、変圧器等の機器は、風力発電装置に内蔵されるが、機器の損失を熱として発生させる。そのため、発生する熱を放散させ、機器を適正な温度で運転できるような冷却システムが必要である。最終的には風力発電装置外部の大気、あるいは水に熱を放散するべく、放熱器（ラジエータ）やファンを用いたシステムが用いられることが多い。
【０００４】
このような冷却システムを有した風力発電装置においても、太陽による日射や、発電機・増速機等の機器の表面からの熱の放散により、ナセル内部の空気は暖められる。このため、外気を導入して換気冷却を行なう方式も採用されており、例えば、特許文献１には、風力発電装置のタワー内の冷却のために外気を導入する構成が示されている。また、特許文献２には、ナセル側面の負圧発生領域に排気口を設けることでナセル内部の冷え過ぎを防止するなど、換気風量の調整にも配慮した構成が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１３００２号公報
【特許文献２】特開２０１０−３１７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、タワーに対してナセルを回転可能に設ける場合、タワーとナセルの接続部に隙間が生じる。この隙間等を介して風力発電装置に入る空気の質が、信頼性に大きな影響を与える。特に、今後の拡大が見込まれる洋上風力発電においては、風力発電装置外部の空気が高湿度で塩分も多く含んでいる可能性が高く、それらを何の処置もなく風力発電装置の内部にとり入れることは、内部に設置した発電機や電力変換器、制御機器に対して腐食の危険性を高めてしまうことになる。
【０００７】
そこで、本発明では、腐食のリスクを低減した高信頼の風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明に係る風力発電装置では、風向きに応じて回転するナセルと、前記ナセルを回転可能に支持するタワーと、を備え、前記ナセルと前記タワーの間における隙間と、前記ナセルと前記タワーの接続部かつ前記タワーの風上側に生じる高圧領域とが離れていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、腐食のリスクを低減した高信頼の風力発電装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１に係る洋上設置の風力発電装置を示す概略図である。
【図２】実施例１の風力発電装置のナセル部分の概略側面図である。
【図３】実施例１の風力発電装置のナセル部分の概略水平面図である。
【図４】実施例２の風力発電装置のナセル部分の概略側面図である。
【図５】実施例３の風力発電装置のナセル部分の概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１２】
実施例１について図１ないし図３を用いて説明する。図１には、実施例１における洋上設置の風力発電装置の概略図を示す。本実施例における風力発電装置は、水面下から洋上に突き出すように設置されたタワー７の頂部にナセル６を回転可能に配置しており、ナセル６は、ブレード１とハブ（図示せず）を有するロータ２を軸支している。ロータ２は主軸３、さらには増速機４を介して発電機５に接続されている。増速機４や発電機５はナセル内に配置されている。発電機５は電力ケーブル（図示せず）によってタワー７の下部に内蔵された電力変換器８、変圧器９等の電機品につながっている。ナセル６とタワー７は互いに連通している。
【００１３】
風力発電装置は風向にロータ２の回転面を向けるように風向きに応じてナセル６が回転（ヨー制御）し、風のエネルギーによってブレード１が力を受け、ロータ２が回転する。ロータ２の回転は、増速機４を介して発電機５に好適な回転数まで高めて、発電機５に伝えられる。発電機５が回転することで発電された電気エネルギーは、電力変換器８によって整流され、さらに変圧器９によって電圧を調整し、電力系統に送られる。この際、発電機５、電力変換器８、変圧器９等では、電流が流れる際の損失により、熱が発生する。また、増速機４も損失が熱となって発生する。
【００１４】
本実施例の風力発電装置では、発電機５、増速機４の冷却に水冷方式を採用している。すなわち、ポンプによって発電機５、増速機４とラジエータ１３の間に冷却水を循環させ、発電機５、増速機４で奪った熱をナセル６上流部に設置したラジエータ１３で外気に放熱することで、冷却をおこなっている。
【００１５】
図２に本実施例１の風力発電装置のナセル６部分の概略側面図を示す。風は該図における左側から右側に吹いており、ナセル６はブレード１が設置される側の反対側から風を受けている。すなわち、本風力発電装置はタワー７の下流側にブレード１が位置するダウンウインド型である。具体的には、ナセル６の風上側にはラジエータ１３が、その吸込面が風上方向に向くように設置されている。ラジエータ１３には、発電機５または増速機４またはナセル６内に溜まった熱を冷却してそこで発生した熱によって高温となった冷却水が流入し、外気に放熱する構成となっている。ラジエータ１３の風上側には自然風を直接受け入れられるように開口した吸気口１４が設けられている。ラジエータ１３の風下側にはラジエータを通過した空気の流れをナセル６下方に向けて案内するように流路が構成されており、ナセル６下方向にその空気を外部に流出させる流路の出口である排気口１５ａが設けられている。ラジエータ１３は流入する風に対向するように設置され、ラジエータ１３のフィンの間を通った風は排気口１５ａへと導かれる。
【００１６】
ナセル６の風上側に配置したラジエータ１３の上流側に、ナセル６内に外気を導入して換気するための空気の外気導入口１８ａ、外気導入口１８ａの風下側には塩分を除去するフィルタ１８ｂ、外気導入口１８ａの風下側にはファン１８ｃから構成される外気導入システム１８を設けている。ナセル６内に配置された発電機５や増速機４の冷却はラジエータ１３を介して行なっているが、発電機５、増速機４の表面からの放熱や、他にもナセル内に配置される軸受、その他電気機器(制御盤など。図示せず)からの放熱もあり、ナセル６内の雰囲気温度を上昇させる要因となっている。ナセル６内の温度を低下させるためには低温の外気をナセル６内に導入し、換気を促すことが効果的である。尚、本実施例における外気導入手段は、ナセル６における風上側に設けられてナセル６内外を連通する導入口１８ａである。塩分を除去するフィルタ１８ｂを介して清浄化された空気を強制的にナセル６内部に導入して空気の流れを構成することは、内部の静圧を高めることにつながり、意図しない微小な隙間から、清浄化されていない外気が侵入してくることを防ぐ点での効果も期待できる。外気導入手段については、位置を特に限定するものではないが、風上に設けると風圧を利用できるので好ましい。この場合、外気導入手段に設けるファンを省略したり、或いは小型化させることもできる。また上述の様に腐食防止のために、好ましくは塩分を除去するフィルタを併せて用いると良い。
【００１７】
ナセル６とタワー７の接続部は、ロータ２すなわちナセル６の向きを風向きに合わせてヨー制御で３６０°調整するために、相対的に回転可動できるように隙間が存在しており、外気導入口１８ａを通じて外部から導入した空気はこの隙間からナセル６外部に流出する。ナセル６の下部にはナセル６とは別体で設けられたカバー３０が接続されており、タワー７の風上側に配置されて、ナセル６とタワー７の間における隙間を覆う。他にもロータ２とナセル６の間にも隙間は存在し、そこからも外部に空気が流出する。
【００１８】
図３は実施例１の風力発電装置のナセル６部分の概略水平面図である。カバー３０はタワー７の上流を覆うように配置されているが、下流側の端部３１は、風向きに対してタワー７の側方で切れており、そこにカバー３０とタワー７の隙間が存在している。風下側を覆わないことで、外気導入口１８ａとナセル６とタワー７の間における隙間が連通し、外気導入口１８ａから流入した外部空気でナセル内部を換気・冷却することができ、排出口としての役割を担える。
【００１９】
以下に本発明の特徴であるカバー３０の作用効果について説明する。
【００２０】
風力発電装置の周囲を流れる風は運動エネルギーを有しており、それが静止した物体に衝突すると減速し、圧力のエネルギーに変換される。前述のラジエータ１３は自然風によってラジエータ１３を通過する冷却風量を得ており、この効能をうまく活用している。
【００２１】
同様に、自然風が静止した物体に衝突して高圧領域を発生する部位はナセル６周囲の他の部分にも存在し、その主要な箇所としてナセル６とタワー７の接続部がある。ここでいうナセル６とタワー７の接続部とは、（ナセル６がヨー回転できるように）タワー７がナセル６を支持する箇所をいう。また、高圧領域とは風が風力発電装置に衝突することにより圧力が（ナセル６内部よりも）高くなる領域を指す。ここには前述のようにタワー７とナセル６の間に隙間が存在しており、ここに空気の高圧領域が発生してナセル６内の気圧よりも高くなった場合には、ナセル６内部に高圧になった外部の空気が流入することになる。この空気の流入は、前述のように外気導入システム１８を介してその質を管理されたものではないため、ナセル６内部に塩分等を混入させ、内部の機器の腐食の危険性を高めることになってしまう。
【００２２】
これに対し、実施例１においてはタワー７とナセル６の接合部分の風上側にカバー３０を設ける。高圧領域の発生を避け、仮に発生した高圧の空気も、タワー７とナセル６の隙間から遠ざけることになるので、前述のような外気の流入を防止することができる。すなわちナセル６とタワー７の接続部の風上側に生じる高圧領域を、カバー３０の風上側に生じさせることができ、ナセル６とタワー７の間における隙間から高圧領域を離すことができる。これにより隙間を通じて空気質を管理していない外部空気が流入することを防止することができる。
【００２３】
また、カバー３０はナセル６と共に回転する。これに伴い、ヨー制御で回転するナセル６に対して、常に風上にカバー３０を設けることができ、ナセル６とタワー７の接続部に風を衝突させないことが可能である。このため高圧領域を前記接続部に生じさせずに済み、高圧領域発生を回避し、隙間からの空気質を管理していない外部空気の流入を防止することができる。
【００２４】
さらに、カバー３０の下流側の端部３１を、風向きに対してタワー７の側方に位置する位置で切っている。これは円柱の周りを流れる空気の流れが、風向きに対して円柱の側面部で増速されるため、逆に低圧領域が発生することを活用しようとするためである。具体的には、ここに生じるカバー３０とタワー７の隙間においては、周囲が負圧となるため、ナセル６内部の空気を外部に吸い出しやすくなるのである。これにより、意図せぬ外気の侵入を避ける効果が高まるだけでなく、前述の外気導入システム１８を併設している風力発電装置の場合は、そのファン１８ｃの外気導入の効果をサポートする効果も期待できるため、ファン動力の低減が見込めることになる。これに伴い、ファンの高効率化や小型化が見込める。一般的には円柱周りを流れる空気は円柱の中心から見て上流側から左右４０°程度より下流側で剥離することが知られているため、カバー３０の下流側端部３１は、これよりの下流側に位置するように構成することが望ましい。言い換えるならば、タワー７は円筒形状であり、カバー３０は、タワー７の円筒中心軸から風上の方向を０°とした際に、（水平面内で）±４０°以上風下位置までを覆うことが望ましい。
【００２５】
また、カバー３０は、上述のようにタワー７とナセル６の隙間に対して設けるものであることから、ナセル６側に設置してタワー７とカバー３０の間に回転可動ができるように隙間を設けることになる。しかし、カバー３０がナセル６と一体構成となっていると、ナセル６下部が平坦な構成ではなくなってしまうためにその保管、固定等に大がかりな治具が必要となり、製造工場内でのナセル６の組立作業や、風力発電装置を発電するサイトにて組み上げる際に支障が生じる。よって、カバー３０はナセル６と別体として、風力発電装置を建設するサイトにてナセル６と接続するようにすることが望ましい。
【００２６】
以上のように、実施例１の構成により、タワー７とナセル６の接続部からの外気侵入の危険性を低減した高信頼の風量発電装置が実現できるようになる。
【実施例２】
【００２７】
図４を用いて、本発明の実施例２について説明する。なお、実施例１と重複する箇所についてはその説明を省略する。図４は、本実施例の風力発電装置のナセル６部分の側断面図である。
【００２８】
実施例２においてはカバー３０の下部３２が、風向きの上流側で最も低い位置まで伸びている。即ち、タワー７よりも風上側にカバー３０の最下端が位置する状態をいう。このような構成にすることで最も高圧となり易いタワー７の最上流部分でのカバー３０とタワー７の隙間を、ナセル６とタワー７の隙間より（高さ方向で）遠ざけることができる。この点は実施例１でも同様である。更に本実施例におけるカバー３０は下流側に行くにしたがって短く、上方にせり上がっていくような形状としている。即ち、カバー３０の最下端の位置よりも風下側にいくにつれてせり上がっている状態である。これに伴い、負圧領域がカバー下部３２の斜めの領域に広がって分布するために、実施例１に比べて負圧領域を相対的に多くとることが出来る。したがって、ナセル６内に侵入しようとする領域を減らすことになり、かつナセル６内の空気を外部に吸い出しやすくなる。実施例１にも言えることだが、ナセル６とタワー７の間における隙間を風下側では覆っていない。風上側の隙間を覆う一方で風下側を覆わないことで、外気導入口１８ａとナセル６とタワー７の間における隙間が連通し、外気導入口１８ａから流入した外部空気でナセル内部を換気・冷却することができ、排出口としての役割を担える。
【実施例３】
【００２９】
図５を用いて、本発明の実施例３について説明する。なお上述の実施例と重複する箇所についてはその説明を省略する。図５は本実施例の風力発電装置のナセル６部分の概略側断面である。
【００３０】
前述のように、タワー７に衝突して減速する空気の流れが高圧領域を発生し、それがナセル６内への外気侵入の要因となり得る。実施例１および実施例２ではその対策としてカバー３０を設けたわけだが、本実施例３ではタワー７の頂に配置されると共に、タワー７外径よりも大きい（即ち、大径部となる）円板３３を備え、ナセル６の下端は、円板３３の径方向外側を覆う様に配置される。径方向とは、タワー７が伸びる上下方向に略垂直な方向を指している。実施例１、２と異なり、本実施例ではナセル６とタワー７の隙間はタワー７の壁面ではなく、円板３３とナセル６の間に出来ることになる。高圧領域が発生するのは風がタワー７に衝突した風上側のタワー７壁面だが、円板３３とナセル６の間の隙間３４は、円板３３がタワー７よりも大きい分（本実施例の様に、タワー７に対して円板３３が同心円状に配置される場合には直径差の半分）、高圧領域から上流側に離れている。よって実施例１や２と同じようにナセル６内への外気の流入を低減する効果が期待できる。円板３３は、相対的にタワー７の外径よりナセル６が大きい必要はあるが、実施例１で述べたように、カバー３０をナセル６と別体で設けるといった、製造、施工上の配慮は不要となる。また、ナセル６の下端の高さと円板３３の下端高さは一致（厳密に一致していることまで必要でなく実質的に一致していれば良い。）する。これに伴い、ナセル６とタワー７の隙間に位置する円板３３の風上側面に風が衝突することを避け、高圧領域の発生を防ぐことができる。よって、隙間からの空気質を管理していない外部空気の流入を防止することができる。また、本実施例におけるタワー７は円筒形状であり且つ、板３３も円板形状である。そして円板３３はタワー７と同心円状に配置される。これに伴い、ヨー制御で回転するナセル６とタワー７の隙間を常に一定に保つことができ、ナセル６とタワー７の接続部に生じる高圧領域から常にナセル６とタワー７の隙間を離隔しておくことができる。即ち、カバー３０を設けることはせず、タワー７の上端にフランジ状の円板３３を設置することで対応する。ナセル６とタワー７の内部を作業員が行き来できるように、円板３３は中央に開口部を有した略リング形状が望ましい。開口部はナセル６とタワー７に連通する。あるいは、円板３３とタワーが一体化した状態、すなわちタワーの頂または最上部の直径が広がっている形態、さらにはラッパ状に広がっているような形態でも、上記の効果は期待できる。即ち、タワー７と別部材となる板状部材を設けることも、タワー７と一体にタワー７の頂または最上部の直径が広がっている部位を設けることもいずれも可能である。異なる言い方をすれば、タワー７の頂には、外径が、頂よりも下に位置するタワー外径よりも大きい大径部が備えられ、ナセル６の下端が、大径部の径方向外側を覆う様に配置されていれば良い。
【００３１】
以上、本発明の実施例について説明してきたが、上記に示した実施例はあくまでも例に過ぎず、発明内容を限定するものではない。確かに、本発明は、自然風がロータを通過する前に、直接タワーに衝突するダウンウィンド方式の風力発電装置で特にその効果が期待できることから、そのような方式の風力発電装置を例に説明してきたが、ロータがナセルの上流にあるアップウインド方式の風力発電装置でも一定の効果は期待できるものであり、本発明の想定の範囲に含まれるものである。
【００３２】
本発明の実施例におけるナセル内部に備える機器として発電機や増速機を挙げているが、ナセルやタワーにおいて腐食する可能性のあるもの（例えば制御機器）を含むものとする。
【００３３】
また、外気導入システムが併設された風力発電装置を例に説明してきたが、当然のことながら、外気導入をしていない風力発電装置においても、ナセル内への意図せぬ外気侵入を避けたいというニーズは存在しており、本発明はそういった風量発電装置に対しても一定の効果を期待できるものである。
【００３４】
本発明によれば、風力発電装置のナセルにおいて、意図しない隙間部からの、空気質を管理していない外部空気の流入を防止して、腐食の可能性を低減した高信頼の風力発電装置を実現することが可能となる。
【符号の説明】
【００３５】
１            ブレード
２            ロータ
３            主軸
４            増速機
５            発電機
６            ナセル
７            タワー
８            電力変換器
９            変圧器
１０            基礎
１２            海面
１３            ラジエータ
１４            吸気口
１５ａ            排気口（ナセル下面）
１５ｂ            排気口（ナセル側面）
１８            外気導入システム
１８ａ            外気導入口
１８ｂ            塩害フィルタ
１８ｃ            ファン
３０            カバー
３１            カバーの下流側端部
３２            カバーの下側端部
３３            タワー上部の円板
３４            円板とナセルの隙間
【図１】
0006368559.tif 000002
【図２】
0006368559.tif 000003
【図３】
0006368559.tif 000004
【図４】
0006368559.tif 000005
【図５】
0006368559.tif 000006