(57)【要約】【課題】風力発電装置の内部機器の冷却に使用されるラジエータクーラの冷却効率の低下を抑制する。【解決手段】風力発電装置１が、タワー３と、少なくとも一の端においてタワー３の内部に連通する配管８とを具備している。配管８は、地中又は水中を通過するように設けられており、配管８の内部を通過する空気との熱交換を行う。配管８によって熱交換された空気が配管８からタワー３の内部に導入される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワーと、
少なくとも一の端において前記タワーの内部に連通する配管
とを具備し、
前記配管は、地中又は水中を通過するように設けられて前記配管の内部を通過する空気との熱交換を行い、
熱交換された空気が前記配管から前記タワーの内部に導入される
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、
前記配管は、当該風力発電装置の外から空気を取り入れるように配設されており、
前記配管は、取り入れられた空気に対して熱交換を行い、熱交換された前記空気を前記タワーの内部に導入する
風力発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記タワーは、その内部を第１空間と第２空間とを仕切る隔壁を備えており、
前記配管は、前記第１空間から空気を取り入れるように配設されており、
前記配管は、取り入れられた空気に対して熱交換を行い、熱交換された前記空気を前記第２空間に導入する
風力発電装置。
【請求項４】
請求項２に記載の風力発電装置であって、
前記配管の前記タワーの外に位置する端に、異物の前記配管への侵入を防ぐ異物侵入防止構造が設けられた
風力発電装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の風力発電装置であって、
前記配管の外面及び内面の少なくとも一方には、地中又は水中の位置にフィンが取り付けられている
風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に関し、特に、風力発電装置の内部の空気の温度調節に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置が運用される環境の外気温の範囲は、例えば、−３０〜＋４０℃と幅広い。その一方で、内部機器（例えば、主軸受、増速機、発電機、トランス、インバータ等）の温度は、このような範囲の外気温の変化に対しても適切な温度に保たれる必要がある。
【０００３】
内部機器の温度調節のために、ナセル又はタワーの内部にラジエータクーラが設けられることがある。例えば、翼ピッチシステム、増速機、主軸受を含むオイル配管系のオイルの温度調節システムにラジエータクーラが設けられ、更に、インバータの冷却配管系の冷却水の温度調節システムにラジエータクーラが設けられる。一方、タワー及び／又はナセルには吸気口が設けられ、外気がタワー及び／又はナセルに取り込まれる。ラジエータクーラは、タワー及び／又はナセルに取り入れられた空気とオイル又は冷却水と熱交換を行い、オイル又は冷却水を冷却する。
【０００４】
風力発電装置の内部機器の温度調節における一つの問題は、外気温度が高い時期（例えば、夏）には、ラジエータクーラによって冷却されるべきオイル及び冷却水と、ラジエータクーラに供給される空気の温度差が小さくなり、ラジエータクーラの冷却効率が低下することである。ラジエータクーラの冷却効率の低下は、内部機器の不適切な温度上昇を招き得る。したがって、ラジエータクーラの冷却効率の低下を抑制する技術の提供が望まれる。
【０００５】
なお、本願に関連し得る技術として、米国特許出願公開２００９／０２１２５７５  Ａ１は、機器を冷却する液体冷媒を流通させる液体流路が、ナセルからタワー及び基礎を通じて再びナセルに戻る構造を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開２００９／０２１２５７５  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、風力発電装置の内部機器の冷却に使用されるラジエータクーラの冷却効率の低下を抑制する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一の観点では、風力発電装置が、タワーと、少なくとも一の端において前記タワーの内部に連通する配管とを具備している。配管は、地中又は水中を通過するように設けられて配管の内部を通過する空気との熱交換を行う。配管によって熱交換された空気が配管からタワーの内部に導入される。
【０００９】
一実施形態では、前記配管は、当該風力発電装置の外から空気を取り入れるように配設されている。配管は、取り入れられた空気に対して熱交換を行い、熱交換された前記空気を前記タワーの内部に導入する。この場合、前記配管の前記タワーの外に位置する端に、雨水の前記配管への侵入を防ぐ雨水侵入防止構造が設けられてもよい。
【００１０】
他の実施形態では、タワーは、その内部を第１空間と第２空間とを仕切る隔壁を備えている。配管は、前記第１空間から空気を取り入れるように配設されている。配管は、取り入れられた空気に対して熱交換を行い、熱交換された前記空気を前記第２空間に導入する。
【００１１】
熱交換の効率を向上させるためには、配管の外面及び内面の少なくとも一方に、地中又は水中の位置にフィンが取り付けられることが好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、風力発電装置の内部機器の冷却に使用されるラジエータクーラの冷却効率の低下を抑制する技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態の風力発電装置の構成を示す概念図である。
【図２】地表面の温度と地中温度の季節変化を示すグラフ及び表である。
【図３】外気と配管からタワーに導入される空気との温度差を示すグラフである。
【図４】配管による冷却効率を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態の風力発電装置の構成を示す概念図である。
【図６】本発明の第３の実施形態の風力発電装置の構成を示す概念図である。
【図７】第３の実施形態における配管とフィンとの接合形態を示す断面図である。
【図８】第３の実施形態における配管とフィンとの接合形態を示す断面図である。
【図９】第３の実施形態における配管とフィンとの接合形態を示す断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態の風力発電装置の構成を示す概念図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態の風力発電装置の構成を示す概念図である。
【図１２】第５の実施形態における異物侵入防止構造の構造を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の実施形態：
図１は、本発明の第１の実施形態の風力発電装置１の構成を示す概念図である。風力発電装置１は、大地２に立設されたタワー３と、タワー３の上に搭載されたナセル４とを備えている。タワー３は、ナセル４を旋回可能に支持している。ナセル４は、ハブ６と風車翼７とを備える風車ロータ５を回転可能に支持している。タワー３及びナセル４の内部には、様々な内部機器２０（例えば、主軸受、増速機、発電機、トランス、インバータ）が設けられている。図１では、ナセル４の内部に内部機器２０が設けられているように図示されているが、内部機器２０は、タワー３にも設けられ得る。
【００１５】
内部機器２０の温度調節を行うために、本実施形態の風力発電装置１は、配管８及びラジエータクーラ９を備えている。配管８は、地中を通過するように設けられており、本実施形態では、配管８の一端がタワー３の外に、他端がタワー３の内部に位置している。配管８は、風力発電装置１の外部の空気（外気）を取り入れ、取り入れた空気に対して地中の土と熱交換を行い、熱交換された空気をタワー３の内部に導入する。タワー３の内部に導入された空気は、タワー３を通過してナセル４に導入される。ナセル４に導入された空気の少なくとも一部は、ラジエータクーラ９を通過してナセル４から排出される。ラジエータクーラ９は、内部機器２０から温度が上昇したオイル及び冷却水を受け取り、該オイル及び冷却水とラジエータクーラ９を通過する空気との間で熱交換を行って該オイル及び冷却水を冷却する。図１では、ラジエータクーラ９がナセル４の内部に設けられているが、ラジエータクーラ９は、タワー３の内部に設けられてもよい。
【００１６】
地中を通過するように設けられた配管８を通じて外気をタワー３の内部に取り入れるように構成された本実施形態の風力発電装置１は、地中温度が外気温度と比較して安定していることを利用して、外気温度が高い時期におけるラジエータクーラ９の冷却効率の低下を抑制する。図２は、日本気象協会の資料に記載された銚子気象台の観測データの引用であり、地表面、地下１ｍ、地下２ｍ、地下３ｍ、地下５ｍにおける温度の季節変化を示している。図２から理解されるように、地下１〜５ｍにおいては、（外気温度の影響が最も強い）地表面と比較して温度変化が少なく、外気温度が高い場合には、地中温度が外気温度と比較して低い。したがって、地中を通過するように設けられた配管８によって外気を取り込んで地中で熱交換を行うことで、外気温度が高い時期に、外気温度よりも低い温度の空気をタワー３の内部に導入することができる。これは、外気温度が高い時期におけるラジエータクーラ９の冷却効率の低下を抑制するために有効である。
【００１７】
ここで、外気温度が低い場合には、地中温度が外気温度よりも高いことに留意されたい。これは、外気温度が低い場合に、タワー３及びナセル４の内部に設けられた内部機器２０の温度を外気温度よりも上げることができることを意味している。外気温度が低い場合、内部機器２０の温度が低下する。内部機器２０の温度が低すぎる場合には、ヒータによって温度を上昇させる必要性が生じ得る。外気温度が低い場合には、本実施形態の配管８を通じて外気をタワー３の内部に取り入れる構成は、内部機器２０の温度を上昇させる補助にもなる。
【００１８】
発明者らは、外気温度が高い場合にタワー３に導入される空気が冷却される冷却効果をシミュレーションによって確認している。
【００１９】
図３は、外気温度が４０℃である場合における、配管８からタワー３に導入される空気と外気との温度差をシミュレーションによって計算した例を示すグラフである。図４に示されているように、配管８を介して外気を取り入れることで、外気よりも低い温度の空気をタワー３の内部に導入することができる。これは、ラジエータクーラ９の冷却効率の低下を抑制できることを意味している。配管長が長い程、低い温度の空気をタワー３の内部に導入することができ、ラジエータクーラ９の冷却効率の低下の抑制の効果が大きくなる。
【００２０】
図４は、外気温度が４０℃である場合における、配管８を通過する空気が地中において冷却される冷却効果を示すグラフである。図３のグラフにおいて、横軸は地中における配管８の長さ（配管長）を示しており、また、配管８を通過する空気の風量がパラメータとしてとられている。概ね、配管８を通過する空気は、地中における配管８の長さが１ｍである場合に２５ｋＷ〜１６０ｋＷの熱効率で、１０ｍである場合で４５ｋＷ〜２４０ｋＷの熱効率で冷却される。このように、本実施形態の風力発電装置１では、外気気温が高い場合に冷却された空気が配管８からタワー３に導入されるため、ラジエータクーラ９の冷却効率の低下を抑制することができる。
【００２１】
以上に説明されているように、本実施形態の風力発電装置１は、地中を通過するように設けられた配管８を通じて外気をタワー３の内部に取り入れることで外気温度が高い時期におけるラジエータクーラ９の冷却効率の低下を抑制することができる。これは、内部温度の最適な温度制御に寄与する。加えて、本実施形態の風力発電装置１は、外気温度が低い時期においては内部機器２０の温度を上げることができる。このように、本実施形態の風力発電装置１は、内部機器２０の温度を最適に制御することができる。
【００２２】
第２の実施形態：
図５は、本発明の第２の実施形態の風力発電装置１の構成を示す概念図である。第２の実施形態の風力発電装置１は、海水又は淡水（例えば、湖水、河川の水）に浮かべられる浮体１０にタワー３が立設された構成を有している。このような構成は、例えば、洋上風力発電装置に適用される。ここで、第２の実施形態では、配管８が水中を通過するように設けられている。
【００２３】
一般に、海水、湖水の水中の温度も外気温度よりも安定している。よって、水中を通過するように設けられた配管８を介して外気を取り入れることで、外気温度が高い時期におけるラジエータクーラ９の冷却効率の低下を抑制すると共に、外気温度が低い時期においては内部機器２０の温度を上げることができる。
【００２４】
なお、本実施形態においては、浮体１０にタワー３が立設されているが、タワー３が直接、海底、湖底に立設されていてもよい。この場合でも、水中を通過するように配管８を設けることで、外気温度が高い時期におけるラジエータクーラ９の冷却効率の低下を抑制すると共に、外気温度が低い時期においては内部機器２０の温度を上げることができる。
【００２５】
第３の実施形態：
図６は、本発明の第３の実施形態の風力発電装置１の構成を示す概念図である。第３の実施形態の風力発電装置１では、配管８の地中の位置にフィン１１が取り付けられている。
【００２６】
図７は、配管８とフィン１１との接合を示す断面図である。図７の構造では、配管８の外面にフィン１１が取り付けられている。フィン１１は、その主面（フィン１１が有する面のうち広い面積の面）が配管８の延伸方向と垂直であるように取り付けられている。フィン１１は、配管８を通過する空気と地中の土との間の熱交換の効率を向上させる。これは、外気温度が高い時期におけるラジエータクーラ９の冷却効率の低下を一層に抑制するために有効である。
【００２７】
図８、図９に図示されているように、配管８の内面及び外面の両方にフィンを取り付けてもよい。図８、図９では、配管８の内面に取り付けられたフィンが符号１２で、外面に取り付けられたフィンが符号１３で示されている。図８、図９の構造では、フィン１２、１３は、その主面が配管８の延伸方向と平行であるように取り付けられている。
【００２８】
なお、配管８にフィン（１１、１２、１３）を設ける構造は、第２の実施形態の風力発電装置１のように、配管８が水中を通過するように設けられている構成においても有効である。
【００２９】
第４の実施形態：
図１０は、本発明の第４の実施形態の風力発電装置１の構成を示す概念図である。第４の実施形態では、風力発電装置１の内部で空気を循環するクローズドループが形成されている。
【００３０】
詳細には、本実施形態では、タワー３の内部を第１空間３ａ及び第２空間３ｂに区画する隔壁１４が設けられる。配管８の一端は第１空間３ａに通じており、他端は第２空間３ｂに通じている。配管８は、第１空間３ａから空気を取り入れ、取り入れられた空気に対して熱交換を行い、熱交換された空気を第２空間３ｂに導入する。第２空間３ｂに導入された空気はラジエータクーラ９を通過し、オイル及び冷却水を冷却するために使用される。ラジエータクーラ９を通過した空気は、第１空間３ａに戻される。更に、第１空間３ａに戻された空気は、配管８を通過することで冷却され、再度、ラジエータクーラ９による冷却に使用される。
【００３１】
このような構成によっても、地中を通過するように設けられた配管８によって空気を効率的に冷却し、外気温度が高い時期におけるラジエータクーラ９の冷却効率の低下を抑制することができる。
【００３２】
加えて、本実施形態の風力発電装置１は、外気を取り込まないため、外気に含まれる粉塵や海塩粒子の影響を抑制することができる。
【００３３】
第５の実施形態：
図１１は、本発明の第５の実施形態の風力発電装置１の構成を示す概念図である。第５の実施形態では、配管８の外気を取り入れる端に、異物の配管８への侵入を防ぐ異物侵入防止構造１５が設けられる。
【００３４】
図１２は、異物侵入防止構造１５の例を示す概念図である。図１２の例では、異物侵入防止構造１５は、フード１６とフィルタ１７とを備えている。配管８は、タワー３の外部に位置する端の近傍において、上方に延伸している。フード１６は、配管８の端の上方に、配管８の端から少し離れて配管８の端を覆うように設けられている。外気は、フード１６と配管８の隙間を通じて配管８に取り入れられる。フード１６は、雨水が配管８に侵入することを有効に防ぐ。フィルタ１７は、配管８の途中に設けられており、取り入れられた外気に含まれている粉塵（特に、海塩粉塵）を除去する。フィルタ１７に加えて、又は、フィルタ１７に代えて、ガラリを用いてもよい。
【００３５】
なお、以上には、本発明の実施形態が具体的に記載されているが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、様々な変更と共に実施され得ることは、当業者には自明的であろう。また、上記には複数の実施形態が提示されているが、上記の実施形態は、矛盾が無い限り、組み合わせて実施可能であることにも留意されたい。
【符号の説明】
【００３６】
１：風力発電装置
２：大地
３：タワー
３ａ：第１空間
３ｂ：第２空間
４：ナセル
５：風車ロータ
６：ハブ
７：風車翼
８：配管
９：ラジエータクーラ
１０：浮体
１１、１２、１３：フィン
１４：隔壁
１５：異物侵入防止構造
１６：フード
１７：フィルタ
２０：内部機器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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