JP5492832B2 - 変圧器及び風力発電システム - Google Patents

Description

本発明は風力発電用変圧器または風力発電システムに関するものであり、それらの冷却に関するものである。

風力発電システムでは、一般に発電電力を電力系統に送るに際して、変圧器で昇圧する。

ここで、本分野における技術として、例えば特許文献１に記載されたものがある。該特許文献１では、タワーの内部に変圧器全体を収容する風力発電設備が記載されており、変圧器およびタワーの壁面が、閉回路となっている冷却回路に含まれる構成となっている。

また、変圧器一般に関する技術として、例えば特許文献２に記載されたものがある。特許文献２の変圧器は、ビルのフロアーに設置され、電気設備を収納する電気室の内部に、変圧器本体を収納し、変圧器本体に連結される自冷式放熱器をフロアーの屋外に設置するビル用変圧器である。

特許文献３には、タンク内の変圧器構造物を冷却する液状冷媒がタンク外部の冷却器で冷却水により冷却されると共に、該冷却水がクーリングタワーで再冷却される様子が記載されている。

特許第３７１５２３８号公報 特開昭６３−２１３３３０号公報 特開平２−２０６１０４号公報

特許文献１では、変圧器本体から熱を奪った油等の絶縁性の冷却媒体自体を冷却する空気が、タワーの壁面を含む閉回路となっている冷却回路を循環する様にしている。しかし、この場合、（タワー内部を循環する）空気を媒体として、油等の冷却媒体を冷やしており、より熱容量や熱伝導率が大きい油等の冷却媒体を冷却する能力には限界がある。

また、特許文献２では、ビルの電気室の内部に変圧器本体を収納するとともに、変圧器の放熱器を屋外に設置するようにしたので、変圧器本体からの熱はほとんど放熱器を介して屋外の大気に直接放出されるようになり、変圧器本体を収納している電気室の温度はそれほど上昇することはない。しかし、特許文献１同様、変圧器本体から熱を奪った油等の冷却媒体を冷やすのに、空気を使っており、より熱容量や熱伝導率が大きい油等の冷却媒体を冷却する能力には限界がある。

特許文献３では、変圧器本体から熱を奪って温度上昇した冷却媒体を冷却特性に優れる水によって冷やしているので、高い冷却性能が得られる。しかし、水槽に溜められた所定量の水を循環して再利用しているため、冷却水を循環する配管系統には、冷却媒体から熱を奪って温度上昇した水の温度を下げるクーリングタワー等が設けてあり、変圧器の冷却システムの機器等が増加して複雑になるとともに、費用が高くなる。

そこで、本発明では、容易に冷却性能を向上させることができる変圧器及び該変圧器を備える風力発電システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る変圧器は、鉄心と該鉄心に装着された巻線をタンクに収容し、該タンク内に絶縁性の冷媒を収納している変圧器本体が風力発電システムを構成するタワー内に配置される変圧器であって、前記風力発電用変圧器は、前記風力発電システムの周囲に存在する水を前記冷媒冷却用の二次冷媒として用いることを特徴とする。

本発明によれば、容易に冷却性能を向上させることができる変圧器及び該変圧器を備える風力発電システムを提供することが可能となる。

実施例１における洋上風力発電システム全体の縦断側面図。 図１の洋上風力発電システムの下部縦断側面図。 実施例３における洋上風力発電システムの下部縦断側面図。 実施例４における洋上風力発電システムの下部縦断側面図。 実施例５における洋上風力発電システムの下部縦断側面図。

以下、上記した本発明を実施するうえで好適な実施の形態について図面を用いて説明する。下記はあくまでも実施例に過ぎず、発明内容が係る特定の態様に限定して解釈されることを意図する趣旨ではない。

以下、実施例１について図１及び図２を用いて説明する。

本実施例における風力発電システム１は、洋上のベース２の上に建設されるタワー（支柱）３と、タワー３の頂部に配置されて、タワー３を支持軸としてタワーの軸に垂直な面内に回転可能に支持されるナセル４と、ナセル４の先端に取り付けられて、風を受けて回転するロータブレード５と、ロータブレード５と接続される発電機６とから概略構成され、さらに本実施例における変圧器７は、大別すると変圧器本体８と水冷式熱交換器９から成り立っており、共に風力発電システム１のタワー３内に収容されている。

風力発電用の変圧器７について詳述すると、変圧器本体８と、水冷式熱交換器９と、変圧器本体８及び水冷式熱交換器９との間を連通させて冷却媒体１６の両者間の移動を可能にする上部配管１０及び下部配管１１と、水冷式熱交換器９から水を排出する流路となる上部水配管１２と、水冷式熱交換器９に水を供給する流路となる下部水配管１３と、さらに下部水配管１３に設けられて水冷式熱交換器９に水を供給する水ポンプ１４とから構成されており、上部水配管１２と下部水配管１３は海水を循環に用いることができる様、海中まで延びている。

上記変圧器本体８は、更に変圧器タンク１５内に鉱油等の絶縁性の冷却媒体１６を収納することで構成され、該変圧器タンク１５は鉄心と当該鉄心に装着された励磁用の巻線が収容される密閉容器となっている。

水冷式熱交換器９内は、互いに混ざり合わない様、固体壁を挟んで（変圧器本体８から熱を奪うことで）高温となった冷却媒体１６とそれを冷やす低温の海水１７とが隣り合って流れる構造であり、高温の冷却媒体１６から二次冷媒である低温の海水１７へ熱が移動することによって冷却媒体１６の温度が低下し、海水１７の温度が上昇する。この水冷式熱交換器９には、円筒形の胴体（シェル）の中に多数の管（チューブ）を平行に支えて収め、管の内側と外側に別々の流体を通すようにしたシェル・アンド・チューブ熱交換器や多数のプレートを並べて流路を形成し、プレートの両側に高温流体と低温流体を交互に流すようにしたプレート式熱交換器が用いられる。

本実施例のように水冷式熱交換器９の冷却水に海水１７を使う場合、塩分濃度が非常に高いことや不純物・様々な生物が多いことから、材料の腐食による強度の低下や伝熱面の汚れによる伝熱性能の悪化を防ぐ必要がある。材料の腐食に対しては、材質をステンレス鋼にすることによって耐食性の向上を図ることが可能である。また、伝熱面の汚れは、主に海棲生物が付着して増殖することが原因であり、海水を電気分解して得られた塩素や酸素発生器や放電器等を利用して製造したオゾンを水冷式熱交換器９に海水１７を供給する下部水配管１３において中を流れる海水１７に注入したり、下部水配管１３とは別の水配管を通じて冷却器や熱交換器等で８℃程度の低温に管理した海水を下部水配管１３から水冷式熱交換器９を経て上部水配管１２に定期的に通水することで海棲生物の付着を抑制する。海棲生物の付着防止を重視する場合は、上記の耐食性を犠牲にして材質を銅や黄銅にすることも可能である。

本実施例によれば、変圧器タンク１５内の冷却媒体１６は、鉄心や巻線で発生した熱を奪い、温度上昇することで体積が大きくなり、密度が小さくなる。密度が小さく、相対的に軽くなった高温の冷却媒体１６は上昇し、上方に配置された上部配管１０を通って水冷式熱交換器９の上部に流入する。熱交換器９に流入した冷却媒体１６は、熱交換器９内の固体壁で隔てられた流路を流れる低温の海水１７と熱交換する。低温の海水１７に熱を奪われた冷却媒体１６は温度が下がり、体積が小さくなることで密度が大きくなり、相対的に重くなって熱交換器９内を下降する。下降した後は、下方に設けられた下部配管１１から再度変圧器タンク１５に戻り、変圧器タンク１５の冷却に寄与する。即ち、温度の上下に伴って自然対流が生じ、冷却媒体１６が循環する。

海水１７は、水ポンプ１４によって海から下部水配管１３を経て水冷式熱交換器９に流入させられ、高温の冷却媒体１６から熱を奪って温度上昇した後、上部水配管１２を通って海へ排出される二次冷媒として働く。

このため、変圧器本体８で発生した熱はほとんど水冷式熱交換器９を流れる冷却媒体１６から海水１７に伝わり、海へ放出される。よって、変圧器本体８や熱交換器９を収容している洋上風力発電システム１のタワー３内の空気温度はそれほど上昇することはなく、従って、タワー３の換気空調設備を大幅に縮小、若しくはそもそも無くすことが可能である。

また、変圧器本体８から熱を奪った油等の冷却媒体１６を冷やすに際し、冷却特性が低い空気で冷却する放熱器を用いずに、冷却特性が高い海水１７で冷却する熱交換器９を使用している。冷却特性が高い海水１７で冷却する熱交換器９を使用することで、熱容量が同じ体積でも大きくなることから、放熱器を使用する場合と比較して水冷式熱交換器９の小型化が可能になる。洋上風力発電システム１に用いる場合、タワー３は設置面積を小さくすることが要求されるため、タワー３に収容するに際して、小型化が実現された変圧器７は好適なものとなる。

さらに、海の水量は膨大であり、冷却媒体１６から熱を奪って温度上昇した海水１７が海に排出されたとしても、海全体の海水温度は変化しないことから、常に水冷式熱交換器９に低温の海水１７をポンプ１４で供給することができる様になる。よって、例えば水の温度を下げるためにクーリングタワー等を設ける必要がなく、容易な構成により冷却性能を向上させることが可能となる。

次に、水冷式熱交換器９を用いずに、さらに簡単な構成で、変圧器本体８から熱を奪って温度上昇した冷却媒体１６を海水１７で冷却する第２の実施例について説明する。

実施例１の説明に用いた図２において、上部配管１０，下部配管１１および水冷式熱交換器９を用いない代わりに、変圧器タンク１５の上部の内壁に沿って螺旋状の蛇管を上下方向に配置し、蛇管の両端（入口及び出口）を上部水配管１２と下部水配管１３に接続する。そして、下部水配管１３の途中には水ポンプ１４を設置する。他の部分については、実施例１と同様であり、重複説明を省略する。

本実施例によれば、変圧器タンク１５内の冷却媒体１６は、鉄心や巻線で発生した熱を奪い、温度上昇することで相対的に体積が大きくなり、密度が小さくなる。密度が小さく、軽くなった高温の冷却媒体１６は、蛇管が設置された変圧器タンク１５の上部へ上昇する。蛇管の内部には、水ポンプ１４によって下部水配管１３から供給された低温の海水１７が流れているため、蛇管を介して低温の海水１７と高温の冷却媒体１６が熱交換することで、変圧器タンク１５の上部へ上昇した高温の冷却媒体１６は冷却され、温度が低下し、相対的に体積が小さくなる。これにより、密度が大きくなり、変圧器タンク１５の内壁に沿って下降する自然対流が生じる。この様にして、変圧器タンク１５内において冷却媒体１６の循環流が形成される。

二次冷媒である海水１７は、水ポンプ１４によって下部水配管１３から変圧器タンク１５上部の蛇管に流入させられた後、蛇管周囲の高温の冷却媒体１６から熱を奪って温度上昇し、上部水配管１２を通って海へ排出される。

本実施例によれば、実施例１と比較して水冷式熱交換器９，上部配管１０，下部配管１１をなくしたことにより、一層小型化が実現されるとともに全体的な構成が簡単なものとなる。これにより、費用が削減できる上に、実施例１と同様に風力発電システム１のタワー３内の空気温度がさほど上昇せずにすむ。従って、タワー３の換気空調設備を大幅に縮小、若しくは無くすこともやはり可能である。また、洋上風力発電システム１に用いる場合、タワー３は設置面積を小さくすることが要求されるため、タワー３に収容するに際して、実施例１以上に小型化を実現された変圧器７は一層好適なものとなることは言うまでもない。

本実施例では、蛇管を変圧器タンク１５の上部に設置したが、変圧器タンク１５の上下全体にわたって配置しても良いことは言うまでもない。但し、本実施例で詳述した様に上部に集中的に配置した場合には、温度が上がった冷媒と集中的に熱交換できるので、蛇管の単位表面積当たりの冷却効果は高くなる。

本実施例について図３を用いて説明する。尚、上記と重複する箇所についてはその説明を省略する。

本実施例において、実施例１と異なる構成は、タワー３をベース２よりも下へ延長してタワー３の下部が水面下に入るようにし、該部分に変圧器７（変圧器本体８及び熱交換器９）が設置されている点、及び水冷式熱交換器９に海水１７を給，排水する水ポンプがない点である。

本実施例によれば、冷却媒体１６は実施例１と同様の挙動をする。一方、水冷式熱交換器９，上部水配管１２、および下部水配管１３に関しては、各々がすべて海面より下に位置することになる。即ち、水ポンプを用いずとも、下部水配管１３から熱交換器９へ海水１７が流入する。流入した海水１７は高温の冷却媒体１６から熱を奪って温度上昇することで、体積が大きくなり、相対的に密度が小さくなる。密度が小さく、相対的に軽くなった海水１７は熱交換器９内を上方へ向かって流れ、上部水配管１２を通って海へ排出される。つまり、水ポンプがなくても、自然対流に従って海水１７が熱交換器９内を流れることが可能になる。

本実施例によれば、実施例１と比較して水ポンプが必要なくなり、水ポンプがない分の小型化が実現されるとともに、構成自体も簡素化され、費用が削減できる。更に、洋上風力発電システム１のタワー３の下部が海中にあるため、タワー壁面が空気より冷却特性の良い海水で冷却され、実施例１の場合よりタワー３内の空気温度が低下することになる。この結果、タワー３の換気空調設備を大幅に縮小、若しくは無くすことにもつながり、相乗的な効果が期待されることになる。

また、水ポンプが故障して水冷式熱交換器９が作動しなくなる恐れも回避でき、装置全体の高い信頼性につながる。

また、変圧器タンク１５の上部の内壁に沿って螺旋状の蛇管を配置し、蛇管の両端を上部水配管１２と下部水配管１３に接続する実施例２についても、本実施例３と同様にすることが可能である。即ち、タワー３をベース２より下へ延長してタワー３の下部が海中に入り、その部分に変圧器７を設置することで、実施例２で説明した効果に加えて、更に上記で説明した実施例３と同様の効果が得られることは勿論である。

本実施例について図４を用いて説明する。上記と重複する箇所についてはその説明を省略する。

本実施例において、実施例３と異なる構成は、変圧器本体８のタンク１５と上部配管１０および下部配管１１で接続された水冷式放熱器１８がタワー３の外に配置されている点と水冷式放熱器１８には海水を循環させる上部水配管１２と下部水配管１３を設けていない点である。

そして、当該水冷式放熱器１８は内部を冷却媒体１６が流れる複数の放熱パネル（図示せず）で構成されている。放熱パネルは上下配管１０，１１と垂直に設けられており、配管１０，１１の軸方向に多数並んでいる。

本実施例によれば、変圧器タンク１５内の冷却媒体１６は、鉄心や巻線で発生した熱を奪い、温度上昇して体積が相対的に大きくなるに伴い、密度が小さくなる。密度が小さく、相対的に軽くなった冷却媒体１６は、上部配管１０を通ってタワー３の外に設置された水冷式放熱器１８の上部に流入する。放熱器１８に流入した冷却媒体１６は、放熱パネルを介して放熱器１８外部の海水１７の自然対流によって冷却され、海水１７に放熱する。
海水１７に熱を奪われた冷却媒体１６は温度が下がり、密度が大きくなって放熱器１８を下降し、下部配管１１から変圧器タンク１５に戻る流れとなる。

このため、変圧器本体８で発生した熱はほとんど水冷式放熱器１８を流れる冷却媒体１６から海水１７に直接放出されるようになり、変圧器本体８を収容している洋上風力発電システム１のタワー３内の空気温度は実施例３と同程度になり、従って、タワー３の換気空調設備を大幅に縮小、ないしは無くすことができる。また、実施例３と比較して、さらに上部水配管と下部水配管が必要なくなり、その分だけ部品が減少する。よって、構成が簡単になり、全体的な費用を削減できる。水ポンプがないため、水ポンプが故障して水冷式放熱器１８が働かなくなる恐れがなくなり、信頼性が高まることは実施例３と同様である。

実施例５について図５を用いて説明する。尚、上記と重複する点についての再度の説明は省略する。

本実施例に係る変圧器は、風力発電システム１のタワー３の内部に変圧器本体８を収容し、そのタワー３の外壁の一部を二重構造にして上下に通じる流路１９を形成する。そして、この流路１９と変圧器本体８のタンク１５を上部配管１０および下部配管１１で接続する。二重構造となって流路１９を形成する部分の外側は海水で覆われている。

上記構成によれば、変圧器タンク１５内の冷却媒体１６は、鉄心や巻線で発生した熱を奪い、温度上昇して体積が相対的に大きくなり、密度が小さくなる。密度が小さく、軽くなった冷却媒体１６は上昇し、上部配管１０を通ってタワー３の外壁に形作られた二重構造の流路１９の上部に流入する。二重構造の流路１９の外側にはタワー３を取り囲む形で低温の海水が充満しており、冷却媒体１６はタワー３の外壁を介して海水と熱交換する。
海水に放熱した冷却媒体１６は温度が下がり、体積が小さくなることで、密度が大きくなり、二重構造の流路１９を下降し、下部配管１１から変圧器タンク１５に戻る流れを形成する。

このため、変圧器本体８で発生した熱はほとんど二重構造の流路１９を流れる冷却媒体１６からタワー３の外壁を通して海水に直接放出されるようになり、変圧器本体８を収容している洋上風力発電システム１のタワー３内の空気温度はそれほど上昇することはない。従って、タワー３の換気空調設備を大幅に縮小、若しくは無くすことが可能となる。

さらに、風力発電システム１のタワー３の外壁は、冷却特性に優れた海水に接しているので、高い冷却性能を得ることができる。この結果、変圧器本体８で発生する熱を海水へ放出する水冷式放熱器をなくすことができ、その分だけ機器が減って構成が簡単になり、費用が削減できる。

また、水ポンプがないため、水ポンプが故障して高温の冷却媒体１６から低温の海水へ放熱ができなくなる恐れがなくなり、信頼性が高まる。この点は実施例３及び４と同様である。

本実施例では、二重構造の流路１９の外側は全体が海水に覆われている場合について説明したが、少なくとも一部が海水に覆われていれば一定の効果が得られるのは言うまでもない。

尚、以上の各実施例では、洋上風力発電システムのタワー内に設置される変圧器を例に挙げて説明したが、風力発電システムは海水を利用できる海岸沿いの陸上風力発電システムでも良く、他にも湖や沼、河川等のように風力発電システムの周囲が自然に大容量の水を蓄積している環境であれば、水上、または陸上を問わず、実現のために適宜変形することで同様に設置が可能である。

また、上記実施例１ないし実施例３では水ポンプを用いた場合と省略した場合について説明したが、省略可能とした場合であっても水ポンプを組み合わせて用いることで一層の流れを促進させることができる。係る例では構造の簡素化を優先させるか、一層の冷却効率を優先するかは、設置者が選択することができる。この選択をできる点において既に価値がある。

上述の如く、本発明による変圧器は、変圧器本体からの熱の大半は海水等、周囲の環境に直接放出されるので、従来タワー内に設けられる必要があった換気空調設備を大幅に縮小、若しくは無くすことが可能である。また、海水等の大容量の水源であれば、温度は変化せず、水の温度を下げるためのクーリングタワー等を設ける必要がなく、構成が簡単になるとともに費用の削減が可能であり、本発明の利用可能性は高い。

１ 風力発電システム
２ ベース
３ タワー（支柱）
４ ナセル
５ ロータブレード
６ 発電機
７ 変圧器
８ 変圧器本体
９ 水冷式熱交換器
１０ 上部配管
１１ 下部配管
１２ 上部水配管
１３ 下部水配管
１４ 水ポンプ
１５ 変圧器タンク
１６ 冷却媒体
１７ 海水
１８ 水冷式放熱器
１９ 流路

Claims (4)

1. 鉄心と該鉄心に装着された巻線をタンクに収容し、該タンク内に絶縁性の冷媒を収納している変圧器本体が風力発電システムを構成するタワー内に配置される変圧器であって、
   前記風力発電用変圧器は、前記風力発電システムの周囲に存在する水を前記冷媒冷却用の二次冷媒として用い、前記冷媒と前記二次冷媒が熱交換する熱交換器と、該変圧器本体の上方及び下方に設けられて前記熱交換器と連通する管を備えており、前記冷媒は該管内を通過することで前記変圧器本体内と前記熱交換器内を移動可能である変圧器であって、前記二次冷媒は前記熱交換器の下方から流入し、前記熱交換器の上方から排出されることを特徴とする変圧器。
2. 請求項１に記載の変圧器であって、前記熱交換器は前記タワー内に配置されていることを特徴とする変圧器。
3. 請求項２に記載の変圧器であって、更に前記二次冷媒を前記熱交換器に流入させるポンプを備えていることを特徴とする変圧器。
4. 請求項２または３に記載の変圧器であって、前記タワーは一部が水面下に位置しており、前記変圧器本体及び前記熱交換器は、該タワー内の水面下の部位に収納されることを特徴とする変圧器。