专利名称：变压器以及风力发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电用变压器或者风力发电系统，并且涉及它们的冷却。
背景技术：
在风力发电系统中，一般地在将发电电力送至电力系统时，通过变压器升压。在此，作为本领域中的技术，例如专利文献I所述。在该专利文献I中，记载了一种在塔(tower)的内部收容变压器整体的风力发电设备，变压器以及塔的壁面被包含于为闭合回路的冷却回路中。 此外，作为关于变压器的一般的技术，例如专利文献2所述。专利文献2的变压器是高楼用变压器，其设置于高楼的楼板(floor)中，并在收纳电气设备的电气室的内部收纳变压器主体，并将与变压器主体连结的自冷式散热器设置于楼板的屋外。在专利文献3中记载一种技术，对箱内的变压器构造物进行冷却的液状制冷剂在箱外部的冷却器中被冷却水冷却，并且该冷却水在冷却塔中被再冷却。(现有技术文献)(专利文献)专利文献I :日本专利第3715238号公报专利文献2 :日本特开昭63-213330号公报专利文献3 :日本特开平2-206104号公报在专利文献I中，对从变压器主体获得热量的油等绝缘性的冷却介质自身进行冷却的空气，在作为包括塔的壁面在内的闭合回路的冷却回路中循环。但是，在此情况下，以(在塔内部循环的)空气为介质，对油等冷却介质进行冷却，在对热容量或热传导率更大的油等冷却介质进行冷却的能力上存在界限。此外，在专利文献2中，由于在高楼的电气室的内部收纳变压器主体，并且在屋外设置变压器的散热器，所以来自变压器主体的热量大部分经散热器被直接排放到屋外的大气中，从而收纳变压器主体的电气室的温度不怎么上升。但是，与专利文献I相同，为了冷却从变压器主体获得热量的油等冷却介质，使用空气，在对热容量或热传导率更大的油等冷却介质进行冷却的能力上存在界限。在专利文献3中，由于通过冷却特性好的水来冷却从变压器主体获得热量而温度上升的冷却介质，所以可以得到高的冷却性能。但是，由于使在水槽中积存的规定量的水循环而再利用，所以在循环冷却水的配管系统中，设置有将从冷却介质获得热量而温度上升的水的温度降低的冷却塔等，从而变压器的冷却系统的仪器等增加且变得复杂，并且费用变高。
发明内容
因此，在本发明中，其目的在于提供一种可以容易提高冷却性能的变压器以及具有该变压器的风力发电系统。
为了解决上述的课题，本发明的变压器，在箱中收容铁心和安装于该铁心的绕组，在该箱内收纳有绝缘性的制冷剂的变压器主体被配置于构成风力发电系统的塔内，其特征在于，所述风力发电系统用变压器将存在于所述风力发电系统的周围的水作为所述制冷剂冷却用的二次制冷剂来使用。(发明效果)根据本发明，可以提供一种能容易提高冷却性能的变压器以及具有该变压器的风力发电系统。
图I是实施例I中的海上风力发电系统整体的纵剖侧视图；图2是图I的海上风力发电系统的下部纵剖侧视图；
图3是实施例3中的海上风力发电系统的下部纵剖侧视图；图4是实施例4中的海上风力发电系统的下部纵剖侧视图；图5是实施例5中的海上风力发电系统的下部纵剖侧视图。图中I-风力发电系统；2-基地；3-塔(支柱);4-机舱；5-转子叶片；6-发电机；7-变压器；8-变压器主体；9-水冷式热交换器；10-上部配管；11-下部配管；12-上部水配管；13-下部水配管；14-水泵；15-变压器箱；16-冷却介质；17-海水；18-水冷式散热器；19-流路。
具体实施例方式以下，使用
在实施上述的本发明中适宜的实施方式。下述只不过是实施例，而不是意在解释限定于发明内容的特定的方式。(实施例I)
以下，使用图I以及图2说明实施例I。本实施例中的风力发电系统I大体由以下部分构成塔(支柱)3，其建设在海上的基地2上；机舱(nacelle)4，其配置于塔3的顶部，并被支承为以塔3为支承轴而可以在垂直于塔的轴的面内旋转；转子叶片(rotor blade) 5，其安装于机舱4的前端，承受风并且旋转；以及发电机6，其与转子叶片5连接，进而，本实施例中的变压器7大致由变压器主体8和水冷式热交换器9组成，并且一起被收容于风力发电系统I的塔3内。详述风力发电用的变压器7，其由以下部分构成变压器主体8 ;水冷式热交换器
9;上部配管10以及下部配管11，其使变压器主体8以及水冷式热交换器9之间连通而可以使冷却介质16在两者间移动；上部水配管12，其作为从水冷式热交换器9排出水的流路；下部水配管13，其作为对水冷式热交换器9供应水的流路；以及水泵14，其设置于下部水配管13并且对水冷式热交换器9供应水，其中上部水配管12和下部水配管13延伸至海中，以能够循环使用海水。 上述变压器主体8进而在变压器箱15内收纳矿物油等绝缘性的冷却介质16，该变压器箱15成为收容铁心和安装于该铁心的励磁用的绕组的密闭容器。水冷式热交换器9内是以互相不混合的方式，夹着固体壁(通过从变压器主体8获得热量)而达到高温的冷却介质16和冷却它的低温的海水17相邻流动的构造，通过热量从高温的冷却介质16移动到二次制冷剂即低温的海水17，从而冷却介质16的温度下降，海水17的温度上升。该水冷式热交换器9采用板式热交换器，S卩，在圆筒形的机身(shell)中平行地支承并收容多个管(tube)，将使不同流体在管的内侧和外侧通过那样的管壳式(shell and tube)热交换器或多个板并列来形成流路,从而在板的两侧交替流通高温流体和低温流体。在如本实施例那样水冷式热交换器9的冷却水使用海水17的情况下，由于盐分浓度非常高或者杂质·各种各样的生物多，所以需要防止材料的腐蚀所引起的强度的下降或传热面的污溃所引起的传热性能的恶化。对于材料的腐蚀，通过用不锈钢作为材质而可以实现耐蚀性的提高。此外，传热面的污溃主要是海栖生物附着并增殖而形成的，将电分解海水而得到的氯或利用氧产生器、放电器等制造的臭氧注入在对水冷式热交换器9供应海水17的下部水配管13中流通的海水17，或者，通过与下部水配管13不同的水配管将由冷却器或热交换器等管理到8 °C左右的低温的海水从下部水配管13经水冷式热交换器9定期地向上部水配管12通水，由此抑制海栖生物的附着。在重视海栖生物的附着防止的情况下，牺牲上述的耐蚀性，可以采用铜或黄铜作为材质。根据本实施例，变压器箱15内的冷却介质16获得铁心或绕组产生的热量，因温度上升而体积变大，密度变小。密度小且相对变轻的高温的冷却介质16上升，通过配置于上方的上部配管10流入水冷式热交换器9的上部。流入热交换器9的冷却介质16与在热交换器9内的由固体壁隔开的流路中流通的低温的海水17进行热交换。被低温的海水17获得热量的冷却介质16的温度下降，体积变小，由此密度变大，相对变重而在热交换器9内下降。下降后，从设置于下方的下部配管11再次返回变压器箱15，有助于变压器箱15的冷却。即，伴随于温度的上下而产生自然对流，冷却介质16循环。海水17作为二次制冷剂起作用，即其通过水泵14从海中经下部水配管13流入水冷式热交换器9，在从高温的冷却介质16获得热量而温度上升后，通过上部水配管12向大海排出。因此，由变压器主体8产生的热量大部分从流通于水冷式热交换器9中的冷却介质16传递给海水17，并被排放到大海。由此，收容变压器主体8或热交换器9的海上风力发电系统I的塔3内的空气温度不怎么上升，因此，可以将塔3的换气空调设备大幅度地缩小或者原本可以去除。此外，当对从变压器主体8获得热量的油等冷却介质16进行冷却时，不使用通过冷却特性低的空气来冷却的散热器，而使用通过冷却特性高的海水17来冷却的热交换器
9。通过使用由冷却特性高的海水17来冷却的热交换器9，由于即使在相同体积下热容量也变大，所以与使用散热器的情况相比水冷式热交换器9的小型化变得可行。在用于海上风力发电系统I的情况下，由于要求塔3的设置面积小，所以在塔3中收容时，实现小型化的变压器7比较合适。进而,海的水量膨大，即使从冷却介质16获得热量从而温度上升的海水17被排出到大海，由于海整体的海水温度不变化，所以始终可以通过泵14向水冷式热交换器9供应·低温的海水17。由此，例如，不需要为了降低水的温度而设置冷却塔等，从而可以利用容易的结构使冷却性能提高。(实施例2)其次，说明第二实施例，在该实施例中不使用水冷式热交换器9，通过进一步简单的构成，由海水17对从变压器主体8获得热量而温度上升的冷却介质16进行冷却。在用于实施例I的说明的图2中，不使用上部配管10、下部配管11以及水冷式热交换器9，取而代之，沿变压器箱15的上部的内壁在上下方向配置螺旋状的蛇管，将蛇管的两端(入口以及出口)与上部水配管12和下部水配管13连接。并且，在下部水配管13的中途设置水泵14。关于其他的部分，与实施例I相同，省略重复说明。根据本实施例，变压器箱15内的冷却介质16获得由铁心或绕组产生的热量，温度上升，从而相对地体积变大，密度变小。密度小且变轻的高温的冷却介质16上升至设置有蛇管的变压器箱15的上部。由于通过水泵14从下部水配管13被供应的低温的海水17流通于蛇管的内部，所以低温的海水17和高温的冷却介质16经蛇管进行热交换，由此，向变压器箱15的上部上升的高温的冷却介质16被冷却，温度下降，相对地体积变小。由此，密度变大，产生沿变压器箱15的内壁下降的自然对流。像这样，在变压器箱15内形成冷却介质16的循环流。二次介质即海水17在通过水泵14从下部水配管13流入变压器箱15上部的蛇管后，从蛇管周围的高温的冷却介质16获得热量而温度上升，通过上部水配管12向大海排出。根据本实施例，与实施例I相比，去掉了水冷式热交换器9、上部配管10、下部配管11，由此，实现更加小型化并且整体的构成变得简单。由此，可以削减费用，且与实施例I同样，风力发电系统I的塔3内的空气温度不怎么上升。因此，也可以将塔3的换气空调设备大幅度地缩小或者去除。此外，在用于海上风力发电系统I的情况下，由于要求塔3的设置面积小，所以在塔3中收容时，实现了比实施例I更小型化的变压器7变得更加合适。在本实施例中，虽然在变压器箱15的上部设置了蛇管，但是当然也可以遍及变压器箱15的上下整体配置。但是，在如本实施例详述那样在上部集中地配置的情况下，由于可以集中地与温度上升的制冷剂进行热交换，所以蛇管的每单位表面积的冷却效果变高。(实施例3)使用图3说明本实施例。并且，关于与上述重复的部分省略其说明。在本实施例中，与实施例I不同的构成为如下两点第一，将塔3延长至基地2的下方从而使得塔3的下部进入水面下，在该部分设置变压器7 (变压器主体8以及热交换器9);第二，不存在将海水17向水冷式热交换器9送水、排水的水泵。根据本实施例，冷却介质16进行与实施例I相同的动作。另一方面,关于水冷式热交换器9、上部水配管12以及下部水配管13，分别全部位于海面下。即，不使用水泵，海水17也从下部水配管13流入热交换器9。流入的海水17通过从高温的冷却介质16获得热量而温度上升，由此，体积变大，相对地密度变小。密度小、相对变轻的海水17在热交换器9内向上方流动，通过上部水配管12向大海排出。即，即使没有水泵，海水17也可以随·着自然对流而在热交换器9内流通。根据本实施例，与实施例I相比不需要水泵，实现了没有水泵的相应的小型化，并且构成本身也被简化，可以削减费用。进而，由于海上风力发电系统I的塔3的下部存在于海中，所以塔壁面被冷却特性比空气更好的海水冷却，与实施例I的情况相比塔3内的空气温度下降。其结果导致将塔3的换气空调设备大幅度地缩小或去除，期待着协同的效果。此外，也可以避免水泵故障从而水冷式热交换器9不工作的担心，导致装置整体的高可靠性。此外，实施例2沿变压器箱15的上部的内壁配置螺旋状的蛇管，将蛇管的两端与上部水配管12和下部水配管13连接，对于所述实施例2，可以与本实施例3同样。S卩，将塔3延长至基地2的下方从而塔3的下部进入海中，在该部分设置变压器7，从而除了实施例2说明的效果以外，当然也可以进一步得到与上述说明的实施例3相同的效果。(实施例4)使用图4说明本实施例。关于与上述重复的部分省略其说明。在本实施例中，与实施例3不同的构成为以下两点第一，通过上部配管10以及下部配管11与变压器主体8的箱15连接的水冷式散热器18被配置于塔3的外部；第二，在水冷式散热器18不设置令海水循环的上部水配管12和下部水配管13。并且，该水冷式散热器18由内部流通冷却介质16的多个散热面板(未图示)构成。散热面板与上下配管10、11垂直地设置，并且多个散热面板排列在配管10、11的轴向上。根据本实施例，变压器箱15内的冷却介质16获得由铁心或绕组产生的热量，从而温度上升并且体积相对地变大，伴随于此，密度变小。密度小、相对变轻的冷却介质16通过上部配管10流入设置于塔3的外部的水冷式散热器18的上部。流入散热器18的冷却介质16经散热面板通过散热器18外部的海水17的自然对流被冷却，向海水17散热。被海水获得热量的冷却介质16的温度下降，密度变大而在散热器18中下降，从下部配管11返回流到变压器箱15。因此，由变压器主体8产生的热量大部分从流通于水冷式散热器18的冷却介质16被直接排放到海水17，收容变压器主体8的海上风力发电系统I的塔3内的空气温度与实施例3相同程度，因此，可以将塔3的换气空调设备大幅度地缩小或者去除。此外，与实施例3相比，更加不需要上部水配管和下部水配管，相应地零件减少。由此，构成变简单，可以削减整体的费用。由于没有水泵，所以不存在水泵故障而水冷式散热器18不工作的担心，可靠性高，这与实施例3相同。(实施例5)使用图5说明实施例5。并且，省略与上述重复的点的再次说明。本实施例的变压器在风力发电系统I的塔3的内部收容变压器主体8，令该塔3的外壁的一部分为双层构造并且形成上下相通的流路19。并且，通过上部配管10以及下部配管11连接该流路19和变压器主体8的箱15。成为双层构造并且形成流路19的部分的外侧被海水覆盖。根据上述构成，变压器箱15内的冷却介质16获得由铁心或绕组产生的热量，温度上升并且体积相对地变大，密度变小。密度小并且变轻的冷却介质16上升，通过上部配管 10流入在塔3的外壁形成的双层构造的流路19的上部。在双层构造的流路19的外侧以包围塔3的形式而充满了低温的海水，冷却介质16经塔3的外壁与海水进行热交换。向海水散热的冷却介质16的温度下降，体积变小，由此，密度变大，在双层构造的流路19中下降，形成从下部配管11返回变压器箱15的流通。因此，由变压器主体8产生的热量大部分从流通于双层构造的流路19的冷却介质16通过塔3的外壁被直接排放到海水中，收容变压器主体8的海上风力发电系统I的塔3内的空气温度不怎么上升。因此，可以将塔3的换气空调设备大幅度地缩小或者去除。进而，风力发电系统I的塔3的外壁由于与冷却特性好的海水接触，所以可以得到高的冷却性能。其结果是，可以去掉将由变压器主体8产生的热量排放到海水的水冷式散热器，相应地仪器减少并且构成变得简单，从而可以削减费用。此外，由于没有水泵，所以不存在水泵故障而不能从高温的冷却介质16向低温的海水散热的担心，可靠性高。这一点与实施例3以及4相同。在本实施例中，说明了双层构造的流路19的外侧整体被海水覆盖的情况，但是不言而喻，只要至少一部分被海水覆盖，就可以得到一定的效果。并且，在以上的各实施例中，以设置于海上风力发电系统的塔内的变压器为例进行了说明，但是，风力发电系统也可以是能够利用海水的沿海岸的陆上风力发电系统，除此之外，只要是如湖、沼、河川等那样风力发电系统的周围自然地蓄积有大容量的水的环境，不管水上或者陆上，为了实现可以通过适当变形来进行同样地设置。此外，在上述实施例I至实施例3中说明了使用水泵的情况和省略水泵的情况，但是即使在可以省略的情况下也可以通过组合使用水泵而促进进一步的流通。在所述例中，设置者可以选择以构造的简化为优先还是以进一步的冷却效率为优先。在可以选择这一点上已经存在价值。(工业上的利用可能性)如上述那样，本发明的变压器，由于来自变压器主体的热量的大部分被直接排放到海水等周围的环境中，所以可以将现有需要设置于塔内的换气空调设备大幅度地缩小或者去除。此外，只要是海水等大容量的水源，温度就不变化，不需要设置用于降低水的温度的冷却塔等，从而结构变得简单并且可以削减费用，本发明的利用可能性高。
权利要求
1.一种变压器，其在箱内收容铁心和安装于该铁心的绕组，在该箱内收纳有绝缘性的制冷剂的变压器主体被配置于构成风力发电系统的塔内，其特征在于， 所述风力发电用变压器使用存在于所述风力发电系统的周围的水作为所述制冷剂冷却用的二次制冷剂。
2.如权利要求I所述的变压器，其特征在于， 所述变压器还具有 热交换器，其进行所述制冷剂和所述二次制冷剂的热交换；以及 管，其设置于该变压器主体的上方以及下方并且与所述热交换器连通， 所述制冷剂通过该管内，由此可以在所述变压器主体内和所述热交换器内移动。
3.如权利要求2所述的变压器，其特征在于， 所述热交换器配置于所述塔内。
4.如权利要求3所述的变压器，其特征在于， 所述热交换器为所述塔的壁面的一部分，构成该热交换器的所述塔壁面的一部分中的至少一部分位于水面下。
5.如权利要求I所述的变压器，其特征在于， 所述二次制冷剂通过在所述变压器主体的内部设置的配管。
6.如权利要求5所述的变压器，其特征在于， 所述配管沿所述变压器主体的内壁被配置成螺旋状。
7.如权利要求5或者6所述的变压器，其特征在于， 所述变压器还具有使所述二次制冷剂流入所述配管的泵。
8.如权利要求2所述的变压器，其特征在于， 所述二次制冷剂从所述热交换器的下方流入，从所述热交换器的上方排出。
9.如权利要求8所述的变压器，其特征在于， 所述热交换器配置于所述塔内。
10.如权利要求9所述的变压器，其特征在于， 所述变压器还具有使所述二次制冷剂流入所述热交换器的泵。
11.如权利要求9或者10所述的变压器，其特征在于， 所述塔的一部分位于水面下， 所述变压器主体以及所述热交换器被收纳于该塔内的水面下的部位。
12.如权利要求2所述的变压器，其特征在于， 所述热交换器配置于水中。
13.—种风力发电系统，其特征在于，其具有 如权利要求I至12中的任意一项所述的变压器，； 所述塔； 机舱，其在所述塔的上方被设置成可在与塔的轴垂直的面内旋转； 发电机，其配置于该机舱内并通过转子的旋转来进行发电运行； 齿轮，其经主轴与该发电机连接；以及 转子叶片，其经所述主轴与该齿轮连接， 其中，所述变压器和所述发电机被电连接。
全文摘要
本发明提供一种可以容易提高冷却性能的变压器以及具有该变压器的风力发电系统。所述变压器在箱内收容铁心和安装于该铁心的绕组，并且在该箱内收纳有绝缘性的制冷剂的变压器主体被配置于构成风力发电系统的塔内，所述风力发电用变压器的特征在于，使用存在于所述风力发电系统的周围的水作为所述制冷剂冷却用的二次制冷剂。
文档编号H01F27/16GK102903484SQ201210244180
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月13日 优先权日2011年7月25日
发明者林则行, 松尾尚英, 白畑年树, 小野淳治, 大浜秀晴 申请人:株式会社日立产机系统