KR101101728B1 - 풍력 발전 장치 - Google Patents

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다카토시 마츠시타
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

로터 헤드 내부의 온도 관리를 가능하게 한 풍력 발전 장치를 제공한다. 풍차 날개 (5) 를 장착한 로터 헤드 (4) 에 연결된 구동·발전 기구가 나셀 (3) 내에 수납 설치되고, 로터 헤드 (4) 내에 기기류가 설치되어 있는 풍력 발전 장치 (1) 로서, 로터 헤드 (4) 와 나셀 (3) 사이를 연결하는 구동축에 로터리 조인트 (30) 를 개재시키고, 그 로터리 조인트 (30) 를 통하여 나셀 (3) 내로부터 로터 헤드 (4) 내로 로터 헤드 내 온도의 조정용 유체가 공급된다.
풍력 발전 장치

Description

풍력 발전 장치{WIND POWER GENERATOR}
본 발명은, 자연 에너지인 바람을 회전력으로 변환하는 풍차를 사용하여 발전을 실시하는 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
종래, 자연 에너지인 풍력을 이용하여 발전을 실시하는 풍력 발전 장치가 알려져 있다. 이런 종류의 풍력 발전 장치는, 지주 (支柱) 상에 설치된 나셀 (nacelle) 에 풍차 날개를 장착한 로터 헤드와, 이 로터 헤드와 일체로 회전하도록 연결된 주축과, 풍차 날개에 풍력을 받아 회전하는 주축을 연결한 증속기와, 증속기의 축 출력에 의해 구동되는 발전기를 형성한 것이다. 이와 같이 구성된 풍력 발전 장치에 있어서는, 풍력을 회전력으로 변환하는 풍차 날개를 구비한 로터 헤드 및 주축이 회전하여 축 출력을 발생시키고, 주축에 연결된 증속기를 개재하여 회전수를 증속시킨 축 출력이 발전기에 전달된다. 이 때문에, 풍력을 회전력으로 변환하여 얻어지는 축 출력을 발전기의 구동원으로 하고, 발전기의 동력으로서 풍력을 이용한 발전을 실시할 수 있다.
상기 서술한 종래의 풍력 발전 장치에 있어서는, 회전측의 로터 헤드 내에 피치 제어 장치 등의 발열을 수반하는 기기류가 수납 설치되어 있다. 특히, 최근의 풍차 날개 대형화에 수반되어, 예를 들어 풍속의 변동에 따라 날개 피치를 신 속하고 정밀하게 변화시키는 피치 제어 기구가 채용되게 되는 등, 발열량이 큰 기기류의 증가와 함께, 설치 환경의 온도 관리가 필요한 제어 기기류도 증가하는 경향이 있다.
나셀 내부에 있어서도, 예를 들어 증속기나 발전기 등과 같이, 운전시에 발열하는 부품이 수납 설치되어 있다. 이 때문에, 공기 흡기구 및 공기 배기구를 형성하여, 풍차에 의해 운전되는 팬에 의해 나셀 내부를 환기하여 온도 상승을 방지하는 냉각 구조가 채용되었다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).
풍력 발전 장치에 있어서는, 발전기의 외주면과 외기를 구획하는 프레임에 형성된 복수의 핀을 개재하여, 로터를 회전시킨 바람에 대해 발전기로부터 발생한 열을 방출하는 냉각 기구가 제안되어 있다. 이 냉각 기구는, 흡기로, 배기구 및 냉각용 팬이 불필요해진다 (예를 들어, 특허문헌 2 참조).
특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 소58-65977호
특허문헌 2 : 일본 공개특허공보 2002-13467호
상기 서술한 바와 같이, 최근의 풍력 발전 장치에 있어서는, 큰 출력을 얻기 위해 풍차 날개의 대형화가 진행되고 있다. 이 때문에, 예를 들어 풍차 날개의 피치 제어를 실시하는 장치에 필요한 유압 기구 등의 동력도 증대되어 발열량을 늘리므로, 풍차 날개의 대형화에 수반되어 로터 헤드 내의 온도는 상승하는 경향이 있다.
회전체의 로터 헤드 내는, 비회전체인 나셀측과의 사이에 간극이 있기 때문에, 간극으로부터의 빗물 침입이 문제가 된다. 또한, 로터 헤드 내에서 유압 기구의 작동유나 윤활유 등의 액체가 누출되면, 로터 헤드의 회전에 의해 누출된 액체를 풍력 발전 장치의 주위에 흩뿌리는 것도 우려된다. 이 때문에, 로터 헤드에는 밀폐 구조를 채용할 필요가 있으므로, 내부 기기의 발열량 증대에 따른 내부 온도의 상승은 현저해진다.
그러나, 로터 헤드의 내부에는 설치 온도의 조건이 엄격한 제어 기기류도 설치되어 있으므로, 이들을 정상적으로 작동시키기 위해서는, 로터 헤드 내부를 냉각시키는 등 충분한 온도 관리가 필요해진다.
풍력 발전 장치의 설치 환경이 한랭지가 되는 경우에는, 로터 헤드의 내부 온도가 상기 서술한 제어 기기류에 요구되는 저온측 온도 조건을 만족시킬 필요가 있다. 또한, 유압 작동유나 윤활유 등의 액체에 대해서도, 저온에 의한 성상의 변화가 문제가 되므로, 로터 헤드 내부를 가열하는 등 온도 관리가 필요해진다.
이와 같은 배경에서, 풍력 발전 장치의 대형화에 수반되어, 로터 헤드 내부의 냉각이나 가열에 의한 온도 관리를 실시하여, 풍력 발전 장치의 신뢰성이나 내구성을 향상시키는 것이 중요 과제가 된다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 로터 헤드 내부의 온도 관리를 가능하게 한 풍력 발전 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해, 하기의 수단을 채용하였다.
본 발명의 풍력 발전 장치는, 풍차 날개를 장착한 로터 헤드에 연결된 구동·발전 기구가 나셀 내에 수납 설치되고, 상기 로터 헤드 내에 기기류가 설치되어 있는 풍력 발전 장치로서, 상기 로터 헤드와 상기 나셀 사이를 연결하는 구동축계에 로터리 조인트를 개재시키고, 그 로터리 조인트를 통하여 상기 나셀 내로부터 상기 로터 헤드 내로 로터 헤드 내 온도의 조정용 유체가 공급되는 것이다.
이와 같은 풍력 발전 장치에 의하면, 로터 헤드와 나셀 사이를 연결하는 구동축계의 적소 (適所) 에 로터리 조인트를 개재시키고, 그 로터리 조인트를 통하여 비회전측의 나셀 내로부터 회전측의 로터 헤드 내로 로터 헤드 내 온도의 조정용 유체가 공급되므로, 필요에 따라 냉각이나 가열을 실시하여 내부 온도를 관리할 수 있다.
상기 서술한 본 발명에 의하면, 로터 헤드 및 나셀를 연결하는 구동축계의 적소에 로터리 조인트를 개재시키고, 그 로터리 조인트를 통하여 비회전측의 나셀 내로부터 회전측의 로터 헤드 내로 로터 헤드 내 온도의 조정용 유체를 공급 가능하게 했으므로, 필요에 따라 로터 헤드 내부의 냉각이나 가열을 실시하여 내부 온도를 관리하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 로터 헤드 내부에 설치되는 제어 기기류를 소정 온도 범위 내에서 작동시키고, 또한 저온시에 있어서의 유압용의 작동유나 윤활유 등의 성상 변화를 억제할 수 있게 되어, 풍력 발전 장치의 신뢰성이나 내구성의 향상에 현저한 효과를 발휘한다.
도 1 은 본 발명에 관련된 풍력 발전 장치의 일 실시형태를 나타내는 주요부의 단면도이다.
도 2a 는 도 1 에 나타내는 로터리 조인트의 구성예로서 일부를 단면으로 한 평면도이다.
도 2b 는 도 2a 의 A-A 단면도이다.
도 3 은 로터 헤드와 나셀의 접속 구조를 나타내는 도면이다.
도 4 는 제어부에 있어서의 로터리 헤드 내의 냉각·가열 제어예를 나타내는 플로우 차트이다.
도 5 는 풍력 발전 장치의 전체 구성예를 나타내는 도면이다.
부호의 설명
1 풍력 발전 장치 2 지주
3 나셀 4 로터 헤드
5 풍차 날개 7 풍향 풍속계
10 증속기 11 발전기
20 송풍 장치 30 로터리 조인트
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명에 관련된 풍력 발전 장치의 일 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.
풍력 발전 장치 (1) 는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 기초 (6) 상에 세워 형성되는 지주 (2) 와, 지주 (2) 의 상단에 설치되는 나셀 (3) 과, 대략 수평인 축선 둘레로 회전 가능하게 하여 나셀 (3) 에 형성되는 로터 헤드 (4) 를 가지고 있다.
로터 헤드 (4) 에는, 그 회전 축선 둘레로 방사상으로 하여 복수 매의 풍차 날개 (5) 가 장착되어 있다. 이 결과, 로터 헤드 (4) 의 회전 축선 방향으로부터 풍차 날개 (5) 에 닿은 바람의 힘이, 로터 헤드 (4) 를 회전 축선 둘레로 회전시키는 동력으로 변환되도록 되어 있다.
나셀 (3) 의 외주면 적소 (예를 들어, 상부 등) 에는, 주변의 풍속값을 측정하는 풍향 풍속계 (7) 와, 피뢰침 (8) 이 설치되어 있다.
나셀 (3) 의 내부에는, 예를 들어 도 1 에 나타내는 바와 같이, 로터 헤드 (4) 와 동축의 증속기 (10) 를 개재하여 연결된 발전기 (11) 를 구비하여 이루어지는 구동·발전 기구가 수납 설치되어 있다. 즉, 로터 헤드 (4) 의 회전을 증속기 (10) 로 증속시켜 발전기 (11) 를 구동시킴으로써, 발전기 (11) 로부터 발전기 출력 (W) 이 얻어지도록 되어 있다.
상기 서술한 나셀 (3) 에는, 내부를 환기시켜 냉각시키기 위한 흡배기구가 형성되어 있다. 도시된 구성예에서는, 흡입구 (12) 가 나셀 (3) 의 전단부 (前端部) 하방에 개구되어 있고, 나셀 (3) 의 상면에 형성된 배기 덕트 (13) 의 선단에 배기구 (13a) 가 개구되어 있다.
나셀 (3) 의 적소, 예를 들어 배기구 (13a) 의 근방이 되는 배기 덕트 (13) 내에는, 나셀 (3) 내의 환기 및 냉각용으로서 냉각 팬 (14) 이 설치되어 있다. 이 냉각 팬 (14) 을 운전함으로써, 흡기구 (12) 로부터 나셀 (3) 의 내부에 외기가 도입되고, 이 외기는, 나셀 (3) 내의 필요 지점을 지나 내부를 환기 및 냉각시킨 후, 냉각 팬 (14) 을 통과하여 배기구 (13a) 로부터 유출된다.
상기 서술한 나셀 (3) 의 내부에는, 로터 헤드 (4) 내부 온도를 조정하는 송풍 장치 (20) 가 설치되어 있다. 이 송풍 장치 (20) 는, 내부 팬 (21) 의 운전에 의해 나셀 (3) 내의 공기를 송풍시켜, 로터 헤드 (4) 내의 공기 온도를 조정 (냉각 또는 가열) 하는 것이다.
여기서 사용하는 송풍 장치 (20) 는, 나셀 (3) 내의 공기를 송풍 가능한 송풍기로서 내부 팬 (21) 을 단독 설치한 것이어도 되지만, 예를 들어 공조 장치 등에 사용되는 히트 펌프나 히터를 조합하여 형성함으로써, 나셀 (3) 내의 공기 온도를 적극적으로 조정하여 송풍 가능하게 해도 된다. 즉, 히트 펌프를 조합하여 구성한 송풍 장치 (20) 의 경우에는, 도시는 생략되었지만, 냉매를 압축시켜 송출하는 압축기와, 냉매의 순환 방향을 선택 전환하는 사방 밸브와, 냉매의 순환 방향에 따라 응축기 또는 증발기로서 기능하는 1 쌍의 열교환기와, 모세관이나 팽창 밸브 등의 스로틀 기구를 구비한 것이 된다.
이하의 설명에서는, 나셀 (3) 내의 공기를 냉각 또는 가열하여 온도 조정하는 운전 전반에 대해, 냉각 및 가열의 구별이 불필요한 경우를 총칭하여 「온조 (溫調)」라고 하기로 한다.
나셀 (3) 내의 공기 (온조용의 유체) 는, 송풍 장치 (20) 의 내부 팬 (21) 이 구동됨으로써, 온조 배관 (22a), 로터리 조인트 (30) 및 온조 배관 (22b) 을 통하여 로터 헤드 (4) 내부로 보내진다.
이 유체는, 로터 헤드 (4) 와 나셀 (3) 사이를 연결하는 구동축계 중에서, 예를 들어 증속기 (10) 와 발전기 (11) 사이를 연결하는 구동축간에 개재시킨 로터 리 조인트 (30) 를 통하여, 나셀 (3) 내로부터 로터 헤드 (4) 내로 공급된다. 즉, 온조용의 공기를 흐르게 하는 온조 배관 (22a, 22b) 은, 로터 헤드 (4) 와 나셀 (3) 사이를 연결하는 구동축계의 적소에 개재시킨 로터리 조인트 (30) 를 개재하여, 고정측의 나셀 (3) 로부터 회전측의 로터 헤드 (4) 에 연결되어 있다.
상기 서술한 로터리 조인트 (30) 는, 고정측 부재와 회전측 부재 사이를 연결하여 유체의 공급을 가능하게 하는 이음매로서, 예를 들어 도 2a, 도 2b 에 나타내는 바와 같이, 나셀 (3) 측에 고정 지지되는 고정측 본체 (31) 와, 로터 헤드 (4) 측에 연결되는 회전측 본체 (32) 를 구비하고, 고정측 본체 (31) 에 연결된 온조 배관 (22a) 등의 배관 내를 흐르는 유체 등이, 로터리 조인트 (30) 의 내부에서 회전측 본체 (32) 내를 통하는 비회전의 온조 배관 (22b) 등에 공급되어 있다. 도 2b 에 나타내는 로터리 조인트 (30) 는, 로터 헤드 (4) 내에 피치 제어용의 유압 작동유를 공급하는 유압유 공급관 (33) 과, 유압 작동유를 나셀 (3) 측으로 되돌리는 유압유 복귀관 (34) 과, 로터 헤드 (4) 내에 설치된 기기류의 각종 제어용으로서 필요한 전원이나 제어용의 전선·케이블류를 통과하는 전선관 (35) 과, 로터 헤드 (4) 내에 온조 공기를 공급하는 온조 배관 (22b) 이 통과하고 있다.
도 3 은 로터 헤드 (4) 와 나셀 (3) 의 접속 구조를 나타내고 있고, 도면 중의 부호 15 는 로터 헤드 (4) 의 회전을 증속기 (10) 에 전달하는 주축이다.
상기 서술한 구성의 풍력 발전 장치 (1) 에 있어서는, 이하에 설명하는 바와 같이 로터리 헤드 (4) 내의 온조 제어가 행해진다. 또한, 이 온조 제어는, 예를 들어 나셀 (3) 내에 설치된 도시 생략된 나셀 제어 장치에 의해 실시되는 운전 제어의 일부이다.
도 4 에 나타내는 플로우 차트는, 온조 공기의 냉각·가열용으로서 히트 펌프를 구비하고 있는 송풍 장치 (20) 의 온조 제어예를 나타내고 있다. 최초의 단계 S1 에 있어서, 외기 온도의 상승에 의해, 나셀 (3) 내에 설치된 전기제어부품의 분위기 온도가 상승하면, 다음 단계 S2 로 진행된다. 이 경우의 외기 온도 및 분위기 온도는, 도시 생략된 온도 센서에 의해 측정되어 나셀 제어 장치에 입력된다.
단계 S2 에서는, 나셀 (3) 내의 분위기 온도를 측정하는 온도 센서의 측정 온도가 나셀 내 전기제어부품 설정점 이상의 고온인지 여부를 판단한다. 이 결과, 분위기 온도가 설정점 이상의 고온인 '예 (YES)'인 경우에는, 단계 S3 으로 진행되어 송풍 장치 (20) 를 운전하여, 온조 공기로서 나셀 (3) 내의 공기를 압송한다.
이렇게 하여 압송된 공기는, 다음 단계 S4 에 있어서, 필요에 따라 히트 펌프에 의해 냉각된다. 즉, 나셀 (3) 내의 공기 온도가 소정값 이상으로 높은 경우 등, 온조 공기로서 내부 팬 (21) 이 흡인한 나셀 (3) 내의 공기는 히트 펌프의 운전에 의해 냉각된다. 또한, 나셀 (3) 내의 온도가 소정값보다 낮은 경우나 히트 펌프를 구비하고 있지 않은 경우 등, 나셀 (3) 내의 공기를 그대로 로터 헤드 (4) 에 압송해도 되고, 이와 같은 경우에는 단계 S4 가 불필요해진다.
필요에 따라 히트 펌프에 의해 냉각된 온조용의 공기 (냉풍) 는, 다음 단계 S5 에 있어서, 로터리 조인트 (30) 를 개재하여 송풍 장치 (20) 로부터 로터 헤드 (4) 내에 압송된다. 이 결과, 다음 단계 S6 에서는, 저온의 온조 공기의 공급을 받아 로터 헤드 (4) 내의 냉각이 가능해진다.
상기 서술한 제어에 의해, 로터 헤드 (4) 내에 냉풍을 공급함으로써 내부의 온도 상승이 억제 또는 방지되므로, 특히 외기 온도이 높은 경우에는, 로터 헤드 (4) 내부에 설치되어 있는 제어 기기류 등으로 설정된 운전의 상한 온도를 초과하지 않도록 로터 헤드 (4) 내를 냉각시켜 온도 제어하는 것이 가능해진다. 또한, 이 경우의 제어는, 나셀 (3) 내와 로터 헤드 (4) 내가 거의 동일한 온도라고 가정하고 있는데, 나셀 (3) 과 로터 헤드 (4) 내부 온도에 차이가 있는 경우에는, 나셀 (3) 내뿐만 아니라 로터 헤드 (4) 내의 온도도 측정하는 것이 바람직하다.
한편, 단계 S11 에 있어서, 외기 온도이 낮은 저온 하에서 장기 운전 정지로부터의 복귀시, 전기제어부품 온도 저하나 유압 작동유나 윤활유 등의 유지류가 고점도화되는 분위기 온도인 경우에는, 다음 단계 S12 로 진행된다.
단계 S12 에서는, 분위기 온도를 측정하는 온도 센서의 측정 온도가 나셀 내 전기제어부품 설정점 이하의 저온인 경우나, 유압 작동유 등의 유지류 설정점 이하의 저온인 경우가 되면, 다음 단계 S13 으로 진행된다. 이 단계 S13 에서는, 송풍 장치 (20) 의 내부 팬 (21) 을 운전하여 나셀 (3) 내의 공기를 압송한다.
이렇게 하여 압송된 온조용의 공기는, 다음 단계 S14 에 있어서, 필요에 따라 송풍 장치 (20) 내에 설치된 히트 펌프나 히터 등의 가열 수단에 의해 가열을 받는다. 즉, 가열 수단이 히트 펌프인 경우, 송풍 장치 (20) 는, 상기 서술한 단계 S4 의 냉각시와 역방향으로 냉매를 순환시킴으로써, 내부 팬 (21) 에서 나셀 (3) 내로부터 흡인하여 압송한 온조용의 공기를 가열하는 운전을 실시한다.
송풍 장치 (20) 의 가열 수단으로 가열된 온조용의 공기 (온풍) 는, 다음 단계 S5 에서, 로터리 조인트 (30) 를 개재하여 로터 헤드 (4) 내에 압송된다. 이 결과, 다음 단계 S6 에서는, 고온 온조 공기가 로터 헤드 (4) 내에 공급되기 때문에, 로터리 헤드 (4) 내의 가열이 가능해진다.
상기 서술한 제어에 의해, 로터 헤드 (4) 내에 온풍이 공급되어 내부의 공기 온도는 상승하므로, 특히 외기 온도이 낮은 경우와 같이, 로터 헤드 (4) 내부에 설치되어 있는 제어 기기류나 유지류 등으로 설정된 운전의 하한 온도를 초과하는 저온이 되지 않도록 가열하여 온도 제어하는 것이 가능해진다.
이와 같은 온도 제어를 실시함으로써, 로터 헤드 (4) 내의 온도 관리가 가능해지므로, 환기 냉각용의 간극을 최소한으로 한 밀폐에 가까운 구조의 채용이 가능해져, 간극으로부터 빗물이 침입한다는 문제를 해소할 수 있다. 또한, 만일 로터 헤드 (4) 내에 유압 기구의 작동유나 윤활유 등의 액체가 누출된 경우에도, 로터 헤드 (4) 의 회전에 의해 누출된 액체가 풍력 발전 장치 (1) 의 주위에 흩뿌려지는 일도 없다.
이와 같이, 상기 서술한 본 발명에 의하면, 로터 헤드 (4) 및 나셀 (3) 을 연결하는 구동축의 적소에 로터리 조인트 (30) 를 개재시키고, 그 로터리 조인트 (30) 를 통하여 비회전측의 나셀 (3) 내로부터 회전측의 로터 헤드 (4) 내로 로터 헤드 내 온도의 온조 공기를 공급 가능하게 했으므로, 필요에 따라 로터 헤드 (4) 내부의 냉각이나 가열을 실시하여 내부 온도를 관리할 수 있다. 이 때문에, 로 터 헤드 (4) 내부에 설치되는 제어 기기류를 소정 온도 범위 내에서 작동시키고, 또한 저온시에서의 유압용의 작동유나 윤활유 등의 성상 변화를 억제할 수 있게 되므로, 풍력 발전 장치 (1) 의 신뢰성이나 내구성을 향상시킬 수 있다.
또, 송풍 장치 (20) 의 설치 장소를 나셀 (3) 내로 할 수 있기 때문에, 주위 환경이 로터리 헤드 (4) 내보다 양호한 것에 추가로, 설치 장소의 확보가 용이해지는 등 이점은 많다. 특히, 전기 소비량이 큰 히트 펌프의 압축기나 가열용 히터 등을 나셀 (3) 내에 설치함으로써, 슬립링의 용량을 작게 할 수 있다.
그런데, 상기 서술한 실시형태에서는, 송풍 장치 (20) 를 이용하여 로터 헤드 (4) 내로 온조 공기를 공급하는 구성으로 했지만, 이것에 한정되지 않고, 다른 냉각원이나 가열원을 채용해도 된다. 또, 온조에 사용하는 유체는 공기에 한정되지 않고, 다른 기체나 액체를 사용해도 된다.
또한, 본 발명은 상기 서술한 실시형태에 한정되지 않고, 예를 들어 로터리 조인트를 개재시키는 구동계의 위치, 로터리 조인트의 형식이나 구성, 로터리 조인트를 통과하는 유체 등의 종류나 수 등, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 적절히 변경할 수 있다.

Claims (1)

  1. 풍차 날개를 장착한 로터 헤드에 연결된 구동·발전 기구가 나셀 내에 수납 설치되고, 상기 로터 헤드 내에 기기류가 설치되어 있는 풍력 발전 장치로서,
    상기 나셀 내의 유체의 온도를 조정하는 온도 조정 장치와,
    상기 로터 헤드와 상기 나셀과의 사이를 연결하는 구동축의 내부에 설치된 온도 조정용 배관과,
    상기 로터 헤드와 상기 나셀 사이를 연결하는 구동축계에 개재하는 로터리 조인트를 구비하고,
    상기 로터리 조인트 및 상기 온도 조정용 배관을 통하여 상기 나셀 내로부터 상기 로터 헤드 내로 로터 헤드 내 온도의 조정용 유체가 공급되는 풍력 발전 장치.
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