KR101368774B1 - 타워 내부에 냉각부가 설치된 해상용 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

타워 내부에 냉각부가 설치된 해상용 풍력 발전기가 개시된다. 내부의 발열 장비를 냉각시키는 냉각 장치를 포함하는 해상용 풍력 발전기에서, 상기 냉각 장치는, 냉각로를 따라 냉각 유체를 순환시키는 순환 펌프, 상기 발열 장비에 설치되어 상기 발열 장비의 열을 상기 냉각 유체로 전달하는 내부 열교환기 및 상기 냉각 유체의 열을 외부로 전달하는 외부 열교환기를 포함하되, 상기 외부 열교환기는 해수면 아래에 위치하는 타워 베이스에 설치될 수 있다.

Description

타워 내부에 냉각부가 설치된 해상용 풍력 발전기{Offshore wind power generator having a cooling part within tower}

본 발명은 타워 내부에 냉각부가 설치된 해상용 풍력 발전기에 관한 것이다.

풍력 발전은 무공해 에너지원으로 현재의 대체에너지 중 유지보수비용이 가장 저렴하여 경제성이 매우 높다. 또한, 풍력 발전기는 구조나 설치가 간단하고 운영 및 관리가 용이하며 무인화 및 자동화 운전이 가능하다.

풍력 발전기를 설치하기 위한 장소로는 풍속이 빠르고 시간과 계절에 따라 그 방향이 일정한 곳이 바람직하므로, 육상보다는 미관이나 장소의 제약이 없고 풍속이 상대적으로 빠른 해상에 대규모의 풍력발전단지가 건설되고 있는 추세이다.

도 1은 기존 해상용 풍력 발전기를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 해상용 풍력 발전기에서 풍력 발전을 수행함에 있어서 열을 발생시키는 장비(예를 들어, 컨버터, 인버터, 필터 등)를 냉각시키기 위한 냉각 장치의 열교환기(2)가 도시되어 있다.

열교환기(2)는 타워(1) 외부에 설치되어 있기 때문에, 이를 설치하기 위한 별도의 공간이 필요하다. 그리고 외부에 설치되는 경우 염수에 강하게 설계되어야 하므로 제조 단가가 높은 단점이 있다.

또한, 열교환기(2)가 공냉식으로 동작하게 되는 바, 외부의 공기 온도에 따라 냉각 성능의 변화가 심한 단점도 있다.

한국공개특허공보 제10-2009-0005082호에는 타워를 냉각용 열 싱크로 사용하여 풍력 타워 내에 하우징된 전자 장비에서 발생된 열을 전도시키는 방법이 개시되어 있지만, 타워 위로 부는 바람을 이용하여 타워를 냉각시키고 있어 전술한 것과 같이 외부의 공기 온도에 따라 냉각 성능의 변화가 심한 단점을 그대로 가지고 있다.

한국공개특허공보 제10-2009-0005082호

본 발명은 냉각 장치가 타워 내부에 설치되어 외부에 별도의 구조물을 설치하지 않아도 되고 염수에 대한 직접적인 영향을 받지 않아 신뢰성이 높아지며 제조 원가가 낮아지는 타워 내부에 냉각부가 설치된 해상용 풍력 발전기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 타워 베이스 부분에 위치하여 온도 변화가 적은 해수를 이용하여 안정적인 냉각 효과를 얻을 수 있고 제품 수명이 증가하는 타워 내부에 냉각부가 설치된 해상용 풍력 발전기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 날개 구조를 이용하여 방열 면적을 넓게 하여 냉각 효과를 극대화할 수 있고 타워의 기계적인 측면에서도 강도를 보강해 줄 수 있는 타워 내부에 냉각부가 설치된 해상용 풍력 발전기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 내부의 발열 장비를 냉각시키는 냉각 장치를 포함하는 해상용 풍력 발전기에 있어서, 상기 냉각 장치는, 냉각로를 따라 냉각 유체를 순환시키는 순환 펌프; 상기 발열 장비에 설치되어 상기 발열 장비의 열을 상기 냉각 유체로 전달하는 내부 열교환기; 및 상기 냉각 유체의 열을 외부로 전달하는 외부 열교환기를 포함하되, 상기 외부 열교환기는 해수면 아래에 위치하는 타워 베이스에 설치된 해상용 풍력 발전기가 제공된다.

상기 타워 베이스에는 내부가 빈 하나 이상의 베이스 날개가 타워 몸체의 외부로 방사형으로 돌출되어 있을 수 있다.

상기 외부 열교환기에는 하나 이상의 냉각 날개가 방사형으로 돌출되어 있되, 상기 냉각 날개가 상기 베이스 날개의 내부 공간에 삽입될 수 있다.

상기 냉각 날개의 외표면과 상기 베이스 날개의 내표면이 서로 접촉할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 냉각 장치가 타워 내부에 설치되어 외부에 별도의 구조물을 설치하지 않아도 되고 염수에 대한 직접적인 영향을 받지 않아 신뢰성이 높아지며 제조 원가가 낮아지는 효과가 있다.

또한, 타워 베이스 부분에 위치하여 온도 변화가 적은 해수를 이용하여 안정적인 냉각 효과를 얻을 수 있고 제품 수명이 증가하는 효과가 있다.

또한, 날개 구조를 이용하여 방열 면적을 넓게 하여 냉각 효과를 극대화할 수 있고 타워의 기계적인 측면에서도 강도를 보강해 줄 수 있다.

도 1은 기존 해상용 풍력 발전기를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 풍력 발전기에서 냉각부가 설치되는 위치를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타워 내부에 냉각부가 설치된 해상용 풍력 발전기의 단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 타워 내부에 냉각부가 설치된 해상용 풍력 발전기의 사시도,
도 5는 해상용 풍력 발전기의 타워 베이스 부분의 단면도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 풍력 발전기에서 냉각부가 설치되는 위치를 나타낸 도면이다.

해상용 풍력 발전기는 그 설치방법이 도 2의 (a)~(c)에 도시된 것과 같이 다양할 수 있다. 타워(1a)가 해저면(10)에 직접 설치되거나(도 2의 (a) 참조), 타워(1b)를 지지하기 위한 지지대(20)가 마련되어 있을 수 있다(도 2의 (b) 참조). 또는 해상용 풍력 발전기를 부유식으로 설계하고, 깊은 수심의 해저에 대해 타워(1c)의 하측에 다수의 부유지지선(30)을 연결하는 구조를 가질 수도 있다(도 2의 (c) 참조).

어떠한 구조이던지 간에 해상용 풍력 발전기는 타워(1a~1c)의 베이스 부분이 해수면 아래에 놓이게 되며, 본 발명의 실시예에 따른 냉각부는 해수면 아래에 놓인 타워(1a~1c)의 베이스 부분에 설치됨으로써 해수를 이용하는 수냉식 냉각을 수행하게 된다.

온도 변화가 심한 공냉식 방식에 비해 온도 변화가 적은 해수를 이용하게 됨으로써 안정적인 냉각 효과를 얻을 수 있고, 제품 수명이 증가하게 되는 효과가 있다.

이하에서는 타워의 베이스 부분에 설치되는 냉각부의 상세 구조에 대하여 관련 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타워 내부에 냉각부가 설치된 해상용 풍력 발전기의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 타워 내부에 냉각부가 설치된 해상용 풍력 발전기의 사시도이며, 도 5는 해상용 풍력 발전기의 타워 베이스 부분의 단면도이다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 해상용 풍력 발전기(100), 타워 몸체(110), 순환 펌프(210), 내부 열교환기(220), 외부 열교환기(230), 냉각로(240), 타워 베이스(120), 베이스 날개(122), 냉각 날개(232)가 도시되어 있다.

본 실시예에 따른 해상용 풍력 발전기는, 타워 내부에 냉각부, 특히 외부 열교환기가 설치되어 있어 염수에 대한 직접적인 영향을 받지 않으며, 외부에 별도의 구조물 설치가 불필요한 것을 특징으로 한다.

본 실시예에 따른 해상용 풍력 발전기(100)는, 순환 펌프(210), 내부 열교환기(220), 외부 열교환기(230)를 포함하는 냉각 장치를 포함한다.

순환 펌프(210)는 냉각로(240)를 따라 냉각 유체를 순환시켜 내부 열교환기(210) 및 외부 열교환기(220)를 지나도록 한다. 냉각 유체는 예를 들어 냉각수 혹은 냉각공기일 수 있다.

내부 열교환기(210)는 해상용 풍력 발전기(100)의 각 구성요소 중에서 그 작동에 의해 열을 발생시키는 장비, 즉 발열 장비에 설치된다. 발열 장비로는 예를 들어 발전기에서 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고 다시 특정 주파수의 교류 전력으로 변환하는 컨버터 모듈, 컨버터 모듈에 포함되는 인버터 모듈, 필터 모듈 등일 수 있다.

내부 열교환기(210)는 냉각로(240)와 접하거나 냉각로(240)에 연결되어 있어, 발열 장비에서 발생한 열이 냉각로(240)를 따라 순환되어 온 냉각 유체로 전달되도록 하여 발열 장비의 열을 빼앗음으로써 발열 장비를 냉각시키게 된다.

외부 열교환기(230)는 타워 몸체(110) 중 타워 베이스(120)에 설치되며, 내부 열교환기(210)를 거침에 따라 가열된 냉각 유체의 열이 외부로 전달되도록 한다.

타워 베이스(120) 및 외부 열교환기(230)의 형상 및 구조가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 도 5는 도 4의 AA'선에 따른 단면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 타워 베이스(120)에는 내부가 빈 하나 이상의 베이스 날개(122)가 타워 몸체(110)의 외부로 방사형으로 돌출되어 있다.

외부 열교환기(230)에는 하나 이상의 냉각 날개(232)가 방사형으로 돌출되어 있다. 냉각 날개(232)는 베이스 날개(122)의 내부 공간에 삽입되어, 베이스 날개(122)의 내표면과 냉각 날개(232)의 외표면이 서로 접촉하게 된다.

외부 열교환기(230)에서 냉각 유체에서 빼앗은 열은 냉각 날개(232) 및 베이스 날개(122)를 통해 타워 베이스(120) 외부에 있는 해수로 전달됨으로써, 냉각 유체를 냉각시킬 수 있게 된다. 이 과정에서 냉각 날개(122) 및 베이스 날개(232)의 방열 면적이 넓어 냉각 효과가 극대화된다.

또한, 타워 베이스(120)에서 외부로 방사형으로 돌출된 베이스 날개(122)에 의해 타워가 기계적 측면에서 그 강도가 보강되는 효과도 있다.

도면에서는 베이스 날개(232)가 해수면 측에서부터 해저면 측으로 동일한 폭을 가지는 직사각형 평판 형상인 것으로 도시되어 있지만, 이는 일 실시예에 불과하며, 실시예에 따라 해수면 측에서부터 해저면 측으로 내려오면서 그 폭이 넓어지는 형상을 가질 수도 있음은 물론이다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 해상용 풍력 발전기 110: 타워 몸체
120: 타워 베이스 210: 순환 펌프
220: 내부 열교환기 230: 외부 열교환기
240: 냉각로 122: 베이스 날개
232: 냉각 날개

Claims (4)

1. 내부의 발열 장비를 냉각시키는 냉각 장치를 포함하는 해상용 풍력 발전기에 있어서,
   상기 냉각 장치는,
   냉각로를 따라 냉각 유체를 순환시키는 순환 펌프;
   상기 발열 장비에 설치되어 상기 발열 장비의 열을 상기 냉각 유체로 전달하는 내부 열교환기; 및
   상기 냉각 유체의 열을 외부로 전달하는 외부 열교환기를 포함하되,
   상기 외부 열교환기는 해수면 아래에 위치하는 타워 베이스에 설치되며,
   상기 타워 베이스에는 내부가 빈 하나 이상의 베이스 날개가 타워 몸체의 외부로 방사형으로 돌출되어 있고,
   상기 외부 열교환기에는 하나 이상의 냉각 날개가 방사형으로 돌출되어 있되,
   상기 냉각 날개가 상기 베이스 날개의 내부 공간에 삽입되는 해상용 풍력 발전기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 냉각 날개의 외표면과 상기 베이스 날개의 내표면이 서로 접촉하는 해상용 풍력 발전기.

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