KR101571614B1 - 풍력 발전 설비 - Google Patents

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츠토무 하세가와
기요시 사가모토
겐이치 아제가미
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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은, 해상에 설치된 경우에는 염해의 영향을 받지 않는 것은 물론, 설비가 대형화되어도 타워 내에 설치된 기기 및 발전기의 냉각은 양호하게 행할 수 있어, 발전 효율의 저하의 우려가 없는 풍력 발전 설비를 제공한다. 본 발명의 풍력 발전 설비는, 허브와 블레이드로 이루어지는 로터와, 상기 로터에 상기 허브에 접속된 주축을 통해서 접속되는 발전기와, 상기 발전기를 적어도 수납하고, 상기 주축을 통해서 상기 로터를 축지지하는 너셀과, 상기 너셀을 정상부에 지지하고, 그 정상부와는 반대측이 기초에 고정되어 있는 타워를 구비한 풍력 발전 설비에 있어서, 상기 기초 근방의 상기 타워에 열교환기를 설치하고, 상기 열교환기에 배관을 통해서 냉각 매체를 지나가게 함으로써, 상기 냉각 매체와 상기 타워 내의 공기가 열교환되어, 상기 타워 내의 공기가 냉각되는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력 발전 설비{WIND TURBINE FACILITY}
본 발명은 풍력 발전 설비에 관한 것으로, 특히, 해상에 설치되는 것에 적합한 풍력 발전 설비에 관한 것이다.
자연 에너지의 효과적인 이용이 도모되고 있는 요즘, 풍력 발전 설비는, 특히 채산성이 있는 시도라고 하여, 세계 각국에서 개발이 진행되고 있지만, 현재 건설되고 있는 풍력 발전 설비는, 주로 만안부의 육상에 설치되고 있는 것이 많다.
그런데, 풍력 발전의 원동력인 바람은, 장해물이 있는 육상에 비해 해상 쪽이 일반적으로 풍속이 크고, 풍향도 안정되어 있기 때문에, 대전력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 소음 등의 공해의 원인도 되지 않는 점에서, 육상이 아니라 해상에 풍력 발전 설비를 설치하는 것이 바람직하다.
통상, 풍력 발전 설비는, 블레이드에 의해 회전하는 로터를 지지하는 너셀을 구비하고, 이 너셀에는, 블레이드의 주축의 회전에 의해 회전하는 발전기 등이 내장되어서 타워에 지지되어서 구성되지만, 너셀 내의 발전기로부터는, 상당한 열에너지가 발하여지고, 게다가, 풍력 발전 설비가 해상에 배치되는 경우에는, 해수의 염해의 영향이 없도록 배려할 필요가 있다.
이러한 과제, 즉, 너셀 내에 설치된 발전기를 냉각하면서, 해수의 염해의 영향이 없도록 배려한 것으로서, 특허문헌 1에 기재된 것이 제안되어 있다.
특허문헌 1에는, 해상에 설치된 풍력 발전 설비가 기재되어, 타워 및 너셀 내에 해수를 순환시키는 순환 라인과, 해수를 너셀 내에 공급하는 압축기를 갖고, 해수가 너셀을 순환한 후, 타워 저부 또는 너셀로부터 배출되는 것, 및 순환 라인이 폐쇄계이며, 냉매수가 너셀을 순환한 후, 타워 저부에서 해수와 열교환해서 냉각되는 것이 개시되어, 이에 의해, 발전기에서 발생한 열을, 해수의 염분의 영향이 없도록 풍력 발전 설비 내와 외계를 차단하여, 풍력 발전 설비 내에서 열교환하여 냉각하는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2009-138555호 공보
그러나, 특허문헌 1에서는 해수를 타워 저부로부터 너셀까지 상승 공급시키기 위해서 압축기를 사용하고 있지만, 대형의 풍력 발전 설비에서는, 타워 저부로부터 너셀까지의 높이가 50m를 초과하기 때문에, 압축기의 동력은 커져버린다. 따라서, 손실이 발생하여, 발전기의 냉각을 양호하게 행할 수 없어, 발전 효율이 저하되어버릴 우려가 있다.
본 발명은 전술한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 해상에 설치된 경우에는 염해의 영향을 받지 않는 것은 물론, 설비가 대형화되어도 타워 내에 설치된 기기 및 발전기의 냉각은 양호하게 행할 수 있어, 발전 효율의 저하의 우려가 없는 풍력 발전 설비를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 풍력 발전 설비는, 상기 목적을 달성하기 위해서, 허브와 블레이드로 이루어지는 로터와, 상기 로터에 상기 허브에 접속된 주축을 통해서 접속되는 발전기와, 상기 발전기를 적어도 수납하고, 상기 주축을 통해서 상기 로터를 축지지하는 너셀과, 상기 너셀을 정상부에 지지하고, 그 정상부와는 반대측이 기초에 고정되어 있는 타워를 구비한 풍력 발전 설비에 있어서, 상기 기초 근방의 상기 타워에 열교환기를 설치하고, 상기 열교환기에 배관을 통해서 냉각 매체를 지나가게 함으로써, 상기 냉각 매체와 상기 타워 내의 공기가 열교환되어, 상기 타워 내의 공기가 냉각되거나,
혹은, 상기 풍력 발전 설비는 해상에 설치되어 있음과 함께, 상기 기초 근방의 상기 타워 및 해중에 각각 열교환기를 설치하고, 또한 이 2개의 열교환기 사이에, 양자를 배관을 통해서 냉매가 순환하는 제1 냉매 순환 라인을 구비하고, 해중의 상기 열교환기에서 해수와 열교환해서 냉각된 상기 냉매가 상기 제1 냉매 순환 라인을 지나서 상기 타워 내의 열교환기로 유도되고, 이 타워 내의 열교환기에서 상기 냉매와 타워 내의 공기가 열교환되어, 상기 타워 내의 공기가 냉각되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 해상에 설치된 경우에는 염해의 영향을 받지 않는 것은 물론, 설비가 대형화되어도 타워 내에 설치된 기기 및 발전기의 냉각은 양호하게 행할 수 있어, 발전 효율의 저하의 우려가 없는 풍력 발전 설비를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 풍력 발전 설비의 실시예 1을 도시하는 전체 구성도이다.
도 2는 도 1에서의 타워 저부 부근을 도시하는 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 풍력 발전 설비의 실시예 2를 도시하고, 도 2에 상당하는 타워 저부 부근의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 풍력 발전 설비의 실시예 3을 도시하고, 도 2에 상당하는 타워 저부 부근의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 풍력 발전 설비의 실시예 4를 도시하고, 도 2에 상당하는 타워 저부 부근의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 풍력 발전 설비의 실시예 5를 도시하고, 도 2에 상당하는 타워 저부 부근의 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 풍력 발전 설비의 실시예 6을 도시하고, 도 2에 상당하는 타워 저부 부근의 부분 단면도이다.
이하, 도시하는 실시예에 기초하여 본 발명의 풍력 발전 설비에 대해서 설명한다.
실시예 1
도 1 및 2에, 본 발명의 풍력 발전 설비의 실시예 1을 도시한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시예의 풍력 발전 설비는 허브(3A)와 블레이드(3B)로 이루어지는 로터(3)와, 이 로터(3)에 허브(3A)에 접속된 주축(도시하지 않음)과 증속 기어(도시하지 않음)를 통해서 접속되는 발전기(4)와, 발전기(4)나 다른 전기품을 수납하고, 주축을 통해서 로터(3)를 축지지하는 너셀(5)과, 상기 너셀(5)을 정상부에 지지하고, 그 정상부와는 반대측이 기초(1)에 고정되어 있는 타워(2)로 개략 구성되고, 해상에 설치되어 있는 풍력 발전 설비이다.
그리고, 본 실시예에서는 도 2에 상세 구성을 도시하는 바와 같이, 해저에 고정되어 있는 기초(1)의 해수(8)로부터 돌출되어 있는 부분에 고정된 타워(2) 내의 저부(본 발명에서는, 타워(2)의 높이의 절반 이하를 타워 저부라고 함)에 열교환기(6)를 설치하고, 이 열교환기(6)에는, 해수(8)를 유도하여 타워(2) 내의 공기와 열교환한 후, 해중으로 배출하는 배관(13)이 설치되고, 또한 배관(13)의 타워(2) 내의 도중에는, 해수(8)를 해중으로부터 빨아올리는 펌프(9)가 설치되고, 열교환기(6)를 지나는 해수(8)는, 배관(13)을 통해서 펌프(9)에 의해 순환되도록 되어 있다.
또한, 타워(2) 내에는, 냉각된 타워(2) 내의 공기를 너셀(5)로 유도하는 덕트(7)가 설치되고(도 1 참조), 냉각된 타워(2) 내의 공기가, 열교환기(6)의 상방에 설치된 팬(10)에 의해, 상기 덕트(7)로 유도되도록 되어 있다.
이어서, 본 실시예에서의 타워(2) 내 공기의 냉각(열교환)의 방법에 대해서 설명한다.
본 실시예에서는, 해중으로부터 배관(13)을 통해서 펌프(9)에 의해 빨아올려진 해수(8)는, 열교환기(6)를 지나서 해중으로 배출되지만, 이 때에, 열교환기(6)에서 해수(8)와 타워(2) 내의 공기가 열교환되어, 타워(2) 내의 공기가 냉각된다.
냉각된 타워(2) 내의 공기에 의해, 타워 내에 설치된 기기(제어반, 전기 기기, 변압기 등)(15)가 냉각됨과 함께, 덕트(7)를 경유해서 타워(2)의 정상부로 유도함으로써 너셀(5) 내의 발전기(4)를 냉각할 수 있다. 또한, 팬(10)을 사용하여, 냉각된 타워(2) 내의 공기를 강제적으로 덕트(7)로 흘림으로써, 냉각 효율이 더욱 향상된다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 풍력 발전 설비가 해상에 설치되어 있어도, 설비 내는 외계와 차단되어 있기 때문에, 설비 내에 함염 공기가 침입할 수 없으므로 염해의 영향을 받지 않고, 타워 저부로부터 너셀까지의 높이가 50m를 초과하는 대형의 설비이어도 발전기의 냉각은 양호하게 행할 수 있어, 발전 효율의 저하의 우려가 없어지는 풍력 발전 설비를 얻을 수 있다.
실시예 2
도 3에 본 발명의 풍력 발전 설비의 실시예 2를 도시한다. 또한, 실시예 1과 동일 구성의 것에 대해서는 동일 부호를 사용하고, 그 설명은 생략한다.
도 3에 도시하는 실시예 2는, 열교환기(6A)가, 타워(2)의 내부가 아니라, 타워(2) 외 저부의 측벽에 설치되어 있는 점에서 실시예 1과 상이하다.
상기 열교환기(6A)에는, 해수(8)를 유도하여 타워(2) 내의 공기와 타워(2)의 측벽을 통해서 열교환한 후, 해중으로 배출하는 배관(14)이 설치되고, 또한 배관(14)의 도중에는, 해수(8)를 해중으로부터 빨아올리는 펌프(9)가 설치되고, 타워(2) 외 저부의 측벽에 설치된 열교환기(6A)를 지나는 해수(8)는, 배관(14)을 통해서 펌프(9)에 의해 순환되도록 되어 있다. 다른 구성은, 실시예와 마찬가지인다.
이와 같이 구성한 실시예 2에서는, 실시예 1과 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 물론, 해수(8)가 타워(2) 내에 들어가지 않기 때문에, 타워(2) 내에 수납되어 있는 기기의 부식의 우려가 전혀 없어진다.
또한, 본 실시예에서는, 타워(2)와 열교환기(6A)가 일체로 되어도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 타워(2)의 외벽에 해수를 직접 뿌리거나, 혹은 타워(2)의 일부가 열교환기로 되는 구조 등을 생각할 수 있다.
실시예 3
도 4에, 본 발명의 풍력 발전 설비의 실시예 3을 도시한다. 또한, 실시예 2와 동일 구성의 것에 대해서는 동일 부호를 사용하고, 그 설명은 생략한다.
도 4에 도시하는 실시예 3은, 실시예 2의 변형예이다. 상기 도면에 도시하는 실시예 3은, 실시예 2의 구성 외에, 타워(2) 내 저부에도 열교환기(6)를 설치하고, 이 타워(2) 내 저부의 열교환기(6)와 타워(2) 외 저부의 측벽에 설치된 열교환기(6A) 사이에, 양자를 배관을 통해서 냉매(예를 들어, 담수)가 순환하는 냉매 순환 라인(11A)을 구비하고 있는 점에서 실시예 2와 상이하다.
이와 같이 구성한 실시예 3에서는, 열교환기(6A)에 의해 해수(8)와 냉매 순환 라인(11A)의 냉매가 열교환되어서 냉매가 냉각되고, 이 냉매가 냉매 순환 라인(11A)을 통해서 열교환기(6)로 유도되고, 열교환기(6)에서 타워(2) 내의 공기와 열교환되어서, 타워(2) 내의 공기가 냉각되므로, 실시예 2와 마찬가지의 효과가 얻어진다.
실시예 4
도 5에, 본 발명의 풍력 발전 설비의 실시예 4를 도시한다. 또한, 실시예 1과 동일 구성의 것에 대해서는 동일 부호를 사용하고, 그 설명은 생략한다.
도 5에 도시하는 실시예 4는, 실시예 1의 변형예이다. 상기 도면에 도시하는 실시예 4는, 실시예 1의 구성 외에, 타워(2) 내 저부의 열교환기(6)의 상부에, 이 열교환기(6)가 수납되어 있는 타워 내부(2A)와 격리된 타워 내부(2B)에 다른 열교환기(6C)를 설치하고, 이 타워(2) 내 저부의 2개의 열교환기(6과 6C) 사이에, 양자를 배관을 통해서 냉매(예를 들어, 담수)가 순환하는 냉매 순환 라인(11B)을 구비하고 있는 점에서 실시예 1과 상이하다.
이와 같이 구성한 실시예 4에서는, 열교환기(6)에서 해수(8)와 냉매 순환 라인(11B)의 냉매가 열교환되어서 냉매가 냉각되고, 이 냉매가 냉매 순환 라인(11B)을 통해서 열교환기(6C)로 유도되고, 열교환기(6C)에서 타워(2) 내의 공기와 열교환되어서, 타워(2) 내의 공기가 냉각되므로, 실시예 1과 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또한, 열교환기(6)로부터 만일 해수(8)가 누설되어도, 열교환기(6)가 설치되어 있는 방은, 기타와 격리되어 있으므로, 타워(2) 전체로 염분이 퍼질 우려는 없다.
또한, 본 실시예에서는, 열교환기(6)를 격리된 타워 내부(2A)에 설치했지만, 이 열교환기(6)가 격리된 방은, 타워 외부에 설치해도 상관없다.
실시예 5
도 6에, 본 발명의 풍력 발전 설비의 실시예 5를 도시한다. 또한, 실시예 1과 동일 구성의 것에 대해서는 동일 부호를 사용하고, 그 설명은 생략한다.
도 6에 도시하는 실시예 5는, 해저에 고정되어 있는 기초(1)의 해수(8)로부터 돌출되어 있는 부분에 고정된 타워(2) 내의 저부에 열교환기(6)를, 또한 해수(8) 중의 기초(1)에도 열교환기(6D)를 각각 설치하고, 또한 이 2개의 열교환기(6과 6D) 사이에, 양자를 배관을 통해서 냉매(예를 들어, 담수)가 순환하는 제1 냉매 순환 라인(12)을 구비하고 있다.
그리고, 해수(8) 중의 열교환기(6D)에서 해수(8)와 열교환해서 냉각된 냉매가, 제1 냉매 순환 라인(12)을 지나서 타워(2) 내의 열교환기(6)로 유도되고, 이 타워(2) 내의 열교환기(6)에서 냉매와 타워(2) 내의 공기가 열교환되어, 타워(2) 내의 공기가 냉각되는 것이다. 또한, 제1 냉매 순환 라인(12)의 냉매는, 그 도중에 설치된 펌프(9)에 의해 제1 냉매 순환 라인(12)을 순환하고 있다.
이와 같이 구성한 실시예 5에서는, 실시예 1과 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 물론, 해수(8)가 타워(2) 내에 들어가지 않기 때문에, 타워(2) 내에 수납되어 있는 기기의 부식의 우려가 전혀 없어진다.
실시예 6
도 7에, 본 발명의 풍력 발전 설비의 실시예 6을 도시한다. 또한, 실시예 5와 동일 구성의 것에 대해서는 동일 부호를 사용하고, 그 설명은 생략한다.
도 7에 도시하는 실시예 6은, 실시예 5의 변형예이다. 상기 도면에 도시하는 실시예 6은, 실시예 5의 구성 외에, 타워(2) 내 저부의 열교환기(6)의 상부에, 이 열교환기(6)가 수납되어 있는 타워 내부(2A)와 격리된 타워 내부(2B)에 다른 열교환기(6C)를 설치하고, 이 타워(2) 내 저부의 2개의 열교환기(6과 6C) 사이에, 양자를 배관을 통해서 냉매(예를 들어, 담수)가 순환하는 제2 냉매 순환 라인(11B)을 구비하고 있는 점에서 실시예 5와 상이하다.
이와 같이 구성한 실시예 6에서는, 해수(8) 중의 열교환기(6D)에서 해수(8)와 열교환해서 냉각된 냉매가, 제1 냉매 순환 라인(12)을 지나서 타워(2) 내의 열교환기(6)로 유도되고, 열교환기(6)에서 제1 냉매 순환 라인(12)의 냉매와 제2 냉매 순환 라인(11B)의 냉매가 열교환되어서 냉매가 냉각되고, 이 냉매가 제2 냉매 순환 라인(11B)을 통해서 열교환기(6C)로 유도되고, 열교환기(6C)에서 타워(2) 내의 공기와 열교환되어서, 타워(2) 내의 공기가 냉각되므로, 실시예 5와 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또한, 열교환기(6)로부터 만일 해수(8)가 누설되어도, 열교환기(6)가 설치되어 있는 방은, 기타와 격리되어 있으므로, 타워(2) 전체로 염분이 퍼질 우려는 없다.
또한, 전술한 각 실시예는, 풍력 발전 설비를 해상에 배치하고, 냉각 매체로서 해수를 사용한 것에 대해서 설명했지만, 냉각 매체로서 호수, 하천 등의 물을 사용해도 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 물론이다.
1… 기초
2… 타워
2A, 2B… 타워 내부
3… 로터
3A… 허브
3B… 블레이드
4… 발전기
5… 너셀
6, 6A, 6C, 6D… 열교환기
7… 덕트
8… 해수
10… 팬
11A, 11B… 냉매 순환 라인
12… 제1 냉매 순환 라인
13, 14… 배관
15… 기기

Claims (14)

  1. 허브와 블레이드로 이루어지는 로터와, 상기 로터에 상기 허브에 접속된 주축을 통해서 접속되는 발전기와, 상기 발전기를 적어도 수납하고, 상기 주축을 통해서 상기 로터를 축지지하는 너셀과, 상기 너셀을 정상부에 지지하고, 그 정상부와는 반대측이 기초에 고정되어 있는 타워를 구비한 풍력 발전 설비에 있어서,
    상기 기초 근방의 상기 타워에 열교환기를 설치하고, 상기 열교환기에 배관을 통해서 냉각 매체를 지나가게 함으로써, 상기 냉각 매체와 상기 타워 내의 공기가 열교환되어, 상기 타워 내의 공기가 냉각되고,
    상기 풍력 발전 설비는 해상에 설치되고, 또한 상기 냉각 매체는 해수이고,
    상기 해수를 해중으로부터 빨아올리는 펌프를 상기 배관의 도중에 갖고, 상기 펌프에 의해 빨아 올려진 해수는, 상기 배관을 통해서 상기 열교환기를 지난 후, 해중으로 배출되고,
    상기 열교환기는, 상기 타워의 외 저부의 측벽에 설치되고,
    상기 타워 내 저부에 열교환기를 추가로 설치하고, 이 타워 내 저부의 열교환기와 타워 외 저부의 열교환기 사이에, 양자를 배관을 통해서 냉매가 순환하는 냉매 순환 라인을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 설비.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
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  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 타워 내에, 냉각된 상기 타워 내의 공기를 상기 너셀로 유도하는 덕트가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 설비.
  9. 제8항에 있어서, 냉각된 상기 타워 내의 공기는, 상기 열교환기의 근방에 설치된 팬에 의해 상기 덕트로 유도되어 있는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 설비.
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