KR102371278B1 - 극저온 냉매의 일괄 함침 냉각 구조를 갖는 고온초전도 발전기를 구비한 수직축형 풍력 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 극저온 냉매의 일괄 함침 냉각 구조를 갖는 고온초전도 발전기를 구비한 수직축형 풍력 터빈에 관한 것이다.
이에 본 발명의 기술적 요지는 종전 수평축형 터빈 대비 발전기를 포함한 부속장치(냉각장치, 전력변환장치)가 터빈타워 하부에 설치하도록 하되, 터빈타워 상부에는 수직 블레이드를 포함한 회전체만 배치되도록 함으로서, 풍력 터빈의 탑 헤드(top-head) 무게를 현저하게 감소시킬 수 있는 바, 이는 설치비용과 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있도록 함은 물론 대형화 시공시의 기술적 어려움을 해소(종전 수평축형 풍력터빈 구조는 익형 블레이드 구조로서 1점 지지에 의한 하중 집중으로 인해 대형화가 어려움)하도록 형성되고, 특히 풍력 터빈의 무게중심이 타워 하부로 이동되는 구조로 형성되어 부유식 해상 풍력발전에 적용시 부유체의 소형화와 부유 자세 안정성을 유리하게 확보할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 초전도 발전기가 극저온 냉각조 내에서 액체 냉매에 일괄적으로 함침되도록 하는 바, 이는 극저온 온도 유지를 위한 극저온 냉각조의 진공단열 구조를 최소화할 수 있도록 함은 물론 냉각 구조의 일괄성 및 단순성으로 인하여 초전도 발전기의 고정자에 위치하는 전기자 권선을 초전도화하는 전 초전도(Fully superconducting) 구조의 적용을 수월하게 할 수 있는 특징이 있다.

Description

극저온 냉매의 일괄 함침 냉각 구조를 갖는 고온초전도 발전기를 구비한 수직축형 풍력 터빈{Vertical axis type wind turbine equipped with high-temperature superconducting generator with batch impregnation cooling structure using cryogen}
본 발명은 종전의 수평축형 터빈 대비 발전기를 포함한 부속장치(냉각장치, 전력변환장치)가 터빈타워 하부에 설치하도록 하되, 터빈타워 상부에는 수직 블레이드를 포함한 회전체만 배치되도록 함으로서, 풍력 터빈의 탑 헤드(top-head) 무게를 현저하게 감소시킬 수 있는 바, 이는 설치비용과 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있도록 함은 물론 대형화 시공시의 기술적 어려움을 해소(종전 수평축형 풍력터빈 구조는 익형 블레이드 구조로서 1점 지지에 의한 하중 집중으로 인해 대형화가 어려움)하도록 형성되고, 특히 풍력 터빈의 무게중심이 타워 하부로 이동되는 구조로 형성되어 부유식 해상 풍력발전에 적용시 부유체의 소형화와 부유 자세 안정성을 유리하게 확보할 수 있는 것을 특징으로 하는 극저온 냉매의 일괄 함침 냉각 구조를 갖는 고온초전도 발전기를 구비한 수직축형 풍력 터빈에 관한 것이다.
일반적으로 종래의 초전도 풍력 터빈 기술에서 사용되는 수평축형 터빈구조는 상전도 발전기를 초전도 발전기로 대체하고 초전도 발전기를 냉각하기 위한 극저온 냉각 장치가 추가되는 구성을 갖는다.
이에, 초전도체를 이용할 경우 발전기의 고에너지밀도화가 가능하여 상전도 발전기 대비 상당한 소형화와 경량화가 가능하다.
그러나, 초전도 발전기를 냉각하기 위한 냉각시스템이 추가적으로 터빈의 너셀 내에 위치하게 되어 풍력 터빈 전체의 소형화와 경량화 이점이 반감하게 된다.
또한, 냉각 시스템이 타워 하단에 위치한 경우에는 타워 상부로 냉각매체를 이송화기 위한 공급라인이 길어지게 되어 제작성과 유지보수성을 포함한 기술적 난이도가 높아지게 된다.
그리고, 종래의 수평축 터빈구조의 초전도 발전기는 회전자와 고정자 사이에 반경 방향으로 공극이 존재하는 Radial-gap type의 초전도 발전기 구조가 사용되는데, 이때 회전자에 위치하는 초전도 계자권선을 극저온으로 냉각하기 위한 냉각 유로가 회전자 축을 중심으로 수평하게 위치됨으로서 회전하는 초전도 계자권선을 냉각하기 위해서는 냉각매체를 상온부에서 별도의 냉각 장치를 통하여 공급하는 구조가 요구된다.
따라서, 상기 Radial-gap type 초전도 발전기의 수평형 배치는 액체 냉매를 이용한 방식(냉매 강제 순환방식 또는 액체 냉매 써모싸이펀 방식)과 극저온 냉동기를 탑재하는 방식으로 구현되는데 이러한 양 방식은 다음과 같은 불합리한 단점이 발생된다.
첫째, 액체 냉매 강제순환 방식과 액체 냉매 써모싸이펀 방식에 있어 공통적으로 회전체에 냉매 공급을 위한 로테이팅 커플링(rotating coupling)이 필요하게 되고, 이는 정기적인 유지보수 필요하게 되어 제작비와 유지보수비가 증가하게 되며, 금속을 매개체로 한 전도냉각 방법인 경우 열수축에 의한 국부적인 온도분포 불균형이 발생됨은 물론 열적 관성에 의한 즉각적인 냉각이 어려움으로서 운전 신뢰성이 저하되며, 강제순환 방식인 경우 냉매 순환을 위한 극저온 펌프와 블로어가 필요하게 되어 이 또한 제작비와 유지보수비의 증가를 야기하게 되고, 냉각 성능 최적화를 위한 냉각 유로, 전도 냉각, 진공 단열 구조와 같이 추가 설계 기술이 필요하게 된다.
둘째, 극저온 냉동기 탑재 방식은 냉동기 및 컴프레셔의 정기적인 유지보수가 필히 요구되며 액체 냉매를 이용한 방식과 마찬가지로 회전체에 냉매 공급을 위한 로테이팅 커플링(rotating coupling)이 필요하게 되어 정기적인 유지보수 필요(제작비/유지보수비 증가)하게 되며, 금속을 매개체로 한 전도냉각 방법인 경우 열수축에 의한 국부적인 온도분포 불균형 발생과 열적 관성에 의한 즉각적인 냉각이 어려움으로서 운전 신뢰성 저하되고, 냉각 성능 최적화를 위한 전도 냉각, 진공 단열 구조와 같은 부가 설계가 필요하게 된다.
또한, 종래의 수평축형 풍력 터빈은 익형 블레이드의 1점 지지에 의한 하중 집중으로 인하여 대형화가 어려운 문제가 발생되고, 무게 중심 높이 상승의 가속으로 인해 거동 불안전성 증가와 부유체 크기가 증가하는 문제가 발생된다.
또한, 블레이드의 중량 지속 증가와 설치 및 유지비용의 증가로 인해 제작에 어려움이 있으며 특히 발전기 등의 모든 부품이 최상부에 위치되어 타워 높이가 지속적으로 증가(초대형 크레인 설치선 필요 및 유지보수 시간 증가)하는 문제가 발생된다.
1. 대한민국 등록특허 제10-1766684호(2017.08.03. 등록)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 발전기를 포함한 부속장치(냉각장치, 전력변환장치)가 터빈타워 하부에 설치하도록 하되, 터빈타워 상부에는 수직 블레이드를 포함한 회전체만 배치되도록 함으로서, 풍력 터빈의 탑 헤드(top-head) 무게를 현저하게 감소시킬 수 있는 바, 이는 설치비용과 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있도록 함은 물론 대형화 시공시의 기술적 어려움을 해소(종전 수평축형 풍력터빈 구조는 익형 블레이드 구조로서 1점 지지에 의한 하중 집중으로 인해 대형화가 어려움)하도록 형성되고, 특히 풍력 터빈의 무게중심이 타워 하부로 이동되는 구조로 형성되어 부유식 해상 풍력발전에 적용시 부유체의 소형화와 부유 자세 안정성을 유리하게 확보할 수 있는 것을 제공함에 그 목적이 있다.
이에, 본 발명은 초전도 발전기가 극저온 냉각조 내에서 액체 냉매에 일괄적으로 함침되도록 하는 바, 이는 극저온 온도 유지를 위한 극저온 냉각조의 진공단열 구조를 최소화할 수 있도록 함은 물론 냉각 구조의 일괄성 및 단순성으로 인하여 초전도 발전기의 고정자에 위치하는 전기자 권선을 초전도화하는 전 초전도(Fully superconducting) 구조의 적용을 수월하게 할 수 있는 것을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 수직형 구조로 시공됨으로서 종전 수평형 구조시 회전체에 냉각 매체를 공급하기 위해 필수적으로 요구되는 로테이팅 커플링(rotating coupling)이 필요하지 않게 되어 극저온 냉각을 위한 냉각 구조가 단순화되는 것을 제공함에 그 목적이 있다.
이때, 본 발명은 전기자 권선에 구리 도체를 사용하는 부분 초전도(Partially superconducting) 구조에 있어 극저온으로 냉각된 상태의 구리 도체의 저항률이 상온 대비 크게 낮아져 전기자 권선의 전류밀도를 상승시킬 수 있는 것을 제공함에 그 목적이 있다.
이에, 본 발명은 수직형 배치로 인한 중력 방향으로의 액체 냉매 함침 구조로 형성되어 액체 냉매와 직접적이고 즉각적인 열교환이 이루어져 초전도 코일의 열적 안정도를 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 회전자에 위치하는 초전도 계자 권선 또는 고정자에 위치하는 초전도 전기자 권선의 극저온 냉각시 직접적인 열교환이 이루어져 목표 운전 온도로 냉각하기 위한 시간을 획기적으로 감소(종전 수평형 배치 구조의 초전도 발전기인 경우에는 금속을 매개체로 전도냉각 구조를 취하는 구조로서 극저온 냉각시 발생되는 금속의 열수축 현상에 의하여 국부적으로 온도분포의 불균형이 발생하여 초전도 상태의 초전도 코일의 상전도화를 의미하는 ?치시 열적 안정도를 저하됨)시킬 수 있는 것을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 액체 냉매 함침에 의한 냉각 구조는 회전자와 고정자의 구조를 설계함에 있어서, 상온부와 극저온부 사이의 진공단열을 위해 요구되는 구조물이 필요 없게 되기 때문에 단순한 구조의 구조체 설계가 가능할 뿐 아니라 진공단열 구조물의 제거로 하여금 수평형 배치 구조 대비 체적과 중량을 감소시킬 수 있으며, 회전자와 고정자 사이의 전자기적인 공극을 최소화함으로서 고가의 초전도 선재 사용량을 크게 절감할 수 있도록 형성되고, 이는 에너지 밀도의 극대화가 이루어져 초전도 발전기의 소형화와 경량화가 더욱 증진되도록 하는 것을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 액체 냉매 함침에 의한 냉각 구조는 금속을 매개체로 전도 냉각하는 구조인 경우의 초전도 코일과 전류 도입선의 냉각 성능을 극대화하기 위한 냉각 유로의 최적화 설계가 요구되지 않을 뿐 아니라 냉각 유로의 순환 방식이 아니기 때문에 강제순환을 위한 극저온 펌프 또는 블로우가 불필요하여 시스템의 설계, 제작, 유지보수 측면에 상당한 이점이 있는 것을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 수직으로 기립한 로터코어(110)의 원주방향에 고온초전도 계자 권선이 구비되어 회전자(120)를 이루도록 형성되고, 상기 회전자의 외측에는 일정 간격을 두고 초전도 전기자가 구비되어 고정자(130)를 이루도록 형성(회전자의 회전시 고정자와 함께 초전도 발전을 도모)되며, 상기 로터코어(110)와 회전자(120) 및 고정자(130)는 일체의 모듈로서 극저온 냉각조(140) 내에 전체가 수납되도록 하되, 상기 극저온 냉각조(140)는 일측 및 타측에 냉매순환 인입관(141)과 배출관(142)이 형성되어 극저온 냉각장치(300)로부터 인입된 순환냉매(입수: 액체 -> 출수: 기체)에 의해 일괄 함침 냉각되도록 하는 경축식 초전도 발전기(100)와; 로터코어(110)의 상단부와 연결되는 회전자 축(210)이 구비되도록 하되, 상기 회전자 축(210)은 상측 단부가 극저온 냉각조(140)의 상판 바깥으로 분기(로터리씰과 베어링을 관통)되도록 형성되어 축커플링(220)으로 하여금 수직 블레이드(230)를 갖는 메인샤프트(240)와 수직으로 연결되도록 형성되고, 상기 메인샤프트(240)는 터빈타워(250)의 내경 안에서 지지베어링(260)을 통해 축회전할 수 있도록 하는 타워 어셈블리(200)와; 극저온 냉각조(140)에 액체 냉매를 공급하여 기화된 기체 냉매가 회수되도록 순환식 냉각펌프(310)가 내장된 냉각챔버(320)가 구비되도록 하되, 상기 냉각챔버(320)의 일측 및 타측에는 냉각탱크(330)와 헬륨 압축기(340)가 각각의 공급라인으로 연결되도록 하는 극저온 냉각장치(300)가; 구성되어 이루어진다.
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또한, 상기 로터코어(110)와 회전자 축(210)은 다른 실시예로서, 로터코어(110)와 회전자 축(210)이 비접촉식 여자장치(160)와 전기적으로 연결되도록 하되, 상기 비접촉식 여자장치(160)는 플럭스펌프 헤더(161), 플럭스펌프 로터(162), 영구자석(163)과 외부 동력 전달용 원동기(164) 그리고 회전판(165)이 구비되는 것으로, 상기 플럭스펌프 헤더(161)는 로터코어(110)의 외주면에 감긴 고온초전도 계자 권선의 상측 일단부와 전기적으로 연결되면서 로터코어(110) 및 회전자 축(210)의 회전시 함께 연동 회전하도록 형성되고, 상기 플럭스펌프 로터(162)는 회전자 축(210)과 동일축선으로 수직 배치되면서 회전자 축(210)의 회전시 베어링을 통해 회전될 수 있도록 하되, 축방향 하단에는 영구자석(163)이 결합되어 플럭스펌프 헤더(161)의 상부면과 영구자석(163)이 비접촉 구조로 대응되도록 형성되며, 상기 플럭스펌프 로터(162)는 수직방향 상측단이 로터리씰과 베어링을 관통하도록 하되, 관통되어 저온 냉각조(140)의 상판 바깥으로 분기된 플럭스펌프 로터의 수직방향 상측단에는 회전판(165)이 결합되고, 상기 회전판(165)에는 외부 동력 전달용 원동기(164)의 구동축이 대응되면서 외부 동력 전달용 원동기(164)의 구동축 회전시 회전판(165)이 연동 회전하면서 영구자석(163)의 회전을 제어하도록 형성된다.
이때, 상기 극저온 냉각조(140)는 상판 내부 일측에 재응축 냉각기(170)와 재응축 열교환기(180)가 구비되어 극저온 냉각조(140) 내의 기체 냉매에 대하여 재응축, 재액화하도록 형성된다.
이에, 상기 극저온 냉각조(140)는 인너케이스와 아웃터케이스로 된 2중 자켓으로 형성되도록 하되, 상기 인너케이스와 아웃터케이스 사이 공간에는 진공이 확보되도록 형성된다.
이와 같이, 본 발명은 종전 수평축형 터빈 대비 발전기를 포함한 부속장치(냉각장치, 전력변환장치)가 터빈타워 하부에 설치하도록 하되, 터빈타워 상부에는 수직 블레이드를 포함한 회전체만 배치되도록 함으로서, 풍력 터빈의 탑 헤드(top-head) 무게를 현저하게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이러한 본 발명은 설치비용과 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있도록 함은 물론 대형화 시공시의 기술적 어려움을 해소(종전 수평축형 풍력터빈 구조는 익형 블레이드 구조로서 1점 지지에 의한 하중 집중으로 인해 대형화가 어려움)할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 풍력 터빈의 무게중심이 타워 하부로 이동되는 구조로 형성되어 부유식 해상 풍력발전에 적용시 부유체의 소형화와 부유 자세 안정성을 유리하게 확보할 수 있는 효과가 있다.
이에, 본 발명은 초전도 발전기가 극저온 냉각조 내에서 액체 냉매에 일괄적으로 함침되도록 하는 바, 이는 극저온 온도 유지를 위한 극저온 냉각조의 진공단열 구조를 최소화할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 냉각 구조의 일괄성 및 단순성으로 인하여 초전도 발전기의 고정자에 위치하는 전기자 권선을 초전도화하는 전 초전도(Fully superconducting) 구조의 적용을 수월하게 할 수 있는 효과가 있다.
이에, 본 발명은 수직형 구조로 시공됨으로서 종전 수평형 구조시 회전체에 냉각 매체를 공급하기 위해 필수적으로 요구되는 로테이팅 커플링(rotating coupling)이 필요하지 않게 되어 극저온 냉각을 위한 냉각 구조가 단순화되는 효과가 있다.
이때, 본 발명은 전기자 권선에 구리 도체를 사용하는 부분 초전도(Partially superconducting) 구조에 있어 극저온으로 냉각된 상태의 구리 도체의 저항률이 상온 대비 크게 낮아져 전기자 권선의 전류밀도를 상승시킬 수 있는 효과가 있다.
이에, 본 발명은 수직형 배치로 인한 중력 방향으로의 액체 냉매 함침 구조로 형성되어 액체 냉매와 직접적이고 즉각적인 열교환이 이루어져 초전도 코일의 열적 안정도를 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 회전자에 위치하는 초전도 계자 권선 또는 고정자에 위치하는 초전도 전기자 권선의 극저온 냉각시 직접적인 열교환이 이루어져 목표 운전 온도로 냉각하기 위한 시간을 획기적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 액체 냉매 함침에 의한 냉각 구조는 회전자와 고정자의 구조를 설계함에 있어서, 상온부와 극저온부 사이의 진공단열을 위해 요구되는 구조물이 필요없게 되기 때문에 단순한 구조의 구조체 설계가 가능할 뿐 아니라 진공단열 구조물의 제거로 하여금 수평형 배치 구조 대비 체적과 중량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이에, 본 발명은 회전자와 고정자 사이의 전자기적인 공극을 최소화함으로서 고가의 초전도 선재 사용량을 크게 절감할 수 있도록 형성되고, 이는 에너지 밀도의 극대화가 이루어져 초전도 발전기의 소형화와 경량화가 더욱 증진되도록 하는 효과가 있다.
이때, 본 발명의 액체 냉매 함침에 의한 냉각 구조는 금속을 매개체로 전도 냉각하는 구조인 경우의 초전도 코일과 전류 도입선의 냉각 성능을 극대화하기 위한 냉각 유로의 최적화 설계가 요구되지 않을 뿐 아니라 냉각 유로의 순환 방식이 아니기 때문에 강제순환을 위한 극저온 펌프 또는 블로우가 불필요하여 시스템의 설계, 제작, 유지보수 측면에 상당히 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 극저온 냉매의 일괄 함침 냉각 구조를 갖는 고온초전도 발전기를 구비한 수직축형 풍력 터빈의 전체 구성 예시도,
도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 일괄 함침 구조를 갖는 초전도 발전기의 일 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 초전도 발전기에 접촉식 여자장치가 적용된 것을 나타낸 예시도,
도 5는 본 발명에 따른 다른 실시예로서, 초전도 발전기에 비접촉식 여자장치가 적용된 것을 나타낸 예시도,
도 6은 본 발명에 따른 초전도 발전기에 재응축, 재액화 구조의 재응축 냉각기와 재응축 열교환기가 적용된 것을 나타낸 예시도이다.
다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명은 경축식 초전도 발전기(100)와 타워 어셈블리(200) 및 극저온 냉각장치(300)로 크게 구성된다.
이에, 상기 경축식 초전도 발전기(100)는 수직으로 기립한 로터코어(110)의 원주방향에 고온초전도 계자 권선이 구비되어 회전자(120)를 이루도록 형성된다.
이때, 상기 회전자의 외측에는 일정 간격을 두고 초전도 전기자가 구비되어 고정자(130)를 이루도록 형성되어 회전자의 회전시 고정자와 함께 초전도 발전을 도모하도록 형성된다.
이에, 상기 로터코어(110)와 회전자(120) 및 고정자(130)는 일체의 모듈로서 극저온 냉각조(140) 내에 전체가 수납되도록 하되, 상기 극저온 냉각조(140)는 일측 및 타측에 냉매순환 인입관(141)과 배출관(142)이 형성되어 극저온 냉각장치(300)로부터 인입된 순환냉매(입수: 액체 -> 출수: 기체)에 의해 일괄 함침 냉각되도록 형성된다.
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또한, 상기 로터코어(110)와 회전자 축(210)은 다른 실시예로서, 비접촉식 여자장치(160)를 통해 연결되도록 하되, 상기 비접촉식 여자장치(160)는 고온초전도 계자 권선과 통전되는 플럭스펌프 헤더(161)가 구비된다.
이때, 상기 플럭스펌프 헤더(161)의 상부 축방향에는 플럭스펌프 로터(162)로부터 결합된 영구자석(163)이 비접촉 구조로 대응되도록 형성된다.
이에, 상기 플럭스펌프 로터(162)는 회전자 축(210)과 동축을 이루며 극저온 냉각조(140)의 상판 바깥으로 분기(로터리씰과 베어링을 관통)되도록 하면서 외부 동력 전달용 원동기(164)와 회전판(165)에 의해 연동 회전하면서 영구자석(163)의 회전을 제어하도록 형성된다.
다시 말해, 상기 로터코어(110)와 회전자 축(210)은 비접촉식 여자장치(160)와 전기적으로 연결되도록 하되, 상기 비접촉식 여자장치(160)는 플럭스펌프 헤더(161), 플럭스펌프 로터(162), 영구자석(163)과 외부 동력 전달용 원동기(164) 그리고 회전판(165)이 구비되어 이루어진다.'
이에, 상기 플럭스펌프 헤더(161)는 로터코어(110)의 외주면에 감긴 고온초전도 계자 권선의 상측 일단부와 전기적으로 연결되면서 로터코어(110) 및 회전자 축(210)의 회전시 함께 연동 회전하도록 형성된다.
이때, 상기 플럭스펌프 로터(162)는 회전자 축(210)과 동일축선으로 수직 배치되면서 회전자 축(210)의 회전시 베어링을 통해 회전될 수 있도록 하되, 축방향 하단에는 영구자석(163)이 결합되어 플럭스펌프 헤더(161)의 상부면과 영구자석(163)이 비접촉 구조로 대응되도록 형성된다.
이에, 상기 플럭스펌프 로터(162)는 수직방향 상측단이 로터리씰과 베어링을 관통하도록 하되, 관통되어 저온 냉각조(140)의 상판 바깥으로 분기된 플럭스펌프 로터의 수직방향 상측단에는 회전판(165)이 결합되고, 상기 회전판(165)에는 외부 동력 전달용 원동기(164)의 구동축이 대응되면서 외부 동력 전달용 원동기(164)의 구동축 회전시 회전판(165)이 연동 회전하면서 영구자석(163)의 회전을 제어하도록 형성된다.
이때, 상기 극저온 냉각조(140)는 상판 내부 일측에 재응축 냉각기(170)와 재응축 열교환기(180)가 구비되어 극저온 냉각조(140) 내의 기체 냉매에 대하여 재응축, 재액화하도록 형성된다.
이에, 상기 극저온 냉각조(140)는 인너케이스와 아웃터케이스로 된 2중 자켓으로 형성되도록 하되, 상기 인너케이스와 아웃터케이스 사이 공간에는 진공이 확보되도록 형성된다.
한편, 상기 타워 어셈블리(200)는 로터코어(110)의 상단부와 연결되는 회전자 축(210)이 구비되도록 하되, 상기 회전자 축(210)은 상측 단부가 극저온 냉각조(140)의 상판 바깥으로 분기(로터리씰과 베어링을 관통)되도록 형성되어 축커플링(220)으로 하여금 수직 블레이드(230)를 갖는 메인샤프트(240)와 수직으로 연결되도록 형성된다.
이때, 상기 메인샤프트(240)는 터빈타워(250)의 내경 안에서 지지베어링(260)을 통해 축회전할 수 있도록 형성된다.
또한, 상기 극저온 냉각장치(300)는 극저온 냉각조(140)에 액체 냉매를 공급하여 기화된 기체 냉매가 회수되도록 순환식 냉각펌프(310)가 내장된 냉각챔버(320)가 구비되도록 형성된다.
이때, 상기 냉각챔버(320)의 일측 및 타측에는 냉각탱크(330)와 헬륨 압축기(340)가 각각의 공급라인으로 연결되도록 형성된다.
부연하건데, 본 발명은 도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 초전도 발전기를 수직축형 풍력 터빈에 적용하는 것으로, 초전도 발전기의 개발과 운영에 있어 발생하는 다양한 기술적 문제점을 해결 할 수 있게 된다.
즉, 본 발명은 수직축형 풍력 터빈 구조를 구축함에 있어서, 타워 상부에 위치하는 수직 블레이드가 타워 내부를 관통하는 주 회전축인 메인샤프트(Main Rotating Shaft)의 상단 측에 연결되도록 형성된다.
이때, 메인샤프트(주 회전축)은 타워 터빈 내부에 다수 내장되는 베어링에 의해 지지되면서 회전하도록 형성되고, 특히 타워 터빈 하부에 위치하는 초전도 발전기의 회전자 축에 직결되도록 함으로서 바람에 의해 발생되는 수직 블레이드의 회전력이 초전도 발전기로 즉시 전달되도록 형성된다.
이러한 본 발명은 초전도 발전기, 극저온 냉각장치, 전력변환 장치 등이 지상에 위치하는 구조물(터빈 하부에 위치)에 일괄적으로 배치되는 구성을 갖게 된다.
이때, 타워 터빈 하부에 위치하는 초전도 발전기는 회전자 축을 기준으로 수직 배치되어 터빈의 메인샤프트(주 회전축)와 직결되며 구조적으로 radial-gap 형태 초전도 발전기 뿐 아니라 Axial-gap 형태 및 초전도 발전기도 적용이 가능하게 된다.
또한, 도 2 내지 도 6에서 보는 바와 같이 초전도 발전기의 회전자 또는 고정자를 포함한 전체 구성은 외부 케이스 역할을 겸하는 극저온 냉각조 내부에 수직으로 위치하게 되며 극저온 냉각조 상부에 부착되는 누설 방지(sealing) 구조를 겸하는 특수한 베어링 지지체를 통하여 초전도 발전기의 회전축이 상온부로 인출되어 풍력터빈의 주 회전축과 연결되는 구조를 갖는다.
여기서, 사용 냉매의 액화온도를 운전온도로 하는 초전도 베어링을 사용할 경우 비접촉식으로 회전기 축을 지지하여 접촉식 베어링 지지 구조에 대비 마찰 손실을 저감할 수 있게 된다.
이에, 본 발명의 극저온 냉각장치 또한 타워 터빈 하부에 위치하게 되며 극저온 냉각조로 액체 냉매를 공급하여 초전도 발전기를 목표 운전온도로 냉각하게 하면서 냉각 후에 기화된 기체 냉매는 냉각장치로 다시 회수하여 재 냉각후 재 공급하도록 하는 순환 방식을 통해 초전도 발전기를 냉각하게 된다.
여기서, 사용되는 극저온 액체 냉매는 초전도 코일의 사양에 의해 결정이 되며, 헬륨, 아르곤, 네온, 수소, 산소, 질소 등이 사용될 수 있다.
다시 말해, 극저온 액체 냉매의 일괄 함침 냉각 구조는 초기에 외부에서 공급되는 액체 상태의 극저온 냉매를 통해 초전도 발전기를 냉각하게 된다.
이에, 초기 냉각시 투입되는 액체 냉매는 대부분 기화되게 되고 상온의 초전도 발전기가 액체냉매의 온도화 열평형을 이르는 시점까지 수시간에 걸쳐 발전기 온도가 저하되며 동시에 기화된 냉매가 발생된다.
이때, 열평형 시점에서의 온도시에도 발전기의 손실에 비례하여 액체 냉매는 기화된다.
한편, 초기 냉각 및 정상 운전시에 발생되는 기화 냉매는 외부로 배출되거나 별도의 극저온 냉각장치로 회수되어 재응축되어 다시 초전도 발전기가 위치한 냉각조로 재공급되도록 형성된다.
이때, 초전도 발전기용 극저온 냉각조에는 도 6에 도시된 바와 같이, 냉매 재응축을 위한 냉각기 및 열교환기를 냉각조 상단에 직결하여 이를 통해 초전도 발전기의 냉각 효율을 높일 수 있도록 구성된다.
즉, 이러한 냉각기 및 열교환기는 냉각 시스템과 초전도 발전기가 일체화된 구조가 가능하여 시스템 구조의 간소화가 가능하고 시스템 체적을 감소시킬 수 있게 된다.
이에, 냉각량을 고려하여 단수 또는 복수의 냉각기가 사용될 수 있고 경우에 따라 냉각조의 하단 및 측면부에 위치 시킬 수 있다.
또한, 초전도 발전기용 냉각조에 부착된 극저온 냉동기의 온도를 제어하여 냉각조 내부에 저장되어 있는 액체 냉매를 과냉하여 냉각 성능을 높일 수 있을 뿐 아니라 고체로 냉각하여 냉각성능 및 초전도 계자 권선의 열적 안정도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100 ... 초전도 발전기 110 ... 로터코어
120 ... 회전자 130 ... 고정자
140 ... 냉각조 141 ... 인입관
142 ... 배출관 150 ... 접촉식 여자장치
160 ... 비접촉식 여자장치
161 ... 플럭스펌프 헤더 162 ... 플럭스펌프 로터
163 ... 영구자석 164 ... 원동기
165 ... 회전판 170 ... 냉각기
180 ... 열교환기 200 ... 타워 어셈블리
210 ... 회전자 축 220 ... 축커플링
230 ... 수직 블레이드 240 ... 메인샤프트
250 ... 터빈타워 260 ... 지지베어링
300 ... 극저온 냉각장치 310 ... 냉각펌프
320 ... 냉각챔버 330 ... 냉각탱크
340 ... 헬륨 압축기

Claims (5)

  1. 수직으로 기립한 로터코어(110)의 원주방향에 고온초전도 계자 권선이 구비되어 회전자(120)를 이루도록 형성되고, 상기 회전자의 외측에는 일정 간격을 두고 초전도 전기자가 구비되어 고정자(130)를 이루도록 형성되며, 상기 로터코어(110)와 회전자(120) 및 고정자(130)는 일체의 모듈로서 극저온 냉각조(140) 내에 전체가 수납되도록 하되, 상기 극저온 냉각조(140)는 일측 및 타측에 냉매순환 인입관(141)과 배출관(142)이 형성되어 극저온 냉각장치(300)로부터 인입된 순환냉매(입수: 액체 -> 출수: 기체)에 의해 일괄 함침 냉각되도록 하는 경축식 초전도 발전기(100)와;
    로터코어(110)의 상단부와 연결되는 회전자 축(210)이 구비되도록 하되, 상기 회전자 축(210)은 상측 단부가 극저온 냉각조(140)의 상판 바깥으로 분기되도록 형성되어 축커플링(220)으로 하여금 수직 블레이드(230)를 갖는 메인샤프트(240)와 수직으로 연결되도록 형성되고, 상기 메인샤프트(240)는 터빈타워(250)의 내경 안에서 지지베어링(260)을 통해 축회전할 수 있도록 하는 타워 어셈블리(200)와;
    극저온 냉각조(140)에 액체 냉매를 공급하여 기화된 기체 냉매가 회수되도록 순환식 냉각펌프(310)가 내장된 냉각챔버(320)가 구비되도록 하되, 상기 냉각챔버(320)의 일측 및 타측에는 냉각탱크(330)와 헬륨 압축기(340)가 각각의 공급라인으로 연결되도록 하는 극저온 냉각장치(300)가;
    구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 극저온 냉매의 일괄 함침 냉각 구조를 갖는 고온초전도 발전기를 구비한 수직축형 풍력 터빈.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 로터코어(110)와 회전자 축(210)은 접촉식 여자장치(150)를 통해 연결되도록 하되, 상기 접촉식 여자장치(150)는 고온초전도 계자 권선과 통전되는 한 쌍의 전류도입선(151)이 구비되고, 상기 전류도입선(150)의 상단부에는 파워슬립링(152)과 브러시(153)가 서로 접촉되면서 전기적으로 연결되도록 하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉매의 일괄 함침 냉각 구조를 갖는 고온초전도 발전기를 구비한 수직축형 풍력 터빈.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 로터코어(110)와 회전자 축(210)은 비접촉식 여자장치(160)와 전기적으로 연결되도록 하되, 상기 비접촉식 여자장치(160)는 플럭스펌프 헤더(161), 플럭스펌프 로터(162), 영구자석(163)과 외부 동력 전달용 원동기(164) 그리고 회전판(165)이 구비되는 것으로, 상기 플럭스펌프 헤더(161)는 로터코어(110)의 외주면에 감긴 고온초전도 계자 권선의 상측 일단부와 전기적으로 연결되면서 로터코어(110) 및 회전자 축(210)의 회전시 함께 연동 회전하도록 형성되고, 상기 플럭스펌프 로터(162)는 회전자 축(210)과 동일축선으로 수직 배치되면서 회전자 축(210)의 회전시 베어링을 통해 회전될 수 있도록 하되, 축방향 하단에는 영구자석(163)이 결합되어 플럭스펌프 헤더(161)의 상부면과 영구자석(163)이 비접촉 구조로 대응되도록 형성되며, 상기 플럭스펌프 로터(162)는 수직방향 상측단이 로터리씰과 베어링을 관통하도록 하되, 관통되어 저온 냉각조(140)의 상판 바깥으로 분기된 플럭스펌프 로터의 수직방향 상측단에는 회전판(165)이 결합되고, 상기 회전판(165)에는 외부 동력 전달용 원동기(164)의 구동축이 대응되면서 외부 동력 전달용 원동기(164)의 구동축 회전시 회전판(165)이 연동 회전하면서 영구자석(163)의 회전을 제어하도록 하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉매의 일괄 함침 냉각 구조를 갖는 고온초전도 발전기를 구비한 수직축형 풍력 터빈.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 극저온 냉각조(140)는 상판 내부 일측에 재응축 냉각기(170)와 재응축 열교환기(180)가 구비되어 극저온 냉각조(140) 내의 기체 냉매에 대하여 재응축, 재액화하도록 하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉매의 일괄 함침 냉각 구조를 갖는 고온초전도 발전기를 구비한 수직축형 풍력 터빈.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 극저온 냉각조(140)는 인너케이스와 아웃터케이스로 된 2중 자켓으로 형성되도록 하되, 상기 인너케이스와 아웃터케이스 사이 공간에는 진공이 확보되도록 하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉매의 일괄 함침 냉각 구조를 갖는 고온초전도 발전기를 구비한 수직축형 풍력 터빈.
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