KR20120115361A

KR20120115361A - 풍력 발전 장치

Info

Publication number: KR20120115361A
Application number: KR1020127020622A
Authority: KR
Inventors: 신스께 사또오; 시게또 히라이; 다이스께 나까무라; 다께시 마쯔오; 쥬우하찌 고또오; 야스시 오까노
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2012-10-17
Also published as: AU2011211633A1; CN102753822A; JP5595057B2; JP2011163179A; US20130009405A1; WO2011096560A1; EP2535580A1

Abstract

타워 강도를 확보하면서 흡배기용 큰 개구 면적을 확보하고, 충분한 냉각 성능을 갖는 풍력 발전 장치를 제공한다. 풍차 날개에 풍력을 받아서 회전하는 로터 헤드가 너셀의 내부에 설치된 발전기를 구동해서 발전하고, 너셀이 기초 위에 세워 설치된 타워(2)의 상단부에 설치되는 동시에, 타워(2)의 표면에 설치한 타워 개구(20)로부터 타워 내부에 외기를 도입해서 내부 공간을 냉각하는 풍력 발전 장치에 있어서, 타워 개구(20)로부터 타워 내측으로 연장하는 오목부의 통형상부(21)를 갖고, 통형상부(21)를 구성하는 면의 일부 또는 전부에 설치된 압력 손실 요소를 거쳐서 통기 가능하게 구성되는 동시에, 압력 손실 요소를 설치한 유효 개구 면적을 타워 개구(20)의 실개구 면적보다도 크게 하였다.

Description

풍력 발전 장치{WIND-POWERED ELECTRICAL GENERATOR}

본 발명은, 운전 시의 기기 손실에 의한 발열을 외기의 도입에 의해 냉각하는 풍력 발전 장치에 관한 것으로, 특히 외기를 도입하는 개구가 타워에 설치되어 있는 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

풍력 발전 장치(이하에서는, 「풍차」라고도 함)는, 풍차 날개를 구비한 로터 헤드가 풍력을 받아서 회전하고, 이 회전을 증속기에 의해 증속하는 등으로 해서 구동되는 발전기에 의해 발전하는 장치이다.

상술한 로터 헤드는, 풍차용 타워(이하, 「타워」라고 함) 위에 설치되어 요 선회 가능한 너셀의 단부에 장착되고, 대략 수평한 횡방향의 회전축선 주위로 회전 가능해지도록 지지되어 있다.

일반적으로, 상술한 풍차용 타워는, 원통형상의 쉘을 사용한 강제 모노폴식을 채용하는 경우가 많으며, 타워 쉘의 하단부에 설치한 베이스 플레이트를 철근 콘크리트의 기초에 앵커 볼트로 고정하는 구조로 되어 있다.

이러한 풍력 발전 장치는, 컨버터 등의 전기 기기를 구비하고 있으므로, 안정된 운전을 계속하기 위해서는, 발열체인 전기 기기 등을 냉각할 필요가 있다. 즉, 풍력 발전 장치는 운전에 수반하는 기기 손실의 발열이 발생하므로, 기기류의 온도 상승을 소정값 이내로 억제하기 위해서는 적절한 냉각이 필요해진다.

도 18에 도시하는 종래예는, 타워 개구부로부터 외기를 도입하고, 이 외기에 의해 풍력 발전 장치의 기기 손실에 수반하는 발열을 냉각하는 냉각 구조의 개념도이다. 도면에 있어서, 참조부호 1은 풍력 발전 장치, 참조부호 2는 타워, 참조부호 3은 너셀, 참조부호 4는 로터 헤드, 참조부호 10은 도어용 개구부이며, 도면 중 화살표는 외기의 흐름을 나타내고 있다.

이 경우, 전기 기기 등의 냉각 대상은 너셀(3) 내에 설치된 너셀 내 기기(3a)이며, 환기 팬(3b)을 운전해서 도어용 개구부(10)의 적소에 설치한 흡기구(도시하지 않음)로부터 타워(2)의 내부에 외기를 도입하고, 이 외기가 너셀(3)의 내부를 통과해서 환기 및 냉각을 한다. 또한, 너셀 내 기기(3a)를 냉각한 외기는, 환기 팬(3b)으로부터 대기로 배출된다.

또한, 너셀 내 기기(3a)의 냉각 구조로서는, 너셀(3) 내를 순환하는 외기에 의해 직접 냉각하는 구조 외에, 너셀 내 기기(3a) 및 냉각용 열 교환기를 순환하는 냉매(물이나 오일 등)를 사용하고, 냉매용 열 교환기에서 외기에 흡열된 냉매에 의해 간접적으로 냉각하는 구조, 그리고 직접 및 간접 냉각을 병용해서 냉각하는 구조가 있다.

이 외에도, 종래의 풍력 발전 장치에 있어서는, 전기 기기 등의 발열체를 냉각하기 위해서, 예를 들어 냉각 매체를 순환시켜서 냉각하는 냉각 장치로서, 타워의 외부에 설치한 열 교환기를 구비한 것이 있다. 이 경우, 타워 외부의 열 교환기에 도입한 냉각 매체는, 열 교환기를 통과하는 외기와의 열 교환에 의해 냉각된다.(예를 들어, 특허 문헌 1 참조)

미국 특허 제7168251호 명세서

그런데, 풍력 발전 장치의 타워 내에 외기를 도입해서 냉각하는 경우, 타워 내에 외기를 도입하기 위해서는, 타워의 표면에 흡배기구가 되는 개구부를 설치하는 것이 필요해진다. 이러한 흡배기구에는, 공기 중의 액적, 먼지 및 염분 등을 제거하기 위해서, 환기용소창, 필터, 제염 필터 등의 압력 손실 요소가 설치되어 있다.

이 때문에, 타워 강도를 확보하기 위해서 개구를 작게 설정하면, 개구를 통과할 때의 유속이 증가하므로, 압력 손실 요소에 있어서의 압력 손실(유속의 2승에 비례)이 커진다. 따라서, 자연 환기하는 경우에는, 충분한 환기 풍량의 확보가 곤란해져, 결과적으로는 타워 내부의 온도가 상승한다고 하는 문제를 갖고 있다.

또한, 환기 팬에 의해 강제 환기하는 경우에는, 압력 손실이 크기 때문에 사용하는 팬의 동력도 커지고, 결과적으로 소내 동력을 소비하게 되어 바람직하지 못하다.

더구나, 타워의 개구 면적에 반해, 냉각 및 타워 강도는 트레이드 오프의 관계로 되어 있는데, 풍차 출력의 증가량에 반해 타워 직경의 증가량은 매우 작은 것으로 된다. 즉, 최근 풍차 대형화(출력 증가)에 수반하여, 기기 손실(발열량)이 증가해서 필요해지는 냉각 공기 유량도 증대하고 있으므로, 그 만큼 큰 증가를 바랄 수 없는 타워 직경에 반해, 타워 강도를 확보하면서 흡배기구에 큰 개구 면적을 확보하는 것은 곤란해진다. 따라서, 상술한 냉각 및 타워 강도에 있어서의 트레이드 오프의 관계는, 풍력 발전 장치가 대형화할수록 매우 어려워진다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 타워 강도를 확보하면서 흡배기용 큰 개구 면적을 확보하여, 충분한 냉각 성능을 갖는 풍력 발전 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 하기의 수단을 채용하였다.

본 발명에 따른 풍력 발전 장치는, 풍차 날개에 풍력을 받아서 회전하는 로터 헤드가 너셀의 내부에 설치된 발전기를 구동해서 발전하고, 상기 너셀이 기초 위에 세워 설치된 타워의 상단부에 설치되는 동시에, 상기 타워의 표면에 설치한 타워 개구로부터 타워 내부에 외기를 도입해서 내부 공간을 냉각하는 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 타워 개구로부터 타워 내측으로 연장하는 오목부 또는 상기 타워 개구로부터 타워 외측으로 연장하는 볼록부를 갖고, 상기 오목부 또는 상기 볼록부를 구성하는 면의 일부 또는 전부에 설치된 압력 손실 요소를 거쳐서 통기 가능하게 구성되는 동시에, 상기 압력 손실 요소를 설치한 유효 개구 면적이 상기 타워 개구의 실개구 면적보다도 큰 것을 특징으로 하는 것이다.

이러한 풍력 발전 장치는, 타워 개구로부터 타워 내측으로 연장하는 오목부 또는 타워 개구로부터 타워 외측으로 연장하는 볼록부를 갖고, 오목부 또는 볼록부를 구성하는 면의 일부 또는 전부에 설치된 압력 손실 요소를 거쳐서 통기 가능하게 구성되는 동시에, 압력 손실 요소를 설치한 유효 개구 면적이 타워 개구의 실개구 면적보다도 크므로, 타워 개구를 최소한으로 억제해서 타워 강도를 확보하는 동시에, 큰 유효 개구 면적에 설치한 압력 손실 요소를 통과하는 외기의 유속을 작게 할 수 있다. 특히, 타워 개구로부터 타워 내측으로 연장하는 오목부는, 압력 손실 요소를 설치하는 장소가 타워 외면으로부터 깊숙한 위치가 되기 때문에, 분진이나 빗물 등의 이물질은 압력 손실 요소까지 도달하기 어려운 구조가 된다.

또한, 본 발명에 있어서의 오목부 또는 볼록부는, 원형의 단면이나 직사각형 단면의 통모양형이나, 내부가 중공의 상자형이나 계단모양상자형 등을 포함한다.

상기 발명에 있어서, 상기 타워 개구는, 타워 내부에 출입하기 위한 도어를 설치하는 도어용 개구부 중 적어도 일부가 이용되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 타워에 반드시 필요로 되는 도어용 개구부를 유효하게 이용하고, 타워 개구의 실개구 면적보다 큰 유효 개구 면적을 용이하게 형성할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 오목부 또는 상기 볼록부는, 그 구성면 중 어느 하나의 위치에 개폐 가능하는 출입구를 구비한 것이 바람직하다.

상기 발명에 있어서, 상기 오목부 또는 상기 볼록부는, 상기 타워 개구로부터 끝으로 갈수록 넓어지게 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 큰 유효 개구 면적의 확보가 용이해진다.

상기 오목부는, 상기 타워 개구로부터 타워축 중심 방향으로 상향으로 경사져 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 이물질(분진이나 빗물 등)은 압력 손실 요소까지 도달하기 어려워진다.

상기 발명에 있어서, 상기 오목부 또는 상기 볼록부의 단면형상이 직선부를 포함하고 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 덕트 등의 접속 및 설치가 용이해진다. 이 경우, 직선부를 포함하는 적합한 형상으로서는, 정사각형, 직사각형 및 대략 타원형 등이 있으며, 특히 개구부를 세로 길이의 형상으로 하면, 원형이나 정사각형의 각형상과 비교해서 타워 강도의 확보가 용이해진다.

상기 발명에 있어서, 상기 볼록부가 상기 도어용 개구부의 주위로부터 돌출하는 외부 상자가 되고, 상기 외부 상자의 노출면에 상기 유효 개구 면적을 확보하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 큰 유효 개구 면적을 용이하게 확보할 수 있다. 또한, 외부 상자 안에는, 타워 입구가 되는 도어용 개구부까지 오르는 계단을 형성하는 것도 가능하다.

또한, 상기 발명에 있어서, 상기 오목부 또는 볼록부가, 상기 도어용 개구부의 하단부측으로부터 돌출하는 계단모양 외부 상자이며, 상기 도어용 개구부의 하단부측을 상기 실개구 면적으로 하고, 또한 상기 계단모양 외부 상자의 구성면의 전부 또는 일부에 상기 유효 개구 면적을 확보해도 된다.

상기 발명에 있어서, 상기 외부 상자 또는 상기 계단모양 외부 상자의 저면과 지면 사이에 공간을 형성하고, 상기 저면에 상기 유효 개구 면적을 확보해도 된다. 이에 의해, 분진이나 빗물 등의 이물질 침입을 억제할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 외부 상자 또는 상기 계단모양 외부 상자의 내부에 독립한 외기 순환 유로를 구비한 기기 설치 공간을 형성해도 된다.

상기 발명에 있어서, 큰 면적을 확보한 상기 유효 개구 면적에는, 저압력 손실의 필터를 장착하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발명에 있어서, 상기 유효 개구 면적보다 하류측이 되는 상기 타워 내에 구획을 설치해서 외기 흡인용 팬을 설치해도 된다. 이에 의해, 팬 출입구의 단락을 방지하여 외기를 받아들일 수 있다.

또한, 상기 발명에 있어서, 상기 유효 개구 면적을 형성하는 면의 내측에 외기 흡인용 팬을 설치해도 된다. 이에 의해, 적극적으로 외기를 받아들일 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 유효 개구 면적의 면으로부터 분기해서 대기로 연통하는 외기의 바이패스 유로를 설치하고, 상기 바이패스 유로 내에 외기와의 열 교환에 의해 냉각 매체를 냉각하는 열 교환기를 설치해도 된다. 이에 의해, 열 교환기의 배열이 타워 내로 단락하지 않고 외기를 도입할 수 있다.

이 경우, 상기 바이패스 유로 내에 흡음재를 장착하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 열 교환기의 가동 시에 발생하는 열 교환기 팬의 운전 소음을 저감할 수 있다.

또한, 상기 바이패스 유로의 출구측을 연장해서 지면을 향해서 개구시켜도 된다. 이에 의해, 열 교환기의 가동 시에 발생하는 열 교환기 팬의 운전 소음이 주위로 퍼지는 것을 억제할 수 있다.

상술한 본 발명의 풍력 발전 장치에 따르면, 타워의 표면에 뚫는 타워 개구의 실개구 면적에 반해 큰 면적비를 갖는 유효 개구 면적을 확보할 수 있게 되므로, 타워 강도를 확보하면서 흡배기용 큰 개구 면적을 확보하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 풍력 발전 장치에 관한 제1 실시 형태를 도시하는 도면으로, (a)는 타워 표면에 설치한 타워 개구의 실개구 면적 및 유효 개구 면적을 도시하는 사시도, (b)는 (a)의 A-A 단면도이다.
도 2는 풍력 발전 장치의 개요를 도시하는 측면도이다.
도 3은 타워 개구의 설치예를 도시하는 도 2의 B부 확대도이다.
도 4는 도 1에 도시하는 실개구 면적 및 유효 개구 면적의 변형예를 도시하는 도면으로, (a)는 제1 변형예를 도시하는 종단면도, (b)는 제2 변형예를 도시하는 수평 단면도이다.
도 5는 타워 표면에 설치하는 타워 개구의 실개구 면적의 형상예를 나타내는 정면도로, (a)는 정사각형, (b)는 세로로 긴 직사각형, (c)는 대략 타원형상이다.
도 6은 본 발명의 풍력 발전 장치에 관한 제2 실시 형태로서, 환기 팬을 구비한 실개구 면적 및 유효 개구 면적의 구성예를 도시하는 종단면도이다.
도 7은 도 6에 도시한 구성예의 제1 변형예를 도시하는 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 풍력 발전 장치에 관한 제3 실시 형태로서, 열 교환기를 구비한 구성예를 도시하는 종단면도이다.
도 9는 도 8에 도시한 구성예의 제1 변형예를 도시하는 종단면도로, (a)는 종단면도, (b)는 (a)의 C-C 단면도이다.
도 10은 도 8에 도시한 구성예의 제2 변형예를 도시하는 종단면도이다.
도 11은 본 발명의 풍력 발전 장치에 관한 제4 실시 형태를 도시하는 도면으로, (a)는 타워 표면에 설치한 타워 개구의 실개구 면적 및 유효 개구 면적을 도시하는 사시도, (b)는 (a)의 D-D 단면도이다.
도 12는 도 11에 도시한 제4 실시 형태에 따른 제1 변형예를 도시하는 도면으로, (a)는 실개구 면적 및 유효 개구 면적을 도시하는 사시도, (b)는 (a)의 E-E 단면도이다.
도 13은 도 11에 도시한 제4 실시 형태에 따른 제2 변형예를 도시하는 도면으로, (a)는 실개구 면적 및 유효 개구 면적을 도시하는 사시도, (b)는 (a)의 F-F 단면도이다.
도 14는 도 11에 도시한 제4 실시 형태에 따른 제3 변형예를 도시하는 도면으로, (a)는 실개구 면적 및 유효 개구 면적을 도시하는 측면도, (b)는 (a)의 사시도이다.
도 15는 도 11에 도시한 제4 실시 형태에 따른 제4 변형예를 도시하는 도면으로, (a)는 실개구 면적 및 유효 개구 면적을 도시하는 사시도, (b)는 (a)의 측면도이다.
도 16은 도 11에 도시한 제4 실시 형태에 따른 제5 변형예를 도시하는 측면도이다.
도 17은 도 11에 도시한 제4 실시 형태에 따른 제6 변형예를 도시하는 측면도이다.
도 18은 종래의 풍력 발전 장치에 있어서, 기기 손실을 타워 개구부로부터 도입한 외기의 순환에 의해 냉각하는 개념도이다.

이하, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치의 일 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.

도 2에 도시하는 풍력 발전 장치(1)는, 기초 B 위에 세워 설치되는 풍차용 타워(이하에서는, 「타워」라 함)(2)와, 타워(2)의 상단부에 설치되는 너셀(3)과, 대략 수평한 횡방향의 회전축선 주위로 회전 가능하게 지지되어 너셀(3)의 전단부측에 설치되는 로터 헤드(4)를 갖고 있다.

로터 헤드(4)에는, 그 회전축선 주위에 방사상으로서 복수매(예를 들어 3매)의 풍차 날개(5)가 장착되어 있다. 이에 의해, 로터 헤드(4)의 회전축선 방향으로부터 풍차 날개(5)에 맞닿는 바람의 힘이, 로터 헤드(4)를 회전축선 주위로 회전시키는 동력으로 변환되도록 되어 있다.

타워(2)의 하단부 부근에는, 타워 내에 출입하기 위한 도어(6)가 설치되어 있다.

너셀(3)의 외주면 적소(예를 들어 상부 등)에는, 주변의 풍속값을 측정하는 풍속계(7)나 풍향을 측정하는 풍향계(8) 등이 설치되어 있다.

즉, 풍력 발전 장치(1)는, 풍차 날개(5)에 풍력을 받아서 대략 수평한 회전축선 주위로 회전하는 로터 헤드(4)가 너셀(3)의 내부에 설치된 발전기(도시하지 않음)를 구동해서 발전하는 동시에, 너셀(3)이 철근 콘크리트제의 기초 B 위에 세워 설치된 타워(2)의 상단부에 설치되어 요 선회 가능하게 된다.

또한, 도시한 타워(2)는 강제의 모노폴식으로 되어, 복수로 분할한 타워 섹션의 플랜지(도시하지 않음)를 접속함으로써, 필요한 길이(높이)를 확보한 원통 타워가 된다.

<제1 실시 형태>

상술한 풍력 발전 장치(1)는, 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같이, 타워(2)의 표면에 설치한 타워 개구(20)로부터 타워 내부에 외기를 도입하고, 기기 손실에 수반하는 발열에 의해 온도 상승한 내부 공기를 냉각하게 되어 있다. 이 경우의 기기 손실에 수반하는 발열로서는, 예를 들어 컨버터 등의 전기 기기류나 증속기 등의 회전 기기류에 의한 운전 시의 발열이 있으며, 이들 발열 기기류는 일반적으로 타워(2)나 너셀(3)의 내부에 배치되어 있다.

본 실시 형태에서는, 상술한 기기 손실의 냉각을 행하기 위해서, 타워 개구(20)로부터 타워 내측으로 연장하는 오목부가 되는 통형상부(21)를 형성하고, 통형상부(21)를 구성하는 면의 일부 또는 전부를 압력 손실 요소 설치용 유효 개구 면적 Se로서 확보한다. 이 유효 개구 면적 Se는, 설치된 압력 손실 요소를 거쳐서 통기 가능하게 구성되고, 압력 손실 요소를 설치한 유효 개구 면적 Se가 타워 개구(20)의 실개구 면적 S보다도 크게(Se＞S) 되어 있다. 즉, 본 실시 형태에서는, 유효 개구 면적 Se가 되는 주위면적이 실개구 면적 S보다 크게(Se＞S) 되도록, 타워 개구(20)로부터 타워 내부로 쑥 들어가도록 해서 깊숙히 들어가 있는(오목하게 되어 있는) 통형상부(21)를 형성한다. 이 통형상부(21)를 구성하는 주위면(21a) 및 타워 내측 단부면(21b)의 전부 또는 일부가 유효 개구 면적 Se로서 사용된다. 또한, 도면 중 통형상부(21)에서 파선 표시한 부분은, 압력 손실 요소의 설치에 의해 외기의 유통이 가능해지는 영역이다.

구체적으로 설명하면, 도 1에 도시하는 통형상부(21)는, 타워(2)의 타워 외표면에 개구하는 타워 개구(20)로부터 타워 내부를 향해서 연장하는 원통형상이 된다. 도시한 구성예에서는, 통형상부(21)를 타워(2)의 축 중심 방향을 향한 원통형상으로 하고 있지만, 통 단면형상이나 연장 방향이 이에 한정되지는 않는다.

또한, 상술한 통형상부(21)는, 예를 들어 골격 부재(도시하지 않음)를 격자형상으로 조합하여 통형상을 형성하고, 그 주위면 및 양단부면을 개구시키고 있다. 이와 같이 해서 형성된 통형상부(21)의 개구는, 타워 개구(20)가 되는 타워 외의 원통 단부면(타워 외측 단부면)을 제외하고, 주위면(21a) 및 타워 내측 단부면(21b)의 전부 또는 일부를 실개구 면적 Se로서 사용하는 것이 가능하며, 압력 손실 요소가 되는 환기용소창, 필터 및 제염 필터 등의 설치에 이용된다. 또한, 압력 손실 요소의 고정 지지는, 예를 들어 상술한 골격 부재를 사용해서 용이하게 실시 가능하다.

이 결과, 타워 개구(20)의 개구 면적과 대략 일치하는 통형상부(21)의 타워 외측 단부면의 면적이 실개구 면적 S가 되고, 따라서, 이 경우의 유효 개구 면적 Se는, 대략 주위면(21a)의 면적분만큼 실개구 면적 S보다 커진다. 도시한 구성예에서는, 타워 내측 단부면(21b)의 면적도 실개구 면적 Se가 되지만, 타워 내측 단부면(21b)의 면적을 실개구 면적 Se로서 사용할 수 없는 경우에는, 주위면(21a)의 면적으로부터 실개구 면적 S를 뺀 면적이 유효 개구 면적 Se가 된다. 이러한 통형상부(21)의 주위면(21a)은, 축 방향 길이나 직경을 변경해서 적절하게 면적을 조정하는 것이 가능하다.

또한, 통형상부(21)의 유효 개구 면적 Se는, 엄밀하게는 골격 부재의 분만큼 작아지지만, 골격 부재에 의해 막히는 면적은, 통상은 주위면(21a)의 면적과 비교하면 충분히 작은 것이 된다.

이러한 타워 개구(20) 및 통형상부(21)는, 타워(2)의 적소에 설치하면 되지만, 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같이, 도어(6)를 설치하기 위한 도어용 개구부(10)를 이용해서 설치해도 된다. 이 도어용 개구부(10)는, 메인터넌스 작업 등의 목적으로 타워(2)의 내부에 출입하는 도어(6)가 필요해지기 때문에, 통상은 타워(2)에 반드시 설치되어 있는 개구부이다. 이 때문에, 도어용 개구부(10)를 적어도 일부를 유효하게 이용하고, 타워 개구(20)의 실개구 면적 S보다 큰 유효 개구 면적 Se를 용이하게 형성할 수 있다. 도시한 구성예에서는, 도어용 개구부(10)가 세로로 긴 대략 타원형상이 되고, 도어(6)의 상부에 남은 대략 반타원형상의 스페이스를 이용해서 타워 개구(20)를 배치하고 있다.

또한, 타워(2) 내로의 출입구가 되는 도어(6)에 대해서는, 타워 개구(20)로부터 타워 내측으로 연장하는 오목부가 되는 통형상부(21)의 구성면을 이용해서 설치 가능하며, 구성면 중 어느 하나에 개폐 가능한 도어(6)를 장착하면 된다.

상술한 바와 같이, 본 실시 형태의 풍력 발전 장치(1)는, 타워 개구(20)로부터 타워 내측으로 연장하는 오목부가 되는 통형상부(21)를 형성하고, 통형상부(21)의 구성면을 사용해서 타워 개구(20)의 실개구 면적 S보다 큰 압력 손실 요소 설치용 유효 개구 면적 Se를 확보했으므로, 타워 개구(20)의 면적을 최소한으로 억제해서 타워 강도를 확보하는 동시에, 큰 유효 개구 면적 Se에 설치한 압력 손실 요소를 통과해서 흐르는 외기의 유속을 작게 할 수 있다. 이와 같이, 타워 개구(20)로부터 오목해지는 통형상부(21)는, 압력 손실 요소를 설치하는 장소가 타워(2)의 외면으로부터 내측으로 깊숙한 위치가 되기 때문에, 분진이나 빗물 등의 이물질이 압력 손실 요소까지 도달하기 어려운 구조가 된다.

그런데, 상술한 실시 형태의 실개구 면적 S 및 유효 개구 면적 Se는, 도 4의 (a)에 도시하는 제1 변형예 및 도 4의 (b)에 도시하는 제2 변형예와 같은 통형상부(21A, 21B)로 해도 된다.

도 4의 (a)에 도시하는 제1 변형예의 통형상부(21A)는, 타워(2)의 개구로부터 타워축 중심 방향으로 상향으로 경사지는 오목부가 되도록 형성되어 있다. 즉, 제1 변형예의 통형상부(21A)는, 타워(2)의 외표면에 개구하는 타워 개구(20)로부터 타워(2)의 내부를 향하여, 비스듬하게 상향으로 경사지면서 쑥 들어가도록(오목해지도록) 형성된 원통형상으로 되어 있다.

이러한 통형상부(21A)는, 압력 손실 요소를 설치하는 장소가 타워(2)의 외면으로부터 내측으로 깊숙한 위치가 되는 데 더하여, 타워 개구(20)로부터 상향의 경사면이 형성되어 있으므로, 이물질이 압력 손실 요소까지 도달하기 어려운 구조가 된다.

또한, 도 4의 (b)에 도시하는 제2 변형예의 통형상부(21B)는, 타워(2)의 타워 개구(20)로부터 타워축 중심 방향으로 끝으로 갈수록 넓어지는 오목부가 되도록 형성되어 있다. 이와 같이 하면, 원통형상과 비교해서 타워(2)의 내부에 큰 주위면적을 확보할 수 있기 때문에, 큰 유효 개구 면적 Se의 확보가 용이해진다.

또한, 이 경우의 끝으로 갈수록 넓어지는 것은, 적합하게는 타워 내측으로 직경 확장하는 원추 사다리꼴형상이 되지만, 수평 방향 또는 연직 방향 중 어느 한쪽에만 끝으로 갈수록 넓어지게 해도 된다.

또한, 상술한 통형상부(21)는, 단면형상으로 직선부를 포함하고 있는 것이 바람직하다. 즉, 타워 개구(20)는, 원통형상의 통형상부(21)에 대응하는 원형으로 해도 되지만, 직선부를 포함한 형상으로 하는 것이 바람직하다. 실개구 면적이 되는 타워 개구(20)의 구체적인 형상예는, 예를 들어 도 5의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 정사각형(20A), 직사각형(20B) 및 대략 타원형상(20C) 등이 있다. 이들 타워 개구를 구비한 통형상부는, 각 타워 개구와 동일한 단면형상 그대로 오목부를 형성하면 된다.

또한, 실개구 면적이 되는 타워 개구에 직선부를 포함하고 있으면, 통형상부를 형성하는 일반적인 덕트 등의 설치가 용이해진다. 특히, 직사각형(20B)이나 대략 타원형상(20C) 등과 같이, 타워 개구(20)에 세로로 긴 형상을 채용하면, 동일 면적의 원형이나 정사각형의 각형상이 개구해 있는 경우와 비교하여, 세로 길이비의 조정에 의해, 타워 직경에 대한 개구 직경의 비율이 작아지기 때문에, 타워 강도를 저하시키는 요인이 작아지므로, 타워 강도의 확보에 유효하다.

<제2 실시 형태>

이하에서는, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치(1)에 대해서, 제2 실시 형태를 도 6에 도시하여 설명한다. 또한, 상술한 실시 형태와 마찬가지 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.

이 실시 형태에서는, 유효 개구 면적 Se보다 하류측이 되는 타워(2)의 내부에 구획 부재(2a)를 구비하여 상하로 구획하고, 구획 부재(2a)에 외기 흡인용 팬(30)을 설치하고 있다. 이 팬(30)이 운전되면, 타워 개구(20)로부터 외기가 흡인되어 통형상부(21)의 압력 손실 부재를 통과한다. 이 외기는, 또한 팬(30) 및 타워(2)의 내부를 통과해서 너셀(3)의 내부에 공급된다.

이와 같이 구성하면, 구획 부재(2a)에 의해 타워(2) 내를 통과해서 너셀(3)에 이르는 외기 유로가 팬(30)에 한정되므로, 팬(30)의 출입구에 있어서, 외기의 흐름에 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 타워 개구(20)로부터 효과적으로 외기를 받아들이는 것이 가능해져서, 외기에 의한 냉각 및 환기를 확실하게 행할 수 있다.

또한, 예를 들어 도 7에 도시하는 제1 변형예와 같이, 유효 개구 면적 Se를 형성하는 면의 내측(타워(2)의 공간측)에 외기 흡인용 팬(30)을 설치하고, 외기를 적극적으로 받아들이도록 해도 된다. 즉, 통형상부(21)의 주위면(21a)에 반해, 타워(2)의 내측(너셀(3)측)이 되는 위치에 직접 팬(30)을 설치했으므로, 새롭게 구획 부재(2a)를 설치할 필요가 없다.

<제3 실시 형태>

이하에서는, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치(1)에 대해서, 제3 실시 형태를 도 8에 도시하여 설명한다. 또한, 상술한 실시 형태와 마찬가지 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.

이 실시 형태에서는, 유효 개구 면적 Se의 면으로부터 분기해서 대기로 연통하는 외기의 바이패스 유로(40)를 설치하고, 이 바이패스 유로(40) 내에 외기와의 열 교환에 의해 냉각 매체를 냉각하는 열 교환기(50)를 설치하고 있다. 즉, 통형상부(21)의 주위면(21a)으로부터 분기해서 외기로 연통하는 바이패스 유로(40)를 형성하고, 이 바이패스 유로(40) 내에 냉각 매체로부터 흡열해서 냉각하는 열 교환기(50)가 설치되어 있다. 또한, 통형상부(21)의 주위면(21a)으로부터 분기해서 외기로 연통하는 바이패스 유로(40)의 입구는, 압력 손실 요소가 없어도 된다.

상술한 열 교환기(50)는 냉각 대상 기기를 순환하는 오일이나 물 등의 냉각 매체를 외기에 의해 냉각하는 것이다. 즉, 타워 개구(20)로부터 통형상부(21) 내에 도입한 저온의 외기는, 일부가 바이패스 유로(40)로 분기해서 흐르고, 열 교환기(50)를 통과할 때에 냉각 매체로부터 흡열한다. 이 결과, 냉각 대상 기기를 냉각해서 온도 상승한 냉각 매체는 외기로 방열해서 온도 저하하므로, 냉각 대상 기기에 반해 항상 저온의 냉각 매체를 공급한 냉각이 가능해진다.

또한, 이 열 교환기(50)를 바이패스 유로(40)에 설치했으므로, 열 교환기(50)에서 흡열한 고온의 외기는 바이패스 출구(41)로부터 대기로 유출한다. 이 때문에, 열 교환기(50)의 배열이 타워(2)의 내부에 단락하지 않고, 따라서, 타워 개구(20)로부터 통형상부(21) 내에 도입한 저온의 외기는 바이패스 유로(40)로 유출한 일부를 제외하고, 압력 손실 요소를 통과해서 너셀(3)까지 도입된다.

이와 같이, 먼지나 빗물 등의 이물질 침입 방지가 불필요하기 때문에, 압력 손실 요소를 통과시킬 필요가 없는 외기에 대해서는, 너셀(3)을 향하는 외기의 흐름으로부터 분기하는 별도 계통의 바이패스 유로(40)를 설치해서 열 교환기(50)로 유도하므로, 냉각용으로서 도입하는 외기 전체의 압력 손실을 저감할 수 있다.

이 경우, 바이패스 유로(40)의 내부에는, 예를 들어 도 9에 도시하는 제1 변형예와 같이, 흡음재(42)를 장착하는 것이 바람직하다. 이러한 흡음재(42)는, 열 교환기(50)의 가동 시에 발생하는 열 교환기 팬(51)의 운전 소음을 저감하는 데에 유효하다. 또한, 열 교환기 팬(51a)은, 통형상부(21)로부터 바이패스 유로(40) 내에 외기의 일부를 도입해서 열 교환기(51)를 통과시키기 위한 팬이며, 열 교환기(51)의 상류측 또는 하류측에 인접해서 설치되어 있다.

또한, 도 10에 도시하는 제2 변형예와 같이, 바이패스 유로(40)의 출구측을 하향으로 연장하고, 바이패스 출구(41)를 지면을 향해서 개구시키면, 열 교환기(50)의 가동 시에 발생하는 열 교환기 팬(51)의 운전 소음이 주위로 퍼지는 것을 억제할 수 있다.

<제4 실시 형태>

이하에서는, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치(1)에 대해서, 제4 실시 형태를 도 11에 도시하여 설명한다. 또한, 상술한 실시 형태와 마찬가지 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.

이 실시 형태에서는, 타워 개구(20)로부터 타워 외측으로 연장하는 볼록부의 통형상부(21A)를 형성하고, 통형상부(21A)를 구성하는 주위면(21a) 및 타워 외측 단부면(21c)의 일부 또는 전부를 사용해서 타워 개구(20)의 실개구 면적 S보다 큰 압력 손실 요소 설치용 유효 개구 면적 Se로서 확보하고 있다. 즉, 본 실시 형태에서는, 유효 개구 면적 Se가 되는 볼록부 구성면이 실개구 면적 S보다 크게(Se＞S) 되도록, 타워 개구(20)로부터 타워 외부로 튀어 나오도록 해서 돌출한 볼록형상의 통형상부(21A)를 형성하고 있다.

구체적으로 설명하면, 도 11에 도시하는 통형상부(21A)는, 타워(2)의 타워 외표면에 개구하고 있는 타워 개구(20)로부터 타워 외부를 향해서 돌출한 원통형상이다. 또한, 통형상부(21A)의 통 단면형상이나 돌출 방향에 대해서는, 특별히 한정되지는 않는다.

또한, 상술한 통형상부(21A)는, 예를 들어 골격 부재(도시하지 않음)를 격자형상으로 조합해서 통형상을 형성하고, 그 주위면 및 양단부면을 개구시키고 있다. 이와 같이 해서 형성된 통형상부(21A)의 개구는, 타워 개구(20)가 되는 타워측의 원통 단부면(타워측 단부면)을 제외하고, 주위면(21a) 및 타워 외측 단부면(21c)이 실개구 면적 Se로서 사용 가능해져서, 압력 손실 요소의 설치에 이용된다.

이 결과, 타워 개구(20)의 개구 면적과 대략 일치하는 통형상부(21A)의 타워측 단부면의 면적이 실개구 면적 S가 되고, 따라서, 이 경우의 유효 개구 면적 Se는, 대략 주위면(21a)의 면적분만큼 실개구 면적 S보다 커진다. 도시한 구성예에서는, 타워 외측 단부면(21c)의 면적이 실개구 면적 Se로부터 제외되어 있지만, 타워 외측 단부면(21c)의 면적을 실개구 면적 Se로서 사용할 수 있는 경우에는, 상술한 실시 형태와 마찬가지로, 주위면(21a)의 면적이 유효 개구 면적 Se가 된다. 이러한 통형상부(21A)의 주위면(21a)은, 축 방향 길이나 직경을 변경해서 적절하게 면적을 조정하는 것이 가능하다.

이러한 타워 개구(20) 및 통형상부(21A)는, 타워(2)의 적소에 설치하면 되지만, 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같이, 도어(6)를 설치하기 위한 도어용 개구부(10)를 이용해서 설치해도 된다.

상술한 바와 같이, 본 실시 형태의 풍력 발전 장치(1)는, 타워 개구(20)로부터 타워 외측으로 연장하는 볼록부가 되는 통형상부(21A)를 형성하고, 통형상부(21A)를 구성하는 면의 일부 또는 전부를 타워 개구(20)의 실개구 면적 S보다 큰 압력 손실 요소 설치용 유효 개구 면적 Se로서 확보했으므로, 타워 개구(20)를 최소한으로 억제하여 타워 강도를 확보하는 동시에, 큰 유효 개구 면적 Se에 설치한 압력 손실 요소를 통과해서 흐르는 외기의 유속을 작게 할 수 있다.

또한, 도 12에 도시하는 본 실시 형태의 제1 변형예에 있어서, 상술한 통형상부(21A)는, 도어용 개구부(10)의 주위로부터 외향으로 돌출하는 외부 상자(22)가 되고, 외부 상자(22)의 노출면에 유효 개구 면적 Se를 확보하고 있다. 즉, 외부 상자(22)는, 도어용 개구부(10)를 둘러싸도록 하여, 타워 외측으로 연장해 있다. 이 경우의 노출면은, 외부 상자(22)를 대략 각기둥형상으로 하고, 지면으로부터 도어용 개구부(10)를 향해서 직선적으로 경사지는 배치로 한 것이므로, 저면을 포함하는 주위의 4면을 유효 개구 면적 Se로서 이용할 수 있다. 따라서, 도어용 개구부(10)가 규정하는 실개구 면적 S와 비교하여, 보다 큰 유효 개구 면적 Se를 용이하게 확보할 수 있다.

또한, 외부 상자(22)의 경사 배치는, 도시한 직선적인 경사에 한정되지는 않고, 예를 들어 도중에 수평부를 갖는 복수 단계의 경사로 해도 된다.

이 경우, 외부 상자(22)의 지면 설치측이 되는 단부면(22a)에 도어(도시하지 않음)가 장착되고, 도어용 개구부(10)는 외기 통로로서 상시 개방되어 있다. 그리고, 외부 상자(22) 중에는, 즉 외부 상자(22)의 공간 내에는, 타워 입구가 되는 도어용 개구부(10)까지 오르는 계단을 형성하는 것도 가능하다.

또한, 외부 상자(22)의 형상은 대략 각기둥형상으로 한정되지 않고, 예를 들어 도어용 개구부(10)와 동일한 단면형상을 갖는 통형상으로 해도 된다.

또한, 도 13에 도시하는 본 실시 형태의 제2 변형예에 있어서, 상술한 통형상부(21A)는, 도어용 개구부(10)의 하단부측으로부터 돌출하는 계단모양 외부 상자(23)로 되어, 도어용 개구부(10)의 하단부측을 실개구 면적 S라 하고, 또한 계단모양 외부 상자(23)의 양측면에 유효 개구 면적 Se를 확보하고 있다. 즉, 계단모양 외부 상자(23)는, 상면에 계단(트랩)(23a)이 형성된 중공의 상자형상 부재이며, 양측면(23b)이 압력 손실 요소의 설치면이 된다.

이 경우, 도어용 개구부(10)의 상부 영역(10a)을 도어 설치면으로서 닫고, 계단(23a)으로부터 하방의 하부 영역(10b)이 외기를 통과시키는 유로로서 상시 개구되어 있다.

또한, 도 14에 도시하는 본 실시 형태의 제3 변형예에 있어서는, 외부 상자(22A)의 저면(22b)과 지면 사이에 외기가 유통 가능한 공간을 형성하고, 저면(22b)에 유효 개구 면적 Se를 확보해서 압력 손실 요소(24)를 설치해도 된다.

마찬가지로, 도 15에 도시하는 본 실시 형태의 제4 변형예에서는, 계단모양 외부 상자(23A)의 저면(23c)과 지면 사이에 외기가 유통 가능한 공간을 형성하고, 저면(23c)에 유효 개구 면적 Se를 확보해서 압력 손실 요소(24)을 설치해도 된다.

이와 같이, 외부 상자(22A)의 저면(22b)이나 계단모양 외부 상자(23A)의 저면(23c)에 유효 개구 면적 Se를 확보해서 압력 손실 요소(24)을 설치하면, 분진이나 빗물 등의 이물질이 압력 손실 요소(24)까지 도달하기 어려운 구조가 된다.

또한, 도 16에 도시하는 제5 변형예 및 도 17에 도시하는 제6 변형예와 같이, 외부 상자(22B) 또는 계단모양 외부 상자(23B)의 내부에, 도면 중에 화살표로 나타내는 독립한 외기 순환 유로(25)를 형성하는 기기 설치 공간(26)을 구비한 구조로 하여, 예를 들어 기기 설치 공간(26) 내에 열 교환기(50)를 설치해도 된다. 이 경우, 기기 설치 공간(26)은 구획 부재(27)에 의해 타워(2)의 도어용 개구부(10)에 외기를 유도하는 공간으로부터 분리되고, 지면 설치측 단부면의 적소나 계단(23a)의 적소 등에 열 교환기(50)와의 열 교환에 의해 온도 상승한 외기의 출구가 설치되어 있다.

이와 같은 구성으로 하면, 열 교환기(50)의 배열이 타워(2) 내에 단락해서 유입하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 각 실시 형태 및 그 변형예에 있어서는, 큰 유효 개구 면적 Se를 확보할 수 있으므로, 압력 손실 요소로서 저압력 손실의 필터를 장착해도 충분한 필터 능력을 얻을 수 있다.

이와 같이, 상술한 각 실시 형태 및 그 변형예에 따르면, 타워(2)의 표면에 뚫은 타워 개구(20)의 실개구 면적 S에 대하여 큰 면적비를 갖는 유효 개구 면적 Se를 확보할 수 있게 되므로, 타워 강도를 확보하면서 흡배기용 큰 개구 면적을 확보하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지는 않고, 예를 들어 오목의 통형상에서 설명한 실시 형태나 변형예를 볼록한 통형상에 적용하는 등, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 적절하게 변경할 수 있다.

1 : 풍력 발전 장치
2 : 풍차용 타워
2a : 구획 부재
3 : 너셀
4 : 로터 헤드
5 : 풍차 날개
6 : 도어
10 : 도어용 개구부
20, 20A ~ 20C : 타워 개구
21, 21′, 21A, 21B : 통형상부
22, 22A, 22B : 외부 상자
23, 23A, 23B : 계단모양 외부 상자
30 : 팬
40 : 바이패스 유로
41 : 바이패스 출구
42 : 흡음재
50 : 열 교환기

Claims

풍차 날개에 풍력을 받아서 회전하는 로터 헤드가 너셀의 내부에 설치된 발전기를 구동해서 발전하고, 상기 너셀이 기초 위에 세워 설치된 타워의 상단부에 설치되는 동시에, 상기 타워의 표면에 설치한 타워 개구로부터 타워 내부에 외기를 도입해서 내부 공간을 냉각하는 풍력 발전 장치에 있어서,
상기 타워 개구로부터 타워 내측으로 연장하는 오목부 또는 상기 타워 개구로부터 타워 외측으로 연장하는 볼록부를 갖고,
상기 오목부 또는 상기 볼록부를 구성하는 면의 일부 또는 전부에 설치된 압력 손실 요소를 거쳐서 통기 가능하게 구성되는 동시에, 상기 압력 손실 요소를 설치한 유효 개구 면적이 상기 타워 개구의 실개구 면적보다도 큰, 풍력 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 타워 개구는, 타워 내부에 출입하기 위한 도어를 설치하는 도어용 개구부 중 적어도 일부가 이용되는, 풍력 발전 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 오목부 또는 상기 볼록부는, 그 구성면 중 어느 하나의 위치에 개폐 가능한 출입구를 구비하고 있는, 풍력 발전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오목부 또는 상기 볼록부는, 상기 타워 개구로부터 끝으로 갈수록 넓어지게 형성되어 있는, 풍력 발전 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오목부는, 상기 타워 개구로부터 타워축 중심 방향으로 상향으로 경사져 있는, 풍력 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 오목부 또는 상기 볼록부의 단면형상이 직선부를 포함하고 있는, 풍력 발전 장치.
제2항에 있어서,
상기 볼록부가 상기 도어용 개구부의 주위로부터 돌출하는 외부 상자로 되고, 상기 외부 상자의 노출면에 상기 유효 개구 면적을 확보한, 풍력 발전 장치.
제2항에 있어서,
상기 오목부 또는 볼록부가, 상기 도어용 개구부의 하단부측으로부터 돌출하는 계단모양 외부 상자이며, 상기 도어용 개구부의 하단부측을 상기 실개구 면적이라 하고, 또한 상기 계단모양 외부 상자의 구성면의 전부 또는 일부에 상기 유효 개구 면적을 확보한, 풍력 발전 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 외부 상자 또는 상기 계단모양 외부 상자의 저면과 지면 사이에 공간을 형성하고, 상기 저면에 상기 유효 개구 면적을 확보한 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 장치.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부 상자 또는 상기 계단모양 외부 상자의 내부에 독립한 외기 순환 유로를 구비한 기기 설치 공간을 형성한, 풍력 발전 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유효 개구 면적에 저압력 손실의 필터가 장착되어 있는, 풍력 발전 장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유효 개구 면적보다 하류측이 되는 상기 타워 내에 구획을 설치해서 외기 흡인용 팬을 설치한, 풍력 발전 장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유효 개구 면적을 형성하는 면의 내측에 외기 흡인용 팬이 설치되어 있는, 풍력 발전 장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유효 개구 면적의 면으로부터 분기해서 대기로 연통하는 외기의 바이패스 유로를 설치하고, 상기 바이패스 유로 내에 외기와의 열 교환에 의해 냉각 매체를 냉각하는 열 교환기를 설치한, 풍력 발전 장치.
제14항에 있어서,
상기 바이패스 유로 내에 흡음재를 장착한, 풍력 발전 장치.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 바이패스 유로의 출구측을 연장해서 지면을 향해서 개구시킨, 풍력 발전 장치.