KR20120139669A - 재생 에너지형 발전 장치 - Google Patents

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KR20120139669A
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유 아카시
다케시 마츠오
신스케 사토
다쿠로 가메다
요시유키 모리이
후미오 하마노
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 유압 트랜스미션의 작동유를 효율적으로 냉각할 수 있는 냉각 기구를 구비한 재생 에너지형 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 재생 에너지형 발전 장치(1)는 타워(2)와, 타워의 선단부(2B)에 선회 가능하게 지지된 나셀(4)과, 회전 블레이드(6B)와 함께 회전하는 주축(14)과, 주축(14)의 회전에 의해 구동되는 유압 펌프(8)와, 유압 펌프(8)로부터 공급되는 작동유에 의해 구동되는 유압 모터(10)와, 유압 모터(10)에 연결된 발전기(12)와, 유압 펌프(8)와 유압 모터(10) 사이에 설치되고, 작동유가 흐르는 작동유 라인(30)과, 중간 열교환기(52)를 통해서 작동유를 냉각하는 냉매가 순환하는 냉매 라인(40)과, 냉매를, 타워 기부 주변의 해수, 호수, 하천수 또는 지하수로 이루어지는 냉수원과 열교환함으로써 냉각하는 주 열교환기(51)를 구비하고, 작동유 라인(30) 및 냉매 라인(40)의 한쪽이, 나셀(4)측에 지지되는 제 1 배관(31, 34)과, 타워(2)측에 지지되는 제 2 배관(32, 33)과, 제 1 배관(31, 34)과 제 2 배관(32, 33)을 상대적으로 선회 가능하게 접속하는 접속부(100)를 갖는다.

Description

재생 에너지형 발전 장치{RENEWABLE ENERGY TYPE GENERATING APPARATUS}
본 발명은, 유압 트랜스미션을 통해서, 재생 에너지원으로부터 얻어지는 로터의 회전 에너지를 발전기에 전달하는 재생 에너지형 발전 장치에 관한 것이며, 특히 유압 트랜스미션의 냉각 기구를 구비한 재생 에너지형 발전 장치에 관한 것이다.
최근에, 지구 환경의 보전의 관점으로부터, 풍력을 이용한 풍력 발전 장치나, 조류, 하류 또는 해류에너지를 이용한 조류 발전 장치 등의 재생 에너지형 발전 장치의 보급이 진행하고 있다. 이들의 재생 에너지형 발전 장치는 발전 효율을 향상시키기 위해서 대형화가 진행되고 있다. 특히, 해상에 설치되는 풍력 발전 장치는 육상에 설치되는 풍력 발전 장치에 비해 건설 비용이 높아지는 경향이 있기 때문에, 대형화에 의해 발전 효율을 향상시켜서, 채산성을 개선하는 것이 요구된다.
그런데, 기계식(기어식)의 증속기를 구비하는 재생 에너지형 발전 장치의 경우, 장치의 대형화가 진행함에 따라, 증속기의 중량 및 비용이 증가하는 경향이 있다. 이 때문에, 기계식의 증속기에 대체해서, 유압 펌프 및 유압 모터를 조합한 유압 트랜스미션을 채용한 재생 에너지형 발전 장치가 주목을 받고 있다.
유압 트랜스미션을 구비하는 재생 에너지형 발전 장치로서, 예를 들어 특허문헌 1에는, 나셀 내에 유압 펌프, 유압 모터 및 발전기가 설치된 풍력 발전 장치가 기재되어 있다. 이 풍력 발전 장치에서는, 유압 트랜스미션을 통해서 로터의 회전 에너지를 발전기에 전달하게 되어 있다(특허문헌 1의 도 7 참조).
또한, 특허문헌 2에는, 나셀 내에 유압 펌프가 설치되고, 타워 하부에 유압 모터 및 발전기가 설치되어 있고, 유압 펌프와 유압 모터가 배관으로 접속된 풍력 발전 장치가 기재되어 있다.
한편, 재생 에너지형 발전 장치의 대형화에 의해 발전기의 출력이 증가하면, 발전기로부터의 열손실도 커진다. 특히, 유압 펌프 및 유압 모터를 조합한 유압 트랜스미션을 구비하는 재생 에너지형 발전 장치에서는, 발전기의 열손실에 가해서, 유압 트랜스미션으로부터의 열손실도 고려하지 않으면 안된다. 그 때문에, 발전기나 유압 트랜스미션 등의 열발생원의 냉각 기구를 구비한 재생 에너지형 발전 장치의 개발이 기대된다.
따라서, 특허문헌 3에는, 컨버터나, 변압기나, 제어 장치를 냉각하기 위한 냉각 시스템을 구비한 풍력 발전 장치가 기재되어 있다. 이 냉각 시스템은 타워 외주면에 설치된 복수의 열교환기를 갖고, 상기 열교환기에 있어서, 컨버터나, 변압기나, 제어 장치를 냉각한 후의 냉매를 대기와 열교환시키게 되어 있다.
또한, 특허문헌 4에는, 복수의 디바이스(컨버터, 변압기, 베어링 상자, 발전기 등)를 냉각하기 위한 풍력 발전 장치용의 냉각 장치가 기재되어 있다. 이 냉각 장치는 복수의 디바이스를 냉각한 후의 냉각수를, 타워나 나셀의 외벽에 설치된 열교환기에 의해 냉각하게 되어 있다.
국제 공개 제 2007/053036 호 국제 공개 제 2009/064192 호 유럽 특허 출원 공개 제 1 798 414 호 명세서 유럽 특허 출원 공개 제 2 007 184 호 명세서
통상, 유압 트랜스미션을 구비한 재생 에너지형 발전 장치는, 풍력이나 조류, 하류 또는 해류 등의 재생 에너지를 이용하기 위해서, 외기온이나 수온 등의 주위 환경의 온도 변화가 큰 장소에 설치되는 것이 많고, 이것에 수반해 유압 트랜스미션의 작동유 온도도 변화된다. 작동유는 온도 변화에 의해 점도가 변화되고, 저온에서는 작동유가 고점도가 되어서 유압 트랜스미션의 에너지 로스가 커지고, 고온에서는 작동유의 점도 저하에 의해 작동유의 열화 속도가 빨라지거나, 윤활성이 악화해서 미끄럼이동부의 손모가 발생하거나, 오일 누설이 많아지거나 해 버린다. 따라서, 유압 트랜스미션을 구비하는 발전 장치에 있어서는, 작동유를 적절한 온도로 유지하는 것이 요구되지만, 특허문헌 3, 4 등에 개시되는 종래의 기술에는 이러한 구성이 전혀 개시되어 있지 않다.
또한, 특허문헌 3, 4에 개시되는 냉각 장치는 열발생원을 냉각한 후의 냉매를 대기와 열교환시키는 구성으로 되어 있지만, 일반적으로 공냉은 수냉 정도 열교환 효율이 높지 않기 때문에, 대기를 도입하는 팬을 대형화하거나, 팬을 다수 설치하거나 할 필요가 있었다.
본 발명은 상술한 사정에 감안해서 이루어진 것이며, 유압 트랜스미션의 작동유를 효율적으로 냉각할 수 있는 냉각 기구를 구비한 재생 에너지형 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 재생 에너지형 발전 장치는, 재생 에너지로부터 전력을 생성하는 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 타워와, 상기 타워의 선단부에, 선회 가능하게 지지된 나셀과, 상기 나셀에 수납되어, 회전 블레이드와 함께 회전하는 주축과, 상기 나셀에 수납되어, 상기 주축의 회전에 의해 구동되는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프로부터 공급되는 작동유에 의해 구동되는 유압 모터와, 상기 유압 모터에 연결된 발전기와, 상기 유압 펌프와 상기 유압 모터 사이에 설치되고, 상기 작동유가 흐르는 작동유 라인과, 중간 열교환기를 통해서 상기 작동유를 냉각하는 냉매가 순환하는 냉매 라인과, 상기 냉매를, 상기 타워 기부 주변의 해수, 호수, 하천수 또는 지하수로 이루어지는 냉수원과 열교환하는 것에 의해 냉각하는 주 열교환기를 구비하고, 상기 작동유 라인 및 상기 냉매 라인의 한쪽이, 상기 나셀측에 지지되는 제 1 배관과, 상기 타워측에 지지되는 제 2 배관과, 상기 제 1 배관과 상기 제 2 배관을 상대적으로 선회 가능하게 접속하는 접속부를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 작동유의 냉각에 사용되는 냉매를, 타워 기부 주변의 해수, 호수, 하천수 또는 지하수로 이루어지는 냉수원과 열교환하는 것에 의해 냉각하도록 했으므로, 수냉에 의해 고효율로 냉매를 냉각할 수 있다.
또한, 작동유 라인 및 냉매 라인의 한쪽을, 나셀측에 지지되는 제 1 배관과, 타워측에 지지되는 제 2 배관으로 분할하고, 스위블 구조를 갖는 접속부에 의해 제 1 배관과 제 2 배관이 상대적으로 선회 가능으로 되도록 접속했으므로, 나셀이 선회해도, 나셀측의 제 1 배관과 타워측의 제 2 배관 사이에서 유체의 교환을 원활하게 행할 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 상기 유압 모터는 상기 타워의 상기 선단부와 상기 기부 사이에 배치되고, 상기 작동유 라인이 상기 나셀내의 상기 유압 펌프로부터 상기 타워 내의 상기 유압 모터까지 연장설치되어 있고, 상기 작동유 라인은 상기 제 1 배관, 상기 제 2 배관 및 상기 접속부를 갖고, 상기 제 1 배관이 상기 유압 펌프에 접속되어, 상기 제 2 배관이 상기 유압 모터에 접속되어 있어도 된다.
이와 같이, 유압 모터가 타워의 선단부와 기부 사이에 배치되도록 했으므로, 작동유 라인이 타워측까지 연장설치되는 것으로 되고, 타워내에서 작동유와 냉매와를 열교환시킬 수 있기 때문에, 작동유를 냉각하기 위한 냉매 라인을 나셀까지 연장설치할 필요가 없어진다. 따라서, 냉매 라인에 의해 나셀 높이까지 냉매를 퍼 올릴 경우에 비해, 펌프의 동력을 작게 할 수 있고, 또한 펌프를 소형화하는 것도 가능하다.
또는, 상기 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 상기 유압 모터는 상기 나셀측에 지지되고, 한편 상기 중간 열교환기는 상기 타워측에 지지되어 있고, 상기 작동유 라인은, 상기 유압 펌프와 상기 유압 모터 사이를 작동유가 순환하는 작동유 순환 라인과, 상기 작동유 순환 라인의 저압측으로부터 분기해서 상기 중간 열교환기를 통과해서 상기 작동유 순환 라인으로 복귀되는 작동유 분기 라인을 포함하고, 상기 작동유 분기 라인은 상기 제 1 배관, 상기 제 2 배관 및 상기 접속부를 갖고, 상기 제 1 배관이 상기 작동유 순환 라인에 접속되어, 상기 제 2 배관이 상기 중간 열교환기에 접속되어 있어도 된다.
이와 같이, 유압 모터가 나셀측에 지지되어, 작동유 순환 라인으로부터 분기한 작동유 분기 라인이 타워측의 중간 열교환기에 접속되도록 했으므로, 작동유 유량의 많은 작동유 순환 라인을 짧게 할 수 있고, 한편 접속부를 통과하는 작동유 유량을 적게 할 수 있다. 이에 의해 배관 구조를 간소화하는 것이 가능해진다. 또한, 작동유 분기 라인은 작동유 순환 라인의 저압측으로부터 분기시키고 있기 때문에, 작동유 분기 라인 및 접속부를 내압성이 낮은 배관으로 구성할 수 있고, 비용 저감이 도모된다.
또는, 상기 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 상기 유압 모터 및 상기 발전기는 상기 나셀의 내부에 배치되고, 한편 상기 중간 열교환기는 상기 나셀측에 지지되어 있고, 상기 냉매 라인은 상기 제 1 배관, 상기 제 2 배관 및 상기 접속부를 갖고, 상기 제 1 배관이 상기 중간 열교환기측에 접속되어, 상기 제 2 배관이 상기 주 열교환기측에 접속되어 있어도 된다.
이와 같이, 유압 모터 및 발전기는 나셀의 내부에 배치되고, 나셀측에 지지되는 중간 열교환기에 접속부를 통해서 냉매 라인이 접속되도록 했으므로, 접속부를 내압성이 낮은 배관으로 구성할 수 있고, 비용 저감이 도모된다.
상기 재생 에너지형 발전 장치는, 상기 나셀측으로부터 상기 타워측으로 향하는 유체가 흐르는 제 1 유로와, 상기 타워측으로부터 상기 나셀측으로 향하는 유체가 흐르는 제 2 유로와, 하나 또는 복수의 상기 제 1 유로 및 하나 또는 복수의 상기 제 2 유로가 형성된 관상 부재와, 상기 관상 부재를 둘러싸도록 설치되고, 상기 제 1 유로에 설치된 제 1 연통구를 통해서 상기 제 1 배관에 연통한 환상 유로를 포함하는 제 1 재킷과, 상기 관상 부재를 둘러싸도록 설치되고, 상기 제 2 유로에 설치된 제 2 연통구를 통해서 상기 제 2 배관에 연통한 환상 유로를 포함하는 제 2 재킷을 갖고, 상기 제 1 재킷 및 상기 제 2 재킷이 베어링을 통해서 상기 관상 부재에 상대적으로 선회 가능하게 설치되어 있는 것이 바람직하다.
이 재생 에너지형 발전 장치에서는, 나셀측으로부터 타워측으로 향하는 유체는 제 1 배관에 접속되는 제 1 재킷의 환상 유로로부터 제 1 연통구를 통해서 관상 부재에 형성되는 제 1 유로에 유입하고, 제 1 유로로부터 제 2 배관에 송급된다. 한편, 타워측으로부터 나셀측을 향하는 유체는 제 2 배관에 접속되는 제 2 재킷의 환상 유로로부터 제 2 연통구를 통해서 관상 부재에 형성되는 제 2 유로에 유입하고, 제 2 유로로부터 제 1 배관에 송급된다. 여기서, 제 1 재킷 및 제 2 재킷은 베어링을 통해서 관상 부재에 상대적으로 선회 가능하게 설치되어 있으므로, 나셀측으로부터 타워측으로 향하는 유체 및 타워측으로부터 나셀측을 향하는 유체의 흐름을 확보하면서, 나셀측 배관과 타워측 배관의 상대적인 선회를 가능하게 하고 있다.
이 경우, 상기 관상 부재에는, 상기 1 유로 및 상기 제 2 유로의 또한 내측에, 상기 나셀측으로부터 상기 타워측에 연장설치되는 케이블을 수용하는 케이블용 배관이 설치되어 있어도 된다.
이에 의해, 나셀이 선회했을 경우라도, 관상 부재에 설치된 케이블용 배관내에 케이블이 수용되어 있기 때문에, 케이블이 손상하는 것을 방지할 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치는, 상기 냉매 라인에 물을 공급하는 물공급원과, 상기 물에 부동액이 첨가된 냉매를 상기 냉매 라인내에서 순환시키는 펌프를 더 구비하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 냉매 라인에 물을 공급하는 물공급원과, 냉매 라인내에서 냉매를 순환시키는 펌프를 구비함으로써, 예를 들어 외기온의 변화 등에 따라, 냉매의 순환량을 조정할 수 있고, 작동유를 일정 온도로 유지하는 것이 가능해진다. 또한, 부동액이 첨가된 냉매를 사용함으로써, 외기온이 물의 동결 온도 이하가 되었을 경우라도 냉매가 동결하는 것을 방지할 수 있고, 냉각 기구의 원활한 가동이 가능하다.
이 경우, 상기 물공급원이 상기 냉매를 저류하는 냉매 탱크이며, 상기 냉매 탱크는 상기 타워의 상부에 배치되는 동시에, 상기 냉매 탱크는 타워내 공간에 개방되어 있어도 된다.
이와 같이, 냉매 탱크를 타워의 상부에 배치하고, 또한 냉매 탱크가 타워내 공간에 개방되도록 했으므로, 냉매 라인 하방에 있어서의 수압을 충분히 확보할 수 있고, 냉매 라인에 접속되는 각종 냉각 기기에 확실하게 냉매를 공급하는 것이 가능해진다. 또한, 사이펀 효과를 이용하면 펌프의 동력을 작게 할 수 있고, 펌프를 소형화하는 것도 가능하다.
또한, 상술한 경우, 상기 물공급원이 상기 냉매를 저류하는 냉매 탱크이며, 상기 냉매 탱크는 상기 타워의 내부에 배치되는 동시에, 상기 냉매 탱크는 타워내 공간에 대하여 밀폐되어 있어도 된다.
이와 같이, 냉매 탱크를 타워의 내부에 배치하고, 또한 냉매 탱크가 타워내 공간에 대하여 밀폐되도록 했으므로, 예를 들어 냉매 탱크를 냉매 라인의 하방에 배치하는 등 냉매 탱크의 배치를 자유롭게 할 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 상기 주 열교환기를 수용하는 케이싱의 냉수원 입구에는, 상기 냉수원에 포함되는 이물질이 상기 케이싱 내부에 혼입하는 것을 방지하는 필터가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 냉수원은 해수, 호수, 하천수 또는 지하수로 이루어지기 때문에, 이들의 중에는 생물 등의 이물질이 존재하고, 이들의 이물질이 주 열교환기의 전열관에 부착되면 전열 효율이 저하해 버린다. 특히, 부착 생물은 전열관에서 증식하기 때문에 서서히 전열 효율이 저하해 버리는 것은 피할 수 없다. 따라서, 본 구성과 같이, 주 열교환기를 수용하는 케이싱의 냉수원 입구에 필터를 설치함으로써, 이물질이 전열관 주위에 인입하는 것을 방지하고, 전열 효율의 저하를 방지할 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 상기 주 열교환기는 상기 타워가 설치되는 기초에 설치되어 있는 것이 바람직하다.
이에 의해, 주 열교환기의 냉수측을 간소화할 수 있다.
이 경우, 상기 열교환기의 전열관 주위에, 냉수원의 유속을 조정하는 유속 조정용 구조체가 배치되어, 상기 유속 조정용 구조체와 상기 전열관 사이의 거리의 상한이 상기 전열관에 있어서 소정의 열전달률이 얻어지는 거리에 기초하여 설정되고, 하한이 상기 전열관에 부착되는 이물질이 박리하는 거리에 기초하여 설정되도록 해도 좋다.
이것은 전열관 주위를 흐르는 냉수원의 유속은 전열관의 열전달률에 영향을 미치기 때문에, 적합한 열전달률이 얻어지도록 전열관 주위에 유속 조정용 구조체를 배치하고 있다. 따라서, 유속 조정용 구조체와 전열관 사이의 거리의 상한이 전열관에 있어서 소정의 열전달률이 얻어지는 거리에 기초하여 설정됨으로써, 냉매의 냉각에 적합한 열전달률을 얻는 것이 가능해진다. 또한, 유속 조정용 구조체와 전열관 사이의 거리의 하한이 전열관에 부착되는 이물질이 박리하는 거리에 기초하여 설정됨으로써, 전열관에의 이물질의 퇴적을 억제할 수 있다.
또한, 상술한 경우, 상기 주 열교환기의 전열관 표면에 상기 냉수원을 분사하는 스프레이 노즐을 설치하도록 해도 좋다.
이에 의해, 냉수원에 포함되는 이물질이 주 열교환기의 전열관에 부착되었을 경우라도, 스프레이 노즐로부터 분사하는 냉수원에 의해 이물질을 박리할 수 있다. 이와 같이, 스프레이 노즐에 의해 물리적으로 이물질을 박리하는 구성으로 함으로써, 유해 성분을 포함하는 도료를 전열관에 도포하거나, 염소를 주입하거나 하는 일이 없이 전열관에의 이물질의 부착, 퇴적을 억제할 수 있고, 환경 부하를 작게 하는 것이 가능하다.
또한, 상술한 경우, 상기 열교환기는 복수의 전열관을 갖는 다관식 열교환기라도 좋다.
이와 같이, 열교환기에 다관식 열교환기를 사용함으로써, 저렴하고 또한 전열 면적을 크게 할 수 있고, 열교환기에서의 열교환 효율을 높게 유지하는 것이 가능해진다. 또한, 여기에서 말하는 열교환기는 주 열교환기 또는 중간 열교환기이다.
또한, 상기 재생 에너지형 발전 장치는 풍력 발전 장치이며, 상기 타워가 상기 기부로부터 상기 선단부를 향해서 연직 방향 상방으로 연장하는 동시에, 상기 회전 블레이드에 의해 바람을 받는 것에 의해 상기 주축이 회전하게 되어 있어도 된다.
또한, 상기 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 상기 나셀 내에 수납되어, 상기 나셀의 주위로부터 도입한 공기에 의해 상기 발전기를 냉각하는 발전기 냉각기를 더 구비하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 수냉에 의한 냉매의 냉각과, 공냉에 의한 발전기의 냉각을 조합함으로써, 재생 에너지형 발전 장치의 효율적인 냉각 기구를 구축할 수 있다.
다른 형태에 있어서, 본 발명에 관한 재생 에너지형 발전 장치는, 재생 에너지로부터 전력을 생성하는 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 타워와, 상기 타워의 선단부에, 선회 가능하게 지지된 나셀과, 상기 나셀에 수납되어, 회전 블레이드와 함께 회전하는 주축과, 상기 나셀에 수납되어, 상기 주축의 회전에 의해 구동되는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프로부터 공급되는 작동유에 의해 구동되는 유압 모터와, 상기 유압 모터에 연결된 발전기와, 상기 유압 펌프와 상기 유압 모터 사이에 설치되고, 상기 작동유가 흐르는 작동유 순환 라인과, 상기 작동유를, 상기 타워 기부 주변의 해수, 호수, 하천수 또는 지하수로 이루어지는 냉수원과 열교환하는 것에 의해 냉각하는 주 열교환기를 구비하고, 상기 작동유 순환 라인 및 상기 작동유 순환 라인으로부터 분기되는 작동유 분기 라인의 한쪽이, 상기 나셀측에 지지되는 제 1 배관과, 상기 타워측에 지지되는 제 2 배관과, 상기 제 1 배관과 상기 제 2 배관을 상대적으로 선회 가능하게 접속하는 접속부를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 작동유를, 타워 기부 주변의 해수, 호수, 하천수 또는 지하수로 이루어지는 냉수원과 열교환하는 것에 의해 냉각하도록 했으므로, 수냉에 의해 고효율에서 작동유를 냉각할 수 있다.
또한, 작동유 순환 라인 및 작동유 분기 라인의 한쪽을, 나셀측에 지지되는 제 1 배관과, 타워측에 지지되는 제 2 배관으로 분할하고, 스위블 구조를 갖는 접속부에 의해 제 1 배관과 제 2 배관이 상대적으로 선회 가능으로 되도록 접속했으므로, 나셀이 선회해도, 나셀측의 제 1 배관과 타워측의 제 2 배관 사이에서 유체의 교환을 원활하게 행할 수 있다.
이 경우, 상기 나셀 내에 수납되어, 상기 나셀의 주위로부터 도입한 공기에 의해 상기 발전기를 냉각하는 발전기 냉각기를 더 구비하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 수냉에 의한 작동유의 냉각과, 공냉에 의한 발전기의 냉각을 조합함으로써, 재생 에너지형 발전 장치의 효율적인 냉각 기구를 구축할 수 있다.
본 발명의 일 형태에서는, 작동유의 냉각에 사용되는 냉매를, 타워 기부 주변의 해수, 호수, 하천수 또는 지하수로 이루어지는 냉수원과 열교환하는 것에 의해 냉각하도록 했으므로, 수냉에 의해 고효율로 냉매를 냉각할 수 있다.
또한, 작동유 라인 및 냉매 라인의 한쪽을, 나셀측에 지지되는 제 1 배관과, 타워측에 지지되는 제 2 배관으로 분할하고, 스위블 구조를 갖는 접속부에 의해 제 1 배관과 제 2 배관이 상대적으로 선회 가능으로 되도록 접속했으므로, 나셀이 선회해도, 나셀측의 제 1 배관과 타워측의 제 2 배관 사이에서 유체의 교환을 원활하게 행할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 형태에서는, 작동유를, 타워 기부 주변의 해수, 호수, 하천수 또는 지하수로 이루어지는 냉수원과 열교환하는 것에 의해 냉각하도록 했으므로, 수냉에 의해 고효율에서 작동유를 냉각할 수 있다.
또한, 작동유 순환 라인 및 작동유 분기 라인의 한쪽을, 나셀측에 지지되는 제 1 배관과, 타워측에 지지되는 제 2 배관으로 분할하고, 스위블 구조를 갖는 접속부에 의해 제 1 배관과 제 2 배관이 상대적으로 선회 가능으로 되도록 접속했으므로, 나셀이 선회해도, 나셀측의 제 1 배관과 타워측의 제 2 배관 사이에서 유체의 교환을 원활하게 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 풍력 발전 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 2a는 도 1의 주 열교환기의 구체적인 구성예를 도시하는 측면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시하는 주 열교환기의 A-A선 단면도이다.
도 2c는 도 2a에 도시하는 주 열교환기의 사시도이다.
도 3a는 부착물 제거 기능을 갖는 주 열교환기를 도시하는 사시도이다.
도 3b는 다른 형태의 부착물 제거 기능을 갖는 주 열교환기를 도시하는 사시도이다.
도 3c는 다른 형태의 부착물 제거 기능을 갖는 주 열교환기를 도시하는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 관한 풍력 발전 장치에 적용되는 스위블 구조의 제 1 구성예를 도시하는 도면이다.
도 5a는 도 4의 스위블 구조의 제 1 구성예를 도시하는 B-B선 단면도이다.
도 5b는 도 4의 스위블 구조의 제 1 구성예를 도시하는 C-C선 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 관한 풍력 발전 장치에 적용되는 스위블 구조의 제 2 구성예를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 관한 풍력 발전 장치에 적용되는 스위블 구조의 제 3 구성예를 도시하는 도면이다.
도 8은 도 1의 풍력 발전 장치의 제 1 변형예를 도시하는 전체 구성도이다.
도 9는 도 1의 풍력 발전 장치의 제 2 변형예를 도시하는 전체 구성도이다.
도 10은 도 1의 풍력 발전 장치의 제 3 변형예를 도시하는 전체 구성도이다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 풍력 발전 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 풍력 발전 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제 4 실시형태에 관한 풍력 발전 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 따라서 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 단, 이 실시형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은 특정적인 기재가 없는 한 본 발명의 범위를 이것에 한정하는 취지가 아니고, 단순한 설명 예에 지나지 않는다.
[제 1 실시형태]
제 1 실시형태에서는, 재생 에너지형 발전 장치의 일 예로서 풍력 발전 장치에 대해서 설명한다. 도 1은 제 1 실시형태에 관한 풍력 발전 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 풍력 발전 장치(1)는, 주로, 타워(2)와, 타워 선단부(2B)에 설치된 나셀(4)과, 바람을 받아서 회전하는 로터(6)와, 유압 펌프(8) 및 유압 모터(10)와, 유압 모터(10)에 연결된 발전기(12)로 구성된다.
또한, 도 1에는, 풍력 발전 장치(1)로서 해면(SL) 위에 설치되는 해상 풍력 발전 장치를 예시하고 있지만, 풍력 발전 장치(1)는 부근에 냉수원이 존재하는 육상에 설치되어 있어도 된다.
타워(2)는 해면(SL) 부근의 높이에 위치하는 기초(3) 위에 세워 설치되어 있고, 기초(3)측의 기부(2A)로부터 연직 방향 상방으로 선단부(2B)까지 연장되어 있다. 타워(2)의 선단부(2B) 위에는 나셀(4)이 설치되어 있다.
나셀(4)은 나셀 대판(16)을 갖고 있고, 이 나셀 대판(16)은 나셀 베어링(18)에 의해 타워(2)의 선단부(2B)에 선회 가능하게 지지되어 있다. 구체적으로는, 나셀 대판(16)은 나셀 베어링(18)의 내륜(18A)에 고정되고, 타워(2)의 선단부(2B)는 나셀 베어링(18)의 외륜(18B)에 고정되어 있다.
그리고, 나셀 대판(16)에는 나셀 선회 기구(19)가 설치되는 동시에, 나셀 대판 위에는 요 구동 기구(13)가 배설되어 있다. 이 나셀 선회 기구(19) 및 요 구동 기구(13)에 의해, 나셀 대판(16)이 타워(2)의 선단부(2B)에 대하여 선회하게 되어 있다.
나셀 선회 기구(19)는, 예를 들어 타워(2)의 선단부(2B)의 내주면에 설치된 내치차(19B)와 맞물리는 기어(19A)로 구성되어 있어도 된다.
요 구동 기구(13)는, 예를 들어 기어(19A)의 축에 직접 연결되거나, 또는 기어(19A)에 피니언을 통해서 연결되는 감속기와, 클러치와, 요 모터와, 전자기 브레이크와, 이들을 수납하는 하우징으로 구성되어 있어도 된다. 또한, 요 구동 기구(13)는 타워(2)의 축선을 중심으로 한 원주상에 복수 설치되어 있어도 된다.
상기 구성을 가질 경우, 클러치가 결합 상태에서 전자기 브레이크가 ON으로 되면, 요 모터의 구동력이 감속기를 통해서 기어(19A)에 전달되어, 기어(19A)가 내치차(19B)와 맞물리면서 회전한다. 이에 의해, 나셀(4)이 타워(2)에 대하여 요 방향으로 선회한다.
나셀(4)에는, 주축(14) 및 이 주축(14)에 설치된 유압 펌프(8)가 수납되어 있다. 또한, 주축(14)은 주축 베어링(15)에 의해 나셀(4)에 회전 가능하게 지지되어 있다.
로터(6)는 허브(6A)와, 허브(6A)로부터 방사상으로 연장하는 복수매의 회전 블레이드(6B)로 이루어진다. 로터(6)의 허브(6A)는 주축(14)에 연결되어 있다. 이 때문에, 바람을 받아서 로터(6)가 회전하면, 주축(14)도 허브(6A)와 함께 회전한다. 그리고, 주축(14)의 회전이 유압 펌프(8)에 입력됨으로써, 유압 펌프(8)에 있어서 고압의 작동유(고압유)가 생성된다.
유압 모터(10)는 타워(2)의 선단부(2B)와 기부(2A) 사이에 있어서의 타워 내부 공간에 배치되어 있다. 바람직하게는, 유압 모터(10)는 타워(2)의 기부(2A)보다 선단부(2B)에 가까운 위치, 즉 타워 상방에 배치되어 있다. 이때, 유압 모터(10)는 타워(2)측에 지지된다. 예를 들어, 타워(2)에 고정해서 설치되는 바닥, 판, 또는 선반 등에 유압 모터(10)를 설치하도록 해도 좋다.
그리고, 유압 모터(10)는 나셀(4) 내의 유압 펌프(8)로부터 공급되는 고압유에 의해 구동 되도록 되어 있다.
또한, 유압 모터(10)에 출력축을 통해서 연결되는 발전기(12)도 역시 타워(2)측에 지지된다. 이 발전기(12)도 바닥, 판, 또는 선반 등에 설치하도록 해도 좋다.
또한, 유압 모터(10)와 발전기(12)의 상대적인 위치 관계는 이들이 서로 수평으로 위치하도록 배치되어도 좋고, 도 1에 도시한 바와 같이, 이들이 서로 연직에 위치하도록 배치되어도 좋다.
유압 펌프(8)와 유압 모터(10)는 작동유가 흐르는 작동유 라인(30)으로 접속되어 있다.
작동유 라인(30)은 유압 펌프(8)로부터 배출되는 고압유를 유압 모터(10)에 공급하는 고압측 배관과, 유압 모터(10)로부터 배출되는 저압의 작동유(저압유)를 유압 펌프(8)에 공급하는 저압측 배관을 갖는다.
고압측 배관은 나셀(4)측에 지지되는 고압측 제 1 배관(31)과, 타워(2)측에 지지되는 고압측 제 2 배관(32)으로 구성된다. 고압측 제 1 배관(31)과 고압측 제 2 배관(32) 사이에는, 스위블 구조를 갖는 접속부(100)가 개재 장착되어 있고, 접속부(100)에 의해 고압측 제 1 배관(31)과 고압측 제 2 배관(32)이 상대적으로 선회 가능하게 접속되어 있다.
저압측 배관은 나셀(4)측에 지지되는 저압측 제 1 배관(34)과, 타워(2)측에 지지되는 저압측 제 2 배관(33)으로 구성된다. 저압측 제 1 배관(34)과 저압측 제 2 배관(33) 사이에는, 상술한 접속부(100)가 개재 장착되어 있고, 접속부(100)에 의해 저압측 제 1 배관(34)과 저압측 제 2 배관(33)이 상대적으로 선회 가능하게 접속되어 있다.
스위블 구조를 갖는 접속부(100)는 나셀(4)의 선회 중심으로 배치된다. 또한, 이 접속부(100)의 구성에 대해서는 후술한다.
또한, 작동유 라인(30)은 저압측 제 2 배관(33)으로부터 저압유의 적어도 일부를 분기해서 중간 열교환기(52)에 도입하고, 중간 열교환기(52)로부터 배출되는 저압유를 저압측 제 2 배관(33)에 복귀시키는 작동유 분기 라인(35)을 더 갖고 있다. 작동유 분기 라인(35)에서 분기된 작동유는 중간 열교환기(52)에서 냉매와 열교환됨으로써 냉각되어, 저압측 제 2 배관(33)에 복귀되게 되어 있다.
유압 펌프(8)는 주축(14)에 의해 구동되어서 고압유를 생성한다. 이 고압유는 고압측 배관을 통해서 유압 모터(10)에 공급되고, 상기 고압유에 의해 유압 모터(10)가 구동된다. 이때, 유압 모터(10)에 연결된 발전기(12)가 구동되어, 발전기(12)에 있어서 전력이 생성된다. 유압 모터(10)로부터 배출된 저압유는 저압측 배관을 통해서 유압 펌프(8)에 공급되고, 유압 펌프(8)에 있어서 다시 승압되어서 고압유로서 유압 모터(10)로 보내진다.
본 실시형태에서는, 작동유 라인(30)을 흐르는 작동유의 냉각을 행하는 냉각 기구를 더 구비하고 있다. 또한, 이 냉각 기구는, 작동유의 이외에도, 나셀(4) 내 또는 타워(2) 내의 열발생원을 냉각하는 각종 냉각 기기에 사용할 수도 있다. 이하에, 냉각 기구를 상세하게 설명한다.
냉각 기구는, 주로, 주 열교환기(51)와, 중간 열교환기(52)와, 냉매 라인(40)을 갖는다.
주 열교환기(51)는, 냉매와, 타워(2)의 기부(2A)의 주변의 해수, 호수, 하천수 또는 지하수로 이루어지는 냉수원을 열교환하는 것에 의해, 냉매를 냉각한다. 도 1에 도시하는 바와 같은 해상 풍력 발전 장치에서는, 주 열교환기(51)는 타워(2)의 기초(3)에 설치되고, 냉매와 해수를 열교환하는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해 주 열교환기(51)의 냉수측의 배관 구성을 간소화할 수 있다.
중간 열교환기(52)는 타워(2) 내에 배치되어, 작동유와 냉매를 열교환하고, 작동유를 냉매에 의해 냉각한다.
냉매 라인(40)은 타워(2) 내에 배치되어, 작동유를 냉각하는 냉매가 순환하는 폐쇄 루프의 라인이다. 여기서, 냉매로서는, 물, 오일, 또는 부동액을 첨가된 물 등을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 냉매 라인(40)은 주 열교환기(51)와 중간 열교환기(52) 사이에 접속되어, 주 열교환기(51)에 의해 해수로 냉각된 냉매를 중간 열교환기(52)에 보내는 냉매 이송 라인(41)과, 중간 열교환기(52)와 주 열교환기(51) 사이에 접속되어, 중간 열교환기(52)에서 작동유를 냉각한 후의 냉매를, 주 열교환기(51)에 복귀시키는 냉매 복귀 라인(42)을 포함한다.
또한, 냉매 라인(40)은 냉매 이송 라인(41)으로부터 분기되어 냉매 복귀 라인(42)에 합류되는 냉매 분기 라인(43)을 포함하고 있다. 이 냉매 분기 라인(43)에는, 발전기(12)를 냉각하는 발전기 쿨러(53)가 설치되어 있다.
발전기 쿨러(53)는, 예를 들어 발전기(12)의 주위에 설치된 냉각 재킷으로서 구성된다. 발전기 쿨러(53)에서는, 냉매 분기 라인(43)으로부터 공급되는 냉매와의 열교환에 의해 발전기(12)를 냉각하게 되어 있다.
또한, 냉매 라인(40)은, 냉매 분기 라인(43)과 마찬가지로, 냉매 이송 라인(41)으로부터 분기되어 냉매 복귀 라인(42)에 합류되는 다른 냉매 분기 라인(44)을 포함하고 있다. 이 냉매 분기 라인(44)에는, 타워(2) 내의 공간을 냉각하는 타워 냉각기(54)가 설치되어 있다.
타워 냉각기(54)는 팬 및 열전도관 그룹을 구비한 팬 부착 열교환기로서 구성된다. 타워 냉각기(54)에서는, 팬에 의해 흡입된(또는 압입된) 타워(2) 내의 공기가 냉매 분기 라인(44)으로부터 열전도관 그룹에 공급된 냉매와 열교환되어서 냉각되도록 되어 있다. 이에 의해, 풍력 발전 장치(1)의 타워(2) 내에 설치되는 열발생원으로부터의 방열에 의해 승온된 타워(2) 내의 공기를 효과적으로 냉각할 수 있다.
또한, 냉매 라인(40)은 냉매 분기 라인(44)으로부터 분기되어, 냉매 복귀 라인(42)에 합류되는 냉매 분기 라인(45)을 포함하고 있다. 이 냉매 분기 라인(45)에는, 트랜스실(21) 내의 공간을 냉각하는 트랜스실 냉각기(55)가 설치되어 있다. 여기서, 트랜스실(21)은 발전기(12)로 발전한 전력을 변압하는 트랜스를 수납하는 공간이다.
트랜스실 냉각기(55)는 팬 및 열전도관 그룹을 구비한 팬 부착 열교환기로서 구성된다. 트랜스실 냉각기(55)에서는, 팬에 의해 흡입된(또는 압입된) 트랜스실(21) 내의 공기가 냉매 분기 라인(45)으로부터 열전도관 그룹에 공급된 냉매와 열교환되어서 냉각되도록 되어 있다.
또한, 냉매 라인(40)에는, 냉매를 저류하는 냉매 탱크(48)와, 냉매를 순환시키는 펌프(47)가 설치되어 있다. 이 냉매 탱크(48)와 펌프(47)에 의해, 예를 들어 외기온의 변화 등에 따라 냉매의 순환량을 조정할 수 있다. 이에 의해, 작동유를 일정 온도로 유지하는 것이 가능해진다.
냉매 탱크(48)는 타워(2)의 상부, 구체적으로는 냉매 라인(40)의 높이 방향 상부 위치에 배치되고, 타워(2) 내의 공간에 개방되어 있다. 이와 같이, 냉매 탱크(48)를 타워(2)의 상부에 배치하고, 또한 냉매 탱크(48)가 타워(2) 내의 공간에 개방되도록 구성함으로써, 냉매 라인(40) 하방에 있어서의 수압을 충분히 확보할 수 있고, 냉매 라인(40)에 접속되는 각종 냉각 기기[예를 들어, 중간 열교환기(52), 발전기 쿨러(53), 타워 냉각기(54), 트랜스실 냉각기(55)]에 확실하게 냉매를 공급하는 것이 가능해진다. 또한, 사이펀 효과를 이용하면 펌프(47)의 동력을 작게 할 수 있고, 펌프(47)를 소형화하는 것도 가능하다.
또한, 상술한 주 열교환기(51)는 도 2a 내지 도 2c에 도시하는 바와 같은 구성을 구비하고 있어도 된다. 여기서, 도 2a는 도 1의 주 열교환기의 구체적인 구성예를 도시하는 측면도이며, 도 2b는 도 2a에 도시하는 주 열교환기의 A-A선 단면도이며, 도 2c는 도 2a에 도시하는 주 열교환기의 사시도이다.
도 2a 내지 도 2c에 도시한 바와 같이, 주 열교환기(51)는 냉매 라인(40)으로부터의 냉매가 흐르는 전열관(511)을 갖고, 해수가 전열관(511)의 주위를 흐르도록 구성되어 있다. 따라서, 해수를 흘리기 위한 배관은 설치되어 있지 않다. 또한, 주 열교환기(51)의 전열관(511) 주위에는, 해수의 유속을 조정하는 유속 조정용 구조체가 배설되어 있다. 이것은, 전열관(511) 주위를 흐르는 해수의 유속은 전열관(511)의 열전달률에 영향을 미치기 때문에, 적합한 열전달률이 얻어지도록 전열관(511) 주위에 유속 조정용 구조체가 배치되는 것이다.
여기에서는 일 예로서, 전열관(511)의 주위에, 콘크리트로 형성되는 유속 조정용 블록(501)이 설치된 구성을 도시하고 있다. 이 유속 조정용 블록(501)은 원형 형상으로 복수 배치되어 있고, 인접하는 블록(501) 사이에는 해수가 유입 또는 유출하도록 해수류 출입 구멍(502)이 설치되어 있다. 유속 조정용 블록(501)으로 둘러싸이는 공간에는, 해수류 출입 구멍(502)을 통해서 해수가 유입하고, 해수는 전열관(511)의 주위를 통과해서 냉매를 냉각한 후, 해수류 출입 구멍(502)으로부터 공간 외부에 유출한다. 또한, 이 유속 조정용 블록(501)은 전열관(511) 주위의 해수의 유속을 확보하는 동시에, 해수중을 흐르는 대경의 이물질이 전열관(511)에 접촉하는 것을 저지하는 보호 기능도 겸하고 있다.
또한, 유속 조정용 블록(501)과 전열관(511) 사이의 거리의 상한이 전열관(511)에 있어서 소정의 열전달률이 얻어지는 거리에 기초하여 설정되고, 하한이 전열관(511)에 부착되는 이물질이 박리하는 거리에 기초하여 설정되도록 해도 좋다.
이와 같이, 유속 조정용 블록(501)과 전열관(511) 사이의 거리의 상한이 전열관(511)에 있어서 소정의 열전달률이 얻어지는 거리에 기초하여 설정됨으로써, 냉매의 냉각에 적합한 열전달률을 얻는 것이 가능해진다.
한편, 유속 조정용 블록(501)과 전열관(511) 사이의 거리의 하한이 전열관(511)에 부착되는 이물질이 박리하는 거리에 기초하여 설정됨으로써, 전열관(511)에의 이물질의 퇴적을 방지할 수 있다. 해양 생물 등의 이물질이 전열관(511)에 부착, 퇴적하면 열전달률이 저하해 버리지만, 전열관(511)의 주위에 있는 일정한 공간을 형성함으로써 전열관(511)에 퇴적한 이물질은 박리한다. 따라서, 이 공간을 확보할 수 있는 거리를 하한으로 함으로써, 전열관(511)에의 이물질에의 퇴적을 억제할 수 있다.
또한, 주 열교환기(51)에는 어떤 타입의 열교환기를 사용해도 되지만, 저렴하고 또한 전열 면적을 크게 할 수 있는 것이므로, 복수의 전열관(511)을 갖는 다관식 열교환기를 사용하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 주 열교환기(511)에서의 열교환 효율을 높게 유지할 수 있다. 또한, 중간 열교환기(52)에도 마찬가지로, 다관식 열교환기를 적절하게 사용할 수 있다.
도 3a는 부착물 제거 기능을 갖는 주 열교환기를 도시하는 사시도이다. 도 3a에 도시한 바와 같이, 이 주 열교환기(51)는 전열관(511)의 표면에 해수를 분사하는 스프레이 노즐(521)을 갖고 있다. 스프레이 노즐(521)은 전열관(511)의 주위에 복수 설치되어 있다. 복수의 스프레이 노즐(521)은 헤더(522)에 각각 접속된다. 펌프(523)에 의해 퍼 올려진 해수는 헤더(522)를 통해서 각 스프레이 노즐(521)에 공급되고, 각 스프레이 노즐(521)로부터 전열관(511)의 표면에 분사되도록 되어 있다.
이에 의해, 해수에 포함되는 이물질이 주 열교환기(51)의 전열관(511)에 부착되었을 경우라도, 스프레이 노즐(521)로부터 분사하는 해수에 의해 이물질을 박리할 수 있다.
도 3b는 다른 형태의 부착물 제거 기능을 갖는 주 열교환기를 도시하는 사시도이다. 또한, 도 3b에서는, 냉매 이송 라인(41), 냉매 복귀 라인(42) 및 펌프(47)를 생략하고 있다. 이 주 열교환기(51')는 전열관(511)의 주위에 배치되고, 한쪽면에 복수의 구멍(526)이 형성된 다공판 헤더(525)를 갖고 있다. 다공판 헤더(525)는 펌프(523)로 퍼 올린 해수를 구멍(526)으로부터 분출시켜서, 전열관(511)의 주위에 분류를 공급하게 되어 있다. 이 분류에 의해 전열관(511)에 부착, 퇴적한 이물질을 박리할 수 있다.
이와 같이, 스프레이 노즐(521) 또는 다공판 헤더(525)에 의해 물리적으로 이물질을 박리하는 구성으로 함으로써, 유해 성분을 포함하는 도료를 전열관(511)에 도포하거나, 염소를 주입하는 일이 없이 전열관(511)에의 이물질의 부착, 퇴적을 억제할 수 있고, 환경 부하를 작게 하는 것이 가능하다.
도 3c는 다른 형태의 부착물 제거 기능을 갖는 주 열교환기를 도시하는 사시도이다. 또한, 도 3c에서는, 냉매 이송 라인(41), 냉매 복귀 라인(42) 및 펌프(47)를 생략하고 있다. 이 주 열교환기(51")는 전열관(511)이 케이싱(527)에 수납된 구성으로 되어 있고, 케이싱(527)에는 해수 입구(528) 및 해수 출구(529)가 형성되어 있다. 또한, 해수 입구(528)에는, 해수에 포함되는 이물질이 케이싱(527)의 내부에 침입하는 것을 방지하기 위해서, 필터(528a)가 설치되어 있다. 상술한 바와 같이, 해수중에는 해양 생물 등의 이물질이 존재하고, 이들이 주 열교환기(51)의 전열관(511)에 부착되면 전열 효율이 저하해버린다. 특히, 해양 생물이 전열관(511)에 부착되면, 여기에서 증식하기 때문에 서서히 전열 효율이 저하해 버리는 것은 피할 수 없다. 따라서, 본 구성과 같이, 주 열교환기(51)를 수용하는 케이싱(527)의 해수 입구(528)에 필터(528a)를 설치함으로써, 이물질이 전열관(511)의 주위에 인입하는 것을 방지하고, 전열 효율의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 해수 출구(529)에도 필터(529a)를 설치해도 되는 것은 물론이다. 이들의 필터(528a, 529a)는 교환 가능하게 설치되어 있는 것이 바람직하다.
다음에, 도 4 내지 도 7을 사용하여, 상술한 접속부(100)의 구체적인 구성예에 대해서 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 관한 풍력 발전 장치에 적용되는 스위블 구조의 제 1 구성예를 도시하는 도면이며, 도 5a는 도 4의 스위블 구조의 제 1 구성예를 도시하는 B-B선 단면도이며, 도 5b는 도 4의 스위블 구조의 제 1 구성예를 도시하는 C-C선 단면도이다.
제 1 구성예에 있어서의 스위블 구조의 접속부(100)는 타워(2)의 축방향으로 연장하여 설치된 관상 부재(111)와, 관상 부재(111)를 둘러싸도록 설치된 제 1 재킷(112) 및 제 2 재킷(115)을 갖고 있고, 이들에 의해, 나셀(4)측의 유압 펌프(8)로부터 타워(2)측의 유압 모터(10)에 향하는 고압유가 흐르는 제 1 유로(121)와, 유압 모터(10)로부터 유압 펌프(8)에 향하는 저압유가 흐르는 제 2 유로(122)가 형성된다.
관상 부재(111)는 이중관 구조로 되어 있고, 외관(111A)과 내관(111B)과 격벽(11C)으로 이루어진다. 격벽(11C)은 외관(111A)과 내관(111B)으로 형성되는 환상의 공간을 둘레 방향으로 구획하고, 복수의 호 형상 유로(114a, 114b)를 형성한다. 또한, 도 4b에는, 호 형상 유로(114a, 114b)가 2개 형성되어 있는 예를 나타냈지만, 이것보다 많은 호 형상 유로가 형성되어도 좋다.
제 1 재킷(112)은 관상 부재(111)의 외관(111A)의 외주측에 설치된다. 제 1 재킷(112)의 내벽면과 외관(111A)의 외벽면으로 형성되는 환상 유로(112a)는 제 1 재킷(112)의 외주에 접속되는 고압측 제 1 배관(31)에 연통하고 있다. 또한, 환상 유로(112a)는 외관(111A)에 설치된 제 1 연통구(113)를 통해서, 호 형상 유로(114a)에 연통하고 있다. 또한, 이 호 형상 유로(114a)는 외관(111A)의 외주에 접속되는 고압측 제 2 배관(32)에 연통하고 있다. 그리고, 환상 유로(112a) 및 호 형상 유로(114a)에 의해 제 1 유로(121)가 형성된다. 고압측 제 1 배관(31)으로부터 제 1 유로(121)에 공급되는 고압유는 환상 유로(112a), 제 1 연통구(113), 호 형상 유로(114a)를 통과하고, 고압측 제 2 배관(32)에 송출된다.
제 2 재킷(115)은 관상 부재(111)의 외관(111A)의 외주측에 설치되고, 제 1 재킷(112)보다도 나셀(4)측에 배치되어 있다. 제 2 재킷(115)은 볼트(125)에 의해 제 1 재킷(112)에 체결되어 있다. 관상 부재(111)의 호 형상 유로(114b)는 외관(111A)의 외주에 접속되는 저압측 제 2 배관(33)에 연통하고 있다. 또한, 호 형상 유로(114b)는 외관(111A)에 설치된 제 2 연통구(116)를 통해서, 제 2 재킷(115)의 내벽면과 외관(111A)의 외벽면으로 형성되는 환상 유로(115a)에 연통하고 있다. 또한, 환상 유로(115a)는 제 2 재킷(115)의 외주에 접속되는 저압측 제 1 배관(34)에 연통하고 있다. 그리고, 호 형상 유로(114b) 및 환상 유로(115a)에 의해 제 2 유로(122)가 형성된다. 저압측 제 2 배관(33)으로부터 제 2 유로(122)에 공급되는 저압유는 호 형상 유로(114b), 제 2 연통구(116), 환상 유로(115a)를 통해서, 저압측 제 1 배관(34)에 송출된다.
제 1 재킷(112) 및 제 2 재킷(115)은 나셀(4)측에 지지되어 있다. 한편, 관상 부재(111)는 타워(2)측에 지지되어 있다. 또한, 제 1 재킷(112)과 외관(111A) 사이에는 액밀성을 확보하도록 베어링(118)이 설치되고, 제 2 재킷(115)과 외관(111A) 사이에는 액밀성을 확보하도록 베어링(119)이 설치되어 있다. 이들 베어링(118, 119)에 의해, 제 1 재킷(112) 및 제 2 재킷(113)은 관상 부재(111)에 대하여 상대적으로 선회 가능하게 설치되어 있다.
상기 구성에 의해, 나셀(4)측의 유압 펌프(8)로부터 타워(2)측의 유압 모터(10)로 향하는 고압유 및 유압 펌프(8)로부터 유압 모터(10)를 향하는 저압유의 흐름을 확보하면서, 제 1 배관[고압측 제 1 배관(31), 저압측 제 1 배관(34)]과 제 2 배관[고압측 제 2 배관(32), 저압측 제 2 배관(33)]과의 상대적인 선회를 가능하게 하고 있다. 따라서, 나셀(4)이 선회해도, 나셀(4) 내의 유압 펌프(8)와 타워(2) 내의 유압 모터(10) 사이의 고압유 및 저압유의 교환을 접속부(100)를 통해서 행할 수 있다.
또한, 상술한 제 1 구성예에 있어서, 관상 부재(111)의 내관(111B)으로 둘러싸이는 공간을 케이블용 배관(124)으로서 사용하는 것이 바람직하다. 케이블용 배관(124)은 나셀(4)측으로부터 타워(2)측까지 연장설치되는 케이블(125)을 수용하는 배관이다. 여기서, 케이블용 배관(124)에는, 유압 펌프(8) 등과 같이 나셀(4) 내에 배치되는 전기 이용 기기에의 전력 공급에 사용되는 전력 케이블 또는 제어에 사용되는 통신 케이블, 나셀(4)측에 설치되는 각종 계측 기기에 접속되는 신호 케이블, 또는 회전 블레이드(6B)나 나셀(4)에의 낙뢰시에 전기를 빠져나가게 하는 피뢰용 케이블 등의 케이블(125)이 수용된다.
이와 같이, 내관(111B)으로 둘러싸이는 공간을 케이블용 배관(124)으로서 사용함으로써, 나셀(4)이 선회했을 경우라도, 케이블(125)이 손상하는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 관한 풍력 발전 장치에 적용되는 스위블 구조의 제 2 구성예를 도시하는 도면이다.
제 2 구성예에 있어서의 스위블 구조의 접속부(100')는 나셀(4)에 수납된 유압 펌프(8)와, 타워(2) 내에 설치된 유압 모터(10)를, 제 1 이중관(130) 및 제 2 이중관(140)을 사용해서 접속하고 있다.
제 1 이중관(130)은 나셀(4)에 고정되고, 제 2 이중관(140)은 타워(2)에 고정되고, 제 1 이중관(130) 및 제 2 이중관(140)은 상대적으로 회전 가능하게 구성되어 있다.
이하에, 제 1 이중관(130) 및 제 2 이중관(140)의 구체적인 구성을 설명한다.
제 1 이중관(130)은 플랜지부에 있어서 볼트(135)로 체결된 상측 부재(131) 및 하측 부재(133)에 의해 구성되어 있다. 또한, 상측 부재(131)와 하측 부재(133)의 접합면에는 베어링(136)이 설치되고, 액밀성이 유지되어 있다. 상측 부재(131)는, 그 상부에 있어서 유압 펌프(8)의 토출측에, 고압측 제 1 배관(31)(도 1 참조)을 통해서 접속되는 고압유 입구를 갖는다. 하측 부재(133)는, 상측 부재(131)에 접합된 플랜지부에서 하방에 축 늘어지는 내주측 원통부와 외주측 원통부를 갖고, 이 외주측 원통부의 측면에는 유압 펌프(8)의 흡입측에, 저압측 제 1 배관(34)(도 1 참조)을 통해서 접속되는 저압유 출구가 설치되어 있다.
그리고, 상측 부재(131)와 하측 부재(133)의 일부(내주측 원통부)에 의해, 제 1 이중관(130)의 제 1 내측 배관(132)이 형성되어 있다. 또한, 하측 부재(133)의 일부(외주측 원통부)에 의해, 제 1 이중관(130)의 제 1 외측 배관(134)이 형성되어 있다.
한편, 제 2 이중관(140)은 제 2 내측 배관(142) 및 이 제 2 내측 배관(142)의 외주에 설치되는 제 2 외측 배관(144)을 갖는다. 또한, 제 2 이중관(140)의 하부에는, 고압측 제 2 배관(32)(도 1 참조)에 접속되는 고압유 출구가 설치되어 있다. 또한, 제 2 이중관(140)의 측면에는, 저압측 제 2 배관(33)(도 1 참조)에 접속되는 저압유 입구가 설치되어 있다.
그리고, 제 1 이중관(130)은 제 2 이중관(140)에 회전 가능하게 끼워맞춰져 있다. 이와 같이 끼워맞춰진 제 1 이중관(130) 및 제 2 이중관(140)에 의해, 나셀(4)측으로부터 타워(2)측으로 향하는 고압유가 흐르는 제 1 유로(151)와, 타워(2)측으로부터 나셀(4)측으로 향하는 저압유가 흐르는 제 2 유로(152)가 형성된다.
또한, 제 1 내측 배관(132)의 내벽면과 제 2 내측 배관(142)의 외벽면 사이에는 내측 베어링(155)이 설치되어 있다. 또한, 제 1 외측 배관(134)의 내벽면과 제 2 외측 배관(144)의 외벽면 사이에는 외측 베어링(156)이 설치되어 있다.
상기 구성의 풍력 발전 장치(100)에 따르면, 나셀(4)측에 지지된 제 1 이중관(130)을 회전 가능하게 제 2 이중관(140)에 접속했으므로, 나셀(4)이 선회해도, 나셀(4) 내의 유압 펌프(8)와 타워(2) 내의 유압 모터(10) 사이의 고압유 및 저압유의 교환을 제 1 이중관(130)과 제 2 이중관(140)을 통해서 행할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 관한 풍력 발전 장치에 적용되는 스위블 구조의 제 3 구성예를 도시하는 도면이다.
제 3 구성예에 있어서의 스위블 구조의 접속부(100")는 타워(2)의 축방향으로 연장하여 설치된 이중관(160)과, 이중관(160)을 둘러싸도록 설치된 제 1 재킷(164) 및 제 2 재킷(166)을 갖고 있고, 이들에 의해 나셀(4)측의 유압 펌프(8)로부터 타워(2)측의 유압 모터(10)로 향하는 고압유가 흐르는 제 1 유로(171)와, 유압 모터(10)로부터 유압 펌프(8)에 향하는 저압유가 흐르는 제 2 유로(172)가 형성된다.
이중관(160)은 내관(160A)과 외관(160B)으로 이루어지고, 내관(160A)의 내부에는 내측 유로가 형성되고, 내관(160A) 및 외관(160B)에 의해 외측 유로가 형성되어 있다.
제 1 재킷(164)은 내관(160A)의 외주측에 설치된다. 제 1 재킷(164)의 내벽면과 내관(160A)의 외벽면으로 형성되는 환상 유로(164a)는 제 1 재킷(164)의 외주에 접속되는 고압측 제 1 배관(31)에 연통하고 있다. 또한, 환상 유로(164a)는 내관(160A)에 설치된 제 1 연통구(161)를 통해서, 내측 유로에 연통하고 있다. 또한, 이 내측 유로는 내관(160A)의 하단부에 접속되는 고압측 제 2 배관(32)에 연통하고 있다. 그리고, 환상 유로(164a) 및 내측 유로에 의해 제 1 유로(171)가 형성된다. 고압측 제 1 배관(31)으로부터 제 1 유로(171)에 공급되는 고압유는 환상 유로(164a), 제 1 연통구(161), 내측 유로를 통과하고, 고압측 제 2 배관(32)에 송출된다.
제 2 재킷(166)은 외관(160B)의 외주측에 설치되고, 제 1 재킷(164)보다도 타워(2)측에 배치되어 있다. 제 2 재킷(166)은 볼트(175)에 의해 제 1 재킷(164)에 체결되어 있다. 외측 유로는 외관(160B)의 외주에 접속되는 저압측 제 2 배관(33)에 연통하고 있는 동시에, 제 2 재킷(166)의 내벽면과 내관(160A)의 외벽면 사이에 형성되는 환상 유로(166a)에 연통하고 있다. 환상 유로(166a)는 제 2 재킷(166)의 외주에 접속되는 저압측 제 1 배관(34)에 연통하고 있다. 그리고, 외측 유로 및 환상 유로(166a)에 의해 제 2 유로(172)가 형성된다. 저압측 제 2 배관(33)으로부터 제 2 유로(172)에 공급되는 저압유는 외측 유로, 환상 유로(166a)를 통해서, 저압측 제 1 배관(34)에 송출된다.
제 1 재킷(164) 및 제 2 재킷(166)은 나셀(4)측에 지지되어 있다. 한편, 이중관(160)은 타워(2)측에 지지되어 있다. 제 1 재킷(164)과 이중관(160)의 내관(160A) 사이에는 액밀성을 확보하도록 베어링(176)이 설치되어 있다. 또한, 제 2 재킷(166)과 내관(160A) 사이에는 액밀성을 확보하도록 베어링(176)이 설치되고, 제 2 재킷(166)과 외관(160B) 사이에는 액밀성을 확보하도록 베어링(177)이 설치되어 있다. 이들의 베어링(176, 177)에 의해, 제 1 재킷(164) 및 제 2 재킷(166)은 이중관(160)에 대하여 상대적으로 선회 가능하게 설치되어 있다.
상기 구성에 의해, 나셀(4)측의 유압 펌프(8)로부터 타워(2)측의 유압 모터(10)로 향하는 고압유 및 유압 펌프(8)로부터 유압 모터(10)를 향하는 저압유의 흐름을 확보하면서, 제 1 배관[고압측 제 1 배관(31), 저압측 제 1 배관(34)]과 제 2 배관[고압측 제 2 배관(32), 저압측 제 2 배관(33)]과의 상대적인 선회를 가능하게 하고 있다. 따라서, 나셀(4)이 선회해도, 나셀(4) 내의 유압 펌프(8)와 타워(2) 내의 유압 모터(10) 사이의 고압유 및 저압유의 교환을 접속부(100)를 통해서 행할 수 있다.
상술한 제 1 실시형태에 따르면, 작동유의 냉각에 사용되는 냉매를 타워(2)의 기부(2A) 주변의 해수와 열교환하는 것에 의해 냉각하도록 했으므로, 공냉보다 고효율로 냉매를 냉각할 수 있다.
또한, 작동유 라인(30)을 나셀(4)측에 지지되는 제 1 배관과, 타워(2)측에 지지되는 제 2 배관으로 분할하고, 스위블 구조를 갖는 접속부(100, 100'、100")에 의해, 제 1 배관과 제 2 배관이 상대적으로 선회 가능으로 되도록 접속했으므로, 나셀(4)이 선회해도, 나셀(4)측의 제 1 배관과 타워(2)측의 제 2 배관 사이에서 유체의 교환을 원활하게 행할 수 있다.
또한, 유압 모터(10)가 타워(2)의 선단부(2B)와 기부(2A) 사이에 배치되도록 했으므로, 작동유 라인(30)이 타워(2)측까지 연장설치되도록 되고, 타워(2) 내로 작동유와 냉매를 열교환시킬 수 있기 때문에, 작동유를 냉각하기 위한 냉매 라인(40)을 나셀(4)까지 연장설치할 필요가 없어진다. 따라서, 냉매 라인(40)에 의해 나셀 높이까지 냉매를 퍼 올릴 경우에 비해, 펌프(47)의 동력을 작게 할 수 있고, 또한 펌프(47)를 소형화하는 것도 가능하다.
여기서, 도 1에 도시한 제 1 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(1)의 변형예에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 변형예에 있어서는, 도 1에 도시한 제 1 실시형태와 다른 구성만 설명한다.
도 8에 도시하는 제 1 변형예는 트랜스실 냉각기(55)와 타워 냉각기(54)를 직렬로 접속하는 냉매 분기 라인(44')을 설치한 구성으로 하고 있다. 냉매 분기 라인(44')은 냉매 이송 라인(41)으로부터 분기되어 냉매 복귀 라인(42)에 합류되도록 구성되어 있고, 이 냉매 분기 라인(44')에 트랜스실 냉각기(55)와 타워 냉각기(54)를 직렬로 설치하고 있다. 냉매 분기 라인(44')을 흐르는 냉매는 트랜스실 냉각기(55)에 의해 트랜스실(21) 내의 공기와 열교환되어서 트랜스실(21) 내의 공기를 냉각한다. 계속해서, 트랜스실 냉각기(55)로부터 배출된 냉매는 타워 냉각기(54)에 공급되고, 타워(2) 내의 공기와 열교환되어서 타워(2) 내의 공기를 냉각한다. 이들의 냉각기를 거친 냉매는 주 열교환기(51)에 복귀된다. 또한, 이들의 냉각기는 타워 냉각기(54), 트랜스실 냉각기(55)의 순서대로 냉매 분기 라인(44')에 설치해도 좋고, 냉각기의 배치 순서는 특별히 한정되는 것이 아니다.
이와 같이, 복수의 열발생원을 직렬로 접속하는 냉매 라인을 구비함으로써, 배관 구성을 간소화할 수 있다.
도 9에 도시하는 제 2 변형예는 주 열교환기(51)를 복수대 설치한 구성으로 되어 있다. 또한, 도 9에는 2개의 주 열교환기(51a, 51b)를 설치한 예를 나타내고 있지만, 설치 대수는 한정되지 않는다. 냉매 복귀 라인(42)은 주 열교환기(51a, 51b)의 입구측에서 2개로 분기되고, 한쪽의 라인은 주 열교환기(51a)에 접속되고, 다른쪽의 라인은 주 열교환기(51B)에 접속된다. 각 라인에는, 냉매 순환용의 펌프(47a, 47b)가 각각 설치되어 있다. 주 열교환기(51a, 51b)로 냉각된 냉매가 흐르는 각 라인은 주 열교환기(51a, 51b)의 출구측에서 합류하고, 냉매 이송 라인(41)에 접속되어 있다. 이와 같이, 복수의 주 열교환기(51a, 51b)를 설치함으로써, 냉각 기능을 높게 할 수 있다. 또한, 주 열교환기의 설치 대수는 냉각 대상이 되는 열발생원의 총발열량으로부터 결정되는 것이 바람직하다.
도 10에 도시하는 제 3 변형예는, 냉매 라인(40)에 접속되는 냉매 탱크(49)가 타워(2)의 내부에 배치되는 동시에, 상기 냉매 탱크(49)가 타워내 공간에 대하여 밀폐된 구성을 갖고 있다. 이와 같이, 냉매 탱크(49)를 타워(2)의 내부에 배치하고, 또한 냉매 탱크(49)가 타워(2) 내의 공간에 대하여 밀폐되도록 했으므로, 예를 들어 냉매 탱크(49)를 냉매 라인의 하방에 배치하는 등 냉매 탱크(49)의 배치를 자유롭게 할 수 있다. 또한, 도 10에는 냉매 탱크(49)를 1대 설치한 경우를 도시하고 있지만, 복수대의 냉매 탱크(49)를 설치해도 좋고, 도 1에 도시하는 개방형의 냉매 탱크(48)와 조합해서 사용해도 된다.
[제 2 실시형태]
다음에, 도 11을 참조하여 제 2 실시형태에 관한 풍력 발전 장치에 대해서 설명한다. 도 11은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 풍력 발전 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다. 또한, 본 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(1)는 유압 트랜스미션 및 작동유 라인(30)의 구성이 다른 점을 제외하면, 제 1 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(1)와 동일하다. 따라서, 여기에서는, 제 1 실시형태와 다른 점을 중심으로 설명하는 것으로 하고, 도 11에서는 풍력 발전 장치(1)와 공통되는 개소에는 동일한 도면부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다. 또한, 도 11에 있어서는, 나셀 선회 기구(19) 및 요 구동 기구(13)를 생략하고 있다.
본 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(1)에서는, 유압 모터(10) 및 발전기(12)는 나셀(4)측에 지지되어 있다. 또한, 중간 열교환기(52)는 타워측(2)에 지지되어 있다.
작동유 라인(30)은 유압 펌프(8)와 유압 모터(10) 사이에서 작동유를 순환시키는 작동유 순환 라인과, 작동유 순환 라인에 병행으로 접속된 작동유 분기 라인(38)을 갖는다.
작동유 순환 라인은 유압 펌프(8)의 작동유 출구측과 유압 모터(10)의 작동유 입구측을 접속하는 고압유 라인(36)과, 유압 모터(10)의 작동유 출구측과 유압 펌프(8)의 작동유 입구측을 접속하는 저압유 라인(37)으로 이루어진다.
작동유 분기 라인(38)은 저압유 라인(37)으로부터 분기되어, 스위블 구조를 갖는 접속부(100)를 통해서, 나셀(4)측으로부터 타워(2)측까지 연장설치되어서, 타워(2)측의 중간 열교환기(52)의 입구측에 접속된다. 또한, 중간 열교환기(52)의 출구측에 접속되는 작동유 분기 라인(38)은 접속부(100)를 통해서, 타워(2)측으로부터 나셀(4)측까지 연장설치되어서, 저압유 라인(37)에 합류된다. 또한, 접속부(100)에는, 제 1 실시형태에서 설명한 구성을 채용할 수 있다.
저압유 라인(37)으로부터 분기된 저압유는 작동유 분기 라인(38)을 통과해서 중간 열교환기(52)에 도입되어, 중간 열교환기(52)에서 냉매에 의해 냉각된 후, 작동유 분기 라인(38)을 통과해서 저압유 라인(37)에 복귀된다.
이와 같이, 유압 모터(8)가 나셀(4)측에 지지되어, 저압유 라인(37)으로부터 분기한 작동유 분기 라인(37)이 타워(2)측의 중간 열교환기(52)에 접속되도록 했으므로, 작동유 유량이 많은 작동유 라인(30)을 짧게 할 수 있고, 한편 접속부(100)를 통과하는 작동유 유량을 적게 할 수 있다. 이에 의해 배관 구조를 간소화하는 것이 가능해진다. 또한, 작동유 분기 라인(38)은 저압유 라인(37)으로부터 분기시키고 있기 때문에, 작동유 분기 라인(38) 및 접속부(100)를 내압성이 낮은 배관으로 구성할 수 있고, 비용 저감이 도모된다.
또한, 본 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(1)는 공냉에 의해 발전기(12)를 냉각하는 발전기 쿨러(53')를 갖고 있어도 좋다.
이 경우, 나셀(4)의 외주측에 외기를 도입하는 덕트(81)가 설치되어 있다. 덕트(81)는 흡기구를 갖고 있고, 나셀(4)의 벽면에 일체적으로 형성되어 있어도 된다. 이때, 외기의 도입을 촉진하기 위해서, 덕트(81) 내에 팬(82)을 설치하는 것이 바람직하다.
덕트(81)에서 취입한 공기는 공기 배관(83)을 통해서 나셀(4) 내에 유도된다. 공기 배관(83)에는 발전기 쿨러(53')가 설치되어 있다. 발전기 쿨러(53')는, 예를 들어 발전기(12)의 주위에 설치된 냉각 재킷으로서 구성되고, 냉각 재킷의 외주를 덕트(81)에서 취입한 공기가 흐르는 것에 의해 발전기(12)를 냉각한다. 냉각 후의 공기는 공기 배관(83)을 통과해서 나셀 외부로 배기된다.
또한, 덕트(81)에서 취입한 공기는 나셀(4) 내의 다른 열발생원의 냉각에 사용할 수도 있다. 예를 들어, 나셀(4) 내의 공기를 냉각하는 나셀 냉각기(도시하지 않음)의 냉각에 사용할 수 있다. 이와 같이, 타워(2) 내의 열발생원의 냉각에는 주로 수냉을 사용하고, 나셀(4) 내의 열발생원에는 공냉을 사용함으로써, 풍력 발전 장치(1)의 열발생원의 효율적인 냉각이 가능해진다.
[제 3 실시형태]
계속해서, 도 12를 참조하여, 제 3 실시형태에 관한 풍력 발전 장치에 대해서 설명한다. 도 12는 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 풍력 발전 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
또한, 본 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(1)는 유압 트랜스미션 및 작동유 라인(30)의 구성이 다른 점을 제외하면, 제 1 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(1)와 동일하다. 따라서, 여기에서는, 제 1 실시형태와 다른 점을 중심으로 설명하는 것으로 하고, 도 12에서는 풍력 발전 장치(1)와 공통되는 개소에는 동일한 도면부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다. 또한, 도 12에 있어서는, 나셀 선회 기구(19) 및 요 구동 기구(13)를 생략하고 있다.
본 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(1)에서는, 유압 모터(10) 및 발전기(12)는 나셀(4)의 내부에 배치되어 있다. 또한, 중간 열교환기(52)도 나셀(4) 내에 배치되어 있다.
작동유 라인(30)은 유압 펌프(8)와 유압 모터(10) 사이에서 작동유를 순환시키는 작동유 순환 라인과, 작동유 순환 라인에 병행으로 접속된 작동유 분기 라인(38')을 갖고 있고, 어느 라인도 나셀(4) 내에 배치되어 있다.
작동유 순환 라인은 유압 펌프(8)의 작동유 출구측과 유압 모터(10)의 작동유 입구측을 접속하는 고압유 라인(36)과, 유압 모터(10)의 작동유 출구측과 유압 펌프(8)의 작동유 입구측을 접속하는 저압유 라인(37)으로 이루어진다.
작동유 분기 라인(38')은 저압유 라인(37)으로부터 분기되어, 나셀(4) 내의 중간 열교환기(52)의 입구측에 접속된다. 또한, 중간 열교환기(52)의 출구측에 접속되는 작동유 분기 라인(38')은 저압유 라인(37)에 합류된다.
냉매 라인(40)은, 스위블 구조를 갖는 접속부(100)를 통해서, 주 열교환기(51)와 중간 열교환기(52) 사이에 접속되는 냉매 이송 라인(41)과, 마찬가지로 접속부(100)를 통해서, 중간 열교환기(52)와 주 열교환기(51) 사이에 접속되는 냉매 복귀 라인(42)을 포함하고 있다. 또한, 접속부(100)에는, 제 1 실시형태에서 설명한 구성을 채용할 수 있다.
주 열교환기(51)에 의해 해수로 냉각된 냉매는 냉매 이송 라인(41)을 통과해서 중간 열교환기(52)에 공급되고, 중간 열교환기(52)에서 작동유와 열교환됨으로써 작동유를 냉각한 후, 냉매 복귀 라인(42)을 통과해서 주 열교환기(51)에 복귀된다.
이와 같이, 유압 모터(8) 및 발전기(10)는 나셀(4)의 내부에 배치되고, 나셀(4)측에 지지되는 중간 열교환기(52)에 접속부(100)를 통해서 냉매 라인(40)이 접속되도록 했으므로, 접속부(100)를 내압성이 낮은 배관으로 구성할 수 있고, 비용 저감이 도모된다.
또한, 냉매 라인(40)은 냉매 이송 라인(41)의 나셀(4)측으로부터 분기되어, 냉매 복귀 라인(42)의 나셀(4)측에 합류되는 냉매 분기 라인(43')을 포함하고 있어도 된다. 이 냉매 분기 라인(43')에는, 발전기(12)를 냉각하는 발전기 쿨러(53)가 설치된다. 발전기 쿨러(53)는, 예를 들어 발전기(12)의 주위에 설치된 냉각 재킷으로서 구성된다. 발전기 쿨러(53)에서는, 냉매 분기 라인(43')으로부터 공급되는 냉매와의 열교환에 의해 발전기(12)를 냉각하게 되어 있다.
[제 4 실시형태]
마지막으로, 도 13을 참조하여, 제 4 실시형태에 관한 풍력 발전 장치에 대해서 설명한다. 도 13은 본 발명의 제 4 실시형태에 관한 풍력 발전 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
본 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(1)는 냉매 라인(40)을 구비하지 않고, 유압 트랜스미션의 작동유를 해수에서 직접 냉각하는 구성으로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(1)에서는, 유압 트랜스미션, 작동유 라인(30) 및 냉매 라인(40)의 구성을 제외한 다른 구성에 대해서는, 제 1 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(1)와 동일하기 때문에 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도 13에 있어서는, 나셀 선회 기구(19) 및 요 구동 기구(13)를 생략하고 있다.
본 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(1)에서는, 유압 모터(10) 및 발전기(12)는 나셀(4)의 내부에 배치되어 있다.
작동유 라인(30)은 유압 펌프(8)와 유압 모터(10) 사이에서 작동유를 순환시키는 작동유 순환 라인과, 작동유 순환 라인에 병행으로 접속된 작동유 분기 라인(70)을 갖고 있고, 어느 라인도 나셀(4) 내에 배치되어 있다.
작동유 순환 라인은, 유압 펌프(8)의 작동유 출구측과 유압 모터(10)의 작동유 입구측을 접속하는 고압유 라인(36)과, 유압 모터(10)의 작동유 출구측과 유압 펌프(8)의 작동유 입구측을 접속하는 저압유 라인(37)으로 이루어진다.
작동유 분기 라인(70)은 나셀(4)측에 지지되는 제 1 배관(71, 74)과, 타워(2)측에 지지되는 제 2 배관(72, 73)을 갖고 있다. 또한, 작동유 분기 라인(70)은 저압유 라인(37)에 병행으로 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 작동유 분기 라인(70)에는, 분기 라인(70)의 작동유의 흐름을 형성하는 펌프(71)가 설치되어 있다.
제 1 배관(71)과 제 2 배관(72)은 스위블 구조를 갖는 접속부(100)에 의해 상대적으로 선회 가능하게 접속되어 있다. 마찬가지로, 제 1 배관(73)과 제 2 배관(74)은 접속부(100)에 의해 상대적으로 선회 가능하게 접속되어 있다. 이 접속부(100)에는, 제 1 실시형태에서 설명한 구성을 채용할 수 있다.
저압 라인(37)으로부터 분기된 작동유는 제 1 배관(71), 접속부(100), 제 2 배관(72)을 순서대로 통과해서 주 열교환기(58)에 도입된다. 주 열교환기(58)에서는 해수와의 열교환에 의해 냉매가 냉각된다. 주 열교환기(58)로부터 배출되는 냉매는 제 2 배관(73), 접속부(100), 제 1 배관(74)을 순서대로 통과해서 저압 라인(37)에 복귀된다.
본 실시형태에 따르면, 작동유를, 타워 기부 주변의 해수, 호수, 하천수 또는 지하수로 이루어지는 냉수원과 열교환하는 것에 의해 냉각하도록 했으므로, 공냉보다 고효율로 작동유를 냉각할 수 있다.
또한, 작동유 순환 라인 및 작동유 분기 라인(70)중 한쪽을, 나셀(4)측에 지지되는 제 1 배관(71, 74)과, 타워(2)측에 지지되는 제 2 배관(72, 73)으로 분할하고, 스위블 구조를 갖는 접속부(100)에 의해, 제 1 배관(71, 74)과 제 2 배관(72, 73)이 상대적으로 선회 가능으로 되도록 접속했으므로, 나셀(4)이 선회해도, 나셀(4)측의 제 1 배관(71, 74)과 타워측의 제 2 배관(72, 73) 사이에서 유체의 교환을 원활하게 행할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 관한 풍력 발전 장치(1)는 공냉에 의해 발전기(12)를 냉각하는 발전기 쿨러(53')를 갖고 있어도 좋다.
이 경우, 나셀(4)의 외주측에 외기를 도입하는 덕트(81)가 설치되어 있고, 덕트(81)로 취입한 공기는 공기 배관(83)을 통해서 나셀(4) 내에 유도된다. 공기 배관(83)에는 발전기 쿨러(53')가 설치되어 있다. 발전기 쿨러(53')는, 예를 들어 발전기(12)의 주위에 설치된 냉각 재킷으로서 구성되어, 냉각 재킷의 외주를 덕트(81)로 취입한 공기가 흐르는 것에 의해 발전기(12)를 냉각한다. 냉각후의 공기는 공기 배관(83)을 통과해서 나셀 외부에 배기된다.
또한, 덕트(81)로 취입한 공기는 나셀(4) 내의 다른 열발생원의 냉각에 사용할 수도 있다. 예를 들어, 나셀(4) 내의 공기를 냉각하는 나셀 냉각기(도시하지 않음)의 냉각에 사용할 수 있다. 이와 같이, 타워(2) 내의 열발생원의 냉각에는 주로 수냉을 사용하고, 나셀(4) 내의 열발생원에는 공냉을 사용함으로써, 풍력 발전 장치(1)의 열발생원의 효율적인 냉각이 가능해진다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 각종 개량이나 변형을 행해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 재생 에너지형 발전 장치의 구체예로서 풍력 발전 장치(1)에 대해서 설명했지만, 본 발명은 풍력 발전 장치 이외의 재생 에너지형 발전 장치에도 적용할 수 있다.
예를 들어, 조류, 해류 또는 하류를 이용한 발전 장치이며, 타워가 기단부로부터 선단부를 향해서 해중 또는 수중을 연직 방향 하방으로 연장하는 동시에, 회전 블레이드에 의해 조류, 해류 또는 하류를 받는 것에 의해 주축이 회전하도록 발전 장치에 본 발명을 적용해도 좋다.
1 : 풍력 발전 장치 2 : 타워
2A : 타워 기부 2B : 타워 선단부
4 : 나셀 6 : 로터
6A : 허브 6B : 회전 블레이드
8 : 유압 펌프 10 : 유압 모터
12 : 발전기 14 : 주축
15 : 주축 베어링 21 : 트랜스실
30 : 작동유 라인 31 : 고압측 제 1 배관
32 : 고압측 제 2 배관 33 : 저압측 제 2 배관
34 : 저압측 제 1 배관 36 : 고압유 라인
37 : 저압유 라인 38 : 작동유 분기 라인
40 : 냉매 라인 41 : 냉매 이송 라인
42 : 냉매 복귀 라인 43, 44, 44'、45 : 냉매 분기 라인
51, 51'、58 : 주 열교환기 52 : 중간 열교환기
53 : 발전기 쿨러 54 : 타워 냉각기
55 : 트랜스실 냉각기 70 : 작동유 분기 라인
71, 74 : 제 1 배관 72, 73 : 제 2 배관
100, 100'、100" : 접속부

Claims (18)

  1. 재생 에너지로부터 전력을 생성하는 재생 에너지형 발전 장치에 있어서,
    타워와,
    상기 타워의 선단부에 선회 가능하게 지지된 나셀과,
    상기 나셀에 수납되어, 회전 블레이드와 함께 회전하는 주축과,
    상기 나셀에 수납되어, 상기 주축의 회전에 의해 구동되는 유압 펌프와,
    상기 유압 펌프로부터 공급되는 작동유에 의해 구동되는 유압 모터와,
    상기 유압 모터에 연결된 발전기와,
    상기 유압 펌프와 상기 유압 모터 사이에 설치되고, 상기 작동유가 흐르는 작동유 라인과,
    중간 열교환기를 통해서 상기 작동유를 냉각하는 냉매가 순환하는 냉매 라인과,
    상기 냉매를, 상기 타워 기부 주변의 해수, 호수, 하천수 또는 지하수로 이루어지는 냉수원과 열교환하는 것에 의해 냉각하는 주 열교환기를 구비하고,
    상기 작동유 라인 및 상기 냉매 라인의 한쪽이, 상기 나셀측에 지지되는 제 1 배관과, 상기 타워측에 지지되는 제 2 배관과, 상기 제 1 배관과 상기 제 2 배관을 상대적으로 선회 가능하게 접속하는 접속부를 구비하는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 모터는 상기 타워의 상기 선단부와 상기 기부 사이에 배치되고,
    상기 작동유 라인이 상기 나셀내의 상기 유압 펌프로부터 상기 타워 내의 상기 유압 모터까지 연장설치되어 있고,
    상기 작동유 라인은 상기 제 1 배관, 상기 제 2 배관 및 상기 접속부를 갖고,
    상기 제 1 배관이 상기 유압 펌프에 접속되고, 상기 제 2 배관이 상기 유압 모터에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 모터는 상기 나셀측에 지지되는 한편, 상기 중간 열교환기는 상기 타워측에 지지되어 있고,
    상기 작동유 라인은, 상기 유압 펌프와 상기 유압 모터 사이를 작동유가 순환하는 작동유 순환 라인과, 상기 작동유 순환 라인의 저압측으로부터 분기해서 상기 중간 열교환기를 통과해서 상기 작동유 순환 라인에 복귀되는 작동유 분기 라인을 포함하고,
    상기 작동유 분기 라인은 상기 제 1 배관, 상기 제 2 배관 및 상기 접속부를 갖고,
    상기 제 1 배관이 상기 작동유 순환 라인에 접속되고, 상기 제 2 배관이 상기 중간 열교환기에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 모터 및 상기 발전기는 상기 나셀의 내부에 배치되는 한편, 상기 중간 열교환기는 상기 나셀측에 지지되어 있고,
    상기 냉매 라인은 상기 제 1 배관, 상기 제 2 배관 및 상기 접속부를 갖고,
    상기 제 1 배관이 상기 중간 열교환기측에 접속되고, 상기 제 2 배관이 상기 주 열교환기측에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 나셀측으로부터 상기 타워측으로 향하는 유체가 흐르는 제 1 유로와,
    상기 타워측으로부터 상기 나셀측으로 향하는 유체가 흐르는 제 2 유로와,
    하나 또는 복수의 상기 제 1 유로 및 하나 또는 복수의 상기 제 2 유로가 형성된 관상 부재와,
    상기 관상 부재를 둘러싸도록 설치되고, 상기 제 1 유로에 설치된 제 1 연통구를 통해서 상기 제 1 배관에 연통한 환상 유로를 포함하는 제 1 재킷과,
    상기 관상 부재를 둘러싸도록 설치되고, 상기 제 2 유로에 설치된 제 2 연통구를 통해서 상기 제 2 배관에 연통한 환상 유로를 포함하는 제 2 재킷을 더 구비하고,
    상기 제 1 재킷 및 상기 제 2 재킷이 베어링을 통해서 상기 관상 부재에 상대적으로 선회 가능하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 관상 부재에는, 상기 1 유로 및 상기 제 2 유로의 또한 내측에, 상기 나셀측으로부터 상기 타워측에 연장설치되는 케이블을 수용하는 케이블용 배관이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매 라인에 물을 공급하는 물공급원과,
    상기 물에 부동액이 첨가된 냉매를 상기 냉매 라인내에서 순환시키는 펌프를 더 구비하는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 물공급원이 상기 냉매를 저류하는 냉매 탱크이며,
    상기 냉매 탱크는 상기 타워의 상부에 배치되는 동시에, 상기 냉매 탱크는 타워내 공간에 개방되어 있는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 물공급원이 상기 냉매를 저류하는 냉매 탱크이며,
    상기 냉매 탱크는 상기 타워의 내부에 배치되는 동시에, 상기 냉매 탱크는 타워내 공간에 대하여 밀폐되어 있는 것을 특징으로 하는
    기재의 재생 에너지형 발전 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 열교환기를 수용하는 케이싱의 냉수원 입구에는, 상기 냉수원에 포함되는 이물질이 상기 케이싱 내부에 혼입하는 것을 방지하는 필터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 열교환기는 상기 타워가 설치되는 기초에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 열교환기의 전열관 주위에, 냉수원의 유속을 조정하는 유속 조정용 구조체가 배치되고,
    상기 유속 조정용 구조체와 상기 전열관 사이의 거리의 상한이 상기 전열관에 있어서 소정의 열전달률이 얻어지는 거리에 기초하여 설정되고, 하한이 상기 전열관에 부착되는 이물질이 박리하는 거리에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 주 열교환기의 전열관 표면에 상기 냉수원을 분사하는 스프레이 노즐을 설치한 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 열교환기는 복수의 전열관을 갖는 다관식 열교환기인 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 재생 에너지형 발전 장치는 풍력 발전 장치이며,
    상기 타워가 상기 기단부로부터 상기 선단부를 향해서 연직 방향 상방으로 연장하는 동시에,
    상기 회전 블레이드에 의해 바람을 받는 것에 의해 상기 주축이 회전하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 나셀 내에 수납되어, 상기 나셀의 주위로부터 도입한 공기에 의해 상기 발전기를 냉각하는 발전기 냉각기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  17. 재생 에너지로부터 전력을 생성하는 재생 에너지형 발전 장치에 있어서,
    타워와,
    상기 타워의 선단부에 선회 가능하게 지지된 나셀과,
    상기 나셀에 수납되어, 회전 블레이드와 함께 회전하는 주축과,
    상기 나셀에 수납되어, 상기 주축의 회전에 의해 구동되는 유압 펌프와,
    상기 유압 펌프로부터 공급되는 작동유에 의해 구동되는 유압 모터와,
    상기 유압 모터에 연결된 발전기와,
    상기 유압 펌프와 상기 유압 모터 사이에 설치되고, 상기 작동유가 흐르는 작동유 순환 라인과,
    상기 작동유를, 상기 타워 기부 주변의 해수, 호수, 하천수 또는 지하수로 이루어지는 냉수원과 열교환하는 것에 의해 냉각하는 주 열교환기를 구비하고,
    상기 작동유 순환 라인 및 상기 작동유 순환 라인으로부터 분기되는 작동유 분기 라인의 한쪽이, 상기 나셀측에 지지되는 제 1 배관과, 상기 타워측에 지지되는 제 2 배관과, 상기 제 1 배관과 상기 제 2 배관을 상대적으로 선회 가능하게 접속하는 접속부를 갖는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 나셀 내에 수납되어, 상기 나셀의 주위로부터 도입한 공기에 의해 상기 발전기를 냉각하는 발전기 냉각기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는
    재생 에너지형 발전 장치.
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