KR20140138062A - 기류 제어 배열체 - Google Patents

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KR20140138062A
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피터 헤셀룬드 소에렌센
클라우스 타이지센
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Abstract

본 발명은 회전자(11) 및 고정자(12)를 포함하는 발전기(14)를 구비한 직접-구동식 풍력-터빈(10)을 위한 기류 제어 배열체(100)를 서술하며, 기류 제어 배열체(100)는 출구 기류(AF_out)를 출구 덕트(4)를 통하여 취출하도록 배열된 유출 팬(1)을 포함하고, 출구 덕트(4)는 고정자(12)의 내부 공동(120)으로부터 풍력 터빈(10)의 외부로 연장한다. 본 발명은 또한 이 같은 기류 제어 배열체(100)를 포함하는 직접-구동식 풍력 터빈(10)을 서술한다. 본 발명은 회전자(11) 및 고정자(12)를 포함하는 발전기(14)를 구비한 직접-구동식 풍력-터빈(10) 내의 기류(AF_in, AF_out)를 제어하는 방법을 더 서술한다.

Description

기류 제어 배열체 {AIRFLOW CONTROL ARRANGEMENT}
본 발명은 직접-구동식 풍력-터빈(direct-drive wind-turbine)을 위한 기류 제어 배열체; 직접-구동식 풍력-터빈; 및 직접-구동식 풍력-터빈에서 기류를 제어하는 방법을 서술한다.
발전기의 작동 중, 필드 배열체(field arrangement)의 자극들 및 전기자 배열체의 권선부들의 상대적 회전은 권선부들에서 유도되는 전류들을 초래한다. 풍력 터빈 발전기와 같은 대형 발전기는 강한 자기장을 구비한 수백 개의 자극들을 포함할 수 있으며 권선부들에서 유도된 전류들은 이에 대응하여 커져서, 권선부들이 매우 뜨겁게 된다. 고온들은 자석들뿐만 아니라 와이어링(wiring), 제어 회로, 센서(sensor)들, 등과 같은 발전기 내의 다른 구성요소들 상에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 이러한 이유 때문에, 풍력 터빈 발전기에는 보통 발전기의 더 뜨거운 부분들을 냉각시키기 위하여 냉각 배열체가 장비된다. 일부 설계들에서, 열 교환기들은 발전기 도처에 배열된 파이프(pipe)들 또는 호스(hose)들을 통하여 순환하는 냉각 유체에 열을 전달하기 위해 사용된다. 그러나, 열을 권선부들로부터 효과적으로 취출하기 위해 이 같은 유체 냉각 시스템을 배열하는 것은 복잡하고 비용이 많이 든다. 다른 타입의 냉각 배열체는 풍력 터빈 나셀(wind turbine nacelle)의 후방에 장착되는 열 교환기를 포함할 수 있어, 풍력 터빈 나셀이 풍력 터빈 위로 통과하는 공기에 의해 냉각될 수 있다. 파이프들 또는 덕트(duct)들 내의 냉각 유체를 사용하여 열이 고온 구성요소들로부터 외부 열 교환기로 전달될 수 있다. 튜브들, 호스들, 열 교환기들, 등의 대규모 배열체는 풍력 터빈의 전체 복잡성 및 비용을 부가하고, 누출들을 회피하기 위하여 상당히 관리되어야 한다. 또한, 이 같은 냉각 시스템들의 유지는 비용을 상당히 부가한다. 다른 접근 방법에서, 캐노피(canopy) 내에 과압을 생성하기 위하여 팬을 사용하여 공기가 나셀 또는 캐노피 내로 취출될 수 있어, 예를 들면 허브(hub)와 캐노피 사이의 갭(gap)을 통하여 누출됨으로써, 외부에 다시 도달하기 위해 공기가 발전기 위로 강제로 통과한다. 이 같은 시스템들의 단점은 공기가 외부로 나아가야 할 때 공기는 항상 외부로 '가장 용이하거나" 가장 넓은 경로를 따르게 된다는 것이다. 따라서, 이 같이 공지된 시스템(system)들은 열원, 즉 권선부들에서 온도를 낮추기 위해 시스템들의 성능을 제한하는데, 이는 권선부들과 자극들 사이의 공극과 같이 권선부들 주위의 공간들이 좁기 때문이다. 외부로 나아가는 공기는 이 같은 병목부들을 우회하는 경향이 있을 것이다. 따라서, 이 같은 공기-냉각 시스템들은 일반적으로 비효율적이다. 고온 권선부들을 효과적으로 냉각하는 것에 대한 불능은 풍력 터빈이 항상 전출력으로 작동되지 않을 수 있다는 것을 의미하는데, 이는 결과적으로 발생한 고온들이 발전기 또는 발전기 구성요소들을 손상시키게 되기 때문이다.
풍력 터빈은 상이한 유형들의 환경에서 그리고 상이한 날씨 상태들에서 신뢰성있게 작동되도록 설계되어야 한다. 풍력 터빈에서 공기의 높은 상대 습도는, 특히 수증기가 발전기 내부의 비교적 차가운 구성요소들 상에 응축되어야 하는 경우, 문제들을 일으킬 수 있다. 예를 들면, 직접-구동식 풍력 터빈에서, 이의 자극들을 구비한 외부 회전자는 초기에 발전기의 가장 차가운 부분일 수 있으며, 발전기 내부의 온도가 증가함에 따라 응축물이 자석들 상에 형성될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 하나의 접근에서, 고정자를 둘러싸는 폐쇄된 챔버(closed chamber) 내로 공급되는 공기로부터 수증기를 추출하기 위하여 제습기가 사용될 수 있다. 효과적이 되도록, 회전자와 고정자 사이의 공기 시일(air seal)이 또한 요구되어 건조한 공기가 또한 자석들 위로 통과한다. 이 같은 시스템은 실현하고 유지하기에 상당히 더 많이 복잡하고 더 많은 비용이 드는데, 이는 회전자 및 고정자를 함께 밀봉하기가 용이하지 않기 때문이다.
따라서, 본 발명의 목적은 직접-구동식 풍력 터빈 내부의 환경을 제어하는 더욱 경계적이고 간단한 방식을 제공하여, 위에서 언급된 문제점을 회피하고자 하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 기류 제어 장치에 의해; 청구항 13의 직접-구동식 풍력 터빈에 의해; 그리고 직접-구동식 풍력-터빈에서의 기류를 제어하는 청구항 14에 의해 달성된다.
본 발명에 따라, 기류 제어 배열체는 회전자 및 고정자를 포함하는 발전기를 구비한 직접-구동식 풍력-터빈에서 이용하기 위해 실현되며, 이 기류 제어 배열체는 출구 덕트를 통한 출구 기류를 취출하도록 배열된 유출 팬을 포함하며, 출구 덕트는 고정자의 내부 공동으로부터 풍력 터빈의 외부로 연장한다.
본 발명에 따른 기류 제어 배열체의 장점은 기류가 대부분이 냉각되어야 할 것이 요구되는 발전기의 부품들 위로 최적으로 안내된다는 것이다. 단지 발전기 내로 공기를 도입하여 공기가 외부로의 자신의 통로를 찾게 하는 대신, 본 발명에 따른 기류 제어 배열체는 특히 기류를 풍력 터빈의 공간적으로 분리된 구역들을 통하여 미리-정해진 경로를 강제로 따르도록 한다. 공기는 유출 팬의 흡입 또는 추출 작용에 의해 이러한 경로를 따르도록 강제된다. 터빈-특정 방식으로 경로를 규정함으로써, 고정자 내부 공동을 통하여 공기를 강제하여, 발전기의 소정의 구역들의 최적 냉각 또는 가열이 달성될 수 있다. 이러한 양태는 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다.
바람직하게는, 출구 덕트는 아래에서 설명되는 바와 같이, 출구 기류가 통과하여 풍력 터빈의 외부로, 예를 들면 풍력 터빈의 캐노피의 외부로 방출될 수 있는 제 1 배출 개구, 및 출구 기류의 일부 또는 모두가 통과하여 풍력 터빈의 내부로 다시 지향될 수 있는 보조 배출 개구를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 회전자 및 고정자를 포함하는 발전기를 구비하는, 직접-구동식 풍력 터빈은 이 같은 기류 제어 배열체를 포함한다.
본 발명에 따른 직접-구동식 풍력 터빈의 장점은 발전기 내의 공기 품질이 풍력 터빈 작동의 임의의 스테이지(stage)에서 최적화될 수 있다는 것이다. 공기는 관련되고 중대한 발전기 구성요소들을 바람직하게는 효과적인 방식으로 냉각시키기 위해 사용될 수 있으며 풍력 터빈 내의 공기의 상대 습도는 또한 요구되는 바와 같이 조정될 수 있다. 이는 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다.
본 발명에 따라, 직접-구동식 풍력-터빈에서 기류를 제어하는 방법은 출구 덕트를 통하여 출구 기류를 취출하기 위한 유출 팬을 구동하는 단계를 포함하며 이 출구 덕트는 고정자의 내부 공동으로부터 풍력 터빈의 외부로 연장한다.
본 발명에 따른 방법의 장점은 기류가 따르는 경로는 의도적인 방식으로 규정될 수 있다는 것이다. 즉, 미리 규정된 경로와 관련된 유출 팬의 작용은 냉각, 가열 및/또는 건조의 대부분의 요구 내에 있는 발전기의 부분들 위로 특별히 지향될 수 있는 것을 의미한다. 발전기의 이 부분들 위로 통과하는 공기의 품질이 바람직하게는 간단하고 경제적인 방식으로 조정되는 것을 허용한다.
본 발명의 특히 유용한 실시예들 및 특징들은 아래 설명에서 나타나는 바와 같이, 종속 청구항들에 의해 주어진다. 상이한 청구항 범주들의 특징들은 여기서 설명되지 않은 추가의 실시예들을 제공하기 위하여 적절하게 조합될 수 있다.
직접-구동식 풍력 터빈에서, 전체 발전기는 기어박스(gearbox)를 구비한 발전기보다 더 컴팩트(compact)하다. 캐노피는 풍력 터빈의 다양한 부분을 보호하기 위해 사용된다. 예를 들면, 캐노피는 타워 헤드(tower head) 위에 설치되도록 형성될 수 있어 요잉 메카니즘(yaw mechanism)이 둘러싸여서 비 및 먼지로부터 보호된다. 발전기는 바람직하게는 캐노피 아래에 둘러싸이지 않는다. 용어 "캐노피(canopy)"는 일반적으로 주변부들로부터 캐노피에 의해 둘러싸이는 구성요소들을 보호하는 셀(shell) 또는 하우징을 지칭한다. 캐노피, 베드프레임(bedframe)과 같은 지지 프레임, 및 요잉 메커니즘은 총괄하여 아래에서 '나셀(nacelle)'로서 지칭될 수 있다. 본 발명의 내용에서, 캐노피 및 나셀은 기능 면들에서 균등한 것으로 간주될 수 있다. '외부 회전자' 설계에서, 회전자는 내부 고정자를 중심으로 자유롭게 회전한다. 아래에서, 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하지 않으면서, 기류 제어 배열체가 이러한 풍력 터빈 구성으로 실현될 수 있다는 것이 추정될 수 있다. 또한, 이는 아래에서 외부 회전자가 발전기의 필드이고 내부 고정자가 전기자이어서, 자석들이 회전자의 내부 표면상에 배열되고 권선부들이 고정자의 외부 표면상에 배열되는 것이 추정될 수 있다. 물론, 외부 회전자가 전기자로서 작용하고 내부 고정자가 상기 필드로서 작용하는 것이 가능하다.
대형 발전기의 권선부들은 일반적으로 전기자 내로 끼워지는 편평한 금속 밴드(flat metal band)를 포함한다. 보통, 이 같은 발전기는 수개의 위상들을 가지며, 상이한 위상들의 권선부들이 서로 교차되어야 한다. 이에 따라, 전기자의 하나 또는 양자 모두의 단부들에서, 권선부들은 일반적으로 서로 위 및 아래에 설치하기 위해 상이한 방식으로 형성되어 교차(crossing)들이 컴팩트하고 유효한 방식으로 실행될 수 있다. 발전기의 전방 단부 및 후방 단부에서의 공동들은 이러한 권선부를 '돌출식으로(overhang)' 수용하는 크기를 갖는다. 여기서, "전방 공동"은 발전기의 전방 또는 허브 측부에 위치되는 것으로 이해되어야 하고, "후방 공동"은 발전기의 후방 또는 캐노피 측부에 위치되는 것으로 이해되어야 한다. 발전기 공동이 고정자 내부로부터 공간적으로 분리되어 있기 때문에, 고정자 내부에 유입되기 위하여 공기는 권선부들 사이의 임의의 갭(gap)들을 통과하여야 한다. 예를 들면, 발전기 전방 공동으로부터 고정자 내부로 통과하도록, 공기는 인접한 권선부들 또는 권선부 섹션(winding section)들 사이의 좁은 갭들 또는 슬릿(slit)들을 통과하여야 한다. 따라서, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 기류 제어 배열체는 유출 팬(fan)이 출구 기류를 발전기 공동으로부터 회전자의 자극들과 고정자의 권선부들 사이의 공극을 통하여 출구 덕트 내로 취출하는 것이 실현된다. 즉, 유출 팬의 흡입 작용은 공기를 특히 공동으로부터 발전기의 전방 또는 후방에서 회전자와 고정자 사이의 공극 내로 그리고 인접한 고정자 권선부들 사이의 갭들을 통하여 취출한다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 기류 제어 배열체는 다수의 고정자 덕트들을 포함하며, 고정자 덕트는 고정자를 통하여 발전기의 후방 공동으로부터 발전기의 전방 공동으로 연장하고 전방 공동에서 출구 기류의 적어도 일 부분이 유출 팬에 의해 고정자 덕트를 통하여 취출된다. 이러한 매우 선호하는 배열체에 의해, 기류는 풍력 터빈의 상이하고 공간적으로 분리되는 구역들을 연결하는 다수의 채널(channel)들 또는 덕트들 위로 미리 정해진 경로를 따르도록 강제된다. 예를 들면, 기류 경로는 고정자 덕트, 발전기의 전방 공동, 고정자 내부, 및 마지막으로 출구 덕트에 의해 규정될 수 있다. 또 다른 기류 경로는 발전기 후방 공동, 공극, 권선부들 사이의 하나 또는 둘 이상의 갭들, 고정자 내부, 및 최종적으로 출구 덕트에 의해 규정될 수 있다.
결과적으로, 공기는 발전기의 공동으로부터 고정자 내부로 취출된다. 바람직하게는, 고정자 덕트(들)에 의해 제공된 경로 외에, 고정자의 내부 공간은 캐노피 내부로부터 기밀 방식으로 분리된다. 유사하게, 고정자의 내부 공간은 공기가 의도적으로 따라서 유동을 일으키는 특정 기류 경로들 외에 발전기 전방 공동으로부터 기밀 방식으로 분리되는 것이 바람직하다. 캐노피 및 고정자의 내용에서 용어 "기밀"은 이에 따라 사전-규정된 기류 경로 외에, 풍력 터빈으로부터 공기가 관통하여 "누출"될 수 있는 본질적으로 다른 경로들이 이용가능하지 않음을 의미하는 것으로 이해된다. 래비린스 시일(labyrinth seal) 등을 통하여 누출될 수 있는 작은 용적의 공기는 의미가 없으며 본 발명에 따른 기류 제어 배열체의 효율을 손상시키지 않는다.
캐노피는 빗물 및 공기 함유 입자들을 차단하기 위하여 래비린스 시일을 이용하여 외부 회전자에 장착될 수 있다. 본 발명에 따른 기류 제어 배열체의 간단한 실시예에서, 일부 갭들은 공기의 공급이 캐노피로 들어가는 것을 허용하도록 풍력 터빈의 적절한 구역에서 의도적으로 남겨질 수 있어서, 유출 팬이 고정자 덕트들, 발전기 전방 공동, 및 출구 덕트에 의해 규정된 경로들을 따라 바람직하게는 유효 용적의 공기를 취출할 수 있다. 대안적으로, 공기 인렛(inlet)들로서 작용하는 다수의 일방 밸브들은 공기가 캐노피로 유입되는 것을 허용하도록 캐노피를 중심으로 다양한 지점들에 배열될 수 있다. 그러나, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 기류 제어 배열체는 풍력-터빈의 캐노피의 내부로 공기를 취출하도록 배열된 유입 팬을 포함한다. 이러한 방식으로, 공기의 바람직하고 효과적인 용적이 항상 임의의 요구된 냉각 또는 가열 절차를 위해 제공되는 것을 보장할 수 있다. 이 같은 실시예에서, 다양한 시일들은 상대적인 기밀 캐노피를 달성하기 위해 사용될 수 있으며, 예를 들면 캐노피와 타워 헤드 사이에 시일이 있을 수 있다. 이러한 유형의 배열체는 본질적으로 기밀이지만 반드시 완전히 기밀일 필요는 없어, 본질적으로 기류 제어 배열체에 의해 사용된 공기 모두가 유입 팬에 의해 취출되고 시일들에 의해 포함되어, 단지 작은 부분이 캐노피로부터 '누출'될 수 있다. 유입 팬은 바람직하게는 캐노피 내부에 과압을 형성하는 것을 실현하여, 공기가 고정자 덕트들 내로 강제로 통과하도록 하는데, 이 고정자 덕트들은 캐노피 내부로부터 배출들만이 효과적이다.
바람직하게는, 발전기 전방 공동으로부터 고정자 내부 내로의 제한된 개수의 "경로들"이 존재하는데, 이 고정자 내부를 따라 기류가 이동할 수 있다. 예를 들면, 전체 기류가 고정자 내부 내로의 도중에 권선부들 위로 통과하는 것을 강제하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 효과를 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 고정자의 내부 공동은 일 측부 상의 캐노피 내부로부터(후방 고정자 플레이트(rear stator plate) 또는 '고정자 백플레이트(stator backplate)') 그리고 외부 측 상의 발전기 전방 공동으로부터(전방 고정자 플레이트 또는 '고정자 전방플레이트') 고정자 내부를 유효하게 밀폐하는 후방 및 전방 고정자 플레이트들에 의해 규정된다. 유체 냉각을 이용하는 종래의 발전기들에서, 이 고정자 플레이트들은 임의의 개수의 개구들 또는 구멍들을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 기류 제어 배열체의 사용을 위해, 후방 및 전방 고정자 플레이트들은 바람직하게는 고정자 덕트(들) 및 출구 덕트(들)을 수용하기 위해 필요한 개구가 아닌 임의의 개구들이 없는 폐쇄된 표면들을 포함한다. 본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 이에 따라, 고정자 덕트는 고정자 플레이트 내의 대응적으로 형성된 개구를 통하여 통과하도록 배열된다. 기밀 시일들과 같은 적절한 시일들은 고정자 덕트와 고정자 플레이트 사이의 결합부에서 개구들을 중심으로 배열될 수 있어, 고정자 덕트를 통하여 안내되는 기류가 캐노피 내부로부터 발전기의 전방 공동으로 통과하는 것을 보장하며, 즉 본질적으로 공기가 캐노피 내부로부터 고정자 내부로 직접 통과하지 않는다. 이러한 방식으로, 가능한 많은 공기가 발전기 전방 공동 내로 통과하는 것이 강제될 수 있는데, 이 발전기 전방 공동으로부터 가능한 많은 공기가 고정자 권선부를 통하여 그리고 자극들과 권선부들 사이의 공극을 통하여 취출된다. 이는 공기가 아래에서 설명되는 바와 같이, 공기의 냉각을 위해(풍력 터빈의 작동 동안), 가열을 위해(풍력 터빈을 시동하기 전에), 및/또는 공기 건조를 위해서든 간에 가장 효과적으로 사용되는 것을 허용한다.
하나의 작동 모드에서, 권선부들 및 공극을 통한 냉각 목적을 위한 유출 팬에 의해 취출 또는 흡입된 공기는 바람직하게는 발전기의 근처로부터 제거되는데, 이는 공기가 권선부들 및/또는 공극을 통하여 지나갈 때까지, 공기의 온도가 증가될 것이기 때문이다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 출구 덕트가 외부로부터 고정자 내부 공간을 분리하도록 배열된 고정자 플레이트를 통하여 본질적인 기밀 방식으로 연장하도록 배열된다. 이러한 방식으로, 권선부들을 통하여 그리고 공극을 통하여 지나간 기류가 출구 덕트 내로 취출되고 고정자 내부로부터 유효한 방식으로 제거된다. 풍력 터빈의 작동 동안, 예를 들면, 전출력으로, 고온 공기가 추출되어 외부로 방출될 수 있어, 발전기의 중대한 구역들의 유효 냉각이 성취될 수 있다.
높은 상대 습도의 상태들에서, 이슬점은 실제 공기 온도에 근접되는 것으로 공지되어 있다. 이는 습한 상태에서 작동되는 풍력 터빈들에서 문제가 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 기류 제어 배열체는 출구 덕트로부터 캐노피의 외부로 및/또는 다시 캐노피 내부로 출구 기류를 안내하기 위한 출구 유출 배열체를 포함한다. 특히 풍력 터빈이 일시 정지(standstill)된 후 시동시, 높은 상대 습도는 수증기가 외부 회전자의 자석들 상에 응축된 것을 의미할 수 있는데, 이는 외부 회전자가 발전기의 가장 차가운 부품이기 때문이다. 상대 습도는 공기 온도 및 공기 압력에 종속한다. 즉, 시스템 내의 온도 및/또는 압력을 변경함으로써 폐쇄된 시스템에서 상대 습도를 변경하는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 기류 제어 배열체의 바람직한 실시예는 이러한 관계를 유용하게 사용되며, 여기에서 유출 팬 및 출구 유출 배열체의 조합된 작용은 공기가 풍력 터빈 내의 미리 정해진 경로를 따라 순환하는 것을 보장한다. 출구 유출 배열체는 캐노피 외부로의 경로를 폐쇄하고 캐노피 내부로의 경로를 다시 개방하도록 작동되며, 동시에 공기는 유출 팬의 열 소산에 의해 가열된다. 과압이 유지되도록 공기 유입의 양이 조정될 수 있어 풍력 터빈으로부터 방출되거나 새어 나오는 공기의 양을 보상한다. 이러한 방식으로 기류 제어 배열체의 작동은 만족스런 상태에 도달될 때까지, 예를 들면 수증기가 자극들 상에 또는 발전기의 다른 상대적 냉각 구역들 상에 더 이상 (또는 적어도 어떠한 상당한 크기로) 응축되지 않을 수준으로 이슬점이 상승될 때까지 계속될 수 있다.
출구 유출 배열체는 임의의 개수의 방식으로 실현될 수 있다. 바람직하게는, 다수의 기능들을 충족하는 것이 실현된다: 풍력 터빈으로부터 본질적으로 전체 출구 기류를 방출하고; 또는 본질적으로 전체 출구 기류를 다시 캐노피 내부로 전환하고; 또는 출구 기류의 일 부분을 캐노피 내부로 그리고 나머지 부분을 풍력 터빈의 밖으로 전환하는 기능들이 실현된다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 출구 유출 배열체는 캐노피의 외부로의 출구 기류를 조절하기 위한 제 1 수단 및 캐노피 내부로의 출구 기류를 조절하기 위한 제 2 수단을 포함한다. 제 1 및 제 2 출구 기류 조절 수단은 서로 독립적으로 작동될 수 있거나 동시에 작동될 수 있다. 예를 들면, 기류 조절 수단은 해치를 포함할 수 있어, 제 1 해치가 기류를 풍력 터빈으로부터 외부로 조절하고, 제 2 해치가 기류를 다시 캐노피 내부로 조절한다. 이 같은 배열체에서, 제 1 해치가 폐쇄될 때 제 1 해치는 출구 덕트의 주 출구 개구를 본질적으로 완전히 덮도록 배열될 수 있다. 유사하게는, 제 2 해치가 폐쇄될 때, 제 2 해치는 출구 덕트의 보조 출구 개구를 본질적으로 완전히 덮는다. 제 1 및 제 2 해치들은 서로 독립적으로 작동될 수 있거나 동시에 작동될 수 있어, 예를 들면, 하나의 해치가 완전히 개방되면 다른 해치가 완전히 폐쇄된다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 해치 배열체는 출구 기류를 캐노피의 외부로 조절하기 위한 제 1 해치 부분 및 출구 기류를 캐노피 내부로 조절하기 위한 제 2 해치 부분을 구비하는 3방 해치를 포함한다. 바람직하게는, 해치 배열체는 해치 부분들이 동시에 제어되도록 제어된다. 예를 들면, 제 1 해치 부분이 완전히 "개방"되면, 제 2 해치 부분은 완전히 "폐쇄"되어, 전체 출구 기류가 풍력 터빈으로부터 방출되고; 제 1 해치 부분이 완전히 "폐쇄"되고 제 2 해치 부분이 완전히 "개방"되면, 전체 출구 기류가 다시 캐노피 내부로 순환하며; 제 1 해치 부분이 단지 부분적으로 개방되면, 제 2 해치 부분은 대응하는 양 만큼 단지 부분적으로 폐쇄되어, 출구 기류의 일 부분이 다시 캐노피 내부로 순환하고, 나머지 부분이 풍력 터빈으로부터 방출된다.
대안적으로, 출구 기류 조절 수단은 팬을 포함할 수 있다. 이 같은 실시예에서, 제 1 기류 조절 수단은 공기를 고정자 덕트들을 통하여 고정자 내부로 그리고 출구 덕트 내로 취출하기에 충분히 강력한 유출 팬일 수 있다. 제 2 기류 조절 수단은 또한 제 2 덕트 내에 배열된 보조 유출 팬을 포함할 수 있는데, 이 제 2 덕트는 캐노피 내부의 방향으로 출구 덕트를 분기한다. 캐노피 내부 내로 다시 취출되는 공기의 용적은 이러한 제 2 팬이 구동되는 속도에 종속될 수 있다. 전체 출구 유출이 풍력 터빈으로부터 방출되어야 할 때 공기가 캐노피를 들어가는 것을 방지하기 위하여, 보조 팬은 간단히 턴 오프될 수 있고, 경로를 캐노피 내부로 유효하게 폐쇄할 수 있다.
유출 팬은 바람직하게는 출구 덕트의 적절한 구역 내에 위치설정된다. 예를 들면, 출구 덕트의 입구 개구 또는 "마우스(mouth)"에 근접하게 배열될 수 있다. 바람직하게는, 유출 팬은 공기가 유출 팬에 도달하는 때까지 선형 유동을 보여주는 것을 보장하도록 입구 개구로부터 떨어져 충분히 멀리; 그리고 또한 출구 개구로부터 떨어져 충분히 멀리 위치 설정되어 외부로부터 감지된 팬의 노이즈(noise)가 최소로 유지될 수 있다. 바람직하게는, 출구 덕트는 유출 팬에 대해 근접하게 설치되도록 형성되어, 유출 팬이 공기를 출구 덕트 내로 효과적으로 취출할 수 있다.
대안적으로, 유출 팬이 출구 덕트에서 다시 비교적 멀리 위치될 수 있는데, 예를 들면 기류가 관통하여 풍력 터빈으로부터 방출되는 캐노피 내의 개구에 근접된다. 이 같은 배열체는 제 2 팬이 보조 덕트 내에 위치 설정될 때 유효하게 될 수 있다. 이러한 경우, 유출 팬 및 보조 팬은 양자 모두 결국 권선부들 및 공기-갭을 통하여 그리고 캐노피의 밖으로 공기를 흡입하도록 작동될 수 있고, 풍력 터빈으로부터 방출되거나 캐노피 내부 내로 재지향되는 공기의 용적은 각각의 팬의 캐노피 및 각각의 팬이 구동되는 속도에 종속될 것이다.
출구 유출 배열체는 바람직하게는 대기의 품질에 따라 및/또는 풍력 터빈을 통과하는 공기의 품질에 따라 및/또는 풍력 터빈의 작동 상태에 따라 제어된다. 예를 들면, 전출력으로 작동될 때, 발전기의 가장 뜨거운 부품들(보통 권선부들)은 효과적인 냉각을 요구한다. 유사하게, 대기가 높은 상대 습도를 가질 때, 단계들이 습도를 감소시키기 위해 취해질 것이 요구될 수 있다. 따라서, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 기류 제어 배열체는 캐노피 외부에서 및/또는 발전기 내에서 및/또는 발전기 자석들에서 및/또는 발전기 권선부들에서; 및/또는 캐노피 외부 및/또는 발전기에서의 습도를 측정하기 위한 다수의 습도 센서들에서 온도를 측정하기 위한 다수의 온도 센서들을 포함한다. 이 같은 센서들에 의해 전달되는 정보는 해석되어 기류 제어 배열체의 성능을 조정하기 위해 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 기류 제어 배열체는 하나 또는 둘 이상의 센서들에 의해 제공된 측정들을 기초로 하여 적어도 출구 유출 배열체 및/또는 유입 팬 및/또는 유출 팬을 제어하기 위해 실현되는 제어 유닛을 포함한다. 예를 들면, 캐노피 외부 상에 또는 유입 팬 근처에 위치설정되는 습도 센서는 대기의 상대 습도를 측정할 수 있다. 회전자에 근접한 온도 센서는 발전기의 상기 부품에 대한 온도 판독치들을 제공할 수 있다. 제어 유닛은 기류가 잠시 동안 풍력 터빈의 내부에서 재순환되어야 하는지 여부를 결정하도록 이러한 센서들에 의해 제공된 데이터를 분석할 수 있어, 일시 정지 상태로부터 풍력 터빈을 시동하기 전에, 유출 팬이 이러한 순환된 공기를 가열하는 것을 허용한다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 기류 냉각 배열체는 발전기의 자극들과 권선부들 사이의 공극을 통하여 전방 발전기 공동으로부터 출구 덕트 내로 공기를 취출하는 것이 실현된다. 이러한 방식으로, 기류는 또한 자석들 위로 지향될 수 있다. 이 같은 기류는 작동 동안 고온들에 도달될 때 또한 자석들을 냉각하기 위해 작동할 수 있다. 그러나, 캐노피 내부 및 발전기 내에서 공기를 순환하는 동안 공기를 가열하기 위하여 유출 팬을 사용함으로써, 예를 들면 일시 정지 후 차가워진 발전기가 작동될 때, 자석들 상에 형성되는 응축 가능성을 감소시키기 위해 따듯해지고 건조된 기류가 자극들 위로 지향될 수 있다. 기류는 유입 및/또는 유출 팬들을 위한 충분히 강한 모터를 사용함으로써 좁은 공극 내로 취출될 수 있다. 동일하게, 발전기 전방 공동은 기류가 공극 내로 통과하는 것을 조장하도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 가이드(guide)들 또는 기류 형성 요소들은 권선부 위에 매달려 배열되어 공기가 매달린 권선부 위 및 공극 내로 통과하는 것을 허용한다. 이는 고정자 플레이트와 권선부 돌출부 사이의 전이 구역 내 고정자 내부에 다수의 개구들을 최소화함으로써 보조될 수 있다.
대기는 먼지, 곤충들, 꽃가루 및 다른 공기 함유 입자들을 포함할 수 있다. 공기 내의 이 같은 불순물들은 풍력 터빈 내부에서 문제가 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 기류 제어 배열체는 유입 팬 앞에 또는 다음에 배열된 필터 배열체(filter arrangement)를 포함하는데, 하나 또는 둘 이상의 필터들이 공기로부터의 공기 함유 입자들을 여과하는 것이 실현된다. 이러한 방식으로, 유입 팬은 본질적으로 단지 여과된 공기만을 캐노피 내부로 취출하게 될 것이다. 본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 필터 배열체는 들어오는 공기로부터 공기 함유 염 입자들을 제거하기 위해 실현되는 염 필터를 포함할 수 있으며, 염 입자들은 매우 미세하여 종래의 메시 필터들을 이용하여 공기로부터 여과하는 것이 어렵거나 불가능할 것이다. 염 필터는 이의 입력 공기가 상대적으로 건조한 경우 효율적으로 기능할 수 있다. 따라서, 본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 해치 배열체 및 유입 팬은 서로에 대해 배열되어, 캐노피 내부로 복귀되는 "건조" 공기가 유입 팬의 염 필터를 향하여 지향될 수 있다. 이러한 방식으로, 발전기로부터 낮은 습도 공기는 외부로부터 취출되는 습한 공기와 혼합할 수 있어, 염 필터의 만족스런 성능이 보장될 수 있다. 대안적으로 또는 부가하여, 필터 배열체는 들어오는 공기로부터 습기를 제거하기 위한 미스트 제거기(mist eliminator)를 포함하거나 이 미스트 제거기와 조합될 수 있다. 미스트 제거기는 또한 분리기로서 지칭될 수 있다.
들어오는 공기로부터 습기 및/또는 공기 함유 입자를 제거하는 것과 같은 다양한 기능들을 충족하는 미스트 제거기와 조합되는 필터 배열체는 총괄적으로 여과 시스템으로 지칭될 수 있다. 미스트 제거기는 다양한 방식들로 실현될 수 있다. 예를 들면, 미스트 제거기는 취출되는 공기를 편향하는 각진 베인(angled vane)들의 배열체를 구비한 분리기로서 실현될 수 있으며 이에 의해 어떠한 습기도 응축되고 각진 베인들 상에 수집되는 것을 유발한다. 응축된 수증기가 수집되어 소정의 적절한 아웃렛(outlet)을 통하여 방출될 수 있다. 소정의 분리기 설계들은 공기에 함유된 습기 액적들을 포획하기 위해 취출 방향에 반대로 배열된 "후크(hook)들"을 포함한다. 분리기 베인들은 플라스틱, 알루미늄, 탄소 섬유 보강된 폴리메릭 재료(polymeric material), 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다.
매우 차가운 상태들에서, 수집된 습기는 이러한 후크들 상에 결빙될 수 있어, 분리기의 인렛 통로(inlet passage)들을 막는다. 따라서, 본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 여과 시스템은 기류를 분리기 내로 또는 분리기 상으로 지향시키도록 배열된 팬을 포함하여, 얼음 형성물(ice build-up)이 회피될 수 있다. 대안적으로 또는 부가하여, 분리기 베인들이 탄소 또는 알루미늄과 같은 전도성 재료로 제조되는 경우, 전류가 베인들을 가열하여 어떠한 얼음 형성물도 용융시키기 위해 베인으로 인가될 수 있다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 필터 배열체는 다수의 인렛 필터들을 포함한다. 예를 들면, 제 1 인렛 필터는 들어오는 공기로부터 모래, 먼지, 꽃가루 등을 여과하기 위해 사용될 수 있다. 제 2 인렛 필터는 공기로부터 염을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 들어오는 공기로부터 수 개의 종류의 공기에 함유된 입자들을 제거할 수 있는 조합된 인렛 필터가 사용될 수 있다. 인렛 필터들은 나란히 배열될 수 있지만 바람직하게는 '적층'될 수 있어, 들어오는 공기가 캐노피의 내부에 도달하기 전에 제 1 인렛 필터를 통과하여야 하고 후속하여 제 2 인렛 필터를 통과하여야 한다.
필터 배열체 또는 여과 시스템은 바람직하게는 캐노피의 지지 부분에, 예를 들면 베드 프레임에 또는 캐노피의 소정의 다른 적절한 구역에 장착될 수 있는 케이싱(casing) 내에 수용되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 여과 시스템은 캐노피의 하부 구역에, 예를 들면 후방을 향하여 배열된다. 여과 시스템의 구성요소들에 대한 바람직한 순서로, 분리기는 들어오는 공기로부터 습기를 제거하기 위해 외부에 배치된다. 내측부 상에, 즉, 캐노피의 내부를 향하여, 여과 배열체가 공기로부터 공기 함유 입자들을 제거한다. 하나 또는 둘 이상의 유입 팬들은 분리기와 여과 배열체 사이에 배열되어 공기를 캐노피 내부로 취출한다. 필터 배열체 및 유입 팬은 바람직하게는 케이싱 내에 매우 근접하여 배열되어, 들어오는 공기가 필터 배열체를 통하여 유효하게 가압된다. 물론, 분리기(사용되는 경우)는 필터 배열체 및 유입 팬으로부터 이격될 수 있다. 예를 들면, 분리기는 캐노피 개구 내에 장착될 수 있으며 반면 유입 팬 및 여과 배열체는 캐노피 내부에서 다른 장소에 배열된다.
온도 센서 또는 다른 측정 장치는 분리기의 성능을 모니터(monitor)하기 위해 사용될 수 있다. 결빙 상태가 감지되는 경우, 결빙 상태가 지속되는 한 가열 요소가 작동된다. 가열 요소가 다시 비작동될 때를 결정하기 위하여 온도 센서가 사용될 수 있다. 가열 요소는 분리기 위로 가열된 기류를 지향시키기 위해 배열된 팬 히터(fan heater)일 수 있다. 예를 들면, 팬 히터는 여과 시스템 내부의 유입 팬 대신 취할 수 있거나, 팬 히터가 유입 팬과 동일한 높이에 또는 분리기와 유입 팬 사이에 배열될 수 있다.
팬 히터 대신, 분리기의 베인들이 전기 전도성인 경우 분리기의 베인들에 전류를 인가하기 위해 가열 회로가 사용될 수 있다. 바람직하게는, 분리기 표면적의 적어도 1/5이 이러한 방식으로 가열하기 위해 전기 회로에 연결된다.
발전기를 통하여 취출되는 기류는 해치 배열체 및 유입/유출 팬들이 구동하는 방식에 따라, 유익한 냉각 효과 또는 유익한 가열 및 건조 효과를 가질 수 있다. 특히 풍력 터빈이 작동 중일 때, 단일 고정자 덕트는 관련된 발전기 구역들을 냉각 또는 가열하기에 족할 만큼 공기를 취출하기에 충분할 수 있어, 이는 회전자의 회전이 또한 자석들 및 권선부들 근처에서 그리고 공극에서 공기의 순환을 증진하기 위해 작용될 것이기 때문이다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 그러나, 기류 제어 배열체는 캐노피 내부로부터 발전기의 전방 공동으로 연장하는 복수의 고정자 덕트들을 포함한다. 바람직하게는, 고정자 덕트들은 평행한 방식으로, 즉 고정자의 길이방향 축선에 대해 평행하고 그리고/또는 본질적으로 서로 평행하게 놓이게 배열된다. 그러나, 바람직한 경우 또는 필요한 경우, 고정자 덕트는 고정자의 길이방향 축선에 대해 일정한 각도로 배열될 수 있다. 고정자 덕트들은 임의의 적합한 방식으로 고정자를 중심으로 분포될 수 있다. 바람직하게는, 고정자 덕트들은 고정자를 중심으로 균일하게 이격될 수 있다. 예를 들면, 한 쌍의 고정자 덕트들은 고정자의 두 개의 측면들 상에서 정반대일 수 있다. 하나의 이 같은 배열체는 고정자의 좌측 상에 제 1 고정자 덕트를 포함할 수 있고 우측 상에 다른 고정자 덕트를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 고정자를 중심으로 다소 균일한 거리로 배열된 3개의 고정자 덕트일 수 있다. 대안적으로, 출구 덕트 및 3개의 고정자 덕트들은 각각이 고정자의 1/4 내에 놓이도록 배열될 수 있다. 물론, 임의의 개수의 고정자 덕트들이 사용될 수 있고, 상기 개수는 통과할 수 있어야 하는 공기의 용적 뿐만 아니라 고정자 공동 내의 이용가능한 공간에 종속될 수 있다.
본 발명에 따른 기류 제어 방법은 발전기의 시동 또는 정지 전에 풍력 터빈의 내부의 공기를 '준비하고' 또는 '제어하고' 또는 풍력 터빈의 작동 동안 온도 또는 습도에서의 변화에 반응하도록 사용될 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 캐노피 외부 및/또는 발전기 및/또는 발전기 자석들 및/또는 발전기 권선부들로부터 온도 측정들을 얻는 단계를 포함한다. 예를 들면, 권선부들의 온도에서의 증가는 팬 출력이 권선부들 위의 공기 유동의 속도를 증가시키기 위해 증가되어야 하고 해치가 공기를 외부로 방출하기 위해 제어되어야 하는 것을 나타낼 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 저온 판독값들은 공기가 가열되고(예를 들면 유출 팬에 의해 소산된 열을 이용하여) 풍력 터빈의 시동 전에 적절한 길이의 시간 동안, 또는 온도 판독값들이 만족될 때까지 재순환되어야 하는 것을 나타낼 것이다. 필요한 경우 이 같은 온도 측정값들은 습도 판독값들에 의해 증가될 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 풍력 터빈의 내부, 예를 들면 발전기 상의 위치 및/또는 캐노피 외부로부터 습도 측정값을 얻는 단계를 포함한다. 바람직하지 않은 높은 습도는 풍력 터빈 내부의 공기의 온도를 증가시킴으로써 '교정'될 수 있다. 이는 위에서 설명된 바와 같이, 유출 팬에 의해 소산된 열을 이용하여 공기를 재순환하고 공기를 가열함으로써 성취될 수 있다. 온도 증가는 상대 습도에서의 감소를 초래한다.
본 발명에 따른 기류 제어 배열체를 개선하는 도중에 수행된 측정값들은 설치되지 않은 출구 덕트가 캐노피 내부의 가열에 상당한 기여를 할 수 있다는 것을 보여주었다. 실용적 이유들 때문에, 출구 덕트는 바람직하게는 강철과 같은 튼튼하고, 수명이 길고, 가볍고 경제적인 재료로 제조되어야 한다. 출구 덕트는 수 미터의 길이를 가질 수 있고 출구 덕트의 직경은 통상적으로 약 400 mm 내지 1000 mm일 수 있다. 출구 덕트 크기들 및 출구 기류의 유량에 따라, 출구 덕트의 벽으로부터 나셀 내부로의 열 에너지 전달의 레이트(rate)는 수 킬러 와트의 값에 이를 수 있다. 따라서, 본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 출구 덕트는 단열 재료에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 바람직하게는 낮은 열 전도도를 가지는 재료가 사용되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 절연 클래딩(cladding)의 하나 또는 둘 이상의 층들은 출구 덕트 둘레에 감싸질 수 있다. 출구 덕트가 (예를 들면 시동 절차 동안) 다시 캐노피 내부로 출구 유출의 일부 부분을 안내하기 위한 기류 조절 수단을 포함하며, 상기 절연 재료는 출구 덕트의 보조 출구 개구를 중심으로 배열될 수 있다.
본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부된 도면들과 관련하여 고려된 아래의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다. 그러나, 도면들이 본 발명의 제한 규정으로서가 아니라 예시의 목적을 위해서만 설계된다.
도 1은 본 발명에 따른 기류 제어 배열체의 제 1 실시예를 도시하며,
도 2는 본 발명에 따른 기류 제어 배열체의 제 2 실시예를 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 기류 제어 배열체의 일 실시예에 의해 규정된 기류 경로의 개략적인 묘사를 도시하며,
도 4는 본 발명에 따른 기류 제어 배열체에서 고정자 내부로부터 고정자 백 플레이트를 향하는 도면을 도시하며,
도 5는 본 발명에 따른 기류 제어 배열체의 제 3 실시예를 도시하며,
도 6은 본 발명에 따른 기류 제어 배열체에서의 사용을 위한 여과 시스템의 일 실시예를 도시하며,
도 7은 본 발명에 따른 기류 제어 배열체의 제 4 실시예를 도시한다.
도면들에서, 동일한 도면부호들은 도처에서 동일한 대상들을 지칭한다. 도면들 내의 대상들은 반드시 실척대로 도시된 것은 아니다. 특히, 회전자와 고정자 사이의 공극 또는 고정자 권선부들 사이의 갭들은 과장된 방식으로 도시된다. 명료성을 위해, 도면들은 단지 풍력 터빈의 관련 구성요소들을 표시하며, 도면들은 매우 간단한 방식으로 도시된다.
도 1은 본 발명에 따른 기류 제어 배열체의 제 1 실시예를 도시한다. 상기 도면은 직접-구동식 풍력 터빈(10)의 내부를 도시하며, 이 터빈 내에서 발전기(14)가 샤프트(shaft; 20) 상에 장착된다. 발전기는 외부 회전자(11) 및 내부 고정자(12)를 포함한다. 허브 및 회전자 블레이드들(도면에 도시되지 않음)은 샤프트(20)의 전방에 장착되어, 허브의 회전이 회전 축선(R)을 중심으로 외부 회전자(11)의 회전을 초래한다. 내부 고정자(12)는 샤프트(20)에 대해 정지되어 있다. 권선부(121)(도 3 및 도 4 참조)는 고정자(12)의 외부 표면에 배열되고, 반면 자극(111)들(도 3 및 도 4 참조)은 회전자(11)의 내부 표면상에 배열된다. 좁은 공극(150)은 권선부(121)들로부터 자극(111)들을 분리한다. 설계 이유 때문에, 권선부(121)들은 고정자(12)의 하나의 단부 또는 양 단부들에서 소정 양의 돌출부(overhang)를 갖는다. 이러한 돌출부는 발전기 전방 공동(140_F)에 수용된다. 이 같은 풍력 터빈(10)의 설치는 전체 발전기(14)를 들어 올리고 이 발전기를 타워(17) 상으로 장착된 캐노피(13)의 전방 제위치에 장착됨으로써 수행될 수 있다.
이러한 실시예에서, 캐노피(13), 타워(17) 및 발전기(14)는 캐노피(13)와 타워(17) 사이 및 캐노피(13)와 발전기(14) 사이의 시일(21, 22)들에 의해 본질적으로 기밀 방식으로 연결된다. 캐노피(13)와 발전기(14) 사이의 시일(21)은 래비린스 시일(21)일 수 있다. 유입 팬(2)은 공기(AF_in)를 캐노피 내부(130) 내로 취출하기 위해 사용된다. 유입 팬(2)은 캐노피 내부(130)에 과압을 발생시키기에 충분히 강력할 수 있다. 이러한 방식으로 캐노피(13) 내로 취출된 공기(AF_in)는 이어서 고정자(12)의 일 단부로부터 타 단부로 연장하는 고정자 덕트(3)들에 의해, 그리고 고정자 내부(120)로부터 연장하는 출구 덕트(4)에 의해 규정된 특정 경로를 따라 이동하도록 강제되고(compelled or forced) 공기를 풍력 터빈 외부로 방출하거나 공기를 다시 캐노피 내부(130) 내로 재지향시키는 것이 실현된다.
고정자 덕트(3)는 고정자 덕트(3)로의 입구 개구(30)가 고정자 백 플레이트(123) 내에 또는 이의 전방에 놓이고 이의 출구 개구(31)가 고정자 전방 플레이트(122) 내 또는 이의 전방에 놓이도록 장착된다. 유입 개구(30)는 기류(AF_in)를 고정자 덕트(3) 내로 안내하기 위하여 외측으로 플레어형(flared)이 되거나 원추형이 될 수 있다. 고정자(12) 내에 배열된 수 개의 이러한 고정자 덕트(3)들이 있을 수 있다.
고정자 덕트(3)들의 출구 개구(31)들로부터 나온 후, 공기는 발전기(14)의 전방 공동(140_F) 내로 통과한다. 유출 팬(1)에 의해 생성된 흡입은 이러한 공기를 권선부 돌출부들 사이의 갭을 통하여 그리고 자극(111)들과 권선부(121)들 사이의 공극을 통하여 고정자 내부(12) 내로 그리고 최종적으로 출구 덕트(4) 내로 취출한다. 유출 팬(1)에 의해 생성된 흡입은 또한 공기를 발전기 후방 공동(140_R)으로부터 권선부 돌출부들 사이의 갭들을 통하여 그리고 자극(111)들과 권선부(121)들 사이의 공극을 통하여 고정자 내부(12)로 그리고 이어서 출구 덕트(4) 내로 취출한다. 충분히 강력한 유출 팬(1)과 관련된 충분히 큰 입구 개구를 구비한 출구 덕트(4)는 권선부(121)들 사이의 갭들을 통하여 그리고 또한 권선부(121)들과 자석(111)들 사이의 공극(150)을 통하여 기류(AF_out)를 효율적으로 취출하기에 충분한다. 출구 덕트(4)의 출구 개구(40)는 바람직하게는 풍력 터빈으로부터 공기의 방출을 용이하게 하기 위하여 캐노피(13)의 상부 구역에 배열된다. 메시(mesh) 또는 그릴(grille)(도면에 도시 안됨)은 원치않는 부스러기가 출구 덕트 내로 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
출구 덕트(4)에서, 출구 기류(AF_out)는 유출 팬(1)을 통하여 흡입되고 이어서 풍력 터빈(10)으로부터 방출되고 그리고/또는 캐노피 내부(130)로 복귀된다. 이를 위해, 출구 덕트(4)는 두 개의 출구 개구들, 풍력 터빈 외부로의 주 출구 개구(40), 및 캐노피 내부로의 제 2 출구 개구(41)를 갖는다. 내부(130)로 방출되거나 복귀된 공기의 양은 출구 유출 배열체(5)가 설정되는 방식에 종속될 것이다. 여기서, 출구 유출 배열체(5)는 제 1 해치(51) 및 제 2 해치(52)를 포함한다. 해치(51, 52)들은 제어 유닛으로부터 송신된 제어 신호들에 의해 작동되며, 이의 기능성은 도 2의 도움으로 설명될 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 기류 제어 배열체의 제 2 실시예를 도시한다. 여기서, 출구 유출 배열체(5)는 주 출구 개구(40) 및 보조 출구 개구(41)를 개폐하도록 출구 덕트(4)에 배열된 3방 해치(53)(추상적인 심벌에 의해 표시됨)를 포함하며, 풍력 터빈의 내부 및 외부의 기류가 특별히 효율적인 방식으로 조절될 수 있다. 3방 해치(53)가 제어될 수 있어 다시 캐노피 내부로 루트(route)가 페쇄되는 경향이 있으며, 캐노피 외부로의 루트가 개방되는 경향이 있다.
이러한 실시예는 또한 유입 팬(2)의 전방에 배치된 필터 배열체(73)를 도시하여, 유입 팬(2)이 캐노피 내부 내로 여과된 공기(AF_in)를 취출한다. 필터 배열체(73)는 다양한 필터 층들을 포함할 수 있고, 캐노피 내로 취출되는 공기의 습기를 감소시키기 위한 미스트 제거기(도시 안됨)와 조합될 수 있어, 풍력 터빈 내부의 구성요소들에 대한 손상의 위험을 낮춘다.
제어 유닛(6)은 전략적 위치들에 배열된 온도 센서(60, 61)들 및 습도 센서(62, 63)들에 의해 취해진 측정값들을 기초로 하여 3방 해치를 제어하는 방법을 결정한다. 여기서 온도 센서(60)는 권선부(121)에 근접한 온도를 측정하고; 다른 온도 센서(61)는 캐노피(13)로 들어가는 대기의 온도를 측정하며; 습도 센서(62)는 캐노피(13)로 들어가는 대기의 습도를 측정하고; 그리고 다른 습도 센서(63)는 고정자 내부(120) 내로 취출되는 공기의 습도를 측정한다. 제어 유닛(6)은 국부적 또는 원격의 프로세싱 터빈 제어기 등으로부터 부가 정보를 수집하기 위해 정보를 분석하기 위한 임의의 개수의 모듈들을 포함할 수 있다. 센서(60, 61, 62, 63)들로부터 측정값들은 유선 연결을 이용하여, 무선 연결을 이용하여 또는 임의의 다른 적절한 통신 모드를 이용하여 제어 유닛(6)으로 전달될 수 있다. 유사하게, 제어 유닛(6)은 임의의 적절한 연결을 이용하여 해치 배열체로 제어 신호를 전송할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 기류 제어 배열체(100), 및 풍력 터빈의 구역들을 통하여 유동하도록 지향될 때 공기(AF_in, AF_out)에 의해 취해진 경로의 개략적인 묘사를 도시한다. 도면은 단지 관련된 구성요소들 및 구역들을 도시한다. 유입 팬(2)은 공기(AF_in)를 캐비티 내부(130)로 취출한다. 유출 팬(1)은 공기를 출구 덕트(4) 내로 흡입한다. 풍력 터빈의 다양한 구역(130, 140_R, 140_F, 150, 120)들은 공기가 따라서 유동하여야 하는 미리-정해진 경로를 제공하기 위해 링크된다(link). 캐노피 내부(130)는 고정자 백 플레이트(123)에 의해 고정자 내부(120)로부터 물리적으로 분리된다. 공기(AF_in)는 이에 따라 고정자 백플레이트(123)로부터 고정자 전방플레이트(122)로 연장하는 덕트(3)를 통과하도록 강제되며, 여기서 공기는 발전기 전방 캐비티(140_F) 내로 유동할 수 있다. 여기로부터, 공기는 권선부(121)들 사이의 임의의 갭들 및/또는 자석(111)들과 권선부(121)들 사이의 공극(150)을 통하여 유출 팬(1)에 의해 흡입되어, 공기가 고정자 내부(120) 내로 취출된다. 여기로부터, 공기(AF_out)는 출구 덕트 내로 흡입된다.
발전기의 작동 동안, 회전자(11)의 회전은 권선부(121)들 사이의 공극(150) 및 갭(160)들(도 4 참조) 내의 기류(AF_out)의 분포를 증가시켜, 고온 권선부들을 효율적으로 냉각할 수 있다.
발전기가 일시 정지되어 있을 때조차, 즉 고정자(12) 및 회전자(11) 양자 모두가 정지되어 있을 때조차, 유출 팬(1)은 여전히 기류(AF_out)가 공극(150)을 통하여 유효하게 취출되는 것을 보장할 수 있어, (초기에 더 차가운) 자석(111)들의 온도가 상승될 수 있어, 이에 따라 이슬점을 상승시킨다. 이미 위에서 설명된 바와 같이, 해치 배열체는 풍력 터빈 내의 기류를 재순환시키도록 제어될 수 있어, 공기를 따듯하게 하기 위하여 유출 팬(1)에 의해 소산된 열을 사용한다.
도 4는 고정자 백 플레이트(123)를 향하는 고정자(12), 및 본 발명에 따른 기류 제어 배열체(100)의 일 실시예의 다양한 요소들을 내부로부터의 도면을 도시한다. 좌측 상에, 기류(AF_in)가 고정자 내부 공동(120)으로부터 밀봉되는, 고정자 덕트(3)를 통하여 캐노피 내부(130)로부터 (읽는 사람을 향하여) 흡입되거나 취출된다. 흡입력은 출구 덕트(4) 내에 배열된 유출 팬(1)에 의해 (읽는 사람으로부터 멀리) 발생한다. 공기가 발전기 전방 공동(여기서 도시안됨)에 들어가면, 공기는 자석(111)들과 권선부(121)들 사이의 공극(150)을 통하여 그리고 인접한 권선부(121)들 사이의 임의의 갭(160)들을 통하여 유출 팬(1)에 의해 흡입된다. 여기서, 공지된 권선부 배열체가 도시되며, 권선부(121)들은 스페이서(122)들에 의해 분리된다. 좁은 갭(160)은 각각의 스페이서(122)와 권선부 사이에 남아 있다. 공기는 이러한 좁은 갭(160)을 통과하도록 강제된다. 기류는 또한 캐노피 내부로부터 발전기 후방 공동(고정자 백 플레이트(123) 뒤)을 경유하고 이어서 자석(111)들과 권선부(121)들 사이의 공극(150)을 통하여 그리고 인접한 권선부(121)들 사이의 임의의 갭(160)을 통하여 흡입된다.
도 5는 발전기의 다양한 구역(3, 140_F, 150, 120, 4)들을 통하여 기류(AF_in, AF_out)를 지향시키기 위해 전술된 도면들에서 설명된 것과 동일한 기능 원리들을 가지며 본 발명에 따른 기류 제어 배열체(100)의 추가 실시예를 보여준다. 여기서, 여과 시스템(70)은 캐노피(13)의 하부 부분에 배열된다. 여기서, 여과 시스템(70)은 분리기(71) 또는 미스트 제거기(71); 간단함을 위해 공통 심벌(simbol)로 총괄적으로 표시된 다수의 팬(2, 72)들; 및 필터 배열체(73)를 포함한다.
유입 팬(2)은 공기(AF_in)를 외부로부터 캐노피 내부(130) 내로 취출한다. 여기서 또한, 유입 팬(2)은 캐노피 내부(130) 내에 과압을 생성하기에 충분히 강력할 수 있다. 팬 히터(72)는 얼음이 분리기(71) 내부에 형성되지 않는 것을 보장하기 위해 분리기(71)에서 따뜻한 공기를 지향시킬 수 있다. 필터 배열체(73)는 들어오는 공기로부터 다양한 종류의 입자를 여과하기 위한 하나 또는 둘 이상의 필터들을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 공기 흡입물을 여과하기 위해 사용될 수 있는 여과 시스템(70)을 도시한다. 여기서, 여과 시스템(70)은 다양한 기능을 충족한다. 여과 시스템은 들어오는 공기로부터 습기를 제거하기 위한 미스트 제거기(71) 또는 분리기(71)를 포함한다. 여과 배열체(73)는 들어오는 공기로부터 모래, 먼지, 꽃가루, 염 등을 여과하기 위한 이들의 능력을 기초로 하여 선택될 수 있는 다수의 인렛 필터(73)를 갖는다. 여과 시스템(70)은 하나 또는 둘 이상의 팬(2, 72)들을 가지며 이 팬은 공기를 캐노피 내부로 취출 또는 흡입하기 위한 유입 팬(2)일 수 있고 및/또는 따뜻한 기류를 분리기(71) 내로 또는 상으로 지향시키기 위한 팬 히터(72)일 수 있다. 공기는 가열 요소(도시 안됨)에 의해 가열될 수 있다. 여기서, 간단함을 위해 단지 두 개의 팬(2, 72)들이 도시되었지만, 임의의 개수의 팬(2, 72)들이 사용될 수 있다. 분리기(71)는 취출되는 공기를 편향시켜 임의의 습기가 응축되고 각진 베인들 상에 수집될 수 있도록 각진 베인들의 배열체를 가질 수 있다. 응축된 수증기는 수집되어 소정의 적절한 아웃렛(도시안됨)을 통하여 방출될 수 있다. 수집된 습기가 결빙되어 분리기의 인렛 통로들을 막는 것을 방지하기 위하여, 여과 시스템(70)의 이러한 예시적인 실시예에서, 하나 또는 둘 이상의 팬 히터(72)들이 분리기(71)에서 따뜻한 공기를 지향시킨다. 따뜻한 기류는 임의의 얼음 형성물을 용융할 수 있거나 얼음이 형성되는 것을 방지한다. 여과 시스템(70)의 요소(71, 2, 72, 73)들은 캐노피의 지지 부품, 예를 들면 베드 프레임 또는 캐노피의 소정의 적절한 구역에 장착될 수 있는 케이싱(74)에 수용되어; 분리기(71)가 외측으로 대향되고, 인렛 필터(inlet filter; 73)들이 캐노피 내부 내측으로 대면되어 건조 및 여과된 공기를 캐노피 내부로 지향시킨다.
도 7은 본 발명에 따른 기류 제어 배열체의 추가 실시예를 도시한다. 여기서, 출구 덕트(4)는 단열 재료(400)에 의해 둘러싸여 출구 덕트(40)를 통과하는 공기(AF_out)로부터의 열이 캐노피 내부(130)로 전달되지 않는다. 단열 재료(400)는 출구 덕트(40) 둘레에 감싸지는 하나 또는 둘 이상의 층들의 클래딩으로서 인가될 수 있거나 그렇지 않으면 출구 덕트(40)에 고정된다. 도면에는 출구 덕트(40) 내에 보조 출구 개구가 도시되지 않지만 단열 재료(400)가 이 같은 보조 출구 개구 주위에 인가될 수 있어, 기류가 시동 절차 중 잠시 동안 풍력 터빈의 내부를 재순환할 수 있는 것이 이해될 것이다.
물론, 절연 재료로 제조된 출구 덕트가 대신 사용될 수 있어 출구 덕트의 재료가 본질적으로 절연되고 캐노피 내부(130) 내로의 상당한 열 에너지 전달을 방지한다.
비록 본 발명이 바람직한 실시예 및 이에 대한 변형예의 형태로 개시되었지만, 다양한 부가 수정예 및 변형예가 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 본 발명에 대해 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
명료성을 위해, 본 출원의 도처에서의 단수 표현의 사용은 복수 형태를 배제하지 않으며, "포함하는(comprising)"은 다른 단계들 또는 요소들을 배제하지 않는다는 것이 이해되어야 한다. "유닛(unit)" 또는 "모듈(module)"의 언급은 둘 이상의 유닛 또는 모듈의 사용을 배제하지 않는다.

Claims (17)

  1. 회전자(11) 및 고정자(12)를 포함하는 발전기(14)를 구비한 직접-구동식 풍력-터빈(10)용 기류 제어 배열체(100)로서,
    상기 기류 제어 배열체(100)는 출구 덕트(4)를 통하여 출구 기류(AF_out)를 취출하도록 배열된 유출 팬(1)을 포함하며, 상기 출구 덕트(4)는 상기 고정자(12)의 내부 공동(120)으로부터 상기 풍력 터빈(10)의 외부로 연장하는,
    직접-구동식 풍력 터빈용 기류 제어 배열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유출 팬(1)이 상기 출구 기류(AF_out)를 발전기 공동(140_F, 140_R)으로부터 상기 회전자(11)의 자극(111)들과 상기 고정자(12)의 권선부(121)들 사이의 공극(150)을 통하여 상기 출구 덕트(4) 내로 취출하도록 실현되는,
    직접-구동식 풍력 터빈용 기류 제어 배열체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 출구 덕트(4)는 상기 풍력 터빈(10)의 캐노피(13)의 내부(130)로부터 상기 고정자 내부 공동(120)을 분리하도록 배열된 분리 수단(123)을 통하여 본질적인 기밀 방식으로 연장하도록 배열되는,
    직접-구동식 풍력 터빈용 기류 제어 배열체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    다수의 고정자 덕트(3)들을 포함하며, 고정자 덕트(3)가 상기 고정자(12)를 통하여 상기 발전기(14)의 후방 공동(140_R)으로부터 상기 발전기(14)의 전방 공동(140_F)으로 연장하고, 상기 출구 기류(AF_out)의 적어도 일 부분이 상기 유출 팬(1)에 의해 상기 고정자 덕트(3)를 통하여 취출되는,
    직접-구동식 풍력 터빈용 기류 제어 배열체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(10)의 캐노피(13)의 내부(130) 내로 입력 기류(AF_in)를 취출하도록 배열된 유입 팬(2)을 포함하는,
    직접-구동식 풍력 터빈용 기류 제어 배열체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출구 기류(AF_out)를 상기 출구 덕트(4)로부터 상기 풍력 터빈(10)의 외부로 및/또는 다시 상기 캐노피 내부(130)로 안내하기 위한 출구 유출 배열체(5)를 포함하는,
    직접-구동식 풍력 터빈용 기류 제어 배열체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출구 유출 배열체(5)는 상기 풍력 터빈(10)의 외부로의 상기 출구 기류(AF_out)를 조절하기 위한 제 1 해치(51) 및 상기 캐노피 내부(130)로의 상기 출구 기류(AF_out)를 조절하기 위한 제 2 해치(52)를 포함하는,
    직접-구동식 풍력 터빈용 기류 제어 배열체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출구 유출 배열체(5)는 상기 출구 기류(AF_out)를 상기 풍력 터빈(10)의 외부로 및/또는 상기 캐노피 내부(130) 내로 조절하기 위한 3방 해치(53)를 포함하는,
    직접-구동식 풍력 터빈용 기류 제어 배열체.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐노피 외부 및/또는 상기 발전기(14) 내 및/또는 상기 발전기 필드(11)의 자극(111)들에서 및/또는 상기 발전기 전기자(12)의 권선부(121)에서 온도를 측정하기 위한 다수의 온도 센서(60, 61)들; 상기 캐노피 외부에서 및/또는 상기 풍력 터빈(10)의 내부 공간(120, 130, 140) 내의 습도를 측정하기 위한 다수의 습도 센서(62, 63)를 포함하는,
    직접-구동식 풍력 터빈용 기류 제어 배열체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    센서(60, 61, 62, 63)에 의해 제공된 측정값들을 기초로 하여 적어도 출구 유출 배열체(5) 및/또는 상기 유출 팬(1) 및/또는 상기 유입 팬(2)을 제어하기 위해 실현된 제어 유닛(6)을 포함하는,
    직접-구동식 풍력 터빈용 기류 제어 배열체.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입 팬(2)에 배열된 미스트 제거기(71) 및/또는 필터 배열체(73)를 포함하고, 필터 배열체(73)는 공기로부터 공기 함유 입자들을 필터링하는 것이 실현되고, 미스트 제거기(71)는 공기로부터 습기를 제거하는 것이 실현되는,
    직접-구동식 풍력 터빈용 기류 제어 배열체.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기(14)의 캐노피 내부(130)로부터 전방 공동(140)으로 복수의 고정자 덕트(3)들을 포함하는,
    직접-구동식 풍력 터빈용 기류 제어 배열체.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출구 덕트(40)와 상기 캐노피 내부(130) 사이에 단열 층(400)을 포함하는,
    직접-구동식 풍력 터빈용 기류 제어 배열체.
  14. 회전자(11) 및 고정자(12)를 포함하는 발전기(14)를 구비한 직접-구동식 풍력 터빈(10)으로서,
    상기 직접-구동식 풍력 터빈(10)은 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 기류 제어 배열체(100)를 포함하는,
    직접-구동식 풍력 터빈.
  15. 회전자(11) 및 고정자(12)를 포함하는 발전기(14)를 구비한 직접-구동식 풍력-티빈(10) 내의 기류(AF_in, AF_out)를 제어하는 방법으로서,
    출구 덕트(4)를 통하여 출구 기류(AF_out)를 취출하기 위해 유출 팬(1)을 구동하는 단계를 포함하며, 상기 출구 덕트(4)는 상기 고정자(12)의 내부 공동(120)으로부터 상기 풍력 터빈(10)의 외부로 연장하는,
    직접-구동식 풍력-티빈 내의 기류 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 캐노피 외부 및/또는 발전기 내부(140) 및/또는 상기 발전기 필드(11)의 자극(111)들 및/또는 상기 발전기 전기자(12)의 권선부(121)들에서 온도를 측정하는 단계; 및/또는
    상기 캐노피 외부에서 및/또는 상기 발전기 전방 공동(140)에서 및/또는 상기 캐노피 내부(130)에서 및/또는 상기 고정자 내부 공동(120)에서 상대 습도를 측정하는 단계; 및/또는
    상기 측정값들을 기초로 하여 상기 출구 유출 배열체(5)를 제어하는 단계를 포함하는,
    직접-구동식 풍력-티빈 내의 기류 제어 방법.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    본질적으로 상기 전체 출구 기류(AF_out)를 다시 상기 캐노피 내부(130) 내로 안내하기 위하여 상기 출구 유출 배열체(5)를 작동하는 단계; 및
    바람직한 공기 온도 및/또는 바람직한 온도가 상기 풍력 터빈(10)의 특정 구역에 도달할 때까지 상기 출구 기류(AF_out)를 가열하고 및/또는 재순환시키기 위해 상기 유출 팬(1)을 구동하는 단계를 포함하는,
    직접-구동식 풍력-티빈 내의 기류 제어 방법.
KR1020140061667A 2013-05-22 2014-05-22 기류 제어 배열체 KR102175644B1 (ko)

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