KR20180008615A - 지향적으로-배치된 전력 전송 도체를 구비한 외장 구조물, 및 배치 방법 - Google Patents

지향적으로-배치된 전력 전송 도체를 구비한 외장 구조물, 및 배치 방법 Download PDF

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Abstract

지향적으로-배치된 전력 전송 도체를 구비한 외장 구조물 및 배치 방법. 방법은 이하의 단계를 포함한다: 외장 구조물(100)의 외부 세계의 공기 유동 매개변수에 따라, 외장 구조물(100)의 음지 측면의, 바람 방향으로부터 유입되는 유동과 접촉되는, 외부 표면의 표면 열 전달 계수 변화 상황을 획득하는 단계; 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 음지 측면 위치에 따라 목표 배치 위치를 결정하는 단계; 및 목표 배치 위치에서 전력 전송 도체(300)를 배치하는 단계. 방법에서, 저온 측면 상의 저온 공급원을 이용하도록, 도체가 외장 구조물(100)의 음지 측면 상에 배치되고; 그리고 특히 중요하게, 도체가 음지 측면 상에 배치되는 구체적인 위치가 정밀하게 위치결정되고, 전력 전송 도체(300)는 음지 측면 상의 난류 유동 분리 위치 및 외장 구조물(100)의 외부 표면 상에 위치되고 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 위치에 배치되고, 그에 따라 외장 구조물의 음지 측면 상의 저온 공급원이 더 효과적으로 이용되며, 외장 구조물의 음지 측면 및 자연 환경의 도움으로 열 교환율이 향상되고, 전력 전송 도체의 부하가 증가된다.

Description

지향적으로-배치된 전력 전송 도체를 구비한 외장 구조물, 및 배치 방법
본원은, 전체가 참조로 본원에 포함되는, 2016년 4월 15일자로 중국인민공화국의 특허청에 출원된 "배향된 방식으로 배치된 전력 전송 도체를 구비한 외장, 및 배치 방법(ENCLOSURE HAVING POWER TRANSMISSION CONDUCTORS LAID IN ORIENTED MANNER AND LAYING METHOD)"이라는 명칭의 중국 특허출원 제201610238242.3호의 우선권의 이익을 주장한다.
본원은 열 소산 기술 분야, 특히 배향된 방식으로 배치된 전력 전송 도체를 가지는 외장 및 배치 방법에 관한 것이다.
도 1a, 도 1b, 및 도 1c을 참조하면, 도 1a는, 풍력 터빈 타워 내측의 전력 전송 케이블을 보여주는, 통상적인 기술의 풍력 터빈 타워의 구조를 도시한 개략도이고, 도 1b는 도 1a의 전력 전송 케이블의 배치를 도시한 개략도이며, 도 1c은 도 1b의 전력 전송 케이블의 구조를 도시한 개략도이다.
전술한 도면으로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 많은 전력 전송 케이블(30)이 풍력 터빈 타워 내측에 배치되고, 전력 전송 케이블(30)은 발전기의 스위치 캐비넷으로부터 연장하여 나셀(nacelle)의 하단부를 경유하여 기부 플랫폼을 통과하고 이어서 타워의 상단부에서 기준 평면 내로 진입한다. 나셀(20) 및 그 내부는 요 이동(yaw movement)을 가지며, 그에 따라 전력 전송 케이블(30)이 또한 왕복되는 만곡 이동(reciprocating twisting movement)을 갖는다. 그에 따라, 안장-형상의 브래킷이 타워의 내측에 배열되고, 안장-형상의 브래킷 아래의 케이블의 부분은 타워 벽(10) 부근에서 그룹으로 아래쪽으로 매달리고 고정되며, 전체적으로 실질적인 수직 상태가 된다.
도 1d 및 도 1e를 참조하면, 도 1d는 통상적인 기술의 여름철의 타워 외측의 결과적인 온도의 조성을 나타낸 개략도이고, 도 1e는 상이한 배향의 통상적인 기술의 타워의 결과적인 온도를 도시한다. 도 1d 및 도 1e는 각각 모니터링 대상으로서 북반구 내의 중국 영토 내의 실제 타워를 취함으로써 획득된 것이다.
도 1d에서, 타워의 결과적인 온도는 태양 복사선 및 주변 공기 온도의 조합된 효과에 의해서 형성되고, 다시 말해서 (타워 외측의 결과적인 온도를 나타내는) 곡선(1)은 (타워 외측의 공기의 온도를 나타내는) 곡선(2) 및 (태양 복사선의 등가 온도를 나타내는) 곡선(3)의 중첩에 의해서 형성된다.
도 1e에서, 곡선(1)은 타워의 수평 방향의 결과적인 온도(즉, 타워의 상단부의 온도)를 나타내고, 곡선(2)은 타워의 동쪽 수직 측면의 결과적인 온도를 나타내며, 곡선(3)은 타워의 서쪽 수직 측면의 결과적인 온도를 나타낸다.
전술한 도면은 이하를 반영한다:
1. 나셀의 상단부의 결과적인 온도는 8시부터 14시까지 타워 및 나셀(2)과 같은 외장 각각의 동쪽 수직 측면 및 서쪽 수직 측면의 결과적인 온도보다 항상 높고, 대칭점으로서 12시를 취함으로써, 나셀(20)의 상단부의 외부 환경은 높은 결과적인 온도를 가지는 환경 내에 계속 있게 된다.
2. 타워 및 나셀(20)과 같은 각각의 외장의 경우에, 8시간 이후에 서쪽 수직 측면에서의 온도는 동쪽 수직 측면에서의 온도보다 높다.
3. 서쪽 수직 측면이 16시에 최대 온도 값에 도달한 후에, 온도 파동은, 약 30분의 지연 이후에, 타워 및 나셀(20)의 내부 표면으로 전달될 것이고; 그러한 지연의 지속시간은 타워 및 나셀의 코팅 재료 및 타워 및 나셀의 재료의 열 저장 계수와 관련되며, 열 저장 계수의 크기는 외장 내로 전달되는 높은 온도의 지연의 지속시간에 상응한다. 신장 내의 텐샨산의 남쪽 경사면에 있는 하미 지역(Hami area)의 여름철에, 하미 지역의 지리적 위치로 인해서, 바람이 18시 이후에 빈번하게 불고, 그에 따라 다음날 아침 새벽까지 최대 전력으로 전기를 계속 생산하도록 풍력 발전기가 설정된다. 이는, 풍력 발전기 세트 내측의 열원에 의해서 발생되는 열이 계속적으로 증가된다는 것을 의미하고, 외부 환경 온도의 강하는 발전기 세트의 내부 환경 온도에 즉각적으로 영향을 미치지 않는다.
다시 말해서, 타워의 내측은 특히 여름철에 항상 고온 상태이고, 이러한 경우에, 과다하게 높은 내부 온도는 전력 전송 케이블(30)이 열을 소산시키기 어렵게 하고, 전력 전송 케이블(30)의 온도가 보다 더 높아지기 시작할 수 있고, 이는 전력 전송 케이블의 수명 및 전체 전력 전송 시스템의 안전에 부정적으로 영향을 미친다.
전술한 기술적 문제를 해결하기 위해서, 배향된 방식으로 배치된 전력 전송 도체를 가지는 외장 및 배치 방법이 본원에 따라 제공된다. 배향된 배치 방법으로, 외장 내의 전력 전송 도체는 열을 보다 효과적으로 소산시킬 수 있고, 전력 전송 도체의 부하가 개선될 수 있고, 전력 전송 도체의 수명이 연장될 수 있고, 그에 따라 전체 전력 전송 시스템의 안전이 개선될 수 있다.
본원에 따라 전력 전송 도체를 배치하는 방법에서, 전력 전송 도체는 외장 내측에 배치된다. 그러한 방법은:
외장 외측의 공기 유동 매개변수에 따라 외장의 음지 측면의, 바람 방향 측면 유입 유동(windward side incoming flow)과 접촉되는, 외부 표면의 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계;
음지 측면의, 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는, 내측 위치에 따라 목표 배치 위치를 결정하는 단계; 및
전력 전송 도체를 목표 배치 위치에 배치하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계는: 외장 외측의 공기 유동 매개변수에 따라 상응하는 레이놀즈 수(Reynolds number)를 획득하는 단계, 및 상이한 레이놀즈 수에서 음지 측면의 외부 표면의 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 확립하는 단계를 포함하고; 그리고
목표 배치 위치를 결정하는 단계는: 음지 측면에서, 상이한 레이놀즈 수에서 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는, 내측 위치에 따라 목표 배치 위치를 결정하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 그러한 방법은 음지 측면에서, 상이한 레이놀즈 수에서 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 위치를 목표 배치 각도로 기록하는 단계를 포함하고, 목표 배치 각도는, 바람 방향 측면 유입 유동이 외장의 외부 벽과 접촉되는 접촉 표면의 수직 벡터와 외장의 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 위치 사이에 형성되는 협각으로 규정되고; 그리고
목표 배치 위치는 상이한 레이놀즈 수들에서의 최소 목표 배치 각도 및 최대 목표 배치 각도 사이이다.
선택적으로, 외장의 음지 측면의, 바람 방향 측면 유입 유동과 접촉되는, 외부 표면의 표면 열 전달 계수의 변화 상황은 누셀트 수(Nusselt number)에 의해서 반영된다.
선택적으로, 음지 측면은 정북 방향으로부터 시계 방향으로 45도로부터 정북 방향으로부터 반시계 방향으로 45도까지의 범위로 규정된다.
선택적으로, 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계는: 외장의 높이 위치에 상응하는 레이놀즈 수에 따라, 그러한 높이 위치에 상응하는 음지 측면에서 외부 표면의 외주방향 위치의 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계를 포함하고; 그리고
그러한 내측 위치는 외주방향 위치의 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 내측 위치이며; 그리고
목표 배치 위치를 결정하는 단계는: 내측 위치에 상응하는 수직 연장 선을 전력 전송 도체를 배치하기 위한 기준 배치 선으로 취하는 단계; 및 외장의 상이한 높이들에서 레이놀즈 수의 변화에 따라 미리 결정된 각도만큼 시계 방향 또는 반시계 방향으로 기준 배치 선을 회전시키고, 그리고 회전된 기준 배치 선의 위치를 목표 배치 위치로서 결정하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계는: 외장의 상부 단편에서 하나의 높이 위치 및 외장의 하부 단편에서 하나의 높이 위치를 선택하는 단계, 및 2개의 높이 위치에서의 레이놀즈 수에 따라, 2개의 높이 위치에 상응하는 음지 측면에서 외부 표면의 외주방향 위치의 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계를 포함하고;
그러한 내측 위치는 2개의 높이 위치에 상응하는 외주방향 위치의 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 내측 위치를 포함하고; 그리고
목표 배치 위치를 결정하는 단계는: 2개의 외주방향 위치의 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 2개의 내측 위치를 연결하는 연결 선을 목표 배치 위치로서 취하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계는: 외장의 상부 단편에서 하나의 높이 위치 및 외장의 하부 단편에서 하나의 높이 위치를 선택하는 단계, 및 2개의 높이 위에서의 레이놀즈 수에 따라, 2개의 높이 위치에 상응하는 음지 측면에서 외부 표면의 외주방향 위치의 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계를 포함하고;
그러한 내측 위치는 2개의 높이 위치에 상응하는 외주방향 위치의 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 내측 위치를 포함하고; 그리고
목표 배치 위치를 결정하는 단계는: 2개의 외주방향 위치의 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 2개의 내측 위치를 연결하는 연결 선을 기준 배치 선으로 취하는 단계; 및 2개의 외주방향 위치의 가장 높은 표면 열 전달 계수의 변화에 따라 미리 결정된 각도만큼 기준 배치 선을 회전시키고, 회전된 기준 배치 선의 위치를 목표 배치 위치로서 결정하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 바람 방향 측면 유입 유동은 외장이 위치되는 위치의 기상 풍배도(weather wind rose)에 따라 획득된 주 풍향을 따른 유입 유동이다.
선택적으로, 기상 풍배도는 외장이 위치되는 위치의 고온 계절의 기상 풍배도로서 선택된다.
선택적으로, 외장의 내부 표면 상으로 투영될 때 전력 전송 도체가 전후로 굽혀질 수 있도록, 전력 전송 도체가 굽혀진다.
선택적으로, 전력 전송 도체로부터 외장의 내부 표면 까지의 수직 거리가 교번적으로 변화되도록, 전력 전송 도체가 더 굽혀진다.
배향된 방식으로 배치된 전력 전송 도체를 가지는 외장이 본원에 따라 추가적으로 제공되고, 그러한 전력 전송 도체는 외장 내측에 배열되고, 전력 전송 도체는 전술한 양태 중 임의의 하나에 따른 방법으로 외장의 내측에 배치된다.
선택적으로, 전력 전송 도체의 목표 배치 위치와 바람 방향 측면 유입 유동 사이의 협각은 110도 내지 125도의 범위이다.
선택적으로, 바람 방향 측면 유입 유동은 남서 방향 또는 남동 방향으로부터 유래한다.
선택적으로, 전력 전송 도체는, 외장의 내부 표면 상으로 투영될 때, 전후로 굽혀지는 방식으로 배치된다.
선택적으로, 전력 전송 도체로부터 외장의 내부 표면까지의 수직 거리가 교번적으로 변화된다.
선택적으로, 전후로 굽혀지는 방식으로 도체를 배치함으로써 형성된 유닛의 구조는 폴리라인(polyline) 형상, 또는 사다리꼴, 또는 S-형상이고; 폴리라인 형상은 굽힘 위치에서 직선으로(directly) 굽혀지거나 원호 형상을 갖는다.
선택적으로, 외장의 내부 표면의 외주방향으로, 전력 전송 도체는 전체적으로 외장의 원호-형상의 내부 표면에 맞춰 구성된 라디안(radian)을 갖는다.
선택적으로, 상단부로부터 하단부까지의 전력 전송 도체의 연장 방향은 수직 방향에 대해서 경사지게 배열되고, 외장의 내부 표면의 경사 각도에 맞춰 구성된다.
선택적으로, 외장의 양지 측면(sunny side)은 열 절연 층을 구비하고, 및/또는 외장의 음지 측면은 열 전도 층을 구비한다.
선택적으로, 열 절연 층은 양지 측면의 내부 표면 열 절연 층 및 외부 표면 열 절연 층을 포함하고, 외부 표면 열 절연 층은 낮은 적외선 흡수율, 높은 반사율, 및 높은 적외선 방출율의 특성 중 적어도 하나를 가지도록 구성되고; 내부 표면 열 절연 층은 낮은 적외선 방출율, 낮은 적외선 흡수율 및 낮은 열 전도 계수의 특성 중 적어도 하나를 가지도록 구성된다.
선택적으로, 열 전도 층은 음지 측면의 내부 표면 열 전도 층 및 외부 표면 열 전도 층을 포함하고, 외부 표면 열 전도 층은 높은 반사율 및 낮은 적외선 흡수율의 특성 중 적어도 하나를 가지도록 구성되고; 내부 표면 열 전도 층은 낮은 반사율, 높은 적외선 흡수율 및 높은 적외선 방출율의 특성 중 적어도 하나를 가지도록 구성된다.
선택적으로, 열 절연 층은 양지 측면에서 높은 온도 영역 내에 배열되고, 높은 온도 영역은 실제로 모니터링되는 열 복사선 데이터에 따라 결정된다.
선택적으로, 고온 영역은 여름철에 모니터링되는 열 복사선 데이터에 따라 결정되고 정남으로부터 서쪽으로 90도 내지 100도의 범위로서 규정된다.
선택적으로, 전력 전송 도체의 외부 표면은 높은 적외선 방출율을 가지는 코팅으로 코팅된다.
선택적으로, 외장은 풍력 터빈 타워이다.
배향된 방식으로 배치된 전력 전송 도체를 가지는 외장이 본원에 따라 더 제공되고, 전력 전송 도체는 외장 내측에 배열되고; 그리고 전력 전송 도체는 외장의 음지 측면에 배치되고; 그리고 음지 측면에서 전력 전송 도체의 목표 배치 위치는 음지 측면에 있는, 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는, 내측 위치에 의해서 결정되고; 그리고 표면 열 전달 계수는 음지 측면의, 바람 방향 측면 유입 유동과 접촉되는, 외부 표면의 표면 열 전달 계수이다.
선택적으로, 목표 배치 위치는 음지 측면의 내부 측면 상의 수직 연장 선에 대해서 경사지고, 경사 각도는 음지 측면의 상이한 높이들에서 바람 방향 측면 유입 유동에 상응하는 레이놀즈 수의 변화 상황에 의해서 결정된다.
선택적으로, 전력 전송 도체의 목표 배치 위치와 바람 방향 측면 유입 유동 사이의 협각은 110도 내지 125도의 범위이다.
선택적으로, 바람 방향 측면 유입 유동은 남서 또는 남동으로부터 유래한다.
선택적으로, 바람 방향 측면 유입 유동은 외장이 위치되는 위치의 기상 풍배도에 따라 획득된 주 풍향을 따른 유입 유동이다.
선택적으로, 기상 풍배도는 외장이 위치되는 위치의 고온 계절의 기상 풍배도로서 선택된다.
본원에서, 외장의 도체는 음지 측면에 배열되고, 이는 내부 온도를 낮추기 위해서 타워 내측의 "열원"과의 열 교환을 위해 음지 측면에 있는 "저온 공급원"을 최대로 이용할 수 있게 하고, 과열을 방지하며, 음지 측면 및 자연 환경을 가지는 외장의 열 전달율을 개선하고, 그에 의해서 전력 전송 도체의 부하를 개선하여, 도체 및 또 다른 내부 구성요소의 수명을 연장하고, 전력 전송 시스템의 안전성을 개선한다.
또한, 본원의 해결책에서, 열 소산을 위해서 저온 측면에 있는 저온 공급원을 이용하기 위해서, 도체가 타워 벽의 음지 측면에 배치될 뿐만 아니라, 더 중요하게, 도체의 배치를 위한 음지 측면의 구체적인 위치가 정확하게 결정된다. 즉, 본원에서, 전력 전송 도체는 (실제로 난류 유동 분리의 위치 및 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 위치인) 음지 측면의 특정의 구체적인 위치에 목표를 가지고 배열되고, 그에 의해서 "저온 공급원"을 더 효과적으로 이용하고, 또한 내부 온도의 감소 효과를 추가적으로 실현한다.
도 1a는 통상적인 기술의 풍력 터빈 타워의 구조를 도시한 개략도이다.
도 1b는 도 1a의 전력 전송 케이블 배치를 도시한 개략도이다.
도 1c은 도 1b의 전력 전송 케이블의 구조를 도시한 개략도이다.
도 1d는 통상적인 기술의 여름철의 타워 외측의 결과적인 온도의 조성에 관한 개략도이다.
도 1e는 상이한 배향들의 통상적인 기술의 타워의 결과적인 온도를 도시한다.
도 2는 본원에 따른 전력 전송 도체(300)를 배치하기 위한 배치 방법의 실시예에 관한 흐름도이다.
도 3은 여름철의 풍력 터빈 타워의 다양한 배향에서의 태양 복사선 및 여름철의 풍력 터빈 타워의, 고온 및 폭풍이 발생할 수 있는 범위를 도시한 개략도이다.
도 4a는 바람 방향 측면 유입 유동이 타워를 외부에서 휩쓸고 갈 때 형성되는 경계 층의 개략도이다.
도 4b는 도 4a의 난류 유동 분리를 도시한 개략도이다.
도 5는, 공기 유동이 타워를 외부에서 휩쓸고 갈 때 3개의 상이한 레이놀즈 수(Re)에서 각도가 변화될 때의 타워의 국소적인 표면의 누셀트 수(Nu)의 변화를 도시한 곡선도이다.
도 6a는 (6월부터 8월까지의) 여름철에 풍력발전지역(wind farm)의 10 미터 높이에서의 풍배도이다.
도 6b은 (6월부터 8월까지의) 여름철에 도 6a의 풍력발전지역의 70 미터 높이에서의 풍배도이다.
도 6c는 도 6a의 풍배도에 따라 전력 전송 도체(300)를 배치하기 위한 제1 실시예의 개략도이다.
도 7a는 (6월부터 8월까지의) 여름철에 풍력발전지역의 10 미터 높이에서의 풍배도이다.
도 7b는 (6월부터 8월까지의) 여름철에 도 7a의 풍력발전지역의 70 미터 높이에서의 풍배도이다.
도 7c는 도 7a의 풍배도에 따라 전력 전송 도체(300)를 배치하기 위한 제2 실시예의 개략도이다.
도 8a는 풍배도에 따라 도체(300)를 배치 및 배향하는 것을 보조하는 것을 도시한 제1 개략도이다.
도 8b는 풍배도에 따라 도체(300)를 배치 및 배향하는 것을 보조하는 것을 도시한 제2 개략도이다.
도 8c는 풍배도에 따라 도체를 배치 및 배향하는 것을 보조하는 것을 도시한 제3 개략도이다.
도 8d는 풍배도에 따라 도체를 배치 및 배향하는 것을 보조하는 것을 도시한 제4 개략도이다.
도 9a는 본원에 따라 풍력 터빈 타워 내측에 배치되는 전력 전송 도체(300)의 제1 구조를 도시한 개략도이다.
도 9b는 도 9a의 전력 전송 도체(300)와 타워 측벽 사이의 열 전달의 원리를 도시한 도면이다.
도 9c는 본원에 따라 풍력 터빈 타워 내측에 배치되는 전력 전송 도체(300)의 제2 구조를 도시한 개략도이다.
도 9d는 본원에 따라 풍력 터빈 타워 내측에 배치되는 전력 전송 도체(300)의 제3 구조를 도시한 개략도이다.
도 10a는 본원에 따른 풍력 터빈 타워의 실시예의 구조를 도시한 개략도이다.
도 10b는 도 10a의 도체(300)의 자연 대류의 열 전달 분석을 도시한 도면이다.
도 10c는 도 10a의 타워 벽(100), 도체(300) 및 도체(300)의 공기 경계 층 사이의 위치 관계를 도시한 도면이다.
도 10d는 도 10b의 도체(300)의 경계 층의 성장 분석을 도시한 도면이다.
도 10e는 도 10a의 도체(300)의 경계 층의 성장 분석을 다른 관찰 각도로 도시한 도면이다.
도 10f는, 도 10d 및 도 10e의 경계 층의 성장이 중첩된 개략도이다.
도 11a는 본원에 따른 풍력 터빈 타워의, 양지 측면에서의, 측면 벽의 부분 단면도이다.
도 11b는 본원에 따른 풍력 터빈 타워 내측의 도체(300)와 풍력 터빈 타워의 음지 측면에서의 측벽 사이의 복사 열 교환의 개략도이다.
도 11c는 도 11b의 열 유동의 전달을 도시한 개략적 사시도이다.
도 12는 본원에 따른 하나의 행으로 배열된 도체의 구조를 도시한 개략도이다.
도 1-1 내지 도 1-5의 참조 번호:
10 타워 벽 20 나셀
30 전력 전송 케이블 4 0 타워 도어;
도 2 내지 도 12의 참조 번호:
100 타워 벽 101 열 절연 보드
102 알루미늄 호일 100a 외부 표면 열 절연 층
100b 내부 표면 열 절연 층 103 내부 표면 열 전도 층
200 클램핑 판
300 도체 300' 기준 배치 선
301 직선 단편 302 원호 선 단편
300a 초승달-형상의 경계 층 300a' 경계 층 중첩 영역
400 나셀
통상의 기술자가 본원의 기술적 해결책을 더 잘 이해할 수 있게 하기 위해서, 이하에서 도면 및 구체적인 실시예를 참조하여 본원을 더 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예에서, 외장을 타워로서 구현하는 것에 의해서 설명이 이루어지고, 이러한 해결책은, 내측에 전력 전송 도체(300)(버스바 또는 전력 도체)를 가지고 과열을 방지하기 위한 요구가 있는 한(예를 들어, 텔레비전 타워), 다른 유사한 외장에도 적용될 수 있고 원리가 동일하다는 것이 분명하고, 이에 대해서는 여기에서 반복하지 않을 것이다.
또한, 용이한 이해 및 간결한 설명을 위해서, 외장 및 (발전기 세트 내의 통신 도체와 상이하고 이하에서 도체로서 약칭되는) 전력 전송 도체(300)를 외장 내측에 배치하는 방법을 조합하여 일체로 설명하고, 유리한 효과는 여기에서 반복 설명하지 않는다. '배경 기술'의 도체와 유사하게, 풍력 터빈 타워 내에서 도체의, 안장-형상의 브래킷 아래의, 부분은 이하의 방식으로 배치되고, 도체의, 안장-형상의 브래킷 위쪽의, 부분은 만곡될 것이고 이러한 해결책에서의 배치 방법의 대상은 아니다.
본원에 따른 전력 전송 도체를 배치하기 위한 배치 방법의 실시예에 관한 흐름도인 도 2를 참조한다. 배치 방법은 단계(S1, S2 및 S3)를 포함한다.
단계(S1)에서, 타워 벽(100)의 음지 측면의, 바람 방향 측면 유입 유동과 접촉되는, 표면의 표면 열 전달 계수(즉, 유체-구조물 상호작용 표면의 열 전달 계수)의 변화 상황이 타워 외측의 공기 유동 매개변수에 따라 획득된다.
단계(S2)에서, 음지 측면의, 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는, 내측 위치에 따라 목표 배치 위치가 결정된다.
여기에서, "내측 위치에 따라"는, 도체(300)가 타워 벽(100)의 내부 측면에 배치된다는 것을 의미하고, 그에 따라 도체(300)의 구체적인 배치 위치는, 도체(300)가 내부 표면에 부착되는 것을 제한하지 않고, 내부 표면 상의 위치를 기준으로 취함으로써 결정될 수 있다. 후술되는 실시예로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 도체(300)는 미리 설정된 거리로 타워 벽(100)의 내부 표면으로부터 이격될 수 있다.
단계(S3)에서, 전력 전송 도체(300)는 목표 배치 위치에 배치된다.
먼저, 여름철의 풍력 터빈 타워의 다양한 배향에서의 태양 복사선 및 여름철의 풍력 터빈 타워의, 고온 및 폭풍이 발생할 수 있는 범위를 도시한 개략도인 도 3을 참조한다.
이러한 도면은, 실제 풍력 터빈 타워가 위치되는 자연 환경의 기상 데이터를 기초로 측정되고 작성된 여름철의 타워의 외부 외주의 일일 복사선의 매일의 변화를 도시한다. 일일 복사선의 양의 변화는 도 3에서 쇄선으로 도시되어 있고, 다양한 배향에서의 쇄선의 반경방향 크기(길이)는 상응하는 타워 방향 및 상응하는 시간 프레임 내에서, 즉시적으로, 태양에 의해서 타워 벽(100)에 투영되는 복사선의 복사 세기를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 남쪽으로부터 서쪽으로 시계 방향으로 약 60도인 위치는, 고온이 발생되기 시작하는 배향이고, 그러한 고온은 정서 측면에 도달할 때까지 계속되고, 서쪽 측면을 넘어서면, 복사선 세기는 감소되기 시작한다(즉, 일반적으로 "서쪽 노출"으로 지칭한다). 이러한 지리적인 위치에서 정북 측면은 태양 복사선에 직접적으로 노출되지 않을 것이고, 국소적인 지구 표면 복사선 및 대기 복사선, 즉, 환경 복사선에만 노출되며, 그러한 복사선의 크기는 매우 약하다. 도면에서 정북 측면은 또한 본원에서 언급되는 음지 측면이다. 도 3은 단지 일 실시예이고, 타워의 음지 측면은 일반적으로 태양 복사선에 거의 노출되지 않는 타워의 영역 범위를 지칭한다. 실제로, 직접적인 태양광을 수용하는 영역은 주로 북회귀선 및 남회귀선 사이의, 즉, 남위 23.5도 내지 북위 23.5도 사이의 영역이다. 이러한 영역을 벗어난 장소에서, 태양광은 주로 비스듬하게 조명된다. 중국은 북반구 내에 위치되고, 태양광은 남쪽으로부터 조명되고, 그에 따라 도 3의 음지 측면은 북쪽 측면이다. 남반구 내의 나라의 풍력 터빈 타워의 경우에, 태양광은 북쪽으로부터 조명되고, 이러한 경우에 음지 측면은 당연히 타워의 남쪽 측면이다. 본원의 실시예의 도면은 예로서 북쪽 측면인 음지 측면을 취함으로써 일반적으로 설명되고, 본원의 보호 범위가 이러한 것으로 제한되지 않는다는 것이 분명하다.
또한, 도면으로부터 반영된 폭풍 정보에 따라, 음지 측면에 있는 외부 표면은 사실상 여전히 폭풍에 의해서 플러싱될(flushed) 수 있고, (규칙성을 가지는) 방향성 폭풍과 함께 매우 약한 태양 복사선은 타워 벽(100)의, 정북 측면에 있는, 음지 측면 및 음지 측면의 오른쪽 측면에 있는 영역의 외부 측면이 낮은 온도를 가지게 한다.
재료 이동의 법칙에 따라, 재료 이동 프로세스에서 플럭스(열 유동) = 자극(온도 압력)/저항(열적 저항)이다. 도체(300)는 타워의 내측, 특히 발전기 세트 변환기 및 그 전기 반응기 내측에 배열되고, (서비스 전력을 발전기 세트에 공급하기 위한 변압기 및 전력망에 연결되고 전기 에너지를 출력하도록 구성된 변압기를 포함하는) 변압기는 타워의 하단부에 배열되고, 이러한 모든 구성요소는 열원이고, 그에 따라 열원의 외부 표면 온도는 타워 벽(100)의 음지 측면의 온도보다 상당히 더 높을 것이다.
(온도가 일반적으로 양지 측면의 온도 보다 5 ℃ 내지 10 ℃ 만큼 더 낮은) 음지 측면 및 타워 벽(100)의 외부 표면 부근의 낮은 온도의 공기는 모두 큰 "수용 가능한" "저온 공급부"이다. 여기에서, "수용 가능한"은 열을 수용하고 운반할 수 있는 능력을 지칭한다. "저온 공급원" 및 "열원"은 물리 열학 분야의 용어이고, 도체(300) 및 전기 설비는 "열원"이고, "열원"은 자발적으로 열을 "저온 공급원"에 전달할 수 있다.
도체(300)를 음지 측면에 배열하는 것은 음지 측면의 "저온 공급원"의 최대 이용을 가능하게 하고, 타워 내측의 "열원"과 열을 교환하게 하며, 타워의 내부 온도를 낮추고, 과열을 방지하며, 도체(300)와 같은 타워의 내부 구성요소의 수명을 연장하며, 전력 전송 시스템의 안전성을 개선한다.
도체(300)를 음지 측면에 배치하는 것을 기초로, 도 4a 및 도 4b를 더 참조한다. 도 4a는 바람 방향 측면 유입 유동이 타워를 외부에서 휩쓸고 갈 때 형성되는 경계 층의 개략도이고; 도 4b는 도 4a의 난류 유동 분리를 도시한 개략도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 바람 방향 측면 유입 유동이 타워 벽(100)위에서 유동될 때, 경계 층 내의 공기 유동의 압력, 유량, 및 유동 방향은 타워 벽(100)의 곡선형 표면을 따라 크게 변화될 것이고, 그에 따라 열 교환에 영향을 미칠 것이다. 유동 계면의 변화로 인해서, 공기 유동의 압력은 타워 원통 벽의 전방 절반부에서 대략적으로 점진적으로 낮아지고, 즉
Figure pct00001
가 되고, 이어서 다시 상승되는 경향이 있고, 즉
Figure pct00002
가 된다. 타워 벽(100)의 벽 표면의 경계 층 내의 공기 유동이 정방향으로 계속 이동될 때, 공기 유동의 운동 에너지가 점진적으로 감소될 것이고, 경계 층 내의 공기 유동의 속도는 경계 층 외측의 공기 유동의 속도 보다 느리고, 경계 층 내의 공기 유동의 상응하는 운동 에너지가 또한 작다는 것을 특히 주목할 수 있을 것이다. 운동 에너지의 소비로 인해서, 타워의 곡선형 벽 표면 상의 공기 유동의 속도 구배는 벽 표면 상의 특정 위치에서 영에 접근할 것이고, 즉
Figure pct00003
가 된다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 점선(I)의 시작점에서, 타워 벽(100)의 벽 표면 위를 통과하는 공기 유동은 정방향 유동을 정지시키고, 이어서 곡선형 표면을 따라 오른쪽 방향(x 방향)으로
Figure pct00004
가 되기 때문에 반대 방향으로 유동되며, 그에 의해서 도 4a에 도시된 바와 같은 역류를 형성한다. 벽 표면 상의 도 4b의 점선(I)의 시작점은 난류 유동 분리의 시작점으로서 지칭되고(또는 도 4a에 도시된 경계 층 분리점과 같이, 분리점으로서 지칭되고), 이러한 지점으로부터, 역방향 유동이 경계 층 내에서 발생되어 소용돌이를 형성하고, 그러한 소용돌이는 경계 층의 정상 유동을 파괴한다. 즉, 가장 높은 열 교환 효율에 상응하는 위치는, 실제로, 바람 방향 측면 유입 유동이 직접적으로 향해서 대면되는 타워 벽(100) 상의 위치가 아니고, 타워 벽(100)의 2개의 측면 상의 위치이고, 그에 따라, 이러한 2개의 위치는 열 교환 효율이 가장 높은 위치가 될 것이다.
이러한 실시예에서, 낮고 높은 열 교환 효율에 상응하는 위치를 반영하기 위해서, 타워 벽(100)의 상응하는 위치에서의 표면 열 전달 계수의 변화가 타워 외측의 공기 유동 매개변수를 통해서 획득될 수 있다. 실제로, 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 획득된 위치는 난류 유동 분리가 발생되는 바로 그 위치라는 것을 이해할 수 있을 것이다.
표면 열 전달 계수는 누셀트 수(Nu)에 의해서 간접적으로 반영될 수 있고(
Figure pct00005
, L은, 타워의 직경으로서 반영되는 열 전달 표면의 기하형태적 특징부 길이를 나타내고, h는 공기 유동과 접촉되는 타워 벽 표면의 표면 열 전달 계수를 나타내며, k는 정적 유체의 열 전도 계수를 나타내고), 누셀트 수(Nu)는, 타워의 표면 열 전달 계수의 크기를 간접적으로 반영할 수 있는 무차원의 수이다. 표면 열 전달 계수는 다수의 매개변수에 의해서 결정된다. 열 전달의 원리에 따라, 누셀트 수(Nu)는 표면 열 전달 계수의 획득을 단순하게 할 수 있다.
이러한 실시예에서, 누셀트 수(Nu)를 획득할 때, 첫 번째로 상응하는 레이놀즈 수(Re)가 타워 외측의 공기 유동 매개변수에 따라(
Figure pct00006
, ρ는 공기 유동 밀도를 나타내고, μ는 공기 유동 점도 계수를 나타내며, d는 타워 벽(100)의 직경을 나타내고, u는 공기 유량을 나타낸다) 획득될 수 있고, 이어서, 상이한 레이놀즈 수들(Re)에서의 타워 벽(100)의, 공기 유동과 접촉되어 대류를 형성하는, 표면의 표면 열 전달 계수의 변화 상황에 따라 확립될 수 있다.
공기 유동이 타워를 외부에서 휩쓸고 갈 때 3개의 상이한 레이놀즈 수(Re)에서 각도가 변화될 때의 타워의 국소적인 표면의 누셀트 수(Nu)의 변화를 도시한 곡선도인 도 5를 더 참조한다. 여기에서, 국소적인 표면은, 바람 방향 측면 유입 유동이 타워 벽(100)과 접촉되는, 접촉 표면의 수직 벡터의 위치로부터 180도 북쪽의 위치까지의 타워 벽(100)의 범위를 구체적으로 커버한다.
이러한 도면에서, 3개의 연속적인 곡선이 도시되어 있고 각각 3개의 레이놀즈 수(Re)에 상응한다. 상응하는 레이놀즈 수(Re)는 하단부로부터 상단부까지 점진적으로 증가되고, 수직 축은 누셀트 수(Nu)를 나타내고 수평 축은 각도를 나타낸다. 도면으로부터, 대략적으로 110도 내지 125도 범위로 나타나는 3개의 곡선 내의, 표면 열 전달 계수를 반영할 수 있는 누셀트 수(Nu)의 3개의 피크, 즉 레이놀즈 수(Re)가 증가됨에 따른, 누셀트 수(Nu)의 피크가 또한 점진적으로 증가된다는 것을 확인할 수 있다. 본원에서, 전술한 "피크"에 상응하는 각도가 바로 본원의 핵심이다. 본원의 해결책은 "피크"에 상응하는 각도를 목표 배치 각도로서 선택하는 것이고, 목표 배치 각도에 상응하는 위치는 바로 도체(300)의 목표 배치 위치이다.
피크의 위치가, 명확하게, 전술한 이론적 분석에서 지칭되는 바와 같은 난류 유동 분리의 위치에 상응한다는 것, 즉 최적의 열 교환 효과에 상응하는 위치에 상응한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 도 5의 곡선 도면은 실제로 도 4a 및 도 4b에서 언급된 바와 같은 난류 유동 분리의 현상을 입증한다. 테스트 데이터를 통해서 도 5의 곡선도를 획득한 후에, 목표 배치 위치가 획득될 수 있다. 분명하게, 목표 배치 각도는, 바람 방향 측면 유입 유동이 타워 벽(100)과 접촉되는 접촉 표면의 수직 벡터의 위치와, 표면 열 전달 계수가 가장 높은 위치 사이의 각도이고, 도 6c 및 도 7c를 참조할 수 있을 것이다.
전술한 분석으로부터, 이러한 실시예에서, 저온 측면에 있는 저온 공급원을 이용하는 것에 의해서 열을 소산시키기 위해서, 도체(300)가 타워 벽(100)의 음지 측면에 배치될 뿐만 아니라, 가장 중요하게, 도체(300)를 음지 측면에 배치하기 위한 구체적인 위치가 정밀하게 결정된다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 이러한 실시예에서, 전력 전송 도체(300)는 (실제로 난류 유동 분리의 위치 그리고 또한 표면 열 전달 계수가 가장 높은 위치인) 음지 측면의 구체적인 위치에 목표를 가지고 배열되고, 그에 의해서 "저온 공급원"을 더 효과적으로 이용하고, 또한 내부 온도의 감소 효과를 추가적으로 실현한다.
구체적으로, 이러한 해결책에서, 누셀트 수(Nu) 또는 레이놀즈 수(Re)를 획득하기 위한 공기 유동 매개변수의 각각이 타워가 위치되는 영역의 기상 풍배도에 따라 획득될 수 있다.
도 6a, 도 6b, 도 6c를 참조하면, 도 6a는 (6월부터 8월까지의) 여름철에 풍력발전지역의 10 미터 높이에서의 풍배도이고; 도 6b는 (6월부터 8월까지의) 여름철에 도 6a의 풍력발전지역의 70 미터 높이에서의 풍배도이며; 도 6c는 (6월부터 8월까지의) 여름철에 풍력발전지역이 위치되는 장소의 도 6a의 풍배도에 따라 전력 전송 도체(300)를 배치하기 위한 제1 실시예의 개략도이다.
공기 유동의 주 풍향을 따른 유입 유동이, (여름철의 6월부터 8월까지, 또한 높은 온도를 가지고) 빠른 풍속을 가지는, 남서 방향(SW 방향)으로부터 유래된다는 것을, 도 6a 및 도 6b의 풍배도로부터 확인할 수 있다. 여기에서, 목표 배치 위치를 획득할 때, 음지 측면에서 외부 표면의 상응하는 표면 열 전달 계수를 획득하기 위해서, 주 풍향의 유입 유동이 바람 방향 측면 유입 유동으로서 선택된다. 풍배도에 도시된 주 풍향을 따른 유입 유동과 관련하여, 이러한 풍향을 따른 풍속이 가장 빠르고, 이러한 풍향으로부터 유입되는 바람의 발생 빈도수가 또한 가장 크고, 그리고 명백하게, 주 풍향을 따른 난류 유동의 효과가 또한 가장 중요하며, 그에 따라 이러한 방식으로 획득되는 목표 배치 위치는, 또한 풍배도의 주요 값인, 열 전달의 높은 효율을 최대 범위까지 달성할 수 있다. 즉, 변화 가능한 기상 및 변화 가능한 바람 방향 측면 유입 유동의 상황에서, 최종적으로 획득된 목표 배치 위치가 최적의 배치 위치가 되도록 보장하기 위해서, 가장 이용 가치가 높은 바람 방향 측면 유입 유동(즉, 주 풍향을 따른 유입 유동)이 풍배도를 통해서 선택된다. 또한, 본원에서 채택된 풍배도는 6월부터 8월까지의 여름철로부터의 풍배도이고, 실제로 고온 계절의 기상 풍배도이다. 고온 계절에 타워 내측의 온도 상승 현상이 더 분명하고, 열 교환에 의해서 도체(300)를 냉각시키기 위한 요구가 또한 가장 급하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 여기에서, 6월부터 8월까지의 풍배도가 선택되고, 그리고 명확하게, 지리적 환경에 따라, 실제 지리적 위치의 고온 계절에 따른 월(month)의 풍배도를 선택할 수 있다.
풍배도를 참조하여, 도 5에 도시된 바와 같은 누셀트 수(Nu) 대 각도의 곡선 도면을 획득한 후에 목표 배치 각도가 결정될 수 있고, 목표 배치 각도는 도 6c에 도시된 바와 같이 115도 내지 125도의 범위이다. 일반적으로, 몇 개의 전력 전송 도체(300)가 있고, 몇 개의 전력 전송 도체(300)의 중간 부분은 선택된 목표 배치 각도에 상응하도록 배열되고, 이는 도체(300)를 목표 배치 위치에 배치하는 것과 동일하다.
도 7a, 도 7b, 도 7c를 더 참조한다. 도 7a는 (6월부터 8월까지의) 여름철에 풍력발전지역의 10 미터 높이에서의 풍배도이고; 도 7b는 (6월부터 8월까지의) 여름철에 도 7a의 풍력발전지역의 70 미터 높이에서의 풍배도이며; 도 7c는 도 7a의 풍배도에 따라 전력 전송 도체(300)를 배치하기 위한 제2 실시예의 개략도이다.
도 7a 및 도 7b의 풍배도에 도시된 바와 같이, 공기 유동의 주 풍향을 따른 유입 유동은, (여름철의 6월부터 8월까지, 또한 높은 온도를 가지고) 빠른 풍속을 가지는, 남동 방향(SE 방향)으로부터 주로 유래된다. 이러한 실시예에서, 주 풍향을 따른 유입 유동은 또한 누셀트 수(Nu)를 획득하기 위한 객체로서 취해지고, 그 원리는 전술되어 있다. 풍배도를 참조하여, 도 5에 도시된 바와 같은 누셀트 수(Nu) 대 각도의 곡선 도면을 획득한 후에 목표 배치 각도가 또한 결정될 수 있고, 목표 배치 각도는 또한 115도 내지 125도의 범위이다.
도 8a 및 도 8b를 더 참조하면, 도 8a는 풍배도에 따라 도체를 배치 및 배향하는 것을 보조하는 것을 도시한 제1 개략도이고; 도 8b는 풍배도(300)에 따라 도체를 배치 및 배향하는 것을 보조하는 것을 도시한 제2 개략도이다.
전술한 실시예에서, 타워의 10 미터의 높이 및 70 미터의 높이에서의 풍배도가, 상응하는 누셀트 수(Nu) 및 레이놀즈 수(Re)를 획득하기 위해서 선택된다. 이상적인 조건에서, 누셀트 수(Nu) 대 각도의 상응하는 곡선을 확립하여 도체(300)의 배치 연장 방향을 더 결정하기 위해서, 타워의 상이한 높이들에서의 레이놀즈 수(Re)가 가능한 한 많이 획득되어야 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러나, 동일한 장소에서의 타워의 경우에, 타워의 상이한 높이들에서의 레이놀즈 수(Re)의 변화는 특정의 규칙성을 나타내는데, 이는 높이가 증가됨에 따라, 공기 유동 및 타워 직경 등이 비교적 규칙적으로 변화될 것이기 때문이다. 상이한 레이놀즈 수(Re)에서의 표면 열 전달 계수의 변화에 따라, 목표 배치 위치는 사실상 범위 값, 예를 들어, 110도 내지 125도의 범위를 갖는다. 이러한 경우에, 선택된 위치가 120도라고 가정하면, 사실상, 도체(300)는, 이러한 해결책의 목적인 높은 열 교환 효율에 상응하는 위치에 바로 배치된다. 그러나, 도체(300)의 배치 위치를 보다 정확하게 하기 위해서, 레이놀즈 수(Re)의 변화 규칙에 따라 보다 미세한 조정이 이루어질 수 있다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 타워가 위치되는 곳의 기후 환경에 따라, 타워의 상이한 높이들에 상응하는 레이놀즈 수(Re)가 하단부로부터 상단부까지 점진적으로 증가 또는 감소될 수 있다. 따라서, 상응하는 누셀트 수(Nu)의 값이 또한 그에 따라 변화될 수 있다. 도체(300)는 선택된 목표 배치 위치에 배치될 수 있고, 이어서 도체(300)는 레이놀즈 수(Re)의 변화 규칙에 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 미리 결정된 각도 만큼 회전될 수 있다. 이러한 경우에, 실제로, 높이 위치(도면에 도시된 바와 같은 높이(H))를 선택하는 것 만이 요구되고, 이어서 높이 위치에 상응하는 외주방향 위치의 레이놀즈 수(Re)를 획득하고 그리고 누셀트 수(Nu) 대 각도의 곡선을 획득하며, 이러한 경우에, 외주방향 위치 상에서 가장 높은 표면 열 전달 계수를 가지는 위치가 획득될 수 있고, 타워 벽(100)의, 획득된 위치에 상응하는, 내부 측면 위치는 도면에 도시된 바와 같은 바로 그 위치(O)이다. 위치(O)에서의 수직 연장 선은 기준 배치 선(300')으로서 취해지고, 이어서 미세 조정(특정 각도 만큼 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키는 것)이, 위치(O) 위의 그리고 아래의 부분에 상응하는 (또한, 표면 열 전달 계수의 변화 규칙을 반영하는) 레이놀즈 수(Re)의 변화 규칙에 따라 이루어지고, 그에 따라 실제로 요구되는 목표 배치 위치는, 복수의 레이놀즈 수(Re)에서 누셀트 수(Nu)를 계산할 필요가 없이, 획득될 수 있고, 그에 의해서 목표 배치 위치의 획득 프로세스를 단순화하고, 또한 도체(300)의 배치 위치의 정확도를 보장한다.
전술한 실시예에서, 기준 배치 선(300')은 특정 위치에 따라 획득되고, 이어서 기준 배치 선(300')은 변화 규칙에 따라 미세 조정된다. 실제로, 목표 배치 위치의 정확한 선택을 보장할 수 있는, 목표 배치 위치의 효과적인 획득을 달성하기 위한 많은 다른 방식이 있다.
예를 들어, 도 8c에 도시된 바와 같이, 도 8c는 풍배도에 따라 도체를 배치 및 배향하는 것을 보조하는 것을 도시한 제3 개략도이다.
전술한 10 미터 및 70 미터의 높이에서의 풍배도는 여전히 예로서 취해지고, 10 미터의 높이(H1) 및 70 미터의 높이(H2)에 각각 상응하는 각각의 외주방향 위치 상의 가장 높은 표면 열 전달 계수를 가지는 위치가 획득될 수 있다. 타워 벽(100)의, 가장 높은 표면 열 전달 계수를 가지는 획득된 위치에 상응하는, 내부 측면 위치는 도면에 도시된 바와 같이 각각 O1 및 O2이고, 목표 배치 위치의 경로는 O1 로부터 O2까지 연장된다.
도 8d에 더 도시된 바와 같이, 도 8d는 풍배도에 따라 도체를 배치 및 배향하는 것을 보조하는 것을 도시한 제4 개략도이다.
전술한 10 미터 및 70 미터의 높이에서의 풍배도는 여전히 예로서 취해지고, 10 미터의 높이(H1) 및 70 미터의 높이(H2)에 각각 상응하는 각각의 외주방향 위치 상의 가장 높은 표면 열 전달 계수를 가지는 위치가 획득될 수 있다. 타워 벽(100)의, 가장 높은 표면 열 전달 계수를 가지는 획득된 위치에 상응하는, 내부 측면 위치는 (배치 각도로 구현된) 도면에 도시된 바와 같이 각각 O1 및 O2이고, 이어서 평균 값(위치 O3에 상응하는 배치 각도)은 위치(O1)와 위치(O2)에 상응하는 배치 각도의 평균화에 의해서 획득된다. 중간 위치(도면에 도시된 바와 같은 H3=40 m)에서, 평균 값의 위치에 상응하는 수직 연장 선이 기준 배치 선(300')으로서 취해지고, 이어서, 목표 배치 위치의 경로를 획득하기 위해서, 위치(O1 및 O2)의 변화 경향에 따라 상응하는 각도(α)만큼 기준 배치 선(300')이 만곡된다. 도 8c의 배치 경로가 기준 배치 선으로서 직접 취해질 수 있고, 이어서 기준 배치 선은 위치(O1 및 O2)가 변화 경향에 따라 특정 각도만큼 만곡된다. 전술한 2가지 해결책 모두는, 배치되는 도체가 높은 표면 열 전달 계수를 가지는 위치에 기본적으로 위치되게 할 수 있다.
선택된 10 미터 및 70 미터의 높이는 각각 타워의 상부 특징 및 하부 특징을 나타낸다. 10 m 의 높이 아래의 타워 부분은 다른 구조물의 간섭을 받을 수 있고 효과적인 표면 열 전달 계수를 획득하기 어려울 수 있으며, 70 m 위의 위치에서의 공기 유동 패턴은 70 m 높이에서의 공기 유동 패턴에 비해서 큰 변화가 없을 수 있으며, 그에 따라 통상적인 기술의 일반적인 타워의 경우에, 10 m 내지 70 m의 선택이 특정 대표성을 가지고, 목표 배치 위치를 위한 바람직한 기준점으로서 이용될 수 있다.
전술한 실시예에서, 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 위치를 획득하는 프로세스에서, 레이놀즈 수(Re)가 사용되고, 목표 배치 위치는 상이한 레이놀즈 수들(Re)에서의 누셀트 수(Nu)와 각도 사이의 변화 관계에 따라 획득된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 즉, 본원의 핵심은 주변 공기 유동 매개변수에 따라 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 위치를 획득하는 것이다. 그러나, 다수 공기 유동 매개변수가 계속적으로 변화되고, 특정 계절에 또는 심지어 특정 기간에 표면 열 전달 계수를 계산할 때, 획득 프로세스가 복잡해진다. 레이놀즈 수(Re)가 표면 열 전달 계수를 획득하기 위한 기준 치수로서 취해지는 경우에, 동일한 레이놀즈 수(Re)에서의 공기 유동이 동일한 유동 패턴을 가지기 때문에, 상응하는 표면 열 전달 계수는 그에 따라 실질적으로 동일한 레벨이고, 변화 가능한 공기 유동 매개변수로 인한 다수의 데이터 세트를 계산할 필요가 없으며(예를 들어, 전술한 4개의 공기 유동 매개변수가 획득 프로세스에서 직접적으로 이용되는 경우에, 매일 많은 수의 데이터 조합의 세트를 계수할 필요가 있을 수 있으나, 획득 프로세스가 레이놀즈 수(Re)를 이용하는 경우에, 몇 개의 데이터 세트를 만을 계수할 필요가 있을 수 있다), 그에 따라 목표 배치 위치를 획득하기 위한 프로세스를 단순화한다.
음지 측면에서 저온 공급원을 이용하기 위해서, 도체(300)를 음지 측면에 배치하는 것이 전제되며, 음지 측면은 바람직하게 정북 방향에 대해서 시계 방향으로 45도로부터 정북 방향에 대해서 반시계 방향으로 45도의 범위로 규정된다는 것을 주목하여야 한다. 전술한 방법에 따라 획득된 목표 배치 각도가 이러한 범위 내에 있지 않은 경우에, 목표 배치 각도가 해당 범위 내에 있다는 것을 확인하기 위해서, 획득 단계를 체크하여야 한다.
전술한 실시예에서, 음지 측면의 "저온 공급원"을 가장 효과적으로 이용하기 위해서 전력 전송 도체(300)를 음지 측면에 어떻게 배치하고 위치시키는지에 대해서 초점이 맞춰져 있고, 이하의 실시예는 이러한 것을 기초로 음지 측면의 "저온 공급원"의 효과적인 이용을 더 개선할 것이다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 도 9a는 본원에 따른 풍력 터빈 타워 내측에 배치된 전력 전송 도체(300)의 제1 구조를 도시한 개략도이고; 도 9b는 도 9a의 전력 전송 도체(300)와 타워 측벽 사이의 열 전달의 원리를 도시한 도면이다.
도면으로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 타워의 내부 표면을 참조하면, 전력 전송 도체(300)가 전후로 굽혀지는 방식으로 배치되어 도 9a에 도시된 바와 같은 지그재그 형상을 형성한다. 도 9a를 관찰 각도로서 취하면, 이는, 통상적인 기술에서의 수직 배치 방식과 상이한, 전후 방식으로 좌측 및 우측 방향으로 왔다 갔다 하는 전력 전송 도체(300)와 같다.
따라서, 타워의 외주방향을 따른 전력 전송 도체(300)의 길이가 실질적으로 증가되고, 이는 타워 벽(100)의 경계 층의 더 저온인 공기가 분산될 수 있게 하고, 그에 따라 열 교환에 참가하도록 구동되는 저온 공기가 또한 증가될 수 있다. 통상적인 기술에서, 수직 배열된 도체(300)는 외주방향으로 제한된 길이를 가지고 열 교환에 영향을 주는 범위가 제한되며, 따라서 "저온 공급원" 내에 저장되는 냉각 용량이 여전히 크고 완전히 이용되지 않는다. 이러한 해결책에서의 전후 굽힘 배열은 타워 벽(100) 부근에서 "저온 공급원"을 명백하게 더 충분히 이용하고, 이는, 전술한 배치 위치결정과 조합되어, "저온 공급원"의 이용이 더 효과적이 되게 하고 더 활발해지게 한다.
또한, 더 많은 저온 공기가 열 교환에 참여하도록 하기 위해서, 타워 벽(100) 상의 도체(300)의 외주방향 길이가 증가되는 경우에, 도체(300)의 실제적인 길이 증가는 실제로 거의 없다.
이하의 표를 참조한다:
Figure pct00007
도 9a를 참조하면, θ는 도체(300)와 수직 방향 사이의 협각이고, 도체(300)의 실제 길이(L1)는 대략적으로 L2/cosθ와 같고, 그에 따라, 굽힘 각도가 10도에 달하는 경우에도 전체 길이는 단지 약 1.6% 만큼 증가될 것이고, 명백하게 도체(300)의 비용 증가를 고려할 필요가 없다. 그러나, 도체(300)의 길이가 매우 작게 증가되지만, 열 교환 면적은 크게 증가될 수 있다.
이하의 표를 더 참조한다. 도체(300)의 상부 굽힘 부분 및 인접한 하부 굽힘 부분이 L2=5000 mm의 거리로 이격되는 것으로 가정하면, 도체(300)의 그룹의 원래의 외주방향 길이는 L= 600 mm이다.
Figure pct00008
이러한 실시예에서, 외주방향을 따른 길이는 열 교환에 참여하는 저온 영역과 관련하여 거의 2배 이상만큼 증가될 수 있고, 저온 공기의 큰 면적이 구동되고 이동될 때, 구동되는 저온 공기의 많은 양은, 큰 면적을 가지는 영역 내에서, 음지 측면에 있는 타워 벽(100)과 자연 대류 열 교환을 실시한다는 것이 확인될 수 있다. 냉각식 법칙에 관한 뉴턴의 법칙: φc=hA(tf-tw)(h는 물질의 대류 표면 열 전달 계수를 나타내고, A는 열 전달 접촉 면적을 나타내며, tf-tw는 온도차를 나타낸다)에 따라, 도체(300)의 열이 큰 면적의 저온 공기에 의해서 흡수될 수 있고, 자연 대류 열 교환의 방식으로 큰 면적을 가지는 타워 벽(100)에 전달될 수 있으며, 이는 열 교환율을 크게 개선할 수 있고 도체(300)의 열 소산을 가속할 수 있으며, 그에 따라 다른 열원 구성요소의 열 소산이 그에 따라 가속될 수 있다는 것이 명백하다.
이러한 실시예에서, 열 교환 효율은, 도체(300)의, 타워 벽(100)에 상응하는, 외주방향 길이를 증가시키는 것에 의해서만 개선되는 것이 아님을 주목하여야 하며, 이에 대해서는 도 9a 및 도 9b를 참조한다.
도체(300)는 열원이고, 도체(300)의 열은 상향 부력을 가지며, 열이 상향 부상될 때, 열 아래의 영역이 더 높은 밀도의 저온 공기에 의해서 보충되어, 도 9a에 도시된 바와 같은 저온 공기 하강 영역 및 고온 공기 상승 영역, 즉 굽힘 유닛과 관련하여 형성된 대략적인 삼각형 영역을 형성할 것이고, 굽힘 유닛의 굽혀진 위치의 수평 연장 선은 저온 공기 하강 영역과 고온 공기 상승 영역을 분할하는 분할 선이고, 분할 선 위의 부분은 기본적으로 저온 공기 하강 영역이고, 분할 선 위의 부분은 기본적으로 고온 공기 상승 영역이다. 하강되는 저온 공기 유동 및 상승되는 고온 공기 유동은 분할 선에서 수렴되고, 그에 의해서, 상승되는 고온 공기 유동이 더 상승되는 것을 방지한다.
통상적인 기술에서 수직 배열로 배열되는 도체의 경우에, 도체(300)의 하부 단편의 표면에 의해서 가열된 공기가 계속적으로 상향 이동되어 도체(300)의 상부 단편에 대해서 "봉입(enclosing)" 현상을 생성하며, 이는 도체(300)의 상부 단편 주위의 저온 공기가 대류 냉각에 참여하는 것을 제한한다. 그러나, 전술한 바와 같은 전후 굽힘 방식의 배치 방법에서, 전술한 분석으로부터, 도체의 하부 단편으로부터의 상승 고온 공기가 상승 고온 공기 위의 하강 저온 공기에 의해서 실제로 중단될 수 있고, 그에 의해서 도체의 하부 단편에 위치되는 고온 공기가 도체의 상부 단편을 봉입하는 것을 방지하고, 전체 도체(300)의 열 교환 효율을 개선하며 열 교환의 균일성을 강화한다는 것을 확인할 수 있을 것이다.
또한, 도체(300)를 배치할 때, 도체(300)는 지면에 수직일 필요가 없고, 상단부로부터 하단부까지 타워 벽(100)을 따라 배치될 수 있다. 타워의 내부 직경이 하단부로부터 상단부까지 점진적으로 감소되기 때문에, 도체(300)를 위로부터 볼 때 굽힘 유닛은 서로 중첩되지 않고, 그에 따라 도체(300)의 하부 단편으로부터의 상승 고온 공기 유동은 낮은 중첩 정도로 도체(300)의 상부 단편 위를 휩쓸고 가며, 그에 따라 봉입 현상의 불리한 효과를 더 감소시키고, 도체(300)로부터의 상승 고온 공기 유동은 그에 따라 직접적으로 타워 벽(100)을 위쪽으로 휩쓸고 갈 수 있고, 그에 의해서 고온 공기와 저온 공기 사이의 열 교환 효율을 더 개선한다.
대안적으로, 도체(300)는 또한 타워 벽(100)의 원호-형상의 벽 표면을 따라서 실질적으로 배치될 수 있고, 그에 따라 도체(300)와 타워 벽(100) 사이의 대류 열 교환 면적을 가능한 한 많이 증가시킬 수 있다. 즉, 도체(300)를 외주방향으로 전체적으로 관찰하면, 도체(300)는 타워 벽(100)의 내부 표면의 라디안에 근접한 라디안을 가지며, 상단부로부터 하단부까지의 연장 방향으로, 도체(300)는 타워 벽(100)의 경사 정도에 근접한 경사 정도를 실질적으로 갖는다.
전후 굽힘 방식으로 배치된 굽힘 유닛의 구조적 형태는 다양하며, 이는 도 9a에 도시된 것과 같은 굽힘 구조로 제한되지 않는다. 도 9c 및 도 9d에 도시된 바와 같이, 도 9c는 본원에 따라 풍력 터빈 타워 내측에 배치되는 전력 전송 도체(300)의 제2의 구체적인 구조를 도시한 개략도이고; 도 9d는 본원에 따라 풍력 터빈 타워 내측에 배치되는 전력 전송 도체(300)의 제3의 구체적인 구조를 도시한 개략도이다. 명백하게, 도 9a 내지 도 9d의 각각에 도시된 타워 벽(100)의 일부는 음지 측면에 있다.
도 9c에서 확인될 수 있는 바와 같이, 도체(300)를 배치할 때, 도체(300)는 직접적으로 굽혀지지 않고, 그 굽힘 위치는 전이를 위한 선형 단편(301)을 실제로 구비하며, 굽힘 유닛이 사다리꼴 구조가 될 수 있도록, 선형 단편(301)의 거리(h)가 조정될 수 있다. 도 9d에서, 굽힘 위치는 원호 형상을 가지도록 설계되고, 굽힘 위치는 원호-형상의 단편(302)이고, 굽힘 유닛 내의 다른 단편은 선형 단편이다. S-형상의 굽힘이 또한 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 굽힘 위치는 클램핑 판(200)에 의해서 고정될 수 있고, 만약 굽힘 부분 이외의 도체 단편이 길다면, 몇 개의 클램핑 판(200)이 이러한 긴 도체 단편을 고정하기 위해서 부가적으로 제공될 수 있으며, 클램핑 판(200)의 배열 위치 및 수는 도체 단편을 신뢰 가능하게 고정하기 위한 요건에 따라 설정될 수 있다.
직접적인 굽힘 방식과 비교하여, (사다리꼴, S-형상, 원호-형상의 굽힘 위치를 포함하는) 전이적 단편을 가지는 굽힘 방식은, 굽힘 유닛 내의 상부 도체 단편 및 하부 도체 단편이 특정 거리에서 이격되게 할 수 있고, 그에 의해서 굽힘 각도에 의해서 유발되는 하부 도체 단편으로부터 상부 도체 단편으로의 근접 범위 복사의 효과를 감소시킨다. S 형상으로 설계된 굽힘 유닛 또는 원호-형상의 단편으로 설계된 굽힘 위치 만이, 사다리꼴 형상의 굽힘 유닛과 비교해서, 굽힘 위치의 열 팽창 및 수축을 촉진할 수 있다.
전술한 실시예에서, 도체(300)의 배치 위치가 정밀하게 결정되고, 도체(300)의 구조에 굽힘 처리를 더 실시하며, 그에 따라 큰 냉각 및 열 교환 효과가 이미 획득될 수 있다. 또한, 도체(300)의 구조에 대한 추가적인 개선이 본원에 따라 이루어진다.
도 10a를 더 참조하면, 도 10a는 본원에 따른 풍력 터빈 타워의 실시예의 구조를 도시한 개략도이다.
그러한 도면은, 타워 및 나셀(400)을 포함하는 전체 풍력 터빈을 도시한다. 그러한 도면(U는 풍속을 나타낸다)으로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 도체(300)의 연장 방향을 따른 도체(300)로부터 타워 벽(100)의 내부 표면까지의 수직 거리는 교변적인 변화 경향을 가지며, 즉 도체(300)로부터 타워 벽(100)의 내부 표면까지의 수직 거리는, 먼저 증가되고 이어서 감소되고 이어서 증가되고 그리고 다시 감소되며 그리고 사이클을 반복하는 교번적인 경향으로, 상단부로부터 하단부까지 변화되며, 그 수직 거리는 또한 먼저 감소되고 이어서 증가되고 사이클을 반복하는 경향을 또한 가질 수 있고, 거리의 교번적인 변화는 규칙적인 주기의 변화 또는 불규칙적인 주기적인 변화일 수 있으며, 사이클 내의 거리의 피크 값이 서로 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 도체(300)로부터 타워 벽(100)의 내부 벽 사이의 수직 거리의 교번적인 변화가 구조의 굽힘으로서 구현될 때, 이는 클램핑 판 또는 유지부에 의해서 실현될 수 있다.
만약 타워 벽(100)의 내부 표면 상의 도체(300)의 투영의 굽힘 효과가 고려되지 않는다면, 도체(300)로부터 타워 벽(100)의 내부 표면까지의 수직 거리가 교번적으로 변화될 때, 타워의 길이방향 섹션(반경방향 섹션) 상의 도체(300)의 투영은 전후로 굽혀진 굽힘 선으로서 구체적으로 제시된다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 명백하게, 굽힘은 선형 단편의 굽힘으로 제한되지 않고, 그러한 굽힘은 또한 원호-형상의 선 또는 다른 곡선형 선의 굽힘일 수 있다.
이러한 경우에, 도체(300)의 배치 해결책은: 전력 전송 도체(300)가, 타워 벽(100) 상으로 투영될 때, 전후로 굽혀진다는 것; 그리고 전력 전송 도체(300)가 또한, 타워의 길이방향 섹션에 투영될 때, 전후로 굽혀지고, 전체 도체(300)가 만곡된 형태라는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 10b를 참조하면, 그러한 도면은 도 10a의 도체(300)의 자연 대류의 열 전달 분석을 도시한 도면이다.
도 10b로부터, 1a는, (수직 배치 방법을 이용하는) 통상적인 기술에서 열 교환에 참여하도록 타워의 내부 표면 부근의 공기를 구동할 수 있는 공기 유동의 경계 두께를 나타내고, 1b는, 본 해결책에서 열 교환에 참여하도록 타워의 내부 표면 부근의 공기를 구동할 수 있는 공기 유동의 경계 두께를 나타낸다는 것을 확인할 수 있다. 여기에서 분석은 전술한 외주방향으로의 전후 굽힘의 원리와 유사하고, 다시 말해서, 이러한 해결책은 열 교환에 참여하여 냉각 효율을 개선하도록 더 많은 저온 공기를 구동할 수 있다.
또한, 굽힘에 의해서 형성된 대략적인 삼각형의 영역은 또한 저온 공기 하강 영역(도면에 도시된 저온 영역) 및 고온 공기 상승 영역을 형성할 수 있고, 그에 의해서 도체(300)의 하부 단편으로부터의 상승 고온 공기 유동이 상향 이동되어 도체(300)의 상부 단편을 봉입하는 것을 방지한다. 또한, 도체(300)가 타워 벽(100)의 연장 방향과 실질적으로 일치되는 연장 방향을 가지고 수직 방향으로 중첩되지 않기 때문에, 봉입 현상의 영향은 반경방향 섹션의 관점에서 더 감소될 수 있고, 고온 공기 유동은 직접적으로 타워 벽(100)으로 부분적으로 유동될 수 있고, 그에 따라 열 교환 효과를 향상시킬 수 있다.
이러한 해결책에서, 도체(300)로부터 타워 벽(100)의 내부 표면 까지의 수직 거리가 교번적으로 변화되고, 도체(300)가 또한 타워 벽(100)의 외주방향으로 전후로 굽혀지며, 그에 따라 도체(300)가 만곡된 방식으로 배치되고, 이는 열 교환 효과를 크게 개선한다는 것이 명확하다. 더 중요하게, 도체(300)로부터 타워 벽(100)의 내부 표면까지의 거리가 교번적으로 변화되는 배열 방식은 또한 열 교환 효과를 더 개선한다.
도 10c 및 도 10d를 참조하면, 도 10c는 도 10a의 타워 벽(100)과 도체(300) 및 그 공기 경계 층 사이의 위치 관계를 도시한 도면이고; 도 10d는 도 10b의 도체(300)의 경계 층의 성장 분석을 도시한 도면이다.
도 10d는 또한 도 10a 또는 도 10b의 관점을 관찰 각도로서 취한다(도 10d의 하부 부분에 위치되는 검은색 링은 타워의 개략적인 상면도이다). 도체(300)로부터 타워 벽(100)의 내부 표면까지의 수직 거리가 교번적으로 변화되기 때문에, 이는 도체(300)가 타워 벽(100)의 길이방향 섹션 상에서 전후로 굽혀지는 것으로 제시되고, 도체(300)의 경계 층이 또한 주기적으로 변화된다. 도체(300)의 VU 단편의 경우에, 그 고온 공기 유동은 원호(DAB)(서북동) 부근의 위치까지 상승되어, 도면에 도시된 초승달-형상의 경계 층(300a)을 형성한다. 도체(300)의 UT 단편의 경우에, 저온 영역 및 고온 영역의 수렴으로 인해서, 원호(DAB)의 경계 층은 성장이 중단되고, 저온 영역이 되며, 초승달-형상의 경계 층(300a)은 원호(DAB)의 대향 측면에 위치되는 원호(DCB)(서남동)에서 성장하기 시작하고, 경계 층의 성장이 하단부로부터 상단부까지 반복되어 원호(DAB) 및 원호(DCB)에서 교번적으로 변화된다.
즉, 도체(300)의 저온 영역 및 고온 영역은 도 10d의 관점으로부터 실제로 교번적으로 변화된다.
도 10e를 더 참조하면, 도 10e는 다른 관찰 각도에서 본 도 10a의 도체(300)의 경계 층의 성장의 분석 도면이고, 그러한 분석 그래프는 타워의 외주방향 벽 표면에 도시되어 있다.
또한, 도 10c의 배향을 참조하고, 그리고 도 10d의 원리와 유사하게 설명하면, 경계 층의 재-성장 및 성장 정지는 도 10e의 도체(300)의 원호(ADC)(북서남) 및 원호(ABC)(북동남)에서 교번적으로 발생될 수 있다. 도체(300)는 또한 고온 표면 및 저온 표면이 교번적으로 변화되는 현상을 가지나, 도 10e의 고온 및 저온 표면은 도 10d의 고온 및 저온 표면으로부터 정확하게 90도만큼 편이된다(deviated).
타워 벽(100) 상에 투영될 때 도체(300)가 전후 굽힘 방식으로만 배치되는 경우에, 저온 및 고온의 교번적인 변화는 도체(300)의 2개의 대향되는 반-원호 표면 상에서만 나타난다. 도체(300)로부터 타워 벽(100)의 내부 표면까지의 거리가 (반경방향 거리의 주기적인 조정과 동일하게) 주기적으로 변화되도록 배열될 때, 저온 및 고온의 교번적인 변화는 도체(300)의 다른 2개의 대향되는 반-원호 표면 상에 나타날 것이고, 그에 따라 도체(300)의 임의의 반-원호 표면 및 그 대향 반-원호 표면은 그들 사이에서 온도 전이부를 가질 것이고, 이는 과다 온도차를 방지하고, 그에 의해서 도체(300) 보호 목적을 달성한다. 도 10f를 참조할 수 있고, 도 10f는, 도 10d 및 도 10e의 경계 층의 성장이 중첩된, 개략도이다. 도시된 바와 같이, 북쪽의 반-원호 표면(DAC) 및 남쪽의 반-원호 표면(DCB)의 상응하는 경계 층이 부분적으로 중첩되고, 이는 경계 층 중첩 영역(300a')을 형성하며, 경계 층 중첩 영역(300a')은 2개의 반-원호 표면의 온도 전이 영역으로서 기능한다. 도 10f는 원호(ADC)가 원호(DAB)와 중첩되는 것 만을 도시하고, 사실상, 도 10f에서, 경계 층 중첩 영역(300a')은 북동, 북서, 남서, 및 남동의 각각에서 나타날 수 있다.
2개의 방향을 따른 도체(300)의 주기적인 변화는 일정할 필요가 없고, 즉, 타워 벽(100)의 외주방향을 따른 하나의 굽힘 유닛은 반경방향을 따른 굽힘 유닛에 반드시 상응하지 않는다는 것을 주목하여야 한다.
전술한 실시예에 대한 추가적인 개선이 이루어질 수 있다. 타워 내측의 열이 열원 구성요소 자체의 동작에서 생성된 열로부터 뿐만 아니라, 타워 내측의 과열을 유발하는 중요한 이유가 또한 되는, 외부 온도의 영향, 특히 여름철의 고온의 영향에 의해서도 대부분 유발된다는 것을 이해하여야 할 것이다.
공급원으로부터의 과열 효과를 줄이기 위해서, 타워의 양지 측면(음지 측면에 대향되는, 즉 태양 복사선에 노출되는 측면)의 측벽은 열 절연 층을 구비할 수 있고, 및/또는 타워의 음지 측면은 열 전도 층을 구비할 수 있다. 양지 측면 상에 열 절연 층을 제공하는 것에 의해서, 열이 타워 내로 전달되는 것을 방지할 수 있고, 음지 측면 상에 열 전도 층을 제공하는 것에 의해서, 타워 내측의 고온 공기 유동과 타워의 음지 측면 외측의 저온 공기 사이의 대류 열 교환을 촉진할 수 있고, 그에 의해서 냉각 효율을 개선할 수 있다. 열 절연 층 및 열 전도 층 모두가 제공되는 경우에, 2 방면의 냉각 및 과열-방지 효과가 달성된다.
구체적으로, 열 절연 층은 내부 표면 열 절연 층(100b) 및 외부 표면 열 절연 층(100a)을 양지 측면 상에 포함할 수 있다. 외부 표면 열 절연 층(100a)은 낮은 적외선 흡수율, (높은 반사율을 가지고, 그에 따라 열의 흡수가 감소되는) 높은 반사율, 및 높은 적외선 방출율의 특성 중 적어도 하나를 가지도록 구성될 수 있다. 내부 표면 열 절연 층(100b)은, 내부 표면 열 절연 층(100b)이 열선을 타워의 내부 공간 내로 전달하는 것을 방지하기 위해서, 낮은 적외선 방출율, 낮은 적외선 흡수율 및 낮은 열 전도 계수의 특성 중 적어도 하나를 가지도록 구성될 수 있다. 명백하게, 열 절연 층이 전술한 특성 모두를 가질 수 있게 하는 것이 최적의 해결책이지만, 그러한 배열은 실제 열 소산 요건 및 비용에 따라서 이루어질 수 있다.
내부 표면 열 절연 층(100b)은 이하의 해결책에 의해서 제조될 수 있다.
해결책 1: 낮은 적외선 방출율을 가지는 코팅을 내부 표면 상에 도포하는 것.
해결책 2: 표면이 고온 선(hot ray)을 방출하는 것을 방지하기 위해서, 낮은 방출율을 가지는 알루미늄 호일(102)의 하나의 층을 내부 표면 상에 부착시키는 것, 그리고 도 6c에 도시된 바와 같이, 알루미늄 호일(102)과 타워 벽(100) 사이에 열 절연 보드(101)를 제공하는 것.
해결책 3: 신규한 나노-지능형 열 절연 코팅(nano-intelligent heat insulation coating)을 내부 표면 상에서 이용하는 것으로서, 코팅의 열 절연 조성물은 초-저 열 전도도 계수를 가지는 히드로-NM-산화물이다.
해결책 4: 열 절연 및 내화 재료를 내부 표면 상에 부착하는 것.
해결책 2의 열 절연 보드(101) 및 해결책 4의 열 절연 및 내화 재료의 각각이 이하의 표에 기재된 바와 같은 재료를 이용할 수 있다:
Figure pct00009
Figure pct00010
도 11a를 더 참조하면, 도 11a는 본원에 따른 풍력 터빈 타워의 양지 측면에 있는 측벽의 부분 단면도이고, 타워의 양지 측면에 있는 타워 벽(100)의 미세 유닛의 복사 등가 열 저항이 도 11a의 하부 부분에 도시되어 있다. A1은 타워의 외부 표면 상의 코팅의 면적을 나타내고; T1은 타워의 외부 표면 상의 코팅의 온도를 나타내며; ε1은 타워의 외부 표면 상의 코팅의 방출율을 나타내며; ρ1은 타워의 외부 표면 상의 코팅의 반사율을 나타내고; α1은 타워의 외부 표면 상의 코팅의 흡수율을 나타내고; qr은 타워의 내부 표면 상의 코팅의 복사 고온 유동을 나타내며; A4는 타워의 내부 표면 상의 코팅의 면적을 나타내고; T4는 타워의 내부 표면 상의 코팅의 온도를 나타내며; ε4는 타워의 외부 표면 상의 코팅의 방출율을 나타내며; ρ4는 타워의 외부 표면 상의 코팅의 반사율을 나타내고; α4는 타워의 외부 표면 상의 코팅의 흡수율을 나타낸다.
도 11a는 타워 벽(100)의 양지 측면 상의 "미세 유닛"을 취하는 것에 상응하고, "미세 유닛"의 반경방향 대향 측면들은 각각 타워의 외부 표면 열 절연 층(100a) 및 타워의 내부 표면 열 절연 층(100b)이다. 도 11a의 하부 부분은 미세 유닛의 복사 등가 열 저항을 도시한다. 타워의 양지 측면에 있는 내부 표면 열 절연 층의 적외선 방출율을 감소시키는 것은 복사 표면의 열 저항을 바로 증가시키고, 이는, 낮은 적외선 방출율을 가지는 재료를 이용하는 것에 의해서 달성될 수 있고, 예를 들어, 방출율이 0.8로부터 0.1로 감소될 때, 표면 저항은 원래의 표면 저항의 36배로 증가되고, 이는 코팅 표면의 유효 복사 세기를 크게 감소시킨다.
도 11b 및 도 11c를 더 참조하면, 도 11b는 본원에 따른 풍력 터빈 타워 내측의 도체(300)와 풍력 터빈 타워의 음지 측면에서의 측벽 사이의 복사 열 교환의 개략도이고, 도 11b의 하부 부분은 타워의 음지 측면에서의 타워 벽(100)의 미세 유닛의 복사 등가 열 저항을 도시하며; 도 11c는 도 11b의 열 유동의 전달을 도시한 개략적 사시도이다. 여기에서, q1,3은 전력 전송 케이블과 타워 사이의 복사 열교환율을 나타내고; qrN은 타워의 음지 측면의 외부 표면 상의 복사 열 유동을 나타내며; qconv은 타워의 음지 측면의 외부 표면과 공기 사이의 대류 열교환율을 나타내고; 그리고 qrising air flow은 전력 전송 케이블 주위의 공기에 의해서 획득되는 열 플럭스를 나타낸다.
음지 측면 상의 열 전도 층은 내부 표면 열 전도 층(103) 및 외부 표면 열 전도 층을 음지 측면 상에 포함할 수 있다. 외부 표면 열 전도 층은 높은 반사율 및 낮은 적외선 흡수율의 특성 중 적어도 하나를 가지도록 구성될 수 있고; 내부 표면 열 전도 층(103)은 낮은 반사율, 높은 적외선 흡수율 및 높은 적외선 방출율의 특성 중 적어도 하나를 가지도록 구성된다. 구체적인 선택이 열 절연 층과 조화되게 이루어질 수 있고, 열 소산 요건 및 비용에 따라 이루어질 수 있다.
전력 전송 도체(300)의 열 소산을 더 촉진하기 위해서, 큰 적외선 방출율을 가지는 코팅이, 도체(300)의 열 소산을 가속하기 위해서, 타워 벽(100)의 음지 측면 상의 낮은 반사율, 높은 적외선 흡수율 및 높은 적외선 방출율을 가지는 내부 표면 열 전도 층과 협력하도록 도체(300)의 표면 상에 도포될 수 있다.
도체(300)는 도 10a에서 2개의 행으로 배열되고, 도 12에 도시된 바와 같이 하나의 행으로 또한 배열될 수 있다. 도 12는 본원에 따른 하나의 행으로 배열된 도체의 구조를 도시한 개략도이다. 실제로, 도 6c 및 도 7c는 또한 이러한 배열로 개략적으로 도시되어 있다.
열 소산 요건을 더 개선하기 위해서, 도체(300)의 각각의 그룹 내의 도체들(300) 사이의 간격이 적절히 증가될 수 있거나, 도체(300)의 각각의 그룹 내의 도체들(300)이 엇갈릴 수 있고, 그에 따라 도체들(300) 사이의 공간적 복사 열 저항을 감소시킬 수 있고, 이는 도체(300)에 의해서 음지 측면에서의 내부 표면 상의 열 전도 층으로 방출되는 복사 열 유량을 증가시키는 것과 같고, 그에 따라 열 소산 효과를 개선한다.
마지막으로, 도 3을 다시 참조하면, 양지 측면에서의 고온 영역은 실제로 정남으로부터 서쪽으로 60도인 위치에서 나타나고, 복사 세기는, 정서에 도달할 때까지, 단지 감소되기 시작하고, 그에 따라 가장 명백한 고온 영역은 실제 열 복사 데이터에 따라 결정될 수 있다. 이러한 해결책에서, 음지 측면 상에 전술한 도체(300)를 배치하기 위한 위치가 정확하게 결정될 수 있고, 도체(300)가 만곡되도록 배열된다는 관점에서, 도체(300)의 열 소산이 크게 개선된다. 따라서, 타워 내측의 다른 열원 부재의 열 소산 성능이 또한 개선되고, 그에 따라, 이러한 경우에, 타워 벽(100)의 전체 남쪽 절반 측면 상에 열 절연 층을 제공할 필요가 없이, 타워 벽(100)의 고온 위치에 열 절연 층을 제공하기만 하면 되고, 그에 따라 비용을 절감한다. 도 6c 및 도 7c의 각각에서, 열 절연 층은 정남으로부터 정서까지의 위치에 배열되고, 즉 열 절연 층은 90도 범위로 도포된다. 배치 범위가 그보다 약간 더 크거나 작을 수 있고, 이는 실제 작업 조건에 따라서 결정될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
음지 측면 상의 열 전도 층의 배열 범위는, 도체(300)의 배치 위치, 주위 저온 공기의 분포, 및 폭풍의 방향과 같은 인자에 따라서 포괄적으로 설정될 수 있다. 도 6c 및 도 7c의 각각에서, 음지 측면 상의 열 전도 층은 정북으로부터 서쪽으로 30도 내지 정북으로부터 동쪽으로 약 45도의 범위로 배열된다.
전술한 실시예는 단지 본원의 바람직한 실시예이고, 본원의 원리를 벗어나지 않고도 통상의 기술자는 몇몇 개선예 및 수정예를 만들 수 있다는 것을 주목하여야 하며, 이러한 개선예 및 수정예는 본원의 보호 범위 내에 포함되는 것으로 또한 간주되어야 할 것이다.

Claims (28)

  1. 외장 내에 배치되는 전력 전송 도체를 배치하기 위한 방법이며:
    외장 외측의 공기 유동 매개변수에 따라 외장의 음지 측면의, 바람 방향 측면 유입 유동과 접촉되는, 외부 표면의 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계;
    음지 측면의, 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는, 내측 위치에 따라 목표 배치 위치를 결정하는 단계; 및
    전력 전송 도체를 목표 배치 위치에 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계는: 외장 외측의 공기 유동 매개변수에 따라 상응하는 레이놀즈 수를 획득하는 단계, 및 상이한 레이놀즈 수에서 음지 측면의 외부 표면의 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 확립하는 단계를 포함하고; 그리고
    상기 목표 배치 위치를 결정하는 단계는: 음지 측면에서, 상이한 레이놀즈 수에서 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는, 내측 위치에 따라 목표 배치 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    음지 측면에서, 상이한 레이놀즈 수에서 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는, 위치를 목표 배치 각도로 기록하는 단계를 포함하고, 목표 배치 각도는, 바람 방향 측면 유입 유동이 외장의 외부 벽과 접촉되는 접촉 표면의 수직 벡터와 외장의 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 위치 사이에 형성되는 협각으로 규정되고; 그리고
    목표 배치 위치는 상이한 레이놀즈 수들에서의 최소 목표 배치 각도 및 최대 목표 배치 각도 사이인, 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    외장의 음지 측면의, 바람 방향 측면 유입 유동과 접촉되는, 외부 표면의 표면 열 전달 계수의 변화 상황은 누셀트 수에 의해서 반영되는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    음지 측면은 정북 방향으로부터 시계 방향으로 45도로부터 정북 방향으로부터 반시계 방향으로 45도까지의 범위로 규정되는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계는: 외장의 높이 위치에 상응하는 레이놀즈 수에 따라, 상기 높이 위치에 상응하는 음지 측면에서 외부 표면의 외주방향 위치의 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계를 포함하고;
    상기 내측 위치는 외주방향 위치의 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 내측 위치이고; 그리고
    상기 목표 배치 위치를 결정하는 단계는: 내측 위치에 상응하는 수직 연장 선을 전력 전송 도체를 배치하기 위한 기준 배치 선으로 취하는 단계; 및 외장의 상이한 높이들에서 레이놀즈 수의 변화에 따라 미리 결정된 각도만큼 시계 방향 또는 반시계 방향으로 기준 배치 선을 회전시키고, 그리고 회전된 기준 배치 선의 위치를 목표 배치 위치로서 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계는: 외장의 상부 단편에서 하나의 높이 위치 및 외장의 하부 단편에서 하나의 높이 위치를 선택하는 단계, 및 2개의 높이 위치에서의 레이놀즈 수에 따라, 2개의 높이 위치에 상응하는 음지 측면에서 외부 표면의 외주방향 위치의 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계를 포함하고;
    상기 내측 위치는 2개의 높이 위치에 상응하는 외주방향 위치의 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 내측 위치를 포함하고; 그리고
    상기 목표 배치 위치를 결정하는 단계는: 2개의 외주방향 위치의 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 2개의 내측 위치를 연결하는 연결 선을 목표 배치 위치로서 취하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계는: 외장의 상부 단편에서 하나의 높이 위치 및 외장의 하부 단편에서 하나의 높이 위치를 선택하는 단계, 및 2개의 높이 위에서의 레이놀즈 수에 따라, 2개의 높이 위치에 상응하는 음지 측면에서 외부 표면의 외주방향 위치의 표면 열 전달 계수의 변화 상황을 획득하는 단계를 포함하고;
    상기 내측 위치는 2개의 높이 위치에 상응하는 외주방향 위치의 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 내측 위치를 포함하고; 그리고
    상기 목표 배치 위치를 결정하는 단계는: 2개의 외주방향 위치의 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는 2개의 내측 위치를 연결하는 연결 선을 기준 배치 선으로 취하는 단계; 및 2개의 외주방향 위치의 가장 높은 표면 열 전달 계수의 변화에 따라 미리 결정된 각도만큼 기준 배치 선을 회전시키고, 회전된 기준 배치 선의 위치를 목표 배치 위치로서 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바람 방향 측면 유입 유동은 외장이 위치되는 위치의 기상 풍배도에 따라 획득된 주 풍향을 따른 유입 유동인, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기상 풍배도는 외장이 위치되는 위치의 고온 계절의 기상 풍배도로서 선택되는, 방법.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    외장의 내부 표면 상으로 투영될 때 전력 전송 도체가 전후로 굽혀질 수 있도록, 전력 전송 도체가 굽혀지는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    전력 전송 도체로부터 외장의 내부 표면 까지의 수직 거리가 교번적으로 변화되도록, 전력 전송 도체가 더 굽혀지는, 방법.
  13. 배향된 방식으로 배치된 전력 전송 도체를 가지는 외장이며, 상기 전력 전송 도체는 외장 내측에 배열되고, 전력 전송 도체는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 외장의 내측에 배치되는, 외장.
  14. 제13항에 있어서,
    전력 전송 도체의 목표 배치 위치와 바람 방향 측면 유입 유동 사이의 협각이 110도 내지 125도의 범위인, 외장.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 바람 방향 측면 유입 유동은 남서 방향 또는 남동 방향으로부터 유래하는, 외장.
  16. 제13항에 있어서,
    전력 전송 도체는, 외장의 내부 표면 상으로 투영될 때, 전후로 굽혀지는 방식으로 배치되는, 외장.
  17. 제16항에 있어서,
    전력 전송 도체로부터 외장의 내부 표면까지의 수직 거리가 교번적으로 변화되는, 외장.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    전후로 굽혀지는 방식으로 도체를 배치함으로써 형성된 유닛의 구조는 폴리라인 형상, 또는 사다리꼴, 또는 S-형상이고; 상기 폴리라인 형상은 굽힘 위치에서 직선으로 굽혀지거나 원호 형상을 가지는, 외장.
  19. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    외장의 내부 표면의 외주방향으로, 전력 전송 도체는 전체적으로 외장의 원호-형상의 내부 표면에 맞춰 구성된 라디안을 가지는, 외장.
  20. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상단부로부터 하단부까지의 전력 전송 도체의 연장 방향은 수직 방향에 대해서 경사지게 배열되고, 외장의 내부 표면의 경사 각도에 맞춰 구성되는, 외장.
  21. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    외장의 양지 측면은 열 절연 층을 구비하고, 및/또는 외장의 음지 측면은 열 전도 층을 구비하는, 외장.
  22. 제21항에 있어서,
    열 절연 층은 양지 측면의 내부 표면 열 절연 층 및 외부 표면 열 절연 층을 포함하고, 외부 표면 열 절연 층은 낮은 적외선 흡수율, 높은 반사율, 및 높은 적외선 방출율의 특성 중 적어도 하나를 가지도록 구성되고; 내부 표면 열 절연 층은 낮은 적외선 방출율, 낮은 적외선 흡수율 및 낮은 열 전도 계수의 특성 중 적어도 하나를 가지도록 구성되고; 및/또는
    열 전도 층은 음지 측면의 내부 표면 열 전도 층 및 외부 표면 열 전도 층을 포함하고, 외부 표면 열 전도 층은 높은 반사율 및 낮은 적외선 흡수율의 특성 중 적어도 하나를 가지도록 구성되고; 내부 표면 열 전도 층은 낮은 반사율, 높은 적외선 흡수율 및 높은 적외선 방출율의 특성 중 적어도 하나를 가지도록 구성되는, 외장.
  23. 제21항에 있어서,
    열 절연 층이 양지 측면에서 고온 영역 내에 배열되고, 고온 영역은 여름철에 모니터링되는 열 복사선 데이터에 따라 결정되고 정남으로부터 서쪽으로 90도 내지 100도의 범위로서 규정되는, 외장.
  24. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력 전송 도체의 외부 표면은 높은 적외선 방출율을 가지는 코팅으로 코팅되고; 및/또는 외장이 풍력 터빈 타워인, 외장.
  25. 배향된 방식으로 배치된 전력 전송 도체를 가지는 외장이며, 전력 전송 도체는 외장 내측에 배열되고; 그리고 전력 전송 도체는 외장의 음지 측면에 배치되고; 그리고 음지 측면에서 전력 전송 도체의 목표 배치 위치는 음지 측면에 있는, 가장 높은 표면 열 전달 계수에 상응하는, 내측 위치에 의해서 결정되고; 그리고 표면 열 전달 계수는 음지 측면의, 바람 방향 측면 유입 유동과 접촉되는, 외부 표면의 표면 열 전달 계수인, 외장.
  26. 제25항에 있어서,
    목표 배치 위치는 음지 측면의 내부 측면 상의 수직 연장 선에 대해서 경사지고, 경사 각도는 음지 측면의 상이한 높이들에서 바람 방향 측면 유입 유동에 상응하는 레이놀즈 수의 변화 상황에 의해서 결정되는, 외장.
  27. 제25항에 있어서,
    전력 전송 도체의 목표 배치 위치와 바람 방향 측면 유입 유동 사이의 협각이 110도 내지 125도의 범위인, 외장.
  28. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바람 방향 측면 유입 유동은 외장이 위치되는 위치의 기상 풍배도에 따라 획득된 주 풍향을 따른 유입 유동인, 외장.
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