KR20190097255A - 풍력 발전 설비 및 풍력 발전 설비 로터 내에서의 미스트 분리기의 사용 - Google Patents

풍력 발전 설비 및 풍력 발전 설비 로터 내에서의 미스트 분리기의 사용 Download PDF

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KR20190097255A
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 로터 헤드 또는 스피너를 포함하는 공기 역학적 로터 및 나셀을 구비하는 풍력 발전 설비에 관한 것이다. 이 경우, 로터 헤드 또는 스피너는 바람의 유동 방향으로 로터 블레이드 평면 이전에 배치된다. 로터의 로터 헤드 내에 또는 로터 헤드 상에 또는 로터의 스피너 내에 또는 스피너 상에는 로터 헤드 또는 스피너와 함께 회전되는 미스트 분리기가 제공된다. 미스트 분리기는 로터 헤드 또는 스피너 내에 개구로서 형성된 단부를 포함한다. 이러한 단부를 통해 공기가 유입될 수 있고, 미스트 분리기를 통해 유동할 수 있으므로, 미스트 분리기의 출구 상에는 실질적으로 물방울 없는 공기가 제공되어, 발전기의 냉각을 위해 사용될 수 있다.

Description

풍력 발전 설비 및 풍력 발전 설비 로터 내에서의 미스트 분리기의 사용
본 발명은 풍력 발전 설비 그리고 풍력 발전 설비 로터 내에서의 미스트(mist) 분리기의 사용에 관한 것이다.
풍력 발전 설비는 일반적으로 3개의 로터 블레이드를 포함하는 공기 역학적 로터를 구비하는 나셀을 일반적으로 포함한다. 전기 발전기는 공기 역학적 로터와 직접적으로 또는 간접적으로 결합되고, 공기 역학적 로터가 회전될 때, 전기 에너지를 생성한다. 작동 시 전기 발전기는 손실 열을 생성하므로, 발전기는 냉각되어야 한다. 또한, 나셀 내에는 예를 들어 정류기와 같은 다른 전기 부품이 제공될 수 있고, 이는 마찬가지로 손실 열을 생성하고 따라서 냉각되어야 한다.
나셀 내부에서의 냉각은 예를 들어 폐쇄된 냉각 시스템에 의해 또는 개구를 통해 나셀의 고정 부분 내로 외부 공기를 흡입하는 냉각 시스템에 의해 구현될 수 있다. 따라서, 이러한 흡입된 공기는 전기 발전기 그리고 다른 전기 부품을 냉각시키기 위해 사용된 다음 다시 외부로 송풍될 수 있다. 여기서, 흡입된 외부 공기는 안개 또는 비로부터의 물방울까지, 습한 공기를 또한 포함할 수도 있다.
독일 특허 및 상표청은 우선권에 기초한 독일 특허 출원에서 다음과 같은 문서들, 즉 DE 10 2007 045 044 A1호 및 DE 10 2012 212 619 A1호를 조사하였다.
본 발명의 과제는 특히 풍력 발전 설비의 냉각 시스템에 물방울 없는 외부 공기를 제공하고, 제거된 물을 정해진 방식으로 배출하는, 보다 효율적인 냉각 장치를 갖는 풍력 발전 설비를 제공하는 것이다.
이러한 과제는 청구항 제1항에 따른 풍력 발전 설비에 의해 그리고 청구항 제6항에 따른 풍력 발전 설비 로터 내에서의 미스트 분리기의 사용에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 로터 헤드 또는 스피너를 포함하는 공기 역학적(회전 가능한) 로터와 나셀을 구비하는 풍력 발전 설비가 제공된다. 이 경우, 로터 헤드 또는 스피너는 바람의 유동 방향으로 로터 블레이드 평면 이전에 배치된다. 로터의 로터 헤드 내에 또는 로터 헤드 상에 또는 로터의 스피너 내에 또는 스피너 상에는 로터 헤드 또는 스피너와 함께 회전되는 미스트 분리기가 제공된다. 미스트 분리기는 로터 헤드 또는 스피너 내에 개구로서 형성된 단부를 포함한다. 이러한 단부를 통해 공기가 유입될 수 있고, 미스트 분리기를 통해 유동할 수 있으므로, 미스트 분리기의 출구 상에서는 실질적으로 물방울 없는 공기가 제공되어, 발전기의 냉각을 위해 사용될 수 있다. 미스트 분리기는 나셀의 회전하는 부분, 즉 로터 내에 위치된다. 따라서, 미스트 분리기는 로터와 함께 회전된다.
예를 들어 이러한 미스트 분리기에 의해 최소한으로 분리될 수 있는 물방울은 직경이 15 ㎛일 수 있다. 더 작은 것들은 더 큰 노력과 더 큰 압력 손실에 의해서만 분리될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 이러한 미스트 분리기는 나선형으로 배치된 적어도 하나의 라멜라(lamella)로서 형성된다. 나선은 원추형으로 형성될 수 있다. 나선의 일 단부(즉, 팁)는 로터 헤드의 개구를 나타내므로, 습한 외부 공기가 나선의 팁에 도달하고 습한 공기가 나선형 미스트 분리기를 통해 유동하므로, 공기는 내부에 있는 습기로부터 분리된다.
여기서 나선의 기본 라인이 원추형을 나타내는 나선형 라멜라로서 미스트 분리기가 형성되는 것이 특히 유리한데, 왜냐하면 이에 따라 분리된 액체가 미스트 분리기의 그 자체의 회전을 통해 나선의 중심으로 이송된 다음 배출될 수 있기 때문이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 나선의 원추 형태는 단지 매우 약하게 형성되는데, 이에 따라 2개의 라멜라 층 사이의 갭(gap)이 바람에 대면하는 측면 상에서 (접촉할 정도까지) 너무 작아지고, 바람에 반대되는 내부 측면 상에서 너무 커지는 것이 방지될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 미스트 분리기의 가장 안쪽 영역에서 나선의 기울기는 더 크고, 이에 따라 작은 반경 내에서 분리된 액체를 미스트 분리기의 팁으로 이송할 수 있다. 내부 영역에서는, 유동하는 공기의 강한 편향이 더 이상 야기되지 않기 때문에, 미스트 분리는 더 이상 발생하지 않는다. 분리된 물은 라멜라 내에 형성되는 강한 편향에 의해 미스트 분리기의 홈에서 전방을 향해 미스트 분리기의 제1 단부로 유동하고, 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 선택적으로 미스트 분리기의 후방 내부 부분에 배리어가 예를 들어 벽의 형태로 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 풍력 발전 설비에 의해, 로터 헤드 또는 스피너 내에서 회전하는 미스트 분리기에 의해 생성되는, 풍력 발전 설비의 공기 냉각을 위한 물방울 없는 공기를 제공하는 것이 가능해진다.
본 발명의 다른 실시예는 종속항의 주제이다.
본 발명의 이점 및 실시예는 이하에서 도면을 참조하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 제1 실시예에 따른 풍력 발전 설비의 개략도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 제1 실시예에 따른 미스트 분리기의 개략도를 도시한다.
도 3은 제2 실시예에 따른 미스트 분리기의 단면 사시도를 도시한다.
도 4는 제3 실시예에 따른 미스트 분리기의 단면 사시도를 도시한다.
도 5는 도 4에 따른 미스트 분리기의 평면도를 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 각각 제4 실시예에 따른 미스트 분리기의 개략도를 도시한다.
도 6d 및 도 6e는 각각 제4 실시예에 따른 미스트 분리기에서의 수로의 개략도를 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 각각 제5 실시예에 따른 미스트 분리기의 개략도를 도시한다.
도 7d는 제5 실시예에 따른 미스트 분리기에서의 수로의 개략도를 도시한다.
도 8은 제6 실시예에 따른 미스트 분리기에서의 수로의 개략도를 도시한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 풍력 발전 설비의 개략도를 도시한다. 풍력 발전 설비(100)는 타워(102) 및 나셀(104)을 포함한다. 나셀(104) 상에는 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너 또는 로터 헤드(110)를 구비하는 로터(106)가 제공된다. 로터(106)는 작동 시 풍력에 의해 회전 운동하고, 전기 에너지를 생성하기 위해 나셀 내의 발전기를 구동한다. 풍력 발전 설비는 로터 헤드 또는 스피너(110)의 영역에 미스트 분리기(200)를 더 포함한다. 미스트 분리기(200)는 로터 헤드 또는 스피너(110)와 결합되며, 이에 따라 미스트 분리기(200)는 로터 헤드(110)와 함께 회전된다. 로터 헤드 또는 스피너(110) 내에는 미스트 분리기(200)의 단부가 개구(111)로서 제공되고, 이를 통해 외부 공기(AL)가 로터 헤드(110)의 내부로 유입될 수 있고, 이에 따라 미스트 분리기(200)의 나머지 부분으로 유입될 수 있다. 외부 공기(AL)에 포함된 물방울이 미스트 분리기(200)에 의해 추출되므로, 미스트 분리기의 출구에는 실질적으로 물방울 없는 공기(L)가 존재한다.
도 2a 및 도 2b는 제1 실시예에 따른 미스트 분리기의 개략도를 도시한다. 제1 실시예에 따르면, 미스트 분리기(200)는 나선형으로 배치된 적어도 하나의 라멜라(lamella; 201)를 포함한다. 나선(200)은 원추를 형성하므로, 팁(210)은 나선(200)의 상류에 장착된다. 따라서, 팁(210)은 나선의 제1 단부를 나타낸다. 나선의 제2 단부(220)는 나선(200)의 대향하는 측면 상에 제공된다. 습기가 있는 그리고 물방울을 함유한 외부 공기(AL)는 제1 단부(210)에서 나선형의 미스트 분리기 내로 유입되고, 제2 단부(220)에서 실질적으로 물방울 없는 공기(L)가 배출된다.
나선의 원추형 기본 라인을 포함하는, 나선형으로 배치된 라멜라의 나선형 미스트 분리기의 구성에 의해, 분리된 액체가 미스트 분리기의 회전을 통해 나선의 중심을 향해 운반되어 거기에서 배출될 수 있다.
본 발명에 따르면, 원추 형태는 단지 매우 약하게 형성되고, 이에 따라 라멜라 층 사이의 갭이 바람에 대면하는 측면 상에서는 (접촉할 정도까지) 너무 작아지고, 바람에 반대되는 내부 측면 상에서는 너무 커지는 것이 방지될 수 있다. 미스트 분리기(200)의 내부 영역(230)에서 나선의 기울기는 외부 영역에서보다 더 크다. 이것은 분리된 액체가 외부로 배출될 수 있도록, 분리된 액체 또는 유체가 작은 반경 내에서 팁(210)으로 이송될 수 있도록 하기에 유리하다. 내부 영역(230)의 구성으로 인해, 이러한 내부 영역은 더 이상 미스트 분리에 단지 한정적으로만 기여하지는 않는데, 왜냐하면 특히 이러한 내부 영역에는 강한 편향이 발생하지 않기 때문이다. 여기서 유입되는 물은 뒤따르는 분리된 물에 의해 회전을 통해 여기서 외부로 안내되는 방식으로 변위되고, 외부를 향해 슬라이딩된다.
선택적으로, 제2 단부(220)의 내부 영역의 범위 내에는 벽 또는 배리어가 제공될 수 있다. 제2 단부(220)의 내부 영역에는 벽이 인입되어야 하는데, 그렇지 않으면 물방울을 함유한 공기가 로터 헤드 내로 유동하게 되기 때문이다. 제2 단부(220)의 외부 영역에는 벽이 인입되지 않아야 하는데, 그렇지 않으면 공기가 더 이상 배출될 수 없기 때문이다.
도 3은 제2 실시예에 따른 미스트 분리기의 단면 사시도를 도시한다. 도 3에는 특히 제2 실시예에 따른 미스트 분리기의 3차원 구성의 단면이 도시된다. 미스트 분리기(200)는 제1 단부(210) 및 제2 단부(220)를 포함한다. 미스트 분리기는 특히 원추형 기본 라인을 포함하는 나선형으로 형성된 라멜라의 형태로 배치된다. 내부 영역(230)에 그리고 제2 단부(220)에는 선택적으로 물방울을 함유한 공기에 대한 배리어로서 벽(250)이 제공될 수 있고, 이에 따라 물방울을 함유한 공기가 로터 헤드 내로 유입되는 것이 방지될 수 있다.
미스트 분리기(200)에 의해 발생하는 압력 손실은 라멜라의 형태에 의해 그리고 나선의 각각의 층 사이의 갭의 절반에 의해 야기된다. 약 10 ㎛ 내지 5 ㎜의 물방울을 분리시킬 수 있도록 하기 위해, 라멜라 층 사이에 약 10 ㎜ 내지 100 ㎜의 간격이 제공된다.
도 4는 제3 실시예에 따른 미스트 분리기의 단면 사시도를 도시한다. 제3 실시예에 따른 미스트 분리기는 원추형 기본 라인을 포함하는, 나선형으로 배치된 라멜라를 포함한다. 미스트 분리기(200)는 제1 단부(210)와 제2 단부(220) 그리고 내부 영역(230)을 포함한다. 물방울을 함유한 외부 공기(AL)는 제1 단부 내로 도입되고, 물방울 없는 공기(L)는 제2 단부(220)에서 배출된다. 분리된 물(AW)은 내부 영역(230)에서 미스트 분리기의 회전 운동에 의해 진행하고, 그 다음 제1 단부(210)를 향해 진행하며, 여기서 외부로 배출될 수 있다.
본 발명에 따른 미스트 분리기는 유동 편향의 원리에 따라 라멜라로 형성된 채널을 통해 작동한다. 본 발명에 따르면, 분리된 물은 회전을 통해 전방을 향해 분리기의 제1 단부(210)로 이송되고, 그 후에 이러한 물은 제1 단부에서 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 배수관이 전방을 향해 설계될 수 있으므로, 풍력 발전 설비가 정지 상태에 있을 때 물은 풍력 발전 설비 내로 도달할 수 없다. 특히, 각 라멜라 층의 레벨은 미스트 분리기의 후방 영역에서보다 전방 영역에서 회전축에 대해 반경 방향으로 더 가까울 수 있다.
도 5는 도 4에 따른 미스트 분리기의 평면도를 도시한다. 여기서 도 5에서의 화살표는 분리된 물이 제1 단부(210)를 향해 어떻게 운반되는지를 도시한다.
본 발명에 따른 풍력 발전 설비에서, 적어도 부분적으로 미스트 분리기의 압력 손실을 극복하기 위해 바람의 유동으로부터의 동적 압력이 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 미스트 분리기는, 분리기의 유동 채널 내에 강한 방향 변화를 발생시키고 이에 따라 기상과 액상의 분리를 발생시킬 수 있는 라멜라를 포함한다.
본 발명에 따르면, 수분 방울은 예를 들어 20 mm에서 15 ㎛의 크기까지의 라멜라 간격에서 분리될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 각각 제4 실시예에 따른 미스트 분리기의 개략도를 도시한다. 제4 실시예에 따른 미스트 분리기는 제3 실시예에 따른 미스트 분리기에 실질적으로 대응하지만, 그러나 나선이 원추형으로 형성되지 않는다. 제4 실시예에 따른 미스트 분리기에서 물은 전방을 향해, 즉 미스트 분리기의 제1 단부(210)로 배출된다. 본 발명에 따르면, 홈(260)이 제공될 수 있고, 이러한 홈을 통해 또는 이러한 홈에 의해 물이 배출될 수 있다. 미스트 분리기의 기본 형태는 원추형으로 형성되지 않는다. 여기서 제1 단부 및 제2 단부는 직선형으로 형성될 수 있다.
도 6에는 제4 실시예에 따른 미스트 분리기의 정면도가 도시된다. 여기서 특히, 미스트 분리기의 나선형 형태를 볼 수 있다.
도 6d 및 도 6e는 각각 제4 실시예에 다른 미스트 분리기에서의 물의 유동의 개략도를 도시한다. 제3 실시예에 따른 미스트 분리기와 달리, 물의 경로는 평면을 나타낸다. 물은 특히 전방을 향해 유동하고 중앙에서 외부로 유동한다. 도 6e에서 볼 수 있는 바와 같이, 물의 배출부는 실질적으로 평면(200a) 내에서 제공되고, 여기서 평면으로부터 섹션(200b)이 돌출하고, 여기서 이러한 섹션(200b)은 물이 전방을 향해 배출될 수 있는 것을 가능하게 한다.
도 7a 내지 도 7c는 각각 제5 실시예에 따른 미스트 분리기의 개략도를 도시한다. 제5 실시예에 따른 미스트 분리기에서, 원추형 기본 표면을 포함하지 않는, 즉 전방 단부(210) 및 후방 단부(220)가 각각 직선형으로 형성된 미스트 분리기가 제공된다. 미스트 분리기는 마찬가지로 홈(260)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 물은 배출부(230)를 통해 외부를 향해 그리고 전방을 향해 배출될 수 있다. 제4 실시예에 따르면, 중앙 섹션은 후방을 향해 테이퍼질 수 있다.
제5 실시예에 따르면, 물은 중앙으로 배출되지 않고, 외부 섹션(200c)으로 배출된다.
도 7d에는 수로가 도시되어 있다. 특히, 물은 섹션(200c)에서, 즉 외부 영역에서 배출된다. 따라서, 물은 측면으로 멀리 배출된다.
도 8은 제6 실시예에 따른 미스트 분리기에서의 수로의 개략도를 도시한다. 제6 실시예에 따른 미스트 분리기는 제1 실시예, 제2 실시예, 제3 실시예, 제4 실시예 또는 제5 실시예에 따른 미스트 분리기를 기반으로 할 수 있다. 특히, 미스트 분리기는 서로 병렬로 배치될 수 있는 복수의 라멜라(201a, 201b, 201c, 201d)를 포함한다. 이러한 라멜라는 서로 병렬로 연장되는 프로파일로서 형성될 수 있다. 따라서, 분리된 물방울을 병렬로 배출할 수 있으므로, 분리된 물방울의 흐름은 나선의 단부까지 다량의 액체로 합해지지 않는다.

Claims (6)

  1. 3개의 로터 블레이드(108) 및 로터 헤드(110)를 포함하는 로터(106), 및
    외부 공기(AL)가 상기 로터 헤드(110)의 내부로 유입될 수 있도록, 상기 로터 헤드(110)의 영역 내에 마련되는 미스트 분리기(mist separator; 200)
    를 구비하는 풍력 발전 설비(100)에 있어서,
    상기 미스트 분리기(200)는 제1 단부(210) 및 제2 단부(220)를 포함하고,
    상기 미스트 분리기(200)의 상기 제1 단부(210)는 상기 로터 헤드(110)의 개구(111)로서 형성되고,
    상기 미스트 분리기(200)는 나선형으로 형성된 적어도 하나의 라멜라(lamella; 201)를 포함하는 것인, 풍력 발전 설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미스트 분리기의 상기 나선은 원추형으로 형성되는 것인, 풍력 발전 설비.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미스트 분리기(200)는 상기 제1 단부(210) 또는 상기 제2 단부(220) 상에 나선형 팁을 포함하는 것인, 풍력 발전 설비.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미스트 분리기(200)는, 분리된 액체를 상기 제1 단부(210) 상의 나선형 팁으로 이송하기 위해, 나선형 라멜라(201)의 나머지 부분보다 더 큰 기울기를 갖는 내부 영역(230)을 상기 제1 단부(210) 상에 포함하는 것인, 풍력 발전 설비.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 단부(220)의 내부 영역(230)에 있는 벽(250)
    을 더 구비하는, 풍력 발전 설비.
  6. 풍력 발전 설비(100)의 로터 헤드(110) 내에서의 미스트 분리기(200)의 용도에 있어서,
    상기 미스트 분리기(200)는 나선형으로 형성된 라멜라를 포함하고,
    상기 나선은 직선형 또는 원추형의 기본 라인을 포함하는 것인, 미스트 분리기의 용도.
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