KR20220038909A - 풍력터빈용 발전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 풍력터빈용 발전기에 관한 것으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력터빈용 발전기는 복수 개의 블레이드가 결합되며 바람에 의해 상기 블레이드와 함께 회전하는 허브; 상기 허브와 상대 위치가 고정되어 상기 허브와 함께 회전하는 로터; 상기 허브가 회전 가능하게 결합되며 길이 방향으로 중공부가 형성되어 있는 메인 샤프트를 갖는 메인 프레임; 상기 메인 프레임과 상대 위치가 고정되며 상기 로터와 마주하는 상태에서 상기 로터에 의해 둘러싸여 있는 스테이터; 및 상기 메인 샤프트의 선단을 통해 상기 중공부로 유입된 바람이 상기 스테이터를 냉각하고 유출구를 통해 외부로 빠져 나가는 내부통로인 냉각유로;를 포함한다.
Description
본 발명은 풍력터빈용 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력터빈용 발전기에 중공부와 냉각유로를 형성하고, 필요한 경우 중공부와 냉각유로 사이에 팬을 설치하여 풍력터빈용 발전기의 냉각을 수행함에 따라 풍력터빈용 발전기의 효율을 극대화하면서 소형화를 도모하고, 제조비용과 제조시간을 감소하며, 수명을 증대시킬 수 있는 직결방식의 풍력터빈용 발전기에 관한 것이다.
화석 연료가 지구 온난화를 일으키는 원인으로 인식되면서 화석 연료의 사용량이 많은 국가에게는 불이익을 주는 등 화석 연료의 사용을 줄이려는 국제적인 움직임이 활발해지고 있고, 최근에는 기존의 화석 연료를 재활용하거나 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 신재생 에너지가 대체 자원으로 각광받고 있다. 신재생 에너지는 화석 연료와 달리 재생이 가능하기 때문에 고갈되지 않으며, 오염 물질이나 이산화탄소배출이 적어 친환경적인 장점이 있다.
신재생 에너지의 종류로는 지열 에너지, 조류 에너지, 바이오 에너지, 태양열 에너지, 풍력 에너지 등이 있으며, 이 중 풍력 에너지를 이용하는 발전방식인 풍력발전(Wind Power)은, 바람의 힘을 기계적 에너지로 변환시키고, 기계적 에너지로 발전기를 돌려 전기를 생산하는 방식을 말한다.
풍력터빈용 발전기(Generator for Wind Turbine)는 크게 기어박스가 장착되어 있는 기어드 방식(Geared Type)과 기어박스를 필요로 하지 않는 직결 방식(Direct Drive Type or Gearless Type)으로 나눌 수 있는데, 이 중 직결 방식은 기어박스가 없으므로 구조상으로는 기어드 방식에 비해 비교적 간단하고, 기어박스로 인해 발생하는 소음이나 신뢰성 저하로부터 상대적으로 자유로우며, 풍자원의 활용도가 높다는 장점이 있으나, 기어드 방식에 비해 발전기(Generator)가 크고 무거워서 이를 지지하기 위해 구조적으로 높은 강성이 요구되며, 발전기가 고가라는 단점이 있다.
직결 방식 풍력터빈용 발전기에는 발전기의 스테이터 및 파워 컨버터 등에서 발생하는 열을 냉각하기 위한 냉각장치가 설치되는데, 풍력터빈용 발전기가 생성한 전기의 상당한 양이 냉각장치의 가동을 위해 소모되며, 이 중 스테이터의 냉각을 위해 소모된 전기의 비율이 상당히 높기 때문에 순수 발전효율이 떨어진다는 문제가 있다.
또한, 기존의 직결 방식 풍력터빈용 발전기에서 냉각장치의 가동을 통한 강제 냉각 효과를 높이기 위해 냉각장치를 대형화하는 경우, 증가된 무게를 버티기 위해 타워 상단의 메인 프레임을 더욱 강화해야 하는 문제가 있다.
더욱이, 종래 직결 방식 풍력터빈용 발전기에서 외부의 오염된 공기 또는 습기가 발전기 내부로 침투함에 따라 유지보수 비용과 시간이 증가되고, 관리자의 불편을 초래하는 문제점이 있었다.
게다가, 종래 직결 방식 풍력터빈용 발전기는 수명이 저하되고, 안전성과 신뢰성이 감소하며, 풍력터빈용 발전기의 운전효율이 감소되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 풍력터빈용 발전기에 중공부와 냉각유로를 형성하고, 필요한 경우 중공부와 냉각유로 사이에 팬을 설치하여 스테이터의 냉각을 위해 풍력터빈용 발전기가 생성한 전기를 소모하지 않거나 종래보다 적은 양의 전기만을 소모하여 풍력터빈용 발전기의 운영효율을 증대하고, 안전성과 내구성 및 수명을 증대하며, 유지비용과 시간 및 제조비용과 제조시간을 감소할 수 있는 풍력터빈용 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 냉각장치를 탑재하지 않거나 소형화하여 타워 상단의 구조물을 경량화하는 것을 통해 통상의 메인 프레임을 사용하더라도 구조적 건전성이 향상되는 풍력터빈용 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 스테이터의 냉각을 위해 사용하는 바람의 양을 팬을 통해 최적화하여 풍력터빈용 발전기의 운영효율을 극대화하고, 작업자와 관리자의 편의와 안전을 도모할 수 있는 풍력터빈용 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기는 복수 개의 블레이드가 결합되며 바람에 의해 상기 블레이드와 함께 회전하는 허브; 상기 허브와 상대 위치가 고정되어 상기 허브와 함께 회전하는 로터; 상기 허브가 회전 가능하게 결합되며 길이 방향으로 중공부가 형성되어 있는 메인 샤프트를 갖는 메인 프레임; 상기 메인 프레임과 상대 위치가 고정되며 상기 로터와 마주하는 상태에서 상기 로터에 의해 둘러싸여 있는 스테이터; 및 상기 메인 샤프트의 선단을 통해 상기 중공부로 유입된 바람이 상기 스테이터를 냉각하고 유출구를 통해 외부로 빠져나가는 내부통로인 냉각유로;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기의 바람직한 다른 실시예에서, 풍력터빈용 발전기는 상기 메인 샤프트의 선단을 통해 상기 중공부로 유입된 바람의 압력과 유량을 조절하기 위해 바람의 경로 상에 설치된 팬;을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기의 바람직한 다른 실시예에서, 풍력터빈용 발전기의 상기 냉각유로 중 상기 팬과 상기 유출구 사이의 구간은 상기 중공부에 비해 단면적이 좁게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기의 바람직한 다른 실시예에서, 상기 풍력터빈용 발전기는 상기 냉각유로 상에 위치하며 상기 스테이터의 래디얼 방향 내측면에 형성되는 냉각핀;을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기의 바람직한 다른 실시예에서, 풍력터빈용 발전기의 상기 로터와 상기 스테이터 사이에 형성되는 공간은 상기 냉각유로와 서로 연통하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기의 바람직한 다른 실시예에서, 상기 풍력터빈용 발전기는 상기 허브의 외부를 감싸는 허브커버를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기의 바람직한 다른 실시예에서, 풍력터빈용 발전기의 상기 허브커버의 중앙에는 상기 메인 샤프트의 선단으로 이어지는 에어 가이드가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기의 바람직한 다른 실시예에서, 풍력터빈용 발전기의 상기 팬은 상기 중공부와 상기 냉각유로의 경계에 위치할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기의 바람직한 다른 실시예에서, 풍력터빈용 발전기의 상기 냉각유로는 상기 팬의 토출구로부터 상기 스테이터의 반경방향을 따라 연장되는 상류 냉각유로와, 상기 상류 냉각유로의 말단으로부터 상기 유출구까지 이어지는 하류 냉각유로로 구획될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기의 바람직한 다른 실시예에서, 풍력터빈용 발전기의 상기 유출구는 상기 메인 샤프트의 선단의 반대방향을 향하고 있으며, 상기 하류 냉각유로에는 상기 유출구를 통한 이물질 유입을 방지하는 구조가 형성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기의 바람직한 다른 실시예에서, 풍력터빈용 발전기의 상기 풍력터빈용 발전기는 상기 로터의 상기 유출구 방향 단부와 상기 스테이터의 상기 유출구 방향 단부 사이의 틈을 막는 씨일을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기의 바람직한 다른 실시예에서, 풍력터빈용 발전기의 상기 팬은 외기 온도, 상기 스테이터에 설치된 코일 온도, 발전기 출력 중 적어도 하나의 데이터를 입력값으로 하여 연산된 결과에 따라 회전 속도가 가변제어 될 수 있다.
본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기는 풍력터빈용 발전기에 중공부와 냉각유로를 형성하고, 필요한 경우 중공부와 냉각유로 사이에 팬을 설치하여 풍력터빈용 발전기의 냉각을 수행함에 따라 스테이터의 냉각을 위해 풍력터빈용 발전기가 생성한 전기를 소모하지 않거나 종래보다 적은 양의 전기만을 소모하여 풍력터빈용 발전기의 운영효율을 극대화하고, 자원낭비를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기는 냉각시스템의 소형화 및 최적화를 통해 타워 상단의 구조물을 경량화와 컴팩트화를 도모하여 풍력터빈용 발전기의 안전성과 신뢰성을 향상하고, 경량화에 따라 통상의 메인 프레임을 사용하더라도 구조적 건전성이 향상되어 대형 풍력터빈용 발전기의 제조가 용이할 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기는 내구성과 안정성을 증대를 통해 풍력터빈용 발전기의 수명을 증대하여 유지보수 비용과 시간을 감소하여 관리자의 편의성과 안전사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
게다가, 본 발명에 의한 풍력터빈용 발전기는 냉각유로와 중공부 사이에 설치되는 팬을 통해 스테이터의 냉각을 위해 사용하는 바람의 양을 최적화도록 제어하여 풍력터빈용 발전기의 안정성과 신뢰성을 향상하고, 에너지 낭비를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력터빈용 발전기의 일부의 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 풍력터빈용 발전기의 일부 단면도를 나타낸다.
도 3은 도 2의 A부분의 확대도를 나타낸다.
도 4는 도 3의 일부에 대한 상세도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 풍력터빈용 발전기의 일부 단면도를 나타낸다.
도 3은 도 2의 A부분의 확대도를 나타낸다.
도 4는 도 3의 일부에 대한 상세도를 나타낸다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 풍력터빈용 발전기의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 따라서 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/ 또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력터빈용 발전기의 일부의 사시도를 나타내고, 도 2는 도 1의 풍력터빈용 발전기의 일부 단면도를 나타낸다. 도 3은 도 2의 A부분의 확대도를 나타내고, 도 4는 도 3의 일부에 대한 상세도를 나타낸다.
도 1 내지 도 4에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈용 발전기(1)는 풍력터빈용 발전기의 상부 구조물의 하중을 지지하는 타워(미도시), 타워의 상부에 연결되며 상부 구조물의 하중을 지지하는 구조물인 메인 프레임(6), 메인 프레임(6)으로부터 연장되는 메인 샤프트(10), 복수 개의 블레이드(4)가 결합되며 메인 샤프트(10)에 끼워져 바람에 의해 블레이드(4)와 함께 회전하는 허브(2), 허브(2)와 상대 위치가 고정되어 있으며 허브(2)와 함께 회전하는 로터(20), 메인 프레임(6)과 상대 위치가 고정되며 로터(20)와 마주하는 상태에서 로터(20)에 의해 둘러싸여 있는 스테이터(30), 메인 프레임(6)의 외부를 둘러싸며 주요 제어기기를 수용하는 나셀 커버(8)를 포함한다. 또한, 블레이드(4)가 메인 샤프트에 대해 원할하게 회전할 수 있도록 허브와 메인 샤프트 사이에 베어링(80)이 설치된다. 이러한 베어링은 볼 베어링, 롤러 베어링, 레이디얼 베어링, 스러스트 베어링 등 블레이드와 허브 및 메인 샤프트의 크기와 길이, 직경, 설치 위치 등에 따라 다양한 형태가 설치될 수 있다.
허브(2)는 메인 샤프트(10)에 회전 가능하게 결합되며, 메인 샤프트(10)에는 길이 방향으로 중공부(12)가 형성되어 있고, 허브 커버(60)는 허브(2)의 외부를 감싸고 있다.
메인 샤프트(10)의 선단(도 2를 기준으로 오른쪽)으로부터 바람이 불어오면 블레이드(4)를 거치면서 허브(2)가 회전하고, 바람은 풍력터빈용 발전기의 후단(도 1을 기준으로 왼쪽)으로 빠져나간다.
로터(20)는 로터 프레임(22)과, 로터 프레임(22)의 반경 방향 내측에 고정되어 있는 자석(24)을 구비하며, 자석(24)으로는 영구자석이 사용될 수 있다.
스테이터(30)는 스테이터 프레임(32), 스테이터 코어(34)와, 스테이터 코어(34)에 감겨 있는 코일(36)을 구비한다.
로터 프레임(22)의 형상을 단면(도 2 및 도 3) 기준으로 설명하면, 로터 프레임(22)은 허브(2)의 축방향 단부로부터 메인 샤프트(10)의 반경방향 외측을 향해 연장되다가 풍력터빈용 발전기의 후단을 향하여 연장되는 형상을 갖고 있다.
이와 마찬가지로 스테이터 코어(34) 및 스테이터 프레임(32)의 형상을 단면(도 2 및 도 3) 기준으로 설명하면, 스테이터 코어(34)는 메인 샤프트(10)의 후단부로부터 메인 샤프트(10)의 반경방향 외측을 향해 연장되다가 풍력터빈용 발전기의 후단을 향하여 연장되는 형상을 갖고 있으며, 스테이터 프레임(32)은 메인 프레임(6)의 메인 샤프트 쪽 단부로부터 메인 샤프트(10)의 반경방향 외측을 향해 연장되다가 풍력터빈용 발전기의 후단을 향하여 연장되는 형상을 갖고 있다.
코일(36)은 스테이터 코어(34)의 반경 방향 외측에 권선되어 있고, 로터(20)가 회전할 때 자석(24)과 코일(36)이 서로 닿지 않도록 자석(24)과 코일(36)은 소정 간격만큼 이격되어 있다.
스테이터 코어(34)와 스테이터 프레임(32) 사이에 형성되어 있는 공간은 스테이터(30)를 냉각하기 위한 냉각유로(40)이며, 냉각유로(40)는 메인 샤프트(10)의 중공부(12)까지 이어진다.
구체적으로 메인 샤프트(10)의 선단을 통해 중공부(12)로 유입된 바람은 스테이터(30)를 냉각한 후, 메인 샤프트(10)의 선단의 반대방향을 향하고 있는 유출구(44)를 통해 외부로 빠져 나가게 된다.
스테이터(30)의 래디얼 방향 내측면에는 냉각핀(42)이 형성되어 있으며, 냉각핀(42)은 냉각유로(40) 상에 위치한다.
냉각핀(42)은 스테이터 코어(34)의 래디얼 방향 내측면으로부터 스테이터 프레임(32)을 향하여 돌출된 형상을 가질 수 있고, 냉각유로(40)를 통과하는 바람의 흐름을 방해하지 않도록 바람의 방향을 따라 길게 연장될 수 있으며, 냉각 효율을 높이기 위해 도 4에 도시된 것과 같이 복수 개의 냉각핀(42)이 스테이터 코어(34)의 원주방향을 따라 배열될 수 있다.
기본적으로 중공부(12)를 통해 유입된 바람이 냉각유로(40)를 통과하면서 냉각핀(42)을 냉각한 후 유출구(44)를 빠져나가는 과정을 통해 스테이터(30)의 냉각이 이루어지게 되나, 코일(36)의 냉각 효과를 높이기 위해 바람의 경로 상에 팬(50)을 설치할 수 있으며, 팬(50)은 메인 샤프트(10)의 선단을 통해 중공부(12)로 유입된 바람의 압력을 높여주어, 냉각핀(42)을 지나가는 풍속을 높이고 최종적으로 바람의 유량을 증가시키는 역할을 한다.
냉각유로(40) 중 팬(50)과 유출구(44) 사이의 구간은 중공부(12)에 비해 단면적이 좁게 형성될 수 있는데, 즉, 도 2에서 ‘Y’로 표시된 부분의 단면적(단면적의 형상은 원형)이 도 2에서 ‘X’로 표시된 부분의 단면적(단면적의 형상은 환형)에 비해 좁게 형성될 수 있으며, 이 경우 냉각핀(42)을 지나는 풍속을 더욱 높일 수 있다.
팬(50)은 냉각유로(40)의 중간 또는 중공부(12)의 중간에 위치할 수도 있으나, 도 2에 도시된 것과 같이 중공부(12)와 냉각유로(40)의 경계에 위치하는 것이 팬(50)을 견고하게 고정하고 바람의 압력을 높이는 데 유리하다.
바람의 압력을 높일 수만 있다면 어떠한 종류의 팬(50)이 사용되어도 무방하나, 래디얼 팬이나 스크롤 팬이 효율적이며, 팬(50)이 중공부(12)와 냉각유로(40)의 경계에 유치한다면 래디얼 팬이나 스크롤 팬을 사용하는 것이 특히 효율적이다.
본 발명의 일 실시예에서 팬(50)이란 압축비의 강도와는 무관하게 유체의 압력을 높여서 배출하는 구성이라면 모두 포함하는 의미로 사용되며, 블로워 및 압축기를 배제하는 의미가 아님을 밝힌다.
냉각유로(40)는 팬(50)의 토출구로부터 스테이터(30)의 반경방향을 따라 연장되는 상류 냉각유로와, 상류 냉각유로의 말단으로부터 유출구(44)까지 이어지는 하류 냉각유로로 구획될 수 있는데, 풍속의 손실을 줄일 수 있도록 상류 냉각유로와 하류 냉각유로의 경계는 완만한 곡선을 이루는 것이 바람직하다.
로터(20)와 스테이터(30) 사이에 형성되는 공간, 즉, 자석(24)과 코일(36)을 수용하고 있는 공간에 직접 냉각풍이 유입되는 경우에는 습기를 머금은 바람에 의해 코일(36) 및 주변 구조물이 부식될 수 있고 먼지가 자석(24)과 코일(36)에 쌓일 수 있으므로, 위 공간은 냉각유로(40)와 서로 연통하지 않는 것이 바람직하다.
또한, 로터(20)와 스테이터(30) 사이에 형성되는 공간에 먼지나 습기가 유입되는 것을 방지하거나 줄이기 위해, 로터(20)의 유출구 방향 단부와 스테이터(30)의 유출구 방향 단부 사이의 틈을 막는 씨일(74)이 설치될 수 있다.
이 씨일(74)로는 브러시 씨일이나 라비린스 씨일이 사용될 수 있으며, 이외에도 회전부를 통한 먼지 유입을 막는 용도로 사용되는 다양한 종류의 씨일이 채택될 수 있다.
하류 냉각유로에는 유출구(44)를 통한 이물질 유입을 방지하는 구조가 형성될 수 있는데, 예컨대, 도 3 및 도 4에서 상류 냉각유로와 하류 냉각유로의 경계부가 스테이터 프레임(32)의 유출구(44) 쪽 단부보다 더 높게 위치하여, 유출구(44)를 통해 유입된 이물질이 중력에 반하여 상류 냉각유로 쪽으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
허브(2)는 허브 커버(60)로 덮여 있고, 허브 커버(60)가 메인 샤프트(10)의 중공부(12)를 가리지 않도록 허브 커버(60)는 중앙부가 뚫려 있으며, 바람이 허브 커버(60)를 통해 메인 샤프트(10)의 중공부(12)로 원활이 유입될 수 있도록 허브 커버(60)의 중앙에는 메인 샤프트(10)의 선단으로 이어지는 에어 가이드(62)가 형성될 수 있다.
메인 샤프트(10)의 선단과 허브(2)의 내주면 사이에는 씨일(72)이 설치될 수 있으며, 이 씨일(72)은 메인 샤프트(10)와 허브(2) 사이에 개재되는 메인 베어링에 먼지나 습기가 유입되는 것을 방지하거나 줄여준다. 이 씨일(72)로는 브러시 씨일이나 라비린스 씨일이 사용될 수 있으며, 이외에도 회전부를 통한 먼지 유입을 막는 용도로 사용되는 다양한 종류의 씨일이 채택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력터빈용 발전기는, 코일(36)을 최적으로 냉각할 수 있도록 팬(50)의 회전 속도를 가변제어 할 수 있는데, 외기 온도와 코일 온도와 발전기의 출력 중 적어도 하나의 데이터를 입력값으로 하여 연산된 결과에 따라 팬(50)의 회전 속도가 가변제어 될 수 있다.
이하에서는 팬(50)의 회전 속도를 가변제어 하는 여러 가지 방법을 설명하도록 한다.
먼저, 코일 온도를 입력값으로 하여 연산된 결과에 따라 팬(50)의 회전 속도를 아래의 [표 1]과 같이 가변제어 할 수 있다.
| 코일 온도 [℃] | 팬 회전 속도 [RPM] |
| 70 | 0 |
| 75 | 0 |
| 80 | 0 |
| 85 | 0 |
| 90 | 0 |
| 95 | 1750 |
| 100 | 2190 |
| 105 | 2630 |
| 110 | 3060 |
| 115 | 3500 |
또한, 발전기의 출력을 입력값으로 하여 연산된 결과에 따라 팬(50)의 회전 속도를 아래의 [표 2]와 같이 가변제어 할 수 있다.
| 발전기 출력 [%] | 팬 회전 속도 [RPM] |
| 10 | 0 |
| 20 | 0 |
| 30 | 0 |
| 40 | 0 |
| 50 | 0 |
| 60 | 1750 |
| 70 | 2190 |
| 80 | 2630 |
| 90 | 3060 |
| 100 | 3500 |
또한, 외기 온도와 코일 온도를 입력값으로 하여 연산된 결과에 따라 팬(50)의 회전 속도를 아래의 [표 3] 내지 [표 7]과 같이 가변제어 할 수 있다.
| 외기 온도 [℃] | 코일 온도 [℃] | 팬 회전 속도 [RPM] |
| -10 | 70 | 0 |
| -10 | 75 | 0 |
| -10 | 80 | 0 |
| -10 | 85 | 0 |
| -10 | 90 | 0 |
| -10 | 95 | 1050 |
| -10 | 100 | 1310 |
| -10 | 105 | 1580 |
| -10 | 110 | 1840 |
| -10 | 115 | 2100 |
| 외기 온도 [℃] | 코일 온도 [℃] | 팬 회전 속도 [RPM] |
| 0 | 70 | 0 |
| 0 | 75 | 0 |
| 0 | 80 | 0 |
| 0 | 85 | 0 |
| 0 | 90 | 0 |
| 0 | 95 | 1230 |
| 0 | 100 | 1530 |
| 0 | 105 | 1840 |
| 0 | 110 | 2140 |
| 0 | 115 | 2450 |
| 외기 온도 [℃] | 코일 온도 [℃] | 팬 회전 속도 [RPM] |
| 10 | 70 | 0 |
| 10 | 75 | 0 |
| 10 | 80 | 0 |
| 10 | 85 | 0 |
| 10 | 90 | 0 |
| 10 | 95 | 1400 |
| 10 | 100 | 1750 |
| 10 | 105 | 2100 |
| 10 | 110 | 2450 |
| 10 | 115 | 2800 |
| 외기 온도 [℃] | 코일 온도 [℃] | 팬 회전 속도 [RPM] |
| 20 | 70 | 0 |
| 20 | 75 | 0 |
| 20 | 80 | 0 |
| 20 | 85 | 0 |
| 20 | 90 | 0 |
| 20 | 95 | 1580 |
| 20 | 100 | 1970 |
| 20 | 105 | 2370 |
| 20 | 110 | 2750 |
| 20 | 115 | 3150 |
| 외기 온도 [℃] | 코일 온도 [℃] | 팬 회전 속도 [RPM] |
| 30 | 70 | 0 |
| 30 | 75 | 0 |
| 30 | 80 | 0 |
| 30 | 85 | 0 |
| 30 | 90 | 0 |
| 30 | 95 | 1750 |
| 30 | 100 | 2190 |
| 30 | 105 | 2630 |
| 30 | 110 | 3060 |
| 30 | 115 | 3500 |
또한, 발전기 출력과 외기 온도를 입력값으로 하여 연산된 결과에 따라 팬(50)의 회전 속도를 아래의 [표 8] 내지 [표 12]와 같이 가변제어 할 수 있다.
| 발전기 출력 [%] | 외기 온도 [℃] | 팬 회전 속도 [RPM] |
| 10 | -10 | 0 |
| 20 | -10 | 0 |
| 30 | -10 | 0 |
| 40 | -10 | 0 |
| 50 | -10 | 0 |
| 60 | -10 | 1050 |
| 70 | -10 | 1310 |
| 80 | -10 | 1580 |
| 90 | -10 | 1840 |
| 100 | -10 | 2100 |
| 발전기 출력 [%] | 외기 온도 [℃] | 팬 회전 속도 [RPM] |
| 10 | 0 | 0 |
| 20 | 0 | 0 |
| 30 | 0 | 0 |
| 40 | 0 | 0 |
| 50 | 0 | 0 |
| 60 | 0 | 1230 |
| 70 | 0 | 1530 |
| 80 | 0 | 1840 |
| 90 | 0 | 2140 |
| 100 | 0 | 2450 |
| 발전기 출력 [%] | 외기 온도 [℃] | 팬 회전 속도 [RPM] |
| 10 | 10 | 0 |
| 20 | 10 | 0 |
| 30 | 10 | 0 |
| 40 | 10 | 0 |
| 50 | 10 | 0 |
| 60 | 10 | 1400 |
| 70 | 10 | 1750 |
| 80 | 10 | 2100 |
| 90 | 10 | 2450 |
| 100 | 10 | 2800 |
| 발전기 출력 [%] | 외기 온도 [℃] | 팬 회전 속도 [RPM] |
| 10 | 20 | 0 |
| 20 | 20 | 0 |
| 30 | 20 | 0 |
| 40 | 20 | 0 |
| 50 | 20 | 0 |
| 60 | 20 | 1580 |
| 70 | 20 | 1970 |
| 80 | 20 | 2370 |
| 90 | 20 | 2750 |
| 100 | 20 | 3150 |
| 발전기 출력 [%] | 외기 온도 [℃] | 팬 회전 속도 [RPM] |
| 10 | 30 | 0 |
| 20 | 30 | 0 |
| 30 | 30 | 0 |
| 40 | 30 | 0 |
| 50 | 30 | 0 |
| 60 | 30 | 1750 |
| 70 | 30 | 2190 |
| 80 | 30 | 2630 |
| 90 | 30 | 3060 |
| 100 | 30 | 3500 |
위의 표에서 살펴본 팬(50) 회전 속도를 가변제어 하는 방식은 예시이며, 발전기 출력, 외기 온도, 코일 온도, 팬 회전 속도로 기재된 구체적인 숫자는 팬(50)의 용량, 풍량 등에 의해 얼마든지 변경될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명에 따른 풍력터빈용 발전기는 블레이드(4)를 통과하여 흐르는 바람에 의해 로터(20)가 냉각되고, 중공부(12) 및 냉각유로(40)를 통해 흐르는 바람에 의해 스테이터(30)가 냉각되기 때문에 풍력터빈용 발전기가 생성한 전기를 냉각을 위해 소모할 필요가 없거나, 냉각용량이 적은 냉각장치만을 사용하여도 충분히 내부 기자재를 냉각할 수 있으므로 종래보다 적은 양의 전기만을 소모하는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 풍력터빈용 발전기는, 중공부(12) 및 냉각유로(40)를 통해 흐르는 바람에 의한 스테이터(30) 냉각효과 덕분에 냉각장치를 탑재하지 않거나 소형화할 수 있고, 이에 따라 타워 상단의 구조물을 경량화할 수 있으며, 타워 상단의 구조물이 경량화되기 때문에 통상의 메인 프레임(6)을 사용하더라도 구조적 건전성이 향상되는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈용 발전기는, 팬(50)의 회전 속도를 가변제어 하는 것을 통해 스테이터(30)의 냉각을 위해 사용하는 바람의 양을 최적화 할 수 있고, 이를 통해 풍력터빈용 발전기의 전력 생산효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
냉각유로, 중공부, 에어 가이드, 메인 프레임, 메인 샤프트, 및 블레이드는 방수 코팅층을 포함하며, 상기 방수 코팅층은 방수 코팅 조성물을 이용하여 형성된다. 또한, 다른 실시 예로, 수축 필름, 진공 필름이 사용될 수 있다. 이때, 수축 필름, 진공 필름의 재질은 PP, PE 등이 활용된다.
상기 방수 코팅 조성물은 하기 화학식 1로 표시되는 실란 화합물; 바인더; 무기 입자; 계면 활성제 및 분산제를 포함한다.
상기 바인더는 아크릴계 바인더, 우레탄계 바인더, 실리콘계 바인더 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 보다 구체적으로 실리콘계 바인더이며, 보다 더 구체적으로 폴리하이드로실록산을 바인더로 이용할 수 있으나, 상기 예시에 국한되지 않는다.
상기 계면활성제는 베타인계 계면활성제이며, 보다 구체적으로 알킬베타인계， 아미드베타인계， 술포베타인계， 히드록시술포베타인계， 아미도술포베타인계, 포스포베타인계 및 이미다졸리늄베타인계로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 상기 예시에 국한되지 않는다.
상기 분산제는 카본계 필러의 분산제로 당업계에서 채용하는 공지된 성분을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로 폴리에스테르계 분산제, 폴리페닐렌에테르계 분산제, 폴리올레핀계 분산제, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 분산제, 폴리아릴레이트계 분산제, 폴리아미드계 분산제, 폴리아미드이미드계 분산제, 폴리아릴설폰계 분산제, 폴리에테르이미드계 분산제, 폴리에테르설폰계 분산제, 폴리페닐렌 설피드계 분산제, 폴리이미드계 분산제; 폴리에테르케톤계분산제, 폴리벤족사졸계 분산제, 폴리옥사디아졸계 분산제, 폴리벤조티아졸계 분산제, 폴리벤즈이미다졸계 분산제, 폴리피리딘계 분산제, 폴리트리아졸계 분산제, 폴리피롤리딘계 분산제, 폴리디벤조퓨란계 분산제, 폴리설폰계 분산제, 폴리우레아계 분산제, 폴리우레탄계 분산제, 폴리포스파젠계 분산제 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 상기 예시에 국한되지 않는다.
상기 무기 입자는 티타늄졸, 알루미나졸, 실리카졸 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 바람직하게는 알루미나졸 및 실리카졸을 혼합하여 이용할 수 있으나, 상기 예시에 국한되지 않는다.
보다 구체적으로, 상기 코팅 조성물은 바인더를 포함하며, 상기 바인더 100 중량부에 대하여, 하기 화학식 1로 표시되는 실란 화합물 30 내지 50 중량부; 무기 입자 5 내지 10 중량부; 계면 활성제 10 내지 20 중량부 및 분산제 10 내지 15 중량부를 포함할 수 있다. 상기 범위 내에서 사용하는 경우에, 코팅 조성물의 구성 성분 간의 혼합 작용에 의해, 방수 효과가 나타나며, 범위 미만이거나 범위 초과인 경우 방수 효과가 저해되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 방수 코팅 조성물은 스프레이 코팅법에 의해 방수 코팅층을 형성할 수 있으며, 방수 코팅 조성물을 이용하여 방수 코팅층을 형성하는 것은 상기 스프레이 코팅법 이외에 다른 공지된 방법을 이용할 수 있다.
이에 따라 냉각유로, 중공부, 에어 가이드, 메인 프레임, 메인 샤프트, 및 블레이드는 방수성을 극대화하여 로터와 스테이터의 내부로 물이 유입되는 것을 방지하여 장비의 고장이나 손상을 미연에 방지하여 유지비용과 시간을 절감하고, 작업자와 관리자의 편의성 및 안전성을 향상하고, 수명을 증대시키며 안정성과 신뢰성을 극대화할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술할 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
1 : 풍력터빈용 발전기
2 : 허브 4 : 블레이드
6 : 메인 프레임 8 : 나셀 커버
10 : 메인 샤프트 12 : 중공부
20 : 로터 22 : 로터 프레임
24 : 자석 30 : 스테이터
32 : 스테이터 프레임 34 : 스테이터 코어
36 : 코일 40 : 냉각유로
42 : 냉각핀 44 : 유출구
50 : 팬 60 : 허브 커버
62 : 에어 가이드 72, 74 : 씨일
80 : 베어링
2 : 허브 4 : 블레이드
6 : 메인 프레임 8 : 나셀 커버
10 : 메인 샤프트 12 : 중공부
20 : 로터 22 : 로터 프레임
24 : 자석 30 : 스테이터
32 : 스테이터 프레임 34 : 스테이터 코어
36 : 코일 40 : 냉각유로
42 : 냉각핀 44 : 유출구
50 : 팬 60 : 허브 커버
62 : 에어 가이드 72, 74 : 씨일
80 : 베어링
Claims (12)
- 복수 개의 블레이드가 결합되며 바람에 의해 상기 블레이드와 함께 회전하는 허브;
상기 허브와 상대 위치가 고정되어 상기 허브와 함께 회전하는 로터;
상기 허브가 회전 가능하게 결합되며 길이 방향으로 중공부가 형성되어 있는 메인 샤프트를 갖는 메인 프레임;
상기 메인 프레임과 상대 위치가 고정되며 상기 로터와 마주하는 상태에서 상기 로터에 의해 둘러싸여 있는 스테이터; 및
상기 메인 샤프트의 선단을 통해 상기 중공부로 유입된 바람이 상기 스테이터를 냉각하고 유출구를 통해 외부로 빠져 나가는 내부통로인 냉각유로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 발전기.
- 제1항에 있어서,
상기 메인 샤프트의 선단을 통해 상기 중공부로 유입된 바람의 압력과 유량을 조절하기 위해 바람의 경로 상에 설치된 팬;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 발전기.
- 제2항에 있어서,
상기 냉각유로 중 상기 팬과 상기 유출구 사이의 구간은 상기 중공부에 비해 단면적이 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 발전기.
- 제3항에 있어서,
상기 냉각유로 상에 위치하며 상기 스테이터의 래디얼 방향 내측면에 형성되는 냉각핀;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 발전기.
- 제4항에 있어서,
상기 로터와 상기 스테이터 사이에 형성되는 공간은 상기 냉각유로와 서로 연통하지 않는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 발전기.
- 제5항에 있어서,
상기 허브의 외부를 감싸는 허브커버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 발전기.
- 제6항에 있어서,
상기 허브커버의 중앙에는 상기 메인 샤프트의 선단으로 이어지는 에어 가이드가 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 발전기.
- 제7항에 있어서,
상기 팬은 상기 중공부와 상기 냉각유로의 경계에 위치하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 발전기.
- 제8항에 있어서,
상기 냉각유로는 상기 팬의 토출구로부터 상기 스테이터의 반경방향을 따라 연장되는 상류 냉각유로와, 상기 상류 냉각유로의 말단으로부터 상기 유출구까지 이어지는 하류 냉각유로로 구획되는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 발전기.
- 제9항에 있어서,
상기 유출구는 상기 메인 샤프트의 선단의 반대방향을 향하고 있으며, 상기 하류 냉각유로에는 상기 유출구를 통한 이물질 유입을 방지하는 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 발전기. - 제10항에 있어서,
상기 로터의 상기 유출구 방향 단부와 상기 스테이터의 상기 유출구 방향 단부 사이의 틈을 막는 씨일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 발전기.
- 제11항에 있어서,
상기 팬은 외기 온도, 상기 스테이터에 설치된 코일 온도, 발전기 출력 중 적어도 하나의 데이터를 입력값으로 하여 연산된 결과에 따라 회전 속도가 가변제어 되는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 발전기.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200121283A KR102390066B1 (ko) | 2020-09-21 | 2020-09-21 | 풍력터빈용 발전기 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020200121283A KR102390066B1 (ko) | 2020-09-21 | 2020-09-21 | 풍력터빈용 발전기 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220038909A true KR20220038909A (ko) | 2022-03-29 |
| KR102390066B1 KR102390066B1 (ko) | 2022-04-25 |
Family
ID=80995667
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020200121283A KR102390066B1 (ko) | 2020-09-21 | 2020-09-21 | 풍력터빈용 발전기 |
Country Status (1)
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| KR (1) | KR102390066B1 (ko) |
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2020
- 2020-09-21 KR KR1020200121283A patent/KR102390066B1/ko active IP Right Grant
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