KR20240054990A

KR20240054990A - 초전도 풍력 발전기를 위한 냉각 시스템

Info

Publication number: KR20240054990A
Application number: KR1020247007767A
Authority: KR
Inventors: 알렉세이 라도빈스키; 알렉산더 주코브스키
Original assignee: 메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지; 커먼웰스 퓨젼 시스템스 엘엘씨
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2022-08-30
Publication date: 2024-04-26
Also published as: WO2023034257A1; EP4396929A1

Abstract

액체 헬륨 및/또는 헬륨 가스와 같은 냉매가 열 전도성 플렉시블 구조물을 통해 초전도 자석들에 적용되는 풍력 발전기에 대한 기술이 설명된다. 이러한 구조물들은 냉매 채널을 자석 및/또는 자석이 열적으로 커플링된 열 전도성 구조물(예: 금속 플레이트)에 열적으로 커플링한다. 열 전도성 플렉시블 구조물은 자석을 가열 및/또는 냉각하는 동안 구조물을 냉각하는 극저온 채널에 대한 자석의 움직임이 채널과 자석 사이의 열적 연결에 손상을 초래하지 않도록 배열될 수 있다. 발전기의 고정 스테이지는 냉각 스테이션을 수용하고 적절한 회전 유니온을 통해 냉매를 회전 스테이지로 전달할 수 있다.

Description

초전도 풍력 발전기를 위한 냉각 시스템

아래의 개시는 자석이 자석 자체와 실질적으로 동일한 작동 온도로 냉각되는 용기 내에 있는 냉각 시스템보다 열 효율이 더 높을 수 있는 냉각 시스템에 관한 것이다.

풍력 터빈은 발전기를 사용하여 바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환한다.　　터빈은 일반적으로 바람에 의해 구동되어 로터를 회전시키는 로터에 연결된 핀 또는 기타 구조물을 포함한다.　　발전기는 로터에 내장된 자석을 포함하며, 자석의 회전으로 인해 전기자에 전류가 발생한다.

일부 풍력 터빈은 강력한 영구 자석을 사용하는 반면 일부는 전자석을 사용한다.　　후자의 경우, 풍력 터빈은 초전도 자석을 포함할 수 있는데, 이는 손실 없이 전류를 전달할 수 있기 때문에 매우 효율적일 수 있다.　　그러나 초전도 물질이 이러한 방식으로 작동하려면 저온으로 냉각되어야 한다.

일부 양태에 따르면, 루프 내에 배열된 복수의 고온 초전도(HTS) 자석들; 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들 - 각각의 열 전도성, 플렉시블 구조물은 상기 루프 내의 복수의 HTS 자석들 중 하나 이상에 열적으로 커플링됨; 및 가스 채널을 포함하고, 상기 가스 채널은, 상기 루프의 중심 영역으로부터 방사상 외측으로 연장되는 입구 부분; 상기 입구 부분에 커플링되고 상기 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들 중 적어도 일부에 열적으로 커플링된 원주 부분; 및 상기 원주 부분에 커플링되고 상기 루프의 상기 중심 영역에 대해 방사상 내측으로 연장되는 출구 부분을 포함하는, 풍력 발전기가 제공된다.

일부 양태에 따르면, 냉각 시스템을 포함하고, 상기 냉각 시스템은, 가스 입구 및 가스 출구 - 상기 가스 입구 및 상기 가스 출구 사이에는 가스 채널이 커플링됨 - 를 가지는 회전 부분; 가스 출구와 가스 입구를 가지는 고정 부분 - 상기 고정 부분은 상기 고정 부분의 출구에서 냉각된 가스를 제공하도록 구성됨 - ; 상기 회전 부분과 고정 부분 사이에 커플링된 회전 유니온 - 상기 회전 유니온은 상기 고정 부분의 상기 가스 출구 및 상기 회전 부분의 상기 가스 입구와 유체 연통하는 제1 채널을 갖고, 상기 회전 부분의 상기 가스 출구 및 상기 고정 부분의 상기 가스 입구와 유체 연통하는 제2 채널을 가짐 - ; 및 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들 - 각각의 열 전도성, 플렉시블 구조물은 상기 회전 부분의 적어도 일부에 열적으로 커플링됨 - 을 포함하는, 풍력 발전기가 제공된다.

일부 양태에 따르면, 냉매 공급원으로부터 냉매 가스를 수용하도록 구성된 제1 입구, 회전 유니온의 입력에 가스를 제공하도록 구성된 제1 출구, 및 회전 유니온의 출력으로부터 가스를 수용하도록 구성된 제2 입구를 갖는 고정 부분을 포함하며, 상기 제1 출구에서의 상기 가스의 온도는 상기 제2 입구에서의 상기 가스의 온도보다 낮고, 상기 고정 부분은, 저온 유지 장치(cryostat); 상기 저온 유지 장치 내에 배치된 열 복사 쉴드; 상기 열 복사 쉴드 내에 제공되며, 상기 고정 부분의 상기 제1 입구에 대응하는 제1 입구, 상기 고정 부분의 상기 제1 출구에 대응하는 제1 출구, 및 상기 고정 부분의 상기 제2 입구에 대응하는 제2 입구를 갖는 가스 채널; 상기 가스 채널에 열적으로 커플링된 제1 복수의 콜드 헤드들; 상기 가스 채널에 열적으로 커플링된 상기 제1 복수의 콜드 헤드들에 커플링된 압축기(compressor); 상기 열 쉴드에 커플링된 콜드 헤드; 상기 열 쉴드를 위해 상기 콜드 헤드에 커플링된 압축기; 및 상기 가스 채널에 커플링되고 상기 가스 채널을 통해 가스의 유동을 유도하도록 구성된 밸브 시스템을 포함하는, 풍력 발전기를 위한 냉각 시스템이 제공된다.

일부 양태에 따르면, 루프 내에 배열된 복수의 고온 초전도(HTS) 자석들; 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들 - 각각의 열 전도성, 플렉시블 구조물은 상기 루프 내의 복수의 HTS 자석들 중 하나 이상에 열적으로 커플링됨; 및 냉각 채널을 포함하고, 상기 냉각 채널은, 입구 부분; 상기 입구 부분에 커플링되고 상기 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들 중 적어도 일부에 열적으로 커플링된 원주 부분; 및 출구 부분을 포함하는, 발전기가 제공된다.

일부 양태에 따르면, 냉각 시스템을 포함하고, 상기 냉각 시스템은, 입구 및 출구 - 상기 입구 및 상기 출구 사이에는 냉각 채널이 커플링됨 - 를 가지는 회전 부분; 출구 및 입구를 가지는 고정 부분 - 상기 고정 부분은 상기 고정 부분의 출구에서 냉각된 가스를 제공하도록 구성됨 - ; 상기 회전 부분과 고정 부분 사이에 커플링된 회전 유니온 - 상기 회전 유니온은 상기 고정 부분의 상기 출구 및 상기 회전 부분의 상기 입구와 유체 연통하는 제1 채널을 가지고, 상기 회전 부분의 상기 출구 및 상기 고정 부분의 상기 입구와 유체 연통하는 제2 채널을 가짐 - ; 및 복수의 열 전도성 플렉시블 구조물들 - 각각의 열 전도성 플렉시블 구조물은 상기 회전 부분의 적어도 일부에 열적으로 커플링됨 - 을 포함하는, 풍력 발전기가 제공된다.

전술한 장치 및 방법 실시예는 위에서 설명하거나 아래에서 더 상세히 설명된 양태, 특징 및 행위의 임의의 적절한 조합으로 구현될 수 있다.　　본 교시의 이러한 측면, 실시예 및 특징은 첨부된 도면과 함께 제공되는 다음 설명을 통해 더 충분히 이해할 수 있다.

다음 도면을 참조하여 다양한 양태 및 실시예가 설명될 것이다.　　수치가 반드시 규모에 맞게 그려진 것은 아니라는 점을 이해해야 한다.　　도면에서는 다양한 도에 나와 있는 동일하거나 거의 동일한 각 구성요소가 동일한 숫자로 표시된다.　　명확성을 위해 모든 도면에 모든 구성요소에 레이블이 지정되는 것은 아니다.
도 1은 일부 실시예에 따른 냉각 시스템용 냉각 스테이션의 개략도이다.
도 2a는 냉각 시스템이 연결된 회전 스테이지의 일부를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 2b는 일부 실시예에 따른 냉각 시스템을 이용하는 회전 스테이지의 냉각 방식을 보여주는 회전 스테이지 일부의 개략도 형태의 정면도이다.
도 3은 일부 실시예에 따른 냉각 시스템 컴포넌트가 없는 로터 내의 자석 코일의 모습을 도시한다.

상술한 바와 같이, 풍력 터빈은 초전도 자석을 포함할 수 있는데, 초전도 자석은 자석 내의 전도체가 초전도 상태에서 작동하도록 극저온으로 냉각해야 한다.　　본 명세서에 언급된 바와 같이, 초전도체 또는 초전도 물질은 임계 온도 이하에서 전기 저항이 0인 물질이다.　　이 임계 온도는 일부 초전도체의 경우 수 켈빈 정도일 수 있지만 고온 초전도체(HTS)로 알려진 물질 종류의 경우 임계 온도는 약 90K까지 높을 수 있다.　　

그러나 발전기(예: 풍력 발전기)의 회전 스테이지에서 자석을 극저온 냉각하면 몇 가지 문제가 발생한다.　　첫째, 회전 스테이지에 냉장고를 설치하는 것 자체가 어렵고 원심력 하에서 작동하면 성능이 저하될 수 있다.　　따라서 냉매는 일반적으로 고정 스테이지에서 공급되어 회전 스테이지로 전달되어야 한다.　　둘째, 냉매는 회전 스테이지의 영역 간(예: 회전 스테이지의 중심에서 회전 스테이지의 외부 부분으로)으로 전달되어야 하지만 풍력 터빈의 크기와 회전 속도는 그러한 이동을 도울 수 있는 원심력이 비교적 작다.　　셋째, 자석에 냉매를 공급하기가 어렵고 작동에 필요한 자석의 온도가 낮기 때문에 자석의 균일한 냉각이 어려울 수 있다.

본 발명자들은 액체 헬륨 및/또는 헬륨 가스와 같은 냉매가 열 전도성 플렉시블 구조물을 통해 초전도 자석에 적용되는 풍력 발전기와 같은 발전기의 냉각 기술을 인정하고 높이 평가했다.　　이러한 구조물은 냉매 채널을 자석 및/또는 자석이 열적으로 커플링되는 열 전도성 구조물(예를 들어, 열 전도성 표면 또는 금속 플레이트와 같은 구조물)에 열적으로 커플링한다.　　열 전도성 플렉시블 구조물은 자석을 가열 및/또는 냉각하는 동안 구조물을 냉각시키는 극저온 채널에 대한 자석의 움직임이 채널과 자석 사이의 열 연결에 손상을 초래하지 않도록 배열될 수 있다.　　예를 들어, 열 전도성 플렉시블 구조물은 자석의 가열 및/또는 냉각 동안 자석의 움직임을 허용하여 튜브-자석 구조물에서의 쉴드 등 열 수축/팽창으로 인한 높은 응력을 피할 수 있다.

본 명세서에 설명된 냉각 시스템은 자석이 자석 자체와 실질적으로 동일한 작동 온도로 냉각되는 용기 내에 있는 냉각 시스템보다 열 효율이 더 높을 수 있다.　　예를 들어, 본 명세서에 설명된 냉각 기술은 자석을 포함하는 용기를 약 70-80K까지 냉각시킬 수 있는 반면, 자석 자체는 약 20K까지 냉각될 수 있다.　　따라서, 본 명세서에 설명된 냉각 기술은 상대적으로 작은 냉각 열 엔벨로프를 가짐으로써 보다 효율적인 냉각을 제공할 수 있다.　　또한 HTS 자석을 사용하면 가스를 통한 냉각이 가능하고 액체 헬륨을 사용할 필요가 없다는 것이 여기에 설명된 기술의 장점일 수 있다.　　반대로 저온 초전도체(LTS) 자석은 저온에서 작동해야 하며 액체 헬륨이 필요할 수 있다.

일부 실시예에 따르면, 냉각 시스템은 냉매(예: 압축 헬륨 가스와 같은 가스 공급원)가 극저온(예: 40K 미만)으로 냉각되고 회전 유니온을 통해 로터에서 초전도 자석(예: 고온 초전도(HTS) 코일)에 근접한 채널을 통해 냉매를 공급하기 위한 입구 및 출구 매니폴드를 갖는 회전 스테이지로 출력되는 비회전 스테이지를 포함할 수 있다.　냉매는 냉매 채널을 자석 및/또는 자석이 열적으로 커플링되는 플레이트(예를 들어, 구리 또는 알루미늄 플레이트)에 열적으로 커플링되는 전술한 열 전도성 플렉시블 구조물을 통해 자석으로부터 멀리 열을 전달할 수 있다.

다음은 풍력 발전기의 냉각 기술과 관련된 다양한 개념 및 실시예들에 대한 보다 상세한 설명이다.　　본 명세서에 설명된 다양한 양태들이 수많은 방법 중 임의의 방법으로 구현될 수 있다는 점을 이해해야 한다.　본 명세서에는 구체적인 구현의 예가 설명 목적으로만 제공된다.　또한, 아래 실시예에서 설명된 다양한 양태는 단독으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있으며, 본 명세서에 명시적으로 설명된 조합에 국한되지 않는다.

도 1은 일부 실시예에 따른 냉각 시스템을 위한 냉각 스테이션의 개략도이다.　　냉각 스테이션은 냉각 시스템의 비회전 부분일 수 있거나 그 일부일 수 있으며, 회전 유니온을 통해 냉매를 회전 스테이지로 향하게 하도록 구성될 수 있다.　　냉각 스테이션은 또한 냉매로서 사용하기 위해 가스를 극저온으로 냉각하도록 구성될 수 있다.　자석을 냉각하기 위해 냉매를 공급하는 회전 유니온과 입구/출구 매니폴드는 도 1에 나와 있지만 회전 스테이지 자체는 아래에서 설명하는 것처럼 도 1에 일부만 나와 있다.

도 1의 예에서, 극저온 냉각기 콜드 헤드(109)(또한 CH1, CH2, CH3 및 CH4로 표시됨)는 진공 단열재 및 열 쉴드(103)를 갖춘 저온 유지 장치(102)에 위치하거나 그 일부로서 제공된다.　저온 유지 장치(102)에 설치된 극저온 냉각기 콜드 헤드는 도면의 폐쇄 루프 회로에서 순환되는 헬륨을 냉각하는 역할을 한다.　　도 1의 예에서 극저온 냉각기 콜드 헤드는 극저온 콜드 헤드를 구동하는 실온 압축기(C1, C2, C3 및 C4로 표시됨)에 연결되어 있다.　　도 1에 도시된 회로는 예를 들어 압축 가스 공급원일 수 있는 소스(101)로부터 주변 온도에 있을 수 있는 가스를 수신하고, 가스를 루프를 통해 보낸다.　　루프 내의 순환은 저온 유지 장치(102)에 설치된 저온 송풍기(예를 들어, 크라이오팬)(104)에 의해 제공된다.　　회로 내의 가스는 콜드 헤드(109)에 의해 냉각되고, 냉각의 결과로 생성된 냉각된 가스 및/또는 차가운 액체(이하 '냉매')는 회전 유니온(105)을 통해 회전 스테이지(시스템의 고정 부분과 회전 부분 사이의 경계를 나타내는 수직 점선(108)의 우측에 있음)로 공급될 수 있다.　　입구 매니폴드(106)는 자석에 냉매를 공급한다(도 1에는 도시되지 않음).　　로터로부터 되돌아오는 냉매는 출구 매니폴드(107)를 통해 회전 유니온(105)을 통해 다시 폐쇄형 루프의 냉각 스테이션으로 보내진다.　　결과적으로 냉매는 콜드 헤드에 의해 냉각되고 로터의 자석을 냉각하고 크라이오팬으로 되돌아간 다음 콜드 헤드 등으로 전달되어 이 시스템을 통해 순환할 수 있다.

콜드 헤드(CH1, CH2, CH3 및 CH4) 각각은 열 교환기(들쭉날쭉한 선으로 표시됨)에 연결되어 회로의 냉매 유동을 냉각시킨다.　　열 교환기를 통한 냉매 유동은 도 1의 예와 같이 직렬, 병렬 또는 직렬 및 병렬로 순환할 수 있다.　　즉, 도 1의 예에서는 한 채널이 CH1과 CH2를 직렬로 통과하는 반면 병렬 채널은 CH3과 CH4를 직렬로 통과한다.　　냉각 시스템에는 원하는 수의 콜드 헤드가 포함될 수 있으며 네 개의 콜드 헤드는 단지 예시일 뿐이라는 점을 이해해야 한다.

일부 실시예에서, 하나 이상의 콜드 헤드는 회로 내의 가스 흐름의 온도를 제어하도록 구성된 히터를 포함하거나 그렇지 않으면 히터에 연결될 수 있다.　　풍력 발전기에서 자석을 처음 냉각하는 동안 자석 및 관련 구조물(예: 자석 하우징)의 온도 쉴드 및 열 응력을 관리하기 위해 자석의 온도를 제한하는 것이 유용할 수 있다.　　예를 들어, 히터(들)는 초기 냉각 동안 자석 온도와 냉각 회로 온도 사이의 온도 쉴드가 50K 미만으로 약 120K로 제한하도록 작동될 수 있는 반면, 120K 미만에서는 자석이 더 자유롭게 냉각될 수 있다.

일부 실시예에서, 도 1에 도시된 회로 내의 냉매 유동은 10-30 bar 사이의 압력을 가질 수 있거나, 15-25 bar 사이의 압력을 가질 수 있거나, 20 bar(또는 약 20 bar)의 압력을 가질 수 있다.　　일부 실시예에서, 도 1에 도시된 회로 내의 냉매 유동은 10K 내지 30K의 작동 온도, 15K 내지 25K, 또는 20K(또는 약 20K)의 온도에서 순환될 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 저온 유지 장치에 설치된 저온 팬(104)은 도 1에 표시된 냉각 회로 주위에 냉매 순환을 제공한다.　일부 실시예에서, 냉각 회로는 저온 팬(104)에 의해 회로 주위를 순환하는 고압 실린더를 포함하는 소스(101)로부터의 고순도 헬륨 가스에 의해 충전될 수 있다.　　일부 실시예에 따르면, 각 콜드 헤드(109)는 예를 들어 플렉시블 호스로 저온 유지 뚜껑에 위치한 콜드 헤드 모터에 연결된 실온 냉매 압축기에 연결될 수 있다.　순환하는 냉매 유동을 냉각하기 위한 장비의 일부 또는 전부는 풍력 터빈 나셀(wind turbine nacelle)의 플랫폼 위에 또는 다른 방식으로 연결된 것과 같이 풍력 터빈의 고정된 부분에 설치될 수 있다.

일부 실시예에 따르면, 저온 유지 장치(102)는 외부 냉각 회로 없이 자신의 냉각 특성을 테스트할 수 있는 바이패스 밸브를 포함할 수 있다.　일부 실시예에서, 저온 유지 장치(102)는 저온 유지 장치 외부의 입구 및 출구 저온 튜브를 서로 가깝게 추적하고 이를 상호 진공 재킷 라인(VJL)에 설치하는 기능을 제공하는 회로 공급 및/또는 회수 밸브를 포함할 수 있으며, 이는 냉매 유동에 대한 열 부하를 감소시킬 수 있다.

일부 실시예에 따르면, 저온 유지 장치 열 쉴드(103)는 회로의 온도와 실내 온도 사이의 온도로 냉각될 수 있다.　　예를 들어, 열 쉴드는 약 80K까지 냉각될 수 있지만 회로는 약 20K이다.　　일부 실시예에서, 열 쉴드는 소용량 펄스 튜브 극저온 냉각기에 의해 냉각될 수 있으며, 예를 들어, 공냉식 압축기를 사용하여 80K에서 90W의 용량을 갖는 Cryomech의 펄스 튜브 PT 90을 사용할 수 있다.　　별도의 극저온 냉각기를 사용하여 열 쉴드를 냉각하면 풍력 터빈 나셀에 설치된 저온 유지 방사 쉴드를 냉각하기 위해 액체 질소를 사용할 필요가 없다.

도 2a 및 도 2b는 일부 실시예에 따른 냉각 시스템의 회전 스테이지에 대한 냉각 방식을 도시한다.　　냉각 시스템의 회전 스테이지는 고정자 내에 수용될 수 있는 풍력 터빈의 로터 내부에 배치될 수 있다.　　도 2a는 회전 스테이지의 냉각 방식의 측면도와 로터 초전도 자석(205)을 나타내고, 도 2b는 일부 로터 자석과 함께 회전 스테이지의 냉각 방식을 보여주는 정면을 도시한다.　　도 2a 및 도 2b 각각에는 각각 헬륨 입구 및 출구 매니폴드(201, 202)가 도시되어 있으며, 이는 도 1에 도시된 바와 같이 각각 입구 및 출구 매니폴드(106, 107)에 대응할 수 있다.　　명확성을 위해 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드까지 단일 순환 루프만 표시되지만, 일반적으로 아래에 설명된 것처럼 이러한 루프가 여러 개 포함될 수 있다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 입구 매니폴드(201)로부터 흐르는 냉매는 일반적으로 207로 표시된 냉각 채널(때때로 "채널" 이라고 함)(예를 들어, 임의의 바람직하거나 편리한 단면 형상을 갖는 튜브)을 통해 로터 쪽으로 흐른 다음 출구(202)로 되돌아간다. 이 예시적인 실시예에서, 냉매는 중앙 영역(예를 들어, 로터 축에 근접한 영역)으로부터 바깥쪽으로, 로터 둘레의 일부를 중심으로 방사형 채널을 통해 흐르고, 다시 출구 매니폴드(202)로 흐른다.　　이 경로는 도 2a에 도시되어 있는데, 여기서 채널(207)은 열 전도성 물질로 형성되거나 이를 포함할 수 있는 냉각 플레이트(203)에 열적으로 커플링되어 있음을 알 수 있다.　　이 예시적인 실시예에서, 채널(207)은 자석 또는 자석과 열적으로 접촉하는 냉각 플레이트(203)(예를 들어, 구리 또는 알루미늄 판)을 냉각하기 위해 초전도 자석(205)뒤에 배열된다.　채널과 냉각 플레이트 사이의 냉각은 각각 채널의 원주 섹션 옆에 배열된 도 2b에 도시된 열 전도성의 플렉시블 구조물(206)을 통해 달성될 수 있다.　　복수의 냉각 루프(예: 도 2B에 도시된 채널(207a, 207b, 207c)에 의해 형성된 루프)가 제공될 수 있으며, 각 냉각 루프는 열적으로 커플링된 플렉시블 구조물 및 냉각 플레이트를 통해 하나 이상의 초전도체 자석에 냉각을 제공한다.　　채널 부분(207a, 207c)은 입구 및 출구 매니폴드(201, 202)가 로터 및 HTS 자석(205)을 향해 배치되고 채널 부분(207b)은 실질적으로 원주 경로를 따라 향하는 실질적인 중심 로터 영역으로부터 반경 방향으로 향한다는 점에 유의해야 한다.　　

일부 실시예에 따르면, 구조물(206)은 열 전도성(예를 들어, 금속) 레이디얼 튜브로부터 형성될 수 있으며, 튜브의 원주 부분은 냉각 플레이트(203)에 열적으로 커플링(예를 들어, 납땜된 것과 같이 부착)된다.　　일부 실시예에 따르면, 하나 이상의 플렉시블 구조물(206)은 냉매 채널의 외경 및 냉각 플레이트(203)에 연결될 수 있다.　　일부 실시예에서, 구조물(206)은 자석과 냉매 채널 사이의 공간을 확장 또는 수축시킬 수 있는 금속 배플(metal baffles)로서 형성될 수 있다.　이러한 구성은 구조물 내의 굴곡부 및 접합부를 제거함으로써 개선된 열 연결을 제공할 수 있다.　　레이디얼 튜브의 플렉시블함은 벨로우즈 및/또는 튜브의 벤딩에 의해 제공될 수 있다.　　후자의 경우, 굽힘은 자석의 냉각 및 가온 중에 자석의 움직임을 허용하여 튜브-투 자석 구조물의 쉴드등 열 수축/팽창으로 인한 높은 응력을 피할 수 있다.　　일부 실시예에 따르면, 플렉시블 구조물(206) 중 하나는 복수의 자석 코일(예를 들어, 5 코일)을 냉각할 수 있다.　　이들 코일은 공통 냉각 플레이트에 연결되거나 플렉시블 구조물이 연결된 다중 냉각 플레이트에 커플링될 수 있다.　　

일부 실시예에 따르면, 냉매 채널은 진공 열 용기(204)로 들어갈 때 밀폐형 절연 열 피드스루를 통과할 수 있다.　　따라서, 냉각 플레이트(203), HTS 자석(205), 열 전도성, 플렉시블 구조물(206)및 냉각 채널 부분(207b)은 진공 열 용기(204)에 배치될 수 있다.

경우에 따라, 하나 이상의 냉매 채널이 냉각 플레이트의 위치에 가깝게 구부러질 수 있다.　　경우에 따라 냉매 채널이 반경 방향으로 구부러져 로터 축 근처에 위치한 출구 매니폴드까지 추적될 수 있다.　　한 설계에서 로터 자석은 모든 자석의 직렬 및 병렬 냉각을 제공하기 위해 60개의 자석 코일과 12개의 평행 입구 및 출구 튜브로 구성될 수 있다.　　예를 들어, 두 개의 인접한 자석 코일에 대해 하나의 방사형 입구 튜브가 제공되고 두 개의 방사형 출구 튜브가 출구 매니폴드로 가스를 반환하는 방식으로 냉각 방식에 변화를 줄 수 있다.

일부 실시예에 따르면, 로터 외부 및 내부의 냉매 채널 및/또는 입구 및 출구 매니폴드(201, 202)가 단열을 제공하기 위해 진공 재킷(VJL)에 설치될 수 있다.　냉매 채널 및/또는 매니폴드는 다층 단열재(MLI)로 감쌀 수 있으며 진공 유지를 개선하기 위해 게터(예: 숯 게터)를 포함할 수 있다.　　예를 들어, 저온 헬륨 이송을 위한 VJL은 공장 펌핑 아웃 후에도 단열 진공의 심각한 성능 저하 없이 그리고 다시 펌핑할 필요 없이 수년 동안 작동할 수 있다.　　일부 경우에, 진공 용기는 펌핑 아웃할 필요 없이 설계된 진공에서 작동을 연장하기 위한 게터를 포함할 수 있다.

코일 구리 냉각 플레이트에만 저온 가스(예: 헬륨)를 적용한 상기 설명한 냉각 시스템은 자석 주변의 열-진공 엔벨로프(용기)가 예를 들어 70-80 K의 고온에서 유지되는 열 쉴드를 갖는 설계를 제공할 수 있다. 상대적으로 가벼운 엔벨로프는 자석 지지대에 매달려 필요한 열 저항과 자석 온도에 관련된 차동 온도를 제공한다.　　

일부 실시예에서, 자석(205)에 전류를 공급하는 전류 리드에 의한 냉각 시스템에 대한 열 부하는 하이브리드 유형의 전류 리드, 예를 들어, 구간 온도(300 - 70 K)에 대한 구리 저항 전류 리드 및 70 - 20 K 온도에 대한 HTS 전류 리드를 사용함으로써 감소될 수 있다.　냉각 코일 헬륨 흐름으로 인한 부분 배기 가스를 사용하여 구리 전류 리드를 약 70K까지 냉각하고 열 부하가 낮은 HTS 전류 리드의 기능을 제공할 수 있다.

도 3은 일부 실시예에 따른 냉각 시스템 컴포넌트가 없는 로터 내의 자석 코일의 모습을 도시한다.　　코일에 있는 자석의 모양을 설명하기 위해 자석(305)의 루프가 도 3에 도시되어 있다.　각 자석은 REBCO(예를 들어, YBCO)와 같은 고온 초전도체(HTS)를 포함할 수 있다.　　일부 실시예에서, 자석(305) 각각은 루프에 감긴 HTS 테이프의 스택을 포함할 수 있다.　　일부 실시예에서, 자석(305)은 더블 팬케이크 코일을 포함할 수 있다.　일부 실시예에서, 자석은 무절연 HTS 자석일 수 있다.

일부 실시예에 따르면, 자석(305) 각각은 경주장 나선형으로서 하나 이상의 회전에 감긴 하나 이상의 HTS 스택을 포함할 수 있다.　　자석이 HTS들의 복수의 스택을 포함하는 경우, 스택 각각은 강철과 같은 종래의(비초전도체)전도체에 의해 분리될 수 있다.　　담금질 동안 강철은 자석의 회전을 가로질러 전류가 흐르도록 하여 전류를 소산시키고 HTS의 손상을 완화할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 몇 가지 측면을 설명하였으므로, 당업계의 숙련자에게도 다양한 변경, 수정 및 개선이 쉽게 일어날 수 있다는 점을 이해할 수 있다.　　

이러한 변경, 수정 및 개선은 본 개시내용의 일부를 목적으로 하며, 본 발명의 취지 및 범위 내에 포함되도록 의도된다.　　또한, 본 발명의 장점이 명시되어 있지만, 여기에 설명된 기술의 모든 실시예가 기술된 모든 이점을 포함하는 것은 아니라는 점을 이해해야 한다.　　일부 실시예는 본 명세서에서 유리한 것으로 설명된 특징을 구현하지 않을 수 있으며, 일부 경우에 설명된 특징 중 하나 이상이 추가 실시예를 달성하도록 구현될 수 있다.　　따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 예시일 뿐이다.

본 발명의 다양한 양태는 단독으로, 조합하여 또는 전술한 실시예에서 구체적으로 설명되지 않은 다양한 배열로 사용될 수 있으며, 따라서 전술한 설명에서 설명하거나 도면에 설명된 구성요소의 세부 사항 및 배열에 대한 적용에 제한되지 않는다.　　예를 들어, 일 실시예에서 설명된 양태들은 다른 실시예에서 설명된 양태들과 어떤 방식으로든 커플링될 수 있다.

클레임 요소를 수정하기 위한 클레임에서 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수(ordinal) 용어의 사용은 한 클레임 요소가 다른 클레임 요소보다 우선 순위에 있다거나 선행한다거나 순서를 의미하는 것은 아니고, 방법의 작동이 수행되는 시간적 순서를 의미하는 것도 아니지만, 단지 클레임 요소를 구분하기 위해, 특정 이름을 갖는 하나의 클레임 요소를 동일한 이름을 갖는 다른 요소(그러나 서수 용어만 사용)로부터 구분하기 위한 라벨로서만 사용된다.

"대략" 및 "약"이라는 용어는 일부 실시예에서 목표 값의 ±20% 이내, 일부 실시예에서 목표 값의 ±10% 이내, 일부 실시예에서 목표 값의 ±5% 이내, 및 일부 실시예에서 목표 값의 ±2% 이내를 의미하는 데 사용될 수 있다.　"대략" 및 "약"이라는 용어는 목표값을 포함할 수 있다.　　"실질적 동일"이라는 용어는 일부 실시예에서 서로 ±20% 이내, 일부 실시예에서 서로 ±10% 이내, 일부 실시예에서 서로 ±5% 이내, 및 일부 실시예에서 서로 ±2% 이내인 값을 지칭하는 데 사용될 수 있다.　　

"실질적으로"라는 용어는 일부 실시예에서 비교 측정의 ± 20% 이내, 일부 실시예에서는 ± 10% 이내, 일부 실시예에서는 ± 5% 이내, 그리고 일부 실시예에서는 ± 2% 이내의 값을 지칭하는데 사용될 수 있다.　　예를 들어, 제2 방향에 "실질적으로" 수직하는 제1 방향은 일부 실시예에서 제2 방향과 90° 각도를 이루는 것의 ± 20% 이내, 일부 실시예에서 제2 방향과 90° 각도를 이루는 것의 ± 10% 이내, 일부 실시예에서 제2 방향과 90° 각도를 이루는 것의 ± 5% 이내, 일부 실시예에서 제2 방향과 90° 각도를 이루는 것의 ± 2% 이내인 제1 방향을 가리킬 수 있다.

또한, 본원에서 사용되는 어휘와 용어는 설명을 위한 것이므로 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다.　　본원에서 "포함(including)", "포함(comprising)" 또는 "가짐(having)", "함유(containing)", "포함(involving)" 및 그 변형의 사용은 그 뒤에 나열된 항목 및 이에 상응하는 항목 및 추가 항목을 포함하는 것으로 의미된다.

Claims

풍력 발전기에 있어서,
루프 내에 배열된 복수의 고온 초전도(HTS) 자석들;
복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들 - 각각의 열 전도성, 플렉시블 구조물은 상기 루프 내의 복수의 HTS 자석들 중 하나 이상에 열적으로 커플링됨; 및
가스 채널을 포함하고,
상기 가스 채널은,
상기 루프의 중심 영역으로부터 방사상 외측으로 연장되는 입구 부분;
상기 입구 부분에 커플링되고 상기 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들 중 적어도 일부에 열적으로 커플링된 원주 부분; 및
상기 원주 부분에 커플링되고 상기 루프의 상기 중심 영역에 대해 방사상 내측으로 연장되는 출구 부분을 포함하는, 풍력 발전기.
제1항에 있어서,
복수의 금속 플레이트들을 더 포함하고, 상기 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물 각각은 상기 복수의 금속 플레이트들 중 하나 이상을 통해 상기 루프 내의 상기 하나 이상의 HTS 자석들에 열적으로 커플링되는, 발전기
제2항에 있어서,
상기 루프 내의 상기 복수의 HTS 자석들 각각은 상기 열 전도성, 플렉시블 구조물들 중 하나에 열적으로 커플링되는 상기 복수의 금속 플레이트들 중 하나에 열적으로 커플링되는, 발전기.
제1항에 있어서,
상기 가스 채널의 상기 입구 부분에 커플링된 입구 매니폴드 및 상기 가스 채널의 상기 출구 부분에 커플링된 출구 매니폴드를 더 포함하는 발전기.
제4항에 있어서,
상기 입구 매니폴드에 커플링되고 상기 출구 매니폴드에 커플링된 회전 유니온(rotary union)을 더 포함하는, 발전기.
제4항에 있어서,
상기 가스 채널은 제1 가스 채널이고,
상기 제1 가스 채널의 상기 원주 부분은 상기 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들의 제1 서브세트에 열적으로 커플링되고,
상기 발전기는 제2 가스 채널을 더 포함하고,
상기 제2 가스 채널은,
상기 루프의 상기 중심 영역으로부터 방사상 외측으로 연장되는 입구 부분;
상기 제2 가스 채널의 상기 입구 부분에 커플링되고 상기 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들의 제2 서브세트에 열적으로 커플링되는 원주 부분; 및
상기 제2 가스 채널의 상기 원주 부분에 커플링되고 상기 루프의 상기 중심 영역에 대해 방사상 내측으로 연장되는 출구 부분을 포함하는, 발전기.
제1항에 있어서,
상기 루프 내의 각각의 HTS 자석은 HTS 테이프들의 스택을 포함하는, 발전기.
제1항에 있어서,
상기 루프 내의 각각의 HTS 자석은 더블 팬케이크 코일(double pancake coil)을 포함하는, 발전기.
제1항에 있어서,
비회전 냉각 스테이지(non-rotary cooling stage)를 더 포함하고,
상기 비회전 냉각 스테이지는,
가스 공급원; 및
상기 가스 공급원에 커플링된 하나 이상의 가스 채널들과 열 접촉하는 복수의 극저온 냉각 콜드 헤드들을 포함하는, 발전기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들은 각각 플렉시블 방사상 튜브를 포함하는, 발전기.
풍력 발전기에 있어서,
냉각 시스템을 포함하고,
상기 냉각 시스템은,
가스 입구 및 가스 출구 - 상기 가스 입구 및 상기 가스 출구 사이에는 가스 채널이 커플링됨 - 를 가지는 회전 부분;
가스 출구와 가스 입구를 가지는 고정 부분 - 상기 고정 부분은 상기 고정 부분의 출구에서 냉각된 가스를 제공하도록 구성됨 - ;
상기 회전 부분과 고정 부분 사이에 커플링된 회전 유니온 - 상기 회전 유니온은 상기 고정 부분의 상기 가스 출구 및 상기 회전 부분의 상기 가스 입구와 유체 연통하는 제1 채널을 갖고, 상기 회전 부분의 상기 가스 출구 및 상기 고정 부분의 상기 가스 입구와 유체 연통하는 제2 채널을 가짐 - ; 및
복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들 - 각각의 열 전도성, 플렉시블 구조물은 상기 회전 부분의 적어도 일부에 열적으로 커플링됨 - 을 포함하는, 풍력 발전기.
제11항에 있어서,
상기 냉각 시스템의 상기 회전 부분의 상기 가스 채널은,
상기 가스 채널의 상기 입구 부분은 상기 회전 부분의 중심 영역으로부터 방사상 외측으로 연장되고,
상기 가스 채널의 원주 부분은 상기 입구 부분에 커플링되고, 상기 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들 중 적어도 일부에 열적으로 커플링되고,
상기 가스 채널의 상기 출구 부분은 상기 원주 부분에 커플링되고 상기 회전 부분의 상기 중심 영역에 대해 반경방향 내향으로 연장되도록 구성되는, 풍력 발전기.
제12항에 있어서,
상기 회전 부분은 루프 내에 배열되는 복수의 고온 초전도(HTS) 자석들을 포함하는, 풍력 발전기.
풍력 발전기를 위한 냉각 시스템에 있어서,
냉매 공급원으로부터 냉매 가스를 수용하도록 구성된 제1 입구, 회전 유니온의 입력에 가스를 제공하도록 구성된 제1 출구, 및 회전 유니온의 출력으로부터 가스를 수용하도록 구성된 제2 입구를 갖는 고정 부분을 포함하며, 상기 제1 출구에서의 상기 가스의 온도는 상기 제2 입구에서의 상기 가스의 온도보다 낮고,
상기 고정 부분은,
저온 유지 장치(cryostat);
상기 저온 유지 장치 내에 배치된 열 복사 쉴드;
상기 열 복사 쉴드 내에 제공되며, 상기 고정 부분의 상기 제1 입구에 대응하는 제1 입구, 상기 고정 부분의 상기 제1 출구에 대응하는 제1 출구, 및 상기 고정 부분의 상기 제2 입구에 대응하는 제2 입구를 갖는 가스 채널;
상기 가스 채널에 열적으로 커플링된 제1 복수의 콜드 헤드들;
상기 가스 채널에 열적으로 커플링된 상기 제1 복수의 콜드 헤드들에 커플링된 압축기(compressor);
상기 열 쉴드에 커플링된 콜드 헤드;
상기 열 쉴드를 위해 상기 콜드 헤드에 커플링된 압축기; 및
상기 가스 채널에 커플링되고 상기 가스 채널을 통해 가스의 유동을 유도하도록 구성된 밸브 시스템을 포함하는, 풍력 발전기를 위한 냉각 시스템.
제14항에 있어서,
상기 가스 채널은 상기 제2 입구를 통해 상기 가스 채널로 들어가는 가스가 상기 제1 복수의 콜드 헤드들 중 하나 이상에 제공되고 상기 고정 부분의 상기 제1 출구에 제공되기 전에 냉각되도록 루프를 형성하는, 냉각 시스템.
제14항에 있어서,
상기 압축기는 복수의 압축기들로서 제공되고, 상기 복수의 압축기들 중 하나는 상기 가스 채널에 커플링된 상기 제1 복수의 콜드 헤드들 중 하나에 커플링되고, 각각의 상기 제1 복수의 콜드 헤드들은 거기에 적어도 하나의 압축기가 커플링된, 냉각 시스템.
제14항에 있어서,
상기 압축기는 상기 제1 복수의 압축기들 각각이 상기 제1 복수의 콜드 헤드들의 각각의 압축기에 커플링되도록 복수의 제1 압축기로서 제공되는, 냉각 시스템.
제14항에 있어서,
상기 고정 부분의 상기 출구와 유체 연통하는 입구 및 상기 고정 부분의 상기 입구와 유체 연통하는 출구를 갖는 회전 유니온을 더 포함하는, 냉각 시스템.
제14항에 있어서,
상기 고정 부분의 상기 제1 입구에 커플링된 헬륨 실린더를 더 포함하는, 냉각 시스템.
제15항에 있어서,
상기 고정 부분의 출구와 유체 연통하는 제1 채널, 및 제2 채널을 갖는 회전 유니온을 더 포함하는, 냉각 시스템.
제20항에 있어서,
가스 입구와 가스 출구를 갖는 회전 부분을 더 포함하고, 상기 가스 입구와 가스 출구 사이에는 가스 채널이 커플링되고, 상기 회전 유니온은 상기 회전 부분과 상기 고정 부분 사이에 커플링되고, 상기 회전 유니온의 상기 제1 채널은 상기 고정 부분의 상기 출구 및 상기 회전 부분의 상기 입구와 유체 연통하고, 상기 회전 유니온의 상기 제2 채널은 상기 회전 부분의 출력 및 상기 고정 부분의 상기 입구와 유체 연통하는, 냉각 시스템.
발전기에 있어서,
루프 내에 배열된 복수의 고온 초전도(HTS) 자석들;
복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들 - 각각의 열 전도성, 플렉시블 구조물은 상기 루프 내의 복수의 HTS 자석들 중 하나 이상에 열적으로 커플링됨; 및
냉각 채널을 포함하고,
상기 냉각 채널은,
입구 부분;
상기 입구 부분에 커플링되고 상기 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들 중 적어도 일부에 열적으로 커플링된 원주 부분; 및
출구 부분을 포함하는, 발전기.
제22항에 있어서,
상기 입구 부분은 상기 루프의 중심 영역으로부터 방사상 외측으로 연장되고,
상기 출구 부분은 상기 루프의 상기 중심 영역에 대해 방사상 내측으로 연장되는, 발전기.
제22항에 있어서,
하나 이상의 열 전도성 플레이트들을 더 포함하고, 상기 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물 각각은 상기 하나 이상의 열 전도성 플레이트들 중 하나 이상을 통해 상기 루프 내의 상기 복수의 HTS 자석들 중 하나 이상에 열적으로 커플링되는, 발전기.
제22항에 있어서,
상기 냉각 채널의 상기 입구 부분에 커플링된 입구 매니폴드와 상기 냉각 채널의 상기 출구 부분에 커플링된 출구 매니폴드를 더 포함하는, 발전기.
제25항에 있어서,
상기 입구 매니폴드에 커플링되고 상기 출구 매니폴드에 커플링된 회전 유니온을 더 포함하는, 발전기.
제26항에 있어서,
상기 냉각 채널은 제1 냉각 채널이고,
상기 제1 냉각 채널의 상기 원주 부분은 상기 복수의 열 전도성 플렉시블 구조물들 중 제1 구조물들에 열적으로 커플링되고,
상기 발전기는 제2 냉각 채널을 더 포함하고,
상기 제2 냉각 채널은:
상기 루프의 중심 영역으로부터 방사상 외측으로 연장되는 입구 부분;
상기 제2 가스 채널의 상기 입구 부분에 커플링되고 상기 복수의 열 전도성 플렉시블 구조물들의 제2 서브세트에 열적으로 커플링되는 원주 부분; 및
상기 제2 가스 채널의 상기 원주 부분에 커플링되고 상기 루프의 상기 중심 영역에 대해 방사상 내측으로 연장되는 출구 부분을 포함하는, 발전기.
제22항에 있어서,
상기 루프 내의 각각의 HTS 자석은 HTS 테이프들의 스택을 포함하는 발전기.
제22항에 있어서,
상기 루프 내의 각각의 HTS 자석은 더블 팬케이크 코일을 포함하는 발전기.
제22항에 있어서,
상기 복수의 열 전도성, 플렉시블 구조물들은 각각 플렉시블 방사상 튜브를 포함하는, 발전기.
풍력 발전기에 있어서,
냉각 시스템을 포함하고,
상기 냉각 시스템은,
입구 및 출구 - 상기 입구 및 상기 출구 사이에는 냉각 채널이 커플링됨 - 를 가지는 회전 부분;
출구 및 입구를 가지는 고정 부분 - 상기 고정 부분은 상기 고정 부분의 출구에서 냉각된 가스를 제공하도록 구성됨 - ;
상기 회전 부분과 고정 부분 사이에 커플링된 회전 유니온 - 상기 회전 유니온은 상기 고정 부분의 상기 출구 및 상기 회전 부분의 상기 입구와 유체 연통하는 제1 채널을 가지고, 상기 회전 부분의 상기 출구 및 상기 고정 부분의 상기 입구와 유체 연통하는 제2 채널을 가짐 - ; 및
복수의 열 전도성 플렉시블 구조물들 - 각각의 열 전도성 플렉시블 구조물은 상기 회전 부분의 적어도 일부에 열적으로 커플링됨 - 을 포함하는, 풍력 발전기.
제31항에 있어서,
상기 냉각 시스템의 상기 회전 부분의 상기 냉각 채널은,
상기 가스 채널의 상기 입구 부분은 상기 회전 부분의 중심 영역으로부터 방사상 외측으로 연장되고,
상기 가스 채널의 원주 부분은 상기 입구 부분에 커플링되고, 상기 복수의 열 전도성 플렉시블 구조물들 중 적어도 일부에 열적으로 커플링되고,
상기 가스 채널의 상기 출구 부분은 상기 원주 부분에 커플링되고 상기 회전 부분의 상기 중심 영역에 대해 방사상 내측으로 연장되도록 구성되는, 풍력 발전기.
제32항에 있어서,
상기 회전 부분은 루프 내에 배열되는 복수의 고온 초전도(HTS) 자석들을 포함하는, 풍력 발전기.