KR101540442B1 - 풍력 발전기 - Google Patents
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Abstract
냉각/발열구조가 채용된 풍력 발전기가 제공된다. 풍력 발전기는 바람을 받아 회전하는 로터, 로터와 축 결합되어 로터의 회전력으로 전기를 생성하는 발전기, 발전기를 수용하는 나셀(Nacelle)부, 나셀부를 지지하며 내부가 복수의 층으로 구분된 타워부, 타워부의 복수의 층 중 어느 한 층에 배열된 메인버스바, 메인버스바로부터 분기되어 메인버스바와 다른 방향으로 연장되는 복수의 분기버스바, 메인버스바 및 분기버스바 중 적어도 하나에 연결되며 발열영역이 타워부 내측에 노출된 복수의 전력소자부, 및 타워부의 외벽 중 일부가 관통되어 형성된 적어도 하나의 통풍구를 포함한다.
Description
본 발명은 바람을 이용하여 전기에너지를 생산하는 발전설비인 풍력 발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 풍력 발전방식에 적합한 효과적인 냉각/발열구조를 채용하여 전력 생산효율을 높인 풍력 발전기에 관한 것이다.
전기에너지는 자연에 존재하는 다양한 종류의 에너지를 여러 가지 방식으로 변환하여 얻을 수 있다. 발전기(Power generator) 또는 발전설비는 물체의 운동과정이나 상태변화 등에 관계하는 기계적, 물리 화학적 에너지 변환과정을 통해 전기에너지를 얻는 설비이며, 이를 통해 생산된 전기에너지로 각종 시스템이나 장치, 설비 등을 용이하게 구동하거나 운용하는 것이 가능하다.
종래에는 화력발전이나 원자력발전과 같은 발전방식을 이용한 발전설비가 주류를 이루었다. 이러한 발전설비들은 전기에너지를 대량 생산하는 데에 적합한 반면, 화석연료의 연소로 인해 과량의 대기 오염물질을 생성하거나, 처리가 까다로운 방사성 폐기물을 배출하는 등의 문제점 또한 가지고 있다. 따라서, 최근 이를 해결하고 환경오염 등을 방지하려는 등의 목적으로 이와 다른 자연 친화적인 발전방식이 각광을 받고 있다.
바람을 이용하여 전기에너지를 생산하는 풍력발전은 이러한 자연 친화적 발전방식의 대표적인 예로, 현재 다양한 지역에 풍력 발전기 또는 풍력 발전설비가 설치되고 있다. 뿐만 아니라, 바람을 이용한 풍력 발전설비는 해상이나 극지와 같이 바람의 유동량이 많은 지역에서 최적의 발전설비로 기능할 수 있다.
풍력 발전설비는 대한민국 공개특허 제10-2001-0093793 호에 개시된 바와 같이 회전날개가 결합된 축차(로터: Rotor)를 포함하며, 이러한 축차가 높은 타워 위의 엔진룸(나셀: Nacelle)에 결합되는 구조로 형성된다. 축차가 결합된 엔진룸의 내부에는 발전용 터빈이나, 생산된 전력을 사용 가능한 상태로 변환하는 전력변환장치 등을 포함하는 각종 장비들이 수용된다.
그러나, 이와 같은 종전의 풍력 발전설비는 상대적으로 좁은 공간에 장비들이 밀집된 탓에, 전력 생산과정에 수반되는 각종 장비들의 발열을 효과적으로 해소하기 어려웠다. 또한, 이러한 문제를 해결하기 위해 별도의 냉각장치를 추가적으로 구성하는 경우, 기생전력이 증가하여 설비의 발전효율이 오히려 감소하는 등의 문제가 발생할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 풍력 발전방식에 적합한 효과적인 냉각/발열구조를 채용하여 전력 생산효율을 높인 풍력 발전기를 제공하려는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 의한 풍력 발전기는, 바람을 받아 회전하는 로터; 상기 로터와 축 결합되어 상기 로터의 회전력으로 전기를 생성하는 발전기; 상기 발전기를 수용하는 나셀(Nacelle)부; 상기 나셀부를 지지하며 내부가 복수의 층으로 구분된 타워부; 상기 타워부의 상기 복수의 층 중 어느 한 층에 배열된 메인버스바; 상기 메인버스바로부터 분기되어 상기 메인버스바와 다른 방향으로 연장되는 복수의 분기버스바; 상기 메인버스바 및 분기버스바 중 적어도 하나에 연결되며 발열영역이 상기 타워부 내측에 노출된 복수의 전력소자부; 및 상기 타워부의 외벽 중 일부가 관통되어 형성된 적어도 하나의 통풍구를 포함한다.
상기 메인버스바는 내부에 탈이온수가 순환하는 제1 유로를 포함하고, 상기 분기버스바는 내부에 상기 제1 유로와 연통되어 상기 탈이온수가 순환하는 제2 유로를 포함할 수 있다.
상기 메인버스바와 상기 분기버스바는 적어도 일부가 중첩되어 결합되며, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로는 상기 메인버스바와 상기 분기버스바의 중첩면을 통하여 연결될 수 있다.
상기 제1 유로와 상기 제2 유로 중 어느 하나가 돌출되어 다른 하나의 내부로 삽입될 수 있다.
상기 풍력 발전기는, 상기 메인버스바와 상기 분기버스바 중 어느 하나를 관통하고, 나머지 하나에 결합되어 상기 메인버스바와 상기 분기버스바를 서로 밀착시키는 볼트부를 더 포함할 수 있다.
상기 통풍구는 적어도 한 쌍이 상기 복수의 전력소자부를 사이에 두고 서로 대향하여 형성되며, 쌍을 이루는 상기 통풍구 중 어느 하나에는 외부 공기를 내부로 유입시키는 흡기팬이 설치되고 나머지 하나에는 내부 공기를 외부로 유출시키는 배기팬이 설치될 수 있다.
상기 타워부는 상기 복수의 층으로 분할하며 공기가 통과하는 복수의 통기구가 형성된 층간 분리부재를 포함하고, 상기 흡기팬과 상기 배기팬이 상기 층간 분리부재를 사이에 두고 각각 서로 다른 층에 위치할 수 있다.
본 발명에 의하면, 효과적인 냉각/발열구조로 발전기 구동시 수반되는 각종 장비들의 발열을 용이하게 해소할 수 있다. 따라서, 이를 통해 발전기의 전력 생산효율을 상승시키고 종래에 비해 원활하게 전력을 수급할 수 있는 유용한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 풍력 발전기 및 그 일부를 확대하여 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 풍력 발전기의 타워부 내부를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2의 타워부 내부에 배열되는 메인버스바 및 분기버스바의 분해사시도이다.
도 4는 도 3의 메인버스바 및 분기버스바의 결합상태를 도시한 단면도이다.
도 5는 탈이온수의 순환에 의한 냉각과정을 도시한 작동도이다.
도 6 및 도 7은 공기에 의한 냉각과정을 도시한 작동도이다.
도 2는 도 1의 풍력 발전기의 타워부 내부를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2의 타워부 내부에 배열되는 메인버스바 및 분기버스바의 분해사시도이다.
도 4는 도 3의 메인버스바 및 분기버스바의 결합상태를 도시한 단면도이다.
도 5는 탈이온수의 순환에 의한 냉각과정을 도시한 작동도이다.
도 6 및 도 7은 공기에 의한 냉각과정을 도시한 작동도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 풍력 발전기에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 풍력 발전기 및 그 일부를 확대하여 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 풍력 발전기의 타워부 내부를 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 풍력 발전기(1)는 크게 바람을 받아 회전하는 로터(10), 로터(10)가 회전 가능하게 결합되는 나셀(Nacelle)부(20), 나셀부(20)를 지지하며 내부가 복수의 층으로 구분된 타워부(30)로 구성된다. 나셀부(20) 내부에는 로터(10)와 축결합되어 로터(10)의 회전력으로 전기를 생성하는 발전기(220)가 수용된다.
한편, 나셀부(20)를 지지하는 타워부(30)에는 타워부(30) 내부의 복수의 층 중 어느 한 층에 배열된 메인버스바(330)와, 메인버스바(330)로부터 분기되어 메인버스바(330)와는 다른 방향으로 연장되는 복수의 분기버스바(340), 메인버스바(330) 및 분기버스바(340) 중 적어도 하나에 연결되며 발열영역이 도 1에 도시된 바와 같이, 타워부(30) 내측에 노출된 복수의 전력소자부(400), 및 타워부(30)의 외벽 중 일부가 관통되어 형성된 적어도 하나의 통풍구(310)가 형성된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 풍력 발전기(1)는 타워부(30) 내부의 한 층 전체에 메인버스바(330) 및 분기버스바(340)를 이용하여 각종 전력소자부(400)를 분산 배치하고, 발열영역이 타워부(30)의 내측공간으로 직접 노출되도록 하는 동시에, 타워부(30)의 외벽을 관통하여 형성된 통풍구(310)로 풍력 발전기(1) 주변의 공기흐름을 타워부(30) 내측으로 용이하게 유도하는 것이다. 따라서, 상대적으로 바람의 양이 많고, 강한 바람이 유동하는 지역에 건조되는 풍력 발전기(1)의 지리적 조건을 적극적으로 이용한, 효과적인 냉각/발열구조를 형성할 수 있다.
또한, 메인버스바(330) 및 분기버스바(340)는 서로 분리결합이 자유롭도록 형성하여 전력소자부(400)의 분산배치가 용이하게 하되, 내부로는 탈이온수(Deionized water)가 순환하는 유로를 형성하여 공냉식 및 수냉식 냉각 방식을 동시에 활용하는 냉각/발열구조를 형성한다. 이로써, 전력 생산시 수반되는 각종 장비의 발열을 해소하고 전력 생산효율을 크게 향상시킬 수 있다. 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 이러한 특징을 갖는 풍력 발전기(1)의 각 구성부에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.
로터(10)는 나셀부(20) 내부에 수용되는 발전기(220)에 축결합되는 것으로서 일측에 회전날개가 형성된 것일 수 있다. 로터(10)는 회전날개를 통과하는 바람의 운동에너지를 회전력으로 전환하여 발전기(220)에 전달한다. 로터(10)는 수직축 또는 수평축을 중심으로 회전하도록 형성될 수 있으며, 그에 따라 회전날개의 형상이 변형될 수 있다. 따라서, 도시된 형상은 예시적인 것으로, 로터(10)의 형상이 이러한 형상으로 한정될 필요는 없다.
발전기(220)는 로터(10)와 축결합되어 로터(10)의 회전력으로 전기를 생성한다. 발전기(220)는 내부에 축을 중심으로 상대적으로 회전하는 전기자(armature) 및 계자(field)의 쌍을 포함하여 로터(10)의 회전력을 전기력으로 변환하도록 구성된 것일 수 있다. 발전기(220)는 기어박스(210)를 사이에 두고 로터(10)에 연결될 수 있으며, 이를 통해 로터(10)의 가속, 감속시 그에 대응하여 적절한 회전비를 유지하도록 할 수 있다. 이러한 발전기(220)는 로터(10), 타워부(30), 및 나셀부(20) 등을 포함하는 풍력 발전기(1)의 일 구성요소로서 나셀부(20)에 수용된다.
나셀부(20)는 발전기(220), 기어박스(210), 및 브레이크 장치(미도시)나 그 밖의 전력변환장치 등을 내부에 수용하는 하우징의 역할을 하는 것으로 타워부(30)의 최상단에 설치된다. 나셀부(20)의 형상 역시 도시된 바와 같이 한정될 필요는 없으며, 로터(10) 및 회전날개의 형상이나 타워부(30)의 형상 등을 고려하여 그에 적합하게 변형될 수 있다.
타워부(30)는 나셀부(20)를 지지하며 내부가 복수의 층으로 구성된다. 타워부(30)는 도 1에 도시된 바와 같이 풍력 발전기(1)가 설치된 설치면으로터 상방으로 높게 연장되며, 이를 통해 풍력 발전기(1) 주변, 특히 타워부(30) 및 타워부(30) 최상단에 위치한 로터(10) 주위로 발전에 충분한 만큼의 강한 바람이 지나도록 할 수 있다. 타워부(30)의 폭이나 높이 또는 그에 따른 내부 구조는 풍력 발전기(1)가 설치되는 지역의 지형이나 설치면의 조건, 해당지역의 평균 풍속 등을 고려하여 적절히 설계 변경될 수 있다.
타워부(30)의 내부는 도 1에 도시된 바와 같이 층간 분리부재(320)를 사이에 두고 복수의 층으로 분리된다. 이와 같이 복수의 층으로 분리된 타워부(30)의 내부에 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 어느 하나의 층을 가로지르도록 메인버스바(330)가 배열되고, 복수의 분기버스바(340)가 다시 메인버스바(330)로부터 분기되어 다른 방향으로 연장된다. 전력소자부(400)는 이와 같이 배열된 메인버스바(330) 및 분기버스바(340) 중 적어도 하나에 연결되어 각 도에 도시된 바와 같이 타워부(30) 내에 분산 배치된다. 이 때, 메인버스바(330), 분기버스바(340), 및 전력소자부(400)가 배치되는 층은 타워부(30) 내측의 어느 층이라도 될 수 있는 것이며 단지 높은 층이나 어떠한 특정 층으로 한정될 것은 아니다.
전력소자부(400)는 예를 들어, 뱅크 형태로 모듈화된 다수의 커패시터나, 트랜지스터, 이 밖에도 리액터나 그 밖의 각종 전자장비 및 전력망 들을 포함하는 것일 수 있으며, 전력 생산시 생산된 전력을 사용 가능한 형태로 변환하거나 출력을 일정하게 유지하는 컨터버(Converter)와 같은 전력변환장치를 구성하는 것일 수 있다. 복수의 전력소자부(400)는 도 2에 도시된 바와 같이 분산 배치되어 각각의 발열영역이 타워부(30) 내측에 노출된다.
따라서, 발전시 전력소자부(400)로부터 생성된 열이 타워부(30) 내측으로 손쉽게 분산되고 통풍구(310)를 통해 유입된 바람에 의해 즉각적으로 해소될 수 있다. 또한, 후술할 탈이온수 순환과정을 통해 미처 해소되지 못한 열도 메인버스바(330) 및 분기버스바(340)를 따라 수송되므로, 타워부(30) 내측은 항상 적정온도 이하로 유지될 수 있는 것이다. 이로써, 전력 생산시 장치가 용이하게 가동되고, 전력 생산 효율은 크게 상승하게 된다. 탈이온수는 메인버스바(330)와 연결된 배관부(332) 및 배관부(332) 일 측에 연결된 펌프(333) 등을 통해 메인버스바(330) 및 분기버스바(340) 내측으로 용이하게 순환 가능하다. 이에 대해서는 후술하여 좀 더 상세히 설명한다.
통풍구(310)는 타워부(30)의 외벽이 관통되어 형성된다. 통풍구(310)는 타워부(30)외벽을 따라 적어도 하나가 형성될 수 있으며, 바람직하게는 도시된 바와 같이 적어도 한 쌍이 복수의 전력소자부(400)를 사이에 두고 서로 대향하여 형성될 수 있다. 이 때, 쌍을 이루는 각각의 통풍구(310)에는 각각 흡기팬(도 6의 311a 참조) 및 배기팬(도 6의 311b 참조)으로 기능하는 팬(311)이 설치되어 외부공기를 내부로 유입시키고, 다시 유입된 내부공기를 외부로 유출시키는 능동적인 냉각과정을 수행할 수 있다. 이에 대해서도 후술하여 좀 더 상세히 설명하도록 한다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 메인버스바 및 분기버스바의 구조에 대해 좀 더 상세히 설명한다.
도 3은 도 2의 타워부 내부에 배열되는 메인버스바 및 분기버스바의 분해사시도이고, 도 4는 도 3의 메인버스바 및 분기버스바의 결합상태를 도시한 단면도이다.
메인버스바(330) 및 분기버스바(340)는 전술한 바와 같이 서로 다른 방향으로 배열되어 타워부(도 2의 30 참조) 내에 배치되고, 이러한 메인버스바(330) 및 분기버스바(340) 중 적어도 하나에 연결됨으로써 복수의 전력소자부(도 2의 400 참조) 상호간에 전기신호가 교환 가능하다. 이를 위해 메인버스바(330) 및 분기버스바(340)는 전기전도가 가능한 금속재로 이루어질 수 있으나, 이에 한정될 것은 아니며, 전기신호를 교환 가능한 다양한 재료로 분기버스바(330) 및 메인버스바(340)를 형성할 수 있다.
한편, 메인버스바(330) 및 분기버스바(340)는 내부에 탈이온수(Deionized water)를 순환시켜 누전이나 외부 사용자의 감전을 방지하는 한편, 탈이온수를 냉매로 이용하여 전력소자부(400)와 열교환 하도록 할 수 있다. 메인버스바(330)의 내측에는 도시된 바와 같이 메인버스바(330)를 길이방향으로 관통하는 제1 유로(331)가 형성될 수 있으며, 분기버스바(340)의 내측에는 분기버스바(340)를 길이방향으로 관통하는 제2 유로(341)가 형성되어 탈이온수를 순환시킬 수 있다.
탈이온수는 예를 들어, 전술한 배관부(도 2의 332 참조)의 일 측에 이온 제거장치 등을 결합하여 생성한 것일 수 있으며, 용해된 이온이 제거되어 전기전도도가 극히 낮은 수준으로 유지되는 것일 수 있다. 탈이온수는 배관부(332)를 통해 메인버스바(330)의 제1 유로(331)로 주입될 수 있다.
제1 유로(331)는 메인버스바(330)의 내측으로 연장되되, 도 3 및 도 4에도시된 바와 같이 메인버스바(330)의 표면으로 돌출되는 돌출부(331a)를 포함할 수 있다. 한편, 제2 유로(341)는 메인버스바(330)의 돌출부(331a)와 대향하는 면에 분기버스바(340)의 표면이 내측으로 만입되어 형성된 만입부(341a)를 포함할 수 있다. 따라서, 돌출부(331a)가 만입부(341a)에 삽입되면 도 4에 도시된 바와 같이 메인버스바(330)와 분기버스바(340)의 일부가 서로 중첩되어 중첩면을 형성하고, 중첩면을 통해 제1 유로(331)와 제2 유로(341)가 서로 연결된다. 이 때, 상기 중첩면은 돌출부(331a) 및 만입부(341a)가 위치하는 메인버스바(330) 및 분기버스바(340)의 표면일 수 있다.
이러한 구조를 통해 메인버스바(330)와 분기버스바(340)는 서로 분리/결합되어 그 배치상태를 자유로이 변화시킬 수 있다. 따라서, 타워부(도 2의 30 참조)의 형상이나 타워부(30) 내측에 형성된 공간의 크기 등을 고려하여 서로 다른 복수의 전력소자부(400)를 용이하게 분산 배치할 수 있는 것이다. 돌출부(331a) 및 만입부(341a)가 형성된 중첩면은 각각 단차지게 형성되어 서로 맞물릴 수 있으며, 이를 통해 메인버스바(330)와 분기버스바(340) 서로 간의 결합이 공고히 되도록 할 수 있다. 그러나 이로써 한정될 것은 아니며, 메인버스바(330) 및 분기버스바(340)의 결합방식은 필요 적절하게 다양한 방식으로 변형 가능하다.
메인버스바(330)와 분기버스바(340)가 서로 결합되면, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 유로(331) 및 제2 유로(341)가 서로 연통된다. 따라서 탈이온수는 메인버스바(330)및 분기버스바(340) 내부를 따라 순환하면서 용이하게 열교환 할 수 있는 것이다. 메인버스바(330)와 분기버스바(340)의 사이, 구체적으로 전술한 돌출부(331a)와 만입부(341a)의 사이에는 도시된 바와 같이 수밀부재(342)가 결합되어 탈이온수의 누수를 막을 수 있다.
돌출부(331a)의 형상이나 만입부(341a)의 형상, 및 수밀부재(342)의 형상은 제1 유로(331) 및 제2 유로(341)를 서로 용이하게 연결하고, 탈이온수의 누출을 방지할 수 있는 한 제한없이 다양하게 형성될 수 있다. 즉, 예를 들어, 돌출부(331a) 또는 만입부(341a) 중 적어도 하나를 탄성적으로 변형 가능한 탄성체를 소재로 형성하는 등의 방식으로 더욱 용이하게 메인버스바(330)와 분기버스바(340)를 결합/분리할 수 있을 것이다.
볼트부(350)는 메인버스바(330)와 분기버스바(340) 중 어느 하나를 관통하고, 나머지 하나에 결합된다. 즉, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 볼트부(350)을 관통 결합하여 돌출부(331a)와 만입부(341a) 사이, 및 메인버스바(330)와 분기버스바(340) 사이를 밀착시키고 이를 통해 제1 유로(331)와 제2 유로(341) 사이에 누설되는 부분이 없도록 할 수 있다. 또한, 이와 같이 볼트부(350)가 결합하여 메인버스바(330)와 분기버스바(340) 사이가 밀착되면, 수밀부재(342)가 압박되어 돌출부(331a)와 만입부(341a) 사이를 완전히 수밀할 수 있다. 이로써 탈이온수가 누수 없이 좀 더 원활하게 제1 유로(331)와 제2 유로(341) 사이를 순환하게 된다.
한편, 제1 유로(331)는 탈이온수가 주입되는 주입측과 배출되는 배출측으로 구분되는 한 쌍이 도시된 바와 같이 서로 평행하게 형성될 수 있다. 이 중 어느 하나(이를 테면, 주입측 제1 유로일 수 있다)는 연결로(331b)를 따라 분배되어 서로 인접한 돌출부(331a) 중 하나와 연결되고, 나머지 하나(이를 테면, 배출측 제1 유로일 수 있다)는 또 다른 연결로(331b)에 의해 분배되어 서로 인접한 돌출부(331a) 중 다른 하나와 연결될 수 있다. 즉 서로 인접한 돌출부(331a)는 주입측 및 배출측에 해당하는 제1 유로(331)에 각각 연결 가능하다.
또한 제2 유로(341) 역시 도시된 바와 같이 주입측과 배출측으로 구분되는 한 쌍이 서로 평행하게 형성될 수 있으며, 서로 인접한 만입부(341a) 중 하나는 주입측에 해당하는 제2 유로(341)에 연결되고, 나머지 하나는 배출측에 해당하는 제2 유로(341)에 연결될 수 있다.
따라서, 돌출부(331a)와 만입부(341a)는 제1 유로(331) 및 제2 유로(341)의 주입측과 배출측을 각각 구분하여 연결하는 것이 가능하다. 이로써, 탈이온수가 제1 유로(331) 및 제2 유로(341)의 주입측을 따라 메인버스바(330) 및 분기버스바(340)의 말단까지 주입되고, 다시 배출측을 따라 메인버스바(330)로 회수되는 탈이온수 순환과정이 용이하게 진행된다.
도 5는 탈이온수의 순환에 의한 냉각과정을 도시한 작동도이다.
도 5를 참조하여 탈이온수의 순환 및 냉각과정에 대해 좀 더 상세히 설명한다. 탈이온수는 메인버스바(330) 및 분기버스바(340)의 외측으로 연장되는 배관부(332)로부터 주입될 수 있으며, 전술한 바와 같이 배관부(332)에 펌프(333)가 연결되어 탈이온수를 메인버스바(330)로 용이하게 주입할 수 있다. 도시되지 않았지만, 배관부(332) 일 측에 이온 제거장치가 설치될 수 있음도 전술한 바와 같다.
주입된 탈이온수는 메인버스바(330) 내부의 제1 유로(도 3의 331 참조)를 따라 이동하고, 다시 제2 유로(도 3의 341 참조)를 따라 서로 다른 분기버스바(340)로 각각 분기된다(실선 화살표 참조). 분기버스바(340)의 수는 전력소자부(400)의 수에 따라 증가되거나 감소될 수 있으며, 배치상태 역시 착탈 방식으로 손쉽게 변화 가능하다. 메인버스바(330)와 분기버스바(340)는 전술한 구조를 통해 손쉽게 결합되면서도, 제1 유로(331) 및 제2 유로(341) 사이의 연결을 공고히 할 수 있으므로, 탈이온수는 이러한 분기버스바(340)의 배치상태에 대응하여 용이하게 주입될 수 있다.
주입된 탈이온수는 메인버스바(330) 및 분기버스바(340) 중 적어도 하나와 연결된 전력소자부(400)와 열교환하여 흡열하고, 온도가 상승한 채 회수된다. 회수되는 과정에서 탈이온수는 제2 유로(341) 및 제1 유로(331)를 역으로 경유하여 배관부(332)로 이동할 수 있다(점선 화살표 참조). 이로써 순환과정이 완료된다.
이와 같은 순환과정은 탈이온수를 냉매로 사용하는 수냉식 순환과정으로 타워부(30) 내측을 유동하는 공기의 흐름에 상대적으로 더 적게 노출되는 타워부(30) 내측의 저면(층간 분리부재(320)가 위치하는 바닥면일 수 있다)부를 냉각하는 데 보다 효과적으로 작용할 수 있다.
도 6 및 도 7은 바람에 의한 냉각과정을 도시한 작동도이다.
한편, 탈이온수 순환과 동시에, 타워부(30)의 내측으로 공기가 유입 및 유출됨으로써 공기에 의한 냉각/발열과정이 진행된다. 도 6을 참조하면, 통풍구(310)는 타워부(30)의 외벽을 관통하되 복수의 전력소자부(400)를 사이에 두고 적어도 한 쌍이 도시된 바와 같이 서로 대향하여 형성될 수 있다.
이 때, 통풍구(310) 중 어느 하나에는 외부 공기를 타워부(30) 내부로 유입시키는 흡기팬(311a)이 설치되고, 나머지 하나에는 내부 공기를 외부로 유출시키는 배기팬(311b)이 설치된다. 따라서, 타워부(30) 주변의 공기 흐름을 타워부(30) 내측으로 적극적으로 유도할 수 있다. 이와 같이 타워부(30) 내측으로 유도된 공기는 복수의 전력소자부(400), 메인버스바(330), 분기버스바(340)와 지속적으로 접촉하면서 특히, 타워부(30) 내측에 노출된 전력소자부(400)의 발열부위를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
이와 같은 냉각 방식은 바람의 양이 많고 그 강도도 강한 환경에 설치되는 풍력 발전기(도 1의 1 참조)에 특히 적합한 냉각방식으로 그 냉각 효율이 일반적인 지역에서보다 크게 상승할 수 있는 것이다. 또한, 서로 다른 복수의 통풍구(310)를 통해 바람의 방향이 바뀌는 경우 그에 대응하여 공기의 유동방향을 조절하고, 역시 효과적으로 타워부(30) 내측의 온도를 유지할 수 있다.
이 때, 흡기팬(311) 및 배기팬(311)은 공기가 유입되는 측에 설치되는 팬(311)과 유출측에 설치되는 팬(311)을 구분하기 위한 것으로서, 한정적으로 해석될 필요가 없다. 즉, 바람의 방향이 바뀌는 경우, 팬(311)의 회전방향이나 정렬방향이 그에 대응하여 전환되도록 형성할 수 있는 것이며, 이를 통해 공기가 유입되는 측은 흡기팬(311)으로 기능하고 유출되는 측은 배기팬(311)으로 기능하도록 서로 대향하여 쌍을 이루는 팬(311)을 능동적으로 조절할 수 있는 것이다.
이어서, 도 7을 참조하면, 타워부(30)가 전술한 바와 같이 층간 분리부재(320)에 의해 복수의 층으로 분리되되, 층간 분리부재(320)에 복수의 통기구(321)가 형성될 수 있다. 또한, 흡기팬(311)과 배기팬은 이러한 층간 분리부재(320)를 사이에 두고 도시된 바와 같이 각각 서로 다른 층에 위치할 수 있다.
이러한 경우, 흡기팬(311)을 통해 유입된 공기는 통기구(321)를 통해 층간 분리부재(320) 사이를 거쳐 배출된다. 즉, 유입된 공기는 메인버스바(330), 및 분기버스바(340)가 위치한 층간 분리부재(320)를 거쳐 유동하므로 전력소자부(400) 뿐만 아니라 메인버스바(330) 및 분기버스바(340) 역시 더욱 용이하게 냉각시킬 수 있는 것이다. 이 때, 층간 분리부재(320)는 타워부(30)의 한 층을 이루는 바닥면이나 천정면을 말하는 것일 수 있으며, 층간 분리부재(320)에 통기구(321)가 형성됨으로써 유입된 공기는 서로 다른 층으로 용이하게 유동할 수 있는 것이다.
바람직하게는, 흡기팬(311)이 층간 분리부재(320)를 사이에 두고 더 낮은 층에 위치하고, 배기팬(311)은 층간 분리부재(320)를 사이에 두고 더 높은 층에 위치할 수 있다. 이로써, 저온의 외기가 유입된 후, 열교환을 거쳐 높은 층으로 상승하고, 다시 배기팬(311)으로 배출되는 과정이 자연스럽게 진행될 수 있다.
이와 같은 냉각 방식으로 풍력 발전기(1)의 전력 생산시 각종 기기나 전자장비로부터 발생하는 열을 손쉽게 냉각시킬 수 있으며, 이를 통해 풍력 발전기(1)의 전력 생산효율을 크게 증가시킬 수 있다.
1: 풍력 발전기 10: 로터
20: 나셀부 210: 기어박스
220: 발전기 30: 타워부
310: 통풍구 311: 팬
311a: 흡기팬 311b: 배기팬
320: 층간 분리부재 321: 통기구
330: 메인버스바 331: 제1 유로
331a: 돌출부 331b: 연결로
332: 배관부 333: 펌프
340: 분기버스바 341: 제2 유로
341a: 만입부 342: 수밀부재
350: 볼트부 400: 전력소자부
20: 나셀부 210: 기어박스
220: 발전기 30: 타워부
310: 통풍구 311: 팬
311a: 흡기팬 311b: 배기팬
320: 층간 분리부재 321: 통기구
330: 메인버스바 331: 제1 유로
331a: 돌출부 331b: 연결로
332: 배관부 333: 펌프
340: 분기버스바 341: 제2 유로
341a: 만입부 342: 수밀부재
350: 볼트부 400: 전력소자부
Claims (7)
- 바람을 받아 회전하는 로터;
상기 로터와 축 결합되어 상기 로터의 회전력으로 전기를 생성하는 발전기;
상기 발전기를 수용하는 나셀(Nacelle)부;
상기 나셀부를 지지하며 내부가 복수의 층으로 구분된 타워부;
상기 타워부의 상기 복수의 층 중 어느 한 층에 배열된 메인버스바;
상기 메인버스바로부터 분기되어 상기 메인버스바와 다른 방향으로 연장되는 복수의 분기버스바;
상기 메인버스바의 내부에 포함되고, 내부에서 탈이온수가 순환 가능하게 하는 제1 유로;
상기 분기버스바의 내부에 포함되고, 상기 제1 유로와 연통되어 상기 탈이온수가 순환 가능하게 하는 제2 유로;
상기 메인버스바 및 분기버스바 중 적어도 하나에 연결된 복수의 전력소자부; 및
상기 타워부의 외벽 중 일부가 관통되어 형성된 적어도 하나의 통풍구를 포함되,
상기 메인버스바와 상기 분기버스바는 적어도 일부가 중첩되어 결합되며, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로는 상기 메인버스바와 상기 분기버스바의 중첩면을 통하여 연결되는 풍력 발전기. - 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로 중 어느 하나가 돌출되어 다른 하나의 내부로 삽입되는 풍력 발전기.
- 제 1항에 있어서, 상기 메인버스바와 상기 분기버스바 중 어느 하나를 관통하고, 나머지 하나에 결합되어 상기 메인버스바와 상기 분기버스바를 서로 밀착시키는 볼트부를 더 포함하는 풍력 발전기
- 제 1항에 있어서, 상기 통풍구는 적어도 한 쌍이 상기 복수의 전력소자부를 사이에 두고 서로 대향하여 형성되며,
쌍을 이루는 상기 통풍구 중 어느 하나에는 외부 공기를 내부로 유입시키는 흡기팬이 설치되고 나머지 하나에는 내부 공기를 외부로 유출시키는 배기팬이 설치되는 풍력 발전기. - 제 6항에 있어서, 상기 타워부는 상기 복수의 층으로 분할하며 공기가 통과하는 복수의 통기구가 형성된 층간 분리부재를 포함하고,
상기 흡기팬과 상기 배기팬이 상기 층간 분리부재를 사이에 두고 각각 서로 다른 층에 위치하는 풍력 발전기.
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| KR20110114427A (ko) * | 2010-02-08 | 2011-10-19 | 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤 | 풍력 발전 장치 |
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2013
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