KR20130040947A - 풍력 발전 장치 - Google Patents

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KR20130040947A
KR20130040947A KR1020127034050A KR20127034050A KR20130040947A KR 20130040947 A KR20130040947 A KR 20130040947A KR 1020127034050 A KR1020127034050 A KR 1020127034050A KR 20127034050 A KR20127034050 A KR 20127034050A KR 20130040947 A KR20130040947 A KR 20130040947A
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다케시 마츠오
신스케 사토
다쿠로 가메다
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

타워나 너셀 내의 열 발생원을 보다 효과적으로 냉각할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 풍력 발전 장치(1)는 타워(2)와, 적어도 1장의 블레이드(6A)와, 블레이드(6A)를 지지하는 허브(6B)와, 타워(2)에 의해 지지되는 너셀(4)을 구비한다. 너셀(4)의 벽면에는 흡기구(42) 및 배기구(44)를 갖는 덕트부(40)가 일체적으로 형성된다. 덕트부(40) 내에는 열교환기(50)가 설치되고, 상기 열교환기(50)에서는 흡기구(42)로부터 덕트부(40) 내에 받아들인 외기와의 열교환에 의해 타워(2) 및 너셀(4) 중 적어도 한쪽의 내부에 있어서의 열 발생원을 냉각 매체로 냉각한 후의 냉각 매체를 냉각한다. 너셀(4)의 벽면은, 덕트부(40)가 설치된 영역에 있어서, 내측 벽면(46)과 외측벽면(48)으로 이루어지는 이중 구조로 되어 있다. 또한, 덕트부(40)의 저면을 구성하는 너셀(4)의 내측 벽면(46)은, 허브(6B)로부터 멀어짐에 따라 너셀(4)의 중심선을 향해서 내측으로 만곡되는 만곡부(47)를 갖는다. 그리고, 덕트부(40)는, 적어도 만곡부(47)가 설치된 범위에 있어서, 흡기구(42)측으로부터 배기구(44)측을 향해서 단면적이 증대하도록 형성되어 있다.

Description

풍력 발전 장치{WIND TURBINE GENERATOR}
본 발명은 타워나 너셀 내에 있어서의 열 발생원(예를 들어, 발전기, 유압 트랜스미션, 변압기, 컨버터, 제어반 등)의 냉각 기능을 구비한 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
최근, 지구 환경 보전의 관점에서 재생 가능 에너지의 하나인 풍력을 이용한 풍력 발전 장치의 보급이 진행되고 있다. 풍력 발전 장치는 발전 효율을 향상시키기 위해서 대형화가 진행되고 있다. 특히, 해상에 설치되는 풍력 발전 장치는 육상에 설치되는 풍력 발전 장치에 비해 건설 비용이 비싸질 경향이 있으므로, 대형화에 의해 발전 효율을 향상시켜서 채산성을 개선하는 것이 요구된다.
그런데, 풍력 발전 장치의 대형화에 따라 발전기의 출력이 증가하면, 발전기로부터의 열손실도 커진다. 또한, 유압 펌프 및 유압 모터를 조합한 유압 트랜스미션에 의해 로터의 회전을 발전기에 전달하도록 한 풍력 발전 장치에서는, 발전기의 열손실에 보태어 유압 트랜스미션으로부터의 열손실도 고려하지 않으면 안된다. 그 때문에, 발전기나 유압 트랜스미션 등의 열 발생원의 냉각 기능을 구비한 풍력 발전 장치의 개발이 기대된다.
이 점, 특허 문헌 1에는, 컨버터나 변압기나 제어 장치를 냉각하기 위한 냉각 시스템을 구비한 풍력 발전 장치가 기재되어 있다. 이 냉각 시스템은 타워 외주면에 설치된 복수의 열교환기를 갖고, 상기 열교환기에 있어서 컨버터나 변압기나 제어 장치를 냉각한 후의 냉각 매체를 대기와 열교환 시키도록 되어 있다.
또한, 특허 문헌 2에는, 복수의 디바이스(컨버터, 변압기, 베어링 상자, 발전기 등)를 냉각하기 위한 풍력 발전 장치용의 냉각 장치가 기재되어 있다. 이 냉각 장치는 복수의 디바이스를 냉각한 후의 냉각수를 타워나 너셀의 외벽에 설치된 열교환기로 냉각하도록 되어 있다.
또한, 특허 문헌 3 및 4에는, 증속기나 발전기 등의 열 발생원을 수납한 너셀 내를 환기하기 위한 흡기구 및 배기구를 너셀에 설치한 풍력 발전 장치가 기재되어 있다. 이들의 풍력 발전 장치에서는, 흡기구로부터 외기를 도입하여 이 외기를 배기구로부터 배출함으로써, 너셀 내가 환기되어 너셀 내의 온도 상승을 방지하도록 되어 있다.
유럽 특허 출원 공개 제1798414호 명세서 유럽 특허 출원 공개 제2007184호 명세서 일본 특허 출원 공개 제2008-286115호 공보 일본 특허 출원 공개 제2010-31722호 공보
그러나, 풍력 발전 장치의 대형화에 따라 열 발생원으로부터의 방열량은 점점 증가하는 경향에 있다. 그 때문에, 특허 문헌 1 내지 4에 기재된 풍력 발전 장치에서는 냉각 능력을 충분히 얻을 수 없는 경우가 있다.
본 발명은 상술한 사정에 감안해서 이루어진 것이며, 타워나 너셀 내의 열 발생원을 보다 효과적으로 냉각할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 풍력 발전 장치는 타워와, 적어도 1장의 블레이드와, 상기 블레이드를 지지하는 허브와, 상기 타워에 의해 지지되고, 흡기구 및 배기구를 갖는 덕트부가 벽면에 일체적으로 형성된 너셀과, 상기 덕트부 내에 설치되어 상기 흡기구로부터 상기 덕트부 내에 받아들인 외기와의 열교환에 의해 상기 타워 및 상기 너셀 중 적어도 한쪽의 내부에 있어서의 열 발생원을 냉각한 후의 냉각 매체를 냉각하는 열교환기를 구비한다. 상기 너셀의 벽면은 상기 덕트부가 설치된 영역에 있어서 내측 벽면과 외측벽면으로 이루어지는 이중 구조로 되어 있다. 또한, 상기 덕트부의 저면을 구성하는 상기 너셀의 내측 벽면은, 상기 허브로부터 멀어짐에 따라 상기 너셀의 중심선을 향해서 내측으로 만곡하는 만곡부를 갖는다. 그리고, 상기 덕트부는, 적어도 상기 만곡부가 설치된 범위에 있어서 상기 흡기구측에서 상기 배기구측을 향해서 단면적이 증대하도록 형성되어 있다.
또한, 냉각 매체가 「열 발생원을 냉각」한다라는 것은, 열 발생원을 냉각 매체로 직접 또는 간접적으로 냉각하는 것을 의미하고, 열 발생원과 냉각 매체를 직접적으로 열교환 시키는 경우뿐만 아니라, 열 발생원과 냉각 매체의 사이에 다른 냉매를 개재시켜서 열 발생원을 냉각 매체로 간접적으로 냉각하는 경우도 포함한다.
또한, 「너셀의 중심선」이란, 허브측에서 너셀 후단부측을 향하는 방향에 따른 거의 수평한 직선이며, 너셀의 높이 방향 및 폭 방향의 대략 중앙의 위치를 통과하는 직선을 말한다.
상기 풍력 발전 장치에 따르면, 덕트부의 저면을 구성하는 너셀 내측 벽면에 허브로부터 멀어짐에 따라 너셀의 중심선을 향해서 내측으로 만곡한 만곡부를 설치했으므로, 덕트부의 외측으로의 돌출을 억제하면서 덕트부의 단면적을 흡기구측에서 배기구측을 향해서 증대시킬 수 있다. 이와 같이 덕트부의 외측으로의 돌출이 억제되므로, 덕트부가 바람(외기의 흐름)으로부터 받는 힘이 작아져서 덕트부의 보강을 간소화할 수 있다. 또한, 덕트부의 단면적이 흡기구로부터 배기구를 향해서 증대하므로, 디퓨저 효과에 의해 보다 많은 외기가 덕트부에 받아들여지게 된다. 따라서, 열교환기에 있어서 냉각 매체에서 외기로 이동하는 열량이 증가하여 열 발생원의 냉각을 효과적으로 행할 수 있다.
또한, 디퓨저 효과에 의해 덕트부로의 흡기량이 증대하는 이유는 이하와 같다. 즉, 덕트부를 흐르는 외기는 덕트부의 단면적이 증대하는 부분(디퓨저부)에 있어서 속도가 충분히 저감된 후에 배기구로부터 배출된다. 그 때문에, 배기구 주변에 있어서의 외기의 흐름의 흐트러짐이 억제되어 원활한 흐름이 되어 덕트부 내에 있어서의 공기 유량을 향상시킬 수 있다.
상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 열교환기는 상기 너셀의 상면 및 측면에 일체적으로 형성된 상기 덕트부 내에 복수 설치되어 있어도 된다.
이와 같이, 너셀의 상면 및 측면에 일체적으로 형성된 덕트부 내에 열교환기를 복수 설치함으로써, 너셀의 상면 및 측면의 표면적을 유효 활용하고, 열 발생원으로부터 발열한 대량의 열을 대기측으로 효과적으로 방출할 수 있다. 또한, 단일의 열교환기만으로 냉각 매체의 냉각을 행하는 것이 아니라, 복수의 열교환기에 분할해서 설치함으로써 각 열교환기를 콤팩트하게 구성할 수 있다. 그 때문에, 각 열교환기를 너셀 중심축에 가까운 위치에서 덕트 내에 보유 지지하는 것이 가능해지고, 구조 강도 상도 유리해져서 보강을 최소한으로 할 수 있다.
상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 덕트부의 상기 흡기구측의 단부는 상기 너셀의 중심선을 따라 설치되어 있는 것이 바람직하다.
허브측에서 너셀 후단부측을 향하는 외기의 흐름은 기본적으로 너셀 중심선을 따르고 있으므로, 덕트부의 흡기측의 단부를 너셀 중심선에 따르게 함으로써 덕트부 내에의 외기의 도입이 촉진된다. 따라서, 열교환기에 있어서의 열교환량이 더욱 증가하여 열 발생원의 냉각을 보다 효과적으로 행할 수 있다.
상기 풍력 발전 장치는, 상기 덕트부 내에의 외기의 도입량을 증대시키는 팬과, 상기 팬 및 상기 열교환기의 양쪽을 수납하는 케이싱을 또한 구비하고, 적어도 상기 열교환기, 상기 팬 및 상기 케이싱으로 이루어지는 모듈이 복수 설치되어 있어도 된다.
이와 같이, 덕트부 내에의 외기의 도입량을 증대시키는 팬을 설치함으로써, 열교환기에 있어서의 열교환량이 더욱 증가하여 열 발생원의 냉각을 보다 효과적으로 행할 수 있다.
또한, 적어도 팬 및 열교환기와, 상기 팬 및 열교환기를 수납하는 케이싱을 구성 요소로 한 복수의 모듈을 사용함으로써, 풍력 발전 장치(특히, 열 발생원의 냉각 시스템)의 생산성 및 보수성을 향상시킬 수 있다. 즉, 모듈화에 따라 풍력 발전 장치의 조립이 용이해져서 생산성이 향상한다. 게다가, 만일, 열교환기나 팬이 고장 나더라도 고장 부분을 포함하는 모듈마다 교환함으로써 보수를 용이하게 행할 수 있다. 또한, 상정되는 열 발생원으로부터의 발열량에 따라서 모듈의 개수를 변경하면, 열 발생원으로부터의 발열량이 상이한 복수 기종의 풍력 발전 장치의 생산을 효율적으로 행할 수 있다.
또한, 「모듈」이란 공통화된 부품 단위를 의미하고, 모듈끼리는 기본적으로 동일한 형상 및 구조를 갖지만, 제작 상의 오차를 포함시켜서 다소의 차이가 있어도 된다.
상기 모듈화를 행할 경우, 복수의 상기 모듈은 상기 너셀의 상면 및 측면에 일체적으로 형성된 상기 덕트부 내에 설치되어 있어도 된다.
이와 같이, 너셀의 상면 및 측면에 일체적으로 형성된 덕트부 내에 상기 모듈을 복수 설치함으로써, 각 모듈을 너셀 중심축에 가까운 위치에서 보유 지지해서 구조 강도 상의 장점을 향수하면서, 열 발생원으로부터 발열한 대량의 열을 대기측으로 효과적으로 방출할 수 있다.
또한, 상기 모듈화를 행할 경우, 상기 풍력 발전 장치는, 작동 상태의 상기 팬의 개수를 변화시켜서 각 모듈의 상기 열교환기에 있어서 외기가 상기 냉각 매체로부터 빼앗는 열량을 조절하는 컨트롤러를 또한 구비하고 있어도 된다.
혹은, 상기 풍력 발전 장치는, 상기 덕트부에 설치된 셔터와, 상기 셔터의 개폐에 의해 각 모듈의 상기 열교환기에 있어서 외기가 상기 냉각 매체로부터 빼앗는 열량을 조절하는 컨트롤러를 또한 구비하고 있어도 된다.
혹은, 상기 풍력 발전 장치는, 상기 팬의 회전수를 변화시켜서 각 모듈의 상기 열교환기에 있어서 외기가 상기 냉각 매체로부터 빼앗는 열량을 조절하는 컨트롤러를 또한 구비하고 있어도 된다.
이와 같이, 작동 상태의 팬의 개수, 셔터의 개폐 상태, 또는 팬의 회전수를 컨트롤러에 의해 변화시켜서 열교환기에 있어서의 열교환량을 조절함으로써, 열교환기를 나와서 열 발생원의 냉각에 다시 사용되는 냉각 매체의 온도를 적절한 범위로 유지하여 열 발생원의 냉각을 적절하게 행할 수 있다.
특히, 유압 트랜스미션을 사용한 풍력 발전 장치에 있어서, 유압 트랜스미션의 작동유를 냉각 매체로 냉각할 경우, 냉각 매체의 온도가 지나치게 낮으면, 작동유의 냉각이 과잉이 되어 작동유의 점도가 상한값을 초과해버린다. 그리고, 작동유의 점도가 상한값을 초과하면, 유압 트랜스미션에 있어서의 손실이 커져서 발전 효율이 현저하게 저하한다. 그 때문에, 상술한 방법 중 어느 하나에 의해 열교환기에 있어서의 열교환량을 조절하여 냉각 매체의 온도를 적절한 범위로 유지하면, 작동유의 점도 상승에 의한 유압 트랜스미션의 손실을 억제할 수 있다.
또 상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 덕트부의 상면을 구성하는 상기 너셀의 외측벽면은 상기 덕트부의 저면을 따라 만곡되어 있어도 된다.
이와 같이, 덕트부의 상면을 구성하는 너셀 벽면(너셀 외측벽면)을 덕트부의 저면을 따르게 함으로써, 단면적 확대는 유지해서 디퓨저 효과를 유지하면서 너셀 외부 흐름에 있어서의 소용돌이를 방지할 수 있다.
상기 풍력 발전 장치는, 상기 허브에 연결된 주축과, 상기 주축에 의해 구동되는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프로부터 공급되는 고압의 작동유에 의해 구동되는 유압 모터와, 상기 유압 모터에 연결되는 발전기와, 상기 유압 펌프 및 상기 유압 모터에 접속되어, 상기 유압 펌프 및 상기 유압 모터의 사이에서 상기 작동유를 순환시키는 오일 라인과, 상기 오일 라인을 흐르는 상기 작동유를 냉각하는 오일 쿨러와, 상기 발전기를 냉각하는 발전기 쿨러를 구비하고, 상기 오일 쿨러 및 상기 발전기 쿨러에 상기 열교환기에서 냉각된 상기 냉각 매체를 공급하도록 되어 있어도 된다.
유압 펌프 및 유압 모터를 조합한 유압 트랜스미션을 구비한 풍력 발전 장치의 경우, 주된 열 발생원은 유압 트랜스미션(오일 라인을 순환하는 작동유) 및 발전기이다. 따라서, 상술한 열교환기에서 냉각된 냉각 매체를 오일 쿨러 및 발전기 쿨러에 공급함으로써, 이들의 열 발생원으로부터 발생한 열을 효과적으로 제거할 수 있다.
이와 같이 유압 트랜스미션을 구비한 풍력 발전 장치에 있어서 오일 쿨러 및 발전기 쿨러에 냉각 매체를 공급할 경우, 상기 풍력 발전 장치는 상기 너셀 내에 설치되고, 상기 너셀 내의 공기를 냉각하는 너셀 냉각기를 또한 구비하고, 상기 너셀 냉각기에 상기 열교환기에서 냉각된 상기 냉각 매체를 공급하도록 되어 있어도 된다.
이에 의해, 오일 라인을 순환하는 작동유 및 발전기로부터 발생한 열을 제거함에 보태어 너셀 내의 공기를 효과적으로 냉각할 수 있다.
또한, 유압 트랜스미션을 구비한 풍력 발전 장치에 있어서 오일 쿨러, 발전기 쿨러 및 너셀 냉각기에 냉각 매체를 공급할 경우, 이 풍력 발전 장치는 상기 오일 라인에 있어서의 상기 작동유의 온도, 상기 발전기의 온도, 상기 너셀 내에 있어서의 공기 온도 및 상기 냉각 매체의 온도 중 적어도 하나에 기초하여 상기 오일 쿨러, 상기 발전기 쿨러, 상기 너셀 냉각기 및 상기 열교환기 중 적어도 하나에 있어서의 열교환량을 조절하는 컨트롤러를 또한 구비하고 있어도 된다.
이에 의해, 오일 쿨러, 발전기 쿨러, 너셀 냉각기, 열교환기 등에 있어서의 열교환량의 조절에 의해 작동유의 온도, 발전기 온도, 너셀 내 공기 온도, 냉각 매체 온도 등을 제어할 수 있다.
혹은, 유압 트랜스미션을 구비한 풍력 발전 장치에 있어서 오일 쿨러, 발전기 쿨러 및 너셀 냉각기에 냉각 매체를 공급할 경우, 이 풍력 발전 장치는 상기 덕트부 내에의 외기의 도입량을 증대시키는 팬과, 상기 팬 및 상기 열교환기의 양쪽을 수납하는 케이싱을 또한 구비하고, 적어도 상기 열교환기, 상기 팬 및 상기 케이싱으로 이루어지는 모듈이 복수 설치되어 있고, 상기 오일 라인에 있어서의 상기 작동유의 온도, 상기 발전기의 온도, 상기 너셀 내에 있어서의 공기 온도 및 상기 냉각 매체의 온도 중 적어도 하나에 기초하여 각 모듈의 상기 팬 및 상기 열교환기를 제어하는 컨트롤러를 또한 구비하고 있어도 된다.
이에 의해, 각 모듈의 팬 및 열교환기의 제어(예를 들어, 팬의 작동 대수 제어, 팬의 회전수 제어, 열교환기에 있어서의 냉각 매체의 유량 제어)에 의해 작동유의 온도, 발전기 온도, 너셀 내 공기 온도, 냉각 매체 온도 등을 조절할 수 있다.
상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 냉각 매체는 부동액이 첨가된 물 또는 공기이어도 된다.
냉각 매체로서 일반적인 기체(공기 등)보다도 비열이 큰 물을 사용함으로써, 냉각 매체의 필요 순환량을 적게 하여 냉각 시스템의 콤팩트화를 도모할 수 있다. 또한, 부동액의 첨가에 의해 외기온이 영하가 되어도 냉각 매체(물)의 동결로 인한 냉각 시스템의 고장을 방지할 수 있다.
한편, 냉각 매체로서 공기를 사용함으로써 취급이 편해져서 통상의 환경에서 용이함을 얻을 수 있다.
또 상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 덕트부의 상면을 구성하는 상기 너셀의 외측벽면은, 상기 배기구측에 있어서, 상기 너셀의 중심선으로부터 멀어지는 방향에 외측으로 굴곡 또는 만곡되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 덕트부의 상면을 구성하는 너셀의 외측벽면의 흡기구측을 외측으로 굴곡 또는 만곡시킴으로써, 상술한 디퓨저 효과에 보태어 다음의 이유로부터 덕트부에의 외기의 도입량이 증대된다.
즉, 너셀의 외측벽면을 따라 덕트부의 외측을 흐르는 공기는, 너셀 외측벽면의 외측으로 굴곡 또는 만곡된 부분에 있어서 유로 면적이 축소하므로 가속되어 동압이 상승하고, 그만큼만 정압이 저하된다. 그 때문에, 너셀 외측벽면의 굴곡 또는 만곡된 부분의 후류측에 있어서의 압력(정압)은 낮아진다. 게다가, 상기 굴곡 또는 만곡된 부분에 있어서 너셀 외측벽면이 불연속으로 외측에 확대되어 있는 경우, 이 부분의 후류측에 소용돌이가 발생하므로, 이것에 의해서도 그 영역에 있어서의 압력이 저하된다. 따라서, 상술한 디퓨저 효과에 보태어 너셀 외측벽면의 외측으로 굴곡 또는 만곡된 부분의 후류측이 낮은 압력에 의해 보다 많은 외기를 덕트부 내에 끌어들일 수 있다.
본 발명에서는, 덕트부의 저면을 구성하는 너셀 내측 벽면에 허브로부터 멀어짐에 따라 너셀의 중심선을 향해서 내측으로 만곡된 만곡부를 설치했으므로, 덕트부의 외측으로의 돌출을 억제하면서 덕트부의 단면적을 흡기구로부터 배기구를 향해서 증대시킬 수 있다. 이와 같이 덕트부의 외측으로의 돌출이 억제되는 점에서, 바람(외기의 흐름)으로부터 덕트부가 받는 힘이 작아져서 덕트부의 보강을 간소화할 수 있다. 또한, 덕트부의 단면적이 흡기구로부터 배기구를 향해서 증대하므로, 디퓨저 효과에 의해 덕트부에 보다 많은 외기가 받아들여지게 된다. 따라서, 열교환기에 있어서 냉각 매체로부터 외기가 빼앗는 열량이 증가하여 열 발생원의 냉각을 효과적으로 행할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 냉각 매체를 냉각하기 위한 열교환기가 복수 설치된 냉각 매체 순환로의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 냉각 매체를 냉각하기 위한 열교환기가 복수 설치된 냉각 매체 순환로의 다른 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는 너셀의 덕트부의 상세 구조의 일례를 나타내는 도면이고, (A)는 너셀의 구성예를 나타내는 일부 단면 사시도이며, (B)는 도 4(A)에 있어서의 YZ 평면에 따른 너셀의 단면도이다.
도 5는 제2 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치의 덕트부 주변의 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 컨트롤러에 의해 팬의 회전수 제어를 행하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 7은 컨트롤러에 의해 팬의 가동 상태 제어를 행하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 8은 열교환기, 팬 및 케이싱의 조합으로 이루어지는 모듈을 도시하는 일부 단면 사시도이다.
도 9는 제3 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치의 덕트부 주변의 구성을 도시하는 도면이다.
도 10은 컨트롤러에 의해 셔터의 개폐 제어를 행하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 11은 제4 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치의 덕트부 주변의 구성을 도시하는 도면인다.
이하, 첨부 도면에 따라 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다. 단, 이 실시 형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은 특정적인 기재가 없는 한 본 발명의 범위를 이것에 한정하는 취지가 아니고, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
[제1 실시 형태]
도 1은 제1 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다. 같은 도면에 도시하는 풍력 발전 장치(1)는 주로 타워(2)와, 타워(2)에 지지되는 너셀(4)과, 바람의 에너지에 의해 회전하는 로터(6)를 구비한다.
또한, 도 1에는 풍력 발전 장치(1)로서 해면(SL) 상에 설치되는 해상 풍력 발전 장치를 예시하고 있지만, 풍력 발전 장치(1)는 육상에 설치되어 있어도 된다.
로터(6)는 적어도 1장(예를 들어 3장)의 블레이드(6A)와, 상기 블레이드(6A)를 지지하는 허브(6B)로 구성된다. 허브(6B)는 너셀(4) 내에 수납된 주축(5)에 연결되어 있다. 이에 의해, 블레이드(6A)가 바람을 받아서 로터(6)가 회전하면, 허브(6B)에 연결된 주축(5)도 회전하게 되어 있다.
너셀(4) 내에는 유압 트랜스미션(10) 및 발전기(20)가 수납되어 있다. 유압 트랜스미션(10)은, 주축(5)에 연결된 유압 펌프(12)와, 발전기(20)에 연결된 유압 모터(14)와, 유압 펌프(12) 및 유압 모터(14) 사이에 설치되는 오일 라인(16)을 갖는다. 오일 라인(16)은, 유압 펌프(12)의 토출측과 유압 모터(14)의 흡입측을 접속하는 고압유 라인(16A) 및 유압 펌프(12)의 흡입측과 유압 모터(14)의 토출측을 접속하는 저압유 라인(16B)으로 구성되어 있다.
유압 펌프(12)는 주축(5)에 의해 구동되어 고압의 작동유를 생성한다. 이 고압의 작동유는 고압유 라인(16A)을 거쳐서 유압 모터(14)에 공급되고, 상기 고압의 작동유에 의해 유압 모터(14)가 구동된다. 이 때, 유압 모터(14)에 연결된 발전기(20)가 구동되고, 발전기(20)에 있어서 전력이 생성된다. 유압 모터(14)로부터 토출된 작동유는 저압유 라인(16B)을 거쳐서 유압 펌프(12)에 공급되고, 유압 펌프(12)에 있어서 다시 승압되어 유압 모터(14)에 보내진다.
저압유 라인(16B)에는 작동유를 냉각하기 위한 오일 쿨러(18)가 저압유 라인(16B)과 병렬로 접속되어 있다. 즉, 저압유 라인(16B)으로부터 분기되고, 다시 저압유 라인(16B)에 합류하는 병렬 라인(17)에 오일 쿨러(18)가 설치되어 있다. 오일 쿨러(18)에서는, 병렬 라인(17)을 흐르는 작동유가 후술하는 냉각 매체 순환로(30)를 흐르는 냉각 매체와 열교환 되어 냉각되도록 되어 있다. 또한, 병렬 라인(17)에 있어서의 작동유의 유량은 작동유의 온도를 적절한 범위로 유지하기 위해서 밸브(19)의 개방도에 따라서 조절 가능하다.
또한, 발전기(20)에는 발전기(20)를 냉각하기 위한 발전기 쿨러(22)가 설치되어 있다. 발전기 쿨러(22)는, 예를 들어 발전기(20)의 주위에 설치된 냉각 재킷으로서 구성된다. 발전기 쿨러(22)에서는 후술하는 냉각 매체 순환로(30)로부터 공급되는 냉각 매체와의 열교환에 의해 발전기(20)를 냉각하게 되어 있다.
냉각 매체 순환로(30)는 풍력 발전 장치(1)의 열 발생원의 냉각을 행하기 위한 냉각 매체를 순환시키는 유로이다. 본 실시 형태에서는, 풍력 발전 장치(1)의 열 발생원으로서 너셀(4) 내에 수납된 유압 트랜스미션(10) 및 발전기(20)를 예로 들어서 설명한다.
냉각 매체 순환로(30)를 순환하는 냉각 매체에는 임의의 액체 또는 기체로 이루어지는 냉매를 사용할 수 있고, 예를 들어 부동액을 첨가한 물이나 공기를 사용해도 된다. 그 중에서도 냉각 매체로서 일반적인 기체(공기 등)에 비해 비열이 큰 물을 사용함으로써 냉각 매체의 필요 순환량을 적게 할 수 있다. 또한, 부동액의 첨가에 의해 외기온이 영하가 되어도 냉각 매체(물)의 동결로 인한 냉각 시스템의 고장을 방지할 수 있다.
오일 쿨러(18) 및 발전기 쿨러(22)에 냉각 매체를 공급하는 냉각 매체 순환로(30)는 폐쇄 루프의 냉매 회로로서 구성되고, 너셀(4) 내에 수납되어 있다. 냉각 매체 순환로(30)에는 오일 쿨러(18) 및 발전기 쿨러(22) 이외에도 너셀(4) 내의 공기를 냉각하기 위한 너셀 냉각기(32)가 설치되어 있다.
너셀 냉각기(32)는 팬 및 열전도관 그룹을 구비한 팬이 달린 열교환기로서 구성된다. 너셀 냉각기(32)에서는, 팬에 의해 흡입한(혹은 압입한) 너셀(4) 내의 공기가 냉각 매체 순환로(30)로부터 열전도관 그룹에 공급된 냉각 매체와 열교환 되어 냉각되도록 되어 있다. 이에 의해, 풍력 발전 장치(1)의 열 발생원으로부터의 방열에 의해 승온된 너셀(4) 내의 공기를 효과적으로 냉각할 수 있다.
냉각 매체 순환로(30)의 오일 쿨러(18) 및 발전기 쿨러(22)의 하류측에는 열전도관 그룹으로 이루어지는 열교환기(50)가 설치되어 있다. 이 열교환기(50)는 너셀(4)의 덕트부(40) 내에 배치되어 있다. 열교환기(50)에서는, 너셀(4)의 덕트부(40) 내를 흐르는 외기와의 열교환에 의해 오일 쿨러(18) 및 발전기 쿨러(22)를 통과한 후의 냉각 매체가 냉각된다.
또한, 도 1에는 1쌍의 덕트부(40) 및 열교환기(50)만을 도시하고 있지만, 상정되는 풍력 발전 장치(1)의 열 발생원으로부터의 발열량에 따라서 덕트부(40) 및 열교환기(50)를 복수쌍 설치해도 된다. 예를 들어, 나중에 설명하는 도 4(A) 및 (B)에 도시한 바와 같이, 너셀(4)의 상면(4A) 및 측면(4B)에 설치한 덕트부(40A, 40B)의 각각에 열교환기(50)를 설치해도 된다. 또한, 하나의 덕트부(40)에 대하여 설치하는 열교환기(50)의 개수도 특별히 한정되지 않으며, 각 덕트부(40)에 복수의 열교환기(50)를 설치해도 된다.
도 2 및 3은 복수의 열교환기(50)가 설치된 냉각 매체 순환로(30)의 구성예를 나타내는 도면이다.
복수의 열교환기(50)를 설치할 때, 도 2에 도시한 바와 같이 헤더(51A, 51B)를 거쳐서 복수의 열교환기(50)를 냉각 매체 순환로(30)에 접속해도 되고, 도 3에 도시한 바와 같이 복수의 열교환기(50)를 직렬적으로 냉각 매체 순환로(30)에 접속해도 된다. 전자의 경우(도2 참조), 냉각 매체 순환로(30)로부터 입구측 헤더(51A)에 유입한 냉각 매체가 각 열교환기(50)에 공급되어서 냉각된 후, 출구측 헤더(51B)를 거쳐서 냉각 매체 순환로(30)에 복귀된다. 후자의 경우(도 3 참조), 냉각 매체 순환로(30)를 흐르는 냉각 매체는 직렬로 배치된 복수의 열교환기(50)를 순서대로 통과하면서 냉각된다.
다음에, 도 4를 사용하여 너셀(4)의 덕트부(40)의 구조에 대해서 상세하게 설명한다. 도 4는 너셀(4)의 덕트부(40)의 상세 구조의 일례를 나타내는 도면이며, 도 4(A)는 너셀(4)의 구성예를 나타내는 일부 단면 사시도이며, 도 4(B)는 도 4(A)에 있어서의 YZ 평면에 따른 너셀(4)의 단면도이다.
또한, 도 4(A) 및 (B)에서는, 덕트부(40)의 상세 구조를 설명하는 편의상, 열교환기(50)를 제거한 상태를 나타내고 있다.
도 4(A) 및 (B)에 도시한 바와 같이, 너셀(4)의 상면(4A) 및 측면(4B)에는 각각 덕트부(40A, 40B)가 설치되어 있다. 또한, 도 4(A)에는 너셀(4)의 한쪽의 측면(4B)에만 덕트부(40B)를 설치한 예를 나타냈지만, 너셀(4)의 양쪽의 측면(4B)에 덕트부(40B)를 설치해도 된다.
각 덕트부(40)는 흡기구(42) 및 배기구(44)를 갖고, 너셀(4)의 벽면에 일체적으로 형성되어 있다. 즉, 너셀(4)의 벽면은, 덕트부(40)가 설치된 영역에 있어서, 내측 벽면(46)과 외측벽면(48)의 이중 구조로 되어 있다. 그리고, 너셀(4)의 내측 벽면(46)에 의해 덕트부(40)의 저면이 구성되고, 너셀(4)의 외측벽면(48)에 의해 덕트부(40)의 상면이 구성되어 있다. 여기서, 덕트부(40)의 저면이란, 덕트부(40)를 구성하는 너셀(4)의 벽면(46, 48) 중 너셀(4)의 중심축(C)에 가까운 쪽을 의미하고, 덕트부(40)의 상면이란, 덕트부(40)를 구성하는 너셀(4)의 벽면(46, 48) 중 너셀(4)의 중심축(C)으로부터 먼 쪽을 의미한다.
이하, 너셀(4)의 내측 벽면 및 덕트부(40)의 저면의 양쪽을 가리키는 것으로서 부호 46을 사용하고, 너셀(4)의 외측벽면 및 덕트부(40)의 상면의 양쪽을 가리키는 것으로서 부호 48을 사용한다.
각 덕트부(40)의 저면(46)(너셀(4)의 내측 벽면(46))은, 허브(6B)로부터 멀어짐에 따라서 너셀 중심축(C)을 향해서 내측으로 만곡되는 만곡부(47)를 갖고 있다. 덕트부(40)의 높이(H)(덕트부(40)의 저면(46)과 상면(48)의 거리)는, 만곡부(47)가 설치된 범위에 있어서, 흡기구(42)측으로부터 배기구(44)측을 향해서 서서히 커지고 있다. 이에 의해, 덕트부(40)의 상면(48)의 외측으로의 돌출이 억제되면서(덕트부(40)의 상면(48)의 너셀 중심축(C)으로부터 멀어지는 방향으로의 돌출이 억제되면서), 덕트부(40)의 단면적은 흡기구(42)측으로부터 배기구(44)측을 향해서 증가하고 있다. 따라서, 덕트부(40)가 바람으로부터 받는 힘을 저감시켜서 덕트부(40)의 보강을 간소화하는 동시에, 덕트부(40)에의 외기의 도입량을 디퓨저 효과에 의해 증대시켜서 열교환기(50)에 있어서의 열교환량을 증가시킬 수 있다.
또한, 덕트부(40)의 높이(H)는 덕트부(40)의 저면(46)과 상면(48)의 거리를 의미한다. 구체적으로는, 너셀(4)의 상면(4A)에 설치된 덕트부(40A)의 경우, 도 4(A) 중의 Z방향에 있어서의 덕트부(40A)의 치수를 가리키고, 너셀(4)의 측면(4B)에 설치된 덕트부(40B)의 경우, 도 4(A)중의 X방향에 있어서의 덕트부(40B)의 치수를 가리킨다.
또한, 덕트부(40)의 높이(H)에 보태어 덕트부(40)의 폭(W)을 흡기구(42)측으로부터 배기구(44)측을 향해서 서서히 크게 해도 된다. 이에 의해, 덕트부(40)의 단면적을 한층 더 증대시킬 수 있다. 또한, 도 4(A) 및 (B)에는, 너셀(4)의 측면(4B)에 설치한 덕트부(40B)의 폭(W)을 흡기구(42)측으로부터 배기구(44)측을 향해서 서서히 크게 하는 모습을 나타냈다.
또한, 덕트부(40)의 폭(W)은 덕트부(40)의 높이 방향에 직교하는 방향에 있어서의 치수를 의미한다. 구체적으로는, 너셀(4)의 상면(4A)에 설치된 덕트부(40A)의 경우, 도 4(A) 중의 X방향에 있어서의 덕트부(40A)의 치수를 가리키고, 너셀(4)의 측면(4B)에 설치된 덕트부(40B)의 경우, 도 4(A) 중의 Z방향에 있어서의 덕트부(40B)의 치수를 가리킨다.
또한, 덕트부(40)의 흡기구(42)는, 너셀(4)의 길이 방향(너셀 중심축(C)의 방향)에 있어서의 중앙 위치보다도 후단부측(허브(6B)로부터 먼 측)에 배치하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 블레이드(6A)를 통과할 때에 발생한 공기류(외기의 흐름)의 흐트러짐의 영향을 받지 않고 덕트부(40) 내에 외기를 안정적으로 도입할 수 있다. 또한, 도 4(A) 및 (B)에는, 너셀(4)의 상면(4A)에 설치한 덕트부(40A)의 흡기구(42)를 너셀(4)의 길이 방향에 있어서의 중앙 위치보다도 후단부측(허브(6B)로부터 먼 측)에 배치한 예를 나타냈다.
또한, 각 덕트부(40)의 흡기구(42)측의 단부는 너셀 중심축(C)을 따라 설치되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 너셀(4)의 상면(4A)에 설치한 덕트부(40A)의 경우, 덕트부(40A)의 흡기구(42)측의 단부를 너셀 중심축(C)을 따라 XY 평면과 대략 평행하게 형성한다. 한편, 너셀(4)의 측면(4B)에 설치한 덕트부(40B)의 경우, 덕트부(40B)의 흡기구(42)측의 단부를 너셀 중심축(C)을 따라 YZ 평면과 대략 평행하게 형성한다. 허브(6B)측에서 너셀(4)의 후단부측을 향하는 외기의 흐름은 기본적으로 너셀 중심선(C)을 따르고 있으므로, 상술한 바와 같이 덕트부(40)의 흡기구(42)측의 단부를 너셀 중심선(C)을 따르게 함으로써, 덕트부(40) 내에의 외기의 도입이 촉진된다.
또한, 도 4(A) 및 (B)에 도시한 바와 같이, 덕트부(40)의 상면(48)(너셀(4)의 외측벽면(48))은 덕트부(40)의 저면(46)을 따라 만곡되어 있어도 된다. 이와 같이, 덕트부(40)의 상면(48)을 덕트부(40)의 저면(46)을 따르게 함으로써, 단면적 확대는 유지해서 디퓨저 효과를 유지하면서 너셀 외부 흐름에 있어서의 소용돌이를 방지할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 덕트부(40A, 40B)의 저면(46)(너셀(4)의 내측 벽면(46))에 허브(6B)로부터 멀어짐에 따라 너셀(4)의 중심선(C)을 향해서 내측으로 만곡된 만곡부(47)를 설치했으므로, 덕트부(40A, 40B)의 외측으로의 돌출을 억제하면서 덕트부(40A, 40B)의 단면적을 흡기구(42)측으로부터 배기구(44)측을 향해서 증대시킬 수 있다. 따라서, 덕트부(40A, 40B)의 외측으로의 돌출이 억제되는 점에서, 덕트부(40A, 40B)가 바람(외기의 흐름)으로부터 받는 힘이 작아져서 덕트부(40A, 40B)의 보강을 간소화할 수 있다. 또한, 덕트부(40A, 40B)의 단면적이 흡기구(42)측으로부터 배기구(44)측을 향해서 증대하므로, 디퓨저 효과에 의해 보다 많은 외기가 덕트부(40A, 40B)에 받아들여지게 된다. 따라서, 열교환기(50)에 있어서 냉각 매체로부터 외기가 빼앗는 열량이 증가하여 열 발생원(유압 트랜스미션(10) 및 발전기(20)의 냉각을 효과적으로 행할 수 있다.
또한, 상술한 제1 실시 형태에서는, 냉각 매체 순환로(30)을 흐르는 냉각 매체의 냉각 대상인 유압 트랜스미션(10) 및 발전기(20)가 너셀(4) 내에 수납되어 있는 예에 대해서 설명했지만, 유압 트랜스미션(10)의 적어도 일부 및 발전기(20)는 타워(2) 내에 수납되어 있어도 된다. 예를 들어, 유압 펌프(12)를 너셀(4)에 수납하는 한편, 유압 모터(14) 및 이것에 연결되는 발전기(20)를 타워(2) 내에 수납하고, 타워(2) 내까지 연장 설치한 냉각 매체 순환로(30)를 흐르는 냉각 매체에 의해 오일 라인(16)을 흐르는 작동유 및 발전기(20)를 냉각해도 된다.
또한, 냉각 매체 순환로(30)를 흐르는 냉각 매체에 의해 냉각되어야 할 열 발생원은, 유압 트랜스미션(10) 및 발전기(20)뿐만 아니라, 주축(5)을 회전 가능하게 너셀(4)측에 지지하는 주베어링의 윤활유, 발전기(20)와 전력 계통의 사이에 설치되는 변압기 및 컨버터, 풍력 발전 장치(1)의 각 부를 제어하는 각종 기기로 구성된 제어반 등의 임의의 발열원이어도 된다. 또한, 유압 트랜스미션(10)으로 바꾸어, 증속기를 거쳐서 주축(5)의 회전을 발전기(20)에 전달하는 풍력 발전 장치의 경우, 냉각 매체 순환로(30)를 흐르는 냉각 매체에 의해 증속기의 윤활유를 냉각해도 된다.
[제2 실시 형태]
다음에 제2 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치에 대해서 설명한다. 본 실시 형태의 풍력 발전 장치는, 너셀(4)의 덕트부(40) 내에 팬을 추가 설치한 것을 제외하면, 이미 설명한 제1 실시 형태의 풍력 발전 장치(1)와 마찬가지의 구성이다. 따라서, 여기서는 제1 실시 형태와 공통되는 부재에는 동일한 번호를 부여해서 그 설명을 생략하고, 제1 실시 형태와 상이한 부분을 중심으로 설명한다.
도 5는 본 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치의 덕트부(40) 주변의 구성을 도시하는 도면이다. 같은 도면에 도시한 바와 같이, 너셀(4)의 덕트부(40) 내에는 열교환기(50)에 보태어 팬(52)이 설치되어 있다. 팬(52)을 설치함으로써 덕트부(40) 내에의 외기의 도입량을 증대시켜서 열교환기(50)에 있어서의 외기와 냉각 매체의 열교환량을 증가시킬 수 있다. 이에 의해, 저풍속 시에 있어서도 덕트부(40) 내에의 외기의 도입량을 확보할 수 있다.
또한, 팬(52)은 열교환기(50)의 상류측 및 하류측 중 어디에 배치해도 되지만, 도 5에 도시한 바와 같이 열교환기(50)의 상류측에 팬(52)을 배치한 구조(압입 통풍형: Forced Drive Type)로 함으로써, 팬(52)에 의해 비나 눈 등으로부터 열교환기(50)를 어느 정도 보호할 수 있다.
또한, 팬(52)의 회전수 또는 가동 상태를 제어하여 열교환기(50)에 있어서의 외기와 냉각 매체의 열교환량을 조절하는 컨트롤러를 설치해도 된다.
도 6은 컨트롤러에 의해 팬(52)의 회전수 제어를 행하는 모습을 나타내는 도면이다. 도 7은 컨트롤러에 의해 팬(52)의 가동 상태 제어를 행하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 컨트롤러(60)는 오일 라인(16)에 있어서의 작동유의 온도, 발전기(20)의 온도, 너셀(4) 내에 있어서의 공기 온도 및 냉각 매체의 온도 중 적어도 하나에 기초하여 팬(52)의 회전수를 제어하여 열교환기(50)에 있어서의 열교환량을 조절한다.
도 6에 나타내는 예에서는, 병렬 라인(17)의 하류측의 저압유 라인(16B)에 설치한 온도 센서T1에 의해 작동유의 온도를 계측하고, 발전기(20)에 설치한 온도 센서T2에 의해 발전기(20)의 온도를 계측하고, 열교환기(50)의 하류측의 냉각 매체 순환로(30)에 설치한 온도 센서T3에 의해 냉각 매체의 온도를 계측하게 되어 있다. 또한, 너셀(4) 내에 있어서의 공기 온도는 너셀(4)에 설치한 온도 센서(도시하지 않음)로 계측된다.
컨트롤러(60)는, 예를 들어, 온도 센서T1로 계측된 저압유 라인(16B)의 작동유 온도가 임계값 이하가 된 경우, 팬(52)의 회전수를 저감하고(회전수를 0으로 하는 것도 포함한다), 작동유의 과냉각을 방지한다. 이 때, 병렬 라인(17)에 설치된 밸브(19)의 개방도 조정도 함께 행하여 오일 쿨러(18)에 있어서의 작동유의 유량을 줄여서 작동유의 과냉각을 보다 확실하게 방지해도 된다.
마찬가지로, 온도 센서T2로 계측한 발전기(20)의 온도나, 온도 센서T3으로 계측한 냉각 매체의 온도나, 도시하지 않은 온도 센서로 계측한 너셀(4) 내의 공기 온도 등이 원하는 범위 내로 수습되도록 컨트롤러(60)에 의한 팬(52)의 회전수 제어를 행해도 된다.
혹은, 도 7에 도시한 바와 같이, 오일 라인(16)에 있어서의 작동유의 온도, 발전기(20)의 온도, 너셀(4) 내에 있어서의 공기 온도 및 냉각 매체의 온도 중 적어도 하나에 기초하여 팬(52)의 가동 대수를 제어하는 컨트롤러(62)를 설치해도 된다.
컨트롤러(62)는, 예를 들어, 온도 센서T1로 계측된 저압유 라인(16B)의 작동유 온도가 임계값 이하가 된 경우, 팬(52)의 가동 대수를 줄여서 작동유의 과냉각을 방지한다. 이 때, 병렬 라인(17)에 설치된 밸브(19)의 개방도 조정도 함께 행하여 오일 쿨러(18)에 있어서의 작동유의 유량을 줄여서 작동유의 과냉각을 보다 확실하게 방지해도 된다.
마찬가지로, 온도 센서T2로 계측한 발전기(20)의 온도나, 온도 센서T3으로 계측한 냉각 매체의 온도나, 도시하지 않은 온도 센서로 계측한 너셀(4) 내의 공기 온도 등이 원하는 범위 내로 수습되도록 컨트롤러(62)에 의한 팬(52)의 가동 대수 제어를 행해도 된다.
또한, 열교환기(50), 팬(52) 및 이들을 보유 지지하는 케이싱의 조합으로 이루어지는 모듈을 사용하여 풍력 발전 장치의 조립을 행해도 된다.
도 8은 열교환기(50), 팬(52) 및 케이싱의 조합으로 이루어지는 모듈을 도시하는 일부 단면 사시도이다. 같은 도면에 도시한 바와 같이, 모듈(M)은 열교환기(50)와, 팬(52)과, 열교환기(50) 및 팬(52)의 양쪽을 보유 지지하는 케이싱(53)으로 구성된다. 그리고, 임의의 개수의 모듈(M)을 너셀(4)에 조립함으로써 풍력 발전 장치의 생산성 및 보수성을 향상시킬 수 있다. 즉, 모듈화에 의해 풍력 발전 장치의 조립이 용이해져서 생산성이 향상한다. 게다가, 만일, 열교환기(50)나 팬(52)이 일부 고장 나더라도 고장 원인인 개소를 모듈(M)마다 교환함으로써 보수를 용이하게 행할 수 있다. 또한, 열 발생원으로부터의 발열량에 따라서 모듈(M)의 개수를 변경하면, 열 발생원으로부터의 발열량이 다른 복수 기종의 풍력 발전 장치의 생산을 효율적으로 행할 수 있다.
또한, 각 덕트부(40(40A, 40B))에 대하여 임의의 개수의 모듈(M)을 설치해도 된다. 예를 들어, 각 덕트부(40(40A, 40B))에 모듈(M)을 하나씩 설치해도 되고, 각 덕트부(40(40A,40B))에 복수의 모듈(M)을 설치해도 된다.
[제3 실시 형태]
다음에 제3 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치에 대해서 설명한다. 본 실시 형태의 풍력 발전 장치는, 너셀(4)의 덕트부(40) 내에 셔터를 추가 설치한 것을 제외하면, 이미 설명한 제1 실시 형태의 풍력 발전 장치(1)와 마찬가지의 구성이다. 따라서, 여기서는 제1 실시 형태와 공통되는 부재에는 동일한 번호를 부여해서 그 설명을 생략하고, 제1 실시 형태와 상이한 부분을 중심으로 설명한다.
도 9는 본 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치의 덕트부(40) 주변의 구성을 도시하는 도면이다. 같은 도면에 도시한 바와 같이, 너셀(4)의 덕트부(40) 내에는 열교환기(50)에 보태어 셔터(54)가 설치되어 있다. 셔터(54)는, 도 9에 도시한 바와 같이, 서로 대략 평행하게 배치된 복수의 날개판(55) 및 복수의 날개판(55)을 지지하는 프레임으로 구성해도 되고, 또 이 예 이외의 다양한 구성의 댐퍼를 사용할 수도 있다. 셔터(54)를 개폐하면, 덕트부(40) 내에 있어서의 외기의 흐름을 차단하거나, 통과시키거나 할 수 있다. 이에 의해, 열교환기(50)에 있어서의 냉각 매체와 외기의 열교환량을 조절할 수 있다.
또한, 셔터(54)는 열교환기(50)의 상류측 및 하류측 중 어디에 설치해도 되지만, 도 9에 도시한 바와 같이 열교환기(50)의 상류측에 셔터(54)를 설치함으로써 셔터(54)에 의해 비나 눈 등으로부터 열교환기(50)를 보호할 수 있다.
또한, 셔터(54)의 개폐를 제어하여 열교환기(50)에 있어서의 외기와 냉각 매체의 열교환량을 조절하는 컨트롤러를 설치해도 된다.
도 10은 컨트롤러에 의해 셔터(54)의 개폐 제어를 행하는 모습을 나타내는 도면이다. 같은 도면에 도시한 바와 같이, 컨트롤러(64)는, 오일 라인(16)에 있어서의 작동유의 온도, 발전기(20)의 온도, 너셀(4) 내에 있어서의 공기 온도 및 냉각 매체의 온도 중 적어도 하나에 기초하여 각 셔터(54)의 개폐를 개별로 제어하여 각 열교환기(50)에 있어서의 열교환량을 조절한다.
예를 들어, 온도 센서T1로 계측된 저압유 라인(16B)의 작동유 온도가 임계값 이하가 된 경우, 컨트롤러(64)는 폐쇄 상태의 셔터(54)를 늘려서 작동유의 과냉각을 방지한다. 이 때, 병렬 라인(17)에 설치된 밸브(19)의 개방도 조정도 함께 행하여 오일 쿨러(18)에 있어서의 작동유의 유량을 줄여서 작동유의 과냉각을 보다 확실하게 방지해도 된다.
마찬가지로, 온도 센서T2로 계측한 발전기(20)의 온도나, 온도 센서T3으로 계측한 냉각 매체의 온도나, 도시하지 않은 온도 센서로 계측한 너셀(4) 내의 공기 온도 등이 원하는 범위 내로 수습되도록 컨트롤러(64)에 의한 셔터(54)의 개폐 제어를 행해도 된다.
또한, 컨트롤러(64)에 의해 각 셔터(54)의 개방도를 제어하여 열교환기(50)에 있어서의 열교환량을 미세 조절해도 된다.
[제4 실시 형태]
다음에 제4 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치에 대해서 설명한다. 본 실시 형태의 풍력 발전 장치는, 덕트부(40)의 상면(48)의 형상을 제외하면, 이미 설명한 제1 실시 형태의 풍력 발전 장치(1)와 마찬가지의 구성이다. 따라서, 여기서는 제1 실시 형태와 공통되는 부재에는 동일한 번호를 부여해서 그 설명을 생략하고, 제1 실시 형태와 상이한 부분을 중심으로 설명한다.
도 11은 본 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치의 덕트부(40) 주변의 구성을 도시하는 도면이다. 같은 도면에 도시한 바와 같이, 덕트부(40)의 저면을 구성하는 너셀(4)의 내측 벽면(46)이 내측으로 만곡되어 있다. 한편, 덕트부(40)의 상면을 구성하는 너셀(4)의 외측벽면(48)에는 배기구(44)측의 단부에 플랜지부(49A)가 설치되어 있고, 상기 플랜지부(49A)에 있어서 너셀 중심축으로부터 이격되는 방향에 외측으로 굴곡되어 있다. 또한, 너셀(4)의 외측벽면(48)은, 플랜지부(49A)의 상류측에는 만곡부(49B)가 설치되어 있고, 상기 만곡부(49B)에 있어서 너셀 중심축으로부터 이격되는 방향에 외측으로 만곡되어 있다. 또한, 만곡부(49B)와 플랜지부(49A)의 경계선은 불연속으로 되어 있고, 매끈하게 만곡되는 만곡부(49B)로부터 외측으로 굴곡되는 직선 형상의 플랜지부(49A)에 급격하게 이행하고 있다.
도면 중의 화살표로 나타낸 바와 같이 너셀(4)의 외측벽면(48)을 따라 덕트부(40)의 외부를 흐르는 공기는, 플랜지부(49A) 및 만곡부(49B) 주변의 영역A에 있어서 유로 면적이 축소하므로 가속되어서 동압이 상승하고, 그만큼만 정압이 저하한다. 그 때문에, 플랜지부(49A)의 후류측에 위치하는 영역B에 있어서의 압력(정압)은 낮아진다. 또한, 플랜지부(49A)의 후류측의 영역B에서는 소용돌이가 발생하므로, 이것에 의해도 영역B의 압력이 저하한다. 따라서, 상술한 덕트부(40)의 단면적 증대에 의한 디퓨저 효과에 보태어 플랜지부(49A)의 후류측의 영역B에 있어서의 낮은 압력에 의해 보다 많은 외기를 흡기구(42)로부터 덕트부(40) 내에 끌어들일 수 있다. 따라서, 열교환기(50)에 있어서 냉각 매체로부터 외기가 빼앗는 열량이 증가하여 풍력 발전 장치(1)의 열 발생원의 냉각을 효과적으로 행할 수 있다.
또한, 도 11에는 너셀(4)의 외측벽면(48)에 굴곡부(49A) 및 만곡부(49B)의 양쪽을 설치한 예를 나타냈지만, 굴곡부(49A) 및 만곡부(49B) 중 어느 하나만을 설치해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 상술한 제1 실시 형태 내지 제4 실시 형태를 적절하게 조합해도 되고, 각종 개량이나 변형을 행해도 되는 것은 말할 필요도 없다.
예를 들어, 제2 실시 형태(도 5 참조)에 관한 풍력 발전 장치의 덕트부(40) 내에 제3 실시 형태에서 설명한 셔터(54)를 추가해도 된다. 즉, 덕트부(40) 내에 팬(52) 및 셔터(54)의 양쪽을 설치해도 된다. 혹은, 제4 실시 형태(도 11 참조)에 관한 풍력 발전 장치의 덕트부(40) 내에, 제2 실시 형태에서 설명한 팬(52) 및 제3 실시 형태에서 설명한 셔터(54) 중 적어도 한쪽을 추가 설치해도 된다.
1 : 풍력 발전 장치
2 : 타워
4 : 너셀
5 : 주축
6 : 로터
6A : 블레이드
6B : 허브
10 : 유압 트랜스미션
12 : 유압 펌프
14 : 유압 모터
16 : 오일 라인
16A : 고압유 라인
16B : 저압유 라인
17 : 렬 라인
18 : 오일 쿨러
19 : 밸브
20 : 발전기
22 : 발전기 쿨러
30 : 냉각 매체 순환로
32 : 너셀 냉각기
40 : 덕트부
42 :흡기구
44 : 배기구
46 : 너셀 내측 벽면(덕트부 저면)
47 : 만곡부
48 : 너셀 외측벽면(덕트부 상면)
49A : 플랜지부
49B : 만곡부
50 : 열교환기
52 : 팬
54 : 셔터

Claims (15)

  1. 타워와,
    적어도 1장의 블레이드와,
    상기 블레이드를 지지하는 허브와,
    상기 타워에 의해 지지되고, 흡기구 및 배기구를 갖는 덕트부가 벽면에 일체적으로 형성된 너셀과,
    상기 덕트부 내에 설치되어 상기 흡기구로부터 상기 덕트부 내에 받아들인 외기와의 열교환에 의해 상기 타워 및 상기 너셀 중 적어도 한쪽의 내부에 있어서의 열 발생원을 냉각한 후의 냉각 매체를 냉각하는 열교환기를 구비하고,
    상기 너셀의 벽면은 상기 덕트부가 설치된 영역에 있어서 내측 벽면과 외측벽면으로 이루어지는 이중 구조로 되어 있고,
    상기 덕트부의 저면을 구성하는 상기 너셀의 내측 벽면은, 상기 허브로부터 멀어짐에 따라 상기 너셀의 중심선을 향해서 내측으로 만곡하는 만곡부를 갖고 있고,
    상기 덕트부는, 적어도 상기 만곡부가 설치된 범위에 있어서 상기 흡기구측에서 상기 배기구측을 향해서 단면적이 증대하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 너셀의 상면 및 측면에 일체적으로 형성된 상기 덕트부 내에 복수 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 덕트부의 상기 흡기구측의 단부는 상기 너셀의 중심선을 따라 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 덕트부 내에의 외기의 도입량을 증대시키는 팬과,
    상기 팬 및 상기 열교환기의 양쪽을 수납하는 케이싱을 또한 구비하고,
    적어도 상기 열교환기, 상기 팬 및 상기 케이싱으로 이루어지는 모듈이 복수 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    복수의 상기 모듈은 상기 너셀의 상면 및 측면에 일체적으로 형성된 상기 덕트부 내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    작동 상태의 상기 팬의 개수를 변화시켜서 각 모듈의 상기 열교환기에 있어서 외기가 상기 냉각 매체로부터 빼앗는 열량을 조절하는 컨트롤러를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 덕트부에 설치된 셔터와,
    상기 셔터의 개폐에 의해 각 모듈의 상기 열교환기에 있어서 외기가 상기 냉각 매체로부터 빼앗는 열량을 조절하는 컨트롤러를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 팬의 회전수를 변화시켜서 각 모듈의 상기 열교환기에 있어서 외기가 상기 냉각 매체로부터 빼앗는 열량을 조절하는 컨트롤러를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 덕트부의 상면을 구성하는 상기 너셀의 외측벽면은 상기 덕트부의 저면을 따라 만곡되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 허브에 연결된 주축과,
    상기 주축에 의해 구동되는 유압 펌프와,
    상기 유압 펌프로부터 공급되는 고압의 작동유에 의해 구동되는 유압 모터와,
    상기 유압 모터에 연결되는 발전기와,
    상기 유압 펌프 및 상기 유압 모터에 접속되어, 상기 유압 펌프 및 상기 유압 모터의 사이에서 상기 작동유를 순환시키는 오일 라인과,
    상기 오일 라인을 흐르는 상기 작동유를 냉각하는 오일 쿨러와,
    상기 발전기를 냉각하는 발전기 쿨러를 구비하고,
    상기 오일 쿨러 및 상기 발전기 쿨러에 상기 열교환기에서 냉각된 상기 냉각 매체를 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 너셀 내에 설치되고, 상기 너셀 내의 공기를 냉각하는 너셀 냉각기를 또한 구비하고,
    상기 너셀 냉각기에 상기 열교환기에서 냉각된 상기 냉각 매체를 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 오일 라인에 있어서의 상기 작동유의 온도, 상기 발전기의 온도, 상기 너셀 내에 있어서의 공기 온도 및 상기 냉각 매체의 온도 중 적어도 하나에 기초하여 상기 오일 쿨러, 상기 발전기 쿨러, 상기 너셀 냉각기 및 상기 열교환기 중 적어도 하나에 있어서의 열교환량을 조절하는 컨트롤러를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 덕트부 내에의 외기의 도입량을 증대시키는 팬과,
    상기 팬 및 상기 열교환기의 양쪽을 수납하는 케이싱을 또한 구비하고,
    적어도 상기 열교환기, 상기 팬 및 상기 케이싱으로 이루어지는 모듈이 복수 설치되어 있고,
    상기 오일 라인에 있어서의 상기 작동유의 온도, 상기 발전기의 온도, 상기 너셀 내에 있어서의 공기 온도 및 상기 냉각 매체의 온도 중 적어도 하나에 기초하여 각 모듈의 상기 팬 및 상기 열교환기를 제어하는 컨트롤러를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 매체는 부동액이 첨가된 물 또는 공기인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 덕트부의 상면을 구성하는 상기 너셀의 외측벽면은, 상기 배기구측에 있어서, 상기 너셀의 중심선으로부터 멀어지는 방향에 외측으로 굴곡 또는 만곡되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.

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