Nacelle cooling system of a wind turbine

本発明は、風力タービンのナセル冷却システムに関し、より詳細には風力タービンにおいて、発電機(generator)、増速機(gear box)、インバータなどが具備されているナセルの効率的な冷却のための風力タービンのナセル冷却システムに関する。

風力発電システムは、風による運動エネルギーを電気的エネルギーに変換できるように構成されるシステムであって、設けられる環境条件に応じて陸上用(onshore)と海上用(offshore)に区分され得る。

図１は、一般的な風力タービンシステムの構造を示す概略図である。 図１を参照して風力タービンシステムの作動を概略的に説明すると下記の通りである。

先ず、タワー４０を、堅固な地盤５０上に、コンクリート構造物などを用いて立て、その上にナセル２０を配置する。 ナセル２０の内部には、増速機２２、発電機２４、インバータ、トランスフォーマなどが具備される。 前記増速機２２には、ハブと主軸とを介してブレード３０が連結固定される。 風によって低速で回転するブレード３０は、増速機２２を介して１５００ｒｐｍ以上の高速で運動エネルギーを発生させ、発電機２４は、前記運動エネルギーを電気エネルギーに変化させる。 発電機２４で生産された電気は、インバータで整流されて転送される。

風力発電において、前記規則的なエネルギーの変換は、熱の形態で損失が発生する。 発電機で運動エネルギーを電気エネルギーに変化させる過程と、駆動ラインの増速機においてもギアなどの摩擦などによって損失が発生する。 また、インバータ、トランスフォーマなどのような整流装置においても損失による熱が発生する可能性がある。

ナセル内では、各装置を連結するパワーケーブル、コントロールキャビネット、パワーサプライにおいても熱損失が発生する場合には、熱損失は、さらに増加する恐れがある問題がある。

一方、従来の陸上風力発電システムのうちで発電容量が小さくて相対的にナセル内部の発熱が小さい場合には、外部空気をナセルの内部に引き込んで発電機の内部を冷却することができたが、海上用の場合は、発電機、増速機、インバータなどを海上条件で使用する場合に、外部空気に塩分が含まれているため、腐食による損傷を受ける問題点がある。

本発明は、前記のような問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、海上条件で使用される風力発電システムにおいて、ナセルを外部から遮断させた状態で前記ナセル内部の空気を冷却することができるように冷却システムを効率的に構成することによって、ナセルを塩分から保護すると同時に風力発電システムの効率を高めるようにする風力タービンのナセル冷却システムを提供することにある。

前記の目的を達成するための本発明による風力タービンのナセル冷却システムは、前記ナセルの内部に設けられる少なくとも一つ以上の発熱装置をそれぞれ取り囲むように配置される冷却ブロックと、前記冷却ブロックに連結されて冷却剤を流動させ得る流動管路と、前記流動管路と連結されて前記ナセルの外部側面またはナセルの後端に配置される第１の熱交換器、および前記ナセルの内部から発生する熱を吸収して前記ナセルの外部へ放出させ得る第２の熱交換器とを含み、前記第１の熱交換器と第２の熱交換器とは、前記ナセルが外部から密閉されるように構成されることを特徴とする。

前記発熱装置は、発電機、増速機、インバータであり得る。

ここで、第１の熱交換器は、前記流動管路を介して流動される冷却剤を空気と熱交換させ得る。

また、前記第２の熱交換器は、ダクト、発熱部材、熱伝達媒体を具備し、前記熱伝達媒体は、内部の冷媒を介してナセル内部の熱を外部へ排出することができる。

好ましくは、前記熱伝達媒体は、ヒートパイプ熱交換器であり得る。

さらに、前記第２の熱交換器は、ダクトの一端にファンをさらに具備し、前記ファンは、強制的に空気を前記ダクトの内部側に流入させ得る。

前記において、冷却ブロックは、内部に冷却剤が流動され得るチャンネルが形成され、前記チャンネルは、ジグザグの形態で連続して配置され得る。

本発明によれば、海上条件での風力タービンのナセルを稼働させる場合に、外部の塩分から前記ナセル内部の主要機器を完全に遮断させることによって、風力タービンの主要機器の、腐食による性能低下を防止することができる。

また、本発明によれば、ナセル内の高発熱装置は、水冷方式で一体化して冷却し、その他の低発熱装置に対しては空冷方式で冷却することによって、効率的な立体冷却が具現されるようにできる。

一般的な風力タービンの構造を示す概略図である。

本発明による風力タービンのナセル冷却システムを示す構成図である。

コントローラーと、温度感知センサーと、送風ファンと、圧力計との関係を示した図である。

本発明の前記のような目的、特徴および他のメリットなどは、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明することによって、更に明らかになるだろう。 以下、添付された図面を参照して本発明の実施例による風力タービンのナセル冷却システムを詳細に説明することにする。

図２は、本発明による風力タービンのナセル冷却システムを示す構成図であり、図３は、コントローラーと、温度感知センサーと、送風ファンと、圧力計との関係を示す図である。 以下、図２と図３に応じて本発明の一実施例による風力タービンのナセル冷却システムについて説明する。

風力タービン１００は、タワー１０１、ナセル１１０、ブレード１０２を具備する。 ナセル１１０は、タワー１０１の上端に配置されて固定される。 タワー１０１は、鋼材中空型式で形成されることができ、多段になった円筒形の部材を、クレーンを用いて高く築造することができる。 ブレード１０２は、ナセル１１０内部の増速機１２０に連結されることによって、ブレード１０２に発生する運動エネルギーを電気的なエネルギーに変換可能になる。

ブレード１０２は、ハブ１０４に終端が嵌合されて結合され、ハブ１０４は、主軸１０６に連結される。 主軸１０６は、ナセル１１０内部の増速機１２０に回転可能に締結されることによって、ブレード１０２と増速機１２０の連結構造が完成される。

以下、風力タービンのナセル冷却システムについて述べる。 ナセル１１０は、増速機１２０と、発電機１３０と、インバータ１４０と、コントロールキャビネット１０８とを具備する。 増速機１２０は、伝動軸１２５を介して発電機１３０に高速の回転運動エネルギーを伝達する。 発電機１３０は、その内部に伝動軸１２５に連結固定されたロータ（図示せず）およびステータ（図示せず）が具備され、前記ロータがステータの周りで高速回転することによって、電気を発生させるようになる。 インバータ１４０は、発電機１３０に誘導された電気エネルギーから不純なノイズなどを除去することができるようにする。

増速機１２０の外部面を取り囲むように冷却ブロック１７２が提供される。 冷却ブロック１７２は、内部に冷却剤が流動され得るチャンネル（図示せず）が形成され、前記チャンネルは、ジグザグの形態で連続して配置され得る。 増速機１２０に対するのと類似した形態で、発電機１３０とインバータ１４０とに対して冷却ブロック１７４、１７６、１７８が提供され得る。 冷却ブロック１７０は、内部に冷却剤が流動され得るチャンネルが形成され、前記チャンネルは、ジグザグ形態で連続して配置され、冷却効率を高めるように形成され得る。 冷却ブロック１７２は、発熱装置などから発生した熱を吸収し、冷却剤で熱を排出すべきであるので、熱伝導性が優れた金属材質から形成されるのが好ましい。

前記冷却ブロック１７０は、流動管路１６０に連通可能に連結される。 流動管路１６０は、それぞれの冷却ブロック１７０から熱が吸収された冷却剤を第１の熱交換器１６２に移動させて熱交換ができるようにする。 流動管路１６０は、冷却剤が内部で流れながら熱がナセル１１０の内部に浸透できないように断熱材質で形成されるのが好ましい。 前記冷却剤は、コストと冷却効果とを考慮する時、水が好ましいが、冷却効率を高めるためにはその他にオイルやガスも適用することができる。

流動管路１６０には、圧力計１６５およびバルブ（図示せず）が設けられ得るが、前記圧力計１６５は、流動管路１６０に流れる冷却剤の圧力をセンシングして電気的に連結されたコントローラー１８０に伝達することになり、コントローラー１８０は、バルブを選択的に開閉することによって、流動管路１６０に過度な圧力がかからないように制御する。

前記第１の熱交換器１６２は、ナセル１１０の外部側面または後端に設けられ、空気流入のため第１の送風ファン１６４がその一側端に装着される。 第１の熱交換器１６２は、ナセル１１０の外部に設けられることによって、ナセル１１０の空間活用度を高めることができ、熱交換を介して発生する不要な廃熱がナセル１１０の内部に流入することを未然に防止することができる。

冷却ブロック１７０は、一つの流動管路１６０を介して熱交換ができることとして説明しているが、各装置の熱容量およびナセル内部空間の余裕を考慮して、別に構成された流動路を確保することもできる。

ナセル冷却システムは、ナセル１１０の内部から発生する熱を、空気を媒介体として吸収し、ナセル１１０の外部へ放出させ得る第２の熱交換器１５０を具備する。 第２の熱交換器１５０は、コントロールキャビネット１０８、パワーサプライ、パワーケーブルなどの、発電機に直接接続されていないが発熱をする部品によって温度が上昇した空気を冷却することができるように構成される。

第２の熱交換器１５０は、ダクト１５１、１５５と、発熱部材１５４と、熱伝達媒体１５２とを具備する。 第１のダクト１５１は、ナセル１１０の内部に位置して熱い空気が流入できるようにし、第２の送風ファン１５３は、第１のダクト１５１への空気の強制流入を誘導する役割を果たす。 第２のダクト１５５は、ナセル１１０の外部に位置して冷却空気が流入できるようにし、第３の送風ファン１５６は、第２のダクト１５５への冷却空気の強制流入を誘導する役割を果たす。

ダクト１５１、１５５のそれぞれの一側端には、発熱部材１５４が一定間隔を置いて空気の流入方向に並んで配置され得る。 発熱部材１５４を横切る方向に熱伝達媒体１５２が一定間隔を維持したまま配置される。 熱伝達媒体１５２は、ヒートパイプからなり得る。

熱伝達媒体１５２は、内部に含有された冷媒を介してナセル１１０内部の熱を第１のダクト１５１から受けてナセル１１０の外部へ放出する。 すなわち、まず、第１のダクト１５１に流入した高温空気から、ナセル１１０の内部に位置した発熱部材１５４が熱を吸収して熱伝達媒体１５２に提供する。 その後、熱伝達媒体１５２を介して伝えられてきた熱が、次に、ナセル１１０の外部に位置した発熱部材１５４に吸収され、この状態で、外部空気を加えて冷却がなされる。

第１の熱交換器１６２に連結される流動管路１６０には、コントローラー１８０に電気的に連結された温度センサー１６６が装着され得るが、温度センサー１６６は、流動管路１６０を介して流入する冷却剤の温度をセンシングしてその結果をコントローラー１８０に送信する。 コントローラー１８０は、予め設定された基準値とセンシングされた温度データとを比較して第１の送風ファン１６４の回転速度を調節する。 前記過程を介して発熱量が少ない場合には、結果的に熱交換容量が減ることになるので、第１の送風ファン１６４を制御し、低速で回転させて不要な騒音および動力の無駄遣いを最小化することができる。 同様の方法で、第２の熱交換器１５０に装着されるダクト１５１、１５５の内部にも温度センサーが装着され、送風ファン１５３、１５６の回転速度を制御することができる。

前記のように、熱交換器１５０、１６２は、密閉構造をなしているナセル１１０と隔離される冷却体系を有しているので、熱交換器１５０、１６２から発生した廃熱が再びナセル１１０の内部に流入する問題を事前に防止する。 また、海上で風力タービンを稼働させる場合に、ナセル１１０の内部にある主要機器が外部の塩分によって性能低下することを防止することができる。

以上で説明した内容を介して当業者ならば、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で様々な変更および修正が可能であることが分かるだろう。 したがって、本発明の技術的範囲は、明細書の詳細な説明に記載された内容で限定されるものではなく、特許請求の範囲によって決められなければならないだろう。

本発明は、風力タービンのナセル冷却システムに関するものであって、風力タービンに有用に適用され得る。

１００ 風力タービンのナセル冷却システム１０１ タワー１０２ ブレード１０４ ハブ(Hub)
１０６ 主軸(Main shaft)
１０８ コントロールキャビネット１１０ ナセル１２０ 増速機１３０ 発電機１４０ インバータ１５０ 第２の熱交換器１５２ 熱伝達媒体１５３、１５６ 送風ファン１５７ 発熱部材１６０ 流動管路１６２ 第１の熱交換器１７０ 冷却ブロック１８０ コントローラー