수냉식 풍력 발전 장치, 및 풍력 발전 장치의 발전기 냉각 방법{WATER-COOLED WIND POWER GENERATION DEVICE, AND GENERATOR COOLING METHOD FOR WIND POWER GENERATION DEVICE}

본 발명의 실시형태는, 수냉식 풍력 발전 장치에 관한 것이며, 또한 풍력 발전 장치의 발전기 냉각 방법에 관한 것이다.

세계적으로 전력 수요가 높아지는 한편, 지구 온난화 억지의 관점에서, 석탄, 석유 등의 화석 연료를 사용한 발전 장치 대신에, 발전 운전 중에 이산화탄소를 발생시키지 않는 풍력 발전을 비롯한 깨끗한 재생 에너지를 생성하는 발전 장치의 보급이 요망되고 있다.

풍력 발전 장치의 형태로서는, 프로펠러형, 다리우스(Darius)형, 자이로밀(gyromill)형 등 다양한 풍력 발전 장치가 제안되고 있다. 그러나, 기본적으로는, 풍력 발전 장치는, 바람의 에너지를 회전 운동으로 변환하기 위한 블레이드를 구비한 로터부와, 이 로터부의 회전 운동을 발전기에 전달하는 기어 기구를 포함하는 주축과, 이 주축의 회전 운동의 에너지를 전력으로 변환하는 발전기로 구성된다.

그 중, 발전시에 생기는 전기적 손실이 열로 변환되기 때문에, 발전기의 온도, 특히 고정자 코일이나 회전자 코일의 온도가 상승한다. 그 결과, 내(耐)온도 한계가 낮은 코일의 절연의 파손이나, 온도 상승에 수반하는 회전자축 진동에 의한 발전기의 기계적 고장을 유발하기 때문에, 일반적으로는 발전기의 냉각 수단이 필요해진다.

이 발전기의 냉각 수단으로서는, 공냉식(공기 냉각 방식)이나 수냉식(수냉각 방식)이 채용되고 있지만, 현(現) 단계에서의 공냉식의 구성은, 보조기계 블로어 팬(blower fan)을 사용하여, 발전기 내에 공기를 강제적으로 보내어 순환시키는 구성이다. 한편, 수냉식 구성은, 철심 내에 냉각수를 보내어 순환시키는 구성으로 되어 있다.

그러나, 이상과 같은 풍력 발전 장치는, 바람의 에너지를 회전 운동으로 변환하기 때문에, 시간이나 지형의 영향을 받지 않고 정격(定格) 풍속의 바람을 얻기 쉬운 장소에 설치하는 것이 요망되고 있다. 그 때문에, 풍력 발전 장치의 설치 적지(適地) 장소의 감소나 오프쇼어(해상 풍력 설치)형 수요 등에의 대응에 수반하여, 발전기의 단기(單機) 용량이 증대하는 경향이 있다.

그러나, 발전기의 단기 용량의 증대에 수반하여 발전기의 발열량이 증대하므로, 현상(現狀)의 공냉식이나 수냉식의 냉각 수단에서는, 그, 발열량이 증대한 열을 확실하게 제열(除熱)하는 것이 어렵다. 그 이유는, 발열량의 증대는, 발전기를 구성하는 고정자 코일이나 회전자 코일의 온도 상승이 요인이 되어지지만, 냉각 수단은, 코일을 적절하게 냉각할 수 있는 구조로 되어 있지 않기 때문이다.

그 결과, 발전기를 구성하는 각 고정자 코일이나 회전자 코일에 통전(通電)할 수 있는 전류 밀도의 상한이 제약된다. 바꾸어 말하면, 각 코일의 단면적이 커지면, 전류 밀도가 작아지지만, 코일 단면적의 증대에 수반하여 발전기 사이즈나 코일 중량이 증대하고, 발전기를 수납하는 나셀(nacelle) 등의 구조물이나 타워 등의 강도 유지의 구조 설계·제조 등에 큰 영향을 미치는 문제가 있다.

그래서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 발전기 내 구조물 중 온도 상승 요인이 되는 구조물인 고정자 코일에 발생하는 열을 확실하게 제열하고, 발전기 사이즈나 코일 중량의 증대를 회피하는 것이 가능해지는 수냉식 풍력 발전 장치, 및 풍력 발전 장치의 발전기 냉각 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 실시형태에 의하면, 수냉식 풍력 발전 장치는, 풍력 에너지를 회전 운동으로 변환하는 블레이드를 갖는 로터부와, 이 로터부의 회전 운동 에너지를 전력으로 변환하는 발전기를 구비한 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 발전기의 고정자의 슬롯 홈에 장착되는 고정자 코일을 구성하는 하측 고정자 코일과 상측 고정자 코일 사이에 배치된 수냉각 배관과, 이 수냉각 배관 내에 냉각수를 통수(通水)하여 상기 고정자 코일에 발생하는 열을 제열하는 수냉용 냉각기를 구비한다.

또한, 다른 실시형태에 의하면, 풍력 발전 장치의 발전기 냉각 방법은, 풍력 에너지를 회전 운동으로 변환하는 블레이드를 갖는 로터부와, 이 로터부의 회전 운동 에너지를 전력으로 변환하는 발전기와, 수냉용 냉각기를 구비하고, 상기 발전기의 고정자 코일을 냉각하는 수냉식 풍력 발전 장치의 발전기 냉각 방법으로서, 상기 발전기의 발전량에 영향을 주는 물리 변수 데이터를 취득하고, 이 취득되는 물리 변수 데이터에 의거하여, 상기 발전기의 고정자의 슬롯 홈 내에 장착되는 고정자 코일을 따라 배치되는 수냉각 배관 내에 통수하는 상기 수냉용 냉각기의 냉각수 필요 유량을 예측하고, 이 예측된 냉각수 필요 유량에 의거하여, 상기 수냉각 배관의 발전기 출구측 단부(端部)와 상기 수냉용 냉각기 사이에 개재되는 펌프의 회전 속도를 제어하고, 상기 수냉각 배관 내에 통수하는 냉각수의 유량을 증감하고, 상기 고정자 코일에 생기는 열을 제열한다.

도 1은 수평축형 풍차의 기본 구성을 나타내는 개요도.
도 2는 동기 발전기를 사용한 수평축형 풍차의 나셀 내의 기본적인 기기 구성예를 나타내는 도면.
도 3은 유도 발전기를 사용한 수평축형 풍차의 나셀 내의 기본적인 기기 구성예를 나타내는 도면.
도 4는 각 실시형태에 따른 풍력 발전 장치의 요부(要部) 구성을 나타내는 일부 단면도.
도 5는 제1 실시형태에 따른 냉각식 풍력 발전 장치에 있어서의 발전기 고정자 코일 내의 수냉각 배관의 배치 관계를 나타내는 횡방향 단면도.
도 6은 도 5에 나타내는 A-A'선을 따르는 상·하 고정자 코일과 수냉각 배관과의 관계를 설명하기 위한 고정자 내경측을 나타내는 축방향 단면도.
도 7은 제2 실시형태에 따른 냉각식 풍력 발전 장치에 있어서의 발전기 고정자 코일 내의 수냉각 배관의 배치 관계를 나타내는 횡방향 단면도.
도 8은 도 7에 나타내는 B-B'선을 따르는 상·하 고정자 코일과 수냉각 배관과의 관계를 설명하기 위한 고정자 내경측을 나타내는 축방향 단면도.
도 9는 제3 실시형태에 따른 냉각식 풍력 발전 장치에 있어서의 발전기 고정자 코일과 수냉각 배관과의 관계를 설명하기 위한 고정자 내경측을 나타내는 축방향 단면도.
도 10은 제3 실시형태에 따른 냉각식 풍력 발전 장치에서 사용하는 다른 수냉각 배관의 형태예를 설명하는 도면.
도 11은 제4 실시형태에 따른 냉각식 풍력 발전 장치에 있어서의 통수 유량 제어계 및 발전 출력 제어계의 일례를 나타내는 구성을 나타내는 도면.
도 12는 발전기 토크와 통수하는 냉각수 유량과의 관계를 설명하는 도면.
도 13은 제4 실시형태에 따른 냉각식 풍력 발전 장치에 있어서의 통수 유량 제어계 및 발전 출력 제어계의 다른 예를 나타내는 구성을 나타내는 도면.
도 14는 발전기 회전수와 통수하는 냉각수 유량과의 관계를 설명하는 도면.
도 15는 제4 실시형태에 따른 냉각식 풍력 발전 장치에 있어서의 통수 유량 제어계 및 발전 출력 제어계의 또 다른 예를 나타내는 구성을 나타내는 도면.
도 16은 풍속과 통수하는 냉각수 유량과의 관계를 설명하는 도면.
도 17은 제4 실시형태에 따른 냉각식 풍력 발전 장치에 있어서의 통수 유량 제어계 및 발전 출력 제어계의 또 다른 예를 나타내는 구성을 나타내는 도면.
도 18은 발전기 출구측 냉각수 온도와 통수하는 냉각수 유량과의 관계를 설명하는 도면.

이하, 본 실시형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.

(제1 실시형태)

도 1 내지 도 3은, 본 실시형태에 따른 수냉식 풍력 발전 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 한편, 이들 도 1 내지 도 3에 나타내는 수냉식 풍력 발전 장치는, 수평축형 풍차를 이용한 예를 나타내고 있지만, 수직축형 풍차를 이용한 예여도 된다. 여기에서, 수평축형 풍차란, 풍차의 회전축이 설치면에 대하여 수평이 되는 타입의 풍차이며, 수직축형 풍차란, 풍차의 회전축이 설치면에 대하여 수직이 되는 타입의 풍차로서, 본 실시형태의 요부가 되는 구성은 어느 타입에도 적용 가능한 것은 물론이다.

우선, 도 1, 도 2에 나타내는 바와 같이, 수냉식 풍력 발전 장치는, 예를 들면 지상면 등의 설치면(1)에 설치되는 기대(基台)(베이스)(2)상에 입설(立設)되는 타워(3)와, 나셀(4)과, 주축(5)과, 로터부(6)와, 발전기(7)와, 수냉용 냉각기(8)를 포함하는 구성이다.

나셀(4)은, 타워(3)의 정상부에 부착된다. 주축(5)은, 나셀(4)의 내부에 거의 수평이 되도록 축지지되는 로터부(6)는, 주축(5)의 선단부에 부착된다. 발전기(7)는, 주축(5)의 후단부측에 배치된다. 이 발전기(7)는, 로터부(6)의 회전에 수반하여 회전하는 주축(5)의 회전 운동의 에너지를 전력으로 변환한다.

나셀(4)은, 타워(3)의 정상부에 회전 가능하게 축지지된다. 나셀(4)은, 수평축형 풍차를 구성하는 로터부(6)의 회전면이 풍향계(도시 생략)에 의해 측정되는 바람의 방향으로 방향을 변경시키기 위한 각도 변경 기구(도시 생략)를 구비한 구성이다.

나셀(4)은, 하부 커버 및 상부 커버(도시 생략)로 이루어진다. 나셀(4) 내부에는, 도 3에 나타내는 바와 같이 주축(5), 발전기(7), 수냉용 냉각기(8) 외, 기어부(9), 컨버터(10), 인버터(11), 컨버터 제어부(12) 및 인버터 제어부(13) 등의 각종 기기가 수납된다.

또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 주축(5)과 발전기(7) 사이에는 기어부(9)가 설치되어 있다. 기어부(9)는, 주축(5) 후단부측에 부설(付設)되는 주축측 기어(9a)와, 도 4에 나타내는 발전기(7)의 회전자 회전축에 부설되는 발전기측 기어(9b)로 구성된다. 기어부(9)는, 이들 주축측 기어(9a) 및 발전기측 기어(9b)는 원하는 기어비(比)로 맞물리는 구조로 되어 있다. 주축측 기어(9a)와 발전기측 기어(9b)는, 일반적으로 1:100의 기어비를 갖고, 회전 속도를 높이는 증속 기능의 역할을 한다. 한편, 기어비는, 발전기(7)의 설계 사양과 로터부(6)의 후기하는 블레이드의 설계 사양에 의거하여 적절히 변경된다.

한편, 주축(5)에 대하여 기어(9a, 9b)를 개재시키지 않고 발전기 회전자의 회전축에 직결하는 구성이어도 상관없다.

도 1∼도 3에 나타내는 바와 같이, 로터부(6)는 허브(6a)와 복수 매의 블레이드(6b)를 구비한다. 허브(6a)는 주축(5)의 선단부에 고정된다. 각 블레이드(6b)는 허브(6a)의 측부에 등간격으로 부착된다.

도 4는 실시형태에 따른 수냉식 풍력 발전 장치의 요부 구성을 나타내는 도면이다.

발전기(7)는 발전기 프레임(21) 내에 수납된다. 발전기 프레임(21)에는, 회전 가능하게 축지지된 회전자(22)와, 이 회전자(22)의 외주부를 둘러싸도록 철심을 적층시킨 고정자(23)와, 적층 철심의 고정자(23)에 형성되는 슬롯 홈(24)(도 6 참조)에 장착되는 고정자 코일(25)이 수납된다.

한편, 발전기(7)가 권선(卷線)형 유도 발전기일 때에는, 이 발전기의 구성은, 회전자(22)에 형성되는 슬롯 홈(도시 생략)에 회전자 코일(도시 생략)이 장착되는 구성이다. 또한, 발전기(7)가 영구 자석식 발전기일 때에는, 이 발전기의 구성은, 영구 자석을 사용한 회전자(22)가 설치되는 구성이다.

또한, 발전기(7)는, 도 4 내지 도 6에 나타내는 구성을 갖고 있다. 한편, 도 5는 고정자(23)의 적층 방향으로 단면(斷面)했을 때의 고정자 코일(25)과 수냉각 배관(27)과의 배치 관계를 나타내는 도면이다. 도 6(a)은, 도 5에 나타내는 AA' 화살표 방향에서 본 단면도이다.

즉, 도 4∼도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 슬롯 홈(24)에는, 고정자 코일(25)을 구성하는 하측 고정자 코일(25a)과 상측 고정자 코일(25b)이 배치된다. 그러나, 이들 하측 고정자 코일(25a)과 상측 고정자 코일(25b) 사이에는, 냉각수(26)로 채워진 수냉각 배관(27)이 삽입 통과되고, 그 수냉각 배관(27)의 냉각수 공급측 단부 및 냉각수 귀환측 단부가 발전기 프레임(21)을 통과하여 수냉용 냉각기(8)에 도입된다. 또한, 고정자 코일(25)이 튀어나오는 것을 막는 쐐기(28)가 상측 고정자 코일(25b)의 하측에 배치된다.

도 6(b)은, 하측 고정자 코일(25a)과 상측 고정자 코일(25b) 사이에 삽입 통과되는 수냉각 배관(27) 및 수냉각 배관(27)에 접하는 코일(25a, 25b)의 일부를 나타내는 부분 확대도이다. 즉, 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b)은, 수냉각 배관(27)의 길이 방향을 따라, 각각 면 접촉된다.

한편, 발전기의 구성은, 수냉각 배관(27)의 냉각수 공급측 단부 및 냉각수 귀환측 단부 중 어느 한쪽 또는 양쪽이, 예를 들면 인접하는 복수의 슬롯 홈(24)에 장착되는 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b) 사이를 통과하고, 사행(蛇行)시킨 상태로 다음에 인접하는 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b)에 도입하고, 수냉각 배관(27)의 최종 단부를 수냉용 냉각기(8)에 도입하는 구성이어도 된다.

또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 수냉각 배관(27)은, 1개 또는 임의 수(數)의 슬롯 홈(24)에 장착되는 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b) 사이를 통과한 후, 수냉용 냉각기(8) 안을 원하는 형상, 예를 들면 사행 형상 등을 이루도록 배열된다. 또한, 수냉각 배관(27)의 도중, 예를 들면 수냉각 배관(27)의 냉각수 공급측 단부에는 유량 조정용 펌프(29)가 설치된다.

이 유량 조정용 펌프(29)는, 펌프용 인버터(30)에 의해 회전 속도가 가변 제어되고, 수냉각 배관(27) 내의 냉각수(26)의 통수 유량을 조정 가능한 구성으로 되어 있다.

한편, 수냉용 냉각기(8)의 일례는, 자동차의 라디에이터에 상당하는 방열 기능을 가진 열교환기로서, 발전기 프레임(21) 상부에 재치(載置)되고, 그 냉각기(8) 상부를 예를 들면 나셀(4)의 상부 커버로부터 외측으로 돌출시킨 상태로 하여, 외부 공기와 열교환할 수 있는 구성으로 되어 있다.

또한, 수냉용 냉각기(8)의 구성의 다른 예로서, 수냉용 냉각기(8)의 구성은, 도 4에 나타내는 바와 같이 외부 공기를 취입하여 수냉각 배관(27) 내의 냉각수(26)를 냉각하는 구성이어도 된다. 이 예에서는, 예를 들면 나셀(4)의 외부로부터 수냉용 냉각기(8) 내부에 공냉용 배관(31)을 배치하고, 외부로부터 팬(32)으로 공기를 취입하여, 이 공기를 공냉용 배관(31) 내에 순환시켜, 공냉용 배관(31)에 접촉하도록 배치된 수냉각 배관(27) 내의 냉각수(26)를 냉각하는 구성이어도 된다. 혹은, 공냉용 배관(31) 내부를 액밀(液密)한 상태로 하여 수냉각 배관(27)의 일부를 통과시키고, 당해 수냉각 배관(27) 내의 냉각수(26)를 냉각하는 구성이어도 된다.

다음으로, 이상과 같은 수냉식 풍력 발전 장치의 작용에 대해서 설명한다.

풍력을 받아 로터부(6)가 회전하면, 이 로터부(6)에 부착된 주축(5)이 회전하고, 이 주축(5)의 후단부측에 부설된 주축측 기어(9a)와 발전기측 기어(9b)의 기어비에 따른 회전 속도로 회전자(22)가 회전한다. 여기에서, 회전자(22)가 회전하면, 고정자 코일(25)에 유도 기전력이 발생하여, 발전이 행해진다.

이 발전기(7)에 의한 발전 개시와 함께, 당해 발전기(7)의 구조물이 발열한다. 이 발열량은, 발전기(7)가 권선형 유도 발전기이면, 고정자 코일(25)과 회전자 코일(도시 생략)의 발열이 과반을 차지한다. 또한, 발전기(7)가 영구 자석을 사용한 회전자(22)를 갖는 영구 자석식 발전기이면, 고정자 코일(25)의 발열이 과반을 차지한다.

이상과 같은 발전기(7)에 의한 발전 중에, 발전기(7)의 구조물로부터 발생하는 열을 제열할 때, 종래는 강제 순환용 블로어 팬 등을 설치하고, 발전기(7) 내에 공기를 보내어 순환시킴으로써 강제 냉각하는 것이 행해지고 있다. 발전기(7)가 회전자 코일이면, 발전기의 회전에 수반하는 자기(自己) 팬 효과로 냉각하는 것이 가능하지만, 고정자 코일(25)에 생기는 열을 간단하게 제열할 수는 없다.

그래서, 본 실시형태에 있어서는, 도 4 내지 도 6에 나타내는 바와 같이, 하측 고정자 코일(25a)과 상측 고정자 코일(25b) 사이에 냉각수(26)를 채운 수냉각 배관(27)을 삽입 통과시켜, 열교환 기능을 갖는 수냉용 냉각기(8)를 냉각수(26)가 통과하도록 순환 경로를 형성했다. 그러므로, 각 코일(25a, 25b)에서 데워진 수냉각 배관(27)을 통과하는 냉각수(26)는, 수냉용 냉각기(8)에 의한 열교환에 의해 냉각된다. 그러므로, 고정자 코일(25)에 발생하는 열을 확실하게 제열할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 수냉용 냉각기(8) 내에 외부로부터 공기를 취입하여 수냉용 냉각기(8) 내를 순환시키기 위한 공냉용 배관(31)을 배치한다. 또한, 당해 공냉용 배관(31)에 접촉 혹은 당해 공냉용 배관(31) 내를 통과하도록 수냉각 배관(27)을 배열시킨다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 수냉각 배관(27) 내의 데워진 물이, 공냉용 배관(31)을 순환하는 외기와의 열교환에 의해 냉각되고, 이 냉각한 물을 하측 고정자 코일(25a)과 상측 고정자 코일(25b) 사이로 통과시킴으로써, 고정자 코일(25)(25a, 25b)에 발생하는 열을 확실하게 제열할 수 있다.

(제2 실시형태)

도 7 및 도 8은 수냉식 풍력 발전 장치의 제2 실시형태를 설명하는 도면이다. 한편, 본 실시형태에서는, 수냉식 풍력 발전 장치의 전체 구성과, 발전기(7) 및 수냉용 냉각기(8)의 배치 관계는, 도 3 및 도 4와 대략 동일하므로, 그들의 중복 설명은 생략한다.

도 7은 고정자(23)의 적층 방향으로 단면했을 때의 고정자 코일(25)과 수냉각 배관(27)과의 배치 관계를 나타내는 도면이다. 도 8(a)은 도 7에 나타내는 B-B'화살표 방향에서 본 단면도이다.

이 제2 실시형태는, 도 7, 도 8(a)에 나타내는 바와 같이, 슬롯 홈(24)에 장착되는 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b)의 일측방을 따르도록, 수냉각 배관(27, 27, …)을 각각 개별적으로 배치하고, 그들 수냉각 배관(27, 27, …)의 냉각수 공급측 단부 및 냉각수 귀환측 단부가 발전기 프레임(21)을 통과하여 수냉용 냉각기(8)에 도입된다.

도 8(b)은 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b)의 일측방을 각각 개별적으로 따르도록 배치된 수냉각 배관(27)을 나타내는 단면도이다. 수냉각 배관(27) 내에는 냉각수(26)가 유통(流通)되어 있다.

한편, 도 7 및 도 8에 나타낸 구성은, 수냉각 배관(27)의 냉각수 공급측 단부 및 냉각수 귀환측 단부 중 어느 한쪽 또는 양쪽이, 예를 들면 인접하는 복수의 슬롯 홈(24)에 장착되는 하측 고정자 코일(25a), 상측 고정자 코일(25b)의 일측방을 각각 개별적으로 따르게 한 후, 사행시킨 상태로 다음에 인접하는 하측 고정자 코일(25a), 상측 고정자 코일(25b)의 일측방을 각각 개별적으로 따르게 한 후, 수냉각 배관(27)의 최종 단부를 수냉용 냉각기(8)에 도입하는 구성이어도 된다.

그 밖의 수냉각 배관(27)의 구성 및 수냉용 냉각기(8)에 관계하는 구성은, 제1 실시형태와 마찬가지이므로, 여기에서는, 그 중복하는 구성의 설명은 생략한다.

한편, 하측 고정자 코일(25a)과 상측 고정자 코일(25b) 사이에는, 통상, 절연용 판재(33)가 개재된다. 단, 당해 절연용 판재(33) 대신에 제1 실시형태와 같이 수냉각 배관(27)을 하측 고정자 코일(25a)과 상측 고정자 코일(25b) 사이에 개재시킨 구성이어도 된다.

따라서, 이상과 같은 구성의 실시형태에 의하면, 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b)의 일측방을 따르도록 수냉각 배관(27)을 배치하고, 이 수냉각 배관(27)을 도 4에 나타내는 바와 같이 수냉용 냉각기(8)에 도입하고, 방열하는, 혹은 공냉용 배관(31)에서 열교환하는 구성으로 했다. 그러므로, 고정자 코일(25)(25a, 25b)에 발생하는 열을 확실하게 제열할 수 있다.

한편, 상기 실시형태에서는, 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b)의 일측방을 각각 개별적으로 따르도록 수냉각 배관(27)을 배치했다. 그러나, 예를 들면 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b)의 양방에 걸쳐, 가늘고 긴 단면 형상의 수냉각 배관(27)을 배치하고, 고정자(23)의 양측으로부터 인출(引出)하는 구성으로 해도 된다.

(제3 실시형태)

도 9는 수냉식 풍차 발전 장치의 제3 실시형태를 설명하는 도면이다. 한편, 도 9(a)는 도 7에 나타내는 BB' 화살표 방향에서 본 단면도이다.

이 제3 실시형태는, 도 9(a)에 나타내는 바와 같이, 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b)의 일측방에 각각 수냉각 배관(27)을 배치하도록 했다. 단, 그 수냉각 배관(27)의 배치 형태로서는, 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b)의 각각 반대측의 측방에 배치하는 형태이다. 즉, 도 9(a)에 나타낸 구성에 있어서, 예를 들면 하측 고정자 코일(25a)의 도시 좌측방에 측면측 수냉각 배관(27L)을 배치했을 경우, 상측 고정자 코일(25b)에는, 그와는 반대로 도시 우측방에 측면측 수냉각 배관(27R)을 배치하는 구성이다.

도 9(b)는, 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b)의 반대측방을 각각 따르도록 배치되는 수냉각 배관(27L, 27R)을 나타내는 단면도이다. 각 수냉각 배관(27L, 27R)에는 냉각수(26)가 유통된다.

따라서, 이상과 같은 구성의 실시형태에 의하면, 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b)의 서로 상이한 측방을 따르도록 측면측 수냉각 배관(27L, 27R)을 배치하고, 측면측 수냉각 배관(27L, 27R)을, 도 4에 나타내는 바와 같이 수냉용 냉각기(8)에 도입하고, 방열 기능 혹은 공냉용 배관(31)에서 열교환하는 구성으로 했다. 그러므로, 고정자 코일(25)(25a, 25b)에 발생하는 열을 확실하게 제열할 수 있다.

한편, 상기 실시형태에서는, 하측 고정자 코일(25a)의 일측방(도시 좌측방)에 측면측 수냉각 배관(27L), 상측 고정자 코일(25b)의 타측방(도시 우측방)에 측면측 수냉각 배관(27R)을 배치했지만, 예를 들면 도 10에 나타내는 바와 같이 일측방과 타측방에 배치되는 측면측 수냉각 배관(27L과 27R) 사이에, 양(兩) 코일(25a, 25b)간에 배치되는 중간측 수냉각 배관(27C)을 연결하여, 예를 들면 단면 크랭크(crank) 형상의 수냉각 배관(27)을 배치한 구성이어도 된다.

또한, 상기 각 실시형태에 있어서는, 하측 고정자 코일(25a)과 상측 고정자 코일(25b) 사이, 각 고정자 코일(25a, 25b)의 측방에 수냉각 배관(27)을 배치한 구성이다. 그러나, 이 구성 이외에, 종래와 같이 강제 순환용 블로어 팬 등을 설치하는 구성으로 하는 것은 전혀 상관없다.

(제4 실시형태)

다음으로, 수냉각 배관(27) 내에 통수하는 냉각수(26)의 유량의 제어에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.

(1) 발전기(7)의 회전 속도에 의거하는 냉각수 유량의 제어에 대해서.

도 11은 발전기(7)의 검출 회전 속도 등에 의거하여 얻어지는 토크에 따라서 냉각수 유량을 제어하는 통수 유량 제어계(40)와, 종래부터 일반적으로 사용되고 있는 발전 출력 제어계(50)를 나타내는 구성을 나타내는 도면이다. 한편, 발전 출력 제어계(50)의 컨버터(10), 인버터(11)는 3상(三相)의 구성을 구비할 필요가 있지만, 여기에서는, 3상의 구성을 생략하고, 간략적인 구성으로 나타내고 있다.

우선, 수냉식 풍력 발전 장치의 요부가 되는 통수 유량 제어계(40)에 대해서 설명한다.

통수 유량 제어계(40)는, 회전수 센서(41), 토크 지령 생성부(42), 인버터 제어부(43)를 설치한다. 회전수 센서(41)는, 발전기(7)의 회전 속도를 측정한다. 회전수 센서(41)는, 예를 들면 회전수계 등이다. 토크 지령 생성부(42)는, 적어도 회전수 센서(41)에 의해 측정된 회전 속도와 발전기(7)의 출력 전류(I _G )를 이용하여 토크 지령값을 생성하고 출력한다. 인버터 제어부(43)는, 토크 지령 생성부(42)로부터 출력되는 토크 지령값에 따른 냉각수 유량을 출력하도록, 유량 조정용 펌프(29)의 회전 속도를 설정하기 위한 펌프용 인버터(30)를 제어한다.

일반적으로, 발전기(7)의 회전 속도(Vt/min)가 커지면, 도 12(a)에 나타내는 바와 같이 발전량이 증가해 간다. 그러나, 발전기(7)의 회전 속도가, 어떤 회전 속도 이상이 되었을 때, 발전량은 정격 발전량(KW)으로 포화한다. 한편, 발전기(7)의 회전 속도(Vt/min)가 커지면, 발전기(7)의 출력 전류(I _G )가 증가하고, 그에 수반하여 토크 지령값이 증가하는 관계에 있다.

따라서, 도 12(b)에 나타내는 바와 같이, 발전기(7)의 회전 속도가 크고, 그에 수반하여 토크 지령값이 커지면 발전량이 증가해 가므로, 냉각수(26)의 필요 유량(㎥/min)을 증가시킬 필요가 있다.

그래서, 토크 지령 생성부(42)는, 발전기(7)의 회전 속도와 발전기(7)의 출력 전류(I _G )에 의거하여 토크 지령값을 생성한 후, 이 토크 지령값을 인버터 제어부(43)에 송출한다. 여기에서, 인버터 제어부(43)는, 토크 지령값의 증가에 수반하여 유량 조정용 펌프(29)의 회전 속도를 증가시키도록 펌프용 인버터(30)를 온/오프 제어함으로써, 유량 조정용 펌프(29)의 회전 속도를 제어한다.

그 결과, 냉각기(8)에서 냉각된 냉각수(26)의 유량이 토크 지령값에 따라 변화하면서, 고정자 코일(25) 내에 장착된 수냉각 배관(27) 내에 냉각수(26)를 통수 순환시키므로, 고정자 코일(25)에 발생하는 열을 확실하게 제열할 수 있다.

다음으로, 발전 출력 제어계(50)에 대해서 간단하게 설명한다.

발전 출력 제어계(50)는, 발전기(7)의 출력측에 컨버터(10), 평활 콘덴서(51) 및 인버터(11)를 통해 3상 교류의 전력 계통(52)이 접속된다. 그 중 컨버터(10)는 컨버터 제어부(12)에 의해 제어되고, 인버터(11)는 인버터 제어부(13)에 의해 제어된다.

풍력 에너지에 의해 발전기(7)가 회전하면, 당해 발전기(7)의 회전 속도에 따른 당해 발전기(7)의 내부 유기 전압(V _E )이 발생한다. 이때, 컨버터 제어부(12)는, 미리 외부로부터 설정되는 유효 전력 지령값(P _G *)에 의거하여, 발전기(7)의 출력측에 설치된 전류 검출기(53) 및 전압 검출기(54)에서 검출되는 출력 전류(I _G ) 및 단자 전압(V _G )으로 이루어지는 발전기 유효 전력(P _G )이 원하는 값이 되도록 컨버터(10)를 구성하는 반도체 스위칭 소자의 게이트를 제어함으로써 발전기(7)의 단자 전압(V _G )을 제어하여, 직류 전압으로 변환하고, 이 전압을 평활 콘덴서(51)에서 평활화한다.

한편, 인버터 제어부(13)는, 평활 콘덴서(51)의 출력측에 설치된 전압 검출기(55)에서 검출되는 직류 전압(V _DC ), 인버터(11)의 출력측에 설치된 전압 검출기(56) 및 전류 검출기(57)에서 검출되는 인버터 출력 전류(I _O ) 및 출력 전압(V _O )을 취입한다. 인버터 제어부(13)는, 직류 전압(V _DC )이 일정해지도록 인버터(11)를 제어함으로써, 직류 전압을, 전력 계통(52)과 동등한 주파수의 교류 전력으로 변환하고, 발전기(7)의 발전 전력으로서 전력 계통(52)에 공급한다.

한편, 발전 출력 제어계(50)는, 도시하는 구성의 것에 한정되지 않고, 종래부터 알려져 있는 여러 가지 구성의 발전 출력 제어계가 사용된다.

(2) 발전기(7)의 회전수에 의거하는 냉각수 유량의 제어예에 대해서.

도 13은 발전기(7)의 회전수에 따라 냉각수 유량을 제어하는 통수 유량 제어계(40A) 및 종래부터 일반적으로 사용되는 발전 출력 제어계(50)를 구비한 구성을 나타내는 도면이다. 한편, 발전 출력 제어계(50)에 대해서는, 도 11과 중복하는 구성이므로, 그 구성 설명은 생략한다.

통수 유량 제어계(40A)는, 발전기(7)의 회전수(N/min)를 검출하는 회전계(44)를 설치한다. 이 회전계(44)에서 검출된 회전수(N/min)는, 인버터 제어부(43A)에 송출된다.

일반적으로, 발전기(7)의 회전수(N/min)가 커지면, 도 14(a)에 나타내는 바와 같이 발전량이 증가해 가지만, 발전기(7)의 회전수가, 어떤 회전수(N/min) 이상이 되면, 발전량은 정격 발전량(KW)으로 포화한다. 따라서, 발전기(7)의 회전수가, 어떤 회전수(N/min)에 도달하기까지의 사이에는, 발전기(7)의 회전수(N/min)에 비례하여 발전량이 커진다.

그 결과, 인버터 제어부(43A)는, 도 14(a)에 나타내는 발전량 특성에 의거하여, 도 14(b)에 나타내는 바와 같이 회전계(44)에 의한 검출 회전수(N/min) 에 따라 냉각 필요 유량이 증가하도록, 펌프용 인버터(30)를 온/오프 제어함으로써, 유량 조정용 펌프(29)를 회전 제어한다.

그 결과, 냉각기(8)에서 냉각된 냉각수(26)의 유량이 검출 회전수(N/min)에 따라 가변하면서, 고정자 코일(25) 내에 장착된 수냉각 배관(27) 내를 냉각수(26)가 순환 유통한다. 그러므로, 발전기(7)의 발전량에 수반하여 고정자 코일(25)에 생기는 열량이 증가해도, 수냉각 배관(27) 내를 순환하는 냉각수(26)의 통수 유량을 증가시켜, 고정자 코일(25)에 생기는 열을 확실하게 제열할 수 있다.

(3) 풍속에 의거하는 냉각수 유량의 제어예에 대해서.

도 15는 풍속에 의거하여 냉각수 유량을 제어하는 통수 유량 제어계(40B), 및 종래부터 일반적으로 사용되는 발전 출력 제어계(50)를 구비한 구성을 나타내는 도면이다. 한편, 발전 출력 제어계(50)에 대해서는, 도 11과 중복하는 구성이므로, 그 구성 설명은 생략한다.

일반적으로, 풍력 발전 장치는, 예를 들면 나셀(4)의 상부 등에 풍향·풍속계(45)를 설치하고, 이 풍향·풍속계(45)에 의해 측정되는 풍향 데이터에 따라서, 수평축형 풍차를 구성하는 로터부(6)의 회전면의 방향을 측정 풍향 방향으로 향하게 하는 제어를 실시하고 있다.

그래서, 본 실시형태에 있어서는, 풍력 발전 장치는, 풍향·풍속계(45) 외, 나셀(4) 내부에 풍황(風況) 데이터 연산 제어부(46)을 설치한다. 풍황 데이터 연산 제어부(46)는, 예를 들면, 풍향·풍속계(45)에 의해 측정되는 풍속 등의 풍황 데이터에 의거하여, 수냉각 배관(27) 내를 유통하는 냉각수 유량을 가변 제어함으로써, 고정자 코일(25)에 발생하는 열을 제열한다.

발전기(7)에 있어서는, 도 16(a)에 나타내는 바와 같이 풍속의 증가에 수반하여 발전량이 소정의 승수(乘數), 예를 들면 3승으로 증가함과 함께, 풍속값이 어느 값을 초과했을 때에 발전량이 정격의 발전량이 되도록 구성된다.

그래서, 풍황 데이터 연산 제어부(46)는, 풍향·풍속계(45)의 측정 출력에 의거하여, 예를 들면 10분마다의 풍속 등의 풍황 데이터를 산출한다. 풍황 데이터 연산 제어부(46)는, 도 16(a)에 나타내는 특성으로부터 풍황 데이터에 따른 발전량을 파악한다. 풍황 데이터 연산 제어부(46)는, 도 16(b)에 나타내는 바와 같이, 그 발전량에 맞는 냉각 필요 유량을 취득한 후, 상술한 바와 같이 펌프용 인버터(30)를 온/오프 제어하고, 유량 조정용 펌프(29)의 회전 속도를 제어한다.

유량 조정용 펌프(29)의 회전 속도 제어에 수반하여, 냉각기(8)에서 냉각된 냉각수(26)의 유량이 변화되고, 고정자 코일(25) 내의 수냉각 배관(27) 내를 순환 유통한다. 그러므로, 발전기(7)의 발전량에 수반하여 고정자 코일(25)에 발생하는 열량이 증가해도, 그 열량에 따라 수냉각 배관(27) 내에 적절한 유량의 냉각수(26)를 공급할 수 있으므로, 고정자 코일(25)에 발생하는 열량이 증가해도, 고정자 코일(25)에 발생한 열을 확실하게 제열할 수 있다.

이 실시형태에서는, 풍황 데이터 연산 제어부(46)가 풍향·풍속계(45)로부터 풍속 등의 풍황 데이터를 얻도록 했다. 그러나, 예를 들면 풍황 데이터 연산 제어부(46)가, 네트워크(47)에 접속되는 기상 정보 서비스 기관 또는 기상 정보 축적 서버를 구비한 감시 제어 시스템(48)으로부터 풍력 발전 장치 설치 지역의 시각부 풍속 등을 나타내는 풍황 데이터를 취입하거나, 혹은 시각부 풍황 데이터의 제공을 받고, 그 시각부 풍황 데이터로 나타나는 시각으로부터 소정 시간(30분 또는 1시간) 후의 당해 풍력 발전 장치 설치 지역의 풍황에 관한 예측 데이터로 해서, 펌프용 인버터(30)를 온/오프 제어하는 구성이어도 된다.

(4) 발전기 출구측의 냉각수 온도에 의거하는 냉각수 유량의 제어예에 대해서.

도 17은 냉각수 온도에 의거하여 냉각수 유량을 제어하는 통수 유량 제어계(40C) 및 종래부터 일반적으로 사용되는 발전 출력 제어계(50)를 구비한 구성을 나타내는 도면이다. 한편, 발전 출력 제어계(50)에 대해서는, 도 11과 중복하는 구성이므로, 그 구성 설명은 생략한다.

이 실시형태에 있어서는, 풍력 발전 장치는, 발전기(7)를 구성하는 고정자 코일(25)에 장착되는 수냉각 배관(27) 등에 온도 센서(49)를 설치한다. 온도 센서(49)는, 수냉각 배관(27) 출구측의 냉각수(26)의 온도를 측정하고, 온도의 측정 결과를 인버터 제어부(43C)에 송출한다.

여기에서, 도 18(a)에 나타내는 바와 같이 일정한 조건 하, 예를 들면 소정의 풍속마다 대응하는 냉각수 기준 온도를 경계로 하여, 냉각수 온도가 냉각수 기준 온도보다 낮아졌을 때에 발전량이 증가하고, 냉각수 기준 온도보다 높아졌을 때에 발전량이 떨어지는 특성이 있다.

그래서, 인버터 제어부(43C)는, 온도 센서(49)로부터 수냉각 배관(27) 출구측의 냉각수 온도를 수취한다. 인버터 제어부(43C)는, 상술하는 일정한 조건 하에서의 냉각수 기준 온도를 경계로 하여, 냉각수 온도가 냉각수 기준 온도보다 낮은 상태로부터 높은 상태로 추이하고 있을 때, 그 냉각수 온도의 상승에 수반하여, 도 18(b)에 나타내는 바와 같이 냉각 필요 유량이 미리 정한 증가 특성에 따라서 증가하도록 펌프용 인버터(30)를 온/오프 제어하고, 유량 조정용 펌프(29)의 회전 속도를 제어한다.

그 결과, 유량 조정용 펌프(29)의 회전 속도 제어에 수반하여, 출구측 냉각수 온도에 따라 냉각기(8)에서 냉각된 냉각수(26)의 유량이 가변하고, 냉각수(26)가 고정자 코일(25) 내의 수냉각 배관(27) 내에 공급된다. 그러므로, 고정자 코일(25)에 발생하는 열량에 따라 수냉각 배관(27) 내에 적절한 유량의 냉각수(26)를 공급할 수 있으므로, 고정자 코일(25)에 발생하는 열량이 증가해도, 그 발생한 열을 확실하게 제열할 수 있다.

따라서, 이상과 같은 각 실시형태에 의하면, 풍력 발전 장치는, 하측 고정자 코일(25a) 및 상측 고정자 코일(25b)간에 수냉각 배관(27)을 배치하고, 또한, 수냉용 냉각기(8)에서 냉각된 냉각수(26)를 수냉각 배관(27) 내에 순환 통수한다. 그러므로, 고정자 코일(25)에 생기는 열을 확실하게 제열하는 것이 가능해진다. 그 결과, 예를 들면 외부 블로어 등을 이용하여 발전기(7) 내에 냉각 가스를 순환시키는 냉각 수단에 비해, 각별히 높은 냉각 능력을 확보할 수 있다.

또한, 각 고정자 코일(25a, 25b)의 측방에 수냉각 배관(27)을 배치함으로써, 보다 넓은 냉각 면적을 확보할 수 있음과 함께, 코일 높이 방향의 온도 상승도의 평준화를 도모할 수 있다.

또한, 풍력 발전 장치는, 발전기(7)의 운전 상황을 파악하고, 수냉각 배관(27)에 통수하는 냉각수(26)의 유량을 제어함으로써, 예를 들면 발전기(7)의 저속 운전시 등의 발생 열량이 작을 경우에 냉각수(26)의 통수 유량을 줄이고, 발전기(7)의 고속 운전시 등의 발생 열량이 클 경우에 냉각수(26)의 통수 유량을 증가시킨다. 그러므로, 발전기(7)의 전체적인 운전 효율을 높일 수 있다.

발전기(7)의 발생 열량의 증가는, 발전기 토크의 증가, 발전기 회전수의 증가, 풍속의 증가, 발전기(7)의 냉각수 출구 온도의 상승에 수반하는 것에 따라, 풍력 발전 장치는, 이들 각 측정 요소의 크기를 파악하여, 고정자 코일(25)에 대한 냉각수(26)의 유량 증감 제어를 행하므로, 발전기(7)의 고정자 코일(25)에 발생하는 열을 확실하게 제열할 수 있다. 이에 따라, 발전기 사이즈나 코일 중량의 증대를 회피할 수 있고, 또한, 발전기(7)를 격납하는 나셀(4) 등의 구조물이나 타워(3) 등의 강도의 유지에 관한 설계나 제조에의 영향을 경감할 수 있다.

또한, 이상과 같은 발전기 토크의 증가, 발전기 회전수의 증가, 풍속의 증가, 발전기(7)의 냉각수 출구 온도의 상승의 상황은, 통상, 풍력 발전 장치의 건전성 파악을 위해 모니터링하는 정보이기 때문에, 특별한 구성을 부가하지 않고 발전기(7)의 예방 보전을 도모할 수 있다.

한편, 상술한 각 실시형태에서는, 발전기(7)의 고정자 코일(25)에 생기는 열을 제열하기 위한 풍력 발전 장치의 수냉각에 관한 구성에 대해서 설명했지만, 이들 수냉각에 관한 구성을 사용하여 고정자 코일(25)에 발생하는 열을 제열하는 발전기 냉각 방법도 실현할 수 있다.

이 발전기 냉각 방법으로서는, 우선, 발전기(7)의 발전량에 영향을 주는, 예를 들면 발전기(7)의 회전 토크, 발전기(7)의 회전수, 풍력 발전 장치의 설치 지역에 관한 풍황 데이터, 발전기(7)의 냉각수 출구 온도 중 어느 1개의 데이터를 취득한다. 그리고, 이 취득한 물리 변수 데이터에 의거하여, 발전기(7)의 고정자의 슬롯 홈(24) 내에 장착되는 고정자 코일(25)을 따라 배치되는 수냉각 배관(27) 내에 냉각수(26)를 통수하는 수냉용 냉각기(8)에 관한 냉각수 필요 유량을 예측한다. 그리고, 이 예측된 냉각수 필요 유량에 의거하여, 수냉각 배관(27)의 발전기 출구측 단부와 수냉용 냉각기(8) 사이에 개재되는 펌프(29)의 회전 속도를 제어하고, 수냉각 배관(27) 내에 통수하는 냉각수(26)의 유량을 증감 제어한다. 이와 같은 방법에 의해, 고정자 코일(25)에 생기는 열을 확실하게 제열할 수 있다.

또한, 상술하는 실시형태는, 복수의 실시형태예로서 제시한 것이지만, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러 가지 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.

2: 기대(베이스) 3: 타워
4: 나셀 5: 주축
6: 로터부 6a: 허브
6b: 블레이드 7: 발전기
8: 수냉용 냉각기 9: 기어부
10: 컨버터 11: 인버터
12: 컨버터 제어부 13: 인버터 제어부
22: 회전자 23: 고정자
25: 고정자 코일 25a: 하측 고정자 코일
25b: 상측 고정자 코일 26: 냉각수
27: 수냉각 배관 29: 유량 조정용 펌프
30: 펌프용 인버터 31: 공냉용 배관
40, 40A, 40B, 40C: 통수 유량 제어계
41: 회전수 센서 42: 토크 지령 생성부
43, 43A, 43C: 인버터 제어부 44: 회전계
45: 풍속·풍향계 46: 풍황 데이터 연산 제어부
47: 네트워크
48: 기상 정보 서비스 기관 또는 기상 정보 축적 서버를 구비한 감시 제어 시스템
49: 온도 센서 50: 발전 출력 제어계