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1. (WO2014061894) ÉOLIENNE COMPORTANT UN GÉNÉRATEUR SUPRACONDUCTEUR ET UN SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT À STRUCTURE SANS COUPLAGE

명세서

발명의 명칭

기술분야

1   2  

배경기술

3   4   5   6   7   8   9   10  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

11   12  

과제 해결 수단

13   14   15   16   17  

발명의 효과

18   19  

도면의 간단한 설명

20   21   22   23  

발명의 실시를 위한 최선의 형태

24   25  

발명의 실시를 위한 형태

26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36   37   38   39   40  

산업상 이용가능성

41  

청구범위

1   2   3  

도면

1   2   3   4   5   6  

명세서

발명의 명칭 : 초전도 발전기와 논 커플링 구조식 냉각 시스템을 갖는 풍력 발전기

기술분야

[1]
본 발명은 타워 지주체, 회전동체(블레이드를 갖는 허브 및 메인 샤프트)와 초전도 발전기로 구성되는 풍력 발전기에 있어서, 상기 초전도 발전기는 전기자 코일(Armature Coil)과 초전도 계자코일(Superconducting Field Coil)이 정지된 상태로 있고 메인 샤프트와 축 결합된 로벨-바가 회전하면서 풍력으로 인해 발전을 수행하도록 하되, 상기 초전도 계자코일 일측에는 극저온 냉동기가 커플링의 연결 없이 직접 부설되도록 함으로써, 초전도 계자코일에 의한 고효율, 고성능 풍력 발전을 도모하고, 증속기어 생략 및 냉각장치 직결방식에 따른 유지보수 비용 절감되며, 고장율 감소로 인한 경제성 향상 그리고 초전도 계자코일 사용으로 인한 저부하 출력특성이 향상되는 것을 특징으로 하는 초전도 발전기와 논 커플링 구조식 냉각 시스템을 갖는 풍력 발전기에 관한 것이다.
[2]

배경기술

[3]
일반적으로 풍력 발전시스템은 바람에 의한 운동 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있도록 구성되는 시스템으로서, 설치되는 환경 조건에 따라 육상용(onshore)과 해상용(offshore)로 구분될 수 있다.
[4]
도 6은 일반적인 풍력 터빈시스템의 구조를 보여주는 개략도로서, 그 작동을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
[5]
먼저, 타워(40)를 견고한 지반(50) 상에 콘트리트 구조물 등을 이용해서 세우고 그 위에 나셀(20)을 안착시킨다.
[6]
상기 나셀(20)은 내부에 발전기(22), 인버터, 트랜스포머 등이 구비된다.
[7]
상기 발전기(22)에는 허브와 메인 샤프트를 통해 블레이드(30)가 연결 고정되고, 바람에 의해 저속으로 회전하는 블레이드(30)는 발전기(22)를 통해 1500rpm 이상의 고속으로 운동 에너지를 발생시키고 발전기(22)는 상기 운동에너지를 전기에너지로 변화시키게 되며, 발전기(22)에서 생산된 전기는 인버터에서 정류되어 전송된다.
[8]
그러나, 이와 같은 종래의 풍력 발전에서는 풍력에 의한 운동에너지를 전기에너지로 변화시키는 과정과 구동라인인 증속기에서 기어 등의 기계적 마찰 등에 의해 에너지 손실이 발생할 수 있고 인버터, 트랜스포머 등과 같은 정류장치들에서도 손실에 의한 열이 발생할 수 있다.
[9]
또한, 나셀 내에서는 각 장치들을 연결하는 파워 케이블, 컨트롤 캐비넷, 파워 서플라이 등으로부터 부가적인 열손실이 발생할 경우에 열 손실은 더욱 증가할 우려가 있게 되는 문제가 지속적으로 야기되고 있는 실정이다.
[10]

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[11]
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 초전도 발전기와 직렬식 극저온 냉동기가 구비된 풍력 발전기에 있어서, 상기 초전도 발전기는 전기자 코일(Armature Coil)과 초전도 계자코일(Superconducting Field Coil)이 정지된 상태로 있고 메인 샤프트와 축 결합된 로벨-바가 회전하면서 풍력으로 인해 발전을 수행하도록 하되, 상기 초전도 계자코일 일측에는 극저온 냉동기가 커플링의 연결 없이 직접 부설되도록 함으로써, 초전도 계자코일에 의한 고효율, 고성능 풍력 발전을 도모하고, 증속기어 생략 및 냉각장치 직결방식에 따른 유지보수 비용 절감되며, 고장율 감소로 인한 경제성 향상 그리고 초전도 계자코일 사용으로 인한 저부하 출력특성이 향상되는 것을 특징으로 하는 초전도 발전기와 논 커플링 구조식 냉각 시스템을 갖는 풍력 발전기를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
[12]

과제 해결 수단

[13]
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 블레이드(110)를 갖는 허브(100)가 형성되고, 상기 허브(100)와 축 결합되는 메인샤프트(200)가 형성되며, 상기 메인샤프트(200)와 결합되는 로벨-바(300)가 형성되고, 상기 로벨-바(300)의 외측에는 S극과 N극이 원주방향을 따라 등간격으로 반복 배열되는 전기자 코일(400)이 형성되며, 상기 로벨-바(300)의 내측에는 베어링에 의해 메인샤프트(200)가 회전하면 운동에너지를 전기에너지로 변화하도록 하는 초전도 계자코일(Superconducting Field Coil: 500)이 형성되고, 상기 초전도 계자코일(500)의 일측에는 커플링 없이 직접 연결되어 초전도 계자코일(500)에 대하여 직접 냉각을 수행하도록 하는 극저온 냉동기(600)가 형성되어 이루어진다.
[14]
이때, 상기 초전도 계자코일(500)은 권선된 외주면에 진공막(Vacuum Layer: 510)이 형성되고, 극저온 냉동기(600)와 대응되는 측부에는 극저온 냉동기(600)로부터 연결된 배관에 의해 진공막(510) 내부로 혼합 냉매(hybrid cryogens)가 공급될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
[15]
또한, 상기 전기자 코일(400)은 구리 코일(Copper Coil)로서 로벨-바(300)가 자속을 끊으면 도체 양단에 전압이 유기되어 교류 전압이 발생되고, 유기된 유도 전압에 의해 상기 초전도 계자코일(500)에는 로벨-바(300)의 회전시 전기자 코일(400)과 자성에 의해 직류 전류가 흐르도록 하는 것이 바람직하다.
[16]
이에, 상기 극저온 냉동기(600)는 고온 저압의 기상 냉매를 저온 고압으로 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 액상으로 응축하는 응축기와, 액상 냉매를 저압 액상 냉매로 팽창시키는 팽창밸브 및 상기 팽창밸브에서 팽창된 액상 냉매를 증발시키면서 외부의 열을 흡수하여 고온 고압의 기상 냉매를 압축기로 보내는 증발기가 구비되어 이루어진 것이 바람직하다.
[17]

발명의 효과

[18]
이와 같이, 본 발명은 타워 지주체, 회전동체(블레이드를 갖는 허브 및 메인 샤프트)와 초전도 발전기로 구성되는 풍력 발전기에 있어서, 상기 초전도 발전기는 전기자 코일(Armature Coil)과 초전도 계자코일(Superconducting Field Coil)이 정지된 상태로 있고 메인 샤프트와 축 결합된 로벨-바가 회전하면서 풍력으로 인해 발전을 수행하도록 하되, 상기 초전도 계자코일 일측에는 극저온 냉동기가 커플링의 연결 없이 직접 부설되도록 함으로써, 초전도 계자코일에 의한 고효율, 고성능 풍력 발전을 도모하고, 증속기어 생략 및 냉각장치 직결방식에 따른 유지보수 비용 절감되며, 고장율 감소로 인한 경제성 향상 그리고 초전도 계자코일 사용으로 인한 저부하 출력특성이 향상되는 효과가 있다.
[19]

도면의 간단한 설명

[20]
도 1은 본 발명에 따른 초전도 발전기와 논 커플링 구조식 냉각 시스템을 갖는 풍력 발전기의 개략적 구성도,
[21]
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 초전도 계자코일과 극저온 냉동기의 결합 구조를 나타낸 예시도,
[22]
도 6은 일반적인 풍력발전기를 나타낸 예시도이다.
[23]

발명의 실시를 위한 최선의 형태

[24]
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 블레이드(110)를 갖는 허브(100)가 형성되고, 상기 허브(100)와 축 결합되는 메인샤프트(200)가 형성되며, 상기 메인샤프트(200)와 결합되는 로벨-바(300)가 형성되고, 상기 로벨-바(300)의 외측에는 S극과 N극이 원주방향을 따라 등간격으로 반복 배열되는 전기자 코일(400)이 형성되며, 상기 로벨-바(300)의 내측에는 베어링에 의해 메인샤프트(200)가 회전하면 운동에너지를 전기에너지로 변화하도록 하는 초전도 계자코일(Superconducting Field Coil: 500)이 형성되고, 상기 초전도 계자코일(500)의 일측에는 커플링 없이 직접 연결되어 초전도 계자코일(500)에 대하여 직접 냉각을 수행하도록 하는 극저온 냉동기(600)가 형성되어 이루어진 것이 최선의 형태로 이루어진다.
[25]

발명의 실시를 위한 형태

[26]
다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.
[27]
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 풍력 발전기는 블레이드(110)를 갖는 허브(100)가 형성되고, 상기 허브(100)와 축 결합되는 메인샤프트(200)가 형성되며, 상기 메인샤프트(200)와 결합되는 로벨-바(300)가 형성된다.
[28]
이때, 상기 로벨-바(300)의 외측에는 S극과 N극이 원주방향을 따라 등간격으로 반복 배열되는 전기자 코일(400)이 형성되며, 상기 로벨-바(300)의 내측에는 베어링에 의해 메인샤프트(200)가 회전하면 운동에너지를 전기에너지로 변화하도록 하는 초전도 계자코일(Superconducting Field Coil: 500)이 형성된다.
[29]
이때, 상기 초전도 계자코일(500)의 일측에는 커플링 없이 직접 연결되어 초전도 계자코일(500)에 대하여 직접 냉각을 수행하도록 하는 극저온 냉동기(600)가 형성되어 이루어진다.
[30]
이때, 상기 초전도 계자코일(500)은 권선된 외주면에 진공막(Vacuum Layer: 510)이 형성되고, 극저온 냉동기(600)와 대응되는 측부에는 극저온 냉동기(600)로부터 연결된 배관에 의해 진공막(510) 내부로 혼합 냉매(hybrid cryogens)가 공급될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
[31]
또한, 상기 전기자 코일(400)은 구리 코일(Copper Coil)로서 로벨-바(300)가 자속을 끊으면 도체 양단에 전압이 유기되어 교류 전압이 발생되고, 상기 초전도 계자코일(500)에는 로벨-바(300)의 회전시 전기자 코일(400)에 기전력을 유도하기 위해 직류 전류가 흐르도록 하여 강한 자속을 발생시키는 것이 바람직하다.
[32]
이에, 상기 극저온 냉동기(600)는 상온 저압의 기상 냉매를 저온 고압으로 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 액상으로 응축하는 응축기와, 액상 냉매를 저압 액상 냉매로 팽창시키는 팽창밸브 및 상기 팽창밸브에서 팽창된 액상 냉매를 증발시키면서 외부의 열을 흡수하여 고온 고압의 기상 냉매를 압축기로 보내는 증발기가 구비되어 이루어진 것이 바람직하다.
[33]
이때, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 이용하여 초전도 계자코일을 극저온 온도로 냉각시키는 냉동기로 구비되어 이루어진 것이 바람직하다.
[34]
즉, 고온 가스가 등온 압축을 하면서 외부로 열을 방출하게 되면, 이 과정 동안에는 외부로 열을 방출하며 압축에 따른 냉매 가스의 온도 상승이 없게 되고, 가스가 재생기를 지나면서 냉각되어 팽창기 쪽으로 등적 이동하게 된다. 이 과정 동안에는 가스가 냉각되면서 재생기에 축열을 하게 된다.
[35]
이후 저온 가스는 등온 팽창하면서 저온부로부터 열을 흡수하도록 형성되며 이 과정 동안에는 저온부로부터 열을 흡수하여 팽창에 따른 가스의 온도 강하가 없도록 형성된다.
[36]
이후 팽창기에 있는 저온 가스가 재생기를 통과하면서 가열되어 압축기 쪽으로 등적 이동하게 되고, 이 과정에서 재생기에 저장된 열은 가스 쪽으로 방열되는데 방열되는 양은 축열되는 양과 동일하다.
[37]
이러한 사이클이 반복됨에 따라 후속 사이클은 선행 사이클에 비하여 냉각부의 온도가 더 낮아지고, 냉동기의 최저 온도는 냉동 부하와 냉동 용량이 균형을 이루는 상태에서의 극저온 온도가 확보된다.
[38]
[39]
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
[40]

산업상 이용가능성

[41]
따라서, 본 발명의 풍력 발전기는 타워 지주체, 회전동체(블레이드를 갖는 허브 및 메인 샤프트)와 초전도 발전기로 구성되는 풍력 발전기에 있어서, 상기 초전도 발전기는 전기자 코일(Armature Coil)과 초전도 계자코일(Superconducting Field Coil)이 정지된 상태로 있고 메인 샤프트와 축 결합된 로벨-바가 회전하면서 풍력으로 인해 발전을 수행하도록 하되, 상기 초전도 계자코일 일측에는 극저온 냉동기가 커플링의 연결 없이 직접 부설되도록 함으로써, 초전도 계자코일에 의한 고효율, 고성능 풍력 발전을 도모하고, 증속기어 생략 및 냉각장치 직결방식에 따른 유지보수 비용 절감되며, 고장율 감소로 인한 경제성 향상 그리고 초전도 계자코일 사용으로 인한 저부하 출력특성이 향상되는 산업상 이용 가능성이 있다.

청구범위

[청구항 1]
블레이드(110)를 갖는 허브(100)가 형성되고, 상기 허브(100)와 축 결합되는 메인샤프트(200)가 형성되며, 상기 메인샤프트(200)와 결합되는 로벨-바(300)가 형성되고, 상기 로벨-바(300)의 외측에는 S극과 N극이 원주방향을 따라 등간격으로 반복 배열되는 전기자 코일(400)이 형성되며, 상기 로벨-바(300)의 내측에는 베어링에 의해 메인샤프트(200)가 회전하면 운동에너지를 전기에너지로 변화하도록 하는 초전도 계자코일(Superconducting Field Coil: 500)이 형성되고, 상기 초전도 계자코일(500)의 일측에는 커플링 없이 직접 연결되어 초전도 계자코일(500)에 대하여 직접 냉각을 수행하도록 하는 극저온 냉동기(600)가 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 초전도 발전기와 논 커플링 구조식 냉각 시스템을 갖는 풍력 발전기.
[청구항 2]
제 1항에 있어서, 상기 초전도 계자코일(500)은 권선된 외주면에 진공막(Vacuum Layer: 510)이 형성되고, 극저온 냉동기(600)와 대응되는 측부에는 극저온 냉동기(600)로부터 연결된 배관에 의해 진공막(510) 내부로 혼합 냉매(hybrid cryogens)가 공급될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전기와 논 커플링 구조식 냉각 시스템을 갖는 풍력 발전기.
[청구항 3]
제 2항에 있어서, 상기 전기자 코일(400)은 구리 코일(Copper Coil)로서 로벨-바(300)가 자속을 끊으면 도체 양단에 전압이 유기되어 교류 전압이 발생되고, 상기 초전도 계자코일(500)에는 로벨-바(300)의 회전시 전기자 코일(400)과 자성에 의해 직류 전류가 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전기와 논 커플링 구조식 냉각 시스템을 갖는 풍력 발전기.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5]

[도6]