KR101259461B1 - 풍력발전기용 타워 및 이를 적용한 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

풍력 발전기용 타워가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 타워는 외형을 이루며 중공구조로 이루어진 타워벽과, 상기 타워벽에 돌출 설치된 제1 지지판과 상기 제1 지지판에 고정되며 상기 제1 지지판의 폭방향과 교차하는 폭방향을 갖는 제2 지지판을 포함하고, 상기 타워벽의 내측에 고정되어 상기 타워벽의 높이 방향으로 이어진 스티프너, 및 상기 타워벽의 내면에 고정되며 상기 타워벽을 가로지르도록 설치된 보강 바닥을 포함한다.

Description

풍력발전기용 타워 및 이를 적용한 풍력 발전기{TOWER FOR WIND POWER GENERA TOR AND WIND POWER GENERATOR USING THEREOF}

본 발명은 타워 및 이를 적용한 풍력 발전기에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 강성이 향상된 풍력발전기용 타워 및 풍력 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 풍력 발전기는 공기의 운동 에너지 즉, 바람의 자원으로부터 얻어진 에너지를 회전 운동 에너지로 변환한 후, 전기 에너지로 변환하는 전력 변환 장치이다.

풍력 발전기는 바람에 의하여 회전하는 로터와 로터의 회전력을 전력으로 변환하는 너셀, 및 너셀과 로터를 지지하는 타워를 포함한다. 타워는 큰 하중과 횡압력을 받기 때문에 상당한 크기를 갖는 두께로 이루어진다. 특히, 타워는 상부에 설치된 너셀과 로터의 하중을 지지하기 때문에 큰 좌굴강도를 갖도록 설계되어야 한다.

그러나 타워의 두께를 증가시키면 타워의 하중이 더 증가하여 큰 압력이 작용할 뿐만 아니라, 재료가 많이 소모되어 생산비가 증가하는 문제가 발생한다.

본 발명의 실시예들은 좌굴강도가 증가되어 구조적인 안정성이 형상된 풍력 발전기용 타워를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 외형을 이루며 중공구조로 이루어진 타워벽과, 상기 타워벽의 내면에서 돌출 설치된 제1 지지판과 상기 제1 지지판과 교차하는 방향으로 상기 제1 지지판에 고정된 제2 지지판을 포함하고, 상기 타워벽의 높이 방향으로 이어진 스티프너(stiffener), 및 상기 타워벽의 내면에 고정된 보강 바닥을 포함하는 풍력 발전기용 타워가 제공될 수 있다.

또한, 상기 제1 지지판의 폭방향과 상기 제2 지지판의 폭방향은 직각으로 교차할 수 있다.

또한, 상기 스티프너는 "T"자 형상의 횡단면을 갖도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 제2 지지판은 호형의 횡단면을 갖고, 오목한 면이 상기 타워벽의 내면과 대향하도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 스티프너는 상기 타워의 둘레 방향을 따라 이격 배열될 수 있다.

또한, 상기 제2 지지판은 호형의 단면을 갖는 곡면판으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 통로의 둘레에는 돌출된 보강돌기가 형성될 수 있다.

또한, 상기 통로에는 보강 바닥들을 연결하는 계단이 연결 설치될 수 있다.

또한, 상기 타워는 복수 개의 타워 세그먼트가 연결된 구조로 이루어지고, 상기 보강 바닥은 상기 각 타워 세그먼트의 높이 방향 중앙에 배치될 수 있다.

상기 보강 바닥은 만곡된 곡면판으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 바람에 따라 회전하는 복수 개의 블레이드를 갖는 로터와, 상기 로터와 연결되어 회전력을 전력으로 변환하는 너셀, 및 상기 너셀의 하부에서 상기 너셀을 지지하는 타워를 포함하고, 상기 타워는 외형을 이루며 중공구조로 이루어진 타워벽과, 상기 타워벽의 내면에서 돌출 설치된 제1 지지판과 상기 제1 지지판과 교차하는 방향으로 상기 제1 지지판에 고정된 제2 지지판을 포함하고, 상기 타워벽의 높이 방향으로 이어진 스티프너(stiffener), 및 상기 타워벽의 내면에 고정된 보강 바닥을 포함하는 풍력 발전기가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예들은 타워 내부에 보강재를 설치함으로써 타워의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 타워 내부에 복수 개의 보강 바닥이 설치되므로 타워의 구조적인 안정성이 더욱 향상된다.

또한, 타워 내부에 설치된 보강 바닥의 통로에 보강돌기가 형성되므로 타워의 구조적인 안정성이 더욱 향상된다. 또한, 복수개의 보강 바닥을 연결하는 계단이 설치되어 작업자가 타워 내부를 용이하고 안정적으로 이동할 수 있다.

또한, 복수 개의 보강 바닥이 만곡 형성되므로 타워의 구조적인 안정성이 더욱 향상된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기를 도시한 측면도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보강 바닥을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력발전기의 타워를 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 보강 바닥을 절개 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력 발전기의 타워를 잘라본 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력 발전기의 보강 바닥을 도시한 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기를 도시한 측면도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 풍력 발전기는 바람에 의하여 회전하는 로터(1)와 로터(1)의 회전력을 전력으로 변환하는 너셀(2), 및 너셀(2)과 로터(1)를 지지하는 타워(3)를 포함한다. 너셀(2)은 타워(3)의 상부에 설치되며 내부에 회전토크를 전달 받아 전력을 생산하는 발전기가 설치된다.

로터(1)는 복수 개의 블레이드(12)와 블레이드들(12)을 지지하는 허브(13)를 포함한다. 본 실시예에서는 허브(13)에 3개의 블레이드(12)가 설치된 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 블레이드(12)는 2개 이상 설치되면 충분하다.

한편, 허브(13)에는 복수개의 블레이드(12)가 고정 설치되며, 허브(13)는 블레이드(12)와 함께 회전한다.

도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보강 바닥을 도시한 사시도이다.

도 2 및 도 3을 참조하여 타워에 대해서 자세히 설명한다. 타워(3)는 복수 개의 타워 세그먼트(3a)가 연결된 구조로 이루어지는 바, 위로 갈수록 직경이 감소하는 테이퍼 형태로 이루어진다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 타워(3)는 상하방향으로 직경이 동일한 원기둥 형상으로 이루어질 수도 있다. 또한, 타워(3)는 금속 또는 콘크리트 등 다양한 소재로 이루어질 수 있다.

타워(3)는 외형을 이루며 중공구조인 타워벽(31)과 타워벽(31)의 내측에서 돌출 설치된 스티프너(stiffener)(34), 및 타워(3)를 횡방향으로 가로지르도록 설치된 보강 바닥(32)을 포함한다. 여기서 스티프너(34)와 보강 바닥(32)은 금속 등으로 이루어질 수 있다.

스티프너(34)는 타워의 높이 방향으로 이어져 형성되며, 복수 개의 스티프너(34)가 타워의 둘레 방향으로 이격 배치된다. 스티프너(34)는 타워벽(31)의 내측면에서 수직으로 돌출된 제1 지지판(34a)과 제1 지지판(34a)의 단부에 고정 설치된 제2 지지판(34b)을 포함한다. 제1 지지판(34a)과 제2 지지판(34b)은 서로 폭방향이 교차하도록 고정된다.

본 실시예에서는 제1 지지판(34a)과 제2 지지판(34b)의 폭방향이 수직으로 교차하여 스티프너(34)의 단면이 T자 형상으로 이루어진다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 지지판(34a)과 제2 지지판(34b)은 폭방향이 서로 교차하도록 연결되어 있으면 충분하고, 다양한 형태로 구현될 수 있다.

본 실시예와 같이 제1 지지판(34a)과 제2 지지판(34b)이 교차하도록 형성되면 돌출된 하나의 지지판을 갖는 경우에 비하여 현저히 우수한 좌굴강도를 갖는다. 이는 횡방향 강도는 두께의 3제급에 비례하기 때문이다. 스티프너(34)는 제1 지지판(34a)과 제2 지지판(34b)이 교차하도록 고정되어 있으므로 힘이 적용되는 방향에 따라서 제1 지지판(34a)의 폭 또는 제2 지지판(34b)의 폭이 스티프너(34)의 두께가 되므로 구조적인 안정성이 현저히 향상된다.

한편 보강 바닥(32)은 타워벽(31)의 내면에 고정 설치되는 바, 보강 바닥(32)은 각 타워 세그먼트(3a)의 높이방향 중앙에는 설치된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 보강 바닥(32)은 타워 세그먼트(3a)의 상단과 하단에서 이격되어 있으면 충분하다. 타워 세그먼트들(3a)이 결합되는 과정에서 타워 세그먼트(3a) 사이에는 플랜지가 형성되므로 타워 세그먼트들(3a)의 결합부는 충분한 강도를 갖게 된다. 그러나 타워 세그먼트(3a)의 내부에는 별도의 보강구조물이 없으므로 상대적으로 취약해질 수 있다. 여기서 본 실시예와 같이 타워 세그먼트(3a) 내부에 보강 바닥(32)을 설치하면 타워(3)의 강도가 더욱 향상된다.

보강 바닥(32)은 중앙에 통로(32a)가 형성된 링 형상으로 이루어진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 통로(32a)의 둘레에는 각 타워 세그먼트들(3a)을 연결하는 계단(도 1의 3b참조)이 설치는 바, 계단(3b)은 지그재그 형태로 연결되어 있다. 본 실시예와 같이 통로(32a)에 계단을 고정 설치하면 작업자가 보다 안전하게 타워(3) 내부를 이동할 수 있다. 종래에는 작업자가 사다리를 이용하여 타워(3) 내부를 이동하였는 바, 사다리를 이용하는 과정에서 작업자가 추락할 위험이 있었다. 그러나 본 실시예와 같이 지그재그형 계단(3b)을 설치하면 작업자가 안전하게 타워(3) 내부를 이동할 수 있다.

또한, 보강 바닥(32)에는 스티프너(34)가 통과할 수 있도록 원주방향을 따라 이격 배치된 장착홀(32b)이 형성된다. 이에 따라 스티프너(34)는 보강 바닥을 관통하여 타워의 높이 방향으로 이어질 수 있다. 장착홀(32b)에는 제1 지지판(34a)과 제2 지지판(34b)이 삽입되며 제1 지지판(34a)은 보강 바닥(32)에 용접 등의 방법으로 고정되고, 제2 지지판(34b)과 보강 바닥(32) 사이에는 간격이 형성된다.

본 실시예와 같이 보강 바닥(32)이 설치되면 타워(3)의 좌굴강도가 향상된다. 특히, 본 실시예와 같이 보강 바닥(32)과 스티프너(34)가 함께 설치되고, 보강 바닥(32)과 스티프너(34)가 고정되어 있으면, 스티프너(34)로 전달된 하중을 보강 바닥이 분산시키므로 타워(3)의 좌굴강도는 더욱 향상된다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력발전기의 타워를 도시한 측면도이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 보강 바닥을 절개 도시한 사시도이다.

도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 풍력발전기는 타워에 설치된 보강 바닥의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 풍력발전기와 유사한 구조로 이루어지므로 유사한 구조에 대한 자세한 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 타워(130)는 원기둥 형상으로 이루어지며, 타워(130)의 내측에는 높이 방향으로 이어지며 타워(130)의 둘레 방향으로 이격 배치된 스티프너(134)가 설치된다. 본 실시예에 따른 스티프너(134)는 상기한 제1 실시예에 따른 스티프너와 동일한 구조로 이루어지므로 자세한 설명은 생략한다.

타워(130)는 복수 개의 타워 세그먼트들(131)이 연결된 구조로 이루어지며, 각 타워 세그먼트(131)의 높이방향 중앙에는 타워를 횡방향으로 가로지는 보강 바닥(132)이 설치되어 있다. 보강 바닥(132)에는 스티프너(134)가 삽입되는 장착홀(132a)이 원주 방향을 따라 이격 배열되어 있다.

또한, 보강 바닥(132)은 원판 형태로 이루어지며, 지면을 향하여 오목하게 만곡된 호형상의 단면을 갖는다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 보강 바닥(132)은 상부를 향하여 볼록하게 만곡된 구조로 이루어질 수도 있다.

본 실시예와 같이 보강 바닥(132)이 만곡된 구조로 이루어지면 횡압력에 대한 저항이 더욱 커져서 좌굴강도가 향상된다. 이는 보강 바닥(132)이 만곡 형성되면 모멘트의 관점에서는 보강 바닥(132)의 두께가 증가하는 효과가 있기 때문이다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력 발전기의 타워를 잘라본 횡단면도이고, 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력 발전기의 보강 바닥을 도시한 사시도이다.

본 실시예에 따른 풍력 발전기는 스티프너와 보강 바닥의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 풍력 발전기의 구조와 동일하므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 타워(230)는 외형을 이루며 원기둥 형상으로 이루어진 타워벽(231)과 타워벽(231)의 내측에서 돌출 설치된 스티프너(234), 및 타워를 횡방향으로 가로지르도록 설치된 보강 바닥(232)을 포함한다.

스티프너(234)는 타워의 높이 방향으로 이어져 배치되며 타워의 둘레 방향으로 이격 설치된다. 스티프너(234)는 타워벽(231)의 내측면에서 돌출된 제1 지지판(234a)과 제1 지지판(234a)에 교차하도록 연결된 제2 지지판(234b)을 포함한다. 여기서 제1 지지판(234a)은 평판 형태로 이루어지며, 제2 지지판(234b)은 호형의 단면을 갖는 곡면판 형태로 이루어진다. 제2 지지판(234b)은 양쪽 측단이 타워벽(232)을 향하여 돌출되도록 만곡된다. 이에 따라 타워벽(231)과 제2 지지판(234b)은 오목한 면이 서로 대향하도록 배치된다. 이와 같이 만곡된 제2 지지판(234b)이 설치되면, 횡압력에 대하여 더 큰 저항력을 갖게 된다. 이는 오목한 면으로 횡압력이 작용하면 압력이 판면 전체로 분산되어 지지되어 호형의 곡면판은 볼록한 면으로 작용하는 횡압력에 대해서는 취약한 반면, 오목한 면으로 작용하는 횡압력에 대해서는 강한 구조이기 때문이다. 본 실시예에 따르면 서로 다른 방향으로 만곡된 벽면이 서로 대향 배치되므로 어느 방향으로 힘이 작용하더라도 안정적으로 지지할 수 있다.

또한, 보강 바닥(232)은 원형 링 형상으로 이루어지고, 보강 바닥(232)에는 스티프너(234)가 삽입되는 장착홀(232b)이 원주방향으로 이격 배치된다. 또한, 중앙에 형성된 통로(232a)의 둘레에는 위로 돌출된 보강돌기(232c)가 형성된다. 보강돌기(232c)는 통로(232a)의 둘레를 따라 이어져 형성되는 바, 보강돌기(232c)은 통로(232a)의 위 또는 아래로 돌출될 수 있으며, 위와 아래로 동시에 돌출될 수도 있다.

본 실시예와 같이 보강돌기(232c)가 형성되면 상대적으로 응력이 집중되는 통로(232a)가 쉽게 변형되지 아니하고, 보강 바닥(232)이 타워(230)를 더욱 안정적으로 지지하므로 타워(230)의 좌굴강도가 향상된다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

1: 로터 2: 너셀
3: 타워 3a: 타워 세그먼트
3b: 계단 13: 허브
12: 블레이드 31: 타워벽
32: 보강 바닥 32a: 통로
32b: 장착홀 34: 스티프너
34a: 제1 지지판 34b: 제2 지지판
232c: 보강돌기

Claims (8)

1. 중공구조로 이루어진 타워벽;
   상기 타워벽의 내면에서 돌출 설치된 제1 지지판과 상기 제1 지지판과 교차하는 방향으로 상기 제1 지지판에 고정된 제2 지지판을 포함하고, 상기 타워벽의 높이 방향으로 이어진 복수 개의 스티프너(stiffener); 및
   상기 타워벽의 내면에 고정된 보강 바닥;
   을 포함하며,
   상기 보강 바닥은 만곡된 곡면판으로 이루어진 풍력 발전기용 타워.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 스티프너는 "T"자 형상의 단면을 갖는 풍력 발전기용 타워.
3. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제2 지지판은 호형의 단면을 갖는 곡면판으로 이루어진 풍력 발전기용 타워.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 제2 지지판은 오목한 면이 상기 타워벽의 내면과 대향하도록 배치된 풍력 발전기용 타워.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 보강 바닥에는 통로가 형성되고,
   상기 통로의 둘레에는 돌출된 보강돌기가 형성된 풍력 발전기용 타워.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 타워는 복수 개의 타워 세그먼트가 연결된 구조로 이루어지고, 상기 보강 바닥은 상기 각 타워 세그먼트의 높이 방향 중앙에 배치된 풍력 발전기용 타워.
7. 삭제
8. 바람에 따라 회전하는 복수 개의 블레이드를 갖는 로터;
   상기 로터와 연결되어 회전력을 전력으로 변환하는 너셀; 및
   상기 너셀의 하부에서 상기 너셀을 지지하는 타워;
   를 포함하고,
   상기 타워는 외형을 이루며 중공구조로 이루어진 타워벽과, 상기 타워벽의 내면에서 돌출 설치된 제1 지지판과 상기 제1 지지판과 교차하는 방향으로 상기 제1 지지판에 고정된 제2 지지판을 포함하고, 상기 타워벽의 높이 방향으로 이어진 스티프너(stiffener), 및 상기 타워벽의 내면에 고정된 보강 바닥을 포함하며,
   상기 보강 바닥은 만곡된 곡면판으로 이루어진 풍력 발전기.

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