KR101647986B1 - 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형 - Google Patents

풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형에 관한 것으로서, 특히 실험하고자 하는 풍력 발전기의 풍력 발전 타워를 축소한 형태인 원형 또는 다각형 기둥 형태로 형성되고, 하단에 제 1플랜지가 구비되며, 상단에 고정부가 구비되는 타워 부재와; 풍동 실험실의 바닥에 설치된 로드셀에 삽입되어 고정되도록 원형 막대 형태로 형성되고, 상단에 상기 타워 부재의 제 1플랜지와 결합되는 제 2플랜지가 형성되는 로드셀 삽입 부재와; 상기 로드셀에서 상기 타워 부재의 상단에 작용하는 추력과 상기 타워 부재에만 작용하는 풍하중을 추력과 풍하중을 서로 분리할 수 있도록 내부에 모터가 삽입되도록 내부가 빈 원통형으로 형성되되, 상기 풍력 발전기의 너셀을 축소한 형태로 형성되고, 상기 타워 부재에 결합되거나 또는 상기 타워 부재에서 분리되는 너셀 부재; 및 상기 풍력 발전기의 로터와 블레이드를 축소한 형태로 형성되고, 상기 너셀 부재의 모터 회전축에 배면 중앙부가 삽입되어 상기 모터의 회전에 따라 회전되는 로터 부재로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 본 발명에 따르면 타워 단일형, 타워 너셀 분리형, 타워 너셀 결합형으로 변경이 가능한 풍력 실험 모형을 이용하여 블레이드 및 너셀 풍하중에 의해 풍력 발전 타워의 상단에 작용하는 추력과 풍력 발전 타워 부분에 작용하는 풍하중을 측정 후 추력과 풍하중을 서로 분리할 수 있다.

Description

풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형{WIND FORCE TESTING MODEL FOR MEASURING WIND LOAD OF WIND FORCE GENERATING TOWER}
본 발명은 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형에 관한 것으로서, 상세하게는 타워 단일형, 타워 너셀 분리형, 타워 너셀 결합형으로 변경이 가능한 풍력 실험 모형을 이용하여 블레이드 및 너셀 풍하중에 의해 풍력 발전 타워의 상단에 작용하는 추력과 풍력 발전 타워 부분에 작용하는 풍하중을 측정 후 추력과 풍하중을 서로 분리할 수 있도록 하는 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형에 관한 것이다.
해상풍력발전은 풍력 발전기를 호수, 피오르드(fjord) 지형, 연안과 같은 수역에 설치하여 그 곳에서 부는 바람의 운동에너지를 회전날개에 의한 기계에너지로 변환하여 전기를 얻는 발전방식을 말한다.
2008년 말까지 해상풍력발전 총 누적용량은 총 풍력발전 누적용량의 1%가 약간 넘는 수치인 1,473㎿이며 2008년에는 30% 증가율과 같은 수치인 350㎿가 추가되었다.
해상풍력발전의 장점으로는 국토가 비좁은 국가에서 풍력 발전기를 설치할 수 있는 지역을 구하기란 쉽지 않다. 즉 육상풍력발전의 경우 설치 부지의 한계가 있다는 말이다. 이에 비해 해상은 부지확보가 양호해 대규모 풍력발전단지 조성이 가능하다.
또한, 해상은 장애물의 감소로 바람의 난류와 높이나 방향에 따른 풍속변화가 적기 때문에 유사 조건의 육상풍력발전에 비해 상대적으로 낮은 피로하중으로 약 1.5~2배의 높은 발전량을 유지할 수 있고, 해상풍력발전의 경우 해안과 떨어져 설치되기 때문에 풍력 발전기의 대형화로 인하여 발생되는 소음과 시각적인 위압감 같은 문제를 해소할 수 있다.
일반적으로 풍력 발전기는 지면에 소정의 높이로 세워지는 타워와, 타워의 상단에는 발전기와 기어박스 등을 내부에 구비하는 너셀이 결합된다. 너셀의 일측에는 바람에 의해 회전되는 로터가 결합된다. 여기서 로터는 너셀의 회전축의 일단에 결합되는 로터 허브와, 로터 허브의 외주면에 방사상으로 결합되는 복수의 블레이드를 포함한다.
이러한 풍력 발전기를 설치하기 위해서는 실내에서 풍력 실험을 통해 풍하중의 측정이 필요하고, 풍력 실험을 위해서는 풍력 실험 모형이 적용된다.
풍력 실험 모형은 풍력 발전기를 축소하여 동일하게 제작하여 풍동 실험실 내에 설치하고, 이의 타워 하단에 로드셀을 설치한 후 외부 유입 풍속으로 실험을 진행한다.
그러나, 이러한 실험 방법은 타워 하단에 설치된 로드셀에서 타워 부분 풍하중과 추력이 더해져서 계측되므로 추력만 분리하여 측정이 불가능한 문제점이 있다.
국내 등록특허공보 10-1340298호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 타워 단일형, 타워 너셀 분리형, 타워 너셀 결합형으로 변경이 가능한 풍력 실험 모형을 이용하여 블레이드 및 너셀 풍하중에 의해 풍력 발전 타워의 상단에 작용하는 추력과 풍력 발전 타워 부분에 작용하는 풍하중을 측정 후 추력과 풍하중을 서로 분리할 수 있도록 하는 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
실험하고자 하는 풍력 발전기의 풍력 발전 타워를 축소한 형태인 원형 또는 다각형 기둥 형태로 형성되고, 하단에 제 1플랜지가 구비되며, 상단에 고정부가 구비되는 타워 부재와; 풍동 실험실의 바닥에 설치된 로드셀에 삽입되어 고정되도록 원형 막대 형태로 형성되고, 상단에 상기 타워 부재의 제 1플랜지와 결합되는 제 2플랜지가 형성되는 로드셀 삽입 부재와; 상기 로드셀에서 상기 타워 부재의 상단에 작용하는 추력과 상기 타워 부재에만 작용하는 풍하중을 측정 후 추력과 풍하중을 서로 분리할 수 있도록 내부에 모터가 삽입되도록 내부가 빈 원통형으로 형성되되, 상기 풍력 발전기의 너셀을 축소한 형태로 형성되고, 상기 타워 부재에 결합되거나 또는 상기 타워 부재에서 분리되는 너셀 부재; 및 상기 풍력 발전기의 로터와 블레이드를 축소한 형태로 형성되고, 상기 너셀 부재의 모터 회전축에 배면 중앙부가 삽입되어 상기 모터의 회전에 따라 회전되는 로터 부재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 타워 부재의 고정부는 상기 타워 부재와 동일한 형태로 형성되고, 내부에 "역T"자 형태의 삽입홈이 형성되는 본체와; 저면에 상기 본체의 삽입홈에 삽입되도록 제 1삽입 돌기가 돌출 형성되고, 상기 본체의 상단에 결합되어 일체화되는 커버로 이루어진다.
여기에서 또한, 상기 너셀 부재는 상기 타워 부재에 결합되도록 원통형으로 형성되고, 저면에 상기 타워 부재의 고정부의 본체에 구비된 삽입홈에 삽입되는 제 2삽입 돌기가 구비되는 제 1너셀부와; 상기 타워 부재의 상단과 분리되고, 상기 풍동 실험실의 천장에 수직으로 설치된 샤프트에 결합되도록 원통형으로 형성되고, 배면에서 길이 방향으로 결합홈을 구비하는 결합 돌기가 돌출 형성되는 제 2너셀부를 포함한다.
여기에서 또, 상기 제 2너셀부는 원판 형태로 형성되되, 중앙부에 상기 샤프트가 삽입되도록 삽입홀이 형성되고, 일측에 상기 결합 돌기의 결합홈에 삽입되어 고정되는 고정 돌기가 구비되는 너셀 고정용 지지대와; 상기 샤프트의 하단과 나사 결합되어 상기 너셀 고정용 지지대를 고정시키는 고정 볼트를 구비한다.
여기에서 또, 상기 타워 부재에만 작용하는 풍하중을 계측하고자 하는 경우 상기 제 1너셀부 또는 제 2너셀부를 상기 타워 부재에 미결합하거나 상기 타워 부재의 상단에 상기 제 2너셀부가 이격되도록 상기 풍동 실험실의 천장에 수직으로 설치된 샤프트에 결합시킨다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형에 따르면, 타워 단일형, 타워 너셀 분리형, 타워 너셀 결합형으로 변경이 가능한 풍력 실험 모형을 이용하여 블레이드 및 너셀 풍하중에 의해 풍력 발전 타워의 상단에 작용하는 추력과 풍력 발전 타워 부분에 작용하는 풍하중을 측정 후 추력과 풍하중을 서로 분리할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형중 타워 부재의 고정부의 구성을 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형중 제 2너셀부의 구성을 나타낸 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형을 타워 단일형으로 설치한 상태를 나타낸 설명도이다.
도 6은 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형을 타워 너셀 분리형으로 설치한 상태를 나타낸 설명도이다.
도 7은 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형을 타워 너셀 결합형으로 설치한 상태를 나타낸 설명도이다.
이하, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형중 타워 부재의 고정부의 구성을 나타낸 분해 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형중 제 2너셀부의 구성을 나타낸 분해 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형(1)은, 타워 부재(10)와, 로드셀 삽입 부재(20)와, 너셀 부재(30) 및 로터 부재(40)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 타워 부재(10)는 실험하고자 하는 풍력 발전기의 풍력 발전 타워를 축소한 형태인 원형 또는 다각형 기둥 형태로 금속, 나무, 합성수지 재질로 형성되고, 하단에 제 1플랜지(11)가 구비되며, 상단에 고정부(13)가 구비된다. 여기에서, 타워 부재(10)의 고정부(13)는 도 3에 도시된 바와 같이 타워 부재(10)와 동일한 형태로 합성수지 재질로 형성되고, 내부에 "역T"자 형태의 삽입홈(14)이 형성되는 본체(15)와, 저면에 본체(15)의 삽입홈(14)에 삽입되도록 제 1삽입 돌기(16)가 돌출 형성되고, 본체(15)의 상단에 결합되어 일체화되는 커버(17)로 이루어진다.
그리고, 로드셀 삽입 부재(20)는 풍동 실험실의 바닥에 설치된 로드셀(R)에 삽입되어 고정되도록 원형 막대 형태로 금속 재질로 형성되고, 상단에 타워 부재(10)의 제 1플랜지(11)와 결합되는 제 2플랜지(21)가 형성되어 타워 부재(10)와 볼트 결합되어 고정된다.
또한, 너셀 부재(30)는 로드셀(R)에서 타워 부재(10)의 상단에 작용하는 추력과 타워 부재(10)에만 작용하는 풍하중을 각각 측정 후 추력과 풍하중을 서로 분리할 수 있도록 내부에 모터(M)가 삽입되도록 내부가 빈 원통형으로 합성수지 재질로 형성되되, 풍력 발전기의 너셀을 축소한 형태로 형성되고, 타워 부재(10)에 결합되거나 또는 타워 부재(10)에서 분리된다.
여기에서, 너셀 부재(30)는 타워 부재(10)에 결합되도록 원통형으로 형성되고, 저면에 타워 부재(10)의 고정부(13)의 본체(15)에 구비된 삽입홈(14)에 삽입되는 제 2삽입 돌기(31A)가 구비되는 제 1너셀부(30A)와, 타워 부재(10)의 상단과 분리되고, 풍동 실험실의 천장에 수직으로 설치된 샤프트(S)에 결합되도록 원통형으로 형성되고, 배면에서 길이 방향으로 결합홈(31B)을 구비하는 결합 돌기(32B)가 돌출 형성되는 제 2너설부(30B)를 포함한다.
여기에서 또한, 제 2너셀부(30B)는 도 4에 도시된 바와 같이 금속 재질로 원판 형태로 형성되되, 중앙부에 샤프트(S)가 삽입되도록 삽입홀(31)이 형성되고, 일측에 결합 돌기(32B)의 결합홈(31B)에 삽입되어 고정되는 고정 돌기(32)가 구비되는 너셀 고정용 지지대(33)와, 샤프트(S)의 하단과 나사 결합되어 너셀 고정용 지지대(33)를 샤프트(S)에 고정시키는 고정 볼트(35)를 더 구비한다. 이때, 너셀 고정용 지지대(33)는 타측이 고정 돌기(32)의 위치를 확인할 수 있도록 동일선상으로 연장되어 삼각 형태를 이룬다.
또, 로터 부재(40)는 풍력 발전기의 로터와 블레이드를 축소한 형태로 금속 또는 합성수지 재질로 형성되고, 너셀 부재(30)의 모터(M) 회전축에 배면 중앙부가 삽입되어 모터(M)의 회전에 따라 회전된다.
이하, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형을 타워 단일형으로 설치한 상태를 나타낸 설명도이고, 도 6은 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형을 타워 너셀 분리형으로 설치한 상태를 나타낸 설명도이며, 도 7은 본 발명에 따른 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형을 타워 너셀 결합형으로 설치한 상태를 나타낸 설명도이다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이 타워 부재(10)에만 작용하는 풍하중을 계측하고자 하는 경우, 즉 타워 단일형으로 사용하고자 하면 타워 부재(10)만을 로드셀 삽입 부재(20)와 결합하고, 로드셀 삽입 부재(20)를 풍동 실험실의 바닥에 설치된 로드셀(R)에 삽입하여 고정시킨다. 이때, 측정에 영향을 최소화시키도록 고정부(13)의 본체(15)에 커버(17)를 결합시켜 타워 부재(10)와 일체화시킨다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이 로터 회전에 의한 후류의 영향으로 작용하는 타워 부재(10) 부분에만 작용하는 풍하중을 계측하고자 하는 경우, 즉 타워 너셀 분리형으로 사용하고자 하면 타워 부재(10)를 로드셀 삽입 부재(20)와 결합하고, 로드셀 삽입 부재(20)를 풍동 실험실의 바닥에 설치된 로드셀(R)에 삽입하여 고정시킨다. 이때, 측정에 영향을 최소화시키도록 고정부(13)의 본체(15)에 커버(17)를 결합시켜 타워 부재(10)와 일체화시킨다.
계속해서, 제 2너셀부(30B)의 결합 돌기(32B)에 형성된 결합홈(31B)에 너셀 고정용 지지대(33)의 고정 돌기(32)를 삽입한 다음, 고정용 지지대(33)의 삽입홀(31)에 풍동 실험실의 천장에 설치된 샤프트(S)를 삽입한 다음 고정 볼트(35)를 샤프트(S)의 하단에 체결하여 너셀 고정용 지지대(33)를 샤프트(S)에 고정시킨다.
그러면, 제 2너셀부(30B)가 타워 부재(10)의 상단에서 이격되어 샤프트(S)에 고정된다. 이때, 제 2너셀부(30B)에는 모터(M)가 설치된다.
그런 다음, 모터(M)의 회전축에 로터 부재(40)를 결합하여 조립을 완료한다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 타워 부재(10) 상단에 작용하는 추력과 타워 부재(10) 부분에만 작용하는 풍하중을 계측하고자 하는 경우, 즉 타워 너셀 결합형으로 사용하고자 하면 타워 부재(10)를 로드셀 삽입 부재(20)와 결합하고, 로드셀 삽입 부재(20)를 풍동 실험실의 바닥에 설치된 로드셀(R)에 삽입하여 고정시킨다.
계속해서, 고정부(13)의 본체(15)에서 커버(17)를 분리시킨 다음, 제 1너셀부(30A)의 제 2삽입 돌기(31A)를 고정부(13)의 본체(15)에 구비된 삽입홈(14)에 삽입하여 고정시킨다. 이때, 제 1너셀부(30A)에는 모터(M)가 설치된다.
그런 다음, 모터(M)의 회전축에 로터 부재(40)를 결합하여 조립을 완료한다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 타워 부재 20 : 로드셀 삽입 부재
30 : 너셀 부재 40 : 로터 부재
M : 모터 R : 로드셀
S : 샤프트

Claims (5)

  1. 실험하고자 하는 풍력 발전기의 풍력 발전 타워를 축소한 형태인 원형 또는 다각형 기둥 형태로 형성되고, 하단에 제 1플랜지가 구비되며, 상단에 고정부가 구비되는 타워 부재와;
    풍동 실험실의 바닥에 설치된 로드셀에 삽입되어 고정되도록 원형 막대 형태로 형성되고, 상단에 상기 타워 부재의 제 1플랜지와 결합되는 제 2플랜지가 형성되는 로드셀 삽입 부재와;
    상기 로드셀에서 상기 타워 부재의 상단에 작용하는 추력과 상기 타워 부재에만 작용하는 풍하중을 측정 후 추력과 풍하중을 서로 분리할 수 있도록 내부에 모터가 삽입되도록 내부가 빈 원통형으로 형성되되, 상기 풍력 발전기의 너셀을 축소한 형태로 형성되고, 상기 타워 부재에 결합되거나 또는 상기 타워 부재에서 분리되는 너셀 부재; 및
    상기 풍력 발전기의 로터와 블레이드를 축소한 형태로 형성되고, 상기 너셀 부재의 모터 회전축에 배면 중앙부가 삽입되어 상기 모터의 회전에 따라 회전되는 로터 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 타워 부재의 고정부는,
    상기 타워 부재와 동일한 형태로 형성되고, 내부에 "역T"자 형태의 삽입홈이 형성되는 본체와;
    저면에 상기 본체의 삽입홈에 삽입되도록 제 1삽입 돌기가 돌출 형성되고, 상기 본체의 상단에 결합되어 일체화되는 커버로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 너셀 부재는,
    상기 타워 부재에 결합되도록 원통형으로 형성되고, 저면에 상기 타워 부재의 고정부의 본체에 구비된 삽입홈에 삽입되는 제 2삽입 돌기가 구비되는 제 1너셀부와;
    상기 타워 부재의 상단과 분리되고, 상기 풍동 실험실의 천장에 수직으로 설치된 샤프트에 결합되도록 원통형으로 형성되고, 배면에서 길이 방향으로 결합홈을 구비하는 결합 돌기가 돌출 형성되는 제 2너셀부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2너셀부는,
    원판 형태로 형성되되, 중앙부에 상기 샤프트가 삽입되도록 삽입홀이 형성되고, 일측에 상기 결합 돌기의 결합홈에 삽입되어 고정되는 고정 돌기가 구비되는 너셀 고정용 지지대와;
    상기 샤프트의 하단과 나사 결합되어 상기 너셀 고정용 지지대를 고정시키는 고정 볼트를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 타워 부재에만 작용하는 풍하중을 계측하고자 하는 경우 상기 제 1너셀부 또는 제 2너셀부를 상기 타워 부재에 미결합하거나 상기 타워 부재의 상단에 상기 제 2너셀부가 이격되도록 상기 풍동 실험실의 천장에 수직으로 설치된 샤프트에 결합시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 타워의 풍하중 측정이 가능한 풍력 실험 모형.
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