KR102038025B1 - 나셀, 이를 포함하는 싱글형 및 멀티형 풍력 발전기 - Google Patents

나셀, 이를 포함하는 싱글형 및 멀티형 풍력 발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무게 중심을 이동시킬 수 있는 나셀, 이를 포함하는 싱글형 및 멀티형 풍력 발전기를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 나셀은, 타워 위에 위치하는 나셀 플레이트, 상기 타워와 상기 나셀 플레이트 사이에 개재되어, 상기 나셀 플레이트를 상기 타워에 대해 요잉시키는 요잉 유닛, 상기 나셀 플레이트 위에 위치하며, 일 방향을 따라 연장 형성되는 나셀 프레임 및 상기 나셀 플레이트와 상기 나셀 프레임 사이에 배치되어, 상기 나셀 프레임을 상기 일 방향을 따라 이동시키는 나셀 이동 유닛을 포함할 수 있다.

Description

나셀, 이를 포함하는 싱글형 및 멀티형 풍력 발전기 {NACELLE, SINGLE AND MULTI TYPE WIND TURBINE HAVING THE SAME}
본 발명은 나셀, 이를 포함하는 싱글형 및 멀티형 풍력 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나셀 내부에 설치된 나셀 이동 유닛에 의해 나셀의 무게 중심을 이동시킬 수 있는 싱글형 및 멀티형 풍력 발전기에 관한 것이다.
풍력발전(風力發電)이란 풍차를 이용해 바람이 가진 에너지를 기계적인 에너지(회전력)로 변환시키고, 이 기계적 에너지가 발전기를 구동함으로써 전기적인 에너지로 변환되어 전력을 얻는 발전 방식을 말한다.
풍력발전은 현재까지 개발된 신재생 에너지원 중에서 가장 경제성이 높을 뿐 아니라 무한정, 무비용의 청정에너지원인 바람을 이용하여 발전할 수 있는 장점 때문에 유럽은 물론 미주와 아시아 등지에서도 적극적인 투자가 이뤄지고 있는 실정이다.
이러한 풍력발전을 위한 풍력 발전기는 회전축의 방향에 따라 수직축 풍력 발전기와 수평축 풍력 발전기로 구분될 수 있다. 현재까지는 수직축에 비해 수평축 풍력 발전기의 효율이 높고 안정적이어서 상업용 풍력발전단지에는 대부분 수평축 풍력 발전기가 적용되고 있다.
통상적인 수평축 풍력발전기는 많은 동력을 얻기 위해서는 블레이드의 크기를 키우거나 블레이드 크기에 상응하는 용량을 갖는 발전기를 장착해야 한다. 하지만, 블레이드가 커지거나 발전기의 용량이 커질수록 블레이드와 발전기의 무게가 증가하게 되어 무거운 블레이드와 발전기를 지지할 타워와 구조물의 규모가 같이 커져야 하며, 블레이드와 발전기를 포함한 발전시설이 무거워지면 그 무게의 지지를 위한 베어링과 같은 부품도 증가해야 하고, 바람의 방향에 따라 회전날개부의 방향을 돌려주는 요(yaw) 동작을 위해 별도의 특수 장치가 설치되어야 한다.
이로 인해 설치 및 유지비용이 기하급수적으로 증가하게 되며, 이러한 기술적인 난이도와 비용의 증가로 인하여 풍력 발전기의 폭넓은 보급에 막대한 장애를 초래하는 문제점이 있었다.
최근에는 하나의 타워 주변에 원주방향을 따라 복수의 단위 발전 유닛을 배치하는 멀티형 풍력 발전기가 알려져 있다. 멀티형 풍력 발전기는, 한 개의 타워에 한 개의 메인 나셀을 설치하고, 메인 나셀에 복수의 서포트 아암을 방사상으로 결합하며, 각 서포트 아암에 단위 발전 유닛을 각각 설치하고 있다. 단위 발전 유닛은 발전기를 포함한 서브 나셀, 서브 나셀에 회전 가능하게 결합되는 로터 및 그 로터에 결합되어 함께 회전하는 소형 블레이드를 포함하고 있다.
그러나, 풍력 발전기에 평균 풍속 이상의 강풍이 작용하는 경우, 타워 등이 휘어져 멀티 풍력 발전기가 넘어가는 사고가 발생할 수 있다.
대한민국 등록특허 제10-1388494호(2014.04.23)
본 발명은 나셀의 무게 중심을 이동시킬 수 있는 나셀, 이를 포함하는 싱글형 및 멀티형 풍력 발전기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 나셀은, 타워 위에 위치하는 나셀 플레이트, 상기 타워와 상기 나셀 플레이트 사이에 개재되어, 상기 나셀 플레이트를 상기 타워에 대해 요잉시키는 요잉 유닛, 상기 나셀 플레이트 위에 위치하며, 일 방향을 따라 연장 형성되는 나셀 프레임 및 상기 나셀 플레이트와 상기 나셀 프레임 사이에 배치되어, 상기 나셀 프레임을 상기 일 방향을 따라 이동시키는 나셀 이동 유닛을 포함할 수 있다.
또한, 상기 나셀 이동 유닛은, 상기 나셀 플레이트 위에 결합되며, 상기 일 방향을 따라 연장되는 적어도 하나의 가이드 레일, 상기 가이드 레일을 따라 슬라이딩 가능하며, 상기 나셀 프레임에 고정 되는 베이스 및 상기 베이스와 결합하여 상기 베이스를 상기 일 방향을 따라 이동시키는 구동부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 베이스 하부에는 상기 가이드 레일에 대응되는 형상을 갖는 안착홈이 형성될 수 있다.
또한, 상기 나셀 이동 유닛은, 상기 가이드 레일의 양측 단부에 결합되는 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 유압 실린더를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유압 실린더는 상기 일 방향을 따라 상기 베이스의 전방 및 후방 중 적어도 하나에 배치될 수 있다.
또한, 상기 타워의 기울기를 측정하는 기울기 측정부를 더 포함할 수 있다..
또한, 상기 구동부는, 상기 베이스의 양측면 중 적어도 하나에 위치하는 랙 기어, 상기 나셀 플레이트 위에 배치되는 모터 및 상기 모터에 결합되며, 상기 랙 기어와 기어 결합하는 피니언 기어를 포함할 수 있다.
또한, 상기 랙 기어는 상기 베이스의 연장 방향을 따라 배치될 수 있다.
또한, 상기 베이스는 사각 기둥 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 멀티형 풍력 발전기는, 타워, 상기 타워 위에 위치하며, 상기 타워에 대해 회전 가능하게 결합되는 메인 나셀, 상기 메인 나셀에 고정 설치된 복수의 서포트 아암 및 상기 서포트 아암에 고정 설치되며, 로터와 발전기를 갖는 단위 발전 유닛을 포함하며, 상기 메인 나셀은, 상기 타워 위에 위치하는 나셀 플레이트, 상기 타워와 상기 나셀 플레이트 사이에 개재되어, 상기 나셀 플레이트를 상기 타워에 대해 요잉시키는 요잉 유닛, 상기 나셀 플레이트 위에 위치하며, 일 방향을 따라 연장 형성되는 나셀 프레임 및 상기 나셀 플레이트와 상기 나셀 프레임 사이에 배치되어, 상기 나셀 프레임을 상기 일 방향을 따라 이동시키는 나셀 이동 유닛을 포함할 수 있다.
또한, 상기 나셀 이동 유닛은, 상기 나셀 플레이트 위에 결합되며, 상기 일 방향을 따라 연장되는 적어도 하나의 가이드 레일, 상기 가이드 레일을 따라 슬라이딩 가능하며, 상기 나셀 프레임에 고정 되는 베이스 및 상기 베이스와 결합하여 상기 베이스를 상기 일 방향을 따라 이동시키는 구동부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 나셀 이동 유닛은, 상기 가이드 레일의 양측 단부에 결합되는 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 유압 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티형 풍력 발전기.
또한, 상기 구동부는, 상기 베이스의 양측면 중 적어도 하나에 위치하는 랙 기어, 상기 나셀 플레이트 위에 배치되는 모터 및 상기 모터에 결합되며, 상기 랙 기어와 기어 결합하는 피니언 기어를 포함할 수 있다.
또한, 상기 랙 기어는 상기 베이스의 연장 방향을 따라 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수의 서포트 아암은 상기 메인 나셀에 방사상으로 결합될 수 있다.
또한, 상기 타워의 기울기를 측정하는 기울기 측정부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 싱글형 풍력 발전기는, 타워, 상기 타워 위에 위치하며, 상기 타워에 대해 회전 가능하게 결합되는 나셀, 상기 나셀의 전방에 결합되며, 복수의 블레이드와 상기 복수의 블레이드에 결합되어 회전 가능한 허브를 포함하는 로터, 상기 나셀 내부에서 상기 나셀의 길이 방향을 따라 연장되며, 상기 허브와 결합되어 회전하는 메인 샤프트, 상기 나셀 내부에 배치되며, 상기 메인 샤프트에 결합되는 증속기 및 상기 나셀 내부에 배치되며, 상기 증속기에 결합되는 발전기를 포함하며, 상기 나셀은, 상기 타워 위에 위치하는 나셀 플레이트, 상기 타워와 상기 나셀 플레이트 사이에 개재되어, 상기 나셀 플레이트를 상기 타워에 대해 요잉시키는 요잉 유닛, 상기 나셀 플레이트 위에 위치하며, 상기 길이 방향을 따라 연장 형성되는 나셀 프레임 및 상기 나셀 플레이트와 상기 나셀 프레임 사이에 배치되어, 상기 나셀 프레임을 상기 길이 방향을 따라 이동시키는 나셀 이동 유닛을 포함할 수 있다.
또한, 상기 나셀 이동 유닛은, 상기 나셀 플레이트 위에 결합되며, 상기 길이 방향을 따라 연장되는 적어도 하나의 가이드 레일, 상기 가이드 레일을 따라 슬라이딩 가능하며, 상기 나셀 프레임에 고정 되는 베이스 및 상기 베이스와 결합하여 상기 베이스를 상기 길이 방향을 따라 이동시키는 구동부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 유압 실린더를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부는, 상기 베이스의 양측면 중 적어도 하나에 위치하는 랙 기어, 상기 나셀 플레이트 위에 배치되는 모터 및 상기 모터에 결합되며, 상기 랙 기어와 기어 결합하는 피니언 기어를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따르면, 나셀의 무게 중심을 이동시켜 강풍에 의해 풍력 발전기가 넘어가는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기를 도시한 정면도이다.
도 3은 도 1의 단위 발전 유닛의 내부를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기의 메인 나셀을 정면에서 잘라 본 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기의 메인 나셀을 측면에서 잘라 본 단면도이다.
도 6은 도 5의 메인 나셀 내부에 설치된 나셀 이동 유닛을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 7은 강풍에 의해 멀티형 풍력 발전기가 기울어진 상태를 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 나셀 이동 유닛에 의해 메인 나셀이 이동하는 과정을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기의 나셀 이동 유닛을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기의 나셀 이동 유닛에 의해 메인 나셀이 이동하는 과정을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기를 도시한 사시도이며, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기를 도시한 정면도이며, 도 3은 도 1의 단위 발전 유닛의 내부를 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기의 메인 나셀을 정면에서 잘라 본 단면도이며, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기의 메인 나셀을 측면에서 잘라 본 단면도이며, 도 6은 도 5의 메인 나셀 내부에 설치된 나셀 이동 유닛을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 제1 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기(10)는, 타워(100), 메인 나셀(300), 서포트 아암(500) 및 복수의 단위 발전 유닛(700)을 포함한다. 본 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기(10)에는, 로터(710)의 회전에 의해 전기를 개별적으로 생산하는 단위 발전 유닛(700)이 복수로 배치되고, 복수의 단위 발전 유닛(700) 각각은 서포트 아암(500)을 통해 메인 나셀(300)에 고정 결합될 수 있다.
타워(100)는 지면으로부터 일정한 높이로 세워져 설치되며, 복수의 단위 발전 유닛(700) 등을 지지할 수 있다. 타워(100)는 상단에서 하단으로 갈수록 직경이 증가하는 관형 형상을 가질 수 있다. 이때, 타워(100)는 복수의 관형 부재가 적층된 다단 형태로 이루어질 수 있다. 한편, 타워(100) 내부에는 단위 발전 유닛(700)의 유지 보수를 위해 작업자나 작업도구를 이송시키는 계단, 컨베이어 또는 승강기가 설치될 수 있다.
타워(100)는 회전 가능하게 설치된 메인 나셀(main nacelle, 300)과 메인 나셀을 회전 가능하게 지지하는 요잉 유닛(yawing unit, 200)을 포함할 수 있다.
메인 나셀(300)은 타워(100)의 상부에 위치하며 타워(100)에 대하여 회전 가능하게 결합될 수 있다. 메인 나셀(300)에는 복수의 서포트 아암(support arm, 500)이 방사상으로 결합되며, 복수의 서포트 아암(500) 각각의 단부에는 단위 발전 유닛(700)이 결합될 수 있다. 즉, 메인 나셀(300)이 타워(100)에 대해 회전하는 경우, 메인 나셀(300)과 함께 복수의 단위 발전 유닛(700)도 회전할 수 있다. 이때, 메인 나셀(300)은 원기둥 형상으로 이루어질 수도 있다.
서포트 아암(500)은 메인 나셀(300)과 단위 발전 유닛(700)을 서로 연결하는 부재로서, 메인 나셀(300)에서 멀어질수록 직경이 작아지거나, 또는 직경이 균일한 관형 형상일 수 있다. 이때, 서포트 아암(500)에는 단위 발전 유닛(700)의 유지 보수를 위해 계단 또는 컨베이어가 설치될 수도 있다.
한편, 메인 나셀(300)에는 복수의 서포트 아암(500)이 결합되는데, 메인 나셀(300)을 정면으로 바라볼 때 타워(100)를 기준으로 타워(100)의 좌측 및 우측에 동일한 개수의 서포트 아암(500)이 배치된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 타워(100)의 좌측에는 2개의 서포트 아암(500)이 배치되고, 타워(100)의 우측에는 2개의 서포트 아암(500)이 배치된다.
서포트 아암(500)의 단부에 결합되는 단위 발전 유닛(700)은 바람을 이용하여 전기를 생산하는 것으로, 로터(710), 서브 나셀(sub nacelle, 730), 메인 샤프트(740), 증속기(gearbox, 750), 브레이크(760) 및 발전기(770)를 포함한다.
로터(710)는 서브 나셀(730)의 전방에 회전 가능하게 설치되는 것으로, 로터(710)에서 발생된 회전력이 메인 샤프트(740)를 통해 증속기(750)에 전달된다. 로터(710)는 허브(713)와 복수의 블레이드(711)로 이루어지는데, 허브(713)는 메인 샤프트(740)의 일단에 결합되어 서브 나셀(730)의 전면에 회전 가능하게 설치된다. 그리고, 복수의 블레이드(711)는 허브(713)의 외주면에 원주 방향을 따라 미리 정해진 간격으로 이격되어 결합된다.
허브(713)는 바람의 저항을 감소시키기 위해 전방으로 볼록하게 돌출된 원추형으로 이루어질 수 있다. 블레이드(711)는 바람에 의해 허브(713)의 중심축을 중심으로 회전한다. 블레이드(711)는 폭 방향으로 유선형 단면을 가지며, 내부에는 공간부가 형성될 수 있다.
서브 나셀(730)는 증속기(750), 발전기(770) 등을 수용하는 하우징으로, 통상적으로 육면체 형상으로 이루어질 수 있다. 그러나, 서브 나셀(730)의 형상은 반드시 이에 한정되지 않고, 원기둥 형상 등으로 이루어질 수도 있다.
메인 샤프트(740)는 로터(710)의 회전력을 증속기(750)로 전달하는데, 고속으로 회전하는 메인 샤프트(740)는 메인 베어링(미도시)에 의해 회전 가능하게 지지된다.
증속기(750)는 기어를 이용해 블레이드(711)에 의해 회전하는 메인 샤프트(740)의 회전속도를 발전에 적합한 회전속도로 변환하는 장치로, 증속기(750) 내부에는 다수의 기어를 포함하는 증속기어부(미도시)가 마련되어 있다. 한편, 증속기어부 내의 다수의 기어의 윤활 및 냉각을 위해 증속기(750) 내에는 증속기용 오일(미도시)이 구비될 수 있다.
브레이크(760)는 증속기(750)와 인접한 위치에 배치되어, 메인 샤프트(740)의 회전력을 제어할 수 있다. 이때, 브레이크(760)는 디스크 방식이 주로 사용될 수 있다.
발전기(770)는 입력되는 회전에너지를 이용하여 전기를 생산하는 장치로, 그 내부에 회전축에 연결 고정된 회전자(미도시) 및 고정자(미도시)가 구비된다. 회전자가 고정자 주위로 고속 회전함으로써 전기를 발생시키게 된다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 메인 나셀(300) 내부에 나셀 플레이트(330), 요잉 유닛(200) 및 나셀 이동 유닛(400)이 배치되는데, 요잉 유닛(200)에 의해 메인 나셀(300)이 타워(100)를 중심으로 요잉(yawing) 가능하고, 나셀 이동 유닛(400)에 의해 메인 나셀(300)이 타워(100)를 기준으로 전방 또는 후방으로 이동할 수 있다. 여기서 전방 또는 후방이라 함은 바람의 유동 방향(도 7의 화살표)을 기준으로 상류측을 전방이라 하고 하류측을 후방이라 한다. 도 1에서 블레이드들과 메인 나셀(300)의 전면이 향하는 방향(x축 방향)이 전방이 될 수 있다.
타워(100) 상부에는 메인 나셀(300)을 요잉시키는 요잉 유닛(200)이 설치되는데, 요잉 유닛(200)은 고정부(221), 회전부(223) 및 롤링부(225)를 포함할 수 있다. 여기서, 고정부(221)는 이너 레이스(inner race)로 이루어지며, 회전부(223)는 아우터 레이스(outer race)로 이루어지며, 롤링부(225)는 고정부(221)와 회전부(223) 사이에 삽입되는 볼(ball) 또는 롤러(roller)로 이루어질 수 있다.
이때, 고정부(221)는 타워(100) 상부에 위치한 타워 프레임(110)에 볼트 또는 나사를 매개로 고정 설치될 수 있다. 회전부(223)는 고정부(221)의 외측에 위치하되 나셀 플레이트(330)에 볼트 또는 나사를 매개로 고정 설치될 수 있다.
고정부(221)의 내주면에는 치열(227)이 형성되며, 치열(227)에는 요 드라이브(230)가 결합 설치될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 치열에는 별개의 연결 기어가 연결 설치되고, 연결 기어가 요 드라이브(230)와 연결 설치될 수 있다.
요 드라이브(230)는 나셀 플레이트(330)에 설치될 수 있으며, 드라이브 모터(231) 및 피니언 기어(232)를 포함할 수 있다. 피니언 기어(232)는 고정부(221)에 형성된 치열(227)에 결합되며, 드라이브 모터(231)에 의하여 회전할 수 있다.
피니언 기어(232)가 드라이브 모터(231)에 의해 자전하면 피니언 기어(232)는 치열(227)을 따라 이동하게 되는데, 이때 피니언 기어(232)와 결합된 나셀 플레이트(330)도 함께 회전할 수 있다. 나셀 플레이트(330)가 회전하면, 나셀 플레이트(330)에 결합된 나셀 프레임(350)도 함께 요잉할 수 있다. 즉, 요 드라이브(230)의 동작에 의해, 나셀 플레이트(330)와 나셀 프레임(350)으로 이루어진 메인 나셀(300)에 고정 설치된 서포트 아암(500) 및 단위 발전 유닛(700)도 함께 요잉할 수 있다.
한편, 나셀 플레이트(330)에는 브레이크 캘리퍼(242)가 설치되고, 타워 프레임(110)에는 브레이크 캘리퍼(242)에 삽입되는 브레이크 디스크(241)가 고정 설치될 수 있다. 이에 따라, 브레이크 캘리퍼(242)가 유압 또는 공압으로 브레이크 디스크(241)를 가압하도록 제어하면 요잉 유닛(200)이 정지될 수 있다.
즉, 요잉 유닛(200)에 의해 메인 나셀(300)이 타워(100)를 중심으로 요잉하고, 이에 따라 메인 나셀(300)에 결합된 서포트 아암(500) 및 단위 발전 유닛(700)도 함께 회전할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 나셀 플레이트(330) 위에는 나셀 이동 유닛(400)이 설치되는데, 나셀 이동 유닛(400)은 메인 나셀(300)을 타워(100)를 기준으로 전방 또는 후방으로 이동시킬 수 있다.
풍력 발전기는 바람에 의해 블레이드를 회전시켜 전기를 생산하는 장치이긴 하나, 일정한 풍속 이상의 강풍이 불면 풍력 발전기가 휘어질 수 있다. 구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 강풍에 의해 타워 등이 후방으로 휘어지고, 이에 의해 타워(100) 상부에 놓인 메인 나셀(300)의 무게 중심이 후방으로 이동하게 되어 풍력 발전기(10)가 넘어가는 사고가 발생할 수 있다. 이와 같이, 강풍이 발생하는 경우, 타워(100)가 후방으로 휘어지는 것은 불가피한 현상이므로, 메인 나셀(300)의 무게 중심을 제어할 필요가 있다. 이러한 경우, 메인 나셀(300)의 무게 중심을 전방으로 이동시키면, 풍력 발전기(10)가 넘어가는 사고를 방지할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 나셀 이동 유닛(400)은 메인 나셀(300)을 타워(100)를 중심으로 전방 또는 후방으로 이동시킬 수 있다. 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 강풍에 의해 타워(100)가 후방으로 휘어지는 경우, 나셀 이동 유닛(400)은 메인 나셀(300)을 전방으로 이동시켜 메인 나셀(300)의 무게 중심을 전방으로 이동시킬 수 있다. 이에 의해, 강풍이 발생하더라도, 풍력 발전기(10)가 넘어지는 사고를 방지할 수 있다.
이후, 도 9에 도시된 바와 같이, 바람이 약해지는 경우, 나셀 이동 유닛(400)은 전방으로 이동한 메인 나셀(300)을 원위치로 보내기 위해 메인 나셀(300)을 후방으로 이동시킬 수 있다.
다시, 도 4 내지 도 6을 참조하면, 나셀 이동 유닛(400)은 베이스(410), 가이드 레일(420), 스토퍼(430, 440) 및 구동부(450)를 포함할 수 있다. 나셀 플레이트(330) 위에는 메인 나셀(300)의 길이 방향(x축 방향)을 따라 가이드 레일(420)이 배치될 수 있다. 본 실시예에서는, 나셀 플레이트(330) 위에 제1 가이드 레일(421) 및 제2 가이드 레일(423)이 메인 나셀(300)의 길이 방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되지 않고, 가이드 레일은 한 개로 구성되거나, 세 개 이상으로 구성될 수도 있다.
제1 가이드 레일(421) 및 제2 가이드 레일(423) 위에는 베이스(410)가 슬라이딩 가능하게 배치될 수 있다. 베이스(410) 하부에는 제1 가이드 레일(421) 및 제2 가이드 레일(423)에 대응되는 형상으로 안착홈(411)이 형성될 수 있다. 안착홈(411) 내부에 제1 가이드 레일(421) 및 제2 가이드 레일(423)이 수용됨에 따라, 베이스(410)가 제1 가이드 레일(421) 및 제2 가이드 레일(423)을 따라 메인 나셀(300)의 길이 방향(x축 방향)을 따라 슬라이딩 가능할 수 있다. 한편, 안착홈(411)에는 롤러(미도시)가 배치되어 베이스(410)가 제1 가이드 레일(421) 및 제2 가이드 레일(423)을 따라 마찰력을 최소화하여 슬라이딩할 수 있다.
제1 가이드 레일(421) 및 제2 가이드 레일(423)의 양측 단부에는 스토퍼(430, 440)가 배치될 수 있다. 제1 가이드 레일(421) 및 제2 가이드 레일(423)의 양측 단부에 스토퍼(430, 440)가 배치되어, 베이스(410)가 이동하는 범위를 제한할 수 있다. 즉, 스토퍼(430, 440)는 제1 가이드 레일(421) 및 제2 가이드 레일(423)을 따라 이동하더라도, 양측 단부에 위치한 스토퍼(430, 440) 사이만 이동할 수 있다.
베이스(410)의 일측에는 구동부(450)가 결합되는데, 구동부(450)는 베이스(410)를 제1 가이드 레일(421) 및 제2 가이드 레일(423)을 따라 이동시킬 수 있다. 본 실시예에 따르면, 구동부(450)는 유압 실린더일 수 있다. 유압 실린더의 동작에 의해, 유압 실린더에 연결된 베이스(410)가 이동할 수 있다. 본 실시예에서는, 유압 실린더가 베이스(410)의 전방에 설치되는 것으로 설명되나, 이에 한정되지 않고 베이스(410)의 후방에 설치될 수도 있고, 또는 전방 및 후방 양쪽에 유압 실린더가 설치될 수도 있다.
베이스(410) 상부에는 나셀 연결판(310)이 볼트 또는 나사에 의해 고정 결합된다. 이에 의해, 베이스(410)가 제1 가이드 레일(421) 및 제2 가이드 레일(423)을 따라 슬라이딩할 때, 베이스(410)와 함께 나셀 연결판(310)도 이동할 수 있다. 나셀 연결판(310)은 나셀 프레임(350)과 함께 메인 나셀(300)을 구성하는 것으로, 결국 베이스(410)가 슬라이딩할 때, 메인 나셀(300)도 함께 슬라이딩할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기는, 타워(100)의 기울기를 측정하는 기울기 측정부(미도시)를 포함할 수 있다. 기울기 측정부(미도시)는 강풍에 의해 타워(100)가 휘어지는 경우, 타워(100)의 기울어진 정도를 측정할 수 있다. 기울기 측정부는 바람이 불지 않은 상태에서의 타워(100)를 기준으로 강풍이 발생하는 상태에서의 타워(100)의 기울어진 정도를 측정할 수 있다. 기울기 측정부가 측정한 타워(100)의 기울기 정보를 기초로, 나셀 이동 유닛(400)이 메인 나셀(300)을 타워(100)를 중심으로 전방 또는 후방으로 이동시킬 수 있다. 이때, 기울기 측정부는 틸트 센서(tilt sensor), 자이로 센서, GPS 등을 포함할 수 있다.
본 실시예의 나셀 이동 유닛(400)은 복수의 단위 발전 유닛을 포함하는 멀티형 풍력 발전기에 적용되는 것으로 설명되나, 이러한 나셀 이동 유닛(400)은 싱글형 풍력 발전기에도 적용 가능하다. 여기에서, 싱글형 풍력 발전기는 하나의 발전 유닛을 포함하는 풍력 발전기, 즉 하나의 로터를 갖는 풍력 발전기를 의미한다. 즉, 나셀 이동 유닛(400)은 싱글형 풍력 발전기의 나셀에 설치되어, 강풍이 발생하는 경우 타워를 중심으로 나셀을 전방 또는 후방으로 이동시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기에 대해서 설명한다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기의 나셀 이동 유닛을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 11 및 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기의 나셀 이동 유닛에 의해 메인 나셀이 이동하는 과정을 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 제2 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기는 나셀 이동 유닛(400)을 제외하고는 전술한 제1 실시예에 따른 멀티형 풍력 발전기와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예의 구동부는 랙 기어(413) 및 피니언 기어(460)를 포함할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 랙 및 피니언 기어의 동작에 의해, 베이스(410)가 나셀 플레이트(330) 상에서 메인 나셀(300)의 길이 방향(x축 방향)을 따라 이동할 수 있다.
베이스(410)의 양측면에는 랙 기어(413)가 형성되는데, 랙 기어(413)는 메인 나셀(300)의 길이 방향(x축 방향)과 나란하게 형성될 수 있다. 한편, 피니언 기어(460)는 나셀 플레이트(330) 상에 설치되는데, 피니언 기어(460)에 결합된 모터(미도시)가 구동함에 따라 피니언 기어(460)가 회전할 수 있다.
즉, 모터(미도시)가 구동함에 따라 피니언 기어(460)가 회전하고, 피니언 기어(460)와 기어 결합되는 랙 기어(413)가 메인 나셀(300)의 길이 방향(x축 방향)을 따라 이동할 수 있다.
도 11을 참조하면, 강풍에 의해 타워(100)가 후방으로 휘어지는 경우, 나셀 이동 유닛(400)의 피니언 기어(460)가 회전하고, 피니언 기어(460)와 기어 결합하는 랙 기어(413)가 전방으로 이동한다. 이에 의해, 메인 나셀(300)의 무게 중심을 전방으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 강풍이 발생하더라도, 풍력 발전기(10)가 넘어지는 사고를 방지할 수 있다.
이후, 도 12에 도시된 바와 같이, 바람이 약해지는 경우, 나셀 이동 유닛(400)의 피니언 기어(460)가 반대로 회전하여 전방으로 이동한 메인 나셀(300)을 후방으로 이동시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 멀티형 풍력 발전기
100: 타워
200: 요잉 유닛
221: 고정부
223: 회전부
225: 롤링부
227: 치열
230: 요 드라이브
231: 드라이브 모터
232: 피니언 기어
241: 브레이크 디스크
242: 브레이크 캘리퍼

Claims (22)

  1. 타워 위에 위치하는 나셀 플레이트;
    상기 타워와 상기 나셀 플레이트 사이에 개재되어, 상기 나셀 플레이트를 상기 타워에 대해 요잉시키는 요잉 유닛;
    상기 나셀 플레이트 위에 위치하며, 일 방향을 따라 연장 형성되는 나셀 프레임; 및
    상기 나셀 플레이트와 상기 나셀 프레임 사이에 배치되어, 상기 나셀 프레임을 상기 일 방향을 따라 이동시키는 나셀 이동 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 나셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나셀 이동 유닛은,
    상기 나셀 플레이트 위에 결합되며, 상기 일 방향을 따라 연장되는 적어도 하나의 가이드 레일;
    상기 가이드 레일을 따라 슬라이딩 가능하며, 상기 나셀 프레임에 고정 되는 베이스; 및
    상기 베이스와 결합하여 상기 베이스를 상기 일 방향을 따라 이동시키는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 베이스 하부에는 상기 가이드 레일에 대응되는 형상을 갖는 안착홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 나셀.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 나셀 이동 유닛은, 상기 가이드 레일의 양측 단부에 결합되는 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나셀.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 구동부는 유압 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 나셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유압 실린더는 상기 일 방향을 따라 상기 베이스의 전방 및 후방 중 적어도 하나에 배치되는 것을 특징으로 하는 나셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 타워의 기울기를 측정하는 기울기 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나셀.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 베이스의 양측면 중 적어도 하나에 위치하는 랙 기어;
    상기 나셀 플레이트 위에 배치되는 모터; 및
    상기 모터에 결합되며, 상기 랙 기어와 기어 결합하는 피니언 기어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나셀.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 랙 기어는 상기 베이스의 연장 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 나셀.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 베이스는 사각 기둥 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 나셀.
  11. 타워;
    상기 타워 위에 위치하며, 상기 타워에 대해 회전 가능하게 결합되는 메인 나셀;
    상기 메인 나셀에 고정 설치된 복수의 서포트 아암; 및
    상기 서포트 아암에 고정 설치되며, 로터와 발전기를 갖는 단위 발전 유닛;을 포함하며,
    상기 메인 나셀은,
    상기 타워 위에 위치하는 나셀 플레이트;
    상기 타워와 상기 나셀 플레이트 사이에 개재되어, 상기 나셀 플레이트를 상기 타워에 대해 요잉시키는 요잉 유닛;
    상기 나셀 플레이트 위에 위치하며, 일 방향을 따라 연장 형성되는 나셀 프레임; 및
    상기 나셀 플레이트와 상기 나셀 프레임 사이에 배치되어, 상기 나셀 프레임을 상기 일 방향을 따라 이동시키는 나셀 이동 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티형 풍력 발전기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 나셀 이동 유닛은,
    상기 나셀 플레이트 위에 결합되며, 상기 일 방향을 따라 연장되는 적어도 하나의 가이드 레일;
    상기 가이드 레일을 따라 슬라이딩 가능하며, 상기 나셀 프레임에 고정 되는 베이스; 및
    상기 베이스와 결합하여 상기 베이스를 상기 일 방향을 따라 이동시키는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티형 풍력 발전기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 나셀 이동 유닛은, 상기 가이드 레일의 양측 단부에 결합되는 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티형 풍력 발전기.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 구동부는 유압 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티형 풍력 발전기.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 베이스의 양측면 중 적어도 하나에 위치하는 랙 기어;
    상기 나셀 플레이트 위에 배치되는 모터; 및
    상기 모터에 결합되며, 상기 랙 기어와 기어 결합하는 피니언 기어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티형 풍력 발전기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 랙 기어는 상기 베이스의 연장 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 멀티형 풍력 발전기.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 서포트 아암은 상기 메인 나셀에 방사상으로 결합되는 것을 특징으로 하는 멀티형 풍력 발전기.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 타워의 기울기를 측정하는 기울기 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티형 풍력 발전기.
  19. 타워;
    상기 타워 위에 위치하며, 상기 타워에 대해 회전 가능하게 결합되는 나셀;
    상기 나셀의 전방에 결합되며, 복수의 블레이드와 상기 복수의 블레이드에 결합되어 회전 가능한 허브를 포함하는 로터;
    상기 나셀 내부에서 상기 나셀의 길이 방향을 따라 연장되며, 상기 허브와 결합되어 회전하는 메인 샤프트;
    상기 나셀 내부에 배치되며, 상기 메인 샤프트에 결합되는 증속기; 및
    상기 나셀 내부에 배치되며, 상기 증속기에 결합되는 발전기를 포함하며,
    상기 나셀은,
    상기 타워 위에 위치하는 나셀 플레이트;
    상기 타워와 상기 나셀 플레이트 사이에 개재되어, 상기 나셀 플레이트를 상기 타워에 대해 요잉시키는 요잉 유닛;
    상기 나셀 플레이트 위에 위치하며, 상기 길이 방향을 따라 연장 형성되는 나셀 프레임; 및
    상기 나셀 플레이트와 상기 나셀 프레임 사이에 배치되어, 상기 나셀 프레임을 상기 길이 방향을 따라 이동시키는 나셀 이동 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 싱글형 풍력 발전기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 나셀 이동 유닛은,
    상기 나셀 플레이트 위에 결합되며, 상기 길이 방향을 따라 연장되는 적어도 하나의 가이드 레일;
    상기 가이드 레일을 따라 슬라이딩 가능하며, 상기 나셀 프레임에 고정 되는 베이스; 및
    상기 베이스와 결합하여 상기 베이스를 상기 길이 방향을 따라 이동시키는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 싱글형 풍력 발전기.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 구동부는 유압 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 싱글형 풍력 발전기.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 베이스의 양측면 중 적어도 하나에 위치하는 랙 기어;
    상기 나셀 플레이트 위에 배치되는 모터; 및
    상기 모터에 결합되며, 상기 랙 기어와 기어 결합하는 피니언 기어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 싱글형 풍력 발전기.
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