KR102203750B1 - 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기는 지표로부터 이격되도록 설치하기 위한 타워부, 상기 타워부 일측에 설치된 나셀부 및 상기 나셀부의 허브와 함께 회동 가능하게 형성된 로터부를 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 나셀부에는 허브가 회전하는 회전축 상에 베어링하우징, 증속기, 브레이크, 러버커플링 및 발전기가 순차적으로 결합되고, 분리할 수 있도록 발전기 지지구조가 형성되고, 상기 발전기 지지구조는 상기 회전축과 이격하여 배치되고 일측이 베어링하우징에 결합되는 한 쌍의 가이드 바와; 상기 한 쌍의 가이드 바를 따라 이동하고 상기 발전기가 결합되는 발전기 고정프레임; 및 상기 한 쌍의 가이드 바의 타측 각 끝단을 고정하는 엔드 프레임;을 포함하며, 상기 발전기 고정프레임은 한 쌍의 가이드 바를 따라 이동하고 엔드 프레임의 마감으로 이탈되는 것을 방지하는 것을 특징으로 형성될 수 있다.

Description

발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기{A wind turbine with a generator support structure}

본 발명은 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍력발전기의 나셀 내부에 포함된 부품교체가 용이하도록 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기에 관한 것이다.

최근 대기오염 및 미세먼지 등으로 친환경 신재생에너지의 중요성이 주목받고 있다. 친환경 신재생에너지를 사용한 발전장치의 한 종류인 풍력발전기는 블레이드, 나셀, 지지구조물(타워)의 세 부분으로 구성된다. 상기 나셀의 내부에는 블레이드와 결합된 회전축의 회전에너지를 전기에너지로 전환하는 다수의 기계부품이 포함되어 있다.

풍력발전기의 분류는 로터의 회전축 방향, 공력 이용방식, 운전 방식, 출력제어방식, 전력사용방식, 계통연계방식, 증속기 사용 여부, 발전기 종류 등에 따라 다양하게 분류된다. 로터의 회전축 방향에 따른 분류는 로터 축이 지면과 수평인 경우는 수평축 풍력발전기 (horizontal axis wind turbine)이며 로터 축이 지면에 수직인 경우는 수직축 풍력발전기(vertical axis wind turbine) 라고 한다.

또한, 풍력발전기는 대형풍력발전기와 소형풍력발전기로 구분될 수 있는데, 블레이드 길이의 제곱에 비례하여 같은 조건에서도 많은 에너지를 얻기 위해 해안지역이나 산악지역과 같이 평균풍속이 큰 곳에 설치되는 경우에는 블레이드 길이가 큰 대형풍력발전기의 형태를 띠고 있다. 소형풍력발전기의 경우에는 바람의 세기가 약한 미풍에서도 가동이 용이하도록 풍력터빈과 발전기를 설계하여야만 풍속이 낮은 경우에도 지속적으로 발전이 가능하여 발전기의 이용률을 높일 수 있다. 상기 수평축 풍력발전기는 대형뿐만 아니라 소형으로도 제작할 수 있는 장점이 있다.

이러한 풍력발전기의 나셀 내부에 설치되는 구성품들은 일정한 사용연한이 되면 교체가 필요한 시점에 도래하게 된다. 특허 10-1038641호에는 풍력터빈설비의 나셀 내부에 설치되는 대차 시스템 및 나셀 외부에 원치 유닛을 구비하여 정비가 필요한 부품이 발생한 경우에 정비를 수행할 수 있는 것이 제안되어 있으며, 특허 10-1581771호에는 나셀 주요 기계에 탈부착 지그를 이용하여 내부 기계 교체 및 보수 시스템이 제안되어 있다. 그러나, 상기 종래 기술에 개시된 나셀에 형성된 대차 시스템 혹은 나셀 상부를 따라 이동가능한 크레인을 사용하는 기술은 별도의 장치를 추가하는 것은 아니지만 나셀 내부에 보수부재의 설치 및 보수 작업을 할 수 있는 충분한 공간 확보가 필요한 문제점을 가지고 있다.

KR 10-1038641 B KR 10-1581771 B

본 발명의 목적은 풍력발전기의 나셀 내부에 포함된 부품교체가 용이하도록 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 발전기 지지구조는 발전기에 결합되어 나셀 내부의 다수 기계부품과 체결되도록 하고, 상기 발전기 지지구조 내부의 발전기 고정프레임이 가이드바를 따라 이동 가능하도록 형성되어 나셀 내부에 설치되는 구성품들의 부품교체가 용이하도록 한 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기는 지표로부터 이격되도록 설치하기 위한 타워부, 상기 타워부 일측에 설치된 나셀부 및 상기 나셀부의 허브와 함께 회동 가능하게 형성된 로터부를 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 나셀부에는 허브가 회전하는 회전축 상에 베어링하우징, 증속기, 브레이크, 러버커플링 및 발전기가 순차적으로 결합되고, 분리할 수 있도록 발전기 지지구조가 형성되고, 상기 발전기 지지구조는 상기 회전축과 이격하여 배치되고 일측이 베어링하우징에 결합되는 한 쌍의 가이드 바와; 상기 한 쌍의 가이드 바를 따라 이동하고 상기 발전기가 결합되는 발전기 고정프레임; 및 상기 한 쌍의 가이드 바의 타측 각 끝단을 고정하는 엔드 프레임;을 포함하며, 상기 발전기 고정프레임은 한 쌍의 가이드 바를 따라 이동하고 엔드 프레임의 마감으로 이탈되는 것을 방지하는 것을 특징으로 형성될 수 있다.

상기 발전기 지지구조는 나셀부의 하부 프레임 상에 한 쌍의 가이드 바가 클램프로 고정되는 것을 특징으로 형성될 수 있다.

상기 발전기 지지구조는 한 쌍의 가이드 바의 길이가 하부 프레임보다 길게 형성되는 것을 특징으로 형성될 수 있다.

상기 발전기 고정프레임은 발전기의 일단이 삽입되도록 관통홀이 형성되고, 관통홀의 프레임 상에 볼트로 고정된 발전기 체결부와 상기 발전기 체결부 양측에 가이드 바가 삽입되도록 가이드 홀이 양측에 형성되는 것을 특징으로 형성될 수 있다.

상기 엔드 프레임은 한 쌍의 가이드 바의 각 끝단에 형성된 고정부와 상기 각각의 고정부를 연결하는 연결부로 형성되는 것을 특징으로 형성될 수 있다.

상기와 같이하여, 본 발명에 의한 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기는 발전기 지지구조가 증속기축으로부터 발전기를 결합 및 분리가 가능하며, 상기 분리 작업으로 나셀 내부에 설치되는 구성품들의 부품교체가 신속하게 진행될 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기는 발전기 고정프레임이 가이드바를 따라 이동가능하기 때문에 발전기가 증속기축으로부터 분리된 후 재결합하는 작업이 용이한 장점이 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 나셀부의 내부 세부구조를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 측면도이다.
도 4는 도 2에서 러버커플링이 결합된 상태를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 2의 발전기 지지구조를 도시한 사시도이다.
도 6은 도 2에서 발전기가 분리된 상태를 도시한 일부 분해도이다.
도 7은 도 2에서 브레이크 및/또는 러버커플링을 교체하기 위한 발전기 지지구조의 상태를 설명하기 위한 분해도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 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 명세서에서, "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.

본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면과 함께 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기를 도시한 사시도이다. 본 발명의 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기(100)는 타워부(110), 로터부(120) 및 나셀부(130)를 포함한다. 본 발명의 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기(100)는 풍력발전기의 나셀 내부에 포함된 부품교체가 용이하도록 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기에 관한 것이다.

상기 타워부(110)는 타워몸체(111), 회전부(112)를 포함한다. 상기 타워부(110)는 바람에 의해 회전하는 블레이드부(122)가 지표에서 멀어질수록 증가하는 풍속에 의해 회전 효율이 높아지므로 타워몸체(111)에 의해 지표로부터 이격되도록 설치된다. 상기 타워몸체(111)의 일측은 육상, 해저면, 해상의 선박 또는 부유체 등에 고정되고, 타측은 나셀부(130)가 설치된다. 상기 회전부(112)는 나셀부(130)가 지면에 수평한 방향으로 회전하도록 구성될 수도 있다.

상기 로터부(120)는 나셀부(130)의 허브(131)와 함께 회전되는 발전기 콘(121)과 상기 발전기 콘(121)을 중심으로 방사상으로 형성된 블레이드부(122)를 포함한다. 상기 블레이드부(122)는 발전기의 용량 및 용도에 따라 그 수가 가변적으로 형성될 수 있다. 본 발명에는 발전기 콘(121)에 3개의 블레이드부(122)가 형성된 것으로 설명하고 있으나, 그 수를 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명에서 로터블레이드부(120)는 풍력발전기에 통상적으로 사용되는 구성이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 나셀부(130)는 풍력발전기(100)의 중심체로서 타워몸체(111)의 상부에 설치된다. 도 2는 도 1의 나셀부의 내부 세부구조를 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 측면도이다. 도 4는 도 2에서 러버커플링(138)이 결합된 상태를 도시한 단면도이다.

상기 나셀부(130)에는 블레이드부(122)가 연결되는 허브(131), 증속기(135), 브레이크(136) 및 발전기(139) 등의 부재가 구비될 수 있다. 상기 나셀부(130)에는 허브(131)가 회전하는 회전축을 중심으로 베어링하우징(132), 증속기(135), 브레이크(136), 러버커플링(138) 및 발전기(139)가 순차적으로 결합된다.

상기 나셀부(130)에 형성된 부재들은 바람에 의한 운동에너지를 증속기(135)를 통해 고속의 운동에너지로 변환시킨 후 발전기(139)에서 전기에너지로 변화시킨다. 상기 나셀부(130)에 형성된 부재들은 일정 사용연한이 되면 교체가 필요한 시점이 도래하게 된다. 특히 본 발명에서는 교체가 필요한 부재로 브레이크(136)와 러버커플링(138)를 일예로 설명한다. 상기 브레이크(136)는 브레이크 패드의 마모로 인한 교체 혹은 브레이크(136)를 교체하는 것을 의미한다. 또한, 상기 러버커플링(138)은 브레이크(136)와 발전기(139) 사이에 배치되고, 증속기축(1351)과 발전기축(1391)에 각각 결합된 한 쌍의 허브(1383)와 상기 허브(1383) 사이에 형성된 유격에 고무패드(1381)가 형성된다. 상기 러버커플링(138)는 고무패드(1381)에서 진동을 흡수하고, 일정 사용연한이 되면 손상되면서 교체가 필요하게 된다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 나셀부(130)에 형성된 부재들은 회전축을 중심으로 연결되어 있기 때문에, 상기 나셀부(130)의 부품을 교체하기 위해서는 먼저 부품 간의 간격을 확보한 후 러버커플링(138) 혹은 브레이크(136)가 교체될 수 있다.

상기 나셀부(130)에는 발전기 지지구조(140)를 포함한다. 상기 발전기 지지구조(140)는 나셀부(130)에 형성된 부재들을 교체 작업 시 분리와 결합이 용이하도록 한다.

도 5는 도 2의 발전기 지지구조(140)를 도시한 사시도이다. 상기 발전기 지지구조(140)는 한 쌍의 가이드 바(142, 143)가 회전축으로부터 이격하여 배치되도록 한다. 상기 한 쌍의 가이드 바(142, 143)는 일측이 베어링하우징(132)에 결합되고, 타측이 엔드 프레임(145)으로 결합된다. 상기 한 쌍의 가이드 바(142, 143)의 길이는 하부 프레임(160)에서 돌출되도록 연장된 것을 특징으로 한다. 상기 교체작업을 위한 간격은 도 5에서 간격(H)이다. 상기 간격(H)은 한 쌍의 가이드 바(142, 143)에서 고정프레임(141)이 이동 가능한 영역을 나타낸다.

상기 발전기 지지구조(140)는 발전기 고정프레임(141)을 포함한다. 상기 발전기 고정프레임(141)은, 도5 및 도6을 참조하면, 발전기(139)의 일단이 삽입되도록 발전기 체결부(1411)가 형성되고 볼트(B)를 이용하여 볼트 삽입부(1412)에 고정되고, 상기 발전기 체결부(1411)을 중심으로 양측에 가이드 바(142, 143)가 삽입되도록 홀(1413, 1414)이 형성된다. 상기 한 쌍의 가이드 바(142, 143)는 엔드 프레임(145)으로 양끝이 연결되어 상기 발전기 고정프레임(141)이 한 쌍의 가이드 바(142, 143)를 따라 이동하지만 이탈되는 것을 방지한다. 상기 발전기 지지구조(140)는 하부 프레임(160) 상에 클램프(150A, 150B, 150C, 150D)를 이용하여 고정한다. 상기 엔드 프레임(145)은 한 쌍의 가이드 바(142, 143)의 각각의 끝단에 고정된 고정부(1451, 1452)와 상기 각 고정부(1451, 1452) 사이를 연결하는 연결부(1453)로 형성된다. 상기 엔드 프레임(145)은 큰 중량의 발전기(139)가 결합된 발전기 고정프레임(141)이 한 쌍의 가이드 바(142, 143)에서 이탈되지 않도록 한다.

도 6은 발전기(139)와 발전기 고정프레임(141) 사이의 결합관계를 설명하기 위하여 도시한 것일 뿐, 교체작업을 위해서는 도 7에 도시된 바와 같이 발전기(139가) 발전기 고정프레임(141)에 결합된 상태로 회전축 상에서 발전기(139)가 분리된 후 발전기 고정프레임(141)이 H 거리 만큼 이동하여 부품교체를 위한 간격을 확보한다.

상기 본 발명의 풍력발전기(100)는 발전기 지지구조(140)가 형성되어, 상기 발전기 지지구조(140)와 하부 프레임(160)이 클램프(150A, 150B, 150C, 150D)를 통하여 안정적으로 체결된다. 또한, 상기 발전기 지지구조(140)는 부품 교체를 위하여 발전기(139)를 분리하고 이동시키기 위한 크레인과 같은 별도의 부재와 보관을 위한 공간 확보 없이 간편하게 작업할 수 있다. 특히 상기 작업을 설치 현장에서 수직으로 세운 상태에서 진행하는 경우 효과가 더 커진다. 또한, 상기 발전기 지지구조(140)는 발전기(139)가 회전축 상에서 분리 및 재설치 될 때 발전기 고정프레임(141)이 가이드바(142, 143)를 따라 이동하므로 증속기축(1351)과 발전기축(1391)의 동심이 일치하므로 작업이 용이하다.

이 외에도 전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산 또는 분할되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산 또는 분할된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 통상의 기술자가 이해하는 범위 안에서 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 풍력발전기
110: 타워부 120: 로터부
130: 나셀부
140: 발전기 지지구조
141: 발전기 고정프레임 142, 143: 가이드 바
150: 클램프 160: 하부프레임

Claims (5)

1. 지표로부터 이격되도록 설치하기위한 타워부, 상기 타워부 일측에 설치된 나셀부 및 상기 나셀부의 허브와 함께 회동 가능하게 형성된 로터부를 포함하는 풍력발전기에 있어서,
   상기 나셀부에는 허브가 회전하는 회전축 상에 베어링하우징, 증속기, 브레이크, 러버커플링 및 발전기가 순차적으로 결합되고, 분리할 수 있도록 발전기 지지구조가 형성되고,
   상기 발전기 지지구조는
   상기 회전축과 이격하여 배치되고 일측이 베어링하우징에 결합되는 한 쌍의 가이드 바;
   상기 한 쌍의 가이드 바를 따라 이동하고 상기 발전기가 결합되는 발전기 고정프레임; 및
   상기 한 쌍의 가이드 바의 타측 각 끝단을 고정하는 엔드 프레임;을 포함하며,
   상기 발전기 고정프레임은 한 쌍의 가이드 바를 따라 이동하고 엔드 프레임의 마감으로 이탈되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 발전기 지지구조는 나셀부의 하부 프레임 상에 한 쌍의 가이드 바가 클램프로 고정되는 것을 특징으로 하는 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 발전기 지지구조는 한 쌍의 가이드 바의 길이가 하부 프레임보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 발전기 고정프레임은
   발전기의 일단이 삽입되도록 관통홀이 형성되고, 관통홀의 프레임 상에 볼트로 고정된 발전기 체결부;
   상기 발전기 체결부 양측에 가이드 바가 삽입되도록 가이드 홀이 양측에 형성되는 것을 특징으로 하는 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 엔드 프레임은 한 쌍의 가이드 바의 각 끝단에 형성된 고정부와 상기 각각의 고정부를 연결하는 연결부로 형성되는 것을 특징으로 하는 발전기 지지구조를 갖는 풍력발전기.
   

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