KR102361508B1

KR102361508B1 - 승강식 타워를 갖는 풍력발전기

Info

Publication number: KR102361508B1
Application number: KR1020200174043A
Authority: KR
Inventors: 김도영; 김영주; 김영민; 김주은
Original assignee: 김도영; 김영주; 김영민; 김주은
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2022-02-14

Abstract

본 발명은 운반, 조립, 설치 및 유지보수에 소요되는 비용을 절감하고 블레이드의 높이를 조절하여 발전효율을 극대화할 수 있는 승강식 타워를 갖는 풍력발전기에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 지면에 설치되어 상하로 승강하는 타워, 상기 타워의 상부에 연결되어 바람에너지를 전기에너지로 변환하도록 제너레이터를 갖는 나셀, 상기 나셀의 제너레이터에 연결되어 바람에 의해 회전하는 블레이드를 포함하되, 상기 타워는, 지면에 설치되는 기저관, 상기 기저관에 회전하면서 상하로 승강 가능하게 연결된 승강관, 상기 승강관에 회전하면서 상하로 승강 가능하게 연결되어 상기 나셀을 지지하도록 서포트 플레이트를 갖는 마감관, 상기 마감관의 회전 및 승강에 의해 상기 승강관이 연동해서 회전 및 승강되도록 외부 동력에 의해 회전하면서 신축하는 신축작동관을 포함하는 것을 기술사상으로 한다.
따라서, 본 발명은 타워의 높이가 낮은 상태에서 블레이드를 조립하거나 풍력발전기의 유지보수 작업을 실시할 수 있으므로 작업자의 안전을 확보하고 고소 작업에 필요한 경비를 절감하며 최적의 풍속 및 풍향에 부합되도록 블레이드의 높이를 조절하여 발전효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Description

승강식 타워를 갖는 풍력발전기{WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 승강식 타워를 갖는 풍력발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 운반, 조립, 설치 및 유지보수에 소요되는 비용을 절감하고 블레이드의 높이를 조절하여 발전효율을 극대화할 수 있는 승강식 타워를 갖는 풍력발전기에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 풍력발전기는 바람의 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 장치로서, 풍력발전기의 블레이드를 회전시켜 이때 생긴 블레이드의 회전력으로 전기를 생산한다.

풍력발전기는 블레이드의 회전축이 지상에 대하여 수평을 이루는 수평축 풍력발전기와. 블레이드의 회전축이 지상에 대하여 수직을 이루는 수직축 풍력발전기로 대별되며, 대형으로 제작할 수 있는 수평축 풍력발전기가 선호되고 있다.

도 10은 종래의 풍력발전기를 나타낸 예시도이다.

도 10을 참조하면, 종래의 수평축 방식의 풍력발전기는 지상에 설치되는 타워(1), 바람에 의하여 회전되는 블레이드(2), 블레이드의 회전력을 증속하는 증속기(3a) 및 전기를 생산하는 제너레이터(3b)와 같은 부품이 내장되는 나셀(3)과, 풍속이 강할 때 블레이드(2)의 회전을 정지시키기 위한 브레이크(4)와, 풍향이 바뀔 때 블레이드(3)의 회전면이 바람과 대향되도록 나셀(3)을 회전시키는 요잉장치(5)를 포함하여 구현된다.

이러한 풍력발전기는 풍향이 바뀌면 요잉장치(5)가 나셀(3)을 회전시켜서 블레이드(2)의 회전면이 풍향에 대향되도록 위치시킨다. 이때, 풍속이 설정된 값, 예를 들면 25m/s 이상이 되면 브레이크(4)가 작동되어 블레이드(2)의 회전을 멈추고, 이에 따라 증속기(3a) 및 제너레이터(3b)가 손상되는 것을 방지한다.

그러나 종래의 풍력발전기는 수직으로 긴 타워와 블레이드 등의 운반, 조립, 설치 및 유지보수를 위해 고소(高所)에서 작업을 해야 함에 따라 작업자의 안전을 확보할 수 없을 뿐만 아니라 비용 상승으로 이어지는 등의 문제점이 있었다.

또한, 종래의 풍력발전기는 타워의 길이가 고정되어 있으므로 계절에 따라 변화되는 최적의 풍속 및 풍향에 부합되도록 높이를 조절할 수 없으므로 발전효율을 극대화할 수 없는 문제점이 있었다.

(0001) 대한민국 등록실용신안 제20-0456004호(등록일자 2011년09월30일) (0002) 대한민국 등록특허 제10-1994249호(등록일자 2019년06월24일) (0003) 대한민국 공개특허 제10-2014-0028440호(공개일자 2014년03월10일) (0004) 대한민국 공개특허 제10-2012-0073788호(공개일자 2012년07월05일)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 운반, 조립, 설치 및 유지보수에 소요되는 비용을 절감하고 작업자의 안전을 확보하며 최적의 풍속 및 풍향에 부합되도록 블레이드의 높이를 조절하여 발전효율을 극대화할 수 있는 승강식 타워를 갖는 풍력발전기를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 지면에 설치되어 상하로 승강하는 타워, 상기 타워의 상부에 연결되어 바람에너지를 전기에너지로 변환하도록 제너레이터를 갖는 나셀, 상기 나셀의 제너레이터에 연결되어 바람에 의해 회전하는 블레이드를 포함하되, 상기 타워는, 지면에 설치되는 기저관, 상기 기저관에 회전하면서 상하로 승강 가능하게 연결된 승강관, 상기 승강관에 회전하면서 상하로 승강 가능하게 연결되어 상기 나셀을 지지하도록 서포트 플레이트를 갖는 마감관, 상기 마감관의 회전 및 승강에 의해 상기 승강관이 연동해서 회전 및 승강되도록 외부 동력에 의해 회전하면서 신축하는 신축작동관을 포함하는 것을 기술사상으로 한다.

본 발명은 상기 신축작동관에 의해 승강하는 상기 마감관의 외경을 보호하도록 신축 가능하게 결합되는 마감보호관, 상기 마감관에 의해 연동으로 승강하는 상기 승강관의 외경을 보호하도록 신축 가능하게 결합되는 승강보호관을 더 포함할 수 있다.

상기 승강관은 직경을 달리하여 승강 가능하게 연결되는 복수로 이루어질 수 있다.

상기 신축작동관은, 외부 동력에 의해 회전되는 구동각관, 상기 구동각관의 회전력을 상기 마감관으로 전달하는 종동각관, 상기 종동각관과 상기 구동각관을 연결하는 유동각관을 포함할 수 있다.

상기 승강보호관 및 상기 마감보호관은 직경을 달리하여 신축 가능하게 연결되는 복수의 관으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 승강보호관 및 상기 마감보호관은 상부에서 하부 방향으로 하나씩 걸리면서 신축되도록 상하 단부에 걸림턱 및 단속턱을 각각 가질 수 있다.

상술한 해결 수단으로 구현된 본 발명에 따르면, 타워의 높이가 낮은 상태에서 블레이드를 조립하거나 풍력발전기의 유지보수 작업을 실시할 수 있으므로 작업자의 안전을 확보하고 고소 작업에 필요한 경비를 절감하며 최적의 풍속 및 풍향에 부합되도록 블레이드의 높이를 조절하여 발전효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전체적인 형태를 나타낸 측면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 각 구성의 분해 상태를 나타낸 분해 사시도.
도 3은 도 2의 조립 상태를 단면으로 나타낸 단면도.
도 4는 도 3의 ‘A’부분을 확대하여 나타낸 확대도.
도 5는 도 3의 ‘B’부분을 확대하여 나타낸 확대도.
도 6 내지 도 8는 본 발명의 실시예에 의한 작동 상태를 나타낸 작동도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전체적인 형태를 나타낸 측면도.
도 10은 종래의 풍력발전기를 나타낸 예시도.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

따라서, 도면에서 표현한 구성요소의 형상 등은 더욱 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 관한 상세한 설명은 생략된다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 의한 승강식 타워를 갖는 풍력발전기는, 지상에 설치되어 상하로 승강하는 타워(100), 타워(100)의 상부에 연결되어 바람에너지를 전기에너지로 변환하도록 제너레이터(도시생략)를 갖는 나셀(200), 나셀(200)의 제너레이터에 연결되어 바람에 의해 회전하는 블레이드(300)를 포함한다.

타워(100)는 지면(E)에 설치되는 기저관(110), 기저관(110)에 회전하면서 상하로 승강 가능하게 연결된 승강관(120), 승강관(120)에 회전하면서 상하로 승강 가능하게 연결되어 나셀(200)을 지지하도록 서포트 플레이트(133)를 갖는 마감관(130), 마감관(130)의 회전 및 승강에 의해 승강관(120)이 연동해서 회전 및 승강되도록 외부 동력에 의해 회전하면서 신축하는 신축작동관(140), 신축작동관(140)에 의해 승강하는 마감관(130)의 외경을 보호하도록 신축 가능하게 결합되는 마감보호관(150), 마감관(130)에 의해 연동으로 승강하는 승강관(120)의 외경을 보호하도록 신축 가능하게 결합되는 승강보호관(170)을 포함한다.

기저관(110)은 본 발명의 기초를 이루는 구성이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 기저관(110)은 내부가 빈 원형의 관 형상으로 형성되고, 기저관(110)의 하부에는 베이스 플레이트(112)가 구비되어 지면(E)에 설치되며, 기저관(110)의 하부 외경과 베이스 플레이트(112) 사이에는 복수의 리브(113)가 형성되어 기저관(110)을 보강한다.

그리고 기저관(110)의 상부 내경에는 기저암나사(111)가 구비되는데, 이러한 기저암나사(111)는 후술하는 승강관(120)의 승강수나사(122)에 나사결합되어 승강관(120)의 승강을 안내한다.

승강관(120)은 기저관(110)과 마감관(130) 사이에 연결되어 실질적으로 타워(100)의 높낮이를 조절하는 구성이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 승강관(120)은 내부가 빈 원형의 관 형상으로 형성되어, 외경으로 승강수나사(122)가 구비되고 상부 내경으로 승강암나사(121)가 구비된다.

이러한 승강관(120)의 승강수나사(122)는 기저관(110)의 암나사에 나사결합되어 회전하면서 승강되고, 승강암나사(121)는 후술하는 마감관(130)의 마감수나사(132)에 나사결합되어 마감관(130)의 승강을 안내한다.

선택적으로, 승강관(120)은 직경을 달리하여 승강 가능하게 연결되는 복수로 이루어질 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 승강관(120)을 복수로 연결하면, 타워(100)의 높이를 100M, 200M 또는 그 이상으로 조절할 수 있다.

여기서, 도 1에서는 승강관(120)을 2단으로 나타내었으나, 도 2 내지 도 6에서는 제한된 지면(E)으로 인하여 승강관(120)을 1단으로 나타내었음을 분명히 밝혀둔다.

마감관(130)은 타워(100)의 끝 부분을 이루어 나셀(200)을 지지하는 구성이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 마감관(130)은 내부가 빈 원형의 관 형상으로 형성되어 외경으로 마감수나사(132)가 구비되고, 마감수나사(132)는 승강관(120)의 승강암나사(121)에 나사결합되어 회전하면서 승강된다.

마감관(130)의 상단부에는 서포트 플레이트(133)가 결합되어 나셀(200)을 지지한다.

서포트 플레이트(133)의 중앙에는 볼트홀(133a)이 형성되어 고정볼트(134)가 관통된다. 서포트 플레이트(133)의 저면에는 연결판(135)이 일체로 구비되어 마감관(130)과 신축작동관(140)을 연결하게 된다.

연결판(135)은 신축작동관(140)의 상단에 형성된 탭홀에 나사결합되는 고정볼트(134)에 의해 고정된다. 연결판(135)의 둘레에는 하나 이상의 결합키(136)가 구비되어 마감관(130)의 상부에 형성된 키홈(131)에 키결합된다. 연결판(135)의 저면에는 결합돌기(137)가 구비되어 후술하는 신축작동관(140)의 결합홈에 끼움결합된다. 이러한 결합돌기(137)와 결합홈은 사각형이나 오각형 따위를 포함하는 다각형의 단면 형상으로 형성되어 신축작동관(140)의 회전력을 연결판(135)으로 전달한다.

신축작동관(140)은 마감관(130)을 회전 및 승강시키고 이에 연동해서 승강관(120)이 회전 및 승강되도록 작동하는 구성이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 신축작동관(140)은 단면 크기를 달리하여 신축 가능하게 연결되는 복수의 각관으로 이루어진다.

신축작동관(140)은 모터 따위를 포함하는 외부 동력에 의해 회전되는 구동각관(141), 구동각관(141)의 회전력을 마감관(130)으로 전달하는 종동각관(143), 종동각관(143)과 구동각관(141)을 연결하는 유동각관(142)을 포함한다.

구동각관(141) 및 유동각관(142)의 상부 내면에는 디텐트(141a)(142a)가 각각 구비되고, 유동각관(142) 및 종동각관(143)의 하부 외면에는 토우림(142b)(143b)이 각각 구비되는데, 이러한 토우림(142b)(143b)과 디텐트(141a)(142a)는 유동각관(142) 및 종동각관(143)의 상승을 단속한다.

선택적으로, 유동각관(142)은 단면 크기를 달리하여 신축 가능하게 연결되는 복수로 이루어질 수 있다.

마감보호관(150)은 마감관(130)의 외경을 가려서 보호하는 구성이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 마감보호관(150)은 직경을 달리하여 신축 가능하게 연결되는 복수의 관으로 이루어진다. 복수의 마감보호관(150)의 상단부에는 걸림턱(151)이 구비되고 하단부에는 단속턱(152)이 구비되어, 상승하는 복수의 마감보호관(150)은 상부에서 하부 방향으로 하나씩 단속턱(152)에 걸림턱(151)이 걸리면서 신축된다.

도 4를 참조하면, 최상단의 마감보호관(150) 둘레에는 어퍼플랜지가 일체로 구비되어 서포트 플레이트(133)의 저면에 고정되고, 최하단의 마감보호관(150) 둘레에는 로워플랜지가 일체로 구비되어 승강관(120)의 상단에 결합된 서포트링(160)에 고정된다.

여기서, 서포트링(160)은 승강관(120)의 외경보다 크게 형성되어 승강보호관(170)의 어퍼림을 고정하는 것이 바람직하다.

승강보호관(170)은 승강관(120)의 외경을 가려서 보호하는 구성이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 승강보호관(170)은 직경을 달리하여 신축 가능하게 연결되는 복수의 관으로 이루어진다. 이러한 복수의 승강보호관(170)의 상단부에는 걸림턱(171)이 구비되고 하단부에는 단속턱(172)이 구비되어, 상승하는 복수의 승강보호관(170)은 상부에서 하부 방향으로 하나씩 단속턱(172)에 걸림턱(171)이 걸리면서 신축된다.

도 4를 참조하면, 최상단의 승강보호관(170) 둘레에는 어퍼림이 일체로 구비되어 서포트링(160)의 저면에 고정되고, 최하단의 승강보호관(170) 둘레에는 로워림이 일체로 구비되어 기저관(110)의 상단에 결합된 홀드링에 고정된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 전체적인 작동을 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 6에 도시된 바와 같이 타워(100)의 높이가 낮은 상태에서 블레이드(300)의 조립과 설치 및 유지보수에 대한 작업을 안전하게 실시할 수 있다.

다음, 도 6에 도시된 상태에서 외부 동력에 의해 구동각관(141)이 회전하면 유동각관(142) 및 종동각관(143)이 동시에 회전된다.

이어서, 종동각관(143)의 회전력이 연결판(135)을 통해 마감관(130)에 그대로 전달되어 동시에 회전되고, 마감관(130)은 승강관(120)의 승강암나사(121)에 의해 안내되어 도 7에 도시된 바와 같이 회전하면서 상승하게 된다.

이때, 마감보호관(150)도 동시에 늘어나면서 마감관(130)의 외면을 가려서 보호하게 된다.

참고로, 도 7 및 도 8에 도시된 점선화살표는 신축작동관(140)의 회전 방향을 나타낸 화살표이고, 실선화살표는 마감관(130) 및 승강관(120)의 회전 방향을 나타낸 화살표이다.

계속해서, 도 7에 도시된 바와 같이 마감외관이 최대로 상승된 후 마감관(130)의 회전력은 승강관(120)으로 전달되고, 이로 인해 마감관(130) 및 승강관(120)은 도 8에 도시된 바와 같이 잇따라 함께 회전되어 타워(100)의 높이를 상승시키게 된다.

이때, 블레이드(300)는 회전하면서 상승되므로 계절에 따른 최적의 풍속 및 풍향 위치에 맞도록 조절된다.

한편, 타워(100)의 높이를 도 6에 도시된 바와 같이 낮추는 작동은 상술한 설명의 역순이므로 상세한 설명은 생략한다.

따라서, 본 발명은 도 6에 도시된 바와 같이 타워(100)의 높이가 낮은 상태에서 블레이드(300)를 조립하거나 풍력발전기의 유지보수 작업을 실시할 수 있으므로 작업자의 안전을 확보할 수 있는 동시에 고소 작업에 필요한 경비를 절감할 수 있다.

다른 한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 의한 풍력발전기의 타워(100a)는 텔레스코픽 실린더로 구현될 수 있다.

즉, 본 발명의 다른 실시예에 의한 타워(100a)는 실린더 내부에 또 다른 실리너가 내장되어 압렵 유체가 유입되면 차례로 실린더가 나오는 텔레스코픽 실린더로 구현되는 것이다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다.

그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

100 : 타워 110 : 기저관
120 : 승강관 130 : 마감관
133 : 서포트 플레이트 135 : 연결판
140 : 신축작동관 141 : 구동각관
142 : 유동각관 143 : 종동각관
150 : 마감보호관 160 : 서포트링
170 : 승강보호관 180 : 홀드링
200 : 나셀 300 : 블레이드
E : 지면

Claims

지면에 설치되어 상하로 승강하는 타워, 상기 타워의 상부에 연결되어 바람에너지를 전기에너지로 변환하도록 제너레이터를 갖는 나셀, 상기 나셀의 제너레이터에 연결되어 바람에 의해 회전하는 블레이드를 포함하되,
상기 타워는, 지면에 설치되는 기저관, 상기 기저관에 회전하면서 상하로 승강 가능하게 연결된 승강관, 상기 승강관에 회전하면서 상하로 승강 가능하게 연결되어 상기 나셀을 지지하도록 서포트 플레이트를 갖는 마감관, 상기 마감관의 회전 및 승강에 의해 상기 승강관이 연동해서 회전 및 승강되도록 외부 동력에 의해 회전하면서 신축하는 신축작동관을 포함하고,
상기 신축작동관에 의해 승강하는 상기 마감관의 외경을 보호하도록 신축 가능하게 결합되는 마감보호관 및 상기 마감관에 의해 연동으로 승강하는 상기 승강관의 외경을 보호하도록 신축 가능하게 결합되는 승강보호관을 더 포함하되,
상기 승강보호관 및 상기 마감보호관은 직경을 달리하여 신축 가능하게 연결되는 복수의 관으로 이루어지고, 상부에서 하부 방향으로 하나씩 걸리면서 신축되도록 상하 단부에 걸림턱 및 단속턱을 각기 포함하고,
상기 마감보호관의 최상단의 둘레에는 어퍼플랜지가 일체로 구비되어 상기 서포트 플레이트의 저면에 고정되고, 상기 마감보호관의 최하단의 둘레에는 로워플랜지가 일체로 구비되어 상기 승강관의 상단에 결합된 서포트링에 고정되며,
상기 기저관은 내부가 빈 원형의 관 형상으로 형성되고, 하부에는 베이스 플레이트가 구비되어 지면에 설치되며,
상기 기저관의 하부 외경과 상기 베이스 플레이트 사이에는 복수의 리브가 형성되어 상기 기저관을 보강하고, 상기 기저관의 상부 내경에는 기저암나사가 구비되어 상기 승강관의 승강수나사에 나사결합되어 상기 승강관의 승강을 안내하고,
최상단의 상기 승강보호관의 둘레에는 어퍼림이 일체로 구비되어 상기 서포트링의 저면에 고정되고, 최하단의 상기 승강보호관의 둘레에는 로워림이 일체로 구비되어 상기 기저관의 상단에 결합된 홀드링에 고정되는 것을 특징으로 하는 승강식 타워를 갖는 풍력발전기.
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