KR20120081159A - 풍력 터빈 - Google Patents

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KR20120081159A
KR20120081159A KR1020127009890A KR20127009890A KR20120081159A KR 20120081159 A KR20120081159 A KR 20120081159A KR 1020127009890 A KR1020127009890 A KR 1020127009890A KR 20127009890 A KR20127009890 A KR 20127009890A KR 20120081159 A KR20120081159 A KR 20120081159A
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wind turbine
switchgear
blade
switchgear cabinet
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KR1020127009890A
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울리히 쇼마커스
헨드릭 벤징
Original Assignee
에스에스비 윈드 시스템즈 게엠베하 운트 코 카게
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Abstract

개시된 풍력 터빈은 엔진실(20), 회전자 블레이드(3, 4, 5)하나당 하나 이상의 스위치기어 큐비클(swichgear cubicle; 9, 10, 11) 및 회전자(1)를 포함하며, 상기 회전자는 회전자 축(20)을 중심으로 회전가능하도록 엔진실(20)상에 장착되고 회전자 허브(2) 및 복합 회전자 블레이드(3, 4, 5)를 포함하며, 상기 복합 회전자 블레이드 각각은 회전자 축(12)과 교차하도록 이어지거나 실질적으로 교차하도록 이어진 블레이드 축(13, 14, 15) 방향과 연결되고 각각의 블레이드 축(13, 14, 15)을 중심으로 회전가능하도록 회전자 허브(2)상에 장착된다. 하나 이상의 블레이드 각 조절 구동 장치(26, 27, 28)를 구동시키기 위한 전기 회로(23, 24, 25)가 하나 이상의 스위치기어 큐비클(9, 10, 11)내에 배열되고, 상기 전기 회로에 의해 회전자 블레이드(3, 4, 5) 각각은 각각의 블레이드 축(13, 14, 15)을 중심으로 회전할 수 있다. 스위치기어 큐비클(9, 10, 11)은 회전자 허브(2) 내의 중심에서 반경방향에 위치하는 컴팩트한 스위치기어 큐비클의 배열(22)을 형성하도록 결합된다.

Description

풍력 터빈 {WIND TURBINE}
본 발명은 엔진실, 회전자 및 회전자 블레이드마다 하나 이상의 스위치기어 캐비넷(switchgear cabinet)을 구비한 풍력 터빈에 관한 것으로 상기 회전자는 회전자 축을 중심으로 회전 가능하도록 엔진실 상에 장착되며, 회전자 허브(rotor hub) 및 복수의 회전자 블레이드(blade)를 구비하고, 상기 각각의 회전자 블레이드는 회전자 축을 가로질러 또는 실질적으로 가로질러 연장하는 블레이드 축 방향으로 연장하고, 상기 각각의 회전자 블레이드는 블레이드 축을 중심으로 회전가능하도록 회전자 허브 상에 장착되고, 상기 스위치기어 캐비넷 내에는 하나 이상의 블레이드 각 조절 구동장치를 작동시키기 위한 전기 회로가 배열되며, 블레이드 각 조절 구동장치에 의해서 각각의 회전자 블레이드가 그 블레이드 축을 중심으로 회전할 수 있다.
DE 10 2007 016 023 A1호에는 회전자를 구비한 풍력터빈으로서, 복수의 회전자 블레이드가 상기 회전자의 회전자 허브 상에 회전자 블레이드의 축을 중심으로 회전 가능하게 장착된 풍력 터빈이 개시되어 있다. 어큐뮬레이터(accumulator)를 가지고 있는 스위치기어 캐비넷이 회전자 허브 내에 배열되며, 상기 스위치기어 캐비넷은 회전자 블레이드 중 하나의 피치각(pitch angle)을 조정하기 위하여 전기 모터에 스위치(switch)를 매개로 하여 연결될 수 있다.
도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이 이와 같은 스위치기어 캐비넷(피치 스위치기어 캐비넷)은 현재 풍력 터빈의 블레이드 베어링(blade bearing) 영역에 고정되며, 상기 도 4에서는 회전자 허브(2)를 가지고 있는 회전자(1), 회전자 허브(2)에 고정된 복수의 회전자 블레이드(3, 4 및 5) 및 회전자 블레이드 각각과 결합하는 블레이드 베어링(6, 7 및 8)을 도시하고, 상기 블레이드 베어링에 의해서 회전자 블레이드 각각은 허브(2) 상에 회전식으로 장착된다. 또한 각각의 회전자 블레이드(3, 4 및 5)는 블레이드 베어링 각각의 영역에 배열된 스위치기어 캐비넷(9, 10 및 11)과 결합한다. 도 4에 의하면 회전자 축(12)은 회전자(1)가 회전하는 중심축으로서 블레이드의 평면 내로 연장한다. 블레이드 축(13, 14 및 15)은 허브(2)에 관하여 회전자 블레이드 각각이 회전할 수 있는 중심축으로서 회전자 축(12)을 가로질러 이어진다.
이러한 배열의 단점은 스위치기어 캐비넷의 설계가 회전자 허브에 맞춰 조정되어야 한다는 점이다. 풍력 터빈의 허브는 실제로는 상당히 다르기 때문에, 이러한 조정(adaptation)은 적지 않은 노력과 비용을 필요로한다.
이러한 배경 기술에 대한 본 발명의 목적은 도입부에서 언급한 타입의 풍력 터빈의 회전자 허브의 형태와 거의 무관하게 스위치기어 캐비넷을 설계할 수 있게 하는 것이다.
이러한 목적은 본 발명에 따라 청구항 제1 항의 풍력 터빈에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 발전방안은 종속항에서 개시된다.
본 발명을 따르는 풍력 터빈은, 엔진실, 회전자 및 회전자 블레이드마다 하나 이상의 스위치기어 캐비넷을 구비하고, 상기 회전자는 회전자 축을 중심으로 회전 가능하도록 엔진실 상에 장착되며, 회전자 허브 및 복수의 회전자 블레이드를 구비하고, 상기 각각의 회전자 블레이드는 회전자 축을 가로질러 또는 실질적으로 가로질러 연장하는 블레이드 축 방향으로 연장하며, 상기 각각의 회전자 블레이드는 블레이드 축을 중심으로 회전가능하도록 회전자 허브 상에 장착되고, 상기 스위치기어 캐비넷 내에는 하나 이상의 블레이드 각 조절 구동장치를 작동시키기 위한 전기 회로가 배열되며, 블레이드 각 조절 구동장치에 의해서 각각의 회전자 블레이드가 그 블레이드 축을 중심으로 회전할 수 있고, 회전자 허브의 중심에서 반경 방향으로 위치하는 컴팩트(compact)한 스위치기어 캐비넷의 배열을 형성하도록 스위치기어 캐비넷이 조립된다.
본 발명에 따른 풍력 터빈에서 스위치기어 캐비넷은 회전자 허브의 반경방향에서 중심적 또는 회전자 허브의 대략 반경방향에서 중심적으로 위치하고, 그로 인해 스위치기어 캐비넷은 블레이드 베어링으로부터 이격되어 배열된다. 스위치기어 캐비넷이 회전자 허브내에 설치된다면, 회전자 허브의 형상 및 크기를 스위치기어 캐비넷 설계에 적합하게 만들지 않고서도 변경할 수 있다. 이렇게 해서 다양한 회전자 허브에 대해 균일한 스위치기어 캐비넷의 설계가 적용될 수 있고, 이는 상당한 비용 절감 효과를 초래한다. 기존 풍력 터빈의 허브 중앙은 대체로 비어있었기 때문에, 본 발명에 따른 스위치기어 캐비넷의 배열 전환은 또한 실제로도 어떤 문제도 제공하지 않을 것이다. “반경방향”이라는 용어는 회전자 축에 수직하게 또는 실질적으로 수직하게 이어진 방향을 의미하는 것으로 해석한다.
스위치기어 캐비넷은 특히 회전자 허브 내에 및/또는 회전자 허브 상에 고정된다. 스위치기어 캐비넷이 회전자 허브의 중앙에 고정되는 것이 바람직하다. 스위치기어 캐비넷이 서로 접촉하고 이로 인해 특히 컴팩트한 스위치기어 캐비넷의 배열이 생성되는 것이 보다 바람직하다. 특히 접촉 영역에서 스위치기어 캐비넷은 서로 전기 전도적으로 연결된다. 예를 들어 스위치기어 캐비넷은 전기 전도 재료로 구성된다. 스위치기어 캐비넷은 금속, 특히 풍력 터빈에 사용되기에 적합한 스테인리스강, 분말 강(powdered steel) 또는 다른 재료로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 하나의 구성에 따르면, 전기 회로는, 바람직하게는 접촉 영역을 통과하는, 하나 이상의 전기적 연결에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 전기적 연결은 하나 또는 복수의 전기 리드(electrical lead) 및/또는 하나 또는 복수의 전기적 플러그 인 연결을 포함할 수 있다. 더하여, 접촉 영역에서는 스위치기어 캐비넷의 벽에 구멍이 제공될 수 있고, 이 벽을 통해서 특히 전기적 리드의 형태의 전기적 연결이 연장할 수 있다.
전기회로는 각각 결합된 블레이드 각 조절 구동 장치를 제어하기 위한 전기 제어 장치를 각각 포함하는 것이 바람직하다. 각각의 블레이드 각 조절 구동 장치는 전기적으로 설계되고 특히 하나 또는 복수의 전기 모터를 포함하는 것이 바람직하다.
스위치기어 캐비넷은 회전자 축을 둘러싸고 에워싸는 배열을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 방식으로, 스위치기어 캐비넷을 매우 공간 절약적인 방식으로 배열하는 것이 가능하다. 특히 스위치기어 캐비넷은 서로 연결 및/또는 체결될 수 있다.
각각의 스위치기어 캐비넷은 분리된 구조적 유닛을 형성할 수 있으며, 특히 이러한 구조적 유닛은 개별적으로 제조된다. 대안적으로 스위치기어 캐비넷을 수용하는 용기에 의해 스위치기어 캐비넷의 배열이 형성되며, 상기 용기의 내부는 특히 격벽에 의해 스위치기어 캐비넷을 형성하는 복수의 영역으로 세분화된다. 용기 내부에 제공된 격벽은 이와 같은 방식으로 스위치기어 캐비넷의 벽으로서 기능함과 동시에 스위치기어 캐비넷 서로를 분리시킨다. 이런 점에서 용기는 “마스터(master)" 스위치기어 캐비넷을 형성한다. 본 발명의 개선방안에 따르면, 격벽은, 특히 용기의 벽과 함께, 벌집 구조를 형성하고, 특히 상기 벌집 구조의 벌집 모양은 스위치기어 캐비넷을 형성한다.
본 발명은 스위치기어 캐비넷을 균일하게 설계할 수 있게 하고, 특히 회전자 블레이드의 개수 및 허브의 설계와 거의 무관하게 스위치기어 캐비넷을 균일하게 설계 할 수 있게하며, 이로써 제조 비용이 감소될 수 있다. 모든 스위치기어 캐비넷이 같은 형상, 예를 들어 다각형을 갖는 것은 바람직하다; 특히 스위치기어 캐비넷은 회전자 축을 가로지르는 평면에서 사다리꼴 형상을 가진다. 이러한 형상은 회전자 축을 둘러싸고 에워싸는 배열을 실시하기 위해 특히 적합하다.
각각의 회전자 블레이드에 대해 복수의 스위치기어 캐비넷이 제공될 수 있다. 그러나 엄밀히는 각각의 회전자 블레이드마다 하나의 스위치기어 캐비넷을 제공하는 것이 바람직하다. 스위치기어 캐비넷의 개수는 세 개가 바람직하다. 그러나 대안적으로 스위치기어 캐비넷의 개수는 두 개 또는 세 개 보다 많을 수도 있다.
스위치기어 캐비넷에 의해 형성되는 배열이 회전자 허브의 반경방향에서 중심적으로 고정되기 때문에, 캐비넷의 설계는 허브의 구성과 독립적으로 이루어질 수 있다. 더하여, 중앙 배열 때문에 스위치기어 캐비넷은 더욱 작은 원심력을 받는다. 스위치기어 캐비넷의 컴팩트한 배열 덕분에, 부가적으로 더욱 얇은 두께의 재료가 사용될 수 있다. 이와 같은 방식으로 재료, 무게 및 비용 절감이 가능하다. 스위치기어 캐비넷의 중앙 배열은 사용자의 블레이드 베어링, 구동 장치 및 스위치기어 캐비넷에 대한 접근성 또한 개선시킨다. 스위치기어 캐비넷이 바람직하게 서로 직접 접촉하기 때문에, 외부 케이블 연결은 대부분 필요 없을 수 있다. 특히 허브내에서 케이블 연결(cable run)의 개수는 감소할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하고 바람직하고 예시적인 실시예의 조력을 얻어 본 발명을 보다 상세히 서술한다:
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 터빈의 개략도를 도시한다,
도 2는 화살표 A 방향에서 본 도 1의 회전자(rotor)의 평면도를 도시한다,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전자의 평면도를 도시한다, 그리고
도 4는 종래 기술의 회전자의 평면도를 도시한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 터빈(16)의 개략도를 도 1에서 확인할 수 있는데, 여기서 풍력 터빈(16)은 기초부(17) 상에 세워진 타워(18) 및 기초부(17)로부터 먼 타워의 단부에 배열된 기계장치의 하우징(19)을 포함한다. 기계장치의 하우징(19)은 회전자(1)가 회전자 축(12)을 중심으로 회전 가능하게 장착된 엔진실(20), 회전자 허브(2) 및 회전자 허브에 연결된 복수의 회전자 블레이드(3, 4 및 5)를 포함하는 회전자를 포함한다. 회전자(1)는 전기 발전기(21)와 기계적으로 연결되며, 상기 전기 발전기는 기계장치의 하우징(19)내에 배열되어 엔진실(20)에 고정된다.
복수의 스위치기어 캐비넷(9, 10 및 11)으로 구성된 스위치기어 캐비넷의 배열(22)이 회전자(1) 내에 고정된다. 스위치기어 캐비넷(9, 10 및 11)마다 각각의 전기 제어 장치(23, 24 및 25)를 포함하며, 상기 전기 제어 장치(23, 24 및 25)마다 각각의 블레이드 각 조절 구동 장치(26, 27 및 28)와 전기적으로 연결된다. 블레이드 각 조절 구동장치(26, 27 및 28) - 각각의 회전자 블레이드에 블레이드 각 조절 구동장치 중 하나가 연결됨 - 에 의하여 회전자 블레이드(3, 4 및 5)는 회전자 허브(2)에 대하여 회전자 블레이드의 각각의 블레이드 축(13, 14 및 15)을 중심으로 회전가능하다. 회전자 블레이드(3, 4 및 5)는 블레이드 베어링(6, 7 및 8)에 의해 회전자 허브(2)상에 회전자 블레이드 각각의 블레이드 축(13, 14 및 15)을 중심으로 회전가능하게 장착된다. 풍력(29)은 회전자 축(12)을 중심으로 하여 회전자(1)를 회전시킨다.
회전자(1)의 평면도가 도 2에 도시되고, 도 2로 부터 회전자 스위치기어 캐비넷(9, 10 및 11)은 동일하게 구성되고 축(12)과 교차하여 이어지는 평면에서 각각 사다리꼴 형태를 가짐을 확인할 수 있다. 스위치기어 캐비넷(9, 10 및 11)은 금속으로 구성되며 스위치 기어 캐비넷이 서로 접촉하기 때문에 서로 전기 전도 접촉 상태에 있다. 또한 전기 제어 장치(23, 24 및 25)는 전기 리드(30, 31 및 32)를 매개로 서로 연결되는데, 스위치기어 캐비넷이 서로 접촉하는 영역을 통하여 상기 전기 리드를 안내하는 것이 바람직하다. 스위치기어 캐비넷(9, 10 및 11)은 스위치기어 캐비넷 배열(22)을 형성하도록 조립되는 분리된 구조부를 형성하기 때문에, 전기 리드(30, 31 및 32)는 예를 들어 스위치기어 캐비넷의 벽 상에 제공되는 플러그 인(plug-in) 연결장치를 포함하는 것이 바람직하다. 그러나 부가적으로 또는 대안적으로 전기 리드는 스위치기어 캐비넷(9, 10 및 11)의 벽에 제공된 구멍을 통과할 수도 있다. 플러그 인 연결장치 및/또는 구멍은 도면기호(33, 34 및 35)로 간단히 표시하여 확인된다.
도 2로부터 스위치기어 캐비넷의 배열(22)이 회전자 허브 내의 중심에서 반경방향으로 위치하며, 환형의 자유 공간(free space)으로 둘러싸이고, 그로 인해 스위치기어 캐비넷은 블레이드 베어링(6, 7 및 8)으로부터 이격된다. 스위치기어 캐비넷의 배열(22)이 회전자 축(12)을 둘러싸고 에워싸는 배열을 형성하는 것도 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전자(1)의 평면도를 도시하며, 제1 실시예와 동일하거나 유사한 특징은 제1 실시예에 있어서 같은 도면 기호로 표시되었다. 제1 실시예와 대조적으로 스위치기어 캐비넷 배열(22)은 벌집 구조를 가지고 있으며, 스위치기어 캐비넷 배열의 벌집 구조는 스위치기어 캐비넷(9, 10 및 11)을 형성한다. 스위치기어 캐비넷(9, 10 및 11)의 벽(36, 37 및 38)은 내부 벽을 형성하고, 상기 내부 벽은 주변의 외부 벽(39)에 의해 범위가 정해진 용기 내부(40)에 배열되며, 상기 용기는 스위치기어 캐비넷의 배열(22)을 형성하고 회전자 허브(2)의 중심에서 반경방향으로 배열된다. 그러나 대안적으로 스위치기어 캐비넷(9, 10 및 11)은 서로 고정된 분리된 유닛도 형성할 수 있다. 제2 실시예의 부가적인 설명에 대해서는 제1 실시예에 대한 설명을 참조한다. 제2 실시예에 따른 회전자는 도 1에 따른 풍력 터빈의 제1 실시예에 따른 회전자를 대체할 수 있다.
1 회전자
2 회전자 허브
3 회전자 블레이드
4 회전자 블레이드
5 회전자 블레이드
6 블레이드 베어링
7 블레이드 베어링
8 블레이드 베어링
9 스위치기어 캐비넷
10 스위치기어 캐비넷
11 스위치기어 캐비넷
12 회전자 축
13 블레이드 축
14 블레이드 축
15 블레이드 축
16 풍력 터빈
17 기초부
18 타워
19 기계장치의 하우징
20 엔진실
21 전기 발전기
22 스위치기어 캐비넷의 배열
23 제어 장치
24 제어 장치
25 제어 장치
26 블레이드 각 조절 구동 장치
27 블레이드 각 조절 구동 장치
28 블레이드 각 조절 구동 장치
29 풍력
30 전기 리드
31 전기 리드
32 전기 리드
33 플러그 인 연결장치/구멍
34 플러그 인 연결장치/구멍
35 플러그 인 연결장치/구멍
36 내부 벽
37 내부 벽
38 내부 벽
39 외부 벽
40 내부

Claims (14)

  1. 풍력 터빈으로서,
    엔진실(20); 회전자(1); 및 회전자 블레이드(3, 4, 5) 마다 하나 이상의 스위치기어 캐비넷(9, 10, 11);을 구비하고,
    상기 회전자(1)는 회전자 축(12)을 중심으로 회전 가능하도록 상기 엔진실(20) 상에 장착되고, 회전자 허브(2) 및 복수의 회전자 블레이드(3, 4, 5)를 구비하며,
    각각의 회전자 블레이드는 상기 회전자 축(12)을 가로질러 또는 실질적으로 가로질러 연장하는 블레이드 축(13, 14, 15) 방향으로 연장하며,
    각각의 회전자 블레이드(3, 4, 5)는 상기 블레이드 축(13, 14, 15)을 중심으로 회전가능하도록 상기 회전자 허브(2) 상에 장착되며,
    상기 스위치기어 캐비넷 내에는 하나 이상의 블레이드 각 조절 구동장치(26, 27, 28)를 작동시키기 위한 전기 회로(23, 24, 25)가 배열되며,
    상기 블레이드 각 조절 구동장치에 의해서 각각의 회전자 블레이드가 그 블레이드 축(13, 14, 15)을 중심으로 회전할 수 있는,
    풍력 터빈에 있어서,
    상기 회전자 허브(2)의 중심에서 반경 방향으로 위치하는 컴팩트(compact)한 스위치기어 캐비넷의 배열(22)을 형성하도록 상기 스위치기어 캐비넷(9, 10, 11)이 조립되는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 스위치기어 캐비넷(9, 10, 11)이 서로 접촉하는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 전기 회로(23, 24, 25)가 접촉 영역을 통과하는 하나 이상의 전기적 연결(30, 31, 32)에 의해 서로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치기어 캐비넷(9, 10, 11)이 전기 전도 방식으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치기어 캐비넷(9, 10, 11)이 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치기어 캐비넷(9, 10, 11)이 스테인리스강, 분말 강(powdered steel) 또는 다른 적합한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자 축(12)을 둘러싸고 에워싸는 배열을 형성하도록 상기 스위치기어 캐비넷이 조립되는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치기어 캐비넷의 배열(22)이 용기에 의해 형성되고, 상기 용기의 내부(4)가, 격벽(36, 37, 38)에 의해, 상기 스위치기어 캐비넷(9, 10, 11)을 형성하는 복수의 영역으로 세분화된 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    모든 스위치기어 캐비넷(9, 10, 11)이 동일한 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치기어 캐비넷(9, 10, 11)이 상기 회전자 축(12)을 가로지르는 평면에서 다각형의 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치기어 캐비넷(9, 10, 11)이 상기 회전자 축(12)을 가로지르는 평면에서 사다리꼴 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    스위치기어 캐비넷(9, 10, 11)의 개수가 3개인 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  13. 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 전기 회로(23, 24, 25)가 상기 전기 회로와 각각 결합된 블레이드 각 조절 구동 장치(26, 27, 28)의 제어를 위한 전기적 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  14. 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치기어 캐비넷의 배열(22)이 상기 회전자 축(12)에 관하여 상기 회전자 허브(2)의 중심에 배열되는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
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