KR20130059838A - 풍력발전기용 크레인 - Google Patents

Abstract

풍력발전기용 크레인이 개시된다. 본 발명의 풍력발전기용 크레인은, 풍력발전기의 나셀(nacelle) 내부에 배치되어 기어박스나 발전기와 같은 중량물을 지지하는 메인 프레임에 마련되며 상기 중량물의 교체 시 상기 중량물을 상기 나셀의 내외부로 이동시키는 윈치; 및 상기 메인 프레임에 마련되어 상기 중량물의 이동을 가이드 하는 가이드 레일을 포함한다.

Description

풍력발전기용 크레인{CRANE FOR WIND POWER GENERATOR}

본 발명은, 풍력발전기용 크레인에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 풍력발전기의 나셀 내부에 마련되는 발전기와 기어박스 같은 중량물을 교체하거나 수리할 시 중량물을 이동시키는 풍력발전기용 크레인에 관한 것이다.

풍력 발전이란 자연의 바람으로 풍차(風車)를 돌리고, 이것을 기어기구 등을 이용하여 속도를 높여 발전기를 돌리는 발전 방식을 말한다. 풍력발전은 자연상태의 무공해 에너지원으로 현재의 대체에너지원 중 가장 경제성이 높은 에너지원으로써 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 전력을 전력계통이나 수요자에 직접 공급하는 기술이다.

풍력발전기란 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 이 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 장치를 말한다. 이러한 풍력발전기는 무한정의 청정에너지인 바람을 동력원으로 하므로 기존의 화석연료나 우라늄 등을 이용한 발전방식과 달리 발열에 의한 열공해나 대기오염 그리고 방사능 누출 등과 같은 문제가 없는 무공해 발전방식이다.

풍력발전은 바람에너지를 날개를 이용해서 전기에너지로 바꾸게 되는데 이때 이론상 날개의 바람에너지 중 59.3%만이 전기에너지로 바뀔 수 있다고 한다. 이것도 날개의 형상에 따른 효율, 기계적인 마찰, 발전기의 효율 등을 고려하면 실제적으로 20 ~ 40%만이 전기에너지로 이용될 수 있다.

풍력발전기는 날개의 회전축이 놓인 방향에 따라 수평축 발전기와 수직축 발전기로 구별된다. 수직축 풍력 발전기는 회전축이 바람의 방향에 대해 수직인 풍력발전기로, 이 발전기는 바람의 방향과 관계없이 운전 가능하며(요잉 시스템 불필요), 증속기 및 발전기가 지상에 설치되므로 그 하중이 비교적 적어 설치시 건설 비용이 적게 소요되는 장점이 있다. 다만, 시스템 종합 효율이 낮고, 자기동(self-starting)이 불가능하며 시동 토크가 필요한 단점이 있다.

이러한 수직축 발전기는 수평축 발전기에 비해 효율이 떨어지기 때문에, 현재 실시되고 있는 풍력발전기는 대부분 수평축 발전기이다. 수평축 풍력 발전기는 회전축이 바람이 불어오는 방향에 수평인 풍력 발전기로 현재 가장 안정적이고 고효율적인 풍력발전기로 인정되고 있다.

수평축 풍력발전기도 날개의 수가 세 개인 것과 두 개인 것 그리고 하나인 것으로 나눌 수 있다. 날개가 두 개인 형태는 주로 바다에 세우는 초대형 발전기(예상 발전용량 3-6메가와트)에 많고, 지상에 세워지는 풍력발전기는 대부분 세 개의 날개를 가지고 있다. 또한 풍력으로부터 오는 힘이 발전기에 전달될 때 기어 등의 중개장치를 이용하는지, 그 힘이 날개 이외의 아무런 매개체도 거치지 않고 직접 전달되는지에 따라 형태가 달라진다.

한편 풍력발전기의 주요 구성을 살펴보면 풍력발전기는 바람이 가진 에너지를 회전력으로 변환시켜 주는 장치인 회전체(rotor)와, 회전체에 연결되어 회전되는 블레이드(blade)와, 터빈 및 기계 브레이크 시스템에 발생되는 과부하를 방지하기 위한 장치로 블레이드 주 코드 방향이 회전면과 수직이 되도록 피치각을 90도로 회전시켜 최대의 공력저항으로 로터를 제동시키는 원리로 작동되는 브레이크 시스템과, 바람의 세기에 관계없이 일정한 전력을 생산하도록 하는 운전시스템과, 회전체를 지지하는 타워(Tower)로 구성된다.

풍력발전기는 20년의 수명 운전기간 동안 정기적 또는 부정기적으로 유지 보수 작업이 필요하며, 이러한 작업은 풍력발전기에 설치되는 크레인을 이용하여 이루어진다.

풍력발전기에 장착되는 크레인의 종류는 크게 오버헤드 크레인(overhead crane), 지브 크레인(jib crane) 및 익스터널 크레인(external crane) 등 3가지 가 상용되고 있다.

오버헤드 크레인은 나셀의 내부에 마련되어 블레이드의 회전운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 기어박스, 발전기 등을 지지하는 메인 프레임의 상부에 철골 구조물을 세우고, 이 철골 구조물 상부에 크레인을 설치하는 구조를 갖는다.

지브 크레인은 로봇팔 형태의 장치로서 중량물의 물체를 수송하는 데 구조적으로 취약하나 경량물의 수송은 가능하다. 익스터널 크레인은 타워의 상측부 또는 나셀의 하측부에 대형 크레인을 설치하여 중량물을 수송시킨다.

이러한 종래의 풍력발전기 크레인 중 오버헤드 크레인 및 지브 크레인은 20톤 이상의 중량물을 수송하기에 나셀의 구조적 안정성에 문제를 일으킬 수 있고, 나셀의 크기를 증가시켜야 하는 단점이 있다.

그리고 익스터널 크레인은 특정 업체에서 독점적으로 공급하고 있으므로 구매 사용시 제품 단가의 증가가 우려될 수 있다.

한국특허공개공보 제2011-0026203호(두산중공업 주식회사) 2011. 03. 15

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 나셀의 크기를 증가시키지 않으면서 구조적으로 안정된 풍력발전기용 크레인을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력발전기의 나셀(nacelle) 내부에 배치되어 기어박스나 발전기와 같은 중량물을 지지하는 메인 프레임에 마련되며 상기 중량물의 교체 시 상기 중량물을 상기 나셀의 내외부로 이동시키는 윈치; 및 상기 메인 프레임에 마련되어 상기 중량물의 이동을 가이드 하는 가이드 레일을 포함하는 풍력발전기용 크레인이 제공될 수 있다.

상기 윈치는 상기 메인 프레임의 내부에 마련될 수 있다.

상기 가이드 레일은 상기 메인 프레임의 상측부에 마련되며, 상기 중량물은 상기 나셀의 내외부로 이동 시 상기 가이드 레일 상에서 이동될 수 있다.

상기 메인 프레임에 마련되어 상기 중량물을 이동시키는 상기 윈치의 와이어를 지지하는 적어도 하나의 롤러를 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 풍력발전기의 나셀 내부에 마련되는 기어박스나 발전기와 같은 중량물을 교체 및 보수하기 위해 상기 중량물을 이동시키는 풍력발전기용 크레인에 있어서, 상기 중량물을 지지하는 메인 프레임에 마련되는 윈치에 의해 상기 중량물을 상기 나셀의 내외부로 이동시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 크레인이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 나셀의 크기를 증가시키지 않으면서 구조적으로 안정된 풍력발전기용 크레인을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 크레인이 적용된 풍력발전기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 크레인이 나셀의 내부에 설치된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 크레인의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 크레인이 적용된 풍력발전기를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 본 실시 예가 적용되는 풍력발전기는 크게 로터(R, rotor), 나셀(N, nacelle) 및 타워(T, tower)를 포함한다. 로터(R)는 바람에 의해 회전되는 블레이드(B)가 결합되는 허브(H)의 내부에 마련되는 회전자를 말하고, 나셀(N)은 로터(R)의 회전에 의해 얻어지는 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위한 각종 부품들을 포함하며, 타워(T)는 지면에 설치되어 로터(R) 및 나셀(N)을 지지한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 크레인이 나셀의 내부에 설치된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 풍력발전기용 크레인(1)은, 나셀(N)의 내부에 배치되는 메인 프레임(MF)의 내부에 마련되는 윈치(10)와, 메인 프레임(MF)의 상측부에 마련되어 윈치(10)에 의해 이동되는 기어박스(GB)와 발전기(GE) 같은 중량물(G)을 가이딩하는 가이드 레일(20)과, 메인프레임에 마련되어 중량물(G)의 이동 시 윈치(10)의 와이어(11)를 지지하는 롤러(30)를 구비한다.

윈치(10)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 메인 프레임(MF)의 내부에 마련되므로 다른 부품으로 인해 공간이 협소한 나셀(N)의 내부 공간을 차지하지 않으며, 전동기(미도시)에 의해 정역 방향으로 회전 가능하다. 또한 본 실시 예에서 윈치(10)는 단동, 복동 및 다동 윈치 중 어느 하나가 사용될 수 있고, 메인 프레임(MF)의 바닥부에 볼트 결합이나 용접 결합의 방식으로 결합될 수 있다.

본 실시 예에서 윈치(10)와 중량물(G)의 연결은 윈치(10)의 와이어(11) 단부에 섀클(11a, shackle)을 마련하고, 이 섀클(11a)을 중량물(G)의 측면부에 마련된 아이볼트(B, eyebolt)에 볼트나 핀 등으로 체결시켜 연결할 수 있다.

그리고 윈치(10)와 중량물(G)을 연결하는 와이어(11)는 메인 프레임(MF)에 형성된 다수의 홀(미도시)을 통과하여 중량물(G)에 연결될 수 있고, 메인 프레임(MF)에는 홀이 형성되어 있는 것이 일반적이므로 별도의 홀을 형성할 필요는 없다.

가이드 레일(20)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 메인 프레임(MF)의 상측부에 마련되어 중량물(G)과 메인 프레임(MF)의 직접적인 마찰을 방지하며, 중량물(G)의 이동 시 중량물(G)을 가이딩하는 역할을 한다.

본 실시 예에서 기어박스(GB)나 발전기(GE) 같은 중량물(G)은 가이드 레일(20)에 안착된 상태로 메인 프레임(MF)에 고정될 수 있고, 가이드 레일(20)의 상측부를 "T" 형 형상으로 하고 중량물(G)의 하측부에 가이드 레일(20)의 상측부에 삽입 지지될 수 있는 홈을 갖는 별도의 받침대를 설치하여 중량물(G)의 이동을 안전하게 가이드할 수도 있다.

롤러(30)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 메인 프레임(MF)의 후단부에 회전 가능하게 마련되어 중량물(G)을 나셀(N)의 내외부로 이동 시 윈치(10)의 와이어(11)를 지지하는 것으로서, 메인 프레임(MF)의 후단부뿐만 아니라 메인 프레임(MF)의 다른 영역에도 복수로 마련될 수 있다.

즉 본 실시 예에서 롤러(30)는 와이어(11)를 지지하기 위한 것뿐만 아니라 중량물(G)의 이동을 원활히 하기 위해 미 도시되었지만 메인 프레임(MF)의 상측부 중간 영역에 설치될 수도 있고, 메인 프레임(MF)의 전방 영역에서 와이어(11)를 지지하기 위해 메인 프레임(MF)의 전방 영역에 설치될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 크레인의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다. 이하에서 도 3을 참조하여 본 실시 예에 따른 풍력발전기용 크레인(1)의 사용 상태를 간략히 설명한다.

도 3은 본 실시 예에 따른 풍력발전기용 크레인을 이용하여 기어박스(GB) 및 발전기(GE) 같은 중량물(G)을 나셀(N)의 외부로 이동시키는 것으로서, 먼저 중량물(G)과 윈치(10)의 연결은 윈치(10)의 단부에 마련된 섀클(11a)과 중량물(G)에 마련된 아이볼트(EB)를 핀이나 볼트로 체결하여 이루어진다.

중량물(G)과 윈치(10)를 연결시켜 윈치(10)를 구동시키면 중량물(G)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 가이드 레일(20)을 따라 메인 프레임(MF)의 후단부로 이동된다. 이때 메인 프레임(MF)의 후단부는 일정 각도 경사져 있으므로 중량물(G)은 자중에 의해 메인 프레임(MF)의 후단부까지 이동될 수 있다.

중량물(G)이 메인 프레임(MF)의 후단부까지 이동되면 나셀(N)에 마련된 개폐 가능한 도어(미도시)를 개폐시켜 중량물(G)을 나셀(N)의 외부로 반출시켜 보수 및 교체 작업을 한다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 나셀(N)의 내부 메인 프레임(MF)에 마련되므로 나셀(N)의 크기를 증가시키지 않으면서 구조적으로 안정되게 사용할 수 있는 이점이 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1 : 풍력발전기용 크레인 10 : 윈치
11 : 와이어 11a : 섀클
20 : 가이드 레일 30 : 롤러
B : 아이볼트 G : 중량물
GB : 기어박스 GE : 발전기
MF : 메인 프레임 N : 나셀
R : 로터 T : 타워

Claims (5)

1. 풍력발전기의 나셀(nacelle) 내부에 배치되어 기어박스나 발전기를 포함하는 중량물을 지지하는 메인 프레임에 마련되며 상기 중량물의 교체 시 상기 중량물을 상기 나셀의 내외부로 이동시키는 윈치; 및
   상기 메인 프레임에 마련되어 상기 중량물의 이동을 가이드 하는 가이드 레일을 포함하는 풍력발전기용 크레인.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 윈치는 상기 메인 프레임의 내부에 마련되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 크레인.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 가이드 레일은 상기 메인 프레임의 상측부에 마련되며,
   상기 중량물은 상기 나셀의 내외부로 이동 시 상기 가이드 레일 상에서 이동되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 크레인.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 메인 프레임에 마련되어 상기 중량물을 이동시키는 상기 윈치의 와이어를 지지하는 적어도 하나의 롤러를 더 포함하는 풍력발전기용 크레인.
5. 풍력발전기의 나셀 내부에 마련되는 기어박스나 발전기를 포함하는 중량물을 교체 및 보수하기 위해 상기 중량물을 이동시키는 풍력발전기용 크레인에 있어서,
   상기 중량물을 지지하는 메인 프레임에 마련되는 윈치에 의해 상기 중량물을 상기 나셀의 내외부로 이동시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 크레인.

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