KR20130062828A - 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치 - Google Patents

Abstract

풍력발전기의 언와인딩 개선 장치가 개시된다. 본 발명의 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치는, 풍력발전기의 나셀(nacelle)을 지지하는 타워의 내부에 마련되어 상기 타워의 내부에서 상기 나셀과 연결되는 케이블의 꼬임을 방지하는 슬립링를 포함한다.

Description

풍력발전기의 언와인딩 개선 장치{UNWINDING IMPROVING APPARATUS FOR WIND POWER GENERATOR}

본 발명은, 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 타워의 내부를 통해 나셀과 연결되는 케이블의 꼬임을 방지할 수 있는 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치에 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.

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 타워 내부에 케이블이 설치된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

종래 기술의 일 실시 예에 따른 풍력발전기는 최고의 효율로 전력을 생산하기 위하여 항상 맞바람이 부는 방향으로 나셀을 회전시키는 데, 이러한 회전은 타워는 고정된 상태에서 나셀만이 회전되므로 타워 내부를 통해서 나셀과 연결되는 케이블에 꼬임이 발생될 수 있다.

이러한 꼬임을 풀기 위해 요 시스템을 이용하여 나셀을 회전 방향과 반대 방향으로 회전시켜 케이블을 언와인딩(unwinding) 시키는 데, 이 언와인딩이 진행되는 동안 발전을 할 수 없으므로 발전 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

또한 요 제어기나 요 모터 등에 과도한 열이 발생되어 나셀 내부의 온도가 상승될 수 있고, 이러한 온도 상승은 열에 민감한 제품에 나쁜 영향을 미칠 수도 있다.

한국특허공개공보 제2011-0068600호(삼성중공업 주식회사) 2011. 06. 22.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 타워의 내부에 슬립링을 설치하여 케이블의 꼬임을 사전에 방지함으로써 언와인딩이 필요없는 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력발전기의 나셀(nacelle)을 지지하는 타워의 내부에 마련되어 상기 타워의 내부에서 상기 나셀과 연결되는 케이블의 꼬임을 방지하는 슬립링을 포함하는 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치가 제공될 수 있다.

상기 슬립링은, 상기 나셀과 연결되는 제1 케이블이 고정되며 상기 나셀의 회전 시 상기 나셀과 함께 회전되는 회전자; 상기 타워의 내부에 설치되며 상기 제1 케이블과 연통되는 제2 케이블이 고정되는 고정자; 및 상기 고정자의 내부에 설치되어 상기 회전자의 회전을 지지하는 적어도 하나의 베어링을 포함할 수 있다.

상기 고정자는, 상기 타워의 지지로드에 걸림 지지되는 걸림단턱; 및 상기 걸림탄턱으로부터 연장되며 상기 지지로드에 체결되는 체결단턱을 포함할 수 있다.

상기 베어링은, 상기 고정자의 상측부에 설치되어 상기 회전자의 상측부를 회전 지지하는 제1 베어링; 및 상기 고정부의 하측부에 설치되어 상기 회전체의 하측부를 회전 지지하는 제2 베어링을 포함할 수 있다.

상기 타워의 내부에 마련되어 상기 케이블을 지지하는 적어도 하나의 케이블 지지바를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 타워에 내부에 설치되는 슬립링에 의해 케이블의 꼬임을 사전에 방지할 수 있으므로 언와인딩 과정이 필요하지 않으므로 이 과정으로 인한 발전 효율의 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 타워 내부에 케이블이 설치된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치에서 슬립링을 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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치에서 슬립링을 개략적으로 도시한 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치(1)는, 풍력발전기의 나셀(N, nacelle)을 지지하는 타워(T)의 내부에 마련되어 상기 타워(T)의 내부에서 상기 나셀(N)과 연결되는 케이블(C)의 꼬임을 방지하는 슬립링(100)을 구비한다.

본 실시 예에서 슬립링(100)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 나셀(N)과 연결되는 제1 케이블(C1)이 고정되며 나셀(N)의 회전 시 나셀(N)과 함께 회전되는 회전자(110)와, 타워(T)의 내부에 설치되며 제1 케이블(C1)과 연통되는 제2 케이블(C2)이 고정되는 고정자(120)와, 고정자(120)의 내부에 설치되어 회전자(110)의 회전을 지지하는 적어도 하나의 베어링(130)을 포함한다.

슬립링(100)의 회전자(110)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 그 내부로 복수의 제1 케이블(C1)이 통과되고, 복수의 제1 케이블(C1)은 회전자(110)의 외주면에 마련된 제1 단자(111)와 연결된다. 제1 단자(111)는 회전자(110)의 외주면에 고정되며 후술하는 고정자(120)의 제2 단자(121)와 제1 단자(111)를 상호 연결하는 전도성 재질의 브러쉬(B)에 의해 상호 전기적으로 연통된다.

그리고 회전자(110)의 하단부는, 도 3에 도시된 바와 같이, 고정자(120) 방향으로 돌출되어 있고 돌출된 단부는 고정자(120)에 일정 깊이로 삽입된다. 이는 회전자(110)의 회전 중심을 잡아주는 중심축 역할을 한다.

슬립링(100)의 고정자(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 회전자(110)보다 더 큰 크기로 제작되며, 고정자(120)의 내벽에 마련된 제2 단자(121)에는 타워(T)의 하측부에서 올라오는 제2 케이블(C2)이 연결된다. 전술한 바와 같이 제2 단자(121)와 제1 단자(111)는 전도성 재질의 브러쉬(B)에 의해 상호 전기적으로 연통된다.

그리고 고정자(120)의 외벽에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 타워(T)의 내벽에 고정되는 지지로드(R)에 고정자(120)를 걸림 지지시키는 걸림단턱(122)이 마련되고, 이 걸림단턱(122)의 외주면에는 지지로드(R)와 볼팅 체결되는 체결단턱(123)이 마련된다. 이와 같이 본 실시 예는 고정자(120)의 외벽에 차례로 마련되는 걸림단턱(122) 및 체결단턱(123)에 의해 고정자(120)의 설치가 편리한 이점이 있다.

슬립링(100)의 베어링(130)은 회전자(110)가 고정자(120)에 마찰 없이 회전되게 하는 것으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 고정자(120)의 내벽 상측부에 마련되는 베어링 지지턱(124)에 지지되어 회전자(110)의 상측부 회전을 지지하는 제1 베어링(131)과, 고정자(120)의 내벽 바닥부에 배치되어 회전자(110)의 하측부 회전을 지지하는 제2 베어링(132)을 포함한다.

한편 본 실시 예는 슬립링(100)과 나셀(N)을 전기적으로 연결시키는 제1 케이블(C1)을 타워(T)의 상부에서 흔들림을 방지하기 위해 타워(T)의 내벽 상측부에 마련되는 적어도 하나의 케이블 지지바(200)를 더 포함한다.

이하에서 본 실시 예에 따른 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치(1)의 사용 상태를 간략히 설명한다.

슬립링(100)의 고정자(120)는 타워(T)의 내벽에 고정되는 지지로드(R)에 볼팅 결합의 방식으로 결합되어 있으므로 움직이지 않는다. 이에 반해 회전자(110)는 아무런 구속부재가 없으므로 베어링(130)에 지지되면서 나셀(N)의 회전 방향을 따라 같이 회전된다.

따라서 회전자(110)와 나셀(N)을 연결하는 제1 케이블(C1)과 타워(T)의 하부에서 올라와 고정자(120)에 연결되는 제2 케이블(C2) 상호 간에는 꼬임이 전혀 발생되지 않아 종래 기술의 일 실시 예와 같은 언와인딩 과정이 필요하지 않다.

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 : 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치
100 : 슬립링 110 : 회전자
111 : 제1 단자 120 : 고정자
121 : 제2 단자 122 : 걸림단턱
123 : 체결단턱 124 : 베어링 지지턱
130 : 베어링 131 : 제1 베어링
132 : 제2 베어링 200 : 케이블 지지바
C : 케이블 C1 : 제1 케이블
C2 : 제 케이블 N : 나셀
R : 지지로드

Claims (5)

1. 풍력발전기의 나셀(nacelle)을 지지하는 타워의 내부에 마련되어 상기 타워의 내부에서 상기 나셀과 연결되는 케이블의 꼬임을 방지하는 슬립링을 포함하는 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 슬립링은,
   상기 나셀과 연결되는 제1 케이블이 고정되며 상기 나셀의 회전 시 상기 나셀과 함께 회전되는 회전자;
   상기 타워의 내부에 설치되며 상기 제1 케이블과 연통되는 제2 케이블이 고정되는 고정자; 및
   상기 고정자의 내부에 설치되어 상기 회전자의 회전을 지지하는 적어도 하나의 베어링을 포함하는 풍력발전기의 언와이딩 개선 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 고정자는,
   상기 타워의 지지로드에 걸림 지지되는 걸림단턱; 및
   상기 걸림탄턱으로부터 연장되며 상기 지지로드에 체결되는 체결단턱을 더 포함하는 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 베어링은,
   상기 고정자의 상측부에 설치되어 상기 회전자의 상측부를 회전 지지하는 제1 베어링; 및
   상기 고정부의 하측부에 설치되어 상기 회전체의 하측부를 회전 지지하는 제2 베어링을 포함하는 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 타워의 내부에 마련되어 상기 케이블을 지지하는 적어도 하나의 케이블 지지바를 더 포함하는 풍력발전기의 언와인딩 개선 장치.

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