KR20130081460A - 유지보수 장치가 구비된 풍력발전기 - Google Patents

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KR20130081460A
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조성희
김용원
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Abstract

유지보수장치가 구비된 풍력발전기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른유지보수장치가 구비된 풍력발전기는, 풍력 발전을 수행하도록 블레이드에 기계적으로 연결되는 증속기와 발전기를 구비하는 너셀; 너셀의 내부에 배치되되, 너셀의 길이방향으로 신축 가능하도록 마련되는 집 크레인; 및 집 크레인이 너셀의 길이방향으로 신장될 때 증속기 또는 발전기가 슬라이딩 되며 집 크레인에 의해 너셀 외부로 인출될 수 있도록 증속기 및 발전기 하부에 연결되는 유지보수용 레일를 포함한다.

Description

유지보수 장치가 구비된 풍력발전기{WIND POWER GENERATOR WITH MAINTENANCE DEVICE}
본 발명은 유지보수 장치가 구비된 풍력발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 너셀 내부부품의 정비가 필요한 경우 대형 크레인의 설치할 필요 없이 내부부품의 정비가 가능한 유지보수 장치가 구비된 풍력발전기에 관한 것이다.
풍력발전기는 바람에 의한 운동 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있도록 구성되는 시스템으로서, 설치되는 환경 조건에 따라 육상용(onshore)과 해상용(offshore)로 구분될 수 있다.
풍력발전기는 일반적으로 지반에 고정되는 타워와 타워 상단에 설치되는 너셀과 너셀 전면부에 결합되는 블레이드로 구성된다. 너셀에는 일반적으로 증속기, 발전기, 인버터 등이 설치되어 전력 발전을 수행하게 한다. 이러한 풍력발전기는 바람에 의한 운동에너지를 블레이드와 증속기를 통해 1500rpm 이상의 분당회전수를 가진 고속의 운동 에너지로 변환시키고 증속기에 연결된 발전기는 운동에너지를 전기에너지로 변화시킨다. 발전기에서 생산된 전기는 인버터에서 정류되어 전송된다.
한편, 너셀 내부에 설치되는 내부부품들은 일정한 사용연한이 되면 성능의 저하가 이루어져 교체가 필요한 시점이 도래할 수 있게 된다. 특히 해상용으로 사용되는 경우에 있어서는 염분 등의 영향으로 인하여 예기치 못한 고장 증상이 발생하여 긴급 정비가 필요할 수 있다.
종래에 너셀에서 정비가 필요한 경우, 별도의 대형 크레인을 사용하거나 대형 크레인을 설치하기 위해 너셀 상부를 전면 개방한 다음에 고장 부품을 교체하는 방법이 사용되었다.
그런데 이러한 방법은 별도의 대형 크레인 설치 작업이 필요하게 되어 효율성이 떨어지고, 타워에 충분한 공간 확보를 필요로 하는 문제가 있다.
또한, 정비를 위해 너셀 상부를 정부 개폐함으로써 불필요한 너셀의 루프 개방이 이루어지는 문제가 있다.
KR 공개특허 10-2010-0026869, 2010. 03. 10. 두산중공업
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 대형 크레인을 설치하거나 너셀 상부의 루프를 개방할 필요없이 너셀의 내부부품의 정비가 이루어질 수 있는 유지보수장치가 구비된 풍력발전기를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 발전을 수행하도록 블레이드에 기계적으로 연결되는 증속기와 발전기를 구비하는 너셀; 상기 너셀의 내부에 배치되되, 상기 너셀의 길이방향으로 신축 가능하도록 마련되는 집 크레인; 및 상기 집 크레인이 상기 너셀의 길이방향으로 신장될 때 상기 증속기 또는 발전기가 슬라이딩 되며 상기 집 크레인에 의해 상기 너셀 외부로 인출될 수 있도록 상기 증속기 및 상기 발전기 하부에 연결되는 유지보수용 레일을 포함하는 유지보수장치가 구비된 풍력 발전기가 제공될 수 있다.
상기 집 크레인은 상기 너셀 내부에 고정 설치되는 메인 프레임; 및 상기 메인 프레임에 일부가 수용되고, 필요 시 상기 메인 프레임으로부터 신장되는 보조 프레임을 포함할 수 있다.
상기 집 크레인은 상기 보조 프레임이 상기 메인 프레임으로부터 신장되었을 때 상기 보조 프레임과 상기 너셀 내부의 하측을 연결하는 지지로드를 더 포함할 수 있다.
상기 유지보수용 레일은, 상기 너셀 내부의 하측에 연결되는 가이드 레일; 일 측이 상기 증속기 또는 상기 발전기에 결합되고 타 측이 상기 가이드 레일에 슬라이딩 가능하도록 삽입되는 마운팅을 포함할 수 있다.
상기 가이드레일과 상기 마운팅 사이에 개재되는 구름 베어링을 더 포함할 수 있다.
상기 너셀 후면에 마련되며, 상기 증속기 또는 상기 발전기가 상기 너셀 외부로 인출될 때 상기 집 크레인의 동작과 연동하여 상기 너셀의 후면을 개방하는 후면커버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 대형 크레인을 설치하거나 너셀 상부의 루프를 개방할 필요없이 너셀의 내부에 설치된 유지보수용 레일과 집 크레인을 이용하여 용이하게 증속기 및 발전기와 같은 너셀의 내부부품에 대한 정비가 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유지보수장치가 구비된 풍력발전기의 내부 구성도이다.
도 2는 너셀 커버가 개방된 상태에서 풍력발전기의 후면에서 바라본 내부 구성도이다.
도 3은 너셀 내부부품이 집 크레인에 의해 너셀 외부로 인출된 상태를 나타내는 구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다. 그리고 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 실시할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 범위 내에 속함은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유지보수장치가 구비된 풍력발전기의 내부 구성도이고, 도 2는 너셀 커버가 개방된 상태에서 풍력발전기의 후면에서 바라본 내부 구성도이며, 도 3은 너셀 내부부품이 집 크레인(jib crane)에 의해 너셀 외부로 인출된 상태를 나타내는 구성도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유지보수장치가 구비된 풍력발전기는 풍력 발전을 수행하도록 블레이드(20)에 기계적으로 연결되는 너셀(40)과, 너셀(40)의 내부 상측에 배치되어 너셀(40)의 길이방향으로 연장 가능하도록 마련되는 집 크레인(60)과, 집 크레인(60)에 의해 너셀(40)의 내부부품이 슬라이딩 되며 너셀(40) 외부로 인출될 수 있도록 마련되는 유지보수용 레일(50)를 포함한다.
너셀(40)은 지반에 고정되는 타워(10)의 상부에 회전 가능하게 연결된다. 너셀(40)은 내부부품을 보호하는 하우징(41)를 포함하며, 하우징(41) 내부에는 내부부품으로서 증속기(42)와 발전기(43) 등이 구비된다.
너셀(40)의 일 측에 연결되는 블레이드(20)는 외부 공기 흐름에 따라 회전하는데, 블레이드(20)의 회전속도는 너셀(40) 내부의 증속기(42)에 의해 증속되고, 블레이드(20)에 의해 발생하는 운동에너지는 증속기(42)에 연결된 발전기(43)에 의하여 전기 에너지로 변환된다.
블레이드(20)는 허브(미도시)에 끝단이 삽입되어 결합되고, 허브는 주축(30)에 연결된다. 주축(30)은 너셀(40) 내부의 증속기(42)에 회전 가능하도록 체결됨으로써 블레이드(20)와 증속기(42)의 연결구조가 완성된다.
증속기(42)는 커플링(42)을 통해 발전기(43)에 고속의 회전 운동에너지를 전달한다. 발전기(43)는 그 내부에 전동축에 연결된 회전자(미도시) 및 고정자(미도시)가 구비되고, 회전자가 고정자 주위로 고속회전함으로써 전기를 발생시키게 된다. 도시되지 않았으나, 발전기(43)에 유도된 전기에너지에서 불순한 노이즈들을 제거할 수 있는 인버터가 구비될 수 있다.
이러한 너셀(40)의 내부부품인 증속기(42) 및 발전기(43)는 일정한 사용연한이 되면 성능의 저하가 이루어져 교체가 필요한 시점이 도래할 수 있게 된다. 특히 해상용으로 사용되는 경우에 있어서는 염분 등의 영향으로 인하여 예기치 못한 고장 증상이 발생하여 긴급 정비가 필요할 수 있다. 이를 위하여 너셀(40)의 내부부품은 유지보수를 위하여 너셀(40)로부터 인출할 필요가 있다.
본 실시예에서 너셀(40) 내부부품의 인출은 유지보수용 레일(50)과 집 크레인(60)에 의해 이루어진다.
유지보수용 레일(50)은 너셀(40)의 하우징(41) 내측의 하부에 고정되어 연결되는 가이드 레일(51)과, 일측이 증속기(42) 또는 발전기(43)에 결합되고 타측이 가이드 레일(51)에 슬라이딩 가능하도록 삽입되는 마운팅(52)을 포함한다.
가이드 레일(51)은 증속기(42) 및 발전기(43)의 폭 보다 작은 간격으로 한 쌍이 배치되며, 마운팅(52)이 삽입되기 위한 슬라이딩 홈(51a)이 각각의 가이드 레일(51)에 형성된다. 슬라이딩 홈(51a)은 상부가 좁고 하부가 넓은 형태로 마련되며, 마운팅(52)의 일부가 슬라이딩 홈(51a)의 측면을 통해 삽입된다.
마운팅(52)은 일 측이 슬라이딩 홈(51a)에 형상맞춤되도록 마련되고, 타 측은 발전기(43) 또는 증속기(42)에 결합된다. 마운팅(52)이 가이드 레일(51)의 슬라이딩 홈(51a)에 삽입되면, 마운팅(52)은 가이드 레일(51)을 따라 슬라이딩은 가능하되 상하로 유동하지 않으며, 슬라이딩 홈(51a) 상부를 통해서는 가이드 레일(51)과 분리되지 않는다. 마운팅(52)과 가이드 레일(51)의 원활한 슬라이딩 위해 마운팅(52)과 가이드 레일(51) 사이에 구름베어링(미도시)이 추가로 삽입될 수 있다.
본 실시예에서 마운팅(52)에 결합되는 내부부품으로서 증속기(42)와 발전기(43)를 예로 들어 설명하였으나, 증속기(42) 및 발전기(43) 이외에도 유지보수가 필요한 너셀(40)의 내부부품이라면 마운팅(52)을 통해 가이드 레일(51)에 연결될 수 있다.
집 크레인(60)은 증속기(42) 또는 발전기(43)를 너셀(40) 외부로 인출하기 위한 것으로, 가이드 레일(51)에 고정 설치되는 메인 프레임(61)과, 메인 프레임(61)에 삽입되고 필요 시 메인 프레임(61)으로부터 연장되는 보조 프레임(62)을 포함한다.
메인 프레임(61)은 하우징(41) 내부에 고정 설치되는 것으로, 가이드 레일(51)에 고정되는 수직부재(61a)와, 수직부재(61a)를 상호 연결하는 수평부재(61b)를 포함한다.
수직부재(61a)와 수평부재(61b)의 재료는 너셀(40) 내부로부터 인출되는 내부부품의 무게를 고려하여 선정될 수 있으며, 수직부재(61a)는 중량을 줄이기 위해 네 개의 기둥들이 배치된 형태로 마련될 수 있다.
수평부재(61b)는 수직부재(61a)의 상단부를 상호 연결한다. 수평부재(61b) 중 너셀(40)의 길이방향으로 연결되는 수평부재(61b)는 보조 프레임(62)이 삽입될 수 있도록 중공형태로 마련된다. 이러한 수평부재(61b)는 수직부재(61a)를 상호 연결하는 복수의 부재들로 구성될 수 있으나, 이와 달리 수직부재(61a)의 상단부를 덮는 중공의 플레이트 형태로 마련될 수도 있다.
보조 프레임(62)은 메인프레임의 수평부재(61b)에 삽입되어 하우징(41)의 내부에 수용된 상태로 있다가, 증속기(42) 또는 발전기(43)의 유지보수가 필요한 경우 메인 프레임(61)으로부터 연장된다.
보조 프레임(62)의 형태는 수평부재(61b)에 일부가 삽입될 수 있도록 'ㄷ'자 형태로 마련되거나, 수평부재(61b)가 플레이트 형상일 경우에 맞추어 플레이트 형태로 마련될 수도 있다.
보조 프레임(62)의 하부에는 와이어와 연결되는 체인 호이스트(62a)가 고정되며, 와이어는 체인 호이스트(62a)와 발전기(43) 또는 증속기(42)를 연결한다.
한편, 보조 프레임(62)에는 한 쌍의 지지로드(62a)가 연결될 수 있다. 지지로드(62a)는 보조 프레임(62)이 증속기(42) 또는 발전기(43)를 인출하기 위해 메인 프레임(61)으로부터 인출되어 연장되었을 때, 보조 프레임(62)의 지지력을 보완하기 위한 것이다.
이를 위해 지지로드(62a)는 일측이 보조 프레임(62)의 말단부에 연결되고 타측은 가이드 레일(51)에 의해 지지된다. 그리고 보조 프레임(62)이 메인 프레임(61)으로부터 연장되거나 삽입될 때 지지로드(62a)와 수직부재(61a)가 간섭되지 않도록 배치된다. 즉, 지지로드(62a)와 보조 프레임(62)의 연결 부위는 너셀(40) 폭 방향의 두 수직부재(61a) 사이에 위치하도록 마련된다.
본 실시예에서 지지로드(62a)는 보조 프레임(62)을 따라 가이드 레일(51)과 슬라이딩되며 하우징(41)에 수용되거나 하우징(41)으로부터 인출되도록 연결되나, 평상시 하우징(41) 내부에 수용될 수 있고 필요 시 보조 프레임(62)의 지지력을 보완할 수 있는 구조이면 다른 방식의 결합도 가능하다.
예컨대, 지지로드(62a)는 평상시 보조 프레임(62)과 함께 하우징(41) 내부에 수용될 수 있도록 보조 프레임(62)과 힌지에 의해 연결되어 보조 프레임(62)과 접철되고, 필요 시에는 이를 펴서 가이드레일에 고정시키는 방식으로도 가능하다.
한편, 너셀(40)의 후면커버(45)는 여닫이문 형태로 마련되어, 너셀(40) 내부로부터 내부부품이 외부로 인출될 때 너셀(40)의 후면을 개방한다. 후면커버(45)는 보조 프레임(62)이 연장되는 구동과 연동하여 개폐될 수 있도록 마련될 수 있다. 이를 위해 너셀(40) 후면커버(45)의 개폐는 리니어 피스톤, 전동 또는 유압 구동장치에 의해 구동될 수 있다.
한편, 집 크레인(60)의 구동 및 후면커버(45)의 개폐, 보조 프레임(62)에 의해 내부부품이 너셀(40)로부터 인출된 후 체인의 하강 구동을 제어하기 위한 제어부(미도시)가 추가로 마련될 수 있다.
제어부는 유지보수를 위해 너셀(40) 내부부품의 인출이 필요한 경우 집 크레인(60)을 구동시키며, 너셀(40) 후면커버(45)를 개방한다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 유지보수 장치가 구비된 풍력발전기(43)의 작동에 대하여 설명한다.
풍력발전기(43)의 너셀(40)에 구비되는 증속기(42) 또는 발전기(43) 등의 내부부품에 문제가 발생한 경우 제어부의 신호에 의해 보조 프레임(62)이 메인 프레임(61)으로부터 인출되어 신장됨으로써 집 크레인(60)이 확장된다.
이때 집 크레인(60)의 체인호이스트(62a)와 문제가 되는 내부부품의 연결은 자동 또는 수동에 의해 이루어질 수 있다.
집 크레인(60)의 확장이 시작되면, 제어부는 너셀(40) 후면커버(45)를 개방한다.
집 크레인(60)의 확장에 따라 문제가 되는 내부부품이 유지보수용 레일(50)을 따라 너셀(40) 후면커버(45) 방향으로 이동하여 너셀(40) 외부로 인출된다.
보조 프레임(62)의 신장이 완료됨과 동시에 보조 프레임(62)에 접철된 지지로드(62a)가 펴져 가이드 레일(51) 상부에 연결된다.
이후 체인 호이스트(62a)에 연결된 체인이 풀리면서 내부부품이 유지보수를 위해서 하강한다.
이와 같이 본 실시예의 유지보수 장치가 구비된 풍력발전기는 대형 크레인에 의해 너셀(40) 내부부품을 인출할 필요가 없이, 너셀(40)에 내부에 장착된 유지보수용 레일(50)과 집 크레인(60)에 의해 용이하게 유지보수가 필요한 내부부품을 너셀(40) 외부로 인출하여 정비할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 타워 20: 블레이드
30: 주축 40: 너셀
41: 하우징 42: 증속기
43: 발전기 50: 유지보수용 레일
51: 가이드레일 52: 마운팅
60: 집 크레인 61: 메인 프레임
62: 보조 프레임 62a: 지지로드

Claims (6)

  1. 풍력 발전을 수행하도록 블레이드에 기계적으로 연결되는 증속기와 발전기를 구비하는 너셀;
    상기 너셀의 내부에 배치되되, 상기 너셀의 길이방향으로 신장 가능하도록 마련되는 집 크레인(jib crane); 및
    상기 집 크레인이 상기 너셀의 길이방향으로 신장될 때 상기 증속기 또는 발전기가 슬라이딩 되며, 상기 집 크레인에 의해 상기 너셀 외부로 인출될 수 있도록 상기 증속기 및 상기 발전기 하부에 연결되는 유지보수용 레일를 포함하는 유지보수장치가 구비된 풍력발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집 크레인은 상기 너셀 내부에 고정 설치되는 메인 프레임; 및
    상기 메인 프레임에 일부가 수용되고, 필요 시 상기 메인 프레임으로부터 신장되는 보조 프레임을 포함하는 유지보수장치가 구비된 풍력발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 집 크레인은 상기 보조 프레임이 상기 메인 프레임으로부터 신장되었을 때 상기 보조 프레임과 상기 너셀 내부의 하측을 연결하는 지지로드를 더 포함하는 유지보수장치가 구비된 풍력발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유지보수용 레일은,
    상기 너셀 내부의 하측에 연결되는 가이드 레일; 및
    일 측이 상기 증속기 또는 상기 발전기에 결합되고 타 측이 상기 가이드 레일에 슬라이딩 가능하도록 삽입되는 마운팅을 포함하는 유지보수장치가 구비된 풍력발전기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가이드레일과 상기 마운팅 사이에 개재되는 구름 베어링을 더 포함하는 유지보수장치가 구비된 풍력발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 너셀 후면에 마련되며, 상기 증속기 또는 상기 발전기가 상기 너셀 외부로 인출될 때 상기 집 크레인의 동작과 연동하여 상기 너셀의 후면을 개방하는 후면커버를 더 포함하는 유지보수장치가 구비된 풍력발전기.
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