KR20150019464A

KR20150019464A - 풍력 발전기용 타워 및 이를 이용한 풍력 발전기

Info

Publication number: KR20150019464A
Application number: KR20130096389A
Authority: KR
Inventors: 장현칠
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2015-02-25

Abstract

풍력 발전기용 타워 및 이를 이용한 풍력 발전기가 개시된다.
풍력 발전기용 타워는, 중공 구조로 이루어진 타워벽; 및 타워벽의 하부 외주면을 따라 이격 설치된 복수 개의 보강부재를 포함한다. 복수 개의 보강부재 각각은 타워벽의 하부 외주면으로부터 돌출 설치된다. 풍력 발전기는 풍력을 회전력으로 변환시키는 로터; 로터에 연결되어 회전력으로 전력을 생산하는 나셀; 및 나셀을 지지하는 타워를 포함한다. 타워의 하부에는 타워의 외주면으로부터 돌출된 복수 개의 보강부재가 이격 설치되어 있다.
이에 따르면, 타워벽 두께를 증가시키지 않으면서 하중이 크게 작용하는 타워 하부의 단면 물성을 향상시킬 수 있고, 이로 인해 재료 원가 및 운송 비용을 절감할 수 있게 된다.

Description

풍력 발전기용 타워 및 이를 이용한 풍력 발전기{TOWER FOR WIND POWER GENERATOR AND WIND POWER GENERATOR USING THE SAME}

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 특히 풍력 발전기용 타워 및 이를 이용한 풍력 발전기에 관한 것이다.

풍력 발전은 바람의 운동 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 기술로서, 이를 위한 풍력 발전기는 복수의 블레이드(blade)와 허브(hub)로 이루어져 바람에 의해 회전하는 로터(rotor), 로터에 연결되어 회전운동을 전달하는 드라이브 트레인(저속축, 증속기, 고속축)과 그 후단에 연결된 발전기, 이러한 기기들이 설치되는 나셀(nacelle) 및 나셀을 지지하는 타워(tower) 등으로 구성된다.

전술한 타워는 복수 개의 원형 타워 세그먼트가 높이 방향으로 용접 및 볼트 체결에 의해 길게 연결된 구조로 이루어지는 것이 일반적이며, 타워의 하부는 큰 하중(굽힘 모멘트)을 받게 된다.

로터가 풍황이 좋은 높은 곳에 위치할수록 풍력 발전기의 성능에 유리하나, 성능을 고려하여 타워를 높이 방향으로 길게 설계하면, 타워 하부에서의 하중은 더욱 증가하게 된다.

즉, 타워가 길어질수록 타워의 하부에서 받는 하중은 더 커지고, 이러한 하중을 견디기 위해서는 타워벽의 두께 또는 타워의 직경을 키워 단면 물성(강성/강도)을 향상시켜야 한다.

또한, 굽힘 모멘트에 의해 타워가 받게 되는 응력은 타워벽 두께의 1승에 반비례하고 타워 직경의 2승에 반비례하므로, 타워 길이를 늘려 설계할 때 두께보다는 직경을 키워 응력을 줄이는 것이 훨씬 효과적이다.

그러나, 육상용 타워의 경우 육상 운송이 가능한 운송 제한 조건에 의해 타워 직경이 제한되어 있어 이를 일정값 이상 키우지 못하기 때문에, 타워 길이를 늘리려면 타워벽 두께를 현저히 크게 설계해야 한다. 이로 인해, 타워 무게가 증가하여 재료 원가 및 운송 비용이 크게 증가하는 문제점이 있다.

KR 10-1259461 B1, 2010. 6. 25, 명칭: 풍력발전기용 타워 및 이를 적용한 풍력 발전기

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 타워벽 두께를 증가시키지 않으면서 하중이 크게 작용하는 타워 하부의 단면 물성을 향상시켜 작용 응력을 줄이고, 좌굴 강도를 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 재료 원가 및 운송 비용을 절감할 수 있는, 풍력 발전기용 타워 및 이를 이용한 풍력 발전기를 제공하고자 하는 것이다.

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 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력 발전기용 타워는, 중공 구조로 이루어진 타워벽; 및 상기 타워벽의 하부 외주면으로부터 돌출되도록, 상기 타워벽의 하부 외주면을 따라 이격 설치되어 있는 복수 개의 보강부재를 포함한다.

상기 복수 개의 보강부재 각각은, 상기 타워벽의 외주면에 용접 고정될 수 있다.

상기 복수 개의 보강부재 각각은, 상기 타워벽의 하부면이 설치된 지면으로부터 외주면을 따라 높이 방향으로 길게 형성될 수 있다.

상기 복수 개의 보강부재는, 상기 타워벽의 횡단면 상에서 그 외주면을 복수 개로 등분한 지점에 각각 설치되어 균등한 간격으로 이격 배치될 수 있다.

상기 복수 개의 보강부재 각각은, 상기 타워벽의 외주면에서 돌출 설치된 하나 이상의 제1 지지판과 상기 제1 지지판과 교차하는 방향으로 상기 제1 지지판에 고정된 제2 지지판을 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 보강부재 각각의 횡단면은, "

","

", "

" , "

"의 형상 중 적어도 하나의 형상을 가질 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 풍력 발전기는, 풍력을 회전력으로 변환시키는 로터; 상기 로터에 연결되어 회전력으로 전력을 생산하는 나셀; 및 상기 나셀을 지지하는 타워를 포함한다. 상기 타워의 하부에는 상기 타워의 외주면으로부터 돌출된 복수 개의 보강부재가 이격 설치되어 있다.

본 발명의 풍력 발전기용 타워 및 이를 이용한 풍력 발전기에 따르면, 타워벽 두께를 증가시키지 않으면서 하중이 크게 작용하는 타워 하부의 단면 물성을 향상시켜 작용 응력을 줄이고, 좌굴 강도를 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 재료 원가 및 운송 비용을 절감할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기의 개략적인 구성을 보인 측면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기용 타워의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기용 타워에서 보강부재의 용접 지점을 예시한 도면.
도 4는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ' 선에 따른 횡단면도로서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 보강부재를 나타낸 횡단면도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 보강부재를 나타낸 횡단면도.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 보강부재를 나타낸 횡단면도.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 보강부재를 나타낸 횡단면도.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력 발전기용 타워 및 이를 이용한 풍력 발전기에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기의 개략적인 구성을 보인 측면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기는 로터(110), 나셀(120), 타워(130) 및 복수의 보강부재(210)를 포함하여 이루어진다.

로터(110)는 블레이드(111) 및 허브(112)를 포함하여 풍력을 회전력으로 변환시킨다. 허브(112)는 나셀(120)로 회전력을 전달하도록, 나셀(120)에 회전 가능하게 결합된다. 블레이드(111)는 복수 개가 허브(112)에 방사형으로 결합되어 풍력을 회전력으로 변화시킨다. 로터(110)의 블레이드(111)는 바람에 의해 회전하고, 블레이드(111)가 회전하면 허브(112)도 회전하게 된다.

나셀(120)은 로터(110)에 연결되어 그로부터 전달되는 회전력으로 전력을 생산하는 것으로서, 허브(112)에 연결되어 허브를 지지하는 하우징과, 하우징 내부에 설치되는 증속기 및 발전기 등의 구성요소를 포함할 수 있다.

허브(112)의 회전에 따라 나셀(120)로 전달된 회전력은 나셀(120) 내부의 증속기(미도시)를 통해 증속되며, 증속된 회전력은 나셀(120) 내부에 위치한 발전기(미도시)에 의해 전력으로 변환된다.

전술한 나셀(120)은 그 하부에 위치되는 타워(130)에 의해 지지된다. 타워(130)는 가운데가 빈 중공 구조의 원통형으로 이루어질 수 있으며, 해당 형상으로 된 복수 개의 타워 세그먼트들이 상호 연결되어 만들어질 수 있다.

이와 같은 구성에 있어서, 하중이 크게 작용하는 타워(130)의 하부에는 타워(130)의 외주면으로부터 돌출된 복수 개의 보강부재(210)가 외주면을 따라 이격 설치되어, 타워(130)의 단면 물성(강성/강도)을 증가시켜 타워(130)에 작용하는 응력을 감소시키는 역할을 한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기용 타워의 개략적인 분해 사시도이다.

도 2를 참조하면, 전술한 타워(130)는 중공 구조로 이루어진 원통형의 타워벽(131)과, 타워벽(131)의 하측 외주면을 따라 이격 설치된 복수 개의 보강부재(210)를 포함한다.

복수 개의 보강부재(210) 각각은 타워벽(131)의 하부 외주면으로부터 돌출 설치되며, 용접으로 타워벽(131)의 외주면에 고정될 수 있다.

각 보강부재(210)는 하중이 크게 작용하는 타워(130) 하부의 단면 물성을 증가시키는 역할을 할 수 있도록, 타워벽(131)의 하부면이 설치된 지면(ER)으로부터 타워벽(131)의 외주면을 따라 높이 방향으로 길게 형성된다.

보강부재(210)는 현장 용접에 의해 타워(130)의 외부면에 설치될 수 있으며, 이러한 경우 타워(130)의 전체 무게나 외곽을 증가시키는 복수의 보강부재(210)를 타워(130)의 외부면에 용접 완료한 후 현장으로 이송할 필요가 없어 매우 효율적이다.

예컨대, 육상 운송 시 운송 제한 조건에 따라 타워(130)의 외경이 일정값(예컨대, 4.3m)으로 제한되고, 타워벽(131)의 두께도 일정값(예컨대, 20~30T)로 설계된 경우, 굽힘 모멘트가 크게 작용하는 타워(130) 하부에만 보강부재(210)를 현장 용접으로 설치할 수 있다.

이때, 보강부재(210)가 설치되지 않은 상태로 타워(130)를 현장까지 이동시킬 수 있어 운송 부담이 적다. 그리고, 타워(130) 직경을 운송 제한 조건을 만족시키는 최대치로 적용한 후 타워(130) 외주면으로부터 바깥으로 확장되는 형태의 보강부재(210)를 구성할 수 있으므로, 보강부재(210)를 내부에 설치하는 경우에 비해 더욱 향상된 단면 물성을 구현할 수 있다.

타워(130)의 외주면에 설치할 각 보강부재(210)의 길이는 타워(130)가 길어짐에 따라 함께 증가하는 굽힘 모멘트 및 작용 응력을 견딜 수 있도록, 타워(130)의 길이에 맞추어 조절할 수 있다.

이와 같은 보강부재(210)의 사용으로 인해, 긴 타워(130)를 설계할 경우에도 타워(130) 하부의 타워벽(131) 두께를 급격히 키우지 않아도 된다.

예컨대, 보강부재(210)의 길이는 타워(130)의 하부면이 위치하는 지면(ER)으로부터 타워벽(131) 높이의 일정 부분까지, 예컨대, 20% 이상 30% 이하에 해당하는 지점까지 길게 형성되어 타워벽(131)의 하부를 보강 지지할 수 있다.

이와 같은 구성에 따르면, 타워(130)는 두께를 키우지 않고 알려져 있는 기본 구조로 설계/제작하고, 작용 하중이 높은 타워(130) 하부에만 복수 개의 보강부재(210)를 현장에서 용접하여 타워(130) 하부의 단면 물성을 증가시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기용 타워에서 보강부재의 용접 지점을 예시한 도면이다.

전술한 바와 같이, 복수의 보강부재(210)는 타워(130)의 기본 구조를 바꾸지 않고 현장에서의 용접 고정으로 설치되어 타워(130) 하부의 단면 물성을 증가시킬 수 있도록 하는 것으로서, 도 3에 도시한 바와 같이, 원형 단면을 이루는 타워벽(131)의 외주면을 따라 위치한 일정 간격의 용접 지점(SP)에 설치하여 하중을 분산하도록 하는 것이 효과적이다.

도 4는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ' 선에 따른 횡단면도로서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 보강부재를 나타낸 횡단면도이다.

복수 개의 보강부재(210)는 타워벽(131)의 횡단면 상에서 그 외주면을 여러 등분한 지점에 각각 설치되어 균등한 간격으로 이격 배치될 수 있다.

제1 실시예에서는, 복수 개의 보강부재(210)가 타워벽(131)의 횡단면 상에서 그 외주면을 4등분한 지점에 각각 설치되어 균등한 간격으로 이격 배치된 구조를 예시하고 있다.

제1 실시예에 따른 각 보강부재(210)는 도 4에 도시한 바와 같이, "

"의 단면 형상을 갖는다.

각 보강부재(210)는 타워벽(131)의 외주면에서 돌출 설치된 하나 이상의 제1 지지판(211), 제1 지지판(211)과 교차하는 방향으로 제1 지지판(211)에 고정된 제2 지지판(212)을 포함할 수 있다.

보강부재(210)를 이와 같은 형상으로 제조하면, 내부가 비어 있어 보강부재(210)를 만들기 위한 소요 재료나 보강부재(210)의 무게를 줄이면서도, 타워(130)의 외경을 늘리는 것과 유사한 효과를 주어 단면 물성을 향상시킬 수 있다.

도 5 내지 도 7은 제1 지지판(211)과 제2 지지판(212)의 개수나 결합 형태를 달리한 다양한 형상의 보강부재(210)를 예시한 횡단면도이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 보강부재를 나타낸 횡단면도이다. 제2 실시예에서, 보강부재(210)는 "

"의 단면 형상을 갖고, 이러한 단면 형상을 갖는 복수 개의 보강부재(210)가 타워벽(131)의 횡단면 상에서 그 외주면을 3등분한 지점에 각각 설치되어 균등한 간격으로 이격 배치되어 있다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 보강부재를 나타낸 횡단면도이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 제3 실시예에 따른 보강부재(210)는 "

" 의 단면 형상을 갖는다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 보강부재를 나타낸 횡단면도이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 제4 실시예에 따른 보강부재(210)는 "

" 의 단면 형상을 갖는다.

본 발명에 따른 풍력 발전기용 타워 및 이를 이용한 풍력 발전기의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

110: 로터, 111: 블레이드,
112: 허브, 120: 나셀,
130: 타워, 131: 타워벽,
210: 보강부재, 211: 제1 지지판,
212: 제2 지지판

Claims

중공 구조로 이루어진 타워벽; 및
상기 타워벽의 하부 외주면으로부터 돌출되도록, 상기 타워벽의 하부 외주면을 따라 이격 설치되어 있는 복수 개의 보강부재를 포함하는 풍력 발전기용 타워.
제1항에 있어서,
상기 복수 개의 보강부재 각각은,
상기 타워벽의 외주면에 용접 고정된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 타워.
제1항에 있어서,
상기 복수 개의 보강부재 각각은,
상기 타워벽의 하부면이 설치된 지면으로부터 외주면을 따라 높이 방향으로 길게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 타워.
제1항에 있어서,
상기 복수 개의 보강부재는,
상기 타워벽의 횡단면 상에서 그 외주면을 복수 개로 등분한 지점에 각각 설치되어 균등한 간격으로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 타워.
제1항에 있어서,
상기 복수 개의 보강부재 각각은,
상기 타워벽의 외주면에서 돌출 설치된 하나 이상의 제1 지지판과 상기 제1 지지판과 교차하는 방향으로 상기 제1 지지판에 고정된 제2 지지판을 포함하는 풍력 발전기용 타워.
제1항에 있어서,
상기 복수 개의 보강부재 각각의 횡단면은,
"
","
", "
" , "
"의 형상 중 적어도 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 타워.
풍력을 회전력으로 변환시키는 로터;
상기 로터에 연결되어 회전력으로 전력을 생산하는 나셀; 및
상기 나셀을 지지하는 타워를 포함하되,
상기 타워의 하부에는 상기 타워의 외주면으로부터 돌출된 복수 개의 보강부재가 이격 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.