KR101250260B1

KR101250260B1 - 멀티형 풍력 발전 장치

Info

Publication number: KR101250260B1
Application number: KR1020110120372A
Authority: KR
Inventors: 이기학
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2031-11-17

Abstract

본 발명은 멀티형 풍력 발전 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 서포트 아암들이 메인 나셀에 고정 결합됨에 따라 상기 서포트 아암으로 인한 풍속 변동이 적고 소음이 낮으며 시스템의 피로하중을 줄일 수 있다. 또, 상기 서포트 아암들이 메인 나셀에 고정 결합됨에 따라 상기 서포트 아암의 구조강도가 강화되어 대용량의 풍차유닛에는 적용할 수 있다. 또, 상기 서포트 아암이 타워를 중심으로 후방측에서 전방측으로 배열되어 그 끝단에 설치되는 서브 나셀에 각각의 블레이드들이 뒷바람 형식으로 결합됨에 따라 상기 블레이드들과 타워 사이의 간극을 충분하게 유지할 수 있다. 또, 상기 블레이드들의 익단 주변에 덕트를 설치함에 따라 넓은 풍속범위의 운용이 가능하게 되고, 보다 큰 출력을 발생할 수 있으며, 소음 저감으로 인해 높은 회전수 운용이 가능하게 될 있다.

Description

멀티형 풍력 발전 장치{MULT TYPE WIND TURBINE}

본 발명은 다수의 풍차유닛을 갖는 멀티형 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

풍력발전(風力發電)이란 풍차를 이용해 바람이 가진 에너지를 주축을 통한 기계적인 에너지(회전력)로 변환시키고, 이 기계적 에너지가 발전기를 구동함으로써 전기적인 에너지로 변환되어 전력을 얻는 발전 방식을 말한다.

풍력발전은 현재까지 개발된 신재생 에너지원 중에서 가장 경제성이 높을 뿐 아니라 무한정, 무비용의 청정에너지원인 바람을 이용하여 발전할 수 있는 장점 때문에 유럽은 물론 미주와 아시아 등지에서도 적극적인 투자가 이뤄지고 있는 실정이다.

상기와 같은 풍력발전을 위한 풍력발전장치는 회전축의 방향에 따라 수직축 풍력발전장치와 수평축 풍력발전장치로 구분될 수 있다. 현재까지는 수직축에 비해 수평축 풍력발전장치의 효율이 높고 안정적이어서 상업용 풍력발전단지에는 대부분 수평축 풍력발전장치가 적용되고 있다.

통상적인 수평형 풍력발전기는 많은 동력을 얻기 위해서는 블레이드를 키우거나 블레이드 크기에 상응하는 크기의 발전기를 장착해야 한다. 하지만, 블레이드와 발전기가 커질수록 블레이드의 무게가 증가하게 되어 무거운 블레이드와 발전기를 지지할 타워와 구조물의 규모가 같이 커져야 하며, 발전시설이 무거워지면 그 무게의 지지를 위한 베어링과 같은 부품도 증가해야 하고, 바람의 방향에 따라 회전날개부의 방향을 돌려주는 요(yaw) 동작을 위해 별도의 특수 장치가 설치되어야 한다.

이로 인해 설치 및 유지비용이 기하급수적으로 증가하게 되며, 이러한 기술적인 난이도와 비용의 증가로 인하여 풍력발전장치의 폭넓은 보급에 막대한 장애를 초래하는 문제점이 있었다.

이를 감안하여 최근에는 도 1에서와 같이 하나의 타워에 복수 개의 풍차유닛을 방사상으로 배치하는 멀티형 풍력발전장치가 알려져 있다. 상기 멀티형 풍력발전장치는, 한 개의 타워(tower)(1)에 한 개의 메인 나셀(nacelle)(2)을 설치하고, 상기 메인 나셀(2)에 복수 개의 서포트 아암(support arm)(3)들을 회전 가능하게 방사상으로 결합하며, 상기 각 서포트 아암들에 서브 나셀(4)들을 각각 설치하고, 상기 각 서브 나셀(4)에 소형 블레이드(blade)(5)들을 회전 가능하게 각각 설치하고 있다.

상기와 같은 멀티형 풍력발전장치는, 블레이드(5)의 크기를 크게 하지 않으면서도 풍차유닛의 개수를 증가시켜 많은 동력을 얻을 수 있도록 함으로써, 블레이드(5)의 무게가 과도하게 증가하지 않아 타워(1)와 구조물의 규모가 과도하게 커질 필요가 없으며 각 풍차유닛을 지지하는 베어링과 같은 부품들의 크기도 증가하지 않게 되어 설치 및 유지비용을 줄일 수 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 멀티형 풍력 발전 장치는, 앞서 언급한 장점에도 불구하고 각각의 풍차유닛이 타워(1)의 전면에서 뒷바람(downwind) 형식으로 배치됨에 따라 상기 블레이드(5)와 타워(1) 사이의 간극(t1)을 유지하기가 어려워 상기 블레이드(5)들이 타워(1)에 충돌되면서 파손될 수 있었다.

또, 상기 멀티형 풍력 발전 장치는, 상기 서포트 아암(3)이 메인 나셀(2)에 대해 회전운동을 함에 따라 풍속이 변동되고 소음이 가중되며 시스템의 피로하중이 증가할 뿐만 아니라, 상기 서포트 아암(3)의 구조강도가 약화되어 대용량의 풍차유닛에는 적용하기 어려워지는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 블레이드와 타워 사이의 충분한 간극을 유지할 수 있는 멀티형 풍력 발전 장치를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 풍속변동과 소음이 적으며 시스템의 피로하중이 낮고 대용량의 풍차유닛에 적용하기 용이한 멀티형 풍력 발전 장치를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 타워; 상기 타워의 상단에 설치되는 메인 나셀; 상기 메인 나셀에 방사상으로 결합되는 복수 개의 서포트 아암; 상기 복수 개의 서포트 아암에 각각 결합되는 복수 개의 서브 나셀; 및 상기 각각의 서브 나셀에 회전 가능하게 결합되는 복수 개씩의 블레이드;를 포함하고, 상기 메인 나셀과 서브 나셀이 상기 타워를 중심으로 서로 반대쪽에 배치되는 멀티형 풍력 발전 장치가 제공된다.

여기서, 상기 각각의 블레이드는 풍향에 대해 맞바람(upwind) 형식으로 결합될 수 있다.

그리고, 상기 블레이드는 각각의 익단(edge)을 감싸도록 덕트(duct)가 구비될 수 있다.

그리고, 상기 메인 나셀과 타워가 결합되는 제1 고정점과 상기 메인 나셀과 서포트 아암들이 결합되는 제2 고정점은 소정의 간격을 두고 배치되며, 상기 제1 고정점의 높이보다 제2 고정점의 높이가 높게 형성되도록 상기 메인 나셀이 경사지게 설치될 수 있다.

그리고, 상기 각 서포트 아암의 내부에는 메인 나셀과 서브 나셀 사이를 운행하는 이송수단이 설치될 수 있다.

그리고, 상기 각 서포트 아암들 사이에는 적어도 한 개 이상의 보강프레임으로 연결될 수 있다.

본 발명에 의한 멀티형 풍력 발전 장치는, 상기 서포트 아암으로 인한 풍속 변동이 적고 소음이 낮으며 시스템의 피로하중을 줄일 수 있다. 또, 상기 서포트 아암의 구조강도가 강화되어 대용량의 풍차유닛에는 적용할 수 있다.

또, 상기 블레이드들과 타워 사이의 간극을 충분하게 유지할 수 있어 상기 블레이드들이 타워에 충돌하여 파손되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

또, 넓은 풍속범위의 운용이 가능하게 되고, 보다 큰 출력을 발생할 수 있으며, 소음 저감으로 인해 높은 회전수 운용이 가능하게 될 있다. 이에 따라 블레이드의 크기를 줄이면서도 소정의 출력을 얻을 수 있으므로 풍력 발전 장치의 소형화와 경량화가 가능하게 될 수 있다.

도 1은 종래 멀티형 풍력 발전 장치의 일례를 보인 사시도,
도 2는 도 1에 따른 풍력 발전 장치를 보인 측면도,
도 3은 본 발명 멀티형 풍력 발전 장치의 일례를 보인 사시도,
도 4는 도 3에 따른 풍력 발전 장치를 보인 측면도,
도 5는 도 4에 따른 풍력 발전 장치에서 서포트 아암의 내부를 보인 개략도,
도 6은 도 4에 따른 풍력 발전 장치에서 덕트를 가지는 블레이드의 일실시예를 보인 측면도,
도 7은 도 4에 따른 풍력 발전 장치에서 메인 나셀의 설치구조에 대한 다른 실시예를 보인 측면도,
도 8는 도 3에 따른 풍력 발전 장치에서 서포트 아암의 구조강도를 보강하기 위한 다른 실시예를 보인 사시도.

이하, 본 발명에 의한 멀티형 풍력 발전 장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명 멀티형 풍력 발전 장치의 일례를 보인 사시도이고, 도 4는 도 3에 따른 풍력 발전 장치를 보인 측면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 멀티형 풍력 발전 장치는, 지면에 세워진 일정한 높이의 타워(10)와, 상기 타워(10)의 상단에 회전 가능하게 설치되어 지면으로부터 일정한 높이에 위치되는 메인 나셀(Nacelle)(20)을 포함한다.

그리고 상기 메인 나셀(20)의 후방측(이하, 바람의 진행방향쪽을 전방측이라고 한다)에는 복수의 서포트 아암(30)이 방사상으로 결합된다.

상기 복수의 서포트 아암(30)은 원주방향을 따라 등간격을 유지하도록 상기 메인 나셀(20)에 일체로 고정 결합된다.

상기 서포트 아암(30)은 메인 나셀(20)에 결합되는 제1 단(31)과, 상기 제1 단(31)에서 방사상으로 연장되는 제2 단(32)으로 이루어진다. 상기 제1 단(31)에서 제2 단(32)으로 갈수록 두께가 얇게 형성되는 것이 구조강도를 높일 수 있어 바람직할 수 있다.

상기 서포트 아암(30)은 도 5에서와 같이 그 내부에 인력과 장비를 상기 메인 나셀(20)에서 후술할 서브 나셀(40)로 이송시킬 수 있도록 컨베이어와 같은 이송수단(35)이 설치될 수 있다.

도 4에서와 같이, 상기 서포트 아암(30)의 제1 단(31)은 상기 타워(10)를 중심으로 후방측에 위치하는 반면 제2 단(32)은 전방측에 위치하도록 측면투영시 경사지게 배열된다. 이에 따라, 상기 서포트 아암(30)의 제2 단(32)에 결합되는 후술할 서브 나셀(40)은 상기 타워(10)를 중심으로 전방측에 위치하게 된다. 따라서, 상기 서포트 아암(30)이 메인 나셀(20)에 가하는 수직하중이 분산되면서 상기 타워(10)와 메인 나셀(20)이 결합되는 고정점에서의 집중하중으로 인한 파손을 방지할 수 있다.

상기 각 서포트 아암(30)의 제2 단(32)에는 각각의 풍차유닛을 이루도록 상기 서브 나셀(40)이 각각 회전 가능하게 결합되고, 상기 서브 나셀(40)의 전방측에는 복수 개의 블레이드(50)가 각각 회전 가능하게 결합된다. 그리고 상기 서브 나셀(40)의 후방측에는 상기 서브 나셀(40)이 풍향에 따라 회전하는 요(yaw) 동작을 도와주는 꼬리날개(Wind Vane)(미도시)가 설치될 수 있다.

상기 복수 개의 블레이드(50)는 소위 맞바람(upwind) 형식으로 각각 설치된다. 이에 따라 상기 블레이드(50)의 익단(edge)(51)과 타워(10) 사이의 간극(t2)을 일정 간극 이상으로 유지할 수 있다.

한편, 상기 블레이드(50)의 익단(edge)(51) 주변에는 그 블레이드(50)들을 감싸 바람을 블레이드 방향으로 유도할 수 있도록 덕트(duct)(60)가 설치될 수 있다. 상기 덕트(60)는 블레이드(50)의 익단(51)과 소정의 간격(t3)을 유지한 상태에서 블레이드(50)들이 독립적으로 회전을 할 수 있도록 설치될 수 있다. 이를 위해, 상기 덕트(60)는 환형으로 형성되어 복수 개의 리브(61)에 의해 서브 나셀(40)에 고정 결합될 수 있다.

도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 덕트가 각 블레이드의 익단에 결합되어 그 블레이드와 함께 회전하도록 형성될 수도 있다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 멀티형 풍력 발전 장치는, 통상적인 수평형 풍력발전장치와 같이 바람이 불어오면 상기 블레이드(50)들이 회전을 하면서 그 회전력을 전기적 에너지로 변환하여 발전을 하게 된다.

여기서, 상기 서포트 아암(30)들이 메인 나셀(20)에 고정 결합됨에 따라 상기 서포트 아암(30)으로 인한 풍속 변동이 적고 소음이 낮을 뿐만 아니라, 시스템의 피로하중이 증가하는 것을 미연에 방지할 수 있다. 또, 상기 서포트 아암(30)들이 메인 나셀(20)에 고정 결합됨에 따라 상기 서포트 아암(30)의 구조강도가 강화되어 대용량의 풍차유닛에는 적용할 수 있다.

또, 상기 서포트 아암(30)이 타워(10)를 중심으로 후방측에서 전방측으로 배열되어 그 끝단에 설치되는 서브 나셀(40)에 각각의 블레이드(50)들이 뒷바람 형식으로 결합됨에 따라 상기 블레이드(50)들과 타워(10) 사이의 간극(t2)을 충분하게 유지할 수 있다. 이에 따라 상기 블레이드(50)들이 타워(10)에 충돌하여 파손되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

또, 상기 블레이드(50)들의 익단(51) 주변에 덕트(60)를 설치함에 따라 넓은 풍속범위의 운용이 가능하게 되고, 보다 큰 출력을 발생할 수 있으며, 소음 저감으로 인해 높은 회전수 운용이 가능하게 될 있다. 이에 따라 블레이드(50)의 크기를 줄이면서도 소정의 출력을 얻을 수 있으므로 풍력 발전 장치의 소형화와 경량화가 가능하게 될 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 풍력 발전 장치에서 메인 나셀의 설치 구조에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 상기 메인 나셀이 타워의 상단에서 직교하는 방향으로 결합되는 것이나, 이 경우 상기 메인 나셀에 복수 개의 풍차유닛들이 방사상으로 결합되는 동시에 상기 풍차유닛들이 결합되는 위치가 타워가 고정되는 지점을 기준으로 편심되게 위치함에 따라 상기 타워와 메인 나셀이 결합되는 고정점에 응력이 집중되어 파손될 수 있다.

이를 감안하여, 본 실시예에서는 도 7에서와 같이 상기 메인 나셀(20)을 타워(10)에 대해 소정의 각도만큼 경사지게 결합시킬 수 있다. 이 경우, 상기 메인 나셀(20)과 타워(10)가 결합되는 제1 고정점(A)의 높이보다 상기 메인 나셀(20)과 서포트 아암(30)들이 결합되는 제2 고정점(B)의 높이가 소정의 높이차(h)만큼 높게 되도록 형성할 수 있다.

이에 따라, 상기 메인 나셀(20)의 제1 고정점(A)과 제2 고정점(B)이 일정 간격을 두고 배치되더라도 상기 풍차유닛에서 받는 하중을 일정 정도 상쇄시킬 수 있어 상기 제1 고정점(A)에 응력이 집중되는 것을 낮출 수 있다.

또 한편, 본 발명에 의한 풍력 발전 장치에서 서포트 아암들의 구조강도를 높이기 위한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 상기 서포트 아암들이 서로 독립적으로 방사상 배열되는 것이었으나, 이 경우 상기 서포트 아암의 제2 단에 각각의 서브 나셀과 블레이드들이 구비되어 상기 서포트 아암들이 휠 수 있다.

이를 감안하여, 본 실시예에서는 도 8에서와 같이 각 서포트 아암(30)들 사이에 적어도 한 개 이상씩의 보강프레임(70)을 설치하여 각 서포트 아암(30)들을 서로 지지하도록 할 수 있다. 이를 통해 상기 각 서포트 아암(30)들이 서로 지지되면서 구조강도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 서포트 아암(30)의 길이와 블레이드(50)의 풍량을 증강시켜 전체적으로 풍력 발전 장치의 발전용량을 높일 수 있다.

10 : 타워 20 : 메인 베셀
30 : 서포트 아암 35 : 이송수단
40 : 서브 베셀 50 : 블레이드
60 : 덕트 70 : 보강프레임

Claims

타워;
상기 타워의 상단에 설치되는 메인 나셀;
상기 메인 나셀에 방사상으로 결합되는 복수 개의 서포트 아암;
상기 복수 개의 서포트 아암에 각각 결합되는 복수 개의 서브 나셀; 및
상기 각각의 서브 나셀에 회전 가능하게 결합되는 복수 개씩의 블레이드;를 포함하고,
상기 메인 나셀과 서브 나셀이 상기 타워를 중심으로 서로 반대쪽에 배치되는 멀티형 풍력 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 각각의 블레이드는 풍향에 대해 맞바람(upwind) 형식으로 결합되는 멀티형 풍력 발전 장치.
제2항에 있어서,
상기 블레이드는 각각의 익단(edge)을 감싸도록 덕트(duct)가 구비되는 멀티형 풍력 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 메인 나셀과 타워가 결합되는 제1 고정점과 상기 메인 나셀과 서포트 아암들이 결합되는 제2 고정점은 소정의 간격을 두고 배치되며,
상기 제1 고정점의 높이보다 제2 고정점의 높이가 높게 형성되도록 상기 메인 나셀이 경사지게 설치되는 멀티형 풍력 발전 장치.
제4항에 있어서,
상기 각 서포트 아암의 내부에는 메인 나셀과 서브 나셀 사이를 운행하는 이송수단이 설치되는 멀티형 풍력 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 각 서포트 아암들 사이에는 적어도 한 개 이상의 보강프레임으로 연결되는 멀티형 풍력 발전 장치.