KR100656806B1 - 풍력 발전 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력 발전 설비 및 특히 근해(offshore) 영역에서의 풍력 발전 설비의 설치에 관한 것이다. 종래의 방법으로 풍력 발전 설비를 설치할 때 파일론이 설치된 다음 기계 하우스(machine house)가 파일론의 첨부에 설치되는데 상기 기계 하우스는 전체 엔진실(nacelle), 제너레이터(generator), 로터(rotor) 및 다른 부분을 포함한다.
본 발명의 목적은 거의 어떠한 날씨에서도 심지어 파도의 높이가 작거나 중간 정도인 때에도 근해의 풍력 발전 설비의 설치를 가능하게 하는 기술적인 수단을 제공하는 데 있다.
본 발명은 회전가능하게 설치된 지지체를 수용하는 파일론을 갖는 풍력 발전 설비에 있어서, 지지체가 적어도 하나 및 바람직하게는 파일론으로부터 분지되어 동일면에 있는 다수의 로터를 수용하고, 상기 지지체가 상기 로터의 중심이 파일론의 첨부보다 낮게 되도록 위치하는 풍력 발전 설비를 제공한다.
풍력 발전 설비, 파일론, 지지체

Description

풍력 발전 터빈{Wind Energy Turbine}
본 발명은 풍력 발전 설비 및 특히 근해(offshore) 영역에서의 풍력 발전 설비의 설치에 관한 것이다. 종래의 방법으로 풍력 발전 설비를 설치할 때 먼저 풍력 발전 설비의 파일론(pylon)이 완성되는데, 이때 파일론은 강철 파일론, 콘크리트 파일론 또는 격자 파일론에 의해 제조된다. 상기 파일론이 설치된 다음 기계 하우스(machine house)가 파일론의 첨부에 설치되는데 상기 기계 하우스는 전체 엔진실(nacelle), 제너레이터(generator), 로터(rotor) 및 다른 부분을 포함한다. 기계 하우스에 부착된 로터 블레이드(rotor blade)와 이와 연결된 제너레이터를 갖는 상기 기계 하우스를 이하에서는 로터 단위(rotor unit)로 정의하기로 한다.
로터 단위가 파일론의 첨부에 고정되고 전력 운송에 필요한 케이블이 설치된 후, 원칙적으로 풍력 발전 설비를 가동시킬 수 있는데, 최적의 설비 작동을 보장하기 위해 초기에 약간의 조정을 할 필요성이 있다.
풍력 발전 설비의 파일론은 이미 예를 들어 독일 특허 DE 제 44 13 688호 또는 Erich Hau, Windkraftanlagen, 2nd edition, p30, Fig.2.6에서 개시된 바와 같 이 하나의 로터 단위 뿐만 아니라 여러 로터 단위를 수용할 수 있다는 것이 개시되어 있다. 풍력 발전 설비의 파일론은 여러 로터 단위가 부착되는 지지 건축물(support construction)의 형태로 제공된다.
상기 풍력 발전 설비는 건축 크레인(crane)을 사용하여 지면에 안전하게 설치될 수 있으나 상기 풍력 발전 설비를 근해에 설치하는 것은 상기 풍력 발전 설비가 해수면 위로 60m의 매우 높은 높이를 갖기 때문에 설치를 계속하기 위해 실제 파도가 없는 날씨 조건이 근본적으로 요구되므로 거의 불가능하다.
그러나 상기 날씨 조건은 근해 지역 및 해상에서 거의 드물고 또한 매우 불안정하기 때문에 본 발명의 목적은 거의 어떠한 날씨에서도 심지어 파도의 높이가 작거나 중간 정도인 때에도 근해의 풍력 발전 설비의 설치를 가능하게 하는 기술적인 수단을 제공하는 데 있다.
본 발명에 있어서 상술한 목적은 특허청구범위 제 1항의 특징을 갖는 건축 방법에 의해 달성된다. 종속항에는 더욱 바람직한 실시 양태가 기재되어 있다.
본 발명에 따른 풍력 발전 설비에 있어서, 지지 건축물은 회전가능하게 설치되고 파일론 위에 또는 파일론의 첨부에 배치된다. 상기 지지 건축물은 지지체의 말단과 풍력 발전 설비의 로터 단위가 위치하는 선박 사이의 거리가 가능한 최소일 때까지 수면 방향으로 회전할 수 있다. 따라서 매우 큰 높이의 크레인이 더 이상 필요하지 않게 된다.
풍력 발전 설비 자체가 또한 로터 단위에 대한 기중수단을 갖고 있고 그것에 의해 선박에 위치한 풍력 발전 설비의 로터 단위가 들어올려진다면 전체 로터 단위, 즉 부착된 로터 블레이드를 갖고 필요하다면 이와 연결된 기계 하우스를 갖는 로터가 지지체의 첨단(tip end)으로 인도되고, 거기에 고정될 수 있다. 그 다음 전체 지지체는 원하는 위치로 회전할 수 있다.
전체 풍력 발전 설비가 다수의 지지암(support arm)을 포함하는 지지 건축물을 보유하는 경우 전체 풍력 발전 설비는 또한 다수의 로터 단위를 수용할 수 있다. 이는 상술한 통상의 기술 분야에서 원칙적으로 알려져 있으나 상기 건축물의 실제 설치가 이제는 매우 유리하게 가능하게 되었다.
명심하여야 할 것은 근해의 풍력 발전 설비가 많은 부하를 받으므로 풍력 발전 설비의 특정 요소는 주기적으로 보수되고 특정 상황에서 교체되어야 한다는 것이다. 만약 상기의 경우 항상 선박 크레인이 사용되어야 한다면 상기 선박 크레인의 안전하고 신뢰할 수 있는 사용을 위해 요구되는 날씨 조건은 여러 주 동안 계속해서 지속되지 않기 때문에 풍력 발전 설비의 요소 또는 일부분의 그러한 보수 또는 교체는 특정 상황에서 불가능하다.
그러나 본 발명에 따른 풍력 발전 설비에 의하면 풍력 발전 설비가 보유하는 기중수단를 사용하여 보수 선박 위로 내리거나 보수 선박으로부터 들어올림으로써 거친 날씨에서도 보수 작업을 수행하고 특정 상황에서 풍력 발전 설비의 요소 또는 필요하다면 전체 로터 단위를 교체하는 것이 가능하다.
이를 위해 바람직하게는 조립하고자 하는 로터 단위가 놓여 있는 지지암이 6 시 방향의 위치로 이동함으로써 선박(또는 플랫폼, 평저선 등)과 지지체의 첨단 사이의 간격이 가능한 작게 되도록 한다.
상기 지지 건축물이 3개의 암(arm)을 갖는 별모양의 지지체이고 상기 별모양 지지체가 동등한 각도(120°)를 갖도록 형성된 경우 각각의 지지암은 연속적으로 6시 방향의 위치에 이르고 우선 대응되는 로터 단위를 구비하게 된다.
각각의 로터 단위가 큰 전력 출력, 예를 들면 로터 단위당 1.5 내지 10메가와트의 출력을 갖는다면 상기 풍력 발전 설비는 중소규모의 발전소에 상응하게 된다. 상기 파일론에 대해 근해 영역에서의 상당히 본질적인 조치를 취하여야 하겠지만, 본 발명에 따른 풍력 발전 설비에 대해서는 전체 풍력 발전 설비가 둘, 셋 또는 그 이상의 로터 단위를 보유할 경우라도 단 1회의 조치로 충분하다. 이는 각각의 로터 단위에 대해 각각의 파일론이 설치되어야 하는 경우에 비해 비용이 훨씬 적게 든다.
풍력 발전 설비의 설치 중 예를 들어 지지암이 회전 베어링에 설치되면 필연적으로 거대 토크와 그에 따른 거대 부하가 발생할 것이다. 또 다른 문제는 제 1의 지지암이 설치된 후 예컨대 회전 베어링이 다른 지지암을 조립하기에 적합한 위치로 회전되어야 할 때 이미 설치된 지지암은 구조에 의해 안전하게 수용되어야 하는 복귀력을 발생시킨다는 점에 있다.
토크의 발생에 기인하는 상기 부하를 제거하기 위해 웨이트(weight)를 설치 전에 회전 베어링에 부착할 수 있다. 상기 웨이트는 지지암과 동일한 토크를 생산할 수 있다. 각각에 120°로 분지된 3개의 지지암 또는 웨이트를 갖는 지지체의 경우 토크는 항상 0이다.
풍력 발전 설비의 건설 방법에 따라 상이한 웨이트가 요구된다. 지지암과 로터 단위가 생산하는 동일한 토크를 발생하는 웨이트를 항상 회전 베어링에 부착하여야 한다. 지지암과 로터 단위가 회전 베어링의 위치변화 없이 연속적으로 설치된다면 상기 웨이트는 조립 과정에 적당하다.
그러나 예를 들어 이들이 로터 단위 이전에 준비되어 있으므로 모든 지지암이 먼저 연속적으로 설치되면 웨이트는 더 요구된다. 상기 웨이트는 로터 단위와 동일한 토크를 생산하여야 하고 지지암에 적합하게 설치된다. 그리하여 로터 단위는 지지암이 설치된 후에, 또한 상기와 마찬가지로 토크의 생산 없이 설치될 수 있다.
본 발명의 바람직한 양태에 따라 현수하강(abseiling) 및/또는 기중 단위는 적어도 하나의 편향 롤(deflection roll), 바람직하게는 도르래로 구성되어 있다. 상기 도르래를 사용하고 당연히 케이블이 그 위를 지나므로 기중 또는 현수하강에 필요한 외력이 예를 들어 근해의 풍력 발전 설비의 경우 선박의 갑판 위의 기계에 의해 제공될 때에도 기중 또는 현수하강이 가능하다. 파도의 영향을 상쇄하기 위해 바람직하게는 정박 윈치(mooring winch)가 사용될 수 있다. 상기 방법으로 풍력 발전 설비의 구동장치가 고장인 때에도 작업이 수행될 수 있게 하는 적어도 하나의 긴급 기중 또는 현수하강 장치를 제공할 수 있다. 기중 및/또는 현수하강 장치에 대한 구동장치는 풍력 발전 설비의 비용을 절감하기 위해 상기 방법에 의해 생략될 수 있다.
그러나 무엇보다도 본 발명에 따른 건축물은 그다지 비싸지 않고 보수하기 쉽게 설치 및 보존할 수 있고 풍력 발전 설비에 각 부품을 용이하게 교체할 수 있게 한다.
예를 들어 블레이드가 교체되어야 하거나 수리되어야 할 때와 같이 로터 단위의 일부를 정비할 필요가 있는 경우 전체 단위는 개별 로터를 6시 방향의 위치로 이동한 후 대기 선박 위로 내려오고 선박 또는 육지에서 정비된다. 그 다음 상기 정비된 로터 단위가 적절한 위치로 돌아가고 동시에 정비 작업에 영향을 받지 않은 로터 단위는 수면 위 높은 높이에서 계속 동작하고 그 결과 잔여 로터 단위는 대체로 평상시보다 더 강한 바람에 노출된다.
전체 지지체는 바람직하게는 단독 평면상에 있고 파일론으로부터 분지되어 회전가능하다. 또한 파일론 주위로 회전할 수 있도록 설치된다. 마찬가지로 각각의 로터 단위는 원하는 방위각(azimuth angle)(지지체 단위 주위의 각도)을 보유할 수 있다. 즉 모든 로터 단위는 각각 바람과 관련하여 원하는 위치로 보내질 수 있고 따라서 언제나 최적의 에너지 생산량이 달성된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 근해 풍력 발전 설비의 정면도,
도 2는 로터 단위의 조립 위치에서의 본 발명에 따른 풍력 발전 설비의 정면도,
도 3은 도 2의 풍력 발전 설비의 측면도,
도 4는 로터 단위의 조립시 도 3의 풍력 발전 설비를 나타낸다.
도 1은 파일론(2)과 3개의 로터 단위(3, 4 및 5)를 포함하는 근해 풍력 발전 설비의 정면도를 나타낸다. 각각의 로터 단위는 동일한 구조이다. 상기 로터 단위는 별 모양의 지지체(7)로 형성되고 파일론(2)의 첨부에 회전가능하게 설치된 지지체에 의해 수용된다. 이에 상응하는 회전 베어링(8) 및 편요(yaw) 베어링(9)이 기재되어 있고 이를 통해 전체 지지체가 파일론 주위로 선회(회전)할 수 있게 되어 있다. 지지체를 중심 지지축(10) 주위로 회전시키고 파일론 축에 대해 지지체를 이동시킬 수 있는 개별 구동장치는 도시되어 있지 않다. 상기 구동장치로는 모터 구동장치, 예컨대 적절한 출력을 갖도록 설계된 전기모터 구동장치가 사용될 수 있다.
각각의 로터 단위(3, 4 및 5)는 그에 부착된 블레이드를 갖는 로터를 포함하고 바람직하게는 또한 상기 로터에 부착된 제너레이터(미도시)를 포함한다. 구조적 설계가 예를 들면 에너콘(Enercon)사의 E-40 또는 E-66과 같은 통상의 풍력 발전 설비로부터 이미 공지되어 있다. 또한 각각의 로터 단위도 전체 로터 단위를 작동시키는 통상의 장치를 포함하고 로터의 블레이드(11)는 바람직하게는 바람에 대한 변형가능한 피치각(pitch angle)을 보유하며(피치 설정) 이를 위해 공지된 피치 조정자(미도시)가 사용된다.
각각의 로터 단위에 의해 생산된 전력은 각 로터에 특별히 지정된 변환기 시스템(converter system)을 통하여 또는 예를 들어 생산된 전력을 원하는 전압 수준으로 상승시키는 변압기에 특별히 지정된 중앙 변환기 시스템(변환기 시스템은 정류기, 중간 직류 전류 및 부하면에서의 인버터를 포함한다.)을 통하여 처리되거나 전달된다.
도 1에 도시된 바와 같은 지금까지 알려진 수단을 사용하여 풍력 발전 설비를 설치하는 경우 로터 단위의 각각의 부분이 크레인 선박을 사용하여 지지체의 첨단(tip end) 또는 그 위에 배치된 기계 하우스 위로 배열되어야 한다.
그러나 본 발명에 따른 풍력 발전 설비를 설치하기 위해 전체 지지체가 지지체의 중심축(10) 주위로 회전가능하여 지지암(도 2에 도시됨)이 6시 방향의 위치(즉 수면에 대해 아래방향으로 수직한 방향)로 이동된다. 따라서 지지암(7)의 첨단과 풍력 발전 설비에 조립되는 로터 단위를 운반하는 선박 사이의 거리를 최소로 할 수 있다.
전체 로터 단위는 적절한 기중수단을 사용함으로써 지지암의 말단에 게양되는 동안 인도될 수 있다. 이때 상기 기중수단은 바람직하게는 풍력 발전 설비 자체 내 또는 위에 설치되므로 선박의 크레인이 필요하지 않게 된다. 상기 기중수단은 내부가 비어있는 지지암(7)을 통해 공급되는 하나 또는 그 이상의 케이블을 갖는 적절한 형태의 케이블 당김 시스템(cable pull system)을 포함할 수 있다. 전체 로터 단위 또는 그 주요부분은 기중수단에 의해 선박으로부터 올려지거나 선박 위로 내려놓을 수 있다. 로터 단위가 지지암(7)에 설치되면 지지암이 회전할 수 있고(제 1차 로터 단위의 설치 후), 다음 차례의 지지암(7)이 6시 방향으로 위치할 때까지 그리고 계속해서 모든 로터 단위가 지지암에 설치될 때까지 지지암이 회전할 수 있다.
그 다음 전체 지지체 구조는 회전할 수 있고 그 결과 도 1에서 보는 바와 같이 각각의 로터 단위(3, 4, 5)가 모두 해수면으로부터 최대 높이에 이를 수 있다.
도 3에서 도 2의 장치의 측면도를 나타낸 바와 같이 부착된 지지암(8)을 갖는 지지체가 파일론(2)에서 분지되어 측면으로 동일 면에 위치하기 때문에 편요 베어링(9)에 의해 파일론 주위로 회전할 수 있음을 알 수 있다. 도 3에 케이블 당김 시스템 형태의 기중수단(13)이 기재되어 있다. 케이블 도르래(cable pulley block)는 지지체 내부에 설치되고 그 위를 지나는 케이블(13)은 로터 단위 (3, 4, 5) 또는 그 주요부분을 운반하기 위하여 내부가 빈(hollow) 지지암(7)을 통해 공급될 수 있다. 모든 지지암(7)이 각 케이블을 구비할 수 있다는 것은 원칙적으로 자명하지만 바람직하게는 지지체가 위치에 따라 내려올 수 있는 단독 케이블을 갖는 오직 하나의 단독 케이블 시스템만이 바람직하다.
도시된 예에서 개별 로터 단위(3, 4, 5)는 지지암(7)에 대해 스스로의 편요 베어링을 보유하고 있지 않은데 이는 모든 지지암(7)에 대한 편요 조정이 하나의 편요 베어링(9)으로 이루어짐을 의미한다. 그러나 필요한 경우 각 로터 단위(3, 4, 5)와 그 지지암(7) 사이의 접합부에 각자의 (공지의 풍력 발전 설비에서 기계 하우스와 파일론 사이의 편요 베어링 같은) 편요 베어링을 구비할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따라 설치된 풍력 발전 설비의 개략도를 나타낸다. 보조 캐리어(auxiliary carrier)(14)를 갖는 선박(14)은 로터 단위(3)를 수용한다. 기중수단이 상기 로터 단위(3)에 부착된 다음 전체 로터 단위(3)는 상방향으로 당겨지고 (필요한 경우 대략 원하는 각도로 회전하고) 그 다음 지지암(7)에 고정될 수 있다.
보수와 관련되거나 또는 다른 이유로 인해 전체 로터 단위 또는 그 주요부분을 정비할 필요가 있는 경우 전체 로터 단위(3) 또는 그 주요부분은 기중수단에 의해 보수 선박(14) 위로 놓을 수 있는데 상기 선박에서 실제 보수 작업이 수행되거나 또는 정비를 위해 필요한 요소를 육지로 운송할 수 있다.
로터 단위(3)가 보수 중 제거되어야 하는 경우에도 10시 방향과 2시 방향의 위치에 있는 두 개의 다른 로터 단위는 최대의 가능 전류 및 전력 생산이 보장되도록 계속 작동할 수 있다.
본 발명은 특히 대형 전력 생산량을 갖는 풍력 발전 설비의 경우, 즉 예컨대 전체 전력 생산량이 8 내지 30메가와트인 풍력 발전 설비를 사용하는 경우에 유리하게 사용될 수 있다.
예를 들어 각각의 개별 로터 단위가 4 내지 5메가와트의 전력 생산량을 갖는다면 본 발명에 따른 풍력 발전 설비는 12 내지 15메가와트의 총 전력 생산량을 갖게 된다.
상기 풍력 발전 설비의 작동 중 개별 로터 블레이드 첨부(tip) 간의 최소 간격이 해수면 위의 최소 높이, 예컨대 50m 이상으로 하는 것이 중요하다. 이는 정상 선박 운행에 대한 충돌을 방지한다.
그 크기로 인해 상기 기술된 풍력 발전 설비는 또한 종래의 풍력 발전 설비와 파일론에서보다 보수와 정비에 필요한 공간을 용이하게 제공할 수 있다는 장점이 있다. 근해의 풍력 발전 설비의 경우 단지 작동뿐만 아니라 적절한 인력에 의해 운전되어야 한다는 사실이 쉽게 간과된다. 상기 인력을 위해 방(공공용 방, 부엌, 침실, 작업실 등)과 같은 적절한 사회적 환경을 제공하여야 한다. 상기 시설은 상대적으로 작은 직경을 갖는 상대적으로 작은 파일론에서보다 매우 큰 파일론에서 이를 제공하기 쉽다.
단독 파일론의 비용은 (매우 크다 할지라도) 3개의 파일론을 설치하는 것보다 훨씬 저렴한데 이는 특히 각각의 개별 파일론이 개별적인 기반을 갖고 있어야 하고 각 파일론에 대해 동일한 기반(동일 깊이 등)이 근해 윈드 파크의 다양한 풍력 발전 설비에 대해 거의 제공될 수 없기 때문이다.
지지체의 안정성을 증진시키기 위해 지지암을 장력기(tensioner)를 사용하여 상호 연결시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 회전 가능하게 설치된 지지체를 수용한 파일론을 가지는 풍력 발전 설비에 있어서, 상기 지지체는 지지암을 포함하고 상기 지지암에 의하여 파일론으로부터 분리되어 동일면에 있는 로터 단위를 수용하며, 상기 지지체는 적어도 하나의 로터 단위가 지지체의 회전에 의하여 (파일론의 첨부를 기준으로) 가장 낮은 지점에 위치할 수 있도록 위치하고, 적어도 하나의 로터 단위가 지지암으로부터 탈착되게 하기 위하여 지지암으로부터 내려오게 하거나 지지암으로 부착되게 하기 위하여 지지암으로 당겨지게 하는 기중 단위 또는 현수하강 단위 또는 이 둘 모두를 구비하되, 상기 기중 단위 또는 현수하강 단위 또는 이 둘 모두는 지지체 내부에 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지지체는 별 모양으로 3개의 지지암을 보유하며, 상기 3개의 지지암은 회전 베어링에 배치되고 상호 동일한 각도(120°)로 간격이 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    현수하강 단위 또는 기중 단위 또는 이 둘 모두가 적어도 하나의 편향 롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  7. 제 1항, 제 2항 및 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    현수하강 또는 기중 단위 또는 이 둘 모두가 케이블 당김 시스템을 포함하고 적어도 하나의 지지암은 로터 단위를 내리거나 올릴 때 상기 케이블이 지지암의 내부를 통과하도록 내부가 비어있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1항, 제 2항 및 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    로터 단위가 로터에 부착된 로터 블레이드를 포함하고 로터에 연결되고 로터의 회전에 의해 구동되는 적어도 하나의 제너레이터를 포함하는 기계 하우스에 상기 로터가 연결된 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  12. 제 1항, 제 2항 및 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    지지체의 회전을 위한 구동장치가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 로터 단위의 설치 중에 적어도 하나의 지지암이 먼저 지지암의 말단이 파일론의 첨부 아래인 위치로 이동한 후 로터 단위가 지지암의 말단으로 인도되어 그곳에서 고정되고 그 다음 상기 지지암이 미리 정하여진 작동 위치로 선회하는 것을 특징으로 하는 제 1항, 제 2항 및 제 6항 중 어느 한 항에 따른 풍력 발전 설비를 설치하는 방법.
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