KR20190010623A - 모듈식 풍력 터빈 - Google Patents

Abstract

타워(20); 로터(32), 로터 베어링(34), 바람직하게 구동부(36) 및 발전기(38)를 포함하는 구동 트레인(40); 그 종축이 타워(20)의 종축에 대해 대각선으로 연장되며, 실린더 내 이의 한 측면 상에 구동 트레인(30) 섹션을 수용하는 실린더(40); 및 이의 다른 측면 상에 실린더를 폐쇄하는 돔(50)을 가지는 풍력 터빈(10)으로서, 상기 구동 트레인(30)은 로터(32)의 반대 측면에 위치된 이의 전방 측면과 이의 외측 영역 사이에 냉각 공기를 제공하는 수단을 포함하며, 상기 실린더(40)는 바람직하게 동심원상으로 배치된 내부 실린더(42)를 포함하고, 상기 실린더(40)의 내부는 외부 실린더 영역(44) 및 내부 실린더 영역(46)으로 분할되며, 상기 돔(50)은 공기/공기/열 교환기로서 구성되고, 상기 내부 실린더(42)는, 폐쇄 냉각 회로를 형성하도록, 로터(32)의 반대 측면에 위치된 구동 트레인(30)의 전방 측면 및 돔(50)에 연통하는 방식으로 부착된다.

Description

모듈식 풍력 터빈

본 발명은 타워(tower); 로터(rotor), 로터 베어링(rotor bearing), 선택적으로 구동부(drive) 및 발전기(generator)를 포함하는 구동 트레인(power train); 그 종축이 타워의 종축에 대해 대각선으로 연장되며, 실린더의 일측에 구동 트레인의 섹션을 수용하는 실린더(cylinder); 및 실린더의 타측에 실린더를 폐쇄하는 돔(dome)을 가지는 풍력 터빈(wind turbine)에 관한 것이다.

이러한 풍력 터빈은, 예를 들어, US 4,527,072 A으로부터 공지되어 있으며, 이러한 구조의 근간을 이루는 아이디어는 모듈식 구조 및 구동 트레인 구성 요소를 타워에 장착시키는 간단한 방법을 통해 교체가 용이하도록 하여, 수리에 필요한 가동 중단 시간을 줄이는 것이다.

하지만, 이러한 구성으로 인한 단점은, 시스템의 구동 트레인이 최종 조립될 때까지 완료될 수 없어, 시스템이 구축된 이후까지 시험할 수 없다는 점이다. 게다가, 상기 선행 기술은 구동 트레인의 수동 냉각만을 제공하여, 현대의 시스템에는 불충분하다.

일반적으로, 풍력 터빈은, 로터 베어링, 구동부, 클러치, 및 발전기와 같은 주된 구성 요소가 그 아래에 배치된 메인프레임에 직렬로 배치되는 별개의 구조 방법을 사용한다. 그래서, 구동부와 제동부를 가지는 수직 피벗 베어링이 수동 피벗 베어링(pivot bearing)에 배치된다. 구동부를 가지지 않는 직접 구동 발전기에서, 메인프레임은 발전기 고정자에 견고하게 부착되어 발전기 뒤에 배치된다. 추가의 구성 요소, 예컨대 윤활 시스템, 냉각 및 전기 장비가 메인프레임에 장착되며, 보통 피복(cladding)에 의해 날씨의 영향으로부터 보호된다. 이러한 구조물의 하나의 예가 EP 0 821 161 B1에 제공된다.

하지만, 구성 요소를 통합하고, 하중 전달을 위해 구동부 및 발전기의 하우징을 사용하는 구동 트레인 구조물이 존재한다. 여기서, 이러한 구동 트레인은 완충 빔(buffer beam)에 부착되어, 수직 베어링을 통해 로터 하중을 타워로 전달할 수 있다. 하나의 예가 WO 2008/113318 A2에 기재되어 있다. 전체적으로 컴팩트한 구조로 인해, 필요한 냉각기 요소는 완충 빔의 외부에 배치되고, 베어링 구조를 통해 상기 완충 빔에 부착되어야 한다.

또 다른 배열에서, 구동부 및 발전기는 주조 금속 하우징에 설치되고 매우 컴팩트하게 설계된다. 이러한 구성은, 예를 들어, EP 0 811 764 B1에서 볼 수 있다. 유압, 냉각, 등과 같은 2차 구성 요소는, 피벗 베어링 또는 나셀 피복(nacelle cladding)에 별도로 장착된다.

그러므로 이러한 구조는 건설, 유지 보수, 및 수리에 상당한 양의 작업과 시간을 필요로 하며, 이는 불안정한 기상 조건 및 전체적으로 어려운 작업 조건으로 인해 해상 풍력 터빈에 특히 부정적인 영향을 미친다.

따라서, 본 발명의 목적은 설치 및 유지 보수가 빠르며 용이한, 컴팩트한 풍력 터빈을 제조하는 것이며, 특히 활성 냉각 시스템은 구동 트레인 구성 요소로부터의 열 손실을 충분하게 소산시키도록 제공되어야 한다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구항 1의 특징을 가지는 풍력 터빈에 의해 해결된다. 종속항은 본 발명의 유리한 실시형태를 설명한다.

본 발명에 기본 아이디어는 US 4,527,072 A에 따라 선행 기술에서 공지된 “제거 가능한(removable)” 부분을 추가로 개발하여, 기능적인 구동 트레인을 수용하기 위해 제공되는 부품에 기능적인 구동 트레인이 삽입될 수 있도록 하며, 구동 트레인 및 수용부의 조합에 의해 폐쇄된 냉각 공기 회로가 생성되는 것이다.

그러므로 본 발명의 목적은, 매우 컴팩트하고 가볍고, 이에 따라 비용-효과적이며, 로터, 로터 베어링, 선택적으로 구동부 및 발전기를 포함하는 구동 트레인을 설계하는 것이며, 외부 하중은 이러한 구성 요소에 의해 전달되지 않지만, 이러한 구동 트레인은 실린더 내로, 예를 들어, 베어링 강관(steel pipe) 내로 단위체로서 삽입되고, 그 전방이 로터 베어링에 부착되어, 하중이 상기 강관을 통해 베어링 구조, 즉, 타워로 전달될 수 있다.

하나의 구동부가 존재하는 경우, 구동부는 외부 하중에 아주 약간 영향을 받지만, 발전기는 이에 의한 영향을 전혀 받지 않는다.

구동 트레인 단위와 실린더 사이는 바람직하게 로터 베어링의 외부 링의 고정 나사를 사용하여 연결된다. 발전기의 전방 측면은 구동부 또는 로터 베어링의 후면 패널 덮개에 직접 장착되어, 구동부 또는 로터 베어링의 변형 시에도 발전기는 임의의 내부 하중 없이 자유롭게 작동할 수 있다.

설명의 나머지 부분에서, 본 발명이 구동부가 없는 풍력 터빈에도 사용될 수 있더라도, 구동 트레인은 발전기를 포함하는 것으로 가정한다.

실린더는 간단하게, 원통형으로 압연된 강관으로서, 이의 헤드 단부의 플랜지(flange)가 로터 베어링 연결부를 향하도록 구성될 수 있다. 그러므로 복잡한 (재)가공을 통한 복수의 시트, 또는 복잡한 주조로 제조된 기하학적으로 복잡한 용접 구조물은 필요하지 않다.

하지만, 실린더는 직사각형 또는 육각형과 같은 상이한 형상의 베이스를 가질 수 있다. 실린더의 종축은 타워의 종축에 대해 대각선으로 배치된다; 즉, 타워의 종축에 대해 수직으로 배치될 수 있거나, 특히, 수직축으로부터 종축에 대해 0° 내지 30° 벗어난다.

게다가, 발전기 및 구동부는 본 발명에 따른 풍력 터빈에서 외부 공기로 냉각된 공기/공기-열 교환기를 통해 냉각되며, 이러한 열 교환기는 구동 트레인 단위의 반대 측면에 위치한 실린더의 단부에 배치된다. 내부 냉각 공기 흐름은, 공기가 흐르는 발전기의 고정자 및/또는 로터를 통해 발전기로부터 열 손실을 직접적으로 흡수한다. 구동부로부터의 열 손실은, 발전기로부터의 업스트림 또는 바람직하게 다운스트림으로부터, 바람직하게 오일/공기 열 교환기를 통해 이러한 내부 공기 흐름으로도 유도된다. 내부 공기 흐름은 바람직하게 먼저 실린더의 외부를 따라, 즉, 실린더의 내벽과 내부 실린더의 외벽 사이의 공간으로 흘러, 고온 수준에서 실린더의 벽을 냉각 목적을 위해 사용할 수 있도록 한다. 이후 외부 공기 흐름의 외부에 위치하는 돔에 의해 형성된 공기/공기-판형 열 교환기를 통해 공기가 흐른다.

그러므로 실린더 및 내부 실린더는 중공 실린더로서 구성된다.

실린더 및 돔은, 특히, 나사로 함께 고정되는 별개의 요소로서 형성된다. 특히, 실린더가 돔 섹션을 수용하여, 끝이 좁은(tapered) 돔 섹션이 실린더 내로 삽입될 수 있도록 제공될 수 있다.

바람직하게, 전체 시스템은 다운윈드 터빈(downwind turbine)으로서 구성되어, 돔에 의해 형성된 판형 열 교환기가 공기 흐름에 대해 연장되고, 따라서 공기 흐름의 공급 공기 내에 직접적으로 위치한다.

판형 열 교환기는 내부 실린더 주위에 방사형으로 배치되며, 택일적으로 내부 실린더에 투과성이거나 또는 외부 냉각 흐름에 대해 폐쇄형으로 구성된, 얇고, 바람직하게 스테인리스-스틸 시트로 이루어진다(본 명세서에서 “중앙 내부 공기 도관”으로도 지칭된다). 이러한 방식으로, 내부 냉각 공기 흐름은 두 개의 시트 사이의 내부 실린더를 향하게 된다. 외부 공기는 내부로부터 외부로 열을 방출하기 위해 두 시트 사이를 스위핑(sweep)할 수 있다.

내부 실린더는, 상기 실린더에 대한 설명과 같이, 원형 베이스를 가지는 원형 실린더로서의 구성을 벗어나, 상이한 베이스 형상, 예를 들어 직사각형 또는 육각형을 가질 수 있다.

전력의 대략 3%의 열 손실을 분산시키기 위해서는, 여러 쌍의 금속 시트가 필요하다. 냉각 시트의 전체 표면은 계획된 출력, 효율 수준, 외부 온도 조건, 및 허용된 최대 내부 온도에 따라 달라진다.

이러한 냉각 장치는 외부로부터 조립체로서 실린더 내로 주입될 수 있으며, 바람직하게 플랜지 연결부를 통해 실린더에 부착된다. 하지만, 먼저, 적당한 공기 흐름을 가지는 내부 실린더 및 구동부 오일뿐만 아니라 하나 이상의 팬을 냉각시켜 공기를 순환시키는 오일/공기 냉각 시스템이 실린더에 먼저 설치된다.

전체 어셈블리는, 예를 들어, 풍력 공급 시스템이 나셀에 요구되지 않는 부유식 풍력 터빈의 경우에 특히 바람직하다. 상기 경우에, 실린더는 타워 또는 베어링 구조에 직접 부착될 수 있다.

이러한 구성은 매우 가볍고 컴팩트할뿐만 아니라, 외부 하중이 구동부 및 발전기로부터 멀리 떨어져 있지만, 폐쇄 냉각 회로를 또한 형성하여, 외부 공기로부터 밀폐식으로 폐쇄된다. 이는 해상 시스템에 특히 요구된다.

그러므로 본 발명은 타워(tower); 로터(rotor), 로터 베어링(rotor bearing), 바람직하게 구동부(drive) 및 발전기(generator)를 포함하는 구동 트레인; 그 종축이 타워의 종축에 대해 대각선으로 연장되며, 실린더 내 이의 한 측면 상에 구동 트레인 섹션을 수용하는 실린더(cylinder); 및 이의 다른 측면 상에 실린더를 폐쇄하는 돔(dome)을 가지는 풍력 터빈(wind turbine)에 관한 것이며, 상기 구동 트레인은 로터의 반대 측면에 위치된 이의 전방 측면과 이의 외측 영역 사이에 냉각 공기를 제공하는 수단을 포함하며, 상기 실린더는 바람직하게 동심원상으로 배치된 내부 실린더를 포함하고, 상기 실린더의 내부는 외부 실린더 영역 및 내부 실린더 영역으로 분할되며, 상기 돔은 공기/공기/열 교환기로서 구성되고, 상기 내부 실린더는, 폐쇄 냉각 회로를 형성하도록, 로터의 반대 측면에 위치된 구동 트레인의 전방 측면 및 돔과 연통하는 방식으로 부착된다.

바람직하게, 상기 실린더는 타워에 회전 가능하도록 고정된다. 특히 바람직한 실시형태에서, 타워는 렌즈 형상(lens-shaped) 내지 물방울 형상(drop-shaped)의 단면을 가져, 바람의 공급을 지지한다.

특히, 내부 실린더의 단면 영역은 실린더 영역의 단면 영역에 거의 일치하므로, 냉각 시스템을 통해 일관된 공기 흐름 및/또는 공기 흐름 속도가 달성된다.

또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 내부 실린더는 구동 트레인 방향으로 원추형으로 확장된 섹션을 포함한다. 이러한 섹션은 내부 실린더를 구동 트레인, 특히 발전기에 장착하기 더욱 쉽도록 만들어, 이의 후면에 정류기(flow straightener)와 같이 냉각을 필요로 하는 추가의 구성 요소가 배치될 수 있다.

게다가, 내부 실린더는 로터의 반대 측면에 위치된 구동 트레인의 전방 측면, 즉, 발전기의 후방 벽을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 목적을 위해, 발전기의 외부 직경이 구동부의 외부 직경보다 작은 것이 바람직할 것이다.

구동부의 외부 직경은 실린더의 외부 직경과 거의 일치한다.

공기 순환은 발전기 자체의 팬에 의해 형성될 수 있다. 하지만, 팬은 내부 실린더에 배치되는 것이 특히 바람직하다. 택일적으로 또는 부가적으로, 하나 이상의 팬이 실린더 영역에 또한 제공될 수 있다.

마지막으로, 상기 언급된 바와 같이, 풍력 시스템은 다운윈드 터빈으로서 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 첨부된 도면에 또한 나타낸 특히 바람직한 예시적인 실시형태를 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 특히 바람직한 구성을 가지는 풍력 터빈의 개략적인 측면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 제공된 풍력 터빈의 분해도를 나타낸다.
도 3은 도 1의 풍력 터빈의 측단면도를 나타낸다.
도 4는 도 1의 풍력 터빈의 측단면도를 개략적으로 나타낸 공기 흐름과 함께 나타낸다.
도 5는 특히 바람직한 구성을 가지는 부유식 해상 풍력 터빈의 전체 투시도를 나타낸다.
도 6은 특히 바람직한 구성을 가지는 또 다른 부유식 해상 풍력 터빈의 전체 투시도를 나타낸다.
도 7은 도 6에 제공된 풍력 터빈의 하나의 로터 영역의 상세도를 나타낸다.

도 1은 특히 바람직한 구성을 가지는 풍력 터빈의 개략적인 측면도를 나타낸다.

풍력 터빈(10)은 타워(20)와 타워의 상부 면에 배치된 실린더(40)를 포함하며, 실린더는 이의 종축이 대각선으로, 상기 실시예에서는 타워(20)의 종축으로부터 대략 80°의 경사각으로 연장되며, 이러한 풍력 터빈은 구동 트레인(30)을 수용하며, 여기서 로터(32), 로터 베어링(34), 및 구동부(36)는 가시적이다.

구동 트레인(30)의 반대쪽에는, 실린더(40)를 폐쇄하는 돔(50)이 제공된다. 이는 공기/공기-열 교환기로서 구성되며, 이의 외부 냉각 핀은 명확하게 가시적이다.

도 1에 나타낸 풍력 터빈은, 특히, 부유식 하향 풍력 터빈으로 구성되며, 이에 의해 실린더(40)는 타워(20)에 견고하게 부착되어, 결과적으로, 부유식 기반에 고정된다. 이러한 목적을 위해, 특히, 타워(20)에는 부착되지 않지만, 실린더(40)에는 부착되는 고정부가 제공된다.

도 2는 도 1에 제공된 풍력 터빈의 분해도를 나타낸다.

상기 도면은, 기능적이며 특히 이전에 시험되는 구동 트레인(30)은 로터(32), 로터 베어링(34), 구동부(36), 및 발전기(38)를 포함하며, 실린더(40)의 하나의 측면에 기능적 장치로서 삽입될 수 있고, 실린더(40)의 다른 면은 돔(50)에 의해 커버되는 것을 명확하게 나타낸다.

여기서, 타워(20), 구동 트레인(30), 실린더(40), 및 돔(50)은, 구성 요소들이 결합될 때, 환경과 물질 교환에 관여하지 않는 폐쇄된 공간이 형성되도록 구성된다.

도 2는 또한 실린더(40)에 대해 동심원상으로 배치된 내부 실린더(42)가 실린더(40) 내에 제공되며, 이는 실린더(40)의 내부를 외부 실린더 영역(44) 및 내부 실린더 영역(46)으로 분할하는 것을 나타낸다. 내부 실린더(42)는, 특히, 실린더(40)의 내부 벽을 내부 실린더(42)의 외부 벽과 연결하는 방사형 지지 구조체를 통해, 실린더(40)에 부착된다.

도 3은 구동 트레인(30), 실린더(40) 사이, 특히 내부 실린더(42), 돔(50) 사이의 기능적 상호 작용이 명확하도록 풍력 터빈(10)의 측단면도를 나타낸다.

로터(32)의 반대 측면에 위치된 구동 트레인의 전방 측면, 즉, 발전기(38)의 후방 벽이, 내부 실린더(42)의 하나의 측면에 포함되어, 구동 트레인(30)의 전방 측면이 오직 내부 실린더 영역(46)과 연통하며 (외부) 실린더 영역(44)과는 직접적으로 연통하지 않도록, 내부 실린더(42)가 구성된다.

한편, 내부 실린더(42)는, 공기/공기-열 교환기로서 구성된 돔(50)의 전도성 구조체와 연통하여 구동 트레인(30)과 돔(50) 사이에 폐쇄된 냉각 시스템이 생성되도록 연결되며, 이러한 시스템은 돔(50)에서부터 내부 실린더 영역(46)을 통해 구동 트레인(30)까지, 및 구동 트레인(30)으로부터 실린더 영역(44)을 통해 돔(50)까지 연장된다.

이러한 냉각 시스템은 도 4에서 화살표로 도시된다. 내부 냉각 시스템은 완전히 폐쇄되어 있다. 돔(50)에서, 열 손실은 역류로서 돔(50)을 통과한 외기로 소산된다.

마지막으로, 도 5는 부유식 기반 상에 배치된 타워(20)를 가지는, 특수 구성된 부유식 풍력 터빈(10)의 사시도를 나타낸다. 타워(20)는, 이의 상부 면에 타워(20)와 회전 가능하게 고정된 실린더(40)를 가지며, 타워(20)는 실린더(40) 상에 배치된 부착 지점을 통해 기반 상에 고정된다.

부유식 풍력 터빈(10)은 특히 하향 풍력 터빈으로서 구성되며, 타워(20)는 적어도 풍력 공급을 지지하는 횡단면을 포함한다.

구동 트레인(30)은 예시적인 실시형태에서 나타난 2-블레이드형 로터를 포함하며, 상기 설명된 바와 같이 실린더(40) 내에 수용되며, 실린더(40)는 구동 트레인(30)의 반대 측면에 위치된 돔(50)에 의해 폐쇄된다.

도 6은 부유식 기반 상에 배치된 타워(20)를 가지는, 특수 구성된 부유식 풍력 터빈(10)의 또 다른 예시적인 실시형태를 나타낸다. 타워(20)는 수직으로 나뉘며, 이러한 섹션으로부터 두 갈래로 나누어진 방식으로 분지된 두 개의 암(arm)을 가진다. 암의 단부에, 회전 가능하게 고정된 실린더(40)가 배치된다.

이러한 실린더(40) 각각은 하나의 구동 트레인(30)을 수용하여, 총 두 개의 구동 트레인(30)을 포함하는 부유식 풍력 터빈(10)이 생성된다. 이러한 접근법은, 개별 구성 요소가 매우 작은 규모를 가져 부유식 기반 상에서 더 나은 하중 분포를 용이하게 하는 전체 고출력 터빈의 구성에 특히 바람직하다.

마지막으로, 도 7은 구동 트레인(30) 영역의 고정부의 세부 사항을 나타낸다. 이는 고정 로프가 부력 튜브(40)에 부착되어, 전체적으로 부유식 풍력 터빈(10)의 안정성을 해치지 않고 구동 트레인(30)이 교체될 수 있음을 명확하게 보여준다.

Claims (10)

1. 타워(20, tower);
   로터(32, rotor), 로터 베어링(34, rotor bearing), 바람직하게 구동부(36, drive), 및 발전기(38, generator)를 포함하는, 구동 트레인(30, power train);
   그 종축이 타워(20)의 종축에 대해 경사지게 연장되는 실린더(40, cylinder)로서, 실린더(40)의 일측에 구동 트레인(30)의 섹션들을 수용하는 실린더(40); 및
   실린더의 타측에 실린더(40)를 폐쇄하는 돔(50, dome)
   을 가지며,
   구동 트레인(30)은 로터(32)의 반대측에 위치한 전방측과 횡측 영역 사이에 냉각 공기를 제공하는 수단을 포함하고,
   실린더(40)는 실린더(40)의 내부를 외부 실린더 영역(44, outer cylinder space)과 내부 실린더 영역(46, inner cylinder space)으로 분할하는 내부 실린더(42, inner cylinder)를 수용하며,
   돔(50)은 공기/공기-열 교환기로서 구성되고,
   이에 의해, 폐쇄된 냉각 시스템을 형성하는 내부 실린더(42)는, 로터(32)의 반대측에 위치된 구동 트레인(30)의 전방측과 돔(50)을 연통하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈(10).
2. 청구항 1에 있어서,
   실린더(40)는 타워(20)에 회전 가능하게 부착된 것을 특징으로 하는 풍력 터빈(10).
3. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
   실린더(40)와 내부 실린더(42)는 서로 동심원상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈(10).
4. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
   내부 실린더(42)의 단면적은 공간의 단면적과 대응하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈(10).
5. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
   내부 실린더(42)는 구동 트레인(30)의 방향에서 원추형으로 넓어지는 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈(10).
6. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
   내부 실린더(42)는 로터(32)의 반대측에 위치된 구동 트레인(30)의 전방측을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈(10).
7. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
   발전기(38)의 외경은 구동부(36)의 외경보다 작은 것을 특징으로 하는 풍력 터빈(10).
8. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
   구동부(36)의 외경은 실린더(40)의 외경과 대응하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈(10).
9. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
   팬(48, fan)이 내부 실린더(42) 내에 및/또는 실린더 영역(44) 내에 배치된 것을 특징으로 하는 풍력 터빈(10).
10. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    풍력 터빈(10)은 다운윈드 시스템으로서 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈(10).

Images