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1. KR1020060008893 - WIND POWER STATION

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[ KO ]
명 세 서
풍력 발전소{Wind power station}
기 술 분 야
본 발명은 부유 풍력 발전소 타워용 장치에 관한 것으로서, 타워가 직접적으로 또는 텐션 레그(tension leg)를 통하여 해저에 고정되어 있는 상태에서 타워의 유효 중심(effective center of gravity)이 그 부력 중심 아래에 있는 부유 풍력 발전소용 타워용 장치에 관한 것이다.
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
주어진 시간에서 풍력 발전소의 유효 중심(重心)은 발전소의 전체 중량과 형상, 앵커 시스템의 하중, 형상 및 그로부터의 장력의 영향에 의하여 결정된다. 이는 유효 중심의 위치가 밸러스트(ballast)와 앵커 시스템으로부터의 장력의 다양한 조합에 의하여 유지될 수 있다는, 즉 감소된 밸러스트가 앵커 시스템으로부터의 증가된 장력에 의하여 오프셋(offset)될 수 있다는 것을 의미한다. 특히, 본 발명은 타워를 비틀림 방지 기초에 연결하는 거의 수직인 쉬벨 조인트/로타리 조인트에 관한 것으로서, 회전축의 방향은 로터(rotor)를 통과하는 축을 관통하는 수직선으로부터 다소 이탈될 수 있다. 로터 하우징은 비틀림 방지 방식으로 타워의 상부에 연결된다. 쉬벨 조인트의 축 방향은 로터에 대한 풍력이 타워로 토크를 공급하는 것을 보장하며, 타워는 바람 방향에 대하여 로터를 항상 유리한 위치에 유지시킨다. 이 효과의 결과로서, 타워를 통과한 중심축 및 로터를 통과한 중심축과 일치하는 평면에서 최대 굽힘 응력이 발생한다는 점에서, 타워의 설계가 최적화될 수 있다.
유효 중심이 타워의 부력 중심 아래에 있는 상태에서 떠있는 풍력 발전소가 수직으로 떠있고 타워가 직접적으로 또는 텐션 레그를 통하여 해저에 고정되는 경우, 타워는 큰 굽힘 모먼트를 받게될 것이다. 충분한 안정성을 얻기 위하여, 이러한 종류의 타워는 지상에 위치한 유사한 일반적인 타워보다 대략 2배 정도의 높이가 될 것이다.
굽힘 모먼트는 구조체 상에서의 파도의 영향과 타워 상단에서의 풍력 발전기 로터에 대한 풍력 때문에 발생한다. 풍력으로 인하여 타워가 기울어질 때, 수직으로 상향 작용하는 부력의 영향은 수면으로부터 타워가 정부력 (positive buoyance)을 갖는 위치까지의 전체 영역에서 타워를 위한 유연한 지지체로 작용할 것이다. 따라서, 유효 레버 아암은 기초가 육지 상에 있어 더 짧은 전체 타워 길이를 갖는 는 유사한 타워의 경우보다 더 길 것이다. 또한, 바다에서 발견된 더 큰 평균 풍속을 이용하고자 한다면, 타워에서의 굽힘 모먼트는 육지에서의 대응 타워를 위한 것보다 더 클 것이다.
풍력을 받을 때 타워가 기울어지기 때문에 로터의 축이 거의 수평을 유지하는 것을 보장하기 위하여 로터를 타워에 대하여 90도 이외의 각도로 설정하는 것이 바람직하다. 이는 로터가 타워의 바람이 불어오는 쪽에 위치할 때 로터 블레이드가 타워에 부딪힐 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 로터를 타워에서 바람이 불어가는 쪽에 위치시킬 수 있는 것이 바람직하다. 그러나, 이는 블레이드가 6시 위치를 통과할 때마다 로터 블레이드들이 타워 후방의 샤도우 영역(shadow area)을 통과한다는 단점을 야기하며, 이는 블레이드에 대한 풍압의 급격한 변화를 낳게 되며, 따라서 실질적인 피로 응력을 야기한다.
로터의 축이 타워에 대하여 90도 이외의 각도로 경사져 타워 상에 위치한다면, 위에 설명한 바와 같이 로터로부터의 (풍력 발전소 발전기에서 에너지로 변환되는) 토크는 또한 타워 전체에 하향 토크로서 부분적으로 전달될 것이다. 해저에 비회전적으로 고정되지 않는다면, 이는 풍력 발전소가 바람으로부터 틀어지게 되는 경향을 갖게 할 것이다. 풍력 발전소가 비회전 방법으로 적절한 위치에 유지된다면, 기계실과 타워 사이에 설치된 풍력 발전소의 방향성 모터들 또는 브레이크들에 의하여 다소 일정한 토크가 다루어져야 할 것이다.
발명의 상세한 설명
본 발명의 목적은 선행 기술의 단점을 제거하기 위한 것이다.
이러한 목적은 하기 설명 및 뒤이은 청구범위 내에 개시된 특징들에 의하여 달성된다.
본 발명은 위에 설명한 바와 같이 바람에 대하여 방향을 유지시키기 위하여 부유 풍력 발전소의 장치들 중 하나를 풍력 발전소 타워의 상부로부터 그 하부로 이동시키는 것에 기초한다. 타워의 쉬벨 조인트는 타워의 하부에 장착되며, 쉬벨 조인트는 본질적으로 수직인 중심축을 가지며 풍력 발전소 로터를 통과하는 중심축에 대한 수직선과 본질적으로 일치한다. 풍력 발전소 로터, 기어 하우징 및 발전기 또는 기어 하우징과 타워 상의 하부에 위치한 발전기로 동력을 전달하는 전달 장치를 포함하는 기계실은 풍력 발전소 타워에 비회전적으로 연결된다.
타워의 하부는 해저 또는 해저에 고정된 텐션 레그(이후, "앵커 시스템"이라 칭함)에 고정된다. 타워와 앵커 시스템 간의 연결부는 선행 기술에 따른, 자유롭게 굽힘 가능한 비틀림 방지 조인트(유니버설 조인트)로 이루어진다.
다음에서는,
a) 풍력 발전소의 로터를 통과한 중심축을 로터 회전축으로 칭한다.
b) 풍력 발전소의 쉬벨 조인트를 통과한 중심축을 타워 회전축으로 칭한다.
타워 전체가 기계실과 로터와 함께 바람을 향한다는 점에서 풍력 발전소의 회전 장치의 위치는 바람이 항상 타워의 동일한 부분으로부터 불어 온다는 것을 의미한다. 이는 타워가 명확하게 한정된 방향으로부터 가장 큰 응력을 받을 때 타워가 어떻게 구축될 수 있는지에 대한 영향을 갖는다.
조류 및 파도에 의하여 타워에 가해지는 힘의 작용 합성점이 타워 회전축 내에 있을 때, 타워는 조류 및 바람으로부터의 힘에 의하여 회전되지 않을 것이다. 따라서 원형 횡단면과 직선형 중심축을 갖는 타워를 위해서는, 타워가 조류와 파도에 의하여 회전되는 것을 방지하기 위하여 타워 회전축과 타워 중심축은 일치해야만 하는 것이 유리하다.
로터의 토크는 발전기로 전달된다. 이것이 타워의 안정성에 어떻게 영향을 미치는지는 타워 회전축에 대한 로터 회전축의 방향에 좌우된다. 2가지 다른 상황이 존재한다.
a) 로터 회전축이 타워 회전축에 대해 수직이다:
토크는 굽힘 모먼트로서 타워로 전달된다.
b) 로터 회전축이 타워 회전축에 대해 수직이 아니다:
토크는 굽힘 모먼트로서 타워로 부분적으로 전달되며, 토크로서 타워 회전축 주위에 부분적으로 전달된다.
힘의 작용 공통점이 타워 회전축과 일치하지 않는다면, 블레이드에 대한 전체 풍력이 타워 회전축 주변의 타워에 토크를 가하기 때문에 타워는 또한 로터 블레이드에 대한 풍력에 영향을 받는다. 만일, 바람 방향에서 볼 때 작용점이 타워 회전축 전방에 있다면, 풍력은 타워를 회전시키려고 할 것이며, 따라서 로터는 반대 부분, 즉 타워에서 바람불어가는 쪽에 위치한다.
결과적으로, 타워와 그 로터가 바람에 대하여 어떻게 향하게 되는지를 제어하기 위하여 타워 회전축의 방향이 이용된다. 따라서, 타워가 바람에 의해 일정하게 회전한다는 사실은 재료 소비, 하중 및 부유 풍력 발전소 타워 구축 비용에 관해서는 큰 장점이 얻어진다는 것을 의미한다.
풍력 발전소 타워를 위한 가장 중요한 설계 사항은 사실 로터, 기계실 및 타워에 대한 풍압에 의하여 야기되는 바람 방향으로의 굽힘 응력이다. 회전하는 기계실을 갖는 일반적인 타워를 위해서는, 타워는 모든 방향으로부터의 풍압을 위한 규격으로 이루어져야만 한다. 바람으로 회전하는 타워의 이용은 타워가 단지 한 방향으로의 가장 큰 힘을 흡수하기 위하여 구축되는 것을 허용할 것이다.
로터의 전방에서, 즉 로터 상에서의 풍력의 작용점의 중심 앞에서 타워 회전축이 로터 회전축을 가로지른다면, 기계실과 타워가 로터 뒤에 있는 곳에서 로터의 방향으로 볼 때, 타워는 타워의 바람불어오는 쪽에서 로터와 함께 바람을 향하게 된 상태를 유지할 것이다.
로터의 후방, 즉 로터 상에서의 풍력의 작용점 중심 뒤에서 타워 회전축이 로터 회전축을 가로지른다면, 기계실과 타워가 로터 뒤에 있는 곳에서 로터의 방향으로 볼 때, 타워는 바람에 의해 회전된 상태를 유지할 것이며, 따라서 로터는 타워의 바람불어 가는 쪽에 있게 된다.
상기 회전축들의 교차부가 로터에 근접할 때, 타워의 회전 안정도는 작아질 것이다. 교차부와 로터 사이의 거리가 증가할수록 회전 안정도가 증가한다.
동작 중에 로터 회전축이 필연적으로 수평 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 타워에 대한 풍력 때문에 타워는 바람 방향으로 기울어질 것이다. 강풍 속에서 블레이드가 타워를 가격하는 것을 방지하기 위하여 타워와 로터 블레이드의 외측 종단 사이에 특정 거리를 유지하는 것이 또한 바람직하다. 상기 2개의 요소들 중 하나의 결과는 타워에서 바람불어 가는 쪽에 로터를 유지하는 것이 유리하다는 것이다. 따라서 타워 회전축은 유리하게 위치되며, 따라서 로터 후방에서 기계실과 타워와 함께 로터의 방향에서 볼 때 타워 회전축은 로터 후방에서 로터 회전축과 교차한다.
바람 방향 및/또는 파도 방향과 일치하는 평면에 주로 작용하는 굽힘 응력을 흡수하기에 적합한 브레이싱(bracing)/로드(rods)가 타워의 바람불어 오는 부분에 구비된다. 하나 이상의 텐션 로드를 바람직하게는 타워의 중앙부 근처에서 또는 타워의 굽힘 모먼트가 가장 큰 부분에서 하나 이상의 아우트리거(outrigger)를 통하여 타워의 상부로부터 타워의 하부에 연결함으로써 브레이싱/로드가 만들어질 수 있다.
타워에서 바람불어 가는 쪽에서의 난류를 방지 또는 최소화하기 위하여 타워의 상부는 유리하게는 공기 역학적인 프로파일을 갖는다. 따라서, 로터 블레이드가 타워에서 바람불어 가는 쪽을 통과할 때마다 로터 블레이드가 감소된 풍압의 영향을 받는다는 점에서 불리한 점은 감소된다. 이러한 방법으로 블레이드 상의 부하 변화가 최소화되는 만큼 피로 응력의 위험성이 줄어든다.
타워가 바람에 의해 충분히 빠르게 회전함이 없이 바람의 방향이 짧은 시간 동안 변한다면, 바람은 타워 상에 실질적인 측방향 힘을 가할 수 있으며 타워 후방에서 난류를 형성할 수 있다. 이러한 현상을 억제하기 위하여, 공기 역학적 프로파일의 후방 에지는 유연하게 제조될 수 있으며, 또는 전체 구조가 타워 상에 장착될 수 있어 타워가 회전됨이 없이 바람에 의해 일정한 각도로 회전하는 것이 허용된다. 따라서, 풍력 자체는 공기 역학적 프로파일이 항상 바람 방향으로 향하는 것을 보장할 것이다. 선택적으로, 프로파일은 댐핑 장치(damping)를 구비할 수 있어 변화된 바람 방향에 대한 적응이 보다 더 원활해진다.
타워의 쉬벨 조인트가 유니버설 조인트에 밀접하게 장착되기 때문에 쉬벨 조인트 상에서의 굽힘 모먼트는 거의 0(zero)이다. 따라서 쉬벨 조인트는 타워의 상단에서 기계실에 의하여 위치되는 일반적인 쉬벨 시스템보다 더 소형으로 그리고 더 저렴하게 제조될 수 있다. 일반적인 쉬벨 시스템은 풍력 발전소의 로터로부터의 비교적 큰 굽힘 응력을 위한 규격으로 이루어져야만 한다.
쉬벨 조인트는 타워의 중심축과 일치되게 장착될 수 있다. 그 후 풍력 발전소는 바람개비와 동일한 방법으로 그 바람불어가는 쪽에서 로터와 함께 위치를 정할 것이다. 풍력에 의하여 야기되는, 일반적으로 약 5 내지 20도의 타워의 정지 경사 및 동작 과정에서 로터축 방향을 필연적으로 수평하게 유지하기 위한 바램 때문에 로터 회전축과 타워 회전축 사이에서 로터는 전형적으로 95 내지 110도(90도 + 5 내지 20도)의 정지 각도로 장착될 것이다.
로터 회전축이 타워 회전축에 수직이지 않기 때문에 발전기를 통하여 로터로부터 전달된 토크는 타워 회전축 주변의 타워로 토크를 가할 것이다. 로터가 바람의 방향으로부터 벗어나게 되는 경향을 갖는다는 것을 의미하기 때문에 이는 바람직하지 않다. 쉬벨 조인트가 필연적으로 굽힘 모먼트를 흡수하지 않기 때문에 타워 회전축은 로터 회전축에 대해 수직으로 설정될 수 있다. 즉 타워의 중심축에 대하여 "비스듬하게(askew)" 그리고 위에서 언급한 5 내지 20도와 동일한 각도로 설정될 수 있다. 따라서 타워는 로터 축을 바람의 방향으로부터 틀어지게 하는 경향을 더 이상 갖지 않을 것이다.
전력을 전송하기 위한 풍력 발전소 케이블은 발전기로부터 타워를 통하여 해저로 하향식으로 늘어진다. 풍력 발전소가 동일 방향으로 1회 이상의 회전을 통하여 바람에 의해 회전할 때 케이블의 비틀림을 최소화하기 위하여 타워의 바닥에서 타워의 쉬벨 장치 및 유니버설 조인트를 통과하여 중심을 따라 케이블을 가설해야만 하는 것이 유리하다. 따라서 유니버설 조인트는 유리하게는 선행 기술에 따른 개방된 중심을 구비한다.
바람 방향의 변화에 의한 타워의 수차례 회전의 결과로서 쉬벨 조인트를 통과한 케이블 연결부가 비틀려지는 것을 방지하기 위하여, 쉬벨 조인트는 타워를 케이블을 위한 중립 위치로 강제적으로 역회전시키기 위한 장치를 적절하게 구비한다. 강제 회전을 위한 장치는 유리하게는 회전 기능의 록킹을 방지하기 위한 장치와, 예를 들어 하나 이상의 유압식으로 작용하는 모터의 사용에 의하여 결합된다.
이하에서는 첨부된 도면 내에서 설명된, 바람직한 실시예의 제한되지 않는 예를 설명한다.
도면의 간단한 설명
도 1은 텐션 레그를 통하여 비회전적으로 고정된 타워 및 타워에 선회적으로 연결된 기계실을 갖는 부유 풍력 발전소의 측면도;
도 2a는 도 1과 동일한 축적의 부유 풍력 발전소의 측면도로서, 타워 회전축은 로터 회전축에 수직이고 타워는 스테이에 의하여 안정화되고 공기 역학적 커버를 구비하고 있음을 도시한 도면;
도 2b는 도 2a의 타워를 통과한 선 Ⅱ-Ⅱ을 따라 절취한 상태의 상세 횡단면도;
도 2c는 도 1과 동일한 축적의 부유 풍력 발전소의 측면도로서, 타워 회전축이 바람 방향에 수직인 상태를 도시한 도면;
도 3은 경사진 쉬벨 조인트, 자유롭게 굽힘 가능한 유니버설 조인트를 갖는 타워와 신장된 앵커 레그 사이의 연결을 통한, 보다 큰 축적의 횡단면도;
도 4는 도 3과 동일한 축적의, 직선 쉬벨 조인트, 자유롭게 굽힘 가능한 유니버설 조인트를 갖는 타워와 신장된 앵커 레그 사이의 대안적인 연결을 통한 횡단면도.
실 시 예
먼저, 도 1을 참고하면, 도면 부호 "1a"는 부유 풍력 발전소를 지시하며, 여기서 타워(2)는 신장된 앵커 레그(7) 및 앵커(8)에 의하여 해저(5)에 비회전적으로 고정되어 있으며, 타워(2)의 상부(8)는 해수면(11) 상으로 돌출된다. 기계실(12)은 타워(2)의 상부(8)에 선회적으로 연결되어 있다. 로터(14)는 타워(2)의 중심축에 수직인 로터 회전축(16)을 갖는다. 화살표 "19"는 풍력 발전소를 향하는 바람의 방향을 표시한다.
다음, 도 2a 내지 도 3을 참고하면, 도면 부호 "1b"는 본 발명에 따른 부유 풍력 발전소를 지시하며, 여기서 타워(3)는 신장된 앵커 레그(7) 및 앵커(8)에 의하여 해저(5)에 고정되어 있으며, 타워(3)의 상부(9)는 해수면(11) 상으로 돌출된다. 기계실(13)은 타워(3)의 상부(9)에 비회전적으로 연결되어 있다. 로터(15)는 타워(3)의 중심축에 수직인 회전축(17)을 갖는다. 화살표 "19"는 풍력 발전소를 향하는 바람의 방향을 표시한다.
타워(3)는 관절부(23)에 의하여 신장된 앵커 레그(7)에 연결된다.
관절부(23)는 쉬벨 조인트(27a) 및 유니버설 조인트(25)를 포함한다. 쉬벨 조인트(27a)는 타워(3)의 하부(21)에 비스듬히 부착되어 타워 회전축(29)은 로터 회전축(17)을 가로지른다. 쉬벨 조인트(27a) 상의 그리고 베어링 하우징(31) 내의 볼 베어링(33) 그리고 축 록킹 수단(axial locking means; 도시되지 않음)에 의하여 쉬벨 조인트(27a)는 베어링 하우징(31)에 선회적으로 고정된다. 베어링 하우징(31)은 유니버설 조인트(25)의 상부(35)에 고정된다. 밀봉재(34)는 베어링(33) 아래에 위치하며, 쉬벨 조인트(27a)와 베어링 하우징(31) 사이의 환형 공간(32)을 밀봉한다.
유니버설 조인트(25)는 텐션 레그(7)에 대한 비틀림 방지 연결을 형성한다.
케이싱(37)은 타워(3)의 하부(21)에 대한 쉬벨 조인트(27a)의 고정점에 고정되고 그 주변을 기밀하게 밀봉하며, 또한 베어링 하우징(31)을 본질적으로 둘러싼다. 밀봉재(39)는 베어링(33) 아래에 위치하며 케이싱(37)과 베어링 하우징(31) 사이의 환형 공간(40)을 폐쇄한다. 환형 공간들(32 및 40)은 베어링(33)을 통하여 연통되며 베어링 윤활제로 채워져 있다.
케이싱(37)은 모터 지지체(41) 및 다수의 유압 모터(43)를 구비하며, 유압 모터는 구동 기어(45)를 통하여 베어링 하우징(31)에 고정된 림 기어(47)에 치합된다. 모터(43)는 구동 유니트(도시되지 않음) 및 제어 시스템(도시되지 않음)에 연결된다.
도 4에 도시된 대안적인 실시예에서, 쉬벨 조인트(27b)의 중심축, 즉 타워 회전축(29)은 타워(3)의 중심축과 일치한다.
쉬벨 조인트(27a, 27b)는 개방된 중앙 통로(51)를 갖는다. 유니버설 조인트(25)와 텐션 레그(7) 역시 케이블을 풍력 발전소(도시되지 않음)로 이어지게 하는 개방된 중앙 통로(53 및 55)를 갖는다.
도 2a에 따르면, 타워(3)는 타워(3)의 상부 및 하부(9, 21)에 연결된 텐션 로드(61)를 구비한다. 또한 텐션 로드는 타워(3)에 고정된 2개의 아우트리거(63)에 의하여 외측으로 잡아 당겨진 상태를 유지하며, 본 발명의 한 실시예에서는 바람의 방향 그리고/또는 파도의 방향과 일치하는 평면에 대하여 타워의 바람불어오는 쪽으로부터 외측으로 ±30도 경사지게 돌출된다.
타워(3)의 상부(9)는 공기 역학적인 형상으로 이루어진다. 즉, 비원형 단면을 갖는다. 타워의 상부(9)는 바람직하게는 타워(3)를 중심으로 부분적으로 회전 가능한 공기 역학적인 스크린(71)을 구비할 수 있으며, 또한 타워(3)에서 바람불어가는 쪽에서 바람(19)의 난류를 감소시키도록 설계될 수 있다.
타워(3)는 본질적으로 수직으로 부유하며, 텐션 레그(7)의 장력 하에서 해저(5)에 고정함으로써 적절한 위치에 유지된다.
유니버설 조인트(25)는 쉬벨 조인트(27a 또는 27b)가 굽힘 모먼트를 흡수하지 않는 것을 보장한다.
쉬벨 조인트(27a 또는 27b) 및 그 지지체(31, 33)는 타워(3)가 타워 회전축(29)을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있도록 하며 또한 바람의 방향과 대응하는 방향으로 들어 올려지게 한다.
로터 회전축(17)에 대한 타워 회전축(29)의 방향 및 로터(15) 상에서의 풍력의 작용 합성점(resultant point)을 결정함으로써 바람의 방향에 대하여 타워를 어떻게 위치시키는지를 결정할 수 있다.
로터(15)의 전방에서 로터 회전축(17)을 가로지르도록 타워 회전축(29)을 설정하는 것은, 기계실(13)의 전방에서 로터와 함께 보았을 때(도 2c에 도시된 바와 같이), 타워의 바람불어오는 쪽 상에서 로터와 함께 위치하도록 바람이 타워(3)를 회전시키는 결과를 가져올 것이다. 오늘날 기술적으로 그리고 상업적으로 가장 유용한 역풍 로터(15)를 사용하기 위한 의도라면, 이는 바람직할 수 있다.
케이싱(37)이 쉬벨 조인트(27a 또는 27b)와 타워(3) 사이의 접합부 주변을 밀봉하기 때문에 물보다 가벼운 베어링 윤활제가 사용된다면, 밀봉부(34, 39)의 품질에 관하여 요구가 거의 생길 수 없다. 유니버설 조인트(25) 내의 중앙 개구(53) 때문에 밀봉부(34, 39) 상의 수압은 동일하며, 수압만으로 케이싱(37)과 쉬벨 조인트(27a 또는 27b)에 의하여 한정된 환형 공간(33, 40) 내에서 베어링 윤활제를 적절한 위치에 유지시킬 수 있다.
동력 전달 케이블(도시되지 않음)은 단지 제한된 비틀림 정도만을 허용하기 때문에 타워가 바람에 의해 얼마간의 시간 동안 회전한 후, 타워(3)가 케이블을 위하여 중립의 위치로 역회전하도록 모터(43)가 사용된다. 또한 타워의 회전 운동을 완충시키고 정지시키기 위하여 모터(43)가 사용될 수 있다.