KR101597565B1 - 풍력발전기용 타워 및 그 설치방법 - Google Patents

Abstract

풍력발전기용 타워에 관한 것으로, 일정 직경과 길이를 갖는 타워 본체, 상기 타워 본체를 지지하기 위한 기초구조물, 사기 타워 본체를 상기 기초구조물에 견고하게 고정시키는 다수의 브래킷을 마련하여 타워 본체를 운송 제약조건에 적합한 크기로 제작하여 타워 본체의 강성을 높일 수 있고, 타워 본체의 강성이 증대됨에 따라 타워 본체의 고유진동수에 의한 공진 등의 발생을 줄일 수 있으며, 타워 본체의 셀(shell) 두께를 증가시키지 않아도 되고, 타워 본체의 제작에 따른 중량 및 생산원가를 낮출 있다는 효과가 얻어진다.

Description

풍력발전기용 타워 및 그 설치방법{Tower for Wind Generator and Installation Method}

본 발명은 풍력발전기용 타워 및 그 설치방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전기의 타워의 설치 상태를 안정적으로 유지시킬 수 있는 강도를 유지함은 물론 고유 진동수에 따른 타워의 공진현상이 발생하지 않는 풍력발전기용 타워 및 그 설치방법에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전기는 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 이 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 장치를 말한다.

풍력발전기의 주요 구성을 살펴보면 풍력발전기는 바람이 가진 에너지를 회전력으로 변환시켜 주는 장치인 회전체(rotor), 회전체에 연결되어 회전되는 블레이드(blade), 터빈 및 기계 브레이크 시스템에 발생되는 과부하를 방지하기 위한 장치로 블레이드 주 코드 방향이 회전면과 수직이 되도록 피치각을 90°로 회전시켜 최대의 공력저항으로 로터를 제동시키는 원리로 작동되는 브레이크 시스템, 바람의 세기에 관계없이 일정한 전력을 생산하도록 하는 운전시스템, 회전체를 지지하는 타워(Tower)로 구성된다.

현재 육상 풍력시장은 더 많은 에너지를 얻기 위하여 대형화가 진행 중에 있으며, 이에 따라 너셀(Nacelle) 및 블레이드(blade), 타워(Tower) 또한 점차 대형화가 진행 중이다.

육상 타워에서 가장 많이 사용하는 타워는 강관 타워(tubular steel tower)로 80~100m의 높이를 갖는 타워가 주를 이루고 있으며, 풍력발전기의 대형화를 위하여 타워의 높이 또한 점점 높아지고 있는 실정이다.

그러나 타워의 대형화 및 100m 이상으로 올리려면 여러 제약 조건을 충족해야 한다.

육상 풍력발전기 타워의 제약조건 중 가장 큰 부분은 경제성과 육상운송 조건이다. 타워의 길이가 길어짐에 따라 중량에 따른 하중을 견디기 위하여 강도 및 강성이 커져야 하며, 발전기의 원활한 운영을 위하여 공진현상이 발생하지 않기 위하여 고유 진동수(natural frequency)를 회피하여 설계해야 한다.

타워의 대형화 및 높이가 높아짐에 따라, 고유 진동수(natural frequency) 문제가 수시로 발생하고 있는 실정이다.

이 문제를 해결하기 위하여 콘크리트 타워(concrete tower) 및 콘크리트-강관 혼용 타워(concrete-steel hybrid tower) 등이 시공되고 있으나, 강관 타워(tubular steel tower)에 비하여 1.5배에서 2배 이상 가격이 비싸다.

또한 고유 진동수 문제를 해결하기 위한 다른 방법은 강관 타워(tubular steel tower)의 강성을 증대시키는 것이다.

강관 타워의 강성을 키우는 방법은 두께를 두껍게 하는 방법과 타워의 직경을 크게 하는 방법이 있다. 첫 번째 방법으로 타워의 두께를 두껍게 하는 방법은 강성의 증가 및 고유 진동수를 증가시키는데 미미한 영향을 미치고 원가 상승의 요인으로 작용한다.

두 번째 방법으로 타워의 직경을 증가시키는 방법으로는 타워의 직경을 무한대로 증가시킬 수 없으며, 육상 운송이 가능한 범위 내에서 증가시켜야 한다.

한편 전세계적으로 육상 풍력발전기 타워의 운송 가능 직경은 최대 4.3m 이다. 현재 4.3m 이상으로 타워의 직경을 키울 수 없으므로, 타워의 셀(shell) 두께를 키워 강성을 높이고 있으며, 이에 따라 타워의 중량 및 원가가 기하급수적으로 증가 되는 문제점이 있다.

예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 '풍력발전기의 타워 강성 보강장치'가 개시되어 있다.

하기 특허문헌 1에 따른 풍력발전기의 타워 강성 보강장치에는 풍력 발전을 통해 전력 생산이 이루어지도록 지반에 수직으로 세워지는 타워로서, 상기 타워는 그 둘레 직경을 기존 대형화된 타워 대비 최소화하되, 상기 타워의 내부면에는 길이방향으로 상기 타워에 가해지는 하중을 분산시키는 다단의 강성보강재가 개시되어 있다.

하기 특허문헌 2에는 '풍력발전기용 타워 및 이를 적용한 풍력 발전기'가 개시되어 있다.

하기 특허문헌 2에 따른 풍력발전기용 타워 및 이를 적용한 풍력 발전기는 중공구조로 이루어진 타워벽; 상기 타워벽의 내면에서 돌출 설치된 제1 지지판과 상기 제1 지지판과 교차하는 방향으로 상기 제1 지지판에 고정된 제2 지지판을 포함하고, 상기 타워벽의 높이 방향으로 이어진 복수 개의 스티프너(stiffener); 및 상기 타워벽의 내면에 고정된 보강 바닥을 포함하며, 상기 보강 바닥은 만곡된 곡면판으로 이루어져 있다.

대한민국 특허 공개번호 제10-2013-0017951호(2013년 2월 20일 공개) 대한민국 특허 공개번호 제10-2012-0000315호(2012년 1월 2일 공개)

그러나 종래기술에 따른 풍력발전기의 타워 강성 보강장치는 타워의 내면에 일정 간격으로 다수의 강성보강재를 고정하여 타워의 강성을 높일 수 있으나, 타워의 중량이 증가 되며, 이로 인해 타워의 운송에 제약이 발생 되고, 타워의 내면에 다수의 강성보강재를 용접함에 따른 작업 시간이 오래 걸리며, 타워 제작에 따른 제작 비용이 증가 되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 타워의 하부에 다수의 브래킷을 고정함으로써 풍력발전기 타워의 강성을 높일 수 있는 풍력발전기용 타워 및 그 설치방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 타워의 운송 제약조건의 제한된 조건에서도 타워의 강성을 높일 수 있는 풍력발전기용 타워 및 그 설치방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 다수의 브래킷에 의해 타워의 고유 진동수를 줄일 수 있는 풍력발전기용 타워 및 그 설치방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력발전기용 타워는 일정 직경과 길이를 갖는 타워 본체, 상기 타워 본체를 지지하기 위한 기초구조물, 상기 타워 본체를 상기 기초구조물에 견고하게 고정시키는 다수의 브래킷을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 타워 본체에는 상기 브래킷과 대응되게 돌출되는 다수의 타워 지지대를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기초구조물에는 상기 브래킷과 고정되도록 돌출 고정되는 다수의 구조물 지지대를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 브래킷에는 상기 브래킷의 강성을 보강시키는 보강 리브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 타워 본체는 일정 길이를 갖는 다수개로 이루어지며, 상기 타워 본체의 연결 부위에 응력 집중이 분산되도록 고정되는 이너 링을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력발전기용 타워 설치방법은 (a) 풍력발전기를 지지하도록 일정 높이로 기초구조물과 다수의 브래킷을 일체로 시공하는 단계, (b) 일정 길이로 제작되어 운반된 타워 본체를 상기 기초구조물에 안착시키는 단계, (c) 상기 기초구조물에 안착된 상기 타워 본체의 타워 지지대와 상기 기초구조물에 고정된 브래킷을 볼트로 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (a) 단계에서, 콘크리트로 이루어진 상기 기초구조물의 타설 시에 일정 크기를 갖는 다수의 구조물 지지대를 등각으로 고정하는 것을 특징으로 한다.

상기 (c)단계에서, 상기 타워 본체에 고정된 타워 지지대와 상기 브래킷을 볼트로 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력발전기용 타워에 의하면, 타워 본체를 운송 제약조건에 적합한 크기로 제작하여 타워 본체의 강성을 높일 수 있고, 타워 본체의 강성이 증대됨에 따라 타워 본체의 고유진동수에 의한 공진 등의 발생을 줄일 수 있으며, 타워 본체의 셀(shell) 두께를 증가시키지 않아도 되고, 타워 본체의 제작에 따른 중량 및 생산원가를 낮출 있다는 효과가 얻어진다.

본 발명에 따른 풍력발전기용 타워 설치방법에 의하면, 기초구조물의 시공 시에 타워 본체의 강성을 높일 수 있는 브래킷을 일체로 시공할 수 있고, 다수의 브래킷에 의해 타워 본체를 견고하게 고정할 수 있으며, 타워 본체의 운반 제약 조건을 벗어나지 않고도 타워 본체의 고유진동수를 줄일 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기용 타워를 보인 분해 입체도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기용 타워를 보인 입체도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기용 타워를 보인 평면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전용 타워의 설치방법을을 단계별로 설명하는 공정도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기용 타워 및 그 설치방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기용 타워를 보인 분해 입체도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기용 타워를 보인 입체도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기용 타워를 보인 평면도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기용 타워는 일정 직경과 길이를 갖는 타워 본체(10), 상기 타워 본체(10)를 지지하기 위한 기초구조물(20), 상기 타워 본체(10)를 상기 기초구조물(20)에 견고하게 고정시키는 다수의 브래킷(30)을 포함할 수 있다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기용 타워는 풍력발전기의 타워를 운송할 수 있는 운송제약 조건인 4.3m 이내의 직경을 갖도록 이루어지며, 타워를 설치한 상태에서 견고하게 지지될 수 있는 강성을 갖도록 한다.

즉, 본 발명의 타워 본체(10)는 직경이 대략 4.3m의 직경을 갖도록 형성되며, 타워 본체(10)는 80~100m 이상의 높이로 설치되는 타워로써, 일정 길이를 갖는 다수의 섹션(section)을 서로 결합하여 이루어진다.

상기 타워 본체(10)는 등각으로 분할된 다수의 캔(can)로 용접하여 일정 길이를 갖는 하나의 섹션(section)으로 이루어진다. 또한 타워 본체(10)를 구성하는 섹션의 양단에는 다른 섹션과 볼트 결합되도록 각각 플랜지가 일체로 형성되어 있다. 이러한 섹션에 형성된 플랜지는 서로 볼트로 고정될 수 있다.

상기 타워 본체(10)의 하부에는 기초구조물(20)에 설치될 수 있도록 타워 본체(10)의 하부에 등각으로 다수의 타워 지지대(11)가 고정될 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 타워 지지대(11)에는 그 외면에 등각으로 다수의 타워 지지대(11)가 용접으로 고정될 수 있다. 또 타워 본체(10)를 구성하는 각각의 섹션에는 타워 본체(10)에 의해 가해지는 응력 집중을 분산시키기 위한 이너 링(12)이 용접으로 고정될 수 있다.

상기 타워 본체(10)는 일정 높이를 갖는 콘크리트 구조물에 설치되는데, 콘크리트 구조물인 기초구조물(20, foundation)은 지면으로부터 일정 높이로 돌출되어 타워 본체(10)가 견고하게 설치된 상태를 유지하도록 한다.

상기 기초구조물(20)에는 타워 본체(10)의 타워 지지대(11)와 대응되는 구조물 지지대(21)가 고정될 수 있다. 이러한 구조물 지지대(21)는 기초구조물(20)의 시공 시에 일체로 고정될 수 있다.

또한 기초구조물(20)에는 구조물 지지대(21)와 함께 일정 크기를 갖는 브래킷(30)을 고정할 수 있으며, 브래킷(30)은 타워 본체(10)의 하부를 견고하게 지지할 수 있도록 등각으로 다수개가 고정될 수 있다.

아울러 브래킷(30)의 외측에는 브래킷(30)의 강성을 보강할 수 있는 보강 리브(31)가 용접에 의해 일체로 고정될 수 있다. 이러한 브래킷(30)은 타워 본체(10)의 외면에 고정되어 타워 본체(10)의 강성을 높이도록 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 브래킷(30)은 타워 본체(10)의 외측에 8개의 브래킷(30)을 고정할 수 있으며, 브래킷(30)의 개수는 4개, 6개, 8개 등 다양한 개수로 이루어질 수 있다.

다음 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기용 타워의 결합관계를 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기용 타워는 등각으로 분할된 다수의 캔(미도시)을 용접하여 원통형으로 결합하고, 이들 캔을 일 방향으로 용접하여 일정 길이를 갖는 하나의 섹션을 형성한다.

일정 길이를 갖는 섹션의 양단에는 각각 플랜지(미도시)를 용접으로 고정하며, 각각의 플랜지는 볼트 등의 체결수단에 의해 결합되어 하나의 타워 본체(10)를 형성한다.

한편 타워 본체(10)를 운송하기 위해서는 일정 길이를 갖는 섹션 단위로 운송되며, 이들 섹션은 설치 현장에서 볼트 조립하여 타워 본체(10)를 수직으로 설치하게 된다.

이러한 타워 본체(10)는 육상에서 운송할 수 있는 조건인 4.3m 이내의 직경으로 형성한다. 상기 타워 본체(10)의 제작 시 기초구조물(20)에 설치되는 태워 본체(10)에는 외면으로 돌출되는 타워 지지대(11)를 용접에 의해 일체로 고정할 수 있다.

또한 타워 본체(10)를 구성하는 각각의 섹션에는 그 내면에 타워 본체(10)의 직경보다 작은 직경을 갖는 이너 링(12)을 용접으로 고정할 수 있으며, 이들 이너 링(42)은 타워 본체(10)의 내면에 용접으로 고정할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이너 링(12)은 타워 본체(10)의 내면에 고정되는데, 이너 링(12)은 브래킷(30)의 상단보다 낮은 위치에 고정된다. 이는 기초구조물(20)에 설치되는 타워 본체(10)의 상단에는 다른 타워 본체(10)의 하단이 브래킷(30)의 상단보다 낮은 위치에 위치시킴으로써, 이너 링(12)이 브래킷(30)에 의해 지지되게 한다.

이는 타워 본체(10)의 설치에 따른 섹션의 응력 집중 현상을 줄이기 위한 것이다. 즉, 이너 링(12)은 상부 측의 타워 본체(10)로부터 가해지는 하중 등에 의한 응력 집중 현상을 완화시켜 타워 본체(10)를 보다 안정된 상태로 유지되도록 하기 위함이다.

또한 풍력발전기를 시공하고자 하는 지역에는 타워 본체(10)를 지지할 수 있는 기초구조물(20)을 콘크리트로 시공한다. 이러한 기초구조물(20)에는 시공 시에 타워 본체(10)의 타워 지지대(11)에 대응되는 구조물 지지대(21)를 일체로 시공할 수 있다.

도 2 및 도 3에서와 같이 기초구조물(21)에는 타워 지지대(11)와 각각 대응되는 구조물 지지대(21)를 일체로 시공할 수 있으며, 이들 구조물 지지대(21)는 4개, 6개, 8개 등으로 이루어질 수 있다.

상기 기초구조물(20)은 콘크리트 구조물이므로, 구조물 지지대(21)는 콘크리트에 일체로 시공되어, 타워 본체(10)로부터 가해지는 외력 및 타워 본체(10)의 하중 및 강성을 높여 타워 본체(10)를 보다 안정되게 설치된 상태를 유지할 수 있게 된다.

또한 구조물 지지대(21)에는 일정 크기를 갖는 브래킷(30)을 고정할 수 있으며, 브래킷(30)은 상기 타워 본체(10)의 하부에 설치되어 타워 지지대(11)와 대응되게 고정할 수 있다.

또 브래킷(30)에는 브래킷(30)의 강성을 보강할 수 있는 보강 리브(31)를 용접으로 고정할 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기용 타워의 설치방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전용 타워의 설치방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기용 타워의 설치방법은 (a) 풍력발전기를 지지하도록 일정 높이로 기초구조물(20)과 다수의 브래킷(30)을 일체로 시공하는 단계(S10), (b) 일정 길이로 제작되어 운반된 타워 본체(10)를 상기 기초구조물(20)에 안착시키는 단계(S20), (c) 상기 기초구조물(20)에 안착된 상기 타워 본체(10)의 타워 지지대(11)와 상기 기초구조물(20)에 고정된 브래킷(30)을 볼트로 고정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 타워 본체(10)는 각각 일정 길이를 가짐은 물론 그 직경이 대략 4.3m 이내를 유지하도록 캔을 형성하여 이들 캔을 다수로 용접한 섹션으로 형성할 수 있다.

상기 타워 본체(10)에는 하부, 즉 기초구물(20)에 안착되도록 일정 길이를 갖는 타워 지지대(11)를 일체로 형성할 수 있으며, 상기 타워 지지대(11)는 브래킷(30) 등에 고정될 수 있도록 금속 재질로 이루어질 수 있다.

이렇게 제작된 타워 본체(10)는 차량 등을 이용하여 설치 현장으로 이동되며, 타워 본체(10)의 설치 지점에는 일정 크기 및 높이를 갖는 콘크리트 구조물인 기초구조물(20)을 시공하게 된다(S10).

콘크리트로 이루어진 기초구조물(20)에는 타설 시 일정 크기를 갖는 다수의 구조물 지지대(21)를 등각으로 고정하게 된다.

상기 기초구조물(20)에는 운반된 타워 본체(10)를 기초구조물(20)에 안착시키게 된다(S20). 상기 타워 본체(10)는 기초구조물(20)에 안착되는데, 운반 차량 등에 의해 이송된 타워 본체(10)를 상기 브래킷(30)에 대응되게 안착시키게 된다.

이때 타워 본체(10)에 고정된 타워 지지대(11)와 상기 브래킷(30)은 볼트에 의해 견고하게 고정된다.

이와 따라 타워 본체(10)는 브래킷(30)에 안정되게 고정됨으로써 타워 본체(10)의 강성을 높일 수 있게 되며, 타워 본체(10)의 강성이 증대됨에 따라 타워 본체(10)의 고유진동수에 의한 진동을 줄일 수 있게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10: 타워 본체 11: 타워 지지대
12: 이너 링 20: 기초구조물
21: 구조물 지지대 30: 브래킷
31: 보강 리브

Claims (8)

1. 일정 직경과 길이를 갖는 타워 본체,
   상기 타워 본체를 지지하기 위한 기초구조물,
   상기 타워 본체를 상기 기초구조물에 견고하게 고정시키는 다수의 브래킷을 포함하며,
   상기 기초구조물에는 상기 브래킷과 고정되도록 돌출 고정되는 다수의 구조물 지지대를 포함하고,
   상기 브래킷에는 상기 브래킷의 강성을 보강시키는 보강 리브를 포함하며,
   상기 타워 본체는 일정 길이를 갖는 다수개로 이루어지며,
   상기 타워 본체의 연결 부위에 응력 집중이 분산되도록 고정되는 이너 링을 포함하며,
   상기 이너 링은 상기 브래킷의 상단보다 낮게 설치되어 상기 브래킷에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 타워.
2. 제1항에 있어서,
   상기 타워 본체에는 상기 브래킷과 대응되게 돌출되는 다수의 타워 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 타워.
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