KR100420537B1 - 풍력발전기의 회전력 결합장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유성기어장치와 기어전동장치를 사용하여, 지지대 위에 설치한 두 개의 풍력발전기의 회전자에서 발생한 회전력을 결합하여 하나의 발전기에 전달하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 회전력 결합장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 지지대 위에 설치한, 두 개의 풍력발전기의 회전자의 축에 연결한 회전주축(2)에 기어전동장치(6)를 각각 설치하고, 두 개의 입력측으로 구비된 유성기어장치(3)의 태양기어(10)와 링기어(7)는, 좌우에 설치한 기어전동장치 축(11)으로부터 각각 회전력을 공급받아서, 각각 맞물려 있는 2단 유성기어열(8)을 회전시키면 회전력이 결합된다. 2단 유성기어열의 첫 번째 유성기어는 태양기어(10)로부터 회전력을 공급받고, 두 번째 유성기어는 링기어(7)로부터 회전력을 공급받는다. 결합된 회전력을 유성기어장치(3)의 출력측으로 구비한 케리어(9)에 축이음된 동력전달장치를 통하여 발전기(4)에 공급함으로서, 저속의 풍속에서도 안전하게 구동되는 풍력발전장치의 증속기어장치로서 새로운 기능을 제공한다. 이때 기어전동장치(6)는 베벨기어 또는 워엄기어가 채택되며 회전주축(2)에 설치함으로서 유성기어장치에 동력을 전달할 수 있을 것이다.

Description

풍력발전기의 회전력 결합장치{Torque combination device of wind power plant}

본 발명은 지지대 위에 설치한 두 개의 풍력발전기의 회전자의 축에 연결한 각각의 회전주축에 기어전동장치를 설치하여 유성기어장치의 입력축에 연결함으로서 회전력을 결합하여 하나의 발전기에 전달하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 회전력 결합장치에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전기의 주요 부분은 회전자, 증속기어장치, 발전기, 그리고 축전설비 등으로 구성되어 있다. 회전자는 풍력발전기에서 풍압에너지를 기계적인 에너지로 변환시켜 주는 운동량 변환장치이며, 허브와 회전자날개로 구성되어 있다.

동력을 전달하는 장치인 증속기어장치는 회전자에서 발생한 회전력을 증속하여 발전기에 전달하는 장치이다. 증속방식에는 기어식과 벨트식이 있지만 기어식이 수명도 길고 동력전달이 확실하기 때문에 소형 풍력발전기에서는 주로 기어식을 채택하여 회전자의 회전속도를 발전 가능한 회전속도까지 증속시키고 있다. 기존의 풍력발전기의 증속기어장치는 유성기어장치 또는 일반 기어장치를 증속기어장치로 채택하고 있다. 또한 기존의 풍력발전기는 회전자마다 증속기어장치와 발전기를 수용하고 있다. 또한, 기존의 수평축 풍력발전기는 증속기어장치(14)와 발전기(4)를 지지대 상부에 수용하고 있다. 이것은 무게를 지탱하기 위한 지지대의 설계강도가 커야 한다는 것을 의미한다. 그런데 상대적으로 아주 낮은 풍속에 놓인 소형 풍력발전기의 회전자에서 발생한 회전력은 증속기어의 마찰 토크 등의 저항력 때문에 증속기어를 구동하지 못하게 되고, 결국은 어느 정도의 토크를 얻지 못하면 발전은 불가능하게 된다. 그래서 기존의 풍력발전기는 가동율과 효율문제가 발생하기 때문에 설치장소의 제한을 받는다.

기존의 풍력발전기의 이러한 단점은 유성기어장치를 사용하여 회전력을 결합함으로서 해결될 것이다. 즉, 태양기어, 케리어, 링기어, 유성기어 등으로 구성되는 유성기어장치에서 어느 두 개를 입력측으로 두고 나머지 한 요소를 출력측으로 구비하여, 두 개의 입력측에 회전을 주면, 출력측은 두 가지의 입력의 작용을 동시에 받아서 회전하게 된다. 예를 들어 설명하면, 태양기어(10)와 링기어(7)에 축이음하여 각각 회전을 주면 나머지 한 요소인 케리어(9)는 출력측이 되고, 중첩의 원리에 의하여, 출력 회전수는 태양기어에 의한 출력 회전수에다 링기어에 의한 출력 회전수를 더한 값과 같다. 또한, 지지대 위에 설치된 두 개의 회전자에서 발생한 회전력을 결합하기 위하여 기존의 일반적인 1단 유성기어열을 구비한 유성기어장치를 사용하면, 1단 유성기어에 작용하는 과도한 하중에 의하여 유성기어의 마모 및 파손이 심하여 증속기어장치의 내구성과 수명에 심각한 영향을 주게 된다. 예를 들면, 1단 유성기어열을 구비한 유성기어장치에 의한 증속기어 장치에서, 회전력을 결합하기 위하여 태양기어와 링기어를 입력측으로 하고 케리어를 출력측으로 하면, 유성기어가 태양기어와 링기어로부터 회전력을 공급받는 동시에 케리어로 동력을 전달하여야 하고, 그리고 케리어를 통하여 출력되는 회전속도는 발전가능한 속도로 증속되어 출력되기 때문에 유성기어가 받는 하중은 과도하게 된다. 이러한 단점을 해결하기 위하여, 2단 유성기어열을 구비한 유성기어장치에 의한 증속기어 장치를 사용하면, 하나의 입력측에 하나의 유성기어가 맞물림되므로, 하나의 유성기어에 두 개의 입력측이 맞물림 되는 1단 유성기어열을 구비한 증속기어장치의 유성기어에 부과 되는 하중보다 줄어 들 것이므로 2단 유성기어열을 구비한 증속기어 장치의 내구성과 수명이 향상 될 것이다.그리고 지지대 위에 설치된 두 개의 독립된 회전자에서 발생한 회전력을 결합하여 발전을 하면, 저속의 풍속에서도 증속기어 장치는 안전하게 구동하게 되고, 동시에 발전이 가능하게 될 것이다. 이러한 사실로부터 발전기의 숫자를 줄일 수 있을 것이다. 마찬가지로 지지대의 설계강도를 줄일 수 있게 하며, 저속의 풍속에서도 발전이 가능하도록 하기 때문에 풍력발전기의 설치 장소의 제한을 완화해 줄 것이다. 그러므로 기존의 소형 풍력발전기의 증속기어장치는 개선되어야 할 필요성이 크다 하겠다.

따라서 본 발명의 주된 목적은 지지대 위에 설치된 두 개의 풍력발전기의 회전자에서 발생한 회전력을 결합하여 발전기에 전달하는 수단을 제공하여, 낮은 풍속에서도 풍력발전이 가능하도록 하는 회전력 결합장치의 수단을 제공하는 것이다.

도 1은 기존의 수직축 풍력발전기

도 2는 기존의 수평축 풍력발전기

도 3은 본 발명의 회전력 결합장치가 구비된 풍력발전기의 계략도

도 4는 본 발명의 회전력 결합장치의 계략도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 풍력발전기의 회전자날개

2 : 풍력발전기의 회전자의 축에 연결한 회전주축

3 : 유성기어장치 4 : 발전기 5 : 축전설비

6 : 기어전동장치 7 : 링기어 8 : 2단 유성기어열

9 : 케리어 10 : 태양기어 11 : 기어전동장치 축

12 : 기존의 수직축 풍력발전기의 증속기어장치

13 : 지지대

14 : 기존의 수평축 풍력발전기의 증속기어장치

지지대(13) 위에 설치한 두 개의 풍력발전기의 회전자날개(1)로부터 발생한 회전력을 유성기어장치(3)에 공급하기 위하여 회전자의 축에 구비한 회전주축(2)에 기어전동장치(6)를 각각 설치하고, 회전력을 결합하기 위하여 유성기어장치(3)의 태양기어, 케리어, 링기어 중에서 어느 두 개를 입력측으로 두고 나머지 한 요소를 출력측으로 구비하고, 두 개의 입력측에 축이음한 기어전동장치 축(11)으로부터 회전력을 공급받아서 회전력을 결합하고, 출력측은 결합된 회전력을 통상의 동력전달장치를 통하여 하나의 발전기(4)에 공급하는 것을 특징으로 한다. 이때 유성기어장치(3)에 동력을 전달하기 위하여 회전주축(2)과 기어전동장치 축(11)에 구비한 기어전동장치는 베벨기어 또는 워엄기어를 채택할 수 있을 것이다.

본 발명은 첨부된 도면에 의하여 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다. 첨부된 도면의 도 1은 기존의 수직축 풍력발전기의 개략도이고, 도 2는 기존의 수평축 풍력발전기의 개략도이다. 도 3은 본 발명의 회전력 결합장치가 구비된 풍력발전기의 계략도이다. 도 4는 본 발명의 회전력 결합장치의 계략도를 나타내고 있다.

상기 도면에서 부호 3은 본 발명에 적용되는 유성기어장치를 나타내고, 이 장치는 태양기어(10), 케리어(9), 2단 유성기어열(8), 링기어(7) 등으로 구성된다. 유성기어장치(3)는 축이음된 두 개의 기어전동장치 축(11)으로부터 공급되는 회전력을 결합하고, 동력전달장치를 통하여, 발전기(4)로 전달함으로서 발전을 일으키게 한다. 이러한 구성은 풍력발전기의 유성기어장치가 증속작용을 한다는 것은 종래와 동일한 의미를 갖지만, 본 발명에서 지지대(13) 위에 설치한 두 개의 풍력발전기의 회전자로부터 발생하는 회전력을 결합하여 발전기(4)에 회전력을 전달한다는 의미에서 전혀 다르다.

회전력을 결합하기 위하여 태양기어(10)와 링기어(7)를 두 개의 입력측으로 선택하고 케리어(9)를 하나의 출력측으로 구비한 도 4를 좀 더 상세히 설명하면, 지지대(13) 위에 설치한 두 개의 풍력발전기의 회전자부터 발생한 회전력은, 회전자의 축에 연결된 회전주축(2)에 설치한 기어전동장치(6)와 이 기어에 맞물려 회전하는 기어전동장치(6)를 구비하고, 회전주축에 설치한 기어전동장치에 맞물려 회전하는 기어전동장치의 기어전동장치 축(11)을 유성기어장치(3)에 축이음하여 공급하며, 이때 두 개의 풍력발전기의 회전자 중에서 하나의 풍력발전기의 회전자로부터 발생한 회전력은 유성기어장치(3)의 태양기어(10)를 구동하고, 다른 하나의 풍력발전기의 회전자로부터 발생한 회전력은 링기어(7)를 구동하여 회전력이 결합되고, 그리고 결합된 회전력을 공급하기 위하여 유성기어장치(3)의 케리어(9)는 발전기(4)를 구동시키는 축에 연결되어 있다. 이와 같이 기어전동장치, 유성기어장치 등으로 구성된 본 발명의 회전력 결합장치는 태양기어(10)와 링기어(7)는 유성기어장치의 입력측이되고, 출력측인 케리어(9)는 축이음을 통하여 발전기(4)를 구동시키는 축에 연결되어 발전기에 동력을 전달함으로서 저속의 풍속에서도 풍력발전이 가능하게 하고 풍력발전장치의 회전력 증속장치로서 새로운 기능을 제공한다.도 4에서, 유성기어장치(3)의 태양기어(10), 케리어(9), 링기어(7), 그리고 2단 유성기어열(8) 등이 구성요소로서 동력을 전달하거나 회전을 전달하기 위하여서는 각각의 해당하는 축이음과 회전속도에 따른 적절한 베어링의 선택 등에 대한 표기가 있어야 하지만, 이들이 도 4에서는 나타나있지 않다. 왜냐하면 축이음과 축의 지지방법은 통상의 방법을 따르기 때문이다.도 4에서, 유성기어장치(3)의 태양기어(10)축은 중공축인 케리어(9)축의 중심을 관통하여 회전하도록 지지되고 그리고 좌측에 있는 기어전동장치 축(11)과 축이음되어 회전력을 공급받고, 링기어(7)축은 우측에 있는 기어전동장치 축(11)과 직접 축이음되어 회전력을 공급받고 있다. 2단 유성기어열(8)은 케리어(9)의 베어링안에서 자유롭게 회전하는 같은 축에 키박음 되어 있다. 그리고 2단 유성기어열(8)의 첫 번째 유성기어는 태양기어(10)와 맞물려 있고, 두 번째 유성기어는 링기어(7)와 맞물려 있다. 이렇게 같은 축에 키박음한 2단 유성기어열(8)이 태양기어(10)와 링기어(7)에 의하여 공급되는 두 개의 입력에 의하여 회전하면, 유성기어축을 구비한 케리어(9)는 두 개의 입력에 의하여 영향을 받아서 회전을 하게 되고 회전력이 결합된다. 이렇게 결합된 회전력이 케리어(9)에 축이음된 동력전달장치를 통하여 발전기(4)를 구동시키게 된다.도 4에서, 단지 하나의 유성기어(8)가 링기어(7)와 맞물려 있고, 마찬가지로 태양기어(10)도 단지 하나의 유성기어(8)와 맞물려 있다. 그 이유는 기구학적으로는 이것으로 충분하기 때문이다. 그러나 실제로 제품을 제작할 때는 기어이의 하중과 관성력이 균형을 이루도록하기 위하여 유성기어가 추가 되도록 제작하여야 할 것이다.또한, 본 발명에서 기어비에 의한 증속작용은 베벨기어를 기어전동장치(6)로 사용하여 얻을 수 있고, 또는 기어전동장치(6)로 워엄기어를 사용함으로서 유성기어장치(3)의 구성 요소인 태양기어, 링기어, 케리어 중에서 두 요소에 연결하여 증속 및 동력전달을 할 수 있는 회전력 결합장치로 사용할 수 있다. 그 이유는 유성기어장치는 두 개의 입력을 주면 나머지 한 요소는 이들 두 요소의 작용을 받아서 회전하기 때문이다.

소형 풍력발전기의 회전자날개는 가벼우므로 약한 풍속에서도 민감하게 작동되어 풍력이 약할 때도 회전이 원할하게 이루어 질 것이다. 그러므로 도 3에서 보는 바와 같이 다수의 풍력발전기의 회전자를 지지대 위에 연속으로 설치하여 회전력 결합장치를 사용함으로서 약한 풍속에서도 발전이 가능할 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같이 지지대 위에 설치된 두 개의 풍력발전기의 회전자의 회전력을 결합하여 사용함으로서 증속기어장치는 안전하게 구동되고, 저속의 풍속에서도 발전이 가능하도록 해주고, 발전설비의 숫자를 줄일 수 있고, 결국은, 풍력발전기의 무게를 절감함으로서 지지대의 설계강도를 줄여 준다.

본 발명은 지지대 위에 설치된 두 개의 풍력발전기의 회전자의 회전력을 결합함으로서, 낮은 속도의 풍속에서 풍력발전이 가능하도록 하는 것을 주안점으로 하기 때문에, 도 3에서 보는 바와 같이 지지대 위에 회전자를 연속하여 설치한다면, 두 개의 회전자의 회전력을 결합하여 발전함으로서, 낮은 풍속에 대하여도 집단적인 설치가 가능하게 될 것이다.

본 발명의 회전력 결합장치를 적용한 소형의 풍력발전기는 저속의 풍속에서도 풍력발전이 가능하고 초기 투자비도 소규모이기 때문에, 일반 가정에서도 설비가 충분히 가능하여 가정용으로도 농업용으로도 에너지대체효과를 얻을 수 있다. 그리고 설치가 용이한 만치 유지 보수 및 제거 작업도 용이한 장점을 갖고 있다. 그리고 소형의 풍력발전기는 풍력발전의 대중화를 불러 올 수 있고, 결국에는 산업화가 가능하게 된다. 또한 가정에서의 소형풍력발전에 의한 자가발전은 향후 사용될 전기 자동차의 자가축전설비의 전력원으로 사용이 가능하게 될 것이다.

Claims (3)

1. 풍력발전기에서, 두 개의 회전자의 축에 연결한 회전주축(2)에 기어전동장치(6)를 각각 설치하고, 두 개의 입력측으로 구비된 유성기어장치(3)의 태양기어(10)와 링기어(7)는, 좌우에 설치한 기어전동장치 축(11)으로부터 각각 회전력을 공급받아서, 각각 맞물려 있는 유성기어(8)을 회전시켜서 회전력을 결합하고, 결합된 회전력을 유성기어장치(3)의 출력측으로 구비한 케리어(9)에 축이음 된 동력전달장치를 통하여 하나의 발전장치에 공급함으로서, 전력을 생산하도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 회전력 결합장치
2. 2단 유성기어열을 구비한 유성기어장치의 구성요소인 태양기어와 링기어 및 케리어 중에서 두 요소를 유성기어장치의 입력측으로하고, 나머지 한 요소를 출력측으로하여, 지지대 위에 설치한 두 개의 풍력발전기의 회전자의 회전력을 결합함으로서 전력을 생산하도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 회전력 결합장치
3. 다수의 풍력발전기의 회전자를 지지대 위에 연속으로 설치하여, 상기 1항 및 2항의 방법으로 회전력을 결합함으로서 전력을 생산하도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 회전력 결합장치