KR100915381B1 - 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로서, 블레이드를 포함한 회전계통의 부품을 경량화 및 블레이드의 최적 배치를 통해 블레이드의 안정적인 회전구동과 더불어 에너지 손실 저감, 에너지 변환 효율 증대 등의 이점을 제공하며, 특히 복수개의 블레이드를 활용하여 발전용량을 증대시킬 수 있는 풍력발전기에 관한 것이다.

또한 본 발명은 경량화와 더불어 각 블레이드의 지지방식을 개선하여 회전계통의 부품 손상을 줄일 수 있고, 이에 유지비용 절감 및 안정적인 시스템 운용이 가능해지는 풍력발전기에 관한 것이다.

Description

풍력발전기{Wind Power Generator}

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 블레이드와 발전기를 구비하여 블레이드가 풍력에너지가 회전에너지로 변환하고 발전기가 블레이드의 회전에너지를 전기에너지로 변환 및 출력함으로써 전기를 생산하는 풍력발전기에 관한 것이다.

일반적인 발전방법으로 수력발전, 화력발전, 원자력발전 등을 들 수 있는데, 상기한 발전방법들은 대규모의 발전설비가 필요하다.

특히, 화력발전의 경우, 발전설비를 가동시키기 위해 석탄, 석유와 같은 엄청난 양의 화석연료가 필요하며, 이에 석탄, 석유자원이 필요없는 획기적인 발전방법이 요구되고 있다.

석탄, 석유자원이 필요없는 발전방법으로는 태양에너지(태양열/태양광)을 이용한 발전, 파력발전, 조력발전, 풍력발전 등 다양하며, 이중 발전설비가 상대적으로 간단하여 가장 쉽게 적용할 수 있는 게 바로 바람의 힘을 이용한 풍력발전이다.

바람이라 함은 대기의 밀도차에 의해 공기가 이동하는 현상으로, 이러한 바람은 풍차 등에서와 같이 아주 오래전부터 이용하여 왔으며, 최근에는 석탄, 석유자원이 고갈되면서 대체에너지로 그 관심이 높아지고 있다.

따라서, 자연풍을 이용하는 다양한 형태의 발전장치가 등장하였는데, 종래기술에 따른 풍력발전장치는 그 장치를 간단히 설치할 수 있는 이점과 함께 별도의 폐기물이 발생하지 않는 이점이 있지만, 주로 커다란 프로펠러나 블레이드를 이용하여 주축을 회전시키고, 이 주축에 연결된 발전기를 돌려 발전하는 것이므로, 기본적으로 넓은 면적의 시설이 필요하여 시설비가 많이 소요되며, 미풍일 때에는 주축의 회전이 불가능하여 풍력발전이 이루어지지 않고, 반대로 강풍이나 태풍이 발생될 경우에는 발전시설을 가동할 수 없음은 물론 시설이 쉽게 파손될 수 있는 문제가 있었다.

첨부한 도 1과 도 2는 종래기술에 따른 풍력발전장치의 예를 도시한 것으로, 도 1은 수평형 주축(미도시)에 설치된 프로펠러(2)를 이용하는 발전장치이고, 도 2는 수직형 주축(4)에 설치된 블레이드(3)를 이용하는 발전장치이다.

도시된 바와 같이, 타워(1)에 단수의 프로펠러(2)나 블레이드(3)를 구비하는 경우 원하는 발전성능을 얻기 위해서는 대형의 프로펠러 및 블레이드가 사용되어야 한다.

또한 대형의 프로펠러나 블레이드가 사용되면 풍력에너지를 회전에너지로 변환하기 위해서 일정 세기 범위 내의 풍력이 가해져야만 주축이 회전할 수 있으므로, 미풍일 경우 발전이 어렵고, 강풍일 경우에는 회전계통의 부품이 쉽게 파손될 수 있다.

특히, 도 2와 같은 풍력발전장치에서는 블레이드(3)를 지지하면서 회전하는 주축(4)이 1점 지지방식이므로, 회전하는 블레이드(4)로부터 가해지는 하중에 견딜 수 있도록 주축(4)의 강도와 중량이 커야 하는 문제가 있다.

회전부품인 블레이드와 주축의 중량이 커지면 동일한 풍력이 가해지더라도 경량일 경우에 비해 회전이 어려워지므로 에너지 변환 효율의 저하, 에너지 손실의 증대 등 여러 문제가 있게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 블레이드를 포함한 회전계통의 부품을 경량화하여 블레이드의 안정적인 회전구동이 가능하도록 하면서 에너지 손실의 저감 및 에너지 변환 효율의 증대가 가능하고, 특히 발전용량을 증대시킬 수 있는 풍력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 회전계통의 부품 손상을 줄일 수 있고, 유지비용 절감 및 안정적인 시스템 운용이 가능해지는 풍력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 지상에 길게 세워져 설치되는 윈드타워와; 상기 윈드타워에서 수평방향으로 길게 연장 설치된 지지대에 주축을 매개로 하여 장착되어 풍력에 의해 회전되는 복수개의 블레이드와; 상기 지지대에 설치되어 각 블레이드의 주축이 연결되어 결합되고 블레이드의 회전에너지를 일체 회전하는 주축을 통해 전달받아 전기에너지로 변환시켜주는 발전기를 포함하여 구성되는 풍력발전기를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 지지대는 각 블레이드에 대해 상, 하측으로 2개씩의 지지대가 배치되어 상, 하측의 두 지지대가 각 블레이드를 주축을 매개로 하여 상, 하단 2점 지지방식으로 지지하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 블레이드는 주축의 일단이 상기 지지대의 선단부에 고정 설치된 발전기에 결합되고 주축의 타단이 이웃 배치된 상측 또는 하측의 또 다른 지지대 선단부에 베어링을 매개로 하여 결합됨으로써 지지되는 것을 특징으로 한다.

또한 복수개의 블레이드가 윈드타워에서 다단으로 상하 배치되고, 각각의 블레이드 지지를 위해 복수개의 지지대가 윈드타워에서 다단으로 상하 배치되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 지지대에 설치되는 발전기를 상하로 배치되는 두 블레이드의 주축 연장선상에서 측방으로 배치하고, 상기 타워부에서 상하로 배치되는 두 블레이드의 주축과 상기 발전기의 회전자 축을 베벨기어기구를 이용해 회전력 전달이 가능하도록 연결하여, 상, 하측의 두 블레이드가 하나의 통합발전기를 사용하도록 한 것을 특징으로 한다.

또한 복수개의 블레이드가 윈드타워의 동일 높이에서 윈드타워를 중심으로 일정 각도의 간격으로 배치되고, 각각의 블레이드 지지를 위해 복수개의 지지대가 일정 간격의 각 블레이드 위치에서 윈드타워로부터 방사상으로 길게 연장 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 블레이드는 윈드타워를 중심으로 120°의 간격으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 풍력발전기는 블레이드의 주축이 알루미늄 합금을 소재로 하여 제작된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 블레이드는 그 형상을 형성하는 모재로서 마그네슘 합금으로 형성되고 블레이드 형상의 마그네슘 합금 모재 표면에 카본층이 형성되어 구성된 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 풍력발전기에 의하면, 블레이드를 포함한 회전계통의 부품을 경량화 및 블레이드의 최적 배치를 통해 블레이드의 안정적인 회전구동과 더불어 에너지 손실 저감, 에너지 변환 효율 증대 등의 이점을 얻을 수 있고, 특히 복수개의 블레이드를 활용하여 발전용량을 증대시킬 수 있는 이점을 얻을 수 있다.

또한 경량화와 더불어 각 블레이드에 대해 2점 지지방식을 적용하므로 회전계통의 부품 손상을 줄일 수 있고, 이에 유지비용 절감 및 안정적인 시스템 운용이 가능해지는 장점이 있게 된다.

도 1과 도 2는 종래기술에 따른 풍력발전장치의 예를 도시한 도면,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력발전기의 정면도,

도 4는 도 3에 도시된 풍력발전기의 평면도로서, 블레이드의 배치형태를 보여주는 도면,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에서 블레이드를 도시한 평면도,

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에서 블레이드의 날개부분이 조립 구성되는 예를 도시한 평면도,

도 7은 블레이드가 상하로 2단 배치된 본 발명의 실시예를 도시한 정면도,

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기의 정면도,

도 9는 도 8에 도시된 풍력발전기의 평면도로서, 블레이드의 배치형태를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 윈드타워 120 : 타워부

130 : 지지대 130a ~ 130e : 지지대

200 : 블레이드 200a ~ 200d : 블레이드

201 : 주축 201a ~ 201d : 주축

220a ~ 220d : 발전기

이하, 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

첨부한 도 3은 본 `발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력발전기의 정면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 풍력발전기의 평면도로서, 블레이드의 배치형태를 보여주는 도면이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력발전기는, 지상에 상하로 길게 세워져 설치되는 윈드타워(100)와, 상기 윈드타워(100)에서 수평방향으로 길게 연장 설치된 지지대(130a,130b,130c,130d,130e)에 주축(201a,201b,201c,201d)을 매개로 하여 장착되어 풍력에 의해 회전되는 복수개의 블레이드(200a,200b,200c,200d)와, 상기 지지대(130a,130b,130c,130d,130e)에 설치되어 각 블레이드(200a,200b,200c,200d)의 주축(201a,201b,201c,201d)이 연결되어 결합되고 블레이드의 회전에너지를 일체 회전하는 주축을 통해 전달받아 전기에너지로 변환시켜주는 발전기(220a,220b,220c,220d)를 포함하여 구성된다.

우선, 상기 윈드타워(100)는 블레이드(200a~200d)와 발전기(220a~220d) 등 풍력발전을 위한 본 발명의 주요 구성부를 지지하는 구조물로서, 지상에서 탑 형태로 세워져 구성되는 구조물이다.

이러한 윈드타워(100)는 솔리드(solid) 타입의 기둥이나 중공관 형태의 기둥이 사용될 수도 있으나, 바람직하게는 송신탑이나 송전탑 등과 같이 다수개의 길이부재(121,131)를 종방향, 횡방향 및 경사방향으로 이어 붙여서 조립한 탑 구조물로 구성될 수 있다.

여기서, 길이부재로는 빔부재(예, 철제빔), 형강부재(예, H, L, ㄷ-형강 등), 파이프(관)부재, 봉부재 등 다양한 부재가 사용될 수 있다.

윈드타워(100)의 구조에 대해 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 지상에 고정되는 베이스부(110)와, 상기 베이스부(110)에서 상하로 길게 세워져 설치되고 길이부재(121)를 조립하여 구성한 타워부(120)와, 상기 타워부(120)에서 블레이드(200a~200d)와 발전기(220a~220d)를 지지하기 위해 돌출 연장되어 구성된 복수개의 지지대(130a~130e)를 포함하여 구성된다.

바람직한 실시예에서, 블레이드(200a~200d)와 발전기(220a~220d), 지지대(130a~130e) 등의 중량을 지지하면서 베이스부(110)에서 안정적으로 직립될 수 있도록, 상기 타워부(120)는 그 하부가 길이부재(121)를 넓은 단면적 구조로 조립하여 구성된다.

또한 상하 길이방향으로 지지대(블레이드와 발전기를 지지함)(130a~130e)가 설치되는 구간에서는 동일 단면적의 타워부(120)를 구성할 수 있으며, 상기 구간에서 원형 또는 다각형의 단면형상으로 타워부를 구성할 수 있는 바, 바람직하게는 제작과 조립이 용이한 직선형 길이부재를 사용하여 조립할 수 있는 6각형 단면형상으로 타워부(120)를 구성하는 것이 바람직하다(6각 타워로 구성함). 종래기술에 따른 풍력발전장치에서는 그 기둥 또는 타워로서 단면형상이 원형으로 된 원형 타워가 적용되었으나, 이는 비용 상승의 원인이 된다.

도 4의 평면도를 참조하면, 지지대(130, 도 3에서는 130a~130e로 구분 표시함)가 설치되는 부분의 타워부 단면형상을 볼 수 있는데, 지지대(130)가 설치되는 구간에서는 직선형 길이부재를 6각형 단면형상이 되게 배치 및 조립하여 타워부(120)가 구성되고 있다.

중심부인 상기 타워부(120)가 수직방향으로 직립된 구조물이라면, 지지대(130)는 타워부(120)에서 그 횡방향, 즉 수평방향으로 연장된 구조물로서, 이 또한 길이부재(131)를 종방향, 횡방향, 경사방향으로 이어 붙여 조립한 지지구조물이다.

본 발명에서는 각 블레이드(도 4에서 도면부호 120, 도 3에서는 200a~200d로 구분 표시함)를 상, 하측에서 지지하는 2점 지지방식이 적용되는데, 이를 위해 타워부(120)에는 복수개의 지지대(130a~130e)가 타워부의 길이(높이)방향을 따라 소정 간격을 두고 다단으로 설치된다.

이때, 복수개의 지지대(130a~130e)가 타워부(120)에서 상하로 배치되고, 특히 블레이드(200a~200d)의 상, 하단 2점 지지를 위하여 각 블레이드(200a~200d)에 대해 상, 하측으로 2개씩의 지지대(130a~130e)가 배치되는 것이다.

또한 본 발명에서는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 윈드타워(100)의 타워부(120)를 중심으로 동일 높이에 복수개의 블레이드(200)가 일정 각도의 간격으로 배치되는 바, 상기 지지대(130)가 각각의 블레이드(200)에 대해 설치되어야 하므로, 윈드타워(100)의 타워부(120)에서 일정 각도의 간격으로 각 블레이드(200)의 위치에 각각 지지대(130)가 설치되어야 하며, 이때 지지대(130)들은 윈드타워(100)의 타워부(120)를 중심으로 방사상으로 길게 연장 설치되어야 한다.

이와 같이 복수개의 지지대(130)가 타워부(120)를 중심으로 일정 각도의 간격을 두고 배치되어서 타워부(120)로부터 방사상으로 길게 설치된다.

상기 타워부(120)와 지지대(130)에서 길이부재(121,131)를 조립하는 방법으로는 용접 또는 볼팅 등 길이부재를 일체로 결합하기 위한 다양한 방법이 적용될 수 있다.

한편, 본 발명에서는 각 블레이드(200a~200d)가 상측과 하측의 지지대(130a~130e) 사이에 설치되어 상, 하측의 2점 지지방식으로 지지되며, 이때 각 블레이드(200a~200d)의 중심부인 주축(201a~201d)의 양단(상, 하단)이 상, 하측의 지지대(130a~130e)에 의해 지지되는 구조로 되어 있다.

보다 상세하게는, 각 블레이드(200a~200d)에서 주축(201a~201d)의 일단은 지지대(130a~130e)의 선단부에 고정 설치된 발전기(220a~220d)에 결합되고, 상기 주축(201a~201d)의 반대쪽 타단은 이웃 배치된 또 다른 지지대(130a~130e)의 선단부에 베어링(202a~202d)을 매개로 하여 결합된다.

도 3을 참조하면, 블레이드(200a~200d)를 타워부(120)의 길이방향(높이)을 따라 4개 층으로 설치한 예를 볼 수 있으며, 도시한 바와 같이 블레이드(200a~200d)를 상하 배치(상하 다단으로 배치)하는 방식으로 복수개의 블레이드를 설치할 수 있다.

도 3의 예에서, 최상측의 블레이드(200a)는 그 주축(201a)의 상단이 베어링(202a)을 매개로 하여 상측 지지대(130a)의 선단부에 결합되어 있고, 주축(201a)의 하단은 하측 지지대(130b)의 선단부에 고정 설치된 발전기(220a)와 결합되어 있다.

또한 그 아래측의 블레이드(200b), 즉 위에서 두 번째 블레이드는 그 주축(201b)의 상단이 상측 지지대(130b)의 선단부에 고정 설치된 발전기(220b)와 결합되어 있고, 주축(201b)의 하단은 베어링(202b)을 매개로 하여 하측 지지대(130c)의 선단부에 결합되어 있다.

또한 위에서 세 번째의 블레이드(200c)는 최상측의 블레이드(200a)와 마찬가지로 주축(201c)의 상단이 베어링(202c)을 매개로 상측 지지대(130c)에, 주축(201c)의 하단이 하측 지지대(130d)의 발전기(220c)에 결합되어 있고, 네 번째의 블레이드(200d)는 두 번째의 블레이드(200b)와 마찬가지로 주축(201d)의 상단이 상측 지지대(130d)의 발전기(220d)에, 주축(201d)의 하단이 베어링(202d)을 매개로 하측 지지대(130e)에 결합되어 있다.

그리고, 도 4를 참조하면, 바람직한 실시예의 블레이드(200)는 유선형의 단면(도 4, 도 5, 도 6, 도 9 참조)을 가지는 3개의 블레이드부(215)와, 중앙허브(211)를 중심으로 120°의 간격으로 배치되는 3쌍의 날개(212)를 가지며, 날개가 설치된 상기 중앙허브(211)에 주축(201)이 삽입되어 상기 중앙허브(211)와 주축(201)이 일체 결합됨으로써 중앙허브(211), 날개(212), 블레이드부(215) 및 주축(201)을 포함하는 블레이드(200)가 구성된다.여기서, 상기 한 쌍의 날개(212)는, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 위아래에서 수평으로 나란한 2개의 날개로 구성되고, 이러한 각 쌍의 날개(212) 단부 사이에 각 블레이드부(215)가 수직자세로 지지될 수 있게 된다.

상기 중앙허브(211)와 주축(201)을 일체로 결합하는 방법으로는 키-홈 결합방식, 스플라인 결합방식, 관통핀 결합방식 등 축과 주변 부속부품을 일체 회전 가능하도록 결합하는 공지의 다양한 방법들이 적용될 수 있다.

그리고, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 윈드타워(100)의 타워부(120)를 중심으로 120°의 간격으로 방사상 배치되는 지지대(130)를 설치하고, 상하로 배치되는 지지대(130a~130e) 사이에 각각 블레이드(200a~200d)를 장착하여(도 3참조), 각 층에서 3개의 블레이드(200)를 타워부(120)를 중심으로 120°의 간격으로 배치한다(도 4 참조).

이는 바람이 어느 방향에서 불어와도 각 블레이드(200)가 이웃한 다른 블레이드의 간섭 없이 원활히 바람을 맞아서 회전될 수 있는 최적의 배치상태로서, 임의의 방향에서 불어오는 바람이 다른 블레이드의 간섭을 받지 않고 각 블레이드에 작용할 수 있는 배치구조이다.

도 4의 바람직한 실시예에서, 120°간격으로 3개의 블레이드(200)를 설치하는 구조 대신, 블레이드를 추가하여 각 층별로 5개의 블레이드를 일정 간격으로 배치하는 것도 가능하며, 이때 블레이드의 수에 따라 지지대(130)의 수도 달라지게 된다.

도 4에서 도면부호 133은 지지대 보강부재로서, 타워부(120)와 지지대(130)의 연결부분에서 판상 구조의 지지대 보강부재(133)를 타워부(120)와 지지대(130) 사이에 덧대어 용접함으로써 보강하게 된다. 지지대 보강부재는 발전기의 설치로 인해 상대적으로 큰 하중이 가해지는 지지대에만 선별적으로 설치할 수 있으며,

첨부한 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에서 블레이드를 도시한 평면도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에서 블레이드의 날개부분이 조립 구성되는 예를 도시한 평면도이다.

도시한 바와 같이, 각 블레이드(200)는 중앙허브(211)에 일체 형성된 3개의 날개(212)를 가지며, 중앙허브(211)의 내측으로 주축(201)이 일체 결합된다.

또한 도 6에 나타낸 바와 같이, 블레이드(200)에서 각 날개(212)는 중앙허브(211)에 일체로 된 날개 베이스(213)와, 상기 날개 베이스(213)와 조립되어 하나의 날개를 구성하게 되는 날개 본체(214)로 분리 구성될 수 있다.

상기 날개 본체(214)는 날개 베이스(213)에서 탈부착이 가능하게 되어 있는 것으로, 필요시 교체가 가능하며, 다양한 폭 사이즈를 갖는 날개 본체들을 구비한 뒤 필요한 사이즈의 날개 본체를 선택하여 날개 베이스에 조립할 수 있도록 한다.

이렇게 분할 구조로 하는 경우, 손상부위에 따라 날개 베이스 및 중앙허브를 교체하거나 각 날개 본체만을 따로 교체가 가능하며, 이에 전체를 일체로 구성하는 것에 비해 유지비용을 줄일 수 있게 된다.

날개 베이스와 날개 본체의 조립방법으로는 어느 한쪽을 다른 쪽에 끼워넣은 뒤 볼팅하는 방법이 가능하다. 예를 들면, 날개 본체(214)의 결합부위를 날개 베이스(213) 대응부위의 내부로 삽입하거나 날개 베이스에 별도 형성한 홈 부분의 내부로 삽입한 뒤 상호 중첩부위를 볼팅하는 방법이 이용될 수 있다.

첨부한 도 7은 블레이드가 상하로 2단 배치된 본 발명의 실시예를 도시한 정면도로서, 블레이드(200a,200b)가 상하로 2단 배치된 점을 제외하고는 기본 구성이 도 3의 실시예(블레이드 4단 배치)와 동일하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 각 블레이드가 상, 하측의 지지대에 의해 2점 지지방식으로 지지되는 바, 2점 지지방식의 경우 종래의 1점 지지방식에 비해 좀더 안정적으로 지지가 가능하며, 주축에 가해지는 하중도 상, 하단으로 분산되어 전달될 수 있다.

이에 따라, 2점 지지방식이 적용되는 본 발명의 블레이드에서는 알루미늄 합금 소재로 제작된 경량의 주축이 사용될 수 있으며, 이를 통해 블레이드 전체의 경량화가 가능해진다. 회전계통 부품을 경량화하는 경우에 에너지 손실의 저감 및 에너지 변환 효율의 증대가 가능해진다.

주축의 소재가 되는 알루미늄 합금으로는 요구되는 설계 강도를 만족하면서도 철 소재에 비해 중량을 가볍게 한 상용화된 다양한 알루미늄 합금 소재들이 두루 사용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 블레이드를 상하 다단 구조(다층 구조)으로 설치하면서 각 층별로도 일정 간격으로 블레이드를 설치하여, 전체적으로 복수개의 블레이드를 가지는 풍력발전기를 구성할 수 있으며, 이 경우 각 블레이드의 크기를 작게 하여도 전체적인 발전용량은 크게 할 수 있다.

또한 전체 발전용량은 크게 하면서 각 블레이드의 크기는 작아질 수 있는 바, 강풍에 의한 회전계통의 부품 손상을 줄일 수 있고, 보다 안정적인 시스템 운용이 가능해진다.

또한 발전용량 증대로 인한 경제적 이익과 더불어 부품 손상 감소에 의한 유지비용 절감 등 여러 경제적인 이점이 있다. 아울러, 각 층별로 블레이드를 최적 위치에 배치함으로써 에너지 변환 효율 및 발전 효율이 증대될 수 있게 된다.

한편, 첨부한 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기의 정면도이고, 도 9는 도 8에 도시된 풍력발전기의 평면도로서, 블레이드의 배치형태를 보여주는 도면이다.

도시한 실시예에서는 블레이드(200a,200b)가 윈드타워(100)에 2단 구조, 즉 상, 하 2층으로 배치되어 설치되고, 또한 각 블레이드(200a,200b)가 상, 하측의 지지대(130a,130b,130c)에 의해 2점 지지방식으로 지지되어 설치된다.

도 9를 참조하면, 블레이드(200)가 윈드타워(100)를 중심으로 120°의 각도로 배치되어 있음을 볼 수 있으며, 이는 도 3의 실시예와 동일하다.

도 8 및 도 9의 실시예는 윈드타워(100)의 타워부(120)가 원형 단면구조로 되어 있는 점에서 도 3의 실시예와 차이가 있으며, 각 블레이드(200)의 장착구조에 대해서는 도 3의 실시예와 차이가 없다.

또한 블레이드와 발전기 간 결합구조 역시 도 3의 실시예와 동일하게 할 수 있으며(도 8에서 우측의 상, 하측 블레이드 경우임), 이는 상, 하측 블레이드의 주축 연장선상에 각각의 발전기(220a,220b)가 배치되는 구조이다.

다만, 하나의 통합발전기(220)를 주축(201a,201b) 연장선상에서 측방으로 배치하고, 상, 하측 블레이드(200a,200b)의 주축(201a,201b)과 상기 통합발전기(220)의 회전자 축(222)을 기어기구(221)를 이용해 회전력 전달이 가능하도록 연결하는 구조가 적용될 수도 있다.

즉, 상, 하측에 배치되는 두 블레이드(200a,200b)를 하나의 통합발전기(220)에 결합시켜 두 블레이드(200a,200b)가 하나의 발전기(220)를 공통으로 사용하도록 구성하는 것으로, 예컨대 도 8의 실시예에서 상측의 블레이드(200a)와 하측의 블레이드(200b)가 측방에 배치된 하나의 통합발전기(220)와 결합되어, 이 통합발전기(220)가 두 블레이드(200a,200b)의 회전에너지를 전기에너지로 변환 및 출력하도록 하는 것이다.

이때, 고정자와 회전자를 포함한 발전기(220)의 구성은 통상의 발전기와 차이가 없으나, 도 8의 도면상 좌측의 상, 하측 블레이드(200a,200b)에 적용되어 있는 바와 같이, 발전기(220a,220b)가 지지대(130a,130b,130c)에 고정되어 설치되되, 상, 하측 블레이드(200a,200b)의 주축 연장선상에서 측방으로 하나의 통합발전기(220)가 배치되고, 상기 발전기(220)의 회전자 축(222)을 수평 배치(주축에 대해서 직각 배치)하여 상, 하측 블레이드(200a,200b)의 주축(201a,201b)과는 베벨기어기구(221)로 회전력 전달이 가능하게 결합한다.

이때, 발전기(220)는 상, 하측 블레이드(200a,200b)가 공통으로 사용하는 통합발전기의 형태가 되며, 블레이드(200a,200b)의 회전력이 주축(201a,201b)에 직각 배치된 회전자 축(222)으로 베벨기어기구(221)에 의해 전달되며, 이때 전달되는 회전력에 의해 고정자 주변에서 회전자가 회전하면서 전기를 생성하게 된다.

한편, 본 발명의 풍력발전기에서 블레이드(200)는 그 형상을 형성하는 모재로서 마그네슘 합금을 사용하여 블레이드 형상을 제작하고 마그네슘 합금으로 제작한 블레이드 형상의 모재 표면에 카본층을 형성시켜 구성된다.

즉, 블레이드는 모재로 마그네슘 합금을 사용하여 그 형상을 제작한 뒤 표면에 카본층을 입혀 완성하는데, 본 발명에서와 같이 마그네슘 합금을 사용하여 제작하는 경우에는 블레이드의 경량화가 가능해진다.

앞서서 블레이드의 주축을 알루미늄 합금으로 제조함을 설명하였는 바, 주축 외에 날개부분을 포함한 블레이드 부분을 마그네슘 합금으로 제조하게 되면 블레이드 전체의 중량이 상당히 가벼워질 수 있다.

블레이드 제작 과정의 일 예로, 마그네슘 합금을 사용하여 주축을 제외한 블레이드 부분의 형상을 제작한 뒤, 제작된 블레이드 형상에 카본섬유를 감아준다.

이후 카본섬유를 감은 블레이드를 진공챔버 내에 넣은 뒤 진공챔버의 내부공기를 강하게 흡입하여 진공환경을 만들어주면 카본이 마그네슘 합금 표면에 달라붙어 견고해진다.

이러한 방법으로 마그네슘 합금을 모재로 사용하고 모재 표면에 카본층을 적층한 블레이드를 제작할 수 있으며, 표면에 카본층을 입힌 블레이드는 충분한 강도를 제공하면서도 경량화가 가능하여 풍력발전기의 블레이드로서 많은 장점을 가지게 된다.

블레이드의 소재가 되는 마그네슘 합금으로는 AZ31을 포함하여 요구되는 설계 강도를 만족하면서도 철 소재에 비해 중량을 가볍게 한 상용화된 다양한 마그네슘 합금 소재들이 두루 사용될 수 있다.

이와 같이 하여, 본 발명의 풍력발전기는 윈드타워에 경량화 및 소형화한 상, 하단 2점 지지방식의 블레이드 복수개를 설치하여 구성되며, 부품의 경량화로 블레이드의 안정적인 구동 및 부품 손상 감소가 가능하면서도 에너지의 이용률 증대 및 손실 저감 등 여러 장점이 있게 된다.

본 발명의 풍력발전기는 복수개의 블레이드(200a~200d)를 송신탑과 같은 철탑 구조물에 설치하여 구성되므로 이러한 철탑 구조물의 윈드타워(100)에 블레이드와 더불어 각종 이동통신장비, 방송통신장비, 산불방지용 CCTV 등의 설치가 가능하고, 필요 장비를 부착하면 통신용, 방송용 등의 공용 기지국으로도 활용이 가능하다.

특히, 블레이드와 발전기를 포함한 자체 발전설비를 구비하는 설비로 활용이 가능한 바, 블레이드에 의해 생성된 자체 발전 전력을 이용해 장비 운용이 가능해지므로, 기존의 기지국과 같이 장거리의 케이블을 전력공급부에서 끌어와 연결해야 하는 문제점이 해소될 수 있고, 이에 공사비 감소, 관리인력 절감 등 여러 장점이 있다.

또한 태양에너지(태양광/태양열)를 이용해 전기에너지를 생산하는 태양전지를 윈드타워(100)에 설치하여 본 발명의 풍력발전기에 추가 설치한다면, 풍력에너지와 태양에너지를 모두 이용하는 복합발전시스템으로 활용이 가능하며, 전력생산량을 증대시킬 수 있다. 물론, 생산된 전기에너지를 저장하는 축전지를 구비하는 것도 바람직하다.

그리고, 공간 활용도를 높이기 위해 윈드타워(100)의 여유공간, 즉 도 3 또는 도 8에서 지지대(130a~130e)와 지지대 사이 및 좌우 양측 블레이드(200a~200d) 사이의 타워부(120)에는 풍력에 의해 회전하는 터빈과 터빈의 회전에너지를 전기에너지를 변환시켜주는 발전기를 결합시켜 터빈발전기(230)를 추가로 구성할 수도 있다.

이상으로 본 발명에 따른 특정의 바람직한 실시예에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명이 상술한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 상술한 실시예가 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

Claims (19)

1. 지상에 고정되는 베이스부와, 상기 베이스부에 상하로 길게 세워져 설치되고 길이부재를 조립하여 6각형 단면형상으로 구성한 타워부와, 상기 타워부에서 블레이드와 발전기를 지지하기 위해 돌출 연장되어 구성되고 타워부를 중심으로 120 의 간격으로 방사상으로 배치되는 복수개의 지지대를 포함하여 구성되는 윈드타워;

   상기 윈드타워에서 수평으로 길게 연장 설치된 지지대에 주축을 매개로 장착되어 풍력에 의해 회전하며, 중앙허브를 중심으로 120 의 간격으로 배치되는 동시에 수평으로 나란한 위아래의 2개가 한쌍을 이루는 세쌍의 날개에 각각의 블레이드부가 수직자세로 지지되고, 주축의 일단이 지지대의 선단부에 고정 설치된 발전기에 결합되는 동시에 주축의 타단이 이웃 배치된 상측 또는 하측의 또 다른 지지대 선단부에 베어링을 매개로 결합되며, 상기 지지대의 각 층에서 120 의 간격으로 배치되는 3개의 블레이드;

   상기 지지대에 설치되어 각 블레이드의 주축이 연결되어 결합되고, 블레이드의 회전에너지를 일체 회전하는 주축을 통해 전기에너지로 변환시켜주는 발전기;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
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7. 청구항 1에 있어서,

   상기 지지대에 설치되는 발전기를 상하로 배치되는 두 블레이드의 주축 연장선상에서 측방으로 배치하고,

   상기 타워부에서 상하로 배치되는 두 블레이드의 주축과 상기 발전기의 회전자 축을 베벨기어기구를 이용해 회전력 전달이 가능하도록 연결하여,

   상, 하측의 두 블레이드가 하나의 통합발전기를 사용하도록 한 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
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12. 청구항 1에 있어서,

    상기 타워부에서 상하로 배치되는 두 블레이드의 주축은 지지대에서 주축의 연장선상에 설치된 하나의 통합발전기에 결합되어 회전자 축과 일체 회전되도록 한 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
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15. 청구항 1에 있어서,

    상기 블레이드는 주축이 결합된 중앙허브에 일체 형성된 날개들을 가지며, 상기 블레이드의 각 날개는 중앙허부와 일체로 된 날개 베이스와, 이 날개 베이스를 제외한 나머지 날개 본체로 분리 구성되어 상기 날개 본체가 날개 베이스에 탈부착 가능하도록 된 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
16. 청구항 1에 있어서,

    상기 블레이드는 그 형상을 형성하는 모재로서 마그네슘 합금으로 형성되고 블레이드 형상의 마그네슘 합금 모재 표면에 카본층이 형성되어 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
17. 청구항 1에 있어서,

    상기 윈드타워에 이동통신장비 또는 방송통신장비를 설치하여 공용 기지국으로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
18. 청구항 1에 있어서,

    상기 윈드타워에 태양전지를 설치하여 풍력에너지와 태양에너지를 모두 이용하는 복합발전시스템으로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
19. 청구항 1에 있어서,

    상기 윈드타워에 풍력에 의해 회전하는 터빈과 터빈의 회전에너지를 전기에너지를 변환시켜주는 발전기를 결합시킨 터빈발전기를 추가로 설치한 것을 특징으로 하는 풍력발전기.