KR101048750B1 - 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로서, 특히 메인바디의 전후단에 바람에 대해 서로 반대방향으로 회전하는 앞날개와 뒷날개를 축지하고, 메인바디의 내부에는 상기 앞,뒤날개를 통해 전달되는 상반된 회전력으로 서로 반대방향으로 회전하는 영구자석과 코일체를 설치하며, 상기 메인바디는 일정높이의 타워기둥에 설치되는 것을 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 타워기둥 내부에 메인바디와 연결되는 타워회전축과, 상기 타워회전축의 하측으로 커플링에 의해 연결되는 클러치 연결축과, 상기 클러치 연결축의 하부에 직결되고 전원의 공급 여부에 따라 선택적으로 자화되어 하단의 작동축의 회전력을 클러치 연결축에 선택적으로 공급하는 마그네트 클러치와, 상기 마그네트 클러치의 하단에 연결 설치되는 작동축과, 상기 작동축의 외주면상에 결합되는 워엄기어와, 상기 워엄기어에 맞물리는 워엄을 정역회전 구동시키는 구동모터를 더 설치하고,
풍향 및 풍속에 따라 풍력발전기를 자동요잉시키는 제어수단으로서,
풍향정보 및 풍속정보에 따라 풍력발전기의 메인바디가 자유회동 또는 구동모터의 동력에 의해 바람 방향에 대해 정면으로 마주하도록 제어하는 제어장치부; 를 포함하여 구성하므로서, 서로 상반된 방향으로 회전하는 앞,뒤날개의 회전력으로 영구자석과 코일체가 서로 반대방향으로 회전하면서 높은 발전효율을 제공하는 풍력발전기를 구현하고, 저풍속의 바람이 불 때에는 풍력발전기가 바람의 방향에 따라 자유회전하면서 바람을 정면으로 맞이하고, 중풍속의 바람이 불 때에는 구동 모터의 동력을 이용하여 풍력발전기를 강제회전시켜 풍력발전기가 바람을 정면으로 맞이하도록 하며, 강풍속의 바람이 불 때에는 구동모터의 동력을 이용하여 풍력발전기가 바람이 불어오는 방향에 대해 직교하도록 하여 강풍에 의해 앞,뒤날개가 파손되는 현상을 방지할 수 있도록 한 풍력발전기에 관한 것이다.
풍력발전기, 앞날개, 뒷날개, 영구자석, 코일체, 제어장치부, 마그네트 클러치, 작동축, 구동모터, 풍향계, 풍속계,

Description

풍력발전기{Wind power generator}
본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 상반된 방향으로 회전하는 앞,뒤날개의 회전력으로 영구자석과 코일체가 서로 반대방향으로 회전하면서 높은 발전효율을 제공하는 풍력발전기를 구현하고, 저풍속의 바람이 불 때에는 풍력발전기가 바람의 방향에 따라 자유회전하면서 바람을 정면으로 맞이하고, 중풍속의 바람이 불 때에는 구동모터의 동력을 이용하여 풍력발전기를 강제회전시켜 풍력발전기가 바람을 정면으로 맞이하도록 하며, 강풍속의 바람이 불 때에는 구동모터의 동력을 이용하여 풍력발전기가 바람이 불어오는 방향에 대해 직교하도록 하여 강풍에 의해 앞,뒤날개가 파손되는 현상을 방지할 수 있도록 한 풍력발전기에 관한 것이다.
본 출원인은 앞,뒤날개가 서로 반대방향으로 회전하고, 그 앞,뒤날개에 의해 제공되는 상반된 회전력으로 영구자석과 코일체를 서로 반대방향으로 회전시켜 높은 발전효율을 얻을 수 있는 풍력발전기를 선출원하였다.
그런데, 앞,뒤날개가 서로 반대방향으로 회전하는 풍력발전기는 하나의 날개 로만 발전하는 풍력발전기에 비해 저풍속의 바람에도 작동하여 발전하는 특징이 있으며, 강한 바람에 대해서는 날개가 너무 빨리 회전하여 파손의 위험이 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 국내의 지리적 여건상 바람이 한 방향으로만 지속적으로 불지않고 바람의 방향이 급변하는 회오리바람이 부는 여건하에서는 바람 방향에 따라 풍력발전기가 바람을 마주하도록 회전하는 자동 요잉기능이 매우 중요한데,
종래의 풍력발전기는 자동 요잉기능이 떨어져 바람방향에 대해 신속하게 회전작동하여 항시 바람을 마주하도록 자세를 고쳐주지 못하는 고장요인이 발생하고 있어 유지보수에 많은 어려움이 따랐음은 물론 풍력발전기의 자체 수명이 매우 짧은 문제점이 있었다.
따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 서로 상반된 방향으로 회전하는 앞,뒤날개의 회전력으로 영구자석과 코일체가 서로 반대방향으로 회전하면서 높은 발전효율을 제공하는 풍력발전기를 구현하고, 저풍속(약 12m 이하)의 바람이 불 때에는 풍력발전기가 바람의 방향에 따라 자유회전하면서 바람을 정면으로 맞이하고, 중풍속(12m 이상)의 바람이 불 때에는 구동모터의 동력을 이용하여 풍력발전기를 강제회전시켜 풍력발전기가 바람을 정면으로 맞이하도록 하며, 강풍속(18m 이상)의 바람이 불 때에는 구동모터의 동력을 이용하여 풍력발전기가 바람이 불어오는 방향에 대해 직교하도록 하여 강풍에 의해 앞,뒤날개가 파손되거나 풍력발전기 동체가 파손되는 현상을 방지할 수 있도록 한 풍력발전기를 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적달성을 위한 본 발명은,
메인바디의 전후단에 바람에 대해 서로 반대방향으로 회전하는 앞날개와 뒷날개를 축지하고, 메인바디의 내부에는 상기 앞날개를 통해 전달되는 회전력으로 회전하는 영구자석과 상기 뒷날개를 통해 전달되는 회전력으로 영구자석에 대해 반대방향으로 회전하는 코일체가 설치되며, 상기 메인바디는 일정높이의 타워기둥에 설치되는 것을 포함하는 풍력발전기에 있어서,
상기 메인바디의 앞쪽에 축지되는 프론트축의 선단부에 프론트허브를 결합하고, 상기 프론트허브에 앞날개를 결합하며, 프론트축의 중간부에 스파이더를 체결하고, 상기 스파이더의 외경에 영구자석을 설치하며,
상기 프론트축과 내측이 베어링에 의해 결합되는 회전체를 상기 영구자석을 수용토록 설치하고, 상기 회전체의 외곽에 영구자석에 대향하도록 코일체을 설치하며, 메인바디의 내부 후단에 상기 회전체의 내측 일단과 연결되면서 그 끝단이 메인바디 후단부로 노출되는 리어축을 설치하고, 상기 리어축의 끝단에 결합되는 리어허브에 뒷날개를 결합한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 서로 상반된 방향으로 회전하는 앞,뒤날개의 회전력으로 영구자석과 코일체가 서로 반대방향으로 회전하면서 높은 발전효율을 제공하는 풍력발전기를 구현하고, 저풍속의 바람이 불 때에는 풍력발전기가 바람의 방향에 따라 자유회전하면서 바람을 정면으로 맞이하고, 중풍속의 바람이 불 때에는 구동모터의 동력을 이용하여 풍력발전기를 강제회전시켜 풍력발전기가 바람을 정면으로 맞이하도록 하며, 강풍속의 바람이 불 때에는 구동모터의 동력을 이용하여 풍력발전기가 바람이 불어오는 방향에 대해 직교하도록 하여 강풍에 의해 앞,뒤날개 및 동체가 파손 또는 고장나는 현상을 방지할 수 있도록 한 풍력발전기를 제공하는 효과를 기대할 수 있다.
이하, 첨부된 도면 도 1 내지 도 7 을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도면부호 1 은 메인바디를 나타낸다.
상기 메인바디(1)의 전후단에 바람에 대해 서로 반대방향으로 회전하는 앞날개(2)와 뒷날개(10)를 축결하고, 메인바디(1)의 내부에는 상기 앞날개(2)를 통해 전달되는 회전력으로 회전하는 영구자석(7)과 상기 뒷날개(10)를 통해 전달되는 회전력으로 영구자석(7)에 대해 반대방향으로 회전하는 코일체(22)가 설치되며, 상기 메인바디(1)는 일정높이의 타워기둥(30)에 받쳐지도록 설치된다.
상기 메인바디(1)의 앞쪽에 축결합되는 프론트축(3)의 선단부에 프론트허브(4)를 결합하고, 상기 프론트허브(4)에 앞날개(2)를 다수의 볼트로서 결합하며, 상기 프론트허브(4)의 앞쪽으로 프론트허브캡(5)을 결합하여 프론트축(3) 부분이 비바람이나 외부충격으로 부터 보호될 수 있도록 하고, 상기 프론트축(3)의 중간부에 스파이더(6)를 체결하며, 상기 스파이더(6)의 외경에 다수의 영구자석(7)을 적정간격으로 고정 설치한다.
상기 영구자석(7)은 앞날개(2)가 축결합된 프론트축(3)에 연결되도록 설치되므로, 앞날개(2)가 회전하는 방향과 동일한 방향으로 회전하게 된다.
한편, 상기 프론트축(3)과 내측(21)이 베어링(27a)에 의해 결합되어 프론트축(3)과는 독립회전할 수 있는 회전체(20)를 상기 영구자석(7)을 내경에 수용토록 메인바디(1) 내부에 설치하고, 상기 회전체(20)의 외경에 영구자석(7)에 대향하도 록 코일체(22)를 설치하여 상기 코일체(22)가 뒷날개(10)의 회전력에 의해 영구자석(7)과는 반대방향으로 회전토록 한다.
메인바디(1)의 내부 후단에 상기 회전체(20)의 내측(21) 일단과 연결되면서 그 끝단이 메인바디(1) 후단부로 노출되는 리어축을 설치하고, 상기 리어축의 끝단에 결합되는 리어허브(17)에 뒷날개(10)를 결합하며, 상기 리어허브(17)에는 리어허브캡(18)을 결합하여 리어축을 보호할 수 있도록 한다.
이때, 상기 리어축은 회전체(20)의 내측(21) 일단과 연결되는 제 1 리어축(11)과, 끝단부에 리어허브(17)가 결합된 상태로 상기 제 1 리어축(11)과는 체인커플링(13)에 의해 연결되는 제 2 리어축(12)으로 분리 구성하며,
상기 체인커플링(13)은 제 1 리어축(11)의 끝단에 제 1 스프로켓(14)을 결합하고, 제 2 리어축(12)의 일측에 제 2 스프로켓(15)을 결합하며, 상기 제 1 및 제 2 스프로켓(14)(15)을 더블체인(16)으로 연결하여 제 1 리어축(11)과 제 2 리어축(12)이 연결되도록 하는 것이며, 이에따라, 뒷날개(10)의 회전력이 리어허브(17), 제 2 리어축(12), 제 1 리어축(11), 회전체(20)의 순서로 전달되어 코일체(22)을 영구자석(7)의 반대방향으로 회전시키게 되는 것이다.
상기 제 1 리어축(11)에는 코일체(22)에 유기된 전기를 인출하기 위한 슬립링(24), 브러쉬(25) 및 브러쉬홀더(26)가 설치되고, 상기 브러쉬(25)를 통해 인출되는 전기는 미도시된 정류장치에 의해 정류되어 충전소로 전송되며, 이러한 슬립링, 브러쉬 및 브러쉬홀더의 구성은 이미 공지된 기술이므로 상세한설명을 생략한다.
그리고, 미설명된 도면부호 27a, 27b, 27c, 27d는 베어링 이다.
한편, 상기 타워기둥(30) 내부 상단에 메인바디(1)와 연결되는 타워회전축(31)을 종방향으로 설치하고, 상기 타워회전축(31)의 하측으로 클러치 연결축(33)을 연결설치하는데, 이때, 상기 타워회전축(31)의 하부와 클러치 연결축(33)의 상부를 커플링(32)를 이용하여 연결하므로서, 타워회전축(31)과 클러치 연결축(33)이 함께 회전할 수 있도록 하고,
상기 클러치 연결축(33)의 하부에 전원의 공급 여부에 따라 선택적으로 자화되어 하단의 작동축(35)의 회전력을 클러치 연결축(33)에 선택적으로 공급하는 마그네트 클러치(34)를 직결하며, 상기 마그네트 클러치(34)의 하단에 작동축(35)을 연결 설치한다.
상기 마그네트 클러치(34)는 공급되는 전류에 의해 선택적으로 자화되는 것으로서, 전류가 공급될 때에는 자화되어 하부의 작동축(35)과 상부의 클러치 연결축(33)을 상호 연결하여 작동축(35)의 회전력이 그대로 타워회전축(31)으로 전달되도록 하고, 전류가 공급되지 않을 때에는 자력이 상실되면서 클러치 연결축(33)이 자유회전할 수 있도록 하므로서 바람의 방향에 따라 메인바디(1)가 자유회전할 수 있게되는 것이다.
그리고, 상기 작동축(35)의 외주면상에 워엄기어(36)를 결합하고, 상기 워엄기어(36)에 워엄(37)을 연결하며, 상기 워엄(37)을 구동모터(38)의 축에 축지시켜 구동모터(38)의 정,역구동에 의해 작동축(35)이 정방향 또는 역방향으로 회전하게 된다.
한편, 본 발명에서는 풍향 및 풍속에 따라 풍력발전기를 자동요잉시키는 제어수단을 더 구성하는데,
상기 제어수단은,
메인바디(1)의 상부에 설치된 풍향계(50)의 회전각도에 대응하는 풍향정보를 출력하는 엔코더(51)와;
메인바디(1)의 상부에 설치된 풍속감지날개(52)의 회전속도를 이용하여 풍속을 감지 출력하는 풍속계(53)와;
풍속계(53)에서 감지되는 감지풍속에 따라 마그네트 클러치(34)에 선택적으로 전류를 공급하면서 상기 엔코더(51)에서 공급되는 풍향정보에 따라 구동모터(38)를 정,역 구동시켜 풍력발전기의 메인바디(1)가 바람 방향에 대해 정면으로 마주하도록 제어하는 제어장치부(54); 를 포함하여 구성한다.
상기 풍향계(50)는 메인바디(1)의 상부에 바람방향에 따라 회전하도록 설치하고, 상기 엔코더(51)는 풍향계(50)의 축과 연결되도록 설치하여 풍향계(50)가 회전하는 각도에 대응하는 풍향정보를 펄스형태로 제어장치부(54)에 공급하는 것이다.
또한, 상기 풍속감지날개(52)는 메인바디(1)의 상부에 바람속도에 따라 회전하도록 설치하고, 상기 풍속감지날개(52)의 축과 연결되도록 풍속계(53)를 메인바 디(1)상에 설치하여 풍속계(53)가 풍속감지날개(52)의 회전속도에 대응하는 풍속정보를 제어장치부(54)로 출력토록 구성한다.
여기서, 상기 제어장치부(54)의 동작을 좀더 상세히 설명하면,
상기 제어장치부(54)는 감지풍속이 미리 설정된 제 1 기준풍속(12m) 이하일때 마그네트 클러치(34)로 공급되는 전류를 차단하여 메인바디(1)가 바람방향에 따라 자유회전하도록 제어하고,
상기 제어장치부(54)는 감지풍속이 미리 설정된 제 1 기준풍속(12m)과 제 2 기준풍속(18m) 사이일 때, 마그네트 클러치(34)로 전류를 공급하여 작동축(35)과 클러치 타워회전축(31)이 연결되도록 한 후 엔코더(51)의 풍향정보에 따라 구동모터(38)를 정,역구동시켜 풍력발전기의 메인바디(1)가 바람방향을 따라 강제 회전되도록 하여 메인바디(1)가 바람을 정면으로 마주할 수 있도록 제어하며,
상기 제어장치부(54)는 감지풍속이 미리 설정된 제 2 기준풍속(18m) 이상일때 마그네트 클러치(34)로 전류를 공급하여 작동축(35)과 클러치 타워회전축(31)이 연결되도록 한 후 구동모터(38)를 정,역구동시켜 풍력발전기의 메인바디(1)가 도 7 과 같이 바람방향에 대해 직교하도록 하여 앞,뒤날개(2)(10)가 강한바람에 구동하지 않도록 하므로서, 강한 풍속에의해 앞,뒤날개(2)(10)가 파손되는 현상이 발생하지 않도록 하는 것이다.
상기 제어장치부(54)의 작동기준이 되는 제 1 기준풍속과 제 2 기준풍속은 오랜 실험에 의해 얻은 데이타로서, 제 1 기준풍속 보다 낮은 속도의 풍속에서는 본 발명의 앞,뒤 날개(2)(10)가 바람을 정면으로 맞으면서 바람의 방향에 따라 서 서히 메인바디(1)가 자유회전할 수 있고, 제 1 기준퐁속 보다 높고 제 2 기준풍속 보다 낮은 바람에서는 앞,뒤 날개(2)(10)가 비교적 빠른 속도로 회전하게 되므로 자칫 잘못하여 메인바디(1)가 너무 빠르게 회전하면서 내부 마찰부품의 파손을 유발할 수 있으므로 구동모터(38)의 회전력을 이용하여 서서히 메인바디(1)가 회전하도록 제어하는 것이며, 제 2 기준풍속 보다 빠른 바람에서는 앞,뒤날개(2)(10)가 너무 빠른 속도로 회전하여 파손될 수 있으므로 도 7 과 같이 메인바디(1)가 바람방향에 대해 직교하도록 제어하는 것이다.
도면부호 39 는 타워기둥(30) 내부에 설치되어 타워회전축(31)이 지속적으로 한방향으로 회전하지 못하도록 차단하는 스토퍼를 나타내고,
도면부호 40a, 40b, 40c, 40d는 축을 지지하는 베어링이다.
도 1 은 본 발명의 풍력발전기를 보인 단면도.
도 2 내지 도 4 는 본 발명의 내부 구성을 확대 도시한 도면.
도 5 는 본 발명에 적용된 제어수단을 보인 블럭도.
도 6 은 본 발명의 제어과정을 보인 플로우챠트.
도 7 은 본 발명의 풍력발전기의 작동상태를 보인 도면.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 메인바디, 2: 앞날개,
3: 프론트축, 7: 영구자석,
10: 뒷날개, 11,12: 리어축,
13: 체인커플링, 22: 코일체,
30: 타워기둥, 31: 타워회전축,
32: 커플링, 33: 클러치 연결축,
34: 마그네트 클러치, 35: 작동축,
36: 워엄기어, 37: 워엄,
38: 구동모터, 50: 풍향계,
51: 엔코더, 52: 풍속감지날개,
53: 풍속계, 54: 제어장치부,

Claims (11)

  1. 메인바디(1)의 전후단에 바람에 대해 서로 반대방향으로 회전하는 앞날개(2)와 뒷날개(10)를 축결합하고, 메인바디(1)의 내부에는 상기 앞날개(2)를 통해 전달되는 회전력으로 회전하는 영구자석(7)과 상기 뒷날개(10)를 통해 전달되는 회전력으로 영구자석(7)에 대해 반대방향으로 회전하는 코일체(22)가 설치되며, 상기 메인바디(1)는 일정높이의 타워기둥(30)에 설치되는 것을 포함하는 풍력발전기에 있어서,
    상기 메인바디(1)의 앞쪽에 축결합되는 프론트축(3)의 선단부에 프론트허브(4)를 결합하고, 상기 프론트허브(4)에 앞날개(2)를 결합하며, 프론트축(3)의 중간부에 스파이더(6)를 체결하고, 상기 스파이더(6)의 외경에 다수의 영구자석(7)을 적정간격으로 고정 설치하며,
    상기 프론트축(3)과 내측(21)이 베어링(27a)에 의해 결합되는 회전체(20)가 상기 영구자석(7)을 내경에 수용토록 설치하고, 상기 회전체(20)의 외곽에 영구자석(7)에 대향하도록 코일체(22)을 설치하며, 메인바디(1)의 내부 후단에 상기 회전체(20)의 내측(21) 일단과 연결되면서 그 끝단이 메인바디(1) 후단부로 노출되는 리어축을 설치하고, 상기 리어축의 끝단에 결합되는 리어허브(17)에 뒷날개(10)를 결합한 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리어축은 회전체(20)의 내측(21) 일단과 연결되는 제 1 리어축(11)과, 끝단부에 리어허브(17)가 결합된 상태로 상기 제 1 리어축(11)과는 체인커플링(13)에 의해 연결되는 제 2 리어축(12)으로 분리 구성한 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 타워기둥(30) 내부에 메인바디(1)와 연결되는 타워회전축(31)과, 상기 타워회전축(31)의 하측으로 커플링(32)에 의해 연결되는 클러치 연결축(33)과, 상기 클러치 연결축(33)의 하부에 직결되고 전원의 공급 여부에 따라 선택적으로 자화되어 하단의 작동축(35)의 회전력을 클러치 연결축(33)에 선택적으로 공급하는 마그네트 클러치(34)와, 상기 마그네트 클러치(34)의 하단에 연결 설치되는 작동축(35)과, 상기 작동축(35)의 외주면상에 결합되는 워엄기어(36)와, 상기 워엄기어(36)에 맞물리는 워엄(37)을 정역회전 구동시키는 구동모터(38)를 더 설치한 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    풍향 및 풍속에 따라 풍력발전기를 자동요잉시키는 제어수단으로서,
    메인바디(1)의 상부에 설치된 풍향계(50)의 회전각도에 대응하는 풍향정보를 출력하는 엔코더(51)와;
    상기 엔코더(51)에서 공급되는 풍향정보에 따라 구동모터(38)를 정,역 구동시켜 풍력발전기의 메인바디(1)가 바람 방향에 대해 정면으로 마주하도록 제어하는 제어장치부(54); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
  5. 제 4 항에 있어서, 메인바디(1)의 상부에 설치된 풍속감지날개(52)의 회전속도를 이용하여 풍속을 감지 출력하는 풍속계(53)를 더 포함하고,
    상기 제어장치부(54)는 풍속계(53)에서 감지되는 감지풍속에 따라 마그네트 클러치(34)에 선택적으로 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제어장치부(54)는 감지풍속이 미리 설정된 제 1 기준풍속(12m) 이하일때 마그네트 클러치(34)로 공급되는 전류를 차단하여 메인바디(1)가 바람방향에 따라 자유회전하도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 제어장치부(54)는 감지풍속이 미리 설정된 제 1 기 준풍속(12m)과 제 2 기준풍속(18m) 사이일 때, 마그네트 클러치(34)로 전류를 공급하여 작동축(35)과 클러치 타워회전축(31)이 연결되도록 한 후 엔코더(51)의 풍향정보에 따라 구동모터(38)를 정,역구동시켜 풍력발전기의 메인바디(1)가 바람방향을 따라 강제 회전되도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 제어장치부(54)는 감지풍속이 미리 설정된 제 2 기준풍속(18m) 이상일때 마그네트 클러치(34)로 전류를 공급하여 작동축(35)과 클러치 타워회전축(31)이 연결되도록 한 후 구동모터(38)를 정,역구동시켜 풍력발전기의 메인바디(1)가 바람방향에 대해 직교하도록 하여 앞,뒤날개(2)(10)가 구동하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
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