KR101052683B1 - 수평-수직축 가변형 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수평-수직축 가변형 풍력발전장치에 관한 것으로서, 타워에 지지되어 지면으로부터 일정한 높이에 설치되는 나셀의 일측에 풍력에 의해 회전되는 회전날개부가 구비되고, 상기 회전날개부의 회전에 의해 회전 구동되는 수평축이 상기 나셀의 내부로 연장 설치되는 수평축 풍력발전장치에 있어서, 상기 나셀의 내부에 설치되어 상기 수평축의 회전력에 의해 발전을 하는 상부 발전기와, 상기 타워의 내부에 설치되는 수직축과, 상기 수평축의 회전력을 상기 수직축에 선택적으로 전달하는 동력전달부와, 상기 타워의 하부에 설치되어 상기 수직축의 회전력에 의해 발전을 하는 하부 발전기, 및 상기 수평축의 회전력이 상기 상부 발전기의 발전용량을 초과하는 경우 상기 동력전달부를 작동시켜 수평축의 회전력이 수직축으로 전달되도록 제어하는 동력제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 타워에 가해지는 하중을 균등화 및 최소화하여 설치비용을 대폭 절감시킴과 함께 풍력의 크기에 따라 상부발전기와 하부발전기가 가변적으로 발전을 할 수 있도록 하여 발전량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

발전, 풍력, 에너지

Description

수평-수직축 가변형 풍력발전장치 {Horizontal-Vertical Axis variabe type Wind Power Generation}

본 발명은 수평-수직축 가변형 풍력발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수평형 풍력발전장치에서 타워에 가해지는 하중을 최소화하여 설치비용 및 설치상의 난이도를 감소시킴과 함께 발전량은 극대화할 수 있는 수평-수직축 가변형 풍력발전장치에 관한 것이다.

풍력발전이란 풍차를 이용해 바람이 가진 에너지를 주축을 통한 기계적인 에너지(회전력)로 변환시키고, 이러한 기계적 에너지가 발전기를 구동함으로써 전기적인 에너지로 변환되어 전력을 얻는 발전 방식을 말하는 것으로서, 현재까지 개발된 신재생에너지원 중 가장 경제성이 높을 뿐 아니라 무한정, 무비용의 청정에너지원인 바람을 이용하여 발전할 수 있는 장점 때문에 일찍이 풍력발전산업이 발달한 유럽은 물론 최근에는 미주와 아시아 등지에서도 적극적인 투자가 이뤄지고 있는 실정이다.

특히, 풍력발전은 전력생산단가의 가격경쟁력 향상 및 발전시스템 설치의 소요면적 최소화 등과 같은 원가적인 측면과, 화석에너지 고갈에 대한 대체에너지원 과 온난화방지와 같은 지구환경보호라는 사회환경적 측면과 아울러 공급의 안정성 및 에너지 수입의 의존도 감소라는 경제적인 측면에서의 장점 때문에 정부에서도 풍력발전의 보급을 적극 지원하고 있으며, 그에 따라 국내에서도 향후 풍력발전의 성장세가 본격화될 것으로 기대되고 있다.

이러한 풍력발전을 위한 풍력발전장치는 회전축의 방향에 따라 수직축 풍력발전장치와 수평축 풍력발전장치로 구분되는데, 현재까지 수직축에 비해 수평축 풍력발전장치의 효율이 높고 안정적이어서 상업용 풍력발전단지에는 대부분 수평축 풍력발전장치가 적용되고 있다.

통상적인 수평축 풍력발전장치는 일반적으로 로터와 다수의 블레이드로 이루어져 바람에 의해 회전되는 회전날개부와, 상기 회전날개부에 결합되어 회전날개부의 회전에 의해 회전 구동되는 수평축과, 상기 수평축의 회전력에 의해 전력을 생산하는 발전기를 포함하고 있다.

그런데 이러한 통상적인 수평형 풍력발전기에 있어서, 많은 동력을 얻어내기 위해서는 블레이드를 키우거나 블레이드 크기에 상응하는 크기의 발전기를 장착해야 하는데, 블레이드와 발전기가 커지면 커질수록 무게가 증가하게 되어 무거운 블레이드와 발전기를 지지할 타워와 구조물의 규모가 같이 커져야만 하며, 또한, 발전시설이 무거워지면 그 무게의 지지를 위한 베어링과 같은 부품도 증가해야 하고, 바람의 방향에 따라 회전날개부의 방향을 돌려주는 요(yaw) 동작을 위해 별도의 특수 장치가 설치되어야만 한다.

따라서, 이와 같은 기술적인 어려움으로 인하여 그 설치 및 유지비용이 기하급수적으로 증가하게 되며, 이러한 기술적인 난이도 및 비용의 증가로 인하여 풍력발전장치의 폭넓은 보급에 막대한 장애를 초래하는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 타워에 가해지는 하중을 균등화 및 최소화하여 설치비용을 대폭 절감시킴과 함께 풍력의 크기에 따라 상부발전기와 하부발전기가 가변적으로 발전을 할 수 있도록 하여 발전량을 극대화할 수 있는 수평-수직축 가변형 풍력발전장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 과제해결수단으로서 본 발명은,
타워에 지지되어 지면으로부터 일정한 높이에 설치되는 나셀의 일측에 풍력에 의해 회전되는 회전날개부가 구비되고, 상기 회전날개부의 회전에 의해 회전 구동되는 수평축이 상기 나셀의 내부로 연장 설치되는 수평축 풍력발전장치에 있어서, 상기 수평축과 연결되어 상기 나셀의 내부에 설치되며, 상기 수평축의 회전력에 의해 발전을 하는 상부 발전기와, 상기 타워의 내부에 수직으로 설치되는 수직축과, 상기 수평축과 수직축에 설치되어 상기 수평축의 회전력을 상기 수직축에 선택적으로 전달하는 동력전달부와, 상기 수직축과 연결되어 상기 타워의 하부에 설치되며, 상기 수직축의 회전력에 의해 발전을 하는 하부 발전기, 및 상기 동력전달부와 전기적으로 연결되며, 상기 수평축의 회전력이 상기 상부 발전기의 발전용량을 초과하는 경우 상기 동력전달부를 작동시켜 수평축의 회전력이 수직축으로 전달되도록 제어하는 동력제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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여기서, 상기 상부 발전기는 상기 타워를 중심으로 상기 회전날개부의 반대쪽에 위치되며, 상기 타워에 가해지는 하중이 균형을 이룰 수 있도록 상기 회전날개부에 대응하는 중량을 갖는 것이 바람직하다.

그리고 상기 동력전달부는 상기 수평축에 설치되며, 상기 동력제어부의 제어신호에 따라 상기 수평축의회전력이 선택적으로 인가 또는 차단되도록 작동하는 클러치와, 상기 클러치에 결합되어 회전력이 인가된 클러치에 연동하는 제1 베벨기어, 및 상기 제1 베벨기어와 직각으로 취합되며 상기 수직축의 상단에 결합되는 제2 베벨기어를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 수평-수직축 가변형 풍력발전장치는,

타워에 의해 지지되는 나셀에는 회전날개부와 무게의 균형을 유지할 수 있는 최소한의 중량을 갖는 상부 발전기만이 설치되고, 나머지 초과 발전량에 대해서는 수직축으로 우회시켜 지상에 설치된 하부 발전기에서 발전이 이루어지도록 하기 때문에, 타워에 가해지는 전체적인 하중이 최소화되어 타워를 포함한 전체적인 지지구조물의 규모를 줄일 수 있으며, 그에 따라 설치상 기술적 어려움을 제거하고 설치 및 유지비용을 대폭 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하 게 설명하기로 한다. 본 발명을 설명하는 데 있어서, 원칙적으로 관련된 공지의 기능이나 공지의 구성과 같이 이미 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 기술적 특징을 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 수평-수직축 가변형 풍력발전장치의 전체적인 구성을 나타내는 단면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동력전달부(40)의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 3a/b는 동력전달부(40)의 작동상태를 예시한 예시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동력제어부(50)의 개략적 구성을 나타내는 블럭도이다.

상기한 도면들에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평-수직축 가변형 풍력발전장치는 지면에 세워진 일정한 높이의 타워(1)와, 상기 타워의 상단에 회전 가능하게 설치되어 지면으로부터 일정한 높이에 위치되는 유선형의 나셀(2, Nacelle)을 포함한다.

상기 나셀의 일측에는 다수의 블레이드(3)를 갖는 로터(4)로 이루어져 바람에 의해 회전되는 회전날개부(5)가 구비되고, 타측에는 상기 나셀(2)이 풍향에 따라 회전하는 요(yaw) 동작을 도와주는 꼬리날개(6, Wind Vane)가 구비된다.

그리고 상기 회전날개부(5)의 회전에 의해 회전 구동되는 수평축(7)이 상기 나셀(2)의 내부로 연장 설치되며, 상기 수평축(7)의 회전력을 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생성하는 발전부가 구비된다.

상술한 바와 같은 구성은 통상적인 수평형 풍력발전장치와 동일한 것이며, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평-수직축 가변형 풍력발전장치에서는 전기를 생성하는 발전부가 상기 나셀(2)의 내부에 설치되는 상부 발전기(10)와, 상기 타워(1)의 하부, 즉 지면에 설치되는 하부 발전기(20)로 구분되어 이루어지는 특징을 가지며, 이와 같이 나셀(2)에 설치되는 상부 발전기(10)와 지면에 설치되는 하부 발전기(20)로 구성한 것은 타워(1)에 가해지는 하중을 최소화함과 함께 가해지는 하중이 균형을 이루도록 하기 위한 것이다.

상기 상부 발전기(10)는 통상적인 수평형 풍력발전장치와 같이 상기 수평축(7)에 연결되어 상기 나셀(2)의 내부에 설치되는 것으로서, 상기 수평축(7)의 회전력을 전기적 에너지로 변환하여 발전을 하게 된다.

여기서, 상기 상부 발전기(10)는 상기 타워(1)를 중심으로 상기 회전날개부(5)가 설치된 위치의 반대쪽에 위치하게 되며, 상기 회전날개부(5)의 중량에 대응하는 중량을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명에서 상부 발전기(10)에 대해서는 상기 회전날개부(5)의 크기에 대응하는 발전용량을 고려하는 것이 아니라 상기 타워(1)를 중심으로 상기 회전날개부(5)와 무게의 균형을 이루기 위한 중량을 고려하는 것이며, 그에 따라 상기 상부 발전기(10)는 회전날개부(5)와 무게의 균형을 이룰 수 있는 최소한의 중량을 갖는 것으로 채택되는 것이다.

이렇게 나셀(2)의 내부에 설치되는 상부 발전기(10)는 회전날개부(5)와 대응 하는 최소한의 중량을 갖도록 하여 타워(1)에 최소한의 균일한 하중이 가해지기 때문에 나셀(2)의 요(yaw) 동작이 별도의 장치 없이 상기 꼬리날개(6)의 작용만으로도 가능해질 수 있으며, 타워(1)에 가해지는 하중을 분산시키기 위한 별도 구조물의 설치도 필요 없게 된다.

그리고 최소한의 중량을 갖는 상기 상부 발전기(10)의 발전용량을 초과하는 풍력이 가해질 경우에는 상기 수평축(7)의 회전 동력을 지면에 설치된 상기 하부 발전기(20)로 우회 전달하여 추가적인 발전이 이루어지도록 하는 것이다.

이렇게 상기 수평축(7)의 회전력을 상기 하부 발전기(20)로 전달하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평-수직축 가변형 풍력발전장치는 수직축(30)과, 동력전달부(40)와, 동력제어부(50)를 더 포함하게 된다.

상기 수직축(30)은 상기 타워(1)의 내부에 회전 가능하게 설치되며, 후술할 동력전달부(40)에 의해 수평축(7)의 회전력을 전달받아 회전 구동하게 되며, 상기 하부 발전기(20)는 상기 수직축(30)의 회전력에 의해 발전을 하게 된다.

도면부호 35는 베어링연결부로서 타워(1)의 높이에 따라 진동 등의 방지를 위해 상기 수직축(30)이 다단으로 연결 설치될 때 각 수직축(30)을 회전 가능하게 안정적으로 연결시키기 위한 것이다.

상기 동력전달부(40)는 수평축(7)의 회전력을 선택적으로 수직축(30)으로 전달하기 위한 것으로서, 도 2에 도시된 것과 같이 상기 수평축(7) 상에 설치되는 클러치(41)와, 상기 클러치(41)에 결합되어 연동되는 제1 베벨기어(42)와, 상기 제1 베벨기어(42)에 직각으로 취합되면서 상기 수직축(30)의 상단에 결합되는 제2 베벨 기어(43)로 이루어진다.

상기 클러치(41)는 상기 수평축(7)의 외주연에 결합 설치되어 상기 수평축(7)의 회전력이 선택적으로 인가 또는 차단되도록 작동하는 것으로서, 이러한 클러치(41)는 주식회사 현대클러치(www.hyundaiclutch.co.kr) 등 다양한 클러치전문회사에서 이미 생산되고 있는 공지된 기술이다.

따라서 상기 클러치(41)에 대한 세부적인 구성에 대해서는 그 설명을 생략하고, 개략적으로 설명을 하면, 도 2에 도시된 것과 같이 상기 클러치(41)는 상기 수평축(7)과 함께 연동 회전하도록 수평축(7)에 고정 결합되는 제1클러치부재(41a)와, 상기 수평축(7)에 베어링을 매개로 결합되어 상기 수평축(7)의 회전과 무관하게 아이들링 상태를 유지하는 제2클러치부재(41b)와, 상기 제1클러치부재(41a)와 제2클러치부재(41b) 사이의 클러치링(41c)으로 이루어진다.

그리고 후술할 동력제어부(50)의 제어신호에 의한 전원인가 또는 차단에 따라 내부코일(41d)에 자력이 발생하고, 그 자력에 의해 상기 클러치링(41c)이 이동되면서 상기 제1클러치부재(41a)의 회전력을 제2클러치부재(41b)에 선택적으로 전달하도록 작동하게 된다. 도 3a는 수평축(7)의 회전력이 차단된 상태이고, 도 3b는 회전력이 전달되는 상태를 나타내고 있다.

상기 제1 베벨기어(42)는 상기 클러치(41)의 제2클러치부재(41b)에 결합되어 제2클러치부재(41b)와 연동 회전하게 되며, 직각으로 취합된 제2 베벨기어(43)를 회전시켜 수직축(30)으로 회전력을 전달하게 된다.

상기 동력제어부(50)는 수평축(7)의 회전력이 선택적으로 수직축(30)으로 전달될 수 있도록 상기 동력전달부(40)의 클러치(41) 작동을 제어하며, 이를 위하여 도 4에 도시된 것과 같이 상기 동력제어부(50)는 저장부(51)와 속도감지부(52)와 동력전달제어부(53)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 저장부(51)에는 상기 상부 발전기(10)의 발전용량에 대한 데이터가 저장되며, 상기 속도감지부(52)는 상기 수평축(7)의 회전속도(RPM)를 실시간으로 감지하게 된다.

상기 동력전달제어부(53)는 마이크로프로세서(CPU)로서, 상기 속도감지부(52)에서 감지된 수평축(7)의 회전속도에 따른 발전량을 판별하여 상기 저장된 상부 발전기(10)의 발전용량을 초과하게 되는 경우, 즉 가해지는 풍력이 상부 발전기(10)의 발전용량을 초과하게 되는 경우에 상기 동력전달부(40)를 작동시켜 수평축(7)의 회전력이 수직축(30)으로 전달되도록 함으로써 하부 발전기(20)에서도 발전이 이루어지도록 하게 된다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평-수직축 가변형 풍력발전장치의 설치 및 작동을 간단하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 풍력발전장치가 설치되는 지역의 일반적인 풍속 및 발전량을 고려하여 블레이드(3)의 크기를 설정할 수 있으며, 그에 따라 회전날개부(5)의 전체적인 중량이 결정되고, 상부 발전기(10)는 상기 회전날개부(5)의 중량을 고려하여 타워(1)에 가해지는 하중의 균형을 맞추기 위한 최소한의 중량을 갖는 것이 설치된다.

즉, 상기 회전날개부(5)가 일반적인 풍속에서 10㎾ 정도를 생산할 수 있는 것이라고 하면, 상기 상부 발전기(10)는 500W, 1㎾, 2㎾ 등과 같이 타워(1)를 중심으로 균형을 이룰 수 있도록 이러한 회전날개부(5)의 중량에 대응한 최소한의 중량을 갖는 것으로 설치되는 것이며, 초과하는 발전량을 위해 지면에 하부 발전기(20)가 설치되는 것이다.

이렇게 설치된 상태에서 바람이 불어와 회전날개부(5)가 회전을 하게 되면 그 회전력이 수평축(7)을 통해 상기 상부 발전기(10)에 전달되어 발전이 이루어지게 되는데, 작용하는 풍력이 약하여 상기 상부 발전기(10)의 발전용량을 초과하지 않으면 수직축(30)에는 회전력이 전달되지 않으며 상부 발전기(10)에서만 발전이 이루어지게 된다.

이러한 상태에서 풍속이 증가하여 수평축(7)의 회전력이 증가하게 되면, 동력제어부(50)의 속도감지부(52)에서 이를 감지하고, 동력전달제어부(53)에서 현재의 회전력이 상부 발전기(10)의 발전용량을 초과하는 것으로 판별하게 되면, 동력전달부(40)의 클러치(41)를 작동시켜 수평축(7)의 잉여 회전력이 수직축(30)으로 전달되도록 함으로써 지면에 설치된 하부 발전기(20)에서 추가적인 발전이 이루어지도록 하는 것이다.

이와 같이 타워(1)에 의해 지지되어 일정 높이에 설치되는 상부 발전기(10)는 회전날개부(5)와 균형을 이루기 위한 최소한의 중량을 갖는 것으로만 설치하고, 초과하는 에너지는 지면에 설치된 하부 발전기(20)에서 이용할 수 있기 때문에, 발전량은 극대화하면서도 타워를 포함한 전체적인 지지구조물의 규모를 줄여 설치 및 유지보수 비용을 대폭 절감시킬 수 있는 것이다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시 예 및 도면에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것이라 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평-수직축 가변형 풍력발전장치를 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동력전달부의 단면도,

도 3a/b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동력전달부의 사용상태 예시도,

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동력제어부의 개략도이다.

＊ 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 ＊

1: 타워 2: 나셀

3: 블레이드 4: 로터

5: 회전날개부 6: 꼬리날개

7: 수평축

10: 상부 발전기 20: 하부 발전기

30: 수직축 40: 동력전달부

41: 클러치 42: 제1 베벨기어

43: 제2 베벨기어 50: 동력제어부

51: 저장부 52: 속도감지부

53: 동력전달제어부

Claims (3)

1. 타워에 지지되어 지면으로부터 일정한 높이에 설치되는 나셀의 일측에 풍력에 의해 회전되는 회전날개부가 구비되고, 상기 회전날개부의 회전에 의해 회전 구동되는 수평축이 상기 나셀의 내부로 연장 설치되는 수평축 풍력발전장치에 있어서,

   상기 수평축과 연결되어 상기 나셀의 내부에 설치되며, 상기 수평축의 회전력에 의해 발전을 하는 상부 발전기;

   상기 타워의 내부에 수직으로 설치되는 수직축;

   상기 수평축과 수직축에 설치되어 상기 수평축의 회전력을 상기 수직축에 선택적으로 전달하는 동력전달부;

   상기 수직축과 연결되어 상기 타워의 하부에 설치되며, 상기 수직축의 회전력에 의해 발전을 하는 하부 발전기; 및

   상기 동력전달부와 전기적으로 연결되며, 상기 수평축의 회전력이 상기 상부 발전기의 발전용량을 초과하는 경우 상기 동력전달부를 작동시켜 수평축의 회전력이 수직축으로 전달되도록 제어하는 동력제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평-수직축 가변형 풍력발전장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 상부 발전기는 상기 타워를 중심으로 상기 회전날개부의 반대쪽에 위치되며, 상기 타워에 가해지는 하중이 균형을 이룰 수 있도록 상기 회전날개부에 대응하는 중량을 갖는 것을 특징으로 하는 수평-수직축 가변형 풍력발전장치
3. 제 1항에 있어서,

   상기 동력전달부는,

   상기 수평축에 설치되며, 상기 동력제어부의 제어신호에 따라 상기 수평축의회전력이 선택적으로 인가 또는 차단되도록 작동하는 클러치;

   상기 클러치에 결합되어 회전력이 인가된 클러치에 연동하는 제1 베벨기어; 및

   상기 제1 베벨기어와 직각으로 취합되며 상기 수직축의 상단에 결합되는 제2 베벨기어; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평-수직축 가변형 풍력발전장치

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