KR101076872B1 - 풍속에 따라 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나셀(110); 나셀에 회전 가능하게 설치되고, 일측에 마련되는 슬라이딩결합부(121)의 외주면에 전후 방향에 대하여 경사지면서 곡률을 이루도록 가이드홈(122)이 다수로 형성되는 로터(120); 로터(120)의 슬라이딩결합부(121)에 전후로 슬라이딩 가능하게 결합되는 슬라이드링(130); 슬라이드링(130)의 외주면에 회전 가능하게 다수로 설치되고, 슬라이드링(130)의 내측으로 돌출되는 가이드돌기(141)가 가이드홈(122)에 회전이 제한된 상태에서 슬라이딩 가능하게 결합됨으로써, 바람에 의한 저항에 의해 후방으로 이동시 앙각이 감소되는 날개(140); 및 날개(140)에 대한 바람의 저항이 감소시 슬라이드링(130)이 전방으로 복귀하면서 앙각이 증가하도록 탄성력을 제공하는 스프링(150)을 포함하도록 한 풍속에 따라 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치에 관한 것이다.
본 발명은 풍속에 따라 날개의 앙각을 자동으로 변화시킴으로써 로터의 과속으로 인한 손상을 방지하고, 이로 인한 유지 및 관리에 소요되는 비용을 줄일 수 있으며, 수직미익의 플랩이 풍속에 따라 능동적으로 반응하여 적은 풍속에서도 풍향에 대한 나셀의 정렬이 효과적으로 이루어지도록 하고, 이로 인해 전력 생산의 효율을 높일 수 있다.

Description

풍속에 따라 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치{Wind power generator with variable angle of attack of blade according to wind velocity}
본 발명은 풍속에 따라 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치에 관한 것으로서, 바람의 저항에 따라 날개의 앙각이 자동 변화되도록 함으로써 발전기가 정격출력을 낼 수 있도록 로터의 정격 회전수를 유지하기 위하여 풍속에 따라 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치에 관한 것이다.
일반적으로, 화석에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 풍력에너지, 태양에너지, 조력에너지 등을 이용한 친환경재생에너지 또는 그린에너지에 관심이 크게 증가하고 있다. 우리나라는 화석에너지를 이용한 발전에 대한 의존율이 상당히 높은 데 비해 화석에너지를 전량 수입에 의존함으로 인해, 에너지 생산에서의 경제성을 확보하는 것은 국가발전을 위한 가장 큰 과제라 해도 과언이 아니다.
한편, 풍력에너지는 태양에너지나 조력에너지에 비해 초기설비투자에 대한 제약이 적으면서도 효율적인 전력생산이 가능하다는 장점이 있으며, 에너지 생산의 단가를 낮추고 온실가스의 배출을 줄임으로써 환경친화적인 전력공급원이 될 수 있다. 반면, 발전원으로서 바람의 방향과 세기에 대한 임의적인 통제가 어렵다는 특징으로 인해 지역적인 제약이 있고, 별도의 제동장치와 전력 레귤레이터 및 고가의 스토리지 등을 필요로 한다는 단점이 있다. 이로 인해 풍력발전은 상시적인 전력원으로 사용하기보다는 태양광발전 설비에 대하여 보조적인 발전원으로 이용되고 있는 것이 특징이다.
이러한 풍력장치의 일예는 통상적으로 지면의 수직 방향으로 세워지는 지주와, 상기 지주의 상단에 장착되는 로터와, 로터의 일측 선단에 고정되어 바람에 의해 회전됨과 동시에 로터를 회전시킬 수 있는 다수의 날개로 이루어지고, 로터의 타측에는 회전축의 회전력을 전달받아 발전기를 회전시킬 수 있도록 동력 전달 수단이 장착된다.
이러한 구조로 이루어진 풍력장치는 날개로부터 발생된 회전력을 발전기에 전달하여 전기를 생성할 수 있다.
그러나, 상기 예시한 종래의 풍력장치는 로터의 날개가 고정된 앙각을 가지도록 설치됨으로써 풍속의 변화에 따라 회전율이 종속되어, 풍속이 적을 때는 전력 생산이 저하되고, 반대로 풍속이 강할 때는 로터의 과속으로 인해 기계부가 마모와 손상을 입게 되어, 유지 및 관리에 많은 비용과 시간이 소요되는 문제점을 가지고 있었다.
이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 물리적인 제동장치나 클러치부를 추가함과 동시에 송출 전력을 일정하게 유지하도록 하는 커패시터 및 스토리지를 갖추게 되는데, 이 경우 로터의 과속을 감지하기 위한 센서부와 물리적 제동을 구현하기 위한 복잡한 구성을 필요로 하며, 고가의 커패시터와 스토리지로 인해 발전기의 제조비용을 상승시키는 다른 문제점을 유발하였다.
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 풍속에 따라 날개의 앙각을 자동으로 변화시킴으로써 로터의 과속으로 인한 손상을 방지하며, 이로 인한 유지 및 관리에 소요되는 비용을 줄이도록 한다.
본 발명의 다른 목적은 수직미익의 플랩이 풍속에 따라 능동적으로 반응하여 적은 풍속에서도 풍향에 대한 나셀의 정렬이 효과적으로 이루어지도록 하고, 이로 인해 전력 생산의 효율을 높이도록 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 풍력장치에 있어서, 나셀; 상기 나셀에 회전 가능하게 설치되고, 일측에 마련되는 슬라이딩결합부의 외주면에 전후 방향에 대하여 경사지면서 곡률을 이루도록 가이드홈이 다수로 형성되는 로터; 상기 로터의 슬라이딩결합부에 전후로 슬라이딩 가능하게 결합되는 슬라이드링: 상기 슬라이드링의 외주면에 회전 가능하게 다수로 설치되고, 상기 슬라이드링의 내측으로 돌출되는 가이드돌기가 상기 가이드홈에 회전이 제한된 상태에서 슬라이딩 가능하게 결합됨으로써, 바람에 의한 저항에 의해 후방으로 이동시 앙각이 증가하는 날개; 및 상기 날개에 대한 바람의 저항이 감소시 상기 슬라이드링이 전방으로 복귀하면서 상기 날개의 앙각이 감소하도록 탄성력을 제공하는 스프링을 포함하는 풍속에 따라 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치가 제공된다.
상기 나셀는, 상기 스프링이 장착되도록 상기 로터와 동축을 이루는 스프링장착축이 마련되고, 상기 로터는, 상기 슬라이딩결합부의 외주면에 전후 방향으로 개구가 다수로 형성되며, 상기 슬라이드링은, 상기 개구에 유격을 가지도록 삽입되는 지지부가 내측에 마련되고, 상기 지지부에 상기 스프링장착축이 삽입되어 상기 스프링에 의해 탄성 지지되기 위한 삽입홀이 형성될 수 있다.
상기 나셀의 후측에 마련됨으로써 지지축에 회전 가능하게 설치된 상기 나셀를 풍향에 대하여 정렬되도록 하고, 양측으로 전개 가능하도록 힌지 결합되는 한 쌍의 플랩을 가지는 수직미익; 상기 슬라이드링이 후방으로 이동시 가압에 의해 후방으로 이동하도록 상기 나셀에 설치되는 구동축; 상기 슬라이드링이 전방으로 이동시 상기 구동축이 전방으로 이동하도록 탄성력을 제공하는 복귀스프링; 및 상기 슬라이드링의 후단에 고정되고, 상기 슬라이드링이 전방으로 이동시 상기 플랩 사이에 삽입되어 상기 플랩이 전개되도록 하는 전개부를 포함할 수 있다.
상기 구동축은, 끝단이 상기 슬라이딩결합부에 돌출되어 상기 복귀스프링에 의해 상기 슬라이드링에 접하게 될 수 있다.
상기 전개부는, 삼각형의 평면 형상을 가지고, 양측에 상기 플랩을 지지하여 전개를 가이드하도록 곡률의 가이드부가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 풍속에 따라 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치는 풍속에 따라 날개의 앙각을 자동으로 변화시킴으로써 로터의 과속으로 인한 손상을 방지하고, 이로 인한 유지 및 관리에 소요되는 비용을 줄일 수 있으며, 수직미익의 플랩이 풍속에 따라 능동적으로 반응하여 적은 풍속에서도 풍향에 대한 나셀의 정렬이 효과적으로 이루어지도록 하고, 이로 인해 전력 생산의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치를 도시한 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치의 요부를 도시한 분해 사시도이고,
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치의 앙각 가변을 설명하기 위한 측면도이고,
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치의 수직미익의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해 되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치의 요부를 도시한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치(100)는 지면에 수직 설치된 수직축(111)과, 수직축(111)의 상단에 요(yaw) 회전이 가능하게 설치되고 내부에 발전기(미도시)가 설치되어 있는 나셀(110)과, 상기 발전기를 구동시키도록 나셀(110)의 전방에 회전 가능하게 설치되는 로터(120)와, 로터(120)에 슬라이딩 가능하게 결합되는 슬라이드링(130)과, 슬라이드링(130)에 설치되는 다수의 날개(140)와, 슬라이드링(130)에 탄성력을 제공하는 스프링(150; 도 2에 도시)을 포함할 수 있다.
나셀(110)의 후방에는 수직미익(160)이 마련될 수 있다. 여기서, 수직축(111)은 베어링을 매개로 하여 나셀(110)를 요(yaw) 회전가능하게 지지함으로써 나셀(110)의 회전에 따른 저항을 줄이도록 한다.
로터(120)는 나셀(110)의 전방에 회전 가능하게 설치되고, 외주면에 전후 방향에 대하여 경사지면서 곡률을 이루도록 가이드홈(122)이 다수, 예컨대 3개 형성되어 있는 슬라이딩결합부(121)를 갖는다. 여기서, 슬라이딩결합부(121)는 로터(120)의 후측에 일체로 마련될 수 있으며, 본 실시예에서처럼 로터결합부(124)에 의해 로터(120)의 후측에 결합됨으로써 로터(120)에 일체를 이룰 수 있다. 또한, 로터(120)는 슬라이딩결합부(121)가 회전축 역할을 하도록 나셀(110)에 베어링(미도시)을 매개로 회전가능하게 지지될 수 있다.
슬라이드링(130)은 원형의 링 형상으로서, 로터(120)의 슬라이딩결합부(121)에 전후로 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다. 이때, 슬라이드링(130)은 가이드홈(122)과 후술하게 될 가이드돌기(141)와의 결합에 의해 로터(120)와 함께 회전하게 될 뿐만 아니라, 슬라이딩결합부(121)를 따라서 전후로 슬라이딩 이동하게 된다.
날개(140)는 슬라이드링(130)의 외측면에 다수, 예컨대 3개 설치되고, 슬라이드링(130)의 내측면에는 가이드돌기(141)가 돌출된다. 가이드돌기(141)는 가이드홈(122)에 슬라이딩 가능하게 결합된다.
슬라이드링(130)이 도 3에 도시된 바와 같이 슬라이딩결합부(121)의 전방에 위치한 상태에서 풍속이 상대적으로 증가하게 되면, 슬라이드링(130)은 도 4에 도시된 바와 같이 바람의 저항 증가로 인해 슬라이딩결합부(121)를 따라서 후방으로 이동하게 되고 또한 가이드돌기(141)는 전후방향에 대하여 경사지도록 곡률을 이루는 가이드홈(122)을 따라 후방으로 이동하게 된다. 가이드돌기(141)가 가이드홈(122)의 곡률을 따라 이동하면 이와 연동하여 날개(140)의 앙각은 증가한다. 즉, 날개(140)는 풍속의 증가에도 불구하고 가이드돌기(141)와 함께 이동하여 회전 속도를 감소 내지 최소화하도록 하는 앙각(θ2)을 가지게 된다.
스프링(150)은 날개(140)에 대한 바람의 저항이 감소하게 되면, 슬라이드링(130)을 전방으로 복귀시킬 수 있는 탄성력을 제공하고 그 결과 날개(140)의 앙각은 감소한다. 나셀(110)에는 스프링(150)의 장착을 위하여 로터(120)의 회전중심축과 동축을 이루는 스프링장착축(112)이 마련되고, 스프링장착축(112)의 단부에는 로터(120)의 전방에 제공된 로터캡슐(120a)이 결합하게 된다.
로터(120)에 있어서, 슬라이딩결합부(121)의 외주면에는 전후 방향의 개구(123)가 다수개 형성된다. 이때, 슬라이드링(130)의 내측에는 개구(123)에 삽입되는 지지부(131)가 마련되고, 지지부(131)의 중심에는 스프링장착축(112)이 삽입되어 스프링(150)에 의해 탄성 지지되기 위한 삽입홀(132)이 형성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 슬라이드링(130)이 후퇴한 상태에서 풍속이 감소하여 날개(130)에 대한 바람의 저항이 감소하게 되면, 압축되었던 스프링(150)의 복원력에 의해 슬라이드링(130)이 전방으로 이동하게 된다. 이때, 가이드돌기(141)는 가이드홈(122)을 따라 이동하게 되고 이와 연동하여 날개(140)는 가이드돌기(141)와 함께 회전하여 풍속의 감소에도 불구하고 회전 속도의 저하를 감소 내지 최소화하도록 하는 앙각(θ1)을 가지게 된다.
한편, 개구(123)는 슬라이드링(130)의 전후진시 가이드돌기(141)가 가이드홈(122)을 따라 이동하게 됨으로써 슬라이드링(130)이 제한된 범위 내에서 회전을 일으키더라도 지지부(131)와의 간섭을 회피하기 위한 충분한 폭을 가진다.
도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속에 따라 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치(100)는 수직미익(160)의 공기 저항을 가변시키도록 구동축(170), 복귀 스프링(180) 및 전개부(190)를 더 포함할 수 있다.
수직미익(160)은 나셀(110)의 후측에 마련되어 수직축(111)에 요(yaw) 회전 가능하게 설치된 나셀(110)을 풍향에 대하여 정렬되도록 하고, 양측으로 전개 가능하도록 힌지 결합되는 한 쌍의 플랩(161)을 가진다.
구동축(170)은 슬라이드링(130)이 후방으로 이동시 가압에 의해 후방으로 이동하도록 나셀(110)에 설치되고, 끝단이 슬라이딩결합부(121)에 돌출되어 복귀스프링(180)에 의해 슬라이드링(130)에 접하게 된다.
복귀스프링(180)은 양단이 구동축(170)의 걸림부(171)와 나셀(110)의 내측에 지지됨으로써 슬라이드링(130)이 전방으로 이동시, 구동축(170)이 전방으로 이동하도록 탄성력을 제공한다.
전개부(190)는 구동축(170)의 후단에 고정되고, 슬라이드링(130)이 전방으로 이동하게 되면 플랩(161) 사이에 삽입되어 플랩(161)이 전개되도록 가이드한다. 또한, 전개부(190)는 삼각형의 평면 형상을 가지고, 양측에 플랩(161)을 지지하여 전개를 가이드하도록 곡률의 가이드부(191)가 형성될 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 풍속에 따라 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치(100)에 대한 동작은 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 풍속(A)이 상대적으로 약한 경우에, 스프링(150)의 탄성력에 의해 슬라이드링(130)이 슬라이딩결합부(121)에서 전방으로 위치하게 되며, 이로 인해 날개(140)의 앙각(θ1)이 바람의 방향에 대한 날개의 면적을 최소화하는 각도를 이룸으로써 비교적 적은 풍속에서도 날개(140)의 회전을 용이하도록 한다.
그리고, 슬라이드링(130)이 전방에 위치하게 되면, 수직미익(160)의 플랩(161)을 구동하는 구동축(170)은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 복귀스프링(180)에 의해 전진해 있는 상태가 된다. 이때, 전개부(190)는 플랩(161) 사이에 위치하여 플랩(161)을 좌우로 전개시킴으로써 바람의 저항을 최대화하여 나셀(110)의 바람에 대한 지향성을 높이도록 한다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 풍속(B)이 상대적으로 강한 경우에, 바람의 저항에 의해서 슬라이드링(130)은 스프링(150)을 압축하여 슬라이딩결합부(121) 상에서 후방으로 이동하며, 이로 인해 슬라이드링(130)의 내측에 마련된 가이드돌기(141)가 가이드홈(122)을 따라 이동함에 따라서 날개(140)의 앙각이 증가하게 된다. 날개(140)가 앙각(θ2)을 유지한 상태에서 바람의 방향에 대한 날개의 면적이 최대화되므로, 날개(140)의 회전속도가 급격하게 증가하는 것을 최소화시키며 이로 인해 로터(120)나 발전기의 회전속도가 급격하게 변하는 것을 방지하여 이들의 손상을 방지한다.
그리고, 강한 풍속으로 인해 슬라이드링(130)이 후방으로 이동한 경우, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 구동축(170)은 후방으로 이동하고, 이와 연동하여 전개부(190)는 플랩(161) 사이로부터 후방으로 이탈하게 된다. 이는, 플랩(161)에 가해지는 바람의 저항이 줄어들어 나셀(110)의 공기역학적인 안정성을 높이도록 한다.
이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110 : 나셀 111 : 지지축
112 : 스프링장착축 120 : 로터
121 : 슬라이딩결합부 122 : 가이드홈
123 : 개구 124 : 로터결합부
130 : 슬라이드링 131 : 지지부
132 : 삽입홀 140 : 날개
141 : 가이드돌기 150 : 스프링
160 : 수직미익 161 : 플랩
170 : 구동축 171 : 걸림부
180 : 복귀스프링 190 : 전개부
191 : 가이드부

Claims (2)

  1. 지면에 수직 설치된 수직축(111)과, 상기 수직축(111)의 상단에 요(yaw) 회전이 가능하게 설치되고 내부에 발전기가 설치되어 있는 나셀(110)과, 상기 나셀의 전방에 회전가능하게 설치되어 상기 발전기를 구동시키는 로터(120)와, 상기 나셀(110)의 후방에 설치되고 상기 나셀(110)이 풍향에 대하여 정렬되도록 양측으로 전개가능하게 힌지 결합된 한 쌍의 플랩(161)을 가지는 수직미익(160)을 포함하는 풍력장치에 있어서,
    상기 나셀(110)에는 상기 로터(120)와 동축을 이루는 스프링장착축(112)이 제공되고, 상기 로터(120)는 전후 방향에 대하여 경사지면서 곡률을 이루는 가이드홈(122)이 다수개 형성된 슬라이딩결합부(121)를 갖고;
    상기 로터(120)의 슬라이딩결합부(121)에 전후로 슬라이딩 가능하게 결합되고, 상기 가이드홈(122)에 슬라이딩 가능하게 결합하는 가이드돌기(141)가 내측면에 돌출되어 있는 슬라이드링(130)과, 상기 슬라이드링(130)의 외측면에 다수개 설치된 날개(140)와, 상기 스프링장착축(112)에 장착되어 상기 슬라이드링(130)을 탄성지지하는 스프링(150)을 더 포함하여;
    상기 날개(140)에 대한 바람의 저항이 증가할수록 상기 슬라이드링(130)이 후방으로 이동함에 따라 상기 가이드돌기(141)가 상기 가이드홈(122)을 따라 이동하여 상기 날개(140)의 앙각을 증가시키고, 상기 날개(140)에 대한 바람의 저항이 감소할수록 상기 스프링(150)의 타성력에 의해서 상기 슬라이드링(130)이 전방으로 이동함에 따라 상기 가이드돌기(141)가 상기 가이드홈(122)을 따라 이동하여 상기 날개(140)의 앙각을 감소시키는 것을 특징으로 하는 풍속에 따라 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬라이드링(130)의 후방 이동에 연동하여 후방으로 이동하도록 상기 나셀에 설치되어 있는 구동축(170)과; 상기 슬라이드링(130)이 전방으로 이동함에 따라서 상기 구동축(170)을 전방으로 이동시키는 복귀스프링(180)과; 상기 구동축(170)의 후단에 연결되어, 상기 구동축(170)의 전후방 이동에 연동하여 상기 한 쌍의 플랩(161) 사이를 이동하는 전개부(190)를 더 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 풍속에 따라 날개의 앙각이 가변되는 풍력장치.
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CN112483316A (zh) * 2020-11-27 2021-03-12 陈康 一种风力摆运动控制装置

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS50142935A (ko) 1974-05-04 1975-11-18

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