KR101143144B1 - 다리우스형 풍력발전장치 - Google Patents

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KR101143144B1
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Abstract

본 발명은 회전자(12) 및 고정자로 구성된 발전기(10)와, 상기 회전자(12)에 연결되어 상기 회전자(12)를 회전시키는 윙유닛(20)을 포함하는 다리우스형 풍력발전장치에 있어서, 상기 윙유닛(20)은 상기 회전자(12)에 연결되는 회전축(22); 상기 회전축(22)에 고정되고 상기 회전축(22)을 회전시키는 헬리컬윙모듈(30); 상기 헬리컬윙모듈(30)의 외측에 배치되고 상기 회전축(22)에 고정되어 회전되는 아웃윙모듈(40)을 포함하고, 상기 헬리컬윙모듈(30)은 내측에 중공(51)이 형성되어 상기 회전축(22)이 삽입되어 끼워져 고정되고, 상기 회전축(22)의 축방향을 따라 적층되어 고정되는 복수개의 홀더(50); 상기 각 홀더(50)에 고정되는 복수개의 헬리컬블레이드(60)를 포함하고, 상기 헬리컬블레이드(60)는 상기 홀더(50)에 고정되고 호형상으로 형성된 헬리컬바디(62); 상기 헬리컬바디(62)의 상측단 및 하측단이 절곡되어 형성된 상절곡부(63) 및 하절곡부(64)를 포함하고, 상기 각 헬리컬블레이드(60)는 상기 상절곡부(63)가 상측에 적층된 헬리컬블레이드(60)의 하절곡부(64)에 고정되고, 상기 하절곡부(64)가 하측에 적층된 헬리컬블레이드(60)의 상절곡부(63)에 고정되며, 상기 서로 적층되어 고정된 헬리컬블레이드(60)가 나선형의 헬리컬윙(65)을 형성시키기 때문에, 나선형태로 형성된 헬리컬윙(65)의 제작시간이 짧고 생산수율이 높은 효과가 있다.

Description

다리우스형 풍력발전장치{Darrieus type wind power generation apparatus}
본 발명은 다리우스형 풍력발전장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 복수개의 블레이드를 조립하여 생산 및 조립이 용이한 다리우스형 풍력발전장치에 관한 것이다.
최근 들어 온실가스 감축 등 지구환경보전을 위한 국제환경협약과 환경규제가 본격적으로 시행되는 가운데 유래 없는 고유가 현상이 장기적으로 지속되면서 에너지 문제가 전 세계적 이슈로 떠올랐고, 이에 부응해서 '친환경 에너지'가 높은 관심을 끌고 있다.
일반적으로 '친환경에너지'는 원자력, 바이오 오일(bio oil) 등 기존의 화석연료를 대체하기 위한 '대체에너지'와 물, 바람, 공기 등 자연에 존재하는 에너지원인 '재생에너지'를 총칭하지만, 전자의 대체에너지는 화석연료에 대한 상대적 개념으로서 시간적, 공간적 유한성을 지니는 반면, 후자의 재생에너지는 실질적으로 무한하고 지구상의 어디에나 존재하며 개발 및 이용의 전(全) 과정에 걸쳐 환경오염의 여지가 전혀 없다는 점에서 궁극적인 미래 에너지로 인정받고 있다.
이에 따라 세계 각국은 재생에너지의 개발 및 상용화에 노력을 기울이는 한편, 단위면적당 발전규모(약 750m2/MW) 큰 풍력발전에 주목하고 있고, 그 결과 풍력발전은 2004년 0.9%에서 2005년 41%, 2006년 32%로 2005년 이후 연평균 36% 이상의 고성장세를 나타내고 있다.
풍력발전은 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 변환기술로서, 공기가 익형 위를 지날 때 발생되는 양력(lift force)과 항력(drag) 등의 공기역학(aerodynamics) 특성으로 로터(rotor)를 회전시키고, 로터의 회전에 따른 기계적 회전력으로 발전기를 구동시켜 발전(發電)하는 원리이다. 그리고 이를 위한 풍력발전장치는 바람의 운동 에너지를 기계적 회전력으로 변환하기 위한 터빈(turbine) 등의 로터와, 로터의 기계적 회전력을 조절하는 기어박스(gear-box) 및 발전기를 포함하는 나셀유닛(nacelle unit)과, 로터를 비롯한 나셀유닛 등 주요부를 지지하는 타워(tower)를 필수구성요소로 한다.
한편, 일반적인 풍력발전장치는 지면에 대한 로터의 회전축 방향에 따라 수평형(horizontal type)과 수직형(vertical type) 방식으로 구분된다.
이 중에서 스탈(stall)식, 피치(pitch)식 등으로 대표되는 수평축 방식은 로터의 회전축이 바람의 방향을 따라 수평 배열되는 방식이고, 이러한 수평축 방식은 현재 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 방식이며, 터빈이 바람의 방향에 수직이어야 하고, 풍속이 높아야 하며, 터빈의 방향을 바꿔주는 장치가 별도로 필요하다. 그래서 바람의 방향이 자주 바뀌는 국내환경을 감안하면 별도의 요잉(yawing) 시스템이 필요하므로 전체적인 구성이 복잡해지고, 로터와 타워의 충돌 방지를 위한 설계상의 어려움이 존재하며, 장시간 구동 시 피로하중과 소음이 증가하고 자유 요잉에 의한 전력선 꼬임 현상 등이 나타나는 단점이 있다.
반면, 다리우스(Darrieus)식, 사보니우스(Savonious) 식 등으로 대표되는 수직축 방식은 로터의 회전축이 바람의 방향에 맞서 수직 배열되는 방식으로서, 양력보다는 항력에 의한 토크(torque)를 발생시킴에 따라 회전수를 스스로 조절할 수 있어 저속운전에 유리하고, 바람의 방향이 자주 바뀌더라도 별도의 요잉 시스템 없이 정상 운전이 가능하며, 나셀유닛 등을 지상에 설치할 수 있어 유지, 보수가 편리하다는 장점이 있어 수평축 방식보다 상대적으로 국내환경에 적합한 것으로 여겨지고 있다.
또한, 일반적인 다리우스형 풍력발전장치의 블레이드는 CRF(carbon reinforced fiberglass) 또는 GRP(glass reinforced polyamide) 재질로 형성되고, 상기 CRF 또는 GRP 재질의 경우 무게 대비 강성이 뛰어난 장점은 있으나 장기간 햇빛과 바람에 노출될 경우 재질의 변형이 발생될 수 있고, 외부 충격에 의해 파손의 우려가 높으며, 제작이 어렵기 때문에 소량 생산에 의해 제작단가가 비싼 문제점이 있다.
본 발명은 복수개의 헬리컬블레이드를 조립하여 생산 및 조립이 용이한 다리우스형 풍력발전장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 일측면은 회전자(12) 및 고정자로 구성된 발전기(10)와, 상기 회전자(12)에 연결되어 상기 회전자(12)를 회전시키는 윙유닛(20)을 포함하는 다리우스형 풍력발전장치에 있어서, 상기 윙유닛(20)은 상기 회전자(12)에 연결되는 회전축(22); 상기 회전축(22)에 고정되고 상기 회전축(22)을 회전시키는 헬리컬윙모듈(30); 상기 헬리컬윙모듈(30)의 외측에 배치되고 상기 회전축(22)에 고정되어 회전되는 아웃윙모듈(40)을 포함하고, 상기 헬리컬윙모듈(30)은 내측에 중공(51)이 형성되어 상기 회전축(22)이 삽입되어 끼워져 고정되고, 상기 회전축(22)의 축방향을 따라 적층되어 고정되는 복수개의 홀더(50); 상기 각 홀더(50)에 고정되는 복수개의 헬리컬블레이드(60)를 포함하고, 상기 헬리컬블레이드(60)는 상기 홀더(50)에 고정되고 호형상으로 형성된 헬리컬바디(62); 상기 헬리컬바디(62)의 상측단 및 하측단이 절곡되어 형성된 상절곡부(63) 및 하절곡부(64)를 포함하고, 상기 각 헬리컬블레이드(60)는 상기 상절곡부(63)가 상측에 적층된 헬리컬블레이드(60)의 하절곡부(64)에 고정되고, 상기 하절곡부(64)가 하측에 적층된 헬리컬블레이드(60)의 상절곡부(63)에 고정되며, 상기 서로 적층되어 고정된 헬리컬블레이드(60)가 나선형의 헬리컬윙(65)을 형성시키는 다리우스형 풍력발전장치를 제공한다.
여기서 상기 헬리컬블레이드(60)는 호형상으로 형성된 헬리컬바디(62); 상기 헬리컬바디(62)의 상측단 및 하측단이 절곡되어 형성된 상절곡부(63) 및 하절곡부(64); 상기 상절곡부(63) 또는 상기 하절곡부(64) 중 적어도 어느 한쪽에 형성되고, 체결부재에 의해 상기 홀더(50)에 고정되는 헬리컬홀(62a)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 홀더(50)는 상기 회전축(22)이 관통되도록 중공(51)이 형성된 홀더바디(52); 상기 홀더바디(52)에서 반경방향으로 돌출되어 형성되고 상기 헬리컬블레이드(60)가 고정되는 홀더마운팅(54)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 홀더(50)에 상기 헬리컬블레이드(60)가 고정된 상기 헬리컬윙모듈(30)은 상기 회전축(22)의 외주면에서 축중심을 기준으로 소정각도씩 회전되어 복수개가 배치될 수 있다.
또한, 상기 아웃윙모듈(40)은 상기 회전축(22)의 상단 및 하단에 각각 고정되는 상부브래킷(42) 및 하부브래킷(44); 상부브래킷(42) 및 하부브래킷(44)에 각각 연결되어 고정되고, 상기 헬리컬윙모듈(30)의 외측반경에 배치되는 복수개의 아웃윙(45)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부브래킷(42) 및 하부브래킷(44)은 상기 회전축(22)이 삽입되는 브래킷바디(43); 상기 브래킷바디(43)에서 연장되고 상기 아웃윙(45)과 연결되는 복수개의 브릿지(42a)(44a)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다리우스형 풍력발전장치는 복수개의 헬리컬블레이드(60)가 적층되어 나선형태의 헬리컬윙(65)을 형성시키기 때문에, 나선형태로 형성된 헬리컬윙(65)의 제작시간이 짧고 생산수율이 높은 효과가 있다.
특히 본 발명에 따른 다리우스형 풍력발전장치는 알루미늄 또는 마그네슘 재질로 이루어진 복수개의 헬리컬블레이드(60)를 체결결합을 통해 적층하여 헬리컬윙(65)을 제작하기 때문에 강도가 높게 형성되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다리우스형 풍력발전기의 사시도
도 2는 도 1의 작동 예시도
도 3은 도 1의 분해 사시도
도 4는 도 1의 정면도
도 5는 도 4의 A-A를 따라 절단된 단면도
도 6은 도 1의 일부 분해 사시도
도 7은 도 1의 헬리컬윙모듈이 도시된 평면도
도 8은 도 1에 도시된 헬리컬윙모듈의 사시도
도 9는 도 8의 평면도
도 10은 도 8에 도시된 블레이드홀더의 사시도
도 11은 도 10의 평면도
도 12는 도 8에 도시된 헬리컬블레이드의 사시도
도 13은 도 12의 평면도
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 다리우스형 풍력발전장치는 회전자(12) 및 고정자(미도시)로 구성된 발전기(10)와, 상기 회전자(12)에 연결되어 상기 회전자(12)를 회전시키는 윙유닛(20)을 포함하여 구성된다.
상기 윙유닛(20)은 상기 회전자(12)에 연결되는 회전축(22)과, 상기 회전축(22)에 고정되고 상기 회전축(22)을 회전시키는 헬리컬윙모듈(30)과, 상기 헬리컬윙모듈(30)의 외측에 배치되고 상기 회전축(12)에 고정되어 회전되는 아웃윙모듈(40)을 포함한다.
상기 회전축(22)은 상기 발전기(10)의 회전자(12)에 연결되고, 상기 윙유닛(20)의 회전에 의해 상기 회전자(12)를 회전시킨다.
상기 헬리컬윙모듈(30)은 상기 회전축(22)의 축방향을 따라 상기 회전축(22)에 고정되는 복수개의 홀더(50)와, 상기 각 홀더(50)에 고정되는 헬리컬블레이드(60)를 포함한다.
상기 홀더(50)는 상기 회전축(22)이 관통되도록 중공(51)이 형성된 홀더바디(52)와, 상기 홀더바디(52)에서 반경방향으로 돌출되어 형성되고 상기 헬리컬블레이드(60)가 고정되는 홀더마운팅(54)을 포함한다.
상기 홀더바디(52)는 상기 회전축(22)과 고정되기 위한 고정홀(52a)이 형성되고, 미도시된 체결부재가 상기 고정홀(52a)을 통해 상기 회전축(22)과 결합된다.
상기 홀더마운팅(54)은 상기 헬리컬블레이드(60)가 체결 고정되고, 본 실시예에서 상기 홀더마운팅(54)은 2개소가 형성되며, 상기 홀더마운팅(54)에 상기 헬리컬블레이드(60)가 각각 고정된다. 여기서 상기 홀더마운팅(54)은 상기 헬리컬블레이드(60)와의 고정을 위한 고정홀(54a)이 형성되고, 상기 고정홀(54a)은 상기 회전축(22)의 축방향과 같은 상하방향으로 형성된다.
상기 헬리컬블레이드(60)는 복수개가 상하방향으로 적층되어 헬리컬형상의 헬리컬윙(65)을 형성시키기 위한 것으로서, 평면상에서 보았을 때 소정의 호형상으로 형성된 헬리컬바디(62)와, 상기 헬리컬바디(62)의 상측단 및 하측단이 절곡되어 형성된 상절곡부(63) 및 하절곡부(64)와, 상기 상절곡부(63) 또는 상기 하절곡부(64) 중 적어도 어느 한쪽에 형성되어 상기 홀더마운팅(54)에 고정되기 위한 헬리컬홀(62a)이 형성된다. 여기서 본 실시예에 따른 헬리컬블레이드(60)는 알루미늄 또는 마그네슘 재질로 형성되어 헬리컬블레이드(60)를 경량화시키고, 이를 통해 시동풍압을 작게 형성시킬 수 있다.
상기 헬리컬블레이드(60)는 상기 홀더(50)의 홀더마운팅(54)에 체결부재(69)를 통해 고정되고, 상기 체결부재(69)는 상기 헬리컬홀(62a) 및 상기 고정홀(54a)에 체결되어 상기 헬리컬블레이드(60) 및 상기 홀더(50)를 고정시킨다.
여기서 상기 헬리컬블레이드(60) 및 상기 홀더(50)가 결합된 상기 헬리컬윙모듈(30)은 상기 회전축(22)에 소정각도 간격으로 회전되어 설치되고, 이를 통해 상기 각 헬리컬블레이드(60)가 헬리컬형상의 헬리컬윙(65)을 형성시키게 되며, 본 실시예에서 복수개의 상기 헬리컬윙모듈(30)은 10도 간격으로 회전되어 상기 회전축(22)에 고정된다.
상기 아웃윙모듈(40)은 상기 회전축(22)의 상단 및 하단에 각각 고정되는 상/하부브래킷(42)(44)과, 상기 상/하부브래킷(42)(44)에 각각 연결되어 고정되고 상기 헬리컬윙모듈(30)의 외측반경에 배치되는 복수개의 아웃윙(45)을 포함한다. 본 실시예에서 상기 상부브래킷(42)은 상기 회전축(22)의 상단에 결합되어 고정되고, 상기 하부브래킷(44)은 상기 회전축(22)의 하단에 결합되어 고정된다.
여기서 상기 상부브래킷(42) 및 하부브래킷(44)은 상기 회전축(22)이 삽입되는 브래킷바디(43)와, 상기 브래킷바디(43)에서 연장되고 상기 아웃윙(45)과 연결되는 복수개의 브릿지(42a)(44a)를 포함하며, 본 실시예에서 상기 브릿지(42a)(44a)는 3개가 형성된다.
한편, 상기 발전기(10)는 내부에 상기 회전자(12) 및 고정자(미도시)가 배치되는 발전기하우징(11)을 포함하고, 상기 발전기하우징(11)은 체결수단(15)을 통해 지지체(16)에 고정되며, 상기 지지체(16)는 가로등의 기둥이나 전신주의 기둥 등을 예로 들 수 있다.
이하 본 실시예에 따른 다리우스형 풍력발전장치의 작동과정을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
먼저 본 실시예에 따른 다리우스형 풍력발전장치에서 풍력의 전달구조를 살펴보면, 바람의 풍압이 헬리컬윙(65)에 전달된 경우, 상기 헬리컬윙(65)은 복수개의 헬리컬블레이드(60)가 결합되어 형성되기 때문에 일체화되어 거동되는 바, 상기 홀더(50)에 바람의 풍압을 전달하고, 상기 홀더(50)는 회전축(22)에 고정되어 있기 때문에, 전달된 힘은 회전축(22)을 회전시키는 힘으로 작용된다.
그리고 아웃윙모듈(40)에 바람의 풍압이 전달된 경우, 상기 아웃윙모듈(400은 상부브래킷(42) 및 하부브래킷(44)을 통해 상기 회전축(22)을 회전시키는 힘으로 작용된다.
그래서 상기 헬리컬윙모듈(30) 및 아웃윙모듈(40)에 가해진 풍압은 상기 회전축(22)에 전달되고, 상기 회전축(22)에 연결된 회전자(12)를 회전시킴으로서 상기 발전기(10)의 고정자와 전자기적으로 상호 작용되어 전기를 생산하게 된다.
여기서 복수개의 헬리컬블레이드(60)가 결합되어 형성된 헬리컬윙(65)은 나선형태로 형성되고, 이와 같은 나선형구조를 복수개의 헬리컬블레이드(60)를 조립하여 제작하기 때문에, 제작이 용이한 이점이 있다. 즉, 절삭 가공을 통해 나선형태의 헬리컬윙(65)을 제작하는 경우, 가공비용이 높고 제작시간이 길어지는 문제점이 있고, 사출성형 또는 주물과 같은 가공방법을 통해 나선형태의 헬리컬윙(65)을 제작하는 경우, 금형 또는 주형에서 사출물 또는 주물을 탈거하기가 어려운 문제점이 있다. 그래서 본 실시예와 같이 알루미늄 재질로 이루어진 복수개의 헬리컬블레이드(60)를 적층하여 헬리컬윙(65)을 제작하는 경우, 제작단가가 낮고 제작시간이 대폭 감소되어 생산수율이 증가되는 효과가 있다.
또한, 본 실시예와 같은 헬리컬윙모듈(30)은 복수개의 홀더(50) 및 헬리컬블레이드(60)가 상호 체결 결합되어 회전축(22)에 고정되기 때문에, 일반적인 헬리컬 형상에 비해 휨변형 등에 대한 강도가 높게 형성될 뿐만 아니라 인접한 헬리컬블레이드(60)의 상절곡부(63) 및 하절곡부(64)가 서로 밀착되어 체결 결합되기 때문에 구조적인 강도가 향상되는 효과가 있다. 특히 본 실시예에서는 상기 헬리컬블레이드(60)가 상호 체결 결합되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 리벳팅 본딩 등의 결합이 이루어져도 무방하다.
한편, 본 실시예에서는 헬리컬블레이드를 제작할 때 절곡한 것을 예로 들어 설명하였으나, 본 실시예와 달리 압출 후 압출물을 벤딩하여 성형시켜도 무방하다. 즉, 상기 헬리컬블레이드를 'ㄷ'형상으로 압출시킨 후 'C'형상으로 벤딩하여 상기 헬리컬블레이드를 제작할 수도 있다.
상기와 같이 본 발명을 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 발명은 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 한정되지 않고, 본 발명의 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 다양한 조합을 통해 당업자에 의해 응용이 가능하다.
10 : 발전기 12 : 회전자
20 : 윙유닛 22 : 회전축
30 : 헬리컬윙모듈 40 : 아웃윙모듈
42 : 상부브래킷 43 : 브래킷바디
44 : 하부브래킷 45 : 아웃윙
50 : 홀더 51 : 중공
52 : 홀더바디 52a : 고정홀
54 : 홀더마운팅 54a : 고정홀
60 : 헬리컬블레이드 62 : 헬리컬바디
63 : 상절곡부 64 : 하절곡부
65 : 헬리컬윙

Claims (6)

  1. 회전자(12) 및 고정자로 구성된 발전기(10)와, 상기 회전자(12)에 연결되어 상기 회전자(12)를 회전시키는 윙유닛(20)을 포함하는 다리우스형 풍력발전장치에 있어서,
    상기 윙유닛(20)은
    상기 회전자(12)에 연결되는 회전축(22); 상기 회전축(22)에 고정되고 상기 회전축(22)을 회전시키는 헬리컬윙모듈(30); 상기 헬리컬윙모듈(30)의 외측에 배치되고 상기 회전축(22)에 고정되어 회전되는 아웃윙모듈(40)을 포함하고,
    상기 헬리컬윙모듈(30)은
    내측에 중공(51)이 형성되어 상기 회전축(22)이 삽입되어 끼워져 고정되고, 상기 회전축(22)의 축방향을 따라 적층되어 고정되는 복수개의 홀더(50); 상기 각 홀더(50)에 고정되는 복수개의 헬리컬블레이드(60)를 포함하고,
    상기 헬리컬블레이드(60)는
    상기 홀더(50)에 고정되고 호형상으로 형성된 헬리컬바디(62); 상기 헬리컬바디(62)의 상측단 및 하측단이 절곡되어 형성된 상절곡부(63) 및 하절곡부(64)를 포함하고,
    상기 각 헬리컬블레이드(60)는
    상기 상절곡부(63)가 상측에 적층된 헬리컬블레이드(60)의 하절곡부(64)에 고정되고, 상기 하절곡부(64)가 하측에 적층된 헬리컬블레이드(60)의 상절곡부(63)에 고정되며, 상기 서로 적층되어 고정된 헬리컬블레이드(60)가 나선형의 헬리컬윙(65)을 형성시키는 다리우스형 풍력발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 헬리컬블레이드(60)는
    상기 상절곡부(63) 또는 상기 하절곡부(64) 중 적어도 어느 한쪽에 형성되고, 체결부재에 의해 상기 홀더(50)에 고정되는 헬리컬홀(62a)을 포함하는 다리우스형 풍력발전장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 홀더(50)는
    상기 회전축(22)이 관통되도록 중공(51)이 형성된 홀더바디(52);
    상기 홀더바디(52)에서 반경방향으로 돌출되어 형성되고 상기 헬리컬블레이드(60)가 고정되는 홀더마운팅(54)을 포함하는 다리우스형 풍력발전장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 헬리컬블레이드(60)는 상기 회전축(22)의 외주면에서 축중심을 기준으로 소정각도씩 회전된 상태로 상하측에 각각 배치된 헬리컬블레이드(60)에 고정된 다리우스형 풍력발전장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 아웃윙모듈(40)은
    상기 회전축(22)의 상단 및 하단에 각각 고정되는 상부브래킷(42) 및 하부브래킷(44);
    상부브래킷(42) 및 하부브래킷(44)에 각각 연결되어 고정되고, 상기 헬리컬윙모듈(30)의 외측반경에 배치되는 복수개의 아웃윙(45)을 포함하는 다리우스형 풍력발전장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 상부브래킷(42) 및 하부브래킷(44)은
    상기 회전축(22)이 삽입되는 브래킷바디(43);
    상기 브래킷바디(43)에서 연장되고 상기 아웃윙(45)과 연결되는 복수개의 브릿지(42a)(44a)를 포함하는 다리우스형 풍력발전장치.
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