KR101168793B1 - 가변텐션스프링을 이용한 풍차허브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가변텐션스프링을 이용한 풍차허브에 관한 것으로서 좀 더 상세하게는 함체형의 전, 후면에 메인샤프트(2)와 꼬리날개(3)를 가지는 허브몸통(100); 베어링(B)과 하우징(H)으로 상기 허브몸통(100)내에 지지되어 기어로 연동되는 제1및 제2샤프트(10A,10B); 에어포일(Airfoil)형태의 내측판(22)과 외측판(28)을 날개판(25)의 내측(23)과 외측(27)에 수직으로 착설한 광폭의 날개엇셈브리(200); 제1및 제2완충구(52A,52B)를 갖는 암엇셈부리(500); 인장력이 약-강-약으로 변하는 가변텐션의 스프링엇셈부리(600)로 구성되며, 날개엇셈브리(200)가 꼬리날개(3)방향으로 기울기(a)만큼 경사지게 설치할 수 있으며, 제1및 제2샤프트(10A,10B)가 직교하도록 허브몸통(100) 두 개를 적층 구성할 수 있는 특징이 있다. 본 발명은 피치(Pitch)제어장치를 별도로 두지 않고 풍압과 가변텐션스프링으로 피치를 제어함으로 장치가 간단하여 장애요인이 적고, 꼬리날개(3)가 달린 다운윈드(Down Wind)형식으로 낫셀조향(Yawing)이 자동으로 이루어짐으로 태풍으로부터 안전하며, 광폭날개를 사용함으로 풍차효율이 높아 발전단가를 저렴하게 할 수 있는 효과가 있다.
풍차, 허브, 날개, 피치, 풍력, 발전, 업윈드, 다운윈드, 에어포일

Description

가변텐션스프링을 이용한 풍차허브{Windmill hub Using Variable Tension Spring}
본 발명은 풍력발전단가를 낮추고 풍차효율을 개선하는데 필요한 광폭날개 기술; 태풍에 의한 광폭날개 파손방지기술; 별도의 제어장치를 사용하지 않고 낫셀조향(Yawing)및 날개피치(Pitch)를 제어하는 기술; 상기의 기술을 소형 및 대형의 다운윈드(Down Wind)식 풍차에 적용하는 기술 분야이다.
일반적으로 풍차는 수직축을 중심으로 회전하는 수직축풍차와 수평축을 중심으로 회전하는 수평축풍차로 구분되며, 수평축풍차는 다시 날개가 낫셀보다 앞쪽에 위치하는 업윈드(Up Wind)방식과 날개가 낫셀보다 뒤쪽에 위치하는 다운윈드(Down Wind)방식의 풍차로 구분된다. 수직축풍차는 발전기와 날개를 지상에 설치할 수 있고, 풍향이 변할 때마다 날개의 방향을 바꾸지 않아도 되는 장점이 있으나, 날개의 지상고가 낮고 발전을 시작하는 기동풍속이 높아 발전효율이 낮은 단점이 있다. 수평축풍차는 날개의 지상고가 높고 기동풍속이 낮아 발전효율이 높은 장점이 있으나, 발전기와 날개를 높은 지지탑 위에 설치하여야 하고, 풍향과 풍속이 변할 때마다 낫셀 방향과 날개 피치각을 바꾸어주어야 하는 단점이 있다. 풍속이 낮을 때는 날개의 피치(Pitch)각을 제어하여 최대한 많은 동력을 얻도록 하고, 풍속이 강할 때는 날개의 회전속도가 빨라짐으로 회전속도가 낮아지도록 날개피치(Pitch)각을 제어하고, 태풍수준의 풍속일 때는 기체의 파손위험이 있음으로 풍압을 받는 날개 면적이 최소가 되도록 피치(Pitch)각을 제어하는 기능을 수행하는 날개피치(Pitch) 제어장치와, 낫셀 방향제어(Yawing)장치를 가지고 있다.
수평축풍차 낫셀조향(Yawing)방식은 소형의 경우 꼬리날개를 달아 바람의 힘을 이용하고, 대형의 경우 전자적으로 제어되는 전동모터를 이용하고 있으며, 날개피치제어방식은 소형의 경우 날개에 가해지는 풍압을 이용하며, 대형의 경우 전자적으로 제어되는 전동모터 또는 유압짹을 이용하고 있다.
풍차는 공기의 흐름인 바람의 힘으로 날개를 회전시켜 기계적 에너지를 얻는 장치임으로 날개와 허브의 형태가 풍차의 용량, 경제성 그리고 안정성을 결정하는 요소이다. 특히 낫셀조향과 날개피치(Pitch)제어는 수평축풍차에 있어서 필수요건이라 할 수 있으며, 동일한 조건하에서 날개의 크기를 크게 하면 할수록 큰 에너지를 얻을 수 있는 반면에 태풍으로부터 날개를 보호하기는 더욱 어려워진다.
날개 이론에 의하면 날개의 항력은 가로세로비에 반비례한다. 그러므로 가로세로비가 클수록 유도항력이 작아짐을 알 수 있다. 또한 가로세로비가 크면 그만큼 날개끝 소용돌이의 영향이 감소된다. 그런데 어떤 풍차라도 가로세로비를 크게 하면 좋을 것 같으나 가로세로비가 큰 날개(가늘고 긴 날개)는 양력으로 인하여 날개길이 방향으로 굽어지는 힘을 크게 받으므로 구조적으로 문제가 생기기 때문에 구조적인 문제점을 고려하여 가로세로비를 결정한다. 실속(stall)이란 실속이란 임계양각을 초과함으로써 생긴 실각상태를 말하며, 날개의 윗면을 흐르는 공기가 표면으로부터 박리되어 일어나는 현상으로 그 결과 급속하게 양력이 줄게 되고 항력이 증가하게 된다. 따라서 날개의 효율만 본다면 좁고 긴 형태가 양호하다고 할 수 있으나, 날개의 길이가 길어지면 지지탑을 높게 하는데 많은 비용이 소요되며, 또한 풍압에 의한 자동피치제어용으로 활용할 수 없다는 문제점이 있다.
풍차에 있어서 태풍으로부터 날개를 보호하는 방법은 매우 중요한 사항임으로 태풍으로부터 날개를 보호하는 여러 가지 방식에 대해서 알아보고자 한다. 업윈드(Up Wind)방식의 풍차로서 태풍으로부터 날개를 보호하는 방식에는 날개의 폭을 좁게 제작하여 강풍으로부터 날개를 보호하는 방식과, 평시에는 업윈드(Up Wind)방식으로 작동하다가 강풍이 불면 다운윈드(Down Wind)방식으로 낫셀의 방향을 돌려주고, 낫셀조향(Yawing)과 날개의 피치(Pitch)를 제어장치로부터 자유롭게 풀어줌으로써 낫셀과 날개가 자동으로 풍향과 일치되도록 하는 방식과, 업윈드(Up Wind)방식의 풍차로서 낫셀조향(Yawing)은 꼬리날개를 이용하고, 날개의 피치(Pitch)는 날개 회전에 의한 원심력을 이용하여 날개 피치가 풍향과 일치되도록 하는 방식이 있다.
태풍으로부터 날개를 보호하는 상기방식들의 문제점에 대해서 알아보고자 한다. 날개의 폭을 좁고 튼튼하게 제작함으로써 피치(Pitch)각도와 날개방향에 관계없이 풍압을 견뎌내도록 하는 방식은 구조가 간단하다는 장점이 있으나, 날개의 면적이 적어 풍차효율이 좋지 못한 문제점이 있다.
평시에는 업윈드(Up Wind)방식으로 작동하다가 강풍이 불면 다운윈드(Down Wind)방식으로 낫셀의 방향을 후방으로 돌려주고 낫셀조향(Yawing)장치와 날개의 피 치(Pitch)제어장치를 자유롭게 풀어줌으로써 낫셀과 날개가 자동으로 풍향과 일치되도록 하여 날개를 보호하는 방식은 날개의 면적은 크게 할 수 있어 효율은 좋으나 낫셀조향(Yawing)모터와 피치(Pitch)제어모터를 작동시키기 위한 고도의 기술을 요하는 제어장치를 필요로 하며, 조향장치에 장애가 발생할 경우 강풍에 의하여 날개가 파손될 위험이 있다.
업윈드(Up Wind)방식의 풍차로서 낫셀조향(Yawing)은 꼬리날개를 이용하고, 날개피치(Pitch)는 날개회전에 의한 원심력을 이용하여 날개의 피치가 자동으로 제어되도록 하는 방식은 낫셀요잉(Yawing)과 피치제어에 동력을 사용치 않음으로 에너지소모가 적고, 제어장치장애 등의 위험은 없으나 허브의 회전속도가 높은 소형풍차에는 적용할 수 있으나 허브의 회전속도가 낮은 대형풍차에는 원심력이 미약하여 적용할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 창안된 것으로서, 풍차효율향상으로 전력생산단가인하를 위한 길이가 짧은 광폭날개 적용과제, 태풍으로부터 광폭날개를 안전하게 보호하는 과제, 날개피치(Pitch)제어와 낫셀조향(Yawing)에 별도장치를 사용하지 않는 과제를 달성할 수 있는 소형 및 대형풍차에 적용할 수 있는 풍차허브를 제공하는데 목적을 두고 있다.
본 발명은 인장력이 강한 스프링과 인장력이 약한 스프링, 그리고 와이어로프를 조합함으로써 초기에는 약한 힘, 중간에는 강한 힘, 끝에는 약한 힘으로 인장되도록 구성된 가변텐션스프링과, 길이가 짧고 폭이 넓은 광폭날개에 가해지는 풍압의 힘을 이용하여 날개피치(Pitch)를 제어토록하고, 낫셀조향(Yawing)은 허브후면에 착설된 꼬리날개를 이용하는 다운윈드(Down Wind)방식의 풍차허브를 구성함으로써 상기목적을 달성하고자한다.
본 발명의 가변텐션스프링을 이용한 풍차허브는 날개피치(Pitch)제어와 낫셀조향(Yawing)을 위한 제어장치를 사용하지 않음으로 장애발생요인이 적어 관리비용이 저렴하고, 다운윈드(Down Wind)방식임으로 강풍으로부터 날개파손 등 치명적인 사고를 예방할 수 있으며, 길이가 짧고 폭이 넓은 광폭날개를 사용함으로 풍차효율이 높고 전력생산단가가 저렴한 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
(제 1 실시 예)
본 발명인 가변텐션스프링을 이용한 풍차허브의 사시도를 도 1에, 10m/s내외 풍속일 때 본 풍차허브의 피치제어 상태를 도 2에, 20m/s내외 풍속일 때 본 풍차허브의 피치제어 상태를 도 3에, 30m/s내외 풍속일 때 본 풍차허브의 피치제어 상태를 도 4에 표시하였다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가변텐션스프링을 이용한 풍차허브는 허브몸통(100), 메인샤프트(2), 꼬리날개(3), 베어링(B), 하우징(H), 제1샤프트(10A), 제2샤프트(10B), 제1단축부(11A), 제2단축부(11B), 제1장축부(12A), 제2장축부(12B), 날개엇셈부리(200), 제1기어(14A), 제2기어(14B), 암엇셈부리(500), 스프링엇셈부리(600)로 구성되어있으며, 암엇셈부리(500)는, 제1기둥암(51A), 제2기둥암(51B), 제1완충구(52A), 제2완충구(52B), 제1가지암(53A), 제2가지암(53B), 제1스프링걸이구(54A), 제2스프링걸이구(54B), 스프링엇셈부리(600)로 구성되어있으며, 스프링엇셈부리(600),는 강스프링(61A), 약스프링(61B), 제1와이어클립(62A), 제2와이어클립(62B), 제1와이어(63A), 제2와이어(63B)로 구성되어있다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 허브몸통(100)은 도 1 에 표시된바와 같이 함체형태로서 전면에는 허브몸통(100)을 지지하는 메인샤프트(2)가 연결되고, 후면에는 바람의 방향에 따라 허브몸통(100)의 방향을 바꾸어주는 꼬리날개(3)가 착설되어 있으며, 꼬리날개(3)와 허브몸통(100)과 메인샤프트(2)는 일체화되어있음으로 동일한 회전과 동일한 방향전환을 하게 된다. 제1및 제2샤프트(10A,10B)는 허브몸 통(100)의 둘레 양 측면을 관통하되, 평행하게 이격되며, 상호 반대 측의 제1및 제2장축부(12A,12B)에 날개엇셈브리(200)가 각각 착설되고, 날개엇셈브리(200)반대 측은 제1및 제2단축부(11A,11B)로 구성되며 베어링(B)과 하우징(H)으로 상기 허브몸통(100)내에 각각 지지되고 중앙에서 제1및 제2기어(14A,14B)로 연동되어 서로 반대방향으로 회전 제어된다. 따라서 제1및 제2샤프트(10A,10B)에 착설된 날개엇셈브리(200)의 피치(Pitch)도 서로 반대방향으로 제어된다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 날개엇셈브리(200)는 도 2에 표시된바와 같이 날개축(21)을 따라 길게 착설된 에어포일형태의 날개판(25)과, 날개판(25)의 단면보다 큰 에어포일(Airfoil)형태의 내측판(22)과 외측판(28)을 날개판(25)의 내측(23)과 외측(27)에 각각 수직으로 착설한 것으로서, 날개판(25)의 양각(G)은 내측(23)보다 외측(27)이 크고, 날개판(25)의 중심점은 날개축(21)의 연장선보다 뒷전(24)에 위치하도록 구성된다. 실속(stall)이란 실속이란 임계양각을 초과함으로써 생긴 실각상태를 말하며, 날개의 윗면을 흐르는 공기가 표면으로부터 박리되어 일어나는 현상으로 그 결과 급속하게 양력이 줄게 되고 항력이 증가하게 된다. 여기서 내측판(22)과 외측판(28)의 역할은 임계양각에 도달했을 때, 날개의 중간부분보다 양쪽 끝부분에서 윗면을 흐르는 공기가 표면으로부터 먼저 박리되는 현상을 방지하는 역학을 한다. 그 원리는 공기가 표면으로부터 박리되기 직전 날개윗면의 압력이 낮아지는데 이때 날개 끝 양측은 외부로부터 공기가 유입되어 더욱 쉽게 박리된다. 이때 내측판(22)과 외측판(28)을 날개 끝 양측에 착설하면 외부로부터 유입되는 공기가 차단됨으로 공기가 표면으로부터 쉽게 박리되는 현상을 방지할 수 있는 것이 다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 암엇셈부리(500)는 도1 및 도 3에 표시된바와 같이 제1및 제2샤프트(10A,10B)가 허브몸통(100)의 양 측면 외측에 돌출된 제1장축부(12A)와 제2단축부(11B)인접 사이에 설치되며, 상호 인접한 제1장축부(12A)와 제2단축부(11B)에 각각 고정된 제1및 제2기둥암(51A,51B)과, 상기 제1및 제2기둥암(51A,51B)에 직교하되 대응하는 내측단에 제1및 제2완충구(52A,52B)를 가지고, 외측단에 제1및 제2스프링 걸이구(54A,54B)를 갖는 제1및 제2가지암(53A,53B)으로 구성된다. 제1및 제2완충구(52A,52B)는 서로 부딧칠 때 발생하는 충격을 환화시켜주는 역할을 하며, 제1및 제2스프링 걸이구(54A,54B)는 스프링이 이탈되지 않도록 고리 또는 막대 형태로 구성된다.
본 발명의 제 1실시 예에 따른 스프링엇셈부리(600)는 도 1및 도 3에 표시된바와 같이 강스프링(61A)의 일단은 제1스프링 걸이구(54A)에, 타단은 제1와이어클립(62A)에 연결 설치되며, 제1와이어클립(62A)에는 제1와이어(63A)의 일단이 연결되고 제1와이어(63A)타단은 제2와이어클립(62B)에, 그리고 제2와이어클립(62B)에는 제2와이어(63B)및 약스프링(61B)의 일단이 연결되며, 제2와이어(63B)및 약스프링(61B)의 타단은 제2스프링 걸이구(54B)에 연결 설치된다. 이렇게 제1및 제2스프링 걸이구(54A,54B)사이에 설치된 스프링엇셈부리(600)의 강스프링(61A)은 최단길이로 수축된 상태를 유지하며, 약스프링(61B)은 약간 인장된 상태, 제1와이어(63B)는 팽팽한 상태, 제2와이어(63B)는 느슨한 상태가 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍차허브의 날개피치(Pitch)제어 원리를 10m/s내외 풍속일 때, 20m/s내외 풍속일 때, 30m/s내외 풍속일 때로 구분하여 설명하고자한다. 편의상 10m/s내외의 풍속을 “1단계풍속”, 20m/s내외의 풍속을 “2단계풍속”, 30m/s내외의 풍속을 “3단계풍속”아라 하고, 도 4또는 도 5와 같이 날개엇셈브리(200)가 윈드파워(Wp)방향으로 회전된 상태를“열린상태”, 도 3과 같이 날개엇셈브리(200)가 윈드파워(Wp)방향으로 회전되지 않은 상태를 “닫힌상태”라 칭한다.
10m/s내외 풍속일 때 본 풍차허브의 피치제어 상태를 도 1과 도 3에 의거 설명하고자 한다. 스프링파워(Sp)는 1단계풍속에 의한 날개엇셈브리(200) 앞면에 가해지는 윈드파워(Wp)보다 강하게 설정되어 있음으로, 날개엇셈브리(200)의 피치(Pitch)를 열린상태로 제어하지 못한다. 좀 더 자세하게는, 강스프링(61A)의 당기는 힘은 제1스프링 걸이구(54A) - 제1가지암(53A) - 제1기둥암(51A) - 제1샤프트(10A) - 제1장축부(12A) - 날개엇셈브리(200)로 전달되어 날개엇셈브리(200)의 스프링파워(Sp)방향으로 작용하고, 약스프링(61B)의 당기는 힘은 제2스프링 걸이구(54B) - 제2가지암(53B) - 제2기둥암(51B) - 제2단축부(11B) - 제2샤프트(10B) - 제2장축부(12B) - 날개엇셈브리(200)로 전달되어 날개엇셈브리(200)의 스프링파워(Sp)방향으로 작용한다. 그러나 제1및 제2가지암((53A, 53B)이 서로 맞닿는 부분에 제1및 제2완충구(52A, 52B)가 착설되어 있음으로 날개엇셈브리(200)는 스프링파워(Sp)방향으로 더 이상 제어되지 않는다. 이때의 날개피치(Pitch)각은 최대양력이 되도록 설정되어 있음으로 날개엇셈브리(200)의 회전력, 즉 풍차효율은 최대가 된다.
20m/s내외 풍속일 때 본 풍차허브의 피치제어 상태를 도 1과 도 4에 의거 설명하고 자 한다. 2단계풍속은 적정수준을 약간 초과하는 풍속으로서 발전기의 과속을 초래할 우려가 있음으로 날개엇셈브리(200)의 피치(Pitch)각을 약간 열린상태로 제어하여 날개효율을 약간 감소시킨 상태로 발전을 하게 된다. 날개엇셈브리(200)의 피치(Pitch)각을 “열린상태”로 제어하는 힘은 날개엇셈브리(200)의 전면에 가해지는 윈드파워(Wp)이이며, 2단계풍속에 의한 윈드파워(Wp)는 약스프링(61B)에 의한 스프링파워(Sp)보다는 강하고 강스프링(61A)에 의한 스프링파워(Sp)보다는 약하도록 설정되어 있다. 2단계풍속에 의한 윈드파워(Wp)는 텐션이 약한 약스프링(61B)과 병렬로 느슨하게 착설된 제2와이어(63B)가 팽팽해질 때까지 약스프링(61B)을 인장시키며, 텐션이 강한 강스프링(61A)은 인장시키지 못한다. 이때 제1및 제2샤프트(10A,10B)에 제1및 제2기어(14A,14B)가 서로 맞물려있음으로, 제1및 제2샤프트(10A,10B)에 각각 착설되어있는 날개엇셈브리(200)는 서로 반대방향으로 동일한 량만큼의 피치(Pitch)제어가 이루어진다. 따라서 약스프링(61B)이 인장된 만큼 날개엇셈브리(200)의 피치(Pitch)각이 약간 열린상태로 제어되어 날개효율이 감소됨으로써 회전속도가 감소되어 발전기의 과속을 방지하게 된다. 그러나 회전이 정지되는 것은 아니며 오히려 강한풍속을 이용하여 최대한의 동력을 얻을 수 있다.
30m/s내외 풍속일 때 본 풍차허브의 피치제어 상태를 도 1과 도 5에 의거하여 설명하고자 한다. 3단계 풍속은 날개엇셈브리(200)를 파손시킬 수 있는 위험한 풍속으로서 풍력발전보다는 풍차보호에 역점을 두어야 한다. 풍차를 보호하는 방법은 날개엇셈브리(200)에 작용하는 윈드파워(Wp)를 최소가 되도록 하여야 하며, 이렇게 하기 위해서는 날개엇셈브리(200)의 피치(Pitch)각을 최대한 열린상태가 되도록 하 여야 한다. 2단계풍속에 의한 윈드파워(Wp)는 강스프링(61A)은 인장시키지 못하였지만 3단계풍속에 의한 윈드파워(Wp)는 강스프링(61A)도 인장시킬 수 있도록 설정되어 있다. 3단계풍속에 의한 윈드파워(Wp)로 강스프링(61A)이 인장되어 날개엇셈브리(200)의 피치(Pitch)각이 열린상태로 제어되면 제1와이어(63A)의 중간부분이 제1장축부(12A)에 닿게 되고, 윈드파워(Wp)에 의하여 조금 더 열린상태로 제어되면 제1와이어(63A)의 중간부분이 제1장축부(12A)에 감기면서 강스프링(61A)이 인장됨으로 스프링파워(Sp)는 급격히 약해진다. 따라서 날개엇셈브리(200)의 피치(Pitch)각은 완전히 열린상태로 제어됨으로써 날개엇셈브리(200)에 작용하는 윈드파워(Wp)도 감소되어 태풍으로부터 날개엇셈브리(200)를 보호할 수 있게 된다. 이때 날개엇셈브리(200)의 회전력은 급격히 감소한다. 그러나 2단계 또는 1단계 풍속으로 바뀌면 날개엇셈브리(200)의 피치(Pitch)는 스프링파워(Sp)에 의하여 약간 열린상태 또는 닫힌상태로 제어되고 날개엇셈브리(200)의 회전력은 정상으로 회복 된다.
도 10은 피치를 제어하는 윈드파워(Wp)와 스프링파워(Sp)의 변화곡선을 나타낸 것으로서, 수평방향의 피치제어각도“0”은 날개엇셈브리(200)의 피치각이 닫힌상태,“90도”는 열린상태를 의미하며, 수직방향의 힘의 세기는 윈드파워(Wp)또는 스프링파워(Sp)의 크기를 의미한다. 윈드파워(Wp)는 날개엇셈브리(200)의 피치각을 열리도록 작용하고 스프링파워(Sp)는 피치각을 닫히도록 작용하는 힘으로서 임의지점에서 윈드파워(Wp)가 스프링파워(Sp)보다 크면 날개엇셈브리(200)의 피치가 열리고 그 반대면 닫히게 됨을 의미한다.
도 10에 표시된 각 지점을 설명하면 가변텐션스프링파워(Sp)곡선의 "A" 지점은 피 치각 18도 정도로서 2단계 윈드파워(Wp)에 의하여 약스프링(61B)이 인장되면서 제2와이어(63B)가 팽팽해지는 지점이며, "B" 내지 "C" 구간은 3단계 윈드파워(Wp)에 의하여 강스프링(61A)이 인장되는 구간이며, "C" 내지 "D" 구간은 제1와이어(63A)가 제1장축부(12A)일면에 닿아 꺾이는 상태로 강스프링(61A)이 인장됨으로 스프링파워(Sp)가 급격히 약해지는 구간이며, "D" 지점은 피치제어각도 68도 근처로서 3단계 윈드파워(Wp)가 강스프링파워(Sp)보다 약해져 더 이상 제어가 이루어지지 않는 지점이다. "E" 지점은 피치제어각도가 55도 내외로 가변텐션스프링이 아닌 일반스프링을 적용한다고 가정했을 때 제어범위가 제한적임을 나타낸다. 피치각 0도에서 각 단계 윈드파워(Wp)가 최대가 되는 것은 날개엇셈브리(200)의 피치각이 닫힌상태로서 바람과 접하는 날개면적이 최대가 되기 때문이며, 피치각 90도에서 윈드파워(Wp) 최소가 되는 것은 피치각이 열린상태로서 바람과 접하는 날개면적이 최소가 되기 때문이다.
도 6을 참고하여 상기한바있는 표 1의 "C" 내지 "D" 구간에서 제1와이어(63A)가 제1장축부(12A)의 일면에 닿아 꺾이는 상태가 되면 강스프링파워(Sp)가 급격히 약해지는 원리를 설명하고자 한다. 스프링엇셈부리(600)의 양단은 암엇셈부리(500)의 제1 및 제2스프링 걸이구(54A,54B)에 체결되어 있으며, 제1 및 제2기둥암(51A,51B)을 포함한 암엇셈부리(500)는 제1및 제2기어(14A,14B)로 맞물려있어 서로 반대방향으로 동일한 양만큼 제어된다. 1단계 풍속일 때 제2기둥암(51B)의 각도는 0도, 2단계 풍속일 때 제2기둥암(51B)의 각도는 18도, 3단계 풍속일 때 제2기둥암(51B)의 각도는 68도(18도+50도)이며, 이 각도는 날개의 제어각도를 의미한다. 제1및 제2기 둥암(51A,51B)이 각각 0도일 때 스프링엇셈부리(600)양끝의 거리를 100으로 가정할 때, 제1및 제2기둥암(51A,51B)이 18도만큼 제어되면 스프링엇셈부리(600)양끝의 길이는 112로서 12% 인장되며, 제1및 제2기둥암(51A,51B)이 68도만큼 제어되면 스프링엇셈부리(600)양끝의 길이는 120 으로서 20% 인장됨을 알 수 있다.
다시 말하면 2단계 풍속으로 피치(Pitch)각이 18도 제어될 때 약스프링(61B)이 12% 인장되는 것으로서 매 1% 인장에 1.5도제어되는 것이며, 3단계 풍속으로 피치(Pitch)각이 추가로 50도제어될 때 강스프링(61A)이 8% 인장되는 것은 매 1% 인장에 6.2도 제어됨을 의미한다. 이와같이 3단계 풍속일 때 강스프링(61A) 인장길이 대비 피치(Pitch)제어각도가 큰 이유는, 제1 및 제2스프링 걸이구(54A,54B)의 회전축은 제1 및 제2샤프트(10A,10B)로서, 제1와이어(63A)가 제1장축부(12A)일면에 닿아 꺾이면서 강스프링(61A)이 인장됨으로, 제1 및 제2스프링걸이구(54A,54B)와 제1 및 제2스프링걸이구(54A,54B)가 회전할 때 축이되는 지점에 강스프링(61A)과 약스프링(61B)의 일단이 체결되어있는 것과 유사한 형태가 되기 때문이다. 따라서 약간의 강스프링(61A)신장으로 큰 각도의 피치(Pitch)제어가 이루어지는데 그 시점은 제1와이어(63A)가 제1장축부(12A)일면에 닿아 꺾이면서부터 라고 볼 수 있으며, 가변텐션 스프링엇셈부리(600)의 인장력이 약-강-약으로 변하는 결과를 주는 원리이다.
일반적인 스프링을 피치제어에 적용할 경우 피치제어각도가 커질수록 스프링파워(Sp)가 강해지는 반면, 날개엇셈브리(200)에 작용하는 윈드파워(Wp)는 약해짐으로 작은 각도의 피치제어는 가능하나 큰 각도의 피치제어는 불가능했던 종래의 문 제점을 가변텐션스프링을 적용함으로써 해소할 수 있는 것이다.
암엇셈부리(500)및 스프링엇셈부리(600)는 허브몸통(100)의 일 측에만 착설해도 무방하다. 그러나 회전하는 허브의 무게균형유지 또는 암엇셈부리(500)또는 스프링엇셈부리(600)의 장애에 대비하여 양측에 각각 착설하는 것이 바람직하다. 2단계 풍속으로 날개엇셈브리(200)의 피치(Pitch)각이 18도 조향되며, 3단계 풍속으로 날개의 피치(Pitch)각이 68도 조향된다는 것은 예시에 불과하며, 실제로 적용되는 날개엇셈브리(200) 또는 스프링의 특성과 풍차의 크기에 따라 각 단계별 풍속과 조향되는 피치(Pitch)각을 달리 설정하여야 한다.
도 7은 본 풍차허브의 조향(Yawing) 상태를 나타내는 도로서, 낫셀(4)은 지지대(5)상부에 회동자재토록 착설되어 있으며, 다운윈드(Down Wind)방식인 본 발명의 풍차허브는 날개엇셈브리(200)가 지지대(5)보다 뒤쪽에 위치한다. 풍향이 (Wa)화살표 방향이면 꼬리날개(3)에 발생하는 풍압에 의하여 꼬리날개(3)와 낫셀(4)이 지지대(5)를 중심으로 (aa)방향으로 조향되고, 풍향이 (Wb)화살표 방향이면 꼬리날개(3)에 발생하는 풍압에 의하여 꼬리날개(3)와 낫셀(4)이 지지대(5)를 중심으로 (bb)방향으로 조향된다. 따라서 별도의 장치 없이도 조향(Yawing)이 이루어지며, 또한 허브몸통(100)에 착설되어 있는 꼬리날개(3)는 날개 및 허브몸통(100)과 동일하게 조향(Yawing)및 회전하게 된다.
(제 2 실시 예)
본 발명의 제2실시예에 따른 엇각으로 경사진 제1및 제2샤프트(10A,10B)를 도 8에 도시하였으며 모든 구성품은 제 1실시예와 동일하나, 제1및 제2샤프트(10A,10B)를 상호 평행하게 이격설치 하되, 제1및 제2샤프트(10A,10B)의 제1및 제2장축부(12A,12B)가 허브몸통(100)의 후면인 꼬리날개(3)방향으로 기울기(a)만큼씩 경사지게 설치한 특징이 있다. 기울기(a)는 2개의 하우징(H)높이를 각각 다르게 고정함으로써 이루어진다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 모든 작동원리 또한 제 1실시예의 경우와 동일하며 제 2 실시 예에 따른 풍차허브를 활용하여 풍차를 환성하면 날개엇셈브리(200)도 제1및 제2샤프트(10A,10B)와 동일한 기울기(a)를 유지하게 된다. 기울기(a)는 5도 내지 30도정도가 바람직하며 기울기(a)를 작게 하면 날개엇셈브리(200)에 의한 조향(Yawing)역할분담이 축소됨으로 꼬리날개(3)를 크게 하여야 하고, 날개엇셈브리(200)의 기울기(a)를 크게 하면 날개엇셈브리(200)에 의한 조향(Yawing)역할분담이 큼으로 꼬리날개(3)를 작게 해도 되며, 기울기(a)를 충분히 크게 하면 날개엇셈브리(200)에 의한 조향(Yawing)능력이 커져서 꼬리날개(3)를 착설하지 않아도 된다.
(제 3 실시 예)
도 8에 도시한바와 같이 제 3 실시예는 제 1및 제 2 실시예의 허브몸통(100)을 메인샤프트(2)와 꼬리날개(3)를 축으로 두 개 적층 구성하여 날개엇셈브리(200)가 사방으로 설치되게 한 것을 특징으로 한다. 2개의 허브몸통(100)을 적층하여 결합하면 하나의 꼬리날개(3)와 4조의 암엇셈부리(500)와 4조의 스프링엇셈부리(600)와 4 조의 날개엇셈브리(200)가 하나의 풍차를 구성하게 된다. 2개의 허브몸통(100)이 하나로 결합되었으나 각 날개엇셈브리(200)의 피치(Pitch)는 각 허브몸통(100)에서 각각 제어되며 낫셀조향(Yawing)은 꼬리날개(3)와 날개엇셈브리(200)에 작용하는 바람의 힘에 의하여 이루어진다.
본 발명 제 2 및 제 3 실시예의 풍차허브를 적용하여 완성한 풍차를 도 9에 도시하였다.
본 발명의 가변텐션스프링을 이용한 풍차허브는 소형부터 초대형풍차에 모두 적용가능하며 날개의 피치(Pitch)제어나 낫셀조향(Yawing)이 별도의 장치 없이 자동으로 이루어짐으로, 낙뢰로 인한 전기장치에 장애가 발생하고 폭설로 교통이 두절되는 등 극한상황에서 강풍이 불어도 날개파손 등 치명적인 사고를 예방할 수 있는 특징이 있다. 따라서 본 발명의 가변텐션스프링을 이용한 풍차허브는 그린에너지 확보에 안전성을 담보 할 수 있다.
날개의 피치(Pitch)제어나 낫셀조향(Yawing)장치를 별도로 설치하지 않음으로, 장애발생요인이 적어 풍차설치 후 유지관리비용이 저렴하고 특히 교통이 불편한 오지나 도서지방에 풍차를 설치할 경우 더욱 유지관리비용이 저렴할 수 있으며 가변텐션스프링을 이용한 풍차허브를 적용한 풍차는 발전중단시간을 최소화 할 수 있다.
또한 본 발명은 가변텐션스프링을 이용함으로 광폭날개를 사용함으로써 풍차효율이 개선되어 동일규모의 풍차로 더 많은 량의 에너지를 생산할 수 있으며 기존의 풍차보다 효율이 높아 전력생산단가를 저렴하게 할 수 있는 특징이 있다. 따라 서 가변텐션스프링을 이용한 풍차허브를 적용한 풍차는 제품의 경쟁력이 상대적으로 높으며 대단위 풍력발전단지 또는 중소형발전단지, 전기가 들어오지 않는 오지나 도서지방 발전용, 그리고 일반가정용 등으로 활용될 수 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명인 가변텐션스프링을 이용한 풍차허브의 사시도,
도 2는 본 발명의 날개엇셈브리를 나타내는 사시도,
도 3은 10m/s내외 풍속일 때 본 풍차허브의 피치제어 상태를 나타내는 도,
도 4는 20m/s내외 풍속일 때 본 풍차허브의 피치제어 상태를 나타내는 도,
도 5는 30m/s내외 풍속일 때 본 풍차허브의 피치제어 상태를 나타내는 도,
도 6은 본 풍차허브의 피치각도변화와 스프링인장거리관계를 나타내는 도,
도 7은 본 풍차허브의 낫셀조향(Yawing) 상태를 나타내는 도,
도 8은 본 발명의 제2및 제3실시예에 따른 경사진 샤프트와 허브 2개를 하나로 결합한 예를 나타내는 도,
도 9는 본 발명의 풍차허브를 적용하여 완성한 풍차의 사시도,
도 10은 스프링파워와 윈드파워의 관계를 나타내는 도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 허브몸통
2 : 메인샤프트 3 : 꼬리날개
4 : 낫셀 5 : 지지대
B : 베어링 H : 하우징
Sp : 스프링파워 Wp : 윈드파워
a : 기울기 G : 양각
10A : 제1샤프트 10B : 제2샤프트
11A : 제1단축부 11B : 제2단축부
12A : 제1장축부 12B : 제2장축부
14A : 제1기어 14B : 제2기어
200 : 날개엇셈브리
21 : 날개축 22 : 내측판
23 : 내측 24 : 뒷전
25 : 날개판 26 : 앞전
27 : 외측 28 : 외측판
500 : 암엇셈부리
51A : 제1기둥암 51B : 제2기둥암
52A : 제1완충구 52B : 제2완충구
53A : 제1가지암 53B : 제2가지암
54A : 제1스프링걸이구 54B : 제2스프링걸이구
600 : 스프링엇셈부리
61A : 강스프링 61B : 약스프링
62A : 제1와이어클립 62B : 제2와이어클립
63A : 제1와이어 63B : 제2와이어
상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 실용신안등록청구범위에 의하여 타내어지며, 실용신안등록청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 함체형의 전, 후면에 메인샤프트(2)와 꼬리날개(3)를 가지는 허브몸통(100);
    상기 허브몸통(100)의 둘레 양 측면을 관통하되, 평행하게 이격되어 상호 반대 측의 제1및 제2장축부(12A,12B)에 날개엇셈브리(200)를 갖고, 날개엇셈브리(200)의 반대측은 제1및 제2단축부(11A,11B)로 되어 각각 베어링(B)과 하우징(H)으로 상기 허브몸통(100)내에 지지되어, 중앙에서 각각 제1및 제2기어(14A,14B)로 연동되는 제1및 제2샤프트(10A,10B);
    상기 허브몸통(100)의 양 측면 외측에 돌출된 제1장축부(12A)와 제2단축부(11B)인접 사이에 설치되는 암엇셈부리(500)와 스프링엇셈부리(600)로 구성하되,
    상기 암엇셈부리(500)는 상기 제1및 제2샤프트(10A,10B)의 상호 인접한 제1장축부(12A)와 제2단축부(11B)에 각각 고정된 제1및 제2기둥암(51A,51B); 및
    상기 제1및 제2기둥암(51A,51B)에 직교하되 대응하는 내측단에 제1및 제2완충구(52A,52B)를 가지고, 외측단에 제1및 제2스프링걸이구(54A,54B)를 갖는 제1및 제2가지암(53A,53B)으로 구성되고,
    스프링엇셈부리(600)는 상기 암엇셈부리(500)의 제1스프링걸이구(54A)와 제2스프링걸이구(54B)사이에 강스프링(61A), 제1와이어클립(62A), 제1와이어(63A), 제2와이어클립(62B), 제2와이어(63B) 및 약스프링(61B)이 순차적으로 연결 구성된 것을 특징으로 한 가변텐션스프링을 이용한 풍차허브.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 날개엇셈브리(200)는 날개축(21)을 따라 길게 착설된 에어포일형태의 날개판(25)과, 날개판(25)의 단면보다 큰 에어포일형태의 내측판(22)과 외측판(28)을 날개판(25)의 내측(23)과 외측(27)에 각각 수직으로 착설한 것으로서, 날개판(25)의 영각(G)은 내측(23)보다 외측(27)이 크고, 날개판(25)의 중심점은 날개축(21)의 연장선보다 뒷전(24)에 위치하는 것을 특징으로 하는 가변텐션스프링을 이용한 풍차허브.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제1및 제2샤프트(10A,10B)는 상호 평행하게 이격설치 하되, 제1및 제2샤프트(10A,10B)의 제1및 제2장축부(12A,12B)가 허브몸통(100)의 후면인 꼬리날개(3)방향으로 기울기(a)만큼 경사지게 설치된 것을 특징으로 하는 가변텐션스프링을 이용한 풍차허브.
  5. 삭제
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