KR101205329B1 - 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치 - Google Patents

삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치에 관한 것이다. 이는, 바람에 의해 고속 회전할 수 있도록 업-윈드형으로 설치된 소형의 컨트롤 로터 블레이드와, 상기 컨트롤 로터 블레이드의 회전방향과는 역방향으로 회전하도록 그 후방에 동축 상에서 설치되며, 회전 중심부 전방으로 유입되는 공기의 흐름을 후방의 외각 방향으로 분산 유동시키는 중형의 보조 로터 블레이드와, 상기 보조 로터 블레이드에 의해 분산 유동되는 공기의 흐름을 받아 가속되도록 그 후방에 동축 상에서 다운 윈드형으로 설치되며, 상기 컨트롤 로터 블레이드의 회전방향과 동일한 방향으로 회전하는 대형의 메인 로터 블레이드를 포함할 수 있다. 이에 따라 본 발명은 중앙의 허브 및 외각의 블레이드를 구비한 로터 블레이드(wind-rotor)를 가진 풍력발전기에서, 중앙 허브 부분에 발생되는 공기역학적 사각 공간 지대에 유입되는 공기를 외각으로 자연스럽게 유도함으로써 로터 블레이드의 블레이드에 공급되는 공기밀도를 높임으로써 풍력 발전기의 효율을 향상시키는 현저한 효과를 제공한다.

Description

삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치{Wind Power Generator Having Triple Rotors Integrated System}
본 발명은 풍력을 전기로 변환하는 풍력 발전기에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 중앙의 허브 및 외각의 블레이드를 구비한 로터 블레이드를 가진 풍력발전기에서, 중앙 허브 부분에 발생되는 공기역학적 사각 공간 지대에 유입되는 공기를 외각으로 자연스럽게 유도함으로써 로터 블레이드의 블레이드에 공급되는 공기밀도를 높임으로써 풍력 발전기의 효율을 향상시키도록 구성한 새로운 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치에 관한 것이다.
일반적으로 대형 풍력 발전 시스템은 바람의 힘에 의해 회전하는 로터 블레이드의 회전력을 전기로 변환하는 발전기를 구비한다.
또한 풍력발전기는 로터 블레이드의 블레이드에 가해지는 풍력에 의하여 블레이드가 회전력을 받는 원리를 이용한다. 그런데 발전량을 증가시키기 위해서는 로터 블레이드 블레이드의 규모가 대형으로 만들어져야만 하지만, 이것은 로터 블레이드의 중심부 즉 허브측에 가해지는 바람이 쓸모없이 낭비되는 공기역학적 사각공간(Aerodynamic dead zone)의 규모도 마찬가지로 커지게 된다.
그러므로 종래에 발전 효율을 향상시키기 위하여 로터 구조를 개선하려는 시도들이 있어 왔다. 예를 들어 국내 특허 등록번호 10-103897, 미국 특허번호 5876181 및 6278197 B1 등에는 멀티-로터 구조 또는 이중 로터 구조를 제안함으로써 발전 효율을 상승시키는 기술들이 기재되어 있지만, 구조가 복잡하고 실제로 운용되기 어렵다는 문제점들이 있었다.
그러므로 로터 블레이드의 블레이드 구조를 포함하는 풍력 발전기 분야에 있어서, 로터 허브 전방에 만들어지는 공기역학적 사각공간을 축소하거나 제거함으로써 발전효율을 향상시키는 구조에 대한 요구는 여전히 존재한다.
본 발명은 상술한 종래의 풍력발전기 구조를 개선 및 보완하고 다양한 추가 장점을 제공하기 위하여 발명된 것이다. 본 발명은 중앙의 허브 및 외각의 블레이드를 구비한 로터 블레이드(wind-rotor)를 가진 풍력발전기에서, 중앙 허브 부분에 발생되는 공기역학적 사각 공간 지대에 유입되는 공기를 외각으로 자연스럽게 유도함으로써 로터 블레이드에 공급되는 공기밀도를 높임으로써 풍력 발전기의 효율을 향상시키도록 구성한 새로운 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치에 의하여 달성된다.
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치는 바람에 의해 고속 회전할 수 있도록 업-윈드형으로 설치된 소형의 컨트롤 로터 블레이드와; 상기 컨트롤 로터 블레이드의 회전방향과는 역방향으로 회전하도록 그 후방에 동축 상에서 설치되며, 회전 중심부 전방으로 유입되는 공기의 흐름을 후방의 외각 방향으로 분산 유동시키는 중형의 보조 로터 블레이드; 상기 보조 로터 블레이드에 의해 분산 유동되는 공기의 흐름을 받아 가속되도록 그 후방에 동축 상에서 다운 윈드형으로 설치되며, 상기 컨트롤 로터 블레이드의 회전방향과 동일한 방향으로 회전하는 대형의 메인 로터 블레이드를 구비할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 보조 로터 블레이드 및 상기 메인 로터 블레이드 사이에 동축 상에서; 상기 컨트롤 로터 블레이드와 상기 보조 로터 블레이드의 회전력을 통합하여 출력하도록 구성되는 이중축 입력 기어박스; 상기 이중축 입력 기어박스에서 출력되는 회전력을 입력받아 전기를 생산하면서 동시에 회전력을 출력하는 보조 발전기; 일단으로부터는 상기 보조 발전기로부터 출력되는 회전력을 입력받고 타단으로는 상기 메인 로터 블레이드로부터의 회전력을 입력받아 출력하는 메인 기어박스로부터의 회전력을 입력받아 출력하는 통합 기어박스; 및 상기 통합 기어박스(3)로부터 회전력을 입력받아 전기를 생산하는 메인 발전기를 구비할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 컨트롤 로터 블레이드의 회전력은 기어 결합에 의하여 상기 보조 로터 블레이드에 전달되도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 이중축 입력 기어박스는 서로 상이한 회전수를 가지는 상기 컨트롤 로터 블레이드와 상기 보조 로터 블레이드의 회전력을 통합 증속하여 상기 보조 발전기에 전달하도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시 예에 있어서, 상기 이중축 입력 기어박스는 서로 상이한 회전수를 가지는 상기 컨트롤 로터 블레이드와 상기 보조 로터 블레이드의 회전력을 기어비에 의하여 통합 증속하여 단일 고속회전 출력으로서 상기 보조 발전기에 전달하도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 이중축 입력 기어박스는, 입력 회전력이 설계풍속을 초과하는 것으로 나타날 때, 상기 컨트롤 로터 블레이드의 회전력이 상기 보조 로터 블레이드의 저항력으로 되도록 함으로써 상기 보조 로터 블레이드의 정속 회전을 유지하도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 이중축 입력 기어박스의 출력에 의하여 상기 보조 발전기의 로터가 회전하며, 상기 보조 발전기의 스테이터는 상기 로터와의 전자기 커플링 상호작용에 의하여 회전하고, 이 스테이터의 회전력은 상기 메인 로터 블레이드의 회전이 가속되도록 하는 방식으로 구성될 수 있다.
또한 또 다른 실시예에 있어서, 상기 메인 발전기는, 상기 통합 기어박스에 의하여 상기 메인 기어박스로부터의 회전력과 상기 보조 발전기의 스테이터로부터의 회전력이 결합되고 이어 좌우 대칭적으로 분배된 후 각각 출력되는 두 개의 회전력에 의해 구동되는 한 쌍의 트윈 발전기인 것이 바람직하다.
상술한 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 중앙의 허브 및 외각의 블레이드를 구비한 로터 블레이드(wind-rotor)를 가진 풍력발전기에서, 중앙 허브 부분에 발생되는 공기역학적 사각 공간 지대에 유입되는 공기를 외각으로 자연스럽게 유도함으로써 로터 블레이드에 공급되는 공기밀도를 높임으로써 풍력 발전기의 효율을 향상시키는 등의 현저한 효과를 제공한다.
본 발명은, 서로 다른 크기의 삼중 로터 블레이드들이 각각 상이한 회전수로 회전함으로써 환상의 공기 튜브 지대를 형성함으로서 공기역학적으로 메인 로터 블레이드의 회전이 가속됨으로써 발전 효율이 향상되게 한다.
본 발명은, 보조 발전기 및 대칭적으로 배치된 2개의 동일한 메인 발전기들을 배치함으로서, 평상 상태에서는 예컨대 보조 발전기와 하나의 메인 발전기만을 가동시키고 설계 용량 발전 단계에서는 3개의 발전기를 전부 가동하는 등의 다양한 운전 방식이 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치의 전체적인 구조를 개략적으로 도시하는 측단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치에 있어서 공기역학적 삼중 로터 블레이드에 의한 환상 후류층의 형성을 설명하기 위한 개념적인 측단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치에 있어서 메인 발전기(4, 4-1)와 통합 기어박스(3)의 구체적인 구성을 예시하는 측단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치에 있어서 도 3의 A-A'선 단면도 및 도 7의 C-C'선 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치에 있어서 보조 발전기(5)의 구조를 보여주는 측단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치에 있어서 도 5의 B-B'선 단면도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치에 있어서 이중축 입력 기어박스(6)의 구조를 보여주는 측단면도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치에 있어서 도 7의 D-D'선 단면도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치에 있어서 컨트롤 로터 블레이드(81) 및 보조 로터 블레이드(71)를 보여주는 측단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따라 제공되는 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치는, 도 1에 예시된 바와 같이 동축상에 설치되는 메인 로터 블레이드(11)를 구비하는 메인 로터(1), 메인 기어박스(2), 통합 기어박스(3), 메인 발전기(4, 4-1), 보조 발전기(5), 이중축 입력 기어박스(6), 보조 로터 블레이드(71)를 구비하는 보조 로터(7), 및 컨트롤 로터 블레이드(81)를 구비하는 컨트롤 로터(8)를 포함하여 구성될 수 있다. 이들은 철탑(18)의 꼭대기에 설치된 기계 운전실대(17)에 의해 지지 고정될 수 있다. 여기서, 바람은 제어 로터(8) 측에서 메인 로터(1) 측을 향하여 부는 것으로 가정된다.
본 발명에 따르면, 메인 로터 블레이드(11), 보조 로터 블레이드(71) 및 컨트롤 로터 블레이드(81)의 3개의 로터 블레이드가 각각 바람에 의해 회전할 수 있다. 컨트롤 로터 블레이드(81)와 메인 로터 블레이드(11)는 동일한 방향으로 회전하는 반면에 보조 로터 블레이드(71)는 이와는 반대의 방향으로 회전한다.
컨트롤 로터 블레이드(81)는 바람에 의해 고속 회전할 수 있도록 업-윈드형으로 설치된다. 소형이며 비교적 고속으로 회전할 것으로 가정되는 컨트롤 로터 블레이드(81)는 보조 로터 블레이드(71)가 일정한 속도로 회전할 수 있도록 저항력을 제공하는 등의 제어 기능을 가지고 있다.
보조 로터 블레이드(71)는 컨트롤 로터 블레이드(81)의 회전방향과는 역방향으로 회전하도록 그 후방에 동축 상에서 설치된다. 보조 로터 블레이드(71)는 컨트롤 로터 블레이드(81)보다는 크고 메인 로터 블레이드(11) 보다는 작은, 중간 크기의 규모를 가진다. 또한 보조 로터 블레이드(71)의 주된 기능을 메인 로터 블레이드(11)의 회전 중심 즉 허브 부분의 전방에 형성되는 공기역학적 사각지대에 유입되는 공기의 흐름 즉 바람을 메인 로터 블레이드(11)에 부딪칠 수 있도록 외각으로 유동시키는 것이다(도 2 참조).
메인 로터 블레이드(11)는 보조 로터 블레이드(71)에 의해 분산 유동되는 공기의 흐름을 받아 가속되도록 그 후방에 동축 상에서 다운 윈드형으로 설치된다. 메인 로터 블레이드(11)의 회전력은 본 발명에 따른 풍력 발전기의 주된 회전력이며 전기 생산을 담당하는 역할을 하게 된다.
본 발명에 따라 회전력을 받아 전기를 생산하는 발전장치로서, 메인 발전기(4,4-1) 및 보조 발전기(5)를 구비할 수 있다. 보조 발전기(5)에는 컨트롤 로터 블레이드(81)와 보조 로터 블레이드(71)로부터의 회전력이 공급된다. 메인 발전기(4, 4-1)로는 보조 발전기(5)로부터 입력되는 회전력과 메인 로터 블레이드(11)로부터 입력되는 회전력이 공급된다.
컨트롤 로터 블레이드(81)와 보조 로터 블레이드(71)는 각각 서로 상이한 크기를 가지기 때문에 서로 다른 풍력을 받으며 또한 회전수가 서로 상이하다. 그러므로 본 발명에 따라 도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같은 이중축 입력 기어박스(6)와 같은 구성에 의하여, 그 둘의 회전력을 통합한다. 즉 이중축 입력 기어박스(6)는 서로 상이한 회전수를 가지는 컨트롤 로터 블레이드(81)와 보조 로터 블레이드(71)의 회전력을, 예컨대 기어비에 의하여, 통합 증속하여 보조 발전기(5)에 전달하도록 구성된다.
유사하게 메인 발전기(4, 4-1)로는 보조 발전기(5)로부터 입력되는 회전력과 메인 로터 블레이드(11)로부터 입력되는 회전력도 서로 상이하기 때문에, 이들은 도 3에 도시된 바와 같은 통합 기어박스(3)에 의하여 통합되어 출력된다. 통합 기어박스(3)는 일단으로부터는 상기 보조 발전기(5)로부터 출력되는 회전력을 입력받고 타단으로는 상기 메인 로터 블레이드(11)로부터의 회전력을 입력받아 출력하게 된다.
본 발명에 따라, 컨트롤 로터 블레이드(81)의 회전력은 기어 결합에 의하여 보조 로터 블레이드(71)에 전달된다. 이에 따라 보조 로터 블레이드(71)는 바람에 의해 회전되는 것 외에, 컨트롤 로터 블레이드(81)의 회전력에 의하여 가속되거나 감속될 수 있다. 즉 이중축 입력 기어박스(6)는, 입력 회전력이 설계풍속을 초과하는 것으로 나타날 때, 컨트롤 로터 블레이드(81)의 회전력이 보조 로터 블레이드(71)의 저항력으로 되도록 함으로써 보조 로터 블레이드(71)의 정속 회전을 유지하도록 구성될 수 있다.
더 나아가, 보조 로터 블레이드(71)의 회전력은 기어 결합에 의하여 메인 로터 블레이드(11)에 전달될 수 있고, 이에 따라 메인 로터 블레이드(11)는 바람에 의해 회전되는 것 외에, 보조 로터 블레이드(71)의 회전력에 의하여 가속될 수 있다. 즉, 이중축 입력 기어박스(6)의 출력에 의하여 보조 발전기(5)의 로터(52)가 회전하며, 보조 발전기(5)의 스테이터(51)는 로터(52)와의 전자기 커플링 상호작용에 의하여 회전할 수 있다. 보조 발전기(5)의 스테이터(51)의 회전력은 통합 기어박스(3)와 메인 기어박스(2)를 경유하여 메인 로터 블레이드(11)의 회전이 가속되는 방식으로 전달되도록 구성될 수 있다. 이와 함께, 통합 기어박스(3)는 메인 기어박스(2)로부터의 회전력과 보조 발전기(5)의 스테이터(51)로부터의 회전력을 결합하고 이어 좌우 대칭적으로 분배한 후 각각 출력되도록 한다. 통합 기어박스(3)로부터 출력되는 두 개의 회전력에 의해 메인 발전기(4, 4-1)가 구동될 수 있다. 메인 발전기(4, 4-1)는 각각 좌우 대칭으로 설치되는 한 쌍의 트윈 발전기(4, 4-1)일 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 삼중 로터 블레이드 구조의 풍력 발전기에 의하여 공기역학적 사각지대가 없어 발전 효율이 향상된 대형 풍력발전 시스템의 원리가 도시된다.
공기 밀도가 1.225 kg/m3의 대기권에서 윈드 터빈 로터의 직경이 클수로 팁 스피드의 제한을 받아 회전 RPM(분당 회전수)이 낮아지는데, 이에 따라 로터 블레이드가 회전하는 중심부 즉 로터 허브의 일정 공간에는 저속 회전으로 인해 양력이 거의 발생하지 않는 공기역학적 사각지대가 발생하게 된다. 본 발명은 이 공기역학적 사각지대에 유입되는 공기를 외각으로 유동시킴으로써 입력 풍속을 모두 이용하려는 것이다.
도시된 바와 같이, 입력 풍속(101) V0라고 하고, 컨트롤 로터 블레이드(81) 및 보조 로터 블레이드(71)를 통과한 후의 풍속(102)을 V1이라 하고, V1이 메인 로터 블레이드(11)를 통과한 후의 풍속(103)을 V2라고 하자. 본 발명에 따라 공기역학적 사각지대에 유입되는 풍속은 보조 로터 블레이드(71)에 의하여 외각으로 유도되는데 이 결과 환상형의 공기밀도가 높아진 부분(105)이 발생할 수 있다. 도면에는 메인 로터 블레이드(11)를 향하는 공기 흐름 유선(106)과 보조 로터 블레이드(71)를 향하는 공기 흐름 유선(107)이 도시되어 있고, 환상형의 공기 흐름관(105)은 이 두 공기 흐름 유선(106, 107) 사이에 발생된다. 환상형의 공기 흐름관(105) 내의 공기 밀도를 αV이라고 하면, αV는 컨트롤 로터 블레이드(81)의 직경의 크기와 보조 로터 블레이드(71)와의 거리, 보조 로터 블레이드(71)의 직경의 크기와 메인 로터 블레이드(11)와의 거리에 따라 달라질 수 있다. 이에 따라 메인 로터 블레이드(11)는, 컨트롤 로터 블레이드(81) 및 보조 로터 블레이드(71)가 없는 시스템에서보다, 더 높은 공기밀도를 가지는 환상형의 공기 흐름관(105)에 의하여 더 큰 회전력을 받을 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 통합 기어박스(3)는 예컨대 유성기어세트 및 베벨기어 등을 포함하여 구성될 수 있으며; 도시된 예에서, 선기어(31), 유성기어(32), 선기어 출력축(34), 링기어의 원통 입력축(35), 링기어의 수용 원통(35-1), 유성기어 입력축(36), 유성기어 캐리어(36-1), 베벨기어와 링기어의 연결부(37), 베벨기어와 유성기어 캐리어의 연결부(38), 수평 입력축(39), 메인 로터 블레이드(11)의 메인 기어박스(2)의 출력 결합판(39-1), 보조 발전기(5)의 입력판(57)과의 결합판(39-2), 기어박스 케이스(39-3)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 보조 발전기(5)는 중심부에서 회전하는 로터(52)와 이 로터(52)의 외곽에서 배치된 스테이터(51)를 포함하여 구성될 수 있으며; 도시된 바와 같이, 로터축(53), 스테이터(51)로부터 회전력을 인출하기 위한 슬립 링(54), 우측 회전 스테이터 축수 베어링(55), 스테이터 회전축(56), 통합 기어박스(3)의 결합판(39-2)에 연결되는 결합판(57), 좌측 로터 축수 베이링(58), 회전 스테이터 케이스(59), 이중축 입력 기어박스(6)의 결합판(62-6)에 연결되는 결합판(59-1)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 7에 측단면도로서, 도 4 및 도 8에 단면도로서 도시된 이중축 입력 기어박스(6)는 유성기어세트를 확장 구성한 구조를 가지며; 도시된 바와 같이, 선기어(61), 유성기어(62), 링기어(63), 링기어 연결 원통판(64), 보조 로터 블레이드의 입력축(65), 컨트롤 로터 블레이드의 입력축(66), 유성기어 캐리어(67), 기어박스 케이스(68), 선기어의 출력축(61-1), 제 2 선기어(62-2), 제 2 유성기어(62-3), 제 2 링기어(62-4), 제 2 링기어 원통(62-5), 보조 발전기5)의 결합판(59-1)에 연결되는 결합판(62-6), 보조 로터 블레이드(71)의 출력축(71-1)에 연결되는 결합판(62-7)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 9에 도시된 컨트롤 로터 블레이드(81)와 보조 로터 블레이드(71)의 구체적인 구성을 참조하면, 보조 로터 블레이드의 피치 제어 모터(72), 허브(73), 컨트롤 로터 블레이드(81)의 회전 로터 허브(84)의 회전축(76-3)의 고정 허브(74), 보조 로터 블레이드의 허브 회전축(77)과의 결합판(75), 컨트롤 로터 블레이드의 연결 회전축(76), 보조 로터 블레이드의 허브축(77), 피치 제어 모터의 전원 슬립 링(78, 78-1), 컨트롤 로터 블레이드와 보조 로터 블레이드의 허브축을 기계 운전실대(17)에 수용하는 메인 베어링(79), 보조 로터 블레이드 연장축봉(71-1), 컨트롤 로터 블레이드의 공동 축(76-3)과의 스플라인 커플링(76-2), 컨트롤 로터 블레이드의 공동 축(76-3), 컨트롤 로터 블레이드의 공동축(76-3) 연결판(76-4), 컨트롤 로터 블레이드의 피치 제어 모터(82), 허브 연결판(83), 허브(84), 컨트롤 로터 블레이드의 원추형 하부단(85)을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따르면, 컨트롤 로터 블레이드(81)와 이중축 입력 기어박스(6)에 의해, 본 삼중 로터 블레이드 구조의 풍력 발전기가 저 풍속 기동이 가능하다는 장점이 제공될 수 있다.
도 1에서 본 발명의 각 기기의 회전 방향(큰 화살표)과 회전력의 흐름(작은 화살표)을 도시하였다. 설명의 편의상 컨트롤 로터 블레이드(81), 보조 로터 블레이드(71)의 회전력과 메인 로터 블레이드(11)의 회전력을 결합하는 통합 기어박스(3)를 중심으로, 먼저 바람이 불어오는 업윈드(앞맞이바람, Up-wind) 측 즉 컨트롤 로터 블레이드(81)와 보조 로터 블레이드(71) 측을 설명하고 이후 다운윈드(뒤맞이바람, Down-wind) 측 즉 메인 로터 블레이드(11) 측을 설명한다.
도 9를 다시 참조하면, 미풍의 풍속이 입력되면 소형 컨트롤 로터 블레이드(81)는 화살표 방향으로 회전하여 허브(84)가 부착된 회전 공동 축(76-3)과 결합판(76-4)과 스플라인 커플링(76-2)을 거쳐 그 회전력이 전달된다. 회전축(76)은 스플라인 커플링(76-1)을 통해 이중축 입력 기어박스(6)의 입력 회전축(66)을 거쳐 입력측 유성기어 캐리어(67)에 부착된 제 2 선기어(62-2)를 회전시키고, 이와 동시에 제 2 링기어(62-4)가 회전하여 이에 부착된 제 2 링기어 원통(62-5)와 링기어 원통 연결축(64)과 연결판(62-7, 77-1)을 거쳐 허브축(77)과 직결된 허브(73)에 전달한다. 이는 반시계방향 회전력을 보조 로터 블레이드(71)에 전달함으로써, 보조 로터 블레이드(71)에 직접 입력되는 풍력에 의한 회전력을 도와서 쉽게 회전되도록 한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 컨트롤 로터 블레이드(81)와 보조 로터 블레이드(71)들의 상호 역회전에 의한 회전이 도 2에 도시된 바와 같은 공기 흐름관을 형성함으로서 공기 밀도가 증가되어 메인 로터 블레이드(11)도 연쇄 기동될 수 있는 저 풍속 기동 시스템이 제공될 수 있다.
도 7을 다시 참조하면 컨트롤 로터 블레이드(81)와 보조 로터 블레이드(71)의 회전력을 통합 전달하는 이중축 입력 기어박스(6)가 도시되어 있다.
컨트롤 로터 블레이드(81)와 보조 로터 블레이드(71)의 상호 역회전의 상이한 회전력이 도 7의 이중축 입력 기어박스(6)에 입력되면, 도 4에 도시된 바와 같이 링기어63)와 유성기어 캐리어(67)가 상호 역회전되고 유성기어(63)들이 회전된다. 이에 따라 선기어(61)는 시계(화살표) 방향으로 주어진 기어비에 의하여 증속된다.
컨트롤 로터 블레이드(81)의 입력 RPM : N1×{1+(ZR1/ZS1)}............(1)
보조 로터 블레이드(71)의 입력 RPM : N2×{1+(ZR2/ZS2)}............(2)
(1) 식과 (2) 식을 합하면 선기어(61)의 출력축(61-1)의 총 RPM(=Tn1 . n2)이 구해진다.
Tn1 . n2 = [{1+(ZR1/ZS1)}×N1]+{(ZR2/ZS2)×N2}...........................(3)
(여기서 ZR1 :선기어 이빨수, ZS1 : 링기어 이빨수, ZR2 : 제 2 선기어 이빨수, ZS2 : 제 2 링기어 이빨수이다)
제 2 유성기어(62-2) 고정축에서 자전만 하는 이중축 입력 기어박스의 특성상 입력 토크가 큰 보조 로터 블레이드(71)의 입력 회전수와 반대 회전의 컨트롤 로터 블레이드(81)의 회전수는 제 2 선기어(62-2)와 제 2 링기어(62-4)의 기어비에서 결정된다. 따라서 컨트롤 로터 블레이드(81)와 보조 로터 블레이드(71)의 팁 스피드 비율을 동일하게 하기 위하여는 컨트롤 로터 블레이드(81)의 크기, 제 2 선기어(62-2), 및 제 2 링기어(64-2)의 기어비를 조정하면 된다. 이에 따라 회전력이 통합된 이중축 입력 기어박스(6)에 의해 보조 로터 블레이드(71)의 회전력이 최대로 가속되어 효율이 향상될 수 있다.
그러나 설계풍속 이상의 풍속에서는, 컨트롤 로터 블레이드(81)의 피치 제어에 의한 컨트롤 로터 블레이드(81)의 회전이 이중축 입력 기어박스(6)의 제 2 유성기어의 연동기능에 의하여 보조 로터 블레이드(71)에 저항력으로 되므로 보조 로터 블레이드(71)의 회전이 둔화된다. 이에 따라 보조 발전기(5)의 로터축(53)의 회전이 낮아지고 회전 스테이터(51)의 전자기 결합 토크에 의한 결합회전력이 약화되고, 이에 따라 메인 로터 블레이드(11)의 회전이 저하되어, 장치 전체가 안전운전되는 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 따라 보조 발전기(5)의 전자기 결합 회전력에 의해 메인 로터 블레이드(11)의 회전이 가속될 수 있다.
즉, 컨트롤 로터 블레이드(81) 및 보조 로터 블레이드(71)의 각 회전력은 이중축 입력 기어박스(6)에서 통합 증속되고, 고속 출력축(66-1), 연결판(62-6), 보조 발전기의 연결판(59-1)을 거쳐 로터축(53)에 장착된 로터(52)를 도 6의 화살표(시계) 방향으로 회전시킨다. 이에 따라 보조 발전기(5)의 극 수에 따른 소정 회전 RPM 으로 발전을 하며, 부하에 의한 전자기 커플리 토크의 결합에 의해 고속회전하는 로터(52)와 같은 방향으로 스테이터(51)가 저속회전함으로써, 메인 로터 블레이드(11)의 회전을 가속시킬 수 있다. 이것은 다음과 같이 요약될 수 있다.
컨트롤 로터 블레이드(81)의 회전 토크 + 보조 로터 블레이드(71)의 회전 토크 = 보조 발전기(5)의 회전에 의한 발전; 및
보조 발전기(5)의 로터(52)와 스테이터(51) 간의 부하에 의한 전자기 커플링 토크 결합 + 메인 로터 블레이드(11)의 회전 토크 = 메일 발전기(4, 4-1)의 회전에 의한 발전.
일반적으로 발전기의 발전원리는 스테이터와 로터 간의 회전 운동으로 어느 일방이 정지 상태에서 다른 한쪽이 회전하거나 상호 반대로 회전하는 것을 이용한다. 그러나 본 발명에 따른 보조 발전기(5)에 있어서는 로터(52)와 스테이터(51)가 같은 방향으로 회전하되, 보조 발전기(5)의 극 수에 따른 소정 회전수 차이를 가진다. 로터(52)의 회전수(RPM)를 V1, 같은 방향으로 회전하는 스테이터(51)의 회전수를 V2라 하면, 발전기의 극 수에 따른 발전 회전수 V0는 다음과 같다:
V0 = V1 - V2 ............................................(4)
V2의 회전력은, 메인 기어박스(2)에서 소정의 회전수로 증속된 메인 로터 스테이터(11)의 회전력과 함께, 스테이터(51)와 연동되어 있는 통합 기어박스(3)의 수평 입력축(39)에 입력된다. 보조 발전기(5)에서 발전된 전력은 슬립 링(54)을 통해 인출되며, 수평 입력축(39)은 기계 운전실 대(17)에 보조 발전기(5)를 수용하는 축수 베어링(58, 55)에 지지되어 회전한다.
이에 통합 기어박스(3)의 동작을 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
보조 발전기(5)의 회전축(56)에 연결된 결합판(57)과 통합 기어박스의 결합판(39-2)에 결합되고, 이들을 통하여 통합 기어박스의 입력축(39)으로 입력된다. 메인 로터 블레이드(11)의 회전력은 일차로 메인 기어박스(2)에 의하여 소정 회전수로 증속된 후 역시 통합 기어박스의 입력축(39)으로 입력된다. 입력축(39)에 입력된 회전력은 좌측 베벨기어(37-1)와 우측 베벨기어(38-1)가 화살표 방향으로 회전하도록 하고 이에 따라 베벨기어(38)와 베벨기어(37)는 서로 역회전한다. 베벨기어의 회전축(36)에 결합된 트윈 유성기어 시스템은 각각 2개의 입력 회전의 유성기어(32)의 캐리어(36-1)와 베벨기어(37)의 회전축(35) 및 링기어의 수용 원통(35-1)과 결합된 링기어(33)가 도 4에 도시된 화살표 방향으로 서로 반대방향으로 회전한다. 이는 다음과 같은 기어비 및 회전수로 나타낼 수 있다.
Z0 = {(1+ZR/ZS)+(ZR/ZS)}×n..................................(5)
(여기서 Z0 : 통합 분당 회전수, ZS : 선기어 이빨수, ZR : 링기어 이빨수, n : 입력 RPM)
더 나아가 본 발명에 따라 가변 용량 운전 방식이 가능하다.
소정 출력 회전수로 증속된 선기어(31)는 출력축(34)을 회전시켜 트윈 발전기(4, 4-1)를 회전시킨다. 이 통합 기어박스(3)는 철탑(18) 상의 구동 트레인에서 메인 로터 블레이드(11), 보조 로터 블레이드(71), 및 컨트롤 로터 블레이드(81)의 회전력을 통합 입력하는 수평입력축(39)을 중심으로 좌우 대칭 구조의 트윈 유성기어 시스템이 배치된다. 이는 발전기의 효율을 높이기 위하여 단일 발전기가 아니라 동일한 두 개의 발전기를 배치한 것으로서, 입력 풍속의 크기에 따라 단계적으로 운전될 수 있고 이는 가변 용량이 가능하게 한다. 즉 가동 입력 풍속에서 초속 10 m/s 까지의 60%는 보조 발전기(5)와 한대의 메인 발전기(4)가 가동되고, 초속 10.1 m/s 내지 설계풍속까지는 보조 발전기(5)와 두대의 메인 발전기(4, 4-1)가 가동되어 정상 용량의 발전 단계로서 운전될 수 있다. 이에 따라 보조 발전기(5)의 부하에 의한 전자기 결합 회전력이 메인 로터 블레이드(11)와 합세하여 메인 발전기(4, 4-1)를 발전시키는, 공기역학적 사각지대가 없는 대형의 고효율 삼중 로터 블레이드 방식의 풍력발전기가 제공될 수 있다.
81 : 컨트롤 로터 블레이드
71 : 보조 로터 블레이드
6 : 이중축 입력 기어박스
5 : 보조 발전기
4, 4-1 : 메인 발전기
3 : 통합 기어박스
2 : 메인 기어박스
11 : 메인 로터 블레이드

Claims (8)

  1. 바람에 의해 고속 회전할 수 있도록 업-윈드형으로 설치된 소형의 컨트롤 로터 블레이드(81);
    상기 컨트롤 로터 블레이드(81)의 회전방향과는 역방향으로 회전하도록 그 후방에 동축 상에서 설치되며, 회전 중심부 전방으로 유입되는 공기의 흐름을 후방의 외각 방향으로 분산 유동시키는 중형의 보조 로터 블레이드(71);및
    상기 보조 로터 블레이드(71)에 의해 분산 유동되는 공기의 흐름을 받아 가속되도록 그 후방에 동축 상에서 다운 윈드형으로 설치되며, 상기 컨트롤 로터 블레이드(81)의 회전방향과 동일한 방향으로 회전하는 대형의 메인 로터 블레이드(11)를 포함하는 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 보조 로터 블레이드(71) 및 상기 메인 로터 블레이드(11) 사이에 동축 상에서;
    상기 컨트롤 로터 블레이드(81)와 상기 보조 로터 블레이드(71)의 회전력을 통합하여 출력하도록 구성되는 이중축 입력 기어박스(6);
    상기 이중축 입력 기어박스(6)에서 출력되는 회전력을 입력받아 전기를 생산하면서 동시에 회전력을 출력하는 보조 발전기(5);
    일단으로부터는 상기 보조 발전기(5)로부터 출력되는 회전력을 입력받고 타단으로는 상기 메인 로터 블레이드(11)로부터의 회전력을 입력받아 출력하는 메인 기어박스(2)로부터의 회전력을 입력받아 출력하는 통합 기어박스(3); 및
    상기 통합 기어박스(3)로부터 회전력을 입력받아 전기를 생산하는 메인 발전기(4,4-1)를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤 로터 블레이드(81)의 회전력은 기어 결합에 의하여 상기 보조 로터 블레이드(71)에 전달되도록 구성된 것을 특징으로 하는 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 이중축 입력 기어박스(6)는 서로 상이한 회전수를 가지는 상기 컨트롤 로터 블레이드(81)와 상기 보조 로터 블레이드(71)의 회전력을 통합 증속하여 상기 보조 발전기(5)에 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 이중축 입력 기어박스(6)는 서로 상이한 회전수를 가지는 상기 컨트롤 로터 블레이드(81)와 상기 보조 로터 블레이드(71)의 회전력을 기어비에 의하여 통합 증속하여 단일 고속회전 출력으로서 상기 보조 발전기(5)에 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 이중축 입력 기어박스(6)는, 입력 회전력이 설계풍속을 초과하는 것으로 나타날 때, 상기 컨트롤 로터 블레이드(81)의 회전력이 상기 보조 로터 블레이드(71)의 저항력으로 되도록 함으로써 상기 보조 로터 블레이드(71)의 정속 회전을 유지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치.
  7. 청구항 2에 있어서, 상기 이중축 입력 기어박스(6)의 출력에 의하여 상기 보조 발전기(5)의 로터(52)가 회전하며, 상기 보조 발전기(5)의 스테이터(51)는 상기 로터(52)와의 전자기 커플링 상호작용에 의하여 회전하고, 이 스테이터(51)의 회전력은 상기 메인 로터 블레이드(11)의 회전이 가속되도록 하는 방식으로 구성된 것을 특징으로 하는 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치.
  8. 청구항 2에 있어서, 상기 메인 발전기(4, 4-1)는, 상기 통합 기어박스(3)에 의하여 상기 메인 기어박스(2)로부터의 회전력과 상기 보조 발전기(5)의 스테이터(51)로부터의 회전력이 결합되고 이어 좌우 대칭적으로 분배된 후 각각 출력되는 두 개의 회전력에 의해 구동되는 한 쌍의 트윈 발전기(4, 4-1)인 것을 특징으로 하는 삼중 로터 통합 구동 풍력 발전기 장치.
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