KR101314996B1 - 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치 및 이를 가지는 풍력발전기 - Google Patents

풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치 및 이를 가지는 풍력발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력 발전기의 블레이드 각도를 풍속에 따라 조절하는 장치에 있어서, 샤프트; 상기 샤프트가 회전 가능하도록 설치되는 하우징; 및 상기 샤프트와 상기 하우징에 끝단이 각각 고정됨으로써 상기 샤프트와 상기 하우징의 상대적인 회전에 의해 탄성에너지를 저장하고, 상대적인 회전에 필요한 힘이 해제시, 상기 샤프트와 상기 하우징이 원래의 상태로 복귀하도록 역방향으로 상대적인 회전을 하도록 하는 태엽을 포함하고, 상기 샤프트와 상기 하우징 중에서 어느 하나는 상기 블레이드가 풍압에 의해 회전하도록 설치되는 블레이드설치부에 고정되고, 다른 하나는 상기 블레이드에 고정되어, 풍압을 받는 상기 블레이드의 면적이 상기 태엽의 탄성력에 의해서 풍속의 크기에 따라 조절되도록 하는 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치 및 이를 가지는 풍력발전기에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 풍속의 크기에 따라 풍압을 받는 블레이드의 면적을 조절할 수 있도록 하여, 미풍이나 강풍에 구애됨이 없이 안정적인 회전력을 얻도록 할 뿐만 아니라, 강풍에서 블레이드를 비롯한 구성 부품의 손상을 방지하고, 풍속의 변화에 따라 블레이드가 신속하면서도 안정적으로 회전을 일으키도록 하며, 풍속에 따라 풍압을 받는 블레이드의 면적 변화와 블레이드의 회전 시점의 조절이 용이하다.

Description

풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치 및 이를 가지는 풍력발전기{Appratus for controlling angle of wind turbine blade and wind turbine having the same}
본 발명은 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치 및 이를 가지는 풍력발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 풍속에 따라 블레이드의 각도를 변화시킬 수 있는 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치 및 이를 가지는 풍력발전기에 관한 것이다.
일반적으로, 풍력 발전기는 공기의 운동 에너지 즉, 바람의 자원으로부터 얻어진 에너지를 회전 운동 에너지로 변환한 후, 전기 에너지로 변환하는 장치이다.
이러한 풍력 발전기는 대개 바람에 의하여 회전하는 로터(rotor), 로터의 회전력을 전력으로 변환하는 나셀(nacelle), 그리고 나셀과 로터를 지지하는 타워(tower)를 포함한다. 여기서 로터는 바람에 의해 회전력을 유발시키는 블레이드(blade)가 다수로 마련되고, 나셀에 회전 가능하게 설치된다. 또한 나셀은 로터의 회전력을 전달하는 기어박스와 이러한 회전력에 의해 동작하는 발전기가 설치된다. 또한 타워는 상부에 설치된 나셀과 로터의 하중을 지지하도록 설치 장소에 수직되게 설치된다.
이와 같은 풍력 발전기는 설치 장소에 따라 다양한 방향 내지 세기의 바람이 불기 때문에 어느 특정된 하나의 구조로는 이러한 바람을 모두 수용하여 동작하기 어렵다. 따라서 지역과 장소에 적합하면서 고효율을 가진 풍력 발전기의 구조가 필요하게 되었다. 예컨대, 풍력 발전기에서 블레이드의 폭을 넓게 할 경우 저속의 바람을 이용하는데 도움이 되지만, 강한 바람에서는 불리하다. 특히, 강한 바람에서 블레이드에 가해지는 위험을 피하기 위하여, 블레이드 전체의 각을 변화시켜 주는 수평축 타입의 블레이드인 경우, 회전하는 방향의 회전각이 바뀌어 로터의 회전시 진동 등 안전에 대한 문제를 유발한다. 따라서, 넓은 면적의 블레이드를 가지고도 강약의 바람을 모두 이용할 수 있는 풍력 발전기와 그 구조가 필요하였다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 종래 기술로서, 한국등록실용신안 제20-0459015호(2012.02.27 등록)의 "풍력발전기용 블레이드 각도 제어장치"와, 일본등록실용신안 제3002361호(1994.07.13 등록)의 "수풍력가변풍차"가 제시된 바 있는데, 이러한 종래의 기술들은 수평축 풍력 발전기의 블레이드가 풍속에 따라 회전할 때 블레이드의 각도를 조절하여 강풍의 위험을 피하기 위한 것을 요지로 하고 있으며, 바람의 강약에 따라 블레이드의 각도가 조절되도록 하기 위하여, 힌지를 사용하고 있으며, 블레이드의 각도가 변할 때 로터 및 나셀 전체의 각도가 변하게 되는데, 이는 바람이 약할 때에는 넓은 면적의 블레이드가 유리하지만 강풍에서는 불리하다. 따라서 강풍에서의 불리함을 피하기 위하여 블레이드의 각도를 변화시키는데, 이 때 힌지는 블레이드의 면적과 풍속에 맞는 블레이드의 변화 시점의 힘을 조절하지 못하는 문제점을 가지고 있었다. 특히 로터의 축이 수평인 수평축 타입의 블레이드에 있어서, 블레이드 전체의 각도가 변하면, 블레이드의 회전방향의 각도가 달라져서 블레이드의 안전에 문제를 발생시킨다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 풍속의 크기에 따라 블레이드가 풍압을 받는 면적이 조절되도록 신속하면서 안정적으로 회전을 일으키도록 하여 미풍이나 강풍 모두에서 높은 회전력을 발생시키고, 나아가서 이러한 블레이드의 면적 조절이 안전하게 이루어지도록 하는데 목적이 있다. 본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 풍력 발전기의 블레이드 각도를 풍속에 따라 조절하는 장치에 있어서, 샤프트; 상기 샤프트가 회전 가능하도록 설치되는 하우징; 및 상기 샤프트와 상기 하우징에 끝단이 각각 고정됨으로써 상기 샤프트와 상기 하우징의 상대적인 회전에 의해 탄성에너지를 저장하고, 상대적인 회전에 필요한 힘이 해제시, 상기 샤프트와 상기 하우징이 원래의 상태로 복귀하도록 역방향으로 상대적인 회전을 하도록 하는 태엽을 포함하고, 상기 샤프트와 상기 하우징 중에서 어느 하나는 상기 블레이드가 풍압에 의해 회전하도록 설치되는 블레이드설치부에 고정되고, 다른 하나는 상기 블레이드에 고정되어, 풍압을 받는 상기 블레이드의 면적이 상기 태엽의 탄성력에 의해서 풍속의 크기에 따라 조절되도록 하는 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치가 제공된다.
상기 샤프트는 상기 풍력 발전기의 허브를 중심으로 반경방향으로 연장되도록 상기 허브에 마련되는 상기 블레이드설치부에 길이방향을 따라 위치하도록 고정되고, 상기 하우징은 상기 블레이드에 고정되는 블레이드고정판이 측부에 돌출되도록 마련될 수 있다.
상기 태엽은 상기 샤프트에 일단이 고정되어 상기 샤프트를 감싸도록 상기 하우징 내에 설치되고, 다른 일단이 상기 하우징의 내측면에 고정되고, 상기 샤프트는 상기 태엽의 양측에 위치하도록 상기 하우징 내에 각각 설치되는 베어링에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있다.
상기 샤프트에 돌출되도록 마련되는 스토퍼; 및 상기 스토퍼의 회전 궤적 내에 위치하도록 상기 하우징에 설치되고, 상기 태엽의 탄성력에 의해 회전하는 상기 블레이드에 대해서 풍압을 받는 면적이 원하는 크기를 벗어나지 않도록 상기 스토퍼에 걸리게 되는 걸림편을 더 포함하고, 상기 걸림편은, 상기 회전 궤적 내에서 다수의 위치 중 어느 하나에 선택적으로 고정됨으로써 상기 블레이드가 풍압을 받는 면적의 최대 크기를 조절할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 풍력 발전기에 있어서, 나셀에 회전 가능하게 설치되는 허브; 상기 허브를 중심으로 반경방향으로 연장되어 회전이 억제되도록 고정되는 블레이드설치부; 상기 블레이드설치부에 설치되는 블레이드 각도 조절부; 및 상기 블레이드 각도 조절부에 고정되는 블레이드를 포함하고, 상기 블레이드 각도 조절부는 상기한 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치로 이루어지는 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기가 제공된다.
상기 블레이드 각도 조절부는 상기 블레이드설치부에 길이방향을 따라 간격을 두고서 다수로 설치되고, 각각이 상기 블레이드의 측부에 고정될 수 있으며, 상기 블레이드설치부는 풍향에 대하여 상기 블레이드의 전방에 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치 및 이를 가지는 풍력발전기에 의하면, 풍속의 크기에 따라 풍압을 받는 블레이드의 면적을 조절할 수 있도록 하여, 미풍이나 강풍에 구애됨이 없이 안정적인 회전력을 얻도록 할 뿐만 아니라, 강풍에서 블레이드를 비롯한 구성 부품의 손상을 방지하고, 풍속의 변화에 따라 블레이드가 신속하면서도 안정적으로 회전을 일으키도록 하며, 풍속에 따라 풍압을 받는 블레이드의 면적 변화와 블레이드의 회전 시점의 조절이 용이하도록 하고, 장소와 지역의 조건에 맞추어 수평축 타입과 수직축 타입의 풍력 발전기 모두에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기를 도시한 측면도이고,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기의 동작을 설명하기 위한 측면도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치를 도시한 사시도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치를 도시한 측단면도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치를 도시한 정단면도이고,
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기를 도시한 블레이드설치부의 내부 구조를 도시한 사시도이고,
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기를 도시한 블레이드설치부를 도시한 단면도이고,
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기의 블레이드와 블레이드설치부를 도시한 측면도이고,
도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기의 블레이드와 블레이드설치부를 도시한 반대방향의 측면도이고,
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치의 동작을 설명하기 위한 정단면도이고,
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기의 요부를 도시한 측면도이고,
도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기의 블레이드설치부의 내부 구조를 도시한 측면도이다.
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 이해되어야 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 제 1 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기를 도시한 측면도이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기의 동작을 설명하기 위한 측면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치를 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)는 풍력 발전기(200)의 블레이드(240) 각도, 즉 피치를 풍속에 따라 조절하는 장치로서, 샤프트(110), 하우징(120) 및 태엽(130; 도 4에 도시)을 포함하며, 샤프트(110)와 하우징(120) 중에서 어느 하나는 블레이드(240)가 풍압에 의해 회전하도록 설치되는 블레이드설치부(250)에 고정되고, 다른 하나는 블레이드(240)에 고정되어, 풍압을 받는 블레이드(240)의 면적이 태엽(130; 도 4에 도시)의 탄성력에 의해서 풍속의 크기에 따라 조절되도록 한다. 여기서, 풍압을 받는 블레이드(240)의 면적은 풍향에 직교하는 방향을 기준으로 블레이드(240)가 차지하는 면적을 의미할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 샤프트(110)는 하우징(120)에 관통하도록 설치될 수 있고, 이로 인해 하우징(120)과의 상대적인 회전이 가능하도록 설치될 수 있다. 여기서 샤프트(110)와 하우징(120)의 상대적인 회전은 샤프트(110)와 하우징(120) 중 어느 하나는 고정되고, 다른 하나는 회전할 수 있음을 의미할 수 있다.
하우징(120)은 샤프트(110)가 회전 가능하게 설치되도록 샤프트(110)의 주위에 설치되는데, 본 실시예에서처럼 내부 공간을 가지는 원통 형상을 가질 수 있으며, 샤프트(110)가 양단을 관통하도록 설치될 수 있다.
태엽(130)은 샤프트(110)와 하우징(120)에 끝단이 각각 고정됨으로써 샤프트(110)와 하우징(120)의 상대적인 회전에 의해 탄성에너지를 저장하고, 상대적인 회전에 필요한 힘이 부분 또는 전부 해제시, 즉 저장된 탄성에너지가 풍압에 의해 블레이드(240)에 인가되는 힘보다 클 경우 샤프트(110)와 하우징(120)이 원래의 상태로 복귀하도록 역방향으로 상대적인 회전을 하도록 한다.
태엽(130)은 샤프트(110)의 일단이 고정되어 샤프트(110)를 감싸도록 하우징(120) 내에 설치될 수 있고, 다른 일단이 하우징(120)의 내측면에 고정될 수 있다. 이를 위해 예컨대 샤프트(110)는 태엽(130)의 중심에 위치하는 끝단이 끼워져서 고정되도록 외주면에 태엽고정부(111)가 마련될 수 있다. 또한 하우징(120)은 태엽(130)의 가장자리 끝단이 끼워져서 고정되도록 내측면에 태엽고정부(미도시)가 마련될 수 있다.
샤프트(110)는 태엽(130)의 양측에 위치하도록 하우징(120) 내에 각각 설치되는 베어링(150)에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있다. 여기서, 베어링(150)은 샤프트(110)의 외주면에 고정되는 내륜(151)과, 내륜(151)의 외측에 미도시된 볼이나 롤러 등을 매개로 회전 가능하게 결합되어 하우징(120)의 내주면에 고정볼트(121)로 고정되는 외륜(152)을 포함할 수 있다. 한편 내륜(151)은 슬리브(112)를 매개로 샤프트(110)의 외주면에 고정될 수 있다.
도 6 및 도 8에 도시된 본 실시예에서처럼, 샤프트(110)는 풍력 발전기(200)의 허브(230)를 중심으로 반경방향으로 연장되도록 허브(230)에 마련되는 블레이드설치부(250)에 길이방향을 따라 위치하도록 고정될 수 있다. 또한 하우징(120)은 블레이드(240)에 고정되는 블레이드고정판(140)이 측부에 돌출되도록 마련될 수 있다. 블레이드고정판(140)은 하우징(120)과 일체를 이루거나, 하우징(120)과는 별개로 이루어져서 하우징(120)의 외주면에 끼움 결합, 슬라이딩 결합, 볼팅, 리벳팅 또는 용접 등의 다양한 방법에 의해 수직되도록 고정될 수 있다. 여기서, 블레이드설치부(250)는 본 실시예에서와 같이 별개로 이루어지는 것이 아니라, 허브(230)일 수 있으며, 이 경우 블레이드(240)가 허브(230)에 직접 회전 가능하게 설치되기 위하여, 샤프트(110)가 허브(230)에 직접 고정될 수 있다.
블레이드(240)에 대한 각도, 즉 피치를 제한하기 위하여 스토퍼(161)와 걸림편(162)이 마련될 수 있다. 여기서 스토퍼(161)는 샤프트(110)에 돌출되도록 마련될 수 있고, 일례로 바(bar)로 이루어질 수 있다. 또한 걸림편(162)은 스토퍼(161)의 회전 궤적 내에 위치하도록 하우징(120) 내에 설치될 수 있고, 태엽(130)의 탄성력에 의해 회전하는 블레이드(240)에 대해서 풍압을 받는 면적이 원하는 크기를 벗어나지 않도록 스토퍼(161)에 걸리게 된다.
도 5를 참조하면, 걸림편(162)은 샤프트(110)의 회전으로 인한 스토퍼(161)의 회전 궤적 내에서 다수의 위치 중 어느 하나에 선택적으로 고정됨으로써 블레이드(240)가 풍압을 받는 면적의 최대 크기를 조절할 수 있다. 일례로 걸림편(162)은 외륜(152)에 고정될 수 있는데, 이때, 외륜(152)은 원주방향을 따라 다수의 체결홈(164)이 형성됨으로서 걸림편(162)이 고정볼트(163)에 의해 다수의 체결홈(164) 중 일부에 선택적으로 고정될 수 있고, 이로 인해 걸림편(162)이 스토퍼(161)의 회전 허용 각도를 조절하여 태엽(130)의 풀림을 제한할 수 있다. 이때, 스토퍼(160)는 원래의 위치로부터 160° ~ 200°정도로 회전하도록 구성될 수 있으며, 예컨대 60° ~ 80°일 수 있으며, 일례로 70°일 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기(200)는 상기한 바와 같은 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)를 포함하는데, 일례로 나셀(nacelle; 220)에 회전 가능하게 설치되는 허브(230)와, 허브(230)를 중심으로 반경방향으로 연장되어 회전이 억제되도록 허브(230)에 고정되는 블레이드설치부(250)와, 블레이드설치부(250)에 설치되는 블레이드 각도 조절부와, 블레이드 각도 조절부에 고정되는 블레이드(240)를 포함하되, 블레이드 각도 조절부는 앞서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)로 이루어질 수 있다. 또한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기(200)는 일례로 로터의 축이 수평을 이루는 수평축 타입의 풍력 발전기를 나타낸다.
허브(230)는 블레이드(240)와 함께 로터(rotor)를 이루게 되는데, 회전축에 의해 나셀(220)에 회전 가능하도록 설치된다. 여기서 나셀(220)은 풍향에 일렬로 배열되도록 후미에 꼬리날개(221)가 마련될 수 있고, 타워(210) 상에 고정될 수 있다. 또한 나셀(220)은 풍압에 의해 저항하는 블레이드(240)에 의해 회전하는 허브(230)의 회전력을 전달하기 위한 기어박스와, 기어박스를 통해 전달되는 회전력을 이용하여 구동하는 발전기가 설치될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 블레이드설치부(250)는 허브(230)에 고정되기 위한 허브고정부(251)가 마련될 수 있는데, 블레이드 각도 조절부, 즉 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)는 블레이드설치부(250)에 길이방향을 따라 간격을 두고서 다수로 설치될 수 있다. 이를 위해, 블레이드설치부(250)는 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)가 수용되기 위한 수용공간이 길이방향을 따라 간격을 두고서 다수로 마련되고, 축고정부(252)에 의해 샤프트(110; 도 4에 도시)의 양단이 회전을 하지 못하도록 용접이나 요철 결합 등에 의해 고정될 수 있으며, 수용공간을 차단하도록 수용공간의 개방측에 차단판(253)이 설치된다. 이때 차단판(253)은 하우징(120)에 고정되어 하우징(120)과 함께 회전할 수 있되, 하우징(120)의 회전이 간섭받지 않는 크기와 모양을 가질 수 있다.
블레이드설치부(350)는 일측에 커버(254)가 장착될 수 있는데, 이러한 커버(254)는 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100) 뿐만 아니라, 내측의 구성 부품을 보호하는 역할을 하되, 하우징(120)의 회전에 의한 블레이드고정판(140)의 회동에 간섭을 일으키지 않도록 측부가 길이방향을 따라 개방된 구조를 가질 수 있다.
블레이드설치부(250)는 허브(230)에 고정되는 축부재로 이루어질 수 있으며, 풍향에 대하여 블레이드(240)의 전방에 위치함으로써 블레이드(240)의 머리 부분을 이룰 수 있다. 따라서 블레이드(240)는 블레이드설치부(250)의 후방에 위치하여 풍압에 의한 저항을 받을 경우, 블레이브설치부(250)를 기준으로 꼬리 날개처럼 회전하게 된다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 블레이드 각도 조절부, 즉 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100) 각각은 블레이드(240)의 측부에 고정될 수 있는데, 앞서 설명한 바와 같이, 블레이드고정판(140)에 의해 블레이드(240)의 측부에 고정될 수 있다. 한편 블레이드(240)는 측부를 따라 블레이드고정판(140)이 각각 고정될 수 있도록 미도시된 고정홈이 길이방향을 따라 간격을 두고서 다수로 형성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 블레이드(240)는 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)의 태엽(130; 도 4에 도시)이 제공하는 탄성력이 자신이 받는 풍압에 비하여 상대적으로 클 경우로서 비교적 풍속이 약한 경우, 태엽(130)의 탄성력에 의해 풍압이 받는 면적이 커지는 상태(A; 도 1의 상태)를 유지하게 된다. 태엽(130)이 풀릴 때, 도 5에 도시된 스토퍼(161)와 걸림편(162)에 의해서 블레이드(240)가 최대 회전력을 발생시킬 수 있는 회전 각도를 유지하도록 셋팅할 수 있으며, 이는 풍속과 블레이드(240)의 면적이나 곡률 등의 특성을 고려하여 정해질 수 있다.
또한, 블레이드(240)는 태엽(130; 도 4에 도시)이 제공하는 탄성력이 자신이 받는 풍압에 비하여 상대적으로 적은 경우로서 비교적 풍속이 강한 경우, 태엽(130)을 감으면서 풍압이 받는 면적이 작아지는 상태(B; 도 2의 상태)로 회전하게 된다. 따라서, 강풍에 의해 블레이드(240)가 받는 저항을 줄여서 블레이드(240)를 비롯한 로터의 구조적 손상을 방지하게 되고, 강풍에도 불구하고 블레이드(240)가 원하는 회전력을 발생시키도록 한다. 한편, 풍속이 감소되면, 태엽(130; 도 4에 도시)에 저장된 탄성에너지가 샤프트(110)와 블레이드고정판(140)을 통해서 블레이드(240)에 전달됨으로써 블레이드(240)가 풍압이 받는 면적이 증가하는 상태(A; 도 1의 상태)로 자동으로 복귀하게 된다.
태엽(130)은 풍속이 일정 크기 이상일 때, 블레이드(240)가 풍압이 받는 면적이 작아지게 회전하기 위한 탄성력 내지 탄성계수를 가지도록 제작될 수 있다. 또한 블레이드(240)는 블레이드설치부(250)가 머리에 해당됨으로써 블레이드설치부(250)의 후방에 위치하도록 설치되어 꼬리날개의 역할을 하게 되고, 이로 인해 회전이 억제된 블레이드설치부(250)로부터 샤프트(110)와 하우징(120)의 상대적인 회전에 의해 회전 각도, 즉 피치가 풍속의 크기에 따라 용이하면서도 신속하게 변환되도록 한다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기의 요부를 도시한 측면도이고, 도 12는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기의 블레이드설치부의 내부 구조를 도시한 측면도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기(300)는 로터의 축이 수직인 수직축 타입의 풍력 발전기를 나타내는 것으로서, 허브(330)에 수평되도록 고정되는 블레이드설치부(350)의 상측과 하측에 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)를 매개로 블레이드(340)가 각각 설치될 수 있다. 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)는 샤프트(110)가 블레이드설치부(350)에 마련된 축고정부(352)에 의해 회전이 억제되도록 일렬로 다수개가 고정될 수 있고, 각각의 블레이드고정판(140)이 블레이드(340)의 측부에 각각 고정될 수 있다. 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)는 다수개가 블레이드설치부(350)에 설치되어 블레이드(340) 각각에 고정됨으로써 블레이드(340)의 회전 복귀가 안정적으로 이루어지도록 할 수 있다. 한편 블레이드설치부(350)에는 콘트롤박스(370)가 설치될 수 있고, 이러한 콘트롤박스(370)에 마련된 고정편(371)이 블레이드(340)에 고정될 수 있다.
블레이드(340)는 상하 회전시 서로간의 간섭을 회피하도록 간섭방지부(341)가 형성될 수 있다. 또한 블레이드(340)에는 풍력에 의한 구동 효율을 높이기 위하여 보조날개(360)가 설치될 수 있는데, 이러한 보조날개(360)는 날개고정편(361)에 의해 블레이드(340)의 일측면에 부착될 수 있다. 또한 보조날개(360)는 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)을 매개로 하여 날개고정편(361)에 연결될 수 있다. 예컨대 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)는 샤프트(110)가 날개고정편(361)에 고정될 수 있고, 블레이드고정판(140)이 보조날개(360)에 고정될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기(300)는 로터의 회전축이 수평을 이루는 점을 제외하고는, 앞서 설명한 제 1 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기(200)와 마찬가지의 동작 및 작용을 수행하게 되며, 본 실시예에서처럼 블레이드(340)가 2개인 양잎형일 수 있으며, 이에 한하지 않고 블레이드(340)가 1개이거나 3개 이상일 수도 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치 및 이를 가지는 풍력발전기의 작용을 본 발명의 제 1 실시예에 따른 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력발전기(200)를 위주로 설명하면 다음과 같다.
풍력 발전기(200)가 발생시키는 힘은 풍속과, 풍압을 받는 블레이드(240)의 면적에 따라 달라진다. 풍속의 인위적인 조절이 어렵지만, 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)에 의해서 블레이드(240)의 면적을 조절할 수 있게 되는데, 이로 인해 풍속의 강약에 따라 블레이드(240)의 피치를 조절하여 발전 효율을 높이기 위해서, 풍속이 낮은 경우 풍압이 작용하는 블레이드(240)의 면적을 크게 하고, 풍속이 큰 경우 풍압이 작용하는 블레이드(240)의 면적을 작게 하여 강풍에 의해 블레이드(240)의 휨이나 파손 또는 풍력 발전기(200) 내의 기어박스나 축부재 또는 발전기 등이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
블레이드(240)는 블레이드설치부(250)가 머리 역할을 하도록 풍향에 대하여 블레이드설치부(250)의 후측에 위치하여 꼬리 날개 역할을 수행하도록 설치될 수 있고, 전면 회전방향의 각도가 변하지 못하도록 함으로써, 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)의 동작시, 풍속의 변화에 신속하면서도 안정적으로 회전할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 역풍에서 저항을 최소화할 수 있으며, 풍속에 따른 최상의 회전력을 발생시키도록 하여 발전 효율을 극대화시킬 수 있다.
풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)에 의한 태엽(130)의 탄성력에 의해 블레이드(240)가 회전하는 시점이 풍압이 작용하는 블레이드(240)의 면적과 풍속에 맞추어 조절할 수 있으며, 풍속이 낮은 경우라도 풍압이 작용하는 블레이드(240)의 면적을 늘려 안정된 회전력을 발생시킬 수 있다. 이와 같이 블레이드(240)의 정수리에 해당하는 블레이드설치부(250)의 각도가 변하지 않고, 그 뒤쪽의 꼬리 날개 역할을 하는 블레이드(240)만의 각도가 풍속의 크기에 따라 변하며, 태엽(130)의 탄성력에 의해 일정 세기 이상의 풍속일 경우에만 블레이드(240)가 회전하도록 하여 풍력 발전의 효율을 높일 수 있고, 이는 풍력 발전기(200)의 종류에 따라 효율을 높이도록 변경될 수 있다.
또한 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)는 다수가 블레이드(240)에 탄성력을 인가함으로써 블레이드(240)가 풍압에 저항하는 힘이 그 개수의 배수에 해당하게 되며, 원하는 풍속에서 각도가 변하게 될 때, 스토퍼(161)와 걸림편(162)에 의해 블레이드(240)가 정지된 상태에서 태엽(130)을 더 감으려 할 때 요구되는 힘을 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치(100)의 개수로 곱한 크기가 풍압을 받는 블레이드(240)의 면적(㎡)에 풍속을 곱한 값보다 작거나 같은 경우이다.
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 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110 : 샤프트 111 : 태엽고정부
112 : 슬리브 120 : 하우징
121 : 고정볼트 130 : 태엽
140 : 블레이드고정판 141 : 고정홀
150 : 베어링 151 : 내륜
152 : 외륜 161 : 스토퍼
162 : 걸림편 163 : 고정볼트
164 : 체결홈 210 : 타워
220 : 나셀 221 : 꼬리날개
230 : 허브 240 : 블레이드
250 : 블레이드설치부 251 : 허브고정부
252 : 축고정부 253 : 차단판
254 : 커버 330 : 허브
340 : 블레이드 341 : 간섭방지부
350 : 블레이드설치부 352 : 축고정부
360 : 보조날개 361 : 날개고정편
370 : 콘트롤박스 371 : 고정편

Claims (6)

  1. 풍력 발전기의 블레이드 각도를 풍속에 따라 조절하는 장치에 있어서,
    샤프트;
    상기 샤프트가 회전 가능하도록 설치되는 하우징; 및
    상기 샤프트와 상기 하우징에 끝단이 각각 고정됨으로써 상기 샤프트와 상기 하우징의 상대적인 회전에 의해 탄성에너지를 저장하고, 상대적인 회전에 필요한 힘이 해제시, 상기 샤프트와 상기 하우징이 원래의 상태로 복귀하도록 역방향으로 상대적인 회전을 하도록 하는 태엽을 포함하고,
    상기 샤프트와 상기 하우징 중에서 어느 하나는 상기 블레이드가 풍압에 의해 회전하도록 설치되는 블레이드설치부에 고정되고, 다른 하나는 상기 블레이드에 고정되어, 풍압을 받는 상기 블레이드의 면적이 상기 태엽의 탄성력에 의해서 풍속의 크기에 따라 조절되도록 하는, 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트는,
    상기 풍력 발전기의 허브를 중심으로 반경방향으로 연장되도록 상기 허브에 마련되는 상기 블레이드설치부에 길이방향을 따라 위치하도록 고정되고,
    상기 하우징은,
    상기 블레이드에 고정되는 블레이드고정판이 측부에 돌출되도록 마련되는, 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 태엽은,
    상기 샤프트에 일단이 고정되어 상기 샤프트를 감싸도록 상기 하우징 내에 설치되고, 다른 일단이 상기 하우징의 내측면에 고정되고,
    상기 샤프트는,
    상기 태엽의 양측에 위치하도록 상기 하우징 내에 각각 설치되는 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되는, 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트에 돌출되도록 마련되는 스토퍼; 및
    상기 스토퍼의 회전 궤적 내에 위치하도록 상기 하우징에 설치되고, 상기 태엽의 탄성력에 의해 회전하는 상기 블레이드에 대해서 풍압을 받는 면적이 원하는 크기를 벗어나지 않도록 상기 스토퍼에 걸리게 되는 걸림편을 더 포함하고,
    상기 걸림편은,
    상기 회전 궤적 내에서 다수의 위치 중 어느 하나에 선택적으로 고정됨으로써 상기 블레이드가 풍압을 받는 면적의 최대 크기를 조절할 수 있도록 하는, 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치.
  5. 풍력 발전기에 있어서,
    나셀에 회전 가능하게 설치되는 허브;
    상기 허브를 중심으로 반경방향으로 연장되어 회전이 억제되도록 고정되는 블레이드설치부;
    상기 블레이드설치부에 설치되는 블레이드 각도 조절부; 및
    상기 블레이드 각도 조절부에 고정되는 블레이드를 포함하고,
    상기 블레이드 각도 조절부는,
    제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 풍력 발전기의 블레이드 각도 조절장치로 이루어지는, 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 블레이드 각도 조절부는,
    상기 블레이드설치부에 길이방향을 따라 간격을 두고서 다수로 설치되고, 각각이 상기 블레이드의 측부에 고정되며,
    상기 블레이드설치부는,
    풍향에 대하여 상기 블레이드의 전방에 위치하는, 블레이드 각도 조절장치를 가지는 풍력 발전기.
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