KR101325752B1 - 능동 지능형 이중 터빈 블레이드를 이용한 양방향 회전식 기어리스형 수직축 고성능 풍력발전기 - Google Patents
능동 지능형 이중 터빈 블레이드를 이용한 양방향 회전식 기어리스형 수직축 고성능 풍력발전기 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 능동 지능형 이중 터빈 블레이드를 이용한 양방향 회전식 기어리스형 수직축 고성능 풍력발전기 관한 것으로서, 풍력발전기에서 원가구성에서 높은 비중을 차지하고 동력전달 손실 증가, 효율 감소, 내구성 감소 등의 단점으로 시장에서 요즘 문제가 되는 기어박스를 배제하고 능동 지능형 블레이드 컨트롤 기술(Active Intelligent Blade Control Technology)을 적용한 2 중 블레이드 레이어(Dual Blade Layers)의 특성을 최대한 이용, 2 블레이드 레이어(Blade Layer) 사이에 발전기를 배치하여 각각의 블레이드 레이어가 상호 역회전함과 동시에 발전기의 코일과 영구자석 또한 동시에 역회전 하게 하여 낮은 초기 시동풍속에서도 잘 작동하는 신개념의 2중 레이어 상호 역회전(Dual layer Counter Rotating)의 풍력발전기를 개시한다.
Description
본 발명은 능동 지능형 블레이드 컨트롤 기술(Blade Control Technology)(본 출원인이 특허 출원한 기술의 명칭, 출원번호 10-2010-0049453 참조)을 이용한 고성능 양방향 회전식 기어리스(Gearless)형 수직축 풍력발전기에 관한 것으로서 더 상세하게는 풍력발전기의 원가구성에 차지하는 비율이 높고 고장이 많은 기어박스를 배제하고 기어박스가 없는 시스템을 강구하게 되었으며, 발전유닛을 구성하는 코일과 영구자석을 동시에 상호 역회전시킴으로써 일반적으로 사용하는 기어리스(Gearless)형 풍력발전기보다는 같은 사이즈 대비 상대적 원주속도가 2배로 빠르므로 풍력발전기의 직경을 줄일 수 있고, 따라서 풍력발전기의 직경이 일반 기어리스형 풍력발전기의 사이즈보다 작고 가벼워 고효율인 신개념 풍력발전기에 관한 것이다.
드라이브 트레인은 블레이드의 구동력을 풍력발전기의 발전유닛으로 전달하는 기계요소를 총칭하는데 보통 2가지로 구성된다.
저속구동축과 기어박스로 구성이 되는데 저속구동축은 블레이드의 회전(10 ~ 20 RPM)을 기어박스 또는 발전유닛으로 전달하며, 기어박스는 오늘날 보통 3단 기어가 많이 쓰이고 고속 회전력(1200~ 1800 RPM)을 발전유닛으로 전달하는 역할을 한다.
현재 대부분의 대형 풍력발전기에 기어박스가 사용되고 있으며, 육상(Onshore)에서의 80%를 차지하고 있다.
이런 기어박스를 채용한 시스템은 소형, 경량이나 동력전달의 손실 증가, 효율 감소, 내구성 감소 등의 단점이 발생하며, 최근 풍력시장에서 문제가 되고 있는 기어고장은 대부분 기어형(Geared) 방식이다.
이런 문제점을 근본적으로 방지할 목적으로 일부에서는 기어리스형을 채용하기도 하는데, 직경이 5미터에 달하는 것도 있다. 그 결과, 기어리스형 풍력발전기는 크고 무겁고 비쌀 수밖에 없었다.
풍력발전기가 고출력을 내려면 발전유닛의 영구자석과 코일의 상대 원주속도가 고속이어야 하는데, 기어리스형 풍력발전기에서는 이러한 필요조건을 충족시키기 위해서 영구자석과 코일간의 원주속도를 높이고자 가능한 큰 직경의 풍력발전기를 만들 수밖에 없었고, 그 결과 무겁고 큰 직경으로 인해서 메인타워에 비대칭 하중을 증가시키고 넓은 풍력발전기의 단면적으로 인해서 풍압이 증가하는 구조일 수밖에 없었다.
이런 기어리스형 풍력발전기는 일반적으로 영구자석만 회전하거나 반대로 코일만 회전하는 형태로 만들어지는데, 본 발명에서는 능동 지능형 블레이드 컨트롤 기술(Active Intelligent Blade Control Technology)(본 출원인이 특허 출원한 기술의 명칭, 특허 출원번호: 10-2010-0049453)의 장점을 극대화시켜, 기존의 기어리스형 풍력발전기에서 발생하는 문제점을 해결하고자 하였다.
능동 지능형 블레이드 컨트롤 기술(Active Intelligent Blade Control Technology)에서는 수직축 구동이 가능하므로 2중 레이어 블레이드(Dual Layer Blade)를 채용, 2개의 블레이드 레이어(Blade Layer)를 서로 역회전시켜서 발전유닛의 영구자석과 코일간의 원주속도를 높임으로써 사실상 2단기어가 적용되는 것과 같은 결과를 가져오게 하였다.
저속구동축과 기어박스로 구성이 되는데 저속구동축은 블레이드의 회전(10 ~ 20 RPM)을 기어박스 또는 발전유닛으로 전달하며, 기어박스는 오늘날 보통 3단 기어가 많이 쓰이고 고속 회전력(1200~ 1800 RPM)을 발전유닛으로 전달하는 역할을 한다.
현재 대부분의 대형 풍력발전기에 기어박스가 사용되고 있으며, 육상(Onshore)에서의 80%를 차지하고 있다.
이런 기어박스를 채용한 시스템은 소형, 경량이나 동력전달의 손실 증가, 효율 감소, 내구성 감소 등의 단점이 발생하며, 최근 풍력시장에서 문제가 되고 있는 기어고장은 대부분 기어형(Geared) 방식이다.
이런 문제점을 근본적으로 방지할 목적으로 일부에서는 기어리스형을 채용하기도 하는데, 직경이 5미터에 달하는 것도 있다. 그 결과, 기어리스형 풍력발전기는 크고 무겁고 비쌀 수밖에 없었다.
풍력발전기가 고출력을 내려면 발전유닛의 영구자석과 코일의 상대 원주속도가 고속이어야 하는데, 기어리스형 풍력발전기에서는 이러한 필요조건을 충족시키기 위해서 영구자석과 코일간의 원주속도를 높이고자 가능한 큰 직경의 풍력발전기를 만들 수밖에 없었고, 그 결과 무겁고 큰 직경으로 인해서 메인타워에 비대칭 하중을 증가시키고 넓은 풍력발전기의 단면적으로 인해서 풍압이 증가하는 구조일 수밖에 없었다.
이런 기어리스형 풍력발전기는 일반적으로 영구자석만 회전하거나 반대로 코일만 회전하는 형태로 만들어지는데, 본 발명에서는 능동 지능형 블레이드 컨트롤 기술(Active Intelligent Blade Control Technology)(본 출원인이 특허 출원한 기술의 명칭, 특허 출원번호: 10-2010-0049453)의 장점을 극대화시켜, 기존의 기어리스형 풍력발전기에서 발생하는 문제점을 해결하고자 하였다.
능동 지능형 블레이드 컨트롤 기술(Active Intelligent Blade Control Technology)에서는 수직축 구동이 가능하므로 2중 레이어 블레이드(Dual Layer Blade)를 채용, 2개의 블레이드 레이어(Blade Layer)를 서로 역회전시켜서 발전유닛의 영구자석과 코일간의 원주속도를 높임으로써 사실상 2단기어가 적용되는 것과 같은 결과를 가져오게 하였다.
이러한 기술은 2중 레이어 블레이드(Dual Layer Blade)의 사용으로 출력이 2배로 증가되며 또한 상호 역회전에서 오는 원주속도의 증대로 출력이 2배로 된다고 보며, 단순 산술적 계산으로는 4배의 출력증가를 가져온다고 할 수가 있겠다.
또한, 발전유닛이 수직축에의 중심에 위치함으로써 무게중심이 안정적이고 한계풍속 시에도 풍력발전기 자체가 받는 풍압은 감소되게 하였다.
또한, 발전유닛이 수직축에의 중심에 위치함으로써 무게중심이 안정적이고 한계풍속 시에도 풍력발전기 자체가 받는 풍압은 감소되게 하였다.
이 명세서에서는 블레이드 구동방식으로 수직축 풍력발전기를 채택하였으며 상호 역회전에 절대적으로 필요한 2중 레이어 블레이드 시스템(Dual Layer Blade System)을 적용하였다. 또한 구조 역학상 기어박스가 배제되려면 다음과 같은 과제가 발생한다.
(1) 기어리스인 발전유닛을 시스템의 어느 부분에 설치할 것인가?
(2) 영구자석이 코일의 외부에서 회전하는 모델과 코일이 영구자석의 외부에서 회전하는 모델로 구분할 수가 있겠는데 어느 모델로 할 것인가?
(3) 발전유닛의 출력이 나오는 코일의 전력선은 어떤 형태로 회전 중에 장애 없이 시스템에서 뽑아 낼 것인가?
(4) 시스템 운영 중 블레이드의 상호 역회전 도중에 발생할 수도 있는 극한상황에서 블레이드간의 충돌, 간섭은 어떻게 배제되게 설계할 것인가?
(5) 블레이드의 상호 역회전을 유지하면서 회전축이 안정하게 유지되려면 외부의 어떤 부분에서 역회전으로 분리되어야 하나?
상기에서 (1)의 문제를 해결하기 위해서는 발전유닛의 영구자석과 코일이 상호 역회전을 가능하게 하는 2중 레이어(Dual Layer) 블레이드의 포지션을 먼저 고려해야 할 것이다.
즉 한층의 블레이드는 발전유닛의 영구자석에 연결 회전하여야 하고 다른 한층의 블레이드는 코일과 연결하여 구동되든지, 아니면 그 반대의 경우로 구동되어야 할 것이다. 이러한 필요조건을 만족시키자면 기어리스 발전유닛은 2개의 양쪽 블레이드 레이어(Blade Layer) 사이에 위치하는 게 가장 적합하다.
즉 한층의 블레이드는 발전유닛의 영구자석에 연결 회전하여야 하고 다른 한층의 블레이드는 코일과 연결하여 구동되든지, 아니면 그 반대의 경우로 구동되어야 할 것이다. 이러한 필요조건을 만족시키자면 기어리스 발전유닛은 2개의 양쪽 블레이드 레이어(Blade Layer) 사이에 위치하는 게 가장 적합하다.
(2)의 경우에는 2가지 요구조건을 만족하여야 하는데 그 첫째가 발전유닛의 코일의 밀도를 높이기 위해서, 코일의 코어방향이 내부에서 외부로 바라보는 방사형 타입으로 되어 있어야만 코일의 밀집도를 높이기가 더 용이하며, 또한 코일의 바깥쪽을 도는 영구자석의 배열 수도 더 증가할 수가 있겠다.
그리고 나머지 하나는 코일에서 발생하는 전력선은 상부로 올린 다음에 중간의 공간이 빈 튜브를 타고 내려오는 게 최상의 방법이다. 왜냐하면 전력선이 바로 아래로 직행해서 뽑아 내자면 요잉 컨트롤 축(Yaw Control Axle)를 지탱하는 베어링을 회피할 수가 없기 때문이다.
그러므로 전력선은 요잉 컨트롤 축(Yaw Control Axle)의 윗부분의 끝으로 올라갔다가 그 위에서 중심을 관통하는 튜브인 전력선 안내축(Power Cable Transporter Axle)을 타고 내려오는 것이 가장 좋은 방법이 된다.
그리고 나머지 하나는 코일에서 발생하는 전력선은 상부로 올린 다음에 중간의 공간이 빈 튜브를 타고 내려오는 게 최상의 방법이다. 왜냐하면 전력선이 바로 아래로 직행해서 뽑아 내자면 요잉 컨트롤 축(Yaw Control Axle)를 지탱하는 베어링을 회피할 수가 없기 때문이다.
그러므로 전력선은 요잉 컨트롤 축(Yaw Control Axle)의 윗부분의 끝으로 올라갔다가 그 위에서 중심을 관통하는 튜브인 전력선 안내축(Power Cable Transporter Axle)을 타고 내려오는 것이 가장 좋은 방법이 된다.
(3)의 경우에는 이 문제는 (2)에서 언급했듯이 요잉 컨트롤 축(Yaw Control Axle)의 내부에 있는 전력선 안내축인 빈 튜브의 공간을 타고 내려오는 게 최상의 선택이고, 연속으로 회전하는 구동체에서 전원을 끊임없이 공급받기 위해서는 카본 브러쉬를 사용하여야 할 것이다.
일반적으로 풍력발전기의 내구수명을 25년으로 잡으니 브러쉬도 이에 맞게 25년간 지속될 수 있는 디자인이 요구된다. 그러기 위해서는 브러쉬의 마모가 최소화 할 수가 있도록 브러쉬와 단자간의 접촉부분이 가장 느린 속도로 회전하는 곳이어야 하는데, 그곳은 회전자의 중심부분이 되겠고, 중심에 가까우면 가까울수록 원주속도가 느려지므로, 카본 브러쉬의 마모 또한 최소화되게 된다. 따라서 이러한 요구조건에 맞춰서 문제를 해결하게 될 것이다.
일반적으로 풍력발전기의 내구수명을 25년으로 잡으니 브러쉬도 이에 맞게 25년간 지속될 수 있는 디자인이 요구된다. 그러기 위해서는 브러쉬의 마모가 최소화 할 수가 있도록 브러쉬와 단자간의 접촉부분이 가장 느린 속도로 회전하는 곳이어야 하는데, 그곳은 회전자의 중심부분이 되겠고, 중심에 가까우면 가까울수록 원주속도가 느려지므로, 카본 브러쉬의 마모 또한 최소화되게 된다. 따라서 이러한 요구조건에 맞춰서 문제를 해결하게 될 것이다.
(4)의 경우에는 본 발명에 있어서 초과풍속에 의한 좌굴은 좀처럼 일어나기가 힘들 것이다. 왜냐하면 풍향의 진행방향과 블레이드의 회전방향이 같은 부분인 구동력을 발생시키는 반원부에서는 좌굴이 일어나기가 쉽지가 않고 나머지 반대편 항력이 발생하는 반원구역에서는 블레이드가 바람과 맞받아치므로 약간의 진동이 발생할 수가 있겠으나, 이 경우는 블레이드의 피치를 시제품 제작 후 테스트 시에 조정함으로써 이런 문제를 해결할 수가 있겠다.
그리고 2개의 블레이드 레이어 사이에 발전유닛이 설치되게 될 것이므로, 자동으로 2개의 블레이드의 레이어는 일정 간격을 유지하게 된다. 그러므로 예상 못한 초강력 회오리바람이나 돌풍이 발생하지 않는 이상, 본 발명으로 제작된 시스템은 일반 수평형 발전기보다 훨씬 높은 한계풍속을 지니게 될 것이다.
그리고 2개의 블레이드 레이어 사이에 발전유닛이 설치되게 될 것이므로, 자동으로 2개의 블레이드의 레이어는 일정 간격을 유지하게 된다. 그러므로 예상 못한 초강력 회오리바람이나 돌풍이 발생하지 않는 이상, 본 발명으로 제작된 시스템은 일반 수평형 발전기보다 훨씬 높은 한계풍속을 지니게 될 것이다.
(5)의 경우에는 시스템을 제작하는데 있어서 가장 염두에 둬야 할 것은, 야외에 일년 365일 내내 설치되므로 방수의 효과를 지녀야 하고, 구동 토오크를 지탱할 축 선상의 베어링의 배치일 것이다.
2개의 블레이드 레이어(Blade Layer)가 역회전으로 분리되는 곳은 두 레이어의 사이겠고, 그 사이에 있는 발전기의 위와 아래가 되겠는데, 본 발명에서는 발전유닛의 윗부분에서 분리되어 상호 역회전이 되도록 설계하였다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기는 메인타워를 포함하는 베이스; 서로 반대방향으로 회전하는 코일과 영구자석을 포함하는 하나 이상의 발전유닛; 하나 이상의 블레이드를 포함하며 상기 코일과 함께 상기 메인타워를 중심으로 일방향으로 회전하도록 상기 발전유닛에 연결되는 하나 이상의 제1블레이드 레이어; 하나 이상의 블레이드를 포함하며 상기 영구자석과 함께 상기 메인타워를 중심으로 상기 제1블레이드 레이어의 회전방향의 반대방향으로 회전하도록 상기 발전유닛에 연결되는 하나 이상의 제2블레이드 레이어; 및 상기 블레이드가 연결되는 캠 팔로워가 상기 블레이드의 회전에 따라 주행하는 주행노선이 외주에 형성된 하나 이상의 캠; 을 포함하며, 상기 주행노선은 풍향과 상기 제1,2블레이드 레이어의 회전방향이 같은 방향이면 상기 블레이드가 풍향에 대하여 세워지며 반대방향이면 풍향에 대하여 뉘어지도록 하는 형상이고, 상기 캠은 상기 제1블레이드 레이어의 블레이드가 세워지는 제1 회전구역에서는 상기 제2블레이드 레이어의 블레이드가 뉘어지고 상기 제1블레이드 레이어의 블레이드가 뉘어지는 제2 회전구역에서는 상기 제2블레이드 레이어의 블레이드가 세워지도록 배치되어 상기 제1,2블레이드 레이어가 서로 반대방향으로 회전되도록 할 수 있다.
이 경우, 상기 제1,2블레이드 레이어는 상기 캠 팔로워와 상기 캠이 내부에 구비되며 상기 발전유닛에 회전가능하게 연결되는 콘트롤 시스템 케이스를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 블레이드의 폭방향 단면은 상기 블레이드의 길이방향의 중심축에 대하여 대칭인 초승달 형상일 수 있다.
그리고, 상기 캠 팔로워는 상기 블레이드가 장착되는 블레이드 홀더; 상기 블레이드 홀더에 연결되는 아암; 및 상기 아암에 회전가능하게 연결되며 상기 주행노선을 따라 주행하는 롤러; 를 포함할 수 있다.
2개의 블레이드 레이어(Blade Layer)가 역회전으로 분리되는 곳은 두 레이어의 사이겠고, 그 사이에 있는 발전기의 위와 아래가 되겠는데, 본 발명에서는 발전유닛의 윗부분에서 분리되어 상호 역회전이 되도록 설계하였다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기는 메인타워를 포함하는 베이스; 서로 반대방향으로 회전하는 코일과 영구자석을 포함하는 하나 이상의 발전유닛; 하나 이상의 블레이드를 포함하며 상기 코일과 함께 상기 메인타워를 중심으로 일방향으로 회전하도록 상기 발전유닛에 연결되는 하나 이상의 제1블레이드 레이어; 하나 이상의 블레이드를 포함하며 상기 영구자석과 함께 상기 메인타워를 중심으로 상기 제1블레이드 레이어의 회전방향의 반대방향으로 회전하도록 상기 발전유닛에 연결되는 하나 이상의 제2블레이드 레이어; 및 상기 블레이드가 연결되는 캠 팔로워가 상기 블레이드의 회전에 따라 주행하는 주행노선이 외주에 형성된 하나 이상의 캠; 을 포함하며, 상기 주행노선은 풍향과 상기 제1,2블레이드 레이어의 회전방향이 같은 방향이면 상기 블레이드가 풍향에 대하여 세워지며 반대방향이면 풍향에 대하여 뉘어지도록 하는 형상이고, 상기 캠은 상기 제1블레이드 레이어의 블레이드가 세워지는 제1 회전구역에서는 상기 제2블레이드 레이어의 블레이드가 뉘어지고 상기 제1블레이드 레이어의 블레이드가 뉘어지는 제2 회전구역에서는 상기 제2블레이드 레이어의 블레이드가 세워지도록 배치되어 상기 제1,2블레이드 레이어가 서로 반대방향으로 회전되도록 할 수 있다.
이 경우, 상기 제1,2블레이드 레이어는 상기 캠 팔로워와 상기 캠이 내부에 구비되며 상기 발전유닛에 회전가능하게 연결되는 콘트롤 시스템 케이스를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 블레이드의 폭방향 단면은 상기 블레이드의 길이방향의 중심축에 대하여 대칭인 초승달 형상일 수 있다.
그리고, 상기 캠 팔로워는 상기 블레이드가 장착되는 블레이드 홀더; 상기 블레이드 홀더에 연결되는 아암; 및 상기 아암에 회전가능하게 연결되며 상기 주행노선을 따라 주행하는 롤러; 를 포함할 수 있다.
본 발명은 블레이드의 회전방향이 메인타워와 수직으로 위치함에 따라서 태풍이나 강풍을 만나더라도 블레이드가 메인타워 쪽으로 휘어져 충돌할 가능성이 없다.
그리고 본 발명의 목적인 기어박스를 제거한 대신 2중 레이어 블레이드 시스템(Dual Layer Blade System)을 채용함으로써 없어진 기어박스로 인해서 발생하는 고속 RPM의 손실을 블레이드를 상호 역회전시킴으로써 보상하였다.
이것은 사실상 2단 기어를 적용한 것과 같은 동일한 효과를 볼 수가 있겠다. 그러므로 시스템 원가비용에서 많은 비중을 차지하는 기어박스를 제거함으로써 생산비를 매우 많이 낮출 수 있을 것으로 보인다.
또한 문제점이 많이 발생하는 기어박스를 제거함으로써 발전설비의 유지/보수비용이 크게 줄 수 있을 것으로 보인다.
그리고 본 발명의 목적인 기어박스를 제거한 대신 2중 레이어 블레이드 시스템(Dual Layer Blade System)을 채용함으로써 없어진 기어박스로 인해서 발생하는 고속 RPM의 손실을 블레이드를 상호 역회전시킴으로써 보상하였다.
이것은 사실상 2단 기어를 적용한 것과 같은 동일한 효과를 볼 수가 있겠다. 그러므로 시스템 원가비용에서 많은 비중을 차지하는 기어박스를 제거함으로써 생산비를 매우 많이 낮출 수 있을 것으로 보인다.
또한 문제점이 많이 발생하는 기어박스를 제거함으로써 발전설비의 유지/보수비용이 크게 줄 수 있을 것으로 보인다.
도1은 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하는 블레이드를 위한 캠 팔로워를 보여주는 도면.
도2는 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하는 블레이드를 보여주는 도면.
도3은 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하는 블레이드를 위한 캠을 보여주는 도면.
도4는 캠이 내부에 구비되는 하부 컨트롤 시스템 케이스를 보여주는 도면.
도5는 캠 팔로워를 컨트롤 시스템 케이스에 설치한 모습을 보여주는 도면.
도6은 발전유닛의 영구자석이 장착되는 발전유닛 케이스와 발전유닛의 코일이 장착되는 코일 홀더와 발전유닛 커버를 보여주는 도면.
도7은 상부 컨트롤 시스템 케이스와 캡을 보여주는 도면.
도8은 본 풍력발전기의 핵심부품들을 중심방향에서 본 분해도.
도9는 상부 컨트롤 시스템 케이스를 바깥쪽에서 본 투시도.
도10은 하부 컨트롤 시스템 케이스와 발전유닛을 바깥쪽에서 본 투시도.
도11은 발전유닛과 컨트롤 시스템 케이스를 정면에서 본 투시도.
도12는 발전유닛과 컨트롤 시스템 케이스를 아래에서 올려다본 투시도.
도13은 본 풍력발전기의 시스템을 유지하고 지탱하는 베이스의 구조와 요잉(Yaw) 앵글을 조절하고 통제하는 역방향 방지용 웜기어를 보여주는 도면.
도14는 본 풍력발전기의 정면도.
도15는 본 풍력발전기의 후면도.
도16은 본 풍력발전기의 좌측면도.
도17은 본 풍력발전기의 우측면도.
도18은 본 풍력발전기의 조감도.
도2는 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하는 블레이드를 보여주는 도면.
도3은 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하는 블레이드를 위한 캠을 보여주는 도면.
도4는 캠이 내부에 구비되는 하부 컨트롤 시스템 케이스를 보여주는 도면.
도5는 캠 팔로워를 컨트롤 시스템 케이스에 설치한 모습을 보여주는 도면.
도6은 발전유닛의 영구자석이 장착되는 발전유닛 케이스와 발전유닛의 코일이 장착되는 코일 홀더와 발전유닛 커버를 보여주는 도면.
도7은 상부 컨트롤 시스템 케이스와 캡을 보여주는 도면.
도8은 본 풍력발전기의 핵심부품들을 중심방향에서 본 분해도.
도9는 상부 컨트롤 시스템 케이스를 바깥쪽에서 본 투시도.
도10은 하부 컨트롤 시스템 케이스와 발전유닛을 바깥쪽에서 본 투시도.
도11은 발전유닛과 컨트롤 시스템 케이스를 정면에서 본 투시도.
도12는 발전유닛과 컨트롤 시스템 케이스를 아래에서 올려다본 투시도.
도13은 본 풍력발전기의 시스템을 유지하고 지탱하는 베이스의 구조와 요잉(Yaw) 앵글을 조절하고 통제하는 역방향 방지용 웜기어를 보여주는 도면.
도14는 본 풍력발전기의 정면도.
도15는 본 풍력발전기의 후면도.
도16은 본 풍력발전기의 좌측면도.
도17은 본 풍력발전기의 우측면도.
도18은 본 풍력발전기의 조감도.
[발명의 실시를 위한 구체적인 내용]
먼저, 구체적인 내용을 전개하기 전에, 본 발명에 따른 풍력발전기(100)에 사용되는 주요 명칭은 도8을 참조하면 된다. 또한, 본 발명에 기본적으로 사용되는 메커니즘은 본 출원인이 먼저 출원한 발명에서 사용한 능동 지능형 블레이드 컨트롤 기술(Active Intelligent Blade Control Technology)의 개념이 적용되었으며, 서로 반대방향(예컨대, 시계방향과 반시계방향)의 회전을 위해서 캠 팔로워(Cam Follower;700,700')가 사용되었다.
도1에서는 2가지 종류의 캠 팔로워(700,700')을 보여주고 있으며, 블레이드(410,510)가 장착되는 블레이드 홀더(Blade Holder;710,710')의 연결홈(711,711')은 약 90도의 각도로 서로 차이를 두고 설계되었다.
블레이드 홀더(710,710')의 도면에서 보아 우측부분은 베어링(B)과 아암(Arm;720,720')이 설치되며, 컨트롤 시스템 케이스(Control System Case;420,520)에 장착 시 2개의 베어링(B)을 먼저 컨트롤 시스템 케이스(420,520)의 설치홈(421,521)의 양쪽에 설치하고 난 다음에, 블레이드 홀더(710,710')를 외부로부터 컨트롤 시스템 케이스(420,520)의 안쪽으로 밀어 넣고, 2조각으로 된 로커(Locker;L)를 두 베어링(B) 사이에 채우고 볼트를 조이면, 바로 장착이 완료되는 극히 심플하면서도 효과적인 방법을 채용하였다.
또한, 캠(Cam;600,600')의 주행노선(610,610') 속에서 어떤 각도로 아암(720,720')이 위치하더라도, 캠 팔로워(700,700')의 롤러(730,730')가 동일한 유격을 지니도록 어느 방향으로나 직경이 동일한 원구형 롤러를 채택하였다. 이 부분은 매우 중요하며 이 기술이 없이는 본 발명을 구현할 수가 없다.
도1에서는 2가지 종류의 캠 팔로워(700,700')을 보여주고 있으며, 블레이드(410,510)가 장착되는 블레이드 홀더(Blade Holder;710,710')의 연결홈(711,711')은 약 90도의 각도로 서로 차이를 두고 설계되었다.
블레이드 홀더(710,710')의 도면에서 보아 우측부분은 베어링(B)과 아암(Arm;720,720')이 설치되며, 컨트롤 시스템 케이스(Control System Case;420,520)에 장착 시 2개의 베어링(B)을 먼저 컨트롤 시스템 케이스(420,520)의 설치홈(421,521)의 양쪽에 설치하고 난 다음에, 블레이드 홀더(710,710')를 외부로부터 컨트롤 시스템 케이스(420,520)의 안쪽으로 밀어 넣고, 2조각으로 된 로커(Locker;L)를 두 베어링(B) 사이에 채우고 볼트를 조이면, 바로 장착이 완료되는 극히 심플하면서도 효과적인 방법을 채용하였다.
또한, 캠(Cam;600,600')의 주행노선(610,610') 속에서 어떤 각도로 아암(720,720')이 위치하더라도, 캠 팔로워(700,700')의 롤러(730,730')가 동일한 유격을 지니도록 어느 방향으로나 직경이 동일한 원구형 롤러를 채택하였다. 이 부분은 매우 중요하며 이 기술이 없이는 본 발명을 구현할 수가 없다.
도2는 캠 팔로워(700,700')에 결합된 시계방향과 반시계방향으로 도는 2가지 블레이드(410,510)의 어셈블리 외형을 보여주고 있는데, 좌우 대칭형 블레이드(410,510)를 이용, 불어오는 유체의 인터셉트(Intercept) 능력을 극대화시키도록 하였다. 블레이드(410,510)는 우수하게 풍량을 인터셉트(Intercept) 하고 풍압을 견딜 수 있는 구조인 초승달모양으로 설계되었으며, 이 결과 블레이드(410,510)의 구조는 3각 트러스 효과를 내도록 블레이드(410,510)의 중심을 기준으로 좌우대칭이 되게 하였다.
따라서, 압력에 견디는 강성이 내부의 프레임이 없이 블레이드(410,510) 형상 자체만으로도 비틀림을 견디는 능력이 훌륭하다. 이 부분이 기존의 수평형 풍력발전기의 블레이드와 근본적으로 다르며, 블레이드(410,510)의 단면이 이에 입사하는 유속에 수직으로 접하게 됨으로써 효율이 증대된다.
따라서, 압력에 견디는 강성이 내부의 프레임이 없이 블레이드(410,510) 형상 자체만으로도 비틀림을 견디는 능력이 훌륭하다. 이 부분이 기존의 수평형 풍력발전기의 블레이드와 근본적으로 다르며, 블레이드(410,510)의 단면이 이에 입사하는 유속에 수직으로 접하게 됨으로써 효율이 증대된다.
도3에서는 2개의 캠(600,600')을 보여주며, 캠 팔로워(700,700')가 상하 높이 변환 구역(Transition Area)에서 충격을 최소화할 수 있도록 캠(600,600')의 상승구간과 하강구간의 방위각 구역은 각각 60도의 폭으로 설정되었고, 그 두 구간의 설계는 8차 다항식(8th Power Polynomial Equation)을 사용하여 최대한 고속 회전수를 얻을 수 있도록 충격과 진동이 최소화되는 곡면이 발생하게 설계하였다.
본 발명에서는 블레이드(410,510)의 회전속도를 100 RPM으로 설정하였는데, 본 발명은 이러한 속도를 충분히 감당할 수 있을 것으로 보이며, 또한 이 속도는 대형 풍력발전기에서는 상당히 빠른 속도이고 중형 풍력발전기에도 적용이 가능하도록 하기 위함이다.
그리고 이 부분은 대형, 중형, 소형의 시스템에도 최상의 효율을 달성하도록 변경될 수가 있겠는데, 저회전일 경우(대형 풍력시스템) 캠 팔로워(700,700')의 상승구간과 하강구간의 방위각 구역은 좀 더 축소가 가능하다. 축소가 되는 만큼 구동력이 발생하는 구역이 확장돼서 풍력발전기(100)의 출력이 증가 된다고 볼 수 있겠다.
캠(600,600')의 주행노선(610,610')은 도14 내지 도18에 도시된 바와 같이 풍향과 제1,2블레이드 레이어(400,500)의 회전방향이 같은 방향이면 블레이드(410,510)가 풍향에 대하여 세워지며 반대방향이면 풍향에 대하여 뉘어지도록 하는 형상일 수 있다.
이를 위해서, 캠(600,600')의 주행노선(610,610')은 도3 및 도9 내지 도12에 도시된 바와 같이 캠 팔로워(700,700')가 상승하면서 뉘어진 블레이드(410,510)가 세워지는 상승구간(611,611'), 캠 팔로워(700,700')가 하강하면서 세워진 블레이드(410,510)가 뉘어지는 하강구간(612,612'), 블레이드(410,510)가 세워진 채로 캠 팔로워(700,700')가 주행하는 제1 주행구간(613,613'), 블레이드(410,510)가 뉘어진 채로 캠 팔로워(700,700')가 주행하는 제2 주행구간(614,614')을 포함할 수 있다.
한편, 캠(600)의 제1 주행구간을 나타내는 도면부호 613과 캠(600')의 제2 주행구간을 나타내는 도면부호 614'은 도3에서 도시된 방향의 뒤쪽에 있기 때문에 도시되지는 않았다.
또한, 캠(600,600')은 도14 내지 도18에 도시된 바와 같이 제1블레이드 레이어(400)의 블레이드(410)가 세워지는 제1 회전구역(I)에서는 제2블레이드 레이어(500)의 블레이드(510)가 뉘어지고, 제1블레이드 레이어(400)의 블레이드(410)가 뉘어지는 제2 회전구역(J)에서는 제2블레이드 레이어(500)의 블레이드(510)가 세워지도록 배치될 수 있다. 이에 의해서, 제1,2블레이드 레이어(400,500)가 서로 반대방향으로 회전되도록 할 수 있다.
본 발명에서는 블레이드(410,510)의 회전속도를 100 RPM으로 설정하였는데, 본 발명은 이러한 속도를 충분히 감당할 수 있을 것으로 보이며, 또한 이 속도는 대형 풍력발전기에서는 상당히 빠른 속도이고 중형 풍력발전기에도 적용이 가능하도록 하기 위함이다.
그리고 이 부분은 대형, 중형, 소형의 시스템에도 최상의 효율을 달성하도록 변경될 수가 있겠는데, 저회전일 경우(대형 풍력시스템) 캠 팔로워(700,700')의 상승구간과 하강구간의 방위각 구역은 좀 더 축소가 가능하다. 축소가 되는 만큼 구동력이 발생하는 구역이 확장돼서 풍력발전기(100)의 출력이 증가 된다고 볼 수 있겠다.
캠(600,600')의 주행노선(610,610')은 도14 내지 도18에 도시된 바와 같이 풍향과 제1,2블레이드 레이어(400,500)의 회전방향이 같은 방향이면 블레이드(410,510)가 풍향에 대하여 세워지며 반대방향이면 풍향에 대하여 뉘어지도록 하는 형상일 수 있다.
이를 위해서, 캠(600,600')의 주행노선(610,610')은 도3 및 도9 내지 도12에 도시된 바와 같이 캠 팔로워(700,700')가 상승하면서 뉘어진 블레이드(410,510)가 세워지는 상승구간(611,611'), 캠 팔로워(700,700')가 하강하면서 세워진 블레이드(410,510)가 뉘어지는 하강구간(612,612'), 블레이드(410,510)가 세워진 채로 캠 팔로워(700,700')가 주행하는 제1 주행구간(613,613'), 블레이드(410,510)가 뉘어진 채로 캠 팔로워(700,700')가 주행하는 제2 주행구간(614,614')을 포함할 수 있다.
한편, 캠(600)의 제1 주행구간을 나타내는 도면부호 613과 캠(600')의 제2 주행구간을 나타내는 도면부호 614'은 도3에서 도시된 방향의 뒤쪽에 있기 때문에 도시되지는 않았다.
또한, 캠(600,600')은 도14 내지 도18에 도시된 바와 같이 제1블레이드 레이어(400)의 블레이드(410)가 세워지는 제1 회전구역(I)에서는 제2블레이드 레이어(500)의 블레이드(510)가 뉘어지고, 제1블레이드 레이어(400)의 블레이드(410)가 뉘어지는 제2 회전구역(J)에서는 제2블레이드 레이어(500)의 블레이드(510)가 세워지도록 배치될 수 있다. 이에 의해서, 제1,2블레이드 레이어(400,500)가 서로 반대방향으로 회전되도록 할 수 있다.
도4는 하부 컨트롤 시스템 케이스(520)의 모습이며, 5개의 홀수 블레이드(510)가 들어가게 설계되었는데, 그것은 짝수일 때 블레이드(510)가 대칭이 되므로 캠(600')의 내부에서 롤러(730')가 동시에 캠(600')의 상승과 하강구간을 지나가게 되므로 진동이 증가할 수가 있으나, 홀수일 경우에는 비대칭이 되어서 2개의 롤러(730')가 동시에 지나지 않게 돼서 진동이 줄어들게 되므로 홀수를 선택하였고, 수직축 구동 블레이드 시스템의 특성상 반원 구역에서만 토오크가 발생하므로 회전하는 중 최소한 블레이드(510) 2개는 토오크 발생구역에 위치되게 5개를 설정하였다.
이 부품에서 가장 중요한 것은 블레이드(510) 어셈블리를 수용하여 캠 팔로워(700')가 원통형 캠(600')에서 작동할 수 있게 해주는 프레임 형태이고, 설치와 보수 시에 간단하고 확실하게 결합과 해체를 가능하게 해주는 구조라 할 것이다.
컨트롤 시스템 케이스(520)의 5개의 설치홈(521)은 2개의 베어링(B)과 로커(L)가 설치되게 설치홈(521)의 반원구간 상부는 절개하였다. 그리고 베어링(B)이 장착되는 5개의 절개된 설치홈(521)은 위에서 2개의 베어링(B)을 바로 장착하고 블레이드 홀더(710')를 외부에서 안쪽으로 밀어 넣은 다음에 로커(L)를 끼우고 로커 체결볼트를 조이면 결합이 끝나는 구조이다.
이 부품에서 가장 중요한 것은 블레이드(510) 어셈블리를 수용하여 캠 팔로워(700')가 원통형 캠(600')에서 작동할 수 있게 해주는 프레임 형태이고, 설치와 보수 시에 간단하고 확실하게 결합과 해체를 가능하게 해주는 구조라 할 것이다.
컨트롤 시스템 케이스(520)의 5개의 설치홈(521)은 2개의 베어링(B)과 로커(L)가 설치되게 설치홈(521)의 반원구간 상부는 절개하였다. 그리고 베어링(B)이 장착되는 5개의 절개된 설치홈(521)은 위에서 2개의 베어링(B)을 바로 장착하고 블레이드 홀더(710')를 외부에서 안쪽으로 밀어 넣은 다음에 로커(L)를 끼우고 로커 체결볼트를 조이면 결합이 끝나는 구조이다.
도5는 캠 팔로워(700,700')를 컨트롤 시스템 케이스(420,520)에 장착한 상태를 보여주며, 캠 팔로워(700,700')는 그 속에서 원운동을 할 수 있음을 알 수가 있다.
그리고, 컨트롤 시스템 케이스(420,520)의 회전방향에 따라서 캠 팔로워(700,700')가 아암(720,720')을 블레이드(410,510)의 중심부에서 좌측이나 우측에 두게 되는데, 부드러운 동작을 위하여 충격이 줄어들도록 회전하는 컨트롤 시스템 케이스(420,520) 안에서는 블레이드(410,510)의 중심보다 롤러(730,730')가 진행방향을 기준으로 뒤에 배치되는 형태를 취하였다.
따라서, 좌우로 2개의 블레이드 레이어(Blade layer; 400,500)가 서로 역회전을 효율적으로 수행하도록 아암(720,720')이 서로 대칭으로 배치된 채로 회전되게 하였다.
즉, 반시계 방향으로 도는 하부의 제2블레이드 레이어(500) 군은 롤러(730')가 좌로 위치하고 있으며, 상부의 제1블레이드 레이어(400)군은 그 반대로 되게 설계하였다.
그리고, 컨트롤 시스템 케이스(420,520)의 회전방향에 따라서 캠 팔로워(700,700')가 아암(720,720')을 블레이드(410,510)의 중심부에서 좌측이나 우측에 두게 되는데, 부드러운 동작을 위하여 충격이 줄어들도록 회전하는 컨트롤 시스템 케이스(420,520) 안에서는 블레이드(410,510)의 중심보다 롤러(730,730')가 진행방향을 기준으로 뒤에 배치되는 형태를 취하였다.
따라서, 좌우로 2개의 블레이드 레이어(Blade layer; 400,500)가 서로 역회전을 효율적으로 수행하도록 아암(720,720')이 서로 대칭으로 배치된 채로 회전되게 하였다.
즉, 반시계 방향으로 도는 하부의 제2블레이드 레이어(500) 군은 롤러(730')가 좌로 위치하고 있으며, 상부의 제1블레이드 레이어(400)군은 그 반대로 되게 설계하였다.
도6은 발전유닛(300)이 장착될 발전유닛 케이스(330)와 발전유닛 커버(340)를 보여주는데, 왼쪽의 발전유닛 케이스(330)는 하부의 컨트롤 시스템 케이스(520)의 캡(530)과 결합하는 구조이다.
이 발전유닛 케이스(330)에는 발전유닛(300)의 영구자석(320)이 내장이 되어서 발전유닛 케이스(330)와 함께 회전하게 설계되었다. 즉, 이 부분은 여기에서는 반시계방향으로 회전하게 되겠으며, 발전유닛(300)의 내부에 설치된 코일(310)부분과 그와 반대로 도는 형상이 되겠다.
발전유닛(300)의 코일(310)은 이 발전유닛 케이스(330) 내부인 영구자석(320)의 안쪽에 있는 코일 홀더(350) 내에 장착되어서 발전유닛 커버(340)의 중심부 내부에서 위로 올라와서 상부의 컨트롤 시스템 케이스(420)의 밑부분과 결합을 하게 된다.
그리고 오른쪽에 보이는 코일 홀더(350)에 있는 전력선 통로(351)는 상부의 컨트롤 시스템 케이스(420)의 밑부분에 있는 전력선 홈(422)과 함께 연결된다.
이 발전유닛 케이스(330)에는 발전유닛(300)의 영구자석(320)이 내장이 되어서 발전유닛 케이스(330)와 함께 회전하게 설계되었다. 즉, 이 부분은 여기에서는 반시계방향으로 회전하게 되겠으며, 발전유닛(300)의 내부에 설치된 코일(310)부분과 그와 반대로 도는 형상이 되겠다.
발전유닛(300)의 코일(310)은 이 발전유닛 케이스(330) 내부인 영구자석(320)의 안쪽에 있는 코일 홀더(350) 내에 장착되어서 발전유닛 커버(340)의 중심부 내부에서 위로 올라와서 상부의 컨트롤 시스템 케이스(420)의 밑부분과 결합을 하게 된다.
그리고 오른쪽에 보이는 코일 홀더(350)에 있는 전력선 통로(351)는 상부의 컨트롤 시스템 케이스(420)의 밑부분에 있는 전력선 홈(422)과 함께 연결된다.
도7은 상부 컨트롤 시스템 케이스(420)의 모습과 캡(430)을 보여준다. 상부 컨트롤 시스템 케이스(420)의 내부의 아래에는 코일 홀더(350)와 결합할 볼트구멍과 베어링(B)을 로킹할 로커(L)를 위한 볼트구멍도 있다.
그리고, 우측방향으로 파여진 전력선 홈(422)은 코일 홀더(350)에서 올라오는 전력선 통로(351)와 연결되어서 발전유닛(300)의 전력선이 지날 수 있게 하였다.
이 전력선 홈(422)은 컨트롤 시스템 케이스(420)의 캡(430)에 있는 둥근 전력선 홈(431)과 연결되어서 위로 올라가서 꼭대기에 있는 전력선 링크 헤드(440)를 타고 중심에 있는 전력선 안내축(820)을 통하여 시스템의 맨 밑에 있는 2개의 출력용 브러쉬 단자(821)와 연결되게 설계하였다.
그리고, 우측방향으로 파여진 전력선 홈(422)은 코일 홀더(350)에서 올라오는 전력선 통로(351)와 연결되어서 발전유닛(300)의 전력선이 지날 수 있게 하였다.
이 전력선 홈(422)은 컨트롤 시스템 케이스(420)의 캡(430)에 있는 둥근 전력선 홈(431)과 연결되어서 위로 올라가서 꼭대기에 있는 전력선 링크 헤드(440)를 타고 중심에 있는 전력선 안내축(820)을 통하여 시스템의 맨 밑에 있는 2개의 출력용 브러쉬 단자(821)와 연결되게 설계하였다.
도8은 하부의 시스템 기초를 지지하는 베이스(200) 부분의 부품은 생략하고 중심선에 배치된 부품의 모습을 나열한 것이다.
도면에 나타난 부품은 이해를 돕기 위해서 아래에서 위를 본 모습이 되겠고, 맨 하부의 요잉 컨트롤 풀리(Yaw Control Pulley; 830) 위에 메인타워(210)가 연결되어 그 위의 시스템에 들어가는 부품들을 지탱하는 구조이다.
구동력이 발생하는 물리적 에너지의 흐름은 하부 컨트롤 시스템 케이스(520)에 결합되는 하부 컨트롤 시스템 케이스 캡(530)으로 전달되고 하부 컨트롤 시스템 케이스 캡(530)은 바로 위의 발전유닛 케이스(330)와 결합되어서 전해진다.
발전유닛 케이스(330)는 내부에 영구자석(320)을 품고 있는데, 여기까지가 하부의 제2블레이드 레이어(500)에서 올라온 운동에너지가 마지막으로 미치는 곳이다. 그리고 발전유닛 케이스(330)는 발전유닛 커버(340)와 결합되어 반시계방향으로 회전하는 마지막 경계구역을 이룬다.
그리고, 상부의 제1블레이드 레이어(400)의 운동 에너지는 상부 컨트롤 시스템 케이스(420)에서 시작되어서 두 갈래로 나눠지는데, 하나는 주목적인 에너지를 생산하기 위하여 발전유닛 커버(340) 내부로 연결되는 발전유닛(300)의 코일 홀더(350)로 바로 연결돼서 그 내부에 안치된 코일(310)이 회전하도록 한다.
여기까지가 운동에너지가 전력을 생산하기 위한 구동력 전달과정이고, 나머지 하나는 생산된 전력을 발전유닛(300)의 코일 홀더(350) 내부의 전력선 통로(351)와 상부 컨트롤 시스템 케이스(420)의 내부에 있는(도7의 도면의 부품 내부에 있는 홈 참조) 전력선 홈(422)을 통해서 상부 컨트롤 시스템 케이스 캡(430)과 함께 회전을 유지하면서 전력선 링크 헤드(440)를 통해서 요잉 컨트롤 축(Yaw Control Axle; 810)이 내부에 품고 도는 전력선 안내축(도13 참조; 820)의 하단부에 설치된 브러쉬 단자(821)를 통해서 전력을 송출하게 되는 구조이다.
상기에서 설명했듯이, 풍력발전기(100)의 정회전/역회전, 예컨대 여기서는 시계방향회전/반시계방향회전의 경계부분은 외부의 발전유닛 커버(340)와 상부 컨트롤 시스템 케이스(420)의 사이가 되겠으며, 내부의 경계구역은 발전유닛(300)의 영구자석(320)과 코일(310)의 경계구역이 된다고 볼 수 있겠다.
본 시스템의 베어링 구조 중에서 가장 큰 동적 압력을 받을 곳은 메인타워(210) 베어링(B)이 될 것이다.
본 시스템에서는 시제품의 특성상 문제가 없는 볼 베어링이 사용되었으나, 대형시스템이 제작될 경우는 당연히 대형 롤러 베어링이 사용이 되어야 할 것이다.
이상은 지속적인 회전에 관련된 부품에 대한 설명이었고, 다음은 요잉 컨트롤부(Yaw Control; 800)에 관한 것이다. 요잉 컨트롤 축(Yaw Control Axle; 810)은 요잉 컨트롤 풀리(Yaw Control Pulley; 830)에서 시작되어 전력선 링크 헤드(440)까지, 이 도면에서 보여주는 모든 파트를 관통하여 연결된다.
요잉 컨트롤 축(810)의 주목적은 시계방향 회전용 캠(600)과 반시계방향 회전용 캠(600')을 통제하기 위함이다.
요잉 컨트롤 풀리(830)는 도13의 요잉 컨트롤 구동 풀리(860)와 연결되어서 웜기어(850)로부터 전해져 오는 통제력을 수용하게 되는 구조이다.
그리고, 메인타워(210)와 요잉 컨트롤 축(810)을 수용, 동작을 지원해주기 위하여 2개의 서포터(211,212)가 설치된다. 그 중 하나는 요잉 컨트롤 축(810)의 하중을 받고 동작을 지원하기 위해 베어링(B)을 내부에 수용하도록 설계된 메인타워 링크 서포터(211)이며, 다른 하나는 메인타워(210) 내부에 메인타워 베어링(B)을 수용하기 위한 터미널 베어링 홀더(212)이다.
도면에 나타난 부품은 이해를 돕기 위해서 아래에서 위를 본 모습이 되겠고, 맨 하부의 요잉 컨트롤 풀리(Yaw Control Pulley; 830) 위에 메인타워(210)가 연결되어 그 위의 시스템에 들어가는 부품들을 지탱하는 구조이다.
구동력이 발생하는 물리적 에너지의 흐름은 하부 컨트롤 시스템 케이스(520)에 결합되는 하부 컨트롤 시스템 케이스 캡(530)으로 전달되고 하부 컨트롤 시스템 케이스 캡(530)은 바로 위의 발전유닛 케이스(330)와 결합되어서 전해진다.
발전유닛 케이스(330)는 내부에 영구자석(320)을 품고 있는데, 여기까지가 하부의 제2블레이드 레이어(500)에서 올라온 운동에너지가 마지막으로 미치는 곳이다. 그리고 발전유닛 케이스(330)는 발전유닛 커버(340)와 결합되어 반시계방향으로 회전하는 마지막 경계구역을 이룬다.
그리고, 상부의 제1블레이드 레이어(400)의 운동 에너지는 상부 컨트롤 시스템 케이스(420)에서 시작되어서 두 갈래로 나눠지는데, 하나는 주목적인 에너지를 생산하기 위하여 발전유닛 커버(340) 내부로 연결되는 발전유닛(300)의 코일 홀더(350)로 바로 연결돼서 그 내부에 안치된 코일(310)이 회전하도록 한다.
여기까지가 운동에너지가 전력을 생산하기 위한 구동력 전달과정이고, 나머지 하나는 생산된 전력을 발전유닛(300)의 코일 홀더(350) 내부의 전력선 통로(351)와 상부 컨트롤 시스템 케이스(420)의 내부에 있는(도7의 도면의 부품 내부에 있는 홈 참조) 전력선 홈(422)을 통해서 상부 컨트롤 시스템 케이스 캡(430)과 함께 회전을 유지하면서 전력선 링크 헤드(440)를 통해서 요잉 컨트롤 축(Yaw Control Axle; 810)이 내부에 품고 도는 전력선 안내축(도13 참조; 820)의 하단부에 설치된 브러쉬 단자(821)를 통해서 전력을 송출하게 되는 구조이다.
상기에서 설명했듯이, 풍력발전기(100)의 정회전/역회전, 예컨대 여기서는 시계방향회전/반시계방향회전의 경계부분은 외부의 발전유닛 커버(340)와 상부 컨트롤 시스템 케이스(420)의 사이가 되겠으며, 내부의 경계구역은 발전유닛(300)의 영구자석(320)과 코일(310)의 경계구역이 된다고 볼 수 있겠다.
본 시스템의 베어링 구조 중에서 가장 큰 동적 압력을 받을 곳은 메인타워(210) 베어링(B)이 될 것이다.
본 시스템에서는 시제품의 특성상 문제가 없는 볼 베어링이 사용되었으나, 대형시스템이 제작될 경우는 당연히 대형 롤러 베어링이 사용이 되어야 할 것이다.
이상은 지속적인 회전에 관련된 부품에 대한 설명이었고, 다음은 요잉 컨트롤부(Yaw Control; 800)에 관한 것이다. 요잉 컨트롤 축(Yaw Control Axle; 810)은 요잉 컨트롤 풀리(Yaw Control Pulley; 830)에서 시작되어 전력선 링크 헤드(440)까지, 이 도면에서 보여주는 모든 파트를 관통하여 연결된다.
요잉 컨트롤 축(810)의 주목적은 시계방향 회전용 캠(600)과 반시계방향 회전용 캠(600')을 통제하기 위함이다.
요잉 컨트롤 풀리(830)는 도13의 요잉 컨트롤 구동 풀리(860)와 연결되어서 웜기어(850)로부터 전해져 오는 통제력을 수용하게 되는 구조이다.
그리고, 메인타워(210)와 요잉 컨트롤 축(810)을 수용, 동작을 지원해주기 위하여 2개의 서포터(211,212)가 설치된다. 그 중 하나는 요잉 컨트롤 축(810)의 하중을 받고 동작을 지원하기 위해 베어링(B)을 내부에 수용하도록 설계된 메인타워 링크 서포터(211)이며, 다른 하나는 메인타워(210) 내부에 메인타워 베어링(B)을 수용하기 위한 터미널 베어링 홀더(212)이다.
도9는 본 풍력발전기(100)의 상단부를 투명하게 처리하여 내부의 구조를 이해하기 쉽게 하였다.
내부의 캠(600)은 시계방향으로 회전하는 블레이드(410)를 수용하기 위하여 반시계방향으로 실린더 캠(600)의 주행노선(610)이 8차 다항식(8th Power Polynomial Equation)을 적용하여 모델을 생성하였다.
그리고, 발전유닛(300)의 전력선 연결통로는 아래에서 컨트롤 시스템 케이스(420)의 내부에서 캠(600)을 피해서 주변으로 타고 올라와서 위의 통로로 연결돼서 중앙의 홀을 타고 아래의 브러쉬 단자(821)로 연결되는 구조이다.
도면에서 보면, 캠 팔로워(700)는 블레이드(410)의 축 중심의 오른쪽에 위치, 시계방향 회전시에 충격과 진동을 덜 받게 하였다.
도면의 아랫부분은 발전유닛(300)의 모습으로 영구자석(320)이 코일(310)의 외부에서 회전하는 구조인데, 이러한 구조를 채용하게 된 이유는 발전유닛(300)에서 나오는 전력선을 바로 발전유닛(300)의 아래로 내려보낼 수가 없기 때문이다. 왜냐하면, 전력선이 코일(310)에서 나와서 지속적으로 회전을 유지하면서 비틀림을 받지 않고 아래에 설치된 4개의 베어링(B)을 통과할 방법이 없기 때문이다.
코일이 영구자석의 외부에서 회전하는 방식이 일반적이나, 이 경우는 시스템의 설계상 구조가 불안정해지므로 그 방법은 채택하지 않았다.
요잉 컨트롤 축(810)의 끝단에는 베어링 로커(L)가 설치되어서 상부 컨트롤 시스템 케이스(420)가 이탈되지 않도록 고정을 한다.
내부의 캠(600)은 시계방향으로 회전하는 블레이드(410)를 수용하기 위하여 반시계방향으로 실린더 캠(600)의 주행노선(610)이 8차 다항식(8th Power Polynomial Equation)을 적용하여 모델을 생성하였다.
그리고, 발전유닛(300)의 전력선 연결통로는 아래에서 컨트롤 시스템 케이스(420)의 내부에서 캠(600)을 피해서 주변으로 타고 올라와서 위의 통로로 연결돼서 중앙의 홀을 타고 아래의 브러쉬 단자(821)로 연결되는 구조이다.
도면에서 보면, 캠 팔로워(700)는 블레이드(410)의 축 중심의 오른쪽에 위치, 시계방향 회전시에 충격과 진동을 덜 받게 하였다.
도면의 아랫부분은 발전유닛(300)의 모습으로 영구자석(320)이 코일(310)의 외부에서 회전하는 구조인데, 이러한 구조를 채용하게 된 이유는 발전유닛(300)에서 나오는 전력선을 바로 발전유닛(300)의 아래로 내려보낼 수가 없기 때문이다. 왜냐하면, 전력선이 코일(310)에서 나와서 지속적으로 회전을 유지하면서 비틀림을 받지 않고 아래에 설치된 4개의 베어링(B)을 통과할 방법이 없기 때문이다.
코일이 영구자석의 외부에서 회전하는 방식이 일반적이나, 이 경우는 시스템의 설계상 구조가 불안정해지므로 그 방법은 채택하지 않았다.
요잉 컨트롤 축(810)의 끝단에는 베어링 로커(L)가 설치되어서 상부 컨트롤 시스템 케이스(420)가 이탈되지 않도록 고정을 한다.
도10은 발전유닛(300)과 하부 컨트롤 시스템 케이스(520)의 외부를 투명하게 처리하여 내부를 손쉽게 이해하게 하였다. 도면에서 보이는 발전유닛(300)의 영구자석(320)과 아래의 제2블레이드 레이어(500)는 반시계방향으로 동시에 회전하게 되며, 아암(720')의 위치 또한 도9에서 본 바와 반대방향으로 위치하게 하여 충격과 진동을 줄이게 하였다.
도11은 본 풍력발전기(100)의 상부의 전체 모습을 투명하게 처리하여 정면에서 바라본 모습이다. 도면에 표시한 바와 같이 정회전/역회전, 예컨대 시계방향/반시계방향의 경계구역이 상부 컨트롤 시스템 케이스(420) 아래에 바로 위치하고 있으며, 두 부품의 유격은 1mm 를 두었다. 세밀한 간격을 두는 이유는 방수의 목적을 겸하기 위해서이다. 풍향이 지나는 방향은 도면의 정면에서 도면의 후면으로 빠지는 조건이라서 부품과 블레이드(410,510)의 모양이 모두 좌우 대칭이 됨을 볼 수가 있겠다.
도12는 본 풍력발전기(100)의 상부의 전체모습을 아래에서 투시한 모습이며 발전유닛(300)의 코일(310)과 영구자석(320)을 볼 수가 있겠다. 도면에서 모든 베어링(B)은 하늘색으로 처리하였으며 3종류의 다른 구경의 베어링(B)이 사용이 되었음을 도12에서 볼 수가 있다.
도13은 풍력발전기(100)의 하부 메커니즘이며, 본 발명의 시제품을 지탱할 목적으로 3장의 베이스 패널(220)로 설계를 하였다.
요잉(Yaw) 앵글을 전기적으로 컨트롤할 목적으로 웜기어 모터(840)를 사용하였는데, 웜기어(850)를 사용하는 목적은 요잉 컨트롤 풀리(830)에 연결된 2개의 캠(600,600')에서 오는 역회전을 방지하기 위해서이다.
그리고, 시제품의 특성상 지하 매설을 할 수가 없으므로, 8개의 상부/하부의 지지기둥(230)으로 3장의 베이스 패널(220)의 비틀림을 방지하기 위해서 연결부위는 기둥의 넓은 면적으로 결합되게 설계하였다.
도면에서 보이는 메인타워(210)의 기둥은 이해를 돕기 위하여 투명하게 처리하였다. 이 메인타워(210)는 상부의 두개의 플랜지에 물려서 하중을 지탱하도록 설계하였다.
메인타워(210) 하단에는 상기에서 언급한 바와 같이 요잉 컨트롤 축(810)을 수용하는 서포터인 터미널 베어링 홀더(212)가 있으며, 베어링 로커(L)로 끝단을 마무리하였다.
그리고, 요잉 컨트롤 축(810)의 맨 하단에는 요잉 컨트롤 풀리(830)를 설치하여 요잉 컨트롤 구동 풀리(860)에서 오는 컨트롤 회전력을 수용하게 하였다.
그리고, 맨 중앙의 전력선 안내축(Power Cable Transport Axle;820)의 하단부에는 생산된 전력을 외부로 전달할 브러쉬 단자(821)를 설치하였다. 전력선(Power Cable)은 전력선 안내축(820)의 내부를 통해서 위의 발전유닛(300)의 코일 홀더(350)와 동시 회전을 하도록 설계되었으므로 비틀림은 발생하지 않는다. 전력선 안내축(820)의 맨 밑바닥에는 스러스트 베어링(B)을 채용, 시스템의 하중이 분산되도록 하였다.
요잉(Yaw) 앵글을 전기적으로 컨트롤할 목적으로 웜기어 모터(840)를 사용하였는데, 웜기어(850)를 사용하는 목적은 요잉 컨트롤 풀리(830)에 연결된 2개의 캠(600,600')에서 오는 역회전을 방지하기 위해서이다.
그리고, 시제품의 특성상 지하 매설을 할 수가 없으므로, 8개의 상부/하부의 지지기둥(230)으로 3장의 베이스 패널(220)의 비틀림을 방지하기 위해서 연결부위는 기둥의 넓은 면적으로 결합되게 설계하였다.
도면에서 보이는 메인타워(210)의 기둥은 이해를 돕기 위하여 투명하게 처리하였다. 이 메인타워(210)는 상부의 두개의 플랜지에 물려서 하중을 지탱하도록 설계하였다.
메인타워(210) 하단에는 상기에서 언급한 바와 같이 요잉 컨트롤 축(810)을 수용하는 서포터인 터미널 베어링 홀더(212)가 있으며, 베어링 로커(L)로 끝단을 마무리하였다.
그리고, 요잉 컨트롤 축(810)의 맨 하단에는 요잉 컨트롤 풀리(830)를 설치하여 요잉 컨트롤 구동 풀리(860)에서 오는 컨트롤 회전력을 수용하게 하였다.
그리고, 맨 중앙의 전력선 안내축(Power Cable Transport Axle;820)의 하단부에는 생산된 전력을 외부로 전달할 브러쉬 단자(821)를 설치하였다. 전력선(Power Cable)은 전력선 안내축(820)의 내부를 통해서 위의 발전유닛(300)의 코일 홀더(350)와 동시 회전을 하도록 설계되었으므로 비틀림은 발생하지 않는다. 전력선 안내축(820)의 맨 밑바닥에는 스러스트 베어링(B)을 채용, 시스템의 하중이 분산되도록 하였다.
도14는 본 풍력발전기(100)를 정면에서 바라본 모습이며, 풍향은 정면에서 도면의 뒷면으로 흐르는 상태이고, 요잉 컨트롤 축(810) 역시 그 풍향에 맞게 조절이 된 상태이다.
도15는 본 풍력발전기(100)를 후면에서 바라본 모습이며 블레이드(410,510)의 방향 역시 뒷면을 보이고 있음을 알 수가 있겠다.
도16은 본 풍력발전기(100)를 왼쪽에서 바라본 모습이다.
도17은 본 풍력발전기(100)를 오른쪽에서 바라본 모습이다.
도18은 본 풍력발전기(100)를 8시 방향에서 2시 방향으로 위에서 아래로 바라본 경사도 모습이다.
도18은 본 풍력발전기(100)를 8시 방향에서 2시 방향으로 위에서 아래로 바라본 경사도 모습이다.
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본 발명은 공해가 발생하지 않는 녹색에너지 산업에 매우 적합하며 고성능으로 풍력발전단지 개발에 매우 유용하게 사용이 가능하다. 또한 기존의 기어리스형 풍력발전기보다 산술적으로 4배 우수할 것으로 예상되는 성능으로 인해서 세계시장을 선도할 수 있을 것이다. 본 발명은 수직축으로 설치가 되므로 고층의 메인타워가 필요하지 않고 낮은 메인타워로도 고효율을 낼 수가 있으므로 비용절감 면에서도 유리하고 도시, 산간, 해안 어디서도 적합하다. 본 발명은 중/대형 풍력 발전기로 운영하기가 적합하고 중형일 경우는 도시의 고층 아파트 옥상에 설치하기에 더 없이 좋은 모델이다. 고층이 많은 한국형 아파트 옥상에 수직축 발전기는 장애물에 별로 지장을 받지 않게 구조상 설치가 될 수 있으므로 적은 비용으로 대량의 아파트에 설치하기가 비용절감 면에서 절대적으로 유리하다. 또한 기존의 아파트는 많은 비용을 들이지 않고도 바로 자체 풍력발전소를 옥상에 설치, 전력을 자급할 수도 있을 것이다. 이렇게 함으로써 대형 기초토목공사를 하는 비용과 수요자에게 전력선을 연결하는데 들어가는 비용도 절감할 수가 있겠다.
100 : 풍력발전기 200 : 베이스
210 : 메인타워 211 : 메인타워 링크 서포터
212 : 터미널 베어링 홀더 220 : 베이스 패널
230 : 지지기둥 300 : 발전유닛
310 : 코일 320 : 영구자석
330 : 발전유닛 케이스 340 : 발전유닛 커버
350 : 코일 홀더 351 : 전력선 통로
400 : 제1블레이드 레이어 410,510 : 블레이드
420,520 : 컨트롤 시스템 케이스
421,521 : 설치홈 422,431 : 전력선 홈
430,530 : 캡 440 : 전력선 링크 헤드
500 : 제2블레이드 레이어 600,600' : 캠
610,610' : 주행노선 611,611' : 상승구간
612,612' : 하강구간 613,613' : 제1 주행구간
614,614' : 제2 주행구간 700,700' : 캠 팔로워
710,710' : 블레이드 홀더 711,711' : 연결홈
720,720'; : 아암 730,730' : 롤러
800 : 요잉 컨트롤부 810 : 요잉 컨트롤 축
820 : 전력선 안내축 821 : 브러쉬 단자
830 : 요잉 컨트롤 풀리 840 : 웜기어 모터
850 : 웜기어 860 : 요잉 컨트롤 구동 풀리
B : 베어링 L : 로커
I : 제 1회전구역 J : 제2 회전구역
210 : 메인타워 211 : 메인타워 링크 서포터
212 : 터미널 베어링 홀더 220 : 베이스 패널
230 : 지지기둥 300 : 발전유닛
310 : 코일 320 : 영구자석
330 : 발전유닛 케이스 340 : 발전유닛 커버
350 : 코일 홀더 351 : 전력선 통로
400 : 제1블레이드 레이어 410,510 : 블레이드
420,520 : 컨트롤 시스템 케이스
421,521 : 설치홈 422,431 : 전력선 홈
430,530 : 캡 440 : 전력선 링크 헤드
500 : 제2블레이드 레이어 600,600' : 캠
610,610' : 주행노선 611,611' : 상승구간
612,612' : 하강구간 613,613' : 제1 주행구간
614,614' : 제2 주행구간 700,700' : 캠 팔로워
710,710' : 블레이드 홀더 711,711' : 연결홈
720,720'; : 아암 730,730' : 롤러
800 : 요잉 컨트롤부 810 : 요잉 컨트롤 축
820 : 전력선 안내축 821 : 브러쉬 단자
830 : 요잉 컨트롤 풀리 840 : 웜기어 모터
850 : 웜기어 860 : 요잉 컨트롤 구동 풀리
B : 베어링 L : 로커
I : 제 1회전구역 J : 제2 회전구역
Claims (4)
- 메인타워(210)를 포함하는 베이스(200);
서로 반대방향으로 회전하는 코일(310)과 영구자석(320)을 포함하는 하나 이상의 발전유닛(300);
하나 이상의 블레이드(410)를 포함하며 상기 코일(310)과 함께 상기 메인타워(210)를 중심으로 일방향으로 회전하도록 상기 발전유닛(300)에 연결되는 하나 이상의 제1블레이드 레이어(400);
하나 이상의 블레이드(510)를 포함하며 상기 영구자석(320)과 함께 상기 메인타워(210)를 중심으로 상기 제1블레이드 레이어(400)의 회전방향의 반대방향으로 회전하도록 상기 발전유닛(300)에 연결되는 하나 이상의 제2블레이드 레이어(500); 및
상기 블레이드(410,510)가 연결되는 캠 팔로워(700,700')가 상기 블레이드(410,510)의 회전에 따라 주행하는 주행노선(610,610')이 외주에 형성된 하나 이상의 캠(600,600'); 을 포함하며,
상기 주행노선(610,610')은 풍향과 상기 제1,2블레이드 레이어(400,500)의 회전방향이 같은 방향이면 상기 블레이드(410,510)가 풍향에 대하여 세워지며 반대방향이면 풍향에 대하여 뉘어지도록 하는 형상이고,
상기 캠(600,600')은 상기 제1블레이드 레이어(400)의 블레이드(410)가 세워지는 제1 회전구역(I)에서는 상기 제2블레이드 레이어(500)의 블레이드(510)가 뉘어지고 상기 제1블레이드 레이어(400)의 블레이드(410)가 뉘어지는 제2 회전구역(J)에서는 상기 제2블레이드 레이어(500)의 블레이드(510)가 세워지도록 배치되어 상기 제1,2블레이드 레이어(400,500)가 서로 반대방향으로 회전되도록 하는 풍력발전기. - 제1항에 있어서, 상기 제1,2블레이드 레이어(400,500)는 상기 캠 팔로워(700,700')와 상기 캠(600,600')이 내부에 구비되며 상기 발전유닛(300)에 회전가능하게 연결되는 콘트롤 시스템 케이스(420,520)를 더 포함하는 풍력발전기.
- 제1항에 있어서, 상기 블레이드(410,510)의 폭방향 단면은 상기 블레이드(410,510)의 길이방향의 중심축에 대하여 대칭인 초승달 형상인 풍력발전기.
- 제1항에 있어서, 상기 캠 팔로워(700,700')는
상기 블레이드(410,510)가 장착되는 블레이드 홀더(710,710');
상기 블레이드 홀더(710,710')에 연결되는 아암(720,720'); 및
상기 아암(720,720')에 회전가능하게 연결되며 상기 주행노선(610,610')을 따라 주행하는 롤러(730,730');
를 포함하는 풍력 발전기.
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100056331A KR101325752B1 (ko) | 2010-06-15 | 2010-06-15 | 능동 지능형 이중 터빈 블레이드를 이용한 양방향 회전식 기어리스형 수직축 고성능 풍력발전기 |
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| KR1020100056331A KR101325752B1 (ko) | 2010-06-15 | 2010-06-15 | 능동 지능형 이중 터빈 블레이드를 이용한 양방향 회전식 기어리스형 수직축 고성능 풍력발전기 |
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| KR20080054372A (ko) * | 2008-01-24 | 2008-06-17 | 경상대학교산학협력단 | 고효율 수직형 풍력 발전기 |
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2010
- 2010-06-15 KR KR1020100056331A patent/KR101325752B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR100832053B1 (ko) * | 2007-08-21 | 2008-05-27 | 김동용 | 유체 토크 컨버터를 이용한 풍력 발전 시스템 |
| KR20080054372A (ko) * | 2008-01-24 | 2008-06-17 | 경상대학교산학협력단 | 고효율 수직형 풍력 발전기 |
Also Published As
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| KR20100077135A (ko) | 2010-07-07 |
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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