KR101334357B1 - 풍력 발전기 - Google Patents

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KR101334357B1
KR101334357B1 KR1020120064267A KR20120064267A KR101334357B1 KR 101334357 B1 KR101334357 B1 KR 101334357B1 KR 1020120064267 A KR1020120064267 A KR 1020120064267A KR 20120064267 A KR20120064267 A KR 20120064267A KR 101334357 B1 KR101334357 B1 KR 101334357B1
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김재홍
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

풍력 발전기가 개시된다. 본 발명에 따른 풍력 발전기는 적어도 하나의 날개를 포함하고 바람에 의해 회전 가능한 날개부, 날개부에 결합되어 날개부의 회전 시 회전하는 로터축, 로터축을 커버하며 날개부가 회전 가능하도록 날개부에 결합되는 나셀, 나셀을 지면에 대하여 지지하는 타워, 타워 내부에서 로터축에 연결되어 로터축의 회전 속도를 증폭시켜 전달하는 동력 전달부; 및 타워 내부에서 동력 전달부에 연결되어 동력 전달부에 의해 전달되는 회전력을 전기 에너지로 변환하는 발전부를 포함한다.

Description

풍력 발전기{Wind Power Generator}
본 발명은 풍력 발전기에 관한 것이다.
공기의 유동이 가진 운동 에너지를 이용하여 회전자를 회전시켜서 기계적 에너지로 변환시키고, 다시 기계적 에너지로부터 전기를 얻는 장치가 풍력 발전기이다.
이러한 풍력 발전기는 원자력이나 수력 및 화력에 비해 설치 비용 및 설치 면적이 경제적이며 환경 오염을 유발하지 않는 등의 이점에 따라 그 활용도가 높아지고 있다.
특히, 풍력 발전은 전력 생산 단가의 가격 경쟁력 향상 및 발전 시스템 설치의 소요 면적 최소화 등과 같은 원가적인 측면과, 화석 에너지 고갈에 대한 대체 에너지원과 온난화 방지와 같은 지구 환경 보호라는 사회 환경적 측면과 아울러, 공급의 안정성 및 에너지 수입의 의존도 감소라는 경제적인 측면에서의 장점 때문에, 각국의 국가 정책적으로도 풍력 발전의 보급을 적극 지원하고 있으며, 그에 따라 향후 풍력 발전의 성장세는 지속될 것으로 기대되고 있다.
그러나, 종래의 일반적인 풍력 발전기는 발전을 위한 주요 장치가 풍력 발전기의 상부에 집중되어 있어, 풍력 발전기의 설치 및 유지 보수가 어렵게 된다는 문제점이 있다.
그리고, 이와 같은 기술적인 어려움으로 인하여 그 설치 및 유지 비용이 기하급수적으로 증가하게 되며, 이러한 기술적인 난이도 및 비용의 증가로 인하여 풍력 발전기의 폭넓은 보급에 막대한 장애를 초래하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0085229호 (2010.07.29.)
본 발명은 풍력 발전기의 주요 구성 장치를 풍력 발전기 하부에 설치하여 풍력 발전기의 설치 및 유지 보수를 용이하게 할 수 있는 풍력 발전기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 하나의 날개를 포함하고 바람에 의해 회전 가능한 날개부, 날개부에 결합되어 날개부의 회전 시 회전하는 로터축, 로터축을 커버하며 날개부가 회전 가능하도록 날개부에 결합되는 나셀, 나셀을 지면에 대하여 지지하는 타워, 타워 내부에서 로터축에 연결되어 로터축의 회전 속도를 증폭시켜 전달하는 동력 전달부; 및 타워 내부에서 동력 전달부에 연결되어 동력 전달부에 의해 전달되는 회전력을 전기 에너지로 변환하는 발전부를 포함하는 풍력 발전기가 제공된다.
여기서, 동력 전달부는 로터축에 일단이 연결되어 로터축의 회전력을 전달하는 벨트, 벨트의 타단에 연결되어 벨트에 의해 전달되는 회전력에 의해 회전하는 보조축 및 보조축과 발전부 사이에 개재되어 보조축으로부터 전달받은 회전력을 증폭시켜 발전부로 전달하는 기어부를 포함할 수 있다.
기어부는 보조축과 함께 회전하는 주동 기어, 주동 기어의 잇수보다 작은 잇수를 가지고 주동 기어에 맞물리게 설치되는 종동 기어 및 종동 기어와 발전부 사이에 개재되어 종동 기어로부터 전달받은 회전력을 증폭시켜 발전부로 전달하는 기어 박스를 포함할 수 있다.
나셀은 타워에 대하여 회전 가능하고, 풍력 발전기는 타워 내부에서 나셀의 회전에 대응되도록 회전 가능한 회전판을 더 포함할 수 있다.
타워는 회전판의 외주부를 지지하도록 돌출부를 포함하고, 풍력 발전기는 회전판과 돌출부 사이에 위치하는 롤러를 더 포함할 수 있다.
날개부는 로터축의 양단에 한 쌍으로 결합될 수 있다.
그리고, 한 쌍의 날개부는 각각 서로의 날개가 교차되도록 로터축에 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 동력 전달부가 타워 내부에서 로터축에 연결되어 로터축의 회전 속도를 증폭시켜 전달하는 것을 통해, 주요 구성 장치를 풍력 발전기의 하부에 배치할 수 있으므로, 풍력 발전기의 설치 및 유지 보수를 용이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서 타워 내부를 보다 상세히 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서 회전판을 나타낸 평면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서 날개부의 결합 상태를 나타낸 사시도.
본 발명에 따른 풍력 발전기의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기를 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서 타워 내부를 보다 상세히 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서 회전판을 나타낸 평면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서 날개부의 결합 상태를 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기(1000)는 날개부(100), 로터축(200), 나셀(300), 타워(400), 동력 전달부(500) 및 발전부(600)를 포함하고, 회전판(700) 및 롤러(710)를 더 포함할 수 있다.
날개부(100)는 적어도 하나의 날개(110)를 포함하고 바람에 의해 회전 가능한 부분으로, 적어도 하나의 날개(110)가 허브(120)에 방사형으로 결합되어 지지될 수 있다. 이 경우, 날개부(100)는 허브(120)를 중심으로 회전할 수 있다.
로터축(200)은 날개부(100)에 결합되어 날개부(100)의 회전 시 회전하는 부분으로, 단부에 날개부(100)의 허브(120)가 결합된 채로 나셀(300) 내부에 설치될 수 있다. 이로 인해, 날개부(100)가 허브(120)를 중심으로 회전 시 허브(120)와 함께 나셀(300) 내의 로터축(200)이 회전할 수 있다.
나셀(300)은 로터축(200)을 커버하며 날개부(100)가 회전 가능하도록 날개부(100)에 결합되는 부분으로, 날개부(100)의 허브(120)에 단부가 결합된 로터축(200)이 나셀(300) 내부로 인입되게 설치될 수 있다. 이 경우, 나셀(300)과 날개부(100)의 결합 부위에는 날개부(100)가 용이하게 회전할 수 있도록 베어링 등의 윤활 장치가 설치될 수 있다.
타워(400)는 나셀(300)을 지면에 대하여 지지하는 부분으로, 날개부(100)가 풍력을 받기 유리한 소정의 높이로 설치될 수 있도록 날개부(100)와 결합된 나셀(300)을 지지할 수 있다.
이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 타워(400)는 지상에서 수직하게 세워지고 상부에 나셀(300)을 지지하는 형상으로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 타워(400)의 높이 및 형상 등은 필요에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
동력 전달부(500)는 타워(400) 내부에서 로터축(200)에 연결되어 로터축(200)의 회전력을 증폭시켜 증폭된 회전력을 발전부(600)로 전달하는 부분이다. 로터축(200)의 회전력을 나셀(300)의 내부가 아닌 타워(400)의 내부에 위치하는 발전부(600)로 전달할 수 있다.
이로 인해, 발전부(600) 등의 주요 구성 장치를 나셀(300)이 아닌 풍력 발전기(1000)의 하부에 배치할 수 있으므로, 풍력 발전기(1000)의 설치 및 유지 보수를 용이하게 할 수 있다.
여기서, 동력 전달부(500)는 벨트(510), 보조축(520) 및 기어부(530)를 포함할 수 있다.
벨트(510)는 로터축(200)에 일단이 연결되어 로터축(200)의 회전력을 전달하는 부분이고, 보조축(520)은 벨트(510)의 타단에 연결되어 벨트(510)에 의해 전달되는 회전력에 의해 회전하는 부분으로, 벨트(510)를 통해 로터축(200)의 회전력을 보조축(520)으로 전달할 수 있다.
구체적으로, 벨트(510)는 로터축(200)의 길이 방향과 수직하게 일단이 결합되고 보조축(520)의 길이 방향과 수직하게 타단이 결합되어, 로터축(200)의 회전 시 로터축(200)과의 마찰력에 의해 로터축(200)과 보조축(520) 사이를 순환하며 회전할 수 있다. 그리고 이 과정에서 보조축(520)과의 마찰력을 통해 보조축(520)을 회전시킬 수 있다.
이와 같이, 여타의 동력 전달 부재와 비교하여 설치 및 동력 전달 과정에서 길이상의 제약이 상대적으로 적은 벨트(510)를 통해 로터축(200)의 회전력을 보조축(520)이 설치된 타워(400)의 하부로 전달할 수 있으므로, 발전부(600) 등의 주요 구성 장치를 풍력 발전기(1000)의 하부에 설치하는 것이 가능할 수 있다.
한편, 기어부(530)는 보조축(520)과 발전부(600) 사이에 개재되어 보조축(520)으로부터 전달받은 회전력을 증폭시켜 발전부(600)로 전달하는 부분으로, 기어비를 통해 증폭시킨 회전력을 발전부(600)에 전달할 수 있다.
여기서, 기어부(530)는 도 2에 도시된 바와 같이, 주동 기어(531), 종동 기어(533) 및 기어 박스(535)를 포함할 수 있다.
주동 기어(531)는 보조축(520)과 함께 회전하는 부분이고, 종동 기어(533)는 주동 기어(531)의 잇수보다 작은 잇수를 가지고 주동 기어(531)에 맞물리게 설치되는 부분으로, 주동 기어(531)와 종동 기어(533)의 잇수비에 따라 보조축(520)으로부터 전달받은 회전력을 증폭시킬 수 있다.
즉, 주동 기어(531)가 한바퀴 회전할 때, 주동 기어(531)의 잇수보다 작은 잇수를 갖는 종동 기어(533)는 한바퀴 이상 회전하게 되므로, 보조축(520)으로부터 전달받은 회전력을 증폭시킬 수 있다.
이 경우, 주동 기어(531) 및 종동 기어(533)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 교차하는 두 축 사이에서 운동을 전달하는 베벨(bevel) 기어로 구성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 보조축(520)으로부터 전달받은 회전력을 증폭시킬 수 있도록 개수 및 배치를 다양하게 선택할 수 있다.
기어 박스(535)는 종동 기어(533)와 발전부(600) 사이에 개재되어 종동 기어(533)로부터 전달받은 회전력을 증폭시켜 발전부(600)로 전달하는 부분으로, 회전 속도의 증폭을 위해 복수의 기어 장치를 내장할 수 있다.
이 경우, 상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는 날개부에 의해 발생된 회전 속도를 주동 기어(531) 및 종동 기어(533)에 의해 일차적으로 증폭시킬 수 있으므로, 회전 속도를 증폭시키기 위한 장치인 기어 박스(535)의 구성을 비교적 간소화 할 수 있다.
이로 인해, 기어 박스(535)의 부피 및 중량을 줄일 수 있으므로, 도 2에 도시된 바와 같이, 기어 박스(535)를 회전판(700)에 용이하게 매달 수 있는 등 기어 박스(535)를 타워(400) 내부에 용이하게 설치할 수 있다.
발전부(600)는 타워(400) 내부에서 동력 전달부(500)에 연결되어 동력 전달부(500)에 의해 전달되는 회전력을 전기 에너지로 변환하는 부분으로, 전자기장 등을 이용하여 회전력 등의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 이 경우, 발전부(600)는 변압기(미도시) 등의 전기 장치와 연결될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 풍력 발전기(1000)의 나셀(300)은 타워(400)에 대하여 회전 가능할 수 있다. 이 경우, 풍력 발전기(1000)는 타워(400) 내부에 나셀(300)의 회전에 대응되도록 회전 가능한 회전판(700)을 더 포함할 수 있다. 한편, 회전판(700)은 동력 전달부(500) 및 발전부(600)를 지지할 수 있다.
구체적으로, 풍력 발전기(1000)는 풍향에 따라 효율적인 발전이 가능하고 강풍 시 풍력 발전기(1000)의 파손을 최소화할 수 있도록, 바람의 방향에 맞추어 날개부(100)의 방향을 변형시킬 필요가 있다.
이를 위해, 나셀(300)이 타워(400)에 대하여 회전 가능하도록 풍력 발전기(1000)를 구성할 수 있다. 이 경우, 나셀(300)과 타워(400)의 결합 부위에는 나셀(300)이 용이하게 회전할 수 있도록 베어링 등의 윤활 장치가 설치될 수 있다.
그런데, 이와 같은 나셀(300)의 회전에 의해 로터축(200)이 회전하는 경우, 로터축(200)에 연결된 동력 전달부(500) 및 발전부(600)가 회전하지 않는다면, 벨트(510) 등의 동력 전달 부재 또는 전력선 등이 꼬이게 될 수 있다. 특히, 바람의 방향에 따라 나셀(300)이 한 방향으로만 계속 회전하게 된다면, 동력 전달 부재 또는 전력선 등이 꼬이는 현상이 더욱 심해질 수 있다.
따라서, 타워(400)의 내부에 동력 전달부(500) 및 발전부(600)를 지지한 채로 나셀(300)의 회전에 대응되도록 회전 가능한 회전판(700)을 설치하여, 나셀(300)이 회전하더라도 동력 전달 부재 또는 전력선 등이 꼬이는 현상을 방지할 수 있다.
이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 회전판(700)의 하부에 지지대(720)를 설치하여 동력 전달부(500) 및 발전부(600)를 지지할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 회전판(700)은 동력 전달부(500) 및 발전부(600)를 지지할 수 있는 다양한 구성을 포함할 수 있다.
여기서, 타워(400)는 회전판(700)의 외주부를 지지하도록 돌출부(410)를 포함하고, 풍력 발전기(1000)는 회전판(700)과 돌출부(410) 사이에 위치하는 롤러(710)를 더 포함할 수 있다. 이로 인해, 회전판(700)의 회전 시 타워(400) 내부의 다른 구성 장치와의 간섭을 최소화할 수 있으므로, 타워(400)의 내부 공간을 최대한 활용할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 풍력 발전기(1000)에서, 날개부(100)는 로터축(200)의 양단에 한 쌍으로 결합될 수 있다. 이로 인해, 바람의 방향에 따라 한 쌍의 날개부(100)가 서로 보완적으로 회전력을 발생시킬 수 있고, 로터축(200) 양단에 균형적인 날개부(100) 하중이 가해져 풍력 발전기(1000)의 안정적인 운영이 가능할 수 있다.
여기서, 한 쌍의 날개부(100)는 각각 서로의 날개(110)가 교차되도록 로터축(200)에 결합될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 날개부(100)를 정면에서 바라보는 경우, 하나의 날개부(100)의 날개(110) 사이에 나머지 날개부(100)의 날개(110)가 위치하도록 한 쌍의 날개부(100)를 설치할 수 있다.
이로 인해, 바람의 방향에 따라 한 쌍의 날개부(100)가 더욱 보완적인 회전력을 발생시킬 수 있고, 회전 시 서로의 양력에 의해 간섭이 일어나는 것을 최소화할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 날개부 110: 날개
120: 허브 200: 로터축
300: 나셀 400: 타워
410: 돌출부 500: 동력 전달부
510: 벨트 520: 보조축
530: 기어부 531: 주동 기어
533: 종동 기어 535: 기어 박스
600: 발전부 700: 회전판
710: 롤러 720: 지지대
1000: 풍력 발전기

Claims (7)

  1. 적어도 하나의 날개를 포함하고 바람에 의해 회전 가능한 날개부;
    상기 날개부에 결합되어 상기 날개부의 회전 시 회전하는 로터축;
    상기 로터축을 커버하며 상기 날개부가 회전 가능하도록 상기 날개부에 결합되는 나셀;
    상기 나셀이 회전 가능하도록 상기 나셀을 지면에 대하여 지지하는 타워;
    상기 타워 내부에서 상기 로터축에 연결되어 상기 로터축의 회전 속도를 증폭시켜 전달하는 동력 전달부;
    상기 타워 내부에서 상기 동력 전달부에 연결되어 상기 동력 전달부에 의해 전달되는 회전력을 전기 에너지로 변환하는 발전부;
    상기 타워 내부에서 상기 나셀의 회전에 대응되도록 회전 가능한 회전판; 및
    상기 회전판의 외주부를 지지하도록 상기 타워에 형성되는 돌출부와 상기 회전판 사이에 위치하는 롤러;를 포함하는 풍력 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동력 전달부는
    상기 로터축에 일단이 연결되어 상기 로터축의 회전력을 전달하는 벨트,
    상기 벨트의 타단에 연결되어 상기 벨트에 의해 전달되는 회전력에 의해 회전하는 보조축 및
    상기 보조축과 상기 발전부 사이에 개재되어 상기 보조축으로부터 전달받은 회전력을 증폭시켜 상기 발전부로 전달하는 기어부를 포함하는 풍력 발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기어부는
    상기 보조축과 함께 회전하는 주동 기어,
    상기 주동 기어의 잇수보다 작은 잇수를 가지고 상기 주동 기어에 맞물리게 설치되는 종동 기어 및
    상기 종동 기어와 상기 발전부 사이에 개재되어 상기 종동 기어로부터 전달받은 회전력을 증폭시켜 상기 발전부로 전달하는 기어 박스를 포함하는 풍력 발전기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 날개부는 상기 로터축의 양단에 한 쌍으로 결합되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  7. 제6항에 있어서,
    한 쌍의 상기 날개부는 각각 서로의 날개가 교차되도록 상기 로터축에 결합되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
KR1020120064267A 2012-06-15 2012-06-15 풍력 발전기 KR101334357B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003284393A (ja) * 2002-03-20 2003-10-03 Denso Corp 風力発電装置
JP2006077747A (ja) * 2004-09-01 2006-03-23 Iwata Kozo 複式一枚羽根風力発電装置

Patent Citations (2)

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