KR101337611B1

KR101337611B1 - 풍력 발전기

Info

Publication number: KR101337611B1
Application number: KR1020110113596A
Authority: KR
Inventors: 윤상억
Original assignee: 윤상억
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2013-12-06
Also published as: KR20130048637A

Abstract

본 발명은 타워에서 회전되는 너셀의 회전 중심과 너셀에서 회전되는 회전축의 중심이 이격되도록 하여 높은 풍속 상황에서 바람의 방향에 일정한 각도로 블레이드 수풍면을 위치시키는 풍력 발전기에 관한 것으로, 베이스에 설치되는 타워; 상기 타워의 상단부에 회전가능하게 설치되는 너셀; 상기 너셀에 회전가능하게 설치되며, 일단부에 블레이드가 결합되는 회전축 부재;를 포함하며, 상기 회전축 부재의 회전중심이 상기 타워에서 회전되는 상기 너셀의 회전중심선상에서 편심되도록 상기 타워와 상기 너셀이 결합되는 풍력 발전기를 제공한다.

Description

풍력 발전기{WIND GENERATOR}

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 타워에서 회전되는 너셀의 회전 중심과 너셀에서 회전되는 회전축의 중심이 이격되도록 하여 높은 풍속에서 바람의 방향과 일정한 각도로 너셀을 회전시켜 수풍면적을 줄임으로써 발전기 및 기구부품의 파손을 방지할 수 있도록 하는 풍력 발전기에 관한 것이다.

현재 사용되는 발전방법으로는 대규모의 화석연료를 사용하는 화력발전, 우라늄을 사용하는 원자력발전, 대규모의 담수설비가 필요한 수력발전 등이 많이 이용되고 있다.

화력발전은 석탄 또는 석유 등과 같은 연료를 연소시켜 발전을 해야 하므로, 연소가스가 많이 발생되어 대기오염을 가중시키고, 원자력발전은 대기를 오염시키는 연소가스는 배출되지 않으나 인체에 치명적인 방사선폐기물이 다량으로 배출되며, 수력발전은 연소가스나 방사선폐기물 등이 배출되지 않고 별도의 연료를 필요로 하지 않는 반면에 환경을 파괴시키므로 친환경적이지 못한 문제가 있다.

이에 최근에는 친환경적이면서도 연료를 영구히 사용할 수 있는 태양열발전 및 풍력발전의 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이중 유체의 힘을 이용한 풍력발전은 공기의 유동을 가진 운동 에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시켜서 전력을 얻는 발전이다. 또한 풍력발전은 어느 곳에나 산재 되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전 단지의 경우에는 발전 비용도 기존의 발전 방식과 경쟁이 가능한 수준의 신에너지 발전기술이다.

이러한, 풍력발전기는 크게 수평축 풍력발전기, 수직축 풍력발전기로 나눌 수 있으며, 최근에는 수평축 풍력발전기가 주류를 이루고 있습니다.

여기서, 수평축 풍력발전기는 통상 블레이드의 수가 2개 또는 3개로 이루어진 로터를 사용하게 되며, 로터의 위치에 따라 업윈드(upwind) 방식과 다운윈드(downwind) 방식으로 나눌 수 있다.

업윈드(upwind) 방식은 로터가 타워의 앞쪽에 위치하는 것으로, 다운윈드 방식에 비해 고른 바람을 맞게 되어 시스템의 구조적 안정성이 우수한 반면, 프리요(Free Yaw)가 되지 않아 별도로 요 컨트롤 시스템(Yaw control system)을 설치하여야 한다. 즉, 업윈드 방식은 다운윈드 방식에 비해 바람을 수직으로 맞을 수 있는 확률이 적다는 단점이 있습니다.

다운윈드 방식은 로터가 타워의 뒤쪽에 위치하는 것으로, 프리요가 가능하여 업윈드 방식에 비해 수직으로 바람을 맞게 된다. 이러한, 다운윈드 방식은 로터가 바람을 매끄럽게 맞게 되므로, 업윈드 방식에 비해 구조적 안정성이 취약한 단점이 있다.

이와 같은 풍력 발전기는 한국 공개특허 제10-2009-72412호 및 한국 등록특허 제10-1054919호에 개시되어 있다.

상기와 같은 종래의 풍력발전기는 너셀에 회전가능하게 결합되는 로터의 회전축이 너셀의 회전 중심선상에 위치되도록 타워에 너셀이 결합되므로, 풍력발전기 설계 풍속보다 높은 풍속에서 기구부 및 발전시스템의 보호를 위해 날개의 피치컨트롤 및 플랩핑등의 방법을 사용하고 있지만, 이러한 시스템의 적용은 소형풍력발전시스템의 경우에는 장치의 비용증가와 너셀의 무게 증가 등의 원인으로 적용하기 어렵기 때문에, 발전기의 부하브레이크 등을 사용하고 있어 발전시스템의 잦은 고장 또는 날개의 파손 등의 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위하여 개발된 것으로, 너셀에 회전가능하게 결합되는 로터의 회전축 중심이 너셀의 회전 중심선상에서 이격되도록 너셀과 타워를 결합하여 설계풍속이상의 높은 풍속에서 바람의 방향에 일정한 각도로 블레이드의 수풍면의 각도를 조절할 수 있도록 하는 풍력 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 베이스에 설치되는 타워; 상기 타워의 상단부에 회전가능하게 설치되는 너셀; 상기 너셀에 회전가능하게 설치되며, 일단부에 블레이드가 결합되는 회전축 부재;를 포함하며, 상기 회전축 부재의 회전중심이 상기 타워에서 회전되는 상기 너셀의 회전중심선상에서 편심되도록 상기 타워와 상기 너셀이 결합되는 풍력 발전기를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 회전축 부재의 회전중심이 상기 너셀의 회전중심선상에서 편심되도록 상기 타워와 상기 너셀을 연결하는 너셀 연결부를 더 포함하는 풍력 발전기를 제공한다.

또한, 본 발명은 베어링부를 통해 상기 타워에 회전가능하게 결합되는 베어링 하우징; 및 상기 베어링 하우징에서 연장 형성되며, 상기 회전축 부재의 회전중심이 상기 베어링부의 회전중심에 편심되도록 상기 너셀이 접합되는 너셀 접합부재로 이루어진 너셀 연결부를 포함하는 풍력 발전기를 제공한다.

또한, 본 발명은 너셀 연결부에 상기 너셀의 전방부를 지지하도록 상기 너셀 연결부의 외면과 상기 너셀의 하면에 접합되는 지지 플레이트 부재가 더 포함되는 풍력 발전기를 제공한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 풍력 발전기에 의하며, 높은 풍속에서 바람의 방향에 일정한 각도로 블레이드의 수풍면적을 위치시켜 수풍에너지를 감소 시키는 효과로 풍력발전시스템의 발전기 및 기구부를 안전하면서도 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기를 나타낸 정면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기를 나타낸 요부확대 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기를 나타낸 요부확대 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기를 나타낸 요부확대 배면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기를 나타낸 요부확대 측면도이다.
도 6은 도 4의 A-A선 단면도이다.
도 7은 도 4의 B-B선 단면도이다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 풍력 발전기(100)는 타워(110), 이 타워(110)에 회전가능하게 설치되는 너셀(120), 이 너셀(120)에서 회전하는 회전축 부재(130) 및 타워(110)와 너셀(120)을 연결하는 너셀 연결부(140)를 포함한다. 이러한, 풍력 발전기(100)는 타워(110)와 너셀(120)이 너셀 연결부(140)를 통해 상호 결합될 때 회전축 부재(130)의 회전중심(C1)이 너셀(120)의 회전중심선(C2)상에서 편심되게 연결된다.

타워(110)는 지면 등과 같은 베이스에 기립되도록 하단부가 베이스에 고정되고, 상단부에 너셀(120)이 너셀 연결부(140)를 통해 회전가능하게 결합된다.

너셀(120)은 너셀 연결부(140)에 접합되어 타워의 상단부에서 회전되고, 내부에 회전축 부재(130)가 회전가능하게 결합된다. 이러한, 너셀(120)은 일측에 회전축 부재(130)에 연결되어 전류를 발생하는 발전기가 내장된다.

회전축 부재(130)는 베어링을 통해 너셀(120)의 내부에 회전 가능하게 결합되며, 일단부가 너셀(120)의 외측으로 노출되어 블레이드(150)가 결합된다. 또한, 회전축 부재(130)는 회전을 통해 상기 발전기가 발전되도록 타단부가 상기 발전기와 연결된다.

또한, 회전축 부재(130)는 양단부가 볼 베어링(B1)을 통해 너셀(120)에 결합되고, 중앙부가 연속되게 배치되는 볼 베어링(B1)과 롤러 베어링(B2)에 의해 너셀(120)에 결합된다. 여기서, 볼 베어링(B1)은 회전축 부재(130)의 회전을 지지하고, 롤러 베어링(B2)은 회전축 부재(130)의 축하중을 지지한다. 이로 인하여, 회전축 부재(130)의 하중이 롤러 베어링(B2)에 의해 지지되어 볼 베어링(B1)의 파손이 감소되므로, 유지보수 비용을 절감할 수 있다.

회전축 부재(130)의 회전중심(C1)과 너셀(120)의 회전중심(C2)을 편심되게 연결하는 너셀 연결부(140)는 상단부에 너셀(120)이 접합되고, 하단부가 타워(110)에 회전가능하게 결합된다.

구체적으로, 너셀 연결부(140)는 회전축 부재(130)의 회전중심(C1)이 타워(110)에서 회전되는 너셀(120)의 회전중심선(C2)상에서 편심되도록 타워(110)와 너셀(120)을 연결한다. 즉, 너셀 연결부(140)는 타워(110)에 회전가능하게 결합되며, 회전축 부재(130)의 회전중심(C1)이 너셀(120)의 회전중심에서 편심되도록 너셀(120)이 상단부에 접합된다.

이를 위하여, 너셀 연결부(140)는 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 베어링부(141)를 통해 타워(110)에 회전가능하게 결합되는 베어링 하우징(143), 이 베어링 하우징(143)에서 연장 형성되어 너셀(120)의 하면에 접합되는 너셀 접합부재(145)를 포함한다. 또한, 너셀 연결부(140)는 너셀(120)이 너셀 접합부재(145)에 안정되게 접합되도록 너셀(120)을 지지하는 지지 플레이트 부재(147)를 더 포함한다.

베어링 하우징(143)은 내부로 타워(110)의 상단부가 삽입되며, 베어링부(141)를 통해 타워(110)에 결합된다. 이때, 너셀(120)의 회전중심인 베어링 하우징(143)의 회전중심(C2)은 회전축 부재(130)의 회전중심(C1)과 이격된다.

베어링부(141)는 상단부 및 하단부가 볼 베어링(B1)을 통해 타워(110)에 지지되고, 중앙부가 롤러 베어링(B2)을 통해 타워(110)에 지지된다. 이로 인하여, 너셀(120)이 타워(110)에서 안정되게 회전됨은 물론 타워(110)의 반지름 방향으로 발생되는 하중에 의한 볼 베어링(B1)의 파손을 감소시킬 수 있다.

너셀(120)이 접합되는 너셀 접합부재(145)는 베어링 하우징(143)의 상단에서 외측 연장 형성되어 수평 지지부(145a)와, 이 수평 지지부(145a)에서 상측으로 연장 형성되어 너셀(120)의 외면과 접합되는 수직 지지부(145b)로 이루어진다.

지지 플레이트 부재(147)는 너셀(120)의 전방부를 지지하도록 너셀 연결부(140)의 외면과 너셀(120)의 하면에 접합되어 너셀(120)을 너셀 연결부(140)에 지지한다.

한편, 너셀 연결부(140)는 상기 발전기에서 발생되는 전류를 타워(110)를 경유하여 배터리로 공급할 수 있도록 내부에 전류 공급부(160)를 더 포함한다.

전류 공급부(160)는 타워(110)에 고정되며, 타워(110)의 내부를 통해 상기 배터리와 연결되는 전선이 접속되는 슬립링 부재(161)와, 너셀(120)과 함께 회전되도록 슬립링 부재(161)에 접촉되며, 상기 발전기의 전선이 접속되는 전극 부재(163)를 포함한다.

슬립링 부재(161)는 전류의 누설이 방지되도록 외면이 절연처리되며, 외면에 전극 부재(163)가 회전 가능하게 결합되는 접촉홈부(161a)가 이격되게 형성된다.

전극 부재(163)는 접촉홈부(161a)에 결합되어 접촉되전되는 전극 플레이트(163a)와, 이 전극 플레이트(163a)의 상면 및 하면에서 각각 연장 형성되는 전극 핀(163b)으로 구성된다. 이때, 상측의 전극 핀(163b)은 상기 발전기에서 연장되는 전선이 접속되고, 하측의 전극 핀(163b)은 너셀 연결부(140)에 결합된다. 또한, 전극 부재(163)는 외부로 전류가 누설되는 것이 방지되도록 외면이 절열처리된다.

이러한, 전극 부재(163)는 전극 플레이트(163a)가 슬립링 부재(161)에 접촉된 채 전극 핀(163b)에 의해 너셀(120)과 함께 회전되므로, 너셀(120)의 회전에 의한 전선의 꼬임 발생을 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명을 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

100 : 풍력 발전기 110 : 타워
120 : 너셀 130 : 회전축 부재
140 : 너셀 연결부 143 : 베어링 하우징
145 : 너셀 접합부재 147 : 지지 플레이트 부재
150 : 블레이드

Claims

베이스에 설치되는 타워; 상기 타워의 상단부에 회전가능하게 설치되는 너셀; 상기 너셀에 회전가능하게 설치되며, 일단부에 블레이드가 결합되는 회전축 부재; 및 상기 회전축 부재의 회전중심이 상기 너셀의 회전중심선상에서 편심되도록 상기 타워와 상기 너셀을 연결하는 너셀 연결부를 포함하며,
상기 너셀 연결부는, 상기 타워에 회전가능하게 결합되는 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징에서 연장 형성되며, 상기 회전축 부재의 회전중심이 상기 베어링 하우징의 베어링부 회전중심에 편심되도록 상기 너셀이 접합되는 너셀 접합부재; 및 상기 너셀의 전방부를 지지하도록 상기 너셀 연결부의 외면과 상기 너셀의 하면에 접합되는 지지 플레이트 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
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제 1 항에 있어서,
상기 너셀 연결부는 하단부가 상기 타워에 회전가능하게 결합되고, 상단부에 상기 너셀이 접합되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
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