KR101359639B1 - 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

풍력발전기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기는, 바람(wind)이 통과되는 바람통과구가 일측에 마련되는 블레이드(blade); 및 바람에 대한 블레이드의 접촉 면적 조절을 위해 바람통과구를 선택적으로 개폐하는 개폐 모듈을 포함한다.

Description

풍력발전기{WINDMILL}
본 발명은, 풍력발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 종래와 달리 간단하면서도 콤팩트한 구조로 제작할 수 있음은 물론 낮은 전력으로도 바람에 대한 블레이드의 접촉 면적을 효율적으로 조절할 수 있는 풍력발전기에 관한 것이다.
풍력발전기(혹은 풍력 터빈)는 자연 에너지인 풍력을 이용해서 발전하는 설비로서 화석연료의 고갈과 환경문제로 인해 점차 그 비중이 커지고 있다.
이러한 풍력발전기는 타워(tower)의 상단부에 마련되는 나셀(nacelle)과, 나셀의 앞쪽에 설치되고 불어오는 바람에 의해 회전되는 다수의 블레이드(blade)를 포함하는 로터(rotor)를 구비한다.
나셀은 로터에 의해 블레이드로부터의 회전운동을 전달받아 동력을 발생시켜 전기에너지를 생산하는 등 풍력발전기를 구동시키는데 있어 중요한 역할을 담당하는 기계부품들, 예컨대 메인 샤프트(main shaft), 기어 박스(gear box), 증속기, 발전기 등의 기계부품들이 구조적으로 결합되어 있는 구조체를 일컫는다.
한편, 이와 같은 풍력발전기의 구조에서 블레이드의 회전 시 풍속이 커지면 블레이드의 회전 속도가 증가하게 되는데, 이처럼 블레이드의 회전 속도가 증가하게 되면 발전기에 걸리는 부하 역시 증가한다.
통상, 풍력발전기의 블레이드 회전 속도가 증가하게 되면 블레이드의 피치각(바람에 대한 블레이드의 각도)을 조절하여 블레이드의 회전 속도를 조절하는 것이 일반적이다.
그렇지만, 예컨대 블레이드의 피치각 제어 시스템이 고장난 경우와 같은 비상 상황의 경우에는 블레이드 회전 속도를 조절하기가 어려워 발전기에 걸리는 부하를 감소시키기 어렵다.
따라서 규정된 속도 이상의 풍속, 예컨대 25m/s 이상의 풍속이 형성되는 경우에는 블레이드를 공회전시킴으로써 나셀을 보호하는 방안을 함께 적용하고 있다. 이때는 블레이드가 회전되더라도 발전기 쪽으로의 회전운동이 입력되지 않기 때문에 전기에너지 생산은 이루어지지 않는다.
하지만, 이처럼 바람이 불고 있음에도 불구하고 발전을 하지 못하게 되면 연간 에너지 생산량(AEP; Annual energy production)이 감소될 수밖에 없기 때문에 바람직하지만은 않다.
이러한 문제점을 해소하기 위해, 미국공개특허 2010/00068058호 등에서는 블레이드의 단부 영역을 부분적으로 접철시킬 수 있는 구조를 제안하고 있다.
상기 문헌의 기술처럼 블레이드의 단부 영역이 접혀지거나 펼쳐질 수 있도록 하는 경우, 예컨대, 규정된 속도 이상의 풍속이 형성되면 블레이드의 단부 영역을 접어 바람과의 접촉 면적을 감소시킴으로써 블레이드의 회전 속도가 감소되도록 할 수 있기 때문에 전기에너지 생산을 계속해서 진행할 수 있는 이점이 있다.
그런데, 블레이드가 수십 미터(m) 이상의 길이와 수 내지 수십 톤(ton) 이상의 중량을 갖는 거대한 구조물이라는 점을 감안할 때, 블레이드의 단부 영역을 접철시키기 위한 구조를 적용하기에는 실질적으로 부담스럽고, 설사 블레이드의 접철 구조를 적용한다 하더라도 구조가 복잡할 뿐만 아니라 이를 구동시키는 데에 따른 동력 손실(loss)이 클 것으로 예상되므로 좀 더 개선된 타입의 구조 개발이 필요하다.
미국공개특허 2010/00068058호
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래와 달리 간단하면서도 콤팩트한 구조로 제작할 수 있음은 물론 낮은 전력으로도 바람에 대한 블레이드의 접촉 면적을 효율적으로 조절할 수 있으며, 이에 따라 규정된 속도 이상의 풍속이 형성되더라도 블레이드의 회전운동을 토대로 전기에너지를 생산할 수 있어 연간 에너지 생산량을 증가시킬 수 있는 풍력발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 바람(wind)이 통과되는 바람통과구가 일측에 마련되는 블레이드(blade); 및 상기 바람에 대한 블레이드의 접촉 면적 조절을 위해 상기 바람통과구를 선택적으로 개폐하는 개폐 모듈을 포함하는 풍력발전기가 제공될 수 있다.
상기 바람통과구는 상기 블레이드의 단부 영역에 마련될 수 있다.
상기 블레이드는, 일단부가 로터에 연결되는 메인 블레이드; 및 상기 바람통과구를 구비하며, 상기 메인 블레이드의 타단부에 연결되는 서브 블레이드를 포함할 수 있다.
상기 서브 블레이드는, 외곽틀을 형성하는 외곽 프레임; 및 상기 바람통과구가 형성되도록 상기 외곽 프레임의 내부에 격자상으로 형성되어 상기 외곽 프레임을 지지하는 다수의 골조를 포함할 수 있다.
상기 서브 블레이드는 상기 메인 블레이드에 용접(welding) 결합되거나 볼팅(bolting) 결합될 수 있다.
상기 개폐 모듈은, 상기 서브 블레이드 내에 마련되어 상기 바람통과구를 개폐하는 개폐부재; 및 상기 개폐부재와 연결되며, 상기 메인 블레이드 내에 마련되어 상기 개폐부재를 동작시키는 개폐부재 동작유닛을 포함할 수 있다.
상기 개폐부재 동작유닛은 상기 개폐부재에 공기를 공급하거나 배출시키고, 상기 개폐부재는 공기가 공급될 때 팽창되어 상기 바람통과구를 닫고, 공기가 배출될 때 수축되면서 상기 바람통과구를 여는 공기튜브(air tube)일 수 있다.
상기 개폐부재 동작유닛은, 상기 공기튜브와 연결되어 상기 공기튜브 내로 공기를 공급하는 공기 공급부; 및 상기 공기튜브와 연결되어 상기 공기튜브 내의 공기를 배출시키는 공기 배출부를 포함할 수 있다.
상기 블레이드로 향하는 풍속을 감지하는 풍속 감지부; 및 상기 풍속 감지부의 감지 신호에 기초하여 상기 개폐부재 동작유닛의 동작을 컨트롤하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 규정된 속도 이상의 풍속이 감지되는 경우, 상기 공기튜브 내의 공기가 배출되도록 상기 개폐부재 동작유닛의 동작을 컨트롤할 수 있다.
상기 개폐부재는 상기 바람통과구를 슬라이드식으로 개폐하는 슬라이드식 개폐 플레이트일 수 있다.
상기 개폐부재 동작유닛은 상기 슬라이드식 개폐 플레이트를 동작시키기 위한 플레이트 동작유닛일 수 있으며, 상기 슬라이드식 개폐 플레이트의 측벽에 랙 기어가 형성되고, 상기 플레이트 동작유닛은, 상기 랙 기어와 맞물려 상호 작용되는 피니언 기어; 및 상기 피니언 기어를 구동시키는 모터를 포함할 수 있다.
상기 개폐부재는 상기 바람통과구를 회전식으로 개폐하는 회전식 개폐 플레이트일 수 있다.
상기 개폐부재 동작유닛은 상기 회전식 개폐 플레이트를 동작시키기 위해 상기 회전식 개폐 플레이트에 직결되는 직결모터일 수 있다.
상기 블레이드는 허브(hub)를 중심으로 방사상으로 다수 개 마련되고, 상기 공기튜브는 상기 블레이드들에 각각 마련될 수 있으며, 상기 허브의 내부에는 상기 블레이드들 내에 각각 마련되는 공기튜브로 공기를 공급하거나 상기 공기튜브 내의 공기를 배출시키는 공용 공기압축기가 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 종래와 달리 간단하면서도 콤팩트한 구조로 제작할 수 있음은 물론 낮은 전력으로도 바람에 대한 블레이드의 접촉 면적을 효율적으로 조절할 수 있으며, 이에 따라 규정된 속도 이상의 풍속이 형성되더라도 블레이드의 회전운동을 토대로 전기에너지를 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력발전기의 정면 구조도이다.
도 2는 도 1의 A 영역의 확대도로서 공기튜브가 수축된 상태의 도면이다.
도 3은 도 2에서 공기튜브가 팽창된 상태의 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 풍력발전기의 제어블록도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력발전기에서 공기튜브가 수축된 상태의 블레이드에 대한 요부 확대도이다.
도 6은 도 5에서 공기튜브가 팽창된 상태의 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력발전기에서 블레이드의 개략적이 요부 확대도이다.
도 8은 도 7에 도시된 바람통과구를 개폐하는 개폐 모듈의 개략적인 구조도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 풍력발전기에 적용되는 개폐 모듈의 개략적인 구조도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 풍력발전기의 요부 확대도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력발전기의 정면 구조도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 풍력발전기는 바람(wind)이 통과되는 바람통과구(133)가 일측에 마련되는 블레이드(110, blade)와, 바람에 대한 블레이드(110)의 접촉 면적 조절을 위해 바람통과구(133)를 선택적으로 개폐하는 개폐 모듈(140)을 포함할 수 있다.
개폐 모듈(140)의 설명에 앞서 풍력발전기의 전체 구성에 대해 간략하게 설명한다.
본 실시예의 풍력발전기는, 타워(101, tower)와, 다수의 블레이드(110)가 연결되는 로터(103, rotor)와, 로터(103) 쪽의 회전운동을 전달받아 동력을 발생시켜 전기에너지를 생산하는 나셀(nacelle, 미도시)과, 나셀의 외부에 결합되어 나셀을 보호하는 나셀 커버(105, nacelle cover)
타워(101)는 설치면에 대하여 상하로 길게 배치되는 축(shaft)으로서, 블레이드(110)들, 로터(103), 나셀 및 나셀 커버(105) 등의 축 방향 하중을 지지한다.
타워(101)는 위치별로 아랫부분의 로워 타워(101a, lower tower)와, 윗부분의 어퍼 타워(101b, upper tower)로 구분될 수도 있다. 풍력발전기의 용적에 따라 달라지겠지만 타워(101)는 대략 100 미터(m) 내외의 길이를 갖는 거대 구조물일 수 있다.
로터(103)는 다수의 블레이드(110)가 연결되는 장소이다. 정면에서 바라볼 때 로터(103)는 대략 원형의 형상을 갖는다. 블레이드(110)들이 연결되는 부분을 허브(hub)라 부르기도 하는데, 여기에서는 허브라는 명칭을 별도로 구별하지 않고 로터(103)라 총칭하기로 한다. 로터(103)에 블레이드(110)들이 연결되기 때문에 로터(103)는 블레이드(110)들과 동회전된다.
앞서도 잠시 언급한 바와 같이, 나셀은 로터(103)에 의해 연결된 블레이드(110)들의 회전운동을 전달받아 동력을 발생시켜 전기에너지를 생산하는 등 풍력발전기를 구동시키는데 있어 중요한 역할을 담당하는 기계부품들, 예컨대 메인 샤프트(main shaft), 기어 박스(gear box), 증속기, 발전기 등의 기계부품들이 구조적으로 결합되어 있는 구조체를 일컫는다. 그리고 나셀 커버(105)는 나셀을 보호하는 일종의 하우징(housing)이다.
블레이드(110)들은 바람에 의해 회전되면서 회전운동을 발생시키는 날개이다. 블레이드(110)들은 바람에 의해 쉽게 회전될 수 있도록 유선형의 날개 형상을 가질 수 있으며, 2개 이상이 적용될 수 있다. 본 실시예의 풍력발전기에는 3개의 블레이드(110)가 적용되고 있지만 이의 개수에 본 실시예의 권리범위가 제한되지 않는다.
한편, 앞서 기술한 바와 같이, 일정한 풍속이 형성되는 경우에는 블레이드(110)들의 원활한 회전에 의해 전기에너지의 생산이 가능하지만 규정된 속도 이상의 풍속, 예컨대 25m/s 이상의 풍속이 형성되는 경우에는 블레이드(110)들의 회전 속도가 증가하기 때문에 블레이드(110)들의 회전 속도를 조절하기가 어려워져 발전기에 걸리는 부하를 가중시킨다.
이러한 경우, 바람에 대한 블레이드(110)의 접촉 면적을 조절할 수만 있다면, 예컨대 바람에 대한 블레이드(110)의 접촉 면적이 작아지도록 조절할 수만 있다면 블레이드(110)들의 회전 속도를 조절할 수 있기 때문에 발전기의 부하 가중 없이 용이하게 발전할 수 있으며, 이에 따라 연간 에너지 생산량(AEP; Annual energy production)이 감소되는 현상을 저지할 수 있다.
다만, 바람에 대한 블레이드(110)의 접촉 면적을 조절하기 위해 종래처럼 블레이드(110)의 단부 영역을 접철시키기 위한 구조를 채택하려 하는 경우, 거대 구조물인 블레이드(110)에 이러한 접철 구조를 적용하기에 부담스러울 뿐만 아니라 설사 접철 구조를 블레이드(110)에 적용한다 하더라도 구조가 복잡할 뿐만 아니라 이를 구동시키는 데에 따른 동력 손실(loss)이 클 것으로 예상된다.
따라서 본 실시예의 경우, 종래와 달리 간단하면서도 콤팩트한 구조로 제작할 수 있음은 물론 낮은 전력으로도 바람에 대한 블레이드(110)의 접촉 면적을 효율적으로 조절할 수 있도록 한 방안을 제안하고 있는 것이다. 자세히 후술하겠지만 바람이 통과되는 바람통과구(133)를 블레이드(110)에 마련하고 개폐 모듈(140)을 통해 바람통과구(133)를 선택적으로 개폐하는 경우, 종래와 달리 간단하면서도 콤팩트한 구조로 제작할 수 있음은 물론 낮은 전력으로도 바람에 대한 블레이드(110)의 접촉 면적을 효율적으로 조절할 수 있다. 이에 대해 도 2 내지 도 4를 참조하여 자세히 설명한다.
도 2는 도 1의 A 영역의 확대도로서 공기튜브가 수축된 상태의 도면이고, 도 3은 도 2에서 공기튜브가 팽창된 상태의 도면이며, 도 4는 도 1에 도시된 풍력발전기의 제어블록도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에서 블레이드(110)는 일단부가 로터(101)에 연결되는 메인 블레이드(120)와, 바람통과구(133)를 구비하며, 메인 블레이드(120)의 타단부에 연결되는 서브 블레이드(130)를 포함할 수 있다. 본 실시예의 경우, 블레이드(110)가 메인 블레이드(120)와 서브 블레이드(130)를 갖는 것으로 설명하였지만 이의 사항에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.
다만, 본 실시예처럼 블레이드(110)가 메인 블레이드(120)와 서브 블레이드(130)를 갖도록 제작하는 경우, 서브 블레이드(130)에 바람통과구(133)를 만들어 메인 블레이드(120)에 결합, 예컨대 용접(welding)시키면 되기 때문에 제작이 편리하고 추후, 유지보수가 용이한 이점이 있다.
이러한 블레이드(110)의 구조에서 바람에 대한 블레이드(110)의 접촉 면적을 감소시키는 바람통과구(133)는 서브 블레이드(130)에 마련될 수 있다.
이때, 서브 블레이드(130)의 표면에 홀(hole)이나 개구(open)를 형성시켜 바람통과구(133)를 만들 수도 있지만 본 실시예의 경우에는 서브 블레이드(130)가 외곽 프레임(131)과 다수의 골조(132)를 갖도록 제작함으로써 이의 형상(또는 구조)에 의해 자연스럽게 다수의 바람통과구(133)가 형성되도록 하고 있다.
서브 블레이드(130)에 대해 좀 더 자세히 살펴보면, 서브 블레이드(130)는 외곽틀을 형성하는 외곽 프레임(131)과, 외곽 프레임(131)의 내부에 격자상으로 형성되어 외곽 프레임(131)을 지지하는 다수의 골조(132)를 포함하고 있는데, 이러한 구조로 서브 블레이드(130)를 제작하는 경우, 골조(132)들 사이사이에 공간이 형성될 수 있는데, 이 공간이 바로 바람통과구(133)의 역할을 대신한다. 따라서 본 실시예처럼 서브 블레이드(130)를 제작하게 되면 바람통과구(133)가 서로 다른 위치에 다수 개 마련되는 형태가 될 수 있으며, 따라서 바람에 대한 블레이드(110)의 접촉 면적을 감소시키는 데에 보다 효율적일 수 있다.
바람통과구(133)를 개폐하기 위한 개폐 모듈(140)은, 서브 블레이드(130) 내에 마련되어 바람통과구(133)를 개폐하는 개폐부재(150)와, 개폐부재(150)와 연결되고 메인 블레이드(120) 내에 마련되어 개폐부재(150)를 동작시키는 개폐부재 동작유닛(160)을 포함할 수 있다.
개폐부재(150)는 다양한 형태로 마련될 수 있지만 본 실시예에서 개폐부재(150)는 공기가 공급될 때 팽창되고 공기가 배출될 때 수축되면서 바람통과구(133)를 개폐하는 공기튜브(150, air tube)로 적용된다.
개폐부재(150)가 공기튜브(150)로 적용됨에 따라 개폐부재 동작유닛(160)은 공기튜브(150)와 연결되어 공기튜브(150) 내로 공기를 공급하는 공기 공급부(161)와, 공기튜브(150)와 연결되어 공기튜브(150) 내의 공기를 배출시키는 공기 배출부(162)를 포함할 수 있다.
이에, 도 3처럼 공기 공급부(161)가 동작되어 공기튜브(150) 내로 공기를 공급하게 되면 공기튜브(150)가 서브 블레이드(130) 내에서 팽창되면서 바람통과구(133)를 차폐하기 때문에 바람에 대한 블레이드(110)의 전체 접촉 면적은 증가한다. 하지만, 도 2처럼 공기 배출부(162)가 동작되어 공기튜브(150) 내의 공기를 배출시키게 되면 공기튜브(150)가 수축되기 때문에 바람통과구(133)는 개방된다. 도 2와 같은 경우는, 풍속이 규정 속도 이상인 경우로서, 바람통과구(133)를 통해 바람이 통과될 수 있기 때문에 바람에 대한 블레이드(110)의 전체 접촉 면적이 감소되며, 이에 따라 블레이드(110)의 회전 속도를 조절할 수 있는 조건이 된다.
본 실시예에서는 공기 공급부(161)와 공기 배출부(162)가 각각 구비된 구성으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 공기 공급부와 공기 배출부가 일체로 구비될 수도 있다.
한편, 이러한 개폐부재 동작유닛(160)의 컨트롤을 위하여 본 실시예의 풍력발전기에는 풍속 감지부(170)와 컨트롤러(180)가 갖춰진다.
풍속 감지부(170)는 나셀 커버(105) 영역에 마련되어 블레이드(110)로 향하는 풍속을 감지하는 역할을 한다.
컨트롤러(180)는 도 4에 도시된 바와 같이, 풍속 감지부(170)의 감지 신호에 기초하여 개폐부재 동작유닛(160)의 동작을 컨트롤한다. 즉 컨트롤러(180)는 풍속 감지부(170)에 의해 규정된 속도 이상의 풍속이 형성되었다고 감지된 경우, 도 2처럼 공기튜브(150) 내의 공기가 배출되도록 개폐부재 동작유닛(160)의 동작을 컨트롤한다.
이러한 컨트롤러(180)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 중앙처리장치(180a, CPU), 메모리(180b, MEMORY), 서포트 회로(180c, SUPPORT CIRCUIT)를 포함할 수 있다.
중앙처리장치(180a)는 본 실시예의 풍력발전기에서 풍속 감지부(170)의 감지 신호에 기초하여 개폐부재 동작유닛(160)의 동작을 컨트롤하기 위해서 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 프로세서들 중 하나일 수 있다. 메모리(180b, MEMORY)는 중앙처리장치(180a)와 연결된다. 메모리(180b)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용가능한 적어도 하나 이상의 메모리이다. 서포트 회로(180c, SUPPORT CIRCUIT)는 중앙처리장치(180a)와 연결되어 프로세서의 전형적인 동작을 지원한다. 이러한 서포트 회로(180c)는 캐시, 파워 서플라이, 클록 회로, 입/출력 회로, 서브시스템 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 본 실시예에 따른 풍력발전기에서 풍속 감지부(170)에 의해 규정된 속도 이상의 풍속이 형성되었다고 감지된 경우, 도 2처럼 공기튜브(150) 내의 공기가 배출되도록 개폐부재 동작유닛(160)의 동작을 컨트롤하는 일련의 프로세스 등이 메모리(180b)에 저장될 수 있다. 전형적으로는 소프트웨어 루틴이 메모리(180b)에 저장될 수 있다. 소프트웨어 루틴은 또한 다른 CPU(미도시)에 의해서 저장되거나 실행될 수 있으며, 그러한 다른 CPU(미도시)는 풍력발전기와는 거리적으로 이격된 곳에 위치된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 프로세스는 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 프로세스들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다. 이처럼, 본 발명의 프로세스들은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 또는 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.
본 실시예의 컨트롤러(180)는 블레이드(110)의 피치를 제어하는 기존의 제어부(미도시)일 수 있다. 따라서, 컨트롤러(180)는 블레이드(110)의 피치를 제어함은 물론, 개폐부재 동작유닛(160)의 동작을 제어할 수도 있다. 본 발명에서 설명하는 개폐부재 동작유닛(160)의 동작은 컨트롤러(180)에 의해 블레이드(110)의 피치 동작과 동시에 또는 개별적으로 제어될 수 있지만, 본 발명에서는 개폐부재 동작유닛(160)의 동작에 대해서만 설명한다. 블레이드(110)의 피치를 제어하기 위한 구성 및 방법은 종래 공지된 기술을 따르므로 이에 대한 설명은 생략한다.
이러한 구성을 갖는 풍력발전기의 작용에 대해 설명한다.
평상 시 일정한 바람이 부는 경우에는 컨트롤러(180)에 의해 개폐부재 동작유닛(160)의 공기 공급부(161)가 동작되어 도 3처럼 공기튜브(150) 내로 공기를 공급한다. 그러면 공기튜브(150)가 서브 블레이드(130) 내에서 팽창되면서 바람통과구(133)를 차폐하기 때문에 바람에 대한 블레이드(110)의 전체 접촉 면적은 증가할 수 있다.
만약, 풍속이 규정 속도 이상인 경우에는 풍속 감지부(170)가 이를 감지한 후, 감지 신호를 컨트롤러(180)로 전송하게 되며, 컨트롤러(180)는 개폐부재 동작유닛(160)의 공기 배출부(162)를 통해 도 2처럼 공기튜브(150) 내의 공기가 배출되도록 컨트롤한다. 그러면 바람통과구(133)를 통해 바람이 통과될 수 있기 때문에 바람에 대한 블레이드(110)의 전체 접촉 면적이 감소될 수 있다. 따라서 블레이드(110)가 회전되는 상태에서 발전만 멈추거나 또는 블레이드(110)의 회전을 아예 정지시켜야 하는데 따라 야기되는 연간 에너지 생산량(AEP; Annual energy production) 감소 문제를 해결할 수 있다.
좀 더 구체적으로 살펴보면, 일반적인 풍속발전기의 경우, 최대작동 풍속인 25m/s 이상의 바람이 불면 과도한 하중으로부터 풍력발전기를 보호하기 위하여 블레이드(110)가 회전되는 상태에서 발전만 멈추거나(공회전) 또는 블레이드(110) 자체를 정지시켜야 하기 때문에 연간 에너지 생산량은 줄어든다.
하지만, 바람에 대한 블레이드(110)의 접촉 면적이 조절될 수 있는 본 실시예의 풍력발전기의 경우, 큰 풍속에서 블레이드(110)가 바람과 접촉 면적을 감소시킬 수 있기 때문에, 25m/s 보다 큰 풍속에서, 예를 들어 30m/s의 풍속에서도 발전을 계속할 수 있게 된다.
이처럼 풍력발전기가 발전을 할 수 있는 풍속의 범위가 커지게 되면 풍력발전기가 발전할 수 있는 시간이 증가할 수 있으며, 이와 같은 발전 시간의 증대는 연간 에너지 생산량을 증가시키는 효과를 가진다. 따라서 본 실시예에 따른 풍력발전기는 연간 에너지 생산량 향상에 기여할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 종래와 달리 간단하면서도 콤팩트한 구조로 제작할 수 있음은 물론 낮은 전력으로도 바람에 대한 블레이드(110)의 접촉 면적을 효율적으로 조절할 수 있으며, 이에 따라 규정된 속도 이상의 풍속이 형성되더라도 블레이드(110)의 회전운동을 토대로 전기에너지를 생산할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력발전기에서 공기튜브가 수축된 상태의 블레이드에 대한 요부 확대도이고, 도 6은 도 5에서 공기튜브가 팽창된 상태의 도면이다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예의 풍력발전기의 경우, 블레이드(110a)는 메인 블레이드(120)와 서브 블레이드(130a)를 포함하되 메인 블레이드(120)와 서브 블레이드(130a)가 볼팅(bolting) 결합되는 구조를 개시하고 있다.
즉 메인 블레이드(120)를 향한 서브 블레이드(130a)의 단부에 플랜지(P)를 만들고, 이 플랜지(P)를 통해 볼트(B)가 메인 블레이드(120) 쪽으로 체결되도록 함으로써 메인 블레이드(120)와 서브 블레이드(130a)가 결합되어 하나의 블레이드(110a)를 형성하도록 하고 있다.
이와 같은 구조가 적용되는 경우, 메인 블레이드(120)에 대해 서브 블레이드(130a)의 조립성이 좋아지기 때문에 설치 또는 유지보수가 쉬워지는 이점이 있다.
본 실시예의 경우, 블레이드(110a)가 볼트(B)에 의한 메인 블레이드(120)와 서브 블레이드(130a)의 결합 구조를 갖는 것을 제외하고 모든 동작과 효과는 전술한 실시예와 동일하므로 중복 설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력발전기에서 블레이드의 개략적이 요부 확대도이고, 도 8은 도 7에 도시된 바람통과구를 개폐하는 개폐 모듈의 개략적인 구조도이다.
전술한 실시예들의 경우, 블레이드(110,110a)를 메인 블레이드(120)와 서브 블레이드(130,130a)로 제작하였으나 본 실시예의 경우에는 이들이 분리되지 않은 하나의 일체형 몸체인 블레이드(210)를 제안하고 있다.
이러한 경우, 바람통과구(233)는 블레이드(210)를 관통하도록 블레이드(210)에 천공하면 그것으로 충분할 수 있다. 도 7에는 바람통과구(233)가 1개 마련되고 있지만 바람통과구(233)의 개수는 2개 이상일 수 있다.
물론, 이러한 사항에 본 발명의 권리범위가 제한될 수 없으므로 본 실시예의 블레이드(210) 역시, 메인 블레이드(미도시)와 서브 블레이드(미도시)로 제작하여 결합시키고, 바람통과구(233)를 메인 블레이드(미도시)와 서브 블레이드(미도시) 중 어느 하나에 하나 또는 하나 이상 형성할 수 있다.
이와 같이, 바람통과구(233)를 블레이드(210)에 직접 천공하는 경우에는 도 8처럼 풍속에 기초하여 바람통과구(233)를 개폐하는 슬라이드식 개폐 플레이트(250)를 마련하고, 슬라이드식 개폐 플레이트(250)를 동작시키기 위한 플레이트 동작유닛(260)을 갖추면 된다.
즉 플레이트 동작유닛(260)은 슬라이드식 개폐 플레이트(250)의 측벽에 형성되는 랙 기어(261)와, 랙 기어(261)와 상호 작용되는 피니언 기어(262)와, 피니언 기어(262)를 구동시키는 모터(263)를 포함할 수 있다. 모터(263)는 블레이드(210) 내의 적당한 위치에 브래킷을 장착하여 고정시킬 수 있다.
이러한 플레이트 동작유닛(260)의 구조에 의하면, 모터(263)의 정역 방향으로의 구동에 기초하여 피니언 기어(262)와 랙 기어(261)가 상호 작용함에 따라 슬라이드식 개폐 플레이트(250)가 도 8의 진한 화살표 방향으로 슬라이딩 이동될 수 있고, 이로 인해 바람통과구(233)가 선택적으로 개폐될 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 풍력발전기에 적용되는 개폐 모듈의 개략적인 구조도이다.
도 7의 경우, 바람통과구(233)가 사각형으로 마련되었으나 이는 원형일 수도 있는데, 이러한 경우, 원형의 바람통과구(미도시)에 도 9와 같은 형태의 회전식 개폐 플레이트(350)를 배치하고 회전식 개폐 플레이트(350)에 개폐부재 동작유닛(360)으로서의 직결모터(360)를 직결시킬 수 있다. 그러면, 직결모터(360)에 의해 회전식 개폐 플레이트(350)가 실선에서 점선으로 회전될 수 있으며, 이에 따라 원형의 바람통과구(미도시)가 개폐될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 풍력발전기의 요부 확대도이다.
본 실시예를 참조하면, 블레이드(110)들 사이에는 허브(H, Hub)가 배치되는데, 이 허브(H) 내에는 공용 공기압축기(190)가 마련된다.
공용 공기압축기(190)는 다수의 라인(L1,L2)에 의해 블레이드(110)들에 마련되는 공기 공급부(161) 및 공기 배출부(162)와 연결될 수 있다.
이처럼 공용 공기압축기(190)가 다수의 라인(L1,L2)에 의해 블레이드(110)들에 마련되는 공기 공급부(161) 및 공기 배출부(162)와 연결되면 개별적으로 공기압축기(미도시)를 마련해야 하는 부담을 줄일 수 있다.
뿐만 아니라 단일의 공용 공기압축기(190)를 통해 블레이드(110)들에 마련되는 공기튜브(150)로 공기를 공급하거나 공기튜브(150) 내의 공기를 배출시킬 수 있어 효율적일 수 있다.
이 경우, 공기 공급부(161) 및 공기 배출부(162)는 공기가 일시 저장되는 탱크(tank) 기능을 수행할 수 있을 것인데, 필요 시 공기 공급부(161) 및 공기 배출부(162)는 구성상 삭제될 수도 있다. 이와 같을 경우, 공용 공기압축기(190)가 다수의 라인(L1,L2)에 의해 공기튜브(150)들과 직접 연결되면 된다.
이와 같은 다양한 실시예가 적용되더라도 본 발명의 효과를 제공하는 데에는 아무런 무리가 없다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
101 : 타워 103 : 로터
105 : 나셀 커버 110 : 블레이드
120 : 메인 블레이드 130 : 서브 블레이드
131 : 외곽 프레임 132 : 골조
133 : 바람통과구 140 : 개폐 모듈
150 : 개폐부재 160 : 개폐부재 동작유닛
170 : 풍속 감지부 180 : 컨트롤러

Claims (15)

  1. 일단부가 로터에 연결되는 메인 블레이드와, 상기 메인 블레이드의 타단부에 연결되고 바람(wind)이 통과되는 바람통과구가 단부 영역에 마련되는 서브 블레이드를 구비하는 블레이드(blade); 및
    상기 바람에 대한 블레이드의 접촉 면적 조절을 위해 상기 바람통과구를 선택적으로 개폐하는 개폐 모듈을 포함하며,
    상기 서브 블레이드는,
    외곽틀을 형성하는 외곽 프레임; 및
    상기 바람통과구가 형성되도록 상기 외곽 프레임의 내부에 격자상으로 형성되어 상기 외곽 프레임을 지지하는 다수의 골조를 포함하며,
    상기 개폐 모듈은,
    상기 서브 블레이드 내에 마련되어 상기 바람통과구를 개폐하되 공기가 공급될 때 팽창되어 상기 바람통과구를 닫고, 공기가 배출될 때 수축되면서 상기 바람통과구를 여는 공기튜브(air tube)로서의 개폐부재; 및
    상기 공기튜브와 연결되어 상기 공기튜브 내로 공기를 공급하는 공기 공급부와, 상기 공기튜브와 연결되어 상기 공기튜브 내의 공기를 배출시키는 공기 배출부를 구비하는 개폐부재 동작유닛을 포함하는 풍력발전기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 서브 블레이드는 상기 메인 블레이드에 용접(welding) 결합되거나 볼팅(bolting) 결합되는 풍력발전기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드로 향하는 풍속을 감지하는 풍속 감지부; 및
    상기 풍속 감지부의 감지 신호에 기초하여 상기 개폐부재 동작유닛의 동작을 컨트롤하는 컨트롤러를 더 포함하는 풍력발전기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 규정된 속도 이상의 풍속이 감지되는 경우, 상기 공기튜브 내의 공기가 배출되도록 상기 개폐부재 동작유닛의 동작을 컨트롤하는 풍력발전기.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드는 허브(hub)를 중심으로 방사상으로 다수 개 마련되고, 상기 공기튜브는 상기 블레이드들에 각각 마련되며,
    상기 허브의 내부에는 상기 블레이드들 내에 각각 마련되는 공기튜브로 공기를 공급하거나 상기 공기튜브 내의 공기를 배출시키는 공용 공기압축기가 마련되는 풍력발전기.
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