KR101375217B1 - 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

풍압을 받는 면적을 크게 설계하더라도 피치조절이 가능하도록 마련된 개별 블레이드의 손상을 효과적으로 방지할 수 있고, 장치의 전반적인 내구성을 향상시킬 수 있도록 마련된 풍력발전장치가 개시된다.
이러한 풍력발전장치는 회전축과, 풍력에 의해 상기 회전축을 회전시키도록 상기 회전축 둘레에 마련된 복수의 블레이드와, 풍속 변화에 따라 상기 블레이드의 각도를 조절하도록 마련된 피치조절유닛을 구비하며, 상기 블레이드는 상기 회전축 둘레에 회전 가능하게 설치된 축부와, 상기 축부에 연결된 날개부를 포함하고, 복수의 상기 축부를 각각 회전가능하게 지지한 상태에서 상호 일체로 연결하는 제1연결유닛을 포함한다.

Description

풍력발전장치{wind power generating apparatus}

본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍속 변화에 따라 블레이드의 각도가 가변되도록 마련된 풍력발전장치에 관한 것이다.

풍력발전장치는 풍차구조를 이용하여 바람 에너지를 기계적 에너지로 변환시키고, 이 기계적 에너지를 발전기로 구동하여 전력을 얻는 장치를 가리킨다.

이러한 풍력발전은 부존자원인 바람을 동력원으로 하기 때문에 연료의 운반과 공급이 불필요한 무한정의 청정에너지원이며, 기존의 화석연료나 우라늄 등을 이용한 발전방식과 달리 발열에 의한 대기오염이나 방사능 누출 등이 없는 무공해 발전방식이다.

일반적인 풍력발전장치는 바람에 의해 회전하도록 설치된 복수개의 블레이드와, 블레이드와 함께 회전하도록 블레이드가 연결되는 회전축과, 회전축의 속도를 전기에너지를 얻기 위한 회전 속도를 갖추게 하는 증속기와, 증속기로부터 전달받은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기를 구비하며, 이러한 풍력발전장치의 구성요소들은 통상 소정의 높이를 갖도록 설치된 타워의 상부를 통해 설치된다.

이러한 풍력발전장치의 경우 풍속이 과도하게 클 경우에는 과부하로 인해 장치가 손상될 우려가 높고, 풍속이 너무 낮을 경우에는 발전을 제대로 하기가 어렵기 때문에, 장치 보호와 발전의 효율성을 고려하여 대부분 일정 기준치 범위 내의 풍속에서만 발전운전이 가능하도록 세팅되고 있는 실정이다.

그러나 대부분의 풍력발전장치는 바람을 얻기 용이한 산간 고지대에 설치되고 있고, 이러한 산간 지역의 경우 풍속이 고속의 돌풍에서부터 저속의 미풍으로 수시로 변화되기 때문에, 일종 풍속 범위 내에서만 구동되도록 할 경우 현실적으로는 풍력발전장치의 설비투자 대비 발전 수익을 기대하기 어려운 형편이다.

따라서 최근 풍력발전 분야에서는 풍속 변화에 따라 블레이드의 피치(pitch) 즉, 경사각이 가변되도록 함으로써, 풍속 변화에 관계없이 풍력발전을 지속할 수 있도록 한 풍력발전장치가 개발되고 있다.

이러한 풍력발전장치는 풍속이 강할 경우에는 풍압을 받는 블레이드의 면적이 줄어들고, 반대로 풍속이 약할 경우에는 블레이드의 풍압 받는 면적이 커지도록 블레이드의 경사각을 가변시킴으로써, 풍속 변화시에도 발전 작용이 안정한 상태에서 지속되도록 한다.

등록특허공보 제10-0737407호

그러나 종래 풍력발전장치의 경우 개별 블레이드의 면적 설계와 관련하여 발전 효율을 향상시키는데 여전히 한계가 있었으며, 블레이드 피치 가변 구조 등과 관련하여 장치의 구조가 복잡해지면서 장치의 내구성이 전반적으로 저하되는 문제점이 있었다.

먼저 태풍이나 돌풍과 같이 불안정한 바람 조건에서 복수개로 구성된 풍력발전장치의 각각의 블레이드에는 서로 다른 크기의 풍압이 작용할 수 있고, 피치조절 구조로 인해 개별 블레이드가 회전 가능하게 설치된 상태에서는 블레이드 상호 간의 결속력이 약하게 되고, 이로 인해 특정 블레이드가 풍압을 이기지 못하고 개별적으로 손상될 우려가 있기 때문에, 종래 풍력발전장치에서는 개별 블레이드의 손상 방지를 위해 블레이드의 면적을 전체적으로 작게 설계하고 있으며, 이로 인해 풍력발전장치의 발전 효율을 높이는데 한계가 있었다.

또한 종래 풍력발전장치의 경우 슬라이더와, 무게추 등 블레이드의 피치를 조절하기 위한 구성들은 복잡하게 설치되어 있는 반면 블레이드의 각도 가변구조에 따른 충격완화구조는 미비하여 블레이드의 각도 가변구조로 인해 내구성은 전반적으로 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 풍압을 받는 면적을 크게 설계하더라도 피치조절이 가능하도록 마련된 개별 블레이드의 손상을 효과적으로 방지할 수 있도록 마련된 풍력발전장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 풍속 변화에 따른 블레이드의 각도 가변구조를 보다 간소화시킴은 물론 장치의 전반적인 내구성을 향상시킬 수 있도록 마련된 풍력발전장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 기술사상에 따른 풍력발전장치는 회전축과, 풍력에 의해 상기 회전축을 회전시키도록 상기 회전축 둘레에 마련된 복수의 블레이드와, 풍속 변화에 따라 상기 블레이드의 각도를 조절하도록 마련된 피치조절유닛을 구비하는 것으로, 상기 블레이드는 상기 회전축 둘레에 회전 가능하게 설치된 축부와, 상기 축부에 연결된 날개부를 포함하고, 복수의 상기 축부를 각각 회전가능하게 지지한 상태에서 상호 일체로 연결하는 제1연결유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1연결유닛은 상기 날개부 쪽 상기 축부의 각 끝단 사이를 연결하는 고리형태의 연결몸체를 포함할 수 있다.

상기 제1연결유닛은 상기 축부를 회전 가능하게 지지하도록 상기 연결몸체에 마련된 베어링을 더 포함할 수 있다.

상기 제1연결유닛의 연결몸체와 상기 회전축 사이를 일체로 연결하는 제2연결유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 제2연결유닛은 상기 연결몸체에서 원주방향을 따라 이격된 복수개의 지점과 상기 회전축 사이를 연결하는 복수의 연결부재를 포함할 수 있다.

상기 회전축은 축방향으로 진퇴 가능하도록 안쪽에 마련된 내축과, 상기 내축을 감싸도록 마련된 외축을 포함할 수 있고, 상기 피치조절유닛은 톱니가 상기 회전축의 길이방향을 따라 배열되도록 상기 내축 외면에 상기 블레이드의 수에 대응하도록 마련된 복수의 래크기어와, 상기 래크기어에 기어결합하도록 각각의 상기 축부 둘레에 마련된 복수의 피니언 기어와, 풍속 크기에 따라 상기 축부가 상기 날개부에 가해지는 풍압이 증가 또는 감소하는 방향으로 회전하도록 상기 내축을 진퇴시키는 진퇴기구를 포함할 수 있다.

상기 진퇴기구는 상기 내축을 밀거나 당기도록 상기 회전축의 축방향으로 연장된 진퇴축을 포함할 수 있고, 상기 진퇴축과 상기 내축 사이에는 회전동작하는 상기 내축과 상기 진퇴축 사이의 마찰을 억제하도록 상기 진퇴축을 회전 가능하게 지지한 상태에서 상기 내축에 연결시키는 마찰저감부재가 마련될 수 있다.

또 풍력발전장치는 상기 내축의 진퇴운동에 따른 충격을 완충시키기 위한 완충기구를 더 포함할 수 있다.

상기 완충기구는 상기 내축의 진퇴 방향과 반대방향으로 작동하는 점성유체유압을 통해 상기 내축의 진퇴충격을 감쇠시키는 오일댐퍼를 포함할 수 있다.

상기 오일댐퍼는 상기 외축과 내축의 일부구간 사이에 오일을 충진하여 마련된 오일챔버를 포함하며, 상기 오일챔버 쪽 상기 외축과 내축과의 간격은 축방향 양단 쪽이 중앙 쪽보다 더 좁게 마련될 수 있다.

상기 완충기구는 상기 내축을 각각 상기 날개부에 가해지는 풍압이 증가하는 방향과 감소하는 방향으로 탄성지지하도록 마련된 한 쌍의 탄성부재를 포함할 수 있다.

한 쌍의 상기 탄성부재는 상기 내축을 상기 날개부에 가해지는 풍압이 증가하는 방향으로 탄성지지하는 제1탄성부재와, 상기 내축을 상기 날개부에 가해지는 풍압이 감소하는 방향으로 탄성지지하는 제2탄성부재로 구분되고, 상기 제1탄성부재는 제2탄성부재보다 큰 탄성력을 갖도록 마련될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력발전장치는 회전축에 회전 가능하도록 설치된 블레이드의 각도가 피치조절유닛을 통해 풍속에 대응하는 적절한 각도로 가변되어 풍속 변화시에도 안정적인 발전작용을 수행할 수 있게 되며, 회전축에 회전가능하게 설치된 복수의 블레이드는 제1연결유닛을 통해 상호 일체로 연결된다.

따라서 풍력발전장치는 피치조절을 위해 블레이드가 회전 가능하게 설치된 상태에서도 특정 블레이드에 집중될 수 있는 풍압을 제1연결유닛을 통해 복수의 블레이드에 고르게 분산시킬 수 있게 되므로, 풍압을 받는 면적을 크게 설계하더라도 개별 블레이드가 손상될 우려가 없게 된다.

또한 본 발명에 따른 풍력발전장치는 블레이드의 피치조절을 위한 래크기어와 피니언 기어가 회전축의 내축 외면과 블레이드의 축부 둘레에 직접 설치됨에 따라 장치의 전반적인 구성이 간소화 되고, 블레이드의 피치조절을 위한 회전축의 진퇴 동작에 따른 충격이 오일댐퍼를 포함하는 완충기구를 효과적으로 완화되어 장치의 전반적인 내구성도 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치의 전반적인 구조를 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1에서 블레이드 쪽 구조를 확대하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 블레이드 쪽 구조를 확대 도시한 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에 있어서 블레이드의 피치조절구조를 나타내기 위한 요부 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에 있어서 블레이드의 피치조절구조를 나타내기 위한 요부 종단면도이다.
도 6은 도 5의 상태에서 블레이드가 풍압을 받는 면적이 증가하도록 동작된 상태를 나타낸 것이다.
도 7은 도 5의 상태에서 블레이드가 풍압을 받는 면적이 감소하도록 동작된 상태를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에 있어서 진퇴기구의 진퇴축과 회전축의 내축 간의 연결구조를 확대 도시한 것이다.
도 9a와 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에 있어서, 회전축 내축의 진퇴동작에 따른 오일댐퍼의 완충작용을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에 있어서 제1연결유닛의 변형예를 나타낸 것이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사항이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 풍력발전장치는 바람에 의해 회전하도록 설치된 복수개의 블레이드(1)와, 블레이드(1)와 함께 회전하도록 블레이드(1)가 연결되는 회전축(2)과, 회전축(2)의 속도를 전기에너지를 얻기 위한 회전 속도를 갖추게 하는 변속기(미도시)와, 변속기(미도시)로부터 전달받은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기(미도시)를 구비하며, 이러한 구성들은 소정의 높이를 갖도록 설치된 타워(3)의 상부를 통해 설치된다.

또 풍력발전장치는 풍속 변화시에도 안정적인 발전작용을 수행하기 위한 것으로, 풍속의 변화에 따라 블레이드(1)의 각도를 조절하도록 마련된 피치조절유닛(4)을 구비한다. 블레이드(1)는 축부(1a)와, 축부(1a)에 연결된 날개부(1b)를 구비하고, 피치조절유닛(4)에 의해 블레이드(1)의 각도를 조절할 있도록 축부(1a)는 회전축(2) 둘레에 회전 가능하게 설치된다. 본 실시예에서 블레이드(1)는 상호 90도 간격으로 이격되게 배치된 4개로 구성된다.

복수의 블레이드(1)에 있어서 각각의 축부(1a) 사이는 제1연결유닛(10)을 통해 한 몸을 이루도록 일체로 연결되는데, 이와 같이 블레이드(1)의 각 축부(1a) 사이를 연결하는 제1연결유닛(10)의 구성은 피치조절구조를 위해 블레이드(1)가 회전 가능하게 설치되더라도 특정 블레이드(1)에 집중될 수 있는 풍압이 제1연결유닛(10)을 통해 복수의 블레이드(1)에 고르게 분산되도록 함으로써, 블레이드(1)의 풍압을 받는 면적을 크게 설계하더라도 개별 블레이드(1)가 손상되는 것을 효과적으로 방지하기 위한 구성이다.

제1연결유닛(10)은 날개부(1b)에 간섭되지 않도록 하면서 최대한 날개부(1b)에 인접하도록 날개부(1b) 쪽 각 축부(1a)의 끝단 사이를 연결하는 고리형태의 연결몸체(11)를 구비한다.

연결몸체(11)는 상호 인접한 한 쌍의 축부(1a) 사이를 연결하는 호형태의 제1연결부재(11a) 4개를 인접한 것끼리 상호 결합시켜 마련될 수 있다. 피치조절유닛(4)과 관련하여 블레이드(1)의 축부(1a)가 회전하게 되므로, 각각의 제1연결부재(11a) 사이에는 축부(1a)과 관통하도록 관통구멍(11b)이 마련되며, 제1연결유닛(10)은 각각의 축부(1a)를 회전 가능하게 지지하도록 각 관통구멍(11b)에 설치되는 베어링(12)을 더 포함하게 된다.

이와 같은 제1연결유닛(10)은 축부(1b)를 회전 가능하게 지지하고, 각각의 축부(1b) 사이를 한 몸으로 연결할 수 있는 범위 내에서 다양한 형태로의 변형이 가능하다. 예컨대 도 10과 같이, 제1연결유닛(10′)은 연결몸체(11′)가 이음매가 없는 일체형 링 형태로 마련될 수 있고, 각 축부(1b)를 회전 가능하게 지지하는 베어링(12)은 베어링고정몸체(13)를 통해 연결몸체(11′)에 고정되도록 설치될 수 있다. 이때 각각의 축부(1b)와 연결몸체(11′) 사이는 복수의 베어링고정몸체(13)를 통해 상호 한 몸을 이루게 된다.

또한 각 블레이드(1) 사이의 일체화 효과를 더욱 증대시키기 위해 제1연결유닛(10)은 제2연결유닛(20)을 통해 회전축(2)과도 일체로 연결된다. 제2연결유닛(20)은 제1연결유닛(10)의 연결몸체(11)에서 원주방향을 따라 이격된 복수개의 지점과 회전축(2) 사이를 연결하는 복수의 제2연결부재(21)로 구성될 수 있다.

본 실시예에서 제2연결부재(21)는 4개로 구성되며, 각각의 제2연결부재(21)는 연결몸체(11)에 있어서 인접한 한 쌍의 축부(1a) 사이에 해당하는 지점과 블레이드(1) 전방 쪽으로 위치된 회전축(2) 선단 사이를 연결하게 된다.

제1연결부재(11a)와 제2연결부재(21)는 일반적인 금속 파이프를 통해 마련될 수 있다. 그리고 제1연결부재(11a) 사이, 제1 및 제2연결부재(11a,21) 사이, 제2연결부재(21)와 회전축(2) 사이는 스크류 등의 체결부재(s)를 체결시키거나 용접을 통해 상호 결합될 수 있다.

한편, 회전축(2)은 안쪽에 마련된 내축(2a)과, 상기 내축(2a)을 감싸도록 바깥쪽에 마련된 외축(2b)을 포함하도록 구성되는데, 피치조절유닛(4)은 톱니가 회전축(2)의 길이방향을 따라 배열되도록 내축(2a) 외면에 블레이드(1)의 수에 대응하도록 마련된 복수의 래크기어(31)와, 래크기어(31)에 기어결합 하도록 각각의 축부(1a) 둘레에 마련된 복수의 피니언 기어(32)와, 축부(1a)가 날개부(1b)에 가해지는 풍압이 증가 또는 감소하는 방향으로 회전하도록 내축(2a)을 진퇴시키는 진퇴기구(33)를 구비하여 기본적인 기구적 메커니즘을 갖추게 된다.

이와 같이 블레이드(1)의 각도를 조절하는데 있어서, 내축(2a) 표면과 축부(1a) 둘레에 직접 설치되는 래크기어(31)와 피니언 기어(32) 간의 기어 작용을 이용하는 피치조절유닛(4)은 전반적으로 구성이 간소화되어, 피치조절유닛(4)의 채용으로 인해 풍력발전장치의 구조가 복잡해지면서 장치의 내구성이 저하되는 것을 효과적으로 억제하게 된다.

이와 같은 피치조절유닛(4)의 구조를 회전축(2)의 구조와 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 외축(2b)과, 외축(2b) 내부에 축방향으로 진퇴 가능하게 마련된 내축(2a)은 블레이드(1)에 의해 함께 회전하도록 마련된다.

내축(2a)은 외면에 래크기어(31)가 설치되도록 길이방향 중앙에 마련되는 사각기둥 모양의 기어설치부(41)와, 기어설치부(41) 양단에 각각 축방향으로 연장되도록 원기둥 모양으로 마련된 한 쌍의 내축 연장부(42)를 구비한다. 내축 연장부(42)는 기어설치부(41) 단부에 비해 더 작은 단면적을 갖도록 마련된다. 래크기어(31)는 사각기둥 모양으로 마련된 기어설치부(41)의 각 면에 설치되며, 각 래크기어(31)의 톱니는 회전축(2)의 길이방향을 따라 배열된다.

그리고 외축(2b)은 내부공간이 후술하게 될 오일챔버(81)를 형성하는 것으로, 내축(2a)의 기어설치부(41)보다 길게 마련되어 기어설치부(41) 둘레를 감싸는 오일충진부(51)와, 오일충진부(51) 양단에 각각 축방향으로 연장되도록 중공의 원통 형태로 마련된 외축 연장부(52)를 구비한다.

각 블레이드(1)의 축부(1a) 끝단은 오일충진부(51)를 회전 가능한 상태로 관통하여 오일충진부(51) 내부로 위치되며, 피니언 기어(32)는 오일충진부(51) 내부에 위치되는 각 축부(1a) 끝단에 설치되어 래크기어에 기어결합 된다.

피니언 기어(32)가 설치되는 축부(1a) 끝단을 오일충진부(51) 내부로 진입시키거나 오일충진부(51) 내부에 위치되어 있는 상태에서 고장시 수리를 위해 외부로 꺼낼 수 있도록 오일충진부(51) 외면에는 축부(1a)의 출입을 위한 출입구멍(51a)이 형성된다. 출입구멍(51a)은 커버(51b)를 통해 덮여지며, 커버(51b)에는 축부(1a)의 통과를 위한 관통공(51c)이 형성된다. 커버(51b)에는 관통공(51c)을 통과하는 축부(1a)를 회전 가능하게 지지하도록 베어링(51d)이 설치된다.(도 9 참고)

내축(2a)과 외축(2b)으로 구성된 회전축(2)은 선단 반대쪽으로 외축(2b)의 오일충진부(51)와 외축 연장부(52) 일측을 회전 가능하게 지지하는 하우징(5)을 통해 타워(3) 상부에 설치되며, 오일충진부(51)와 외축 연장부(52)는 베어링(6a,6b)을 통해 회전 가능한 상태로 하우징(5)에 지지된다.

외축 연장부(52) 끝단에는 수직방향을 따라 하부로 연장된 발전축(6)이 설치되며, 외축 연장부(52) 끝단과 발전축(6) 사이에는 회전축(2)의 회전력을 발전축(6)으로 전달하기 위한 베벨기어(7)가 마련된다. 발전축(6)의 회전속도는 변속기(미도시)를 통해 전기에너지를 얻기 위한 속도로 증속되고, 변속기(미도시)에 의해 변속된 기계적 에너지는 발전기(미도시)를 통해 전기에너지로 변환된다.

변속기(미도시)는 기본적으로 증속기능을 수행하지만, 날개부(1b)의 각이 풍압을 최소로 받도록 전환된 상태에서도 회전축(2)의 속도가 과도하게 크게 형성될 경우를 대비하여 변속기(미도시)는 증속은 물론 필요시 감속이 가능하도록 기어비를 바꿀 수 있는 것을 채용하는 것이 바람직하다.

그리고 날개부(1b)의 각이 풍압을 최대로 받도록 전환된 상태에서도 회전축(2)의 속도가 정정치 이하로 작을 경우를 감안하여 발전기(2)는 발전축(6) 상에 병렬로 연결된 복수개로 구성이 가능하다.

또한 진퇴기구(33)는 실린더(61)와, 실린더(61) 내부에 진퇴 가능하게 설치된 피스톤(62)과, 일단은 피스톤(62)에 연결되고 타단은 상기 내축 연장부(42) 끝단에 연결되는 진퇴축(63)을 구비한다. 실린더(61) 내부 피스톤(62)의 끝단에는 디스크(62a)가 마련되고, 실린더(61)는 디스크(62a) 전방 또는 후방공간으로 유압을 선택적으로 공급하기 위한 유압장치(64)와 유압호스(64a,64b)를 통해 연결될 수 있다.

또 피치조절유닛(4)은 유압장치(64)의 동작을 제어하기 위한 제어부(34)와, 외부 풍속을 측정하여 얻어진 풍속값을 제어부(34)로 전달하는 풍속감지센서(35)를 더 구비한다. 풍속감지센서(35) 외부의 풍속을 직접 측정하도록 마련될 수도 있으며, 회전축(2)의 회전속도를 측정값을 가지고 풍속을 계산하는 방식으로 외부 풍속을 간접적인 방식으로 측정하도록 마련될 수도 있다.

제어부(34)는 풍속감지센서(35)로부터 전달받은 풍속 측정값을 미리 정해 놓은 풍속 기준값과 비교하여 풍속 측정값이 풍속 기준값보다 클 경우에는 축부(1a)가 날개부(1b)에 가해지는 풍압이 감소하는 방향으로 회전하도록 내축(2a)을 동작시키고, 반대로 풍속 측정값이 풍속 기준값보다 작을 경우에는 축부(1a)가 날개부(1b)에 가해지는 풍압이 증가하는 방향으로 회전하도록 내축(2a)의 동작을 제어하게 된다. 또 제어부(34)는 풍속 기준값을 벗어났던 풍속이 다시 풍속 기준값 범위 내로 들어오게 되면, 날개부(1b)가 미리 셋팅되어 있던 상태로 복귀하는 방향으로 축부(1a)가 회전하도록 내축(2a)의 동작을 제어하게 된다.

일례로 풍속 기준값은 3m/s~20m/s 범위로 정해질 수 있으며, 풍속 기중값 범위 내에서 피스톤(62)이 진퇴 운동이 제한되도록 실린더(61) 내부 디스크(62a) 양쪽으로는 균일한 유압이 가해지도록 할 수 있다. 그리고 날개부(1b)의 위치는 내축(2a)이 전진할 때 축부(1a)가 날개부(1b)에 가해지는 풍압이 증가하는 방향으로 회전하고, 반대로 내축(2a)이 후진할 때 축부(1a)가 날개부(1b)에 가해지는 풍압이 감소하는 방향으로 회전하도록 미리 셋팅될 수 있다.

이러한 가정 하에 피치조절유닛(4)에 의한 블레이드(1)의 피치조절구조를 설명하면 다음과 같다. 도 5의 상태는 외부 풍속이 풍속 기준값 범위 내에 있어 진퇴기구(33)의 동작 없이 블레이드(1)와 회전축(2)이 적정 속도의 바람에 의해 회전되고 있는 상태라고 볼 수 있다.

도 5의 상태에서 제어부(34)를 통해 수신된 풍속 측정값이 풍속 기준값보다 작을 경우, 일례로 풍속이 1m/s 이하 정도로 작을 경우, 제어부(34)는 도 6에 도시된 바와 같이, 실린더(61) 내부의 디스크(62a) 후방 쪽의 유압이 전방 쪽 유압보다 커지도록 유압장치(64)를 구동시키게 된다. 그럼 피스톤(62)은 전진하면서 진퇴축(63)을 통해 내축(2a)을 전방 쪽으로 밀어 전진시키게 되며, 이때 이루어지는 래크기어(31)와 피니언 기어(32) 사이의 기어작용을 통해 축부(1a)는 날개부(1b)에 가해지는 풍압이 증가하는 방향으로 회전하게 된다.

축부(1a)가 날개부(1b)에 가해지는 풍압이 최대로 증가하도록 회전된 상태에서도 변속기(미도시)를 통해 증속된 발전축(6)의 속도가 발전효율을 고려한 적정 속도에 미달될 경우, 발전축(6)의 저감된 토크에 적합한 정도의 발전작용이 이루어지도록 복수의 발전기 중에는 일부만 구동되도록 할 수 있다.

이 상태에서 다시 풍속이 기준값 범위 내로 들어오게 되면, 제어부(34)는 다시 디스크(62a) 전방 쪽 유압이 증가하도록 유압장치(64)를 구동시켜 내축(2a)을 후진시킴으로써, 날개부(1b)가 미리 셋팅되어 있던 도 5의 상태로 전환되도록 한다.

또한 반대로 도 5의 상태에서 제어부(34)를 통해 수신된 풍속 측정값이 풍속 기준값보다 클 경우, 일례로 풍속이 30m/s 이상으로 클 경우, 제어부(34)는 도 7에 도시된 바와 같이, 실린더(61) 내부의 디스크(62a) 전방 쪽의 유압이 후방 쪽 유압보다 커지도록 유압장치(64)를 구동시키게 된다. 그럼 피스톤(62)은 후진하면서 진퇴축(63)을 통해 내축(2a)을 후방 쪽으로 끌어당겨 후진시키게 되며, 이때 이루어지는 래크기어(31)와 피니언 기어(32) 사이의 기어작용을 통해 축부(1a)는 날개부(1b)에 가해지는 풍압이 감소하는 방향으로 회전하게 된다.

축부(1a)가 날개부(1b)에 가해지는 풍압이 최대로 감소하도록 회전된 상태에서도 회전축(2)의 회전속도가 발전효율에 적합한 적정 속도를 초과하게 될 경우, 변속기(미도시)는 기어비를 바꾸어 발전축(6)의 속도를 적정치 수준으로 저감시킬 수 있다.

이 상태에서 다시 풍속이 기준값 범위 내로 들어오게 되면, 제어부(34)는 다시 디스크(32a) 후방 쪽 유압이 증가하도록 유압장치(64)를 구동시켜 내축(2a)을 전진시킴으로써, 날개부(1b)가 미리 셋팅되어 있던 도 5의 상태로 전환되도록 한다.

이와 같이 본 실시예에 따른 풍력발전장치는 풍속이 강할 경우에는 풍압을 받는 블레이드(1)의 면적이 줄어들도록 하고, 반대로 풍속이 약할 경우에는 풍압을 받는 블레이드(1)의 면적이 커지도록 블레이드(1)의 경사각을 가변시킴으로써, 풍속 변화시에도 안정적인 발전 작용을 지속적으로 수행할 수 있게 된다.

그리고 블레이드(1)의 피치조절 동작 중 진퇴기구(33)의 진퇴축(63)은 단순히 진퇴방향으로만 힘을 받게 되는 반면, 진퇴축(63)과 연결된 내축(2a)은 블레이드(1)와 함께 회전하면서 진퇴동작을 수행하게 되므로, 진퇴축(63)과 내축 연장부(42) 사이에는 내축(2a)의 회전에 따른 마찰력이 작용하게 될 수 있고, 이러한 마찰력은 회전축(2)의 회전효율을 저하시킬 우려가 있다.

따라서 이를 해결하기 위해 진퇴축(63)과 내축 연장부(42) 사이에는 상기 내축(2a)의 회전운동에 의한 내축 연장부(42)와 진퇴축(63) 간의 마찰을 억제하기 위한 마찰저감부재(70)가 마련된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 마찰저감부재(70)는 진퇴축(63) 끝단에 설치되는 베어링(71)과, 베어링(71)이 고정되도록 설치되며 내축 연장부(42) 끝단에 연결되도록 마련된 베어링 하우징(72)으로 구성된다. 이러한 마찰저감부재(70)는 진퇴축(63)을 회전 가능하게 지지한 상태에서 내축 연장부(42)에 연결시킴으로써, 블레이드(1)의 피치조절 동작시 진퇴축(63)과 내축 연장부(42) 간의 마찰을 억제하게 된다. 마찰저감부재(70)에 의해 진퇴축(63)과 내축 연장부(42) 사이가 연결되도록 베어링 하우징(72)과 내축 연장부(42) 끝단에는 각각 반경방향으로 플랜지(72a,42a)가 연장되고, 플랜지(72a,42a) 사이는 체결부재(s)를 통해 고정될 수 있다.

한편, 피치조절유닛(4)을 구비하는 풍력발전장치는 내축(2a)의 진퇴운동에 따른 충격을 완충시키기 위한 완충기구(8)를 함께 구비함으로써, 장치의 전반적인 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

완충기구(8)는 내축(2a)의 진퇴 방향과 반대방향으로 작동하는 점성유체의 유압을 통해 내축(2a)의 진퇴충격을 감쇠시키는 오일댐퍼(80)를 포함하도록 구성된다.

도 9a와 도 9b에 도시된 바와 같이, 오일댐퍼(80)는 내축(2a)의 기어설치부(41)를 감싸도록 외축(2b) 중앙의 오일충진부(51)의 내부공간을 통해 형성되는 것으로, 점성유체가 충진되는 오일챔버(81)를 구비하며, 오일챔버(81)는 외축(2b)과 내축(2a) 간의 간격에 있어서 기어설치부(41)의 단부 쪽을 감싸는 축방향 양단 쪽이 피니언 기어(32)들과 축부(1a)들을 수용하는 중앙 쪽보다 더 좁게 형성되도록 마련된다.

따라서 오일챔버(81) 내부에서는 내축(2a)의 진퇴동작시 내축(2a)의 진퇴 방향과 반대방향으로 점성유체의 흐름이 형성되며, 이에 따라 점성유체의 유압에 의해 내축(2a)의 진퇴충격을 감쇠시킬 수 있게 된다. 도 9에 있어서 화살표는 내축(2a)의 진퇴 동작에 따른 점성유체의 흐름방향을 가리킨다.

또 이와 같이 오일챔버(81)가 피치조절유닛(4)의 피니언 기어(32)와 래크기어(31) 주변을 감싸도록 마련된 구조에서는 축부(1a)의 회전운동은 물론 피니언 기어(32)와 래크기어(31) 간의 이물림 동작이 점성유체를 통해 보다 안정적인 상태에서 이루어지게 되므로, 피치조절유닛(4)의 신뢰성도 더욱 높일 수 있게 된다.

내축 연장부(42)의 슬라이딩을 허용하도록 오일충진부(51) 양단에는 슬라이딩구멍(51e)이 마련되는데, 오일댐퍼(80)는 이러한 슬라이딩구멍(51e)의 내주와, 블레이드(1)의 축부(1a)가 통과하도록 상기 커버(51b)에 형성된 관통공(51c) 내주에 각각 설치된 실링부재(82,83)을 더 구비하여 오일챔버(81) 내부의 점성유체가 슬라이딩구멍(51e)과 내축 연장부(42) 사이나, 관통공(51c)과 축부(1a) 사이를 통해 외부로 누설되는 것을 차단하게 된다.

또한 완충기구(8)는 내축(2a)의 진퇴 동작에 따른 충격완화 효과를 더욱 높일 수 있도록 내축(2a) 양단을 각각 탄성적으로 지지하도록 마련된 한 쌍의 탄성부재(91,92)를 더 포함할 수 있다.

내축(2a) 양단에 설치되는 한 쌍의 탄성부재(91,92)는 내축(2a)을 날개부(1b)에 가해지는 풍압이 증가하는 방향으로 탄성지지하는 제1탄성부재(91)와, 내축(2a)을 상기 날개부(1b)에 가해지는 풍압이 감소하는 방향으로 탄성지지하는 제2탄성부재(92)로 구분될 수 있으며, 풍속이 낮아지는 과정에서 내축(2a)이 날개부(1b)에 가해지는 풍압이 증가하는 방향으로 이동하는데 유리하도록 제1 및 제2탄성부재(91,92) 중에는 제1탄성부재(91)가 제2탄성부재(92)보다 큰 탄성력을 갖도록 마련되는 것이 바람직하다. 이러한 제1 및 제2탄성부재(91,92)는 내축(2a)의 길이방향으로 탄성력을 발휘하는 코일스프링으로 마련될 수 있다.

다시 도 5를 참고하면, 제2탄성부재(92)는 내축(2a)의 선단을 탄성지지하기 위해 전방 쪽 외측 연장부(42) 내부에 수용되도록 설치될 수 있다. 그리고 제1탄성부재(91)의 설치를 위해 피스톤(62)의 선단에는 진퇴축(63)의 끝단을 진퇴 가능하게 수용하기 위한 수용공간(62a)이 형성될 수 있다. 진퇴축(63) 끝단에는 수용공간(62a)의 입구 쪽 걸림턱(62b)에 걸리도록 반경방향으로 연장된 걸림부(63a)가 마련될 수 있으며, 제1탄성부재(91)는 길이방향 양단이 수용공간(62a) 안쪽 내벽과 진퇴축(63)의 걸림부(63a) 사이에 지지된 상태로 수용공간(62a)에 설치될 수 있다.

1: 블레이드 1a: 축부
1b: 날개부 2: 회전축
2a: 내축 2b: 외축
3: 타워 4: 피치조절유닛
5: 하우징 8: 완충기구
10: 제1연결유닛 11: 연결몸체
11a: 제1연결부재 12: 베어링
20: 제2연결유닛 21: 제2연결부재
31: 래크기어 32: 피니언 기어
33: 진퇴기구 34: 제어부
35: 풍속감지센서 41: 기어설치부
42: 내축 연장부 51: 오일충진부
52: 외축 연장부 61: 실린더
62: 피스톤 62a: 디스크
63: 진퇴축 64: 유압장치
70: 마찰저감부재 80: 오일댐퍼
81: 오일챔버 82,83: 실링부재
91: 제1탄성부재 92: 제2탄성부재

Claims (12)

1. 회전축과, 풍력에 의해 상기 회전축을 회전시키도록 상기 회전축 둘레에 마련된 복수의 블레이드와, 풍속 변화에 따라 상기 블레이드의 각도를 조절하도록 마련된 피치조절유닛을 구비하는 풍력발전장치에 있어서,
   상기 블레이드는 상기 회전축 둘레에 회전 가능하게 설치된 축부와, 상기 축부에 연결된 날개부를 포함하고,
   복수의 상기 축부를 각각 회전가능하게 지지한 상태에서 상호 일체로 연결하는 제1연결유닛을 포함하며,
   상기 회전축은 축방향으로 진퇴 가능하도록 안쪽에 마련된 내축과, 상기 내축을 감싸도록 마련된 외축을 포함하고,
   상기 피치조절유닛은 톱니가 상기 회전축의 길이방향을 따라 배열되도록 상기 내축 외면에 상기 블레이드의 수에 대응하도록 마련된 복수의 래크기어와, 상기 래크기어에 기어결합하도록 각각의 상기 축부 둘레에 마련된 복수의 피니언 기어와, 풍속 크기에 따라 상기 축부가 상기 날개부에 가해지는 풍압이 증가 또는 감소하는 방향으로 회전하도록 상기 내축을 진퇴시키는 진퇴기구를 포함하며,
   상기 진퇴기구는 상기 내축을 밀거나 당기도록 상기 회전축의 축방향으로 연장된 진퇴축을 포함하고,
   상기 진퇴축과 상기 내축 사이에는 회전동작하는 상기 내축과 상기 진퇴축 사이의 마찰을 억제하도록 상기 진퇴축을 회전 가능하게 지지한 상태에서 상기 내축에 연결시키는 마찰저감부재가 마련된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1연결유닛은 상기 날개부 쪽 상기 축부의 각 끝단 사이를 연결하는 고리형태의 연결몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제1연결유닛은 상기 축부를 회전 가능하게 지지하도록 상기 연결몸체에 마련된 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제1연결유닛의 연결몸체와 상기 회전축 사이를 일체로 연결하는 제2연결유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 제2연결유닛은 상기 연결몸체에서 원주방향을 따라 이격된 복수개의 지점과 상기 회전축 사이를 연결하는 복수의 연결부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
   
   
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 회전축과, 풍력에 의해 상기 회전축을 회전시키도록 상기 회전축 둘레에 마련된 복수의 블레이드와, 풍속 변화에 따라 상기 블레이드의 각도를 조절하도록 마련된 피치조절유닛을 구비하는 풍력발전장치에 있어서,
   상기 블레이드는 상기 회전축 둘레에 회전 가능하게 설치된 축부와, 상기 축부에 연결된 날개부를 포함하고,
   복수의 상기 축부를 각각 회전가능하게 지지한 상태에서 상호 일체로 연결하는 제1연결유닛을 포함하며,
   상기 회전축은 축방향으로 진퇴 가능하도록 안쪽에 마련된 내축과, 상기 내축을 감싸도록 마련된 외축을 포함하고,
   상기 피치조절유닛은 톱니가 상기 회전축의 길이방향을 따라 배열되도록 상기 내축 외면에 상기 블레이드의 수에 대응하도록 마련된 복수의 래크기어와, 상기 래크기어에 기어결합하도록 각각의 상기 축부 둘레에 마련된 복수의 피니언 기어와, 풍속 크기에 따라 상기 축부가 상기 날개부에 가해지는 풍압이 증가 또는 감소하는 방향으로 회전하도록 상기 내축을 진퇴시키는 진퇴기구를 포함하며,
   상기 내축의 진퇴운동에 따른 충격을 완충시키기 위한 완충기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 완충기구는 상기 내축의 진퇴 방향과 반대방향으로 작동하는 점성유체유압을 통해 상기 내축의 진퇴충격을 감쇠시키는 오일댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 오일댐퍼는 상기 외축과 내축의 일부구간 사이에 오일을 충진하여 마련된 오일챔버를 포함하며,
    상기 오일챔버 쪽 상기 외축과 내축과의 간격은 축방향 양단 쪽이 중앙 쪽보다 더 좁게 마련된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
11. 제 8항에 있어서,
    상기 완충기구는 상기 내축을 각각 상기 날개부에 가해지는 풍압이 증가하는 방향과 감소하는 방향으로 탄성지지하도록 마련된 한 쌍의 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
12. 제 11항에 있어서,
    한 쌍의 상기 탄성부재는 상기 내축을 상기 날개부에 가해지는 풍압이 증가하는 방향으로 탄성지지하는 제1탄성부재와, 상기 내축을 상기 날개부에 가해지는 풍압이 감소하는 방향으로 탄성지지하는 제2탄성부재로 구분되고,
    상기 제1탄성부재는 제2탄성부재보다 큰 탄성력을 갖도록 마련된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.

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