KR101403704B1 - 풍력발전 시스템 - Google Patents

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KR101403704B1
KR101403704B1 KR1020120055008A KR20120055008A KR101403704B1 KR 101403704 B1 KR101403704 B1 KR 101403704B1 KR 1020120055008 A KR1020120055008 A KR 1020120055008A KR 20120055008 A KR20120055008 A KR 20120055008A KR 101403704 B1 KR101403704 B1 KR 101403704B1
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Abstract

본 발명은 소형 풍력발전 블레이드의 피치각을 개별적으로 조절하여 블레이드에 가해지는 풍하중을 저감시킬 수 있는 피치조절수단이 장착된 풍력발전 시스템에 관한 것으로, 지면에 수직으로 설치되는 주축과, 상기 주축에 고정되는 허브와, 상기 허브에 방사형으로 고정되는 복수의 블레이드 및 상기 각각의 블레이드에 장착되어 블레이드의 회전각이 변화되도록 회전동력을 발생시키는 피치조절수단을 포함하여 바람에 의해 전력을 발전시키되, 상기 피치조절수단은 상기 블레이드의 내부에 수용되는 액츄에이터와, 상기 액츄에이터와 상기 블레이드를 연결하는 블레이드 연결부와, 상기 액츄에이터의 회전축과 상기 허브를 연결하는 허브 연결부를 포함하며, 상기 액츄에이터의 회전축은 상기 허브에 고정되고, 상기 블레이드에 수용된 액츄에이터의 몸체가 상기 블레이드와 함께 회전한다.

Description

풍력발전 시스템{WIND TURBINE SYSTEM}
본 발명은 풍력발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소형 풍력발전 블레이드의 피치각을 개별적으로 조절하여 블레이드에 가해지는 풍하중을 저감시킬 수 있는 피치조절수단이 장착된 풍력발전 시스템에 관한 것이다.
풍력발전 시스템은 여러 가지 형태의 풍차를 이용하여 바람 에너지를 기계적에너지로 변환하고, 이 기계적 에너지를 발전기로 구동하여 전력을 얻어내는 시스템이다. 부존 자원인 바람을 동력원으로 하기 때문에 연료의 운반과 공급이 불필요한 무한정의 청정에너지원이며, 기존의 화석연료나 우라늄 등을 이용한 발전방식과 달리 발열에 의한 열공해나 방사능 누출, 대기오염 등이 없는 무공해 발전방식이다.
근래 들어, 풍력발전기가 대형화가 됨에 따라 풍력 발전기가 받게 되는 하중으로 인해 기계적인 하중이 증가되게 되고 발생되는 하중을 저감하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 그 중 날개의 피치각(Pitch angle)을 개별적으로 조절하는 제어방식 IPC(Individual Pitch Control, 개별 피치제어 기술)와 풍력발전기 일부에 국부적인 유동변화를 일으키는 장치를 설치하여 하중을 줄이는 방식들이 있다.
상기와 같은 기술들은 풍속에 따라 블레이드의 피치각도를 조절하여 회전속도와 출력을 조절하고, 또한 블레이드가 받는 하중을 저감시키는데 사용된다. 하지만 일반적인 소형 풍력발전기에서는 대형 풍력발전기와 같이 허브에 블레이드의 피치 구동을 위한 모터와 컨트롤러를 설치하기 위한 충분한 공간이 없게 된다. 따라서, 현재 상용화 되어있는 소형 풍력발전기의 경우 블레이드의 피치각을 조절할 수 있는 피치시스템이 없이 구동되도록 되어있는데, 이 점은 블레이드에 작용하는 풍하중을 저감시킬 수 없기 때문에 풍력발전기의 수명을 저감시키는 요인으로 작용한다.
상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 풍력발전기에 장착된 블레이드의 개별적인 피치제어 즉, IPC가 가능해짐에 따라 풍력발전기의 이용률 및 가동률을 낮추지 않으면서도 블레이드에 가해지는 하중을 저감시켜 풍력발전기를 보호할 수 있는 풍력발전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 블레이드의 탈부착이 쉽게 이루질 수 있어 간단한 부품 교체만 이루어진다면 공력특성이 다른 모든 소형 풍력발전기 블레이드에도 설치가 용이하여 다양한 방식의 소형 풍력발전기에 적용 가능한 풍력발전 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전 시스템은 지면에 수직으로 설치되는 주축과, 상기 주축에 고정되는 허브와, 상기 허브에 방사형으로 고정되는 복수의 블레이드 및 상기 각각의 블레이드에 장착되어 블레이드의 회전각이 변화되도록 회전동력을 발생시키는 피치조절수단을 포함하여 바람에 의해 전력을 발전시키되, 상기 피치조절수단은 상기 블레이드의 내부에 수용되는 액츄에이터와, 상기 액츄에이터와 상기 블레이드를 연결하는 블레이드 연결부와, 상기 액츄에이터의 회전축과 상기 허브를 연결하는 허브 연결부를 포함하며, 상기 액츄에이터의 회전축은 상기 허브에 고정되고, 상기 블레이드에 수용된 액츄에이터의 몸체가 상기 블레이드와 함께 회전한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 블레이드 연결부는 중공을 형성하여 상기 액츄에이터를 상기 중공에 끼워 고정하고, 외측면은 상기 블레이드에 끼워져 고정되는 제1 연결부재와, 상기 제1 연결부재와 연결되며, 중심부에 축공을 형성하여 상기 액츄에이터의 회전축이 통과되는 제2 연결부재를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 제1 연결부재의 외측 표면에는 상기 블레이드와의 결속력을 높이기 위해 요철이 형성되고, 내측면에는 상기 제2 연결부재에 끼워진 액츄에이터의 도선이 빠져나가도록 도선홈이 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 제1 연결부재와 제2 연결부재는 상호 체결이 이루어지도록 상로 접하는일단부에 플랜지를 형성하고, 상기 플랜지에는 상기 액츄에이터의 도선이 빠져나가도록 도선홈이 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 허브 연결부는, 축 형태를 취하며 일측에 상기 액츄에이터의 회전축이 끼워지는 고정홈이 축방향으로 형성되고, 타측은 상기 허브에 고정되는 제3 연결부재와, 측면과 바닥면으로 형성된 용기의 형태를 취하며 바닥면에는 상기 제3 연결부재가 끼워지는 통공이 형성된 제4 연결부재와, 상기 제3 연결부재와 제4 연결부재 사이에 끼워지는 베어링을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 제2 연결부재와 제4 연결부재는 상호 마주하는 일측 단부에 상호 맞물림되는 요철을 형성한다.
본 발명 풍력발전 시스템에 따르면 소형 풍력발전기에 장착된 블레이드의 개별적인 피치제어 즉, IPC가 가능해짐에 따라 풍력발전기의 이용률 및 가동률을 낮추지 않으면서도 블레이드에 가해지는 하중을 저감시켜 풍력발전기를 보호할 수 있는 효과가 있다.
또한, 블레이드에서의 탈부착이 쉽게 이루질 수 있고, 간단한 부품 교체만 이루어진다면 공력특성이 다른 모든 소형 풍력발전기 블레이드에도 설치가 용이하여 다양한 방식의 소형 풍력발전기에 적용 가능하며, 상업용 소형 풍력발전기 뿐만 아니라, 연구용 소형풍력발전기, 즉, 대형 풍력발전기를 축소모델로 제작하여 날개 하중저감이나, 출력제어를 위한 알고리즘을 개발하는데 적용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 제1 연결부재의 사시도,
도 2는 제2 연결부재의 사시도,
도 3은 블레이드 연결부와 액츄에이터가 결합된 모습을 보인 사시도,
도 4는 제3 연결부재의 사시도,
도 5는 제4 연결부재의 저면 사시도,
도 6은 허브 연결부의 사시도,
도 7은 피치조절수단의 사시도,
도 8은 허브의 사시도,
도 9는 피치조절수단이 허브에 장착된 모습을 보인 사시도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 제1 연결부재의 사시도이고, 도 2는 제2 연결부재의 사시도이며, 도 3은 블레이드 연결부와 액츄에이터가 결합된 모습을 보인 사시도이고, 도 4는 제3 연결부재의 사시도이며, 도 5는 제4 연결부재의 사시도이고, 도 6은 허브 연결부의 사시도이며, 도 7은 피치조절수단의 사시도이고, 도 8은 허브의 사시도이며, 도 9는 피치조절수단이 허브에 장착된 모습을 보인 사시도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전 시스템은 지면에 수직으로 설치되는 주축과, 상기 주축에 고정되는 허브(20)와, 상기 허브(20)에 방사형으로 고정되는 복수의 블레이드 및 상기 각각의 블레이드에 장착되어 블레이드의 회전각이 변화되도록 회전동력을 발생시키는 피치조절수단(40)을 포함한다. 상기 피치조절수단(40)은 상기 블레이드의 내부에 수용되는 액츄에이터(100)와, 상기 액츄에이터(100)와 상기 블레이드를 연결하는 블레이드 연결부(200)와, 상기 액츄에이터(100)의 회전축과 상기 허브(20)를 연결하는 허브 연결부(300)를 포함하며, 상기 액츄에이터(100)의 회전축은 상기 허브(20)에 고정되고, 상기 블레이드에 수용된 액츄에이터(100)의 몸체(120)가 상기 블레이드와 함께 회전한다.
근래에 들어 풍력발전기의 설치 위치가 육지에서 해상으로 점차 바뀌면서 접근성이 악화되어 풍력발전시스템의 유지 보수가 더욱 어려워지게 되었다. 따라서 이러한 문제점을 해결하고, 풍력발전기의 기대수명을 연장하기 위해 풍력발전기 블레이드에 가해지는 풍하중을 저감시키는 블레이드의 피치각도 조절에 관한 제어 알고리즘의 연구가 활발하다.
상기와 같은 본 발명 소형 풍력발전기의 피치 조절 시스템에 따르면, 블레이드가 받는 하중을 줄이기 위해 소형풍력 발전기에서도 IPC(Individual Pitch Control, 개별 피치제어 기술)가 가능하도록 그에 필요한 피치 시스템을 구형함에 따라, 상업용 소형 풍력발전기 뿐만아니라, 연구용 소형풍력발전기, 즉, 대형 풍력발전기를 축소모델로 제작하여 날개 하중저감이나, 출력제어를 위한 알고리즘을 개발하는데 적용될 수 있다.
즉, 본 발명은 대형 풍력발전기뿐 아니라 소형풍력발전기에 장착된 블레이드의 피치 각을 조절할 수 있도록 한다. 소형 풍력발전기의 경우, 블레이드의 피치 시스템을 설치하기 위해 필요한 공간이 허브(20)에 형성하기 어렵기 때문에 그 대한 대안으로 액츄에이터(100)를 블레이드의 내부로 삽입하여 구동한다. 따라서, 본 발명이 적용되는 블레이드의 경우, 내부에 액츄에이터(100)가 수용되는 수용홈을 형성한다.
상기 허브(20)는 상기 피치조절수단(40) 및 블레이드가 방사형으로 고정될 수 있도록 외측표면에 내측으로 요입된 체결홈(21)을 복수개 형성하고, 지면에 고정된 주축과 허브를 연결하는 연결축(50)이 수평방향으로 연결 가능하도록 전방 또는 후방에 연결구(22)를 형성한다.
피치조절수단(40)은 액츄에이터(100) 그리고 복수의 연결부(200, 300)들로 구성된다. 먼저, 상기 액츄에이터(100)는 회전동력을 발생하는 것으로, 모터 등으로 구비될 수 있으며, 특히 블레이드내부에 수용이 용이하도록 소형의 BLDC(Brushless DC) 모터로 구비될 수 있다. 연결부(200, 300)는 블레이드내부에 삽입되고 블레이드와 액츄에이터(100)를 연결하는 블레이드 연결부(200)와, 액츄에이터(100)의 회전축과 상기 허브(20)를 연결하는 허브 연결부(300)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 블레이드 연결부(200)는 중심부에 중공(211)을 형성하여 상기 액츄에이터(100)를 상기 중공(211)에 끼워 고정하고, 외측면은 상기 블레이드에 끼워져 고정되는 제1 연결부재(210)와, 상기 제1 연결부재(210)와 연결되며, 중심부에 상기 액츄에이터(100)의 회전축이 통과되는 축공(221)을 형성된 제2 연결부재(220)를 포함한다. 상기의 경우 블레이드에는 상기 제1 연결부재(210)가 끼워져 고정되는 고정용 홈이 별도로 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 제1 연결부재(210)의 외측 표면에는 상기 블레이드와의 결속력을 높이기 위해 요철(212)이 형성되고, 내측면에는 상기 제2 연결부재(220)에 끼워진 액츄에이터(100)의 도선이 빠져나가도록 도선홈(213)이 형성된다. 상기 도선홈(213)은 양측에 나란히 내측으로 요입 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 제1 연결부재(210)와 제2 연결부재(220)는 상호 체결이 이루어지도록 상로 접하는 일단부에 플랜지(214, 222)를 형성하고, 상기 플랜지(214,222)에는 상기 액츄에이터(100)의 도선이 빠져나가도록 도선홈(215,223)이 형성된다. 상기 플랜지(214,222)에는 볼트체결을 위한 복수의 홀이 형성되고, 상기 홀에 볼트를 끼워 상기 제1 연결부재(210)와 제2 연결부재(220)는 상호 체결가능하다. 상기 도선홈(215,223)은 양측에 나란히 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 허브 연결부(300)는 축 형태를 취하며 일측에 상기 액츄에이터(100)의 회전축이 끼워지는 고정홈(311)이 축방향으로 형성되고, 타측은 상기 허브(20)에 고정되는 제3 연결부재(310)와, 측면(321)과 바닥면(322)으로 형성된 용기의 형태를 취하며 바닥면(322)에는 상기 제3 연결부재(310)가 끼워지는 통공(323)이 형성된 제4 연결부재(320)와, 상기 제3 연결부재(310)와 제4 연결부재(320) 사이에 끼워지는 베어링(330)을 포함한다. 제3 연결부재(310)는 액츄에이터(100)의 회전축과 연결되어 그 회전력을 전달한다.
상기 베어링(330)은 앵귤러 볼 베어링으로 구비될 수 있다. 따라서, 상기 제3연결부재(310)와 제4 연결부재(320)의 마찰력을 최소화할 수 있다. 한편, 상기 제3 연결부재(310)에는 베어링(330)의 상단을 지지할 수 있도록 일측 상부에 외측으로 돌출된 플랜지(312)를 형성할 수 있다. 따라서, 상기 베어링(330)은 상기 플랜지(312)와 제4연결부재(320) 사이에 끼워진다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 제2 연결부재(220)와 제4 연결부재(320)는 상호 마주하는 일측 단부에 상호 맞물림되는 요철(224, 324)을 형성한다.또한, 상기 제2 연결부재(220)와 제4 연결부재(320)는 요철(224, 324)이 맞물림된 상태에서 상호 체결이 가능하도록 복수의 홀이 형성될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 공력특성이 다른 블레이드를 설치함에 따라 소형 풍력발전기의 성능을 쉽게 실험적으로 확인할 수 있다. 제작된 소형풍력 발전기 피치시스템은 대형 풍력발전기가 가진 다양한 운동 특성(피치제어)을 구현할 수 있는데, 이는 실제 대형 풍력발전기를 위해 개발되는 제어 알고리즘을 실제 사용되는 대형 풍력발전기에 바로 적용시키기 전에 소형풍력발전기에 적용하여 실험할 수 있는 테스트 베드의 역할을 가능하게 함으로써 제작된 제어 알고리즘의 신뢰성 및 견고성을 실험적으로 검토하는데 적용 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
20 : 허브
40 : 피치조절수단
100 : 액츄에이터
120 : 몸체
200 : 블레이드 연결부
210 : 제1 연결부재
211 : 중공
220 : 제2 연결부재
221 : 축공
300 : 허브 연결부
310 : 제3 연결부재
320 : 제4 연결부재

Claims (6)

  1. 지면에 수직으로 설치되는 주축과, 상기 주축에 고정되는 허브와, 상기 허브에 방사형으로 고정되는 복수의 블레이드 및 상기 각각의 블레이드에 장착되어 블레이드의 회전각이 변화되도록 회전동력을 발생시키는 피치조절수단을 포함하여 바람에 의해 전력을 발전시키는 풍력발전 시스템에 있어서,
    상기 피치조절수단은:
    상기 블레이드의 내부에 수용되는 액츄에이터;
    상기 액츄에이터와 상기 블레이드를 연결하는 블레이드 연결부;
    상기 액츄에이터의 회전축과 상기 허브를 연결하는 허브 연결부;를 포함하며, 상기 액츄에이터의 회전축은 상기 허브에 고정되고, 상기 블레이드에 수용된 액츄에이터의 몸체가 상기 블레이드와 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 블레이드 연결부는:
    중공을 형성하여 상기 액츄에이터를 상기 중공에 끼워 고정하고, 외측면은 상기 블레이드에 끼워져 고정되는 제1 연결부재;
    상기 제1 연결부재와 연결되며, 중심부에 축공을 형성하여 상기 액츄에이터의 회전축이 통과되는 제2 연결부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 연결부재의 외측 표면에는 상기 블레이드와의 결속력을 높이기 위해 요철이 형성되고, 상기 제2 연결부재에 끼워진 액츄에이터의 도선이 빠져나가도록 내측면에 도선홈이 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 연결부재와 제2 연결부재는 상호 체결이 이루어지도록 상호 접하는일단부에 플랜지를 형성하고, 상기 플랜지에는 상기 액츄에이터의 도선이 빠져나가도록 도선홈이 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 허브 연결부는:
    축 형태를 취하며 일측에 상기 액츄에이터의 회전축이 끼워지는 고정홈이 축방향으로 형성되고, 타측은 상기 허브에 고정되는 제3 연결부재;
    측면과 바닥면으로 형성된 용기의 형태를 취하며 바닥면에는 상기 제3 연결부재가 끼워지는 통공이 형성된 제4 연결부재;
    상기 제3 연결부재와 제4 연결부재 사이에 끼워지는 베어링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템.
  6. 삭제
KR1020120055008A 2012-04-05 2012-05-23 풍력발전 시스템 KR101403704B1 (ko)

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