KR101435379B1 - 풍력 발전기의 제동장치 - Google Patents

Abstract

풍력 발전기의 제동장치가 개시된다. 풍력 발전기의 제동장치는, 풍력 발전기의 로터를 지지하는 메인 샤프트의 내부를 통과하여 로터 허브 방향으로 연장되게 설치되며 메인 샤프트의 길이 방향을 따라 슬라이딩 가능하게 설치되는 고정축과, 고정축의 일단을 로터 허브 방향으로 선택적으로 가압하여 고정축이 메인 샤프트의 내부에서 슬라이딩되도록 하는 가압부와, 고정축의 타단에 설치되어 함께 슬라이딩되는 제1 기어와, 가압부의 작동시 제1 기어에 치합되어 회전되는 제2 기어가 일단에 설치되며 타단에는 블레이드의 랙기어에 치합된 제3 기어가 설치되는 바디부를 포함하여 로터의 회전력을 블레이드로 전달하는 회전력 전달부를 포함한다.

Description

풍력 발전기의 제동장치{BRAKING APPARATUS FOR WIND POWER SYSTEM}

본 발명은 풍력 발전기의 비상 상황시 비상 제동이 가능한 풍력발전기의 제동장치에 관한 것이다.

일반적으로 풍력 발전기의 비상 상황 발생시에 풍력 발전기의 계속적인 터빈 회전이 발생되면 설비 손상이 발생될 수 있다. 따라서 풍력 발전기의 정전, 피치 시스템의 고장과, 오버 스피드(over speed), 전력 과부하(over power) 및 주제어기의 고장 등의 비상 상황이 발생하는 경우에는 풍력 발전기의 손상을 방지하기 위해 긴급 제동이 필요하다.

이러한 풍력 발전기의 긴급 제동을 위하여, 주제어기와 독립적으로 유압 저장장치 또는 배터리를 이용하여 에너지를 저장함으로써, 풍력 발전기의 비상 상황 발생시에 에너지를 방출하여 풍력 터빈 블레이드의 각도를 페더(feather) 상태로 풍력 터빈을 비상 제동한다.

그러나 전술한 유압 저장장치 또는 배터리를 이용한 에너지 저장 방법은, 에너지를 저장하는 유압 저장장치 또는 배터리에 문제가 발생하거나 교류 피치 모터를 사용시 필수 불가결한 인버터에 문제가 생기면 풍력 터빈의 블레이드 각도가 페더(feather) 상태로 전환되지 않는 문제점이 있다.

특히, 에너지 저장부에서 문제가 많이 발생할 수 있으며, 이러한 경우에는 로터가 회전할 때 액체의 유동이 발생하고 지속적인 액체의 유동이 에너지 저장부에 문제를 일으킬 수 있다. 그리고 배터리 또는 유압 저장장치 모두 온도에 의해 많은 영향을 받음으로써, 온도가 낮은 상황에서는 성능이 급격히 저하되어 풍력 터빈의 긴급 제동 작동이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 있다.

그리고, 에너지 저장용 배터리 및 유압 저장장치는 로터 허브 내부를 복잡하게 하고, 로터 허브의 질량을 증가시키는 문제점이 있다.

한국공개특허 2012-0092658

본 발명의 일 실시예는 풍력 발전기에 설비 고장 등의 비상 상황이 발생하는 경우 비상 정지시키는 제동장치를 로터 허브 및 메인 샤프트에 설치하고, 로터의 회전 구동력을 이용하여 블레이드를 회전시켜 긴급 제동이 이루어지는 풍력 발전기의 제동장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는, 풍력 발전기의 로터를 지지하는 메인 샤프트의 내부를 통과하여 로터 허브 방향으로 연장되게 설치되며 메인 샤프트의 길이 방향을 따라 슬라이딩 가능하게 설치되는 고정축과, 고정축의 일단을 로터 허브 방향으로 선택적으로 가압하여 고정축이 메인 샤프트의 내부에서 슬라이딩되도록 하는 가압부k와, 고정축의 타단에 설치되어 함께 슬라이딩되는 제1 기어와, 가압부의 작동시 제1 기어에 치합되어 회전되는 제2 기어가 일단에 설치되며 타단에는 블레이드의 랙기어에 치합된 제3 기어가 설치되는 바디부를 포함하여 로터의 회전력을 블레이드로 전달하는 회전력 전달부를 포함한다.

가압부는 고정축의 일단을 가압하는 유압 실린더일 수 있다.

가압부에는 고정축의 일단에 설치되어 유압 실린더의 작동 해제시 고정축이 최초 위치로 위치되도록 탄성력을 제공하는 탄성 스프링이 설치될 수 있다.

제1 기어 및 상기 제2 기어는 웜기어이며, 제3 기어는 블레이드에 설치되는 랙 기어에 치합되는 피니언 기어일 수 있다.

회전력 전달부는 로터 허브의 내부에 제1 기어를 중심으로 방사상으로 복수개 설치될 수 있다.

바디부는, 블레이드의 각도 조절을 위해 설치되는 피치 모터일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 풍력 발전기의 로터의 회전력을 이용하여 블레이드의 각도를 풍력 발전이 이루어지지 않는 페더(feather) 위치로 각도 변경이 이루어지도록 함으로써, 최소한의 간단한 설비를 이용하여 효과적으로 풍력 발전기의 비상 제동 작동이 가능하다.

또한, 풍력 발전기의 비상 제동과정에서 전력 공급이 필요하지 않고 로터의 회전력만을 이용함으로써 정전이 발생되어도 안정적인 비상 제동이 가능하여 안전사고 발생 및 설비 손상이 발생되는 것을 방지하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 제동장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 풍력 발전기의 제동장치의 작동 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 풍력 발전기의 로터 허브에서 제1 내지 제3 기어를 포함하는 회전력 전달부의 설치 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

이하 본 발명의 실시예들에 따른 풍력 발전기의 제동장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 제동장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 풍력 발전기의 제동장치의 작동 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 제동장치(100)는, 풍력 발전기의 로터를 지지하는 메인 샤프트(11)의 내부를 따라 슬라이딩 가능하게 설치되는 고정축(10)과, 고정축(10)이 이동가능하도록 가압력을 제공하는 가압부(20)와, 가압부(20)의 작동에 따른 회전력을 블레이드(14)로 전달하는 회전력 전달부(30)를 포함한다.

본 실시예에서 메인 샤프트(11)는 풍력 발전기의 로터를 지지하는 부분을 말하는 것으로서, 내부에는 빈 공간이 형성된다. 이러한 메인 샤프트(11)의 빈 공간은 풍력 발전기 구동을 위한 전력 케이블이 설치되는 부분이다. 그리고, 메인 샤프트(11)의 내부에는 고정축(10)이 설치된다.

고정축(10)은 메인 샤프트(11)의 내부 공간의 길이 방향을 따라 설치된다. 이러한 고정축(10)의 일단은 후술하는 가압부(20)의 가압력을 전달받아 메인 샤프트(11)의 내부에서 선택적으로 슬라이딩될 수 있다. 한편, 고정축(10)의 타단 즉, 로터 허브(12) 위치에는 제1 기어(16)가 설치된다. 이러한 고정축(10)은 메인 샤프트(11)의 내부에 회전되지 않은 상태로 설치됨으로써, 로터 허브(12)에 대한 상대 속도의 차이가 발생될 수 있도록 설치되는 것이다. 아울러, 고정축(10)과 로터 허브(12)의 사이에는 고정축(10)과 로터 허브(12)의 상대 회전을 원활하게 하기 위한 베어링이 설치되는 것도 가능하다.

제1 기어(16)는 고정축(10)의 단부에 고정되는 것으로서, 본 실시예에서 웜 기어로 설치될 수 있다. 이러한 제1 기어(16)는 후술하는 회전력 전달부(30)의 제2 기어(31)에 치합된다. 이와 같이 제1 기어(16) 및 제2 기어(31)가 설치되는 것은, 회전하지 않는 고정축(10)과 회전하는 로터의 상대 속도 차이에 기인하는 회전 구동력을 블레이드(14)로 전달하기 위한 것이다. 보다 구체적으로 설명하면, 풍력 발전기의 정전등 비상상황의 발생시에 로터는 관성에 의해 일정 시간 계속적으로 회전 구동된다. 그러나 고정축(10)은 메인 샤프트(11)의 내부에서 회전되지 않은 상태로 설치됨으로써 상대 속도의 차이가 발생된다. 따라서, 로터와 고정축(10)의 상대 속도의 차이에 기인한 회전 구동력은 제1 기어(16) 및 제2 기어(31)를 통해 블레이드(14)로 전달된다.

가압부(20)는 풍력 발전기의 너셀의 내부에 설치되는 것으로, 제어부(미도시)의 제어 작동에 의해 작동되어 고정축(10)의 단부를 가압함으로써, 고정축(10)이 로터 허브(12) 방향으로 이동되도록 작동된다. 이와 같이, 가압부(20)가 작동되는 것은, 풍력 발전기의 비상 상황 발생에 의해 긴급 제동이 필요한 경우에 제어부의 제어 작동에 의해 작동된다.

가압부(20)는 고정축의 일단을 가압하는 유압 실린더(21)로 설치될 수 있다. 따라서, 제어부가 풍력 발전기의 비상 상황에 대한 신호를 센싱하면 유압 실린더(21)에 작동 신호를 인가하여 고정축(10)의 단부를 가압함으로써 로터 허브(12) 방향으로 이동되도록 한다. 유압 실린더(21)에 작동 신호를 인가하는 것은 솔레노이드 밸브(미도시)의 제어를 통해서 유압의 선택적인 공급으로 작동 제어하는 것으로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 풍력 발전기의 비상 상황 발생시에 고정축(10)을 로터 허브(12) 방향으로 이동시키는 것은, 로터의 구동력을 블레이드(14)에 전달하여 블레이드(14)의 각도를 페더(feather) 위치로 회전시키도록 하는 것이다. 이와 같이, 로터의 구동력을 이용하여 블레이드(14)의 각도를 조절하는 작용은 이하에서 회전력 전달부(30)를 설명하면서 보다 구체적으로 설명한다.

한편, 가압부(20)에는 유압 실린더(21)의 작동 해제시에 고정축(10)의 원위치 이동을 위한 탄성 스프링(23)이 설치될 수 있다. 이에 따라, 풍력 발전기의 비상 상황의 종료 시에 유압 실린더(21)의 로드가 초기 위치로 이동되면, 탄성 스프링(23)의 탄성 복원력에 의해 고정축(10)은 최초 위치로 이동되어 블레이드(14)의 각도가 풍력 발전을 위한 위치로 각도 변환이 이루어질 수 있다.

회전력 전달부(30)는, 바디부(32)와, 바디부(32)의 일단에 설치되는 제2 기어(31)와, 바디부(32)의 타단에 설치되는 제3 기어(33)를 포함한다.

바디부(32)는 로터 허브(12)의 내부에 고정 설치된다. 바디부(32)는 원통형을 이루어 로터 허브(12)의 내부에 고정 설치되는 것으로서, 고정축(10)의 전진 작동시 고정된 제1 기어(16)로부터 제2 기어(31)를 통하여 회전 구동력을 전달 받는다. 이러한 바디부(32)의 회전 작동을 위해 바디부(32)의 양단에는 제2 기어(31) 및 제3 기어(33)가 각각 설치된다.

제2 기어(31)는 제1 기어(16)에 치합되는 기어이고, 제3 기어(33)는 블레이드(14)에 설치되는 랙기어(34)에 치합되는 기어로서, 본 실시예에서 제2 기어(31) 및 제3 기어(33)는 웜기어로 설치될 수 있다.

한편, 바디부(32)는 로터 허브의 내부에 별도의 장치를 추가로 설치하지 않고, 블레이드(14)의 피치각 조절을 위해 로터 허브(12)의 내부에 이미 설치되어 있는 피치 모터를 일부 변형하여 사용하는 것도 가능하다. 보다 구체적으로 설명하면, 종래 풍력 발전기의 로터 허브(12)의 내부에는 풍속에 따라 블레이드(14)의 각도를 조절하기 위한 피치 모터가 설치된다. 따라서, 로터 허브의 내부에 기설치된 피치 모터의 축에 제2 기어(31)를 결합하고, 본 실시예의 고정축(10)에 설치된 제1 기어(16)와의 치합 구동으로 작동되도록하여 정전 등의 비상 상황 발생시에 블레이드의 각도를 풍력 발전이 이루어지지 않는 위치로 조절하는 것도 가능하다.

도 3은 도 1의 풍력 발전기의 로터 허브에서 제1 내지 제3 기어를 포함하는 회전력 전달부의 설치 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 회전력 전달부(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 로터 허브(12)의 중앙에 설치된 제1 기어(16)를 기준으로 방사상의 복수개로 설치될 수 있다. 따라서, 고정축(10)이 로터 허브(12) 방향으로 전진 작동시에 하나의 제1 기어(16)에 복수개의 회전력 전달부(30)의 제2 기어(31)가 함께 치합될 수 있다. 따라서, 로터 허브(12)의 회전력은 회전력 전달부(30)를 통하여 블레이드(14)로 전달되어 풍력 발전기의 비상 상황시에 블레이드(14)가 풍력 발전이 이루어지지 않은 페더(feather) 위치로 각도 조절이 이루어질 수 있다.

상기 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기 제동장치의 작용을 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.

먼저, 제어부는 풍력 발전기의 비상 상황에 대한 신호를 감지하면 가압부(20)의 유압 실린더(21)를 구동하여 고정축(10)을 로터 허브(12) 방향으로 전진시킨다. 이에 따라 고정축(10)의 제1 기어(16)는 회전력 전달부(30)의 제2 기어(31)에 치합된다. 여기서 고정축(10)은 로터의 회전에 대하여 고정됨으로서, 로터의 회전력은 제1 기어(16) 및 제2 기어(31)를 통하여 회전력 전달부(30)로 전달된다.

이어서, 회전력 전달부(30)의 제3 기어(33)는 블레이드(14)의 랙기어(34)에 치합되어 있으므로, 회전력 전달부(30)를 통해 전달된 회전력은 블레이드(14)에 전달되어 블레이드(14)의 회전 구동이 이루어진다. 이에 따라, 블레이드(14)는 로터의 회전력에 의해 풍력에 의해 발전이 이루어지지 않은 페더(feather) 위치로 각도 변경이 자동으로 이루어지게 됨으로써, 풍력 발전기의 비상 상황 발생시에 비상 제동 작동이 원활하게 이루어질 수 있다.

그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다.

10...고정축 11...메인 샤프트
12...로터 허브 14...블레이드
16...제1 기어 20...가압부
21...유압 실린더 23...탄성 스프링
30...회전력 전달부 31...제2 기어
33...제3 기어 34...랙기어

Claims (6)

1. 풍력 발전기의 로터를 지지하는 메인 샤프트의 내부를 통과하여 로터 허브 방향으로 연장되게 설치되며, 상기 메인 샤프트의 길이 방향을 따라 슬라이딩 가능하게 설치되는 고정축;
   상기 고정축의 일단을 상기 로터 허브 방향으로 선택적으로 가압하여 상기 고정축이 상기 메인 샤프트의 내부에서 슬라이딩되도록 하는 유압 실린더와,상기 고정축의 일단에 설치되어 상기 유압 실린더의 작동 해제시 상기 고정축이 최초 위치로 위치되도록 탄성력을 제공하는 탄성 스프링을 포함하는 가압부;
   상기 풍력 발전기의 비상 상황의 신호 발생시 상기 가압부를 구동하는 제어부;
   상기 고정축의 타단에 설치되어 함께 슬라이딩되는 제1 기어; 및
   상기 가압부의 작동시 상기 제1 기어에 치합되어 회전되는 제2 기어가 일단에 설치되며 타단에는 블레이드의 랙기어에 치합된 제3 기어가 설치되는 바디부를 포함하여, 상기 로터의 회전력을 상기 블레이드로 전달하는 회전력 전달부를 포함하는 풍력 발전기의 제동장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 기어 및 상기 제2 기어는 웜기어이며, 상기 제3 기어는 상기 블레이드에 설치되는 랙 기어에 치합되는 피니언 기어인 풍력 발전기의 제동장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 회전력 전달부는 상기 로터 허브의 내부에 상기 제1 기어를 중심으로 방사상으로 복수개 설치되는 풍력 발전기의 제동장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 바디부는, 상기 블레이드의 각도 조절을 위해 설치되는 피치 모터인 풍력 발전기의 제동장치.

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