KR101569997B1 - 다수의 터빈으로 단일 발전기를 구동하는 기능의 적층 연동형 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

다수의 소형 터빈을 집적화 시키고 각각의 회전력을 단일 발전기에 전달함으로써 저 풍속에서도 상업용 발전이 가능하도록 한 풍력발전기에 관한 것이다.

Description

다수의 터빈으로 단일 발전기를 구동하는 기능의 적층 연동형 풍력발전기{Windpower Generation}

본 발명은 복수개의 터빈으로 단일 발전기를 구동하는 기능의 적층 연동형 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 소형 터빈을 집적화 시키고 각각의 회전력을 단일 발전기에 전달함으로써 저 풍속에서도 상업용 발전이 가능하도록 한 풍력발전기에 관한 것이다.

풍력발전은 규모의 경제학이 적용되는 분야로써 설비의 규모가 대형화 할수록 효율성과 경제성이 뛰어나지만, 설비가 대형화 되는 만큼 고풍속의 바람이 필요하여 특화된 극소수의 지역이외에는 그 성능을 발휘할 수 없는 치명적인 단점이 있다.

종래의 풍력 발전기는 일정한 풍속 (최소 5m/sec)이 되지 않을 경우, 발전이 불가능했고, 대용량 풍력발전기의 경우 과도한 설비투자는 물론 고장과 수리에 있어서도 많은 시간과 경비를 소모해야 하는 등의 비경제적 문제점이 많았다.

또한 프로펠러 방식으로 동력을 얻을 경우 프로펠러의 길이와 날개의 단면적 그리고 피치(Pitch)의 각도에 따라, 그 에너지 효율이 정해지지만 대부분의 경우와 같이 3개의 프로펠러가 위치한 지점의 바람만을 에너지로 바꾸는 비효율성이 있었다.

이러한 단점을 해소하기 위하여 풍량 집적 유도구조를 이용한 터빈의 연동 및 적층식 발전 설비가 제안되고 있다.

상기한 풍량 집적 유도구조를 이용한 터빈의 연동 및 적층식 발전설비는 다수의 터빈 중 고장을 일으키거나 부분적으로 낮은 풍속으로 인하여 여타의 터빈보다 회전 속도가 느릴 경우 발전 가능한 동력을 상쇄 또는 감쇄시키는 단점이 있는 것이었다.

따라서 이를 해결하기 위한 노력이 필요한 것이었다.

특허공개 제1020120120809호

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 생산, 유지, 보수 및 운영적인 면에서 보다 경제성이 높고 풍속이 약한 지역에서도 경제성 있는 발전을 하며 다양한 지리적 여건에 적절하게 그 설비 및 시설의 규모를 탄력적으로 구축할 수 있는 장점을 살려, 다수의 소형 풍력발전기들을 다단식 또는 다열식 등으로 배열하여 상업용 발전을 가능하게 하는 기술인 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍력발전기는 다수의 풍력터빈으로 단일 발전기를 구동하여 발전설비 구축비용 및 유지관리비의 감소 및 특정 단일 방향으로만 회전이 가능한 기어를 채택하여 다수의 터빈 중 고장을 일으키거나 부분적으로 낮은 풍속으로 인하여 여타의 터빈보다 회전 속도가 느릴 경우 발전 가능한 동력을 상쇄 또는 감쇄시키는 단점을 해소한 것이다.

본 발명에 따른 적층 연동형 풍력발전기는 발전기 중 특정 터빈에 고장 또는 다른 문제점이 있거나 또는 특정 터빈에 약한 바람이 작용하여도 해당 터빈에 연결된 동력전달 체계가 발전기를 구동시키는 힘을 약화시키지 않는 효과가 있는 것이다.

또한 풍력발전 터빈이 수직축 형태일 경우 수평방향으로, 수평축일 경우 수직방향으로 동력을 전달하고 이때 단일 방향만으로 동력을 전달하는 기어를 사용하여 다수의 터빈 중 회전 속도가 평균 속도보다 낮은 경우의 동력을 전달하지 않고 헛돌게 함으로써 전력을 생산할 수 있는 유효 동력의 저감을 방지하는 효과가 있는 것이다.

또한 특정한 방향으로만 구동을 할 수 있고 주축이 정지 또는 반대방향으로 회전할 경우 헛도는 기능을 함으로써 풍력에 의한 터빈의 구동력이 발전기에 전달되는 과정에서 문제점을 가진 터빈이나 여타의 원인으로 회전력이 약한 터빈 또는 해당 터빈에만 약한 풍속이 발생되는 등의 경우, 그 구동력이 상실 또는 상쇄됨이 없이 온전하게 발전기를 구동할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기의 배열을 나타낸 전체도
도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기의 구동기어부 상세도.
도 3은 본 발명에 따른 풍력발전기의 터빈과 연결되는 구동부 분해도

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하도록 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 도시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

또한 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 또한 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기의 배열 전체도, 도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기의 구동기어부 상세도, 도 3은 본 발명에 따른 풍력발전기의 터빈과 연결된 구동부 분해도 이다.

도 1 내지 3에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 풍력발전기는 다수의 풍력 터빈으로 단일 발전기를 구동하는 방식으로 발전기를 가동하는 복수개의 터빈 중 특정 터빈(14)에 고장 또는 다른 문제점이 있거나, 특정 터빈에 약한 바람이 작용하여도 해당 터빈(14)에 연결된 동력전달 체계가 발전기(16)를 구동시키는 힘을 약화시키지 않도록 터빈(14) 상단 및 발전기(16)를 구동하는 축(23)을 특정한 방향으로만 구동을 할 수 있고 주축이 정지 또는 반대방향으로 회전할 경우 헛도는 기능을 하도록 단일방향 구동기어(21)를 설치하여 유효 동력의 저감을 방지하도록 한 것이다.

상기한 터빈(14)은 풍향 유도 패널을 갖춘 복수개의 버켓(Bucket)이 수직축 또는 수평축으로 복열로 배열되며 터빈의 축과 축을 유니버셜 조인트로 연결하여 보다 강한 힘을 발전기에 전달하도록 구성하고, 상기한 풍력발전 터빈은 수직축 형태일 경우 수평방향으로, 수평축일 경우 수직방향으로 동력을 전달하고 이때 단일 방향만으로 동력을 전달하는 기어를 사용하여 다수의 터빈 중 회전 속도가 평균 속도보다 낮은 경우의 동력을 전달하지 않고 헛돌게 함으로써 전력을 생산할 수 있는 유효 동력의 저감을 방지하는 기술인 것이다.

상기한 단일 방향 구동기어(21)는 특정한 방향으로만 구동을 할 수 있고 주축이 정지 또는 반대방향으로 회전할 경우 헛도는 기능을 함으로써 풍력에 의한 터빈의 구동력이 발전기에 전달되는 과정에서 문제점을 가진 터빈이나 여타의 원인으로 회전력이 약한 터빈 또는 해당 터빈에만 약한 풍속이 발생되는 등의 경우, 그 구동력이 상실 또는 상쇄됨이 없이 온전하게 발전기를 구동할 수 있게 하는 것이다.

상기 단일 방향 구동기어(21)는 베벨기어(bevel gear)로 구성되어 축(23)에 설치된 양방향 구동기어(22)에 치합하여 축(23)을 구동할 수 있도록 한다.

또한 풍력터빈의 축(23)이 수평 또는 수직 방향을 막론하고 동력을 보다 증대시키기 위해 풍력 터빈을 복층 및 복열로 배치할 경우 그 축의 방향에 맞추어 터빈(14)의 축(23)과 축(23)을 유니버셜 조인트(13)로 연결하여 보다 강한 힘을 발전기(16)에 전달하여 전력 생산을 증대시키도록 한다.

상기한 발전기에 구동력을 전달하는 축(23)은 베어링(24)과 가속클러치(26)를 장착하여 발전기에 연결함으로서 동력전달이 매끄럽고 효율을 우수하게 하는 것이다.

상기한 가속클러치는 단일 터빈의 힘으로 최초 회전을 할 경우 저풍속의 경우 발전기의 부하를 이기지 못하고 회전이 어려운 경우가 많으므로, 다단의 회전 클러치 판을 설치하여 특정 숫자의 자유회전을 통해 가속력을 얻은 다음 발전기를 구동할 수 있는 방식인 것이다.

단일방향 구동기어는 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 복열로 배열되는 복수개의 터빈(14)의 상단에 터빈 모듈용 상부디스크(37)가 설치되고, 터빈 모듈용 상부디스크(37)의 상부로 터빈고정용 상부디스크(36)와 베어링(35)이 고정축(41)에 끼워져 설치되고, 고정축(41)에 동력전달용 회전자(34)가 설치되고, 동력전달용 회전자(34)에 래칫스프링(33)을 끼워 기어(32)의 안쪽에 설치된 래칫기어(32a)에 래칫스프링이 걸리면서 어느 한쪽으로는 기어가 미끄러지면서 회전되고 어느 한쪽으로는 고정되도록 구성하고, 기어상부고정디스크(31)를 적층하여 마감한 것이다.

상기한 터빈의 하측에는 터빈모듈용 하부디스크(39)와 터빈고정용 하부디스크(40)을 설치하여 터빈을 복열로 배열할 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 풍력 발전기는 풍향 유도 패널을 갖춘 방식으로 버켓(Bucket) 형태의 터빈이 배열된 상태에서 바람을 맞아 회전할 경우 주된 회전방향으로는 버켓의 앞면에 해당되어 보다 큰 힘을 받는 것이 사실이지만, 회전하여 돌아 나오는 버켓의 뒷면은 곡면으로 되어 있지만 역시 맞바람을 받아 일정한 비율의 동력을 상쇄할 수 밖에 없다.

본 발명은 터빈과 터빈 사이에 빗면으로 풍향 유도판(12)을 설치하여 터빈의 후면에 작용되는 바람을 바로 옆 터빈의 회전방향으로 유도하는 기능을 하게 하여 발전효율을 증대시키는 것이다.

상기한 풍향 유도판은 풍량조절판 구동모터(18)에 의하여 구동되는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 설치후 운전을 시작하면 발전기의 발전량이 정격용량일 경우 상태를 유지하면서 운전되고 즉, 터빈이 회전하여 발전기를 가동시키는 것이다.

바람의 영향에 따라 풍량조절판 구동모터가 작동하여 풍량조절판을 작동하여 바람의 방향을 최대한 유도할 수 있는 것이다.

운전중에 터빈이 고장이 발생할 경우 단일방향 구동기어 즉 래칫기어와 래칫스프링에 의하여 특정한 방향으로만 구동을 할 수 있고 주축이 정지 또는 반대방향으로 회전할 경우 헛도는 기능을 함으로써 풍력에 의한 터빈의 구동력이 발전기에 전달되는 과정에서 문제점을 가진 터빈이나 여타의 원인으로 회전력이 약한 터빈 또는 해당 터빈에만 약한 풍속이 발생되는 등의 경우, 그 구동력이 상실 또는 상쇄됨이 없이 온전하게 발전기를 구동할 수 있는 것이다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력발전기의 작용을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

12: 풍량조절판 13: 유니버셜조인트
14: 터빈 15 가속클러치
16: 발전기 21: 단일방향 구동기어
22: 양방향 구동기어 33: 래칫스프링

Claims (4)

1. 발전기를 가동하는 복수개의 터빈(14), 상기 터빈의 축(23)과 축(23)을 유니버셜 조인트(13)로 연결하여 발전기(16)에 힘을 전달하도록 구성하고, 특정 터빈(14)에 고장 또는 다른 문제점이 있거나, 특정 터빈에 약한 바람이 작용할 경우 상기 발전기(16)를 구동시키는 힘을 약화시키지 않도록 터빈(14) 상단 및 발전기(16)를 구동하는 축(23)을 특정한 방향으로만 구동을 할 수 있고 주축이 정지 또는 반대방향으로 회전할 경우 헛도는 기능을 하도록 단일방향 구동기어(21)를 설치하여 유효 동력의 저감을 방지하도록 한 다수의 터빈으로 단일 발전기를 구동하는 기능의 적층 연동형 풍력발전기에 있어서,
   상기한 단일 방향 구동기어(21)는 터빈 모듈용 상부디스크(37)의 상부로 터빈고정용 상부디스크(36)와 베어링(35)이 고정축(41)에 끼워져 설치되고, 고정축(41)에 동력전달용 회전자(34)가 설치되고, 동력전달용 회전자(34)에 래칫스프링(33)을 끼워 기어(32)의 안쪽에 설치된 래칫기어(32a)에 래칫스프링이 걸리면서 어느 한쪽으로는 기어가 미끄러지면서 회전되고 어느 한쪽으로는 고정되도록 구성하고, 축(23)에 설치된 양방향 구동기어(22)에 치합하여 특정한 방향으로만 구동을 할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 다수의 터빈으로 단일 발전기를 구동하는 기능의 적층 연동형 풍력발전기.
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