KR101630111B1 - 풍력발전기의 날개 각도 조절장치 - Google Patents

풍력발전기의 날개 각도 조절장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력발전기의 날개 각도 조절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바람의 강약에 따라 날개의 각도를 자동으로 조절하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개 각도 조절장치에 관한 것이며, 이를 위하여 동력을 전달하는 샤프트; 샤프트의 말단에 결합된 로터에서 방사상으로 장착되는 복수의 날개; 중공의 형상으로 중공에 샤프트가 삽입되고, 내주면을 따라 나선 모양의 나선홈이 형성되는 하우징; 하우징의 일측에 결합되고, 외주면을 따라 나선 모양의 나사산이 형성되어 하우징의 나선홈과 맞물려 좌우로 이동가능한 스트로크; 및 스트로크에서 방사상으로 복수의 날개 각각에 구비되는 각도 조절수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개 각도 조절장치를 제공한다.

Description

풍력발전기의 날개 각도 조절장치{BLADE ANGLE CONTROL SYSTEM OF WIND POWER GENERATOR}
본 발명은 풍력발전기의 날개 각도 조절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바람의 강약에 따라 날개의 각도를 자동으로 조절하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개 각도 조절장치에 관한 것이다.
풍력발전기술은 공기 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자(Rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 것이다. 풍력발전기는 날개와 허브로 구성된 회전자와 회전을 증속하여 발전기를 구동시키는 증속장치, 발전기 및 각종 안전 장치를 제어하는 제어장치, 유압 브레이크 장치와 전력 제어 장치 및 철탑 등으로 구성되며 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류된다.
수평형 풍차의 대표적인 예로는 프로펠러형 풍차가 있다. 프로펠러형 풍차는 항공기의 프로펠러와 유사한 형태의 풍차로서 효율이 높고 회전 속도가 빠르기 때문에 주로 발전용으로 많이 사용된다. 프로펠러형 풍차는 바람이 풍차 날개를 통과할 때 발생하는 양력에 의해 구동되며, 풍차의 회전 속도는 날개의 붙임각과 회전면적비에 따라 매우 민감하게 변한다.
수직축 풍차는 로터가 수직축에 장착되어 있으며 가장 많이 사용되는 풍차는 다리우스 풍차와 사보니우스 풍차를 들 수 있다. 날개의 구부러진 형태는 로프의 양 끝을 잡고 회전시켰을 때 발생하는 형태를 취하고 있으며 이러한 형태로 인하여 풍차가 회전할 때 날개의 전단력이 발생하지 않고 인장력만 작용하므로 구조적으로 안전하다는 장점이 있다.
또한, 우리나라의 경우 일조량이 풍부하고 조수간만의 차기 심하여 태양열발전 및 조력발전에 유리한 자연환경이며, 계절에 따라 부는 풍부한 바람이 있기 때문에 풍력발전에도 적합하다.
풍력발전은 바람을 받아 회전하는 날개의 회전력을 동력전달장치를 통해 발전기를 가동시켜 전기를 얻는 것으로 그 효율을 극대화하기 위해서는 바람의 힘을 에너지 손실 없이 최대한 활용할 수 있도록 해야하므로 그에 맞는 날개의 구조를 갖는 것이 가장 중요하다.
그러나 바람의 크기가 계절 또는 태풍 등에 따라 변하는데 종래 기술에 따른 풍력발전기의 날개의 각도를 조절하지 못함으로써 바람이 약한 경우에는 회전시키지 못하고, 태풍 등에 의하여 강한 바람이 불 경우에는 너무 빨리 회전함에 따라 발전기가 손상되거나 날개, 지지대 등이 부러지는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제2010-0009731호는 바람의 세기에 따라 적절히 대응할 수 있는 풍력발전기용 날개에 관하여 기술하고 있으며, 도 1를 참조하여 이를 설명하면 다음과 같다.
종래 기술의 풍력발전기(100)는 수직으로 설치되는 지지대(110), 지지대의 상측에 설치되어 전기를 발생시키는 발전기(120), 발전기(120)에 설치되어 지지대(110)와 수직되게 설치되는 샤프트(130), 샤프트(130)의 전단에 설치되는 복수의 날개(140), 및 날개(140)의 타측으로 설치되는 보조날개(150)로 구성된다.
지지대(110)는 바닥에 수직으로 설치되고, 발전기(120)는 지지대(110)의 상측에서 회전하도록 설치되며, 샤프트(130)는 발전기(120)의 축과 동력전달장치로 연결되며 지지대(110)와 직교되게 설치된다.
날개(140)는 바람에 의하여 샤프트(130)를 회전시키는 것으로 원뿔 형태의 날개축(142)과 날개축(142)에 설치되는 블레이드(144)로 구성된다.
여기서 블레이드(144)는 바람에 따라 휘어질 수 있는 탄성 소재의 재질로 형성되는 것으로, 바람에 의하여 휘어졌다가 다시 원상복귀될 수 있는 탄성 재질을 사용한다.
이러한 구조로 된 종래 기술의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
먼저 바람이 불게 되면, 바람에 의해 날개(140)가 회전되어 풍력발전기(100) 내부의 발전부재들에 의해서 전기가 발전된다.
약한 미풍의 바람인 경우에는 탄성재질의 블레이드(144)는 휘어지지 않고, 샤프트(130)에 의해 회전되고, 중풍의 바람인 경우는 블레이드(144)가 약간 휘어지게 되어 약간의 바람이 그냥 흘러 지나가게 되며, 태풍과 같은 비교적 강한 바람인 경우에는 블레이드(144)가 많이 휘어지게 되어 다량의 바람이 그냥 흘러 지나가도록 한다.
그러나, 종래 기술에 따른 풍력발전기의 블레이드가 탄성재질로 형성되므로, 블레이드의 변형 값이 임의의 바람의 세기로 정해지기 때문에, 임의의 바람 보다 약한 바람에서는 블레이드가 휘지 못할 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 탄성 재질의 블레이드는 시간이 지남에 따라 탄성력이 저하되어 바람의 세기에 따라 휘어질 수 없다는 문제점이 있다.
대한민국공개특허공보 10-2010-0009731(공개일자 2010년 1월 29일)
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 풍력발전기의 날개 각각에 각도 조절수단을 구비하여 바람의 강약에 따라 날개의 각도를 자동으로 조절가능한 풍력발전기의 날개 각도 조절장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 동력을 전달하는 샤프트; 샤프트의 말단에 결합된 로터에서 방사상으로 장착되는 복수의 날개; 중공의 형상으로 중공에 샤프트가 삽입되고, 내주면을 따라 나선 모양의 나선홈이 형성되는 하우징; 하우징의 일측에 결합되고, 외주면을 따라 나선 모양의 나사산이 형성되어 하우징의 나선홈과 맞물려 좌우로 이동가능한 스트로크; 및 스트로크에서 방사상으로 복수의 날개 각각에 구비되는 각도 조절 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개 각도 조절장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 각도 조절 수단과 날개 사이에 구비되어, 날개를 일정 각도로 회전시키는 브래킷을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 스트로크에 반력이 작용되는 탄성부재가 스트로크와 로터 사이에 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 스트로크는: 나사산이 형성되어 있는 제 1 스트로크; 및 제 1 스트로크와 연결되어 좌우로 이동하는 제 2 스트로크;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 제 1 스트로크와 제 2 스트로크 사이에는 마찰력을 줄여주는 베어링이 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 하우징에 구동부가 장착되어 상기 구동부에 의해 상기 스트로크가 좌우로 이동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 풍력발전기의 날개 각도 조절장치에 따르면, 풍력발전기의 날개에 각도 조절수단이 구비되어 있고, 각도 조절수단은 구동부에 의해 좌우로 이동가능한 스트로크에 의해 날개의 각도 조절이 가능하게 함으로써, 바람의 강약에 따라 날개를 원하는 각도로 조절할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 풍력발전기를 도시한 사시도;
도 2는 본 발명에 따른 날개 각도 조절장치가 구비된 풍력발전기를 도시한 단면도;
도 3은 본 발명에 따른 풍력발전기의 날개 각도 조절장치를 확대한 확대 사시도;
도 4는 본 발명에 따른 풍력발전기의 날개 각도 조절장치의 배면 사시도;
도 5는 본 발명에 따른 풍력발전기의 날개 각도 조절장치의 단면도; 및
도 6은 본 발명에 따른 풍력발전기의 날개 각도 조절장치의 작동법을 도시한 도이다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성 요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 날개 각도 조절장치가 구비된 풍력발전기를 도시한 단면도이다.
본 발명에 따른 풍려발전기(200)는 수직으로 설치되는 지지대(210), 지지대(210)의 상측에 설치되어 전기를 발생시키는 발전기(220), 지지대(210)와 수직되도록 발전기(220)에 설치되는 샤프트(230), 및 샤프트(230)의 전단에 설치되는 날개(244)로 구성된다.
샤프트(230)에는 발전기(220) 내에 구비되는 구동부(미도시)와 연결되는 하우징(250), 하우징(250)과 맞물리는 스트로크(260), 스트로크(260)에 구비되는 각도 조절수단(268)이 장착된다.
날개(244)에는 각도 조절수단(268)에 의해 날개(244)를 일정 각도로 회전시키는 브래킷(246)이 장착된다.
도 3은 본 발명에 따른 풍력발전기의 날개 각도 조절장치를 확대한 확대 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 풍력발전기의 날개 각도 조절장치의 배면 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 풍력발전기의 날개 각도 조절장치의 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 샤프트(230) 말단에는 허브(242)가 장착되며, 허브(242)에는 복수의 날개(244)가 방사상으로 형성되고, 브래킷(246)이 허브(242)와 근접한 날개(244) 부분에 구비된다.
하우징(250)은 중공의 형상으로 중공에 샤프트(230)가 삽입되어 장착되며, 하우징(250)의 내부에는 나선 형태의 나선홈(도 5의 252참조)이 하우징(250)의 내주면을 따라 형성되고, 하우징(250)의 나선홈(252)은 스트로크(260)와 결합되고, 하우징(250)의 일측에는 구동부(미도시)인 모터와 결합된다.
스트로크(260)는 중공의 형상으로 제1스트로크(262)와 제2스트로크(264)로 구성되며, 중공에 샤프트(230)가 삽입되어 장착되고, 제1스트로크(262)의 일측에는 하우징(250)에 형성된 나선홈과 맞물리는 나사산(266)이 외주면을 따라서 형성되고, 제2스트로크(264)의 일측은 제1스트로크(262)의 타측과 결합되어 좌우로 이동 가능하도록 형성된다(도 3의 화살표 A 참조).
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1스트로크(262)가 제2스트로크(264)를 밀어줄 때 발생되는 마찰력을 줄여주기 위한 베어링(270)이 제1스트로크(262)와 제2스트로크(264) 사이에 구비되며, 베어링(270)은 면과 면 사이의 마찰력 방지를 위해 사용되는 스트러스크 베어링이 사용된다.
또한, 제2스트로크(264)와 허브(242) 사이에는 탄성부재(280)가 구비되며, 이 탄성부재(280)는 스트로크(260)가 허브(242) 방향으로 이동할 때 스트로크(260)와 허브(242) 사이의 거리를 조절하기 위하여 구비되며, 탄성부재(280)의 힘은 스트로크(260)가 밀어주는 힘의 반대 방향의 반력이 작용된다.
여기서, 탄성부재(280)의 반력은 스트로크(260)가 허브(242)를 향하여 이동하는 힘 즉 각도 조절수단(268)이 브래킷(246)을 밀어주는 힘보다 작은 힘을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 제2스트로크(264)에는 날개(244)의 각도를 조절하는 각도 조절수단(268)이 제2스트로크(264)에서 방사상으로 구비되고, 각도 조절수단(268)의 일면은 브래킷(246)과 연결되어 날개(244)의 각도를 조절한다.
또한, 각도 조절수단(268)과 브래킷(246)은 복수의 날개(244)에 대응되도록 복수개로 형성된다.
이러한 구조를 갖는 본 발명의 풍력발전기의 날개 각도 조절장치의 작동을 도 6을 참조하여 설명하며, 도 6은 본 발명에 따른 풍력발전기의 날개 각도 조절장치의 작동법을 도시한 도이다.
바람이 날개(244)에 부딪치는 시기에 따라 날개(244)가 받는 힘이 틀려진다. 먼저, 바람이 세기가 작을 경우에는 날개(244)의 각도가 초기 설정으로 유지되지만 바람의 세기가 크게 되면 날개의 각도가 초기 설정보다 점점 커지게 된다.
바람의 세기가 약할 경우에는, 날개(244)가 초기 상태를 유지하게 되며, 하우징(250)의 나선홈(252)과 제1스트로크(262)의 나사산(266)이 서로 맞물려 있다.
그러나, 바람의 세기가 점점 커지는 경우에는, 날개(244)가 바람의 저항을 덜 받기 위해 각도 조절수단(268)에 의해 날개(244)의 각도가 조절된다. 구동부의 모터(미도시)가 작동하면 모터에 의해 하우징(250)과 결합된 스트로크(260)가 회전하게 된다.
더욱 상세하게는, 하우징(250)의 나선홈(252)과 맞물린 제1스트로크(262)의 나사산(266)이 하우징(250)의 나선홈(252)에서 풀리면서 제2스트로크(264)를 향하여 이동하여 제2스트로크(264)를 밀어주게 되며, 허브(242)가 장착된 방향으로 스트로크(260)가 이동하게 된다.
스트로크(260)가 허브(242)를 향하여 이동하게 되면(도 6의 화살표 B 참조), 제2스트로크(264)에 구비된 각도 조절수단(268)이 브래킷(246)을 밀어주게 되고, 브래킷(246)이 밀리면서 회전하게 되며, 브래킷(246)이 회전하면서 브래킷(246)과 결합된 날개(244)가 일정 각도로 회전시킬 수 있다(도 6의 화살표 C 참조).
여기서, 스트로크(260)의 좌우 이동은 모터에 의해 제어되며, 모터는 오퍼레이터에 의해 제어된다. 즉, 오퍼레이터가 바람의 세기가 점점 커진다고 판단할 경우, 오퍼레이터는 모터를 구동시키고, 날개(244)가 소정의 일정 각도로 회전시키면 모터의 구동을 정지시킴으로써, 오퍼레이터가 원하는 각도로 날개(244)를 회전시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기의 날개 각도 조절장치는 스트로크에 각도 조절수단이 구비되고, 날개에는 브래킷이 구비되며, 각도 조절수단이 브래킷과 결합되어 스트로크가 이동하면서 각도 조절수단이 브래킷을 밀어 회전시키면, 브래킷과 결합된 날개를 일정 각도로 조절하여 회전시킬 수 있게 함으로써, 바람의 강약에 따라 날개를 원하는 각도로 조절할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 중심으로 본 발명의 풍력발전기의 날개 각도 조절장치에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경 및 다양한 변형 실시예가 가능함은 당업자에게 명백하다.
200 : 풍력발전기 210 : 지지대
220 : 발전기 230 : 샤프트
242 : 허브 244 : 날개
246 : 브래킷 250 : 하우징
252 : 나선홈 260 : 스트로크
262 : 제1스트로크 264 : 제2스트로크
266 : 나사산 268 : 각도 조절수단
270 : 베어링 280 : 탄성부재

Claims (6)

  1. 동력을 전달하는 샤프트;
    상기 샤프트의 말단에 결합된 허브에서 방사상으로 장착되는 복수의 날개;
    중공의 형상으로 상기 중공에 상기 샤프트가 삽입되고, 내주면을 따라 나선 형태의 나선홈이 형성되는 하우징;
    상기 하우징의 일측에 결합되고, 외주면을 따라 나선 모양의 나사산이 형성되어 상기 하우징의 나선홈과 맞물려 좌우로 이동가능한 스트로크;
    상기 스트로크에서 방사상으로 상기 복수의 날개 각각에 구비되는 각도 조절 수단; 및
    상기 각도 조절 수단과 상기 날개 사이에 구비되어, 상기 날개를 일정 각도로 회전시키는 브래킷을 포함하고,
    상기 스트로크는 상기 나사산이 형성되어 있는 제1스트로크 및 상기 제1스트로크와 연결되어 좌우로 이동하는 제2스트로크로 이루어지고, 상기 하우징의 나선홈과 맞물린 제1스트로크의 나사산이 하우징의 나선홈에서 풀리면서 제2스트로크를 향하여 이동하여 제2스트로크를 밀어주게 되며, 상기 허브가 장착된 방향으로 스트로크가 이동하게 되고, 스트로크가 허브를 향하여 이동하게 되면, 제2스트로크에 구비된 각도 조절수단이 브래킷을 밀어주게 되고, 브래킷이 밀리면서 회전하게 되며, 브래킷이 회전하면서 브래킷과 결합된 날개가 일정 각도로 회전하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개 각도 조절장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스트로크에 반력이 작용되는 탄성부재가 상기 스트로크와 로터 사이에 구비되고, 상기 탄성부재의 반력은 스트로크가 상기 각도 조절수단이 브래킷을 밀어주는 힘보다 작은 힘을 갖는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개 각도 조절장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 각도 조절 수단은,
    바람의 세기가 약할 경우에는, 날개가 초기 상태를 유지하게 되며, 바람의 세기가 기설정된 세기 이상으로 커지는 경우에는, 상기 각도 조절 수단이 날개가 바람의 저항을 덜 받는 날개의 각도로 조절하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개 각도 조절장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 스트로크와 제 2 스트로크 사이에는 마찰력을 줄여주는 베어링이 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개 각도 조절장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징에 구동부가 장착되어 상기 구동부에 의해 상기 스트로크가 좌우로 이동하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개 각도 조절장치.





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