KR101643960B1 - 가변 하중부를 구비한 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중력방향으로 회전하는 블레이드에는 회전 방향으로 더 큰 회전 토크가 형성되도록 하고, 중력반대방향으로 회전하는 블레이드에 작용하는 회전력을 감소시키는 회전 반대 방향의 회전토크를 감소시키는 것에 의해 블레이드부의 회전력을 증가시킬 수 있도록 하는 가변 하중부를 구비한 풍력발전기에 관한 것으로,
상기 풍력발전기는, 다수의 블레이드들과 상기 블레이드들을 등 각도 간격으로 고정하며 회전되는 허브를 포함하는 블레이드부와, 상기 허브가 회전 가능하게 결합되는 나셀과, 상기 나셀을 상단부에 고정 지지하는 타워를 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 블레이드부는, 상기 블레이드들의 회전 중 중력방향으로 회전하는 블레이드의 내측에서는 허브축과 원거리에 위치되어 회전 운동을 위한 토크를 증가시키고, 중력 반대방향으로 회전하는 블레이드의 내측에서는 허브축에 인접 위치되어 중력 방향으로 작용하는 회전 토크를 감소시키는 회전력증강부;를 포함하여 구성되어,
블레이드의 회전 방향으로의 회전 토크를 크게 함으로써 블레이드부의 회전 효율을 향상시키고, 블레이드부의 회전을 위한 최소 바람의 세기를 감소시키는 것에 의해 발전 효율을 향상시키는 효과를 제공한다.

Description

가변 하중부를 구비한 풍력발전기{WIND POWER GENERATOR WITH VARIABLE LOAD PART}
본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 중력방향으로 회전하는 블레이드에는 회전 방향으로 더 큰 회전 토크가 형성되도록 하고, 중력반대방향으로 회전하는 블레이드에 작용하는 회전력을 감소시키는 회전 반대 방향의 회전토크를 감소시키는 것에 의해 블레이드부의 회전력을 증가시킬 수 있도록 하는 가변 하중부를 구비한 풍력발전기에 관한 것이다.
에너지는 전 세계적으로 화석연료로부터 얻어왔지만 그 매장량에 한계가 있으며, 화석연료의 사용으로 인한 이산화탄소 또는 산성의 오염물질 증가로 인해 환경오염이 발생하고 있어 그 사용이 제약되고 있다.
이러한 화석에너지의 단점으로 인해 선진국을 중심으로 대체 에너지를 개발하고 있으며 대체 에너지 중에서도 무한하며 재생 가능한 에너지인 신재생에너지의 사용을 확산시키고 있다. 그 중에서도 주목받고 있는 에너지원 중 하나가 바람의 에너지를 이용하여 발전을 수행하는 풍력발전을 들 수 있다.
풍력발전을 위한 풍력발전기는, 대한민국 등록특허 제10-1259049호(특허 문헌 1) '디아이싱 장치를 포함하는 풍력 발전기 및 그 제어방법'에 개시된 풍력발전기를 예로 들 수 있다.
도 1은 상기 특허문헌 1에 개시된 종래기술의 풍력발전기(1)를 나타내는 도면이다.
도 1과 같이 일반적인 풍력발전기(1)는 로터를 구비하는 나셀(3), 타워(5), 허브(7) 및 블레이드부(100)를 포함한다.
나셀(3)은 풍력 발전기(1)가 설치되는 지평면 또는 수평면에 평행하도록 형성되고, 타워(5)는 지평면 또는 수평면에 수직이 되도록 형성된다. 블레이드부(100)는 허브(7) 부분과 연결되고 내부적으로는 허브(7)에 포함되는 회전축과 연결되며 회전축은 로터(미 도시)에 연결된다.
또한, 블레이드(100a ~　100c)는 리딩 엣지부(130) 및 트레일링 엣지부(150)를 포함하는 날개부와 루트부(미 도시)를 포함한다. 날개부는 바람이 직접 작용하는 부분이고, 루트부는 회전축과 결합하는 부분이다. 상기 구성에서 풍력 발전기(1)가 발전하지 않고 정지된 상태에서는 블레이드부(100)의 트레일링 엣지부(150)가 타워(5) 쪽으로 향하게 되고, 리딩 엣지부(130)가 타워(5)의 반대쪽으로 향하게 된다.
상술한 바와 같은 구성의 종래기술의 풍력발전기(1)는 각각의 블레이드(100a ~　100c)들이 진동이나 파손을 방지하기 위해 허브의 중심에 무게 중심이 위치되도록 각각의 블레이드가 동일 회전축과 동일한 무게를 가지도록 제작된다.
이렇게 제작된 블레이드부는 특정세기 이상의 바람에 의해 회전하여 발전을 수행하게 된다. 이러한 이유로 블레이드부를 회전시킬 수 있는 바람의 세기를 줄이는 경우 풍력발전기의 발전 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 이에 따라 초기 구동력으로 작용하는 바람의 세기가 작은 경우에도 원활히 회전시킬 수 있도록 개선된 구조를 가지는 블레이드부를 가지는 풍력발전기가 필요하게 되었다.
대한민국 등록특허 제10-1259049호
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 블레이드가 중력 방향으로 회전하는 경우에는 회전 방향으로의 회전 토크를 크게 하고, 중력의 반대방향 회전 운동 시에는 회전 반대 방향으로 작용하는 회전 토크를 감소시키는 것에 의해 블레이드부의 회전력을 증가시킴은 물론, 블레이드부의 초기 회전 구동력을 감소시킬 수 있도록 하는 가변 하중부를 구비한 풍력발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가변 하중부를 구비한 풍력발전기는, 다수의 블레이드들과 상기 블레이드들을 등 각도 간격으로 고정하며 회전되는 허브를 포함하는 블레이드부와, 상기 허브가 회전 가능하게 결합되는 나셀과, 상기 나셀을 상단부에 고정 지지하는 타워를 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 블레이드부는, 상기 블레이드들의 회전 중 중력방향으로 회전하는 블레이드의 내측에서는 허브축과 원거리에 위치되어 회전 운동을 위한 토크를 증가시키고, 중력 반대방향으로 회전하는 블레이드의 내측에서는 허브축에 인접 위치되어 중력 방향으로 작용하는 회전 토크를 감소시키는 회전력증강부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 회전력증강부는, 상기 허브의 중심부에서 편심되어 형성되는 편심축과, 상기 편심축의 외주연에 형성되는 편심축 베어링을 포함하는 편심축부; 및 상기 블레이드들의 내부에서 상기 허브의 내부와 연통하도록 형성되는 중공의 하중체수용홈과, 일단은 상기 편심축 베어링에 결합되고 타단은 상기 하중체수용홈에 삽입 위치되는 하중체로드를 포함하는 가변하중부;를 포함하여 구성된다.
상기 편심축부는, 상기 편심축 베어링에 상기 하중체로드의 단부를 회전 가능하게 결합시키는 힌지조인트를 더 포함할 수 있다.
상기 가변하중부는, 상기 하중체로드의 단부에 결합되는 하중체;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 하중체는, 상기 하중체로드에서 미끄럼 이동 가능하게 결합 구성될 수 있으며, 이 경우, 상기 하중체로드의 말단과 상기 하중체수용홈의 편심축측의 단부에 스토퍼가 형성될 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 가변 하중부를 구비한 풍력발전기는, 블레이드가 중력 방향으로 회전하는 경우에는 회전 방향으로의 회전 토크를 크게 하고, 중력의 반대방향 회전 운동 시에는 회전 반대 방향으로 작용하는 회전 토크를 감소시키는 것에 의해 블레이드부의 회전력을 증가시킴은 물론, 블레이드부의 초기 회전 구동력을 감소시켜, 저속의 바람에서도 블레이드부가 회전되어 발전 효율을 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 종래기술의 풍력발전기(1)의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 풍력발전기(10)의 구성도.
도 3은 도 2의 하중체(227)가 미끄럼 이동 가능하게 구성된 풍력발전기(10)의 구성도.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본원 발명의 실시예의 설명에서 종래기술인 도 1과 동일 작용을 수행하는 동일한 구성에 대하여는 도 1과 동일한 도면 부호와 구성 명칭을 사용한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 풍력발전기(10)의 구성도이다.
도 2와 같이, 본 발명의 풍력발전기(10)는 로터를 구비하는 나셀(3), 타워(5) 및 허브(7)와 편심축부(210)와 가변하중부(220)를 포함하는 회전력증강부(200)를 구비한 블레이드부(300)를 포함하여 구성된다.
상기 나셀(3), 타워(5)의 구성은 종래기술의 설명에서와 동일하므로 설명의 기재를 생략한다.
상기 블레이드부(300)에 구성되는 회전력증강부(200)의 편심축부(210)는 상기 허브(7)의 내측에서 허브(7)의 회전 중심과 편심되게 형성되는 편심축(211)과 편심축(211)의 외주연에 결합되어 허브(7)의 회전에 따라 회전되는 편심축베어링(213)을 포함하여 구성된다. 이때 상기 편심축(211)은 허브(7)의 회전과 무관하게 고정된 상태를 이루도록 허브(7)와 독립적으로 나셀(3)에 고정 구성될 수 있다.
상기 회전력 증강부(200)의 가변하중부(220)는, 상기 블레이드(300a ~ 300c)들의 내부에서 허브(7)의 내부와 연통하도록 형성되는 중공의 하중체수용홈(221)과 일단은 편심축 베어링(213)에 결합되고 타단은 하중체수용홈(221)에 삽입 위치되는 하중체로드(225)를 포함하여 구성된다.
상술한 구성의 상기 가변하중부(220)는 또한, 하중체로드(225)의 편심축(211)의 허브(7) 중심과의 편심에 기인하여 하중체수용홈(221)에 위치되는 하중체로드(225)가 뒤틀리는 경우, 뒤틀림 운동을 방해하지 않도록 하기 위해 편심축베어링(213)의 단부와 하중체로드(225)의 단부를 회전 가능하게 결합시키는 힌지조인트(223)를 더 구비한다. 상기 힌지조인트(223)는 편심축베어링(213)과 하중체로드(225) 단부의 자유 회전을 가능하게 하는 유니버셜 조인트 등으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 하중체로드(225)의 단부에는 하중체(227)가 각각 더 형성될 수 있다. 이 때 상기 하중체(227)는 하중체로드(225)의 단부에 고정 설치된다.
상술한 바와 같이, 하중체로드(225)의 단부에 하중체(225)를 고정 구성하는 것에 의해, 중력방향으로 회전하는 블레이드(300b,c)의 하중체(227)가 중력방향의 반대방향으로 회전하는 블레이드(300a)의 하중체(227)보다 허브(7)의 중심에서 더 먼 거리에 위치하게 되므로, 중력방향으로 회전하는 블레이드(300b)에는 회전 방향으로 큰 회전 토크가 걸리고, 중력 반대 방향으로 회전하는 블레이드(300c)에서는 회전 반대 방향으로 걸리는 토크가 감소되어, 블레이드부(300)의 회전력을 증가시키게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예로서, 하중체(227)가 하중체로드(225) 상에서 미끄럼 이동 가능하도록 결합 구성된 풍력발전기(10)의 구성도이다.
도 3과 같이, 상기 하중체(227)는 하중체로드(225) 상에서 미끄럼 이동되는 것에 의해, 중력방향으로 회전하는 블레이드(300a, b)의 경우에는 하중체(227)가 중력에 의해 하중체로드(225)의 편심축베어링(213)과 결합된 단부의 타단의 끝으로 미끄럼 이동되어 하중체로드(225)의 말단에 형성된 스토퍼(226) 등에 의해 위치 고정된다. 이에 의해 하중체(227)가 편심축(221)과 더 멀어지게 되어 블레이드(300a,b)에 더 큰 회전 토크를 제공한다.
이와 달리, 중력방향의 반대로 회전하는 블레이드(300b)의 경우에는 하중체(227)가 중력에 의해 하중체로드(225)의 편심축베어링(213)과 결합된 단부 측으로 미끄럼 이동한 후 중력평형 점 또는 스토퍼(226a) 등에 의해 위치 고정된다. 이에 의해 블레이드(300a)의 중력 방향으로의 회전 토크를 감소시켜 블레이드부를 회전시키는 임계 바람의 세기를 작게 할 수 있어 세기가 작은 바람에도 발전을 수행할 수 있도록 한다.
이와 같이 회전체로드(225)에 결합되는 하중체(227)를 미끄럼 이동 가능하게 구성하는 경우, 중력방향으로 회전하는 블레이드(300b)에서는 편심축(211)으로부터 원거리에 하중체(227)가 위치하고, 중력 반대 방향으로 회전하는 블레이드(300c)에서는 편심축(211)의 인접 위치에 하중체(227)가 위치하게 되어, 회전 방향으로 작용하는 두 개의 회전 토크 차가 커지게 되어 하중체(227)가 하중체로드(225)에 고정 구성되는 경우에 비해 블레이드부(300)의 회전력을 더욱 증가시키게 된다.
10: 풍력발전기 200: 회전력증강부
210: 편심축부 211: 편심축
213: 편심축 베어링 220: 가변하중부
221: 하중체 수용홈 223: 힌지조인트
225: 하중체로드 227: 하중체
300: 블레이브두 300a ~ 300c: 블레이드

Claims (6)

  1. 다수의 블레이드들과 상기 블레이드들을 등 각도 간격으로 고정하며 회전되는 허브를 포함하는 블레이드부와, 상기 허브가 회전 가능하게 결합되는 나셀과, 상기 나셀을 상단부에 고정 지지하는 타워를 포함하는 풍력발전기에 있어서,
    상기 블레이드부는,
    상기 허브의 중심부에서 편심되어 형성되는 편심축과, 상기 편심축의 외주연에 형성되는 편심축 베어링을 포함하는 편심축부 및 상기 블레이드들의 내부에서 상기 허브의 내부와 연통하도록 형성되는 중공의 하중체수용홈과, 일단은 상기 편심축 베어링에 결합되고 타단은 상기 하중체수용홈에 삽입 위치되는 하중체로드를 포함하는 가변하중부를 포함하여 구성되어, 상기 블레이드들의 회전 중 중력방향으로 회전하는 블레이드의 내측에서는 허브축과 원거리에 위치되어 회전 운동을 위한 토크를 증가시키고, 중력 반대방향으로 회전하는 블레이드의 내측에서는 허브축에 인접 위치되어 중력 방향으로 작용하는 회전 토크를 감소시키는 회전력증강부;를 포함하여 구성되는 가변 하중부를 구비한 풍력발전기.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 편심축부는,
    상기 편심축 베어링에 상기 하중체로드의 단부를 회전 가능하게 결합시키는 힌지조인트를 더 포함하는 가변 하중부를 구비한 풍력발전기.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 가변하중부는
    상기 하중체로드의 단부에 결합되는 하중체;를 더 포함하여 구성되는 가변 하중부를 구비한 풍력발전기.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 하중체는,
    상기 하중체로드에서 미끄럼 이동 가능하게 결합 구성되는 가변 하중부를 구비한 풍력발전기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 하중체로드의 말단과 상기 하중체수용홈의 편심축측의 단부에 스토퍼가 형성되는 가변 하중부를 구비한 풍력발전기.
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