KR101723175B1 - 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치 - Google Patents

Abstract

풍력발전기의 나셀 전방에 회전 가능하게 설치된 발전기축에 연결되는 허브와, 발전기축의 회전중심을 기준으로 서로 대칭되게 배치되도록 허브에 설치되는 복수의 블레이드와, 허브에 설치되어 복수의 블레이드들이 풍속에 따라 허브에 대한 상대적인 회전이 가능하도록 서로 연동시켜 블레이드들의 피치각 조정이 가능하도록 하는 피치조정부와, 피치조정부와 허브 사이에 설치되어 복수의 블레이드들이 초기위치에서 자세 변경시 초기위치로 복귀하도록 탄성복원력을 제공하는 탄성부재 및, 피치조정부의 동작을 선택적으로 단속하여 블레이드의 허브에 대한 상대적인 회전을 제어하는 전자브레이크;를 포함하며, 블레이드는, 허브에 회전 가능하게 설치되며 상기 피치 조정부에 연결되는 날개축과, 날개축에 설치되며 바람방향에 대해 서로 다른 저항값을 갖도록 서로 다른 피치각으로 배치되는 내측 및 외측블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 블레이드 피치 조절장치가 개시된다.

Description

풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치{An apparatus for controlling pitch of blades for wind generator}

본 발명은 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 각각의 동일 날개축 선상에 외측블레이드 및 외측블레이드와 피치각이 다른 내측블레이드를 구비하여 풍속에 따라 블레이드의 피치 가변이 블레이드 자체에서 이루어져 고출력에 대한 발전기의 과부하 및 블레이드의 파손을 방지하도록 함은 물론, 초속 25미터 범위의 강풍에서도 내측블레이드만으로도 풍력발전이 가능하고, 강풍에서 저속으로 풍속 변화시 전자브레이크로서 블레이드의 피치 조절이 이루어질 수 있도록 한 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이 풍력발전(Wind Power)이란 풍력 터빈 등의 장치를 통해 바람에너지를 기계적 에너지로 변환시키고, 이 에너지로서 발전기를 가동하여 전기를 생산하는 것을 말한다.

풍력발전기는 설치장소에 따라 육상, 해상에 시설되고, 회전축에 방향에 의한 분류로는 수평축 풍력발전기(양력식), 수직축 풍력발전기(항력식)가 대표적이라 할 수 있다.

최근의 풍력발전기에 적용되는 블레이드는 날개각제어형(Pitch regulated type)의 풍력발전이 이루어진다.

날개각제어형의 풍력발전은 그 단면이 유선형으로 된 날개각도에 따라 풍속에 대한 양력을 받는 정도가 달라지기 때문에 날개의 각도(피치)를 조정하면, 다양한 범위의 회전속도를 얻을 수 있다. 이와 같은 원리를 이용하여 블레이드의 각도를 조정하여 회전속도의 토크를 제어하여 필요로 하는 바람에너지를 효율적으로 기계에너지로 전환하여 정격 풍속 이상에서 효율적인 출력제어를 할 수 있어 최신 풍력터빈시설에서 거의 필수적으로 채용되고 있다.

풍력발전은 이론상으로 바람에너지의 59.3%까지 전기에너지로 변환시킬 수 있지만, 현실적으로는 날개의 형상, 기계적 마찰, 발전기의 효율 등에 따른 손실요인이 존재하기 때문에 실용상의 효율은 20~40% 수준에 머물고 있다.

풍력은 재생에너지의 일종으로 자원이 풍부하고, 끊임없이 재생되며, 광범위한 지역에 분포되어 있고, 운전중 온실가스의 배출이 없다는 점에서 화석에너지 고갈 시에 대비한 유망한 대체에너지원으로 각광받고 있다.

최근의 풍력발전기의 구조를 살피면, 바람에너지를 회전력으로 변환시켜주는 회전날개(Blade)와 이를 주축(主軸)과 연결 시켜주는 허브(Hub), 날개의 회전력을 증속기 또는 발전기에 전달해주는 회전축 또는 주축, 회전속도를 올려주는 증속기(기어박스), 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기, 제동장치(브레이크), 날개각도로 조절하는 피치조절시스템, 블레이드를 바람방향에 맞추기 위하여 나셀( nacelle)을 회전시켜주는 요잉시스템(Yawing system), 풍력발전기를 지지하는 타워로 구성된다.

상기와 같은 풍력발전기는 발전기의 용량이나 규모에 따라, 대형 풍력발전기와 소형 풍력발전기로 구분될 수 있다. 대형 풍력발전기는 블레이드 제어방식이 주로 가변 피치방식이나 익단제어방식을 사용한다. 소형 풍력발전기는 블레이드 고속 회전시 양력 항력이 일치하도록 하여 실속상태로 발전, 또는 고풍속시 전자브레이크를 사용해서 브레이드를 정지시키는 제어방식을 사용한다.

가변피치 제어방식은 블레이드 전체 피치를 제어하여 로우터의 효율을 최대 상태로 운전할 수 있지만, 허브의 구조가 복잡한 단점이 있다. 또한, 충분한 출력에 대비하여 액추에이터 시스템을 적용해야 하므로 고장이 자주 발생하고, 소형 풍력발전에 적용시 설치 비용이 증가하게 되어 경제성이 떨어져 상용화가 어려운 단점이 있다.

또한, 익단제어 방식은 블레이드 선단부만 피치 제어하는 방식으로, 허브와 블레이드 설치 구조가 간단하지만, 액추에이터나 익단 베어링을 사용하고 액추에이터를 부가해야 하기 때문에 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한, 블레이드 내부에 액추에이터를 설치하기 위한 공간이 필요하게 되고, 특히 고속 회전의 가느다란 블레이드는 제어가 어렵고, 블레이드 균형을 맞추기 어려워, 소형 풍력 발전기에는 적용하는데 문제가 있다.

또한, 실속(失速)제어방식은 가장 간단하고 값이 싼 제어시스템으로서, 단순한 허브나 일체형 블레이드를 이용할 수 있고 파워 액추에이터를 사용하기 위한 보조기계도 필요 없다, 따라서, 500kw 이하 소형풍력 발전기에 많이 적용하지만 로우터 회전수를 독립으로 제어할 수 없고 과회전을 방지할 수 없으므로 공력브레이크 장치가 필요하며, 실속제어를 하려면 블레이드 중간부부터 선단까지 바람을 받는 면적이 작아지는 특징을 가지며, 이는 곧 시동풍속이 매우 높아지므로 저풍속(풍속 4 m/s 이하)에서 블레이드가 바람을 받는 면적이 작아지므로 기동이 되지 않아 고풍속에 적합한 방식이다.

이러한 블레이드의 피치 조절장치와 관련된 선행기술의 일예가, 대한미국 등록특허 제10-737407호(이하, '특허문헌 1'이라 함)에 개시되어 있다.

특허문헌 1의 블레이드 피치 조절장치는, 풍속에 의해 자동으로 블레이드의 피치를 조절하여 필요한 회전력에 의해 지속적인 발전이 가능하고, 일정치 이상의 풍속에 의해 블레이드 피치가 자동조절되어 블레이드의 회전을 차단하여 발전기에 과부하가 발생되는 것을 방지하도록 구성되어 있다.

하지만, 이와 같은 피치 조절장치는 저풍속의 소형풍력발전기에는 적합하지 않다고 하는 문제점이 있었다.

풍력발전기는 시동풍속에서 발전을 시작하고 정격풍속에 도달하기까지는 풍속의 3 제곱에 비례하여 출력을 증가하고, 정격출력에 도달한 후 블레이드 제어 시스템이 작동을 한다. 풍속은 1m/s에서 수십 m/s의 범위를 가지므로 제어범위가 매우 넓고, 이러한 넓은 범위를 제어하기 위해서는 고비용이 든다.

우리나라는, 풍속의 특성을 보면 일부 해안을 제외하고는 대부분 지역에서의 풍속이 4m/s 이하이고, 순간 풍속은 25 m/s 이상이므로, 소형 풍력발전기 설치시 블레이드가 회전이 되지 않는다.

통상 풍력에너지의 출력 계수는 베츠의 법칙에 의해 최대 에너지 변환은 이론적으로 0.593의 출력계수를 갖는 것으로 알려졌다. 그러나 바람의 풍속 범위가 매우 넓고 시스템구성에서 효율은 대형 발전기에서 최대 40%~50%, 소형은 20%~25%의 시스템 효율을 가지며, 이는 소형으로 갈수록 시스템효율이 급격히 저하된다.

특히 소형 풍력발전기는 타워를 높이 세우지 않기 때문에 지형의 영향 등에 의해 풍속의 변화가 심하며 로우터에 자동가변 피치 장치를 장착하여야 하나 크기 원가상승 낮은 기술수준으로 효율적인 시스템 구성이 이루어 지지 않고 강풍시 전자브레이크 장치를 장착하여 정지시키는 시스템이 주류를 이루고 있다.

이로 인해 저풍속에서의 무효에너지를 갖고 고풍속에서 무효에너지를 가지므로 효율이 매우 제한적이다. 그리고 풍력발전기는 블레이드 면적에 비례하고 풍속의 3 제곱에 비례하므로 풍력발전기는 대형이 유리한 측면이 있으나, 설치 지역의 한계, 소음, 전기 소비자와의 거리 등에 의해 규모나 크기 면에서 일정한 한계를 가질 수밖에 없고, 소형풍력 발전기는 대형 풍력 발전기의 단점을 어느 정도 보완이 가능하나 상술한 바와 같이 효율이 매우 적어 비경제적이다.

또한, 대한민국 공개특허 제10-2010-0035206호(이하, '특허문헌 2'라함)에는 강풍, 중풍, 미풍을 전력으로 변환하는 풍력발전기용 자동 피치조절장치에 대한 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 2에서의 자동 피치조절장치는, 블레이드에 바람이 가해지면 풍압에 의해 랙로드와 쇽업소버 블레이드 내부에 스프링을 사용하여 블레이드가 자동으로 조절되는 구조이다.

하지만, 상기 블레이드 내에 스프링을 넣어 제작하므로 현실성이 떨어지고 구조가 복잡해지며 비용이 높아질 뿐만 아니라, 피치 조절을 위하여 스프링을 사용하는데 사용기간에 따라 강도변화가 있으므로 장기간 사용시 문제가 된다. 또한, 블레이드 고정부(허브)에 랙로드나 쇽업소버를 적용하므로 로우터 허브의 사이즈가 증가하여 소형풍력발전기에 적용하기 위해서는 넓은 허브가 필요하고 무게가 무거워지는 단점이 있다. 또한, 블레이드 제어가 개별적으로 이루어지므로 고속회전시 불완전한 회전(회전중심점이 틀어짐)으로 블레이드 파손이 발생할 염려가 있고 기어와 쇽업소버를 사용하므로 일정기간 후에 급유를 해야하는 단점이 지적되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 각각의 동일 날개축 선상에 외측블레이드와 내측블레이드의 피치각이 서로 다르게 설치하여 풍속에 따라 블레이드의 피치 가변이 블레이드 자체에서 이루어져 고출력에 대한 발전기의 과부하 및 블레이드의 파손을 방지함은 물론, 초속 25미터 범위의 강풍에서 내측블레이드만으로도 풍력발전이 가능하고, 강풍에서 저속으로 풍속 변화시 브레이크 기능을 이용하여 블레이드의 피치 조절이 이루어질 수 있는 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치는, 풍력발전기의 나셀 전방에 회전 가능하게 설치된 발전기축에 연결되는 허브; 상기 발전기축의 회전중심을 기준으로 서로 대칭되게 배치되도록 상기 허브에 설치되는 복수의 블레이드; 상기 허브에 설치되어 상기 복수의 블레이드들이 풍속에 따라 상기 허브에 대한 상대적인 회전이 가능하도록 서로 연동시켜 상기 블레이드들의 피치각 조정이 가능하도록 하는 피치조정부; 상기 피치조정부와 상기 허브 사이에 설치되어 복수의 블레이드들이 초기위치에서 자세 변경시 초기위치로 복귀하도록 탄성복원력을 제공하는 탄성부재; 및 상기 피치조정부의 동작을 선택적으로 단속하여 상기 블레이드의 상기 허브에 대한 상대적인 회전을 제어하는 전자브레이크;를 포함하며, 상기 블레이드는, 상기 허브에 회전 가능하게 설치되며 상기 피치조정부에 연결되는 날개축; 상기 날개축에 설치되며, 바람방향에 대해 서로 다른 저항값을 갖도록 서로 다른 피치각으로 배치되는 내측 및 외측블레이드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 외측블레이드와 상기 내측블레이드는 서로 15~30도의 편차의 날개각을 갖도록 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전자브레이크는 풍속계, 회전속도계, 출력계 중 어느 하나에서 출력된 측정값을 기준으로 온, 오프 제어되어 상기 피치 조정부의 동작단속을 제어하는 것이 좋다.

또한, 상기 피치조정부는, 상기 각 블레이드의 날개축에 설치되는 메인 베벨기어; 상기 허브에 회전 가능하게 설치되며, 서로 동축적으로 배치되는 제1 및 제2회전축; 상기 제1 및 제2회전축 각각에 설치되는 서브 베벨기어; 상기 메인 베벨기어와 상기 제1 및 제2회전축 중 어느 한 회전축의 서브 베벨기어를 연결하는 연결기어;를 포함하고, 상기 전자브레이크는 상기 제1 및 제2회전축 중 어느 하나의 회전을 선택적으로 단속하도록 설치되며, 상기 탄성부재의 일단은 상기 제1 및 제2회전축 중 어느 하나에 연결되고, 타단은 상기 허브에 고정 설치되는 고정플레이트에 연결되며, 상기 고정플레이트에는 상기 외측블레이드가 피치 조절범위를 벗어나지 않게 상기 제1 및 제2회전축의 회전범위를 제한하는 스톱퍼가 설치된 것이 좋다.

본 발명에 따른 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치는, 풍력발전 범위에 해당하는 풍속 이상부터 고풍속 범위(초속 25미터 근접 내외)에서 외측블레이드는 수평으로 위치된 발전축과 평행하게 접혀 고출력에 의한 블레이드 파손을 방지하고, 날개축에 대한 외측블레이드와 소정의 각도를 이루는 내측불레이드의 회전만으로도 풍력발전이 가능한 이점이 있다.

아울러, 고풍속에서 저풍속으로 전환시 날개축의 메인 베벨기어 및 중립기어와 치합된 서브 베벨기어의 제2회전축을 전자브레이크의 작동으로서 현재 해당하는 풍속에 맞추어 브레이킹 단속하여 블레이드의 피치각을 유지시켜주고, 제2회전축을 인장스프링으로 탄성 지지하는 스프링의 복귀동작으로 해당하는 풍속에 맞추어 블레이드의 각도를 저풍속에 맞게 자력으로 조절 및 유지시켜 줌으로써 기존 복잡한 기구적인 피치조절장치에 비해 구조가 간단하면서도 효율적으로 풍력발전에너지를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치의 개략적인 정면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치의 개략적인 측단면도이다.
도 3은 도 1에서 내측블레이드와 외측블레이드의 날개각도를 도시한 A-A단면도이다.
도 4는 도 2의 B-B선 단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 피치조정부를 발췌하여 도시한 측면도이다.
도 6의 (a)(b)(c)는 풍속에 따른 내측 및 외측블레이드의 피치 가변상태를 보여주는 개략도이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 블레이드 피치 조절장치는 풍력발전기를 이루는 타워의 발전기축(1)과 연결되는 허브(10), 허브(10)에 소정 각도 왕복 회전 가능하게 설치되는 다수의 블레이드(20), 다수의 블레이드(20)의 허브(10)에 대한 상대적인 회전각를 조절하는 피치 조정부(30), 고정플레이트(40), 탄성부재(50) 및 전자브레이크(60)를 구비한다.

상기 허브(10)는 발전기축(1)과 연결되어 블레이드(20)가 바람의 저항을 받아 발전기축(1)을 회전중심으로 회전시 함께 회전된다. 상기 허브(10)의 외측에는 다수의 블레이드(20)가 발전기축(1)의 회전중심을 기준으로 대칭되게 설치된다.

상기 블레이드(20)는 허브(10)에 회전 가능하게 설치되는 날개축(21)과, 날개축(21)에 설치되는 내측블레이드(22) 및 외측블레이드(24)를 구비한다. 상기 내측블레이드(22)보다 외측블레이드(24)가 더 넓은 공기 저항면적을 가진다. 내측블레이드(22)와 외측블레이드(24)는 도 3에 도시된 바와 같이, 15~30도로 어긋하도록 서로 다른 날개각을 갖도록 배치된다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 내측블레이드(22)는 동일면적 기준일 때 외측블레이드(24) 보다 바람의 저항을 더 많이 받을 수 있는 피치각을 갖도록 배치되고, 외측블레이드(24)는 바람의 저항을 상대적으로 적게 받는 피치각을 갖도록 배치된다.

따라서 불러오는 바람은 내측블레이드(22)에서 큰 저항을 받게 되어, 상대적으로 저항이 적은 외측블레이드(24) 쪽으로 흐르게 된다. 따라서, 동일한 저항을 받을 때 내측블레이드(22)에 비하여 상대적으로 큰 회전 토크를 발생시키는 외측블레이드(24)로 바람이 흐르도록 유도할 수 있게 된다. 그러므로 저풍속시에는 바람의 방향을 외측블레이드(24) 쪽으로 유도하여 출력을 증가시킬 수 있게 된다. 그리고 고풍속시에는 상기 피치 조정부(30)의 작동에 의해 블레이드(20)의 피치가 조절되어 바람에 대해 저항을 적게 받는 각도가 되도록 즉, 도 6의 (b)와 같은 상태가 된다. 따라서, 고풍속시에는 외측블레이드(24)에서는 바람의 저항을 거의 받지 않고, 내측블레이드(22)에서 받는 공기저항만으로도 발전기축(1)을 회전시킬 수 있는 회전력을 얻을 수 있게 된다.

상기 외측블레이드(24)가 고정된 날개축(21)을 기준으로 외측블레이드(24)에 대한 내측블레이드(22)의 날개각은 15~30도로 형성된다.

상기와 같이 외측블레이드(24)와 날개각을 갖는 내측블레이드(22)의 폭은 넓이는 풍속 25m/s 기준으로 형성되되, 이는 발전기의 용량에 비례하여 형성됨이 바람직하다.

상기 블레이드(20)의 바람방향에 대한 각도 즉, 피치각은 허브(10)에 설치되는 피치조정부(30)에 의해 조정될 수 있다.

상기 피치조정부(30)는 블레이드(20)의 날개축(21)에 설치되는 메인 베벨기어(30a)와, 허브(10)에 회전 가능하게 설치되는 제1 및 제2회전축(31,33), 제1 및 제2회전축(31,33)에 각각 설치되는 서브 베벨기어(31a,33a), 메인 베벨기어(30a)와 서브 베벨기어(33a)를 연결하는 연결기어(32a)를 구비한다.

제1 및 제2회전축(31,33)은 서로 동축적으로 배치되며, 그 단부에 설치되는 서브 베벨기어(31a,33a)는 서로 마주하여 배치된다. 상기 서브 베벨기어(33a)는 연결기어(32a)에 의해 메인 베벨기어(30a)와 연동되어 회전되고, 나머지 서브 베벨기어(31a)는 메인 베벨기어(30a)와 직접 연결되어 회전된다. 연결기어(32a)의 축(32)은 허브(10)에 자유회전 가능하게 설치된다.

상기 구성에 의하면, 날개축(21)이 회전되면 메인 베벨기어(30a)가 회전되면서 서브 베벨기어(31a,33a)가 동일한 방향으로 연동되어 회전된다. 따라서 복수의 블레이드(20)의 날개축(21)은 서로 연동하여 동시에 회전된다. 다만, 서로 동축적으로 배치되어 서로 마주하는 블레이드(20)는 서로 반대 방향으로 회전됨으로써, 내측 및 외측 블레이드(22,24)의 피치각이 바람 방향을 기준으로 동일하게 조정될 수 있다.

상기 허브(10) 일측에는 고정플레이트(40)가 설치된다.

상기 고정플레이트(40)의 중앙에는 상기 제2회전축(33)이 회전 가능하게 지지되는 회전체(42)가 설치된다. 여기서 상기 제2회전축(33)과 회전체(42)는 체결나사(S)에 의해 서로 결합되어 함께 회전될 수 있다. 상기 체결나사(S)는 회전체(42)에 대해 적어도 2지점 고정 설치될 수 있다.

상기 회전체(42)를 고정하는 체결나사 중 어느 하나의 체결나사(S)와 상기 고정플레이트(40)를 연결하도록 탄성부재 즉, 인장스프링(50)이 설치된다. 블레이드(20)가 회전하여 피치 가변에 따라 제2회전축(33)이 회전되면, 회전각도에 비례하여 인장스프링(50)이 인장되어 탄성력이 발생된다. 이러한 인장스프링(50)의 탄성력에 의해 블레이드(20)가 피치 가변된 상태에서 초기위치로 복귀될 수 있게 된다.

또한, 상기 고정플레이트(40)에는 회전체(42)가 설치되는 일측에는 인장스프링(50)의 인장거리 즉, 블레이드(20)의 피치 조절범위를 제한하기 위한 스토퍼(44)가 설치된다. 따라서, 고풍속시에도 블레이드(20)가 피치 조절범위 이상으로 회전되는 것을 방지하여, 블레이드(20)의 피치 조절범위를 제어할 수 있게 된다.

이러한 인장스프링(50)은 고풍속에서 저풍속으로 전환시 블레이드(20)의 피치각을 초기위치로 서서히 복귀하도록 한다.

또한, 상기 고정플레이트(40)를 관통하여 배치되는 제2회전축(33)의 일단에는 제2회전축(33)의 회전을 선택적으로 단속하거나, 해제하기 위한 전자브레이크(60)가 설치된다. 상기 전자브레이크(Electromagnetic brake: 60)는 전자력(電磁力)을 이용하여 브레이크 디스크에 브레이크 슈를 압착시켜 회전축을 제동하는 방식의 브레이크가 적용될 수 있다. 상기 전자브레이크(60)는 허브(10)에 고정되는 커버(70) 내측에 설치되어 외부로부터 보호될 수 있다.

이러한 전자브레이크(60)는 풍력발전기에 설치되는 풍속계, 회전속도계, 출력계 중 어느 하나에서 출력된 측정값과 설정된 기준값을 비교하여 온, 오프 제어되어 제2회전축(33)의 회전을 선택적으로 단속할 수 있다.

풍속이 점점 세져서 발전기의 출력이 기준값을 초과하게 되면, 전자브레이크(60)는 설정된 시간 동안 온 상태로 유지하면, 제2회전축(33)의 단속이 일정 시간(수초 내지 수십 초)동안 해제된다. 그러면, 블레이드(20)는 바람의 저항을 크게 받아 날개축(21)을 기준으로 회전되어 뒤틀리면서 피치각이 조정되고, 인장스프링(50)은 인장되어 탄성 변형된다.

설정시간 이후에는 전자브레이크(60)는 오프상태가 되어 피치조정된 상태에서 블레이드(20)의 날개축(21)이 고정된다. 따라서 피치 조정된 상태에서 블레이드(20)는 바람의 저항을 받아서 적절한 수준으로 출력을 할 수 있게 된다.

반대로 출력이 정격 이하일 경우에는, 전자브레이크(60)는 다시 온 구동되어 제2회전축(33)의 단속을 설정시간 동안 해제한다. 그러면, 바람의 저항이 줄어든 상태에서 블레이드(20)는 인장스프링(50)의 탄성복원력에 의해 초기자세 방향으로 회전하여 바람의 저항을 많이 받는 피치각을 유지하도록 자세 변경된다. 따라서 바람의 저항을 적절히 받아서 정격출력 이상으로 출력을 유지시킬 수 있게 된다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치의 작용효과를 기술하면 다음과 같다.

통상 풍력발전은 풍력발전기의 규모에 따라 풍력에너지의 생산이 달라지며, 본 발명에 따른 풍력발전기의 블레이드(20)는 중형급 이상으로 초속 5미터 내지 25미터에 해당하는 풍속에 대응하여 풍력발전에너지를 생성시킬 수 있다.

지상 또는 해상에 설치된 풍력발전기는 타워의 소정높이에서 풍속에 저항하여 허브(10)를 포함한 블레이드(20)의 회전이 이루어진다.

블레이드(20)의 회전시 전방에서 불어오는 동압을 블레이드를 거쳐 정압으로 전환시켜 주며, 이때 초속 12미터 이상이 되는 시점부터 외측블레이드(24)는 날개축(21)에 대해 받는 풍속에 저항하여 첨부된 도 6의 (a)에서 (b)상태로 만들어 준다. 도 6의 (a)의 상태에서 고풍속으로 전환되면, 앞서 설명한 바와 같이, 전자브레이크(60)의 단속이 순간 해제된다. 전자브레이크(60)의 단속이 해제된 동안에 블레이드(20)는 바람의 저항에 의해 뒤틀려져서 도 6의 (b)와 같이 피치각이 조정된 뒤, 전자브레이크(60)의 단속에 의해 자세 고정될 수 있다.

한편, 도 6의 (a)의 상태로 유지될 때에는 저풍속의 바람이 부는 상황이다. 이때에는 바람이 내측블레이드(22)에서 저항을 받아서 외측블레이드(24) 쪽으로 유도되어 외측블레이드(24)를 저풍속으로도 원활하게 회전시켜 줌으로써 효율적인 풍력발전이 이루어지게 한다. 즉, 발전기축(1)을 기준으로 먼 위치에 위치된 외측블레이드(24)로 바람이 이동되어 집중되도록 유도함으로써 저풍속으로도 블레이드(20)를 효과적으로 회전시켜서 풍력에어지를 얻을 수 있게된다..

도 6의 (b)는 고풍속시 내측블레이드(22) 및 외측블레이드(24)는 허브(10)를 기점으로 외측블레이드(24)가 발전기축(1) 방향으로 젖혀지는 지점까지 위치된 상태를 예시한 것이다.

상기 블레이드(20)의 피치조정은 앞서 설명한 바와 같이, 기준출력 이상일 때, 또는 기준풍속 이상일 때, 또는 발전기축(1)의 회전속도가 기준속도 이상일 때 전자브레이크(60)가 동작되어 제2회전축(33)의 단속을 순간 해제함으로써 이루어진다. 즉, 제2회전축(33)의 단속이 해제되면, 공기저항에 의한 블레이드(20)의 각도 변화가 이루어지되, 피치조정부(30)에 의해 각 블레이드(20)가 서로 연동되어 동시에 이루어지게 된다. 그리고 제2회전축(33)의 회전에 의해 인장스프링(50)은 도 4와 같이 인장되어 탄성 변형된다. 이와 같이 단속이 해제된 순간 블레이드(20)가 뒤틀려서 도 6의 (b)와 같이 피치각이 조정된 상태에서, 전자브레이크(60)의 단속이 이루어지면 피치각이 조정된 상태로 블레이드(20)의 자세가 유지된다.

상기 인장스프링(50)의 인장은 블레이드(20)의 피치 조정범위 내에서 이루어진다. 이와 같이 인장스프링(50)의 인장범위 즉, 블레이드(20)의 뒤틀림 각을 제한함으로써, 블레이드(20가 설정된 피치 조정범위를 벗어나지 않게 하는 것으로, 고풍속시 불필요한 블레이드의 피치 조정이 더이상 이루어지지 않게 하여 블레이드의 파손을 방지할 수 있다.

상기와 같이, 풍속에 대응하여 블레이드(20)의 날개축(21)은 도 6에서 도시한 화살표방향과 같이 날개축(21)이 각각 회전 연동되어 피치 조절이 자력으로 이루어지고, 상기 제2회전축(33)은 전자브레이크(60)에 의해 단속되어 회전되지 않고 자세 고정된다.

즉, 상기 전자브레이크 및 인장스프링은 현재 풍속에 대한 블레이드의 피치는 발전하기 용이한 각도로 전환시켜 줄 수 있게 한다.

이와 같은 블레이드의 피치조정는 고풍속에 대한 블레이드(20)의 회전에 따른 고출력범위를 벗어나게 되어 발생할 수 있는 블레이드(20)의 파손 및 발전기의 과부하를 방지할 수 있으면서, 내측블레이드(22)에 받는 풍압만으로도 블레이드(20)를 회전시켜 요구하는 풍력발전에너지를 생성시킬 수 있게 된다.

가령 초속 30미터에 달하는 돌풍이나 태풍상태에서 내측블레이드(22)가 바람의 저항을 받지 않는 상태로 피치가 조절된 상태라면, 통상 발전기에 구비된 주 브레이크시스템을 통해 발전을 정지시켜 발전범위 이상의 풍속으로부터 풍력발전기를 보호할 수 있다.

도 6의 (c)는 고풍속에서 저풍속으로 전환될 경우에, 제2회전축(33)을 홀딩하고 있는 전자브레이크(60)의 단속상태를 순간 해제하여 블레이드(20)의 피치각이 조정된 상태를 보인 것이다. 즉, 도 6의 (b) 상태에서 풍속이 줄어들게 되어 출력이 기준값에 미치지 못하거나, 회전속도가 기준속도 미만이거나, 풍속이 기준값 미만인 경우에 전자브레이크(60)는 순간적으로 단속을 해제한다. 그러면 인장스프링(50)의 탄성복원력에 의해 제2회전축(33)을 현재 해당하는 풍속만큼의 위치로 복귀되고, 그 상태에서 전자브레이크(60)가 오프되어 블레이드의 피치각이 조정된 상태로 자세 유지됨으로써 풍속에 맞는 풍력발전이 안정적으로 이루어지게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 블레이드 피치 조절장치는, 종래에 블레이드 피치를 조정하기 위해 설치되는 전용 모터의 설치가 불필요하고, 모터의 접점부위인 슬립링을 통하지 않고 전원을 전자력으로 전달하는 방식을 채택하여 운전할 수 있으므로, 풍력발전기의 피치 조정에 따른 고장발생률을 현저히 줄여줄 수 있는 이점을 제공한다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1: 발전기축 10: 허브
20: 블레이드 21: 날개축
22: 내측블레이드 24: 외측블레이드
30: 피치조정부 30a: 메인 베벨기어
31: 제1회전축 31a: 서브 베벨기어
32: 회전축 32a: 연결기어
33: 제2회전축 33a: 서브 베벨기어
40: 고정플레이트 42: 회전체
44: 스토퍼 50: 인장스프링
60: 전자브레이크 70: 커버
S: 체결나사

Claims (4)

1. 풍력발전기의 나셀 전방에 회전 가능하게 설치된 발전기축에 연결되는 허브;
   상기 발전기축의 회전중심을 기준으로 서로 대칭되게 배치되도록 상기 허브에 설치되는 복수의 블레이드;
   상기 허브에 설치되어 상기 복수의 블레이드들이 풍속에 따라 상기 허브에 대한 상대적인 회전이 가능하도록 서로 연동시켜 상기 블레이드들의 피치각 조정이 가능하도록 하는 피치조정부;
   상기 피치조정부와 상기 허브 사이에 설치되어 복수의 블레이드들이 초기위치에서 자세 변경시 초기위치로 복귀하도록 탄성복원력을 제공하는 탄성부재; 및
   상기 피치조정부의 동작을 선택적으로 단속하여 상기 블레이드의 상기 허브에 대한 상대적인 회전을 제어하는 전자브레이크;를 포함하며,
   상기 블레이드는,
   상기 허브에 회전 가능하게 설치되며 상기 피치조정부에 연결되는 날개축; 및
   상기 날개축에 설치되며, 바람방향에 대해 서로 다른 저항값을 갖도록 서로 다른 피치각으로 배치되는 내측 및 외측블레이드를 포함하고,
   상기 전자브레이크는 회전속도계, 출력계 중 어느 하나에서 출력된 측정값을 기준으로 온, 오프 제어되어 상기 피치 조정부의 동작단속을 제어하고,
   상기 피치조정부는,
   상기 각 블레이드의 날개축에 설치되는 메인 베벨기어;
   상기 허브에 회전 가능하게 설치되며, 서로 동축적으로 배치되는 제1 및 제2회전축;
   상기 제1 및 제2회전축 각각에 설치되는 서브 베벨기어;
   상기 메인 베벨기어와 상기 제1 및 제2회전축 중 어느 한 회전축의 서브 베벨기어를 연결하는 연결기어;를 포함하고,
   상기 전자브레이크는 상기 제1 및 제2회전축 중 어느 하나의 회전을 선택적으로 단속하도록 설치되며,
   상기 탄성부재의 일단은 상기 제1 및 제2회전축 중 어느 하나에 연결되고, 타단은 상기 허브에 고정 설치되는 고정플레이트에 연결되며,
   상기 고정플레이트에는 상기 외측블레이드가 피치 조절범위를 벗어나지 않게 상기 제1 및 제2회전축의 회전범위를 제한하는 스토퍼가 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 외측블레이드와 상기 내측블레이드는 서로 15~30도의 편차의 날개각을 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치.
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