KR101761328B1

KR101761328B1 - 풍력 터빈 로터 및 풍력 터빈

Info

Publication number: KR101761328B1
Application number: KR1020127029229A
Authority: KR
Inventors: 에위스테인 보르겐; 윌리암 카론; 마크 웨스트
Original assignee: 스웨이 터빈 에이에스
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2017-07-25
Also published as: US8698336B2; EP2556243A2; WO2011124707A3; CA2795926C; JP6087276B2; CA2795926A1; KR20130050299A; US20130115068A1; BR112012025887A2; CN103069156B; JP2013524087A; WO2011124707A2; ES2599406T3; CN103069156A; MA34223B1; AU2011237561B2; AU2011237561A1; EP2556243B1

Abstract

본 발명에 의하여 풍력 터빈이 제공되는바, 이 풍력 터빈은: 샤프트(2); 각각이 상기 샤프트 주위로 회전할 수 있으며 블레이드(7)를 갖는 복수의 블레이드 장착용 구조물(8)들로서, 상기 블레이드 장착용 구조물들과 블레이드들은 상기 샤프트 주위로 회전할 수 있는 블레이드 로터를 형성하는, 블레이드 장착용 구조물들; 상기 샤프트를 따라서 축방향으로 이격되고, 상기 블레이드 로터와 연결된, 적어도 제1 베어링 부재 및 제2 베어링 부재(6); 및 상기 샤프트에 회전하지 못하도록 고정된 스테이터(10) 및 테두리부를 구비한 발전기 로터(9)를 포함하는 직접 구동식 발전기;를 포함하고, 상기 제1 및 제2 베어링 부재들 각각은 블레이드 로터로부터의 반경방향 힘들을 상기 샤프트로 전달하며, 상기 제1 및 제2 베어링 부재들 중 적어도 하나는 굽힘 모멘트를 상기 샤프트로 전달하고, 상기 블레이드 장착용 구조물들 각각은, 블레이드 장착용 구조물에 의하여 발생된 토크를 직접적으로 발전기 로터로 전달하도록 상기 발전기 로터의 테두리부에 있는 지점에 또는 그 테두리부에 인접한 지점에 연결되며, 상기 발전기 로터(9)는 블레이드 로터 안에 있다.

Description

풍력 터빈 로터 및 풍력 터빈{Wind turbine rotor and wind turbine}

본 발명은 풍력 터빈 로터, 및 그러한 로터를 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다.

발전용 풍력 터빈은 공지되어 있으며, 또한 환경비파괴적인(sustainable) 전기 공급을 제공하기 위하여 점차 많은 수의 풍력 터빈이 설치되고 있다. 풍력 터빈이 발생시킬 수 있는 최대 전력은 풍력 터빈의 블레이드들의 선회 면적(swept area)에 비례하는바, 이 선회 면적은 대략적으로 블레이드들의 길이의 제곱에 비례한다. 풍력 터빈에 의하여 제공될 수 있는 최대 전력을 증가시키고 또한 공급되는 에너지의 비용을 감소시키기 위하여, 풍력 터빈의 크기를 증대시키고자 하는 요구가 있다. 그러나, 단순히 풍력 터빈의 구성요소들을 선형적으로 크게 함으로써는, 출력 전력의 선형적인 증대가 얻어질 수 없다.

예를 들어, 각 블레이드의 길이가 두 배로 된다면, 선회 면적은 4배로 된다. 그러나, 각 블레이드의 중량은 일반적으로 그 길이의 세제곱에 비례하므로, 중량이 8배로 증가된다.

허브(hub)에 고정된 블레이드들을 구비하는 풍력 터빈이 공지되어 있는바, 그 허브는 허브(hub)에 연결된 샤프트를 거쳐서 발전기를 구동한다. 이와 같은 구조의 예는 WO 03/098034 A1 , DE 10311025 A1 , US 2006/0251516 A1 , EP 0058791 A1, 및 US 6951443 B1에 기재되어 있다.

굴대(axle)에 의하여 구동되는 발전기는 전형적으로, 보다 효율적인 전기 발전을 제공하도록 회전 속도를 증가시키는 기어박스(gearbox)의 이용을 필요로 해왔다. 그러나, 기어박스는 풍력 터빈의 유지보수 요건들, 중량, 및 비용을 추가시킨다는 점에서 편리하지 못하다. 직접 구동식 발전기들이 이용되어 왔으며, 이러한 구조의 예는 DE 10255745 A1 및 US 6285090 B1에 개시되어 있다.

WO 02/099950 A1 에는 이와 같은 유형의 전기 발전기가 개시되어 있다. 이 풍력 터빈은 로터를 포함하고, 이 로터의 테두리부는 바퀴살이 달린 자전거 바퀴처럼 텐션 부재(tension member)들에 의하여 허브에 연결된다. 그 허브는 축방향으로 이격된 풍력 터빈 블레이드 구조물에 의하여 구동된다.

CA 26265452 A1에는 직접 구동식 발전기가 구비된 풍력 터빈이 개시되어 있다. 그 터빈 로터(turbine rotor)의 블레이드들은 고리부(annulus)에 고정되고, 그 고리부는 로드(rod)들에 의하여 허브에 연결되는데, 그 로드들은 허브로부터 반경방향으로 연장되고 또한 회전축에 대해 직각인 공통 평면에 배치된다. 블레이드 힘들은 블레이드들의 내측 단부들이 연결되는 상기 고리부에서 나뉘어진다(resolved). 그러므로, 상기 고리부는 그 힘들에 대해 견딜 수 있는 충분한 강도를 갖도록 제작되어야 한다. 12 미터 정도의 회전축 주위로의 반경과 3.5 미터 정도의 단면 직경을 갖는 고리부에 있어서는, 제조 비용이 상대적으로 고가이고, 고리부는 상당한 중량을 가지게 된다. 그러므로, 풍력 터빈의 조립 및 운송에 소요되는 비용이 높아지는 경향이 있다.

US 7042109 B2 에는, 터빈 로터가 기어박스를 거쳐서 또는 직접적으로 무철 링(ironless ring) 유형의 발전기를 구동하는, 다양한 구조의 풍력 터빈들이 개시되어 있다. 이 문헌의 도 3 에 도시된 구조에서는, 블레이드들이 로터 허브 내에서 허브 베어링(hub bearings)까지 연장되고, 발전기 로터는 허브에 고정된다. 블레이드들에 작용하는 힘들의 회전축에 대해 평행한 성분들은 그 베어링으로 그리고 또한 발전기 로터로 소통된다. 블레이드들에 의해서 발생된 토크는 발전기 로터로 전달된다.

허브에 고정되고 또한 로프 또는 케이블 구조물에 의하여 보강된 블레이드들을 구비한 풍력 터빈도 공지되어 있다. 이러한 터빈에서는, 허브가 굴대를 거쳐서 그리고 전형적으로는 기어박스를 거쳐서 발전기를 구동한다. 이와 같은 유형의 풍력 터빈은, 구조체의 일체무결성(integrity)을 유지하면서 선회 면적이 충분하게 증대될 수 없기 때문에, 상대적으로 높은 출력의 발전에는 적합하지 않다.

GB 1511948 A1 , WO 97/13979 A1 , US 4330714 A, US 4350895 A, WO 86/02701 A1 , WO 2007/135391 A2, US 2005/200134 A1 , US 5118255 A, US 2050129 A, DE 19606359 A1 및 US 2008/124216 A1 에는 다른 예의 풍력 터빈들이 개시되어 있다.

본 발명은 종래 기술의 단점 또는 한계를 극복하는 풍력 터빈 로터 및 풍력 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 청구범위에 기재된 풍력 터빈을 제공한다.

삭제

따라서, 상대적으로 많은 양의 전력을 발생시킬 수 있는 풍력 터빈을 제작하고 풍력 터빈 로터를 제공하는 것이 가능하다. 이러한 구조물은 상대적으로 가볍게 제작될 수 있고, 또한 제조, 운송, 및 조립하기가 상대적으로 용이할 수 있다. 이러한 구조물은, 예를 들어 제조 및 운용 비용을 감안할 때 풍력 터빈의 수명에 걸쳐서 발생되는 전기 에너지의 관점에서, 상대적으로 낮은 비용의 에너지를 제공할 수도 있다.

본 발명은 아래에서 하기의 첨부 도면들을 참조로 하여 예시적으로서 설명된다.
도 1 에는 본 발명의 일 실시예에 해당되는 풍력 터빈이 도시되어 있고;
도 2 에는 도 1 의 풍력 터빈의 일부분의 단면도가 도시되어 있고;
도 3 에는 본 발명의 다른 실시예에 해당되는 풍력 터빈이 도시되어 있고;
도 4 에는 도 3 의 풍력 터빈의 풍력 터빈 로터 및 스테이터가 보다 상세히 도시되어 있고;
도 5 에는 본 발명의 다른 실시예에 해당되는 풍력 터빈이 도시되어 있고;
도 6 에는 도 5 의 풍력 터빈의 풍력 터빈 로터가 보다 상세히 도시되어 있고;
도 7 에는 도 2 에 도시된 풍력 터빈의 일부분의 상세 모습의 단면도가 도시되어 있고;
도 8 에는 본 발명의 또 다른 실시예에 해당되는 풍력 터빈이 도시되어 있다.
도면들 전반에 걸쳐서, 유사한 참조 번호는 유사한 부분을 지칭한다.

도 1 및 도 2 에 도시된 풍력 터빈은 고출력 전기 발전기로서의 용도에 적합하다. 예를 들어, 전형적인 적용예로서, 이러한 풍력 터빈은 12 메가와트 정도의 정격 출력(rated output)을 가질 수 있다. 상기 풍력 터빈은, 적합한 바람 조건이 존재하는 곳이면 육상 또는 해상 모두에 설치될 수 있고, 이러한 풍력 터빈을 하나 이상 설치하는 것도 가능하다.

상기 풍력 터빈은 지지 타워(support tower; 1)를 포함하는바, 이 지지 타워에는 해상 적용예(offshore application)를 위하여 고정 구조물 및/또는 부력 구조물이 제공될 수 있고, 연안 적용예(onshore application)를 위하여 적합한 기초부(미도시)에 의해서 지상에 고정될 수 있다. 예를 들어, 상기 지지 타워 및 고정 구조물은 EP 1509696 및 EP 1944504 에 개시된 유형의 것일 수 있다.

샤프트의 축(4)이 실질적으로 수평으로 유지되도록, 메인 샤프트(main shaft; 2)가 타워(1)의 헤드(head; 3)에 고정된다. 풍력 터빈이 다양한 바람 방향을 수용할 수 있도록 하기 위하여, 헤드(3)는 수직축 주위로 피봇할 수 있도록 타워(1)의 상부에 장착될 수 있다. 풍력 터빈은 로터를 포함하는바, 이 로터는 제1 및 제2 베어링 부재들(6)을 포함하는 메인 베어링(main bearings; 5)에 의하여 축(4) 주위로 회전할 수 있도록 샤프트(2) 상에 회전가능하게 장착된다. 상기 로터는, (허브를 구성하는) 베어링 부재(6), 축(4) 둘레로 등각으로 배치된 세 개의 터빈 브레이드(7)들, 세 개의 터빈 블레이드의 블레이드 장착용 구조물(blade mounting arrangement; 8), 및 고리형 발전기 로터(9)의 형태를 갖는 직접 구동식 발전기를 포함한다. 발전기 스테이터(10)는 베어링 부재(6)들 사이에서 샤프트(2)에 고정된다.

베어링 부재(6)들 각각은 "모멘트 스티프(moment stiff)" 유형의 것이다. 특히, 베어링 부재(6)들은 개별적으로 블레이드 장착용 구조물(8)의 굽힘 모멘트를 샤프트(2)로 전달한다. 따라서, 베어링 부재(6)들은, 스테이터(10)에 대한 로터(9)의 위치를 변경할지도 모르는 굽힘 모멘트가 샤프트(2)로 전달되도록 하는바, 상기 샤프트(2)는 그러한 변위에 대한 저항성을 갖는다.

베어링 부재(6)들은 임의의 적합한 유형의 것일 수 있다. 예를 들어, 베어링 부재(6)들 각각은 하나 이상의 베어링을 포함할 수 있는데, 그 베어링들 각각은 롤링 요소 베어링(rolling element bearing) 또는 평 베어링(plain bearing)일 수 있고, 또한 각도 접촉(angular contact)을 제공할 수 있다. 적합한 롤링 요소의 예에는, 구형 요소, 원통형 요소, 및 절두원추형(테이퍼진 형태의) 요소가 포함된다. 예를 들어, 외측 베어링 레이스(outer bearing race)들은 허브를 형성하는 파이프 또는 튜브에 견고하게 연결될 수 있다. 특정의 실시예에서는, 두 개의 롤링 요소 베어링들이 파이프의 일 단부에 또는 그에 인접하게 배치되고, 그 파이프의 다른 단부에 또는 그에 인접하게 하나의 롤링 요소 베어링이 배치될 수 있다. 상기 베어링들은 파이프의 내측에 배치될 수 있다.

여기에서 설명되는 실시예들의 풍력 터빈은 세 개의 터빈 블레이드들 및 블레이드 장착용 구조물들을 갖지만, 이들은 적용예에 따라서 임의의 적절한 갯수로 제공될 수 있다. 블레이드(7)들은 자신의 반경방향 내측 단부들 또는 부분들에서만 지지되고, 자신의 반경방향 외측 단부들에서는 (상호연결용 케이블이 이용될 수 있긴 하지만) 예를 들어 링 구조체와 같은 것에 의하여 지지되지 않는다.

각각의 블레이드 장착용 구조물(8)은 복합 재료 또는 금속으로 형성될 수 있는 부재를 포함한다. 블레이드 장착용 구조물(8)은, "A-프레임(A-frame)" 또는 공간 프레임과 유사한 형태를 가지며, 제1 다리(11) 및 제2 다리(12)를 포함하는데, 제1 및 제2 다리들은 축(4)에 대해 평행하게 떨어져 이격되도록 베어링 부재(6)들에 연결된 내측 단부들을 구비한다. 상기 내측 단부들은 베어링 부재들에 견고하게 고정되거나 또는 그에 피봇가능하게 부착될 수 있다. 내측 단부들은 함께 연결되고 또한 복합 부재인 블레이드 장착용 구조물(8)의 외측 부분에 연결되는바, 이 외측 부분은 블레이드(7)의 피봇식 장착을 제공함으로써, 제어되어야 하는 블레이드의 피치(pitch) 또는 페더링(feathering)의 정도를 변경할 수 있도록 블레이드(7)가 자신의 종축 주위로 피봇될 수 있게 된다. 예를 들어, 블레이드 장착용 구조물의 외측 단부에는, 블레이드(7)의 피치 축에 대해 실질적으로 직각으로 연장된 플레이트(plate)가 제공된다. 상기 플레이트는 블레이드를 위한 장착부를 제공하는바, 블레이드는 블레이드(7)의 피치가 달라짐을 허용하는 피치 베어링(13)에 의하여 플레이트에 연결된다. 모터(14)는 블레이드(7)를 원하는 피치로 회전시킨다. 제1 및 제2 다리들(11, 12)의 외측 단부들은, 복합 부재의 일부분이라는 점 덕분에, 블레이드(7)용 장착부에 연결된다. 따라서, 터빈 로터는 베어링 부재(6)들에 부착된 반경방향 내측 다리 단부(radially inner leg end)들을 구비한 다중 다리 구조체(multi-legged structure)를 포함한다.

발전기 로터는 A-프레임 또는 공간 프레임을 닮도록 구성된 복수의 제3 및 제4 다리(15 및 16)의 쌍들을 포함한다. 제3 및 제4 다리들(15, 16)의 반경방향 내측 단부들은 축방향으로 떨어져 이격되도록 베어링 부재(6)들에 연결되는 한편, 제3 및 제4 다리들(15, 16)의 반경방향 외측 단부들은 발전기 로터(9)의 형태인 직접 구동식 발전기에 연결된다. 따라서, 발전기 로터(9)는 블레이드(7)들에 연결되기는 하되 블레이드들과는 별개이다. 대안예로서, 압축 상태에 있는 로터가 인장 상태에 있는 스포크(spoke)들에 의하여 허브에 연결될 수 있다.

로터(9) 및 스테이터(10)를 포함하는 발전기는 무철(ironless)의 고리 또는 링 형태를 갖는 직접 구동 유형의 것이다. 로터는 한 쌍의 동축을 이루는 고리형 부재들(17, 18)을 포함하는바, 고리형 부재들에는 영구자석이 구비되어 있고 고리형 부재들 사이에는 자기 공기 간극(magnetic air gap)이 형성된다. 자석들은 대면하는 자석들의 쌍들로서 고리형 부재들(17, 18)에 배치되어서, 각 쌍의 자석들은 서로 대면하는 반대의 극성을 가지며, 자석 극성들은 원주를 따라서 또는 축(4)에 대해 각도를 이루면서 교번적으로 되도록 배치된다.

스테이터는 부재들(17, 18) 사이의 공기 간극 내측에 배치된 복수의 각도상으로 분포된 코일(19)들을 포함한다. 코일(19)들은, 강자성 코어(ferromagnetic core)를 포함하지 않는다는 점에서 "무철(ironless)" 유형의 것이다. 예를 들어, 코일들은, 코일들의 형태 및 구조를 유지하기 위하여, 에폭시 수지와 같이 충분한 강도를 갖는 재료 안에 캡슐화(encapsulate)되도록 형성될 수 있다. 코일들의 출력은 적용예의 특정한 요구조건에 따라서 처리되고, 발생된 전기는 타워(1)을 통과하는 도전체들을 거쳐서 공급된다.

스테이터는, 인장 상태에 있는 스포크들에 의하여 샤프트에 연결된 압축 상태에 있는 테두리부를 포함할 수 있다.

이와 같은 유형의 발전기는 공지된 것이므로 더 상세히 설명되지는 않을 것이다. 유사하게, 이러한 발전기의 출력을 처리하기 위한 전기 회로 구조물도 공지된 것이며, 이에 대하여는 더 상세히 설명하지 않는다. 이러한 발전기들 및 구조물들의 예들은, 예를 들어 여기에서 앞서 언급된 문헌들 중에 개시되어 있다.

블레이드 장착용 구조물(8)들 각각은 20 으로 표시된 연결부에 의하여 로터(9)에 연결된다. 따라서 로터(9)는, 축(4) 주위로 스테이터(10)에 대해 상대적으로 회전하도록, 연결부(20) 및 블레이드 장착용 구조물(8)을 거쳐 각각의 블레이드(7)에 의하여 구동된다. 이로써 코일(19)들이 공기 간극 내에 있는 부재들(17, 18) 사이의 자기 플럭스(magnetic flux)를 끊어서 전기를 발생시킨다.

사용시, 축(4)과 동축을 이루는 절두원추형 표면에 배치되거나 또는 샤프트(2)를 중심으로한 회전의 축(4)에 대해 직각인 공통 평면에 배치된 블레이드(7)들은, 바람 방향으로 지향되고, 모터(14)들은 요망되는 블레이드 피치를 제공하도록 블레이드들의 축들 주위로 블레이드(7)들을 회전시킨다. 예를 들어, 그 피치는, 바람으로부터의 에너지 추출의 최대 이론 효율을 위하여 블레이드(7)들의 외측 팁 속도(outer tip)가 풍속의 6배와 대략적으로 같도록 설정될 수 있다. 블레이드(7)들에는 다양한 힘들이 작용하며, 이 힘들은 축(4)에 대해 평행하게 블레이드(7)들에 작용하는 힘, 블레이드들 및 블레이드 장착용 구조물(8)들의 하중, 및 축(4) 주위로 블레이드(7)들에 작용하는 토크로 나뉘어질 수 있다. 블레이드 장착용 구조물(8)은, 축(4)에 대해 평행하게 작용하는 힘들의 합력의 적어도 일부(또는, 이 축에 대해 평행하게 작용하는 힘들의 모든 성분들)가 주로 각 블레이드 장착용 구조물(8)의 제1 및 제2 다리들(11, 12)에 의하여 베어링 부재(6)들로 소통되도록 이루어진다. 각 블레이드(7)는 회전의 축(4)에 대해 평행하게 작용하는 모든 힘 성분(33)들에 대한 힘의 중심(30)을 갖는다. 제1 및 제2 다리들(11, 12)은 선들(31, 32)로 연장되는데, 이 선들은 힘 중심(30)에서 또는 이에 인접하여서 서로 실질적으로 교차한다. 따라서, 도 2 에서 수평 방향으로 움직이려는 경향은, 제1 및 제2 다리들(11, 12)을 거쳐서 베어링 부재(6)들에 의한 저항을 받으며, 이것은 연결부(20)를 거쳐 로터(9)로 실질적으로 소통되지 않는다.

상기 합력의 많은 비율, 예를 들어 50% 이상 또는 90% 이상은 블레이드 장착용 구조물(8)들에 의하여 베어링 부재(6)들로 소통되게끔 되어서 발전기 로터(9)로 전달되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 로터(9)를 축(4)에 대해 평행하게 휘게 하는 경향을 갖는 힘이 감소되고, 이로 인하여 로터 지지 구조체의 강도 요건이 감소되어, 상대적으로 작은 발전기 자성 간극이 허용될 수 있게 된다.

로터(9)는, 블레이드 장착용 구조물(8)들에 연결되고, 장착용 구조물들의 각도 관계를 유지한다. 특히, 로터(9)는, 블레이드들의 상대적인 각도 간격들을 유지하도록, 블레이드(7)들 및 블레이드 장착용 구조물(8)들의 하중에 의해 발생되는 축(4)에 대한 토크에 저항한다. 베어링 부재(6)들에 대한 블레이드 장착용 구조물(8)들의 연결부들은 이와 같은 각도 관계 또는 간격들을 유지할 필요가 없고, 앞서 언급된 바와 같이 피봇 연결부를 포함할 수도 있다.

블레이드(7)들에 의해 발생된 토크는 실질적으로, 연결부(20)를 거쳐서 발전기 로터(9)로만 소통된다. 특히, 제1 및 제2 다리들(11, 12), 베어링 부재(6)들, 및 제3 및 제4 다리들(15, 16)을 포함하는 경로를 거쳐서 로터(9)로 소통 또는 전달되는 토크는 실질적으로 존재하지 않는다. 로터(9)를 베어링 부재(6)에 지지시키는 제3 및 제4 다리들(15, 16)은, 축(4)에 대해 평행한 힘의 감소된 부하 또는 성분을 받게 되고, 따라서 이들은 그러한 감소된 부하의 존재 속에서 축(4)에 대해 평행한 방향으로의 로터(9)의 구조적 안정성을 보장하기만 하면 된다. 부하를 받는 부재들 모두는 실질적으로 인장 상태 또는 압축 상태에서 작용하고, 따라서 공간 프레임 구조물을 닮는다. 그러므로, 공간 프레임으로서 작용하거나 또는 공간 프레임을 닮은 개방 틀 구조체(open framework structure)는, 발전기를 구동하고 터빈 블레이드들을 장착하기 위한 터빈 로터 구조물을 형성하는데에 이용될 수 있다. 그러므로, 상대적으로 가벼운 구조체가 제공될 수 있고, 또한 이것은 상대적으로 높은 출력의 풍력 터빈의 작동 중에 발생하는 힘들의 존재 속에서 구조적인 무결성(structural integrity)을 쉽게 유지할 수 있게 된다. 예를 들어, 이러한 구조체는 상대적으로 가벼운 12MW 또는 이와 유사한 크기의 발전기를 제공하는데에 이용될 수 있다.

축(4) 주위의 블레이드(7)들에 의해서 발생되는 토크가 실질적으로 각 블레이드 장착용 구조물(8)에서의 연결부(20)에 의하여만 소통되기 때문에, 연결부(20)는 피봇 유형(pivotal type)으로 만들어질 수 있다. 유사하게, 베어링 부재(6)들에 대한 제1 및 제2 다리들(11, 12)의 핀-연결부(21)들은 토크를 소통시키거나 또는 토크에 저항할 필요가 없는데, 왜냐하면 견고하고 실질적으로 직선형인 제1 및 제2 다리들(11, 12)만이 실질적으로 유일하게 그들 자신의 길이를 따라서 인장력과 압축력을 전달하기 때문이다. 도 2 의 평면에서 로터(9)에는 축(4)에 대해 평행한 방향의 감소된 힘들이 작용하므로, 고리형 영구 자석이 구비된 부재들(17, 18) 사이의 공기 간극이 상대적으로 작게 될 수 있다.

12MW 정도의 최대 발전 용량을 갖는 풍력 터빈의 경우에, 블레이드(7)들은 통상적으로 50m 정도의 길이를 가지며, 또한 로터(9)는 통상적으로 12m 정도의 반경을 갖는다. 개방 프레임 구조체는 공간 프레임을 닮은 또는 공간 프레임을 형성하는 상대적으로 가벼운 구조체에 의하여 적합한 구조적 무결성(structural integrity)을 제공한다. 그러므로, 풍력 터빈을 형성하기 위한 구성요소들의 제조, 현장으로의 운송, 및 구성요소들의 조립이 공지된 유형의 구조물들에서보다 더 쉽고 또한 더 저렴하게 된다. 그러므로, 제조 및 조립에 소요되는 비용이 적게 소요되고, 또한 사용에 있어서 유지보수가 상대적으로 적게 필요한 풍력 터빈을 제공하는 것이 가능하게 된다. 그러므로, 이러한 풍력 터빈에 있어서는 그 수명에 걸쳐서 총 비용에 대한 발생된 에너지의 비율이 매우 우수하게 되고, 이 풍력 터빈에 의하여 제조 및 운용 비용의 관점에서 매우 효율적인 전기 에너지의 지속가능한 공급원(sustainable source)이 제공된다.

로터(9)에 발전기의 영구자석들을 제공하고 또한 스테이터(16)에 발전기의 코일(19)들을 제공함으로써, 예를 들어 슬립-링(slip-ring) 또는 다른 상대적으로 움직이는 전기 연결부들을 필요로 하지 않고서도, 고정된 전기 도전체들에 의하여, 발생된 전기가 풍력 터빈으로부터 추출될 수 있다. 그러나, 필요하거나 또는 바람직하다면, 영구 자석들이 스테이터(10)에 제공되고 코일들이 로터(9)에 제공될 수 있는바, 이 경우에는 발생된 전기를 풍력 터빈으로부터 추출하기 위하여, 슬립-링과 같은 소정 형태의 회전하는 전기 연결부가 필요한 것이 일반적일 것이다.

발전기 로터(9)는 풍력 터빈 로터의 구조체의 일부를 형성한다. 그러므로, 그것은 발전기의 영구 자석들(또는 코일들)의 장착이라는 목적과, 블레이드(7)들에 의하여 발생되는 토크를 전달하기 위한 구조체의 일부를 형성한다는 목적이라는, 이중의 목적을 달성한다. 이것은, 터빈 로터와 발전기 조립체의 상대적인 경량화에 기여하는 구조적으로 효율적인 구조물을 제공한다.

도 3 및 도 4 에는 다른 유형의 풍력 터빈 로터가 도시되어 있는데, 이 풍력 터빈 로터는 주로, 제1 및 제2 다리들(11, 12)이 예를 들어 금속인 로드(rod) 또는 튜브(tube)로서 형성되었다는 점에서 도 1 및 도 2 에 도시된 풍력 터빈 로터와 상이하다. 또한, 블레이드(7)들로부터 로터(9)로 토크를 전달하기 위한 연결부(20)들이 로드 또는 튜브로서 형성되어서, 블레이드 장착용 구조물(8)들을 포함하는 구조체가 공간 프레임을 보다 더 유사하게 닮는다. 각각의 블레이드의 내향 단부는 메인 베어링(21a)에 장착되어서, 블레이드들에 작용하는 힘들의 성분들의 샤프트(2)의 축(4)에 대해 평행한 합력 중의 적어도 일부가 제1 및 제2 다리들(11, 12)(이 다리들은, 회전축에 대해 평행하게 작용하는 모든 힘 성분들에 대하여 블레이드의 힘의 중심에서 또는 그에 인접하여 서로에 대해 실질적으로 교차하는 선들을 따라 연장됨)을 거쳐서 베어링 부재(6)들로 소통되는 한편, 축(4) 주위로 블레이드(7)들에 대해 작용하는 토크는 실질적으로 연결부(20)들에 의하여만 로터(9)로 소통되고, 로터(9)는 블레이드 장착용 구조물(8)들의 각도 관계를 유지시킨다. 블레이드들의 최내측 단부들에는 샤프트가 제공되거나 또는 그 최내측 단부들이 샤프트로 형성되는데, 그 샤프트는 메인 베어링(21a)을 통과하여 추가적인 베어링(22)까지 연장되고, 상기 베어링(22)은 (도 3 및 도 4 에서는 보이지 않는) 제3 및 제4 다리들(15, 16)의 최외측 단부들에 고정되며, 상기 제3 및 제4 다리들(15, 16)은 인접한 제1 및 제2 다리(11, 12)이 포함되는 동일한 반경방향 평면에 배치된다. 그러므로 제3 및 제4 다리들(15, 16)은 블레이드(7)들에 작용하는 힘의, 축(4)에 대해 평행한 성분들을 베어링 부재(6)들로 소통시키는데에 도움을 주고, 축(4) 주위로의 어떠한 실질적인 토크도 전달하지 않는다. 따라서 블레이드(7)들 및 로터(9)는, 함께 연결되고, 또한 공간 프레임 또는 공간 프레임을 닮은 구조물에 의하여 베어링 부재(6)들에 연결된다. 또한, 로터(9)는, 토크의 관점에서 구조적인 부재로서 작용하는 목적, 회전축에 대해 직각인 블레이드 힘들에 저항하는 목적, 및 발전기의 영구 자석(또는 코일)들을 지지하는 목적을 수행하는 역할을 한다. 스테이터(10)는 베어링 부재(6)들 사이에서 샤프트(2)에 고정되고, 베어링 부재(6)들은 베어링 부재(6)들의 축방향 분리를 제한 또는 고정하기 위한 쓰러스트 베어링(thrust bearings)의 일부를 이루거나, 또는 베어링 부재(6)들에 그러한 쓰러스트 베어링이 제공된다.

도 5 에 도시된 풍력 터빈의 도 6 에 도시된 풍력 터빈 로터는 도 4 에 도시된 풍력 터빈 로터와 유사하지만, 함께 접합되는 복합 재료 섹션(composite material section)들로서 제작되도록 구성된다는 점에서 상이하다. 각 다리(11 또는 12)와 그것의 인접한 제3 또는 제4 다리(15 또는 16)는 메인 블레이드 베어링(main blade bearing; 21a) 및 보조 블레이드 베어링(auxiliary blade bearing; 22)과 일체적으로 형성된다. 풍력 터빈 로터 전체는 접합된 복합 구성요소들로 형성되거나, 또는 복합 구성요소가 아닌 구성요소들을 일부 포함할 수도 있다. 그러므로, 이 로터는 공간 프레임과 동등한 복합체로서 고려될 수 있다.

도 7 에는 임의의 실시예들에서 이용될 수 있지만 예시적으로서 도 2 에 도시된 로터에 관한 것인 발전기 로터 및 스테이터 구조체의 일부분이 도시되어 있다. 발전기 로터(9)는 제1 및 제2 고리형 요크들(first and second annular yokes; 23)을 포함하는바, 이들은 발전기 로터의 주요한 구조적 부분을 형성한다. 요크(23)들은 자기 플럭스 경로를 제공하기도 하며, 따라서 이를 위한 목적에 충분한 두께를 가져야 하고 또한 적합한 강자성 재료로 형성되어야 한다. 요크(23)들은 제3 및 제4 다리들(15, 16)의 반경방향 외측 단부들에 고정된다.

이 실시예에서는, 영구 자석(25)들이 로터(9)에 고정된다. 특히, 영구 자석(25)들 각각은 부채꼴 형상을 가지며 강자성 장착 플레이트(24)에 고정된다. 장착 플레이트(24)들은 예를 들어 볼트(26)에 의하여 요크(23)들에 분리가능하게 고정되는바, 이로써 자석들이 요크(23)들에 조립되거나 또는 요크들로부터 분해됨이 가능하게 된다.

스테이터(10)는 예를 들어 에폭시 수지 안에 "넣어진(potted)" 복수의 코일(19)들을 포함하는데, 코일이 이와 같이 구성되는 것은, 코어 또는 형성부(former)를 필요로 하지 않고서, 발전기 안에서 작용하는 힘들에 대항하여 코일들의 형상 및 구조를 유지하도록 하기 위함이다. 코일(19)들은 제1 및 제2 요크(23)들 상에 있는 대면하는 자석(25)들 사이에 한정된 자기 공기 간극 안에 배치된다. 공기 간극 내의 자기장은 실질적으로 균일하여, 발전기 성능은 자석(25)들에 대한 코일(19)들의 축방향 위치에 대해 크게 달라지지 않는다. 상기 공기 간극을 한정하는 각각의 대면하는 쌍의 자석들은 서로 대면하는 반대의 자극을 갖는다. 또한, 요크에서 영구 자석들의 자극들은 원주를 따라서 (또는, 축(4)을 중심으로 각도를 달리하면서) 교번적으로 배치된다. 따라서, 코일(19)들 각각은 교류 전류를 발생시키고, 요망되는 전력 출력을 제공하기 위하여 코일들은 예를 들어 알려진, 임의의 적합한 기술에 의하여 상호 연결될 수 있다.

최적의 발전기 성능을 위하여 전체적으로 편평한 자석들 뒤에서 자기 플럭스 경로가 소정의 최소 두께를 가질 필요가 있다는 점을 이용한다. 이와 같은 두께의 많은 부분은 요크(23)들에 의하여 제공되는데, 이 요크(23)들은 토크의 전달을 위하여 발전기 로터의 구조의 일부를 형성하고 상대적으로 강하다. 자석(25)들을 장착하기 위한 별도의 장착 플레이트(24)들을 이용하는 것은, 발전기 로터(9)의 제작과, 손상된 자석의 제거 또는 교체와 같은 유지보수에 편리하다.

발전기 로터(9)를 자석들의 장착 전에 기계가공 및/또는 용접될 수 있는 연속적인 고리형 요크(23)들과 자석(25)들을 보유하는 플레이트(24)들의 형태를 갖는 복수의 분리된 세그먼트들로 나눔으로 인하여, 그 자석들이 로터의 조립 중에 작은 그룹 또는 구획부들로 장착됨이 가능하게 된다. 이것은, 조립에 편리할 뿐만 아니라, 사용 중에 있어서 손상된 자석들의 교체 또는 다른 임의의 다른 목적에도 편리하다. 이러한 구조는, 장착 플레이트(24)들 및 자석(25)들이, 도 7 에 도시된 바와 같이 자기 공기 간극을 통과하는 코일의 부분보다 폭이 더 넓은 경향이 있는 코일(19)의 단부 권취부(end windings)와 간섭되지 않는 채로, 발전기 로터 구조체의 외측으로부터 반경방향으로 설치됨을 가능하게 한다. 코일(19)들을 구비한 스테이터(10)는, 터빈 로터의 조립 중에 반경방향으로 설치되는 전체적으로 부채꼴 형상인 복수의 요소들로서 형성된다. 각각의 스테이터 요소는, 발전기 테두리부에 있는 구성요소들 모두를 수용하도록, 장착 플레이트(24)들 상의 인접한 자석(25)들과 동시에 설치된다. 이것은, 고리형 요크(23)들에 의하여 형성되는 주된 발전기 테두리부 구조체가 연속적으로 됨을 가능하게 한다.

도 8 에는, 연결부(20)가 블레이드 장착부의 연장된 꼬리부 대신에 링크(link) 형태를 갖는 점에서 도 1 에 도시된 것과 상이한 풍력 터빈이 도시되어 있다. 또한, 피치 베어링은 반경방향으로 샤프트(2)에 더 가깝다. 또한, 핀이 끼워진 연결부, 즉 핀-연결부(21)는 임의의 적합한 유형의 상이한 연결부에 의하여 대체된다.

블레이드(7)들의 피치가 반드시 조절가능한 것이어야 할 필요는 없다는 점과, 블레이드(7)들도 반드시 블레이드 장착용 구조물(8)과 별도로 형성되어야 할 필요는 없다는 점이 이해되어야 할 것이다.

피치가 가변적인 구조에서는, 바람에 맞게 블레이드들의 각도를 변화시킴으로써 로터의 속도를 제어하기 위하여, 풍력 터빈의 블레이드들이 집합적으로 또는 개별적으로 제어된다. 이러한 구조는 작동성이 좋지만, 블레이드들이 그들 자신의 종축 또는 "피치" 축 주위로 회전가능하도록 장착됨을 필요로 한다. 또한, 블레이드 피치를 변화시키기 위하여 전기 모터와 같은 액츄에이터가 필요하며, 블레이드 피치를 제어하기 위하여 제어 구조물이 필요하다. 이와 같은 사항들은 이러한 풍력 터빈의 복잡성 및 비용을 증가시키는 요인이 되며, 유지보수 요건들도 증가시킬 수 있다.

풍력 터빈은 실속 제어식 속도 제어 구조물(stall controlled speed control arrangement)을 가질 수 있다. 실속 제어 또는 통제의 경우에는, 블레이드들이 그들의 피치축(pitch axis) 주위로 회전가능한 것이 아니라, 유입 속도에 대한 최적 회전 속도로 (팁 속도 비율로) 작동하게끔 블레이드들의 비틀림(twist)이 분포된 채로 블레이드들이 허브에 고정된다. 최적 상태를 초과하는 속도 관계에서는, 영각(angle of attack)이 감소되고 발생되는 토크가 감소된다. 최적 상태 미만의 속도 관계에서는, 영각이 증가되어서, 블레이드가 실속(stall)하고, 토크를 발생시키는 양력이 감소되며, 항력이 증가된다. 이와 같은 통제 메카니즘의 일부는, 발전기로부터의 반응성 토크를 제공함에 의하여서나 기계적 또는 항공역학적 제동 시스템에 의하여, 로터의 회전 속도를 제어할 수 있는 능력에 의존할 수 있다. 그러므로, 이와 같은 기술사항은 필요에 따라서 또는 바람직한 경우에 제공될 수 있다.

실속 제어 방안의 결과로서, 피치 제어식 터빈에 비하여 더 높은 부하가 로터 및 터빈 시스템에 가해질 수 있다. 그러나, 실속 통제의 시스템 신뢰성이 더 크다는 점과 시스템이 단순하다는 점은, 실속 제어 시스템이 많은 적용예들에서 경제적인 면에서 돋보이게 한다.

일부 실시예들에서는, 예를 들어 위에서 언급된 복합 재료를 이용함으로써, 블레이드(7)들이 블레이드 장착용 구조물(8)들과 일체적으로 형성될 수 있다. 또한, 예를 들어 로터 전체가 전술된 바와 같은 복합 구성요소들로서 형성되는 경우에는, 블레이드(7)들 모두를 포함하는 블레이드 로터 전체가 일체적으로 형성되는 것도 가능하다.

Claims

샤프트(shaft);
각각이 상기 샤프트 주위로 회전가능하고 또한 블레이드(blade)를 갖는 복수의 블레이드 장착용 구조물(blade mounting arrangement)들;
상기 샤프트를 따라서 축방향으로 이격된 적어도 제1 베어링 부재 및 제2 베어링 부재; 및
상기 샤프트에 회전하지 못하도록 고정된 스테이터(stator)와, 상기 제1 베어링 부재 및 제2 베어링 부재에 연결된 테두리부(rim)를 구비한 발전기 로터(generator rotor)를 포함하는 직접 구동식 발전기(direct drive generator);를 포함하는 풍력 터빈(wind turbine)으로서,
상기 제1 베어링 부재 및 제2 베어링 부재 각각은 발전기 로터로부터의 반경방향 힘을 상기 샤프트로 전달하고, 상기 제1 베어링 부재 및 제2 베어링 부재 중의 적어도 하나는 개별적으로 굽힘 모멘트(bending moments)를 상기 샤프트로 전달하며,
상기 블레이드 장착용 구조물들 각각은, 블레이드 장착용 구조물에 의하여 발생된 토크(torque)를 상기 테두리부에 직접 전달하도록 상기 테두리부에 있거나 상기 테두리부에 인접한 지점에 연결되고,
상기 블레이드 장착용 구조물들 각각은 발전기에 걸터앉게(straddle) 배치된 제1 다리 및 제2 다리를 구비한, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
상기 스테이터는 제1 베어링 부재와 제2 베어링 부재 사이에 배치된 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
각각의 블레이드가 피치 베어링에 의하여 상기 블레이드 장착용 구조물의 나머지 부분에 연결된 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
상기 테두리부는 제3 다리 및 제4 다리의 복수의 쌍들에 의하여 제1 베어링 부재 및 제2 베어링 부재에 개별적으로 연결되고, 각 쌍의 제3 다리 및 제4 다리는 상기 샤프트의 축에 대해 평행하거나 또는 그 축을 포함하는 평면에 배치된 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
상기 블레이드 장착용 구조물들 각각은, 유연성을 가진 링크(link)에 의하여 상기 지점에 연결되거나, 상기 지점 또는 상기 블레이드 장착용 구조물에 피봇 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
상기 제1 베어링 부재 및 제2 베어링 부재 각각은 굽힘 모멘트를 상기 샤프트로 전달하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
상기 제1 다리 및 제2 다리는 개별적으로, 상기 제1 베어링 부재 및 제2 베어링 부재에 연결되는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
상기 발전기 로터는 상기 블레이드 장착용 구조물들에 연결됨으로써 상기 블레이드 장착용 구조물들의 각도 관계를 적어도 부분적으로 유지시키고 또한 상기 블레이드 장착용 구조물들로부터 분리되어 있으며, 각각의 블레이드 장착용 구조물은 상기 샤프트 주위로 작용하는 블레이드 장착용 구조물로부터의 토크를 실질적으로 상기 발전기 로터로만 소통시키도록 구성되어 있는, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
상기 블레이드 장착용 구조물들은 그들 자신의 반경방향 외측 단부들에서 지지받지 못하는 블레이드들을 구비한 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
상기 베어링 부재 또는 각각의 베어링 부재는, 파이프에 견고하게 연결된 외측 레이스(outer race)를 갖는 복수의 평 베어링(plane bearing)들 또는 롤링 요소 베어링(rolling element bearing)들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
상기 블레이드 장착용 구조물들 및 블레이드들은, 상기 발전기 로터로부터 분리된 블레이드 로터(blade rotor)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제11항에 있어서,
상기 발전기 로터는 상기 블레이드 로터 안에 있는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
각각의 블레이드는 상기 샤프트에 대해 평행하게 작용하는 모든 힘 성분들을 위한 힘 중심(centre of force)을 가지며, 상기 제1 다리 및 제2 다리는 상기 힘 중심에서 또는 그에 인접하여서 실질적으로 서로 교차하는 선들로 연장된 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
상기 제1 다리 및 제2 다리는, 상기 블레이드를 위한 장착부를 제공하는 블레이드 장착용 구조물의 외측 부분에서 서로 연결되는 반경방향 외측 단부들을 구비하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제14항에 있어서,
상기 블레이드를 위한 상기 장착부는, 상기 블레이드의 피치가 제어되는 것을 가능하게 하기 위하여, 상기 블레이드가 블레이드의 길이방향 축 주위로 피봇됨을 허용하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
각각의 블레이드 장착용 구조물은 상기 샤프트 주위로의 토크를 블레이드 장착용 구조물로부터 발전기 로터로 전달하기 위하여 제1 부재에 의해서 발전기 로터에 연결되고,
상기 블레이드 장착용 구조물에 작용하는 모든 힘들 중 상기 축에 대해 평행하게 작용하는 성분들의 상기 발전기 로터로의 소통을 방지 또는 감소시키도록, 상기 제1 부재가 탄성을 가지거나, 또는 상기 블레이드 장착용 구조물 및 발전기 로터에 관절식으로 연결된 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제16항에 있어서,
각각의 제1 부재는, 상기 블레이드와 상기 블레이드 장착용 구조물의 나머지 부분 사이에 배치된 플레이트에 연결되고, 상기 플레이트에는 상기 블레이드가 부착되는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제17항에 있어서,
각각의 블레이드는 피치 베어링(pitch bearing)을 거쳐서 상기 플레이트에 장착되는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
상기 제1 다리 및 제2 다리는 상기 샤프트를 포함하는 제2 평면에 배치되고, 상기 제1 다리 및 제2 다리는 상기 블레이드에 연결되고 또한 서로 연결된 제1 단부들, 및 상기 샤프트에 대해 평행하게 떨어져 이격된 개별의 위치들에서 상기 적어도 하나의 베어링 부재에 연결된 제2 단부들을 구비하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
제19항에 있어서,
각각의 블레이드는 상기 샤프트에 대해 평행하게 작용하는 모든 힘 성분들을 위한 힘 중심(centre of force)을 가지며, 상기 제1 다리 및 제2 다리는 상기 힘 중심에서 또는 그에 인접하여서 실질적으로 서로 교차하는 선들로 연장된 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
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