KR101898248B1 - 풍력터빈 및 이를 구비한 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력터빈 및 이를 구비한 풍력발전기에 관한 것이다.
본 발명은 풍속에 따라 풍력터빈의 블레이드의 펼쳐지거나 접힌 상태가 가변되도록 구성하여 태풍과 같은 비상 시에 과도한 풍속에 따른 손상을 방지하며, 제1 풍력터빈과 제2 풍력터빈이 동일한 풍향에 대해 상호 역방향으로 회전하여 각각 회전자부와 고정자부를 회전시키도록 구성되어 풍속이 낮은 경우에도 높은 발전효율을 제공하도록 구성된 풍력터빈 및 이를 구비한 풍력발전기를 개시한다.

Description

풍력터빈 및 이를 구비한 풍력발전기 {Wind turbine and aerogenerator having the same}
본 발명은 풍력터빈 및 이를 구비한 풍력발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍속에 따라 풍력터빈의 블레이드의 펼쳐지거나 접힌 상태가 가변되도록 구성하여 태풍과 같은 비상 시에 과도한 풍속에 따른 손상을 방지하며, 제1 풍력터빈과 제2 풍력터빈이 동일한 풍향에 대해 상호 역방향으로 회전하여 각각 회전자부와 고정자부를 회전시키도록 구성되어 풍속이 낮은 경우에도 높은 발전효율을 제공하도록 구성된 풍력터빈 및 이를 구비한 풍력발전기에 관한 것이다.
화석연료의 자원의 한정성과 연소로 인한 오염 물질의 배출, 급속도로 진행하고 있는 지구 온난화 등을 고려하여 다양한 친환경 발전 기술이 연구되고 있다.
이러한 친환경 발전 기술의 하나로 풍력 발전장치가 확산되는 추세이다.
풍력 발전장치는 바람의 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 장치로서, 풍력 발전기의 날개를 회전시켜 이때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산한다.
그런데, 풍력 발전장치는 일정한 풍속 이상의 바람이 확보되어야 상업적으로 활용 가능한 수준의 전기가 생산될 수 있다는 한계점을 갖고 있다.
또한, 풍력 발전장치는 태풍과 같이 과풍속이 발생하는 경우에는 과도한 회전으로 인한 파손의 위험성이 있으므로, 이러한 과풍속 상태에 대비하여 설계가 이뤄져야 한다는 한계점을 갖고 있다.
한편, 풍력 발전장치는 바람을 풍부하게 확보할 수 있는 해상, 해안 또는 산간 지역에 설치되는 것이 일반적인데, 특히 산간 지역에 설치하기 위해서는 큰 사이즈의 블레이드나 지주를 설치 지역까지 이송하기 위해 산림을 훼손하고 설치 부품이나 설치 장비가 통과할 도로를 개설해야 하는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-0976382호 (2010.08.11. 등록) 대한민국 공개특허 제10-2012-0123799호 (2012.11.12 공개) 대한민국 공개특허 제10-2012-0122325호 (2012.11.07 공개)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 풍속에 따라 풍력터빈의 블레이드의 펼쳐지거나 접힌 상태가 가변되도록 구성하여 태풍과 같은 비상 시에 과도한 풍속에 따른 손상을 방지하며, 제1 풍력터빈과 제2 풍력터빈이 동일한 풍향에 대해 상호 역방향으로 회전하여 각각 회전자부와 고정자부를 회전시키도록 구성되어 풍속이 낮은 경우에도 높은 발전효율을 제공하도록 구성된 풍력터빈 및 이를 구비한 풍력발전기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 본체부와, 상기 본체부에 형성되며 방사형(放射形) 배치구조를 갖는 복수개의 봉재와, 상기 본체부에 형성되며 상기 봉재의 배치 방향에 대응하는 위치에 형성되는 복수개의 제1 스프링 결합부를 포함하는 축부재; 상기 봉재가 슬라이딩 가능한 형태로 삽입되는 관통부와, 상하방향으로 연장된 봉재 형상을 가지며 상기 관통부가 단부에 결합된 내축부와, 상하방향으로 연장된 원통 형상을 가지며 상기 내축부의 외측에 상대 회동이 가능한 구조로 삽입 결합되고 일측에 제2 스프링 결합부가 형성된 외축부와, 상기 외축부의 측면으로부터 연장 형성된 연결암을 포함하는 복수개의 이동부재; 어느 하나의 상기 제1 스프링 결합부에 일단이 연결되고, 상기 제1 스프링 결합부에 대응하는 위치에 구비된 이동부재의 제2 스프링 결합부에 타단이 결합된 스프링; 및 상기 관통부를 슬라이딩 가능한 형태로 삽입 통과한 상기 봉재의 외측 단부가 내측에 힌지 결합되고, 상기 연결암의 외측 단부가 내측의 또다른 위치에 힌지 결합된 복수개의 수직형 풍력 블레이드;를 포함하며, 상기 스프링의 인장력과 상기 이동부재의 무게에 의한 회전 원심력의 결합력에 의해 각각의 봉재와 각각의 풍력 블레이드 상호 간에 이루는 블레이드 각도가 가변되도록 구성된 풍력터빈이 개시된다.
바람직하게, 상기 축부재는, 상하방향으로 연장된 상기 본체부와, 상기 본체부의 상단 및 하단에 각각 복수개가 형성되며 방사형(放射形) 배치구조를 갖는 상부 봉재 및 하부 봉재와, 상기 본체부의 외측에 복수개가 형성되며 상기 상부 봉재 및 하부 봉재 사이에 형성되는 상기 제1 스프링 결합부를 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 이동부재는, 상기 상부 봉재 및 하부 봉재가 슬라이딩 가능한 형태로 삽입되는 상부 관통부 및 하부 관통부와, 상하방향으로 연장된 봉재 형상을 가지며 상기 상부 관통부 및 하부 관통부가 상단 또는 하단에 각각 결합된 상기 내축부와, 상하방향으로 연장된 원통 형상을 가지며 상대 회동이 가능한 구조로 상기 내축부의 외측에 삽입 결합되고 상단부 및 하단부 사이의 일측에 제2 스프링 결합부가 형성된 상기 외축부와, 상기 외축부의 측면으로부터 연장 형성된 상기 연결암을 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 풍력 블레이드는, 상기 축부재 위치를 중심으로 곡률 반경을 갖도록 만곡형성된 블레이드 판과, 상기 블레이드판의 내측면에 횡방향을 따라 돌출 형성되어 상하로 평행하게 배치된 복수개의 블레이드 리브를 포함하며, 상기 상부 관통부를 슬라이딩 가능한 형태로 삽입 통과한 상기 상부 봉재의 외측 단부가 상부 블레이드 리브에 힌지 결합되고, 상기 하부 관통부를 슬라이딩 가능한 형태로 삽입 통과한 상기 하부 봉재의 외측 단부가 하부 블레이드 리브에 힌지 결합되며, 상기 연결암의 외측 단부가 중간 블레이드 리브에 힌지 결합된다.
본 발명의 또다른 일측면에 따르면, 상하방향을 따라 연장된 지주; 상기 지주에 설치되며 복수의 지지암이 방사형(放射形) 배치구조를 갖도록 형성되고 상기 각각의 지지암의 단부에 발전유닛이 설치된 지지프레임; 및 상기 각각의 지지암의 단부 상측과 단부 하측에 각각 설치되며 상기 발전유닛으로 상기 축부재의 회전에 의해 생성된 회전 동력을 각각 전달하는 제1항의 풍력터빈;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기가 개시된다.
바람직하게, 상기 지지프레임은, 상하 슬라이딩 가능한 형태로 상기 지주 외측에 삽입 결합되는 프레임 본체부와, 상기 프레임 본체부로부터 횡방향으로 방사형 배치구조로 연장된 상기 복수의 지지암을 포함하며, 상기 지주는, 상단부에 구비된 도르레 롤러와, 하부에 설치된 와이어 구동부를 포함하며, 상기 와이어 구동부에 감겨진 와이어가 상기 지주 내부를 통과하여 상기 도르레 롤러를 거쳐 상기 지지프레임에 일단부가 고정 연결되고, 상기 와이어 구동부의 감김 또는 풀림 동작에 따라 상기 와이어 일단부에 연결된 상기 지지프레임이 상승 또는 하강 동작을 하도록 구성된다.
바람직하게, 상기 지주는, 지면에 설치되는 기저부와, 상기 기저부 상측에 수직 상향으로 설치되는 복수의 지주봉과, 인접한 지주봉을 상호 연결하여 횡방향 연결 상태를 제공하는 체결구와, 인접한 지주봉 사이에 설치되며 상하방향을 따라 연장된 복수의 레일부를 포함하며, 상기 프레임 본체부는 상기 레일부에 상하 슬라이딩 가능한 형태로 맞물리는 돌출부를 구비한다.
바람직하게, 상기 체결구는, "X"자형으로 가지가 연장된 형태를 갖는 체결구 본체와, 상기 "X"자형 가지의 좌측 상단 및 좌측 하단 가지에 각각 형성된 제1 및 제2 환형 관통구와, 상기 "X"자형 가지의 우측 상단 및 우측 하단 가지에 각각 형성된 제3 및 제4 환형 관통구를 포함하여 구성된다.
바람직하게 본 발명은, 하나의 체결구를 기준으로, 상기 체결구의 제1 및 제2 환형 관통구의 각각의 상측 또는 하측에 좌측에 위치한 또다른 하나의 체결구의 제3 및 제4 환형 관통구가 각각 적치된 상태를 이루며, 상기 체결구의 제3 및 제4 환형 관통구의 각각의 상측 또는 하측에 우측에 위치한 또다른 하나의 체결구의 제1 및 제2 환형 관통구가 각각 적치된 상태를 이루며, 상기 적치 상태를 이루고 있는 복수의 환형 관통구를 하나의 지주봉이 관통 결합하여, 인접한 지주봉 상호 간의 횡방향 연결 상태를 이룬다.
바람직하게, 상기 지주는, 상기 기저부의 외측 위치에서 지면에 설치되는 복수의 무게체부와, 상기 각각의 무게체부와 지주 상단을 연결하여 대칭 방향의 지지력을 제공하는 복수의 지지용 와이어를 더욱 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 발전유닛은, 발전유닛 회전자와 연결된 회전자 구동축이 상기 지지암의 일측에 설치되고, 발전유닛 고정자와 연결된 고정자 구동축이 상기 지지암의 타측에 설치되며, 상기 지지암의 단부 상측 또는 하측에 설치된 제1 풍력터빈이 상기 회전자 구동축에 연결되고 상기 지지암의 단부 반대측에 설치된 제2 풍력터빈이 상기 고정자 구동축에 연결되며, 상기 제1 풍력터빈과 제2 풍력터빈은 동일한 풍향에 대해 서로 반대 방향으로 회전하도록 상기 풍력 블레이드가 설치된다.
이와 같은 본 발명은 풍속에 따라 풍력터빈의 블레이드의 펼쳐지거나 접힌 상태가 가변되도록 구성되고, 풍력터빈의 높이를 가변 조절할 수 있도록 구성됨으로써, 태풍과 같은 비상 시에 과도한 풍속에 따른 손상을 방지하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은, 제1 풍력터빈과 제2 풍력터빈이 동일한 풍향에 대해 상호 역방향으로 회전하여 각각 회전자부와 고정자부를 회전시키도록 구성되어 풍속이 낮은 경우에도 높은 발전효율을 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은, 큰 직경을 갖는 지주를 설치하지 않고, 작은 직경의 지주봉을 체결구를 이용하여 조립식으로 설치하는 구조이므로, 산간 지역에 설치하는 경우에도 대형 부품 및 장비를 이송하지 않아도 되며, 이송 작업을 위해 큰 폭의 도로를 개설할 필요가 없다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 사시도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 주요 요소별 분해 사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 분해 사시도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 동작 설명을 위한 평면 모식도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 발전유닛의 단면도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 지주의 상부 및 하부를 나타낸 발췌 사시도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 지주의 상부를 나타낸 발췌 사시도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 지주 하부의 와이어 구동부를 설명하기 위한 일부 단면 모식도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 지주의 상부 및 지지프레임을 나타낸 발췌 분해 사시도,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 지주의 하부를 나타낸 발췌 분해 사시도,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 전기 제어 계통도이다.
본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.
제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
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 있다.
본 출원에서 사용한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 구성요소 또는 이들의 조합이 존재하는 것을 표현하려는 것이지, 다른 구성요소 또는 특징이 존재 또는 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 사시도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 분해 사시도, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 동작 설명을 위한 평면 모식도이다.
본 실시예의 풍력터빈(100,100')은 풍속에 따라 풍력터빈의 블레이드의 펼쳐지거나 접힌 상태가 가변되도록 구성되며, 이를 위해, 축부재(101), 이동부재(110), 스프링(106)과 수직형 풍력 블레이드(120)를 포함한다.
상기 축부재(101)는, 본체부(102)와, 상기 본체부(102)에 형성되며 방사형(放射形) 배치구조를 갖는 복수개의 봉재(104,104')와, 상기 본체부(102)에 형성되며 상기 봉재(104,104')의 배치 방향에 대응하는 위치에 형성되는 복수개의 제1 스프링 결합부(107)를 포함한다.
상기 이동부재(110)는 복수개(도 3의 실시예는 5개)가 구비되며, 상기 봉재(104,104')가 슬라이딩 가능한 형태로 삽입되는 관통부(111,112)와, 상하방향으로 연장된 봉재 형상을 가지며 상기 관통부(111,112)가 단부에 결합된 내축부(110b)와, 상하방향으로 연장된 원통 형상을 가지며 상기 내축부(110b)의 외측에 상대 회동이 가능한 구조로 삽입 결합되고 일측에 제2 스프링 결합부(117)가 형성된 외축부(110c)와, 상기 외축부(110c)의 측면으로부터 연장 형성된 연결암(113,114)을 포함한다.
상기 스프링(106)은 복수개가 구비되며, 각각의 스프링(106)은 상기 축부재(101)에 형성된 어느 하나의 상기 제1 스프링 결합부(107)에 일단이 연결되고, 상기 제1 스프링 결합부(107)에 대응하는 위치에 구비된 이동부재(110)의 제2 스프링 결합부(117)에 타단이 결합된다.
상기 수직형 풍력 블레이드(120)는 복수개가 구비되며, 상기 관통부(111,112)를 슬라이딩 가능한 형태로 삽입 통과한 상기 봉재(104,104')의 외측 단부가 내측에 힌지 결합되고, 상기 연결암(113,114)의 외측 단부가 내측의 또다른 위치에 힌지 결합된다. 상기 봉재(104,104')의 외측 단부가 블레이드(120)의 내측에 힌지 결합되기 위해 별도의 힌지 연결 부재(118)가 구비될 수도 있다. 미설명 부호 118a,119a는 봉재(104,104')의 외측 단부가 삽입 결합되는 삽입결합부, 부호 118b,119b는 힌지결합홀이다.
수직형 풍력 블레이드(120)는 블레이드의 회전 축이 수직 방향을 이룬 상태에서 풍력을 받아 회전하는 타입의 블레이드이며, 다수의 타입이 공지되어 있다.
본 실시예의 풍력터빈(100,100')은, 상기 스프링(106)의 인장력과 상기 이동부재(110)의 무게에 의한 회전 원심력의 결합력에 의해 각각의 봉재(104,104')와 각각의 풍력 블레이드(120) 상호 간에 이루는 블레이드 각도(ba)가 가변되도록 구성된다.
일예로, 풍력이 약한 상태에서는 블레이드의 회전 속도가 작아지게 되며, 이때 상기 스프링(106)의 인장력이 상기 이동부재(110)의 무게에 의한 회전 원심력보다 큰 상태가 되므로, 도 4a처럼 이동부재(110)가 스프링(106)의 인장력에 의해 상기 축부재(101) 측으로 당겨지게 되고(a 방향) 이동부재(110)의 연결암(113,114)이 블레이드의 단부(120a)가 펼쳐지는 방향으로 블레이드 각도(ba)를 가변시켜 블레이드를 펼쳐진 상태로 만든다. 이러한 상태에서 블레이드는 풍력을 최대한 받는 상태가 된다.
다른예로, 태풍과 같이 풍력이 매우 강한 상태에서는 블레이드의 회전 속도가 매우 커지게 되며, 이때 상기 이동부재(110)의 무게에 의한 회전 원심력이 상기 스프링(106)의 인장력보다 큰 상태가 되므로, 도 4b처럼 이동부재(110)가 회전 원심력에 의해 상기 축부재(101)의 반대 측으로 이동하게 되고(b 방향) 이동부재(110)의 연결암(113,114)이 블레이드의 단부(120a)가 내측으로 접혀지는 방향으로 블레이드 각도(ba)를 가변시켜 블레이드를 접혀진 상태로 만든다. 이러한 상태에서 블레이드는 풍력을 최소로 받는 상태가 되며, 회전속도가 작아지게 되므로 강한 풍력 내지 과회전에 따른 파손이 방지된다.
본 실시예의 풍력터빈(100,100')의 각각의 구성요소를 보다 상세하게 설명한다.
상기 축부재(101)는, 상하방향으로 연장된 상기 본체부(102)와, 상기 본체부(102)의 상단 및 하단에 각각 복수개가 형성되며 방사형(放射形) 배치구조를 갖는 상부 봉재(104') 및 하부 봉재(104)와, 상기 본체부(102)의 외측에 복수개가 형성되며 상기 상부 봉재(104') 및 하부 봉재(104) 사이에 형성되는 상기 제1 스프링 결합부(107)를 포함한다.
상기 이동부재(110)는, 상기 상부 봉재(104') 및 하부 봉재(104)가 슬라이딩 가능한 형태로 삽입되는 상부 관통부(111) 및 하부 관통부(112)와, 상하방향으로 연장된 봉재 형상을 가지며 상기 상부 관통부(111) 및 하부 관통부(112)가 상단 또는 하단에 각각 결합된 상기 내축부(110b)를 포함한다.
또한, 상기 이동부재(110)는, 상하방향으로 연장된 원통 형상을 가지며 상대 회동이 가능한 구조로 상기 내축부(110b)의 외측에 삽입 결합되고 상단부 및 하단부 사이의 일측에 제2 스프링 결합부(117)가 형성된 상기 외축부(110c)와, 상기 외축부(110c)의 측면으로부터 연장 형성된 상기 연결암(113,114)을 포함한다.
이동부재(110)의 무게에 의한 회전 원심력을 발생시키기 위해, 상기 내축부(110b)가 미리 설정된 무게를 갖도록 제작될 수도 있고, 도 4a 및 도 4b에 예시된 것처럼 별도의 원통형 무게부재(110a)가 이동부재(110) 내에 내설될 수도 있다.
상기 내축부(110b) 또는 원통형 무게부재(110a)의 무게는 미리 설정된 기준 회전 속도 이상의 상태에서 이동부재(110)의 무게에 의한 원심력이 상기 스프링(106)의 탄성력(인장력)보다 커져서 이동부재(110)가 외측으로 슬라이딩 이동 가능하게 되도록 설정될 수 있다.
요구되는 풍속 조건, 이동부재(110)의 총 무게(5개의 이동부재의 총 무게합)와 스프링(106)의 총 탄성계수(5개의 스프링의 탄성계수합)의 설정 조건에 따라서, 블레이드를 접혀진 상태로 만드는 기준 회전 속도가 다양하게 변경 설정될 수 있다.
예를 들어, 이동부재(110)의 총 무게를 크게 하는 경우, 동일한 회전 속도에 대해 회전 원심력이 더 크게 발생하므로 기준 회전 속도를 낮게 설정하는 것과 같다(낮은 회전 속도에서 블레이드가 접혀짐). 다른예로, 스프링(106)의 총 탄성계수를 크게 하는 경우, 동일한 회전 속도에 대해 더 큰 인장력을 제공하므로 기준 회전 속도를 높게 설정하는 것과 같다(낮은 회전 속도에서 블레이드가 접혀지지 않음). 기준 회전 속도 설정을 위한 이동부재(110)의 총 무게 또는 스프링(106)의 총 탄성계수의 설정은 풍력 환경 및 요구되는 내구 조건에 따라 다양하게 변경 설정될 수 있다.
상기 풍력 블레이드(120)는, 상기 축부재(101) 위치를 중심으로 곡률 반경을 갖도록 만곡 형성된 블레이드 판(121)과, 상기 블레이드 판(121)의 내측면에 횡방향을 따라 돌출 형성되어 상하로 평행하게 배치된 복수개의 블레이드 리브(122,124,126,128)를 포함한다.
이러한 풍력 블레이드(120)의 구조를 통해, 상기 상부 관통부(111)를 슬라이딩 가능한 형태로 삽입 통과한 상기 상부 봉재(104')의 외측 단부가 상부 블레이드 리브(122)에 힌지 결합되고, 상기 하부 관통부(112)를 슬라이딩 가능한 형태로 삽입 통과한 상기 하부 봉재(104)의 외측 단부가 하부 블레이드 리브(128)에 힌지 결합되며, 상기 연결암(113,114)의 외측 단부가 중간 블레이드 리브(124,126)에 힌지 결합되도록 구성된다.
바람직하게, 상기 연결암(113,114)의 외측 단부의 힌지 결합 위치(도 3의 124',126')는, 회전 원심력에 의해 이동부재(110)가 상기 축부재(101)의 반대 측으로 이동 시에 풍력 블레이드(120)의 내측에 미는 힘을 가하여 풍력 블레이드(120)가 상기 봉재(104,104')의 외측 단부의 힌지 결합 위치(도 3의 122',128')를 중심으로 회동하여 블레이드 접혀지게 하는 위치로 설정될 수 있다. 일예로, 상기 연결암(113,114)의 외측 단부의 힌지 결합 위치(도 3의 124',126')는 상기 봉재(104,104')의 외측 단부의 힌지 결합 위치(도 3의 122',128')보다 블레이드의 전방부 내측에 위치할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 주요 요소별 분해 사시도이다.
본 실시예의 풍력발전기는, 상술한 구성을 갖는 제1 풍력터빈(100)과 제2 풍력터빈(100')이 동일한 풍향에 대해 상호 역방향으로 회전하여 발전유닛의 회전자부와 고정자부를 각각 상호 반대방향으로 회전시키도록 구성되어 풍속이 낮은 경우에도 높은 발전효율을 제공하도록 구성된다.
또한, 본 실시예의 풍력발전기는 상술한 구성을 갖는 풍력터빈을 포함하므로, 풍속에 따라 풍력터빈의 블레이드의 펼쳐지거나 접힌 상태가 가변되도록 구성되므로 태풍과 같은 비상 시에 과도한 풍속에 따른 손상을 방지하도록 구성된다.
본 실시예의 풍력발전기는, 상하방향을 따라 연장된 지주(420)와, 상기 지주(420)에 설치되며 복수의 지지암(220)이 방사형(放射形) 배치구조를 갖도록 형성되고 상기 각각의 지지암(220)의 단부에 발전유닛(230)이 설치된 지지프레임(200)을 포함한다.
또한, 본 실시예의 풍력발전기는, 상기 각각의 지지암(220)의 단부 상측과 단부 하측에 각각 설치되며 상기 발전유닛(230)으로 상기 축부재(101)의 회전에 의해 생성된 회전 동력을 각각 전달하는 풍력터빈(100,100')을 포함한다. 풍력터빈(100,100')은 상술한 바와 같이 도 3의 구성을 가질 수 있다.
본 실시예의 풍력발전기의 각각의 구성요소를 보다 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 지주의 상부 및 하부를 나타낸 발췌 사시도, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 지주의 상부를 나타낸 발췌 사시도, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 지주 하부의 와이어 구동부를 설명하기 위한 모식도이다.
상기 지지프레임(200)은, 상하 슬라이딩 가능한 형태로 상기 지주(420) 외측에 삽입 결합되는 프레임 본체부(210)와, 상기 프레임 본체부(210)로부터 횡방향으로 방사형 배치구조로 연장된 상기 복수의 지지암(220)을 포함한다.
또한, 상기 지주(420)는, 상단부에 구비된 도르레 롤러(520)와, 하부에 설치된 와이어 구동부(570)를 포함한다. 일예로, 와이어 구동부(570)는 와이어(510)가 감겨진 롤러 형태로 구성될 수 있으며, 롤러를 회전 구동하기 위한 모터(550)와 회전 속도 감속 및 회전 방향 전환을 위한 공지의 감속기(560)를 포함할 수 있다.
이러한 구성을 통해, 상기 와이어 구동부(570)에 감겨진 와이어(510)가 상기 지주(420) 내부(432b)를 통과하여 상기 도르레 롤러(520)를 거쳐 상기 지지프레임(200)에 일단부가 고정 연결되고, 상기 와이어 구동부(570)의 감김 또는 풀림 동작에 따라 상기 와이어(510) 일단부에 연결된 상기 지지프레임(200)이 상승 또는 하강 동작을 하도록 구성된다. 지지프레임(200)의 상승은 상기 와이어(510)의 감김에 의해 이뤄지며, 지지프레임(200)의 하강은 상기 와이어(510)의 풀림과 지지프레임(200)의 자중에 의해 이뤄질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 지주의 상부 및 지지프레임을 나타낸 발췌 분해 사시도, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 지주의 하부를 나타낸 발췌 분해 사시도이다.
본 실시예의 지주(420)는, 지면에 설치되는 기저부(430,432,434)와, 상기 기저부(430,432,434) 상측에 수직 상향으로 설치되는 복수의 지주봉(424)과, 인접한 지주봉(424)을 상호 연결하여 횡방향 연결 상태를 제공하는 체결구(422)와, 인접한 지주봉(424) 사이에 설치되며 상하방향을 따라 연장된 복수의 레일부(426)를 포함한다.
상기 프레임 본체부(210)는 상기 레일부(426)에 상하 슬라이딩 가능한 형태로 맞물리는 돌출부(210c)를 구비한다. 미설명 부호 210a는 프레임 본체부의 본체 측벽부, 부호 210b는 지주봉 삽입부, 부호 220a는 와이어 연결부, 부호 410은 지주의 캡부, 부호 432a는 지주봉 삽입홀이다.
도 10을 참조하면, 상기 체결구(422)는, "X"자형으로 가지가 연장된 형태를 갖는 체결구 본체(422a)와, 상기 "X"자형 가지의 좌측 상단 및 좌측 하단 가지에 각각 형성된 제1 및 제2 환형 관통구(422a',422a'')와, 상기 "X"자형 가지의 우측 상단 및 우측 하단 가지에 각각 형성된 제3 및 제4 환형 관통구(422a''',422a'''')를 포함하여 구성된다.
상기 구조를 이용하여 본 실시예의 지주(420)는 도 10에 도시된 것처럼, 하나의 체결구(422b)를 기준으로, 상기 체결구(422b)의 제1 및 제2 환형 관통구(422b',422b'')의 각각의 상측 또는 하측에 좌측에 위치한 또다른 하나의 체결구(422a)의 제3 및 제4 환형 관통구(422a''',422a'''')가 각각 적치된 상태를 이룬다. 도 10의 경우, 상기 체결구(422b)의 제1 및 제2 환형 관통구(422b',422b'')의 각각의 하측에 좌측에 위치한 또다른 체결구(422a)의 제3 및 제4 환형 관통구(422a''',422a'''')가 각각 적치된 상태를 예시하였으며, 이러한 상하 위치 관계는 변경 가능하다.
또한, 본 실시예의 지주(420)는, 상기 체결구(422b)의 제3 및 제4 환형 관통구(422b''',422b'''')의 각각의 상측 또는 하측에 우측에 위치한 또다른 하나의 체결구(422c)의 제1 및 제2 환형 관통구(422c',422c'')가 각각 적치된 상태를 이룬다. 이러한 상하 위치 관계는 변경 가능하다.
상기 적치 상태를 이루고 있는 복수의 환형 관통구를 하나의 지주봉(424)이 관통 결합하여, 인접한 지주봉(424) 상호 간의 횡방향 연결 상태를 이루어, 본 실시예의 지주(420) 구조를 이루게 된다.
이러한 설치 구조를 통해, 본 실시예의 지주(420)는 직경이 작은 복수개의 지주봉(424)과 복수개의 체결구(422)를 분해 상태로 설치 현장으로 이송하고, 현장에서 조립 설치가 가능하므로, 큰 직경을 갖는 하나의 지주를 사용하는 경우에 특히 산간 지역 등에서의 운반 및 설치가 용이하다는 장점이 있다.
한편, 본 실시예의 지주(420)는, 상기 기저부(430,432,434)의 외측 위치에서 지면에 설치되는 복수의 무게체부(450)와, 상기 각각의 무게체부(450)와 지주(420) 상단을 연결하여 대칭 방향의 지지력을 제공하는 복수의 지지용 와이어(440)를 포함하여 구성된다. 이러한 설치 구조를 통해 본 실시예의 지주(420)는 안정적인 설치 상태를 유지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 발전유닛의 단면도이다.
본 실시예의 발전유닛(230)은, 발전유닛 회전자(316)와 연결된 회전자 구동축(306)이 상기 지지암(220)의 일측에 설치되고, 발전유닛 고정자(314)와 연결된 고정자 구동축(304)이 상기 지지암(220)의 타측에 설치된다. 발전유닛(230)의 회전자(rotor)와 고정자(stator)는 다양한 구성이 공지된 바 있으므로 상세 설명은 생략한다.
또한, 상기 지지암(220)의 단부 상측에 설치된 제1 풍력터빈(100)이 상기 회전자 구동축(306)에 삽입 연결되고 상기 지지암(220)의 단부 하측에 설치된 제2 풍력터빈(100')이 상기 고정자 구동축(304)에 삽입 연결된다. 미설명 부호 320, 322는 회전자 구동축 및 고정자 구동축을 회전 가능하도록 지지하는 베어링 요소이다.
상기 제1 풍력터빈(100)과 제2 풍력터빈(100')은 동일한 풍향에 대해 서로 반대 방향(R1,R2)으로 회전하도록 상기 풍력 블레이드(120)가 설치되어, 동일한 풍향에 대해 상기 발전유닛 회전자(316)와 상기 발전유닛 고정자(314)도 서로 반대 방향(R1,R2)으로 회전하여 저 풍속 조건에서도 2배의 회전 증속 효과를 얻게 된다. 이러한 구성을 통해 본 실시예의 발전유닛(230)은 저풍속에서도 효과적으로 전력 생산을 할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기의 전기 제어 계통도이다.
본 실시예의 풍력발전기는 상술한 발전유닛(230)과 제어부(10)를 포함한다.
제어부(10)는 발전유닛(230)에서 생성한 전력을 출력부(30)로 전송한다. 제어부(10)에는 풍속 센서 또는 입력부(20)가 구비되어 과도한 풍속이 발생한 경우 관리자의 입력 또는 풍속 센서의 감지값에 기초하여 상기 와이어 구동부(570)를 구동시켜 제1 풍력터빈(100)과 제2 풍력터빈(100')을 지지프레임(200)과 함께 하강시켜 파손을 방지할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.
100,100': 풍력터빈
101: 축부재
102: 본체부
104,104': 봉재
106: 스프링
107: 제1 스프링 결합부
110: 이동부재
110a: 무게부재
110b: 내축부
110c: 외축부
111,112: 관통부
113,114: 연결암
117: 제2 스프링 결합부
120: 풍력 블레이드
121: 블레이드 판
122,124,126,128: 블레이드 리브
200: 지지프레임
210: 프레임 본체부
220: 지지암
230: 발전유닛
304: 고정자 구동축
306: 회전자 구동축
314: 발전유닛 고정자
316: 발전유닛 회전자
420: 지주
422: 체결구
424: 지주봉
426: 레일부
440: 지지용 와이어
450: 무게체부
510: 와이어
520: 도르레 롤러
570: 와이어 구동부

Claims (11)

  1. 본체부와, 상기 본체부에 형성되며 방사형(放射形) 배치구조를 갖는 복수개의 봉재와, 상기 본체부에 형성되며 상기 봉재의 배치 방향에 대응하는 위치에 형성되는 복수개의 제1 스프링 결합부를 포함하는 축부재;
    상기 봉재가 슬라이딩 가능한 형태로 삽입되는 관통부와, 상하방향으로 연장된 봉재 형상을 가지며 상기 관통부가 단부에 결합된 내축부와, 상하방향으로 연장된 원통 형상을 가지며 상기 내축부의 외측에 상대 회동이 가능한 구조로 삽입 결합되고 일측에 제2 스프링 결합부가 형성된 외축부와, 상기 외축부의 측면으로부터 연장 형성된 연결암을 포함하는 복수개의 이동부재;
    어느 하나의 상기 제1 스프링 결합부에 일단이 연결되고, 상기 제1 스프링 결합부에 대응하는 위치에 구비된 이동부재의 제2 스프링 결합부에 타단이 결합된 스프링; 및
    상기 관통부를 슬라이딩 가능한 형태로 삽입 통과한 상기 봉재의 외측 단부가 내측에 힌지 결합되고, 상기 연결암의 외측 단부가 내측의 또다른 위치에 힌지 결합된 복수개의 수직형 풍력 블레이드;를 포함하며,
    상기 스프링의 인장력과 상기 이동부재의 무게에 의한 회전 원심력의 결합력에 의해 각각의 봉재와 각각의 풍력 블레이드 상호 간에 이루는 블레이드 각도가 가변되도록 구성된 풍력터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축부재는,
    상하방향으로 연장된 상기 본체부와,
    상기 본체부의 상단 및 하단에 각각 복수개가 형성되며 방사형(放射形) 배치구조를 갖는 상부 봉재 및 하부 봉재와,
    상기 본체부의 외측에 복수개가 형성되며 상기 상부 봉재 및 하부 봉재 사이에 형성되는 상기 제1 스프링 결합부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이동부재는,
    상기 상부 봉재 및 하부 봉재가 슬라이딩 가능한 형태로 삽입되는 상부 관통부 및 하부 관통부와,
    상하방향으로 연장된 봉재 형상을 가지며 상기 상부 관통부 및 하부 관통부가 상단 또는 하단에 각각 결합된 상기 내축부와,
    상하방향으로 연장된 원통 형상을 가지며 상대 회동이 가능한 구조로 상기 내축부의 외측에 삽입 결합되고 상단부 및 하단부 사이의 일측에 제2 스프링 결합부가 형성된 상기 외축부와,
    상기 외축부의 측면으로부터 연장 형성된 상기 연결암을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 풍력 블레이드는, 상기 축부재 위치를 중심으로 곡률 반경을 갖도록 만곡형성된 블레이드 판과, 상기 블레이드판의 내측면에 횡방향을 따라 돌출 형성되어 상하로 평행하게 배치된 복수개의 블레이드 리브를 포함하며,
    상기 상부 관통부를 슬라이딩 가능한 형태로 삽입 통과한 상기 상부 봉재의 외측 단부가 상부 블레이드 리브에 힌지 결합되고, 상기 하부 관통부를 슬라이딩 가능한 형태로 삽입 통과한 상기 하부 봉재의 외측 단부가 하부 블레이드 리브에 힌지 결합되며, 상기 연결암의 외측 단부가 중간 블레이드 리브에 힌지 결합된 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
  5. 상하방향을 따라 연장된 지주;
    상기 지주에 설치되며 복수의 지지암이 방사형(放射形) 배치구조를 갖도록 형성되고 상기 각각의 지지암의 단부에 발전유닛이 설치된 지지프레임; 및
    상기 각각의 지지암의 단부 상측과 단부 하측에 각각 설치되며 상기 발전유닛으로 상기 축부재의 회전에 의해 생성된 회전 동력을 각각 전달하는 제1항의 풍력터빈;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 지지프레임은,
    상하 슬라이딩 가능한 형태로 상기 지주 외측에 삽입 결합되는 프레임 본체부와,
    상기 프레임 본체부로부터 횡방향으로 방사형 배치구조로 연장된 상기 복수의 지지암을 포함하며,
    상기 지주는,
    상단부에 구비된 도르레 롤러와,
    하부에 설치된 와이어 구동부를 포함하며,
    상기 와이어 구동부에 감겨진 와이어가 상기 지주 내부를 통과하여 상기 도르레 롤러를 거쳐 상기 지지프레임에 일단부가 고정 연결되고, 상기 와이어 구동부의 감김 또는 풀림 동작에 따라 상기 와이어 일단부에 연결된 상기 지지프레임이 상승 또는 하강 동작을 하도록 구성된 풍력발전기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지주는,
    지면에 설치되는 기저부와,
    상기 기저부 상측에 수직 상향으로 설치되는 복수의 지주봉과,
    인접한 지주봉을 상호 연결하여 횡방향 연결 상태를 제공하는 체결구와,
    인접한 지주봉 사이에 설치되며 상하방향을 따라 연장된 복수의 레일부를 포함하며,
    상기 프레임 본체부는 상기 레일부에 상하 슬라이딩 가능한 형태로 맞물리는 돌출부를 구비한 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 체결구는,
    "X"자형으로 가지가 연장된 형태를 갖는 체결구 본체와,
    상기 "X"자형 가지의 좌측 상단 및 좌측 하단 가지에 각각 형성된 제1 및 제2 환형 관통구와, 상기 "X"자형 가지의 우측 상단 및 우측 하단 가지에 각각 형성된 제3 및 제4 환형 관통구를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  9. 제8항에 있어서,
    하나의 체결구를 기준으로,
    상기 체결구의 제1 및 제2 환형 관통구의 각각의 상측 또는 하측에 좌측에 위치한 또다른 하나의 체결구의 제3 및 제4 환형 관통구가 각각 적치된 상태를 이루며,
    상기 체결구의 제3 및 제4 환형 관통구의 각각의 상측 또는 하측에 우측에 위치한 또다른 하나의 체결구의 제1 및 제2 환형 관통구가 각각 적치된 상태를 이루며,
    상기 적치 상태를 이루고 있는 복수의 환형 관통구를 하나의 지주봉이 관통 결합하여, 인접한 지주봉 상호 간의 횡방향 연결 상태를 이루는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 지주는,
    상기 기저부의 외측 위치에서 지면에 설치되는 복수의 무게체부와,
    상기 각각의 무게체부와 지주 상단을 연결하여 대칭 방향의 지지력을 제공하는 복수의 지지용 와이어를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 발전유닛은,
    발전유닛 회전자와 연결된 회전자 구동축이 상기 지지암의 일측에 설치되고, 발전유닛 고정자와 연결된 고정자 구동축이 상기 지지암의 타측에 설치되며,
    상기 지지암의 단부 상측 또는 하측에 설치된 제1 풍력터빈이 상기 회전자 구동축에 연결되고 상기 지지암의 단부 반대측에 설치된 제2 풍력터빈이 상기 고정자 구동축에 연결되며,
    상기 제1 풍력터빈과 제2 풍력터빈은 동일한 풍향에 대해 서로 반대 방향으로 회전하도록 상기 풍력 블레이드가 설치된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
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