KR102008662B1 - 소형 풍력발전기의 날개 수평각 조정장치 - Google Patents

소형 풍력발전기의 날개 수평각 조정장치 Download PDF

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Abstract

태풍이나 돌풍을 포함하는 강한 바람이 불 때 날개 수평각을 조정하여 바람을 효율적으로 이용하여 전기를 생산할 수 있도록 하는 소형 풍력발전기의 날개 수평각 조정장치가 개시된다. 상기 조정장치는, 회전축에 대해 이동 가능하게 결합된 무빙 홀더; 상기 무빙 홀더와 이격 설치되고 상기 회전축에 회전 가능하게 결합된 베이스 플레이트; 상기 무빙 홀더와 상기 베이스 플레이트 사이에 설치되고 내부를 상기 회전축이 관통하는 댐퍼 유닛; 상기 베이스 플레이트의 전면에 피벗 가능하게 설치되고, 상기 베이스 플레이트와 평행하도록 날개가 고정되는 다수의 날개 고정블록; 및 일단이 상기 무빙 홀더에 고정되고, 타단이 상기 베이스 플레이트에 형성된 관통구멍을 통하여 상기 날개 고정블록 각각에 결합하는 다수의 링크를 포함한다.

Description

소형 풍력발전기의 날개 수평각 조정장치{Pitch control apparatus for small-sized wind power generator}
본 발명은 소형 풍력발전기의 날개 수평각 조정장치에 관한 것으로, 특히 태풍이나 돌풍을 포함하는 강한 바람이 불 때 날개 수평각을 조정하여 바람을 효율적으로 이용하여 전기를 생산할 수 있도록 하는 기술에 관련한다.
풍력 발전기는 풍력에 의해 발전을 할 수 있도록 된 것으로서, 통상 풍력에 의해 회전되는 날개와 날개의 회전축의 회전에 연동되어 전력을 생성하는 발전기로 되어 있다.
이러한 풍력발전기는 날개의 회전속도가 설정된 허용 최대 회전속도를 넘지 않도록 조정하거나, 수리작업시 날개의 회전을 차단하기 위한 용도의 제동장치가 대부분 설치되어 있다.
가령, 디스크 브레이크와 같은 기계식 브레이크는, 태풍이나 돌풍과 같이 통상 풍력발전기의 날개의 회전속도가 기준 회전속도를 초과할 때 동작하여 날개를 제동한다.
그런데 태풍과 같은 강한 바람이 불 때, 날개의 회전속도를 기준으로 무조건 날개를 제동한다면 강한 바람을 효율적으로 이용하여 많은 전기를 생산하지 못한다는 문제점이 있다.
바람의 속도가 강할수록 바람에 포함된 에너지가 크기 때문에 생성되는 전기의 양도 많을 수밖에 없으므로 태풍과 같은 강한 바람이 불 때 이를 적절하게 이용함으로써 많은 전기를 얻을 수 있다는 것은 자명하다.
따라서, 본 발명의 목적은 태풍과 같이 바람이 강하게 불더라도 날개 수평각을 적절하게 조절하여 바람을 효율적으로 이용하여 전기를 생산할 수 있도록 하는 소형 풍력발전기의 날개 수평각 조정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 별도의 제어장치 없이 간단한 구조에 의해 날개 수평각을 조절할 수 있는 소형 풍력발전기의 날개 수평각 조정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 모든 날개의 날개 수평각이 편심 없이 동일하게 조정될 수 있도록 하는 소형 풍력발전기의 날개 수평각 조정장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적은, 회전축에 대해 이동 가능하게 결합된 무빙 홀더; 상기 무빙 홀더와 이격 설치되고 상기 구동축에 회전 가능하게 결합된 베이스 플레이트; 상기 무빙 홀더와 상기 베이스 플레이트 사이에 설치되고 내부를 상기 회전축이 관통하는 댐퍼 유닛; 상기 베이스 플레이트의 전면에 피벗 가능하게 설치되고, 상기 베이스 플레이트와 평행하도록 날개가 고정되는 다수의 날개 고정블록; 및 일단이 상기 무빙 홀더에 고정되고, 타단이 상기 베이스 플레이트에 형성된 관통구멍을 통하여 상기 날개 고정블록 각각에 결합하는 다수의 링크를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전기의 날개 수평각 조정장치에 의해 달성된다.
바람직하게, 상기 댐퍼 유닛은, 상기 무빙 홀더나 상기 베이스 플레이트에 고정되는 실린더; 상기 실린더와 대향하여 결합하고 상기 무빙 홀더나 상기 베이스 플레이트에 고정되는 피스톤; 및 상기 실린더 내부에서 상기 피스톤과 상기 실린더 사이에 개재되는 스프링으로 구성된다.
바람직하게, 상기 실린더의 내부는 일단이 막히고 타단에 상기 피스톤이 결합되어 밀폐됨으로써, 상기 실린더의 내부의 부피가 변화할 때 내부의 공기 저항에 의한 댐핑 작용이 발생한다.
바람직하게, 상기 링크는 일단에서 상기 무빙 홀더와 제1연결 브래킷을 개재하여 결합하고, 타단에서 상기 고정블록과 제2연결 브래킷을 개재하여 결합할 수 있다.
바람직하게, 상기 날개에 가해지는 기설정 풍속 이상의 바람에 의해 상기 고정블록이 피벗되어 상기 날개의 수평각이 조정되고, 상기 고정블록에 결합된 상기 링크에 의해 상기 무빙 홀더가 이동하여 상기 댐퍼 유닛이 압축된다.
상기의 구조에 의하면, 태풍과 같이 바람이 강하게 불더라도 날개 수평각을 적절하게 조절하여 바람을 효율적으로 이용하여 전기를 생산할 수 있다.
또한, 별도의 제어장치 없이 바람 자체에 의해 날개 수평각을 조정하여 바람을 효율적으로 이용하기 때문에 구조가 간단하고, 그에 따른 제조원가가 저렴하다.
또한, 모든 날개의 날개 수평각이 편심 없이 동일하게 조정될 수 있어 날개의 파손을 방지할 수 있다.
도 1(a)은 본 발명에 따른 소형 풍력 발전기의 날개 수평각 조정장치를 나타내고, 도 1(b)은 날개 수평각의 제어에 대한 개략적인 개념을 보여준다.
도 2는 조립된 상태의 베이스 플레이트를 전면에서 본 구성도이다.
도 3은 베이스 플레이트를 나타낸다.
도 4는 고정블록을 나타낸다.
도 5(a) 내지 5(c)는 각 브래킷의 구조를 나타낸다.
도 6은 댐퍼 유닛을 나타낸다.
도 7은 날개 수평각 조정장치의 작동을 설명한다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1(a)은 본 발명에 따른 소형 풍력 발전기의 날개 수평각 조정장치를 나타내고, 도 1(b)은 도 1(a)의 위에서 본 것으로 날개 수평각의 제어에 대한 개략적인 개념을 보여준다. 이하에서, 날개 수평각은 날개면이 바람이 불어오는 방향에 대해 이루는 각도를 말하며, 풍력 발전기가 정상적으로 동작할 때 날개 수평각은 90도가 된다.
다수의 날개(20)가 고정되는 베이스 플레이트(110)에 회전축(10)이 결합하고, 바람에 의해 날개(20)가 회전하여 베이스 플레이트(110)가 회전하면, 그 결과 발전기(30)에서 발전을 하고 인버터(미도시)에서 전기로 변환한다.
본 발명의 풍력 발전기는 소형으로, 도 1(b)과 같이, 날개(20)가 바람이 불어오는 방향을 기준으로 후단에 설치되는 다운 윈드(down wind) 방식을 구비한다.
도 1을 참조하면, 수평각 조정장치는, 회전축(10)에 대해 수평으로 이동 가능하게 결합된 무빙 홀더(moving holder)(170), 무빙 홀더(170)와 이격 설치되고 회전축(10)에 회전 가능하게 결합된 베이스 플레이트(base plate)(110), 무빙 홀더(170)와 베이스 플레이트(110) 사이에 설치되고 내부를 회전축(10)이 관통하는 댐퍼(damper) 유닛(140), 베이스 플레이트(110)의 전면에 피벗 가능하게 설치되는 다수의 날개 고정블록(150), 및 일단이 무빙 홀더(170)에 고정되고 타단이 베이스 플레이트(110)를 관통하여 날개 고정블록(150)에 결합하는 링크 유닛(120)을 포함한다.
이 실시 예에서, 날개(20)는 그 날개면이 베이스 플레이트(110)와 평행하도록 날개 고정블록(150)에 고정되는데, 기설정 풍속 이상의 바람이 날개(20)에 가해지면 댐퍼 유닛(140)의 작동에 의해 무빙 홀더(170)가 후방으로 이동하여 무빙 홀더(170)에 결합한 링크 유닛(120)이 날개 고정블록(150)을 밀면, 고정 힌지(220)에 한쪽이 고정된 고정블록(150)은, 도 1(b)의 화살표와 같이, 피벗되어 결과적으로 고정블록(150)에 고정된 날개(20)의 수평각이 변화된다.
그 결과, 날개(20)가 바람을 맞는 면적이 줄어들어 속도가 줄어들게 되며, 브레이크 시스템과 함께 날개(20)의 회전을 정지시킬 수 있다.
이하, 각 구성 부분에 대해 상세하게 설명한다.
도 2는 조립된 상태의 베이스 플레이트를 전면에서 본 구성도이고, 도 3은 베이스 플레이트를 나타낸다.
베이스 플레이트(110)는 일정한 두께를 갖는 원판으로, 중심에는 회전축(10)을 고정하기 위한 중심구멍(111)이 형성되고, 고정블록(150)이 베이스 플레이트(110)에 대해 고정 힌지(220)가 통과하는 관통구멍(113)과 링크 유닛(120)을 베이스 플레이트(110)에 연결하는 가동 힌지(160)를 위한 관통구멍(112)이 하나의 쌍으로 되어 날개의 개수만큼 형성된다.
따라서, 관통구멍(113)에는 베이스 플레이트(110)의 하면으로부터 고정 힌지(220)가 끼워져 베이스 플레이트(110)에 고정된 상태에서 고정블록(150)과 결합한다.
또한, 관통구멍(112)에는 베이스 플레이트(110)의 상면으로부터 가동 힌지(160)가 끼워져 베이스 플레이트(110)의 하면에서 링크 유닛(120)과 결합한다.
이 실시 예에 의하면, 각 날개(20)에 대응하여 동일한 구조를 갖는 고정블록(150), 가동 힌지(160) 및 고정 힌지(220)가 베이스 플레이트(110)에 결합하기 때문에 기설정된 풍속 이상의 바람에 대해 각 날개(20)의 수평각이 동일하게 제어될 수 있어 종래 유압 방식이나 피치 제어방식에서 편심에 의한 날개의 파손을 방지할 수 있다.
도 4는 고정블록을 나타낸다.
고정블록(150)은 일측에 한 쌍의 포크(151)가 이격 형성된 사각 형상으로 날개(20)의 단부가 상면에 결합되는데, 도 1과 같이, 고정판(180)을 날개(20) 위에 덧댄 상태로 고정판(180) - 날개(20) - 고정블록(150)이 일체로 결합된다.
포크(151) 사이의 공간에는 베이스 플레이트(110)에 부착된 고정 힌지(160)가 끼워져 결합하고, 중앙에 구비된 관통구멍(153)에는 가동 힌지(160)이 끼워져 고정블록(150)에 고정된다.
도 5(a) 내지 5(c)는 각 힌지의 구조를 나타낸다.
도 5(a)는 가동 힌지(160)를 나타내며, 링크 유닛(120)의 타단과 베이스 플레이트(110) 사이에 개재된다. 다소 두꺼운 고정블록(150)의 상면에서 볼트 결합되고 하방으로 연장되기 때문에 높이가 높게 형성된다.
도 5(b)는 링크 힌지(320)를 나타내며, 링크 유닛(120)의 일단과 무빙 홀더(170) 사이에 개재된다.
도 5(c)는 고정 힌지(220)를 나타내며, 축 구멍(221)이 형성된 돌출부(223)가 고정블록(150)의 포크(151) 사이에 삽입된 상태에서, 축 구멍(221)에 끼워진 힌지 축(222)에 의해 고정블록(160)에 피벗 가능하게 결합한다.
여기서, 도 5에 개시된 힌지 구조는 일 예를 나타낸 것으로, 다양한 형상이나 구조로 변형할 수 있음은 물론이다.
도 6은 댐퍼 유닛을 나타낸다.
댐퍼 유닛(140)은 실린더(141)와 피스톤(142) 및 스프링(143)으로 구성된다.
실린더(141)와 피스톤(142)은 서로 슬라이드 가능하게 결합되며, 가령 실린더(141)의 일단이 무빙 홀더(170)에 고정되고 피스톤(142)의 일단이 베이스 플레이트(110)에 고정되거나, 그 반대로 결합될 수 있다.
어느 경우든, 무빙 홀더(170)에 고정된 부품이 회전축(10)에 대해 이동 가능하게 결합되며, 이 실시 예에서는 실린더(141)가 무빙 홀더(170)에 고정된다.
실린더(141) 내부에서 실린더(141)와 피스톤(142) 사이에는 스프링(143)이 개재되어 실린더(141)의 이동으로 압축된 후 탄성 복원력에 의해 원위치로 복귀한다.
스프링(143)의 압축력은 풍속과 관련하여 결정되는바, 풍속이 일정한 수준에 도달하면 스프링(143)이 압축되기 시작하도록 압축력을 임의로 설정할 수 있다.
실린더(141)의 내부는 일단이 막히고 타단에 피스톤(142)이 결합되어 밀폐된 상태를 유지하며, 무빙 홀더(170)가 이동하여 내부의 부피가 줄어들더라도 밀폐된 내부의 공기 저항에 의한 댐핑 작용으로 서서히 슬라이드 되며, 그 반대의 경우, 스프링(143)의 복원력에 의해 복귀되는 과정에서도 댐핑 작용에 의해 서서히 슬라이드 된다.
이하, 상기한 구조의 날개 수평각 조정장치의 동작에 대해 도 1 내지 7을 참조하여 설명한다.
도 7(a) 내지 7(d)은 날개 수평각 조정장치의 작동을 설명한다. 도 7(a) 내지 7(d)에서, 날개(20)는 지면 속을 향하는 방향으로 연장하는 것을 보여준다.
바람에 의해 날개(20)가 회전하는 중, 바람의 속도가 기설정된 속도를 넘어 날개(20)가 받는 힘이 스프링(143)의 압축력을 넘게 되면, 무빙 홀더(170)가 후방, 도면에서 좌측으로 밀리고, 그 결과 무빙 홀더(170)에 일단이 고정된 링크 유닛(120)이 가동 힌지(160)를 밀게 된다.
이에 따라, 가동 힌지(160)가 날개(20)가 고정된 고정블록(150)을 밀게 되는데, 고정블록(150)이 베이스 플레이트(110)에 장착된 고정 힌지(220)에 의해 밀리지 않기 때문에, 결과적으로, 도 7(b)과 같이, 가동 힌지(160)가 꺾이면서 고정블록(150)이 피벗된다.
따라서, 바람이 다소 강하게 불더라도 날개 수평각을 적절하게 조정하여 날개(20)가 계속하여 회전할 수 있도록 함으로써, 바람을 효율적으로 이용하여 전기를 생산할 수 있다.
이때, 각 날개(20)가 고정된 고정블록(150)이 각 링크 유닛(120)을 개재하여 단일의 무빙 홀더(170)에 공통으로 결합된 상태이기 때문에, 각 날개(20)가 고정된 고정블록(150)이 동시에 그리고 동일하게 피벗되며, 그 결과 각 날개(20)의 수평각이 편심 없이 균일하게 조정되어 날개(20)의 파손을 방지할 수 있다.
무빙 홀더(170)가 이동하여 실린더(141)가 이동함에 따라 댐핑 효과가 발생하면서 스프링(143)이 압축되는데, 도 7(c)과 같이, 바람의 속도가 더 커질수록 스프링(143)은 더욱 압축되어 고정블록(150)의 피벗 각이 커지도록 하여 날개(20)가 계속하여 회전할 수 있도록 함으로써, 바람을 효율적으로 이용하여 전기를 생산할 수 있다.
한편, 태풍과 같이 풍속이 극단적으로 커지면, 도 7(d)과 같이, 고정블록(150)은 완전히 피벗되어 고정블록(150)에 고정된 날개(20)가 바람의 방향에 평행하게 놓여 풍속의 영향을 최소한으로 받음으로써 날개(20)의 파손을 방지할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 청구범위에 의해 해석되어야 한다.
110: 베이스 플레이트
120: 링크 유닛
140: 댐퍼 유닛
150: 날개 고정블록
160: 가동 힌지
170: 무빙 홀더(moving holder)
220: 고정 힌지

Claims (5)

  1. 소형 풍력발전기의 날개 수평각 조정장치로서,
    회전축에 대해 수평방향으로 이동하도록 결합하는 무빙 홀더;
    상기 무빙 홀더와 수평방향으로 이격 설치되고 상기 회전축에 결합된 베이스 플레이트;
    상기 무빙 홀더와 상기 베이스 플레이트 사이에 댐핑 가능하게 설치되고 내부를 상기 회전축이 관통하는 하나의 댐퍼 유닛;
    상기 베이스 플레이트의 전면에 고정 힌지를 개재하여 한쪽이 피벗 가능하게 설치되고, 날개면이 상기 베이스 플레이트와 평행하도록 날개가 고정되는 다수의 날개 고정블록; 및
    일단이 상기 무빙 홀더에 링크 힌지를 개재하여 고정되고, 타단이 상기 베이스 플레이트에 형성된 관통구멍을 통하여 상기 날개 고정블록 각각에 가동 힌지를 개재하여 결합하는 링크 유닛을 포함하며,
    상기 댐퍼 유닛은,
    상기 무빙 홀더에 고정되는 실린더;
    상기 실린더에 슬라이드 가능하게 결합하고 단부가 상기 베이스 플레이트에 고정되는 피스톤; 및
    상기 실린더 내부에서 상기 피스톤과 상기 실린더 사이에 개재되는 압축 스프링으로 구성되고,
    상기 날개의 날개면에 가해지는 풍압이 상기 스프링의 압축력보다 크면, 상기 무빙 홀더가 이동하여 상기 링크 유닛을 밀어 상기 고정블록이 피벗되도록 함으로써 상기 날개의 수평각을 조정하는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전기의 날개 수평각 조정장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에서,
    상기 실린더의 내부는 일단이 막히고 타단에 상기 피스톤이 결합되어 밀폐됨으로써, 상기 실린더의 내부의 부피가 변화할 때 내부의 공기 저항에 의한 댐핑 작용이 발생하는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전기의 날개 수평각 조정장치.
  4. 삭제
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