KR102152063B1 - 풍력발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 해상 또는 수상에 부유한 상태로 전기를 발전하는 풍력발전장치로서, 와이어를 이용한 텐션 설치 구조를 이용하여 설치 및 유지 보수의 편의성을 향상시킨 풍력발전장치가 개시된다.

Description

풍력발전장치 {Wind power generator}
본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 해상 또는 수상에 부유한 상태로 전기를 발전하는 풍력발전장치로서, 와이어를 이용한 텐션 설치 구조를 이용하여 설치 및 유지 보수의 편의성을 향상시킨 풍력발전장치에 관한 것이다.
풍력발전기술이 발전함에 따라 풍력터빈이 대형화 되었다.
풍력터빈의 대형화로 인해, 풍력발전장치를 육상에 설치하는 경우에 주변 지역에 대한 소음문제, 설치 및 운반문제, 주위 환경에 대한 시각적인 부조화 등의 문제가 수반되었으며, 이에 대한 해결책으로 해상풍력발전이 고안되었다.
그런데, 해상풍력발전장치는 설치 환경의 측면에서 육상풍력발전장치에는 발생하지 않는 새로운 문제점을 수반한다. 예를 들어, 높이 50~100m, 무게 수백t에 달하는 풍력발전기를 풍랑이 발생하는 환경에서 설치해야 하며 선박이나 부유체와 같은 한정된 공간을 이용하여 설치 작업을 해야 하는 어려움이 있다.
또한, 사용 환경의 측면에서 해상은 육상보다 강한 바람이 불고 풍랑이 발생하기 때문에, 설치된 해상풍력발전장치의 유지 관리에도 많은 어려움이 있다.
이러한 특성을 고려하여 해상풍력발전장치에 관한 기술들이 제안된 바 있다.
일예로, 대한민국 공개특허 10-2012-0002184(2012년01월05일)는 해상 풍력발전장치에 관한 것으로서, 해저에 시공되는 기초 구조물에 해상에 부유하며 다수개의 풍력터빈이 설치되는 타워고정용 구조물을 고정시켜 태풍 등 기상 악화상황에서도 풍력터빈의 안정적인 동작을 가능하게 하는 해상 풍력 발전장치를 제안하였다.
다른예로, 대한민국 등록특허 10-1956032(2019년03월04일)는 부유식 해상 풍력발전장치에 관한 것으로서, 조류에 의한 풍력발전기의 방향 편차를 보상시키는 부유식 해상 풍력발전장치를 제안하였다.
그러나, 상기 종래기술들은 풍랑이 발생하는 환경에서 선박이나 부유체와 같은 한정된 공간을 이용하여 설치 작업 및 유지 보수 작업을 해야 하는 해상풍력발전장치의 문제점을 해결하는데 한계가 있었다.
대한민국 공개특허 10-2012-0002184(2012년01월05일) 대한민국 등록특허 10-1956032(2019년03월04일)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 해상 또는 수상에 부유한 상태로 전기를 발전하는 풍력발전장치로서, 와이어를 이용한 텐션 설치 구조를 이용하여 설치 및 유지 보수의 편의성을 향상시킨 풍력발전장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 면적을 갖도록 구성된 프레임; 상기 프레임의 하부에 설치되는 부유체 유닛; 상기 프레임의 상부에 적어도 3개 이상 설치되며 상방으로 세워진 상태를 가질 수 있도록 설치되는 제1 지지빔; 상기 프레임의 중심부에 위치하며 풍력터빈과 발전기를 구비한 풍력발전유닛; 상기 제1 지지빔과 동일한 개수로 마련되며, 상기 풍력발전유닛의 상부와 상기 제1 지지빔의 상단부에 각각 일단부와 타단부가 상대 회동이 가능한 형태로 연결되며, 길이 변화가 가능하도록 구성된 제2 지지빔; 상기 프레임의 중심부에 위치하며 와이어의 감김 또는 풀림 동작이 가능한 와이어 구동부; 상기 제1 지지빔과 동일한 개수로 마련되며, 상기 풍력발전유닛의 하부에 설치된 제1 롤러와 상기 제1 지지빔의 상단부에 설치된 제2 롤러와 상기 프레임의 상부에 설치된 제3 롤러에 감겨 설치되며, 일단부가 상기 와이어 구동부에 감김 또는 풀림 구동이 가능하도록 연결 설치되는 와이어;를 포함하며, 상기 와이어의 감김 또는 풀림 동작에 의해 상기 제1 롤러와 제2 롤러의 상대 위치가 변화하여 상기 풍력발전유닛이 상향 또는 하향 이동하도록 구성된 풍력발전장치가 개시된다.
바람직하게, 상기 와이어 구동부는, 모터와, 상기 모터에 의해 회전 구동되는 와이어 풀리를 포함하며, 상기 모터의 정회전 또는 역회전 구동에 의해 상기 와이어 풀리에 감긴 상기 와이어가 감김 또는 풀림 동작하도록 구성된다.
바람직하게, 상기 와이어는, 상기 와이어 풀리에서 인출되어 상기 제3 롤러, 상기 제2 롤러, 상기 제1 롤러, 상기 제2 롤러 및 상기 제1 롤러의 순서로 순차적으로 감기며, 상기 제1 롤러에 감긴 상태로 상기 제2 롤러 측으로 연장된 와이어의 단부가 상기 제2 롤러 측에 고정된다.
바람직하게, 상기 와이어의 감김 동작 시에는, 상기 제1 롤러와 상기 제2 롤러가 상호 근접하는 상태로 변화하며 상기 풍력발전유닛이 상향 이동하며, 상기 와이어의 풀림 동작 시에는, 상기 제1 롤러와 상기 제2 롤러가 상호 이격되는 상태로 변화하며, 상기 풍력발전유닛이 하향 이동하도록 구성된다.
바람직하게 본 발명은, 상기 프레임의 중심부에 위치하며 상기 풍력발전유닛이 하향 이동하여 안착 시에 상기 풍력발전유닛을 지지 가능하도록 설치되는 지지대;를 더욱 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 제1 지지빔은, 상기 프레임의 중심부를 기준으로 대칭 형상으로 배치된다.
바람직하게, 상기 제1 지지빔은, 상기 프레임의 상부에 마련된 힌지부를 중심으로 상방으로 세워진 상태의 각도가 변화 가능하도록 설치된다.
바람직하게, 상기 부유체 유닛은, 상기 프레임의 하부에 적어도 3개 이상 설치되며, 상기 프레임의 중심부를 기준으로 대칭 형상으로 배치된다.
바람직하게, 상기 부유체 유닛은, 상기 프레임의 하부로 연장된 지지 프레임에 설치되는 회동축과, 상기 회동축에 결합되어 상기 회동축을 중심으로 회동 가능한 부유체 프레임과, 상기 부유체 프레임의 좌측 및 우측에 각각 고정 설치되는 좌측 및 우측 부유체를 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 좌측 및 우측 부유체는 길이 방향으로 연장된 중공형의 통 형상을 갖는다.
바람직하게, 상기 부유체 유닛은, 상기 프레임의 하부에 적어도 3개 이상 설치되고 상기 프레임의 중심부를 기준으로 대칭 형상으로 배치되며, 상기 부유체 프레임은 길이 방향으로 연장된 형상을 가지며 상기 프레임의 중심부를 기준으로 방사형상으로 배치된다.
바람직하게, 상기 풍력터빈은, 본체부와, 상기 본체부에 형성되며 방사형(放射形) 배치구조를 갖는 복수개의 봉재를 포함하는 축부재; 상하방향으로 연장된 바 형상을 가지며 소정의 무게를 갖도록 형성된 부재 본체와, 상기 봉재가 슬라이딩 가능한 형태로 삽입되며 상기 부재 본체에 형성되는 관통부와, 상기 부재 본체의 외측면에 힌지 회동이 가능하도록 결합된 연결암을 포함하는 복수개의 이동부재; 상기 봉재에 관통 삽입되어, 일단은 상기 이동부재의 외측면에 의해 가압 지지 가능한 상태가 되고 타단은 상기 봉재의 외측 단부에 마련된 힌지 연결 부재에 의해 가압 지지 가능한 상태로 설치되는 복수개의 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 압축력과 상기 이동부재의 무게에 의한 회전 원심력의 결합력에 의해 각각의 봉재와 각각의 풍력 블레이드 상호 간에 이루는 블레이드 각도가 가변되도록 구성된다.
이와 같은 본 발명은, 해상 또는 수상에 부유한 상태로 전기를 발전하는 풍력발전장치를 제공하되, 와이어를 이용한 텐션 설치 구조를 이용하여 설치 및 유지 보수의 편의성을 향상시키는 장점이 있다.
도 1a은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전장치의 사시도,
도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전장치의 또다른 사시도,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전장치의 설치 과정을 설명하기 위한 사시도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전장치의 부유체 유닛의 부분 확대도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전장치의 부유체 유닛의 사용 상태도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전장치의 와이어 구동부의 모식도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 분해 사시도,
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 동작 설명을 위한 평면 모식도이다.
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 1a은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전장치의 사시도, 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전장치의 또다른 사시도, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전장치의 부유체 유닛의 부분 확대도, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전장치의 와이어 구동부의 모식도이다.
본 실시예의 풍력발전장치는, 면적을 갖도록 구성된 프레임(10)과, 상기 프레임(10)의 하부에 설치되는 부유체 유닛(20)을 구비한다.
일예로, 상기 프레임(10)은 금속 또는 합성수지재로 구성된 다수의 횡방향 프레임 요소(10a)와 종방향 프레임 요소(10b)가 결합하여 구성될 수 있으며, 상부에 설치된 시설물의 관리 작업을 용이하게 하기 위해 상부에 프레임 판(미도시)이 더욱 구비될 수도 있다. 프레임(10)의 형상은 특정 형상으로 한정되지 않으며, 다만 본 실시예에서는 평면 형상이 육각형인 프레임을 예시한다.
상기 부유체 유닛(20)은, 상기 프레임(10)의 하부로 연장된 지지 프레임(15)에 설치되는 회동축(22)과, 상기 회동축(22)에 결합되어 상기 회동축(22)을 중심으로 회동 가능한 부유체 프레임(24)과, 상기 부유체 프레임(24)의 좌측(24a) 및 우측(24b)에 각각 고정 설치되는 좌측 및 우측 부유체(26a,26b)를 포함하여 구성된다. 부유체 프레임(24)의 좌측(24a) 및 우측(24b)에는 좌측 및 우측 부유체(26a,26b)를 각각 고정 설치하기 위한 고정 설치 요소가 구비될 수 있다. 도 5의 A2는 회동축(22)의 축선이다.
바람직하게, 상기 좌측 및 우측 부유체(26a,26b)는 길이 방향으로 연장된 중공형의 통 형상을 갖는다. 좌측 및 우측 부유체(26a,26b)는 외부의 물이 내부로 유입되지 않도록 밀폐된 구조를 가지며 내부에 공기 또는 물보다 비중이 작은 소재가 내입되어 부력을 갖도록 구성된다.
바람직하게, 상기 부유체 유닛(20)은 상기 프레임(10)의 하부에 적어도 3개 이상 설치되고 상기 프레임(10)의 중심부(A1)를 기준으로 대칭 형상으로 배치된다. 부유체 유닛(20)의 개수는 특정 개수로 한정되지 않으며, 다만 본 실시예에서는 3개의 부유체 유닛(20)이 구비된 경우를 예시한다. 본 실시예의 설명에서 '중심부(A1)'는 프레임(10)과 풍력발전유닛(40)을 상하로 통과하는 중심선 내지 그와 인접한 중심부 영역으로 이해될 수 있다.
또한, 상기 부유체 프레임(24)은 좌우 길이 방향으로 연장된 형상을 가지며 상기 프레임(10)의 중심부(A1)를 기준으로 방사형상(중심부 A1에서 외측으로 방사되어 뻗어가는 형상)으로 배치된다.
부유체 프레임(24)은 좌우 길이 방향으로 연장된 형상을 가지므로, 좌측 및 우측 부유체(26a,26b)에 각각 가해지는 풍랑의 높이 차이에 의해 상기 회동축(22)을 중심으로 회동하게 된다.
풍랑의 높이 또는 경사에 변화가 발생하더라도, 좌측 및 우측 부유체(26a,26b)의 개별적인 상하 이동 및 이에 따른 부유체 프레임(24)의 회동에 의해 상부의 프레임(10)에는 풍랑의 높이 또는 경사 변화에 따른 에너지가 감소된 상태로 전달될 수 있다. 즉, 풍랑의 높이 또는 경사 변화에 따라 좌측 및 우측 부유체(26a,26b)의 각각의 높이에 변화가 발생하더라도, 이에 따른 에너지가 부유체 프레임(24)의 회동 운동으로 흡수되면서 프레임(10)에 직접 전달되지 않거나 감소된 상태로 전달되므로 프레임(10)의 상하 움직임이나 좌우의 흔들림이 저감된다.
바람직하게, 상기 부유체 유닛(20)은 상기 프레임(10)의 하부에 적어도 3개 이상 설치되며, 상기 프레임(10)의 중심부(A1)를 기준으로 대칭 형상으로 배치된다.
상기와 같이, 복수의 부유체 유닛(20)이 프레임(10)의 하부에서 대칭형으로 배치된 상태로 풍랑의 높이 또는 경사 변화를 완충하게 되므로, 풍랑의 높이 또는 경사 변화에 따른 에너지가 대칭형 구조에 따라 균형 있게 감소된 상태로 프레임(10)으로 전달될 수 있다.
또한, 상기 부유체 프레임(24)이 상기 프레임(10)의 중심부(A1)를 기준으로 방사형상으로 배치되므로, 프레임(10)의 외측에서 중심부(A1) 측으로 향하는 풍랑을 좌측 부유체(26a)와 우측 부유체(26b)가 순차적으로 통과시키면서 부유체 프레임(24)이 회동 동작을 하게 되며, 이를 통해 안정적으로 풍랑의 에너지를 감소하여 프레임(10)으로 전달할 수 있다.
상기 프레임(10)의 중심부(A1)에는 풍력터빈(42)과 발전기(44)를 구비한 풍력발전유닛(40)이 위치한다. 풍력터빈(100)이나 발전기(44)의 종류나 구조는 특정 종류나 구조로 한정되지는 않으며, 본 실시예의 경우 수직축형 풍력터빈이 설치되며 터빈 축의 하단에 동축상으로 발전기(44)가 설치된 경우를 예시한다. 발전기(44)에서 발생된 전력은 전선(미도시)을 통해 프레임(10) 측으로 전달되어 프레임(10) 상부에 설치된 전력저장장치(미도시)에 저장되거나 전력 케이블을 통해 외부로 송전될 수 있다. 미설명 부호 120은 풍력터빈(100)의 블레이드이다.
상기 프레임(10)의 상부에는 제1 지지빔(30)이 적어도 3개 이상 설치되며, 제1 지지빔(30)은 상방으로 세워진 상태를 가질 수 있도록 설치된다.
바람직하게, 상기 제1 지지빔(30)은 상기 프레임(10)의 상부에 마련된 힌지부(12)를 중심으로 상방으로 세워진 상태의 각도(a)가 변화 가능하도록 설치된다. 이를 통해 상기 제1 지지빔(30)은 외측으로 누운 상태에서 상방으로 세워진 상태로, 또는 그 역으로 설치 상태의 변화가 가능하다.
또한, 상기 제1 지지빔(30)은 상기 프레임(10)의 중심부(A1)를 기준으로 대칭 형상으로 배치된다. 이를 통해 상기 제1 지지빔(30)은 안정적이고 균형있게 풍력발전유닛(40)의 하중을 지지할 수 있다.
상기 제1 지지빔(30)과 동일한 개수로 제2 지지빔(50)이 마련된다. 제2 지지빔(50)은 상기 풍력발전유닛(40)의 상부와 상기 제1 지지빔(30)의 상단부에 각각 일단부(50a)와 타단부(50b)가 상대 회동이 가능한 형태로 연결되며, 길이 변화가 가능하도록 구성된다.
일예로, 제2 지지빔(50)의 길이 변화가 가능하도록, 제2 지지빔(50)은 외경이 작은 내측빔(50')이 더 큰 직경의 내경을 갖는 중공형의 외측빔(50'')의 내부에 인입 및 인출이 가능한 형태로 결합 구성될 수 있다.
제2 지지빔(50)의 일단부(50a)와 타단부(50b)에는 상대 회동이 가능한 형태로 상기 풍력발전유닛(40)의 상부 또는 상기 제1 지지빔(30)의 상단부에 연결될 수 있도록 힌지부(57a,57b)가 각각 구비된다.
상기 프레임(10)의 중심부(A1)에는 와이어 구동부(60)가 위치한다. 와이어 구동부(60)는 와이어(70)의 감김 또는 풀림 동작이 가능하다.
상기 와이어 구동부(60)는 모터(62)와 상기 모터(62)에 의해 회전 구동되는 와이어 풀리(64)를 포함한다. 모터(62)의 동작은 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다. 상기 와이어 풀리(64)는 다양한 공지의 동력 전달 기구를 통해 모터(62)의 회전 구동력을 전달받을 수 있다. 일예로, 도 7에 예시된 것처럼 하나의 모터(62)에 연결된 구동 기어(G1)와, 각각의 피동 기어(G2',G2'',G2''')를 통해 상기 구동 기어(G1)의 구동력을 전달받아 회동하는 복수의 와이어 풀리(64',64'',64''')가 구비될 수 있다. 각각의 와이어 풀리(64',64'',64''')에는 각각의 와이어(70',70'',70''')가 감겨 있다.
상기 모터(62)의 정회전(R1) 또는 역회전(R2) 구동에 의해 각각의 와이어 풀리(64',64'',64''')에 감긴 각각의 와이어(70',70'',70''')가 동시에 감김(P1) 또는 풀림(P2) 동작한다. 회전 속도 및 위치의 동기화 제어가 가능하다면 각각의 와이어 풀리(64',64'',64''')에 각각의 구동용 모터가 구비되어 회전 제어되는 것도 가능하다. 또한, 모터 이외의 회전 구동력 제공수단(예, 엔진)을 통해 회전 구동되는 것도 가능하다.
상기 와이어(70)는 상기 제1 지지빔(30)과 동일한 개수로 마련된다. 본 실시예의 경우, 3개의 와이어(70',70'',70''')가 마련된다.
상기 와이어(70)는 상기 풍력발전유닛(40)의 하부에 설치된 제1 롤러(41)와 상기 제1 지지빔(30)의 상단부에 설치된 제2 롤러(31)와 상기 프레임(10)의 상부에 설치된 제3 롤러(11)에 감겨 설치된다. 상기 와이어(70)의 일단부(70a)는 상기 와이어 구동부(60)에 감김 또는 풀림 구동이 가능하도록 연결 설치된다.
더욱 상세하게, 상기 와이어(70)는, 상기 와이어 풀리(64)에서 인출되어 상기 제3 롤러(11), 상기 제2 롤러(31), 상기 제1 롤러(41), 상기 제2 롤러(31) 및 상기 제1 롤러(41)의 순서로 순차적으로 감기며, 상기 제1 롤러(41)에 감긴 상태로 상기 제2 롤러(31) 측으로 연장된 와이어(70)의 단부(70f)가 상기 제2 롤러(31) 측(제2 롤러가 고정된 고정부)에 고정된다.
도 1a를 참조하면, 상기 와이어 풀리(64)에서 인출되어 상기 제3 롤러(11)까지 연장된 구간의 와이어는 부호 70a, 상기 제3 롤러(11)에 감겨 상기 제2 롤러(31)까지 더욱 연장된 구간의 와이어는 부호 70b, 상기 제2 롤러(31)에 감겨 상기 제1 롤러(41)까지 더욱 연장된 구간의 와이어는 부호 70c, 상기 제1 롤러(41)에 감겨 상기 제2 롤러(31)까지 더욱 연장된 구간의 와이어는 부호 70d, 상기 제2 롤러(31)에 감겨 상기 제1 롤러(41)까지 더욱 연장된 구간의 와이어는 부호 70e, 상기 제1 롤러(41)에 감긴 상태로 상기 제2 롤러(31) 측으로 연장되어 제2 롤러(31) 측(제2 롤러가 고정된 고정부)에 고정된 와이어(70)의 단부는 부호 70f로 표시한다.
바람직하게 본 실시예의 풍력발전장치는, 상기 프레임(10)의 중심부(A1)에 위치하며 상기 풍력발전유닛(40)이 하향(D) 이동하여 안착 시에 상기 풍력발전유닛(40)을 지지 가능하도록 설치되는 지지대(80)를 포함한다. 지지대(80)의 형상은 특정 형상으로 한정되지 않으며, 상부면에 풍력발전유닛(40)의 하부면 형상과 맞물려 안착 상태를 안정적으로 유지하도록 요홈부를 구비한 안착면(82)이 형성될 수도 있다.
바람직하게, 상기 와이어 구동부(60)는 상기 지지대(80)의 내부에 설치될 수 있다. 와이어 구동부(60)는 케이싱(60') 내에 설치될 수도 있으며, 와이어(70)의 인입/인출을 위해 케이싱(60')에는 관통공(83)이 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전장치의 설치 과정을 설명하기 위한 사시도이다.
본 실시예의 풍력발전장치는, 상기 와이어(70)의 감김 또는 풀림 동작에 의해 상기 제1 롤러(41)와 제2 롤러(31)의 상대 위치가 변화하여 상기 풍력발전유닛(40)이 상향(U) 또는 하향(D) 이동하도록 구성된다.
보다 상세하게, 상기 와이어(70)의 감김(P1) 동작 시에는, 상기 제1 롤러(41)와 상기 제2 롤러(31)가 상호 근접하는 상태로 변화하며 상기 풍력발전유닛(40)이 상향(U) 이동한다.
상기 와이어(70)의 풀림(P2) 동작 시에는, 상기 제1 롤러(41)와 상기 제2 롤러(31)가 상호 이격되는 상태로 변화하며, 상기 풍력발전유닛(40)이 하향(D) 이동하도록 구성된다.
도 2의 상태에서 와이어(70)는 최대한 풀림 상태이며 풍력발전유닛(40)은 지지대(80) 상부에 안착되어 있다.
도 2의 상태에서 풍력발전유닛(40)에 대한 교체 또는 수리가 이뤄질 수 있다.
풍력발전유닛(40)의 교체 또는 수리가 완료된 상태에서 제어부(미도시)에 의해 상기 와이어 구동부(60)를 감김(P1) 상태로 동작시키면 모터(62)가 정회전(R1)으로 회전되며 상기 와이어 풀리(64)가 모터(62)의 회전 구동력을 전달받아 와이어(70)의 감김(P1) 동작이 이뤄진다.
도 7에 예시된 복수의 와이어 풀리(64',64'',64''')에 의해 각각의 와이어(70',70'',70''')에 대한 감김(P1) 동작이 이뤄지면, 제1 롤러(41), 제2 롤러(31) 및 제3 롤러(11)에 감겨 설치된 와이어(70',70'',70''')의 길이가 감소되면서, 도 2의 상태에서 도 3의 상태, 도 4의 상태로 점차 풍력발전유닛(40)이 상향(U) 이동한다.
풍력발전유닛(40)이 상향(U) 이동 중에 미리 설정된 설치 위치(예, 도 1의 위치)에 도달 시 제어부(미도시)에 의해 상기 와이어 구동부(60)의 감김(P1) 동작을 멈추면 도 1과 같은 풍력발전을 위한 설치 상태를 이루게 된다. 제어부(미도시)의 제어는 작업자에 의한 수동 제어 또는 자동 제어로 이뤄질 수 있다.
도 1의 설치 상태에서 풍력발전유닛(40)을 이용하여 전력 발전을 하는 과정 중에 고장에 의한 수리 또는 정기 점검을 위해 풍력발전유닛(40)을 하향(D) 이동해야 하는 경우에는 제어부(미도시)에 의해 상기 와이어 구동부(60)를 풀림(P2) 상태로 동작시키면 모터(62)가 역회전(R2)으로 회전되며 상기 와이어 풀리(64)가 모터(62)의 회전 구동력을 전달받아 와이어(70)의 풀림(P2) 동작이 이뤄진다.
풀림(P2) 동작에 의해, 도 4의 상태에서 도 3의 상태, 도 2의 상태로 점차 풍력발전유닛(40)이 하향(D) 이동한다.
풍력발전유닛(40)이 하향(D) 이동 중에 지지대(80) 상부에 안착 시 제어부(미도시)에 의해 상기 와이어 구동부(60)의 풀림(P2) 동작을 멈추면 도 2와 같이 풍력발전유닛(40)의 교체 또는 수리를 위한 준비 상태가 된다.
풍력발전유닛(40)의 수리 시에는 와이어(70)를 롤러에서 풀지 않고 수리 작업이 이뤄질 수 있다.
풍력발전유닛(40)의 교체 시에는 와이어(70)를 롤러에서 풀고 분리한 상태에서 기존의 풍력발전유닛(40)을 제거하고 새로운 풍력발전유닛(40)을 설치하고 와이어(70)를 상술한 구조로 롤러에 감아서 연결 설치하게 된다.
한편, 상기 제1 지지빔(30)은 상기 프레임(10)의 상부에 마련된 힌지부(12)를 중심으로 상방으로 세워진 상태의 각도(a)가 변화 가능하도록 설치되므로, 상기와 같은 풍력발전유닛(40)의 상향(U) 또는 하향(D) 이동, 또는 교체 시에 적절한 범위에서 각도(a)가 변화할 수 있다.
예를 들어, 풍력발전유닛(40)의 교체 시에 와이어(70)를 분리하기 위해 상기 제1 지지빔(30)은 외측으로 누운 상태가 될 수 있으며, 다시 와이어(70)를 연결하고 풍력발전유닛(40)의 상향(U) 이동을 위해 상방으로 세워진 상태로 설치 상태의 변화가 가능하다.
또한, 상기 제2 지지빔(50)은 상기 풍력발전유닛(40)의 상부와 상기 제1 지지빔(30)의 상단부에 각각 일단부(50a)와 타단부(50b)가 상대 회동이 가능한 형태로 연결되며, 길이 변화가 가능하도록 구성되므로, 풍력발전유닛(40)의 상향(U) 또는 하향(D) 이동이 원활하게 이뤄질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전장치의 부유체 유닛의 사용 상태도이다.
풍랑이 발생하지 않거나 미약한 상태에서는 도 6의 (a)와 같이 좌측 및 우측 부유체(26a,26b)가 수평을 이룬 상태에서 크게 벗어나지 않고 안정적인 부유 상태를 이루게 된다.
풍랑이 다소 강하게 발생하여 수위면에 경사가 발생하는 경우, 도 6의 (b) 또는 (c)와 같이 좌측 및 우측 부유체(26a,26b) 상호 간의 높이 또는 경사에 변화가 발생하게 된다. 이때, 좌측 및 우측 부유체(26a,26b)의 개별적인 상하 이동 및 이에 따른 부유체 프레임(24)의 회동(RA1 또는 RA2)에 의해 풍랑의 에너지가 부유체 프레임(24)의 회동 운동으로 흡수되면서 프레임(10)에 직접 전달되지 않거나 감소된 상태로 전달되므로 프레임(10)의 상하 움직임이나 좌우의 흔들림이 저감된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 분해 사시도, 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력터빈의 동작 설명을 위한 평면 모식도이다.
본 실시예의 풍력터빈(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, 상항 방향을 따라 연장된 본체부(102)와, 상기 본체부(102)의 상측 및 하측에 각각 구비된 허브 형상의 하측 봉재 결합부(190)와 상측 봉재 결합부(190')를 포함한다.
상기 하측 봉재 결합부(190)와 상측 봉재 결합부(190')를 통해 복수개의 하측 및 상측 봉재(104,104')가 상기 본체부(102)에 방사형(放射形) 배치구조를 갖도록 결합된다. 하측 및 상측 봉재(104,104')에는 각각 스프링(106)이 관통 삽입된다. 미설명 부호 190a,190a'는 하측 봉재 결합부(190)와 상측 봉재 결합부(190')에 형성되며 하측 및 상측 봉재(104,104')의 내측 단부가 삽입 결합되는 삽입결합부이다.
상기 이동부재(110)는 복수개(도 8의 실시예는 9개)가 구비되며, 상하방향으로 연장된 바 형상을 가지며 소정의 무게를 갖도록 형성된 부재 본체(110a)와, 상기 부재 본체(110a)의 상단 및 하단에 형성되며 상기 하측 및 상측 봉재(104,104')가 슬라이딩 가능한 형태로 삽입되는 하측 및 상측 관통부(112,111)와, 상기 부재 본체(110a)의 외측면에 힌지 회동이 가능하도록 결합된 하측 및 상측 연결암(114,113)을 포함한다. 이동부재(110)의 무게에 의한 회전 원심력을 발생시키기 위해 이동부재(110)의 내부에는 금속과 같은 무게체가 내설될 수도 있다.
상기 이동부재(110)는 미리 설정된 기준 회전 속도 이상의 상태에서 이동부재(110)의 무게에 의한 원심력이 상기 스프링(106)의 탄성력(압축력)보다 커져서 이동부재(110)가 외측으로 슬라이딩 이동 가능하게 되도록 설정될 수 있다.
요구되는 풍속 조건, 이동부재(110)의 총 무게(9개의 이동부재의 총 무게합)와 스프링(106)의 총 탄성계수(18개의 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 압축력을 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 스프링(106)은 복수개가 구비되며, 상기 하측 및 상측 봉재(104,104')에 각각 관통 삽입되어, 일단은 상기 이동부재(110)의 외측면에 의해 가압 지지 가능한 상태가 되고 타단은 상기 하측 및 상측 봉재(104,104')의 외측 단부에 마련된 힌지 연결 부재(118)에 의해 가압 지지 가능한 상태가 되도록 조립된다.
상기 수직형 풍력 블레이드(120)는 복수개가 구비되며, 상기 관통부(112,111)를 슬라이딩 가능한 형태로 삽입 통과한 상기 하측 및 상측 봉재(104,104')의 외측 단부가 내측에 힌지 결합되고, 상기 하측 및 상측 연결암(114,113)의 외측 단부가 내측의 또다른 위치에 힌지 결합된다. 상기 하측 및 상측 봉재(104,104')의 외측 단부가 블레이드(120)의 내측에 힌지 결합되기 위해 상기 힌지 연결 부재(118)가 구비된다.
수직형 풍력 블레이드(120)는 블레이드의 회전 축이 수직 방향을 이룬 상태에서 풍력을 받아 회전하는 타입의 블레이드이며, 다수의 타입이 공지되어 있다.
본 실시예의 풍력 블레이드(120)는, 상기 축부재(101) 위치를 중심으로 곡률 반경을 갖도록 만곡 형성되며, 블레이드의 내측면에 복수개의 힌지 결합부(122',126',124',128')를 포함한다. 복수개의 힌지 결합부(122',126',124',128')에는 하측 및 상측 봉재(104,104')의 외측 단부와 하측 및 상측 연결암(114,113)의 외측 단부가 각각 힌지 회동이 가능한 구조로 결합한다.
바람직하게, 상기 하측 및 상측 연결암(114,113)의 외측 단부의 힌지 결합부(도 8의 126',124')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 하측 및 상측 봉재(104,104')의 외측 단부의 힌지 결합 위치(도 8의 128',122')를 중심으로 회동하여 블레이드 접혀지게 하는 위치로 설정될 수 있다. 일예로, 상기 하측 및 상측 연결암(114,113)의 외측 단부의 힌지 결합 부(도 8의 126',124')는 상기 하측 및 상측 봉재(104,104')의 외측 단부의 힌지 결합부(도 8의 128',122')보다 블레이드의 전방부 내측에 위치할 수 있다.
본 실시예의 풍력터빈(100)은, 상기 스프링(106)의 압축력과 상기 이동부재(110)의 무게에 의한 회전 원심력의 결합력에 의해 각각의 하측 및 상측 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 압축력이 상기 이동부재(110)의 무게에 의한 회전 원심력보다 큰 상태가 되므로, 도 9a처럼 이동부재(110)가 스프링(106)의 압축력에 의해 상기 축부재(101) 측으로 밀어지게 되고(a 방향) 이동부재(110)의 하측 및 상측 연결암(114,113)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 압축력보다 큰 상태가 되므로, 도 9b처럼 이동부재(110)가 회전 원심력에 의해 상기 축부재(101)의 반대 측으로 이동하게 되고(b 방향) 이동부재(110)의 하측 및 상측 연결암(114,113)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 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.
10: 프레임
11: 제3 롤러
12: 힌지부
15: 지지 프레임
20: 부유체 유닛
22: 회동축
24: 부유체 프레임
26a,26b: 좌측 및 우측 부유체
30: 제1 지지빔
31: 제2 롤러
40: 풍력발전유닛
41: 제1 롤러
44: 발전기
50: 제2 지지빔
60: 와이어 구동부
62: 모터
64: 와이어 풀리
70: 와이어
80: 지지대
100: 풍력터빈

Claims (12)

  1. 면적을 갖도록 구성된 프레임;
    상기 프레임의 하부에 설치되는 부유체 유닛;
    상기 프레임의 상부에 적어도 3개 이상 설치되며 상방으로 세워진 상태를 가질 수 있도록 설치되는 제1 지지빔;
    상기 프레임의 중심부에 위치하며 풍력터빈과 발전기를 구비한 풍력발전유닛;
    상기 제1 지지빔과 동일한 개수로 마련되며, 상기 풍력발전유닛의 상부와 상기 제1 지지빔의 상단부에 각각 일단부와 타단부가 상대 회동이 가능한 형태로 연결되며, 길이 변화가 가능하도록 구성된 제2 지지빔;
    상기 프레임의 중심부에 위치하며 와이어의 감김 또는 풀림 동작이 가능한 와이어 구동부;
    상기 제1 지지빔과 동일한 개수로 마련되며, 상기 풍력발전유닛의 하부에 설치된 제1 롤러와 상기 제1 지지빔의 상단부에 설치된 제2 롤러와 상기 프레임의 상부에 설치된 제3 롤러에 감겨 설치되며, 일단부가 상기 와이어 구동부에 감김 또는 풀림 구동이 가능하도록 연결 설치되는 와이어;를 포함하며,
    상기 와이어의 감김 또는 풀림 동작에 의해 상기 제1 롤러와 제2 롤러의 상대 위치가 변화하여 상기 풍력발전유닛이 상향 또는 하향 이동하도록 구성된 풍력발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 구동부는,
    모터와, 상기 모터에 의해 회전 구동되는 와이어 풀리를 포함하며,
    상기 모터의 정회전 또는 역회전 구동에 의해 상기 와이어 풀리에 감긴 상기 와이어가 감김 또는 풀림 동작하도록 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 와이어는,
    상기 와이어 풀리에서 인출되어 상기 제3 롤러, 상기 제2 롤러, 상기 제1 롤러, 상기 제2 롤러 및 상기 제1 롤러의 순서로 순차적으로 감기며, 상기 제1 롤러에 감긴 상태로 상기 제2 롤러 측으로 연장된 와이어의 단부가 상기 제2 롤러 측에 고정되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 와이어의 감김 동작 시에는, 상기 제1 롤러와 상기 제2 롤러가 상호 근접하는 상태로 변화하며 상기 풍력발전유닛이 상향 이동하며,
    상기 와이어의 풀림 동작 시에는, 상기 제1 롤러와 상기 제2 롤러가 상호 이격되는 상태로 변화하며, 상기 풍력발전유닛이 하향 이동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프레임의 중심부에 위치하며 상기 풍력발전유닛이 하향 이동하여 안착 시에 상기 풍력발전유닛을 지지 가능하도록 설치되는 지지대;를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지지빔은,
    상기 프레임의 중심부를 기준으로 대칭 형상으로 배치된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지지빔은,
    상기 프레임의 상부에 마련된 힌지부를 중심으로 상방으로 세워진 상태의 각도가 변화 가능하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 부유체 유닛은,
    상기 프레임의 하부에 적어도 3개 이상 설치되며, 상기 프레임의 중심부를 기준으로 대칭 형상으로 배치된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 부유체 유닛은,
    상기 프레임의 하부로 연장된 지지 프레임에 설치되는 회동축과,
    상기 회동축에 결합되어 상기 회동축을 중심으로 회동 가능한 부유체 프레임과,
    상기 부유체 프레임의 좌측 및 우측에 각각 고정 설치되는 좌측 및 우측 부유체를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 좌측 및 우측 부유체는 길이 방향으로 연장된 중공형의 통 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 부유체 유닛은,
    상기 프레임의 하부에 적어도 3개 이상 설치되고 상기 프레임의 중심부를 기준으로 대칭 형상으로 배치되며,
    상기 부유체 프레임은 길이 방향으로 연장된 형상을 가지며 상기 프레임의 중심부를 기준으로 방사형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 풍력터빈은,
    본체부와, 상기 본체부에 형성되며 방사형(放射形) 배치구조를 갖는 복수개의 봉재를 포함하는 축부재;
    상하방향으로 연장된 바 형상을 가지며 소정의 무게를 갖도록 형성된 부재 본체와, 상기 봉재가 슬라이딩 가능한 형태로 삽입되며 상기 부재 본체에 형성되는 관통부와, 상기 부재 본체의 외측면에 힌지 회동이 가능하도록 결합된 연결암을 포함하는 복수개의 이동부재;
    상기 봉재에 관통 삽입되어, 일단은 상기 이동부재의 외측면에 의해 가압 지지 가능한 상태가 되고 타단은 상기 봉재의 외측 단부에 마련된 힌지 연결 부재에 의해 가압 지지 가능한 상태로 설치되는 복수개의 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 압축력과 상기 이동부재의 무게에 의한 회전 원심력의 결합력에 의해 각각의 봉재와 각각의 풍력 블레이드 상호 간에 이루는 블레이드 각도가 가변되도록 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
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