KR102185806B1 - 수평축형 풍력 발전기 - Google Patents
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Abstract
로터; 상기 로터의 회전 운동 에너지를 증속하는 주축이 내장되는 너셀(nacelle) 조립체; 상기 주축과 수직으로 연결되어 상기 로터의 회전 운동 에너지를 전달하는 동력 전달축; 상기 너셀 조립체를 지지하고, 상기 동력 전달축이 설치되는 타워(tower)부; 상기 동력 전달축을 통해 상기 회전 운동 에너지가 전달되는 발전 유닛;을 포함하는 풍력 발전기가 제공된다. 본 발명의 풍력 발전기는 상기 동력 전달축의 구동 토크를 받은 상기 발전 유닛의 회전자와 상기 너셀 조립체의 반작용 토크를 받은 상기 발전 유닛의 고정자에서 렌츠의 법칙에 따른 전자기력으로 상기 구동 토크와 상기 반작용 토크가 상쇄된다.
Description
본 발명은 너셀 조립체에 결합되는 발전 유닛을 풍력 발전기 타워의 하부에 설치한 수평축형 풍력 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 발전 유닛의 구동에 의해 상기 너셀 조립체에서 발생하는 반작용 토크(Torque)를 상기 발전 유닛의 전자기력을 이용한 메커니즘에 의해 상쇄하는 반작용 토크 상쇄 기구를 가지는 수평축형 풍력 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 로터 블레이드형 풍력 발전기는 크게 풍력을 기계적 회전 운동 에너지로 변환하는 로터와, 상기 로터의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 기기들로 구성되는 너셀(nacelle) 조립체와, 상기 너셀 조립체를 지지하는 타워(tower)를 포함한다. 지면에 대한 블레이드의 회전축 방향이 수평 또는 수직인지에 따라, 수직축 풍력 발전기 및 수평축 풍력 발전기로 구분되며, 수평축 풍력 발전기는 바람 방향에 영향을 받는 반면, 수직축 풍력 발전기는 바람의 방향에 관계없이 작동하지만, 시동이 원활하지 않거나 효율이 낮은 단점이 있다.
전형적인 수평축 풍력 발전기의 로터는 서로 등간격으로 방사 방향으로 배치된 복수개의 블레이드가 조립된 허브-노즈 콘 조립체(hub-nose cone assembly)를 포함하고, 상기 허브-노즈 콘 조립체는 너셀 조립체내에 설치된 수평의 주축에 연결되고, 주축에는 발전 유닛이 조립된 상태에서, 바람에 의해 블레이드가 회전함에 따라 허브-노즈 콘 조립체가 회전하고, 이 회전력이 주축에 전달되어 발전 유닛을 구동함으로써 전력을 생산한다.
종래의 수평축 풍력 발전기는 무거운 발전 유닛을 비롯하여 중요 기기들이 타워 상단에 설치된 너셀 조립체 내부에 설치되는 구조이기 때문에, 그 시공, 설치, 점검, 유지 보수가 어렵고, 제조 코스트가 증가함에 따라, 전력 생산의 단가가 비싸지고, 타워 상단 공중에 설치된 과중한 중량의 발전 유닛과 너셀 조립체에 대한 내진 설계의 중요성이 증가하여, 그에 따른 시공 코스트가 증가되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해소하고자 창안된 선행 기술인, 본 출원인의 한국 특허 제10-1027055호(2011.03.29. 등록)에는 로터의 회전 운동 에너지를 너셀 조립체내의 주축에서 증속시킨 후, 타워 내에서 상기 주축과 수직으로 연결된 수직의 동력 전달축을 통해 타워의 하부의 지상에 설치된 발전기로 그 증속된 회전력을 전달하되, 이때 발생되는 타워내 수직의 동력 전달축으로 발전기를 가동하는 부하에 의하여 발생한 반작용으로써 너셀 조립체를 선회시키는 반작용 토크를 기계적 구조의 요크 메커니즘의 상하 요크부로 상쇄시킴에 따라 너셀 조립체의 구조를 단순화하면서도 프리-요잉(free-yawing)을 구현하도록 하여, 전체적인 경량화를 통해 시설비를 감소시킬 수 있는 풍력 발전기를 제안하고 있다.
그렇지만, 상기 선행기술에 개시된 풍력 발전기는 기계적인 구조의 상하 왕복 운동으로 작동하는 요크 메카니즘에 의해 그 반작용 토크 상쇄 기구의 중량이 커지는 문제가 있고, 또한 상기 요크 메카니즘과 함께 상하 왕복하면서 회전 작동으로 변환하여 너셀 조립체의 프리-요잉을 가능하게 하는 쓰러스트 베어링 역시 자체 중량이 커서 상하 진동을 일으키는 문제가 있으며, 그에 따라 고장 발생의 염려가 있고, 반작용 토크 상쇄 기구의 전체 구조가 복잡하므로 생산 과정이 복잡하며, 그 제조, 유지 비용 역시 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해소하고자 안출된 것으로, 그 목적은 렌츠(H.F.E. Lentz: 하인리히 프리드리히 에밀 렌츠; 발트 독일계 러시아 물리학자)의 법칙에 의해 발생되는 전자기력으로 반작용 토크가 상쇄되게 하는 수평축형 풍력 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 수직 동력 전달축, 발전 유닛 등의 운반 등 취급성이 향상되고, 설치후 발전 작동 중에 작동하는 기계 부품이 단순화되어 동력 전달축과 발전 유닛 등의 진동이 방지되는 반작용 토크 상쇄 기구를 구비하는 수평축형 풍력 발전기를 제공하는 것이다.
위와 같은 본 발명의 목적은, 풍력을 기계적 회전 운동 에너지로 변환하는 블레이드와 허브 및 주축이 구비되고, 회전축(rotation axis)이 지면과 수평을 이루게 설치되는 로터;
상기 로터의 주축이 내장되는 너셀(nacelle) 조립체;
상기 너셀 조립체 내의 주축과 기어 결합에 의해 수직으로 연결되어 상기 로터의 회전 운동 에너지가 전달되는 동력 전달축;
상기 너셀 조립체의 저면에 결합되는 상단과 하측으로 연장된 하단을 가지는 중공축부 및 상부 내측에 상기 중공축부의 외주면이 회전가능하게 결합되고 하단이 설치 장소 지지부에 고정되는 타워 본체를 포함하여 구성되고, 상기 동력 전달축이 상기 중공축부의 내부에 배치되는 타워(tower)부; 및
하우징, 회전자축, 상기 회전자축에 결합된 복수극 회전자 및 상기 회전자와 거리를 두고 배치된 복수극의 고정자를 가지며, 상기 하우징이 상기 중공축부의 하단에 결합, 고정되어 상기 중공축부에 매달려 회전 가능하게 설치되고, 상기 회전자축이 커플링을 개재하여 상기 동력 전달축에 결합되어, 상기 동력 전달축을 통해 전달되는 상기 회전 운동 에너지에 의해 발전하는 발전 유닛; 을 포함하여 구성되어,
상기 발전 유닛의 고정자에 전달되는 상기 너셀 조립체의 반작용 토크가, 상기 발전 유닛의 회전자로부터의 회전 자계의 렌즈(Lentz)의 법칙에 따른 전자기력에 의해 고정자에 발생되는 구동 토크에 의해 상쇄되는, 수평축형 풍력 발전기에 의해 달성된다.
본 발명의 하나의 측면에 의하면, 발전 유닛의 회전자축과 동축으로 결합된 심축을 발전 유닛의 설치 장소 지지부에 회전가능하게 지지하는 구조의 터닝 베이스 기구를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 의하면, 본 발명의 풍력 발전기는 상술한 중공축부 및 동력 전달축을 복수의 부분체로 나누어 구성하고, 그 복수의 중공축부 부분체 및 동력 전달축 부분체가 상하에 결합되는 복수의 동력 전달축 연결구를 상하로 결합하여 중공축부 및 동력 전달축의 결합체를 구성하는 다단 연결 기구를 채용할 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 의하면, 본 발명의 풍력 발전기는 상기 중공축부의 너셀 링 기어와 터닝 베이스 기구의 사이에 회전가능하게 기어결합된 반작용 토크 전달축을 포함하여 구성되는 반작용 토크 전달 기구를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 하나의 측면에 의하면, 본 발명의 풍력 발전기는 상기 발전 유닛이 복수의 발전 유닛으로 이루어지고, 상기 동력 전달축에 감합되는 베어링 지지구가 설치되어 상기 너셀 조립체를 지지하는 상기 중공축부의 하부에 결합되는 하우징; 상기 베어링 지지구를 관통한 상기 동력 전달축의 하단에 부착된 메인 치차; 및 상기 메인 치차에 서로 대향하여 맞물려서 회전되도록 상기 하우징의 하부에 소정 각도로 축 결합되는 복수의 서브 치차;를 구비하여, 상기 복수의 서브 치차의 각각의 치차 축에 상기 복수의 발전 유닛의 회전자축이 축 결합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 하나의 측면에 의하면, 본 발명의 풍력 발전기는 동력 전달축에 감합되는 베어링 지지구가 설치되어 중공축부의 하부와 터닝 베이스 조립체의 사이에 설치되는 하우징과, 상기 하우징 내에 노출되도록 상기 동력 전달축의 하부에 부착되는 베벨 기어와, 상기 베벨 기어에 결합되는 베벨 기어가 수평 회전자축의 단부에 결합되는 발전 유닛을 포함하여 구성되는 수평형 발전 유닛 기구를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 하나의 측면에 의하면, 본 발명의 풍력 발전기는 너셀 조립체의 주축을 중공주축으로 형성하고, 상기 중공주축 내에 내삽 설치되는 푸쉬 풀 로드와, 상기 푸쉬 풀 로드의 일단부 및 타단부에 각각 부착되는 커넥팅 로드 및 액츄에이터와, 중공주축의 일단에 부착되는 상기 허브 중심축과 상기 블레이드가 소정의 각도를 이루도록 블레이드에 연결된 피봇 죠인트 핀에 상기 커넥팅 로드가 연결되며, 상기 각도에 따른 제어 위치가 변하는 상기 허브에 설치된 피봇 죠인트 핀을 포함하여 구성되는 피치 제어 기구를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 로터의 회전 운동 에너지를 타워 내에 수직 설치된 동력 전달축을 통해 너셀 조립체 하부의 중공축부 하단에 부착된 발전 유닛으로 전달함에 있어서, 상기 발전 유닛의 발전 부하(전력 생산에 대하여 발전 유닛이 저항하는 에너지)를 받는 동력 전달축에 결합된 기어를 주축의 기어로 회전시키면, 두 기어의 접촉점(모멘트 등가 평균 점) 즉 힘점에서 동력 전달축 기어는 회전시키는 힘을 받고, 주축 기어는 그에 대한 반작용 힘을 받아 이 힘점에서 힘의 방향에 직각 방향에 있는 동력 전달축에 결합된 기어의 회전 중심 축(AXIS)과 사이의 거리에 의한 회전 모멘트가 창출되어 너셀 조립체를 회전시키는 반작용 토크로 작용함에 따라 이 반작용 토크를 발전 유닛의 전자기력에 의해 상쇄되게 하며 너셀 조립체의 구조를 단순화하면서도 프리-요잉(free-yawing)을 구현하는 동시에, 전체적인 경량화를 통해 시설비를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 추가적인 장점은 동일 또는 유사한 참조번호가 동일한 구성요소를 표시하는 첨부 도면을 참조하여 기술된 이하의 설명으로부터 명백히 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 a-a' 선을 따라 취한 단면도 및 너셀 조립체가 받는 반작용 토크를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 1의 발전 유닛의 내부 구성을 나타내는 부분 상세도 및 도 1의 b-b' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반작용 토크 상쇄 기구를 가지는 풍력 발전기의 구성을 나타내는 요부 개략 단면도이다.
도 5 내지 도 7은 각각 도 4의 c-c' 선, d-d' 선, 및 e-e' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 제 3 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내는 요부 개략 단면도 및 도 8a의 f-f'선을 따라 취한 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 제 4 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내는 요부 개략 단면도 및 도 9a의 g-g' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 제 5 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내는 요부 개략 단면도 및 도 10a의 h-h'의 선을 따라 취한 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명의 제 6 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내는 요부 개략 단면도 및 도 11a의 i-i'의 선을 따라 취한 단면도이다.
도 12a 내지 도 12b는 본 발명의 제 7 실시예에 따른 반작용 토크 상쇄 기구를 가지는 풍력 발전기의 피치 제어 기구의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 a-a' 선을 따라 취한 단면도 및 너셀 조립체가 받는 반작용 토크를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 1의 발전 유닛의 내부 구성을 나타내는 부분 상세도 및 도 1의 b-b' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반작용 토크 상쇄 기구를 가지는 풍력 발전기의 구성을 나타내는 요부 개략 단면도이다.
도 5 내지 도 7은 각각 도 4의 c-c' 선, d-d' 선, 및 e-e' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 제 3 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내는 요부 개략 단면도 및 도 8a의 f-f'선을 따라 취한 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 제 4 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내는 요부 개략 단면도 및 도 9a의 g-g' 선을 따라 취한 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 제 5 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내는 요부 개략 단면도 및 도 10a의 h-h'의 선을 따라 취한 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명의 제 6 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내는 요부 개략 단면도 및 도 11a의 i-i'의 선을 따라 취한 단면도이다.
도 12a 내지 도 12b는 본 발명의 제 7 실시예에 따른 반작용 토크 상쇄 기구를 가지는 풍력 발전기의 피치 제어 기구의 구성을 나타내는 개략도이다.
이하에서 본 발명의 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 전체 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내고 있고, 도 2a는 도 1의 a-a' 선을 따라 취한 단면을 나타내고 있고, 도 2b는 너셀 조립체가 받는 반작용 토크를 설명하기 위한 도면이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 풍력 발전기는 타워부(100), 너셀 조립체(200) 및 로터(300)가 순차적으로 조립되는 것으로서, 너셀 조립체(200)의 하부와 타워부(100)의 상단이 결합되는 타워부(100)의 중공축부(120)에는 프리-요잉을 위해 베어링 결합체를 가지는 어댑터부(160)가 설치된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 풍력 발전기는 타워부(100)의 중공축부(120)에 구비되는 어댑터부(160)에 의해 너셀 조립체(200)가 자유로 선회 되어 별도의 요잉(Yawing) 장치 없이 자유롭게 회전함으로서 풍향제어 모터 없이 블레이드(310)가 받는 바람의 항력만으로 너셀 조립체(200)가 자유롭게 선회하는 프리-요잉(Free Yawing)을 실현한다.
너셀 조립체(200)는 내부에 베어링이 개재된 지지 프레임(210)에 수평으로 지지되어 회전 가능하게 설치된 주축(220)과 상기 주축(220)에 장착된 베벨 기어(230)를 포함하고, 로터(300)는 너셀 조립체(200)의 주축(220)의 일단에 부착되는 허브(320)와, 이 허브(320)에 소정의 각도를 이루도록 부착된 복수의 블레이드(310)를 포함하며, 바람에 의해 블레이드(310)가 회전함에 따라 주축(220)도 회전한다. 주축(220)의 타단에는 브레이크(240)가 부착된다.
타워부(100)는 너셀 조립체(200)의 하부에 결합되는 중공축부(120)와, 상기 중공축부(120)의 내부의 베어링 조립체(102)에 수직축을 중심으로 회전 가능하게 설치되고, 너셀 조립체(200)의 베벨 기어(230)와 결합되도록 상단에 베벨 기어(142)가 부착된 동력 전달축(140)과, 상기 중공축부(120)가 회전될 수 있도록 상기 중공축부(120)의 외면에 감합되어 결합되는 어댑터부(160) 및 상기 어댑터부(160)의 하부를 지지하는 타워 본체(180)를 포함한다.
동력 전달축(140)의 베벨 기어(142)가 주축(220)의 베벨 기어(230)와 결합됨에 따라, 주축(220)의 회전력이 동력 전달축(140)으로 전달된다.
어댑터부(160)는 내부에 요 베어링(162)이 결합되어 중공축부(120)의 외면에 베어링을 체결하는 내부 및 외부 어댑터(164)(166)를 각각 포함하고, 상기 한 쌍의 요 베어링(162)은 상기 중공축부(120)의 외면 상부에 돌출 형성된 돌기부(122)와 외부 어댑터(166)의 사이에 위치될 수 있다. 도면에서는 내부 어댑터(164)가 상부에 위치하고, 외부 어댑터(166)가 하부에 위치하지만, 반대로 위치할 수도 있다.
중공축부(120)의 하부에는 플레이트 프랜지(602)가 개재되어 발전 유닛(600)이 부착된다.
발전 유닛(600)은 동력 전달축(140)의 하부에 커플링(604)으로 연결된 회전자축(610)과, 상기 회전자축(610)에 결합된 회전자(620) 및 상기 회전자(620)의 외면에 소정 간격으로 이격되어 부착되는 한 쌍 또는 다수의 고정자(630)(635)를 포함한다. 상기 고정자(630)(635)의 측면을 둘러싸고, 상기 회전자축(610)의 상하부에 각각 베어링이 개재된 하우징(640)이 부착되어 있다.
타워 본체(180)는 파운데이션 인서트(Foundation Insert)(182)를 기초공사가 끝난 현장의 인서트 설치부(184)에 매립 설치한 후, 파운데이션 인서트(182)(이하, 타워부 설치 장소 지지부라고 함)의 상부에 조립하여 완성한다.
이상 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 프리-요잉하는 본 발명의 제1 실시예의 풍력 발전기는 도 1의 화살표 Z 방향으로 바람이 불면, 그 힘으로 블레이드(310)가 회전함에 따라 바람에 의해 블레이드(310) 및 주축(220)이 회전하고, 주축(220)의 회전력이 동력 전달축(140)으로 전달되며, 동력 전달축(140)으로 전달된 회전력은 발전 유닛(600)의 회전자축(610)으로 전달된다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 1 발전 유닛의 내부 구성을 나타내고, 도 1의 b-b' 선을 따라 취한 단면을 나타내고 있다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기는 발전 유닛의 전자기력을 이용하여 반작용 토크를 상쇄한다.
주축(220)의 회전 토크 H에 의해 베벨 기어(230)가 발전 부하를 받고 있는 동력 전달축(140)의 베벨 기어(142)를 화살표 힘 Fc로 구동함에 따라, 발전 부하에 의해 주축(220)의 베벨 기어(230)가 화살표 힘 Fc를 가함과 동시에 그로 인하여 받는 반작용 힘 Fd가 창출한 동력 전달축의 회전 축(Axis)을 중심으로 한 너셀 조립체(200)를 화살표 D 방향으로 회전시키려고 하는 반작용 토크 D는 너셀 조립체(200)에 그 일단이 결합된 중공축부(120)를 통하여 그 하단에 결합된 발전 유닛(600)의 하우징(640)과 상기 하우징(640)에 일체로 결합된 고정자(630)(635)로 전달된다.
주축(220)의 회전 토크 H로 주축(220)의 베벨 기어(230)가 발전 부하를 받고 있는 동력 전달축(140)의 베벨 기어(142)에 결합된 동력 전달축(140)과 커플링(604)과 회전자축(610)으로 발전 유닛(600)의 회전자(620)를 회전시키면, 발전 유닛(600)의 회전자(620)는 그 일측과 타측에 각각 N극과 S극의 자석으로 구성되고, 고정자(630)(635)는 그 일측과 타측에 각각 발전 코일(632)(634)을 구비함으로써 회전자(620)를 회전자축(610)으로 화살표 C 방향으로 회전시키면, 회전자(620)의 자석이 회전 자계를 발생시켜서 고정자(630)(635)의 발전 코일(632)(634)에 렌즈(Lentz)의 법칙에 의한 전자기력이 작용하여, 회전자(620)의 자극 N극이 진행하는 방향의 고정자(630)와 그 발전 코일(632)에는 회전자(620)의 운동을 방해하는 N극이 유도되어 회전자(620)의 N극과는 서로 미는 척력이 작용하고, 그 회전자(620)의 S극과는 인력이 작용하며, 움직이는 자석의 운동을 방해하는 같은 원리로 그 다른 고정자(635)와 그 발전 코일(634)에는 S극이 유도되어 회전자(620)의 N극, S극과 각각 인력과 척력의 작용으로 회전자(620)가 고정자(630)(635)로부터 받은 반작용으로서 화살표 T 방향으로 힘을 받음으로써 창출된 화살표 U의 토크는 발전 부하로서 동력 전달축(140)으로 전달되고, 상기 고정자(630)(635)는 상기 하우징(640) 내부에 견고하게 결합되어 하우징(640)과 단일체 구성으로서 중공축부(120)를 통하여 하우징(640)에 전달된 너셀 조립체(200)가 받는 반작용 토크 D를 받게 되고, 또한 고정자(630)(635)는, 상기 회전 자계에서의 렌츠의 법칙에 의한 전자기력에 의하여, 회전자(620)의 척력과 인력으로 회전자(620)와 같은 방향으로 회전하는 화살표 V의 토크를 회전자로부터 받아서 고정자(630)(635)는 단일체 내에 중공축부(120)를 통한 반작용 토크 D와 렌츠(Lentz)의 법칙에 의하여 회전자(620)로부터 받은 구동 토크 V를 받게 됨으로써 크기가 같고 방향이 반대인 두 토크의 벡터(Vector) 합성이 이루어져 두 토크의 합, 즉 U + V = U - U = 0(zero)이 되어, 상기 반작용 토크와 상기 구동 토크는 서로 상쇄되어 소멸됨으로써 너셀 조립체(200)가 반발 토크에 의해 선회함이 없이 타워 하부의 발전 유닛(600)이 작동되어 발전을 하게 된다.
상기 발전 유닛은 회전자(620)가 2극 이고, 고정자(630)(635)가 2 극인 경우로서 반작용 토크를 상쇄하는 작동을 설명하였으나, 회전자(620)가 2 극이 아니고 다극 회전자인 경우와 고정자(630)(635)가 2 극이 아니고 다극으로 된 다양한 발전 유닛의 경우도 회전 자계를 이용하는 경우는 렌츠(Lentz) 법칙의 전자기력으로 전술한 바와 같이 두 토크가 서로 상쇄되는 결과는 동일하며, 위의 실시예와 반대로, 고정자(630)(635)가 자석이고, 회전자(620)에 코일이 구비된 경우에도 반작용 토크의 상쇄 결과는 동일하다.
또한, 중공축부와 타워 본체의 결합은 너셀 조립체의 프리 요잉이 가능한 한 공지의 다른 구성을 사용할 수 있다.
또한, 너셀 조립체(200)가 상대적으로 타워 본체(180)에 비해 직경이 작은 중공축부(120)로 지지됨으로써 바람이 로터(300)를 향해 불 때 바람의 투사 면적이 상대적으로 작아서 중공축부(120)와 블레이드(310) 사이에서 발생하는 저주파의 발생을 줄이는 효과를 더 가진다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내고, 도 5 내지 도 7은 각각 도 4의 c-c' 선, d-d' 선, 및 e-e' 선을 따라 취한 단면을 나타내고 있다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 풍력 발전기는 터닝 베이스 기구(700)를 더 포함하는 것 이외에는 상술한 제 1 실시예의 구성과 동일하므로, 본 실시예에 대하여는 터닝 베이스 기구(700)에 대해서만 설명한다.
터닝 베이스 기구(700)는 발전 유닛(600)의 하우징(640)의 하부에 부착된 플레이트(710)와, 발전 유닛(600)의 회전자축(610)을 수용하는 수용부가 형성되어, 상기 플레이트(710)에 부착되는 턴 테이블(720)과, 인서트 설치부(182)의 기저면이나 지상에 설치된 베이스판(730)과, 상기 턴 테이블(720)과 베이스판(730)의 사이에 설치되는 쓰러스트 베어링(740)을 포함하여 구성된다.
턴 테이블(720)의 중공부 및 베이스판(730) 중심에 설치된 심축 지지부(732)에는 회전자축(610)과 동축인 심축(722)이 체결 너트(728)에 의해 삽입, 체결되어 발전 유닛(600)을 지지하며, 중공부의 심축(722)에는 쓰러스트 베어링(724) 및 레이디얼 베어링(726)이 개재되어 설치된다.
위의 터닝 베이스 기구(700)는 발전 유닛(600)의 회전자축(610)과 동축으로 결합된 심축(722)이 발전 유닛(600)을 타워부의 설치 장소 지지부에 회전가능하게 지지하는 구조로 하는 한, 위와 다른 구조로 할 수 있다.
본 실시예에서의 터닝 베이스 기구(700)는 쓰러스트 베어링(740) 상에서 상당한 중량의 발전 유닛(600)을 자유자재로 용이하게 선회하여 지지할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 제 3 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내고, 도 8a의 f-f'선을 따라 취한 단면을 나타내고 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 풍력 발전기는 복수의 동력 전달축 연결구(860)와 복수의 중공축부 부분체(820)를 상하로 결합한 동력 전달축 다단 연결 기구(800)에 의해 요 베어링(162) 하부의 동력 전달축(140)과 중공축부(120)를 복수의 부분체로 구성하는 것 이 외에는 상술한 제1 실시예의 구성과 동일하므로, 본 실시예에 대하여는 동력 전달축 다단 연결 기구(800)에 대해서만 설명한다.
중공축부 부분체(820)는 그 상하를 동력 전달축 연결구(860)의 상하의 제 1 및 제 2 중공축부 부분체(822)(824)로 나뉜다. 상부의 제 1 중공축부 부분체(822)는 상술한 제 1 실시예의 중공축부(120)의 하단 또는 인접한 상부의 동력 전달축 연결구(860)의 제 2 중공축부 부분체(824)와 결합되며, 그 결합은, 아래에 설명하는 동력 전달축 삽입지지부(826)의 동력 전달축(140)의 삽입 결합과 함께, 중공축부(120), 중공축부 부분체(820) 및 동력 전달축(140)의 온도 변화에 따른 길이의 변화량을 흡수하도록 하기 위해 도 8a에서는 스플라인 결합되는 것으로 나타낸 것이고, 스플라인 결합 외의 카플링 등 다른 공지의 결합 방법을 사용할 수도 있다. 도면 부호 826은 동력 전달축(140)과 동축으로 중앙에 중공이 형성되는 동력 전달축 삽입 지지부를 나타내고, 최하단의 제2 중공축부 부분체(824)에는 발전 유닛(600)이 부착된다.
동력 전달축 연결구(860)는 제1 중공축부 부분체(822)의 동력 전달축 삽입 지지부(826)를 축중심으로 배치된 내부 베어링 지지체(862)와, 상기 내부 베어링 지지체(862)를 둘러싸도록 배치된 외부 베어링 지지체(864), 내, 외부 베어링 지지체(862)(864)의 사이 및 외부 베어링 지지체(864)의 외주에 배치된 상하 2 쌍의 베어링(870) 및 상기 외부 베어링 지지체(864)의 외주의 한 쌍의 베어링(870)의 외주와 등간격으로 이격되어 타워 본체(180)내에 부착된 3개의 돌기를 갖는 원형 림(866)을 포함하여 구성된다.
위에서 원형 림(866)의 돌기를 3개로 예를 들어 설명하였으나 그에 한정되지 않고 4개 이상으로 할 수 있으며, 베어링 지지체와 베어링의 결합체를 중공축부의 내측에 고정하기 위해 림이 아닌 공지의 기계 요소를 사용할 수 있다.
동력 전달축 다단 연결 기구(800)에 의해 동력 전달축(140)을 복수의 부분체로 분리하여, 동력 전달축(140)의 요 베어링(162) 상부 부분 및 그 길이가 짧아진 부분체들로 인해 그 부분체들로 구성된 동력 전달축의 회전시의 진동이 방지되고, 조립식으로 할 수 있어, 시공 기간을 단축할 수 있고, 시공비를 절감할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 제 4 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내고, 도 9a의 g-g' 선을 따라 취한 단면을 나타내고 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 풍력 발전기는 중공축부 하단과 발전 유닛 하단의 터닝 베이스 기구 사이에 반작용 토크를 전달하는 별도의 반작용 토크 전달 기구를 더 포함하는 것 이 외에는 상술한 제 2 실시예의 구성과 동일하므로, 본 실시예에 대하여는 별도의 반작용 토크 전달 기구(900)에 대해서만 설명한다.
반작용 토크 전달 기구(900)는 하부 단부에 형성된 플랜지(922)에 너셀 링 기어(924)가 설치된 중공축부(920)와, 내측 벽면에 소정의 간격으로 설치된 복수의 지지구(942)를 가지는 타워 본체(940)와, 턴 테이블(962)의 외면에 부착된 턴 테이블 링 기어(964)가 설치된 터닝 베이스 기구(960)와, 일단에 상기 중공축부(920)의 너셀 링 기어(924)에 맞물리는 너셀 피니언 기어(982)가 부착되고, 타단에 상기 터닝 베이스 기구(960)에 설치된 턴 테이블 링 기어(964)에 맞물리는 반작용 전달 피니언 기어(984)가 부착되어 상기 타워 본체(940)내의 지지구(942)들에 회전가능하게 부착되는 반작용 토크 전달축(980)을 포함한다.
위의 반작용 토크 전달 기구(900)의 중공축부(920)와 터닝 베이스 기구(960)와의 결합은 그 회전이 가능한 한 위의 구조와 달리할 수 있다. 또한, 위의 터닝 베이스 기구(960)도 발전 유닛(600)의 회전자축(610)과 동축인 심축(722)이 발전 유닛(600)을 타워부의 설치 장소 지지부에 회전가능하게 지지하는 구조로 하면 위와 다른 구조로 할 수 있음은 위에서 설명한 바와 같다.
위에서는, 중공축부(120)의 하부 단부에 플랜지(922)가 일체로 형성된 것으로 도시, 설명하였으나, 플랜지(922)를 별도로 만들어 중공축부(120)의 하부 단부에 부착할 수도 있다.
본 실시예에 의하면, 타워 본체(940) 내측에 설치되는 반작용 토크 전달축(980)에 의해 반작용 토크를 상쇄하므로, 설치, 관리의 취급이 편리하게 개선된다.
위의 내용을 정리하면, 본 실시예의 풍력 발전기는,
풍력을 기계적 회전 운동 에너지로 변환하는 주축(220)이 구비되고, 회전축(rotation axis)이 지면과 수평을 이루게 설치되는 로터(300);
상기 로터(300)의 주축(220)이 내장되는 너셀(nacelle) 조립체(200);
상기 너셀 조립체(200) 내의 주축(220)과 기어 결합에 의해 수직으로 연결되어 상기 로터(300)의 회전 운동 에너지가 전달되는 동력 전달축(140);
상기 너셀 조립체(200)의 저면에 결합되는 상단과 하측으로 연장된 하단을 가지며, 하단에 형성된 플랜지(922)에 너셀 링 기어(924)가 설치되는 중공축부(920); 및
상부 내측에 상하의 요 베어링(162)에 의해 상기 중공축부(920)의 외주면이 회전 가능하게 결합되고 하단이 설치 장소 지지부에 고정되는 타워 본체(940)를 포함하여 구성되고, 상기 동력 전달축(140)이 상기 중공축부(920)의 내부로부터 연장되어 설치되는 타워(tower)부(100);
하우징(640), 회전자축(610), 상기 회전자축(610)에 결합된 다극 회전자(620) 및 상기 회전자(620)와 거리를 두고 설치된 다극의 고정자(635)를 가지며, 상기 하우징(640)이 상기 동력 전달축(140)에 결합되도록 배치되어, 상기 동력전달축(140)에 연결되어 설치되고, 상기 동력 전달축(140)을 통해 전달되는 상기 회전 운동 에너지에 의해 발전하는 발전 유닛(600);
발전 유닛(600)의 회전자축(610)과 동축으로 결합된 심축(722)이 발전 유닛(600) 등을 타워부(100)의 설치 장소 지지부에 회전가능하게 지지하는 터닝 베이스 기구(960): 및
상기 중공축부(120)의 하단 외주면에 설치된 너셀 링 기어(924)와 상기 터닝 베이스 기구(960)에 설치된 턴 테이블 링 기어(964)에 기어 결합되는 너셀 피니언 기어(982)와 반작용 전달 피니언 기어(984)가 상단과 하단에 결합되어, 상기 타워 본체(180)의 내측에 회전 가능하도록 결합된 반작용 토크 전달축(980)을 포함하여 구성된다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 제 5 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내고, 도 10a의 h-h'의 선을 따라 취한 단면을 나타내고 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 풍력 발전기는 발전 용량에 따라 수직으로 배치되는 복수의 소형 발전 유닛의 병렬 운전 구조를 채택한 구성 이외에는 상술한 제 2 실시예의 구성과 동일하므로, 본 실시예에 대하여는 병렬 운전 기구(1000)에 대해서만 설명한다.
복수의 발전 유닛의 병렬 운전 기구(1000)는, 동력 전달축(140)이 지지되는 베어링이 삽입되는 중앙의 베어링 지지부(911) 및 외주 저면에 마주보게 형성된 2개의 베어링 지지부(925)가 구비되어 중공축부(120)의 하부에 결합되는 하우징(913)과, 상기 베어링 지지부(911)를 관통한 동력 전달축(140)의 하단에 부착된 메인 치차(915)와, 상기 하우징(913)의 2개의 베어링 지지부(925)에 배치된 베어링에 축결합되어 상기 메인 치차(915)에 서로 대향하여 맞물려서 회전되는 2개의 서브 치차(917)로 발전 유닛(919)이 축결합된다.
위에서는 2개의 소형 발전 유닛(919)을 배치하는 것으로 도시, 설명하였으나, 베어링 지지부(925) 및 서브 치차(917)를 3개 이상으로 하여 각각 소형 발전 유닛을 병렬 연결함으로써, 발전 유닛의 취급 및 운반이 용이한 효과를 가질 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명의 도 6 실시예에 따른 풍력 발전기의 구성을 나타내고, 도 11a의 i-i'의 선을 따라 취한 단면을 나타내고 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 도 6 실시예에 따른 풍력 발전기는 수평형 발전 유닛 기구(1100)가 중공축부(120) 하부와 터닝 베이스 기구(700)의 사이에 설치된 것 이외에는 상술한 제 5 실시예의 구성과 동일하므로, 본 실시예에 대하여는 수평형 발전 유닛 기구(1100)에 대해서만 설명한다.
수평형 발전 유닛 기구(1100)는 동력 전달축(140)이 지지되는 베어링이 삽입되는 중앙의 베어링 지지부(911)가 형성되어 중공축부(120)의 하부와 터닝 베이스 기구(700)의 사이에 배치되는 하우징(1120)과, 상기 하우징(1120)을 관통하여 노출되도록 상기 동력 전달축(140)의 하부에 부착되는 베벨 기어(148)와, 상기 베벨 기어(148)에 결합되는 베벨 기어(160)로 구성되고, 위의 베벨 기어(142)에 발전 유닛(600)의 수평 회전자축이 결합된다. 본 실시예에 의하면, 발전 유닛을 수직이 아닌 수평으로도 설치할 수 있으므로 발전기의 조립과 유지 보수가 편리한 효과를 가진다.
도 12는 본 발명의 제 7 실시예에 따른 풍력 발전기의 피치 제어 기구를 나타내고 있고, 도 12a는 블레이드의 자전 각도 제어를 위한 구조 설명도이고, 도 12b는 도 12a의 부분확대도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 제 7 실시예에 따른 풍력 발전기는 풍속과 운전 상황에 따라 블레이드의 자전 각도를 조정하는 피치 제어 기구의 구성 이외에는 상술한 실시예들의 구성을 채택할 수 있으므로, 본 실시예에 대하여는 피치 제어 기구(1200)에 대해서만 설명한다.
피치 제어 기구(1200)는 너셀 조립체(200)의 주축(220)을 그 내부를 천공하여 중공주축(1220)으로 형성하고, 상기 중공주축(1220)내에 삽입되어 설치되는 푸쉬 풀 로드(1240)와, 상기 푸쉬 풀 로드(1240)의 일단부와 상기 피봇 죠인트 핀(1300)에 양단이 각각 연결되는 커넥팅 로드(1260) 및 상기 너셀 조립체 내에 고정되어 상기 푸쉬 풀 로드(1240)의 타단부에 연결되는 액츄에이터(1280)와, 중공주축(1220)의 일단에 부착되는 허브(320)의 회전 중심축(axis)과 상기 블레이드(310)가 소정의 각도를 이루도록 커넥팅 로드(1260)와 연결되며, 상기 커넥팅 로드(1260)에 의해 블레이드(310)가 바람을 맞이하는 각도를 소정의 각도로 제어하기 위해 상기 허브(320)의 각각의 블레이드(310)의 단부에 편심되게 설치된 피봇 죠인트 핀(1300)을 포함한다. 바람에 의해 블레이드(310)가 회전함에 따라 중공주축(1220)도 회전하고, 바람의 속도에 따라 액츄에이터(1280)의 작동으로 그에 일단이 결합된 푸쉬 풀 로드(1240)가 길항 작용을 함에 따라 그 타단에 회전가능하게 결합된 커넥팅 로드(1260)의 타단이 상기 각각의 블레이드(310)의 단부에 편심되게 설치된 피봇 죠인트 핀(1300)을 통해 블레이드(310)를 작동시켜 선회(자전)시킴으로써 풍속이나 기타 운전상황에 따라 풍속에 관계없이 블레이드(310)가 사전에 정해진 또는 운전자가 원하는 범위의 속도로 회전할 수 있도록 바람을 맞이하는 블레이드(310)의 자전 각도를 변경할 수 있다.
따라서, 공지의 편심 피봇형 블레이드 피치 제어 기구에 있어서, 편심된 피봇 죠인트 핀(1300)에 커넥팅 로드(1260)의 일단부가 결합되어, 커넥팅 로드(1260), 푸쉬 풀 로드(1240), 중공 주축(1220), 액츄에이터(1280)로 작동함에 따라 연결부의 마모에 의한 틈새를 없애고, 로터의 무게를 줄이며, 너셀 조립체의 무게의 발란스를 달성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력 발전기는, 로터의 회전 운동 에너지를 타워 내에 수직 설치된 동력 전달축을 통해 하부에 부착된 발전 유닛으로 전달하되, 발전 부하로 인해 동력 전달축에서 발생되어 전달되는 구동 토크를 받는 너셀 조립체에서 발생되는 반발력, 즉 반작용 토크를 발전 유닛의 전자기력에 의해 발생되는 구동 토크를 이용하여 상쇄시킴에 따라 반작용 토크 상쇄 기구와 너셀 조립체의 구조를 단순화하면서도 프리 요잉(free-yawing)를 구현하는 동시에, 전체적인 경량화를 통해 시설비를 감소할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 풍력 발전기는, 터닝 베이스 조립체에 의해 수직의 동력 전달축의 하부에 부착된 무거운 중량의 발전 유닛을 유연하고 선회가능하게 지지함에 따라, 바람이 부는 방향을 향하여 너셀 조립체의 프리-요잉을 구현할 수 있고, 풍향이 수시로 변하는 경우에도 액티브 요잉보다 응답 속도가 빠르므로, 요잉 에러(yawing error)의 발생 시간을 줄일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 풍력 발전기는, 긴 길이의 수직의 동력 전달축을 다단으로 연결가능한 복수의 동력 전달축으로 분리하고, 또한 발전 유닛으로 동력이 전달될 수 있도록 상기 복수의 동력 전달축 부분을 타워내에 지지하도록 구현함으로써, 단위 동력 전달축의 높이와 타워 본체의 높이를 줄일 수 있어 회전 시에 자체 진동을 방지할 수 있고, 시공 기간의 단축과 시공비 절감이 가능하다.
위에서 본 발명을 비-한정적인 실시예에 의해 예를 들어 설명하는 방법으로 설명하였으나, 이러한 실시예와 설명은 본 발명의 주제와 범위를 제한하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 다양한 변형, 변경 및 수정이 가능한 것으로 의도된 것이다. 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구범위에 의해 정해지고 그 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 타워부 102 : 베어링 조립체
120 : 중공축부 122 : 돌기부
140 : 동력 전달축 142 : 베벨 기어
148 : 베벨 기어 160 : 어댑터부
162 : 요 베어링 164 : 내부 어댑터
166 : 외부 어댑터 180 : 타워 본체
182 : 파운데이션 인서트 184 : 인서트 설치부
200 : 너셀 조립체 210 : 지지 프레임
220 : 주축 230 : 베벨 기어
240 : 브레이크 300 : 로터
310 : 블레이드 320 : 허브
600 : 발전 유닛 602 : 플레이트 프렌지
604 : 커플링 610 : 회전자축
615 : 베벨 기어 620 : 회전자
630 : 고정자 632 : 발전 코일
634 : 발전 코일 635 : 고정자
640 : 하우징 700 : 터닝 베이스 기구
710 : 플레이트 720 : 턴 테이블
722 : 심축 724 : 쓰러스트 베어링
726 : 레이디얼 베어링 728 : 체결 너트
730 : 베이스판 732 : 심축 지지부
740 : 쓰러스트 베어링 800 : 동력 전달축 다단 연결기구
820 : 연결 중공축부 822 : 제1 중공축부 부분체
824 : 제2 중공축부 부분체 826 : 동력 전달축 삽입지지부
840 : 연결 동력 전달축 860 : 동력 전달축 연결구
862 : 내부 베어링 지지체 864 : 외부 베어링 지지체
866 : 원형림 870 : 베어링
900 : 반작용 토크 전달기구 911 : 베어링 지지부
913 : 하우징 915 : 메인 치차
917 : 서브 치차 919 : 소형 발전기
920 : 중공축부 922 : 플랜지
924 : 너셀 링 기어 925 : 베어링 지지부
940 : 타워 본체 942 : 지지구
960 : 터닝 베이스 기구 962 : 턴 테이블
964 : 턴 테이블 링 기어 980 : 반작용 토크 전달축
982 : 너셀 피니언 기어 984 : 반작용 전달 피니언 기어
1100 : 수평형 발전 유닛 기구 1120 : 하우징
1200 : 피치 제어 기구 1220 : 중공축부
1240 : 푸쉬 풀 로드 1260 : 커넥팅 로드
1280 : 엑츄에이터 1300 : 피봇 죠인트 핀
120 : 중공축부 122 : 돌기부
140 : 동력 전달축 142 : 베벨 기어
148 : 베벨 기어 160 : 어댑터부
162 : 요 베어링 164 : 내부 어댑터
166 : 외부 어댑터 180 : 타워 본체
182 : 파운데이션 인서트 184 : 인서트 설치부
200 : 너셀 조립체 210 : 지지 프레임
220 : 주축 230 : 베벨 기어
240 : 브레이크 300 : 로터
310 : 블레이드 320 : 허브
600 : 발전 유닛 602 : 플레이트 프렌지
604 : 커플링 610 : 회전자축
615 : 베벨 기어 620 : 회전자
630 : 고정자 632 : 발전 코일
634 : 발전 코일 635 : 고정자
640 : 하우징 700 : 터닝 베이스 기구
710 : 플레이트 720 : 턴 테이블
722 : 심축 724 : 쓰러스트 베어링
726 : 레이디얼 베어링 728 : 체결 너트
730 : 베이스판 732 : 심축 지지부
740 : 쓰러스트 베어링 800 : 동력 전달축 다단 연결기구
820 : 연결 중공축부 822 : 제1 중공축부 부분체
824 : 제2 중공축부 부분체 826 : 동력 전달축 삽입지지부
840 : 연결 동력 전달축 860 : 동력 전달축 연결구
862 : 내부 베어링 지지체 864 : 외부 베어링 지지체
866 : 원형림 870 : 베어링
900 : 반작용 토크 전달기구 911 : 베어링 지지부
913 : 하우징 915 : 메인 치차
917 : 서브 치차 919 : 소형 발전기
920 : 중공축부 922 : 플랜지
924 : 너셀 링 기어 925 : 베어링 지지부
940 : 타워 본체 942 : 지지구
960 : 터닝 베이스 기구 962 : 턴 테이블
964 : 턴 테이블 링 기어 980 : 반작용 토크 전달축
982 : 너셀 피니언 기어 984 : 반작용 전달 피니언 기어
1100 : 수평형 발전 유닛 기구 1120 : 하우징
1200 : 피치 제어 기구 1220 : 중공축부
1240 : 푸쉬 풀 로드 1260 : 커넥팅 로드
1280 : 엑츄에이터 1300 : 피봇 죠인트 핀
Claims (9)
- 풍력을 기계적 회전 운동 에너지로 변환하는 블레이드와 허브 및 주축이 구비되고, 회전축(rotation axis)이 지면과 수평을 이루게 설치되는 로터;
상기 로터의 주축이 내장되는 너셀(nacelle) 조립체;
상기 너셀 조립체 내의 주축과 기어 결합에 의해 수직으로 연결되어 상기 로터의 회전 운동에너지가 전달되는 동력 전달축;
상기 너셀 조립체의 저면에 결합되는 상단과 하측으로 연장된 하단을 가지는 중공축부;
하단이 설치 장소 지지부에 고정되는 타워 본체를 포함하여 구성되고, 상기 동력 전달축이 상기 중공축부의 내부에 배치되는 타워(tower)부; 및
하우징, 회전자축, 상기 회전자축에 결합된 복수극 회전자 및 상기 회전자와 거리를 두고 배치된 복수극의 고정자를 가지는, 발전 유닛;을 포함하여 구성되는 수평축형 풍력발전기로서,
상기 타워 본체의 상부 내측에 상기 중공축부의 외주면이 회전가능하게 결합되어 상기 로터의 프리 요잉(free yawing)이 가능하게 하는 구조를 구성하고,
상기 회전자축이 커플링을 개재하여 상기 동력 전달축에 결합되어 상기 발전 유닛이 상기 동력 전달축을 통해 전달되는 상기 회전 운동 에너지에 의해 발전하는 구조를 구성하며,
상기 발전기 하우징이 상기 중공축부의 하단에 결합, 고정되어 상기 중공축부에 매달려 설치되도록 구성되어,
상기 회전가능한 중공축부를 통해 발전 유닛의 고정자에 직접 전달되는 상기 너셀 조립체의 반작용 토크가, 상기 발전 유닛의 회전자로부터의 회전 자계의 렌즈(Lentz)의 법칙에 따른 전자기력에 의해 상기 발전 유닛의 고정자에 발생되는구동 토크에 의해 상쇄되는 것을 특징으로 하는, 수평축형 풍력 발전기. - 제1항에 있어서,
상기 타워부는,
프리-요잉을 위해 상기 중공축부가 회전될 수 있도록 상기 중공축부의 외면에 끼워져 결합되고, 상기 타워 본체에 의해 지지되는 어댑터부를 포함하여 구성되고,
상기 어댑터부는 각각 내부에 한 쌍의 요 베어링이 결합되어 상기 중공축부의 외면에 부착되는 내부 및 외부 어댑터를 포함하고,
상기 한 쌍의 요 베어링은 상기 중공축부의 외면 상하에 돌출 설치된 돌기부의 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는, 수평축형 풍력 발전기. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 발전 유닛의 회전자축과 동축으로 결합된 심축이 상기 발전 유닛을 상기 타워부의 설치 장소 지지부에 회전가능하게 지지하는 터닝 베이스 기구를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 수평축형 풍력 발전기. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 발전 유닛이 부착되는 상기 동력 전달축과 상기 중공축부가 각각 복수의 부분체로 구성되고, 그 부분체가 결합되는 동력 전달축 연결구를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 수평축형 풍력 발전기. - 제4항에 있어서,
상기 동력 전달축 연결구는,
상기 중공축부 부분체의 동력 전달축 삽입 지지부를 중앙에 가지는 내부 베어링 지지체, 상기 내부 베어링 지지체를 둘러싸도록 배치된 외부 베어링 지지체 및 상기 외부 베어링 지지체의 외면에서 등간격으로 복수개 이격되어 상기 타워 본체내에 부착된 원형 림을 포함하고, 상기 내부 베어링 지지체 및 외부 베어링 지지체에는 각각 상하 2단으로 이루어진 베어링 조립체가 배치되는 것을 특징으로 하는, 수평축형 풍력 발전기. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 발전 유닛이 복수의 발전 유닛으로 이루어지고,
상기 동력 전달축에 감합되는 베어링 지지구가 설치되어 상기 너셀 조립체를 지지하는 상기 중공축부의 하부에 결합되는 하우징 ;
상기 베어링 지지구를 관통한 상기 동력 전달축의 하단에 부착된 메인 치차; 및
상기 메인 치차에 서로 대향하여 맞물려서 회전되도록 상기 하우징의 하부에 소정 각도로 축결합되는 복수의 서브 치차;
를 구비하여, 상기 복수의 서브 치차의 각각의 치차 축에 상기 복수의 발전 유닛의 회전자축이 축 결합되는 병렬 운전기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수평축형 풍력 발전기. - 제3항에 있어서,
상기 발전 유닛이 수평형 발전 유닛이고,
상기 동력 전달축에 감합되는 베어링 지지구가 설치되어 상기 중공축부의 하부와 상기 터닝 베이스 기구의 사이에 설치되는 하우징;
상기 베어링 지지구를 관통해서 상기 하우징내에 노출되는 상기 동력 전달축의 하단에 부착되는 제1 베벨 기어; 및
상기 제1 베벨 기어에 결합되고 상기 수평형 발전 유닛의 회전자축의 단부에 결합되는 제2 베벨 기어;
를 구비하는 수평형 발전 유닛 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수평축형 풍력 발전기. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 로터의 블레이드의 바람맞이 각도를 조정하는 피치 제어 기구를 더 포함하고,
상기 피치 제어 기구는,
상기 너셀 조립체 내의 상기 주축에 길이방향으로 천공된 중공 내에 수평으로 설치되는 푸쉬 풀 로드, 상기 푸쉬 풀 로드의 일단부 및 타단부에 각각 부착되는 커넥팅 로드 및 리니어 액츄에이터, 및 상기 중공주축의 일단에 부착되는 상기 로터의 회전 중심축과 상기 블레이드가 소정의 각도를 이루도록 커넥팅 로드와 연결되고, 상기 허브에 배치된 블레이드의 단부에 편심되게 설치된 피봇 죠인트 핀을 포함하여 구성되고, 상기 각도가 바람의 방향에 따라 변하는 것을 특징으로 하는, 수평축형 풍력 발전기. - 풍력을 기계적 회전 운동 에너지로 변환하는 주축이 구비되고, 회전축(rotation axis)이 지면과 수평을 이루게 설치되는 로터;
상기 로터의 주축이 내장되는 너셀 조립체;
상기 너셀 조립체 내의 주축과 기어 결합에 의해 수직으로 연결되어 상기 로터의 회전 운동 에너지가 전달되는 동력 전달축;
상기 너셀 조립체의 저면에 결합되는 상단과 하측으로 연장된 하단을 가지는 중공축부;
상부 내측에 상기 중공축부의 외주면이 회전가능하게 결합되고 하단이 설치 장소 지지부에 고정되는 타워 본체를 포함하여 구성되고, 상기 동력 전달축이 상기 중공축부의 내부에 배치되는 타워(tower)부;
하우징, 회전자축, 상기 회전자축에 결합된 다극 회전자 및 상기 회전자와 거리를 두고 설치된 다극의 고정자를 가지며, 상기 하우징이 상기 동력 전달축에 결합되도록 배치되고, 상기 동력 전달축을 통해 전달되는 상기 회전 운동 에너지에 의해 발전하는 발전 유닛;
상기 발전 유닛의 회전자축과 동축으로 결합된 심축이 상기 발전 유닛을 상기 타워부의 설치 장소 지지부에 회전가능하게 지지하는 터닝 베이스 기구; 및
상기 중공축부의 하단 외주면에 설치된 너셀 링 기어와 상기 터닝 베이스 기구에 설치된 턴 테이블 링 기어에 기어 결합되는 너셀 피니언 기어와 반작용 전달 피니언 기어가 상단과 하단에 결합되어, 상기 타워 본체의 내측에 회전 가능하도록 결합된 반작용 토크 전달축을 포함하여 구성되는, 수평축형 풍력 발전기.
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Applications Claiming Priority (2)
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