KR102193215B1 - 풍력 발전장치 - Google Patents

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KR102193215B1
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이성래
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두산중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 풍력 발전장치는, 직립 설치된 타워, 상기 타워의 상부에 설치된 나셀, 상기 나셀에 회전 가능하게 설치된 로터, 상기 로터와 함께 회전하되 복수의 영구자석을 갖는 회전자 모듈과, 상기 회전자 모듈과 마주하도록 배치되며 전자석을 갖는 고정자 모듈을 포함하는 기어리스 발전기, 상기 로터와 함께 회전하는 회전축에 연결되는 기어박스, 및 상기 기어박스와 연결되는 기어드 발전기를 포함한다.

Description

풍력 발전장치{WIND TURBINE}
본 발명은 풍력 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기어리스 발전기와 기어드 발전기를 동시에 구비하는 하이브리드 풍력 발전장치에 관한 것이다.
풍력발전(風力發電)이란 풍차를 이용해 바람이 가진 에너지를 기계적인 에너지(회전력)로 변환시키고, 이 기계적 에너지가 발전기를 구동함으로써 전기적인 에너지로 변환되어 전력을 얻는 발전 방식을 말한다.
풍력발전은 현재까지 개발된 신재생 에너지원 중에서 가장 경제성이 높을 뿐 아니라 무한정, 무비용의 청정에너지원인 바람을 이용하여 발전할 수 있는 장점 때문에 유럽은 물론 미주와 아시아 등지에서도 적극적인 투자가 이뤄지고 있는 실정이다.
이러한 풍력발전을 위한 풍력 발전기는 회전축의 방향에 따라 수직축 풍력 발전기와 수평축 풍력 발전기로 구분될 수 있다. 현재까지는 수직축에 비해 수평축 풍력 발전기의 효율이 높고 안정적이어서 상업용 풍력발전단지에는 대부분 수평축 풍력 발전기가 적용되고 있다.
풍력발전기는 기어박스를 포함하는 통상적인 기어드(geared) 풍력 발전기와 기어박스를 갖지 않는 다이렉트 드라이브(direct drive)형의 기어리스(gearless) 풍력 발전기가 있다.
최근에는 풍력 발전기에 요구되는 발전 용량이 커짐에 따라 풍력 발전기가 대형화되고 있다. 기어드 풍력 발전기가 대형화됨에 따라 기어박스와 발전기가 대형화되어 제작비가 상승되고 있다. 또한, 기어리스 발전기를 채용한 경우도 있으나, 요구되는 발전 용량을 충족하기 위해서는 발전기의 외경이 매우 커지게 되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1516902호 (풍력 터빈) 대한민국 등록특허공보 제10-1426697호 (풍력 발전기용 기어박스)
본 발명은 로터에 의해 직접 연결되어 구동되는 기어리스 발전기와 기어박스에 의해 증속되는 기어드 발전기를 동시에 구비하는 풍력 발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍력 발전장치는, 직립 설치된 타워, 상기 타워의 상부에 설치된 나셀, 상기 나셀에 회전 가능하게 설치된 로터, 상기 로터와 함께 회전하되 복수의 영구자석을 갖는 회전자 모듈과, 상기 회전자 모듈과 마주하도록 배치되며 전자석을 갖는 고정자 모듈을 포함하는 기어리스 발전기, 상기 로터와 함께 회전하는 회전축에 연결되는 기어박스, 및 상기 기어박스와 연결되는 기어드 발전기를 포함한다.
여기서, 상기 기어리스 발전기 및 상기 기어드 발전기와 각각 연결되는 컨버터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기어박스와 상기 기어드 발전기와 상기 컨버터는 상기 나셀에 고정된 지지프레임에 장착될 수 있다.
또한, 상기 기어리스 발전기와 연결되는 제1컨버터와, 상기 기어드 발전기와 연결되는 2컨버터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전자 모듈은 상기 로터와 함께 회전되는 제1 지지부재와, 상기 제1 지지부재의 내주면에 배치되는 상기 복수의 영구자석을 포함하고, 상기 고정자 모듈은 상기 나셀의 내부에 고정되는 지지관에 고정되는 제2 지지부재와, 상기 제2 지지부재의 외주면에 배치되는 상기 전자석을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기어리스 발전기는 상기 고정자 모듈에서 돌출 형성되어 상기 전자석과 상기 영구자석이 접촉하는 것을 방지하는 보호부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지관의 내주면에 구비되어 상기 회전축을 회전가능하게 지지하는 제1 베어링과, 상기 지지관의 외주면에 구비되어 상기 제1 지지부재를 회전가능하게 지지하는 제2 베어링을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전자 모듈은 상기 로터와 함께 회전되는 제1 지지부재와, 상기 제1 지지부재의 외주면에 배치되는 상기 복수의 영구자석을 포함하고, 상기 고정자 모듈은 상기 나셀의 내부에 고정되는 지지관에 고정되는 제2 지지부재와, 상기 제2 지지부재의 내주면에 배치되는 상기 전자석을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기어리스 발전기는 상기 회전자 모듈에서 돌출 형성되어 상기 전자석과 상기 영구자석이 접촉하는 것을 방지하는 보호부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지관의 내주면에 구비되어 상기 회전축을 회전가능하게 지지하는 제1 베어링과, 상기 지지관의 외주면에 구비되어 상기 제1 지지부재를 회전가능하게 지지하는 제2 베어링을 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 풍력 발전장치에 의하면, 로터에 의해 직접 연결되어 구동되는 기어리스 발전기와 기어박스에 의해 증속되는 기어드 발전기를 동시에 구비함으로써, 요구되는 발전 용량에 대해 한가지 발전기만 구비하는 경우에 비해 발전기의 크기를 소형화할 수 있다.
또한, 두 가지의 발전기에 컨버터를 각각 구비함으로써 하나의 발전기가 고장나더라도 다른 하나의 발전기로 발전을 계속 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 나셀과 로터를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 나셀과 로터를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 나셀과 로터를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 나셀과 로터를 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전장치에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 나셀과 로터를 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전장치(10)는, 타워(110), 나셀(120), 로터(130), 기어리스(gearless) 발전기(150), 기어박스(160), 기어드(geared) 발전기(170)를 포함한다.
타워(110)는 지상 및 해상에서 일정한 높이로 직립되도록 설치되며, 나셀(120)과 로터(130)를 지지한다. 타워(110)는 상단에서 하단으로 갈수록 직경이 증가하는 관 형상을 가질 수 있다. 이때, 타워(110)는 복수의 관형 부재가 적층된 다단 형태로 이루어질 수 있다. 한편, 타워(110) 내부에는 유지 보수를 위해 작업자나 작업도구를 이송시키는 계단, 컨베이어 또는 승강기가 설치될 수 있다.
타워(110)의 상부에는 나셀(120)이 타워(110)에 대하여 요잉(yawing) 가능하도록 설치될 수 있다. 나셀(120)은 타워(110)의 상부에 위치하며 타워(110) 하부에 대하여 회전 가능하게 결합될 수 있다.
나셀(120)은 발전기(150, 170) 등을 수용하는 하우징으로서, 통상적으로 육면체 형상으로 이루어질 수 있다. 그러나, 나셀(120)의 형상은 반드시 이에 한정되지 않고, 원통, 타원체 등으로 이루어질 수도 있다.
로터(130)는 허브(131)와 복수의 블레이드(132)로 이루어지는데, 허브(131)는 나셀(120)의 전면에 회전 가능하게 설치된다. 그리고, 복수의 블레이드(132)는 허브(131)의 외주면에 원주 방향을 따라 미리 정해진 간격으로 이격되어 결합된다.
허브(131)는 바람의 저항을 감소시키기 위해 전방으로 볼록하게 돌출된 원추형으로 이루어질 수 있다. 블레이드(132)는 바람에 의해 허브(131)의 중심축을 중심으로 회전한다. 블레이드(132)는 폭 방향으로 유선형 단면을 가지며, 내부에는 공간부가 형성될 수 있다.
나셀(120)의 내부에는 회전자와 고정자 및 회전축(121)을 지지하기 위한 지지관(123)이 설치된다. 지지관(123)은 로터(130)와 연결되어 로터(130)를 지지할 수도 있다. 도시하지 않았으나, 지지관(123)은 프레임에 의해 타워(110)에 연결될 수 있다.
기어리스(gearless) 발전기(150)는 증속기(기어박스)를 갖지 않고 로터(130)에 직접 연결되는 기어리스 타입의 환형 발전기로 이루어진다. 기어리스 발전기(150)는 로터(130)와 함께 회전하되 복수의 영구자석(151b)을 갖는 회전자 모듈(151)과, 회전자 모듈과 마주하도록 배치되며 전자석(152b)을 갖는 고정자 모듈(152)을 포함한다.
기어박스(160)는 로터(130)의 중심에 연결되어 로터(130)와 함께 회전하는 회전축(121)에 연결된다. 회전축(121)은 지지관(123)의 내주면에 장착된 제1 베어링(125)에 회전가능하게 지지될 수 있다. 기어박스(160)는 증속기로서, 로터(130)의 회전 속도를 증가시켜 기어드 발전기(170)로 회전력을 전달한다.
기어드(geared) 발전기(170)는 기어박스(160)에 의해 증속된 회전력을 전달받아서 전력을 생산한다.
한편, 회전자 모듈(151)은 로터(130)에 연결되어 함께 회전되는 제1 지지부재(151a)와, 제1 지지부재(151a)의 내주면에 배치되는 복수의 영구자석(151b)을 포함할 수 있다. 제1 지지부재(151a)는 단차진 고리 형태로 이루어지고, 지지관(123)의 외주면에 구비된 제2 베어링(126)에 의해 지지관(123)에 회전가능하게 지지될 수 있다. 복수의 영구자석(151b)은 제1 지지부재(151a)의 내주면에 배치되고, 커버에 의해 보호될 수 있다.
고정자 모듈(152)은 지지관(123)의 외주면에 고정되는 제2 지지부재(152a)와, 제2 지지부재(152a)의 외주면에 고정된 전자석(152b)을 포함할 수 있다. 전자석(152b)은 코어와 코어를 감싸는 코일을 포함하며, 전자석(152b)에는 회전하는 회전자 모듈(151)에 의하여 기전력이 유도된다.
제2 지지부재(152a)는 반경방향 단면이 "T"자 모양인 고리 형태로 이어져 형성되며, 제2 지지부재(152a)의 외주면에 전자석(152b)이 설치된다. 제2 지지부재(152a)는 지지관(123)에 고정 설치되어 회전하지 않는다. 전자석(152b)은 영구자석들(151b)보다 반경방향으로 내측에 위치하며, 소정 간격으로 영구자석들(151b)에서 이격되어 영구자석들(151b)과 마주하도록 설치된다.
그리고, 기어리스 발전기(150)는 고정자 모듈(152)에서 돌출 형성되어 전자석(152b)과 영구자석(151b)이 접촉하는 것을 방지하는 보호부재(153)를 더 포함할 수 있다.
보호부재(153)는 고정자 모듈(152)에서 돌출 형성되는데, 보호부재(153)는 고리 형상으로 이어져 설치될 수 있다. 보호부재(153)의 표면에는 보호 코팅층이 형성될 수 있는데, 보호 코팅층은 폴리머, 아연, 크롬 등으로 이루어질 수 있다.
보호부재(153)는 회전자 모듈(151)로부터 소정 간격으로 이격 배치되는데, 보호부재(153)의 외측단과 제1 지지부재(151a)의 내주면 사이의 간격은 전자석(152b)과 영구자석(151b) 사이의 간격보다 더 작게 형성될 수 있다. 다시 말해서, 전자석(152b)과 영구자석(151b) 사이의 제1 간격은 보호부재(153)의 외측단과 제1 지지부재(151a)의 내주면 사이의 제2 간격의 1.05배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다.
이와 같이 제1 간격이 제2 간격보다 더 크게 형성되면, 코깅, 진동, 충격 등의 원인으로 전자석(152b)과 영구자석들(151b) 사이의 간격이 감소할 때, 보호부재(153)가 제1 지지부재(151a)와 먼저 맞닿아 영구자석들(151b)에 충격이 가해지는 것을 방지할 수 있다.
기어리스 발전기(150)와 기어드 발전기(170)에는 컨버터(180)가 연결될 수 있다. 기어리스 발전기(150)로부터 컨버터(180)로 연결되는 전선은 전자석(152b)에 연결될 수 있다.
컨버터(180)는 기어리스 발전기(150)와 기어드 발전기(170)와 각각 전선으로 연결되어, 각 발전기에서 생산되는 전력을 변환할 수 있다. 컨버터(180)는 전력변환장치(Power Converter)로서, 풍력, 조력, 조류 등을 이용하는 신재생에너지 발전시스템에서 반드시 필요한 구성이다. 이는 가변적인 풍속 또는 유속 조건에 기인하는 가변전압, 가변주파수 특성을 갖는 저품질의 1차 에너지를 전력 계통으로 연계할 수 있도록 정전압, 정주파수 특성을 갖는 고품질의 2차 에너지로 정제하기 위한 장치이다.
기어박스(160)와 기어드 발전기(170)와 컨버터(180)는 나셀(120)에 고정된 지지프레임(124)에 장착될 수 있다. 지지프레임(124)은 나셀(120)의 내부 바닥에서 소정 높이로 설치되고, 그 상면이 수평면으로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력 발전장치(10)를 설명한다. 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 나셀과 로터를 도시한 단면도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력 발전장치(10)는 타워(110), 나셀(120), 로터(130), 기어리스 발전기(150), 기어박스(160), 기어드 발전기(170)를 포함한다. 제2 실시예에 따른 풍력 발전장치(10)는 컨버터를 제외하고는 상술한 제1 실시예에 따른 풍력 발전장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
기어리스 발전기(150)에는 제1 컨버터(181)가 연결되고, 기어드 발전기(170)에는 제2 컨버터(182)가 연결될 수 있다.
우선, 제2 컨버터(182)는 지지프레임(124)에 장착되어 기어드 발전기(170)로부터 생산되는 전력을 변환하여 전송한다. 제1 컨버터(181)는 나셀(120)의 바닥 또는 바닥에 별도로 마련된 지지프레임에 장착되고, 고정자 모듈(152)의 전자석(152b)에 전선이 연결될 수 있다. 제1 컨버터(181)는 기어리스 발전기(150)로부터 생산되는 전력을 변환하여 전송한다.
이와 같이, 기어리스 발전기(150)와 기어드 발전기(170)가 컨버터(181, 182)를 개별적으로 구비하고 있기 때문에, 2개의 발전기 중 하나에 고장이 발생하는 경우에 다른 하나의 발전기에서 독립적으로 전력을 생산할 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력 발전장치(20)를 설명한다. 도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 나셀과 로터를 도시한 단면도이다. 제3 실시예의 경우, 기어리스 발전기의 구조가 제1 실시예와 다르다.
타워(210)는 지상 및 해상에서 일정한 높이로 직립되도록 설치되며, 나셀(220)과 로터(230)를 지지한다. 타워(210)는 상단에서 하단으로 갈수록 직경이 증가하는 관 형상을 가질 수 있다. 이때, 타워(210)는 복수의 관형 부재가 적층된 다단 형태로 이루어질 수 있다. 한편, 타워(210) 내부에는 유지 보수를 위해 작업자나 작업도구를 이송시키는 계단, 컨베이어 또는 승강기가 설치될 수 있다.
타워(210)의 상부에는 나셀(220)이 타워(210)에 대하여 요잉(yawing) 가능하도록 설치될 수 있다. 나셀(220)은 타워(210)의 상부에 위치하며 타워(210) 하부에 대하여 회전 가능하게 결합될 수 있다.
나셀(220)은 발전기(250, 270) 등을 수용하는 하우징으로서, 통상적으로 육면체 형상으로 이루어질 수 있다. 그러나, 나셀(220)의 형상은 반드시 이에 한정되지 않고, 원통, 타원체 등으로 이루어질 수도 있다.
로터(230)는 허브(231)와 복수의 블레이드(232)로 이루어지는데, 허브(231)는 나셀(220)의 전면에 회전 가능하게 설치된다. 그리고, 복수의 블레이드(232)는 허브(231)의 외주면에 원주 방향을 따라 미리 정해진 간격으로 이격되어 결합된다.
허브(231)는 바람의 저항을 감소시키기 위해 전방으로 볼록하게 돌출된 원추형으로 이루어질 수 있다. 블레이드(232)는 바람에 의해 허브(231)의 중심축을 중심으로 회전한다. 블레이드(232)는 폭 방향으로 유선형 단면을 가지며, 내부에는 공간부가 형성될 수 있다.
나셀(220)의 내부에는 회전자와 고정자 및 회전축(221)을 지지하기 위한 지지관(223)이 설치된다. 지지관(223)은 로터(230)와 연결되어 로터(230)를 지지할 수도 있다. 도시하지 않았으나, 지지관(223)은 프레임에 의해 타워(210)에 연결될 수 있다.
기어리스(gearless) 발전기(250)는 증속기(기어박스)를 갖지 않고 로터(230)에 직접 연결되는 기어리스 타입의 환형 발전기로 이루어진다. 기어리스 발전기(250)는 로터(230)와 함께 회전하되 복수의 영구자석(251b)을 갖는 회전자 모듈(251)과, 회전자 모듈과 마주하도록 배치되며 전자석(252b)을 갖는 고정자 모듈(252)을 포함한다.
기어박스(260)는 로터(230)의 중심에 연결되어 로터(230)와 함께 회전하는 회전축(221)에 연결된다. 회전축(221)은 지지관(223)의 내주면에 장착된 제1 베어링(225)에 회전가능하게 지지될 수 있다. 기어박스(260)는 증속기로서, 로터(230)의 회전 속도를 증가시켜 기어드 발전기(270)로 회전력을 전달한다.
기어드(geared) 발전기(270)는 기어박스(260)에 의해 증속된 회전력을 전달받아서 전력을 생산한다. 기어드 발전기(270)는 기어리스 발전기(250)와 대비하여 동일한 크기의 전력을 생산할 수 있는 발전기의 크기가 더 작게 형성될 수 있다.
한편, 회전자 모듈(251)은 로터(230)에 연결되어 함께 회전되는 제1 지지부재(251a)와, 제1 지지부재(251a)의 외주면에 배치되는 복수의 영구자석(251b)을 포함할 수 있다. 제1 지지부재(251a)는 단차진 고리 형태로 이루어지고, 지지관(223)의 외주면에 구비된 제2 베어링(226)에 의해 지지관(223)에 회전가능하게 지지될 수 있다. 복수의 영구자석(251b)은 제1 지지부재(251a)의 내주면에 배치되고, 커버에 의해 보호될 수 있다.
고정자 모듈(252)은 지지관(223)의 외주면에 고정되는 제2 지지부재(252a)와, 제2 지지부재(252a)의 내주면에 고정된 전자석(252b)을 포함할 수 있다. 전자석(252b)은 코어와 코어를 감싸는 코일을 포함하며, 전자석(252b)에는 회전하는 회전자 모듈(251)에 의하여 기전력이 유도된다.
제2 지지부재(252a)는 반경방향 단면이 "ㄱ"자 모양인 고리 형태로 이어져 형성되며, 제2 지지부재(252a)의 내주면에 전자석(252b)이 설치된다. 제2 지지부재(252a)는 지지관(223)에 고정 설치되어 회전하지 않는다. 전자석(252b)은 영구자석들(251b)보다 반경방향으로 내측에 위치하며, 소정 간격으로 영구자석들(251b)에서 이격되어 영구자석들(251b)과 마주하도록 설치된다.
그리고, 기어리스 발전기(250)는 회전자 모듈(251)에서 돌출 형성되어 전자석(252b)과 영구자석(251b)이 접촉하는 것을 방지하는 보호부재(253)를 더 포함할 수 있다.
보호부재(253)는 회전자 모듈(251)의 제1 지지부재(251a)에서 돌출 형성되는데, 보호부재(253)는 고리 형상으로 이어져 설치될 수 있다. 보호부재(253)의 표면에는 보호 코팅층이 형성될 수 있는데, 보호 코팅층은 폴리머, 아연, 크롬 등으로 이루어질 수 있다.
보호부재(253)는 고정자 모듈(252)로부터 소정 간격으로 이격 배치되는데, 보호부재(253)의 외측단과 제2 지지부재(252a)의 내주면 사이의 간격은 전자석(252b)과 영구자석(251b) 사이의 간격보다 더 작게 형성될 수 있다. 다시 말해서, 전자석(252b)과 영구자석(251b) 사이의 제1 간격은 보호부재(253)의 외측단과 제2 지지부재(252a)의 내주면 사이의 제2 간격의 1.05배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다.
이와 같이 제1 간격이 제2 간격보다 더 크게 형성되면, 코깅, 진동, 충격 등의 원인으로 전자석(252b)과 영구자석들(251b) 사이의 간격이 감소할 때, 보호부재(253)가 제2 지지부재(252a)와 먼저 맞닿아 영구자석들(251b)에 충격이 가해지는 것을 방지할 수 있다.
기어리스 발전기(250)와 기어드 발전기(270)에는 컨버터(280)가 연결될 수 있다. 기어리스 발전기(250)로부터 컨버터(280)로 연결되는 전선은 전자석(252b)에 연결될 수 있다.
컨버터(280)는 기어리스 발전기(250)와 기어드 발전기(270)와 각각 전선으로 연결되어, 각 발전기에서 생산되는 전력을 변환할 수 있다. 컨버터(280)는 전력변환장치(Power Converter)로서, 풍력, 조력, 조류 등을 이용하는 신재생에너지 발전시스템에서 반드시 필요한 구성이다. 이는 가변적인 풍속 또는 유속 조건에 기인하는 가변전압, 가변주파수 특성을 갖는 저품질의 1차 에너지를 전력 계통으로 연계할 수 있도록 정전압, 정주파수 특성을 갖는 고품질의 2차 에너지로 정제하기 위한 장치이다.
기어박스(260)와 기어드 발전기(270)와 컨버터(280)는 나셀(220)에 고정된 지지프레임(224)에 장착될 수 있다. 지지프레임(224)은 나셀(220)의 내부 바닥에서 소정 높이로 설치되고, 그 상면이 수평면으로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 풍력 발전장치(20)를 설명한다. 도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 나셀과 로터를 도시한 단면도이다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 풍력 발전장치(20)는 타워(210), 나셀(220), 로터(230), 기어리스 발전기(250), 기어박스(260), 기어드 발전기(270)를 포함한다. 제4 실시예에 따른 풍력 발전장치(20)는 컨버터를 제외하고는 상술한 제3 실시예에 따른 풍력 발전장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
기어리스 발전기(250)에는 제1 컨버터(281)가 연결되고, 기어드 발전기(270)에는 제2 컨버터(282)가 연결될 수 있다.
우선, 제2 컨버터(282)는 지지프레임(224)에 장착되어 기어드 발전기(270)로부터 생산되는 전력을 변환하여 전송한다. 제1 컨버터(281)는 나셀(220)의 바닥 또는 바닥에 별도로 마련된 지지프레임에 장착되고, 고정자 모듈(252)의 전자석(252b)에 전선이 연결될 수 있다. 제1 컨버터(281)는 기어리스 발전기(250)로부터 생산되는 전력을 변환하여 전송한다.
이와 같이, 기어리스 발전기(250)와 기어드 발전기(270)가 컨버터(281, 282)를 개별적으로 구비하고 있기 때문에, 2개의 발전기 중 하나에 고장이 발생하는 경우에 다른 하나의 발전기에서 독립적으로 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 풍력 발전장치에 의하면, 로터에 의해 직접 연결되어 구동되는 기어리스 발전기와 기어박스에 의해 증속되는 기어드 발전기를 동시에 구비함으로써, 요구되는 발전 용량에 대해 한가지 발전기만 구비하는 경우에 비해 발전기의 크기를 소형화할 수 있다.
또한, 두 가지의 발전기에 컨버터를 각각 구비함으로써 하나의 발전기가 고장나더라도 다른 하나의 발전기로 발전을 계속 할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10, 20: 풍력 발전기
110, 210: 타워
120, 220: 나셀
121, 221: 회전축
123, 223: 지지관
124, 224: 지지프레임
125, 126, 225, 226: 베어링
130, 230: 로터
131, 231: 허브
132, 232: 블레이드
150, 250: 기어리스 발전기
151. 251: 회전자 모듈
151a, 251a: 제1 지지부재
151b, 251b: 영구자석
152, 252: 고정자 모듈
152a, 252a: 제2 지지부재
152b, 252b: 전자석
153, 253: 보호부재
160, 260: 기어박스
170, 270: 기어드 발전기
180, 280: 컨버터

Claims (10)

  1. 직립 설치된 타워;
    상기 타워의 상부에 설치된 나셀;
    상기 나셀에 회전 가능하게 설치된 로터;
    상기 로터와 함께 회전하는 회전자 모듈과, 상기 회전자 모듈과 마주하도록 배치되는 고정자 모듈을 포함하는 기어리스 발전기;
    상기 로터와 함께 회전하는 회전축에 연결되는 기어박스;
    상기 기어박스와 연결되는 기어드 발전기; 및
    상기 기어리스 발전기와 연결되는 제1컨버터와, 상기 기어드 발전기와 연결되는 제2컨버터를 포함하고,
    상기 회전자 모듈은 상기 로터와 함께 회전되고 단차진 고리 형태로 이루어진 제1 지지부재와, 상기 제1 지지부재의 내주면에 배치되는 복수의 영구자석을 포함하고,
    상기 고정자 모듈은 상기 나셀의 내부에 고정되는 지지관에 고정되고 반경방향 단면이 T자 모양인 고리 형태로 이어져 형성된 제2 지지부재와, 상기 제2 지지부재의 외주면에 배치되는 전자석을 포함하며,
    상기 기어리스 발전기는 상기 고정자 모듈에서 돌출 형성되어 상기 전자석과 상기 영구자석이 접촉하는 것을 방지하는 보호부재를 더 포함하고,
    상기 보호부재의 외측단과 상기 제2 지지부재의 내주면 사이의 간격은 상기 전자석과 상기 영구자석 사이의 간격보다 더 작게 형성되는 풍력 발전장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기어박스와 상기 기어드 발전기와 상기 제1,2컨버터는 상기 나셀에 고정된 지지프레임에 장착되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지지관의 내주면에 구비되어 상기 회전축을 회전가능하게 지지하는 제1 베어링과,
    상기 지지관의 외주면에 구비되어 상기 제1 지지부재를 회전가능하게 지지하는 제2 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
  8. 직립 설치된 타워;
    상기 타워의 상부에 설치된 나셀;
    상기 나셀에 회전 가능하게 설치된 로터;
    상기 로터와 함께 회전하는 회전자 모듈과, 상기 회전자 모듈과 마주하도록 배치되는 고정자 모듈을 포함하는 기어리스 발전기;
    상기 로터와 함께 회전하는 회전축에 연결되는 기어박스;
    상기 기어박스와 연결되는 기어드 발전기; 및
    상기 기어리스 발전기와 연결되는 제1컨버터와, 상기 기어드 발전기와 연결되는 제2컨버터를 포함하고,
    상기 회전자 모듈은 상기 로터와 함께 회전되고 단차진 고리 형태로 이루어진 제1 지지부재와, 상기 제1 지지부재의 외주면에 배치되는 복수의 영구자석을 포함하고,
    상기 고정자 모듈은 상기 나셀의 내부에 고정되고 반경방향 단면이 ㄱ자 모양인 고리 형태로 이어져 형성된 지지관에 고정되는 제2 지지부재와, 상기 제2 지지부재의 내주면에 배치되는 전자석을 포함하며,
    상기 기어리스 발전기는 상기 회전자 모듈에서 돌출 형성되어 상기 전자석과 상기 영구자석이 접촉하는 것을 방지하는 보호부재를 더 포함하고,
    상기 보호부재의 외측단과 상기 제2 지지부재의 내주면 사이의 간격은 상기 전자석과 상기 영구자석 사이의 간격보다 더 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 지지관의 내주면에 구비되어 상기 회전축을 회전가능하게 지지하는 제1 베어링과,
    상기 지지관의 외주면에 구비되어 상기 제1 지지부재를 회전가능하게 지지하는 제2 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
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