KR102245827B1 - 풍력 발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 풍력 발전기는, 복수의 관형 부재가 적층된 다단 형태의 타워, 타워의 상부에 위치하며 타워 하부에 대하여 회전 가능하게 결합되는 나셀, 나셀의 전방에 회전 가능하게 설치되는 로터, 로터의 전방에 배치되는 허브의 외주면에 원주 방향을 따라 이격되어 결합되고, 내부에 공간을 구비하는 블레이드, 및 블레이드의 내부 공간에 배치되고, 내부 공간에서 이동 가능하게 이루어지는 질량부를 포함하고, 블레이드가 회전하는 동안 블레이드의 회전 토크가 높아지도록, 질량부의 허브에 대한 상대적 위치가 내부 공간내에서 변화한다.

Description

풍력 발전기{WIND TURBINE}
본 발명은 풍력 발전기에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 블레이드에 회전 토크를 증감시킬 수 있는 풍력 발전기에 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.
한편, 풍력 발전기의 에너지 생산량의 증대를 위해 블레이드를 대형화하고 있으나, 블레이드 대형화에 따라 블레이드를 생산하는 생산설비가 교체되어야 하는 문제 및 블레이드 생산설비에 많은 투자가 필요한 문제가 있다. 또한, 대형화된 블레이드를 운송하는 문제와, 운송된 블레이드를 타워 상단에 설치하기가 어려운 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2011-0127346호(2011.11.25)
본 발명은 블레이드를 대형화하지 않고, 에너지 생산량을 증대할 수 있는 풍력발전기를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기는, 복수의 관형 부재가 적층된 다단 형태의 타워, 타워의 상부에 위치하며 타워 하부에 대하여 회전 가능하게 결합되는 나셀, 나셀의 전방에 회전 가능하게 설치되는 로터, 로터의 전방에 배치되는 허브의 외주면에 원주 방향을 따라 이격되어 결합되고, 내부에 공간을 구비하는 블레이드, 및 블레이드의 내부 공간에 배치되고, 내부 공간에서 이동 가능하게 이루어지는 질량부를 포함하고, 블레이드가 회전하는 동안 블레이드의 회전 토크가 높아지도록, 질량부의 허브에 대한 상대적 위치가 내부 공간내에서 변화한다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기에서, 질량부는, 블레이드가 회전함에 따라 블레이드의 내부 공간의 중력 방향에 대한 위치가 변화하여 중력에 의해 이동될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기에서, 블레이드는, 블레이드가 회전하는 동안, 질량부가 내부 공간내에서 중력에 의해 이동 가능하도록 저속으로 회전할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기에서, 질량부는, 블레이드 내부 공간이 중력 방향과 수직을 이룬 후, 중력 방향과 반대 방향으로 향하는 경우 허브와 가깝게 배치되도록 내부 공간에서 이동될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기에서, 질량부는, 블레이드 내부 공간이 중력 방향과 수직을 이룬 후, 중력 방향과 같은 방향으로 향하는 경우 허브로부터 멀어지도록 내부 공간에서 이동될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기에서, 블레이드는, 블레이드의 회전 방향을 따라 어느 하나의 블레이드가 중력 방향과 같은 방향을 향하여 회전하는 경우, 질량부는 블레이드의 내부 공간에서 중력에 블레이드의 회전 토크를 상승시키는 방향으로 이동할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기에서, 블레이드는, 블레이드의 내부 공간에 배치되고, 질량부의 이동을 가이드하는 가이드부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기에서, 블레이드는, 가이드부를 따라 질량부의 이동하는 영역이 제한되도록, 내부 공간의 양 단부에 배치되는 단부 지지대를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기에서, 가이드부는, 질량부를 관통하여 연장되거나, 질량부를 감싸도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기에서, 블레이드는, 가이드부의 양단에 배치되고, 질량부가 단부 지지대에 충돌하는 충격을 저감시키는 댐퍼를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기에서, 블레이드는, 단부 지지대와 질량부 사이에 개재되고, 질량부가 중력에 의하여 단부 지지대를 향하여 이동될 때의 충격을 완화시키는 탄성체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기에서, 블레이드의 기동 토크를 저감시키도록, 단부 지지대의 내부 공간의 반대측에 배치되고, 질량부를 허브를 향하여 이동시키는 모터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기에서, 모터는 블레이드가 회전을 멈춘 경우 작동될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기에서, 모터가 작동됨에 따라, 질량부가 가이드부를 따라 허브를 향하여 이동되도록, 모터와 질량부를 연결하는 연결부재를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따르면, 회전하는 블레이드의 위치에 따라, 중력에 의해 질량부가 이동하며, 이때 발생하는 힘으로 로터의 회전 토크를 증가시킬 수 있다. 이를 통해 비슷한 크기의 에너지를 생산하는 풍력 발전기의 블레이드 크기를 소형화 할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 블레이드의 내부 공간에 이동 가능한 질량부 배치하여, 공력에 의한 로터의 토크 및 중력에 의한 로터 토크를 증가시킬 수 있다. 이를 통해 풍력 발전기의 에너지 생산량을 극대화할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 로터가 정지하는 경우, 모터를 통해 블레이드의 단부에 위치한 질량부를 로터에 가깝게 이동시켜 질량부가 블레이드 단부에 위치할 때 발생할 수 있는 높은 기동 토크를 저감하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 나셀 하부에 설치되는 요잉 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 나셀의 내부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 블레이드의 내부의 모습을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 블레이드의 각 위치에 따라, 블레이드 내부의 질량부가 이동하는 모습을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 질량부가 모터에 의해 이동되는 모습을 설명하기 위한 개념도이다.
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, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 나셀 하부에 설치되는 요잉 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 나셀의 내부를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4는 도 1의 블레이드의 내부의 모습을 설명하기 위한 개념도이고, 도 5는 블레이드의 각 위치에 따라, 블레이드 내부의 질량부가 이동하는 모습을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 일 실시예에 따른 풍력 발전기(10)는, 타워(110), 나셀(120), 로터(130)를 포함한다. 본 실시예에 따른 풍력 발전기(10)는 기어박스를 갖지 않는 다이렉트 타입의 풍력 발전기로 이루어질 수 있으며, 특히 해상에 설치되는 해상 풍력 발전기로 이루어질 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 일 실시예로서 복수의 단위 발전 유닛을 갖는 멀티형 풍력 발전기에도 적용될 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
타워(110)는 지상 및 해상에서 일정한 높이로 세워져 설치되며, 나셀(120)과 로터(130)를 지지한다. 타워(110)는 상단에서 하단으로 갈수록 직경이 증가하는 관형 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. 블레이드(132)가 바람과 마주하도록 발전 유닛(140)이 결합된 나셀(120)을 회전시킬 수 있다. 요잉 시스템(300)은 요 베어링(미도시), 요 드라이브 모터(310), 피니언 기어(330) 및 치열(350)을 포함할 수 있다.
타워(100)와 나셀(120)은 요 베어링(미도시)을 매개로 서로 연결되는데, 요 베어링(미도시)에 의해 나셀(120)이 지면에 고정 설치된 타워(100)에 대해 회동, 즉 요잉 운동을 할 수 있다. 요 베어링(미도시)은 외륜과 내륜을 구비하는데, 요 베어링(미도시)의 외륜은 타워(100)에 고정되고, 요 베어링(미도시)의 내륜은 나셀(120)에 고정될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되지 않고, 요 베어링의 외륜이 나셀(120)에 고정되고, 요 베어링의 내륜이 타워(100)에 고정될 수도 있다.
요 드라이브 모터(310)는 나셀(120)의 일측에 고정 결합되고, 요 드라이브 모터(310)의 하단에는 피니언 기어(330)가 결합될 수 있다. 한편, 요 베어링(미도시)의 외륜이 고정된 타워(100)의 외주면에는 치열(350)이 형성되어, 요 드라이브 모터(310)의 피니언 기어(330)가 치열(350)에 기어 결합될 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 치열은 요 베어링의 외륜 또는 내륜에 형성되고, 피니언 기어는 요 베어링에 직접 연결될 수도 있다.
이때, 피니언 기어(330)는 요 드라이브 모터(310)의 구동에 따라 회전하는 동시에, 피니언 기어(330)가 치열(350)을 따라 회전하게 된다. 따라서, 요 드라이브 모터(310)가 회전하면, 요 드라이브 모터(310)가 결합된 나셀(120)이 타워(100) 상에서 요잉 운동을 하게 된다.
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.
발전 유닛(140)은 나셀(120) 내부에 설치되어 전기를 생산하는 것으로, 메인 샤프트(144), 증속기(gearbox, 145), 브레이크(146) 및 발전기(147)를 포함한다.
로터(130)는 나셀(120)의 전방에 회전 가능하게 설치되는 것으로, 로터(130)에서 발생된 회전력이 메인 샤프트(144)를 통해 증속기(145)에 전달된다. 로터(130)는 허브(131)와 복수의 블레이드(132)로 이루어지는데, 허브(131)는 메인 샤프트(144)의 일단에 결합되어 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)은 증속기(145), 발전기(147) 등을 수용하는 하우징으로, 통상적으로 육면체 형상으로 이루어질 수 있다. 그러나, 나셀(120)의 형상은 반드시 이에 한정되지 않고, 원기둥 형상 등으로 이루어질 수도 있다.
메인 샤프트(144)는 로터(130)의 회전력을 증속기(145)로 전달하는데, 고속으로 회전하는 메인 샤프트(144)는 메인 베어링(미도시)에 의해 회전 가능하게 지지된다.
증속기(145)는 기어를 이용해 블레이드(132)에 의해 회전하는 메인 샤프트(144)의 회전속도를 발전에 적합한 회전속도로 변환하는 장치로, 증속기(145) 내부에는 다수의 기어를 포함하는 증속기어부(미도시)가 마련되어 있다. 한편, 증속기어부 내의 다수의 기어의 윤활 및 냉각을 위해 증속기(145) 내에는 증속기용 오일(미도시)이 구비될 수 있다.
브레이크(146)는 증속기(145)와 인접한 위치에 배치되어, 메인 샤프트(144)의 회전력을 제어할 수 있다. 이때, 브레이크(146)는 디스크 방식이 주로 사용될 수 있다.
발전기(147)는 입력되는 회전에너지를 이용하여 전기를 생산하는 장치로, 그 내부에 회전축에 연결 고정된 회전자(미도시) 및 고정자(미도시)가 구비된다. 회전자가 고정자 주위로 고속 회전함으로써 전기를 발생시키게 된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 질량부(210)는 블레이드(132)의 내부 공간(132a)에 배치되고, 내부 공간(132a)에서 이동 가능하게 이루어진다. 구체적으로, 질량부(210)는 블레이드(132)가 회전하는 동안 블레이드(132)의 회전 토크가 증가하도록, 질량부(210)의 허브(131)에 대한 상대적 위치가 내부 공간(132a)내에서 변화한다. 예를 들어, 도 4의 (a)와 같이, 질량부(210)는 허브(131)와 가까운 블레이드(132)의 내측에 배치될 수 있고, 도 4의 (b)와 같이, 질량부(210)는 허브(131)에서 먼 블레이드(132)의 단부에 배치될 수도 있다.
질량부(210)는 블레이드(132)가 회전함에 따라 블레이드(132)의 내부 공간(132a)의 중력 방향에 대한 위치가 변화할 수 있다. 구체적으로, 도 4의 (a)는 블레이드(132)가 허브(131)를 중심으로 타워(110)의 반대 방향에 배치된 것을 나타낸다. 즉, 도 4의 (a)는 허브(131)를 중심으로 보았을 때, 블레이드(132)가 12시 방향에 배치된 것을 나타낼 수 있다. 그리고, 도 4의 (b)는 블레이드(132)가 허브(131)를 중심으로 6시 방향으로 배치된 것을 나타낼 수 있다. 이때, 중력은 -z축 방향으로 작용하게 된다. 즉, 질량부(210)는 -z축 방향으로 중력을 받게 된다.
질량부(210)는 중력에 의해 이동하므로, 도 4의 (a)에서 질량부(210)는 허브(131)에 가깝게 배치될 수 있다. 그리고 도 4의 (b)에서 질량부(210)는 허브(131)에서 먼 쪽에 배치될 수 있다. 한편, 질량부(210)가 허브(131)와 가깝거나, 멀게 배치되는 것은 질량부(210)가 로터(130)에서 가깝거나, 멀게 배치되는 것과 같다. 즉, 질량부(210)가 허브(131)에서 멀게 배치될 때, 로터(130)의 회전 토크가 증가될 수 있다. 구체적으로, 도 4의 (b)와 같이 질량부(210)가 중력에 의하여 허브(131)에서 멀게 배치될 때 로터(130)의 회전 토크가 증가될 수 있다.
한편, 블레이드(132)는, 블레이드(132)의 내부 공간(132a)에 배치되고 질량부(210)의 이동을 가이드하는 가이드부(220)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 가이드부(220)는 질량부(210)를 관통하여 연장되거나, 질량부(210)를 감싸도록 형성될 수 있다. 구체적으로 도 4에 도시된 바와 같이, 가이드부(220)는 블레이드(132)의 내부 공간(132a)의 양 단부에 배치되는 단부 지지대(132b) 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 질량부(210)는 가이드부(220)를 따라 블레이드(132)의 내부 공간(132a)의 일 단부에서 타 단부까지 이동될 수 있다.
단부 지지대(132b)는 가이드부(220)를 지지한다. 동시에, 단부 지지대(132b)는 블레이드(132) 내부 공간(132a)에서 질량부(210)의 이동가능한 영역을 제한하는 역할을 할 수 있다.
한편, 블레이드(132)는 도 4 및 도 5의 z축에서 y축을 향하는 방향으로 회전한다. 도 5를 참조하면, 블레이드(132)는 (a)에서 (b), (b)에서 (c)를 향하는 방향, 즉, 시계 방향을 따라 회전한다.
질량부(210)는 블레이드(132) 내부 공간(132a)이 중력 방향과 수직을 이룬 후, 중력 방향과 반대 방향으로 향하는 경우 허브(131)와 가깝게 배치되도록 내부 공간(132a)에서 이동될 수 있다. 구체적으로, 도 5에서 (a)는 풍력 발전기(10)를 바라보는 방향에서 9시 방향이라고 할 수 있다. 이때, 블레이드(132)는 (b)를 향해 회전한다. 즉, (a)에서 블레이드(132)의 내부 공간(132a)은 중력 방향(-z방향)과 수직을 이루고, 블레이드(132)의 회전으로 인하여((a)에서 (b) 방향), 중력 방향과 반대 방향으로 향하게 된다.
이때, 블레이드(132)의 내부 공간(132a)에 배치된 질량부(210)는, 블레이드(132)가 회전함에 따라 중력에 의해 블레이드(132)의 단부에서 블레이드(132)의 내측으로 이동한다. 즉, 질량부(210)는 허브(131)에 가깝게 배치될 수 있다.
이때, 블레이드(132)는 블레이드(132)가 회전하는 동안, 질량부(210)가 블레이드(132)의 내부 공간(132a)에서 중력에 의해 이동 가능하도록 저속으로 회전할 수 있다. 즉, 블레이드(132)가 (a)에서 (b)로 회전할 때, 질량부(210)에는 중력과 원심력이 동시에 작용할 수 있다. 중력은 -z를 향하는 방향으로 작용하고, 원심력은 원의 바깥쪽을 향하는 방향이다. 만약 블레이드(132)의 회전 속도가 빠르다면, 질량부(210)에 작용하는 중력의 힘보다 원심력의 힘이 더 커지므로 질량부(210)가 중력에 의해 허브(131)에 가깝게 이동하지 않을 수 있다.
한편, 블레이드(132)가 (b)에서 (c)를 향해 회전하면서 질량부(210)는 허브(131)에 가깝게 블레이드(132) 내부에 배치될 수 있다. 이때, 블레이드(132)는 질량부(210)가 단부 지지대(132b)에 충돌하는 충격을 저감시키는 댐퍼(230)를 더 포함할 수 있다. 즉, 중력에 의하여 이동되는 질량부(210)가 단부 지지대(132b)에 충돌하는 충격을 저감시키도록 양단의 단부 지지대(132b)의 내측에 댐퍼(230)가 배치될 수 있다. 댐퍼(230)는 가이드부(220)가 단부 지지대(132b)와 만나는 가이드부(220)의 양단에 배치될 수 있다.
이때, 상술한 질량부(210), 가이드부(220) 및 댐퍼(230)를 포함하는 블레이드(132) 내부의 장치를 회전토크 증감장치(200)라 할 수 있다. 또한, 도 6을 참조하면, 회전토크 증감장치(200)는 모터(240), 연결부재(242) 및 탄성체(250)를 더 포함할 수 있다. 이에 대해서 도 6을 참조하여 후술한다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기(10)는, 낮은 풍속에서도 발전을 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기(10)는 낮은 풍속에서도 발전을 수행하면서도 블레이드(132) 내부 공간(132a)에서 질량부(210)의 이동을 통해, 공력에 의한 토크를 증대하여 소형화된 블레이드(132)를 적용할 수 있는 장점이 있다.
블레이드(132)가 (c)를 통과하면서, 질량부(210)에 작용하는 중력은 점점 작아진다. 이에 따라, 질량부(210)는 원심력에 의하여 가이드부(220)의 바깥쪽으로 이동될 수 있다. 즉, 질량부(210)는 블레이드(132) 내부 공간(132a)이 중력 방향과 수직을 이룬 후, 중력 방향과 같은 방향으로 향하는 경우 허브(131)로부터 멀어지도록 내부 공간(132a)에서 이동될 수 있다.
예를 들어, 블레이드(132)가 (e)의 위치를 통과하면서, 원심력과 중력이 모두 가이드부(220)의 바깥쪽을 향하므로 질량부(210)는 빠르게 가이드부(220)의 바깥 쪽으로 이동될 수 있다. 즉, 질량부(210)는 허브(131)로부터 먼 위치에 배치될 수 있다.
블레이드(132)는, 블레이드(132)의 회전 방향을 따라 어느 하나의 블레이드(132)가 중력 방향과 같은 방향을 향하여 회전하는 경우, 질량부(210)는 블레이드(132)의 내부 공간(132a)에서 중력에 블레이드(132)의 회전 토크를 상승시키는 방향으로 이동할 수 있다. 상술한 바와 같이, 블레이드(132)가 (e)위치를 통과하면서 원심력 및 중력이 모두 아래쪽 방향을 향하게 된다. 이에 따라, 질량부(210)는 빠르게 블레이드(132)의 내부 공간(132a)에서 중력에 의하여 블레이드(132)의 회전 토크를 상승시키는 방향, 즉 가이드부(220)의 외곽쪽으로 이동될 수 있다.
블레이드(132)가 (g)위치에서 (a)위치로 이동되는 경로에서는, 원심력과 중력 방향이 대략 일치한다. 이에 따라, 질량부(210)가 가이드부(220)의 최외곽에 위치한 상태에서 블레이드(132)가 회전할 수 있다. 그리고, 블레이드(132)의 회전 토크 값을 최대로 증가할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 회전하는 블레이드(132)의 위치에 따라, 중력에 의해 질량부(210)가 이동하며, 이때 발생하는 힘으로 로터(130)의 회전 토크를 증가시킬 수 있다. 이를 통해, 비슷한 크기의 에너지를 생산하는 풍력 발전기(10)의 블레이드(132) 크기를 소형화가 가능할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 블레이드(132)의 내부 공간(132a)에 이동 가능한 질량부(210) 배치하여, 공력에 의하여 로터(130)의 토크를 증가시키거나, 및/또는 중력에 의하여 로터(130) 토크를 증가시킬 수 있다. 이를 통해. 풍력 발전기(10)의 에너지 생산량을 극대화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 질량부가 모터에 의해 이동되는 모습을 설명하기 위한 개념도이다. 도 6에 도시된 실시예는 도 4에 도시된 실시예와 비교했을 때, 풍력 발전기(10)가 모터(240), 연결부재(242) 및 탄성체(250)를 더 포함하는 것에만 차이가 있고, 다른 구성요소들은 동일, 유사하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 블레이드(132)는 모터(240)를 포함할 수 있다. 모터(240)는 블레이드(132)의 기동 토크를 저감시키도록 단부 지지대(132b)의 외측에 배치되고, 질량부(210)를 허브(131)를 향하여 이동 가능하도록 배치될 수 있다.
구체적으로, 도 6은 블레이드(132)가 도 5의 (g)위치에 배치된 상태를 나타낸다. 질량부(210)는 중량에 의해 -z축 방향으로 이동되어 배치된다. 한편, 모터(240)가 작동됨에 따라 질량부(210)가 가이드부(220)를 따라 허브(131)를 향하여 이동되도록 모터(240)와 질량부(210)를 연결하는 연결부재(242)가 더 포함될 수 있다.
이 경우, 질량부(210)를 로터(130)에 가깝게 이동시켜 질량부(210)가 블레이드(132) 단부에 위치할 때 발생할 수 있는 높은 기동 토크를 저감하기 위하여, 모터(240)가 작동되어 질량부(210)는 허브(131)에서 먼 위치에서 z축 방향으로 이동될 수 있다. 예를 들어, 도 5의 (g)와 같은 6시 방향에 놓인 경우, 블레이드(132)의 단부에 가깝게 배치되므로, 기동 토크가 커진다. 따라서, 이를 줄이기 위하여 질량부(210)를 허브(131)에 가깝게 배치할 필요가 있다.
즉, 블레이드(132)가 회전을 멈춘 경우 다시 블레이드(132)를 회전시키기 위해 필요한 기동 토크를 저감시키기 위하여, 모터(240)가 작동하여 질량부(210)가 허브(131)에서 가까운 위치에 배치되도록 할 수 있다.
예를 들어, 도 5의 (a), (b), (e), (f), (g) 및 (h)와 비슷한 위치에 블레이드(132) 배치되고, 블레이드(132)의 회전이 멈췄을 때 상술한 모터(240)가 작동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 로터(130)가 정지하는 경우, 모터(240)를 통해 블레이드(132)의 단부에 위치한 질량부(210)를 로터(130)에 가깝게 이동시켜 질량부(210)가 블레이드(132) 단부에 위치할 때 발생할 수 있는 높은 기동 토크를 저감하는 효과가 있다.
한편, 블레이드(132)는 단부 지지대(132b)와 질량부(210) 사이에 개재되고, 질량부(210)가 중력에 의하여 단부 지지대(132b)를 향하여 이동될 때의 충격을 완화시키는 탄성체(250)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 탄성체(250)는 도 5의 (a)에서 (c)로 회전하는 동안 질량부(210)가 허브(131)에 가까워지도록 이동할 때, 단부 지지대(132b)에 가하는 충격을 완화시킬 수 있다. 또한, 댐퍼(230)에서 저감되는 충격뿐만 아니라, 추가적인 충격 저감의 효과가 있다. 이를 통해, 회전토크 증감장치(200)의 내구성 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 블레이드(132) 내부의 질량부(210)가 중력에 의해 움직이므로, 블레이드(132)가 서로 대칭되게 형성되지 않는 경우, 어느 일 방향에 대한 충격이 지속하여 발생할 수 있으므로, 이러한 충격을 저감시키는 효과가 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: 풍력 발전기
110: 타워
120: 나셀
130: 로터
131: 허브
132: 블레이드
132a: 내부 공간
132b: 단부 지지대
140: 발전 유닛
144: 메인 샤프트
145: 증속기
146: 브레이크
147: 발전기
200 : 회전토크 증감장치
210 : 질량부
220 : 가이드부
230 : 댐퍼
240 : 모터
242 : 연결부재
250 : 탄성체
300: 요잉 시스템
310: 요 드라이브 모터
330: 피니언 기어
350: 치열

Claims (14)

  1. 타워;
    상기 타워의 상부에 위치하며 상기 타워 하부에 대하여 회전 가능하게 결합되는 나셀;
    상기 나셀의 전방에 회전 가능하게 설치되는 로터;
    상기 로터의 전방에 배치되는 허브의 외주면에 원주 방향을 따라 이격되어 결합되고, 내부에 공간을 구비하는 블레이드; 및
    상기 블레이드의 내부 공간에 배치되고, 상기 내부 공간에서 이동 가능하게 이루어지는 질량부;를 포함하고,
    상기 질량부의 상기 허브에 대한 상대적 위치가 상기 내부 공간내에서 변화하며,
    상기 블레이드는, 상기 내부 공간의 양 단부에 배치되는 단부 지지대와 상기 단부 지지대의 외측에 배치되어 상기 질량부를 상기 허브를 향하여 이동시키는 모터와 상기 모터와 상기 질량부를 연결하는 연결부재와 상기 블레이드의 내부 공간에 배치되고, 상기 질량부의 이동을 가이드하는 가이드부를 포함하고,
    상기 가이드부는 상기 질량부를 관통하여 연장되거나 상기 질량부를 감싸도록 형성되며,
    상기 모터는 상기 블레이드가 회전을 멈춘 경우에만 작동되며 상기 모터가 작동됨에 따라 상기 질량부가 상기 가이드부를 따라 상기 허브를 향하여 이동되어 상기 블레이드의 기동 토크가 저감되며,
    상기 블레이드는 상기 가이드부의 양단에 배치되고 상기 질량부가 상기 단부 지지대에 충돌하는 충격을 저감시키는 댐퍼와 상기 단부 지지대와 상기 질량부 사이에 개재되어 충격을 완화시키는 탄성체를 더 포함하며,
    상기 탄성체는 상기 질량부의 양단에서 상기 단부 지지대까지 이어져 형성되어 상기 블레이드가 회전하는 동안 상기 질량부가 중력에 의하여 이동할 때 상기 단부 지지대에 가하는 충격을 완화시키는 풍력 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 질량부는,
    상기 블레이드가 회전함에 따라 상기 블레이드의 내부 공간의 중력 방향에 대한 위치가 변화하는, 풍력 발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 블레이드는,
    상기 블레이드가 회전하는 동안, 상기 질량부가 상기 내부 공간내에서 중력에 의해 이동 가능하도록 저속으로 회전하는, 풍력 발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 질량부는,
    상기 블레이드 내부 공간이 중력 방향과 수직을 이룬 후, 중력 방향과 반대 방향으로 향하는 경우 상기 허브와 가깝게 배치되도록 상기 내부 공간에서 이동되는, 풍력 발전기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 질량부는,
    상기 블레이드 내부 공간이 중력 방향과 수직을 이룬 후, 중력 방향과 같은 방향으로 향하는 경우 상기 허브로부터 멀어지도록 상기 내부 공간에서 이동되는, 풍력 발전기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 블레이드는,
    상기 블레이드의 회전 방향을 따라 어느 하나의 블레이드가 중력 방향과 같은 방향을 향하여 회전하는 경우, 상기 질량부는 상기 블레이드의 내부 공간에서 상기 중력에 상기 블레이드의 회전 토크를 상승시키는 방향으로 이동하는, 풍력 발전기.
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