KR20020023795A

KR20020023795A - 수직축 풍력 발전기용 회전 날개의 각도 변환장치

Info

Publication number: KR20020023795A
Application number: KR1020010081017A
Authority: KR
Inventors: 성태주
Original assignee: 성태주
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2002-03-29

Abstract

본 발명은 수직축 풍력 발전기용 회전 날개의 각도 변환장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력을 받아 주축을 회전시켜 발전기를 작동시키는 고정형 회전 날개를 개량하여, 회전 날개의 정회전 풍력을 최대한 받고, 회전 날개의 역회전 풍력을 최소화 하며, 저풍속과 풍향이 일정치 않은 지형에서도 풍향에 추종하여 발전 효율을 극대화 시킬 수 있어, 크린 에너지로서의 대체 에너지인 풍력의 이용을 실용화 할 수 있는, 회전 날개의 공전 위치에 따라 회전 날개의 자전 각도가 변환되는 수직축 풍력 발전기용 회전 날개의 각도 변환장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 발전기와 증속장치로 연결되고 파이프 타워에 내설된 주축의 상단에 회전체가 고정 설치되고, 회전체에 부착된 다수개의 연결관의 끝단에 회전 날개가 고정된 통상의 수직축 풍력 발전기에 있어서, 회전체는 그 내부에 베벨 기어로 된 태양 기어와 유성 기어가 치합되어 설치되고, 태양 기어는 그 중심에 회전체의 상부에 설치된 레이디얼 베어링에 지지되고 회전체의 상부에 형성된 구멍을 관통하며 회전체의 저면에 설치된 축받이 스러스트 베어링에 지지된 풍향계와 연결된 풍향계 회전축과 키로써 고정되며, 유성 기어는 베벨 기어로 된 구동 기어 및 피동 기어로 구성된 자전 장치의 구동 기어와 회전체에 부착된 연결관의 내부에 다수의 레이디얼 베어링에 의해 지지되게 설치된 기어축으로 연결되어 설치되고, 피동 기어는 그 중심에 자전 장치의 상하부에 설치된 레이디얼 베어링에 지지되고 관통되며 자전 장치의 상하부 외측에서 회전 날개가 부착된 회전 날개축과 키로써고정되며, 태양 기어의 잇수와 피동 기어의 잇수가 1:2의 비율로 구성되고 유성 기어의 잇수와 구동 기어의 잇수가 1:1의 비율로 된 수직축 풍력 발전기용 회전 날개의 각도 변환장치가 제공된다.

Description

수직축 풍력 발전기용 회전 날개의 각도 변환장치{Rotation angle transfer mechanism of a blade using vertical axis wind power generator}

풍력 발전기는 주축의 설치 방법에 따라 수평축 발전기와 수직축 발전기로 대별되고, 회전 날개를 수평축에 설치한 프로펠러형의 수평축 발전기는 정격 출력을 위한 풍속이 6∼15[m/s]가 되어야 하므로 우리나라에서는 풍속이 낮아 제주도와 포항 등 특정 지역에만 설치 가능하며, 내륙이나 해안의 2∼5[m/s] 정도의 저풍속 지역에서는 풍향에 관계없이 일정하게 회전할 수 있는 수직축에 회전 날개를 설치한 수직축 발전기를 사용하고 있다.

그러나, 수직축 발전기에 사용되는 회전 날개는 회전체에 부착된 연결관에 고정되어 있기 때문에, 회전 날개가 주축을 중심으로 공전된 어떠한 위치에 있더라도 자전을 하지 못하여, 회전 날개는 역방향의 풍력을 받기도 하고, 전혀 풍력을 받지 못하는 회전 날개의 각도를 형성하므로, 주축에 회전력을 전달하지 못하여 풍력 발전의 효율이 미미한 문제점이 있고, 컵 형태의 날개를 사용하는 경우는 풍향에 대항하는 오목부의 컵 날개만 풍력을 이용할 수 있어 풍력의 절반만 이용할 뿐이며, 풍향에 대항하는 볼록부의 컵 날개에 바람의 저항이 많아 파이프 타워의 보강이 문제되고, 도어형 날개는 역방향 쪽의 날개가 열려 바람의 저항을 줄일 수 있으나 회전에 필요한 힘은 날개의 절반 부분만 담당하므로 발전 효율이 미미한 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여, 회전 날개가 주축을 중심으로 공전된 어떠한 위치에 있더라도 최대의 정회전 방향의 풍력을 받고, 최소의 역회전 방향의 풍력을 받도록, 회전 날개의 공전에 따라 회전 날개의 자전각도가 기계적 구조에 의해 가장 이상적으로 결정되도록 하여, 저풍속과 풍향이 일정치 않은 지형에서도 크린 에너지로서의 풍력 대체 에너지 개발을 촉진하고, 풍력 발전의 효율을 극대화 할 수 있는 수직축 풍력 발전기용 회전 날개의 각도 변환장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 전체 사시도

도 2는 본 발명의 평면도

도 3은 본 발명의 일부 절개 정면도

도 4는 본 발명의 회전체 및 자전 장치의 내부 상세도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 발전기 2 : 증속장치 3 : 파이프 타워

4 : 주축 5 : 회전체 6 : 연결관

7 : 회전 날개 8 : 태양 기어 9 : 유성 기어

10 : 레이디얼 베어링 11 : 스러스트 베어링 12 : 풍향계

13 : 풍향계 회전축 14 : 구동 기어 15 : 피동 기어

16 : 자전 장치 17 : 기어축 18 : 회전 날개축

이하 본 발명의 구성 및 작용을 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 발전기(1)와 증속장치(2)로 연결되고 파이프 타워(3)에 내설된 주축(4)의 상단에 회전체(5)가 고정 설치되고, 회전체(5)에 부착된 다수개의 연결관 (6)의 끝단에 회전 날개(7)가 고정된 통상의 수직축 풍력 발전기에 있어서,

회전체(5)는 그 내부에 베벨 기어로 된 태양 기어(8)와 유성 기어(9)가 치합되어 설치되고,

태양 기어(8)는 그 중심에 회전체(5)의 상부에 설치된 레이디얼 베어링(10)에 지지되고 회전체(5)의 상부에 형성된 구멍을 관통하며 회전체(5)의 저면에 설치된 축받이 스러스트 베어링(11)에 지지된 풍향계(12)와 연결된 풍향계 회전축(13)과 키로써 고정되며,

유성 기어(9)는 베벨 기어로 된 구동 기어(14) 및 피동 기어(15)로 구성된 자전 장치(16)의 구동 기어(14)와 회전체(5)에 부착된 연결관(6)의 내부에 다수의 레이디얼 베어링에 의해 지지되게 설치된 기어축(17)으로 연결되어 설치되고,

피동 기어(15)는 그 중심에 자전 장치(16)의 상하부에 설치된 레이디얼 베어링에 지지되고 관통되며 자전 장치(16)의 상하부 외측에서 회전 날개(7)가 부착된 회전 날개축(18)과 키로써 고정되며,

태양 기어(8)의 잇수와 피동 기어(15)의 잇수가 1:2의 비율로 구성되고, 유성 기어(9)의 잇수와 구동 기어(14)의 잇수가 1:1의 비율로 구성됨을 특징으로 한다.

이와같이 된 본 발명의 수직축 풍력 발전기용 회전 날개의 각도 변환장치는 발전기(1)의 작동을 위해 주축(4)의 정회전 운동을 야기시키는 주축(4)을 중심으로 공전하는 회전 날개(7)의 공전 위치에 따라 회전 날개(7)의 자전 각도를 변환시켜 정회전 방향의 공전에 필요한 풍력을 많이 받게 하고, 공전의 역회전 방향으로는 풍력을 적게 받게 함으로써 발전 효율을 높이는 작용을 하게 된다.

이하에서는 수직축 풍력 발전기를 위에서 아래로 보아서 반시계 방향의 회전 날개(7)의 공전 방향을 주축(4)의 정회전 방향으로 하고, 반시계 방향의 회전 날개(7)의 자전 방향을 정회전 방향으로 하기로 하며, 시계 방향, 반시계 방향의 회전 방향은 위에서 아래로 보아서 결정한 것으로 한다.

발전기(1)는 주축(4)의 정회전으로 구동되고, 주축(4)의 정회전은 회전체(5)에 의하며, 회전체(5)의 정회전은 연결관(6)에 의해 고정부착된 회전 날개(7)의 공전에 의해 이루어 진다.

회전 날개(7)가 풍력을 최대한 받기 위해서는 정확한 풍향의 감지가 선행되어야 하는데, 본 발명에서는 풍향계(12)가 이의 역할을 한다.

즉, 풍향계 회전축(13)은 회전체(5)의 상부에 설치된 레이디얼 베어링(10)과 회전체(5)의 저면에 설치된 축받이 스러스트 베어링(11)에 지지되어 있으므로, 풍향에 따른 풍향계(12)의 회전이 자유롭게되어 풍향에 따라 풍향계(12)의 위치가 정확하게 설정된다.

그리고 풍향계 회전축(13)에는 태양 기어(8)가 고정되게 설치되어 있어 풍향에 따라 풍향계(12)가 고정되면 태양 기어(8)도 위치가 고정되게 되고, 태양 기어(8)는 회전 날개(7)가 공전하는 공전 궤도로서 유성 기어(9)를 안내하는 역할을 하게 된다.

또한 풍향계(12)와 풍향계 회전축(13)과 태양 기어(8)는 일체로 되어 있고, 풍향계 회전축(13)이 회전체(5)의 레이디얼 베어링(10)과 스러스트 베어링(11)으로 회동 자재토록 지지되어 있으므로, 풍력에 의한 회전 날개(7)의 공전 운동으로 회전체(5)가 회전을 하더라도, 풍향계(12)는 회전체(5)의 운동과 관계없이 독립적으로 풍향에 따라 위치가 결정된다.

상기와 같이 풍향계(12)에 의해 풍향의 결정은 회전 날개(7)가 정회전 방향의 주축(4)의 공전 방향의 발전에 필요한 회전력을 많이 받게 하고, 역회전 방향의 회전력을 최소화하기 위하여, 회전 날개(7)의 공전 각도에 따른 자전 각도를 결정하기 위해 필요하다. 즉, 풍향에 대향하는 회전 날개(7)의 면적이 클수록 풍량은 많이 받는 것이므로, 도 2에서 "a" 위치를 기점으로 반시계 방향으로 차례로 회전 날개(7)가 풍력을 받는 면적은 "a" 위치에서는 회전 날개(7)의 전체 면적과 같고, "b" 위치에서는 { 회전 날개(7)의 전체 면적 ×sin45˚}이며, "c" 위치에서는 0이고, "d" 위치에서는 { 회전 날개(7)의 전체 면적 ×sin45˚}이다.

상기와 같이 회전 날개(7)의 풍력 면적을 만들기 위해 본 발명은 회전체(5)내부에 태양 기어(8)와 유성 기어(9)를 설치하고, 회전 날개(7)에 자전 장치(16)를 설치하였다. 즉, 주축(4)의 정회전에 가장 좋고 많은 풍력을 받는 위치가 "a" 이고 이때는 회전 날개(7)의 전체 면적이 작용하고, 주축(4)을 중심으로 "a"와 대칭된 "c"에서는 주축(4)의 회전에 역방향의 풍력이 작용하는데, 본 발명에서는 이를 최소화시켜 0이 되도록 회전 날개의 자전 각도를 결정하게 된다.

따라서, 회전 날개(7)의 자전 각도는 반시계 방향으로 공전된 위치인 "a"의 위치에서 0˚, "b"에서 45˚, "c"에서 90˚, "d"에서 135˚, 회전 날개(7)가 1회 공전된 "a" 위치에서 180˚만큼 자전하게 된다.

상기의 자전 각도의 결정은 회전 날개(7)가 자전 장치(16)에 연결되어 있고자전 장치(16)가 회전체(5)에 연결관(6)으로 일체로 되어 있으므로, 회전 날개(7)의 공전은 주축(4)에 고정된 회전체(5)를 회전시키게 하는데 필요한 풍력을 효과적으로 받게 한다.

회전 날개(7)의 공전은 풍력에 의해 이루어지고, 회전 날개(7)가 공전함에 따라 자전 장치(16)가 함께 공전하며, 자전 장치(16)에 고정 부착된 연결관(6)은 회전체(5)에 고정 부착되어 있으므로 회전체(5)가 회전하게 되고, 이때 연결관(6)에 내설된 기어축(17)의 회전체(5) 내에 설치된 유성 기어(9)는 태양 기어(8)를 따라 공전하게 된다. 이때는 회전체(5)만 회전을 하게 되는데, 태양 기어(8)가 고정된 풍향계(12)는 풍력에 의해 방향이 고정되어 있기 때문이다.

따라서, 회전체(5) 내의 유성 기어(9)가 태양 기어(8)와 치합되어 치차 운동을 하게 되고, 유성 기어(9)의 회전 운동은 기어축(17)과 연결된 구동 기어(14)를 회전시키며, 구동 기어(14)의 회전은 회전 날개(7)를 부착한 회전 날개축(18)이 고정된 피동 기어(15)를 회전시켜 회전 날개(7)의 자전 각도를 결정하게 된다.

이때 태양 기어(8)와 피동 기어(15)의 잇수비를 1:2로 구성되어, 유성 기어(9)가 태양 기어(8)를 따라 1회의 공전을 행할 때, 회전 날개(7)는 1/2회전의 자전을 하게 된다. 즉, 유성 기어(9)는 구동 기어(14)와 일체되어 있고, 유성 기어(9)의 잇수와 구동 기어(14)의 잇수가 1:1의 비율로 형성되어 있으므로 유성 기어(9)가 태양 기어(8)를 따라 회전할 때 구동 기어(14)도 함께 유성 기어(9)와 같은 회전수로 회전되며, 구동 기어(14)의 회전은 피동 기어(15)를 회전시키게 되고, 유성 기어(9)와 구동 기어(14)는 회전력만 전달하고 회전비에는 영향을 주지않는 아이들기어이므로, 유성 기어(9)가 태양 기어(8)를 완전히 한 바퀴 공전할 때, 피동 기어(15)는 1/2 회전을 하게 된다.

따라서, 본 발명에서 4개의 회전 날개(7)로써 실시된 경우에는 주축(4)의 회전을 가장 좋게하는 회전 날개(7)의 자전 각도가 결정되는데, "a"위치에서 0˚, "b" 위치에서 45˚, "c"위치에서 90˚, "d" 위치에서 135˚가 결정되어, 풍향이 어떻게 변화하더라도 풍향계(12)와 회전체(5) 및 자전 장치(16)에 의해 가장 효율적인 회전 날개(7)의 자전 각도가 결정되어 최대의 풍력과 최소의 회전 저항을 받게 된다.

이와같이 본 발명은 회전 날개(7)가 주축(4)을 중심으로 공전된 어떠한 위치에 있더라도, 회전 날개(7)가 최대의 정회전 방향의 풍력을 받고, 최소의 역회전 방향의 풍력을 받을 수 있으므로 저풍속과 풍향이 일정치 않은 지형에서도 크린 에너지로서의 풍력 대체 에너지 개발이 촉진되고, 풍력 발전의 효율을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.

Claims

발전기(1)와 증속장치(2)로 연결되고 파이프 타워(3)에 내설된 주축(4)의 상단에 회전체(5)가 고정 설치되고, 회전체(5)에 부착된 다수개의 연결관(6)의 끝단에 회전 날개(7)가 고정된 통상의 수직축 풍력 발전기에 있어서,

회전체(5)는 그 내부에 베벨 기어로 된 태양 기어(8)와 유성 기어(9)가 치합되어 설치되고,

태양 기어(8)는 그 중심에 회전체(5)의 상부에 설치된 레이디얼 베어링(10)에 지지되고 회전체(5)의 상부에 형성된 구멍을 관통하며 회전체(5)의 저면에 설치된 축받이 스러스트 베어링(11)에 지지된 풍향계(12)와 연결된 풍향계 회전축(13)과 키로써 고정되며,

유성 기어(9)는 베벨 기어로 된 구동 기어(14) 및 피동 기어(15)로 구성된 자전 장치(16)의 구동 기어(14)와 회전체(5)에 부착된 연결관(6)의 내부에 다수의 레이디얼 베어링에 의해 지지되게 설치된 기어축(17)으로 연결되어 설치되고,

피동 기어(15)는 그 중심에 자전 장치(16)의 상하부에 설치된 레이디얼 베어링에 지지되고 관통되며 자전 장치(16)의 상하부 외측에서 회전 날개(7)가 부착된 회전 날개축(18)과 키로써 고정되며,

태양 기어(8)의 잇수와 피동 기어(15)의 잇수가 1:2의 비율로 구성되고, 유성 기어(9)의 잇수와 구동 기어(14)의 잇수가 1:1의 비율로 구성됨을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전기용 회전 날개의 각도 변환장치.