KR200216125Y1 - 풍력발전기의 주축조정장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 풍력발전기의 주축을 조정할 수 있는 주축조정장치에 관한 것으로, 특히 기존의 수평축 풍력발전기의 회전축이 지면과 수평으로 고정되어 있는 것과 달리, 수평축 풍력발전기의 회전축을 지면과 다양한 각도로 조정할 수 있는 풍력발전기의 주축 조정장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 고안은 기초공사를 하고, 기초공사 위에 다수의 철주(5)를 세우고, 철주에 주축조정전동기(6)를 설치하고, 전동기의 출력단에 소기어(7)를 연결하고, 철주의 상부에 베어링 결합체(8)를 두고, 발전기 기둥(4) 상부에 발전기 (3)와 회전자를 연결하고, 발전기 기둥 하부에는 무게추(10)를 부착하고, 발전기 기둥의 무게 중심점에 수평으로 연장되는 발전기 기둥의 수평 회전축(9)을 구성한다. 발전기 기둥의 수평 회전축에는 주축조정브레이크로 원판 브레이크(13) 장치를 구성하고, 주축조정전동기(6)의 회전력을 증가시켜 줄 수 있는 대기어(11)를 부착하여 주축조정전동기의 소기어(7)와 연결하고, 수평회전축에 베어링(12)을 부착하고, 철주에 있는 베어링 결합체(8)와 결합시킨다.

이와 같이 복수의 철주(5), 주축조정전동기(6), 수평회전축을 구비한 발전기 기둥(4), 무게중심을 위한 무게추(10), 주축조정 원판 브레이크(13), 수평회전축 베어링 결합체(8) 및 주축조정전동기의 회전력을 전달하는 대기어(11)와 소기어(7)로 구성되어 있는 주축조정장치는 지형지물의 특성이나 기후적 특성에 따라 다양하게 나타날 수 있는 상승풍과 하강풍에 대하여 향상된 동력변환효율을 나타낼 수 있다. 또한 설치와 유지보수, 강풍에 대피시 발전기 기둥(4)을 회전시켜 발전기몸체를 지면까지 내릴수 있어 설치 및 유지보수, 대피가 매우 용이해진다.

Description

풍력발전기의 주축조정장치{A main axis regulation device of wind power system}

풍력발전시스템은 무공해 청정에너지인 풍력을 에너지원으로 하는 발전시스템으로, 에너지 고갈 위기와 환경 생태계 보존의 필요성 증가에 따라 근래에 접어들어 그 이용 기술이 본격적으로 연구되어 현재는 가장 광범위하게 실용 보급되고 있는 대체에너지의 하나로 자리를 잡고 있다. 그러나 대체에너지는 에너지 밀도가 낮은 특성을 지니고 있으며 풍력발전도 에너지 밀도가 낮은 바람의 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 것이기 때문에 풍력발전의 효율을 높이는 것이 풍력발전시스템의 경제성 향상에 매우 중요하여 기존의 시스템보다 경제성이 향상된 풍력발전시스템이 요구되고 있는 실정이다.

통상 풍력발전기는 회전자 날개와 허브로 구성된 회전자와, 회전을 증속하여 발전기를 구동시키는 증속장치, 발전기 및 풍력발전기를 제어하는 제어장치, 유압브레이크 장치와 계통과 연계를 위한 전력장치등으로 구성되는데, 기존의 풍력 발전기는 풍속에 따라 피치(Pitch)각 조절장치나 실속(Stall)조절장치 등을 이용하여 회전자의 속도를 제어하고 있고, 풍향추적장치와 연계되는 요(Yaw)각 조절장치에 의해 풍향에 따라 발전기의 방향을 조절하여 최적의 풍력에너지를 확보하기 위하여 구성되어 있다. 그러나 상기한 요각 조절장치에 의한 풍향추적이나 피치각 조절장치들은 상승기류나 하강기류와 같이 지면과 평행하지 않은 바람에 대해서는 고려되지 못하고 있는 실정이다.

자연풍은 계절에 따라 주된 바람의 방향이 결정되며 연간 일간 풍향에 관한 다양한 연구가 진행되어 있다. 특히 바람장미를 통한 연간 일간 풍향 분석은 풍력 발전 부지의 선정이나 풍력 발전기의 설계와 선택에 있어서 중요한 보조 지표 중의 하나로 활용되고 있다. 그러나 바람장미를 이용한 연간 일간 풍향분석을 포함한 다양한 연구들은 풍향의 평면적인 요소만을 분석한 것으로 지면과 바람이 수평으로 진행한다는 가정하에서 분석한 것이 대부분이다. 실제로 자연풍은 지형지물등의 영향을 받아 지면으로 부터 상승하거나 하강하는 경우가 많고, 자연계상의 바람의 발생의 원천이 대류에 의한 열의 순환이기 때문에 상승기류와 하강기류가 존재한다는 것은 주지의 사실이다.

따라서 바람의 수직적 요소에 대한 최적의 동력변환을 가능하도록 하여 에너지 밀도가 낮은 풍력을 이용하는 풍력발전시스템의 효율을 높여주기 위한 별도의 장치가 요구되는 실정이다.

또한, 풍력발전시스템은 잦은 풍속과 풍향의 변화와 많은 외부 변수에 노출되어 있으므로 설치, 유지, 보수의 편리성이 있어야 함에도 불구하고 현재 보급되어 있는 대부분을 차지하는, 수평축 풍력발전시스템의 경우 발전기의 회전자와 몸체가 높은 발전기 기둥의 상부에 위치하고 있는 등 설치 및 유지보수에 어려움이 많은 실정이다.

또한, 기존의 풍력발전시스템은 시스템 투자비용이 고가임에도 불구하고 폭풍이나 허리케인 같은 비정상적인 기상이변에 대하여 근본적인 방비책을 갖추지 못하고 있다. 1998년 IEA R&D Wind annual Report에 의하면 독일의 풍력발전기중 10퍼센트가 과속풍에 의하여 기능이상을 보였고, 최근들어 지구 환경 생태계의 급속한 훼손에 따른 기상이변의 발생빈도가 높아지고 있는 추세로 향후 풍력발전시스템의 근본적인 방비책이 더욱 요구되고 있는 실정이다.

따라서 본 고안의 목적은, 상기된 바람의 수직적인 요소에 대하여 효율을 높일수 있는 주축조정장치를 제공함과 동시에, 수평축 풍력발전기의 설치 및 유지보수를 용이하게 하기 위하여 발전기의 회전자와 몸체를 지면에 내리기 용이한 도구를 제공하는데 있으며, 기상이변이나 강풍시에 근본적으로 풍력발전기의 본체를 대피시킬 수 있는 대피방법을 제공하는데 있다.

도1은 기존의 수평축 풍력발전기의 정면도

도2는 본 고안에 따른 주축조정기가 구비된 수평축 풍력발전기의 정면도

도3은 본 고안에 따른 주축조정기가 구비된 수평축 풍력발전기의 분해사시도

도4는 본 고안에 따른 주축조정기가 구비된 수평축 풍력발전기가 절벽에 위치하여 상승기류에 적합하게 조정되어 있는 상태를 나타내는 측면도

도5는 본 고안에 따른 주축조정기가 구비된 수평축 풍력발전기가 빌딩에 위치하여 상승기류에 적합하게 조정되어 있는 상태를 나타내는 측면도

도6은 본 고안에 따른 주축조정기를 이용하여 풍력발전기의 유지와 보수를 위하여 지면으로 발전기 몸체를 내린 상태를 나타내는 측면도

도7은 본 고안에 따른 주축조정기를 이용하여 풍력발전기가 강풍에 대피하고 있는 상태를 나타내는 측면도

도8은 본 고안에 따른 주축조정기의 또 다른 실시예로 체인형 구동장치를 구비한 주축조정기의 사시도

도9는 본 고안에 따른 주축조정기와 대형요각조절기가 구비된 수평축 풍력발전기의 부분단면도

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 ; 회전자 날개 2 ; 허브

3 ; 발전기 몸체 4 ; 발전기 기둥

5 ; 철주 6 ; 주축조정 전동기

7 ; 주축조정 전동기의 소기어 8 ; 베어링 결합체

9 ; 발전기 기둥의 수평 회전축 10 ; 무게추

11 ; 대기어 12 ; 베어링

13 ; 원판 브레이크 14 ; 브레이크 켈리퍼

15 ; 대피 장치 힌지 조인트 16 ; 지하 대피 장치 덮개

17 ; 체인 18 ; 체인 소기어

19 ; 체인 대기어 20 ; 대회전판

21 ; 대회전판 전동기의 소기어 22 ; 대회전판 대기어

23 ; 대회전판 베어링 24 ; 대회전판 전동기

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 고안은, 기초공사를 하고 다수의 철주(5)를 세우고, 철주에 주축조정전동기(6)를 부착하되, 주축조정전동기의 출력축에 소기어(7)를 장착하여 발전기 기둥의 수평 회전축에 부착되어 있는 대기어(11)와 연결시킨다. 철주의 상부에는 발전기 기둥(4)의 수평 회전축(9)의 베어링(12)과 결합될 수 있도록 베어링 결합체(8)를 구성한다. 발전기 기둥(4)의 상부에는 회전자 날개(1)와 허브(2), 발전기 몸체(3)를 연결한다. 발전기 몸체에는 기존의 풍력발전기와 같이 증속기와 발전기등을 구성한다. 발전기 기둥의 하부에는 발전기 몸체의 중량균형을 위하여 무게추(10)를 부착한다. 발전기 몸체와 무게추가 연결된 발전기 기둥의 무게중심점에는 수평으로 연장되는 발전기 기둥의 수평 회전축(9)을 구비한다. 발전기 기둥의 수평 회전축에는 발전기 기둥의 움직임을 제동하거나 고정시켜줄 수 있는 주축조정 브레이크를 구성하되 통상의 원판 브레이크판(13)과 브레이크 켈리퍼(14)를 설치한다. 또한 주축조정전동기(6)의 회전력을 증가시켜줄 수 있는 대기어(11)를 부착하여 제어시스템의 제어에 의하여 주축조정전동기(6)를 구동시킴으로써 풍력발전기 몸체를 지면으로 내리거나 수직적 풍향요소에 적합하게 조정할 수 있도록 한다.

본 고안은, 상기한 무게추(10)에 있어서 풍력발전기 기둥의 하부에 무게추를 부착함으로써 풍력발전기 기둥(4)의 조정에 드는 동력을 줄일 수 있어 작은 용량의 주축조정전동기(6)를 사용하는 것이 가능하여 구조적인 부담을 줄이고 경비를 감소할 수 있으며 주축조정의 안정성을 높여 줄 수 있다.

본 고안은 또한, 풍향의 수직적인 특성에 따라 회전자의 회전축과 지면의 축에 변화를 두어 풍향의 수직적요소를 감안한 최적의 동력변환효율을 나타낼 수 있는데 풍향의 수직적요소의 분석에 따라 주축조정전동기(6)를 미세하게 조절하여 최적의 회전자 위치를 추적할 수 있다. 풍향의 수직적요소의 분석에는 여러개의 풍향계가 설치된 풍향타워에서 얻어진 데이터를 이용하거나 바람의 수직적요소의 분석이 가능한 풍향계등을 설치하여 그 데이터를 제어장치에 전송하여 조정한다.

이러한 본 고안에 따른 풍력발전기의 주축조정장치의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도1은 기존의 수평축 풍력발전기의 정면도이다. 풍력자원은 전세계 어디나 존재하는 부존자원이지만, 경제성있는 풍력자원을 연중 안정적으로 확보할 수 있는 지역에 설치가능한 제한이 있어 가능한 최대자원을 획득하기 위한 최근의 경향은 풍력발전기를 대형화 제작하는 추세이다. 따라서 그 설치 및 유지보수가 매우 난해하여 지고 있는데 주로 거대한 타워 크레인 및 헬리콥터를 이용해 설치하거나 또는 발전기 기둥을 승강기 구조로 제작하여 회전자가 연결되어 있는 발전기 몸체를 이동하여 설치하는 등 복잡한 과정으로 설치되고 있다.

도2는 본 고안에 따른 주축조정기가 구비된 수평축 풍력발전기의 정면도로 발전기 기둥(4)의 상부에 회전자날개(1)와 허브(2)가 연결된 발전기몸체(3)를 구성하고, 발전기 기둥의 하부에 무게추(10)를 부착한다. 발전기 기둥의 무게중심점에 수평으로 연장되는 발전기 기둥의 수평회전축(9)을 부착하고 동력전달을 위한 대기어(11)와 발전기 기둥의 움직임을 제동하고 발전기 기둥의 위치를 고정할 수 있도록 원판형 브레이크(13)시스템을 구성한다. 수평회전축의 끝은 철주(5)의 베어링 결합체(8)와 연결한다. 철주는 발전기 기둥과 무게추와 발전기 몸체의 중량을 지탱할 수 있도록 기초공사위에 설치하며 철주상에 주축조정전동기(6)를 부착한다. 주축조정전동기의 출력축에는 동력전달을 위한 소기어(7)를 장착하여 대기어(11)와 연결시킨다.

도3은 본 고안에 따른 주축조정기가 구비된 수평축 풍력발전기의 분해 사시도이다. 도에서 보이는 바와 같이 풍력발전기의 수직적인 움직임은 발전기 기둥(4)의 수평회전축이 고정되어 있으므로 이 축을 중심으로 단일축상에서만 이루어진다. 따라서 다양한 바람방향 특성을 갖는 지역이면서 바람방향의 특성요소중 수직적인 요소가 복합적으로 나타나는 지역에서는 최적화된 동력변환효율을 나타내지는 못하지만, 연중, 일중 비교적 풍향이 일정하거나 풍력발전기의 회전축이 다양하게 움직일 필요가 없는 지역에서 설치할 수 있다.

도9는 본 고안에 따른 주축조정기와 대형요각조절기가 구비된 수평축 풍력발전기의 부분단면도로 도3의 주축조정기만 구비한 수평축 풍력발전기와 달리 대형요각이 회전함으로써, 모든 방위와 모든 수직각으로 발전기 몸체를 이동시킬 수 있다. 따라서 복잡한 풍향적 특성을 지닌 지역에서도 최적화된 동력변환효율을 나타내며 기존의 발전기 몸체에 구성되어 있는 요각 조절장치를 대치할 수 있다. 기존의 요각 조절장치는 풍력발전기 몸체에 붙어 있어 유지와 보수가 어렵고 고장이 많아 풍력발전시스템중 가장 많은 수리와 재장착이 요구되는 부품이어서 기존의 요각조절장치를 개선해야 하는 필요성이 있다. 본도의 대형요각조절기는 기존의 요각조절방식에 비해 구동에너지가 많이 소모되는 등의 단점을 제외하고 주축의 다양한 움직임을 가능하게 해준다는 장점을 가지고 있다.

도9에 도해된 대형 요각조절기는 철주(5)를 포함한 발전기 전체를 지지하는 대회전판(20)과 대회전판의 회전을 가능하게 하는 베어링(23), 대회전판 전동기 (24)와 대회전판 전동기의 출력축에 소기어(21), 소기어의 동력을 전달받아 대회전판을 회전시켜주는 대회전판 대기어(22)로 구성되어 있다.

도4와 도5는 본 고안에 따른 주축조정기가 구비된 수평축 풍력발전기가 절벽과 고층빌딩에 설치되어 상승기류에 적합하게 조정되어 있는 상태를 나타내는 측면도이다. 도에서 예상되는 바람의 방향과 상승기류에 최적화된 회전자의 위치가 모식되어 있다. 도에서 모식한 곳처럼 풍향이 강하고 지면과 평행하지 않은 바람이 발생하는 지역에 기존의 풍력발전기를 설치하는 경우 지면과 수평하지 않은 풍향요소에 대하여 고려되어 있지 않은 기존의 풍력발전기로써는 최적화된 동력변환효율을 나타낼 수 없을 뿐만아니라 회전자가 위치하는 곳에 따라 즉, 지면과 가까운 쪽에 회전자 날개가 위치할 때와 지면과 먼쪽에 날개가 위치할 때 각각 회전자 날개에 가해지는 힘이 달라지게 되어 회전자는 상이한 압력을 받게 되고 진동과 회전자 날개의 피로가 발생하게 된다.

도6은 본 고안에 따른 주축조정기를 이용하여 풍력발전기의 유지와 보수를 위하여 지면으로 발전기의 몸체를 내린 상태를 나타내는 측면도이다. 도에 도시한 바와 같이 기존의 헬리콥터나 타워크레인, 승강기를 이용한 방법에 비하여 매우 용이하게 발전기 몸체에 접근이 가능하여 설치 및 유지보수가 용이해 지는 것을 도해하고 있다.

도7은 본 고안에 따른 주축조정기를 이용하여 풍력발전기를 강풍등에 대피시키고 있는 상태를 나타내는 측면도이다. 기존의 풍력발전기의 경우에도 최근에는 어느 정도 기상이변에 대비하는 내구성을 지니고 있으나 발전기가 내구성을 발휘하는 시간이 정해져 있고 일정시간 범위를 지나면 내구성을 잃어버리게 된다. 풍력발전기의 설계수명이 이십년이상인 점을 감안하면 최근 빈도가 늘어나는 기상재해 추세로 보아 보다 더 적극적이고 근본적인 풍력발전기의 대피장치가 요구되는 실정이며 본도는 가장 근본적인 해결책을 도시하고 있다.

도8은 본 고안에 따른 주축조정기의 또 다른 실시예로 체인형 구동장치를 구비한 주축조정기의 사시도이다. 도8에서 보이는 바와 같이 주축조정전동기(6)를 설치하고 주축조정전동기의 출력축에 체인용 소기어(18)를 장착하고 체인(17)을 이용하여 발전기 기둥(4)의 수평회전축(9)에 체인 대기어(19)를 구동시켜주는 것을 도시하고 있다.

본 고안은 수평축풍력발전기 기둥의 위치를 조정할 수 있는 주축조정기와 대형 요각조절장치를 구성하여 바람의 수직적인 요소에 대하여 동력변환 효율을 높일 수 있고, 시스템의 안전도를 향상시킴은 물론 발전기의 설치 및 유지보수를 매우 용이하게 해주며, 기상이변이나 강풍시에 근본적으로 풍력발전기를 안전하게 대피할 수 있는 대피 방법을 제공하도록 해준다.

Claims (4)

1. 다수의 철주(5)를 세우고 철주에 주축조정전동기(6)를 부착하고 주축조정전동기의 출력축에 소기어(7)를 장착하여 풍력발전기의 수평회전축(9)의 대기어(11)와 연결하고 수평회전축에 제동과 위치고정을 위한 원판 브레이크(13)시스템을 장비하고 수평회전축의 회전을 위하여 베어링 결합체(8)를 구비한 것을 특징으로 하는 수평축 풍력발전기의 주축조정장치
2. 제1항에 있어서, 철주(5)의 하부에 대회전판(20)을 장착하고 대회전판의 구동을 위한 대회전판 전동기(24)를 구비하여 대회전판 전동기의 출력축에 소기어 (21)를 장착하고 대회전판 대기어(22)와 연결하고 풍력발전기의 하중을 지탱하고 회전을 가능하도록 하는 베어링 구조물을 두어 풍력발전기의 요각을 조절할 수 있도록 하는 대형요각장치
3. 제1항에 있어서, 주축조정전동기의 동력전달을 위하여 체인(17)을 이용하는 것을 특징으로 하는 수평축 풍력발전기의 주축조정장치
4. 제1항에 있어서, 강풍등에 대피하기 위하여 주축조정장치를 이용하여 발전기를 하강시키고 대피장치 덮개로 발전기를 보호해주는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 대피장치