KR200364737Y1 - 싱글 로터 방식의 수평-수직축 통합형 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 싱글 로터 방식의 수평-수직축 통합형 풍력 발전기에 관한것으로서, 더욱 상세하게는 자동으로 풍향을 찾아가며, 초강풍에도 별도의 피치 제어 없이 풍압에 의해 자동으로 블레이드가 후방측으로 가변하여 발전기를 보호함과 동시에 발전을 지속할 수 있는 싱글 로터 방식의 수평-수직축 통합형 풍력 발전기에 관한 것이다.

이에 본 고안은 일정한 높이의 타워(10) 상단에 회동 가능하게 설치되는 유선형의 동체(20); 상기 동체(20)가 불어오는 바람의 방향과 일치하도록 동체(20)의 외측면에 방사상으로 형성되는 다수의 방향키(21); 상기 동체(20)에 회전가능하게 수평 설치되되 후단부는 동체(20)의 후미 외측으로 돌출되고 전단부는 동체(20) 내부에 위치하면서 제 1 베벨기어(31)가 형성되는 수평축(30); 상기 동체(20)의 후방측에 위치하고 상기 수평축(30)에 결합된 허브(71)의 둘레에 회동가능하게 결합되어 풍압에 따라 전,후방향으로 가변되면서 수평축(30)을 회전시키는 블레이드(70); 상기 블레이드(70)의 후방측에 위치하면서 상기 가변되는 블레이드(70)를 탄력지지하는 지지수단(80); 상기 타워(10)의 내부에 설치되는 발전기(60); 상기 수평축(30)의 회전력을 상기 발전기(60)에 전달할 수 있도록 일단부는 상기 제 1 베벨기어(31)와 맞물려 결합되는 제 2 베벨기어(41)가 형성되고 타단부는 상기 발전기(60)의 로터축(61)과 결합된 수직축(40)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

싱글 로터 방식의 수평-수직축 통합형 풍력 발전기{Hybrid axis wind turbine with single rotor}

본 고안은 싱글 로터 방식의 수평-수직축 통합형 풍력 발전기에 관한것으로서, 더욱 상세하게는 자동으로 풍향을 찾아가며, 초강풍에도 별도의 피치 제어 없이 풍압에 의해 자동으로 블레이드가 후방측으로 가변하여 발전기를 보호함과 동시에 발전을 지속할 수 있는 싱글 로터 방식의 수평-수직축 통합형 풍력 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전기는 풍력에 의해 회전하는 블레이드의 회전에너지를 전기에너지로 전환시켜 각 수요자에게 전기를 공급하는 것으로, 축의 방향에 따라 프로펠라형 수평축 풍력발전기와, 자이로밀형 및 다리우스형과 같은 수직축 풍력발전기, 또는 수직-수평축 통합형 풍력발전기 등으로 구별되며, 원자력이나 수력 및 화력에 비해 설치비용 및 설치면적이 매우 경제적이며 환경오염을 유발하지 않는 이점이 있다.

이러한 종래 풍력발전기는 타워의 상부에 회전 가능하게 설치된 동체와, 상기 동체의 선단에 설치되어 바람에 의해 회전하는 블레이드와, 상기 블레이드의 회전력을 증속시키기 위한 증속기 등의 기어박스와, 상기 기어박스에서 증속된 회전력을 전기적 에너지로 변환하는 발전기 등으로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 풍력발전기는 바람에 의해 블레이드가 회전하면, 이의 회전력이 기어박스를 통해 증속된다. 그리고 발전기에서는 증속된 회전력을 통해 전기 에너지를 발생시키며, 이 전기 에너지는 축전장치 등에 인가되어 축전되거나 수요자에게 직접 인가된다.

그러나, 상기 수평축 풍력발전기는 블레이드에서 발전기까지 회전토크 전달 경로가 짧아 전달 효율이 좋은 이점은 있으나, 동체 내부에 발전기 등이 탑재되어 무거워짐에 따라 풍향에 따라 신속한 요(yaw) 동작이 어렵고, 동체가 일정횟수 이상 회전하면 풍력발전기가 동작이 정지함과 동시에 꼬인 케이블을 원래위치로 풀어주어야 하는 문제가 있다.

또한, 상기 동체 내부에 발전기가 탑재되어 냉각 및 유지보수 등이 불편하고, 강풍 등으로 인한 비상시 발전기의 과부하 등 시스템 보호를 위해 날개부의 피치제어를 통한 완전 정지로 발전이 불가능한 문제가 있었다.

그리고, 수직-수평축 통합형 풍력발전기(듀얼 로터방식)는 메인 블레이드의 중앙부분을 통과하는 풍력을 보조 블레이드에서 토크발생에 이용함으로서 단면적당 풍력의 이용률이 향상되는 이점은 있으나, 메인 블레이드 및 보조 블레이드의 회전방향이 반대이므로 이에 따른 블레이드 제작이 어렵고, 메인 블레이드 및 보조 블레이드의 토크가 일정하게 합성되도록 각각의 피치제어가 정밀하게 이루어져야 하지만 실제적으로 완벽한 제어가 어렵다.

또한, 제작 단가가 비싸고 강풍 등으로 인한 비상시 상기 수평축 풍력발전기와 같이 피치제어를 통한 완전 정지로 발전이 불가능한 문제가 있다.

상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 고안의 목적은 자동으로 풍향을 찾아가며, 초강풍에도 별도의 피치 제어 없이 풍압에 의해 자동으로 블레이드가 후방측으로 가변하여 발전기의 과부하를 방지하는 등 시스템을 보호함과 동시에 발전을 지속할 수 있는 싱글 로터 방식의 수평-수직축 통합형 풍력 발전기를 제공하는데 있다.

도 1은 본 고안에 따른 풍력 발전기를 나타내는 전체 단면도 및 부분 확대단면도,

도 2는 본 고안에 따른 풍력 발전기를 나타내는 정면도,

도 3은 본 고안에 따른 풍력 발전기에서 블레이드가 가변되는 상태를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

1: 풍력 발전기 10: 타워

20: 동체 20a: 바람 안내홈

21: 방향키

30: 수평축 31: 제 1 베벨기어

40: 수직축 41: 제 2 베벨기어

50: 커플링 60: 발전기

61: 로터축 62: 전선

70: 블레이드 71: 허브

80: 지지수단 81: 지지몸체

82: 슬라이딩바 83: 링크가이드

84: 스프링 85: 링크

86: 핀

상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안은 일정한 높이의 타워 상단에 회동 가능하게 설치되는 유선형의 동체; 상기 동체가 불어오는 바람의 방향과 일치하도록 동체의 외측면에 방사상으로 형성되는 다수의 방향키; 상기 동체에 회전가능하게 수평 설치되되 후단부는 동체의 후미 외측으로 돌출되고 전단부는 동체 내부에 위치하면서 제 1 베벨기어가 형성되는 수평축; 상기 동체의 후방측에 위치하고 상기 수평축에 결합된 허브의 둘레에 회동가능하게 결합되어 풍압에 따라 전,후방향으로 가변되면서 수평축을 회전시키는 블레이드; 상기 블레이드의 후방측에 위치하면서 상기 가변되는 블레이드를 탄력지지하는 지지수단; 상기 타워의 내부에 설치되는 발전기; 상기 수평축의 회전력을 상기 발전기에 전달할 수 있도록 일단부는 상기 제 1 베벨기어와 맞물려 결합되는 제 2 베벨기어가 형성되고 타단부는 상기 발전기의 로터축과 결합된 수직축을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 고안을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

종래에 있어서와 동일한 부분에 대한 반복되는 설명은 생략한다.

도 1은 본 고안에 따른 풍력 발전기를 나타내는 전체 단면도 및 부분 확대단면도이고, 도 2는 본 고안에 따른 풍력 발전기를 나타내는 정면도이며, 도 3은 본 고안에 따른 풍력 발전기에서 블레이드가 가변되는 상태를 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 고안에 따른 풍력발전기(1)는 지면에 설치된 일정한 높이의 타워(10) 상단에 유선형의 동체(20)가 회전가능하게 설치된다.

상기 동체(20)의 내부는 경량화를 위해 비어있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 동체(20)의 외주면에는 바람의 방향성을 향상할 수 있도록 길이방향으로 다수의 바람 안내홈(20a)이 형성된다.

도면에서는 상,하,좌,우 90° 간격으로 4개를 형성하였지만, 이 외에도 다양한 개수로 형성 할 수 있다.

즉, 상기 바람 안내홈(20a)은 아래에서 설명될 방향키(21)와 함께 동체(20)가 정확한 바람의 방향을 찾아갈 수 있도록 방향성을 향상시키게 되며, 방향을 찾은 후에는 현 위치에서 일시정지 하도록 도와줌으로서 동체(20)의 떨림을 방지하여 블레이드(70)의 회전력을 더욱 증가 시킬수 있다.

또한, 상기 바람 안내홈(20a)에 의한 방향성 향상으로 작은 바람에도 바람의 방향을 쉽게 찾아갈 수 있는 것이다.

그리고, 동체(20)의 외측면에는 방사상으로 3개의 방향키(21)가 형성된다.

또한, 상기 방향키(21)는 상기 타워(10)를 기준으로 동체(20)의 후미측 방향에 형성된다.

따라서, 상기 3개의 방향키(21)에 의해 별도의 보조장치 없이 전면에서 불어오는 바람의 방향과 동체(20)를 일치시키게 되며, 보다 안정되고 자유로운 요(yaw) 동작을 도와주게 된다.

한편, 상기 방향키(21)는 전방측에서 후방측으로 갈수록 두께가 두꺼워지도록 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 방향키(21)는 전방측이 얇고 후방측이 두껍게 형성되어 지나는 바람의 흐름을 더욱 원활히 함과 동시에 바람의 방향을 더욱 빠르게 찾을 수 있도록 한 것이다.

그리고, 상기 동체(20)의 후미측 내부에는 수평축(30)이 회전가능하게 설치된다.

상기 수평축(30)의 후단부는 상기 동체(20)의 후미 외측으로 돌출되고, 전단부는 동체(20) 내부에 위치하면서 그 끝단부에 제 1 베벨기어(31)가 형성된다.

그리고, 상기 수평축(30)에는 허브(71)가 결합되고, 이 허브(71)의 둘레에는 풍압에 따라 전,후방향으로 가변되는 다수의 블레이드(70)가 회동가능하게 핀(86) 결합된다.

상기 블레이드(70)는 상기 동체(20)의 후방측에 위치함과 아울러 불어오는 바람에 의해 회전하면서 상기 수평축(30)을 회전시키게 된다.

여기서, 종래에는 상기 블레이드(70)가 동체(20)의 전방측에 설치되었지만, 본 고안에서는 상기 동체(20)의 자유로운 요(yaw) 동작 및 풍압에 따라 블레이드(70)의 가변동작을 위해 동체(20)의 후방측에 설치한 것이다.

즉, 상기 블레이드(70)가 상기 동체(20)의 회전 중심으로부터 일정한 거리를두고 있어 풍향에 따른 회전 모멘트가 발생하여 풍향과 일치하려고 하며, 이때 3개의 방향키(21)에 의해 보다 안정되고 자유로운 요(yaw) 동작을 하게 되는 것이다.

그리고, 상기 블레이드(70)의 후방측에 위치하는 상기 수평축(30)의 후단부에는 상기 가변되는 블레이드(70)를 탄력지지하는 지지수단(80)이 설치된다.

상기 지지수단(80)은 상기 수평축(30)의 후단 끝단부에 결합되는 지지몸체(81)와, 상기 지지몸체(81)와 허브(71) 사이의 수평축(30)에 슬라이딩 가능하게 결합되는 슬라이딩바(82)와, 상기 지지몸체(81)와 슬라이딩바(82) 사이에 설치되는 스프링(84)과, 상기 블레이드(70)와 슬라이딩바(82)를 연결하는 링크(85)로 이루어진다.

여기서, 상기 링크(85)의 일단부는 상기 블레이드(70)와 핀(86) 결합되고, 타단부는 상기 슬라이딩바(82)의 외주면에 돌출 형성된 링크가이드(83)와 핀(86) 결합된다.

그리고, 상기 스프링(84)의 장력을 조절하여 풍압에 따른 상기 블레이드(70)의 가변 동작점을 설정할 수 있다.

이러한, 상기 지지수단(80)은 일정 풍압 이하에서는 최대효율을 얻기 위해 상기 블레이드(70)가 상기 수평축(30)에 대략 수직인 상태를 유지하도록 하고, 강풍에 의한 일정 풍압 이상에서는 풍압의 증가에 대응하여 후방측으로 일정각도 가변하도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 강풍으로 인해 상기 블레이드(70)가 후방측으로 경사지게 가변하게 되면 그 만큼 바람의 영항을 덜 받으면서 상기 블레이드(70)의 회전이 감소하게 되고 이와 함께 수평축(30)의 회전력도 감소하여 아래에서 설명될 발전기(60)의 과부하 등을 방지하여 시스템을 보호함과 동시에 지속적인 발전이 가능하다.

그리고, 상기 타워(10)의 상단측 내부에는 상기 블레이드(70)에 의한 회전력을 전달받아 전기를 발생하는 발전기(60)가 설치된다.

상기 발전기(60)에는 축전장치(미도시) 또는 지상의 송전선(미도시) 등으로 전력을 송출하기 위한 전선(62)이 연결된다.

또한, 상기 수평축(30)의 회전력을 상기 발전기(60)에 전달할 수 있도록 상기 동체(20) 내부로부터 타워(10) 내부를 잇는 수직축(40)이 설치된다.

상기 수직축(40)의 일단부에는 상기 수평축(30)의 제 1 베벨기어(31)와 맞물려 결합되는 제 2 베벨기어(41)가 형성되고 타단부는 상기 발전기(60)의 로터축(61)과 결합된다.

여기서, 상기 수직축(40)과 발전기(60)의 로터축(61) 사이에는 유지보수 등을 위해 수직축(40)으로부터 발전기(60)를 연결/분리 할 수 있도록 커플링(50)이 설치된다.

그리고, 상기 수평축(30)상에는 블레이드(70)에 의해 회전하는 수평축(30)의 회전력을 증속하여 이 증속된 회전력을 상기 발전기(60)측으로 전달하기 위한 기어박스(32)가 설치된다.

상기 기어박스(32)는 공지된 것으로서 회전력 증속을 위해 유성기어(미도시) 및 링기어(미도시) 등 다수의 기어들이 설치되어 있으며, 여기서 보다 자세한 설명은 생략한다.

즉, 상기 기어박스(32)는 저풍속시에도 발전이 가능하도록 수평축(30)의 회전력을 증속시키는 역할 뿐만 아니라 발전기(60)의 종류에 맞게 증속하는 역할을 한다.

그리고, 상기 제 1,2 베벨기어(31)(41)는 소음 등을 감소할 수 있도록 스파이어럴 베벨기어를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 풍력발전기(1)의 용량 및 상기 동체(20)의 크기에 따른 전체적인 밸런스를 잘 유지할 수 있도록 상기 블레이드(70)의 위치를 다양하게 변형하여 설치할 수 도 있다.

예를 들면, 풍력발전기(1)가 소형인 경우에는 동체(20)의 전방측이 회전중심으로부터 많이 돌출되지 않기 때문에 블레이드(70)가 동체(20)의 후미측에 최대한 근접하도록 설치하고, 이와 반대로 대형인 경우에는 동체(20)의 전방측이 회전중심으로부터 많이 돌출되기 때문에 블레이드(70)가 동체의 후미측으로부터 일정거리 이격되게 설치하는 것이 바람직하다.

즉, 중량물로서 회전운동을 실시하는 블레이드(70)와 동체(20)간의 상호 유기적인 균형에 의하여 블레이드(70)의 위치 선택에 따른 효율적인 운동이 이루어지게 되는 것이다.

이하, 본 고안에 따른 풍력발전기의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 동체(20)는 동체(20)의 외주면에 형성된 바람 안내홈(20a)과 회전중심을 기준으로 후방측에 구비된 방향키(21) 및 블레이드(70)에 의해 자동으로바람의 풍향과 일치하도록 요(yaw) 동작을 함과 동시에 불어오는 바람에 의해 블레이드(70)가 회전하게 된다.

상기 블레이드(70)가 회전하면, 상기 수평축(30)이 함께 회전하게 되며, 이때 상기 수평축(30)의 회전력은 상기 기어박스(32)를 통해 발전기(60)에서 전력 생산이 용이하도록 증속된다.

상기 증속된 회전력은 제 1 베벨기어(31)를 통해 제 2 베벨기어(41)로 전달되고, 제 2 베벨기어(41)로 전달된 회전력은 상기 수직축(40)을 회전시키면서 커플링(50)으로 상호 연결된 발전기(60)의 로터축(61)을 회전시키게 된다.

상기 로터축(61)이 회전하게 되면 발전기(60)에서는 로터(미도시)가 고속으로 회전함에 따라 전력이 생산된다.

상기 발전기(60)에서 생상된 전력은 상기 전선(62)을 통해 지상의 송전선 또는 축전장치 등으로 송출되는 것이다.

한편, 강풍 등으로 인한 비상시에는 일정이상의 풍압이 상기 블레이드(70)에 작용하게 됨과 동시에 블레이드(70)의 회전속도가 과도하게 증가하게 되는데, 이때 상기 풍압에 의해 블레이드(70)가 후방측으로 일정각도 가변하기 시작하고, 블레이드(70)와 링크(85)로 연결된 상기 슬라이딩바(82)도 수평축(30)을 따라 후방측으로 이동하면서 상기 스프링(84)을 압축하게 된다.

상기 블레이드(70)의 가변동작은 상기 스프링(84)의 압축력과 풍압이 비례하게 되는 시점에서 멈추게 되며, 이때에는 상기 블레이드(70)가 후방측으로 일정각도 경사진 상태가 되어 초기위치에서 보다 바람의 영향을 덜 받게 되면서 회전속도가 감소하게 되고, 이와 함께 상기 발전기(60)측으로 전달되는 회전력도 감소하게 되어 발전기(60)의 부하 등을 방지하고 시스템을 보호하게 됨과 동시에 이때에도 지속적인 발전이 이루어진다.

그리고, 강풍이 해제되면, 상기 스프링(84)의 복원력에 의해 상기 슬라이딩바(82)가 수평축(30)을 따라 전방측으로 이동하게 되고, 이때 링크(85)와 연결된 상기 블레이드(70)가 전방측으로 가변되면서 초기위치로 복귀된다.

이렇게, 상기 블레이드(70)는 풍압에 대응하여 전,후방 가변량이 바뀌면서 발전기(60)측으로 전달되는 회전력이 조절되어 발전기(60)의 부하를 방지하는 등 시스템 전체를 보호함과 동시에 강풍에 의한 비상시에도 지속적인 발전이 이루어지는 것이다.

또한, 급작스런 돌풍으로부터 블레이드(70) 및 시스템의 급격한 충격도 완화시킬 수 있는 것이다.

상기한 본 고안은, 상기 별도의 피치 제어 없이 초강풍 및 급작스런 돌풍 등의 풍압에 대응하여 자동으로 블레이드가 전,후방측으로 가변되어 발전기측으로 전달되는 회전력이 조절됨으로서, 발전기 등의 과부하가 방지됨과 아울러 시스템이 보호되고 강풍시에도 발전이 지속된다.

그리고, 상기 발전기가 수직축과 결합되어 상기 타워에 설치됨으로서 전력선 인출 및 유지보수가 용이하고, 상기 동체의 경량화를 도모하여 낮은 풍속에도 요(yaw) 동작이 이루어지며, 동체의 회전시에도 전력선들의 꼬임 현상이 방지된다.

또한, 상기 동체의 외주면에 다수의 바람 안내홈이 형성되고 방향키는 전방측에서 후방측으로 갈수록 두껍게 형성됨으로서, 바람의 방향성이 향상되고, 방향을 잡은 후에는 현 위치를 유지하는 일시정지성으로 동체의 떨림 방지는 물론 블레이드의 회전이 증가된다.

그리고, 풍력발전기가 간단한 구조로 이루어져 제작비가 절감된다.

Claims (6)

1. 일정한 높이의 타워(10) 상단에 회동 가능하게 설치되는 유선형의 동체(20);

   상기 동체(20)가 불어오는 바람의 방향과 일치하도록 동체(20)의 외측면에 방사상으로 형성되는 다수의 방향키(21);

   상기 동체(20)에 회전가능하게 수평 설치되되 후단부는 동체(20)의 후미 외측으로 돌출되고 전단부는 동체(20) 내부에 위치하면서 제 1 베벨기어(31)가 형성되는 수평축(30);

   상기 동체(20)의 후방측에 위치하고 상기 수평축(30)에 결합된 허브(71)의 둘레에 회동가능하게 결합되어 풍압에 따라 전,후방향으로 가변되면서 수평축(30)을 회전시키는 블레이드(70);

   상기 블레이드(70)의 후방측에 위치하면서 상기 가변되는 블레이드(70)를 탄력지지하는 지지수단(80);

   상기 타워(10)의 내부에 설치되는 발전기(60);

   상기 수평축(30)의 회전력을 상기 발전기(60)에 전달할 수 있도록 일단부는 상기 제 1 베벨기어(31)와 맞물려 결합되는 제 2 베벨기어(41)가 형성되고 타단부는 상기 발전기(60)의 로터축(61)과 결합된 수직축(40)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 싱글 로터 방식의 수평-수직축 통합형 풍력 발전기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 지지수단(80)은 상기 수평축(30)의 후단 끝단부에 결합되는 지지몸체(81)와, 상기 지지몸체(81)와 허브(71) 사이의 수평축(30)에 슬라이딩 가능하게 결합되는 슬라이딩바(82)와, 상기 지지몸체(81)와 슬라이딩바(82) 사이에 설치되는 스프링(84)과, 상기 블레이드(70)와 슬라이딩바(82)를 연결하는 링크(85)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 싱글 로터 방식의 수평-수직축 통합형 풍력 발전기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 동체(20)의 외주면에는 길이방향으로 다수의 바람 안내홈(20a)이 형성 되는 것을 특징으로 하는 싱글 로터 방식의 수평-수직축 통합형 풍력 발전기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 방향키(21)는 전방측에서 후방측으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 싱글 로터 방식의 수평-수직축 통합형 풍력 발전기.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 수평축(30)상에는 회전력을 증속하여 상기 발전기(60)측으로 전달할 수 있도록 기어박스(32)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 싱글 로터 방식의 수평-수직축 통합형 풍력 발전기.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 발전기(60)의 로터축(61)과 수직축(40) 사이에는 로터축(61)과 수직축(40)을 연결/분리 할 수 있도록 커플링(50)이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 싱글 로터 방식의 수평-수직축 통합형 풍력 발전기.