KR200392170Y1

KR200392170Y1 - 풍력발전기의 날개 직결형 양방향 발전시스템

Info

Publication number: KR200392170Y1
Application number: KR20-2005-0013171U
Authority: KR
Inventors: 양진웅
Original assignee: 양진웅
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2005-08-19

Abstract

본 고안은 풍력발전기에 관한 것으로, 구체적으로는 서로 반대방향으로 회전하는 2개의 날개를 갖춘 풍차형 발전장치에서 발전기가 2 날개의 2개 회전축에 직결됨은 물론 하나의 브레이크장치로 2개의 회전축을 동시에 정지시킬 수 있는 풍력발전기의 날개 직결형 양방향 발전시스템에 관한 것이다.

Description

풍력발전기의 날개 직결형 양방향 발전시스템{Bi-directional electric generating system directly coupled to wings of a windmill}

풍력을 이용하여 발전을 하는 풍력발전장치는 종래부터 많은 종류가 있었다. 특히, 최근에는 풍차에 2개의 날개를 설치하고, 이들 날개를 서로 반대 방향으로 회전시키면서 그 회전력을 발전기의 내부의 전기자와 외측의 자극부에 전달함으로써 전기자와 자극부를 서로 반대방향으로 회전시키면서 발전량을 증가시킨 양방향 발전기가 개발되었는바, 그 일례로는 대한민국 특허출원 2002-12965호의 "풍력발전장치"가 있다.

상기 특허출원에서 설명한 장치는, 2개의 회전날개의 회전력을 복잡한 구동기어를 통해 지면에 설치된 발전기에 전달하는 구성으로 되어있으므로, 회전력을 전달하는 도중에 어쩔 수 없이 생기는 마찰손실로 인한 많은 동력손실이 발생할 수 밖에 없다. 또한, 이 고안에서는 전기자와 자극부를 서로 반대 방향으로 회전하기 위한 구체적인 구성에 대한 설명은 전혀 없다. 그러나, 실질적으로는 이렇게 전기자와 자극부를 서로 반대 방향으로 회전시키는 구성을 구현하기가 상당히 곤란한 것이 사실이다.

또한, 풍력발전장치는 그 특성상 날개의 회전을 정지시켜야 할 경우가 있다. 예컨대, 풍력발전장치의 고장수리나 유지보수를 위해서 풍차날개를 강제로 정지시켜야 하고, 또한 태풍 등과 같이 풍속이 30노트 이상일 경우에는 풍차날개와 관련 동력전달기구, 예컨대 축과 베어링에 과부하가 걸려 부품의 손상 우려가 크므로, 이 경우에도 풍차날개를 강제로 정지시켜야만 한다. 이와 같이 풍차날개를 정지시켜야 할 경우 제동장치를 이용해 날개의 회전축을 정지시킨다. 종래의 날개가 한개인 경우에는 회전축이 1개이므로 단순한 제동장치로도 날개를 정지시킬 수 있지만, 회전축이 2개인 경우에는 종래와 같은 제동장치를 각각의 회전축에 설치해야만 하므로, 설치공간이나 설치비, 유지관리의 측면에서 곤란한 점이 많을 수 밖에 없다.

본 고안은 종래의 이와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 2개의 날개를 이용해 양방향으로 회전하는 발전기를 별도의 동력전달기구를 거치지 않고 곧바로 날개의 회전축에 직결하는 구성의 발전시스템을 제공하는 것을 주목적으로 한다.

본 고안의 다른 목적은, 태풍이 불거나 풍속이 높은 경우 또는 고장수리나 유지보수를 위해 풍력발전기의 날개회전을 정지시켜야 할 경우, 특히 날개가 2개이고 회전축이 2개일 경우, 이들 2개의 회전축을 동시에 정지시키기 위한 브레이크 시스템을 갖춘 풍력발전장치를 제공하는데 있다.

본 고안의 이와 같은 목적은, 풍력발전기의 전방 끝단에 설치된 2개의 날개(3,5)에 의해 서로 역방향으로 구동하는 2개의 회전축에 의해 발전기(G)의 자극부와 전기자가 서로 역방향으로 회전하면서 발전을 하는 풍력발전기용 양방향 발전기에 있어서:

2개의 날개중 한쪽 날개(3)에 직결되어 회전하고, 풍력발전기의 지지기둥 상단에 설치된 하우징(1) 내부에 설치된 회전축인 내축(S1);

2개의 날개중 나머지 날개(5)에 직결되어 내축(S1)과는 반대방향으로 회전하고, 상기 회전 내축(S1)와 동심으로 하우징(1) 내부에 상기 내축(S2) 외주부에 배치되는 외축(S2);

상기 외축(S2)을 관통하여 후방으로 연장하는 내축(S1) 외주부에 설치되어 외축(S2) 후단에 결합되어 평상시 외축(S2)과 함께 회전하며, 제동시에 내축(S1)과 외축(S2)을 동시에 제동하는 브레이크 시스템(B);

상기 브레이크 시스템(B) 후방에 배치되며, 전기자 부분은 상기 내축(S1)에 연결되며 자극 부분은 브레이크 시스템(B)을 통해 상기 외축(S2)에 연결되어, 전기자와 자극이 서로 역방향으로 회전하는 발전기(G);를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개 직결형 양방향 발전시스템에 의해 달성된다.

본 고안의 날개 직결형 양방향 발전시스템에 있어서, 외축(S2)은 일정한 간격을 둔 2개의 제1 베어링(10)에 의해 상기 내축(S1)에 지지되어 회전할 수 있도록 하고, 외축(S2) 역시 일정한 간격을 둔 2개의 제2 베어링(12)에 의해 하우징(1)에 지지되도록 하는 것이 바람직하다.

또, 본 고안에서 브레이크 시스템(B)은,

상기 내축(S1)의 원주부에 배치되고 상기 외축(S2)의 내단부에 스플라인 결합되어 외축과 함께 회전하며, 상기 발전기(G)의 외측 자극부에 볼트 등으로 결합되어 외축(S2)의 회전력을 발전기의 자극부로 전달하는 원통형의 몸체(B1);

상기 몸체(B1)에 등간격으로 반경 방향으로 형성되고, 외측부분의 대경부(B3)와 내측부분의 소경부(B5)로 구분되어 단턱이 진 다수개의 원형 구멍(H);

상기 구멍(H) 각각에 설치되고, 내축(S1)과의 사이에 배치되어 구멍에 걸리는 아치형의 내부 브레이크슈(BS1);

상기 브레이크슈(BS1)에 연결되고 상기 구멍(H)보다 작은 직경을 가지며 구멍(H)을 관통하는 원주형 연결부(B7);

상기 연결부(B7)의 외단부 부근에 돌출형성된 단턱부(B9);

상기 연결부(B7)의 외단부에 연결되어 구멍(H) 외부에 브레이크패드(BP)와 약간 떨어지게 배치되는 아치형의 외부 브레이크슈(BS2);

상기 연결부(B7)의 단턱부(B9)와 구멍(H)의 단턱부 사이에서 연결부 외주부에 배치되어 평상시 연결부(B7)를 반경 외측 방향으로 밀어주는 스프링(B11);

상기 하우징(1)의 내주변과 외부 브레이크슈(BS2) 사이에 배치되고 단면이 아치형으로서, 평상시 외부로 벌어지는 탄성을 갖는 얇은 브레이크패드(BP); 및

일단부는 상기 하우징(1)의 내부에 고정되고, 상기 브레이크패드(BP)의 외주변을 둘러싼 다음 타단부는 풍차발전기의 외부로 배치되는 브레이크 와이어(BW);를 포함하고,

상기 브레이크 와이어(BW)의 타단부를 자동으로나 수동으로 당기면 브레이크패드(BP)가 외부 브레이크슈(BS2)와 마찰을 하면서 브레이크 몸체(B1)가 정지함으로써 외축(S2)의 회전을 정지시키고, 브레이크 와이어를 계속 당기면 연결부(B7)가 스프링의 힘을 극복해 안쪽으로 밀리면서 내부 브레이크슈(BS1)가 내축(S1)과 마찰하여 내축의 회전을 정지시키도록 구성되는 것이 가장 바람직하다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 고안에 대해 자세히 설명한다.

도 1은 본 고안에 따른 풍력발전 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 측단면도이다.

도시된 바와 같이, 전술한 양방향 발전을 위해 풍력발전기의 전방 끝단에는 2개의 날개(3,5)가 설치된다. 이들 날개는 날개의 설치 각도에 의해 풍력을 받으면 서로 반대방향으로 회전하게 되어있다. 각각의 날개에는 회전축이 연결되고, 이들 2개의 회전축은 동심으로 되어 있으며, 회전날개의 회전방향때문에 서로 역방향으로 회전한다. 이들 2개의 회전축의 회전은 각각 발전기(G)의 자극부와 전기자에 전달되어 자극부와 전기자가 서로 역방향으로 회전하면서 발전을 하게 된다.

2개의 회전축중 한쪽 날개(3), 예컨대 앞날개에 직결된 내축(S1)은 풍력발전기의 지지기둥 상단에 설치된 하우징(1) 내부를 통과하면서 날개(3)의 회전력을 전달하게 된다. 회전축에 날개를 결합하는 방법은 당 분야에 일반적인 기술이므로 자세한 설명은 생략한다. 2개의 날개중 나머지 날개(5)에에는 외축(S2)이 직결되는데, 외축은 당연히 내축(S1)과는 반대방향으로 회전하고, 내축(S1)과 동심으로 하우징(1) 내부에서 내축(S2) 외주부에 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 내축(S1)은 외축(S2)을 관통하게 배치된다.

또, 외축(S2)의 후방에는 브레이크 시스템(B)이 설치된다. 즉, 외축을 관통하여 후방으로 연장하는 내축(S1) 외주부에 외축(S2) 후단에 결합되어 평상시에는 외축(S2)과 함께 회전하되, 제동시에 내축(S1)과 외축(S2)을 동시에 제동하는 브레이크 시스템(B)이 설치되는데, 브레이크 시스템에 대한 자세한 설명은 후술한다.

브레이크 시스템(B) 후방에 전술한 구조의 발전기(G)가 배치되는데, 이 발전기의 전기자 부분은 내축(S1)에 연결되며 자극 부분은 브레이크 시스템(B)을 통해 외축(S2)에 연결된다. 따라서, 발전기의 전기자와 자극은 2개 회전축의 회전방향 때문에 서로 역방향으로 회전하면서 발전하게 되므로, 종래의 발전기에 비해 발전효율이 훨씬 높다. 이들 모든 구성은 하우징(1)의 내부에 설치된다.

이와 같이 구성된 2개의 회전축(S1,S2)은 모두 발전기의 전기자 부분과 자극 부분을 회전시키고, 비교적 길이가 긴 장축이므로, 효과적인 발전을 위해서는 회전시 진동이나 요동이 없도록 하는 것이 아주 중요하다. 이를 감안하여, 본 고안에서는 회전축(S1,S2)을 모두 일정한 간격을 둔 2개의 베어링으로 회전지지하도록 구성함으로써, 회전중의 진동이나 요동을 최대한 억제하도록 하는 것이 바람직하다.

도 2에는 이들 2개 회전축의 상관관계가 더 자세히 도시되어 있다.

회전축의 요동이나 진동을 방지하기 위해, 외축(S2)과 내축(S1) 사이에는 2개의 제1 베어링(10)을 일정한 간격을 두고 배치한다. 또, 외축(S2)과 하우징(1) 사이에도 일정한 간격을 둔 2개의 제2 베어링(12)을 배치한다. 바람직하기로는, 제2 베어링(12)을 직접 하우징에 지지하기 보다는 조립의 편의성을 위해 별도의 베어링 지지구에 제2 베어링(12)을 설치하는 것이 좋다.

다음, 도 2, 3, 4를 참조하여 브레이크 시스템(B)에 대해 자세히 설명한다. 도 3은 브레이크 시스템(B)의 종단면도이고, 도 4는 도 3의 측단면도이다.

도시된 바와 같이, 브레이크 시스템(B)은 몇가지 부품으로 구성되는데, 우선 원통형 브레이크 몸체(B1)는 외축(S2)의 후단부에 결합되고, 결합방식은 스플라인 방식으로 하여 브레이크 전체가 외축과 같이 회전하도록 한다. 스플라인 방식을 취하는 것이 분해조립에 용이하기 때문에 바람직하다. 도시된 바와 같이, 브레이크 몸체(B1)의 중심을 관통하여 내축(S1)은 발전기의 전기자 부분에 연결된다. 브레이크 몸체(B1)는 발전기(G)의 외측 자극부에 볼트 등으로 결합되므로, 외축(S2)의 회전력을 발전기의 자극부로 전달할 수 있다.

이 몸체(B1)에 등간격으로 방사상으로 다수의 원형 구멍(H)이 형성되는데, 구멍(H)의 위치는 볼트가 관통하는 부분 사이사이에 배치된다. 이 구멍은 외측부분의 대경부(B3)와 내측부분의 소경부(B5)로 구분되어 단턱을 형성하고, 후술하겠지만 이 단턱부에는 스프링이 지지된다. 각각의 구멍(H)에는 실질적인 브레이크 기능을 하는 내외측 브레이크슈를 연결하는 원통형 연결부(B7)가 배치되는데, 이 연결부의 직경은 구멍(H)의 소직경보다 약간 작아서 구멍안에서 움직일 수 있다.

연결부(B7)의 방사상 안쪽 단부에는 내부 브레이크슈(BS1)가 일체로 형성되지만, 내축(S1)과 일정한 간격을 두도록 배치되며, 그 형상은 내축의 원주부와 일치하는 얇은 아치형의 판 모양이다. 또, 원통형 연결부(B7)의 외단부에서 약간 안쪽에는 원주를 따라서 돌출한 단턱부(B9)가 형성된다. 따라서, 도면에서 보는 바와 같이, 이 단턱부(B9)와 구멍(H)의 단턱부 사이에 스프링(B11)을 설치할 수 있다. 또, 원통형 연결부(B7)의 방사상 외단부에는 아치형의 외부 브레이크슈(BS2)가 일체로 연결되는데, 이 브레이크슈(BS2)의 형상 역시 내부 브레이크슈와 동일한 곡률의 얇은 아치형 판 모양이다. 이 브레이크슈(BS2)는 후술하는 브레이크패드(BP)와 약간 떨어져 있다. 이렇게 구성된 브레이크의 구성에 의하면, 연결부 외주부에 배치된 스프링(B11)에 의해 평상시 연결부(B7)가 반경 외측 방향으로 힘을 받게 된다.

한편, 하우징(1)의 내주변과 외부 브레이크슈(BS2) 사이에는 얇은 브레이크패드(BP)가 동일한 아치형의 얇은 판 모양으로 배치되어 있는데, 이 브레이크패드는 평상시 외부로 벌어지는 탄성을 갖는다. 브레이크패드(BP)의 외주부에는 얇은 띠강판 형태의 브레이크 와이어(BW)가 감겨져 있다. 이 브레이크 와이어의 일단부는 하우징(1)의 내부에 고정되고, 브레이크패드(BP)의 외주변을 둘러싼 다음 타단부는 풍차발전기의 외부로 배치된다. 따라서, 외부에서 조작자가 브레이크 와이어를 당기는 등의 조작을 수동으로나 자동으로 할 수 있다.

이런 구성의 브레이크 시스템에서, 브레이크 와이어(BW)의 타단부를 자동으로나 수동으로 당기면 브레이크패드(BP)가 외부 브레이크슈(BS2)와 마찰을 하면서 브레이크 몸체(B1)가 정지하게 된다. 따라서, 브레이크 몸체에 스플라인 결합된 외축(S2)도 회전을 정지하게 된다. 브레이크 와이어를 계속 더 당기면 연결부(B7)가 스프링의 힘을 극복해 방사상 안쪽으로 밀리면서 내부 브레이크슈(BS1)가 내축(S1)과 마찰하여 내축의 회전을 정지시키게 된다. 즉, 내축과 외축을 하나의 브레이크 시스템으로 동시에 정지시킬 수 있는 것이다.

이와 같이 구성된 본 고안에 따른 풍력발전기의 날개 직결형 양방향 발전시스템에 의하면, 2개의 날개를 이용해 양방향으로 회전하는 발전기를 별도의 동력전달기구를 거치지 않고 곧바로 날개의 회전축에 직결할 수 있으므로, 별도의 설치공간이 불필요함은 물론 동력전달과정에서 발생하는 에너지 손실을 최소화할 수 있고, 구성 부품이 대폭적으로 줄어들고 구성이 간단하여 제작비용도 획기적으로 절감할 수 있다.

또, 전술한 바와 같이, 태풍이 불거나 풍속이 높거나 또는 고장수리나 유지보수를 위해 풍력발전기의 날개회전을 정지시켜야 할 경우, 특히 날개가 2개이고 회전축이 2개일 경우에도 이들 2개의 회전축을 하나의 브레이크 장치로 동시에 정지시킬 수 있으므로, 조작과 구성이 간단하다. 이런 브레이크는 종래의 브레이크와는 전혀 다른 개념으로서 제동성능을 획기적으로 향상할 수 있다.

도 1은 본 고안에 따른 장치의 전체적인 측단면도;

도 2는 도 1의 구성중 회전축과 브레이크 부분의 확대단면도;

도 3은 도 1, 2의 브레이크 시스템의 정면 단면도;

도 4는 도 3의 측단면도.

Claims

풍력발전기의 전방 끝단에 설치된 2개의 날개(3,5)에 의해 서로 역방향으로 구동하는 2개의 회전축에 의해 발전기(G)의 자극부와 전기자가 서로 역방향으로 회전하면서 발전을 하는 풍력발전기용 양방향 발전기에 있어서:

2개의 날개중 한쪽 날개(3)에 직결되어 회전하고, 풍력발전기의 지지기둥 상단에 설치된 하우징(1) 내부에 설치된 회전축인 내축(S1);

2개의 날개중 나머지 날개(5)에 직결되어 내축(S1)과는 반대방향으로 회전하고, 상기 회전 내축(S1)와 동심으로 하우징(1) 내부에 상기 내축(S2) 외주부에 배치되는 외축(S2);

상기 외축(S2)을 관통하여 후방으로 연장하는 내축(S1) 외주부에 설치되어 외축(S2) 후단에 결합되어 평상시 외축(S2)과 함께 회전하며, 제동시에 내축(S1)과 외축(S2)을 동시에 제동하는 브레이크 시스템(B);

상기 브레이크 시스템(B) 후방에 배치되며, 전기자 부분은 상기 내축(S1)에 연결되며 자극 부분은 브레이크 시스템(B)을 통해 상기 외축(S2)에 연결되어, 전기자와 자극이 서로 역방향으로 회전하는 발전기(G);를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개 직결형 양방향 발전시스템.
제1항에 있어서, 상기 외축(S2)이 일정한 간격을 둔 2개의 제1 베어링(10)에 의해 상기 내축(S1)에 지지되어 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개직결형 양방향 발전시스템.
제2항에 있어서, 상기 외축(S2)이 일정한 간격을 둔 2개의 제2 베어링(12)에 의해 하우징(1)에 지지되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개직결형 양방향 발전시스템.
제1항 내지 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 브레이크 시스템(B)은,

상기 내축(S1)의 원주부에 배치되고 상기 외축(S2)의 내단부에 스플라인 결합되어 외축과 함께 회전하며, 상기 발전기(G)의 외측 자극부에 볼트 등으로 결합되어 외축(S2)의 회전력을 발전기의 자극부로 전달하는 원통형의 몸체(B1);

상기 몸체(B1)에 등간격으로 반경 방향으로 형성되고, 외측부분의 대경부(B3)와 내측부분의 소경부(B5)로 구분되어 단턱이 진 다수개의 원형 구멍(H);

상기 구멍(H) 각각에 설치되고, 내축(S1)과의 사이에 배치되어 구멍에 걸리는 아치형의 내부 브레이크슈(BS1);

상기 브레이크슈(BS1)에 연결되고 상기 구멍(H)보다 작은 직경을 가지며 구멍(H)을 관통하는 원주형 연결부(B7);

상기 연결부(B7)의 외단부 부근에 돌출형성된 단턱부(B9);

상기 연결부(B7)의 외단부에 연결되어 구멍(H) 외부에 브레이크패드(BP)와 약간 떨어지게 배치되는 아치형의 외부 브레이크슈(BS2);

상기 연결부(B7)의 단턱부(B9)와 구멍(H)의 단턱부 사이에서 연결부 외주부에 배치되어 평상시 연결부(B7)를 반경 외측 방향으로 밀어주는 스프링(B11);

상기 하우징(1)의 내주변과 외부 브레이크슈(BS2) 사이에 배치되고 단면이 아치형으로서, 평상시 외부로 벌어지는 탄성을 갖는 얇은 브레이크패드(BP); 및

일단부는 상기 하우징(1)의 내부에 고정되고, 상기 브레이크패드(BP)의 외주변을 둘러싼 다음 타단부는 풍차발전기의 외부로 배치되는 브레이크 와이어(BW);를 포함하고,

상기 브레이크 와이어(BW)의 타단부를 자동으로나 수동으로 당기면 브레이크패드(BP)가 외부 브레이크슈(BS2)와 마찰을 하면서 브레이크 몸체(B1)가 정지함으로써 외축(S2)의 회전을 정지시키고, 브레이크 와이어를 계속 당기면 연결부(B7)가 스프링의 힘을 극복해 안쪽으로 밀리면서 내부 브레이크슈(BS1)가 내축(S1)과 마찰하여 내축의 회전을 정지시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개직결형 양방향 발전시스템.