KR20040097122A - 결합식 와류 수직 축 윈드 터빈 - Google Patents

Abstract

한 쌍의 수직축 윈드 터빈(1)이 강화된 공기역학적 효율을 제공하기 위해 그들의 와류가 서로에 대해 상호 작용하도록 서로에 대해 밀접한 부근에 배열된다. 윈드 터빈(1)들은 기계 및 사용자의 안전을 제공함과 동시에 가능한 밀접하게 이격된다. 인접한 윈드 터빈(1)들은 결합식 와류 효과를 강화하도록 반대 방향으로 회전한다. 수직축 윈드 터빈(1)들은 랜드의 파셀로부터 더 많은 에너지 발생을 제공하도록 "부시 트리(bush tree)" 형태의 수평 축 윈드 터빈의 열 아래에 위치될 수 있다. 수직축 터빈(1)은 결함 상태가 해소된 후 자동 재설정하는 간단하고 초정압(redundant)의 안전 보장식 브레이킹 시스템(14, 15)을 포함한다. 브레이킹 시스템은 기계적(14, 15)이고 동역학적(23)인 브레이킹을 포함하며, 주 브레이크가 실패하는 경우에도 윈드 터빈을 정지시키는 속도 조절기도 포함한다.

Description

결합식 와류 수직 축 윈드 터빈 {COUPLED VOLTEX VERTICAL AXIS WIND TURBINE}

수직 축 윈드 터빈이 오랫동안 알려져 왔다. 수직 축 윈드 터빈에 관한 가장 일반적인 설계로는 트로포스킨(troposkien) 형상의 곡선형 블레이드를 사용하는 다리우스 터빈(Darrius turbine)이 있다. 다른 수직 축 터빈은 하나 이상의 블레이드 지지 아암으로 수직 샤프트에 부착된 직선형 블레이드를 사용한다.

현대의 수직 축 터빈은 로터에 기동력을 제공하는 공기역학적 드래그를 사용하기 보다는 리프트를 제공하는 에어포일을 사용한다. 리프트 생성 에어포일의 사용은 드래그형 장치에 비해 로터의 공기역학적 효율을 크게 증가시킨다. 그러나, 리프트 생성 에어포일을 사용하더라도, 종래의 수직 축 터빈은 수평 축 터빈에 비해 몇 가지 단점들을 갖는다. 대부분의 수직축 윈드 터빈이 달성하는 피크 공기역학적 효율은 대략 25-30% 이다. 또한, 수직 축 윈드 터빈은 본래 자동으로 시작하지 못하고, 회전을 위해 시작 모터의 사용을 필요로 한다. 이러한 고유한 문제점들을 해결하기 위해 기본 수직 축 윈드 터빈에 대한 몇 가지 개선책들이 시도되어왔다.

참고 문헌으로서 본원에 그 명세서의 내용이 합체되어 있는 미국특허 제4,115,027호는 수직 축 리프트형 윈드밀을 개시하고 있다. 공기역학적 리프트를 제공하는 수직 에어포일이 로터를 형성하도록 중심 샤프트 둘레에 스트럿(struts)으로 장착된다.

참고 문헌들로서 본원에 그 명세서의 내용이 합체되어 있는 미국특허 제5,027,696호 및 제5,332,925호는 미국특허 제4,115,027호의 윈드밀에 대한 다양한 개선책들을 개시하고 있다. 개선책들은 높은 윈드 동안 효율을 향상시키고 구조적 로드를 제한하는 새로운 브레이킹 시스템, 두꺼운 에어포일을 사용, 구동 벨트 변속기, 두 개의 속도 작동부, 회전가능한 스테이터를 포함한다.

상기 참조 특허 모두의 윈드 터빈은 로터를 통해 윈드 플로를 안내하도록 로터의 외측 상에 있는 고정 페어링(stationary fairings)을 이용하여 효율을 향상시킨다. 이러한 접근책은 윈드 터빈의 성능을 현저하게 향상시키게 되는 것으로 알려져 있지만(공기역학적 효율이 52% 정도로 측정된다), 이는 지지되어야만 하는 부가의 구조물을 초래하고 스톰 조건 동안 구조물에 가해지는 윈드 로딩을 증가시키는 플랜폼 영역(planform area)을 추가한다. 고정 페어링과 같은 구조 요소가 필요 없이 유사한 성능 개선을 달성하는 것이 바람직하다.

상기 참조 특허들의 윈드 터빈은 또한 매우 신뢰성이 있으나 기동후 수동 재설정을 요구하는 것으로 알려진 기계적 브레이킹 시스템을 이용한다. 조작자가 현장에 내내 있지 않게 되면, 이는 오랜 터빈 휴지 시간과 낮은 유용성을 초래할 수있다. 터빈 시스템에 결함이 발생할 경우 자동으로 결합하고 결함 상태가 해소된 후에는 터빈을 운전 상태로 자동으로 재설정 및 복귀시키는 브레이킹 시스템을 합체하는 것이 바람직하다.

최소의 지지 구조체를 필요로 하면서 높은 공기역학적 효율을 달성하는 수직 축 윈드 터빈을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 랜드의 파셀(parcel) 상에 에너지 발생을 최대화하도록 "부시 트리(bush tree)" 형태의 수평 축 윈드 터빈의 기존 열 아래에 사용하는데 적합한 수직 축 윈드 터빈을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 결함이 해소된 후에 자동 재설정할 수 있는 견고하고 신뢰성 있는 자동 공기역학적 및 기계적 브레이킹 시스템을 합체한 수직 축 윈드 터빈을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 기어박스 및 발전기와 같이 보다 자주 살펴볼 필요가 있는 부품에 대한 용이한 접근을 제공함으로써 보수의 빈번함 및 곤란함을 최소화하는 것이 바람직하다. 외부 지지 프레임을 채용하는 것 보다 가이형(guyed) 샤프트 구조체 또는 가이형이고 외부에 지지된 프레임을 채용함으로써 터빈을 구조적으로 보다 더 간단하게 만드는 것이 바람직하다. 외부 가이형 구조체는 필요한 부품의 개수를 최소화시킨다. 이들 구조체들은 터빈의 와류 효과를 향상시키도록 보다 청정한 공기역학적 플로우 필드를 또한 제공할 수 있다. 또한, 높은 강률의 로터를 채용함으로써 자동 기동 능력을 개선시키고 터빈의 와류 효과를 향상시키는 것이 바람직하다.

본 발명은 윈드 터빈 발전기 기술 분야에 관한 것으로서, 특히 수직 축을 중심으로 회전하는 윈드 터빈에 관한 것이다.

본 발명의 다른 특징들과 잇점들은 첨부 도면과 연관하여 취해진 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도1은 본 발명에 따른 가이형 수직 축 윈드 터빈의 사시도이다.

도2는 본 발명의 양호한 제2 실시예의 사시도이다.

도3은 결합식 와류 형태로 배열된 본 발명에 따른 두 개의 윈드 터빈의 사시도이다.

도4는 결합식 와류 형태로 배열된 본 발명에 따른 한 쌍의 수직 축 윈드 터빈의 개략적인 평면도이다.

도5는 결합식 와류 형태로 열을 지어 배열된 본 발명에 따른 복수개의 수직 축 윈드 터빈의 사시도이다.

도6은 결합식 와류 형태로 열을 지어 배열된 본 발명에 따른 복수개의 수직 축 윈드 터빈의 개략적인 평면도이다.

도7은 부시 트리 형태의 수평 축 윈드 터빈의 열과 함께 결합식 와류 형태로 배열된 수직 축 윈드 터빈의 열의 사시도이다.

도8은 본 발명에 따른 구동 트레인 및 발전기 장치의 개략적인 측면도이다.

도9는 본 발명에 따른 브레이크 및 블레이드 엑츄에이션 장치의 개략적인 측면도이다.

도10은 브레이크가 결합된 본 발명에 따른 브레이크 및 블레이드 동작 배열의 개략 측면도이다.

도11은 본 발명에 따른 브레이크 트립 스위치의 평면도이다.

도12는 롤러 베어링 면의 사시도이다.

본 발명은 두 개의 인접한 윈드 터빈들 사이의 와류 상호작용을 통해 그리고높은 강률의 로터를 채용함으로써 증가된 공기역학적 효율을 갖는 윈드 터빈을 제공한다. 와류 상호작용은 에너지 항풍의 방향에 대한 그 각도 배향뿐만 아니라 인접한 터빈들의 밀접한 배치의 결과이다. 인접한 터빈은 결합식 와류 상호작용을 달성하도록 반대 방향으로 또한 회전해야 된다.

가이형 샤프트 구조체는 또한 케이블 대 케이블 및 케이블 대 로터 공차를 제공하는 스테절드 형태의 세 개 또는 네 개의 케이블 지지 포인트 형태 중 어느 하나를 채용함으로써 열의 형태로 근방에 위치될 수 있다. 윈드 터빈은 터빈의 열 전방에 걸쳐 발생하는 공기역학적 향상책을 통해 결합식 윈드 터빈의 긴 열로 배열될 수 있다. 터빈의 열은 에너지 우세 풍향(prevaling wind direction)에 수직한 방향으로 배향되어야 한다. 이러한 터빈의 배향은 강한 우세 풍향 및 작은 방향 변동성을 갖는 지정학적 영역에 특히 적합하다.

와류 결합식 터빈의 열은 수평 축 터빈의 열 아래에 위치될 수 있다. 이러한 "부시-트리" 형태는 랜드의 파셀로부터 벗어날 수 있는 에너지 포획을 최대로 한다. 수평 축 터빈의 공기역학적 성능은 그들 아내의 수평 축 터빈의 존재로 인해 개선될 수 있다. 수직 축 터빈의 열은 높은 에너지 플로우를 수평 축 윈드 터빈의 풀로우 필드로 가져가는 수직 혼합 효과를 제공할 수 있는 것이 가능하다.

터빈은 공압 브레이킹 시스템은 터빈을 자동으로 해제하여 결함 상태가 해소된 후에 작동을 다시 시작하도록 만드는 공압 브레이킹 시스템을 사용한다. 공압 브레이크는 추를 거쳐 통상 가해지도록 추를 통해 편향되고, 공압 실린더가 브레이크 및 추를 리프트시키도록 압축될 때 해제된다. 통상 폐쇄된 솔레노이드 밸브는공압 실린더에 대한 압력을 제어한다. 밸브는 전기적으로 기동된다. 전력 공급이 끊겼을 때, 밸브는 실린더에 대한 압력을 해제하도록 개방된다. 전력 공급이 재개되면, 밸브는 폐쇄되고 압축기는 추를 리프트시키고 브레이크를 해제하도록 실리더를 압축한다. 이는 전력의 손실이 있는 경우 터빈을 멈추도록 브레이크가 가해지고, 전력이 재저장되는 경우 해제되는 것을 보장한다. 전력이 손실되지는 않았지만 소정의 이유로 발전기가 기능하지 못한다면 솔레노이드 밸브를 개방시키도록 토글 스위치가 제공된다.

연동 장치는 블레이드 피치를 조절하도록 기계적 브레이크와 시스템을 결합한다. 브레이크가 가해질 때, 블레이드들은 드래그 브레이크로서 작용하도록 45도로 피치한다. 이러한 방식으로, 터빈은 보다 더 신뢰성을 갖는 여분의 기계적 및 공기역학적 브레이킹을 갖는다.

많이 마모되어 보수를 필요로 하는 터빈 부품은 그라운드 레벨에 위치된다. 터빈의 가이형 샤프트는 샤프트의 바닥에 위치된 한 쌍의 베어링에 의해 지지된다. 두 개의 베어링은 대략 3 피트 만큼 수직으로 분리된다. 두 개의 베어링의 최상부는 고정 위치에 유지되어 주 샤프트의 정지 추만을 지지한다. 베어링의 최상부는 수평으로 활주하는데 있어 자유로워서 가이형 샤프트가 흔들리는 것을 허용한다. 하부 베어링은 로터에 가해지는 공기역학적 드래그로부터 수직력과 블레이드의 추를 지지한다. 상부 베어링에 가해지는 로드는 베어링이 터빈의 수명을 지속시킬 정도로 충분히 낮다. 하부 베어링은 카트리지 교체를 위해 쉽게 제거될 수 있는 곳에 위치된다. 하부 베어링 지지부는 볼 베어링의 간단한 프레임을 채용함으로써수평으로 이동하는데 자유롭다.

본 발명의 양호한 실시예에서, 터빈은 세 개의 적층 모듈로 된 세 세트의 블레이드를 포함한다. 최하부 모듈의 블레이드 만이 브레이킹 작동시 피치된다. 블레이드의 바닥 세트는 보수를 위한 접근을 위해 그라운드 레벨로부터 쉽게 도달될 수 있다. 블레이드의 피쳐블 세트는 브레이킹시 피칭 운동으로 인해 다른 두 개의 고정된 피치 세트의 블레이드 보다 높은 보수성을 요구할 것으로 예상된다. 블레이드의 마모 레벨은 브레이킹이 비교적 드물게 발생하기 때문에 높을 것으로 예상되지 않는다. 두 개의 상부 모듈은 피칭 운동으로부터 블레이드를 제한하고 마모를 최소화하는 내구성 있는 핀 연결부를 구비한 요크형 부착부와 부착된 블레이드를 채용한다. 가이형 샤프트의 꼭대기에 있는 베어링은 케이블 부착 하우징에 둘러싸여 대기 노출로부터 격리된다. 이렇게 함으로써, 그리이징 필요를 감소시키고 마모를 최소화할 것으로 예상된다.

도1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 수직 축을 중심으로 회전하는 메인 샤프트(2)를 구비한 윈드 터빈(1)을 포함한다. 메인 샤프트(2)는 터빈의 작동 중 및 터빈이 멈출 수도 있는 고속의 바람 중에서 압축, 토크 및 굽힘 하중을 견디기에 충분한 직경과 두께를 갖는 강관으로 제조되는 것이 바람직하다. 4개의 블레이드(3)가 메인 샤프트(2)에 부착된다. 블레이드의 수는 익현 길이(chord length) 또는 로터 직경이 소정의 강률(solidity)을 유지하기 위해 변경될 필요가 있더라도 설계적 선택에 따라 변경될 수 있다. 4개의 블레이드가 바람직한 실시예이다. 각 블레이드(3)는 한 쌍의 블레이드 암(4)에 의해 메인 샤프트(2)에 부착된다. 각 블레이드(3)에 대해 단일의 블레이드 암(4)을 사용하는 것을 생각할 수 있지만, 바람직한 실시예에서는 각 블레이드(3)에 대해 2개의 블레이드 암(4)을 사용한다. 블레이드 상에의 공기역학적 팁 효과(aerodynamic tip effects)를 감소시키고 블레이드 암(4) 부착 지점에서의 블레이드(3)의 굽힘 응력을 회피하기 위하여, 블레이드(3)의 단부에서 각 블레이드(3)에 블레이드 암(4)을 자유롭게 부착시키는 것도 바람직하다. 핀 연결(pinned connection)과 같이 모멘트가 없는 연결을 이용하여 블레이드(3)를 암(4)에 부착시키는 것이 바람직하다.

로터의 높이(H)는 블레이드(3)의 길이로 정해진다. 로터의 직경(D)은 샤프트(2)의 중심선으로부터 블레이드(3)의 익현 선(chord line)까지의 거리의 두 배로 정해진다. 로터의 전체 행정 면적은 로터 높이(H) 곱하기 로터 직경(D)으로 정해진다. 각 블레이드(3)는 블레이드의 익현 폭(C) 곱하기 블레이드의 길이(H)로 정해지는 플랫폼 면적을 갖는다. 로터에 4개의 블레이드가 있기 때문에, 전체 블레이드 플랫폼 면적은 개별 블레이드에 대한 플랫폼 면적의 4배이다. 전체 블레이드 플랫폼 면적을 로터 면적으로 나눈 것이 로터 강률이다. 본 발명의 경우에 있어서, 로터 강률은 33%인 것이 바람직하다. 드래그식 풍차 로터(drag type windmill rotor)에 있어서는, 강률이 33%보다 훨씬 클 수 있으며 종종 100%이다. 30% 내지 40% 범위 내의 로터 강률이 최적의 성능을 제공하며 33%의 강률이 바람직함이 실험에 의해 판명되었다.

메인 샤프트(2)의 하단부는 드라이브 트레인 하우징(5; drive train housing) 내에 지지되고 메인 샤프트(2)의 상단부는 베어링(6)에 의해 지지된다. 상부 베어링은 한 세트의 가이 케이블(7; guy cable)에 의해 지지된다. 메인 샤프트(2)는 블레이드 암(4)의 길이보다 큰 거리만큼 상부 세트의 블레이드 암(4) 위로 연장되어, 가이 케이블(7)은 지면에 묻힌 기초부(8)에 대해 45도 각도로 연장될 수 있다. 도1은 3개의 가이 케이블을 갖춘 구성을 도시하지만, 필요시에는 부지 토질의 조건, 지형 및 기타 인자에 따라 4개 이상의 가이 케이블을 사용할 수도 있다.

도2는 로터가 차례로 적층된 3개의 모듈(9)을 포함하는 본 발명의 제2 실시예를 도시한다. 각 모듈은 블레이드 암(4)을 통해 메인 샤프트(2)에 부착된 4개의 블레이드(3)를 포함한다. 제2 실시예의 각 모듈(9)은 제1 실시예의 로터와 유사하다. 각 로터 모듈(9)의 강률은 30% 내지 40%이며 바람직하게는 33%이다. 도2에 도시된 3개의 모듈(9)은 공통의 메인 샤프트(2)에 모두 연결되어 함께 회전한다. 3개의 모듈(9)의 블레이드(3)는 모듈 사이에 30도만큼 엇갈려 있다. 블레이드의 엇갈림에 의해 윈드 터빈의 출력이 고르게 된다. 도2에는 3개의 모듈이 도시되었지만, 2개의 모듈을 포함하는 것도 가능하며 4개 이상의 모듈을 포함하는 것도 고려될 수 있다.

도3에 도시된 바와 같이, 2개의 윈드 터빈(1)이 서로 매우 근접하여 위치되는 경우, 2개의 로터로부터의 선류(linear flow)와 와류(vortex flow)의 조합이 결합되어 양 로터의 효율이 증가된다. 도4는 2개의 윈드 터빈의 평면도로서, 로터직경(D)을 갖는 터빈들이 거리(L)만큼 이격된 중심선을 갖는 것을 보여준다. L이 D보다 약간 크다면, 로터는 L 빼기 D와 동일한 값인 거리(s)만큼 서로 이격된다. 두 개의 로터 사이의 거리(s)는 적절하게 기계와 사람의 안전을 기하면서 가능한 한 작게 유지되어야 한다. 대략 3 피트(91.44 cm)의 거리가 바람직하다. 인접한 로터의 이러한 근접 배치를 결합식 와류 배열(coupled vortex arrangement)로 칭한다. 결합식 와류 배열에 있어서, 2개의 로터는 공기역학적 효율을 바람직하게 증가시키기 위하여 대향 방향으로 회전해야 한다. 2개의 로터의 회전 방향은 도4에 화살표로 도시되어 있다.

결합식 와류 배열에서 윈드 터빈은 2개의 윈드 터빈의 중심선을 연결하는 선이 우세 에너지 풍향(prevailing energy wind direction)에 수직하도록 배향되어야 한다. 이상적으로는 풍향이 도4에 도시된 방향에 대해 20도 이상 변하지 않아야 한다. 산길과 같이 강한 우세 풍향이 있는 부지에서 이를 달성하는 것이 가능할 수 있다. 그러나, 강한 우세 풍향이 없는 부지에서는 로터를 위한 결합식 와류 배열이 잘 작용하지 않을 수도 있다.

도5에 도시된 바와 같이, 긴 열의 윈드 터빈은 결합식 와류 배열로 배치될 수 있다. 긴 열의 윈드 터빈이 그렇게 배치될 때, 각 로터의 중심선은 로터 직경(D)보다 아주 약간 큰 거리(L)만큼 인접 로터의 중심선으로부터 이격되어, 각 쌍의 로터 사이에는 작은 간격(s)이 존재한다. 도6에 도시된 바와 같이, 각 로터는 이웃한 터빈에 대향 방향으로 회전해야 한다. 이런 식으로, 모든 제2 터빈은 위에서 볼 때 시계 방향으로 회전하게 되는 한편, 사이에 있는 터빈들은 위에서 볼 때 반시계 방향으로 회전하게 된다.

도7에 도시된 바와 같이, 윈드 터빈의 열은 수평 축 윈드 터빈의 열 아래에 위치되어 부시 트리 형태를 형성할 수 있다. 이에 따라, 토지의 일 구획으로부터 큰 에너지 추출이 가능하다. 또한, 아래쪽에 있는 하부 에너지 공기를 그 위의 높은 에너지 공기와 수직 혼합하거나 교환시킴으로써 수평 축 윈드 터빈의 성능을 향상시킬 수도 있다. 관목 구성의 가능한 또 다른 상승 작용은, 수평 축 터빈을 위한 기초부가 결합식 와류 열의 수직 축 윈드 터빈을 지지하는 가이 와이어를 위한 고정 지점의 기능을 하도록 변경될 수 있다는 것이다. 이러한 구성은 단일 방향성 우세 풍이 있는 부지에 특히 적합하다.

본 발명의 윈드 터빈을 위한 드라이브 트레인은 미국 특허 제5,027,696호 및 제5,332,925호의 기재와 유사하며, 이들 특허는 본 발명에 참조된다. 도8에 개략적으로 도시된 바와 같이, 드라이브 트레인은 메인 샤프트(2)의 회전 속도를 발전기를 구동하는데 유용한 속도까지 증가시키는 샤프트 장착식 기어박스(10)로 구성된다. 벨트 드라이브(11)는 기어박스(10)로부터 발전기(12)로 전력을 전달한다. 벨트 드라이브(11)는 추가의 속도 증가를 제공할 수 있으며, 또한 드라이브 트레인에 얼마간의 가요성(flexibility)을 도입시켜 토크 스파이크를 완화시킨다. 기어박스(10)는 구속이 없는 한 토크의 방향으로 회전하는 샤프트 장착식이다. 본 실시예에 있어서, 기어박스(10)는 회전의 작은 각도 증분으로 억제되어 벨트 장력은 (감쇠 없이) 느슨한 상태로부터 긴장 상태로 변경된다. 이러한 각도 증분은 조절 가능하다. 충격 흡수 장치(13)는 시동 중 드라이브 트레인을 안정화시키고 토크스파이크를 완화시키는 양의 토크 방향으로 기어박스(10)의 각도 회전 비율을 제한한다. 표준 광 트럭 충격 흡수 장치가 본 실시예에 채용된다.

본 실시예는 벨트 드라이브를 포함하지만, 벨트 드라이브(11)가 드라이브 트레인으로부터 제거되는 것도 가능하다. 본 실시예에서 발전기(12)는 표준 비동기식 유도 발전기이다. 일정한 속도로 또는 가변 속도로 작동하는 다른 유형의 발전기나 교류기가 사용될 수도 있다.

도9 및 도10에 개략적으로 도시된 윈드 터빈을 위한 브레이킹 시스템은 중요한 구성요소이다. 터빈이 작동할 수 있는 해제 상태에 있는 브레이킹 시스템이 도9에 도시되어 있다. 도10은 터빈을 중지시키기 위한 결합 위치에 있는 브레이킹 시스템을 도시한다. 윈드 터빈의 브레이킹 시스템은, 전기 그리드가 약하거나 발전기 또는 발전기의 제어부가 고장나서 발전기가 윈드 터빈 로터의 속도를 더 이상 제한할 수 없는 경우에 윈드 터빈이 손상을 주는 속도까지 가동되지 않는 것을 보장해야 한다. 또한, 브레이킹 시스템은 윈드 터빈에 결함이나 기타 문제가 발생한 경우 단시간 동안 윈드 터빈을 중단시킬 수 있어야 한다.

도9 및 도10에 도시된 바와 같이, 브레이킹 시스템은 메인 샤프트(2)의 하부 플랜지(15) 위에 위치한 브레이크 디스크(14)로 구성된다. 브레이크 디스크(14)의 내경은 메인 샤프트(2)의 외경보다 약간 커서 디스크(14)의 회전과 상하 이동 모두가 가능하다. 디스크(14)는 하부 플랜지(15), 브레이크 디스크(14) 및 하부 플랜지(15)와 동일한 플랜지(17)를 통해 설치되는 몇 개의 핀(16)에 의해 메인 샤프트(2)에 대한 회전 운동에 제한을 받는다. 플랜지(15 및 17)는 메인 샤프트(2)에 용접되고 (서로 동일한 크기인) 상기 플랜지들의 외경은 브레이크 디스크(14)의 외경보다 상당히 작다. 브레이크 디스크(14)는 플랜지(15 및 17) 사이에서 수직으로 자유롭게 움직인다. 상부의 고정 슈(18; shoe) 세트와 하부의 가동 슈(19) 세트인 두 세트의 브레이크 슈가 제공된다. 가동 슈(19)는 수직으로 자유롭게 이동하며 수직 평면 내에서 자유롭게 피봇한다. 가동 슈(19)는 풀크럼 핀 샤프트(21; fulcrum pin shaft) 상의 수직 평면 내에서 피봇하는 브레이크 암(20)의 짧은 단부 상에 장착된다. 추(22)가 브레이크 암(20)의 단부에 제공되어 제동력을 제공한다. 풀크럼 핀(21)은, 풀크럼 핀(21)으로부터 추(22)를 지지하는 브레이크 암(20)의 단부까지의 거리가 핀(21)으로부터 가동 브레이크 슈(19)의 중심까지의 거리의 10배가 되도록 위치된다. 메인 샤프트(2)의 각 측면에 2개의 평행한 브레이크 암(20)이 장착된다. 브레이크 암(20)의 긴 단부가 풀크럼(21)을 중심으로 하강할 때, 짧은 단부는 상승하여 가동 슈(19)를 상향으로 이동시킨다. 가동 슈(19)는 브레이크 디스크(14) 아래에 위치하여, 슈(19)가 상승할 때 디스크(14)와 접촉한다. 브레이크 암(20)의 긴 단부를 더욱 하강시키면, 브레이크 디스크(14)는 상부의 고정 브레이크 슈(18)와 접촉할 때까지 상승된다. 그 후, 디스크(14)는 상부의 브레이크 슈(18)와 하부의 브레이크 슈(19) 사이에 개재된다. 이 상태가 도10에 도시되어 있다. 이 때, 제동력은 추(22)에 지레의 기계적 이점을 곱한 것이 되거나 추(22)의 10배가 된다.

브레이크 디스크(14)상의 브레이크 슈(18 및 19)의 기계적 제동력 외에, 윈드 터빈은 공기역학적 제동을 제공하기 위해 블레이드(3)를 정지(pitch)시키기 위한 시스템을 또한 포함한다. 공기역학적 브레이킹 시스템은 블레이드 암(4)의 하부 세트 근처의 높이에서 메인 샤프트(2) 상에 위치하는 블레이드 작동 디스크(23; blade activation disk)를 포함한다. 블레이드 작동 디스크(23)의 내경은 메인 샤프트(2)의 외경보다 약간 커서 디스크(23)는 메인 샤프트(2)를 중심으로 자유롭게 회전할 수 있으며 샤프트(2)를 따라 상하로 자유롭게 이동할 수 있다.

일 세트의 블레이드 피치 케이블(24,25)이 블레이드 작동 디스크에 부착된다. 제1 세트의 케이블(24)은 블레이드(3)의 선단 엣지에 부탁된다. 제2 세트의 케이블(25)은 블레이드(3)의 후방 엣지에 부착된다. 블레이드 작동 디스크(23)가 메인 샤프트(2)에 대해 회전될 때, 블레이드의 선단 엣지는 메인 샤프트로부터 떨어져 이동되고 후방 엣지는 블레이드(3)를 정지(pitch)시키기 위해 메인 샤프트(2)를 향해 이동되도록 각각 4형태의 케이블(24,25)이 존재한다. 블레이드(3)는 블레이드의 후방 엣지와 블레이드의 중력 중심 사이의 위치에서 블레이드 아암(4) 상에 피봇 장착된다. 중력의 중심이 피봇 위치의 전방부에 위치하기 때문에, 블레이드는 케이블(24)에 의해 제한되지 않는다면 정지되는 경향이 있다.

블레이드 작동 디스크(23)는 기계식 브레이크가 인가되는 동시에 회전된다. 일세트의 푸쉬 로드(26)는 브레이크 디스크(14)의 상부에 놓여지고 블레이드 작동 디스크(23)의 바닥면에서 상향으로 연장한다. 푸쉬 로드(26)는 블레이드 작동 디스크(23)의 바로 아래에 위치된 플랜지(17)와 다른 플랜지(27) 의 구멍 내에서 안내되고 제한된다. 플랜지(17,27) 내의 구멍은 푸쉬 로드가 구멍을 통해 수직으로 이동하도록 큰 치수를 갖는다. 기계식 브레이크가 인가될 때, 브레이크 디스크(14)는 상향 이동된다. 브레이크 디스크(14)의 상향 이동은 블레이드 작동 디스크(23)가 상향으로 이동하도록 푸쉬 로드(26)를 통해 블레이드 작동 디스크(23)에 전달된다. 제1 세트의 정지부(28)는 메인 샤프트(2)에 대해 회전 이동에 반대하여 블레이드 작동 디스크(23)에 부착된 멈춤쇠(29)를 제지한다. 그러나, 푸쉬 로드(26)가 블레이드 작동 디스크(23)를 상향으로 이동시킬 때, 블레이드 작동 디스크(23) 상의 멈춤쇠(29)는 정지부(28)없이 이동한다. 블레이드로부터의 원심력은 케이블(24,25)을 당기며, 그 결과 블레이드 작동 디스크(23)를 멈춤쇠(29)가 제2 세트의 정지부(30)와 결합하는 신규 위치에 놓이게 한다. 제1 세트의 정지부(28)는 터빈 작동을 위한 블레이드 피치 위치에 상응하며 제2 세트의 정지부(30)는 공기역학 브레이킹을 위한 블레이드 피치 위치에 상응한다. 이상적으로, 블레이드는 정지부(28,30) 사이에 대략 45도로 정지시켜야 한다. 일 세트의 스프링(31)은 블레이드 작동 디스크(23)를 멈춤쇠(29)가 정지부(28)와 결합되는 작동 위치로 역으로 당긴다. 로터 속도가 느릴때, 블레이드로부터 중심력은 스프링력(31)을 극복하기에 충분히 높지 않으며, 블레이드는 그 작동 위치로 반환된다. 기계식 브레이크가 해제될 때, 푸쉬 로드(26)는 하향으로 이동하며 멈춤쇠(29)가 정지부(28)에 의해 제한된 위치로 떨어진다. 이러한 방식으로, 블레이드는 공기역학 브레이킹을 제공하기 위해 브레이킹 작동 중에 정지되나. 제동이 해제될 때 그 작동 위치로 자동 반환된다. 공기역학 브레이크는 도9에 그 작동 위치가, 도10에서 블레이드가 정지된 정지 위치가 도시되어 있다.

윈드 터빈이 3개의 적층된 모듈을 포함하는 도2에 도시된 실시예에서, 공기역학 브레이크는 바람직하게 바닥 모듈상에서만 포함된다. 다른 두개의 모듈 상의 블레이드는 상부 모듈에서 마모 및 보수를 최소화하기 위해 피치 내에 고정된다.

도9 및 도10에 도시된 바와 같이, 브레이크 시스템은 하중(22) 및 브레이크 아암(20)의 단부를 상승 및 하강시키는 공압식 실린더(32)로 작동된다. 실린더(32)의 하단부가 가압될 때, 내부 피스톤은 하중(22) 및 브레이크 아암(20)을 상향으로 들어 올린다. 실린더(30)는 브레이크를 해제하기 위해 가압되어야 하며, 실린더 내의 압력이 해제될 때 브레이크가 인가된다. 실린더(32)로의 가압된 공기 공급원(33)은 브레이크 시스템을 제어하기 위해 제어된다. 공기 압축기(34)는 실린더(32)에 가압된 공기를 공급한다. 바랍직한 실시예에서, 하나의 컴프레서(34)는 일부 인접한 윈드 터빈 상에서 공기 실린더(32)에 대해 압축된 공기를 공급한다. 공기 실린더의 안밖으로의 유동은 솔레노이드 밸브(35)에 의해 제어된다. 밸브(35)는 발전기(12)에 동력이 중단되는 경우 브레이크가 작동되도록 발전기(12)에 동력을 제공하는 회로(36)에 의해 전기 작동된다. 압축된 공기 라인(33)은 실린더(32)와 컴프레서(34) 사이에서 개방된다. 밸브(33)에 전기 에너지가 중단될 때, 밸브(33)는 컴프레서(34)와 실린더(32) 사이에서 폐쇄되며, 가압된 공기를 중량(22) 및 브레이크 아암(20)이 하강하는 실린더(32)로부터 배출시키며, 브레이크 시스템을 결합시킨다. 이는 동력의 손실이 솔레노이드 밸브(45)를 해제시키고 공압 실린더(32)를 공급하는 공기 라인(33) 내의 압력을 해제하므로 인해, 브레이크가 인가되게 하는 안전 보장식(fail-safe) 설계이다. 밸브(33)로의 전기 에너지는 터빈 회로 또는 공익설비 공급내의 손상에 의해 중단될 수 있다. 또한, 브레이크 스위치(38)로 솔레노이드(36)와 컴프레서 회로(37)를 수동으로 스위칭 차단함으로써 중단될 수 있다. 수동 스위칭 작업에 추가하여, 솔레노이드 회로(36) 내의 토글 스위치(39)는 이를 작동 중단하기 위해 토글 스위치(39)의 통로 내부로 이동하는 트립 아암(40)에 의해 스위칭 차단될 수 있다. 트립 아암(40) 및 토글 스위치(39)는 도11에 도시되어 있다. 수동 스위치(38) 및 토글 스위치(39)는 수동으로 재설정되거나 제어 소프트웨어를 통해 재설정되어야 한다. 공공설비 회로 내에 결함이 있는 경우에, 브레이크는 결합되나, 전기가 복원될 때 자동 결합해제될 것이다.

도11에 도시된 바와 같이, 토글 스위치(39)는 트립 아암(40)에 의해 작동된다. 트립 아암(40)은 메인 샤프트 플랜지(15) 상에 장착된다. 트립 아암(40)은 메인 샤프트(2)로부터 회전이 자유로우나 스프링(41)에 의해 제한된다. 스프링(41) 응력은 회전자 속도가 허용가능한 속도보다 높을 때 즉, 재생 속도보다 약간 더 클 때, 트립 아암(40)이 토글 스위치(39)를 트립하기 위한 위치로 이동하도록 설정될 수 있다. 트립 아암(40)은 충분한 중량을 제공하기 위해 바람직하게 스틸이며 따라서 충분한 원심력을 갖는다. 대안의 실시예에서, 스위치(39)는 고상 속도 센서 또는 PLC 제어기에 의해 작동될 수 있다.

브레이킹 시스템이 충분한 기계적 및 공기역학 브레이킹을 포함한다 하더라도, 작동 시스템이 안전이 보장된다 하더라도, 윈드 터빈은 멀리 날아가는 것을 방지하기 위해 다른 충분한 브레이크 트립 시스템을 포함하는 것이 바람직하다고 경험적으로 나타나 있다. 충분한 로터 속도 조절 시스템은 도9 및 도10에 도시되어 있다. 일세트의 하중을 갖는 아암(42)은 바닥 로터 모듈의 상부 블레이드 아암(4)상에 베어링 장착된다. 두개의 아암(42)은 바람직한 실시예 내에 이용된다. 아암(42)은 로터가 장착중에 있을 때 매달려있다. 로터 속도가 증가될 대, 아암(42)은 위로 날아간다. 케이블(43)은 아암 피봇 지점으로부터 적절한 거리에 각각의 아암(42)이 부착되며, 블레이드 작동 디스크(23)의 상부에 연결된다. 로터 속도가 토글 스위치(39) 트립 속도 이상의 속도를 초과할때, 케이블(43) 내의 충분한 응력이 디스크(23)를 제1 세트의 정지부(28)위로 올리기 위해 전개된다. 블레이드(3)는 45도 피치 각도로 피치가 자유롭다. 공기역학 브레이킹 효과는 구조적으로 안전한 범위 내에서 로터 속도를 효과적으로 유지시킨다. 이는 로터를 보호하기 위한 안전 보장 시스템이다.

메인 샤프트(2)의 하단부는 도8에 도시되어진 바와 같이 두개의 바닥 베어링(44,45)에 의해 지지된다. 주베어링 또는 상부 베어링(44)은 기어박스(10) 및 기저부 위의 주 지지 크로스 비임(46)에 장착된다. 샤프트 시스템은 메인 샤프트(2) 및 구동 샤프트(47)를 포함한다. 이러한 샤프트 시스템은 주 베어링(44)에 대해 피봇회전할 수 있다. 베어링은 자체 정렬된다. 메인 샤프트(2) 및 구동 샤프트(47)를 포함하는 샤프트 시스템은 가이 케이블(7)이 하중 하에서 스트레칭되므로 요동한다. 바닥 베어링(45)은 드라이브 샤프트(47) 내의 변형 응력을 경감시키기 위해 수평면 내에 이동이 가능하다. 베어링(45)은 주 베어링(44) 보다 작다. 구동 샤프트는 베어링(45)을 적합하게 하고 베어링(45)이 주 베어링(44)과 스러스트 하중을 나눌수 있도록 하기 위해 바닥에서 단이 형성된다. 하부 베어링은 도12에 도시된 롤러 베어링 표면(49) 상에 놓여져 있는 플레이트(48) 상에 놓여져 있다.롤러 베어링 표면(49)은 베어링 지지 플레이트(48)가 드라이드 샤프트(47)상의 벤딩을 경감시키기 위해 수평면에 자류롭게 이동하게 한다. 이러한 모든 플레이트는 기저부(50)로부터 돌출된 고정 볼트에 의해 수평으로 제취이에 고정된 일부 플레이트를 통해 기저부(50)에 의해 지지된다. 하부 베어링(45)은 기저부(50)에 의해 지지된다. 하부 베어링(43)은 주 베어링(44)과 하부 베어링(45) 사이에 특정 하중 분배를 설정할 수 있는 적정 베어링 볼트(51)에 의해 플레이트(48) 상에 놓여진다.

도10은 롤러 베어링 표면(49)이 프레임(53)에 의해 제위치에 고정된 일렬의 볼 베어링(52)에 의해 형성된 표면이다. 모든 볼 베어링(52)은 동일한 직경을 갖는다. 볼 베어링(52)의 직경은 롤러 베어링(52) 상의 스틸 플레이트가 구형 베어링 상에 놓여지도록 프레임(53) 두께 보다 두껍다. 상부 베어링 플레이트(48)는 이러한 베어링(52) 상에서 구를 수 있다. 상부(48) 및 바닥(51) 플레이트는 구형 베어링(52)에 인접한 표면 상에 그리스를 친다.

상기 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시에를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 본 발명의 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 실시예에서 다양한 변형이 있을 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 기술된 특정 실시예로서만 제한되는 것이 아니라, 본 발명은 영역은 하기의 특허청구범위에 기재된 것으로 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

1. 한 쌍의 윈드 터빈이며,

   각 윈드 터빈은,

   수직 축에 대해 회전하는 샤프트와,

   소정의 반경 만큼 상기 샤프트로부터 반경방향 외측으로 이격되어 상기 샤프트와 함께 회전하도록 상기 샤프트에 부착된 블레이드와,

   브레이킹 시스템이 작동될 때, 상기 블레이드를 피치시키는 브레이킹 시스템을 포함하며,

   상기 한 쌍의 윈드 터빈의 샤프트들은 상기 반경의 세 배 미만인 거리만큼 서로로부터 이격되는 한 쌍의 윈드 터빈.
2. 제1항에 있어서, 상기 윈드 터빈 중 제1 윈드 터빈의 샤프트는 소정의 제1 방향으로 회전하며, 제2 윈드 터빈의 샤프트는 상기 제1 윈드 터빈과 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 윈드 터빈.
3. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 윈드 터빈의 샤프트들은, 상기 반경의 두 배를 초과하지만 상기 반경 더하기 3 미터(10 피트)의 두 배 미만의 거리만큼 서로로부터 이격되는 한 쌍의 윈드 터빈.
4. 제3항에 있어서, 상기 윈드 터빈의 쌍의 샤프트들은 상기 반경의 두 배를 초과하지만 상기 반경 더하기 1.5 미터(5 피트)의 두 배 미만의 거리만큼 서로로부터 이격되는 한 쌍의 윈드 터빈.
5. 제3항에 있어서, 상기 한 쌍의 윈드 터빈의 샤프트들은 상기 반경의 대체로 두 배이지만 상기 반경 더하기 0.9 미터(3 피트)의 두 배 미만의 거리만큼 서로로부터 이격되는 한 쌍의 윈드 터빈.
6. 제1항에 있어서, 상기 윈드 터빈은 30%를 초과하고 40% 미만의 로터 강률(rotor solidity)을 갖는 한 쌍의 윈드 터빈.
7. 제6항에 있어서, 상기 윈드 터빈은 대체로 33%의 로터 강률을 갖는 한 쌍의 윈드 터빈.
8. 제1항에 있어서, 상기 브레이킹 시스템은 안전 보장식 브레이킹 시스템인 한 쌍의 윈드 터빈.
9. 제8항에 있어서, 상기 브레이킹 시스템은 자동 재설정식인 한 쌍의 윈드 터빈.
10. 제8항에 있어서, 상기 브레이킹 시스템은 공압 액츄에이터를 포함하는 한 쌍의 윈드 터빈.
11. 제10항에 있어서, 하나의 공기 압축기가 상기 한 쌍의 윈드 터빈에서 두 윈드 터빈을 위한 상기 공압 액츄에이터에 대해 압축된 공기를 제공하는 한 쌍의 윈드 터빈.
12. 제1항에 있어서, 제3 윈드 터빈을 더 포함하며,

    상기 제3 윈드 터빈은,

    탑과,

    대체로 수평 축에 대해 회전하는 샤프트와,

    그 스웹 경로가 로터 상단 및 하단 높이를 한정하고, 상기 샤프트와 함께 회전하도록 상기 샤프트에 부착된 블레이드를 포함하며,

    상기 수평 축 윈드 터빈은 상기 한 쌍의 수직 축 윈드 터빈에 인접하게 배치되어, 상기 수평 축 윈드 터빈의 하단 높이가 상기 수직 축 윈드 터빈의 상부보다 높은 한 쌍의 윈드 터빈.
13. 제1항에 있어서, 상기 윈드 터빈은 우세 풍향을 갖는 위치에 설치되며, 상기 한 쌍의 윈드 터빈의 샤프트들 사이의 라인은 우세 풍향에 대체로 수직인 한 쌍의 윈드 터빈.