KR20060076215A - 풍력 발전 장치 - Google Patents

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KR20060076215A
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야스요시 도자끼
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Abstract

본 발명은 너셀을 소형 및 경량화할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 지지 기둥 상에 설치된 너셀(3)에 풍차 회전 블레이드(5)를 부착한 회전자 헤드(4)에 연결되어 일체로 회전하는 주축(11)과, 주축(11)의 회전을 증속하여 출력하는 증속기(20)와, 증속기(20)의 출력에 의해 구동되는 발전기(13)가 설치된 풍력 발전 장치에 있어서, 주축(11)으로부터 증속기(20)를 통하여 발전기(13)에 도달하는 드라이브 트레인(10)을 회전자 헤드(4) 내에 설치하였다.
너셀, 회전자 헤드, 풍차 회전 블레이드, 주축, 발전기, 드라이브 트레인

Description

풍력 발전 장치 {WINDMILL}
도1은 본 발명에 관한 풍력 발전 장치의 일실시 형태를 도시하는 도면으로, 너셀의 주요부를 확대해 내부 구성예를 나타내는 단면도.
도2는 풍력 발전 장치의 전체 구성예를 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 풍력 발전 장치
2 : 지지 기둥
3 : 너셀
4 : 회전자 헤드
5 : 회전 블레이드
6 : 기초
10 : 드라이브 트레인
11 : 주축
13 : 발전기
13a : 구동축
13b : 케이싱
20 : 증속기
21 : 유성 톱니 바퀴
22 : 태양 톱니 바퀴
23 : 출력축
30 : 너셀 다이판
31 : 주베어링
[문헌 1] 일본 특허 공개 제2001-304094호 공보
본 발명은 자연 에너지인 바람을 회전력으로 변환하는 풍차를 이용하여 발전을 행하는 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
종래부터 자연 에너지인 풍력을 이용하여 발전을 행하는 풍력 발전 장치가 알려져 있다. 이러한 종류의 풍력 발전 장치는 지지 기둥 상에 설치된 너셀에 풍차 회전 블레이드를 부착한 회전자 헤드와, 이 회전자 헤드와 일체로 회전하도록 연결된 주축과, 풍차 회전 블레이드에 풍력을 받아 회전하는 주축을 연결한 증속기와, 증속기의 축 출력에 의해 구동되는 발전기를 설치한 것이다. 이와 같이 구성된 풍력 발전 장치에 있어서는 풍력을 회전력으로 변환하는 풍차 회전 블레이드를 구비한 회전자 헤드 및 주축이 회전하여 축 출력을 발생하고, 주축에 연결된 증속기를 통하여 회전수를 증속한 축 출력이 발전기에 전달된다. 이로 인해, 풍력을 회전력으로 변환하여 얻어지는 축 출력을 발전기의 구동원으로 하여 발전기의 동력으로서 풍력을 이용한 발전을 행할 수 있다.
상술한 종래의 풍력 발전 장치에 있어서는 너셀의 전단부에 회전자 헤드가 배치되고, 너셀의 회전자 헤드 후방에 배치된 너셀 다이판 및 그 상부 공간을 형성하는 케이싱 내에 증속기 및 발전기를 수납한 구성으로 된다(예를 들어, 일본 특허 공개 제2001-304094호 공보 참조).
상술한 바와 같이, 종래의 풍력 발전 장치는 너셀의 전단부에 배치된 회전자 헤드로부터 주축에 회전 토크를 전달하고, 또한 증속기에서 회전수를 증속한 후 발전기에 동력을 전달하여 이용하는 구성이기 때문에 드라이브 트레인이 축 방향으로 길어진다. 그러나, 종래의 구성에서는 주축의 후단부측에 연결되는 증속기 및 발전기가 회전자 헤드 후방의 케이싱 내에 수납되고, 회전자 헤드 내에는 드라이브 트레인의 설치 공간으로서 이용되고 있지 않다. 이로 인해, 증속기 및 발전기의 수납 공간을 확보하기 위해서는, 특히 너셀의 너셀 다이판 및 케이싱 부분을 축 방향으로 길게 하여 너셀 전체를 대형화할 필요가 있었다. 이러한 너셀의 대형화는 너셀 다이판 및 케이싱의 중량 증가에 의해 너셀 자체의 중량이 증가하는 요인이 되고 있다.
또한, 최근의 풍력 발전 장치는 대형화되어 출력을 증가하는 경향에 있기 때문에 회전자 헤드, 주축, 증속기 및 발전기 등의 구성 부품도 대형화되어 중량이 증가한다. 이로 인해, 종래와 같은 구성에서는, 특히 너셀 다이판 및 케이싱을 포함하는 너셀 전체가 더욱 대형화되므로 너셀 전체가 대폭으로 중량 증가하는 것은 피할 수 없다. 이러한 너셀의 중량 증가는 너셀이 지지 기둥 상부에 설치되는 구조물이기 때문에, 예를 들어 지지 기둥의 설계 강도나 제조 비용에 큰 영향을 미치게 하는 등으로 하여 바람직하지 못하다. 이러한 배경으로부터, 너셀의 축 방향 길이를 가능한 한 짧게 하여 전체를 소형 및 경량화하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기의 사정에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 너셀을 소형 및 경량화할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 하기의 수단을 채용하였다.
본 발명에 관한 풍력 발전 장치는 지지 기둥 상에 설치된 너셀에, 풍차 회전 블레이드를 부착한 회전자 헤드에 연결되어 일체로 회전하는 주축과, 상기 주축의 회전을 증속하여 출력하는 증속기와, 상기 증속기의 출력에 의해 구동되는 발전기가 설치된 풍력 발전 장치이며, 상기 주축으로부터 상기 증속기를 통하여 상기 발전기에 도달하는 드라이브 트레인을 상기 회전자 헤드 내에 설치한 것을 특징으로 하는 것이다.
이러한 풍력 발전 장치에 의하면, 주축으로부터 증속기를 통하여 발전기에 도달하는 드라이브 트레인을 종래는 유효하게 이용되고 있지 않은 회전자 헤드 내에 설치하도록 하였으므로, 너셀의 축 방향 길이를 콤팩트화하여 전체를 소형 및 경량화할 수 있다. 이러한 구성은, 특히 풍차 회전 블레이드의 장척화에 의해 회전자 헤드가 대형화되고, 회전자 헤드 내에 큰 설치 공간을 확보하기 쉬운 대출력의 풍력 발전 장치에 적합하다.
상술한 풍력 발전 장치에 있어서는 상기 발전기가 동기 발전기로 되고, 또한 상기 증속기가 복수의 유성 톱니 바퀴를 구비하여 이루어지는 단단(單段) 증속의 톱니 바퀴식인 것이 바람직하다. 이에 의해, 저속 회전으로 발전 가능한 동기 발전기를 사용하기 때문에 증속비를 작게 설정할 수 있게 되고, 또한 증속기로서 증속비가 작은 단수 단차 증속의 톱니 바퀴식을 사용할 수 있게 되므로 드라이브 트레인의 축 방향 길이를 짧게 하여 회전자 헤드 내로의 설치가 용이해진다. 또한, 톱니 바퀴식의 증속기는 신뢰성이 높기 때문에 드라이브 트레인 및 풍력 발전 장치의 신뢰성도 향상한다.
또한, 이 경우의 유성 톱니 바퀴는 비교적 소형의 톱니 바퀴를 5개 이상 사용하는 멀티형을 채용하는 것이 바람직하고, 이에 의해 증속기를 보다 한층 소형화할 수 있다.
상술한 풍력 발전 장치에 있어서는 상기 발전기가 동기 발전기로 되고, 또한 상기 증속기가 트랙션 드라이브인 것이 바람직하다. 이에 의해, 저속 회전으로 발전 가능한 동기 발전기를 사용하기 때문에 증속비를 작게 설정할 수 있게 되고, 또한 증속기로서 트랙션 드라이브를 사용하면 저소음화 및 반경 방향의 소형화가 가능하게 되므로 드라이브 트레인의 회전자 헤드 내로의 설치가 용이해진다.
상술한 본 발명의 풍력 발전 장치에 따르면, 주축으로부터 증속기를 통하여 발전기에 도달하는 드라이브 트레인이 회전자 헤드 내의 공간을 유효하게 이용하여 설치되므로, 특히 풍차 회전 블레이드의 장척화에 의해 회전자 헤드가 대형화되어 회전자 헤드 내에 큰 설치 공간을 확보할 수 있는 대출력의 풍력 발전 장치에 있어 서, 너셀의 축 방향 길이를 용이하게 콤팩트화하여 전체의 소형 및 경량화를 가능하게 한다는 현저한 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명에 관한 풍력 발전 장치의 일실시 형태를 도면을 기초로 하여 설명한다.
도2에 도시하는 풍력 발전 장치(1)는 기초(6) 상에 세워 설치되는 지지 기둥(2)과, 지지 기둥(2)의 상단부에 설치되는 너셀(3)과, 대략 수평한 축선 주위에 회전 가능하게 하여 너셀(3)에 설치되는 회전자 헤드(4)를 갖고 있다.
회전자 헤드(4)에는 그 회전 축선 주위에 방사 형상으로 하여 복수매의 풍차 회전 블레이드(5)가 부착되어 있다. 이에 의해, 회전자 헤드(4)의 회전 축선 방향으로부터 풍차 회전 블레이드(5)에 닿은 바람의 힘이, 회전자 헤드(4)를 회전 축선 주위에 회전시키는 동력으로 변환되도록 되어 있다.
도1은 너셀(3)의 주요부를 확대하여 내부 구성예를 나타낸 단면도이다.
너셀(3)은 지지 기둥(2)의 상단부에서 수평 방향으로 회전 운동하는 너셀 다이판(30)과, 그 전단부측에 배치되어 풍차 회전 블레이드(5)와 일체로 회전하는 회전자 헤드(4)를 구비하고 있다.
회전자 헤드(4)는 너셀 다이판(30)에 대해 주베어링(31)을 통하여 회전 가능하게 지지되어 있다. 회전자 헤드(4)의 내부는 중공으로 되고, 상기 중공부에는 풍력으로 발전하는 드라이브 트레인(10)이 수납 설치되어 있다.
드라이브 트레인(10)은 풍차 회전 블레이드(5)를 부착한 회전자 헤드(4)에 연결되어 일체로 회전하는 주축(11)과, 주축(11)의 회전을 증속하여 출력하는 증속기(20)와, 증속기(20)의 출력에 의해 구동되는 발전기(13)가 직렬로 연결된 구성으로 된다. 즉, 주축(11)으로부터 증속기(20)를 통하여 발전기(13)에 도달하는 드라이브 트레인(10)을 회전자 헤드(4)의 내부에 설치한 구성이 된다.
주축(11)은 일단부가 회전자 헤드(4)에 연결되어 타단부가 증속기(20)와 연결된다. 주축(11)은 회전자 헤드(4)와 일체로 회전하고, 증속기(20)와 연결된 타단부가 증속기(20)의 입력축이 된다.
증속기(20)는 입력축인 주축(11)의 외주부에 부착된 복수개의 유성 톱니 바퀴(21)가 태양 톱니 바퀴(22)의 주위에 배치되어 맞물리고, 태양 톱니 바퀴(22)와 일체로 회전하는 출력축(23)으로부터 주축(11)의 회전수를 증속하여 출력하도록 구성된 단수 단차 증속의 톱니 바퀴식이다. 이 경우의 유성 톱니 바퀴(21)는 증속기(20)의 소형화를 목적으로 하여 작은 톱니 바퀴를 수많이 사용하는 구성(멀티형)이 바람직하고, 적합하게는 유성 톱니 바퀴(21)를 5 내지 9개 정도 사용하는 멀티형으로 하면 좋다. 또한, 유성 톱니 바퀴(21)는 각각이 주축(11)의 원주 방향에 등피치로 배치되어 있는 도시 생략한 축에 대해 회전 가능하게 지지되어 있다.
이와 같이 구성된 증속기(20)에서는 입력축의 주축(11)이 회전함으로써 유성 톱니 바퀴(21)가 자전하면서 태양 톱니 바퀴(22)의 주위를 공전한다. 이로 인해, 유성 톱니 바퀴(21)와 맞물리는 태양 톱니 바퀴(22)와 일체로 출력축(23)도 회전하므로 유성 톱니 바퀴(21)와 태양 톱니 바퀴(22)의 기어비에 따라 주축(11)의 회전수를 증속한 출력축(23)의 회전수가 발전기(13)에 출력된다.
발전기(13)는 저속 회전수에서의 발전이 가능한 영구 자석 동기 발전기(PMSG)이다. 발전기(13)의 구동축(13a)은 증속기(20)의 출력축(23)과 직결되어 있다. 또한, 발전기(13)의 케이싱(13b)은 적당한 지지 부재(14)를 통하여 너셀 다이판(30)의 적합한 부분에 고정 지지되어 있다.
또한, 도면 중의 부호 15는 회전자 헤드(4)에 대해 풍차 회전 블레이드(5)의피치 각도를 조정 가능하게 하는 가변 피치 기구의 베어링이다.
상술한 구성의 풍력 발전 장치(1)에서는 주축(11)으로부터 증속기(20)를 통하여 발전기(13)에 도달하는 드라이브 트레인(10)을 회전자 헤드(4) 내의 공간에 설치하는 구성으로 하였으므로 너셀(3)의 너셀 다이판(30) 내에 축 방향으로 긴 드라이브 트레인(10)의 설치 공간을 확보할 필요가 없다. 이로 인해, 너셀 다이판(30)의 너셀 축 방향 길이를 콤팩트화하여 너셀(3)의 전체를 소형 및 경량화할 수 있다. 이러한 구성은, 특히 풍차 회전 블레이드(5)의 장척화에 의해 회전자 헤드(4)가 대형화되어, 회전자 헤드(4) 내에 큰 설치 공간을 확보하기 쉬운 대출력의 풍력 발전 장치(1)에 적합하다.
또한, 너셀 다이판(30)의 내부에 형성되는 공간부에는 도시를 생략한 각종 보기류가 설치되어 있다.
또한, 상술한 실시 형태의 풍력 발전 장치(1)에 있어서는 증속기(20)를 단수 단차 증속의 톱니 바퀴식으로 하였지만, 트랙션 드라이브를 채용하여 저소음화 및 반경 방향의 소형화를 도모해도 좋다. 또한, 트랙션 드라이브의 증속기를 채용하는 경우에 있어서도 발전기(13)에는 저속 회전으로 발전 가능한 동기 발전기를 사 용하는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로서도, 증속비를 작게 설정하는 동시에 반경 방향의 소형화가 가능하게 되므로 드라이브 트레인(10)의 회전자 헤드(4) 내로의 설치가 용이해진다.
이상 설명한 바와 같이, 주축(11)으로부터 증속기(20)를 통하여 발전기(13)에 도달하는 드라이브 트레인(10)이 회전자 헤드(4) 내의 공간을 유효하게 이용하여 설치되므로, 회전자 헤드(4)가 대형화되어 큰 설치 공간을 확보할 수 있는 대출력의 풍력 발전 장치(1)에 있어서는 너셀(3)의 축 방향 길이를 콤팩트화하여 전체를 소형 및 경량화할 수 있다. 또한, 상술한 구성의 드라이브 트레인(10)은 얼라이먼트가 일체로 회전하는 회전자 헤드(4)의 내부에서 완결하므로 얼라이먼트 조정 등의 보수도 용이해진다.
또한, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되는 것은 아니라, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 적합하게 변경할 수 있다.
본 발명에 따르면, 너셀을 소형 및 경량화할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공할 수 있다.

Claims (3)

  1. 지지 기둥 상에 설치된 너셀에, 풍차 회전 블레이드를 부착한 회전자 헤드에 연결되어 일체로 회전하는 주축과, 상기 주축의 회전을 증속하여 출력하는 증속기와, 상기 증속기의 출력에 의해 구동되는 발전기가 설치된 풍력 발전 장치이며,
    상기 주축으로부터 상기 증속기를 통하여 상기 발전기에 도달하는 드라이브 트레인을 상기 회전자 헤드 내에 설치한 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발전기가 동기 발전기가 되고, 또한 상기 증속기가 복수의 유성 톱니 바퀴를 구비하여 이루어지는 단수 단차 증속의 톱니 바퀴식인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 발전기가 동기 발전기가 되고, 또한 상기 증속기가 트랙션 드라이브인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
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