KR20080030966A - 풍력발전기의 날개각 자동조절 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기의 날개에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 프로펠러형 풍력발전기 날개의 각도가 바람의 세기에 따라 자동으로 조절되도록 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 바람의 세기에 따라 날개각을 자동으로 조절하는 방법은 코일이나 용수철 형태의 스프링과 판 형태의 슬라이딩 판을 이용하여 별도의 전력공급을 필요로 하지 않는 무전력형, 풍력을 측정하는 센서로부터 아날로그 신호를 제어회로가 입력받아 풍력에 맞는 날개각이 되도록 모터를 구동하는 별도의 전력공급이 필요한 전력형 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명의 프로펠러형 날개가 적용된 풍력발전기는 풍력에 관계없이 최소한의 발전을 위한 풍력 이상이 되면 일정한 회전속도를 유지함은 물론 태풍과 같은 강한 바람으로 인한 파손을 방지할 수 있다.

풍력발전기, 날개, 날개각, 스프링, 슬라이딩 판, 모터

Description

풍력발전기의 날개각 자동조절 장치 및 방법{Automatic adjustment unit and method for a wing-angle of the wind power generator}

본 발명은 풍력발전기의 날개에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 프로펠러형 풍력발전기의 날개각을 자동으로 조절하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 화석연료의 고갈과 이로 인한 심각한 환경오염이 세계적인 이슈가 되고 있다. 이에 따른 대처방안으로 무한한 자원과 오염에 대한 염려가 없는 태양열, 지열, 조수간만, 바람 등의 자연에너지를 이용하는 태양열발전, 지열에 의한 난방 및 발전, 조력발전, 풍력발전 등에 대한 관심이 높아짐은 물론 기술력의 확보와 시장의 선점에 대한 경쟁이 치열하다.

우리나라의 경우, 일조량이 풍부하고 조수간만의 차가 심하여 태양열발전 및 조력발전에 유리한 자연환경이며, 계절에 따라 부는 풍부한 바람이 있기 때문에 풍력발전에도 적합하다.

풍력발전은 바람을 받아 회전하는 날개의 회전력을 동력전달장치를 통해 발전기를 가동시켜 전기를 얻는 것으로, 그 효율을 극대화하기 위해서는 바람의 힘을 에너지 손실 없이 최대한 활용할 수 있도록 해야하므로 그에 맞는 날개의 구조를 갖는 것이 가장 중요하다.

기존의 풍력발전기는 풍차형태의 날개를 갖는 프로펠러형과 수직축의 둘레에 날개를 세로로 여러 개 세워 구성하는 임펠러형이 있다.

임펠러형은 날개가 바람을 낮을 때에는 날개가 오목하게 형성되어 많은 양의 바람을 받을 수 있지만 바람을 맞는 방향으로 복귀하기 위해 바람을 등질 때에는 바람의 저항을 많이 받아 회전력이 저하되는 우려가 있다.

프로펠러형은 날개의 경사면으로 바람이 지나가면서 날개를 밀어 회전시키기 때문에 바람의 손실량이 많아 효율이 저하될 우려가 있다.

시간 및 계절, 위치에 따라 바람의 세기가 일정하지 않기 때문에 회전속도가 균일하게 유지되지 않고, 무엇보다 풍력발전기의 날개들은 회전축에 고정되어 있기 때문에 태풍과 같은 강한 바람이 불 때에는 쉽게 파손될 우려도 있다.

본 발명은 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 바람의 세기에 따라 날개의 각도가 자동으로 조절되도록 하는 것이다.

과제를 해결하는 수단으로,

첫째, 용수철이나 코일 형태 스프링의 탄성을 이용하여 스프링의 한쪽을 날개 축에 고정하고 반대쪽을 회전축에 고정하여 바람의 세기에 따라 늘어나고 줄어들며 날개의 각도가 자동으로 조절되도록 한다.

둘째, 판 형태의 탄성을 갖는 슬라이딩 판을 날개 축에 고정하고 반대편을 회전축에 고정하여 바람의 세기에 따라 날개축에 감기고 풀리면서 날개의 각도가 자동으로 조절되도록 한다.

셋째, 회전축 내부에 바람의 세기를 감지하는 센서부와 제어부, 모터구동부, 모터에 고정된 기어(이하, '모터축기어'라 칭함)와 날개 축에 고정된 기어(이하, '날개축기어'라 칭함)를 동일한 축 방향으로 장착하고 센서에서 감지되는 바람의 세기에 따라 제어부가 날개의 각도를 산출하고 이를 모터구동부가 모터축기어를 회전시켜 날개축기어가 회전하게 함으로써 날개의 각도가 자동으로 조절되도록 한다.

넷째, 셋째의 해결 수단에 있어서 모터축기어와 날개축기어의 축 방향이 서로 직각이 되도록 장착하여 구성하도록 함으로써 날개의 각도가 자동으로 조절되도 록 한다.

본 발명을 통해,

첫째, 전기를 발생시킬 수 있는 최소한의 풍력 이상에서 일정한 회전을 하도록 함으로써 안정적인 발전이 이루어지도록 한다.

둘째, 바람의 세기에 따라 각도가 자동으로 조절됨으로써 태풍과 같은 강한 바람에 대해 파손의 우려가 없다.

셋째, 실시간으로 변하는 바람의 세기에 대응함으로써 풍력발전기의 효율을 향상시킬 수 있다.

넷째, 내부에 무선통신 장치를 장착함으로써 풍력발전기의 현재 상태를 모니터링 할 수 있다.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면을 통해 설명한다.

도 1은 본 발명에 있어서, 용수철이나 코일 형태 스프링(9)의 탄성을 이용하여 스프링의 한쪽을 날개축(2)에 고정하고 반대쪽을 회전축(3)의 걸림쇠(8)에 걸어 고정하여 바람의 세기에 따라 늘어나고 줄어들며 날개(1)의 각도(b)가 자동으로 조절되도록 하는 방법 및 장치에 관한 실시예 1이다.

도 1a는 실시예 1에 대한 입체도이며, 도 1b는 회전축(3)에서 날개(1) 방향으로 본 단면도이고, 도 1c는 날개(1) 부분을 제외하고 회전축(3)과 회전축동력전달자(4)를 측면에서 본 도면이다.

장치구성에 있어서, 날개축(2)에 스프링(9)을 장착하여 고정시키고, 스프링의 양측 종단을 회전축(3)의 걸림쇠(8)에 걸어서 고정을 한다. 날개(1)의 각도(b)가 90도 이상 꺾이지 않도록 회전축(3)에 날개각 고정홈(7)이 90도 이하의 각도(a)가 되도록 하고 날개축(2)에 장착된 고정자(6)를 끼운다. 그리고 날개축(2)을 회전축(3)에 고정시키기 위해 날개축 고정홈(5)을 둔다. 날개축 고정홈(5)의 종단은 회전축(3)에 고정됨과 동시에 날개(1)가 회전할 수 있도록 요철 형태나 구 형태로 제작하여 구성한다.

동작원리에 있어서, 바람이 날개(1)에 부딪치는 세기에 따라 날개(1)가 받는 힘이 틀리다. 따라서, 바람의 세기가 작을 경우에는 날개(1)의 각도(b)가 초기설정에 가깝게 유지되지만 바람의 세기가 크게 되면 날개(1)의 각도(b)가 초기설정보다 점점 크지게 된다. 즉, 바람의 세기가 점점 커지면 날개(1)가 바람의 저항을 덜 받기 위해 날개축(2)이 원래 위치의 반대방향으로 회전하게 되며 이때 스프링(9)이 늘어나 회전축(3)이 일정한 회전속도(c)를 유지할 수 있는 날개의 각도(b)에 맞춰지고, 반대로 바람의 영향이 작아지면 날개축(2)이 원래 위치의 방향으로 회전하게 되며 이때 스프링이 줄어 회전축(3)이 일정한 회전속도(c)를 유지할 수 있는 날개의 각도(b)에 맞춰진다.

도 2는 둘째, 판 형태의 탄성을 갖는 두 개의 판(10)을 날개축(2)에 고정하고 반대편을 회전축(3)에 고정하여 바람의 세기에 따라 날개축(2)에 감기고 풀리면서 날개 각도(b)가 자동으로 조절되도록 하는 방법 및 장치에 관한 실시예 2이다.

도 2a는 실시예 2에 대한 입체도이며, 도 2b는 회전축(3)에서 날개(1) 방향으로 본 단면도이고, 도 2c는 날개(1) 부분을 제외하고 회전축(3)과 회전축동력전달자(4)를 측면에서 본 도면이다.

장치구성에 있어서, 날개축(2)에 판 형태의 탄성을 갖는 두 개의 판(10)을 장착하여 고정시키고 판(10)의 반대편을 회전축(3)에 고정한다. 이러한 판(10)의 탄성을 이용한 원리는 최근 슬라이딩 휴대폰의 디스플레이 부와 버튼이 있는 통신제어부의 접합면에 내장되어 디스플레이 부를 여닫을 때의 방식과 유사하다. 실시예 1에서와 같이 날개(1)의 각도(b)가 90도 이상 꺾이지 않도록 회전축(3)에 날개각 고정홈(7)이 90도 이하의 각(a)이 되도록 하고 날개축(2)에 장착된 고정자(6)를 끼우고, 날개축(2)을 회전축(3)에 고정시키기 위해 날개축 고정홈(5)을 둔다. 날개축 고정홈(5)의 종단은 회전축(3)에 고정됨과 동시에 날개(1)가 회전할 수 있도록 요철 형태나 구 형태로 제작하여 구성한다.

동작원리에 있어서, 바람이 날개(1)에 부딪치는 세기에 따라 날개(1)가 받는 힘이 틀리다. 따라서, 바람의 세기가 작을 경우에는 날개(1)의 각도(b)가 초기설정에 가깝게 유지되지만 바람의 세기가 크게 되면 날개(1)의 각도(b)가 초기설정보다 점점 크지게 된다. 즉, 바람의 세기가 점점 커지면 날개(1)가 바람의 저항을 덜 받기 위해 날개축(2)이 원래 위치의 반대방향으로 회전하게 되고 날개축(2)에 고정된 판(10)이 날개축(2)에 감기면서 회전축(3)이 일정한 회전속도(c)를 유지할 수 있는 날개(1)의 각도에 맞춰지고, 반대로 바람의 영향이 작아지면 날개(2)축이 원래 위치의 방향으로 회전하게 되고 날개축(2)에 고정된 판(10)이 날개축(2)에서 풀리면서 회전축(3)이 일정한 회전속도(c)를 유지할 수 있는 날개(1)의 각도(b)에 맞춰진다.

도 3은 회전축(3) 내부에 바람의 세기를 감지하는 센서부와 제어부, 모터구동부, 모터축기어와 날개축기어를 동일한 축 방향으로 장착하고 센서에서 감지되는 바람의 세기에 따라 제어부가 날개(1)의 각도(b)를 산출하고 이를 모터구동부가 모터축기어(13)를 회전시켜 날개축기어(14)가 회전하게 함으로써 날개(1)의 각도(b)가 자동으로 조절되도록 하는 방법 및 장치에 관한 실시예 3이다.

도 3a는 실시예 3에 대한 입체도이며, 도 3b는 회전축(3)에서 날개(1) 방향으로 본 단면도이고, 도 3c는 날개(1) 부분을 제외하고 회전축(3)과 회전축 동력전달자(4)를 측면에서 본 도면이다.

장치구성에 있어서, 날개축(2)에 날개축기어(13)를 두어 회전축(3)에 장착하고 날개축기어(14)의 종단은 회전축(3)에 고정됨과 동시에 날개(1)가 회전할 수 있도록 요철 형태나 구 형태로 한다. 날개축기어(13)는 모터축기어(14)에 의해 구동되도록 동일한 축 방향으로 맞물리게 배치하고, 모터의 동작은 센서와 제어부, 모터구동회로에 의해 구동되도록 한다. 제어부는 도 5와 같이 바람의 세기를 측정하기 위한 센서로부터 입력되는 아날로그 전류신호를 전압신호로 변환하기 위한 변환 부, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그 -디지털 변환부, 디지털 신호에 따라 날개의 각도를 계산하고 그 결과를 모터구동회로로 전달하기 위한 제어부(MCU), 제어부의 출력을 모터구동신호로 변경하기 위한 모터구동회로, 전원공급을 위한 전원부, 발진부 등을 포함한다.

동작원리에 있어서, 바람의 세기를 풍력발전기에 위치한 센서를 통해 입력받고, 입력받은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 바람의 세기에 대한 디지털 신호(이진수 값)으로부터 제어부(MCU)를 통해 날개의 각도를 산출하고, 산출된 날개의 각도를 다시 아날로그 신호로 변환하여 모터구동회로에 입력하고, 모터구동회로는 모터를 구동시켜 모터축기어(13)를 회전시키고, 모터축기어(13)에 맞물려있는 날개축기어(14)가 회전함으로써 날개(1)의 각도(b)를 조절함으로써 날개(1)의 회전속도(c)를 일정하게 유지할 수 있도록 한다.

도 4는 실시예 3에 있어서 모터축기어(16)와 날개축기어(15)의 축 방향이 서로 직각이 되도록 장착하여 구성하도록 함으로써 날개(1)의 각도(b)가 자동으로 조절되도록 하는 방법 및 장치에 관한 실시예 4이다.

도 4a는 실시예 4에 대한 입체도이며, 도 4b는 회전축(3)에서 날개(1) 방향으로 본 단면도이고, 도 4c는 날개(1) 부분을 제외하고 회전축(3)과 회전축 동력전달자(4)를 측면에서 본 도면이다.

장치구성에 있어서, 실시예 3의 모터축기어(16)와 날개축기어(15)의 축 배치 방향을 서로 직각이 되도록 장착하여 구성한다.

동작원리에 있어서, 실시예 3과 동일하다.

도 1a: 스프링의 탄성을 이용한 풍력발전기의 날개각 자동조절장치의 실시예 1에 대한 입체도

도 1b: 실시예 1의 회전축에서 날개 방향으로 본 단면도

도 1c: 실시예 1의 날개부분을 제외하고 회전축과 회전축동력전달자를 측면에서 본 도면

도 2a: 탄성을 갖는 판을 이용한 풍력발전기의 날개각 자동조절장치의 실시예 2에 대한 입체도

도 2b: 실시예 2의 회전축에서 날개 방향으로 본 단면도

도 2c: 실시예 2의 날개 부분을 제외하고 회전축과 회전축동력전달자를 측면에서 본 도면

도 3a: 모터와 동일한 축 방향을 갖는 기어를 이용한 풍력발전기의 날개각 자동조절장치의 실시예 3에 대한 입체도

도 3b: 실시예 3의 회전축에서 날개 방향으로 본 단면도

도 3c: 실시예 3의 날개 부분을 제외하고 회전축과 회전축 동력전달자를 측면에서 본 도면

도 4a: 모터와 직각의 축 방향을 갖는 기어를 이용한 풍력발전기의 날개각 자동조절장치의 실시예 4에 대한 입체도

도 4b: 실시예 4의 회전축에서 날개 방향으로 본 단면도

도 4c: 실시예 4의 날개 부분을 제외하고 회전축과 회전축 동력전달자를 측 면에서 본 도면

도 5: 실시예 3과 4에 포함된 자동제어부에 대한 블록도

Claims (4)

1. 장치구성에 있어서, 날개축에 스프링을 장착하여 고정시키고, 스프링의 양측 종단을 회전축의 걸림쇠에 걸어서 고정을 한다. 날개의 각도가 제어범위 이상 꺾이지 않도록 회전축에 날개각 고정홈이 제어범위 이하의 각도가 되도록 하고 날개축에 장착된 고정자를 끼운다. 그리고 날개축을 회전축에 고정시키기 위해 날개축 고정홈을 둔다. 날개축 고정홈의 종단은 회전축에 고정됨과 동시에 날개가 회전할 수 있도록 요철 형태나 구 형태로 제작하여 구성하고,

   동작원리에 있어서, 바람이 날개에 부딪히는 세기에 따라 날개가 받는 힘이 틀리다. 따라서, 바람의 세기가 작을 경우에는 날개의 각도가 초기설정에 가깝게 유지되지만 바람의 세기가 크게 되면 날개의 각도가 초기설정보다 점점 커지게 된다. 즉, 바람의 세기가 점점 커지면 날개가 바람의 저항을 덜 받기 위해 날개축이 원래 위치의 반대방향으로 회전하게 되며 이때 스프링이 늘어나 회전축이 일정한 회전속도를 유지할 수 있는 날개의 각도에 맞춰지고, 반대로 바람의 영향이 작아지면 날개축이 원래 위치의 방향으로 회전하게 되며 이때 스프링이 줄어 회전축이 일정한 회전속도를 유지할 수 있는 날개의 각도에 맞춰지도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개각 자동조절장치 및 방법
2. 장치구성에 있어서, 날개축에 판 형태의 탄성을 갖는 두 개의 판을 장착하여 고정시키고 판의 반대편을 회전축에 고정한다. 날개의 각도가 제어범위 이상 꺾이지 않도록 회전축에 날개각 고정홈이 제어범위 이하의 각이 되도록 하고 날개축에 장착된 고정자를 끼우고, 날개축을 회전축에 고정시키기 위해 날개축 고정홈을 둔다. 날개축 고정홈의 종단은 회전축에 고정됨과 동시에 날개가 회전할 수 있도록 요철 형태나 구 형태로 제작하여 구성하고

   동작원리에 있어서, 바람이 날개에 부딪히는 세기에 따라 날개가 받는 힘이 틀리다. 따라서, 바람의 세기가 작을 경우에는 날개의 각도가 초기설정에 가깝게 유지되지만 바람의 세기가 크게 되면 날개의 각도가 초기설정보다 점점 커지게 된다. 즉, 바람의 세기가 점점 커지면 날개가 바람의 저항을 덜 받기 위해 날개축이 원래 위치의 반대방향으로 회전하게 되고 날개축에 고정된 판이 날개축에 감기면서 회전축이 일정한 회전속도를 유지할 수 있는 날개의 각도에 맞춰지고, 반대로 바람의 영향이 작아지면 날개축이 원래 위치의 방향으로 회전하게 되고 날개축에 고정된 판이 날개축에서 풀리면서 회전축이 일정한 회전속도를 유지할 수 있는 날개의 각도에 맞춰지도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개각 자동조절장치 및 방법
3. 장치구성에 있어서, 날개축에 날개축기어를 두어 회전축에 장착하고 날개축기어의 종단은 회전축에 고정됨과 동시에 날개가 회전할 수 있도록 요철 형태나 구 형태로 한다. 날개축기어는 모터축기어에 의해 구동되도록 동일한 축 방향으로 맞 물리게 배치하고, 모터의 동작은 센서와 제어부, 모터구동회로에 의해 구동되도록 한다. 제어부는 바람의 세기를 측정하기 위한 센서로부터 입력되는 아날로그 전류신호를 전압신호로 변환하기 위한 변환부, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그 -디지털 변환부, 디지털 신호에 따라 날개의 각도를 계산하고 그 결과를 모터구동회로로 전달하기 위한 제어부(MCU), 제어부의 출력을 모터구동신호로 변경하기 위한 모터구동회로, 전원공급을 위한 전원부, 발진부 등을 포함한다.

   동작원리에 있어서, 바람의 세기를 풍력발전기에 위치한 센서를 통해 입력받고, 입력받은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 바람의 세기에 대한 디지털 신호(이진수 값)으로부터 제어부(MCU)를 통해 날개의 각도를 산출하고, 산출된 날개의 각도를 다시 아날로그 신호로 변환하여 모터구동회로에 입력하고, 모터구동회로는 모터를 구동시켜 모터축기어를 회전시키고, 모터축기어에 맞물려있는 날개축기어가 회전함으로써 날개의 각도를 조절함으로써 날개의 회전속도를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개각 자동조절장치 및 방법
4. 장치구성에 있어서, 날개축에 날개축기어를 두어 회전축에 장착하고 날개축기어의 종단은 회전축에 고정됨과 동시에 날개가 회전할 수 있도록 요철 형태나 구 형태로 한다. 모터축기어와 날개축기어의 축 배치 방향을 서로 직각이 되도록 장착하고, 모터의 동작은 센서와 제어부, 모터구동회로에 의해 구동되도록 한다. 제어 부는 바람의 세기를 측정하기 위한 센서로부터 입력되는 아날로그 전류신호를 전압신호로 변환하기 위한 변환부, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그 -디지털 변환부, 디지털 신호에 따라 날개의 각도를 계산하고 그 결과를 모터구동회로로 전달하기 위한 제어부(MCU), 제어부의 출력을 모터구동신호로 변경하기 위한 모터구동회로, 전원공급을 위한 전원부, 발진부 등을 포함한다.

   동작원리에 있어서, 바람의 세기를 풍력발전기에 위치한 센서를 통해 입력받고, 입력받은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 바람의 세기에 대한 디지털 신호(이진수 값)으로부터 제어부(MCU)를 통해 날개의 각도를 산출하고, 산출된 날개의 각도를 다시 아날로그 신호로 변환하여 모터구동회로에 입력하고, 모터구동회로는 모터를 구동시켜 모터축기어를 회전시키고, 모터축기어에 맞물려있는 날개축기어가 회전함으로써 날개의 각도를 조절함으로써 날개의 회전속도를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개각 자동조절장치 및 방법

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