KR20080072626A - 풍차 및 풍차를 사용하는 발전기 - Google Patents

Abstract

풍력 동력원은 프로펠러 구동의 로터 구조와 발전기 같은 구리 전선을 권취한 강자성 코어의 클러스터를 유지하는 스테이터 구조를 포함한다. 코어는 로터 구조의 부분에 형성된 로드 링의 내측면에 맞물린 경질 고무 롤러에 의해 개별적으로 이격된 한 쌍이 배열된다. 전체의 로터 구조는 대경 로드 롤러, 소경 루트 롤러 및 루트 링으로부터 외향적으로 반경방향으로 연장된 복수의 공기역학적 블레이드 포함하고 로드 링에 일체적으로 결합되거나 안장 블럭에 의해서 고정된다. 로드링은 알루미늄이나 플라스틱일 수도 있다. 영구 자석은 3상 전력에서 생산을 위해 발전기 구조를 함께 상호작용하는 로드 링 주위에 배열된다.

풍차, 풍력 발전기, 로터, 스테이터, 로드 링

Description

풍차 및 풍차를 사용하는 발전기 {WIND WHEEL AND ELECTIRCTIY GENERATOR USING SAME}

본 특허는 풍차 및 풍차를 사용하는 풍력 발전기에 관한 것이다. 특히, 본 명세서의 개시내용은 저렴한 부품으로 구성될 수 있는, 최소로 복잡하고, 경량이며 효율이 최적화된 풍력 발전기를 설명한다.

기계적 기능을 수행하고 전기를 발생시키도록 풍차를 사용하는 것은 공지되어 있다. 1917년 7월 10일자로 에이. 에이취. 헤이로쓰(A.H.Heyroth)에 허여된 미국특허 제1,233,232호에 초기 풍차 발전기가 개시되어 있다. 헤이로쓰 풍차는 영구 자석을 지지하는 대경 로터 링(rotor ring)과 반경방향의 스포크(spoke)에 의해 로터 링을 지지하는 중심축을 포함한다. 로터 링의 회전은 상부에 장착된 영구 자석(permanent magnet)이 고정된 자석 코어(core)를 지나 이동하게 만들고, 코어를 통한 플럭스 값의 변화가 코어에 의해 지지되는 권선부(winding)에서의 전압 발생을 초래한다.

유사하지만 보다 최근의 장치는 2000년 5월 16일자로 닐스 기스라손(Nils Gislason)에 허여된 미국특허 제6,064,123호에 도시되어 있다.

또 다른 장치는 2003년 12월 16일자로 찰스 에스. 반(Charles S. Vann)에 허 여된 미국특허 제6,664,655호에 도시되어 있다. 반 풍차는 두 개의 대경의, 동심원을 이루는 금속 링 사이에 고정되는 다수의 짧은 반경방향 블레이드(blade)를 포함한다. 외부 링이 세 개의 외측 롤러 상에서 회전하기 위해 지지되고 링이 전압 발생기 또는 모터 일부를 형성하기 위해 자화될 수 있다.

본 개시 내용은 풍차, 전적으로는 아니지만, 발전기에 사용되기에 적합한 풍차를 설명한다. 이렇게 사용된다는 점에서, 발전기는 이하의 원리의 최적의 응용을 포함한다.

1. 로터 속도가 빠를수록 높은 발전기 출력 파워가 더 커진다.

2. 로터 속도가 빠를수록 보다 경량의, 보다 적은 질량의 로터 구조체가 더 쉽게 달성된다.

3. 로터 구조체에 대한 토크 및 모멘트 항력을 최소화하는 것이 유리하다.

로터 구조체에서 상기 원리를 최적으로 사용된 본 발명의 풍차는 큰 직경의 외부 링인 쉘 직경의 루트 링(root ring)과 루트 링의 내부 단부 및 외부 링의 중심점에 구조체적으로 연결된 복수의 경량 블레이드를 포함한다. 외부 링은 통상의 루트와 외부 링의 축에 대해 로터의 회전을 허용하는 전형적으로 롤러를 사용하는 회전 지지 시스템에서 사용된다.

발전기에 사용될 때, 경량의 로터는 로터가 회전함에 따라 전기를 생성시키기 위해 하나 이상의 고정 코어 배열체와 협력하도록 이격된 복수의 영구 자석을 지지할 수 있다.

본 배열체는 중심축을 필요로 하지 않고 기어박스가 필요없이 임의의 소정의 풍력 또는 풍속을 위해 높은 로터 속도를 발생시킬 가능성을 갖는다. 블레이드의 중심점에 지지를 제공하는 중심점 구조 링의 사용은 블레이드 구조체를 위한 발포 코어 조성물과 같은 경량의 재료의 사용을 허용한다.

본 발명의 이들 및 다른 장점들은 본 발명의 양호한 실시예를 설명하는 이하의 명세서를 읽음으로써 가장 잘 이해될 수 있을 것이다.

본 설명은 몇몇 도면 전반에 걸쳐 유사한 도면부호가 유사한 부품을 지칭하는 첨부 도면을 참조하고 있다.

도1은 본 발명에 따라 구성되고 폴 상에 장착되는 세 개의 발전기를 채용한 "윈드 팜"의 일부분의 사시도이다.

도2는 도1의 발전기 중 하나의 상세도이다.

도3은 도2의 구조체의 프로펠러 블레이드 중 하나의 단면도이다.

도4는 도2의 장치를 위한 스테이터 구조체의 일부로서 내부 롤러에 양쪽에 걸쳐진 전압 발생기 코어 구조체의 배열을 도시하는 도2의 구조체의 상세도이다.

도5는 3차원으로 상세하게 코어 구조체, 영구 자석 및 프로펠러 장착 구조체를 도시하는 도2의 구조체의 상세도이다.

도6는 로터의 단면 일부를 도시하는 도5의 구조체의 측면도이다.

도7은 추가 로터 구조체를 도시한 블레이드의 단면도이다.

도8은 도1 내지 도7의 구조체로부터 3상 파워를 발생시키는 대표적인 회로도 이다.

도9는 로터 구조체의 다른 실시예의 평면도이다.

도10은 도9의 로터용 지지 롤러와, 스테이터 상에 장착된 전압 발생 구조제와 영구 자석 사이의 관계를 보다 상세히 도시하는, 도9의 구조체의 부분 단면도이다.

도1을 먼저 참조하면, 바람의 수집 및 바람의 내부에 포함된 에너지로부터 전기를 생산하기 위해 폴(14, 15, 16) 상에 장착된 동일한 풍력 동력원(10, 11, 12)을 포함하는 "윈드 팜"의 부분을 도시한다. 모든 동력원(10, 11, 12)은 동일하고, 하나의 동력원(10)이 상세하게 설명될 것이다.

도2 내지 도7을 참조하면, 동력원(10)은 폴(14) 상에 장착된, 삼각형으로 배열된 세 개의 알루미늄 버팀대(19)로 구성된 스테이터 구조체(18)를 포함한다. 스테이터 구조체(18)는 도4 및 도5를 참조하여 보다 상세하게 설명되는 판(50, 22) 상에 장착되는 세 개의 발생 유닛(20, 21)을 포함한다. 유닛(20, 21, 22)은, 동력원(10) 상에 다른 위치에 있지만, 동일하며 유닛(20)이 대표로 설명된다.

유닛(20)은 스테이터 구조체(18)의 판(50) 상에 대칭적으로 배열된 세 개의 스테이터 장착 롤러 중 하나인 롤러(30)의 대향 측면 주위에 근접하게 배열되고 양쪽으로 걸쳐진 두 개의 강자성 철재 코어(26, 28)를 포함한다. 롤러(30)는 로터 구조체(32)를 지지하고, 로터 구조체의 최대 부품은 알루미늄 링(34)이다. 이는 본 실시예에서 "외부 링" 또는 "로드 링"으로 본 명세서에서 다양하게 지칭되며, 전기를 발생시키도록 철금속 베커 링(48)과 파단 링의 반경방향 내부면에 결합된 영구 자석(36)의 어레이를 포함하는, 다수의 부품을 포함한다. 알루미늄 링(34)은, 철재 베커 링(48)이 자성 시스템에 플럭스 경로를 제공하는 동안, 구조체를 가볍게 그리고 가속하기 쉽게 만든다. 로터 구조체(32)는, 도2 및 도3에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 합성 수지 외부 커버 링(46)을 강성 발포 플라스틱 코어(44) 위에 놓음으로써, 양호하게 제조되는 경량의 복합 공기역학적 블레이드(38, 40, 42)를 더 포함한다.

로터 구조체(32)는 블레이드(38, 40, 42)가 내부 단부에서 부착되는 비철 루트 링(45)을 더 포함한다. 루트 링(45)은 복합 플라스틱 구조물 또는 다른 상대적으로 경량인 재료로 이루어질 수도 있다. 예로써, 블레이드(38, 40, 42)는 길이가 대략 1.524 m(5 ft)일 수도 있다. 루트 링(45)은 직경이 대략 0.61 m(2 ft)일 수도 있고, 알루미늄 로드 링(34)은 직경이 대략 1.83 m(6 ft)일 수도 있다. 이와 같이, 로드 링(34)은 토크 편향에 저항하기 위해 블레이드에 강도 및 강성을 부가하도록 로터 구조체(32)의 반경방향 중심점에 가까이 부착된다. 블레이드는 내부 또는 루트 단부에서 대략 42도의 피치로, 외측 팁에서 대략 0.5도의 피치로 위로 휘어져 있다. 피치는 단부에서 단부까지 점차적으로 변화된다.

도2 내지 도5를 참조하여, 스테이터와 로터 구조체는 더 상세히 설명될 것이다. 스테이터 구조체(18)는 도6에 도시된 삼각형 지지 버팀대의 꼭지점에 알루미늄 판(50)을 포함한다. 각각의 판(50)은 구리 코일(29, 31)이 권취된, 이격되어 적층된 한 쌍의 철재 코어(26, 28)를 유지한다. 두 개의 코어 구조체(26, 28)의 각각의 세트는 경질 고무 롤러(30)에 회전가능하게 장착되고, 롤러는 영구 자석(36)의 외측면 위에 움직이는 폴리카보네이트 트랙(52)의 외부면에 맞물리며, 영구 자석은 연속적인 자기 플럭스 경로를 제공하도록 알루미늄 로드 링(34) 상에 장착된 강철 베커 링(48)에 결합된다. 폴리카보네이트 트랙(52)은 도5 및 도6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 자석(36)과 스페이서(33)의 조합으로 형성된 평탄면 위에 결합된 박막이다.

롤러(30)는 로터 구조체(32)의 로드 링(34)의 원할한 무진동 회전을 위해 폴리카보네이트 트랙(52)에 제공되는 평탄면과 접촉하고 그 위에 탑재된다. 강자성 코어(26, 28)는 폴리카보네이트 링에 인접한 근방에 위치되지만 그로부터 대략 0.4572 ㎝(0.180 in)만큼 이격되어 있다. 상술된 크기의 실제 실시예에서, 영구 자석과 강자성 코어 구조체(26, 28) 사이에서 자력의 인력은 자성 로터가 회전하여 지나감에 따라 세 개의 스테이터 구조체(18)의 각각에서 총 36.29 ㎏(80 lb) 인력을 위해서 전압 발생 유닛당 대략 18.14 ㎏(40 lb)이다. 적절한 알루미늄 로드 링(34)이 편향 없이 이 인력을 견딜 수 있기 위해서, 로터 롤러(30)가 양호하게는 편향에 대한 최대 저항을 위해 근접하여 매칭된 한 쌍의 코어(26, 28) 사이에 대칭적으로 장착되며, 코어 구조체 사이에 직접적으로 로드 링의 내측면과 접촉한다. 추가 롤러(37)는 도6에서 도시된 바와 같이 스러스트 지지, 즉 회전축에 평행한 방향으로의 지지를 제공하도록 스테이터 구조체 뒤에 회전가능하게 장착된다.

블레이드(38, 40, 42)의 각각의 내측면을 수납하고 그에 부합되는 안장 블럭(54)을 포함하는 블레이드 지지 구조체가 도5, 도6 및 도7에 가장 잘 도시된다. 클램프 블럭(56, 58)은 블레이드(38, 40, 42) 포확하고 전체 강성을 위해 이들을 로드 링(34)에 견고하게 유지시키도록 캡 스크류로 안장 블럭에 부착된다.

멈춤쇠(58)는, 양호하게는 로터(32)가 스테이터 구조체 전방으로 이동하는 것을 방지하도록 스테이터(18) 상의 판(60)에 캡 나사에 의해 부착된다. 멈춤쇠(59)와 로드 링(34)의 외부면 사이의 간격은 0.635 ㎝ (¼ in) 정도일 수도 있으므로, 최소의 역전 스러스트 로딩을 받아서, 외측 롤러가 필요없다.

요약하면, 각각의 발전기 유닛은 버팀대(19)로 구성된 삼각형 프레임으로 이루어진 스테이터 구조체(18)와 대칭적으로 배열된 세 쌍의 발생 유닛(20, 21, 22)을 포함한다. 각각의 발생 유닛은 로드 링(34)의 반경방향 내부 트랙(52) 상에 답재되도록 구성된 롤러(30)의 양쪽에 권취된 코일과 한 쌍의 강자성 코어(26, 28)를 포함한다. 로드 링(34)은 구조 강성을 부가하도록 대략 중심점에서 각각의 경량의 프로펠러 블레이드(38, 40, 42)에 일체로 부착된다. 로드 링(34)의 내측면에는, 프로펠러 블레이드(38, 40, 42)가 원형 경로에서 로터 링을 구동시킴에 따라 전지에서 전압을 발생시키도록 강자성 코어(26, 28)에 대해 반경방향으로 이격된 관계로 이동되는 영구 자석(36)의 어레이가 제공된다.

도8을 참조하면, 여섯 개의 풋 로드 링(34)의 내측 상에 160개의 영구 자석의 사용에 기초한 대표적인 전기 시스템이 도시된다. 시스템은 3상 전기 시스템을 생성도록 각각 이격된 여섯 개의 코일의 클러스터(64, 66, 68)를 포함한다. 각각의 클러스터의 두 개의 정합 위상 코일이 직렬로 배선된다. 여섯 개의 동일한 클러스터가 존재한다. 각각의 클러스터는 출력 회로를 형성하도록 병렬로 배선된 각 각의 정합 위상 코일 쌍을 갖는다. 각각의 출력 회로는 파워 인자를 보정하도록 리드 사이에 접속된 커패시터 뱅크(70, 72, 74)를 갖는다. 각각의 회로는 이어서 저항기(84, 86, 88)를 포함하는 출력 회로에 조절되지 않은 DC 전압을 각각으로 제공하도록 전파정류회로(76, 78, 80)중 하나에 공급된다. 도8의 회로는 출력을 감시하도록 전략적인 위치에서 전압 측정기를 도시한다. 대표적인 예에서 각각의 코일은 100회 권취되는 것으로 이루어지고, 발전기 구조체의 코어와 자석 사이에 공기 갭은 대략 5 ㎜이다.

성공적으로 작동되는 실시예에서, 블레이드의 무게는 대략 총 16.33 ㎏(36 lb)이고 250 rpm까지의 속도로 안전하게 회전된다. 자석의 총 무게는 대략 6.80 ㎏(15 lb)이고 롤러(30)는 직경이 10.16 ㎝(4 in)이며 경질의 고무로 제조된다.

도9 및 도10을 참조하여, 다른 로터 구조체(100)가 설명될 것이다. 로터 구조체는 경량의 성형 플라스틱으로 제조되고 도10에서 도시된 바와 같이 공기역학적 또는 쐐기형 단면을 갖는 로드 링(102)을 포함한다. 플라스틱 로드 링(102)은 도9에서 도시된 바와 같이 대략 중심점에서 블레이드(104, 106, 108)와 함께 물리적으로 통합되어 있다. 블레이드의 내부 단부는, 표준 유리섬유 기술에 의해 보다 소경의 루트 링(110)에 결합된다. "유리섬유"라는 용어는 흑연, 유리 및 다른 재료를 사용하는 것을 포함하는 다양한 종류의 복합 구조체를 포함하는 것으로 의도된다.

도4의 실시예의 영구 자석(36)이 로드 링(34)의 반경방향 내측면 상에 장착되는 반면, 도9 및 도10의 실시예의 영구 자석(114)은 로드 링(102)의 바람 불어가 는 쪽 또는 바람 아래 표면(130)주위 환형으로 배열되고 도10에서 도시된 바와 같이 로드 링(102)에 주조되는 환형의 강자성 베커 링(112)에 결합된다. 플라스틱 표면은 웨더프루핑(weather proofing)을 위해 자석 최상부에 위치될 수 있다. 롤러(124)는 로드 링(102)의 내측면(126)에 대항하여 유지되고 도9에 도시된 대칭적으로 동일하게 이격된 배열체로 배열된다. 롤러는, 제1 실시예와 같이, 비임의 삼각형 배열체로 구성된 스테이터 구조체(116)에 의해 지지된다. 코일(120)이 권취된 강자성 코어 구조체(118)는 또한 로터가 회전함에 따라 영구 자석(114)의 트랙에 밀접하게 인접하여 스테이터 구조체(116) 상에 위치설정된다. 스러스트 지지가 영구 자석(114)의 트랙의 반경방향 내부의 표면(130)에 대항하여 유지되는 롤러(128)의 수단에 의해 제공된다.

본 실시예에서, 발생 유닛은 풍손에 기인한 손실을 감소시키도록 기본적으로 기류 외부에, 즉 로드 링(102)의 투영부(shadow)에 있다. 단지 반경 방향 롤러(124)와 스테이터 구조체의 보다 작은 부분이 풍류에 놓여진다. 본 구조체는 에폭시 결합, 유리 섬유 기술 등으로 통합하기 위한 가능성 때문에 무게가 극히 경량이고 극히 단단하게 제조될 수도 있다. 도8의 전기 배열체는 또한 도9 및 도10의 구조체와 조합하여 사용될 수도 있다.

본 발명이 현재 가장 실용적이고 양호한 실시예라고 여겨지는 것들과 연관하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예들로 제한되는 것이 아니라, 후속의 청구범위의 기술 사상 및 범주 내에 포함되는 다양한 수정예 및 균등한 구성들을 포함하려는 것이고, 청구범위의 범주는 법 하에서 허여되는 이러한 수정예 및 균등한 구성들을 포함하기 위해 가장 넓게 해석되도록 허용되어야 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (28)

1. 풍력 발전기이며,

   스테이터 구조체와,

   로터 구조체를 포함하고,

   로터 구조체는,

   회전축을 갖는 루트 링과,

   루트 링과 동심원을 이루는 경량의 비자성 로드 링과,

   상기 대칭축에 평행하게 이동하는 바람에 의해 회전되도록 피치가 형성되고, 각각 내부 단부에서 상기 루트 링에 그리고 중심점에서 상기 로드 링에 고정되는 복수의 공기역학적 블레이드와,

   로드 링에 장착되는 철금속 베커 링과,

   베커 링에 부착되는 복수의 영구 자석과,

   상기 스테이터 구조체 상에 장착되고 그리고 로드 링 상에서 움직이도록 위치 설정된 복수의 롤러와,

   상기 롤러에 밀접하게 인접하여 상기 스테이터 구조체 상에 장착되고, 상기 로드 링 및 자석의 회전함에 따라 전기를 발생시키도록 상기 로드 링으로부터 이격되는 복수의 발전기 구조체를 포함하는 풍력 발전기.
2. 제1항에 있어서, 상기 발전기 구조체는 전압 발생 코일이 권취된 철재 코어 쌍을 포함하고, 상기 복수의 롤러 중 하나는 상기 철재 코어 쌍의 각각의 사이에 배치되는 풍력 발전기.
3. 제1항에 있어서, 블레이드는 변동 피치로 되어 있고, 각각의 블레이드의 최대 피치는 루트 링에 가장 가까이 있는 풍력 발전기.
4. 제1항에 있어서, 상기 비 강자성 로드 링은 알루미늄인 풍력 발전기.
5. 제3항에 있어서, 상기 비 강자성 로드 링은 알루미늄인 풍력 발전기.
6. 제1항에 있어서, 상기 블레이드는 강화 수지로 덮인 발포 플라스틱 재료로 제조되는 풍력 발전기.
7. 제3항에 있어서, 상기 자석 위에 놓이는 플라스틱 트랙 표면 형성 부재를 더 포함하는 풍력 발전기.
8. 제7항에 있어서, 상기 베커는 로드 링의 반경방향 내부면에 부착되는 풍력 발전기.
9. 제8항에 있어서, 상기 롤러는 상기 내부면에 대항하여 유지되고 상기 발전기 구조체는 상기 내부면에 대해 밀접하게 이격되도록 스테이터 구조체 상에 장착되는 풍력 발전기.
10. 제1항에 있어서, 상기 베커 링은 로드 링의 바람 불어가는 쪽의 표면에 부착되는 풍력 발전기.
11. 제10항에 있어서, 상기 롤러는 바람 불어가는 쪽의 표면을 지지하는 풍력 발전기.
12. 제1항에 있어서, 상기 로드 링에 상기 블레이드를 클램핑하기 위한 수단이 제공되는 풍력 발전기.
13. 제1항에 있어서, 상기 블레이드는 상기 로드 링에 일체로 결합되는 풍력 발전기.
14. 제1항에 있어서, 발전기 구조체는 3상 전기를 발생시키도록 배선되는 풍력 발전기.
15. 제8항에 있어서, 상기 스테이터 구조체 상에 장착되고 상기 로드 링의 바람 불어가는 쪽의 표면에 대항하여 유지되는 복수의 스러스트 롤러를 더 포함하는 풍 력 발전기.
16. 제10항에 있어서, 상기 영구 자석은 상기 로드 링에 매립되는 풍력 발전기.
17. 제16항에 있어서, 상기 영구 자석은 상기 로드 링에 매립되는 풍력 발전기.
18. 제17항에 있어서, 상기 트랙 표면 형성 부재는 상기 로드 링의 바람 불어가는 쪽의 표면에 결합되는 풍력 발전기.
19. 제1항에 있어서, 상기 블레이드는 개수가 3개인 풍력 발전기.
20. 제1항에 있어서, 상기 블레이드는 개수가 6개인 풍력 발전기.
21. 풍력 발전기이며,

    스테이터 구조체와,

    대칭축을 갖는 루트 링과, 상기 루트 링과 동심원을 이루는 로드 링과, 상기 루트 링과 상기 로드 링 사이에 고정되는 복수의 공기역학적 블레이드를 포함하는 로터 구조체와,

    상기 로드 링의 표면에 부착되는 영구 자석의 연속적인 어레이와,

    상기 자석 위에 배치되는 트랙 표면 형성 부재와,

    상기 스테이터 구조체 상에 장착되고 상기 트랙 표면 형성 부재 상에서 움직이도록 위치설정되는 복수의 롤러와,

    상기 롤러에 밀접하게 인접하여 상기 스테이터 구조체 상에 장착되고, 상기 자석이 통과함에 따라 전기를 발생시키도록 상기 표면으로부터 이격되는 복수의 발전기 구조체를 포함하는 풍력 발전기.
22. 제21항에 있어서, 상기 로드 링은 플라스틱으로 제조되는 풍력 발전기.
23. 풍차이며,

    대칭축을 갖는 루트 링과,

    상기 루트 링과 동심원을 이루는 외부 링과,

    상기 대칭축에 평행하게 이동하는 바람에 의해 회전되도록 피치가 형성되고, 복수의 각각 내부 단부에서 상기 루트 링에 중심점에서 상기 외부 링에 고정되는 공기역학적 블레이드와,

    상기 외부 링으로 상기 풍차를 회전 가능하게 지지하기 위한 수단을 포함하는 풍차.
24. 제23항에 있어서, 상기 외부 링의 표면에 부착되는 복수의 자석을 더 포함하는 로터.
25. 제24항에 있어서, 상기 표면은 주연 방향의 바람 불어가는 쪽의 주연면인 로터.
26. 제23항에 있어서, 상기 외부 링은 알루미늄으로 제조되는 로터.
27. 제23항에 있어서, 상기 외부 링은 플라스틱으로 제조되는 로터.
28. 영구 자석 로터를 갖는 풍력 발전기용 스테이터 구조체이며,

    내부에 코일이 장착되는 한 쌍의 강자성 코어 구조체와,

    상기 로터의 표면과의 결합을 위해 상기 코어 구조체들 사이에 바로 배치되는 롤러를 포함하는, 영구 자석 로터를 갖는 풍력 발전기용 스테이터 구조체.

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