KR20080101338A - 수평 원통형 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로서, 좀더 자세하게는 바람을 받아 돌아가는 풍차가 수평으로 뉘어진 상태로 설치되고, 바람의 에너지를 발전에 최대로 활용하기 위하여 바람을 유도하는 스테이터를 구비한 풍력발전기이다.

본 발명인 수평원통형 풍력발전기는, 설치구조체(10), 설치구조체에 회전축이 베어링으로 고정되어 수평으로 설치된 상태에서 회전하는 로터(20), 로터의 외부에 설치되어 바람의 방향을 로터의 베인으로 유도하는 스테이터(30), 그리고 로터의 축과 커플링으로 축이 연결되는 발전기(40)로 구성된다.

본 발명인 수평원통형 풍력발전기는 풍력에너지를 최대한 흡수할 수 있는 구조로 되어 있어 발전 수율이 높다. 그리고 풍차의 전체가 고공에 위치하여 지표에 비하여 풍속이 빠른 양질의 바람을 이용할 수 있다.

본 발명인 수평원통형 풍력발전기는 로터가 통상의 레디얼 베어링으로 지지되므로, 지지부의 마찰저항이 적어 에너지 손실이 적고, 구조적으로 안전하다.

본 발명인 수평원통형 풍력발전기는 다수 대를 연결하여 대용량 발전이 가능하다.

풍력, 발전,로터, 스테이터, 가이드베인, 방향타

Description

수평 원통형 풍력발전기{Horizontal Drum Type Wind Power Generator}

도 1은 종래의 풍력발전기 형상이다.

도 2는 지면 부근의 바람의 풍속 분포도이다.

도 3은 본 발명인 풍력발전기의 측면도이다.

도 4는 본 발명인 풍력발전기의 정면도이다.

도 5는 풍력발전기의 로터에 바람에 의하여 발생하는 힘을 보인 것이다.

도 6은 가이드판의 기능을 나타낸 것이다.

도 7은 풍력발전기를 연결하여 설치한 것이다.

도 8은 방향타를 구비한 풍력발전기이다.

※ 주요 구성품 번호

10 : 설치 구조물, 20 : 로터. 30 : 스테이터, 40 : 발전기, 50 : 방향타

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로서, 좀더 자세하게는 바람을 받아 돌아가는 풍차가 수평으로 뉘어진 상태로 설치되고, 바람의 에너지를 발전에 최대로 활 용하기 위하여 바람을 유도하는 가이드베인을 구비한 풍력발전기이다.

통상의 풍력발전기로는 도 1의 (a)에 도시한 바와 같은 수평프로펠러 형이 가장 보편적으로 사용되고 있다. 이와 같은 수평프로펠러형 풍력발전기는 구조가 아주 간단하고, 후미의 방향타를 이용하여 프로펠러의 회전면이 항상 바람을 마주보는 방향으로 향하게 할 수 있다. 그러나 이와 같은 프로펠러 형은 프로펠러의 형상이 구조적으로 얇으면서, 좁고 길어, 즉 세장비(길이/폭)가 커서, 특히 뒤틀림 강성이 약하다. 따라서 바람이 강하게 불 경우 프로펠러의 블레이드가 뒤틀려 항력(Drag)이 급격히 증가하여 효율이 급격히 낮아진다. 그리고 프로펠러 회전면을 통과하는 풍력에너지의 극히 일부만 프로펠러 블레이드에 작용하여 발전에 기여하므로 에너지 수율이 낮다.

이에 대한 대책으로 최근에는 도 1의 (b)에 도시한 바와 같은 수직원통형 풍차를 이용한 풍력발전기가 시도되고 있다. 그러나 이와 같은 수직원통형 풍차의 경우, 원통면 전체가 바람에 의하여 횡하중을 받게 되고, 이와 같은 횡하중에 의하여 회전축이 휠 수 있고, 이 경우 심한 진동과 소음이 발생할 수 있다. 또한 이와 같은 풍차를 대형으로 만들 경우, 중량이 수백 내지 수천 톤에 이를 수 있고, 그에 따라 지지부위에서 마찰력이 아주 크게 되어 에너지 손실이 큰 문제가 있다. 뿐만 아니라, 일정 각도로 굽혀져 있는 베인(Vane)의 후면인 볼록한 부분에도 풍차의 회전을 방해하는 방향으로 풍하중이 작용하여, 발전기를 돌리는 원동력인 토크의 손실이 일어난다. 통상적으로 바람은 도 2에 도시한 바와 같이, 지면과의 마찰에 의하여 지표에서는 풍속이 낮고 풍속의 변화가 크며, 고공으로 올라갈수록 풍속이 빠 르고 풍속이 균일해지는데, 상기 수직원통형 풍차의 경우 하단부는 지면과 가까워 속도가 낮은 바람을 받게 되므로 효과적이지 못하다.

풍력에너지를 최대로 이용하는 풍력발전기의 풍차를 구현하기 위해서는 바람이 지나가는 전체 면에서 풍력에너지를 받아들이도록 풍차가 설계되어야 하고, 풍속이 비교적 빠르고 풍속이 균일한 양질의 바람이 지속되는 고공에 풍차가 설치되어야 한다. 그리고 구조적으로 안전하고, 대용량의 발전이 가능하도록 다수 대의 풍차를 연결한 결합시스템으로 사용할 수 있어야 한다.

본 발명인 수평원통형 풍차를 이용한 풍력발전기는 상기와 같은 기술적 과제를 해결한 풍력발전기이다.

본 발명인 수평원통형 풍력발전기는, 도 3의 측면도와 도 4의 정면도에 도시한 바와 같이, 설치구조체(10), 설치구조체에 회전축이 베어링으로 고정되어 수평으로 설치된 상태에서 회전하는 로터(20, Rotor), 로터의 외부에 설치되어 바람의 방향을 로터의 베인으로 유도하는 스테이터(30, Stator), 그리고 로터의 축과 커플링으로 축이 연결되는 발전기(40)로 구성된다.

설치구조체는 지상에서 충분한 높이에 로터(20), 스테이터(30), 그리고 발전기(40)를 설치할 수 있게 하는 구조체로서, 철골 트라스 구조로 제작하는 것이 좋 다. 설치 구조체는 주구조체(11)에 베어링받침(12), 발전기받침(13), 하부스테이터받침(14), 상부스테이터받침(15) 등이 구비된다.

로터(20)는 풍력을 받아 회전하는 구성품으로서, 중앙에 회전축(21)이 있는 원통형이며, 허브(22)에 단면이 반원에 가까운 곡면인 베인(23)이 허브의 길이방향으로 방사상으로 다수 매가 배열되어 있어 임의의 방향에서 바람이 불어도 회전을 할 수 있다. 회전축(21)과 허브(22)는 키로 고정하여 일체가 되게 하고, 회전축(21)은 양단이 레디얼 베어링(25)으로 상기 설치구조체의 베어링받침(12)에 지지된다.

로터(20)의 중량을 줄이기 위하여 베인(23)을 얇게 제작할 경우, 베인의 강도를 유지하기 위하여 베인의 외주를 따라 다수 개의 보강스트랩(24)을 둘 수 있다. 이 보강스트랩(24)은 베인(22)의 끝단에 용접, 나사, 리벳 등으로 부착된다.

로터(20)에서 허브의 크기는 임의로 할 수 있으나, 충분히 크게 하는 것이 베인의 단면 길이를 짧게 하고 대신 매수를 늘릴 수 있어 바람직하다.

스테이터(30)는 바람을 상기 로터의 베인(23) 쪽으로 유도하는 구실을 하는 것으로 철판 등의 평판을 굽혀 제작하고, 상기 로터(20)의 하단을 감싸는 하부스테이터(30-1)와 로터의 상단을 감싸는 상부스테이터(30-2)로 구성된다. 상부스테이터와 하부스테이터는 동일한 형상이며 부착방향만 서로 상이하다. 각각의 스테이터는 상기 로터와 동심원을 이루고 바람이 유입될 수 있는 술릿(32)이 형성되고, 외면에는 단면이 원호에 가까운 가이드베인(Guide Vane, 33)이 슬릿(32)의 사이사이에 부착되며, 일단은 곡률반경이 아주 큰 가이드판(34)이 부착되어 있다. 이 스테이터는 각각 하부스테이터받침(14)과 상부스테이터받침(15)에 의하여 주구조체(11)에 고정된다.

스테이터(30)의 제조원가를 절약하려면 슬릿(32)과 가이드베인(33)을 생략하여, 로터의 한쪽 측면의 절반 이하 또는 절반 이상을 밀폐하는 구조로 할 수 있다. 이와 같이 할 경우 로터(20)의 회전을 방해하는 바람은 스테이터 면을 따라 흘러 지나간다.

만약 스테이터(30)가 없다면, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 로터(20)의 측면에서 부는 바람 중 상부 절반은 로터의 베인(23)의 안쪽 면에 힘(F1)을 가하여 로터(20)를 정방향으로 회전시키는 토크로 작용하나, 하부 절반은 베인(23)의 바깥쪽 면에 힘(F2)을 가하여 로터(20)를 역방향으로 회전시키는 토크로 작용한다. 베인(23)의 단면 형상이 반원에 가까운 곡면이므로, 로터 상단의 베인(23)에서 바람의 방향이 크게 바뀌므로 상대적으로 큰 정방향 토크가 발생하고, 바람의 방향이 적게 바뀌는 로터 하단의 베인에서는 작은 역방향 토크가 발생하므로, 로터(20)가 정방향으로 회전을 하기는 한다. 그러나 로터의 하부 절반 이하에 부는 바람은 로터의 정방향 회전에 오히려 방해가 된다.(바람의 방향이 반대이면 상기 설명에서 상, 하가 바뀐다.)

스테이터는 도 5의 (b)와 같이, 상기와 같이 로터(20)의 회전에 방해를 일으키는 바람 성분을 가이드베인으로 미리 방향을 바꾸어 로터를 정방향으로 회전시키는 힘(F3)으로 작용하게 한다.

만약 가이드베인이 없는 밀폐구조로 할 경우, 도 5의 (c)와 같이, 적어도 로 터(20)의 회전을 방해하는 바람은 스테이터 면을 따라 흘러 지나가고, 적어도 로터의 회전을 방해하는 힘을 미치지는 않는다.

스테이터에 가이드판(34)이 추가로 구비된다면, 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 로터(20)의 직경보다 훨씬 큰 단면을 지나는 바람까지 로터(20)로 유도하여 로터를 회전시키는 동력으로 이용될 뿐만 아니라, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이 한번 로터(20)의 베인(23)에 힘을 가하고 난 후 유출되는 바람을 다시 로터의 베인으로 유도하여 재사용되게 하는 효과가 있어 발전효율이 현저히 증가한다.

발전기(40)는 통상의 풍력발전에 사용되는 발전기를 사용하고, 발전기의 축이 상기 로터의 축과 커플링(41)으로 연결되어, 풍력에 의하여 로터가 회전할 때 발전기의 축도 함께 회전하여 전기를 생산한다. 커플링(41)으로 플렉시블 커플링을 사용할 경우, 로터의 회전축(21)과 발전기(40)의 축 사이의 정렬이 다소 일치하지 않더러도 무리없이 회전 동력이 전달된다.

발전기에서 생산된 전기는 전선을 따라 2차전지에 축전하거나 바로 사용할 수 있다.

본 발명인 풍력발전기를 대형으로 제작할 경우에는 상기 로터(20)와 스테이터(30)를 짧은 길이를 가진 모듈로 제작하고, 이들 모듈을 다수개를 연결하여 하나의 긴 로터와 스테이터를 형성할 수 있다.

그리고 본 발명인 풍력발전기는 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명인 풍력발전기의 로터(20)와 스테이터(30)으로 구성된 풍차 다수 대를 수평으로 연결하고, 그 중간 또는 일단에 하나의 대용량 발전기를 부착하여 사용할 수 있다.

본 발명인 풍력발전기를 소형으로 제작하여 소용량 발전용으로 사용할 때는, 도 8에 도시한 바와 같이, 로터(20)와 스테이터(30)가 결합된 풍차의 하부에 스러스트 베어링 또는 롤러를 사용하여 풍차가 설치구조체(10) 위에서 수평면에서 회전할 수 있게 하고, 풍차의 상부스테이터(30-2)의 상단 또는 하부스테이터(30-1)의 g하단에 수직평판인 방향타(50)를 부착할 수 있다. 이와 같이 방향타를 부착할 경우, 방향타와 직각으로 부는 바람성분이 있을 경우, 즉 풍차의 축방향으로 바람이 불 경우, 풍차가 회전을 하여 풍차의 정면이 항상 바람이 불어오는 방향을 향하게 한다. 이와 같이 풍차의 정면이 바람방향과 일치할 경우, 모든 풍향의 바람의 풍력에너지는 손실이 없이 발전에 기여하게 된다.

본 발명인 수평원통형 풍력발전기는 풍력에너지를 최대한 흡수할 수 있는 구조로 되어 있어 발전 수율이 높다. 그리고 풍차의 전체가 고공에 위치하여 지표에 비하여 풍속이 빠르고 균일한 양질의 바람을 이용할 수 있다.

본 발명인 수평원통형 풍력발전기는 로터가 통상의 레디얼 베어링으로 지지되므로, 지지부위의 마찰저항이 적어 에너지 손실이 적고, 구조적으로 안전하다.

본 발명인 수평원통형 풍력발전기는 다수 대를 연결하여 대용량 발전이 가능하다.

본 발명인 풍력발전기에 로터(20)와 스테이터(30)가 결합된 풍차의 하부에 스러스트 베어링 또는 롤러를 사용하여 풍차가 설치구조체(10) 위에서 수평면에서 회전할 수 있게 하고, 방향타(50)를 부착할 경우, 풍차의 정면이 항상 바람이 불어오는 방향을 향하고, 모든 풍향의 풍력에너지는 손실이 없이 발전에 기여한다.

Claims (5)

1. 철골 구조의 설치구조체(10);

   상기 설치구조체(10)에 회전축(21)이 베어링(22)으로 고정되고, 단면이 반원에 가까운 곡면인 베인(23)이 상기 회전축이 설치되는 허브(22)의 길이방향으로 방사상으로 다수 매가 배열되어 전체적으로 원통 형상을 가진 로터(20);

   상기 로터의 외부에 설치되어 바람의 방향을 로터의 베인(23) 쪽으로 유도하는 가이드베인(33)을 구비하고, 길이 방향으로 바람이 통과할 수 있는 슬릿(32)이 형성되어 있는 것으로서, 상기 로터(20)를 감싸는 형상으로 로터의 상부와 하부에 위치하며, 상기 설치구조체(10)에 고정되는 2개의 스테이터(30);

   그리고, 상기 로터(20)의 회전축(21)과 커플링(41)로 축이 연결되는 발전기(40);

   를 포함하여 구성되는 수평원통형 풍력발전기.
2. 제1항에 있어서, 상기 스테이터(30)는,

   가이드베인(33)과 슬릿(32)이 없고, 단지 바람이 로터(20)에 접하는 것을 막아주는 기능을 하는 스테이터인 것을 특징으로 하는, 수평원통형 풍력발전기.
3. 제1항에 있어서, 상기 스테이터(30)는,

   스테이터의 일단이 연장된 가이드판(34)를 구비한 스테이터인 것을 특징으로 하는, 수평원통형 풍력발전기.
4. 제1항, 제2항, 또는 제3항의 풍력발전기가, 다수 대가 횡방향으로 연속으로 배치되고, 회전축(21)이 커플링으로 서로 연결되고, 그 중간 또는 일단에 발전기(40)가 연결되어 대용량 발전을 할 수 있는 것을 특징으로 하는, 수평원통형 풍력발전기.
5. 제1항, 제2항, 또는 제3항의 풍력발전기에 있어서,

   2개의 스테이터(30) 중 어느 하나 또는 모두에 방향타(50)가 부착되고;

   로터(20)와 스터이터(30)로 구성되는 풍차가 설치구조체(10) 상에 수평면에서 회전할 수 있게 고정되어;

   풍차의 정면이 자동으로 바람이 부는 방향으로 향하는 것을 특징으로 하는, 수평원통형 풍력발전기.

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