KR20100022727A - 풍차날개 및 이를 포함하는 풍력발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바람과의 접촉면적을 넓힘과 더불어 복수의 측벽 및 바닥에 의해 바람을 집약시켜 정해진 방향으로 유도함으로써 풍차의 회전력을 향상시켜 풍력발전의 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 풍차날개 및 이를 포함하는 풍력발전장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 풍차날개는, 복수의 측벽 및 바닥면을 가지고, 상기 바닥면의 맞은편은 개방되며, 상기 복수의 측벽 및 경사각이 서로 다른 다수의 경사면을 가진 바닥면에 의해 한정되는 공간부를 가진 날개 본체; 및 상기 날개 본체를 지지하는 골격부;를 포함한다.
풍차날개, 측벽, 골격, 바닥면, 공간부, 집약

Description

풍차날개 및 이를 포함하는 풍력발전장치{WIND BLADE AND WIND POWER APPARATUS HAVING THE SAME}
본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바람과의 접촉면적을 넓힘과 더불어 복수의 측벽 및 바닥에 의해 바람을 집약시켜 정해진 방향으로 유도함으로써 풍차의 회전력을 향상시켜 풍력발전의 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 풍차날개 및 이를 포함하는 풍력발전장치에 관한 것이다.
풍력발전장치라 함은 자연의 바람으로 풍차(風車)를 돌리고, 이것을 기어기구 등을 이용하여 속도를 높여 발전기를 돌리는 발전장치이다.불어오는 바람은 풍력 발전기의 풍차날개를 회전시키고, 이러한 풍차날개의 회전력으로 전기를 생산한다.
구체적으로 풍력 발전기는 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적 에너지로 변환하는 풍차날개, 풍차날개의 회전력이 중심 회전축을 통해 변속기어로 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 맞춰 발전기를 회전시키는 변속장치, 및 풍차날개에서 발생한 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기를 포함한다.
이러한 풍력발전장치는 발전기를 풍속에 관계없이 일정한 속도로 회전시킬 필요가 있으므로, 풍속에 따라 풍차날개의 기울기를 바꾸는 등의 제어를 해야 한다. 바람이 없을 때는 발전할 수 없으므로, 정전되는 것을 피하기 위해 축전지나 디젤 발전기도 같이 설치해 두는 경우가 많다. 다만 이 경우는 직류발전이 되는데, 그 용량은 수십 W에서 수십 kW 정도이다.
대용량의 풍력발전은 풍차 크기가 커지고, 폭풍 때의 대책 등에 어려운 문제가 따르는데, 미국에서는 1,000kW를 넘는 것도 있다. 현재 643MV 상당의 풍차를 보유한 독일은, 1994년에 발전능력을 배가시키며 대체에너지로 실용에 박차를 가하고 있다.
이러한 풍력발전장치는 그 풍차날개의 축이 설치된 방향에 따라 풍차날개의 축이 수직한 방향으로 설치된 수직축 구조와 풍차날개의 축이 수평한 방향으로 설치된 수평축 구조로 구분될 수 있다.
수직축 구조의 풍력발전장치는 바람의 방향에 자주 바뀌어도 풍차 날개의 회전은 일정하게 유지되는 장점이 있으나, 그 발전효율이 낮은 단점이 있었다.
그리고, 수평축 구조의 풍력발전장치는 발전효율은 양호하지만, 회오리성 바람과 같이 여러방향에서 바람이 부는 경우 바람의 방향이 자주 바뀌어 풍차날개의 위치가 자주 바뀌어 정상적인 발전효율을 보장할 수 없을 뿐만 아니라 풍향이 심할 경우 풍차날개의 축이 파손될 수 있는 단점이 있었다.
또한, 수평축 구조의 풍력발전장치는 각 풍차날개의 길이 및 중량이 커서 풍차날개를 지지하는 회전축 및 지지포스트 측에 걸리는 모멘트가 매우 커지게 되므로 쉽게 마모 내지 파손될 수 있고, 이에 따라 그 내구성이 저하되어 과다한 유지 보수비용을 초래할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 컴팩트한 사이즈의 풍차날개를 적용함으로써 그 내구성을 향상시킬 수 있고, 운반 내지 조립이 용이한 구조로 이루어져 그 설치 내지 유지보수 비용을 절감할 수 있는 풍차날개 및 이를 포함하는 풍력발전장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 회전면적을 최소화시키고, 바람과의 접촉면적을 최대화시킴과 더불어 복수의 측벽 및 바닥면에 의해 바람을 집약시켜 정해진 방향으로 유도함으로써 풍차날개의 회전력을 대폭 증대시킬 수 있는 풍차날개 및 이를 포함하는 풍력발전장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 풍차날개는,
복수의 측벽 및 바닥면을 가지고, 상기 바닥면의 맞은편은 개방되며, 상기 복수의 측벽 및 바닥면에 의해 한정되는 공간부를 가진 날개 본체; 및
상기 날개 본체를 지지하는 골격부;를 포함한다.
상기 날개 본체의 바닥면은 하나 이상의 산 및 골 부분을 가지도록 주름진 것을 특징으로 한다.
상기 바닥면은 하나 이상의 경사면(inclined surface)을 포함하고, 상기 바닥면의 일단에는 제1측벽이 배치되며, 상기 바닥면의 양측에는 제2 및 제3 측벽이 배치된다.
상기 바닥면은 그 일단에서 타단으로 이어진 복수의 경사면을 포함하고, 이러한 복수의 경사면에 의해 복수의 산 및 골 부분이 형성된다.
상기 바닥면의 타단에 배치되는 경사면은 그 일측 모서리 부분에 대각선 방향으로 절곡된 절곡면을 가진다.
상기 골격부는 상기 날개본체의 가장자리 부분에 구비된 가장자리 골격, 날개본체의 상부 측에 배치된 상부 지지골격, 상기 날개본체의 하부에 배치된 하부 지지골격, 및 상기 상부 및 하부 지지골격을 연결하는 연결골격을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치는,
내부에 바람을 집약하는 공간부를 가진 하나 이상의 풍차날개;
상기 풍차날개가 결합되고, 회전축을 가진 허브;
상기 허브를 지지하는 지지포스트; 및
상기 허브의 회전축에 연결된 발전유닛;을 포함한다.
상기 풍차날개는 허브의 수직축선에 대해 경사지게 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 풍차날개는,
복수의 측벽 및 바닥면을 가지고, 상기 바닥면의 맞은편은 개방되며, 상기 복수의 측벽 및 바닥면에 의해 한정되는 공간부를 가진 날개 본체; 및
상기 날개 본체를 지지하는 골격부;를 포함한다.
상기 발전유닛은 상기 허브의 회전축에 직접적으로 연결된 메인발전기, 및 상기 허브의 회전축에 보조회전축을 매개로 연결된 하나 이상의 보조발전기를 포함한다.
상기 보조회전축의 일측은 제1변속유닛을 매개로 회전축에 연결되고, 상기 보조회전축의 타측에는 하나 이상의 보조발전기가 제2변속유닛을 매개로 연결되고, 상기 보조발전기는 보조회전축에 클러치를 통해 그 연결이 선택적으로 단속될 수 있다.
상기 제1 및 제2 변속유닛은 상호 치합되는 베벨기어들로 구성될 수 있다.
이상과 같은 본 발명은, 컴팩트한 사이즈의 풍차날개를 적용함으로써 그 내구성이 향상될 뿐만 아니라 설치 내지 유지보수 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 회전면적을 최소화시킬 수 있고, 바람과 접촉면적을 최대화함과 더불어 복수의 측벽 및 바닥면에 의해 바람을 집약시켜 정해진 방향으로 유도함으로써 풍차날개의 회전력을 대폭 증대시키고, 이에 의해 그 발전효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍차날개를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 풍차날개(100)는 날개 본체(10) 및 이 날개 본체(10)를 지지하는 골격부(20)를 포함한다.
날개 본체(10)는 복수의 측벽(11, 12, 13) 및 바닥면(15)을 포함하고, 측벽(11, 12, 13)들과 바닥면(15)에 의해 공동부(16)가 한정되며, 바닥면(15)의 맞은편에는 개방되어 있다. 이에 의해, 본 발명의 풍차날개(100)는 바람이 개방된 부분을 통해 공동부(16) 내로 화살표 Win방향으로 유입되어 집약된다(catched).
바닥면(15)의 일단에는 제1측벽(11)이 배치되고, 제1측벽(11)은 일정각도로 경사지게 형성됨으로써 바닥면(15)에 집약된 바람을 화살표 Wout방향으로 유도한다.
바닥면(15)의 좌우 양측에는 제2 및 제3 측벽(12, 13)이 배치되고, 제2 및 제3 측벽(12, 13)은 일정각도로 경사지게 형성됨으로써 바람을 바닥면(15)으로 유도한다.
바닥면(15)은 하나 이상의 산(15x) 및 골(15y)을 가지도록 주름지게 형성될 수 있다. 특히, 바닥면(15)은 그 일단에서 타단으로 복수의 경사면(15a, 15b, 15c, 15d, 15e)이 서로 이어져 형성될 수 있다. 이러한 경사면(15a, 15b, 15c, 15d, 15e)들의 이어짐에 의해 하나 이상의 산(15x) 및 골(15y)이 형성될 수도 있다. 또한, 산(15x) 및 골(15y)은 예리(sharp)하게 형성되거나 곡률(curved)지게 형성될 수도 있다.
예컨대, 제1경사면(15a)의 일단에는 제1측벽(11)이 일정각도로 경사지게 이 어져 있고, 제1경사면(15a)의 타단은 제2경사면(15b)의 일단에 이어져 있으며, 제2경사면(15b)의 타단은 제3경사면(15c)의 일단에 이어져 있고, 제3경사면(15c)의 타단은 제4경사면(15d)의 일단에 이어져 있으며, 제4경사면(15d)의 타단은 제5경사면(15e)의 일단에 이어져 있다.
그리고, 제5경사면(15e)의 타단는 외부를 향해 열린 형태로 경사지고, 제5경사면(15e)의 일측 모서리 부분에는 대각선 방향으로 절곡된 절곡면(15f)을 가진다.
이러한 구성에 의해, 공동부(16)로 집약된 바람은 제5경사면(15e)을 타고 외부(도 1의 화살표 Wout방향)로 흘러나감으로써 풍차날개(100)는 소정방향으로 회전한다.
그리고, 바람이 절곡면(15f)과 접촉함에 따라 풍차날개(100)는 그 회전이 더욱 원활해진다. 즉, 절곡면(15f)은 풍차날개(100)의 회전을 보조하는 보조익의 역할을 한다.
이와 같이 본 발명의 풍차날개(100)는 공동부(16)를 통해 바람을 집약하고, 복수의 경사면(15a, 15b, 15c, 15d, 15e) 등을 통해 바람과의 접촉면적을 넓힐 뿐만 아니라 집약된 바람을 일정방향으로 안정되게 밀어냄으로써 그 회전력을 증대시킬 수 있다. 또한, 이러한 회전력의 증대를 통해 높은 발전효율을 도모할 수 있다.
골격부(20)는 날개본체(10)의 측벽(11, 12, 13) 및 바닥면(15)을 견고하고 안정적으로 지지하는 복수의 지지골격(21, 22, 23, 24)을 포함한다.
복수의 지지골격(21, 22, 23)은 날개본체(10)의 가장자리 부분에 구비된 가 장자리 골격(21), 날개본체(10)의 상부 측에 배치된 상부 지지골격(22), 날개본체(10)의 하부에 배치된 하부 지지골격(23), 상부 및 하부 지지골격(22, 23)을 연결하는 연결골격(24)을 가진다.
그리고, 골격부(20)의 후방단에는 장착봉(25)이 구비되고, 이 장착봉(25)은 도 5 또는 도 6에 도시된 바와 같이 풍력발전장치(200)의 허브(250)측에 결합된다.
이와 같이, 본 발명의 풍차날개(100)는 날개본체(10)가 골격부(20)에 의해 지지되는 구조로 이루어짐으로써 컴팩트한 크기 및 경량화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 풍차날개(100)는 날개본체(10)의 측벽(11, 12, 13), 바닥면(15) 등을 개별적으로 골격부(20)측에 용접 등을 통해 접합함으로써 그 운반 내지 조립이 용이한 장점이 있다.
본 발명에 의한 풍력발전장치(200)는 도 5 또는 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 풍차날개(100), 복수의 풍차날개(100)가 설치된 허브(250), 허브(250)를 지지하는 지지포스트(220), 허브(250)의 회전축(251)에 연결된 발전유닛(240)을 포함한다.
풍차날개(100)는 도 7에 도시된 바와 같이, 풍향에 따라 풍차날개의 방향 전환이 용이하도록 허브(25)의 수직선에 대해 소정의 경사각도(X)로 경사지게 설치될 수 있다. 이러한 경사 각도(X)는 대략 25~35°범위가 바람직할 것이다.
허브(250)는 그 중심부에 회전축(251)을 가지고, 허브(250)는 그 외주면에 복수의 장착구(252)를 가지며, 각 장착구(252)에는 풍차날개(100)의 장착봉(25)이 개별적으로 결합된다.
허브(250)의 장착구(252)는 도 5에 도시된 바와 같이 반경방향의 직선상으로 연장될 수도 있고, 도 6에 도시된 바와 같이 소정각도로 절곡된 구조로 형성될 수도 있다. 특히, 도 6과 같이 장착구(252)가 절곡된 구조일 경우 풍차날개(100)의 회전반경이 감소하여 보다 컴팩트한 구조를 도모할 수도 있다.
특히, 본 발명의 풍차날개(100)는 측벽(11, 12, 13), 바닥면(15), 공동부(16) 등을 통해 바람을 집약한 후에 이 집약된 바람을 일정방향으로 안내함으로써 보다 강한 회전력을 발생시킬 수 있다.
이에 본 발명은 종래기술(발전효율 측면에서)에 대비하여 풍차날개(100)의 길이가 상대적으로 짧게 형성될 수 있으므로, 풍차날개(100)의 회전반경을 최소화할 수 있고, 이에 의해 풍력발전장치(200)의 컴팩트한 크기 및 경량화를 용이하게 도모할 수 있다.
지지포스트(220)는 그 상단에 헤드부(210)를 가지고, 이 헤드부(210) 내에 허브(250)의 회전축(251)이 베어링(211) 등을 통해 회전가능하게 지지된다.
발전유닛(240)은 허브(250)의 회전축(251)에 연결되어, 풍차날개(100)의 호전력을 전기에너지로 변환한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전유닛(240)은 허브(250)의 회전축(251)에 직접적으로 연결된 메인발전기(241), 및 허브(250)의 회전축(252)에 보조회전축(280)을 매개로 연결된 하나 이상의 보조발전기(242)를 포함한다.
메인발전기(241)는 그 내부에 증속기(미도시)를 내장하고, 메인발전기(241)는 허브(250)의 회전축(251) 단부에 직접적으로 연결되어 풍차날개(100)의 회전력 을 직접적으로 전달받은 후에 그 회전력을 전기에너지로 변환한다.
보조발전기(242)는 허브(250)의 회전축(252)에 보조회전축(280)을 매개로 연결되고, 보조회전축(280)은 그 일측이 제1변속유닛(261)을 매개로 회전축(252)에 연결된다.
제1변속유닛(261)은 회전축(252)의 속도를 다양한 변속비로 전달할 수 있도록 기어열 구조로 이루어질 수 있다. 제1변속유닛(261)은 도 7에 예시된 바와 같이 회전축(252)의 일측 및 보조회전축(280)의 상단에 상호 치합되게 설치된 베벨기어(261a, 261b)들로 구성될 수 있다.
보조회전축(280)의 타측에는 하나 이상의 보조발전기(242)가 제2변속유닛(262)을 매개로 연결되고, 또한 각 보조발전기(242)는 보조회전축(280)에 클러치(270)를 통해 그 연결이 선택적으로 단속되도록 구성될 수 있다. 클러치(270)는 각 보조발전기(242)의 회전축(242a) 상에 설치됨으로써 각 보조발전기(242)의 접속을 선택적으로 단속할 수 있다.
제2변속유닛(262)은 보조회전축(280)의 속도를 다양한 변속비로 전달할 수 있도록 기어열 구조로 이루어질 수 있다. 도 7에 예시된 바와 같이, 제2변속유닛(262)은 보조회전축(280)의 하단 및 보조발전기(242)의 회전축(242a) 각각에 상호 치합되게 설치된 베벨기어(262a, 262b)들로 구성될 수 있다.
일반적으로, 풍력발전기의 풍차날개는 바람의 풍속에 의해 회전하므로, 태풍 등과 같이 강풍이 발생하는 경우 풍차날개의 회전속도가 일정치 이상으로 과도하게 높아지면 그 회전력의 가중에 의해 발전기에 과부하가 발생하여 풍력발전기의 수명 을 단축시킬 뿐만 아니라, 심하게는 발전기의 과열로 인한 화재 등 각종 안전사고가 발생하는 위험이 있었다. 이에 종래의 풍력발전장치는, 풍력에 의해 회전하는 풍차날개의 피치를 조절하는 피치조절 장치를 구비할 필요가 있었다.
하지만, 본 발명의 발전유닛(240)은 메인발전기(241) 및 보조발전기(242)로 구성되고, 특히 태풍 등과 같이 강풍이 발생하는 경우, 하나 이상의 보조발전기(242)의 접속을 클러치(270)에 의해 선택적으로 단속함으로써 강풍에 의한 과도한 회전력을 메인발전기(241) 및 하나 이상의 보조발전기(242)측에 인가할 수 있다. 이에 의해, 메인발전기(241)측에 과부하가 발생함을 방지하여 안전사고 등을 미연에 차단할 수 있을 뿐만 아니라 하나 이상의 보조발전기(242)를 가동시킴으로써 그 발전효율을 증대시킬 수 있다.
특히, 강풍의 풍량에 따라 클러치(270)의 작동에 의해 복수의 보조발전기(242)를 단계적으로 접속시킬 경우, 강풍의 풍량에 비례하여 그 발전효율을 더욱 증대시킬 수도 있다.
이상과 같은 본 발명의 풍력발전장치는 풍력발전설비 뿐만 아니라 그 경량화 및 컴팩트한 구조로 인해 선박의 보조스크류, 양수기 등에 적용되어 직접 동력을 전달하는 데 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍차날개를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 화살표 A방향에서 바라본 측면도이다.
도 3은 도 1의 화살표 B방향에서 바라본 평면도이다.
도 4는 도 1의 화살표 C방향에서 바라본 배면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치를 도시한 배면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전장치를 도시한 배면도이다.
도 7은 도 6의 측단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
10: 날개본체 11, 12, 13: 측벽
15: 바닥면 20: 골격부
100: 풍차날개 200: 풍력발전장치

Claims (12)

  1. 복수의 측벽 및 바닥면을 가지고, 상기 바닥면의 맞은편은 개방되며, 상기 복수의 측벽 및 바닥면에 의해 한정되는 공간부를 가진 날개 본체; 및
    상기 날개 본체를 지지하는 골격부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍차날개.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 날개 본체의 바닥면은 하나 이상의 산 및 골 부분을 가지도록 주름진 것을 특징으로 하는 풍차날개.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바닥면은 하나 이상의 경사면(inclined surface)을 포함하고, 상기 바닥면의 일단에는 제1측벽이 배치되며, 상기 바닥면의 양측에는 제2 및 제3 측벽이 배치되는 것을 특징으로 하는 풍차날개.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바닥면은 그 일단에서 타단으로 이어진 복수의 경사면을 포함하고, 이러한 복수의 경사면에 의해 복수의 산 및 골 부분이 형성되는 것을 특징으로 하는 풍차날개.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 바닥면의 타단에 배치되는 경사면은 그 일측 모서리 부분에 대각선 방향으로 절곡된 절곡면을 가지는 것을 특징으로 하는 풍차날개.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 골격부는 상기 날개본체의 가장자리 부분에 구비된 가장자리 골격, 날개본체의 상부 측에 배치된 상부 지지골격, 상기 날개본체의 하부에 배치된 하부 지지골격, 및 상기 상부 및 하부 지지골격을 연결하는 연결골격을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍차날개.
  7. 내부에 바람을 집약하는 공간부를 가진 하나 이상의 풍차날개;
    상기 풍차날개가 결합되고, 회전축을 가진 허브;
    상기 허브를 지지하는 지지포스트; 및
    상기 허브의 회전축에 연결된 발전유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 풍차날개는 허브의 수직선에 대해 경사지게 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 풍차날개는,
    복수의 측벽 및 바닥면을 가지고, 상기 바닥면의 맞은편은 개방되며, 상기 복수의 측벽 및 바닥면에 의해 한정되는 공간부를 가진 날개 본체; 및
    상기 날개 본체를 지지하는 골격부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 발전유닛은 상기 허브의 회전축에 직접적으로 연결된 메인발전기, 및 상기 허브의 회전축에 보조회전축을 매개로 연결된 하나 이상의 보조발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 보조회전축의 일측은 제1변속유닛을 매개로 회전축에 연결되고, 상기 보조회전축의 타측에는 하나 이상의 보조발전기가 제2변속유닛을 매개로 연결되고, 상기 보조발전기는 보조회전축에 클러치를 통해 그 연결이 선택적으로 단속되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 변속유닛은 상호 치합되는 베벨기어들로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
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