KR20100028950A - 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 바람의 힘에 의해 기둥의 중심축을 중심으로 회전하며, 반경이 기둥보다 큰 원통형상의 허브가 마련된 로터부; 상기 로터부의 회전에 따라 상기 기둥의 중심축을 중심으로 회전하고, 상측에 제1영구자석이 마련되고 하측에 제2영구자석이 마련되며, 상기 로터부의 허브 내측 면의 원주상에 고리의 형태로 배열되어 설치되는 다수의 자석부; 상기 자석부의 제1영구자석 및 제2영구자석 사이의 공간에 위치하는 코일부; 상기 코일부를 지지하기 위한 지지수단이 마련되며, 상기 기둥의 외측 면의 원주상에 고리의 형태로 설치되는 지지부; 및 상기 코일부를 상기 지지부에 설치하기 위한 설치부; 를 포함하기 때문에 대형풍력발전기의 제조가 용이하면서 발전효율을 향상시킬 수 있는 기술이 개시된다.

풍력발전기, 자석, 블레이드, 로터

Description

풍력발전기{electric generator using wind}

본 발명은 바람의 힘을 이용하여 전기를 생산해내는 풍력발전기에 관한 것이다.

풍력 및 태양광 발전시스템은 청정에너지로서 에너지 위기 이후 세계 각국에서 지속적으로 기술개발을 하고 있으며, 전 세계적으로 풍력 발전시스템의 상용화가 활발하게 진행되고 있다.

태양광을 이용하는 발전시스템의 경우에는 날씨의 변화에 따라 적지 않은 영향을 받고 있기 때문에 효율성이 떨어지나, 풍력을 이용하여 전력을 생산하는 풍력발전시스템은 흐린 날씨와 같이 태양광이 없는 상황 같은 조건에서도 전력을 생산하여 공급할 수 있다. 특히, 우리나라와 같이 산악지형이 많은 곳에서는 태양열발전시스템보다 더 효율적으로 전력을 생산할 수 있다.

이러한 풍력발전시스템의 경우에 발마을 보다 효율적으로 이용하기 위해서 발전시스템을 구성하는 로터의 회전력을 최대한 이용하여야 하는데, 일반적으로 로터의 회전력을 기어에 의해 회전수(RPM)를 증가시켜 발전기에 의해 전력을 생산하게 된다. 이러한 풍력발전에 관하여 여러 가지의 기술이 제시되고 있는데, 그 중 일본특허출원공개 제2002-317748호(이하 ‘선행기술1’이라 함)가 있다. 선행기술1에서는 저 풍속에서도 회전에너지를 얻어 발전능력을 발휘하기 위한 기술이 개시되어 있다. 그러나 이러한 선행기술1에서는 다음과 같은 문제점이 있었다. 선행기술1에 개시된 바와 같은 구조를 갖는 풍력발전기는 대형의 풍력발전기의 제조에는 부적합한 문제점이 있었다.

즉, 보다 많은 양의 발전(發電)을 위하여 크기가 대형화되는 풍력발전기에서는 코일이 장착되는 기반의 반경이 커지게 되고, 영구자석이 장착되는 원반상의 케이스 반체 및 회전케이스의 반경 또한 커져야 한다. 여기서, 원반상의 케이스 반체 및 회전케이스의 반경이 커지면서 원반상의 케이스 반체 및 회전케이스의 무게는 크게 증가되기 때문에 회전케이스를 회전시키려면 회전력 또한 커야한다는 문제점이 있었다.

또한, 대형화된 원반상의 케이스 반체 및 회전케이스는 자체의 무게와 크기가 크고, 코일 및 영구자석이 매우 많은 개수가 설치되기 때문에 소형의 경우와는 달리 그 제작 및 발전기 제조가 어려워지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 크기가 대형이면서 제조가 용이한 대형풍력발전기를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력발전기는 바람의 힘에 의해 기둥의 중심축을 중심으로 회전하며, 반경이 기둥보다 큰 원통형상의 허브가 마련된 로터부; 상기 로터부의 회전에 따라 상기 기둥의 중심축을 중심으로 회전하고, 상측에 제1영구자석이 마련되고 하측에 제2영구자석이 마련되며, 상기 로터부의 허브 내측 면의 원주상에 고리의 형태로 배열되어 설치되는 다수의 자석부; 상기 자석부의 제1영구자석 및 제2영구자석 사이의 공간에 위치하는 코일부; 상기 코일부를 지지하기 위한 지지수단이 마련되며, 상기 기둥의 외측 면의 원주상에 고리의 형태로 설치되는 지지부; 및 상기 코일부를 상기 지지부에 설치하기 위한 설치부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 지지부에는 상기 코일부가 삽입될 수 있도록 삽입홈이 형성되어 있고, 상기 지지부에 마련된 지지수단은 상기 삽입홈을 통해 삽입된 상기 코일부를 지지하는 레일인 것을 또 하나의 특징으로 한다.

나아가, 상기 지지부의 삽입홈으로 삽입된 상기 코일부가 레일을 따라 위치이동할 수 있는 것을 또 하나의 특징으로 한다.

여기서, 상기 설치부는 상기 지지부의 삽입홈으로 삽입된 상기 코일부의 코일지지단이 상기 레일에 형성된 레일홈에 위치하도록 코일지지단을 레일측으로 밀어주는 피스톤; 및 상기 피스톤이 안정적으로 상기 코일부의 코일지지단을 밀어줄 수 있도록 피스톤을 지지하는 바디; 를 포함하는 것을 또 하나의 특징으로 한다.

본 발명에 따른 풍력발전기는 자석부가 풍력발전기의 허브 내측 면에 배치되어 코일부에 대하여 운동하기 때문에 자석부가 코일부에 대하여 보다 원활하게 회전할 수 있으므로 발전효율이 향상되는 장점이 있다.

또한, 설치부와 지지부를 포함하고 있으므로, 풍력발전기를 대형으로 제조하여야 할 경우에도 용이하게 제조할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 이해할 수 있도록 첨부된 도면을 참조한 바람직한 실시 예를 들어 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 기둥부분 및 로터부를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 자석부, 코일부, 지지부 및 설치부를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기는 로터부(20), 자석부(30), 코일부(40), 지지부(50) 및 설치부(60)를 포함하여 이루어진다.

풍력발전기의 기둥(10)에 로터부(20)가 위치하고 있으며, 로터부(20)의 허브(22) 내측과 풍력발전기의 기둥(10) 외측 사이에 자석부(30), 코일부(40), 지지부(50) 및 설치부(60)가 위치하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 로터부(20)는 바람의 힘을 받는 블레이드(21) 및 원통형상의 허브(22)를 포함하여 이루어진다. 블레이드(21)는 다수개가 허브(22)(hub)에 결합되어 있다.

블레이드(21)는 허브(22)의 외측 원주상에 일정간격을 두고 설치되어 있다.

블레이드(21)는 불어오는 바람을 받는다. 블레이드(21)가 받는 바람의 힘은 로터부(20)를 회전시키는 회전력으로 작용하게 된다. 허브(22)의 중심축은 기둥(10)의 중심축(11)과 일치하며, 기둥(10)의 중심축(11)을 중심으로 로터부(20)가 회전할 수 있도록 로터부(20)의 허브(22)는 베어링 등으로 기둥(10)의 중심축(11)과 연결되어 있다. 따라서, 로터부(20)는 기둥(10)의 지지를 받으며, 기둥(10)의 중심축(11)을 중심으로 로터부(20)는 바람의 힘을 받아 회전을 하게 된다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 자석부(30) 및 자석부블록(38)을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 자석부(30)는 로터부(20)의 회전에 따라 기둥(10)의 중심 축(11)을 중심으로 회전하며, 제1영구자석(31)이 상측에 마련되고 하측에 제2영구자석(32)이 마련되어 있다.

자석부(30)는 제1영구자석(31), 제1영구자석(31)의 하측에 마련되는 제2영구자석(32), 제1영구자석(31)을 지지하는 제1지지대(33) 및 제2영구자석(32)을 지지하는 제2지지대(34)를 포함하여 이루어진다.

제1영구자석(31)은 제1지지대(33)에 결합되어 제1지지대(33)의 지지를 받는다. 제2영구자석(32)은 제2지지대(34)에 결합되어 제2지지대(34)의 지지를 받는다. 제1영구자석(31)과 제2영구자석(32)은 소정의 간격을 두고 상측에 제1영구자석(31), 하측에 제2영구자석(32)이 위치한다. 여기서 제1영구자석(31)과 제2영구자석(32)이 서로 마주 대하는 면이 서로 반대의 자극을 갖도록 배치된다. 그리고 도 3에 도시된 바와 같이 제1영구자석(31)과 제2영구자석(32)의 면은 서로 평행하게 배치되는 것이 바람직하며, 제1영구자석(31)과 제2영구자석(32)을 잇는 수선은 기둥(10)의 중심축(11)에 평행하게 배치되는 것이 바람직하다.

제1영구자석(31)과 제2영구자석(32) 사이의 소정의 간격이 있고, 이 공간(즉, 제1영구자석(31) 및 제2영구자석(32) 사이의 공간)에는 후술할 코일부(40)의 코일(41)이 위치하게 된다.

제1, 제2영구자석(31,32)으로는 희토류계의 영구자석이 사용될 수 있는데 희토류계의 영구자석은 다른 계의 영구자석보다 비교적 자력이 강하다. 희토류계 영구자석 중 희토류,철,붕소(boron)계 영구자석이 사용되며 희토류 중에서는 네오듐(Nd)이 적합하게 사용된다. 희토류계 영구자석을 사용하여 고밀도의 자속을 코일 에 작용시키어 큰 기전력을 발생시킬 수 있다.

다수개의 자석부(30)는 로터부(20)의 허브(22) 내측 면에 링의 형태로 배열되어 설치되어 있거나 다수의 자석부(30)블록이 하나의 자석부블록패널(37)에 결합되어 하나의 자석부블록(38)을 형성하고, 자석부블록(38)들이 로터부(20)의 허브(22) 내측 면에 고리의 형태로 배치되도록 설치된다.

10개 정도의 자석부(30)들이 자석부블록패널(37)에 결합되어 형성된 자석부블록(38)들을 로터부(20)의 허브(22) 내측 면에 설치하는 것이 다수의 자석부(30)들을 일일이 허브(22)의 내측 면에 직접 설치하는 것보다 풍력발전기 생산성 향상에 도움이 될 수 있어 바람직하다. 설치작업현장으로 자재의 운송 측면이나 현장에서 설치소요시간을 감안하면 자석부블록(38)들을 공장에서 생산하고, 생산된 자석부블록(38)들을 풍력발전기의 설치작업현장에서 설치하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 코일부(40)를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 코일부(40)는 코일(41) 및 코일지지단(42)을 포함하여 이루어진다.

코일(41)은 구리와 같은 전도성 있는 와이어로 형성된다. 코일은 솔레노이드방식처럼 코어(core)없이 기다란 직육면체의 형상으로 몰딩을 하여 이루어진다.

코어 없는 코일(41)은 코일(41)의 주위가 합성수지로 굳혀지면서 코어를 갖지 않으며 내측에 공심부위를 갖고 있다. 합성수지로 굳히는 것에 의하여 절연효과 를 얻을 수 있다. 코어 없는 코일(41)은 시동시에 자장 인력이 작아지며, 코깅토오크(coging torque)라는 저항이 작아진다는 장점이 있다.

코일(41)은 3상결선인 경우 3상교류를 얻을 수 있으며, 이러한 경우 2상결선 및 단상교류 결선인 경우보다 정류 후의 유효전력이 크다는 장점이 있다.

코일지지단(42)은 코일(41)의 일단에 마련되어 코일(41)을 지지한다. 코일지지단(42)은 후술할 지지부(50)에 결합되며, 코일부(40)가 지지부(50)의 지지를 받게 된다. 코일지지단(42)에는 볼베어링이나 바퀴와 같은 위치이동수단이 마련되어 있을 수 있는데, 이에 대한 설명은 지지부(50)의 레일(52,53)을 설명하면서 같이 하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 지지부(50)를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 지지부(50)는 코일부(40)를 지지한다. 따라서 코일부(40)를 지지하기 위한 지지수단이 마련되어 있다. 지지부(50)는 풍력발전기 기둥(10, 도 1참조)의 외측 면에 위치하도록 설치되며, 지지부(50)는 전체적으로 고리의 형태를 갖고 있다. 지지부(50)의 내측 반경은 풍력발전기의 기둥(10, 도 1참조)의 외측반경과 비슷하거나 거의 같다.

지지부(50)에는 코일부(40)가 삽입될 수 있도록 삽입홈(51)이 형성되어 있다.

지지부(50)에 형성된 삽입홈(51)은 도 2에 도시된 바와 같이 3개 정도 형성 되어 있다. 삽입홈(51)의 개수는 특정갯수에 제한되지 않으며, 본 실시 예에서는 3개인 경우를 예시적으로 설명하고 있다. 앞서 설명한 코일부(40)의 코일지지단(42)이 지지부(50)에 형성된 삽입홈(51)에 삽입된다. 삽입홈(51)에 삽입이 된 코일지지단(42)은 지지부(50)에 마련된 지지수단에 의해 지지된다.

지지수단의 예로서 레일(52,53)이 있을 수 있다. 설명의 편의상 도 5에서 상측에 위치한 레일을 상레일(52), 하측에 위치한 레일을 하레일(53)이라고 한다. 삽입홈(51)에 삽입된 코일지지단(42)은 레일(52,53)에 위치된 후 레일(52,53)에 의해 지지된다. 즉, 상레일(52)과 하레일(53)에 마련된 레일홈(54)에 코일지지단(42)이 위치하게 되며, 이를 위하여 후술할 설치부(60)가 지지부(50)에 결합된다.

지지부(50)에 코일부(40)가 삽입되어 설치될 때 코일(41)이 상레일(52)에 걸리지 않도록 하기 위하여 삽입홈(51)에 위치한 상레일(52)부분은 일정 간격을 두고 분리되어 있다. 그러나 이 간격은 코일부(40)의 코일지지단(42)의 폭보다는 좁은 간격을 두고 분리되어 있다. 따라서 코일지지단(42)은 상레일(52)과 하레일(53)에서 이탈되지 않고, 상레일(52)과 하레일(53)의 레일홈(54) 상에 위치하게 된다.

지지부(50)에서 레일(52,53)이 마련된 측의 반대측은 풍력발전기의 기둥(10)의 외측 면에 설치되어 결합된다. 지지부(50)가 기둥(10)의 외측 면에 설치되므로, 지지부(50)는 전체적으로 고리의 형태를 갖고 있으며 내측 반경이 풍력발전기의 기둥(10)의 외측반경과 비슷하거나 거의 같다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 설치부(60)를 개략적으로 나 타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 설치부(60)는 피스톤(61) 및 바디(62)를 포함하여 이루어진다.

설치부(60)의 피스톤(61)은 지지부(50)의 삽입홈(51)으로 삽입된 코일부(40)의 코일지지단(42)이 레일(52,53)에 위치되도록 (즉, 레일(52,53)의 레일홈(54)에 위치되도록) 코일지지단(42)을 삽입홈(51)에서 레일(52,53)측으로 밀어준다. 따라서 도 6에 도시된 것처럼 피스톤(61)은 전진 및 후진운동을 할 수 있다. 피스톤(61)의 일측면이 코일지지단(42)의 일측면에 닿아 코일부(40)를 밀어주게 된다.

설치부(60)의 바디(62)는 피스톤(61)이 안정적으로 코일부(40)를 밀어줄 수 있도록 피스톤(61)을 지지한다. 또한 바디(62)는 피스톤(61)의 작동을 위한 부속장치들을 수납하여 보호하는 케이스 역할도 할 수 있다.

설치부(60)는 삽입홈(51)으로 삽입된 코일부(40)를 레일(52,53)로 밀어주기 위하여 삽입홈(51)의 위치에 위치된다. 설치부(60)는 지지부(50)와 결합되어 있을 수 있으며, 기둥(10)에 설치할 수도 있다. 설치부(60)의 역할 중 하나가 지지부(50)의 삽입홈(51)으로 삽입된 코일부(40)를 레일(52,53) 측으로 밀어주는 것이기 때문에 지지부(50)의 삽입홈(51)의 위치에 맞추어 설치된다.

도 7a 및 도 7b 는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기에서 지지부(50)에 코일부(40)가 설치되는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도4, 도 7a 및 도 7b를 참조하여 지지부(50) 및 코일부(40)에 대하여 좀 더 설명한다.

코일부(40)의 코일지지단(42)은 레일홈(54)에서 위치이동될 수 있다. 이를 위하여 코일지지단(42)의 상측면(43)과 하측면(44)에는 레일홈(54)에서 이동될 수 있도록 바퀴나 볼베어링과 같은 이동을 위한 수단이 마련될 수 있다. 또는 코일지지단(42)의 상측면(43)과 하측면(44)이 아닌 레일홈(54)에 바퀴나 볼베어링과 같은 이동을 위한 수단이 마련될 수 있다.

코일지지단(42)이 레일홈(54)에서 이동을 위한 수단에 의해 레일(52,53)을 따라 이동 될 수 있다. 따라서 지지부(50)의 삽입홈(51)을 통해 삽입되는 다수의 코일부(40)들은 레일(52,53)을 따라 위치이동되면서 차곡차곡 배치되어 도 2에 도시된 것처럼 고리의 형태로 배열 배치되게 된다.

따라서 지지부(50)에 코일부(40)를 일일이 하나씩 못 등으로 고정부착하는 것에 비하여 제조능률이 향상될 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 지지부(50), 설치부(60), 코일부(40) 및 자석부(30) 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 8에 도시된 것처럼 고리 형태의 지지부(50)에서 코일부(40)가 이웃하는 코일부(40)와 일정간격을 두고 고리의 형태로 배열되어 설치되며, 자석부(30)의 제1영구자석(31)과 제2영구자석(32)의 사이 공간에 코일부(40)의 코일(41)이 위치하도록 고리 형태로 배열되어 설치된다. 다수의 코일부(40)의 코일들이 위치가 고정되고, 다수의 자석부(30)들이 로터부(20)의 회전에 따라 함께 회전하게 되어 코일(41)에 전기가 발생하게 된다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기는 자석부가 풍력발전기의 허브 내측 면에 배치되어 코일부에 대하여 운동하기 때문에 선행기술1에서의 원반상의 케이스 반체 및 회전케이스가 불필요하다. 따라서 선행기술1에서의 원반상 케이스 반체 및 회전케이스의 무게증가로 인한 회전저항의 증가는 문제되지 않으며 자석부가 코일부에 대하여 보다 원활하게 회전할 수 있으므로 발전효율이 향상된다.

또한, 설치부와 지지부를 포함하고 있으므로, 풍력발전기를 대형으로 제조하여야 할 경우에도 많은 개수의 코일부를 보다 용이하게 설치할 수 있으며, 나아가 자석부블록을 통하여 허브에 자석부를 보다 용이하게 설치할 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예들에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예들은 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 로터부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 지지부, 코일부, 자석부 및 설치부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 자석부를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 코일부를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시 에에 따른 풍력발전기의 지지부를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명의 실시 에에 따른 풍력발전기의 설치부를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 지지부에 코일부가 설치되는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 설치부, 지지부, 코일부 및 자석부를 개략적으로 나타낸 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 기둥 20 : 로터부

30 : 자석부 40 : 코일부

50 : 지지부 60 : 설치부

Claims (4)

1. 바람의 힘에 의해 기둥의 중심축을 중심으로 회전하며, 반경이 기둥보다 큰 원통형상의 허브가 마련된 로터부;

   상기 로터부의 회전에 따라 상기 기둥의 중심축을 중심으로 회전하고, 상측에 제1영구자석이 마련되고 하측에 제2영구자석이 마련되며, 상기 로터부의 허브 내측 면의 원주상에 고리의 형태로 배열되어 설치되는 다수의 자석부;

   상기 자석부의 제1영구자석 및 제2영구자석 사이의 공간에 위치하는 코일부;

   상기 코일부를 지지하기 위한 지지수단이 마련되며, 상기 기둥의 외측 면의 원주상에 고리의 형태로 설치되는 지지부; 및

   상기 코일부를 상기 지지부에 설치하기 위한 설치부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 지지부에는 상기 코일부가 삽입될 수 있도록 삽입홈이 형성되어 있고,

   상기 지지부에 마련된 상기 지지수단은 상기 삽입홈을 통해 삽입된 상기 코일부를 지지하는 레일인 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 지지부의 삽입홈으로 삽입된 상기 코일부가 레일을 따라 위치이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 설치부는

   상기 삽입홈으로 삽입된 상기 코일지지단이 상기 레일에 형성된 레일홈에 위치하도록 코일지지단을 레일측으로 밀어주는 피스톤; 및

   상기 피스톤이 안정적으로 상기 코일부의 코일지지단을 밀어줄 수 있도록 피스톤을 지지하는 바디; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.

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