KR20100123683A - 풍력 발전 장치의 피치 구동 장치 및 풍력 발전 장치 - Google Patents

풍력 발전 장치의 피치 구동 장치 및 풍력 발전 장치 Download PDF

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KR20100123683A
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

간소한 구조로, 피치 구동 장치의 신뢰성이 손상되는 것을 방지할 수 있는 풍력 발전 장치의 피치 구동 장치 및 풍력 발전 장치를 제공한다. 날개 근원부가 로터 헤드(4)에 대해 축선 중심(O) 주위로 회전 가능하게 장착된 풍차 회전 날개(6)와, 풍차 회전 날개(6)를 축선 중심(O) 주위로 회전 구동시켜 피치각을 변경하는 피치 구동 장치(11)를 구비하고, 피치 구동 장치(11)는 리니어 액추에이터인 전동 실린더(12)에서 구비하고 있다.

Description

풍력 발전 장치의 피치 구동 장치 및 풍력 발전 장치 {PITCH DRIVE DEVICE OF WIND-DRIVEN GENERATOR AND WIND-DRIVEN GENERATOR}
본 발명은, 풍력 발전 장치의 피치 구동 장치 및 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
풍력 발전 장치에 사용되는 풍차에는, 풍차 회전 날개의 피치각이 고정된 풍차와, 피치각이 가변인 풍차가 알려져 있다.
상술한 풍차 회전 날개의 피치각을 변경시키는 기구로서는, 예를 들어 특허 문헌 1에 개시되는 바와 같이, 유압 실린더에 있어서의 로드의 직선 이동을, 풍차 회전 날개의 축선 주위의 회전으로 변환하는 기구가 알려져 있다.
또한, 예를 들어 특허 문헌 2에 개시되는 바와 같이, 날개 선회륜의 주위에 기어를 설치하여, 이 기어와 맞물리는 피니언 기어를 전동 모터에 의해 회전시키고, 날개 선회륜을 회전시켜 풍차 회전 날개의 축선 주위의 회전으로 변환하는 기구가 제안되어 있다.
이 경우, 기어를 사용하는 대신에 벨트를 사용하는 것도 제안되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2003-148321호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공개 제2003-56448호 공보
그런데, 특허 문헌 1에 개시되는 바와 같이 유압 실린더를 사용하는 것에서는, 유압 실린더의 제어 오일은, 통상 너셀에 배치된 유압 펌프로부터 주축이나 증속기 내를 경유하여 로터 헤드측으로 공급된다. 이로 인해, 주축이나 증속기 내에 유압 배관을 설치하므로 그들의 구조가 복잡해진다.
풍력 발전 장치를 현지에서, 조립할 때, 별개의 부재로 조립한 너셀과 로터 헤드가 합체되게 된다. 이때, 너셀측의 유압 배관과 로터 헤드측의 유압 배관을 접속하게 된다. 이 접속 작업 중에, 유압 배관 내에 이물질이 혼입되면, 예를 들어 유압 계통의 밀봉성이 손상되는 등에 의해 피치 구동 기구의 장기에 걸친 신뢰성이 손상될 가능성이 있다.
또한, 접속 작업 중에, 오일이 누설되어 주위의 환경에 영향을 미칠 우려가 있다.
이로 인해, 유압 배관의 접속 작업은 세심한 주의를 기울여 행할 필요가 있다.
특허 문헌 2에 개시되는 기어식 피치 구동 기구에서는, 선회륜에 설치된 기어와 피니언 기어가 항시 맞물려 있다. 예를 들어, 피치각의 미소 조정을 반복하여 행한 경우, 미소 동작을 수반하는 접촉이 국소에 집중되므로, 치면(齒面)의 유막 끊김에 의한 프레팅(fretting) 손상이 발생할 우려가 있다. 이로 인해, 피치 구동 기구의 장기에 걸친 신뢰성이 손상될 가능성이 있다.
또한, 벨트식의 경우, 장력을 작용시키기 위해 벨트는 풍차 회전 날개의 외측에 배치하게 되므로, 시스템이 대규모로 될 우려가 있다. 그리고 벨트의 수명은 짧기 때문에, 빈번히 교환을 행할 필요가 있다. 이로 인해, 충분한 메인터넌스 작업을 행하지 않으면, 피치 구동 기구의 장기에 걸친 신뢰성이 손상될 가능성이 있다.
본 발명은 상기한 과제에 비추어, 간소한 구조로, 피치 구동 장치의 신뢰성이 손상되는 것을 방지할 수 있는 풍력 발전 장치의 피치 구동 장치 및 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 제공한다.
본 발명의 제1 형태는, 날개 근원부가 로터 헤드에 대해 날개 길이 방향 주위로 회전 가능하게 장착된 풍차 회전 날개를 움직이는 피치 구동 장치이며, 상기 풍차 회전 날개를 상기 날개 길이 방향 주위로 회전 구동하여 피치각을 변경하는 리니어 액추에이터를 갖는 구동 부재를 구비하고 있는 풍력 발전 장치의 피치 구동 장치이다.
본 형태에 따르면, 리니어 액추에이터로 구성된 구동 부재에 의해 풍차 회전 날개를 그 축선 주위로 회전 구동하여 풍차 회전 날개의 피치각을 조정한다.
리니어 액추에이터는 전기에 의해 구동되므로, 그 전기 배선은 유압 배관에 비교하여 간소한 구조로 되고, 또한 이물질 혼입 및 오일 누설 등의 위험이 없다. 또한, 미소 동작을 수반하는 접촉 부분이 존재하지 않으므로, 프레팅 손상을 고려하지 않아도 된다. 또한, 벨트와 같은 수명이 짧은 부품이 존재하지 않으므로, 빈번하고 번잡한 메인터넌스 작업을 생략할 수 있다.
이들에 의해, 피치 구동 장치의 장기적인 신뢰성이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 형태에서는, 상기 리니어 액추에이터는, 기둥 형상체의 본체와, 상기 본체로부터 그 축선 방향으로 출몰(出沒)하는 로드가 구비되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이와 같이, 리니어 액추에이터는 기둥 형상체의 본체와, 본체로부터 그 축선 방향으로 출몰하는 로드를 구비하고 있으므로, 유압 실린더와 대략 동일한 동작을 하게 된다.
따라서, 예를 들어 본체를 고정측인 로터 헤드측에 장착하고, 로드의 선단부를 풍차 회전 날개측에 장착한다고 하는 유압 실린더와 동일한 구조로 피치 구동 장치를 구성할 수 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 리니어 액추에이터는 상기 풍차 회전 날개에 대해 2세트 구비되어 있어도 좋다.
이와 같이, 풍차 회전 날개에 대해 2세트의 리니어 액추에이터를 사용하여 동작시키도록 하였으므로, 로드의 스트로크가 짧고 경량인 리니어 액추에이터를 사용하여 소정의 피치 각도 제어 범위를 확보할 수 있다.
상기 형태에 있어서, 상기 리니어 액추에이터는, 소정의 경로에 배치된 레일과, 상기 레일을 따라 이동하는 가이드가 구비되어 있는 구성으로 해도 좋다.
고정측인 로터 헤드측 및 풍차 회전 날개측 중 어느 한쪽에 레일을 장착하고, 다른 쪽에 가이드를 장착한다.
가이드가 고정측에 장착된 경우, 가이드는 이동하지 않으므로, 레일측이 이동하게 된다.
상기 구성에 있어서, 상기 레일은, 상기 풍차 회전 날개의 축선 중심을 중심으로 한 원의 일부를 구성하도록 설치되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 레일은 풍차 회전 날개의 축선 중심을 중심으로 한 원의 일부를 구성하고 있으므로, 가이드의 이동 위치와 회전 각도의 관계가 대응한다. 따라서, 풍차 회전 날개의 피치 각도의 제어를 용이하게 행할 수 있다.
상기 구성에 있어서는, 상기 레일은, 상기 풍차 회전 날개의 축선 중심으로부터 이격된 위치에 설치되어 있는 것이 바람직하다.
축선 중심으로부터 이격되면 곡률 반경이 커지므로, 레일의 곡률이 작아진다. 곡률이 작아지면, 레일의 만곡이 작아지므로, 리니어 액추에이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이로 인해, 레일은 풍차 회전 날개의 축선 중심으로부터 가능한 범위에서 이격된 위치에 설치하는 것이 바람직하다.
상기 형태에 있어서, 상기 로터 헤드 내에, 방전에 의해 상기 리니어 액추에이터를 작동시키는 긴급용 전원이 구비되어 있어도 좋다.
예를 들어, 주 전원이 정전된 경우, 풍력 발전 장치를 위급하게 정지하게 된다.
이 경우, 리니어 액추에이터가 주 전원에 의해 작동되지 않지만, 전원이 방전됨으로써 리니어 액추에이터를 작동시킬 수 있다. 이에 의해, 풍차 회전 날개의 피치각을 조정하여 풍차 회전 날개를 페더(feather) 위치로 할 수 있으므로, 풍력 발전 장치를 안전하게 정지시킬 수 있다.
본 발명의 제2 형태는, 풍력을 받는 복수의 풍차 회전 날개와, 상기 풍차 회전 날개를 상기 풍차 회전 날개의 축선 주위로 회전 가능하게 지지하는 동시에, 상기 풍차 회전 날개에 의해 회전 구동되는 로터 헤드와, 상술한 피치 구동 장치와, 상기 로터 헤드의 회전에 의해 발전을 행하는 발전 설비가 설치되어 있는 풍력 발전 장치이다.
본 형태에 따르면, 상기 제1 형태의 피치 구동 장치를 사용함으로써, 간소한 구조로, 피치 구동 장치의 신뢰성이 손상되는 것이 방지되므로, 풍력 발전 장치로서의 신뢰성이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기로 구동되는 리니어 액추에이터로 구성된 구동 부재에 의해 풍차 회전 날개를 그 축선 주위로 회전 구동시켜 풍차 회전 날개의 피치각을 조정하므로, 간소한 구조로 할 수 있다.
유압 시스템과 같이 이물질 혼입 및 오일 누설 등의 위험이 없다. 또한, 기어식과 같이 미소 동작을 수반하는 접촉 부분이 존재하지 않으므로, 프레팅 손상을 고려하지 않아도 된다. 또한, 벨트와 같은 수명의 짧은 부품이 존재하지 않으므로, 빈번하고 번잡한 메인터넌스 작업을 생략할 수 있다.
이들에 의해, 피치 구동 장치의 장기적인 신뢰성이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치의 전체 개략 구성을 도시하는 측면도이다.
도 2는 도 1의 1개의 피치 구동 장치 및 풍차 회전 날개의 위치 관계를 설명하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 피치 구동 장치의 작동 회로의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 피치 구동 장치의 변형예를 도시하는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 피치 구동 장치의 또 다른 변형예를 도시하는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 피치 구동 장치를 도시하는 모식도이다.
도 7은 도 6의 X-X 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 리니어 모터를 도시하는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 피치 구동 장치의 변형예를 도시하는 모식도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 피치 구동 장치의 또 다른 변형예를 도시하는 모식도이다.
본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.
〔제1 실시 형태〕
본 발명의 제1 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치에 대해 도 1 내지 도 5에 기초하여 설명한다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치(1)의 전체 개략 구성을 도시하는 측면도이다.
풍력 발전 장치(1)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 풍력 발전을 행하는 것이다. 풍력 발전 장치(1)에는, 기초(B) 상에 기립 설치된 지지 기둥(2)과, 지지 기둥(2)의 상단부에 설치된 너셀(3)과, 대략 수평한 축선 주위로 회전 가능하게 하여 너셀(3)에 설치된 로터 헤드(4)와, 로터 헤드(4)를 덮는 헤드부 캡슐(5)과, 로터 헤드(4)의 회전 축선 주위로 방사상으로 장착되는 복수매의 풍차 회전 날개(6)와, 로터 헤드(4)의 회전에 의해 발전을 행하는 발전 설비(7)가 설치되어 있다.
지지 기둥(2)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 기초(B)로부터 상방(도 1의 상방)으로 연장되는 기둥 형상의 구성으로 되고, 예를 들어 복수의 유닛을 상하 방향으로 연결한 구성으로 되어 있다.
지지 기둥(2)의 최상부에는, 너셀(3)이 설치되어 있다. 지지 기둥(2)이 복수의 유닛으로 구성되어 있는 경우에는, 최상부에 설치된 유닛 상에 너셀(3)이 설치되어 있다.
너셀(3)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 로터 헤드(4)를 회전 가능하게 지지하는 동시에, 내부에 로터 헤드(4)의 회전에 의해 발전을 행하는 발전 설비(7)가 수납되어 있다.
로터 헤드(4)에는, 그 회전 축선 주위로 방사상으로 하여 복수매의 풍차 회전 날개(6)가 장착되고, 그 주위는 헤드부 캡슐(5)에 의해 덮여 있다.
이에 의해, 풍차 회전 날개(6)에 로터 헤드(4)의 회전 축선 방향으로부터 바람이 닿으면, 풍차 회전 날개(6)에 로터 헤드(4)를 회전 축선 주위로 회전시키는 힘이 발생하여, 로터 헤드(4)가 회전 구동된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 3매의 풍차 회전 날개(6)가 설치된 예에 적용하여 설명하지만, 풍차 회전 날개(6)의 수는 3매로 한정되는 일 없이, 2매인 경우나, 3매보다 많은 경우에 적용해도 좋고, 특별히 한정하는 것은 아니다.
도 2는, 1개의 피치 구동 장치(11) 및 풍차 회전 날개(6)의 위치 관계를 설명하는 모식도이다.
로터 헤드(4)에는, 풍차 회전 날개(6)의 축선 중심(O) 주위로 풍차 회전 날개(6)를 회전시켜, 풍차 회전 날개(6)의 피치각을 변경하는 피치 구동 장치(11)가 각 풍차 회전 날개(6)에 대응하여 1대 1로 설치되어 있다.
풍차 회전 날개(6)는, 날개 근원측이 되는 기부(基部)(21)가 로터 헤드(4)에 설치한 선회륜 베어링(23)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 여기서 사용하는 미끄럼 베어링으로서는, 예를 들어 구름 베어링이 적합하다.
기부(21)는 원통 형상으로 되어, 로터 헤드(4)측에 원형의 단부면(22)을 구비하는 동시에 전체 둘레에 걸쳐 반경 방향 외향으로 돌출되도록 형성된 플랜지 형상의 플랜지부(도시하지 않음)를 구비하고 있다. 이 플랜지부는, 로터 헤드(4)측에 설치한 선회륜 베어링(23)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있으므로, 풍차 회전 날개(6)의 전체가 로터 헤드(4)에 대해 회전 가능해진다.
피치 구동 장치(11)에는, 리니어 액추에이터(12)가 구비되어 있다. 리니어 액추에이터(12)는, 실린더(본체)(13)와, 실린더(13)로부터 그 축선 방향으로 출몰하는 로드(14)로 구성되어 있다. 또한, 리니어 액추에이터(12)는, 리니어 모터의 동작 원리(전자기력)를 이용하여, 대상물에 대해 직선적인 운동을 부여하는 구동 장치를 나타내고, 그 구조는 원통 형상의 회전형 모터를 직선 형상으로 전개한 구조이다.
피치 구동 장치(11)에는, 로터 헤드(4)와 실린더(13) 사이에 배치된 실린더 베어링(15)과, 풍차 회전 날개(6)의 단부면(22)과 로드(14) 사이에 배치된 로드 베어링(16)이 설치되어 있다.
실린더(13)는, 원통 형상의 중공 부재로, 예를 들어 내부에 길이 방향을 따라 복수의 원통 형상의 전자기 코일(도시 생략)이 배열되어 있다. 로드(14)는, 영구 자석을 구비하고, 코일에 의해 형성된 공간의 내부에 배치되어 있다. 로드(14)는, 실린더(13)의 전자기 코일의 자극을 조정함으로써 실린더(13)로부터 출몰된다.
또한, 로드(14)를 출몰시키는 기구는 이것에 한정되지 않고, 적절하게 기구가 사용되어도 좋다.
이와 같이, 리니어 액추에이터(12)는, 실린더(13)와, 실린더(13)로부터 그 축선 방향으로 출몰하는 로드(14)를 구비하고 있으므로, 유압 실린더와 대략 동일한 동작을 하게 된다.
따라서, 예를 들어 실린더(13)를 고정측인 로터 헤드(4)측에 장착하고, 로드(14)의 선단부를 풍차 회전 날개측에 장착한다고 하는 유압 실린더와 동일한 구조로 피치 구동 장치(11)를 구성할 수 있다.
도 3은, 피치 구동 장치(11)의 작동 회로(24)의 개략을 도시하는 블록도이다.
작동 회로(24)에는, 로터 헤드(4) 내에 설치되고, 각각 대응하는 리니어 액추에이터(12)의 동작을 제어하는 복수의 컨트롤러(25)와, 로터 헤드(4) 내에 설치되고, 각 컨트롤러(25)에 전력을 공급하는 복수의 배터리(전원)(26)와, 너셀(3) 내에 설치된 주 전원(27)과, 너셀(3) 내에 설치되고, 전체의 작동을 제어하는 PLC(Programmable Logic Controller)(28)와, 주 전원(27)으로부터 각 컨트롤러(25)로 전력을 공급하는 주 전로(29)가 구비되어 있다.
주 전로(29)는, 너셀(3)에 대한 로터 헤드(4)의 회전을 허용하도록 로터리 조인트(30)에 의해 접속되어 있다.
주 전로(29)는, 각 컨트롤러(25)에 전력을 공급하도록 로터 헤드(4) 내에서 분기되어 있다.
배터리(26) 대신에 캐패시터를 사용해도 된다.
리니어 액추에이터(12)는 전기에 의해 구동되므로, 그 전기 배선은 유압 배관에 비교하여 간소한 구조가 된다. 또한, 유압 배관의 접속 작업이 없으므로, 이물질 혼입 및 오일 누설 등의 위험이 없다. 또한, 미소 동작을 수반하는 접촉 부분이 존재하지 않으므로, 프레팅 손상을 고려하지 않아도 된다. 또한, 벨트와 같은 수명이 짧은 부품이 존재하지 않으므로, 빈번하고 번잡한 메인터넌스 작업을 생략할 수 있다.
이들에 의해, 피치 구동 장치(11)의 장기적인 신뢰성이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
실린더(13)에는, 그 원통면으로부터, 풍차 회전 날개(6)의 축선 방향, 즉 Z축선 방향을 따라 연장되는 원통 형상의 부재인 한 쌍의 트러니언(17)이 설치되어 있다.
실린더(13)는 로드(14)와 함께, 풍차 회전 날개(6)의 단부면(22)과 대략 평행한 면, 즉, X-Y 평면과 대략 평행하게 연장되도록 배치되어 있다.
실린더 베어링(15)은, 실린더(13)의 한 쌍의 트러니언(17)을 풍차 회전 날개(6)의 축선, 즉 Z축선을 따라 연장되는 축선 주위로 회전 가능하게 지지하는 베어링이다.
로드(14)의 선단부에는 로드 베어링(16)이 배치되어 있다. 단부면(22)에는, 그 축선 중심(O)으로부터 간격을 두고 지지 기둥(18)이 기립 설치되어 있다. 로드 베어링(16)은 지지 기둥(18)에 회전 가능하게 장착되어, Z축선 주위의 회전을 흡수한다.
또한, 로드 베어링(16)은, 구면 베어링으로서 구성하고, 또한 도면 중의 X축선 및 Y축선 주위의 회전을 흡수할 수 있도록 해도 좋다.
발전 설비(7)로서는, 예를 들어 도 1에 도시하는 바와 같이, 로터 헤드(4)의 회전 구동력이 전달되어 발전을 행하는 발전기와, 발전기에 의해 발전된 전력을 소정의 전압으로 변환하는 변압기가 설치되어 있는 것을 들 수 있다.
다음에, 상기한 구성으로 이루어지는 풍력 발전 장치(1)에 있어서의 발전 방법에 대해 그 개략을 설명한다.
풍력 발전 장치(1)에 있어서는, 로터 헤드(4)의 회전 축선 방향으로부터 풍차 회전 날개(6)에 닿은 바람의 힘이, 로터 헤드(4)를 회전 축선 주위로 회전시키는 동력으로 변환된다.
이 로터 헤드(4)의 회전은 발전 설비(7)에 전달되고, 발전기에서 발전된 후, 변압기에 의해 소정의 전압으로 변환되고, 인버터에 의해 소정의 주파수의 교류 전압으로 변환된다.
여기서, 적어도 발전을 행하고 있는 동안에는, 바람의 힘을 풍차 회전 날개(6)에 효과적으로 작용시키기 위해, 적절하게 너셀(3)을 수평면 상에서 회전시킴으로써 로터 헤드(4)는 바람이 불어 들어오는 측을 향하고 있다.
다음에, 피치 구동 장치(11)에 의한 풍차 회전 날개(6)의 피치각의 제어에 대해 설명한다.
피치 구동 장치(11)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 로드(14)를 실린더(13)로부터 신장하거나, 인입하거나 함으로써, 풍차 회전 날개(6)를 축선 중심(O) 주위로 회전시켜, 그 피치각을 변경시키고 있다.
전력이 주 전원(27)으로부터 주 전로(29)를 경유하여 컨트롤러(25)로 공급된다. 컨트롤러(25)는, 이 전력을 이용하여 실린더(13) 내의 전자기 코일의 극성을 조정하고, 로드(14)를 그 축선 방향으로 이동시켜, 로드(14)를 실린더(13)로부터 신장하거나, 인입하거나 한다.
예를 들어, 로드(14)가 실린더(13)로부터 신장된 경우에는, 로드(14)의 단부는 풍차 회전 날개(6)의 축선 중심(O)으로부터 이격된 위치에 고정되어 있으므로, 풍차 회전 날개(6)에 축선 주위로 회전하는 힘이 작용한다.
풍차 회전 날개(6)가 축선 중심(O) 주위로 회전하면, 도 2에 2점 쇄선으로 나타내는 바와 같이 로드(14)의 선단부 위치가 단부면(22) 내에서 이동하므로, 실린더(13) 및 로드(14)는 실린더 베어링(15)에 의해 트러니언(17)의 축선 주위로 회전한다.
동시에, 로드 베어링(16)에 있어서도, 로드(14)와 풍차 회전 날개(6)가, Z축과 대략 평행한 축선 주위로 상대적으로 회전한다.
한편, 로드(14)가 실린더(13)에 인입된 경우에도, 상술한 경우와 마찬가지로 하여, 풍차 회전 날개(6)가 축선 주위로 회전하고, 실린더(13) 및 로드(14)가 실린더 베어링(15)에 의해 트러니언의 축선 주위로 회전한다.
예를 들어, 주 전원(27)이 정전되면, 리니어 액추에이터(12)는 작동되지 않게 되어, 풍차 회전 날개(6)의 피치각의 조정을 행할 수 없게 된다.
이 상태에서는, 풍력에 따라서는 풍차 회전 날개(6) 등이 손상될 우려가 있는 것 및 발전 효율이 저하되는 경우가 있으므로, 점검·수리를 행하기 위해 풍력 발전 장치(1)는 위급하게 정지되게 된다.
이 경우, 컨트롤러(25)는 배터리(26)를 방전시켜 리니어 액추에이터(12)를 작동시키고, 풍차 회전 날개(6)의 피치각을 조정하여 풍차 회전 날개(6)를 페더 위치로 한다.
이와 같이, 정전 등에 의해 주 전원(27)이 사용되지 않게 되어도, 배터리(26)의 전력에 의해 리니어 액추에이터(12)를 작동시켜, 풍차 회전 날개(6)를 페더 위치로 할 수 있으므로, 풍력 발전 장치(1)를 안전하게 정지시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 1개의 풍차 회전 날개(6)에 대해 1세트의 리니어 액추에이터(12)를 사용하여 피치 구동 장치(11)를 구성하고 있지만, 이것은 예를 들어 도 4 및 도 5에 도시되는 바와 같이, 1개의 풍차 회전 날개(6)에 대해 2세트의 리니어 액추에이터(12)를 사용하는 변형예를 채용해도 좋다.
즉, 도 4에 도시되는 변형예에서는, 리니어 액추에이터(12A, 12B)는 축선 중심(O)을 사이에 두고 도시한 경우의 X축과 대략 평행 혹은 일본어 ハ자가 되는 위치를 기본 위치(도 4의 상태)로 하여, 상술한 실시 형태와 동일한 형태로 설치되어 있다.
리니어 액추에이터(12A)의 로드(14A)는, 가장 줄어든 위치인 A1로부터 가장 신장된 위치인 B1까지 신축하는 스트로크를 갖고 있다. 마찬가지로, 리니어 액추에이터(12B)의 로드(14B)는, 가장 줄어든 위치인 A2로부터 가장 신장된 위치인 B2까지 신축하는 스트로크를 갖고 있다.
도 4에 도시하는 구성예에서는, 한쪽의 리니어 액추에이터[12A(12B)]의 피스톤 로드[14A(14B)]가 가장 줄어든 A1(A2)인 경우, 다른 쪽의 리니어 액추에이터[12B(12A)]의 피스톤 로드[14B(14A)]가 가장 신장된 B2(B1)의 위치에 있다.
그리고 리니어 액추에이터(12A, 12B)의 모터를 각각 역방향으로 회전시킴으로써, 리니어 액추에이터[12A(12B)]측에서는, 로드[14A(14B)]가 신장됨(줄어듦)으로써, 도면 중에 상상선으로 나타내는 바와 같이, 점 A1(B2)로부터 점 B1(A2)까지 외향으로 팽출되는 원호 형상의 궤적을 그려 로드(14)의 선단부 위치가 이동한다.
이 결과, 리니어 액추에이터[12A(12B)]가 풍차 회전 날개(6)를 밀어 넣고, 또한 다른 쪽의 리니어 액추에이터[12B(12A)]가 풍차 회전 날개(6)를 인입함으로써, 풍차 회전 날개(6)를 시계 방향(반시계 방향)으로 회전시킬 수 있다.
이와 같이, 피치 구동 장치(11)는 풍차 회전 날개(6)에 대해 2세트의 리니어 액추에이터(12A, 12B)를 사용하여 풍차 회전 날개(6)를 선회시키고 있으므로, 로드(14A, 14B)의 스트로크를 짧게 한 리니어 액추에이터(12A, 12B)를 채용해도, 예를 들어 종래와 마찬가지로 대략 90도의 피치 각도 제어 범위를 얻을 수 있다.
즉, 단부면(22)의 직경이나 제어 각도(α) 등의 모든 조건이 도 1에 도시한 것과 동일하면, 회전 중심이 되는 축선 중심(O)으로부터 연결점(P1, P2)까지의 거리(원호 형상이 되는 궤적의 반경)에 대해, 1세트의 리니어 액추에이터(12)를 사용하는 것보다 작게 설정할 수 있다. 이로 인해, 리니어 액추에이터(12A, 12B)에 필요해지는 스트로크를 짧게 할 수 있다.
또한, 스트로크가 짧은 리니어 액추에이터(12A, 12B)는, 전동 실린더 자체가 소형화되므로, 중량도 감소하여 경량화된 것이 된다. 이로 인해, 리니어 액추에이터(12A, 12B)를 로터 헤드(4)의 내부에 수납하는 설치가 가능해져, 종래 필요했던 전동 실린더용 관통 구멍 등이 불필요해지고, 또한 실린더 베어링 등도 간략화되기 때문에, 로터 헤드(4)의 전체 형상 및 구조를 단순화할 수 있다. 이러한 로터 헤드(4)의 단순화는, 기계 가공의 공정수 저감 등 비용면에서 유리해진다.
또한, 리니어 액추에이터(12A, 12B) 중 한쪽을, 예를 들어 리니어 액추에이터(12A)를 좌우 역방향으로 하여, 로드(14A)의 선단부가 로터 헤드(4)에 고정되도록 해도 좋다. 이 경우, 실린더(13A)의 선단부가 단부면(22)에 연결되게 된다.
또한, 도 5에 도시되는 변형예에서는, 리니어 액추에이터(12A, 12B)는, 축선 중심(O)에 대해 점대칭이 되도록 설치되어 있다.
리니어 액추에이터(12A, 12B)를 이와 같이 설치해도 도 4에 도시되는 것과 동일한 작용·효과를 발휘한다.
또한, 도 5에 도시되는 것에서는, 리니어 액추에이터(12A, 12B)의 로드(14A, 14B)의 동작, 즉 신축이 동기하므로, 리니어 액추에이터(12A, 12B)의 동작 제어를 보다 단순화할 수 있다.
〔제2 실시 형태〕
다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치(1)에 대해, 도 6 내지 도 8을 사용하여 설명한다.
본 실시 형태는, 피치 구동 장치(31)의 구성이 제1 실시 형태의 것과 다르므로, 여기서는 이 다른 부분에 대해 주로 설명하고, 전술한 제1 실시 형태의 것과 동일한 부분에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
또한, 제1 실시 형태와 동일한 부재에는 동일한 부호를 부여하고 있다.
본 실시 형태에서는, 피치 구동 장치(31)에는 리니어 모터(구동 부재, 리니어 액추에이터)(32)가 구비되어 있다. 리니어 모터(32)는, 길이 방향을 따라 코일이 배열된 레일(33)과, 자석을 구비하는 가이드(34)로 구성되어 있다.
레일(33)의 코일에 전력을 공급하는 작동 회로는, 제1 실시 형태와 동일한 구성, 즉 긴급용 배터리 혹은 캐패시터를 구비하고 있다.
레일(33)은, 도 6 및 도 7에 도시되는 바와 같이, 풍차 회전 날개(6)의 축선 중심(O)을 중심으로 한 원의 일부를 구성하도록 만곡되어 있다. 레일(33)은, 복수의 간격을 두고 로터 헤드(4)에 고정된 브래킷(35)에 의해 보유 지지되어 있다. 즉, 레일(33)은 로터 헤드(4)에 고정되어 장착되어 있다.
레일(33)의 양단부와 축선 중심(O)을 연결한 선이 이루는 각도는, 예를 들어 95도로 되어 있다. 이것은, 익현(翼弦)을 풍향에 일치하도록 해도 양력(揚力)이 발생하도록 설계된 풍차 회전 날개(6)의 경우, 양력이 발생하지 않도록 하기 위해 피치각의 조정 범위를 크게 하기 위함이다.
레일(33)의 내주면에는, 폭 방향 중간 위치에 전체 길이에 걸쳐 가이드(34)를 안내하는 돌기부(37)가 설치되어 있다.
가이드(34)는, 레일(33)의 돌기부(37)에 이동 가능하게 결합되는 동시에 브래킷(36)에 의해 풍차 회전 날개(6)의 단부면(22)에 고정되어 있다.
리니어 모터(32)는, 레일(33)에 배열된 코일의 자극을 조정함으로써 가이드(34)를 레일(33)을 따라 이동시킨다.
또한, 가이드(34)를 이동시키는 기구는 코일에 한정되는 것은 아니며, 적절한 기구가 사용되어도 좋다.
이와 같이, 리니어 모터(32)는 전기에 의해 구동되므로, 그 전기 배선은 유압 배관에 비교하여 간소한 구조가 된다. 또한, 유압 배관의 접속 작업이 없으므로, 이물질 혼입 및 오일 누설 등의 위험이 없다. 또한, 미소 동작을 수반하는 접촉 부분이 존재하지 않으므로, 프레팅 손상을 고려하지 않아도 된다. 또한, 벨트와 같은 수명이 짧은 부품이 존재하지 않으므로, 빈번하고 번잡한 메인터넌스 작업을 생략할 수 있다.
이들에 의해, 피치 구동 장치(11)의 장기적인 신뢰성이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
다음에, 상기한 구성으로 이루어지는 풍력 발전 장치(1)의 동작에 대해 설명한다.
풍력 발전 장치(1)의 발전 방법에 대해서는 제1 실시 형태와 동일하므로 여기서는 중복된 설명을 생략한다.
다음에, 피치 구동 장치(31)에 의한 풍차 회전 날개(6)의 피치각의 제어에 대해 설명한다.
피치 구동 장치(31)는, 레일(33)에 배열된 코일의 자극을 조정함으로써 가이드(34)를 레일(33)을 따라 이동시킨다. 가이드(34)가 이동하면, 브래킷(36)을 통해 단부면(22)이 로터 헤드(4)에 대해 축선 중심(O) 주위로 회전하므로, 풍차 회전 날개(6)의 피치각을 변경할 수 있다.
이때, 레일(33)은 풍차 회전 날개(6)의 축선 중심(O)을 중심으로 한 원의 일부를 구성하고 있으므로, 가이드(34)의 이동 위치와 풍차 회전 날개(6)의 회전 각도의 관계가 대응된다. 따라서, 풍차 회전 날개(6)의 피치 각도의 제어를 용이하게 행할 수 있다.
또한, 레일(33)은, 단부면(22)의 외주면에 가까운 위치, 즉 풍차 회전 날개(6)의 축선 중심(O)으로부터 이격된 위치에 설치되어 있다.
이에 의해, 레일(33)의 곡률 반경이 커지므로, 레일(33)의 곡률이 작아진다. 곡률이 작아지면, 레일(33)의 만곡이 작아지므로, 리니어 모터(32)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 레일(33)은 풍차 회전 날개(6)의 축선 중심(O)으로부터 가능한 범위에서 이격된 위치에 설치하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시 형태에서는, 풍차 회전 날개(6)의 기부(21)가 로터 헤드(4)의 내측에 위치하고 있는 것에 적용한 예를 나타내고 있지만, 예를 들어 도 9에 도시하는 바와 같이 풍차 회전 날개(6)의 기부(21)가 로터 헤드(4)의 외측에 위치하고 있는 것에도 동일하게 적용할 수 있다.
또한, 도 10에 도시되는 바와 같이 선회륜(23)의 내륜과 외륜 사이에 리니어 모터(32)를 세트하도록 해도 좋다.
또한, 본 실시 형태에서는, 레일(33)은 고정측인 로터 헤드(4)에, 가이드(34)는 가동측인 풍차 회전 날개(6)측에 장착되어 있지만, 이것은 반대로 해도 좋다. 즉, 레일(33)을 가동측인 풍차 회전 날개(6)측에, 가이드(34)를 고정측인 로터 헤드(4)에 장착하도록 해도 좋다.
또한, 본 실시 형태에서는, 리니어 모터(32)는 1세트 설치되어 있지만, 이것은 복수 세트 설치하도록 해도 좋다. 이와 같이 하면, 회전 구동력이 합산되므로, 동일 조건이면, 각 리니어 모터(32)는 소출력이라도 충분해지므로 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 적절하게 변경할 수 있다.
1 : 풍력 발전 장치
4 : 로터 헤드
6 : 풍차 회전 날개
7 : 발전 설비
11, 31 : 피치 구동 장치
12, 12A, 12B : 리니어 액추에이터
13 : 실린더
14, 14A, 14B : 로드
32 : 리니어 모터
33 : 레일
34 : 가이드
O : 축선 중심

Claims (8)

  1. 날개 근원부가 로터 헤드에 대해 날개 길이 방향 주위로 회전 가능하게 장착된 풍차 회전 날개를 움직이는 피치 구동 장치이며,
    상기 풍차 회전 날개를 상기 날개 길이 방향 주위로 회전 구동시켜 피치각을 변경하는 리니어 액추에이터를 갖는 구동 부재를 구비하고 있는, 풍력 발전 장치의 피치 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리니어 액추에이터는, 기둥 형상체의 본체와, 상기 본체로부터 그 축선 방향으로 출몰하는 로드가 구비되어 있는, 풍력 발전 장치의 피치 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 리니어 액추에이터는 상기 풍차 회전 날개에 대해 2세트 구비되어 있는, 풍력 발전 장치의 피치 구동 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 리니어 액추에이터는, 소정의 경로에 배치된 레일과, 상기 레일을 따라 이동하는 가이드가 구비되어 있는, 풍력 발전 장치의 피치 구동 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 레일은, 상기 풍차 회전 날개의 축선 중심을 중심으로 한 원의 일부를 구성하도록 설치되어 있는, 풍력 발전 장치의 피치 구동 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 레일은, 상기 풍차 회전 날개의 축선 중심으로부터 이격된 위치에 설치되어 있는, 풍력 발전 장치의 피치 구동 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터 헤드 내에, 방전에 의해 상기 리니어 액추에이터를 작동시키는 긴급용 전원이 구비되어 있는, 풍력 발전 장치의 피치 구동 장치.
  8. 풍력을 받는 복수의 풍차 회전 날개와,
    상기 풍차 회전 날개를 상기 풍차 회전 날개의 축선 주위로 회전 가능하게 지지하는 동시에, 상기 풍차 회전 날개에 의해 회전 구동되는 로터 헤드와,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 피치 구동 장치와,
    상기 로터 헤드의 회전에 의해 발전을 행하는 발전 설비가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 장치.
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