KR20110009209A

KR20110009209A - 대형 수직축 풍력 발전기 구조

Info

Publication number: KR20110009209A
Application number: KR1020107026957A
Authority: KR
Inventors: 치앙 얀
Original assignee: 치앙 얀
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2009-06-01
Publication date: 2011-01-27
Also published as: US20110076154A1; WO2009146602A1; US8608449B2; CN101598111A; CN101598111B

Abstract

본 발명은 수직축 풍력발전기의 대형화를 실현할 수 있는 수직축 풍력발전기 구조를 제공하는 것이며, 이 구조는 철탑, 철탑 위에 발전기를 설치 및 고정하는 플랫폼, 철탑에 의해 지지되는 수직 중심축, 철탑에 의해 지지되는 블레이드와 지지 아암으로 구성된 수직축 터빈을 포함하며, 상기 철탑, 수직축, 지지 아암은 트러스 구조이다.

Description

대형 수직축 풍력 발전기 구조{LARGE VERTICAL AXIS WINDMILL GENERATOR STRUCTURE}

본 발명은 수직축 풍력 발전기를 대형화할 수 있게 하는 대형 수직 풍력 발전기의 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 본 발명에서 칭하는 대형 수직축 풍력 발전기는 50KW 이상 출력을 갖는 직선축 풍력 전력기를 가리킨다.

도1은 종래기술에 따른 수직축 풍력 발전기 구조의 설명도이다.

도1을 참조하면, 철탑(1) 상부에는 풍력 발전기를 설치 및 고정하는 플랫폼(2)이 설치되며; 플랫폼(2) 상에는 발전기, 커넥터, 브레이크 및 기어박스 등의 부품(3)이 설치된다. 철탑(1)은 수직 중심축(4)과 블레이드(6)와 지지 아암(5)으로 구성된 수직축 터빈을 지지한다. 철탑(1)의 구조는 중공 튜브이며, 수직 중심축(4)으로 사용되는 것은 솔리드 또는 두꺼운 벽 중공(solid or thick-walled hollow) 튜브이고, 지지 아암(5)으로 사용되는 것은 중공(hollow) 튜브이다.

구조 등 다양한 요소의 영향을 받기 때문에, 종래의 수직축 풍력발전기는 일반적으로 출력이 낮다. 만일 기존의 구조를 사용하면 강한 바람(예를 들면 60m/s의 풍속)에서 안정적인 구조를 유지하기 위해서는 철탑과 수직 중심축은 매우 견고하게 제조하여야 한다. 또한 풍력 터빈의 직경이 증대함에 따라 철탑과 수직 중심축의 직경도 일정한 비례에 따라 증가해야 한다. 다만, 객관적으로 산업 장비의 제약과 원가 요소의 제한을 받게 되며, 이는 수직축 풍력발전기를 대형화하는데 영향을 미치게 된다.

예를 들어, 만일 수직 중심축이 솔리드 튜브를 사용하며 수직축 풍력발전기의 터빈 직경은 50m, 풍력 터빈 높이는 40m이면, 안전 풍속을 60m/s로 설계할 경우, 풍력 터빈의 측면 방향이 받는 총 풍력은 약 2700KN이다. 풍력 발전기가 풍속 60m/s인 상황에서 파괴되지 않도록 하기 위해서는, 수직 중심축 길이를 25m 정도, 직경은 약 1.5m, 무게가 약 350t일 경우이다. 또한 비록 강도(strength)가 요구사항을 충족시킬 수 있지만, 강성(rigidity)은 여전히 부족하다. 만일 같은 상황에서 수직 중심축이 두꺼운 벽 중공 튜브를 사용하고 직경이 약 3.5m 정도이면 무게도 백톤 가까이 된다. 또한, 중심축 직경이 증대함에 따라 베어링 직경도 증가하기 때문에 원가가 대폭 상승된다. 철탑은 비록 철탑이 높이가 25m 밖에 되지 않고, 철탑 하단의 최대 굽힘 모멘트도 약 1.26x10⁵kN·m 에 도달한다 하여도, 철탑 직경은 여전히 약 6m 이상, 무게가 약 150t이어야 한다. 또한 철탑의 기초도 함께 증가하여 대형 수직축 풍력발전기의 원가를 대폭 증가시켜 대형 수직축 풍력발전기가 상업적 가치를 보유하지 못하게 된다.

요약하면, 수직축 풍력발전기를 대형화하기 위해서는 종래의 수직축 풍력발전기의 구조를 변경시킬 필요가 있다.

본 발명의 목적은 수직축 풍력발전기의 대형화할 수 있는 수직축 풍력발전기 구조를 제공하는 것이며, 대형 수직축 풍력발전기가 효과적으로 강풍에 견딜 수 있을뿐만 아니라 원가 절감이 가능하며 가공에 편리하도록 하여 수직축 풍력발전기의 상업화의 요구사항을 충족시키도록 하는 것이다.

대형 수직축 풍력발전기 구조로서, 철탑(1); 철탑(1) 상에서 발전기를 설치 및 고정하는 플랫폼(2); 철탑(1)에 의해 지지되는 수직 중심축(4); 철탑(1)에 의해 지지되는 블레이드(6)와 지지 아암(5)으로 구성된 수직축 터빈을 포함하고, 상기 철탑(1)은 트러스(truss) 구조인 것을 특징으로 한다.

상기 철탑(1)은 평행하게 정렬되며 평면적으로는 정다각형인 적어도 3개의 중공 튜브의 서브 철탑으로 구성되며, 트러스 구조일 수 있다.

상기 철탑(1)은 적어도 3개의 서브 철탑이 평행하게 정렬되며 평면적으로 정삼각형의 트러스 구조이며; 그 수직축 풍력 터빈 직경(D)과 인접한 두 개 서브 철탑 사이의 거리(L)의 비율(D/L)은 2.5～6일 수 있다. 풍력 터빈 직경(D)과 풍력 터빈 철탑 높이(H)의 비율(D/H)은 3～0.5일 수 있다. 이 비율 범위의 선정은 구조적 안전성을 충족시키는 조건에서 재료 절약 및 비용 절감 최적화를 실현하려는데 있다.

상기 수직 중심축(4)은 중공 튜브이며, 트러스 구조일 수 있다.

상기 수직 중심축(4)의 트러스 구조는 중심축 하단에서 중심축 상단으로 균일하게 연장될 수 있다.

상기 수직 중심축(4)의 트러스 구조는 중심축 하단에서 중심축 상단으로 비균형적으로 연장되는데, 하단 트러스 밀도가 높고, 상단 밀도가 낮아 중심축 무게를 감소시킬 수 있다.

상기 수직 중심축의 관벽은 일련의 간격을 갖는 원형 튜브로 구분되면서 원형을 이루어 중심축의 무게를 감소시킬 수 있다.

상기 지지 아암(5)은 트러스 구조일 수 있다.

상기 지지 아암 길이(S)와 인접한 두 개 트러스 사이의 거리(K)의 비율(S/K)은 13～25일 수 있으며, 이 비율 수치 범위의 선정은 구조적 안전성을 충족시키는 조건에서 재료 절약 및 비용 절감 최적화를 실현하려는데 있다.

상기 플랫폼(2)은 발전기, 커넥터, 브레이크, 변속박스 및 기어박스 부품(3)을 설치할 수 있어서, 중심축의 길이를 축소하며 중심축의 무게를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 상기 구조는 대형 수직축 풍력발전기가 효과적으로 강풍에 견딜 수 있을 뿐만 아니라 원가 절감이 가능하며 가공에 편리하도록 하여 상업화 발전의 요구사항에 충족시킬 수 있다.

본 발명에서 다음에 도면 및 구체적인 실행방법과 결부시켜 설명하도록 한다.
도1은 종래기술에 따른 수직축 풍력발전기 구조 설명도이다.
도2는 본 발명에 따른 대형 수직축 풍력발전기 구조 설명도이다.
도3은 본 발명에 따른 철탑 구조 설명도이다.
도4 및 도5는 본 발명에 따른 수직 중심축 구조 설명도이다.
도6은 본 발명에 따른 지지 아암의 구조 설명도이다.

다음의 본 발명의 구체적인 실시예를 통해 본 발명에 대해 상세히 설명하도록 하며, 단지 본 발명은 여기에 국한되지는 않는다.

실시예1:

도2를 참조하면, 대형 수직축 풍력발전기의 구조로서, 철탑(1); 철탑(1) 위에 발전기를 설치 및 고정한 플랫폼(2); 철탑(1)에 의해 지지되는 수직 중심축(4); 철탑(1)에 의해 지지되는 블레이드(6)와 지지 아암(5)으로 구성된 수직축 터빈을 포함하고; 상기 철탑(1)은 트러스 구조인 것을 특징으로 한다. 상기 플랫폼(2)은 하단에 발전기, 케넥터, 브레이크, 변속박스 또는 기어박스 부품(3)을 설치할 수 있다. 도3을 참조하면, 상기 철탑(1)은 트러스 구조이고; 상기 철탑(1)은 평행한 적어도 3개의 서브 철탑으로 구성되고, 서브 철탑의 구조는 중공 튜브이며, 평면적으로는 정삼각형의 트러스 구조이다. 도4를 참조하면, 상기 수직 중심축(4)은 중공 튜브이며, 트러스 구조이고, 상기 수직 중심축(4)의 트러스 구조는 중심축 하단에서 중심축 상단으로 균일하게 연장된다. 도6을 참조하면, 상기 지지 아암(5)은 트러스 구조이다.

실시예2:

다른 장치는 실시예 1에서 변하지 않으며, 다만 상기 수직 중심축(4)의 트러스 구조를 중심축 하단에서 중심축 상단으로 비균형적으로 연장되게 변경하였을 뿐이며, 하단 트러스 밀도가 높고, 상단 밀도가 낮다.

실시예3:

도5를 참조하면, 다른 장치는 실시예 1에서 변하지 않으며, 다만 상기 수직 중심축(4)의 관벽을 일련의 원모양 튜브가 소정 간격으로 분리되면서 원형을 구성하도록 변경하였을 뿐이다.

실시예4:

다른 장치는 실시예1에서 변하지 않으며, 상기 철탑(1)은 4개의 서브 철탑이 평행 구성하며, 평면적으로는 정사각형인 트러스 구조이다.

실시예5:

다른 장치는 실시예1에서 변하지 않으며, 상기 철탑(1)은 5개의 서브 철탑이 평행 구성하며, 평면적으로는 정오각형 트러스 구조이다.

실시예6:

50KW 수직축 풍력 발전기이며, 본 발명의 철탑 구조와 지지 아암 구조를 사용하며,

풍력 터빈 직경(D)을 11m，터빈 높이 10m，안전성 풍속을 60m/s（이런 풍속에서 풍력 터빈이 파손되지 않음）를 설계하고，풍력 터빈의 철탑 높이(H)가 22m，D/H＝0.5，인접한 두 개 서브 철탑 사이 거리(L)가 4m일 경우，D/L＝2.75, 철탑의 철강 소모량은 4.1t이다.

풍력 터빈 직경(D)을 11m，터빈 높이 10m，안전성 풍속을 60m/s（이런 풍속에서 풍력 터빈이 파손되지 않음）를 설계하고，풍력 터빈의 철탑 높이(H)가 11.5m，D/H＝0.96，인접한 두 개 서브 철탑 사이 거리 (L)가 3m일 경우，D/L＝3.67, 철탑의 철강 소모량은 1.74t이다.

풍력 터빈 직경(D)을 80m，터빈 높이 43m，안전성 풍속을 60m/s（이런 풍속에서 풍력 터빈이 파손되지 않음）를 설계하고，풍력 터빈의 철탑 높이(H)가 30m，D/H＝2.67，인접한 두 개 서브 철탑 사이 거리 (L)가 15m일 경우，D/L＝5.33, 철탑의 철강 소모량은 72.3t이다.

D/L＝ 2.5～6 범위, D/H＝3～0.5 범위로 제어하여 안전성 구조를 충족시키는 조건에서 재료 절약 및 원가 절감의 목적에 도달하도록 한다.

지지 아암 길이(S)가 5m, 인접한 두 개 트러스 사이 거리(K)를 0.3m，S/K＝16.67; 지지 아암 철강 소모량 85kg이다. 만일 인접한 두 개 트러스 사이 거리(K)를 0.2m，S/K＝25이면 지지 아암 철강 소모량은 118kg이다. 인접한 두 개 트러스 사이 거리(K)를 0.38m，S/K＝13.2로 하면 지지 아암 철강 소모량은 77kg이다.

S/K＝13～25 범위로 제어하여 안전성 구조를 충족시키는 조건에서 재료 절약 및 원가 절감의 목적에 도달하도록 한다.

실시예7:

본 발명의 중심축 구조를 사용하며 두꺼운 벽 중공 튜브 구조와 솔리드 튜브의 구조에 대해 각각 비교를 진행한다.

풍력 터빈 직경(D)를 50m，터빈 높이 40m，안전성 풍속을 60m/s（이런 풍속에서 풍력 터빈이 파손되지 않음）를 설계하고 ，중심축 길이 25m, 본 발명 구조의 중심축을 사용하여 축 직경 1.2m, 두꺼운 벽 30mm, 중심축 무게 약 30t이다. 두꺼운 벽 중공 튜브를 사용할 경우 중심축 직경이 1.7m 이상이며, 벽 두께 30mm, 무게가 약 31t이다. 중심축이 솔리드 축을 사용할 경우, 축 직경 870mm，무게가 약 117t이고, 강성이 저하된다.

또한 터빈 직경(D)를 80m，터빈 높이 43m，안전성 풍속을 60m/s（이런 풍속에서 풍력 터빈이 파손되지 않음）를 설계하고 ，중심축 길이 25m, 본 발명 구조의 중심축을 사용하여 축 직경 1.5m, 두꺼운 벽 30mm, 중심축 무게 약 38t이다. 두꺼운 벽 중공 튜브를 사용할 경우 중심축 직경이 2.16m 이상이며, 벽 두께 30mm, 무게가 약 40t이다. 중심축이 솔리드 축을 사용할 경우, 축 직경 1022mm，무게가 약 161t이고, 강성이 저하된다.

위의 내용으로부터 보면 볼 발명의 중심축 구조를 사용하는 것이 솔리드 축을 사용하는데 비해 무게를 대폭 감소하였으며, 두꺼운 벽 중공 튜브를 사용하는데 비해 축 직경이 크게 감소되어 가공하는데 편리하다.

본 발명은 상기 구체적인 설명과 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 그 기술적 정신이 있다.

1: 철탑 2:플랫폼
3: 부품 4: 중심축
5: 지지 아암 6: 블레이드

Claims

대형 수직 풍력발전기 구조이며,
철탑(1, tower frame); 철탑(1) 위에 발전기를 설치 및 고정한 플랫폼(2, platform); 철탑(1)에 의해 지지되는 수직 중심축(4, vertical central axis); 철탑(1)에 의해 지지되는 블레이드(6, blade)와 지지 아암(5, supporting arm)으로 구성된 수직축 터빈(vertical axis windmill)을 포함하며, 상기 철탑(1)은 트러스(truss) 구조인 것을 특징으로 하는 대형 수직 풍력 발전기의 구조.
제1항에 있어서,
상기 철탑(1)은 평행하게 정렬되어 평면적으로 정다각형(regular polygon)을 형성하는 적어도 3개의 중공 서브 철탑들(hollow sub-towers)로 구성되며, 트러스 구조인 것을 특징으로 하는 대형 수직 풍력 발전기의 구조.
제2항에 있어서,
상기 철탑(1)은 평행하게 정렬되어 정다각형을 형성하는 적어도 3개의 중공 서브 철탑들로 구성된 트러스 구조이며; 상기 수직축 풍력 터빈 직경(D)과 인접한 두 개 서브 철탑 사이의 거리(L)의 비율(D/L)은 2.5～6 범위이며, 풍력 터빈 직경(D)과 풍력 터빈 철탑 높이(H)의 비율(D/H)은 3～0.5 범위인 것을 특징으로 하는 대형 수직 풍력 발전기의 구조.
제1항에 있어서,
상기 수직 중심축(4)은 중공 튜브이며, 트러스 구조인 것을 특징으로 하는 대형 수직 풍력 발전기의 구조.
제4항에 있어서,
상기 수직 중심축(4)의 트러스 구조가 중심축 하단에서 중심축 상단으로 균일하게 연장된 것을 특징으로 하는 대형 수직 풍력 발전기의 구조.
제4항에 있어서,
상기 수직 중심축(4)의 트러스 구조가 중심축 하단에서 중심축 상단으로 비균형적으로 연장되는데, 하단 트러스 밀도가 높고, 상단 트러스 밀도가 낮은 것을 특징으로 하는 대형 수직 풍력 발전기의 구조.
제4항에 있어서,
상기 수직 중심축(4)의 관벽은 일련의 튜브가 구분되면서 원형을 이루는 것을 특징으로 하는 대형 수직 풍력 발전기의 구조.
제1항에 있어서,
상기 지지 아암(5)은 트러스 구조인 것을 특징으로 하는 대형 수직 풍력 발전기의 구조.
제8항에 있어서,
상기 지지 아암 길이(S)와 인접한 두 개 트러스 사이의 거리(K)의 비율(S/K)은 13～25 범위인 것을 특징으로 하는 대형 수직 풍력 발전기의 구조.
제1항에 있어서,
상기 플랫폼(2) 하단에 발전기, 커넥터, 브레이크 및 기어박스의 부품(3)을 설치할 수 있는 것을 특징으로 하는 대형 수직 풍력 발전기의 구조.