KR20110019450A - 풍력발전기용 부상형 블레이드 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기용 부상형 블레이드 장치에 관한 것으로, 타워형 풍력발전기에 설치되는 블레이드 장치에 있어서; 세워설치된 메인회전축과; 상기 메인회전축과 동일 축선상에 분리 배치된 서브회전축과; 상기 메인회전축의 상단을 상하유동가능하게 지지하는 상부베어링과; 상기 메인회전축과 서브회전축 사이에 배치되어 상기 메인회전축이 분리부상될 수 있도록 지지하는 테이퍼니들베어링과; 상기 서브회전축을 내장하며 상기 테이퍼니들베어링을 고정하는 축가이드와; 일단은 상기 축가이드에 고정되고, 타단은 상기 상부베어링에 고정되는 다수의 지지프레임과; 상기 지지프레임 내부에 배치되고, 'ㄱ' 형상의 제1부상유도부재를 통해 상기 메인회전축에 수직 고정되며, 상기 지지프레임과 대응되는 개수를 갖고 호형상으로 형성된 블레이드를 포함하여 구성되는 풍력발전기용 부상형 블레이드 장치를 제공한다.

본 발명은 풍력에 의해 블레이드가 회전될 때 공중부양 형태로 부상되기 때문에 동하중을 줄여 동작의 원활성이 확보되고, 블레이드가 수직형태로 설치된 타워형이기 때문에 안정성이 향상되며, 작은 바람으로도 쉽게 회전될 수 있어 고효율적이고, 설치 조건이 까다롭지 않아 설치가 용이하며, 수평형에 비해 상대적으로 저렴한 비용으로 설치할 수 있는 장점이 있다.

풍력발전기, 블레이드, 부상, 공중부양, 풍력, 타워형, 수직형

Description

풍력발전기용 부상형 블레이드 장치{FLOATING TYPE BLADE APPARATUS FOR WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 풍력발전기용 부상형 블레이드 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 설치 장소에 구애를 받지 않도록 타워형(수직형) 풍력발전기를 구현하되 이에 설치되는 블레이드를 부상가능하게 구성하여 풍력발전 효율을 향상시키고 작동시 수직하중을 줄이면서 내구성을 향상시킬 수 있도록 개선된 풍력발전기용 부상형 블레이드 장치에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 석유 등과 같은 화석연료는 자원이 점차 고갈되어 가고 있는 상황이고, 또한 화석 연료의 사용은 지구 온난화의 주범으로 지목되고 있다.

이러한 지구환경문제의 대두 및 친환경 에너지원에 대한 관심이 커짐에 따라 신재생에너지, 무엇보다도 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지원의 개발이 요청되고 있다.

특히, 고유가로 말미암아 전세계 경제의 경기침체가 두드러지고 있는 현 상황을 감안하면 대체 에너지원의 개발이 더욱 절실한 실정이다.

그러한 에너지원의 개발 예로, 풍력 자원을 들 수 있다.

풍력은 무궁무진하며 지구상에 대기가 존재하는 한 없어지지 않고 무한히 사용할 수 있는 풍부한 친환경적인 자연에너지이다.

이와 같은 풍력을 에너지 자원으로 이용하려는 노력들이 무수히 경주되었으며, 그 결과 풍력발전기가 개발되어 현재는 상당한 양의 에너지를 풍력을 전기에너지로 변환시키는 풍력발전기를 통해 얻고 있다.

예컨대, 주지된 풍력발전기는 보통 기둥의 상단에 발전기가 배치되고, 상기 발전기의 수평 회전축에 선풍기 날개와 같은 프로펠러가 장착된 수평형 구조를 갖는다.

그러나, 상기와 같은 종래의 풍력발전기는 바람을 받는 프로펠러의 면적이 적어 약한 바람에 의해 프로펠러가 쉽게 회전되지 않기 때문에 효율이 떨어지는 단점이 있다.

특히, 이러한 프로펠러형 날개(블레이드)는 바람이 일정하고 센 곳에서 사용하기 적합한 타입이나 우리나라의 실정은 바람이 일정하지 않기 때문에 적합하지 않고, 부득이 설치 사용해야 할 경우라면 특별한 입지 조건을 갖추어야 하므로 설치 장소에 많은 제약이 따른다.

뿐만 아니라, 기둥에 비해 프로펠러가 한쪽으로 치우쳐 장착되기 때문에 무게중심을 맞추기 위한 설계가 어렵고, 고를 높여야 하기 때문에 안정성이 떨어져 전도 위험성이 높은 단점도 있다.

나아가, 이와 같은 이유로 인해 설비가 매우 고가라는 단점도 갖는다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 수평형 블레이드 형태에서 벗어나 수직형, 즉 타워형 블레이드를 갖는 풍력발전기를 구현하되, 공중부양 기능(부상기능)이 있어 하중을 줄이고, 특별한 입지조건을 갖추지 않아도 설치할 수 있으며, 안정성이 향상되고, 보다 고효율적인 풍력발전기용 부상형 블레이드 장치를 제공함에 그 주된 해결 과제가 있다.

본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 타워형 풍력발전기에 설치되는 블레이드 장치에 있어서; 세워설치된 메인회전축과; 상기 메인회전축과 동일 축선상에 분리 배치된 서브회전축과; 상기 메인회전축의 상단을 상하유동가능하게 지지하는 상부베어링과; 상기 메인회전축과 서브회전축 사이에 배치되어 상기 메인회전축이 분리부상될 수 있도록 지지하는 테이퍼니들베어링과; 상기 서브회전축을 내장하며 상기 테이퍼니들베어링을 고정하는 축가이드와; 일단은 상기 축가이드에 고정되고, 타단은 상기 상부베어링에 고정되는 다수의 지지프레임과; 상기 지지프레임 내부에 배치되고, 'ㄱ' 형상의 제1부상유도부재를 통해 상기 메인회전축에 수직 고정되며, 상기 지지프레임과 대응되는 개수를 갖고 호형상으로 형성된 블레이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 부상형 블레이드 장치를 제공한다.

이때, 상기 블레이드의 요입만곡진 내주면 쪽 폭방향 양단에는 일정각도를 갖고 사선방향으로 경사진 제2부상유도부재가 블레이드의 길이방향으로 간격을 두고 다수 설치된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 블레이드의 요입만곡진 내주면 쪽의 길이방향 상단부 및 하단부에는 상기 제1부상유도부재와 동일하게 고정되는 고정부재와, 상기 고정부재의 절곡된 단부에 사선방향으로 고정되는 판상의 제3부상유도부재가 더 설치된 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 지지프레임에는 부는 바람을 블레이드 쪽으로 안내하도록 회전축의 반경방향으로 45° 경사진 판상의 바람가이드가 더 설치된 것에도 그 특징이 있다.

아울러, 상기 블레이드는 폭방향으로 다수의 절곡부를 갖는 형태이거나 혹은 다각형태이거나 혹은 길이방향으로 다수의 절곡부를 갖는 형태 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명은 풍력에 의해 블레이드가 회전될 때 공중부양 형태로 부상되기 때문에 동하중을 줄여 동작의 원활성이 확보되고, 블레이드가 수직형태로 설치된 타워형이기 때문에 안정성이 향상되며, 작은 바람으로도 쉽게 회전될 수 있어 고효율적이고, 설치 조건이 까다롭지 않아 설치가 용이하며, 수평형에 비해 상대적으로 저렴한 비용으로 설치할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기의 예시적인 정면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기의 블레이드 장치를 보인 예시적인 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 풍력발전기에 사용되는 블레이드의 변형 가능한 형상 예를 보인 예시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력발전기는 타워형, 즉 수직형으로 형성된다.

여기에서, 타워형이란 풍력, 즉 바람에 저항하여 회전되는 날개인 블레이드(B)가 기존과 같은 프로펠러가 아니라, 판상의 부재를 세워 놓은 형태를 말한다.

즉, 본 발명에서는 풍력발전기에서 가장 중요한 부분인 블레이드(B)가 수직으로 세워진 상태에서, 바람직하게는 90°간격을 두고 4개, 경우에 따라서는 120°간격을 두고 3개 혹은 180°간격을 두고 2개 설치되는 형태로 이루어진다.

이때, 상기 블레이드(B)의 배열은 상술한 각도와 개수로 국한되는 것이 아니라, 설치될 장소의 자연조건에 따라 가변될 수 있음은 물론이다.

그리고, 상기 블레이드(B)는 회전축(100)에 연결되고, 상기 회전축(100)의 하단에는 하우징(H)이 구비되는데, 상기 하우징(H)에는 풍력에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기(미도시)가 설치될 수 있다.

이 경우, 상기 발전기는 반드시 상기 하우징(H)에 설치되어야 하는 것은 아니며, 상기 회전축(100)의 일부, 바람직하기로는 회전축(100)의 하단부 쪽에 설치 됨이 안정성 측면에서 좋다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 블레이드 장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 회전축(100)을 포함한다.

상기 회전축(100)은 앞서 설명한 하우징(H)에 의해 하단이 회전가능하게 지지되며, 상기 하우징(H)은 설치면에 견고히 고정된다.

그리고, 상기 회전축(100)은 메인회전축(110)과 서브회전축(120)으로 분할되며, 이들 사이에는 테이퍼니들베어링(200)이 연결설치되어 미세한 간격 내에서 상기 메인회전축(110)이 서브회전축(120)으로부터 이격되면서 부상(공중부양)되더라도 이를 충분히 회전가능하게 지지할 수 있도록 구성된다.

아울러, 상기 서브회전축(120)은 축가이드(130)에 내장되고, 상기 축가이드(130)는 상기 하우징(H)의 상단에 고정되는데, 상기 축가이드(130)의 상단이 상기 테이퍼니들베어링(200)의 하단에 고정되도록 하여 상기 테이퍼니들베어링(200)을 견실 안정적으로 지지 고정할 수 있도록 함이 특히 바람직하다.

한편, 상기 메인회전축(110)의 상단을 회전가능하게 고정하기 위해 지지프레임(300)이 구비된다.

상기 지지프레임(300)은 대략 'ㄷ' 형상을 가지면서 일단은 상기 축가이드(130)의 외주면에 고정되고, 타단은 상기 메인회전축(110)의 상단이 고정된 상부베어링(140)에 고정된다.

이때, 상기 메인회전축(110)은 상기 상부베어링(140)을 관통하여 상부로 노출되고, 노출된 단부에는 캡(150)이 씌워지는데, 상기 메인회전축(110)은 상기 캡(150) 내부에서 미세하게 승하강 유동 될 수 있도록 구성된다.

즉, 상기 상부베어링(140)을 관통한 상기 메인회전축(110)은 상기 상부베어링(140)에 의해 완전히 구속된 것이 아니라 약간의 유동성을 갖도록 구성되는 것이다.

그리고, 상기 지지프레임(300)은 블레이드(B)의 개수에 대응되는 각도와 개수를 갖도록 형성됨이 바람직하며, 나아가 상기 지지프레임(300)에는 상기 블레이드(B) 쪽으로 바람을 안내하여 바람이 블레이드(B)에 집중될 수 있도록 회전축(100)의 반경방향으로 대략 45도의 경사를 갖고 판상의 바람가이드(310)가 더 설치될 수 있다.

한편, 상기 블레이드(B)는 사각판상의 부재를 만곡지게 구부린 형태, 즉 일정한 곡률반경을 갖는 호형상으로 형성되며, 다수개가 동일방향으로 배치되어 바람을 받아 회전될 수 있도록 구성된다.

특히, 상기 블레이드(B)의 내주면, 즉 호형상으로 요입만곡진 면쪽 양단에는 블레이드(B)의 상하길이방향을 따라 다수개의 제1부상유도부재(400)가 형성된다.

이때, 상기 제1부상유도부재(400)는 상기 블레이드(B)를 상기 회전축(100), 특히 메인회전축(110)에 수직하게 고정하면서 부상력, 즉 바람을 받아 상기 블레이드(B)를 들어 올리는 일종의 공중부양력을 제공하기 위해 대략 'ㄱ' 형상으로 절곡된 프레임으로 형성됨이 특히 바람직하다.

그리고, 상기 제1부상유도부재(400)가 상하로 배열 설치된 사이에는 이와 동일한 방식으로 상기 블레이트(B)에 고정되는 제2부상유도부재(410)가 더 설치된다.

상기 제2부상유도부재(410)는 상기 제1부상유도부재(400)와 동일한 형상을 가지며, 사선방향으로 경사지게 배치된다.

따라서, 상기 블레이드(B)는 사실상 상기 제1,2부상유도부재(400,410)에 의해 회전력 및 부상력을 얻게 되며, 상기 메인회전축(110)을 회전시키게 되고, 또한 블레이드(B)와 메인회전축(110) 간에는 약간의 공간을 갖기 때문에 유도된 바람이 그 사이 공간을 통해 빠져나갈 수 있어 장치에 무리를 주지 않으면서 효율적이 동작을 가능하게 한다.

뿐만 아니라, 상기 블레이드(B)의 상단부와 하단부에는 제3부상유도부재(430)가 더 설치될 수 있는데, 이는 상기 제1부상유도부재(400)와 동일한 형상과 배치 및 고정상태를 갖는 고정부재(420)의 'ㄱ' 형상으로 절곡개방된 단부에 도 2의 도시와 같이 판상의 제3부상유도부재(430)가 사선방향으로 경사 고정되고, 일단이 연장됨으로써 통과하는 바람을 경사방향으로 상승유도시키면서 부상력 및 회전력을 얻도록 한 것이다.

이러한 제3부상유도부재(430)는 안내 유입된 바람이 블레이드(B)의 상단부와 하단부에서는 쉽게 유실되어 버리기 때문에 아까운 풍력을 제대로 활용하지 못하는 단점까지 없애기 위해 구비된 것으로, 안내 유입된 바람이 블레이드(B)의 상,하단부에서 유실되기 전에 제3부상유도부재(430)에 부딪혀 가진 풍력에너지를 전달한 후 소진되도록 안내하기 위한 것이다.

다른 한편, 상기 블레이드(B)는 꼭 도 1,2에 도시된 형태를 가질 필요는 없으며, 도 3에 예시된 형태와 같이 변형될 수도 있음은 물론이다.

즉, 도 3의 (a)와 같이 폭방향으로 다수의 굴곡을 갖는 블레이드(B1) 형태로 변형될 수도 있을 것이며, (b)와 같이 삼각형 굴곡을 갖는 블레이드(B2) 형태로 변형될 수도 있을 것이고, (c)와 같이 길이방향으로 다수의 굴곡을 갖는 블레이드(B3) 형태로 변형될 수도 있을 것이며, 그 외 도시 설명하지는 않았지만 풍력을 더 고효율적으로 이용할 수 있는 형태로 변형시킬 수 있을 것이다.

덧붙여, 상술한 제1,2,3부상유도부재(400,410,430)는 상술한 형상에 국한될 필요는 없으며, 블레이드(B)의 곡률 반경에 맞게 라운드 형상으로 형성할 수도 있음은 물론이다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 타워형 풍력발전기용 블레이드 장치는 다음과 같은 작동관계를 갖는다.

본 발명에 따른 타워형 풍력발전기가 설치된 개소에 바람이 불기 시작하면 바람의 일부는 블레이드(B) 사이를 거쳐 흐르게 된다.

이때, 지지프레임(300)에 설치된 바람가이드(310)는 타워형 풍력발전기 주변의 바람을 보다 효과 있게 블레이드(B) 쪽으로 안내하게 된다.

이렇게 하여, 블레이드(B)로 유입된 바람중 도 2와 같이 블레이드(B)의 외면에 부딪힌 바람은 만곡진 곡면을 타고 이동되어 인접 블레이드(B)의 내면 쪽으로 안내하게 되고, 내면에 부딪힌 바람은 만곡진 내면에 의해 일시적으로 갇히면서 강한 저항을 하는 블레이드(B)를 밀게 되어 블레이드(B)가 회전하게 된다.

또한, 동시에 내면에 부딪힌 바람중 일부는 제1부상유도부재(400)에 부딪히게 되고, 이때 작용하는 힘은 진행하려는 힘(제1분력)과 제1부상유도부재(400)를 밀어 올리려는 힘(제2분력)으로 나뉘게 되며, 나누어진 힘은 그들의 합력방향으로 작용하면서 블레이드(B)를 회전시키면서 동시에 상부로 밀어올리는 부상력으로 작용하게 된다.

따라서, 상기 블레이드(B)는 상부쪽으로 힘을 받으면서 밀려 올라가려고 하고, 이는 고정로드(410)에 의해 메인회전축(110)에 구속되어 있으므로 결국 유동될 수 있는 구조인 메인회전축(110)만 상방향으로 미세하게 부상되면서 회전되게 된다.

이에 따라, 초기 회전을 위한 힘이 적게 들어 적은 힘으로도 쉽게 회전될 수 있고, 바람이 있는 동안은 하중이 분산되므로 축을 통한 하우징(H)에 미치는 하중이 경감되어 내구성을 향상시키는 요인으로 작용하기도 한다.

뿐만 아니라, 상기 블레이드(B)의 상,하단부에 구비된 제2,3부상유도부재(410,430)도 상기 제1부상유도부재(400)와 함께 병합적으로 작동하기 때문에 그 효율은 더욱 향상되게 된다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 블레이드 장치는 부상력을 겸하고 있기 때문에 약한 바람에서도 쉽게 회전할 수 있고, 초기 회전을 위한 힘이 적게 들기 때문에 설치 장소에 큰 제약이 따르지 않는다.

또한, 수직형 블레이드(B)를 구비하고 있으므로 매우 안정적이고, 설치 및 유지 보수도 용이한 장점을 가지며, 에너지 변환 효율도 급격히 상승되는 잇점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기의 예시적인 정면도,

도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기의 블레이드 장치를 보인 예시적인 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 풍력발전기에 사용되는 블레이드의 변형 가능한 형상 예를 보인 예시도.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100....회전축 110....메인회전축

120....서브회전축 130....축가이드

140....상부베어링 150....캡

200....테이퍼니들베어링 300....지지프레임

310....바람가이드 400....제1부상유도부재

410....제2부상유도부재 430....제3부상유도부재

Claims (5)

1. 타워형 풍력발전기에 설치되는 블레이드 장치에 있어서;

   세워설치된 메인회전축과;

   상기 메인회전축과 동일 축선상에 분리 배치된 서브회전축과;

   상기 메인회전축의 상단을 상하유동가능하게 지지하는 상부베어링과;

   상기 메인회전축과 서브회전축 사이에 배치되어 상기 메인회전축이 분리부상될 수 있도록 지지하는 테이퍼니들베어링과;

   상기 서브회전축을 내장하며 상기 테이퍼니들베어링을 고정하는 축가이드와;

   일단은 상기 축가이드에 고정되고, 타단은 상기 상부베어링에 고정되는 다수의 지지프레임과;

   상기 지지프레임 내부에 배치되고, 'ㄱ' 형상의 제1부상유도부재를 통해 상기 메인회전축에 수직 고정되며, 상기 지지프레임과 대응되는 개수를 갖고 호형상으로 형성된 블레이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 부상형 블레이드 장치.
2. 청구항 1에 있어서;

   상기 블레이드의 요입만곡진 내주면 쪽 폭방향 양단에는 일정각도를 갖고 사선방향으로 경사진 제2부상유도부재가 블레이드의 길이방향으로 간격을 두고 다수 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 부상형 블레이드 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서;

   상기 블레이드의 요입만곡진 내주면 쪽의 길이방향 상단부 및 하단부에는 상기 제1부상유도부재와 동일하게 고정되는 고정부재와, 상기 고정부재의 절곡된 단부에 사선방향으로 고정되는 판상의 제3부상유도부재가 더 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 부상형 블레이드 장치.
4. 청구항 1에 있어서;

   상기 지지프레임에는 부는 바람을 블레이드 쪽으로 안내하도록 회전축의 반경방향으로 45° 경사진 판상의 바람가이드가 더 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 부상형 블레이드 장치.
5. 청구항 1에 있어서;

   상기 블레이드는 폭방향으로 다수의 절곡부를 갖는 형태이거나 혹은 다각형태이거나 혹은 길이방향으로 다수의 절곡부를 갖는 형태 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 부상형 블레이드 장치.

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