KR20110071071A

KR20110071071A - 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템 및 풍력 발전 시스템

Info

Publication number: KR20110071071A
Application number: KR1020117007571A
Authority: KR
Inventors: 윤롱 장; 홍잉 장
Original assignee: 상하이 포어부 윈드파워 테크놀로지 코., 리미티드.; 윤롱 장; 상하이 파워푸 에너지 시스템 코., 리미티드.
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-06-28
Also published as: EP2327875A1; RU2526606C2; CA2736142A1; MX2011002497A; JP5414796B2; ZA201102016B; US8777557B2; JP2012502211A; RU2011112939A; EP2327875A4; US20110163552A1; WO2010025622A1; AU2009290026A1; CN101457736A; AU2009290026B2

Abstract

풍력 발전 시스템의 복합 로터 스템은 저속의 조건하에서 동작하는 파일럿 로터 및 고속의 조건하에서 동작하는 메인 로터를 구비한다. 로터 유닛들은 독립한 클러치 장치를 통해 주 샤프트에 연결되어 로터들과 주 샤프트 사이에는 이합 회전 구동 관계가 형성된다. 적절한 클러치의 동작 전환을 통해서, 풍력 발전 시스템이 저속의 풍속 조건에서 상대적으로 비교적 큰 시동 토크를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 고속의 풍속 및 고속의 회전 조건하에서 메인 로터가 우수한 바람 포획 효율을 가지짐으로써, 풍력 발전 시스템이 이용하는 속도 범위 및 지역 범위가 확대된다.

Description

풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템{A COMPOUND ROTOR SYSTEM OF WIND POWERED ENGINE}

본 발명은 풍력 발전기(발전 시스템)의 로터 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제어 가능한 복합 이중 로터 시스템에 관한 것이다.

풍력 발전 시스템의 기술 영역에서의 심각한 문제는 저속의 풍속의 조건하에서는 바람 에너지의 포획 효율이 감소하므로, 풍력 발전 시스템의 사용 공간이 제약된다는 것이다. 저속의 풍속 조건하에서는 충분한 시동 토크(toque)가 충족되지 않아서 저속의 풍력 에너지를 포획할 수가 없기 때문에, 일반적으로 수평축 풍력발전 시스템에서는 3 - 4 m/s의 풍속이 병목에 해당하는 것으로 여겨진다. 그 풍속보다 낮은 바람 에너지는 효과적으로 포획할 수가 없어 발전기 등에 이용되기 위한 이상적인 회전 토크를 생성할 수가 없으므로, 일반적으로 버려진다. 하지만, 통계에 따르면, 인류가 쉽게 개발할 수 있는 지역 중에서는, 풍속이 4m/s 보다 작은 지역의 면적의 비율이 전체 지역의 면적의 85%에 달한다. 이러한 사실은 절대 다수의 구역 및 절대 다수의 지역 범위에서 보통의 풍력 발전 시스템은 그 사용가치가 낮다는 것을 의미한다. 따라서, 어떻게 유효하게 저속의 풍력 에너지를 포획할 수 있는가 하는 것이 풍력 발전 시스템 산업에서의 공통된 기술적 문제점이다.

이하에서는 연관된 지식 배경과 배경 기술에 기초하여 설명한다. 본 명세서 중에는 "익형(airfoil)", "양력", "항력", "항력에 대한 양력의 비율(양/항력비)", "영각(angle of attack)", "회전 속도", "선단 속도비(tip-speed ratio)", "선단 속도비와 풍력 에너지 변환 비율의 관계" 및 "풍력 에너지 포획율" 등과 같은 관련한 지식과 원리에 대한 용어들이 많은 부분에 기재되어 있다. 이러한 지식과 원리들은 공기 동역학 및 풍력 발전 영역에서 상용되는 개념과 공지된 지식이므로, 여기서는 자세히 설명하지 않는다. 특히 관련된 문헌으로는 <풍력 공학 및 공업 공기 동역학>(하덕형(賀德馨) 등 편저, 국방공업출판사출판, 2006년 1월 제1판) 및 <풍력에너지 기술(Wind Energy Handbook)>(저자 토니 버튼(Tony Burton) 등, 과학 공업 출판사 출판, 2007년 9월 제1판) 등이 있다.

익형 및 양력과 관련된 공기 동역학의 공지된 원리에 따르면, 주어진 풍속 조건 하에서 일정한 익형을 가지는 블레이드에 대해서는, 블레이드의 영각을 변경하여 블레이드의 양/항력비와 토크를 동시적으로 변경할 수 있으며, 또한 양/항력비와 토크는 블레이드의 회전 속도와 관련이 있다.

블레이드가 큰 영각을 유지하는 때에는, 블레이드는 저속의 풍속 또는 저속의 회전 속도 조건 하에서도 비교적 큰 회전 토크를 생산하게 되며, 다른 한편으로는 항력의 크기는 속도의 제곱에 정비례하기 때문에, 고속의 풍속 또는 고속의 회전 속도 조건하에서는 매우 큰 항력 토크가 생산되어, 로터 회전의 감쇠가 사실상 방지된다.

블레이드가 작은 영각을 유지하는 때에는, 블레이드는 고속의 풍속 및 고속의 회전 속도 조건 하에서도 매우 큰 양력 토크와 비교적 작은 항력 토크를 생산한다. 하지만 이 경우, 블레이드는 저속의 풍속 조건하에서는 단지 매우 작은 회전 토크를 생산하므로, 로터의 시동을 보조하는데 제한이 따르게 된다.

요약하자면, 단일의 로터는 단독적으로 저속의 풍속 조건에서 쉽게 시동이 되지 못하며, 고속의 회전 속도 조건하에서 높을 효율을 가지지 못한다.

일부 실험에서는, 고속 로터와 저속 로터를 서로 일련적으로 연결하고, 두 개의 축 상에 강성 결합하여, 로터들이 저속의 풍속 조건하에서 쉽게 시동되고, 고속에서 높을 효율을 가지도록 시도한 바 있다. 하지만, 이러한 접근은 이론과 실제 모두에서 실행 가능하지 못하였다. 그 이유로는, 저속에서 용이하게 시동하고자 하면, 자연히 영각의 증대, 블레이드 수의 증가 및 바람을 마주하는 면적의 증가 등의 조치가 동시에 필요하기 때문이다. 이러한 이유로, 한편으로는 시동 토크가 확연히 증가하고, 다른 한편으로는 로터의 회전이 가속됨에 따라서 로터가 생산하는 공기압 항력이 크게 증가하게 된다. 이런 현상에 따르면 속도 자체가 제한될 뿐 아니라, 더 심각하게는 주 로터의 회전 속도를 약화시켜서, 고속의 풍속과 고속의 회전 조건하에서도, 바람을 포획하는 효율이 감소하게 된다. 즉, 얻는 것보다 잃는 것이 더 많은 것이다. 따라서, 두 개의 로터를 강성으로 겹쳐 연결하여 일체화하는 것은 비현실적인 방안이다.

공개번호가 제CN2802116Y호인 중국 실용신안특허가 공개한 기술적 사상은 다음과 같다: 풍력 발전을 위한 프레임형 다단식 풍력 발전 시스템이 상이한 직경의 프레임형 로터가 동축 상에 차례로 장착되는 로터 세트(set)를 구비하고; 각각의 로터는 기어 박스와 연결되고, 상기 기어 박스 내의 수직 사프트를 통해 각각의 로터의 수평축 둘레의 회전 운동을 수직축 둘레의 회전 운동으로 전환시켜서, 지지체의 저부로 전송하며; 상기 지지체는 베어링 회전 프레임에 설치되고, 상기 베어링 회전 프레임은 회전 장치를 통해 기저부와 서로 연결된 환형 안정 프레임 상에 설치되고; 상기 베어링 회전 프레임의 주 베어링 프레임의 일 단부에는 발전기가 설치되고, 상기 발전기의 축과 베어링 회전 중심을 향하는 수평 샤프트에 연결되고, 상기 수평 샤프트는 한 쌍의 테이퍼진(tapered) 기어를 통해 기어 박스 내에서 아래를 향해 설치되는 수직 샤프트와 연결된다. 상기 기술적 사상의 의도는 다단식의 복수의 로터에 풍력 에너지를 이용하고자 하는 것이다. 하지만, 그의 핵심적인 문제점은 일부 로터의 출력, 회전 속도, 토크 등이 상이하기 때문에, 각각의 로터를 독립적으로 제어하여 작동시킬 수 없다는 것이다. 상기 실용신안은 복수의 로터를 기계적으로 하나의 밀폐 시스템 안에 연결하여, 하나의 주 샤프트 상에 동시에 입력을 가하기 때문에, 실제적인 동작 상황은 다음과 같을 수밖에 없다: 고속으로 회전하여야할 로터는 저속의 로터로 인해 감속되어 고속으로 회전할 수 없어 최고 출력을 생산할 수 없다; 저속으로 회전하여야 할 로터는 다른 로터에 의해 강제적으로 가속되어 고속으로 회전하게 되며, 과도한 공기압적 감쇄를 가져옴으로써 이상적인 파워를 출력하지 못하게 된다. 따라서, 각각의 로터는 서로 부정적인 영향을 미치게 되어, 풍력 에너지를 효율적으로 이용하고자 하는 발명의 목적을 달성할 수 없게 된다. 그 밖에도, 크고 복잡한 구조로 인해 경제성, 안정성 및 실용성 모두 영향을 받게 된다. 상기 중국 실용신안공개 제CN2802116Y호와 발명자가 동일한 공개번호가 CN101004168A인 중국 특허출원은 상기 제CN2802116Y호가 개시하는 발명의 구동 악화 문제를 해결하고자 하는 내용을 개시하였지만, 본 명세서에서 개시하는 다른 단점은 개선하지 못한다.

즉, 각종 기술 방안을 개시한 문헌들은 모두 풍력을 이용해 저속뿐 아니라 고속의 고효율 풍력 에너지를 효율적으로 이용하는 어려운 문제점을 해결하고 있지 못하다.

본 발명은 종래 기술이 가지는 결점 및 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 저속의 풍속 및 저속의 회전 속도의 조건 하에서 이상적으로 시동 토크를 제공할 수 있고, 고속의 풍속 및 고속의 회전 조건 하에서 메인(main) 로터가 계속 동작할 수 있으며, 파일럿(pilot) 로터의 결속이 해제됨으로써 메인 로터를 방해하지 않도록 하여, 저속에서는 큰 토크를 얻어내고, 고속에서는 공기압 항력 토크의 저항 작용을 피할 수 있어, 바람 에너지 이용 범위 및 바람 에너지 포획 효율을 높일 수 있는 제어 가능한 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템 및 풍력 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 기술 방안은 다음과 같다.

독립한 두 개의 클러치 장치가 로터 주 샤프트 상에 일련적으로 배치되고, 상기 두 개의 로터 유닛 중 적어도 하나와 주 샤프트는 강성 고정되지 않고, 클러치를 통해 연결되어, 두 개의 로터 및 로터와 주 샤프트 사이에는 일종의 제어 가능한 회전 이합 구동 관계가 형성된다.

더욱 상세하게는, 상기 두 개의 로터 유닛 중 하나는 메인 로터 유닛이고, 다른 하나는 파일럿 로터 유닛이며, 각각의 로터 유닛은 상응하는 작용을 분담하여 수행한다.

a. "메인 로터" 유닛은 양각이 18도보다 작은 나선 블레이드들로 구성되며, 선단 속도비가 2 이상의 높은 선단 속도비 조건(고속의 풍속 또는 고속의 회전 속도의 조건)하에서 비교적 높은 회전 토크 및 바람 에너지 포획 효율을 구비하여 비교적 큰 회전 토크를 생산하고, 선단 속도비가 상기 값보다 작을 때는(즉, 저속의 풍속 또는 저속의 회전 속도 조건 하에서)는 비교적 작은 회전 토크를 생산한다;

b. "파일럿" 로터는 저속 로터로서, 4개의 나선 블레이드들로 구성되고, 선단 속도비가 2 보다 작은 낮은 선단 속도비 조건(저속의 풍속 또는 저속의 회전 속도의 조건)하에서 상대적으로 비교적 큰 회전 토크를 생산한다.

따라서, 파일럿 로터의 작용은 메인 로터가 유효하게 포획하기 어려운 저속의 바람 에너지를 포획하여, 로터를 직접 구동 시동시키기 위한 주요 회전 토크를 제공하기 위한 것이다. (선단 속도비가 2보다 큰) 높은 선단 속도비 조건 하에서 메인 로터가 전체의 바람 에너지 포획 작용을 부담하고, 주 샤프트를 회전 구동 시킨다.

상기 클러치 장치로는 가장 바람직하게는 오버러닝(overrunning) 클러치가 사용될 수 있다. 오버러닝 클러치는 파일럿 로터와 주 샤프트의 사이 및 메인 로터와 주 샤프트 사이에 장착되는 클러치인 제1종; 파일럿 로터와 메인 로터 사이에 장착되는 클러치인 제2종의 두 가지의 종류일 수 있다. 이와 같이 주 샤프트 상에 장착되는 메인 로터 유닛과 파일럿 로터 유닛 및 그들 사이에 장착되는 클러치를 통해서, 상기 두 개의 로터 유닛 및 로터 유닛과 주 샤프트 사이에는 제어 가능한 이합 회전 구동 관계가 형성된다. 상기 시스템의 규율 관계는 다음과 같다.

a. 파일럿 로터 유닛의 회전 각속도가 메인 로터 유닛의 각속도보다 클 때는, 클러치는 접합 상태에 놓이고, 이때, 파일럿 로터는 주 샤프트에 대한 구동 작용을 일으킨다.

b. 파일럿 로터 유닛의 회전 각속도가 메인 로터 유닛의 각속도와 같을 때, 클러치는 접합과 분리의 임계 상태에 놓여서, 파일럿 로터와 메인 로터가 공동으로 주 샤프트에 대한 구동 작용을 부담한다.

c. 파일럿 로터 유닛의 회전 각속도가 메인 로터 유닛의 각속도보다 작을 때는, 클러치가 분리 상태에 놓이고, 메인 로터가 주 샤프트에 대해서 구동 작용을 일으키고, 파일럿 로터는 주 샤프트에 대해 구동 작용을 일으키지 않는다.

본 발명에 따른 풍력 발전 시스템은 상술한 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템을 채용하는 것이다.

본 발명의 이점은, 하나의 저속 조건 하에서 동작하는 파일럿 로터와 고속 조건 하에서 동작하는 메인 로터를 사용하고, 클러치의 적절한 전환을 통해, 풍력 발전 시스템이 저속의 풍속 조건에서 상대적으로 비교적 큰 시동 토크를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 시동 후에 저속의 바람 에너지를 이용할 수 있도록 한다는 것이다. 아울러, 메인 로터가 고속의 풍속 조건 하에서 우수한 바람 포획 효율을 가진다는 이점이 있으며, 저속의 풍속 및 고속의 풍속을 모두 포획 이용함으로써, 풍력 발전 시스템이 이용하는 속도 범위 및 지역 범위를 대폭으로 확대시켜서, 풍력 발전 시스템을 크게 보급 이용하기 위해 편리한 조건을 만들 수 있다.

아하에서는 첨부된 도면과 실시예를 참조하여 본 발명을 더 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파일럿 로터 유닛의 외형 구조에 대한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메인 로터 유닛의 외형 구조에 대한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 마찰식 오버러닝 클러치의 구성에 대한 개념적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 래칫(ratchet)식 오버러닝 클러치의 구성에 대한 개념적인 단면도이다.
도 5는 메인 로터와 파일럿 로터 각각과 주 샤프트 사이에 클러치가 설치된 시스템 장치의 단면도이다.
도 6은 파일럿 로터와 주 샤프트 사이에만 클러치가 설치된 장치의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파일럿 로터와 메인 로터를 포함하는 완전한 로터 시스템의 외형 구조도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 로터와 파일럿 로터가 발전기의 주 샤프트의 양단에 설치된 모습을 도시한 것이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터 시스템이 모두 발전기의 동일한 일단에 설치된 모습을 도시한 개념도이다.
도면 중에 표기된 도면 부호는 다음과 같다:
1. 파일럿 로터 블레이드; 2. 메인 로터 블레이드; 3. 주 샤프트; 4. 메인 로터 클러치; 5. 파일럿 로터 클러치; 5a. 클러치 주동 포트(port); 5b. 클러치 피동 포트; 6. 래칫 클로(claw); 7. 연결 키(key); 12. 발전기 본체

도 1에는 바람직한 실시예에 따른 6개의 블레이드로 구성된 파일럿 로터 유닛이 도시되어 있다. 상기 파일럿 로터 유닛은 명백하게 블레이드의 수가 많고, 블레이드 면적이 크며, 영각이 커서, 전체적으로 바람을 포획하는 능력이 강하고, 저속의 풍속에서, 더 많은 바람 에너지를 포획할 수 있다. 하지만, 파일럿 로터 유닛이 일정한 회전 속도를 얻고 나서는, 가해지는 공기압의 항력 역시 크게 증가하므로, 바람 에너지의 이용 효율이 크게 감소한다. 이러한 특징은 공기 동역학 및 바람 에너지 기술 영역에서 공지된 사실에 해당하므로, 본 명세서에서 더 이상의 설명은 하지 않는다.

도 2에는 바람직한 실시예에 따른 3개의 블레이드로 구성된 메인 로터 유닛이 도시되어 있다. 상기 파일럿 로터 유닛과 비교할 때, 상기 메인 로터 유닛은 블레이드 수가 적고, 블레이드 면적이 작으며, 영각이 작아서, 저속의 풍속에서는 바람 에너지의 포획력이 약하다. 하지만, 상기 메인 로터 유닛이 일정한 시동 속도(start-up speed)를 얻고 나서는, 고속의 풍속 및 고속의 회전 속도 조건하에서 매우 좋은 바람 포획 능력 및 바람 에너지 이용 효율을 가진다. 이러한 특징은 공기 동역학 및 바람 에너지 기술 영역에서 공지된 사실에 해당하므로, 본 명세서에서 더 이상의 설명은 하지 않는다.

도 3에는 마찰식 오버러닝 클러치의 단면도가 도시되어 있다. 오버러닝 클러치의 구성 원리는 기계 공학 기술 영역에서 공지된 지식에 해당하므로, 본 명세서에서 자세히 설명하지는 않는다. 해당 정보를 자세히 기술한 권위있는 기술문헌으로는 <기계 설계 핸드북>(기계공업출판사, 신판, 제3권 <기계부품 및 동력전달 설계>, 제22편 <커플링, 클러치 및 브레이크>, 제10장 <오버러닝 클러치>)가 있다.

도 4에는 랫치식 오버러닌 클러치의 단면도가 도시되어 있다.

도 5는 메인 로터와 파일럿 로터 각각과 주 샤프트 사이에 클러치가 설치된 장치를 도시한다. 두 개의 로터 유닛은 두 개의 클러치 장치를 통해 상기 주 샤프트에 각각 연결된다.

두 개의 로터 유닛 각각은 주 샤프트와 다음과 같은 두 개의 제어 가능한 이합 회전 구동 체인(rotating detachable transmission chain)을 구성한다: 파일럿 로터 - 파일럿 로터 클러치 - 주 샤프트; 메인 로터 - 메인 로터 클러치 - 주 샤프트.

두 개의 구동 체인에서, 메인 로터 유닛과 파일럿 로터 유닛 모두는, 로터 유닛가 빨리 시동되거나 회전 각속도가 빨라져야만 그 클러치가 접합 부하 지지 상태에 놓여서, 클러치를 통해 주 샤프트를 회전시킬 수 있게 되어 있다. 한편, 로터 유닛가 늦게 시동되거나 회전 각속도가 늦어지면, 클러치는 분리 비부하 상태에 놓여서, 로터가 오버러닝되어 주 샤프트에 대해 구동 작용을 할 수 없게 된다.

파일럿 로터는 저속의 바람 에너지에 대한 포획 능력이 메인 로터에 비해 우위에 있기 때문에, 파일럿 로터가 먼저 시동되어, 부하의 항력 토크 및 관성 모멘트를 극복하고 회전하여 동작하도록 할 수 있다는 명백하다. 따라서, 파일럿 로터를 통해 부하의 항력 및 관성 모멘트의 영향을 감당하므로, 메인 로터의 회전 부하는 매우 적어지게 된다. 따라서, 외부의 바람에 의해 생성되는 양력에 의해 메인 로터가 쉽게 회전할 수 있게 되고, 그 회전 속도는 점차 빨라지게 되어 외부로부터 포획되어 흡수되는 바람 에너지가 매우 빠르게 증가됨으로써, 메인 로터는 더욱 빨리 회전하게 된다. 이와 같은 순환 작용으로, 메인 모터의 각속도는 파일 로터의 각속도를 초과하게 되며, 이에 따라 파일럿 로터는 오버러닝되어 주 샤프트에 대한 구동 작용을 잃게 되고, 메인 로터 유닛이 주 샤프트의 구동을 담당하게 된다. 만약에, 풍속이 과도하게 작아져서 일정한 범위에 이르면, 메인 로터는 충분한 양력 토크를 얻지 못하므로, 부하의 항력에 의해 점차 감속되고, 심지어 멈추게 된다. 이에 따라서, 파일럿 로터의 클러치는 접합 부하 지지 상태에 놓여지고, 메인 로터는 오버러닝하게 되어, 주 샤프트의 회전은 다시 파일럿 로터에 의해 부담된다. 이러한 순환은 계속 반복된다. 따라서, 풍력 발전 시스템은 간편하게 저속의 바람을 포획하여 이용할 수 있으며, 높은 효율의 고속의 바람 에너지를 포획할 수 있어, 풍력 발전 시스템의 실제 이용 범위가 크게 넓어져서 사용 가치가 크게 증가한다는 적극적인 효과가 있다.

도 6은 파일럿 로터와 주 샤프트 사이에만 클러치가 설치된 장치의 단면도이다.

본 실시예에 따르면, 오버러닝 클러치의 주동 포트는 주 샤프트 상에 강성 연결되며, 종동 포트는 주 샤프트와 강성 연결된다. 또한, 메인 로터는 상기 주 샤프트와 강성 연결되어(전자와 다른 점은, 메인 로터는 주 샤프트를 통해 간접적으로 파일럿 로터와 강성 연결되는 것으로, 메인 로터와 주 샤프트 사이에는 오버러닝 클러치가 사용되지 않는다는 것이다), 상기 파일럿 로터 유닛과 상기 주 샤프트 사이에 일종의 제어 가능한 이합 회전 구동 관계 즉, 파일럿 로터- 클러치 장치 - (메인 로터 + 주 샤프트) 관계를 구성한다.

상기 파일럿 로터가 바람 에너지를 얻어 먼저 시동하여 구동한 후에, 단독으로 주 샤프트를 직접 구동시키는 것이 아니라, 메인 로터를 동시에 구동시켜서 접합 부하 지지 상태에 놓인 오버러닝 클러치가 전달하는 토크를 통해 메인 로터의 구동을 촉진함으로써 메인 로터가 시동되어 주 샤프트를 회전 구동시키는 것이다. 이에 따라서, 메인 로터는 더 많은 바람 에너지를 흡수하여 회전하여, 더욱 큰 양력을 생성하여, 유효 토크를 형성함으로써, 로터가 부하의 항력 토크 및 회전 관성 모멘트를 극복하여 회전하여 동작할 수 있게 된다. 한편, 파일럿 로터가 이미 부하의 항력 및 관성 모멘트의 영향을 부담하고 있기 때문에, 메인 로터는 매우 적은 부하 아래에서 회전할 수 있고, 외부의 바람이 메인 로터에 대해 가하는 양력은 매우 용이하게 메인 로터의 회전을 촉진시켜서, 메인 로터의 회전이 더욱 빨리지게 된다. 외부에서 포획되어 흡수된 바람 에너지는 매우 신속하게 증가하여, 메인 로터가 더욱 빠르게 회전하도록 하며, 그 효과는 계속적으로 증강하여, 메인 로터의 각속도는 파일럿 로터의 각속도를 초과하게 된다. 풍속이 일정 정도까지 상승하게 되면, 메인 로터는 더 고속으로 회전하게 되고, 메인 로터가 파일럿 로터의 회전 속도를 초과하여 회전하게 되면, 클러치는 자동으로 분리 비부하 상태로 변환되어, 파일럿 로터가 오버러닝됨으로써, 파일럿 로터는 주 샤프트에 대해서 구동 작용을 할 수 없게 된다. 이러한 과정은 상술한 과정과 동일하다. 풍속이 과도하게 작아져서, 일정 범위에 도달하면, 메인 로터는 충분한 양력 토크를 얻지 못하게 되어, 부하의 항력에 의해 점차 감속되고 심지어 정지한다. 이에 따라서, 파일럿 로터의 클러치는 접합 부하 지지 상태에 놓이고, 메인 로터는 오버러닝하여, 주 샤프트의 회전은 다시 파일럿 로터에 의해 부담된다. 이러한 순환은 계속 반복된다. 따라서, 로터 시스템은 저속의 풍속에 의한 시동 및 고속 회전시 낮은 항력에 의한 고효율의 특성을 실현할 수 있게 된다.

도 7은 파일럿 로터와 메인 로터를 포함하는 완전한 로터 시스템의 외형 구조도이다. 본 실시예의 실험 효과는, 메인 로터가 앞에 배치되어 바람을 먼저 맞이하는 것이 바람 에너지를 높은 효율로 포획하는데 유리하다는 것을 증명한다.

이론상으로도 다음과 같은 지지 근거를 매우 쉽게 찾아낼 수 있다: 메인 로터가 구동하지 않고 파일럿 로터가 구동하는 상황하에서는, 메인 로터에 의한 기류의 교란은 거의 고려하지 않아도 되어, 파일럿 로터의 바람 포획 효과에는 거의 영향을 미치지 않게 된다; 메인 로터가 고속으로 회전하기 시작한 이후에는, 메인 로터가 대부분의 바람 에너지를 흡수하게 되므로, 매우 적은 부분의 바람 에너지만이 빠져나가게 된다. 이때 파일럿 로터는 마땅히 오버러닝되어 그 작용력을 잃게 되어서, 유실된 부분의 바람 에너지는 파일럿 로터에 흡수되지 않아 실제적으로 어떠한 영향도 미치지 않게 된다. 바꾸어 말하자면, 파일럿 로터가 전방에 배치되고, 메인 로터가 후방에 배치되면, 메인 로터는 항상 교란 상태에 있게 되어 파일럿 로터의 직경 범위 위로 유실된 바람 에너지만을 흡수할 수 있게 되고, 그마저도 혼란스러운 공기장에 의해 원심 발산하게 되어 메인 로터가 매우 크게 속도가 저하된 바람 에너지만을 흡수하게 된다. 따라서, 그 배치 순서를 바꾸어서는 안된다.

이외에도, 다음과 같은 실질적인 많은 실험예 역시 이를 증명한다: 종래에는 3.5 m/s 풍속 하에서는 시동되지 않던 풍력 발전 시스템이 본 발명의 기술적 사상을 적용한 후에는 시동 풍속이 1.6 - 1.8 m/s로 감소하였다. 또한, 메인 로터의 블레이드의 영각은 고속의 풍속 및 고속의 회전 속도 조건하에서의 최적으로 각도로 먼저 조정할 수 있으므로, 고속 조건 하에서 그 구동이 더욱 이상화되어서, 효율이 약 19% 이상 상승하였다.

도 8은 본 발명에 따른 로터 시스템의 주 샤프트가 발전기를 관통하여 메인 로터 유닛과 파일럿 로터 유닛이 각각 발전기의 양단에 설치된 것을 도시한 것이다. 이러한 구성 역시 실질적으로 본 발명의 하나의 특수한 실시예에 속하며, 본 실시예의 이점은 로터가 양측에 배치되므로 쉽게 평형 문제를 해결할 수 있고, 역학 구조적으로 더 좋으며, 두 개의 로터 사이의 간격이 충분히 커져서, 그 사이의 공기장이 쉽게 교란되지 않으므로, 와류 손실에 따른 영향이 더 적다.

도 9 및 도 10은 메인 로터와 파일럿 로터가 모두 발전기의 동일한 일단에 설치될 수 있다는 것을 도시한 것이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 메인 로터 및 파일럿 로터는 상기 발전기의 상류측에 위치하며, 이러한 구성에 따르면 바람의 흡수력이 더 높은 효율로 달성될 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 메인 로터와 파일럿 로터는 상기 발전기의 하류측에 위치할 수도 있다. 이러한 구성에 따른 풍력 발전 시스템에 의하면, 메인 로터와 파일럿 로터의 조정 방향에 직접 의존하여, 종래의 후미 날개 장치를 생략할 수 있다. 본 실시예는 소형의 풍력발전 시스템 상에 바람직하게 사용될 수 있다.

이 밖에도, 본 발명에 따른 주 샤프트는 전체가 하나의 강체로 형성되지 않고, 다단식 샤프트 조합체로 형성될 수 있다. 조합체의 각 단들 사이에는 커플링 등을 이용해 연결될 수 있다. 이러한 실시 방식 역시, 본 발명의 총체적 기술적 사상 범위에 있는 실시예에 해당하며, 본 출원의 창조적 특징을 벗어나는 것이 아니다.

메인 로터 및/또는 파일럿 로터는 감속 기구를 통해 주 샤프트와 서로 연결될 수도 있다. 이러한 구성에 따르면, 토크 특히, 정지 상태의 발전기에 대해 시동되어야 하므로 더 큰 토크가 필요한 파일럿 로터에 대한 토크를 증가시킬 수 있다. 감속 기구를 이용함에 따라서, 필요 토크가 확보되는 전제 하에서, 로터의 블레이드를 더 짧게 구성할 수 있다. 상기한 감속 기구로는 기계적 감속기에 한정되지 않고, 액압 감속기 또는 전자 감속기 등을 채용할 수 있다.

본 발명은 풍력 발전 시스템을 제공하는 것이며, 상기 풍력 발전 시스템은 상술한 풍력 발전기 복합 로터 시스템을 채용한다.

상술한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템은 저속의 풍속 조건하에서 비교적 큰 시동 토크를 얻을 수 있고, 시동 후에 저속의 바람 에너지의 포획 이용하여, 고속의 풍속 및 고속의 회전 조건하에서 메인 로터가 우수한 바람 포획 효율을 가지도록 하는 장점이 있으며, 아울러, 저속의 풍속 및 고속의 바람 에너지 모두를 포획 이용함으로써, 풍력 발전 시스템이 이용하는 속도 범위 및 지역 범위를 대폭으로 확대시켜서, 풍력 발전 시스템을 크게 보급 이용하기 위해 편리한 조건을 만들기 위한 것이다.

본 발명이 일련의 구체적인 실시예를 통해 자세하게 설명되었지만, 본 발명이 속하는 영역에 대한 통상적인 지식을 가진자라면, 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는다면 각종의 변형 및 수정이 가능할 것이라는 것은 명백하다.

본 발명은 저속의 조건하에서 동작하는 파일럿 로터 및 고속의 조건하에서 동작하는 메인 로터를 동시에 사용하는 제어 가능한 복합 이중 로터 시스템을 구비한 풍력 발전 시스템에 관한 것으로, 오버러닝 클러치의 적절한 전환을 통해서, 풍력 발전 시스템이 저속의 풍속 조건에서 상대적으로 비교적 큰 시동 토크를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 시동 후에 저속의 바람 에너지의 포획 이용하여, 고속의 풍속 및 고속의 회전 조건하에서 메인 로터가 우수한 바람 포획 효율을 가지도록 하는 장점이 있으며, 아울러, 저속의 풍속 및 고속의 바람 에너지를 모두 포획 이용함으로써, 풍력 발전 시스템이 이용하는 속도 범위 및 지역 범위를 대폭으로 확대시켜서, 풍력 발전 시스템을 크게 보급 이용하기 위해 편리한 조건을 만들 수 있다.

Claims

풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템으로서,
복수의 블레이드로 구성된 로터 유닛,
상기 로터 유닛이 설치되는 주 샤프트 및
상기 로터 유닛과 주 샤프트의 사이에 형성되는 연결 부재 및 종동부를 포함하고,
상기 복합 로터 시스템은, 파일럿 로터 유닛과 메인 로터 유닛인 두 개의 로터 유닛과, 클러치 장치를 포함하고,
상기 클러치 장치는 상기 주 샤프트를 감싸도록 설치되며,
상기 로터 유닛 중 적어도 하나는 상기 클러치 장치를 통해 상기 주 샤프트에 연결되어,
상기 두 개의 로터 유닛들 사이와, 상기 로터 유닛 및 주 샤프트 사이에 제어 가능한 이합 회전 구동 관계가 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템.
제1항에 있어서,
독립한 두 개의 클러치 장치를 포함하고,
상기 두 개의 로터 유닛은 상기 두 개의 클러치 장치를 통해 상기 주 샤프트에 연결되며,
상기 두 개의 로터 유닛 각각은 상기 주 샤프트와,
파일럿 로터 - 파일럿 로터 클러치 - 주 샤프트; 및 메인 로터 - 메인 로터 클러치 - 주 샤프트의 두 개의 제어 가능한 이합 회전 구동 체인을 구성하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템.
제1항에 있어서,
하나의 클러치 장치를 포함하고,
상기 클러치 장치의 주동 포트는 상기 파일럿 로터 유닛과 강성 연결되고, 종동 포트는 상기 주 샤프트와 강성 연결되며,
상기 주 샤프트는 상기 메인 로터 유닛과 강성 연결되어, 상기 파일럿 로터 유닛과 상기 주 샤프트 사이에는 파일럿 로터 - 클러치 장치 - 메인 로터 + 주 샤프트의 제어 가능한 이합 회전 구동 체인이 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템.
제1항에 있어서,
상기 클러치 장치는 오버러닝 클러치이고, 접합 부하 지지 상태 및 분리 비부하 상태의 두 가지 동작 모드를 가지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 두 개의 로터 유닛과 상기 주 샤프트 사이에는 상기 오버러닝 클러치를 통해서,
파일럿 로터 유닛의 회전 각속도가 메인 로터 유닛의 각속도보다 클 때는, 파일럿 로터의 클러치가 접합 부하 지지 상태에 놓이고, 메인 로터의 클러치가 분리 비부하 상태에 놓여서, 파일럿 로터가 주 샤프트에 대해서 토크를 출력하고, 메인 로터는 파일롯 로터에 의해 오버러닝되어 주 샤프트에 대한 구동 작용을 하지 못하는 제1관계;
파일럿 로터 유닛의 회전 각속도가 메인 로터 유닛의 각속도와 같을 때, 두 개의 클러치는 모두 접합과 분리의 임계 상태에 놓여서, 파일럿 로터와 메인 로터가 모두 주 샤프트에 대한 구동 작용을 부담하는 제2관계;
파일럿 로터 유닛의 회전 각속도가 메인 로터 유닛의 각속도보다 작을 때는, 파일럿 로터의 클러치가 분리 비부하 상태에 놓이고, 메인 로터의 클러치가 접합 부하 지지 상태에 놓여서, 메인 로터가 주 샤프트에 대해서 토크를 출력하고, 파일럿 로터는 오버러닝되어 주 샤프트에 대한 구동 작용을 하지 못하는 제3관계 중 어느 하나의 제어 가능한 이합 회전 구동 관계가 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메인 로터 유닛은 영각이 18도보다 작은 나선 블레이드로 구성되며,
상기 파일럿 로터 유닛은 저풍속 로터이고, 4 개 이상의 나선 블레이드로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오버러닝 클러치는 랫치식 오버러닝 클러치인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오버러닝 클러치는 마찰식 오버러닝 클러치인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
메인 로터는 파일럿 로터의 상류 측에 배치되어 상기 파일럿 로터에 비해 먼저 바람을 맞이하는 것을 특징으로 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템.
제9항에 있어서,
상기 메인 로터 및 상기 파일럿 로터는 모두 발전기의 동일 일단 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템.
제9항에 있어서,
상기 복합 로터 시스템의 주 샤프트는 발전기의 축 중심으로 관통하고,
상기 메인 로터 및 상기 파일럿 로터는 각각 상기 발전기의 전후 양단에 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메인 로터 및/또는 파일럿 로터는 감속 기구를 통해 상기 주 샤프트에 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 풍력 발전 시스템의 복합 로터 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.