KR20110137417A

KR20110137417A - 날개 접이식 풍력발전기

Info

Publication number: KR20110137417A
Application number: KR1020100057333A
Authority: KR
Inventors: 김동룡; 이강일
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2011-12-23

Abstract

본 발명은 초강풍에서도 별도의 피치 제어 없이 풍압에 의해 자동으로 블레이드가 후방측으로 가변하는 날개 접이식 풍력발전기에 관한 것으로, 타워 상단에 회동 가능하게 설치되는 유선형의 동체와; 상기 동체의 외측면에 형성되는 다수의 방향키와; 상기 동체에 회전가능하게 수평 설치되되 일단에 제1 베벨기어가 형성되는 수평축과; 상기 수평축에 결합된 허브의 둘레에 회동가능하게 결합되어 전,후방향으로 가변되면서 상기 수평축을 회전시키는 다수의 블레이드와; 상기 전,후 방향으로 가변되는 다수의 블레이드를 각각 탄력 지지하는 지지수단과; 상기 타워의 내부에 설치되는 발전기와; 상기 수평축의 회전력을 상기 발전기에 전달할 수 있도록 일단에 제2 베벨기어가 형성되고 타단은 상기 발전기의 로터축과 결합된 수직축을 포함하여 구성된다.

Description

날개 접이식 풍력발전기{A Wind turbine with folding blades}

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 특히 초강풍에서도 별도의 피치 제어 없이 풍압에 의해 자동으로 블레이드가 후방측으로 가변하는 날개 접이식 풍력발전기에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전기는 풍력에 의해 회전하는 블레이드의 회전에너지를 전기에너지로 전환시켜 각 수요자에게 전기를 공급하는 것으로, 축의 방향에 따라 프로펠라형 수평축 풍력발전기와, 자이로밀형 및 다리우스형과 같은 수직축 풍력발전기, 또는 수직-수평축 통합형 풍력발전기 등으로 구별되며, 원자력이나 수력 및 화력에 비해 설치비용 및 설치면적이 매우 경제적이며 환경오염을 유발하지 않는 이점이 있다.

종래의 풍력발전기는 타워의 상부에 회전 가능하게 설치된 동체와, 상기 동체의 선단에 설치되어 바람에 의해 회전하는 블레이드와, 상기 블레이드의 회전력을 증속시키기 위한 증속기 등의 기어박스와, 상기 기어박스에서 증속된 회전력을 전기적 에너지로 변환하는 발전기 등으로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 풍력발전기는 바람에 의해 블레이드가 회전하면, 이의 회전력이 기어박스를 통해 증속된다. 그리고 발전기는 상기 증속된 회전력을 통해 전기 에너지를 발생시키고, 상기 발생된 전기 에너지는 축전장치 등에 인가되어 축전되거나 수요자에게 직접 인가된다.

그러나, 상기 수평축 풍력발전기는 블레이드에서 발전기까지 회전토크 전달 경로가 짧아 전달 효율이 좋은 이점은 있으나, 동체 내부에 발전기 등이 탑재되어 무거워짐에 따라 풍향에 따라 신속한 요(yaw) 동작이 어렵고, 동체가 일정횟수 이상 회전하면 풍력발전기가 동작이 정지함과 동시에 꼬인 케이블을 원래위치로 풀어주어야 하는 문제가 있다.

또한, 상기 동체 내부에 발전기가 탑재되어 냉각 및 유지보수 등이 불편하고, 강풍 등으로 인한 비상시 발전기의 과부하 등 시스템 보호를 위해 날개부의 피치제어를 통한 완전 정지로 발전이 불가능한 문제가 있었다.

그리고, 수직-수평축 통합형 풍력발전기(듀얼 로터방식)는 메인 블레이드의 중앙부분을 통과하는 풍력을 보조 블레이드에서 토크발생에 이용함으로서 단면적당 풍력의 이용률이 향상되는 이점은 있으나, 메인 블레이드 및 보조 블레이드의 회전방향이 반대이므로 이에 따른 블레이드 제작이 어렵고, 메인 블레이드 및 보조 블레이드의 토크가 일정하게 합성되도록 각각의 피치제어가 정밀하게 이루어져야 하지만 실제적으로 완벽한 제어가 어렵다.

또한, 제작 단가가 비싸고 강풍 등으로 인한 비상시 상기 수평축 풍력발전기와 같이 피치제어를 통한 완전 정지로 발전이 불가능한 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 자동으로 풍향을 찾아가며, 초강풍에도 별도의 피치 제어 없이 각 블레이드에 미치는 풍압에 따라 각각 따로 각 블레이드가 후방측으로 탄성적으로 뉘어짐으로써, 풍력발전기 특히 베어링 등에 걸리는 하중과 블레이드에 걸리는 피로도를 줄일 수 있어 풍력발전기를 보호할 수 있는 날개 접이식 풍력발전기를 제공함에 있다.

또한 본 발명의 목적은 초강풍에도 별도의 피치 제어 없이 각 블레이드에 미치는 풍압에 따라 각각 따로 각 블레이드가 후방측으로 탄성적으로 뉘어짐으로써, 날개부의 피치 제어를 위해 발전기를 정지해야할 필요가 없어 발전을 지속적으로 할 수 있는 날개 접이식 풍력발전기를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 타워(10) 상단에 회동 가능하게 설치되는 유선형의 동체(20)와; 상기 동체(20)의 외측면에 형성되는 다수의 방향키(21)와; 상기 동체(20)에 회전가능하게 수평 설치되되 일단에 제1 베벨기어(31)가 형성되는 수평축(30)과; 상기 수평축(30)에 결합된 허브(71)의 둘레에 회동가능하게 결합되어 전,후방향으로 가변되면서 상기 수평축(30)을 회전시키는 다수의 블레이드(70)와; 상기 전,후 방향으로 가변되는 다수의 블레이드(70)를 각각 탄력 지지하는 지지수단(80)과; 상기 타워(10)의 내부에 설치되는 발전기(60)와; 상기 수평축(30)의 회전력을 상기 발전기(60)에 전달할 수 있도록 일단에 제2 베벨기어(41)가 형성되고 타단은 상기 발전기(60)의 로터축(61)과 결합된 수직축(40)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 지지수단(80)은, 상기 다수의 블레이드(70)와 상기 수평축(30)에 사이에 각각 위치하며, 완충장치(81)를 포함하는 링크(82)로 구성되거나 또는 상기 수평축(30) 끝단에 형성된 지지대(83)와; 상기 다수의 블레이드(70)와 상기 지지대(83)에 사이에 각각 위치하며, 완충장치(81)를 포함하는 링크(84)로 구성되는 것이 바람직하다.

여기서 상기 완충장치(81)는, 스프링 또는 유공압 장치인 것이 바람직하다.

본 발명은 별도의 피치 제어 없이 초강풍 및 급작스런 돌풍 등의 풍압에 대응하여 자동으로 블레이드가 전,후방측으로 뉘어져 발전기측으로 전달되는 회전력이 조절됨으로서, 발전기 등의 과부하가 방지됨과 아울러 시스템이 보호되고 강풍시에도 발전이 지속되는 효과가 있다.

특히 본 발명은 풍력발전기의 상하에 부는 바람의 세기가 일정치 않아도 블레이드 각각이 개별적으로 뉘어짐에 따라, 발전기에 걸리는 하중과 블레이드에 걸리는 피로도를 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 간단한 구조로 이루어져 제작비가 절감되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 접이식 풍력발전기의 일 실시예를 나타낸 정면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 접이식 풍력발전기의 일 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 접이식 풍력발전기의 일 실시예의 블레이드가 뉘어진 상태를 확대해서 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 접이식 풍력발전기의 다른 실시예의 블레이드가 뉘어진 상태를 확대해서 나타낸 단면도이다.

이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 접이식 풍력발전기의 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 ~ 도 4를 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 단 종래의 풍력발전기와 동일한 부분에 관한 설명은 생략하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 접이식 풍력발전기의 일 실시예를 나타낸 정면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 접이식 풍력발전기의 일 실시예를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 접이식 풍력발전기의 일 실시예의 블레이드가 뉘어진 상태를 확대해서 나타낸 단면도이다.

도 1 ~ 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 접이식 풍력발전기의 바람직한 일 실시예는, 타워(10) 상단에 회동 가능하게 설치되는 유선형의 동체(20)와; 상기 동체(20)의 외측면에 형성되는 다수의 방향키(21)와; 상기 동체(20)에 회전가능하게 수평 설치되되 일단에 제1 베벨기어(31)가 형성되는 수평축(30)과; 상기 수평축(30)에 결합된 허브(71)의 둘레에 회동가능하게 결합되어 전,후방향으로 가변되면서 상기 수평축(30)을 회전시키는 다수의 블레이드(70)와; 상기 전,후 방향으로 가변되는 다수의 블레이드(70)를 각각 탄력 지지하는 지지수단(80)과; 상기 타워(10)의 내부에 설치되는 발전기(60)와; 상기 수평축(30)의 회전력을 상기 발전기(60)에 전달할 수 있도록 일단에 제2 베벨기어(41)가 형성되고 타단은 상기 발전기(60)의 로터축(61)과 결합된 수직축(40)을 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 접이식 풍력발전기(1)는 지면에 설치된 일정한 높이의 타워(10) 상단에 유선형의 동체(20)가 회전가능하게 설치된다. 이때, 상기 동체(20)의 내부는 경량화를 위해 비어있는 것이 바람직하다.

그리고 상기 동체(20)의 외주면에는 바람의 방향성을 향상할 수 있도록 길이 방향으로 다수의 바람 안내홈(20a)이 형성된다. 상기 바람 안내홈(20a)은 상,하,좌,우 90° 간격으로 4개가 형성되는 것이 일반적이지만, 이 외에도 다양한 개수로 형성 될 수 있다.

상기 방향키(21)는 상기 동체(20)의 외측면에 방사상으로 바람직하게 3개가 전방측에서 후방측으로 갈수록 두께가 두꺼워지도록 형성된다. 상기 방향키(21)는 상기 타워(10)를 기준으로 동체(20)의 후미측 방향에 형성되어 별도의 보조장치 없이 전면에서 불어오는 바람의 방향과 동체(20)를 일치시키게 되며 보다 안정되고 자유로운 요(yaw) 동작을 도와주고, 또한 지나는 바람의 흐름을 더욱 원활히 함과 동시에 바람의 방향을 더욱 빠르게 찾을 수 있도록 도와준다.

상기 수평축(30)은 회전가능하게 상기 동체(20)의 후미측 내부에 설치된다. 여기서, 상기 수평축(30)의 후단부는 상기 동체(20)의 후미 외측으로 돌출되고, 전단부는 동체(20) 내부에 위치하면서 그 끝단부에 제 1 베벨기어(31)가 형성된다.

그리고, 상기 다수의 블레이드(70)는 상기 수평축에 결합된 허브(71)의 둘레에 풍압에 따라 전,후방향으로 회동가능하게 핀(85) 결합된다.

상기 블레이드(70)는 상기 동체(20)의 후방측에 위치함과 아울러 불어오는 바람에 의해 회전하면서 상기 수평축(30)을 회전시키게 된다. 상기 블레이드(70)가 상기 동체(20)의 회전 중심으로부터 일정한 거리를 두고 있어 풍향에 따른 회전 모멘트가 발생하여 풍향과 일치하려고 하며, 이때 3개의 방향키(21)에 의해 보다 안정되고 자유로운 요(yaw) 동작을 하게 되는 것이다.

상기 지지수단(80)은, 상기 전,후 방향으로 회동가능하게 가변되는 다수의 블레이드(70)를 각각 탄력 지지하는 것으로, 상기 수평축(30)의 후단부에 설치된다.

상기 지지수단(80)은 다양하게 구성될 수 있으나 그 일 실시예로, 상기 수평축(30) 끝단에 형성된 지지대(83)와; 상기 다수의 블레이드(70)와 상기 지지대(83)에 사이에 각각 위치하며, 완충장치(81)를 포함하는 링크(84)를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 링크(82)의 일단부는 상기 블레이드(70)와 핀(85) 결합되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 지지수단(80)의 다른 실시예를 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 접이식 풍력발전기의 다른 실시예의 블레이드가 뉘어진 상태를 확대해서 나타낸 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 접이식 풍력발전기의 지지수단(80)은 상기 다수의 블레이드(70)와 상기 수평축(30)에 사이에 각각 위치하며, 완충장치(81)를 포함하는 링크(82)를 포함하여 구성된다.

상기 완충장치(81)는 스프링 또는 유공압 장치인 것으로, 그 장력을 조절하여 풍압에 따른 상기 블레이드(70)의 가변 동작점을 설정할 수 있다.

상기와 같이 구성된 지지수단(80)은 일정 풍압 이하에서는 최대효율을 얻기 위해 상기 블레이드(70)가 상기 수평축(30)에 수직인 상태를 유지하도록 하고, 강풍에 의한 일정 풍압 이상에서는 풍압의 증가에 대응하여 후방측으로 일정각도만큼 뉘어진다. 특히 상기 수평축(30)을 기준으로 상하의 바람의 세기가 다를 경우, 즉 상기 블레이드(70) 각각에 걸리는 풍압의 크기가 다를 경우, 상기 블레이드(70)는 상기 풍압에 따라 각각 다르게 뉘어진다.

이로 인해, 풍력발전기의 위 아래의 강풍의 세기가 다른 경우에도, 상기 블레이드(70)는 후방측으로 강풍의 세기에 따라 각각 다르게 뉘어짐에 따라 그만큼 바람의 영항을 덜 받으면서 상기 블레이드(70)의 회전이 감소하게 되고 이와 함께 수평축(30)의 회전력도 감소하여 아래에서 설명될 발전기(60)의 과부하 등을 방지하여 시스템을 보호함과 동시에 지속적인 발전이 가능하다.

상기 발전기(60)는 상기 타워(10)의 상단측 내부에 설치되고, 상기 블레이드(70)에 의한 회전력을 전달받아 전기를 발생시킨다. 상기 발전기(60)에는 축전장치(미도시) 또는 지상의 송전선(미도시) 등으로 전력을 송출하기 위한 전선(62)이 연결된다.

상기 수직측(40)은 상기 수평축(30)의 회전력을 상기 발전기(60)에 전달할 수 있도록 상기 동체(20) 내부로부터 타워(10) 내부를 잇게 설치된다.

상기 수직축(40)의 일단부에는 상기 수평축(30)의 제1 베벨기어(31)와 맞물려 결합되는 제2 베벨기어(41)가 형성되고 타단부는 상기 발전기(60)의 로터축(61)과 결합된다.

여기서, 상기 수직축(40)과 발전기(60)의 로터축(61) 사이에는 유지보수 등을 위해 수직축(40)으로부터 발전기(60)를 연결/분리 할 수 있도록 커플링(50)이 설치된다.

그리고, 상기 수평축(30)상에는 블레이드(70)에 의해 회전하는 수평축(30)의 회전력을 증속하여 이 증속된 회전력을 상기 발전기(60)측으로 전달하기 위한 기어박스(32)가 설치된다.

상기 기어박스(32)는 공지된 것으로서 회전력 증속을 위해 유성기어(미도시) 및 링기어(미도시) 등 다수의 기어들이 설치되어 있으며, 여기서 보다 자세한 설명은 생략한다.

즉, 상기 기어박스(32)는 저풍속시에도 발전이 가능하도록 수평축(30)의 회전력을 증속시키는 역할뿐만 아니라 발전기(60)의 종류에 맞게 증속하는 역할을 한다.

그리고, 상기 제 1,2 베벨기어(31)(41)는 소음 등을 감소할 수 있도록 스파이어럴 베벨기어를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 풍력발전기(1)의 용량 및 상기 동체(20)의 크기에 따른 전체적인 밸런스를 잘 유지할 수 있도록 상기 블레이드(70)의 위치를 다양하게 변형하여 설치할 수 도 있다.

예를 들면, 풍력발전기(1)가 소형인 경우에는 동체(20)의 전방측이 회전중심으로부터 많이 돌출되지 않기 때문에 블레이드(70)가 동체(20)의 후미측에 최대한 근접하도록 설치하고, 이와 반대로 대형인 경우에는 동체(20)의 전방측이 회전중심으로부터 많이 돌출되기 때문에 블레이드(70)가 동체의 후미측으로부터 일정거리 이격되게 설치하는 것이 바람직하다.

즉, 중량물로서 회전운동을 실시하는 블레이드(70)와 동체(20)간의 상호 유기적인 균형에 의하여 블레이드(70)의 위치 선택에 따른 효율적인 운동이 이루어지게 되는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 접이식 풍력발전기의 동작을 상세히 설명하면 아래와 같다.

먼저, 상기 동체(20)는 동체(20)의 외주면에 형성된 바람 안내홈(20a)과 회전중심을 기준으로 후방측에 구비된 방향키(21) 및 블레이드(70)에 의해 자동으로 바람의 풍향과 일치하도록 요(yaw) 동작을 함과 동시에 불어오는 바람에 의해 블레이드(70)가 회전하게 된다.

상기 블레이드(70)가 회전하면, 상기 수평축(30)이 함께 회전하게 되며, 이때 상기 수평축(30)의 회전력은 상기 기어박스(32)를 통해 발전기(60)에서 전력 생산이 용이하도록 증속된다.

상기 증속된 회전력은 제 1 베벨기어(31)를 통해 제 2 베벨기어(41)로 전달되고, 제 2 베벨기어(41)로 전달된 회전력은 상기 수직축(40)을 회전시키면서 커플링(50)으로 상호 연결된 발전기(60)의 로터축(61)을 회전시키게 된다.

상기 로터축(61)이 회전하게 되면 발전기(60)에서는 로터(미도시)가 고속으로 회전함에 따라 전력이 생산된다.

상기 발전기(60)에서 생상된 전력은 상기 전선(62)을 통해 지상의 송전선 또는 축전장치 등으로 송출되는 것이다.

한편, 강풍 등으로 인한 비상시에는 일정이상의 풍압이 상기 블레이드(70)에 작용하게 됨과 동시에 블레이드(70)의 회전속도가 과도하게 증가하게 되는데, 이때 상기 풍압에 의해 상기 링크(82)에 형성된 완충장치(81)는 압축하게 되고 상기 블레이드(70)는 후방측으로 일정각도만큼 뉘어진다. 특히 상기 블레이드(70) 각각에 미치는 풍압이 다른 경우, 상기 블레이드(70)는 각각 다르게 뉘어짐으로써 발전기에 미치는 하중 및 피로도를 낮출 수 있다.

이와 같이 가변하는 상기 블레이드(70)는 상기 완충장치(81)의 압축력과 풍압이 비례하게 되는 시점에서 멈추게 되며, 이때에는 상기 블레이드(70)가 후방측으로 일정각도 경사진 상태가 되어 초기 위치에서보다 바람의 영향을 덜 받게 되면서 회전속도가 감소하게 되고, 이와 함께 상기 발전기(60)측으로 전달되는 회전력도 감소하게 되어 발전기(60)의 부하 등을 방지하고 시스템을 보호하게 됨과 동시에 이때에도 지속적인 발전이 이루어진다.

그리고, 강풍이 해제되면, 상기 완충장치(81)의 복원력에 의해 상기 블레이드(70)는 전방측으로 이동하게 되어 초기위치로 복귀된다.

이렇게, 상기 블레이드(70)는 풍압에 대응하여 각각 전,후방 가변량이 바뀌면서 발전기(60)측으로 전달되는 회전력이 조절되어 발전기(60)의 부하를 방지하는 등 시스템 전체를 보호함과 동시에 강풍에 의한 비상시에도 지속적인 발전이 이루어지는 것이다.

또한, 급작스런 돌풍으로부터 블레이드(70) 및 시스템의 급격한 충격도 완화시킬 수 있는 것이다.

1: 풍력 발전기 10: 타워
20: 동체 20a: 바람 안내홈
21: 방향키
30: 수평축 31: 제 1 베벨기어
40: 수직축 41: 제 2 베벨기어
50: 커플링 60: 발전기
61: 로터축 62: 전선
70: 블레이드 71: 허브
80: 지지수단 81: 완충장치
82, 84: 링크 83: 지지대
85: 핀

Claims

타워(10) 상단에 회동 가능하게 설치되는 유선형의 동체(20)와;
상기 동체(20)의 외측면에 형성되는 다수의 방향키(21)와;
상기 동체(20)에 회전가능하게 수평 설치되되 일단에 제1 베벨기어(31)가 형성되는 수평축(30)과;
상기 수평축(30)에 결합된 허브(71)의 둘레에 회동가능하게 결합되어 전,후방향으로 가변되면서 상기 수평축(30)을 회전시키는 다수의 블레이드(70)와;
상기 전,후 방향으로 가변되는 다수의 블레이드(70)를 각각 탄력 지지하는 지지수단(80)과;
상기 타워(10)의 내부에 설치되는 발전기(60)와;
상기 수평축(30)의 회전력을 상기 발전기(60)에 전달할 수 있도록 일단에 제2 베벨기어(41)가 형성되고 타단은 상기 발전기(60)의 로터축(61)과 결합된 수직축(40)을 포함하여 구성되는 접이식 풍력발전기.
제 1항에 있어서,
상기 지지수단(80)은,
상기 다수의 블레이드(70)와 상기 수평축(30)에 사이에 각각 위치하며, 완충장치(81)를 포함하는 링크(82)로 구성된 것을 특징으로 하는 접이식 풍력발전기.
제 1항에 있어서,
상기 지지수단(80)은,
상기 수평축(30) 끝단에 형성된 지지대(83)와;
상기 다수의 블레이드(70)와 상기 지지대(83)에 사이에 각각 위치하며, 완충장치(81)를 포함하는 링크(84)로 구성된 것을 특징으로 하는 접이식 풍력발전기.
제 1항 또는 제 3항에 있어서,
상기 완충장치(81)는,
스프링 또는 유공압 장치인 것을 특징으로 하는 접이식 풍력발전기.