KR20120100284A

KR20120100284A - 풍력 발전기용 블레이드 및 이를 구비한 풍력 발전기

Info

Publication number: KR20120100284A
Application number: KR1020110019076A
Authority: KR
Inventors: 안만희; 유현수
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2012-09-12
Also published as: KR101304918B1

Abstract

풍력 발전기용 블레이드 및 이를 포함하는 풍력 발전기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기용 블레이드는, 제1 방향으로 연장되어 있는 몸체, 그리고 몸체 일측에 제1 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있는 이동추를 포함한다.

Description

풍력 발전기용 블레이드 및 이를 구비한 풍력 발전기 {WIND POWER GENERATOR AND BLADE THEREFOR}

본 발명은 풍력 발전기용 블레이드 및 이를 구비한 풍력 발전기에 관한 것이다.

풍력 발전은 바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환 기술로서, 공기가 블레이드 위를 지날 때 양력과 항력이 발생하는 공기역학적 특성을 통해 회전자(rotor)가 회전하게 되는데 이때 발생하는 기계적 회전 에너지가 발전기를 통해 전기 에너지로 변환된다.

종래의 풍력 발전기는 수직축형과 수평축형으로 구분할 수 있는데, 수평축형의 경우 타워(tower) 상부에 나셀(nacelle)이 구비되며, 나셀의 전방에 블레이드가 회전 가능하게 설치되어 있고, 블레이드의 중심축인 허브와 연결된 주축에 증속기 및 발전기가 연결되어 발전이 이루어진다. 종속기 및 발전기는 통상 나셀 내부에 설치되어 있다.

그러나 이러한 종래의 풍력 발전기는 다른 종류의 발전기에 비하여 효율이 낮다.

본 발명의 일 실시예는 회전력이 높아 발전 효율이 높으며 추가적인 전력 생산이 가능한 풍력 발전기 및 그 블레이드를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기용 블레이드는, 제1 방향으로 연장되어 있는 몸체, 그리고 상기 몸체 일측에 상기 제1 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있는 이동추를 포함한다.

상기 블레이드는 상기 이동추의 이동을 안내하며 상기 제1 방향을 따라 뻗어 있는 가이드 레일을 더 포함할 수 있다.

상기 이동추는 원통형이고, 상기 가이드 레일은 상기 이동추를 내부에 수용하며 상기 제1 방향으로 뻗은 속이 빈 원통형일 수 있다.

상기 블레이드는 상기 이동추의 이동 경로의 적어도 한 쪽 끝에 설치되어 있으며, 상기 이동추의 이동에 따른 충격을 완화하는 완충 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 블레이드는, 상기 이동추와 결합되어 있는 피니언 기어, 상기 피니언 기어와 맞물리며 상기 제1 방향으로 뻗어 있는 래크 기어, 그리고 상기 피니언 기어와 상기 래크 기어 중 적어도 하나에 설치되어 있는 압전 소자를 더 포함할 수 있다.

상기 이동추, 상기 피니언 기어, 상기 래크 기어 및 상기 압전 소자는 상기 몸체 내부에 설치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는, 타워, 상기 타워의 상부에 설치되어 있는 나셀, 그리고 상기 나셀에 회전 가능하게 결합되어 있는 수평축에 결합되어 있는 복수의 블레이드를 포함할 수 있으며, 상기 각 블레이드 중 적어도 하나는 상기 블레이드일 수 있다.

상기 블레이드의 이동추는 상기 블레이드가 회전할 때 자체의 중력에 의하여 상기 제1 방향으로 이동가능하게 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 블레이드의 회전시 중력에 의하여 직선 운동하는 이동추를 사용하여 블레이드의 회전력을 높여줄 뿐 아니라 이동추의 운동 에너지를 압전 소자 등을 사용하여 전기 에너지로 바꿈으로써 추가적인 발전이 가능하므로, 풍력 발전기의 발전 효율을 높여 줄 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기 블레이드의 내부 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 풍력 발전기 블레이드의 일부를 절단하여 도시한 평면도이다.
도 5는 도 3에 도시한 풍력 발전기 블레이드의 정면도이다.
도 6은 도 3에 도시한 풍력 발전기 블레이드에서 기어 부분을 확대하여 도시한 사시도이다.

그러면, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에 대하여 도 1 및 도 2를 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 실시예에 따른 풍력 발전기(100)는 타워(10), 나셀(30), 허브(21) 및 복수의 블레이드(20)를 포함한다.

나셀(30)은 타워(10)의 상부에 고정되어 있고, 허브(21)는 회전 가능하도록 나셀(30)에 결합되어 있는 수평축에 결합되어 있으며, 블레이드(20)는 바람에 의하여 회전할 수 있도록 허브(21)에 결합되어 있다. 도 1에 도시한 블레이드(20)의 수효는 3개이지만 그 이상일 수도 있다.

도 2를 참고하면, 블레이드(20)는 길이 방향으로 이동 가능한 이동추(30)를 포함한다. 이동추(30)는 블레이드(20)가 회전함에 따라 중력에 의하여 블레이드(20)의 길이 방향으로 이동한다. 즉, 이동추(30)는 블레이드의(20) 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸는 역할을 한다.

예를 들어, 도 2에 도시한 것처럼 블레이드(20)가 시계 방향으로 회전한다고 할 때 블레이드(20) 끝이 그리는 궤적은 원이 된다. 블레이드(20)가 수평 위치에서 막 위로 향하는 경우(위치 1) 이동추(30)는 중력에 의하여 안쪽, 즉 원의 중심 방향으로 이동한다. 반대로 블레이드(20)가 수평 위치에서 막 아래로 향하는 경우(위치 3) 이동추(30)는 중력에 의하여 바깥 쪽, 즉 원의 둘레 방향으로 이동한다. 이와 같은 이동추(30)의 이동은 토크를 크게 해서 블레이드(20)의 회전력을 더 높여 준다.

한편, 블레이드(20)가 수직 위치(2, 4)에 있는 경우, 블레이드(20) 끝이 위를 향하고 있으면(위치 2) 이동추(30)가 안쪽에 위치하고 있고, 반대로 아래를 향하고 있으면(위치 4) 이동추(30)가 바깥쪽에 위치한다.

본 실시예에서는 이와 같은 이동추(30)의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 이를 가능하게 하는 블레이드 구조의 한 예에 대하여 도 3 내지 도 6을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기 블레이드의 내부 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시한 풍력 발전기 블레이드의 일부를 절단하여 도시한 평면도이고, 도 5는 도 3에 도시한 풍력 발전기 블레이드의 정면도이며, 도 6은 도 3에 도시한 풍력 발전기 블레이드에서 기어 부분을 확대하여 도시한 사시도이다.

도 3 내지 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 풍력 발전기 블레이드(20)는 몸체(22), 이동부(36, 46, 47, 48), 에너지 변환부(32, 33, 34, 35, 42, 43), 전기 전송부(39, 49) 및 전기 저장부(50, 60) 등을 포함한다. 이들은 블레이드(20)의 내부에 설치되어 있으며, 이동부(36, 46, 47, 48)는 블레이드(20)의 회전 운동을 직선 운동으로 변환하고 에너지 변환부(32, 33, 34, 35, 42, 43)는 이동부(36, 46, 47, 48)의 운동 에너지를 전기 에너지로 바꾸어 전기 전송부(39, 49)를 통해서 내보내어 전기 저장부(50, 60)에서 저장한다.

이동부(36, 46, 48)는 블레이드(20)의 길이 방향으로 이동할 수 있는 이동추(36) 및 그 부속 부재들을 포함하며, 부속 부재에는 가이드 레일(46) 및 완충 부재(48)가 있다.

이동추(36)는 예를 들면 블레이드(20)의 길이 방향으로 서 있는 원 기둥 모양이다.

가이드 레일(46)은 블레이드(20)의 길이 방향으로 길게 뻗어 있으며, 예를 들면 이동추(36)의 원 기둥 모양에 대응하는 속이 빈 원 기둥 형태로서 고정부(47)에 의하여 블레이드(20)의 몸체(22) 안쪽 면에 고정되어 있다. 이동추(36)는 가이드 레일(46) 내에 위치하며 가이드 레일(46)을 따라 상하로 이동한다.

그러나 이동추(36)와 가이드 레일(46)은 도면에 도시한 구조 외에 다른 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어 이동추(36)가 사각 기둥이나 육각 기둥 모양이라면 가이드 레일(46)은 이에 대응하는 속이 빈 사각 기둥 또는 육각 기둥 형태일 수 있다. 다른 예로 가이드 레일(46)은 체인과 스프로켓(sprocket)으로 이루어지고 이동추(36)는 체인에 고정되어 있는 형태일 수도 있다. 또 다른 예로는 가이드 레일(46)은 벨트 또는 밧줄과 벨트 풀리 등으로 이루어지고 이동추(36)는 벨트 또는 밧줄에 고정되어 있는 형태일 수도 있다.

이와 같이 이동추(36)와 가이드 레일(46)은 블레이드(20)의 길이 방향으로 이동할 수 있는 구조라면 어느 것이든 가능하다.

가이드 레일(46)의 양쪽 끝에는 이동추(36)의 속도를 줄여 가이드 레일(46) 또는 블레이드(20)에 가해지는 충격을 줄이기 위한 완충 부재(48)가 설치되어 있는데 탄성을 가진 용수철이 그 한 예이다. 완충 부재(48)는 이동추(36)의 상하에 설치될 수도 있으며, 양쪽 중 한 쪽에만 설치될 수도 있다. 도 3에는, 완충 부재(48)의 일 례로서 용수철을 예시하고 있으나, 탄성력 및/또는 복원력 등의 특성을 가지는 다양한 완충 부재가 사용될 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다.

에너지 변환부(32, 33, 34, 35, 42, 43)는 이동추(36)의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하며, 이동추(36)의 직선 운동을 압력으로 변환하는 운동-압력 변환부(34, 35, 32, 42) 및 압력을 전기로 변환하는 압력-전기 변환부(33, 43)를 포함한다.

운동-압력 변환부(34, 35, 32, 42)는 연결 막대(34, 35), 피니언(pinion) 기어(32) 및 래크(rack) 기어(42)를 포함한다.

연결 막대(34, 35)는 이동추(36)의 측면에 부착되어 있으며 서로 반대 쪽에 위치한다. 가이드 레일(46)에는 이들 연결 막대(34, 35)가 이동추(36)와 함께 이동할 수 있도록 길이 방향의 긴 홈(44)이 형성되어 있다.

피니언 기어(32)는 연결 막대(34)의 한쪽 끝에 연결되어 있으며, 래크 기어(42)는 블레이드(20)의 길이 방향으로 길게 뻗어 있으며 블레이드(20)의 몸체(22) 내부에 고정되어 있다. 피니언 기어(32)와 래크 기어(42)는 서로 맞물려 있으며, 이동추(36)의 운동을 압력으로 변환한다. 래크 기어(42)는 블레이드(20)가 적정 강도를 유지하게 하는 지지체 역할을 할 수 있다.

압력-전기 변환부(33, 43)는 피니언 기어(32)와 래크 기어(42)의 톱니에 설치되어 있는데, 두 기어(32, 42) 중 하나에만 설치될 수도 있다. 압력-전기 변환부(33, 43)는 모든 톱니에 설치되어 있을 수도 있고 일부 톱니에만 설치되어 있을 수도 있으며, 두 기어(32, 42)가 접촉하는 위치이면 어디에나 설치될 수 있다. 압력-전기 변환부(33, 43)의 예로는 압전 소자를 들 수 있다.

전기 전송부(39, 49)는 이를테면 전선 등으로서 압력-전기 변환부(33, 43)와 각각 연결되어 있다. 전기 전송부(39)는 연결 막대(34, 35)의 내부에 설치될 수 있으며, 전기 전송부(49)는 래크(42)의 내부 또는 외부에 설치될 수 있다.

전기 저장부(50, 60)는 전기 전송부(39, 49)로부터 받은 전기를 저장하는 장치로서 블레이드(20)의 내부에 설치될 수도 있지만, 풍력 발전기(100)의 타워(10)이나 풍력 발전기(100) 외부에 설치될 수도 있다. 또한 이들은 하나의 장치일 수도 있다.

그러면 이러한 풍력 발전기(100)가 운동 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 원리에 대하여 상세하게 설명한다.

앞서 도 2를 참고로 설명한 것처럼, 이동추(36)는 블레이드(20)의 회전에 따라 중력에 의하여 블레이드(20)의 길이 방향으로 이동한다. 이때 이동추(36)에 부착된 연결 막대(34)도 함께 이동하며, 연결 막대(34)의 끝에 연결되어 있는 피니언 기어(32)가 래크 기어(42)와 맞물려 돌아간다. 그러면 피니언 기어(32)와 래크 기어(42) 사이에 서로 누르는 힘, 즉 압축력이 작용하고 이에 따라 이들 기어(32, 42)의 톱니에 부착되어 있는 압력-전기 변환부(33, 43)에서 전기가 생성된다.

생성된 전기는 전기 전송부(39, 49)를 통하여 전기 저장부(50, 60)로 전송되어 저장된다. 그러나 생성된 전기를 전기 저장부(50, 60)에서 저장하는 대신 다른 곳으로 전송할 수도 있다.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 블레이드(20)의 내부에 블레이드(20)의 길이 방향으로 이동할 수 있는 이동추(36)를 설치하고 블레이드(20)가 회전할 때 중력에 의하여 이동추(36)가 이동할 수 있도록 한 다음, 압력-전기 변환부(33, 43) 등을 사용하여 이동추(36)의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

10: 타워
20: 블레이드
22: 블레이드의 몸체
30, 36: 이동추
32: 피니언 기어
33, 43: 압력-전기 변환부
34, 35: 연결 막대
39, 49: 전기 전송부
42: 래크 기어
44: 홈
46: 가이드 레일
48: 완충 부재
100: 풍력 발전기

Claims

제1 방향으로 연장되어 있는 몸체, 그리고
상기 몸체 일측에 상기 제1 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있는 이동추를 포함하는 풍력 발전기용 블레이드.
제1항에서,
상기 이동추의 이동을 안내하며 상기 제1 방향을 따라 뻗어 있는 가이드 레일을 더 포함하는 풍력 발전기용 블레이드.
제2항에서,
상기 이동추는 원통형이고,
상기 가이드 레일은 상기 이동추를 내부에 수용하며 상기 제1 방향으로 뻗은 속이 빈 원통형인, 풍력 발전기용 블레이드.
제2항에서,
상기 이동추의 이동 경로의 적어도 한 쪽 끝에 설치되어 있으며, 상기 이동추의 이동에 따른 충격을 완화하는 완충 부재를 더 포함하는 풍력 발전기용 블레이드.
제1항에서,
상기 이동추와 결합되어 있는 피니언 기어,
상기 피니언 기어와 맞물리며 상기 제1 방향으로 뻗어 있는 래크 기어, 그리고
상기 피니언 기어와 상기 래크 기어 중 적어도 하나에 설치되어 있는 압전 소자를 더 포함하는 풍력 발전기용 블레이드.
제5항에서,
상기 이동추, 상기 피니언 기어, 상기 래크 기어 및 상기 압전 소자는 상기 몸체 내부에 설치되어 있는, 풍력 발전기용 블레이드.
타워,
상기 타워의 상부에 설치되어 있는 나셀, 그리고
상기 나셀에 회전 가능하게 결합되어 있는 수평축에 결합되어 있는 복수의 블레이드
를 포함하고,
상기 블레이드 중 적어도 하나는 상기 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 블레이드인 풍력 발전기.
제7항에서,
상기 블레이드의 이동추는 상기 블레이드가 회전할 때 자체의 중력에 의하여 상기 제1 방향으로 이동가능하게 설치되어 있는 풍력 발전기용 블레이드.