KR20120131333A - 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구형 조인트 또는 힌지결합 구조를 통해 블레이드와 허브로부터 전달되는 하중에 의한 발전기 및 기타 구조물의 변형을 감소시킬 수 있도록 한 풍력발전장치가 개시된다.
본 발명은 타워의 상부에 구비되면서 전방에 형성되어 회전하는 블레이드가 원주방향으로 간격을 두고 복수,형성되는 허브와, 이 허브로부터 연장되어 발전기와 연결되어 회전되도록 하는 축과, 상기 허브와 발전기의 사이에서 축을 감싸도록 구비되면서 타워의 상부면에 지지되는 나셀로 이루어진 것으로서, 상기 나셀의 하부면과 타워의 상부 지지면 사이에서 지지되도록 하는 구형 조인트가 갖추어져 있는 구조이다.

Description

풍력발전장치{Wind Powered Generator}

본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 블레이드와 허브로부터 전달되는 하중에 의한 발전기 및 기타 구조물의 변형을 최대한 감소시킬 수 있도록 한 것이다.

현재, 전 세계적으로 지하자원의 고갈과 더불어 자연생태보호 차원에서 무한에너지원 또는 청정에너지원인 원자력, 수력, 화력, 조력, 풍력 또는 태양열 등을 이용한 발전장치의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 종래의 지하자원을 연료로 사용하는 발전장치들은 그 설비가 고가이며, 연료의 사용에 따른 유지비용이 계속적으로 발생될 뿐만 아니라 원자력 및 화력 등의 사용으로 폐기물이 발생되어 환경을 오염시키는 문제점이 있다.

따라서, 상기 종래의 발전장치들의 문제점을 해소하고 비교적 저렴한 설치비용과 공해물질이 발생되지 않으면서 설치면적도 매우 경제적인 풍력발전장치를 활용하는 방안이 요구되어지고 있다.

일반적으로, 풍력발전장치는 바람에 의한 운동에너지를 전기에너지로 변환할 수 있도록 한 발전장치로서, 종래의 풍력발전장치는 직접 및 간접 구동방식으로 나뉘는데, 직접 구동방식은 기어없이 풍력을 직접 발전기로 전달하여 전기에너지를 얻도록 하는 방식이고, 간접 구동방식은 기어를 통해 풍력을 발전기로 전달하여 전기에너지를 얻도록 하는 방식이다.

이중에서 직접 구동방식의 구조를 가지는 풍력발전장치인 경우에, 수직방향으로 세워지는 타워의 상부에 회전가능하도록 설치되는 허브와, 상기 허브의 원주방향을 따라 간격을 두고 복수,형성되는 프로펠러형 블레이드와, 상기 블레이드와 축을 통해 연결되는 발전기로 구성되어 있다.

따라서, 바람에 의해 블레이드가 회전하면, 축을 통해 발전기로 전달되어 발전기내의 회전자를 회전시켜서 발전이 가능하도록 하는데, 종래의 풍력발전장치는 하중이 주로 블레이드와 허브에서 발생하며, 블레이드와 허브의 하중이 축을 통해 전달되어 발전기에서 굽힘 모멘트가 작용하고, 그에 따라 발전기의 회전자와 고정자간의 공극(air gap) 유지가 어려워지는 문제점이 있었다.

만일, 발전기의 회전자와 고정자간의 공극이 제대로 유지되지 못하는 경우, 다시 말해서, 회전자가 고정자에 접촉되거나 근접하게 되면, 발전이 제대로 이루어지 못하는 문제점이 발생한다.

특히, 대형 풍력발전장치인 경우에는, 블레이드의 사이즈가 상당히 크기 때문에, 그 만큼 하중도 늘어나서 상기와 같이 블레이드 및 허브의 하중이 그대로 축을 통해 발전기로 전달되어 특히, 발전기를 구성하는 회전자의 정위치를 변경시켜서 올바른 발전동작이 이루어지지 못하고, 풍력발전장치 구조 자체의 불균형을 초래하는 문제점이 더욱 가중되는 것이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 블레이드 및 허브의 하중이 발전기에 그대로 전달되어 변형 및 발전성능의 저하를 초래하지 않도록 한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 해결 수단은, 타워의 상부에 구비되면서 전방에 형성되어 회전하는 블레이드가 원주방향으로 간격을 두고 복수,형성되는 허브와, 이 허브로부터 연장되어 발전기와 연결되어 회전되도록 하는 축과, 상기 허브와 발전기의 사이에서 축을 감싸도록 구비되면서 타워의 상부면에 지지되는 나셀(nacelle)로 이루어진 것으로서, 상기 나셀의 하부면과 타워의 상부 지지면 사이에서 지지되도록 하는 구형 조인트가 갖추어져 있는 것이다.

또한, 상기 나셀의 하부면이면서 구형 조인트의 양쪽에는 댐퍼부재가 갖추어진 구조를 가진다.

또한, 상기 구형 조인트에는 상부 지지면과의 결합시 회전가능하게 하는 힌지부를 더 포함한 구조를 가진다.

또한, 상기 허브로부터 연장되어 발전기와 연결되는 축과 발전기의 사이에는 플렉시블 조인트로 연결된 구조를 가진다.

이와 같이 본 발명은 풍력발전장치를 구성하는 블레이드와 허브의 하중에 의한 굽힘모멘트가 그대로 회전축을 통해 발전기에 전달되어 변형을 초래하지 않도록 블레이드의 회전축을 감싸고 있는 나셀의 하부를 구형 조인트와 댐퍼부재 또는 힌지구조를 통해 타워의 상부면에서 지지하도록 함으로써, 블레이드와 허브의 하중을 흡수하여 발전기에 바로 전달되지 않고 흡수 차단할 수 있고, 그에 따라 발전기의 변형 및 발전성능의 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전장치를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 풍력발전장치를 나타낸 개략적인 단면도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전장치를 나타낸 단면도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 지면으로부터 수직하게 세위지는 타워(10)의 상부면에 지지되면서 회전하는 허브(20)와, 이 허브(20)의 원주방향을 따라 복수, 형성되는 블레이드(30)와, 상기 허브(20)에서 연장된 회전축(21)과 연결되어 발전이 가능하도록 하는 발전기(40)가 구비된 구조이다.

더욱이, 상기 허브(20)와 발전기(40)의 사이에는 나셀(50)이 갖추어지는데, 이 나셀(50)은 그 내부에 축(21)이 관통되어 나셀(50)의 한쪽 측면에 결합된 발전기(40)의 회전자(41)와 연결된 구조를 가진다.

물론, 상기 발전기(40)는 케이싱(41)의 내부에 회전자(42)와 고정자(43)로 이루어지고, 회전자(42)와 고정자(43)간에는 소정의 공극(d)을 가지고 배치되어 있다. 통상적으로, 공극(d)은 5 ~7mm를 가질 수 있다.

또한, 상기 회전축(21)이 나셀(50)의 진입하는 부분에는 회전축(21)의 원활한 회전을 위한 베어링(51)이 갖추어진다.

또한, 상기 발전기(40)의 회전자(42)의 양쪽에 구비되는 축(42a)(42b)에도 베어링(44)이 갖추어진다. 상기 축(42a)은 허브(20)로부터 연장되어 나셀(50)의 내부를 관통하는 회전축(21)과 결합되어 일체로 회전되도록 되어 있다.

여기서, 본 발명은 상기 나셀(50)의 하부는 타워(10)의 상부 지지면(11)과 구형 조인트(52)(spherical joint)이 갖추어진 구조를 가진다.

또한, 구형 조인트(52)의 양쪽 측면으로는 댐퍼부재(53)가 결합된 구조를 가진다.

상기 댐퍼부재(53)는 스프링이 사용될 수 있다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 다른 실시 예로서, 구형 조인트(52)에는 힌지부(54)를 더 결합한 구조를 가진다.

더욱 구체적으로, 상기 힌지부(54)는 타워(10)의 상부 지지면(11)을 관통하여 구형 조인트(52)에 끼워진 구조이다.

또한, 상기 힌지부(54)는 구형 조인트(52)의 적절한 위치에 결합되어 하중의 작용시 이를 흡수하도록 구형 조인트(52)의 회전이 자유롭게 가능하도록 한다.

또한, 상기 회전축(21)과 발전기(40)의 회전자(42)의 한쪽 축(42a)과의 사이에는 플렉시블 조인트(22)가 갖추어진 구조이다.

도 2에 있어서, 축(42a)(42b)은 하나의 축으로 도시하였으나, 양쪽을 나타내어 명료한 설명이 이루어지도록 편의상 나누어서 부호를 부여한 것이다.

상기 플렉시블 조인트(22)의 구조는 여러가지 공지의 구조를 가질 수 있는데, 예를 들어 벨로우즈 타입의 주름관과, 이 주름관의 양쪽 단부에 형성되어 상기 회전축(21)과 회전자(42)의 축(42a) 사이에 결합되어 회전이 가능하도록 하는 연결부로 이루어진 구조가 될 수 있다.

도 1과 도 2에 도시된 발전기(40)는 그 구조가 약간 상이하게 도시되어 있으나, 동일,유사한 구조이며, 더욱이 도 1 및 도 2의 구조에서 동일한 발전기를 채용해도 무방하다.

이러한 구성을 가지는 본 발명은 종래와 마찬가지로 허브(20)와 블레이드(30)의 하중이 회전축(21)을 통해 전달되는데, 이때 굽힘 모멘트가 발생한다.

따라서, 종래와 같이, 회전축(21)을 통해 허브(20)와 블레이드(30)의 하중이 그대로 발전기(40)의 회전자(42)에 전달되는 경우에는 회전자(42)와 고정자(43)간의 공극(d)이 달라지게 된다.

다시 말해서, 종래에는 하중을 전달하는 회전축(21)과 발전기(40)의 사이에 회전축(21)을 통해 전달되는 하중을 흡수할 수 있는 수단이 강구되지 못하고 직접 결합되어 있어, 회전축(21)을 통한 하중이 그대로 발전기(40)에 모두 전달될 수 밖에 없고, 그에 따라 발전기(40)의 회전자(42)와 고정자(43)간의 공극(d)이 그대로 유지될 수 없게 된다.

그러나, 본 발명은 하중 전달매개요소로서의 역할을 하는 회전축(21)을 감싸고 있는 나셀(50)의 하부가 타워(10)의 상부 지지면(11)과 구형 조인트(52)를 통해 지지되어 회전축(21)으로부터 전달되는 하중을 흡수하여 발전기(40)로의 전달을 최대한 줄일 수 있도록 한 것이다.

다시 말해서, 허브(20)와 블레이드(30)의 하중이 회전축(21)을 통해 전달될 때 나셀(50)의 입구부에 갖추어진 베어링(51)을 통해 나셀(50)에 전달되는 과정에서, 나셀 전체(50)가 구형 조인트(52)의 곡선면에 의해 타워(10)의 상부 지지면(11)에서 하중 방향에 따라 함께 움직이므로, 발전기(40)로의 하중에 따른 굽힘 모멘트 작용이 적어지게 된다. 따라서, 발전기(40)의 회전자(42)와 고정자(43)간의 공극(d)이 그대로 유지할 수 있다.

그러나, 이러한 구형 조인트(52)에 의한 움직임이 풍력에 의한 블레이드(30)의 회전동작에는 아무런 지장을 주지않고 그 설치상태를 유지할 수 있는 수준이다.

더욱이, 구형 조인트(52)의 양쪽 측면에는 댐퍼부재(53)가 탄지되어 있기 때문에, 회전축(21)에 전달되는 하중을 더욱 흡수할 수 있다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 구형 조인트(52)에 더하여 힌지부(54)를 결합함으로써, 허브(20)와 블레이드(30)의 하중이 나셀(50)에 전달될 때, 나셀(50)의 하부에서 구형 조인트(52), 댐퍼부재(53)와 더불어 힌지부(54)에 의해 하중방향으로 회동이 가능하여 발전기(40)로의 하중전달을 감소시킬 수 있다.

더욱이, 나셀(50)의 내부를 관통하는 회전축(21)과 발전기(40)의 회전자(42)의 한쪽 축(42a)과의 사이에 플렉시블 조인트(22)가 결합되어 있어, 발전을 위한 회전동작에 필요한 하중만 통과시키고, 그 외의 하중은 차단하는 효과를 발휘할 수 다.

따라서, 발전기(40)의 회전자(42)와 고정자(43)간의 공극(d)은 그 상태대로 확실하게 유지될 수 있고, 그에따라 발전기(40)의 발전성능이 저하되거나 또는 고장이 발생하는 것을 방지할 수 있는 것이다.

본 발명은 도 1에 도시된 일 실시 예로 적용하여도 충분한 하중 차단효과를 발휘할 수 있으나, 더욱 바람직하게는 도 2에 도시된 바와 같이. 구형 조인트(52)에 힌지부(54)를 더 결합한 구성이 도 1에 도시된 구형 조인트(52)만으로 이루어진 구성보다 허브(20) 및 블레이드(30) 하중을 더욱 안정적이면서 확실하게 차단하는 효과를 발휘할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 나셀(50)은 발전기(40)와 별도로 결합된 구조를 예로 들어 설명하였지만, 이에 국한되지 않고, 나셀(50)의 내부에 발전기(40)가 구비되면서 허브(20)로부터 연장되어 발전기(40)의 회전자(42)와 결합된 회전축을 가지는 구조인 경우에도 동일하게 적용가능하다.

이와 같이, 본 발명은 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의거 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 타워
11 : 지지면
20 : 허브
21 : 화전축
22 : 플렉시블 조인트
30 : 블레이드
40 : 발전기
41 : 케이싱
42 : 회전자
42a,42b : 축
43 : 고정자
44 : 베어링
50 : 나셀
51 : 베어링
52 : 구형 조인트
53 : 댐퍼부재
54 : 힌지부

Claims (4)

1. 타워의 상부에 구비되면서 전방에 형성되어 회전하는 블레이드가 원주방향으로 간격을 두고 복수,형성되는 허브와, 이 허브로부터 연장되어 발전기와 연결되어 회전되도록 하는 축과, 상기 허브와 발전기의 사이에서 축을 감싸도록 구비되면서 타워의 상부면에 지지되는 나셀로 이루어진 것으로서,
   상기 나셀의 하부면과 타워의 상부 지지면 사이에서 지지되도록 하는 구형 조인트가 갖추어져 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 나셀의 하부면이면서 구형 조인트의 양쪽에는 댐퍼부재가 갖추어진 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 구형 조인트에는 상부 지지면과의 결합시 회전가능하게 하는 힌지부를 더 포함한 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 허브로부터 연장되어 발전기와 연결되는 축과 발전기의 사이에는 플렉시블 조인트로 연결된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.

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