KR20130060768A - 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지면에 세워진 타워(Tower), 타워에 설치되고 내부에 회전운동을 전기에너지로 변환시키기 위한 발전유닛을 구비하는 너셀부(Nacelle), 너셀부의 전방에 회전가능하게 설치되는 허브, 허브의 측면에 회전가능하게 결합되는 복수개의 블레이드들, 중공의 관 형상으로 너셀부에 구비되고, 일측으로 허브와 연결되어 허브의 회전에 따라 연동하여 회전하며, 타측으로 발전유닛과 연결되어 허브의 회전력을 발전유닛으로 전달하는 주축, 중공의 주축 내부에 직선 이동 가능하게 배치되며, 일측으로 각각의 블레이드들이 결합되는 이동축, 이동축과 블레이드 사이에 개재되어, 이동축의 직선 이동에 따라 블레이드를 축방향으로 회전시켜 블레이드의 경사각을 변경하는 링크부 및 주축의 내부에 장착되는 유압발생장치와, 유압발생장치와 연결되어 유압발생장치로부터 유압을 전달받는 작동실린더와, 작동실린더 내에서 직선 이동 가능하게 구비되며 이동축과 연결되는 피스톤을 구비하는 연결부를 포함하는 풍력발전기를 제공한다.
따라서, 블레이드들의 각각의 경사각을 동기 제어할 수 있기 때문에 제어효율 및 작동성이 좋으며, 구조가 간단하고 소요되는 비용을 저감할 수 있어 경제적이다.

Description

풍력발전기 {Wind power generator}

본 발명은 풍력발전기에 관한 것이다.

일반적으로 대형 풍력발전기의 경우 바람을 받는 블레이드 또한 대형이며, 이에 바람의 세기에 따른 블레이드의 보호와 함께 풍력발전기의 발전효율을 높이기 위하여, 바람의 세기에 따라 블레이드의 방향을 조정하고 있다.

이러한 풍력발전기로 한국등록특허 제1004343호에는, 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체에 일측이 삽입되어 있는 날개 몸체와, 하우징 몸체의 안쪽에 배치되어 안내 몸체와, 탄성수단을 포함하여 풍속에 따라 상기 날개 몸체의 경사 각도가 조절되는 풍력 발전기용 날개 경사각 조절장치를 포함하는 풍력발전기를 개시하고 있다.

그런데, 종래의 풍력발전기는 블레이드의 경사각(피치)을 조정함에 있어, 블레이드 경사각 조정기구가 블레이드들 각각에 개별적으로 구비되어 있고, 이에 블레이드들을 각각 따로 제어하는 구조였기 때문에, 복수개의 블레이드들의 경사각을 일괄적으로 동기제어 하기가 힘들고, 또한 모터를 이용하거나 전자식으로 구동하는 구조이기 때문에, 구조가 복잡하고 비용이 많이 드는 문제점이 있었다.

본 발명은, 각각의 블레이드들의 경사각을 동기제어할 수 있으며, 구조가 간단하고 소요되는 비용을 저감할 수 있는 풍력발전기를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 일측면에 의하면, 본 발명은 지면에 세워진 타워(Tower), 타워에 설치되고 내부에 회전운동을 전기에너지로 변환시키기 위한 발전유닛을 구비하는 너셀부(Nacelle), 상기 너셀부의 전방에 회전가능하게 설치되는 허브, 상기 허브의 측면에 회전가능하게 결합되는 복수개의 블레이드들, 중공의 관 형상으로 상기 너셀부에 구비되고, 일측으로 상기 허브와 연결되어 상기 허브의 회전에 따라 연동하여 회전하며, 타측으로 상기 발전유닛과 연결되어 상기 허브의 회전력을 상기 발전유닛으로 전달하는 주축, 중공의 상기 주축 내부에 직선 이동 가능하게 배치되며, 일측으로 상기 각각의 블레이드들이 결합되는 이동축, 상기 이동축과 상기 블레이드 사이에 개재되어, 상기 이동축의 직선 이동에 따라 상기 블레이드를 축방향으로 회전시켜 상기 블레이드의 경사각을 변경하는 링크부 및 상기 주축의 내부에 장착되는 유압발생장치와, 상기 유압발생장치와 연결되어 상기 유압발생장치로부터 유압을 전달받는 작동실린더와, 상기 작동실린더 내에서 직선 이동 가능하게 구비되며 상기 이동축과 연결되는 피스톤을 구비하는 연결부를 포함하는 풍력발전기를 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 본 발명은 지면에 세워진 타워(Tower), 타워에 설치되고 내부에 회전운동을 전기에너지로 변환시키기 위한 발전유닛을 구비하는 너셀부(Nacelle), 상기 너셀부의 전방에 회전가능하게 설치되는 허브, 상기 허브의 측면에 회전가능하게 결합되는 복수개의 블레이드들, 중공의 관 형상으로 상기 너셀부에 구비되고, 일측으로 상기 허브와 연결되어 상기 허브의 회전에 따라 연동하여 회전하며, 타측으로 상기 발전유닛과 연결되어 상기 허브의 회전력을 상기 발전유닛으로 전달하는 주축, 중공의 상기 주축 내부에 직선 이동 가능하게 배치되며, 일측으로 상기 각각의 블레이드들이 결합되는 이동축, 상기 이동축과 상기 블레이드 사이에 개재되어, 상기 이동축의 직선 이동에 따라 상기 블레이드를 축방향으로 회전시켜 상기 블레이드의 경사각을 변경하는 링크부 및 모터와 결합하여 회전하는 볼스크류와, 상기 볼스크류와 나사결합하여 상기 볼스크류의 회전에 의하여 직선 이동하고 상기 이동축과 결합하는 볼너트를 구비하는 연결부를 포함하는 풍력발전기를 제공한다.

더불어, 본 발명은 바람의 세기를 측정하는 풍력센서와, 상기 풍력센서와 상기 연결부와 연결되어, 상기 풍력센서로부터 신호를 전달받아 상기 연결부를 제어하여 상기 블레이드의 축방향 회전을 제어하는 제어부를 더 포함한다.

여기서, 상기 링크부는, 일단부가 상기 이동축에 고정 결합하고, 타단부가 상기 블레이드에 상대 운동 가능하게 결합하는 제1링크부재와, 일단부가 상기 제1링크부재의 일단부와 근접하게 상기 이동축에 고정 결합하고, 타단부가 상기 블레이드에 상대 운동 가능하게 결합되는 제2링크부재를 포함한다.

본 발명에 따른 풍력발전기는, 블레이드들의 각각의 경사각을 동기 제어할 수 있기 때문에 제어효율 및 작동성이 좋으며, 구조가 간단하고 소요되는 비용을 저감할 수 있어 경제적이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에서 허브와 너셀부의 내부를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 연결부의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 2에서 이동축과 연결부를 나타내기 위하여 Ⅲ방향에서 바라봤을 때의 도면이다.
도 5는 도 2의 이동축의 이동에 따른 블레이드의 각도변경을 나타내는 작동도이다.
도 6은 도 1의 풍력발전기의 제어흐름을 나타내는 블록도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기(10)는, 타워(100; Tower)와, 너셀부(200; Nacelle)와, 허브(300)와, 블레이드(400)들과, 주축(500)과, 이동축(600)과, 링크부(700)와, 연결부(800a,800b)를 포함한다.

상기 타워(100)는, 일정높이를 가지며 지면에 수직방향으로 세워져 있다.

상기 너셀부(200)는, 상기 타워(100)의 상단부에 설치되고, 내부에 회전운동을 전기에너지로 변환시키기 위한 발전유닛(미도시)을 구비하고 있다. 상기 발전유닛은 기어박스와 발전기를 포함하여 회전운동을 전기에너지로 변환하기 위한 일련의 구성으로서 일반적인 풍력발전기의 발전유닛과 그 구성이 대응되므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2를 참조하면, 상기 허브(300)는, 내부에 수용공간이 형성되어 있으며, 상기 너셀부(200)의 전방에 회전가능하게 설치되어 있고, 상기 블레이드의 회전에 따라 회전한다.

상기 블레이드(400)는, 복수개로 상기 허브(300)의 측면에 방사상으로 회전 가능하게 설치되어 마주 부는 바람에 의하여 회전하며, 바람에 의하여 회전되도록 소정의 경사진 각도를 유지하고 있다. 한편, 여기서 상기 블레이드(400)는 그 경사 각도에 따라 바람 방향으로 접촉 면적이 달라지는데, 이에 바람의 세기에 따라 날개의 경사각을 조절하여 바람의 힘을 효율적으로 이용하여 전기 생성효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 상기 블레이드(400)의 경사각을 조절하는 구성에 대해서는 후술하기로 한다.

상기 주축(500)은, 중공의 관 형상으로, 상기 너셀부(200)의 내부에 구비되고, 일측으로 상기 허브(300)와 연결되어 상기 허브(300)의 회전에 따라 연동하여 회전하고, 타측으로 상기 발전유닛과 연결되어 상기 허브(300)의 회전력을 상기 발전유닛으로 전달한다.

상기 이동축(600)은, 중공의 상기 주축(500) 내부에 직선 이동 가능하게 배치되며, 일측으로 상기 각각의 블레이드(400)들과 결합되어 있다.

상기 링크부(700)는, 상기 이동축(600)과 상기 각각의 블레이드(400)들 사이에 개재되어, 상기 이동축(600)의 직선 이동에 따라 상기 블레이드(400)를 축방향으로 회전시켜 상기 블레이드(400)의 경사각을 변경시키며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

상기 연결부(800a)는, 상기 주축(500)의 내부에 장착되어, 상기 이동축(600)을 직선 이동 하게 하는 역할을 한다. 상기한 연결부(800a)에 대하여 상세하게 살펴보면, 상기 연결부(800a)는, 상기 주축(500)의 내부에 장착되는 유압발생장치(830)와, 상기 유압발생장치(830)와 연결되어 상기 유압발생장치(830)로부터 유압을 전달받는 작동실린더(810)와, 상기 작동실린더(810) 내에서 직선 이동 가능하게 구비되며, 상기 이동축(600)과 연결되는 피스톤(820)을 포함한다. 여기서, 상기 유압발생장치(830)는 공지의 유압을 형성할 수 있는 구성으로서 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 도 3을 참조하여 상기 연결부(800b)의 다른 실시예를 살펴보면, 상기 연결부(800b)는, 유압을 이용하지 않고 모터(840)를 이용하는 방식으로서, 상기 주축(500)의 내부에 장착되는 모터(840)와, 상기 모터(840)와 결합하여 회전하는 볼스크류(850)와, 상기 볼스크류(850)와 나사 결합하여 상기 볼스크류(850)의 회전에 의하여 직선 이동하고 상기 이동축(600)과 결합하는 볼너트(860)를 포함하고 있다. 여기서, 도면에서는 상기 이동축(600)에 상기 볼너트(860)가 결합하고 있고, 상기 모터(840)에 상기 볼스크류(850)가 결합된 경우를 나타내고 있지만, 이는 일 실시예로 상기 이동축(600)에 상기 볼스크류(850)를 결합하고 상기 모터(840)에 상기 볼너트(860)를 결합시킬 수 있음은 물론이며, 상기 모터(840)에는 상기 모터(840)의 회전력을 감속시킬 수 있는 감속기어(미도시)를 더 구비할 수 있다. 상기한 바와 같이, 상기 연결부(800a,800b)는, 상기 이동축(600)과 상기 피스톤(820)과 상기 볼스크류(850)가 동일한 축 선상으로 작동하고 있기 때문에, 작동 시 상기 이동축(600)에 편심력이 작용하지 않아 상기 이동축(600)의 직선 이동이 원활하며 내구성을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 연결부(800a,800b)는, 유압방식의 상기 유압발생장치(830)와, 상기 작동실린더(810)와, 상기 피스톤(820)을 포함하는 일련의 구성과, 상기 모터(840)와, 상기 볼스크류(850)와, 상기 볼너트(860)를 포함하는 일련의 구성들이 상기 주축(500)의 내부에 수용되고, 각 구성들은 프레임 등을 통하여 상기 주축(500)과 결합되어 있다. 이때, 상기 블레이드(400), 상기 허브(300) 및 상기 주축(500)은, 서로에 대하여 상대운동하지 않게 서로 고정 결합되어 있는 구조이기 때문에, 상기 블레이드(400), 상기 허브 및 상기 주축(500)은 서로 연동하여 회전하고 또한 각 회전수(rpm)은 동일하다. 따라서, 상기 주축(500)과 결합된 상기 연결부(800a,800b)는, 상기 주축(500)과 함께 회전하는 구조로 되어 있다.

도 4를 참조하면, 상기 링크부(700)는 상기 복수개의 블레이드(400)들 각각에 구비되며, 제1링크부재(710)와, 제2링크부재(720)와, 제3링크부재(730)를 포함한다.

상기 제1링크부재(710)는, 일단이 상기 이동축(600)에 고정 결합되어, 상기 이동축(600)의 이동에 따라 연동하여 그 위치가 이동한다.

상기 제2링크부재(720)는, 일단부가 상기 제1링크부재(710)의 타단부에 상대 운동 가능하게 힌지결합하고, 타단부가 상기 블레이드(400)의 일측에 상대 운동 가능하게 힌지결합하고 있다.

상기 제3링크부재(730)는, 상기 제2링크부재(720)와 마찬가지로 일단부가 상기 제1링크부재(710)의 타단부에 상대 운동 가능하게 힌지결합하고, 타단부는 상기 블레이드(400)에 상대 운동 가능하게 힌지결합하고 있되, 상기 제2링크부재(720)의 타단부와 이격되게 위치하고 있다.

이에, 상기 이동축(600)의 직선 이동에 따른 상기 링크부(700)의 작동 및 상기 블레이드(400)의 축방향 회전에 대하여 도 5를 참조하여 살펴보기로 한다.

우선 상기 블레이드(400)는, 상기 허브(300)에 축방향으로 회전가능하게 삽입 결합되어 상기 허브(300)에 의하여 그 위치가 고정되어 있으며, 상기 이동축(600)은 축 방향을 따라 직선 이동한다. 그리고, 상기 제1링크부재(710)는 일단부가 상기 이동축(600)에 고정 결합되어 상기 이동축(600)의 이동과 연동하여 이동한다.

이에, 상기 이동축(600)의 직선이동에 따른 상기 블레이드(400)의 각 변화를 살펴보면, 먼저 상기 이동축(600)의 외주 측면에 상기 제1링크부재(710)의 일단부가 고정 결합되어 있고, 상기 제1링크부재(710)의 타단부에는 상기 제2링크부재(720)와 상기 제3링크부재(730) 각각의 일단부가 힌지 결합되어 있으며, 상기 제2링크부재(720)와 상기 제3링크부재(730)의 타단부는 상기 블레이드(400)의 측면에 힌지 결합되어 있는 상태에서, 상기 이동축(600)이 도면에서 좌측으로 직선 이동하게 되면, 이에 따라 상기 이동축(600)과 고정 결합된 상기 제1링크부재(710)도 좌측으로 이동하게 된다. 그러면, 상기 제2링크부재(720)와 상기 제3링크부재(730)는, 상기 제1링크부재(710)의 좌측 방향으로의 이동에 의하여 일단부가 끌리듯이 좌측방향으로 연동하여 이동한다. 하지만, 이때 상기 제1링크부재(710)의 타단부는 그 위치가 고정된 상기 블레이드(400)에 결합되어 있기 때문에 위치이동을 하지 못하고 그 위치에서 상기 이동축(600)의 타단부를 기준으로 회동하게 되어, 상기 블레이드(400)가 축 방향으로 회전하면서 각도가 변경된다.

한편, 도면에서는 상기 이동축(600)이 도면상에서 좌측으로 이동한 경우만을 예로 하여 나타내었지만, 상기 이동축(600)이 우측으로 회전하면서 상기 블레이드(400)의 회전방향을 변경할 수 있음은 물론이며, 상기 이동축(600)의 직선 이동 정도에 따라 상기 블레이드(400)의 각도를 조절할 수도 있다. 또한, 도면에서는 상기 제1링크부재(710)와 상기 제2링크부재(720)와 상기 제3링크부재(730)가 바(Bar)형태로 단부끼리 연결된 형태를 예로 나타내었지만, 상기 허브(300)의 내부 구조와, 원하는 상기 블레이드(400)의 각도변화 등에 따라 그 형태를 굴곡지게 하는 등 다양한 형상으로 할 수 있다. 더불어, 상기 제1링크부재(710)는 상기 이동축(600)에 대하여 수직하게 고정 결합되어 있는 구조를 나타내었지만, 이는 일 실시예로 상기 이동축(600)에 경사지게 결합하는 등 상기 이동축(600)의 일단부가 상기 이동축(600)에 고정 결합되어 상기 이동축(600)의 이동에 따라 연동하여 이동할 수 있는 구조라면 모두 가능하다.

도 6을 참조하면, 상기 풍력발전기(10)는, 풍력센서(910)와, 제어부(900)를 더 포함한다. 상기 풍력센서(910)는, 바람의 세기를 측정하는 공지의 풍력센서이며, 그 설치 위치는 상기 너셀부(200)를 포함하여 상기 블레이드(400)로 부는 바람의 세기를 측정할 수 있는 곳이라면 어디든 설치가능하다.

상기 제어부(900)는, 상기 풍력센서(910)와 상기 연결부(800a,800b), 세부적으로 상기 모터(840)와 상기 유압발생장치(830)와 연결되어, 상기 풍력센서(910)로부터 신호를 전달받아 상기 모터(840)와 상기 유압발생장치(830)를 제어함으로써, 바람의 세기에 따라 상기 블레이드(400)의 축방향 회전을 제어한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10... 풍력발전기 100... 타워
200... 너셀부 300... 허브
400... 블레이드 500... 주축
600... 이동축 700... 링크부
710... 제1링크부재 720... 제2링크부재
730... 제3링크부재 800a,800b... 연결부
810... 작동실린더 820... 피스톤
830... 유압발생장치 840... 모터
850... 볼스크류 860... 볼너트
900... 제어부 910... 풍력센서

Claims (4)

1. 지면에 세워진 타워(Tower);
   타워에 설치되고 내부에 회전운동을 전기에너지로 변환시키기 위한 발전유닛을 구비하는 너셀부(Nacelle);
   상기 너셀부의 전방에 회전가능하게 설치되는 허브;
   상기 허브의 측면에 회전가능하게 결합되는 복수개의 블레이드들;
   중공의 관 형상으로 상기 너셀부에 구비되고, 일측으로 상기 허브와 연결되어 상기 허브의 회전에 따라 연동하여 회전하며, 타측으로 상기 발전유닛과 연결되어 상기 허브의 회전력을 상기 발전유닛으로 전달하는 주축;
   중공의 상기 주축 내부에 직선 이동 가능하게 배치되며, 일측으로 상기 각각의 블레이드들이 결합되는 이동축;
   상기 이동축과 상기 블레이드 사이에 개재되어, 상기 이동축의 직선 이동에 따라 상기 블레이드를 축방향으로 회전시켜 상기 블레이드의 경사각을 변경하는 링크부; 및
   상기 주축의 내부에 장착되며, 유압발생장치와, 상기 유압발생장치와 연결되어 상기 유압발생장치로부터 유압을 전달받는 작동실린더와, 상기 작동실린더 내에서 직선 이동 가능하게 구비되며 상기 이동축과 연결되는 피스톤을 구비하는 연결부를 포함하는 풍력발전기.
2. 지면에 세워진 타워(Tower);
   타워에 설치되고 내부에 회전운동을 전기에너지로 변환시키기 위한 발전유닛을 구비하는 너셀부(Nacelle);
   상기 너셀부의 전방에 회전가능하게 설치되는 허브;
   상기 허브의 측면에 회전가능하게 결합되는 복수개의 블레이드들;
   중공의 관 형상으로 상기 너셀부에 구비되고, 일측으로 상기 허브와 연결되어 상기 허브의 회전에 따라 연동하여 회전하며, 타측으로 상기 발전유닛과 연결되어 상기 허브의 회전력을 상기 발전유닛으로 전달하는 주축;
   중공의 상기 주축 내부에 직선 이동 가능하게 배치되며, 일측으로 상기 각각의 블레이드들이 결합되는 이동축;
   상기 이동축과 상기 블레이드 사이에 개재되어, 상기 이동축의 직선 이동에 따라 상기 블레이드를 축방향으로 회전시켜 상기 블레이드의 경사각을 변경하는 링크부; 및
   상기 주축의 내부에 장착되며, 모터와, 상기 모터와 결합하여 회전하는 볼스크류와, 상기 볼스크류와 나사결합하여 상기 볼스크류의 회전에 의하여 직선 이동하고 상기 이동축과 결합하는 볼너트를 구비하는 연결부를 포함하는 풍력발전기.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   바람의 세기를 측정하는 풍력센서와,
   상기 풍력센서와 상기 연결부와 연결되어, 상기 풍력센서로부터 신호를 전달받아 상기 연결부를 제어하여 상기 블레이드의 축방향 회전을 제어하는 제어부를 더 포함하는 풍력발전기.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 링크부는,
   일단부가 상기 이동축에 고정 결합하고, 타단부가 상기 블레이드에 상대 운동 가능하게 결합하는 제1링크부재와,
   일단부가 상기 제1링크부재의 일단부와 근접하게 상기 이동축에 고정 결합하고, 타단부가 상기 블레이드에 상대 운동 가능하게 결합되는 제2링크부재를 포함하는 풍력발전기.

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