KR20130115595A - 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

풍력발전기가 개시된다. 본 발명의 풍력 발전기는, 타워(tower); 및 상기 타워에 마련되어 상기 타워로 전달되는 진동을 흡수하되 상기 타워의 높이 방향의 가로 방향으로 길이 조절 가능하게 마련되어 흡진주파수를 조절할 수 있는 동흡진기를 포함한다.

Description

풍력 발전기{WIND POWER GENERATOR}

본 발명은, 풍력 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 블레이드(blade)의 회전으로 인해 발생되는 진동을 흡수하여 상쇄할 수 있는 풍력 발전기에 관한 것이다.

풍력 발전이란 자연의 바람으로 풍차(風車)를 돌리고, 이것을 기어기구 등을 이용하여 속도를 높여 발전기를 돌리는 발전 방식을 말한다. 풍력발전은 자연상태의 무공해 에너지원으로 현재의 대체에너지원 중 가장 경제성이 높은 에너지원으로써 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 전력을 전력계통이나 수요자에 직접 공급하는 기술이다.

풍력발전기란 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 이 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 장치를 말한다. 이러한 풍력발전기는 무한정의 청정에너지인 바람을 동력원으로 하므로 기존의 화석연료나 우라늄 등을 이용한 발전방식과 달리 발열에 의한 열공해나 대기오염 그리고 방사능 누출 등과 같은 문제가 없는 무공해 발전방식이다.

풍력발전은 바람에너지를 날개를 이용해서 전기에너지로 바꾸게 되는데 이때 이론상 날개의 바람에너지 중 59.3%만이 전기에너지로 바뀔 수 있다고 한다. 이것도 날개의 형상에 따른 효율, 기계적인 마찰, 발전기의 효율 등을 고려하면 실제적으로 20 ~ 40%만이 전기에너지로 이용될 수 있다.

풍력발전기는 날개의 회전축이 놓인 방향에 따라 수평축 발전기와 수직축 발전기로 구별된다. 수직축 풍력 발전기는 회전축이 바람의 방향에 대해 수직인 풍력발전기로, 이 발전기는 바람의 방향과 관계없이 운전 가능하며(요잉 시스템 불필요), 증속기 및 발전기가 지상에 설치되므로 그 하중이 비교적 적어 설치시 건설 비용이 적게 소요되는 장점이 있다. 다만, 시스템 종합 효율이 낮고, 자기동(self-starting)이 불가능하며 시동 토크가 필요한 단점이 있다.

이러한 수직축 발전기는 수평축 발전기에 비해 효율이 떨어지기 때문에, 현재 실시되고 있는 풍력발전기는 대부분 수평축 발전기이다. 수평축 풍력 발전기는 회전축이 바람이 불어오는 방향에 수평인 풍력 발전기로 현재 가장 안정적이고 고효율적인 풍력발전기로 인정되고 있다.

수평축 풍력발전기도 날개의 수가 세 개인 것과 두 개인 것 그리고 하나인 것으로 나눌 수 있다. 날개가 두 개인 형태는 주로 바다에 세우는 초대형 발전기(예상 발전용량 3-6메가와트)에 많고, 지상에 세워지는 풍력발전기는 대부분 세 개의 날개를 가지고 있다. 또한 풍력으로부터 오는 힘이 발전기에 전달될 때 기어 등의 중개장치를 이용하는지, 그 힘이 날개 이외의 아무런 매개체도 거치지 않고 직접 전달되는지에 따라 형태가 달라진다.

풍력발전기의 주요 구성을 살펴보면 풍력발전기는 바람이 가진 에너지를 회전력으로 변환시켜 주는 장치인 회전체(rotor)와, 회전체에 연결되어 회전되는 블레이드(blade)와, 터빈 및 기계 브레이크 시스템에 발생되는 과부하를 방지하기 위한 장치로 블레이드 주 코드 방향이 회전면과 수직이 되도록 피치각을 90도로 회전시켜 최대의 공력저항으로 로터를 제동시키는 원리로 작동되는 브레이크 시스템과, 바람의 세기에 관계없이 일정한 전력을 생산하도록 하는 운전시스템과, 회전체를 지지하는 타워(Tower)로 구성된다.

한편 풍력 발전기의 기대 수명은 평균 20년 정도이며, 그 이유는 난류로 인한 불규칙한 풍압, 블레이드의 편심에 의한 진동으로 인하여 타워, 발전기, 각종 볼트 및 용접 결합부에 피로 파괴(fatigue failure)가 진행되기 때문이다.

따라서 블레이드, 타워 등에서 발생되는 진동에 의한 피로 누적을 방지하여 수명을 연장시킬 수 있는 새롭고 진보된 타입의 풍력 발전기의 개발이 요구된다.

한국특허공개공보 제2011-0045711호(삼성중공업 주식회사) 2011. 05. 04.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 블레이드의 회전을 위한 진동을 흡수하여 발산함으로써 타워 또는 타워 결합부 등의 진동에 의한 피로 누적을 방지하여 타워의 수명을 연장시킬 수 있는 풍력 발전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 타워(tower); 및 상기 타워에 마련되어 상기 타워로 전달되는 진동을 흡수하되 상기 타워의 높이 방향의 가로 방향으로 길이 조절 가능하게 마련되어 흡진주파수를 조절할 수 있는 동흡진기를 포함하는 풍력 발전기가 제공될 수 있다.

상기 동흡진기는, 상기 타워에 마련되는 리니어 가이드; 상기 리니어 가이드에 지지되어 상기 타워로 전달되는 진동을 흡수하되 상기 가로 방향으로 이동 가능한 진동흡수부재; 및 상기 진동흡수부재의 단부에 마련되는 중량체를 포함할 수 있다.

상기 진동흡수부재는 외팔보를 포함하며, 상기 외팔보는 상기 타워의 벽체를 관통하여 상기 타워의 내외부로 이동 가능할 수 있다.

상기 외팔보는 고강도 재질로 제작될 수 있다.

상기 동흡진기는 상기 타워에 복수로 마련되되 상호 간에 등간격으로 배치될 수 있다.

상기 타워에 마련되어 상기 진동흡수부재를 지지하는 지지대를 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 풍력발전기의 타워에 마련되어 상기 타워로 전달되는 진동을 흡수하는 동흡진기에 있어서, 상기 동흡진기는 상기 타워의 높이 방향의 가로 방향으로 길이 조절이 가능하여 외부의 가진 주파수 및 상기 타워의 진동 응답에 대응하여 흡진주파수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 동흡진기가 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 타워에 마련되는 동흡진기에 의해 타워로 전달되는 진동을 상쇄하여 타워의 수명을 연장시킬 수 있고, 동흡진기를 타워의 높이 방향의 가로 방향으로 길이 조절이 가능하여 외부 가진 주파수 및 타워의 진동 응답에 대응하여 흡진 주파수를 선택적으로 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2와 도 3은 본 발명의 일 실시예에 풍력 발전기의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2와 도 3은 본 발명의 일 실시예에 풍력 발전기의 사용 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 풍력 발전기(1)는, 타워(10, tower)와, 타워(10)에 마련되어 타워(10)로 전달되는 진동을 흡수하되 상기 타워(10)의 높이 방향의 가로 방향으로 길이 조절 가능하게 마련되어 흡진주파수를 조절할 수 있는 동흡진기(20)를 구비한다.

타워(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 그 상측부에 마련된 나셀(N)을 지지하는 역할을 한다. 나셀(N)의 내부에는 블레이드(B)의 회전에 의한 회전력을 전기에너지로 변환시키는 발전기, 기어 박스 등이 마련된다.

블레이드(B)는 거대한 질량 및 질량관성모멘트를 가지는 것으로서, 블레이드(B)가 회전하면서 생기는 진동으로 인하여 운동에너지가 발생된다. 즉 블레이드(B)의 회전 불평형에 의한 가진력 또는 블레이드(B)의 풍하중이 가해져 발생하는 가진력이 발생된다. 이러한 가진력은 타워(10)에 외부의 가진 주파수로 작용된다.

또한, 블레이드(B)는 기어박스와 연결되어 있고, 기어 박스는 나셀(N)의 내부에 마련되어 있으므로 블레이드(B)를 통해 기어박스 등으로 전달되는 진동은 타워(10)에 그대로 전달된다.

이러한 진동이 반복적으로 일어나면 타워(10)는 진동에 의한 피로 누적으로 수명이 단축될 수 밖에 없다.

동흡진기(20)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 타워(10)에 마련되어 타워(10)로 전달되는 진동을 흡수하여 대기중으로 발산함으로써 타워(10) 또는 타워 결합부의 진동에 의한 피로 누적을 방지한다.

또한 동흡진기(20)는 타워(10)의 높이 방향의 가로 방향으로 길이 조절이 가능하므로 외부의 가진 주파수 및 타워(10)의 진동 응답에 대응하여 흡진 주파수를 조절할 수 있다. 본 실시 예에서 흡진 주파수라 함은 타워(10)가 흡수하는 주파수를 말한다.

이제 동흡진기(20)에 대해 상세히 설명하면, 동흡진기(20)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 타워(10)에 마련되는 리니어 가이드(21)와, 리니어 가이드(21)에 지지되어 타워(10)로 전달되는 진동을 흡수하되 가로 방향으로 이동 가능한 진동흡수부재(22)와, 진동흡수부재(22)의 단부에 마련되는 중량체(23)를 포함한다.

동흡진기(20)의 리니어 가이드(21)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 타워(10)의 측벽에 마련되어 진동흡수부재(22)를 지지하며, 흡진 주파수를 조절할 필요가 있을 경우 진동흡수부재(22)를 타워(10)의 높이 방향의 가로 방향으로 이동시킨다.

그 결과 타워(10)의 외부로 노출되는 진동흡수부재(22)의 길이가, 도 2에 도시된 바와 같이, 변경(L₁->L₂)되고, 진동흡수부재(22)의 길이의 변경은 진동수의 변경을 가져오므로(f∝1/√L) 흡진 주파수를 조절할 수 있다.

본 실시 예에서 리니어 가이드(21)는 타워(10)의 측벽에 결합되는 슬라이더(미도시)와, 슬라이더와 구름 접촉으로 이동되는 레일(미도시)을 포함한다.

동흡진기(20)의 진동흡수부재(22)는, 타워(10)로 진동이 전달되는 경우 그 단부에 마련되는 중량체(23)에 의해, 도 3에 도시된 바와 같이, 벤딩되어 진동에너지를 열에너지, 위치에너지 등으로 변환시켜 상쇄시키는 역할을 한다.

본 실시 예에서 진동흡수부재(22)는 외팔보를 포함하며, 진동흡수부재(22)인 외팔보는, 도 2에 도시된 바와 같이, 타워(10)의 벽체를 관통하여 타워(10)의 내외부로 이동 가능하도록 리니어 가이드(21)에 마련될 수 있다.

그리고 본 실시 예에서 진동흡수부재(22)는 리니어 가이드(21)의 레일을 길게 마련하여 레일로 대체할 수도 있고, 레일에 진동흡수부재(22)를 볼트 결합 등의 방식으로 결합시켜 마련할 수도 있다.

덧붙여 본 실시 예에서 동흡진기(20)를 타워(10)의 높이 방향으로 배치하는 것을 고려할 수 있으나, 이 경우는 진동 상쇄의 실효성이 떨어진다. 즉 블레이드(B)의 회전이나 외풍 등에 의해 기인되는 진동은 타워(10)의 높이 방향의 가로 방향으로 흔들림을 발생시키는 것이 일반적이고, 타워(10)의 높이 방향으로 발생되는 흔들림은 무시할 정도로 적기 때문이다.

한편 본 실시 예는 타워(10)의 내부에 배치되는 리니어 가이드(21)의 단부를 지지하기 위해 타워(10)의 내측 벽체에 마련되는 지지대(30)를 더 포함할 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 타워에 마련되는 동흡진기에 의해 타워로 전달되는 진동을 상쇄하여 타워의 수명을 연장시킬 수 있고, 동흡진기를 타워의 높이 방향의 가로 방향으로 길이 조절이 가능하여 외부 가진 주파수 및 타워의 진동 응답에 대응하여 흡진 주파수를 선택적으로 조절할 수 있는 이점이 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1 : 풍력 발전기 10 : 타워
20 : 동흡진기 21 : 리니어 가이드
22 : 진동흡수부재 23 : 중량체
30 : 지지대 B : 블레이드
N : 나셀

Claims (7)

1. 타워(tower); 및
   상기 타워에 마련되어 상기 타워로 전달되는 진동을 흡수하되 상기 타워의 높이 방향의 가로 방향으로 길이 조절 가능하게 마련되어 흡진주파수를 조절할 수 있는 동흡진기를 포함하는 풍력 발전기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 동흡진기는,
   상기 타워에 마련되는 리니어 가이드;
   상기 리니어 가이드에 지지되어 상기 타워로 전달되는 진동을 흡수하되 상기 가로 방향으로 이동 가능한 진동흡수부재; 및
   상기 진동흡수부재의 단부에 마련되는 중량체를 포함하는 풍력 발전기.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 진동흡수부재는 외팔보를 포함하며,
   상기 외팔보는 상기 타워의 벽체를 관통하여 상기 타워의 내외부로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 외팔보는 고강도 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 동흡진기는 상기 타워에 복수로 마련되되 상호 간에 등간격으로 배치되는 것을 특징으로 풍력 발전기.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 타워에 마련되어 상기 진동흡수부재를 지지하는 지지대를 더 포함하는 풍력 발전기.
7. 풍력발전기의 타워에 마련되어 상기 타워로 전달되는 진동을 흡수하는 동흡진기에 있어서,
   상기 동흡진기는 상기 타워의 높이 방향의 가로 방향으로 길이 조절이 가능하여 외부의 가진 주파수 및 상기 타워의 진동 응답에 대응하여 흡진주파수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 동흡진기.

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