KR20130115976A - 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 발전 장치는 중공형 형상의 증속기, 중공형 형상의 발전 유닛, 로터 샤프트, 및 위치 검출기를 포함한다. 중공형 형상의 증속기의 입력 샤프트 및 출력 샤프트는 프로펠러 샤프트와 동축으로 배치되고, 프로펠러 샤프트에 결합된다. 발전 유닛의 입력 샤프트는 증속기와 동축으로 배치되고, 발전 유닛은 증속기의 출력을 통해 발전을 행한다. 로터 샤프트는 증속기 및 발전 유닛과 동축으로 배치되고 증속기 및 발전 유닛의 중공형 부분에 제공되어 있는 동안에 프로펠러와 일체로 회전한다. 위치 검출기는 로터 샤프트의 회전 위치를 검출함으로써 프로펠러의 회전 위치를 검출한다.

Description

발전 장치{POWER GENERATOR}
본 명세서에서 논의되는 실시예는 발전 장치에 관한 것이다.
바람 및 해류와 같은 유체에 의해 회전되는 프로펠러에 의해 발전을 행하는, 프로펠러를 사용하는 발전 장치가 알려져 있다. 예를 들어, 풍력 발전 장치에서, 발전 유닛은 바람에 의해 회전되는 프로펠러의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
프로펠러를 사용하는 일부 발전 장치는 프로펠러의 회전 위치를 검출하는 인코더(encoder)와 같은 위치 검출기를 포함한다. 관련 기술의 발전 장치의 예는 프로펠러 샤프트에 부착된 그러한 위치 검출기를 포함하고, 위치 검출기는 프로펠러 샤프트의 회전 위치를 검출함으로써 프로펠러의 회전 위치를 검출한다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제 2011-208635 호 참조).
그러나, 프로펠러 샤프트에 대한 위치 검출기의 부착은 프로펠러 샤프트가 일반적으로 큰 샤프트 직경을 갖기 때문에 위치 검출기의 크기를 증가시킬 수 있다.
그러한 문제를 고려하여, 실시예의 태양은 프로펠러의 회전 위치를 검출하는 위치 검출기를 소형화할 수 있는 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시예의 태양에 따른 발전 장치는 중공형 형상의 증속기(speed-increasing gear), 중공형 형상의 발전 유닛, 로터 샤프트, 및 위치 검출기를 포함한다. 증속기의 입력 샤프트 및 출력 샤프트는 프로펠러 샤프트와 동축으로 배치되고, 프로펠러 샤프트에 결합된다. 발전 유닛의 입력 샤프트는 증속기와 동축으로 배치되고, 발전 유닛은 증속기의 출력을 통해 발전을 행한다. 로터 샤프트는 증속기 및 발전 유닛과 동축으로 배치되고 증속기 및 발전 유닛의 중공형 부분에 제공되어 있는 동안에 프로펠러와 일체로 회전한다. 위치 검출기는 로터 샤프트의 회전 위치를 검출함으로써 프로펠러의 회전 위치를 검출한다.
실시예에 따른 태양에 따르면, 프로펠러의 회전 위치를 검출하는 위치 검출기는 소형화될 수 있다.
첨부 도면과 관련하여 고려될 때 하기의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해되기 때문에 본 발명의 더 완전한 인식 및 본 발명의 부수적인 이점의 대다수가 용이하게 얻어질 것이다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 구성을 도시하는 개략도,
도 2는 나셀(nacelle) 내에 배치된 장치의 구성을 도시하는 개략 측면도,
도 3은 프로펠러와 슬립 링 사이의 접속 관계를 도시하는 개략도,
도 4는 증속기 및 발전 유닛의 개략 측단면도,
도 5는 슬립 링의 개략 측단면도,
도 6은 로터 샤프트의 다른 구성을 도시하는 개략 측단면도,
도 7은 나셀 내에 배치된 장치의 다른 구성을 도시하는 개략 측면도.
발전 장치의 실시예가 첨부 도면을 참조하여 하기에 상세하게 설명된다. 하기의 실시예에서, 발전 장치는 풍력 발전 장치에 적용된다. 그러나, 발전 장치는 풍력 발전 장치 이외에 프로펠러를 사용하는 발전 장치에 또한 적용될 수 있다. 예를 들어, 발전 장치는 해류에 의해 회전되는 프로펠러를 사용해 발전을 행하는 조력 발전 장치에 적용될 수 있다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 구성을 도시하는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 풍력 발전 장치(1)는 풍력 발전 유닛(10) 및 전력 변환기(20)를 포함하고, 전력 계통(30)에 전력을 공급한다. 도 1에서, 용이한 설명을 위해 일부 구성요소가 생략되어 있다. 하기의 설명에서, 서로 직교하는 X축 및 Y축이 위치 관계를 명확히 기술하기 위해 설정되며, X축의 양의 방향이 상향 수직 방향으로 정의된다.
풍력 발전 유닛(10)은 타워 몸체(110), 나셀(120) 및 프로펠러(130)를 갖는 풍차(140)를 포함한다. 프로펠러(130)는 허브(130a) 및 허브(130a)의 여러 위치에 부착된 복수의 블레이드(130b)를 포함한다.
블레이드(130b)는 그것의 피치각(pitch angle)이 변화될 수 있도록 제공된다. 피치각은 프로펠러(130)의 회전 평면과 블레이드(130b)의 코드(chord) 사이에 형성된 각도로 정의된다. 피치각이 더 작을수록, 블레이드(130b)가 바람을 받는 면적이 더 크다. 다시 말해서, 블레이드(130b) 상의 바람의 항력이 증가하고, 이에 의해 더 많은 에너지가 바람에 의해 발생되는 것을 가능하게 한다.
나셀(120)은 회전가능한 방식으로 타워 몸체(110)에 의해 지지된다. 나셀(120)은 프로펠러 샤프트(150)를 통해 프로펠러(130)에 연결된 발전 유닛(13)을 내부에 수용한다. 발전 유닛(13)은 전기 모터로도 사용될 수 있는 회전 전기 기계이다. 예를 들어, 발전 유닛(13)은 영구 자석 회전 전기 기계이다. 프로펠러 샤프트(150)는 프로펠러(130)의 허브(130a)에 연결된다.
발전 유닛(13)에 의해 발전된 전력은 전력 변환기(20)로 출력되고 전력 변환기(20)에 의해 수행되는 전력 변환을 겪는다. 그 후에, 변환된 전력은 전력 계통(30)으로 공급된다. 전력 변환기(20)의 구성 및 작동은 나중에 설명된다.
나셀(120)은 풍력에 의해 회전되는 프로펠러(130)의 회전 위치를 검출하는 위치 검출기(16)를 내부에 추가로 수용한다. 제 1 실시예에서, 위치 검출기(16)는 절대값 인코더이다. 절대값 인코더는 절대 위치를 검출한다. 따라서 절대값 인코더는, 예를 들어 전원의 정지 동안에 강한 바람에 의해 프로펠러(130)가 회전되는 경우에도 원점 복귀 동작을 수행하는 일 없이 프로펠러(130)의 현재 회전 위치를 검출할 수 있다.
위치 검출기(16)에 의해 검출된 프로펠러(130)의 회전 위치는 통합 제어기(40)를 통해 피치 제어기(50)로 출력된다. 통합 제어기(40)를 통해 프로펠러(130)의 회전 위치를 획득할 때, 피치 제어기(50)는 프로펠러(130)의 회전 위치에 따라 각각의 블레이드(130b)에 대해 블레이드(130b)의 피치각을 변화시키는 피치 제어 처리를 수행한다. 통합 제어기(40) 및 피치 제어기(50)의 구체적인 작동은 나중에 설명된다.
많은 경우에, 프로펠러 샤프트는 강도 및 발전 효율의 관점에서 큰 샤프트 직경을 갖도록 형성된다. 따라서, 프로펠러의 회전 위치를 검출하기 위한 위치 검출기가 프로펠러 샤프트에 부착되고 위치 검출기가 프로펠러 샤프트의 회전 위치를 검출함으로써 프로펠러의 회전 위치를 검출할 때, 위치 검출기의 크기가 증가할 수 있다.
또한, 위치 검출기가 큰 샤프트 직경을 갖는 프로펠러 샤프트에 부착될 때, 샤프트 직경이 증가함에 따라 전달가능한 토크가 증가하기 때문에 큰 기계적 응력이 위치 검출기에 가해질 수 있다.
프로펠러(130) 내에, 블레이드(130b)를 구동시킴으로써 블레이드(130b)의 피치각을 변화시키는 피치 구동 유닛과 같은 장치가 제공된다. 나셀(120) 내에, 예를 들어 이 장치에 전력을 공급하는 슬립 링(slip ring)(15)이 제공된다.
구체적으로, 풍력 발전 장치(1)는 프로펠러(130)에 연결되는 로터 샤프트를 포함하며, 로터 샤프트 내에는 프로펠러(130)로부터의 배선이 제공되고, 로터 샤프트에 슬립 링(15)이 부착된다. 슬립 링(15)은 프로펠러(130)로부터의 배선이 접속되는 회전 유닛, 및 회전 유닛에 전기적으로 접속되는 고정 유닛을 포함한다. 프로펠러(130)로부터의 배선은 슬립 링(15)의 회전 유닛 및 고정 유닛을 통해 외부 배선에 접속된다. 그 결과, 프로펠러(130) 내에 제공되고 프로펠러(130)와 함께 회전되는 장치와 회전되지 않는 외부 장치 사이에서 전력 및 신호가 교환될 수 있다.
이러한 방식으로, 풍력 발전 장치(1)는 프로펠러 샤프트(150) 외에 프로펠러(130)와 일체로 회전하는 로터 샤프트를 포함한다. 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)에서, 위치 검출기(16)는 로터 샤프트의 회전 위치를 검출함으로써 프로펠러(130)의 회전 위치를 검출한다.
로터 샤프트는 프로펠러 샤프트(150)의 샤프트 직경보다 작은 샤프트 직경을 갖고, 이에 의해 위치 검출기(16)가 프로펠러 샤프트(150)의 회전 위치를 검출하기 위해 프로펠러 샤프트(150)에 부착되는 경우보다 위치 검출기(16)가 추가로 소형화되는 것을 가능하게 하고, 부가적으로 위치 검출기(16)에 가해지는 기계적 응력이 감소되는 것을 가능하게 한다.
위치 검출기(16)의 배치 및 접속 관계가 하기에 구체적으로 설명된다. 도 2는 나셀(120) 내에 배치된 장치의 구성을 도시하는 개략 측면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 나셀(120) 내에는, 발전 유닛(13), 슬립 링(15), 및 위치 검출기(16)에 부가해, 베어링(11), 증속기(12), 브레이크(14), 출력 샤프트(160), 로터 샤프트(170), 및 검출 샤프트(180)가 제공된다.
베어링(11), 증속기(12), 발전 유닛(13), 브레이크(14), 슬립 링(15), 및 위치 검출기(16)는 프로펠러(130)에 인접한 위치로부터 이러한 순서로 배치된다. 하기의 설명에서, 프로펠러(130)가 제공되는 측은 풍력 발전 장치(1)의 전방으로 지칭되는 반면, 위치 검출기(16)가 제공되는 측은 풍력 발전 장치(1)의 후방으로 지칭된다.
제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)에서, 증속기(12)의 입력 샤프트 및 출력 샤프트, 발전 유닛(13)의 입력 샤프트, 로터 샤프트(170), 및 검출 샤프트(180)는 중심축이 프로펠러 샤프트(150)의 중심축(R)(즉, 프로펠러(130)의 회전 축선)과 일치하는 방식으로 배치된다. 그러한 정렬은 또한 이들이 프로펠러 샤프트(150)와 동축으로 배치되는 것으로 기술된다. 이러한 정렬은 전술된 장치를 수용하는 나셀(120)이 추가로 소형화되는 것을 가능하게 한다.
베어링(11)은 프로펠러 샤프트(150)를 예를 들어 롤러 베어링을 사용해 회전가능한 방식으로 지지하는 부재이다. 입력 샤프트가 프로펠러 샤프트(150)에 연결되는 증속기(12)는 프로펠러 샤프트(150)의 회전을 증가시키고 증가된 회전을 출력한다. 증속기(12)의 입력 샤프트 및 출력 샤프트는 프로펠러 샤프트(150)의 중심축(R)과 동일한 축선 상에 배치된다(프로펠러 샤프트(150)와 동축으로 배치됨).
제 1 실시예에서, 도 2에 도시된 출력 샤프트(160)는 증속기(12)의 출력 샤프트에 대응한다. 즉, 제 1 실시예에서, 증속기(12)의 출력 샤프트(160)는 발전 유닛의 입력 샤프트(13)를 겸하고, 발전 유닛(13)을 관통하며, 발전 유닛(13)의 후방으로 연장된다. 증속기(12)의 출력 샤프트의 구성은 이러한 예로 한정되지 않는다. 증속기(12)의 출력 샤프트 및 발전 유닛(13)의 입력 샤프트는 개별적으로 형성될 수 있다.
발전 유닛(13)은 증속기(12)의 출력을 통해 발전을 행한다. 구체적으로, 발전 유닛(13)은 증속기(12)의 출력 샤프트(160)로부터 입력된 회전 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 증속기(12)와 동일한 방식으로, 발전 유닛(13)의 입력 샤프트(즉, 출력 샤프트(160))는 프로펠러 샤프트(150)와 동축으로 배치된다. 증속기(12) 및 발전 유닛(13)의 구체적인 구성은 도 4를 참조하여 나중에 설명된다.
발전 유닛(13)의 후방으로 연장되는 출력 샤프트(160)의 일부분에 제공되는 브레이크(14)는 출력 샤프트(160)와 접촉을 이룸으로써 발생되는 마찰에 의해 출력 샤프트(160)의 회전을 정지시키고, 이에 의해 프로펠러(130)의 회전을 정지시킨다. 브레이크(14)는 예를 들어 통합 제어기(40)(도 1 참조)로부터의 명령에 따라 작동된다.
슬립 링(15)은 프로펠러(130) 내에 배치된 피치 구동 유닛과 같은 장치와 외부 장치 사이에서 전력 및 신호를 교환하는 집전 장치이며, 로터 샤프트(170)를 통해 프로펠러(130)에 접속된다. 프로펠러(130)와 슬립 링(15) 사이의 접속 관계가 도 3을 참조하여 하기에 설명된다. 도 3은 프로펠러(130)와 슬립 링(15) 사이의 접속 관계를 도시하는 개략도이다.
도 3에서, 용이한 설명을 위해 블레이드(130b) 중 하나만이 도시되어 있다. 도 3에서, 블레이드(130b)에 대응하여 제공된 장치 및 배선만이 도시되어 있으며, 다른 블레이드(130b)에 대응하여 제공된 장치 및 배선은 생략되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 프로펠러(130)의 허브(130a) 내에, 피치 제어기(50)로부터의 명령에 따라 블레이드(130b)의 피치각을 변화시키는 피치 구동 유닛(31)이 제공된다. 블레이드(130b) 내에는 위치 검출기(32)가 제공된다.
피치 구동 유닛(31)은 기어(31a), 모터(31b), 및 교류(AC) 구동기(31c)를 포함한다. 피치 구동 유닛(31)에서, AC 구동기(31c)는 기어(31a)를 회전시키도록 모터(31b)를 구동시키고, 이에 의해 기어(31a)에 연결된 블레이드(130b)를 회전시킨다. 그 결과, 블레이드(130b)의 피치각이 변화된다. 예를 들어 절대값 인코더인 위치 검출기(32)는 블레이드(130b)의 현재 피치각을 검출하고, 검출된 피치각을 피치 제어기(50)로 출력한다.
AC 구동기(31c)에는 전력 공급 케이블(81) 및 신호선(82)이 제공된다. 위치 검출기(32)에는 신호선(83)이 제공된다. 전력 공급 케이블(81) 및 신호선(82, 83)은 슬립 링(15)의 회전 유닛(151)에 접속된다.
한편, 피치 제어기(50) 및 전력 공급 유닛(60)은 슬립 링(15)의 고정 유닛(152)에 접속된다. 고정 유닛(152)은 회전 유닛(151)이 프로펠러(130)와 함께 회전 중인 동안 회전 유닛(151)과 전기 접속을 유지한다.
그 결과, 프로펠러(130) 내에 배치된 피치 구동 유닛(31) 및 위치 검출기(32)는 슬립 링(15)의 회전 유닛(151) 및 고정 유닛(152)을 통해 피치 제어기(50) 및 전력 공급 유닛(60)에 전기적으로 접속된다. 슬립 링(15)의 구체적인 구성이 도 5를 참조해 설명된다.
피치 제어기(50)는 신호선(83) 및 슬립 링(15)을 통해 위치 검출기(32)로부터 블레이드(130b)의 피치각을 획득하고, 슬립 링(15) 및 신호선(82)을 통해 AC 구동기(31c)에 제어 신호를 전송한다. 전력 공급 유닛(60)은 슬립 링(15) 및 전력 공급 케이블(81)을 통해 AC 구동기(31c)에 전력을 공급한다.
이러한 방식으로, 슬립 링(15)은 피치 제어기(50)에 대해 회전측에 배치된 피치 구동 유닛(31) 및 위치 검출기(32)와 고정측에 배치된 전력 공급 유닛(60)을 전기적으로 접속시킬 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전력 공급 케이블(81) 및 신호선(82, 83)은 로터 샤프트(170) 내에 제공되고 슬립 링(15)의 회전 유닛(151)에 접속된다. 로터 샤프트(170)는 프로펠러 샤프트(150)(도 2 참조)와 동축으로 배치된다. 로터 샤프트(170)의 하나의 단부는 프로펠러(130)에 고정되고 로터 샤프트의 다른 단부는 슬립 링(15)의 회전 유닛(151)에 접속된다.
즉, 슬립 링(15)의 회전 유닛(151)은 로터 샤프트(170)를 통해 프로펠러(130)에 연결된다. 그 결과, 회전 유닛(151)은 프로펠러(130)와 일체로 그리고 동축으로 회전한다.
제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)에서, 검출 샤프트(180)는 슬립 링(15)의 회전 유닛(151)의 후방 단부측에 제공되고, 위치 검출기(16)는 검출 샤프트(180)의 회전 위치를 검출함으로써 프로펠러(130)의 회전 위치를 검출한다.
검출 샤프트(180)는 로터 샤프트(170)와는 다르게 프로펠러(130)로부터의 배선이 내부에 제공될 필요가 없기 때문에 중실형(solid) 샤프트로서 형성될 수 있다. 그 결과, 검출 샤프트(180)는 로터 샤프트(170)와 동일한 강도를 유지하면서 로터 샤프트(170)의 샤프트 직경보다 작은 샤프트 직경을 갖도록 형성될 수 있다. 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)에서, 위치 검출기(16)가 로터 샤프트(170)의 샤프트 직경보다 작은 샤프트 직경을 갖는 검출 샤프트(180)에 제공되기 때문에, 위치 검출기(16)는 추가로 소형화될 수 있고, 부가적으로 위치 검출기(16)에 가해지는 기계적 응력이 추가로 감소될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 위치 검출기(16)는 증속기 또는 감속기와 같은 변속 기구가 사이에 개재되는 일 없이, 즉 프로펠러(130)와 동일한 회전 속도로 회전하는 샤프트를 통해서만 프로펠러(130)에 연결된다. 그 결과, 위치 검출기(16)는 높은 정밀도로 프로펠러(130)의 회전 위치를 검출할 수 있다.
위치 검출기(16)와 프로펠러(130) 사이의 접속 관계가 증속기(12), 발전 유닛(13), 슬립 링(15) 등의 구체적인 구성을 참조하여 하기에 더 구체적으로 설명된다. 먼저, 로터 샤프트(170)와 프로펠러(130) 사이의 접속 관계가 도 4를 참조하여 설명된다. 이어서, 로터 샤프트(170)와 위치 검출기(16) 사이의 접속 관계가 도 5를 참조하여 설명된다. 도 4는 증속기(12) 및 발전 유닛(13)의 개략 측단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 프로펠러 샤프트(150)는 양 단부가 개방된 중공형(hollow) 부재이다. 프로펠러 샤프트(150)는 프로펠러 샤프트의 전방 단부에서 프로펠러(130)의 허브(130a)에 연결되어 프로펠러(130)와 함께 회전한다. 프로펠러 샤프트(150)는 프로펠러(130)의 회전을 증속기(12)의 입력 샤프트로 전달하고, 이 실시예에서 프로펠러 샤프트(150)의 하나의 단부가 허브(130a)에 연결되고 프로펠러 샤프트의 다른 단부가 증속기(12)의 입력 샤프트에 연결된 프로펠러 샤프트로서 정의된다.
증속기(12)는 관형 형상으로 형성된 프레임(121), 및 프레임(121) 내의 링(122), 연결 샤프트(123), 유성 기어(124), 및 베어링(125)을 포함한다. 프레임(121)은 예를 들어 지지 포스트(도시되지 않음)에 의해 나셀(120)에 고정된다.
링(122)은 증속기(12)의 입력 샤프트이다. 링(122)은 연결 샤프트(123)를 통해 프로펠러 샤프트(150)에 고정되고 링(122)의 중심축은 프로펠러 샤프트(150)의 중심축(R)(도 2 참조)과 일치한다. 링(122)은 회전가능한 방식으로 프레임(121)의 내측에 제공된 홈 내에 끼워맞춤된다. 유성 기어(124)는 링(122)의 내측 원주 표면과 출력 샤프트(160)의 외측 원주 표면 사이에 회전가능한 방식으로 배치된다.
증속기(12)의 출력 샤프트로서 역할을 하는 출력 샤프트(160)는 프로펠러 샤프트(150)의 샤프트 직경보다 작은 샤프트 직경을 갖고, 출력 샤프트(160)의 중심축은 프로펠러 샤프트(150)의 중심축과 일치한다. 출력 샤프트(160)는 프레임(121)에 고정된 베어링(125)에 의해 회전가능한 방식으로 지지된다.
이와 같이 구성된 증속기(12)에서, 링(122)은 프로펠러(130)의 허브(130a)가 회전함에 따라 회전한다. 링(122)이 회전함에 따라, 유성 기어(124)는 회전하는 동안 출력 샤프트(160)의 둘레를 선회한다. 유성 기어(124)가 출력 샤프트(160) 둘레를 선회함에 따라, 출력 샤프트(160)는 회전한다.
이러한 방식으로, 증속기(12)는 프로펠러 샤프트(150)의 회전(즉, 프로펠러(130)의 회전)을 증가시키고, 증가된 회전을 출력 샤프트(160)의 회전으로서 출력한다. 그 결과, 출력 샤프트(160)는 프로펠러(130)의 회전 속도보다 더 높은 회전 속도로 회전한다.
제 1 실시예에서, 증속기(12)는 유성 기어열을 1단만 포함한다. 증속기(12)는 유성 기어열을 다단으로 포함할 수 있다. 다단으로 제공된 유성 기어열은 더 높은 증속비로 출력 샤프트(160)를 회전시킬 수 있다.
제 1 실시예에서, 증속기(12)는 유성 기어이다. 그러나, 증속기(12)는 유성 기어로 한정되지 않는다. 예를 들어, 증속기(12)는 유성 롤러일 수 있다. 유성 기어열 또는 유성 롤러열은 하중이 기어 또는 롤러 상에 분산되는 것을 가능하게 하고, 이에 의해 마모 및 칩핑(chipping)의 발생이 비교적 적게 된다. 따라서, 유성 기어열 또는 유성 롤러열을 포함하는 증속기(12)는 풍력 발전 장치(1)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 유성 기어 형식의 증속기는 그것의 입력 샤프트 및 출력 샤프트가 서로 동축으로 배치되는 것을 가능하게 한다. 그 결과, 유성 기어열 또는 유성 롤러열만을 포함하는 증속기(12)는 프로펠러 샤프트(150), 증속기(12), 발전 유닛(13), 슬립 링(15), 및 위치 검출기(16)가 동축으로 배치되는 것을 가능하게 한다. 더욱이, 나중에 설명되는 바와 같이, 프로펠러 샤프트(150)와 동축으로 배치된 로터 샤프트(170)는 출력 샤프트(160)의 중공형 부분에 제공되고 프로펠러(130)에 연결될 수 있다.
제 1 실시예에서, 프로펠러 샤프트(150)는 링(122)에 연결된다. 그러나, 프로펠러 샤프트(150)는 연결 샤프트를 통해 유성 기어(124)에 연결될 수 있다. 그러한 경우에, 유성 기어(124)는 증속기(12)의 입력 샤프트이다.
발전 유닛(13)은 출력 샤프트(160)의 회전에 의해 발전을 행한다. 발전 유닛(13)은 프레임(131), 고정자(132), 회전자(133), 및 베어링(134)을 포함한다.
프레임(131)은 관형 형상으로 형성되고 예를 들어 지지 포스트(도시되지 않음)에 의해 나셀(120)에 고정된다. 프레임(131)에 고정된 베어링(134)은 출력 샤프트(160)를 회전가능한 방식으로 지지한다.
제 1 실시예에서, 출력 샤프트(160)는 브레이크(14)를 부착하기 위해 발전 유닛(13)을 넘어서 연장된다. 그러나, 출력 샤프트(160)가 항상 발전 유닛(13)을 넘어서 연장될 것이 요구되는 것은 아니다. 그러한 경우에, 브레이크는 풍력 발전 장치(1) 내 프로펠러 샤프트(150)에 제공되고, 프로펠러(130)는 브레이크를 사용해 프로펠러 샤프트(150)의 회전을 정지시킴으로써 정지될 수 있다.
고정자(132)는 발전 유닛(13)의 프레임(131)의 내측 원주에 고정된다. 고정자(132)는 고정자 코어(132a) 및 고정자 권선(132b)을 포함한다. 회전자(133)는 사이에 간극이 개재된 상태로 고정자(132)와 대면하도록 고정자(132)의 내측 원주측에 배치된다. 회전자(133)는 관형 형상을 갖고 출력 샤프트(160)의 외측 원주 표면 상에 제공된 회전자 코어(133a), 및 회전자 코어(133a)의 외측 원주측에 배열된 복수의 영구 자석(133b)을 포함하고, 출력 샤프트(160)와 동축으로 회전한다.
이와 같이 구성된 발전 유닛(13)에서, 회전자(133)는 출력 샤프트(160)가 회전함에 따라 회전하여, 고정자(132)의 고정자 권선(132b)에 전류가 발생되게 한다.
발전 유닛(13)의 프레임(131)은 증속기(12)의 프레임(121)에 고정된다. 즉, 발전 유닛(13)의 프레임(131) 및 증속기(12)의 프레임(121)은 통합된다. 다시 말해서, 증속기(12)의 출력 샤프트 및 발전 유닛(13)의 입력 샤프트로서 역할을 하는 출력 샤프트(160)는 증속기(12)로부터 발전 유닛(13)까지 외부로 노출되지 않는다(즉, 출력 샤프트(160)는 프레임(121, 131)에 의해 덮임).
발전 유닛(13) 및 증속기(12)의 통합, 즉 증속기를 갖는 발전기로서의 발전 유닛(13)의 형성은 발전 유닛(13) 및 증속기(12)를 수용하는 나셀(120)이 소형화되는 것을 가능하게 한다.
양 단부가 개방된 중공형 부재인 출력 샤프트(160)는 전술된 바와 같이 프로펠러 샤프트(150)와 동축으로 배치된다. 제 1 실시예의 풍력 발전 장치(1)에서, 로터 샤프트(170)는 출력 샤프트(160)의 중공형 부분 내에 제공된다.
로터 샤프트(170)는 프로펠러 샤프트(150) 및 출력 샤프트(160)와 동축으로 배치되고, 프로펠러(130)의 허브(130a)에 고정되도록 프로펠러 샤프트(150) 및 출력 샤프트(160)의 중공형 부분(즉, 증속기(12) 및 발전 유닛(13)의 중공형 부분) 내에 제공된다.
로터 샤프트(170)는 양 단부가 개방된 중공형 샤프트로서 형성된다. 프로펠러(130)로부터의 배선(예를 들어, 전력 공급 케이블(81) 및 신호선(82, 83))은 로터 샤프트(170) 내에 제공된다.
로터 샤프트(170)는 허브(130a)에 연결된 단부의 반대편의 단부에서 슬립 링(15)의 회전 유닛(151)에 접속된다. 제 1 실시예에 따른 위치 검출기(16)는 슬립 링(15)의 회전 유닛(151) 및 검출 샤프트(180)를 통해 로터 샤프트(170)에 연결된다.
로터 샤프트(170)와 위치 검출기(16) 사이의 접속 관계가 도 5 및 슬립 링(15)과 검출 샤프트(180)의 구성을 참조하여 하기에 더 구체적으로 설명된다. 도 5는 슬립 링(15)의 개략 측단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 슬립 링(15)은 회전 유닛(151), 고정 유닛(152), 프레임(153), 및 베어링(154)을 포함한다. 프레임(153)은 예를 들어 지지 포스트(도시되지 않음)에 의해 나셀(120)에 고정된다.
회전 유닛(151)은 그것의 전방 단부측에서만 개구를 갖는 중공형의 관형 부재이다. 회전 유닛(151)은 전방 단부측에서 로터 샤프트(170)에 연결되고 그것의 중심축은 로터 샤프트(170)의 중심축과 일치한다. 회전 유닛(151)은 프레임(153)에 고정된 베어링(154)에 의해 회전가능한 방식으로 지지된다. 그 결과, 회전 유닛(151)은 프로펠러(130) 및 로터 샤프트(170)와 일체로 회전한다.
회전 유닛(151)에는 집전 링(151a, 151b, 151c)이 제공된다. 출력 샤프트(160)의 중공형 부분에 제공된 전력 공급 케이블(81), 신호선(82), 및 신호선(83)은 집전 링(151a, 151b, 151c)에 각각 접속된다.
고정 유닛(152)은 프레임(153)에 고정된 단자(152a, 152b, 152c), 및 단자(152a, 152b, 152c)에 각각 제공된 브러시(152d, 152e, 152f)를 포함한다.
브러시(152d, 152e, 152f)는 회전 유닛(151)의 집전 링(151a, 151b, 151c)과 각각 접속을 이루면서 유지된다. 그 결과, 집전 링(151a, 151b, 151c)과 브러시(152d, 152e, 152f) 사이의 각각의 전기적 접속이 또한 회전 유닛(151)의 회전 동안에 유지된다. 단자(152a)는 전력 공급 유닛(60)에 접속되는 반면, 단자(152b, 152c)는 피치 제어기(50)에 접속된다.
이와 같이 구성된 슬립 링(15)에서, 회전 유닛(151)은 로터 샤프트(170) 및 프로펠러(130)와 일체로 회전하고, 고정 유닛(152)의 브러시(152d, 152e, 152f)는 회전 유닛(151)의 집전 링(151a, 151b, 151c)과 각각 활주 접촉을 이룬다. 그 결과, 프로펠러(130) 내에 배치된 피치 구동 유닛(31) 및 위치 검출기(32)(도 3 참조)는 피치 제어기(50) 및/도는 전력 공급 유닛(60)에 전기적으로 접속된다.
도 5에서, 집전 링, 단자, 및 브러시 3개 각각은 슬립 링(15)에 제공된다. 슬립 링(15)에 제공되는 집전 링, 단자, 및 브러시의 개수는 도 5에 도시된 것으로 한정되지 않는다.
이러한 방식으로, 슬립 링(15)의 회전 유닛(151)의 하나의 단부는 로터 샤프트(170)에 접속되고, 회전 유닛(151)은 로터 샤프트(170) 및 프로펠러(130)와 일체로 회전한다.
회전 유닛(151)의 다른 단부는 로터 샤프트(170)의 샤프트 직경보다 작은 샤프트 직경을 갖는 검출 샤프트(180)에 접속된다. 검출 샤프트(180)는 프로펠러 샤프트(150), 로터 샤프트(170), 및 회전 유닛(151)과 동축으로 배치된다.
검출 샤프트(180)는 제 1 샤프트(180a), 제 2 샤프트(180b), 및 샤프트 커플링(180c)을 포함한다. 제 1 샤프트(180a)는 회전 유닛(151)에 고정되는 반면 제 2 샤프트(180b)는 위치 검출기(16)에 고정된다. 제 1 샤프트(180a) 및 제 2 샤프트(180b)는 샤프트 커플링(180c)에 의해 서로 동축으로 결합된다.
검출 샤프트(180)는 이러한 방식으로 로터 샤프트(170) 및 회전 유닛(151)과 동축으로 배치되고, 회전 유닛(151)과 일체로 회전한다. 위치 검출기(16)는 검출 샤프트(180)의 회전 위치를 검출함으로써 프로펠러(130)의 회전 위치를 검출할 수 있다.
위치 검출기(16)에 의해 검출된 프로펠러(130)의 회전 위치는 통합 제어기(40)로 출력되고, 그 후에 통합 제어기(40)에 의해 피치 제어기(50) 및 전력 변환기(20)로 출력된다.
다시 도 1을 참조하여, 전력 변환기(20), 통합 제어기(40), 및 피치 제어기(50)가 설명된다. 전력 변환기(20)는 전력 변환 유닛(21), 변환 제어기(22), 및 조작 유닛(23)을 포함한다. 전력 변환기(20)는 타워 몸체(110) 내에 배치된다.
전력 변환 유닛(21)은 풍력 발전 유닛(10)의 발전 유닛(13)과 전력 계통(30) 사이에서 양방향으로 전력 변환을 수행한다. 예를 들어, 매트릭스 변환기가 전력 변환 유닛(21)으로서 사용될 수 있다.
변환 제어기(22)는 발전 제어 처리를 수행하며, 여기서 변환 제어기(22)는 전력 변환 유닛(21)이 발전 유닛(13)으로부터 전력 계통(30)으로 공급되는 전력에 대해 전력 변환을 수행하게 하도록 전력 변환 유닛(21)에 제어 신호를 출력한다. 그 결과, 발전 유닛(13)에 의해 발전된 전력은 전력 변환 유닛(21)에 의해 직류로부터 직류로 변환(DC-DC 변환)되고, 변환된 전력은 전력 계통(30)에 공급된다.
또한, 변환 제어기(22)는 프로펠러 위치 제어 처리를 수행하며, 여기서 변환 제어기(22)는 전력 변환 유닛(21)이 전력 계통(30)으로부터 발전 유닛(13)으로 공급되는 전력에 대해 전력 변환을 수행하게 하도록 전력 변환 유닛(21)에 제어 신호를 출력하고, 발전 유닛(13)을 전기 모터로서 사용해 프로펠러(130)의 회전 각도를 제어한다. 프로펠러 위치 제어 처리는 예를 들어 블레이드(130b)의 교체 동안에 조작 유닛(23)을 통한 조작에 기초해 수행된다.
즉, 변환 제어기(22)는 위치 검출기(16)에 의해 검출된 프로펠러(130)의 회전 위치 및 목표 위치에 기초해 프로펠러(130)의 회전 위치가 조작 유닛(23)을 통한 조작에 의해 지정된 목표 위치와 일치하도록 제어 신호를 생성한다. 이어서, 변환 제어기(22)는 생성된 제어 신호를 전력 변환 유닛(21)으로 출력한다. 그 결과, 프로펠러(130)의 회전 위치는 블레이드(130b)의 용이한 부착 및 제거를 위한 위치로서 각각의 블레이드(130b)에 대해 예비적으로 설정된 위치와 같은 목표 위치와 일치하도록 조정될 수 있다.
이러한 방식으로, 변환 제어기(22)는 전력 변환 유닛(21)이 발전 유닛(13)과 전력 계통(30) 사이에서 양방향으로 전력 변환을 수행하도록 전력 변환 유닛(21)에 제어 신호를 출력함으로써 발전 제어 처리 및 프로펠러 위치 제어 처리를 수행한다.
통합 제어기(40) 및 피치 제어기(50)를 포함하는 풍력 발전 장치(1)는 피치 제어 처리를 수행하며, 여기서 블레이드(130b)의 피치각은 위치 검출기(16)로부터 출력된 프로펠러(130)의 회전 위치에 기초해 블레이드(130b)의 위치에 따른 피치각으로 변화된다. 통합 제어기(40)는 예를 들어 타워 몸체(110) 내에 배치된다. 피치 제어기(50)는 예를 들어 나셀(120) 내에 배치된다.
통합 제어기(40)는 위치 검출기(16)로부터 프로펠러(130)의 회전 위치를 획득하고, 획득된 회전 위치를 피치 제어기(50)로 출력한다. 이러한 방식으로, 위치 검출기(16)에 의해 검출된 프로펠러(130)의 회전 위치는 통합 제어기(40)를 통해 피치 제어기(50)로 출력된다.
통합 제어기(40)를 통해 위치 검출기(16)에 의해 검출된 프로펠러(130)의 회전 위치를 획득할 때, 피치 제어기(50)는 각각의 블레이드(130b)에 대해 프로펠러(130)의 회전 각도에 따른 피치각 변화 명령을 생성하고, 생성된 피치각 변화 명령에 따라 각각의 블레이드(130b)에 대해 블레이드(130b)의 피치각을 변화시킨다.
전술된 바와 같이, 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)는 중공형 형상의 증속기(12), 중공형 형상의 발전 유닛(13), 로터 샤프트(170), 및 위치 검출기(16)를 포함한다.
입력 샤프트(링(122)) 및 출력 샤프트(출력 샤프트(160))가 프로펠러 샤프트(150)와 동축으로 배치되는 증속기(12)는 프로펠러 샤프트(150)의 회전을 증가시키고 증가된 회전을 출력한다. 입력 샤프트(출력 샤프트(160))가 증속기(12)와 동축으로 배치되는 발전 유닛(13)은 증속기(12)의 출력을 통해 발전을 행한다. 증속기(12) 및 발전 유닛(13)과 동축으로 배치된 로터 샤프트(170)는 증속기(12) 및 발전 유닛(13)의 중공형 부분에 제공되어 있는 동안 프로펠러(130)와 일체로 회전한다. 위치 검출기(16)는 로터 샤프트(170)의 회전 위치를 검출함으로써 프로펠러(130)의 회전 위치를 검출한다.
즉, 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)에서, 위치 검출기(16)가 프로펠러 샤프트(150)의 샤프트 직경보다 작은 샤프트 직경을 갖는 로터 샤프트(170)의 회전 위치를 검출하기 때문에, 위치 검출기(16)가 프로펠러 샤프트(150)의 회전 위치를 검출하는 경우에서보다 위치 검출기(16)가 추가로 소형화될 수 있다.
제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)에서, 증속기(12)의 입력 샤프트(링(122)) 및 출력 샤프트(160)와 발전 유닛(13)의 입력 샤프트(즉, 출력 샤프트(160))는 중공형 샤프트로서 형성되고, 로터 샤프트(170)는 증속기(12) 및 발전 유닛(13)의 중공형 부분에 제공된다. 그 결과, 나셀(120) 내에 제공된 장치는 더 컴팩트하게 배치될 수 있다. 또한, 로터 샤프트(170)는 직선 형상으로 형성될 수 있고, 이에 의해 로터 샤프트(170)의 중심축과 프로펠러 샤프트(150)의 중심축(R)이 용이하게 정렬되는 것을 가능하게 한다.
제 1 실시예에서, 로터 샤프트(170)는 프로펠러(130)로부터의 배선이 내부에 제공되는 중공형 부재이다. 로터 샤프트(170) 외에, 풍력 발전 장치(1)는 하나의 단부가 로터 샤프트(170)에 접속된 슬립 링(15), 및 슬립 링(15)의 다른 단부에 접속되고 로터 샤프트(170)와 함께 회전하는 검출 샤프트(180)를 포함한다. 위치 검출기(16)는 검출 샤프트(180)를 통해 로터 샤프트(170)의 회전 위치를 검출함으로써 프로펠러(130)의 회전 위치를 검출한다. 검출 샤프트(180)는 로터 샤프트(170)의 샤프트 직경보다 작은 샤프트 직경을 갖도록 형성될 수 있고, 이에 의해 위치 검출기(16)가 추가로 소형화되는 것을 가능하게 한다.
제 1 실시예에 따른 위치 검출기(16)는 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이 나셀(120) 내에 제공된 장치 상에 최후방에 배치된다. 이러한 배치는 위치 검출기(16)가 용이하게 부착, 제거, 또는 정비되는 것을 가능하게 한다.
로터 샤프트(170)는 로터 샤프트(170)가 프로펠러(130)에 제공되기 때문에 프로펠러(130)의 회전을 더 직접적으로 전달할 수 있다.
제 1 실시예에서, 로터 샤프트(170)는 프로펠러(130)에 제공된다. 그러나, 로터 샤프트(170)는 항상 프로펠러(130)에 직접 연결될 것이 요구되는 것은 아니다.
제 2 실시예에서, 로터 샤프트(170)와 프로펠러(130)가 간접적으로 연결되는 예가 도 6을 참조하여 설명된다. 도 6은 로터 샤프트(170)의 다른 구성을 도시하는 개략 측단면도이다. 하기의 설명에서, 제 1 실시예에서 설명된 동일한 구성요소는 동일한 도면 부호로 지시되며 그것의 중복 설명은 생략된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제 2 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1a)에서, 로터 샤프트(170a)는 프로펠러 샤프트(150a)에 제공된다. 프로펠러 샤프트(150a) 및 로터 샤프트(170a)는 일체로 형성될 수 있거나, 개별적으로 형성된 후에 연결될 수 있다.
로터 샤프트(170a)는 제 1 실시예에 따른 로터 샤프트(170)와 동일한 방식으로 프로펠러 샤프트(150a)와 동축으로 배치되고 슬립 링(15)의 전방 단부에 접속된다. 로터 샤프트(170a)는 중공형 샤프트로서 형성된다. 허브(130a)로부터의 배선(전력 공급 케이블(81) 및 신호선(82, 83))은 프로펠러 샤프트(150a) 및 로터 샤프트(170a)의 중공형 부분에 제공되고, 슬립 링(15)의 회전 유닛(151)에 접속된다.
이러한 방식으로, 로터 샤프트(170a)는 프로펠러 샤프트(150a)를 통해 프로펠러(130)에 연결될 수 있다. 이러한 경우에, 로터 샤프트(170a)는 또한 프로펠러(130)의 허브(130a)와 일체로 회전한다. 그 결과, 위치 검출기(16)는 제 1 실시예와 동일한 방식으로 로터 샤프트(170a)의 회전 위치를 검출함으로써 프로펠러(130)의 회전 위치를 검출할 수 있다.
로터 샤프트(170a)가 프로펠러 샤프트(150a)에 제공되는 제 2 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1a)는 프로펠러 샤프트(150a)와 로터 샤프트(170a)가 용이하게 서로 동축으로 정렬되는 것을 가능하게 한다.
로터 샤프트는 도 6에 도시된 바와 같이 연결되는 것으로 한정되지 않는다. 로터 샤프트는 프로펠러 및 프로펠러 샤프트 둘 모두에 고정될 수 있거나, 프로펠러 또는 프로펠러 샤프트에 제공된 부재를 통해 프로펠러 또는 프로펠러 샤프트에 제공될 수 있다.
전술된 실시예들에서, 로터 샤프트는 프로펠러로부터의 배선이 그것으로부터 취출되어 슬립 링의 회전 유닛에 접속되는 샤프트로서 역할을 한다. 그러나, 로터 샤프트는 프로펠러의 회전을 위치 검출기로 전달하기 위해 독점적으로 사용되는 부재로서 역할을 할 수 있다.
그러한 경우가 도 7을 참조하여 하기에 설명된다. 도 7은 나셀(120) 내에 배치된 장치의 다른 구성을 도시하는 개략 측면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제 3 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1b)는 슬립 링(15)이 나셀(120b) 내에 배치되지 않는다는 점에서 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1)와는 상이하다. 즉, 풍력 발전 장치(1b)에서, 블레이드(130b_1)는 고정 피치각으로 허브(130a_1)에 부착되거나, 블레이드(130b_1)의 피치각은 예를 들어 무선 통신에 의해 제어될 수 있다. 후자의 구성이 채용되는 경우, 허브(130a_1) 내에 배치된 피치 구동 유닛의 구동력은 예를 들어 블레이드(130b_1)에 부착되어 발전하는 태양 전지판으로부터 공급될 수 있다.
제 3 실시예에 따른 로터 샤프트(170b)는 증속기(12) 및 발전 유닛(13)과 동축으로 배치되고, 증속기(12) 및 발전 유닛(13)의 중공형 부분에 제공되어 있는 동안에 프로펠러(130_1)와 일체로 회전한다. 로터 샤프트(170b)는 제 1 실시예에 따른 로터 샤프트(170)와 동일한 방식으로 허브(130a_1)에 제공될 수 있거나, 제 2 실시예에 따른 로터 샤프트(170a)와 동일한 방식으로 프로펠러 샤프트(150b)에 제공될 수 있다.
제 3 실시예에 따른 위치 검출기(16b)는 로터 샤프트(170b)에 연결된다. 위치 검출기(16b)는 로터 샤프트(170b)의 회전 위치를 검출함으로써 프로펠러(130_1)의 회전 위치를 검출한다.
제 3 실시예에 따른 풍력 발전 장치(1b)에서, 위치 검출기(16b)는 슬립 링(15)과 검출 샤프트(180)가 사이에 개재되는 일 없이 로터 샤프트(170b)에 직접 연결된다. 그 결과, 프로펠러(130_1)의 회전 위치는 더 높은 정밀도로 검출될 수 있다.
제 3 실시예에 따른 로터 샤프트(170b)는 프로펠러(130_1)로부터의 배선이 로터 샤프트(170b) 내에 제공될 것이 요구되지 않기 때문에 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 로터 샤프트(170, 170a)와는 다르게 중공형 샤프트로서 형성될 것이 요구되지 않는다. 로터 샤프트(170b)가 중실형 샤프트로서 형성되는 경우, 로터 샤프트(170b)의 샤프트 직경은 로터 샤프트(170b)의 강도가 유지되면서 로터 샤프트(170b)가 중공형 샤프트로서 형성되는 경우보다 추가로 감소될 수 있다. 그 결과, 위치 검출기(16b)는 소형화될 수 있다.
"동축으로"는 엄격히 필요하지는 않다. 즉, 이들 샤프트는 서로로부터 약간 오프셋(offset)을 가질 수 있다. 이하에도 동일하게 적용될 것이다. "중공형 형상"은 실시예에 도시된 형상으로 한정되지 않는다. 이하에도 동일하게 적용될 것이다.
1 : 풍력 발전 장치 10 ; 풍력 발전 유닛
12 : 증속기 13 : 발전 유닛
14 : 브레이크 16 : 위치 검출기
20 : 전력 변환기 30 : 전력 계통
31a : 기어 31b : 모터
31c : AC 구동기 40 : 통합 제어기
50 : 피치 제어기 60 : 전력 공급 유닛
110 : 타워 몸체 120 : 나셀
130 : 프로펠러 130a : 허브
130b : 블레이드 140 : 풍차
150 : 프로펠러 샤프트 151 : 회전 유닛
152 : 고정 유닛 160 : 출력 샤프트
170 : 로터 샤프트 180 : 검출 샤프트

Claims (10)

  1. 발전 장치에 있어서,
    입력 샤프트 및 출력 샤프트가 프로펠러가 연결되는 프로펠러 샤프트와 동축으로 배치되고, 상기 프로펠러 샤프트에 결합되는 중공형(hollow) 형상의 증속기(speed-increasing gear);
    입력 샤프트가 상기 증속기와 동축으로 배치되고, 상기 증속기의 출력을 통해 발전을 행하는 중공형 형상의 발전 유닛;
    상기 증속기 및 상기 발전 유닛과 동축으로 배치되고 상기 증속기 및 상기 발전 유닛의 중공형 부분에 제공되어 있는 동안에 상기 프로펠러와 일체로 회전하는 로터 샤프트; 및
    상기 로터 샤프트의 회전 위치를 검출함으로써 상기 프로펠러의 회전 위치를 검출하는 위치 검출기를 포함하는
    발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하나의 단부가 상기 로터 샤프트에 접속되는 슬립 링(slip ring); 및
    상기 슬립 링의 다른 단부에 제공되고 상기 로터 샤프트와 함께 회전하는 검출 샤프트를 더 포함하고,
    상기 로터 샤프트 내에, 상기 프로펠러로부터의 배선이 제공되며,
    상기 위치 검출기는 상기 검출 샤프트를 통해 상기 로터 샤프트의 회전 위치를 검출하는
    발전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터 샤프트는 상기 프로펠러에 제공되는
    발전 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 로터 샤프트는 상기 프로펠러에 제공되는
    발전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터 샤프트는 상기 프로펠러 샤프트에 제공되는
    발전 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 로터 샤프트는 상기 프로펠러 샤프트에 제공되는
    발전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전 유닛 및 상기 증속기는 일체로 형성되는
    발전 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 발전 유닛 및 상기 증속기는 일체로 형성되는
    발전 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 증속기는 유성 기어(planetary gear)인
    발전 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 증속기는 유성 기어인
    발전 장치.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6272147B2 (ja) 2014-05-30 2018-01-31 株式会社日立製作所 風力発電装置
JP6358927B2 (ja) * 2014-10-29 2018-07-18 三菱重工業株式会社 海中浮遊式海流発電装置
CN105065192B (zh) * 2015-08-26 2017-07-11 中国海洋大学 一种水轮机叶片变桨无线控制系统
JP6358993B2 (ja) * 2015-09-11 2018-07-18 三菱重工業株式会社 風力発電装置および風力発電装置の併入方法
DE102017118010A1 (de) * 2017-08-08 2019-02-14 Wobben Properties Gmbh Generator für eine Windenergieanlage und Windenergieanlage mit selbigem
CN110500229B (zh) * 2019-09-09 2020-12-01 浙江海洋大学 一种海洋能发电装置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0993864A (ja) * 1995-09-29 1997-04-04 Toyota Motor Corp 電動機及びその制御方法
US7075192B2 (en) * 2004-04-19 2006-07-11 Northern Power Systems, Inc. Direct drive wind turbine
DE102007060985A1 (de) * 2007-12-14 2009-06-18 Innovative Windpower Ag Vorrichtung zur Übertragung von Bereitstellungsmitteln
JP4100520B1 (ja) * 2007-12-28 2008-06-11 川崎重工業株式会社 アップウインド型風車及びその退避運転方法
ATE501356T1 (de) * 2008-01-17 2011-03-15 Gamesa Innovation And Technology S L Getriebeeinheit für eine windturbine
US8125095B2 (en) * 2008-06-18 2012-02-28 Duffey Christopher K Variable speed synchronous generator
US8057174B2 (en) * 2008-10-09 2011-11-15 General Electric Company Method for controlling a wind turbine using a wind flow model
DE102008063871A1 (de) * 2008-12-19 2010-07-01 Robert Bosch Gmbh Stationäre Energiegewinnungsanlage mit einer Steuereinrichtung und Verfahren zur Steuerung derselben
US7815536B2 (en) * 2009-01-16 2010-10-19 General Electric Company Compact geared drive train
US8008797B2 (en) * 2009-02-13 2011-08-30 Bernard Joseph Simon System for converting wind power to electrcial power with transmission
US20110049886A1 (en) * 2009-08-28 2011-03-03 Prueftechnik Dieter Busch Ag Device and method for detecting the loading of pivoted rotor blades
US8358029B2 (en) * 2009-09-24 2013-01-22 General Electric Company Rotor-shaft integrated generator drive apparatus
JP5498775B2 (ja) * 2009-12-25 2014-05-21 株式会社Ｗｉｎｄ−Ｓｍｉｌｅ 垂直軸風車
JP5562274B2 (ja) 2010-03-12 2014-07-30 Ｎｔｎ株式会社 摩耗検知装置およびそれを備える風力発電装置ならびに摩耗検知方法
ES2541408T3 (es) * 2010-10-18 2015-07-20 Vestas Wind Systems A/S Sistema de transmisión de potencia para una turbina eólica y procedimiento de instalación de un parque eólico que incluye el mismo
JP5626256B2 (ja) * 2012-04-12 2014-11-19 株式会社安川電機 発電装置

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