KR20130119178A - 새로운 구조의 수평축 풍력 터빈 발전기와 그 운전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수평축 풍력 터빈 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로터축으로부터 입력된 회전력을 동심이축 구조의 2개 회전축으로 분기하여 복수 개의 발전터빈 유닛으로 독립적으로 전달하는 것을 특징으로 하는 수평축 풍력 터빈 발전기에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 로터축에 의해 수평으로 입력된 회전력을 동심이축 구조의 2개의 회전축 성분으로 분기하여 회전하는 넛셀 내부가 아닌 탑에 고정된 둘 이상의 발전터빈유닛에 독립적으로 연결하는 구조를 통해 발전된 전력을 지상으로 용이하게 송전할 수 있을 뿐만 아니라, 발전 부하에 관계 없이 안정된 발전을 보장할 수 있다. 또한, 복 수의 소형 발전기를 탑 내부에 설치할 수 있어 방열문제를 효과적으로 해결할 수 있으며, 탑 내부 공간을 적극적으로 활용하는 구조를 통하여 설비의 유지보수를 용이하게 할 수 있다. 아울러, 본 발명은 두 개의 서로 역회전 하는 터빈 날개를 넛셀의 로터축에 대칭으로 장착함으로써, 터빈 날개의 무게 편중으로 인한 모멘트와 날개 회전과 넛셀 회전에 의해 발생되는 자이로스코픽 모멘트를 탑에 발생시키지 않을 수 있으며, 두 터빈 날개로부터 얻어진 에너지를 둘 이상의 발전터빈유닛에 연결할 수 있어 경제적인 발전이 가능하다는 장점이 있다.

Description

새로운 구조의 수평축 풍력 터빈 발전기와 그 운전 방법{Novel architecture for Horizontal-axis wind turbine system and operation methods thereof}

본 발명은 수평축 풍력 터빈 발전기와 그 운전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로터축으로부터 입력된 회전력을 동심이축 구조의 2개 회전축으로 분기하여 복수 개의 발전터빈 유닛으로 독립적으로 전달하는 것을 특징으로 하는 수평축 풍력 터빈 발전기와 그 운전 방법에 관한 것이다.

현재 사용되는 대부분의 수평축 풍력 터빈 발전기는 바람 방향에 평행하게 설치된 로터 회전력을 기어장치와 변속장치를 거쳐 발전기로 전달하는 구조로 되어있다. 이 때 터빈 로터, 변속기, 그리고 발전기는 넛셀(nacelle)이라 불리는 구조 내부에 장착되어 바람의 방향을 따라 넛셀과 터빈 날개가 같이 회전하게 된다. 이렇게 넛셀이 모든 발전설비를 포함하고 운전하게 되어있는 현재의 수평축 풍력 터빈 발전기는 공간 집약적으로 설계된 특별한 구조로 인하여 해결하기 어려운 많은 문제를 가지고 있다.

우선, 현재의 수평축 풍력 터빈 발전기는, 발전기가 넛셀 내부에 장착되어 바람 방향을 따라 회전하는 구조이기 때문에, 발전된 전력을 지상으로 전송하기 위해서 소형발전기의 경우 스립링과 브러시 장치를 이용하는 불편함이 있으며, 대형 발전기의 경우에는 전송 전류량이 너무 크기 때문에 스립링과 브러시 장치를 사용하는 대신 길이 여유가 있는 송전선을 직접 연결하여 미리 정한 만큼의 넛셀 회전은 허용하고 회전량이 허용치를 벗어난 경우는 발전을 중단하고 인위적으로 넛셀을 역회전시켜 송전선의 꼬임을 풀어주는 방식을 채택하고 있는 실정이다.

이러한 수평 로터식 풍력 발전기 구조로 인하여 발생되는 문제는 단지 송전문제에 국한되지 않는다. 회전하는 넛셀 내부에 변속기, 발전기, 냉각기, 인버터 등 대부분의 발전 설비를 설치하여 사용하는 기존 구조의 경우, 공간 제약으로 인하여 보다 효율적이고 경제적인 구조를 새롭게 시도하기 힘들다. 특히 한 대의 대용량 발전기를 증속기와 같이 넛셀에 설치하는 대부분의 대형 발전기 구조의 경우, 발전기와 증속기 윤활 시스템에서 발생하는 열의 냉각을 위해 강제 냉각 시스템의 설치가 필수적으로 요구되는데, (이는 근본적으로) 이 냉각 문제는 넛셀 내부에 공간 집약적으로 설치된 발전기 구조로부터 발생된다고 할 수 있다.

대형 풍력 발전기 기술과 관련된 또 다른 중요한 문제는 단위 설치 장소에서 발전된 전력량을 증가시키기 위해 필요한 기술 개발의 한계에 도달해 가고 있다는 점이다. 이는 특히 보다 넓은 면적을 통과하는 바람에너지를 모을 수 있도록 회전부인 날개의 크기를 늘이는 데 어려움이 발생되기 때문인데, 이 문제의 핵심에는 날개의 길이가 늘어날 수록 그 길이를 반경으로 하는 원의 면적은 길이에 제곱에 비례해서 증가하지만 날개의 무게는 길이에 세제곱에 비례해서 더 빠르게 증가한다는 물리적 사실이 존재한다. 따라서 날개의 길이를 늘이기 위해서는 길고 무거운 날개의 설계, 제작, 운반, 그리고 설치 등과 관련한 많은 어려운 문제를 해결해야 하는데, 관련기술 전문가들은 경제성을 같이 고려할 때 이러한 문제들 때문에 조만간 날개 크기를 키우는데 한계에 직면할 것으로 예견하고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 로터축으로부터 수평으로 입력된 회전력을 동심이축 구조의 2개의 수직 회전축 성분으로 분기하여 회전하는 넛셀 내부가 아닌 탑에 고정된 두 대 이상의 발전터빈유닛에 독립적으로 연결가능한 단축형 수평축 풍력 터빈 발전기 및 추가적으로 두 개의 서로 역회전 하는 터빈 날개를 넛셀의 로터축에 대칭으로 장착하여 발전 효율을 높일 수 있는 복축형 수평축 풍력 터빈 발전기를 제공하기 위한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 바람의 방향에 따라 회전하는 넛셀 및 터빈 날개, 로터축과 지면에 고정되는 발전기탑을 포함하는 단축형 수평축 풍력 터빈 발전기에 있어서, 상기 넛셀은 풍력에 따라 회전하는 상기 터빈 날개로부터 회전력을 전달받도록 상기 로터축의 일단부와 맞대음 결합된 수직 베벨기어; 상기 수직 베벨기어의 일단부와 맞춤 결합되어 회전력을 전달받는 제 1 수평 베벨기어; 상기 제 1 수평 베벨기어와 결합되어 회전력을 전달받는 수직축; 내부 홀이 상기 수직축에 관통되고 상기 수직 베벨기어의 타단부와 맞춤 결합되어 회전력을 전달받는 제 2 수평 베벨기어; 및 길이 방향의 내부 홀이 상기 수직축에 관통되고 상기 제 2 수평 베벨기어와 결합되어 회전력을 전달받는 중공축을 내부에 포함하며, 상기 발전기탑은 상기 수직축으로부터 전달받은 회전력에 따라 발전을 수행하는 제 1 발전터빈유닛 및; 상기 중공축으로부터 전달받은 회전력에 따라 발전을 수행하는 제 2 발전터빈유닛을 내부에 포함하되, 상기 복수개의 발전터빈유닛을 내부에 수용하고 있는 상기 발전기탑은 상기 넛셀의 하단부와 베이링 결합되어 상기 발전기탑은 상기 넛셀의 회전 운동과 무관하게 지면에 고정 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 넛셀이 수평 대칭으로 외부로 도출 연장된 한 쌍의 회전 가능한 로터축 및 상기 로터축의 단부에 고정 부착된 한 쌍의 터빈 날개를 포함하되, 풍력에 따라 회전하는 상기 한 쌍의 터빈 날개로부터 회전력을 각각 전달받도록 상기 한 쌍의 로터축의 일단부와 각각 결합된 한 쌍의 수직 베벨기어; 상기 한 쌍의 수직 베벨기어의 일단부와 양 단부가 맞춤 결합되어 회전력을 전달받는 제 1 수평 베벨기어; 상기 제 1 수평 베벨기어와 결합되어 회전력을 전달받는 수직축; 내부 홀이 상기 수직축에 관통되면서 상기 한 쌍의 수직 베벨기어의 타단부와 양 단부가 맞춤 결합되어 회전력을 전달받는 제 2 수평 베벨기어; 및 길이 방향의 내부 홀이 상기 수직축에 관통되고 상기 제 2 수평 베벨기어와 결합되어 회전력을 전달받는 중공축을 내부에 포함하는 복축형 수평축 풍력 터빈 발전기일 수도 있다.

상기 제 1 발전터빈유닛은 상기 수직축의 타단부와 맞춤 결합된 제 1 기어; 상기 제 1 기어와의 맞춤 결합을 통해 회전력을 전달받는 제 1 변속기축; 상기 제 1 변속기축으로부터 전달받은 회전력을 전기 생산이 가능한 설정된 수준의 회전력으로 변환하는 제 1 변속기 및; 상기 제 1 변속기에서 제공되는 회전력에 따라 풍력발전을 수행하는 수직축형 제 1 발전기를 포함할 수 있으며, 상기 제 2 발전터빈유닛은 상기 중공축의 타단부와 맞춤 결합된 제 2 기어; 상기 제 2 기어와 맞춤 결합을 통해 회전력을 전달받는 제 2 변속기축; 상기 제 2 변속기축으로부터 전달받은 회전력을 전기 생산이 가능한 설정된 수준의 회전력으로 변환하는 제 2 변속기 및’ 상기 제 2 변속기에서 제공되는 회전력에 따라 풍력발전을 수행하는 수직축형 제 2 발전기를 포함할 수 있다.

상기 제 1 발전터빈유닛 및 제2 발전터빈유닛은 하부에 직렬형으로 연결된 제 3 발전터빈유닛 및 제 4 발전터빈유닛을 각각 더 포함할 수 있다.

상기 발전기탑은 상기 수직축으로부터 전달받은 회전력에 따라 추가적인 발전을 수행하도록 상기 수직축에 병렬적으로 연결된 제 3 발전터빈유닛 및; 상기 중공축으로부터 전달받은 회전력에 따라 추가적인 발전을 수행하도록 상기 중공축에 병렬적으로 연결된 제 4 발전터빈유닛을 내부에 더 포함할 수도 있다.

상기 제 1 내지 4 발전터빈유닛 중 어느 하나 이상은 바람의 세기에 따라 발전기와의 연결을 조절하는 크러치를 더 포함할 수도 있다.

상기 단축형 수평축 풍력 터빈 발전기는 상기 로터축을 통해 상기 넛셀의 일측으로 연장 체결된 상기 터빈 날개와 수평면상의 대칭되는 상기 넛셀의 타측으로 연장 체결되는 꼬리 날개를 더 포함하여 상기 넛셀과 상기 터빈 날개가 풍향에 따라 자연적으로 수동적인 요잉 운동을 하도록 할 수도 있다.

상기 복축형 수평축 풍력 터빈 발전기는 상기 넛셀을 중심으로 수평면상으로 대칭되는 한 쌍의 로터축과 터빈 날개를 포함하도록 하여, 추가적인 요잉제어 시스템의 설치와 무관하게 펄링의 정도를 능동적으로 제어할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 로터축에 의해 수평으로 입력된 회전력을 동심이축 구조의 2개의 회전축 성분으로 분기하여 회전하는 넛셀 내부가 아닌 탑에 고정된 둘 이상의 발전터빈유닛에 독립적으로 연결하는 구조를 통해 발전된 전력을 지상으로 용이하게 송전할 수 있을 뿐만 아니라, 발전 부하에 관계 없이 안정된 발전을 보장할 수 있다. 또한, 복 수의 소형 발전기를 탑 내부에 설치할 수 있어 방열문제를 효과적으로 해결할 수 있으며, 탑 내부 공간을 적극적으로 활용하는 구조를 통하여 설비의 유지보수를 용이하게 할 수 있다..

또한, 본 발명은 두 개의 서로 역회전 하는 터빈 날개를 넛셀의 로터축에 대칭으로 장착함으로써, 터빈 날개의 무게 편중으로 인한 모멘트와 날개 회전과 넛셀 회전에 의해 발생되는 자이로스코픽 모멘트를 탑에 발생시키지 않을 수 있으며, 두 터빈 날개로부터 얻어진 에너지를 둘 이상의 발전터빈유닛에 연결할 수 있어 경제적인 발전이 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단축형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 꼬리날개를 갖는 단축형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도.
도 3은 능동 요잉 제어기에 관한 개념도.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 단축 병렬형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 단축 직렬형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도.
도 6은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 복축형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도.
도 7은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 단축 경사형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도.
도 8은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 단축 직접구동형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도.
도 9는 본 발명의 제 8 실시예에 따른 복축 직접구동형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도.
도 10은 본 발명의 제 9 실시예에 따른 복축 직접구동형 발전기 노출 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 동일한 부호로 표시한다. 또한, 아래 설명에서 이웃한 구성요소 간 모든 상대 회전 운동은 다수의 베어링(26)에 의해 발생 가능할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단축형 수평축 풍력 터빈 발전기 구조에 관한 단면도이며, 도 11은 그 단축형 수평축 풍력 터빈 발전기의 개념도이다. 본 발명은 일반 수평축형 풍력발전기 구조와 마찬가지로 바람의 방향에 따라 회전하는 넛셀(1), 터빈 날개(3), 로터축(5) 및 지면에 고정되는 발전기탑(2)을 포함한다. 그러나 본 발명의 넛셀(1)은 변속기와 발전기를 탑재하고 있는 기존의 수평축형 풍력발전기와는 달리, 풍력에 따라 회전하는 상기 터빈 날개(3)로부터 회전력을 전달받도록 상기 로터축(5)의 일단부와 결합된 수직 베벨기어(4)와 상기 수직 베벨기어(4)의 일단부와 맞춤 결합되어 회전력을 전달받는 제 1 수평 베벨기어(6) 및 상기 제 1 수평 베벨기어(6)와 결합되어 회전력을 전달받는 수직축(7)이 있으며, 내부 홀이 상기 수직축(7)에 의해 관통되면서 상기 수직 베벨기어(4)의 타단부와 맞춤 결합되어 회전력을 전달받는 제 2 수평 베벨기어(8) 및 길이 방향의 내부 홀이 상기 수직축(7)에 관통되고 상기 제 2 수평 베벨기어(8)와 결합되어 회전력을 전달받는 중공축(9)을 내부에 포함함으로써, 동심이축(同心二軸) 구조로 회전력을 하부의 발전탑(2) 내부에 최소 2 이상의 발전터빈유닛으로 독립적으로 보낼 수 있게 된다. 이러한 풍력 터빈 발전기 구조로 인해 수동과 능동 요잉을 모두 가능하게 하며, 발전기로부터 생산된 전력을 지상으로 전달하기 위해 스립링 같은 장치를 필요로 하지 않을 뿐만 아니라, 탑의 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 제2실시예로서, 꼬리날개를 갖는 단축형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도이다. 넛셀(5)의 타측으로 연장 체결되는 꼬리 날개로 인하여 상기 넛셀과 상기 터빈 날개가 풍향에 따라 자연적으로 수동적인 요잉 운동이 가능하다.

이하, 동심이축 구조의 회전력 전달 과정을 보다 상세히 설명하도록 한다.

우선 넛셀(1)의 요잉이 발생하지 않는다고 가정하면, 터빈 날개(3)의 넛셀(1)에 상대적인 회전운동은 로터축(5)를 통하여 수직 베벨기어(4)에 전달된다. 수직 베벨기어(4)에 입력된 회전운동은 기어 맞물림에 의해 제 1 수평 베벨기어(6) 및 제 2 수평 베벨기어(8)에 회전운동을 발생시키게 되며, 이 때 상기 두 수평 베벨기어(6,8)의 회전은 서로 반대 방향으로 발생하게 된다.

반대로 터빈 날개(3)와 로터축(5)이 넛셀(1)에 상대적으로 고정된 상태에서 넛셀(1)의 요잉이 발생할 경우를 고려하면, 두 개의 상기 수평 베벨기어(6,8)는 넛셀(1)의 요잉 속도와 동일한 속도로 회전하게 되지만 수직 베벨기어(4)는 넛셀(1)에 상대적인 회전은 하지 않은 채 요잉축을 중심으로 공전운동을 하게 된다. 따라서 터빈 날개(3)의 회전과 넛셀(1)의 요잉 운동이 동시에 발생하게 될 경우, 수직 베벨기어(4)는 로터축(5)를 중심으로 발생되는 자전운동과 요잉축을 중심으로 발생되는 공전운동을 복합적으로 하게 되며, 두 수평 베벨기어(6,8)는 수직 베벨기어(4)의 자전속도와 공전속도를 기구학적으로 혼합한 회전운동을 하게 된다.

이렇게 발생된 두 수평 베벨기어(6,8)의 회전운동은 동심이축(同心異軸) 구조를 통하여 발전기탑(2) 내부에 존재하는 두 대 이상의 발전터빈유닛으로 전달된다. 먼저, 수평 베벨기어(6)의 회전운동은 수직축(7)을 통해 제 1 기어(12)에 전달되고 이는 다시 제 1’기어(13)와의 맞춤결합에 의해 제 1 변속기축(14)를 따라 제 1 변속기(15)에 전달되어 최종적으로 수직축형 제 1 발전기(17)를 회전시키게 된다. 비슷한 메커니즘으로 제 2 수평 베벨기어(8)의 회전운동은 중공축(9)를 따라 제 2 기어(10)에 전달되어 다시 제 2’기어(11)와 제 2 변속기축(14)를 통해 제 2 변속기(15)에 전달되어 수직축형 제 2 발전기(16)를 회전시킨다. 여기서 두 발전기(16, 17)는 발전기탑(2) 상부에 고정 장착시키거나, 동력 전달에 사용하는 축들을 길게 연장함으로써 지상에 고정시킬 수 있기 때문에, 발전된 전력은 넛셀(1)의 자유로운 회전에도 불구하고 스립링과 같은 장치를 통할 필요 없이 전선(18)을 통하여 바로 지상으로 전송이 가능하다.

추가적으로, 상기 제 1 발전터빈유닛 또는 제 2 발전터빈유닛은 바람의 세기에 따라 발전기와의 기계적 연결을 조절하는 크러치(27)를 포함함으로써, 바람 세기에 따라 로터축(5)으로부터 느껴지는 회전 관성 및 마찰 저항을 줄게 하여 저속의 바람에도 발전 시작을 가능하게 할 수 있으며, 점차 바람의 세기가 강해짐에 따라 분리되었던 발전기들(16, 17)을 기계적으로 다시 연결시켜 발전부하를 효과적으로 가변시킴으로써 발전 효율을 극대화 시킬 수도 있다

이러한 운동 메커니즘을 보다 구체적으로 살펴보기 위하여 도면 2를 참고하여 운동관계식을 유도하면 아래의 식 <1>, <2>와 같고,

이로부터 역 관계식을 얻어내면 다음과 같다.

(여기서 모든 회전 운동은 오른손 엄지손가락을 화살표 방향을 향하게 할 때 나머지 오른손 손가락들을 자연스럽게 감싸 쥐어지는 방향으로 발생하는 것으로 정하며,

과

는 각각 로터축(5)의 회전속도와 넛셀(1)의 요잉속도를 나타내고,

과

는 각각 좌측과 우측 발전기의 회전속도를 나타내며,

와

는 동력전달 계통에 사용된 기어들 사이의 기어비에 의해 정해지는 양의 상수를 의미한다.)

위에서 설명한대로 식과 은 제 1, 2 발전기(17, 16)의 회전속도

과

는 터축(5)의 회전 속도

에 서로 반대 방향으로 비례하지만 넛셀(1) 요잉속도

에는 같은 방향으로 비례함을 보여준다. 여기서 두 가지 주목할 점은, 단순화된 관계식을 통해 설명을 쉽게 하기 위해, 상기 두 발전기(16, 17)는 기계적으로 대칭적인 동력 전달 메커니즘을 통해 연결되어 있다고 가정을 했는데, 만약 동력전달 메커니즘이 대칭이 아닐 경우 위 식은 2개의 상수(

와

)가 아닌 4 개의 상수가 포함되는 일반적인 형태로 얻어지게 된다는 사실과 상기 두 발전기(16, 17)의 전기적인 특성은 서로 달라도 무방하다는 점이다.

한편 동력전달 계통의 마찰을 무시하고 동력의 입출력 관계를 이용하면 다음 식<5>,<6>과 같은 토크 관계식을 얻을 수 있다.

이들의 역 관계식은 다음 식<7>,<8>과 같다.

식 내지 에서

과

는 각각 바람에 의해 로터축(5)에 발생된 토크와 넛셀(1)에 작용되는 요잉 토크를 의미하며,

과

는 각각 제 1 발전기(17) 및 제 2 발전기(16)의 축에 가해지는 토크를 나타낸다.

능동 요잉 제어

식와 또는 과 에서 알 수 있듯이 두 발전기(16, 17)의 축에 가해지는 토크가 아래 식<9>

를 만족하도록 발전 부하 토크가 균형 제어가 될 경우 요잉 토크

는 발생하지 않으며 로터축(5)에 발생된 토크는 두 개의 발전기(16, 17)에 다음과 같이 균등 분배된다.

여기서 요잉 토크가 발생하지 않는 다는 것은 넛셀(1)의 요잉 운동에 변화가 발생하지 않는다는 것을 의미하고, 특히 넛셀(1)이 요잉 운동을 하지 않고 정지해 있었다면 계속 정지상태를 유지한다는 것을 의미한다.

한편 두 개의 발전기(16, 17)의 발전 부하 토크의 불균형에 의해 식가 만족되지 않을 야기되는 넛셀 요잉 토크는 식<6>으로부터 다음과 같은 식<12>가 얻어지며

그 결과 넛셀 요잉 운동이 발생하게 되는데 이 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다. 우선 두 발전기들(16, 17)의 속도는 발전 부하 토크 불균형에 의하여 요잉 토크가 발생되기 이전의 평형 속도

,

로부터 각각

과

만큼 증감되어 다음 식<13>,<14>와 같이 새로운 속도

와

로 변하게 된다.

이에 대응하는 로터축(5) 회전 속도와 넛셀 요잉 운동 속도는 식<3>과 식<4>로부터 다음과 같은 식<15>,<16>을 얻을 수 있다.

여기서 주목할 점은, 만약

관계가 만족하도록 발전 부하 토크를 제어할 경우, 로터축(5)의 회전속도는 초기 평형속도인 식<17>

를 유지하게 되며 추가적인 요잉 운동만 다음 식<18>과 같이 발생한다는 사실이다.

이러한 원리를 이용하면 요잉 전용 모터 추가 설치 없이 두 발전기(16, 17)의 발전 토크의 적절한 제어를 통하여 넛셀 요잉 운동의 능동제어가 가능하다.

도 3은 능동 요잉 제어기 개념도이다. 여기서

는 풍향 센서로부터 얻어지는 바람 방향과 날개 방향과의 차이를 나타내는 요잉 오차를 의미한다. 제어기는 비례·적분·미분제어기(PID) 형태로 간단하게 구현될 수 있다. 한편, 제어기 출력

는 능동 요잉 제어에 요구되는 요잉 토크를 나타내며 식 과 을 통하여 요잉 제어에 필요한 두 발전기의 발전 부하 토크 변동량으로 구현될 수 있음을 알 수 있다.

수동 요잉 제어

만약 상기 두 개의 발전 부하 토크가 위와 같이 서로 균형을 이루며 발전이 이루어지고 있을 때 바람과 같은 외부적 요인으로 꼬리날개와 같은 구조물을 통하여 넛셀(1)에 요잉 토크

가 발생한다면 식 과 에서 알 수 있듯이 두 개의 발전기(16, 17)에 가해지는 토크 중 한 쪽은 증가하게 되고 다른 한 쪽은 감소하게 되며, 그 결과 자연스럽게 발전기들(16, 17)의 속도는 요잉 토크가 발생되기 이전의 평형 속도

로 부터

만큼 증감되어 다음 식<19>,<20>과 같이 새로운 속도

와

로 변하게 된다.

그 결과 식 과 에서 알 수 있듯이 로터축(5) 회전속도 변동 없이 외부적 요인으로 발생된 요잉 토크를 따라 다음 식<21>과 같은 넛셀 요잉이 일어나게 된다.

따라서 다운윈드(downwind) 구조 발전기나 도 2에서 예시된 꼬리 날개(19)를 설치한 업윈드(upwind) 구조 발전기 경우, 바람에 의해 자연적으로 요잉 토크가 발생하기 때문에 위에 설명한 원리에 의해 넛셀(1)과 터빈 날개(3)는 바람 부는 방향을 따라 자연적으로 수동적인 요잉 운동을 하게 된다.

병렬형 복수 발전기 구조

바람의 세기에 따라 발전 효율을 극대화하기 위하여 발전 부하를 가변하는 방법이 효과적이다. 이를 위해 한 개의 대형 발전기 대신 복수개의 소형 발전기를 그룹으로 설치하고 이들의 운전 모드를 바람의 세기에 따라 선택적으로 제어하는 방법이 바람직 할 수 있다. 도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 단축 병렬형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도로서, 제 1,2 기어(12, 10)을 통하여 각각 2개의 발전기(17, 16)를 서로 기계적 간섭이 발생하지 않도록 장착한 구조를 보여주고 있다. 여기서 크러치(27)는 발전기의 기계적 연결을 조절하는 역할을 한다. 따라서 크러치(27)를 사용하여 상기 발전기(16, 17)를 기계적으로 분리시킬 경우, 로터축(5)으로부터 느껴지는 회전 관성 및 마찰 저항이 줄어들게 되어 저속의 바람에도 발전 시작을 가능하게 할 수 있으며, 점차 바람의 세기가 강해짐에 따라 분리되었던 발전기들(16, 17)을 기계적으로 다시 연결시켜 발전부하를 효과적으로 가변시킴으로써 발전 효율을 극대화 할 수 있다. 그러나 병렬형 구조는 발전기탑(2)의 내부 직경과 기어 맞물림 구조에 제약을 받을 수 있다.

직렬형 복수 발전기 구조

발전기탑(2) 내부에 다수의 발전기를 그룹으로 장착하여 운전 모드를 선택 제어하기 위해서는 병렬형 구조를 사용하는 방법보다는 발전기탑(2) 내부 공간을 수직 방향으로 활용할 수 있는 직렬형 구조를 사용하는 방법이 더 바람직할 수 있다. 도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 단축 직렬형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도로서, 직렬형 복수 발전기 구조를 보여주고 있는데, 2개의 발전기(16, 17)의 회전축을 크러치(27)을 통하여 직접 연결하는 예를 보여준다. 위의 병렬형 복수 발전기 구조와 마찬가지로 바람의 세기에 따라 발전효율을 극대화 하기 위해, 발전기 시스템의 회전관성과 마찰 저항을 줄이기 위해 크러치(27)와 같은 장치를 이용하여 발전에 사용되는 발전기들을 선택할 수 있다. 위의 두 구조를 혼합한 직병렬 구조도 물론 가능함은 당연하다.

상기와 같이, 한 개의 대용량 발전기를 사용하는 것보다 다 수의 소형 발전기를 사용하는 위와 같은 구조는 발전기 냉각 문제 관점에서 큰 장점이 될 수 있는데, 이는 단위 발전기에서 발생되는 열을 감소시킴과 동시에 열 발생 원들을 공간적으로 넓게 분산시킬 수 있기 때문이다. 이 경우 자연냉각과 통풍만으로도 발전기들의 냉각이 가능할 수도 있다.

복축형 풍력 터빈 구조

도 6은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 복축형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도로서, 2개의 로터축(5, 20)을 사용하는 복축형 발전기를 보여주고 있다.

여기서, 넛셀(1)은 수평 대칭으로 외부로 도출 연장된 한 쌍의 회전 가능한 로터축(5, 20) 및 상기 로터축(5, 20)의 단부에 고정 부착된 한 쌍의 터빈 날개(3, 3’)를 포함하되, 풍력에 따라 회전하는 상기 한 쌍의 터빈 날개(3, 3’)로부터 회전력을 각각 전달받도록 상기 한 쌍의 로터축(5, 20)의 일단부와 각각 결합된 한 쌍의 수직 베벨기어(4, 21)와 상기 한 쌍의 수직 베벨기어(4, 21)의 일단부와 양 단부가 맞춤 결합되어 회전력을 전달받는 제 1 수평 베벨기어(6)가 위치하고, 상기 제 1 수평 베벨기어(6)와 결합되어 회전력을 전달받는 수직축(7) 및 내부 홀이 상기 수직축(7)에 관통되면서 상기 한 쌍의 수직 베벨기어(4, 4’)의 타단부와 양 단부가 맞춤 결합되어 회전력을 전달받는 제 2 수평 베벨기어(8) 및 길이 방향의 내부 홀이 상기 수직축에 관통되고 상기 제 2 수평 베벨기어와 결합되어 회전력을 전달받는 중공축을 내부에 포함한다.

이러한 구조의 경우 타측 로터축(20)은 일측 로터축(5)와는 반대 방향으로 회전을 해야 하기 때문에 같은 바람 방향에 대하여 타측 터빈 날개(3’)와 일측 터빈 날개(3)는 서로 반대 방향으로 회전력을 발생시키도록 설계 되어야 한다.

복축형 터빈의 경우 좌우 로터축(5, 20)의 회전속도

과

, 회전력

과 는 이미 소개된 단축형 터빈에 사용된 로터축 변수들과는 다음 식<22>,<23>을 만족한다.

따라서 기본 동작 원리는 식 와 를 사용하여 단축형 터빈 구조와 동일하게 이해하면 된다.

한편, 복축형 발전기 구조는 단위 설치 장소에 설치된 발전기로부터 발전된 전력을 극대화하는데 이점이 있다. 이는 기존 기술을 이중화 하여 설치하는 방법인데, 같은 크기의 두 개의 서로 역회전 하는 터빈 날개(3, 3’)를 넛셀(1) 양측에 대칭으로 장착하여 기존 단일 날개 발전기의 단점이었던 터빈 날개 무게의 편중으로 인한 모멘트와 날개 회전과 넛셀 회전에 의해 발생되는 자이로스코픽 모멘트를 탑에 발생시키지 않는 구조를 이용하고 두 터빈 날개(3, 3’)로부터 얻어진 에너지를 두 개의 발전터빈유닛들에 연결하여 경제적인 발전이 가능할 수 있게 된다.

능동 펄링(furling) 제어

상기 설명한 본 발명에 의하면 추가적인 요잉제어 시스템의 설치 없이 펄링의 정도를 능동적으로 제어하는 것이 가능하게 된다. 이는 앞서 소개된 능동요잉 제어기술을 이용하는 방법인데, 둘 이상의 발전터빈유닛에 발생하는 발전 부하 토크의 균형을 의도적으로 적절히 무너뜨려 넛셀이 바람을 부는 방향으로부터 적당량 편향된 채로 유지되도록 하여 날개로 입력되는 바람에너지를 능동적으로 제어하는 방법이다. 이 때, 두 발전터빈유닛 중 한 발전터빈유닛에 걸리는 발전부하 토크가 나머지 발전터빈유닛의 것 보다 상대척으로 증가하게 되는데, 따라서 발전량도 그에 비례해서 발생하게 된다. 한편, 도 6과 같이 터빈 날개(3, 3’)의 모양과 설치 형태가 공기 역학적으로 대칭적 구조를 가지고 있는 시스템의 경우 발전토크의 불균형을 최소화 하면서 펄링 제어를 할 수 있다.

경사형 풍력 터빈 구조

발전탑에 의한 바람의 왜곡이 터빈 날개(3)에 미치는 영향을 줄이기 위하여 발전탑과 터빈 날개(3)의 간격을 넓히는 구조가 사용되기도 하는데, 도 7은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 단축 경사형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도로서, 터빈축과 수평면과의 경사각

를 도입하여 발전탑과 터빈 날개(3)의 간격을 증가시킨 경사형 발전기를 보여주고 있다. 이 경우 좌측과 우측 발전기(17, 16)의 회전속도

과

의 로터 회전속도

과 요잉속도

에 대한 기구학적 관계식은 일반적으로 다음 식<24>,<25>와 같이 표현될 수 있다.

여기서

,

와

는 동력전달 계통에 사용된 기어들 사이의 기어비에 의해 정해지는 상수들 이다. 한편 로터축 토크

와 넛셀(1)을 회전시키려는 토크

의 좌·우측 발전기(17, 16)에 발생하는 발전 토크

과

사이의 관계식은 다음 식<26>,<27>과 같이 표현된다.

이 구조에서 주목할 점은 로터축 토크의 수직 성분에 의해 불필요한 요잉이 발생할 수 있다는 사실이다. 이를 방지하기 위해서는 두 발전기 발전 토크의 상대적인 크기를 다음과 같이 조절해야 한다. 요잉 토크 평형 관계식인 아래 식<28>

에 식와 을 대입하여 요잉 토크를 발생시키지 않는 발전 토크 관계식을 얻어내면 다음 식<29> 또는 식<30>과 같다.

식 또는 식 은 경사각

때, 발전 중 불필요한 요잉을 발생시키지 않기 위한 발전 토크 평형식이며,

인 경우에는

가 되어 앞에서 이미 언급한 식가 된다.

경사형 풍력 발전기의 능동 요잉 제어는 위의 식 또는 을 만족하는 발전 부하 토크를 기준으로 발전 부하 토크를 필요에 따라 인위적으로 증감시킴으로써 구현될 수 있으며, 반면에 수동 요잉 제어는 위의 평형 토크를 유지한 채 발전하고 있는 상태에서 외부적 요인으로 요잉 토크가 발생할 때 자연적으로 일어나게 된다.

동심이축으로 배치된 발전기를 이용한 풍력 터빈 발전기 구조

도 8은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 단축 직접구동형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도로서, 발전 효율을 높이기 위하여 수평축 터빈의 회전력을 기어를 사용하지 않고 직접 발전기로 입력하는 직접구동형 풍력 발전기 구조 단면도이다. 이 경우, 수평 베벨기어(8)에 연결된 중공축(9)의 회전력은 상부 발전기(22)에 직접 연결되며, 수평 베벨기어(6)에 연결된 축(7)의 회전력은 상부 발전기(22) 몸통을 관통하여 동심이축(同心異軸) 구조로 하부 발전기(23)에 연결된다.

한편 도 9는 본 발명의 제 8 실시예에 따른 복축 직접구동형 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도를 나타내며, 도 10 및 도 12는 본 발명의 제 9 실시예에 따른 복축 직접구동형 발전기 노출 수평축 풍력 터빈 발전기의 단면도 및 개념도로서 발전기(22, 23)를 발전기탑(2)에서 노출시켜 설치하는 것을 예시하고 있는데, 이 구조는 탑 설계 관점에서 고려할 때 발전기(22, 23)가 탑의 일부를 구성하는 구조도 가능함을 보여주며. 이 경우 발전기(22, 23)가 직접 외기에 노출될 수 있기 때문에 발전기의 자연 냉각에 도움이 될 수 있다.

상기의 본 발명은 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. (예를 들면 기어링 방식을 바꿔 발전기의 배치를 수평축 방식으로 할 수도 있으며, 전기기계적 특성이 상이한 발전기들을 사용할 수도 있다.) 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 넛셋 2: 발전기탑
3: 터빈 날기 4: 수직 베벨기어
5: 로터축 6: 제 1 수평 베벨기어
7: 수직축 8: 제 2 수평 베벨기어
9: 중공축 10, 11: 제 2 기어, 제 2’기어
12, 13: 제 1 기어, 제 1’기어14: 변속기축
15: 변속기 17, 16: 제 1 발전기, 제 2 발전기
18: 전선 19: 꼬리 날개
26: 베어링 27: 크러치

Claims (14)

1. 바람의 방향에 따라 회전하는 넛셀 및 터빈 날개, 로터축과 지면에 고정되는 발전기탑을 포함하는 수평축 풍력 터빈 발전기에 있어서,
   상기 넛셀은,
   풍력에 따라 회전하는 상기 터빈 날개로부터 회전력을 전달받도록 상기 로터축의 일단부와 맞대음 결합된 수직 베벨기어; 상기 수직 베벨기어의 일단부와 맞춤 결합되어 회전력을 전달받는 제 1 수평 베벨기어; 상기 제 1 수평 베벨기어와 결합되어 회전력을 전달받는 수직축; 내부 홀이 상기 수직축에 관통되고 상기 수직 베벨기어의 타단부와 맞춤 결합되어 회전력을 전달받는 제 2 수평 베벨기어; 및 길이 방향의 내부 홀이 상기 수직축에 관통되고 상기 제 2 수평 베벨기어와 결합되어 회전력을 전달받는 중공축을 내부에 포함하며,
   상기 발전기탑은,
   상기 수직축으로부터 전달받은 회전력에 따라 발전을 수행하는 제 1 발전터빈유닛 및; 상기 중공축으로부터 전달받은 회전력에 따라 발전을 수행하는 제 2 발전터빈유닛을 내부에 포함하되,
   상기 복수개의 발전터빈유닛을 내부에 수용하고 있는 상기 발전기탑은 상기 넛셀의 하단부와 베어링 결합되어 상기 발전기탑은 상기 넛셀의 회전 운동과 무관하게 지면에 고정 장착되는 것을 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기..
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 발전터빈유닛은,
   상기 수직축의 타단부와 결합된 제 1 기어; 상기 제 1 기어와의 맞춤 결합을 통해 회전력을 전달받는 제 1 변속기축; 상기 제 1 변속기축으로부터 전달받은 회전력을 전기 생산이 가능한 설정된 수준의 회전력으로 변환하는 제 1 변속기 및; 상기 제 1 변속기에서 제공되는 회전력에 따라 풍력발전을 수행하는 제 1 발전기를 포함하며,
   상기 제 2 발전터빈유닛은,
   상기 중공축의 타단부와 결합된 제 2 기어; 상기 제 2 기어와 맞춤 결합을 통해 회전력을 전달받는 제 2 변속기축; 상기 제 2 변속기축으로부터 전달받은 회전력을 전기 생산이 가능한 설정된 수준의 회전력으로 변환하는 제 2 변속기 및’ 상기 제 2 변속기에서 제공되는 회전력에 따라 풍력발전을 수행하는 제 2 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제 1 발전터빈유닛 또는 제 2 발전터빈유닛은 바람의 세기에 따라 발전기와의 연결을 조절하는 크러치를 포함하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 발전터빈유닛은 하부에 직렬형으로 연결된 제 3 발전터빈유닛을 더 포함하고,
   상기 제 2 발전터빈유닛은 하부에 직렬형으로 연결된 제 4 발전터빈유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 발전기탑은,
   상기 수직축으로부터 전달받은 회전력에 따라 추가적인 발전을 수행하도록 상기 수직축에 병렬적으로 연결된 제 3 발전터빈유닛 및; 상기 중공축으로부터 전달받은 회전력에 따라 추가적인 발전을 수행하도록 상기 중공축에 병렬적으로 연결된 제 4 발전터빈유닛을 내부에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
   상기 제 3 발전터빈유닛 또는 제 4 발전터빈유닛은 바람의 세기에 따라 발전기와의 연결을 조절하는 크러치를 포함하는 것을 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기.
7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 수평축 풍력 터빈 발전기는
   업윈드 타입의 경우 상기 로터축을 통해 상기 넛셀의 일측으로 연장 체결된 상기 터빈 날개와 수평면상의 대칭되는 상기 넛셀의 타측으로 연장 체결되는 꼬리 날개를 더 포함하거나, 또는 터빈 날개를 바람이 불어가는 쪽에 설치하는 다운윈드 타입의 경우 상기 로터축을 통해 상기 넛셀의 일측으로 연장 체결된 상기 터빈 날개와 수평면상의 대칭되는 상기 넛셀의 타측으로 연장 체결되는 꼬리 날개를 더 포함하여 상기 넛셀과 상기 터빈 날개가 풍향에 따라 자연적으로 수동적인 요잉 운동을 하도록 한 것을 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기.
8. 바람의 방향에 따라 회전하는 넛셀 및 지면에 고정되는 발전기탑을 포함하는 수평축 풍력 터빈 발전기에 있어서,
   상기 넛셀은,
   수평 대칭으로 외부로 도출 연장된 한 쌍의 회전 가능한 로터축 및 상기 로터축의 단부에 고정 부착된 한 쌍의 터빈 날개를 포함하되,
   풍력에 따라 회전하는 상기 한 쌍의 터빈 날개로부터 회전력을 각각 전달받도록 상기 한 쌍의 로터축의 일단부와 각각 결합된 한 쌍의 수직 베벨기어; 상기 한 쌍의 수직 베벨기어의 일단부와 양 단부가 맞춤 결합되어 회전력을 전달받는 제 1 수평 베벨기어; 상기 제 1 수평 베벨기어와 결합되어 회전력을 전달받는 수직축; 내부 홀이 상기 수직축에 관통되면서 상기 한 쌍의 수직 베벨기어의 타단부와 양 단부가 맞춤 결합되어 회전력을 전달받는 제 2 수평 베벨기어; 및 길이 방향의 내부 홀이 상기 수직축에 관통되고 상기 제 2 수평 베벨기어와 결합되어 회전력을 전달받는 중공축을 내부에 포함하며,
   상기 발전기탑은,
   상기 수직축으로부터 전달받은 회전력에 따라 발전을 수행하는 수직축 제 1 발전터빈유닛 및; 상기 중공축으로부터 전달받은 회전력에 따라 발전을 수행하는 수직축 제 2 발전터빈유닛을 내부에 포함하되,
   상기 복수개의 수직축 발전유닛을 내부에 수용하고 있는 상기 발전기탑은 상기 넛셀의 하단부와 베이링 결합되어 상기 발전기탑은 상기 넛셀의 회전 운동과 무관하게 지면에 고정 장착되도록 한 것을 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제 1 발전터빈유닛은,
   상기 수직축의 타단부와 맞춤 결합된 제 1 기어; 상기 제 1 기어와의 맞춤 결합을 통해 회전력을 전달받는 제 1 변속기축; 상기 제 1 변속기축으로부터 전달받은 회전력을 전기 생산이 가능한 설정된 수준의 회전력으로 변환하는 제 1 변속기 및; 상기 제 1 변속기에서 제공되는 회전력에 따라 풍력발전을 수행하는 제 1 발전기를 포함하며,
   상기 제 2 발전터빈유닛은,
   상기 중공축의 타단부와 맞춤 결합된 제 2 기어; 상기 제 2 기어와 맞춤 결합을 통해 회전력을 전달받는 제 2 변속기축; 상기 제 2 변속기축으로부터 전달받은 회전력을 전기 생산이 가능한 설정된 수준의 회전력으로 변환하는 제 2 변속기 및’ 상기 제 2 변속기에서 제공되는 회전력에 따라 풍력발전을 수행하는 제 2 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 발전터빈유닛 또는 제 2 발전터빈유닛은 바람의 세기에 따라 발전기와의 연결을 조절하는 크러치를 포함하는 것을 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 발전터빈유닛은,
    하부에 직렬형으로 연결된 제 3 발전터빈유닛을 더 포함하고,
    상기 제 2 발전터빈유닛은,
    하부에 직렬형으로 연결된 제 4 발전터빈유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기.
12. 제 8항에 있어서,
    상기 발전기탑은,
    상기 수직축으로부터 전달받은 회전력에 따라 추가적인 발전을 수행하도록 상기 수직축에 병렬적으로 연결된 제 3 발전터빈유닛 및; 상기 중공축으로부터 전달받은 회전력에 따라 추가적인 발전을 수행하도록 상기 중공축에 병렬적으로 연결된 제 4 발전터빈유닛을 내부에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기
13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 제 3 발전터빈유닛 또는 제 4 발전터빈유닛은 바람의 세기에 따라 발전기와의 연결을 조절하는 크러치를 포함하는 것을 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기.
14. 제 8항 내지 제 11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 수평축 풍력 터빈 발전기는
    상기 넛셀을 중심으로 수평면상으로 대칭되는 한 쌍의 로터축과 터빈 날개를 포함하도록 하여, 추가적인 요잉제어 시스템의 설치와 무관하게 펄링의 정도를 능동적으로 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 동심이축 방식으로 회전력을 전달하는 수평축 풍력 터빈 발전기.

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