KR20140032870A - 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력 발전기는, 풍속가속장치가 구비됨으로써, 상기 로터 하우징 내부로 유입되는 바람의 속도를 증가시켜 풍속이 낮은 지역에서도 발전 효율을 최대화시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 풍향추종장치를 구비함으로써, 바람의 방향이 바뀌더라도 상기 로터 하우징을 항상 바람이 불어오는 방향으로 회전시켜, 상기 로터 하우징은 항상 충분한 바람을 받으며 회전할 수 있기 때문에, 발전 효율이 향상될 수 있는 이점이 있다. 또한, 풍향완충부재가 구비됨으로써, 순간 풍속이나 풍량이 급격히 증가하더라도 상기 회동풍향판이 열려 바람이 공간부를 통과하기 때문에, 바람에 의해 상기 수직 프레임이 파손되는 것이 방지될 수 있다. 또한, 회전력 전달장치가 베벨기어 구조로 이루어지기 때문에, 베벨기어의 기어비를 조절함으로써 증속이 가능하여, 별도의 증속장치가 필요없는 이점이 있다. 또한, 풍속에 따라 바람에 의해 상기 블레이드의 각도를 변화시키는 블레이드 피칭수단이 구비됨으로써, 바람에 의한 블레이드의 손상이 방지될 수 있다. 또한, 상기 블레이드 피칭수단은 불어오는 바람의 힘에 의해 작동되어 상기 블레이드의 각도를 변화시키므로, 별도의 구동장치가 필요하지 않는 이점이 있다.

Description

무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기{self-controlled rotor blades according to variable air directions without external power}

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 블레이드의 내구성이 향상되고 유지 관리가 용이하며, 발전 효율이 향상될 수 있는 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기를 제공하는 데 있다.

일반적으로 수평형 풍력 발전기는 로터, 나셀 및 타워로 구성된다. 상기 로터는 날개, 허브 및 피칭 시스템을 포함한다. 상기 나셀은 기어박스, 요잉 시스템, 메인프레임, 전기장치 및 발전기를 포함한다. 상기 나셀은 상기 로터의 앞면이나 뒷면에 설치될 수 있으며, 설치 위치에 따라 업윈드형(맞바람형)과 다운윈드형(뒷바람형)으로 구분된다.

통상, 발전용량 2MW의 풍력발전기의 경우, 상기 나셀의 중량이 60~70톤이므로, 이를 지지하는 60~100m 높이의 타워는 구조적 강성 보강을 위한 제작 설치 및 유지관리 비용이 많이 드는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 수직형 풍력발전기가 고안되고 있으나, 수직형 풍력발전기는 대용량 발전이 매우 어렵다.

대한민국 등록특허 10-1035096호(발명의 명칭:다단 프로펠러를 이용한 풍력발전장치 및 방법)에서는 전단부가 호퍼 형태로 이루어지고 후단부가 원통형으로 이루어진 로터하우징의 전단부 내측에 감속용 프로펠러를 설치하여 바람을 감속시키고, 로터하우징 후단부에 발전용 프로펠러를 설치하여 태풍으로부터 발전용 프로펠러를 보호하는 방법을 개시하고 있으나, 질량유량 = 공기밀도*단면적*풍속이므로, 저풍속영역에서는 발전이 불가능하고 고풍속영역일 경우에도 감속용 프로펠러가 공기의 질량유량을 감소시키므로 발전 효율이 저하되는 단점이 있다.

상기 풍력 발전기는, 로터가 풍력에 의해 회전하고, 이 회전운동에너지가 나셀 내부의 발전기를 작동시켜 전기 에너지를 생산하는 장치이다. 상기 풍력 발전기는 태양광발전기와 비교하여 건설 부지를 적게 차지하며, 날씨에 큰 영향이 없이 적당한 바람만 있으면 전력을 생산할 수 있는 장점이 있다. 국내에서 바람이 많이 부는 지역인 대관령은 연평균 풍속이 6.5㎧, 백령도는 연평균 풍속이 7.1㎧ 이며, 미시령과 제주도 고산면은 연평균 풍속이 8.7~8.8 ㎧이다. 대부분의 수평형 풍력발전기는 통상적으로 8~15 ㎧ 이상에서 발전이 가능하고, 풍속이 6㎧ 이하일 경우에는 전력 생산의 경제성이 없으므로 이러한 지역에서는 풍력발전기의 설치 및 운영이 사실상 불가능하다. 반대로 풍속이 25㎧ 이상이면 풍력발전기가 파손될 가능성으로 발전이 불가능한 단점이 있다.

본 발명의 목적은, 블레이드의 손상이 방지될 수 있고, 풍속이 낮은 지역에서도 풍력 발전의 경제성 확보가 가능한 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기는, 지상으로부터 적정 높이를 유지하여 설치된 타워와, 상기 타워의 상단에 장착된 하우징케이스에 의해 보호되는 원통형의 로터하우징, 상기 로터하우징의 중앙 영역에 배치된 허브, 상기 로터하우징과 허브사이에 장착된 복수의 블레이드들, 상기 하우징 케이스의 전면에 장착되어 유입되는 바람의 풍속을 가속하는 풍속가속장치, 및 상기 로터 하우징의 후방에 장착되어 상기 로터하우징을 바람이 불어오는 방향으로 회전시키는 풍향추종장치를 포함하는 블레이드장치와, 상기 블레이드 장치의 회전력을 지상의 발전기로 전달하는 회전력 전달장치를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기는, 지상으로부터 적정 높이를 유지하여 설치된 타워와, 상기 타워의 상단에 장착되고, 일단 내주연이 넓고 타단으로 갈수록 좁아지도록 형성되어 유입되는 바람의 풍속을 가속하기 위한 풍속가속장치, 상기 풍속가속장치의 내주연에서 바람의 흐름 방향으로 서로 소정간격 이격된 위치에 각각 회전가능하게 구비되고 원통형으로 이루어진 전,후방 로터하우징, 상기 전,후방 로터하우징의 중앙 영역에 배치된 전,후방허브, 상기 전,후방 로터하우징과 상기 전,후방 허브사이에 장착된 복수의 블레이드들, 및 상기 풍속가속장치의 후면에 장착되어 상기 풍속가속장치를 바람이 불어오는 방향으로 회전시키는 풍향추종장치를 포함하는 블레이드장치와, 상기 블레이드 장치의 회전력을 지상의 발전기로 전달하는 회전력 전달장치를 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기는, 상기 하우징 케이스의 전면에 장착되어 유입되는 바람의 풍속을 가속하는 풍속가속장치를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 하우징 케이스는, 상기 타워의 상단에 장착되고, 일단 내주연이 넓고 타단으로 갈수록 좁아지도록 형성되어 유입되는 바람의 풍속을 가속하는 풍속가속장치를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 풍향추종장치는, 상기 로터하우징의 후면에 연직방향으로 배치되어 상,하단이 장착되고, 후방으로 갈수록 면적이 축소되게 형성된 수직 프레임과, 상기 수직 프레임과 교차되게 십자형으로 연결되고, 상기 로터하우징의 후면에 수평방향으로 배치되어 좌,우 양단이 장착되고, 후방으로 갈수록 면적이 축소되게 형성된 수평 프레임을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 수직 프레임과 상기 수평 프레임은 삼각형 또는 반원 형상으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 풍향추종장치는, 상기 수직 프레임에 구비되어, 순간 풍속이나 풍량이 급격히 증가할 경우, 바람의 흐름 방향으로 개방되는 풍향완충부재를 더 포함할 수 있다. 상기 풍향완충부재는, 상기 수직 프레임에서 서로 소정간격 이격된 위치에 관통 형성된 복수의 공간부들과; 상기 공간부에 회동가능하게 장착된 회동 풍향판을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 수평 프레임은 적어도 하나 이상의 절개부가 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 복수의 블레이드들은, 상기 로터 하우징의 내주연과 상기 허브의 외주연 사이에서 각각 피봇수단에 의해 회동가능하게 결합되고, 상기 피봇수단은, 양단이 상기 로터 하우징의 내주연과 상기 허브의 외주연에 각각 회동가능하게 결합된 복수의 회전봉들을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 각 블레이드는, 소정의 단위 길이를 갖도록 분할 제작되어, 상기 회전봉에 축방향으로 일체로 결합될 수 있다. 상기 피봇수단에 결합되고, 바람에 의해 구동되어 상기 블레이드의 각도를 변화시키는 블레이드 피칭수단을 더 포함할 수도 있다. 상기 블레이드 피칭수단은, 상기 허브의 내부에서 상기 복수의 회전봉들에 각각 결합되어, 상기 각 블레이드와 일체로 회전하는 피니언 기어들, 상기 허브의 내부에서 상기 피니언 기어에 치합되고, 직선왕복운동하는 랙 기어들, 설정 풍속 이상에서 바람에 의해 회전하는 복수의 회전 부재들, 및 상기 랙 기어들과 상기 회전 부재들을 각각 연결하여, 상기 각 회전 부재의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시켜 상기 각 랙 기어에 전달하는 크랭크 기구들을 포함할 수 있다. 상기 회전부재는, 고정축과, 상기 설정풍속 이상에서 상기 고정축을 중심으로 회전가능하게 설치되고 양단에 밸런스 웨이트가 장착된 크랭크 암과, 상기 고정축과 상기 크랭크 암사이에 설치되어 상기 설정 풍속 미만에서 상기 크랭크 암을 탄성 지지하는 토션 스프링을 포함할 수 있다. 상기 크랭크 기구는, 일단이 상기 크랭크 암에 결합된 제1커넥팅 로드와, 상기 제1커넥팅 로드의 타단에 결합되어 직선 운동하는 슬라이더와, 상기 슬라이더와 상기 랙 기어를 연결하여 상기 랙 기어에 직선 운동을 전달하는 제2커넥팅 로드를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 블레이드 피칭수단은, 상기 허브의 내부에서 상기 복수의 회전봉들에 각각 결합된 복수의 메인 베벨기어들, 상기 복수의 메인 베벨기어들 사이에 배치되어 치합되는 복수의 보조 베벨기어들, 상기 복수의 회전봉들 중 어느 하나에 결합되어 일체로 회전하는 피니언 기어, 상기 피니언 기어와 치합되고, 직선왕복운동하는 랙 기어, 설정 풍속 이상에서 바람에 의해 회전하는 회전 부재, 및 상기 랙 기어와 상기 회전 부재를 연결하여, 상기 회전 부재의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시켜 상기 랙 기어에 전달하는 크랭크 기구를 포함할 수 있다. 상기 회전부재는, 고정축과, 상기 설정풍속 이상에서 상기 고정축을 중심으로 회전가능하게 설치되고 양단에 밸런스 웨이트가 장착된 크랭크 암과, 상기 고정축과 상기 크랭크 암사이에 설치되어 상기 설정 풍속 미만에서 상기 크랭크 암을 탄성 지지하는 토션 스프링을 포함할 수 있다. 상기 크랭크 기구는, 일단이 상기 크랭크 암에 결합된 제1커넥팅 로드와, 상기 제1커넥팅 로드의 타단에 결합되어 직선 운동하는 슬라이더와, 상기 슬라이더와 상기 랙 기어를 연결하여 상기 랙 기어에 직선 운동을 전달하는 제2커넥팅 로드를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 블레이드 피칭수단은, 상기 허브의 내부에서 상기 회전봉에 결합되어, 상기 각 블레이드와 일체로 회전하는 피니언 기어, 상기 허브의 내부에서 상기 피니언 기어에 치합되는 랙 기어, 슬라이딩 레일을 따라 바람에 의해 직선 운동하는 제1슬라이더, 상기 제1슬라이더와 상기 랙 기어를 연결하여, 상기 제1슬라이더의 직선 운동을 상기 랙 기어의 직선 운동으로 방향을 변환시키는 크랭크 기구를 포함할 수 있다. 상기 크랭크 기구는,

본 발명에 있어서, 상기 제1슬라이더에 일단이 결합된 제1커넥팅 로드, 상기 제1커넥팅 로드의 타단에 결합되고 상기 제1슬라이더의 직선운동방향과 수직한 방향으로 직선운동하는 제2슬라이더, 상기 제2슬라이더와 상기 랙 기어를 연결하는 제2커넥팅 로드를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 회전력 전달장치는, 상기 로터하우징의 외주연에 형성된 외접기어에 치합되는 상부기어와, 상기 상부기어에 결합된 수평 회전축과, 상기 수평 회전축의 일단에 수직으로 축설된 상부 수직베벨기어와, 상기 상부 수직베벨기어에 수평으로 치합되는 상부 수평베벨기어와, 상기 상부 수평베벨기어에 축설된 수직축과, 상기 수직축의 하부에 결합된 하부 수평베벨기어와, 상기 하부 수평베벨기어에 수직으로 치합되는 하부 수직베벨기어와, 상기 하부 수직베벨기어가 결합된 하부 수평축과, 상기 하부 수평축과 상기 발전기를 연결하는 하부 수평연결축을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 회전력 전달장치는, 상기 로터하우징의 외주연에 형성된 외접기어에 치합되는 상부기어와, 상기 상부기어에 결합된 수평 회전축과, 상기 수평 회전축의 일단에 수직으로 축설된 수직베벨기어와, 상기 수직 베벨기어에 수평으로 치합되는 수평 베벨기어와, 상기 수평 베벨기어에 축설된 수직축과, 상기 수직축과 상기 발전기를 연결하는 발전기 연결축을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 회전력 전달장치는, 상기 전방 로터하우징의 외주연에 형성된 외접기어에 치합되는 전방 상부기어와, 상기 후방 로터하우징의 외주연에 형성된 외접기어에 치합되는 후방 상부기어와, 상기 전방 상부기어와 상기 후방 상부기어를 연결하는 수평 회전축과, 상기 수평 회전축의 일단에 수직으로 축설된 상부 수직베벨기어와, 상기 상부 수직 베벨기어에 수평으로 치합되는 상부 수평 베벨기어와, 상기 상부 수평 베벨기어에 축설된 수직축과, 상기 수직축의 하부에 결합된 하부 수평 베벨기어와, 상기 하부 수평 베벨기어에 수직으로 치합되는 하부 수직 베벨기어와, 상기 하부 수직 베벨기어가 결합된 하부 수평축과, 상기 하부 수평축과 상기 발전기를 연결하는 하부 수평 연결축을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 풍속가속장치는, 측면 중 적어도 일부에 형성된 복수의 관통홀들과, 상기 복수의 관통홀들에 각각 회동가능토록 결합되고, 외부에서 측방향으로 부는 바람에 의해 상기 복수의 관통홀들을 개방하는 도어를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기는, 지상으로부터 적정 높이를 유지하여 설치된 타워와, 상기 타워의 상단에 장착된 하우징케이스에 의해 보호되는 원통형의 로터하우징, 상기 로터하우징의 중앙 영역에 배치된 허브, 상기 로터하우징과 허브사이에 장착된 복수의 블레이드들, 상기 하우징 케이스의 전면에 장착되어 유입되는 바람의 풍속을 가속하는 풍속가속장치, 및 상기 로터 하우징의 후방에 장착되어 상기 로터하우징을 바람이 불어오는 방향으로 회전시키는 풍향추종장치와, 상기 블레이드가 결합되고, 양단이 상기 로터 하우징의 내주연과 상기 허브의 외주연에 회동가능하게 결합된 회전봉과, 상기 회전봉에 결합되고 바람에 의해 구동되어 상기 블레이드의 각도를 회전시키는 블레이드 피칭수단을 포함하는 블레이드장치와, 상기 블레이드 장치의 회전력을 지상의 발전기로 전달하는 회전력 전달장치를 포함하고, 상기 풍향추종장치는, 상기 로터하우징의 후면에 연직방향으로 배치되어 상,하단이 장착되고, 후방으로 갈수록 면적이 축소되게 형성된 수직 프레임과, 상기 수직 프레임과 교차되게 십자형으로 연결되고, 상기 로터하우징의 후면에 수평방향으로 배치되어 좌,우 양단이 장착되고, 후방으로 갈수록 면적이 축소되게 형성된 수평 프레임을 포함하고, 상기 블레이드 피칭수단은, 상기 허브의 내부에서 상기 복수의 회전봉들에 각각 결합되어, 상기 각 블레이드와 일체로 회전하는 피니언 기어, 상기 허브의 내부에서 상기 피니언 기어에 치합되고, 직선왕복운동하는 랙 기어들, 설정 풍속 이상에서 바람에 의해 회전하는 회전 부재, 및 상기 랙 기어와 상기 회전 부재를 연결하여, 상기 회전 부재의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시켜 상기 랙 기어에 전달하는 크랭크 기구를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기는, 지상으로부터 적정 높이를 유지하여 설치된 타워와, 상기 타워의 상단에 장착된 하우징케이스에 의해 보호되는 원통형의 로터하우징, 상기 로터하우징의 중앙 영역에 배치된 허브, 상기 로터하우징과 허브사이에 장착된 복수의 블레이드들, 상기 하우징 케이스의 전면에 장착되어 유입되는 바람의 풍속을 가속하는 풍속가속장치, 및 상기 로터 하우징의 후방에 장착되어 상기 로터하우징을 바람이 불어오는 방향으로 회전시키는 풍향추종장치와, 상기 블레이드가 결합되고, 양단이 상기 로터 하우징의 내주연과 상기 허브의 외주연에 회동가능하게 결합된 회전봉과, 상기 회전봉에 결합되고 바람에 의해 구동되어 상기 블레이드의 각도를 회전시키는 블레이드 피칭수단을포함하는 블레이드장치와, 상기 블레이드 장치의 회전력을 지상의 발전기로 전달하는 회전력 전달장치를 포함하고, 상기 풍향추종장치는, 상기 로터하우징의 후면에 연직방향으로 배치되어 상,하단이 장착되고, 후방으로 갈수록 면적이 축소되게 형성된 수직 프레임과, 상기 수직 프레임과 교차되게 십자형으로 연결되고, 상기 로터하우징의 후면에 수평방향으로 배치되어 좌,우 양단이 장착되고, 후방으로 갈수록 면적이 축소되게 형성된 수평 프레임을 포함하고, 상기 블레이드 피칭수단은, 상기 허브의 내부에서 상기 복수의 회전봉들에 각각 결합된 복수의 메인 베벨기어들, 상기 복수의 메인 베벨기어들 사이에 배치되어 치합되는 복수의 보조 베벨기어들, 상기 복수의 회전봉들 중 어느 하나에 결합되어 일체로 회전하는 피니언 기어, 상기 피니언 기어와 치합되고, 직선왕복운동하는 랙 기어, 설정 풍속 이상에서 바람에 의해 회전하는 회전 부재, 및 상기 랙 기어와 상기 회전 부재를 연결하여, 상기 회전 부재의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시켜 상기 랙 기어에 전달하는 크랭크 기구를 포함한다.

본 발명에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기는, 기어장치와 발전기 등이 타워 내부 및 지상에 구비됨으로써, 건설이 용이하고, 고장이나 이상 발생시 수리 및 교체 등 유지 관리가 용이한 이점이 있다. 또한, 나셀 하중의 감소로 인해 발전기의 경량화 및 슬림화가 가능한 이점이 있다.

또한, 로터 하우징의 전방에 풍속가속장치가 구비됨으로써, 상기 로터 하우징 내부로 유입되는 바람의 속도를 증가시켜 풍속이 낮은 지역에서도 발전 효율을 최대화시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 로터 하우징의 후방에 풍향추종장치를 구비함으로써, 바람의 방향이 바뀌더라도 상기 로터 하우징을 항상 바람이 불어오는 방향으로 회전시켜, 상기 로터 하우징은 항상 충분한 바람을 받으며 회전할 수 있기 때문에, 발전 효율이 향상될 수 있는 이점이 있다.

또한, 풍향추종장치는 수직 프레임과 수평 프레임이 교차되게 십자형으로 결합되기 때문에, 수직 프레임의 강성이 보완되어 구조 안정성이 확보될 수 있는 이점이 있다.

또한, 풍향추종장치의 수직 프레임에는 바람에 의해 회전하는 회동풍향판을 포함하는 풍향완충부재가 구비됨으로써, 순간 풍속이나 풍량이 급격히 증가하더라도 상기 회동풍향판이 열려 바람이 공간부를 통과하기 때문에, 바람에 의해 상기 수직 프레임이 파손되는 것이 방지될 수 있다.

또한, 회전력 전달장치가 베벨기어 구조로 이루어지기 때문에, 베벨기어의 기어비를 조절함으로써 증속이 가능하여, 별도의 증속장치가 필요없는 이점이 있다.

또한, 블레이드는 로터 하우징과 허브 사이에 피봇수단에 의해 회전가능토록 결합됨으로써, 블레이드의 단부에서 발생하는 변형이 방지될 수 있다.

또한, 블레이드는 단위길이로 분할 제작된 후, 하나의 피봇수단에 결합되어 일체를 이룰 수 있기 때문에, 운반이 용이하고, 부분 조립이 가능하여 최대 출력 확보를 위한 블레이드의 길이 연장이 용이한 이점이 있다.

또한, 풍속에 따라 바람에 의해 상기 블레이드의 각도를 변화시키는 블레이드 피칭수단이 구비됨으로써, 바람에 의한 블레이드의 손상이 방지될 수 있다. 또한, 상기 블레이드 피칭수단은 불어오는 바람의 힘에 의해 작동되어 상기 블레이드의 각도를 변화시키므로, 별도의 구동장치가 필요하지 않는 이점이 있다.

또한, 블레이드의 외측 단부는 로터 하우징의 내주연에 결합되기 때문에, 상기 블레이드의 외측 단부에서 항력이 발생하지 않으므로 발전 효율이 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 회전시 소음도 저감될 수 있다

또한, 풍속가속장치의 측면에 복수의 관통홀이 형성되고, 상기 복수의 관통홀에는 바람에 의해 개방되는 측면도어가 구비됨으로써, 측방향으로 바람이 불 경우 상기 관통홀을 통과한 바람이 로터 하우징을 바람이 불어오는 방향으로 회전시킴으로써, 로터 하우징이 항상 충분한 바람을 받으며 회전할 수 있는 이점 있으며, 상기 풍속가속장치가 풍속 가속역할 뿐만 아니라 풍향 추종의 역할도 할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기가 도시된 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 풍력 발전기의 정면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 풍력 발전기의 일부 구성의 분해 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 풍력 발전기의 종단면도이다.
도 5는 도 4의 A부분의 확대도이다.
도 6은 도 4에 도시된 피봇수단과 블레이드 피칭수단의 일부 구성이 도시된 확대도이다.
도 7은 도 6에 도시된 블레이드 피칭수단의 구성 및 동작을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 4에 도시된 풍향추종장치가 확대 도시된 사시도이다.
도 9는 도 8의 B부분의 확대도이다.
도 10은 도 9에 도시된 풍향완충부재의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력 발전기의 종단면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 풍향추종장치가 확대 도시된 사시도이다.
도 13은 도 12의 C부분의 확대도이다.
도 14는 도 13에 도시된 풍향완충부재의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제3실시예에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기가 도시된 종단면도이다.
도 16은 본 발명의 제4실시예에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기가 도시된 종단면도이다.
도 17은 도 16의 D부분의 확대도이다.
도 18은 도 16의 E부분의 확대도이다.
도 19는 도 17 및 도 18에 도시된 블레이드 피칭수단의 구성 및 동작을 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 제5실시예에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기가 도시된 종단면도이다.
도 21은 도 20의 F부분의 확대도이다.
도 22는 도 21의 G방향에서 본 블레이드 피칭수단의 단면도이다.
도 23은 도 22에 도시된 블레이드 피칭수단의 구성 및 동작을 나타내는 도면이다.
도 24는 본 발명의 제6실시예에 따른 풍력발전기의 블레이드가 도시된 도면이다.
도 25는 본 발명의 제7실시예에 따른 풍속가속장치가 도시된 측면도이다.
도 26은 도 25의 H-H선 단면도이다.
도 27은 본 발명의 제8실시예에 따른 블레이드 피칭수단의 구성 및 동작을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기가 도시된 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 풍력 발전기의 정면도이다. 도 3은 도 1에 도시된 풍력 발전기의 일부 구성의 분해 사시도이다. 도 4는 도 1에 도시된 풍력 발전기의 종단면도이다. 도 5는 도 4의 A부분의 확대도이다. 도 6은 도 4에 도시된 피봇수단과 블레이드 피칭수단의 일부 구성이 도시된 확대도이다. 도 7은 도 6에 도시된 블레이드 피칭수단의 구성 및 동작을 나타내는 도면이다. 도 8은 도 4에 도시된 풍향추종장치가 확대 도시된 사시도이다. 도 9는 도 8의 B부분의 확대도이다. 도 10은 도 9에 도시된 풍향완충부재의 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기는, 타워(10), 블레이드 장치(20) 및 회전력 전달장치(90)를 포함한다.

상기 타워(10)는, 지상으로부터 적정 높이를 유지하여 연직방향으로 설치된다. 본 실시예에서는, 상기 타워(10)가 단면적이 일정한 기둥 형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 하측으로 갈수록 단면적이 확대되는 형상으로 이루어진 것도 가능하고, 상기 회전력 전달장치(90)나 후술하는 발전기(140)를 감싸는 형상 등 다양한 형상으로 실시되는 것이 가능하다.

상기 블레이드 장치(20)는, 상기 타워(10)의 상단에 장착되어, 자연 바람에 의해 회전하는 장치이다. 상기 블레이드 장치(20)는, 하우징 케이스(30a), 로터 하우징(30), 허브(40), 블레이드(50), 풍속가속장치(70) 및 풍향추종장치(80)를 포함한다.

상기 하우징 케이스(30a)는 상기 타워(10)의 상단에 장착되고, 원통형으로 이루어진다.

상기 로터 하우징(30)은 상기 하우징 케이스(30a)의 내주연에 설치되어, 상기 하우징 케이스(30a)에 의해 보호된다. 상기 로터 하우징(30)은 원통형으로 이루어지고, 외주연에 외접기어(32)가 형성된다. 상기 외접기어(32)는 후술하는 회전력 전달장치(90)의 상부기어(92)와 치합된다.

상기 허브(40)는, 상기 로터 하우징(30)의 중앙 영역에 배치되고, 상기 복수의 블레이드들(50)이 장착된다. 상기 허브(40)는 상기 복수의 블레이드들(50)이 장착되는 몸체부(44)와, 상기 몸체부(44)의 전방에서 전방으로 뾰족하게 형성된 첨단부(42)를 포함한다.

상기 블레이드(50)는 상기 로터 하우징(30)의 내주연과 상기 허브(40)의 외주연 사이에 장착된다. 상기 블레이드(50)의 일단은 상기 허브(40)의 외주면에 장착되고, 타단은 상기 로터 하우징(30)의 내주연에 장착되기 때문에, 상기 블레이드(50)의 외측 단부에서 항력이 발생하지 않으며, 회전시 소음도 저감될 수 있다. 상기 블레이드(50)는 복수개가 원주방향으로 서로 소정각도 이격된 위치에 장착된다. 상기 블레이드(50)의 단면은 유선형상으로 이루어진다. 상기 블레이드(50)는 상기 허브(40)에서 상기 로터 하우징(30)측으로 갈수록 단면적이 작게 형성되어, 바람에 의한 회전이 용이한 구조로 이루어진다. 본 실시예에서는 상기 블레이드(50)는 3개로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 블레이드 장치(20)는, 상기 각 블레이드(50)를 회동시키는 피봇수단(60)을 더 포함한다. 상기 피봇수단(60)은, 상기 로터 하우징(30)의 내주연과 상기 허브(40)의 외주연 사이에서 상기 블레이드(50)를 회동가능하게 결합시킨다.

상기 피봇수단(60)은, 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 블레이드(50)를 관통하고, 양단이 상기 로터 하우징(30)의 내주연과 상기 허브(40)의 외주연에 결합된 회전봉(64)과, 상기 로터 하우징(30)의 내주연과 상기 허브(40)의 외주연에서 상기 회전봉(64)을 회전가능하게 지지하는 베어링(62)을 포함한다. 상기 회전봉(64)은 상기 블레이드(50)에 형성된 압입홀에 압입되어, 일체로 결합된다.

상기 풍속가속장치(70)는, 도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 하우징 케이스(30a)의 전면에 장착되어 유입되는 바람의 풍속을 가속한다. 상기 풍속가속장치(70)는 바람이 유입되는 방향으로 갈수록 단면적이 감소하도록 형성된다. 즉, 상기 풍속가속장치(70)는 전방에서 상기 하우징 케이스(30a)측으로 갈수록 내경이 작아지는 깔대기 형상으로 이루어진다. 상기 풍속가속장치(70)는, 전단부 직경이 상기 하우징 케이스(30a)측 후단부 직경보다 약 1.42배(

배) 이상으로 설계된다. 따라서, 상기 풍속가속장치(70)를 통과한 바람은 충분히 가속되어, 상기 블레이드(50) 앞에서 적어도 8m/s이상이 될 수 있다. 풍속은 유로의 단면적 감소에 반비례하기 때문에, 저풍속(4m/s~6m/s이하)의 바람이 유입되어도 풍속이 최소 2배 이상으로 증가되어, 상기 블레이드(50)를 회전시킬 수 있다.

상기 풍속가속장치(70)의 설치 여부는 상기 풍력 발전기가 설치되는 지역의 주변 환경 조건에 따라 결정된다. 즉, 풍속이 충분한 지역의 경우, 상기 풍속가속장치(70)를 설치하지 않는 것도 물론 가능하다.

상기 풍향추종장치(80)는, 도 8을 참조하면, 상기 로터 하우징(30)의 후면에 장착되어, 상기 로터 하우징(30)을 바람이 불어오는 방향으로 회전시킨다. 상기 풍향추종장치(80)는, 수직 프레임(82), 수평 프레임(84) 및 풍향완충부재(86)를 포함한다.

상기 수직 프레임(82)은, 상기 로터 하우징(30)의 후면에 연직방향으로 배치된다. 상기 수직 프레임(82)의 상단과 하단은 각각 상기 로터 하우징(30)에 장착된다. 상기 수직 프레임(82)은, 후방으로 갈수록 면적이 축소되게 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 수직 프레임(82)은 삼각형 형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 수평 프레임(84)은, 상기 수직 프레임(82)과 교차되게 십자형으로 연결되고 상기 로터 하우징(30)의 후면에 수평방향으로 배치된다. 상기 수평 프레임(84)의 좌,우 양단은 각각 상기 로터 하우징(30)에 장착된다. 상기 수평 프레임(84)도 후방으로 갈수록 면적이 축소되게 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 수평 프레임(84)은 삼각형 형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 수평 프레임(84)이 상기 수직 프레임(82)에 교차되어 조립되기 때문에, 상기 수직 프레임(82)의 강성을 보완할 수 있다.

상기 수평 프레임(84)에는 중량 감소를 위해 적어도 하나 이상의 절개부(84b)가 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 절개부(84b)는 1개의 삼각형 형상의 홀인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 강성은 유지되되 중량이 감소될 수 있는 범위에서는 다양한 개수와 형상으로 이루어지는 것도 가능하다.

상기 풍향완충부재(86)는, 도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 수직 프레임(82)에 구비되어, 순각 풍속이나 풍량이 급격히 증가할 경우, 바람의 흐름 방향으로 개방되어 상기 수직 프레임(82)의 손상을 방지한다. 상기 풍향완충부재(86)는, 상기 수직 프레임(82)에 형성된 복수의 공간부들(87)과, 상기 공간부들(87)에 각각 회동가능하게 장착된 회동 풍향판(89)을 포함한다. 상기 복수의 공간부들(87)은, 상기 수직 프레임(82)에서 서로 소정간격 이격된 위치에 형성된 관통홀이다. 상기 회동 풍향판(89)는 상기 공간부(87)에 힌지(88)에 의해 회동가능토록 결합된다.

상기 회전력전달장치(90)는, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 로터 하우징(30)의 외접기어(32)에 치합된 상부기어(92)와, 상기 상부기어(92)에 결합된 상부 수평축(92)과, 상기 상부 수평축(92)에 결합된 상부 수직베벨기어(95)와, 상기 상부 수직베벨기어(95)에 수평으로 치합되는 상부 수평베벨기어(97)와, 상기 상부 수평베벨기어(97)에 결합되고 연직방향으로 배치된 상부 수직축(96)과, 상기 상부 수직축(96)과 조인트(101)에 의해 연결된 수직 연결축(110)과, 상기 수직 연결축(110)의 하부에 조인트(101)에 의해 연결된 하부 수직축(99)과, 상기 하부 수직축(99)에 결합된 하부 수평베벨기어(100)와, 상기 하부 수평베벨기어(100)와 치합된 하부 수직베벨기어(120)와, 상기 하부 수직베벨기어(120)에 결합된 하부 수평축(119)과, 상기 하부 수평축(119)과 상기 발전기(140)에 조인트(129)에 의해 연결된 수평 연결축(130)을 포함한다. 상기 회전력전달장치(90)는, 상기 상부 수직베벨기어(95)와 상기 상부 수평베벨기어(97)의 외측을 감싸는 상부 기어박스(94)와, 상기 하부 수평베벨기어(100)와 상기 하부 수직베벨기어(120)의 외측을 감싸는 하부 기어박스(98)를 더 포함한다.

또한, 상기 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기는, 상기 피봇수단(60)에 결합되고, 바람에 의해 구동되어 상기 블레이드의 각도를 변화시키는 블레이드 피칭(Pitching)수단(150)을 더 포함한다.

상기 블레이드 피칭수단(150)은, 도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 3개의 블레이드들(50)에 각각 구비된다. 상기 각 블레이드 피칭수단(150)은, 상기 허브(40)의 내부에서 상기 회전봉(64)에 결합되어 상기 블레이드(50)와 일체로 회전하는 피니언 기어(151)와, 상기 허브(40)의 내주연에서 상기 피니언 기어(151)와 치합되고 직선왕복운동하는 랙 기어(152)와, 설정 풍속이상에서 바람에 의해 회전하는 회전부재와, 상기 회전부재와 상기 랙 기어(152)를 연결하고 상기 회전부재의 회전운동을 직선운동으로 변환시켜 상기 랙 기어(152)에 전달하는 크랭크 기구를 포함한다.

상기 회전부재는, 고정축(153), 밸런스 웨이트(154), 크랭크 암(155)을 포함한다. 상기 고정축(153)에는 상기 크랭크 암(155)이 회전가능토록 결합된다. 상기 밸런스 웨이트(154)는 2개가 상기 크랭크 암(155)의 양단에 장착된다. 상기 고정축(153)과 상기 크랭크 암(155)사이에는 토션 스프링(미도시)이 구비된다. 상기 토션 스프링은, 상기 설정 풍속 미만에서 상기 크랭크 암(155)이 수평 상태를 유지하도록 탄성력을 제공한다. 상기 설정 풍속은 상기 토션 스프링의 탄성력을 이겨낼 수 있는 범위로 설정되고, 본 실시예에서는 상기 설정 풍속은 약 8m/s인 것을 예를 들어 설명한다.

상기 크랭크 기구는, 일단이 상기 크랭크 암(155)에 결합된 제1커넥팅 로드(156)와, 상기 제1커넥팅 로드(156)의 타단에 결합되어 직선 운동하는 슬라이더(158)와, 상기 슬라이더(158)와 상기 랙 기어(152)를 연결하여 상기 랙 기어(152)에 직선 운동을 전달하는 제2커넥팅 로드(157)를 포함한다. 상기 슬라이더(158)는 별도로 고정 설치된 슬라이더 레일(158a)위에 슬라이딩 가능토록 설치된다. 상기 제1커넥팅 로드(156)는 상기 슬라이더(158)에 회전가능토록 결합된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력 발전기의 작동을 설명하면, 다음과 같다.

바람이 불면, 바람이 상기 풍속가속장치(70)를 통해 유입된다. 상기 풍속가속장치(70)는 바람의 유입방향으로 단면적이 감소되도록 형성되기 때문에, 단면적 감소에 반비례하여 풍속이 가속될 수 있다. 즉, 저풍속(4m/s~6m/s이하)의 바람이 불더라도 상기 풍속가속장치(70)에 의해 풍속이 가속되어, 상기 로터 하우징(30)이 빠르게 회전할 수 있다. 따라서, 저풍속 조건에서도 풍속 대비 충분한 출력을 얻을 수 있다.

또한, 상기 로터 하우징(30)은 상기 풍향추종장치(80)에 의해 바람이 불어오는 방향으로 회전할 수 있다. 바람의 방향이 바뀌더라도 상기 풍향추종장치(80)의 수직 프레임(82)에 의해 상기 로터 하우징(30)은 항상 바람이 불어오는 방향으로 회전하기 때문에, 상기 로터 하우징(30)은 항상 충분한 바람을 받으며 회전할 수 있다. 따라서, 바람의 방향에 관계없이 항상 충분한 출력을 얻을 수 있다.

또한, 상기 수평 프레임(84)이 상기 수직 프레임(82)과 교차되게 십자형으로 결합되기 때문에, 상기 수직 프레임(82)의 강성이 보완될 수 있다.

한편, 순간 풍속이나 풍량이 급격히 증가할 경우, 상기 풍향완충부재(86)의 회동풍향판(89)이 상기 힌지(88)를 중심으로 회전된다. 상기 회동풍향판(88)이 회전하여 상기 공간부(87)가 개방되면, 순간 풍속이나 풍량이 급격이 증가한 바람이 상기 공간부(87)를 통과하게 된다. 따라서, 돌풍이나 고풍속의 바람이 불더라도 상기 풍향추종장치(80)의 수직프레임(82)이 파손되는 것이 방지될 수 있다.

상기 로터 하우징(30)의 회전시, 상기 로터 하우징(30)의 외접기어(32)와 치합된 상기 상부기어(92)가 회전한다. 상기 상부기어(92)의 회전력은 상기 상부 수직베벨기어(95)를 통해 상기 상부 수평베벨기어(97)로 전달된다. 상기 상부 수평베벨기어(97)의 회전력은 상기 수직 연결축(110)과 상기 하부 수평베벨기어(100)를 통해 상기 하부 수평베벨기어(100)로 전달된다. 상기 하부 수평베벨기어(100)가 회전하면, 상기 하부 수평베벨기어(100)에 치합된 상기 하부 수직베벨기어(120)가 회전한다. 상기 하부 수직베벨기어(120)의 회전력은 상기 하부 수평축(119)과 상기 수평 연결축(130)을 통해 상기 발전기(140)로 전달된다. 상기와 같이, 상기 로터 하우징(30)의 회전력은, 상기 상부 수직베벨기어(95), 상기 상부 수평베벨기어(97), 상기 하부 수평베벨기어(100) 및 상기 하부 수직베벨기어(120)를 통해 상기 발전기(140)로 전달된다. 따라서, 상기 상부 수직베벨기어(95)와 상기 상부 수평베벨기어(97)의 기어비나 상기 하부 수평베벨기어(100)와 상기 하부 수직베벨기어(120)의 기어비를 조절함으로써 증속이 가능하기 때문에, 별도의 증속장치가 필요없는 이점이 있다.

또한, 상기 로터 하우징(30)은, 상기와 같은 베벨기어 구조에 의해 상기 타워(10)를 중심으로 360도 회전하는 요잉(yawing) 운동을 할 수 있다.

한편, 상기 블레이드(50)는 상기 블레이드 피칭수단(150)에 의해 풍속에 따라 각도가 변화된다. 도 7a를 참조하면, 풍속이 상기 설정 풍속미만이면, 상기 크랭크 암(155)은 수평방향 위치(I-I)에 놓인 상태이다.

도 7b를 참조하면, 풍속이 상기 설정 풍속 이상으로 빨라져서 약 8m/s이상이고 15m/s미만이 되면, 바람에 의해 상기 크랭크 암(155)이 회전하여, 상기 크랭크 암(155)은 연직방향(II-II)으로 위치하게 된다. 상기 크랭크 암(155)의 회전시 상기 밸런스 웨이트(154)에 원심력이 발생된다. 상기 밸런스 웨이트(154)의 원심력에 의해 상기 크랭크 암(155)이 상기 제1커넥팅 로드(156)를 통해 상기 슬라이더(158)를 밀게 된다. 상기 슬라이더(158)가 슬라이딩하면서 전진하게 되고, 상기 슬라이더(158)의 슬라이딩 운동이 상기 제2커넥팅 로드(157)를 통해 상기 랙 기어(152)로 전달된다. 따라서, 상기 랙 기어(152)가 전진하게 되고, 그에 따라 상기 피니언 기어(151)가 시계방향으로 회전한다. 상기 피니언 기어(151)가 회전하면, 상기 회전봉(64)과 상기 블레이드(50)가 일체로 회전한다. 상기 블레이드(50)는 시계방향으로 약 15도 각도 회전하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 블레이드(50)의 회전 각도는 상기 랙 기어(152)의 직선왕복운동 거리에 따라 조절할 수 있다.

도 7c를 참조하면, 풍속이 상기 설정 풍속 이상으로 빨라져서 약 15m/s이상이 되면, 상기 제1커넥팅 로드(156)는 원추형상을 유지하면서 계속해서 회전한다.

상기와 같이, 풍속에 따라 자동으로 상기 블레이드(50)의 각도가 변화할 수 있기 때문에, 상기 블레이드(50)의 손상이 방지될 수 있다. 또한, 바람에 의해 자연적으로 상기 블레이드(50)의 각도를 변화시키기 때문에, 별도의 구동장치가 필요하지 않은 이점이 있다.

도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력 발전기의 종단면도이다. 도 12는 도 11에 도시된 풍향추종장치가 확대 도시된 사시도이다. 도 13은 도 12의 C부분의 확대도이다. 도 14는 도 13에 도시된 풍향완충부재의 단면도이다.

도 11 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력 발전기의 풍향추종장치(160)는 수직 프레임(170), 수평 프레임(180) 및 풍향완충부재(190)를 포함하고, 상기 수직 프레임(170)과 상기 수평 프레임(180)이 각각 반원 형상으로 이루어진 것이 상기 제1실시예와 상이하여 상이한 점을 중심으로 상세히 설명하고, 나머지 구성은 상기 제1실시예와 유사하므로 유사구성에 대해 동일부호를 사용하고 그에 따른 상세설명은 생략한다.

상기 수직 프레임(170)은, 상기 로터 하우징(30)의 후면에 연직방향으로 배치된다. 상기 수직 프레임(170)의 상단과 하단은 각각 상기 로터 하우징(30)에 장착된다. 상기 수직 프레임(170)은, 후방으로 갈수록 면적이 축소되게 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 수직 프레임(170)은 반원 형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 수평 프레임(180)은, 상기 수직 프레임(170)과 교차되게 십자형으로 연결되고 상기 로터 하우징(30)의 후면에 수평방향으로 배치된다. 상기 수평 프레임(180)의 좌,우 양단은 각각 상기 로터 하우징(30)에 장착된다. 상기 수평 프레임(180)도 후방으로 갈수록 면적이 축소되게 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 수평 프레임(180)은 반원 형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 수평 프레임(180)이 상기 수직 프레임(170)에 교차되어 조립되기 때문에, 상기 수직 프레임(170)의 강성을 보완할 수 있다.

상기 수평 프레임(180)에는 중량 감소를 위해 적어도 하나 이상의 절개부(180a)가 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 절개부(180a)는 1개의 반원 형상의 홀인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 강성은 유지되되 중량이 감소될 수 있는 범위에서는 다양한 개수와 형상으로 이루어지는 것도 가능하다.

상기 풍향완충부재(190)는, 도 13 및 도 14를 참조하면, 상기 수직 프레임(170)에 구비되어, 순각 풍속이나 풍량이 급격히 증가할 경우, 바람의 흐름 방향으로 개방되어 상기 수직 프레임(170)의 손상을 방지한다. 상기 풍향완충부재(190)는, 상기 수직 프레임(170)에 형성된 복수의 공간부들(192)과, 상기 공간부들(192)에 각각 회동가능하게 장착된 회동 풍향판(194)을 포함한다. 상기 복수의 공간부들(192)은, 상기 수직 프레임(170)에서 서로 소정간격 이격된 위치에 관통 형성된다. 상기 회동 풍향판(194)은 상기 공간부(192)에 힌지(193)에 의해 회동가능토록 결합된다.

상기와 같은 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력 발전기는, 반원 형상을 갖는 상기 수직 프레임(170)이 구비되어, 상기 로터 하우징(30)이 항상 바람이 불어오는 방향으로 회전할 수 있다. 따라서, 바람의 방향이 바뀌더라도 상기 수직 프레임(170)에 의해 상기 로터 하우징(30)이 항상 바람이 불어오는 방향으로 회전하기 때문에, 상기 로터 하우징(30)은 항상 충분한 바람을 받으며 회전하여, 바람으로부터 최대 출력을 얻을 수 있다. 또한, 상기 수평 프레임(180)이 상기 수직 프레임(170)과 교차되게 십자형으로 결합되기 때문에, 상기 수직 프레임(170)의 강성이 보완될 수 있다.

한편, 순간 풍속이나 풍량이 급격히 증가할 경우, 상기 풍향완충부재(190)의 회동풍향판(194)이 상기 힌지(193)를 중심으로 회전된다. 상기 회동풍향판(194)이 회전하여 상기 공간부(192)가 개방되면, 순간 풍속이나 풍량이 급격이 증가한 바람이 상기 공간부(192)를 통과하게 된다. 따라서, 돌풍이나 고풍속의 바람이 불더라도 상기 수직프레임(170)이 파손되는 것이 방지될 수 있다.

도 15는 본 발명의 제3실시예에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기가 도시된 종단면도이다.

도 15를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력 발전기는, 회전력 전달장치가 연직방향으로 배치되고 하부에 발전기(141)가 연결된 것이 상기 제1실시예와 상이하여, 상이한 점을 중심으로 상세히 설명하고, 나머지 구성은 상기 제1실시예와 유사하므로 유사구성에 대해 동일부호를 사용하고 그에 따른 상세설명은 생략한다.

또한, 본 실시예에 따른 타워(10')는 하측으로 갈수록 단면적이 확대되게 형성되어, 상기 타워(10')의 내부에 상기 발전기(141)가 설치된 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 타워(10')는 상기 회전력 전달장치와 상기 발전기(141)를 모두 감싸도록 형성되는 것도 가능하고, 후술하는 수직 연결축(110)만을 감싸도록 기둥형상으로 이루어지는 것도 물론 가능하다.

상기 회전력 전달장치는, 상기 로터 하우징(30)의 외접기어(32)에 치합된 상부기어(92)와, 상기 상부기어(92)에 결합된 상부 수평축(92)과, 상기 상부 수평축(92)에 결합된 상부 수직베벨기어(95)와, 상기 상부 수직베벨기어(95)에 수평으로 치합되는 상부 수평베벨기어(97)와, 상기 상부 수평베벨기어(97)에 결합되고 연직방향으로 배치된 상부 수직축(96)과, 상기 상부 수직축(96)과 조인트(101)에 의해 연결된 수직 연결축(110)과, 상기 수직 연결축(110)과 상기 발전기(141)에 조인트(143)에 의해 연결된 발전기 연결축(142)을 포함한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력 발전기는, 베벨기어 구조가 한번 적용되어, 상기 상부 수직베벨기어(95)와 상기 상부 수평베벨기어(97)의 기어비 조절에 의한 증속이 가능하면서도, 회전력 전달장치의 구조가 간단하여 동력 손실이 최소화될 수 있는 이점이 있다.

도 16은 본 발명의 제4실시예에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기가 도시된 종단면도이다. 도 17은 도 16의 D부분의 확대도이다. 도 18은 도 16의 E부분의 확대도이다. 도 19는 도 17 및 도 18에 도시된 블레이드 피칭수단의 구성 및 동작을 나타내는 도면이다.

도 16 내지 도 19를 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 풍력 발전기는, 타워(10), 블레이드 장치(200) 및 회전력 전달장치(300)를 포함하고, 상기 블레이드 장치(200)는, 하우징 케이스, 전,후방 로터하우징(220)(230), 전,후방 허브(250)(251), 블레이드(240) 및 풍향추종장치(280)를 포함하며, 상기 전,후방 로터하우징(220)(230)이 상기 하우징 케이스의 내주연에서 바람의 흐름방향으로 서로 소정간격 이격된 위치에 각각 회전가능하게 구비된 것이 상기 제1실시예와 상이하고, 상이한 점을 중심으로 상세히 설명한다.

상기 하우징 케이스는, 바람이 유입되는 방향으로 갈수록 단면적이 감소하도록 형성된 풍속가속장치(210)이고, 전방에서 상기 풍향추종장치(280)측으로 갈수록 내경이 작아지는 깔대기 형상으로 이루어진다. 본 실시예에서는, 상기 풍속가속장치(210)는 상기 전방 로터하우징(220)의 전방에서 상기 후방 로터하우징(230)의 전방까지 일체로 형성되어 구비된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 풍속가속장치(210)는 상기 전방 로터하우징(220)과 상기 후방 로터하우징(230)의 사이에만 구비되는 것도 물론 가능하다.

상기 풍속가속장치(210)는 내경 감소율이 일정한 것도 가능하고, 내경 감소율이 변화하는 것도 가능하다. 본 실시예에서는 상기 전방 로터하우징(220)이 위치된 곳에서 내경 감소율이 변화하는 것으로 예를 들어 설명한다. 따라서, 바람은 상기 전방 로터하우징(220)의 전방에서 1차적으로 가속된 후, 상기 전방 로터하우징(220)을 통과한 후 상기 후방 로터하우징(230)의 전방에서 2차적으로 가속된다.

상기 전방 허브(250)는 상기 전방 로터하우징(220)의 중앙 영역에 배치되고, 상기 후방 허브(251)는 상기 후방 로터하우징(230)의 중앙영역에 배치된다. 상기 전방 허브(250)와 상기 후방 허브(251)는 각각 상기 복수의 블레이드들(240)이 장착되는 몸체부(254)와, 상기 몸체부(254)의 전방에서 전방으로 뾰족하게 형성된 첨단부(252)를 포함한다.

상기 블레이드(240)는, 상기 전방 로터하우징(220)과 상기 전방 허브(250), 상기 후방 로터하우징(230)과 상기 후방 허브(251)에 각각 결합된다. 상기 블레이드(240)의 일단은 상기 전,후방 허브(250)(251)의 외주면에 장착되고, 타단은 상기 전,후방 로터 하우징(220)(230)의 내주연에 장착되기 때문에, 상기 블레이드(240)의 외측 단부에서 항력이 발생하지 않으며, 회전시 소음도 저감될 수 있다.

상기 블레이드장치(200)는, 상기 블레이드(240)를 회동시키는 피봇수단(260)을 더 포함한다.

상기 피봇수단(260)은, 상기 전방 로터하우징(220)과 상기 전방 허브(250), 상기 후방 로터하우징(230)과 상기 후방 허브(251)에 각각 상기 블레이드(240)를 회동가능하게 결합시킨다. 상기 피봇수단(260)은, 도 17 및 도 18을 참조하면, 상기 블레이드(240)를 관통하고, 양단이 상기 전,후방 로터하우징(220)(230)의 내주연과 상기 전,후방 허브(250)(251)의 외주연에 결합된 회전봉(262)과, 상기 전,후방 로터하우징(220)(230)의 내주연과 상기 전,후방 허브(250)(251)의 외주연에서 상기 회전봉(262)을 회전가능하게 지지하는 베어링(261)을 포함한다. 상기 회전봉(262)은 상기 블레이드(240)에 형성된 압입홀에 압입되어, 일체로 결합된다.

상기 풍향추종장치(280)는, 상기 후방 로터하우징(230)의 후면에 장착되어, 상기 풍속가속장치(210)를 바람이 불어오는 방향으로 회전시킨다. 상기 풍향추종장치(280)는 수직 프레임(282), 수평 프레임(284) 및 풍향 완충부재(290)를 포함한다.

상기 수직 프레임(282)은, 상기 후방 로터하우징(230)의 후면에 연직방향으로 배치된다. 상기 수직 프레임(282)의 상단과 하단은 각각 상기 후방 로터하우징(230)에 장착된다. 상기 수직 프레임(282)은, 후방으로 갈수록 면적이 축소되게 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 수직 프레임(282)은 삼각형 형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명하나 이에 한정되지 않고 반원 형상으로 이루어지는 것도 물론 가능하다.

상기 수평 프레임(284)은, 상기 수직 프레임(282)과 교차되게 십자형으로 연결되고 상기 후방 로터하우징(230)의 후면에 수평방향으로 배치된다. 상기 수평 프레임(284)의 좌,우 양단은 각각 상기 후방 로터하우징(230)에 장착된다. 상기 수평 프레임(284)도 후방으로 갈수록 면적이 축소되게 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 수평 프레임(284)은 삼각형 형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명하나, 반원 형상으로 이루어지는 것도 물론 가능하다. 상기 수평 프레임(284)이 상기 수직 프레임(282)에 교차되어 조립되기 때문에, 상기 수직 프레임(282)의 강성을 보완할 수 있다. 상기 수평 프레임(284)에는 중량 감소를 위해 적어도 하나 이상의 절개부가 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 절개부는 1개의 삼각형 형상의 홀인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 강성은 유지되되 중량이 감소될 수 있는 범위에서는 다양한 개수와 형상으로 이루어지는 것도 가능하다.

상기 풍향완충부재(290)는, 상기 수직 프레임(282)에 구비되어, 순각 풍속이나 풍량이 급격히 증가할 경우, 바람의 흐름 방향으로 개방되어 상기 수직 프레임(282)의 손상을 방지한다. 상기 풍향완충부재(290)는, 상기 수직 프레임(282)에 형성된 복수의 공간부들과, 상기 공간부들에 각각 회동가능하게 장착된 회동 풍향판을 포함한다. 상기 복수의 공간부들은, 상기 수직 프레임(282)에서 서로 소정간격 이격된 위치에 관통 형성된다. 상기 회동 풍향판은 상기 공간부에 힌지에 의해 회동가능토록 결합된다.

상기 회전력전달장치(300)는, 상기 전방 로터하우징(220)의 외주연에 형성된 외접기어(221)에 치합되는 전방 상부기어(340)와, 상기 전방 상부기어(340)에 결합된 제1수평 회전축(301)과, 상기 후방 로터하우징(230)의 외주연에 형성된 외접기어(231)에 치합되는 후방 상부기어(341)와, 상기 후방 상부기어(341)에 결합된 제2수평 회전축(302)과, 상기 제1수평 회전축(301)과 상기 제2수평회전축(302)에 제1조인트(350)에 의해 연결된 제3수평 회전축(360)과, 상기 제3수평 회전축(360)의 일단에 수직으로 축설된 상부 수직베벨기어(370)와, 상기 상부 수직베벨기어(370)에 수평으로 치합되는 상부 수평베벨기어(380)와, 상기 상부 수평베벨기어(380)에 축설된 상부 수직축(379)과, 상기 상부 수직축(379)과 제2조인트(410)에 의해 연결된 수직 연결축(420)과, 상기 수직 연결축(420)의 하부에 제2조인트(410)에 의해 연결된 하부 수직축(399)과, 상기 하부 수직축(399)에 결합된 하부 수평베벨기어(400)와, 상기 하부 수평베벨기어(400)와 치합된 하부 수직베벨기어(430)와, 상기 하부 수직베벨기어(430)에 결합된 하부 수평축(429)과, 상기 하부 수평축(429)과 상기 발전기(450)에 제3조인트(441)에 의해 연결된 수평 연결축(440)을 포함한다. 상기 회전력전달장치(300)는, 상기 상부 수직베벨기어(370)와 상기 상부 수평베벨기어(380)의 외측을 감싸는 상부 기어박스(310)와, 상기 하부 수평베벨기어(400)와 상기 하부 수직베벨기어(430)의 외측을 감싸는 하부 기어박스(390)와, 상기 제3수평 회전축(360)을 감싸는 수평연결구(320)를 더 포함한다.

상기 전방 로터하우징(220)과 상기 후방 로터하우징(230)의 회전속도 차이를 고려하여, 상기 제1수평 회전축(301)과 상기 제2수평 회전축(302)은 동축으로 이루어지지 않고, 상기 제3수평 회전축(360)으로 연결된다.

상기 제1조인트(350), 상기 제2조인트(410) 및 상기 제3조인트(441)는 래칫(Ratchet) 구조로 이루어져, 일방향으로 회전력이 전달되도록 한다.

상기 후방 로터하우징(230)의 외접기어(231)와 상기 후방 상부기어(341)은 직접 치합되는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 동력 전달할 수 있는 구조라면 어느 것이나 적용 가능하며, 상기 외접기어(231)와 상기 후방 상부기어(341) 사이에 복수의 피니언 기어들이 치합되는 것도 가능하고, 상기 외접기어(231)와 상기 후방 상부기어(341)가 벨트 등에 의해 결합되는 것도 가능하다.

또한, 본 실시예에서는, 상기 회전력 전달장치(300)에서 베벨기어 구조가 2번 적용되는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 상기 수직 연결축(420)과 상기 발전기(450)의 회전축이 일렬로 배치되어 결합되어 베벨기어 구조가 한번만 적용되는 것도 물론 가능하다.

또한, 상기 풍력 발전기는, 상기 피봇수단(260)에 결합되고, 바람에 의해 구동되어 상기 블레이드(240)의 각도를 변화시키는 블레이드 피칭수단(270)을 더 포함한다.

상기 블레이드 피칭수단(270)은, 도 19를 참조하면, 상기 전,후방 허브(250)(251)의 내부에서 상기 회전봉(262)에 결합되어 상기 블레이드(240)와 일체로 회전하는 피니언 기어(271)와, 상기 피니언 기어(271)와 치합되고 직선왕복운동하는 랙 기어(272)와, 설정 풍속이상에서 바람에 의해 회전하는 회전부재와, 상기 회전부재와 상기 랙 기어(272)를 연결하고 상기 회전부재의 회전운동을 직선운동으로 변환시켜 상기 랙 기어(272)에 전달하는 크랭크 기구를 포함한다.

상기 회전부재는, 고정축(273), 밸런스 웨이트(274), 크랭크 암(275)을 포함한다. 상기 고정축(273)에는 상기 크랭크 암(275)이 회전가능토록 결합된다. 상기 밸런스 웨이트(274)는 2개가 상기 크랭크 암(275)의 양단에 장착된다. 상기 고정축(273)과 상기 크랭크 암(275)사이에는 토션 스프링(미도시)이 구비된다. 상기 토션 스프링은, 상기 설정 풍속 미만에서 상기 크랭크 암(275)이 수평 상태를 유지하도록 탄성력을 제공한다. 상기 설정 풍속은 상기 토션 스프링의 탄성력을 이겨낼 수 있는 범위로 설정되고, 본 실시예에서는 상기 설정 풍속은 약 8m/s인 것을 예를 들어 설명한다.

상기 크랭크 기구는, 일단이 상기 크랭크 암(275)에 결합된 제1커넥팅 로드(276)와, 상기 제1커넥팅 로드(276)의 타단에 결합되어 직선 운동하는 슬라이더(278)와, 상기 슬라이더(278)와 상기 랙 기어(272)를 연결하여 상기 랙 기어(272)에 직선 운동을 전달하는 제2커넥팅 로드(279)를 포함한다. 상기 슬라이더(278)는 별도로 고정 설치된 슬라이더 레일(278a)위에 슬라이딩 가능토록 설치된다. 상기 제1커넥팅 로드(276)는 상기 슬라이더(278)에 회전가능토록 결합된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제4실시예에 따른 풍력 발전기의 작동을 설명하면, 다음과 같다.

바람이 불면, 바람이 상기 풍속가속장치(210)를 통해 유입된다. 상기 풍속가속장치(210)는 바람의 유입방향으로 단면적이 감소되도록 형성되기 때문에, 단면적 감소에 반비례하여 풍속이 가속될 수 있다. 즉, 저풍속(4m/s~6m/s이하)의 바람이 불더라도 상기 풍속가속장치(210)에 의해 풍속이 가속된다. 상기 전방 로터하우징(220)의 전방에서 바람이 1차적으로 가속되어, 저풍속의 바람이 불더라도 상기 전방 로터하우징(220)이 빠르게 회전할 수 있다. 상기 전방 로터하우징(220)을 통과한 바람은 상기 후방 로터하우징(230)의 전방에서 2차적으로 가속되어, 상기 후방 로터하우징(230)이 빠르게 회전할 수 있다.

따라서, 2개의 전,후방 로터하우징(220)(230)이 각각 회전하므로 회전력이 증대될 수 있을 분만 아니라, 상기 전,후방 로터하우징(220)(230)의 각 전방에서 바람이 모두 가속되기 때문에 풍속 및 풍량 대비 출력이 향상될 수 있다.

또한, 상기 전,후방 로터하우징(220)(230)은 상기 풍향추종장치(280)에 의해 바람이 불어오는 방향으로 회전할 수 있다. 바람의 방향이 바뀌더라도 상기 풍향추종장치(280)의 수직 프레임(282)에 의해 상기 전,후방 로터하우징(220)(230)은 항상 바람이 불어오는 방향으로 회전하기 때문에, 상기 전,후방 로터하우징(220)(230)은 항상 충분한 바람을 받으며 회전할 수 있다.

또한, 상기 수평 프레임(284)이 상기 수직 프레임(282)과 교차되게 십자형으로 결합되기 때문에, 상기 수직 프레임(282)의 강성이 보완되어, 손상이 방지될 수 있다.

또한, 순간 풍속이나 풍량이 급격히 증가할 경우, 상기 풍향완충부재(290)의 회동풍향판이 회전하여 상기 공간부가 개방되어, 상기 수직프레임(282)이 파손되는 것이 방지될 수 있다.

또한, 베벨기어 구조를 통해 회전력이 상기 발전기(450)로 전달되기 때문에, 베벨 기어의 기어비를 조절함으로써 증속이 가능하여, 별도의 증속장치가 필요없는 이점이 있다.

또한, 상기 블레이드 피칭수단(270)에 의해 풍속에 따라 자동으로 상기 블레이드(240)의 각도가 변화할 수 있기 때문에, 상기 블레이드(240)의 손상이 방지될 수 있다.

도 20은 본 발명의 제5실시예에 따른 무동력 풍향 자동 추종 풍력발전기가 도시된 종단면도이다. 도 21은 도 20의 F부분의 확대도이다. 도 22는 도 21의 G방향에서 본 블레이드 피칭수단의 단면도이다. 도 23은 도 22에 도시된 블레이드 피칭수단의 구성 및 동작을 나타내는 도면이다.

도 20 내지 도 23을 참조하면, 본 발명의 제5실시예에 따른 풍력 발전기는, 블레이드 피칭수단(500)이 복수의 회전봉들(60) 중 어느 하나에만 결합되는 것이 상기 제1실시예와 상이하며, 상이한 점을 중심으로 상세히 설명하고, 나머지 구성은 상기 제1실시예와 유사하므로 유사구성에 대해 동일부호를 사용하고 그에 따른 상세설명은 생략한다.

상기 블레이드 피칭수단(500)은, 상기 허브(40)의 내부에서 상기 복수의 회전봉들(64)에 각각 결합된 복수의 메인 베벨기어들(511)(512)(513), 상기 복수의 메인 베벨기어들(511)(512)(513) 사이에 배치되어 치합되는 복수의 보조 베벨기어들(521)(522)(523), 상기 복수의 회전봉들(64) 중 어느 하나에 결합되어 일체로 회전하는 피니언 기어(530), 상기 피니언 기어(530)와 치합되고, 직선왕복운동하는 랙 기어(540), 설정 풍속 이상에서 바람에 의해 회전하는 회전 부재, 및 상기 랙 기어(540)와 상기 회전 부재를 연결하여, 상기 회전 부재의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시켜 상기 랙 기어(540)에 전달하는 크랭크 기구를 포함한다.

상기 회전봉(64)의 개수는 상기 블레이드(50)의 개수에 대응되고, 상기 메인 베벨기어의 개수는 상기 회전봉(64)의 개수에 대응된다. 본 실시예에서는, 상기 블레이드(50)와 상기 회전봉(64)이 각각 3개씩인 것으로 예를 들어 설명하므로, 상기 메인 베벨기어(511)(512)(513)도 3개의 제1,2,3메인 베벨기어(511)(512)(513)로 이루어진 것으로 설명한다. 3개의 상기 회전봉들(64)에 각각 결합된 3개의 상기 제1,2,3메인 베벨기어(511)(512)(513)는 서로 120도 간격으로 이격된 위치에 배치된다. 상기 3개의 제1,2,3메인 베벨기어(511)(512)(513)의 각 사이에는 3개의 제1,2,3보조 베벨기어들(521)(522)(523)이 구비된다. 상기 3개의 제1,2,3보조 베벨기어들(521)(522)(523)도 서로 120도 간격으로 이격된 위치에 배치된다. 즉, 상기 3개의 제1,2,3메인 베벨기어(511)(512)(513)과 상기 3개의 제1,2,3보조 베벨기어들(521)(522)(523)의 배치구조는 정육면체 형상을 이룬다. 본 실시예에서는, 상기 3개의 회전봉(64)에 대응되도록 상기 제1,2,3메인 베벨기어(511)(512)(513)와 상기 제1,2,3보조 베벨기어들(521)(522)(523)이 각각 3개씩 구비된 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고, 상기 회전봉(64)의 개수에 따라 상기 메인 베벨기어들과 상기 보조 베벨기어들의 개수를 결정할 수 있다.

상기 피니언 기어(530)는 상기 3개의 회전봉들(64) 중 어느 하나에만 결합된다. 즉, 상기 피니언 기어(530)는 상기 회전봉들(64)의 개수에 상관없이 1개만 설치되기 때문에, 상기 블레이드 피칭수단(500)의 구조가 보다 간단하다. 또한, 상기 피니언 기어(530)와 상기 회전봉(64)은 피니언 축(531)에 의해 결합되어, 일체로 회전한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 피니언 기어(530)는 상기 회전봉(64)에 직접 결합되는 것도 물론 가능하다.

상기 회전부재는, 고정축(553), 밸런스 웨이트(554), 크랭크 암(555)을 포함한다. 상기 고정축(553)에는 상기 크랭크 암(555)이 회전가능토록 결합된다. 상기 밸런스 웨이트(554)는 2개가 상기 크랭크 암(555)의 양단에 장착된다. 상기 고정축(553)과 상기 크랭크 암(555)사이에는 토션 스프링(미도시)이 구비된다. 상기 토션 스프링은, 상기 설정 풍속 미만에서 상기 크랭크 암(555)이 수평 상태를 유지하도록 탄성력을 제공한다. 상기 설정 풍속은 상기 토션 스프링의 탄성력을 이겨낼 수 있는 범위로 설정되고, 본 실시예에서는 상기 설정 풍속은 약 8m/s인 것을 예를 들어 설명한다.

상기 크랭크 기구는, 일단이 상기 크랭크 암(555)에 결합된 제1커넥팅 로드(556)와, 상기 제1커넥팅 로드(556)의 타단에 결합되어 직선 운동하는 슬라이더(558)와, 상기 슬라이더(558)와 상기 랙 기어(540)를 연결하여 상기 랙 기어(540)에 직선 운동을 전달하는 제2커넥팅 로드(557)를 포함한다. 상기 슬라이더(558)는 별도로 고정 설치된 슬라이더 레일위에 슬라이딩 가능토록 설치된다. 상기 제1커넥팅 로드(556)는 상기 슬라이더(558)에 회전가능토록 결합된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제5실시예에 따른 풍력발전기의 블레이드 피칭수단(500)의 작동에 대해 설명하면 다음과 같다.

상기 블레이드(50)는 상기 블레이드 피칭수단(500)에 의해 풍속에 따라 각도가 변화된다. 도 23a를 참조하면, 풍속이 상기 설정 풍속미만이면, 상기 크랭크 암(555)은 수평방향 위치(I-I)에 놓인 상태이다.

도 23b를 참조하면, 풍속이 상기 설정 풍속 이상으로 빨라져서 약 8m/s이상이고 15m/s미만이 되면, 바람에 의해 상기 크랭크 암(555)이 회전하여, 상기 크랭크 암(555)은 연직방향(II-II)으로 위치하게 된다. 상기 크랭크 암(555)의 회전시 상기 밸런스 웨이트(554)에 원심력이 발생된다. 상기 밸런스 웨이트(554)의 원심력에 의해 상기 크랭크 암(555)이 상기 제1커넥팅 로드(556)를 통해 상기 슬라이더(558)를 밀게 된다. 상기 슬라이더(558)가 슬라이딩하면서 전진하게 되고, 상기 슬라이더(558)의 슬라이딩 운동이 상기 제2커넥팅 로드(557)를 통해 상기 랙 기어(540)로 전달된다. 따라서, 상기 랙 기어(540)가 전진하게 되고, 그에 따라 상기 피니언 기어(530)가 시계방향으로 회전한다.

상기 피니언 기어(530)가 회전하면, 상기 피니언 기어(530)가 결합된 상기 회전봉(64), 상기 제1메인 베벨기어(511)와 상기 블레이드(50)가 일체로 회전한다. 상기 제1메인 베벨기어(511)가 회전하면, 상기 제1메인 베벨기어(511)와 치합된 상기 제1,2보조 베벨기어들(521)(522)이 회전한다. 상기 제1,2보조 베벨기어들(521)(522)이 회전하면, 상기 제1,2보조 베벨기어들(521)(522)에 치합된 상기 제2,3메인 베벨기어(512)(513)가 회전하게 된다. 상기 제2,3메인 베벨기어(512)(513)와 일체로 결합된 상기 회전봉(64)이 회전하여 나머지 블레이드들(50)도 회전한다. 상기와 같이, 3개의 회전봉들(64)이 베벨 기어 구조로 연결되어, 상기 3개의 회전봉들(64) 중 어느 하나만 회전시켜도 나머지 회전봉들이 연동되어 회전할 수 있으므로, 상기 회전부재 및 크랭크 기구가 1개씩만 필요하게 되므로 구조가 간단해질 수 있다.

한편, 상기 블레이드(50)는 시계방향으로 약 15도 각도 회전하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 블레이드(50)의 회전 각도는 상기 랙 기어(152)의 직선왕복운동 거리에 따라 조절할 수 있다.

도 23c를 참조하면, 풍속이 상기 설정 풍속 이상으로 빨라져서 약 15m/s이상이 되면, 상기 제1커넥팅 로드(556)는 원추형상을 유지하면서 계속해서 회전한다.

상기와 같이, 풍속에 따라 자동으로 상기 블레이드(50)의 각도가 변화할 수 있기 때문에, 상기 블레이드(50)의 손상이 방지될 수 있다. 또한, 바람에 의해 자연적으로 상기 블레이드(50)의 각도를 변화시키기 때문에, 별도의 구동장치가 필요하지 않은 이점이 있다.

도 24는 본 발명의 제6실시예에 따른 풍력발전기의 블레이드가 도시된 도면이다.

도 24를 참조하면, 본 발명의 제6실시예에 따른 풍력발전기는 블레이드(50)가 소정의 단위 길이(d)를 갖도록 분할 제작된 복수의 단위 블레이드들(51)(52)(53)로 이루어진 것이 상기 제1실시예와 상이하며, 상이한 점을 중심으로 상세히 설명하고, 나머지 구성은 상기 제1실시예와 유사하여 유사구성에 대한 상세설명은 생략한다.

본 실시예에서는, 상기 복수의 단위 블레이드들(51)(52)(53)은 3개의 제1,2,3단위 블레이드들(51)(52)(53)로 이루어진 것으로 예를 들어 설명하나, 미리 설계된 상기 블레이드(50)의 총 길이에 따라 다양한 개수로 분할 제작이 물론 가능하다.

상기 제1,2,3단위 블레이드들(51)(52)(53)은 상기 회전봉(64)에 축방향으로 결합되어 일체를 이룬다. 즉, 상기 제1,2,3단위 블레이드들(51)(52)(53)은 상기 회전봉(64)에 의해 일체로 결합될 수 있으므로, 부분 조립이 용이하다.

상기 블레이드(50)는 단위 길이(d)로 분할 제작되어, 운반이 용이하기 때문에, 운반 후 현장에서 조립 설치가 가능하다. 총 길이(3d)로 제작된 하나의 블레이드의 경우, 운반이나 설치가 까다로워 최대 출력을 위한 블레이드의 길이 설정에 제약이 따르나, 단위 길이로 분할 제작된 단위 블레이드의 경우는 운반이 용이하기 때문에, 최대 출력을 위한 상기 블레이드(50)의 길이 조절에 대한 제약이 해소될 수 있다.

도 25는 본 발명의 제7실시예에 따른 풍속가속장치가 도시된 측면도이다. 도 26은 도 25의 H-H선 단면도이다.

도 25 및 도 26을 참조하면, 본 발명의 제7실시예에 따른 풍속가속장치(600)의 측면 일부가 바람에 의해 개방되도록 형성된 것이 상기 제1실시예와 상이하며, 상이한 점을 중심으로 상세히 설명하고, 나머지 구성은 상기 제1실시예와 유사하여 유사구성에 대한 상세설명은 생략한다.

상기 풍속가속장치(600)는, 상판(601), 하판(602), 측면 프레임(603) 및 측면 도어(610)를 포함한다.

상기 상판(601)과 상기 하판(602)은 각각 단면이 원호 형상을 이루도록 형성되어, 상기 상판(601)은 상면과 측면 일부를 가리고, 상기 하판(602)은 하면과 측면 일부를 가리게 된다.

상기 측면 프레임(603)은 상기 상판(601)과 상기 하판(602)사이에 연결되고, 상기 풍속가속장치(600)의 좌,우 양측면에 각각 배치된다. 상기 측면 프레임(603)은, 복수의 관통홀들(603a)을 갖는 프레임 형상으로 이루어진다. 상기 복수의 관통홀들(603a)은 서로 소정간격 이격되게 형성된다.

상기 측면 도어(610)는 상기 복수의 관통홀들(603a)에 대응되게 복수개가 배치된다. 상기 측면 도어(610)는 상기 측면 프레임(603)에 힌지축(612)에 의해 회동가능토록 결합된다. 상기 복수의 측면 도어들(610)은 상기 복수의 관통홀들(603a)을 가리도록 구비되고, 설정 풍속 이상의 바람에 의해 상기 힌지축(612)을 중심으로 회동되어 상기 복수의 관통홀들(603a)을 개방한다. 상기 측면 도어(610)의 각 일단에는 단차부(611)가 형성되어, 이웃하는 측면 도어(610)의 단부가 맞대어지도록 형성된다. 상기 측면 도어(610)는, 외측에서 불어오는 바람에 의해 반시계방향으로만 회전이 가능하나, 상기 단차부(611)에 의해 상기 풍속가속장치(600) 내부를 통과하는 바람에 의해 시계방향으로 회전하는 것이 불가능하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제7실시예에 따른 풍속가속장치(600)는, 유입되는 바람을 가속시킨다. 이 때, 바람이 상기 풍속가속장치(600)를 통과할 때, 상기 풍속가속장치(600)를 통과하는 바람에 의해서는 상기 측면 도어(610)가 개방되지 않는다. 즉, 상기 풍속가속장치(600) 내부의 바람이 상기 측면 도어(610)를 외측방향으로 밀더라도, 상기 측면 도어(610)의 우측단이 이웃하는 측면 도어(610)의 단차부(611)에 걸림되기 때문에 상기 측면 도어(610)는 개방되지 않는다. 따라서, 상기 풍속가속장치(600) 내부를 통과하는 바람이 밖으로 새어나가지 않게 되므로 풍속 가속이 원활히 이루어질 수 있다.

한편, 바람의 방향이 바뀌어 상기 풍속가속장치(600)의 측방향으로 바람이 불어 올 경우, 측방향에서 부는 바람에 의해 상기 측면 도어(610)가 개방된다. 예를 들어, 상기 풍속가속장치(600)의 우측방향에서 바람이 불어 올 경우, 상기 풍속가속장치(600)의 우측면에 위치한 상기 측면 도어들(610)이 바람에 의해 반시계방향으로 회전되면서 개방된다. 이 때, 상기 풍속가속장치(600)의 좌측면에 위치한 상기 측면 도어들(610)은 닫힌 상태를 유지한다. 상기 측면 도어들(610)이 개방되면, 상기 관통홀들(603a)을 통과한 바람은 상기 풍속가속장치(600)를 바람이 불어오는 방향으로 회전시키게 된다. 따라서, 바람의 방향이 바뀌더라도 상기 측면 도어들(610)에 의해 상기 풍속가속장치(600)는 항상 바람이 불어오는 방향으로 회전하게 되어, 상기 블레이드는 항상 충분한 바람을 받으며 회전할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 제7실시예에 따른 상기 풍속가속장치(600)는, 풍속 가속 역할 뿐만 아니라 풍향 추종의 역할도 할 수 있다.

도 27은 본 발명의 제8실시예에 따른 블레이드 피칭수단의 구성 및 동작을 나타낸 도면이다.

도 27을 참조하면, 본 발명의 제8실시예에 따른 블레이드 피칭수단(700)은, 피니언 기어(151), 랙 기어(152), 제1슬라이더(721), 제2슬라이더(722), 제1커넥팅 로드(731) 및 제2커넥팅 로드(732)를 포함하는 것이 상기 제1실시예와 상이하며, 나머지 구성은 상기 제1실시예와 유사하므로, 유사구성에 대해 동일 부호를 사용하고 그에 따른 상세한 설명은 생략한다.

상기 제1슬라이더(721)는 소정의 질량을 갖는 질량체이고, 고정 설치된 슬라이딩 레일(710)을 따라 직선 운동한다.

상기 제1커넥팅 로드(731)는 상기 제1슬라이더(721)와 상기 제2슬라이더(722)를 연결한다. 상기 제2커넥팅 로드(732)는 상기 제2슬라이더(722)와 상기 랙 기어(152)를 연결한다.

풍속이 빨라지면, 상기 제1슬라이더(721)가 하향 이동하게 된다. 상기 제1슬라이더(721)의 하향 이동시, 상기 제1커넥팅 로드(731)가 수평방향으로 위치되면서 상기 제2슬라이더(722)를 밀게 된다. 상기 제2슬라이더(722)가 슬라이딩하면서 전진하게 된다. 상기 제2슬라이더(722)의 전진 운동이 상기 제2커넥팅 로드(732)를 통해 상기 랙 기어(152)로 전달된다. 상기 랙 기어(152)가 전진하면서 상기 피니언 기어(151)가 시계방향으로 회전하고, 상기 피니언 기어(151)의 회전에 따라 상기 회전봉(64)과 상기 블레이드(50)가 일체로 회전한다. 따라서, 풍속에 따라 상기 블레이드(50)의 각도가 변화할 수 있다.

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: 타워 20,200: 블레이드장치
30: 로터 하우징 40: 허브
50: 블레이드 60,260: 피봇수단
64,262: 회전봉 70,210: 풍속가속장치
80,160,280: 풍향추종장치 82: 수직 프레임
84: 수평 프레임 86: 풍향 완충부재
90: 회전력 전달장치 150,270,500: 블레이드 피칭수단
151,271,530: 피니언 기어 152,272,540: 랙기어
154,274,554: 밸런스 웨이트 155,275,555: 크랭크 암
156,276.556: 제1커넥팅 로드 157,277.557: 제2커넥팅 로드
158,278,558: 슬라이더

Claims (2)

1. 지상으로부터 적정 높이를 유지하여 설치된 타워와;
   상기 타워의 상단에 장착된 하우징케이스에 의해 보호되는 원통형의 로터하우징, 상기 로터하우징의 중앙 영역에 배치된 허브, 상기 로터하우징과 허브사이에 장착된 복수의 블레이드들, 및 상기 로터 하우징의 후방에 장착되어 상기 로터하우징을 바람이 불어오는 방향으로 회전시키는 풍향추종장치를 포함하는 블레이드장치와;
   상기 블레이드 장치의 회전력을 지상의 발전기로 전달하는 회전력 전달장치를 포함하는 무동력 풍향 자동 추종 풍력 발전기.
2. 지상으로부터 적정 높이를 유지하여 설치된 타워와;
   상기 타워의 상단에 장착되고, 바람의 흐름 방향으로 길게 형성된 하우징 케이스, 상기 하우징 케이스의 내주연에서 바람의 흐름 방향으로 서로 소정간격 이격된 위치에 각각 회전가능하게 구비되고 원통형으로 이루어진 전,후방 로터하우징, 상기 전,후방 로터하우징의 중앙 영역에 배치된 전,후방허브, 상기 전,후방 로터하우징과 상기 전,후방 허브사이에 장착된 복수의 블레이드들, 및 상기 하우징 케이스의 후면에 장착되어 상기 하우징 케이스를 바람이 불어오는 방향으로 회전시키는 풍향추종장치를 포함하는 블레이드장치와,
   상기 블레이드 장치의 회전력을 지상의 발전기로 전달하는 회전력 전달장치를 포함하는 무동력 풍향 자동 추종 풍력 발전기.

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