KR20140087706A - 수직기어타입 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

수직기어타입 풍력발전기가 개시된다. 본 발명의 수직기어타입 풍력발전기는, 나셀에 마련되어 블레이드의 회전력을 전달하는 구동유닛과, 나셀을 지지하는 타워의 하측부에 마련되며 구동유닛과 연동되는 종동유닛과, 타워의 하측부에 마련되며 종동유닛의 회전력을 이용하여 발전되는 발전유닛을 포함한다.

Description

수직기어타입 풍력발전기{VERTICLAL GEARED TYPE WIND YURBINE}

본 발명은, 수직기어타입 풍력발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 발전기를 포함하는 주요 구성이 타워의 하부에 배치되는 수직기어타입 풍력발전기에 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.

한편 풍력발전기의 주요 구성은, 도 1에 도시된 바와 같이, 바람이 가진 에너지를 회전력으로 변환시켜주며 블레이드(B)와 허브(H)가 구비된 로터(R, rotor)와, 로터(R)와 연결되며 블레이드(B)의 회전수를 발전기(GN)의 정격회전수로 맞춰주는 기어박스(GB)와, 기어박스(GB)와 연결되어 발전되는 발전기(GN)와, 제어부(CR)와, 기어박스(GB)와 발전기(GN)와 제어부(CR)가 내부에 설치되는 나셀(N)과, 나셀(N)을 지지하는 타워(T)를 포함한다.

종래의 풍력발전기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 발전기(GN)와 기어박스(GB)를 포함하는 주요 구성이 나셀(N)의 내부에 집중적으로 설치되어 있어 대형 발전기일수록 하중으로 인한 제작비가 증가된다.

또한 전술한 주요 구성을 유지 및 보수하기 위해 교체 시 크레인이 필요하고, 주요 구성의 하중 및 크기가 증가되어 크레인의 크기도 증가되며, 주요 구성이 높은 위치에 배치되므로 작업의 위험성도 있다.

한국특허공개공보 제2011-0032858호(대우조선해양 주식회사) 2012. 10. 17.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발전기를 포함하는 주요 구성을 타워의 하부에 마련하여 주요 구성의 유지보수를 용이하게 할 수 있고, 나셀의 무게를 줄임으로써 원가를 절감할 수 있는 수직기어타입 풍력발전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 나셀에 마련되어 블레이드의 회전력을 전달하는 구동유닛; 상기 나셀을 지지하는 타워의 하측부에 마련되며 상기 구동유닛과 연동되는 종동유닛; 및 상기 타워의 하측부에 마련되며 상기 종동유닛의 회전력을 이용하여 발전되는 발전유닛을 포함하는 수직기어타입 풍력발전기가 제공될 수 있다.

상기 구동유닛은, 상기 블레이드의 회전력을 평행하지 않은 축 방향으로 전달하는 제1 베벨기어를 포함할 수 있다.

상기 제1 베벨기어는, 상기 블레이드가 결합되는 허브에 연결되어 회전되는 구동축에 결합되며 상기 구동축과 같이 회전되는 제1 구동베벨기어; 및 상기 나셀의 내부에 회전 가능하게 마련되며 상기 제1 구동베벨기어과 기어 맞물림되어 상기 제1 구동베벨기어와 같이 회전되는 제1 피동베벨기어를 포함할 수 있다.

상기 종동유닛은, 상기 구동유닛과 연동되며 상기 구동유닛의 회전력을 평행하지 않은 축 방향으로 전달하는 제2 베벨기어를 포함할 수 있다.

상기 제2 베벨기어는, 상기 구동유닛에 일측부가 연결되어 회전되는 연결축의 타측부에 결합되며 상기 타워의 하측부에 배치되는 제2 구동베벨기어; 및 상기 타워의 하측부에 회전 가능하게 마련되며 상기 제2 구동베벨기어와 기어 맞물림되어 상기 제2 구동베벨기어와 같이 회전되는 제2 피동베벨기어를 포함할 수 있다.

상기 발전유닛은, 상기 종동유닛에 종동축에 의해 연결되는 기어박스; 및 상기 기어박스에 연결되는 발전기를 포함할 수 있다.

상기 타워의 하측부에 마련되는 하우징을 더 포함하며, 상기 종동유닛과 상기 발전유닛은 상기 하우징의 내부에 배치될 수 있다.

또한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 블레이드의 회전력을 평행하지 않은 축 방향으로 전달시켜 상기 회전력을 이용하여 발전되는 발전유닛을 포함하되 상기 발전유닛은 타워의 하측부에 마련되는 것을 특징으로 하는 수직기어타입 풍력발전기가 제공될 수 있다.

상기 타워의 하측부에 마련되며 상기 발전유닛이 내부에 배치되는 하우징을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 블레이드의 회전력을 평행하지 않은 축 방향으로 전달시켜 발전되는 발전유닛을 타워의 하측부에 마련함으로써 발전유닛의 유지보수를 용이하게 할 수 있고, 나셀의 무게를 획기적으로 줄여 원가를 절감할 수 있다.

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 풍력발전기를 개략적으로 도시한 도며이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직기어타입 풍력발전기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 수직기어타입 풍력발전기의 작동 상태도이다.

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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직기어타입 풍력발전기를 개략적으로 도시한 도면이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 수직기어타입 풍력발전기(1)는, 나셀(N)에 마련되어 블레이드(B)의 회전력을 전달하는 구동유닛(100)과, 나셀(N)을 지지하는 타워(T)의 하측부에 마련되며 구동유닛(100)과 연동되는 종동유닛(200)과, 타워(T)의 하측부에 마련되며 종동유닛(200)의 회전력을 이용하여 발전되는 발전유닛(300)을 구비한다.

구동유닛(100)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 나셀(N)의 내부에 마련되며, 로터(R)의 회전력을 전달하는 구동축(DS)에 연결되어 구동축(DS)의 회전력을 종동유닛(200)으로 전달하는 역할을 한다. 참고로 로터(R)는 블레이드(B)와 허브(H)를 포함한다.

본 실시 예에서 구동유닛(100)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 블레이드(B)의 회전력을 평행하지 않은 축 방향으로 전달하는 제1 베벨기어(100)를 포함하며, 제1 베벨기어(100)는, 블레이드(B)가 결합되는 허브(H)에 연결되어 회전되는 구동축(DS)에 결합되며 구동축(DS)과 같이 회전되는 제1 구동베벨기어(110)와, 나셀(N)의 바닥부에 회전 가능하게 마련되며 제1 구동베벨기어(110)과 기어 맞물림되어 제1 구동베벨기어(110)와 같이 회전되는 제1 피동베벨기어(120)를 포함한다.

따라서 블레이드(B)가 회전되면 허브(H)에 연결된 구동축(DS)과 구동축(DS)에 결합된 제1 구동베벨기어(110)가 회전되고, 제1 구동베벨기어(110)가 회전되면 제1 구동베벨기어(110)에 기어 맞물림된 제1 피동베벨기어(120)가 회전되며, 제1 피동베벨기어(120)의 회전력은 연결축(CS)에 의해 종동유닛(200)으로 전달된다.

종동유닛(200)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 타워(T)의 하측부에 마련된 하우징(400)의 내부에 회전 가능하며 마련되며, 구동유닛(100)의 제1 피동베벨기어(120)와 연결축(CS)에 의해 연결되어 구동유닛(100)의 회전력을 전달받는다.

본 실시 예에서 종동유닛(200)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 구동유닛(100)과 연동되며 구동유닛(100)의 회전력을 평행하지 않은 축 방향으로 전달하는 제2 베벨기어(200)를 포함하고, 제2 베벨기어(200)는, 구동유닛(100)에 상측부가 연결되어 회전되는 연결축(CS)의 하측부에 결합되며 하우징(400)의 상측부에 회전가능하게 마련되는 제2 구동베벨기어(210)와, 하우징(400)의 내부에 회전 가능하게 마련되며 제2 구동베벨기어(210)와 기어 맞물림되어 제2 구동베벨기어(210)와 같이 회전되는 제2 피동베벨기어(220)를 포함한다.

본 실시 예에서 제2 구동베벨기어(210)는 하우징(400)의 바닥부에 회전 가능하게 마련될 수도 있고, 제2 피동베벨기어(220)의 회전력은 종동축(JS)을 통해 발전유닛(300)에 전달될 수 있다.

발전유닛(300)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징(400)의 내부에 마련되어 종동축(JS)을 회전력을 이용하여 발전하는 것으로서, 종동축(JS)과 연결되며 종동축(JS)의 회전수를 발전기(320)의 정격회전수로 맞춰주는 기어박스(310)와, 기어박스(310)에 연결되어 발전되는 발전기(320)와, 발전기(320)에서 생산되는 교류 전압을 높이거나 낮추는 변압기(330)를 포함한다.

본 실시 예는 발전유닛(300)이 종래와 같이 나셀(N)에 배치되는 것이 아니라 타워(T)의 하측부인 지상에 마련되므로 발전유닛(300)의 유지보수 시 접근이 용이하여 유지보수작업을 편리하게 할 수 있는 이점이 있다.

특히 기어박스(310)는 타워(T), 블레이드(B), 베어링 등과 함께 풍력발전기를 이루는 핵심부품으로, 고장률이 높고 교체 비용도 상당히 많이드는 데, 본 실시 예는 기어박스(310)를 지상에서 분리 및 교체할 수 있어 크레인 등이 필요없으므로 이에 소요되는 비용을 줄일 수 있다.

본 실시 예에서 기어박스(GB)는 있을 수도 있고, 없을 수도 있다. 즉 본 실시 에에서 발전유닛(300)은 기어 타입(Geared Type) 또는 기어리스 타입(Gearless Type) 모두에 적용될 수 있다.

또한 지상에서 유지보수작업이 이루어지므로 낙하로 인한 위험을 사전에 방지할 수 있다.

한편 본 실시예는 미도시 되었지만 나셀(N)의 내부에 마련되어 구동축(DS)을 기계적인 메커니즘으로 브레이킹하는 브레이크와, 나셀(N)에 마련되어 타워(T)를 기준으로 회전시키는 요 시스템(yaw system)과, 나셀(N)과 하우징(400)의 내부에 각각 마련되어 구동축(DS)과 제2 구동베벨기어(210)와 종동축(JS)을 회전가능하게 지지하는 지지대를 포함한다. 또한 타워(T)의 내부에는 긴 길이의 연결축(CS)을 회전 가능하게 지지하는 복수의 회전지지대와, 연결축(CS)에 마찰 접촉되어 연결축(CS)을 순간적으로 스토핑(stopping)시킬 수 있는 복수의 스토퍼가 마련될 수 있다.

이하에서 도 3을 참조하여 본 실시예의 작동 상태를 간략히 설명한다.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 블레이드(B)의 회전력은 구동축(DS)을 통해 제1 베벨기어(100)의 제1 구동베벨기어(110)로 전달된다. 제1 구동베벨기어(110)가 회전되면 제1 구동베벨기어(110)와 기어 맞물림된 제1 피동베벨기어(120)가 회전되고, 제1 피동베벨기어(120)가 회전되면 연결축(CS)을 통해 제1 피동베벨기어(120)와 연결된 제2 베벨기어(200)의 제2 구동베벨기어(210)가 회전된다.

제2 구동베벨기어(210)가 회전되면 이와 기어 맞물림된 제2 피동베벨기어(220)가 회전되고, 제2 피동베벨기어(220)의 회전력은 종동축(JS)을 통해 기어박스(310)로 전달된다. 기어박스(310)는 종동축(JS)의 회전력을 발전기(320)의 정격회전수로 맞춰주고, 발전기(320)는 종동축(JS)의 회전력을 기초로 발전된다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시예는 블레이드의 회전력을 평행하지 않은 축 방향으로 전달시켜 발전되는 발전유닛을 타워의 하측부에 마련함으로써 발전유닛의 유지보수를 용이하게 할 수 있고, 나셀의 무게를 획기적으로 줄여 원가를 절감할 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 : 수직기어타입 풍력발전기 100 : 구동유닛(제1 베벨기어)
110 : 제1 구동베벨기어 120 : 제1 피동베벨기어
200 : 종동유닛(제2 베벨기어) 210 : 제2 구동베벨기어
220 : 제2 피동베벨기어 300 : 발전유닛
310 : 기어박스 320 : 발전기
330 : 변압기 400 : 하우징
B : 블레이드 CR : 제어부
DS : 구동축 GB : 기어박스
H : 허브 JS : 종동축
N : 나셀 R : 로터
T : 타워

Claims (9)

1. 나셀에 마련되어 블레이드의 회전력을 전달하는 구동유닛;
   상기 나셀을 지지하는 타워의 하측부에 마련되며 상기 구동유닛과 연동되는 종동유닛; 및
   상기 타워의 하측부에 마련되며 상기 종동유닛의 회전력을 이용하여 발전되는 발전유닛을 포함하는 수직기어타입 풍력발전기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 구동유닛은,
   상기 블레이드의 회전력을 평행하지 않은 축 방향으로 전달하는 제1 베벨기어를 포함하는 수직기어타입 풍력발전기.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 베벨기어는,
   상기 블레이드가 결합되는 허브에 연결되어 회전되는 구동축에 결합되며 상기 구동축과 같이 회전되는 제1 구동베벨기어; 및
   상기 나셀의 내부에 회전 가능하게 마련되며 상기 제1 구동베벨기어과 기어 맞물림되어 상기 제1 구동베벨기어와 같이 회전되는 제1 피동베벨기어를 포함하는 수직기어타입 풍력발전기.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 종동유닛은,
   상기 구동유닛과 연동되며 상기 구동유닛의 회전력을 평행하지 않은 축 방향으로 전달하는 제2 베벨기어를 포함하는 수직기어타입 풍력발전기.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제2 베벨기어는,
   상기 구동유닛에 일측부가 연결되어 회전되는 연결축의 타측부에 결합되며 상기 타워의 하측부에 배치되는 제2 구동베벨기어; 및
   상기 타워의 하측부에 회전 가능하게 마련되며 상기 제2 구동베벨기어와 기어 맞물림되어 상기 제2 구동베벨기어와 같이 회전되는 제2 피동베벨기어를 포함하는 수직기어타입 풍력발전기.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 발전유닛은,
   상기 종동유닛에 종동축에 의해 연결되는 기어박스; 및
   상기 기어박스에 연결되는 발전기를 포함하는 수직기어타입 풍력발전기.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 타워의 하측부에 마련되는 하우징을 더 포함하며,
   상기 종동유닛과 상기 발전유닛은 상기 하우징의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 수직기어타입 풍력발전기.
8. 블레이드의 회전력을 평행하지 않은 축 방향으로 전달시켜 상기 회전력을 이용하여 발전되는 발전유닛을 포함하되 상기 발전유닛은 타워의 하측부에 마련되는 것을 특징으로 하는 수직기어타입 풍력발전기.
9. 청구항 9에 있어서,
   상기 타워의 하측부에 마련되며 상기 발전유닛이 내부에 배치되는 하우징을 더 포함하는 수직기어타입 풍력발전기.

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