KR20170107507A - 풍력 터빈 - Google Patents

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KR20170107507A
KR20170107507A KR1020177023271A KR20177023271A KR20170107507A KR 20170107507 A KR20170107507 A KR 20170107507A KR 1020177023271 A KR1020177023271 A KR 1020177023271A KR 20177023271 A KR20177023271 A KR 20177023271A KR 20170107507 A KR20170107507 A KR 20170107507A
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generator
stationary ring
support structure
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KR1020177023271A
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키스잔 클란트
오우드 블레우겔
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메가 윈드포스 아이피 비브이 아이/오
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Abstract

본 발명에 따른 풍력 터빈(11)은 지지 구조체(17); 하나 이상의 로터 블레이드(21)를 포함하고 상기 로터가 회전축을 중심으로 자유롭게 회전 가능하도록 상기 지지 구조체(17) 상에 위치되는 로터(13); 및 상기 로터에 연결되고, 상기 로터(13)가 회전하는 경우 상기 바람 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전기;를 포함한다. 이 때, 상기 지지 구조체(17)는 상기 로터(13)가 회전 가능하게 가이드되고 상기 발전기의 고정자가 위치되는 고정링을 포함한다.

Description

풍력 터빈
본 발명은 청구항 1 항의 정의에 따른 풍력 터빈에 관한 것이다.
관련기술에 따른 풍력 터빈은 타워를 포함하고, 자유단부에는 발전기를 수용하는 나셀이 위치한다. 대부분의 경우 3 개의 로터 블레이드를 포함하고 수평축을 중심으로 회전 가능한 별 모양의 로터가 나셀에 장착된다. 로터의 토크는 로터 샤프트의 도움으로 기어에 의해 발전기로 직접 또는 간접적으로 전달된다. 로터 블레이드의 길이는 최대 85미터이므로, 베어링과 로터 샤프트를 기계적 한계까지 밀어주기위해 많은 기계적 힘이 작용한다. 좋은 효율성을 위해서는 직접 구동되는 발전기의 직경이 로터의 직경에 맞게 조정되어야 한다. 중심 베어링 개념을 가지는 풍력 터빈은 물리적 한계에 도달했다.
설명된 관련 기술의 단점에 기초하여, 본 발명의 목적은 향상된 출력을 가지는 일반적인 풍력 터빈을 개량하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 지지 구조체(17); 하나 이상의 로터 블레이드(21)를 포함하고, 상기 로터가 회전축을 중심으로 자유롭게 회전 가능하도록 상기 지지 구조체(17) 상에 위치되는 로터(13); 및 상기 로터(13)에 연결되고, 상기 로터(13)가 회전하는 경우 상기 바람 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전기;를 포함하고, 상기 지지 구조체(17)는 상기 로터(13)가 회전 가능하게 가이드되고 상기 발전기의 고정자가 위치되는 고정링(15)을 포함하는 풍력 터빈(11)이 제공된다.
이 때, 상기 로터(13)는 샤프트 또는 축의 기계요소 중 어느 하나와 연결되지 않을 수 있다.
이 때, 상기 발전기는 상기 고정링(15) 및 상기 로터(13) 사이에 제공될 수 있다.
이 때, 상기 로터(13)는, 복수개의 롤링요소(23) 또는 롤러 베어링을 통해 고정링(15) 상에 지지되는 로터링(19)을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 로터(15)는 자기력에 의해 상기 고정링(15)에 플로팅 방식으로 지지되는 로터링(19)을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 발전기는 상기 롤러 베어링(23)에 통합되거나, 또는 상기 롤러 베어링(23)이 발전기에 기계적으로 연결될 수 있다.
이 때, 상기 로터(15)의 회전 운동을 롤러 베어링(23)으로 전달하는 적어도 하나의 원주 레일(25)은 상기 로터(13)의 원주 방향으로 고정될 수 있다.
이 때, 상기 로터 블레이드에 대한 상기 로터 직경 비율은 1:2이고, 바람직하게는 1:1.5이고, 특히 바람직하게는 1:1일 수 있다.
이 때, 로터 블레이드(21)의 개수는 적어도 3 개 이상일 수 있다.
이 때, 롤러 베어링(23)의 적어도 두 개의 원형 트랙이 상기 고정링(15) 상에 위치될 수 있다.
이 때, 상기 발전기 코일은 고정링(15)에 위치될 수 있다.
이 때, 상기 발전기 자석은 상기 로터(13)에 위치될 수 있다.
이 때, 상기 발전기에 의해 생성된 상기 전기 에너지는 상기 고정링(15)에서 인출 가능할 수 있다.
이 때, 상기 지지 구조체는 타워(27)와 크로스부재(29)를 갖는 T형 수직부재(17)를 포함하고, 상기 고정링(15)은 상기 크로스부재(29)의 단부에 고정될 수 있다.
이 때, 상기 로터링(19)은 상기 고정링(15) 외부 상에 위치될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 특히, 오늘날의 일반적인 치수의 풍력 터빈에 있어서, 기계적 스트레스를 감소시켜 수리 및 유지의 노력이 감소된다.
도 1은 풍력 터빈의 전체 부등각도(axonometric)를 도시한다.
도 2는 고정링과 함께 지지 구조체의 부등각도(axonometric)를 도시한다.
도 3은 고정링 상에서 회전하는 복수의 로터 블레이드와 함께 로터의 부등각도(axonometric)를 도시한다.
도 4는 로터 베어링을 설명하기 위한 풍력 터빈의 부분 단면도를 도시한다.
전술한 목적은 로터가 회전 가능하게 가이드되고, 발전기의 고정자가 위치되는 고정링을 포함하는 지지 구조체에 의해 달성된다. 고정링을 제공하는 것의 결과로, 로터의 기계적 부하는 회전축의 중심에 집중되지 않고, 오히려 고정링의 둘레에 걸쳐 분포될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 풍력 터빈에 대한 기계적인 부하는 감소될 수 있고, 수리 및 유지비용을 절감할 수 있다. 또한, 제공된 디자인으로 더 긴 로터 블레이드를 가지는 풍력 터빈이 구현될 수 있다. 이 디자인은 그것의 기계적 로드의 한계에 도달했으므로, 이것은 관련 기술에 따른 디자인에서는 불가능하다. 고정링을 발전기의 고정자로 활용하는 것은 발전기가 종래의 로터 고정자 링 시스템에 직접적으로 통합할 수 있다. 또한, 발전기로의 로터의 복잡한 기계적 전달이 필요하지 않다. 이러한 이유로, 발전기는 고정링과 로터 사이에 제공되는 것이 바람직하다.
로터가 샤프트 또는 축의 기계적 요소 중 하나와 연결되지 않은 경우 유리하다는 것이 입증되었다. 따라서, 로터는 이러한 기계적 요소들이 없다. 본 출원의 범위 내에서, 샤프트는 로터의 베어링에 사용되고 로터의 회전 운동 및 토크를 전달하는 막대 형태의 기계 요소를 의미하는 것으로 이해된다. 액슬은 토크를 전달하지 않는 막대 형태의 기계 요소로 이해된다. 로터가 고정링 상에 가이드되므로, 막대 형태의 로터 샤프트 또는 로터 액슬이 생략될 수 있다. 로터에 대한 기계적인 부하는 중심에서 샤프트 또는 액슬로 전달되지 않고, 큰 직경을 가지는 고정링에 분산될 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서는 로터는 복수의 베어링 또는 롤링요소를 통해 고정링 상에 지지되는 로터링을 포함한다. 롤링요소는 바퀴 또는 롤러로 디자인될 수 있다. 풍력 터빈에서 필연적으로 발생하는 높은 기계적 부하는 본 발명에 따른 풍력 터빈의 고정링의 둘레에 걸쳐 분포될 수 있다. 그러므로, 부하는 단지 몇 개의 롤러 베어링에 의해 흡수될 필요가 없으며 대신에 복수의 작은 베어링들에 분산될 수 있다. 롤러 베어링의 롤링요소는 실린더, 롤러, 드럼, 구, 원뿔 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 로터는 자력에 의해 고정링 상에 플로팅 방식으로 지지되는 로터링을 포함한다. 플로팅 자력 베어링 개념은 기계적인 마모를 받지 않으므로, 특히 높은 기계적 부하에 유리하다. 따라서, 더 높은 자본 비용은 빠르게 상각될 수 있다.
본 발명은 바람직하게는 발전기가 롤러 베어링에 통합되거나 또는 롤러 베어링이 발전기에 기계적으로 연결되는 것을 특징으로 한다. 따라서 전기 에너지로의 변환을 위해 하나의 발전기를 사용하지 않고 많은 작은 발전기를 롤러 베어링에 연결하는 것이 가능합니다. 이것은 롤러 베어링이 어쨌든 존재하기 때문에 로터링에 대한 결합이 매우 쉽게 성립될 수 있다는 장점이 있다. 또 다른 이점은 바람 상태에 따라 발전기가 쉽게 연결되고 분리될 수 있다는 것입니다.
로터의 회전 운동을 롤러 베어링에 전달하는 적어도 하나의 원주 트랙이 원주 방향으로 로터에 고정되는 것이 유리한 것으로 검증되었다. 이러한 이유로 로터링은 롤링요소가 구를수 있는 정밀 가공된 주행 표면이 필요하지 않다. 원형 레일은 쉽고 비용 효율적으로 제조할 수 있으며 로터링에 신속하게 통합될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서는, 로터 블레이드에 대한 로터의 길이 비는 1:2, 바람직하게는 1:1.5, 특히 바람직하게는 1:1이다. 이러한 비율로부터 상대적으로 큰 직경의 로터링이 있음에도 불구하고, 바람을 이용하기 위한 표면은, 동일한 로터 직경을 갖는 기존의 풍력 터빈보다 단지 10% 작다. 대형 로터링은 기계적 부하를 잘 흡수할 수 있다. 예를 들어, 로터링의 바람직한 치수는 50m의 로터 블레이드 길이와 동일하게 50m이다.
큰 로터링 때문에, 3 개의 로터 블레이드를 가지는 본 발명에 따른 풍력 터빈은 기계적 한계에 도달하지 않고, 3 개보다 많은 로터 블레이드가 또한 사용될 수 있고 및/또는 로터 블레이드 길이는 증가될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 풍력 터빈은 20 메가와트의 전력을 전달할 수 있는 것으로 판단된다.
큰 로터에 의해 야기되는 기계적 부하를 잘 분산시키기 위하여, 롤러 베어링의 적어도 두 개의 원형 링이 고정링 상에 위치되는 것이 유리하다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 발전기 코일은 고정링에 위치된다. 따라서, 생성된 전류의 인출은 특히 용이하며, 슬라이딩 컬렉터는 생략될 수 있다.
반대로, 발전기 자석이 로터에 위치하는 것이 유리하다. 특히 자석이 영구자석인 경우, 로터는 풍력 터빈의 고정부에 선 연결이 요구되지 않으므로, 설계를 단순화시킨다.
발전기에 의해 발생된 전기 에너지가 고정링에서 인출 가능한 경우에 유리하다. 움직이지 않는 부분에서의 전류 제거는, 움직이는 부분(예를 들어, 로터링)이 매우 큰 경우보다 쉽다.
타워와 크로스부재를 가지는 T형 수직부재를 포함하는 지지 구조체로 인해서, 고정링은 크로스부재의 단부에 체결되고, 고정링은 지지 구조체 상에 신뢰성 있게 유지되며, 그럼에도 불구하고 지지 구조체의 바람 저항은 낮다. 크로스부재는 유리하게는 타워의 길이방향 축을 중심으로 회전 가능하여, 풍력 터빈은 바람에 따라 회전될 수 있다.
로터링이 고정링 외부 상에 위치되는 경우 유리한 것이 검증되었다. 로터링은 고정링에 장착될 수 있으며, 예를 들어, 베어링의 유지 보수 작업 중 제거될 수 있다.
개략도를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 추가적인 이점 및 특징이 도출된다. 개략도는 정확한 스케일이 아니다.
도 1은 풍력 터빈의 전체 부등각도(axonometric)를 도시한다. 도 2는 고정링과 함께 지지 구조체의 부등각도(axonometric)를 도시한다. 도 3은 고정링 상에서 회전하는 복수의 로터 블레이드와 함께 로터의 부등각도(axonometric)를 도시한다. 도 4는 로터 베어링을 설명하기 위한 풍력 터빈의 부분 단면도를 도시한다.
도 1 및 도 4는 본 발명에 따른 풍력 터빈의 일 실시예를 도시한다. 전체적으로 도면 부호 11로 표시된다. 풍력 터빈(11)은 고정링(15)을 중심으로 회전 가능하게 지지되는 로터(13)를 포함한다. 고정링(15)은 T형의 수직부재(17)에 의해 지지되거나 유지된다.
로터(13)은 로터링(19) 및 복수의 로터 블레이드(21)를 포함한다. 로터링(19)은 바람직하게는 로터 블레이드의 길이에 본질적으로 대응되는 직경을 가진다. 예를 들어, 로터링(19)의 직경 및 로터 블레이드의 길이는 각각 50m이다. 로터 블레이드(21)의 길이에 대한 로터링의 상당한 직경에도 불구하고, 로터링(19)의 표면적은 로터 블레이드(21)의 자유단부에 의해 한정된 원형 영역의 단지 10%이다. 따라서, 이용 가능한 바람 표면은 로터링 때문에 약간만 감소된다. 따라서, 이용 가능한 바람 표면을 현저하게 감소시키지 않으면서, 로터 블레이드(21)의 길이는 종래의 풍력 터빈의 로터 블레이드의 길이에 비해 약 1/3으로 감소될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 풍력 터빈(11)의 재료 비용은 로터 블레이드의 재료 비용이 낮기 때문에 상당히 감소될 수 있다.
로터링(19)은 고정링(15)의 외측에서 회전 가능하게 가이드된다. 베어링은 도 4에 도시된 바와 같이, 복수개의 롤링요소(23)에 의해 고려될 수 있다. 롤링요소(23)는 고정링의 외측의 오목부에 회전 가능하게 수용될 수 있고, 고정링(15) 상의 2 개 이상의 동심원 레일에 위치될 수 있다. 롤링요소(23)는 로터링(19)의 내측면 상의 주행면상에서 직접 슬라이딩할 수 있거나, 또는 가이드 레일(25) 상에서 간접적으로 슬라이딩할 수 있다. 롤링요소(23)는 휠, 롤러, 드럼, 핀 및 다른 회전되는 대칭체일 수 있다. 가이드 레일(25)은 로터링(19)에 고정적으로 연결되고, 로터링(19)의 회전운동을 롤링요소(23)로 이동시킨다.
로터 블레이드의 중량으로 인한 높은 기계적 부하는 종래의 풍력 터빈의 경우와 같이, 중심 베어링에 의해 수용될 필요가 없고, 대신에 복수의 롤링요소(23)에 걸쳐 분포될 수 있다. 따라서, 풍력 터빈(11)에 대한 수리 비용은 감소될 수 있다. 상기 치수에 대해, 롤링요소(23)의 부하용량이 최대치에 미치지 않기 때문에 풍력 터빈(11)에 대한 로터 블레이드 길이를 증가시키는 것을 또한 고려할 수 있다.
로터링(19)을 고정링(15) 상에 매달리도록 유지시키는 자기력에 의해, 로터링(19)의 베어링이 고정링(15) 상에 형성될 수 있는 것도 고려할 수 있다. 바람 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 풍력 터빈(11)의 발전기는 로터링(19)과 고정링(15) 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 오직 유도 코일에 대한 자기장의 상대적 운동만이 발전기에 중요하기 때문에, 발전기의 고정자와 상관 없이, 발전기의 고정자가 고정링(15)에 위치하는 것이 바람직하다. 발전기의 로터는 로터링(19)에 배치되는 것이 유리하다. 생성된 전류의 인출을 단순화하기 위해, 슬라이드 요소를 사용하는 인출이 로터링(19)에서 발생할 수 있다고 할지라도, 고정링(15)에서 전류 인출이 발생하는 경우가 바람직하다. 단순화된 전류 인출을 위해, 발전기 자석은 로터링(19)에 위치되고 유도 코일은 고정링(15)에 위치된다.
또한, 개별 발전기가 롤링요소(23)에 통합되거나, 개별 발전기가 롤링요소(23)에 기계적으로 연결되는 것을 고려할 수 있다. 풍력에 따라, 개별 발전기가 연결되거나 롤링요소(23)에 의한 회전 전달에 의해 연결이 끊어질 수 있다.
관련 기술의 풍력 터빈은 일반적으로 3개의 로터 블레이드를 포함한다. 이 숫자는 본 발명에 따른 풍력 터빈에서 증가될 수 있다. 이는 이들의 링 구조로 인해 로터 블레이드가 더 높은 기계적 부하를 견딜 수 있기 때문이다.
T형 수직부재는 타워(27) 및 크로스부재(29)를 포함한다. 고정링(15)은 크로스부재(29)의 단부에 위치된다. 이러한 방식으로, 충분히 안정한 장착과 동시에 바람직하게는 낮은 바람 저항이 달성될 수 있다.
고정링(15) 및 로터링(19)을 제공하기 때문에, 관련 기술의 풍력 터빈과 같이, 기계적 힘은 분산될 수 있고, 회전축의 중심점에서 작용하지 않을 수 있다. 기계적 힘은 복수개의 롤링요소에 걸쳐 분포될 수 있다.
11 풍력 터빈
13 로터
15 고정링
17 수직부재, 지지 구조체
19 로터링
21 로터 블레이드
23 롤링요소, 롤링 베어링
25 가이드 레일
27 타워
29 크로스부재

Claims (15)

  1. 지지 구조체(17);
    하나 이상의 로터 블레이드(21)를 포함하고, 상기 로터가 회전축을 중심으로 자유롭게 회전 가능하도록 상기 지지 구조체(17) 상에 위치되는 로터(13); 및
    상기 로터(13)에 연결되고, 상기 로터(13)가 회전하는 경우 상기 바람 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전기;를 포함하고,
    상기 지지 구조체(17)는 상기 로터(13)가 회전 가능하게 가이드되고 상기 발전기의 고정자가 위치되는 고정링(15)을 포함하는 풍력 터빈(11).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터(13)는 샤프트 또는 축의 기계요소 중 어느 하나와 연결되지 않는 풍력 터빈.
  3. 제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기는 상기 고정링(15) 및 상기 로터(13) 사이에 제공되는 풍력 터빈.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터(13)는, 복수개의 롤링요소(23) 또는 롤러 베어링을 통해 고정링(15) 상에 지지되는 로터링(19)을 포함하는 풍력 터빈.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,
    상기 로터(15)는 자기력에 의해 상기 고정링(15)에 플로팅 방식으로 지지되는 로터링(19)을 포함하는 풍력 터빈.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 발전기는 상기 롤러 베어링(23)에 통합되거나, 또는 상기 롤러 베어링(23)이 발전기에 기계적으로 연결되는 풍력 터빈.
  7. 제 4 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터(15)의 회전 운동을 롤러 베어링(23)으로 전달하는 적어도 하나의 원주 레일(25)은 상기 로터(13)의 원주 방향으로 고정되는 풍력 터빈.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터 블레이드에 대한 상기 로터 직경 비율은 1:2이고, 바람직하게는 1:1.5이고, 특히 바람직하게는 1:1인 풍력 터빈.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    로터 블레이드(21)의 개수는 적어도 3 개 이상인 풍력 터빈.
  10. 제 4 항, 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    롤러 베어링(23)의 적어도 두 개의 원형 트랙이 상기 고정링(15) 상에 위치되는 풍력 터빈.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기 코일은 고정링(15)에 위치되는 풍력 터빈.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기 자석은 상기 로터(13)에 위치되는 풍력 터빈.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기에 의해 생성된 상기 전기 에너지는 상기 고정링(15)에서 인출 가능한 풍력 터빈.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 구조체는 타워(27)와 크로스부재(29)를 갖는 T형 수직부재(17)를 포함하고,
    상기 고정링(15)은 상기 크로스부재(29)의 단부에 고정되는 풍력 터빈.
  15. 제 4 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터링(19)은 상기 고정링(15) 외부 상에 위치되는 풍력 터빈.
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