WO2012036516A2 - 풍력 발전기의 출력 제어장치 - Google Patents

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현경열
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Hyun Kyung Yul
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to an output control apparatus for a wind generator, and more particularly, to an output control apparatus for a wind generator capable of output control to a gearbox and shift control.
  • Wind power generators are devices that convert the energy of wind into electrical energy that we can use usefully.
  • Blowing winds rotate the wind turbine's wings. At this time, the power generated by the rotation of the wing will be used by us.
  • the wind generator is composed of three parts: a blade (blade), a transmission (gearbox), and a generator.
  • Wings are rotated by the wind and convert wind energy into mechanical energy.
  • the transmission rotates the generator by transmitting the rotational force generated from the wing to the transmission gear through the central rotation shaft and increasing it to the number of revolutions required by the generator.
  • a generator is a device that converts mechanical energy generated by the wing into electrical energy.
  • the wind generator is classified into a passive and active stall control method, a pitch angle control method, a gearless control method, and the like according to the output control method.
  • the passive stall control method produces the maximum output at a certain wind speed by fixing the blade angle, but it is difficult to maintain a constant rated output due to technical limitations.
  • the active stall control method has a problem in that a method for maintaining the rated output even above the rated wind speed by adjusting the blade angle of the wing or the aerodynamic load increases and noise is generated.
  • the pitch angle control method is a method in which delicate control is required by adjusting a rotor blade to maintain a constant rated power.
  • the gearless control method is convenient because the gearbox is removed, but the disadvantage is that the price is expensive and the size of the generator is large.
  • An object of the present invention is to provide an output control apparatus of a wind generator capable of output control to a gearbox and shift control.
  • the object of the present invention is a cam gear having first and second cam holes forming different phase differences in both end regions, and a central hole connecting and communicating with the first and second cam holes to form a circular cross section;
  • a unit housing inserted into the cam gear, a plurality of friction members coupled to the unit housing and pressed radially outward and selectively contacting and supporting the inner wall surface of the cam gear, and connected to the unit housing and connected to the cam
  • a cylinder unit having a unit shaft exposed to the outside of the gear and connected to the blade;
  • a driven gear that is tooth-engaged with the cam gear on an outer surface of the cam gear;
  • a driven gear shaft connected to the driven gear and connected to a gearbox for driving the generator of the wind generator.
  • first and second cam holes may have a symmetrical structure inverted by 180 degrees.
  • the cylinder unit may include a pressure chamber formed inside the unit housing; A plurality of pistons corresponding to the plurality of friction members one by one; And a plurality of cylinders corresponding to the plurality of pistons one by one and selectively pressurizing the plurality of pistons based on the pressure condition of the pressure chamber.
  • the object is a cam gear having a plurality of independent unit cam gear arranged in a step shape;
  • a unit housing inserted into the cam gear, a plurality of friction members coupled to the unit housing and pressed radially outward and selectively contacting and supporting the inner wall surface of the cam gear, and connected to the unit housing and connected to the cam
  • a cylinder unit having a unit shaft exposed to the outside of the gear and connected to the blade;
  • a driven gear having a stepped shape in a direction opposite to the arrangement direction of the plurality of unit cam gears so as to correspond to the plurality of unit cam gears one by one;
  • a driven gear shaft connected to the driven gear and connected to a gearbox for driving a generator of the wind generator.
  • the unit housing of the cylinder unit may have a stepped pyramid shape corresponding to the arrangement direction of the plurality of unit cam gears.
  • One end may further include a plurality of independent pressure passages disposed at the outside and the other end passing through the inside of the pressure chamber and individually disposed for each of the plurality of unit cam gears.
  • the cylinder, the piston, and the friction member may be disposed in each of the plurality of independent pressure passages.
  • an output control apparatus of a wind generator capable of output control to the gearbox and shift control.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a wind generator to which an output control apparatus for a wind generator according to a first embodiment of the present invention is applied;
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a cam gear, a cylinder unit, and a driven gear
  • FIG. 3 is a cross-sectional perspective view of the cut state of the coupled state of FIG.
  • 5 and 6 are planar structural views of first and second cam hole regions corresponding to A and B of FIG. 4, respectively.
  • FIG. 7 is a schematic structural diagram of an output control apparatus of a wind generator according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view of a cylinder unit.
  • first cam hole 112 second cam hole
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a wind generator to which an output control apparatus of a wind generator according to a first embodiment of the present invention is applied
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a cam gear, a cylinder unit, and a driven gear
  • FIG. 3 is a combination of FIG. 4 is a schematic structural diagram of an output control device
  • FIGS. 5 and 6 are planar structural views of first and second cam hole regions corresponding to A and B of FIG. 4, respectively.
  • a wind generator has a blade 10, a gearbox 20, also referred to as a gearbox or a transmission, and a generator 30.
  • Blade 10 is a device that is rotated by the wind to convert the wind energy into mechanical energy.
  • the gear box 20 rotates the generator 30 by increasing the rotational force generated by the blade 10 to the transmission gear through the center rotation shaft to the required number of revolutions of the generator 30.
  • the generator 30 is a device that converts mechanical energy generated from the blade 10 into electrical energy.
  • the output control device 100 of this embodiment is provided in the form of connecting them between the blade 10 and the gearbox 20. That is, the output control device 100 of the present embodiment is a device that assists the rotation speed (rpm) applied toward the generator 30 through the gear box 20 to be constant at all times.
  • a typical wind generator has a change in output depending on the wind speed. If the output change at this time, that is, the rated output is not controlled, the rotor of the gearbox 20 and the generator 30 causes a failure, and according to the output control apparatus 100 of the present invention, such damage can be prevented. do.
  • the output control device 100 of this embodiment has a cam gear 110, a cylinder unit 120, a driven gear 140 and a driven gear shaft 150, which are It is mounted to be partially received in the exterior housing 101 (see FIG. 4).
  • the cam gear 110 is rotated by the cylinder unit 120 partially installed therein. Since the cylinder unit 120 is installed to be inserted into the cam gear 110, a hole is formed in the cam gear 110.
  • FIG. 4 illustrates a neutral state in which the friction member 122, which will be described later, is not in contact with the inner surface of the cam gear 110.
  • the phase difference between the first cam hole 111 (see FIG. 5) and the second cam hole 112 (see FIG. 6) formed at one end of the cam gear 110 is different from each other.
  • a central hole (not shown) connecting and communicating with the first cam hole 111 and the second cam hole 112 forms a circular cross section.
  • the first cam hole 111 and the second cam hole 112 have a symmetrical structure that is inverted by 180 degrees.
  • the reason is that when the overload torque is applied to the blade 10 by the wind and is transmitted to the cam gear 110, the overload torque is not transmitted to the driven gear 140 as it is, that is, when the overload torque is generated, a slip phenomenon is always generated. This is to ensure that only a predetermined rotational speed (rpm) is transmitted to the driven gear 140. The description thereof will be described later.
  • the cylinder unit 120 is installed to be inserted into the cam gear 110.
  • the cylinder unit 120 is selectively coupled to an inner wall surface of the cam gear 110 while being coupled to the unit housing 121 inserted into the cam gear 110 and being pressed outward in the radial direction.
  • a plurality of friction members 122 are in contact with each other, and a unit shaft 123 connected to the unit housing 121 and exposed to the outside of the cam gear 110 and connected to the blade 10 (see FIG. 1).
  • the unit housing 121 inserted into the cam gear 110 includes a pressure chamber 124 formed inside the unit housing 121 and a plurality of friction members 122. And a plurality of pistons 125 corresponding to one by one, and a plurality of cylinders 126 corresponding to one of the plurality of pistons 125 and selectively pressurizing the plurality of pistons 125 based on the pressure conditions of the pressure chamber 124.
  • the driven gear 140 is tooth-engaged with the cam gear 110 on the outer surface of the cam gear (110). Since the driven gear 140 is smaller in size than the cam gear 110, a difference occurs in the rotation speed between each other.
  • the driven gear shaft 150 is connected to the driven gear 140 and is connected to the gearbox 20 (see FIG. 1) for driving the generator 30 (see FIG. 1) of the wind generator. As a result, the driven gear shaft 150 becomes an output shaft.
  • the pressure chamber 124 formed in the central region of the cylinder unit 120 is a space in which the hydraulic pressure is filled by the pressure from the hydraulic pump 40 (see FIG. 1). At this time, the hydraulic pump 40 is directly connected to the blade 10.
  • the cylinder unit 120 and the cam gear 110 may form a body, so that the cam gear 110 is rotated, and thus the driven gear 140 is rotated so that the gearbox (150) is driven through the driven gear shaft 150. 20) rotational power can be provided.
  • first cam hole 111 and the second cam hole 112 have a symmetrical structure in which they are inverted by 180 degrees from each other, friction located at both end regions of the cam gear 110.
  • the slip is performed at a part far from the inner wall surface of the cam gear 110 among the plurality of friction members 122. Phenomenon may occur.
  • the rotational speed of the cam gear 110 is lower than the rotational speed of the cylinder unit 120, and as the lowered rotational speed is transmitted to the driven gear 140, the driven gear 140 can always be constantly rotated. Will be.
  • the angle of attachment of the blade 10 may be fixed, and thus the manufacturing cost of the blade 10 is greatly reduced.
  • the idea of the present invention may be advantageously applied not only to the passive type but also to the active type, the pitch angle control method and the gearless type.
  • the rotation speed (rpm) of the generator 30 is constantly maintained. You can do it.
  • FIG. 7 is a schematic structural diagram of an output control apparatus of a wind generator according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a schematic perspective view of a cylinder unit.
  • the shift control is possible in addition to the effect of keeping the rotation speed (rpm) of the generator 30 constant. Provide more effect.
  • the cam gear 210, the unit housing 221 of the cylinder unit 220, and the driven gear 240 are manufactured to have a stepped pyramid shape.
  • the cam gear 210 has independent first to third unit cam gears 210a to 210c arranged in a step shape. In the present embodiment, three stages of the cam gear 210 is disclosed, but the number of stages of the cam gear 210 may be more than three stages.
  • the driven gear 240 has a stepped shape in a direction opposite to the arrangement direction of the first to third unit cam gears 210a to 210c so as to correspond to the first to third unit cam gears 210a to 210c one by one.
  • the driven gear 240 is also divided into first to third unit driven gears 240a to 240c.
  • the driven gear 240 is connected to a driven gear shaft 250 that is connected to the gearbox 20 (see FIG. 1).
  • the unit housing 221 of the cylinder unit 220 should be disposed inside the cam gear 210 as described above, the unit housing 221 of the cylinder unit 220 also has a stepped pyramid shape. As shown in FIG. 8, the unit housing 221 of the cylinder unit 220 is the same as the arrangement direction of the first to third unit cam gears 210a to 210c.
  • one end thereof is disposed outside and the other end passes through the inside of the pressure chamber 224, and the first to third individually disposed for each of the first to third unit cam gears 210a to 210c.
  • Independent pressure passages 260a to 260c are provided.
  • first to third unit cam gears 210a to 210c are provided, three first to third independent pressure flow paths 260a to 260c may also be formed.
  • the scope of the present invention may be limited in the shape of the drawings. There is no need.
  • each of the first to third independent pressure passages 260a to 260c the cylinder 226, the piston 225, and the friction member 222 described in the above-described embodiment are disposed.
  • a solenoid valve is connected to the exposed end of the first to third independent pressure passages 260a to 260c.
  • the supply of hydraulic pressure through the first to third independent pressure passages 260a to 260c can be selectively controlled.
  • the cylinder 226, the piston 225, and the friction member 222 attached thereto are operated to operate the first unit cam gear 210a and the first unit cam.
  • a body is formed in the area of the gear 210a. Accordingly, rotational power is provided toward the first unit driven gear 240a and transmitted to the gearbox 20 (see FIG. 1) through the driven gear shaft 250.
  • the conventional wind generator is a blade 20 is rotated at a wind speed of at least 4 m / s.
  • the wind speed is less than 4 m / s, the rotation of the blade 20 is stopped.
  • this is only one household, and the wind speed and the operation of the blade 20 of the wind generator may be different for each wind generator.
  • the output can be output by shifting even when the wind speed is 4 m / s and when the wind speed is 1 m / s or 2 m / s. Therefore, the efficiency is much higher than the conventional one.

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Abstract

본 발명은 풍력 발전기의 출력 제어장치에 관한 것으로서, 양단부 영역에 서로 다른 위상차를 형성하는 제1 및 제2 캠홀이 형성되고, 제1 및 제2 캠홀을 연결하여 연통시키는 중앙홀은 원형의 단면을 형성하는 캠기어; 캠기어의 내부에 삽입되는 유닛 하우징과, 유닛 하우징에 결합되어 반경 방향 외측으로 가압되면서 캠기어의 내벽면에 선택적으로 접촉지지되는 다수의 마찰부재와, 유닛 하우징에 연결되고 캠기어의 외부로 노출되어 블레이드와 연결되는 유닛 샤프트를 갖는 실린더 유닛; 캠기어의 외면에서 캠기어와 치형 맞물림되는 피동기어; 및 피동기어와 연결되며, 풍력 발전기의 발전기를 구동시키는 기어박스에 연결되는 피동기어 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 기어박스로의 출력 제어와 변속 제어가 가능한 풍력 발전기의 출력 제어장치가 제공된다.

Description

풍력 발전기의 출력 제어장치
본 발명은, 풍력 발전기의 출력 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 기어박스로의 출력 제어와 변속 제어가 가능한 풍력 발전기의 출력 제어장치에 관한 것이다.
풍력 발전기(wind power generator)는, 바람이 지니고 있는 에너지를 우리가 유용하게 사용할 수 있는 전기에너지로 바꿔주는 장치이다.
불어오는 바람은 풍력 발전기의 날개를 회전시키게 된다. 이때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산하여 우리가 사용하게 되는 것이다.
구체적으로 풍력 발전기는 날개(블레이드), 변속장치(기어박스), 발전기의 세 부분으로 구성되어 있다.
날개는 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이다. 변속장치는 날개에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 변속기어에 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 높여서 발전기를 회전시킨다. 발전기는 날개에서 발생한 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다.
이러한 풍력 발전기는 출력 제어 방식에 따라 수동형 및 능동형 실속 제어 방식과, 피치각 제어 방식, 기어 리스형 제어 방식 등으로 나뉜다.
수동형 실속 제어 방식은 날개의 붙임각을 고정하여 일정 풍속에서 최대의 출력이 발생되나 기술적인 한계로 인해 일정한 정격 출력 유지가 어렵다.
능동형 실속 제어 방식은 날개의 붙임각을 조절하여 정격 풍속 이상에서도 정격 출력을 유지하기 하기 위한 방식이나 공력하중이 증가되고 소음이 발생되는 문제점이 있다.
피치각 제어 방식은 정격 출력을 일정하게 유지하기 위해 회전자인 블레이드를 조절하는 방식으로 섬세한 제어가 요구되는 방식이다.
기어 리스형 제어 방식은 증속기가 제거되어 편리한 점이 있으나 가격이 비싸고 발전기의 사이즈가 커지는 것이 단점이다.
결과적으로 기존의 풍력 발전기는 출력 제어를 하기 위해 회전자인 블레이드를 조절하는 것에 한계가 있다. 따라서 기존처럼 블레이드를 조절하지 않는 새로운 타입, 즉 기어박스로의 출력 제어와 변속 제어가 가능한 풍력 발전기의 출력 제어장치의 개발이 요구된다.
본 발명의 목적은, 기어박스로의 출력 제어와 변속 제어가 가능한 풍력 발전기의 출력 제어장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 양단부 영역에 서로 다른 위상차를 형성하는 제1 및 제2 캠홀이 형성되고, 상기 제1 및 제2 캠홀을 연결하여 연통시키는 중앙홀은 원형의 단면을 형성하는 캠기어; 상기 캠기어의 내부에 삽입되는 유닛 하우징과, 상기 유닛 하우징에 결합되어 반경 방향 외측으로 가압되면서 상기 캠기어의 내벽면에 선택적으로 접촉지지되는 다수의 마찰부재와, 상기 유닛 하우징에 연결되고 상기 캠기어의 외부로 노출되어 블레이드와 연결되는 유닛 샤프트를 갖는 실린더 유닛; 상기 캠기어의 외면에서 상기 캠기어와 치형 맞물림되는 피동기어; 및 상기 피동기어와 연결되며, 풍력 발전기의 발전기를 구동시키는 기어박스에 연결되는 피동기어 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 출력 제어장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 제1 및 제2 캠홀은 상호간 180도 뒤바뀐 대칭 구조를 가질 수 있다.
상기 실린더 유닛은, 상기 유닛 하우징의 내부에 형성되는 압력실; 상기 다수의 마찰부재와 하나씩 대응되는 다수의 피스톤; 및 상기 다수의 피스톤과 하나씩 대응되며, 상기 압력실의 압력 조건에 기초하여 상기 다수의 피스톤을 선택적으로 가압하는 다수의 실린더를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적은, 계단 형상으로 배치되는 독립된 다수의 단위 캠기어를 갖는 캠기어; 상기 캠기어의 내부에 삽입되는 유닛 하우징과, 상기 유닛 하우징에 결합되어 반경 방향 외측으로 가압되면서 상기 캠기어의 내벽면에 선택적으로 접촉지지되는 다수의 마찰부재와, 상기 유닛 하우징에 연결되고 상기 캠기어의 외부로 노출되어 블레이드와 연결되는 유닛 샤프트를 갖는 실린더 유닛; 상기 다수의 단위 캠기어와 하나씩 맞대응되도록 상기 다수의 단위 캠기어의 배치 방향에 반대되는 방향으로의 계단 형상을 갖는 피동기어; 및 상기 피동기어와 연결되며, 풍력 발전기의 발전기를 구동시키는 기어박스에 연결되는 피동기어 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 출력 제어장치에 의해서도 달성된다.
여기서, 상기 실린더 유닛의 유닛 하우징은 상기 다수의 단위 캠기어의 배치 방향에 대응되는 계단형 피라미드 형상을 가질 수 있다.
*일단부는 외부에 배치되고 타단부는 상기 압력실의 내부를 지나 상기 다수의 단위 캠기어들마다 개별적으로 배치되는 다수의 독립압력유로를 더 포함할 수 있다.
상기 다수의 독립압력유로들 각각에는 상기 실린더, 상기 피스톤 및 상기 마찰부재가 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 기어박스로의 출력 제어와 변속 제어가 가능한 풍력 발전기의 출력 제어장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기의 출력 제어장치가 적용된 풍력 발전기의 개략적인 구성도,
도 2는 캠기어, 실린더 유닛 및 피동기어 간의 분해 사시도,
도 3은 도 2의 결합 상태의 절개 단면 사시도,
도 4는 출력 제어장치의 개략적인 구조도,
도 5 및 도 6은 각각 도 4의 A 및 B에 대응되는 제1 및 제2 캠홀 영역의 평면 구조도,
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력 발전기의 출력 제어장치의 개략적인 구조도,
도 8은 실린더 유닛의 개략적인 사시도이다.
*부호의 설명*
10 : 블레이드 20 : 기어박스
30 : 발전기 100 : 출력 제어장치
101 : 외관 하우징 110 : 캠기어
111 : 제1 캠홀 112 : 제2 캠홀
120 : 실린더 유닛 121 : 유닛 하우징
122 : 마찰부재 123 : 유닛 샤프트
124 : 압력실 125 : 피스톤
126 : 실린더 140 : 피동기어
150 : 피동기어 샤프트
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기의 출력 제어장치가 적용된 풍력 발전기의 개략적인 구성도, 도 2는 캠기어, 실린더 유닛 및 피동기어 간의 분해 사시도, 도 3은 도 2의 결합 상태의 절개 단면 사시도, 도 4는 출력 제어장치의 개략적인 구조도, 그리고 도 5 및 도 6은 각각 도 4의 A 및 B에 대응되는 제1 및 제2 캠홀 영역의 평면 구조도이다.
도 1을 참조하면, 풍력 발전기는 블레이드(10), 증속기 혹은 변속장치라고도 불리는 기어박스(20) 및 발전기(30)를 갖는다.
블레이드(10), 기어박스(20) 및 발전기(30)에 대해 간략하게 부연한다. 블레이드(10)는 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이다. 기어박스(20)는 블레이드(10)에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 변속기어에 전달되어 발전기(30)에서 요구되는 회전수로 높여서 발전기(30)를 회전시킨다. 발전기(30)는 블레이드(10)에서 발생한 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다.
이러한 구조에서 본 실시예의 출력 제어장치(100)는 블레이드(10)와 기어박스(20) 사이에서 이들을 연결하는 형태로 마련된다. 즉 본 실시예의 출력 제어장치(100)는, 기어박스(20)를 거쳐 발전기(30) 쪽으로 인가되는 회전수(rpm)가 늘 일정해질 수 있도록 보조해주는 장치이다.
참고로, 통상의 풍력 발전기는 풍속에 따라 출력의 변화가 심하다. 이때의 출력 변화, 즉 정격 출력을 제어해주지 않으면 기어박스(20) 및 발전기(30)의 회전자에 고장의 원인을 이루는데, 본 발명의 출력 제어장치(100)에 의하면 이러한 피해를 예방할 수 있게 된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 출력 제어장치(100)는, 캠기어(110), 실린더 유닛(120), 피동기어(140) 및 피동기어 샤프트(150)를 가지며, 이들은 외관 하우징(101, 도 4 참조) 내에 부분적으로 수용되게 장착된다.
캠기어(110)는 그 내부에 부분적으로 설치되는 실린더 유닛(120)에 의해 회전된다. 실린더 유닛(120)이 캠기어(110)의 내부에 삽입되는 형태로 설치되기 때문에 캠기어(110)의 내부에는 홀(hole)이 형성된다.
캠기어(110)는 도 4에 도시된 바와 같이, 후술할 실린더 유닛(120)의 유닛 하우징(121)에 스냅링(S)으로 체결된다. 참고로, 도 4는 후술할 마찰부재(122)가 캠기어(110)의 내부면에 접촉되지 않은 중립 상태를 도시한 것이다.
*이때, 캠기어(110)의 일측 단부에 형성되는 제1 캠홀(111, 도 5 참조)과 제2 캠홀(112, 도 6 참조)의 위상차는 서로 다르다. 다만, 제1 캠홀(111)과 제2 캠홀(112)을 연결하여 연통시키는 중앙홀(미도시)은 원형의 단면을 형성한다.
제1 캠홀(111)과 제2 캠홀(112)은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상호간 180도 뒤바뀐 대칭 구조를 갖는다. 이유는, 바람에 의해 블레이드(10)에 과부하 토크가 걸려 캠기어(110)로 전달될 때, 과부하 토크가 그대로 피동기어(140)로 전달되지 않도록, 즉 과부하 토크 발생 시 슬립 현상이 발생되어 항상 일정한 회전수(rpm)만큼만이 피동기어(140)로 전달되도록 하기 위함이다. 이의 설명은 다시 후술하도록 한다.
실린더 유닛(120)은 캠기어(110)의 내부에 삽입되는 형태로 설치된다. 이러한 실린더 유닛(120)은, 캠기어(110)의 내부에 삽입되는 유닛 하우징(121)과, 유닛 하우징(121)에 결합되어 반경 방향 외측으로 가압되면서 캠기어(110)의 내벽면에 선택적으로 접촉지지되는 다수의 마찰부재(122)와, 유닛 하우징(121)에 연결되고 캠기어(110)의 외부로 노출되어 블레이드(10, 도 1 참조)와 연결되는 유닛 샤프트(123)를 갖는다.
이때, 캠기어(110)의 내부에 삽입되는 유닛 하우징(121)은 도 4에 도시된 바와 같이, 유닛 하우징(121)의 내부에 형성되는 압력실(124)과, 다수의 마찰부재(122)와 하나씩 대응되는 다수의 피스톤(125)과, 다수의 피스톤(125)과 하나씩 대응되며 압력실(124)의 압력 조건에 기초하여 다수의 피스톤(125)을 선택적으로 가압하는 다수의 실린더(126)를 갖는다.
피동기어(140)에 대해 먼저 살펴보면, 피동기어(140)는 캠기어(110)의 외면에서 캠기어(110)와 치형 맞물림된다. 피동기어(140)가 캠기어(110)보다 사이즈가 작기 때문에, 서로 간의 회전수에는 차이가 발생된다.
피동기어 샤프트(150)는 피동기어(140)와 연결되며, 풍력 발전기의 발전기(30, 도 1 참조)를 구동시키는 기어박스(20, 도 1 참조)에 연결된다. 결과적으로 피동기어 샤프트(150)가 출력 축이 되는 셈이다.
실린더 유닛(120)의 중앙 영역에 형성되는 압력실(124)은 유압펌프(40, 도 1 참조)로부터의 압력에 의해 유압이 채워지는 공간이다. 이때, 유압펌프(40)는 블레이드(10)와 직결된다.
유압펌프(40)가 블레이드(10)와 직결되는 이점에 대해 살펴본다. 기존의 풍력 발전기에서 블레이드(10)가 멈춘 상태에서 다시 회전하기 위해서는 별도의 동력을 이용해서 블레이드(10)를 회전 스타트시켜야만 한다.
하지만, 본 실시예의 경우, 별도의 동력 없이도 블레이드(10)를 회전 스타트시키기에 용이하다. 즉 본 실시예의 경우는 블레이드(10)의 축과 유압펌프(40)가 직결되는 구조를 가지기 때문에, 블레이드(10)가 회전이 되어야 유압펌프(40)가 작동되어 압력이 발생되나, 만약 블레이드(10)가 멈춘 상태라면 유압이 발생되지 않아 중립 상태를 이루게 된다. 즉 유압이 제로(zero)가 되어 출력측과 발전기(30)에 동력이 끊어진 상태를 이룬다. 이 때문에 블레이드(10)가 회전 스타트되려 할 때 별도의 동력을 빌리지 않더라도 블레이드(10)의 회전 스타트가 종래보다 쉽게 이루어질 수 있게 되는 것이다.
이러한 구성을 갖는 본 실시예의 출력 제어장치의 작용에 대해 살펴보면 다음과 같다.
바람에 의해 블레이드(10)가 회전되면 이에 직결된 유압펌프(40)가 동작되고, 이에 따라 압력실(124)에 유압이 채워진다.
압력실(124)에 유압이 채워지면 이 힘에 기초하여 실린더(126)가 반경 방향 외측으로 동작되면서 피스톤(125)들을 밀게 되어 결과적으로 마찰부재(122)들은 반경 방향 외측으로 가압되면서 캠기어(110)의 내벽면에 선택적으로 접촉지지된다.
따라서 실린더 유닛(120)과 캠기어(110)가 한 몸체를 형성할 수 있어 캠기어(110)가 회전되고, 이에 따라 피동기어(140)가 회전되면서 피동기어 샤프트(150)를 통해 기어박스(20)로 회전 동력이 제공될 수 있게 된다.
한편, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 캠홀(111)과 제2 캠홀(112)은 상호간 180도 뒤바뀐 대칭 구조를 가지기 때문에, 캠기어(110)의 양측 단부 영역에 위치되는 마찰부재(122)들이 반경 방향 외측으로 가압되면서 캠기어(110)의 내벽면에 선택적으로 접촉지지될 때, 다수의 마찰부재(122)들 중 캠기어(110)의 내벽면과 멀리 떨어진 부분에서는 슬립 현상이 발생될 수 있다.
만약, 블레이드(10)가 요구되는 정속으로 회전되는 경우라면 유압에 의해 마찰부재(122)들 모두가 캠기어(110)의 내벽면에 접촉지지되어 실린더 유닛(120)과 캠기어(110)가 완전한 한 몸체를 이루기 때문에 실린더 유닛(120), 캠기어(110) 및 피동기어(140)로 전달되는 회전수는 동일해진다.
그러나, 태풍이나 돌풍 등의 요인으로 인해 블레이드(10)가 요구되는 정속 이상의 과부하로 회전되는 경우라면 마찰부재(122)들 중 미처 캠기어(110)의 내벽면에 접촉지지되지 못한 영역에서 슬립 현상(미끄럼 현상)이 발생된다.
이러한 이유 때문에 실린더 유닛(120)의 회전수보다 캠기어(110)의 회전수가 낮아지게 되며, 낮아진 회전수만큼이 피동기어(140)로 전달됨에 따라 피동기어(140)는 늘 일정하게 회전될 수 있게 되는 것이다.
보다 상세하게 부연하면, 블레이드(10)가 회전하는 경우, 예컨대 돌풍이나 태풍 등의 이유로 블레이드(10)가 평소보다 고속으로 회전되어 입력된 값보다 출력이 높아지려 하는 경우, 전술한 바와 같이, 미끄럼 마찰 회전(슬립 현상)이 유도되어 입력된 출력만큼만 발전기(30)에 전달되고 나머지는 미끄럼 마찰에 의해 소멸된다. 때문에 발전기(30)는 늘 일정한 회전수(rpm)를 유지할 수 있다.
이는, 통상적으로 발전기(30)가 규정 이상의 회전이 발생되면 과부하가 걸려 수명 단축 또는 고장 발생의 원인이 되기 때문인데, 발전기(30)마다 차이가 있기는 하지만 대략 1,500 rpm에서 가장 효율이 좋은 것으로 알려지고 있다.
결과적으로 본 실시예의 경우, 블레이드(10)가 규정 속도 이상으로 회전되면 미끄럼 마찰 회전(슬립 현상)이 유도되어 출력 제어가 능동적으로 이루어진다.
반대로 강풍이 불어 블레이드(10)가 규정 속도 이상으로 회전되면 규정 이상 높아진 출력만큼은 미끄럼 마찰 회전이 되고, 입력된 정격 출력만 발전기(30)에 전달되어 발전기(30)는 늘 일정한 회전수(rpm)를 유지할 수 있다. 때문에 효율이 그만큼 높아지고 기어박스(20) 고장 또는 블레이드(30)의 손상 문제가 발생되지 않는다.
또한 기어박스(20) 쪽에 출력 제어가 가능하기 때문에 블레이드(10)의 붙임각을 고정하여도 무방하므로 블레이드(10)의 제작비가 크게 절약되는 이점도 겸한다.
물론, 이러한 본 발명의 사상은 수동형에만 적용되는 것이 아니라 능동형, 피치각 제어 방식 및 기어 리스형에도 유리하게 적용될 수 있을 것이다.
이와 같이, 본 실시예의 출력 제어장치(100)에 따르면, 블레이드(10)를 조절하지 않더라도 기어박스(20)로의 출력 제어가 가능해지기 때문에 발전기(30)의 회전수(rpm)를 늘 일정하게 유지시킬 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력 발전기의 출력 제어장치의 개략적인 구조도이고, 도 8은 실린더 유닛의 개략적인 사시도이다.
본 실시예의 경우에는 블레이드(10)를 조절하지 않더라도 기어박스(20)로의 출력 제어가 가능해지기 때문에 발전기(30)의 회전수(rpm)를 늘 일정하게 유지시킬 수 있는 효과 외에도 변속 제어가 가능하다는 효과를 더 제공한다.
이를 위해, 전술한 실시예와는 다르게 캠기어(210), 실린더 유닛(220)의 유닛 하우징(221), 그리고 피동기어(240)는 계단형 피라미드 형상을 갖도록 제작된다.
캠기어(210)는 계단 형상으로 배치되는 독립된 제1 내지 제3 단위 캠기어(210a∼210c)를 갖는다. 본 실시예의 경우, 3단의 캠기어(210)를 개시하고 있으나 캠기어(210)의 단수는 3단보다 더 많을 수 있다.
피동기어(240)는 제1 내지 제3 단위 캠기어(210a∼210c)와 하나씩 맞대응되도록 제1 내지 제3 단위 캠기어(210a∼210c)의 배치 방향에 반대되는 방향으로의 계단 형상을 갖는다. 편의상 피동기어(240) 역시 제1 내지 제3 단위 피동기어(240a∼240c)로 구분한다. 피동기어(240)에는 기어박스(20, 도 1 참조)와 연결되는 피동기어 샤프트(250)가 연결된다.
실린더 유닛(220)의 유닛 하우징(221)은 전술한 바와 같이, 캠기어(210)의 내부에 배치되어야 하기 때문에, 실린더 유닛(220)의 유닛 하우징(221) 역시 계단형 피라미드 형상을 갖는다. 실린더 유닛(220)의 유닛 하우징(221)은 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 단위 캠기어(210a∼210c)의 배치 방향과 동일하다.
한편, 본 실시예의 경우, 그 일단부는 외부에 배치되고 타단부는 압력실(224)의 내부를 지나 제1 내지 제3 단위 캠기어(210a∼210c)들마다 개별적으로 배치되는 제1 내지 제3 독립압력유로(260a∼260c)가 마련된다.
제1 내지 제3 단위 캠기어(210a∼210c)가 3개 마련되기 때문에 제1 내지 제3 독립압력유로(260a∼260c) 역시 3개가 형성될 뿐 도면의 형상에 본 발명의 권리범위가 제한될 필요는 없다.
제1 내지 제3 독립압력유로(260a∼260c)들 각각에는, 전술한 실시예에서 설명된 실린더(226), 피스톤(225) 및 마찰부재(222)가 배치된다. 이러한 제1 내지 제3 독립압력유로(260a∼260c)의 노출단에는 솔밸브가 연결된다.
솔밸브의 제어에 의해, 제1 내지 제3 독립압력유로(260a∼260c)를 통한 유압의 공급이 선택적으로 제어될 수 있다. 예컨대, 제1 독립압력유로(260a)로 유압이 제공되면, 그에 부속되는 실린더(226), 피스톤(225) 및 마찰부재(222)가 동작되어 제1 단위 캠기어(210a)와 제1 단위 캠기어(210a) 영역에서 한 몸체를 이루게 되며, 이에 따라 제1 단위 피동기어(240a) 쪽으로 회전동력이 제공되어 피동기어 샤프트(250)를 통해 기어박스(20, 도 1 참조)로 전달된다.
마찬가지의 방식으로, 예컨대 제3 독립압력유로(260c)로 유압이 제공되면, 그에 부속되는 실린더(226), 피스톤(225) 및 마찰부재(222)가 동작되어 제3 단위 캠기어(210c)와 제3 단위 캠기어(210c) 영역에서 한 몸체를 이루게 되며, 이에 따라 제3 단위 피동기어(240c) 쪽으로 회전동력이 제공되어 피동기어 샤프트(250)를 통해 기어박스(20, 도 1 참조)로 전달된다.
이처럼 본 실시예의 경우에는 전술한 실시예와는 달리 변속 제어가 가능하다.
이에 대한 이점을 살펴보면, 기존의 풍력 발전기는 풍속 최소 4 m/s에서 블레이드(20)가 회전 작동하게 된다. 하지만 풍속 4 m/s 미만일 때는 블레이드(20)의 회전이 멈춘다. 물론, 이는 하나의 가정일 뿐 풍속과 풍력 발전기의 블레이드(20) 동작은 풍력 발전기마다 다를 수 있다.
하지만, 본 실시예의 경우, 변속 2단, 3단 또는 그 이상의 변속 기능이 있기 때문에 풍속이 4 m/s일 때도, 또한 풍속이 1 m/s 혹은 2 m/s일 때도 변속에 의하여 출력이 가능하기 때문에 종래보다 효율이 월등히 높다.
뿐만 아니라 종래의 경우, 풍속이 낮아 블레이드(20)가 회전을 못하면 발전 출력이 없지만, 본 실시예의 경우에는 설사 블레이드(20)가 멈추어 있더라도 저속 변속을 하여 약한 풍속에서도 블레이드(20)가 회전을 하게 되어 발전 출력을 얻을 수 있는 등 그 효율을 높일 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 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 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 양단부 영역에 서로 다른 위상차를 형성하는 제1 및 제2 캠홀이 형성되고, 상기 제1 및 제2 캠홀을 연결하여 연통시키는 중앙홀은 원형의 단면을 형성하는 캠기어;
    상기 캠기어의 내부에 삽입되는 유닛 하우징과, 상기 유닛 하우징에 결합되어 반경 방향 외측으로 가압되면서 상기 캠기어의 내벽면에 선택적으로 접촉지지되는 다수의 마찰부재와, 상기 유닛 하우징에 연결되고 상기 캠기어의 외부로 노출되어 블레이드와 연결되는 유닛 샤프트를 갖는 실린더 유닛;
    상기 캠기어의 외면에서 상기 캠기어와 치형 맞물림되는 피동기어; 및
    상기 피동기어와 연결되며, 풍력 발전기의 발전기를 구동시키는 기어박스에 연결되는 피동기어 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 출력 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 캠홀은 상호간 180도 뒤바뀐 대칭 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 출력 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실린더 유닛은,
    상기 유닛 하우징의 내부에 형성되는 압력실;
    상기 다수의 마찰부재와 하나씩 대응되는 다수의 피스톤; 및
    상기 다수의 피스톤과 하나씩 대응되며, 상기 압력실의 압력 조건에 기초하여 상기 다수의 피스톤을 선택적으로 가압하는 다수의 실린더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 출력 제어장치.
  4. 계단 형상으로 배치되는 독립된 다수의 단위 캠기어를 갖는 캠기어;
    상기 캠기어의 내부에 삽입되는 유닛 하우징과, 상기 유닛 하우징에 결합되어 반경 방향 외측으로 가압되면서 상기 캠기어의 내벽면에 선택적으로 접촉지지되는 다수의 마찰부재와, 상기 유닛 하우징에 연결되고 상기 캠기어의 외부로 노출되어 블레이드와 연결되는 유닛 샤프트를 갖는 실린더 유닛;
    상기 다수의 단위 캠기어와 하나씩 맞대응되도록 상기 다수의 단위 캠기어의 배치 방향에 반대되는 방향으로의 계단 형상을 갖는 피동기어; 및
    상기 피동기어와 연결되며, 풍력 발전기의 발전기를 구동시키는 기어박스에 연결되는 피동기어 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 출력 제어장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실린더 유닛의 유닛 하우징은 상기 다수의 단위 캠기어의 배치 방향에 대응되는 계단형 피라미드 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 출력 제어장치.
  6. 제4항에 있어서,
    일단부는 외부에 배치되고 타단부는 상기 압력실의 내부를 지나 상기 다수의 단위 캠기어들마다 개별적으로 배치되는 다수의 독립압력유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 출력 제어장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다수의 독립압력유로들 각각에는 상기 실린더, 상기 피스톤 및 상기 마찰부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 출력 제어장치.
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