KR101348619B1 - 충격완화유닛이 구비된 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

충격완화유닛이 구비된 풍력 발전기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는, 복수 개의 블레이드를 가지며, 외력에 의해 일 방향으로 회전되는 날개와, 상기 날개의 회전축을 가지며, 상기 날개의 회전에 의해 전기를 생성하는 발전부가 구비된 나셀 및 상하 방향으로 길게 형성되어 상기 나셀을 지지하며, 상기 블레이드가 인접 시 상기 블레이드의 팁에 대응되는 위치에는 상기 블레이드의 회전 방향에 대응되는 방향으로 회전하는 충격완화유닛이 구비된 타워를 포함한다.

Description

충격완화유닛이 구비된 풍력발전기{Aerogenerator Having Impact Absorbing Unit}

본 발명은 풍력발전기의 블레이드와 타워 간에 물리적 충격이 발생하는 것을 완화시키기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 타워에 블레이드의 회전 방향에 대응되는 방향으로 회전하는 충격완화유닛이 구비된 풍력발전기이다.

최근 국제 추세에 따라, 친환경적인 발전 방법으로서 풍력발전기가 세계적으로 널리 사용되고 있다. 이와 같은 풍력발전기는 바람에 의해 일 방향으로 회전되는 날개를 가지며, 이때 발생된 에너지를 전기에너지로 변환시키게 된다.

일반적으로, 풍력발전기는 회전하는 날개와, 상기 날개를 회전 가능하게 고정시키는 나셀과, 나셀을 지지하는 타워로 구성된다. 이때, 날개의 회전에 따라 풍력발전기의 주위에서는 압력장이 형성되고, 이는 풍력발전기의 작동에 영향을 미쳐 다양한 문제를 발생시킬 수 있다.

구체적으로, 날개는 복수 개의 블레이드를 가지며, 이와 같은 블레이드가 타워에 근접할 경우, 블레이드와 타워 사이의 압력이 급격히 낮아지는 현상이 발생한다. 즉, 블레이드가 회전하며 타워에 근접할 경우에는 상호 간에 간섭이 발생하며, 측정 결과 이 순간에는 블레이드의 공력 성능이 윈드 시어(wind shear)에 의해 약 35%가, 타워와의 간섭에 의해 약 30.3% 정도로 크게 떨어지는 것으로 분석되었다.

결과적으로, 이와 같은 현상은 소음과 진동이 증가하는 원인이 되며, 풍력발전기 자체의 수명을 크게 떨어뜨리게 되는 문제가 있다.

따라서, 이와 같은 문제를 해결하기 위해 최근에는 IPC(individual pitch control) 시스템을 적용하기도 하며, 이는 블레이드의 공력 성능이 윈드 시어 또는 타워와의 간섭에 의해 변동되는 것을 최소화하도록 한 것이다. 다만, IPC에 의해 지표면 근처에서의 공력 성능을 향상시킬 경우, 블레이드에는 바람을 받는 방향으로 큰 힘이 작용하여 블레이드가 타워 방향으로 휘어지는 문제가 발생한다.

도 1에는 종래 풍력발전기에 있어서, 날개가 회전함에 따라 블레이드 팁(300a)과 타워(100)에 충돌이 발생하는 모습이 도시된다. 도시된 바와 같이, 블레이드(300)는 상기와 같은 이유에 의해 타워(100) 측으로 휘어지게 되어 상호 충돌이 발생할 가능성이 있다.

따라서, 이와 같은 경우에는 풍력발전기의 내구성이 크게 감소하고, 유지, 보수에 따른 비용이 과다 소요되며, 발전 효율을 크게 떨어뜨리게 된다.

한편, 상기와 같은 이유 외에도, 블레이드(300)와 타워(100)의 충돌은 IPC의 오작동, 돌풍에 의해 발생될 수도 있으며, 블레이드(300) 간의 밸런스가 맞지 않을 경우, 블레이드(300)의 체결 볼트가 느슨해질 경우 등 다양한 원인에 의해 발생될 수 있다.

따라서, 이와 같은 문제점을 원천적으로 방지하기 위한 기술이 요구되고 있다.

본 발명의 실시예들은, 타워에 블레이드의 회전 방향에 대응되는 방향으로 회전하는 충격완화유닛이 구비되어, 블레이드와 타워의 물리적 간섭에 의한 충격을 방지하고자 한다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 복수 개의 블레이드를 가지며, 외력에 의해 일 방향으로 회전되는 날개와, 상기 날개의 회전축을 가지며, 상기 날개의 회전에 의해 전기를 생성하는 발전부가 구비된 나셀과, 상하 방향으로 길게 형성되어 상기 나셀을 지지하며, 상기 블레이드가 인접 시 상기 블레이드의 팁에 대응되는 위치에는 충격완화유닛이 구비된 타워를 포함하고, 상기 충격완화유닛은 상기 블레이드가 회전하면 상기 타워의 둘레를 따라 회전할 수 있다.

또한, 상기 블레이트 팁은 회전반경에서 접선방향으로 형성된 블레이드 팁의 회전속도의 접선방향 크기를 가지고, 상기 충격완화유닛이 상기 블레이드 팁과 접촉시, 상기 블레이드 팁과의 접촉면에서의 회전속도의 접선방향 크기가 상기 블레이드 팁의 회전속도의 접선방향 크기와 동일할 수 있다.

또한, 상기 충격완화유닛은, 상기 타워의 둘레에 구비되어, 상기 타워의 둘레를 따라 회전 가능하게 설치되는 회전부 및 상기 블레이드가 회전하면 상기 회전부를 상기 타워의 둘레를 따라 회전 구동시키는 구동부를 포함할 수 있다.

또한, 원통형의 상기 타워는 원통형의 상기 회전부가 구비되는 제1 영역과 상기 제1 영역을 제외한 제2 영역으로 구획되며, 상기 제1 영역의 외경은 상기 제2 영역의 외경과 동일할 수 있다.

또한, 상기 충격완화유닛 내에는 상기 타워 내측 방향으로 외력이 작용 시 압축되는 탄성부재가 구비될 수 있다.

또한, 상기 충격완화유닛은 탄성을 가지도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 타워 및 상기 블레이드 중 적어도 어느 하나에는 상기 충격완화유닛과 상기 블레이드의 이격 거리를 센싱하는 센서가 구비되며, 상기 충격완화유닛은 상기 센서의 센싱 결과에 따라 상기 블레이드가 인접할 경우에만 회전될 수 있다.

또한, 상기 센서는 상기 충격완화유닛 및 상기 블레이드의 팁 중 적어도 어느 하나에 구비될 수 있다.

또한, 상기 센서는 상기 충격완화유닛의 상측에 위치될 수 있다.

삭제

본 발명의 실시예들은, 타워에 블레이드의 회전 방향에 대응되는 방향으로 회전하는 충격완화유닛이 구비됨으로써, 타워와 블레이드 간에 물리적 충격이 발생하는 것을 원천적으로 방지하거나 저감시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 충격완화유닛의 회전 속도를 조절하여 블레이드의 회전에 따른 상대 속도를 0으로 만들 수 있으므로, 타워와 블레이드 사이의 압력 변화 및 상호 간섭을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 이에 따라 풍력발전기의 날개 회전 시 소음 및 진동 발생이 크게 저감될 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래 풍력발전기의 날개가 회전함에 따라 블레이드 팁과 타워에 충돌이 발생하는 모습을 나타낸 측면도;
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기의 전체 모습을 나타낸 사시도;
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 충격완화유닛이 회전되는 모습을 나타낸 사시도;
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 충격완화유닛의 내부 구조를 나타낸 단면도;
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 충격완화유닛의 내부 구조를 나타낸 단면도;
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 블레이드 팁과 충격완화유닛에 센서가 구비된 모습을 나타낸 측면도;
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 충격완화유닛보다 상향된 위치에 센서가 구비된 모습을 나타낸 사시도; 및
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 타워의 모습을 나타낸 측면도이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 2에는, 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기(1)의 전체 모습이 도시된다. 도 1을 참조하면, 풍력발전기(1)는 전체적으로 타워(10), 나셀(20), 복수의 블레이드(30)를 가지는 날개를 포함한다.

먼저, 날개는 복수 개의 블레이드(30)를 가지며, 바람에 의해 어느 한 방향으로 회전 가능하게 형성된다.

그리고, 나셀(20)은 상기 날개의 회전축을 가지고, 상기 날개가 회전될 수 있도록 고정시키며, 날개의 회전에 의해 전기를 생성하는 발전부가 구비된다. 또한, 이때 날개의 회전비를 변화시키는 변속부가 더 구비될 수 있다. 즉, 날개 및 나셀(20)에 의해 본 발명의 풍력발전기(1)는 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있다.

다음으로, 타워(10)는 상하 방향으로 길게 형성되고, 나셀(20)을 지지한다. 그리고, 블레이드(30)가 인접하였을 경우를 기준으로, 블레이드(30)의 팁(30a)에 대응되는 위치에는 충격완화유닛(40)이 구비된다. 이에 대해서는 이하에서 보다 자세히 설명하도록 한다.

도 3을 참조하면, 충격완화유닛(40)의 모습이 더욱 자세히 도시된다. 도시된 바와 같이 제1실시예에서 충격완화유닛(40)은 블레이드가 회전하면 타워(10)의 중심을 축으로 회전함을 알 수 있다.

발명의 배경이 되는 기술 부분에서 설명한 바와 같이, 블레이드(30)의 회전 시 다양한 원인에 의해 타워(10)에 충돌될 가능성이 있으며, 본 발명의 제1실시예에서 충격완화유닛(40)이 구비되는 것은 이와 같은 물리적 간섭에 의한 충돌을 완화 및 방지하기 위해서이다.

보다 구체적으로, 이와 같은 충돌은 회전계에 해당하는 블레이드(30)와 정지계에 해당하는 타워(10)의 물리적 간접에 의해 일어나게 된다. 따라서, 블레이드(30)의 팁(30a)의 회전에 따라 타워(10)를 함께 회전시킬 경우, 이에 의해 물리적인 충격량이 저감될 수 있다. 이는 이하 기재된 식을 통해 설명될 수 있다.

<식 1> F = Ma

<식 2> M1v1 + M2v2 = M1V1 + M2V2

<식 3> e = (V1 - V2) / (v1 - v2)

상기 식 1 내지 식 3에 있어, F는 블레이드(30)가 타워(10)와 물리적으로 간섭하는 힘이며, M은 블레이드(30)의 질량, a는 블레이드(30)의 가속도를 나타낸다. 그리고, v1, v2는 충돌 전 두 물체의 속도, V1, V2는 충돌 후 두 물체의 속도를 나타내며, M1, M2는 두 물체의 질량을 나타낸다. 또한, e는 반발계수를 나타낸다.

이와 같은 식을 참조하면, 블레이드 팁(30a)이 타워와 충돌 시 반발계수가 작을수록 충격량이 적어질 것임을 예상할 수 있다. 특히, 블레이드(30)와 타워(10)의 상대 속도가 0일 경우, 반발계수 e 역시 0이 될 수 있으며, 즉 이는 운동량이 보전되지 않음을 의미한다.

결과적으로, 타워(10)의 회전 속도를 블레이드(30)의 회전 진행 속도에 맞추어 조절할 경우, 양자 간의 물리적 간섭을 최소화할 수 있다. 다만, 실질적으로 타워(10) 전체를 회전시키는 것이 어려우며 비효율적이므로, 본 발명의 제1실시예에서는 블레이드 팁(30a)에 대응되는 부분에 충격완화유닛(40)이 구비되는 것이다.

그리고, 도 4에는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 충격완화유닛(40)의 단면이 도시된다.

도시된 바와 같이, 제1실시예에서 충격완화유닛(40)은 타워(10)의 둘레 외측에, 타워(10)의 둘레를 따라 회전 가능한 회전부(41)와, 또한 도시되지는 않았으나 상기 회전부(41)를 회전 구동시키는 구동부를 포함한다. 즉, 상기 구동부는 모터 등의 액추에이터 형태로 의해 구현되어 회전부(41)를 회전시킬 수 있다.

이때, 충격완화유닛(40)과 타워(10) 사이에는 볼 베어링(44)이 구비될 수 있으며, 특히 제1실시예에서 충격완화유닛(40) 내에는 타워(10) 내측 방향으로 외력이 작용 시 압축되는 탄성부재(42)가 구비된다. 이로 인해 충격완화유닛(40)은 타워(10)의 둘레를 원활히 회전할 수 있으며, 외부로부터 충격이 가해질 경우에도 탄성부재(42)에 의해 그 충격을 일정량 흡수할 수 있다.

그리고, 충격완화유닛(40)의 두께는 가능한 얇게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 블레이드 팁(30a)와의 이격 거리를 충분히 확보할 수 있기 때문이다. 즉, 볼 베어링(44)과 회전부의 폭은 작게 형성될 필요가 있다. 제1실시예의 경우, 볼 베어링(44)은 타워(10) 단면 직경의 5%정도에 해당하는 두께를 가지도록 형성된다.

또한, 회전부의 외측에는 추가적으로 충격을 흡수할 수 있도록 고무 또는 EVA 등의 충격 완충재가 설치될 수 있다. 이와 같은 충격 완충재는 타워(10) 단면 직경의 10%정도에 해당하는 두께를 가지는 경우 전체적으로 두께를 크게 증가시키지 않으면서도 완충 효과를 충분히 얻을 수 있다.

다음으로, 도 5에는 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 충격완화유닛(140)의 단면이 도시된다. 제2실시예에 따른 충격완화유닛(140)은 제1실시예의 경우와 마찬가지로 회전부와 구동부를 포함하나, 탄성부재가 구비되지 않으며, 충격완화유닛(140) 자체의 재질이 탄성을 가지도록 형성되는 것이 다르다.

이와 같이, 충격완화유닛(140)은 충격 흡수를 위한 다양한 형태를 가질 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서, 충격완화유닛(140)은 멈추지 않고 지속적으로 회전되도록 구현될 수도 있으나, 블레이드(30)의 접근 시에만 회전하도록 설계될 수도 있다. 이는 도 6에 도시된 본 발명의 제3실시예를 통해 설명하도록 한다.

도 6을 참조하면, 타워(10)의 충격완화유닛(40) 및 블레이드 팁(30a)에는 각각 센서(36, 46)가 구비된다.

이와 같은 센서(36, 46)는 타워(10) 또는 블레이드(30) 중 적어도 어느 일측에 구비될 수 있으며, 충격완화유닛(40)과 블레이드(30)의 이격 거리를 센싱한다.

즉, 블레이드(30)가 회전 시 충격완화유닛(40)에 접근하는 것을 센싱할 수 있으며, 충격완화유닛(40)은 센싱 결과에 따라 블레이드(30)가 인접할 경우에만 회전하도록 제어될 수 있다. 따라서, 지속적인 회전에 의한 액추에이터의 과열 및 마모를 방지할 수 있다.

특히, 제3실시예에서 센서(36, 46)는 각각 블레이드 팁(30a)과 충격완화유닛(40)에 구비되므로, 블레이드 팁(30a)과 충격완화유닛(40)의 이격 거리를 보다 직접적으로 센싱할 수 있다.

그리고, 이와 같은 센서는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 일반적인 광센서뿐 아니라 거리를 센싱하기 적합한 RFID 등이 사용될 수 있음은 물론이다. 더불어, 제3실시예와 같이 센서의 센싱 결과에 따라 충격완화유닛(40)을 회전시킬 경우에는, 지연시간 없이 신속하게 충격완화유닛(40)을 회전시킬 수 있는 액추에이터를 사용할 필요가 있다.

한편, 충격완화유닛(40)의 전체 길이는 상하 여유를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 이는 IPC오작동, 돌풍 또는 블레이드(30) 자체의 좌굴 파손 등에 의해 블레이드(30)의 회전 균형이 흐트러지는 것 등에 의한 블레이드(30)와 타워(10) 간의 간섭을 방지할 뿐 아니라, 블레이드(30)의 체결 볼트 등이 약화되어 블레이드(30)가 이탈 시 블레이드(30)와 타워(10)의 파손을 최소화할 수 있다.

그리고, 이와 같이 충격완화유닛(40)이 충분한 길이를 가질 경우, 센서(46) 역시 복수 개가 구비될 수 있다.

다음으로, 도 7에는 본 발명의 제4실시예에 따른 풍력발전기가 도시된다. 제4실시예의 경우, 제3실시예와 같이 블레이드(30)와 타워(10) 간의 이격 거리를 센싱하기 위한 센서가 구비되는 것은 동일하나, 그 설치 위치가 제3실시예와 다르다.

구체적으로, 제3실시예에서 센서가 각각 블레이드 팁(30a)과 충격완화유닛(40)에 구비된 것과 달리, 제4실시예에서는 타워(10) 측의 센서(46)는 충격완화유닛(40)보다 상향된 위치에 구비되며, 블레이드(30) 측의 센서는 블레이드 팁(30a)에서 날개의 회전 중심 방향으로 이격된 위치에 구비된다.

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한편, 제3실시예 및 제4실시예에 있어, 센서는 타워(10) 또는 블레이드(30)에 각각 구비될 수 있을 뿐 아니라, 어느 일측에만 구비되는 것도 가능함은 물론이다.

도 8에는 본 발명의 제5실시예에 따른 풍력발전기가 도시된다. 도시된 바와 같이, 제5실시예의 경우 충격완화유닛(240)이 설치된 영역이 타워(110)의 폭과 동일하게 형성된 것을 확인할 수 있다.

구체적으로, 원통형의 상기 타워(110)는 원통형의 상기 회전부가 구비되는 제1 영역과 상기 제1 영역을 제외한 제2 영역으로 구획되며, 상기 제1 영역의 외경은 상기 제2 영역의 외경과 동일할 수 있다. 즉, 미리 충격완화유닛(240)의 두께를 고려하여 타워(110)를 제작하고, 충격완화유닛(240)이 설치될 경우 전체적으로 일정한 폭을 유지할 수 있도록 설계된 것이다.

이에 따라, 제5실시예의 경우 블레이드 팁(30a)과 충격완화유닛(240) 간의 이격 거리를 충분히 확보할 수 있다는 장점이 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

1: 풍력발전기 10: 타워
20: 나셀 30: 블레이드
30a: 블레이드 팁 36, 36: 센서
40: 충격완화유닛 42: 탄성부재
44: 볼 베어링

Claims (10)

1. 복수 개의 블레이드를 가지며, 외력에 의해 일 방향으로 회전되는 날개;
   상기 날개의 회전축을 가지며, 상기 날개의 회전에 의해 전기를 생성하는 발전부가 구비된 나셀; 및
   상하 방향으로 길게 형성되어 상기 나셀을 지지하며, 상기 블레이드가 인접 시 상기 블레이드의 팁에 대응되는 위치에는 충격완화유닛이 구비된 타워를 포함하고,
   상기 충격완화유닛은 상기 블레이드가 회전하면 상기 타워의 둘레를 따라 회전하는 풍력 발전기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드 팁은 회전반경에서 접선방향으로 형성된 블레이드 팁의 회전속도의 접선방향 크기를 가지고,
   상기 충격완화유닛이 상기 블레이드 팁과 접촉시, 상기 블레이드 팁과의 접촉면에서의 회전속도의 접선방향 크기가 상기 블레이드 팁의 회전속도의 접선방향 크기와 동일한 풍력 발전기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 충격완화유닛은,
   상기 타워의 둘레에 구비되어, 상기 타워의 둘레를 따라 회전 가능하게 설치되는 회전부; 및
   상기 블레이드가 회전하면 상기 회전부를 상기 타워의 둘레를 따라 회전 구동시키는 구동부;
   를 포함하는 풍력 발전기.
4. 제3항에 있어서,
   원통형의 상기 타워는 원통형의 상기 회전부가 구비되는 제1 영역과 상기 제1 영역을 제외한 제2 영역으로 구획되며,
   상기 제1 영역의 외경은 상기 제2 영역의 외경과 동일한 풍력 발전기.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 충격완화유닛 내에는 상기 타워 내측 방향으로 외력이 작용 시 압축되는 탄성부재가 구비된 풍력 발전기.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 충격완화유닛은 탄성을 가지도록 형성된 풍력 발전기.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 타워 및 상기 블레이드 중 적어도 어느 하나에는 상기 충격완화유닛과 상기 블레이드의 이격 거리를 센싱하는 센서가 구비되며,
   상기 충격완화유닛은 상기 센서의 센싱 결과에 따라 상기 블레이드가 인접할 경우에만 회전되는 풍력 발전기.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 타워 및 상기 블레이드 팁 중 적어도 어느 하나에는 상기 충격완화유닛과 상기 블레이드 팁의 이격 거리를 센싱하는 센서가 구비되며,
   상기 충격완화유닛은 상기 센서의 센싱 결과에 따라 상기 블레이드 팁이 인접할 경우에만 회전되는 풍력 발전기.
9. 제7항에 있어서,
   상기 센서는 상기 충격완화유닛의 상측에 위치되는 풍력 발전기.
10. 삭제

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