KR102026954B1

KR102026954B1 - 집풍식 풍력발전시스템

Info

Publication number: KR102026954B1
Application number: KR1020190093233A
Authority: KR
Inventors: 김성중
Original assignee: 주식회사 니메
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2019-09-30
Anticipated expiration: 2039-07-31

Abstract

본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템은 타워를 통해 공중에 수평방향으로 설치되며, 직경의 감소를 통한 유속의 변화가 발생하도록 바람이 유입되는 선단 내측에 베르누이 발생유도부가 형성된 집풍형의 나셀 바디; 상기 나셀 바디의 선단 외부에 구성되어 나셀 바디의 직경을 확장시키는 후드; 상기 나셀 바디의 내부중심부에 회전 가능하게 설치되며, 풍향을 바꾸는 제1 디퓨져가 외주를 따라 배열 설치된 제너레이터; 상기 나셀 바디의 후단에 배열 설치되며, 일단은 나셀 바디에 고정되고, 타단은 제너레이터의 후단에 연결되어 상기 제너레이터를 지지하는 서브 바디; 상기 나셀 바디의 내부에 배열 설치되며, 일단은 나셀 바디에 고정되고, 타단은 제너레이터의 선단에 연결되어 상기 제너레이터를 지지하는 서브 브래킷; 상기 타워에 하단이 연결되고, 상단이 제너레이터의 후단에 연결되어 상기 제너레이터를 지지하는 지지대; 및 상기 제너레이터의 길이방향 양측에 축 설치된 허브 및 상기 허브에 설치된 블레이드를 포함하는 회전자를 포함한다.

Description

집풍식 풍력발전시스템{SYSTEM OF WIND FOCUS TYPE ELECTRICITY FROM WIND ENERGY}

본 발명은 집풍식 풍력발전시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 유입되는 바람의 손실을 최소화하고, 많은 양의 바람을 유도하여 집중적으로 유입시키면서 풍력 발전하기 위한 집풍식 풍력발전시스템에 관한 것이다.

예컨대, 본 발명과 관련된 집풍식 풍력발전장치는 (특허문헌 1)에서 구체적으로 개시하고 있다.

(특허문헌 1)에 따르면, 풍력 발전장치는 바람이 지니고 있는 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 장치로서, 불어오는 바람이 풍력 발전장치의 회전자를 회전시키게 되며, 이때 생긴 회전자의 회전력으로 전기를 생산하여 사용하게 되는 것으로서, 공기가 익형 위를 지날 때 양력이 발생하는 공기역학적 특성을 통해 회전자가 회전하게 되는데, 이때 발생하는 기계적 에너지가 발전기(Generator)를 통해 전기에너지로 변환되게 된다.

조금 더 구체적으로 설명하면, 풍력 발전장치는 지면으로부터 세워지는 탑과, 이동하는 공기 스트림(Stream)이 향하는 일명 '회전자(Rotor)'로 불리는 프로펠러형 디바이스를 포함하여 구성되는 것으로서, 공기가 회전자에 부딪힐 때, 상기 회전자가 그 중심에 대하여 회전을 일으키도록 공기가 회전자 상에 힘을 발생시키고, 기어, 벨트, 체인 또는 다른 수단과 같은 연결수단(Linkage)을 통하여 발전기 또는 기계적인 디바이스에 연결되고 있다.

이러한 풍력 발전장치는 허브(Hub)의 방향에 따라 수평축 타입과 수직축 타입으로 구분될 수 있으며, 현재는 주로 수평축 또는 프로펠러 풍력 발전장치가 주로 사용된다.

여기서 수평축 풍력 발전장치는 지주(타워)와 지주의 상단에 설치된 나셀(Nacelle) 및 상기 나셀에 설치된 회전자로 구성되고, 이 회전자에는 회전 날개(Blade)가 구비된다. 그리고 나셀은 기어박스, 발전기 등을 내부에 수용하고 있다.

또한, 풍력 발전장치는 터빈 방식을 채용한 풍력 터빈 발전기(Wind Turbine Generator System: WTGS)가 있는데, 풍력 발전장치를 복수 설치하여 대용량의 전기를 발생시키는 풍력 기지(Wind farm)에서 풍력 터빈 발전기를 찾는 것은 매우 흔한 것이다.

한편, (특허문헌 1)에 따르면, 일반적인 풍력 발전장치는 고정자(Stator)를 통하여 바람의 유입량은 어느 정도 개선할 수 있으나, 유입된 바람의 속도를 높이기에는 어려운 베인(Vane)으로 구성되어 있어 바람의 속도를 높이기 위하여 반드시 지표로부터 높은 곳에 설치되어야 하는 문제점이 있으며, 지형적인 요인과 자연환경으로 인하여 2∼3㎧ 이상의 평균적인 바람이 불지 않으면 블레이드의 회전이 원활하지 못하여 발전이 이루어지기 어려움을 문제점으로 개시하고 있다.

또한, 2∼3㎧ 이상의 풍속에서 발전을 한다고 하여도 발전장치의 발전량이 적어 발전량을 올리기 위해 풍력 발전장치가 대형화되어 가고 있으며, 이는 생산되는 발전량에 비해 많은 면적과 대규모의 설치비용이 요구되는 문제가 있을 뿐만 아니라, 전방으로 불어오는 바람이 블레이드에 부딪히면서 형성되는 반발풍에 의해 바람이 진입하지 못하고 외부로 다시 나오는 현상이 발생할 수 있고, 이에 따라 새로운 바람이 진입하지 못하고 반발풍과 다시 부딪쳐 바람의 손실이 발생할 수 있음을 문제점으로 개시하고 있다.

따라서 (특허문헌 1)은 집풍관을 통해 1차 증속된 풍속을 후면 블레이드에서 배가시키는 집풍식을 개발하여 일반적인 풍력 발전장치 대비 2배 이상의 고효율을 구현 가능한 집풍식 풍력 터빈 발전기를 개시하고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1336280호

본 발명의 목적은 종래기술에 따른 집풍식 풍력발전장치의 구조를 개선하여 회전자의 회전을 동력원으로 하여 전기에너지를 더욱 용이하게 생산할 수 있도록 한 집풍식 풍력발전시스템을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여,

본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템은 타워(Tower)를 통해 공중에 수평방향으로 설치되며, 직경의 감소를 통한 유속의 변화가 발생하도록 바람이 유입되는 선단 내측에 베르누이(Bernoulli) 발생유도부가 형성된 집풍형의 나셀 바디(Nacelle Body);

상기 나셀 바디의 선단 외부에 구성되어 나셀 바디의 직경을 확장시키는 후드(Hood);

상기 나셀 바디의 내부중심부에 회전 가능하게 설치되며, 풍향을 바꾸는 제1 디퓨져(Diffuser)가 외주를 따라 배열 설치된 제너레이터(Generator);

상기 나셀 바디의 후단에 배열 설치되며, 일단은 나셀 바디에 고정되고, 타단은 제너레이터의 후단에 연결되어 상기 제너레이터를 지지하는 서브 바디(Sub Body);

상기 나셀 바디의 내부에 배열 설치되며, 일단은 나셀 바디에 고정되고, 타단은 제너레이터의 선단에 연결되어 상기 제너레이터를 지지하는 서브 브래킷;

상기 타워에 하단이 연결되고, 상단이 제너레이터의 후단에 연결되어 상기 제너레이터를 지지하는 지지대(Support); 및

상기 제너레이터의 길이방향 양측에 축 설치된 허브(Hub) 및 상기 허브에 설치된 블레이드(Blade)를 포함하는 회전자(Rotor);

를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템에 있어서, 상기 타워는 나셀 바디가 상부에 설치되는 상단부, 상기 상단부의 하부에 플랜지(Flange) 연결되는 중단부 및 상기 중단부의 하부에 플랜지 연결되는 하단부로 구성되며, 내부중심부에 H-빔(H-BEAM)이 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템에 있어서, 상기 타워의 상단부는 나셀 바디의 회전운동이 가능하도록 위, 아래로 분리 구성되어 베어링(Bearing)을 통해 상호 연결되며, 초음파를 이용하여 풍향을 추적하는 풍향추적장치가 내장되고, 상기 풍향추적장치에 의해 제어되는 스테핑모터(Stepping Motor)가 내부에 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템에 있어서, 상기 나셀 바디는 4개로 분할 구성되며, 각각의 나셀 바디를 원통형으로 결합하기 위한 바디 브래킷(Bracket);

을 더 포함하며,

상기 바디 브래킷은 나셀 바디의 외부로 노출되는 외면에 제2 디퓨져가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템에 있어서, 상기 회전자는 제너레이터의 일측에 축 설치되어 나셀 바디의 내부에서 회전하는 내부회전자 및 상기 제너레이터의 타측에 축 설치되어 나셀 바디의 외부에서 회전하는 외부회전자로 구성되며, 상기 내부회전자의 블레이드보다 외부회전자의 블레이드가 상대적으로 길게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템에 있어서, 상기 블레이드는 허브에 각도 조절이 가능하게 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템에 있어서, 상기 블레이드는 허브와 연결되는 연결부가 기어형상으로 형성되고, 상기 연결부와 기어 연결되는 감속기어 및 상기 감속기어와 베벨기어를 통해 연결되는 구동모터가 상기 허브에 내장될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템에 있어서, 상기 회전자의 회전축에 설치되어 전자석을 통해 회전자의 회전을 제동하는 전자식브레이크모듈(Brake Module);

을 더 포함하며,

상기 제너레이터는 회전축을 중심으로 방사상으로 배치된 코일(Coil)이 일면에 배열되어 중심부가 전자식브레이크모듈에 고정결합된 원판형의 제1 디스크 및 상기 제1 디스크와 번갈아가면서 상기 전자식브레이크모듈에 설치되며, 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 배치된 영구자석이 일면에 배열된 원판형의 제2 디스크를 포함하는 디스크모듈(Disk Module);

을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템에 있어서, 상기 디스크모듈은 제2 디스크의 영구자석과 마주보는 일면에 영구자석이 회전축을 중심으로 방사상으로 배열 배치되며, 제1 디스크를 중심으로 상기 제2 디스크의 반대편에 배치되어 전자식브레이크모듈에 설치된 원판형의 제3 디스크;

를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템에 있어서, 상기 디스크모듈은 회전축을 따라 배열 설치되며, 디스크모듈로부터의 전류공급에 따라 상기 회전축을 연결하거나 분리하는 전자식커플링(Coupling)이 상기 디스크모듈 사이에 설치될 수 있다.

본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템에 있어서, 상기 나셀 바디는 외주면에 LED 및 디스플레이패널이 부착될 수 있다.

이러한 해결 수단은 첨부된 도면에 의거한 다음의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 일실시 예에 따르면, 집풍식 풍력발전시스템의 설치 및 운용이 용이할 뿐만 아니라 제너레이터의 양측에 회전자를 설치하여 발전토록 함으로써, 전기에너지를 더욱 용이하게 생산할 수 있다. 따라서 풍력발전의 효율성 측면에서 효과적이다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따르면, 제너레이터가 디스크타입으로 구성됨으로써, 회전자를 동력원으로 하는 전기생산이 용이하게 이루어질 수 있다. 그리고 전자식커플링의 제공을 통해 집풍식 풍력발전시스템의 설치 및 유지보수가 용이하고, 필요한 경우 증설이 용이하다. 따라서 유휴부지나 자투리땅의 활용이 가능할 뿐만 아니라 산정상 등 도로망이 없어 설치 불가지역에도 설치 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템을 나타내 보인 사시도.
도 2는 도 1에 따른 집풍식 풍력발전시스템을 전체적으로 나타내 보인 정면도.
도 3은 도 1에 따른 집풍식 풍력발전시스템의 요부를 확대하여 나타내 보인 측면도.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템의 초음파센서와 스테핑모터를 나타내 보인 사시도.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템의 나셀 바디의 내부구조를 나타내 보인 정면도.
도 6은 도 5의 'A'를 나타내 보인 확대도. 도 7은 도 5의 'B'를 나타낸 보인 확대도.
도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템의 디스크모듈을 나타내 보인 사시도.
도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템의 디스크모듈을 결합하여 나타내 보인 사시도.

본 발명의 특이한 관점, 특정한 기술적 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 구체적인 내용과 일실시 예로부터 더욱 명백해 질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 일실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 본 발명의 일실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 5에서 보듯이, 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템은 바람에 의한 회전자(Rotor) 및 이와 연동하는 제너레이터(Generator)의 회전을 통해 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 전기를 생산하게 된다.

이를 위하여 집풍식 풍력발전시스템은 설치대상, 예컨대 지면이나 건물옥상 등에 기립 설치되는 타워(10), 상기 타워(10)를 통해 공중에 수평방향으로 설치되도록 어댑터(Adapter)를 통해 타워(10)의 상단부(10a)에 설치되는 집풍형의 나셀 바디(100), 상기 나셀 바디(100)의 내부중심부에 회전 가능하게 설치되어 발전하는 제너레이터(300) 및 이를 회전시키는 회전자(250)를 포함한다.

또한, 상기 집풍식 풍력발전시스템은 제너레이터(300)를 지지하여 수평상태를 용이하게 유지토록 하는 서브 바디(200), 서브 브래킷(210) 및 지지대(220)를 포함한다. 그리고 이에 부가하여 상기 회전자(250)의 회전축(250a)에 설치되어 예컨대, 태풍발생과 같은 비상시 전자석(410)을 통해 회전자(250)의 회전을 제동하는 전자식브레이크모듈(도 9의 400 참조)을 더 포함할 수 있다.

상기 타워(10)는 고정자(Stator), 주축 또는 지주로 해석 가능하며, 나셀 바디(100)가 공중에 수평방향으로 설치되도록 예컨대, 지면이나 건물옥상 등에 기립 설치되는 것으로서, 상기 나셀 바디(100)가 상부에 설치되는 상단부(10a), 상기 상단부(10a)의 하부에 플랜지(11)를 통해 연결되는 중단부(10b) 및 상기 중단부(10b)의 하부에 플랜지(11)를 통해 연결되는 하단부(10c)로 구성될 수 있다.

여기서 상기 타워(10)의 하단부(10c)는 안정적인 기립상태를 유지할 수 있도록 원판형의 받침판과 리브(Rib)를 통해 구조를 보강할 수 있다. 그리고 상기 하단부(10c)를 포함하여 타워(10) 전체가 철재 케이싱(Casing)으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 타워(10)는 내부중심부에 H-빔(12)이 내장 설치됨으로써, 구조보강을 통해 기립상태를 용이하게 유지할 수 있다.

상기 타워(10)의 상단부(10a)는 나셀 바디(100)의 회전운동이 가능하도록 위, 아래로 분리 구성되어 베어링(Bearing)을 통해 상호 연결될 수 있다. 이때 상기 베어링은 하기에서 동일한 용어가 반복되므로, 설명 및 이해를 돕고자 제1 베어링(13)으로 지칭하게 된다.

즉 상기 제1 베어링(13)을 통해 위, 아래로 분리 구성된 타워(10)의 상단부(10a)가 상호 연결되어 회전하게 되는데, 상기 상단부(10a)의 회전을 바람이 불어오는 방향으로 움직일 수 있도록 초음파를 이용하여 풍향을 추적하는 풍향 추적장치(14) 및 스테핑모터(15)를 더 포함한다.

상기 풍향 추적장치(14)는 예컨대, HY-SRF05 초음파센서로 구성되어 타워(10)의 상단부(10a)를 회전시키는 스테핑모터(15)와 서로 전기적으로 연결된 상태로 상기 상단부(10a)에 내장되며, 상기 초음파센서에 의해 스테핑모터(15)가 제어되도록 제어부를 구성하게 된다.

따라서 본 발명의 일실시 예에 따르면, 타워(10)의 구조개선을 통하여 집풍식 풍력발전시스템의 설치 및 운용이 용이하게 이루어질 수 있어 결과적으로, 전기에너지를 더욱 쉽게 생산할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 나셀 바디(100)는 집풍관으로 해석 가능하며, 하부에 설치되는 어댑터(210)를 통해 상기 타워(10)의 상단부(10a)에 수평방향으로 설치되는데, 유입되는 바람의 손실을 최소화하고, 많은 양의 바람을 유도하여 집중적으로 유입시킴과 동시에 베르누이의 법칙에 의하여 유입되는 바람의 속도를 높일 수 있도록 후드(Hood) 및 베르누이 발생유도부(도 5의 101)를 포함한다.

상기 후드(102)는 바람이 유입되는 나셀 바디(100)의 선단 외부에 설치되어 상기 나셀 바디(100)의 직경을 확장시킴으로써, 엔진룸으로 지칭 가능한 내부공간으로 바람이 용이하게 유입되도록 하게 된다. 즉 상기 후드(102)는 나셀 바디(100)에 고정결합되는 후단부보다 전단부의 직경이 넓게 형성된 일종의 나팔관 형태로 구성된다.

이와 반대로 상기 베르누이 발생유도부(101)는 나셀 바디(100)의 선단 내측에 설치되어 상기 나셀 바디(100)의 직경을 감소시켜 바람이 통과하는 통로인 유로를 협소하게 함으로써, 유속의 변화를 발생시키게 된다.

이러한 후드(102)와 베르누이 발생유도부(101)가 내부 및 외부에 구성된 나셀 바디(100)는 내부공간의 중심부, 즉 내부중심부에 제너레이터(300)가 회전 가능하게 설치되며, 상기 제너레이터(300)의 길이방향 양측에 회전자(250)가 회전 가능하게 설치된다.

여기서 상기 나셀 바디(100)는 4개로 분할 구성될 수 있으며, 각각의 나셀 바디(100)를 원통형으로 결합할 수 있도록 바디 브래킷(110)을 더 포함한다. 그리고 상기 나셀 바디(100)의 표면에는 광고효과를 위하여 LED 및 디스플레이패널이 부착될 수 있는데, 어느 하나만 선택적으로 부착되거나 둘 다 부착될 수 있다.

상기 바디 브래킷(110)은 나셀 바디(100) 및 후드(102)의 외주에 대응하는 모양으로 형성된 일종의 얇은 판재로서, 4개로 분할된 나셀 바디(100)를 원통형으로 결합함과 동시에 각각의 나셀 바디(100)에 서브 바디(200) 및 서브 브래킷(210)을 설치토록 하는 매개체로서의 역할을 하게 된다.

즉 상기 바디 브래킷(110)을 통해 나셀 바디(100)의 후단에 서브 바디(200)를 예컨대, 십자형태 또는 도면상 X자 형태로 배열 설치하게 되며, 상기 나셀 바디(100)의 내부에 서브 브래킷(210)을 십자형태 또는 X자 형태로 배열 설치토록 하게 된다.

물론, 상기 바디 브래킷(110)이 없는 구조에서는 나셀 바디(100)에 별도의 조립구조를 설계하거나 용접 등의 방법을 통해 서브 바디(200)와 서브 브래킷(210)을 설치토록 할 수 있다.

상기 서브 바디(200)는 양단이 절곡 형성된 구성으로서, 일단은 나셀 바디(100)에 고정되고, 타단은 제너레이터(300)의 후단에 연결되어 상기 제너레이터(300)를 지지함으로써, 제너레이터(300)의 수평상태를 유지토록 하게 된다.

상기 서브 브래킷(210)은 일단이 나셀 바디(100)에 고정되고, 타단이 제너레이터(300)의 선단에 연결되어 상기 제너레이터(300)를 지지하는 ㄱ자 형태로서, 서브 바디(200)와 협동하여 제너레이터(300)의 수평상태를 유지토록 하게 된다.

또한, 상기 서브 브래킷(210) 및 서브 바디(200)와 협동하여 제너레이터(300)를 지지하여 수평상태를 유지토록 하는 지지대(220)는 타워(10)에 하단이 연결되고, 상단이 상기 제너레이터(300)의 후단에 연결되어 제너레이터(300)를 지지하게 된다.

여기서 상기 서브 바디(200)의 후단과 제너레이터(300) 사이, 서브 브래킷(210)의 타단과 제너레이터(300) 사이 및 상기 제너레이터(300)와 지지대(220)의 상단 사이에는 제2 베어링(도 7의 302 참조)이 각각 구비될 수 있다. 그리고 상기 제2 베어링(302)은 지지대(220)의 하단과 타워(10) 사이에도 구비될 수 있다.

상기 제너레이터(300)는 바람의 방향, 즉 풍향을 바꾸기 위한 제1 디퓨져(301)가 선단에 외주를 따라 배열 설치된다. 상기 제1 디퓨져(301)는 예컨대, 삼각형으로 형성되어 나셀 바디(100)에 유입된 바람의 방향이 나셀 바디(100)의 외부에 배치되는 외부회전자(250b)를 구성하는 블레이드(252)의 중단부를 향하도록 유도하여 상기 블레이드(252)를 회전시키는 회전력(토크)을 발생시키게 된다.

또한, 상기 제1 디퓨져(301)와 함께 나셀 바디(100)의 외부로 흐르는 바람의 방향을 외부회전자(250b)를 구성하는 블레이드(252)의 말단부를 향하도록 유도하여 상기 블레이드(252)를 회전시키는 회전력(토크)을 발생시킬 수 있도록 상기 나셀 바디(100)의 외부로 노출되는 바디 브래킷(110)의 외면에 제2 디퓨져(111)가 형성되어 구성될 수 있다.

상기 회전자(250)는 나셀 바디(100)의 내부공간을 통과하는 바람에 의해 회전하게 되며, 이러한 회전자(250)의 회전을 동력원으로 하여, 제너레이터(300)가 풍력 발전하게 된다.

따라서 상기 회전자(250)는 블레이드(252)와 제너레이터(300)를 연결하는 매개체로서, 상기 제너레이터(300)에 축 설치되는 허브(251)를 포함한다. 예컨대 상기 허브(251)는 반원형 또는 콘(Cone) 형상으로 형성되어 외주면에 블레이드(252)가 등 간격으로 설치된다.

여기서 상기 회전자(250)는 제너레이터(300)의 선단 측에 축 설치되어 나셀 바디(100)의 내부에서 회전하는 내부회전자(250a) 및 상기 제너레이터(300)의 후단 측에 축 설치되어 상기 나셀 바디(100)의 외부에서 회전하는 외부회전자(250b)로 구성된다.

또한, 상기 내부회전자(250a)의 블레이드(252)보다 외부회전자(250b)의 블레이드(252)가 상대적으로 길게 형성될 수 있으며, 이에 따라 제1,2 디퓨져(301)(111)에 의한 바람의 영향이 크게 작용하게 된다.

따라서 본 발명의 일실시 예에 따르면, 나셀 바디(100)의 구조개선을 통한 분해조립식이 용이하고, 전체적인 중량감소를 통해 집풍식 풍력발전시스템의 설치 및 운용이 용이할 뿐만 아니라 제너레이터(300)의 양측에 회전자(250)를 설치하여 발전토록 함으로써, 전기에너지를 더욱 용이하게 생산할 수 있어 풍력발전의 효율성을 향상시킬 수 있다.

도 6 내지 7에서 보듯이, 본 발명의 일실시 예에 따른 블레이드(252)는 허브(251)에 각도 조절이 가능하게 설치될 수 있다. 구체적으로 상기 블레이드(252)는 허브(251)와 연결되는 연결부(252a)가 기어(Gear) 형상으로 형성되고, 상기 연결부(252a)와 기어 연결되는 감속기어(253) 및 상기 감속기어(253)와 베벨기어(254)를 통해 연결되는 구동모터(255)가 상기 허브(251)에 내장되어 구성될 수 있다.

또한, 각각의 구동모터(255)는 제어부와 연결되어 제어됨으로써, 바람의 세기에 따라 블레이드(252)의 각도를 조절하게 된다.

예컨대, 태풍과 같이 바람의 세기가 강할 경우와 2∼3㎧ 정도의 평균적인 바람이 불 경우에서는 블레이드(252)의 각도가 달라야 할 것이므로, 허브(251)에 소형의 구동모터(255)를 내장하고, 상기 블레이드(252)의 연결부와 기어 연결함으로써, 바람의 따른 블레이드(252)의 각도 조절이 가능하게 된다.

따라서 본 발명의 일실시 예에 따르면, 블레이드(252)의 각도 조절을 통해 풍력발전의 효율성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 수명연장효과도 기대할 수 있다.

도 5, 8 내지 9에서 보듯이, 본 발명의 일실시 예에 따른 제너레이터(300)는 길이방향 양측에 축 설치된 회전자(250)를 동력원으로 하여 발전하게 된다.

즉 상기 제너레이터(300)는 나셀 바디(100)에 수용되어 회전자(250)와 연동하여 회전하면서 발전함으로써, 집풍식 풍력발전시스템의 궁극적인 목적인 전기를 생산토록 하게 된다.

여기서 상기 제너레이터(300)는 디스크타입(Disk Type)으로 구성될 수 있는데, 이는 디스크모듈(310)을 통해 실시될 수 있다.

상기 디스크모듈(310)은 합성수지 등을 통해 원판형으로 형성된 제1,2 디스크(320)(330)를 포함한다.

상기 제1 디스크(320)는 원판의 일면에 코일(321), 예컨대 타원형의 코일 뭉치가 곡률을 따라 등 간격으로 배열되되, 회전자(250)의 회전축(250a)을 중심으로 방사상으로 상기 코일(321)이 배치된다.

상기 제2 디스크(330)는 제1 디스크(320)와 번갈아가면서 배치되며, 코일(321)과 마찬가지로 회전축(250a)을 중심으로 방사상으로 배치되는 영구자석(331)이 원판의 일면에 S극과 N극이 순차적으로 번갈아가면서 등 간격으로 배열된다.

여기서 상기 디스크모듈(310)을 더욱 구체적으로 설명하기에 앞서, 회전자(250)를 제동하기 위한 전자식브레이크모듈(400)을 우선 설명하면, 상기 전자식브레이크모듈(400)은 회전축(250a)에 설치되고, 도면상 전방에 전자석(410)이 구비된 구성으로서, 상기 전자석(410)에 전류를 공급함으로써, 제2 디스크(330)의 영구자석(331)과의 작용을 통해 제동이 이루어지도록 하게 된다.

상기 전자석(410)에 공급되는 전류는 디스크모듈(310)을 통해 생산된 전기를 공급하는 것으로서, 상기 디스크모듈(310)로부터 전류공급에 따라 전자석(410)을 통해 제2 디스크(330)의 제공이 이루어지고, 상기 제2 디스크(330)의 제동에 따라 결과적으로 회전자(250)의 제동이 이루어지게 된다.

따라서 이러한 전자석(410)이 구비된 전자식브레이크모듈(400)의 외주면에 디스크모듈(310)이 설치되는 것이며, 제1,2 디스크(320)(330)가 번갈아가면서 배치되는 방법으로 설치되어 운용된다.

다시 디스크모듈(310)에 대하여 설명하면, 예컨대 디스크모듈(310)은 하나의 제1 디스크(320)에 하나의 제2 디스크(330)를 배치하여 구성될 수 있으며, 이를 싱글디스크모듈(Single Disk Module)로 지칭할 수 있다.

다른 일례로서, 디스크모듈(310)은 하나의 제1 디스크(320)에 영구자석(331)이 각기 구비된 제2,3 디스크(330)(340)를 앞뒤로 배치하여 구성될 수 있으며, 이를 듀얼디스크모듈(Dual Disk Module)로 지칭할 수 있으며, 이를 도시하여 나타내 보이고 있다.

상기 제3 디스크(340)는 제2 디스크(330)의 영구자석(331)과 마주보는 원판의 일면에 상기 제2 디스크(330)와 동일한 영구자석(331)이 회전축(250a)을 중심으로 방사상으로 배열 배치되어 구성된다.

즉 듀얼디스크모듈(310)은 제1 디스크(320)의 양측에 제2,3 디스크(330)(340)를 배치하고, 상기 제2,3 디스크(330)(340)의 일면에 구비되는 영구자석(331)을 서로 마주보게 배치하여 구성되며, 그 중심부가 전자식브레이크모듈(400)에 고정결합된다.

여기서 상기 듀얼디스크모듈(310)은 회전축(250a)을 따라 적어도 둘 이상이 배열 설치되어 하나의 그룹을 구성할 수 있는데, 이를 멀티디스크모듈(310)로 지칭할 수 있다. 그리고 상기 듀얼디스크모듈(310)과 멀티디스크모듈(310) 사이에는 디스크모듈(310)로부터의 전류공급에 따라 회전축(250a)을 연결하거나 분리하는 전자식커플링(500)이 상기 회전축(250a)에 설치될 수 있다.

상기 듀얼디스크모듈(310)은 구동 토크가 큰 메인 제너레이터인 멀티디스크모듈(310)이 구동하기 전에 저속 또는 미풍에서도 기본적인 제어회로구동에 필요한 전기를 발생시키게 된다.

상기 전자식커플링(500)은 일종의 클러치(Clutch)로서, 듀얼디스크모듈(310)에서의 전류공급에 따라 회전축(250a)을 연결하거나 분리하는 방법으로 운용될 수 있으며, 필요한 경우 멀티디스크모듈(310) 사이에도 배치될 수 있다.

따라서 본 발명의 일실시 예에 따르면, 디스크타입 제너레이터(300)의 제공을 통해 전기를 용이하게 생산할 수 있을 뿐만 아니라 전자식커플링(500)을 통해 집풍식 풍력발전시스템의 설치 및 유지보수가 용이할 뿐만 아니라 증설 또한 용이하게 이루어질 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 집풍식 풍력발전시스템은 전자식브레이크모듈(400) 및 전자식커플링(500)을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

즉 상기 제어부는 전자식브레이크모듈(400) 및 전자식커플링(500)을 출력전력을 정량적으로 제어함으로써, 회전자(250)의 과도한 회전으로 인한 과열을 방지하고, 나아가 화재로 인한 소손을 방지할 수 있게 된다.

여기서 제어부는 모니터링 시스템(Monitoring System)으로서, 제1 디스크(320)의 일면에 설치되는 반도체퓨즈(601), 디스크모듈(310)과 코일(321) 등의 표면온도를 측정하는 온도센서(602) 및 상기 제2 디스크(330)의 일면에 설치되는 전력반도체(603)와 전기적으로 연결되는 보조제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 보조제어부는 과충전 과부하로 인한 과전류 상황 시 회로파손과 화재 예방을 위해 회로에 직렬 삽입된 반도체퓨즈(601)를 자동 리셋하고, 온도센서(602)는 물론이고, 풍속센서 등을 모니터링하여 제어하게 되며, 나아가 PWM 전력 제어하게 된다.

따라서 본 발명의 일실시 예에 따르면, 제어부 및 보조제어부를 통해 출력전력을 정량적으로 제어하여 화재 및 과열을 방지할 수 있고, 이를 통해 안전사고를 예방함으로써, 결과적으로 집풍식 풍력발전시스템의 신뢰성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

이상 본 발명을 일실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 집풍식 풍력발전시스템은 이에 한정되지 않는다. 그리고 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다", 등의 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 하며, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.

또한, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능하다. 따라서, 본 발명에 개시된 일실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 일실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 타워 10a: 타워의 상단부
10b: 타원의 중단부 10c: 타워의 하단부
11: 플랜지 12: H-빔
13: 제1 베어링 14: 풍향추적장치
15: 스테핑모터 16: 어댑터
100: 나셀 바디 101: 베르누이 발생유도부
102: 후드 110: 바디 브래킷
111: 제2 디퓨져 200: 서브 바디
210: 서브 브래킷 220: 지지대
250: 회전자 250a: 회전축
251: 허브 252: 블레이드
252a: 연결부 253: 감속기어
254: 베벨기어 255: 구동모터
300: 제너레이터 301: 제1 디퓨져
302: 제2 베어링 310: 디스크모듈
311: 듀얼디스크모듈 312: 멀티디스크모듈
320: 제1 디스크 321: 코일
330: 제2 디스크 331: 영구자석
340: 제3 디스크 400: 전자식브레이크모듈
410: 전자석 500: 전자식커플링
601: 반도체퓨즈 602: 온도센서
603: 전력반도체

Claims

타워를 통해 공중에 수평방향으로 설치되며, 직경의 감소를 통한 유속의 변화가 발생하도록 바람이 유입되는 선단 내측에 베르누이 발생유도부가 형성된 집풍형의 나셀 바디;
상기 나셀 바디의 선단 외부에 구성되어 나셀 바디의 직경을 확장시키는 후드;
상기 나셀 바디의 내부중심부에 회전 가능하게 설치되며, 풍향을 바꾸는 제1 디퓨져가 외주를 따라 배열 설치된 제너레이터;
상기 나셀 바디의 후단에 배열 설치되며, 일단은 나셀 바디에 고정되고, 타단은 제너레이터의 후단에 연결되어 상기 제너레이터를 지지하는 서브 바디;
상기 나셀 바디의 내부에 배열 설치되며, 일단은 나셀 바디에 고정되고, 타단은 제너레이터의 선단에 연결되어 상기 제너레이터를 지지하는 서브 브래킷;
상기 타워에 하단이 연결되고, 상단이 제너레이터의 후단에 연결되어 상기 제너레이터를 지지하는 지지대; 및
상기 제너레이터의 길이방향 양측에 축 설치된 허브 및 상기 허브에 설치된 블레이드를 포함하는 회전자;
를 포함하는 집풍식 풍력발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 타워는 나셀 바디가 상부에 설치되는 상단부, 상기 상단부의 하부에 플랜지 연결되는 중단부 및 상기 중단부의 하부에 플랜지 연결되는 하단부로 구성되며, 내부중심부에 H-빔이 설치된 것을 특징으로 하는 집풍식 풍력발전시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 타워의 상단부는 나셀 바디의 회전운동이 가능하도록 위, 아래로 분리 구성되어 베어링을 통해 상호 연결되며, 초음파를 이용하여 풍향을 추적하는 풍향추적장치가 내장되고, 상기 풍향추적장치에 의해 제어되는 스테핑모터가 내부에 설치된 것을 특징으로 하는 집풍식 풍력발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 나셀 바디는 4개로 분할 구성되며, 각각의 나셀 바디를 원통형으로 결합하기 위한 바디 브래킷;
을 더 포함하며,
상기 바디 브래킷은 나셀 바디의 외부로 노출되는 외면에 제2 디퓨져가 형성된 것을 특징으로 하는 집풍식 풍력발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 회전자는 제너레이터의 일측에 축 설치되어 나셀 바디의 내부에서 회전하는 내부회전자 및 상기 제너레이터의 타측에 축 설치되어 나셀 바디의 외부에서 회전하는 외부회전자로 구성되며, 상기 내부회전자의 블레이드보다 외부회전자의 블레이드가 상대적으로 길게 형성된 것을 특징으로 하는 집풍식 풍력발전시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 블레이드는 허브에 각도 조절이 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 집풍식 풍력발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 회전자의 회전축에 설치되어 전자석을 통해 회전자의 회전을 제동하는 전자식브레이크모듈;
을 더 포함하며,
상기 제너레이터는 회전축을 중심으로 방사상으로 배치된 코일이 일면에 배열되어 중심부가 전자식브레이크모듈에 고정결합된 원판형의 제1 디스크 및 상기 제1 디스크와 번갈아가면서 상기 전자식브레이크모듈에 설치되며, 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 배치된 영구자석이 일면에 배열된 원판형의 제2 디스크를 포함하는 디스크모듈;
을 더 포함하는 집풍식 풍력발전시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 디스크모듈은 제2 디스크의 영구자석과 마주보는 일면에 영구자석이 회전축을 중심으로 방사상으로 배열 배치되며, 제1 디스크를 중심으로 상기 제2 디스크의 반대편에 배치되어 전자식브레이크모듈에 설치된 원판형의 제3 디스크;
를 더 포함하는 집풍식 풍력발전시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 디스크모듈은 회전축을 따라 배열 설치되며, 디스크모듈로부터의 전류공급에 따라 상기 회전축을 연결하거나 분리하는 전자식커플링이 상기 디스크모듈 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 집풍식 풍력발전시스템.