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KR20160140532A - 유동적 오프셋 축 풍력발전기 - Google Patents

유동적 오프셋 축 풍력발전기 Download PDF

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KR20160140532A
KR20160140532A KR1020160154614A KR20160154614A KR20160140532A KR 20160140532 A KR20160140532 A KR 20160140532A KR 1020160154614 A KR1020160154614 A KR 1020160154614A KR 20160154614 A KR20160154614 A KR 20160154614A KR 20160140532 A KR20160140532 A KR 20160140532A
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wind
rotor
power generator
shaft
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KR1020160154614A
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김정열
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김정열
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Abstract

하나의 지주에 다수의 회전 샤프트와 다수의 이중면 로터 블레이드를, 유동적 오프셋 축 (Mobile Offset Axis) 형태로 작동되는 프레임 구조를 부착되어, 전기를 생산하는 풍력발전기에 관한 것으로서, 종래의 동축 멀티로터 장치들은 낮은 지주에설치되고, 바람 방향에 따른 샤프트의 정렬기능이 낮고, 일반적 형태의 로터 블레이드가 중첩 부착되어 전방 로터로 유입된 바람에 의해 후방 로터가 영향을 받게 되는데, 이러한 문제를 해결하고 종래의 장치보다 많은 에너지를 생산하기 위해서, 높은 지주와 경사 지주, 또 곡선 지주 등에 설치 가능하고, 바람에 따라 회전축이 좌우 상방(Left/ Right/ Upward) 움직임이 가능한 다수의 회전 샤프트와, 받음 각의 변화 상태에서도 회전력을 생산하는 다수의 이중 면 로터 블레이드를 적용하여, 바람의 방향 변화와 강도에 따라 드라이브 샤프트의 회전 축 방향이 유동적(Mobile)으로 변하여 오프셋 축 (Offset Axis) 형태로 작동되는 것을 특징으로 하는, 유동적 오프셋 축 풍력발전기 {MOBILE OFFSET AXIS WIND POWER GENERATOR}에 관한 것이다.

Description

유동적 오프셋 축 풍력발전기{MOBILE OFFSET AXIS WIND POWER GENERATOR}
본 발명은 하나의 지주에 다수의 오프셋 축 샤프트로 구성된 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 경사를 갖는 지주 또는 휨을 허용하는 탄력성 곡선 지주 및 와이어 로프(Wire Rope) 등을 포함하는 지주 구조의 한 부분에, 다수의 회전 샤프트와 각각의 회전 샤프트 동축(Co Axis)에 다수의 이중면 로터 블레이드를, 유동적(Mobile) 오프셋 축(Offset Axis) 형태로 작동되는 프레임 구조를 부착되어, 바람의 힘으로 전기 에너지를 생산하는 풍력발전기에 관한 것이다.
일반적으로 지상 풍력발전장치의 출력과 효율을 높이기 위해서, 양호한 풍력 자원 공간에 발전 장치를 설치하여 로터 회전력을 증대시키거나, 로터의 형태나 크기 또는 고효율의 터빈 개발 등 각 요소의 성능 향상을 위한 연구가 진행중에 있다.
그 각 요소들 중 터빈의 출력 증가를 위한 중요한 요소는 안정된 풍속의 지속성과 로터의 형태와 크기이다. 그러므로 지상 바람의 풍속과 풍향의 불규칙성 등의 문제점을 해결하기 위하여 일반적으로 강한 풍속과 안정된 풍향을 갖는 높은 지주에 발전 장치를 설치함으로써 문제점을 개선할 수가 있다. 또한, 높은 지주의 발전 장치에 부착될 로터의 크기와 형태, 재질 등과 로터의 회전력을 전달하는 회전 샤프트의 구성과 배열구조 등을 통합적으로 고려함으로써 발전장치의 성능 향상이 가능하게 된다.
그러나 종래의 풍력발전 기술, 특히 소형 동축 멀티 로터 풍력 터빈(CO-AXIAL MULTI-ROTOR WIND TURBINE) 기술 등은 구조적인 한계 때문에 낮은 높이에 고정된 지주형태를 채택하고, 회전 축이 특정한 오프셋 각도(Offset Angle)로 고정되어 있거나, 바람의 방향과 강도에 따른 적정한 오프셋 각도 변화가 제한되어, 축의 정렬(Line up) 기능의 문제점이 발생하여, 다수 로타의 특징적 장점을 살리지 못하는 경향이 있고, 또 한 개의 긴 드라이브 샤프트(Drive Shaft)의 강도와 휨 현상에 따른 회전 안정성의 문제 및 소형 로터 블레이드의 회전력의 한계 등의 문제점이 있었다.
[문헌1] US 6692230 (SELSAM, D.S) 2004.02.17 [문헌2] US 20060233635 (SELSAM, D.S) 2006.10.19 [문헌2] US 20130071228 (SELSAM, D.S) 2013.03.21
종래의 소형 풍력발전기는 낮은 지주와 단일 소형 로터에 설치되어, 충분한 바람 자원을 이용하기 어렵고, 낮은 출력 효율과 YAW 안정성이 미흡하여 지속적인 에너지 생산에 많은 문제점을 보이고 있다.
특히 종래의 동축 멀티로터(Co-Axis Multi-Rotor) 장치들을 고정식 지주에 일정한 각도의 오프셋(Offset)된 드라이브 샤프트(Drive Shaft)를 체결하는 기술은 “각 로터에 실질적으로 방해받지 않는 신선한 바람의 일정한 유입수단” 즉, 샤프트의 오프셋 각도와 로터 사이의 간격분리를 통해서, 여러 로터가 서로 독립적이고 분리된 바람에 작용하는 이상적 기체 흐름(Ideal Flow)을 가정하여 오프셋 기술을 적용하였으나, 실제의 기체 흐름(Stall Version : Actual Flow)과는 많은 차이가 존재한다. 따라서 이러한 오프셋 기술은 바람 방향에 따른 샤프트의 정렬(Line Up) 기능과 안정성이 낮고, 또 그 샤프트에 크기가 동일한 일반적 형태의 로타 블레이드를 연속적으로 부착함으로써, 전방에 위치한 로터에 유입되었던 잔여 바람과 와류(Vortex) 등에 의해 영향을 받게 될 후방의 로터 블레이드의 회전력 감소에 관한 고려가 부족하였다.
상기의 과제들을 해결하기 위하여 본 발명은, 일반적인 풍력 발전기에서 채택되는 지주 구조에, 경사 지주, 곡선 지주 또는 와이어 로프 등을 포함하는 지주 구조의 한 부분에, 바람에 따라 좌우 상방(Left/ Right/ Upward)을 움직일 수 있는 프레임을 장착하고, 그 프레임에 다수의 회전 샤프트와, 그 샤프트에 크기가 서로 다른 다수의 이중의 면을 가진 로터 블레이드로 구성된 어셈블을 설치하여, 일정 공간에서 종래의 로터보다 많은 에너지를 생산하기 위해서, 바람의 방향 변화와 강도에 따라서 드라이브 샤프트의 회전 축이 좌우동요(Yawing)와 상하동요(Pitching)를 허용하는 상태에서, 수평과 수직축(Horizontal And Vertical Axis) 각도 방향으로 유동적(Mobile)으로 오프셋 축 (Offset Axis) 형태로 작동되는 것을 특징으로 하는 유동적 오프셋 축 풍력발전기(Mobile Offset Axis Wind Power Generator)에 관한 것이다.
본 발명에 따른 풍력발전기는 유동적 오프셋 축(Offset Axis) 형태의 새로운 멀티 로터 풍력발전기로써, 단일 로터 또는 종래의 멀티 로터 발전기보다 출력 증가가 가능하고, 기본적인 형태로 소형 경량 모듈화 방식의 생산 방법을 통해서 단가를 낮추어 저비용 구조가 가능하고, 일반적인 수직 지주를 포함한 경사진 지주나 곡선 지주 구조, 와이어 로프 등에 장치가 가능하여, 해상 도서지방 또는 산악 지형 등에 독립적인 설치가 가능하며, 도시 빌딩 지대나 강변 도로변 등의 다양한 장소 설치가 가능할 뿐만 아니라, 구조의 대형화를 통해서 대단위 풍력 벨트 등 운용이 가능하여 풍력발전 산업에 이바지할 것이다.
도 1은 오프셋 축 풍력발전기의 수직 지주 기본모듈의 사시도
도 2는 오프셋 축 풍력발전기의 수직 지주 멀티 구조 (수직 기본모듈 확장) 사시도
도 3은 오프셋 축 풍력발전기의 경사 지주 기본모듈의 사시도
도 4는 오프셋 축 풍력발전기의 경사 지주 멀티 구조 (경사 기본모듈 확장) 사시도
도 5는 오프셋 축 풍력발전기의 커브 지주 기본모듈의 사시도
도 6은 중심 프레임(허브 프레임)의 종류
도 7은 메인 프레임의 구조도(메인 프레임과 보조 프레임의 분해도)
도 8는 보조 어셈블과 드라이버 샤프트를 연결하는 플렌지 베어링과 스프링 구조도
도 9은 메인 프레임 기준, 유동적 오프셋 축의 수직 방향 변화 범위도
도 10은 유연성 있는 이중의 면(플렉시벌 듀얼 스페이스) 로터 블레이드 구조도
도 11은 로터 블레이드의 한계 풍속 이후 변화 이미지
도 12은 오프셋 각도와 블레이드 회전 궤적에 따른 연형 포일(Kite Foil) 추상도
상기의 과제들을 해결하기 위하여 본 발명은, 일반적 풍력발전기 지주 형태에서 채택하고 있는 수직 타워(110)를 포함한 경사를 갖는 지주(130) 또는, 지주의 탄성 변형(Elastic Deformation)에 따른 탄성 곡선(Erastic Curve) 즉, 휨(Bending)이 허용되는 탄력성 곡선 지주(150) 및 케이블 등을 포함하는 지주 구조의 한 부분에, 중심 프레임(Hub Frame)(111)(도 6)을 장착한다. 중심 프레임은 보조 프레임의 부착 형태에 따라 타원형 타입(Oval Type)(161)과 플렌지 베어링 타입(Flange Bearing Type)(162) 그리고 아크 로드 타입(Arc Rod Type)(163)으로 구분할 수 있다.
이 중심 프레임(타원형 타입)은 설치규모에 따라 단일 중심 프레임(Single Hub)(도1)(도3 )과 여러 개의 단일 프레임 구조로 구성된 멀티 중심 프레임(Multi Hub)(도2)(도4)으로 구분한다.
이러한 중심 프레임(111)은 베어링과 삽입 링으로 지주에 연결되어 지주의 축 가로 단면을 중심으로 360도 회전 가능한 주 프레임(Main Frame)(171)과, 주 프레임에 힌지 로드(Hinge Rod)(182)로 연결되고 수평 플랫폼(172) 스프링(173)에 얹혀져 있으면서 경사 안정판(174)에 통제되는 보조 프레임(Aux Frame)(181) 형태로 구성된다.
주 프레임(171)은 한 쌍의 베어링으로 지주와 체결되고, 그 하단에는 삽입 링(175)이 설치되며, 지주에 부착된 장치들을 바람에 따라 좌우방향(Yaw)으로 회전시키는 기능을 수행하며, 주 프레임이 체결된 지주 구간은 직선 지주가 채택 된다.
또한, 보조 프레임(181)은 부착된 장치들을 상하방향(Pitch)으로 회전시키는 기능을 수행하며, 중심 프레임의 전방에서 후방과 좌우로 십자(+) 형태로 구성되어, 부착된 구조물을 직접 지지하는 주 어셈블(Main Assemble)(183)과 주 어셈블 좌우로 연결되어 회전 샤프트(112)를 지지하는 보조 어셈블(Aux Assemble)(184)로 구성된다.
또한, 주 어셈블(183)의 후미에는 수직 안정판(113)과 수평 안정판(114)이 위치하며, 수직 안정판은 바람 방향에 따라서 보조 프레임(181)을 움직이게 하여, 주 프레임(171)을 360도 회전하게 하는 주요 방향 통제(Primary Directional Control) 역할 수행을 한다. 한편, 전체 구조물이 중심 프레임으로부터 후방으로 치우쳐 공기역학 중심과 무게 중심이 바람의 후방으로 위치하게 설계된 로터 블레이드와 회전 샤프트의 구조 및 기능에 따라 보조적으로 방향 통제(Secondary Directional Control)된다.
또한, 수평 안정판(114)은 주 어셈블(183)의 상하동요(Pitching) 안정을 확보하고, 안정판의 각도에 따라 바람에 의해 생성된 에어포일(Airfoil)이 일정 양력(Lift Off Moment) 생산을 가능하게 하여, 전체 구조물의 풍하 쪽 기울어짐을 방지하는 제한적 역할로 작용 되며, 이러한 수평 안정판의 에어포일과 로타 블레이드의 회전궤적(213)이 만든 연형 포일(212)이 회전 샤프트를 수직축으로부터 유동적으로 작동하게 하고, 여기서 생성된 양력(Lift Off Moment)이 각각의 프레임과 지주의 하중부하를 줄인다.
또한, 주 어셈블(183)은 중심 프레임(Hub) 종류에 따라서, 지주 상단(118)이나 상방 중심 프레임(Upper Hub)의 주 어셈블에 연결된 케이블(115)을 통해서 중량 균형을 유지한다.
보조 어셈블(116)은 본 발전기의 형태나 규모(Shape And Size)에 따라서 주 어셈블 좌우에 여러 쌍으로 설치된다. 보조 어셈블 종단에는 회전 샤프트(112)를 지지하는 지지 장치(190)가 연결된다. 이러한 각각의 지지 장치는 수평축에 대하여 오프셋 된 샤프트 축의 회전을 보장(189)하고, 각 지지 장치 구간 이내에서 제한된 축의 일정량 방향 변화를 허용하는 플렌지 베어링(188)과 지지 구조의 중심(186)을 기준으로 축의 좌우 완충 작용을 가능하게 하는 스프링 장치(187)로 구성되어, 각 지지 구간에서 연장된 드라이브 샤프트의 요동(Fluctuation)을 흡수한다.
본 발명에서의 드라이브 샤프트(Drive Shaft)(112)는 기본 형태의 모듈화를 위해 두개의 샤프트를 기본 단위 구조(도 1)(도 3)로 하여 설치되지만, 지주나 케이블의 길이에 따라 두 개 이상의 중심 프레임(Hub Frame)이 설치된 확장 구조(도 2)(도 4))가 가능하다.
이 드라이브 샤프트는 분리 가능한 형태이며, 각 어셈블의 지지장치(190)에 의해 지지 되고, 두 개 이상의 로터 블레이드와 동일 축으로 체결되고, AFPM 발전기(117)가 축의 중단에 위치한다.
본 발명의 주요 문제 해결 수단인 유동적( Mobile) 오프셋(Offset) 축 발전방식은, 종래의 동축 멀티로터(Co-Axis Multi-Rotor) 기술 방식인, 동일 회전축에 여러 개의 로터가 설치된 상태에서 순차적으로 설치된 각 로터가 전방 로터에 유입된 잔여 바람과 방해받은 바람만으로는 충분한 회전력을 보장할 수 없기 때문에, 후방의 로터에 최대한 방해 받지 않은 바람이 유입될 수 있도록 블레이드의 크기를 점진적으로 확대하거나 오프셋 각도를 일정한 범위 내에서 증가한다.
구체적으로는 수평축(X-axis) 방향 오프셋(210)은 발전 장치의 프레임이나 어셈블을 제작할 때 적용되는 각도로서 본 발명에서는 10∼30도로 한정한다.
또한, 장치의 작동중 수평축 오프셋은 바람에 따라 수시로 변화하려는 경향성을 가질 수가 있으나, 장치의 후단에 설치된 안정판(113)(114)의 기능과 전체 프레임의 무게 중심과 항력 중심이 풍하 방향 쪽으로 편향되게 설계되어, 중심 프레임(Hub Frame)(111)에 대한 전체 구조 장치가 바람 방향으로 정렬하도록 한 기능 때문에 항상 제작된 각도로 유지하기 위해 수렴된다.
다음으로, 바람의 강도와 지주의 경사 또는 지주의 곡선 형태에 따라 유동적(Mobile)인 수직축(Y-axis) 방향 오프셋(211)의 초기 기준 값은 15∼20도로 보조 프레임(181)이 수평 플랫폼(172) 스프링(173)에 얹혀져 있는 각도이다. 이것은 낮은 풍속 상태에서 발전장치 전체 구조의 하중을 지주나 케이블 축 중심 방향으로 의도적으로 옮겨서 후방으로 경사지려는 요인을 감소시킨다.
또한, 적정 풍속 상태에서는 전체 로터 블레이드의 회전 궤적(213)의 적산량이 연 형태(Kite foil)(212)로 생성되어 양력(Lift Off Moment)이 발생 될 수 있는 적정 각도가 된다. 이러한 수직축 오프셋은 지주의 형태나 바람의 강도에 따라서 유동적으로 변동(191)되고, 지주(130)와 보조 프레임(181)의 최대 각도(192)는 60도로 고정된다. 변동된 오프셋 각도는 일정 시간 간격 동안 평균값을 유지하여 축의 안정성을 유지한다.
이러한 수평축과 수직축의 오프셋을 통해서, 전방에 위치한 로터 블레이드 기준으로 볼 때, 후방의 로터 블레이드의 회전 궤적(213)은 보다 바깥쪽으로, 보다 위쪽으로 형성되게 되는데, 이것은 일차적으로 전방 로터 블레이드에 유입되었던 잔여 바람과, 좌(우) 상 방향으로 오프셋 되어 생성된 확장된 블레이드 회전면에 도달한 신선한 바람이, 최소한의 방해 상태로 로터 블레이드를 회전 가능하게 한다.
이중면 로터 블레이드(Dual Surface Rotor Blade)(도 10)는, 발전기 구조 중에서 회전력을 생산하는 가장 핵심적 구조로서 상부면 중심(202)과 주익면 중심(203)에서 회전축과 체결된다., 회전축을 오프셋 한 결과 블레이드 회전 단면적 감소, 즉 유입되는 바람량의 감소와 구조의 비틀림이 유발되는데, 이를 보정 하기 위해서 이중면 로터 블레이드를 적용한다.
이 블레이드는 일반적인 로터 블레이드보다 날개 면이 넓고 경량이며, 유연성을 갖는 재질로 구성된, 유연 이중면 로터 블레이드(Flexible Dual Surface Rotor Blade)로서, 피치 제어가 없이 설정된 풍속 이상에서 블레이드 주 익면(Main Surface)(200)이 풍하 방향으로 점진적으로 휘어져서(210) 바람 접촉 면을 감소시켜 회전 속도를 제어한다.
또한, 상부면(Upper Surface)(201)은 오프셋 축이 유동적으로 변하는 각 단계에서 유입되는 수직축 방향의 바람 성분(Factor)이 생성되는데, 이 바람을 활용하여 회전력을 형성함으로써 주익 면의 기능을 보조하고, 유연한 재질로 구성된 주익 면을 강풍 상태에서 지렛대 역할로서 당겨서 지지한다.
본 발명의 주요 내용을 다시 요약하면, 높은 지주를 채택하기 위해 지주의 경사나 곡선을 허용하였고, 단일 로터보다 많은 회전력을 확보하기 위해 멀티 로터 방식을 채택하고자 하였을 때, 동일 회전축에서 작동하는 각각의 멀티 로터가, 전방 로터의 바람 방해를 최소화하여, 후방 로터에 신선한 바람의 유입량을 확대하기 위해서 회전축의 방향을 유동적 오프셋 방식으로 채택하였고, 오프셋 된 축 때문에 생긴 블레이드의 받음각(Angle Of Attack) 변화에 대응하기 위해, 블레이드 형태(Shape)를 유연 이중면 로터 블레이드를 적용하여, 동일 축 멀티 로터 발전기의 문제점을 해결하고자 하였다.
130 경사 지주
150 곡선 지주
111 중심프레임(Hub Frame)
171 주 프레임(Main Frame)
181 보조 프레임(Aux Frame)
183 주 어셈블(Main Assemble)
184 보조 어셈블(Aux assemble)
201 유연 이중면 로터 블레이드(Flexible Dual Surface Rotor Blade) 상부면

Claims (5)

  1. 동축 멀티 로터 풍력 발전장치에 있어서, 수직 직선 지주 구조에, 경사 지주, 곡선 지주 또는 와이어 로프를 포함하는 지주 구조와, 좌우 상방(Left/ Right/ Upward)을 움직일 수 있는 프레임 구조와, 그 프레임에 다수의 회전 샤프트와, 그 샤프트에 다수의 서로 다른 크기의 이중면 로터 블레이드가 체결되고, 바람의 방향 변화와 강도에 따라서 드라이브 샤프트의 회전 축이 수평과 수직축(Horizontal And Vertical Axis) 각도 방향으로 유동적(Mobile)으로 오프셋 축 (Offset Axis) 형태로 작동되는 풍력발전기(Mobile Offset Axis Wind Power Generator)
  2. 청구항 1항에 있어서,
    수직 직선 구조의 지주에 경사지주 곡선지주, 또는 와이어 로프를 포함하는 지주 구조에 장착된 풍력발전기
  3. 청구항 1항에 있어서,
    경사지주 곡선지주 와이어 로프를 포함하는 지주에 좌우 수평방향 360도 회전 가능한 프레임이 체결되고, 상방으로 수직방향 60도 회전 가능한 프레임이 부착된 풍력발전기
  4. 청구항 1항에 있어서,
    회전 샤프트에 서로 다른 크기의 이중면 로터 블레이드가 한 개 이상 체결되고, 그 이중면 로터의 상부면은 축의 변화시 형성되는 수직 방향의 바람을 이용하여 회전력을 생성하고, 로터의 주익면은 유연성 재질로 구성되어 설정된 풍속 이상에서 점진적으로 휨이 발생하여 로타의 단면을 감소시켜 회전속도를 제어하는 이중면 로타 블레이드
  5. 청구항 1항에 있어서,
    직선 지주나 경사지주, 또는 곡선 지주나 와이어 로프에 상기 발전기를 2 대 이상 연속적으로 설치된 풍력발전기
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