KR101617761B1 - 블레이드 피치각 조절장치를 갖는 수직형 풍력터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 블레이드의 피치각을 조절함으로써 발전효율을 높일 수 있고, 상기 블레이드의 피치각의 조절을 위한 구조가 간단한 블레이드 피치각 조절장치를 갖는 수직형 풍력터빈에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 수직으로 배치되는 회전축; 상기 회전축과 일정 거리 떨어진 위치에 배치되는 제1 블레이드; 상기 회전축과 상기 제1 블레이드를 연결하는 제1 연결암; 그리고, 적어도 일부분이 상기 제1 연결암상에 설치되어 상기 제1 블레이드의 피치각을 조절하는 제1 피치각 조절유닛을 갖는 블레이드 피치각 조절장치를 포함하며, 상기 제1 피치각 조절유닛은 상기 제1 연결암의 내부에 배치되는 제1 안내부재와, 상기 제1 안내부재상에서 직선이동하는 제1 이동슬라이더와, 상기 제1 이동슬라이더와 상기 제1 블레이드의 일단을 연결하되 상기 제1 이동슬라이더와 함께 이동하면서 상기 제1 블레이드의 일단을 밀거나 당기면서 상기 제1 블레이드의 피치각을 조절하는 제1 피치각 조절막대와, 상기 제1 이동슬라이더를 이송시키기 위한 제1 구동부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 피치각 조절장치를 갖는 수직형 풍력터빈을 제공한다.

Description

블레이드 피치각 조절장치를 갖는 수직형 풍력터빈{Verticle axis wind turbine including apparatus for controlling pitch angle of turbine blades}

본 발명은 수직형 풍력터빈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 발전효율을 높이면서도 구조가 간단한 블레이드 피치각 조절장치를 갖는 수직형 풍력터빈에 관한 것이다.

통상적으로 풍력발전 장치는 풍차(windmill)라고 불리며, 이는 회전축을 통한 기계적인 힘을 이용해 전력을 생산하기 위해 사용되는 장치이다.

이러한 풍력발전 장치는 수평축 풍력발전장치(horizontal axis wind turbine)와 수직축 풍력발전장치(vertical axis wind turbine)로 구분할 수 있다.

상기 수평축 풍력발전장치는 프로펠러 방식으로서 공기 역학적으로 바람의 양력(lift force)을 이용한 블레이드로 구성된 로터를 사용하게 된다.

그러나, 수평축 풍력발전장치는 발전 효율은 비교적 높고, 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꾸어 주지 않아도 되는 장점이 있으나, 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요하다.

한편, 수직축 풍력발전장치는 바람의 양력을 이용하는 방식인 다리우스식(Darrius Rotor)과 바람의 항력을 이용하는 사보니우스식(Savonius Rotor)이 있다.

상기 다리우스식의 경우는 발전기의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 동력장치가 필요하다는 문제가 있고, 상기 사보니우스식의 경우는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받으므로 회전수가 낮은 풍력동력기로 주로 사용되고 있다.

최근에는 종래 수직축 풍력발전장치의 약점인 낮은 효율 등을 극복하기 위한 연구들이 많이 이루어지고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2004-0028314호(발명의 명칭: 수직축 풍력발전장치, 공개일: 2004년 04월 03일)

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 블레이드의 피치각을 조절함으로써 발전효율을 높일 수 있고, 상기 블레이드의 피치각의 조절을 위한 구조가 간단한 블레이드 피치각 조절장치를 갖는 수직형 풍력터빈을 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 수직으로 배치되는 회전축; 상기 회전축과 일정 거리 떨어진 위치에 배치되는 제1 블레이드; 상기 회전축과 상기 제1 블레이드를 연결하는 제1 연결암; 그리고, 적어도 일부분이 상기 제1 연결암상에 설치되어 상기 제1 블레이드의 피치각을 조절하는 제1 피치각 조절유닛을 갖는 블레이드 피치각 조절장치를 포함하며, 상기 제1 피치각 조절유닛은 상기 제1 연결암의 내부에 배치되는 제1 안내부재와, 상기 제1 안내부재상에서 직선이동하는 제1 이동슬라이더와, 상기 제1 이동슬라이더와 상기 제1 블레이드의 일단을 연결하되 상기 제1 이동슬라이더와 함께 이동하면서 상기 제1 블레이드의 일단을 밀거나 당기면서 상기 제1 블레이드의 피치각을 조절하는 제1 피치각 조절막대와, 상기 제1 이동슬라이더를 이송시키기 위한 제1 구동부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 피치각 조절장치를 갖는 수직형 풍력터빈을 제공한다.

상기 제1 연결암에는 상기 제1 연결암의 길이방향을 따라 상기 제1 피치각 조절막대의 이동을 위한 제1 슬롯이 형성될 수 있다.

상기 제1 피치각 조절유닛은 상기 제1 연결암과 상기 제1 블레이드의 선두영역을 결합시키되, 상기 제1 연결암에 대하여 상기 제1 블레이드의 선두영역이 피벗되도록 하기 위한 제1 힌지축과, 상기 제1 피치각 조절막대와 상기 제1 블레이드의 선미영역를 결합시키기 위한 제1 조절막대 연결부를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 안내부재는 상기 제1 구동부재와 결합되어 회전되는 스크류를 포함하고, 상기 제1 구동부재는 정회전 및 역회전이 가능한 모터를 포함하며, 상기 제1 피치각 조절유닛은 상기 제1 연결암의 내부에 배치되되 상기 스크류의 타단에 배치되어 상기 스크류의 회전을 지지하는 제1 베어링을 더 포함할 수 있다.

상기 수직형 풍력터빈은 상기 제1 블레이드와 일정 간격 떨어진 위치에 배치되는 제2 블레이드; 그리고, 상기 회전축과 상기 제2 블레이드를 연결하는 제2 연결암을 포함하고, 상기 블레이드 피치각 조절장치는 적어도 일부분이 상기 제2 연결암상에 설치되어 상기 제2 블레이드의 피치각을 조절하는 제2 피치각 조절유닛을 포함하며, 상기 제1 피치각 조절유닛과 상기 제2 피치각 조절유닛은 각각 상기 제1 블레이드의 피치각 및 제2 블레이드의 피치각을 개별적으로 제어할 수 있다.

또한, 상기 수직형 풍력터빈은 고정된 외부하우징;그리고, 상기 회전축의 하부와 결합되어 회전함과 동시에 상기 외부하우징과 전기적으로 연결되어 있는 내부하우징을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 수직형 풍력터빈은 안내부재, 이동슬라이더, 피치각 조절막대 및 구동부재를 갖는 블레이드 피치각 조절장치를 통하여 블레이드의 피치각을 쉽고 안정적으로 조절할 수 있으면서도 상기 블레이드 피치각 조절장치의 구성이 간단하다는 이점을 가진다.

또한, 본 발명에 따른 수직형 풍력터빈은 상기 블레이드 피치각 조절장치를 통하여 블레이드의 피치각을 바람의 방향 및 속도 등에 따라서 안정적으로 조절함으로써 발전효율을 높일 수 있는 이점을 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 블레이드 피치각 조절장치를 갖는 수직형 풍력터빈의 요부에 대한 평면도이다.
도 2는 도 1의 수직형 풍력터빈의 제1 블레이드가 설치된 영역을 확대하여 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 1의 수직형 풍력터빈의 제1 블레이드가 설치된 영역과 회전축의 하부영역을 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 2의 제1 블레이드의 피치각이 조절된 상태를 나타낸 평면도이다.

이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 블레이드 피치각 조절장치를 갖는 수직형 풍력터빈의 일 실시 예를 설명한다.

본 실시 예에 따른 수직형 풍력터빈은 회전축(90), 블레이드유닛, 연결암유닛, 피치각 조절장치 및 슬립링유닛을 포함한다.

상기 블레이드유닛은 상기 회전축(90)과 일정거리 떨어진 위치에 배치되는 제1 블레이드(10), 상기 제1 블레이드(10)의 회전반경을 따라 상기 제1 블레이드(10)와 일정간격 떨어진 위치에 배치되는 제2 블레이드(20), 제3 블레이드(30) 및 제4 블레이드(40)를 포함한다.

본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않고, 상기 블레이드유닛에 구비된 블레이드는 2개 이상으로 구비되면 어떠한 개수를 가져도 무방하다.

상기 연결암유닛은 상기 회전축(90)과 상기 제1 블레이드(10)를 연결하는 제1 연결암(50), 상기 회전축(90)과 상기 제2 블레이드(20)를 연결하는 제2 연결암(60), 상기 회전축(90)과 상기 제3 블레이드(30)를 연결하는 제3 연결암(70), 상기 회전축(90)과 상기 제4 블레이드(40)를 연결하는 제4 연결암(80)을 포함한다.

상기 피치각 조절장치는 상기 제1 블레이드(10)의 피치각을 조절하기 위한 제1 피치각 조절유닛(100), 상기 제2 블레이드(20)의 피치각을 조절하기 위한 제2 피치각 조절유닛(200), 상기 제3 블레이드(30)의 피치각을 조절하기 위한 제3 피치각 조절유닛(300) 및 상기 제4 블레이드(40)의 피치각을 조절하기 위한 제4 피치각 조절유닛(400)을 포함한다.

여기서, 상기 제1 피치각 조절유닛(100), 상기 제2 피치각 조절유닛(200), 상기 제3 피치각 조절유닛(300) 및 상기 제4 피치각 조절유닛(400)은 독립적으로 상기 제1 블레이드(10)의 피치각, 상기 제2 블레이드(20)의 피치각, 상기 제3 블레이드(30)의 피치각 및 상기 제4 블레이드(40)의 피치각을 개별 제어하게 된다.

상기 제1 피치각 조절유닛(100), 상기 제2 피치각 조절유닛(200), 상기 제3 피치각 조절유닛(300) 및 상기 제4 피치각 조절유닛(400)의 구조는 실질적으로 동일하고, 상기 제1 연결암(50), 상기 제2 연결암(60), 상기 제3 연결암(70) 및 상기 제4 연결암(80)의 구조도 실질적으로 동일하며, 상기 제1 블레이드(10), 상기 제2 블레이드(20), 상기 제3 블레이드(30) 및 상기 제4 블레이드(40)의 구조도 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 상기 제1 피치각 조절유닛(100), 상기 제1 연결암(50) 및 상기 제1 블레이드(10)의 구조와 이들의 결합구조에 한하여 설명한다.

상기 제1 피치각 조절유닛(100)은 적어도 일부분이 상기 제1 연결암(50)상에 설치되어 상기 제1 블레이드(10)의 피치각을 조절하게 된다.

구체적으로, 상기 제1 피치각 조절유닛(100)은 제1 안내부재(110), 제1 이동슬라이더(120), 제1 피치각 조절막대(130), 제1 구동부재(140), 제1 힌지축(150), 제1 조절막대 연결부(170) 및 제1 베어링(180)을 포함한다.

상기 제1 안내부재(110)는 상기 제1 연결암(50)의 내부에 설치되고, 상기 제1 안내부재(110)의 일단은 상기 제1 구동부재(140)와 결합되고, 상기 제1 안내부재(110)의 타단은 상기 제1 베어링(180)에 의하여 지지된다.

상기 제1 구동부재(140)는 상기 제1 이동슬라이더(120)를 이송시키기 위한 동력을 제공하게 된다.

여기서, 상기 제1 안내부재(110)는 상기 제1 구동부재(140)와 결합되어 회전하는 스크류의 형태로 구비되고, 상기 제1 구동부재(140)는 정회전 및 역회전이 가능한 모터로 구비될 수 있다.

물론, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 제1 안내부재(110)는 엘엠(LM) 가이드로 구비되고, 상기 제1 구동부재(140)는 리니어 모터로 구비되고, 상기 제1 이동슬라이더(120)는 상기 리니어 모터에 의하여 상기 엘엠 가이드 상에서 직선이동하는 이동블럭의 형태로 구비될 수도 있을 것이다.

상기 제1 베어링(180)은 상기 제1 연결암(50)의 내부에 설치되어 상기 제1 안내부재(110)의 타단을 지지하게 된다. 즉, 상기 제1 베어링(180)은 상기 제1 안내부재(110), 즉 스크류의 타단에 배치되어 상기 스크류의 회전을 지지하게 된다.

한편, 상기 제1 이동슬라이더(120)는 상기 제1 안내부재(110)상에서 직선이동하면서 상기 제1 피치각 조절막대(130)를 이동시키게 된다.

상기 제1 이동슬라이더(120)의 하부는 상기 제1 안내부재(110) 즉, 스크류와 나사결합되어 있고, 상기 제1 이동슬라이더(120)의 상부는 상기 제1 피치각 조절막대(130)와 힌지결합되어 있다.

상기 제1 피치각 조절막대(130)는 상기 제1 이동슬라이더(120)와 상기 제1 블레이드(10)의 선미영역를 연결하되, 상기 제1 이동슬라이더(120)와 함께 이동하면서 상기 제1 블레이드(10)의 선미영역를 밀거나 당기면서 상기 제1 블레이드(10)의 피치각을 조절하게 된다.

구체적으로, 상기 제1 피치각 조절막대(130)의 일단은 상기 제1 조절막대 연결부(170)에 의하여 상기 제1 블레이드(10)의 선미영역과 결합되고, 상기 제1 피치각 조절막대(130)의 타단은 제2 힌지축(160)에 의하여 상기 제1 이동슬라이더(120)와 피벗 가능하게 연결된다.

한편, 상기 제1 블레이드(10)의 선두영역은 상기 제1 힌지축(150)에 의하여 상기 제1 연결암(50)과 피벗 가능하게 결합된다. 즉, 상기 제1 힌지축(150)은 상기 제1 연결암(50)과 상기 제1 블레이드(10)의 선두영역을 결합시키되, 상기 제1 연결암(50)에 대하여 상기 제1 블레이드(10)의 선두영역이 피벗가능하게 연결시킨다.

상기 제1 연결암(50)의 내부에는 상기 제1 안내부재(110) 및 상기 제1 베어링(180)이 설치되는 공간이 형성되며, 상기 제1 연결암(50)의 일단은 상기 회전축(90)과 결합되고, 상기 제1 연결암(50)의 타단은 상기 제1 힌지축(150)에 의하여 상기 제1 블레이드(10)의 선두영역과 피벗가능하게 결합된다.

또한, 상기 제1 연결암(50)에는 상기 제1 연결암(50)의 길이방향을 따라 상기 제1 피치각 조절막대(130)의 이동을 위한 제1 슬롯(51)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 제1 피치각 조절막대(130)는 상기 제1 슬롯(51)을 관통하면서 이동하게 된다.

물론, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 제1 이동슬라이더(120)가 상기 제1 슬롯(51)의 상부로 돌출되고, 상기 제1 이동슬라이더(120)의 상부에 상기 제1 피치각 조절막대(130)가 결합되어 이동할 수도 있다.

따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 블레이드(10)의 피치각을 조절하기 위하여 제1 구동부재(140), 즉 모터가 정회전하게 되면, 상기 제1 구동부재(140)와 결합된 제1 안내부재(110), 즉 스크류가 회전하게 되고, 상기 제1 안내부재(110)가 회전하게 되면 상기 제1 이동슬라이더(120)가 상기 제1 안내부재(110) 상에서 상기 회전축(90)의 방향으로 직선이동하게 된다.

그러면, 상기 제1 이동슬라이더(120)에 결합된 상기 제1 피치각 조절막대(130)가 이동하면서 상기 제1 블레이드(10)의 선미영역을 잡아당기게 되고, 이로 인하여 상기 제1 블레이드(10)의 선두영역은 상기 제1 연결암(50)에 대하여 피벗되면서 상기 제1 블레이드의 피치각(α)이 변하게 된다.

결과적으로, 구성이 간단한 블레이드 피치각 조절장치를 통하여 블레이드의 피치각을 쉽고 안정적으로 조절할 수 있게 되고, 이로 인하여 블레이드의 피치각을 바람의 방향 및 속도 등에 따라서 안정적으로 조절함으로써 발전효율을 높일 수 있게 된다.

한편, 상기 회전축(90)은 설치구조물에 대하여 수직으로 배치되며, 상기 슬립링유닛을 통하여 외부의 고정구조물과 전기적으로 연결된다.

상기 슬립링유닛은 상기 풍력터빈의 고정구조물과 결합되어 고정되는 외부하우징(600), 상기 회전축(90)의 하부와 결합되어 회전함과 동시에 상기 외부하우징(600)과 전기적으로 연결되어 있는 내부하우징(500), 상기 내부하우징(500)과 상기 외부하우징(600) 사이에 배치되는 제2 베어링(700)을 포함한다.

구체적으로, 상기 내부하우징(500)은 상기 회전축(90)과 결합되어 회전하는 회전몸체(510)와, 상기 회전몸체(510)의 외주면에 결합되어 있는 절연링(530) 및 전극링(520)을 포함한다.

여기서, 상기 제1 구동부재(140)에 전력을 공급하기 위한 제1 전선(1)은 상기 회전몸체(510)를 관통하면서 상기 전극링(520)과 연결되어 있다.

또한, 상기 외부하우징(600)은 상기 풍력터빈의 고정구조물과 고정되게 결합되는 고정몸체(610)와, 상기 전극링(520)의 외주면과 접촉되면서 전기적으로 연결되는 브러쉬(620)를 포함한다.

상기 브러쉬(620)의 적어도 일부분은 상기 고정몸체(610)에 의하여 지지되며, 상기 브러쉬(620)는 제2 전선(2)을 통하여 외부의 고정된 전원과 연결된다.

상기 제2 베어링(700)은 상기 회전몸체(510)의 상단과 상기 고정몸체(610)의 상단 사이에 배치되는 제2 상단 베어링과, 상기 회전몸체(510)의 하단과 상기 고정몸체(610)의 하단 사이에 배치되는 제2 하단 베어링을 포함한다.

결과적으로, 상기 회전축(90)의 내부에 배치되면서 상기 제1 구동부재(140)에 전력을 공급하기 위한 상기 제1 전선(1)은 상기 내부하우징(500)을 따라 회전하면서도 상기 제2 전선(2)과 전기적으로 연결됨으로써 상기 제1 전선(1)의 꼬임이 발생하지 않게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

10: 제1 블레이드 20: 제2 블레이드
50: 제1 연결암 60: 제2 연결암
90: 회전축 100: 제1 피치각 조절유닛
110: 제1 안내부재 120: 제1 이동슬라이더
130: 제1 피치각 조절막대 140: 제1 구동부재
150: 제1 힌지축 160: 제2 힌지축
170: 제1 조절막대 연결부 180: 제1 베어링
200: 제2 피치각 조절유닛 500: 내부하우징
600: 외부하우징 700: 제2 베어링

Claims (6)

1. 수직으로 배치되는 회전축;
   상기 회전축과 일정 거리 떨어진 위치에 배치되는 제1 블레이드;
   상기 회전축과 상기 제1 블레이드를 연결하는 제1 연결암; 그리고,
   적어도 일부분이 상기 제1 연결암상에 설치되어 상기 제1 블레이드의 피치각을 조절하는 제1 피치각 조절유닛을 갖는 블레이드 피치각 조절장치를 포함하며,
   상기 제1 피치각 조절유닛은 상기 제1 연결암의 내부에 배치되는 제1 안내부재와, 상기 제1 안내부재상에서 직선이동하는 제1 이동슬라이더와, 상기 제1 이동슬라이더와 상기 제1 블레이드의 일단을 연결하되 상기 제1 이동슬라이더와 함께 이동하면서 상기 제1 블레이드의 일단을 밀거나 당기면서 상기 제1 블레이드의 피치각을 조절하는 제1 피치각 조절막대와, 상기 제1 이동슬라이더를 이송시키기 위하여 상기 제1 안내부재의 일단과 결합되어 상기 제1 안내부재를 회전시키는 제1 구동부재와, 상기 제1 연결암과 상기 제1 블레이드의 선두영역을 결합시키되 상기 제1 연결암에 대하여 상기 제1 블레이드의 선두영역이 피벗되도록 하기 위한 제1 힌지축과, 상기 제1 피치각 조절막대와 상기 제1 블레이드의 선미영역를 결합시키기 위한 제1 조절막대 연결부와, 상기 제1 피치각 조절막대와 상기 제1 이동슬라이더를 피벗가능하게 연결하는 제2 힌지축과, 상기 제1 연결암의 내부에 배치되되 상기 제1 안내부재의 타단에 배치되어 상기 제1 안내부재의 회전을 지지하는 제1 베어링을 포함하며,
   상기 제1 연결암에는 상기 제1 연결암의 길이방향을 따라 상기 제1 피치각 조절막대의 이동을 위한 제1 슬롯이 형성되어 있고,
   상기 제1 이동슬라이더의 하부는 상기 제1 안내부재와 나사결합되어 있고, 상기 제1 이동슬라이더의 상부는 상기 제1 피치각 조절막대와 힌지결합되어 있는 것을 특징으로 하는 블레이드 피치각 조절장치를 갖는 수직형 풍력터빈.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 안내부재는 상기 제1 구동부재와 결합되어 회전되는 스크류를 포함하고, 상기 제1 구동부재는 정회전 및 역회전이 가능한 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 피치각 조절장치를 갖는 수직형 풍력터빈.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 제1 블레이드와 일정 간격 떨어진 위치에 배치되는 제2 블레이드; 그리고,
   상기 회전축과 상기 제2 블레이드를 연결하는 제2 연결암을 포함하고,
   상기 블레이드 피치각 조절장치는 적어도 일부분이 상기 제2 연결암상에 설치되어 상기 제2 블레이드의 피치각을 조절하는 제2 피치각 조절유닛을 포함하며,
   상기 제1 피치각 조절유닛과 상기 제2 피치각 조절유닛은 각각 상기 제1 블레이드의 피치각 및 제2 블레이드의 피치각을 개별적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 블레이드 피치각 조절장치를 갖는 수직형 풍력터빈.
6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   고정된 외부하우징;그리고,
   상기 회전축의 하부와 결합되어 회전함과 동시에 상기 외부하우징과 전기적으로 연결되어 있는 내부하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 피치각 조절장치를 갖는 수직형 풍력터빈.

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