KR101758011B1 - 소형 풍력발전기의 블레이드 피치 조절장치 - Google Patents

소형 풍력발전기의 블레이드 피치 조절장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소형 풍력발전기의 블레이드 피치 조절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과풍속에 의해 블레이드 회전수가 기준회전수를 초과할 경우 피치조절핸들, 연결플랜지의 움직임에 의해 블레이드의 피치각이 자동 제어되게 함으로써, 필요한 블레이드 회전력을 계속적으로 유지하여 지속적인 발전이 이루어질 수 있도록 한 소형 풍력발전기의 블레이드 피치 조절장치에 관한 것이다.
이를 위하여 스피너 외주면에 결합되고 바람에 의해 회전하는 블레이드와; 상기 블레이드 전면 중간에 설치 고정되는 스피너박스와; 상기 스피너박스 내부 중간에 길이 방향으로 위치한 상태에서 한쪽 끝단에는 속도조절 날개가 형성되고 다른 한쪽에는 나사부를 갖는 볼스크류와; 상기 볼스크류의 나사부에 나사 결합된 상태에서 과풍속에 의해 블레이드 회전수가 기준회전수를 초과할 때는 회전하는 속도조절 날개와 볼스크류의 나사부를 따라 전진하고 풍속이 감소할 경우에는 전진 하면서 압축되어 있던 압축스프링의 복원력에 의해 후진하는 스피너 구동부와; 상기 스피너 구동부와 블레이드 사이에 수평으로 연결되고 스피너 구동부의 움직임 방향에 따라 전진 또는 후진하면서 블레이드의 피치각을 조절하는 피치각 조절부로 구성되는 것과,
피치각 조절부는 블레이드 하단에 형성되는 중심축과, 한쪽에는 상기 중심축에 삽입 고정되는 고정홈이 형성되고 다른 한쪽에는 고정홈 보다 한쪽으로 편심된 연결홈을 갖는 연결플랜지와, 한쪽 단부는 스피너 구동부에 힌지 결합되고 다른 한쪽 단부는 연결홈에 힌지 결합된 상태에서 스피너 구동부의 전후진 동작에 따라 전후진 하면서 연결플랜지내 중심축을 회전시켜 블레이드 피치각을 조절하는 피치조절핸들로 구성하는 것에 그 특징이 있다.

Description

소형 풍력발전기의 블레이드 피치 조절장치{BLADE PITCH CONTROL APPARATUS FOR SMALL SIZE WIND POWER GENERATOR}
본 발명은 소형 풍력발전기의 블레이드 피치 조절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과풍속에 의해 블레이드 회전수가 기준회전수를 초과할 경우 피치조절핸들, 연결플랜지의 움직임에 의해 블레이드의 피치각이 제어되게 함으로써, 필요한 블레이드 회전력을 계속적으로 유지하여 지속적인 발전이 이루어질 수 있도록 한 소형 풍력발전기의 블레이드 피치 조절장치에 관한 것이다.
일반적으로 풍력발전은 바람이 갖는 운동에너지를 터빈에 의해 기계적 에너지로 전환시키고, 다시 이를 전기에너지로 변환시키는 것으로 보통 풍속의 세제곱과 터빈의 면적에 비례하는 에너지량으로 변환되게 된다. 풍력발전기는 회전축의 방향에 따라 수평축형과 수직축형으로 구분되는데, 현재는 주로 수평축형 또는 프로펠러형 풍력발전기가 주로 사용된다.
수평축 풍력발전기는 정격풍속을 초과한 과풍속의 강풍이 불 경우 과열 또는 과회전에 의한 기계적 구조에 심각한 영향을 미치게 된다. 이를 방지하기 위해 과풍속의 바람이 불 경우 스피너와 나셀을 바람방향으로부터 벗어나게 하거나 회전날개의 회전수를 감소시키는 여러 가지 형태의 과풍속제어 장치를 사용한다.
대형 풍력발전기의 경우 풍향기로부터 신호에 의해 전기적으로 스피너 및 나셀을 바람방향으로부터 벗어나도록 하거나 회전 날개의 피치를 제어하여 회전 날개의 회전력을 감소시키고 있다.
소형 풍력발전기의 경우 꼬리 날개에 의해 스피너와 나셀을 바람 방향으로부터 벗어나게 하고 있다. 다시 말해 단순히 회전날개의 샤프트 후단에 후익을 고정 설치하는 간단한 구성에 의해 회전날개의 방향이 공기역학적으로 바람방향과 직각이 되도록 하고 있다. 그러나 이러한 시스템은 스피너와 나셀이 바람방향을 회피한 다음 원위치로 복귀하는 순간마다 꼬리날개에 지속적인 진동이 가해져 시스템이 파손되거나 힌지기구가 손상될 우려가 있다.
피치제어 방식은 주로 풍향과 풍속을 감지하는 풍향/풍속 감지부로부터 제공된 감지신호에 의해 회전날개의 방향을 풍향과 비스듬히 서도록 제어하는 방식을 이용하고 있다. 하지만 이러한 방식은 주로 대형 풍력발전기에 적용되고 있으며, 비용 및 제어장치의 설치 한계성으로 인해 소형풍력발전기에서는 적용되지 못하고 있다.
한편, 풍력발전기의 출력을 제어하는 방법으로는 발전기 제어부분과 날개의 형상을 이용하여 발전기의 출력을 간접적으로 지원하는 제어부분으로 나눌 수 있다. 후자인 회전자 날개의 공기역학적 특성을 이용하여 날개 회전속도를 제한하는 방식으로 스톨(stall)제어와 피치(Pitch) 제어로 나뉘어 지는데, 본 발명은 블레이드 피치각을 조절함으로서 블레이드에 작용하는 양력을 떨어뜨려 토크를 조절하는 방식인 피치제어 기술을 소형 풍력 발전장치에 적용함에 있다.
[특허문헌 1] 등록특허 제10-1043430호(풍력 발전기의 피치 제어 시스템) [특허문헌 2] 등록특허 제10-1110908호(풍력 발전 장치 및 풍력 발전 장치의 제어 방법)
본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 과풍속에 의해 블레이드 회전수가 기준회전수를 초과할 경우 피치조절핸들, 연결플랜지의 움직임에 의해 블레이드 피치각이 제어되게 함으로써, 필요한 블레이드 회전력을 계속적으로 유지하여 지속적인 발전이 이루어질 수 있도록 한 소형 풍력발전기의 블레이드 피치 조절장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명은, 스피너 외주면에 결합되고 바람에 의해 회전하는 블레이드와; 상기 블레이드 전면 중간에 설치 고정되는 스피너박스와; 상기 스피너박스 내부 중간에 길이 방향으로 위치한 상태에서 한쪽 끝단에는 속도조절 날개가 형성되고 다른 한쪽에는 나사부를 갖는 볼스크류와; 상기 볼스크류의 나사부에 나사 결합된 상태에서 과풍속에 의해 블레이드 회전수가 기준회전수를 초과할 때는 회전하는 속도조절 날개와 볼스크류의 나사부를 따라 전진하고 풍속이 감소할 경우에는 전진 하면서 압축되어 있던 압축스프링의 복원력에 의해 후진하는 스피너 구동부와; 상기 스피너 구동부와 블레이드 사이에 수평으로 연결되고 스피너 구동부의 움직임 방향에 따라 전진 또는 후진하면서 블레이드의 피치각을 조절하는 피치각 조절부로 구성되는 것과,
상기 피치각 조절부는 블레이드 하단에 형성되는 중심축과, 한쪽에는 상기 중심축에 삽입 고정되는 고정홈이 형성되고 다른 한쪽에는 고정홈 보다 한쪽으로 편심된 연결홈을 갖는 연결플랜지와, 한쪽 단부는 스피너 구동부에 힌지 결합되고 다른 한쪽 단부는 연결홈에 힌지 결합된 상태에서 스피너 구동부의 전후진 동작에 따라 전후진 하면서 연결플랜지내 중심축을 회전시켜 블레이드 피치각을 조절하는 피치조절핸들로 구성되는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 과풍속에 의해 블레이드 회전수가 기준회전수를 초과할 경우 연결플랜지, 피치조절핸드의 움직임에 의해 블레이드 피치각이 제어된다. 따라서 블레이드 회전력을 계속적으로 유지할 수 있기 때문에 지속적인 발전이 이루어질 수 있는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 소형 풍력 발전장치의 블레이드 피치 조절장치는 블레이드 회전시 정격 회전수에 따라 피치각이 조절되기 때문에 정격 풍속이상에서도 정상적인 출력 생산이 가능한 것이다.
또한, 과풍속시 블레이드 피치각의 조절이 가능하기 때문에 과풍속 등에 의해 블레이드, 나셀과 같은 구조물의 충격이 완화되고, 주변부품이 파손되지 않기 때문에 전체적인 소형 풍력 발전장치의 안전성을 보장할 수 있는 등의 효과가 있는 것이다.
도1은 본 발명에 따른 소형풍력발전장치가 정지된 상태를 나타낸 구성도
도2는 본 발명에 따른 소형풍력발전장치가 정지된 상태를 요부 사시도
도3은 본 발명에 따른 소형풍력발전장치가 가동된 상태를 나타낸 구성도
도4는 본 발명에 따른 소형풍력발전장치가 가동된 상태를 요부 사시도
도5는 본 발명에 따른 소형풍력발전장치중 연결플랜지의 사시도
도6은 본 발명에 따른 소형풍력발전장치의 요부 확대 단면도
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저 본 발명에 사용되는 소형 풍력 발전장치도 블레이드(100)의 회전수를 실시간으로 체크하고 있다가 과풍속에 의해 블레이드(100) 회전수가 기준회전수를 초과할 경우 이를 감지하는 피치제어 컨버터와, 블레이드(100)가 회전할 때 발생된 전기에너지를 사용 전류로 변환시키는 인버터와, 상기 블레이드가 회전할 때 동일한 방향과 회전수로 회전하면서 전기를 발생시키는 발전기(600)와, 소형 풍력 발전장치가 비정상 작동을 하거나 또는 점검, 태풍 등으로 인한 장시간 정지가 필요할 경우 회전을 정지시키는 전자브레이크(610)로 이루어지는 기본적인 구성은 종래와 같으며, 도면에서는 피치제어 컨버터, 인버터는 도시하지 않았다.
이를 더욱 상세하게 설명하면 피치제어 컨버터는 발전기(600)가 회전하면서 발생되는 전류의 주파수를 이용하여 rpm으로 변환하고, 이를 모니터하여 블레이드(100)의 피치각을 제어하여 소형 풍력 발전장치를 작동시키는 역할을 수행한다.
예를 들어 블레이드(100)의 정격 회전수가 100rpm 일 경우, 100rpm에서는 피치제어 없이 정상적으로 작동한다. 만약 과풍속에 의해 블레이드(100) 회전수가 기준 회전수 100rpm을 초과할 경우 피치제어 컨버터의 제어에 따라 피치각을 조절하고, 풍속이 감소되어 최저 rpm(예: 100rpm) 미만으로 감소되면 블레이드 피치각을 원상태로 복귀시키는 것이다. 이와 같은 소형 풍력 발전장치의 기본적인 작동 및 구성은 종래와 같으므로 이하에서는 생략하기로 한다.
본 발명은 소형 풍력 발전장치에서 블레이드 피치각을 더욱 효과적으로 조절하기 위해서는 도1 내지 도6에서와 같이 스피너(110) 외주면에 결합되고 바람에 의해 회전하는 블레이드(100)와, 상기 블레이드(100) 전면 중간에 설치 고정되는 스피너박스(200)와; 상기 스피너박스(200) 내부 중간에 길이 방향으로 위치한 상태에서 한쪽 끝단에는 속도조절 날개(310)가 형성되고 다른 한쪽에는 나사부(320)를 갖는 볼스크류(300)와, 상기 볼스크류(300)의 나사부(320)에 나사 결합된 상태에서 과풍속에 의해 블레이드(100) 회전수가 기준회전수를 초과할 때는 회전하는 속도조절 날개(310)와 볼스크류(300)의 나사부(320)를 따라 전진하고 풍속이 감소할 경우에는 전진 하면서 압축되어 있던 압축스프링(450)의 복원력에 의해 후진하는 스피너 구동부(400)와, 상기 스피너 구동부(400)와 블레이드(100) 사이에 연결되고 스피너 구동부(400)의 움직임 방향에 따라 전진 또는 후진하면서 블레이드(100) 피치각을 조절하는 피치각 조절부(500)로 크게 나뉘어진다.
여기서, 상기 속도조절 날개(310)와 볼스크류(300)는 일체로 회전될 수 있도록 구성되어 있으며, 이 볼스크류(300)는 발전기(600)의 발전축(도시하지 않음)내에 들어가 있는 구성을 갖고 있다.
스피너 구동부(400)는 고정판(410)에 의해 스피너박스(200) 내부에 고정 설치되는 스프링 고정관(420)과, 한쪽 끝단은 상기 스프링 고정관(420) 외주면에 삽입되고 다른 한쪽 끝단은 볼스크류(300)의 나사부(320)와 나사 결합되는 스크류 베어링(430)이 형성되며 전후 이동하는 압축관(440)과, 상기 압축관(440)과 스프링 고정관(420) 사이에 위치하여 압축관(440)이 전진하면 압축되는 압축스프링(450)과, 상기 압축관(440) 몸체에 일체로 형성됨과 동시에 스프링 고정관(420) 외주면에 밀착되며 압축관(440)이 전후 이동할 때 볼스크류(300)측과 수평을 유지하도록 압축관(440)을 안내하는 가이드롤러(460)로 구성된다.
피치각 조절부(500)는 블레이드(100) 하단에 형성되는 중심축(510)과, 한쪽에는 상기 중심축(510)에 삽입 고정되는 고정홈(520)이 형성되고 다른 한쪽에는 고정홈(520) 보다 한쪽으로 편심된 연결홈(530)을 갖는 연결플랜지(540)와, 한쪽 단부는 스피너 구동부(400)에 힌지 결합되고 다른 한쪽 단부는 연결홈(530)에 힌지 결합된 상태에서 스피너 구동부(400)의 전후진 동작에 따라 전후진 하면서 연결플랜지(540)내 중심축(510)을 회전시켜 블레이드 피치각을 조절하는 피치조절핸들(550)로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명은 블레이드(100)측에 과풍속이 발생하면 지속적으로 정속운전이 가능하도록 속도조절 날개(310)와 볼스크류(300)는 회전하게 되고, 볼스크류(300)의 나사부(320)와 스피너 구동부(400)의 스크류 베어링(430)은 서로 나사 결합되어 있기 때문에 스크류 베어링(430), 압축관(440)은 볼스크류(300)를 따라 전진하게 되고 전진하는 과정에서 압축스프링(450)은 스프링 고정관(420)과 압축관(440) 사이에서 압축된다. 이때 상기와 같은 압축관(440)은 가이드롤러(460)가 스프링 고정관(420) 외주면에 밀착되어 압축관(440)을 안내하기 때문에 압축관(440)은 볼스크류(300)와 수평을 유지하면서 전진하게 된다.
한편, 볼스크류(300)를 따라 압축관(440), 스피너 구동부(400)가 전진하게 되면 피치각 조절부(500)중 먼저 피치조절핸들(550)이 전진하면서 연결플랜지(540)의 중심축(510)을 회전시키게 된다. 이때 연결플랜지(540)의 고정홈(520)에 삽입 고정된 중심축(510)과 블레이드(100)가 일체로 형성되어 있기 때문에 중심축(510)의 움직임에 따라 블레이드(100)의 피치각이 조절되는 것이다. 즉, 피치각 조절부(500)의 피치조절핸들(550) 한쪽 단부는 스피너 구동부(400)에 힌지 결합되어 있고 다른 한쪽 단부는 연결플랜지(540)의 연결홈(530)에 힌지 결합되어 있다. 따라서 스피너 구동부(400)가 전진하게 되면 피치조절핸들(550)도 전진하면서 연결플랜지(540)내 중심축(510)을 회전시켜 피치각을 조절하는 것이다.
상기와 같은 상태에서 풍속이 감소하면 압축관(440)과 스프링 고정관(420) 사이에서 압축되어 있던 압축스프링(450)의 복원력에 의해 스피너 구동부(400)가 볼스크류(300)의 나사부(320)를 따라 후진하고, 후진하는 과정에서 연결플랜지(540)가 피치조절핸들(550)를 회전시켜 결국에는 블레이드(100)의 피치각을 원상복귀시키는 것이다.
100 : 블레이드 110 : 스피너
200 : 스피너박스 300 : 볼스크류
310 : 속도조절날개 320 : 나사부
400 : 스피너 구동부 410 : 고정판
420 : 스프링 고정관 430 : 스크류 베어링
440 : 압축관 450 : 압축스프링
460 : 가이드롤러 500 : 피치각 조절부
510 : 중심축 520 : 고정홈
530 : 연결홈 540 : 연결플랜지
550 : 피치조절핸들 600 : 발전기
610 : 전자브레이크

Claims (2)

  1. 스피너 외주면에 결합되고 바람에 의해 회전하는 블레이드와; 상기 블레이드 전면 중간에 설치 고정되는 스피너박스와; 상기 스피너박스 내부 중간에 길이 방향으로 위치한 상태에서 한쪽 끝단에는 속도조절 날개가 형성되고 다른 한쪽에는 나사부를 갖는 볼스크류와; 상기 볼스크류의 나사부에 나사 결합된 상태에서 과풍속에 의해 블레이드 회전수가 기준회전수를 초과할 때는 회전하는 속도조절 날개와 볼스크류의 나사부를 따라 전진하고 풍속이 감소할 경우에는 전진 하면서 압축되어 있던 압축스프링의 복원력에 의해 후진하는 스피너 구동부와; 상기 스피너 구동부와 블레이드 사이에 수평으로 연결되고 스피너 구동부의 움직임 방향에 따라 전진 또는 후진하면서 블레이드의 피치각을 조절하는 피치각 조절부로 구성하되, 상기 스피너 구동부는 고정판에 의해 스피너박스 내부에 고정 설치되는 스프링 고정관과, 한쪽 끝단은 상기 스프링 고정관 외주면에 삽입되고 다른 한쪽 끝단은 볼스크류의 나사부와 나사 결합되는 스크류 베어링이 형성되며 전후 이동하는 압축관과, 상기 압축관과 스프링 고정관 사이에 위치하여 압축관이 전진하면 압축되는 압축스프링과, 상기 압축관 몸체에 일체로 형성됨과 동시에 스프링 고정관 외주면에 밀착되며 압축관이 전후 이동할 때 볼스크류측과 수평을 유지하도록 압축관을 안내하는 가이드롤러로상기 피치각 조절부는 블레이드 하단에 형성되는 중심축과, 한쪽에는 상기 중심축에 삽입 고정되는 고정홈이 형성되고 다른 한쪽에는 고정홈 보다 한쪽으로 편심된 연결홈을 갖는 연결플랜지와, 한쪽 단부는 스피너 구동부에 힌지 결합되고 다른 한쪽 단부는 연결홈에 힌지 결합된 상태에서 스피너 구동부의 전후진 동작에 따라 전후진 하면서 연결플랜지내 중심축을 회전시켜 블레이드 피치각을 조절하는 피치조절핸들을 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전기의 블레이드 피치 조절장치.
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