KR102001376B1

KR102001376B1 - 타워형 풍력발전기

Info

Publication number: KR102001376B1
Application number: KR1020180064605A
Authority: KR
Inventors: 탁길용
Original assignee: 에스씨씨 주식회사
Priority date: 2018-06-05
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2019-07-18
Anticipated expiration: 2038-06-05

Abstract

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지상에서 일정한 높이로 다수의 메인컬럼을 세우고, 상기 메인컬럼에 일정한 높이 간격으로 '＋'자 형태의 확장판을 설치하여 상기 확장판과 확장판 사이에 개별 풍력발전기를 설치한 타워형 풍력발전기이다.

Description

타워형 풍력발전기{Tower type wind power generator}

일반적으로 풍력발전기는 풍력을 이용해 날개를 회전시켜 전기를 생산하는 장치를 말하며, 이러한 풍력발전기는 보다 많은 바람을 맞게 하고 안전사고 등의 방지를 위해 지면에서 일정거리 떨어져 날개가 설치되어야 하므로 통상 기둥 즉, 지주가 지면에 설치되고 그 위에 날개가 설치된다.

특히, 도로 등에 설치되는 5 내지 10kW급 정도의 소형 풍력발전기의 경우 개별 풍력발전기마다 별도의 지주를 세워야하고, 이로써 발전기의 제작비용 및 설치비용이 상승되는데 비해, 발전효율을 떨어져 그 사용이 미미한 실정이다.

한편, 풍력발전기는 날개의 회전축이 지면과 평행한 수평형 풍력발전기와, 이러한 수평형 풍력발전기와 대응되는 것으로서 특허 제10-1217314호에 개시되어 있는 것과 같은 수직형 풍력발전기(수직축 풍차)가 있다.

이러한 수평형 및 수직형 풍력발전기는 어떠한 형태이던지 풍력을 이용해 복수의 날개를 회전시키고, 이러한 날개의 중심에 회전축을 설치하여 상기 회전축의 회전을 이용해 전기를 유도하여 생산하게 된다.

상기 특허에는 수직축 풍차에 있어서, 상기 수직축 풍차는 풍력에 의해 회전하는 회전축(700)과, 상기 회전축(700)의 상부와 하부에 결합되는 상판(100) 및 하판(200)과, 상기 상판(100)과 하판(200) 사이에 구비되는 하나 이상의 날개(400)와, 상기 회전축(700)과 연결된 발전장치를 포함하여 구성되며, 상기 날개(400)는 상판(100)과 하판(200) 중 적어도 한쪽 이상은 요동운동장치(600)에 의해 결합되고, 상기 날개(400)는 요동운동장치(600)의 회전중심축을 기준으로 풍향에 따라 회전이 가능하도록 구성되고, 상기 회전축(700)과 발전장치 사이에는 증속장치(800)가 형성되어 회전력을 증폭시키되, 상기 증속장치(800)는 상기 회전축(700)과 연결로드(822)에 의해 결합되어 회전력을 전달받게 되며, 상기 연결로드(822)와 체결되어 회전하는 플레이트(820)와, 상기 플레이트(820)의 회전력을 전달받아 회전하는 복수의 플래닛기어(870)와, 상기 플래닛기어(870) 사이에서 각각의 플래닛기어(870)와 맞물려 회전하면서 회전력을 발전장치로 전달하는 썬기어(850) 및 상기 플래닛기어(870)를 모두 감싸도록 위치하여 상기 플래닛기어(870)와 썬기어(850)가 고정된 위치에서 고속 회전할 수 있도록 하는 링기어(860)를 포함하여 구성된 것이 특징인 풍향조절 날개형 수직축 풍차가 개시되어 있는데, 풍력발전기를 이루는 구성 특히, 날개와 상기 날개를 잡아주기 위한 프레임의 하중이 증속장치로 직접 전달됨으로써 증속장치에 가하는 하중이 과도하게 작용할 우려가 있으며, 이로써 증속장치에 구성되어 있는 베어링 등에 계속하여 하중이 작용함으로써 그 수명을 단축시킬 우려가 있다.

또한, 발전량을 늘려주기 위해 날개의 수를 증가시키거나 날개의 크기를 상대적으로 크게 할 경우 이러한 하중에 대한 우려는 더욱 가중될 수밖에 없다.

대한민국 등록특허공보 제10-1217314호

따라서 본 발명은 풍력발전기를 제공하되, 지하에 매립된 구조물에 의해 강하게 지지된 메인컬럼을 세우고, 상기 메인컬럼에는 일정한 높이로 다수의 확장판을 설치하며, 상기 확장판과 확장판 사이에는 개별 풍력발전기를 설치하여 공간에 대한 활용도를 높이고 발전량을 늘린 타워형 풍력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 상기 확장판은 지면에서 보았을 때 '＋'자 형태로 설치하여 컬럼의 동서남북 방향 즉, 4방향에 개별 풍력발전기를 설치함으로써 풍력발전기의 하중이 컬럼의 한쪽으로 치우치는 것을 방지한 타워형 풍력발전기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 개별 풍력발전기에는 태풍과 같은 비정상적인 일기상황에서 파손을 방지하기 위해 전자식 마찰브레이크와 함께 기계식 스토퍼바의 2중 구조를 적용하여 보다 안정적으로 파손을 방지할 수 있는 타워형 풍력발전기를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명에 의한 타워형 풍력발전기는 지상에 설치되어 풍력을 이용해 전기를 생산하는 풍력발전기에 있어서, 상기 풍력발전기는 지하에 매몰된 구조물에 고정되어 지상에서 일정한 높이로 설치되는 메인컬럼과, 상기 메인컬럼을 둘러싸는 형태로 복층으로 설치되는 개별 풍력발전기로 구성된 것이 특징이다.

본 발명에 의한 타워형 풍력발전기는 지하에 매립된 구조물에 의해 강하게 지지된 메인컬럼을 세우고, 상기 메인컬럼에는 일정한 높이로 다수의 확장판을 설치하며, 상기 확장판과 확장판 사이에는 개별 풍력발전기를 설치하여 공간에 대한 활용도를 높이고 발전량을 늘린 현저한 효과와 함께, 상기 확장판은 지면에서 보았을 때 '＋'자 형태로 설치하여 컬럼의 동서남북 방향 즉, 4방향에 개별 풍력발전기를 설치함으로써 풍력발전기의 하중이 컬럼의 한쪽으로 치우치는 것을 방지한 효과가 있으며, 개별 풍력발전기에는 태풍과 같은 비정상적인 일기상황에서 파손을 방지하기 위해 전자식 마찰브레이크와 함께 기계식 스토퍼바의 2중 구조를 적용하여 보다 안정적으로 파손을 방지할 수 있는 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 전체구성 평면도
도 2는 본 발명의 일부구성 평면도
도 3은 본 발명의 일부구성 정면도
도 4는 본 발명에 의한 개별 풍력발전기의 구성도
도 5는 본 발명에 의한 개별 풍력발전기의 평면구성도

이하, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 전체구성 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일부구성 평면도이며, 도 3은 본 발명의 일부구성 정면도로써, 본 발명에 의한 타워형 풍력발전기는 지상에 설치되어 풍력을 이용해 전기를 생산하는 풍력발전기에 있어서, 상기 풍력발전기는 지하에 매몰된 구조물에 고정되어 지상에서 일정한 높이로 설치되는 메인컬럼(1)과, 상기 메인컬럼(1)을 둘러싸는 형태로 복층으로 설치되는 개별 풍력발전기(10)로 구성된 것이 특징이다.

먼저, 메인컬럼(1)은 지상에서 일정한 높이로 설치되는 지주(支柱)로써, 대략 50~150m의 높이로 설치되며, 지하에 매몰되어 있는 콘크리트 구조물에 견고하게 고정되어야 한다.

상기 메인컬럼(1)의 동서남북 방향에는 개별 풍력발전기(10)가 설치되되, 개별 풍력발전기(10)는 상층의 확장판(2)과 저층의 확장판(2) 사이에 일정한 간격을 두고 복층으로 설치되는 것이 더욱 바람직하다.

즉, 상기 메인컬럼(1)에는 일정한 간격으로 확장판(2)이 설치되고, 상기 확장판(2)과 근접한 상층 또는 하층 확장판 사이에는 개별 풍력발전기(10)가 설치되는 것이 바람직하다.

부연하면, 상기 확장판(2)은 메인컬럼(1)에서 개별 풍력발전기의 높이를 고려하여 일정한 간격을 두고 복층으로 설치되며, 확장판과 확장판 사이에는 개별 풍력발전기가 고정 설치되어 풍력에 의해 전기를 생산하게 된다.

또한, 도 1에 도시되어 있듯이, 상기 메인컬럼(1)은 2열로 설치되되, 첫 번째 열과 두 번째 열 즉, 제1열(L 1)과 제2열(L 2)은 지그재그 형태로 설치되며, 상기 확장판(2)의 일측에는 근접한 확장판 간의 연결을 위해 연결판(3)으로 연결시키고, 제1열(L 1)과 제2열(L 2)의 메인컬럼(1) 사이에는 보강판(4)을 설치하여 내구성과 내진성을 높일 수 있다.

즉, 메인컬럼(1)의 경우 전봇대와 같이 지하에 매몰된 구조물에 고정되는 구조이고, 이로써 한쪽으로만 하중이 작용할 경우 하중이 작용하는 방향으로 넘어질 수 있는데, 이를 방지하기 위해 메인컬럼(1)을 2열로 배치하되 제1열(L 1)과 제2열(L 2)을 지그재그 형태로 배치하고, 같은 열 사이에는 확장판(2)과 확장판(2)을 연결판(3)으로 연결시킴과 동시에 제1열(L 1)과 제2열(L 2) 사이에는 보강판(4)을 설치하여 메인컬럼들 전체가 하나의 구조물로 고정 연결됨으로써 내구성을 높이고 지진에 대한 내진성을 높일 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 확장판(2)은 지면에서 보았을 때 중심부에 메인컬럼(1)의 직경과 같은 크기의 홀이 뚫려 있는 '＋' 형상이며, 메인컬럼(1)의 4방향에 개별 풍력발전기(10)가 설치되어 메인컬럼(1)에 작용하는 하중이 고르게 분포되게 된다.

즉, 개별 풍력발전기(10)는 날개와 상기 날개를 지지해주는 프레임 및 발전기 등의 구성들이 포함되므로 상대적으로 무거울 수밖에 없는데, 이러한 개별 풍력발전기가 메인컬럼의 한쪽으로만 하중이 작용할 경우 메인컬럼이 하중이 작용하는 쪽으로 많은 힘을 받게 되어 안정성이 떨어질 수밖에 없다.

따라서, 확장판(2)을 '＋'자 형태로 만들고 확장판(2)의 동서남북 4방향에 개별 풍력발전기(10)를 각각 설치함으로써 메인컬럼(1)에 작용하는 하중이 균일하게 분포됨으로써 하중이 한쪽으로 쏠리는 문제를 해결할 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 개별 풍력발전기의 구성도이고, 도 5는 본 발명에 의한 개별 풍력발전기의 평면구성도로써, 상기 개별 풍력발전기(10)는 메인샤프트가 지면에 대해 수직으로 서 있는 수직축 풍력발전기로써, 풍력에 의해 회전되는 복수의 날개(11)와, 상기 날개(11)들의 중심부에 설치되어 날개(11)의 회전에 의해 회전되는 회전축(12)과, 상기 날개(11)와 회전축(12)의 고정을 위한 블레이드고정판(13)과, 상기 회전축(12)의 지지를 위해 회전축(12)의 상부와 하부에 설치되는 베어링(14)과, 상기 베어링(14)의 고정을 위한 베어링하우징(15)과, 상기 회전축(12)의 하부에 설치되어 회전축(12)의 회전에 의해 전기를 생산하는 발전기(16)로 구성된다.

먼저, 본 발명에 사용될 수 있는 풍력발전기는 확장판(2)과 확장판(2) 사이에 메인샤프트를 고정할 수 있는 수직축 풍력발전기로써, 상기 날개(11)는 풍력에 의해 회전되는 블레이드이며, 도시된 형태는 총 3개의 날개가 일정한 간격을 두고 설치되어 있다.

상기 날개(11)들의 중심부에는 회전축(12)이 설치되어 날개(11)에 의해 회전되게 되고, 상기 날개(11)와 회전축(12)은 블레이드고정판(13)에 의해 서로 고정되며, 상기 회전축(12)의 지지를 위해 회전축(12)의 상부와 하부에는 각각 베어링(14)이 설치된다.

상기 베어링(14)의 일측에는 베어링의 지지를 위해 베어링하우징(15)이 설치되고, 상기 회전축(12)의 하부에는 회전축(12)의 회전에 의해 유도전력을 생산하는 발전기(16)가 설치되어 있다.

따라서, 날개(11)가 바람에 의해 회전되면, 날개(11)의 회전동력이 회전축(12)으로 전달되고, 이로써 발전기(16)에 의해 전기가 생산된다.

이때 회전축(12)의 회전을 지지하기 위해 베어링(14)을 수납하고 있는 베어링하우징(16)의 일측에는 H빔 형상의 고정프레임(22)이 설치되어 있으며, 상기 고정프레임(22)은 확장판(2)에 고정되어 있으며, 상기 고정프레임(22)과 확장판(2) 사이에는 방진고무(21)가 설치되어 날개(11)의 회전에 따른 진동을 흡수해주게 된다.

또한, 상기 개별 풍력발전기(10)는 태풍과 같은 비정상적인 일기상황에서 파손을 방지하기 위해 날개가 회전하지 못하게 잡아주는 브레이크가 설치되되, 상기 브레이크는 전자식 마찰브레이크(19)와, 기계식 스토퍼바(20)의 2중 구조가 적용된다.

즉, 일반적으로 사용되는 풍력발전기의 경우 강한 바람이 불 때 전자식 마찰브레이크를 이용해 블레이드의 회전을 잡아줌으로써 전력소모가 많고 태풍과 같이 강한 바람이 불 경우 브레이크가 파손되어 결국 풍력발전기가 파손될 수 있는데, 본 발명은 전자식 마찰브레이크(19)와 함께 기계식 스토퍼바(20)의 2중 구조를 채택함으로써 전력소모를 줄임과 동시에 마찰브레이크(19)가 파손되더라도 날개가 회전하지 못하게 잡아줌으로써 풍력발전기의 파손을 방지하게 된다.

상기 기계식 스토퍼바(20)는 바(bar) 형태로써 발전기(16)를 수용하고 있는 발전기케이스(17)에 형성된 삽입홀(18)에 끼워 고정하게 되고, 이로써 날개(11)가 회전하려고 하면 상기 스토퍼바(20)가 회전하지 못하도록 간섭하게 됨으로써 브레이크 역할을 수행하게 된다.

또한, 상기 개별 풍력발전기는 필요한 전력량을 예측하여 발전을 수행하되, 필요한 전력량보다 발전량이 많을 경우 일정한 수의 개별 풍력발전기에 대해 브레이크를 가동하여 날개의 회전을 멈춤으로써 발전량을 조절해주게 된다.

즉, 본 발명에 의한 타워형 풍력발전기의 경우 풍속에 따라 발전량이 수시로 변하게 되는데, 강한 바람이 부는 날의 경우 필요한 전력량보다 많은 전기가 생산될 수 있으므로 이러한 경우 풍력발전기의 가동률을 줄여 생산량을 줄이고, 반대의 경우 전체 풍력발전기를 모두 가동시켜 발전량을 늘릴 수 있다.

상술한 실시예에서 상기 확장판(2)은 바람이 통할 수 있는 철판으로 스틸그레이팅과 같이 사람이 올라가서 작업을 할 수 있고 풍력발전기(10)를 지지해줄 수 있을 정도의 고강성이 유지되어야 하며, 특히 바람에 의해 풍력발전기(10)의 부품이 파손될 경우 파손된 부품 등의 상기 확장판(2)에 의해 바닥으로 떨어지지 않도록 안전판의 역할도 동시에 수행하게 되며, 확장판(2)의 외부에는 안전난간(6)이 설치되어 설치작업 또는 유지보수작업에 대해 안정성을 줌과 동시에 물체의 추락방지 역할도 동시에 수행하게 된다.

또한, 상기 연결판(3)은 메인컬럼(1)에서 또 다른 메인컬럼으로 사람이 이동할 수 있어서, 풍력발전기에 대한 주기적인 점검 및 유지보수를 수행할 수 있고, 메인컬럼 중 일부만 엘리베이터를 설치하여도 연결판(3)에 의해 이동할 수 있어서 제작비용을 줄일 수 있다.

또한, 상기 메인컬럼들의 상부에는 타워형 풍력발전기의 상징성 및 사용효율을 높이기 위해 수영장과 같은 별도의 구조물을 설치하여 전력생산과 관광효과 등을 얻을 수 있다.

결국, 본 발명에 의한 타워형 풍력발전기는 지하에 매립된 구조물에 의해 강하게 지지된 메인컬럼을 세우고, 상기 메인컬럼에는 일정한 높이로 다수의 확장판을 설치하며, 상기 확장판과 확장판 사이에는 개별 풍력발전기를 설치하여 공간에 대한 활용도를 높이고 발전량을 늘린 현저한 효과와 함께, 상기 확장판은 지면에서 보았을 때 '＋'자 형태로 설치하여 컬럼의 동서남북 방향 즉, 4방향에 개별 풍력발전기를 설치함으로써 풍력발전기의 하중이 컬럼의 한쪽으로 치우치는 것을 방지한 효과가 있으며, 개별 풍력발전기에는 태풍과 같은 비정상적인 일기상황에서 파손을 방지하기 위해 전자식 마찰브레이크와 함께 기계식 스토퍼바의 2중 구조를 적용하여 보다 안정적으로 파손을 방지할 수 있는 현저한 효과가 있다.

1. 메인컬럼 2. 확장판
3. 연결판 4. 보강판
5. 구조물
10; (개별) 풍력발전기
11. 날개 12. 회전축
13. 블레이드고정판 14. 베어링
15. 베어링하우징 16. 발전기
17. 발전기케이스 18. 삽입홀
19. 마찰브레이크 20. 스토퍼바
21. 방진고무 22. 고정프레임

Claims

지상에 설치되어 풍력을 이용해 전기를 생산하는 풍력발전기에 있어서,
상기 풍력발전기는 지하에 매몰된 구조물에 고정되어 지상에서 일정한 높이로 설치되는 메인컬럼(1)과, 상기 메인컬럼(1)을 둘러싸는 형태로 복층으로 설치되는 개별 풍력발전기(10)로 구성되며,
상기 개별 풍력발전기(10)는 메인샤프트가 지면에 대해 수직으로 서 있는 수직축 풍력발전기로써, 풍력에 의해 회전되는 복수의 날개(11)와, 상기 날개(11)들의 중심부에 설치되어 날개(11)의 회전에 의해 회전되는 회전축(12)과, 상기 날개(11)와 회전축(12)의 고정을 위한 블레이드고정판(13)과, 상기 회전축(12)의 지지를 위해 회전축(12)의 상부와 하부에 설치되는 베어링(14)과, 상기 베어링(14)의 고정을 위한 베어링하우징(15)과, 상기 회전축(12)의 하부에 설치되어 회전축(12)의 회전에 의해 전기를 생산하는 발전기(16)로 구성되고,
상기 개별 풍력발전기(10)는 태풍과 같은 비정상적인 일기상황에서 파손을 방지하기 위해 날개가 회전하지 못하게 잡아주는 브레이크가 설치되되, 상기 브레이크는 전자식 마찰브레이크(19)와, 기계식 스토퍼바(20)의 2중 구조가 적용된 것이 특징인 타워형 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 메인컬럼(1)에는 일정한 간격으로 확장판(2)이 설치되고, 상기 확장판(2)과 근접한 상층 또는 하층 확장판 사이에는 개별 풍력발전기(10)가 설치되는 것이 특징인 타워형 풍력발전기.
제2항에 있어서,
상기 메인컬럼(1)은 2열로 설치되되, 첫 번째 열과 두 번째 열 즉, 제1열(L 1)과 제2열(L 2)은 지그재그 형태로 설치되며, 상기 확장판(2)의 일측에는 근접한 확장판 간의 연결을 위해 연결판(3)으로 연결시키고, 제1열(L 1)과 제2열(L 2)의 메인컬럼(1) 사이에는 보강판(4)을 설치하여 내구성과 내진성을 높인 것이 특징인 타워형 풍력발전기.
제2항에 있어서,
상기 확장판(2)은 지면에서 보았을 때 중심부에 메인컬럼(1)의 직경과 같은 크기의 홀이 뚫려 있는 '＋' 형상이며, 메인컬럼(1)의 4방향에 개별 풍력발전기(10)가 설치되어 메인컬럼(1)에 작용하는 하중이 고르게 분포되는 것이 특징인 타워형 풍력발전기.
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제1항에 있어서,
상기 개별 풍력발전기는 필요한 전력량을 예측하여 발전을 수행하되, 필요한 전력량보다 발전량이 많을 경우 일정한 수의 개별 풍력발전기에 대해 브레이크를 가동하여 날개의 회전을 멈춤으로써 발전량을 조절해주는 것이 특징인 타워형 풍력발전기.