KR100308339B1 - 풍력발전기의날개 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기의 날개에 관한 것이다.

종래의 풍력발전기의 날개는 고정되어 있어 만일 태풍과 같이 강한 바람이 불면 날개 또는 지지대가 부러지거나 파손되게 되고, 또 이를 방지하기 위해 날개의 크기를 작게 할 경우에는 미풍이 불 때 바람을 적게 받게 되는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 수직으로 세워진 지지축(10)의 상부에 설치되어 풍력에 의해 회전되어 그 회전력을 동력전달장치를 통해 발전기를 가동시키는 풍력발전기의 날개(12)에 있어서, 지지축(10)을 중심으로 적어도 3개 이상의 수평축(11)이 방사형으로 회전이 자유롭도록 설치되고, 각 수평축에 원호형으로 활곡 형성된 날개를 회동가능하게 축결합시키고, 수평축에 축결합된 각 날개의 축결합부 내측단에 수평축을 축으로 회전하는 유성기어(15)를 일체로 설치하고, 날개의 상부에는 지지축을 중심으로 회전되면서 저면에 날개의 유성기어와 맞물리는 기어이(17)가 형성된 원판형상의 연결기어(16)를 설치하여 일측 날개의 가변각을 다른 날개에 전달하여 동일한 변위각을 갖게 하여서 된 것이다.

이러한 구조에 의해 날개가 바람의 세기에 따라 가변적으로 각도가 변경되어 미풍일 때는 더욱더 많은 바람을 받고, 강풍일 때는 바람의 저항을 덜 받아 태풍과 같은 바람이 불더라도 날개와 지지축은 견고하게 견딜 수 있는 장점이 있다.

Description

풍력발전기의 날개

본 발명은 풍력발전기의 날개에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 날개가 바람의 세기에 따라 바람을 맞는 각도를 가변시켜 미풍일 때는 바람을 최대한 많이 받아 풍력발전의 효율을 극대화시키고, 강한 바람(풍력발전기의 한계강도 이상의 바람)이 불때는 저항을 최소화하여 풍력발전기의 파손 없이 안전하게 유지되게 하는 풍력발전기의 날개에 관한 것이다.

일반적으로, 자연을 이용한 발전에는 태양열발전과 조력발전 그리고 풍력발전이 있다. 우리나라와 같이 3면이 바다로 둘러싸이고, 또 산이 많은 관계로 바람이 많은 지형의 특성에 의해 풍력발전이 효과적이라고 할 수 있다.

풍력발전은 바람을 받아 회전하는 날개를 갖고, 이 날개의 회전력을 동력전달장치를 통해 발전기를 가동시켜 전기를 얻는 것으로, 날개가 풍차와 같은 구조를 갖거나 날개가 수직으로 설치된 회전축을 축으로 회전되는 구조로 된 것들이 있다.

그러나 이러한 종래의 풍력발전기는 날개가 항상 고정되어 있어 만일 태풍과 같이 강한 바람이 불면 날개 또는 지지대가 부러지거나 파손되어 엄청난 피해를 입게 되는 폐단이 있다.

또 발전기의 안전을 위해 날개의 크기를 작게 할 경우에는 미풍이 불 때 바람을 적게 받게 되어 풍력발전을 제대로 작동할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 폐단을 해소하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 풍력발전기의 날개가 바람의 세기에 따라 바람을 맞는 각도를 가변시켜 미풍일 때는 바람을 최대한 많이 받아 풍력발전의 효율을 극대화시키고, 강한 바람(풍력발전기의 한계강도 이상의 바람)이 불때는 저항을 최소화하여 풍력발전기의 파손없이 안전하게 유지되도록 하는 풍력발전기의 날개를 제공하는데 있다.

제1도는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기의 날개 사시도.

제2도는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기의 날개 평면도.

제3도는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기의 날개 종단면도.

제4(a),(b)도는 본 발명의 제1실시예에 따른 날개의 동작설명도.

제4(c)도는 본 발명에 따른 날개의 다른 실시예도.

제5도는 본 발명의 제2실시예 따른 날개의 구조를 나타낸 종단면도.

제6(a),(b)도는 본 발명의 제2실시예에 따른 날개의 작동상태도.

제7도는 본 발명에 따른 제3실시예에 따른 날개 구조도.

제8도는 본 발명에 따른 제4실시예에 따른 날개구조도.

제9도는 제4실시예에 따른 날개의 요부단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 지지축 11 : 수평축

12 : 날개 13 : 전면

14 : 배면 15 : 유성기어

16 : 연결기어 16 : 기어이

20 : 날개 21 : 횡축

22 : 지지프레임 24 : 날개편

25 : 롤러 26 : 레일

30 : 날개 32 : 축관

34 : 기어 36 : 지지축

38 : 연결프레임

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍력발전기의 날개는, 수직으로 세워진 지지축의 상부에 설치되어 풍력에 의해 회전되어 그 회전력을 동력전달장치를 통해 발전기를 가동시키는 풍력발전기의 날개에 있어서, 상기 지지축을 중심으로 적어도 3개 이상의 수평축이 방사형으로 회전이 자유롭도록 설치되고, 상기 각 수평축에 원호형으로 활곡 형성된 날개를 회동 가능하게 축결합시키고, 상기 수평축에 축결합된 각 날개의 축결합부 내측단에 수평축을 축으로 회전하는 유성기어를 일체로 설치하고, 상기 날개의 상부에는 지지축을 중심으로 회전되면서 저면에 상기 날개의 유성기어와 맞물리는 기어이가 형성된 원판 형상의 연결기어를 설치하여 상기 일측 날개의 가변각을 다른 날개에 전달하여 동일한 변위각을 갖게 하여서 된 것으로, 바람의 세기에 따라 날개가 가변적으로 그 각도가 변경되어 미풍일 때는 더욱더 많은 바람을 받고 아주 강풍일 때는 바람의 저항을 덜 받아 태풍과 같은 바람이 불더라도 날개와 지지축은 견고하게 견딜 수 있으므로 풍력발전기의 파손피해를 줄이도록 한 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

[제1실시예]

제1도는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기의 날개 사시도이고, 제2도는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기의 날개 평면도로서, 도시된 바와 같이 지지축(10)이 수직으로 설치되어 있고, 그 상부에 3개의 수평축(11)이 방사형태로 설치되어 있으며, 각 수평축(11)에는 바람을 받는 날개(12)가 설치되어 있다. 수평축(11)은 도면에 도시되지 않은 동력전달장치를 통해 발전기에 동력을 전달하여 발전을 하도록 되어 있다.

날개(12)는 제4(a)도에서와 같이 면이 활곡되어 있으며, 전면(13)은 오목하게 형성되어 이에 수평축(11)이 회전 가능하게 결합되어 있다. 따라서 바람을 받게 되면 바람을 받는 부분이 오목한 전면(13)이 된다. 이때, 날개(12)는 무게중심을 하부에 두어 항상 날개(12)가 수직으로 서있도록 되어 있으며, 풍속이 강하면 날개(12)가 회전되도록 되어 있다.

또한 각 날개(12)는 제3도에서와 같이 수평축(11)에 회동 가능하게 결합된 축결합부에 수평축(11)을 축으로 회전되는 유성기어(15)가 설치되어 있다. 그리고, 그 상부에는 하부에 기어이(17)가 형성된 원판형상이 연결기어(16)가 지지축(10)을 축으로 회전 가능하게 설치되어 있으며, 각 유성기어(15)와 맞물리게 설치되어 있다.

따라서 하나의 날개(12)가 회전하면 그 회전력이 연결기어(16)를 통해서 다른 날개(12)들에게 전달되므로 각 날개(12)는 언제나 동일한 변위각을 갖게 된다.

이때, 연결기어(16)에 도면에 도시되지 않은 스프링장치를 하여 스프링장치의 탄성력이 작용하지 않은 상태가 각 날개(12)가 수직 상태를 이루도록 하여 이 상태를 초기상태로 연결기어(16)가 초기상태를 벗어나게 되면 스프링장치에 의해 초기상태로 복원되도록 함으로써, 바람의 세기에 따라 날개(12)의 각도가 적당하게 가변됨과 동시에 바람이 약할 때에는 신속하게 수직에 가까운 초기상태로 복귀되어 풍력을 보다 많이 받을 수 있도록 할 수도 있다.

이러한 구조로된 본 발명의 날개의 작동을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 날개(12)에 바람이 불게되면 날개(12)의 오목한 면과 볼록한 면을 비교할 때 그 저항이 다르기 때문에 회전되게 된다. 즉, 오목한 면에 접촉되는 바람은 중심부 쪽으로 힘이 모아지게 되고, 볼록한 면에 접촉되는 바람은 경사면을 타고 비껴나가 그 힘이 분산되므로 저항이 작아진다. 따라서 자연히 저항을 많이 받는 날개에 의해 회전이 발생되게 되는 것이다.

이와 같은 날개(12)에 미풍이 불게 되면 날개(12)의 중량에 의해 바람의 영향을 받지 않고 그대로 있게 된다. 따라서 바람을 받는 면적이 넓어 미풍에도 날개(12)는 회전되게 된다.

이와 반대로 강한 바람이 불 경우에는 날개(12)의 하부가 수평축(11)을 축으로 하여 회전된다. 이 때문에 바람을 받는 면적이 축소가 되어 바람의 저항을 적게 받게 된다. 그리고 날개(12)의 각도는 바람이 강하면 강할수록 수평에 가깝게 눕혀지게 되어 저항을 최소로 줄이게 됨으로 설계된 날개(12)의 한계강도 이상으로는 저항을 받지 않는다.

또한 날개(12)의 각도가 수평에 가운 각도로 누여지게 되면 될 수록 바람을 받아 그 반대편으로 회전되었을 때 날개(12)의 뒷면 또한 경사진 상태로 바람을 받게 되므로 아무리 풍속이 강하다고 하더라도 오목한 부분이 바람을 받는 것보다는 저항이 작다. 따라서 오목한 부분에 강한 바람을 받게 되면 그 힘에 의해 눕혀지면서 제4(a)도, 제4(b)도에서와 같이 연결기어(16)를 통해 다른 날개(12)를 동일한 방향으로 회동시킨다. 이러한 동작에 의해 각각의 날개(12)가 수평축(11)에 회동되도록 설치되었지만 회동되는 각도는 모두 같은 각도로 회전되게 된다.

한편, 날개(11)의 전면(13)은 바람의 저항을 많이 받도록 하고, 그 배면(14)은 바람의 저항을 작게 받도록 하는 것이 풍력을 최대한 활용할 수 있도록 하는 것이므로, 날개(12)의 형상이 상당히 중요하다.

따라서 날개(12)의 형상을 제4(c)도에서와 같이 전면을 오목하게 하고, 그 배면은 상부는 오목하면서 하부는 완만한 경사면을 이루도록 할 수도 있다.

[제2실시예]

제5도는 본 발명의 제2실시예 따른 날개의 구조를 나타낸 종단면도로서, 도시된 바와 같이 각 날개(20)를 수평축(11)에 고정시켰다. 그리고 날개(20)를 상하로 3개(그이상도 무방함)의 횡축(21)을 횡설하고, 이 횡축(21)에는 여러개로 분할된 날개편(24)을 회동 가능하게 축결합시켰다. 횡축(21)의 배면에는 날개편(24)이 후측으로 회동하지 않도록 지지프레임(22)을 구비하였다. 이때 날개편(24)을 모두 펼치게 되면 날개(20)의 전면이 하나의 판과 같이 면을 이루게 된다.

이러한 구조에 의해 날개(20)의 전면에 바람이 불게 되면 날개편(24)은 제6(a)도에서와 같이 후측방향으로 회동하여 배면이 지지프레임(22)에 걸리게 되어 하나의 면을 이루기 때문에 바람을 다량 받게 된다. 그렇지만 위치가 바뀌어 날개(20)의 배면이 바람을 받게 되면 제6(b)도와 같이 각 날개편(24)은 수평축(11)을 축으로 회전하게 된다. 특히 바람이 강할 경우에는 수평에 가깝게 눕혀지기 때문에 더욱더 저항을 덜 받게 된다. 따라서 풍력의 활용이 극대화된다.

물론 이러한 날개(20)구조를 제1실시예에서와 같이 수평축(11)에 날개(20)가 회동되고, 또 각 날개(20)의 저부 또는 상부가 연결바(15)로 연결시킨 구조로 만들 수도 있다.

또한 이러한 날개(20)의 하부를 제7도에서와 같이 지면에 가깝도록 크기를 크게 하고, 이 날개(20)가 회전되는 궤도로 레일(26)을 형성하여 이 레일(26)에 날개(20)의 하단부가 지지되도록 하였다. 그리고 날개(20)의 하단부에 롤러(25)를 설치하여 레일(26)에 지지되어 회전되도록 하였다.

이러한 구조는 날개(20)를 크게 하여 바람을 많이 받을 수 있도록 하여 큰 풍력을 얻을 수 있도록 하기 위한 것이다. 그러나 날개(20)가 크면 날개(20)를 지탱하는 지지축의 강도가 강해야하고 날개(20)의 강도 또한 강해야 한다. 하지만 이와 같은 조건을 충족시키다보면 설치비용이 너무 많이 소요되고, 또 투자된 비용에 비해 얻을 수 있는 전력은 작아 효율이 떨어지게 되는 단점 및 강한 바람이 불게 되면 날개(20)가 파손될 우려가 있는 단점이 있었다. 따라서 날개(20)의 하부를 레일(26)에 의해 하중을 지탱하도록 하고, 또 그 회전을 견고하게 지지하도록 하여 적은 비용에 큰 효율을 얻을 수 있도록 한 것이다.

[제3실시예]

제8도는 본 발명에 따른 제3실시예에 따른 날개 구조도이다.

수직으로 설치된 지지축(36)이 일정높이 외주에 축관(32)을 설치하고, 이 축관(32)의 둘레에 다수개의 수평축(11)을 방사형태로 고정설치하며, 상기 각 수평축(11)의 단부에 상기 날개(30)를 설치하며, 축관(32)의 하단부에는 일체로 회전되는 기어(34)를 설치하여 이 기어(34)를 통해 도면에 도시되지 않은 발전기에 회전력을 전달하도록 하였다. 축관(32)은 지지축(36)의 외주에 베어링(도면에 도시되지 않음)을 통해 회전이 자유롭도록 설치되어 있다. 그리고 이러한 지지축(36)들은 주위로 다수개 설치되며, 각 상단은 서로 연결프레임(38)으로 연결하여 서로를 지지하고 있다.

이러한 구조에 의해 태풍과 같이 강한 바람이 불어닥치더라도 지지축들은 견고하게 견딜 수 있고, 날개는 제1, 제2실시예에서와 같은 날개의 구조를 가짐으로 안전하게 견딜 수 있게 되는 것이다.

[제4실시예]

제8도는 본 발명에 따른 제4실시예에 따른 날개구조도이고, 제9도는 제4실시예에 따른 날개의 요부단면도이다.

바람에 따라 날개(40)각도가 가변되는 구조는 프로펠러식으로 되어 있는 날개(40)에도 적용시킬 수 있다.

도시된 바와 같이 날개(40)가 날개축(42)을 중심으로 회전되도록 설치되고, 날개(40)가 설치된 날개축(42)외주에는 스프링(44)을 설치하여 스프링(44)의 일단은 날개축(42)에 고정시키고, 다른 일단은 날개(40)에 고정시켰다.

이러한 구조에 의해 날개(40)가 바람을 받아 회전하게 되는데, 바람이 강하게 불 때에는 바람의 저항에 의해 날개(40)가 날개축(42)을 중심으로 회전하려고 한다. 이 회전력이 날개축(42)에 설치된 스프링(44)을 이완 또는 압축시키면서 회전하게 되며, 스프링(44)을 이완 압축시키면서 변위되는 정도는 바람의 강도에 따라 가변된다. 한편, 바람이 아주 약할 때에는 날개(40)의 본래의 위치로 복원되게 된다.

참조번호 46은 날개를 축으로부터 회전이 자유롭도록 하는 부시이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 풍력발전기의 날개에 의하면, 날개가 바람의 세기에 따라 가변적으로 그 각도를 변경시켜 미풍일 때는 더욱더 많은 바람을 받고 아주 강풍일 때는 바람의 저항을 덜 받아 태풍과 같은 바람이 불더라도 날개와 지지축은 견고하게 견딜 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 수직으로 세워진 지지축(10)의 상부에 설치되어 풍력에 의해 회전되어 그 회전력을 동력전달장치를 통해 발전기를 가동시키는 풍력발전기의 날개(12)에 있어서, 상기 지지축(10)을 중심으로 적어도 3개 이상의 수평축(11)이 방사형으로 회전이 자유롭도록 설치되고, 상기 각 수평축(11)에 원호형으로 활곡 형성된 날개(12)를 회동가능하게 축결합시키고, 상기 수평축(11)에 축결합된 각 날개(12)의 축결합부 내측단에 수평축(11)을 축으로 회전하는 유성기어(15)를 일체로 설치하고, 상기 날개(12)의 상부에는 지지축(11)을 중심으로 회전되면서 저면에 상기 날개(12)의 유성기어(15)와 맞물리는 기어이(17)가 형성된 원판형상의 연결기어(16)를 설치하여 상기 일측 날개(12)의 가변각을 다른 날개에 전달하여 동일한 변위각을 갖게 하여서 된 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개.
2. 제1항에 있어서, 수직으로 설치된 지지축(36)의 일정높이 외주에 축관(32)을 설치하고, 이 축관(32)의 둘레에 다수개의 수평축(11)을 방사형태로 고정설치하며, 상기 각 수평축(11)의 단부에 상기 날개(30)를 설치하며, 축관(32)의 하단부에는 일체로 회전되는 기어(34)를 설치하여 이 기어(34)를 통해 발전기에 회전력을 전달하도록 하며, 각 지지축(36)의 상부는 서로 연결프레임(38)으로 연결되어 서로를 지지하도록 된 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개.
3. 프로펠러식으로된 풍력발전기의 날개에 있어서, 날개(20)가 날개축(42)을 중심으로 회전되도록 설치되고, 날개(40)가 설치된 날개축(42) 외주에는 스프링(44)을 설치하여 스프링(44)의 일단은 날개축(42)에 고정시키고, 다른 일단은 날개(40)에 고정시켜 바람의 세기에 따라 날개의 각도가 가변되게 한 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개.