KR100418960B1 - 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로서, 특히 풍차 조립체의 구동을 억제시키는 역풍을 감소시키고, 발전기가 풍량에 따라 제어되어 적은 양의 바람에도 전력을 생산할 수 있도록 한 풍력 발전기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 풍력 발전기는 바람에 의해 구동되는 풍차 본체 및 상기 풍차 본체의 회전운동을 유발시키도록 상기 풍차 본체의 가장자리에 형성되는 다수개의 날개, 그리고 상기 날개의 회전운동을 억제시키는 역풍을 상기 날개의 정방향의 회전운동으로 유도하도록 상기 풍차 본체의 중심 측에 형성되는 보조 날개로 구성되는 다수개의 풍차 조립체와; 상기 풍차 조립체와 일측이 연결되어 풍차 조립체의 운동 에너지로부터 전기 에너지를 발생하고 풍속에 상관없이 항상 발전되도록 풍차 조립체의 운동 에너지에 따라 발전 용량이 가변되는 발전기와; 상기 풍차 조립체 및 상기 발전기 사이에 설치되어 다수개의 상기 풍차 조립체의 회전운동을 상기 발전기로 전달하도록 하는 동력전달수단과; 상기 풍차 조립체의 일측에 덮이도록 장착된 커버를 바람 방향과 평행하도록 구동시켜 상기 날개의 역회전을 유발시키는 역풍을 차단하는 조향수단을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

풍력 발전기 {A wind type dynamo}

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로서, 특히 바람에 의해 구동되는 풍차 조립체의 구조가 개선되고 발전기의 발전 용량이 풍속에 따라 가변됨으로써, 풍차 조립체의 구동을 억제시키는 역풍을 감소시키고, 발전기가 풍량에 따라 제어되어 적은 양의 바람에도 전력을 생산할 수 있도록 한 풍력 발전기에 관한 것이다.

근래의 에너지 문제는 여러 가지 면에서 국제적인 문제로 대두되고 있는데 그 중에 하나는 화석 에너지의 사용에 따른 대기 오염을 들 수 있으며, 다른 하나는 화석 에너지의 고갈을 들 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 주로 화석 에너지를 연소시켜 생성되는 에너지를 전기 에너지로 변화시키는 화력 발전기를 대체하기 위해 물의 낙차를 이용하여 발전을 이루는 수력 발전기 및 파도의 주기적인 운동을 전기 에너지로 변환시키는 조력 발전기, 바람의 운동을 전기 에너지로 변환시키는 풍력 발전기 등이 개발되었다.

여기서, 일반적인 풍력 발전기는 주로 바람개비 모양의 풍차를 이용하여 바람에 의해 회전 운동되는 풍차의 구동력을 벨트나 체인, 기어 등의 동력전달수단으로 발전기의 회전자를 구동시켜 회전자의 둘레면 내지는 내주면에 설치되는 고정자와의 전기적인 마찰에 의해 전기가 생성되도록 한다.

아울러, 종래의 풍력 발전기는 바람의 방향에 따라 상기 풍차가 지지되는 베이스 전체가 구동될 수 있도록 하는 장치가 설치되어 바람의 방향이 바뀌어도 이에 호환될 수 있도록 하는 방향전환장치가 구비되기도 한다.

그러나, 종래 기술에 의한 풍력 발전기는 바람개비 모양의 풍차 및 풍차의 방향을 변환시키는 구동장치 등이 설치되고, 이에 의해 연동되는 하나의 발전기에 의해 전기 에너지가 생성되기 때문에 바람의 운동이 풍차의 회전운동으로 변환되는 효율이 높지 않고, 초기 설치비용이 많이 소요되며, 폭풍 시에 파손의 위험이 크고, 풍량의 변화에 따라 전압이 가변되어 발전을 이루는데 소요되는 설치비용, 생산비용, 관리비용을 절감키 어려운 고가의 생산을 이루어야 하고, 일정한 전압의 전기가 생성되는 안정된 발전을 이루기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 보조 날개가 형성된 원형의 풍차 조립체를 설치하고 발전 용량이 가변되는 발전기를 풍차 조립체의 회전력에 따라 연동되도록 설치함으로써, 바람의 운동이 풍차의 회전 운동으로 전환되는 효율이 향상되고, 풍량에 관계없이 항상 전기가 생산되며, 초기 설치비용 및 관리비용이 절감될 수 있도록 한 풍력 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 풍력 발전기가 도시된 사시도,

도 2는 본 발명에 의한 풍력 발전기의 풍차 조립체가 도시된 분해 사시도,

도 3은 본 발명에 의한 풍력 발전기의 풍차 조립체가 도시된 평면도,

도 4는 본 발명에 의한 풍력 발전기의 발전기가 도시된 회로도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

10 : 풍차 조립체 12 : 풍차 본체

14 : 날개 16 : 보조 날개

19 : 회전축 20 : 발전기

21 : 구동축 22 : 고정자

24 : 회전자 26 : 기전력 분배장치

30 : 동력전달수단 32 : 베벨기어

34 : 벨트 36 : 기어박스

40 : 조향수단 42 : 커버

44 : 구동모터 46 : 지지축

48 : 방향판 49 : 제어부

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 풍력 발전기는 바람에 의해 구동되는 풍차 본체 및 상기 풍차 본체의 회전운동을 유발시키도록 상기 풍차 본체의 가장자리에 형성되는 다수개의 날개, 그리고 상기 날개의 회전운동을 억제시키는 역풍을 상기 날개의 정방향의 회전운동으로 유도하도록 상기 풍차 본체의 중심 측에 형성되는 보조 날개로 구성되는 다수개의 풍차 조립체와; 상기 풍차 조립체와 일측이 연결되어 풍차 조립체의 운동 에너지로부터 전기 에너지를 발생하고 풍속에 상관없이 항상 발전되도록 풍차 조립체의 운동 에너지에 따라 발전 용량이 가변되는 발전기와; 상기 풍차 조립체 및 상기 발전기 사이에 설치되어 다수개의 상기 풍차 조립체의 회전운동을 상기 발전기로 전달하도록 하는 동력전달수단과; 상기 풍차 조립체의 일측에 덮이도록 장착된 커버를 바람 방향과 평행하도록 구동시켜 상기 날개의 역회전을 유발시키는 역풍을 차단하는 조향수단을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 풍력 발전기의 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 풍력 발전기가 도시된 사시도이다.

본 발명에 따른 풍력 발전기는 다수개의 풍차가 동시에 구동될 수 있도록 설치된 풍차 조립체(10)와, 상기 풍차 조립체(10)에 의해 구동되어 발전을 이루며, 상기 풍차 조립체(10)의 회전력에 따라 발전량이 가변되는 발전기(20)와, 상기 풍차 조립체(10)와 발전기(20) 사이에 설치되어 풍차 조립체(10)의 구동력을 발전기에 전달하는 동력전달수단(30)과, 상기 풍차 조립체(10)의 일측에 설치되어 풍차 조립체(10)가 변화되는 바람의 방향에 따라 최대의 효율을 유지하며 바람의 운동을 풍차 조립체(10)의 구동으로 변환시킬 수 있도록 하는 조향수단(40)을 포함하여 구성된다.

도 2는 본 발명에 의한 풍력 발전기의 풍차 조립체가 도시된 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명에 의한 풍력 발전기의 풍차 조립체가 도시된 평면도이다.

상기 풍차 조립체(10)는 원판 모양으로 형성되어 바람에 의해 구동되는 다수개의 풍차 본체(12)와, 상기 풍차 본체(12)의 상면 가장자리에 원의 법선 방향으로 다수개가 형성되어 바람의 운동을 상기 풍차 본체(12)의 회전 운동으로 변환시키는 날개(14)와, 상기 풍차 본체(12)의 회전 중심에서 원의 법선 방향으로 상기 날개(14)와 일정 각도 이격되게 다수개가 형성되어 역풍의 생성을 억제하며 상기 풍차 본체(12)의 구동력을 증가시킬 수 있도록 한 보조 날개(16)로 구성된다.

여기서, 상기 날개(14)는 상기 풍차 본체(12)의 반지름에 비해 상대적으로 짧게 형성되어 상기 풍차 본체(12)의 회전 중심을 향하는 날개(14)의 단부가 서로 떨어지게 형성되어 다수개의 날개(14) 중에 하나의 날개(14a)를 밀어 풍차 본체(12)의 회전 운동을 일으킨 바람은 날개(14a)를 따라 상기 풍차 본체(12)의 회전 중심으로 이동되어 나란히 형성된 날개(14b)와의 사이에 형성된 공간으로 이동되면서 상기 보조 날개(16)를 밀어 풍차 본체(12)의 회전 운동을 보다 가중시킨다.

상기 보조 날개(16)는 상기 풍차 본체(12)의 회전 중심 부위에 형성되어 상기 날개(14)를 밀어 풍차 본체(12)의 회전 운동을 이루고, 중앙부위의 틈을 통과된 바람에 부딪혀 풍차 본체(12)의 정방향 회전 운동이 보다 가중되도록 한다.

아울러, 이렇게 형성된 다수개의 풍차 본체(12)가 하나의 회전축(19)에 설치되어 다수개의 풍차 본체(12)의 회전 운동이 상기 동력전달수단(30)을 통해 상기 발전기(20)로 전달되는 바, 각각의 풍차 본체(12)에 형성된 날개(14)가 상측에 설치된 날개(14)와 하측에 설치된 날개(14)와 단계적으로 일정 각을 이루며 이격되게 형성되므로 보다 효율적으로 바람의 운동을 풍차 본체(12)의 회전 운동으로 전환시킬 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명에 의한 풍력 발전기의 발전기가 도시된 회로도이다.

상기 발전기(20)는 상기 동력전달수단(30)에 일단이 연결되어 상기 풍차 조립체(10)의 회전력에 의해 회전되는 구동축(21)과, 상기 구동축(21)에 축방향으로 다수개가 설치된 회전자(24)와, 상기 다수개의 회전자(24) 둘레면에 각각 설치되고 전자석으로 형성된 다수개의 고정자(22)와, 상기 풍차 조립체(10)의 회전력 크기에 따라 다수개의 고정자(22)에 선택적으로 전기를 공급하는 기전력 분배장치(26)로 구성된다.

상기 구동축(21)은 동력전달장치(30)와 연결된 일단에 기어박스(36)가 설치되고, 상기 기어박스(36)는 동력전달장치(30)로부터 전달되는 상기 풍차 조립체(10)의 회전 운동을 적당한 회전 속도로 제어하게 된다.

상기 고정자(22)는 전자석으로 이루어져 상기 회전자(24) 둘레면에 소정의 간격으로 이격되게 설치되고, 상기 기전력 분배장치(26)에 의해 전류를 공급받아 전자력을 발산하게 된다.상기 회전자(24)는 권선 코일로 이루어져 상기 구동축(21)의 축방향으로 다수개가 직렬로 설치되고, 상기 구동축(21)이 회전됨에 따라 함께 회전되며, 상기 고정자(22)가 전자력을 발생면 전기적 작용에 의해 상기 권선 코일에는 전기가 흐르게 된다.

상기 기전력 분배장치(26)는 상기 구동축(21)의 타단에 설치된 전기발생장치(27)와, 상기 전기발생장치(27)와 다수개의 고정자를 병렬로 연결하는 각각의 전기배선 상에 설치되고 상기 전기발생장치(27)에서 생성된 전압의 크기에 따라 전기의 공급을 단속하는 전기단속장치(28)로 구성된다.여기서, 상기 전기발생장치(27)는 구동축(21)의 타단 외주에 권션코일로 이루어진 발전용 회전자(27a)가 설치되고, 상기 발전용 회전자(27a)의 둘레면에 영구자석으로 이루어진 발전용 고정자(27b)가 설치되어, 상기 구동축(21)과 함께 발전용 회전자(27a)가 회전되면서 기전력이 발생된다.상기와 같이 전기발생장치(27)에서 생성된 기전력은 병렬로 연결된 전기배선을 통해 상기 다수개의 고정자(22)로 각각 전달된다.그리고, 상기 전기공급장치(28)는 다수개의 고정자(22)로 전류가 입력되는 전기배선 상에 각각 설치되는 바, 상기 전기발생장치(27)에서 발생된 기전력의 크기를 측정하여 전기의 흐름을 단속하는 전기 메타(28a)와, 상기 전기 메타(28a)에 의해 전기를 공급받게 되면 단락된 전기배선을 접속시켜 상기 고정자(22)로 기전력을 공급하는 전기접속기(28b)로 구성된다.즉, 상기 다수개의 전기공급장치(28)는 각각에 서로 다른 용량의 전기 메타(28a)가 설치되어 상기 전기발생장치(27)에서 발생된 기전력의 크기에 따라 상기 전기 메타(28a)의 일부는 기전력을 상기 전기접속기(28b)로 공급하게 되고, 나머지는 전기접속기(28b)에 기전력의 공급을 차단하게 된다. 이때, 상기 전기 메타(28a)로부터 기전력이 공급된 전기접속기(28b)는 단락된 상태의 전기배선을 연결시키게 되고, 상기 전기배선을 통해 상기 고정자(22)로 전기를 공급하여 상기 고정자(22)를 전자석화시키게 된다.상기와 같은 전기 메타(28a)는 용량이 단계적으로 커지도록 다수개의 고정자(22)에 각각 설치되고, 아울러 설치된 다수개의 전기 메타(28a)는 상기 전기발생장치(27)와 전기배선에 의해 병렬로 연결된다.

상기 동력전달수단(30)은 각각의 상기 풍차 조립체(10)에 설치된 회전축(19)이 동시에 그 구동력을 전달할 수 있도록 회전축(19)의 하단부에 베벨기어가 설치되고, 이 베벨기어에 의해 방향이 전환된 구동력이 발전기(20)로 전달되도록 각각의 종동기어를 연결하는 벨트(34)가 설치되며, 상기 벨트(34)는 발전기(20)의 구동축 일단에 설치된 베벨기어를 통해 회전력을 전달하게 된다.

상기 조향수단(40)은 중공된 반원기둥 모양으로 형성되어 상기 풍차 조립체(10)의 외면에 씌워지는 다수개의 커버(42)와, 상기 각각의 커버(42)가 바람의 방향과 평행하게 위치되어 상기 날개(14)에 바람이 효과적으로 접촉될 수 있도록 상기 커버(42)의 일 부분에 벨트나 체인 등으로 연결되어 구동력을 제공하는 구동모터(44)와, 상기 구동모터(44)의 구동 방향 및 회전 각도를 결정할 수 있도록 바람의 방향에 따라 회전되도록 공회전 가능한 지지축(46) 상에 설치되는 방향판(48)과, 상기 방향판(48)이 설치된 지지축(46)의 회전 방향 및 회전각을 감지하여 상기 구동모터(44)에 전기적 신호를 출력하는 제어부(49)가 포함되어 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 풍력 발전기의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 전원이 인가되면 상기 방향판(48)에 의해 바람의 방향이 감지되어 방향판(48)이 설치된 지지축(46)이 회전된 방향 및 각도가 상기 제어부(49)에 의해 감지되어 상기 구동모터(44)를 구동시키고, 상기 구동모터(44)의 구동으로 상기 커버(42)가 바람의 방향과 평행하게 위치되도록 하여 바람의 운동이 상기 날개(18)에 효과적으로 전달되도록 한다.

이렇게 구동된 상기 풍차 본체(12)는 날개(14)의 한 빗면을 타고 회전 중심으로 전달되는 바람에 의해 회전 운동되고, 회전 중심으로 이동된 바람은 날개(14a)와 날개(14b) 사이의 틈으로 통과되어 상기 날개(14a)와 보조 날개(16a)의 사이에 형성된 틈을 통과하여 회전 중심 부위에 설치된 보조 날개(16b)를 밀어 풍차 본체(12)의 회전 운동을 가중시킨다.

여기서, 상기 커버(42)는 풍차 본체(12)의 절반을 커버하여 바람에 의해 순방향의 회전 운동을 유발시키는 날개(14a)의 반대쪽에 위치되는 날개(14b)가 역방향으로의 회전 운동을 유발시키는 것을 방지하고, 상기 날개(14)를 밀어 풍차 본체(12)를 회전시킨 바람이 보조 날개(16)를 밀어 순방향의 회전 운동이 더욱더가중된다.

이러한 작동에 의해 생성된 구동력은 상기 벨트(34)를 통해 상기 발전기(20)의 회전자(24)를 구동시키고, 구동되는 회전자(24)와 상기 고정자(22)가 전기적 작용에 의해 전기를 생성한다.

즉, 상기 벨트(34)의 회전력에 의해 발전기(20)의 구동축(21)이 회전하게 되면, 상기 구동축(21)의 타단에 설치된 전기발생장치(27)에서 기전력이 발생되어 전기배선을 통해 다수개의 전기공급장치(28)로 전달된다.상기 전기공급장치(28)의 전기 메타(28a)는 설정치 이상의 전기가 공급되면 전기를 전기접속기(28b)로 전달하고, 상기 전기접속기(28b)는 전류에 의해 동작되어 단락된 전기배선이 접속되며, 접속된 전기배선을 통해 기전력이 공급되어 상기 고정자(22a,22b)는 전자석화된다.반면에, 상기 전기 메타(28a)에 설정치 이하의 전류가 공급되면 상기 전기접속기(28b)로 전류가 공급되지 않게 되고, 상기 전기접속기(28b)가 동작되지 않음으로서 전기배선은 단락된 상태를 유지하게 되며, 전류가 공급되지 않은 고정자(22)는 전자석이 되지 못하게 된다.따라서, 상기 풍차 조립체(10)에 의한 구동축(21)의 회전력에 따라 적정 개수의 고정자(22a,22b)가 전자석화되어 상기 회전자(24a,24b)와 함께 전기를 생성하고, 나머지 고정자(22c,22d,22e)와 회전자(24c,24d,24e)는 서로 공회전하게 된다.상기와 같이 기전력 분배장치(26)가 풍차 조립체(10)의 회전력에 따라 상기 다수개의 고정자(22)로 공급되는 각각의 기전력을 적절히 단속하게 되면, 구동되는 고정자(22)와 회전자(24)의 수가 변경되어 발전 용량이 변경됨으로 풍속이 자주 변화되더라도 상기 발전기(20)의 용량이 가변되면서 지속적인 발전이 가능하게 된다.즉, 상기 발전기(20)의 발전 용량이 변경되면 발전에 필요한 최저 풍속에 대한 한계치도 적절히 변경되고, 그로 인해 풍속이 약해져 상기 발전기(20)의 발전이 정지되는 현상이 방지되므로 풍속이 일정치 이하로 저감되더라도 발전량만 변화될 뿐 항상 발전은 이루어지게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 풍력 발전기는 발전기가 구동축 상에 직렬로 배치된 다수개의 회전자와 고정자로 구성되고 상기 회전자에 병렬 구조로 기전력 분배장치가 설치됨으로서, 상기 발전기의 용량이 풍차 조립체의 회전력에 따라 적절히 변동되어 풍속이 자주 변동되는 지형에서 효율이 향상되고, 특히 낮은 풍속에서도 발전이 가능하여 지속적으로 발전이 이루어지는 이점이 있다.또한, 상기 풍차 조립체는 보조 날개가 형성되고 다수개가 적층 배치되어 상기 풍차 조립체의 역풍이 보조 날개에 의해 풍차 조립체의 회전 운동으로 전환되므로, 상기 풍력 발전기의 변환 효율이 향상되고, 상기 풍차 조립체의 크기가 감소되어 설치 장소에 대한 제약이 저감되는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 바람에 의해 구동되는 풍차 본체 및 상기 풍차 본체의 회전운동을 유발시키도록 상기 풍차 본체의 가장자리에 형성되는 다수개의 날개, 그리고 상기 날개의 회전운동을 억제시키는 역풍을 상기 날개의 정방향의 회전운동으로 유도하도록 상기 풍차 본체의 중심 측에 형성되는 보조 날개로 구성되는 다수개의 풍차 조립체와;

   상기 풍차 조립체와 일측이 연결되어 풍차 조립체의 운동 에너지로부터 전기 에너지를 발생하고 풍속에 상관없이 항상 발전되도록 풍차 조립체의 운동 에너지에 따라 발전 용량이 가변되는 발전기와;

   상기 풍차 조립체 및 상기 발전기 사이에 설치되어 다수개의 상기 풍차 조립체의 회전운동을 상기 발전기로 전달하도록 하는 동력전달수단과;

   상기 풍차 조립체의 일측에 덮이도록 장착된 커버를 바람 방향과 평행하도록 구동시켜 상기 날개의 역회전을 유발시키는 역풍을 차단하는 조향수단을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 풍력 발전기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 풍차 본체는 원판 모양으로 형성되어 상기 풍차 본체의 가장자리에 법선 방향으로 다수개의 날개가 설치되고, 상기 풍차 본체의 중앙에는 상기 보조 날개가 상기 날개와 일정 각도 이격되게 형성되어 상기 날개를 따라 중앙 부위로 이동된 바람이 역풍으로 전환되는 것을 방지하면서 상기 풍차 본체의 순방향 회전운동을 행할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 발전기는 상기 풍차 조립체와 일단이 연결되어 풍차 조립체의 회전력에 의해 구동되는 구동축과, 상기 구동축에 축방향으로 다수개가 직렬로 설치된 회전자와, 상기 다수개의 회전자 외측에 각각 배치되고 전자석으로 형성된 다수개의 고정자와, 상기 구동축의 타단에 설치되어 상기 구동축의 회전력에 따라 기전력을 발생하는 전기발생장치와, 상기 전기발생장치와 고정자를 연결하는 전기배선 상에 설치되고 상기 전기발생장치에서 생성된 기전력의 크기에 따라 전류공급을 단속하는 전기공급장치로 구성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 전기공급장치는 상기 전기발생장치와 고정자 사이의 전기배선 상에 각각 설치되고 상기 전기발생장치에서 발생된 기전력의 크기에 따라 전기의 흐름을 단속하는 전기 메타와, 상기 전기 메타와 연결되어 상기 전기 메타로부터 전기를 공급받게 되면 단락된 전기배선을 접속시키는 전기접속기로 구성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 조향수단은 중공된 반원기둥 모양으로 형성되어 상기 풍차 조립체의 외면에 씌워지는 다수개의 커버와, 상기 커버가 바람의 방향과 평행하게 위치되어 역풍을 방지할 수 있도록 상기 커버의 일 부분에 벨트로 연결되어 구동력을 제공하는 구동모터와, 상기 구동모터의 구동 방향 및 회전 각도를 결정할 수 있도록 바람의 방향에 따라 회전되도록 공회전 가능한 지지축에 설치되는 방향판과, 상기 방향판이 설치된 지지축의 회전 방향 및 회전각을 감지하여 상기 구동모터에 전기적 신호를 출력하는 제어부가 포함되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.