KR100485494B1 - 수직형 풍력발전기 - Google Patents

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KR100485494B1
KR100485494B1 KR10-2002-0063373A KR20020063373A KR100485494B1 KR 100485494 B1 KR100485494 B1 KR 100485494B1 KR 20020063373 A KR20020063373 A KR 20020063373A KR 100485494 B1 KR100485494 B1 KR 100485494B1
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이정운
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Abstract

본 발명은 높은 부하용량으로 인하여 출력을 높일 수 있으며, 비상차단장치에 의해 돌풍 및 강풍에 강한 기술적 특성을 갖는 풍력발전기에 관한 것으로서, 메인 샤프트(1)의 하단에 발전기(2)가 연결되고, 상기 메인 샤프트(1)에서 방사상으로 다수개의 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5)이 연장되며, 상기 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5) 사이에 임펠러(11)가 각각 장착되고, 상기 임펠러(11)가 날개 정면각 조정장치(31)를 통해 풍향계(7)와 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

수직형 풍력발전기{Vertical wind power generator}
본 발명은 높은 부하용량으로 인하여 출력을 높일 수 있으며, 비상차단장치에 의해 돌풍 및 강풍에 강한 기술적 특성을 갖는 풍력발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 임펠러가 자체적으로 자전운동을 할 수 있는 것과 동시에 메인 샤프트를 중심으로 원주운동을 할 수 있으며, 치차 감속기와 비상차단장치에 의해 풍향계에서 임펠러로의 동력 전달이 차단될 수 있는 풍력발전기에 관한 것이다.
대한민국 특허출원 제2002-30509호(2002년 5월 51일)에 "풍력발전기"가 소개되어 있다. 상기 풍력발전기는 바람에 의해 회전하는 블레이드와; 상기 블레이드가 결합되어 상기 블레이드와 함께 일체로 회전하는 메인샤프트와; 상기 메인샤프트의 회전에 의해 로터가 회전하여 전력을 발생시키도록 상기 메인샤프트와 상기 로터의 샤프트 일단이 동축상으로 연결된 발전기와; 상기 발전기 로터의 샤프트 타단과 동축상으로 로터의 샤프트가 연결되어 상기 발전기의 로터 및 메인샤프트를 매개로상기 블레이드를 회전시키기 위한 구동모터와; 상기 블레이드의 초기 기동 시 상기 구동모터를 구동시키며 상기 블레이드가 일정 회전수에 도달하면 상기 구동모터의구동을 중지시키는 제어반을 포함한다.
그러나, 상기 풍력발전기는 임펠러가 고정되어 있어 바람의 방향이 변화에 대응하지 못하며, 국소적 돌풍에 약한 문제점이 있다.
대한민국 특허출원 제2002-30140호(2002년 5월 30일)에 "통풍홈을 가진 속이 빈 반원반 형상 수직축 풍력회전날개"가 소개되어 있다. 그러나, 상기 통풍홈을 가진 속이 빈 반원반 형상 수직축 풍력회전날개 또한 임펠러가 고정되어 있어 바람의 방향이 변화에 대응하지 못하며, 국소적 돌풍에 약한 문제점이 있다.
대한민국 실용신안 제279086호, 제271719호, 제268957호에 소개된 풍력발전기 역시 위에서 언급한 문제점이 있다.
대한민국 특허출원 제2001-81017호(2001년 12월 19일)에 "수직축 풍력 발전기용 회전 날개의 각도 변환장치"가 소개되어 있다.
그러나, 상기 수직축 풍력 발전기용 회전 날개의 각도 변환장치는 회전날개의 크기가 작아 충분한 동력 발생이 어렵고, 국소적 돌풍 등 강한 바람에 의해 모멘트 지수가 허용범위를 초과하였을 경우 이를 차단할 수 있는 수단이 구비되어 있지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 날개 정면각 조정장치에 의해 풍향계의 각회전이 임펠러로 전달되어 임펠러가 풍향계에 의해 바람을 정면에서 안을 수 있도록 각회전하게 되므로서 임펠러가 메인 샤프트를 중심으로 원주운동을 할 수 있으며, 돌풍 또는 강풍이 불 때 풍향계의 각회전을 임펠러로 전달하는 날개 정면각 조정장치의 동력전달이 원추 클러치에 의해 차단되므로서 임펠러의 파손을 방지할 수 있고, 커플링 차단 포크에 의해 임펠러의 회전을 강제로 정지시킬 수 있는 수직형 풍력발전기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기의 일례는 메인 샤프트의 하단에 발전기가 연결되고, 상기 메인 샤프트에서 방사상으로 다수개의 상부 연결축 및 하부 연결축이 연장되며, 상기 상부 연결축 및 하부 연결축 사이에 임펠러가 각각 장착되고, 상기 임펠러가 날개 정면각 조정장치를 통해 풍향계와 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 임펠러의 원주운동과 자전 비율은 2:1인 것을 특징으로 한다.
상기 날개 정면각 조정장치는 상단에 풍향계가 장착될 수 있도록 장착구멍을 가진 상부 샤프트와 하부 샤프트가 치차 감속기에 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 치차 감속기는 소위 유성기어장치로 일컬어지는 것으로서, 상부 샤프트의 하단에 유성기어가 장착되고, 상기 유성기어와 맞물려 연동하는 선기어가 하부 샤프트와 연결되어 상부 샤프트의 회전이 하부 샤프트로 전달되는 것을 특징으로 한다.
상기 임펠러의 원주운동과 자전 비율은 2:1이 되도록 하기 위해서는 상기 치차 감속기의 유성기어와 선기어의 모듈비가 2:1인 것을 특징으로 한다.
상기 날개 정면각 조정장치는 풍향계에 의한 상부 샤프트의 회전동력이 하부 샤프트로 전달되는 것을 차단할 수 있수 있도록 치차 감속기와 하부 샤프트 사이에 장착되는 원추 클러치와 임펠러의 원주운동을 강제로 정지시켜야 할 때 상기 원추 클러치의 동력전달을 강제로 차단할 수 있는 커플링 차단 포크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 원추 클러치는 치차 감속기의 선기어와 상부 커플링이 볼트수단에 의해 체결되고, 상기 상부 커플링과 하부 커플링이 커플링되고, 상기 하부 커플링이 스프링에 의해 탄성적으로 지지되며, 상기 스프링의 하단에 스프링의 장력을 조절할 수 있는 조절너트가 하부 샤프트에 장착되고, 상기 상부 커플링 및 하부 커플링을 관통하도록 배치되는 하부 샤프트에 상기 하부 커플링이 결합되어 상기 하부 샤프트가 상부 커플링에 대해 상대회전할 수 있고 하부 커플링과 함께 회전하게 되는 것을 특징으로 한다.
상기 커플링 차단 포크는 "ㄱ" 형상으로 형성되며, 하부 샤프트를 커버하는 베어링 캡 내에 굴절부가 핀에 의해 장착되고, 수직부의 하부구멍에 와이어가 연결되고, 수평부가 하부 커플링의 상부 테두리면에 안착되는 것을 특징으로 한다.
상기 하부 샤프트는 볼트에 의해 베어링 캡과 결합된 서포트 부재에 의해 상단이 지지되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기는 메인 샤프트(1)의 하단에 발전기(2)가 연결되고, 상기 메인 샤프트(1)에서 방사상으로 다수개의 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5)이 연장되며, 상기 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5) 사이에 임펠러(11)가 각각 장착되고, 상기 임펠러(11)가 날개 정면각 조정장치(31)를 통해 풍향계(7)와 연결된다.
도 2를 참조하면, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기는 다음과 같이 작동한다.
풍향계(7)는 항상 바람이 불어오는 방향으로 일직선으로 정렬된다. 따라서, 바람이 X축 방향으로 분다고 가정하면, 풍향계(7)는 언제나 X축 방향으로 정렬되지만, 회전 모멘트가 큰 시계방향으로 임펠러가 항상 회전하게 되어, 날개 정면각 조정장치(31 ;도 1 참조)에 의해 임펠러(11)가 바람 부분 방향에 일정한 각을 갖도록 배치되는 것과 동시에 바람에 의해 메인 샤프트(1)를 축으로 하여 시계방향으로 원주운동을 하게 된다. 즉, a 위치에서 풍향계(7)와 임펠러(11a)가 X축 방향을 향하고, 상기 임펠러가 원주운동(공전)을 하여 b 위치에 위치하게 되면, 바람의 방향과 일치되도록 풍향계(7)가 회전하고, 상기 풍향계(7)의 회전각만큼 날개 정면각 조정장치(15)에 의해 임펠러(11b)는 X축에 대해 -45도 방향으로 경사지게 배치되고, 상기 임펠러가 메인 샤프트(1)를 축으로 하여 더 회전하여 c 위치에 도달하면, 풍향계(7)가 바람의 방향과 일치되도록 회전되므로서, 날개 정면각 조정장치(15)가 상기 풍향계(7)의 회전각을 임펠러(11c)로 전달하여 임펠러(11c)가 -90도 회전하여 바람의 방향에 대해 수직하게 배치되고, d 위치에서 풍향계(7) 및 날개 정면각 조정장치(15)에 의해 임펠러(11d)는 바람의 방향에 대해 -125도 경사지게 배치된다. 따라서, 풍향계의 각회전을 임펠러로 전달하는 날개 정면각 조정장치(31)에 의해 임펠러가 항상 바람을 안고 회전 모멘트가 큰 어느 한 방향으로 원주운동을 하게 되며 임펠러의 원주운동에 의해 메인 샤프트(1)가 회전하므로서, 메인 샤프트(1)의 하단에 배치된 발전기(2)가 발전하게 된다.
위에서 바람이 0도 방향으로 불었을 때를 예로 들고 있지만, 바람이 어느 방향으로 불어도 풍향계(7)가 항상 바람이 불어오는 방향으로 일직선으로 정렬되기 때문에 임펠러는 위에서 예시한 위치로 배치된다. 또한, 위에서 설명한 바와같이, 본 발명은 상기 임펠러(11)의 원주운동과 자전 비율은 2:1이 가장 바람직하다.
위에서 설명한 바와같이, 바람이 불 때 풍향계는 항상 바람이 불어오는 방향으로 배치되지만, 임펠러(11)가 바람이 불어오는 방향에 대해 정면으로 배치될 수 있게 하는 날개 정면각 조정장치(31)에 대해 자세하게 설명하기로 한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 상기 임펠러(11)는 "工" 형상의 프레임(13)에 돛 (15)이 장착되고, 상기 프레임(13)의 상부 수평부(13a)가 연결부재(17)에 의해 날개 정면각 조정장치(31)에 연결되고, 상기 프레임(13)의 하부 수평부(13b)에 연결된 볼(19)이 하부 연결축(5)에 회전가능하게 장착된다.
상기 연결부재(17)는 키이(key)에 의해 하부 샤프트(41)와 결합되고 하단이 임펠러(11)의 상부 수평부(13a)에 연결된다.
도 4를 참조하면, 상기 날개 정면각 조정장치(31)는 상단에 풍향계(7 ; 도 1 및 도 3 참조)가 장착될 수 있도록 장착구멍(33)을 가진 상부 샤프트(35)와 하부 샤프트(41)가 치차 감속기(51)에 서로 연결된다.
상기 치차 감속기(51)는 소위 유성기어장치로 일컬어지는 것으로서, 상부 샤프트(35)의 하단에 유성기어(53)가 장착되고, 상기 유성기어(53)와 맞물려 연동하는 선기어(55)가 하부 샤프트(41)와 연결되어 상부 샤프트(35)의 회전이 하부 샤프트(41)로 전달된다.
이것에 의해, 도 2에 도시된 바와같이, 상기 임펠러가 a 지점에서 b 지점으로 원주운동을 하면, 풍향계(7)가 바람이 불어오는 방향으로 일직선으로 정렬되기 때문에 상부 샤프트(35)가 풍향계가 바람의 방향과 일직선이 되기 위해 각회전을 한만큼 상부 샤프트(35) 및 유성기어(53)가 회전하게 되고, 상기 유성기어(53)에 맞물린 선기어(55)가 회전하므로서 선기어(55)에 연결된 하부 샤프트(41)가 상기 선기어(55)의 각회전 값만큼 회전하게 되어 상기 하부 샤프트(41)의 하단에 장착된 연결부재(17)에 연결된 임펠러(11)가 각회전을 하게 된다. 즉, 위에서 도 2를 참조하여 설명한 바와같이, b지점에서 바람에 의해 풍향계(7)가 45도 회전하여 바람과 일직선으로 배치될 때 연결부재(17)에 의해 상기 하부 샤프트(41)에 연결된 임펠러 (11)가 각회전을 하게 되므로서, X축에 대해 -45도 방향으로 경사지게 배치되고, 상기 임펠러가 바람에 의해 b 지점에서 c 지점으로 원주운동을 하고, c지점에서 d지점으로 원주운동을 할 때에도 위에서 설명한 원리가 적용되어 임펠러(11)가 c 위치에서 바람이 불어오는 방향에 대해 정면으로 배치될 수 있다.
이와같이, 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기에 있어서, 상기 임펠러(11)의 원주운동과 자전 비율은 2:1이 되도록 하기 위해서는 상기 치차 감속기(51)의 유성기어(53)와 선기어(55)의 모듈비가 2:1이어야 한다.
다시 도 4를 참조하면, 위에서 설명한 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기에 있어서, 강풍 및 지역적인 돌풍에 의해 임펠러(11) 및 치차 감속기(51)가 파손되는 것을 방지하기 위해, 상기 날개 정면각 조정장치(31)는 풍향계(7)의 회전동력이 하부 샤프트(41)로 전달되는 것을 차단할 수 있수 있도록 치차 감속기(51)와 하부 샤프트(41) 사이에 장착되는 원추 클러치(61)와 기술정검과 같이 임펠러의 원주운동을 강제로 정지시켜야 할 때 상기 원추 클러치(61)의 동력전달을 강제로 차단할 수 있는 커플링 차단 포크(71)를 더 포함한다.
상기 원추 클러치(61)는 치차 감속기(51)의 선기어(55)와 상부 커플링(63)이 볼트수단(62)에 의해 체결되고, 상기 상부 커플링(63)과 하부 커플링(65)이 커플링되고, 상기 하부 커플링(65)이 스프링(67)에 의해 탄성적으로 지지되며, 상기 스프링(67)의 하단에 스프링(67)의 장력을 조절할 수 있는 조절너트(69)가 하부 샤프트 (41)에 장착되고, 상기 상부 커플링(63) 및 하부 커플링(65)을 관통하도록 배치되는 하부 샤프트(41)에 상기 하부 커플링(65)이 결합되어 상기 하부 샤프트(41)가 상부 커플링(63)에 대해 상대회전할 수 있고 하부 커플링(65)과 함께 회전하게 된다.
이것에 의해, 강한 바람에 의해 날개 정면각 조정장치(31)의 상부 샤프트 (35)에 장착된 유성기어(53)에 맞물린 선기어(55)가 빠르게 회전하여 상부 커플링 (63)의 회전 모멘트 지수가 한계값을 초과하였을 경우, 도 5에 도시된 바와같이, 하부 샤프트(41)와 결합된 하부 커플링(65)이 상부 샤프트(35)의 동력을 전달하는 상부 커플링(63)에서 분리되면서 스프링(67)의 탄성력을 이기고 하부로 내려가게 되므로서, 상부 샤프트(35)와 하부 샤프트(41)의 동력 전달이 끊어지게 된다. 따라서, 풍향계(7)에서 임펠러(11)로 회전동력이 차단되어 임펠러(11)가 자유운동을 할 수 있게 되므로서 상기 임펠러가 풍향계(7)와 같이 바람과 일직선으로 서게 되어 바람에 의해 파손되지 않는다. 또한, 바람이 약해지면, 스프링(67)에 의해 하부 커플링(65)이 상부 커플링(63)과 결합되므로서 상부 샤프트(35)의 동력이 하부 샤프트(41)로 전달되어 임펠러(11)가 위에서 설명했던 것과 같이 바람에 대해 일정한 방향을 가지게 된다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 상기 커플링 차단 포크(71)는 "ㄱ" 형상으로 형성되며, 하부 샤프트(41)를 커버하는 베어링 캡(81) 내에 굴절부가 핀(73)에 의해 장착되고, 수직부(73)의 하부구멍(74)에 와이어(77)가 연결되고, 도 6에 도시된 바와같이, 수평부(75)가 하부 커플링(65)의 상부 테두리면(66)에 안착된다.
상기와 같이 구성된 커플링 차단 포크(71)는 와이어(77)를 잡아당기면, 핀(73)을 축으로 하여 각회전하므로서 수평부(75)가 하부 커플링(65)를 하부로 강제로 밀어낸다. 이것에 의해 상부 커플링(63)과 하부 커플링(65)가 분리되어 상부 샤프트(35)에서 하부 샤프트(41)로의 동력전달이 차단되므로서, 임펠러(11)의 회전운동이 정지된다.
도 4를 참조하면, 위에서 설명한 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기에 있어서, 상기 하부 샤프트(41)는 볼트(95)에 의해 베어링 캡(81)과 결합된 서포트 부재(91)에 의해 상단이 지지된다.
위에서 설명한 바와같이, 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기는 날개 정면각 조정장치에 의해 풍향계의 각회전이 임펠러로 전달되어 임펠러가 풍향계에 의해 바람을 정면에서 안을 수 있도록 각회전하게 되어 상기 임펠러의 높은 부하용량으로 인하여 날개한계가 증가하므로서 전체적으로 출력이 높고, 원추 클러치에 의해 풍향계와 임펠러간의 동력전달이 자연스럽게 차단되고 연결되기 때문에 돌풍 및 강풍에 강한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기를 도시한 사시도
도 2는 바람에 의해 풍향계와 임펠러의 작동관계를 설명하기 위해 도 1의 수직형 풍력발전기를 개략적으로 도시한 평면도
도 3은 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기의 일부를 절취하여 개략적으로 도시한 부분 단면도
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기의 날개 정면각 조정장치를 도시한 단면도
도 6은 도 4의 A-A선에 따른 단면도
*도면의 주요부분에 대한 부호설명*
1 : 메인 샤프트 2 : 발전기
3, 5 : 연결축 7 : 풍향계
11 : 임펠러 31 : 날개 정면각 조정장치
35 : 상부 샤프트 41 : 하부 샤프트
51 : 치차 감속기 61 : 원추 클러치
71 : 커플링 차단 포크

Claims (9)

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  6. 메인 샤프트(1)의 하단에 연결되는 발전기(2)와, 상기 메인 샤프트(1)에서 방사상으로 연장되는 다수개의 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5)과, 상기 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5) 사이에 장착되는 임펠러(11)로 구성된 수직형 풍력발전기에 있어서,
    상기 임펠러(11)와 풍향계(7) 사이에 장착되는 날개 정면각 조정장치(31)를 더 포함하며,
    상기 날개 정면각 조정장치(31)는 치차 감속기(51)와 하부 샤프트(41) 사이에 장착되어 풍향계(7)에 의한 상부 샤프트(35)의 회전동력이 하부 샤프트(41)로 전달되는 것을 차단하는 원추 클러치(61)와, 임펠러(11)의 원주운동을 강제로 정지시켜야 할 때 상기 원추 클러치(61)의 동력전달을 강제로 차단할 수 있는 커플링 차단 포크(71)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 원추 클러치(61)는 치차 감속기(51)의 선기어(55)와 상부 커플링(63)이 볼트수단(62)에 의해 체결되고, 상기 상부 커플링(63)과 하부 커플링(65)이 커플링되고, 상기 하부 커플링(65)이 스프링(67)에 의해 탄성적으로 지지되며, 상기 스프링(67)의 하단에 스프링(67)의 장력을 조절할 수 있는 조절너트(69)가 하부 샤프트 (41)에 장착되고, 상기 상부 커플링(63) 및 하부 커플링(65)을 관통하도록 배치되는 하부 샤프트(41)에 상기 하부 커플링(65)이 결합되어 상기 하부 샤프트 (41)가 상부 커플링(63)에 대해 상대회전할 수 있고 하부 커플링(65)과 함께 회전하게 되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 커플링 차단 포크(71)는 "ㄱ" 형상으로 형성되며, 하부 샤프트(41)를 커버하는 베어링 캡(81) 내에 굴절부가 핀(73)에 의해 장착되고, 수직부(73)의 하부구멍(74)에 와이어(77)가 연결되고, 수평부(75)가 하부 커플링(65)의 상부 테두리면(66)에 안착되는 것을 특징으로 하는 수직형 발전기.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 하부 샤프트(41)는 볼트(95)에 의해 베어링 캡(81)과 결합된 서포트 부재(91)에 의해 상단이 지지되는 것을 특징으로 하는 수직형 발전기.
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