KR100541231B1 - 고효율 수직형 풍력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 수직형 풍력 발전장치에 관한 것으로, 그 목적은 풍력장치를 이루는 회전자의 외부를 보호함과 동시에 바람을 집풍할 수 있는 집풍덮개를 구비하고, 회전자의 표면형상을 바람의 회전력에 따른 역풍을 저감할 수 있는 구조로 형성하고, 회전자의 일측이 개방되는 구조로 하여 일정속도 이상의 강풍시 회전자에 인가되는 풍속을 저감시켜 원활한 회전이 가능토록 하며, 중심축을 두고 조립되는 회전자 간에 공기의 흐름이 가능토록 구성하고, 회전축의 하부 베어링으로 구성하여 마찰력을 줄이고, 이와 연동되는 발전기로 구성한 풍력발전장치를 제공하는데 있다. 본 발명의 구성은 회전자의 외부를 보호함과 동시에 바람을 집풍하는 가변형 집풍덮개(1)와, 상기 가변형 집풍덮개(1) 내부에 설치되어, 회전축(3)과 접하지 않는 외주면에 관성무게추(21)가 형성되고, 회전축과는 공기 통로를 이루는 다수의 다이아프램(22)으로 결합되고 일부면이 풍속에 따라 개방되는 개방 회전자(25)로 구성된 좌우 대칭의 한쌍의 상부 가변 회전자(2a)와, 상기 상부 가변 회전자의 하부와 결합되고 회전자 날개의 각도가 직각을 이루는 좌우대칭의 한쌍의 하부 가변 회전자(2b)로 구성된 것을 특징으로 한다.

풍력 플랜트, 베어링, 회전자, 집풍날개, 풍력발전, 베어링

Description

고효율 수직형 풍력 발전장치{High efficiency vertical type wind-power plant}

도 1은 본 발명 풍력장치 작동전의 실시예를 보인 사시도,

도 2는 본 발명 풍력장치 작동시의 실시예를 보인 사시도,

도 3은 본 발명 풍력장치의 내부를 보인 정면도,

도 4는 본 발명 풍력장치를 이루는 회전자를 보인 사시도,

도 5는 본 발명 풍력장치 회전자의 부분 열림상태를 보인 평면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 가변형 집풍덮개 (2a) : 상부 가변 회전자

(2b) : 하부 가변 회전자 (3) : 회전축

(4) : 베어링 (5) : 상부 베어링

(11) : 집풍날개 (21) : 관성무게추

(22) : 다이아프램 (23) : 딤플

(24) : 가로 프레임 (25) : 개방 회전자

(26) : 탄성 스프링 (51) : 수평프레임

(52) : 힌지형 수직 프레임 (251) : 힌지

본 발명은 고효율 수직형 풍력 발전장치에 관한 것으로, 자세하게는 오목 딤플이 불규칙적으로 배열 형성된 가변 회전자 및 베어링을 가진 풍력 발전장치에 관한 것으로, 특히 바람의 풍속에 따라 회전자의 저항을 줄일 수 있도록 회전자의 일측면에 오목형상의 수직 돌기가 형성되고, 풍속에 따라 회전자의 일측부가 개방되며, 회전자의 회전에 따라 연동되는 회전자 축의 마찰손실을 줄이도록 하부 베어링으로 구성한 풍력발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전시스템은 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기 역학적 특성을 이용하여 날개를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 발전기를 회전시켜 전기를 얻는 시스템이다.

상기와 같은 풍력 시스템을 이루는 주요 구성을 보면 날개(회전자), 증속장치(기어박스), 발전기, 제어 및 안전장치, 그리고 부가적으로 이러한 구조물들을 지지하는 지지철탑 등으로 구성된다.

회전자는 바람이 갖는 운동에너지를 날개가 갖는 기하학적 형상의 특성을 이용하여 양력(Lift force)으로 발생시켜 날개를 회전시켜서 날개를 회전시켜서 날개와 연결된 회전자 축을 통해 기계적 회전력으로 변환시키는 역할을 하게 된다.

이 회전력을 증속장치를 통하여 발전기의 정격회전수로 증속한 후 발전기를 구동시켜 발전하는 원리를 가지고 있다.

상기 회전자가 회전시에는 회전자의 회전에 반작용하는 역풍이 발생하게 되는데, 종래에는 이러한 역풍의 영향을 감소시킬 수 있는 구조가 제시되지 않아 회전시 역풍에 따른 회전에너지의 손실이 발생하였다.

또한 종래에는 일정 풍속이상의 바람(예: 태풍)이 불 경우 회전자에 인가되는 회전력 및 그에 따른 역풍의 세기를 저감 시킬 수 있는 바람통로가 제시되지 않아 일정 속도이상의 바람이 불 경우 풍력발전을 중단해야 하므로 발전의 신뢰성이 높지 않다는 문제점이 있었다.

또한 종래에는 대부분 회전자를 보호하는 장치 없이 발전을 하도록 풍력장치가 설치되는데, 이와 같이 개방된 회전자가 자연풍속에 의해서만 회전을 하게 되면 풍속이 작을 경우 회전자의 회전력이 작아 발전 효율에 문제가 있고, 이러한 개방상태로 회전자를 설치할 경우 발전시나 비발전시에 회전자가 쉽게 파손 당할 수 있다는 구조적 문제점이 있었다.

또한 상기 회전자는 일반적으로 FRP소재를 사용하여 가볍게 만들지만 일정정도의 무게를 가지게 되고 바람에 의한 힘이 더해져 회전자 축을 지지하는 베어링에 큰 부하로 작용하게 된다. 이에 따라 회전시의 마찰을 최소화하고 기계적 마찰을 피하기 위해 오일을 쓰거나 공기를 불어 넣는 방법을 취하고 있으나 기존의 베어링은 베어링의 종류에 관계없이 날개의 무게나 회전 속도에 의해 베어링 손실을 가지고 있다. 그러므로 베어링 손실에 의해서 풍속에 따른 회전자 축의 회전력의 감소 가 발생한다. 따라서 같은 풍속에 대해 높은 회전력을 발생시키기 위해서는 베어링의 회전력이 거의 필요 없는 베어링이 필요하다.

또한 기존의 풍력발전시스템은 동기나 비동기 발전기를 사용하고, 이러한 발전기는 철심을 사용하여 철손이 발생하여 무겁고, 구리에 저항 손실이 발생하여 이에 따른 전류 밀도의 한계가 낮아서 기존 기술로는 고밀도화의 한계가 뚜렷하므로 무겁고 부피가 크며 효율의 한계에 도달한 실정이다. 따라서 풍력발전 시스템의 효율을 높이고 기관실(nacelle)을 작고 가볍게 하기 위해서는 효율이 높고 소형 경량의 발전기가 필요하다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 풍력장치를 이루는 회전자의 외부를 보호함과 동시에 바람을 집풍할 수 있는 집풍덮개를 구비하고, 회전자의 표면형상을 바람의 회전력에 따른 역풍을 저감할 수 있는 구조로 형성하고, 회전자의 일측이 개방되는 구조로 하여 일정속도 이상의 강풍시 회전자에 인가되는 풍속을 저감시켜 원활한 회전이 가능토록 하며, 중심축을 두고 조립되는 회전자 간에 공기의 흐름이 가능토록 구성하고, 회전축의 하부 베어링으로 구성하여 마찰력을 줄이고, 이와 연동되는 발전기로 구성한 풍력발전장치를 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 구성은 수직형 회전자, 회전축 증속장치(기어박스), 발전기, 제어 및 안전장치 등으로 구성되는 수직형 풍력장치에 있어서,

수직형 회전자의 외부를 보호함과 동시에 바람을 집풍하는 가변형 집풍덮개와,

상기 가변형 집풍덮개 내부에 설치되어, 회전축과 접하지 않는 외주면에 관성무게추가 형성되고, 회전축과는 공기 통로를 이루는 다수의 다이아프램(Diaphragm)으로 결합되고 일부면이 풍속에 따라 개방되는 개방 회전자로 구성된 좌우 대칭의 한쌍의 상부 가변 회전자와,

상기 상부 가변 회전자의 하부와 결합되고 회전자 날개의 각도가 직각을 이루는 좌우 대칭의 한쌍의 하부 가변 회전자로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 가변형 집풍덮개는 회전축의 상부 베어링을 지지하는 4등분된 수평프레임과 수직으로 결합된 힌지형 수직 프레임에 일측이 결합되어 일정각도를 가지고 개폐되는 4개의 집풍날개로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 각각의 가변 회전자는 일측 중앙부 표면에 오목형상의 딤플이 불규칙(램덤)하게 배열 형성되고, 중앙부가 수직방향으로 분리되어 일측은 다이아프램 및 가로 프레임으로 고정되고, 타측은 관성무게추에 결합된 힌지 및 탄성 스프링(풍속이 30m/sec 이상일 경우 작동됨)에 의해 회전방향의 반대쪽으로 개방되는 개방 회 전자가 설치 구성된 것을 특징으로 한다.

회전축의 하부 일부를 영구자석으로 구성하여, 이 회전축을 초전도체 베어링에 삽입하고, 이 회전축의 회전력을 초전도발전기에 전달토록 구성할 수 도 있는데, 이와 같은 구성은 영구자석의 자력선이 초전도체를 통과하지 못하고 반발하는 원리를 이용하는 것으로 이와 같은 원리 및 수단은 공지의 기술이다.
하지만 본 발명에서는 이와 같은 회전체의 효율을 높이기 위한 수단 자체를 한정하지는 않는다.

이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 풍력장치 작동전의 실시예를 보인 사시도이고, 도 2는 본 발명 풍력장치 작동시의 실시예를 보인 사시도, 도 3은 본 발명 풍력장치의 내부를 보인 정면도, 도 4는 본 발명 풍력장치를 이루는 회전자를 보인 사시도를 도시하고 있는데, 그 구성은 수직형 회전자, 회전축 증속장치(기어박스), 발전기, 제어 및 안전장치 등으로 구성되는 수직형 풍력장치에 있어서,

비발전시 수직형 회전자의 외부를 보호함과 동시에 바람을 집풍하는 가변형 집풍덮개(1)가 외부에 구성된다.

이 상기 가변형 집풍덮개(1)는 회전축(3)의 상부 베어링(5)을 지지하는 4등분된 수평프레임(51)과 수직으로 결합된 힌지형 수직 프레임(52)에 일측이 결합되어 일정각도를 가지고 개폐되는 4개의 집풍날개(11)로 구성된다.

상기 집풍날개의 개방은 엑츄에이터등을 사용한 통상의 개페장치(도시없음) 를 설치하여 개페작동 시킨다.

상기 가변형 집풍덮개(1) 내부에는 풍속에 따라 회전하는 수직형 좌우 대칭의 한쌍의 상부 가변 회전자(2a)가 설치되는데, 회전력을 발전장치에 전달하는 회전축(3)과 접하지 않는 외주면에 관성무게추(21)가 형성되어, 회전을 한번 시작하면 그 무게로 인한 관성력에 의해 풍속이 저감되어도 일정기간 지속적인 회전이 가능하게 된다.

그리고 회전축과는 공기 통로를 이루는 다수의 다이아프램(Diaphragm , 22)으로 결합되어 회전축과 회전자의 연결지지 역할 뿐만 아니라, 일측에 부딪힌 바람이 소실되지 않고 대칭을 이루는 타측 회전자에 여분의 바람을 공급하게 되어 회전자를 가속시키게 된다.

그리고 가변 회전자(2a, 2b)는 일부면을 역풍에 대한 저항을 저감하도록 형성하고, 일정속도 이상의 풍속에 따라 개방되는 구조를 구성하는데, 그 구성을 자세히 살펴보면 일측 중앙부 표면에 오목형상의 딤플(23)이 불규칙(랜덤)하게 배열되어 형성되고, 중앙부가 수직방향으로 분리되어 일측은 다이아프램(22) 및 가로 프레임(24)으로 고정되고, 타측은 관성무게추(21)에 결합된 힌지(251) 및 탄성 스프링(풍속이 30m/sec 이상일 경우 작동됨, 26)에 의해 회전방향의 반대쪽으로 개방되는 개방 회전자(25)가 설치 구성되어 회전자의 지속적인 회전에 의한 발전이 가능하도록 구성하였다.

상기에서 딤플이 불규칙(랜덤)하게 배열되어 형성된 이유는 골프공에서의 딤플 형상이 형성된것과 같이 직진성을 유지하기 위한 것이다. 즉, 바람에 의해 일정한 반향성이 작용하지 않도록 난반사를 유도하기 위한 것이다.

따라서 딤플의 배열이 규칙적으로 배열된다면 딤플 형성의 이유가 없어지게 된다.

또한 상기 상부 가변 회전자의 하부와 커플링으로 결합되고 회전자 날개의 각도가 직각을 이루는 좌우 대칭의 한쌍의 하부 가변 회전자(2b)가 하부에 구성되어 수직 2단으로 구성되어 각 단을 이루는 회전자가 많은 풍량을 받도록 구성하였다.

또한 본 발명에서는 도 3에 도시된 예와 같이 회전축(3)의 하부 일부를 영구자석으로 하여 초전도체베어링(4)에 삽입하고, 이 회전축의 회전력을 초전도발전기(도시없음)에 전달토록 구성하여 효율을 극대화하도록 구성할 수도 있다.
본 발명 도 3에 도시된 상기와 같은 예는 하나의 실시예로 이와 같은 회전체의 효율을 높이기 위한 수단 자체를 본 발명에서 한정하지는 않는다.

도 5는 본 발명 풍력장치 회전자의 부분 열림상태를 보인 평면도를 도시하고 있는데, 중앙부에 형성된 오목형상의 딤플(23)이 중앙부 분리면을 두고 양단에 형성되어 있는 모습을 도시하고 있으며, 개방회전자(25)가 힌지로 결합된 관성무게추(21)에 설치되고 일측은 무게추에 고정되고, 일측은 개방회전자(25) 일측을 고정지지하고 있는 에 탄성스프링(26)이 일정속도 이상의 풍향에 따라 탄성적 으로 변형되어 개방되는 모습을 도시하고 있다. 이 탄성스프링은 바람의 속도가 초속 30m이하로 되면 다시 회전자의 원 위치로 복원하게 된다.

상기 도1, 2, 3에서는 관성무게추에 설치되는 탄성스프링의 도시를 생략하였다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작동을 설명하면 다음과 같다.

우선 본 발명의 풍력장치를 사용하기 위한 발전장치(펌프, 압축기, 진동장치, 순환톱, 재분기, 재유소)와 축을 연결하고, 일정속도의 이상이 되면 회전자가 회전하도록 가변형 집풍덮개(1)를 개방하여 바람을 집풍한다.

집풍된 바람에 의하여 상부 및 하부 회전자가 회전하여 회전축에 동력이 전달되도록 한다. 이때 회전자의 회전에 따른 역풍은 딤플에 의해 저감되고, 회전속도는 집풍날개, 관성무게추 및 다이아프램에 증속된다.

일정속도 이상의 바람이 불면 개방 회전자가 힌지 및 탄성 스프링에 의해 회전방향의 반대쪽으로 개방되어 지속적으로 회전하게 된다.

회전축으로부터 전달받은 회전량은 베어링을 거치면서 마찰을 줄인 후 발전기에 도달되어 고효율의 발전을 하게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 효과는 수직 회전축을 중심으로 좌우 대칭의 한쌍의 회전자가 다이아프램으로 결합되어 이 다이아프램과 회전축이 이루는 공간을 통해 공기가 대칭으로 쌍을 이루는 일측 회전자에서 타측 회전자로 흘러가게 되어 바람을 가속시키고 공기의 흐름을 원활히 하며, 표면부에는 공기의 저항을 저감하는 오목 딤플이 불규칙적으로 배열 형성되어 역풍에 대한 저항을 최소화 하였으며, 초속 30m이상의 강풍이 불 경우 회전자의 일측이 개방되어 바람에 대한 저항을 줄일 수 있는 구조로 되어 있으며, 회전축의 하부를 지지하는 베어링으로 구성하여 회전에 따른 마찰손실을 줄이고 이를 발전기에 전달하여 발전시킴으로서 효율이 극대화 된다는 장점을 가져, 그 산업상의 이용 가능성이 기대되는 발명이다.

Claims (4)

1. 수직형 회전자, 회전축 증속장치(기어박스), 발전기, 제어 및 안전장치 등으로 구성되는 수직형 풍력장치에 있어서,

   수직형 회전자의 외부를 보호함과 동시에 바람을 집풍하는 가변형 집풍덮개(1)와,

   상기 가변형 집풍덮개(1) 내부에 설치되어, 회전축(3)과 접하지 않는 외주면에 관성무게추(21)가 형성되고, 회전축과는 공기 통로를 이루는 다수의 다이아프램(Diaphragm , 22)으로 결합되고 일부면이 풍속에 따라 개방되는 개방 회전자(25)로 구성된 좌우 대칭의 한쌍의 상부 가변 회전자(2a)와,

   상기 상부 가변 회전자의 하부와 결합되고 회전자 날개의 각도가 직각을 이루는 좌우 대칭의 한쌍의 하부 가변 회전자(2b)로 구성된 것을 특징으로 하는 고효율 수직형 풍력 발전장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 가변형 집풍덮개(1)는 회전축(3)의 상부 베어링(5)을 지지하는 4등분된 수평프레임(51)과 수직으로 결합된 힌지형 수직 프레임(52)에 일측이 결합되어 일정각도를 가지고 개폐되는 4개의 집풍날개(11)로 구성된 것을 특징으로 하는 고효율 수직형 풍력 발전장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 각각의 가변 회전자 (2a, 2b)는 일측 중앙부 표면에 오목형상의 딤플(23)이 불규칙(랜덤)하게 배열형성되고, 중앙부가 수직방향으로 분리되어 일측은 다이아프램(22) 및 가로 프레임(24)으로 고정되고, 타측은 관성무게추(21)에 결합된 힌지(251) 및 탄성 스프링(풍속이 30m/sec 이상일 경우 작동됨, 26)에 의해 회전방향의 반대쪽으로 개방되는 개방 회전자(25)가 설치 구성된 것을 특징으로 하는 고효율 수직형 풍력 발전장치.
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