KR100795391B1 - 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로서, 바람에 의해 회전 가능한 날개부; 상기 날개부와 결합되고 상기 날개부에 의해 소정의 축선을 중심으로 회전운동하는 회전운동부; 및 상기 회전운동부에 결합되어 상기 회전운동부의 회전운동을 전기 에너지로 변환시키는 발전기구를 포함하되, 상기 날개부는, 내부가 개방된 복수의 단위셀을 구비한 외곽프레임; 상기 단위셀들 각각에 대해 일방향으로 회동 가능하게 결합되며, 상기 복수의 단위셀과 연통하도록 내부가 개방되어 있는 복수의 글라이드 브래킷; 및 상기 글라이드 브래킷에 각각 회동 가능하게 결합되고, 풍향에 기초하여 상기 글라이드 브래킷의 내부공간을 선택적으로 개폐하는 복수의 글라이드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 의하여, 날개부가 바람의 세기나 바람의 방향에 적절하게 대응할 수 있기에 항시 원하는 일정량의 회전력을 얻을 수 있어 풍력 발전에의 효율을 높일 수 있다.

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Description

풍력 발전기{Aerogenerator}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 개략적인 구조도,

도 2는 도 1에 도시된 날개부에서 외곽프레임에 대해 글라이드 브래킷과 글라이드가 모두 회동된 상태를 도시한 도면,

도 3은 “A”방향으로의 풍향(약풍)이 발생될 때 날개부에 대한 동작 사시도,

도 4는 “A”방향으로의 풍향(강풍)이 발생될 때 날개부에 대한 동작 사시도,

도 5는 “B”방향으로의 풍향이 발생될 때 날개부에 대한 동작 사시도,

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전기에서 날개부에 대한 평면도,

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 풍력 발전기에서 날개부에 대한 측면도,

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 회전운동부 20 : 발전기구

30 : 날개부 31 : 외곽프레임

32 : 단위셀 33 : 글라이드 브래킷

35 : 글라이드 37 : 제1 힌지

39 : 만곡부

본 발명은, 풍력 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 날개부가 바람의 세기나 바람의 방향에 적절하게 대응할 수 있기에 항시 원하는 일정량의 회전력을 얻을 수 있어 풍력 발전에의 효율을 높일 수 있는 풍력 발전기에 관한 것이다.

대한민국을 비롯하여 대부분의 국가에서는 화학적 에너지원을 사용하고 있다. 화학적 에너지원이란 지구 원년의 자원인 석탄이나 석유 등을 활용한 에너지들이다. 이러한 화학적인 에너지원을 이용하여 전기를 생산하고, 자동차를 움직이며, 공장을 가동하게 된다.

화학적인 에너지원의 가장 큰 장점은 직접적인 에너지원이라는 것이며, 활용 대비 효율이 높다는 점이다. 하지만, 그 매장량에 한계가 있다는 점에서 화학적인 에너지원은 또 다른 커다란 단점을 갖는다.

지구의 인구가 증가하고 인류의 문명이 발전함에 따라 에너지의 수요가 공급을 넘어서게 되었고, 따라서 새로운 대체 에너지의 개발이 시급한 문제로 대두되었다. 그렇다고 해서 아무런 대책 없이 대체 에너지를 개발하다 보면 또 다른 문제로서 환경오염이 야기될 수 있다.

따라서 환경오염 문제를 야기하지 않으면서도 화학적 에너지원을 대체할 수 있는 에너지원의 개발이 시급하다 할 수 있다.

이러한 대안으로서 근자에 들어서는 파력, 수력 및 풍력 발전에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 용어 그대로 파력은 파도의 힘을 이용한 것이고, 수력은 물의 낙차를 이용한 것이며, 풍력은 바람을 이용한 것이다. 이들의 원천은 실질적으로 무궁무진한 것이므로 앞으로 화학적 에너지원을 대체하기에 충분하다 할 것이다.

이들 중에서도 특히, 풍력 발전기는 바람이 갖고 있는 에너지를 전기 에너지로 변환해주는 장치이다. 불어오는 바람은 풍력 발전기의 날개를 회전시키고, 이 때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산하게 된다.

이러한 풍력 발전은 무한정의 청정에너지원으로서, 앞서도 기술한 바와 같이 화석 연료를 대신하여 자원 고갈에 대비할 수 있다. 또한 풍력 발전 시설은 가장 비용이 적게 들고, 건설 및 설치 기간이 짧다. 그리고 풍력 발전 시설단지는 농사, 목축 등 토지 이용의 효율성을 높이는 추가의 이점이 있다.

이에 대한민국에서도 곳곳에 풍력 발전기를 설치하여 새로운 에너지원을 창출해내고 있는 실정에 있다.

하지만, 현재까지 시공 설치된 풍력 발전기의 경우, 특히 그 날개 부분(이하, 날개부라 함)에 있어서는 단지 바람에 의해 회전하는 단순 구조만을 개시하고 있기 때문에 바람의 세기나 바람의 방향에 적절하게 대응하지 못하고 있다.

즉, 날개부는 적정한 수준으로 항시 일정한 회전력을 제공해야 함에도 불구 하고 바람의 세기에 따라 회전력이 달라질 수 있고, 또한 역 방향으로 불어오는 바람에 대해 그 회전력이 상쇄될 우려가 높다. 따라서 날개부가 항시 원하는 정속도로 회전될 수 있도록 하여 풍력 발전에의 효율을 높일 수 있도록 할 필요성이 대두된다

본 발명의 목적은, 날개부가 바람의 세기나 바람의 방향에 적절하게 대응할 수 있기에 항시 원하는 일정량의 회전력을 얻을 수 있어 풍력 발전에의 효율을 높일 수 있는 풍력 발전기를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 바람에 의해 회전 가능한 날개부; 상기 날개부와 결합되고 상기 날개부에 의해 소정의 축선을 중심으로 회전운동하는 회전운동부; 및 상기 회전운동부에 결합되어 상기 회전운동부의 회전운동을 전기 에너지로 변환시키는 발전기구를 포함하되, 상기 날개부는, 내부가 개방된 복수의 단위셀을 구비한 외곽프레임; 상기 단위셀들 각각에 대해 일방향으로 회동 가능하게 결합되며, 상기 복수의 단위셀과 연통하도록 내부가 개방되어 있는 복수의 글라이드 브래킷; 및 상기 글라이드 브래킷에 각각 회동 가능하게 결합되고, 풍향에 기초하여 상기 글라이드 브래킷의 내부공간을 선택적으로 개폐하는 복수의 글라이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기에 의해 달성된다.

여기서, 상기 복수의 글라이드 브래킷은, 상부가 제1 힌지에 의해 상기 외곽프레임에 결합된 상태에서 상기 제1 힌지를 기초로 상하 또는 좌우로 회동할 수 있으며, 상기 복수의 글라이드는, 측면이 제2 힌지에 의해 상기 복수의 글라이드 브래킷에 결합된 상태에서 상기 제2 힌지를 기초로 좌우 또는 상하로 회동할 수 있다.

상기 글라이드 브래킷 한 개당 적어도 하나의 글라이드가 마련될 수 있다.

상기 복수의 단위셀은 사각형 배열 구조를 가질 수 있다.

상기 복수의 단위셀에 의한 외곽프레임의 전체 형상은 사다리꼴 배열 구조를 가질 수 있다.

상기 날개부는 상하 방향을 따라 상호 이격된 다단 층상 구조를 가질 수 있다.

상기 글라이드가 상기 글라이드 브래킷의 내부공간을 차폐한 후, 바람에 의해 상기 글라이드 브래킷과 함께 회동할 수 있도록 상기 글라이드는 상기 글라이드 브래킷의 내측에서 상기 글라이드 브래킷에 접촉될 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 개략적인 구조도, 도 2는 도 1에 도시된 날개부에서 외곽프레임에 대해 글라이드 브래킷과 글라이드가 모두 회동된 상태를 도시한 도면, 도 3은 “A”방향으로의 풍향(약풍)이 발생될 때 날개 부에 대한 동작 사시도, 도 4는 “A”방향으로의 풍향(강풍)이 발생될 때 날개부에 대한 동작 사시도, 도 5는 “B”방향으로의 풍향이 발생될 때 날개부에 대한 동작 사시도이다.

이들 도면을 참조하되 주로 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 풍력 발전기는, 크게 날개부(30), 회전운동부(10) 및 발전기구(20)를 포함한다.

날개부(30)는 바람에 의해 직접적으로 회전하는 부분이다. 프로펠러라고도 한다. 통상의 풍력 발전기에서는 날개부(30)가 단순하게 3개의 유선형 단위날개를 갖는 횡류팬으로 적용된 것이 많았다.

하지만 본 실시예에서는 아래와 같이 날개부(30)의 구조를 개선함으로써 바람의 세기나 바람의 방향에 적절하게 대응할 수 있도록 하고 있다.

이러한 날개부(30)를 통해서 항시 원하는 일정량의 회전력을 얻을 수 있게 된다. 날개부(30)에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 하며, 우선, 회전운동부(10) 및 발전기구(20)에 대해 설명하기로 한다.

회전운동부(10)는 날개부(30)와 결합되고 날개부(30)에 의해 소정의 축선을 중심으로 회전운동하는 부분이다. 이러한 회전운동부(10)는, 회전축(11)과, 회전축(11)의 외측에 마련되어 회전축(11)과 동회전하는 외측커버(12)와, 외측커버(12)와 날개부(30)를 상호 연결하는 복수의 연결핀부(13)를 포함한다.

회전축(11)의 하단에는 회전판(14)이 결합되어 있다. 회전판(14)과 지지블록(15)의 상단에 고정된 고정판(16)과의 사이에는 베어링(17)이 개재되어 있다. 베어링(17)에 의해 고정판(16)을 중심으로 회전판(14)은 회전할 수 있다. 회전축(11) 의 내부에는 고정축(18)이 배치되어 있다.

또한, 상기 회전축(11)와 고정축(18)사이에도 베어링(미도시함)이 개재되어, 상기 회전축(11), 외측커버(12) 및 날개부(30)가 고정축(18)에 대해 원활히 회전운동할 수 있도록 구성된다.

발전기구(20)는 회전운동부(10)에 결합되어 회전운동부(10)의 회전운동을 전기 에너지로 변환시키는 역할을 한다. 이러한 발전기구(20)는 회전축(11)에 결합된 구동풀리(21)와, 발전용 모터(22)에 결합된 종동풀리(23)와, 구동 및 종동풀리(21,23)를 상호 연결하는 벨트(24)를 구비한다.

이에, 바람에 의해 날개부(30)가 회전하면, 복수의 연결핀부(13)에 의해 날개부(30)와 연결된 외측커버(12) 및 회전축(11)이 회전하게 된다. 회전축(11)의 하단에 형성된 회전판(14)이 베어링(17)에 의해 고정판(16)을 중심으로 회전함으로써 회전축(11)은 원활하게 회전할 수 있다.

이처럼 회전축(11)이 회전하게 되면, 회전축(11)에 결합된 구동풀리(21)가 회전하게 되고, 이의 회전력은 벨트(24)를 통해 종동풀리(23)로 전해져 결국 발전용 모터(22)로 향하게 됨으로써, 발전용 모터(22)를 통해 운동에너지가 전기에너지로 변환된다. 변환된 전기에너지는 도시 않은 전선을 통해 분기될 수 있다.

한편, 전기에너지를 생성하기 위해 최초로 바람에 의해 회전하는 날개부(30)에 대해 살펴보면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 날개부(30)는 회전축(11)의 길이 방향을 따라 상호 이격된 다단 층상 구조를 갖는다. 본 실시예의 경우, 날개부(30)가 상하 방향을 따라 상호 이격된 2개의 층상 구조를 이루고 있다.

하지만, 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도 6과 같이, 날개부(30)는 상하 방향을 따라 상호 이격된 3개의 층상 구조를 이룰 수도 있다. 물론, 경우에 따라서는 4개 이상의 층상 구조를 이룰 수도 있는 바, 본 발명의 사상이 도시된 것에 국한될 필요는 없다.

참고로, 도 2에 도시된 날개부(30)는, 외곽프레임(31)에 대해 글라이드 브래킷(33)과 글라이드(35)가 모두 회동된 상태를 도시한 도면이다. 하지만, 실제로 도 2와 같은 동작은 이루어지지 않는다. 다만 설명의 편의를 위해 도 2를 첨부하는 바, 날개부(30)에 대한 세부 구성에 대한 참조부호는 도 2에 부여하도록 한다.

도 2 내지 도 5를 참조할 때, 날개부(30)는 외곽프레임(31)과, 글라이드 브래킷(33)과, 글라이드(35)를 구비한다.

외곽프레임(31)은 날개부(30)의 전체 외곽틀을 이루는 부분이다. 외곽프레임(31)의 내부에는 복수의 단위셀(32)이 형성되어 있다. 각 단위셀(32)들의 내부(32a)는 전부 개방되어 있다.

복수의 단위셀(32)은 사각형 배열 구조를 갖는다. 즉, 상하 두개의 층으로 배열되다가 단부 측으로 갈수록 그 폭이 좁아지게 형성되어 있다. 하지만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니므로 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 단위셀(32’)에 의한 외곽프레임(31’)의 전반적인 구조는 사다리꼴 배열 구조가 될 수도 있다.

글라이드 브래킷(33)은 복수개로 마련된다. 보다 구체적으로 글라이드 브래킷(33)은 각 단위셀(32)의 개수만큼 마련되며, 각 단위셀(32)의 전방에 위치된다.

이러한 글라이드 브래킷(33)은 단위셀(32)과 마찬가지로 그 내부(33a)가 개방되어 있다. 따라서 단위셀(32)과 글라이드 브래킷(33)이 상호 포개지더라도 바람은 그 내부(32a,33a)들을 통해 순환될 수 있다.

외곽프레임(31)과는 달리, 글라이드 브래킷(33)은 단위셀(32)들 각각에 대해 일방향으로 회동 가능하게 결합된다. 즉, 복수의 글라이드 브래킷(33)은, 상부가 제1 힌지(37)에 의해 외곽프레임(31)에 결합된 상태에서 제1 힌지(37)를 기초로 상하 회동하는 동작을 갖는다.

복수의 글라이드(35)는 글라이드 브래킷(33)에 각각 회동 가능하게 결합되고, 풍향에 기초하여 글라이드 브래킷(33)의 내부공간을 선택적으로 개폐하는 역할을 한다. 다시 말해, 복수의 글라이드(35)는, 측면이 제2 힌지(미도시)에 의해 복수의 글라이드 브래킷(33)에 결합된 상태에서 제2 힌지를 기초로 좌우 회동하는 동작을 갖는다.

도시된 예에서는 상기 글라이드 브래킷(33)은 제1 힌지(37)를 기초로 상하회동하고, 글라이드(35)는 제2 힌지를 기초로 좌우회동하도록 설명하였으나, 본 발명이 이에 국한될 것은 아니며 상기 글라이드 브래킷(33)이 외곽프레임(31)에 대해, 그리고 상기 글라이드(35)는 글라이드 브래킷(33)에 대해 간섭없이 회전운동할 수 있는 것이라면, 상기 글라이드 브래킷이 좌우회동하고 상기 글라이드가 상하회동하는 구조로도 변형하여 사용할 수 있을 것이다.

참고로 제2 힌지에 대해서는 구체적으로 도시하고 있지는 않지만, 도 2에서 글라이드(35)의 측면이 글라이드 브래킷(33)에 접하는 영역(38)이 제2 힌지가 배치 된 부분인 것이다.

글라이드 브래킷(33) 한 개당 적어도 하나의 글라이드(35)가 마련될 수 있는데, 본 실시예의 경우, 2개의 글라이드(35)가 마련된다.

이 때, 도 4에 도시된 바와 같이, 글라이드(35)가 글라이드 브래킷(33)의 내부공간을 차폐한 후, 바람에 의해 글라이드 브래킷(33)과 함께 회동할 수 있도록 글라이드(35)는 글라이드 브래킷(33)의 내측에서 글라이드 브래킷(33)에 접촉되는 것이 바람직하다.

이러한 구성을 갖는 풍력 발전기에서 바람의 방향 및 세기에 따른 날개부(30)의 동작을 살펴보도록 한다. 앞서도 기술한 바와 같이, 도 2의 동작은 실질적으로 이루어지지 않으므로 생략한다.

우선, 도 3에 도시된 바와 같이, 화살표 “A”방향으로 바람이 불기는 하되 비교적 약한 약풍이 불 경우, 제2 힌지를 축으로 하여 모든 글라이드(35)는 회동하여 글라이드 브래킷(33)의 내부(33a)를 차폐하며, 이러한 상태에서 “A”방향으로 불어오는 바람에 밀려 날개부(30)는 시계 방향으로 회전하게 된다.

이때, 대칭되는 쪽의 날개부(30)(미도시함)에 작용하는 바람은 "A"방향에서 불어오는 바람에 대해 반시계방향의 회전력으로 작용하게될 것이나, 대칭되는 쪽의 날개부(30)에서는 도 5에서와 같이 글라이드(35)가 열린 상태가 될 것이므로 반시계방향의 회전력은 시계방향의 회전력보다 항상 작게 작용하게 된다. 따라서 본 발명에서는 풍력발전기의 날개부(30)가 항상 일방향(도시된 예에서는 시계방향)으로만 회전하게된다.

만약에, 화살표 “A”방향으로 바람이 불기는 하되, 도 4와 같이 비교적 센 강풍이 불 경우에는, 모든 글라이드(35)가 글라이드 브래킷(33)의 내부(33a)를 차폐한 도 3의 상태에서 글라이드 브래킷(33)이 제1 힌지(37)를 기초로 상측으로 회동한다.

따라서 단위셀(32)들의 내부(32a) 일부분은 개방된다. 이처럼 단위셀(32)들의 내부(32a) 일부분이 개방됨으로써 불필요하게 형성되는 강한 바람은 그냥 지나칠 수 있다. 하지만 도 4와 같더라도 도 3과 같이 날개부(30)는 시계 방향 회전한다.

하지만, 풍향이 바뀌어 도 5의 “B”방향으로 바람이 불 경우, 날개부(30)가 반시계 방향으로 회전해서는 아니 된다. 이를 위해 도 5와 같이 “B”방향으로 바람이 불면, 글라이드 브래킷(33)은 위치 고정된 그대로를 유지하되, 모든 글라이드(35)가 제2 힌지를 축으로 하여 회동함으로써 글라이드 브래킷(33)의 내부(33a)를 개방하게 된다. 따라서 “B”방향으로 부는 바람은 글라이드 브래킷(33)의 내부(33a)를 따라 그대로 통과하게 됨으로써 날개부(30)의 역회전은 이루어지지 않게 된다.

이때에도, 대칭되는 쪽의 날개부(30)(미도시함)에 작용하는 바람은 "B"방향에서 불어오는 바람에 대해 시계방향의 회전력으로 작용하게될 것이나, 대칭되는 쪽의 날개부(30)에서는 도 3에서와 같이 글라이드(35)가 닫힌 상태가 될 것이므로 시계방향의 회전력은 반시계방향의 회전력보다 항상 크게 작용하게 된다. 따라서 본 발명에서는 풍력발전기의 날개부(30)가 항상 일방향(도시된 예에서는 시계방향) 으로만 회전하게된다.

이와 같이, 간단하고 단순한 방법으로 날개부(30)의 회전을 자연스럽게 제어함으로써, 바람의 세기나 바람의 방향에 적절하게 대응할 수 있다. 따라서 항시 원하는 일정량의 회전력을 얻을 수 있어 풍력 발전에의 효율을 높일 수 있게 된다.

한편, 회전효율을 높이기 위해서는 날개부가 바람의 저항을 되도록 많이 받는 구조가 되어야 할 것이므로, 날개부(30)의 선단을 외측으로 만곡되어진 만곡부(39)를 구성하되 그 양단은 서로 대칭되는 형태로 구성할 수도 있을 것이다.

이상 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하였으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 날개부가 바람의 세기나 바람의 방향에 적절하게 대응할 수 있기에 항시 원하는 일정량의 회전력을 얻을 수 있어 풍력 발전에의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 바람에 의해 회전 가능한 날개부; 상기 날개부와 결합되고 상기 날개부에 의해 소정의 축선을 중심으로 회전운동하는 회전운동부; 및 상기 회전운동부에 결합되어 상기 회전운동부의 회전운동을 전기 에너지로 변환시키는 발전기구를 포함하되,

   상기 날개부는, 내부가 개방된 복수의 단위셀을 구비한 외곽프레임; 상기 단위셀들 각각에 대해 일방향으로 회동 가능하게 결합되며, 상기 복수의 단위셀과 연통하도록 내부가 개방되어 있는 복수의 글라이드 브래킷; 및 상기 글라이드 브래킷에 각각 회동 가능하게 결합되고, 풍향에 기초하여 상기 글라이드 브래킷의 내부공간을 선택적으로 개폐하는 복수의 글라이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 복수의 글라이드 브래킷은, 상부가 제1 힌지에 의해 상기 외곽프레임에 결합된 상태에서 상기 제1 힌지를 기초로 상하 회동하며, 상기 복수의 글라이드는, 측면이 제2 힌지에 의해 상기 복수의 글라이드 브래킷에 결합된 상태에서 상기 제2 힌지를 기초로 좌우 회동하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 글라이드가 상기 글라이드 브래킷의 내부공간을 차폐한 후, 바람에 의해 상기 글라이드 브래킷과 함께 회동할 수 있도록 상기 글라이드는 상기 글라이드 브래킷의 내측에서 상기 글라이드 브래킷에 접촉되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.

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