KR100796441B1

KR100796441B1 - 인공 기압차 유도 풍력발전기

Info

Publication number: KR100796441B1
Application number: KR1020060072271A
Authority: KR
Inventors: 신덕호
Original assignee: 신덕호
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-01-22
Also published as: WO2008016238A3; WO2008016238A2

Abstract

본 발명의 목적은 지면에 대해 수직으로 기립되게 설치되며, 상하부가 서로 연통되어 하부로부터 외부공기가 도입되어 상부로 공기가 흐르도록 안내하는 유체통로를 구비하고 있는 본체부와;

상기 본체부의 상부측에 설치되며, 방사상으로 뻣어있는 복수개의 블레이드를 구비하여 바람에 의해 회전 구동되는 풍차날개부와;

상기 풍차날개부를 회전가능하게 지지하며, 풍차날개부와 함께 회전구동하도록 수직으로 설치되는 회전축과;

상기 풍차날개부의 하부로 상기 본체부 상부측에 복수개가 마련되어 상기 회전축의 회전에 연동하여 회전하므로써 상기 본체부의 하부로부터 공기를 흡인하여 상기 풍차날개부의 블레이드들에 공기를 분사하도록 작동하는 1개 이상의 배풍팬장치와;

일단이 상기 배풍팬장치에 직접 또는 다른 부재를 개재하여 연통하도록 접속되고 타단이 상기 본체부에 연통하게 접속되므로써 상기 본체부를 통해 배풍팬장치내로 상승 유동하는 유체를 유동하는 도중에 유속을 증대시킬 수 있게 유체 통과 단면적을 조르도록 설치되는 벤츄리관과;

상기 벤츄리관의 도중에 마련되는 터빈하우징과, 그 터빈하우징내에 회전가능하게 수용되며, 그 벤츄리관을 통해 상승하게 되는 공기의 유속에 의해 회전구동되는 터빈과, 그 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전기를 구비하는 발 전부를 포함하여 구성되는 인공 기압차 유도 풍력발전기에 있어서,

상기 회전축을 회전가능하게 지지토록 상기 본체부 상부에 프레임 구조물을 설치하며, 상기 프레임 구조물의 상부 부재위에 상기 회전축을 둘러싸도록 하부영구자석을 매설하며, 상기 프레임 구조물의 상부측에 마주하는 상기 풍차날개부의 저면에 상기 하부영구자석과 서로 미는 극성을 가지도록 배치되는 상부 영구자석을 매설하며, 상기 풍차날개부는 상기 수직하는 회전축에 대해 축방향으로 움직임이 허용되는 키이결합 구조로 결합되므로써 상기 상하영구자석들간의 반발력에 의해 상기 풍차날개부가 회전축상에서 부상된 상태를 유지하면서 회전구동되도록 구성한 것을 특징으로 한다.

풍력발전기, 자기부상

Description

인공 기압차 유도 풍력발전기{WIND FORCE GENERATOR}

도 1은 본 발명에 의한 인공 기압차 유도 풍력발전기를 나타낸 도면

도 2는 본 발명에 의한 인공 기압차 유도 풍력발전기의 배풍팬장치의 동력전달구조를 나타낸 평면도

도 3은 본 발명에 의한 인공 기압차 유도 풍력발전기의 발전부를 나타낸 평면도

도 4는 본 발명에 의한 인공 기압차 유도 풍력발전기의 배풍팬장치를 나타낸 단면도

도 5는 본 발명에 의한 인공 기압차 유도 풍력발전기의 회전축 상부를 단면하여 나타낸 평단면도

도 6은 본 발명의 제어 블록도

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 본체부 2 : 블레이드

3 : 풍차날개부 4 : 회전축

5 : 프레임구조물 6 : 진공탱크실

7 : 상부원판 8 : 공기배출분사관로

9 : 배풍팬장치 12 : 발전부

16 : 키이 17 : 키이홈

18 : 하부영구자석 20 : 상부영구자석

21 : 증속동력전달장치 22 : 메인구동기어

23 : 피동기어 24 : 축

25,28 : 풀리 26 : 구동팬

27 : 회전축 29 : V벨트

30 : 배풍팬하우징 32 : 스타터구동모터

33 : 모터축 34 : 피니언기어

35 : 모터 36 : 피니언기어

37a,37b : 축전기 38 : 관로

39 : 진공펌프 40 : 축전기

41 : 원판 42 : 지주

44 : 격벽 45 : 베어링

46 : 터빈회전축 47 : 터빈

48 : 터빈하우징 49 : 플라이휠

50 : 증속기어장치 51 : 발전기

52 : 압축공기탱크 52A : 벤츄리관

53 : 진공펌프 54 : 공기흡입관로

55 : 압축공기분사관로 56,57 : 솔레노이드 밸브

58 : 자기브레이크 59 : 실린더

60 : 피스톤 61 : 브레이크용 자석

62 : 축열보일러 63 : 전기히터

64 : 제어장치 65 : 회전속도 검출센서

66 : 공기유통공 67 : 공기통로

68 : 압력계 69 : 관로

70 : 가이드판

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 특히 벤츄리관을 이용하여 인공적으로 상부와 하부에 기압차를 발생시켜 그 기압차에 의한 유체의 흐름을 이용하여 균일하고 큰 전력을 얻을 수 있도록 하되, 대형이고 고중량인 풍차 날개부가 작은 풍속에너지를 받아서도 강한 회전력을 가지도록 한 개량된 인공 기압차 유도 풍력발전기에 관한 것이다.

일반적으로 전기를 얻기 위한 발전의 형태로서는 물의 낙차를 이용한 수력발전, 연료를 태움으로 얻어지는 화력발전, 핵분열을 이용한 원자력발전 및 바람을 이용한 풍력발전 등으로 구분할 수 있는 것으로서, 계절과 지형적인 영향에 따라 적절한 발전장치를 설치하여 전력을 얻고 있다.

그 중 수력발전은 하천에 댐을 건설하여 수위를 높여 낙차를 얻는 전통적인 발전방법으로써 자연상태를 이용하기 때문에 대기오염과 같은 공해물질을 배출하지 않고 비교적 대용량의 전력을 얻을 수 있고 수자원을 효율적으로 관리할 수 있는 장점이 있으나, 넓은 지역의 수몰을 가져오기 때문에 자연환경이 훼손되고 주거시설의 대규모 이주로 인한 사회문제를 가져오게 되는 부작용이 지적되고 있으며, 화력발전은 석탄이나 중유의 연료를 연소시켜 발생한 열로 물을 가열하여 고온, 고압의 증기를 발생시켜 증기터빈을 통해서 전력을 발생시키는 방식이어서 장소에 구애되지 아니하고 발전설비의 설치가 가능하고 대용량의 전력을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 연료를 연소하였을 때 발생하는 대기오염과 연료로 이용되는 천연자원의 고갈을 가져오는 문제점이 있으며, 원자력발전은 물을 끓여서 증기를 만들고 이 증기로서 터빈을 돌려 발전을 한다는 점에서는 일반 화력 발전방식과 다를 바 없지만, 물을 끓이기 위한 에너지원 공급방식을 화력발전에서는 보일러 내에서의 연소반응에 의존하지만 원자력발전에서는 원자로 내에서의 핵분열 반응에 의존한다는 점에서는 차이가 있는 것으로서, 원자력발전방식은 다른 발전방식에 비해 초기 건설비용이 높은 편이나, 연료비가 월등히 싸기 때문에 발전소의 긴 수명기간을 통해 볼 때 발전비용이 가장 적게 들고, 소량의 연료만으로도 장기간에 걸쳐 발전할 수 있으며 화석연료를 태울 때 나오는 이산화탄소, 아황산가스, 질소산화물 등 유해물질이 방출되지 않기 때문에 온실효과나 산성비로 인한 생태계 위협 요인들을 제거할 수 있어서 지구환경보존 측면에서도 효과적이며, 기술의 특성상 최첨단 기술이 종합되어야 하는 기술집약형 발전방식이므로 과학 및 관련산업의 발달을 크게 촉진할 수 있는 장점이 있으나 발전과정에서 불가피하게 발생되는 방사선 및 방사선 폐기물을 안전하게 관리 및 처분해야 하기 때문에 필수 안전장치 설치에 따르는 추가 비용이 발생하며, 독성이 강하고 수명이 긴 핵폐기물을 장기간 안전하게 관리해야 하는 점등을 단점으로 들 수 있다.

상기 수력발전, 화력발전 및 원자력발전은 대용량의 전력을 얻는 발전방식이므로 초기 설비 비용이 큰 반면에, 풍력발전은 자연현상인 바람을 이용하여 전력을 얻는 장치로서 설치비용이 저렴하고 가정이나 지역단위로 개별적 발전을 하기 용이하므로, 바닷가나 산간지역 등 많은 바람이 부는 지역에서 효율성 좋게 소규모로 운영할 수 있는 청정에너지원으로서 최근 각광받고 있다.

상기 풍력발전 방식은 발전기를 풍력에 관계없이 일정한 속도로 회전되도록 제어하지 못할경우 안정적인 정격전압을 지속적으로 얻기가 곤란하기 때문에, 풍속에 따라 풍차날개의 기울기를 바꾸는 등의 제어를 통하여 안정적인 정격전압을 얻을 수 있도록 연구되고 있으나, 바람이 불지 않거나 계절에 따라 바람이 부는 방향이나 풍속이 일정하지 않을 때에는 전력 생산이 곤란하므로써 설치비 이외의 비용이 거의 없는 가장 친환경적 에너지원임에도 불구하고 대중적 발전 방식으로 정착하기에는 기술적 한계가 너무 많다는 단점이 있다.

즉, 기존의 프로펠러형 풍력발전기는 상기한 바와 같이 풍력에 대해 많은 영향을 갖게 되므로, 바람이 많이 불지 않는 시기나 장소에서는 주변환경에 대한 사용상의 제약이 뒤따르게 되는 문제점이 있었다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이 바람의 풍력에 따라 풍차날개에 과부하가 걸리게 되거나, 또 양력을 받게 되므로 바람의 풍력을 많이 얻을 수 있는 구조인 풍차날개의 폭을 넓게 하지 못할 뿐만 아니라, 풍차날개가 들뜨게 되는 등의 문제점이 있었다.

이와같은 제반문제점을 감안하여 본 발명인은 자연의 풍력을 이용하기는 하나 자연풍을 직접 전기적 동력으로 변환시키는 것이 아니라 장치의 상부와 하부사이에 인공 기압차를 조성하는 동력원으로 사용하여 관로를 통해 인공적인 공기의 흐름을 유도함으로써, 인공적으로 조성한 바람을 가지고 터빈을 돌려 양질이며 설비가격 및 운영비용을 대비하여 통상의 풍력 발전 방식에 비해 많은 양의 발전량을 얻을 수 있도록 한 인공 기압차 유도 풍력발전기를 특허출원 제2004-0092344호로 제안한 바 있다.

상기한 선 발명은 지면에 대해 수직으로 기립되게 설치되며, 상,하부가 서로 연통되어 내부에 공기가 흐르는 유체(공기)통로가 마련되는 본체부와;

상기 본체부의 상단부에 외측으로 복수개의 블레이드가 회전축에 지지되도록 구비되고, 각 블레이드들이 풍력에 의해 회전가능한 풍차날개와;

상기 본체부의 유체 통로 내에 마련되어 상기 유체통로의 상,하부 기압차에 의한 유체의 흐름을 유도함과 아울러 상기 풍차날개에 풍력을 배가시키기 위한 배력유도수단과;

상기 유체통로내에 상기 배력유도수단에 의한 상기 유체의 유속변화에 대응되게 회전되는 구동팬이 마련되고, 그 구동팬의 회전력을 전기적 에너지로 변환시켜 축전지에 충전하기 위한 발전부;를 구비하고 있으며,

그리고, 상기 배력유도수단은 상기 유체통로내에 적어도 하나이상 내장되는 벤츄리관과,

상기 벤츄리관의 상부에 위치한 출구측에 마련되고 상기 풍차날개의 블레이 드측으로 유체가 송풍함과 아울러 벤츄리관의 출구측에 부압을 발생시키기 위한 송풍팬과,

상기 본체부의 상단부에 상기 송풍팬으로부터 공급되는 공기를 상기 풍차날개의 블레이드측으로 유도하기 위한 송풍 가이드구를 구비하고 있으며,

또, 상기 배력유도수단은 상기 벤츄리관의 유체 흐름을 제어하기 위한 유체 제어부를 더 구비하되,

상기 유체 제어부는 상기 벤츄리관의 내부에 수직으로 상,하부가 연통되도록 설치되어 상기 벤츄리관의 내부 체적을 변화시키기 위한 유체 배관과,

상기 유체 배관의 상부 출구측에 힌지 결합되어 상기 유체 배관내에 통과되는 공기의 압력 변화에 따라 개폐동작되는 덮개를 구비하고 있다.

그밖에 선 발명의 배력유도수단은 상기 벤츄리관의 내부를 통과하는 유체의 과압을 방지하기 위한 과압방지부를 더 구비하되,

상기 과압방지부는 상기 벤츄리관의 외측에 입구와 출구를 서로 연통되게 연결하도록 설치되는 바이패스관과,

상기 바이패스관의 내부에 설치되며 그 내부의 유체 압력이 설정된 압력보다 낮을 경우에 상기 바이패스관의 내부를 폐쇄시키는 제어밸브를 구비하고 있으며,

상기 풍차날개의 블레이드 각 외측단부에 힌지 결합되어 풍량의 증감에 따라 회전되며, 하부가 상부보다 중량이 더 크게 형성된 중량체가 구비된 것을 발명의 특징으로 하고 있다.

상기와 같은 구성의 선 발명 특허는 자연상태의 풍속에 크게 구애받지 아니한 것으로서 풍차날개가 일단 자연 바람에 의해 회전하게 되면 그 회전력에 의해 구동팬을 돌려 공기를 흡입하여 배출하는 과정에서 관로의 상하부간에 압력차가 유도되고, 이 공기흐름을 벤츄리관을 통해 흐르도록 유도하여 고속의 공기 흐름으로 바꾸어 발전터빈을 돌려 전기에너지를 얻고, 발전터빈을 돌린 다음에는 풍차날개에 분사배출되어 풍차날개를 돌리는 동력원으로 보태져서 사용되어지게 되므로서 벤츄리관내의 유체압력을 조정하여 비교적 균일한 에너지를 얻을 수 있고 바람이 적게 부는 장소나 시기에도 사용이 가능하며, 설치장소 및 비용이 작게 소요되면서 친환경적인 에너지를 얻을 수 있다는 점에서 여전히 유효한 것이나, 풍차날개가 대형이고 고중량체이어서 풍차날개의 회전에 큰 힘이 소요될 수 밖에 없어 발전 효율을 높이는데 한계가 있다는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 점을 감안하여 제안한 것으로서 그의 목적으로 하는 것은 자연적으로 부는 바람의 풍력을 이용하여 장치 상부와 하부사이에 인공 기압차를 조성하여 관로를 통해 인공적인 공기의 흐름을 유도하므로써 인공적으로 조성한 바람을 가지고 터빈을 돌려 양질이며 많은 량의 발전력을 얻을 수 있도록 하되, 대형이고 고중량인 풍차날개부가 극히 은 풍속에너지에 의해서도 손쉽게 회전하여 인공 기압차를 크게 유도하므로써 큰 전력을 얻을 수 있도록 한 인공 기압차 유도 풍력발전기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 하나의 목적은 기압차에 의해 흐름이 유도되어 발전에 사용된 바람을 풍차날개부에 효율성 좋게 집중 분사되도록 하므로써 발전효율을 높인 인공 기압차 유도 풍력발전기를 제공하는 데 있다.

그리고 본 발명의 또 다른 목적은 터빈의 구동을 최적으로 제어하여 풍속 변화에 구애되지 아니하고 일정량의 양질의 전기를 얻을 수 있도록 한 인공 기압차 유도 풍력발전기를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은

지면에 대해 수직으로 기립되게 설치되며, 상하부가 서로 연통되어 하부로부터 외부공기가 도입되어 상부로 공기가 흐르도록 안내하는 유체(공기)통로를 구비하고 있는 본체부와;

상기 풍차날개부를 회전가능하게 지지하여 풍차날개부와 함께 회전구동하도록 수직으로 설치되는 회전축과;

일단이 상기 배풍팬장치에 연통하도록 접속되고 타단이 상기 본체부에 연통하게 접속되므로써 상기 본체부를 통해 배풍팬장치내로 상승 유동하는 유체를 유동하는 도중에 유속을 증대시킬 수 있게 유체 통과 단면적을 조르도록 설치되는 벤츄 리관과;

상기 벤츄리관의 도중에 마련되는 터빈하우징과, 그 터빈하우징내에 회전가능하게 수용되어 상기 벤츄리관을 통해 상승하게 되는 공기의 유속에 의해 회전구동되는 터빈과, 그 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전기를 구비한 발전부를 포함하여 구성되는 인공 기압차 유도 풍력발전기에 있어서,

이와같이 구성하면 고중량의 풍차날개부가 자석들간의 반발력에 의해 공중에 자기부양된 형태가 되어 큰 힘을 들이지 아니하고도 회전시킬 수 있어 약한 풍력 에너지를 받아서도 큰 회전력을 얻을 수 있으며, 이로부터 배풍팬을 고속 회전시켜 본체부내의 공기를 빨아내 블레이드에 송풍하게 되므로 풍차날개부가 자연풍 이외의 인공적 풍력을 더 받을 수 있게되며, 이와 동시에 본체부 상하간에 큰 압력차가 인위적으로 조성되어 그 압력차에 따라 하부로부터 외부공기가 도입되어 상승하게 되며, 상승도중에 벤츄리관을 통과하면서 좁아지는 단면적으로 인해 유속이 급속히 증대되고, 이 높은 유속의 유체가 터빈하우징을 지나면서 터빈을 회전시켜 발전부에서 전기를 얻게되며, 계속해서 유체는 배풍팬의 흡인배출에 의해 블레이드에 강하게 분사되어 풍차날개부를 회전시키는 동력원으로 이용되는 것이다.

본 발명의 다른 특징으로는 상기 배풍팬장치로부터 고속으로 배출되는 공기를 상기 블레이드 단부로 유도하기 위한 복수개의 가이드판이 상기 프레임 구조물위에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 각각의 배풍팬장치는 기어 또는 벨트를 이용한 증속동력전달장치를 통하여 상기 회전축으로부터 구동력을 전달받는 것을 특징으로 한다.

또 상기 회전축에 고정되는 상기 증속동력전달장치의 메인구동기어를 회전구동하기 위한 스타터구동모터가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또 상기 회전축에 고정되는 상기 증속동력전달장치의 메인 구동기어를 회전구동하기 위한 구동모터가 설치되며, 상기 구동모터는 상기 풍차날개부의 회전속도가 기준치 이하일 때 구동되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

또 상기 발전부의 터빈 회전축에 플라이 휠이 설치된 것을 특징으로 한다.

또 상기 프레임 구조물은 진공탱크실을 개재하여, 상기 본체부측에 의해 지지되도록 설치되며, 상기 벤츄리관은 상기 진공탱크실을 통하여 상기 배풍팬장치에 연통하는 것을 특징으로 한다.

또 일단이 상기 진공탱크실에 접속되는 공기흡입관로의 타단에 접속되는 압축공기탱크와; 상기 압축공기탱크에 연결되어 상기 진공탱크실의 공기를 흡인하여 압축공기탱크에 고압으로 압축시켜 저장토록 구동되는 진공펌프와;

상기 압축공기탱크에 일단이 접속되고 그의 개방된 타단은 상기 블레이드에 압축공기를 분사하여 회전을 유도하는 압축공기 분사관로와; 상기 압축공기분사관로를 개폐토록 설치되는 솔레노이드밸브와; 상기 풍차날개부의 회전속도를 검출하여 설정치 이상일 때 상기 진공펌프를 구동하는 제어신호를 출력하며, 회전수가 설정치 이하일 때 상기 솔레노이드 밸브를 개방토록 하는 작동신호를 출력하는 회전속도검출센서;를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 발전부의 잉여 전력을 이용한 전기히터로 난방에 사용하기 위한 물을 가열하여 저장하는 축열보일러장치를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

또 상기 블레이드의 직하방 위치인 프레임 구조물의 상부에 실린더와 피스톤 및 그 피스톤 선단에 마련되는 브레이크용 자석으로 이루어진 자기브레이크 장치가 1개 이상 설치되며, 그 자기브레이크 장치는 상기 회전속도검출센서를 통해 검출된 회전수가 설정치 이상일 때 브레이크용 자석을 상승시켜 상기 풍차날개부를 자력으로 흡인하여 회전속도를 낮추도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또 상기 진공탱크실의 상부원판에 관로를 통해 상기 진공탱크실에 접속하여 진공탱크실내의 공기를 뽑아내도록 작동하는 진공펌프가 설치되며, 그 진공펌프에는 공기분사관로가 접속되어 풍차날개부가 설정치 이하로 회전할 때 상기 진공펌프가 가동되어 진공탱크실내의 공기를 뽑아내어 상기 공기분사관로를 통해 상기 블레이드에 분사하는 것을 특징으로 한다.

이하에 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 인공 기압차 유도 풍력발전기를 나타내는 도면이며, 도 2는 동상 풍력발전기의 배풍팬 장치의 동력전달구조를 나타낸 평면도이며, 도 3은 동상 풍력발전기의 발전부를 나타낸 평면도이다.

그리고 도 4는 동상 풍력발전기의 배풍팬 장치를 나타낸 단면도이고, 도 5는 동상 풍력발전기의 회전축 상부를 단면하여 나타낸 평단면도이며, 도 6은 본 발명의 제어 블록도이다.

본 발명에 따른 인공 기압차 유도 풍력발전기는 상하부가 연통되게 개구되고, 지면에 대해 수직으로 기립하여 설치되며, 공기가 하부로부터 상측으로 유동하게 되는 중공의 유체통로가 내부에 형성된 대형 파이프 형상의 본체부(1)와, 그 본체부(1)의 상부측에 축과 결합 및 지지되어 있고, 바람의 힘에 의해 회전가능한 복수개의 블레이드(2)가 방사상으로 뻣어있는 풍차날개부(3)와, 그 풍차날개부(3)를 회전가능하게 지지하여 풍차날개부(3)와 함께 회전구동하도록 수직으로 설치되는 회전축(4)과, 그 회전축(4)을 회전가능하게 지지하면서 상기 풍차날개부(3)의 자중에 의한 추력을 받아내도록 지지하기 위하여 본체부(1)의 상부로 설치되는 프레임 구조물(5)과, 다시 그 프레임 구조물(5)을 본체부(1)에 대해 지지하도록 개재되는 진공탱크실(6)과, 그 진공탱크실(6)의 상부원판(7)위에 설치되어 상기 회전축(4)의 회전력을 받아 회전구동하여 상기 본체부(1)내의 공기를 진공탱크실(6)을 거쳐 흡인하여 공기배출분사관로(8)를 통해 상기 블레이드(2)에 공기를 분사 배출하여 풍차날개부(3)를 회전시키도록 작동하는 배풍팬장치(9)와, 진공탱크실(6)의 하부플랜지(10)와 본체부(1)의 상부플랜지(11) 사이에 설치되어 상하 압력차에 의해 유동하는 공기 에너지에 의해 발전하는 발전부(12)를 포함하여 구성되어 있다.

상기 풍차날개부(3)는 상하접시형부재(13)(14) 사이에 방사상으로 배열되도록 복수개의 블레이드(2)를 배치한 후 볼트(15)로 체결하여 고정시킨 구조를 가지고 있으며, 그 풍차날개부(3)는 회전축(4)의 상단에 회전축(4)과 함께 회전하도록 설치되고, 회전축(4)을 지지하는 프레임 구조물(5)의 상부부재(5a)와 회전축(4)과는 키이(16) 또는 스플라인에 의해 결합하되, 축방향을 따라 키이홈(17)이 길게 형성되므로써 상기 회전축(4)이 그 키이홈(17)을 따라 축방향으로 상하슬라이드 이동이 가능하도록 구성되어 있다.

그리고 상기 프레임 구조물(5)의 상부부재(5a)에는 회전축(4)의 외주를 감싸도록 강력한 자력을 가진 하부영구자석(18)이 배열되어 있으며, 그 프레임 구조물(5)의 상부부재(5a)와 마주 대향하고 있는 풍차날개부(3)의 저면부(19)에는 상기 하부영구자석(18)과 마주 대하여 서로 반발하는 극성을 가진 상부영구자석(20)이 매설되어 있어, 그 상하부영구자석(20)(18)의 상호 반발력의 작용에 의해 상부의 풍차날개부(3)를 밀어올리게 되므로써 풍차날개부(3)는 자기부상된 상태, 즉 공중에 떠 있는 것과 같은 상태가 되어 수직하방으로 작용하는 추력이 없게 된다.

상기 진공탱크실(6)의 상부원판(7) 위에는 상기 회전축(4)의 회전에 연동하여 작동하는 1개 이상, 바랍직하기로는 배풍팬장치(9)를 고정설치하며, 상기 배풍팬장치(9)는 증속동력전달장치(21)를 개재하여 상기 회전축(4)으로부터 동력을 전달받아 회전구동되는데, 상기 증속동력전달장치(21)는 회전축(4)에 고정되는 큰 직경의 메인구동기어(22)와 그 메인구동기어(22)와 기어치합하는 작은 직경의 복수개의 피동기어(23), 그리고 각각의 피동기어(23)와 동축(24) 상에 고정되는 큰 직경 의 풀리(25)와, 각 배풍팬장치(9)의 구동팬(26) 회전축(27)에 고정된 작은 직경의 풀리(28) 및 서로 거리를 두고 있는 풀리(25)(28) 사이를 연결하는 V벨트(29)로 구성되어 회전축(4)의 회전수는 중속동력전달장치(21)에 의해 크게 증속되어 각각의 배풍팬회전축(27)에 전달되므로 배풍팬(26)들은 고속으로 회전구동된다.

이 배풍팬장치(9)의 배풍팬하우징(30)내의 저부측은 입구관로(31)를 통해 진공탱크실(6)에 연통하도록 접속되고, 배풍팬하우징(30)내부의 상부측은 공기배출분사관로(8)의 일끝이 접속되고, 그의 타단은 개구된 채 상기 블레이드(2) 끝단부의 비틀린 날개에 분사되는 바람이 부딪혀 회전력을 발생하도록 블레이드(2)에 근접하여 설치되고 있다.

그리고 상기 배풍팬(26)은 마치 선풍기 날개처럼 구성되어 있어 정방향 회전시에 진공탱크실(6)내의 공기를 흡인하여 상기 블레이드(2)에 공기배출분사관로(8)를 통해 공기를 송풍하여 풍차날개부(3)의 회전동력원으로서 기능한다.

또 상기 메인구동기어(22)를 회전구동하기 위한 스타터구동모터(32)가 프레임 구조물(5)에 설치되며(도 2 참조), 풍차날개부(3)를 정지상태에서 회전시키게 될때 마치 자동차 엔진 시동시처럼 스타터구동모터(32)를 구동시키면 모터축(33)에 고정된 피니언기어(34)가 수직방향으로 움직여 메인구동기어(22)와 접속하여 회전하므로써 메인구동기어(22)를 통하여 회전축(4)을 회전시키고, 이에따라 풍차날개부(3)가 회전을 시작하여 어느정도 관성력을 가지게 되면, 스타터구동모터(32)의 접속이 끊어지고 구동이 정지되도록 구성되어 있으며, 또 스타터구동모터(32)를 겸용하여 사용할 수도 있으나 도 2에 도시하는 것과같이 메인구동기어(22)와 항시 접 속하고 있는 모터(35)와 피니언기어(36)를 별도 설치하여 풍차날개부(3)가 설정치보다 낮은 회전수를 보일때 모터(35)를 구동하여 회전축(4)의 회전수를 높여주도록 구성되어 있으며, 이들 모터(32)(35)들을 구동하기 위한 전원을 공급하기 위하여 상부원판(7)위에 축전지(37a)(37b)가 설치되어 있다.

또 상기 상부원판(7) 위에는 관로(38)를 통해 진공탱크실(6)에 접속하는 진공펌프(39)가 설치되어 있으며, 상기 진공펌프(39)에서 펌핑되는 진공탱크실(6)내의 공기를 공기배출분사관로(8)를 통해 상기 블레이드(2)에 분사할 수 있게 되어 있고, 상기 진공펌프(39)를 구동하기 위한 축전기(40)가 상부원판(7)위에 설치되어 있다.

상기 진공탱크실(6) 하부에 설치되는 발전부(12)는 상기 플랜지(10)에 볼트체결되는 상부원판(40)과, 상기 본체부(1)의 플랜지(11)에 볼트 체결되는 하부원판(41), 상하부원판(41)(40)을 연결지지하는 복수개의 지주(42)들, 그리고 공간(43)을 두고 서로 대향토록 설치되는 2개의 수직하는 격벽(44), 그 격벽(44)을 수평으로 관통하여 베어링(45)에 의해 회전가능하게 지지되는 터빈회전축(46), 그 터빈회전축(46)의 일단에 고정되는 터빈(47), 그 터빈(47)을 수용하고 있는 터빈하우징(48), 그리고 격벽(44) 사이의 공간(43)내에 터빈회전축(46)상에 고정설치하는 플라이휠(49), 터빈회전축(46)의 회전수를 증속시키기 위한 증속기어장치(50)와 발전기(51)로 구성되며, 상기 터빈(47)을 수용한 터빈하우징(48)은 벤츄리관(52A)의 도중에 설치되며, 이 벤츄리관(52A)은 본체부(1)와 비교해서 직경(단면적)이 크게 감소되어 있어 벤츄리관(52A)을 공기가 통과할 때 유속이 크게 증대되며, 이 증대 된 유속에 의해 터빈(47)이 구동되어 전기를 생산한다.

그리고 이 벤츄리관(52A)은 터빈(47)수에 맞추어 형성하며, 또 진공탱크실(6)을 두고 있어 벤츄리관(52A)의 설치갯수를 배풍팬장치(9)의 설치갯수와 반드시 일치시킬 필요가 없다.

한편, 상기 본체부(1)에 인접한 지상 또는 지하에는 압축공기탱크(52)와 진공펌프(53)가 설치되며, 그 압축공기탱크(52)에는 공기흡입관로(54)가 접속되고, 그 공기흡입관로(54)의 타단은 상기 진공탱크실(6)에 연통하도록 설치되어, 진공펌프(53)가 가동시에 진공탱크실(6)내의 일부 공기를 흡인하여 압축공기탱크(53)내에 압축시켜 저장하며, 이 저장된 압축공기를 블레이드(2)에 분사하기 위한 압축공기분사관로(55)가 압축공기탱크(52)에 별도로 접속되고, 대기에 개방된 그의 끝단부가 블레이드(2)에 근접하여 블레이드(2)를 향하도록 설치되어 있으며, 그리고 상기 각각의 관로(54)(55)에는 그들 관로(54)(55)들을 개폐하도록 작동이 제어되는 솔레노이드 밸브(56)(57)가 접속되어 있다.

한편, 상기 프레임 구조물(5)의 바깥쪽에는 복수개의 자기브레이크(58)들이 설치되는데, 이 자기브레이크(58)는 유압 또는 공기압에 의해 작동하는 실린더(59, 전기작동식을 채용시엔 솔레노이드)와, 피스톤(60) 및 피스톤(60) 상단에 장착되는 강한 자력을 가지는 브레이크용 자석(61)으로 구성되어, 풍차날개부(3)가 고속으로 회전되어 과열 우려가 있을 때 브레이크용 자석(61)을 상승시켜 자성체인 블레이드(2)에 흡착력을 가하므로써 회전속도를 늦추도록 제어하게 된다.

또 상기 압축공기탱크(52)와 병설하여 축열보일러(62)가 설치되며, 이 축열 보일러(62)는 발전부(12)에서 생산된 전기를 사용하고 남은 전기가 있을 때 이 잉여 전력을 이용하여 전기히터(63)를 발열시켜 물을 데워 저장하여 난방이나 온수를 사용할 수 있게 되어 있다.

도 6은 본 발명의 제어블록도로서, 제어장치(64)는 풍차날개부(3)의 회전속도를 검출하는 회전속도검출센서(65), 스타터구동모터(32), 모터(35), 진공펌프(39)(53), 축열보일러용 히터(63), 솔레노이드 밸브(56)(57), 자기브레이크(58)등의 구동을 제어한다.

이하 본 발명의 작동과정에 대해 상술한다.

바람이 불면 바람이 블레이드(2)에 부딪혀 풍차날개부(3)가 회전하게 되는데, 이때 풍차날개부(3) 자체는 매우 고중량체이기는 하나 상하영구자석(18)(20)들의 대향에 의해 풍차날개부(3)가 밀어올려져 부상된 상태이기 때문에 수직 하방으로 작용하는 추력이 거의 없어 작은 풍속의 작용에도 풍차날개부(3)가 회전하게 되며, 만일 바람이 거의 없어 정지관성력 때문에 풍차날개부(3)를 회전시키기가 어려울 때에는 스타터구동모터(32)를 구동시키게 되며, 이에따라 피니언기어(34)가 축방향으로 움직여 메인구동기어(22)와 접속함과 동시에 회전하여 회전축(4)을 회전시켜주게 되므로써 풍차날개부(3)가 회전을 시작하며, 정지관성력을 벗어나 회전하기 시작하면 큰 원심력이 관성력으로 작용하게 되어 풍차날개부(3)가 회전력을 유지할 수 있게 되므로 스타터구동모터(32)는 정지토록 제어하게 되며, 증속동력전달장치(21)에 의해 고속으로 회전작동하는 배풍팬장치(9)의 배풍팬(26)이 진공탱크실(6)내의 공기를 흡인하여 공기배출분사관로(8)를 통해 블레이드(2)에 분사하게 되므로써 자연풍과 함께 분사되는 공기에 의해 회전력을 받은 풍차날개부(3)는 큰회전속도를 유지하게 된다.

한편 이와같이 하여 진공탱크실(6)내의 공기가 외부로 인출되어지게 되면 진공탱크실(6)내에는 진공압이 형성되며, 이에따라 본체부(1) 상하에 압력차가 형성되어져 하부의 복수개의 공기유통공(66)들을 통해 외부공기가 본체부(1)내로 유입되어 공기통로(67)를 따라 상승하게 되는데, 이때 공기가 상승하는 도중에 좁은 단면적을 가진 벤츄리관(52A)에 모아져 통과하게 되므로 벤츄리관(52A)내에서 공기의 유속이 급속히 빨라지게 되며, 그 벤츄리관(52)의 도중에 설치된 터빈하우징(48)내를 거쳐 빠른 유속의 공기가 상승하게 되면서 터빈(47)을 회전시킨 후 진공펌프실(6)로 유입되고, 계속해서 발전에 사용된 공기는 외부로 배출되어 버려지지 아니하고 마치 보일러의 폐열을 회수 하듯이 배풍팬장치(9)에 의해 블레이드(2)에 공급되는 것이며, 이와같이 하여 터빈(47)이 회전하게 되면, 터빈회전축(46)과 증속기어장치(50)를 거쳐 발전기(51)에 전달되어 운동에너지가 전기에너지로 변환되므로써 발전부(12)에서 얻어진 전기를 가정이나 공장에서 직접 사용하거나 또는 발전회사에 계약 공급하게 되는 것이다.

발전부(12)에서 얻은 전기를 사용하고 남은 전기는 축전기(36)(37)들에 저장하거나 축열보일러(62)의 전기히터(63)를 구동하여 온수를 얻게되며, 이와같이 얻어진 온수는 난방이나 목욕등에 사용하게 되며, 이축전기(36)(37)들은 풍차날개부(3)의 최적 회전제어의 동력원으로 사용된다.

한편, 바람이 너무 세거나해서 풍차날개부(3)가 고속으로 회전하게 되면 장치가 과열되거나 또는 일정한 정격 전압을 얻지 못하고 정격 전압의 편차가 심해져 전력의 품질이 불안정해지므로 이때에는 회전속도검출센서(65)에서 블레이드(2) 또는 배풍팬(26)의 회전속도를 검출하여 설정치 이상에 해당되면, 진공펌프(52)를 구동하여 진공펌프실(60내의 공기를 빼내어 압축공기탱크(52)내에 저장함과 함께 또는 회전속도검출센서(65)의 회전속도 신호나 배풍팬장치(9)의 압력계(68)로부터의 정보에 기초하여 자기브레이크장치(58)를 작동시켜 피스톤(60)을 상승시켜 브레이크용 자석(61)을 블레이드(2)에 근접하여 브레이크를 걸게 되므로써 풍차날개부(3)의 회전속도를 늦추도록 제어하게 된다.

그러나 만일 풍속이 낮아 회전속도검출센서(65)에서 검출되는 풍차날개부(3)나 배풍팬(26)의 회전속도가 설정치 이하이거나, 압력계(68)에서 검출된 진공압력이 설정치보다 낮은 경우에는 솔레노이드 밸브(57)를 개방하여 압축공기탱크(52)에 저장되어 있던 압축공기를 압축공기분사관로(55)를 통해 블레이드(2)에 분사 공급하여 회전속도를 높이게 되며, 필요에 따라 상부원판(7)위에 설치된 진공펌프(39)도 가동시켜 관로(69)를 통해서도 블레이드(2)에 공기를 분사하여 회전속도를 높이도록 하며, 또 평시에 축전된 전기를 이용하여 축전지(37b)에 의해 모터(35)를 구동시켜 회전속도를 높이도록 하는 등 다양한 방법으로 제어하게 된다.

그리고 상기한 발전부(12)는 플라이휠(49)을 구비하고 있어 가능한한 관성력에 의해 일정속도를 유지토록 하여 일정한 정격전압을 안정적으로 유지토록 하고 있으며,

상기한 관로(8)(55)(67)들을 통해 분사되는 공기들은 프레임 구조물(5)상에 설치된 가이드판(70) 들에 의해 방향성을 가지므로 공기가 흩어지지 아니하고, 블 레이드(2)에 집중적으로 유도되며, 이와같은 방향성에 의해 본 장치를 인접하여 설치하는 경우 인접한 장치의 블레이드(2)에 잉여 공기가 작용하여 효율성을 더욱 높일 수 있다.

여기서 미설명 부호 71은 축(24)의 지지하우징이다.

이상과 같은 본 발명은 고중량의 풍차날개부를 영구자석의 척력을 이용하여 부상시켜 추력을 크게 없애므로서 작은 풍속에너지에 의해서도 쉽게 큰 회전력을 얻을 수 있어 풍력 발전기의 효율성을 높일 수 있으며, 또 자연풍을 이용한 배풍팬장치의 구동을 통해 장치의 상하간에 흡인력을 유발하는 압력차를 유도하여 그때 그 압력차에 의해 관로를 따라 상승하는 공기의 유동 에너지를 이용하여 발전을 한 후 발전에 사용하고 나온 공기를 버리지 아니하고 마치 보일러의 폐열 회수처럼 블레이드에 분사하여 회전력을 추가로 얻도록 하므로써 자연의 바람만을 직접 이용하여 발전하는 기존의 방식에 비해 발전효율을 크게 높이는 것이 가능한 것이다.

Claims

지면에 대해 수직으로 기립되게 설치되며, 상하부가 서로 연통되어 하부로부터 외부공기가 도입되어 상부로 공기가 흐르도록 안내하는 유체통로를 구비하고 있는 본체부와;

상기 본체부의 상부측에 설치되며, 방사상으로 뻣어있는 복수개의 블레이드를 구비하여 바람에 의해 회전 구동되는 풍차날개부와;

상기 풍차날개부를 회전가능하게 지지하며, 풍차날개부와 함께 회전구동하도록 수직으로 설치되는 회전축과;

상기 풍차날개부의 하부로 상기 본체부 상부측에 복수개가 마련되어 상기 회전축의 회전에 연동하여 회전하므로써 상기 본체부의 하부로부터 공기를 흡인하여 상기 풍차날개부의 블레이드들에 공기를 분사하도록 작동하는 1개 이상의 배풍팬장치와;

일단이 상기 배풍팬장치에 직접 또는 다른 부재를 개재하여 연통하도록 접속되고 타단이 상기 본체부에 연통하게 접속되므로써 상기 본체부를 통해 배풍팬장치내로 상승 유동하는 유체를 유동하는 도중에 유속을 증대시킬 수 있게 유체 통과 단면적을 조르도록 설치되는 벤츄리관과;

상기 벤츄리관의 도중에 마련되는 터빈하우징과, 그 터빈하우징내에 회전가능하게 수용되며, 그 벤츄리관을 통해 상승하게 되는 공기의 유속에 의해 회전구동되는 터빈과, 그 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전기를 구비하는 발 전부를 포함하여 구성되는 인공 기압차 유도 풍력발전기에 있어서,

상기 회전축을 회전가능하게 지지토록 상기 본체부 상부에 프레임 구조물을 설치하며, 상기 프레임 구조물의 상부 부재위에 상기 회전축을 둘러싸도록 하부영구자석을 매설하며, 상기 프레임 구조물의 상부측에 마주하는 상기 풍차날개부의 저면에 상기 하부영구자석과 서로 미는 극성을 가지도록 배치되는 상부 영구자석을 매설하며, 상기 풍차날개부는 상기 수직하는 회전축에 대해 축방향으로 움직임이 허용되는 키이결합 구조로 결합되므로써 상기 상하영구자석들간의 반발력에 의해 상기 풍차날개부가 회전축상에서 부상된 상태를 유지하면서 회전구동되도록 구성한 것을 특징으로 하는 인공 기압차 유도 풍력발전기.
제 1 항에 있어서,

상기 배풍팬장치로부터 고속으로 배출되는 공기가 분산되지 않고 상기 블레이드 단부로 유도하기 위한 복수개의 가이드판이 상기 프레임 구조물위에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 인공 기압차 유도 풍력발전기.
제 1 항에 있어서,

상기 각각의 배풍팬장치는 기어 또는 벨트를 이용한 증속동력전달장치를 통하여 상기 회전축으로부터 구동력을 전달받는 것을 특징으로 하는 인공 기압차 유도 풍력발전기.
제 1 항에 있어서,

상기 회전축에 고정되는 상기 증속동력전달장치의 메인구동기어를 회전구동하기 위한 스타터구동모터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 인공 기압차 유도 풍력발전기.
제 1 항에 있어서,

상기 회전축에 고정되는 상기 증속동력전달장치의 메인 구동기어를 회전구동하기 위한 구동모터가 설치되며, 상기 구동모터는 상기 풍차날개부의 회전속도가 기준치 이하일 때 회전속도를 상승시키기 위해 구동되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 인공 기압차 유도 풍력발전기.
제 1 항에 있어서,

상기 발전부의 터빈 회전축에 플라이 휠이 설치된 것을 특징으로 하는 인공 기압차 유도 풍력발전기.
제 1 항에 있어서,

상기 프레임 구조물은 진공탱크실을 개재하여, 상기 본체부측에 의해 지지되도록 설치되며, 상기 벤츄리관은 상기 진공탱크실을 통하여 상기 배풍팬장치에 연통하는 것을 특징으로 하는 인공 기압차 유도 풍력발전기.
제 7 항에 있어서,

일단이 상기 진공탱크실에 접속되는 공기흡입관로의 타단에 접속되는 압축공기탱크와; 상기 압축공기탱크에 연결되어 상기 진공탱크실의 공기를 흡인하여 압축공기탱크에 고압으로 압축시켜 저장토록 구동되는 진공펌프와;

상기 압축공기탱크에 일단이 접속되고 그의 개방된 타단은 상기 블레이드에 압축공기를 분사하여 회전을 유도하는 압축공기 분사관로와; 상기 공기흡입관로와 압축공기분사관로를 개폐토록 각기 설치되는 솔레노이드밸브와; 상기 풍차날개부나 배풍팬의 회전속도를 검출하여 설정치 이상일 때 상기 공기흡입관로의 솔레노이드 밸브만을 개방하고 상기 진공펌프를 구동하는 제어신호를 출력하며, 회전속도가 설정치 이하일 때 상기 압축공기분사관로의 솔레노이드 밸브만을 개방토록 하는 작동신호를 출력하는 회전속도검출센서;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 인공 기압차 유도 풍력발전기.
제 1 항에 있어서,

상기 발전부의 잉여 전력을 이용한 전기히터로 난방에 사용하기 위한 물을 가열하여 저장하는 축열보일러장치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 인공 기압차 유도 풍력발전기.
제 1 항에 있어서,

상기 프레임 구조물의 상부원판에 실린더와 피스톤 및 그 피스톤 선단에 마 련되는 브레이크용 자석으로 이루어진 자기브레이크 장치가 1개 이상 설치되며, 그 자기브레이크 장치는 상기 회전속도검출센서를 통해 검출된 회전속도가 설정치 이상일 때 브레이크용 자석을 상승시켜 상기 풍차날개부를 자력으로 흡인하여 회전속도를 낮추도록 제어하는 것을 특징으로 하는 인공 기압차 유도 풍력발전기.
제 7 항에 있어서,

상기 진공탱크실의 상부원판에 관로를 통해 상기 진공탱크실에 접속하여 진공탱크실내의 공기를 뽑아내도록 작동하는 진공펌프가 설치되며, 그 진공펌프에는 공기분사관로가 접속되어 풍차날개부나 배풍팬이 설정치 이하로 회전할 때 상기 진공펌프가 가동되어 진공탱크실내의 공기를 뽑아내어 상기 공기분사관로를 통해 상기 블레이드에 분사하는 것을 특징으로 하는 인공 기압차 유도 풍력발전기.