KR101006171B1 - 풍력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍속이 빠른 지역이나 풍속이 느린 지역에 따라 풍향조정캡이 상하 이동하면서 터빈측으로 유입되는 풍속이 적정기준으로 유입되게 하고, 터빈측으로 유입되는 바람은 효과적으로 집중 유도되면서 회전을 원활하게 하여 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어질 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 일정한 간격을 두고 수직 방향으로 지지대가 형성되고 이 지지대 상단과 하단에는 회전지지대가 일체로 형성되며 지면에 설치 고정되는 본체와; 일단은 상기 지지대에 형성되고 타단은 외부로 돌출 형성된 상태에서 바람이 불면 바람과 부딪히면서 바람 방향을 전환하여 안쪽으로 유도하는 집풍판과; 상기 집풍판 사이 사이에 각각 형성되고 집풍판에 부딪히면서 방향 전환된 바람과 다시 부딪히는 과정에서 바람을 안쪽으로 더욱 가속 유입시키는 가속판과; 상기 회전지지대에 상하단이 회전될 수 있도록 결합된 상태에서 바람이 안쪽으로 집중 유도되면 회전하면서 발전기를 통하여 일정한 전력을 생산케 하는 터빈으로 구성되는 것에 그 특징이 있다.

Description

풍력 발전장치{Wind Force Generator Device}

본 발명은 풍력 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍속이 빠른 지역이나 풍속이 느린 지역에 따라 풍향조정캡이 상하 이동하면서 터빈측으로 유입되는 풍속이 적정기준으로 유입되게 하고, 터빈측으로 유입되는 바람은 효과적으로 집중 유도되면서 회전을 원활하게 하여 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어질 수 있도록 한 풍력 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 석유, 천연가스, 석탄 및 우라늄등 지구상에 매장되어 있는 에너지 자원은 유한한데 반하여 인구증가 및 개발에 따라 에너지 수요는 폭발적으로 증가하고 있기 때문에, 에너지 원료 가격은 지속적으로 올라가고 있다. 따라서, 이를 대체할 에너지원의 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 대체에너지 중에는 태양전지, 바이오 에너지, 풍력발전, 조력발전등이 많이 거론되고 있으나 특히 비용 및 성능적인 측면에서 풍력발전이 가장 효율적인 것으로 판단되고 있다.

풍력발전은 태양에서 지구로 방사되는 에너지의 차이에 의해서 발생되는 바람의 운동에너지를 이용하여 전기를 발생시키는 장치로 이는 오랫동안 연구되어져왔으며 지금도 다양한 연구가 수행되고 있다. 종래의 연구에 의하면 바람의 운동에너지는 풍속의 세제곱에 비례하며, 또한 베츠의 연구에 의하면 풍력효율은 이론상 최대치가 59.3%인 것으로 보고되고 있다. 풍력발전기는 풍력을 활용하는 블레이드를 어떻게 배치하는가에 따라서 수평형 (이하, 프로펠러형)과 수직형으로 구분할 수 있는데, 프로펠러형은 바람의 양력을 이용하여 평균적으로 20%~30% 정도 효율을 얻을 수 있는 것으로 보고되고 있으며, 수직형은 일반적으로 수평형에 비해 바람의 양력 대신에 항력을 이용하기 때문에 효율이 떨어지는 단점이 있다. 그러나, 기류 중에 원통을 회전시키면 원통의 회전압력분포가 비대칭이 되고 결과적으로 양력을 발생시킨다는 것을 독일의 마그너스에 의해서 밝혀졌다.

또한 원통형은 바람의 수평 성분뿐만 아니라 바람이 임의의 각도를 가지는 풍향에 의한 운동에너지도 이용하고 거기에다 특별한 장치의 개발에 의하여 프로펠러형에 비하여 효율을 증대시킬 수 있는 것으로 연구되고 있다.

프로펠러형 풍력발전기는 지금까지 일반적으로 널리 사용되고 있는데, 이는 지면으로부터 높이 세워진 구조대 위에 다수개의 블레이드를 가지는 로터가 설치되어 있어서 그 로터가 바람의 힘에 의하여 회전되어 전기를 발생시키는 구조로 되어있다. 그러나, 프로펠러형은 초기에 건설비가 많이 투자되어야 하고, 집적화 하기가어려우며, 날개의 특성상 풍각(바람 방향)에 대한 효율이 떨어지고, 로터의 구조상 최소 풍속이 5m/s이상일 경우에만 동작하고, 풍속이 25m/s이상일 경우 과부하로 인한 발전기가 파손되는 것을 보호하기 위하여 브레이크(감속기)를 동작시켜 발전을 정지시킨다. 감속기뿐만 아니라 다양한 풍속을 제어하기 위하여 정밀한 기어박스를 사용하기 때문에 프로펠러형은 발전기 제조원가가 비싸지는 단점을 가지고 있다.

이러한 프로펠러형의 단점을 보완하기 위하여 최근에는 원통형 풍력발전기가 연구되고 있다. 원통형 풍력발전기는 일정한 폭과 높이를 가지는 원통에 바람의 양력을 최대한 활용할 수 있는 여러 개의 브레이드를 설치하여 풍속과 동시에 풍각을 최대한 활용하기 때문에 프로펠러형에 비하여 바람 효율을 높일 수 있다. 따라서, 풍향이 수시로 변하고 돌풍, 태풍등이 잦은 우리나라 실정에는 원통형 풍력발전기가 더 효율적이 것으로 보고되고 있다. 그러나, 단순한 형태의 원통형 풍력발전기는 오히려 블레이드 사이의 역류 및 와류에 의해 반대방향의 풍속에 의해 블레이드의 회전력을 감소시켜 효율을 크게 떨어뜨리는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로 풍속이 빠른 지역이나 풍속이 느린 지역에 따라 풍향조정캡이 상하 이동하면서 터빈측으로 유입되는 풍속이 적정기준으로 유입되게 하고, 터빈측으로 유입되는 바람은 효과적으로 집중 유도되면서 회전을 원활하게 하여 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어질 수 있도록 한 풍력 발전장치를 제공 하는데 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로 일정한 간격을 두고 수직 방향으로 지지대가 형성되고 이 지지대 상단과 하단에는 회전지지대가 일체로 형성되며 지면에 설치 고정되는 본체와; 일단은 상기 지지대에 형성되고 타단은 외부로 돌출 형성된 상태에서 바람이 불면 바람과 부딪히면서 바람 방향을 전환하여 안쪽으로 유도하는 집풍판과; 상기 집풍판 사이 사이에 각각 형성되고 집풍판에 부딪히면서 방향 전환된 바람과 다시 부딪히는 과정에서 바람을 안쪽으로 더욱 가속 유입시키는 가속판과; 상기 회전지지대에 상하단이 회전될 수 있도록 결합된 상태에서 바람이 안쪽으로 집중 유도되면 회전하면서 발전기를 통하여 일정한 전력을 생산케 하는 터빈으로 구성되는 것과,

터빈 외주면에는 원통형의 풍향조정캡이 형성되고, 이 풍향조정캡은 와이어와 연결된 상태에서 인양모터에 의해 상하 이동되면서 터빈으로 유입되는 풍량을 조절하는 것과,

터빈은 회전지지대에 삽입되어 회전하는 회전축과, 상기 회전축 중심으로 일정한 간격을 두고 형성되는 연결대와, 상기 연결대 끝단에 연결되면서 방사상으로 다수 형성되어 터빈의 회전력을 증가시키는 블레이드로 구성되는 것과,

블레이드는 크기가 큰 집진날개와 크기가 작은 가속날개로 이루어진 이중날개 구조를 갖는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면 풍속이 빠른 지역이나 또는 풍속이 느린 지역에 따라 풍향조정캡이 상하 이동하면서 터빈측으로 유입되는 풍속을 적정기준으로 조절하기 때문에 항상 적절한 풍속이 터빈측으로 유입되는 것이다.

또한, 터빈측으로 유입되는 바람은 이중날개 구조를 갖는 블레이드에 의해 바람이 효과적으로 집중 유도되기 때문에 풍력 발전장치는 지속적이고 안정적인 전력 생산할 수 있는 등의 효과가 있는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 풍력 발전장치의 사시도.
도2는 본 발명에 따른 풍력 발전장치의 터빈 사시도.
도3은 본 발명에 따른 풍력 발전장치의 개략적인 구성도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 풍력 발전장치는 일정한 간격을 두고 수직 방향으로 지지대(110)가 형성되고 이 지지대(110) 상단과 하단에는 회전지지대(120)가 일체로 형성되며 지면에 설치 고정되는 본체(100)와, 일단은 상기 지지대(110)에 형성되고 타단은 외부로 돌출 형성된 상태에서 바람이 불면 바람과 부딪히면서 바람 방향을 전환하여 안쪽으로 유도하는 집풍판(200)과, 상기 집풍판(200) 사이 사이에 각각 형성되고 집풍판(200)에 부딪히면서 방향 전환된 바람과 다시 부딪히는 과정에서 바람을 안쪽으로 더욱 가속 유입시키는 가속판(300)과, 상기 회전지지대(120)에 상하단이 회전될 수 있도록 결합된 상태에서 바람이 안쪽으로 집중 유도되면 회전하면서 발전기(710)를 통하여 일정한 전력을 생산케 하는 터빈(400)으로 구성된다.

상기 터빈(400) 외주면에는 원통형의 풍향조정캡(600)이 형성되고, 이 풍향조정캡(600)의 상단은 인양모터(610)에 권선된 와이어(620) 끝단에 연결된 상태에서 상기 인양모터(610)에 의해 풍향조절캡(600)이 상하 이동되면서 터빈(400)으로 유입되는 풍량을 조절하는 역할을 수행한다. 여기서, 인양모터(610) 측에는 와이어(620)가 일정량 권선되어 상기 인양모터(610)가 정.역회전할 때 감기거나 풀릴수 있도록 구성되어 있다. 이러한 터빈(400)은 회전지지대(120)에 삽입되어 회전하는 회전축(410)과, 상기 회전축(410) 중심으로 일정한 간격을 두고 형성되는 연결대(420)와, 상기 연결대(420) 끝단에 연결되면서 방사상으로 다수 형성되어 터빈(400)의 회전력을 증가시키는 블레이드(500)로 구성된다.

상기 블레이드(500)는 크기가 큰 집진날개(510)와 크기가 작은 가속날개(520)로 이루어진 이중날개 구조를 갖는데, 집진날개(510)와 가속날개(520) 사이로 바람이 모아지고 모아진 바람은 집진날개(510) 끝단으로 유도되면서 터빈(400)의 회전력을 증가시키도록 구성된다.

여기서, 기동모터(700)는 회전축(410)과 결합되고 컨트롤러(720)에 의해 가동이 제어되며 터빈(400)의 최초 기동시 회전축(410)을 회전시키기 위해 가동하는 역할을 수행한다. 즉, 기동모터(700)는 최초 기동시 회전축(410)에 회전력을 전달하여 터빈(400)이 소정의 회전속도에 도달하게 되면 동력전달을 차단한 후 풍력에 의해 회전축(410)에 결합된 터빈(400)이 회전하도록 구성된다.

한편, 본 발명의 풍력 발전기에 사용되는 주변 구성품은 일반 풍력 발전기에 사용되는 기술 내용에 해당하므로 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명을 사용하기 위해서는 기동모터(700)에 전원을 인가하여 회전축(410)을 회전시키면 상기한 회전축(410)과 연결대(420)를 통하여 일체로 연결된 블레이드(500) 즉, 터빈(400)은 회전하는 상태가 된다. 이때 터빈(400)이 소정의 회전속도에 도달하면 컨트롤러(720)에 의해 기동모터(700)의 전원은 차단되고 터빈(400)은 풍력에 의해 계속 회전하는 상태가 된다.

풍력에 의해 터빈(400)이 회전하는 과정을 살펴보면 최초 바람이 불면 바람은 집풍판(200)에 부딪힘과 동시에 가속판(300)에 부딪히게 된다. 이때 바람이 가속판(300)에 부딪힐 때 바람은 가속되면서 터빈(400)측으로 유입된다. 터빈(400)측으로 유입된 바람은 블레이드(500)의 가속날개(520)와 집진날개(510) 사이에 형성된 공간으로 모아지고, 모아진 바람은 가속날개(520) 보다 크기가 큰 집진날개(510) 끝으로 유도되면서 터빈(400)의 회전력을 증가시키며, 터빈(400)이 회전하면 발전기(710)는 전력을 생산하는 과정을 거치게 된다.

한편, 상기와 같은 터빈(400)은 일정한 회전수를 유지해야만 지속적이고 안정적인 전력을 생산하게 된다. 따라서 풍속이 빠르게 진행되면 풍향조정캡(600)은 인양모터(610)와 와이어(620)에 의해 상부로 상승하면서 터빈(400)을 감싸 유입되는 풍속을 적게 조절하고, 풍속이 느리게 진행되면 하부로 이동하면서 터빈을 더욱 많이 개방하여 터빈의 회전수를 조절하면 되는 것이다.

100 ; 본체 110 ; 지지대
120 ; 회전지지대 200 ; 집풍판
300 ; 가속판 400 ; 터빈
410 ; 회전축 420 ; 연결대
500 ; 블레이드 510 ; 집진날개
520 ; 가속날개 600 ; 풍향조정캡
610 ; 인양모터 620 ; 와이어
700 ; 기동모터 710 ; 발전기
720 ; 컨트롤러

Claims (4)

1. 일정한 간격을 두고 수직 방향으로 지지대(110)가 형성되고 이 지지대(110) 상단과 하단에는 회전지지대(120)가 일체로 형성되며 지면에 설치 고정되는 본체(100)와;
   일단은 상기 지지대(110)에 형성되고 타단은 외부로 돌출 형성된 상태에서 바람이 불면 바람과 부딪히면서 바람 방향을 전환하여 안쪽으로 유도하는 집풍판(200)과;
   상기 집풍판(200) 사이 사이에 각각 형성되고 집풍판(200)에 부딪히면서 방향 전환된 바람과 다시 부딪히는 과정에서 바람을 안쪽으로 더욱 가속 유입시키는 가속판(300)과;
   상기 회전지지대(120)에 상하단이 회전될 수 있도록 결합된 상태에서 바람이 안쪽으로 집중 유도되면 회전하면서 발전기(710)를 통하여 일정한 전력을 생산케 하는 터빈(400)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 터빈(400) 외주면에는 원통형의 풍향조정캡(600)이 형성되고, 이 풍향조정캡(600)의 상단은 인양모터(610)에 권선된 와이어(620) 끝단에 연결된 상태에서 상기 인양모터(610)에 의해 풍향조절캡(600)이 상하 이동되면서 터빈(400)으로 유입되는 풍량을 조절하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 터빈(400)은 회전지지대(120)에 삽입되어 회전하는 회전축(410)과, 상기 회전축(410) 중심으로 일정한 간격을 두고 형성되는 연결대(420)와, 상기 연결대(420) 끝단에 연결되면서 방사상으로 다수 형성되어 터빈(400)의 회전력을 증가시키는 블레이드(500)로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 블레이드(500)는 크기가 큰 집진날개(510)와 크기가 작은 가속날개(520)로 이루어진 이중날개 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
   
   

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