KR101011157B1 - 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직의 회전축에 블레이드가 설치된 풍력발전장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 바람의 세기나 방향에 크게 영향을 받지 않고 높은 효율로 발전이 가능하고 태풍과 같은 강풍에도 블레이드의 손상 없이 지속적인 발전이 가능한 풍력발전장치에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 고정후레임의 중앙에 수직으로 설치되는 회전축부와, 상기 회전축부의 하부에 연결되어 전달되는 회전력에 의해 발전이 이루어지는 발전기와, 상기 회전축부의 원주상에 등간격으로 설치되어 유입되는 바람으로부터 회전력을 발생시키는 복수의 블레이드와, 상기 블레이드의 외측에 설치되어 바람을 유입안내하는 바람안내면이 구비된 바람안내부재와, 상기 바람안내면은 바람의 세기에 따라 수평이동하여 유입되는 풍속 및 풍량을 조절할 수 있게 한 이동수단이 구비된 풍력발전장치를 특징으로 한다.

회전축부, 블레이드, 바람안내부재, 바람안내면, 이동수단

Description

풍력발전장치 {APPARATUS FOR GENERATING BY WIND POWER}

본 발명은 수직의 회전축에 블레이드가 설치된 풍력발전장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 바람의 세기나 방향에 크게 영향을 받지 않고 높은 효율로 발전이 가능하고 태풍과 같은 강풍에도 블레이드의 손상 없이 지속적인 발전이 가능한 풍력발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전장치는 풍차(windmill)라고 불리며, 이는 회전축을 통한 기계적인 힘을 이용해 전력을 생산하기 위해 사용되는 장치이다. 이러한 풍력발전장치는 수평축 풍력발전장치(horizontal axis wind turbine)와 수직축 풍력발전장치(vertical axis wind turbine)로 크게 나뉘어진다.

상기 수평축 풍력발전장치는 수평축을 이용하는 프로펠러 방식으로서 공기 역학적으로 바람의 양력(lift force)을 이용한 블레이드로 구성된 로터를 사용하여 발전 효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꾸어 주어야 하며, 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요하다. 또한, 수평축을 이용하는 경우는 로터의 축이 최소한 로터의 반지름보다 높은 곳에 위치하게 되므로 높은 곳에 위치한 로터축과 발전기를 연결하기 위해서는 발전기를 로터축과 같은 높이에 설치하여 발전기의 회전축과 로터의 회전축을 거의 동일한 위치에 설치하거나, 수평회전력을 수직회전력으로 전환하는 장치를 설치하여 발전기와 연결을 한다. 이 경우 전자의 경우에는 강한 바람에 의해 기구적인 손상이 발생할 수 있는 위험과 유지, 보수가 용이하지 않다는 문제점이 있으며, 후자의 경우에는 수평회전력을 수직회전력으로 전환하는 과정에서 에너지의 손실이 일어난다.

한편, 수직축 풍력발전장치에서는 바람의 양력을 이용하는 방식인 다리우스식(Darrius Rotor)과 바람의 항력을 이용하는 사보니우스식(Savonius Rotor)이 있으나 다리우스식의 경우는 발전기의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 1회전동력 장치가 필요하다는 문제가 있으며, 사보니우스식의 경우는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받으므로 회전수가 낮은 풍력동력기로 주로 사용되고 있다.

따라서, 수직형의 약점인 낮은 효율 등을 극복하기 위해서 최근에 많은 연구가 이루어지고 있다. 예를 들면, 블레이드의 설계나 구조 또는 조립방식 등을 개선하거나, 지지구조물과 블레이드를 부착하는 방식을 개선하기도 하며, 블레이드의 피치각 제어 시스템을 개선하여 블레이드의 각속도를 일정하게 하는 방식을 사용하기도한다.

그러나 종래의 풍력발전장치에서는 바람의 세기나 방향에 의해 발전량의 차이가 많을 뿐만 아니라 태풍과 같은 강풍이 부는 경우에 블레이드에 과도한 바람이 부딪히면서 블레이드가 손상되었을 뿐만 아니라 발전을 중단해야되는 등의 문제점이 발생하였다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 풍력발전장치에 관한 것으로, 수직의 회전축부에 장착된 블레이드의 외측에 블레이드 방향으로 바람을 유입하기 위한 바람안내부재를 설치하되 그 바람안내부재에 구비된 바람안내면은 바람의 세기 정도에 따라 이동하여 바람의 유입량을 조절할 수 있도록 한 조절수단이 구비되어 바람의 세기가 적을 때는 블레이드 방향으로 바람을 최대한 포집하여 유입시킬 수 있도록 경사면으로 된 바람안내면이 최대한 외측으로 확대되게 이동하고 바람의 세기가 많을 때에는 바람안내면이 블레이드 방향으로 바람의 유입을 차단할 수 있도록 바람안내면이 이동하도록 한 풍력발전장치를 제공함에 있다.

본 발명의 풍력발전장치는 고정후레임의 중앙에 수직으로 설치되는 회전축부와, 상기 회전축부의 하부에 연결되어 전달되는 회전력에 의해 발전이 이루어지는 발전기와, 상기 회전축부의 원주상에 등간격으로 설치되어 유입되는 바람으로부터 회전력을 발생시키는 복수의 블레이드와, 상기 블레이드의 외측에 설치되어 바람을 유입안내하는 바람안내면이 구비된 바람안내부재와, 상기 바람안내면은 바람의 세기에 따라 수평이동하여 유입되는 풍속 및 풍량을 조절할 수 있게 한 이동수단이 구비된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 풍력발전장치는 수직의 회전축부에 설치된 블레이드에 의해 바람의 영향을 거의 받지 않으면서 바람의 세기에 따라 바람안내부재에 구름이동이 가능하게 되어 있는 바람안내면에 의해 풍속 및 풍량을 조절하게 되므로 항상 정상적인 발전이 이루어지도록 하고 발전생산량을 크게 증대하고 풍력발전장치의 내구성도 크게 향상시킬 수 있게 된다.

즉, 본 발명은 미풍이 부는 경우에는 바람안내면에 의해 블레이드 방향으로 많은 바람이 포집이 이루어지게 됨과 아울러 블레이드의 입구를 넓게 개방하게 되므로 바람의 풍속과 풍량을 크게 높여 고효율의 발전이 이루어지도록 하고 강풍이 부는 경우에는 바람안내면은 내측으로 이동하여 블레이드 방향으로 유입되는 풍속과 풍량을 줄이는 수단으로 블레이드가 손상되거나 회전축부가 과부하가 발생되지않고 정상적인 회전상태에서 원활한 발전이 이루어지도록 하므로 바람의 세기에 따른 발전생산량의 편차를 줄이면서 발전생산성을 크게 향상시킬 수 있는 등 종래의 풍력발전장치에 비해 경쟁력을 크게 확보할 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 풍력발전장치는, 고정후레임(10)의 중앙에 수직으로 설치되는 회전축부(20)와, 상기 회전축부(20)의 하부에 연결되어 전달되는 회전력에 의해 발전이 이루어지는 발전기(25)와, 상기 회전축부(20)의 원주상에 등간격으로 설치되어 유입되는 바람으로부터 회전력을 발생시키는 복수의 블레이드(30)와, 상기 블레이드(30)의 외측에 설치되어 바람을 유입안내하는 바람안내면(45)이 구비된 바람안내부재(40)와, 상기 바람안내면(45)은 바람의 세기에 따라 수평이동하여 유입되는 풍속 및 풍량을 조절할 수 있게 한 이동수단(50)이 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 고정후레임(10)은 사각기둥 형태로 직립된 수직지지대(12)와 상기 수직지지대(12)를 지지하는 수평지지대(14)의 구성으로 이루어지고 수평지지대(14)의 상,하부에 지지대판(16)이 설치되어 그 상,하부 지지대판(16)사이에 설치되는 블레이드(30)에 바람이 유입될 수 있게 하되 상기 상,하부 지지대판(16)의 중심부에 구비된 베어링으로 회전가능하게 회전축부(20)가 고정설치되어 있다.

상기 상,하부 지지대판(16)은 평면상에서 모서리를 이루는 다각형으로 이루어지되 가장 바람직하기로는 도면에서와 같이 사각형태로 구비됨이 바람직하다.

상기 발전기(25)는 회전축부(20)의 회전동력을 전달받아 이를 이용하여 전기 에너지를 발생시키기 위한 것으로, 회전축부(20)의 회전동력에 의해 과부하를 방지 하기 위한 클러치(26)에 의해 단속이 이루어질 수 있도록 함이 바람직하다.

상기 블레이드(30)는 유입되는 바람에 의해 일방향으로 회전력이 발생시킬 수 있도록 선회안내되는 형태의 날개로 이루어져서 회전축부(20)의 원주상에 등간격으로 설치되되 상승되는 바람의 방향에 접선이 용이하도록 회전축부(20)에 상하 경사각(A)으로 블레이드(30)가 설치되며, 블레이드(30)는 회전축부(20)에서 완벽한 지지상태를 유지할 수 있도록 하는 보강지지대(미도시)가 설치됨이 바람직하다.

상기 바람안내부재(40)는 고정후레임(10)의 수평지지대(14)에 연결된 지지틀체(42)와 상기 지지틀체(42) 내에서 이동안내되어 상,하부 지지대판(16) 사이에 바람을 유입안내할 수 있는 바람안내면(45)이 설치되되 상기 바람안내부재(40)는 복수로 설치되는 것으로 가장 바람직하기로는 도면에서와 같이 측부 네방향에 각각 설치되는 것이 바람직하다.

상기 지지틀체(42)는 평면을 기준으로 사각을 이루는 수평지지대(14)의 모서리 부분에서 시작되는 선단부(42a)에서 점차적으로 외측으로 벌어진 경사각을 이루는 경사면(45a)이 형성되고 끝단부(42b)는 수평지지대(14)의 길이보다 길게 돌출된 길이로 형성되되 각 수평지지대(14)와 대응된 위치에 각각 설치된다.

상기에서 지지틀체(42)의 경사면(45a)을 이루는 경사각도는 풍력발전장치의 크기 또는 지형 등의 특성에 따라 바람을 최대한 포집할 수 있는 각도로 설정되어 사용됨은 물론이다.

상기 지지틀체(42)의 상,하부 가이드홈(44)에 이동바퀴(46)가 구비된 바람안내면(45)이 이동수단(50)에 의해 수평이동하되 바람안내면(45)은 외측방향으로 이동하였을 때 블레이드(30)의 회전방향으로 최대한 바람이 유입할 수 있도록 개방되고 바람안내면(45)이 내측방향으로 완전 이동하였을 때는 블레이드(30)의 방향으로 유입되는 바람을 차단할 수 있는 크기로 형성되며, 바람안내면(45)은 강풍에도 견딜 수 있는 판상으로 구비된다.

그리고 바람안내면(45)이 내측으로 완전이동하는 경우에 태풍과 같이 강풍이 부분 경우에는 바람의 유입을 최소화할 수 있도록 입구를 차단하여 블레이드(30)의 손상을 방지하면서 블레이드(30)가 회전되어 지속적인 발전이 이루어질 수 있도록 구성됨은 물론이다.

즉, 상기에서 바람안내면(45)이 경사각을 이루는 외측으로 이동하였을 때는 외측으로 돌출된 바람안내면(45)에 의해 유입되는 바람이 넓은 유입공간을 통해 포집되는 상태로 경사면(45a)을 따라 유입될 수 있게 함과 아울러 넓은 블레이드(30) 방향으로 넓게 개방되어 풍속 및 풍량을 크게 높여 높여줄 수 있게 하며, 바람안내면(45)이 내측으로 이동하였을 때는 블레이드(30) 방향으로 바람을 포집하는 면적 을 줄이면서 블레이드(30)에 유입되는 입구를 좁게 하는 수단으로 풍속 및 풍량을 줄이게 된다.

상기 바람안내면(45)의 이동수단(50)은 지지틀체(42)의 하부 일측에 설치되는 모터 또는 실린더 등의 작동부재(52)에 의해 바람안내면(45)이 수평이동할 수 있게 연결되어 바람의 세기를 감지하는 감지센서(미도시)에 의해 이동을 제어할 수 있게 하되 미풍이 부는 경우에는 감지센서에 의해 바람안내면(45)을 경사각을 이루는 외측으로 돌출되게 이동시키고, 강풍이 부는 경우에는 바람안내면(45)을 내측으로 이동시키게 되는바, 이러한 이동위치는 감지센서의 신호에 의해 제어할 수 있도록 하는 별도의 제어시스템(미도시)에 설정하여 동작되도록 함이 바람직하다.

본 발명에서 예시한 작동부재(52)는 지지틀체(42)의 하부 일측에 모터(54)가 설치되고 바람안내면(45)의 양단에 체인으로 된 작동줄(56)이 연결되어 정역회전되는 모터(54)의 회전축부(20)의 회전방향에 따라 바람안내면(45)이 수평으로 좌우이동될 수 있게 되어 있으며, 이러한 구성수단 외에도 실린더 등과 같은 다양한 작동부재에 의해 바람안내면(45)의 좌우 수평이동이 수행될 수 있는 것이므로 본 발명에서는 이를 한정하지 않는다.

도면 중 미설명부호 34는 블레이드 지지판을 나타내고 36은 블레이드 장착 부재를 나타낸다.

이와 같이 된 본 발명의 풍력발전장치의 구성에 따른 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 풍력발전장치는 고정후레임(10)의 중앙에 수직으로 설치된 회전축부(20)의 하부에 발전기(25)가 연결되고 상기 회전축부(20)의 원주상에 등간격으로 블레이드(30)가 설치된 상태에서 상기 블레이드(30)의 외측에 바람을 유입안내하는 바람안내면(45)이 구비된 바람안내부재(40)가 설치된 상태에서 상기 바람안내면(45)에 의해 블레이드(30) 방향으로 유입된 풍속 및 풍량을 조절하는 수단으로 발전이 이루어지게 된다.

즉, 본 발명에서는 미풍이 부는 경우에는 이를 감지하는 감지센서의 전달신호에 의해 지지틀체(42)의 일측에 설치된 작동부재(52)가 작동되면서 도 3과 같이 바람안내부재(40)의 바람안내면(45)이 경사각을 이루는 외측으로 돌출되게 이동하여 바람안내면(45)의 경사면(45a)을 따라 블레이드(30) 방향으로 넓은 유입공간을 통해 많은 바람의 포집이 이루어지게 됨과 아울러 블레이드(30)의 입구를 넓게 개방하게 되므로 바람의 풍속과 풍량을 크게 높여 블레이드(30)를 회전시키는 수단으로 회전축부(20)의 회전동력에 의한 발전기(25)의 발전이 이루어지게 되므로 고효율의 발전이 이루어지게 된다.

이는 각각의 방향에 설치되어 바람을 안내할 수 있게 한 양측의 바람안내면(45)에 의해 넓은 공간에서 바람의 확대 포집이 이루어지면서 바람안내면(45)의 경사면(45a)을 따라 바람이 블레이드(30) 방향으로 선회되어 유입이 되므로 미풍에서도 풍속과 풍량을 최대한 높여서 블레이드(30)를 회전시키게 되므로 회전축부(20)의 회전동력에 의한 발전기(25)의 발전량을 극대화할 수 있게 된다.

그리고 유입되는 바람이 설정된 이상의 강한 강풍이 부는 경우에는 이를 감지하는 감지센서의 전달신호에 의해 지지틀체(42)의 일측에 설치된 작동부재(52)가 작동되면서 도 4와 같이 바람안내부재(40)의 바람안내면(45)이 내측으로 이동하여 바람안내면(45)에 의한 블레이드(30) 방향으로 바람을 포집하는 면적을 줄이면서 블레이드(30)에 유입되는 입구를 좁게 하는 수단으로 풍속 및 풍량을 줄이게 되는바, 이러한 바람안내면(45)의 이동위치는 바람의 세기에 따라 달라지게 된다.

예를 들어 태풍과 같이 강한 바람이 부는 경우에는 블레이드(30)가 손상됨과 아울러 회전축부(20)에 과부하가 발생할 우려가 있으므로 바람안내면(45)은 최대한 내측으로 이동하여 블레이드(30) 방향으로 유입되는 풍속과 풍량을 줄이는 수단으로 블레이드(30)가 정상적인 회전상태에서 원활한 발전이 이루어지도록 한다.

이렇게 본 발명에서는 수직의 회전축부(20)에 설치된 블레이드(30)에 의해 바람의 영향을 거의 받지 않으면서 바람의 세기에 따라 바람안내부재(40)에 구름이 동이 가능하게 되어 있는 바람안내면(45)에 의해 풍속 및 풍량을 조절하게 되므로 항상 정상적인 발전이 이루어지도록 하고 발전생산량을 크게 증대하고 풍력발전장치의 내구성도 크게 향상시킬 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 구성을 나타낸 전면 예시도.

도 2는 본 발명의 구성에 따른 평단면 예시도.

도 3은 본 발명의 구성에 따른 바람안내면의 외측 이동상태를 개략적으로 나타낸 평단면 작용도.

도 4는 본 발명의 구성에 따른 바람안내면의 내측 이동상태를 개략적으로 나타낸 평단면 예시도.

도 5는 본 발명의 구성에 따른 회전축부에 블레이드가 설치되는 상태를 나타낸 사시도.

도 6은 본 발명의 바람안내부재에 구성된 바람안내대의 이동수단을 나타낸일부확대 전면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 고정후레임 12 : 수직지지대

14 : 수평지지대 16 : 지지대판

20 : 회전축부 25 : 발전기

26 : 클러치 30 : 블레이드

40 : 바람안내부재 42 : 지지틀체

42a : 선단부 42b : 끝단부

44 : 가이드홈 45 : 바람안내면

45a : 경사면 46 : 이동바퀴

50 : 이동수단 52 : 작동부재

54 : 모터 56: 작동줄

Claims (7)

1. 고정후레임(10)의 중앙에 수직으로 설치되는 회전축부(20)와,

   상기 회전축부(20)의 하부에 연결되어 전달되는 회전력에 의해 발전이 이루어지는 발전기(25)와,

   상기 회전축부(20)의 원주상에 등간격으로 설치되어 유입되는 바람으로부터 회전력을 발생시키는 복수의 블레이드(30)와,

   상기 블레이드(30)의 외측에 설치되어 바람을 유입안내하는 바람안내면(45)이 구비된 바람안내부재(40)와,

   상기 바람안내면(45)은 바람의 세기에 따라 수평이동하여 유입되는 풍속 및 풍량을 조절할 수 있게 한 이동수단(50)이 구비된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 고정후레임(10)은 수직지지대(12)와 상기 수직지지대(12)를 지지하는 수평지지대(14)의 구성으로 이루어지고

   상기 수평지지대(14)의 상,하부에 지지대판(16)이 설치되어 바람이 그 상,하부 지지대판(16)사이에 설치되는 블레이드(30)에 유입될 수 있게 한 구성과,

   상기 상,하부 지지대판(16)의 중심부에 구비된 베어링으로 회전가능하게 회 전축부(20)가 고정설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 발전기(25)는 회전축부(20)의 회전동력을 전달받아 이를 이용하여 전기 에너지를 발생시키되 회전축부(20)의 회전동력에 의해 과부하를 방지하기 위한 클러치(26)에 의해 단속이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 블레이드(30)는 유입되는 바람에 의해 일방향으로 회전력이 발생시킬 수 있도록 선회안내되는 형태의 날개로 이루어지고 회전축부(20)의 원주상에 등간격으로 설치되되 상승되는 바람의 방향에 접선이 용이하도록 회전축부(20)에 상하 경사각(A)으로 블레이드(30)가 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 바람안내부재(40)는 고정후레임(10)의 수평지지대(14)에 연결된 지지틀체(42)와 상기 지지틀체(42) 내에서 이동안내되어 상,하부 지지대판(16) 사이에 바람을 유입안내할 수 있는 바람안내면(45)이 설치되되

   상기 지지틀체(42)는 평면을 기준으로 사각을 이루는 수평지지대(14)의 모서리 부분에서 시작되는 선단부(42a)에서 점차적으로 외측으로 벌어진 경사각을 이루는 경사면(45a)이 형성되고 끝단부(42b)는 수평지지대(14)의 길이보다 길게 돌출된 길이로 형성되되 각 수평지지대(14)와 대응되게 각각 설치됨을 특징으로 하는 풍력발전장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 지지틀체(42)의 상,하부 가이드홈(44)에 이동바퀴(46)가 구비된 바람안내면(45)이 바람안내면(45)이 이동수단(50)에 의해 수평이동하되

   바람안내면(45)은 외측방향으로 이동하였을 때 블레이드(30)의 회전방향으로 최대한 바람이 유입할 수 있도록 개방되고 내측방향으로 완전 이동하였을 때 블레이드(30)의 방향으로 유입되는 바람을 차단할 수 있는 크기로 형성됨을 특징으로 하는 풍력발전장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 바람안내면(45)의 이동수단(50)은 지지틀체(42)의 하부 일측에 설치되는 작동부재(52)에 의해 바람안내면(45)이 수평이동할 수 있게 연결되어 바람의 세기를 감지하는 감지센서에 의해 이동을 제어할 수 있게 됨을 특징으로 하는 풍력발 전장치.

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