KR101038451B1 - 풍력과 수력을 이용한 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력과 수력을 이용한 발전장치에 관한 것으로, 풍력에 의해 회전되는 타워형 블레이드를 갖춘 회전축과; 상기 회전축의 하단부에 설치되고, 일부가 강이나 계곡을 따라 흐르는 물 속에 잠기도록 시공되는 케이싱과; 상기 케이싱의 물에 잠긴 부분중 상측에 형성된 물 유입구와; 상기 물 유입구와 반대방향의 케이싱 하측에 형성된 물 배출구와; 상기 케이싱 내부에 위치된 회전축의 외주면에 반경방향으로 다수 설치되고, 상하방향으로 간격을 두고 다수 설치된 수차와; 상기 수차와 수차 사이에 배치되고, 수차를 거쳐 낙수된 물을 회전가속시켜 하측 수차로 안내하는 나선형 가이드를 포함하여 구성되는 풍력과 수력을 이용한 발전장치를 제공한다.

본 발명은 풍력을 이용할 때 블레이드가 수직형태로 설치된 타워형이기 때문에 안정성이 향상되며, 작은 바람으로도 쉽게 회전될 수 있어 고효율적이고, 설치 조건이 까다롭지 않아 설치가 용이하며, 수력과 병행하므로 발전효율이 향상되고, 발전기의 가동율이 높아져 에너지 회수율이 증대되는 효과를 제공한다.

풍력, 블레이드, 타워형, 수력, 발전효율

Description

풍력과 수력을 이용한 발전장치{GENERATOR USING WIND POWER AND WATER POWER}

본 발명은 풍력과 수력을 이용한 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강이나 계곡 등에 설치하여 풍력과 수력을 함께 이용함으로써 발전효율을 향상시키고 발전 가동율을 높일 수 있도록 개선된 풍력과 수력을 이용한 발전장치에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 석유 등과 같은 화석연료는 자원이 점차 고갈되어 가고 있는 상황이고, 또한 화석 연료의 사용은 지구 온난화의 주범으로 지목되고 있다.

이러한 지구환경문제의 대두 및 친환경 에너지원에 대한 관심이 커짐에 따라 신재생에너지, 무엇보다도 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지원의 개발이 요청되고 있다.

특히, 고유가로 말미암아 전세계 경제의 경기침체가 두드러지고 있는 현 상황을 감안하면 대체 에너지원의 개발이 더욱 절실한 실정이다.

그러한 에너지원의 개발 예로, 풍력 자원을 들 수 있다.

풍력은 무궁무진하며 지구상에 대기가 존재하는 한 없어지지 않고 무한히 사용할 수 있는 풍부한 친환경적인 자연에너지이다.

이와 같은 풍력을 에너지 자원으로 이용하려는 노력들이 무수히 경주되었으며, 그 결과 풍력발전기가 개발되어 현재는 상당한 양의 에너지를 풍력을 전기에너지로 변환시키는 풍력발전기를 통해 얻고 있다.

예컨대, 주지된 풍력발전기는 보통 기둥의 상단에 발전기가 배치되고, 상기 발전기의 수평 회전축에 선풍기 날개와 같은 프로펠러가 장착된 수평형 구조를 갖는다.

그러나, 상기와 같은 종래의 풍력발전기는 바람을 받는 프로펠러의 면적이 적어 약한 바람에 의해 프로펠러가 쉽게 회전되지 않기 때문에 효율이 떨어지는 단점이 있다.

특히, 이러한 프로펠러형 날개(블레이드)는 바람이 일정하고 센 곳에서 사용하기 적합한 타입이나 우리나라의 실정은 바람이 일정하지 않기 때문에 적합하지 않고, 부득이 설치 사용해야 할 경우라면 특별한 입지 조건을 갖추어야 하므로 설치 장소에 많은 제약이 따른다.

뿐만 아니라, 기둥에 비해 프로펠러가 한쪽으로 치우쳐 장착되기 때문에 무게중심을 맞추기 위한 설계가 어렵고, 고를 높여야 하기 때문에 안정성이 떨어져 전도 위험성이 높은 단점도 있다.

나아가, 이와 같은 이유로 인해 설비가 매우 고가라는 단점도 갖는다.

한편, 수력의 경우에도 친환경적이면서 반영구적인 에너지 자원이지만 수력 발전을 위해서는 댐을 건설해야 하는 등 입지조건과 엄청난 공사비용 및 설비비용 때문에 쉽게 설치할 수 없다는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 수평형 블레이드 형태에서 벗어나 수직형, 즉 타워형 블레이드를 갖는 풍력발전기를 구현하되, 강이나 계곡 등에 설치하여 풍력과 수력을 병행함으로써 발전효율을 높이고, 발전기의 가동율을 향상시켜 에너지 자원의 활용을 극대화시킬 수 있도록 한 풍력과 수력을 이용한 발전장치의 제공을 그 주된 해결 과제로 한다.

본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 풍력에 의해 회전되는 타워형 블레이드를 갖춘 회전축과; 상기 회전축의 하단부에 설치되고, 일부가 강이나 계곡을 따라 흐르는 물 속에 잠기도록 시공되는 케이싱과; 상기 케이싱의 물에 잠긴 부분중 상측에 형성된 물 유입구와; 상기 물 유입구와 반대방향의 케이싱 하측에 형성된 물 배출구와; 상기 케이싱 내부에 위치된 회전축의 외주면에 반경방향으로 다수 설치되고, 상하방향으로 간격을 두고 다수 설치된 수차와; 상기 수차와 수차 사이에 배치되고, 수차를 거쳐 낙수된 물을 회전가속시켜 하측 수차로 안내하는 나선형 가이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력과 수력을 이용한 발전장치를 제공한다.

이때, 상기 케이싱과 거리를 두고 케이싱 상부에 설치되는 분리벽과, 상기 분리벽에 안착되고 물이 채워진 수조와, 상기 수조를 관통하여 하실까지 연장배열 된 회전축의 외주면에 각도를 갖고 비틀려 고정되며 상기 수조의 수면에 일부 잠기게 배치된 보조날개와, 상기 보조날개와 수면 사이로 유체를 분사하도록 설치된 분사노즐이 더 구비된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 수조의 상측에는 외주면을 따라 'ㄷ' 형상으로 절개된 후 구부려지고, 상하부가 막힌 바람가이드가 다수 형성된 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 바람가이드의 내주면에는 다수의 돌기가 돌출형성된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명은 풍력을 이용할 때 블레이드가 수직형태로 설치된 타워형이기 때문에 안정성이 향상되며, 작은 바람으로도 쉽게 회전될 수 있어 고효율적이고, 설치 조건이 까다롭지 않아 설치가 용이하며, 수력과 병행하므로 발전효율이 향상되고, 발전기의 가동율이 높아져 에너지 회수율이 증대되는 효과를 제공한다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 발전장치의 예시적인 정면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 발전장치의 하단부를 보인 예시적인 단면도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 발전장치의 요부를 보인 일부 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발전장치는 풍력과 수력을 병행하여 전기에너지를 얻을 수 있는 형태를 갖는다.

이때, 풍력을 얻기 위한 날개, 즉 블레이드는 타워형, 즉 수직형으로 형성된다.

여기에서, 타워형이란 풍력, 즉 바람에 저항하여 회전되는 날개인 블레이드(B)가 기존과 같은 프로펠러가 아니라, 판상의 부재를 세워 놓은 형태를 말한다.

본 발명에서는 상기 블레이드(B)가 수직으로 세워진 상태에서, 바람직하게는 90°간격을 두고 4개, 경우에 따라서는 120°간격을 두고 3개 혹은 180°간격을 두고 2개 설치되는 형태로 이루어진다.

이 경우, 상기 블레이드(B)의 배열은 상술한 각도와 개수로 국한되는 것이 아니라, 설치될 장소의 자연조건에 따라 가변될 수 있음은 물론이다.

그리고, 상기 블레이드(B)는 회전축(100)에 연결되고, 상기 회전축(100)의 하단 일부에는 풍력에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기(미도시)가 설치된다.

한편, 본 발명에 따른 풍력을 이용한 발전장치는 상기 블레이드(B)가 바람에 의해 미세하게 부상되도록 함으로써 하중을 줄이고, 동작의 원활성과 장수명화를 달성하도록 함이 바람직한데, 이를 위해 상기 회전축(100)은 메인회전축(110)과 서브회전축(120)으로 분할되며, 이들 사이에는 테이퍼니들베어링(200)이 연결설치되어 미세한 간격 내에서 상기 메인회전축(110)이 서브회전축(120)으로부터 이격되면서 부상(공중부양)되더라도 이를 충분히 회전가능하게 지지할 수 있도록 구성될 수 있다.

이때, 상기 서브회전축(120)은 축가이드(130)에 내장되고, 상기 축가이드(130)의 상단에 상기 테이퍼니들베어링(200)의 하단에 고정되도록 하여 상기 테 이퍼니들베어링(200)을 견실 안정적으로 지지 고정할 수 있도록 함이 특히 바람직하다.

뿐만 아니라, 블레이드(B)가 원활하게 회전될 수 있도록 상기 메인회전축(110)의 상단을 회전가능하게 고정하는 지지프레임(300)이 구비되며, 부상력을 발생시킬 수 있도록 상기 블레이트(B)의 일부에 바람 저항이 큰 구조를 갖도록 각 형의 부상유도부재(400)를 더 설치할 수 있고, 지지프레임(300)에는 바람가이드(310)를 더 설치할 수도 있는데, 이러한 예는 본 발명을 설명하기 위한 바람직한 실시예에 불과할 뿐이며 이것으로 국한되지는 않는다.

다시 말해, 본 발명에 따른 발전장치는 풍력을 사용하기 위해 반드시 상술한 구성을 갖출 필요는 없으며, 통상적인 타워형 블레이드이면 모두 적용될 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 발전장치는 강이나 계곡 등 물이 흐르는 곳에 설치되어야 하므로 구조적 안정성을 더하기 위해 기둥(P)이 더 설치된다.

상기 기둥(P)은 상기 지지프레임(300)의 하단으로부터 연장형성됨이 바람직하며, 그 단면 형상은 삼각, 사각, 원형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.

한편, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발전장치를 구성하는 주요 구성중 하나로 수력을 이용하기 위해 회전축(100)의 하단에는 케이싱(500)이 구비된다.

이때, 상기 케이싱(500)은 원통형상일 수도 있고, 사각형상일 수도 있는데 주로 강이나 계속 등 물의 흐름이 지속적으로 발생되는 곳에서 그 일부가 물 속에 잠기게 된다.

즉, 상기 케이싱(500)의 상부는 분리벽(510)에 의해 상하로 구획되어 상실(520)과 하실(530)을 이루는데, 상기 분리벽(510)은 기둥(P)에 고정되고, 케이싱(500)은 하실(530)에 위치되게 된다.

결국, 상기 상실(520)은 물에 잠기지 않고, 하실(530) 쪽만 일부 물에 잠기게 된다.

아울러, 상기 상실(520)에는 수조(512)가 구비되고, 상기 수조(512) 및 분리벽(510)을 관통하여 서브회전축(120)이 설치되는데, 상기 서브회전축(120)의 하단은 상기 케이싱(500) 중 하실(530)의 바닥면에 베어링블럭(미도시)에 의해 회전가능하게 고정지지된다.

또한, 상기 수조(512)에는 일정 수위 이상 물이 채워지고, 상기 수조(512)를 관통하는 서브회전축(120)의 외주면에는 보조날개(514)가 고정되는데, 상기 보조날개(514)는 일정각도로 비틀린 채 상기 수조(512)에 저수된 물의 수면상에 약간 잠기도록 배치된다.

그리고, 수조(512)의 일측에는 분사노즐(516)이 설치되는데, 상기 분사노즐(516)은 에어를 고압으로 분사하는 노즐로서 상기 보조날개(514)와 적정각도를 유지한 채 설치되도록 하여 분사되는 에어에 의해 수조(512)에 저수된 물은 물론 보조날개(514)가 에어압에 의해 회전유동될 수 있도록 하며, 이를 통해 서브회전축(120)이 회전될 수 있도록 하기 위한 것이다.

이 경우, 상기 보조날개(514)는 상기 서브회전축(120)을 회전구동시키기 위한 메인 구동원이 아니라, 바람이 약하거나 회전축(100)의 출력이 약할 때 조력하 기 위해 사용되는 것이다.

여기에서, 상기 분사노즐(516)을 통해 분사되는 유체는 에어로 한정될 필요는 없으며, 경우에 따라 물을 분사할 수도 있다.

뿐만 아니라, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 수조(512)의 상부 외주면, 즉 수면 위쪽 부분에는 대략 'ㄷ' 형상을 절개된 후 일정각도로 구부려지고, 상하부가 막힌 대략 삼각형상의 바람가이드(G)가 더 형성될 수 있다.

이때, 상기 바람가이드(G)는 강바람이나 계곡풍이 자연스럽게 수조 내부로 유입되도록 안내하여 보조날개(514)의 회전구동을 더욱 용이하게 할 수 있다.

경우에 따라서는 상기 바람가이드(G)의 내측면에 다수의 돌기(D)를 돌출형성하여 안내된 바람이 와류를 일으키게 함으로써 풍력에너지를 더욱 높이도록 구성할 수도 있다.

한편, 상기 하실(530)은 강이나 계곡 등의 설치장소에 설치될 때 그 일부가 물 속에 잠기도록 설치되는데, 하실(530)중 물에 잠기지 않는 상측에는 발전 및 축전 등 풍력이나 수력으로부터 에너지를 얻는 기계실(M)이 설치된다.

아울러, 상기 하실(530)중 물에 잠기는 부분에는 앞서 설명하였듯이 케이싱(500)이 설치되고, 상기 케이싱(500)의 상측 일부에는 유입구(532)가 형성되며, 하측에는 배출구(534)가 형성되되 이들이 물 흐르는 방향으로 설치되도록 하여 흐르는 물이 유입구(532)를 통해 케이싱(500) 내부로 들어온 후 일련의 수력발전을 위한 과정을 거친 후 자연스럽게 배출구(534)를 통해 배출되도록 함이 바람직하다.

그리고, 상기 케이싱(500)까지 연장된 서브회전축(120)에는 상하로 간격을 두고 적어도 2개 이상의 수차(536)가 설치된다.

상기 수차(536)도 상기 보조날개(514)와 마찬가지로 상기 서브회전축(120)의 외주면에 반경방향으로 고정되되 일정한 각도를 갖고 비틀어 설치된다.

예컨대, 도 3의 예시와 같이, 수차(536)가 비틀어 설치됨으로서 유입구(532)를 통해 낙하되는 물의 충돌에 의해 상기 서브회전축(120)을 회전시키게 된다.

아울러, 관성력(원심력)을 높여 낙하충격을 크게 함으로써 수력에 의한 서브회전축(120)의 회전력을 증대시킬 수 있도록 수차(536)와 수차 사이에는 나선형 가이드(538)가 설치된다.

상기 나선형 가이드(538)은 외테두리가 상기 케이싱(500)의 하실(530) 내벽면에 고정되고, 내테두리는 상기 서브회전축(120)과 약간의 간격을 두고 유지함으써 상기 서브회전축(120)이 원활하게 회전할 수 있도록 하여 준다.

나아가, 이들 구성요소들을 구동시킬 동력은 외부전원을 사용할 수도 있을 것이나, 본 발명 발전장치를 통해 얻어진 전기에너지를 축전시켜 두었다가 필요시 이를 꺼내어 쓸 수 있도록 함이 더욱 바람직하다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 발전장치는 다음과 같은 작동관계를 갖는다.

본 발명에 따른 발전장치가 설치된 개소에 바람이 불기 시작하면 바람에 의해 풍력발전이 개시된다.

한편, 물 속에 잠긴 하실(530)의 케이싱(500)에서는 물의 유속과 케이싱(500)으로 유입된 물의 낙차를 통해 수차(536)가 회전되면서 서브회전축(120)의 회전구동에 조력하게 되므로 발전효율이 급상승하게 된다.

또한, 바람이 불지 않을 때에도 강물은 흘러가기 때문에 발전장치의 가동율도 높아져 에너지 생산성이 더욱 향상된다.

이때, 케이싱(500)의 유입구(532)를 통해 유입된 물은 곧바로 낙하되면서 수차(536)를 돌리게 되고, 바닥까지 낙하된 물은 배출구(534)로 배출되게 되는데 이러한 과정이 연속적이면서 지속적으로 일어나기 때문에 서브회전축(120)을 회전시키는데 지대한 영향을 미치게 된다.

아울러, 바람도 약하고 물도 없을 경우 회전축(100)의 회전력이 떨어지게 되는데, 이 경우에는 분사노즐(516)을 통해 에어 등의 유체를 공급함으로써 회전축(100)의 회전효율을 더 높일 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 발전장치의 예시적인 정면도,

도 2는 본 발명에 따른 발전장치의 하단부를 보인 예시적인 단면도,

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 발전장치의 요부를 보인 일부 사시도.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100....회전축 110....메인회전축

120....서브회전축 200....테이퍼니들베어링

300....지지프레임 400....부상유도부재

500....케이싱 510....분리벽

520....상실 530....하실

Claims (4)

1. 풍력에 의해 회전되는 타워형 블레이드를 갖춘 회전축과;

   상기 회전축의 하단부에 설치되고, 일부가 강이나 계곡을 따라 흐르는 물 속에 잠기도록 시공되는 케이싱과;

   상기 케이싱의 물에 잠긴 부분중 상측에 형성된 물 유입구와;

   상기 물 유입구와 반대방향의 케이싱 하측에 형성된 물 배출구와;

   상기 케이싱 내부에 위치된 회전축의 외주면에 반경방향으로 다수 설치되고, 상하방향으로 간격을 두고 다수 설치된 수차와;

   상기 수차와 수차 사이에 배치되고, 수차를 거쳐 낙수된 물을 회전가속시켜 하측 수차로 안내하는 나선형 가이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력과 수력을 이용한 발전장치.
2. 청구항 1에 있어서;

   상기 케이싱과 거리를 두고 케이싱 상부에 설치되는 분리벽과, 상기 분리벽에 안착되고 물이 채워진 수조와, 상기 수조를 관통하여 하실까지 연장배열된 회전축의 외주면에 각도를 갖고 비틀려 고정되며 상기 수조의 수면에 일부 잠기게 배치된 보조날개와, 상기 보조날개와 수면 사이로 유체를 분사하도록 설치된 분사노즐이 더 구비된 것을 특징으로 하는 풍력과 수력을 이용한 발전장치.
3. 청구항 2에 있어서;

   상기 수조의 상측에는 외주면을 따라 'ㄷ' 형상으로 절개된 후 구부려지고, 상하부가 막힌 바람가이드가 다수 형성된 것을 특징으로 하는 풍력과 수력을 이용한 발전장치.
4. 청구항 3에 있어서;

   상기 바람가이드의 내주면에는 다수의 돌기가 돌출형성된 것을 특징으로 하는 풍력과 수력을 이용한 발전장치.

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