KR101062580B1

KR101062580B1 - 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기

Info

Publication number: KR101062580B1
Application number: KR1020110048718A
Authority: KR
Inventors: 박일성
Original assignee: 박일성
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2011-09-06

Abstract

본 발명은 수직형 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전날개의 개폐각을 자동 조절하여 불어오는 바람의 실질적인 전량을 에너지로 변환시킬 수 있는 수직형 풍력발전기에 관한 것이다.
구체적으로 본 발명은 회전력으로 전력을 생성하는 발전기를 포함하고 지면에 고정되는 베이스; 상기 베이스의 중앙에 수직으로 설치되고 하단이 상기 발전기에 연계되어 상기 발전기에 회전동력을 전달하는 수직회전축; 수평프레임 및 수직프레임에 의해 상기 수직회전축의 원주방향을 따라 등 간격으로 설치된 회전 프레임; 및 상기 회전 프레임에 다수개가 회전 가능하게 설치되고, 풍향에 따라 개폐각이 자동 변경되는 회전날개를 제공하는 날개 유닛을 포함하는 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기를 제공한다.

Description

회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기{Vertical aerogenerator with rotating wings of which degrees of opening and closing are self controlled}

본 발명은 수직형 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전날개의 개폐각이 자동 조절되어 불어오는 바람의 실질적인 전량을 에너지로 변환시킬 수 있는 수직형 풍력발전기에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전이란 풍차를 이용하여 바람의 에너지를 회전축의 기계적 에너지(회전력)로 변환시키고 상기 기계적 에너지로 발전기를 구동시킴으로써 전력을 얻는 발전 방식을 지칭한다. 풍력발전은 현재까지 개발된 신재생에너지원 중에서도 경제성이 가장 높고 무한정, 무비용의 청정에너지원인 바람을 이용한다는 고유의 장점으로 인해 일찍이 풍력발전산업이 발달한 유럽은 물론 최근 들어 미주와 아시아 등지에서도 적극적인 투자가 이뤄지고 있다.

특히, 풍력발전은 전력생산의 가격경쟁력향상과 설치면적 최소화 등 원가적 측면, 화석에너지의 대체에너지원으로서 온난화방지와 같은 지구환경보호 등 사회환경적 측면, 공급의 안정성 및 에너지수입의 의존도감소 등 경제적 측면에서 각종 장점을 보임에 따라 정부에서도 적극 지원하고 있고, 이에 부응하여 국내에서도 향후 성장세가 본격화될 것으로 기대되고 있다.

풍력발전은 날개의 회전축 방향에 따라 회전축이 지면에 수평인 수평형 풍력발전장치와 회전축이 지면에 수직인 수직형 풍력발전장치로 구분할 수 있다.

수평형 풍력발전장치는 풍력발전기의 가장 일반적인 형태로서 발전효율이 높지만 바람의 방향이 자주 바뀌는 지역에서는 적용이 어렵고, 회전체를 비롯한 주요 부품들이 높은 곳에 설치되므로 설치비용이 과다할 뿐 아니라 유지보수가 쉽지 않으며 태풍 등의 강한 바람에 구조적으로 취약한 단점을 갖고 있다. 다시 말해, 수평형 풍력발전장치는 바람방향에 대한 강한 의존성을 나타내는바, 바람이 일정한 방향으로 불어야만 회전되므로 바람의 방향이 바뀌면 제대로 회전되지 않거나 정지하여 발전량이 줄어든다.

또한 수평형 풍력발전장치는 회전축이 지면에 수평이고 회전축에 설치된 날개는 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하는데, 대부분 일정강도 이상의 약한 바람에는 민감하지 못하다. 따라서 한국과 같이 바람이 강하게 부는 날이 많지 않은 곳에서는 효율성이 떨어지고, 고가의 설치비에 반해 풍력발전에 의한 전력량이 극히 작아 강원도의 고산지대나 일부 해안가 또는 도서지방에서만 한정해서 적용되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 안출된 것으로서, 불어오는 바람의 실질적인 전량을 활용할 수 있는 구체적인 방도를 제공하는데 그 목적을 둔다.

이를 위해 구체적으로 본 발명은 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기를 제공하고자 하며, 이로써 불어오는 바람의 실질적인 전량을 전기에너지로 변환하여 에너지 효율을 극대화하는 한편 약한 바람이나 바람의 방향이 바뀌어도 기계적 변환효율을 증가 및 유지할 수 있도록 하는데 그 목적을 둔다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 회전력으로 전력을 생성하는 발전기를 포함하고 지면에 고정되는 베이스; 상기 베이스의 중앙에 수직으로 설치되고 하단이 상기 발전기에 연계되어 상기 발전기에 회전동력을 전달하는 수직회전축; 수평프레임 및 수직프레임에 의해 상기 수직회전축의 원주방향을 따라 등 간격으로 설치된 회전 프레임; 및 상기 회전 프레임에 다수개가 회전 가능하게 설치되고, 풍향에 따라 개폐각이 자동 변경되는 회전날개를 제공하는 날개 유닛을 포함하는 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기를 제공한다.

이때, 상기 수평프레임은 상기 수직회전축에서 둘 이상이 수평으로 연장되고, 상기 수직프레임은 둘 이상이 상기 수평프레임을 수직으로 연결하여 상기 회전 프레임을 상하 좌우의 다수로 등분하며, 상기 등분된 영역에 각각 상기 회전날개가 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전날개는 상방으로 편심된 수평축에 의해 자전 가능하게 설치되고, 상기 날개유닛은 상기 회전날개의 회전반경을 제한하는 하나 이상의 가이드플레이트; 상기 회전날개의 상단에 수평으로 관통된 다수의 홀 및 상기 홀에 내삽되는 무게 조절용 바를 포함하거나 상기 회전날개의 상단에 부착되는 무게추를 포함하는 것을 특징으로 하고, 또는 상기 회전날개는 상방으로 편심된 수평축에 의해 자전 가능하게 설치되고, 상기 날개유닛은 상기 회전날개의 회전반경을 제한하는 하나 이상의 가이드플레이트를 포함하며 상기 회전날개는 상하부의 무게차이를 줄이기 위한 이종접합구조 또는 상하부의 두께차를 나타내는 것을 특징으로 한다.

아울러 상기 가이드플레이트는, 상기 수평축의 일측과 상기 수평측의 하단에 각각 위치하여 상기 회전날개의 회전을 90˚미만으로 제어하는 것을 특징으로 하고, 상기 회전날개는, 상기 회전 프레임에서 모듈 단위로 탈부착이 가능한 것을 특징으로 하며, 상기 회전날개는, 바람에 의해 수평으로 누워지거나 중력으로 인한 자전에 의해 수직으로 세워진 상태를 반복하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 수직형 풍력발전기는 회전날개에 판막구조를 적용, 한쪽 회전날개가 바람을 받을 때 반대쪽 회전날개는 개방(open) 되므로 불어오는 바람의 실질적인 전량을 전기에너지로 변환시킬 수 있어 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기는 수직회전축의 원주방향을 따라 다수개로 장착된 회전프레임에 다수개의 회전날개가 부착되므로 기계적인 변환효율을 크게 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기의 전체를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기의 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기의 날개 유닛을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기의 회전날개를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기의 프레임에 구성된 회전날개를 도시한 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 일 양태(樣態)를 도면을 통해 상세히 살펴본다.

본격적인 설명에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로만 한정 해석될 필요는 없고 발명자는 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면은 본 발명의 바람직한 예에 불과할 뿐 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물 내지는 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기(이하, 간략하게 수직형 풍력발전기라 한다.)의 전체를 도시한 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기(100)는 약한 바람, 미소한 풍압, 일정한 풍속의 바람, 풍속이 갑자기 바뀌는 돌풍(gust) 또는 풍속과 풍향이 갑자기 바뀌는 이른바 윈드 쉬어(wind shear) 등 모든 종류의 바람에 대해 그 실질적인 전량을 전력으로 변환할 수 있다.

이러한, 상기 수직형 풍력발전기(100)는 크게 발전기(102)를 포함하는 베이스(110)와 수직회전축(120), 회전 프레임(130), 날개 유닛(140)으로 구성된다.

먼저, 상기 베이스(110)는 지면 위에 안착되고, 회전동력을 이용하여 기계적 에너지를 전기에너지로 전환하는 발전기(102)를 포함한다. 상기 발전기(102)는 회전날개(142)에 의해 수직회전축(120)이 회전하면 그 회전력으로 전력을 생성하여 축전장치(미도시)에 저장하고, 필요에 따라 저장된 전력을 적절한 사용처에 전달한다.

한편, 베이스(110)의 중앙에 수직으로 설치된 수직회전축(120)은 내부의 축을 매개로 발전기(102)와 연계되어 발전기(102)에 회전동력을 전달한다.

이러한, 상기 수직회전축(120)의 둘레에는 도 2에 도시한 바와 같이 원주방향을 따라 등 간격으로 다수의 회전 프레임(130)이 장착된다.

상기 회전 프레임(130)은 수평프레임(132) 및 수직프레임(134)으로 구성된다.

상기 수평프레임(132)은 수직회전축(120)으로부터 둘 이상이 각각 수평으로 연장 형성되고, 상기 수직프레임(134)은 둘 이상의 수평프레임(132)을 수직으로 연결한다. 일례로, 상기 수평프레임(132) 및 수직프레임(134)은 사각의 격자형태를 나타내도록 수직 및 수평으로 상호 연결되어 회전 프레임(130)을 이루고, 회전 프레임(130)은 수직회전축(120)에 연결된다.

이때, 상기 회전 프레임(130)은 수평프레임(132) 및 수직프레임(134)에 의해 상하 좌우의 다수개로 등분되고, 분할된 공간에 각각 회전날개(142)가 장착된다.

상기 회전 프레임(130)이 다수로 등분되고 등분된 공간에 각각 회전날개(142)가 장착됨으로써 바람의 영향을 보다 많이 받고 안정적으로 회전할 수 있다.

아울러, 회전 프레임(130)의 등분된 공간에는 각각 풍향에 따라 개폐각이 자동 변경되는 회전날개(142)를 제공하는 날개 유닛(140)이 구성된다. 여기서, 상기 날개 유닛(140)은 회전날개(142)를 회전 프레임(130)에서 모듈 단위로 탈부착 가능하게 하고, 상기 회전날개(142)는 바람에 따라 자유 회전되어 풍압에 의해 회전프레임(130) 전체가 회전할 수 있도록 한다.

이러한, 상기 날개 유닛(140)에 대해 자세히 설명하면, 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이 날개 유닛(140)은 회전날개(142), 개폐각 조절부(144)로 이루어지고, 바람직하게는 홀(146), 무게 조절용 바(148)를 포함한다.

상기 회전날개(142)는 다수로 등분된 회전 프레임(130) 공간 내의 중심에서 수평축(145)에 의해 각각 고정된다.

상기 수평축(145)은 회전 프레임(130)내에서 회전날개(142)가 회전가능하게 그 양측을 지지하되 회전날개(142)의 무게중심에서 상방으로 편심되어 바람에 의해 회전날개(142)가 자전가능하게 한다.

그리고, 날개 유닛(140)은 상기 수평축(145)을 중심으로 풍향에 따라 자전하는 회전날개(142)의 회전반경을 제한하는 개폐각 조절부(144)를 제공한다.

상기 개폐각 조절부(144)는 회전날개(142)가 과도하게 회전되지 않도록 제한하기 위해 회전 프레임(130)에 하나 이상 설치된 가이드플레이트(143)를 포함하고, 이로써 회전날개(142)가 일정범위 이상으로 회전하지 못하게 개폐 각을 조절한다.

즉, 상기 개폐각 조절부(144)는 수평축(145)의 일측과 수평축(145)의 하측에 각각 설치되는 가이드플레이트(143)를 포함하고, 이로써 회전날개(142)의 회전에 의한 개폐각도가 90˚미만이 되도록 제한한다.

아울러, 상기 회전날개(142)는 회전 프레임(130)의 상부하부에 각각 설치된 가이드플레이트(143)에 의해 90˚범위 안에서 회전할 수 있다. 그 결과 회전날개(142)는 수평축을 중심으로 회전하고, 개폐각 조절부(144)의 가이드플레이트(143)는 회전날개(142)의 회전반경을 제한하는 제어수단이 된다.

또, 상기 회전날개(142)의 상단에는 수평방향을 따라 다수의 홀(146) 및 상기 홀(146)에 내삽되는 무게 조절용 바(148)가 구비된다. 상기 무게 조절용 바(148)는 장공의 홀(146)에 선택적으로 삽입된다.

상기 다수의 홀(146) 및 무게 조절용 바(148)는 회전날개(142)가 풍압을 받지 않을 시 회전날개(142)가 중력에 의해 수직으로 세워질 수 있도록 수평축(145)을 기준으로 하는 회전날개(142)의 상하부 중 하부의 무게가 상부의 무게보다 약간 더 무겁게 형성되도록 한다. 이 때, 상기 회전날개(142)의 홀(146) 및 여기에 내삽되는 무게 조절용 바(148)를 통해 상방으로 편심된 수평축(145)을 기준으로 하는 회전날개(142)의 상하부 무게 차이를 줄여 상기 회전날개(142)는 약한 바람에도 쉽게 회전할 수 있다.

여기서, 상기 홀(146)과 바(148)를 대신해서 회전날개(142)의 적절한 위치에 무게추를 부착하거나 회전날개(142)의 상하부 두께를 달리한다거나 무게가 다른 이종물질을 접합하는 방식도 가능하다.

그 결과 본 발명에 따른 수직형 풍력 발전기(100)의 회전날개(142)에 풍압이 작용하면 회전프레임(130) 및 수직회전축(120)이 회전하게 된다.

이때, 상기 회전 프레임(130)이 회전할 경우 바람이 불어오는 방향과 수직으로 위치한 회전날개(142) 중 가이드플레이트(143)에 의해 개방이 억제된 쪽의 회전날개(142)는 수직하게 세워져 바람에 의한 수직회전축(120)의 회전력을 증가시키고, 가이드플레이트(143)에 의해 개방이 억제되지 않는 쪽의 회전날개(142)는 수평하게 누운 상태를 유지하여 바람에 대한 불필요한 마찰을 최소화한다. 즉, 풍력을 받는 회전날개(142)만 수직하게 세워져 수직회전축(120)을 정 방향 회전시키고, 그 밖의 회전날개(142)는 수평상태를 유지하여 바람에 의한 저항을 최소화하며, 해당 작용은 수직회전축(120)의 회전에 의해 각 회전 프레임(130)의 회전날개(142)에서 순차적으로 반복된다.

이러한, 작동을 통해 수직회전축(120)에는 역저항이 제거되고 정방향 회전력만이 가해진다.

이렇게, 상기 회전날개(142)는 약한 바람, 미소한 풍압, 일정한 풍속의 바람, 풍속이 갑자기 바뀌는 돌풍(gust) 또는 풍속과 풍향이 갑자기 바뀌는 이른바 윈드 쉬어(wind shear) 등 각종 바람에 신속하게 대응하여 회전날개(142)의 개폐각이 자동 변경된다.

상기 회전날개(142)는 회전 프레임(130) 내에서 복수개가 장착되되 각각 바람에 따라 개폐각이 자동 조절되고, 복수의 회전프레임(130)은 수직회전축을 따라 회전하는바, 결국 불어오는 바람의 실질적인 전량을 기계적 회전력으로 변환하는 한편 수직회전축(120) 내부의 축으로 연계된 발전기(102)로부터는 전기 에너지가 생성된다. 이와 같이, 본 발명은 친환경적이고 안정적인 품질의 전력을 지속으로 공급할 수 있는 수직형 풍력발전기(100)를 제공한다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100:수직형 풍력발전기 102:발전기
110:베이스 120:수직회전축
130:회전 프레임 132:수평프레임
134:수직프레임 140:날개 유닛
142:회전날개 143:가이드플레이트
144:개폐각 조절부 145:수평축
146:홀 148:바

Claims

회전력으로 전력을 생성하는 발전기를 포함하고 지면에 고정되는 베이스;
상기 베이스의 중앙에 수직으로 설치되고 하단이 상기 발전기에 연계되어 상기 발전기에 회전동력을 전달하는 수직회전축;
수평프레임 및 수직프레임에 의해 상기 수직회전축의 원주방향을 따라 등 간격으로 설치된 회전 프레임; 및
상기 회전 프레임에 다수개가 회전 가능하게 설치되고, 풍향에 따라 개폐각이 자동 변경되는 회전날개를 제공하는 날개 유닛을 포함하고,
상기 회전날개는 상방으로 편심된 수평축에 의해 자전 가능하게 설치되고,
상기 날개유닛은,
상기 회전날개의 회전반경을 제한하는 하나 이상의 가이드플레이트; 및
상기 회전날개의 상단에 수평으로 관통된 다수의 홀 및 상기 홀에 내삽되는 무게 조절용 바를 포함하거나 상기 회전날개의 상단에 부착되는 무게추를 포함하는 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기.
회전력으로 전력을 생성하는 발전기를 포함하고 지면에 고정되는 베이스;
상기 베이스의 중앙에 수직으로 설치되고 하단이 상기 발전기에 연계되어 상기 발전기에 회전동력을 전달하는 수직회전축;
수평프레임 및 수직프레임에 의해 상기 수직회전축의 원주방향을 따라 등 간격으로 설치된 회전 프레임; 및
상기 회전 프레임에 다수개가 회전 가능하게 설치되고, 풍향에 따라 개폐각이 자동 변경되는 회전날개를 제공하는 날개 유닛을 포함하고,
상기 회전날개는 상방으로 편심된 수평축에 의해 자전 가능하게 설치되고,
상기 날개유닛은 상기 회전날개의 회전반경을 제한하는 하나 이상의 가이드플레이트를 포함하며,
상기 회전날개는 상하부의 무게차이를 줄이기 위한 이종접합구조 또는 상하부의 두께차를 나타내는 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 수평프레임은 상기 수직회전축에서 둘 이상이 수평으로 연장되고, 상기 수직프레임은 둘 이상이 상기 수평프레임을 수직으로 연결하여 상기 회전 프레임을 상하 좌우의 다수로 등분하며, 상기 등분된 영역에 각각 상기 회전날개가 장착되는 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가이드플레이트는 상기 수평축의 일측과 상기 수평축의 하단에 각각 위치하여 상기 회전날개의 회전을 90˚미만으로 제어하는 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 회전날개는 상기 회전 프레임에서 모듈 단위로 탈부착이 가능한 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 회전날개는 바람에 의해 수평으로 누워지거나 상하부 무게 차이에 의해 수직으로 세워진 상태를 반복하는 회전날개의 개폐각이 자동 조절되는 수직형 풍력발전기.
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