KR101064450B1

KR101064450B1 - 풍력 발전 장치

Info

Publication number: KR101064450B1
Application number: KR1020090002403A
Authority: KR
Inventors: 정자춘; 정성균; 모주호
Original assignee: 정자춘
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2009-01-12
Publication date: 2011-09-14
Also published as: KR20100083045A

Abstract

본 발명은, 하우징; 상기 하우징에 회동 가능하게 장착되는 로테이션 샤프트; 상기 로테이션 샤프트에 배치되는 블레이드부;를 구비하고, 상기 블레이드부는: 상기 로테이션 샤프트에 수직한 평면 상에 배치되는 수평 블레이드부와, 상기 수평 블레이드부가 배치되는 평면을 관통하여 상기 수평 블레이드부의 단부와 연결 배치되는 수직 블레이드부와, 일단이 상기 수직 블레이드부의 외주면으로 회동 가능하게 장착되고 타단은 자유단으로 형성되는 폴더블 블레이드부를 구비하는 풍력 발전 장치를 제공한다.

Description

풍력 발전 장치{WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 바람의 세기에 대한 강인성을 확보할 수 잇는 구조의 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

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 풍력 발전이 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 하기가 어려우며, 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 수직형 풍력발전기가 연구되고 있다. 수직형 풍력발전기는 일정한 폭과 높이를 가지는 원통에 바람의 양 력을 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 수직형 풍력발전기가 더 효율적인 것으로 보고되고 있다.

또한, 우리나라와 같은 풍속의 방향 및 세기의 잦은 변화가 발생하는 지형의 경우, 풍력 발전기의 초기 구동력을 생성후 가능한 일정한 회전 상태를 형성하는 것이 보다 효율적인 풍력 발전을 위하여 필요하다. 하지만, 종래 기술에 따른 수직형 풍력 발전기의 경우 초기 구동후 가능한 풍력 발전 블레이드의 일정한 회전을 유지시키기 위한 구성이 부재하였다.

본 발명은 이와 같이 초기 구동후 바람의 풍향 및 풍속의 잦은 변화에도 강인성을 유지할 수 있는 구조의 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하우징; 상기 하우징에 회동 가능하게 장착되는 로테이션 샤프트; 상기 로테이션 샤프트에 배치되는 블레이드부;를 구비하고, 상기 블레이드부는: 상기 로테이션 샤프트에 수직한 평면 상에 배치되는 수평 블레이드부와, 상기 수평 블레이드부가 배치되는 평면을 관통하여 상기 수평 블레이드부의 단부와 연결 배치되는 수직 블레이드부와, 일단이 상기 수직 블레이드부의 외주면으로 회동 가능하게 장착되고 타단은 자유단으로 형성되는 폴더블 블 레이드부를 구비하는 풍력 발전 장치를 제공한다.

상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 폴더블 블레이드부는: 일단이 상기 수직 블레이드부에 회동 가능하게 장착되는 폴더블 블레이드 연결부와, 상기 폴더블 블레이드 연결부의 타단에 연결되어 상기 수직 블레이드부에 대하여 회동 가능하게 배치되는 폴더블 블레이드를 구비할 수도 있다.

상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 폴더블 블레이드부는, 상기 폴더블 블레이드의 길이 방향에 수직하게 배치되는 폴더블 사이드 블레이드를 더 구비할 수도 있다.

상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 수평 블레이드부는: 상기 로테이션 샤프트에 고정 장착되는 수평 고정 블레이드부와, 상기 로테이션 샤프트의 길이 방향을 따라 가동 가능하게 장착되는 수평 가동 블레이드부를 포함할 수도 있다.

상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 수평 가동 블레이드부는: 상기 수평 가동 블레이드부는 상기 로테이션 샤프트를 따라 슬라이딩 가동되는 수평 가동 센터 플레이트와, 일단은 상기 수평 가동 센터 플레이트와 연결되는 수평 가동 블레이드를 구비할 수도 있다.

상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 수평 가동 센터 플레이트에는 상기 로테이션 샤프트를 향하여 형성되는 센터 플레이트 가이드가 구비되고, 상기 로테이션 샤프트의 외주에는 상기 센터 플레이트 가이드에 대응하는 센터 플레이트 가이드 대응부가 구비되고, 상기 로테이션 샤프트의 외주로, 상기 로테이션 샤프트의 길이 방향으로 상기 센터 플레이트 가이드 대응부 일단에는 상기 수평 가동 센터 플레이트와 접촉 가능한 가동 블레이드 샤프트 스톱퍼가 구비될 수도 있다.

상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 수직 블레이드부의 길이 방향을 따라 슬라이딩 가동 가능하게 배치되고 상기 수평 가동 블레이드의 타단과 연결되는 가동 블레이드 슬라이더와, 상기 가동 블레이드 슬라이더를 안내하고 상기 수직 블레이드부에 배치되는 가동 블레이드 슬라이더 가이드를 더 구비할 수도 있다.

상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 수직 블레이드부에는: 상기 가동 블레이드 슬라이더와 상기 폴더블 블레이드부를 연결하고, 상기 가동 블레이드 슬라이더의 가동에 따라 상기 폴더블 블레이드를 회동시키는 가동 폴더블 블레이드 연동부가 구비될 수도 있다.

상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 가동 폴더블 블레이드 연동부는: 상기 가동 블레이드 슬라이더와 연결되어 상기 가동 블레이드 슬라이더를 가동시키는 연동 와이어와, 상기 수직 블레이드부에 배치되고 상기 연동 와어어의 일단과 연결되고 상기 연동 와이어를 권취하는 연동 와이어 권취부를 구비하고, 상기 연동 와이어의 타단이 상기 폴더블 블레이드부와 연결되도록 상기 연동 와이어를 안내하는 연동 와이어 가이드 롤러를 구비할 수도 있다.

상기 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 수직 블레이드부를 가동시키기 위한 구동력을 생성하는 수직 블레이드 구동기와, 상기 수직 블레이드 구동기에서 생성된 구동력을 상기 수직 블레이드부로 전달하는 수직 블레이드 구동 전달부를 구비하는 수직 블레이드 구동부를 더 구비 수도 있다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 풍력 발전 장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치는, 폴더블 블레이드부를 구비하여 초기 구동후 블레이드부의 반경을 최대화시켜 최적의 원심력을 발생시켜 바람의 변화에도 회전력 유지, 궁극적으로 발전 효율을 유지시킬 수 있는 구조의 풍력 발전 장치를 제공할 수 있다.

둘째, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치는, 가동 가능한 수평 가동 블레이드부를 구비함으로서 로테이션 샤프트의 자중에 의한 저항을 최소화시켜 발전 효율을 극대화시킬 수도 있다.

셋째, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치는, 가동 블레이드 슬라이더를 구비하여 수평 가동 블레이드부의 보다 원활한 가동을 가능하게 할 수도 있다.

넷째, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치는, 가동 폴더블 블레이드 연동부를 구비하여 수평 가동 블레이드부의 보다 원활한 가동을 이루게 할 수도 있다.

다섯째, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치는, 수직 블레이드 구동부를 더 구비하여 풍향에 따른 수직 블레이드부의 배향을 조절하여 발전 효율을 극대화시킬 수도 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이하에서는 본 발명에 따른 풍력 발전 장치에 대한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 장치(10)에 대한 개략적인 사시도가 도시되고, 도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 장치(10)에 대한 개략적인 작동 상태 사시도가 도시되고, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 장치(10)의 작동 상태의 부분 확대 사시도가 도시되고, 도 4에는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 장치(10)에 대한 개략적인 블록 선도가 도시되고, 도 5에는 본 발명의 풍력 발전 장치(10)의 다른 일예의 개략적인 사시도가 도시되고, 도 6에는 본 발명의 풍력 발전 장치(10)의 부분 확대 절단 사시도가 도시되고, 도 7에는 본 발명의 풍력 발전 장치(10)의 다른 일예의 개략적인 부분 확대 사시도가 도시되고, 도 8에는 본 발명의 풍력 발전 장치(10)의 다른 일예의 개략적인 부분 평단면도가 도시되고, 도 9에는 본 발명의 풍력 발전 장치(10)의 다른 일예의 개략적인 부분 측단면도가 도시되고, 도 10에는 본 발명의 풍력 발전 장치(10)의 또 다른 변형예에 대한 개략적인 평면도가 도시된다.

본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 장치(10)는 하우징(100)과, 로테이션 샤프트(200)와, 블레이드부(300)를 구비하는데, 로테이션 샤프트(300)는 하우징(100)에 회동 가능하게 장착되고 블레이드부(300)는 로테이션 샤프트(200)에 배치되어 바람, 즉 공기의 유동에 의한 힘을 로테이션 샤프트(200)를 통하여 회전력 으로 전환한다.

하우징(100)은 지면 또는 평판 상에 안정적으로 배치된다. 여기서, 하우징(100)에는 별도의 질량체(미도시)가 배치될 수도 있고, 경우에 따라 하우징(100)이 질량체로서의 평판 등에 위치 고정되어 바람 등에 의한 외력이 가해지더라도 진동 등의 발생없이 안정적인 위치 확보를 가능하게 하는 구조를 취할 수도 있다.

여기서, 하우징(100)은 반구 타입으로 구성되었으나, 하우징(100)의 형상이 이에 국한되지는 않는다. 다만, 하우징(100)이 반구 타입으로 구성되는 경우, 하기되는 블레이트부(300)에서 공기의 로테이션 샤프트(200) 측으로부터 하단으로 공기의 유동이 원활하게 배출 가능하다는 점에서 하우징(100)의 블레이드부(300)를 향한 일면은 유선형으로 형성되는 것이 바람직하다. 하우징(100)의 내부에는 공간이 형성되는데, 하우징(100) 내부 공간에는 하기되는 로테이션 샤프트(200)와 연결되는 발전기(미도시)와 로테이션 샤프트(200)의 회동을 과도한 회전을 제한하기 위한 전자식 브레이크(미도시)가 더 배치될 수도 있다.

로테이션 샤프트(200)는 하우징(100)에 회동 가능하게 장착된다. 로테이션 샤프트(200)의 일단은 하우징(100)의 내부에 회동 가능하게 삽입 배치되는데, 하우징(100)에는 저널 베어링(미도시) 등이 배치되어 로테이션 샤프트(200)의 원활한 회동을 가능하게 지지할 수 있다.

로테이션 샤프트(200)에는 소정의 질량체로서의 샤프트 이너셔(210)가 더 구비되어 소정의 회동력을 유지시키기 위한 구성을 더 취할 수도 있다. 또한, 로테이션 샤프트(200)는 안정적인 지지를 이루되 원활한 회동을 가능하게 하기 위하여, 로테이션 샤프트(200)의 상단 측에는 중심 반경이 하단부보다 작아진 샤프트 상단부(201)가 더 구비될 수도 있다.

로테이션 샤프트(200)의 하우징(100)에 회동 가능하게 삽입된 단부는 로테이션 샤프트(200)의 하우징(100) 내부에 배치되는 발전기(미도시)와 기계적 연결을 이루는데, 로테이션 샤프트(200)는 발전기(미도시)와 기계적 연결을 이루어 로테이션 샤프트(200)의 회전 운동을 전기 에너지로 변환한다. 로테이션 샤프트(200)에 인접하게 샤프트 회전 감지 센서(미도시)가 배치되는데, 샤프트 회전 감지 센서(미도시)에서 감지된 신호에 따라 제어부(20, 도 4 참조)가 전가식 브레이크(미도시)에 신호를 인가하여 로테이션 샤프트(200)의 과도한 회동을 제한할 수도 있다.

블레이드부(300)는 수평 블레이드부(400)와 수직 블레이드부(500)와 폴더블 블레이부(600)를 포함하는데, 수평 블레이트부(400)는 로테이션 샤프트(200)에 수직한 평면 상에 배치되고 수직 블레이드부(500)는 수평 블레이드부(400)가 배치되는 평면을 고나통하여 상기 수평 블레이드부(500)의 단부와 연결 배치되며, 폴더블 블레이드부(600)는 일단이 수직 블레이드부(500)의 외주면에 회동 가능하게 장착되고 타단은 자유단으로 형성된다. 블레이드부(300)는 로테이션 샤프트(200)에 연결되어 바람, 즉 공기의 유동과 블레이드부(300) 간의 상호 작용에 의하여 발생하는 힘에 의하여 공기로부터 발생된 힘을 로테이션 샤프트(200)의 회전력을 전환 전달하는 기능을 수행한다.

수평 블레이드부(400)는 일단이 로테이션 샤프트(200)에 연결되고 타단이 수직 블레이드부(500)에 연결되어 로테이션 샤프트(200)와 수직 블레이드부(500)를 연결하는 기능을 수행하는데, 경우에 따라 수평 블레이드부(400)도 공기의 유동에 의한 힘을 전달받아 로테이션 샤프트(200)의 보다 원활한 회전을 가능하게 하는 구성을 취할 수도 있다.

수평 블레이드부(400)는 하나 이상의 수평 고정 블레이드부(410,420,430,440)로 구현될 수 있다. 수평 고정 블레이드부(410,420,430,440)는 수평 고정 센터 플레이트(410,430)와 수평 고정 블레이트(420,440)를 구비하는데, 수평 고정 센터 플레이트(410,430)는 원판형 플레이트로 형성되어 중심이 로테이션 샤프트(200)의 중심과 동심을 이루도록 로테이션 샤프트(200)에 고정 장착되고 수평 고정 블레이드(420,440)는 일단이 수평 고정 센터 플레이트(410,430)에 그리고 타단이 수직 블레이드부(500)에 연결되도록 배치된다. 도 2의 본 예에서 수평 고정 블레이드는 지면에 평행한 평면을 기준으로 상면과 하면이 대칭적 구조를 취함으로써 상하 대칭 구조를 통하여 로테이션 샤프트(200)의 외주에 길이 방향으로 이격 고정 배치된 하나 이상의 수평 블레이드부(400)의 공기 유동 내에서의 안정적인 위치 형성을 이루어 궁극적으로 로테이션 샤프트(200)의 안정적인 회동 구조를 이룰 수도 있다.

수직 블레이드부(500)는 에어 포일(air foil)로서 장방향의 길이가 지면에 수직하도록 복수 개가 배치되는데, 수직 블레이드부(500)의 배치는 편심되지 않는 안정적인 회동 구조를 이루기 위하여 로테이션 샤프트(200)를 중심으로 등각 배치되는 것이 바람직하다. 수직 블레이드부(500)는 적어도 하나 이상의 수평 고정 블레이드와 연결되는데, 수평 고정 블레이드(420)를 통하여 안정적으로 수직 배향되 도록 배치된다.

수직 블레이드부(500)는 소정의 에어 포일(air foil) 형상을 구비하여(도 7 참조), 풍력 발전 장치(10)를 수직 블레이드부(500)의 길이 방향에 수직한 방향으로 관류하는 공기의 유동이 수직 블레이드부(500)의 선단 에지로부터 후단 에지까지의 경로 차로 인한 유속의 차이를 발생시키고 이로 인한 압력 에너지의 차이를 인하여 발생하는 공기 유동으로 인한 속도 에너지를 이용하여 로테이션 샤프트(200)를 회동시키는 압력 에너지로 변환시킨다.

폴더블 블레이드부(600)는 수직 블레이드부(500)의 외주면에, 일단이 수직 블레이드부(500)에 회동 가능하게 장착되고 타단은 자유단으로 형성된다. 본 실시예에서, 폴더블 블레이드부(600)는 폴더블 블레이드 연결부(630)와 폴더블 블레이드(610)를 포함하는데, 폴더블 연결부(630)는 일단이 수직 블레이드부(500)에 회동 가능하게 장착되고, 폴더블 블레이드(610)는 폴더블 블레이드 연결부(630)의 타단에 연결되어 수직 블레이드부(500)에 회동 가능하게 배치된다. 즉, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 폴더블 블레이드부(600)는 수직 블레이드부(500)에 회동 가능하게 배치되는데, 수직 블레이드부(500)의 외주면에는 폴더블 블레이드 장착부(601)가 배치된다. 폴더블 블레이드 연결부(630)는 폴더블 고정 프레임(631)과 폴더블 가동 프레임(635)과 폴더블 가동 회동부(633)를 포함하는데, 폴더블 가동 회동부(633)에는 폴더블 고정 프레임(631)과 폴더블 가동 프레임(633)이 회동 가능하게 배치된다. 폴더블 고정 프레임(631)의 일단은 수직 블레이드부(500)에 고정 장착되고 타단은 폴더블 가동 회동부(633)와 연결된다. 그리고 폴더브 가동 프레 임(635)의 일단은 폴더브 블레이드(610)와 연결되고 타단은 폴더블 가동 회동부(633)와 연결되는데, 폴더블 가동 프레임(635)와 폴더브 고정 프레임(631)은 폴더블 가동 회동부(633)를 중심으로 상대 회동 운동 가능하다.

여기서, 폴더블 블레이드 연결부(630)는 경첩 타입으로 구성되나 폴더블 블레이드(610)를 수직 블레이드부(500)에 대하여 회동 가능하게 하는 구성을 취하는 범위에서 다양한 변형이 가능하다.

본 실시예에서 폴더블 블레이드부(600)의 폴더블 블레이드(610) 단부에는 폴더블 사이드 블레이드(620)가 더 구비되어 바람이 원활한 경우 폴더블 블레이드(610)의 하면 측으로 와류를 발생시켜 폴더블 블레이드(610)가 수직 블레이드부(500)에 대하여 수직 배향될 수 있도록 할 수도 있다.

폴더블 블레이드부(600), 보다 궁극적으로 폴더블 블레이드(610)가 수직 블레이드부(500)에 대하여 가동되어 펼쳐지는 경우, 본 발명의 풍력 발전 장치(10)의 회전 반경, 즉 로테이션 샤프트(200)의 중심으로부터 최외곽 반경 까지의 거리가 상당히 증대됨으로써 원심력이 증대되어 공기의 유동이 약화되더라도 샤프트 이너셔(210) 등을 통하여 축적된 회전 에너지를 이용하여 소정의 회전 상태를 지속시킬 수 있다.

도 4에는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 장치(10)의 개략적인 블록선도가 도시되는데, 수평 블레이드부(400), 수직 블레이드부(500) 및 폴더블 블레이드부(600)를 포함하는 블레이드부(300)가 로테이션 샤프트(200)를 회동시켜 생성된 회전력은 발전기(60)를 통하여 전력 출력 포트(40)를 통하여 외부로 전달 가능하 다. 이때, 감지부(50)는 로테이션 샤프트(200)의 회전 속도를 감지하고 감지된 회전 속도에 대한 신호는 제어부(200)로 전달되어 소정의 제어 신호를 생성한다. 제어부(200)는 전력 출력 포트(40) 및 전자식 브레이크(30) 및 발전기(60)와 전기적 소통을 이루어 각각에 대하여 소정의 제어 신호를 출력함으로써 안정적인 작동과 원활한 발전 상태를 형성하고 이를 감지할 수 있다.

도 1 및 도 2에는 폴더블 블레이드부(600)의 가동 상태 전후의 개략적인 사시도가 도시되는데, 먼저 도 1에 도시된 바와 같이 로테이션 샤프트(200)가 정지된 상태의 경우 폴더블 블레이트부(600)의 폴더블 블레이드(610)의 무게 중심은 폴더블 블레이드 연결부(630)와 이격되므로 자중에 의하여 접혀진 상태로 수직 블레이드부(500)가 거의 평행하게 배치된다.

그런 후, 소정의 공기의 유동이 발생하는 경우 수직 블레이드부(500)에 작용하는 압력 에너지 내지는 압력 에너지 차이에 의하여 수직 블레이드부(500)에 힘이 가해지고 이는 수평 블레이드부(400)를 통하여 로테이션 샤프트(200)로 전달되고 궁극적으로 로테이션 샤프트(200)의 하단으로 하우징(100)의 내부에 배치되는 발전기(60, 도 4 참조)를 가동시키게 된다. 이때, 로테이션 샤프트(200)의 회동에 의하여 발생하는 회전력을 수직 블레이드부(500)의 외주면에 배치되는 폴더블 블레이드부(600)에도 전달된다. 이때, 폴더블 블레이드(610)의 무게 중심이, 로테이션 샤프트(200)의 중심으로부터 반경 방향으로 수직 블레이드부(500)보다 외측에 배치되고 일단이 수직 블레이드부(500)에 연결되는 폴더블 블레이드(610)의 타단은 상승함으로써 폴더블 블레이드(610), 보다 궁극적으로 블레이드부(300)의 회전 반경 은 최대화되어 원심력이 증대되어 소정의 회전 상태를 원활하게 유지하여 안정적인 풍력 발전 상태를 형성할 수 있다.

한편, 상기 실시예에서 풍력 발전 장치의 수평 블레이드부는 로테이션 샤프트에 고정 장착되는 경우에 대하여만 기술하였으나, 경우에 따라 수평 블레이드부는 가동 가능한 구성을 더 구비할 수도 있다.

도 5 및 도 7에는 수평 블레이드부(400a)의 변형예를 구비하는 풍력 발전 장치(10a)가 도시되는데, 여기서 동일한 구성요소에 대하여는 상기 실시예에서와 동일한 도면 부호를 부여하였으며 중복된 설명은 상기로 대체한다.

수평 블레이드부(400a)는 수평 고정 블레이드부(410,420)와 수평 가동 블레이드부(430a,440a)를 포함하는데, 수평 고정 블레이드부(410,420)는 상기와 동일하다. 수평 가동 블레이드부(430a,440a)는 로테이션 샤프트(200)의 길이 방향을 따라 가동 가능하게 배치된다.

수평 가동 블레이드부(430a,440a)는 수평 가동 센터 플레이트(430a)와 수평 가동 블레이드(440a)를 포함하는데, 수평 가동 센터 플레이트(430a)는 로테이션 샤프트(200)에 가동 가능하게 장착되고 수평 가동 블레이드(440a)는 일단이 수평 가동 센터 플레이트(430a)에 연결된다. 즉, 수평 가동 블레이드(440a)는 에어 포일 타입으로 형성되어 빠른 공기 유동이 발생하는 경우 수평 가동 블레이드(440a)의 선단과 후단을 따른 윗면과 아랫면 간의 경로 차이로 인하여 윗방향으로 압력이 작용하도록 설계함으로써 빠른 공기 유동이 발생할 경우 수평 가동 블레이드(440a)는 상부를 향하여 힘이 작용하도록 할 수 있다. 이와 같은 윗방향 힘에 의하여 수평 가동 블레이드(440a)에 연결된 수평 가동 센터 플레이트(430a)는 윗방향으로 힘을 받아 상승하게 된다. 이때, 로테이션 샤프트(200)의 외주에는 로테이션 샤프트(200)의 길이 방향으로 가동 블레이드 샤프트 스톱퍼(220)가 구비되는데, 가동 블레이드 샤프트 스톱퍼(220)는 수평 가동 센터 플레이트(430a)와 접촉 가능하다. 따라서, 수평 가동 블레이드(440a)가 상승하는 경우 수평 가동 블레이드(440a)와 연결되는 수평 가동 센터 플레이트(430a)는 가동 블레이드 샤프트 스톱퍼(220)와 접촉하고, 수평 가동 블레이드(440a)의 상승력은 가동 블레이드 샤프트 스톱퍼(220)를 통하여 로테이션 샤프트(200)로 전달되어 로테이션 샤프트(200)의 자중에 의한 회전 저항을 감소시켜 보다 원활한 회전 운동을 이루도록 할 수도 있다.

이 경우, 수평 가동 센터 플레이트(430a)의 보다 원활한 슬라이드 운동을 이루기 위하여, 수평 가동 센터 플레이트(430a)의 내측에는 로테이션 샤프트(200)를 향하여 센터 플레이트 가이드(431a, 도 6 참조)가 구비되고 센터 플레이트 가이드(431a)에 대응하여 로테이션 샤프트(200)의 외주에는 센터 플레이트 가이드 대응부(221)가 더 구비될 수도 있다.

또한, 수평 블레이드부가 수평 가동 블레이드부를 구비하는 경우 수평 가동 블레이드와 연결되는 수직 블레이드부 측은 신장 가능한 구조를 취할 수도 있으나 경우에 따라 수평 가동 블레이드의 지면에 평행한 상태를 유지하며 함께 승하강 슬라이드 운동을 이룰 수 있는 구조를 더 구비할 수도 있다. 즉, 도 7 및 도 8에 도 시된 바와 같이, 수평 가동 블레이드의 지면에 평행한 상태를 이루며 안정적인 승하강 운동을 이루기 위하여 수평 가동 블레이드부(400a)는 가동 블레이드 슬라이더부(510,520)를 더 구비할 수 있는데, 가동 블레이드 슬라이더부(510,520)는 수직 가동 블레이드부(500a)의 길이 방향을 따라 슬라이딩 가동 가능하게 배치되는 가동 블레이드 슬라이더(520)와 가동 블레이드 슬라이더(520)의 안정적인 가동을 안내하기 위하여 수직 블레이드부(500a)의 길이 방향을 따라 형성된 가동 블레이드 슬라이더 가이드(510)를 구비한다. 가동 블레이드 슬라이더(520)는 수평 가동 블레이드(440a)의 타단과 연결되는데, 가동 블레이드 슬라이더(520)의 외측면에 형성된 가동 블레이드 슬라이더 가이드 대응부(523)는 가동 블레이드 슬라이더 가이드(513)와 가동 가능하게 맞물린다. 가동 블레이드 슬라이더 가이드(513)는 수직 블레이드부(500a)의 내측에 형성되는 가동 블레이드 슬라이더 수용홈(511)의 단부 측에 배치되는데, 가동 블레이드 슬라이더 가이드(513)와 가동 블레이드 슬라이더(520)에 형성된 가동 블레이드 슬라이더 가이드 대응부(523)와의 가동 가능한 맞물림을 통하여 가동 블레이드 슬라이더(520), 궁극적으로 수평 가동 블레이드부(430a,440a)의 원활한 상승을 형성하여 가동 블레이드 샤프트 스톱퍼를 통한 로테이션 샤프트의 자중 부하 감소를 통하여 로테이션 샤프트의 보다 원활한 회전을 가능하게 하고 이를 통한 전력 생산 효율성을 증대시킬 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치가 가동 블레이드 슬라이더를 구비하는 경우 가동 블레이드 슬라이더 및 수평 가동 블레이드부의 원활한 상승을 보조하기 위한 구성요소를 더 구비할 수도 있다.

즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 풍력 발전 장치(10b)는 가동 폴더블 블레이드 연동부(800)를 더 구비하는데, 가동 폴더블 블레이드 연동부(800)는 수직 블레이드부(500b)에 배치된다. 가동 폴더블 블레이드 연동부(800)는 가동 블레이드 슬라이더(520)와 폴더블 블레이드부(600)를 연결하고 가동 블레이드 슬라이더(520)의 가동에 따라 폴더블 블레이드부(600)를 회동시킨다. 본 실시예에서 가동 폴더블 블레이드 연동부(800)는 연동 와이어(820)와 연동 와이어 권취부(810)와 연동 와이어 가이드 롤러(823,825)를 구비하는데, 연동 와이어(820)는 가동 블레이드 슬라이더(520)와 연결되어 가동 블레이드 슬라이더(520)를 가동시킨다. 연동 와이어(820)의 일단은 연동 와이어 권취부(810)와 연결되는데, 연동 와이어 권취부(810)는 내부에 탄성 스프링을 구비하여 연동 와이어 권취부(810)의 내부에 연동 와이어(820)를 자동 권취하고 소정 이상의 외력이 인가되는 경우에 연동 와이어(810)의 외부로의 인출을 허용한다. 연동 와이어(820)의 타단은 폴더블 블레이드(610a)의 내측과 연결되는데, 연동 와이어(820)는 연동 와이어 가이드 롤러(823,825)를 통하여 안내되어 연동 와이어 권취부(810), 가동 블레이드 슬라이더(520) 및 폴더블 블레이드(610a)의 안정적인 연결을 가능하게 한다.

따라서 에어 포일 타입으로 구현되는 수평 가동 블레이드(440a)와 연결되는 가동 블레이드 슬라이더(520)가 상승하는 경우 가동 블레이드 슬라이더(520)에 연동 와이어(820)를 통하여 연결되는 폴더블 블레이드(610a)는 보다 용이하게 상승 운동을 이룸으로써 보다 신속하고 안정적으로 블레이드부의 회전 반경을 최대화시킬 수 있다.

또 한편, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치는 바람, 즉 공기 유동의 상태에 따라 작동 조건을 변화시켜 최적의 전력 생산 효율을 이루기 위한 구성요소를 더 구비할 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치(10c)는 수직 블레이드부(500c)의 배향을 조정하기 위한 수직 블레이드 구동부(700)를 더 구비할 수 잇다. 수직 블레이드 구동부(700)는 수직 블레이드 구동기(710)와 수직 블레이드 구동 전달부(720)를 구비하는데, 수직 블레이드 구동기(710)는 수평 블레이드부(400)의 수평 고정 블레이드부(430)에 배치될 수 있다. 수직 블레이드 구동기(710)는 전기 모터 등으로 구현될 수 있는데, 수직 블레이드 구동기(710)는 제어부(20, 도 4 참조) 등의 제어 신호를 통하여 동작을 이룰 수 있다. 수직 블레이드 구동기(710)는 수직 블레이드 구동 전달부(720)와 연결되는데, 수직 블레이드 구동 전달부(720)는 전달 메인 기어(721)와 전달 피니언 기어(723F,723R)과 전달 랙(725)을 구비한다. 전달 메인 기어(721)는 수직 블레이드 구동기(710)와 연결되는데, 수직 블레이드 구동기(710)에서 생성된 구동력은 전달 메인 기어(721)로 전달된다. 전달 메인 기어(721)의 외주는 전달 피니언 기어(723F,R)과 기어 치합되는데, 전달 메인 기어(721)에 전달된 회전력은 전달 피니언 기어(723F,R)로 전달된다. 전달 피니언 기어(723F,R)는 전달 메인 기어(721)를 사이에 두고 양측에 대칭 배치되는 구조를 취하는데, 이는 일예로서 설계 사양에 따라 전달 피니언 기어(723F,R)와 전달 메인 기어(721)의 배치는 다양한 구성을 취할 수도 있다. 전달 랙(725)는 전달 피니언 기어(723F,R)과 치합되는데, 전달 랙(725)은 수평 고정 블레이드(420)의 내 부에 가동 가능하게 배치된다. 여기서 명확하게 도시되지는 않았으나 전달 랙(725)은 수평 고정 블레이드(420)의 내부에서 직선 가동되도록 안내되는 구조를 취할 수 있다. 전달 랙(725)의 단부는 수직 블레이드부(500c)와 회동 가능하게 연결되는데, 여기서 전달 랙(725)은 쌍을 이루며 배치되어 안정적인 회동 구조를 이룰 수 있으나, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.

경우에 따라, 수직 블레이드부(500c)는 원활한 회동을 이루기 위하여, 수직 블레이드 회동 지지부(730)가 더 구비될 수도 있다. 즉, 수직 블레이드 회동 지지부(730)의 일단은 수직 블레이드부(500c)와 연결되고 수직 블레이드 회동 지지부(730)의 타단은 전달 메인 기어(721) 또는 수직 블레이드 구동기(710)의 중심과 연결된다. 따라서, 전달 랙(725)의 직선 가동에 의하여 수직 블레이드부(500c)가 일단이 일 방향으로 그리고 타단이 반대 방향으로 힘을 받는 경우 수직 블레이드 회동 지지부(730)는 회동 중심으로 작용하여 수직 블레이드부(500c)의 안정적인 회동을 이룰 수 있다. 이와 같이 수직 블레이드부를 가동시키는 수직 블레이드 구동부 구조를 통하여 풍향의 변동에 따라 수직 블레이드부의 배향을 조절함으로써 발전 효율을 극대화시킬 수도 있다.

상기 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 일예들로, 본 발명은 이에 국한되지 않고, 다양한 변형이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 장치에 대한 개략적인 사시도이다.

도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 장치에 대한 개략적인 작동 상태 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 장치의 작동 상태의 부분 확대 사시도이다.

도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 장치에에에인 블록 선도이다.

도 5는 본 발명의 풍력 발전 장치의 다른 일예의 개략적인 사시도이다.

도 6은 본 발명의 풍력 발전 장치의 부분 확대 절단 사시도이다.

도 7은 본 발명의 풍력 발전 장치의 다른 일예의 개략적인 부분 확대 사시도이다.

도 8은 본 발명의 풍력 발전 장치의 다른 일예의 개략적인 부분 평단면도이다.

도 9은 본 발명의 풍력 발전 장치의 다른 일예의 개략적인 부분 측단면도이다.

도 10은 본 발명의 풍력 발전 장치의 또 다른 변형예에 대한 개략적인 평면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10...풍력 발전 장치 100...하우징

200...로테이션 샤프트 300...블레이드부

400...수평 블레이드부 500...수직 블레이드부

600...폴더블 블레이드부

Claims

하우징;

상기 하우징에 회동 가능하게 장착되는 로테이션 샤프트;

상기 로테이션 샤프트에 배치되는 블레이드부;를 구비하고,

상기 블레이드부는:

상기 로테이션 샤프트에 수직한 평면 상에 배치되는 수평 블레이드부와,

상기 수평 블레이드부가 배치되는 평면을 관통하여 상기 수평 블레이드부의 단부와 연결 배치되는 수직 블레이드부와,

일단이 상기 수직 블레이드부의 외주면으로 회동 가능하게 장착되고 타단은 자유단으로 형성되는 폴더블 블레이드부를 구비하는 풍력 발전 장치.
제 1항에 있어서,

상기 폴더블 블레이드부는:

일단이 상기 수직 블레이드부에 회동 가능하게 장착되는 폴더블 블레이드 연결부와,

상기 폴더블 블레이드 연결부의 타단에 연결되어 상기 수직 블레이드부에 대하여 회동 가능하게 배치되는 폴더블 블레이드를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
제 2항에 있어서,

상기 폴더블 블레이드부는, 상기 폴더블 블레이드의 길이 방향에 수직하게 배치되는 폴더블 사이드 블레이드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
제 1항에 있어서,

상기 수평 블레이드부는:

상기 로테이션 샤프트에 고정 장착되는 수평 고정 블레이드부와,

상기 로테이션 샤프트의 길이 방향을 따라 가동 가능하게 장착되는 수평 가동 블레이드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
제 4항에 있어서,

상기 수평 가동 블레이드부는:

상기 수평 가동 블레이드부는 상기 로테이션 샤프트를 따라 슬라이딩 가동되는 수평 가동 센터 플레이트와,

일단은 상기 수평 가동 센터 플레이트와 연결되는 수평 가동 블레이드를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
제 5항에 있어서,

상기 수평 가동 센터 플레이트에는 상기 로테이션 샤프트를 향하여 형성되는 센터 플레이트 가이드가 구비되고, 상기 로테이션 샤프트의 외주에는 상기 센터 플레이트 가이드에 대응하는 센터 플레이트 가이드 대응부가 구비되고,

상기 로테이션 샤프트의 길이 방향으로 상기 로테이션 샤프트 외주 상, 상기 센터 플레이트 가이드 대응부 일단에는 상기 수평 가동 센터 플레이트와 접촉 가능한 가동 블레이드 샤프트 스톱퍼가 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
제 6항에 있어서,

상기 수직 블레이드부의 길이 방향을 따라 슬라이딩 가동 가능하게 배치되고 상기 수평 가동 블레이드의 타단과 연결되는 가동 블레이드 슬라이더와,

상기 가동 블레이드 슬라이더를 안내하고 상기 수직 블레이드부에 배치되는 가동 블레이드 슬라이더 가이드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
제 7항에 있어서,

상기 수직 블레이드부에는:

상기 가동 블레이드 슬라이더와 상기 폴더블 블레이드부를 연결하고, 상기 가동 블레이드 슬라이더의 가동에 따라 상기 폴더블 블레이드를 회동시키는 가동 폴더블 블레이드 연동부가 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
제 8항에 있어서,

상기 가동 폴더블 블레이드 연동부는:

상기 가동 블레이드 슬라이더와 연결되어 상기 가동 블레이드 슬라이더를 가동시키는 연동 와이어와,

상기 수직 블레이드부에 배치되고 상기 연동 와어어의 일단과 연결되고 상기 연동 와이어를 권취하는 연동 와이어 권취부를 구비하고,

상기 연동 와이어의 타단이 상기 폴더블 블레이드부와 연결되도록 상기 연동 와이어를 안내하는 연동 와이어 가이드 롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
제 1항에 있어서,

상기 수직 블레이드부를 가동시키기 위한 구동력을 생성하는 수직 블레이드 구동기와, 상기 수직 블레이드 구동기에서 생성된 구동력을 상기 수직 블레이드부로 전달하는 수직 블레이드 구동 전달부를 구비하는 수직 블레이드 구동부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.