KR101073897B1 - 다단계 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다단계 풍력 발전기에 관한 것으로, 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지변환기술인 풍력발전기로 원통형 외부 몸체의 내부에 입구와 출구가 넓고 내부가 좁은 안쪽이 만곡된 원통형의 구조를 갖는 가속 몸체 내부에 최적의 분포를 갖도록 하며 풍속의 변화를 고려 수평축 방향으로 1개 이상의 블레이드를 나열하여 가속 몸체 내부에 위치한 풍력 발전 장치로 유입되는 바람의 평균속도를 2배 정도 증가시켜 풍력의 회전력에 의해 전기 에너지를 생산해 내는 다단계 풍력 발전기에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 다단계 풍력 발전기는, 중심부분에 수직으로 설치되는 지지축에 베어링으로 회전 작동되는 원통형의 수직 주축과; 상기 주축 상부에 설치되어 전후면이 개방된 수평 길이방향으로 상부가 평면인 반원형상의 외부 몸체와; 상기 외부 몸체의 외측 상부 평면에는 바람 방향을 향할 수 있도록 형성된 방향 날개와; 상기 외부 몸체의 내부에 입구와 출구가 넓고 내부가 좁은 안쪽이 만곡된 원통형의 구조를 구비하여 입구 측으로 유입되는 바람의 흐름을 가속시켜주는 가속 몸체와; 상기 가속 몸체에 다단계로 배열된 다수의 블레이드와; 상기 가속 몸체에서 일렬로 나열된 블레이드가 풍력의 회전력에 의해 전기 에너지를 생산해 내는 발전기; 로 이루어진 구조이다.

Description

다단계 풍력 발전기{Multistage aerogenerator}

본 발명은 다단계 풍력 발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지변환기술인 풍력발전기로 원통형 몸체의 내부에 다수의 블레이드를 최적의 분포를 갖도록 하며 풍속의 변화를 고려 수평축 방향으로 1개 이상의 블레이드를 나열하여 몸체 내부에 위치한 풍력 발전 장치로 유입되는 바람의 평균속도를 2배 정도 증가시켜 풍력의 회전력에 의해 전기 에너지를 생산해 내는 다단계 풍력 발전기에 관한 것이다.

우리나라는 원유가 생산되지 않는 나라로서, 자원의 고갈과 산유국의 고유가 정책에 대비하여 대체 에너지 자원을 확보하는 것이 시급한 실정이며, 이를 위해 다각적인 방법을 모색하고 있으며, 그 중의 하나가 풍력을 이용하는 풍력발전기이다.

일반적으로 종래의 풍력 발전 장치는 대부분이 풍차와 같이, 자연적으로 불어오는 바람을 이용하여 날개를 회전시켜 전기가 발생하도록 하고 있다.

그러나 이와 같은 종래의 풍력 발전 장치는 자연적으로 불어오는 바람을 이용하였기 때문에, 대체로 바람의 강도가 미약하여 경제성 있는 발전을 하기가 어려웠고,

따라서, 보다 더 강한 풍력을 얻기 위하여, 회전 날개가 설치되는 입지 조건으로서, 바람이 항상 잘 부는 높은 곳이나 장애물이 없는 곳 또는 주거 지역에서 멀리 떨어진 곳 등을 선정하게 되는 경우가 많았다.

그러나, 자연적으로 불어오는 자연풍은 한계가 있으며, 또한, 이러한 자연풍을 이용하기 위해서는 대형 프로펠러가 구비된 풍력 발전기를 구축하여야 하므로, 설치장소에 한계가 있으며, 자연경관을 해치고 설치비용이 많이 소요되는 등의 비경제적인 문제점이 있다.

또한 상기와 같은 구성의 풍력발전기가 건물 상부, 도로변 또는 인구 밀집지역에 설치되는 경우 블레이드 파손시 블레이드의 파편이 날아가 인명 및 물적 피해가 발생하게 되는 문제점이 있었다.

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지변환기술인 풍력발전기로 원통형 몸체의 내부에 다수의 블레이드를 최적의 분포를 갖도록 하며 풍속의 변화를 고려 수평축 방향으로 1개 이상의 블레이드를 나열하여 몸체 내부에 위치한 풍력 발전 장치로 유입되는 바람의 평균속도를 2배 정도 증가시켜 풍력의 회전력에 의해 전기 에너지를 생산해 내는 다단계 풍력 발전기를 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다단계 풍력 발전기는, 중심부분에 수직으로 설치되는 지지축에 베어링으로 회전 작동되는 원통형의 수직 주축과; 상기 주축 상부에 설치되어 전후면이 개방된 수평 길이방향으로 긴 형태로 입구가 넓고 원통형의 구조를 구비하여 입구 측으로 유입되는 바람의 흐름을 가속시켜주는 몸체와; 상기 몸체의 외측 상부 평면에는 바람 방향을 향할 수 있도록 형성된 방향 날개와; 상기 몸체에 다단계로 배열된 다수의 블레이드와; 상기 몸체에서 일렬로 나열된 블레이드가 풍력의 회전력에 의해 전기 에너지를 생산해 내는 발전기; 로 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 몸체는, 아래에서 상승하는 바람이 유입되도록 45도 기울어져 바람의 유입을 유도하는 입구측에 구성된 유도캡과; 상기 입구측에 바람진행하는 방향으로 소정의 기울기로 꺽어진 지지대가 방사상으로 구획되어 바람에 와류를 형성시키기 위한 와류지지대와; 상기 입구측으로 유입된 바람에 의해 회전하는 블레이드 사이에 각각 위치하면서 공기를 빠르게 배출하도록 하는 삼각 위치로 지지대를 구획한 배면지지대를 구성한 것을 더 포함함을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 방향 날개는, 낙뢰로부터 유입되는 과전압을 방지하는 과전압 방지소자를 내장하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 몸체는, 입구로 유입된 공기가 빠른 속도로 토출되도록 입구와 출구가 넓고 원통 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 블레이드는, 입구 측에서 부터 소정의 간격으로 나란히 형상이 같은 8개의 회전날개를 구성하되, 회전날개의 경사 각도를 45°로 한 전방 블레이드와; 상기 전방 블레이드 순에서 출구 측에 위치하여 전방 블레이드의 회전날개와 형상을 달리하는 8개의 회전날개를 구성하되, 회전날개의 경사 각도를 15°로 한 후방 블레이드로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 몸체는, 상부 평면에 태양광을 집광하는 집광부와 상기 집광부에 의해 집광된 태양광을 흡수하여 전기를 발생하는 솔라셀을 직렬 또는 병렬로 배열한 태양전지 모듈;을 더 구비할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 풍량이나 풍속이 풍력 발전 장치의 가동이 될 수 있도록 충분하게 발생하지 않는 지역이나 계절, 기후 등의 조건에서 원통형의 구조를 갖는 몸체로 통과한 바람의 속도를 증가시켜 풍력발전기에 높은 출력을 생산하도록 유도할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 길이방향으로 긴 원통형의 몸체의 외부면에 방향 날개를 구비하여 바람 방향을 향할 수 있도록 바람의 유입 방향을 조절함으로써 풍력 발전 장치의 파워를 제어할 수 있는 효과를 갖는다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따른 다단계 풍력 발전기는 몸체 내부에 수평축의 샤프트에 다수개의 블레이드가 장착되어 유입되는 평균속도가 2배 빠른 풍력의 회전력에 의해 많은 전기 에너지를 생산해 내는 효과가 있다.

또한, 본 발명이 건물 상부, 도로변 및 인구 밀집지역에 설치될 경우 파손된 블레이드가 날라 가서 충돌하여 생길 수 있는 인명 및 물적 피해를 사전에 예방할 수 있는 안전상의 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다단계 풍력 발전기의 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 다단계 풍력 발전기의 몸체 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 다단계 풍력 발전기의 전방 블레이드를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 다단계 풍력 발전기의 후방 블레이드를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 다단계 풍력 발전기의 지지대를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 다단계 풍력 발전기의 일측면을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 다단계 풍력 발전기의 다른 실시예로 집광부를 구성을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 다단계 풍력 발전기의 다른 실시예로 터널 천장 설치를 도시한 도면.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중심부분에 수직으로 설치되는 지지축에 베어링으로 회전 작동되는 원통형의 수직 주축과;

상기 주축 상부에 설치되어 전후면이 개방된 수평 길이방향으로 긴 형태로 입구가 넓고 원통형의 구조를 구비하여 입구 측으로 유입되는 바람의 흐름을 가속시켜주는 몸체와;

상기 몸체의 외측 상부 평면에는 바람 방향을 향할 수 있도록 형성된 방향 날개와;

상기 몸체에 다단계로 배열된 다수의 블레이드와;

상기 몸체에서 일렬로 나열된 블레이드가 풍력의 회전력에 의해 전기 에너지를 생산해 내는 발전기; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 다단계 풍력 발전기를 제공함으로써 달성하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의하여 상세하게 설명한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 다단계 풍력 발전기의 전체 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다단계 풍력 발전기는 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지변환기술인 풍력발전기로 원통형 몸체(120)의 내부에 다수의 블레이드(140)를 최적의 분포를 갖도록 하며 풍속의 변화를 고려 수평축 방향으로 1개 이상의 블레이드(140)를 나열하여 몸체(120) 내부에 위치한 풍력 발전 장치로 유입되는 바람의 평균속도를 2배 정도 증가시켜 풍력의 회전력에 의해 전기 에너지를 생산해 내는 것이다.

이러한, 상기 다단계 발전기는 도 1에 도시한 바와 같이 주축(110), 외부 몸체(120), 방향 날개(130), 블레이드(140), 발전기(150)로 구성된다.

아울러, 상기 주축(110)은 몸체(120) 중심부분에 수직으로 설치되는 지지축이다.

상기 주축(110)은 수직한 형태의 원통형으로 소정의 위치에 형성된 베어링(112)을 중심으로 상, 하부로 나누어지며 주축(110)의 상부를 회전가능하게 지지하는 베어링(112)에 의해 상, 하로 분할된 주축(110)의 상부가 축을 중심으로 회전 작동된다.

상기 베어링(112)은 바람의 방향에 따라 몸체(120)가 회전될 수 있도록 방향 전환 기능을 갖는다.

상기 몸체(120)는 도 2에 도시한 바와 같이 주축(110) 상부에 설치되어 전후면이 개방된 수평 길이방향으로 형성된다.

여기서, 상기 몸체(120)의 입구(132) 전방에는 45도 기울어져 바람의 유입을 유도하는 유도캡(122)이 장착되어 아래에서 상승하는 바람이 원활하게 유입되도록 한다.

그리고, 상기 몸체(120)의 외측 상부에는 바람 방향을 향할 수 있도록 하는 방향 날개(130)가 형성된다.

상기 방향 날개(130)는 몸체(120)가 주축(110)에 지지되어 바람의 방향에 따라 회전하도록 하며, 베어링(112)이 원활히 회전되도록 한다.

이때, 상기 방향 날개(130)는 낙뢰로부터 보호하는 피뢰침과 같은 과전압을 방지하는 과전압 방지소자를 내장하여 낙뢰에 의한 파손을 방지한다.

상기 몸체(140)는 입구(132) 측으로 유입되는 바람이 내부에서 흐름을 가속시켜주는 것이다.

즉, 상기 몸체(140)는 넓은 입구(132)로 유입된 공기가 빠른 속도로 토출되도록 한다.

그리고, 상기 몸체(140)의 후방 출구(134) 측으로도 입구(132) 측 형상과 같은 넓은 출구(134) 형성한다.

이러한, 상기 몸체(120)의 내부에는 다수의 블레이드(140)를 형성하여 몸체(120) 내부로 유입되는 바람에 의해 회전함과 전기를 생산한다.

상기 몸체(120)의 입구(132) 측에는 도 5에 도시한 바와 같이 와류지지대가(136) 바람진행하는 방향으로 소정의 기울기로 꺽어진 지지대(135)가 방사상으로 구획되어 바람에 와류를 형성시킨다.

또한, 상기 입구(132) 측으로 유입된 바람에 의해 회전하는 블레이드(140) 사이에 각각 위치하면서 공기를 빠르게 배출하도록 하는 삼각 위치로 지지대(135)를 구획한 배면지지대(138)이 구성된다.

아울러, 풍속에 따라 다르게 작동하는 방향 날개(130)를 포함하여 원통형 몸체(120)로 유입되는 바람이 내부를 입구(132)와 출구(134)보다 작게 하여 풍속을 가속화시키거나 급격한 풍속 유입 시 블레이드(140)의 회전속도를 가속시켜 더욱 많은 힘을 얻는다.

상기 블레이드(140)는 몸체(120) 내부에서 다단계 형태로 배열되어 입구(132)에 의해 유입되는 바람의 풍속을 극대화시켜 다단의 블레이드(140)가 회전되도록 한다.

상기 블레이드(140)는 몸체(120) 내부에 다수개로 나열된 블레이드(140)의 중심에 수평축의 샤프트(142)가 연결되어 회전하도록 지지한다.

그리고, 상기 블레이드(140)는 다수개로 몸체(120)의 중앙에 위치하도록 각의 블레이드(140)에 샤프트(142)가 연결되어 지지한다.

아울러, 상기 블레이드(140)는 몸체(120)의 내경을 따라 배열되도록 구성된다.

즉, 상기 블레이드(140)는 몸체(120)에서 블레이드(140)는 내부 내경 크기로 구성되면서 전후 간격이 소정의 이격 형태로 배열된다.

그리고, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 입구(132) 측과 출구(134) 측으로 각각 배열된 블레이드(140)는 내부 측에 각각 배열된 블레이드(140)는 서로 다른 크기와 서로 다른 회전날개로 구성된다.

상기 블레이드(140)는 입구(132) 측에서 부터 소정의 간격으로 나란히 형상이 같은 8개의 회전날개를 구성하되, 회전날개의 경사 각도를 45°로 한 전방 블레이드(144)가 구성된다.

그리고, 상기 전방 블레이드(144) 순에서 출구 측에 위치하여 전방 블레이드(144)의 회전날개와 형상을 달리하는 8개의 회전날개를 구성하되, 회전날개의 경사 각도를 15°로 한 후방 블레이드(146)로 구성된다.

상기 블레이드(140)는 몸체(120) 내부에는 4개의 블레이드(140)가 구성되는데 입구(132) 측으로부터 3개는 동일한 형상의 회전날개를 가진 전방 블레이드(144)가 형성되고, 출구(134) 측의 1개는 전방 블레이드(144)의 회전날개와 다른 구조를 가지는 회전날개를 구성한 후방 블레이드(146)가 위치한다.

아울러, 블레이드(140)는 몸체(120)의 내부로 통과하는 바람의 가속이 증가한 바람에 의해 최고출력 가속으로 발전을 일으키는 것이다.

이같이, 입구(132) 측과 출구(1134) 측으로 각기 다른 형태의 블레이드(140)로 구성된다.

아울러, 상기 입구(132) 측 및 출구(134) 측, 내부에 위치한 블레이드(140)는 빠르게 유입되는 바람으로 빠르게 회전하도록 서로 다른 크기와 서로 다른 회전날개를 가진 블레이드(140)를 여러 개로 나열하여 최대의 발전 효율을 극대화시키면서 굴곡진 형상 구조로 인해 후방 측에서 바람이 가진 속도를 유지하도록 하며, 소정의 간격으로 구성된 블레이드(140)를 바람이 토출되면서 블레이드(140)를 회전시켜 발전효율을 극대화한다.

따라서, 입구(132) 측을 따라 유입된 바람은 몸체(120) 내에 설치된 다수의 블레이드(140)를 회전시킨 후에 출구(134) 측으로 빠져나온다

이렇게, 상기 몸체(120)에서 일렬로 나열된 블레이드(140)가 풍력의 회전력에 의해 전기 에너지를 생산해 내는 발전기(150) 하단에 구성된다.

상기 발전기(150)는 도 6에 도시한 바와 같이 몸체(120) 내부에 다수의 블레이드(140)를 지지하는 샤프트(142)와 유니버셜 조인트(152)가 'T'형태로 동축으로 결합된 것이다.

여기서, 상기 샤프트(142)와 유니버셜 조인트(152)는 기어방식으로 연결된다.

아울러, 블레이드(140)가 회전하여 자력이 발생하여 전기를 생산한다.

상기 블레이드(140)가 생산한 전기는 풍력발전기에 의해 전기에너지를 축적하며, 사용처의 전력을 공급하는 것이다.

이때, 기존의 발전장치는 블레이드(140) 측에 부착하여 사용하나 본 발명의 발전기(150)는 블레이드(140)와 이격된 위치에서도 연결이 가능하여 1ton짜리 이상의 발전기(150)도 설치 가능하다.

한편, 상기 블레이드(150)를 내부에서 포함하는 몸체(120)에 의해 강한 바람에 의해 블레이드(140)가 파손될 상황이 발생한다 하더라도 블레이드(140)가 외부로 유출될 염려가 없어 안전성이 확보된다.

이와 같이, 풍량이나 풍속이 풍력 발전 장치의 가동이 될 수 있도록 충분하게 발생하지 않는 지역이나 계절, 기후 등의 조건에서 입구(132)와 출구(134)가 넓고 원통형의 구조를 갖는 몸체(120)로 통과한 바람의 속도를 증가시켜 풍력발전기에 높은 출력을 생산하도록 유도할 수 있다.

한편, 본 발명으로 구성된 다단계 풍력 발전기를 설치에 따라 달리 구성할 수 있는 것으로 도 7에 도시한 바와 같이 다단계 풍력 발전기를 외부로 노출시켜 몸체(120)의 상부 평면에 태양광을 집광하는 집광부(162)와 상기 집광부(162)에 의해 집광된 태양광을 흡수하여 전기를 발생하는 솔라셀을 직렬 또는 병렬로 배열한 태양전지 모듈(164)을 더 구비할 수 있는 것이다.

여기서, 상기 태양전지 모듈(164)은 별도로 장착시켜 구성할 수 있다.

또한, 본 발명으로 구성된 다단계 풍력 발전기를 도 8에 도시한 바와 같이 바람의 유속이 빠른 지하철과 같은 터널에 설치시에는 몸체(120)의 상부 평면에 와이어 고정체(166)와 와이어(168)를 이용하여 적정한 높이의 위치에 설치되도록 안정적으로 고정시켜 사용한다.

상기 지하철 터널에 다단계 풍력 발전기를 설치하여 터널로 이동하는 지하철 이동에 따라 발생하는 바람에 의해 블레이드(140)가 회전하여 발전을 이룬다.

이때, 터널과 같은 천정에 설치시에는 방향날개(130)는 제외하며, 발전기(150) 장치는 다른 일칙에 설치하여 생성된 에너지를 한 곳으로 이송하게 한다.

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.

110:주축 112:베어링
120:몸체 122:유도캡
130:방향 날개 132:입구
134:출구 140:블레이드
142:샤프트 144:전방 블레이드
146:후방 블레이드 150:발전기
152:유니버셜 조인트 162:집광부
164:태양전지 모듈 166:와이어 고정체
168:와이어

Claims (6)

1. 바람에 의해 전력을 발전시키는 풍력발전기에 있어서,
   중심부분에 수직으로 설치되는 지지축에 베어링으로 회전 작동되는 원통형의 수직 주축과;
   상기 주축 상부에 설치되어 전후면이 개방된 수평 길이방향으로 긴 형태로 입구로 유입된 공기가 빠른 속도로 토출되도록 입구와 출구가 넓고 원통 형상으로 형성되고, 입구 측으로 유입되는 바람의 흐름을 가속시켜주기 위해 아래에서 상승하는 바람이 유입되도록 45도 기울어져 바람의 유입을 유도하고 입구측에 구성된 유도캡과, 상기 입구측에 바람이 진행하는 방향으로 소정의 기울기로 꺾어진 지지대가 방사상으로 구획되어 바람에 와류를 형성시키기 위한 와류지지대와, 상기 입구측으로 유입된 바람에 의해 회전하는 블레이드 사이에 각각 위치하면서 공기를 빠르게 배출하도록 하는 삼각 위치로 지지대를 구획한 배면지지대를 포함하는 몸체와;
   상기 몸체의 외측 상부 평면에는 바람 방향을 향할 수 있도록 형성된 방향 날개와;
   상기 몸체에 다단계로 배열된 다수의 블레이드와;
   상기 몸체에서 일렬로 나열된 블레이드가 풍력의 회전력에 의해 전기 에너지를 생산해 내는 발전기; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 다단계 풍력 발전기.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 방향 날개는,
   낙뢰로부터 유입되는 과전압을 방지하는 과전압 방지소자를 내장하는 것을 특징으로 하는 다단계 풍력 발전기.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드는,
   입구 측에서 부터 소정의 간격으로 나란히 형상이 같은 8개의 회전날개를 구성하되, 회전날개의 경사 각도를 45°로 한 전방 블레이드와;
   상기 전방 블레이드 순에서 출구 측에 위치하여 전방 블레이드의 회전날개와 형상을 달리하는 8개의 회전날개를 구성하되, 회전날개의 경사 각도를 15°로 한 후방 블레이드로 구성되는 것을 특징으로 하는 다단계 풍력 발전기.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 몸체는,
   상부 평면에 태양광을 집광하는 집광부와 상기 집광부에 의해 집광된 태양광을 흡수하여 전기를 발생하는 솔라셀을 직렬 또는 병렬로 배열한 태양전지 모듈;을 더 구비할 수 있는 것을 특징으로 하는 다단계 풍력 발전기.

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