풍력 발전기는 주축의 설치 방법에 따라 수평축 발전기와 수직축 발전기로 대별되고, 회전 블레이드를 수평축에 설치한 프로펠러형의 수평축 발전기는 정격 출력을 위한 풍속이 6∼15[m/s]가 되어야 하므로 우리나라에서는 풍속이 낮아서 특정 몇 개의 지역에만 설치 가능하며, 내륙이나 해안의 2∼5[m/s] 정도의 저풍속 지역에서는 풍향에 관계없이 일정하게 회전할 수 있는 수직축에 회전 블레이드를 설치한 수직축 발전기를 사용하고 있다. 그러나, 수직축 발전기에 사용되는 회전 블 레이드는 회전체에 부착된 연결관에 고정되어 있기 때문에, 회전 블레이드가 주축을 중심으로 공전된 어떠한 위치에 있더라도 자전을 하지 못하여, 회전 블레이드는 역방향의 풍력을 받기도 하고, 전혀 풍력을 받지 못하는 회전 블레이드의 각도를 형성하므로, 주축에 회전력을 전달하지 못하여 풍력 발전의 효율이 약하다. 또한, 컵 형태의 블레이드를 사용하는 경우는 풍향에 대항하는 오목부의 컵 날개만 풍력을 이용할 수 있어 풍력의 절반만 이용할 뿐이며, 풍향에 대항하는 볼록부의 컵 날개에 바람의 저항이 많아 파이프 타워의 보강이 문제되고, 도어형 블레이드는 역방향 쪽의 날개가 열려 바람의 저항을 줄일 수 있으나 회전에 필요한 힘은 블레이드의 절반 부분만 담당하므로 발전 효율이 떨어지는 문제가 있다.
상기와 같은 도어형 블레이드의 발전 효율을 높이기 위한 발명으로서, 특허공개번호 제10-2002-0023795호(공개일자: 2002년3월29일)의 '수직축 풍력 발전기용 회전날개의 각도 변환장치'가 공개되었다. 상기 공개 발명은 도 1에 도시한 바와 같이, 발전기와 증속장치로 연결되고 파이프 타워에 내설된 주축의 상단에 회전체가 고정 설치되고, 회전체에 부착된 다수개의 연결관의 끝단에 회전 날개가 고정된 통상의 수직축 풍력 발전기에 있어서, 회전체는 그 내부에 베벨 기어로 된 태양 기어와 유성 기어가 치합되어 설치되고, 태양 기어는 그 중심에 회전체의 상부에 설치된 레이디얼 베어링에 지지되고 회전체의 상부에 형성된 구멍을 관통하며 회전체의 저면에 설치된 축받이 스러스트 베어링에 지지된 풍향계(1)와 연결된 풍향계 회전축과 키로써 고정되며, 유성 기어는 베벨 기어로 된 구동 기어 및 피동 기어로 구성된 자전 장치의 구동 기어와 회전체에 부착된 연결관(3)의 내부에 다수의 레이 디얼 베어링에 의해 지지되게 설치된 기어축으로 연결되어 설치되고, 피동 기어는 그 중심에 자전 장치의 상하부에 설치된 레이디얼 베어링에 지지되고 관통되며 자전 장치의 상하부 외측에서 회전 날개(2)가 부착된 회전 날개축과 키로써 고정되며, 태양 기어의 잇수와 피동 기어의 잇수가 1:2의 비율로 구성되고 유성 기어의 잇수와 구동 기어의 잇수가 1:1의 비율로 된 수직축 풍력 발전기용 회전 날개의 각도 변환장치에 관한 것이다.
상기 도 1과 같이 개시된 공개발명은 상기 풍향계(1)의 풍향에 따른 회전에 따라서 상기 풍향계(1)의 하부에 일체로 형성된 베벨기어가 회전하게 되고, 상기 베벨기어와 치합된 유성기어가 회전하여 상기 회전날개(2)의 각도를 변환시키도록 되어 있다. 상기 공개 발명은 풍력에 의해 상기 회전날개(2)가 회전을 하게되고, 상기 연결관(3)을 통하여 상기 회전체에 강한 회전력을 발생시키는 과정에서 상기 베벨기어와 결합되어 있는 상기 풍향계(1)가 상기 회전체의 강한 회전력에도 불구하고 항상 풍향의 위치에 있어야 한다. 즉, 상기 풍향계(1)는 항상 풍향을 정확하게 감지하여 상기 베벨기어를 통해 회전날개(2)의 각도를 변환시킬 수 있어야 상기 공개발명의 목적을 달성할 수 있다.
그러나, 상기 회전날개(2)의 회전력 즉, 회전체의 회전력이 상기 강하기 때문에 상기 유성기어는 그 회전력으로 베벨기어를 풍향의 변화와는 관계없이 회전시킬 수 있다. 즉, 상기 유성기어가 상기 베벨기어의 회전에 종속되어야 하는데, 상기 공개발명의 구성에서는 상기 유성기어가 베벨기어를 회전시킬 수 있는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 베벨기어의 상측에 설치된 상기 풍향계(2)를 풍향과는 다 른 방향으로 회전시킬 수 있다. 그렇게 되면 상기 회전날개(2)의 풍향에 따른 각도 변환이 정확하게 이루어질 수 없는 문제점이 있다.
그러므로, 상기 수직축 풍력발전기에서는 상기 회전날개의 방향을 풍향의 변화에 따라서 정확하게 변환되도록 할 수 있는 발명이 요망된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 2은 본 발명의 제1 실시 예에 관한 개략적인 구성도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 회전축(90)과, 상기 회전축(90)의 상단에 결합되는 제1 기어박스(50)와, 상기 제1 기어박스(50)의 외주면에 결합되는 적어도 하나의 소정 길이의 연결관(60)과, 상기 연결관(60)의 단부에 결합되는 제2 기어박스(40)와, 상기 제2 기어박스(40)의 내부와 기어로 결합되고 상기 제2 기어박스(40)의 하측에 설치되는 소정 길이의 적어도 하나의 회전블레이드(70)와, 일단이 상기 회전블레이드(70)의 하단에 회전이 가능하게 결합되고 타단이 상기 회전축(80)의 소정 부위에 결합되는 회전 블레이드 연결부재(80)와, 상기 제1 기어박스(50)의 상측에 설치되는 풍향계(10)와, 상기 풍향계(10)의 풍향에 따른 회전각도를 감지하여 모터를 구동시키고 상기 모터의 구동에 따라 베벨기어를 회전시켜 상기 회전 블레이드(70)의 방향을 조절하도록 구성되어 있다.
상기 제1 기어박스(50), 상기 연결관(60), 상기 제2 기어박스(40), 상기 회전축(90) 및 상기 회전 블레이드 연결부재(80)는 일체로 결합되어 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예인 상기 도 2의 구성을 더 상세하게 설명하기 위한 일부 단면도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 풍향계(10)는 상기 풍향계의 회전각도를 감지하기 위한 센서(35)와, 제1 베벨기어(34)와 축이 결합되어 있는 모터(37)와, 상기 센서(35)의 감지신호를 수신하여 상기 모터(37)의 구동을 제어하기 위한 모터제어부(36)를 구비하고 있다. 상기 모터(37)와 축이 연결되어 있는 상기 제1 베벨기어(34)의 제1 베벨기어축(32)의 하단은 상기 제1 기어박스(50)의 내측 하단에 베어링으로 회전이 가능하도록 결합되어 있다. 또한, 상기 제1 베벨기어(34)에 적어도 하나의 제1 유성기어(48)가 치합되어 있고, 상기 제2 기어박스(40)의 내부에는 제2 베벨기어(42)와 제2 유성기어(44)가 설치되고, 상기 제1 기어박스(50)와 일단이 결합되고 타단이 상기 제2 기어박스(40)에 결합되는 연결관(60)의 내부에 일단이 상기 제1 유성기어(48)과 결합되고 타단이 상기 제2 유성기어(44)와 결합되는 유성기어축(46)이 상기 중심축(90)과는 수직으로 설치되어 있 다. 상기 제2 기어박스(40)의 상기 제2 베벨기어(42)는 소정 길이의 상기 중심축(90)과 평행한 제2 베벨기어축(72)과 결합되고, 상기 제2 베벨기어축(72)에는 상기 회전 블레이드(70)가 결합되어 있다. 상기 제2 베벨기어축(72)의 상단은 상기 제2 기어박스(40) 내측 상부에 하단은 상기 회전 블레이드 연결부재(80)의 단부에 회전 가능하도록 결합되어 있다.
상기 본 발명의 제1 실시 예는 도 2 및 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기 풍향계(10)와 센서(35), 상기 모터(37), 제1 베벨기어축(32) 및 제1 베벨기어(34)가 제1 구성요소로써 구성되어 있고, 상기 제1 기어박스(50), 중심축(90), 회전 블레이드 연결부재(80), 연결관(60) 및 제2 기어박스(40)가 제2 구성요소로써 일체로 구성되어 있고, 상기 제1 유성기어(48), 유성기어축(46) 및 제2 유성기어(44)가 제 3 구성요소로써 일체로 구성되어 있고, 상기 제2 베벨기어(42), 제2 베벨기어축(72) 및 상기 회전 블레이드(70)가 제4 구성요소로써 일체로 구성되어 있다.
상기 도 2 및 도 3에서 설명한 본 발명의 제1 실시 예의 구성에 따른 작용을 설명하기로 한다. 상기 제1 구성요소의 상기 풍향계(10)는 풍향의 변화에 따라서 풍력에 의해 그 방향이 바뀌도록 구성되어 있고, 상기 풍향계(10)의 축에 설치되어 있는 상기 센서(35)가 상기 풍향계(10)의 풍향에 따른 회전각도를 감지하여 감지신호를 상기 모터제어부(36)로 송신하고 상기 모터제어부(36)은 상기 수신된 감지신호에 따라서 상기 모터(37)를 상기 풍향계(10)의 회전각도만큼 상기 제1 베벨기어(34)를 회전시킨다. 상기 제1 베벨기어(34)의 회전에 따라서 상기 제1 유성기어(48)가 설정된 비율의 회전수, 바람직하게는 2:1의 비율로 회전하고 그 회전력이 상기 유성기어축(46)에 의해 상기 제2 기어박스(40) 내의 상기 제2 유성기어(44)로 전달되고, 상기 제2 유성기어(44)의 회전력은 상기 제2 베벨기어(42)로 전달되어 역시 설정된 회전수에 따라서 회전하게 된다. 상기 제2 베벨기어(42)의 회전에 따라서 상기 제2 베벨기어축(72)과 결합되어 있는 상기 회전 블레이드(70)의 방향을 변경시키도록 되어 있다. 상기 회전 블레이드(70)의 최초 방향은 풍력을 최대한 많이 받을 수 있는 각도로 설치되어 있고, 풍향의 변화에 따라서 그 방향이 영향받지 않도록 상기 제1 구성요소에서 풍향을 감지하여 상기 회전 블레이드(70)의 방향을 조절하도록 작용을 한다. 바람직하게는 상기 회전 블레이드(70)와 이에 대응되는 반대측 회전 블레이드의 상호 각도는 항상 직교하도록 설정되는 것이 좋다. 이렇게 작용함으로써 수직축 풍력발전기에서 회전 블레이드의 정회전 풍력을 최대한 받고 회전 블레이드의 역회전 풍력을 최소화시킬 수 있다. 또한, 회전 블레이드(70)에 양압과 항압이 동시에 작용하여 최상의 상태로 풍력을 이용할 수 있다.
상기와 같이 제1 구성요소의 풍향 감지 및 방향 조절을 받으면서 풍력에 의해 최적 상태로 회전하는 상기 회전 블레이드(70)에 의한 제4 구성요소의 회전력이 역으로 상기 제1 유성기어(48)를 통하여 상기 제1 베벨기어(34) 측에 전달되므로, 상기 제1 베벨기어(34)가 상기 풍향계의 풍향 감지와는 관계없이 회전할 수 있다. 그러나 본 발명의 제1 실시 예에서는 상기 모터(37)를 사용하여 상기 제1 베벨기어(34)에 회전력을 전달하는 구성이므로 상기 제1 유성기어(48)에 의한 회전을 상기 제1 베벨기어(34)가 회전하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 회전 블레이드(70)의 구성을 상기 회전축(90)에서 소정 거리 이 격되어 상기 회전축(90)과 평행하게 형성하고, 상기 회전 블레이드(70)의 회전력을 상측과 하측에서 상기 회전축(90)에 전달하게 되므로 구성상 안정적이면서, 풍력의 낭비가 없이 최대한 효율성이 좋게 그 회전력을 발전기에 전달할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다. 상기 제1 실시 예의 구성과 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 설명하기로 한다. 본 발명의 제2 실시 예는 상기 제1 실시예와 상기 제2 구성요소, 제3 구성요소 및 제4 구성요소는 차이가 없으나, 상기 제1 구성요소의 구성에서 다른 예를 보이고 있다.
도 4에 도시한 바와 같이 본 발명의 제2 실시 예의 제1 구성요소는 상기 제1 기어박스(50)의 상측에 설치되는 메인 풍향계(10)와, 상기 제2 기어박스(40)의 상측에 결합되는 서브풍향계 결합박스(45)와, 상기 제1 기어박스(50)와 상기 제2 기어박스(40)를 연결하는 서브풍향계 연결관(26a)~(26d)과, 상기 서브풍향계 결합박스(45)의 상측에 회전이 가능하도록 결합되는 적어도 하나의 서브 풍향계(20a)~(20d)로 구성되어 있다.
상기 구성의 제1 구성요소는 상기 메인 풍향계(10)와 상기 서브 풍향계(20a)~(20d)가 각각 풍력에 의해 풍향에 따라서 방향을 바꾸도록 되어 있고, 상기 서브 풍향계(20a)~(20d)의 회전력을 상기 서브풍향계 연결관(26a)~(26d)을 통하여 상기 메인 풍향계(10)와 결합되어 있는 상기 제1 베벨기어에 전달하도록 구성되어 있다.
도 5는 상기 본 발명의 제 2실시 예를 더 상세히 설명하기 위한 도 4의 일부 단면도이다. 도 5를 참조하여 본 발명의 제2 실시 예의 제1 구성요소를 상세히 설명하기로 한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 하단이 상기 제1 기어박스(50)의 내측 하면에 회전 가능하도록 결합된 소정 길이의 제1 베벨기어축(32)의 상단에 결합된 메인 풍향계(10)와, 상기 제1 기어박스(50)의 내부에 설치되고 상기 제1 베벨기어축(32)과 일체로 결합되는 제1 베벨기어(34)와, 상기 제1 베벨기어(34)의 상측에서 상기 제1 베벨기어축(32)에 결합되는 제1 체인 체결부재(33)를 구비하고, 상기 제2 기어박스(40)의 상측에 결합되는 상기 서브풍향계 결합박스(45)에 상기 서브 풍향계(20a)~(20d)가 풍향계축으로 회전이 가능하도록 결합되고, 상기 서브풍향계 결합박스(45)의 내측 풍향계축의 소정 위치에 결합되는 제2 체인 체결부재(27)를 구비하고 있고, 상기 제1 체인체결부재(33)와 상기 제2 체인체결부재(27)를 상기 서브풍향계 연결관(26a)~(26d)을 통하여 체인(25a)~(25d)으로 연결하는 구성이다.
상기 본 발명의 제2 실시 예에서도 상기와 같이 제1 구성요소의 풍향 감지 및 방향 조절을 받으면서 풍력에 의해 최적 상태로 회전하는 상기 회전 블레이드(70)에 의한 제4 구성요소의 회전력이 역으로 상기 제1 유성기어(48)를 통하여 상기 제1 베벨기어(34) 측에 전달되므로, 상기 제1 베벨기어(34)가 상기 풍향계의 풍향 감지와는 관계없이 회전할 수 있다. 그러나 본 발명의 제2 실시 예에서는 상기 메인 풍향계(10)의 풍력에 의한 부동 저항력과 상기 적어도 하나의 바람직하게는 복수개의 서브 풍향계(20a)~(20d)의 풍력에 의한 부동 저항력이 상기 체인(25a)~(25d)을 통하여 상기 제1 베벨기어(34)에 전달되므로 상기 제1 유성기어(48)에 의한 회전을 최대한 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 풍향의 변화에 따라 상기 회전 블레이드(70)의 방향을 조정하여 수직축 풍력발전기에서 회전 블레이드의 정회전 풍력을 최대한 받고 회전 블레이드의 역회전 풍력을 최소화시킬 수 있는 예를 설명하기 위한 것이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 회전 블레이드(70)와 그 반대측 회전 블레이드의 상호 각도가 항상 직교하도록 조절된 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 2개의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명의 기술적 범위는 이에 한정되는 것이 아님은 자명하다. 즉, 풍향에 따라서 회전 블레이드의 방향을 조절하는 수직축 풍력 발전기에서 회전 블레이드의 회전력이 상기 풍향계에 전달되어 풍향과 관계없이 풍향계가 움직이는 현상을 방지하기 위한 본 발명의 기술적 사상은 이를 위한 다양한 실시 예를 포함한다고 할 수 있다.
즉, 본 발명의 제1 실시예에서 상기 제1 베벨기어에 회전력을 전달하는 수단으로서 모터를 구성요소로 설명하였지만, 모터 외에 상기 제1 베벨기어에 회전력을 전달할 수 있는 다양한 동력발생수단이 사용될 수 있다. 예를 들면, 유압에 의한 동력발생 등도 본 발명의 실시예에 포함된다 하겠다.