KR101107281B1 - 와류유도형 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유입구를 통해 유입되는 바람이 와류형으로 유도되어 토출구를 통해 강하게 분사되면서 다단으로 구비되는 블레이드를 고속회전시킴으로써 높은 발전효율을 얻도록 하는 와류유도형 풍력발전기에 관한 것으로, 풍력을 동력원으로 하여 전기에너지를 발전시키는 풍력발전기에 있어서, 전방이 개방되는 형태를 이루어 불어오는 바람을 내부로 유입시키는 유입부재와, 상기 유입부재와 관통 연결되어 유입되는 바람을 이동시키는 경로를 형성하며, 전달되는 풍력을 전기에너지로 변환시키는 외관을 구비하되, 상기 외관에는, 일측으로 유입되는 바람을 외관의 길이방향을 따라 와류 형태로 유도하면서 이동시키며 외관의 내부 단면적이 순차적으로 좁아지는 형태를 이루도록 하여 와류 형태로 통과하는 바람의 이동속도가 증가되도록 하는 와류유도부재와; 상기 와류유도부재의 타측 단부에서 소정 이격되도록 위치하여 와류유도부재를 통과한 바람에 의해 회전하도록 다수개의 블레이드가 결합되는 회전날개부와; 상기 회전날개부의 회전중심을 이루도록 중앙으로 구비되는 소정 길이의 회전축과; 상기 회전축과 연계되어 전달되는 회전량에 의해 전기에너지를 생성하는 발전장치를; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

와류, 풍력, 발전기, 블레이드, 플라이휠, 회전링, 회전축

Description

와류유도형 풍력발전기{VORTEX WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유입구를 통해 유입되는 바람이 와류형으로 유도되어 토출구를 통해 강하게 분사되면서 다단으로 구비되는 블레이드를 고속회전시킴으로써 높은 발전효율을 얻도록 하는 와류유도형 풍력발전기에 관한 것이다.

최근 급격한 산업화와 무분별한 개발로 인해 자원이 점차 고갈되어 감에 따라 풍력, 태양열, 수력과 같이 청정하고 무한하게 활용할 수 있는 대체에너지에 대한 관심이 높아지고, 그 자원을 확보하기 위한 노력이 절실히 요구되고 있다.

특히, 자연에서 발생하는 바람을 동력원으로 하여 전기에너지를 발전시키도록 하는 풍력발전기는 일반적으로, 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 회전날개(블레이드)와, 상기 회전날개에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 변속기어에 전달되어 회전수를 높여주는 변속장치와, 상기 회전날개에서 발생한 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 발전장치로 구성된다.

상기 풍력발전기는 풍속이 세고, 풍차가 클수록 더 많은 풍력에너지를 생산할 수 있기 때문에 그 발전량은 바람의 세기와 풍차의 크기에 절대적으로 의존하게 되나, 통상 자연적으로 유도되는 바람의 방향이나 강도가 일정하지 않아 높은 발전량을 균일하게 생산하기 어렵다는 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 앞서 출원된 풍력발전기에서는 발전효율을 향상시키기 위해 블레이드 및 변속장치를 다양하게 변형한 구성들을 제시하고 있으나, 상기 블레이드가 외부에 직접적으로 노출되어 자연적으로 유도되는 바람의 강도만으로 회전하도록 구성된다.

즉, 상기한 기존의 구성에서는 블레이드가 전달되는 바람에 의해 회전할 수 있도록 외부에 회전축으로 고정되어 풍향의 변화에 따라 유연하게 대처할 수가 없고, 외부에서 자연적으로 전달되는 바람의 강도만으로 회전하도록 하여 바람이 약할 경우 상기 블레이드의 회전이 불가능하기 때문에 발전효율이 저하되는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 소정 크기로 관통되는 유입구를 통해 자연적으로 발생하는 바람을 유입하되, 풍향의 변화에 따라 최대한의 풍량이 유입될 수 있는 위치로 상기 유입구가 자유로이 회전되고, 상기 유입구 내부로 유입되는 바람은 단면적이 좁아지는 내부 경로를 따라 와류형으로 유도되면서 다중의 블레이드로 분사되어 발전출력을 향상시키도록 하는 풍력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 풍력을 동력원으로 하여 전기에너지를 발전시키는 풍력발전기에 있어서, 전방이 개방되는 형태를 이루어 불어오는 바람을 내부로 유입시키는 유입부재와, 상기 유입부재와 관통 연결되어 유입되는 바람을 이동시키는 경로를 형성하며, 전달되는 풍력을 전기에너지로 변환시키는 외관을 구비하되, 상기 외관에는, 일측으로 유입되는 바람을 외관의 길이방향을 따라 와류 형태로 유도하면서 이동시키며 외관의 내부 단면적이 순차적으로 좁아지는 형태를 이루도록 하여 와류 형태로 통과하는 바람의 이동속도가 증가되도록 하는 와류유도부재와; 상기 와류유도부재의 타측 단부에서 소정 이격되도록 위치하여 와류유도부재를 통과한 바람에 의해 회전하도록 다수개의 블레이드가 결합되는 회전날개부와; 상기 회전날개부의 회전중심을 이루도록 중앙으로 구비되는 소정 길이의 회전축과; 상기 회전축과 연계되어 전달되는 회전량에 의해 전기에너지를 생성하는 발전장치를; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명을 통해 풍향의 변화에 대응하여 유입구가 자연스럽게 회전 유도됨으로써 바람이 지속적으로 유입되도록 하고, 유입된 바람을 와류형태로 유도하면서 이동속도를 증가시켜 다층 구조의 블레이드를 균일하게 고속회전시킨다. 따라서 풍향이 불규칙적이거나 바람의 강도가 약한 곳에서도 설치가 가능하며, 발전효율을 향상시키는 효과를 얻도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와류유도형 풍력발전기의 구성을 개략적으로 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 자연적으로 발생하는 풍력을 동력원으로 하여 전기에너지를 발전시키기 위해, 전방으로 개방되는 유입구(101)를 형성하여 불어오는 바람을 내부로 유입시키는 유입부재(100)와, 상기 유입부재(100)와 관통 연결되어 유입되는 바람을 이동시키는 경로를 형성하는 외관(200)이 구비된다.

일반적으로 풍력은 높이가 높은 곳에서 바람의 강도가 크기 때문에 상기 외관(200)은 소정 길이를 갖도록 수직으로 형성하며, 상기 외관(200)의 상부로 연통되는 유입부재(100)는 전방에서 불어오는 바람을 유입시키기 위해 전방을 향해 완만한 형태로 절곡하여 구비됨이 바람직하다.

이때, 상기 유입부재(100)는 풍향에 따라 유입구(101)의 위치가 자유롭게 변화될 수 있도록 상기 외관(200)과 회전링(110)으로 체결하여 상기 유입부재(100)가 상기 회전링(110)과 체결되는 단부측을 중심으로 회전이 가능하도록 하며, 전방의 유입구(101)와 대응되는 후방으로는 풍향에 따라 상기 유입부재(100)의 회전을 용이하게 유도하기 위한 가이드베인(120)이 구비되도록 한다.

따라서 수시로 전환되는 풍향의 변화에 따라 상기 유입부재(100)가 회전링(110)과 가이드베인(120)에 의해 회전되면서 유입구(101)의 위치가 항상 바람이 불어오는 방향을 향하도록 하여 유입되는 바람의 양이 최대로 유지될 수 있는 상태를 갖게 한다.

상기 외관(200)의 내부에는 상기 유입부재(100)를 통해 유입되는 바람을 이동시키며 바람에 의해 전달되는 풍력을 전기에너지로 변환시키기 위해, 상기 외관(200)의 내부 단면적이 순차적으로 좁아지는 형태를 이루도록 길이방향을 따라 구비되는 와류유도부재(300)와, 상기 와류유도부재(300)를 통과한 바람에 의해 회전하도록 다수개의 블레이드(510)가 결합되는 회전날개부(500)와, 상기 회전날개부(500)의 회전중심을 이루도록 중앙으로 구비되는 소정 길이의 회전축(600)과, 상기 회전축(600)과 연계되어 전달되는 회전량에 의해 전기에너지를 생성하는 발전장치(700)가 구비되도록 한다.

도 2 및 도 3은 상기 외관(200) 내부로 구비되는 와류유도부재(300)의 구성을 도시한 것으로, 도 2는 도 1에서 상기 와류유도부재(300)의 중간부인 A-A`선을 기준으로 절단하여 도시한 개략적인 부분 사시도이고, 도 3은 도 1에서 상기 와류 유도부재(300)의 단부측인 B-B`선을 기준으로 절단하여 도시한 개략적인 평면도이다.

도시된 바와 같이 상기 와류유도부재(300)는 그 단면이 소정 기울기로 굴곡되는 곡선면으로 구비되되, 외관(200)의 길이방향을 따라 상기 외관(200)의 내주연에서 중앙을 향해 순차적으로 돌출되면서 그 단면적이 넓어지는 형태를 이루며, 상기 외관(200)의 내부 중심을 기준으로 하여 동일한 간격으로 원형 배열되는 다수개로 구성된다.

도 3에 도시된 본 발명의 실시예에서는 상기 외관(200)의 내주연 둘레로 총 12개의 와류유도부재(300)가 구비되도록 하였으며, 상기 와류유도부재(300)의 단부측은 각각의 단면적이 최대한 넓어지는 형태를 이루어 상기 외관(200)의 중심으로는 중앙으로 유도되는 바람을 통과시키는 토출구(310)가 미세한 크기로 형성된다.

따라서 상기 유입부재(100)를 통해 유입되는 바람이 상기와 같은 와류유도부재(300)가 형성된 외관(200)을 통과하되, 다수개로 구비되는 와류유도부재(300)의 단면적 형태에 따라 와류(소용돌이) 형상으로 회전하면서 하부로 이동되며, 동시에 와류유도부재(300)의 단면적이 순차적으로 넓어지면서 일정한 직경으로 구비되는 외관(200)의 내부 단면적은 점차 좁아지는 형태를 이루어 와류로 유도되면서 회전 이동하는 바람에 전달되는 압력은 지속적으로 증가하게 된다.

상기 와류유도부재(300)를 통과하는 바람이 하부에 위치한 회전날개부(500)의 블레이드(510)를 회전시키면서 에너지를 생성하는 풍력발전과정을 거치게 되는데, 일반적으로 고효율의 풍력발전기를 구성하기 위해서는 상기 블레이드(510)를 회전시키기 위한 풍력이 지속적으로 확보되어야 한다.

또한, 풍력에너지(E)는 E = (1/2)×ρ×Ａ×Ｖ³ (ρ: 공기밀도, Ａ: 단면적, Ｖ: 풍속)의 식으로 도출된다.

상기 공기밀도는 그 자리의 기압이나 공기 중의 수분량에 의해 변화하는데, 통상 평지에서의 공기밀도인 1.2 kg/m³ 으로 일정하게 고려되고, 상기 단면적은 풍력 발전기의 바람 면적으로 회전자(rotor), 블레이드의 면적에 비례한다.

상기 식에 도출된 바와 같이 풍력에너지(E)는 풍속의 세제곱에 비례하여 고효율의 풍력발전기에 있어서 풍력이 지속적으로 공급된다는 전제조건 하에, 풍속(Ｖ)이 가장 중요한 고려 대상임을 알 수 있다.

따라서 본 발명에서는 상기와 같이 구성되는 와류유도부재(300)을 통해 유입되는 바람이 와류 형태로 회전이동하되, 관로의 단면적이 순차적으로 작아지는 형태를 이루도록 하여 좁게 형성된 유출구(320,와류유도부재의 단부측)에서는 그 풍속이 유입시에 비해 상당히 증가하여 강하게 분사되는 형태를 이루도록 한다.

단면적이 좁아지는 유출구(320)에서 가압으로 인하여 풍속이 증가하는 원리에 대해서는, 배관 내에서 유체가 보유하고 있는 총에너지는 항상 일정하다는 유체유동에 관한 베르누이정리와 역학적 에너지 보존법칙과 같은 이론에 근거하여 자명한 사실이며, 그에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

상기한 원리를 통해 와류유도부재(300)를 통과한 바람은 하부에 위치하는 회전날개부(500)로 강하게 분사되고, 또한 와류형태로 분사되면서 블레이드(510)의 회전방향을 일정하고 용이하게 유도하며 회전력을 높이게 하는 구성이 된다.

이때, 다수개의 와류유도부재(300)가 모아져서 단부 중앙으로 형성되는 토출구(310)의 하부에는 상기 좁은 토출구(310)를 통해 분사되는 바람을 하부에 위치하는 회전날개부(500)로 고르게 분산하여 확산시키기 위한 분배기(400)가 더 구비되도록 한다.

상기 분배기(400)는 좁게 형성된 토출구(310)를 통해 강하게 분사되는 바람을 하부에 위치하는 회전날개부(500)로 고르게 확산시키기 위해 원추형으로 구비되고, 회전축(600)의 단부에 고정되면서 상기 회전축(600)과 일체로 회전한다.

상기 회전날개부(500)는 와류유도부재(300)의 하부로 소정 이격되어 위치하며, 외관(200)의 중앙에 구비되는 소정 길이의 회전축(600)에 직경이 순차적으로 커지는 다수개의 블레이드(510)가 상하 이격되면서 체결되는 다층 구조로 구성된다.

도시된 본 발명의 실시예에서는 상기 회전날개부(500)를 5단계의 층으로 구비하여, 하부에 위치하는 블레이드(510)의 직경이 순차적으로 커지는 형태를 이루도록 하였다.

도 4는 다층 구조의 회전날개부(500)에서 중간에 위치하는 3단계의 블레이드(510) 구성을 개략적으로 도시한 평면도로써, 중심에 위치하는 회전축(600)을 기준으로 하여 동일한 직경을 갖는 블레이드(510)가 일정한 간격으로 원형 배열되는 다수개로 구비되며, 도시된 실시예에서는 하나의 층에 위치하는 동일한 크기의 블레이드(510)가 각각 12개씩 체결되어 상기 회전축(600)과 일체로 회전하도록 하였 다.

상기한 바와 같이 다층 구조로 구비되는 회전날개부(500)는 상기 와류유도부재(300)를 통과하여 분사되는 바람의 강도에 따라 다단으로 위치하는 블레이드(510)를 더욱 용이하게 회전시키게 하는 구조가 된다.

즉, 상기 회전날개부(500)는 단층으로도 구성할 수 있으나, 단층으로 구비되는 블레이드(510)의 직경이 대형으로 제작될 경우 분사되는 바람의 강도가 약하게 되면 상기 블레이드(510)의 회전이 불가능하다.

그러나 본 발명과 같이 상기 회전날개부(500)가 소형의 블레이드(510)부터 대형의 블레이드(510)까지 순차적으로 구비될 경우에는 바람이 약하게 분사되더라도 상기 소형의 블레이드(510)가 먼저 회전되도록 유도됨에 따라 결과적으로 회전축(600)을 회전시키기 위한 바람의 강도에 대한 영역을 더욱 광범위하게 하여 발전효율을 높일 수 있게 한다.

따라서 상기 유입부재(100)로 유입되어 와류유도부재(300)를 통과하면서 와류 형태로 유도되고 이동속도가 증가되면서 강하게 분사되는 바람에 의해 상기 회전날개부(500)의 블레이드(510)가 고속회전하게 되며, 상기 블레이드(510)의 중심축이 되는 회전축(600)이 블레이드(510)와 일체로 회전되고, 상기 회전축(600)과 연결되는 발전장치(700)에서는 전달되는 회전량에 의해 자속을 변화시켜 발전코일에 전기를 유기하고 충전시키면서 전기에너지를 발전시키게 된다.

상기 발전장치(700)는 일반적인 풍력발전기에 구비되는 구성 요소들로 충분히 공지된 기술임에 따라 본 발명에서는 그에 대한 상세한 설명을 생략하도록 한 다.

상기와 같은 작용으로 블레이드(510) 및 회전축(600)을 구동시킨 바람은 외관(200)의 일측으로 형성되는 통풍구(210)를 통해 외부로 배출되도록 하는데, 이때 상기 통풍구(210)는 발전장치(700)와 근접하게 구비하여 발전과정에서 발열하는 상기 발전장치(700)를 바람의 이동 배출로 냉각시킬 수 있도록 한다.

또한, 상기 발전장치(700)의 회전자와 블레이드(510)의 중심이 되는 상기 회전축(600)의 단부에는 유입되는 바람의 강도에 따라 불규칙한 회전력으로 인한 부정류흐름을 완충하여 발전출력을 균일화하기 위한 플라이휠(800)이 더 구비된다.

상기 플라이휠(800)은 크기가 다른 복수 개의 원형 중공관을 동일한 중심으로 배열하여 유기적으로 연결한 형태로써, 내부에 소정량의 유체를 충전하여 상기 플라이휠(800)이 회전축(600)과 일체로 회전하면서 상기 충전된 유체가 힘의 방향에 따라 중공관의 내부 경로를 이동할 수 있도록 하였다.

따라서 상기 플라이휠(800)의 회전으로 유체가 가지게 되는 관성력과 플라이휠(800) 자중(自重)에 의한 관성력이 다시 회전축(600)으로 전달되면서 상기 회전축(600)의 회전을 지속적으로 유도하며, 상기 발전장치(700)의 출력을 최대한 균일하게 유지할 수 있게 하는 구성이 된다.

또한, 상기 플라이휠(800)에 충전된 유체는 플라이휠(800)과 회전축(600) 하부 베어링 등의 냉각 및 윤활의 기능을 더불어 수행한다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구 범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와류유도형 풍력발전기의 개략적인 구성도.

도 2는 도 1의 A-A`선을 기준으로 절단하여 도시한 개략적인 부분 사시도.

도 3은 도 1의 B-B`선을 기준으로 절단하여 도시한 개략적인 평면도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블레이드의 평면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100. 유입부재 101. 유입구

110. 회전링

120. 가이드베인

200. 외관 210. 통풍구

300. 와류유도부재

310. 토출구 320. 유출구

400. 분배기

500. 회전날개부 510. 블레이드

600. 회전축

700. 발전장치

800. 플라이휠

Claims (7)

1. 풍력을 동력원으로 하여 전기에너지를 발전시키는 풍력발전기에 있어서,

   전방이 개방되는 형태를 이루어 불어오는 바람을 내부로 유입시키는 유입부재(100)와, 상기 유입부재와 관통 연결되어 유입되는 바람을 이동시키는 경로를 형성하며, 전달되는 풍력을 전기에너지로 변환시키는 외관(200)을 구비하되,

   상기 외관(200)에는,

   일측으로 유입되는 바람을 외관의 길이방향을 따라 와류 형태로 유도하면서 이동시키며 외관의 내부 단면적이 순차적으로 좁아지는 형태를 이루도록 하여 와류 형태로 통과하는 바람의 이동속도가 증가되도록 하는 와류유도부재(300)와; 상기 와류유도부재의 타측 단부에서 소정 이격되도록 위치하여 와류유도부재를 통과한 바람에 의해 회전하도록 다수개의 블레이드(510)가 결합되는 회전날개부(500)와; 상기 회전날개부의 회전중심을 이루도록 중앙으로 구비되는 소정 길이의 회전축(600)과; 상기 회전축과 연계되어 전달되는 회전량에 의해 전기에너지를 생성하는 발전장치(700)를; 포함하여 구성되며,

   상기 와류유도부재는 그 단면이 곡선면으로 구비되되, 외관의 길이방향을 따라 외관의 내주연에서 중앙을 향해 순차적으로 돌출되면서 단면적은 넓어지는 형태를 이루며, 상기 외관의 내부 중심을 기준으로 하여 동일한 간격으로 원형 배열되는 다수개로 구성되는 것을 특징으로 하는 와류유도형 풍력발전기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 유입부재는 회전이 가능하도록 상기 외관과 회전링(110)으로 체결되고, 상기 유입부재의 일측에는 풍향에 따라 상기 유입부재의 회전을 유도하기 위한 가이드베인(120)이 구비되는 것을 특징으로 하는 와류유도형 풍력발전기.
4. 제3항에 있어서, 상기 회전날개부는 직경이 순차적으로 커지는 다수개의 블레이드가 상하로 소정 이격되면서 상기 회전축에 체결되는 다층 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 와류유도형 풍력발전기.
5. 제4항에 있어서, 상기 와류유도부재의 단부에서 외관의 중심으로 유도되는 바람을 통과시키는 토출구(310)가 형성되고, 상기 토출구를 통해 분사되는 바람을 상기 회전날개부로 고르게 분산하여 확산시키기 위해 상기 회전축과 일체로 회전하는 원추형의 분배기(400)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 와류유도형 풍력발전기.
6. 제5항에 있어서, 상기 회전축의 단부에는 소정량의 유체가 충전된 플라이휠(800)이 구비되는 것을 특징으로 하는 와류유도형 풍력발전기.
7. 제6항에 있어서, 상기 발전장치가 근접되는 외관의 일측으로는 바람의 출입이 가능하도록 통풍구(210)가 형성되는 것을 특징으로 하는 와류유도형 풍력발전기.

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