KR101137174B1

KR101137174B1 - 소음 저감형 풍력 발전장치

Info

Publication number: KR101137174B1
Application number: KR1020100049973A
Authority: KR
Inventors: 김성진; 김준선; 오영환
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2012-04-19
Also published as: KR20110130578A

Abstract

본 발명은 도심풍을 받는 건물의 코너 또는 옥상에 설치되어 소음을 일으키지 않으면서 발전하도록 된 소음 저감형 풍력 발전장치에 관한 것이다.
본 발명은, 빌딩풍과 같은 바람을 포집구가 모으고, 파이프 라인과 가열부를 통하여 바람을 승온시켜서 바람의 상승속도를 증가시키며, 저소음 재료로 이루어진 하우징 내부를 바람이 통과하면서 블레이드를 진동시키고, 이러한 블레이드의 진동에 의해서 "T"형 프레임과 복수의 호형 링크를 통해서 출력 축을 회전시킨다. 그리고 이와 같은 출력 축에 연결된 회전식 발전부의 회전자 구동에 의해서 전력을 생산하는 구성이다.
본 발명에 의하면 포집구의 입구풍력이 0.5~1.0m/s의 매우 낮은 풍속에서도 파이프 라인을 이동하면서 2-3배의 높은 풍속으로 증속되어 쉽게 시동 및 발전이 이루어질 수 있으며, 발전 중에 저소음으로 동작할 수 있고, 고속의 풍력하에서도 종래와 같이 프로펠러 등의 파괴나 시설물의 파손 염려가 전혀 없게 된다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의하면 기타 도심지역 이외에 동굴이나 협곡에서 부는 바람을 모아서 발전하는 것이 가능하며, 대부분의 지역 및 건물 등에 설치되어 안정적으로 전기를 발전시킬 수 있는 우수한 장점이 얻어지게 된다.

Description

소음 저감형 풍력 발전장치{WIND POWER GENERATOR WITH REDUCED NOISE}

본 발명은 도시의 고층 건물에 설치되는 소음 저감형 풍력 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 도심풍을 받는 건물의 코너 또는 옥상에 설치되어 풍력을 모으는 포집구를 구비하고, 파이프라인을 따라 상승 이동하는 바람을 태양열가열기에 의해 가열하여 상승속도를 증가시키며, 증가된 속도의 풍력을 이용하여 소음 저감재료로 이루어진 하우징내의 블레이드 진동운동을 통해서 토크를 회전력으로 바꾸어 발전함으로써 풍속이 약한 0.5-1.0m/s에서도 작동할 수 있고, 풍향의 변화에 거의 영향을 받지 않으면서, 도심에서 발전시 소음을 일으키지 않도록 된 소음 저감형 풍력 발전장치에 관한 것이다.

일반적인 수평 혹은 수직형 풍력 발전기는 직접 바람을 받아서 돌아가야 하는 특성 때문에 바람과의 마찰과 관련한 소음과, 블레이드의 회전이 노출된 상태에서 일어나기에 안전성의 문제점 등을 고려하여 인적인 드문 곳에만 설치해야하는 장소적인 제한이 있다.

특히 종래의 수평형 풍력 발전기는 소형 풍력 발전기의 경우, 고속의 바람에서 빠른 회전 속도로 동작하는 특성으로 인해 아주 강한 파열음이 유발되는 특성이 있으며, 또한 가늘고 긴 블레이드를 지지하고 있는 부분이 허브(hub) 축 한 군데뿐이므로, 피로 파괴 등의 사고발생시, 손상된 블레이드가 빠른 속도로 비산하여 사람 혹은 차량 등과 충돌할 수 있기 때문에 유동 인구 밀집지역, 상업, 교육 및 주거용 건물(옥상 등) 및 인근에 설치하는 것은 그 위험성이 매우 커서 실제로는 설치되지 못하는 실정이다.

또한 종래의 수직형 풍력 발전기의 경우, 상대적으로 큰 블레이드 면적을 활용하여 비교적 낮은 풍속에서도 발전이 가능하지만, 유속이 증가하면 소음이 크게 증가하여 공기와의 마찰음 및 공진에 의한 소음을 피할 수 없는 단점을 가지고 있다.

그리고 종래의 풍력 발전기 중에는 태양열을 통해서 가열되고, 수직방향으로 상승기류를 만들고, 바람이 부는 경우에는 수평형으로 장치된 컵 모양의 바람개비의 회전력으로 발전하는 등록특허 제 10-0862362의 "풍력과 공기대류를 이용한 발전장치"가 제안되어 있다. 그러나 이와 같은 종래의 기술도 외부에 설치한 회전체는 일반적인 프로펠러형 풍력발전기가 갖는 단점과 똑같은 문제점을 갖고 있다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 프로펠러형 풍력발전기술이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 빌딩풍과 태양열을 모아서 파이프내를 상승 이동하는 기류의 유속을 높이고, 이와 같이 상승된 유속의 기류를 이용하여 하우징 내에 설치된 블레이드의 진동을 이용하여 발전함으로써 풍속이 약한 도심에서 작동할 수 있도록 된 소음 저감형 풍력 발전장치를 제공하고자 하는 것이다.

그리고 본 발명의 다른 목적은 외부로 블레이드가 노출되지 않도록 하여 작동시 안전성이 크게 향상되고, 소음이 거의 발생하지 않아서 주변에 소음 공해를 발생시키지 않음으로써 도심에 적합하게 설치하여 사용할 수 있도록 된 소음 저감형 풍력 발전장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 빌딩풍과 같은 바람을 모으도록 입구는 넓고, 출구는 좁은 형상으로 이루어진 포집구; 상기 포집구에 연결되어 바람을 상승이동시키는 파이프 라인; 상기 파이프 라인을 통과하는 바람을 승온시켜 바람의 상승속도를 증가시키는 가열부; 상기 파이프 라인의 출구에 장착되고, 저소음 재료로 이루어진 하우징을 구비하며, 상기 하우징 내에서 내부를 통과하는 바람에 의해서 진동하는 블레이드를 구비한 진동 발생부; 상기 블레이드의 회전축에 연결되는 "T"형 프레임을 갖추고, 상기 프레임에 의해서 병진 운동하여 출력 축을 연속회전시키는 복수의 호형 링크를 구비하여 상기 블레이드로부터 전달된 진동에 의해서 프레임과 호형 링크들을 통해 토크를 회전력으로 바꾸어 출력하는 토크-회전 변환부; 및 상기 토크-회전 변환부의 출력 축에 내부 회전자(rotor)가 연결되어 회전함으로써 고정자(stator)와의 사이에서 전력을 생산하고, 생산된 전력을 축전지에 저장하는 회전식 발전부;를 포함하고, 상기 포집구에 포집된 저속의 바람이 상승이동 중에 승온되어 풍속이 증대되고, 증가된 풍속에 의해서 발생되는 진동에 의한 토크를 회전력으로 변환시켜서 발전하도록 하는 소음 저감형 풍력 발전장치를 제공한다.

또한 본 발명은 바람직하게는 상기 가열부는 상기 파이프 라인이 내부를 통과하는 유로가 내부에 형성되고, 태양열을 집열하여 상기 파이프 라인의 바람을 가열시켜서 승온시키도록 구성된 소음 저감형 풍력 발전장치를 제공한다.

그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 진동 발생부는 상기 파이프 라인의 출구에 연결되는 하우징 입구를 구비하고, 상기 하우징 입구로부터 동축으로 형성된 하우징 출구를 구비하며, 상기 하우징 입구로부터 하우징 출구로 이어지는 하우징의 중간 부분은 하우징 입구보다 내경이 큰 직경 확대부를 형성하고, 상기 직경 확대부의 중앙에는 회전축을 통하여 블레이드의 끝단이 고정되고, 상기 블레이드의 선단은 상기 하우징 입구측으로 연장되어 하우징 입구를 통과하는 바람을 양 측면으로 분할하고, 상기 블레이드의 양 측면을 통과하는 바람에 의해서 생성된 양 측면 표면의 압력차에 의해서 회전축을 중심으로 진동하는 소음 저감형 풍력 발전장치를 제공한다.

또한 본 발명은 바람직하게는 상기 블레이드는 그 선단이 뾰족 단면을 형성하여 하우징 입구를 통과하는 바람에 의한 저항을 최소화하고, 상기 하우징 입구에는 블레이드의 진동시 충격을 완충시켜 소음 발생을 방지시키기 위한 완충 패드가 형성된 소음 저감형 풍력 발전장치를 제공한다.

그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 토크-회전 변환부는 프레임의 일측 단부가 상기 블레이드의 회전축에 연결되어 상기 블레이드의 진동에 의해서 좌우측이 시소동작을 하고, 상기 프레임의 타측 단부에는 복수의 호형 링크의 일단부가 회전가능하도록 연결되며, 상기 각각의 호형 링크의 타측 단부는 출력 축에 각각 회전가능하도록 연결되고, 상기 복수의 호형 링크들이 출력 축의 상하에서 서로 대향 배치됨으로써 상기 블레이드로부터 전달된 회전축의 진동에 의해서 프레임과 복수의 호형 링크들을 통해 출력 축을 연속회전시키도록 구성된 소음 저감형 풍력 발전장치를 제공한다.

또한 본 발명은 바람직하게는 상기 포집구와 가열부는 구조물의 하부에 설치되고, 상기 파이프 라인은 포집구로부터 구조물을 따라 상부로 연장되며, 상기 진동 발생부, 토크-회전 변환부 및 회전식 발전부는 구조물의 상부에 설치되어 상기 포집구에 대해서 높이 차를 형성하고, 상기 파이프 라인을 바람이 통과하는 중에 상기 높이 차에 의해서 풍속이 증가되고, 가열부에 의해서 승온되어 풍속이 더욱 증속되는 소음 저감형 풍력 발전장치를 제공한다.

본 발명에 의하면 포집구가 바람을 포집하여 파이프 라인으로 이동시키고, 이와 같은 바람은 높이 차를 형성하는 파이프 라인을 이동하는 동안, 태양열가열기를 통과하면서 승온되어 풍속이 더욱 가속되며, 파이프 라인에 연결된 진동 발생부의 블레이드에 진동을 부여한다. 그리고 이와 같은 블레이드의 진동은 토크-회전 변환부를 통해서 회전력으로 변환되어 회전식 발전기의 회전자를 동작시켜서 발전하게 된다.

따라서 본 발명에 의하면 포집구의 입구풍력이 0.5~1.0m/s의 매우 낮은 풍속에서도 파이프 라인을 이동하면서 2-3배의 높은 풍속으로 증가하게 되어 저속의 바람에서도 쉽게 시동 및 발전이 이루어질 수 있으며, 빌딩풍이 있는 40-50m의 높이를 갖는 건물이나 송신탑, 고압전선탑 등의 구조물에 설치할 경우, 우수한 발전 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 저소음재료로 이루어진 하우징 내의 블레이드가 증가된 풍속에 의해 진동하면서 토크-회전 변환부를 통해 토크를 회전력으로 변환시킴으로써 발전 중에 저소음으로 동작할 수 있으며, 고속의 풍력하에서도 종래와 같이 프로펠러 등의 파괴나 시설물의 파손 염려가 전혀 없게 된다.

뿐만 아니라, 본 발명에 의하면 기타 도심지역 이외에 동굴이나 협곡에서 부는 바람을 모아서 발전하는 것이 가능하며, 대부분의 지역 및 건물 등에 설치되어 안정적으로 전기를 발전시킬 수 있는 우수한 장점을 가지고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 소음 저감형 풍력 발전장치를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 소음 저감형 풍력 발전장치가 빌딩과 같은 구조물에 장착된 상태를 도시한 설명도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 소음 저감형 풍력 발전장치에 구비된 포집구, 가열부 및 파이프 라인이 건물에 설치된 상태를 나타낸 사진이다.
도 3b는 본 발명에 따른 소음 저감형 풍력 발전장치에 구비된 진동 발생부, 토크-회전 변환부, 회전식 발전부가 건물 옥상에 설치된 상태를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 소음 저감형 풍력 발전장치에 구비된 진동 발생부의 단면 구조도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 소음 저감형 풍력 발전장치에 구비된 토크-회전 변환부의 정단면도이다.
도 5b는 본 발명에 따른 소음 저감형 풍력 발전장치에 구비된 토크-회전 변환부의 측단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 소음 저감형 풍력 발전장치에 구비된 토크-회전 변환부의 작동 상태도이다.
도 7a는 일반적인 부도심의 낮은 풍력에너지를 도시한 설명도이다.
도 7b는 고층 건물이 세워진 도심의 높은 풍력에너지를 도시한 설명도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 소음 저감형 풍력 발전장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 빌딩풍과 같은 바람을 모으도록 입구는 넓고, 출구는 좁은 형상으로 이루어진 포집구(110)를 구비한다.

이와 같은 포집구(110)는 그 입구(112)가 넓고, 출구(114)는 상대적으로 좁은 크기의 큰 깔대기 형상으로 이루어져서 구조물(B)의 하부측에 설치된다.

이와 같은 구조가 도 3a에 예시적으로 도시되어 있으며, 건물과 같은 구조물(B)의 측벽 중간 정도에 별도의 고정수단(미 도시)을 이용하여 고정 설치된다.

이와 같은 포집구(110)에는 상부측으로 바람을 상승이동시키기 위한 파이프 라인(120)이 연결되는데, 이와 같은 파이프 라인(120)은, 예를 들면 건물과 같은 구조물(B)의 벽체를 따라서 상부측으로 연장 설치되며, 그 중간에는 가열부(130)가 설치되어 상기 파이프 라인(120)의 내부를 통과하는 바람을 승온시킨다.

이와 같은 가열부(130)는 바람직하게는 도 2에 도시된 바와 같이, 태양열을 집열(集熱)하여 상기 파이프 라인(120)의 바람을 가열시켜서 승온시키도록 된 태양열 가열기(132)로 구성될 수 있는데, 파이프 라인(120)이 내부를 통과하는 유로가 내부에 형성되고, 그 외측에 태양광을 집광하여 가열시키는 공간이 형성된 구조로 이루어질 수 있다.

이와 같은 태양열 가열기(132)는 내관(inside tube)(134)과 외관(out side tube)(136) 사이에 진공이 형성되어 외부와의 열차단의 기능을 이루도록 구성되고, 내부의 흡수 코팅층(selective coating)은 열의 흡수를 유도하며, 이렇게 흡수된 열은 집열(集熱)되어 파이프 라인(120)을 통과하는 바람을 승온시킨다.

또한 이와 같은 태양열 가열기(132)는 태양 빛과 수직으로 배치되는 것이 좋으며, 일반적으로 북반구의 경우, 그 지역의 위도를 적용하여 지면에 대해 약 37도 의 각도(θ)로 설치하면 적합하다.

그리고 본 발명에 따른 소음 저감형 풍력 발전장치(100)는 상기 파이프 라인(120)의 출구에 장착되어 바람에 의해서 진동하는 블레이드(154)를 내장한 진동 발생부(150)를 구비한다. 상기 진동 발생부(150)는 저소음 재료로 이루어진 하우징(152)을 구비하는데, 이와 같은 하우징(152)의 내부에서 바람에 의해서 블레이드(154)가 진동한다.

이와 같은 진동 발생부(150)는 구조물(B)의 상부, 예를 들면 도 3b에 도시된 바와 같이, 건물의 옥상에 설치되어 상기 포집구(110)에 대해서 높이 차(△h)를 형성하는데, 이와 같이 높이 차(△h)를 갖도록 구비되는 파이프 라인(120)을 통해 바람이 이동하는 도중에 그 풍속이 증가되고, 가열부(130)에 의해서 승온되어 더욱 풍속이 증속된 상태로 바람이 하우징(152)의 내부로 유입된다.

상기 진동 발생부(150)의 구조가 도 4에 예시적으로 도시되어 있다.

이와 같은 진동 발생부(150)는 상기 파이프 라인(120)의 출구에 연결되는 하우징 입구(162)를 구비하고, 상기 하우징 입구(162)로부터 동축(同軸)으로 형성된 하우징 출구(164)를 구비한다. 또한 상기 하우징 입구(162)로부터 하우징 출구(164)로 이어지는 하우징(152)의 중간 부분은 하우징 입구보다 내경이 큰 직경 확대부(166)를 형성하여 면적이 증가된 유로를 바람이 통과하도록 한다.

그리고, 이와 같은 진동 발생부(150)는 상기 하우징(152)이 흡음재, 예를 들면 스틸로폼과 같은 흡음재를 내장하는 저소음 구조로 이루어지고, 직경 확대부(166)의 중앙에 회전축(168)을 통하여 블레이드(154)의 끝단이 고정되며, 상기 블레이드(154)의 선단(154a)은 하우징 입구측으로 연장되어 하우징 입구(162)를 통과하는 바람을 양 측면으로 분할한다.

이와 같은 블레이드(154)는 그 선단(154a)이 뾰족 단면을 형성하여 하우징 입구를 통과하는 바람에 의한 저항을 최소화하는데, 이와 같은 블레이드(154)는 그 양 측면을 통과하는 바람에 의해서 생성된 양 측면 표면의 압력차에 의해서 회전축(168)을 중심으로 진동하게 된다.

즉 상기 블레이드(154)의 양 측면을 통과하는 과정에서 바람은 속도 차이가 형성되는데, 바람 속도가 빠른 측면이 상대적으로 바람 속도가 늦은 측면에 비하여 압력이 낮아지게 되기 때문에, 블레이드(154)는 압력이 낮은 쪽으로 이동하면서 그 선단(154a)이 상기 하우징(152)의 입구(162)에 충돌된다.

이때, 상기 하우징(152)은 그 입구(162)측에 블레이드(154)의 충돌시, 그 충격을 완충시켜 소음 발생을 방지시키기 위한 완충 패드(170a)(170b)를 하우징 입구(162)의 양측 내면에 각각 설치하고 있다.

그리고 본 발명에 따른 소음 저감형 풍력 발전장치(100)는 상기 블레이드(154)의 회전축(168)에 연결되는 토크-회전 변환부(180)를 갖는다.

이와 같은 토크-회전 변환부(180)는 상기 진동 발생부(150)에 인접 배치되는 것으로서, 상기 블레이드(154)로부터 전달된 진동에 의해서 프레임(182)과 호형 링크(184a)(184b)들을 통해 토크를 회전력으로 바꾸어 출력하게 된다.

이와 같은 상기 토크-회전 변환부(180)는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 내부에 "T"형 프레임(182)을 갖추고, 상기 프레임(182)에 의해서 병진 운동하여 출력 축(188)을 연속회전시키는 복수의 호형 링크(184a)(184b)를 구비한다.

즉 상기 "T"형 프레임(182)은 그 일측 단부가 상기 블레이드(154)의 회전축(168)에 연결되어 상기 블레이드(154)의 진동에 의해서 좌우측이 시소동작을 하고, 상기 프레임(182)의 타측 단부는 복수의 호형 링크(184a)(184b)의 일단부가 회전가능하도록 연결된다.

또한 상기 각각의 호형 링크(184a)(184b)의 타측 단부는 출력 축(188)에 각각 회전가능하도록 연결되고, 상기 복수의 호형 링크(184a)(184b)들이 출력 축(188)의 상하에서 서로 대향 배치되는 구조이다.

이와 같은 토크-회전 변환부(180)는 도 6a에 도시된 바와 같이, "T"형 프레임(182)이 좌측으로부터 우측으로 이동하는 동안, 복수의 호형 링크(184a)(184b)를 통해서 상기 출력 축(188)을 시계 방향으로 회전시킨다. 이때 상부측의 호형 링크(184a)는 출력 축(188)을 시계방향으로 회전시키지만, 하부측의 호형 링크(184b)는 아이들링(Idling)하여 출력 축(188)에 회전력을 부여하지 않는다.

또한 도 6b에 도시된 바와 같이, "T"형 프레임(182)이 우측으로부터 좌측으로 이동하는 동안, 복수의 호형 링크(184a)(184b)를 통해서 상기 출력 축(188)을 시계 방향으로 회전시킨다. 이때 상부 측의 호형 링크(184a)는 출력 축(188)을 아이들링 시키고, 하부측의 호형 링크(184b)는 출력 축(188)을 시계방향으로 회전시킨다.

이와 같은 출력 축(188)의 내부에는 출력 축(188)을 시계방향으로만 회전시키도록 된 일방향 장치(미 도시)가 내장되어 있어서 바람의 역풍 혹은 무풍 후에 다시 블레이드(154)가 작동하게 되어도 출력 축(188)은 항상 한 방향, 예를 들면 시계방향으로만 회전되는 것이 특징이다.

따라서 이와 같은 토크-회전 변환부(180)는 상기 블레이드(154)로부터 전달된 회전축(168)의 진동에 의해서 "T"형 프레임(182)과 복수의 호형 링크(184a)(184b)들을 통해 출력 축(188)을 한쪽 방향, 예를 들면 시계방향으로 연속회전시키게 된다.

본 발명에 따른 소음 저감형 풍력 발전장치(100)는 상기 토크-회전 변환부(180)의 출력 축(188)에 내부 회전자(rotor)(미 도시)가 연결되어 회전함으로써 고정자(stator)(미 도시)와의 사이에서 전력을 생산하고, 생산된 전력을 축전지(200)에 저장하는 회전식 발전부(190)를 포함한다.

이와 같은 회전식 발전부(190)는 통상적인 영구 자석으로 이루어진 회전자(미 도시)와 고정자( 미도시)를 내장한 발전기로서, 도 1, 도 2 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 토크-회전 변환부(180)의 출력 축(188)에 내부 회전자(rotor)가 연결되어 회전함으로써 전력을 생산한다. 또한, 이와 같이 생산된 전력은 축전지(200)에 저장된 후, 필요한 사용처로 공급된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 소음 저감형 풍력 발전장치(100)는 상기 포집구(110)와 가열부(130)가 도 3a에 도시된 바와 같이, 구조물(B)의 하부에 설치되고, 상기 파이프 라인(120)은 포집구(110)로부터 구조물(B)을 따라 상부로 연장되며, 상기 진동 발생부(150), 토크-회전 변환부(180) 및 회전식 발전부(190)는 도 2에 도시된 바와 같이, 구조물(B)의 상부에 설치되어 상기 포집구(110)에 대해서 높이 차(△h)를 형성한다.

따라서 상기 파이프 라인(120)을 바람이 통과하는 중에 상기 높이 차(△h)에 의해서 풍속이 증가되고, 가열부(130)에 의해서 승온되어 풍속이 더욱 증속되어 진동 발생부(150)의 블레이드(154)를 강하게 진동시킨다.

도 2는 상기 포집구(110)를 빌딩의 측면에 부착한 그림으로 측면으로 이동하는 공기는 포집구(110)에 수집되어 수직으로 설치된 파이프 라인(120)을 통해 상승하여 상부에 설치된 진동 발생부(150)로 가속되어 상승하게 된다. 이때, 공기상승과 관련한 온도와의 관계식은 아래의 식 1과 같다.

(식1) Vs=[2gHTs(To^-1-Ts^-1)]^-1/2,

상기 수식 1에서 예를 들어 온실안의 온도 Ts(50℃), 외부 온도 To(20℃)일때, H = 10m 의 파이프 라인(120)에서 나오는 유속은 아래와 같이 계산된다.

Vs=[2*9.8m/s²*10m*323K(293^-1-323^-1)]^-1/2= 4.48m/s로 계산되며, 아래의 표1과 같이 온도 차이는 동일하게 하고, 높이변화에 따른 풍속의 변화가 일어남을 알 수 있다.

동일 조건 하에서의 높이변화와 풍속의 관계

높이(m)	유속(m/s)
5	3.18
10	4.48
15	5.49
20	6.33

또 다른 예로는 아래 표 2와 같이 빌딩의 높이 변화에 따른 풍속의 증가를 나타내는 것으로 빌딩 높이가 높아지면 풍속이 증가함을 알 수 있다.

바람의 세기와 풍력밀도 및 풍속의 비교

높이	10 m		30 m		50 m
급수	풍력밀도 (Wind power density) (W/m²)	풍속 (m/s)	풀력 밀도 (Wind power density) (W/m²)	풍속 (m/s)	풍력밀도 (Wind power density) (W/m²)	풍속 (m/s)
1	0 - 100	0 - 4.4	0 - 160	0 - 5.1	0 - 200	0 - 5.6
2	100 - 150	4.4 - 5.1	160 - 240	5.1 - 5.9	200 - 300	5.6 - 6.4
3	150 - 200	5.1 - 5.6	240 - 320	5.9 - 6.5	300 - 400	6.4 - 7.0

이와 같이 도 2의 포집구(110)를 통해 수집된 공기는 초기에 저속으로 입구의 대면적에서 포집되고, 면적의 크기에 반비례해서 유속이 증가하게 되어 파이프 라인(120)을 통과하며, 가열부(130)를 통과하면서 온도가 승온되어 빠른 속도로 진동 발생부(150)의 블레이드(154)가 장착된 하우징 입구(162)로 유입된다.

이와 같은 경우, 본 발명에서는 포집구(110)에서는 0.5-1.0m/s 정도의 낮은 풍속의 경우에도 파이프 라인(120)의 높이 차(△h)와 가열부(130)의 승온 작동을 통하여 상승시켜 진동 발생부(150)에서는 발전에 충분한 2.5-3.5m/s의 가속된 풍속으로 2-3배의 높은 유속을 갖게 되어 블레이드(154)를 강력하게 진동시킬 수 있게 된다.

아래의 표 3은 실험에 의해서 얻어진 포집구(110)의 풍속과 진동 발생부(150)의 하우징(152)에서의 실험풍속(m/s)을 나타낸다.

포집구의 크기와 최종유속의 변화(빌딩 측면부에 설치, 위치 지상:10m)

	포집구의 풍속(m/s)	하우징 입구의 풍속(m/s)
50cm * 160cm	0.8	2.4
50cm * 300cm	0.6	3.5

한편, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 그 적용범위가 빌딩 상층부, 송신탑, 절벽 등으로 다양함은 물론이고, 특히, 빌딩의 최상부의 지붕부위에 포집구(110)를 길게 설치할 경우 더 큰 풍력을 얻을 수 있으며, 이는 아래의 표 4에서 보고된 빌딩 풍의 사례를 보면 그 가능성을 확신할 수 있다.

빌딩풍의 종류 및 그 유속(지역 : 서울 삼성동 인근)

측정 시기	측정 높이(m)	평균 최대속도 풍속(m/s)
3월-11월	60	19.2

도 7a 및 도 7b는 빌딩풍의 발생 부위와 유량 및 유속의 크기를 표현한 내용의 지도를 나타낸 것으로서, 빌딩의 상부에는 가장 큰 풍력에너지가 집적됨을 알 수 있으며, 이를 이용할 경우 아주 큰 발전이 가능함을 알 수 있다.

즉 도 7a에 도시된 바와 같이, 고층 건물이 없는 일반적인 부도심(220)에서는 풍력에너지가 집중되지 않지만, 도 7b에 도시된 바와 같이, 고층 건물이 세워진 도심(230)에서는 빌딩의 상부 옥상 부근과 건물 측방에서 풍력에너지가 집중됨을 알 수 있다.

따라서 이와 같은 부분에 포집구(110)를 설치하면 높은 풍속을 자연스럽게 얻을 수 있어서 바람직한 것이다.

아래의 표 5는 지붕 형식에 따른 풍속을 비교한 표이다. 이와 같은 표 5에서 알 수 있는 바와 같이, 건물 높이 50m 부근에서는 발전에 충분한 풍속을 얻을 수 있어서 바람직한 것이다.

빌딩주위에 형성되는 풍속의 비교(건물높이 50m)

지붕형식	슬라브형	경사지붕(26^o)
풍속(m/s)	9.7	11.3
예상 전력생산량(Kw)	5.3	6.0

이와 같이 본 발명은 포집구(110)로부터 파이프 라인(120)을 거쳐서 진동 발생부(150)로 바람의 속도가 상승하여 올라오면, 진동 발생부(150)에서는 하우징(152) 내에 설치된 블레이드(154)가 진동하고, 이 진동력에 얻어진 토크는 하우징(152)의 좌측에 설치된 토크-회전 변환부에 의해 회전력으로 바뀌게 되고, 이 회전력에 의해서 회전식 발전부(190)를 통해 발전한다.

이때, 진동 발생부(150)의 블레이드(154) 자체에 의해 유발되는 진동시의 소음은 하우징(152) 소재가 갖는 소음 흡수효과와, 하우징 입구에 장착된 완충 패드(170a)(170b)에 의해서 외부로는 진동에너지에 의한 소음이 거의 방출되지 않게 된다.

이와 같이 본 발명은 상기와 같은 여러 가지의 장점이 있어 기존의 풍력 발전기와 달리 저소음 성능 및 안정성이 확보되므로 다양한 도심지역의 시설물 및 건물 등에 설치하여 발전하는 것이 가능하다. 특히, 기존의 풍력 발전기에서 생성된 진동 에너지에 기인한 공진현상으로 유발될 수 있는 심각한 구조 손상의 염려가 없어서 더욱 유리하다.

이와 같이 본 발명의 소음 저감형 풍력 발전기는, 포집구(110)를 통해서 바람을 포집하고, 파이프 라인(120)과 가열부(130)를 통해서 풍속을 가속시켜 바람 상승속도의 증가를 유도하며, 이와 같이 가속되어 상승하는 기류는 유체통로인 파이프 라인(120) 끝에 설치된 진동 발생부(150)의 블레이드(154)를 강하게 진동시킨다.

이때, 가속된 유체는 하우징(152) 내에 설치된 블레이드(154)의 양쪽을 흐르면서, 양측 표면에서 생기는 압력차에 의해 블레이드(154)는 진동하게 되고, 이 진동하는 힘이 회전축(168)을 통하여 토크-회전 변환부(180)의 "T"형 프레임(182)을 시소작동시켜서 출력 축(188)에 토크를 가하고, 회전식 발전부(190)의 회전자를 동작시켜서 발전한다.

이와 같이 본 발명은 기존의 저속에서도 발전이 가능하다고 알려진 수직형 풍력 발전기의 가동풍속보다 더 낮은 풍속에서도 발전할 수 있는 장점을 가지게 되며, 기존의 프로펠러형 풍력발전기에서는 얻을 수 없는 강력한 소음저감기능과 안전성이 보장된 것임을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 기존의 풍력 발전기와 달리 저소음 성능 및 안정성이 확보되므로 다양한 도심지역의 시설물 및 건물 등에 설치하여 발전하는 것이 가능하다.

상기와 같이 본 발명은 포집구(110)의 입구풍력이 0.5~1.0m/s의 매우 낮은 풍속에서도 파이프 라인(120)을 이동하면서 2-3배의 높은 풍속으로 증가하게 되어 저속의 바람에서도 쉽게 시동 및 발전이 이루어질 수 있으며, 빌딩풍이 있는 40-50m의 높이를 갖는 건물이나 송신탑, 고압 전선탑 등의 구조물(B)에 설치할 경우, 우수한 발전 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 저소음재료로 이루어진 하우징(152) 내의 블레이드(154)가 증가된 풍속에 의해 진동하면서 토크-회전 변환부(180)를 통해 토크를 회전력으로 변환시킴으로써 발전 중에 저소음으로 동작할 수 있으며, 고속의 풍력하에서도 종래와 같이 프로펠러 등의 파괴나 시설물의 파손 염려가 전혀 없게 된다.

뿐만 아니라, 본 발명에 의하면 기타 도심지역 이외에 동굴이나 협곡에서 부는 바람을 모아서 발전하는 것이 가능하며, 대부분의 지역 및 건물 등에 설치되어 안정적으로 전기를 발전시킬 수 있는 우수한 장점을 가지게 된다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

100...... 소음 저감형 풍력 발전장치 110...... 포집구
120...... 파이프 라인 130....... 가열부
132...... 태양열 가열기 150...... 진동 발생부
152...... 하우징 154...... 블레이드
166...... 직경 확대부 168...... 회전축
170a,170b..... 완충 패드 180...... 토크-회전 변환부
182...... 프레임 184a,184b...... 호형 링크
190...... 회전식 발전부 200...... 축전지
220...... 부도심 230...... 도심
B....... 구조물 △h...... 높이 차

Claims

빌딩풍과 같은 바람을 모으도록 입구는 넓고, 출구는 좁은 형상으로 이루어진 포집구;
상기 포집구에 연결되어 바람을 상승이동시키는 파이프 라인;
상기 파이프 라인을 통과하는 바람을 승온시켜 바람의 상승속도를 증가시키는 가열부;
상기 파이프 라인의 출구에 장착되고, 저소음 재료로 이루어진 하우징을 구비하며, 상기 하우징 내에서 내부를 통과하는 바람에 의해서 진동하는 블레이드를 구비한 진동 발생부;
상기 블레이드의 회전축에 연결되는 "T"형 프레임을 갖추고, 상기 프레임에 의해서 병진 운동하여 출력 축을 연속회전시키는 복수의 호형 링크를 구비하여 상기 블레이드로부터 전달된 진동에 의해서 프레임과 호형 링크들을 통해 토크를 회전력으로 바꾸어 출력하는 토크-회전 변환부; 및
상기 토크-회전 변환부의 출력 축에 내부 회전자(rotor)가 연결되어 회전함으로써 고정자(stator)와의 사이에서 전력을 생산하고, 생산된 전력을 축전지에 저장하는 회전식 발전부;를 포함하고,
상기 포집구에 포집된 저속의 바람이 상승이동 중에 승온되어 풍속이 증대되고, 증가된 풍속에 의해서 발생되는 진동에 의한 토크를 회전력으로 변환시켜서 발전하도록 하는 것을 특징으로 하는 소음 저감형 풍력 발전장치.
제 1항에 있어서, 상기 가열부는 상기 파이프 라인이 내부를 통과하는 유로가 내부에 형성되고, 태양열을 집열하여 상기 파이프 라인의 바람을 가열시켜서 승온시키도록 구성된 것임을 특징으로 하는 소음 저감형 풍력 발전장치.
제 1항에 있어서, 상기 진동 발생부는 상기 파이프 라인의 출구에 연결되는 하우징 입구를 구비하고 상기 하우징 입구로부터 동축으로 형성된 하우징 출구를 구비하며 상기 하우징 입구로부터 하우징 출구로 이어지는 하우징의 중간 부분은 하우징 입구보다 내경이 큰 직경 확대부를 형성하고, 상기 직경 확대부의 중앙에는 회전축을 통하여 블레이드의 끝단이 고정되고 상기 블레이드의 선단은 상기 하우징 입구측으로 연장되어 하우징 입구를 통과하는 바람을 양 측면으로 분할하고, 상기 블레이드의 양 측면을 통과하는 바람에 의해서 생성된 양 측면 표면의 압력차에 의해서 회전축을 중심으로 진동하는 것을 특징으로 하는 소음 저감형 풍력 발전장치.
제 3항에 있어서, 상기 블레이드는 그 선단이 뾰족 단면을 형성하여 상기 하우징 입구를 통과하는 바람에 의한 저항을 최소화하고, 상기 하우징 입구에는 블레이드의 진동시 충격을 완충시켜 소음 발생을 방지시키기 위한 완충 패드가 형성된 것을 특징으로 하는 소음 저감형 풍력 발전장치.
제 1항에 있어서, 상기 토크-회전 변환부는 프레임의 일측 단부가 상기 블레이드의 회전축에 연결되어 상기 블레이드의 진동에 의해서 좌우측이 시소동작을 하고, 상기 프레임의 타측 단부에는 복수의 호형 링크의 일단부가 회전가능하도록 연결되며, 상기 각각의 호형 링크의 타측 단부는 출력 축에 각각 회전가능하도록 연결되고, 상기 복수의 호형 링크들이 출력 축의 상하에서 서로 대향 배치됨으로써 상기 블레이드로부터 전달된 회전축의 진동에 의해서 프레임과 복수의 호형 링크들을 통해 출력 축을 연속회전시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 소음 저감형 풍력 발전장치.
제 1항에 있어서, 상기 포집구와 가열부는 구조물의 하부에 설치되고, 상기 파이프 라인은 포집구로부터 구조물을 따라 상부로 연장되며, 상기 진동 발생부, 토크-회전 변환부 및 회전식 발전부는 구조물의 상부에 설치되어 상기 포집구에 대해서 높이 차를 형성하고, 상기 파이프 라인을 바람이 통과하는 중에 상기 높이 차에 의해서 풍속이 증가되고, 가열부에 의해서 승온되어 풍속이 더욱 증속되는 것을 특징으로 하는 소음 저감형 풍력 발전장치.