KR101169225B1 - 수평 양력형 수직 축 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 거대한 풍력발전기의 회전 운동 전체가 인간에게 미치는 시각적인 영향을 최소화 할 수 있는 수평 양력형 수직 축 풍력발전기를 개시한다.
본 발명은 지면과 수직인 수직축의 일단에 연결된 발전기와, 상기 수직축의 타단에 설치되며 둘 이상의 블레이드가 연결된 회전 로터로 구성된 풍력발전기로, 상기 풍력발전기는 건축물의 옥상에 설치되며, 상기 풍력발전기의 블레이드는 상기 건축물의 옥상 경사 풍을 받아 양력이 발생되도록 단면이 익형(翼型)이고, 지면과 나란한 원주상에 방사상으로 배열되며, 회전하는 블레이드 전체의 형상이 원반의 형태가 되도록 각각의 블레이드가 부채꼴 형상이어서 풍력발전 중에도 풍력발전기가 회전 운동을 하는 것이 보이지 않고 단지 원반으로만 보이게 되기 때문에 풍력발전기의 거대한 블레이드의 회전으로 인한 시각적, 정서적인 악영향을 주지 않게 되어 도심에도 풍력발전기를 설치할 수 있으며, 이로 인하여 도심에서 자가발전 시설로 이용될 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.

Description

수평 양력형 수직 축 풍력발전기{WIND POWER GENERATOR HAVING VERTICAL AXIS}

본 발명은 수평 양력형 수직 축 풍력발전기에 관한 것으로 특히 건축물에 막혀서 상승하는 바람과 수평으로 부는 바람이 만나서 발생되는 건축물의 옥상 경사 풍을 이용하고, 지평면과 수직인 수직 축의 일단에 연결되며, 모든 블레이드가 건축물의 옥상 경사 풍을 받아 발생되는 양력에 의해 지평면과 나란하게 회전되어 종래의 풍차와 같은 거대한 풍력발전기의 회전 운동 전체가 인간에게 미치는 시각적인 영향을 최소화 할 수 있는 수평 양력형 수직 축 풍력발전기에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 풍력발전기는 바람의 에너지를 전기에너지로 바꿔 주는 장치로서, 1891년 덴마크 물리학자인 P. 라쿨에 의해 로터 블레이드 형 풍력발전기가 최초로 만들어진 이 후 지속적인 발전을 하고 있다.

이러한 풍력발전기의 풍력에너지는 풍속의 세제곱에 비례하며, 풍속은 표고가 높을수록 빨라지기 때문에 지면에서 가능한 높게 풍력발전기를 설치하게 되는 것이다.

이러한 바람에 효과적으로 발전하기 위해 풍차와 같이 풍력발전기의 블레이드는 바람에 방향에 수직하게 회전되도록 설치되고 이러한 블레이드의 회전력을 전달받기 위해 회전축의 방향이 지면과 나란한 수평 축 풍력발전기가 이용되고 있는 것이다.

아울러 산업과 기술의 발달로 도시에는 지면으로부터 높이가 상당한 고층의 건축물들이 건설되고 있으며, 이러한 고층의 건축물에 막혀서 상승하는 바람과 고층 건물 위에서 빠른 풍속으로 부는 바람이 만나서 발생되는 풍황이 매우 우수한 경우가 많아서 건축물의 옥상 경사 풍은 풍력발전에 매우 유용한 바람이기 때문에 고층 건축물의 옥상에 풍력발전기를 설치하게 되면 시설비가 고가인 송, 배전선 공사비를 절감하면서 도심에서도 화석연료를 소비하지 않고 친환경적으로 발전할 수 있게 되는 것이다.

이러한 연유로 고층 건축물의 옥상에 도 1과 같이, 종래의 풍차와 같은 거대한 블레이드가 수직으로 높이 회전하는 수평 축 풍력발전기를 설치하고자 하는 경우에는 건물 옥상에서 회전하는 거대한 블레이드가 사람들에게 시각적으로 위압감을 주는 등 전술한 바와 같은 수평 축 풍력발전기의 시각적, 정서적 문제점으로 인하여 환경영향평가와 같은 도시 건설 규제들에 저촉되어 건설이 불가능하게 될 뿐만 아니라 고층 건축물의 옥상에는 단순히 지면에 나란하게 수평으로 부는 바람만이 발생되는 것이 아니라 경사진 경사풍이 불기 때문에 수평풍만으로 발전하는 수평 축 풍력발전기는 건축물의 옥상에서 효과적으로 발전할 수 없게 되는 문제점이 있다.

이러한 수평 축 풍력발전기에 대비되는 방식으로 수직 축 풍력발전기가 공지되어 있으며, 대부분 수직 축 풍력발전기는 바람을 직접 블레이드에 받아서 바람에 의한 항력으로 지면에 나란하게 회전되어 발전하며, 지면에 수평하게 부는 바람을 받아 지면에 수평하게 회전되는 블레이드의 특성에 따라 바람을 받는 블레이드는 많은 면적으로 바람을 직접 받을 수 있도록 블레이드의 각도를 변화시키고, 바람을 받지 않는 블레이드는 블레이드의 회전에 방해되지 않도록 각도를 변화시키는 것이 중요하다.

이러한 수직 축 풍력발전기의 대표적인 예로 대한민국 등록특허공보 제10-0485494호(발명의 명칭 : 수직형 풍력발전기 ; 이하 '인용발명1'이라 함)가 있으며, 이는 도 2와 도 3에서 보는 바와 같이, 메인 샤프트(1)의 하단에 연결되는 발전기(2)와, 상기 메인 샤프트(1)에서 방사상으로 연장되는 다수개의 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5)과, 상기 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5) 사이에 장착되는 임펠러(11)로 구성된 수직형 풍력발전기에 있어서, 상기 임펠러(11)와 풍향계(7) 사이에 장착되는 날개 정면각 조정장치(31)를 더 포함하며, 상기 날개 정면각 조정장치(31)는 치차 감속기와 하부 샤프트 사이에 장착되어 풍향계(7)에 의한 상부 샤프트의 회전동력이 하부 샤프트로 전달되는 것을 차단하는 원추 클러치와, 임펠러(11)의 원주운동을 강제로 정지시켜야 할 때 상기 원추 클러치의 동력전달을 강제로 차단할 수 있는 커플링 차단 포크를 포함하는 수직형 풍력발전기이다.

이러한 인용발명1은 날개 정면각 조정장치(31)에 의해 풍향계(7)의 각회전이 임펠러(11)로 전달되어 임펠러(11)가 풍향계(7)에 의해 바람을 정면에서 안을 수 있도록 각회전하게 되어 상기 임펠러(11)의 높은 부하용량으로 인하여 날개한계가 증가하므로서 전체적으로 출력이 높고, 원추 클러치에 의해 풍향계(7)와 임펠러(11)간의 동력전달이 자연스럽게 차단되고 연결되기 때문에 돌풍 및 강풍에 강한 효과가 있으나 수직상으로 넓은 면적을 차지하는 임펠러(11)가 각회전만 할 뿐 지평면과 나란하도록 눕혀지지 않아 많은 바람을 받기 위해 거대해진 임펠러(11)의 회전 운동 전체가 외부에 그대로 노출되므로 정서에 부정적인 영향을 주는 문제점이 있기 때문에 환경영향평가에 부합하지 못하게 되어 도심 건축물의 옥상에 설치할 수 없으며, 인용발명1의 날개 정면각 조정장치(31)는 각각의 날개가 지면에 수직한 상태에서 좌우로만 각회전 시킬 뿐 건축물 옥상 경사풍을 받아 효과적으로 회전될 수 있도록 상하로 각회전 되는 것이 전혀 아니기 때문에 도심 건축물의 옥상에 설치하기에는 적합하지 못하다.

또한 다른 예로 대한민국 등록특허공보 제10-0727376호(발명의 명칭 : 가변식 수직축 풍력 발전기 ; 이하 '인용발명2'라 함)는 도 4와 도 5에서 보는 바와 같이, 지면에 지지되는 원통 형상의 하우징(100)과, 상기 하우징(100) 내부에 설치되는 유압 실린더와, 상기 유압 실린더의 외주면에 설치되는 원통형의 동력전달수단(300)과, 상기 동력전달수단(300) 외부에 결합되는 사각형태의 허브(400)와, 상기 허브(400)에 결합되는 날개(500)로 구성되며, 상기 날개(500)의 개폐수단으로서, 유압실린더 상부에 설치되어 유압실린더의 작동에 따른 피스톤(210)의 상하 유동에 따라 움직이는 날개 개폐장치(600)와, 상기 날개 개폐장치(600)의 상하 유동에 상응하여 유동하며 허브(400)가 슬라이딩 결합된 날개 개폐용 축(700)과, 상기 날개 개폐용 축(700)의 일지점에 설치되는 기억자 형태로서 타측 끝단이 연결핀(800)을 통해 날개 지지축(510)에 동력을 전달하는 날개 개폐로드(900)를 포함하여 구성되어 수직축 지지형 발전기를 다단으로 제작할 수 있고, 바람이 적당히 불 때에는 날개(500)를 펼쳐서 전속력으로 회전시킬 수 있도록 하고, 태풍 등으로 인하여 바람이 너무 강하게 불 때에는 날개(500)를 접어서 부러지거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.

그러나 인용발명2 역시 발전 중에는 풍력발전기의 회전 운동 전체가 외부에 노출되는 것이어서 여전히 시각적, 정서적으로 부정적인 영향을 주는 문제점이 있고, 건축물 옥상에서 풍황이 매우 우수한 경사풍을 효과적으로 이용할 수 있도록 날개 자체가 상하로 각도가 조절되는 것이 아니라 태풍을 피해 날개를 보호할 수 있도록 단순히 날개를 아래로 접거나 펼치는 것이므로 건축물 옥상에 설치하여 효과적으로 풍력발전 하는데 부적합하다.

대한민국 등록특허공보 제10-0485494호(발명의 명칭 : 수직형 풍력발전기) 대한민국 등록특허공보 제10-0727376호(발명의 명칭 : 가변식 수직축 풍력 발전기)

본 발명의 목적은 이러한 거대 블레이드의 회전 운동이 사람에게 시각적, 정서적으로 부정적인 영향을 주기 때문에 회전 속도를 제한하거나 인가로부터 먼 곳에 설치하여야 하는 장소의 제약을 해소하여 지면보다 풍속이 빨라 풍황이 유리한 도심 건축물의 옥상에 설치할 수 있도록 풍력발전기를 수직 축 풍력발전기로 구성하되,

모든 블레이드가 건축물에 막혀서 상승하는 바람과 수평으로 부는 바람이 만나서 발생되는 건축물의 옥상 경사 풍을 받아 양력이 발생되어 지평면과 나란한 상태로 회전되도록 하여 수평 상태 블레이드의 기울기를 조절하므로 발전 효율을 높이고 풍력발전기의 회전 운동의 인식을 최소화 하는 수평 양력형 수직 축 풍력발전기를 제공함에 있다.

또한 본 발명은 태풍을 판단하여 태풍에 해당하는 바람이 불 경우 모든 블레이드가 바람에 의해 양력이 발생되지 않도록 눕혀 풍력발전기를 태풍으로부터 보호할 수 있는 수평 양력형 수직 축 풍력발전기를 제공함에 있다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 지면과 수직인 수직축의 일단에 연결된 발전기와, 상기 수직축의 타단에 설치되며 둘 이상의 블레이드가 연결된 회전 로터로 구성된 풍력발전기에 있어서,

상기 풍력발전기는 건축물의 옥상에 설치되며, 상기 풍력발전기의 블레이드는 상기 건축물의 옥상 경사 풍을 받아 양력이 발생되도록 단면이 익형(翼型)이고, 지면과 나란한 원주상에 방사상으로 배열되며, 회전하는 블레이드 전체의 형상이 원반의 형태가 되어 시각적 정서적으로 안정감을 주게 된다.

상기 회전 로터는 수직축의 타단에 수직축과 직각으로 고정되도록 배치된 기저판과, 상기 기저판에 수평 방향의 방사상이며, 등 간격으로 고정 배치된 축심봉과, 상기 축심봉을 축으로 회동 가능한 블레이드로 구성되고,

상기 회전 로터 위에 회전 로터와 평행하고, 상기 수직축과 동일 축상을 회전축으로 하여 접속된 풍향풍속계가 바람의 방향에 따라 선회하는 방향으로 함께 선회하며, 바람을 받아야 하는 블레이드를 양력이 발생하는 각도로 기울기를 조절하는 캠부가 구성된 수평 양력형 수직 축 풍력발전기를 제공하는 것이다.

이와 같이 하여 본 발명은 캠부에 의하여 블레이드가 도심 건축물의 옥상 경사 풍을 받아 양력이 발생되도록 블레이드의 눕혀진 기울기 각도를 조절하며, 회전되는 블레이드가 정지된 원반의 형태로 인식되도록 눕혀진 다수 개의 블레이드를 구비 시켜 풍력발전기의 회전 운동의 인식을 최소화하므로 풍력발전 중에도 풍력발전기의 블레이드가 거대하게 회전 운동을 하는 것으로 보이지 않고 단지 수평한 원반으로만 보이게 되기 때문에 반복적인 거대 회전 운동을 봄에 따라 작용되는 시각적, 정서적인 악영향을 주지 않게 되어 환경영향평가 등과 같은 도시 건설 규제에 저촉되지 않을 수 있어서 인간 생활과 조화되는 에너지원으로써 도심에도 풍력발전기를 설치할 수 있게 되는 것이며, 이로 인하여 도심에서 태양열 발전 시설대신, 또는 태양열 발전 시설을 보완하여 자가발전 시설로 이용될 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.

또한 본 발명은 회전 로터의 회전이나 풍향풍속계로부터 태풍을 감지하고, 태풍 시 캠부를 조절하여 양력이 발생되지 않도록 모든 블레이드를 지면과 나란하도록 눕히므로 태풍을 모두 통과 시켜 풍력발전기를 태풍으로부터 보호할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.

도 1은 건축물 옥상에 설치된 수평 축 풍력발전기를 예시하는 측면도.
도 2는 인용발명1의 구성을 나타내는 사시도.
도 3은 인용발명1의 임펠러의 각회전을 설명하는 설명도.
도 4, 5는 인용발명2의 구성을 나타내는 사시도.
도 6은 본 발명에 의한 수평 양력형 수직축 풍력발전기의 전체적인 구성을 구체적으로 예시하는 사시도.
도 7 내지 도 8은 본 발명에 의한 수평 양력형 수직축 풍력발전기의 풍향풍속계와 캠부와 레버의 작동으로 블레이드가 회동되는 작동을 설명하는 설명도.
도 9, 10은 본 발명에 의한 수평 양력형 수직축 풍력발전기의 캠부의 구성 및 작동을 설명하는 설명도.
도 11은 건축물 옥상에 설치된 본 발명의 측면도.
도 12 내지 도 15는 본 발명에 의한 블레이드의 작동을 설명하는 설명도.
도 16 내지 도 18은 본 발명에 의한 캠부의 작동을 설명하는 설명도.

이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 수평 양력형 수직 축 풍력발전기의 구체적인 실시예의 전체적인 구성을 도 6으로 도시하고, 도 7 내지 도 10에서 본 발명에 의한 수평 양력형 수직 축 풍력발전기의 작동을 도시하였다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명은 지면과 수직인 수직축(30)의 일단에 연결된 발전기(20)와, 상기 수직축(30)의 타단에 설치되며 둘 이상의 블레이드(200)가 연결된 회전 로터(100)로 구성된 풍력발전기에 있어서,

상기 풍력발전기는 건축물의 옥상에 설치되며,

상기 풍력발전기의 블레이드(200)는 상기 건축물의 옥상 경사 풍을 받아 양력이 발생되도록 단면이 익형(翼型)이고, 지면과 나란한 원주상에 방사상으로 배열되며, 각각의 블레이드(200) 사이가 최소화 되어 지면과 나란한 수평 상태에서 회전하는 블레이드(200) 전체의 형상이 원반의 형태가 되도록 다수 개의 블레이드(200)로 형성될 수 있다.

이를 각 구성요소별로 더욱 상세하게 설명하면, 도 6과 도 7과 도 9로 도시한 바와 같이, 상기 회전 로터(100)는 수직축(30)의 타단에 수직축(30)과 직각으로 고정되도록 배치된 기저판(110)과;

상기 기저판(110)에 수평 방향의 방사상이며, 등 간격으로 고정 배치된 축심봉(111)과;

상기 축심봉(111)을 축으로 회동 가능한 블레이드(200)로 구성될 수 있고,

상기 회전 로터(100) 위에 회전 로터(100)와 평행하며, 상기 수직축(30)과 동일 축 상을 회전축으로 하여 접속된 풍향풍속계(40)가 바람의 방향에 따라 선회하는 방향으로 함께 선회하는 캠부와;

상기 캠부의 둘레(캠곡선)와 회전 로터(100)의 블레이드(200)를 연결하여 캠부의 캠곡선을 따라 회전 운동을 요동 운동으로 바꿔서 연결된 블레이드(200)가 바람을 받으면 양력이 발생되는 각도로 기울기를 조절하기 위해 상기 블레이드(200)를 회동시키는 요동레버(500)가 구성될 수 있으며,

상기 풍향풍속계(40)와 함께 선회하는 캠부의 캠곡선을 도는 요동레버(500)의 작동에 따라 바람을 받아야 하는 블레이드(200)를 양력이 발생하는 각도로 회동시켜 블레이드(200)를 포함한 회전 로터(100) 전체가 지면과 나란한 상태로 회전되도록 하므로 풍력발전이 이루어지는 것이며, 이 때 상기 블레이드(200)를 포함한 회전 로터(100)는 지면과 나란하며 정지된 듯 회전하는 원반과 같은 형상이 되기 때문에 거대한 블레이드(200)의 회전으로 보이지 않게 되어 시각적, 정서적인 악영향을 주지 않게 되는 것이다.

여기에서 각각의 블레이드(200)는 모두가 지면과 나란한 방향으로 회전되므로 회전 시 원반 형태로 보여지는 것이어서 풍력발전기의 거대한 회전이 시각적으로 인식되지 않고, 거대한 구조물의 움직임이 인간에게 주는 위화감 등에 의한 정서적인 악영향도 없어서 풍황이 우수한 건축물의 옥상에 설치되더라도 환경영향평과와 같은 도시건설의 규제에 저촉되지 않게 되어 도심에서 발전 가능한 친환경적인 발전시설로 이용될 수 있게 되는 것이다.

이러한 본 발명의 블레이드(200)의 작동을 좀더 상세히 살펴보면, 도 11 내지 도 15로 도시한 바와 같이, 고층 건축물의 옥상에 설치된 수직축 풍력발전기는 건축물에 막혀서 상승하는 바람과 수평으로 부는 바람이 만나서 발생되는 건축물의 옥상 경사 풍을 받는다.

도 12로 예시한 바와 같이, 이러한 경사 풍을 받아 단면이 익형(翼型)으로 되어있는 블레이드(200)가 회전하여 효율적으로 발전하기 위하여 도 13으로 도시한 바와 같이, 각 방향(도 12와 도 13에서 1,2,3,4 블레이드)에서의 각 블레이드(200)의 기울어진 정도가 경사 풍을 받아 가장 강한 양력이 발생되도록 제어하게 되는 것이며, 도 12에서 보는 바와 같이 2번 방향에서 경사 풍이 불어온다고 가정할 때 1번 블레이드(200)가 가장 강한 양력이 발생되도록 기울기가 제어되고, 3번 블레이드(200)도 양력을 받아 블레이드(200)의 회전력을 더하며, 2번과 4번 블레이드(200)는 바람을 통과시켜 블레이드(200)의 회전속도를 감속시키지 않도록 기울어지는 것이 바람직하다.

이러한 블레이드(200)가 받는 양력에 대하여 더욱 상세히 살펴보면, 도 14로 도시한 바와 같이, 1번 블레이드(200)는 DO벡더로 경사풍이 발생될 경우 EO벡터로 표현한 바와 같이 블레이드(200)의 회전 상대 속도가 존재하므로 벡터합에 의해 합속도 FO벡터 방향으로 1번 블레이드(200)가 기울어질 때 가장 큰 양력인 OA벡터가 발생된다. 따라서 이러한 양력 OA벡터의 블레이드(200) 회전 방향 성분인 OC벡터가 블레이드(200)의 회전력을 가속하는 힘이 되고 이러한 OC벡터는 DO벡터로 가해지는 경사 풍의 항력인 OB벡터보다 크기 때문에 블레이드(200)는 가속되어 회전되는 것입니다.

이러한 1번 블레이드(200)와 반대 방향에 있는 3번 블레이드(200)가 양력을 받아 블레이드(200) 회전을 가속하기 위한 기울기는 경사풍인 DO벡터와 블레이드(200)의 회전 상대 속도인 OE벡터의 합벡터인 DE벡터 방향으로 기울어질 경우 가장 큰 양력인 EA벡터가 발생되며, 이러한 양력 EA벡터의 블레이드(200) 회전 방향 성분인 EC벡터가 블레이드(200)의 회전력을 가속하는 힘이 되는 것이고, DE벡터로 가해지는 경사 풍의 항력인 EB벡터는 고정되어 있는 블레이드(200)의 기울기 변화를 위한 선회 중심 방향으로 가해지는 것이므로 블레이드(200)의 회전에 큰 영향을 주지 못하게 된다.

이와 같이 경사풍을 받아 가장 큰 양력이 발생되어 회전력을 발생시킬 수 있는 1번과 3번 블레이드(200)의 기울기를 전술한 바와 같이 제어하고 나머지 블레이드(200)는 바람을 적게 받도록 기울기를 제어하여 고층 건축물의 옥상에서 부는 풍향이 우수한 경사풍을 이용하여 효과적으로 풍력발전을 할 수 있는 것이다.

또한 상기 캠부는 도 6과 도 9에서 보는 바와 같이, 풍향풍속계(40)가 바람의 방향에 따라 선회하는 방향으로 함께 선회하는 제1메인 캠(310) 및 제2메인 캠(320)과;

상기 제1메인 캠(310)으로부터 돌출되어 원형의 캠곡선을 형성하는 제1구동 캠(311)과;

상기 제2메인 캠(320)으로부터 돌출되어 상기 제1메인 캠(310)과 다른 캠곡선을 형성하고, 제2메인 캠(320)의 내측으로 삽입되어 원형의 캠곡선을 형성하는 제2구동 캠(321)과;

상기 제1구동 캠(311)과 제2구동 캠(321)을 작동시키는 구동부로; 구성될 수 있고,

상기 구동부는 제1구동 캠(311)과 제2구동 캠(321) 사이에 설치된 모터(360)와;

상기 모터(360)의 회전축에 설치된 피니언 기어(340)와;

상기 제1구동 캠(311)과 제2구동 캠(321)에 각각 설치되며, 상기 피니언 기어(340)와 기어 결합되어 상기 모터(360)의 회전 운동을 요동 운동으로 바꾸는 랙기어(330)와;

상기 풍향풍속계(40)와 모터(360)에 연결되어 상기 풍향풍속계(40)가 검출한 풍속이 태풍에 해당하는지를 설정된 기준치에 근거하여 판단하며, 태풍이면 상기 모터(360)를 작동시켜 제1구동 캠(311)은 제1메인 캠(310)으로부터 돌출시키고, 제2구동 캠(321)은 제2메인 캠(320) 내측으로 삽입시켜 제1메인 캠(310)의 캠곡선과 제2메인 캠(320)의 캠곡선이 서로 일치되도록 제어하는 프로세서(350)로; 구성될 수 있다.

여기에서 캠부의 캠곡선에 변화를 주는 제1구동 캠(311)과 제2구동 캠(321)은 상기 블레이드(200)의 기울기 각도 조절을 다양하고, 정확하게 제어하는 것이 가능하도록 다수개가 구성될 수 있음은 물론이다.

또한 상기 요동레버(500)는 회전 로터(100)의 축심봉(111)에서 돌출된 축을 중심으로 회동되며, 일단은 상기 캠부의 캠곡선에 접속된 롤러(520)에 연결되고, 타단은 상기 블레이드(200)에 링크(510)로 연결된 것이다.

이러한 본 발명은 도 7 내지 도 8로 도시한 바와 같이, 바람에 의해 회전운동을 하는 회전 로터(100)의 블레이드(200) 일측에 블레이드(200)의 회전축인 축심봉(111)을 중심으로 양측으로 이격된 두 포인트에 방향 전환이 자유로운 볼포인트 등으로 연결된 링크(510)가 캠부의 캠곡선을 따라 돌며 회전 운동을 요동 운동으로 변화시키는 레버(500)에 의해 당겨지거나 밀려서 블레이드(200)의 각도를 조절하게 되는 것이며,

이를 구체적으로 예시하면 캠부의 제1메인 캠(310)과 제2메인 캠(320)의 캠곡선을 각각 도는 각 레버(500)의 링크(510)가 블레이드(200)에 삽입된 축심봉(111)을 중심으로 대각선상에 이격되어 연결되어 있어서, 제1메인 캠(310)과 제2메인 캠(320)의 캠곡선이 블레이드(200)의 회전 중심에서 거리가 동일한 구간에서 블레이드(200)는 지면과 나란하게 눕혀지며, 제1구동 캠(311)이 제1메인 캠(310) 내측으로 삽입되고, 제2구동 캠(321)이 제2메인 캠(320) 외부로 돌출되어 각각의 캠곡선이 블레이드(200)의 회전 중심에서 거리가 다른 구간에서는 제1메인 캠(310)의 캠곡선을 따라 도는 레버(500)는 당겨지고, 제2메인 캠(320)의 캠곡선을 따라 돌던 레버(500)는 돌출된 제2구동 캠(321)의 캠곡선을 따라 돌면서 밀려나게 되어 각 레버(500)의 링크(510)가 연결된 블레이드(200)의 각도가 조절되어 바람을 받으면 양력이 발생되는 각도로 요동되는 것이다.

이러한 캠부의 상태를 도 9로 도시하였으며, 상기 캠부에는 풍향풍속계(40)와 연결되고 모터(360)를 제어하는 프로세서(350)가 구성되어 풍향풍속계(40)가 검출한 풍속에 따라 태풍인지 아닌지를 판단하고, 판단 결과가 태풍일 경우 블레이드(200)가 바람을 받지 않을 수 있도록 프로세서(350)에 연결된 모터(360)를 작동시켜 도 10에서 보는 바와 같이, 제2구동 캠(321)은 제2메인 캠(320) 내측으로 삽입시켜 제2구동 캠(321)의 원형 캠곡선으로 레버(500)가 작동되도록 하고, 제1구동 캠(311)은 돌출시켜 제1메인 캠(310)과 제1구동 캠(311)에 의한 캠곡선이 제2구동 캠(321)의 캠곡선과 동일한 원형이 되도록 하여 캠부의 모든 구간에서 모든 블레이드(200)가 지면에 나란하도록 눕혀 풍력발전기를 보호할 수 있게 되는 것이다.

또한 도 12 내지 도 15로 예시한 바와 같이 블레이드(200)의 기울기가 제어되도록 구성된 캠부를 더욱 구체적으로 설명하면, 제1메인 캠(310) 및 제2메인 캠(320)과;

상기 제1메인 캠(310)으로부터 돌출되어 원형의 캠곡선을 형성하는 제1구동 캠(311)과;

상기 제2메인 캠(320)으로부터 돌출되어 상기 제1메인 캠(310)과 다른 캠곡선을 형성하고, 제2메인 캠(320)의 내측으로 삽입되어 원형의 캠곡선을 형성하는 제2구동 캠(321)과;

상기 제1구동 캠(311)과 제2구동 캠(321)을 작동시키는 구동부로; 구성된 캠부의 상기 제1구동 캠(311)과 제2구동 캠(321)은 도 16으로 예시한 바와 같이, 각각 제1-a구동 캠(311a), 제1-b구동 캠(311b)과 제2-a구동 캠(321a), 제2-b구동 캠(321b)으로 분리되어 구성될 수 있으며, 이러한 도 16으로 도시한 제1메인 캠(310) 및 각각 제1-a구동 캠(311a), 제1-b구동 캠(311b)의 작동을 도 17로 도시하였으며, 제2메인 캠(320) 및 제2-a구동 캠(321a), 제2-b구동 캠(321b)의 작동을 도 18로 도시하였다.

이에서 보는 바와 같이, 통상 운전 시 고층 건축물의 옥상 경사풍을 받아 양력이 가장 크게 발생되도록 1번과 3번 블레이드(200)의 기울기 제어를 위해 제1메인 캠(310) 외부로 제1-a구동 캠(311a)이 노출되고, 제2메인 캠(320) 외부로 제2-a구동 캠(321a)이 노출되도록 구동부에 의해 작동되어 제1-a구동 캠(311a)과 제2-a구동 캠(321a)이 이루는 캠곡선의 차이로 인하여 1번 방향으로 회전해 오는 블레이드(200)의 기울기가 경사풍이 불어오는 각도로 기울기가 기울어지는 것이며, 제1메인 캠(310) 외부로 제1-b구동 캠(311b)이 노출되고, 제2메인 캠(320) 외부로 제2-b구동 캠(321b)이 노출되도록 구동부에 의해 작동되어 제1-b구동 캠(311b)과 제2-b구동 캠(321b)이 이루는 캠곡선의 차이로 인하여 3번 방향으로 회전해 오는 블레이드(200)의 기울기가 가장 큰 각도로 기울어지는 것이며, 2번과 4번 방향으로 회전해오는 블레이드(200)는 제1메인 캠(310)과 제2메인 캠(320)이 이루는 일치된 캠곡선에 의해 지면에 나란하게 기울기가 조절되는 것이다.

또한 태풍 운전시에는 제1메인 캠(310)으로부터 제1-a구동 캠(311a)과 제1-b구동 캠(311b)이 모두 돌출되어 제1메인 캠(310), 제1-a구동 캠(311a), 제1-b구동 캠(311b) 전체가 원형의 캠곡선을 이루도록 하고, 제1메인 캠(310), 제1-a구동 캠(311a), 제1-b구동 캠(311b) 전체가 이루는 캠곡선과 같은 캠곡선을 갖는 제2메인 캠(320) 내측으로 제2-a구동 캠(321a), 제2-b구동 캠(321b)이 삽입되어 캠부 전체가 일치된 원형으로 캠곡선을 형성하게 되어 모든 블레이드(200)가 지면에 나란하도록 기울기를 제어하여 태풍이 모두 블레이드(200)를 지나치게 하므로 풍력발전기를 보호할 수 있게 되는 것이다.

아울러 상기 프로세서(350)는 풍향풍속계(40) 대신 바람에 의해 회전되는 회전 로터(100)의 회전으로부터 태풍을 판별할 수 있으며, 통신모듈을 구비하여 발전량, 기상정보, 작동 상태 등의 풍력발전기 정보를 관계기관 또는 발전 관계자에게 직접 전송 또는 알림을 실시할 수 있고, 상기 수직축(30)이 다단계 접이식으로 구성되어 상기 프로세서(350)가 태풍을 판별하여 블레이드(200)는 지면과 나란하도록 눕히고, 상기 다단계 접이식의 수직축(30)을 지면방향으로 하강시켜 접어 상기 블레이드(200)를 포함한 회전 로터(100) 전체가 건축물 옥상에 최대한으로 밀접되도록 하므로 건축물에 막혀서 상승하는 바람으로부터도 풍력발전기를 보호할 수 있게 되는 것이다.

이러한 본 발명은 프로세서(350)에 의해 태풍을 구별하여 풍력발전기를 보호하면서 풍향풍속계(40)와 함께 작동하는 캠부와 레버(500)에 연결될 블레이드(200)가 구성되며, 바람을 받아야 하는 블레이드(200)의 각도를 조절하여 양력에 의해 회전되어 발전하도록 하는 동시에 이러한 블레이드(200)를 포함한 회전 로터(100)의 회전이 종래의 풍차와 같이 지면에 수직한 거대한 블레이드가 위화감 있게 회전되는 것으로 보이는 것이 아니라 도 11로 도시한 바와 같이, 건축물의 옥상에서 옥상면과 나란한 원반이 설치되어 있는 것과 같이 보여지게 되어 풍력발전 중에도 풍력발전기가 회전 운동을 하는 것이 거대하게 보이지 않아 시각적, 정서적인 악영향을 주지 않게 되는 것이며, 이러한 본 발명은 환경영향평가 등과 같은 도시 건설 규제에 저촉되지 않을 수 있어서 도심에도 풍력발전기를 설치할 수 있으며, 이로 인하여 도심에서 태양열 발전 시설대신, 또는 태양열 발전 시설을 보완하여 자가발전 시설로 이용될 수 있게 되는 것이며, 회전 로터(100)의 회전이나 풍향풍속계(40)로부터 태풍을 감지하고, 태풍 시 캠부를 조절하여 모든 블레이드(200)를 지면과 나란하도록 눕히므로 태풍을 모두 통과 시켜 풍력발전기를 태풍으로부터 보호할 수 있게 되는 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명이 의도하는 요지 및 개념 내에서 다양하게 변화시켜 실시하는 것이 가능하다.

10:타워 20:발전기
30:수직축 40:풍향풍속계
100:회전로터 110:기저판
111:축심봉 200:블레이드
310:제1메인 캠 311:제1구동 캠
311a:제1-a구동 캠 311b:제1-b구동 캠
320:제2메인 캠 321:제2구동 캠
321a:제2-a구동 캠 321b:제2-b구동 캠
330:기어 340:피니언 기어
350:프로세서 360:모터
500:요동레버 510:링크
520:롤러

Claims (8)

  1. 지면과 수직인 수직축의 일단에 연결된 발전기와, 상기 수직축의 타단에 설치되며 둘 이상의 블레이드가 연결된 회전 로터로 구성된 풍력발전기에 있어서,
    상기 풍력발전기는 건축물의 옥상에 설치되며,
    상기 풍력발전기의 블레이드는 상기 건축물의 옥상 경사 풍을 받아 양력이 발생되도록 단면이 익형(翼型)이고, 지면과 나란한 원주상에 방사상으로 배열되며, 상기 회전 로터에 연결된 모든 블레이드들이 이루는 블레이드 합의 전체적인 형상이 원반의 형태가 되도록 다수 개의 블레이드로 구성되며,
    상기 블레이드의 기울기를 조절하는 캠부가 상기 회전 로터에 구비되되,
    상기 캠부의 캠곡선과 회전 로터의 블레이드를 연결하며, 상기 캠곡선을 따라 이동하면서 회전 운동을 요동 운동으로 바꿔 블레이드를 회동시키는 요동레버가 구성됨을 특징으로 하는 수평 양력형 수직 축 풍력발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 로터는 수직축의 타단에 수직축과 직각으로 고정되도록 배치된 기저판과,
    상기 기저판에 수평 방향의 방사상이며, 등 간격으로 고정 배치된 축심봉과,
    상기 축심봉을 축으로 회동 가능한 블레이드로 구성됨을 특징으로 하는 수평 양력형 수직 축 풍력발전기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전 로터 위에 회전 로터와 평행하고, 상기 수직축과 동일 축상을 회전축으로 하여 접속된 풍향풍속계가 바람의 방향에 따라 선회하는 방향으로 함께 선회하며, 상기 풍향풍속계의 선회에 따라 블레이드의 각도를 조절하는 캠부가 구성됨을 특징으로 하는 수평 양력형 수직 축 풍력발전기.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 요동레버는 회전 로터의 축심봉에서 돌출된 축을 중심으로 회동되며, 일단은 상기 캠곡선에 접속된 롤러에 연결되고, 타단을 상기 블레이드에 링크로 연결된 것임을 특징으로 하는 수평 양력형 수직 축 풍력발전기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 캠부는 풍향풍속계가 바람의 방향에 따라 선회하는 방향으로 함께 선회하는 제1메인 캠 및 제2메인 캠과,
    상기 제1메인 캠으로부터 돌출되어 원형의 캠곡선을 형성하는 제1구동 캠과,
    상기 제2메인 캠의 내측으로 삽입되어 원형의 캠곡선을 형성하는 제2구동 캠과,
    상기 제1구동 캠과 제2구동 캠을 작동시키는 구동부로 구성된 것임을 특징으로 하는 수평 양력형 수직 축 풍력발전기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 제1구동 캠과 제2구동 캠 사이에 설치된 모터와,
    상기 모터의 회전축에 설치된 피니언 기어와,
    상기 제1구동 캠과 제2구동 캠에 각각 설치되며, 상기 피니언 기어와 기어 결합되어 상기 모터의 회전 운동을 요동 운동으로 바꾸는 랙기어와,
    상기 풍향풍속계와 모터에 연결되어 풍향풍속계의 풍속에 따라 모터를 제어하여 제1구동 캠과 제2구동 캠을 작동시키는 프로세서로 구성됨을 특징으로 하는 수평 양력형 수직 축 풍력발전기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 프로세서는 연결된 풍향풍속계의 풍속이 태풍에 해당함을 판단하며, 판단 결과가 태풍이면 상기 모터를 작동시켜 제1구동 캠은 제1메인 캠으로부터 돌출시키고, 제2구동 캠은 제2메인 캠 내측으로 삽입시켜 제1메인 캠과 제1구동 캠이 이루는 캠곡선과 제2메인 캠의 캠곡선이 서로 일치되도록 제어하는 것임을 특징으로 하는 수평 양력형 수직 축 풍력발전기.
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