KR101172761B1 - 부유식 풍력발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자의 회전시 회전자의 무게로 인하여 발생하는 중력과 마찰력을 최소화하여 원활한 회전이 이루어지도록 한 부유식 풍력발전장치에 관한 것이다.

Description

부유식 풍력발전장치{Floating wind power generation unit}
본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자의 회전시 회전자의 무게로 인하여 발생하는 중력과 마찰력을 최소화하여 원활한 회전이 이루어지도록 한 부유식 풍력발전장치에 관한 것이다.
현재 전 세계적인 산업화의 영향으로 석탄, 석유 등 화석연료가 점차 고갈되고 화석연료의 사용으로 인한 환경오염이 심각해지면서, 최근에는 무공해 대체 에너지인 풍력을 이용한 발전방식이 더욱 각광을 받고 있다.
일반적으로 풍력을 이용한 발전방식은 바람의 힘에 회전하는 회전자를 설치하고, 이 회전자의 회전에 의해 전기를 얻을 수 있는 기술을 말한다. 이러한 풍력발전방식은 바람이 많이 부는 지역에 회전자를 설치하여 지속적으로 회전자가 회전하도록 함으로써, 충분한 전기를 생산할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
그러나, 종래의 풍력발전장치는 회전자 자체의 무게와, 상기 회전자를 회전지지하고 있는 지지부재와의 마찰로 인하여 회전자가 원활하게 회전하지 못해 효과적으로 전기를 생산하지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 회전자의 회전시 회전자 자체의 무게로 인하여 발생하는 중력을 최소화하고, 회전자를 지지하고 있는 지지부재와의 마찰을 최소화하여 회전이 용이하도록 한 부유식 풍력발전장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적 및 장점들은 이하 더욱 상세히 설명될 것이며, 실시예에 의해 더욱 구체화될 것이다. 또한 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타난 수단 및 이들의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 발전기와, 바람에 의해 회전하여 상기 발전기에 기계적 에너지를 제공함으로써 전기적 에너지를 얻을 수 있도록 한 회전축이 관통되게 결합된 회전자와, 상기 회전자의 수직으로 기립되게 형성되는 회전축 하부 말단에 일체로 결합되어 상기 회전자를 지지하는 것으로, 유체에 부유할 수 있도록 내부에 중공을 가지며 바닥면이 반원형상으로 볼록하게 형성된 부유부재와, 상기 부유부재를 내부에 수용할 수 있도록 수용공간이 형성되어 있으며, 그 내부에는 유체가 충진되어 상기 부유부재가 부유될 수 있도록 한 하우징과, 상기 부유부재 상면에 형성되는 수평기어부와 맞물리게 설치되어 부유부재의 회전시 회전력을 상기 발전기에 전달할 수 있는 동력전달수단과, 상기 발전기의 하부에 설치되어 발전기가 선택적으로 기울어질 수 있도록 형성된 받침부재를 포함하는 부유식 풍력발전장치를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 회전자가 유동되는 바람에 의해 전도되지 않도록 하우징과 회전축이 접촉되는 부분에 베어링 및 베어링 커버가 설치되고, 상기 하우징의 내측 상면 및 측면에 기울어지는 부유부재를 지지하여 원활한 회전이 이루어지도록 한 롤러가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 부유부재는 회전자에 강한 바람의 작용시 상기 회전자 및 부유부재가 기울어져 전도되는 것을 방지할 수 있도록 하부로 돌출되게 원통형상의 평형유지부재가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 받침부재는 선택적으로 발전기가 기울어질 수 있게 연질의 합성수지 내에 금속재의 지지부재가 설치되어 있는 것으로, 중앙부에 설치되는 제1지지부재와, 상기 제1지지부재를 사이에 두고 양측에 설치되는 제2지지부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치는 유체에 부유할 수 있는 부유부재(130) 상부에 회전자를 설치하여 부력을 통해 중력을 감소시키고, 별도의 지지부재를 이용하지 않아도 안전하게 지지되며, 상기 부유부재(130)와 회전자가 동시에 회전할 수 있도록 함으로써, 부유부재(130)가 회전함에 따라 발생되는 원심력에 의해 바람이 멈추어도 유체의 회전으로 인해 부유부재(130) 및 회전자가 회전하여 전기를 생산할 수 있는 장점이 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치를 개략적으로 도시한 사시도;
도 2 는 본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치의 개략적인 측단면도;
도 3 은 본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치에 사용된 부유부재의 저면사시도;
도 4a 및 도 4b 는 작동되는 상태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
이하 본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치의 구성 및 작용효과를 바람직한 실시예와 첨부된 도면을 참조로 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치는 크게, 발전기(110), 회전자(120), 부유부재(130), 하우징(140)을 포함하여 설계되며, 상기 발전기(110)는 바람에 의해 회전되는 회전자(120)와 연결되어 상기 회전자(120)의 회전력(동력)을 전기에너지로 변환시키는 역할을 한다.
본 발명의 명세서에서는 풍력 및 수력발전을 행하기 위한 기본적인 구성에 대하여 언급하도록 하고 있으나, 이에 해당하는 구성품인 발전기(110)는 이미 공지된 기술에 해당한다는 점에서, 본 발명의 명세서에서는 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 회전자(120)는 바람에 의해 원활하게 회전하여 상기 발전기(110)에 기계적 에너지를 제공하여 전기적 에너지를 얻을 수 있도록 한 것으로 수직방향으로 기립되게 형성되는 회전축(122)과, 상기 회전축(122)을 감싸는 원통형상의 회동부(124)와, 상기 회동부(124)의 외주면을 따라 회전날개(126)가 유선형으로 형성된 구조로 이루어진다.
여기서, 상기 회전자(120)의 구성은 바람을 용이하게 포집할 수 있는 구성 및 형상이라면 그 형상에 제한을 두지 않으나, 바람직하게는 도 1 에 도시된 바와 같이, 회전날개(126)가 상기 회동부(124)의 외주면에 유선형으로 형성되도록 하되, 그 단면이 반원형태로 만곡지게 형성되도록 하여 풍력에 의한 저항이 극대화 되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치에 사용되는 회전자(120)의 회전날개(126)는 수력 또는 풍력의 유동에 의한 흐름을 발전에 반영하도록 하고 있는 바, 유속 또는 풍속에 의한 흐름을 보다 정확히 반영하도록 하기 위해 상기 회전날개(126)를 마치 바가지 형상으로 형성하도록 하여 상기 회전날개(126)의 그 형상적 특징으로 인하여, 바람의 유동에 의한 흐름을 더욱 정확히 회전날개(126)에 반영할 수 있다는 기술적 장점이 있다.
부유부재(130)는 상기 회전자(120)의 수직으로 기립되게 형성된 회전축(122) 하부 말단에 결합되어 상기 회전자(120)를 지지하는 것으로, 유체에 부유할 수 있도록 내부에 중공을 가지며 상기 회전축(122)과 일체로 형성된다.
구체적으로, 상기 부유부재(130)는 상기 회전자(120)의 회전시 회전자(120)와 동일하게 회전되는 것으로, 바닥면이 반원형상으로 볼록하게 형성되어 있으며, 내부에는 유체에 부유할 수 있도록 중공을 포함한다. 이때, 상기 부유부재(130)는 회전자(120)와의 결합시 회전축(122)의 일단이 상기 부유부재(130)의 내측으로 삽입되게 결합하여 바람 및 회전자(120)의 무게에 의해 쓰러지지 않도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 부유부재(130)의 상면에는 도 1 에 도시된 바와 같이, 원주방향을 따라 돌출되게 수평기어부(132)가 형성된다. 이때, 상기 수평기어부(132)는 후술하는 동력전달수단(150)과 연결되는 것으로, 상기 부유부재(130)가 회전함에 따라 수평기어부(132)가 회전을 하여 후술하는 동력전달수단(150)을 통해 회전력이 발전기(110)로 전달되도록 한다.
또한, 상기 부유부재(130)의 볼록하게 돌출된 바닥면에는 도 3 에 도시된 바와 같이, 유체에 부유시 부유부재(130)의 평행을 유지할 수 있도록 한 평행유지부재(134)가 원통형으로 돌출되게 형성된다.
상기 평행유지부재(134)는 회전자(120)에 강한 바람의 작용시 기울어져 전도되는 것을 방지하는 역할을 하는 것으로, 도 2 에 도시된 바와 같이 하부로 돌출되게 형성되어 유체와 접촉되도록 한다. 이때 평행유지부재(134)의 내측에는 다량의 공기가 유입되어 있는 상태가 되도록 하여 부유부재(130)가 유체에 떠 있을 수 있도록 도움을 주는 한편, 회전자(120)가 안정된 상태로 기립 되도록 하는 역할을 한다.
하우징(140)은 상기 부유부재(130)를 내부에 수용할 수 있도록 수용공간이 형성되어 있으며, 그 내부에는 유체가 충진된 형태로서, 도면에 도시된 바와 같이 상기 하우징 내부에 마련된 유체에 부유부재(130)가 떠 있을 수 있도록 구성된다.
구체적으로, 상기 하우징(140)은 원형 함체 형상으로 형성되어 유체의 회전이 원활하게 이루어질 수 있도록 형성되어 있는 것으로, 상부에는 회전축(122)이 관통결합될 수 있도록 관통공(142)이 형성되며, 상기 관통공(142)에는 회전하는 회전축(122)과의 마찰을 최소화하고 상기 회전자(120)가 원활하게 회전할 수 있도록 상기 관통공(142)과 회전축(122) 사이에 베어링(B)이 설치되도록 한다.
또한, 상기 관통공(142)에는 강한 바람에 의해 회전자(120)가 기울어질 경우 베어링(B)이 손상되는 것을 방지할 수 있도록 베어링(B)과 접촉되는 부위에 저경도 탄성체 베어링 커버(C)를 설치하는 것이 바람직하다.
아울러, 하우징(140)의 상면에도 회전자(120)가 기울어지는 것을 방지할 수 있도록 상방향으로 돌출되게 "ㄱ"형상의 고정봉(146)을 설치하고 이 고정봉(146)의 말단에 상기 회전축(122)의 상단을 지지할 수 있도록 베어링(B) 및 베어링 커버(C)를 설치하도록 한다.
또한, 상기 하우징(140)의 내측에는 유체에 부유되어 있는 부유부재(130)가 기울어져 하우징(140)의 내측 상면 및 측면에 접촉되지 않도록 하는 동시에 원활한 회전이 이루어지도록 내부의 상면 및 측면에 각각 롤러(144)를 설치한다.
따라서, 본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치는 유체에 회전자(120) 및 부유부재(130)가 떠 있는 상태에서 강한 바람이 불어도 상기 회전축(122)의 상부와 하부를 지지하고 있는 베어링(B) 및 베어링 커버(C)와, 하우징(140)의 내측 상면과 측면에 설치되는 롤러(144), 그리고 상기 부유부재(130)의 바닥면에 형성되는 평행유지부재(134)에 의해 수직으로 기립되게 설치된 상태에서도 안정적으로 회전할 수 있게 된다.
한편, 상기 하우징(140) 내에서 회전하는 부유부재(130)의 상면 바람직하게는 수평기어부(132)가 형성된 부분에는 회전자(120)의 회전력을 발전기(110)에 공급할 수 있도록 상기 수평기어부(132)와 맞물리게 동력전달수단(150)이 설치된다.
상기 동력전달수단(150)은 상기 수평기어부(132)와 맞물리게 설치되는 수직기어부(152)와, 상기 수직기어부(152)와 발전기(110)를 연결하는 회동축(154)을 포함한다.
상기 동력전달수단(150)은 수평기어부(132)에 교차하게 설치되며 상기 수평기어부(132)의 수평방향 회전에 따라 수직으로 회전되어 회전자(120) 및 부유부재(130)의 회전력을 발전기(110)에 공급하는 것으로, 상기 하우징(140)의 측면에 형성되는 장공(140a)을 통해 회동축(146)이 삽입되어 일단은 상기 하우징(140) 내에서 수직기어부(152)와 연결되고, 타단은 상기 하우징(140)의 외부에서 발전기(110)와 연결되게 된다.
이때, 상기 발전기(110)의 하부에는 발전기(110)를 지지할 수 있도록 한 받침부재(160)가 설치된다. 상기 받침부재(160)는 도 4a 및 도 4b 에 도시된 바와 같이, 부유부재(130) 및 회전자(120)가 바람에 의해 기울어질 경우에도 안정적으로 발전기(110)를 지지하여 회전자(120)의 회전력을 발전기(110)로 효과적으로 공급할 수 있도록 한다.
구체적으로, 상기 받침부재(160)는 선택적으로 발전기(110)가 기울어질 수 있게 연질의 합성수지 내에 금속재의 지지부재가 설치되어 있는 것으로, 중앙부에 설치되는 제1지지부재(162)와, 상기 제1지지부재(162)를 사이에 두고 양측에 설치되는 제2지지부재(164)를 포함하여 구성되며, 상기 부유부재(130)가 기울어질 경우 중앙의 제1지지부재(162)는 지속적인 지지가 이루어지되, 양측의 제2지지부재(164)는 발전기(110)가 기울어질 수 있도록 제1지지부재(162) 보다 낮은 위치에 설치되도록 한다.
즉, 연질의 합성수지 상부에 발전기(110)를 위치시켜 제1지지부재(162)가 발전기(110)를 지지하고 있는 상태에서 부유부재(130)가 기울어질 경우 이와 연결된 동력전달수단(150)이 동시에 기울어지게 되고, 발전기(110) 역시 기울어지게 되어 선택적으로 도 4a 및 4b 에 도시된 바와 같이, 제2지지부재(164)와 접촉되어 지지되게 되는 것이다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치는 유체에 떠 있을 수 있도록 구성된 부유부재(130) 상부에 회전자(120)가 일체로 형성된 상태에서 바람이 불면 회전자 및 부유부재(130)가 회전을 하게 된다. 이때, 본 발명에 따른 부유식 풍력발전 장치는 강한 바람이 불어도 회전자(120)가 쓰러지지 않도록 회전자(120)를 회전지지하는 베어링(B) 및 베어링 커버(C)와, 부유부재(130) 바닥면에 돌출되게 형성된 평행유지부재(134), 그리고 상기 부유부재(130)가 설치된 하우징(140) 내측에 설치되는 다수개의 롤러(144)에 의해 안정적으로 기립된 상태에서 회전을 할 수 있게 된다.
또한, 부유부재(130) 상부에 수평기어부(132)를 형성하고 이 수평기어부(132)와 맞물리는 수직기어부(152)를 구비하여 상기 부유부재(130)의 회전시 수직기어부(152)가 회전되도록 함으로써, 발전기(110)에 회전력을 전달할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치는 유체 떠 있을 수 있는 부유부재(130) 상부에 회전자(120)를 설치하여 바람에 의해 회전될 수 있도록 함으로써, 중력 및 마찰력을 최소화할 수 있는 장점이 있으며, 바람의 유동시 회전자(120) 및 부유부재(130)가 함께 회전되는 것으로 바람이 잠시 소강상태에 접어들어도 회전자(120) 및 부유부재(130)가 회전함에 따라 발생된 유체의 원심력에 의해 바람이 불지 않아도 회전자(120) 및 부유부재(130)가 회전되어 발전기(110)에 회전력을 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 풍력발전장치는 값비싼 경향화 소재를 사용하지 않고도 비교적 값이 저렴한 일반적인 소재로도 제작이 가능하여 전체적인 설치비를 절감할 수 있는 장점이 있으며, 그 구성이 간단하여 유지보수가 용이한 장점과 함께 단가 유지비가 저렴한 장점이 있다.
또한, 100%로 국내기술로의 제작이 가능한 장점이 있다.
아울러, 본 발명에서는 상기 부유부재(130)의 수평기어부(134) 상에 한 개의 수직기어부(152) 및 발전기(110)를 설치하였으나, 경우에 따라 2 이상을 설치하여 많은 양의 전력을 생산할 수도 있다.
지금까지, 본 발명의 실시예를 기준으로 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적인 균등범위까지 포함된다 할 것이다.
또한, 상기 설명에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치의 기술은 매우 단순하나, 그 기술적 효과는 매우 크다는 점에서도 본 발명의 기술적 장점은 매우 명확하다 할 것이다.
110 : 발전기 120 : 회전자
122 : 회전축 124 : 회동부
126 : 회전날개 130 : 부유부재
132 : 수평기어부 134 : 평행유지부재
140 : 하우징 140a : 장공
142 : 관통공 144 : 롤러
146 : 고정봉 150 : 동력전달수단
152 : 수직기어부 154 : 회동축
160 : 받침부재 162 : 제1지지부재
164 : 제2지지부재 B : 베어링
C: 베어링 커버

Claims (4)

  1. 발전기와;
    바람에 의해 회전하여 상기 발전기에 기계적 에너지를 제공함으로써 전기적 에너지를 얻을 수 있도록 한 회전축이 관통되게 결합된 회전자와;
    상기 회전자의 수직으로 기립되게 형성되는 회전축 하부 말단에 일체로 결합되어 상기 회전자를 지지하는 것으로, 유체에 부유할 수 있도록 내부에 중공을 가지며 바닥면이 반원형상으로 볼록하게 형성된 부유부재와;
    상기 부유부재를 내부에 수용할 수 있도록 수용공간이 형성되어 있으며, 그 내부에는 유체가 충진되어 상기 부유부재가 부유될 수 있도록 형성된 것으로 원통형상으로 형성되는 하우징과;
    상기 부유부재 상면에 형성되는 수평기어부와 맞물리게 설치되어 부유부재의 회전시 회전력을 상기 발전기에 전달할 수 있는 동력전달수단과;
    상기 발전기의 하부에 설치되어 발전기가 선택적으로 기울어질 수 있도록 형성된 받침부재를 포함하되,
    상기 부유부재는 회전자에 강한 바람의 작용시 상기 회전자 및 부유부재가 기울어져 전도되는 것을 방지할 수 있도록 하부로 돌출되게 원통형상의 평형유지부재가 형성되고,
    상기 받침부재는 선택적으로 발전기가 기울어질 수 있게 연질의 합성수지 내에 금속재의 지지부재가 설치되어 있는 것으로, 중앙부에 설치되는 제1지지부재와;
    상기 제1지지부재를 사이에 두고 양측에 설치되는 제2지지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 풍력발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 회전자가 유동되는 바람에 의해 전도되지 않도록 하우징과 회전축이 접촉되는 부분에 베어링 및 베어링 커버가 설치되고, 상기 하우징의 내측 상면 및 측면에 기울어지는 부유부재를 지지하여 회전이 이루어지도록 한 롤러가 설치되는 것을 특징으로 하는 부유식 풍력발전장치.
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