KR101258138B1 - 수직축 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 팽이형 수직축 풍력발전장치에 관한 것으로, 회전축, 회전축에 고정되고 풍력에 의해 회전되도록 호형상으로 형성된 다수의 블레이드, 회전축을 회전지지하는 다수의 베어링 및 회전축을 고정하며 회전축 제동용 브레이크와 발전기를 구비한 기계실을 포함하는 타워형 풍력발전장치에 있어서; 상기 기계실에는 상기 회전축을 수직하게 회전지지하는 팽이형 베어링이 설치되되 상기 팽이형 베어링은, 상기 기계실의 바닥면에 고정된 몸체와; 상기 몸체에 충전된 베어링오일과; 상기 몸체 내부에 설치되고, 상기 회전축에 결합된 다수의 지지베어링과; 상기 회전축의 하단면과 점접촉되도록 상기 몸체의 바닥면에 설치된 팽이형 접속구로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 특수 베어링을 사용하여 최소 접점을 유지한 채 주축 또는 주축을 감싸는 케이스가 회전되게 구성함으로써 진동이 줄어들고 원활한 회전성능을 갖게 되며, 구조적으로 안정하고, 블레이드가 꺽여 있어 풍량을 최대로 이용할 수 있으므로 적은 풍량으로도 회전유동을 극대화시킬 수 있어 발전성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

수직축 풍력발전장치{WIND POWER GENERATOR WITH VERTICAL SHAFT}

본 발명은 팽이형 수직축 풍력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진동을 줄여 회전유동의 안정성을 확보하고 적은 풍량으로도 원활하게 회전되면서 발전할 수 있도록 하여 발전성능을 향상시킨 수직축 풍력발전장치에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 석유 등과 같은 화석연료는 자원이 점차 고갈되어 가고 있는 상황이고, 또한 화석 연료의 사용은 지구 온난화의 주범으로 지목되고 있다.

이러한 지구환경문제의 대두 및 친환경 에너지원에 대한 관심이 커짐에 따라 신재생에너지, 무엇보다도 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지원의 개발이 요청되고 있다.

특히, 고유가로 말미암아 전세계 경제의 경기침체가 두드러지고 있는 현 상황을 감안하면 대체 에너지원의 개발이 더욱 절실한 실정이다.

그러한 에너지원의 개발 예로, 풍력 자원을 들 수 있다.

풍력은 무궁무진하며 지구상에 대기가 존재하는 한 없어지지 않고 무한히 사용할 수 있는 풍부한 친환경적인 자연에너지이다.

이와 같은 풍력을 에너지 자원으로 이용하려는 노력들이 무수히 경주되었으며, 그 결과 풍력발전기가 개발되어 현재는 상당한 양의 에너지를 풍력을 전기에너지로 변환시키는 풍력발전기를 통해 얻고 있다.

예컨대, 주지된 풍력발전기는 보통 기둥의 상단에 발전기가 배치되고, 상기 발전기의 수평 회전축에 선풍기 날개와 같은 프로펠러가 장착된 수평형 구조를 갖는다.

그러나, 상기와 같은 종래의 풍력발전기는 바람을 받는 프로펠러의 면적이 적어 약한 바람에 의해 프로펠러가 쉽게 회전되지 않기 때문에 효율이 떨어지는 단점이 있다.

특히, 이러한 프로펠러형 날개(블레이드)는 바람이 일정하고 센 곳에서 사용하기 적합한 타입이나 우리나라의 실정은 바람이 일정하지 않기 때문에 적합하지 않고, 부득이 설치 사용해야 할 경우라면 특별한 입지 조건을 갖추어야 하므로 설치 장소에 있어서도 많은 제약이 따른다.

뿐만 아니라, 기둥에 비해 프로펠러가 한쪽으로 치우쳐 장착되기 때문에 무게중심을 맞추기 위한 설계가 어렵고, 고를 높여야 하기 때문에 안정성이 떨어져 전도 위험성이 높은 단점도 있다.

또한, 개시된 대부분의 풍력발전장치는 주축이 회전되는 구조이기 때문에 축이 길 경우 안정성이 떨어지고, 하중이 많이 가해져 설비의 수명이 단축되는 단점도 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 주축(수직축)이 회전되더라도 최소 접점을 유지한 채 회전되게 구성하여 회전유동의 원활성과 안정성을 확보하고, 주축(수직축)이 회전되지 않고 고정된 경우에는 이 주축을 감싸는 케이스가 회전되게 하여 회전유동에 따른 안정성을 높임과 동시에 주 회전중심을 주축의 상부로 이동시키되 회전부위가 주축에 얹혀진 상태에서 회전되게 구성하여 하중집중을 막아 회전의 원활성을 확보함으로써 적은 풍량에도 쉽게 회전될 수 있도록 하여 발전성능을 증대시킨 새로운 형태의 수직축 풍력발전장치를 제공함에 그 주된 해결 과제가 있다.

본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 회전축, 회전축에 고정되고 풍력에 의해 회전되도록 호형상으로 형성된 다수의 블레이드, 회전축을 회전지지하는 다수의 베어링 및 회전축을 고정하며 회전축 제동용 브레이크와 발전기를 구비한 기계실을 포함하는 타워형 풍력발전장치에 있어서; 상기 기계실에는 상기 회전축을 수직하게 회전지지하는 팽이형 베어링이 설치되되 상기 팽이형 베어링은, 상기 기계실의 바닥면에 고정된 몸체와; 상기 몸체에 충전된 베어링오일과; 상기 몸체 내부에 설치되고, 상기 회전축에 결합된 다수의 지지베어링과; 상기 회전축의 하단면과 점접촉되도록 상기 몸체의 바닥면에 설치된 팽이형 접속구로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 회전축, 회전축에 고정되고 풍력에 의해 회전되도록 호형상으로 형성된 다수의 블레이드, 블레이드의 회전에 의해 발생된 회동력을 제동하거나 그 회동력을 통해 발전하는 브레이크 및 발전기를 구비한 기계실을 포함하는 타워형 풍력발전장치에 있어서; 상기 기계실의 바닥면에 하단이 고정되고, 상단은 상기 기계실을 관통하여 상부로 노출된 고정축과; 상기 고정축에 끼워지고, 상단에는 회동체 플랜지가 형성되며, 상단면에는 설치홈이 요입형성된 회동체와; 상기 회동체 플랜지와 결속되는 회전축 플랜지를 갖고 상기 설치홈 속에 배치되며, 그 상단면에는 상기 블레이드의 하단이 일체로 고정되는 회전축과; 몸체와, 상기 몸체에 충전된 베어링오일과, 상기 몸체 내부에 설치되고 상기 회전축에 결합된 다수의 지지베어링과, 상기 회전축의 하단면과 점접촉되도록 상기 몸체의 바닥면에 설치된 팽이형 접속구로 이루어진 팽이형 베어링과; 상기 기계실의 상단에 설치되고, 상기 회동체를 베어링고정하는 테이퍼니들베어링을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전장치를 제공한다.

이때, 상기 팽이형 접속구는 볼, 원추형 부재, 회전축의 하단 자체가 뾰족하게 형성된 역원추형 구조 중에서 선택된 어느 하나의 형태를 갖는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 블레이드는 좌우 길이방향 중앙이 절곡 형성된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 특수 베어링을 사용하여 최소 접점을 유지한 채 주축 또는 주축을 감싸는 케이스가 회전되게 구성함으로써 진동이 줄어들고 원활한 회전성능을 갖게 되며, 구조적으로 안정하고, 블레이드가 꺽여 있어 풍량을 최대로 이용할 수 있으므로 적은 풍량으로도 회전유동을 극대화시킬 수 있어 발전성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수직축 구조를 갖는 풍력발전장치의 제1실시예를 보인 예시적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수직축 구조를 갖는 풍력발전장치의 제2실시예를 보인 예시적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수직축 구조를 갖는 풍력발전장치의 제3실시예를 보인 예시적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 수직축 구조의 풍력발전장치에 적용되는 블레이드의 구조를 보인 예시도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

[제1실시예]

본 발명 제1실시예에 따른 풍력발전장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 타워형, 즉 수직형으로 형성된다.

여기에서, 타워형이란 풍력, 즉 바람에 저항하여 회전되는 날개인 블레이드(B)가 기존과 같은 프로펠러가 아니라, 판상의 부재를 세워 놓은 형태를 말한다.

즉, 본 발명에서는 바람에 저항하면서 발전기를 돌리는 날개, 즉 블레이드(B)는 도 4의 예시와 같이 수직으로 세워진 상태에서, 바람직하게는 90°간격을 두고 4개, 경우에 따라서는 120°간격을 두고 3개 혹은 180°간격을 두고 2개 설치되는 형태로 이루어진다.

이때, 상기 블레이드(B)의 배열은 상술한 각도와 개수로 국한되는 것이 아니라, 설치될 장소의 자연조건에 따라 가변될 수 있음은 물론이다.

그리고, 본 발명에 따른 상기 블레이드(B)는 도 4의 (a)에 예시된 종래처럼 평면으로 봤을 때 일직선을 유지하는 것이 아니라, 도 4의 (b)와 같이 일정각도로 꺽여 있는 형태, 바람직하기로는 45°로 꺽여 있는(절곡된) 형태를 갖는다.

이는 유입된 바람이 적어도 2단으로 부딪히면서 블레이드(B) 사이를 빠져나가도록 함으로써 유입된 풍량을 손실없이 전량 블레이드(B)의 회전에 사용할 수 있도록 하기 위함이다.

다시 말해, 기존과 같은 구조에서는 한번 부딪힌 다음 즉시 빠져나가는 구조이기 때문에 풍량 손실이 많았지만 본 발명 블레이드(B)의 구조에서는 접촉면적이 그 만큼 늘어나고 2단 충돌을 유도하기 때문에 바람이 블레이드(B) 사이의 공간에 머물러 있는 시간이 증가되면서 유입된 바람이 거의 전량 블레이드(B)의 회전에 이용되게 된다.

따라서, 아주 적은 풍량으로도 블레이드(B)를 쉽게 회전시킬 수 있게 된다.

여기에서, 상기 블레이드(B)는 도 4의 (c)와 같이 폭방향으로 다수의 굴곡을 갖는 블레이드(B1) 형태, 삼각형 굴곡을 갖는 블레이드(B2) 형태, 길이방향으로 다수의 굴곡을 갖는 블레이드(B3) 형태로 변형될 수도 있을 것이며, 그 외 도시 설명하지는 않았지만 풍력을 더 고효율적으로 이용할 수 있는 형태로 변형시킬 수도 있음은 물론이다.

그리고, 상기 블레이드(B)는 주축인 회전축(100)에 고정되고, 회전축(100)은 하우징(110)에 끼워진 상태에서 기계실(200) 바닥면에 구비된 팽이형 베어링(300) 상에 회전가능하게 고정된다.

이때, 이러한 구조의 풍력발전장치에서는 상기 블레이드(B)를 원활하게 회전시키기 위해 가이드프레임(G)이 필요한데, 이는 회전축(100)을 상단에서 고정할 수 있도록 상부베어링(120)을 지지하여야 하기 때문이다.

아울러, 하우징(110)의 상단에 별도의 보조 베어링(130)을 더 설치하여 블레이드(B)가 더욱 원활하게 회전되도록 구성할 수도 있다.

뿐만 아니라, 상기 기계실(200)에는 구체적으로 도시하지 않았지만 브레이크부재(210)가 설치되어 필요시 회전축(100)의 회동을 제한하도록 구성할 수 있으며, 또한 상기 회전축(100)에 고정된 상태로 회동력을 발생시켜 발전기(미도시)를 구동시킴으로써 전기에너지를 얻는 동력발생기어(220)도 설치됨은 자명한 사실이라 하겠다.

덧붙여, 보통 풍력발전장치는 높게 설치되기 때문에 낙뢰로부터 보호하기 위해 상단에 피뢰침(140)을 더 구비하면 더욱 좋다.

한편, 본 발명의 제1특징 중 하나는 기존 타워형 풍력발전장치에서 회전축(100)에 가장 많은 하중이 작용하는 부분인 하부베어링, 즉 팽이형 베어링(300) 설치구조에 있다.

본 발명 제1실시예에 따른 팽이형 베어링(300)은 몸체(310)와, 상기 몸체(310)에 충전되는 베어링오일(320)과, 상기 몸체(310) 내부에 설치되고 상기 회전축(100)에 결합된 다수의 지지베어링(330) 및 상기 회전축(100)의 하단면과 점접촉하도록 상기 몸체(310) 바닥면에 구비된 팽이형 접속구(340)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 몸체(310)는 일종의 케이스 또는 하우징이고, 베어링오일(320)은 회전동작시 발생되는 열을 냉각시키면서 마찰을 줄이고 원활한 회전을 유도하기 위한 것이다.

그리고, 상기 팽이형 접속구(340)는 도시된 바와 같이, 상기 회전축(100)의 하단면과 점접촉하는 볼(ball) 형태가 가장 바람직하지만, 확대 도시된 변형예에서와 같이, 원추형(a) 또는 회전축(100)의 하단 자체가 뾰족한 역원추형(b)으로 형성되어 점접촉 가능하게 구성될 수도 있음은 물론이며, 이 외에도 점접촉 가능한 구조이면 모두 본 발명에 따른 기술적 사상의 범주에 있다고 볼 수 있다.

이와 같이, 본 발명 제1실시예에 따른 수직축 풍력발전장치는 회전축(100)의 하단이 팽이형 접속구(340)를 통해 점접촉된 형태로 최소한의 마찰을 유지한 채 회전되기 때문에 아주 작은 풍력에 의해서도 쉽게 회전될 수 있고, 회전축(100)의 하단면 자체를 접촉 지지하는 구조이므로 진동이 급감되므로 보다 고효율적인 발전이 가능하게 된다.

[제2실시예]

본 발명 제2실시예에 따른 수직축 풍력발전장치는 팽이형 베어링(300)의 구조와 위치, 그리고 블레이드(B)의 고정관계만 다를 뿐 나머지 구성은 앞서 설명한 제1실시예와 동일하다.

예컨대, 본 발명 제2실시예에 따른 수직축 풍력발전장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 주축은 회전되지 않는 고정축(400)으로 사용되며, 회전축(100)은 이 고정축(400)의 상단에서 팽이형 베어링(300)에 의해 상기 고정축(400)과 분리된 채 회전가능하게 구성된다.

이때, 상기 고정축(400)의 하단은 기계실(200)의 바닥면에 견고히 고정되고, 상기 고정축(400)에는 일종의 원통형 케이스인 회동체(500)가 끼워진다.

그리고, 상기 회동체(500)의 상단면에는 설치홈(도면번호 생략)이 요입형성되고, 상기 설치홈에는 팽이형 베어링(300)이 내장되며, 상기 팽이형 베어링(300)의 구조는 앞서 설명한 제1실시예와 같다.

아울러, 상기 팽이형 베어링(300)의 몸체(310, 도 1 참조) 내부에는 회전축(100)이 설치되는데, 상기 회전축(100)의 상단은 상기 회동체(500)의 상단면 상부로 돌출된 다음 회전축 플랜지(102)가 형성되고, 이 회전축 플랜지(102)는 상기 회동체(500)의 상단에 형성된 회동체 플랜지(510)와 맞대어진 상태에서 상호 볼트 체결된다.

또한, 상기 몸체(310) 내부에서는 상기 회전축(100)의 하단면이 팽이형 접속구(340, 도 1 참조)에 점접촉된 상태로 지지되며, 몸체(310) 내부에는 상기 회전축(100)을 보조적으로 베어링고정하는 다수의 지지베어링(330)이 부가되고, 또 유동액인 베어링오일(320)이 충전된다.

이때, 상기 팽이형 접속구(340)는 앞서 설명한 제1실시예에서와 같이, 원추형(a) 또는 회전축(100)의 하단 자체가 뾰족한 역원추형(b)으로 형성되어 점접촉 가능하게 구성될 수도 있음은 물론이다.

따라서, 상기 회전축(100)은 상기 회동체(500)에 얹혀진 형태로 배치되어 자유롭게 회전가능한 상태를 유지하게 된다.

그리고, 상기 회전축 플랜지(102)와 회동체 플랜지(510)와 결속되어 있기 때문에 상기 회전축(100)이 회전하게 되면 상기 회동체(500)도 함께 회전하게 된다.

한편, 상기 기계실(200)의 상부에서는 테이퍼니들베어링(130')이 상기 회동체(500)를 고정하게 되는데, 이를 통해 상기 회동체(500)는 그 하중이 분산되면서 충분하고 견고하게 지지 고정되게 된다.

덧붙여, 기계실(200)에는 제1실시예에서와 같은 브레이크부재(210) 및 동력발생기어(220)가 더 설치된다.

또한, 도시하지 않았으나 상기 회전축 플랜지(102)의 상면에는 블레이드(B, 도 1 참조)의 하단이 직접 고정되어 일체화 될 수 있고, 더욱 바람직하기로는 상기 회전축 플랜지(102)의 중심에서 회전축(100) 반대방향으로 또다른 축을 일체로 상향 돌출시키고 이 돌출된 축과 회전축 플랜지(102)에 블레이드(B)가 동시 고정되게 함으로써 더욱 더 견고한 고정성을 갖도록 할 수 있다.

이러한 구조에 따라 기존 혹은 제1실시예와 같은 가이드프레임(G)을 구비하지 않아도 되므로 설치의 용이성이 확보되고, 크기도 줄일 수 있게 된다.

[제3실시예]

본 발명 제3실시예에 따른 수직축 풍력발전장치는 도 3에 도시된 방와 같이, 앞서 설명한 제2실시예의 기계실(200) 하단면 중앙에 별도의 강관주(600)를 더 연결설치하여 철탑과 같이 고소지역에 설치시 설치의 용이성과 안전한 시공성을 확보할 수 있도록 한 것이다.

이때, 상기 강관주(600)는 일종의 보조기둥 역할을 수행하는 것으로, 비탈면 등에서 혹은 기타 높이가 충분히 확보되지 않는 곳에서 유용하게 활용될 수 있다.

100 : 회전축 110 : 하우징
120 : 상부베어링 130 : 보조베어링
130' : 테이퍼니들베어링 200 : 기계실
210 : 브레이크부재 220 : 동력발생기어
300 : 팽이형 베어링 310 : 몸체
320 : 베어링오일 330 : 지지베어링
340 : 팽이형 접속구 400 : 고정축
500 : 회동체 510 : 회동체 플랜지
600 : 강관주

Claims (4)

1. 회전축, 회전축에 고정되고 풍력에 의해 회전되도록 호형상으로 형성된 다수의 블레이드, 회전축을 회전지지하는 다수의 베어링 및 회전축을 고정하며 회전축 제동용 브레이크와 발전기를 구비한 기계실을 포함하는 타워형 풍력발전장치에 있어서;
   상기 기계실에는 상기 회전축을 수직하게 회전지지하는 팽이형 베어링이 설치되되 상기 팽이형 베어링은, 상기 기계실의 바닥면에 고정된 몸체와, 상기 몸체에 충전된 베어링오일과, 상기 몸체 내부에 설치되고 상기 회전축에 결합된 다수의 지지베어링과, 상기 회전축의 하단면과 점접촉되도록 상기 몸체의 바닥면에 설치된 팽이형 접속구로 이루어지며;
   상기 팽이형 접속구는 회전축의 하단 자체가 뾰족하게 형성된 역원추형 구조인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전장치.
   
2. 회전축, 회전축에 고정되고 풍력에 의해 회전되도록 호형상으로 형성된 다수의 블레이드, 블레이드의 회전에 의해 발생된 회동력을 제동하거나 그 회동력을 통해 발전하는 브레이크 및 발전기를 구비한 기계실을 포함하는 타워형 풍력발전장치에 있어서;
   상기 기계실의 바닥면에 하단이 고정되고, 상단은 상기 기계실을 관통하여 상부로 노출된 고정축과; 상기 고정축에 끼워지고, 상단에는 회동체 플랜지가 형성되며, 상단면에는 설치홈이 요입형성된 회동체와; 상기 회동체 플랜지와 결속되는 회전축 플랜지를 갖고 상기 설치홈 속에 배치되며, 그 상단면에는 상기 블레이드의 하단이 일체로 고정되는 회전축과; 몸체, 상기 몸체에 충전된 베어링오일, 상기 몸체 내부에 설치되고 상기 회전축에 결합된 다수의 지지베어링, 상기 회전축의 하단면과 점접촉되도록 상기 몸체의 바닥면에 설치된 팽이형 접속구로 이루어진 팽이형 베어링과; 상기 기계실의 상단에 설치되고, 상기 회동체를 베어링고정하는 테이퍼니들베어링을 더 포함하며,
   상기 팽이형 접속구는 회전축의 하단 자체가 뾰족하게 형성된 역원추형 구조인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전장치.
   
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