KR101282982B1 - 돌기에 의해 블레이드의 각도가 조절되는 수직축 방식의 풍력 발전기 - Google Patents

돌기에 의해 블레이드의 각도가 조절되는 수직축 방식의 풍력 발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력을 이용하여 동력을 얻음으로써, 에너지 비용을 실질적으로 절감할 수 있는 돌기에 의해 블레이드의 각도가 조절되는 수직축 방식의 풍력 발전기에 관하여 개시한다.
이를 위하여 본 발명은 지면에 수직으로 형성되며, 발전에 필요한 회전력을 제공하는 발전축과, 풍향에 따라 회전하는 풍향계를 축 상에 구비하여 발전축과 별도로 회전되도록 연결되는 방향축을 포함하는 지지프레임과, 발전축 상에 연결되며, 원형으로 이루어진 원형틀과, 발전축과 원형틀 사이에서 개별적으로 회동되도록 연결되는 복수 개의 가변축과, 이러한 가변축 상에 형성되는 돌기를 포함하는 원판과, 방향축 상에 연결되며, 풍향계와 동일한 방향으로 회전됨에 따라 돌기를 누르게 되고, 눌려진 돌기에 의해 가변축이 회동되도록 하는 캠부재와, 가변축 상에 고정 연결되며, 돌기에 의해 가변축이 회동됨에 따라 수직 또는 수평으로 가변되는 블레이드와, 발전축의 회전에 의해 발생되는 회전력을 전달받아 전력으로 발생시키는 발전부를 포함하는 수직축 방식의 풍력 발전기를 제공한다.

Description

돌기에 의해 블레이드의 각도가 조절되는 수직축 방식의 풍력 발전기{AEROGENERATOR OF VERTICAL TYPE}
본 발명은 돌기에 의해 블레이드의 각도가 조절되는 수직축 방식의 풍력 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍력을 이용하여 동력을 얻음으로써, 에너지 비용을 실질적으로 절감할 수 있는 수직축 방식의 풍력 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 석유나 석탄과 같은 화석연료의 고갈에 대비하여 자연에너지를 이용한 발전 장치에 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 연구는 태양광 발전기, 풍력 발전기 등에 집중되고 있는 실정이다.
이 중, 풍력 발전기는 바람을 받아 회전하는 블레이드의 회전력을 이용하여 전력을 얻게 되는 장치이다. 즉, 풍력 발전기는 풍력을 이용하여 회전 날개 또는 프로펠러를 회전시키고, 그 회전력을 기어기구 등을 통하여 발전기로 전달하여 전력을 생산하는 장치이다.
이러한 풍력 발전기는 크게 수평형 풍력 발전기와 수직형 풍력 발전기로 구분된다. 이때, 수평형 풍력 발전기는 주로 대형 풍력 발전기로서, 넓은 면적을 갖는 장소에 설치가 된다. 반면에, 수직형 풍력 발전기는 소형 풍력 발전기로서, 가정용으로도 활용이 가능하다.
여기서 수직축 풍력 발전기는 지지부에 수직으로 회동이 가능하게 설치되고 그 길이방향을 따라 다수개의 회전 날개가 구비되는 가변축과, 이러한 가변축과 연결되어 가변축의 회전력을 전달받아 전력을 생성하는 발전기로 구성된다.
이와 같은 수직축 풍력 발전기는 기구적으로 간단하고, 바람의 방향과 관계없이 소정의 회전력을 유지할 수 있다는 장점이 있다.
하지만, 수직축 풍력 발전기는 상하방향으로 외력이 가해지는 경우 이를 완충시키거나 충격을 흡수할 수 있는 수단이 마련되어 있지 않으며, 날개의 최대 개방위치 또는 날개의 폐쇄 위치에서 충격이 제대로 흡수되지 않는 문제점이 있었다.
따라서, 여러 각도에서 외력이 발생해도 그 저항을 최소화함과 동시에 동력에 필요한 회전력을 확보할 수 있는 수직축 방식의 풍력 발전기가 요구되는 바이다.
본 발명과 관련된 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0064875호(공개일자 2011년 06월 15일)가 있으며, 상기 선행문헌에는 '수직축 풍력 발전기'에 관하여 개시되어 있다.
본 발명은 지면에 수직으로 형성된 발전축 상에 회전되는 구조로 이루어진 원판에 개별적으로 회전되는 블레이드를 구비하고, 상기 블레이드의 축 상에 형성되는 돌기가 원판 중앙에 별도로 회전되는 캠부재에 눌림에 따라, 블레이드가 수직 또는 수평으로 전환되어 회전력을 얻음과 동시에 풍압의 저항을 최소화할 수 있는 수직축 방식의 풍력 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 사상에 따르면, 지면에 수직으로 형성되며, 발전에 필요한 회전력을 제공하는 발전축과, 풍향에 따라 회전하는 풍향계를 축 상에 구비하여 상기 발전축과 별도로 회전되도록 연결되는 방향축을 포함하는 지지프레임; 상기 발전축 상에 연결되며, 원형으로 이루어진 원형틀과, 상기 발전축과 상기 원형틀 사이에서 개별적으로 회동되도록 연결되는 복수 개의 가변축과, 상기 가변축 상에 형성되는 돌기를 포함하는 원판; 상기 방향축 상에 연결되며, 상기 풍향계와 동일한 방향으로 회전됨에 따라 상기 돌기를 누르게 되고, 눌려진 상기 돌기에 의해 상기 가변축이 회동되도록 하는 캠부재; 상기 가변축 상에 고정 연결되며, 상기 돌기에 의해 상기 가변축이 회동됨에 따라 수직 또는 수평으로 가변되는 블레이드; 및 상기 발전축의 회전에 의해 발생되는 회전력을 전달받아 전력으로 발생시키는 발전부;를 포함하는 수직축 방식의 풍력 발전기를 제공한다.
이때 상기 캠부재는, 상기 원판의 회전 반경에 대응하는 일부구간에 호형으로 관통된 안내공을 형성할 수 있다.
그리고 상기 캠부재는, 상기 안내공에 상기 돌기가 삽입됨에 따라 상기 블레이드가 수직 또는 수평으로 가변되도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 돌기는, 상기 가변축의 상부 또는 하부에 적어도 하나 이상이 구비될 수 있다.
그리고 상기 돌기는, 끝단에 볼캐스터가 형성될 수 있다.
아울러, 상기 돌기는, 끝단에 롤러가 형성될 수도 있다.
상기 발전부는, 생성된 전력을 저장하는 축전지를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 돌기에 의해 블레이드의 각도가 조절되는 수직축 방식의 풍력 발전기는, 지면에 수직으로 형성된 발전축 상에 연결되어 회전되는 원판에 개별적으로 회전되는 블레이드를 연결하고, 상기 블레이드가 별도의 돌기에 의해 수직 또는 수평방향으로 전환됨에 따라, 풍압의 저항을 최소화하며 동력에 필요한 회전력을 확보할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기가 회전되는 원리를 설명하기 위해 평면에서 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기에 있어서, 돌기를 통해 블레이드가 수직 또는 수평으로 회전되는 모습을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기의 구성 간 작동관계를 설명하기 위해 도시한 도면임.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 돌기에 의해 블레이드의 각도가 조절되는 수직축 방식의 풍력 발전기에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시예들은 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기(100)는 크게, 지지프레임(110)과, 원판(120)과, 캠부재(130)와, 블레이드(140)와, 발전부(150)를 포함한다.
먼저, 지지프레임(110)은 지면에 수직으로 형성된다. 이러한 지지프레임(110)은 발전에 필요한 회전력을 제공하는 발전축(112)과, 풍향에 따라 회전하는 풍향계(116)를 구비하여 상기 발전축(112)과 별도로 회전되도록 연결되는 방향축(114)을 포함한다.
이때, 도시된 지지프레임(110)의 단면형상이 사다리꼴 형태로 이루어진 것으로 보이나, 이러한 단면형상은 상기 지지프레임(110)이 바닥 상에 견고하게 안착되어, 그 위치 및 자세를 더욱 견고하게 하기 위한 하나의 예시적인 형상일 뿐, 본 발명은 이러한 형상에 제한될 필요가 없다.
따라서 다양한 실시예를 통해 더욱 안정적으로 바닥과의 면 접촉이 가능한 형상인 사각 단면형상 등과 같은 다양한 형태로도 변형이 가능하다.
다음으로, 원판(120)은 발전축(112)에 연결된다. 이때, 원판(120)은 발전축(112)과 연결되는 별도의 가변축을 형성하고, 그 가변축에는 돌기(126)가 형성된다.
다음으로, 캠부재(130)는 방향축(114) 상에 연결된다. 이때, 캠부재(130)는 풍향계(116)와 동일한 방향으로 회전됨에 따라 돌기(126)를 누르게 되고, 눌려진 상기 돌기(126)에 의해 가변축이 회동되도록 할 수 있다.
다음으로, 블레이드(140)는 원판(120) 내에 가변축 상에 연결된다. 이때, 블레이드(140)는 돌기(126)에 의해 가변축이 회동됨에 따라 수직 또는 수평으로 가변될 수 있다.
다음으로, 발전부(150)는 발전축(112)의 회전에 의해 발생되는 회전력을 전달받아 전력으로 발생시키는 총체적인 구조를 말한다.
이러한 구성에 대한 자세한 설명은 이하 도시되는 도면을 통해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기가 회전되는 원리를 설명하기 위해 평면에서 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기(100)는, 블레이드(140)가 수직 또는 수평으로 가변됨에 따라, 풍압에 저항되는 힘을 이용하여 회전력을 확보함과 동시에 풍압의 저항을 최소화하는 구조로 이루어진다.
이때, 블레이드(140)가 수직으로 가변되는 구간 즉, 풍압에 대응하는 구간을 유효구간이라고 편의상 명명하도록 한다. 이러한 유효구간을 통해 블레이드(140)가 풍압에 저항되는 힘을 최대로 받음에 따라 원판(120)이 회전하게 되는 구조로 이루어진다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기(100)는 비 유효구간에서 블레이드(140)가 안내공(132)에 삽입됨에 따라 수평으로 가변되어, 풍압의 저항을 최소화할 수 있는 구조로도 이루어진다.
도시된 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기(100)는 원판(120)과, 캠부재(130)와, 블레이드(140)를 포함한다.
먼저, 원판(120)은 발전축(도 1의 112) 상에 회전이 가능하도록 연결된다. 여기서 원판(120)의 구조로는, 원형으로 이루어진 원형틀(122)과, 발전축(도 1의 112)과 상기 원형틀(122) 사이에서 개별적으로 회동되도록 연결되는 복수 개의 가변축(124)과, 상기 가변축(124) 상에 형성되는 돌기(126)를 포함한다.
다음으로, 캠부재(130)는 원판(120)과 별도로 회전되는 방향축(도 1의 114)에 연결된다. 그리고 캠부재(130)는, 원판(120)의 회전 반경에 대응하는 일부구간에 호형으로 관통된 안내공(132)을 형성한다. 이때, 안내공(132)에는 돌기(126)와 대응되는 크기로 형성될 수 있다.
이때, 캠부재(130)는 방향축(도 1의 114)에 연결됨에 따라, 풍향계(116)와 동일한 방향으로 회전된다.
즉, 도시된 바와 같이 바람(W)이 불어오는 방향을 향해 풍향계(116)가 회전하게 되면, 캠부재(130)도 같이 회전하게 된다. 이때, 캠부재(130)의 회전을 통해 캠부재(130)가 돌기(126)를 누르게 된다. 그 후에 캠부재(130)에 돌기(126)가 눌리게 되면, 돌기(126)에 의해 가변축(124)이 회전하게 된다.
블레이드(140)는 상기 가변축(124)과 고정 연결되므로, 가변축(124)이 회전되는 방향으로 위치가 변하게 된다. 즉, 블레이드(140)는 돌기(126)가 캠부재(130)의 안내공(132)에 삽입됨에 따라 수직 또는 수평으로 가변될 수 있다. 여기서, 블레이드(140)가 수직으로 가변되면 풍압에 저항하는 힘이 최대가 되는데, 그 구간이 상기 설명한 바와 같이 유효구간이다.
이때, 도시된 안내공(132)은 비 유효구간에 형성된 것으로 보이나, 이는 그 위치 및 자세를 설명하기 위한 하나의 실시예일 뿐, 안내공(132)은 유효구간에도 형성될 수 있다.
이렇게 유효구간에서 수직으로 회전된 블레이드(140)는 풍압에 저항하게 되며, 이러한 저항된 힘에 의해 원판(120)이 회전하게 된다. 이때, 비 유효구간에는 블레이드(140)가 수평으로 회전됨에 따라 바람(W)으로부터 마찰되는 힘을 최소화할 수 있게 된다.
이로써, 본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기(100)는, 유효구간 내에서 수직으로 회전하는 블레이드(140)에 의해 원판(120)이 회전하게 되고, 비 유효구간 내에서는 블레이드(140)가 수평으로 회전함에 따라, 바람(W)으로부터 저항되는 힘을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기는, 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기에 있어서, 돌기를 통해 블레이드가 수직 또는 수평으로 회전되는 모습을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 블레이드(140)는 돌기(126)에 의해 수직(A' 구간) 또는 수평(A 구간)으로 회전된다. 이때, 돌기(126)에 의해 블레이드(140)가 수직상태가 되면, 풍압에 저항하는 힘이 커져 보다 큰 회전력을 얻을 수 있게 된다.
도시된 바와 같이 돌기(126)가 캠부재(130)의 안내공(132)에 삽입될 때는, 블레이드(140)가 수평을 유지하여 풍압의 저항에 자유롭다. 이와 반대로 돌기(126)가 캠부재(130)의 안내공(132)에 삽입되지 않을 때에는, 돌기(126)가 캠부재(130)에 의해 눌려짐에 따라 블레이드(140)가 수직으로 회전하게 된다.
이때, 돌기(126)의 끝단은 캠부재(130)에 눌려지므로, 마찰력을 저감하고 윤활 기능을 갖도록 롤러(미도시)가 형성될 수 있다. 이때, 돌기(126)의 끝단은 상기와 같은 기능을 갖는 별도의 볼캐스터(미도시)가 형성될 수도 있다.
도시된 돌기(126)는 가변축(124)의 상부에 하나가 형성된다. 하지만, 이러한 돌기(126)는 가변축(124)의 상부 또는 하부에 적어도 하나 이상 구비될 수도 있다.
이러한 이유는 가변축(124)이 좌, 우로 회전하게 될 시, 돌기(126)가 가변축(124)의 상, 하부에 형성됨에 따라 보다 원활하게 블레이드(140)가 수직 또는 수평조절이 되도록 하기 위함이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기의 구성 간 작동관계를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기(100)는, 지지프레임(110)과, 원판(120)과, 캠부재(130)와, 블레이드(140)와, 발전부(150)를 포함한다.
도 4에서는 도 1 내지 도 3에서 이미 설명된 본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기(100)의 중복되는 내용은 생략하기로 하고, 풍압에 대응하는 구간을 유효구간이라 명명하기로 한다.
지금부터 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기(100)의 그 구성 간 작동관계에 대해 살펴보기로 한다.
먼저, 바람(W)이 불어오는 방향으로 풍향계(116)가 회전하게 되면, 캠부재(130)도 같이 회전하게 된다. 이때, 캠부재(130)의 회전을 통해 돌기(126)가 눌리게 된다. 그 눌린 돌기(126)에 의해 블레이드(140)가 수직 또는 수평방향으로 회전하게 된다. 즉, 풍향에 따라 풍향계(116)가 회전함에 따라 캠부재(130)도 같이 회전하게 되고, 그 회전되는 캠부재(130)가 돌기(126)를 누름에 따라 블레이드(140)가 수직 또는 수평으로 회전하게 된다. 도 4에서는 블레이드(140)가 돌기(126)에 눌리면 수직으로 회전하게 되는 모습으로 설명하도록 한다. 이렇게 수직으로 회전된 블레이드(140)는 풍압의 강한 저항을 받게 되어, 원판(120)이 회전하게 되는 원동력이 된다.
이때, 발전부(150)는 상기와 같이 원판(120)이 회전하게 되면, 그 회전에 의해 발생하는 회전력을 전달받아 전력으로 발생시킨다. 이때, 발전축(112)은 원판(120)에 회전력을 제공할 수 있다.
여기서 발전부(150)는, 원판(120)의 회전에 의해 발생하는 회전력을 전력으로 생성하는 제너레이터(미도시)와, 상기 제너레이터에 연결되어, 전력을 저장하는 축전지를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기(100)는, 풍력을 감지하는 별도의 풍력센서(미도시)를 구비할 수도 있다. 이러한 풍력센서는 기 설정된 풍력의 세기에서만 축전지에 저장된 전력을 이용해 원판(120)을 회전시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기는, 지면에 수직으로 형성된 발전축 상에 회전되는 원판에 개별적으로 회전되는 블레이드를 구비하고, 상기 블레이드가 별도의 돌기에 의해 수직 또는 수평방향으로 전환되는 구조로 이루어진다.
이에 따라, 본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력 발전기는, 풍압의 저항을 최소화하며 동력에 필요한 회전력을 확보하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
W : 바람
100 : 풍력 발전기 110 : 지지프레임
112 : 발전축 114 : 방향축
116 : 풍향계 120 : 원판
122 : 원형틀 124 : 가변축
126 : 돌기 130 : 캠부재
132 : 안내공 140 : 블레이드
150 : 발전부

Claims (10)

  1. 지면에 수직으로 형성되며, 발전에 필요한 회전력을 제공하는 발전축과, 풍향에 따라 회전하는 풍향계를 축 상에 구비하여 상기 발전축과 별도로 회전되도록 연결되는 방향축을 포함하는 지지프레임;
    상기 발전축 상에 연결되며, 원형으로 이루어진 원형틀과, 상기 발전축과 상기 원형틀 사이에서 개별적으로 회동되도록 연결되는 복수 개의 가변축과, 상기 가변축 상에 형성되는 돌기를 포함하는 원판;
    상기 방향축 상에 원형판 형상으로 설치되며, 상기 원판의 회전 반경에 대응하는 일부구간에 호형으로 관통된 안내공을 형성하는 캠부재;
    상기 가변축 상에 고정 연결되는 블레이드; 및
    상기 발전축의 회전에 의해 발생되는 회전력을 전달받아 전력으로 발생시키는 발전부;를 포함하며,
    상기 돌기는 상기 캠부재가 회전됨에 따라 상기 캠부재의 저면 또는 상기 안내공의 내부에 삽입되고, 상기 안내공의 내부에 삽입된 상기 돌기는 상기 캠부재가 일측으로 회전되면, 상기 안내공의 단부에 의해 밀리면서 상기 가변축과 함께 회전되어 상기 캠부재의 저면에 위치되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력 발전기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드는,
    상기 돌기가 상기 캠부재의 안내공에 삽입됨에 따라 수직 또는 수평으로 가변되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력 발전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기는,
    상기 가변축의 상부 또는 하부에 적어도 하나 이상이 구비되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력 발전기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기는,
    상기 가변축의 상부 또는 하부에 탈, 부착이 가능한 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력 발전기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기는,
    끝단에 볼캐스터가 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력 발전기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기는,
    끝단에 롤러가 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력 발전기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전부는,
    상기 원판의 회전에 의해 발생하는 회전력을 전력을 생성하는 제너레이터; 및
    상기 생성된 전력을 저장하는 축전지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력 발전기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 발전부는,
    외부로부터 불어오는 풍향의 속도를 감지하는 풍속센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력 발전기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 발전부는,
    상기 축전지에 저장된 전력을 교류 또는 직류로 변환하여 외부로 공급하는 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력 발전기.
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JP2005061291A (ja) * 2003-08-11 2005-03-10 Kunio Miyazaki 風力発電装置における風車構造
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KR20110017627A (ko) * 2009-08-14 2011-02-22 연봉규 풍력 발전 장치

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