KR101354181B1

KR101354181B1 - 블레이드장치 및 이를 이용한 풍력/수력 발전장치

Info

Publication number: KR101354181B1
Application number: KR1020110146036A
Authority: KR
Inventors: 김의중; 유병길
Original assignee: (주) 제이피이
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2014-01-23
Also published as: KR20130077366A

Abstract

본 발명은 풍력에 의해 요동 운동하는 블레이드장치의 요동 운동을 회전 운동으로 변환하여 전기 에너지를 생산하는 풍력 발전장치를 개시한다. 개시된 본 발명에 의한 풍력 발전장치는, 풍력에 의해 힌지를 중심으로 요동 운동하는 블레이드장치; 상기 블레이드장치의 요동 운동을 회전 운동으로 변환하는 동력변환수단; 상기 동력변환수단에 의해 변환된 회전동력을 변속하는 기어박스; 및 상기 기어박스에 연결된 발전기;를 포함한다. 상기 블레이드장치는 지상 또는 지하에 힌지 고정된 고정날개; 블레이드장치의 좌우 요동 운동을 위한 양력을 발생시키도록 상기 고정날개의 후방에 소정각도로 이동하도록 설치된 1개 이상의 유동날개; 및 상기 고정날개의 전방에 소정각도로 회동하도록 설치된 가이드날개;를 포함한다. 그리고, 상기 동력변환수단, 기어박스, 발전기 및 블레이드장치의 일부는 기계실에 수용되어 지지되고, 상기 기계실에는 바퀴가 마련되어 풍향에 따라 자전하도록 구성된다.

Description

블레이드장치 및 이를 이용한 풍력/수력 발전장치{BLADE DEVICE AND WIND/HYDRAULIC POWER GENERATION APPARATUS USED THE SAME}

본 발명은 발전장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 유체에 의해 요동 운동하는 블레이드장치 및 이 블레이드장치의 요동 운동을 회전 운동으로 변환하여 전기 에너지를 생산하는 풍력 발전장치 또는 수력 발전장치에 관한 것이다.

최근 인류의 환경과 에너지에 대한 관심은 그 어느 때보다도 높으며, 특히 온실가스 배출과 화석 연료의 고갈은 대표적인 전 인류의 문제이다. 이 시점에서 풍력 에너지는 위에서 언급한 전 인류의 문제를 해결할 수 있는 신재생에너지원 중 하나로 각광받고 있다.

1990년 이후 기후 변화 협약으로 인해 온실가스의 감축이 급박한 과제로 등장하면서 풍력 발전은 화력 발전이나 원자력 발전의 대체 방안 중의 하나로 활용 가능성이 높게 인식되는 계기가 되었으며, 현재는 매우 빠른 속도로 발전하는 단계에 있다.

풍력 발전은 발전 단지의 면적 중에서 실제로 이용되는 면적이 풍력 발전기의 기초부와 도로, 계측 및 중앙 제어실 등으로 전체 단지 면적의 1%에 불과하며, 나머지 99%의 면적은 목축과, 농업 등의 다른 용도로 이용할 수 있는 장점을 가진다.

특히, 풍력 발전은 공해 물질 저감 효과가 매우 커서, 예를 들어 200KW급 풍력 발전기 1대를 1년간 운전하여 400,000KWh의 전력을 생산하는 경우, 약 120~200톤의 석탄 대체 효과로 인해, 연간 SO₂ 2~3.2톤, NOx 1.2~2.3톤, CO₂ 300~500톤, 슬래그(slag)와 분진(ash) 16~28톤 정도의 공해 물질 배출이 억제되는 효과가 있는 것으로 보고되고 있다.

상기와 같은 장점을 갖는 풍력 발전은 공기가 익형 위를 지날 때 양력과 항력이 발생되는 공기역학적 특성을 통해 회전하는 로터의 기계적 에너지를 발전기를 통해 전기 에너지로 변환시키는 기술이며, 공기역학적 항력(drag)에 의한 것과 공기역학적 양력(lift)에 의한 것으로 분류된다.

일반적으로, 풍력 발전장치는 로터의 회전축이 놓인 방향에 따라 수평형 풍력 발전장치와 수직형 풍력 발전장치가 있다. 수직형 풍력 발전장치는 수평형에 비해 블레이드 면적이 크고 거추장스럽기 때문에 현재는 수평형 풍력 발전장치가 주류를 이룬다.

상기 수평형 풍력 발전장치는 프로펠러 방식으로서 공기역학적으로 바람의 양력을 이용한 블레이드로 구성된 로터를 사용함으로써 발전 효율은 비교적 높으나, 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꾸어 주어야 하며, 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요하다.

또한, 수평형 풍력 발전장치는 로터의 축이 최소한 로터의 반지름보다 높은 곳에 위치하므로 높은 곳에 위치한 로터의 축과 발전기를 연결하기 위해서는 발전기를 로터의 축과 같은 높이에 설치하여야 하는데, 이 경우 강한 바람에 의해 기구적인 손상이 발생할 수 있는 위험과 MW급 발전기의 경우 주요 장치가 약 70m 높이의 고공에 위치하기 때문에 설치, 유지 및 보수가 용이하지 않다는 문제가 따른다. 한편, 수평 회전력을 수직 회전력으로 전환하는 장치를 설치하여 로터의 축과 발전기를 연결하는 방법도 있으나, 이 경우는 수평 회전력을 수직 회전력으로 전환하는 과정에서 에너지 손실이 일어난다고 하는 문제가 있다.

상기와 같이 수평형 풍력 발전장치는 로터의 반경에 비례해서 탑의 높이도 높아져야 하므로 도심이나 민가에 가까운 곳에 설치하기 어려운 점이 있어서, 대체적으로 거주지에서 떨어진 한적한 곳에 집단적으로 설치되고 있다.

또한, 현재 사용되고 있는 대부분의 풍력 발전장치는 고유속 상태의 유체를 동력화하기 위한 장치로서, 일정 이상의 고유속을 형성하지 않으면 동력 발생이 미약하다는 문제가 있다. 이에 따라 현재의 풍력 발전장치에서는 저풍속을 최대로 이용하기 위해서 프로펠러 직경을 크게 하고 있는데, 예를 들어, 발전량 2MW/h 일 때, 프로펠러의 직경은 무려 90m 이상으로 해야 하고, 동체의 높이는 그 이상의 높이로 해야 하므로, 그에 따른 건설 비용 및 유지/보수에 많은 비용이 발생하게 된다.

또한, 일반적인 MW급 프로펠러 방식 풍력 발전장치는 구조상 최소 풍속이 10~12m/sec 이상이 되어야만 발전이 가능하므로, 바람이 비교적 약하고 풍향이 자주 변하는 지형에서는 만족할 만한 발전 효율을 기대할 수 없으며, 더욱이 태풍이나 돌풍 시에는 부품의 파손을 방지하기 위해 운전을 정지해야 하는 문제도 있다.

무엇보다도, 일반적인 프로펠러 방식 풍력 발전장치는 운전 중 바람의 파단력과 블레이드의 진동에 따른 저주파성 소음이 심하게 발생함으로써 사람이나 동물의 수태 불능이나 여윔 현상을 유발시키는 등 자연 환경을 파괴하는 요인이 되고 있으며, 이러한 이유로 설치 지역이 매우 제한적이어서 한적한 해안가나 대륙붕 등에 설치됨으로써 육지 설치때 보다 비용이 약 2.5배 정도 높아지는 문제가 있다.

또한, 일반적인 MW급 프로펠러 방식 풍력 발전장치는 약 70~100m 높이로 설치됨으로써 고공 작업이 필수적이고 A/S도 어려움이 있으며, 또한, 높은 곳에 설치됨으로써 부품도 소형, 고효율 및 저중량의 특수 부품이 필수적이어서 제조 및 설치비용이 높아지는 것을 피할 수 없다.

또한, 일반적인 프로펠러 방식 풍력 발전장치는 프로펠러의 끝단이 100~200Km/h 정도의 고속으로 회전하기 때문에, 새 등과 같은 동물이 부딪쳐 죽거나 소형 비행기 등이 부딪쳐 추락하는 등의 사고가 발생하는 경우가 있고 많은 저주파성 굉음을 유발하여 소음 공해에 대한 대책이 필요하다.

상기와 같은 수평형 풍력 발전장치의 문제점을 보완하고자 수직형 풍력 발전장치가 제안되었다. 그러나, 수직형 풍력 발전장치는 바람의 방향에 관계없이 작동시킬 수 있고, 기어박스나 발전기 등을 지상에 설치할 수 있는 장점은 있으나, 발전량이 적어 소형 또는 중형의 보조용 발전장치로 밖에 사용할 수 없다는 단점이 있다.

또한, 일반적인 풍력 발전기는 바람의 영향을 최소화하기 위해 600~700m의 거리를 두고 설치해야 하는데, 풍력 발전기를 1기를 설치하는데 1Km²의 넓이가 필요하다. 바람이 불어오면 50% 정도가 발전기로 흡수되기 때문에, 다른 발전기가 최대량의 바람을 모으기 위해서는 이 정도 거리 유지가 필요하다. 예를 들어 100기를 모두 설치하려면 100Km²의 대규모 면적이 필요하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 풍력에 의한 블레이드의 저속 요동 운동을 회전 운동으로 변환하여 전기 에너지를 생산함으로써 기존 MW급 풍력 발전기 대비 소음이 거의 없고 풍속이나 풍향에 영향을 거의 받지 않아 설치비가 저렴한 육지에 설치해도 소음 공해에 의한 민원 발생의 여지가 없으며, 오히려 새들의 날개짓과 유시한 형태로 작동하여 관광 자원으로 활용이 가능한 자연친화적인 청정 에너지형 풍력 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 발전기 및 변속기 등과 같은 주요 부품의 지상 혹은 지하 설치가 가능하여 소형, 고효율 및 저중량의 특수 부품이 아닌 일반적인 산업 부품을 사용할 수 있어 제조 및 설치 비용을 낮출 수 있음과 아울러 증속기, 발전기 등 주요 설비의 지상 또는 지하 설치로 A/S가 용이한 풍력 발전장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 저속의 풍속에서도 발전 효율을 높일 수 있으며, 새나 비행기 등과 같은 비행체가 충돌하여 추락하는 사고가 발생하지 않아 안전하고 소음 공해가 없는 풍력 발전장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 바람이나 물과 같은 유체의 유속에 의해 소정 각도로 좌우 요동 운동함으로써, 이 요동 운동을 동력변환장치를 채용하여 회전운동으로 변환하여 전력을 생산할 수 있는 풍력이나 수력 발전장치에 이용할 수 있는 블레이드장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 풍력 발전장치는, 풍력에 의해 힌지를 중심으로 요동 운동하는 하나 이상의 블레이드장치; 상기 블레이드장치의 요동 운동을 회전 운동으로 변환하는 동력변환수단; 상기 동력변환수단에 의해 변환된 회전 동력을 변속하는 기어박스; 및 상기 기어박스에 연결된 발전기;를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 블레이드장치는, 지하 또는 지상에 위치된 상기 힌지를 중심으로 좌우 요동 운동하는 고정날개; 상기 고정날개의 좌우 요동 운동을 위한 양력을 발생시키도록 상기 고정날개의 후방에 소정 각도로 이동하도록 설치된 하나 이상의 유동날개; 및 상기 고정날개의 전방에 소정 각도로 이동하도록 설치된 가이드날개;를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 블레이드장치가 둘 이상이 일정간격을 두고 병렬로 연결되어 공통의 힌지를 중심으로 요동 운동하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에 의하면, 블레이드장치의 전후방향 길이를 축소시킬 수 있다.

또한, 상기 블레이드장치는 상광하협 또는 상협하광의 구조로 형성될 수 있다. 상광하협 구조의 블레이드장치는 상부 고밀도 풍속 지역에 유리하게 사용할 수 있고, 상협하광 구조의 블레이드장치는 하부 고밀도 풍속 지역에 유리하게 사용할 수 있다.

또한, 상기 블레이드장치는 상기 힌지를 포함하는 하부유닛과 상부유닛으로 분리 형성되고, 상기 상,하부유닛이 제2힌지로 연결되어, 상기 하부유닛에 대하여 상부유닛을 블레이드장치의 요동 운동에 수직한 방향으로 회동시켜 접을 수 있도록 구성될 수 있다. 이러한 구조에 의해 블레이드장치의 유지,보수시 높게 설치된 블레이드장치를 지상에 가깝게 회동시킴으로써 용이하게 유지, 보수 작업을 수행할 수 있다. 또한, 태풍이나 강풍시 블레이드장치를 지상에 가깝게 위치시켜 블레이드장치가 파손되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

또한, 상기 블레이드장치의 좌우 요동 운동각은 편각 10°~ 45°정도의 범위에서 지역 특성에 따른 풍속에 따라 크랭크암의 길이를 조정하여 적절하게 설정할 수 있다.

또한, 상기 동력변환수단은, 상기 고정날개에 일단이 연결된 하나 이상의 커넥팅로드; 상기 각 커넥팅로드의 타단과 연결되는 크랭크 암을 구비하는 크랭크 축; 및 상기 크랭크 축에 설치된 플라이휘일;을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 풍력 발전장치는 상기 동력변환수단, 변속기 및 발전기를 수용하여 지지하는 기계실을 더 구비하고, 상기 기계실은 풍향에 따라 자전 가능하도록 다수의 바퀴를 구비할 수 있다. 여기서, 상기 기계실은 지하 또는 지상에 설치될 수 있다.

더욱 바람직한 실시예에 의하면, 본 발명의 풍력 발전장치는, 초기 구동을 위하여 동력변환수단을 시동하는 시동모터; 상기 시동모터를 구동시키기 위한 구동부; 상기 유동날개 및 가이드날개를 구동시키기 위한 구동부; 상기 기계실의 바퀴를 구동시키기 위한 구동부; 풍속 감지를 위한 센서; 풍향 감지를 위한 센서; 및 상기 시동모터 구동부를 제어함과 아울러 상기 풍속감지센서 및 상기 풍향감지센서로부터 감시신호를 받아 상기 유동날개 구동부, 가이드날개 구동부 및 기계실 바퀴 구동부를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 블레이드장치는, 유체의 흐름에 따라 좌우측의 압력 변화를 유발시켜 요동 운동하는 구조의 블레이드장치로서, 힌지를 중심으로 좌우 요동 운동하는 고정날개; 상기 고정날개의 좌우 요동 운동을 위한 양력을 발생시키도록 상기 고정날개의 후방에 소정 각도로 이동하도록 설치된 하나 이상의 유동날개; 상기 고정날개의 전방에 소정 각도로 회동 가능하게 연결된 가이드날개; 및 상기 유동날개 및 가이드날개를 구동시키는 구동부;를 포함한다.

또한, 상기한 블레이드장치는 물의 흐름에 따라 요동 운동하도록 구성되고 이러한 블레이드 장치의 요동 운동을 회전 운동으로 변환하는 동력변환수단을 포함하여 수력 발전장치에도 사용될 수 있다.

본 발명에 의한 풍력 발전장치는, 비교적 저속으로 운전되는 블레이드장치의 요동 운동을 회전 운동으로 변환하여 전력을 생산하기 때문에, 소음이 거의 없어 민원 발생의 여지를 극소화시키며, 새나 비행기 등과 같은 비행체가 충돌할 우려도 거의 없고, 다수의 집합체로 설치했을 경우 새들의 날개짓과 유사하여 관광 자원으로 활용이 가능하다.

또한, 발전장치의 주요부품들, 즉 기어박스나 발전기 등을 관리자의 접근이 용이한 지상이나 지하에 설치하기 때문에, 설치 및 A/S가 용이하며, 특수 용도가 아닌 일반 산업용 부품 및 자재의 사용이 가능하므로, 설치 비용 및 운전 비용을 낮출 수 있다.

또한, 비교적 저속의 풍속에서도 발전 효율이 높으며, 소음이 거의 발생하지 않고 2차 공해 발생이 미미하여 자연 환경을 파괴하지 않는 환경 친화적인 발전장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 풍력 발전장치는 소음 공해가 없고 생물체 및 비행체 등과의 충돌 위험성이 없기 때문에, 발전 단지를 관광 단지나 목장 등으로 활용 가능하다고 하는 장점이 있다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 실시예예 의한 풍력 발전장치의 작동 원리를 설명하기 위하여 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 풍력 발전장치의 개략적인 구성을 보인 사시도,
도 3은 도 2의 측면도,
도 3a는 다른 실시예를 보인 도 3에 해당하는 도면,
도 4는 본 발명의 요부인 블레이드장치의 구조 및 작용을 설명하기 위한 도면,
도 5a 및 5b는 블레이드장치의 변형예로서 2익형 및 3익형의 개략도,
도 6a 및 6b는 블레이드장치의 또 다른 변형예로서 하부 고밀도 풍속 지역 및 상부 고밀도 풍속 지역에 적합한 블레이드장치의 개략도,
도 7은 본 발명에 의한 풍력 발전장치의 구동 제어 블럭도, 그리고,
도 8은 본 발명에 의한 블레이드장치를 물속에 위치시켜 물의 흐름에 따라 좌우 요동 운동하도록 구성한 수력 발전장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 실시예들을 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 의한 블레이드장치를 이용한 풍력 발전장치를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 도 1a는 기계실이 지하에 설치된 예를 나타낸 것이고, 도 1b는 기계실이 지상에 설치된 예를 나타낸 것이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 블레이드장치(10)는 힌지(H1)로 고정되어 있으며, 이와 같이 설치된 블레이드장치(10)는 자세히 후술되겠지만, 풍력에 의해 상기 힌지(H)를 중심으로 좌우방향으로 소정 각도(θ) 요동 운동하도록 되어 있다.

여기서, 상기 블레이드장치(10)의 요동 운동각(θ)은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 편각 10°~ 45°범위에서 풍속에 따라 적절하게 설정할 수 있다. 또한, 상기 블레이드장치(10)의 전체 높이는 예를 들어, 대략 70~150m 정도가 바람직하나, 이를 꼭 한정하는 것은 아니다. 한편, 상기 블레이드장치(10)의 힌지(H)에서부터 상단까지의 길이(L1)와 하단까지의 길이(L2)는 예를 들어 10:1~10:1.5 정도의 비율로 설계함이 바람직하다.

상기와 같은 블레이드장치(10)의 좌우 요동 운동은 동력변환수단(20)에 의해 회전운동으로 변환되고, 변환된 회전동력은 후술될 기어박스를 통하여 예를 들어, 고속으로 변속된 후 발전기로 전달된다. 이와 같이, 본 발명은 종래 MW급 수직형 풍력 발전장치와 같은 회전하는 로터를 채용하지 않고 요동 운동하는 블레이드장치를 채용함으로써 작동 소음이 거의 없으며, 또한 블레이드장치가 저속으로 요동 운동하므로 새나 비행기와 같은 비행체가 충돌하여 추락하는 사고 등을 현저하게 줄일 수 있다.

상기 동력변환수단(20)은 상기 블레이드장치(10)의 하단부에 일단이 연결된 한 쌍의 커넥팅로드(21,21'), 상기 커넥팅로드(21,21')의 타단과 연결되는 크랭크 암(22,22')을 갖는 크랭크 축(23,23') 및 상기 크랭크 축(23,23')에 연결된 플라이휘일(24,24')을 포함한다. 이와 같은 크랭크기구를 이용하여 요동 운동을 회전 운동으로 변환하는 기술은 공지의 기술로 이해 가능하므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.

한편, 상기와 같은 동력변환수단(20)과 후술될 기어박스 및 발전기 등은 지상 또는 지하에 설치될 수 있는데, 소정의 기계실(30)에 수용된 상태로 지상 또는 지하에 설치될 수 있다. 즉, 종래 수직형 풍력 발전장치의 경우, 주요 부품인 기어박스나 발전기 등이 지상 70m 이상의 고공에 설치됨으로써 설치 작업 및 A/S에 고비용이 들뿐만 아니라 기어박스나 발전기 등도 소형, 경량 및 고효율의 특수 부품을 사용함으로써 제조 비용 및 유지 비용이 상승하는 것을 피할 수 없었다. 그러나, 본 발명은 접근성이 용이한 지상 또는 지하에 주요 부품들이 설치되는 관계로, 설치 및 A/S가 용이할 뿐만 아니라 부품도 일반적인 산업용 발전 부품을 사용할 수 있으므로, 설치 비용 및 운전 비용을 대폭 절감할 수 있다.

상기 기계실(30)은 그 하부면에 설치된 다수의 바퀴(31,31')를 구비한다. 상기 바퀴(31.31')는 기계실(30)을 자전시키기 위한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 블레이드장치(10)는 풍향에 따라 방향을 변경할 필요가 있는데, 풍향이 바뀌면 이를 풍향감지센서(120:도 7 참조)가 감지하고 이 풍향 감지 신호가 제어부(100:도 7 참조)를 통하여 기계실 바퀴 구동부(150:도 7 참조)로 송신됨으로써 상기 바퀴(31,31')가 구동하여 기계실(30)을 자전시킨다.

도 1a에서 참조부호 40은 시동모터이다. 본 발명의 풍력 발전장치는 운전 전 블레이드장치(10)가 정중앙에 위치되어 있기 때문에, 초기에는 요동 운동을 하지 않는다. 따라서, 상기 시동모터(40)를 이용하여 플라이휘일(24')을 일정시간 동안 회전시켜서 블레이드장치(10)가 좌측 또는 우측으로 요동하도록 하여 준다. 일단 요동 운동을 시작한 블레이드장치(10)는 자세히 후술될 블레이드장치(10)의 특징적인 구조에 의해 연속적으로 요동 운동을 하게 된다. 상기 시동모터(40)는 자동차의 키와 같이 블레이드장치(10)를 기동시킨 후 정지하여 대기한다.

도 1b는 본 발명에 의한 풍력 발전장치의 변형예를 개략적으로 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이, 기계실(30)이 지상에 설치되어 있다는 것을 제외하고는 앞서 설명한 도 1a와 유사하게 구성되어 있다. 따라서, 동일한 부재 번호를 부여하여 여기서는 구체적인 설명은 생략한다.

다만, 본 변형예에서는 블레이드장치(10)가 그 하단부에 설치된 힌지(H1)를 중심으로 요동 운동하도록 구성되어 있으며, 이 블레이드장치(10)의 힌지(H1) 위에 커넥팅로드(21,21')의 일단이 별도의 연결편(10a)에 의해 연결되어 있다는 점이 앞서 설명한 실시예와 다르다. 그외 다른 구성 및 작동 원리 등은 상술한 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

도 2 내지 도 4는 본 발명에 의한 풍력 발전장치의 구현예를 도시한 것이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 블레이드장치(10)는 고정날개(11), 다수의 유동날개(13,13') 및 가이드날개(15)를 구비한다.

상기 고정날개(11)는 도면에서는 구체적으로 도시하고 있지 않으나, 하부 일측이 힌지(H1)에 의해 기계실(30:도 1a 참조)에 좌우방향으로 요동 운동 가능하게 설치되어 있다. 이 고정날개(11)는 블레이드장치(10)의 바디 역할을 한다.

상기 다수의 유동날개(13,13':도시예에서는 2개)는 상기 고정날개(11)의 후방에 소정 각도로 회동 가능하게 연결되어 있고, 상기 가이드날개(15)는 상기 고정날개(11)의 전방에 소정 각도로 회동 가능하게 연결되어 있다. 이러한 블레이드장치(10)는 그 횡단면 형상이 유선형 구조로 되어 있으며, 알루미늄, 카본, 유리섬유, SUS 등과 같은 재질로 형성될 수 있다.

또한, 상기 블레이드장치(10)는 도 4에서 보는 바와 같이, 블레이드장치(10)가 최좌측 또는 최우측으로 요동한 경우, 상기 유동날개(13,13')를 소정 각도로 회전시키기 위한 구조와 상기 가이드날개(15)를 소정 각도로 회전시키기 위한 구조를 구비한다.

상기 유동날개 회전 구조는, 예를 들어 유동날개(13,13')의 전단부에 마련된 종동기어부(13a,13'a) 및 상기 종동기어부(13a,13'a)와 맞물림되는 구동기어부(13b,13'b)를 갖춘 모터로 구성될 수 있으며, 상기 가이드날개 회전 구조는, 가이드날개(15)의 후단부에 마련된 종동기어부(15a) 및 상기 종동기어부(15a)와 맞물림되는 구동기어부(15b)를 갖춘 모터로 구성될 수 있다.

상기와 같이 구성된 날개 회전 구조에서 모터는 도 7에 나타낸 바와 같은 유동날개 구동부(130) 또는 가이드날개 구동부(140)에 의해 구동이 제어되며, 상기 유동날개 구동부(130) 및 가이드날개 구동부(140)는 제어부(100)로부터 신호를 수신하여 상기 모터를 정역방향으로 구동하도록 되어 있다.

한편, 도시예에서는 날개 회전 구조가 종동기어부와 구동기어부를 갖춘 모터로 구성된 예를 도시하고 있으나, 이를 꼭 한정하는 것은 아니며, 상기 날개 회전 구조는 유,공압 실린더 혹은 케이블로 구성될 수도 있다.

도 2 및 도 3에서 참조부호 50,50'은 기어박스이며, 60,60'은 발전기이다. 도시된 바와 같이, 상기 기어박스(50,50')는 동력변환수단(20)의 크랭크 축(23,23')에 연결되어 있으며, 상기 발전기(60,60')는 기어박스(50,50')에 각각 연결되어 있다. 이러한 구조에 의해 상기 동력변환수단(20)에 의해 변환된 회전 동력은 기어박스(50,50')에 의해 1,200rpm~2,000rpm 회전수의 회전 동력으로 변환되어 발전기(60,60')로 전달됨으로써 발전기(60,60')에 의해 소정의 전력이 생산된다.

도 3a는 본 발명에 의한 블레이드장치의 다른 변형예를 개략적으로 나타낸 것이다. 이러한 변형예에서 상기 블레이드장치(10)는 힌지(H1)를 포함하는 하부유닛(10-1)과 상부유닛(10-2)으로 분리 형성되어 있으며, 상기 상,하부유닛(10-2,10-1)이 제2힌지(H2)에 의해 서로 연결되어 있다.

이러한 구조에 의해 상기 상부유닛(10-2)은 블레이드장치(10)의 유지,보수시나 강풍에 의한 파손을 방지하기 위하여 상기 하부유닛(10-1)에 대하여 블레이드장치(10)의 좌우 요동 운동 방향과 수직한 방향으로 회동하여 접혀질 수 있다.

즉, 블레이드장치(10)는 대략 70 내지 150m 정도의 높이로 세워지므로, 유지,보수시 고공 작업을 해야 하며, 또한, 태풍 등으로 인한 강풍시 파손될 우려가 있다. 이러한 경우, 본 발명의 변형예에 의하면, 블레이드장치(10)를 상기 제2힌지(H2)를 중심으로 회동시켜 지상 혹은 지하 벙커에 수납하여 접을 수 있으므로, 용이하게 보수,유지 작업을 수행할 수 있으며, 강풍시 블레이드장치(10)의 운전을 멈추고 상기와 같이 바람의 영향을 받지 않도록 접은 상태로 대기할 수 있으므로 강풍으로 인해 블레이드장치가 파손되는 것을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 풍력 발전장치의 블레이드장치의 요동 운동 작동 원리를 설명하기 위해 도시한 것이다. 도면에서 중앙에 위치한 블레이드장치는 스타팅 위치, 좌측은 레프트 위치, 그리고, 우측은 라이트 위치이다.

스타팅 위치에서 블레이드장치(10)의 유동날개(13,13') 및 가이드날개(15)는 좌우 어느쪽으로도 회동하지 않은 상태를 하고 있다. 이와 같은 상태에서 제어부(100)의 신호에 의해 시동모터(40)가 구동하면, 블레이드장치(10)는, 예를 들어 힌지(H1)를 중심으로 좌측으로 소정 각도 요동하기 시작한다.

블레이드장치(10)가 최좌측에 위치하면, 제어부(100)가 이를 감지하여 유동날개 구동부(130) 및 가이드날개 구동부(140)를 제어함으로써 구동기어부(13b,13'b,15b)가 예를 들어, 정방향으로 회전하여 유동날개(13,13') 및 가이드날개(15)가 좌측으로 소정각도 회동한다.

이와 같은 최좌측에서의 블레이드장치의 유동날개의 소정각도 회동에 따라 블레이드장치(10)의 양측에는 서로 다른 압력, 즉, 좌측에 양압이 발생하고, 우측에는 부압이 발생함으로써 물리적으로 양력이 발생하여 블레이드장치(10)는 힌지(H1)를 중심으로 라이트 위치까지 회동한다.

블레이드장치(10)가 라이트 위치로 회동하면, 제어부(100)가 이를 감지하여 유동날개 구동부(130) 및 가이드날개 구동부(140)를 제어함으로써 구동기어부(13b,13'b,15b)가 예를 들어, 역방향으로 회전하여 유동날개(13,13') 및 가이드날개(15)가 우측으로 소정각도 회동한다.

이와 같은 최우측에서의 블레이드장치의 유동날개의 소정각도 회동에 따라 블레이드장치(10)의 양측에는 서로 다른 압력, 즉, 우측에 양압이 발생하고, 좌측에는 부압이 발생함으로써 물리적으로 양력이 발생하여 블레이드장치(10)는 힌지(H1)를 중심으로 다시 레프트 위치까지 회동한다.

상기와 같은 작용이 연속적으로 반복됨으로써 블레이드장치는 힌지(H1)를 중심으로 소정 각도 범위에서 요동 운동을 하게 되며, 이와 같은 블레이드장치의 요동 운동은 동력변환수단(20)에 의해 크랭크 축(23)의 회전 운동으로 변환되고, 변환된 회전 동력이 기어박스(50)에 의해 고속으로 변속된 후 발전기(60)로 전달됨으로써 발전기(60)가 고속으로 회전하여 소정의 전력이 생산된다.

첨부된 도 5a 및 도 5b는 블레이드장치의 변형예로서 도 5a는 2익형을, 그리고, 도 5b는 3익형을 각각 나타낸다.

도시된 바와 같이, 블레이드장치의 변형예에서는 다수의 블레이드장치(10A, 10B, 10C)가 일정간격을 두고 병렬로 연결되어 있고, 이와 같이 연결된 다수의 블레이드장치(10A, 10B, 10C)는 하나의 힌지(H1)를 중심으로 요동 운동하도록 구성되어 있다. 여기서, 상기 블레이드장치(10A, 10B, 10C) 사이의 간격은 2~3m 정도가 바람직하다. 이러한 본 발명의 변형예에 의하면, 설치 장소의 풍량과 풍속에 따라 블레이드장치의 전후방향 폭과 높이를 조절하여 설계할 수 있으며, 또한 고 토크형 발전장치를 구현할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 블레이드장치의 또 다른 변형예를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 블레이드장치(10)는 지역적인 풍속 및 풍향 특성에 따라 도 6a와 같은 상부의 폭이 좁고 하부의 폭이 상대적으로 넓은 상협하광 구조로 하거나, 도 6b와 같은 상부의 폭이 넓고 하부의 폭이 상대적으로 좁은 상광하협 구조로 구성할 수 있다.

도 6a의 상협하광 구조의 블레이드장치는 하부 고밀도 풍속 지역에 적용하여 효율적인 전력을 생산할 수 있으며, 도 6b의 상광하협 구조의 블레이드장치는 상부 고밀도 풍속 지역에 적용하여 보다 효율적인 전력을 생산할 수 있다.

도 7은 본 발명에 의한 풍력 발전장치의 구동 제어 블럭도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 풍력 발전장치는 풍속을 감지하기 위한 센서(110), 풍향을 감지하기 위한 센서(120)를 구비하며, 제어부(100)는 상기 풍속감지센서(110) 및 풍향감지센서(120)로부터 바람의 유속 및 방향에 대한 데이터를 수신하여 유동날개 구동부(130) 및/또는 가이드날개 구동부(140)를 제어함과 아울러 기계실 바퀴 구동부(150)도 제어한다. 또한, 상기 제어부(100)는 발전장치의 시동을 위한 시동모터 구동부(160)도 제어한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 풍력 발전장치는, 비교적 저속으로 운전되는 블레이드장치의 요동 운동을 회전 운동으로 변환하여 전력을 생산하기 때문에, 소음이 거의 없고, 새나 비행기 등과 같은 비행체가 충돌할 우려도 거의 없다.

한편, 이상의 설명에서는 풍력을 이용하여 블레이드장치를 요동 운동시키는 구조의 발전장치에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 요부인 요동형 블레이드장치는 상술한 풍력뿐만 아니라 흐르는 물(이하, '수력'이라 함)의 유속에 의해서도 요동 운동될 수 있으며, 도 8에는 그러한 수력을 이용한 발전장치가 개략적으로 도시되어 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 일정 깊이와 폭을 갖는 강 등과 같은 물 속에는 앞서 설명한 바와 같은 동일 구조의 블레이드장치(210)가 물의 흐름에 따라 좌우방향으로 소정각도 요동 운동하도록 설치되어 있다.

그리고, 상기 블레이드장치(210)의 요동 운동을 회전 운동으로 변환시키기 위한 동력변환수단(220), 변환된 회전 동력을 변속시키기 위한 기어박스 및 상기 기어박스에 연결되어 전력을 생산하는 발전기는 기계실(230)에 수용되어 있다. 상기 기계실(230)은 물 위에 떠 내려가지 않도록 지지되어 있다.

상기 기계실(230)은 대형으로 구성하여 이 기계실(230)의 하부에 다수의 블레이드장치를 물의 흐름에 의해 요동 운동하도록 설치하고, 각 블레이드장치의 요동 운동을 회전 운동으로 변환시키는 다수의 동력변환수단과 기어박스 및 발전기 등을 상기 기계실(230)에 수용시켜서, 매우 넓은 면적의 공간을 강이나 바다에 마련할 수 있다.

상기 공간에는 스포츠 시설이나 공연장, 전시장, 극장 등을 만들 수 있으며, 상기와 같은 시설을 운영하는데 소요되는 전력을 수력 발전장치를 이용하여 자체 발전하여 공급할 수 있다.

이상에서, 본 발명은 예시적인 방법으로 설명되었다. 여기서 사용된 용어들은 설명을 위한 것일 뿐 한정의 의미로 이해되어서는 안될 것이다. 상기 내용에 따라 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 특허청구범위 내에서 자유로이 실행될 수 있을 것이다.

10;블레이드장치 11;고정날개
13,13';유동날개 15;가이드날개
20;동력변환수단 21,21';커넥팅로드
22,22';크랭크 암 23,23';크랭크 축
24,24';플라이휘일 30;기계실
31,31';기계실의 바퀴 40;시동모터
50,50';기어박스 60,60';발전기
100;제어부 110;풍속감지센서
120;풍향감지센서 130;유동날개 구동부
140;가이드날개 구동부 150;기계실 바퀴 구동부
160;시동모터 구동부 H1,H2;힌지

Claims

풍력에 의해 힌지를 중심으로 요동 운동하는 하나 이상의 블레이드장치;
상기 블레이드장치의 요동 운동을 회전 운동으로 변환하는 동력변환수단;
상기 동력변환수단에 의해 변환된 회전 동력을 변속하는 기어박스; 및
상기 기어박스에 연결된 발전기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
제1항에 있어서, 상기 블레이드장치는,
지하 또는 지상에 위치된 상기 힌지를 중심으로 좌우 요동 운동하는 고정날개;
상기 고정날개의 좌우 요동 운동을 위한 양력을 발생시키도록 상기 고정날개의 후방에 소정 각도로 이동하도록 설치된 하나 이상의 유동날개; 및
상기 고정날개의 전방에 소정 각도로 이동하도록 설치된 가이드날개;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 블레이드장치는 둘 이상이 일정간격을 두고 병렬로 연결되어 공통의 힌지를 중심으로 요동 운동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 블레이드장치는 상광하협 또는 상협하광의 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 블레이드장치는 상기 힌지를 포함하는 하부유닛과 상부유닛으로 분리 형성되고, 상기 상,하부유닛이 제2힌지로 연결되어, 상기 하부유닛에 대하여 상부유닛을 블레이드장치의 요동 운동에 수직한 방향으로 회동시켜 접을 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 블레이드장치의 좌우 요동 운동각은 좌우 10°~ 45°인 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
제2항에 있어서, 상기 동력변환수단은,
상기 고정날개에 일단이 연결된 하나 이상의 커넥팅로드;
상기 각 커넥팅로드의 타단과 연결되는 크랭크 암을 구비하는 크랭크 축; 및
상기 크랭크 축에 설치된 플라이휘일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
제2항에 있어서,
상기 동력변환수단, 변속기 및 발전기를 수용하여 지지하는 기계실을 더 구비하고, 상기 기계실은 풍향에 따라 자전 가능하도록 다수의 바퀴를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
제8항에 있어서,
상기 기계실은 지하 또는 지상에 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
제8항에 있어서,
초기 구동을 위하여 동력변환수단을 시동하는 시동모터;
상기 시동모터를 구동시키기 위한 구동부;
상기 유동날개 및 가이드날개를 구동시키기 위한 구동부;
상기 기계실의 바퀴를 구동시키기 위한 구동부;
풍속 감지를 위한 센서;
풍향 감지를 위한 센서; 및
상기 시동모터 구동부를 제어함과 아울러 상기 풍속감지센서 및 상기 풍향감지센서로부터 감시신호를 받아 상기 유동날개 구동부, 가이드날개 구동부 및 기계실 바퀴 구동부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
유체의 흐름에 따라 좌우측의 압력 변화를 유발시켜 요동 운동하는 구조의 블레이드장치로서,
힌지를 중심으로 좌우 요동 운동하는 고정날개;
상기 고정날개의 좌우 요동 운동을 위한 양력을 발생시키도록 상기 고정날개의 후방에 소정 각도로 이동하도록 설치된 하나 이상의 유동날개;
상기 고정날개의 전방에 소정 각도로 회동 가능하게 연결된 가이드날개; 및
상기 유동날개 및 가이드날개를 구동시키는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드장치.
물의 흐름에 따라 요동 운동하는 제11항에 따른 블레이드장치와, 상기 블레이드 장치의 요동 운동을 회전 운동으로 변환하는 동력변환수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.