KR101359977B1

KR101359977B1 - 풍력 발전기

Info

Publication number: KR101359977B1
Application number: KR1020120116342A
Authority: KR
Inventors: 강태준
Original assignee: 강태준
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2014-02-12

Abstract

본 발명은 바람의 에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 풍력 발전기에 관한 것으로, 좀 더 상세하게 설명하면 풍력을 받아 발전기의 회전자를 회전시켜 주는 회전날개에 바람을 맞는 면적을 조절하는 각도 조절수단이 구비되어 있어서 약간의 풍력만으로도 전력 생산이 가능하고, 반대로 아주 강력한 풍력이 발생하여도 상기 회전자에 과부하가 걸리지 않으며, 특히 차량의 주행시에 발생하는 맞바람을 풍력으로 이용함으로써 전기자동차의 배터리 보조용으로 사용하기에 적합하도록 구성된 풍력 발전기에 관한 것이다.

Description

풍력 발전기{WIND POWER GENERATOR}

잘 알려진 바와 같이 발전기(generator)는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 회전자(rotor)와 고정자(stator) 사이의 상대적 회전운동에 의해서 전기를 발생시킨다. 그리고 풍력 발전기는 바람의 힘으로 날개를 회전시키고 이때 생긴 날개의 회전력으로 발전기의 회전자를 회전시킨다.

한편, 석유 자원의 남용으로 인한 에너지 고갈과 자동차 매연으로 인한 환경오염이 심각한 사회적 문제로 대두되면서 전기자동차에 대한 관심과 수요가 크게 증가하고 있다. 그러나 종래의 전기자동차는 배터리(battery)의 충전 용량에 한계가 있어서 1회 충전량으로 가능한 주행거리가 약 300~350Km에 불과하고, 다시 배터리를 충전하는데 4~5시간 이상 소요되는 문제점이 있다.

이러한 기술적 한계를 극복하기 위하여 자동차에 풍력 발전기를 설치하고, 차량을 주행하는 과정에서 발생하는 맞바람, 즉 차량 주행풍을 이용하여 전기를 생산하려는 노력들이 시도되고 있다. 예컨대 국내 특허공개 제10-2007-0038588호(공개일자 2007년 04월 11일) 및 특허공개 제10-2011-0049646호(공개일자 2011년 05월 12일)에는 풍력 발전기가 설치된 자동차가 수록되어 있다.

이 중에서 특허공개 제10-2007-0038588호에 소개된 풍력 발전기를 소개하면, 차체의 내부에 전방으로부터 후방으로 덕트를 형성하고, 상기 덕트 내부에 앞날개와 뒷날개가 서로 반대방향으로 회전하는 풍력 발전기를 설치함으로써, 차량 주행풍을 이용하여 상기 풍력 발전기를 가동하고, 상기 풍력 발전기에서 생산되는 전기를 전기자동차의 배터리 모듈에 공급하도록 구성되어 있다.

그리고 상기 풍력 발전기에서는 차량이 고속으로 주행할 경우 회전날개에 과부하가 걸리거나 배터리가 과충전되는 문제점을 해결하기 위하여 상기 덕트의 입구에 원도우를 설치하고, 차량의 주행속도에 따라 액튜에이터를 통해 상기 윈도우를 상승 또는 하강시켜서 상기 회전날개로 공급되는 공기량을 조절해 주고 있다.

그러나 상기 풍력 발전기는 회전날개가 프로펠러(propeller)형으로 구성되어 있어서 저속 주행시에도 발전에 필요한 최소한의 회전력을 얻기 위해서는 상기 회전날개가 상당한 정도의 크기를 가져야 하고, 이처럼 회전날개의 크기가 확대되면 결국 풍력 발전기 자체의 크기도 확대되기 때문에 이를 차량 내부에 설치하는 데는 구조적으로 여러 가지 어려움이 발생한다.

특허공개 제10-2007-0038588호(공개일자 2007년 04월 11일) 특허공개 제10-2011-0049646호(공개일자 2011년 05월 12일)

이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 차량 내부에 설치하여 차량 주행풍으로 발전함으로써 전기자동차의 배터리 보조용으로 사용하기에 적합하도록 구성된 풍력 발전기를 제공하는 것이다.

또는 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 아주 강력한 풍력이 발생하더라도 발전기의 회전자에 과부하가 걸리지 않도록 회전날개의 각도를 조절해 주는 수단이 구비되어 있는 풍력 발전기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 풍력 발전기는 중심축(A) 상에 설치된 고정자(stator)와, 상기 고정자를 둘러싸고 회전하는 회전자(rotor), 그리고 풍력에 의해 상기 회전자를 회전시켜 주는 다수개의 회전날개, 상기 회전자의 회전속도에 따라 상기 회전날개의 각도를 조절해 주는 유성기어(planetary gear), 태양기어(sun gear), 회전판, 원심추(centrifugal pendulum) 및 상기 태양기어와 원심추를 연결하는 연결수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 회전자는 상기 고정자를 둘러싸고 회전하는 원통체와, 상기 원통체의 양변에 각각 형성된 플랜지(flange)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 회전날개는 상기 회전자의 원통체 주변에 길이방향으로 나란히 배치되는 날개부와, 상기 날개부의 양단에 절곡 형성된 브라켓과, 상기 브라켓을 상기 플랜지의 테두리 부위에 일정한 간격으로 축 고정하는 핀축과, 상기 핀축에 설치되어 상기 날개부의 각도가 열리는 방향으로 탄성이 작용하는 토션스프링(torsion spring)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 유성기어는 상기 회전날개의 브라켓에 각각 부착되어 상기 핀축을 중심으로 각 회전날개를 회전시켜 주고, 상기 태양기어는 상기 중심축(A) 상에 회전 가능하게 설치되어 상기 유성기어들과 기어결합 되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 회전판은 상기 회전자의 프랜지 측면에 설치되어 상기 회전자와 함께 회전하는 것으로, 상기 중심축(A)에서 반지름 방향으로 확장되는 이동통로가 형성되어 있고, 상기 원심추는 상기 이동통로에 설치되어 상기 회전판의 회전속도가 증가하면 원심력에 의해 중심축(A)에서 멀어지는 방향으로 이동하고, 회전속도가 감소하면 인장스프링(extension spring)에 의해 중심축(A) 쪽으로 이동하는 것을 특징으로 한다.

마지막으로 상기 연결수단은 상기 태양기어와 원심추를 서로 연결하여 상기 원심추가 중심축(A)에서 멀어지는 방향으로 이동하면 상기 날개부의 각도가 닫히는 방향으로 상기 태양기어를 회전시켜 주도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 풍력 발전기는 회전자 주변에 길이 방향으로 다수개의 회전날개가 구비되어 있고, 상기 회전자의 회전속도에 따라 상기 회전날개의 각도를 조절해 주는 수단이 구비되어 있어서, 미세한 풍력에도 발전이 가능하고 반대로 아주 강력한 풍력이 발생하더라도 발전기의 회전자에 과부하가 걸리지 않는 효과가 있다.

또한 상기 풍력 발전기는 전체적인 구조가 간소하고 모듈(module)화 되어 있어서, 특히 전기자동차 내부에 장착하여 배터리 보조용으로 사용하기에 매우 적합한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 풍력 발전기에 대한 분리 사시도,
도 2는 본 발명의 풍력 발전기에 대한 단면도,
도 3은 회전판(60)과 원심추(70)의 구조를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 이용하여 본 발명을 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명에 대해서는 종래 기술과 상관없이 독자적인 명칭과 도면부호를 부여하며, 종래 기술로부터 자명한 구성이나, 본 발명의 특징과 무관한 구성에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 풍력 발전기는 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 중심축(A) 상에 설치된 고정자(10) 및 회전자(20)와, 회전날개(30), 유성기어(40), 태양기어(50), 회전판(60), 원심추(70) 및 연결수단을 포함하여 이루어진다.

먼저 상기 고정자(10) 및 회전자(20)는 통상적인 발전기의 고정자 및 회전자와 동일한 기능을 하는 것으로, 예컨대 이들 중 하나는 자기장을 형성하는 자석이고, 다른 하나는 기전력을 발생시키는 도체이다. 상기 회전자(20)가 고정자(10) 주위를 회전하면 전자기 유도 작용(電磁氣誘導作用)에 의해 전류가 발생한다.

상기 회전자(20)는 상기 고정자(10)를 둘러싸고 회전하는 원통체(21)와, 상기 원통체(21)의 양변에 각각 형성된 플랜지(22)로 이루어진다.

다음으로 회전날개(30)는 풍력에 의해 상기 회전자(20)를 회전시키는 기능을 하는 것으로, 날개부(31)와 브라켓(32), 핀축(33) 및 토션스프링(34)으로 구성된다. 도 1을 참조하면, 상기 날개부(31)는 상기 회전자(20)의 원통체(21) 주변에 길이방향으로 나란히 배치되고, 상기 날개부(31)의 좌우 양단에는 각각 직각으로 절곡된 브라켓(32)이 형성되어 있다. 또한, 상기 브라켓(32)은 핀축(33)에 의해서 상기 회전자(20)의 양쪽 플랜지(22) 테두리에 일정한 간격으로 축고정 되어 있고, 상기 핀축(33)에는 각각 상기 날개부(31)의 각도가 열리는 방향으로 탄성이 작용하는 토션스프링(34)이 설치되어 있다. 따라서, 상기 회전자(20)가 정지된 상태에서는 상기 토션스프링(34)에 항상 상기 날개부(31)가 완전히 열린 상태를 유지한다.

상기 회전날개(30)는 각각 상기 핀축(33)을 중심으로 회전하면서 날개부(31)의 각도가 열리거나 닫힌다. 이때, 상기 원통체(21)의 원주면(圓柱面)과 날개부(31) 사이의 각도가 서로 벌어지는 상태를 ‘열린다’고 표현하고, 반대로 상기 각도가 좁아져서 상기 날개부(31)가 상기 원통체(21)의 원주면에 밀착되는 상태를 ‘닫힌다’고 표현한다. 상기 날개부(31)의 각도가 열리면 바람을 맞는 면적이 증가하여 상기 회전자(20)에 대한 회전력이 증가하고, 반대로 날개부(31)의 각도가 닫히면 바람을 맞는 면적이 감소하여 상기 회전자(20)에 대한 회전력이 감소한다.

본 발명에서 상기 회전날개(30)의 날개부(31)는 상기 원통체(21)의 원주면(圓柱面)과 같은 곡률(curvature)을 갖는 원호 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그래서, 상기 날개부(31)가 완전히 열리면 그 후단부(31a)만 상기 원통체(21)표면에 밀착되고, 상기 날개부(31)가 완전히 닫히면 날개부(31) 전체가 상기 원통체(21) 표면에 밀착된다.

이와 같이, 상기 날개부(31)가 완전히 열려서 그 후단부(31a)만 원통체(21)의 표면에 밀착되면, 날개부(31)와 원통체(21) 사이가 밀폐되어 풍력의 손실을 최대한 방지하기 때문에 아주 미세한 풍력에도 회전자(20)가 회전한다. 그러나, 상기 날개부(31)가 완전히 닫혀서 날개부(31) 전체가 원통체(21) 표면에 완전히 밀착되면, 아무리 강력한 풍력이 발생하여도 회전자(20)가 전혀 회전하지 않는다.

상기 회전날개(30)의 개수는 특별한 제한은 없으나, 3~8개 설치하는 것이 가장 효율적이다.

다음으로 상기 유성기어(40)는 상기 회전날개(30)의 브라켓(32)에 각각 부착되어 상기 핀축(33)을 중심으로 회전하면서 각 회전날개(30)를 회전시켜 주는 기능을 한다. 즉, 상기 유성기어(40)가 회전하면 브라켓(32)과 함께 회전날개(30)가 회전하고, 회전날개(30)가 회전하면 날개부(31)의 각도가 열리거나 닫힌다. 상기 유성기어(40)는 상기 회전자(20)의 플랜지(22) 테두리 부위를 따라 하나의 원주 상에 둥글게 배치된다. 상기 유성기어(40)의 개수는 당연히 상기 회전날개(30)의 개수와 동일하다.

상기 태양기어(50)는 중심축(A) 상에 회전 가능하게 설치되어 상기 유성기어(40)들과 기어결합 되어 있다. 그래서, 상기 태양기어(50)가 회전하면, 상기 유성기어(40)들도 모두 같이 회전한다.

상기 회전판(60)은 상기 회전자(20)의 플랜지(22) 측면에 설치되어 상기 회전자(20)와 함께 회전하는 것으로, 상기 중심축(A)에서 반지름 방향으로 확장되는 이동통로가 형성되어 있다.

도 3에서 보는 바와 같이, 상기 이동통로에는 원심추(70)가 슬라이딩 가능하게 설치되어 있다. 그래서상기 회전판(60)의 회전속도가 증가하면 상기 원심추(70)는 원심력에 의해 중심축(A)에서 멀어지는 방향으로 이동하고, 회전속도가 감소하면 인장스프링(71)에 의해서 중심축(A) 쪽으로 이동하도록 구성되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 회전판(60)에 설치된 이동통로는 중심축(A)에서 반지름 방향으로 확장되어 있는 이동슬롯(61)이고, 상기 원심추(70)의 양변에는 상기 이동슬롯(61)의 양변이 삽입되는 안내홈(72)이 설치되어 있다. 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한, 상기 이동통로와 원심추(70)의 형상은 특별한 제한은 없다. 예컨대 상기 이동통로를 봉 형상이나 레일 형상으로 구성하고, 상기 원심추(70)를 이에 대응하는 형상으로 구성해도 무방하다. 단, 상기 원심추(70)의 재질은 중량물을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 이동통로와 원심추(70)의 개수는 방사형으로 2~4개, 특히 3개인 것이 바람직하다. 그리고, 상기 유성기어(40)와 태양기어(50), 회전판(60) 및 원심추(70)는 상기 회전자(20)의 좌우 양쪽에 설치될 수도 있고, 한쪽에만 설치할 수도 있다.

마지막으로 상기 연결수단은 상기 태양기어(50)와 원심추(70)를 서로 연결하여 상기 원심추(70)가 원심력에 의해서 중심축(A)에서 멀어지는 방향으로 이동하면 상기 날개부(31)의 각도가 닫히는 방향으로 상기 태양기어(50)를 회전시켜 주는 기능을 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 연결수단은 상기 태양기어(50)와 원심추(70) 사이에 연결된 와이어(80)와, 상기 회전판(60)에 설치된 제1 롤러(62) 및 제2 롤러(63)로 구성된다. 상기 제1 롤러(62) 및 제2 롤러(63)는 상기 와이어(80)의 방향을 전환시켜주는 기능을 한다. 본 발명에서는 상기 와이어(80) 대신에 체인이나 로프 등 다른 연결수단을 사용할 수도 있다.

이하, 본 발명의 풍력 발전기에 대한 작동 원리를 설명한다. 상기 회전자(20)가 정지된 상태에서는 토션스프링(34)에 의해서 회전날개(30)의 날개부(31)가 완전히 열려 있다. 이 상태에서는 상기 날개부(31)의 후단부(31a)가 회전자(20)의 원통체(21) 표면에 밀착되어 있고, 따라서 풍력의 손실이 거의 없기 때문에 약간의 바람만 있어도 회전자(20)가 회전하기 시작한다. 이때, 상기 회전자(20)의 플랜지(22) 측면에 부착된 회전판(60)도 같이 회전한다.

상기 회전자(20)의 회전속도가 일정 속도 이상으로 증가하면, 상기 회전판(60)의 회전속도도 같이 증가하면서 그 원심력에 의해서 원심추(70)가 이동슬롯(61)을 따라 중심축(A)에서 멀어지는 방향으로 이동하게 된다.

이렇게 되면, 상기 원심추(70)가 와이어(80)를 잡아당기게 되고, 그 장력이 제1 롤러(62) 및 제2 롤러(63)를 통해서 상기 태양기어(50)를 회전시킨다. 상기 태양기어(50)가 회전하면, 여기에 기어 결합되어 있는 유성기어(40)들도 같이 회전하고, 상기 유성기어(40)가 회전하면 상기 회전날개(30)도 같이 회전하면서 날개부(31)의 각도가 닫히게 된다.

이렇게 하여 날개부(31)의 각도가 닫히면, 바람을 맞는 면적이 감소하여 상기 회전자(20)의 회전속도가 늦어진다. 따라서 비정상적으로 강력한 풍력이 발생하여도 본 발명의 풍력 발전기에는 과부하가 걸리지 않는다.

한편, 상기 회전자(20)의 회전속도가 감소하면, 상기 회전판(60)의 회전속도도 같이 감소하면서 원심추(70)에 미치는 원심력도 감소하고, 이렇게 되면 인장스프링(71)에 의해서 상기 원심추(70)가 이동슬롯(61)을 따라 중심축(A) 쪽으로 이동한다. 동시에 상기 와이어(80)가 태양기어(50)를 잡아당기는 힘이 해제되고, 상기 회전날개(30)는 토션스프링(34)에 의해서 날개부(31)의 각도가 열리는 방향으로 회전한다.

이렇게 하여 날개부(31)의 각도가 열리면, 바람을 맞는 면적이 증가하여 다시 회전자(20)의 회전속도가 빨라진다. 따라서 상기 풍력발전기를 자동차에 장착할 경우, 자동차의 주행 속도에 상관없이 어느 정도의 범위 내에서 거의 일정한 전력량을 생산할 수 있다. 이때, 상기 풍력발전기의 전면, 예컨대 자동차 엔진룸의 그릴 후방에는 차량의 주행풍을 상기 풍력발전기 쪽으로 유도하는 풍력 유도판을 설치할 수 있다.

이상 바람직한 실시예에 근거하여 본 발명의 풍력 발전기를 설명하였으나, 상기 실시예로 인해서 본 발명의 권리범위가 제한되는 것이 아니다. 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 일부 구성에 대하여 적당한 설계 변경을 실시할 수도 있을 것이다. 그렇지만, 이러한 설계변경으로 인해 본 발명에서 전혀 예기치 못한 작용효과가 나타나지 않는 한, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 못할 것이다. 그리고 본 발명의 풍력 발전기는 전기자동차 내부에 설치하여 메인 배터리의 보조용으로 사용하기에 매우 적합하지만, 그 용도가 반드시 전기자동차용으로 제한되는 것은 아니다.

10; 고정자(stator) 20; 회전자(rotor)
21; 원통체 22; 플랜지(flange)
30; 회전날개 31; 날개부
32; 브라켓(bracket) 33; 핀축
34; 토션스프링(torsion spring) 40; 유성기어(planetary gear)
50; 태양기어(sun gear) 60; 회전판
61; 이동슬롯(sliding slot) 62,63; 롤러(roller)
70; 원심추(centrifugal pendulum) 71; 인장스프링(extension spring)
72; 안내홈 80; 와이어(wire)

Claims

중심축(A) 상에 설치된 고정자(10)와;
상기 고정자(10)를 둘러싸고 회전하는 원통체(21)와, 상기 원통체(21)의 양변에 각각 형성된 플랜지(22)로 이루어지는 회전자(20)와;
상기 회전자(20)의 원통체(21) 주변에 길이방향으로 나란히 배치되는 날개부(31)와, 상기 날개부(31)의 양단에 절곡 형성된 브라켓(32)과, 상기 브라켓(32)을 상기 플랜지(22)의 테두리 부위에 일정한 간격으로 축 고정하는 핀축(33)과, 상기 핀축(33)에 설치되어 상기 날개부(31)의 각도가 열리는 방향으로 탄성이 작용하는 토션스프링(34)으로 이루어진 다수개의 회전날개(30)와;
상기 회전날개(30)의 브라켓(32)에 각각 부착되어 상기 핀축(33)을 중심으로 각 회전날개(30)를 회전시켜 주는 유성기어(40)와;
상기 중심축(A) 상에 회전 가능하게 설치되어 상기 유성기어(40)들과 기어결합 되어 있는 태양기어(50)와;
상기 회전자(20)의 플랜지(22) 측면에 설치되어 상기 회전자(20)와 함께 회전하는 것으로, 상기 중심축(A)에서 반지름 방향으로 확장되는 이동통로가 형성되어 있는 회전판(60)과;
상기 이동통로에 설치되어 상기 회전판(60)의 회전속도가 증가하면 원심력에 의해 중심축(A)에서 멀어지는 방향으로 이동하고, 회전속도가 감소하면 인장스프링(71)에 의해 중심축(A) 쪽으로 이동하는 원심추(70)와;
상기 태양기어(50)와 원심추(70)를 서로 연결하여 상기 원심추(70)가 중심축(A)에서 멀어지는 방향으로 이동하면 상기 날개부(31)의 각도가 닫히는 방향으로 상기 태양기어(50)를 회전시켜 주는 연결수단; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기
제1항에 있어서, 상기 회전날개(30)의 날개부(31)는 상기 원통체(21)의 원주면(圓柱面)과 같은 곡률(curvature)을 갖는 원호 형상으로 이루어지며, 상기 날개부(31)의 각도가 완전히 열리면 그 후단부(31a)가 상기 원통체(21)의 표면에 밀착되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기
제1항에 있어서, 상기 회전판(60)의 이동통로는 중심축(A)에서 반지름 방향으로 확장되어 있는 이동슬롯(61)이고, 상기 원심추(70)의 양변에는 상기 이동슬롯(61)의 양변이 삽입되는 안내홈(72)이 설치된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기
제1항에 있어서, 상기 연결수단은 상기 태양기어(50)와 원심추(70)를 연결하는 와이어(80)와, 상기 회전판(60)에 설치되어 상기 와이어(80)의 방향을 전환시켜 주는 제1 롤러(62) 및 제2 롤러(63)로 구성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기