KR101381246B1 - 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치 - Google Patents

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Abstract

터널 또는 지하차도의 풍력발전장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치는, 터널 또는 지하차도에 마련되어 전력을 생산하는 풍력발전장치로서, 상기 터널 또는 지하차도의 양측 사이드 내벽으로부터 이격되게 마련되며, 일측에는 차량 주행풍 및 자연풍과 같은 외기가 유입 가능하도록 복수의 유입구가 마련되며 타측에는 내부로 유입된 외기의 배출을 위해 복수의 배출구가 마련되는 하우징; 및 상기 하우징 내에 서로 이격되게 복수로 배치되며 상기 유입구를 통해 유입된 상기 외기에 의해 회전 가능하되, 상기 유입구의 하부 영역을 통해 상기 하우징 내부로 유입된 상승 기류에 의해서도 회전 가능하도록 상승기류 회전유도부를 구비하는 회전체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 상승기류 회전유도부가 더 마련됨으로 인해, 상승 기류로서 차량 주행풍이나 자연풍이 회전체 측으로 전달되더라도 회전체를 보다 용이하게 회전시켜 발전 효율을 증대시킬 수 있다.

Description

터널 또는 지하차도의 풍력발전장치{WIND POWER GENERATOR FOR A TUNNEL OR UNDERGROUND ROADWAY}
본 발명은, 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 터널 또는 지하차도의 내부 공간에 형성되는 상승 기류에 의해서도 회전체가 용이하게 회전 가능하도록 하여 풍력발전 효율을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 일정 이하의 풍속에서도 회전체가 회전 가능하도록 하는 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치에 관한 것이다.
최근 녹색성장의 기조에서 이산화탄소 발생량이 없는 풍력발전장치의 필요성이 대두되고 있으나 화석연료를 사용하지 않고 효율이 높은 풍력발전장치의 개발은 저조한 실정이다.
우리나라는 산지가 많고 해양에 인접한 지형을 갖추고 있으며 지역별로 풍향과 풍속이 수시로 변화하는 계절풍 및 국지적인 지역풍의 영향을 많이 받고 있다.
현재까지 연구개발된 대부분의 풍력발전장치는 풍향이 일정한 지형에 적합하도록 블레이드가 전면을 향하고 수평축의 회전력을 발전모듈에 전달하는 수평축 방식을 취하고 있다.
그러나 상기 수평축 방식은 블레이드가 한 방향만을 향하므로 풍향이 변할 경우에는 대응하지 못하는 단점이 있으며, 상시 수평축이 중력을 받아 베어링 등 다른 부재의 심한 마모가 유발되어 고장이 일어날 우려가 높다. 상기 수평축 방식의 단점을 보완한 것이 수직축 방식이다.
그러나 종래의 수직축 방식은 많은 부재로 구성되고 복잡한 구조를 가지므로 설계 및 제작과 유지가 곤란하며, 비숙련공의 시공시 소정의 품질을 얻을 수 없는 단점이 있다.
따라서 풍향에 무관하게 발전할 수 있는 수직축 방식의 장점을 살리면서 종래의 수직축 방식의 복잡한 구조를 단순화한 새로운 수직축 방식의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명의 목적은, 터널 또는 지하차도의 내부 공간에 형성되는 상승 기류에 의해서도 회전체가 용이하게 회전 가능하도록 하여 풍력발전 효율을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 일정 이하의 풍속에서도 회전체가 회전 가능하도록 하는 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
상기 목적은, 터널 또는 지하차도에 마련되어 전력을 생산하는 풍력발전장치로서, 상기 터널 또는 지하차도의 양측 사이드 내벽으로부터 이격되게 마련되며, 일측에는 차량 주행풍 및 자연풍과 같은 외기가 유입 가능하도록 복수의 유입구가 마련되며 타측에는 내부로 유입된 외기의 배출을 위해 복수의 배출구가 마련되는 하우징; 및 상기 하우징 내에 서로 이격되게 복수로 배치되며 상기 유입구를 통해 유입된 상기 외기에 의해 회전 가능하되, 상기 유입구의 하부 영역을 통해 상기 하우징 내부로 유입된 상승 기류에 의해서도 회전 가능하도록 상승기류 회전유도부를 구비하는 회전체를 포함하는 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치에 의해서 달성된다.
상기 유입구 근방의 상기 하우징 내벽에는, 상기 유입구를 통해 유입된 상기 외기가 상기 유입구 근방에 배치된 회전체 측으로 이동 가능하도록 하는 가이드가 내측으로 돌출되게 마련될 수 있다.
상기 복수의 유입구 중 어느 하나를 통해 상기 하우징 내부로 유입된 외기가 근방에 배치된 회전체가 아닌 이웃하게 이격 배치된 다른 회전체로 전달되는 것을 방지하도록, 상기 복수의 회전체의 각각의 사이 공간에는 간섭 방지벽이 마련될 수있다.
상기 회전체는, 중심축; 상기 중심축의 하단부터 상단까지 등간격으로 다수 개 설치되되 상부로 갈수록 하부에 설치된 것보다 일정각도로 회전하여 설치되는 복수의 보강리브; 및 판재를 비틀어 꼬인 형상으로 가공되어 상기 보강리브의 전면 또는 후면에 접합되는 두 개의 블레이드를 포함하여 구성되되, 상기 상승기류 회전유도부는, 상기 두 개의 블레이드의 하단부에서 외측 방향으로 벤딩된 형태로 마련될 수 있다.
상기 상승기류 회전유도부와 상기 두 개의 블레이드는 상호 간에 라운드지게 연결될 수 있다.
상기 두 개의 블레이드의 하측에는, 상기 두 개의 블레이드보다 상대적으로 작은 외경을 가지며 상기 상승기류에 의해서도 회전 가능하되 작은 회전력에 의해서도 회전 가능하여 상기 두 개의 블레이드의 회전을 보조하는 회전보조 블레이드가 더 마련될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 상승기류 회전유도부가 더 마련됨으로 인해, 상승 기류로서 차량 주행풍이나 자연풍이 회전체 측으로 전달되더라도 회전체를 보다 용이하게 회전시켜 발전 효율을 증대시킬 수 있다.
둘째, 회전보조 블레이드 및 기어모듈이 더 마련됨으로써 일정 이하의 풍속을 갖는 외기가 전달되더라도 실질적인 발전을 위한 블레이드의 회전이 좀 더 가능하도록 하여 풍력발전 효율을 증대시키게 된다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치가 설치된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치의 하우징 내부를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치의 하우징을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 중앙차선 분리대의 풍력발전장치의 회전체를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 측면도이다.
도 6은 도 4에 회전보조 블레이드와 기어모듈이 추가된 상태를 나타내는 측면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치가 설치된 상태를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치의 하우징 내부를 나타내는 평면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치의 하우징을 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 중앙차선 분리대의 풍력발전장치의 회전체를 나타내는 사시도이며, 도 5는 도 4의 측면도이고, 도 6은 도 4에 회전보조 블레이드와 기어모듈이 추가된 상태를 나타내는 측면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치(이하, '풍력발전장치'라 함)는, 터널 또는 지하차도에 마련되어 전력을 생산하는 풍력발전장치로서, 터널 또는 지하차도의 양측 사이드 내벽으로부터 이격되게 마련되며, 일측에는 차량 주행풍 및 자연풍과 같은 외기가 유입 가능하도록 복수의 유입구(110)가 마련되며 타측에는 내부로 유입된 외기의 배출을 위해 복수의 배출구(120)가 마련되는 하우징(100), 및 하우징(100) 내에 서로 이격되게 복수로 배치되며 유입구(110)를 통해 유입된 외기에 의해 회전 가능하되, 유입구(110)의 하부 영역을 통해 하우징(100) 내부로 유입된 상승 기류에 의해서도 회전 가능하도록 상승기류 회전유도부(350)를 구비하는 회전체(300)를 포함한다.
먼저, 하우징(100)은 내부 수용 공간을 가지며, 일측 및 타측에는 각각 유입구(110) 및 배출구(120)가 마련되고, 상측이 폐쇄된 구조로 이루어진다. 또한, 하우징(100)은 예를 들어 터널의 양측 사이드 영역에 각각 마련되며, 유입구(110)로 유입된 외기가 배출구(120)를 통해 원활하게 배출 가능하도록 터널의 양측 내벽과 일정 거리 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 유입구(110) 근방의 하우징(100) 내벽에는, 유입구(110)를 통해 유입된 외기가 유입구(110) 근방에 배치된 회전체(300) 측으로 이동 가능하도록 하는 가이드(130)가 내측으로 돌출되게 마련된다. 부연하자면, 가이드(130)는 외기의 이동을 가이드해주는 것으로서, 대략 회전체(300)를 향하는 방향으로 경사지게 돌출되며, 이에 따라 외기가 유입구(110)로 유입된 후 보다 효율적으로 근방의 회전체(300)로 이동 가능하게 된다.
본 실시예에서, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 회전체(300)는, 중심축(310), 중심축(310)의 하단부터 상단까지 등간격으로 다수 개 설치되되 상부로 갈수록 하부에 설치된 것보다 일정각도로 회전하여 설치되는 복수의 보강리브(320), 및 판재를 비틀어 꼬인 형상으로 가공되어 보강리브(320)의 전면 또는 후면에 접합되는 두 개의 블레이드(330)를 포함한다. 또한, 중심축(310)의 하부에는 실질적으로 발전을 위한 발전모듈(340)이 마련되며, 이러한 발전모듈(340)은 회전자 및 고정자를 포함하고 회전자에 회전에 의한 고정자와의 상호 교류에 의해 전기를 생성하게 된다.
중심축(310)은 발전모듈(340)에 회전력을 수직으로 전달하기 위하여 강봉의 형태로 수직으로 설치되는 것으로, 고속회전시 진동을 방지하기 위하여 속이 차있는 단조체 강철을 사용하는 것이 바람직하다.
보강리브(320)는 전체적으로 S자 형태로써 중앙의 중심축 관통구멍으로 중심축(310)이 관통되어 중심축(310)의 하단부터 상단까지 등간격으로 다수 개 설치되되 상부로 갈수록 하부에 설치된 것보다 일정각도로 회전하여 다수 개가 설치된다. 중심축(310)에의 설치방법으로는 볼트를 이용하거나 접착제 또는 용접 등의 통상적인 방법을 이용할 수 있다. 보강리브(320)는 블레이드(330)를 구조적으로 지지하는 역할을 하며, 블레이드(330)의 전면에 설치될 경우 바람과의 마찰력을 증대시켜 풍력을 높은 효율로 발전모듈(340)에 전달한다. 보강리브와 교차되어 연결되는 연결리브가 더 마련될 수 있다.
블레이드(330)는 판재를 비틀어 꼬인 형상으로 가공되어 보강리브(320)의 전면 또는 후면에 접합된다. 또한, 블레이드(330)는 중량, 경제성 및 가공성 등을 고려하여 강화유리 또는 친환경 플라스틱 등으로 주물제작하거나 외부 설치 환경을 고려하여 내구성, 내충격성, 내마모성, 내식성 및 내열성이 우수한 유리섬유나 강화플라스틱 등으로 제작하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 지하차로 또는 터널의 양측 차선을 따라 차량이 주행하는 경우 발생하는 차량 주행풍이나 자연풍에 의해 실질적으로 두 개의 블레이드(330)가 회전함으로써 발전모듈(340)로부터 전기가 생성 가능하게 된다.
한편, 차량 주행풍이나 자연풍이 블레이드(330)가 설치된 높이보다 낮은 위치에서 상측으로 부는 경우, 즉, 상승 기류가 하우징(100) 주변으로 형성되는 경우 블레이드(330)의 회전이 용이하지 않게 된다. 즉, 블레이드(330) 자체는 실질적으로 높이에 대해 폭이 동일한 정도로 마련되므로 상승 기류에 대해 쉽게 회전하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.
본 실시예에서는, 이를 해결하기 위해, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상승 기류에 의해서도 복수의 회전체(300)의 회전, 즉 블레이드(330)의 회전이 용이하게 이루어지도록 회전체(300)의 회전을 유도하는 상승기류 회전유도부(350)가 마련된다.
이러한 상승기류 회전유도부(350)는, 두 개의 블레이드(330)의 하단부에서 외측 방향으로 벤딩된 형태로 마련된다. 따라서, 상측기류는 상승기류 회전유도부(350)에 부딪힌 후 중심축(310)을 향해 내측으로 유도된 후 블레이드(330)의 내면에 부딪혀 블레이드(330)가 회전 가능하도록 하게 된다.
한편, 상승기류 회전유도부(350)에 부딪힌 상승 기류가 블레이드(330)를 보다 효율적으로 또는 확실하게 회전시키는 것이 가능하도록, 즉 중심축(310)을 향해 내측으로 보다 효율적으로 유도 가능하도록, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상승기류 회전유도부(350)와 두 개의 블레이드(330)는 상호 간에 라운드지게 연결되는 것이 바람직하다.
부연하자면, 상승기류 회전유도부(350)의 외면 및 내면, 블레이드(330)의 외면 및 내면은 서로 간에 라운드지게 연결된다.
한편, 본 실시예에서는, 상승기류의 세기(즉, 상승기류의 풍속 등)가 일정 수준 이하로 되어 블레이드(330)를 회전시키기에는 일정 이상 미흡한 경우에도 블레이드(330)가 회전 가능하도록 하는 수단이 더 마련된다.
구체적으로, 도 6에 도시한 바와 같이, 두 개의 블레이드(330)의 하측에는 회전보조 블레이드(360)가 더 마련된다.
회전보조 블레이드(360)는, 두 개의 블레이드(330)보다 상대적으로 작은 외경을 가지며 상승기류에 의해서도 회전 가능하되, 작은 회전력에 의해서도 회전 가능하여 두 개의 블레이드(330)의 회전을 보조하게 된다. 한편, 블레이드(330)와 회전보조 블레이드(360)의 사이 영역에는 토오 증대를 위한 별도의 기어모듈(370)이 더 마련될 수 있다. 이러한 기어모듈(370)에는 복수의 기어가 배치되어 있으며, 구동 기어와 최종 종속 기어 사이의 회전수 변환 등을 통해 토오크 비가 산출되는 것은 공지의 사실이므로 이하 자세한 설명은 생략한다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 복수의 유입구(110) 중 어느 하나를 통해 하우징(100) 내부로 유입된 외기가 근방에 배치된 회전체(300)가 아닌 이웃하게 이격 배치된 다른 회전체(300)로 전달되는 것을 방지하도록, 부연하자면 복수의 유입구(110)를 통해 유입된 외기가 서로 간에 부딪혀 회전체(300)를 충분히 회전시키지 못하고 상쇄되는 것을 방지하도록, 복수의 회전체(300)의 각각의 사이 공간에는 간섭 방지벽(210)이 마련된다.
이러한 간섭 방지벽(210)은, 어느 하나의 회전체(300)로 전달된 외기가 전달 대상체인 회전체(300)를 충분히 회전시키지 못하고 이웃하는 다른 회전체(300) 측으로 전달되어 풍량 및 풍속 에너지가 분산되는 것을 방지하기 위함이다.
본 실시예에서, 간섭 방지벽(210)은 전술한 외기 공급 가이드(130)와 동일하게 라운드지게 형성되는 것이 바람직하며, 이에 따라 바람이 회전체(300)를 회전시키지 못하고 외측으로 배기되는 것을 최대한 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 이웃하는 회전체(300) 들을 최대한 균일한 속도 등으로 회전시켜 풍량발전의 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 간섭 방지벽(210)은 유입구(110)를 통해 유입된 후 회전체(300)를 회전시킨 외기가 배출구(120)를 통해 용이하면서도 원활하게 배출 가능하도록 경로를 제공하게 된다.
정리하자면, 본 실시예는, 상승기류 회전유도부(350)가 더 마련됨으로 인해, 상승 기류로서 차량 주행풍이나 자연풍이 회전체(300) 측으로 전달되더라도 회전체(300)를 보다 용이하게 회전시켜 발전 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 회전보조 블레이드(360) 및 기어모듈(370)이 더 마련됨으로써 일정 이하의 풍속을 갖는 외기가 전달되더라도 실질적인 발전을 위한 블레이드(330)의 회전이 좀 더 가능하도록 하여 풍력발전 효율을 증대시키게 된다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 하우징 130: 가이드
210: 간섭 방지벽 300: 회전체
320: 보강리브 330: 블레이드
340: 발전모듈 350: 상승기류 회전유도부
360: 회전보조 블레이드 370: 기어모듈

Claims (6)

  1. 터널 또는 지하차도에 마련되어 전력을 생산하는 풍력발전장치로서,
    상기 터널 또는 지하차도의 양측 사이드 내벽으로부터 이격되게 마련되며, 일측에는 차량 주행풍 및 자연풍과 같은 외기가 유입 가능하도록 복수의 유입구가 마련되며 타측에는 내부로 유입된 외기의 배출을 위해 복수의 배출구가 마련되는 하우징;
    상기 하우징 내에 서로 이격되게 복수로 배치되며 상기 유입구를 통해 유입된 상기 외기에 의해 회전 가능하되, 상기 유입구의 하부 영역을 통해 상기 하우징 내부로 유입된 상승 기류에 의해서도 회전 가능하도록 상승기류 회전유도부를 구비하는 회전체; 및
    회전보조 블레이드를 포함하며,
    상기 회전체는,
    중심축;
    상기 중심축의 하단부터 상단까지 등간격으로 다수 개 설치되되 상부로 갈수록 하부에 설치된 것보다 일정각도로 회전하여 설치되는 복수의 보강리브; 및
    판재를 비틀어 꼬인 형상으로 가공되어 상기 보강리브의 전면 또는 후면에 접합되는 두 개의 블레이드를 포함하여 구성되되,
    상기 상승기류 회전유도부는, 상기 두 개의 블레이드의 하단부에서 외측 방향으로 벤딩된 형태로 마련되며,
    상기 상승기류 회전유도부와 상기 두 개의 블레이드는 상호 간에 라운드지게 연결되며,
    상기 회전보조 블레이드는 상기 두 개의 블레이드의 하측에 상기 두 개의 블레이드와 기어모듈을 통해 연결되고, 상기 두 개의 블레이드보다 상대적으로 작은 외경을 가지며 상기 상승기류에 의해서도 회전 가능하되 작은 회전력에 의해서도 회전 가능하여 상기 두 개의 블레이드의 회전을 보조하는 것을 특징으로 하는 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입구 근방의 상기 하우징 내벽에는, 상기 유입구를 통해 유입된 상기 외기가 상기 유입구 근방에 배치된 회전체 측으로 이동 가능하도록 하는 가이드가 내측으로 돌출되게 마련되는 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 유입구 중 어느 하나를 통해 상기 하우징 내부로 유입된 외기가 근방에 배치된 회전체가 아닌 이웃하게 이격 배치된 다른 회전체로 전달되는 것을 방지하도록, 상기 복수의 회전체의 각각의 사이 공간에는 간섭 방지벽이 마련되는 터널 또는 지하차도의 풍력발전장치.
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