KR101409391B1 - 회전익 가변형 풍력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력에 의하여 회전하는 회전익(10)과 발전기(50)를 연결하여 전력을 생산하는 수직축형 풍력 발전장치에 관한 것으로, 내부에 개구부(11)가 절개되고 외측왕복판(13) 및 내측왕복판(14)이 종방향으로 이동 가능하도록 개구부(11)에 결합되어, 개구부(11)의 개도(開度)를 조절할 수 있는 다수의 회전익(10)이 회전축(20) 상단에 방사상(放射狀)으로 설치되고, 회전축(20)의 하단에는 발전기(50)가 연결되는 풍력 발전장치이다.
본 발명을 통하여 수직축형 풍력 발전장치 회전익(10)의 풍력작용 면적을 자유롭게 조절할 수 있으며, 이로써 발전량의 조절이 가능할 뿐 아니라, 태풍 등 강풍 발생시 회전익(10)의 과도한 회전 및 진동을 억제하여 풍력 발전장치의 손상을 방지할 수 있다.

Description

회전익 가변형 풍력 발전장치{VARIABLE BLADE TYPE WIND POWER GENERATION APPARATUS}

본 발명은 풍력에 의하여 회전하는 회전익(10)과 발전기(50)를 연결하여 전력을 생산하는 수직축형 풍력 발전장치에 관한 것으로, 내부에 개구부(11)가 절개되고 외측왕복판(13) 및 내측왕복판(14)이 종방향으로 이동 가능하도록 개구부(11)에 결합되어, 개구부(11)의 개도(開度)를 조절할 수 있는 다수의 회전익(10)이 회전축(20) 상단에 방사상(放射狀)으로 설치되고, 회전축(20)의 하단에는 발전기(50)가 연결되는 풍력 발전장치이다.

화석연료 기반 산업구조로 인한 환경오염 및 지구온난화 등의 문제를 해결하기 위한 대안으로서, 자연상태에서 만들어지는 청정 에너지인 신재생에너지에 대한 관심 및 수요가 증가하고 있다.

풍력에너지는 대표적인 신재생에너지로서, 풍력에너지에 의한 발전을 수행하는 풍력발전설비는 도 1에서와 같이, 통상 탑형(塔形) 구조물의 상단에 프로펠러형 풍차(61), 변속기 및 발전기가 일체화된 발전모듈(62)이 탑재되며 풍차(61)의 회전축(20)이 수평 상태로 설치된다.

종래의 수평축형 풍력발전장치는 전체적인 구조가 복잡할 뿐 아니라, 발전모듈(62)의 후미에 별도의 꼬리날개를 설치하거나 예비전력을 이용한 인위적인 조작을 통하여 하여 발전모듈(62)의 방향을 풍향에 일치시켜야 하는 문제점이 있다.

따라서 초기 기동에 불필요한 전력이 소요되거나 미세한 바람에는 발전장치의 가동이 불가능할 뿐 아니라 발전효율 또한 낮은 문제점이 있다.

특히, 발전기 및 변속기 등 육중한 장치를 탑형 구조물의 상단에 설치하여야 하므로, 고강도 대형 구조물이 필요하고 막대한 제작비용이 소요되는 심각한 문제점이 있다.

이에 도 2에서와 같이 회전익(10)의 회전축(20)을 수직으로 구성하고 발전관련 설비를 지상에 설치할 수 있는 수직축형 풍력발전장치가 개발되었으나, 상대적으로 넓은 면적의 고정 회전익(10)으로 인하여 태풍 등 강풍 발생시 과도한 풍하중이 작용하는 문제점이 있다.

수직축형 풍력발전장치의 회전익(10)에 태풍 등으로 인한 과도한 풍력이 작용하면 회전익(10)이 격렬한 회전 및 진동 현상을 나타내게 되며, 결국 회전익(10) 및 회전축(20)은 물론 부속 구조물에 심각한 손상이 발생된다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 수직방향의 회전축(20) 상단에는 다수의 회전익(10)이 방사상(放射狀)으로 설치되되, 회전익(10)은 수직방향의 단면을 가지며, 회전익(10)의 내부에는 장방형 개구부(11)가 형성되고 개구부(11)의 상, 하단에는 유도홈(12)이 형성되며, 회전익(10)의 개구부(11)에는 외측왕복판(13) 및 내측왕복판(14)이 결합되되, 외측왕복판(13) 및 내측왕복판(14)의 상단 및 하단은 상기 유도홈(12)에 활동가능하도록 결합되고, 외측왕복판(13)의 회전축(20)측 단부와 내측왕복판(14)의 외곽측 단부는 중첩되되, 외측왕복판(13)의 외곽측 단부 및 회전축(20)측 단부에는 각각 전방걸림턱(15a) 및 후방걸림턱(16)이 형성되며, 내측왕복판(14)의 외곽측 단부에는 전방걸림턱(15b)이 형성되고, 회전익(10)의 회전축(20)측 단부에는 회전익(10)과 평행한 나선축(18)이 연결된 구동모터(19)가 설치되며, 외측왕복판(13)에는 상기 나선축(18)에 결합되는 이송너트(17)가 부착되어, 나선축(18)이 회전함에 따라 이송너트(17) 및 외측왕복판(13)이 이동하고, 외측왕복판(13)이 이동함에 따라 내측왕복판(14)이 동반 이동함을 특징으로 하는 회전익 가변형 풍력 발전장치이다.

본 발명을 통하여 수직축형 풍력 발전장치 회전익(10)의 풍력작용 면적을 자유롭게 조절할 수 있으며, 이로써 발전량의 조절이 가능할 뿐 아니라, 태풍 등 강풍 발생시 회전익(10)의 과도한 회전 및 진동을 억제하여 풍력 발전장치의 손상을 방지할 수 있다.

도 1은 종래의 수평축형 풍력 발전장치 예시도
도 2는 종래의 수직축형 풍력 발전장치 예시도
도 3은 본 발명의 사시도
도 4는 본 발명의 요부 발췌 사시도
도 5는 본 발명의 회전익 발췌 사시도
도 6은 본 발명의 회전익 및 왕복판 발췌 부분절단 사시도
도 7은 본 발명의 작동방식 설명도
도 8은 본 발명의 대표 단면도

본 발명의 상세한 구성을 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.

우선 도 3은 본 발명의 외관을 도시한 사시도로서, 동 도면을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 수직 방향으로 설치되는 회전축(20)과, 회전축(20) 상단에 방사상으로 다수 설치되는 회전익(10)과, 회전축(20)을 지지하는 탑형(塔形) 구조물인 지주(30)와 회전축(20) 및 지주(30) 하단이 연결되고 지반에 고정되는 기초부(40) 등으로 구성된다.

도 4에서와 같이, 본 발명의 회전축(20) 상단 회전익(10)은 수직방향 즉, 회전익(10)의 단면이 수직방향인 상태로 설치되며, 도 5에서와 같이, 회전익(10)의 내부에는 장방형 개구부(11)가 절개 형성되고 개구부(11)의 상단 및 하단에는 유도홈(12)이 요입(凹入) 형성된다.

회전익(10)의 개구부(11)에는 도 4 및 도 6에서와 같이, 장방형의 외측왕복판(13) 및 내측왕복판(14)이 결합되는데, 개구부(11)에 결합되는 외측왕복판(13) 및 내측왕복판(14)의 상단 및 하단은 개구부(11) 상단 및 하단의 유도홈(12)에 결합되어, 외측왕복판(13) 및 내측왕복판(14)이 유도홈(12)을 따라 활동하면서 이동하게 된다.

또한, 회전익(10)의 회전축(20)측 단부에는 회전익(10)과 평행한 나선축(18)이 연결된 구동모터(19)가 설치되며, 외측왕복판(13)에는 상기 나선축(18)에 결합되는 이송너트(17)가 부착되어, 구동모터(19)에 의하여 나선축(18)이 회전함에 따라 이송너트(17) 및 외측왕복판(13)이 이동하게 된다.

즉, 나선축(18)의 회전시 나선축(18)에 결합된 이송너트(17)의 회전은 외측왕복판(13)이 유도홈(12)에 결합된 상태에서 구속되므로 이송너트(17)가 나선축(18)의 축방향으로 직선 이동하게 되고, 따라서 이송너트(17)와 부착된 외측왕복판(13) 또한 이동하게 되는 것이다.

도 4 및 도 6에서와 같이, 외측왕복판(13)의 회전축(20)측 단부와 내측왕복판(14)의 외곽측 단부는 중첩된 상태로 개구부(11)에 결합되는데, 외측왕복판(13)의 외곽측 단부 및 회전축(20)측 단부에는 각각 전방걸림턱(15a) 및 후방걸림턱(16)이 형성되고, 내측왕복판(14)의 외곽측 단부에는 전방걸림턱(15b)이 형성되어, 이동중 외측왕복판(13)의 위치에 따라 내측왕복판(14)이 동반 이동하게 된다.

즉, 외측왕복판(13) 및 내측왕복판(14)의 이동상태를 도 4의 A-A'선 단면을 기준으로 도시한 도 7에서와 같이, 외측왕복판(13) 및 내측왕복판(14)이 개구부(11)를 완전히 폐쇄한 상태에서 구동모터(19)에 의하여 나선축(18)이 회전하면, 이송너트(17) 및 외측왕복판(13)이 도면상 우측으로 이동하고, 이동을 지속하던 외측왕복판(13)의 전방걸림턱(15a)이 내측왕복판(14)의 전방걸림턱(15b)에 도달하면, 외측왕복판(13)과 내측왕복판(14)이 동반 이동하게 되는 것이다.

또한, 외측왕복판(13)과 내측왕복판(14)이 도 7의 도면상 우측으로 완전히 이동하여 개구부(11)가 완전 개방된 상태에서, 나선축(18)이 전술한 개구부(11)의 개방시와 반대방향으로 회전하면 이송너트(17) 및 외측왕복판(13)이 도면상 좌측으로 이동하고, 이동을 지속하던 외측왕복판(13)의 후방걸림턱(16)이 내측왕복판(14)의 전방걸림턱(15b)에 도달하면, 외측왕복판(13)과 내측왕복판(14)이 동반 이동하게 된다.

이렇듯, 외측왕복판(13) 및 내측왕복판(14)의 결합구조에 의하여 외측왕복판(13)의 구동만으로 내측왕복판(14)도 개폐할 수 있게 되며, 회전익(10) 개구부(11)의 자유로운 개도(開度) 조절이 가능하여, 태풍 등 강풍 발생시 회전익(10)의 개구부(11)를 개방함으로써 회전익(10)의 과도한 회전, 진동 및 파손을 방지할 수 있다.

본 발명의 회전익(10)은 지면에서의 기류저항 영향을 적게 받을 수 있도록 가급적 높은 고도를 가지는 것이 유리한데, 이 경우 회전축(20)은 장주형(長柱形) 구조를 가질 수 밖에 없으므로, 이로 인한 구조적 취약점을 극복하고 전체 설비의 안정성을 확보하기 위하여 도 3 및 도 8에서와 같이, 회전축(20)을 지지하는 별도의 지주(30)를 설치할 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 회전축(20)을 지지하는 지주(30)는 지반에 매설 또는 고정된 기초부(40)와 연결되어 견고하게 설치되는데, 기초부(40)에는 변속기 등의 동력전달부(51)와 발전기(50)가 내장된다.

도 8에서는 이해를 돕기 위하여 회전축(20)과 발전기(50)의 축방향을 변환하는 베벨기어와, 회전속도 및 회전방향 등을 변환하는 변속기를 분리하여 도시하였으나, 이러한 축방향, 회전속도 및 회전방향의 변환수단은 단일 동력전달부(51)로 일체화되어 구성될 수도 있다.

10 : 회전익(回轉翼)
11 : 개구부
12 : 유도홈
13 : 외측왕복판
14 : 내측왕복판
15 : 전방걸림턱
16 : 후방걸림턱
17 : 이송너트
18 : 나선축
19 : 구동모터
20 : 회전축
30 : 지주
40 : 기초부
50 : 발전기
51 : 동력전달부
61 : 풍차
62 : 발전모듈

Claims (1)

1. 수직방향의 회전축(20) 상단에는 다수의 회전익(10)이 방사상(放射狀)으로 설치되되, 회전익(10)은 수직방향의 단면을 가지며;
   회전익(10)의 내부에는 장방형 개구부(11)가 형성되고 개구부(11)의 상, 하단에는 유도홈(12)들이 형성되며;
   회전익(10)의 개구부(11)에는 장방형의 외측왕복판(13) 및 내측왕복판(14)이 결합되되, 개구부(11)에 결합되는 외측왕복판(13) 및 내측왕복판(14)의 상단 및 하단은 개구부(11) 상단 및 하단의 유도홈(12)들에 결합되어, 외측왕복판(13) 및 내측왕복판(14)이 유도홈(12)을 따라 활동하면서 이동하고;
   외측왕복판(13)의 회전축(20)측 단부와 내측왕복판(14)의 외곽측 단부는 중첩되되, 외측왕복판(13)의 외곽측 단부 및 회전축(20)측 단부에는 각각 전방걸림턱(15a) 및 후방걸림턱(16)이 형성되며, 내측왕복판(14)의 외곽측 단부에는 전방걸림턱(15b)이 형성되어, 외측왕복판(13)의 회전축(20)측 이동시 외측왕복판(13)의 전방걸림턱(15a)이 내측왕복판(14)의 전방걸림턱(15b)에 도달하면, 외측왕복판(13)과 내측왕복판(14)이 동반 이동하고, 외측왕복판(13)의 외곽측 이동시 외측왕복판(13)의 후방걸림턱(16)이 내측왕복판(14)의 전방걸림턱(15b)에 도달하면, 외측왕복판(13)과 내측왕복판(14)이 동반 이동하고;
   회전익(10)의 회전축(20)측 단부에는 회전익(10)과 평행한 나선축(18)이 연결된 구동모터(19)가 설치되며, 외측왕복판(13)에는 상기 나선축(18)에 결합되는 이송너트(17)가 부착되어, 나선축(18)이 회전함에 따라 이송너트(17) 및 외측왕복판(13)이 이동하고, 외측왕복판(13)이 이동함에 따라 내측왕복판(14)이 동반 이동함을 특징으로 하는 회전익 가변형 풍력 발전장치.

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