KR101481433B1 - 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기 - Google Patents

태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력발전기의 블레이드에 장착된 윈드제트노즐을 태양열에 의해 가동시킴으로써, 풍력과 윈드제트노즐 반발 추력으로 블레이드가 회전되는 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기는 지면으로부터 수직하게 설치된 타워(200)와, 상기 타워(200)에 수평방향으로 장착된 하우징(220) 및 로터부(230)로 구성되는 풍력발전기로서, 상기 하우징(220)의 상부면 상에 다수의 솔라셀(221-1, 221-2, .... , 2221-n)로 형성된 태양열 집광판(221)이 장착되고; 상기 로터부(230)의 외부에는 로터부(230)에 방사상으로 경사지게 결합되어 바람에 의해 회전하는 복수의 블레이드(210)가 장착되며; 상기 로터부(230)의 내부에는 상기 로터부(230)와 연결되어 긴급시에 상기 로터부(230)를 제동하기 위한 제동부(231)와, 상기 로터부(230)에 연결되고 상기 로터부(230)의 회전에 따라 회전되는 회전축(232) 및, 상기 회전축(232)과 연결되어 풍력발전에 필요한 발전기(223)의 회전속도를 증가시키기 위한 기어부(233)가 장착되고; 상기 하우징(220)의 내부에는 상기 태양열 집광판(221)에 연결되어 제트윈드를 상기 블레이드(210)에 제공하기 위한 제트윈드 펌프부(222) 및 상기 기어부(233)에 연결되어 상기 기어부(223)에서 발생된 기계적에너지를 전기에너지로 변환시키기 위한 발전기(223);를 포함하여 이루어지며, 상기 블레이드(210)의 배면에는 제트윈드 가이드관(212)이 장착되고, 상기 제트윈드 가이드관(212)의 말단에는 5°~ 30°기울어진 제트윈드 노즐(213)이 장착되어, 상기 제트윈드 펌프부(222)의 작동에 의해 블레이드(210)의 말단에 장착된 바람받이판(211)에 제트윈드를 제공하되, 상기 바람받이판(211)은 외측 원주면에서 내측으로 3°~ 10°기울어지게 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기는 경사지게 설치된 복수 개의 블레이드와, 이 블래이드의 말단에 장착된 바람받이판이 회전력을 증가시켜 미풍에서도 블레이드의 회전에 의한 풍력발전이 가능하며, 또한, 바람이 잔잔하여 풍력에 의한 블레이드의 회전이 불가능할 시에, 바람받이판의 전면에 장착되고 태양열에 의해 작동되는 윈드제트노즐에 의해 블레이드가 회전되어 풍력발전이 가능하다.

Description

태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기{WIND-POWER GENERATOR WITH ROTATED BLADE USING SOLAR HEAT}
본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍력발전기의 블레이드에 장착된 윈드제트노즐을 태양열에 의해 가동시킴으로써, 풍력과 윈드제트노즐 반발 추력으로 블레이드가 회전되는 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기에 관한 것이다.
일반적으로 풍력발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시켜서 전력을 얻는 기술이다.
근자에 지구 온난화의 주범인 화석연료의 사용을 감소시키기 위한 노력의 일환으로 풍력과 태양에너지와 같은 친환경적인 에너지원에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 그중의 하나로서, 풍력을 이용한 발전장치에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
그런데, 종래의 풍력발전기는 일반적으로 도 1a 및 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 타워(110)의 상단에 2 ~ 3개의 블레이드(120)와 나셀(130)을 구비하고, 상기 나셀에는 블레이드의 축에 연결된 기어박스와 로터와 스테이터가 설치된 발전기가 설치되거나, 또는 타워(1110)의 상단에 2 ~ 3개의 블레이드가 장착된 전단 블레이드(121)와, 상기 전단 블레이드(121)와 비틀림 각도가 서로 반대이며, 상기 전단 블레이드(121)의 후방에 2 ~ 3개의 블레이드가 장착된 후단 블레이드(122)로 구성된 다단 블레이드(120) 및 나셀(130)을 구비하고, 상기 나셀에는 블레이드의 축에 연결된 기어박스와 로터와 스테이터가 설치된 발전기가 설치된다.
이러한 종래 풍력발전기는 상업성을 고려하여 블레이드가 수십 미터, 통상 30 ~ 60m 직경을 갖는 대형 블레이드의 풍력발전기에만 연구가 주력되고 있으나, 이러한 대형 풍력발전기는 제작, 설치 및 유지보수를 위한 비용이 과도하게 소요되고, 그에 따른 경제성을 맞추기 어려운 문제점이 있다.
또한, 이러한 종래의 풍력발전기의 발전용량은 12m/sec이상에 준하여 출시되고 있지만 실제로 기상청자료에 의하면 대한민국의 연평균 풍속은 2~6m/sec이어서 대한민국 지형에서는 생산적일 수 없다는 문제점이 있다.
따라서, 풍속이 2~6m/sec 이하라도 작동할 수 있으며, 필요시 풍속을 이용하지 않고도 블레이더를 회전시킬 수 있는 소형 풍력발전기에 대한 연구 개발이 요망되어왔다.
1. 한국 공개특허공보 제10-2003-0014776호 "더블허브 프로펠러형 풍력발전기"(공개일자 : 2003. 02. 20.)
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 풍속이 2~6m/sec 이하라도 작동할 수 있으며, 필요시 풍속을 이용하지 않고도 블레이더를 회전시킬 수 있도록, 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기는 지면으로부터 수직하게 설치된 타워와, 상기 타워에 수평방향으로 장착된 하우징 및 로터부로 구성되는 풍력발전기로서, 상기 하우징의 상부면 상에 다수의 솔라셀로 형성된 태양열 집광판이 장착되고; 상기 로터부의 외부에는 로터부에 방사상으로 경사지게 결합되어 바람에 의해 회전하는 복수의 블레이드가 장착되며; 상기 로터부의 내부에는 상기 로터부와 연결되어 긴급시에 상기 로터부를 제동하기 위한 제동부와, 상기 로터부에 연결되고 상기 로터부의 회전에 따라 회전되는 회전축 및, 상기 회전축과 연결되어 풍력발전에 필요한 발전기의 회전속도를 증가시키기 위한 기어부가 장착되고; 상기 하우징의 내부에는 상기 태양열 집광판에 연결되어 제트윈드를 상기 블레이드에 제공하기 위한 제트윈드 펌프부 및 상기 기어부에 연결되어 상기 기어부에서 발생된 기계적에너지를 전기에너지로 변환시키기 위한 발전기;를 포함하여 이루어지며, 상기 블레이드의 배면에는 제트윈드 가이드관이 장착되고, 상기 제트윈드 가이드관의 말단에는 5°~ 30°기울어진 제트윈드 노즐이 장착되어, 상기 제트윈드 펌프부의 작동에 의해 블레이드의 말단에 장착된 바람받이판에 제트윈드를 제공하되, 상기 바람받이판은 외측 원주면에서 내측으로 3°~ 10°기울어지게 형성된 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기는 경사지게 설치된 복수 개의 블레이드와, 이 블래이드의 말단에 장착된 바람받이판이 회전력을 증가시켜 미풍에서도 블레이드의 회전에 의한 풍력발전이 가능하다는 이점이 있다.
또한, 바람이 잔잔하여 풍력에 의한 블레이드의 회전이 불가능할 시에, 바람받이판의 전면에 장착되고 태양열에 의해 작동되는 윈드제트노즐에 의해 블레이드가 회전되어 풍력발전이 가능하다는 이점이 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 풍력발전기의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기의 구성을 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기용 블레이드의 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기용 블레이드의 일측면도.
도 5는 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기용 블레이드의 요부 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기의 내부를 도시한 요부 확대도.
도 7은 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기용 블레이드의 요부 배면도.
이하, 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통하여 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기를 이용한 긴급 신고 방법을 보다 상세히 기술하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 클라이언트나 운용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면 전체에 걸쳐 같은 참조번호는 같은 구성 요소를 가리킨다.
도 2는 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기의 구성을 도시한 개략도이며, 도 3은 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기용 블레이드의 정면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기용 블레이드의 일측면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기용 블레이드의 요부 사시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기의 내부를 도시한 요부 확대도이며, 도 7은 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기용 블레이드의 요부 배면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기는 지면으로부터 수직하게 설치된 타워(200)와, 상기 타워(200)에 수평으로 장착된 하우징(220) 및 로터부(230)로 구성된다.
여기서, 상기 하우징(220)의 상부면은 평탄하게 형성되며, 상기 상부면 상에 다수의 솔라셀(221-1, 221-2, .... , 2221-n)로 형성된 태양열 집광판(221)이 장착된다.
또한, 상기 로터부(230)의 외부에는 상기 로터부(230)에 방사상으로 경사지게 결합되어 바람에 의해 회전하는 복수의 블레이드(210)가 장착되어 있다.
또한, 상기 로터부(230)의 내부에는 상기 로터부(230)와 연결되어 긴급시에 상기 로터부(230)를 제동하기 위한 제동부(231)와, 상기 로터부(230)에 연결되고 상기 로터부(230)의 회전에 따라 회전되는 회전축(232) 및, 상기 회전축(232)과 연결되어 풍력발전에 필요한 발전기(223)의 회전속도를 증가시키기 위한 기어부(233)가 장착된다.
또한, 상기 하우징(220)의 내부에는 상기 태양열 집광판(221)에 연결되어 제트윈드를 상기 블레이드(210)에 제공하기 위한 제트윈드 펌프부(222) 및 상기 기어부(233)에 연결되어 상기 기어부(226)에서 발생된 기계적에너지를 전기에너지로 변환시키기 위한 발전기(223)가 장착된다.
그런데, 강한 바람에 의해 상기 블레이드(210)가 고속으로 회전하고, 상기 블레이드(210)에 연결된 상기 로터부(230)가 설정된 회전속도를 초과하는 비상상황이 발생하면, 상기 로터부(230)의 회전을 상기 제동부(231)가 억제시킨다. 여기서, 상기 제동부(231)는 일종의 디스크 브레이크이다.
한편, 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기의 풍차를 도 3 내지 도 6을 참조하여 보다 상세히 살펴보고자 한다.
본 발명에 따른 풍차는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 회전축(232)에 수직으로 설치되는 로터부(230)와, 상기 로터부(230)의 외측에 방사상으로 결합된 복수 개의 블레이드(210)로 구성되어 있다.
상기 로터부(230)의 외측면에는 소정의 경사각을 갖는 경사부(310)가 형성되어 있고, 상기 로터부(230)의 전면 중앙에는 중심에서 외측으로 갈수록 경사를 이루는 원뿔형상의 수풍판(320)이 형성되어 있다.
상기 수풍판(320)은 내부를 수시로 점검하고 수리할 수 있도록 개폐 가능하게 상기 로터부(230)에 결합되며, 이는 스크류 등의 체결수단을 이용하거나 또는 고리를 결합하여 개폐 가능하게 구성할 수 있다. 또한, 상기 로터부(230)의 배면측에는 배면판(330)이 로터부(230)와 소정의 간격을 두고 고정 설치되어 있다. 한편, 상기 경사부(330)에는 경사면을 따라 소정의 각을 이루며 비스듬히 설치된 복수 개의 블레이드(210)가 상기 로터부(230)를 중심으로 방사형으로 설치되어 있으며, 상기 블레이드(210)는 그 개수가 3개 또는 5개 등으로 설치될 수 있다.
또한, 상기 블레이드(210)의 말단에는 바람에 의해 회전력을 부여하도록 상기 블레이드(210)와 소정의 각을 이룬 바람받이판(211)이 설치되어 있다. 상기 바람받이판(211)은 내측으로 3°~ 10° 기울어지게 형성되어, 블레이드(210)를 타고 이동된 바람이 부딪혀 회전력을 부여하게 된다.
또한, 상기 로터부(230)의 내부에는 기어부(233)가 구비되어 풍차의 회전력을 발전기(223)로 전달하게 되는데, 상기 기어부(233)는 상기 로터부(230)의 전면에 개폐 가능하게 설치된 수풍판(320)을 개방하여 점검할 수 있게 구성되어 있다.
또한, 상기 기어부(233)는 도 6에서 도시한 바와 같이, 상기 기어부(233)의 내측에 형성되어 풍차와 함께 회전하는 내접기어(233-1)와, 상기 내접기어(233-1)에 맞물려 설치되는 복수 개의 중간기어(233-2)와, 상기 중간기어(233-2)와 맞물리며 설치되는 축기어(233-3)로 구성되어 있다.
여기서, 상기 중간기어(233-2)에는 중간기어축(410)이 결합되고, 상기 중간기어축(410)은 배면판(330)에 회전가능하게 고정되어 블레이드(210)의 회전력을 축기어(232-3)에 전달하게 된다.
또한, 상기 축기어(233-3)는 로터부(230)의 중앙에 위치하여, 복수 개의 중간기어(233-2)와 맞물려 회전하며, 발전기(223)와 연결되는 회전축(232)에 일체로 결합되어 회전력을 전달하여 발전이 이루어지도록 한다.
또한, 상기 제트윈드 펌프부(222)의 펌프의 갯수는 상기 블레이드(210)의 갯수와 일치한다.
한편, 본 발명에 따른 제트윈드 펌프부(222)는 도 2, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 하우징(220)의 평탄한 상부면에 장착되고 다수의 솔라셀(221-1, 221-2, .... , 2221-n)로 형성된 태양열 집광판(221)에 의해 발생된 전력을 이용하여, 상기 제트윈드 펌프부(222)를 가동시킨다. 이때, 상기 제트윈드 펌프부(222)에 의해 발생된 제트윈드가 상기 블레이드(210)의 뒷면에 장착된 제트윈드 가이드관(212)을 따라 상기 제트윈드 가이드관(212)의 말단에 5°~ 30°의 각도로 기울어지게 장착된 제트윈드 노즐(213)을 통해 사출되고, 상기 사출된 제트윈드가 상기 바람받이판(211)에 부딪혀 회전력을 부여하게 된다.
이제, 본 발명에 따른 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기의 동작을 살펴보고자 한다.
먼저, 회전축(232)에 수직으로 설치된 풍차에 바람이 작용하면, 이 바람은 일차적으로 경사지게 설치된 복수 개의 블레이드(210)에 부딪혀 회전력을 부여하게 되고, 아울러 상기 블레이드(210)의 끝단에 설치된 바람받이판(211)의 내측에 이차적으로 충돌하면서 회전력을 배가시키게 되는 것이다.
또한, 외측으로 경사를 갖는 수풍판(320)과 경사부(310)는 바람을 외측, 즉, 블레이드(210) 방향으로 유도하여 풍차의 회전력을 더욱 증가시키게 된다.
이때, 상기 기어부(233) 내부에 설치된 내접기어(232-1)는 풍차와 같은 방향으로 회전하게 되고, 중간기어(232-2)는 배면판(330)에 고정된 중간기어축(410)에 결합되어 상기 내접기어(232-1)와 맞물려 회전되며, 상기 중간기어(232-2)는 다시 중앙의 축기어(232-3)와 맞물려 회전됨으로써 회전축(232)을 회전시키게 된다.
이때 상기 중간기어(232-2)와 축기어(232-3)의 크기 또는 잇수를 적절하게 선택하면 증속이 가능케 된다.
한편, 풍속이 미비하여, 상기 블레이드(210)가 정지하게 되는 비상상황이 발생하면, 상기 태양열 집광판(221)에 의해 발생된 전력을 이용하여 상기 제트윈드 펌프부(222)가 가동된다. 이때, 상기 제트윈드 펌프부(222)에 의해 발생된 제트윈드가 상기 블레이드(210)의 뒷면에 장착된 제트윈드 가이드관(212)을 따라 상기 제트윈드 가이드관(212)의 말단에 장착된 제트윈드 노즐(213)을 통해 사출되고, 상기 사출된 제트윈드가 상기 바람받이판(211)에 부딪혀 회전력을 부여함으로써, 바람이 약하거나 바람이 불지 않을 시에도 상기 블레이드(210)를 회전시킬 수 있다.
여기서, 상기 제트윈드 펌프부(222)는 별개의 스위치(도시되지 않음)에 의해 수동으로 작동되거나, 상기 블레이드(210)에 연결된 상기 로터부(230)가 설정된 회전속도 이하로 회전되면, 이를 감지한 센서(도시되지 않음)에 의해 자동으로 작동될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 양호한 실시 예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시 예는 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시 예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능할 것이다. 그러므로, 본 발명의 보호 범위는 본 발명의 기술적 사상의 요지에 속하는 변화 예나 변경 예 또는 조절 예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
210: 블레이드 211: 바람받이판
212: 제트윈드 가이드관 213: 제트윈드 노즐
220: 하우징 221: 태양열집광판
221-1, ... , 221-n: 솔라셀 222: 제트윈드 펌프부
223: 발전기 230: 로터부
231: 제동부 232: 회전축
233: 기어부 233-1: 내접기어
233-2: 중간기어 233-3: 축기어
310: 경사부 320: 수풍판
330: 배면판 410: 중간기어축

Claims (5)

  1. 지면으로부터 수직하게 설치된 타워(200)와, 상기 타워(200)에 수평방향으로 장착된 하우징(220) 및 로터부(230)로 구성되는 풍력발전기로서,
    상기 하우징(220)의 상부면 상에 다수의 솔라셀(221-1, 221-2, .... , 2221-n)로 형성된 태양열 집광판(221)이 장착되고;
    상기 로터부(230)의 외부에는 로터부(230)에 방사상으로 경사지게 결합되어 바람에 의해 회전하는 복수의 블레이드(210)가 장착되며;
    상기 로터부(230)의 내부에는 상기 로터부(230)와 연결되어 긴급시에 상기 로터부(230)를 제동하기 위한 제동부(231)와, 상기 로터부(230)에 연결되고 상기 로터부(230)의 회전에 따라 회전되는 회전축(232) 및, 상기 회전축(232)과 연결되어 풍력발전에 필요한 발전기(223)의 회전속도를 증가시키기 위한 기어부(233)가 장착되고;
    상기 하우징(220)의 내부에는 상기 태양열 집광판(221)에 연결되어 제트윈드를 상기 블레이드(210)에 제공하기 위한 제트윈드 펌프부(222) 및 상기 기어부(233)에 연결되어 상기 기어부(223)에서 발생된 기계적에너지를 전기에너지로 변환시키기 위한 발전기(223);를 포함하여 이루어지며,
    상기 블레이드(210)의 배면에는 제트윈드 가이드관(212)이 장착되고, 상기 제트윈드 가이드관(212)의 말단에는 5°~ 30°기울어진 제트윈드 노즐(213)이 장착되어, 상기 제트윈드 펌프부(222)의 작동에 의해 블레이드(210)의 말단에 장착된 바람받이판(211)에 제트윈드를 제공하되, 상기 바람받이판(211)은 외측 원주면에서 내측으로 3°~ 10°기울어지게 형성된 것을 특징으로 하는 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제트윈드 펌프부(222)의 펌프의 갯수는 상기 블레이드(210)의 갯수와 일치하는 것을 특징으로하는 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기어부(233)는 상기 기어부(233)의 내측에 형성되어 풍차와 함께 회전하는 내접기어(233-1)와, 상기 내접기어(233-1)에 맞물려 설치되는 복수 개의 중간기어(233-2)와, 상기 중간기어(233-2)와 맞물리며 설치되는 축기어(233-3)로 구성되며;
    상기 중간기어(233-2)에는 중간기어축(410)이 결합되고, 상기 중간기어축(410)은 배면판(330)에 회전가능하게 고정되어 블레이드(210)의 회전력을 축기어(232-3)에 전달하며;
    상기 축기어(233-3)는 로터부(230)의 중앙에 위치하여, 복수 개의 중간기어(233-2)와 맞물려 회전하며, 발전기(223)와 연결되는 회전축(232)에 일체로 결합되어 회전력을 전달하여 발전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용하여 회전되는 블레이드를 구비한 풍력발전기.
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