KR101554307B1

KR101554307B1 - 가변식 수직축 풍력발전기

Info

Publication number: KR101554307B1
Application number: KR1020150086558A
Authority: KR
Inventors: 박강원
Original assignee: 주식회사 현대기전; 박강원
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2015-09-18

Abstract

본 발명은 가변식 수직축 풍력발전기에 관한 것으로서, 지면으로부터 수직되는 컬럼과; 상기 컬럼의 상부에 상호 마주하는 형태로 회전가능하게 설치되며, 외측둘레 방사상으로 판 형상의 블레이드가 각각 구비된 한 쌍의 제1로터 및 제2로터와; 상기 제1로터 및 제2로터 사이에 설치되어 제1 및 제2로터가 설치되는 회전축을 회전가능하게 지지하며, 상기 회전축과 연계되어 전자기력을 발생시키는 발전부와; 상기 제1로터 및 제2로터가 설치되는 회전축을 기준으로 다방향 틸트가능한 가변플레이트와; 상기 가변플레이트가 설치되는 동일 회전축상에 가변플레이트와 함께 틸트 가능하게 설치되는 가변조절판과; 상기 가변플레이트와 제1로터 및 제2로터의 가장자리 측에 방사상으로 다수개 설치되어 제1로터 및 제2로터의 블레이드 각도를 조정하기 위한 제1다관절부재와; 상기 가변조절판으로부터 이격 설치되어 가변조절판이 설치되는 회전축을 지지하는 받침플레이트와; 상기 받침플레이트에 설치되어 가변조절판과 연결되는 제2다관절부재와; 상기 받침플레이트에 3방향으로 고정 설치되고, 제2다관절부재측에 연결되어 상기 가변조절판을 틸트 조정하기 위한 구동모터와; 상기 제1로터와 연계되어 설치된 받침플레이트의 상부에는 고정축에 회전가능하게 설치되어 풍속을 측정하는 풍속계와; 상기 풍속계에서 조사된 기준치를 입력받아 기준으로 3방으로 배치된 구동모터를 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는바, 풍력발전기는, 상하로 제1로터 및 제2로터에 마련된 블레이드는 바람이 불어오는 방향, 속도에 맞게 각도를 가변하면서 회전이 이루어지도록 하여 저속으로 부는 바람에도 로터의 회전속도를 높여 전기에너지를 효율적으로 생산할 수 있게 되고, 각 블레이드의 각도를 조정하는 제1다관절부재 및 가변플레이트는 받침플레이트와 가변조절판에 3방향으로 배치된 제2다관절부재의 상호 각도조정에 의해 가변조절판의 조절범위는 볼 조인트방식으로 연결되어 각도 가변성이 뛰어나고, 안정된 연결로써 작동됨으로 블레이드를 가변 오작동 없이 구동시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

가변식 수직축 풍력발전기{Variableness type vertical axis aerogenerator}

본 발명은 가변식 수직축 풍력발전기에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 수직축을 두어 불어오는 방향의 수평으로 회전하여 풍력발전이 이루어지도록 한 풍력발전기를 개선하여 불어오는 바람방향의 위치, 불어오는 바람의 풍량(속도)를 감지하여 수직축의 원주상으로 회전가능하게 배치한 다수개의 블레이드의 저항각도를 바람이 불어오는 방향에 저항할 수 있는 각도로 안정되게 유지되도록 하고, 상하 2중으로 회전 로터를 두어 상호 다른 방향으로 회전시켜 교차하는 회전속도에 의한 전자기력을 효율적으로 발생시켜 전기에너지를 얻을 수 있도록 한 가변식 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이 풍력(風力)은 주로 발전 분야에 많이 도입되고 있지만, 펌핑 및 열 변환 등의 분야에도 이용되고 있는 에너지원이다.

1990년대 이후 기후변화 협약으로 인해 온실가스 감축이 발등에 떨어진 급박한 과제로 등장하면서 풍력발전은 화력이나 원자력 발전에 대응한 대안 중의 하나로 국내 활용 가능성이 높게 인식되는 계기가 되었고 현재는 매우 빠른 속도로 발전하는 단계에 있다.

풍력발전기는 바람의 에너지를 전기에너지로 바꿔 주는 장치로서, 1891년 덴마크 물리학자인 P. 라쿨에 의해 로터 블레이드 형 풍력발전기가 최초로 만들어진 이 후 지속적인 발전을 하고 있다.

이러한 풍력발전기의 풍력에너지는 풍속의 세제곱에 비례하며, 풍속은 표고가 높을수록 빨라지기 때문에 지면에서 가능한 높게 풍력발전기를 설치하게 되는 것이다.

이러한 바람에 효과적으로 발전하기 위해 풍차와 같이 풍력발전기의 블레이드는 바람에 방향에 대응하여 회전되도록 설치되고, 이러한 블레이드의 회전력을 전달받기 위해 회전축의 방향이 지면과 나란한 수평 축 풍력발전기가 이용되고 있는 것이다.

아울러 산업과 기술의 발달로 도시에는 지면으로부터 높이가 상당한 고층의 건축물들이 건설되고 있으며, 이러한 고층의 건축물에 막혀서 상승하는 바람과 고층 건물 위에서 빠른 풍속으로 부는 바람이 만나서 발생하는 풍량이 매우 우수한 경우가 많아서 건축물의 옥상, 고산, 바다 등에 비교적 큰 규모의 풍력발전기를 시설하여 필요로 하는 전기에너지를 친환경적으로 발전할 수 있게 되는 것이다.

한편, 풍력발전기에 있어, 회전축이 놓인 방향에 따라 구분하면, 상술한 바와 같은 수평축 타입의 풍력 발전기와 수직축 타입의 풍력 발전기가 있는데, 상기 수직축타입의 풍력 발전기는 수평축에 비해 블레이드면적이 크고 거추장스럽기 때문에 현재 풍력발전기 시장에서는 수평축 발전기가 주류를 이룬다.

수직축 발전기의 일 예로서 지상에 세워진 기둥(컬럼) 주위에 볼록한 형태의 큰 날개를 부착한 상태로 풍향에 무관하게 작동하나, 근본적으로 수평축 발전기에 비해 각각의 블레이드에 작용하는 압력이 적기 때문에 설치공간이 많이 차지하고, 풍력발전 효율이 현저히 떨어지는 단점이 있다.

상기 수직축 풍력발전기 관련 특허문헌을 살피면, 대한민국 등록특허 제10-1169225호(명칭: 수평 양력형 수직 축 풍력발전기, 등록일자: 2012년 07월 23일)가 개시되어 있다.

상기 특허문헌은 수직축 타입의 풍력발전기로서, 불어오는 바람에 대해 각각의 블레이드의 각도를 조정하여 저항을 받거나 혹은 태풍에 대비하여 블레이드를 원반형태로 위치시킬 수 있도록 캠부를 구성하는 제1메인 캠 및 제2메인 캠에 대해 캠곡선을 따라 구름 동작되는 레버측 롤러에 의해 링크의 회전변동으로서 링크와 연결된 블레이드의 각도를 조정할 수 있도록 구성된 것이나, 캠곡선을 따라 움직이는 롤러가 제1메인 캠 및 제2메인 캠의 제1구동 캠 및 제2구동 캠의 캠곡면으로부터 이탈할 우려가 있고, 롤러 혹은 캠곡선부분의 마모에 따라 블레이드의 각도를 정확한 포지션이 되도록 조정할 수 없게 되는 문제점이 있었다.

또한 상기 제1메인 캠 및 제2메인 캠으로부터 제1구동 캠 및 제2구동 캠을 돌출시키는 모터는 회전축상의 피니언 기어로서 상기 제1구동 캠 및 제2구동 캠측의 랙기어를 구동하여 조정함에 있어서, 실질적으로 블레이드에 받는 저향력이 큰 경우 레버를 통해 역으로 랙기어, 피니언 기어에 전달되기 때문에 제1구동 캠 및 제2구동 캠이 의도되지 않게 위치가 변경되어 블레이드의 각도가 정확한 포지션으로 위치되지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같이 제반되는 종래의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 수직축을 두어 불어오는 방향의 수평으로 회전하여 풍력발전이 이루어지도록 한 풍력발전기를 개선하여 불어오는 바람방향의 위치, 불어오는 바람의 풍량(속도)를 감지하여 수직축의 원주상으로 회전가능하게 배치한 다수개의 블레이드의 저항각도를 바람이 불어오는 방향에 저항할 수 있는 각도로 안정되게 유지되도록 하고, 상하 2중으로 회전 로터를 두어 상호 다른 방향으로 회전시켜 교차하는 회전속도에 의한 전자기력을 효율적으로 발생시켜 전기에너지를 얻을 수 있도록 한 가변식 수직축 풍력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가변식 수직축 풍력발전기는, 지면으로부터 수직되는 컬럼과; 상기 컬럼의 상부에 상호 마주하는 형태로 회전가능하게 설치되며, 외측둘레 방사상으로 판 형상의 블레이드가 각각 구비된 한 쌍의 제1로터 및 제2로터와; 상기 제1로터 및 제2로터 사이에 설치되어 제1 및 제2로터가 설치되는 회전축을 회전가능하게 지지하며, 상기 회전축과 연계되어 전자기력을 발생시키는 발전부와; 상기 제1로터 및 제2로터가 설치되는 회전축을 기준으로 다방향 틸트가능한 가변플레이트와; 상기 가변플레이트가 설치되는 동일 회전축상에 가변플레이트와 함께 틸트 가능하게 설치되는 가변조절판과; 상기 가변플레이트와 제1로터 및 제2로터의 가장자리 측에 방사상으로 다수개 설치되어 제1로터 및 제2로터의 블레이드 각도를 조정하기 위한 제1다관절부재와; 상기 가변조절판으로부터 이격 설치되어 가변조절판이 설치되는 회전축을 지지하는 받침플레이트와; 상기 받침플레이트에 설치되어 가변조절판과 연결되는 제2다관절부재와; 상기 받침플레이트에 3방향으로 고정 설치되고, 제2다관절부재측에 연결되어 상기 가변조절판을 틸트 조정하기 위한 구동모터와; 상기 제1로터와 연계되어 설치된 받침플레이트의 상부에는 고정축에 회전가능하게 설치되어 풍속을 측정하는 풍속계와; 상기 풍속계에서 조사된 기준치를 입력받아 기준으로 3방으로 배치된 구동모터를 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 블레이드는 원판형으로 된 제1로터 및 제2로터의 외측둘레에 방사상으로 구비되는 연결축에 각각 설치되고, 상기 연결축의 길이방향 일측에는 상기 제1다관절부재와 연결되어 제1다관절부재로부터 전달되는 푸싱, 당김작용에 의해 연결축을 요구하는 각도로 회전시켜 블레이드의 각도를 결정하며, 상기 블레이드의 각도를 결정하는 제1다관절부재의 작동은 회전축상에 대한 가변플레이트 및 가변조절판이 틸트된 각도에 따라 회전하면서 블레이드의 각도 가변이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 가변플레이트는, 원판상의 외측둘레에 방사상으로 상기 제1다관절부재측과 연결을 위한 지지대가 일체로 형성되고, 상기 가변조절판은, 원판형으로 외측둘레에 3지점 직각으로 절곡 형성되어 제2다관절부재와 연결지지되는 연결지지부가 형성되며, 상기 가변플레이트와 가변조절판이 설치되는 상기 회전축상에는 볼축이 구비되어 볼축을 기준으로 가변플레이트와 가변조절판이 틸트가능하게 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 제1다관절부재는,

블레이드측과 연결되는 제1링크와, 가변플레이트와 연결되는 제2링크와, 일측이 경사지게 절곡 형성된 바(bar)형태로, 제1링크와 제2링크와 연결되는 제1각도조절링크와, 상기 제1각도조절링크를 제1로터 및 제2로터측에 시소타입으로 연결 지지하는 제1링크브라켓으로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 제1다관절부재의 제1링크와 블레이드, 제1링크와 제1각도조절링크, 제2링크와 제1로터 및 제2링크와 제2로터측의 각각 연결은 다방향 회전각도를 갖는 볼 조인트타입으로 연결 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 제2다관절부재는,

받침플레이트에 3지점 설치된 구동모터측과 연결되는 회절링크와, 상기 받침플레이트에 고정설치되는 제2링크브라켓과, 상기 회절링크와 연결되는 제3링크와, 상기 가변조절판과 연결되는 제4링크와, 상기 제2링크브라켓에 시소타입으로 회동가능하게 연결 설치되며, 일단은 상기 제3링크에, 타단은 상기 제4링크에 연결되는 제2각도조절링크로 이루어지는 구성으로, 상기 구동모터를 통한 회절링크의 회전각도 조정으로서 가변플레이트를 회전축으로부터 틸트조정하는 구조로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 제2다관절부재의 제3링크와 회절링크, 제3링크와 제2각도조절링크, 제4링크와 제2각도조절링크, 제4링크와 가변조절판측과의 연결은 다방향 회전각도를 갖는 볼 조인트타입으로 연결 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 풍력발전기는, 상하로 제1로터 및 제2로터에 마련된 블레이드는 바람이 불어오는 방향, 속도에 맞게 각도를 가변하면서 회전이 이루어지도록 하여 저속으로 부는 바람에도 로터의 회전속도를 높여 전기에너지를 효율적으로 생산할 수 있게 되고, 각 블레이드의 각도를 조정하는 제1다관절부재 및 가변플레이트는 받침플레이트와 가변조절판에 3방향으로 배치된 제2다관절부재의 상호 각도조정에 의해 가변조절판의 조절범위는 볼 조인트방식으로 연결되어 각도 가변성이 뛰어나고, 안정된 연결로써 작동됨으로 블레이드를 가변 오작동 없이 구동시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명인 풍력발전기의 구성을 간략하게 도시한 개략구성도,
도 2는 본 발명인 풍력발전기를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 풍력발전기의 블레이드를 분리한 상태를 도시한 사시도,
도 4는 도 3의 상태를 도시한 정면도,
도 5는 본 발명에 다른 풍력발전기의 로터와 가변플레이트에 제1다관절부재가 설치된 상태를 발췌하여 도시한 확대사시도,
도 6은 본 발명에 따른 풍력발전기를 도시한 정면도,
도 7은 본 발명에 따른 풍력발전기의 회전축상에 로터, 제1단관절부재, 가변플레이트, 가변조절판 및 제2다관절부재의 설치상태를 보여주는 일부분 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 풍력발전기의 가변조절판을 발췌하여 도시한 도 6의 A-A선 단면도,
도 9는 본 발명에 따른 풍력발전기의 가변플레이트를 발췌하여 도시한 도 6의 B-B선 단면도,
도 10은 본 발명에 따른 풍력발전기의 로터와 제1다관절부재, 가변플레이트의 연결상태를 보여주는 확대 단면도,
도 11은 본 발명에 따른 풍력발전기의 블레이드가 수평으로 놓인 상태를 발췌하여 도시한 정면도,
도 12는 도 11에서 제1다관절부재의 포지션을 도시한 "가"부분 확대도,
도 13은 본 발명에 따른 풍력발전기의 블레이드 각도가 전환된 상태를 도시한 사시도,
도 14의 (a)(b)(c)는 본 발명에 따른 풍력발전기의 로터 회전에 의해 블레이드의 각도 가변상태를 도시한 평면도,
도 15 내지 도 17은 본 발명에 따른 풍력발전기의 블레이드 각도 변화상태를 보여주는 측면도,
도 18은 본 발명에 따른 풍력발전기의 블레이드 각도 변화상태를 보여주는 일부분 확대 정면도,
도 19는 도 18에서 제1다관절부재의 포지션을 도시한 "나"부분 확대도이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 따른 가변식 수직축 풍력발전기(100)는, 지면으로부터 수직되는 컬럼(101)이 세워지고, 상기 컬럼(101)의 상부에는 외측둘레 방사상으로 판 형상의 블레이드(112,122)가 각각 구비된 한 쌍의 제1로터(110) 및 제2로터(120)가 상호 마주하는 형태로 회전가능하게 설치된다.

상기 제1로터(110) 및 제2로터(120) 사이에는 제1로터(110) 및 제2로터(120)가 설치되는 회전축(102)을 회전가능하게 지지하며, 상기 회전축(102)과 연계되어 전자기력을 발생시키는 발전부(130)가 설치된다.

상기 발전부는 원통형의 몸체 내부를 지나는 회전축의 회전에 따라 회전축상의 회전자 및 몸통 내부에 위치한 고정자의 극성변화로서 자기력을 발생시키는 발전하는 통상적인 구조로 그 내부적인 구조는 생략하기로 한다.

상기 제1로터(110) 및 제2로터(120)가 설치되는 회전축(102)을 기준으로 다방향 틸트가능한 가변플레이트(140)가 설치되고, 상기 가변플레이트(140)가 설치되는 동일 회전축(102)상에 가변플레이트(140)와 함께 틸트 가능하게 설치되는 가변조절판(150)이 설치된다.

상기 가변플레이트(140)와 제1로터(110) 및 제2로터(120)의 가장자리 측에 제1로터(110) 및 제2로터(120)의 블레이드(112,122) 각도를 조정하기 위한 제1다관절부재(160)가 방사상으로 다수개 설치되고, 상기 가변조절판(150)으로부터 이격 설치되어 가변조절판이 설치되는 회전축(102)을 지지하는 받침플레이트(170)가 설치된다.

상기 받침플레이트(170)에는 가변조절판(150)과 연결되는 제2다관절부재(180)가 설치된다.

또한, 상기 받침플레이트(170)에는 제2다관절부재(180)측에 연결되어 상기 가변조절판(150)을 틸트 조정하기 위한 구동모터(M)가 3방향으로 배치되어 고정 설치된다.

상기 제1로터(110)와 연계되어 설치된 받침플레이트(170)의 상부에는 고정축(103)에 회전가능하게 설치되어 풍속을 측정하는 풍속계(104)와; 상기 풍속계(104)에서 조사된 기준치를 입력받아 기준으로 3방으로 배치된 구동모터(M)를 제어하는 제어부(190);를 포함하여 구성된다.

상기 블레이드(112,122)는 원판형으로 된 제1로터(110) 및 제2로터(120)의 외측둘레에 방사상으로 구비되는 연결축에 각각 설치되고, 상기 연결축(111,121)의 길이방향 일측에는 상기 제1다관절부재(160)와 연결되어 제1다관절부재로부터 전달되는 푸싱, 당김 작용에 의해 연결축(111,121)을 요구하는 각도로 회전시켜 블레이드(112,122)의 각도를 결정하며, 상기 블레이드(112,122)의 각도를 결정하는 제1다관절부재(160)의 작동은 회전축(102)상에 대한 가변플레이트(140) 및 가변조절판(150)이 틸트된 각도에 따라 회전하면서 블레이드(112,122)의 각도 가변이 이루어지도록 구성된다.

상기 가변플레이트(140)는, 원판상의 외측둘레에 상기 제1다관절부재(160)측과 연결을 위한 지지대(141)가 방사상으로 형성되고, 상기 가변조절판(150)은, 원판형으로 외측둘레에 3지점 직각으로 절곡 형성되어 제2다관절부재(180)와 연결지지되는 연결지지부(151)가 형성되며, 상기 가변플레이트(140)와 가변조절판(150)이 설치되는 상기 회전축(102)상에는 볼축(105)이 구비되어 볼축을 기준으로 가변플레이트(140)와 가변조절판(150)이 틸트가능하게 설치된다.

즉, 상기 볼축은 제1로터와 제2로터가 설치되는 하나의 회전축에 대해 2지점 나누어져 각각 가변플레이트 및 가변조절판을 다방향으로 각도 조정이 가능하도록 한 것이다.

상기 제1다관절부재(160)는, 블레이드(112,122)측과 연결되는 제1링크(161)와, 가변플레이트(140)와 연결되는 제2링크(162)와, 일측이 경사지게 절곡 형성된 바(bar)형태로, 제1링크(161)와 제2링크(162)와 연결되는 제1각도조절링크(163)와, 상기 제1각도조절링크(163)를 제1로터(110) 및 제2로터(120)측에 시소타입으로 연결 지지하는 제1링크브라켓(164)으로 구성된다.

상기 제1다관절부재(160)의 제1링크(161)와 블레이드(112,122), 제1링크(161)와 제1각도조절링크(163), 제2링크(162)와 제1로터(110) 및 제2링크(162)와 제2로터(120)측의 각각 연결은 다방향 회전각도를 갖는 볼 조인트타입으로 연결 설치된다.

상기 제2다관절부재(180)는, 받침플레이트(170)에 3지점 설치된 구동모터(M)측과 연결되는 회절링크(181)와, 상기 받침플레이트(170)에 고정설치되는 제2링크브라켓(182)과, 상기 회절링크(181)와 연결되는 제3링크(183)와, 상기 가변조절판(150)과 연결되는 제4링크(184)와, 상기 제2링크브라켓(182)에 시소타입으로 회동가능하게 연결 설치되며, 일단은 상기 제3링크(183)에, 타단은 상기 제4링크(184)에 연결되는 제2각도조절링크(185)로 이루어지는 구성으로, 상기 구동모터(M)를 통한 회절링크(181)의 회전각도 조정으로서 가변플레이트(140)를 회전축(102)으로부터 틸트조정하는 구조로 구성된다.

상기 제2다관절부재(180)의 제3링크(183)와 회절링크(181), 제3링크(183)와 제2각도조절링크(185), 제4링크(184)와 제2각도조절링크(185), 제4링크(184)와 가변조절판(150)측과의 연결은 다방향 회전각도를 갖는 볼 조인트타입으로 연결 설치된다.

이와 같이 구성된 본 발명인 가변식 수직축 풍력발전기의 운영상에 따른 작용을 기술하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 다른 풍력발전기(100)는 회전하는 회전축(102)이 수직으로 위치한 타입의 풍력발전기로, 지상 혹은 건물의 옥상 등에 설치하여 바람의 저항을 이용하여 회전하면서 발전이 이루어지도록 한 타입이다.

또한 본 발명에 의한 풍력발전기(100)는 구체적인 동작설명에 앞서 블레이드(112,122)가 바람의 저항 즉, 최상부측 고정축에 설치되어 회전하는 풍속계와 연관하여 제어부(190)를 통해 풍속계에서 얻어진 바람의 저항값에 대한 기준치를 바람이 불어오는 방향으로 블레이드(112,122)의 각도를 조정하여 최대한 바람에 대한 저항을 받을 수 있도록 한 것이며, 회전축(102)을 기점으로 회전하는 제1로터(110), 제2로터(120)의 회전을 최대한 효율적으로 회전이 이루어지도록 한 것이다.

즉, 바람을 저항을 받아 힘을 회전방향으로 전가하는 블레이드(112,122)는 바람이 불지 않는 방향으로 갈수록 자연스럽게 수평을 유지하도록 함으로써, 바람의 저항을 최대한 효율적으로 받아 회전할 수 있도록 회전시에도 회전축(102)상의 볼축(105)을 기준으로 가변플레이트(140) 및 가변조절판(150)이 기울어진 상태에 따라 회전하는 블레이드(112,122)의 각도가 각각 가변되면서 회전이 이루어지도록 한 것이다.

바람저항은 풍력발전기의 최상부에 위치한 풍속계에서 얻어진 바람의 저항값에 대한 기준치에 따라 받침플레이트에 설치된 3지점의 구동모터는 구동하되, 어느 한 지점의 구동모터(M)는 가동하여 이와 연계된 제2다관절부재(180)가 작동하여 상기 가변조절판(150)의 일측을 들어올리는 형태가 되도록 하여 가변조절판(150)을 포함한 가변플레이트(140)는 회전축(102)상의 볼축(105)을 기점으로 기울기를 갖게 한다.

즉, 이는 바람이 불어오는 방향에 맞게 가변조절판(150)에 기울기를 주게 되고, 상기 가변조절판(150)과 연결된 가변플레이트(140)는 대응하는 제1로터(110) 혹은 제2로터(120)를 연결하고 있는 제1다관절부재(160)의 각도를 설정하게 된다.

상기 제2다관절부재(180)는, 받침플레이트(170)에 3지점 설치된 구동모터(M)측과 연결되는 회절링크(181)에 의해 순차적으로 받침플레이트(170)에 고정설치되는 제2링크브라켓(182)측 제2각도조절링크(185)의 각도변화가 이루어지며, 상기 제2각도조절링크(185)는 상기 회절링크(181)와 연결된 제3링크(183)에 의해 각도조정되며, 이는 제2각도조절링크(185)의 반대측에 위치한 제4링크(184)가 회동되는 동작으로 하여금 상기 가변조절판(150)의 일측을 밀어 올릴 수 있게 하며, 이때 각도조절판은 회전축상의 볼축(105)을 기점으로 가변플레이트(140)와 함께 틸트 조정되는 것이다.

상기와 같이 기울기를 갖는 가변조절판(150) 및 가변플레이트(140)에 의해 상기 가변플레이트(140)와 연결된 제1다관절부재(160)의 작동은 상기와 같은 기울기로 하여금 회전하면서 블레이드의 각도 조정이 이루어지는바, 상기 제1다관절부재(160)를 구성하고 있는 제1링크(161)는 블레이드(112,122)의 연결축(111,121)을 각도조정하며, 이는 상기 가변플레이트(140)와 연결된 제2링크(162)에 의해 제1로터(110) 및 제2로터(120)측에 설치된 제1링크브라켓(164)으로부터 제1각도조절링크(163)를 시소타입으로 가동하여 제1로터(110) 및 제2로터(120)의 회전시 상기 제1다관절부재의 구성요소들은 각도전환이 이루어져 최종적으로 바람의 저항을 받는 블레이드의 각도를 조정할 수 있게 한다.

상기 제1다관절부재(160)의 제1링크(161)와 블레이드(112,122), 제1링크(161)와 제1각도조절링크(163), 제2링크(162)와 제1로터(110) 및 제2링크(162)와 제2로터(120)측이 각각 연결되는 지점과 상기 제2다관절부재(180)의 제3링크(183)와 회절링크(181), 제3링크(183)와 제2각도조절링크(185), 제4링크(184)와 제2각도조절링크(185), 제4링크(184)와 가변조절판(150)측과의 연결은 다방향 회전각도를 갖는 볼 조인트타입으로 모두 연결 설치되어 있기 때문에 제1로터(110)와 제2로터(120)의 회전과 가변조절판(150) 및 가변플레이트(140)의 기울기 조정은 자연스럽게 이루어진다.

상기 1다관절부재(160)는 블레이드(112,122)의 개수와 동일하게 방사상으로 설치된 것으로서 블레이드의 연결축(111,121)과 연결되어 있어, 제1다관절부재(160)의 각도 변화에 따라 원주상에 방사상으로 배치된 다수개의 블레이드의 연결축을 당기거나 밀어 바람이 불어오는 방향의 블레이드 각도를 바람의 저항에 의해 충분히 회전할 수 잇는 각도로 전환시켜주고, 이러한 각도는 상술한 바와 같이 제1로터(110), 제2로터(120)의 회전시 블레이드(112,122)의 각도가 자동으로 전화되면서 바람의 저항을 받는 블레이드의 회전을 최선의 각도로 유지시켜 줄 수 있게 된다.

가령, 바람의 풍속이 높은 날인 경우, 풍속계(104)에 의해 설정된 기준치에 따라 상술한 3지점의 구동모터(M)는 제어부(190)를 통해 모두 구동하여 가변플레이트(140)를 포함한 가변조절판(150)을 회전축(102)으로부터 그대로 상승시켜 주면, 가변플레이트(140)와 제1로터(110) 혹은 제2로터(120)에 설치된 다수개의 제1다관절부재(160)가 블레이드(112,122)의 각도를 수직에 가까운 형태로 유지시켜 고속회전을 유도하여 발전부(130)를 통해 충분히 발전이 이루어지도록 한다.

즉, 바람이 불어오는 방향, 세기에 따라 블레이드의 가변이 회전이 이루어지도록 한 것으로, 이는 첨부된 도 14의 (a),(b),(c)는 제1로터측 블레이드의 각도 가변상태를 보여주는 것과 같다. 도 14의 (a)는 블레이드가 수평상태일 때, (b)는 바람이 부는 방향에서 블레이드가 연결축을 기점으로 90도 각도에 가깝게 전환되어 회전이 이루어지는 상태이며, (c)는 바람의 저항이 저속으로 불어오는 상황에 따라 불레이드의 각도가 전환되는 상태를 나타낸 것이다.

도 15 내지 도 17은 블레이드(112,122)의 각도 전환하여 회전하는 상태를 단계적으로 나타낸 것으로, 도 15는 블레이드가 거의 수평에 가까운 상태로 회전이 이루어지는 것을 나타내고, 도 16은 가변조절판(150)과 가변플레이트(140)가 볼축(105)을 기준으로 어느 한 방향으로 틸트된 상태에서 회전하는 상태를 예시한 것이다. 도 16에서의 제2다관절부재(180)중 어느 하나가 상승되어 틸트된 상태에서 회전을 보여주는 것이며, 도 17은 상기 제2다관절부재 2개가 상승된 상태에서 블레이드의 가변회전이 이루어지는 것을 나타낸 것이다.

즉, 블레이드(112,122)는 횡방향에서 받는 바람에 따라 가변하는 구조로 블레이드 모두가 일정각도로 세워진 상태로 회전하는 것이 아니라 바람과 맞대응하여 저항하도록 함으로써, 그만큼 상기 제1로터 또는 제2로터의 회전력을 높여 충분한 발전을 이룰 수 있게 된다.

한편, 상기 제1로터(110)측의 블레이드(112)의 회전에 따라 제2로터(120)의 블레이드(122)의 방향을 반대방향으로 회전시켜 발전할 수 있는 형태로도 구현이 가능하다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 풍력발전기 101: 컬럼
102: 회전축 103: 고정축
104: 풍속계 105: 볼축
110: 제1로터 111,121: 연결축
112, 122: 블레이드 120: 제2로터
130: 발전부 140: 가변플레이트
141: 지지대 150: 가변조절판
151: 연결지지부 160: 제1다관절부재
170: 받침플레이트 180: 제2다관절부재
190: 제어부

Claims

지면으로부터 수직되는 컬럼(101)과;
상기 컬럼(101)의 상부에 상호 마주하는 형태로 회전가능하게 설치되는 한 쌍의 제1로터(110) 및 제2로터(120)와;
상기 제1로터(110) 및 상기 제2로터(120) 각각의 외측둘레를 따라 방사상으로 다수 개 설치되는 판 형상의 블레이드(112,122)와;
상기 제1로터(110)와 상기 제2로터(120) 사이에 설치되어 제1로터(110) 및 제2로터(120)가 설치되는 회전축(102)을 회전가능하게 지지하며, 상기 회전축(102)과 연계되어 전자기력을 발생시키는 발전부(130)와;
상기 제1로터(110)측과 상기 제2로터(120)측에 각각 설치되며, 상기 회전축(102)을 기준으로 다방향으로 틸트가능한 가변플레이트(140)와;
상기 제1로터(110)측과 상기 제2로터(120)측에 각각 설치되며, 상기 회전축(102) 상에 상기 가변플레이트(140)와 함께 틸트가능하게 설치되는 가변조절판(150)과;
상기 제1로터(110)측에 설치된 가변플레이트(140)의 가장자리와 상기 제1로터(110)의 가장자리 사이 및 상기 제2로터(120)측에 설치된 가변플레이트(140)의 가장자리와 상기 제2로터(120)의 가장자리 사이에 각각 방사상으로 다수 개 설치되어 상기 블레이드(112,122)의 각도를 조정하는 제1다관절부재(160)와;
상기 제1로터(110)측과 상기 제2로터(120)측에 각각 설치되며, 상기 가변조절판(150)으로부터 이격 설치되어 상기 회전축(102)을 지지하는 받침플레이트(170)와;
상기 제1로터(110)측과 상기 제2로터(120)측에 각각 설치되며, 상기 받침플레이트(170)에 설치되어 상기 가변조절판(150)과 연결되는 제2다관절부재(180)와;
상기 받침플레이트(170)에 설치되고, 상기 제2다관절부재(180)에 연결되어 상기 가변조절판(150)을 틸트 조정하기 위한 구동모터(M)와;
상기 받침플레이트(170)의 상부에 설치되어 풍속을 측정하는 풍속계(104)와;
상기 풍속계(104)로부터의 신호를 입력받아 상기 구동모터(M)를 제어하는 제어부(190);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변식 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 블레이드(112,122)는 원판형으로 된 제1로터(110) 및 제2로터(120)의 외측둘레에 방사상으로 구비되는 연결축에 각각 설치되고, 상기 연결축(111,121)의 길이방향 일측에는 상기 제1다관절부재(160)와 연결되어 제1다관절부재로부터 전달되는 푸싱, 당김 작용에 의해 연결축(111,121)을 요구하는 각도로 회전시켜 블레이드(112,122)의 각도를 결정하며, 상기 블레이드(112,122)의 각도를 결정하는 제1다관절부재(160)의 작동은 회전축(102)상에 대한 가변플레이트(140) 및 가변조절판(150)이 틸트된 각도에 따라 회전하면서 블레이드(112,122)의 각도 가변이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 가변식 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 가변플레이트(140)는, 원판상의 외측둘레에 방사상으로 상기 제1다관절부재(160)측과 연결을 위한 지지대(141)가 일체로 형성되고, 상기 가변조절판(150)은, 원판형으로 외측둘레에 3지점 직각으로 절곡 형성되어 제2다관절부재(180)와 연결지지되는 연결지지부(151)가 형성되며, 상기 가변플레이트(140)와 가변조절판(150)이 설치되는 상기 회전축(102)상에는 볼축(105)이 구비되어 볼축을 기준으로 가변플레이트(140)와 가변조절판(150)이 틸트가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 가변식 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 제1다관절부재(160)는,
블레이드(112,122)측과 연결되는 제1링크(161)와,
가변플레이트(140)와 연결되는 제2링크(162)와,
일측이 경사지게 절곡 형성된 바(bar)형태로, 제1링크(161)와 제2링크(162)와 연결되는 제1각도조절링크(163)와,
상기 제1각도조절링크(163)를 제1로터(110) 및 제2로터(120)측에 시소타입으로 연결 지지하는 제1링크브라켓(164)으로 구성된 것을 특징으로 하는 가변식 수직축 풍력발전기.
제4항에 있어서,
상기 제1다관절부재(160)의 제1링크(161)와 블레이드(112,122), 제1링크(161)와 제1각도조절링크(163), 제2링크(162)와 제1로터(110) 및 제2링크(162)와 제2로터(120)측의 각각 연결은 다방향 회전각도를 갖는 볼 조인트타입으로 연결 설치된 것을 특징으로 하는 가변식 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 제2다관절부재(180)는,
받침플레이트(170)에 3지점 설치된 구동모터(M)측과 연결되는 회절링크(181)와,
상기 받침플레이트(170)에 고정설치되는 제2링크브라켓(182)과,
상기 회절링크(181)와 연결되는 제3링크(183)와,
상기 가변조절판(150)과 연결되는 제4링크(184)와,
상기 제2링크브라켓(182)에 시소타입으로 회동가능하게 연결 설치되며, 일단은 상기 제3링크(183)에, 타단은 상기 제4링크(184)에 연결되는 제2각도조절링크(185)로 이루어지는 구성으로,
상기 구동모터(M)를 통한 회절링크(181)의 회전각도 조정으로서 가변플레이트(140)를 회전축(102)으로부터 틸트조정하는 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 가변식 수직축 풍력발전기.
제6항에 있어서,
상기 제2다관절부재(180)의 제3링크(183)와 회절링크(181), 제3링크(183)와 제2각도조절링크(185), 제4링크(184)와 제2각도조절링크(185), 제4링크(184)와 가변조절판(150)측과의 연결은 다방향 회전각도를 갖는 볼 조인트타입으로 연결 설치된 것을 특징으로 하는 가변식 수직축 풍력발전기.