KR101642284B1 - 강관 축을 이용한 나무 형태의 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 도심이나 행사장 등에서 소규모 단위의 전력을 공급하기 위하여 강관 축이 나뭇가지와 같은 역할을 하고, 강관 축의 단부에 설치한 블레이드 배치가 전체적으로 나무 형상을 이루도록 조형화 하여 주변환경과 어울릴 수 있도록 구성한, 강관 축을 이용한 나무 형태의 풍력발전기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 강관 축을 이용한 나무 형태의 풍력발전기는, 수직하게 고정 설치된 고정축; 중공(中空) 강관 형상이며, 중공부에 상기 고정축이 삽입된 상태로 설치되어, 고정축의 외주면에 위치하면서 회전하게 되고, 하단에는 증속기어가 구비되어 있는 회전축; 상기 회전축의 높이를 따라 측방으로 돌출되게 고정 설치된 복수의 지지대 단부(端部)마다 장착되는 나뭇잎 형상의 블레이드; 상기 블레이드가 회동하면서 회전축이 회전하게 되고, 상기 회전축에 구비된 증속기어로부터 회전력을 전달받아 전력을 생산하게 되는 발전부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

강관 축을 이용한 나무 형태의 풍력발전기{Tree type windpower generator using pipe}

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 도심이나 행사장 등에서 소규모 단위의 전력을 공급하기 위해 전체적으로 나무 형상을 이루도록 블레이드를 배치하여 구성한 강관 축을 이용한 나무 형태의 풍력발전기에 관한 것이다.

풍력발전은 바람을 이용하여 블레이드 또는 프로펠러를 회전시켜서 발생한 회전력을 발전기로 전달하여 전력을 생산하는 것으로, 블레이드 또는 프로펠러가 설치되는 방향에 따라 수평축 풍력발전과 수직축 풍력발전으로 구분되는데, 수평축 풍력발전은 발전효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꿔줘야 하고 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 바꿔 주는 장치와 수평회전력을 수직회전력으로 전환하여 발전기와 연결시켜 주는 장치가 추가로 필요하므로 기구적 손상이 발생할 수 있는 위험과 유지 보수가 용이하지 않다는 문제가 있다.

또, 수직축 풍력발전은 회전축의 길이방향을 따라 설치되는 블레이드와 회전축의 회전력을 전달받아 전력을 생산하는 발전기로 구성되므로 비교적 구조가 간단하고 바람의 방향과 관계없이 소정의 회전력을 유지할 수 있다는 장점은 있으나, 높은 출력을 얻으려면 블레이드 폭을 크게 하거나 높이 즉 블레이드의 길이를 길게 해야 하는데, 블레이드의 길이가 길어지면 설치작업이 불편할 뿐만 아니라 블레이드의 길이가 커짐에 따라 풍력발전장치의 편심되지 않은 회전축을 제작하는데 큰 어려움이 있고, 회전시 편심도가 높아져 심한 진동이 발생하게 되는 수직축 블레이드의 구조적 취약성으로 인해 풍력발전장치의 구조물이 파손되어 발전이 중단될 뿐만 아니라 블레이드가 설치된 회전축이 날아가거나 낙하하여 또 다른 위험과 피해를 야기하는 심각한 문제가 있다.

한편, 수년전부터 자연적 소재를 이용한 도심형 풍력발전이 출현하기 시작했는데, 예를 들면, 공개특허 제2008-13569호 "풍력 빌전소자에 태양전지가 부착되어 태양광발전을 겸용하도록 형성된 나무형 풍력발전기", 공개특허 제2015-15438호 "트렁크 및 상기 트렁크로부터 연장하는 복수의 가지를 포함하는 풍력발전기" 등과 같은 나무 형태의 풍력발전 기술이 출현했다. 하지만, 상기 기술들은 나무 형태에 부설된 다수개의 회전체와 분지된 단일 구조체와의 결합이 용이하지 않을 뿐만 아니라 물리적 운동량이 지나치게 적어 출력의 총량이 너무 작다는 문제가 있다.

또한, 본 발명의 출원인(발명자)은 풍력발전과 관련하여 특허등록 제1437543호 "양력형과 항력형 블레이드 결합구조의 수직축 풍력발전장치"를 비롯한 10건을 이미 특허받았고, 특허출원한 풍력발전 관련 기술 5건이 현재 심사중이거나 심사 대기중이며, 도심형 소규모 단위의 전력공급을 하면서 주변 환경과 어울릴 수 있는 풍력발전에 대하여 연구 개발하면서 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 도심이나 행사장 등에서 소규모 단위의 전력을 공급하기 위하여 강관 축이 나뭇가지와 같은 역할을 하고, 강관 축의 단부에 설치한 블레이드 배치가 전체적으로 나무 형상을 이루도록 조형화 하여 주변환경과 어울릴 수 있도록 구성한, 강관 축을 이용한 나무 형태의 풍력발전기를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 과제 해결을 위해 본 발명에 따른 강관 축을 이용한 나무 형태의 풍력발전기는, 수직하게 고정 설치된 고정축; 중공(中空) 강관 형상이며, 중공부에 상기 고정축이 삽입된 상태로 설치되어, 고정축의 외주면에 위치하면서 회전하게 되고, 하단에는 증속기어가 구비되어 있는 회전축; 상기 회전축의 높이를 따라 측방으로 돌출되게 고정 설치된 복수의 지지대 단부(端部)마다 장착되는 블레이드; 상기 블레이드가 회동하면서 회전축이 회전하게 되고, 상기 회전축에 구비된 증속기어로부터 회전력을 전달받아 전력을 생산하게 되는 발전부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 지지대는, 일단(一端)이 상기 회전축에 고정된 중공(中空) 강관 형상의 제1지지대; 상기 블레이드가 장착되게 되며, 상기 제1지지대보다 직경이 작은 중공 강관 형상의 제2지지대; 중공 강관 형상의 일단에 플랜지가 형성된 형상이고, 강관 부분이 제1지지대에 삽입되고, 플랜지가 형성된 부분에 제2지지대 쪽에 위치하게 되는 연결플랜지; 일단에 탭(tap)이 형성되어 제2지지대와 나사결합되어 연결되고, 상기 연결플랜지의 중공부에 위치하게 되는 코어(core); 상기 코어의 외주면에 삽입되어, 일단이 제1지지대에 고정되고, 타단은 코어에 고정되도록 설치되는 토션스프링을 포함하여 구성된다.

바람직하게는, 발전부는, 전력을 생산하는 발전기; 상기 발전기의 일측으로 돌출되게 설치되는 발전기축; 상기 발전기축의 선단(先端)에 장착되어, 상기 증속기어로부터 회전력을 전달받는 기어를 포함하여 구성된다.

바람직하게는, 증속기어와 발전부의 기어는 체인에 의해 연결되며, 블레이드는 중심선에서 봤을 때 상부와 하부가 비대칭 형상이다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 풍력발전기는, 도심이나 행사장 등에서 1㎾ 미만의 소규모 단위의 전력을 공급하거나 2∼5㎾ 급의 상용발전에 적용되는데, 강관 축으로 된 복수의 나무 가지에 블레이드를 설치하여 전체적으로 나무 형상을 이루도록 조형화하여 구성했기 때문에 주변환경과 조화를 이룰 뿐만 아니라 관광상품으로도 활용 될 수 있고, 블레이드가 설치되는 위치에 각국의 국기를 부착하여 국제행사장 등에 만국기를 게양한다든가 광고물을 부착하여 광고용 츄리(tree)로도 활용하면서 전력을 공급함으로써 풍력발전 기능과 함게 재생에너지에 대한 홍보 및 교육용 등 다목적으로 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기가 설치된 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 풍력발전기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 회전축과 블레이드의 분해 및 결합상태를 도시한 도면이다.
도 4는 회전축의 회전 원리를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 풍력발전기의 기술적 특징은, 블레이드 배치가 전체적으로 나무 형상을 이루도록 조형화 하여 구성함으로써 도심이나 행사장 등에서 주변환경과 조화를 이루면서 전력을 공급하는 발전기 역할은 물론 재생에너지에 대한 홍보 및 교육용 등 다목적으로 활용할 수 있도록 했다는 점이다.

본 발명의 풍력발전기는 설치대(10) 위에 수직하게 고정 설치된 고정축(22)과, 고정축(22)의 외주에서 회전하는 회전축(21)과, 바람을 받아 회전축(21)을 회전시켜 주기 위한 다수의 블레이드(23)와, 회전축(21)의 회전력을 전달받아 전력을 생산하게 되는 발전부(30)를 기본적인 구성으로 포함하게 된다.

회전축(21)은 중공(中空) 강관 형상인데, 중공부에 고정축(22)이 삽입된 상태로 설치되어, 고정축(22)의 외주면에 위치하면서 회전하게 되고, 하단에는 증속기어(24)가 부착 고정되어 있다. 고정축(22) 주위에서 회전하기 때문에 고정축(22)과 회전축(21) 사이에는 베어링(도면부호 미지정)이 설치되어 있어야 한다는 것은 당연할 것이다. 고정축(22)은 반드시 회전축(21)의 전길이에 걸쳐 설치될 필요는 없고, 회전축(21)이 안정된 상태로 회전할 수 있을 정도의 길이까지만 설치되어 있어도 된다.

블레이드(23)는 완만한 타원형의 나뭇잎 형상으로, 회전축(21)의 높이를 따라 측방으로 돌출되게 고정 설치된 복수의 지지대 단부(端部)마다 설치되어 있다. 블레이드(23)는 지지대의 단부에서 약간 회동할 수 있도록 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 동일한 높이에 위치하는 지지대는 회전축(21)을 중심으로 양측으로 돌출되게 설치하는 것이 바람직하고, 높이방향에서 인접하는 높이에 설치된 지지대끼리는 서로 수직을 이루도록 설치하는 것이 바람직하다. 블레이드(23)는 반드시 나뭇잎 형태일 필요는 없고 만국기와 같은 형태 또는 광고물과 같은 다양한 형상으로 해도 된다.

블레이드(23)는 중심선에서 봤을 때 상부와 하부가 대칭되도록 형성해도 되지만, 상부와 하부가 비대칭 형상으로 하는 것이 바람직하다. 상부 면적을 하부 면적보다 작게 형성하면 네거티브(negative) 항력 작용시 쉽게 작동이 가능하게 되고, 완만한 타원형이나 유선형으로 형성하면 공기가 유동하면서 박리 현상이 방지된다. 또한, 블레이드(23)는 나뭇잎의 형상과 같이 표면이 중심선을 향해 약간 오목하고 배면은 약간 경사져서 외측으로 볼록하게 형성하는 것이 바람직하다.

지지대는, 제1 및 제2지지대(211, 212)와, 2개의 지지대 사이에 위치하는 연결플랜지(213)와, 코어(215) 및 토션스프링(214)을 구비하여 구성된다.

제1지지대(211)는 일단(一端)이 회전축(21)에 고정 설치된 중공(中空) 강관 형상이고, 제2지지대(212)는 블레이드(23)가 장착되게 되는데 제1지지대(211)보다 직경이 작은 중공 강관 형상으로 하는 것이 바람직하며, 제1 및 제2지지대(211, 212) 사이에 연결플랜지(213)가 위치하게 된다.

연결플랜지(213)는 중공 강관 형상의 일단에 플랜지가 형성된 형상인데, 강관 부분이 제1지지대(211)에 삽입되고, 플랜지가 형성된 부분에 제2지지대(212)의 단부가 삽입되어 위치하게 되며, 플랜지는 제1지지대(211)와 연결되게 된다.

코어(core)(215)는 단(段)이 형성되어 있고, 그 외주면에 토션스프링(214)이 끼워져서 연결플랜지(213)의 중공부에 위치하게 되며, 코어(215)의 일단에는 탭(tap)이 형성되어 제2지지대(212)와 나사결합되어 연결된다. 토션스프링(214)은 일단(一端)이 제1지지대(211)에 고정되고, 타단은 코어(215)에 고정되도록 설치되어 있어서, 블레이드(23)가 바람을 받으면 토션스프링(214)의 탄성력에 의해 블레이드(23)가 일정 각도 범위 내에서 회동하게 된다.

조립할 때는 토션스프링(214)이 끼워져 일단이 고정된 코어(215)를 연결플랜지(213) 내부로 삽입한 다음, 제2지지대(212)와 코어(215) 단부에 형성된 탭을 체결하연 연결하고, 연결플랜지(213) 우측부분(제2지지대가 위치하는 반대쪽 부분)을 제1지지대(211) 내부로 삽입하고 제1지지대(211)의 외측에서 볼팅 결합한다.

블레이드(23)가 회동함에 따라 회전축(21)이 회전하게 되면서, 회전축(21)의 하단에 구비된 증속기어(24)가 회전하게 되며, 증속기어(24)로부터 회전력이 발전부(30)로 전달되게 된다.

발전부(30)는 전력을 생산하는 발전기(31)와, 발전기(31)의 일측으로 돌출되게 설치되는 발전기축(32) 및 발전기축(32)의 선단(先端)에 장착되어 증속기어(24)로부터 회전력을 전달받는 기어(33)가 구비되어 구성된다. 증속기어(24)와 발전부의 기어(33)는 체인(25)에 의해 연결되는데, 증속기어(24)와 발전부의 기어(33)가 직접 치합(齒合)되어 회전력이 전달되게 할 수도 있다.

본 발명의 풍력발전은 회전축(21)의 최대 회전속도는 30rpm 정도로 증속기어(24)를 사용하는 전형적인 항력형 터빈이다. 블레이드(23)의 회동 및 회전축(21)의 회전에 대하여 도 4를 참조하여 간략히 설명하면, 회전축(21)을 중심에 두고 블레이드(23)가 9시 방향에 있을 때 블레이드(23)가 받는 바람의 힘이 +10이라면, 3시 방향에 있을 때는 -2가 되어 블레이드(23)가 받는 전체적인 힘은 +8이 되어 시계방향으로 회전하게 된다. 회전축(21)이 회전하면서 블레이드(23)도 회동했다가 토션스프링(214)의 탄성력에 의해 원상으로 되돌아오게 된다. 6시 방향에서 12시 방향까지는 항력구간(미는 힘을 받는 구간)인데, 항력의 정점은 9시 방향이다. 12시 방향에서 6시 방향까지는 네거티브 항력구간으로, 토션스프링(214)이 작동하여 블레이드(23)의 배면이 바람을 맞으면서 네거티브 항력을 최소화시킨다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 설치대
20 : 블레이드부 21 : 회전축
211 : 제1지지대 212 : 제2지지대
213 : 연결플랜지 214 : 토션스프링
215 : 코어(core)
22 : 고정축 23 : 블레이드
24 : 증속기어 25 : 체인
30 : 발전부 31 : 발전기
32 : 발전기축 33 : 기어

Claims (6)

1. 수직하게 고정 설치된 고정축;
   중공(中空) 강관 형상이며, 중공부에 상기 고정축이 삽입된 상태로 설치되어, 고정축의 외주면에 위치하면서 회전하게 되고, 하단에는 증속기어가 구비되어 있는 회전축;
   상기 회전축의 높이를 따라 측방으로 돌출되게 고정 설치된 복수의 지지대 단부(端部)마다 장착되는 블레이드;
   상기 블레이드가 회동하면서 회전축이 회전하게 되고, 상기 회전축에 구비된 증속기어로부터 회전력을 전달받아 전력을 생산하게 되는 발전부;
   를 포함하여 구성되며, 상기 지지대는,
   일단(一端)이 상기 회전축에 고정된 중공(中空) 강관 형상의 제1지지대;
   상기 블레이드가 장착되게 되며, 상기 제1지지대보다 직경이 작은 중공 강관 형상의 제2지지대;
   중공 강관 형상의 일단에 플랜지가 형성된 형상이고, 강관 부분이 상기 제1지지대에 삽입되고, 플랜지가 형성된 부분이 상기 제2지지대 쪽에 위치하게 되는 연결플랜지;
   일단에 탭(tap)이 형성되어 제2지지대와 나사결합되어 연결되고, 상기 연결플랜지의 중공부에 위치하게 되는 코어(core);
   상기 코어의 외주면에 삽입되어, 일단이 제1지지대에 고정되고, 타단은 코어에 고정되도록 설치되는 토션스프링;
   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 강관 축을 이용한 나무 형태의 풍력발전기.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 발전부는,
   전력을 생산하는 발전기;
   상기 발전기의 일측으로 돌출되게 설치되는 발전기축;
   상기 발전기축의 선단(先端)에 장착되어, 상기 증속기어로부터 회전력을 전달받는 기어;
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 강관 축을 이용한 나무 형태의 풍력발전기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 증속기어와 발전부의 기어는 체인에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 강관 축을 이용한 나무 형태의 풍력발전기.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드는 중심선에서 봤을 때 상부와 하부가 비대칭 형상인 것을 특징으로 하는 강관 축을 이용한 나무 형태의 풍력발전기.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 지지대는 회전축을 중심으로 양측으로 돌출되게 설치되고, 높이방향에서 인접하는 높이에 설치된 지지대끼리는 서로 수직을 이루도록 설치된 것을 특징으로 하는 강관 축을 이용한 나무 형태의 풍력발전기.

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