KR101717131B1 - 풍향 추적 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 게시안은 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍향판을 부가하여 풍향 변화에 따라 풍향을 자동으로 추적하는 기능, 및 풍속분산장치를 부가하여 풍력발전기의 내구성을 향상시키는 풍력발전기를 제공한다.
본 개시안은 수직으로 연장되는 수직중심축의 둘레에 지지링이 수평으로 연결되는 지지프레임, 중심부는 상기 수직중심축에 회전가능하게 관통결합되고, 전-후방단부는 상기 수평링을 따라 주행가능하도록 상기 수평링에 지지되며, 후방측에는 풍향판가 결합되어, 바람의 방향에 따라 상기 수평링 상에서 상기 수직중심축을 중심으로 회전되는 풍향추적축, 상기 풍향추적축의 후방측을 분할하는 형태로 상기 풍향추적축 상에 회전가능하게 결합되고, 바람에 의해 회전구동되도록 회전블레이드가 결합되는 회전축, 및 상기 회전축에 결합되고 상기 회전축의 회전력을 전기에너지로 변환시키는 발전유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍향추적풍력발전기를 제공한다.
나아가, 상기 풍향추적 풍력발전기는 강풍이 불면 벌어져 풍속을 감소시키는 풍속분산장치부를 더 포함할 수 있고, 보조베어링을 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 기재된 풍력발전기는 풍향판의 결합으로 풍향을 자동 추적하며, 그 결과 풍력발전기의 효율을 증대시키는 효과를 가진다. 또한, 본 풍력발전기는 풍속분산장치를 구비하며, 갑자기 높은 풍속의 바람이 인가되는 경우 풍력발전기의 손상을 방지함과 더불어 급격히 높은 전류가 발생되어 부하인 전기기기가 손상되는 것을 방지하는 효과를 가진다.

Description

풍향 추적 풍력발전기 {The Aerogenerator that tracks direction of the wind}
본 개시안은 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍향을 자동으로 추적하는 기능, 유입되는 풍속을 조절하는 기능을 가지는 풍력발전기에 관한 것이다.
풍력발전기는 바람을 기초로 전기에너지를 생산하는 장치이다. 바람이 회전블레이드를 회전시키면 그 회전력으로 발전기를 구동하여 전기를 생산한다.
일반적으로 풍력발전기는 회전블레이드, 발전기로 구성된다. 상기 발전기는 중심의 회전자와 외부를 감싸는 고정자에 의해 자기장을 형성하면서 전기를 생산한다. 발전기 동작의 기본원리는 암페어 법칙과 패러데이의 전자기유도법칙을 따른다.
한편, 풍력발전기가 적합하게 작동할 조건으로는 평균 초속 4m/s 이상의 바람이 필요하며, 풍향은 회전에 수직방향이어야 최대 효율을 발휘할 수 있다.
종래기술로는 대한민국 특허등록공보 제 10-1288177호(2013.07.15 공고)가 있으며, 무동력 풍향자동추종 풍력발전기에 대하여 개시한다. 상기 종래기술은 풍향추종장치를 구비함으로써, 바람의 방향이 바뀌더라도 로터하우징을 항상 바람이 불어오는 방향으로 회전시키도록 한다. 또한 풍향완충부재가 구비됨으로써, 순간풍속이 급격히 상승하더라도 수직프레임이 파손되는 것을 방지한다. 다만, 상기 종래기술의 풍향추종장치는 작동범위에 한계가 있다는 점에서 문제점을 가진다. 또한 일정범위 이상의 강한 바람이 불어올 경우 발건기 및 전기기기가 손상될 위험이 있다는 문제가 있다.
특허문헌 1 : KR10-1288177
상기 종래기술의 문제를 해결하기 위하여, 전 범위로 회전이 가능한 풍향추종장치를 제공하기 위함이고, 풍속이 낮은 지역에서도 발전기 효율을 향상시키기 위함이다.
또한, 높은 풍속의 바람이 급격히 인가되는 경우 풍력발전기의 내구성을 향상시키기 위함이다.
일 실시예에 따른 풍력발전기는, 상기 기재한 효율향상을 위하여 풍향판을 구비하여 풍향의 변화에 따라 풍향추적축을 회전시킬 수 있다. 또한, 다수의 회전블레이드를 구비할 수 있다.
한편, 본 명세서에 기재된 풍력발전기는 풍속분산장치를 구비할 수 있다. 풍속분산장치는 낮은 풍속의 바람이 부는 경우에는 작동하지 아니하나, 높은 풍속의 바람이 부는 경우 장치가 작동하여 일정량의 바람을 분산시킨다.
개시된 내용에 따르면, 풍향판의 결합으로 풍향을 자동 추적하며, 그 결과 풍력발전기의 효율을 증대시키는 효과를 가지며, 풍향과 풍향추적축이 일치하는 경우 극대의 효율을 발휘할 수 있다.
또한, 풍속분산장치를 구비하며, 갑자기 높은 풍속의 바람이 인가되는 경우 풍력발전기의 손상을 방지함과 더불어 급격히 높은 전류가 발생되어 부하인 전기기기가 손상되는 것을 방지하는 효과를 가진다.
도 1은 본 명세서에 게시된 일 실시예에 의한 풍향추적 풍력발전기를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 명세서에 게시된 일 실시예에 의한 풍향추적 풍력발전기에 관한 측면 단면도이다.
도 3은 본 명세서에 게시된 일 실시예에 의한 발전유닛를 나타낸 측면 분해사시도이다.
도 4는 본 명세서에 게시된 일 실시예에 의한 풍속분산장치부를 나타낸 측면 분해사시도이다.
도 5는 본 명세서에 게시된 일 실시예에 의한 풍속분산장치의 사용상태도로서, 도 5a는 평상시의 풍속분산장치의 단면도, 도 5b는 강풍이 불 경우의 풍속분산장치의 단면도이다.
도 6은 본 명세서에 게시된 일 실시예에 의한 풍향추적부를 나타낸 측면 분해사시도이다.
도 7은 본 명세서에 게시된 일 실시예에 의한 풍향추적부를 나타낸 배면도이다.
이하에서는 도면을 참고하여 풍향추적 풍력발전기(10)에 관하여 바람직한 실시예를 예시로 들어 설명한다.
후술하는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 주지·관용기술을 통하여 용이하게 실시할 수 있는 범위까지 포함될 수 있으며, 본 명세서에 기재된 내용에 한하지 않는다.
본 발명에서 기재된 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 상용되는 용어로 변경될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 풍향추적 풍력발전기(10)를 나타낸 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 지지프레임(20)은 수직중심축(40) 및 지지링(30)을 지지할 수 있도록 설계되어야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 지지프레임(20)의 상단은 십자로 형성될 수 있다. 십자의 교차점에서 수직중심축(40)이 신장되어 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 지지프레임(20)의 중단에 수평으로 지지링(30)이 형성될 수 있다. 지지링(30)은 지지프레임(20)의 각 측면 기둥의 중간에 결합된다. 다만, 한가운데 위치할 필요는 없으며, 필요에 따라 위치는 변동될 수 있다.
수직중심축(40)의 중간에는 중심축베어링(42)이 결합될 수 있으며, 중심축베어링(42)은 수직중심축(40)을 기준으로 상하로 이동할수 없도록 고정되어 있으며, 상기 풍향추적축(50)을 수직중심축(40)을 기준으로 수평회전시키기 위한 용도이다.
풍향추적축(50)의 전방에는 제1베어링(62)이 결합되어 있고, 풍향추적축의 후방 끝단에는 제2베어링(68)이 결합되어 있다. 중심축베어링(42), 제1베어링(62) 및 제2베어링(68)은 수직중심축(40)을 기준으로 풍향추적축(50)이 용이하게 회전할 수 있도록 돕는다.
도 2는 풍향추적 풍력발전기에 관한 측면 단면도이다.
일 실시예는 풍속분산장치부(200)를 구비하는 장치에 관한 것이다.
풍향추적축(50)의 전방에는 풍속분산장치부(200);가 형성될 수 있다. 도 2에 도시된 일 실시예에 따르면, 풍향추적축을 구성하는 봉의 끝단과 중심축베어링(42)의 결합(44)은 못 또는 너트로 될 수 있으나, 채결구의 종류는 한정하지 않는다.
회전축(54)의 전방 끝단에는 제3베어링(64)이 결합된다. 제3베어링(64)은 중심축베어링(42)과 결합될 수 있다. 도2에 도시된 일 실시예에 따르면, 중심축베어링(42)과 제3베어링(64)의 결합(44)은 못 또는 너트로 될 수 있으나, 채결구의 종류는 한정하지 않는다.
회전축(54)의 후방 끝단에는 제4베어링(66)이 결합되어 있다. 따라서, 회전축(54)은 풍향추적축(50)을 구성하는 다른 것과는 달리 풍향추적축(50)을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있다.
풍향추적축(50)의 둘레에 발전기(110)가 형성될 수 있다. 발전기(110)의 고정자는 회전축(54)이 아닌 풍향추적축(50)에 결합되어 회전하지 않을 수 있다. 발전기(110)의 회전자는 회전축(54)에 결합 될 수 있으며, 회전자의 회전으로 인하여 전기를 생산할 수 있다. 발전기(110)는 제3베어링(54)에 결합될 수 있거나, 또는 상기 중심축베어링(42)에 결합될 수 있다.
도 3은 회전축(54) 및 발전유닛(100)을 분해한 분해도이다.
회전축(54)은 회전블레이드(120)를 구비할 수 있다. 회전블레이드(120)는 바람이 불 때 회전축(54)을 회전시킨다.
도3에 도시된 일 실시예는 회전블레이드(120)의 깃 수는 3개일 것을 특징으로 한다. 하지만, 회전블레이드(120)의 깃 수는 한정되지 않으며, 통상의 지식을 가지는 자를 기준으로 회전블레이드(120)의 깃 수는 변경 가능하다.
도3에 도시된 일 실시예는 회전블레이드(120)가 3개일 것을 특징으로 한다. 다수의 회전블레이드(120)를 결합하는 경우, 약한 바람에도 회전축(54)에 충분한 회전력을 전달할 수 있다. 그러므로, 거대한 하나의 회전블레이드(120)를 쓰는 것보다 공간을 적게 차지하는 점, 하중이 저감되어 회전이 용이하다는 점에 있어 풍력발전기의 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 3에 도시된 일 실시예는 각 회전블레이드(120)는 전방에서 보았을 때, 완젼히 겹쳐져 있지 않게 틀어져서 형성될 수 있다. 따라서, 바람이 각 회전블레이드(120)를 지나가면서 회전이 용이하게 할 수 있다. 한편, 회전블레이드(120)의 수는 한정되지 않으며, 통상의 지식을 가지는 자를 기준으로 회전블레이드(120)의 수는 변경이 가능하다.
도3에 도시된 일 실시예는 발전기(110)를 포함할 수 있다.
발전기(110)는 자기장을 발생시키는 자석을 포함하고 있으며, 발전기의 내부에는 회전자를 구성하는 코일이 회전축(54)과 결합될 수 있다. 따라서, 회전축(54)이 회전하게 되면, 회전축(54)의 회전력은 코일에 전달되고, 코일의 회전은 유도기전력을 일으켜 전기를 생산한다.
도 4는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 풍속분산장치부(200)를 나타낸 분해 사시도이다.
풍속분산장치(210)의 전방은 풍향추적축(50)과 결합되어 있다. 풍속분산장치(210)의 후방은 수직중심축(40)에 이른다. 풍속분산장치(210)의 후방과 수직중심축(40)은 고정대베어링(222)으로 연결될 수 있다. 고정대베어링(222)은 중심축베어링(42)과 동일한 종류의 베어링으로 이루어질 수 있다. 풍속분산장치(210)의 후단과 고정대베어링(222)은 고정핀으로 연결될 수 있다. 고정대베어링(222)의 고정핀(224)은 중심축베어링(42)과 풍향추적축(50)을 연결하는 고정핀(44)과 동일한 종류로 이루어질 수 있다.
풍속분산장치(210)의 하단 일부는 고정대(220)와 결합되어있으며, 상기 고정대(220)는 풍향추적축(50)과 결합된다. 상기 고정대(220)의 위치는 변동가능하나 풍속분산장치(210)의 하단 중심에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 풍속분산장치(210)는 전방에서부터 후방까지 기울어져 있으므로, 바람의 저항을 받을 수 있다. 도 5는 풍속분산장치(210)의 사용상태도를 도시한 도면이다.
풍속분산장치(210)는 좌측면(212)과 우측면(214)이 형성될 수 있다. 풍속분산장치의 좌측면과 우측면은 도 5a에 도시된 바와 같이, 평소에는 접혀있어 풍속분산장치(210)가 바람의 이동을 방해하지 않도록 한다. 강한 바람이 부는 경우, 도 5b에 도시된 바와 같이 바람의 힘이 스프링(230)의 탄성력을 초과하게 되면 풍속분산장치(210)의 좌측면(212)과 우측면(214)이 펼쳐져 풍속을 분산 및 감속시킬 수 있다. 이로써 회전블레이드(120)가 빠르게 회전함으로써 연결된 전자기기 또는 발전유닛(100)이 손상되는 것을 방지한다.
도 4 및 도 5에 도시된 일 실시예에 따르면, 풍속분산장치(210)는 스프링(230)을 포함할 수 있다. 스프링(230)은 풍속분산장치의 좌측면(212)과 우측면(214) 사이를 연결한다. 스프링(230)은 도 5a에 도시된 바와 같이, 평소에는 좌측면과 우측면이 접혀있도록 하여, 강한 바람이 불지 않는 경우에 풍속분산장치(210)가 바람의 이동을 방해하지 않도록 한다.
도 4에 도시된 본 명세서에 게시된 일 실시예에 따르면 스프링(230)은 풍속분산장치(210)의 후방에 위치할 수 있다. 스프링이 풍속분산장치(210)의 후방에 위치하게 되면 바람이 불 때 풍속분산장치(210)의 전방이 먼저 벌어지게 되며, 바람의 저항을 더 받게 되어 후방이 더 용이하게 벌어질 수 있다.
도 6은 본 명세서에 게시된 일 실시예에 따른 풍향추적부(300)를 나타낸 분해사시도이다.
풍향추적부는 풍향판(310), 제2베어링(68)으로 구성된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 풍향판(310)은 상부와 하부 2개의 판이 풍향추적축과 수직으로 결합한다. 따라서 풍향이 변하게 되면, 풍향판(310)이 풍향에 따라 회전축이 요잉(Yawing)을 하도록 한다. 이때, 중심축베어링(42), 제1베어링(62) 및 제2베어링(68)은 마찰력을 감소시켜 회전축(50)의 요잉을 용이하게 돕는 역할을 한다.
풍향이 변하게 되면 풍향판(310)이 요잉하여 풍향과 풍향추적축(50)의 방향을 일치시킨다. 이에 따라 풍력발전기의 효율을 극대와 시킬 수 있다.
본 명세서에 게시된 일 실시예에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이 풍향추적축(50)의 측면에는 보조베어링지지대(320)가 형성될 수 있으며, 보조베어링지지대(320)의 끝단에는 보조베어링(330)이 결합될 수 있다.
도 7은 본 명세서에 게시된 일 실시예에 따른 풍향추적부(300)의 후방을 도시한 배면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 보조베어링(330)은 좌측과 우측, 각각 상-하로 하여 4개의 보조베어링으로 구성될 수 있다. 보조베어링(330)은 풍력발전기가 롤링(Rolling)하는 것을 방지하여 풍력발전기의 효율을 향상시키는 역할을 한다. 보조베어링(330)은 통상의 지식을 가지는 자를 기준으로 보조베어링의 개수 및 결합형태는 변경이 가능하다.
10 : 풍향 추적 풍력발전기 20 : 지지프레임
30 : 지지링 40 : 수직중심축
42 : 중심축 베어링 44 : 고정핀
50 : 회전축 62 : 제1 베어링
64 : 제3 베어링 66 : 제4 베어링
68 : 제2 베어링 100 : 발전유닛
110 : 발전기 120 : 회전블레이드
200 : 풍속분산장치부 210 : 풍속분산장치
212 : 풍속분산장치의 좌측면 214 : 풍속분산장치의 우측면
220 : 고정대 222 : 고정대베어링
224 : 고정대베어링고정핀 230 : 스프링
300 : 풍향추적부 310 : 풍향판
320 : 보조베어링지지대 330 : 보조베어링

Claims (5)

  1. 수직으로 연장되는 수직중심축의 둘레에 지지링이 수평으로 연결되는 지지프레임;
    중심부는 상기 수직중심축에 회전가능하게 관통결합되고, 전-후방단부는 상기 지지링을 따라 주행가능하도록 형성되며, 후방측에는 풍향판이 결합되어, 바람의 방향에 따라 상기 지지링 상에서 상기 수직중심축을 중심으로 회전되는 풍향추적축;
    상기 풍향추적축의 후방측을 분할하는 형태로 상기 풍향추적축 상에 회전가능하게 결합되고, 바람에 의해 회전구동되도록 회전블레이드가 결합되는 회전축; 및
    상기 회전축에 결합되고 상기 회전축의 회전력을 전기에너지로 변환시키는 발전유닛;을 포함하며,
    상기 풍향추적축의 측면에서 좌 또는 우로 신장되며, 일 측은 좌-우 각각에서 지지링의 상-하에 이르는 보조베어링지지대;
    보조베어링지지대와 지지링을 연결하는 보조베어링;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍향추적 풍력발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    수직중심축과 풍향추적축 사이에 위치하는 중심축베어링;
    풍향추적축의 전방과 지지링 사이에 위치하는 제1베어링; 및
    풍향추적축의 후방과 지지링 사이에 위치하는 제2베어링;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍향추적 풍력발전기.
  3. 제 1항에 있어서,
    중심축베어링의 전방에 위치하며, 일 측은 풍향추적축과 직접 결합되고, 타 측은 수직중심축과 연결되고, 하단 일부는 풍향추적축과 고정대로 결합되고, 양 끝단은 접힌 채로 스프링으로 고정되어 있어, 강풍이 불면 벌어져 풍속을 감소시키는 풍속분산장치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍향추적 풍력발전기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 발전유닛은,
    풍향추적축 상에 위치하는 회전축;
    회전축의 둘레에 결합되는 다수의 회전블레이드;
    회전축의 전방 끝단에 위치하는 제3베어링;
    회전축의 후방 끝단에 위치하는 제4베어링;
    풍향추적축에 결합하되, 회전자는 회전축에 결합되도록 하는 발전기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍향추적 풍력발전기.


  5. 삭제
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