KR101722660B1 - 신재생에너지를 이용한 조명시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신재생에너지를 이용한 조명시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력발전기와 태양광발전기로부터 전원을 공급받아 점등되는 신재생에너지를 이용한 조명장치에 관한 것이다.
본 발명의 신재생에너지를 이용한 조명장치는 점등하는데 필요로 하는 전력을 풍력발전가와 태양광발전기로부터 공급받음으로써 배관이나 배선설비가 필요없기 때문에 별도의 전력비가 들지 않고 무인으로 작동시킬 수 있으며, 불규칙하게 생산되는 전력공급량을 상호 보완하여 안정적으로 전원이 공급될 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 신재생에너지를 이용한 조명시스템은 항력조절유닛과 바람유도유닛에 의해 풍력발전기의 발전효율을 높이고, 태양광집광부와 열선을 통해 태양광발전기의 발전효율을 높여 전력생산량을 높임으로써 안정적으로 전원을 공급될 수 있는 이점이 있다.

Description

신재생에너지를 이용한 조명시스템 {Lighting system using new renewable energy}
본 발명은 신재생에너지를 이용한 조명시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력발전기와 태양광발전기로부터 전원을 공급받아 점등되는 신재생에너지를 이용한 조명시스템에 관한 것이다.
일반적으로 가로등이나 버스정류장의 조명 등과 같이 공중시설에 설치된 조명들은 한전에서 공급되는 상용전원을 사용하고 있다.
그러나 많은 수의 공중시설에 설치되는 조명은 전력의 사용시간이 길어 소비되는 전력량이 많고 이로 인한 비용이 많이 든다.
또한, 상용전원으로 점등되는 조명장치는 자가발전기능이 없어 정전시에 상용전원을 공급받지 못하여 야간에 길을 조명하지 못하는 문제점이 있다.
더구나 한전의 상용전원은 산악지대나 오지에 제한적으로 공급되고 있는 실정이다.
이에 따라, 공중시설의 조명에 자가발전시설로 태양광 발전기 또는 풍력발전기와 같은 신재생에너지를 사용하는 방법이 개발되어 사용되고 있다.
태양광발전기는 태양전지판을 이용하여 태양광을 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이며, 풍력발전기는 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생하는 유도전기를 이용한 기술이다.
그러나, 풍력발전기의 경우 날씨의 변화에 따라서 풍량 및 풍향이 변화하므로 전력생산량이 일정하지 않은 문제점이 있었으며, 태양광발전기의 경우에도 날씨나 계절에 따라 일조량과 일사량이 일정하지 못하여 확보할 수 있는 전력량이 일정하지 못한 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 상호 보완하여 공중시설의 조명장치에 풍력발전기와 태양광발전기를 혼용할 수 있는 자가발전시설이 개발되어 사용되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1197319호에는 도로의 조명장치가 게시되어 있으며, 대한민국 등록특허공보 제10-1297136호에는 풍력발전기 및 태양광발전시스템의 발전량 정보를 표시하는 독립형 가로등이 게시되어 있다.
그러나, 가로등이나 버스정류장의 조명과 같은 공중시설의 조명장치나 시스템에 사용되는 태양광발전기나 풍력발전기는 일반적으로 일체화된 소형인만큼 발전효율이 높은 풍력발전기와 태양광발전기가 요구되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1197319호 : 도로의 조명장치 대한민국 등록특허공보 제10-1297136호 : 풍력발전기 및 태양광발전시스템의 발전량 정보를 표시하는 독립형 가로등
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자가발전으로 점등될 수 있도록 설치되는 태양광발전기 및 풍력발전기의 발전효율을 향상시킬 수 있는 신재생에너지를 이용한 조명시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 신재생에너지를 이용한 조명시스템은 조명부와; 회전가능하게 설치되는 회전축과, 상기 회전축의 외주면에서 방사상으로 다수 형성된 지지대들과, 상기 지지대들에 각각 고정되며 에어포일 형상으로 형성되는 것으로 상기 회전축에 대해 외향되는 제1외향면에는 바람에 대해 양력이 발생되고 상기 회전축에 대해 내향되는 제1내향면의 일측에는 바람에 대해 항력이 발생되도록 절제된 절제부가 형성된 다수의 블레이드와, 상기 지지대에 장착되어 상기 회전축 및 상기 블레이드의 회전속도에 따라 상기 절제부에 형성되는 항력을 변화시키는 항력조절유닛을 구비하여 바람에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 수직축형 풍력발전기와; 프레임에 설치되어 태양광을 집광하여 전기에너지로 변환시켜주는 태양광모듈을 갖는 태양광발전기와; 상기 풍력발전기 및 상기 태양광발전기와 연결되어 생산된 전기에너지를 일정한 직류형태로 변환시키는 변환부와; 상기 변환부와 연결되어 상기 변환부에서 변환된 전기에너지를 충전하며 상기 조명부로 전원을 공급하는 축전지와; 상기 축전지로부터 전원을 공급받아 상기 조명부의 점등을 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 항력조절유닛은 상기 회전축과 상기 블레이드 사이에서 슬라이딩 가능하도록 상기 지지대에 설치되며, 상기 절제부의 절제된 형상에 대응되게 형성되어 상기 블레이드와 밀착될 수 있는 제2외향면을 갖는 보조블레이드와, 상기 보조블레이드와 상기 블레이드 사이에 상기 지지대에 설치되어 상기 보조블레이드와 상기 블레이드가 이격된 상태를 유지하도록 탄성을 제공하는 스프링을 구비한다.
상기 수직축형 풍력발전기는 상기 다수의 블레이드를 사이에 두고 상기 회전축으로부터 일측과 타측에 이격되게 설치되어 주변으로 불어오는 바람을 상기 블레이드 방향으로 유도하고 상기 바람을 층류화하여 가속함으로써 양력을 증가시켜 상기 블레이드의 회전력을 높이는 바람유도유닛을 구비한다.
상기 바람유도유닛은 상기 블레이드를 사이에 두고 마주하되 상기 회전축을 중심으로 서로 반대방향으로 치우치도록 배치되어 바람을 상기 블레이드로 유도하는 제1,2가이드패널을 구비하고, 상기 제1 및 제2가이드패널은 각각 상기 블레이드와 마주하는 내주면에 상기 회전축 방향으로 돌출되되 상기 블레이드의 길이방향과 직교하는 방향으로 연장형성되며 상기 제1 및 2제2가이드패널의 길이방향으로 상호 소정간격을 이루는 복수 개의 방향유도비드와, 상기 내주면에 상하로 배열되는 상기 방향유도비드들 사이에 형성되며, 바람이 유입되는 일측에서 바람이 빠져나가는 타측으로 갈수록 상기 회전축과 가까워지도록 돌출되되 상기 회전축에 대해 상기 블레이드보다 이격되게 형성되는 가속유도비드를 구비한다.
상기 제어부와 연결되며 상기 조명부가 설치된 구역의 조도를 감지하는 조도감지센서를 더 구비하고, 상기 제어부는 상기 조도감지센서에서 수신된 신호에 따라 상기 조명부에 공급되는 전기에너지를 차단 및 차단해제하여 상기 조명부의 점등을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 태양광발전기는 상기 태양광모듈에 인접하게 설치되고 상부에서 하부로 갈수록 외경이 확장되는 형상으로 상기 태양광모듈을 벗어나는 위치로 조사되는 태양광을 상기 태양광모듈로 반사시켜주는 태양광집광부와, 상기 태양광모듈에 장착되어 상기 태양광모듈의 상면에 눈이 쌓이지 않도록 상기 축전지로부터 전원을 공급받아 발열하는 열선을 구비한다.
본 발명의 신재생에너지를 이용한 조명시스템은 필요로 하는 전력을 풍력발전가와 태양광발전기로부터 공급받음으로써 별도의 전력비가 들지 않고 무인으로 작동시킬 수 있으며, 불규칙하게 생산되는 전력공급량을 상호 보완하여 안정적으로 전원이 공급되는 장점을 제공한다.
또한, 본 발명의 신재생에너지를 이용한 조명시스템은 항력조절유닛과 바람유도유닛에 의해 풍력발전기의 발전효율을 높이고, 태양광집광부와 열선을 통해 태양광발전기의 발전효율을 높여 전력생산량을 높임으로써 안정적으로 전원을 공급될 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 신재생에너지를 이용한 조명시스템에 대한 도면이고,
도 2는 도 1에 적용된 조명시스템에 대한 블록도이고,
도 3는 도 1에 적용된 풍력발전기에 대한 사시도이고,
도 4은 도 1에 적용된 바람유도유닛의 가이드패널에 대한 사시도이고,
도 5은 도 1에 적용된 풍력발전기의 블레이드의 회전예를 도시한 도면이고,
도 6는 도 1에 적용된 블레이드의 주위의 압력분포를 도시한 도면이고,
도 7는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 신재생에너지를 이용한 조명시스템의 일부사시도이고,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 신재생에너지를 이용한 조명시스템에 대한 일부사시도이고,
도 9는 도 8의 태양광발전기에 대한 일부사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 신재생에너지를 이용한 조명시스템에 대해 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신재생에너지를 이용한 조명시스템에 대한 도면이고, 도 2는 도 1에 적용된 조명시스템에 대한 블록도이고, 도 3은 도 1에 적용된 풍력발전기에 대한 사시도이고, 도 4는 도 1에 적용된 바람유도유닛의 가이드패널에 대한 사시도이고, 도 5은 도 1에 적용된 풍력발전기의 블레이드의 회전예를 도시한 도면이고, 도 6은 도 1에 적용된 블레이드의 주위의 압력분포를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예의 신재생에너지를 이용한 조명시스템(1)은 조명부(100), 풍력발전기(200), 태양광발전기(300), 변환부(400), 축전지(500) 및 제어부(600)를 구비한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 조명시스템은 풍력발전기(200)와 태양광발전기(300)가 지주(10)에 일체형으로 장착된 예를 들고 있다.
하지만, 태양광발전기(300)나 풍력발전기(200)의 크기나 형태에 따라 분리된 형태로 조명시스템을 적용할 수 있다.
조명부(100)는 가로등, 버스정류장에 설치된 램프 또는 도로의 가드레일에 설치되는 델리네이터에 장착된 램프 등과 같이 공중시설물에 장착되어 빛을 비추는 부분이다.
조명부(100)는 후술되는 제어부의 제어에 의해 점등되며, 저전압으로 점등되고 그 수명이 장기적이며 조도가 높은 형광등이나, 고압의 수은증기 속의 아크방전에 의해서 빛을 내는 수은등 또는 LED램프 등이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 수직축형 풍력발전기(200)는 지주(10) 상단에 설치되는 부분으로서, 수직축형 풍차(210)와, 수직축형 풍차(210) 하측에 마련되는 발전부(290)와, 바람유도유닛(260)이 구비되어 있다.
수직축형 풍차(210)는 후술되는 발전부(290)의 회전자(미도시)에 회전력을 전달하기 위한 것으로, 회전축(220), 상기 회전축 외주면에 방사상으로 설치되는 다수의 지지대(230), 지지대(230)의 수직방향으로 설치되는 다수의 블레이드(240)와, 상기 블레이드(240)에 형성되는 항력을 변화시키는 항력조절유닛(250)을 구비한다.
회전축(220)은 발전부(290)의 상측에 직립되게 설치되어 후술되는 회전자(미도시)와 연결되는 부분이다.
지지대(230)는 회전축(220)의 외주면에 방사상으로 다수 형성될 수 있는데, 상호 직각을 이루며 사방으로 회전축(220)에 연결된 것을 예로 들고 있다. 지지대(230)는 주지지부(231)와 보조지지부(235)로 이루어진다.
주지지부(231)는 회전축(220)의 외주면과 직교하는 방향으로 연장되어 블레이드(240)의 제1내향면(243)에 연결된다. 보조지지부(235)는 주지지부(231)의 외주면의 일측에서 주지지부(231)와 직각을 이루게 분기되어 블레이드(240)와 평행을 이루는 제1분기부(235a)와, 제1분기부(235a)의 단부에서 블레이드(240)의 후술되는 절제부(245)가 형성된 제1내향면(243)에 연결되도록 직각방향으로 연장된 제2분기부(235b)로 이루어진다.
블레이드(240)는 지지대(230)의 선단에 각각 마련된다. 블레이드(240)는 제1외향면(241)은 전방이 후방에 비해 볼록한 유선형으로 형성되고, 제1내향면(243)은 전방이 볼록한 유선형으로 형성되고 후방은 절제된 절제부(245)가 형성된다. 블레이드(240)는 제1내향면(243)이 회전축(220)을 향하도록 지지대(230)의 선단이 블레이드(240)의 절제부(245)에 부착되어 고정된다. 즉, 블레이드(240)는 제1내향면(243)의 전방이 주지지부(231)와 연결되고, 제1내향면(243)의 후방에 보조지지부(235)와 연결된다.
절제부(245)는 제1내향면(243) 후방에 절제되어 제1내향면(243)과 제1외향면(241)이 이루는 두께가 단턱지게 줄어드는 부분이 형성된다. 절제부(245)가 형성된 제1내향면(243)을 절제면(243a)이라한다. 절제부(245)는 기동시나 저속회전시 전방과 후방 사이에 항력 차가 발생 되게 하는 부분이다.
항력조절유닛(250)은 지지대(230)에 장착되어 회전축(220) 및 블레이드(240)의 회전속도에 따라 절제부(245)에 형성되는 항력을 변화시키는 부분이다. 항력조절유닛(250)은 스프링(251)과 보조블레이드(253)를 구비한다.
보조블레이드(253)는 회전축(220)과 블레이드(240) 사이에서 슬라이딩 가능하도록 보조지지부(235)가 관통될 수 있는 관통공(259)이 형성된다. 보조블레이드(253)는 블레이드(240)의 절제부(245)의 절제된 형상에 대응되게 형성되어 블레이드(240)의 절제부(245)에 결합될 수 있다. 블레이드(240)와 보조블레이드(253)는 상호 결합시 완전한 에어포일 형상을 이루게 된다.
보조블레이드(253)는 제2외향면(255)과 제2내향면(257)으로 이루어진다. 제2외향면(255)은 블레이드(240)의 제1내향면(243) 중 절제부(245)에 의해 형성되는 절제면(243a)에 상호 밀착될 수 있는 형상으로 이루어지며, 양력이 발생할 수 있는 곡면을 가진다. 제2내향면(257)은 블레이드(240)와 보조블레이드(253)가 결합시, 제1내향면(243)의 전방과 함께 완만한 곡면을 이룰 수 있도록 형성된다.
스프링(251)은 보조블레이드(253)와 블레이드(240) 사이의 보조지지부(235)에 설치된다. 스프링(251)은 수직축형 풍차(210)가 정지시나 초기 기동시에 보조블레이드(253)와 블레이드(240)가 이격된 상태가 유지되도록 한다.
보조블레이드(253)에 형성된 관통공(259)은 보조지지부(235)에 설치된 스프링(251)을 수용할 수 있는 내경을 형성하되, 제2내향면(257)에 인접한 부분에 내경이 줄어들어 스프링(251)이 이탈되지 않고 보조지지부(235)만 관통되는 스프링구속턱(258)이 구비된다.
블레이드(240)나 보조블레이드(253)는 수직축형 풍차(210)가 초기 기동시나 저속회전시 스프링(251)에 의해 소정거리 이격된 상태가 유지된다.
바람유도유닛(260)은 회전축(220)으로부터 네방향으로 마련된 블레이드(240)들을 사이에 두고 일측과 타측에 상호 이격되게 설치되는 부분이다. 바람유도유닛(260)은 제1가이드패널(270)과 제2가이드패널(280)을 구비한다.
제1가이드패널(270)과 제2가이드패널(280)사이에 수직축형 풍차(210)가 설치되어 주변에 지나가는 와류형태의 바람을 수직축형 풍차(300)로 유도하는 역할을 한다. 즉, 제1 및 2가이드 패널(270,280)은 상호 블레이드(240)를 사이에 두고 마주하되 회전축(220)을 중심으로 서로 반대 방향으로 치우치도록 배치된다. 제1 및 2 가이드 패널(270, 280)은 회전축(220)과 동일한 방향의 호형곡률을 가지며, 블레이드(240)의 길이방향과 동일한 방향으로 길이 연장된 형태이다.
제1 및 2 가이드패널(270,280)은 방향유도비드(261), 가속유도비드(264), 패널절제부(267)가 각각 구비된다.
방향유도비드(261)는 제1 및 제2가이드패널(270,280)에 블레이드(240)와 마주하는 내주면에 각각 형성되는 부분이다. 방향유도비드(261)는 제1및 제2가이드패널(270,280)의 내주면에서 각각 회전축(220) 방향으로 돌출되되, 제1,2가이드패널(270,280)의 가로방향인 블레이드(240)의 길이방향과 직교하는 방향으로 연장형성된다. 방향유도비드(261)는 제1 및 제2 가이드패널(270,280)의 길이방향으로 내주면에 상호 소정간격을 이루며 배열되게 복수 개 형성된다. 방향유도비드(261)가 제1 및 2 가이드패널(270,280) 내주면에 일정간격으로 돌출형성됨으로써 방향유도비드(261)들 사이의 내주면은 인입된 형태가 되어 불규칙한 방향으로 유입되는 주행풍을 층류 형태로 유도하는 통로가 형성된다.
패널절제부(267)는 블레이드(240)와 제1 및 제2가이드 패널(270, 280) 사이로 바람이 유입되는 측에 형성된 부분이다. 패널절제부(267)는 제1 및 제2가이드 패널(270,280)의 상부에서 하부로 소정간격을 이루며 일정한 크기로 절제되는데, 바람의 유입량을 확대하는 역할을 한다.
가속유도비드(264)는 제1 및 제2가이드패널(270,280)의 내주면에 방향유도비드(261)들 사이에 형성되는 부분이다. 가속유도비드(264)는 바람이 유입되는 일측에서 바람이 빠져나가는 타측으로 갈수록 회전축(310)과 가까워지도록 돌출되되, 회전축(220)에 대해 블레이드(240)보다 이격되게 형성된다. 바람이 유입되는 일측은 패널절제부(267)가 형성되는 부분이며, 바람이 빠져나가는 타측은 가속유도비드(264)가 최대로 돌출되는 부분이다.
상기와 같은 구조를 갖는 수직축형 풍차(210)의 회전속도에 따라 블레이드(240)와 보조블레이드(253)의 작용과 바람유도유닛의 작용에 대해 상세히 설명한다.
도 5와 도 6를 참조하면, 수직축형 풍차(210)는 바람에 의해 발생되는 블레이드(240)의 양력 및 항력에 의해 회전축(220)이 회전된다.
즉, 블레이드(240)의 제1내향면(243)에 형성된 절제면(243a)에 바람에 대한 항력이 발생되어 회전축(220)은 회전된다. 본 실시 예에서는 시계방향으로 회전되는 예를 들었다.
상기의 구조를 갖는 블레이드(240)의 주위에는, 도 6에 도시된 바와 같이 전방(도5의 화살표 C 방향)으로부터의 바람에 대해 압력 분포가 형성된다. 즉, 블레이드(240)에 사용되어 있는 에어포일형의 압력분포는 블레이드(240) 제1내향면(243)의 전방(바람이 불어오는 방향)에 외기압보다 높은 압력이 분포되고, 후방에는 대략 외기압과 동일한 압력이 되고, 제1외향면(241)에는 에어 포일 형상에 의해 유속이 가속되므로 압력이 작아져 부압이 형성된다. 따라서, 블레이드(240)의 제1내향면(243) 후방에 절제부(245)를 설치해도 에어 포일의 공력 특성에는 영향이 작다.
그리고 도 5에 도시된 바와 같이 블레이드(240)는 전방(상기 도면의 화살표 C 방향)으로부터 바람을 받으면, 양력이 상기 도면의 L 화살표 방향으로 발생한다. 그로 인해, 이 블레이드(240)에 발생되는 양력의 회전 방향 분력(L1)에 의해 풍차는 시계 방향으로 회전한다.
또한, 기동시와 같이 저풍속 영역에서는 블레이드(240)에는 후방(상기 도면의 화살표 D 방향)으로부터 바람을 받아 회전하면, 블레이드(240)의 에어 포일 하면의 절제부(245)에 의해, 블레이드(240)에 큰 공기 저항이 발생한다.
이에 의해 사보니우스형 풍차 효과, 즉 공기 저항에 의해 블레이드(240)에 회전 모멘트가 발생되어 풍차의 기동토크가 발생된다.
그 결과, 블레이드(240)의 제1내향면(243)에는 절제부(245)가 형성되어 있으므로, 도 5의 D화살표 방향으로부터의 바람에 대해 주속비 1 이하의 저풍속 영역에서는 공기 저항에 의해 회전 모멘트가 발생된다.
그리고 상기의 모멘트가 도 5의 C화살표 방향으로부터의 바람을 받는 블레이드(240)에 발생되는 양력의 회전 방향 분력(L1)에 가해져 회전하고, 주속비 1 이상의 고풍속 영역에서는 블레이드(240)에 발생되는 양력에 의해 회전하게 된다. 즉 ,블레이드(240)는 낮은 레이놀즈 수로 높은 양력 계수가 되는 에어포일형으로 형성되어 있으므로, 1m/sec 이하의 낮은 풍속에서도 블레이드(240)를 회전시킬 수 있어 효율적으로 발전시킬 수 있다.
이와 같이, 바람이 수직축형 풍차(210)의 블레이드(240)에 작용하게 되면, 블레이드(240)의 전방에서는 양력이 발생되어 수직축형 풍차(210)가 시계방향으로 회전되고, 후방에서는 절제면(243a)에서 항력이 발생되어 수직축형 풍차(210)가 시계방향으로 회전되므로 블레이드(240)의 전후방에서 바람이 작용하더라도 수직축형 풍차(210)는 일방향인 시계방향으로만 회전된다.
본 발명에 따른 수직축형 풍차(210)는 고속으로 회전시에 블레이드(240)에 형성된 절제부(245)에 의해 형성되는 항력에 의해 자이로밀 현상이 감소하는 현상이 발생될 수도 있다.
보조블레이드(253)는 중,고속(6m/sec이상)회전시 블레이드(240)의 이러한 단점을 보완하는 역할을 한다.
먼저, 수직충형 풍차(210)가 저속으로 회전할 때, 블레이드(240)와 이격된 상태의 보조블레이드(253)는 양력이 발생 될 수 있는 에어포일 형태이므로 저항을 일으키지 않는다.
그리고, 수직축형 풍차(210)가 중,고속으로 회전하게 되면 보조블레이드(253)는 원심력에 의해 스프링(251)을 수축시키면서 블레이드(240)와 접하도록 보조지지부(235)의 연장된 방향을 따라 이동된다.
보조블레이드(253)가 블레이드(240)의 절제부(135)에 결합시 수축되는 스프링(251)은 관통공(259)에 수용되며 스프링구속턱(258)에 의해 이탈되지 않고 구속된다.
스프링(251)이 관통공(259)으로 수용됨으로써, 블레이드(240)의 절제면(243a)과 보조블레이드(253)의 제2외향면이 밀착될 수 있다.
고속으로 회전하게 되면서 보조블레이드(253)의 제2외향면(255)이 블레이드의 절제면(243a)에 면접하게 되면서, 상호 접합된 블레이드(240)와 보조블레이드(253)는 절제부(245)가 형성되지 않은 완전한 에어포일형상을 이루게된다.
블레이드(240)와 보조블레이드(253)가 완전한 에어포일형상을 이루게 됨으로써, 블레이드(240)에 생기는 항력이 저감되고, 블레이드(240)에 작용하는 양력의 회전방향 성분에 의한 자이로밀 효과의 향상을 도모할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 수직축형 풍차(210)는 항력형의 수직축형 풍차와 양력형의 수직축형 풍자의 장점을 겸비하는 것으로 스보니우스 효과와 자이로밀 효과를 최대한으로 얻을 수 있다.
도 5을 참조하면, 본 발명에 따른 풍력발전기(200)는 바람유도유닛(260)인 제1,2가이드패널(270,280)에 의해 수직축형풍차(300)로 바람이 유입된다.
또한, 제1,2가이드패널(270,280)에 형성된 패널절제부(267)에 의해 바람의 유입량이 증가된다.
블레이드(240)는 제1,2가이드패널(270, 280)에 구비된 방향유도비드(261)와 가속유도비드(264)를 통해 높은 양력이 발생됨으로써 블레이드(240)는 빠른 회전력을 얻을 수 있다.
먼저, 제1가이드패널(270) 측으로 통과하는 바람에 대해 설명한다.
와류형태로 불규칙하게 유입되는 바람이 블레이드(240)의 전방에 부딪히면서 제1외향면(241)을 타는 바람과 제1내향면(243)을 타는 바람으로 분기되어 흐르게 된다.
이때, 제1외향면(241)과 제1가이드패널의 내주면을 타고 흐르는 바람은 제1가이드패널(270)에 형성된 방향유도비드(261)가 내주면과 함께 형성되는 통로를 타고 흐르면서 층류 형태로 바뀌고, 블레이드(240)에 부딧히며 발생될 수 있는 저항도 줄어든다.
또한, 방향유도비드에 의해 층류형태로 유도된 바람이 가속유도비드(264)를 타고 흐르게 된다.
바람은 가속유도비드(264)와 블레이드(240)사이 간격이 좁아지는 부분을 통과하면서, 밀도가 높아져 빠른 속도로 제1가이드패널(270)과 블레이드(240) 사이를 통과하게 된다.
이에 따라 바람은 방향유도비드에 의해 층류 형태로 유도되고, 가속유도비드에 의해 밀도가 높아져 블레이드 제1외향면(241)을 빠르게 통과하게 되어, 블레이드(240)의 제1외향면(241)측에는 제1내향면(243)과 비교시 압력차가 높은 양력을 발생된다.
제2가이드패널(420)을 통과하는 주행풍에도 상기와 같은 작용이 발생된다.
따라서, 수직축형 풍차(200)는 제1가이드패널(270)을 통과하는 블레이드(240)와 제2가이드패널(280)을 통과하는 블레이드(240)가 L방향으로 높은 양력이 발생됨에 따라 높은 회전력을 갖게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 풍력발전기(200)는 블레이드(240)의 전후방에 바람이 작용하더라도 제1,2가이드패널(270,280)에 의해 수직형 풍차(210)를 일방향으로 회전시킬 수가 있기 때문에, 불규칙하게 불어오는 바람에도 원활히 회전되어 발전효율이 향상시킬 수 있다.
또한, 제1,2가이드패널(270,280)에 구비된 방향유도비드와 가속유도비드에 의해 수직형 풍차가 높은 회전력으로 회전함으로써 풍력발전의 효율도 높일 수 있다는 이점이 있다.
발전부(290)는 풍차(210)의 회전력에 의해 발전할 수 있도록, 회전축(220)의 회전방향과 동일하게 회전하도록 연결된 회전자(미도시)와, 회전자(미도시)의 둘레에 코일이 설치된 고정자(미도시)가 구비된다.
바람에 의해 블레이드(240)가 회전축(220)과 함께 회전하면서 회전축(220)의 회전력에 의해 발전부(290) 내부의 회전자(미도시)가 회전하면서, 발전부 내부의 회전자와 고정자 사이의 유도기전력에 의하여 전기가 발생된다.
풍력발전기(200)는 항력조절유닛(250)과 바람유도유닛(260)을 통해 블레이드(240)와 회전축(220)에 높은 회전력이 발생됨으로써 발전부의 발전효율을 높일수 있다.
태양광발전기(300)는 지주(10)의 외주면에 직각을 이루며 단부가 상호 멀어지는 방향으로 연장된 제1,2지지바(11,15)에 설치되는 부분이다.
태양광발전기는 하나 이상의 태양전지판으로 구성된 태양광모듈(310)과, 제1,2지지바(11,15)에 장착되어 태양광모듈(310)을 지지하는 프레임(320)으로 구비된다.
태양광모듈(310)은 주간에 태양으로부터 나오는 광을 집광하여 태양광에너지를 전기에너지로 변환한다. 태양전지판은 PN접한 구조를 갖는 반도체로 제조된다.
태양광모듈(310)은 프레임(320)과 함께 태양광 입사가 용이하도록 제1,2지지바(11,15)에 소정각도 경사지게 설치된다.
변환부(400)는 지주(10)에 인접하게 설치되어 풍력발전기(200)와 태양광발전기(300)와 연결된다.
변환부(400)는 풍력발전기(200) 및 태양광발전기(300)에서 공급되는 전원을 변환시키는 부분으로서, DC-DC변환부(420)와 AC-DC변환부(410)가 구비된다.
DC-DC변환부(420)는 태양광발전기(300)에서 생산된 직류전력의 전압을 일정한 직류전압으로 변환하는 부분이다.
AC-DC변환부(410)는 풍력발전기(200)에서 생산된 교류전력을 일정한 직류전압으로 변환시키는 부분이다.
변환부에서 변환된 일정한 직류전압은 후술되는 제어부(600)를 통해 축전지(500)로 공급된다.
축전지(500)는 충,방전이 가능한 2차 전지를 말하는 것으로 지주(10)와 인접하게 설치되며 변환부(400)와 연결된다.
축전지(500)는 태양광발전기(300)와 풍력발전기(200)로부터 생선된 전기에너지를 변환부(400)를 통해 공급받아 충전하고, 충전된 전기에너지를 후술되는 제어부(600)를 통해 조명부(100)로 공급한다.
조명부(100)가 교류전력을 사용하는 형광등이나 수은등인 경우에는 축전지(500)와 조명부(100) 사이에 인버터(미도시)를 설치한다.
인버터는 축전지(500)에서 공급되는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 역할을 한다.
조명부(100)에 직류전력을 사용하는 LED램프가 사용되는 경우는 축전지(500)와 조명부(100)사이에 Dc-Dc변환부(미도시)가 설치될 수도 있다.
제어부(600)는 지주(10) 및 축전지(500)에 인접하게 설치되어, 변환부(400), 축전지(500) 및 지주(10) 일측에 설치된 조도감지센서(610)와 연결되어 조명부(100)의 점등을 제어하게 된다.
제어부(600)는 축전지(500)에 충전된 전기에너지를 전원으로 한다.
제어부(600)는 축전지(500)에 연결되어 조명부(100)의 점멸을 제어하는 부분으로 조도감지센서(610)가 감지한 조도에 따라 조명부(100)의 점멸을 제어한다.
조도감지센서(610)는 감지된 조도가 일정 기준 값보다 낮은 경우 제어부(600)에 신호를 보내어 제어부를 통해 조명부(100)가 점등되도록 하고, 일정 기준 값보다 높은 경우 제어부(600)를 통해 조명부(100)가 꺼지도록 한다.
본 발명의 일 실시 예는 축전지, 변환부 및 제어부가 지주(10)와 분리된 형태를 가지고 있으나, 지주 내에 축전지, 변환부 및 제어부가 수용되게 적용할 수 도 있을 것이다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 조명부(100)가 풍력발전기(200)와 태양광발전기(300)가 설치된 지주(20)에 구비되는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 조명시스템(2)이 적용될 수도 있을 것이다.
한편, 도 8 및 도 9에는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 조명시스템(3)이 도시되어 있다. 앞서 도시된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 조명시스템(3)은 조명부(100)가 풍력발전기(200)와 태양광발전기(400)가 설치된 지주(20)에 구비되는 것을 예로 들고 있다.
지주(20)는 상단에 풍력발전기(200)가 설치되는 본체(23)와, 본체(23)의 외주면에 대해 직각을 이루고 단부가 상호 멀어지는 방향으로 연장되는 제1,2지지바(21,25)와, 제1 및 제2지지바(21,25) 사이에 위치하는 외주면에서 상방으로 연장되는 제3지지바(27)를 구비한다.
제1 및 제2지지바(21, 25)에 후술되는 태양광모듈(310)이 각각 장착되며, 제3지지바(27)의 상부에 조명부(100)가 장착된다.
태양광발전기(700)는 태양광모듈(310), 프레임(320), 태양광집광부(710), 열선(720)을 구비한다.
태양광모듈(310)은 하나 이상의 태양전지판(311)으로 구성되며, 프레임(320)에 지지되어 제1 및 제2지지바(21, 25)에 각각 장착된다.
태양광집광부(710)는 조명부(100)의 하방에 위치하도록 제3지지바(27)에 장착되어 태양광모듈(310)에 인접하게 조사되는 태양광을 태양광모듈(310)로 반사시키는 부분이다.
도 8을 참조하면, 태양광집광부(710)는 제3지지바(27)에 장착된 브라켓(29)과 결합되어 제3지지바(27)의 경사진 방향으로 경사지게 설치된다.
태양광집광부(710)는 제3지지바의 경사진 방향을 따라 연장되며 하부로 갈수록 상부보다 하부가 외경이 확장되는 원기둥형상이다.
태양광집광부(710)의 외주면에는 반사필름(711)이 부착된다. 태양광집광부(710)는 반사필름(711)을 통해 외주면에 접촉되는 태양광을 태양광모듈(310)의 상면으로 반사된다.
열선(720)은 도 9를 참조하면 태양전지(311)와 인접하는 태양전지(311)의 사이에 설치되어 제어부(미도시)와 연결되는 부분이다. 열선(420)은 제어부(미도시)의 제어에 따라 축전지(500)로부터 전원을 공급받아 발열된다. 태양광모듈(310)은 열선(720)의 설치가 용이하도록 태양전지(311)와 태양전지(311) 사이에 열선이 결합 될 수 있는 홈(미도시)이 형성되는 바람직하다.
열선(720)은 지주(20) 일측에 제어부와 연결된 온도감지센서(미도시)에 의해 외부온도가 일정온도 이하로 내려가면 제어부를 통해 작동되도록 설치된다.
태양광모듈(310)의 상면에는 열선 및 태양전지를 보호하기 위한 것으로 태양광을 투과하는 투명부재(730)가 부착된다. 투명부재(730)는 투과율이 높고 강도가 높은 강화유리가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 태양광발전기(700)는 열선의 발열에 의해 태양광모듈 표면에 눈이 쌓이거나 빗물이 어는 것이 방지될 수 있다.
또한, 태양광발전기(700)는 태양광모듈(310)의 냉각효율을 높이기 위하여 태양광모듈(310)과 프레임(320)의 상호 접촉면적을 최소화할 수 있도록 프레임(320)이 형성되는 것이 바람직하다. 태양광모듈(310)과 프레임(320)이 결합시 상호 이격된 부분이 형성되어 외부 바람이 유입되는 통풍통로(미도시)가 형성되도록 적용할수도 있을 것이다.
이상에서 설명된 본 발명의 신재생에너지를 이용한 조명시스템은 점등하는데 필요로 하는 전력을 풍력발전가와 태양광발전기로부터 공급받음으로써 배관이나 배선설비가 필요 없기 때문에 별도의 전력비가 들지 않고 무인으로 작동시킬 수 있으며, 불규칙하게 생산되는 전력공급량을 상호 보완하여 안정적으로 전원이 공급될 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 신재생에너지를 이용한 조명시스템은 항력조절유닛과 바람유도유닛에 의해 풍력발전기의 발전효율을 높이고, 태양광집광부와 열선을 통해 태양광발전기의 발전효율을 높여 전력생산량을 높임으로써 더욱 안정적으로 전원이 공급될 수 있는 이점이 있다.
이상에서 본 발명에 따른 신재생에너지를 이용한 조명시스템은 도면에 도시된 일 예를 참조로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호의 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
1 : 신재생에너지를 이용한 조명 시스템
10 : 지주 11 : 제1지지바
15 : 제2지지바 100 : 조명부
200 : 풍력발전기 210 : 풍차
220 : 회전축 230 : 지지대
240 : 블레이드 250 : 항력조절유닛
253 : 보조블레이드 260 : 바람유도유닛
270 : 제1가이드패널 280 : 제2가이드패널
261 : 방향유도비드 264 : 가속유도비드
267 : 패널절제부
300 : 태양광발전기 400 : 변환부
500 : 축전지 600 : 제어부

Claims (5)

  1. 조명부와;
    회전가능하게 설치되는 회전축과, 상기 회전축의 외주면에서 방사상으로 다수 형성된 지지대들과, 상기 지지대들에 각각 고정되며 에어포일 형상으로 형성되는 것으로 상기 회전축에 대해 외향되는 제1외향면에는 바람에 대해 양력이 발생되고 상기 회전축에 대해 내향되는 제1내향면의 일측에는 바람에 대해 항력이 발생되도록 절제된 절제부가 형성된 다수의 블레이드와, 상기 지지대에 장착되어 상기 회전축 및 상기 블레이드의 회전속도에 따라 상기 절제부에 형성되는 항력을 변화시키는 항력조절유닛을 구비하여 바람에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 수직축형 풍력발전기와;
    프레임에 설치되어 태양광을 집광하여 전기에너지로 변환시켜주는 태양광모듈을 갖는 태양광발전기와,
    상기 풍력발전기 및 상기 태양광발전기와 연결되어 생산된 전기에너지를 충전이 용이한 상태로 변환시키는 변환부와,
    상기 변환부와 연결되어 상기 변환부에서 변환된 전기에너지를 충전하며 상기 조명부로 전원을 공급하는 축전지와,
    상기 축전지로부터 전원을 공급받아 상기 조명부의 점등을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 항력조절유닛은 상기 회전축과 상기 블레이드 사이에서 슬라이딩 가능하도록 상기 지지대에 설치되며, 상기 절제부의 절제된 형상에 대응되게 형성되어 상기 블레이드와 밀착될 수 있는 제2외향면을 갖는 보조블레이드와, 상기 보조블레이드와 상기 블레이드 사이에 상기 지지대에 설치되어 상기 보조블레이드와 상기 블레이드가 이격된 상태를 유지하도록 탄성을 제공하는 스프링을 구비하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 조명시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 수직축형 풍력발전기는
    상기 다수의 블레이드를 사이에 두고 상기 회전축으로부터 일측과 타측에 이격되게 설치되어 주변으로 불어오는 바람을 상기 블레이드 방향으로 유도하고 상기 바람을 층류화하여 가속함으로써 양력을 증가시켜 상기 블레이드의 회전력을 높이는 바람유도유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 조명시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 바람유도유닛은
    상기 블레이드를 사이에 두고 마주하되 상기 회전축을 중심으로 서로 반대방향으로 치우치도록 배치되어 바람을 상기 블레이드로 유도하는 제1,2가이드패널을 구비하고,
    상기 제1 및 제2가이드패널은 각각 상기 블레이드와 마주하는 내주면에 상기 회전축 방향으로 돌출되되 상기 블레이드의 길이방향과 직교하는 방향으로 연장형성되며 상기 제1 및 제2가이드패널의 길이방향으로 상호 소정간격을 이루는 복수 개의 방향유도비드와, 상기 내주면에 상하로 배열되는 상기 방향유도비드들 사이에 형성되며, 바람이 유입되는 일측에서 바람이 빠져나가는 타측으로 갈수록 상기 회전축과 가까워지도록 돌출되되 상기 회전축에 대해 상기 블레이드보다 이격되게 형성되는 가속유도비드를 구비하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 조명시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부와 연결되며 상기 조명부가 설치된 구역의 조도를 감지하는 조도감지센서를 더 구비하고,
    상기 제어부는 상기 조도감지센서에서 수신된 신호에 따라 상기 조명부에 공급되는 전기에너지를 차단 및 차단해제하여 상기 조명부의 점등을 제어하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 조명시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 태양광발전기는
    상기 태양광모듈에 인접하게 설치되고 상부에서 하부로 갈수록 외경이 확장되는 형상으로 상기 태양광모듈을 벗어나는 위치로 조사되는 태양광을 상기 태양광모듈로 반사시켜주는 태양광집광부와,
    상기 태양광모듈에 장착되어 상기 태양광모듈의 상면에 눈이 쌓이지 않도록 상기 축전지로부터 전원을 공급받아 발열하는 열선을 구비하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 조명시스템.
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