KR101769906B1 - 양력 디스크가 장착된 고관성 회전체를 가진 수직축 풍력발전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수평축 프로펠러 방식의 풍력발전기가 안고 있는 문제점인 소음과 진동, 고공에 설치된 증속기 및 발전기로 인한 유지관리의 어려움을 해결하고자 양력디스크가 부착된 고관성의 회전체를 장착된 저소음, 저진동의 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.
본 발명은 양력 디스크가 상부에 부착되고 측면에 항력 블레이드가 부착된 고관성 회전체가 바람 유입시 양력디스크에 발생되는 양력에 의해서 고관성 회전체의 중력을 감소시키거나 부상시켜서 측면 항력 블레이드에 의한 회전이 용이하도록 하고 회전력을 증속기 및 발전기에 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 양력 디스크가 상부에 부착되고 측면에 항력 블레이드가 부착된 고관성 회전체가 바람 유입시 양력디스크에 발생되는 양력에 의해서 고관성 회전체의 중력을 감소시키거나 부상시켜서 측면 항력 블레이드에 의한 회전이 용이하도록 하고 회전력을 증속기 및 발전기에 전달하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명의 기술 분야는 풍력에너지를 전기에너지로 변환하는 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.
풍력을 기계적 또는 전기적인 에너지로 변환하는 기술로는 수평축 블레이드 방식과 수직축 블레이드 방식이 있으며 에너지 변환효율은 수평축 블레이드 방식이 우수한 것으로 알려져있다. 그래서 최근의 중대형 풍력발전기는 대부분이 수평축 블레이드 방식을 적용하고 있는데 블레이드의 받음각에 따라서 발생되는 양력과 블레이드의 중력을 이용하여 발전기의 회전력을 얻고 있다. 수직축 풍력발전기는 대부분이 바람에 저항하는 항력 블레이드에 의해서 발전기의 회전력을 얻기 때문에 효율이 저조한 편이다. 따라서 중대형 이상의 풍력발전기는 수평축 삼익 블레이드 구조를 가지고 있으며 블레이드의 회전반경이 커짐에 따라 소음, 진동, 외관 등의 이유로 산악, 해안가, 해상프래폼 등에 주로 설치되고 있다.
수평축 풍력발전기는 전형적으로 3개의 프로펠러 타입의 블레이드(삼익블레이드)로 구성되고 발전용량은 블레이드의 회전직경에 비례하여 증가하는 구조를 가지고 있다. 따라서 중대형 수평축 삼익 블레이드 방식의 풍력 발전기는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 첫째, 빠른 속도로 회전하는 블레이드의 종단부가 공기마찰로 발생시키는 소음은 민원의 소지가 되고 있다. 둘째, 회전축 및 발전기가 블레이드의 회전축에 수평으로 설치해야함으로 유지관리가 어렵고, 자연재해시 블레이드는 또 다른 재해의 원인이 될 수 있다. 셋째, 수평축 풍력 발전기는 연속적으로 설치될때 서로 이격시켜야 하는 거리때문에 소요 면적이 많아진다. 넷째, 상기와 같은 이유로 인하여 수평축 삼익방식의 풍력발전기는 전기수요자가 집중되어있는 도심의 아파트 옥상이나 상업용 빌딩의 옥상에 설치하는 것이 곤란하다. 상기의 문제점들은 수평축 프로펠러 블레이드 방식이 가진 구조적인 문제점들로서 이를 해결하기 위해서는 프로펠러 방식이 아닌 다른 구조의 풍력발전기를 고안해 나가야 할 것이다.
물리법칙에서 회전체의 운동에너지는 E=IW2(E : 운동에너지, I : 관성모멘트, W : 회전각속도)로 기술되며 관성모멘트 I = a mr2(a : 회전체의 형태에 의한 상수, m : 질량, r : 무게 중심의 회전반경)로 표현된다. 그러므로 회전운동에너지는 회전각속도에 의해서 우선적으로 증가하지만 회전체의 질량과 무게중심의 회전반경의 제곱에 의해서 증가하게 된다.
본 발명의 해결 수단은 기존 기술의 문제점이 높은 회전 각속도와 긴 회전반경에서 기인하고 있으므로 낮은 회전각속도와 짧은 회전반경을 가지고 있지만 고하중을 가진 회전체를 도입함으로 제공될 수 있다. 고하중 회전체는 중력에 의해 발생되는 회전축의 마찰력때문에 기동시 큰 회전 토오크가 요구되지만 양력디스크 블레이드를 회전체의 상부에 다수 장착하여 발생된 양력으로 고하중 회전체의 중력을 상쇄시키어 작은 토오크에서도 회전이 용이하도록 하는 해결수단을 갖는다. 또한 고관성 회전체의 효과적인 회전을 위하여 측면에 항력 블레이드를 방사상으로 설치하여 해결한다.
본 발명의 해결 수단은 기존 기술의 문제점이 높은 회전 각속도와 긴 회전반경에서 기인하고 있으므로 낮은 회전각속도와 짧은 회전반경을 가지고 있지만 고하중을 가진 회전체를 도입함으로 제공될 수 있다. 고하중 회전체는 중력에 의해 발생되는 회전축의 마찰력때문에 기동시 큰 회전 토오크가 요구되지만 양력디스크 블레이드를 회전체의 상부에 다수 장착하여 발생된 양력으로 고하중 회전체의 중력을 상쇄시키어 작은 토오크에서도 회전이 용이하도록 하는 해결수단을 갖는다. 또한 고관성 회전체의 효과적인 회전을 위하여 측면에 항력 블레이드를 방사상으로 설치하여 해결한다.
본 발명은 저회전 각속도로 인해서 저소음, 저진동 구동 특성을 가지며 회전체 및 발전기가 지상에 위치하는 장점으로 인해서 전력수요자가 밀집 되어있고 풍량이 풍부한 도심의 아파트 옥상, 상업용 빌딩의 옥상 등에 설치하여 에너지 자급효과를 극대화할 수 있다. 또한 회전체 및 발전기의 위치가 낮아서 산악, 해안가에 설치하는 경우에도 유지관리의 용이함 뿐아니라 시설비용을 절감하는 효과가 있다. 또한 고관성 회전체는 관성력에 의한 회전유지 기능을 가지고 있으므로 불규칙한 풍속에 대해서도 일정한 전기에너지를 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직축 풍력발전기의 구성을 나타내는 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 평면도,
도 3은 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 저풍속에서의 양력 디스크의 동작도,
도 4는 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 고풍속에서의 양력 디스크의 동작도,
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양력 디스크 형상의 고관성 회전체를 장착한 수직축 풍력발전기의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 평면도,
도 3은 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 저풍속에서의 양력 디스크의 동작도,
도 4는 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 고풍속에서의 양력 디스크의 동작도,
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양력 디스크 형상의 고관성 회전체를 장착한 수직축 풍력발전기의 단면도이다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
이하 첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도 1 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직축 풍력발전기의 구성을 나타내는 단면도, 도 2는 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 평면도, 도 3은 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 저풍속에서의 양력 디스크의 동작도, 도 4는 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 고풍속에서의 양력 디스크의 동작도이다. 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직축 풍력발전기의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직축 풍력 발전기를 나타낸 단면도이고, 도 2 는 그 평면도이다. 도시되는 바와 같이, 제1 실시예에 따른 수직축 풍력 발전기는 회전축 지지 프레임(3), 항력브레이드가 둘레에 결합되는 고관성 회전체(9), 고관성 회전체(9) 와 동축 회전하도록 그 상부에 배치되는 복수개의 양력 디스크(8), 고관성 회전체(9)와 동축으로 결합하는 고관성 회전체 봉기어(11), 고관성 회전체 봉기어(11)가 동축 결합되는 하부 회전 전달축(14), 하부 회전 전달축(14)과 동축 결합하는 증속기축(15), 증속기축(15)과 결합하는 증속기(16) 증속기(16)와 결합하는 발전기(18), 고관성 회전체 회전 지지 프레임(17), 상부 회전 보조축(5), 양력 디스크 분리핀(1), 양력디스크 스토퍼(7), 고정 프레임(21) 및, 내부 지지 프레임(22)를 포함한다.
고관성 회전체(9)는 원통 형상의 몸체와 원통 형상의 몸체 상면 중심에 상기 양력 디스크(8)가 결합할 수 있도록 회전축(20)이 상측으로 연장하여 형성된다. 회전축(20)은 2개의 직경으로 형성된다. 즉 도시되는 바와 같이 상부(20b)의 직경이 더 작고 하부(20a)의 직경이 더 크게 형성된다. 하부(20a)의 직경은 결합하는 양력 디스크(9)의 회전력을 전달받을 수 있도록 상응하는 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 상부(20b)의 직경은 결합하는 양력 디스크(9)의 회전력이 전달되지 않도록 작게 형성되는 것이 바람직하다. 회전축(20) 중심에는 길이 방향으로 중공(20c)이 형성된다. 회전축(20) 중공에는 양력디스크 분리핀(1)이 삽입 결합된다. 회전축(20)의 둘레에는 양력 디스크 스토퍼(7)가 삽입될 수 있는 관통홀이 설정 간격으로 회전축 길이방향을 따라 형성된다. 고관성 회전체(9)의 원통 형상의 몸체 측면 둘레에는 항력 브레이드(10)가 방사상으로 결합 된다. 회전축(20)은 회전축 지지프레임(3)에 연결된 고정 프레임(21)에 의해 상단이 지지된다. 고정 프레임(21)이 회전체 지지 프레임(3)의 내측 상부에 고정 결합되며, 상부 보조 회전축(5)의 상하부에는 회전축 베어링(4)이 설치되어 제 2 회전축(20b)이 회전 가능하게 결합된다. 이 때, 상부 보조 회전축(5)의 직경은 제 1 회전축(20a)의 직경보다 작게 구비된다. 고정프레임(21)과 회전축 사이에 상부보조회전축 부시(2)가 설치되어 회전축(20)이 자유롭게 회전하도록 한다. 복수의 양력 디스크(8)는 회전축(20)에 삽입 결합한다. 고관성 회전체(9)의 원통형 몸체 저면에는 고관성 회전체 봉기어(11)가 동축으로 결합하여 고관성 회전체(9)의 회전력을 전달한다. 고관성 회전체 봉기어(11)는 하부 회전 전달축(14)에 삽입된다.
하부 회전 전달축(14)은 파이프 형상으로 형성되고, 원통쉘 형상의 고관성 회전체 회전 지지 프레임(17)의 상면을 관통하여 결합한다. 하부 회전 전달축(14)의 상단과 고관성 회전체 회전 지지 프레임 상면 사이에는 하부 회전 전달축 베어링(상)(12)이 결합하여 하부 회전 전달축(14)이 회전할 수 있도록 한다. 하부 회전 전달축(14)의 하단은 내부지지프레임(22) 상에 설치되고, 내부지지프레임(22)과 하부 회전 전달축(14) 사이에는 하부 회전 전달축 베어링(하)(13)이 설치되어 하부 회전 전달축(14)이 회전할 수 있도록 한다. 하부 회전 전달축(14)의 하단에는 증속기축(15)이 삽입되어 하부 회전 전달축(14)의 회전력을 전달받는다. 즉, 파이프 형상의 하부 회전 전달축(14)의 상부 통공으로 고관성 회전체 봉기어(11)가 삽입되고, 하부 통공으로 증속기축(15)이 삽입되어 고관성 회전체(9)의 회전에 의한 회전력은 하부 회전 전달축(14)을 통해 증속기(16)에 전달되고, 증속기(16)와 연결된 발전기(18)를 구동하게 한다.
도 3은 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 저풍속에서의 양력 디스크의 동작도, 도 4는 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 고풍속에서의 양력 디스크의 동작도이다. 도 3 및 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직축 풍력발전기의 동작을 설명하기로 한다.
회전축(20)은 고관성 회전체(9)의 상부 방향으로 연장되어 중앙에 상하 방향으로 일정 크기의 직경을 갖는 중공(20c)이 형성되고, 중공(20c)에 양력 디스크 분리핀(1)이 삽입된다. 중공에 삽입된 양력 디스크 분리핀(1)은 상측 일부가 중공(20c) 외측으로 노출되고, 노출된 일부가 회전체 지지 프레임(3)의 중앙에 회전 가능하게 결합된다. 양력 디스크 분리핀(1)은 2개의 직경을 가지는 봉 형상으로 형성된다. 즉, 도시되는 바와 같이 길이 방향으로 상부가 더 작은 직경을 가지도록 형성되고 하부가 더 큰 직경을 가지도록 형성된다. 회전축(20)의 관통홀에는 양력 디스크 스토퍼(7)와 양력 디스크 스토퍼 스프링(6)이 설치된다. 회전축의 외주면에는 일정 간격으로 복수 개의 양력 디스크(8)가 상호 적층 결합되고, 회전축(20)의 회전에 의해 복수 개의 양력 디스크(8)가 회전된다. 회전축(20)의 중공(20c)에는 하부 직경이 더 큰 양력 디스크 분리핀(1)이 삽입된다. 관통홀에 삽입된 양력 디스크 스토퍼(7)는 양력 디스크 분리핀(1)의 큰 직경 부분을 만나면 도4와 같이 관통홀에서 상단이 돌출되고, 작은 직경 부분을 만나면 양력 디스크 스토퍼 스프링(6)에 의해 7a와 같이 삽입된다. 양력 디스크 스토퍼(7)가 돌출되면 양력 디스크(8)가 돌출된 양력 디스크 스토퍼(7)에 걸려 회전하더라도 회전축(20)을 따라 상승할 수 없다. 양력 디스크 분리핀(1)의 작은 직경 부분을 만나면 양력 디스크 스토퍼(7a)가 삽입되어 양력 디스크(8)는 걸리는 부분 없이 상승할 수 있게 된다. 즉, 양력 디스크 분리핀(1)의 길이 설정으로 양력 디스크(8) 상승 정도를 조정할 수 있다.
양력 디스크 스토퍼 스프링(6)은 탄성에 의해 양력 디스크 스토퍼(7)를 관통홀에서 제 1 회전축(20a)의 외주면에 일부가 돌출되거나 타측 일부가 중공(20c) 내부로 돌출되게 설치된다. 따라서 양력 디스크(8)가 제 1 회전축(20a)에 장착된 상태와 양력 디스크(8)의 회전에 의해 고관성 회전체(9)가 일정 높이(d1) 미만으로 부상되는 상태에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 양력 디스크 스토퍼(7)의 돌출된 일부에 양력 디스크 장착 플랜지(30)가 걸려서 양력 디스크(8)를 고정시킨다.
고관성 회전체(9)의 중앙에는 회전축(20)이 상부로 연장 형성되고, 상부에는 회전축(20)을 따라 복수 개의 양력 디스크(8)가 상호 일정 간격 이격되어 적층되게 설치되고, 하부에는 회전축(20)과 동일 중심선 상에서 하부로 연장되는 고관성 회전체 하부 봉형기어(11)가 결합된다.
고관성 회전체 하부 봉형기어(11)는 수기어 형상으로 구비되어, 암기어 형상의 하부회전 전달축(14)의 내부 상측에 조립된다. 또 하부회전 전달축(14)의 내부 하측에는 증속기측 봉형기어(15)가 조립된다. 고관성 회전체 하부 봉형기어(11)와 증속기측 봉형기어(15)는 하부 회전 전달축(14)의 내부에서 일정 간격 이격된다. 이 간격은 고관성 회전체가 부상되는 높이에 대응하여 구비된다.
따라서 고관성 회전체(9)가 회전축(20)을 중심으로 회전되면, 고관성 회전체 하부 봉형기어(11)와 하부 회전 전달축(14) 및 증속기측 봉형기어(15)를 통하여 증속기(16)로 회전력이 전달되어, 최종적으로 발전기(18)로 회전력이 전달되는 구조를 갖는다.
고관성 회전체 회전 지지 프레임(17)은 회전체 지지 프레임(3)의 내측에 구비되어 상부에 고관성 회전체(9)를 회전 가능하게 지지한다. 이를 위해 고관성 회전체 회전 지지 프레임(17)은 상부면 중앙에 하부회전 전달축(14)이 관통 결합된다. 관통 결합된 하부회전 전달축(14)의 상부 외측에는 고관성 회전체 지지 프레임(17)의 상부면 중앙에 장착되어 하부회전 전달축(14)이 회전 가능하도록 결합되는 제 1 하부회전 전달축 베이링(12)이 설치되고, 관통 결합된 하부회전 전달축(14)의 하부 외측에는 고관성 회전체 지지 프레임(17)의 내측에 수평 결합된 지지 플레이트(22)에 장착되어 하부회전 전달축(14)이 회전 가능하도록 결합되는 제 2 하부회전 전달축 베이링(13)이 설치된다. 따라서 하부회전 전달축(14)은 상부 및 하부가 제 1 및 제 2 하부회전 전달축 베이링(12, 13)의 내측에 결합된다. 지지 플레이트(22)의 하부에는 증속기측 봉형기어(15)와 축 결합된 증속기(16)와, 증속기(16)와 축 결합된 발전기(18)가 구비된다.
그리고 항력 블레이드(10)는 복수 개가 고관성 회전체(9)의 외측에 결합되어, 회전축(20)을 중심으로 회전되어 고관성 회전체(9)를 회전시킨다.
따라서 본 발명의 수직축 풍력 발전기는 향력 블레이드(10)에 의해 고관성 회전체(9)가 회전하면, 양력 디스크(8)들은 양력에 발생하여 회전축(20)을 따라 부상할 수 있다. 양력 디스크(8)들이 부상하면, 동축 결합한 고관성 회전체(9)도 함께 부상할 수 있다. 고관성 회전체(9)가 부상하게 되면 고관성 회전체(9)의 하중을 상쇄함으로서 항력 브레이드(10)의 회전력으로 회전이 가능하다. 양력 디스크(8)의양력에 의해 고관성 회전체(9)가 부상하게 되면 회전축(20)도 함께 상승하게 된다. 시킬 수 있다. 회전축(20)의 상승에 의해 관통홀도 함께 상승하고, 관통홀이 양력디스크분리핀(1)의 작은 직경 위치까지 상승하게 되면, 양력디스크분리핀(1)이 양력 디스크 스토퍼(7)를 밀지 않으므로 양력 디스크 스토퍼 스프링(6)의 작동으로 양력 디스크 스토퍼(7)는 관통홀 안으로 들어가게 된다. 따라서, 양력 디스크는 회전축(20)의 작은 직경 부분인 20b에 위치하게 되고 따라서 양력 디스크(8)의 양력이 회전축(20)을 통해 고관성 회전체(9)에 전달되지 않으므로 고관성 회전체(9)는 그 이상 부상하지 않게 된다.
이러한 수직축 풍력 발전기는 저풍속 유입시에 도 3에 도시된 바와 같이, 고관성 회전체(9)가 양력 디스크(8)의 양력에 의해 부상하거나 적어도 고관성 회전체(9)의 하중을 상쇄함으로서, 항력 블레이드(10)의 회전력으로 회전이 가능하게 하며, 고풍속 유입시는 도 4에 도시된 바와 같이, 부상된 고관성 회전체(9)가 임계높이 이상으로 부상시에 양력 디스크 분리핀(1)이 양력 디스크 스토퍼(7)를 작동시켜서 양력 디스크(8)를 분리시켜 더 이상의 부상되는 것을 방지하는 동작 원리를 특징으로 하고 있다.
그리고 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양력 디스크 형상의 고관성 회전체를 장착한 수직축 풍력 발전기의 단면도이다. 여기서는 도 1의 실시예와 동일한 기능의 구성 요소들에 대해서는 설명을 생략하고, 차이가 나는 구성 요소들을 중점으로 하여 그 기능 및 작용을 상세히 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직축 풍력 발전기는 양력 디스크 형태의 고관성 회전체(19)의 측면에 항력 블레이드(23)가 장착된 구조를 가짐으로서 저풍속 및 고풍속 유입시 양력 디스크 형상의 고관성 회전체(19)는 양력을 받아서 부상되거나 하중이 감쇄된 상태에서 측면의 항력 블레이드(23)에 의해 회전하는 구조를 가지며, 회전력은 도 1의 것과 마찬가지로, 고관성 회전체 하부 봉형기어(24)와 암기어 형상의 하부 회전 전달축(25) 및 증속기측 봉형기어(26)에 의해서 증속기(27)와 발전기(28)에 전달되는 동작 원리를 특징으로 하고 있다.
이하 첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도 1 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직축 풍력발전기의 구성을 나타내는 단면도, 도 2는 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 평면도, 도 3은 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 저풍속에서의 양력 디스크의 동작도, 도 4는 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 고풍속에서의 양력 디스크의 동작도이다. 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직축 풍력발전기의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직축 풍력 발전기를 나타낸 단면도이고, 도 2 는 그 평면도이다. 도시되는 바와 같이, 제1 실시예에 따른 수직축 풍력 발전기는 회전축 지지 프레임(3), 항력브레이드가 둘레에 결합되는 고관성 회전체(9), 고관성 회전체(9) 와 동축 회전하도록 그 상부에 배치되는 복수개의 양력 디스크(8), 고관성 회전체(9)와 동축으로 결합하는 고관성 회전체 봉기어(11), 고관성 회전체 봉기어(11)가 동축 결합되는 하부 회전 전달축(14), 하부 회전 전달축(14)과 동축 결합하는 증속기축(15), 증속기축(15)과 결합하는 증속기(16) 증속기(16)와 결합하는 발전기(18), 고관성 회전체 회전 지지 프레임(17), 상부 회전 보조축(5), 양력 디스크 분리핀(1), 양력디스크 스토퍼(7), 고정 프레임(21) 및, 내부 지지 프레임(22)를 포함한다.
고관성 회전체(9)는 원통 형상의 몸체와 원통 형상의 몸체 상면 중심에 상기 양력 디스크(8)가 결합할 수 있도록 회전축(20)이 상측으로 연장하여 형성된다. 회전축(20)은 2개의 직경으로 형성된다. 즉 도시되는 바와 같이 상부(20b)의 직경이 더 작고 하부(20a)의 직경이 더 크게 형성된다. 하부(20a)의 직경은 결합하는 양력 디스크(9)의 회전력을 전달받을 수 있도록 상응하는 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 상부(20b)의 직경은 결합하는 양력 디스크(9)의 회전력이 전달되지 않도록 작게 형성되는 것이 바람직하다. 회전축(20) 중심에는 길이 방향으로 중공(20c)이 형성된다. 회전축(20) 중공에는 양력디스크 분리핀(1)이 삽입 결합된다. 회전축(20)의 둘레에는 양력 디스크 스토퍼(7)가 삽입될 수 있는 관통홀이 설정 간격으로 회전축 길이방향을 따라 형성된다. 고관성 회전체(9)의 원통 형상의 몸체 측면 둘레에는 항력 브레이드(10)가 방사상으로 결합 된다. 회전축(20)은 회전축 지지프레임(3)에 연결된 고정 프레임(21)에 의해 상단이 지지된다. 고정 프레임(21)이 회전체 지지 프레임(3)의 내측 상부에 고정 결합되며, 상부 보조 회전축(5)의 상하부에는 회전축 베어링(4)이 설치되어 제 2 회전축(20b)이 회전 가능하게 결합된다. 이 때, 상부 보조 회전축(5)의 직경은 제 1 회전축(20a)의 직경보다 작게 구비된다. 고정프레임(21)과 회전축 사이에 상부보조회전축 부시(2)가 설치되어 회전축(20)이 자유롭게 회전하도록 한다. 복수의 양력 디스크(8)는 회전축(20)에 삽입 결합한다. 고관성 회전체(9)의 원통형 몸체 저면에는 고관성 회전체 봉기어(11)가 동축으로 결합하여 고관성 회전체(9)의 회전력을 전달한다. 고관성 회전체 봉기어(11)는 하부 회전 전달축(14)에 삽입된다.
하부 회전 전달축(14)은 파이프 형상으로 형성되고, 원통쉘 형상의 고관성 회전체 회전 지지 프레임(17)의 상면을 관통하여 결합한다. 하부 회전 전달축(14)의 상단과 고관성 회전체 회전 지지 프레임 상면 사이에는 하부 회전 전달축 베어링(상)(12)이 결합하여 하부 회전 전달축(14)이 회전할 수 있도록 한다. 하부 회전 전달축(14)의 하단은 내부지지프레임(22) 상에 설치되고, 내부지지프레임(22)과 하부 회전 전달축(14) 사이에는 하부 회전 전달축 베어링(하)(13)이 설치되어 하부 회전 전달축(14)이 회전할 수 있도록 한다. 하부 회전 전달축(14)의 하단에는 증속기축(15)이 삽입되어 하부 회전 전달축(14)의 회전력을 전달받는다. 즉, 파이프 형상의 하부 회전 전달축(14)의 상부 통공으로 고관성 회전체 봉기어(11)가 삽입되고, 하부 통공으로 증속기축(15)이 삽입되어 고관성 회전체(9)의 회전에 의한 회전력은 하부 회전 전달축(14)을 통해 증속기(16)에 전달되고, 증속기(16)와 연결된 발전기(18)를 구동하게 한다.
도 3은 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 저풍속에서의 양력 디스크의 동작도, 도 4는 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기의 고풍속에서의 양력 디스크의 동작도이다. 도 3 및 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직축 풍력발전기의 동작을 설명하기로 한다.
회전축(20)은 고관성 회전체(9)의 상부 방향으로 연장되어 중앙에 상하 방향으로 일정 크기의 직경을 갖는 중공(20c)이 형성되고, 중공(20c)에 양력 디스크 분리핀(1)이 삽입된다. 중공에 삽입된 양력 디스크 분리핀(1)은 상측 일부가 중공(20c) 외측으로 노출되고, 노출된 일부가 회전체 지지 프레임(3)의 중앙에 회전 가능하게 결합된다. 양력 디스크 분리핀(1)은 2개의 직경을 가지는 봉 형상으로 형성된다. 즉, 도시되는 바와 같이 길이 방향으로 상부가 더 작은 직경을 가지도록 형성되고 하부가 더 큰 직경을 가지도록 형성된다. 회전축(20)의 관통홀에는 양력 디스크 스토퍼(7)와 양력 디스크 스토퍼 스프링(6)이 설치된다. 회전축의 외주면에는 일정 간격으로 복수 개의 양력 디스크(8)가 상호 적층 결합되고, 회전축(20)의 회전에 의해 복수 개의 양력 디스크(8)가 회전된다. 회전축(20)의 중공(20c)에는 하부 직경이 더 큰 양력 디스크 분리핀(1)이 삽입된다. 관통홀에 삽입된 양력 디스크 스토퍼(7)는 양력 디스크 분리핀(1)의 큰 직경 부분을 만나면 도4와 같이 관통홀에서 상단이 돌출되고, 작은 직경 부분을 만나면 양력 디스크 스토퍼 스프링(6)에 의해 7a와 같이 삽입된다. 양력 디스크 스토퍼(7)가 돌출되면 양력 디스크(8)가 돌출된 양력 디스크 스토퍼(7)에 걸려 회전하더라도 회전축(20)을 따라 상승할 수 없다. 양력 디스크 분리핀(1)의 작은 직경 부분을 만나면 양력 디스크 스토퍼(7a)가 삽입되어 양력 디스크(8)는 걸리는 부분 없이 상승할 수 있게 된다. 즉, 양력 디스크 분리핀(1)의 길이 설정으로 양력 디스크(8) 상승 정도를 조정할 수 있다.
양력 디스크 스토퍼 스프링(6)은 탄성에 의해 양력 디스크 스토퍼(7)를 관통홀에서 제 1 회전축(20a)의 외주면에 일부가 돌출되거나 타측 일부가 중공(20c) 내부로 돌출되게 설치된다. 따라서 양력 디스크(8)가 제 1 회전축(20a)에 장착된 상태와 양력 디스크(8)의 회전에 의해 고관성 회전체(9)가 일정 높이(d1) 미만으로 부상되는 상태에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 양력 디스크 스토퍼(7)의 돌출된 일부에 양력 디스크 장착 플랜지(30)가 걸려서 양력 디스크(8)를 고정시킨다.
고관성 회전체(9)의 중앙에는 회전축(20)이 상부로 연장 형성되고, 상부에는 회전축(20)을 따라 복수 개의 양력 디스크(8)가 상호 일정 간격 이격되어 적층되게 설치되고, 하부에는 회전축(20)과 동일 중심선 상에서 하부로 연장되는 고관성 회전체 하부 봉형기어(11)가 결합된다.
고관성 회전체 하부 봉형기어(11)는 수기어 형상으로 구비되어, 암기어 형상의 하부회전 전달축(14)의 내부 상측에 조립된다. 또 하부회전 전달축(14)의 내부 하측에는 증속기측 봉형기어(15)가 조립된다. 고관성 회전체 하부 봉형기어(11)와 증속기측 봉형기어(15)는 하부 회전 전달축(14)의 내부에서 일정 간격 이격된다. 이 간격은 고관성 회전체가 부상되는 높이에 대응하여 구비된다.
따라서 고관성 회전체(9)가 회전축(20)을 중심으로 회전되면, 고관성 회전체 하부 봉형기어(11)와 하부 회전 전달축(14) 및 증속기측 봉형기어(15)를 통하여 증속기(16)로 회전력이 전달되어, 최종적으로 발전기(18)로 회전력이 전달되는 구조를 갖는다.
고관성 회전체 회전 지지 프레임(17)은 회전체 지지 프레임(3)의 내측에 구비되어 상부에 고관성 회전체(9)를 회전 가능하게 지지한다. 이를 위해 고관성 회전체 회전 지지 프레임(17)은 상부면 중앙에 하부회전 전달축(14)이 관통 결합된다. 관통 결합된 하부회전 전달축(14)의 상부 외측에는 고관성 회전체 지지 프레임(17)의 상부면 중앙에 장착되어 하부회전 전달축(14)이 회전 가능하도록 결합되는 제 1 하부회전 전달축 베이링(12)이 설치되고, 관통 결합된 하부회전 전달축(14)의 하부 외측에는 고관성 회전체 지지 프레임(17)의 내측에 수평 결합된 지지 플레이트(22)에 장착되어 하부회전 전달축(14)이 회전 가능하도록 결합되는 제 2 하부회전 전달축 베이링(13)이 설치된다. 따라서 하부회전 전달축(14)은 상부 및 하부가 제 1 및 제 2 하부회전 전달축 베이링(12, 13)의 내측에 결합된다. 지지 플레이트(22)의 하부에는 증속기측 봉형기어(15)와 축 결합된 증속기(16)와, 증속기(16)와 축 결합된 발전기(18)가 구비된다.
그리고 항력 블레이드(10)는 복수 개가 고관성 회전체(9)의 외측에 결합되어, 회전축(20)을 중심으로 회전되어 고관성 회전체(9)를 회전시킨다.
따라서 본 발명의 수직축 풍력 발전기는 향력 블레이드(10)에 의해 고관성 회전체(9)가 회전하면, 양력 디스크(8)들은 양력에 발생하여 회전축(20)을 따라 부상할 수 있다. 양력 디스크(8)들이 부상하면, 동축 결합한 고관성 회전체(9)도 함께 부상할 수 있다. 고관성 회전체(9)가 부상하게 되면 고관성 회전체(9)의 하중을 상쇄함으로서 항력 브레이드(10)의 회전력으로 회전이 가능하다. 양력 디스크(8)의양력에 의해 고관성 회전체(9)가 부상하게 되면 회전축(20)도 함께 상승하게 된다. 시킬 수 있다. 회전축(20)의 상승에 의해 관통홀도 함께 상승하고, 관통홀이 양력디스크분리핀(1)의 작은 직경 위치까지 상승하게 되면, 양력디스크분리핀(1)이 양력 디스크 스토퍼(7)를 밀지 않으므로 양력 디스크 스토퍼 스프링(6)의 작동으로 양력 디스크 스토퍼(7)는 관통홀 안으로 들어가게 된다. 따라서, 양력 디스크는 회전축(20)의 작은 직경 부분인 20b에 위치하게 되고 따라서 양력 디스크(8)의 양력이 회전축(20)을 통해 고관성 회전체(9)에 전달되지 않으므로 고관성 회전체(9)는 그 이상 부상하지 않게 된다.
이러한 수직축 풍력 발전기는 저풍속 유입시에 도 3에 도시된 바와 같이, 고관성 회전체(9)가 양력 디스크(8)의 양력에 의해 부상하거나 적어도 고관성 회전체(9)의 하중을 상쇄함으로서, 항력 블레이드(10)의 회전력으로 회전이 가능하게 하며, 고풍속 유입시는 도 4에 도시된 바와 같이, 부상된 고관성 회전체(9)가 임계높이 이상으로 부상시에 양력 디스크 분리핀(1)이 양력 디스크 스토퍼(7)를 작동시켜서 양력 디스크(8)를 분리시켜 더 이상의 부상되는 것을 방지하는 동작 원리를 특징으로 하고 있다.
그리고 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양력 디스크 형상의 고관성 회전체를 장착한 수직축 풍력 발전기의 단면도이다. 여기서는 도 1의 실시예와 동일한 기능의 구성 요소들에 대해서는 설명을 생략하고, 차이가 나는 구성 요소들을 중점으로 하여 그 기능 및 작용을 상세히 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직축 풍력 발전기는 양력 디스크 형태의 고관성 회전체(19)의 측면에 항력 블레이드(23)가 장착된 구조를 가짐으로서 저풍속 및 고풍속 유입시 양력 디스크 형상의 고관성 회전체(19)는 양력을 받아서 부상되거나 하중이 감쇄된 상태에서 측면의 항력 블레이드(23)에 의해 회전하는 구조를 가지며, 회전력은 도 1의 것과 마찬가지로, 고관성 회전체 하부 봉형기어(24)와 암기어 형상의 하부 회전 전달축(25) 및 증속기측 봉형기어(26)에 의해서 증속기(27)와 발전기(28)에 전달되는 동작 원리를 특징으로 하고 있다.
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이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
1 : 양력 디스크 분리핀 2 : 상부 보조 회전축 부시
3 : 회전축 지지 프레임 4 : 회전축 베어링
5 : 상부 보조 회전축 6 : 양력 디스크 스토퍼 스프링
7 : 양력 디스크 스토퍼 8 : 양력 디스크
9 : 고관성 회전체 10 : 항력 블레이드
11 : 고관성 회전체 하부 봉형기어 12 : 제1 하부 회전 전달축 베어링
13 : 제2 하부 회전 전달축 베어링 14 : 하부 회전 전달축
15 : 증속기측 봉형기어 16 : 증속기
17 : 고관성 회전체 회전 지지 프레임
18 : 발전기
19 : 양력 디스크 형상의 고관성 회전체
20 : 회전축 21 : 고정 프레임
22 : 지지 플레이트 23 : 항력 블레이드
24 : 고관성 회전체 하부 봉형기어 25 : 하부 회전 전달축
26 : 증속기측 봉형기어 27 : 증속기
28 : 발전기 30 : 양력 디스크 장착 플랜지
3 : 회전축 지지 프레임 4 : 회전축 베어링
5 : 상부 보조 회전축 6 : 양력 디스크 스토퍼 스프링
7 : 양력 디스크 스토퍼 8 : 양력 디스크
9 : 고관성 회전체 10 : 항력 블레이드
11 : 고관성 회전체 하부 봉형기어 12 : 제1 하부 회전 전달축 베어링
13 : 제2 하부 회전 전달축 베어링 14 : 하부 회전 전달축
15 : 증속기측 봉형기어 16 : 증속기
17 : 고관성 회전체 회전 지지 프레임
18 : 발전기
19 : 양력 디스크 형상의 고관성 회전체
20 : 회전축 21 : 고정 프레임
22 : 지지 플레이트 23 : 항력 블레이드
24 : 고관성 회전체 하부 봉형기어 25 : 하부 회전 전달축
26 : 증속기측 봉형기어 27 : 증속기
28 : 발전기 30 : 양력 디스크 장착 플랜지
Claims (4)
- 회전체 지지 프레임;
원통 형상의 몸체, 상기 몸체의 상면 중심에서 상부로 연장되고 중앙에 길이 방향으로 중공이 형성되며 상부가 하부보다 작은 직경을 가지고, 상기 회전체 지지 프레임의 상부 중앙에 회전 가능하게 결합되는 회전축과, 상기 회전체 지지 프레임의 내측 상부에 고정 결합되어 상기 회전축을 상기 회전체 지지 프레임에 고정시키는 고정 프레임 및, 상기 몸체 하부에 결합되어 상기 회전축과 동축으로 하부로 연장되는 고관성 회전체 하부 봉형기어를 구비하는 고관성 회전체;
상기 고관성 회전체의 상기 회전축에 상호 이격되게 적층 설치되고, 상기 회전축과 동축 회전하는 양력 디스크;
상기 고관성 회전체의 몸체 측면 둘레에 결합되어 상기 고관성 회전체를 회전시키는 항력 블레이드;
파이프 형상으로 형성되고 상부 통공으로 상기 고관성 회전체 하부 봉형기어가 결합되어 상기 고관성 회전체의 회전력을 전달받는 하부 회전 전달축;
상기 하부 회전 전달축의 하부 통공에 결합하여 하부 회전 전달축의 회전력을 전달받는 증속기 기어를 구비하여 상기 고관성 회전체의 회전력을 전달받아서 회전력을 증가시키는 증속기; 및
상기 증속기로부터 회전력을 전달받아서 발전하는 발전기를 포함하고,
상기 회전축은 상부의 직경이 작고 하부의 직경이 큰 2개의 직경을 가지도록 형성되고, 상기 회전축의 중공에는 양력디스크 분리핀이 삽입 결합되고, 상기 양력 디스크 분리핀은 상부의 직경이 작고 하부의 직경이 큰 2개의 직경을 가지도록 형성되고, 상기 회전축의 측면 둘레에는 설정 간격으로 관통홀이 길이방향으로 형성되고, 상기 관통홀에는 양력 디스크 스토퍼와 양력 디스크 스토퍼 스프링이 삽입되고, 상기 양력 디스크 분리핀은 큰 직경과 만나면 상기 양력 디스크 스토퍼가 관통홀 외측으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 양력 디스크가 부착된 고관성 회전체를 장착한 수직축 풍력 발전기. - 삭제
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|---|---|---|---|---|
| KR20190071094A (ko) | 2017-12-14 | 2019-06-24 | 연세대학교 산학협력단 | 풍력 발전 시스템을 위한 양력 발생 구조체 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20160129943A (ko) | 2016-11-10 |
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