KR101806380B1 - 풍력 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전 시스템에 대한 것으로서, 종래의 블레이드 방식의 수평축형 터빈, 수직축형 터빈 방식의 풍력 시스템 등과 달리 양력발생 디스크 구조를 이용하는 풍력 발전 시스템에 대한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수직 타워 기둥과, 상하 운동부를 포함하되, 상기 상하 운동부는 수직 타워 기둥을 둘러싸도록 내측에 중공부가 형성된 디스크 형상의 날개부를 포함함으로써, 양력에 의한 상승 또는 하강 운동 시의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템을 제공한다.

Description

풍력 발전 시스템{WIND POWER GENERATING SYSTEM}

본 발명은 풍력 발전 시스템에 대한 것으로서, 종래의 블레이드 방식의 수평축형 터빈, 수직축형 터빈 방식의 풍력 시스템 등과 달리 양력발생 디스크 구조를 이용하는 풍력 발전 시스템에 대한 것이다.

바람을 이용하여 전기에너지를 생산해내는 풍력 발전은 환경 오염을 발생시키지 않는 청정 에너지라는 점에서 지속적인 연구와 투자가 이루어지는 기술분야이다. 풍력 발전시스템은 자연을 이용하여 설비비용 대비 높은 발전 효율을 얻는 것과 풍력 발전시스템을 설치하기 위한 적절한 입지를 선정하는 것이 중요하고, 풍력 발전 장비의 효율적인 유지/관리시스템이 중요하다. 이러한 점을 개선 및 보완하기 위해 현재까지 다양한 종류와 구조의 풍력 발전 시스템이 개발되어 왔다.

도 1은 종래 기술에 따른 블레이드 방식의 수평축형 터빈을 이용한 풍력 발전 시스템에 대한 사시도이다. 도 2는 종래 기술에 따른 수직축형 풍력 발전 시스템에 대한 사시도이다. 도 3은 블레이드리스(bladeless) 방식의 터빈을 이용한 풍력 발전 시스템에 대한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 블레이드방식의 풍력 발전 시스템(1a)은 상당한 높이로 형성되는 타워(5), 대형 블레이드(3), 블레이드(3)가 장착되는 허브(2), 허브에 연결되어 전력을 생성하는 제너레이터 및 블레이드의 피치각을 조절하는 구동유닛(4) 등을 구비한다.

블레이드 방식은 풍력 발전 시스템에서 통상적으로 사용되어오는 방식으로서 기술난이가 높지 않아 초기 설계비 등이 적은 장점은 있지만, 회전자 소음이 크고 조류 충돌의 위험이 존재한다. 또한, 블레이드 정면으로 불어오는 정풍(正風)과 측면으로 불어오는 측풍(側風) 등 잦은 풍향 변화에 대응하기 위해 허브 안에 요잉(yawing)을 위한 베벨기어 등의 기계적으로 복잡한 구성요소가 필수라는 점에서 단점을 가진다. 또한, 풍력 발전 시스템을 설치시에는 풍력발전기를 집단적으로 설비하게 되는데 인접하는 풍력발전기 상호 간에 작용하는 후류로 인해 발전효율이 저하되는 문제도 발생할 수 있다. 무엇보다 풍력 발전 시스템 설치시에 안전성 및 입지 선정의 측면 등에서 많은 제약이 따른다는 점에서 문제가 있다.

도 2를 참조하면, 수직축형 방식의 풍력 발전 시스템(1b)은 블레이드 대신 중앙기둥(5b)을 중심으로 360도 회전하는 회전자(또는 날개, 3b) 및 받침대 등으로 구성된다.

수직축형 방식은 회전자에 가해지는 바람의 힘으로 중앙기둥이 함께 회전하면서, 교류발전기를 작동하여 전기를 생산하게 된다. 이는 블레이드의 움직임만으로 전력을 생산하고 요잉(yawing)을 위한 베벨기어 등의 구성요소가 구비될 필요가 없다는 점에서 블레이드 방식에 비해 개선된 방식이라 할 수 있다. 하지만, 여전히 회전에 의한 소음 문제, 조류 충돌의 위험 문제 등이 존재하며, 회전자의 회전과 함께 중앙기둥도 함께 회전하기 때문에 수평지지요소(6) 등과 같은 안전성 확보수단이 구비되어야 한다. 또한, 전술한 블레이드 방식과 같이 주민 수용성 측면에서 많은 문제가 있다.

도 3을 참조하면, 종래의 블레이드 방식에서 블레이드를 제거한 블레이드리스 방식의 신개념 풍력 발전 시스템(1c)이 도시되어 있다.

도 3에 도시된 시스템은 블레이드를 없애고, 블레이드 가동에 필요한 구성요소를 없앴다는 점에서 재료비 감소, 조류 충돌의 위험, 회전에 의한 소음문제 등을 저감시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이와 같은 방식은 진동방향이 일정하지 않아 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하기 위한 메커니즘이 복잡할 수 밖에 없고, 불안정한 와류가 발생하여 효율이 떨어질 수 있으며, 블레이드 방식의 풍력 발전시스템과 효율적인 측면을 대비할 때에도 그 발전효율이 현저히 떨어져 소형 풍력 발전시스템에 적합하고, 대형 풍력 발전 시스템에는 적합하지 않은 단점이 있다.

이하 본 발명에서는 상기한 문제를 해결하기 위한 신 개념의 풍력 발전시스템을 소개하고자 한다.

대한민국공개특허문헌 KR 10-2015-0074422 A 대한민국공개특허문헌 KR 10-2016-0009857 A 일본공개특허문헌 JP 2012-528271 A

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기존 타입의 풍력 발전기에서 발생하는 회전자 소음, 그림자 및 조류 충돌 등의 문제점을 제거하고 설치입지 제한에서 자유롭고, 주민 수용성 향상을 위한 신 개념 양력 발생 디스크 방식의 풍력 발전시스템을 개시하고자 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면 직립 고정된 수직 타워 기둥과, 상하 운동부를 포함하되, 상기 상하 운동부는 수직 타워 기둥을 둘러싸도록 내측에 중공부가 형성된 디스크 형상의 날개부를 포함하고, 상기 수직 타워 기둥의 길이방향을 따라 자유롭게 움직임이 가능하며, 상기 날개부에 작용하는 양력에 의한 상승 또는 하강 운동 시의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 것을 특징으로 하며, 상기 날개부를 지지하는 원통형의 슬리브를 더 포함하고, 상기 날개부와 슬리브 사이에 유체 유동을 위한 간극이 형성되고, 상기 날개부와 슬리브를 잇는 적어도 하나 이상의 연결부재가 형성되는 풍력 발전 시스템을 제공한다.

일 실시예에 따르면 상기 날개부의 수직 단면은, 상기 수직 타워 기둥의 중심축을 기준으로 최외곽 둘레를 이루는 전연(leading edge)과, 최내곽 둘레를 이루는 후연(trailing edge)을 잇는 가상의 시위선(chord line)을 갖는 에어포일 형상으로서, 하반면의 넓이보다 상반면의 넓이가 더 넓게 형성되는 비대칭 단면을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 상하 운동부는 복수 개 형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 상하 운동부를 탄성지지하는 탄성부재를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 탄성부재는 상기 상하 운동부의 하단을 지지하는 탄성부재와, 상기 상하 운동부의 상단을 지지하는 탄성부재를 포함하고, 상기 상하 운동부의 하단을 지지하는 탄성부재는 상하 운동부의 상단을 지지하는 탄성부재보다 더 높은 스프링 상수 를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 날개부의 표면에 적어도 하나 이상의 딤플이 형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면 운동에너지의 전기에너지로의 변환은 전자기유도 방식 또는 압전 방식 또는 slider-crank 방식을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 수직 타워 기둥 내부에, 상기 상하 운동부의 상승 또는 하강 운동과 동기하여 전기에너지를 생성하도록 마련된 메인 자성체가 마련되고, 상기 메인 자성체 주위로 코일이 배치될 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 메인 자성체를 지지하고, 상기 상하 운동부의 수직 운동을 가이드하는 가이드바를 더 포함하되, 상기 메인 자성체는 상기 가이드바의 상부와 하부에 각각 배치될 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 수직 타워 기둥 내부에, 상기 상하 운동부의 상승 또는 하강 운동과 동기하여 전기에너지를 생성하도록 마련된 메인 자성체와, 상기 메인 자성체에 대향하는 보조 자성체를 포함하되,

상기 보조 자성체는 메인 자성체와의 상호간에 척력을 형성하도록 다른 극성으로 대향되는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 보조 자성체 하부에 압전부가 배치될 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 날개부는, 상승 운동 중에 상기 날개부 수직단면의 상반면이 하반면의 넓이보다 더 넓고, 하강 운동 중에 상기 날개부 수직단면의 상반면이 하반면의 넓이보다 더 좁도록 가변되는 가변 날개부인 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 날개부는 시위선(chord line)와 타워의 중심축과 직교하는 가상의 평면이 이루는 사이각을 가변할 수 있도록 형성된 가변 날개부인 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 날개부의 미세동작을 인위적으로 조작 가능하도록 하는 제어부와 구동 엑츄에이터를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 날개부는 상기 날개부의 전연 둘레를 형성하는 제1링부재와, 상기 날개부의 후연 둘레를 형성하는 제2링부재 및 상기 제1링부재와 상기 제2링부재를 사이에 연결되는 캐노피(canopy)로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 캐노피는 유연한 재질로 형성되어 단면형상이 가변되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래의 풍력발전시스템의 회전자 소음, 풍력발전시스템 주위로 넓게 그림자가 드리우는 문제를 저감할 수 있고, 조류 충돌의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 양력을 받기 쉬운 디스크 형태의 구조의 상하 운동부를 구비함으로써 전 방향의 바람에 대응하여 발전이 가능하다. 이에 따라 종래 블레이드 방식과 같은 요잉(yawing)을 위한 구성요소를 구비하지 않게됨으로써 공간효율성을 증대시킬 수 있고, 설비비용도 줄일 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상하 진동 가능한 구조를 갖게 되므로 잦은 풍향변화에도 지속적인 풍력발전이 가능할 뿐만 아니라, 블레이드형 발전기에 비하여 후류가 적어 밀집된 풍력 단지를 설계하기도 용이하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 진동의 방향이 일정하기 때문에 기존의 Bladeless형 에너지 변환 장치에 비해 기계적 메커니즘 구조가 단순하다.

종래기술의 풍력발전시스템에서는 발전량 증가를 위해 로터의 대형화가 필수적이었고, 이에 따라 타워의 크기가 증가하여 주민 수용성이 매우 떨어진다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 디스크 거동에 요구되는 공간이 적어 기존 풍력발전시스템의 높은 타워형 구조에 비해 낮은 높이의 설계가 가능하여 설치에 대한 제약이 적다. 이에 따라 종래기술의 풍력발전시스템에 비해 주민수용성도 개선되는 효과가 있다.

*도 1은 종래 기술에 따른 블레이드 방식의 수평축형 터빈을 이용한 풍력 발전 시스템에 대한 사시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 수직축형 풍력 발전 시스템에 대한 사시도이다.
도 3은 블레이드리스(bladeless) 방식의 터빈을 이용한 풍력 발전 시스템에 대한 사시도이다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기에 대한 상면 사시도이다.
도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기에 대한 하면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 날개부의 양력발생 원리를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 날개부의 수직단면을 나타내는 도면이다.
도 7(a)에는 날개부와 수직 타워 기둥이 형성된 본 발명 풍력발전기의 개념사시도가 도시되어 있다.
도 7(b)에는 풍력발전기에 바람 인가시 날개부 주변의 유속을 나타내는 시뮬레이션 도면이 도시되어 있다.
도 8은 도 7을 확대한 확대단면도로서 날개부와 날개부 주변의 유속을 나타내는 시뮬레이션 도면이 도시되어 있다.
도 9는 도 8의 상면도와 하면도로서 날개부 표면의 압력분포를 나타내는 시뮬레이션 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전 시스템에 대한 사시도이다.
도 11은 도 10의 풍력발전기의 작동 원리를 나타내는 도면이다.
도 12는 전자기 유도 방식의 풍력 발전 시스템에 대한 내부 모습을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 슬릿구조를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 12의 동작원리를 나타내는 도면이다.
도 15는 전자기 유도 방식의 풍력 발전 시스템에 대한 다른 실시례를 나타내는 도면이다.
도 16은 압전 방식의 풍력 발전 시스템에 대한 내부 모습을 나타내는 도면이다.
도 17은 도 16의 동작원리를 나타내는 도면이다.
도 18은 캐노피가 적용된 날개부를 이용한 풍력 발전 시스템에 대한 도면이다.
도 19는 도 18의 날개부가 상승하는 원리를 나타내는 도면이다.
도 20은 도 18의 날개부가 하강하는 원리를 나타내는 도면이다.

이하 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로서 이에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

그리고 여기서의 "연결"이란 일 부재와 타 부재의 직접적인 연결, 간접적인 연결을 포함하며, 접착, 부착, 체결, 접합, 결합 등 모든 물리적인 연결 또는 전기적인 연결을 의미할 수 있다.

보다 구체적으로 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서 전체에서 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현이나 도면에 표현된 '1,100,200' 등과 같은 도면부호는 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.

아래의 설명에서 Z축(수직방향)은 수직 타워 기둥의 길이 방향과 평행한 방향을 의미할 수 있다. X축(수평방향)은 Z축과 직교하며 수직타워 기둥의 수평 단면과 평행한 방향을 의미할 수 있다. Y축(수평방향)은 Z축 및 X과 각각 직교하며 수직타워 기둥의 수평단면과 평행한 방향을 의미할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기에 대한 사시도이다. 구체적으로, 도 4(a)는 풍력발전기의 상면 사시도를 나타내고, 도 4(b)는 풍력발전기의 하면 사시도를 나타낸다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 날개부의 양력발생 원리를 나타내는 도면이다. 도 6은 본 발명의 날개부의 수직단면을 나타내는 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기는 수직 타워 기둥(200)과, 상하 운동부(10)를 포함할 수 있다. 여기서 상하 운동부(10)는 상기 수직 타워 기둥(200)을 둘러싸도록 내측에 중공부(h)가 형성된 디스크 형상의 날개부(100)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상하 운동부(10)는 수직 타워 기둥(200)을 따라 위/아래로 진동하는 부분으로서 바람에 의해 기계적인 운동 에너지를 획득한다. 상하 운동부(10)는 그 구성으로서 양력발생을 위해 디스크 구조로 형성된 날개부(100)와 이를 지지하는 원통형의 슬리브(110) 및 상기 날개부(100)와 슬리브(110)를 연결하는 연결부재(120)를 포함할 수 있다.

구체적으로 날개부(100)는 상면에서 보아 원형의 디스크 형상을 가지고, 중앙부에는 중공부(h)가 형성되어 수직 타워 기둥(200)에 끼워지게 된다. 그리고 도 5에 도시된 바와 같이 날개부(100)의 중심부 측은 다소 오목하게 형성되어 전체적으로 접시 모양을 형성할 수 있다. 그리고 날개부(100)의 중심부를 기준으로 전후(X축과 평행한 방향), 좌우(Y축과 평행한 방향)로 대칭인 형상을 갖을 수 있다.

본 발명에서 날개부(100)는 수직 단면이 유선형의 에어포일(airfoil, 익형) 형상으로 형성되어 양력에 의한 상승 또는 하강 운동하는 것을 주요 기술적 특징으로 한다. 따라서 본 발명의 풍력발전기는 양력에 의한 상승 또는 하강 운동 시의 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있게 된다. 참고로, 여기서 수직 단면은 Z방향과 평행한 단면을 의미할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 날개부(100)의 표면에는 적어도 하나 이상의 딤플(103)을 형성할 수 있다. 날개부(100)의 전연(또는 앞전, leading edge)과 후연(또는 뒷전, trailing edge)을 잇는 곡선 구간에 소정 크기의 딤플을 형성하여 후류에 의한 유동박리(flow separation)를 제어할 수 있다. 딤플은 대체로 날개부(100)의 원주방향을 따라 방사상으로 일정간격마다 형성되는 것이 바람직하되, 그 개수와 위치는 제한되지 않는다.

본 발명에서 날개부(100)의 최대 두께(maximum thickness), 캠버(camber), 앞전 반지름(leading edge radius), 시위선(chord line)의 길이 등의 구체적인 형상은 실시예에 따라 달라질 수 있으며, 최적설계방식을 통해 높은 효율의 양력을 발생시킬 수 있는 구조로서 성형되는 것이 바람직하다. 이 때는 받음각(angle of attack)등의 공기역학적 요인을 충분히 고려하여야 한다.

구체적으로 도 7 내지 9을 참조하여 본 발명의 양력발생 원리에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 7(a)에는 날개부와 수직 타워 기둥이 형성된 본 발명 풍력발전기의 개념사시도가 도시되어 있다. 도 7(b)에는 풍력발전기에 바람 인가시 날개부 주변의 유속을 나타내는 시뮬레이션 도면이 도시되어 있다. 도 8은 도 7을 확대한 확대단면도로서 날개부와 날개부 주변의 유속을 나타내는 시뮬레이션 도면이 도시되어 있다. 도 9는 도 8의 상면도와 하면도로서 날개부 표면의 압력분포를 나타내는 시뮬레이션 도면이다.

본 발명 풍력발전기에 바람이 인가되면 날개부(100) 주변의 공기 유속은 불균일해진다. 구체적으로, 에어포일 형상의 날개부(100)의 아랫쪽은 거의 평평하므로 공기 입자의 흐름이 느리게 형성되지만, 날개부(100) 위쪽은 곡선으로 형성되어 공기 흐름이 빨라진다. 베르누이의 정리(Principle of Bernoulli)에 따라 날개부(100) 아래쪽의 압력은 높아지고 날개부 위쪽의 압력은 낮아지므로 상승하는 힘인 양력이 발생하게 된다.

이러한 원리는 도 8 내지 도 9의 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다. 일 방향에서 불어오는 유동을 가정할 때, 바람과 최초 접촉하는 도 8(a)의 날개부 주변에 소정크기의 유속의 차가 발생하여 날개부는 양력을 받는다. 한편, 도 8(b)는 도 8(a)의 날개부와 180도 각도로 이격된 부분의 날개부 단면 주변 유동을 나타내는데, 여기서는 후류에 의한 영향으로 인해 도 8(a)의 날개부와 비교했을 때, 유속의 불균일성이 더욱 도드라지는 양상을 띈다.

날개부 주변의 유속차는 도 9에 도시된 바와 같이 날개부 상면과 하면 간의 압력 차이를 발생시키게 되고, 이로 인해 날개부에는 양력이 발생하게 된다. 도 8(b)에 도시된 것처럼 후류의 영향을 받는 날개부 주변(특히, stagnation point 기준)의 더욱 큰 유속차는 날개부 상면과 하면 간의 압력 차를 더욱 크게 발생시키는 원인이 되고, 이로 인해 날개부에는 더욱 큰 양력이 발생하게 된다.

한편, 본 발명의 상하 운동부(10)는 복수 개 형성될 수 있다. 상하 운동부(10)가 복수 개 형성되면, 그 구성요소인 날개부(100), 슬리브(110) 및 후술하는 연결부재(120) 또한 그에 대응하여 복수 개 형성될 수 있다.

도 4를 다시 참조하면, 상하 운동부(10)의 하나의 구성요소인 날개부(100)가 제1날개부(100a), 제2날개부(100b)의 두 개의 날개부(100)를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 실시예에 따라 수직 타워 기둥(200)의 길이 방향으로 제3날개부, 제4날개부, ... , 제n날개부(n: 자연수)가 마련될 수도 있다. 일반적으로 한 개의 날개부(100)를 구비하였을 때의 발전량에 비해 복수 개의 날개부(100)를 구비하였을 때의 발전량이 많으므로 많은 개수의 날개부(100)를 구비함이 바람직하나, 전기 수요처의 전력요구량이나 설치환경, 자연환경, 설비비용 등의 각종 요인을 고려하여 적절한 개수의 날개부(100)를 설치할 수 있다.

상하 운동부(10)가 복수 개 구비되는 경우에는 상하 운동부(10) 마다 서로 독립적으로 구동하여 전기에너지를 생산할 수 있다. 예를 들어, 하나의 상하 운동부(10)에 정풍(正風)이 불고, 다른 하나의 상하 운동부(10)에 측풍(側風)이 부는 경우에는 각 방향의 바람에 대하여 각 상하 운동부(10) 마다 독립적인 대응구동이 가능하다.

한편, 도 4를 다시 참조하면, 본 발명의 풍력발전기는 날개부(100)를 지지하는 원통형의 슬리브(110)와 상기 슬리브(110)를 탄성지지하는 탄성부재(300)를 포함할 수 있다. 슬리브(110)는 날개부(100)의 후연(trailing edge)를 지지하게 되는데, 여기서의 슬리브(110)는 탄성부재(300)에 의해 탄성지지되어 수직 타워 기둥(200)을 따라 상/하 방향 승강 운동할 수 있게 된다. 여기서 슬리브(110)의 치수(높이, 길이 등)는 특정한 수치를 갖도록 한정되지 않고 날개부(100)를 안정적으로 지지할 수 있기만 하면 족하다.

본 발명의 풍력발전시스템은 상하 운동부(10)를 포함함으로써 Z축 방향으로 자유롭게 진동하도록 설계될 수 있는데, 일 실시예에 따라 탄성부재(300)를 더 포함함으로써 작은 양력(힘)에도 잘 진동할 수 있게 된다.

그리고, 종래기술에 따른 풍력발전시스템은 바람이 불규칙적으로 형성될 경우 발전 효율이 일정치 않게 되어 바람직하지 않지만, 본 발명의 풍력발전시스템은 바람이 불규칙하게 불어 상하 운동부(10)에 인가되는 양력이 불규칙적으로 발생할 경우에 오히려 상하 방향 진동이 더욱 자유로워질 수 있는데, 여기에 탄성부재(300)를 더 구비함으로써, 탄성 복원력에 의한 진동을 촉진시켜 더욱 높은 발전효율을 얻을 수도 있게 된다.

탄성부재(300)는 상하 운동부(10)를 지지하는 구성요소로서 수직 타워 기둥(200)의 길이방향을 따라 형성된다. 상하 운동부(10)의 상단과 하단을 각각 지지하도록 배치될 수 있으며, 상하 운동부(10)의 상/하 방향 진동을 견고히 지지하기 위해 적절한 스프링상수(k)를 갖도록 형성된다. 여기서의 탄성부재(300)는 압축/코일 스프링 또는 나선형 스프링이 선택될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상하 운동부(10)가 슬리브(110)를 포함하는 경우에 탄성부재(300)는 슬리브(110)를 지지하도록 형성될 수 있으며, 상하 운동부(10)가 슬리브(110)를 포함하지 않는 경우에는 날개부(100)의 후연부분을 지지하도록 형성될 수 있다.

바람이 불어 윗방향 양력이 발생하여 날개부(100)가 상승 운동하게 되면, 상하 운동부(10)의 상단을 지지하는 탄성부재(300)는 압축되고, 상하 운동부(10) 하단을 지지하는 탄성부재(300)는 인장된다. 반대로 양력이 줄어들면 탄성부재(300)의 복원력에 의해 날개부(100)가 하강 운동을 하게 된다.

경우에 따라 아랫방향 바람이 많이 불면 상하 운동부(10) 상단을 지지하는 탄성부재(300)는 인장되고, 상하 운동부(10) 하단을 지지하는 탄성부재(300)는 압축될 수도 있다. 이때, 상하 운동부(10) 하단을 지지하는 탄성부재(300)는 날개부(100)의 자중을 비롯한 각종 하중이 상하 운동부(10) 상단을 지지하는 탄성부재(300)보다 더 크게 작용하므로, 상하 운동부(10) 하단을 지지하는 탄성부재는 상하 운동부(10)의 상단을 지지하는 탄성부재(300)보다 더 높은 스프링 상수를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

한편, 도면 4을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬리브(110)와 탄성부재(300)는 타워 외부에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 기밀성 확보를 위하여 도면에 도시된 바와 달리 슬리브(110)와 탄성부재(300)가 타워 내부에 배치될 수도 있다.

또한, 복수의 상하 운동부(10)가 형성될 때, 슬리브(110)는 단일의 슬리브(110)일 수 있고 복수의 슬리브(110)일 수도 있다. 예를 들어, 복수의 날개부(100)와 모두 연결되는 단일의 슬리브(110)가 선택될 수 있고, 복수의 날개부(100) 각각에 연결되며 서로 분리되는 복수 개의 슬리브(110)가 선택될 수 있다.

다음으로 도 10과 도 11을 참조로 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기에 대해 설명하기로 한다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전 시스템에 대한 사시도이다. 도 11은 도 10의 풍력발전기의 작동 원리를 나타내는 도면이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기는 날개부(100)와 슬리브(110) 사이에 유체 유동을 위한 간극이 형성되고, 상기 날개부(100)와 슬리브(110)를 잇는 적어도 하나 이상의 연결부재(120)가 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서 유체 유동을 위한 간극은 날개부(100)와 슬리브(110) 사이에 형성되는 공간으로서, 날개부(100)의 상하 운동 시 양력발생의 효율을 높이기 위해 마련될 수 있다. 연결부재(120)는 날개부(100)의 후연(trailing edge)과 슬리브(110)를 연결하는 구성요소에 해당하며, 적어도 하나 이상의 연결부재(120)가 구비될 수 있다. 복수 개의 연결부재(120)가 구비될 경우에는 수직 타워 기둥(200)의 중심축을 기준으로 방사상 동일한 간격으로 떨어져 배치되는 것이 바람직하며, 공기의 흐름이 방해되지 않도록 나선 또는 유선형으로 배치되는 것이 바람직하다. 뿐만 아니라, 연결부재(120)의 단면 형상도 양력을 고려하여 에어포일(airfoil) 형상으로 형성할 수도 있다.

도 11에는 본 실시예에 따른 풍력발전기의 상승/하강 운동의 원리가 도시되어 있다. 전술했던 실시예와 동일한 원리로서 바람이 불어 윗방향 양력이 발생하여 날개부(100)가 상승 운동하게 되면, 슬리브(110)의 상단을 지지하는 탄성부재(300a)는 압축되고, 슬리브(110)의 하단을 지지하는 탄성부재(300b)는 인장된다. 반대로 양력이 줄어들면 탄성부재(300)의 복원력에 의해 날개부(100)는 하강 운동하게 된다.

경우에 따라 아랫방향 바람이 많이 불면 슬리브(110) 상단을 지지하는 탄성부재(300a)는 인장되고, 슬리브(110) 하단을 지지하는 탄성부재(300b)는 압축될 수도 있다. 본 실시예에서는 전술했던 실시예와 달리 날개부(100)와 슬리브(110) 사이에 간극이 형성되어 발생되는 양력이 더욱 크게 작용할 수 있으므로 탄성부재(300)의 압축/인장 거리는 전술했던 실시예에 비해 더욱 크게 형성될 수 있다.

다음으로, 도 12 내지 도 17을 참조하여 기계적(역학적) 에너지의 전기적 에너지로의 변환 메커니즘에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에서의 에너지 변환 메커니즘은 전자기 유도 방식 또는 압전 방식을 이용할 수 있다. 여기서 전자기 유도 방식 또는 압전 방식은 linear-type 발전메커니즘이라 볼 수 있다.

도 12는 전자기 유도 방식의 풍력 발전 시스템에 대한 내부 모습을 나타내는 도면이다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 슬릿구조를 나타내는 도면이다. 도 14는 도 12의 동작원리를 나타내는 도면이다. 도 15는 전자기 유도 방식의 풍력 발전 시스템에 대한 다른 실시례를 나타내는 도면이다. 도 16은 압전 방식의 풍력 발전 시스템에 대한 내부 모습을 나타내는 도면이다. 도 17은 도 16의 동작원리를 나타내는 도면이다.

먼저, 도 12를 참조하면, 수직 타워 기둥(200) 내부에 상하 운동부(10)의 상승 또는 하강 운동과 동기하여 전기에너지를 생성하도록 마련된 메인 자성체(112)가 마련되고, 상기 메인 자성체(112) 주위로 코일(210)이 배치될 수 있다.

메인 자성체(112)는 가이드바(111)에 지지되어 수직방향으로 연장 형성될 수 있으며, 코일(210)은 수직 타워 기둥(200) 내벽에 고정되어 메인 자성체(112)를 둘러싸도록 설치될 수 있다. 메인 자성체(112)의 연장방향은 도 12에 아랫방향으로 형성되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 12와 도 13을 참조하면 가이드바(111)는 수직 타워 기둥(200) 내부에서 상/하 방향 이동 가능하도록 마련되는 구성요소로서 일단과 타단이 수직 타워 기둥(200)의 일측에 마련된 슬릿(201)에 삽입되어 날개부(100)에 직접 연결되거나 슬리브(110)를 매개로 날개부(100)에 간접적으로 연결될 수 있다. 일 실시예에 따른 슬릿(201)과 가이드바(111)는 렉과 피니언 구조로 이루어지거나 슬릿(201)의 내주면이 레일(rail)구조로 형성되고, 가이드바(111)는 이에 대응하는 형상으로 이루어지는 등 상하 운동부(10)가 원활히 진동할 수 있도록 하는 다양한 실시예가 적용될 수 있다.

상하 운동부(10)의 수직방향 상승 또는 하강 운동에 대응하여 가이드바(111)도 상승 또는 하강 운동하게 되며, 이에 따라 메인 자성체(112)가 상승 또는 하강 운동하게 된다. 이때, 메인 자성체(112) 주위로 코일(210)이 권선 배치되어 있어 메인 자성체(112)와 코일(210) 간의 상대적인 위치 변화로 인해 전자기 유도가 발생하게 되며, 코일(210)에 연결된 전기회로(circuit)를 따라 유도된 전력을 집전할 수 있게 된다.

전자기 유도 방식의 원리는 도 14에 도시되어 있다. 메인 자성체(112)가 권선된 코일 중심으로 전진 또는 후퇴할 때, 코일에는 유도 전류가 발생하며 이를 이용하여 전기에너지를 축적할 수 있게 된다.

한편, 도 12에 도시된 바와 같이 타워의 하단부에는 보조 자성체(220)를 구비할 수 있다. 보조 자성체(220)는 상기 메인 자성체(112)의 극성과 다른 극성을 갖도록 한다. 예컨대 메인 자성체(112)의 N극이 보조 자성체(220)에 대향하고 있으면 보조 자성체(220)도 N극이 상향이 되도록 하여 메인 자성체(112)를 대향하도록 한다. 또는 메인 자성체(112)의 S극이 보조 자성체(220)에 대향하고 있으면 보조 자성체(220)도 S극이 상향이 되도록 하여 메인 자성체(112)를 대향하도록 한다. 이 두 개의 자성체 상호 간에는 척력이 작용하므로 메인 자성체(112)가 하강 시 보조 자성체(220)에 충돌하는 것을 방지할 수 있다. 여기서 메인 자성체(112)와 보조 자성체(220)는 안정성 측면에서 수직 타워의 축방향과 동심의 축을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

도 15에 도시된 풍력 발전기는 상하 운동부(10)에 메인 자성체(112)를 2개 구비하여, 하나의 메인 자성체(112)는 가이드바(111)의 하부에 연결하고, 다른 하나의 메인 자성체(112)는 가이드바(111)의 상부에 연결하는 구성으로서, 도 12의 풍력 발전기에 비해 발전 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기의 작동원리는 다음과 같다.

도 16와 도 17을 함께 참조하면, 메인 자성체(112)와 보조 자성체(220)가 마련되어 있고, 보조 자성체(220) 하부에 압전부(230)가 배치될 수 있다. 구체적으로 압전부(230)는 압전소자(231)와 전극(232, 233)으로 구성될 수 있고, 보다 구체적으로 여기의 압전소자(231)는 벌크 압전체 또는 압전 스프링 등의 압전물질이 해당될 수 있다. 특히, 두께 방향의 변형에 대하여 상, 하면이 서로 전기적 포텐셜 차이를 갖는 압전체를 선정할 수 있다.

메인 자성체(112)가 하강하면, 보조 자성체(220)에는 척력에 의해 아랫방향을 누르는 힘이 작용하게 되고, 이 아랫방향 누르는 힘은 압전부(230)에 전달된다. 이때, 압전소자(231)는 두께 방향으로 변형이 생기게 되고, 두께 방향의 변형으로 인한 전기적 포텐셜로 인해 전극(232, 233) 양자 사이에 전류가 흐른다. 이때, 발생한 전류를 집전하여 전기에너지를 축적할 수 있다.

메인 자성체(112)가 상승할 때는 보조 자성체(220)에 작용하는 아랫방향 누르는 힘이 감소하게 되는데, 이러한 힘의 변화는 압전소자(231)의 두께 방향의 변형을 야기하게 되고, 두께 방향의 변형으로 인한 전기적 포텐셜로 인해 전극(232, 233)양자 사이에 전류가 흐른다. 이때의 전류의 흐름은 메인 자성체(112)의 하강 시의 전류 흐름과 반대 방향의 흐름을 가진다.

상기와 같은 발전 메커니즘을 통해 본 발명의 풍력발전기는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있게 된다.

다만, 경우에 따라선 linear-type 발전메커니즘이 아닌 기존의 블레이드형 풍력발전기와 같이 rotary-type 발전메커니즘도 적용 가능하다. 예컨대, Slider-crank 메커니즘 등을 활용해 직선 운동을 한 방향의 회전 운동으로 변환할 경우 기존과 동일한 형태로의 발전이 가능하여 종래기술의 풍력 발전시스템과 기술적 호환도 가능하다.

마지막으로 본 발명 풍력발전기의 몇 가지 실시예에 대해 추가적으로 설명하기로 한다.

본 발명의 날개부(100)는 상승 운동 중에 상기 날개부 수직단면의 상반면이 하반면의 넓이보다 더 넓고, 하강 운동 중에 상기 날개부 수직단면의 상반면이 하반면의 넓이보다 더 좁도록 가변되는 가변 날개부가 해당될 수 있다. 즉, 날개부(100)의 에어포일 형상이 고정되는 것이 아니라 가변될 수 있는데, 상승 시 양력 메커니즘에 비해 다소 약할 수 있는 하강 시 양력 메커니즘을 보완하기 위한 장치이다. 이와 같은 실시례의 구현은 날개부(100)를 다수의 조각(piece)형태로 구성하고, 다수의 조각이 날개부(100) 주변의 유동 흐름에 대응하여 가장 최적의 형태로 변형되도록 설정함으로써 구현될 수 있다.

다른 실시예에 따른 날개부(100)는, 날개부(100)의 시위선(chord line)과 타워(200)의 중심축과 직교하는 가상의 평면이 이루는 사이각(a)을 가변할 수 있도록 형성될 수 있다. 여기서 사이각(a)은 도 12에 도시된 사이각(a)을 의미할 수 있다. 풍력발전기에 인가되는 바람의 풍질, 풍향에 따라 가장 최적의 양력이 발생하는 받음각(angle of attack)을 형성할 수 있도록 조절 가능하다. 이와 같은 실시례의 구현 또한 날개부(100)를 다수의 조각(piece)형태로 구성하거나, 날개부(100)의 후연(trailing edge)과 연결되는 연결프레임(120)의 각도를 변경시킴으로써 가능하다.

이를 위해 본 발명의 풍력발전기는 날개부(100)의 미세동작을 인위적으로 조작 가능하도록 하는 제어부(미도시)와 구동 엑츄에이터(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 이와 같은 실시예는 상기한 제어 동작을 위해 소모되는 전기에너지와 발전량을 비교하여 발전량이 더 클 때만 수행될 수 있도록 설정될 수도 있다.

도 18 내지 도 20을 참조하여 가변 날개부의 다른 일 례를 설명한다.

도 18은 캐노피가 적용된 날개부를 이용한 풍력 발전 시스템에 대한 도면이다. 도 19는 도 18의 날개부가 상승하는 원리를 나타내는 도면이다. 도 20은 도 18의 날개부가 하강하는 원리를 나타내는 도면이다.

날개부(100)는 도 18에 도시된 바와 같이 디스크의 외경을 이루는 제1링부재(501)과 디스크의 내경을 이루는 제2링부재(502) 및 상기 제1링부재(501)와 제2링부재(502)를 잇는 캐노피(503, canopy) 구조로 이루어질 수 있다. 여기서 제2링부재(502)는 가이드바(111) 또는 슬리브(110) 또는 연결부재(120)와 견고하게 연결되어 지지된다.

캐노피(503)는 예컨대, 나일론과 같은 유연한 재질로 구성될 수 있다. 풍력발전기 주위로 상승 기류가 형성되면 캐노피(503)가 부풀어 상승함으로써 양력을 받을 수 있다. 양력이 약해지면 캐노피(503)가 원상태로 복원될 수 있고, 풍력발전기 주위로 하강 기류가 형성되면 캐노피(503)가 부풀어 하강함으로써 양력을 받을 수도 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

*본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 위와 같은 실시례를 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있을 것이다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 상하 운동부
100 : 날개부
101 : 앞전(leading edge)
102 : 뒷전(trailing edge)
103 : 딤플
110 : 슬리브
111 : 가이드바
112 : 메인 자성체
200 : 수직 타워
210 : 코일
220 : 보조 자성체

Claims (16)

1. 직립 고정된 수직 타워 기둥과,
   상하 운동부를 포함하되,
   상기 상하 운동부는 수직 타워 기둥을 둘러싸도록 내측에 중공부가 형성된 디스크 형상의 날개부를 포함하고, 상기 수직 타워 기둥의 길이방향을 따라 자유롭게 움직임이 가능하며,
   상기 날개부에 작용하는 양력에 의한 상승 또는 하강 운동 시의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 것을 특징으로 하며,
   상기 날개부를 지지하는 원통형의 슬리브를 더 포함하고,
   상기 날개부와 슬리브 사이에 유체 유동을 위한 간극이 형성되고, 상기 날개부와 슬리브를 잇는 적어도 하나 이상의 연결부재가 형성되는 풍력 발전 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 날개부의 수직 단면은,
   상기 수직 타워 기둥의 중심축을 기준으로 최외곽 둘레를 이루는 전연(leading edge)과, 최내곽 둘레를 이루는 후연(trailing edge)을 잇는 가상의 시위선(chord line)을 갖는 에어포일 형상으로서, 하반면의 넓이보다 상반면의 넓이가 더 넓게 형성되는 비대칭 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 상하 운동부는 복수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 상하 운동부를 탄성지지하는 탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 탄성부재는 상기 상하 운동부의 하단을 지지하는 탄성부재와, 상기 상하 운동부의 상단을 지지하는 탄성부재를 포함하고,
   상기 상하 운동부의 하단을 지지하는 탄성부재는 상하 운동부의 상단을 지지하는 탄성부재보다 더 높은 스프링 상수를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 날개부의 표면에 적어도 하나 이상의 딤플이 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
   
7. 제1항에 있어서,
   운동에너지의 전기에너지로의 변환은 전자기유도 방식 또는 압전 방식 또는 slider-crank 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 수직 타워 기둥 내부에,
   상기 상하 운동부의 상승 또는 하강 운동과 동기하여 전기에너지를 생성하도록 마련된 메인 자성체가 마련되고, 상기 메인 자성체 주위로 코일이 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 메인 자성체를 지지하고, 상기 상하 운동부의 수직 운동을 가이드하는 가이드바를 더 포함하되,
   상기 메인 자성체는 상기 가이드바의 상부와 하부에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 수직 타워 기둥 내부에,
    상기 상하 운동부의 상승 또는 하강 운동과 동기하여 전기에너지를 생성하도록 마련된 메인 자성체와, 상기 메인 자성체에 대향하는 보조 자성체를 포함하되,
    상기 보조 자성체는 메인 자성체와의 상호간에 척력을 형성하도록 다른 극성으로 대향되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 보조 자성체 하부에 압전부가 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 날개부는,
    상승 운동 중에 상기 날개부 수직단면의 상반면이 하반면의 넓이보다 더 넓고,
    하강 운동 중에 상기 날개부 수직단면의 상반면이 하반면의 넓이보다 더 좁도록 가변되는 가변 날개부인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 날개부는,
    시위선(chord line)와 타워의 중심축과 직교하는 가상의 평면이 이루는 사이각을 가변할 수 있도록 형성된 가변 날개부인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
    
14. 제1항에 있어서,
    상기 날개부의 미세동작을 인위적으로 조작 가능하도록 하는 제어부와 구동 엑츄에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
    
15. 제1항에 있어서,
    상기 날개부는 상기 날개부의 전연 둘레를 형성하는 제1링부재와, 상기 날개부의 후연 둘레를 형성하는 제2링부재 및 상기 제1링부재와 상기 제2링부재 사이에 연결되는 캐노피(canopy)로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
    
16. 제15항에 있어서,
    상기 캐노피는 유연한 재질로 형성되어 단면형상이 가변되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
    

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